WCDMA系统原理.ppt
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1、WCDMA系统原理系统原理 济宁移动公司3GWCDMA学习资料pWCDMAWCDMA系统概述系统概述pWCDMA系统原理pWCDMA系统的容量pWCDMA系统承载的业务pWCDMA系统的关键技术p扩频与调制过程p码分多址中的码 济宁移动公司3GWCDMA学习资料p什么是3G?p系统性能特征:室内环境支持2Mbps速率的数据通信,步行移动速度时支持384kbps的通信速率,高速移动时支持144kbps的通信速率。p业务性能特征:支持综合(混合)业务接入,支持可变速率的数据通信,可以实现永远在线上网,真正实现移动因特网功能。济宁移动公司3GWCDMA学习资料p二、WCDMA系统的技术特点 WCDM
2、A系统最根本的实质是功率,资源是动态统计复用的,系统最根本的实质是功率,资源是动态统计复用的,是一个自干扰系统,任何不需要的功率不能发射!是一个自干扰系统,任何不需要的功率不能发射!p双向采用快速闭环功率控制技术补偿衰落,抗快衰落效果好。p双向采用导频进行相干解调,解调增益高。p采用发射、接收分集技术,大大提高抗衰落效果。p码片速率高(3.84cMps),raker 接收(频率分集)效果更好,多径传播路径差仅78米就可以分集接收。济宁移动公司3GWCDMA学习资料p采用编码增益高的信道编码技术(卷积编译码和Turbo编译码)。p可以进行软切换(宏分集)、更软切换(Node B内部小区间的切换)
3、、频间硬切换、系统间的硬切换。p支持高速数据传输,在快速移动环境支持高达144kbps速率,在步行环境支持384kbps的速率,室内支持高达2Mbps的速率。济宁移动公司3GWCDMA学习资料p与CDMA2000-1X相比,由于CDMA2000的码片速率是1.2288cMps,Raker接收的分辨率(多径传播路径差)为244米,因而WCDMA系统的潜在性能更好(可利用的多径传播路径差是78米)。pWCDMA采用频分多址(FDD)工作方式,工作频率是:上行1920MHz到1980MHz,下行是2110MHz到2170MHz。收发频率间隔190MHz。p采用先进的无线资源管理算法以保证不同比特速率
4、的混合(综合)业务的服务质量(QoS),并使系统吞吐容量最大。p与只能提供单一话音业务的第二代系统相比,第三代移动通信系统具有宽带宽带(高速高速)、混合业务混合业务、可变速率可变速率的特点。济宁移动公司3GWCDMA学习资料p三、WCDMA系统组成(R99)RNS无线接入网系统RNCCNNode B nNode B1Node B2UE UE UE Iu接口Iub接口Uu接口RNSPSTN和Internet等Iur接口 济宁移动公司3GWCDMA学习资料pUMTS(通用移动通信系统)由CN(核心网)、UTRAN(无线接入网)和UE(用户设备)三部分组成,各个部分由接口连接.pRNS(无线网络子系
5、统)由一个RNC(无线网络控制器)和多个Node B组成,一个Node B可以包括1个、3个或6个小区(cell,即扇区)。pUTRAN又由多个RNS组成。p即WCDMA系统由CN、UTRAN、UE等三大部分组成。济宁移动公司3GWCDMA学习资料pCN通过Tu接口与UTRAN相连;pUTRAN与UE的空中接口是Uu接口。Iu接口Uu口UEUTRANCN 济宁移动公司3GWCDMA学习资料pWCDMA系统概述pWCDMAWCDMA系统原理系统原理pWCDMA系统的容量pWCDMA系统承载的业务pWCDMA系统的关键技术p扩频与调制过程p码分多址中的码 济宁移动公司3GWCDMA学习资料p第二篇
6、 WCDMA系统原理p一、移动无线信道的特点p移动通信与固定的无线通信有很大的不同:接收机是移动的,天线接收到的电波场强有着严重的衰落和相当大的多径时延,以及多卜勒频移。济宁移动公司3GWCDMA学习资料p多径示意图d1d2tttd3 济宁移动公司3GWCDMA学习资料p二、WCDMA系统的原理pWCDMA系统是一个FDD直接序列扩频系统,码片速率3.84cMps。p扩频的理论基础:由Shanon 定理C=Wlog2(1+S/N)可知,在信道容量一定情况下,通信带宽W与信噪比S/N可以互换。即通过扩展频带使信噪比降低。p扩频通信的特点:抗干扰能力强、隐蔽性好(信号频谱密度低于白噪声的)、抗衰落
