WCDMA概述与基本原理

WCDMA概述与基本原理

目录

WCDMA概述

WCDMA基本原理

蜂窝移动通信系统发展历程

移动通信的发展

?第一代：模拟移动通信系统

?1979: 芝加哥AMPS(Advance Mobile Phone Service)

?1981: 北欧NMT(Nordic Mobile Telephone)

?1985: 英国TACS(Total Access Communication System)

?业务

?语音

?缺点

?频谱利用率低

?终端笨重且昂贵

?漫游范围小

?安全性低

移动通信的发展

?第二代：数字移动通信系统

?1992: 欧洲GSM (Global System for Mobile communication)

?1995: 美国IS95 即CDMA (Code Division Multiple Access)

?美国IS-136 即D-AMPS(Digital- Advance Mobile Phone Service)

?日本PDC (Personal Digital Cellular)

?业务

?语音和低速率数据业务

?缺点

?容量不大→提高系统容量

?多种制式不兼容→全球标准

?数据传输速率低→多媒体应用

移动通信的发展

?第三代移动通信系统- IMT2000 (3G统称-代名词)

?1985年ITU(国际电联)提出FPLMTS(未来公众陆地移动通信系统)

?1996年正式更名为IMT2000

?IMT2000 International Mobile Telecommunications-2000

?工作频段: 2000 MHz左右

?业务速率: 2000 Kbit/s

?商用市场: 2000 年左右

定义：第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量多媒体业务，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通信的通信系统

4G网络：基于共同属性的技术创立

欧洲: ETSI(欧洲电信标准化协会)

日本: ARIB (日本无线工业及商贸联合会)

美国: TIA(电信工业协会)

韩国: TTA(韩国电信技术协会)

中国: CWTS(中国无线通信标准组织)

ITU:国际电联

International Telecommunication Union

t UMTS也是由分层小区构成的

t UMTS采用的是码分多址技术

t初始“IMT2000 核心波段”在2 GHz

t分为平衡与非平衡模式

t FDD 频分双工(W-CDMA) 用于平衡模式

t TDD 时分双工(TD-CDMA) 可用平衡或是非平衡模式t上行: 1920-1980 MHz

t下行: 2110-2170 MHz

工作频率：2GHz

信道带宽：5MHz

码片速率：3.84Mcps

编码方式：QPSK

帧长：10 ms

增长点－数据业务

t始终在线应用

p移动办公：文件传输，收发E-mail，数据库访问

p纵向应用：交通管理，安全和监测(家庭…)，健康t媒体应用

p消息：目录服务(黄页),新闻服务(财经, 体育),位置服务(餐饮, 泊车)

p娱乐：音乐(下载音乐,视频剪辑),游戏(下载游戏,在线游戏) t电子商务应用

p在线购物, 预订服务

p在线银行, 票务, 航班

t四种类型业务定义

p会话/对话级

t语音业务,可视电话, 电话会议

p数据流

t音频流,视频流(新闻, 体育)

p交互式

t网页浏览,LCS,在线游戏, 交互式会谈

p后台式

t收发e-mail, 短消息, 资料库下载...

t位置信息服务取决于运营商和内容提供商的策略

t位置服务可以帮助用户检索适当的位置信息

p信息：本地交通流量，天气，航班等

p位置：搜寻宾馆，餐饮, 影视剧院, 泊车点等

t UMTS定位信息精确到50米左右

t位置服务可能涉及他人隐私

t CellID+RTT/OTDOA/A-GPS

t RNS: Radio Network Subsystem

p RNS由一个RNC和至少一个Node组成

t RNC: Radio Network Controller

p控制Node B

p无线资源管理

p软切换处理

p连接核心网

t Node-B:

p无线传输

p无线信号处理

t CN 核心网

p Circuit Switched (CS) 电路域

p Packet Switched (PS) 分组域

t UTRAN UMTS地面无线接入网

p新的无线接口: CDMA

p新的传输技术: ATM

t CN 核心网与RAN无线接入网是独立分开的

p无线接入网对核心网应是透明无关的,即无线接入对于核心网是不可见的

p手机终端UE无线移动性管理是由UTRAN控制的,并由它连接至核心网t与GSM系统的对照:

网络单元: 接口:

CN NSS Uu Um

UTRAN BSS Iub A-bis

RNC BSC Iur no equivalent

Node-B BTS Iu-CS A

UE MS Iu-PS Gb

多径环境是指无线电波的到达是由多个径组成的，这是由于有直线传播、有建筑物等物体反射从到达时间上看，到达最早的径和到达最晚的径会有时延拓展，有个时间差，这个时间差根据环境的不同而不同，如果说是一个室外开阔的环境宏蜂窝，这个时延可能会长些，如果是室内覆盖，这个时延会短些，这个时延可能会达到几毫秒甚至10几毫秒。一般第一个径是直线到达，也就是我们常说的视距传输，有一个很强的成分，其他的都是辅助的成分，那么其他径就不一样了，没有主要成分，都差不多。有一个主要径就是视距传播，没有的就是非视距传播.

