移动通信技术第4章3G移动通信系统及技术应用.ppt
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移动通信技术（第3版）,第4章3G移动通信系统及技术应用,1,第4章3G移动通信系统及技术应用,内容第三代移动通信系统总体要求和系统结构WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA的网络结构、无线接口和关键技术重点WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA的网络结构、无线接口、关键技术难点WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA的无线接口,2,目的和要求掌握WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA各系统关键技术、时隙帧结构理解WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA各系统无线接口中信道配置,3,4.13G概述,IMT2000：
预计2002年左右商用使用2GHz频段家族概念,4,1.对IMT-2000系统的总体要求,服务质量方面：
话音质量改进；无缝覆盖；降低费用；业务质量（传输、延迟）改进；增加效率和能力在新业务和能力方面：
每一方面都有很强的灵活接入能力、业务能力，实现1G和2G中不能实现的新话音和数据业务；以较低费用提供宽带业务，提高网络竞争能力；按需自适应分配带宽在发展和演进能力方面：
与2G共存、互通，实现2G到3G的平滑过渡在灵活性方面：
提供更高级别的互通，包括多功能、多环境能力、多模式操作和多频带接入,5,2.IMT-2000系统结构,组成：
由四个功能子系统组成：
核心网CN、无线接入网RAN、移动台MT和用户识别模块UIM,6,系统标准接口网络与网络接口NNI无线接入网与核心网间的接口RAN-CN无线接口UNI用户识别模块和移动台间的接口UIM-MT结构分层物理层、链路层和高层应用需要同时支持电路型业务和分组业务，并支持不同质量、不同速率业务,7,4.2WCDMA,WCDMA标准的演进WCDMA无线接入技术WCDMA中的关键技术,8,4.2.1WCDMA标准的演进,R99核心网继承了GSM/GPRS的网络结构，即保留了GSM电路交换部分，增加了分组域部分；无线网络部分引入了全新的、基于宽带CDMA技术的无线接入网络R99重点考虑GSM网络向WCDMA网络的平滑演进网络结构方面，R99核心网与GSM保持一致网络接口和协议方面，R99进行了更多的改进和优化业务能力方面业务计费方面网络设备,9,从R99到R4网络的演进R4版本只是在无线技术方面提出了一些改进来提高系统性能。
R4无线接入网正式引入TD-SCDMA技术。
演进核心网方面，在电路域R4引入了软交换概念网络结构的差异承载网的差别信令网的差别组网模式的差异,10,从R4到R5网络的演进R5版本的目标是构造全IP移动网络，在研究过程中分为R5、R6两个版本R5主要定义了全IP网络的架构R6重点集中于业务增强及与其他网络的互通方面R5在无线接入网和核心网领域进行了重大改进演进无线接入网方面核心网方面两个重点在无线接入网实现分组化，作为可选承载方式，实现高速数据接入功能；在核心网增加IMS域，实施IP多媒体业务和全IP网络。
11,R6版本在网络架构方面，R6主要是增加了一些新的功能特性，及对已有功能特性的增强。