7、、抗多径干扰、可以实现码分多址通信;济宁移动公司3GWCDMA学习资料p但是存在远近效应,即由于CDMA是同频接收系统,造成弱信号淹没在强信号中,从而使得弱信号部分无法正常工作。p扩频定义与处理增益:将信源信号带宽扩展若干倍。扩频信号在接收端进行解扩即可恢复信号,解扩过程是一个相关处理过程。扩展倍数越多,处理增益越高,抗干扰能力越强。处理增益定义:PG=Wc/R,其中Wc是码片速率,R是信息速率。一般用dB表示:PG=10log10(Wc/R)济宁移动公司3GWCDMA学习资料pCDMA系统:CDMA系统在一个频率、相同时间内,以不同扩频码进行多址通信的系统。与FDMA、TDMA、SDMA系统
8、不同,CDMA系统的信道是码信道,任何时候,各个信道的频谱叠加在一起,CDMA系统是一个自干扰系统,任何一个CDMA系统接收机接收的信号是各个码信道的信号之和:Stotal(t)=A1S1(t)PN1PR1+A2S2(t)PN2PR2+A3S3(t)PN3PR3+.济宁移动公司3GWCDMA学习资料p其中PN1是第一个用户的扩频码序列,PR1是第一个用户的扰码序列。在WCDMA系统中,在一个小区中,下行使用同一个扰码,用户身份靠扩频码区分。上行使用相同的扩频码(相同类型的业务时),靠扰码区分用户身份。对第一个用户进行解扩、解扰后得到所需的信号:S(t)PN1PR1=A1S1(t)PN1PR1
9、PN1PR1+A2S2(t)PN2PR2 PN1PR1+A3S3(t)PN3PR3 PN1PR1+=A1S1(t)+0p这里假设扩频序列之间、扰码之间是正交的,正交的概念是两两序列互相关处理(相乘、积分)后结果为0,自相关系数=1。济宁移动公司3GWCDMA学习资料p扰码是伪随机码序列,自相关特性很好,但是互相关特性就不是理想的零值了(理论上就不正交),在采用较长的序列时还是相当小的。扩频码采用OVSF(长度可变的正交扩频因子)码,在理论上是完全正交的,但是在无线多径环境下,无法保持其正交性。也就是说,实际上在接收端进行相关处理时,不同序列之间的互相关值不为0,以上的解调表达式变成:S(t)P
10、N1PR1=A1S1(t)PN1PR1 PN1PR1+A2S2(t)PN2PR2 PN1PR1+A3S3(t)PN3PR3 PN1PR1+=A1S1(t)+IAMI(t)后面部分IAMI(t)不为0,这就是多址干扰。可用干扰抵消技术或其它技术(如选取正交性良好的扩频码组)消去。济宁移动公司3GWCDMA学习资料WCDMA系统特有的功率攀升现象系统特有的功率攀升现象p下行物理码信道之间的非正交产生了多址干扰,若没有考虑功率攀升问题就可能失去真实性。WCDMA系统的所有用户同时在同一频段工作,就象一间房间里有许多人在交谈,两个广东人用广东话交谈,两个福建人用闽南语交谈,两个上海人用上海话交谈,只要
11、讲话的声音不是太大,可以做到互不影响。当再加一对讲客家话的人,那么别人受到干扰,讲话声音必然会提高一些才能听清楚。或者,突然有一对人吵架提高了声音,影响了另外人的交谈,迫使另外的人提高声音才能听清楚,这样,你的声音大,我的声音更高,彼此交替提高声音,这就是功率攀升;如此下去,最后大家扯破嗓子也听不清楚了,相当于WCDMA系统崩溃了。这里的不同语言就是WCDMA中的扩频码和伪随机序列码,用码来区分不同的物理信道。济宁移动公司3GWCDMA学习资料p很明显,房间外的干扰也会影响房间内的谈话,比如,当房间外有汽车喇叭高声鸣笛,房间内的人就无法正常谈话了。房间外的噪声就象WCDMA系统的小区外干扰。p
12、由以上数学表达式看来,CDMA系统信号之间的关系是相加的关系,发射端需要线性的功率放大器(LPA),接收端需要线性的小信号放大器(LNA)。否则就不能构成CDMA系统!这里从数学表达式就可以知道射频(RF)的结构和要求。线性功率放大器是效率低、昂贵的器件,输出功率受技术、供电等限制,一般在20W以下。济宁移动公司3GWCDMA学习资料pWCDMAWCDMA系统概述系统概述pWCDMA系统原理pWCDMA系统的容量pWCDMA系统承载的业务pWCDMA系统的关键技术p扩频与调制过程p码分多址中的码 济宁移动公司3GWCDMA学习资料p三、WCDMA系统的容量p对于电路交换(CS)通信系统的容量常
13、常用系统的话务量(业务量)来表示。总话务量的定义是:话务量=通话次数*平均每次通话时间(分钟)/60(分钟)体现了通信系统的处理能力 信道数C与阻塞率B、话务量A的关系用爱尔兰B公式表达:B(C,A)=(AC/C!)/(1+A+A2/2!+A3/3!+AC/C!)爱尔兰 可见,信道数是系统(爱尔兰)容量的主要参数。p对于分组交换(PS)业务而言,系统容量使用传统的爱尔兰容量就不是很恰当了,比如20条64kbps的业务信道与4条384kbps业务信道相当,信道数相差很远。因此需要用吞吐量bits/s来表示系统的传输能力.济宁移动公司3GWCDMA学习资料pWCDMA的容量是软容量,软容量有四个含
