1. WCDMA网络结构和频率

第三代移动通信系统空中接口标准

1.1 历史问题

GSM/GPRS存在的问题

  • 单个载波最多8个时隙
  • 数据业务传输速率太慢21.4kbit/s
  • GPRS峰值速率才171.2kbit/s
  • EDGE峰值速率473.6kbit/s

ITU对新一代系统要求

  • 系统容量大
  • 后向兼容
  • 语音，高速分组
  • 速率大

对原有系统改善，如何改？
研究空中接口

1.2 第三代移动通信

  • 架构

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  • 三大主流技术比较

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1.3 标准演进

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1.4 R99网络结构

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在两个 RNC 之间可以使用 Iur 接口相连，通过此能够实现一个呼叫同时与两个 RNC 相连接的软交换
RNC：无线网络控制器（Radio Network Controller）

1.5 WADMA使用的频段

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频点号又称频率号

1.6 双工技术

  • TDD方式－ 上下行频率相同
    • 可用于任何频段
    • 适合于上下行非对称及对称业务

  • FDD方式 - 上下行频率配对

    • 需要成对频段
    • 适合于上下行对称业务

      2. WCDMA无线技术原理

      2.1 直接扩频通信

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  • 扩频码速率：3.84Mc/s

  • 扩频码：OVSF码（正交可变扩频因子(Orthogonal Variable Spreading Factor)）

    2.2 扩频解扩过程

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    2.3 信道化码OVSF

  • 在WCDMA系统中使用 【移动通信】WCDMA系统 - 图10 来描述信道码（OVSF码）

  • 其中SF为扩频因子,k为码号,k的取值范围 0 ≤ k ≤（SF -1）
  • 信道化码用于对物理信道比特进行扩频，以保证不同物理信道之间的正交性
  • 在整个码树中，每个码字与它的非前置、非延长都是正交的，而与它的前置码、延长码都不正交。因此在为业务分配码字时，一个码字若是被分配了，那么其前置和延长码就都不能再被分配了
  • WCDMA在OVSF码树上为业务选择码字时，要选择正交码字。不同的业务使用不同的扩频因子，最终码片速率都达到3.84Mchip/s

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2.4 扩频码片速率

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2.5 OVSF正交码作用

  • 下行
    • 正交码用于区分从单个基站来的多个数据信道
  • 上行
    • 正交码用于区分从单个手机来的多个数据信道

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2.6 信道扰码SC

  • WCDMA 中的扰码是从 GOLD 序列中截取
  • 对于上行物理信道，可用的扰码分为长扰码和短扰码，共用【移动通信】WCDMA系统 - 图17个上行长扰码和【移动通信】WCDMA系统 - 图18个上行短扰码
    • 上行扰码由 RNC 进行分配，同一 RNC内不同用户上行扰码不同

  • 对于下行物理信道，共可以有 【移动通信】WCDMA系统 - 图19 -1= 262143个扰码，但只使用了 0……8191号

  • 下行扰码分为 512 集(set)，每个集中包含1个主扰码和15个从扰码

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  • 512 个主扰码又进一步分为64个扰码组 ，每组8个

2.7 SC扰码作用

  • 下行
    • SC 码用于区分不同的基站
  • 上行
    • SC 码用于区分不同的手机

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2.8 扩频干扰

  • 扩频
    • 扩频操作又称信道化操作，将一个高速数字序列与数字信号相乘，把一个一个的数据符号转换成一系列码片。WCDMA 采用 OVSF码作为信道化码；每个符号被转换成码片的数目叫扩频因子SF(Spreading Factor)
  • 加扰
    • 用一个伪随机序列与扩频后的序列相乘， 起到加密作用，扰码码片速率与已扩频的符号相同，不影响符号速率。加扰操作上行用来区分用户，下行区分小区。

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  • 系统为每一个小区分配且仅分配一个主扰码 ，公共导频信道，公共控制信道使用主扰码加扰，其他下行物理 信道可以使用主扰码也可使用同个集合里的次扰码。
  • 一条物理信道可以由频率、信道码、扰码以及相位来描述