演进引入HSDPA多媒体广播和多播业务增强RANIMS第二阶段基于不同IP连接网的IMS互通Push业务增强安全网络共享增强QoS计费管理,12,R7版本主要继续R6未完成的标准和业务制定工作WCDMA系统的整体演进方向网络结构向全IP化发展业务向多样化、多媒体化和个性化方向发展无线接口向高速传输分组数据发展小区结构向多层次、多制式、重复覆盖方向发展用户终端向支持多制式、多频段方向发展,13,4.2.2WCDMA无线接入技术,UMTS系统结构UTRAN体系结构主要接口空中接口,14,1UMTS系统结构,UMTS是采用WCDMA空中接口技术的3G，通常也把UMTS系统称为WCDMA通信系统由核心网CN、UMTS陆地无线接入网UTRAN和用户设备UE组成UMTS网络在设计时遵循以下原则RAN与CN功能尽量分离，即对无线资源的管理集中在RAN完成，而与业务和应用相关功能在CN执行其中，CN与UTRAN的接口定义为Iu，UTRAN与UE的接口为Uu接口,15,16,UE是用户终端，主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块及应用层软件模块等UTRAN负责处理所有与无线通信有关的功能，包括NodeB和RNC两部分CN负责对语音及数据业务进行交换和路由查找，以便将业务连接至外部网络。
包括MSC/VLR、GMSC、SGSN、GGSN、HLR等网络单元。
UMTS中的接口主要有Cu、Uu、Iu、Iur、Iub等,17,2UTRAN体系结构,UTRAN包含许多无线网络子系统RNS，一个RNS由一个RNC和一个或多个NodeB组成一个NodeB可支持FDD或TDD模式在TDD模式中有3种可选码片速率：
7.68Mchip/sTDD，3.84Mchip/sTDD和1.28Mchip/sTDD,18,
（1）RNC,RNC用于控制UTRAN无线资源，通过Iu接口与CS域MSC和PS域SGSN及广播域BC相连，在移动台和UTRAN间的无线资源控制RRC协议在此终止。
控制RNC（CRNC）：
控制一个NodeB的RNC叫该NodeB的，CRNC负责对其控制小区的无线资源进行管理。
服务RNC（SRNC）：
管理UE和UTRAN间的无线连接，它是对应于该UE的Iu接口和Uu接口的终止点。
无线接入承载的参数映射到传输信道的参数、是否进行越区切换、开环功率控制等基本的无线资源管理都是由SRNC来完成的。
一个UE某一时刻有且只有一个SRNC。
漂移RNC（DRNC）：
除SRNC外，UE所用到的RNC为DRNC，控制着移动终端使用的小区。
如有需要，DRNC可进行宏分集合并和分裂。
一个UE可以没有，也可有一个或多个DRNC一个RNC实体通常包含CRNC，SRNC和DRNC的功能,19,
（2）UTRAN功能,用户数据传输系统接入控制功能无线信道加密和解密移动性功能无线资源管理和控制功能同步功能广播/多播业务相关功能,20,3.主要接口,Iub接口：
RNC与NodeB间的接口，用来传输RNC和NodeB间的信令，及来自无线接口的数据Iur接口：
两个RNC间的逻辑接口，用来传送RNC间的控制信令和用户数据,21,Iu接口：
连接RNC和CN的接口，用于传输RNC和CN间的控制信息和用户信息，主要负责传递非接入层的控制信息、用户信息、广播信息及控制Iu接口上的数据传递三个Iu接口：
Iu-CS接口（面向电路交换域）、Iu-PS接口（面向分组交换域）和Iu-BC接口（面向广播域）在分立的CN结构中，CS和PS域中存在各自的信令连接和用户数据连接，对无线网络层和传输层均如此。
在联合的CN结构中，CS和PS域中存在各自的用户数据和信令连接控制部分连接SCCP，对无线网络层和传输层均如此。
Iu接口中，高层实体控制着许多底层实体。
一个CN接入点可连接到一个或更多的UTRAN接入点；对PS域，每个UTRAN接入点不能连接多于一个的CN接入点，除了非接入层节点选择功能NNSF被采用时，或RNC在多运营商核心网结构中共享时；对CS域，每个UTRAN接入点可连接多于一个的CN接入点；对于BC域，每个UTRAN接入点只有连接一个CN接入点,22,4空中接口,
（1）无线接口分层层1（L1）物理层层2（L2）MAC层层3（L3）RRC层,23,物理层的数据处理过程,物理层技术的实现,24,
（2）信道结构,传输信道物理信道传输信道到物理信道的映射,25,传输信道,26,专用传输信道：
传数据、信令某一时刻对一个用户有效，只有一个用户解码（UE通过物理信道识别PN、时间）公共传输信道所有一组用户解码，即使某一时刻仅对一个用户有效广播传输信道BCH：