14、义:p一是传统的软容量概念,没有固定的信道数,多加一两个用户还可以通信;p二是降低无线链路的通信质量,容量可以大些,即容量与通信质量可以互换;p三是不同的业务有不同的容量,比如8kbps话音的吞吐容量比144kbps分组业务的吞吐容量低;p四是承载混合业务时,不同的业务比例和构成,有不同的吞吐容量。吞吐容量用kbps表示,爱尔兰容量主要由信道数表征。济宁移动公司3GWCDMA学习资料p影响系统容量的因素有:功率控制方法与精度、扩频码的正交性、无线传输环境(移动速率、多径、干扰)等,在通信带宽、无线传输技术、扩频码、功控算法等确定的情况下,要求通信质量越高系统的容量就越小,反之就越大。济宁移动公
15、司3GWCDMA学习资料p上行容量是干扰受限,下行容量是功率受限。即上行时利用功率控制技术消除远近效应,同时满足上行链路的信噪比要求。当用户较多且干扰较大时,每条链路的多址干扰部分较大,使信噪比降低,为了达到额定的信噪比,必然通过功控加大功率,造成互相影响,互相攀比,引起功率攀升,最后使接收的总功率超出前置线性放大器的线性范围,或者到达手机功率极限也不能达到额定信噪比要求的时候,系统达到容量的极限。下行的总发射功率最大值是20W,除去约20的公共信道开销剩余功率所有用户共享,可见下行容量是功率受限。当小区覆盖地域较小时,下行容量就不受功率的限制了。济宁移动公司3GWCDMA学习资料pWCDMA
16、WCDMA系统概述系统概述pWCDMA系统原理pWCDMA系统的容量pWCDMA系统承载的业务pWCDMA系统的关键技术p扩频与调制过程p码分多址中的码 济宁移动公司3GWCDMA学习资料p四、WCDMA系统承载的业务p第三代移动通信系统承载的业务主要有四大类(级):会话型、交互型、流和后台型。他们有不同的QoS要求和特性。这样在系统中有不同的编码方式、不同的资源分配方法。因此研究业务特性是最佳使用系统资源和满足其QoS的必要前提。p会话型:主要是双向双向传输的实时实时业务,对时延、时延抖动很敏感。典型的业务有:话音、可视电话和Telnet、交互游戏等。误码率在10-3(对应的误块率约为10-
17、2左右)就能保证话音质量(MoS)达到4.0以上,对应长途电话的话音质量水平。时延小于200ms,抖动小于1ms。而Telnet、交互游戏等业务则要求无错传输,但是时延可以适当延长,采用ARQ时时延不能太长,故要求误块率相当低,很少出现重传的情况。济宁移动公司3GWCDMA学习资料p交互型业务:双向不对称非实时的业务,主要应用是WWW游览、电子商务等。要求无错传输,但时延和时延抖动要求不是很高。大约时延小于1s。p流业务:单向业务,主要是音频流、视频流和FTP、静态图象传输等。音频流和视频流可以有错误传输,FTP和静态图象不能有错误。时延要求较低,一般要求小于10s即可。p后台型业务:单向或双
18、向非对称业务,主要是电子邮件(E_mail)传输和传真业务。电子邮件不能出错,传真可以出错。时延要求很低,可以超过10s。p因为业务的QoS是端到端的,在无线接入网部分如何实现总的QoS要求,是无线接入网的核心任务。QoS分解和分段实现是系统设计的任务。比如对要求无错传输的业务研究采用何种传输方式和协议。济宁移动公司3GWCDMA学习资料pWCDMAWCDMA系统概述系统概述pWCDMA系统原理pWCDMA系统的容量pWCDMA系统承载的业务pWCDMA系统的关键技术p扩频与调制过程p码分多址中的码 济宁移动公司3GWCDMA学习资料p五、WCDMA系统的关键技术p移动通信信道是一个随机信道,
19、存在快衰落、多径传输、阴影慢衰落等不利因素。WCDMA系统还存在远近效应。快衰落分为瑞利(Rayleigh)衰落和莱斯(Ricean)衰落,莱斯衰落存在一条直视(LOS)主径,瑞利衰落没有主径(NLOS)存在,是最不利的情况。由于快衰落引起接收信号强弱变化很大,能否将功率增大到使最弱时仍然保证高质量的通信呢?答案是否定的,因为此时最强的信号可能已经超出线性放大器的动态范围了,同时发射功率太大,对于CDMA这个自干扰系统来说是一场大灾难。为了克服这些不利的情况,采用了功率控制、Raker接收、分集技术、高增益的编码技术等措施。济宁移动公司3GWCDMA学习资料p在WCDMA系统中,采用卷积编码和
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