WCDMA 原理

1. WCDMA原理

2. 本节要点 • 基本概念综述 • WCDMA空中接口 • 关键技术专题

3. 3G的目标 新的频段 高的频谱利用率 多媒体数据业务 快的数据速率 优良的业务质量 全球的漫游通信 廉价的普遍服务 WCDMA是当前实现3G目标的最佳技术

4. IMT-2000家族的形成 家族概念的由来 全球范围内，各自提出3G建议的机构众多。在此背景下，ITU提出了“IMT-2000家族”的概念。ITU不再要求无线传输技术的一致性，只要所建议的系统可以满足3G的基本要求，都可以成为家族成员。 家族形成的意义 * 给予地区标准化组织以灵活性 * 明确了3G的目标； WCDMA是“IMT-2000”家族的主流技术

5. IMT-2000家族的要求 3G要求的基本框架 传输能力 高速移动 120km/h，最大可支持 144 kbps 的信息传输速率； 步行移动 3km/h，最大可支持 384 kbps 的信息传输速率； 室内静止环境，最大可支持 2Mbps 的信息传输速率；（第二阶段） 业务性能 综合（多媒体）业务； 可变速率传输业务； 支持持续在线； 网络能力 支持终端的全球漫游 支持终端的虚拟本地环境；（第二阶段） 接口能力 满足ITU定义的各接口规范：UIM-MT, UNI, RAN-CN, NNI； WCDMA满足3G的所有要求

6. IMT-2000系统接口概述 UTRAN 其他IMT-2000家庭成员的CN UIM RAN CN MT UIM-MT接口 NNI接口 RAN-CN接口 UNI接口 空中接口 Uu Iu 不同3G 系统的主要区别在于空中接口的无线传输技术 空中接口=无线接口=Uu

7. WCDMA的空中接口

8. 什么是CDMA？ 频率 频率 时间 时间 FDMA TDMA 频率 时间 CDMA 码字 时隙 频道 码道 波束 CDMA就是码分多址，WCDMA是宽带码分多址

9. 无线资源的物理要素 频率 时间 扩频码道 空间 信号功率 信号相位 在有限的频谱内，如何用尽可能低的成本实现尽量高的QoS和系统容量，是对当前无线移动通信技术的挑战。

10. 扩频编码 功能：为移动通信传输数据提供扩展频谱的码道 正交码OVSF 伪随机扰码Gold 比特速率 码片速率 码片速率 DATA Chip Rate 3.84MHz Bit Rate 扩频编码：先正交码扩频，再伪随机码加扰； 比特速率 = 码片速率(3.84MHz)/ 扩频增益； 正交码：OVSF码，扩频，区分信道，扩频增益可变(4-256)，以适应不同的比特速率(960k-15kbps)； 伪随机码：Gold序列，加扰，在上行信道用来区分用户，下行信道用来区分小区；码自相关特性很好，互相关特性稍差，序列周期可以很长，抗干扰、抗多径、抗截获； WCDMA的扩频增益大小可变以适应数据通信中的多速率业务

11. 信道编码 功能：为移动通信传输数据提供差错控制方案 • WCDMA为信道提供前向纠错FEC和自动重发请求ARQ两类纠错方式； • WCDMA建议了3种前向信道纠错编码： • 卷积码 • 误码率要求不高，实时业务，码型与GSM相同，编码效率1/3； • Turbo码 • 误码率指标高，非实时业务，两递归系统卷积码级联，编码效率1/3 ； • 业务专用编码 • WCDMA允许业务数据自带特殊的编码方式而不经过标准信道编码的处理，为物理层提供更大的灵活性。 WCDMA对不同业务的数据采用不同的信道编码策略以最佳地适应业务特征

12. 分集技术 功能：为移动通信系统提供信道衰落抵抗方案 • 交织编码——时间分集：用交织将信号比特在时间上扩散，使得由于信道突发脉冲干扰造成的连串错误比特被离散开来，得以逐个纠正。 • 发射分集——空间分集：WCDMA的基站在发射时采用两根正交天线发送信息信号的不同调制版本。发射分集减少了下行信道之间的干扰、有利移动台的RAKE分集接收。 • RAKE接收——多路径分集：采用滑动相关器来搜索若干条路径信号以合并输出，大幅提高接收机信噪比指标，降低差错率。相比其它3G系统而言，WCDMA的码片速率最高，RAKE接收的分辨率更好，多径传播路径差仅78米就可以被分集。 WCDMA综合采用各种分集技术以提高接收机性能