?传统情况

?多径信号被视为干扰

?多径接收机的原理

?多径信号经过相关处理被合并

?多径时延须大于0.26us=>78m

?多用户共享同一频率，频谱利用率大大提高；

?CDMA系统是自干扰系统－系统内用户存在互相之间的干扰；

?CDMA系统的用户容量是软容量，当用户数目增加时，对所有用户而言，系统性能下降；相应当用户数目减少时，系统性能提高——呼吸效应

小区的呼吸效应

?随着激活终端的增多,干扰增加

?高速业务增加,干扰增加

??总的干扰↑，服务质量↓

?小区覆盖范围收缩

?产生覆盖盲点

?用户在小区边缘地带会产生掉话

?

?

?符号速率×扩频因子＝码片速率

?如WCDMA，码片速率＝3.84MHz，扩频因子＝4，则符号速率＝960Kbps；

?cdma2000-1x，码片速率＝1.2288MHz，扩频因子＝64，则符号速率＝19.2Kbps；

?符号速率＝（业务速率＋校验码）×信道编码×重复或打孔率

?如WCDMA，业务速率＝384Kbps，信道编码＝1/3Turbo码，符号速率＝960Kbps；

?cdma2000-1x，业务速率9.6Kbps，信道编码＝1/3卷积码，符号速率＝19.2Kbps；呼吸效应

?多用户共享同一频率，频谱利用率大大提高；

?CDMA系统是自干扰系统－系统内用户存在互相之间的干扰；

?CDMA系统的用户容量是软容量，当用户数目增加时，对所有用户而言，系统性能下降；相应当用户数目减少时，系统性能提高——呼吸效应

扩频因子与业务速率

?符号速率×扩频因子＝码片速率

?如WCDMA，码片速率＝3.84MHz，扩频因子＝4，则符号速率＝960Kbps；

?cdma2000-1x，码片速率＝1.2288MHz，扩频因子＝64，则符号速率＝19.2Kbps；

?符号速率＝（业务速率＋校验码）×信道编码×重复或打孔率

?如WCDMA，业务速率＝384Kbps，信道编码＝1/3Turbo码，符号速率＝960Kbps；

?cdma2000-1x，业务速率9.6Kbps，信道编码＝1/3卷积码，符号速率＝19.2Kbps；

?为了保证CN所请求的QoS，需要将QoS映射成接入层的一些特性，从而利用接入层的资源为本条连接服务-----信道配置

?在保证CN所请求的QoS的前提下，使用户的发射功率最小，从而减少该UE对于整个系统的干扰，提高系统的容量和覆盖-----功率控制

?需要确保UE移动到其他小区（系统）后，能够继续得到服务，以保证QoS-----切换控制

?接入一定数量的UE后，需要确保整个系统的负载保持在稳定的水平，以保证系统中每条连接的QoS -----负载控制

?DCCC（Dynamic Channel Configuration Control）动态信道配置

?DCCC针对的对象: Best Effort（BE）业务

?DCCC的目的

◆最大限度的满足用户对带宽的需求

◆实现空中接口资源的最有效利用

◆满足用户变动的数据传输速率需求

◆节省下行信道码（OVSF码）资源

?WCDMA系统是自干扰系统，存在远近效应

?远近效应：离基站很近的手机上行信号可能会屏蔽其他手机的信号

?上图中，若MS2不采用功控，MS1信号很难被接受到

?功率控制的目的

?维持高质量通信,减少无线干扰,提高系统整体容量

?所有到达基站的信号功率相同(上行),减少对其他基站的干扰(下行) ?开环功率控制

?移动台根据下行信号强度，调整上行发射功率

?上下行信号强度不平衡

?闭环功率控制

?内环功控（1500Hz）

?根据接收到的信号强度，估算SIR值，与SIRtarget比较

?基站利用功率控制比特指示移动台调整输出功率

?快速功控，防止瑞利衰落

?外环功控（10-100Hz）

?RNC根据接收到的测量信号强度，调整SIRtarget值

?SIRtarget初始化值由RNC给出

外环和闭环功控的定义。

开环功率控制的原理是根据接收到的链路的信号衰落情况，估计自身发射链路的衰

落情况，从而确定发射功率。

开环控制的主要特点是不需要反馈信息，因此，在无线信道突然变化时，它可以快