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3. WCDMA空中接口信道

3.1 OSI分层模型

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3.2 物理层L1业务

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3.3 MAC层业务

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3.4 RLC层业务

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3.5 RRC层业务

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3.6 信道结构类型

  • 在WCDMA系统的无线接口中，从不同协议层次上讲，承载用户各种业务信道被分为：
  • 逻辑信道
    • 直接承载用户业务
    • 根据承载的是控制平面业务还是用户平面业务分为两大类，控制信道和业务信道
  • 传输信道
    • 传输信道描述数据在空中接口怎样或者按照什么特征来进行传输；
    • 是无线接口层和物理层的接口，是物理层对 MAC 层提供的服务。
    • 根据传输的是针对一个用户的专用信息还是针对所有用户的公共信息分为专用信道和公共信道两大类。
  • 物理信道
    • 各种信息在无线接口传输时的最终体现形式，每一种使用特定载波频率、码（扩频和扰码）以及载波相对相位都可以理解为一类特定的信道

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对于 UE 实体来说，有些信道承载的是控制信息，会终结于 MAC 层，意思是不会再继续往上传输。所以就没有一级一级向上映射。

3.7 物理信道类型

  • 公共下行物理信道
    • P-CCPCH：主公共控制信道
    • SCH：同步信道
    • S-CCPCH：辅助公共控制物理信道
    • P-CPICH：公共导频信道
    • S-CPICH：辅助公共导频信道（用于波束成型小区）
    • PDSCH：下行物理共享信道
  • 专用下行物理信道
    • DPDCH：专用下行物理数据信道
    • DPCCH：专用物理下行控制信道
  • 下行指示信道
    • 捕获指示信道（AICH）
    • 寻呼指示信道（PICH）
    • 接入前导指示信道（AP-AICH）
    • 冲突检测与防止指示信道（CD/CA-ICH）
    • 分组状态指示信道（CSICH）
  • 公共上行物理信道
    • PRACH：物理随机接入信道
    • PCPCH：物理公共分组信道

  • 专用上行物理信道

    • DPDCH：专用上行物理数据信道
    • DPCCH：专用上行物理控制信道

      3.8 物理层结构和功能

  • 物理层功能： 将编码后的信息速率匹配到物理信道，加权合并，扩频/解扩，加扰/解扰，调制/解调，频率匹配，时间同步，无线测量，功率控制，射频处理等

  • 物理层处理单元：帧和时隙

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3.9 公共导频信道CPICH

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  • 主公共导频信道 P-CPICH CPICH

    • 扩频码 ：信道码【移动通信】WCDMA系统 - 图34 ＋主扰码
    • 每小区仅有一个并在全小区广播
    • 为信道提供相位参考和信道估计
    • 切换测量和小区选择 /再选择
    • 调节主导频功率可以邻小区间的负载平衡

      3.10 上行DPCH信道

  • 由于 WCDMA 属于异步传输系统，必需对所传输数据的格式进行严格的定义，所以在WCDMA系统中一条信道包括数据和控制两个部分

  • 一条DCH信道（传输信道）上
    • DPDCH：专用物理数据信道
    • DPCCH：专用物理控制信道
  • 工作原理：

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  • 上行业务信道扩频和加扰
    • 控制部分和数据部分分别扩频后分别映射到I、Q两条信道中

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  • DPCH 分为 DPDCH 和 DPCCH ，它们在每一个无线帧中 I/Q 码分复用，它们分别有各自的信道化编码和同一个扰码
  • 控制部分固定扩频因子 SF ＝256 ；数据部分为可变扩频因子，最大允许一条控制信道与6条数据信道合并使用

    3.11 下行DPCH信道

  • DPDCH和DPCCH混合在同一个无线帧中，时分复用传送。 具有相同的信道化码和扰码。

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  • 下行业务信道扩频和加扰
    • 控制部分和数据采用时复到一条信道上，经过串并转换逐比特映射到 I、Q支路。然后采用相同的扩频码（因子可变）扩频，最后加扰。
    • 串并转换（DEMUX）：一路输入符号数字序列被分为两路，即第 0，2，4，6，8… 位送入 I 支路 ,而第 1，3，5，7，9.. 位 送入 Q 支路 ,每支路符号速率实际降为输入符号速率的一半， 最后的信息速率保持不变