13. 要点 • 基本概念综述 • WCDMA空中接口 • 关键技术专题

14. WCDMA系统组成 RNS—无线接入网系统 UTRAN CN RNC Node B1 PSTN和 Internet等 UE Iub接口 Uu接口 Iu接口 Node B2 UE Node B n Iur接口 UE RNS 作为UMTS，WCDMA由CN、UTRAN和UE组成，各部分由标准接口连接。UTRAN包括多个RNS，一个RNS包括一个RNC（无线网络控制器）和多个Node B，一个Node B可以包括1、3或6个扇区（cell）。 WCDMA的空中接口是UMTS中最重要的开放接口

15. 空中接口协议结构 用户平面 控制平面 无线资源控制协议 网络层 L3 测量 RRC 测量 控制 分组数据会聚协议层 测量 PDCP L2/PDCP 测量 测量 广播/多播控制层 控制 BMC L2/BMC 控制 无线链路控制层 L2/RLC RLC 逻辑信道 控制 媒体接入控制层 MAC L2/MAC 传输信道 控制 PHY 物理层 L1 无线信道 与OSI结构相应，WCDMA空中接口也是3层结构

16. 物理层的功能 执行无线电信号处理，向高层提供比特流的传输信道 • 其具体功能如下： • RF、中频和基带信号处理，扩频/调制，解调/解扩； • 同步（码片、比特、时隙、帧）和传输速率匹配； • 信道编码/解码，传输信道数据的交织/解交织； • 闭环功率控制； • 传输信道的复用，编码组合传输信道的解复用及其到物理信道的映射； • 合并/分离宏分集和执行软切换； • 对传输信道进行错误检测并向高层指示； 物理层是移动通信系统的关键

17. 传输信道和物理信道的映射 Physical Channels 主公共控制物理信道 (PCCPCH) 辅公共控制物理信道 (SCCPCH) 物理随机接入信道 (PRACH) 专用物理数据信道 (DPDCH) 专用物理控制信道 (DPCCH) 下行物理共享信道 (PDSCH) 物理公共分组信道 (PCPCH) 同步信道 (SCH) 公共导频信道 (CPICH) 请求指示信道 (AICH) 寻呼指示信道 (PICH) CPCH状态指示信道 (CSICH) 冲突检测/信道分配指示信道(CD/CA-ICH) Transport Channels BCH FACH PCH RACH DCH DSCH CPCP WCDMA的业务数据经过高层的封装，由传输信道来承载。承载业务的多个传输信道进入同一个复合传输信道（CCTrCH），再映射到物理信道执行无线收发进程。

18. 物理层的专用传输信道 • 专用信道（DCH）用来向特定的用户传送数据信息，分为上行和下行专用信道。 • 专用信道（DCH）被映射到两种物理信道上，DPCCH和DPDCH。其中DPCCH速率是固定的，而DPDCH是可以逐帧（每10ms）改变的。 • WCDMA规定，每个无线连接的专用信道最多只有一个DPCCH，但采用多码道则最多可以支持6个DPDCH信道同时传输。 • 通过区分DPCCH和DPDCH信道，WCDMA的物理层能够支持可变比特速率。 • 比特速率 = 码片速率(3.84MHz)/ 扩频增益；OVSF码的扩频增益取4，则一条DPDCH信道的比特速率为960kbps。取6个DPDCH信道并行传输时，一条物理信道的最高传输比特率为5760kbps，若选用效率为1/3到1/2的信道编码，可以为用户提供1.92Mbps到2.88Mbps的数据传输业务。 WCDMA的物理层具有变速率业务处理能力，其最高速率可以达到“IMT-2000家族概念”的数据速率要求