小区特定信息前向接入信道FACH：
知道UE所在小区时，传送控制信息或短分组（慢速功控）寻呼信道PCH：
寻呼用户随机接入信道RACH：
传送来自UE的控制信息和短分组下行共享信道DSCH：
传几个专用控制或业务数据的UE共享，只含数据（控制信息利用DCH）公共分组信道CPCH：
传送少量数据分组,27,物理信道,由载波频率、码（信道码和扰码）、相位确定物理信道包括3层结构：
超帧、无线帧和时隙超帧长720ms，包括72个无线帧无线帧包括15个时隙的信息处理单元，时长10ms时隙包括一组信息符号的单元，每时隙符号数取决于物理信道,28,29,专用物理信道：
传送专用数据和相应的控制信息公用物理信道：
PRACH：
承载RACH进行终端接入PCPCH：
用来传送CPCH，作为数据传送的补充，主要用于突发数据CPICH：
不承载任何高层信息，也没有任何传输信道映射，用于区分扇区SCH：
用于小区搜索过程中的同步根据在小区搜索中所起作用分成P-SCH和S-SCH，并行发送P-SCH在每个小区中都使用相同的长度为256chip的主同步码PSC，在每个时隙内重复发射；一旦UE识别出S-SCH，在得到帧同步和时隙同步的同时，也得到小区所从属的组的信息，只有当UE开机或进入新的覆盖区时，才需在初始搜索过程中对所有的码组进行全面搜索。
SCH没有传输信道映射，采用时分方式的复用,30,CCPCH：
根据承载的传输信道的不同分为P-CCPCH和S-CCPCHCCPCH与下行DPCH的主要区别在于CCPCH不支持内环功率控制PCCPCH和S-CCPCH主要区别在于映射到P-CCPCH上的BCH的TFC是固定的，而S-CCPCH则可通过TFCI支持多种TFCP-CCPCH：
承载BCH的物理信道，用于传送广播信息S-CCPCH：
承载FACH和PCH，完成接入控制和寻呼AICH：
与PRACH相配合，用于传送捕获指示AI，AI对应基站接收到的PRACH的特征标记序列PICH：
用来传送寻呼指示PI，与一个S-CCPCH（对应传输信道PCH的映射）一同配合为UE提供有效的休眠工作模式PDSCH：
用于传送DSCH，与PCPCH相似，主要传送非实时的突发业务，可通过正交码由多个码分用户共享,31,传输信道到物理信道的映射,DCH经编码复用后的数据流直接顺序映射到专用物理信道BCH、FACH、PCH经编码交织后分别按序映射到P-CCPCH、S-CCPCHRACH编码交织后按序映射到PRACH的消息部分,32,4.2.3WCDMA中的关键技术,主要技术及参数扩频与调制技术信道编码与复用RAKE接收和多用户检测技术空时码技术物理层相关进程,33,1.主要技术及参数,基站同步方式：
支持异步和同步的基站运行信号带宽：
5MHz码片速率：
3.84Mc/s发射分集方式：
TSTD、STTD、FBTD信道编码：
卷积码、Turbo码调制方式：
QPSK功率控制：
上下行闭环、开环功率控制解调方式：
导频辅助的相干解调方式语音编码：
AMR（自适应多速率话音编码）,34,WCDMA与GSM指标的比较,35,语音演进WCDMA：
AMR语音编码速率：
4.75Kbit/s12.2Kbit/s软切换和发射分集，提高容量；提供高保真的语音模式进行快速功率控制,36,数据演进支持最高2Mbit/s的数据业务支持包交换（目前采用ATM平台）提供QoS控制公共分组信道CPCH和下行共享信道DSCH，更好地支持Internet分组业务，提供移动IP业务（IP地址的动态赋值）传输格式指示TFCI域提供动态数据速率的确定，提供高质量的上下行不对称的数据业务的支持如语音，可视电话，会议电视,37,2扩频与调制技术,物理信道成帧后，需对物理信道的数据流进行扩频、加扰扩频又叫信道化操作发：
用扩频序列与信号相乘，提高速率，增加带宽收：
用相同的扩频序列与接收信号相乘解扩用来转换的数据序列符号叫信道化码在WCDMA中采用OVSF作为信道化码；每个符号被转化成的码片数目为扩频因子第二步操作为加扰，用一个伪随机序列与扩频后的序列相乘，对信号起加密、扰乱作用。