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  • 综上
  • 对于速率为 60kbps 的数字信号进行道化（扩频）操作，由于上下行信道映射方式不同

  • 上行需要的扩频码为 64，下行需要的扩频码为128

    3.12 通信建立设置信道流程

  • 同步

    • 手机开机，从SIM卡里存储的信息锁定上次通信的频点，找到后开始与基站同步过程，这时不涉及物理信道
    • 要完成同步，手机需要知道信号何时开始发射，就是找到时隙开始的地方。基站设置了主同步信道 (P -SCH)， P-SCH在每个时隙最开始的 256 个码片发射主同步码，发送主同步码时，手机滤波器有高电平指示
    • 主同步码是一个固定序列，在每时隙都是相同的，这样就获得了时隙同步
    • 由于 WCDMA一帧的 15 个时隙都分配给一个手机使用，所以手机必须清楚帧的边界，这个工作由 从同步信道 S-SCH 完成
    • 从同步信道发送从同步码 ,从同步码也是在每个时隙最开始的 256 个码片发射
    • 从同步码在每个时隙都是不相同的，所以把有 15 个位置都搜索一遍之后,帧的边界也就确定了
    • 从同步码还有另一个作用 ,就是它们的不同组合可以确定主扰码的码组
  • 确定扰码
    • 在完成同步后 ,手机只知道小区扰码的组号 ,但每组有 8个扰码,具体是哪个？需要用 8个扰码一去尝试
    • 掌握解密钥匙的，就是公共导频信道 CPICH，导频有着全 0的序列，可以方便的对信道情况进行校准
    • 公共导频信道可以辅助手机对小区进行信道估计，在切换和小区选择的时候都需要测量 CPICH电平值，它 也是其它信道的相位和功率的基准
  • 收听广播
    • 手机完成和基站的同步，钥匙-扰码也找到了，接下来要收听基站广播的内容，比如小区号、 LAI号、小区上行链路最大发射功率、临小区情况等，这些信息由P-CCPCH传输
  • 收听寻呼消息
    • 手机收听完广播，知道了网络的情况，然后就会在一个小区驻留下来，就是“待机状态”
    • 监听小喇叭 PICH 看有没寻呼消息，如有就去解调 S-CCPCH。
  • 发起接入申请
    • 当手机发现有人在打电话找它时，需要申请接入网络，手机在PRACH信道发起申请，基站在 AICH 承载准入消息

  • 开始业务过程

    • 小容量业务在 S-CCPCH 进行，如果是话音业务，在DPDCH进行。 有些控制信息占用了它的一部分容量，和它时分复用在一起传输。传输这些控制信息的信道叫DPCCH。

      4. WCDMA主要特点

  • 具有支持多媒体业务的能力

    • WCDMA系统的高带宽，能够支持从语音到数据到多媒体业务，同时支持并发业务的通信
    • 快速移动环境，最高速率达144kb/s
    • 室外步行环境，最高速率达384kb/s
  • WCDMA是一个自干扰系统
    • 是软容量、软覆盖的系统

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  • WCDMA所采用的技术手段和网络规划的目的就是要在“容量”“质量”“覆盖”三者之间达到最佳匹配
  • 干扰越大，容量越小，覆盖越小；业务速率越高，容量越小，覆盖越小
  • WCDMA可以充分利用软容量特点，偏远地区可以用软容量换取覆盖面积增加，对于城市可以用覆盖换容量
  • WCDMA不同业务的覆盖不同于TDMA系统，TDMA采用智能天线和多用户检测，降低干扰，因此不同业务承载覆盖半径基本相同，属于同径覆盖。而WCDMA是同心覆盖。
    • 导频污染
  • 无主导小区，频繁发生激活集更新
    • WCDMA系统的频率复用系数为1

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5. WCDMA关键技术

  • 编码技术
  • 扩频技术
  • RAKE接收技术
  • 功率控制
  • 软切换
  • 多用户检测技术
  • 智能天线技术