19. 物理层的公共传输信道 • 广播信道（BCH）：小区发送公共广播信息，包括随机接入码、接入时隙、发送分集类别等。接收不到BCH就不能进行终端登记。大功率、固定低速率传输以保证信号被区内所有终端正确接收。 • 前向接入信道（FACH）：向已经位于本小区的手机发送信息。不使用快速功率控制。 • 寻呼信道（PCH）：当由网络发起呼叫时使用。相同的一条寻呼消息可能在一个小区或者上百个小区中发送。寻呼信道的设计影响手机待机时间。 • 随机接入信道（RACH）：传送手机发向基站的控制信号，比如连接请求及一些小的分组信息。低速率传输以保证能在小区全范围内能被基站正确接收。 • 公共分组信道（CPCH）：是RACH的扩展，用来传送上行分组用户数据。和它相对的下行信道是FACH。 CPCH和RACH的区别是它使用了快速功率控制、碰撞检测机制和状态监视过程。RACH一般只持续一到二个帧，而CPCH可以是好几个帧。 • 下行共享信道（DSCH）：用来传送专用用户数据信息和控制信息，可以被几个用户所共享。DSCH和FACH有点类似，DSCH支持快速功率控制，而且可以逐帧改变传送速率。须和一个专用信道配合使用。 WCDMA的公共物理信道设计具有高的可靠性和灵活性

20. MAC层的功能 使用物理层提供的传输信道并向无线链路控制层（RLC）提供逻辑信道 • MAC层的具体功能如下： • 根据业务的实时源速率，按照无线资源控制协议层（ RRC ）的要求，为每一个传输信道选择适当的传输格式TFI。 • UE 数据流之间的优先级处理。依据无线承载业务属性和RLC缓冲状态来确定优先级，并考虑来自物理层的传输功率指示。高优先级数据将被映射到高比特率的物理层传输格式上。 • 为RACH传输选择接入业务类（ASC）。MAC通过网络广播得到接入类的相应参数，再将RACH资源（接入时隙和前导签名）分为不同的ASC以区分优先级。 • 加密。若RLC使用透明模式，则在MAC层上执行加密。 • 业务量检测。对逻辑信道的业务量进行检测并向RRC汇报。基于该信息，RRC执行传输信道切换判断。 • 动态传输信道类型切换。在RRC命令下，MAC执行公共和专用传输信道之间的切换。 WCDMA的MAC层充分利用物理层所具有的变速率业务处理能力

21. RLC层的功能 在控制平面上为上层提供信令无线承载，在用户平面上为用户数据提供无线承载 • RLC层的具体功能如下： • 分段和重组。将不同长度的高层PDU分段为小的RLC负荷单元PU，在对等端再进行重组PDU。PDU的大小根据实际的传输格式集进行调整。 • 联接与填充。适应RLC PDU和PU的不同长度。 • 发送用户数据。传送用户数据，支持确认、非确认和透明3种传输模式。 • 错误纠正。在确认数据传输模式中，通过重传以纠错。 • 流量控制。控制对等发送端RLC发送信息的速率。 • 序号检查。对于非确认数据传输模式，保证重组PDU的完整性并提供一个检测恶化的RLC SDU机制。恶化的SDU将被丢弃。 • 协议错误检测和恢复。在RLC协议操作中检测错误并予以恢复。 • 加密。对RLC层确认和非确认传输模式的数据进行加密操作，防止非授权访问。 • 暂停或继续数据的传输。 WCDMA的RLC层协议提供了完备的无线链路管理机制

22. BMC层功能 仅仅存在于用户平面，为了处理广播和多播业务而设计 • 具体功能如下： • 存储小区广播消息。存储小区广播中心CBC-无线网络控制器RNC接口上接收的小区广播消息。 • 业务量监测和CBS无线资源请求。计算小区广播业务的速率，并向RRC请求合适的信道资源。 • 调度BMC消息。UTRAN侧的BMC调度BMC消息序号，在UE侧的BMC对调度消息进行评估并向RRC指示调度参数，以便RRC配置低层CBS非连续接收。 • 向UE发送BMC消息。调度发送BMC消息。 • 向高层（NAS）传送小区广播消息。向UE的高层传送收到的小区广播消息。 WCDMA的BMC层协议强调广播/多播业务对信道资源的适配能力

23. PDCP层功能 仅仅存在于用户平面，为了处理分组交换业务而专门设计 • 设计目标： • 各种现有和未来新的网络层协议（如IP等）应能在UTRAN中传输而无须改变UTRAN协议。因此，UTRAN实体应透明传输高层的分组。 • 具体功能： • 将网络PDU从一个网络协议映射到一个RLC实体上。 • 对多余的网络PDU控制信息在发送实体中进行压缩，在接收实体中进行解压缩（如TCP/IP包头的压缩/解压缩）。 • 在RLC的确认、非确认和透明模式上进行数据传输。 WCDMA支持各种网络层协议，这些协议对于用户业务是透明的； WCDMA的头压缩算法使得TCP/IP业务得以高效的传输；