速响应变化，此外，它的功率调整动态范围大。

但开环功率控制的准确度不会很高，只能起到粗略控制的作用，必须使用闭环功率

控制达到相当精度的控制效果。

WCDMA协议中要求开环功率控制的控制方差在10dB内就可以接受。

闭环功控是发方根据收方链路质量测量结果的反馈信息，进行增加或减少（降低）

发射功率。可见闭环功控需要一个反馈通道。内环功率控制和外环功率控制的结合

体现信干比平衡准则和质量平衡准则的结合。

内环功率控制是通信本端通过接收通信对端发出的功率控制命令来控制本端的发

射功率的。

闭环功率控制的调整永远落后于测量时的状态。

外环功率控制在CDMA通讯系统中，其目的是使每条链路的通讯质量基本保持在

设定值。外环功率控制通过闭环功率控制间接影响系统的用户容量和通讯质量。。

闭环功率控制是快速功控

内环：Node-B根据SIR估算，控制UE的发射功率

SIR测量估算每0.66ms执行一次(1500Hz 控制指令速率)

外环：RNC根据SIR测量估算，控制调整SIRtarget值

?软切换（Soft Hand-off）：指在导频信道的载波频率相同时小区之间的信道切换。在切换过程中，移动用户与原基站和新基站都保持通信链路，只有当移动台在新的小区建立稳定通信后，才断开与原基站的联系。它属于CDMA通信息系统独有的切换功能，可有效提高切换可靠性。更软切换（More Softer Hand-Off）：在同小区（BTS）两条不同的信号之间进行的切换，叫做更软切换。无论软切换还是更软切换，都是为了实现移动服务的连续性提高用户的主观满意度。与硬切换的区别：软切换为先切后断，硬切换为先断后切。

?硬切换

?硬切换是在不同频率的基站或覆盖小区之间的切换。这种切换的过程是移动台(手机)先暂

时断开通话,在与原基站联系的信道上，传送切换的信令,移动台自动向新的频率调谐，与新的基站接上联系,建立新的信道，从而完成切换的过程。简单来说就是“先断开、后切换”,切换的过程中约有1/5秒时间的短暂中断。这是硬切换的特点。在FDMA和TDMA系统中，所有的切换都是硬切换。当切换发生时，手机总是先释放原基站的信道，然后才能获得新基站分配的信道，是一个"释放-建立"的过程，切换过程发生在两个基站过度区域或扇区之间，两个基站或扇区是一种竞争的关系。如果在一定区域里两基站信号强度剧烈变化，手机就会在两个基站间来回切换，产生所谓的"乒乓效应"。这样一方面给交换系统增加了负担，另一方面也增加了掉话的可能性。

?现在我们广泛使用的“全球通(GSM)”系统就是采用这种硬切换的方式。因为原基站和移动到的新基站的电波频率不同，移动台在与原基站的联系信道切断后,往往不能马上建立新基站的新信道，这时就出现一个短暂的通话中断时间。在“全球通”系统,这个时间大约是200毫秒。它对通话质量有点影响。

?硬切换的特点

◆先中断源小区的链路，后建立目标小区的链路

◆通话会产生“缝隙”

◆非CDMA系统都只能进行硬切换

?频内硬切换

◆建立基站的新呼叫；确定当前的基站是否满足进行频车间硬切换的条件；如果在确定当前的基站是否满足频车间硬切换出现的条件的所述步骤中满足所述条件，则确定当前使用的频率是否满足进行频车间硬切换的条件；如果所述两个确定步骤的所述条件有一个不满足，则进行一般的越区切换和呼叫处理；如果所述两个确定步骤的所述条件均满足，则对输出信号强度和距离设置门限值；指令移动台定期地报告所述基站输出信号强度；估计所述基站和所述移动台之间的距离；检查所述基站的输出信号强度是否小于所述输出信号强度的门限值；当在所述检查步骤中发现所述基站输出信号强度小于所述输出信号强度的门限值时，命令进行硬切换；当在所述检查步骤中发现所述基站输出信号强度小于所述输出信号强度的门限值时，检查所述基站与移动台之间的距离是否大子所述距离的门限值：当在所述检查步骤中发现所述基站与移动台之间的距离大于所述距离的门限值时，命令进行硬切换；在所述硬切换命令之后，进行一般的越区切换，并以共频处理所述呼叫；和当所述基站与移动台之间的距离不大于所述距离的门限值时，返回到所述估计所述基站与移动台之间的距离的步骤。