扰码的码片速率与已扩频符号相同，因此不影响符号速率上行链路物理信道加扰的作用是区分用户，下行链路加扰可区分基站和信道，因此选择的扰码间必须有良好的自相关性。
WCDMA采用Gold序列作扰码,38,同步信道的扩频和调制,SCH是一种特殊的物理信道，在物理层上不可见SCH供UE用于搜索小区，且不经过小区主扰码加扰因为UE须能在获得下行链路扰码信息之前和小区取得同步主同步码PSC序列只有一个，用于WCDMA的所有小区的所有时隙，不经过调制发送辅助同步码SSC共有16个，经排列组合，选16个编成一组，总共64个不同的码组序列，与下行主扰码的64个扰码组一一对应小区选用SSC的步骤：
先找到本小区的主扰码属于哪个扰码组然后找到对应的SSC序列每个时隙对应一个辅扰码号，根据此扰码号可计算出同步信道的同步码字在实际系统中，不同小区选用不同的序列模式，不同时隙选用不同的S-SCHSSC发送时不经过加扰同步码字包含了BCH是否采用开环发送分集的信息，且同步信道是WCDMAFDD唯一采用时间倒换发送分集TSTD的信道。
39,3信道编码与复用,WCDMA系统信道复用过程与物理信道编码过程不可分：
来自高层的业务数据经过封装，以传输信道数据的形式进入物理层物理层对来自高层的数据进行编码再发射在接收端，数据在物理层被译码后再送往上层物理层的信道编码包括检错编码、纠错编码、速率匹配和交织WCDMA系统的系统复用过程是为并发业务分配无线资源、保证其业务质量、并将传输格式通知接收机过程；具体到物理层，就是把承载了用户信息的传输信道与其控制信息进行组合，再映射到物理信道，进行发送的过程,40,
（1）传输格式参数,传输格式TF物理层提供给MAC子层（或反方向）的一种格式用于指示传输信道上一个TTI期间内的传输块集合TBS的传输由两部分组成：
动态部分和半静态部分动态部分包括传输块的大小和传输块集合的大小TBSS半静态部分包括传输时间间隔TTI、纠错方式（如Turbo码、卷积码、静态速率匹配后的码率、CRC的比特数等）传输格式集合TFS描述一个特定传输信道的所有TF的集合在一个TS中，所有的TF的半静态部分是相同的，一个传输信道的可变比特速率是通过在每个传输时间间隔间改变TFS的内容和传输块集合的大小来达到的即在一个传输块集合中的各个TF的动态部分不同,41,传输格式组合TFC物理层可复用一个或几个传输信道，每个传输信道都有一个可用的TF列表（即TFS）TFC是现有的几种TF的组合这些TF可同时被用于一个编码组合传输信道，其中的每个传输信道只有一种对应的TF传输格式组合集合TFCS由高层指定的，描述一个编码组合传输信道的参数当数据信息映射到物理层时，MAC在由高层给定的TFCS中选择一种合适的TFC因在不同的TFC间只是动态部分不同，实际上MAC就能控制TF的动态部分TFC的选择可看作是无线资源的快速方法MAC通过它能将物理层所具有的可变速率的业务处理能力充分利用,42,传输格式指示TFITFI是一个标号，对应于TFC中某个特定的TF一个传输块集合在MAC与物理层间交换时，传输格式指示用来进行层间的消息交换传输格式组合指示TFCI物理层根据上层发来的TFI信息，根据系统指定的对应关系，计算得一个个指示信息，对应于一个编码组合传输信道上目前所用的传输格式组合即TFCI与一个特定的TFC一一对应，用来通知接收方目前所用的TFC由此，当接收机检测出TFCI后，就可知道复用到对应的数据帧10ms上的传输信道的TFC和各个传输信道所对应的TF，包括此时各传输信道的比特速率、传输时间间隔、所使用的CRC长度、编码类型和编码率依据复用和编码流程，可推断出此时精确的复用方案和速率匹配方案，即此时所映射到的物理信道的码速率及所使用的扩频因子,43,
