WCDMA无线网络规划第一章 WCDMA系统入门目 录1.1 概述21.2 WCDMA原理和关键技术21.2.1 移动通信系统中的多址方式21.2.2 WCDMA主要参数汇总41.2.3 扩频和解扩51.2.4 多径无线信道和Rake接收技术81.2.5 分集接收原理121.2.6 信道编码141. 卷积码162. Turbo码171.2.7 多用户检测技术191.2.8 功率控制221.2.9 软切换和更软切换241.3 WCDMA系统结构261.3.1 WCDMA网络结构261.3.2 UTRAN地面接口协议结构291. UTRAN协议模型简介292. Iub接口303. Iur接口324. Iu接口35第一章 WCDMA系统入门1.1 概述第三代移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU） 于1985年提出，主要体制有WCDMA、cdma2000和UWC-136。1999年11月5日，国际电联ITU-R TG8/1第18次会议通过了“IMT-2000无线接口技术规范”建议。“IMT-2000无线接口技术规范”建议的通过表明TG8/1制定第三代移动通信系统无线接口技术规范方面的工作已经基本完成，第三代移动通信系统的开发和应用将进入实质阶段。第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力， 与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类的通信系统。由于其诸多优点，全世界各个运营商、生产厂家与广大用户对此产生浓厚的兴趣。本章在介绍WCDMA系统的基本原理和关键技术的基础上，简单介绍WCDMA系统的系统结构和无线接口技术，并对WCDMA系统的物理层过程进行了深入讨论，最后简单分析了WCDMA系统中衡量链路性能的相关参数和指标。1.2 WCDMA原理和关键技术CDMA是近年来用于数字蜂窝移动通信的一种先进的无线扩频通信技术。它能满足近年来运营商对大容量、高性价比、高效的移动通信的需要。在陆地蜂窝移动通信系统中引进码分多址技术的目的是为了缓解有限频带与无限用户需求之间的矛盾。为了更好地了解码分多址技术，在对码分多址技术进行分析之前先简单介绍一下多址通信的概念。1.2.1 移动通信系统中的多址方式蜂窝移动通信系统很久以来就采用技术高度复杂的频谱复用方式。为了使信号仅在要求通信的两者之间传输而不影响其他用户，就必须选用适当的天线和多址方式。空间滤波采用的是定向天线阵，以增强需要方向上的信号和减轻干扰方向的信号。现在主要的蜂窝移动通信系统都利用了扇形分区来减少相邻蜂窝共用信道造成的干扰。至于多址方式，现在用到的主要有三种：FDMA、TDMA和CDMA。其中，FDMA被最早采用，而CDMA则是刚刚被用到蜂窝移动通信中。下面分别简单介绍一下FDMA、TDMA和CDMA：FDMAFDMA是频分多址的英文缩写，当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的AMPS和英国的TACS。所谓FDMA，就是在频域中一个相对窄带信道里，信道功率被集中起来传输，不同信号被分配到不同频率的信道里，发往和来自邻近信道的干扰用带通滤波器限制，这样在规定的窄带里只能通过有用信号的能量，而任何其它频率的信号被排斥在外。模拟的FM蜂窝系统都采用了FDMA。TDMATDMA是时分多址的英文缩写，当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的DAMPS和欧洲的GSM。所谓TDMA，就是一个信道由一连串周期性的时隙构成。不同信号的能量被分配到不同的时隙里，利用定时选通来限制邻近信道的干扰，从而只让在规定时隙中有用的信号能量通过。