◆频间硬切换

◆频间硬切换包括异频同覆盖小区之间的异频小区负载平衡所引起的频间硬切换和异频相邻小区由于覆盖范围和UE的移动性所引起的频间硬切换。

◆频间硬切换的两种方式适用于不同的情形并可以相互补充。在话务量比较大的密集城区，建议配置异频同覆盖小区，这样就会触发异频小区负载平衡所引起的频间硬切换的方式；在话务量较少的地区，由于小区分布一般不会重叠，因此如果没有同频相邻小区，只能采用异频相邻小区由于覆盖范围和UE的移动性所引起的频间硬切换方式。

◆对于异频同覆盖小区之间的异频小区负载平衡所引起的频间硬切换，负载控制的判决算法会占用一部分RNC的CPU资源，但由于测量报告的获得是与准入控制共用的，因此不占用附加的资源，仅仅需要算法判决的系统资源，而这部分资源在整个系统资源中所占比例很少。

◆系统间切换

◆2G-3G的平滑演进

◆3G初期的覆盖范围有限

基于网络匹配性和侧重性，结合用户发展和网络演进，商用网络推荐系统间切换方案为：电路域考虑3G到2G单向切换（可视电话在3G切换到2G后降级为纯话音通话）；分组域考虑3G-2G 间双向切换，网络承载速率自适应调整。

?软切换特点

◆CDMA系统所特有，只能发生在同频小区间

◆先建立目标小区的链路，后中断源小区的链路

◆可以避免通话的“缝隙”

◆软切换增益可以有效的增加系统的容量

◆软切换会比硬切换占用更多的系统资源

?对于软切换，多条支路的合并，下行进行最大比合并（RAKE合并），上行进行选择合并

?当进行软切换的两个小区属于同一个NodeB时，上行的合并可以进行最大比合并，此时，成为更软切换

?由于最大比合并可以比选择合并获得更大的增益，在切换的方案中，更软切换优先

?负载控制技术分类:

◆准入控制（Call Admission Control)

◆小区间负载的平衡

◆数据调度（Packet Scheduling）

◆拥塞控制（Congestion control）

?准入控制的目的和任务

在判决过程中，使用网络计划和干扰测量的门限，任何新的连接不应该影响覆盖范围和现有连接的质量（整个连接期间），当新连接产生时，呼叫准入控制利用来自负荷控制和功率控制的负荷信息估计上、下行链路负荷的增加，负荷的改变依赖于流量和质量等参数，若超过上行或下行链路的门限值，则不允许接入新的呼叫。

?准入控制涉及

◆负载监测和衡量

◆负载预测

◆不同业务的准入策略

◆不同呼叫类型的准入策略

?上下行分别进行准入控制

相邻小区或者同覆盖小区之间的负载差保持在一定范围内，这样整体容量才最大。

?小区间负载的平衡

◆同频小区间负载的平衡

?小区呼吸

◆异频小区间负载的平衡

?异频负载平衡

◆潜在用户控制

?考虑和原有各种系统的语音编码器的兼容，WCDMA系统采用AMR（Adaptive Multi-Rate)语音编码，属于线性预测编码

?AMR语音的显著特点是：

◆在一定的负载情况下，用户所感受到的MOS（Mean Opinion Score）并不是随UE所使用的语音速率上升而线性上升，也就是说，一定负载情况下，为获得用户的最高MOS，最合适的AMR语音速率不是最高速率，而是某一个合适的中间速率

◆UE的最大发射功率限制，使上行AMR语音的覆盖范围受到限制，为了扩大AMR语音的上行覆盖范围，在不影响UE的通话质量的前提下，需要适当降低上行的速率

?通过对负载的衡量，AMR模式控制可以做到：

◆负载重的情况下，降低AMR的语音速率，这样既减轻了系统的负载，又相对改善了语音的质量

◆负载轻的情况下，增加AMR语音的速率，这样就尽量提高了QoS。

?AMR语音模式控制最快可达20ms一次！

?对于上行覆盖受限的情况，降低AMR的语音速率可以有效的扩大上行的覆盖范围

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lsje.html