（2）传输信道的一般编码和复用,在每个传输时间间隔里，来自高层的数据封装在传输块集合中到达物理层的编码/复用单元传输信道的传输时间间隔的格式有10ms、20ms、40ms和80ms其中DCH仅在系统帧号为512时才能使用80ms格式信道编码/复用的一般步骤如下在每个传输块后面添加CRC校验比特；传输块级联和码块分割；信道编码；无线帧均衡；速率匹配；插入DTX指示位；交织（两次）；无线帧分割；传输信道的复用；物理信道的分割；映射到物理信道从传输信道复用模块出来的单一数据流（包括下行链路的DTX指示位）就是CCTrCH一个CCTrCH可映射到一个或多个物理信道,44,（3）传输格式检测,传输信道的TFS中包含多个TF时，接收端需进行传输格式检测，有以下几种方法当TFC在TFCI域中传输时，可通过TFCI检测显式盲检测：
通过传输信道的编码和CRC格式检测TF引导检测：
将CCTrCH中的另外一个传输信道作为参考，此参考信道与需要检测的传输信道具有相同的TTI和TF，且参考传输信道使用显式盲检测对于上行链路，是否支持盲传输格式检测由UTRAN控制对下行链路，UE须支持盲传输格式检测,45,（4）信道编码格式,对上、下行专用信道，主要业务有信令、语音、电路型数据（用于传真、可视电话业务）和分组型数据（用于浏览器、文件下载等业务）物理层传输的业务选择有：
单独信令语音+信令电路交换型数据+信令分组交换型数据+信令语音+分组交换型数据+信令语音+电路交换型数据+信令不同的信道有不同的业务格式,46,（5）压缩模式,压缩模式又称时隙化模式，一帧中的一个或连续几个无线帧中某些时隙不被用作数据的传输单帧和双帧方法规定的传输间隔长度TGL有3，4，7，10和14双帧方法：
间隔位于两个帧间，能使单帧时间内的影响尽可能小，如可使需要的发射功率增量比使用单帧方法要少,47,帧中一个或几个无线帧不用作数据传输，为保证质量，压缩帧中其他时隙功率增加传输间隔可按需设置，也可固定位置传输间隔可对其他频点进行测量功率增加与传输时间减少相对应压缩方式：
打孔、扩频因子减半、高层指配接收机要准确解码，须有发送方的编码/复用格式参数-采用传送格式检测获得参数若TFCI显式传送-可显式检测若TFCI没有被传送-可隐式检测,48,压缩帧一般用于下行链路，有时也在上行链路中使用如果上行链路使用了压缩帧，则在下行链路同时也需要使用压缩帧上行压缩模式的帧结构如图4-71所示下行压缩模式可有两种帧结构TypeA最大化传输间歇的时间长度TypeB最优化了功率控制高层的信令决定下行压缩模式使用哪种帧结构,49,50,4RAKE接收和多用户检测技术,
（1）初始同步与Rake多径分集接收技术同步：
PN同步、符号同步、帧同步、扰码同步基本同步信道捕获PN同步、符号同步辅助同步信道的扩频码非相干接收获取扰码组号扰码穷举搜索扰码同步RAKE接收相干RAKE接收采用RAKE解决多径衰落问题WCDMA：
专用导频信号宏分集和越区切换,51,
（2）多用户检测技术,多径衰落环境PN的正交性难以保证干扰、容量受限-解决方法：
MUDMUD（联合检测、干扰对消）作用：
降低干扰（消除远近效应），提高系统容量方法：
通过测量各用户扩频码的非正交性，用矩阵求逆或迭代方式消除用户间干扰,多用户检测系统框图,52,5空时码技术,空时编码STC即在时间和空间域都引入编码主要类型空时分组码STBC空时格码STTC分层空时码LST空时码集发射分集和编码于一体，具有较好的频率有效性和功率有效性,53,6物理层相关进程,小区搜索随机接入发射分集功率控制切换测量压缩模式的测量,54,
（1）小区搜索,小区搜索（下行同步）时隙同步：
P-SCH（基本同步码PSC）帧同步和码组指示：
S-SCH（辅助同步码SSC）扰码识别：
CPICH相关运算，确定主扰码，检测P-CCPCH获超帧同步（读取BCH信息）公共信道的同步无线链路的三种状态初始状态非同步状态同步状态,55,P-CCPCH：
小区搜索时获得帧同步（小区搜索中的）超帧同步（小区搜索中的）S-CCPCH：
P-CCPCH同步BCH上广播的时间偏移PRACH：
按接入时隙的时序进行,56,
（2）随机接入,初始化前，物理层要从高层RRC层接收信息：