现在使用的TDMA蜂窝系统实际上都是FDMA和TDMA的组合，如GSM就是先使用了200KHz的频分信道，然后再把每个频分信道分成8个时隙进行TDMA传输。CDMACDMA是码分多址的英文缩写，当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的QCDMA和欧洲爱立信的BCDMA。所谓CDMA就是每一个信号被分配一个伪随机二进制序列进行扩频,不同信号的能量被分配到不同的伪随机序列里。在接收机里，信号用相关器加以分离，这种相关器只接收选定的二进制序列并压缩其频谱，凡不符合该用户二进制序列的信号就不被压缩带宽，结果只有有用信号的信息才被识别和提取出来。所有用户共用一个频段。图1-2-1 FDMA、TDMA和CDMA在频域和时域的显示1.2.2 WCDMA主要参数汇总本节给出了 WCDMA的主要系统设计参数并对其中的大多数参数进行了简要介绍。表1-2-1总结了有关WCDMA空中接口的主要参数。随后我们将重点解释一些标志WCDMA特征的项。表1-2-1 WCDMA的主要参数多址接入方式DS-CDMA (直扩码分多址)双工方式频分双工/时分双工基站同步异步方式码片速率3.84Mcps帧长10ms业务复用有不同服务质量要求的业务复用到一个连接中多速率概念可变的扩频因子和多码检测使用导频符号或公共导频进行相关检测多用户检测，智能天线标准支持，应用时可选WCDMA是一个宽带直扩码分多址（DS-CDMA）系统，即将用户数据同由CDMA扩频得来的伪随机比特（称为码片）相乘从而把用户信息比特扩展到很宽的带宽上去。为支持高的比特速率（最高可达2Mbps），还须具备扩频因子可变和多码连接的功能。图1-2-2给出了这样的一个例子。3.84Mcps的码片速率导致了大约为5MHz的载波带宽。带宽约为1MHz的SD-CDMA，例如IS-95，通常称为窄带CDMA系统。WCDMA所固有的宽载波带宽使其能够支持更高的比特率和并因此带来某些性能方面的好处，例如多径分集的增加。网络运营商可以遵照其运营执照，使用多个这样的5MHz载波来增加容量，有可能是以分层小区的形式。实际的载波间距应根据载波间的干扰情况以200KHz为一个基本单位在4.4MHz和5MHz之间选择。WCDMA支持各种不同的用户数据速率，换句话说就是它能很好地支持不同带宽的需求（BoD）。给每个用户都分配一些10ms的帧，在每个10ms期间用户数据速率是恒定的。然而从一帧到另一帧，用户数据容量是可变得。图1-2-2同样也示出了这点。这种快速的无线容量分配一般是由网络来控制以期达到最优的分组数据业务吞吐量。WCDMA支持两种基本的运行模式：频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。在FDD模式下，上行链路和下行链路分别使用两个独立的5MHz的载波，在TDD模式下只使用一个5MH载波，这个载波在上下行链路之间分时共享。TDD模式在很大程度上是基于FDD模式的概念和思想的，加入它是为了弥补WCDMA系统的不足，也是为了能够使用ITU为IMT-2000分配的那些不成对频谱。图1-2-3 时间频率码空间中的WCDMA的带宽分配WCDMA支持异步基站操作，这样，就不用像同步的IS-95系统那样需要使用一个全局的时间参考量，比如GPS。因为不需要接收GPS，开发室内小区和微小区的应用就变得简单了。WCDMA在上行链路和下行链路中采用基于导频符号或公共导频的相干检测。IS-95中在下行链路中使用了相干检测，但是WCDMA在上行链路中也使用了相干检测，这将使上行链路的覆盖范围和容量都有所增加。所制定的WCDMA空中接口中包括一些先进的CDMA接收机理念，例如多用户检测和自适应智能天线，运营商可以开发和使用这些功能作为提高系统容量或覆盖范围的选择方案。在大多数第二代系统中，并没有提供这些先进的接收机理念，结果，他们要么是根本不可能应用，要么就是只能在一些苛刻的条件下才能应用，而且所获得的性能提高很有限。