24. RRC层功能 • 无线资源控制（RRC）层的设计目标是：控制空中接口无线资源的分配并发送有关信令调用低层或对端实体予以执行。 • RRC使用低层进行的测量来决定可用的无线资源并进行分配和控制 • UE与UTRAN之间的大多数控制信令是RRC消息。 • RRC消息包含建立、修改和释放L2和L1协议实体所需的全部参数。 • RRC允许MAC层在无线资源分配中对用户和无线负载之间进行仲裁。 • RRC 向高层提供公共控制、通告和专用控制业务。 WCDMA的RRC功能很多，引入了许多新颖的无线资源算法，使得WCDMA系统具有强大的无线资源管理和优化能力。

25. RRC层与低层之间的相互作用 测量报告 测量 RRC RRC 无线资源分配 测量 码、频率、传输格式、传输格式集合、信道映射、等等 控制 控制 RLC RLC RLC重传控制 测量 控制 控制 测量 MAC MAC 控制 L1 L1 控制 UE UTRAN UE RRC需要将UE的测量报告传递给UTRAN RRC，后者执行无线资源管理算法并发出信令指示

26. 要点 • 基本概念综述 • WCDMA空中接口 • 关键技术专题

27. 无线资源管理策略 无线资源管理的主要策略包括： • 切换策略，包括软切换和硬切换。 • 接纳控制，避免系统性能严重下降。 • 无线承载控制，动态进行信道配置和切换。 • 码资源分配策略。 • 功率控制算法。 管理策略 WCDMA引入了多种无线资源管理新技术以提高业务的QoS和系统容量。

28. 软切换 当移动台从一个小区向另一小 区移动时，为了继续进行通信，必 须切换到一个较近的小区。为了避 免在切换时通信中断（掉话）， WCDMA系统采用了软切换的方法， 即在小区的边缘处，移动台同时与 两个或以上的基站保持通信，直到 切换到目标小区后才与其它小区切 断通信链路，这样不会掉话，提高 了WCDMA系统的服务质量。 Node B1 Node B2 软切换

29. 接纳控制 在用户发起呼叫时，无线资源管理根 据系统资源的可用情况决定接纳还是拒绝 用户。当系统资源不能满足用户的要求时 拒绝用户的呼叫请求。当系统剩余的资源 足够用户使用时，按业务的优先级来接纳 呼叫的用户，并分配相应的资源（信道码、 扰码等）给呼叫用户。 接纳控制

30. 负荷控制 在系统的运行中，由于移动终端速度和 位置的变化，会造成无线传输环境的恶化， 引起发射功率的上升，使系统负荷增大，此 时WCDMA UTRAN无线网络控制器（RNC） 中的无线资源管理（RRM）模块就要控制系 统的负荷以达到平衡。负荷控制就是在系统 负荷过高时通过各种方法降低系统的负荷，使系统负荷限制在一定的范围内，以 保证系统稳定运行。若没有对系统实行很好的负荷控制，那么系统工作就不稳定 甚至发生崩溃。降负荷控制动作有：拒绝从移动台来的增加功率的命令；减 少上行用于上行快速功率控制的SIR目标值；减少分组业务的吞吐量（降传 输速率）等等。 负荷控制

31. 小区呼吸 当相邻小区的用户密度不 同造成负荷不平衡时，可以通 过WCDMA系统的小区呼吸功 能来实现小区间的负荷分摊， 以保证各个小区在合理的负荷 下稳定运行，同时降低了呼损 率，提高了重负荷小区的服务 质量，使系统资源得到充分的 利用。 小区呼吸功能实际上就是 通过改变下行导频信道的发射功率，使其有效覆盖范围改变， 将处于小区边缘的用户“推”给另一个小区或从另一个小区 “吸入”小区边缘的用户。一般是用户密集的小区降低导频 功率，将小区边缘的用户“推”给（呼出）周围小区。

32. 功率控制 为什么CDMA系统都要做功率控制？ b • CDMA系统中具有功率攀升现象和远近效应现象； • 这些现象根源在于正交码信道之间由于多径传播造成正交特性不理想而产生的多址干扰。 a 1 2 CDMA是同频自干扰系统。在扩频方案确定的情况下，系统设计围绕功率进行。功率控制技术是CDMA系统的基石。