前导扰码；消息长度10或20ms；AICH中的发送时间参数（0或1）；用于每个接入业务级别ASC的可用特征码和RACH子信道组（其中一个子信道组为一些子信道的组合）；功率变化步长Power-Ramp-Step（整数且大于0）；最多前导重传次数（整数且大于0）；初始前导功率Preamble-Initial-Power；传送格式参数集。
参数在每个随机接入程序初始化前不断被高层更新初始化阶段，物理层将从高层MAC接收信息：
用于PRACH消息部分的传送格式；PRACH传输的ASC；传输的数据（传送块集）,57,58,（3）发射分集,发射分集指在基站方通过两根天线发射信号，每根天线赋予不同的加权系数（包括幅度、相位），从而使接收方增强接收效果开环发射分集：
BTS发射先经空间、时间块编码MS接收中进行分集接收解码闭环发射分集：
MS监测两个天线的发射信号幅度、相位通知BTS下次发射的信号幅度、相位BTS发射（MS反馈）关键：
幅度、相位的监测加权因子的计算主要用于DPCH、PDSCH,59,（4）功率控制,不同的信道可采用不同的功控方式上行功控下行功控,60,上行功控：
PRACH：
开环DPCCH/DPDCH：
开环、闭环；压缩、非压缩正常发射功控非压缩模式压缩模式DPCCH前导发射功控：
用于DCH初始化功率差设置不同传输格式TFC对应的增益因子不同正常帧的TFC对应的DPCCH和DPDCH增益因子通过网络侧配置或高层信令配置,61,下行功控P-CCPCH：
慢变（几个帧内是常数S-CCPCH：
不功控-由网络设定，可变DPCCH/DPDCH：
开环/闭环；压缩/非压缩站址选择分集发射功控SSDT基本小区（一个）：
从最佳小区中发射，减小软切换时引起的干扰，在没有网络干预下快速选择站址非基本小区：
关发射功率DSCH：
慢速、快速闭环,62,（5）切换测量,切换步骤：
无线测量：
测强度、信噪比（MT、NodeB）网络判决：
定位系统执行：
切换采用压缩模式时可通过压缩间隔测试其他频点信号强度不通过辅助手段自主实现切换类型模式内切换：
软切换、更软切换或硬切换模式间切换：
在WCDMAFDD与WCDMATDD间切换系统间切换：
系统间切换在此仅指与GSM间的切换,63,（6）压缩模式的测量,压缩模式是否用于GSM900的测量和WCDMA的异频切换取决于UE的能力为保持上行链路连续，UE在保持现有频率的同时，还需另外产生并行的频率压缩模式的使用不可避免会影响链路性能实际上，UE在其他频率上执行抽样的工作时间要小，因为硬件切换到其他频率也需要占用时间。
如仅使用很短的1或2个时隙，则实际上并没有多少时间用于测量，规范中TGL取值排除了1或2个时隙的可能，将最小值定义为3个时隙，由于此时仅允许极短的测量时间窗值，所以仅被用于某些特殊的情况,64,4.3cdma2000,cdma2000标准的演进cdma2000无线接入技术cdma2000中的关键技术Cdma2000.1xEV-DO,65,4.3.1cdma2000标准的演进,cdma2000的发展cdma2000的特点网络结构的演进,66,1.cdma2000的发展,cdma2000无线侧标准演进过程cdma2000宽带CDMA技术数据速率：
室内：
2Mbit/s室外车辆：
144kbit/s室外步行：
384kbit/sIS-95IS-2000CDMAoneIMT2000cdma20001x,cdma20001xEV-DO,cdma20001xEV-DV,cdma20003x,67,cdma20001x系统的发展cdma20001xcdma20001xEV（Evolution）cdma20001xEV-DO（DataOnly仅数据）cdma20001xEV-DV（DataandVoice数据和话音）,68,2.cdma2000的特点,cdma20001x使用1.25MHz带宽的载波前向信道和反向信道速率1.2288Mchip/s单载波直接序列扩频与IS-95后向兼容，与IS-95B频段共享或重叠相同条件下，语音容量是IS
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