WCDMA能与GSM协同工作。因此，为了能够引入WCDMA后弥补WCDMA网络建设初期的覆盖范围的不足，就必须支持WCDMA与GSM系统间的切换。1.2.3 扩频和解扩下图示出了一个DS-CDMA系统中扩频和解扩的基本操作。图1-2-4 DSCDMA中的扩频和解扩这里的用户数据是采用BPSK调制的比特序列，其速率为R，用户数据比特取+1的值。在本例中，扩频就是将每一个用户数据比特与一个8个比特的码序列（称为码片）相乘。我们假定对BPSK扩频调制也是如此。可以看出，最后得到的扩展后的数据速率为8R并且与扩频码有相同的随机（具有伪随机噪声的特征）特性。在这种情况下，我们说其扩频因子为8。扩频后得到的宽带信号将通过无线信道传送到接收端。在解扩时，把扩展后的用户数据/码片序列乘以与他们扩频时所用的相同的8比特的码片序列。如图1-2-3所示，只要我们能在扩展后的用户信号和扩频码（解扩码）之间取得很好的同步，就能很好的恢复出原始的用户比特序列。将信号速率以因子8倍乘相当于用户数据信号的带宽扩展。由于这个效果，CDMA系统更经常的被称为扩频系统。解扩将信号带宽恢复到R值。图1-2-4是CDMA中相关接收机的基本操作。图的上半部分是期望的用户信号的接收过程。像图1-2-3中一样，解扩操作中采用完全同步的解扩码，然后相关接收机对每个用户比特（解扩后的数据）进行积分。图中下半部分是对使用不同的扩频码的另外一个用户的CDMA信号进行与上半部分相同解扩操作后的效果。将接收机接收到的另一个用户的信号（实际上是第一个用户的干扰信号）与扩频码相乘后积分，最后得到的是一个信号强度在0附近徘徊的干扰信号。可以看出，用户自己的信号幅度比其他干扰系统的用户信号幅度平均增大了8倍；也就是说，相关检测以扩频因子的长度为倍数把期望的用户信号从CDMA系统存在的干扰中增强了。这种效果被称为“处理增益”.它是所有CDMA系统的基本特征，换言之，它也是所有扩频系统的基本特征。正是处理增益赋予了CDMA系统抵抗自我干扰的健壮性，而要在地理上比较相近的距离重用5MHz的载波频率,这种健壮性是必需的。让我们举一个实际当中WCDMA参数的例子，话音业务的比特率为12.2kbps,处理增益为25dB。解扩后，信号功率一般地要比干扰和噪声功率高几个分贝。在本书中，解扩后所需信号功率密度与干扰功率密度之比表示成：，这里是每用户比特的能量或者功率密度，而是干扰和噪声的功率密度。对于话音业务，的典型值是在5.0dB的量级上。所需的带宽信干比就等于5.0dB减去处理增益等于-20.0dB。换句话说，信号功率可以比干扰或热噪声功率低20dB，这时，WCDMA接收机仍然能够检测出信号来。宽带信干比也被称作载干比C/I。正是因为有了扩频和解扩，WCDMA中的C/I才能比诸如GSM系统中的载干比低。在GSM中，高质量的话音连接所需要的C/I912dB。图1-2-5 CDMA相关接收机的原理既然宽带信号可以比热噪声电平低，如果不采用扩频序列的话，就很难将其从噪声中检测出来。由于这个原因，扩频系统最初是在军事领域中应用，信号的宽带特性使得它可以很好地隐藏于无所不在地热噪声之中。注意对任意给定的信道带宽（码片速率），对低用户比特速率所获得的处理增益要高于高用户比特速率。特别是对2Mbps的用户数据，处理增益要小于2dB（=3.84Mbps/2Mbps=1.92,即2.8dB），这样就对WCDMA的波形抵抗干扰的健壮性有着明显的损害。WCDMA中的基站和移动台在实质上都使用了这种相关接收机。然而，由于存在多径传播（和可能的多接收天线），为了从全部的路径和（或）接收天线中恢复信号的能量，有必要使用多个相关接收机。这样一些称作“指峰”的相关接收机的集合就构成了CDMA Rake接收机。在下一节我们会详细讨论CDMA Rake接收机的工作原理与操作细节，但是在这之前，我们对无线系统中使用的扩频和解扩变换作一总结。必须要理解，无线应用中的扩频/解