33. 功率控制 • 功率控制可以补偿衰落，接收功率不够时要求发射方增大发射功率。 • 上行信道功率控制的目标：所有移动台的信号到达基站的功率相同。 • 下行信道功率控制的目标：在小区内的移动台都可以正常通信的条件下，尽量降低总的基站发射功率。 在上下行双向链路上，WCDMA采用高达1500Hz的快速闭环功率控制技术补偿衰落（ CDMA2000中的闭环功控为800Hz ）。WCDMA对处于快速移动或快衰落状态的终端也可以具有好的功控效果。 在决定接入初期发射功率、切换时决定切换后初期发射功率时，在RACH和CPCH信道上，WCDMA使用开环功率控制。其精度在±9dB，调整步长为1dB-2dB，在10ms内可以达到30dB的矫正。 WCDMA具有强大的功率控制机制

34. 业务模型的概念 业务模型的实质是在各种业务不同比例的情况下系统总体性能的数学表示。 业务模型是系统设计和网络规划的依据。 一、2G移动通信及之前的业务是纯CS域话音，Erlang B公式将系统容量、用户忙时话务量和阻塞率联系起来。 二、2.5G系统是在CS域话音业务基础上加入PS域分组业务，话音部分采用传统的Erlang B公式描述，分组业务是发送及接收电子邮件、浏览互联网、在线游戏、移动办公、电子商务等，采用无呼损的等效爱尔兰容量方法。业务统计特性和比例没有标准，建立业务模型困难。 三、3G的业务种类比2.5G的还要多。比如可视电话、小电影等。业务模型也是混合的业务模型。可以分近、中、远期的发展和城市、乡村对业务比例进行预测，建立混合业务模型。近期还是以话音业务为主。

35. WCDMA系统可承载的四大类业务 • 会话型：双向传输的实时业务，对时延、时延抖动很敏感。典型的业务有：话音、可视电话的误码率在10-3 就能保证话音质量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时则时延不能太长。 • 交互型业务：双向不对称非实时的业务，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，时延小于1s。 • 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1到10s。 • 后台型业务：单向或双向非对称业务，主要是电子邮件和传真业务。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。 确保各类业务的QoS，是WCDMA系统设计的核心工作

36. WCDMA系统的QoS策略 1） 会话型、交互型、流和后台型业务有不同的QoS要求和特性。根据业务特性，WCDMA系统予以不同的编码方式和不同的资源分配方法来承载，以此得到最佳的系统资源使用效率并满足各种业务的QoS。 2） WCDMA在系统协议设计中对承载业务进行QoS分解并在核心网和无线接入网中予以分段实现，使业务的QoS能得到端到端地保证。 3） 在无线接入网（UTRAN）部分的空中接口中，由无线资源管理（RRM）来负责QoS。通过综合采用前述各层协议的业务分类处理、业务优先级、无线信道资源调度、可变比特速率传输、软交换、功率控制、用户呼叫接纳控制、负荷控制、小区呼吸等多种措施，WCDMA确保了无线接入网部分对于承载业务的QoS性能。 WCDMA系统具有完备的分组业务QoS解决方案

37. 蜂窝网络规划与优化 蜂窝网络规划的目标 根据业务需求和网络特性，设定基站位置和系统参数，在满足信号覆盖、系统容量和业务质量要求的前提下，使蜂窝网络的工程本最低。 蜂窝网络规划的内容 根据业务分布和地形地貌进行基站分布规划；导频信道发射功率规划；小区天线种类、高度、方向、下倾规划；小区资源规划（扰码规划）等。 蜂窝网络优化的目标 解决蜂窝网络规划完成后由于覆盖盲区、导频污染、临近小区列表有误、业务分布估计偏差、系统控制策略不当、环境变化等等导致的问题，如覆盖盲区造成的掉话、容量过小造成的阻塞、通信质量不合格等。 蜂窝网络优化的内容 蜂窝网络优化分为两个阶段：系统建设调整中的前期优化，以及商业运行中的后续优化。蜂窝网络优化需要进行数据采集（路测得到路损参数、OMC统计数据），建立路测校正传播模型参数，调整系统参数设置。

38. 典型蜂窝小区的业务覆盖范围示意

39. 蜂窝网络优化实施过程 • 蜂窝网络优化实施要做的工作 1.调整基站发射功率（导频功率） 2.调整天线的增益、方向、俯仰角 3.调整天线高度 4.调整邻区列表 5.调整系统控制相关参数 6.选用适合的系统控制策略 7.小区分裂、多载频分层网

40. 感谢大家!