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原理素材参考
>什么是信道?
>信道是传送信息的载体——信号所通过的通道。
>信息是抽象的,信道则是具体的。
比如:
二人对话,二人间的空气就是信道;打电话,电话线就是信道;看电视,听收音机,收、发间的空间就是信道。
>
>3840000/16=240000=240kbps240×4/4(编码效率)×4(16QAM调制)×15(多码)=14.4Mbps
>M是调制信号的比特数目,QPSK=2,16QAM=4每个时隙160个symbol,160×M个比特
WCDMA数据简要发送过程
扩频技术
WCDMA系统的扩频
扩频与解扩
扩频与解扩
•扩频定义与处理增益
•PG=Wc/R
–Wc是码片速率
–R是信息速率
•用dB表示为PG=10log(Wc/R)
•接收端进行相关解扩即可恢复原始信号
•扩展倍数越多,处理增益越高,抗干扰能力越强
扩频通信的特点
•抗多径干扰能力强
•抗突发脉冲干扰
•保密性高
•低发射功率
•易于实现大容量多址通信
•占用频带宽
信道编码
信道编码的原理
交织技术
信道编码和交织技术的使用
三种功率控制
•开环
–从信道中测量干扰条件,并调整发射功率
•闭环-内环
–测量信噪比和目标信躁比比较,发送指令调整发射功率
–WCDMA闭环功率控制频率为1500Hz
•若测定SIR>目标SIR,降低移动台发射功率
•若测定SIR<目标SIR,增加移动台发射功率
•闭环-外环
–测量误帧率(误块率),调整目标信噪比
开环功率控制
闭环功率控制
功率控制效果
WCDMA切换基本过程
•软切换
–同一NodeB下的小区软切换(更软切换)
–不同NodeB间的小区软切换
–不同RNC间的小区软切换(涉及Iur口)
•硬切换
–不同载频间的硬切换
–同一载频下的硬切换(强制性硬切换)
–系统间硬切换(如与GSM之间)
–不同模式间硬切换(如FDD与TDD之间)
•测量控制
–UTRAN通过MeasurementControl命令要求UE进行
测量。
•判决算法
–由各厂家自行确定。
也是对系统的性能影响较大的
部分。
•执行切换
–执行不同的切换,采用不同的切换命令。
–切换过程流程图
–
与切换相关的概念
•激活集(activeset):
指与某个移动台建立连接的小区的
集合。
用户信息从这些小区发送。
•监测集(monitorset):
不在激活集中,但是根据UTRAN
分配的相邻节点列表而被监测的小区,属于监测集。
•检测集(detectedset):
既不在有效集中,也不在监测集
中的小区。
硬切换
•硬切换的测量对移动台设备的要求更复杂
•如果是不同频率的硬切换,需要测量其他频点的信号
•WCDMA采用压缩模式的方式来实现频间小区信号的
测量
启动压缩模式的目的
•为了完成频间切换和系统间切换,UE必须能够周期性
地对异频系统进行测量
•普通情况下WCDMA系统中正在进行业务(特别是话
音业务)的只有一个收发器的UE将在所有时间进行接
收和发送,也就是说在普通情况下UE将没有机会进行
异频测量
•压缩模式为处于DCH状态的UE提供了对异频系统进行
测量的窗口
压缩模式
码资源管理
•码资源规划的目的:
–在WCDMA系统中,用到两种码,OVSF码和扰码。
在WCDMA
移动通信系统中用主扰码来区分小区,下行用信道化码区分物
理信道,上行采用扰码来区分用户。
但由于正交可变扩频因子
码(OrthogonalVariableSpreadingFactor-OVSF)是宝贵的稀有
资源,一个小区对应一张码表,为了使得系统既能接入尽量多
的用户,提高系统的容量,就必须考虑码资源的合理使用问题,
所以对于下行信道化码资源的规化和管理就非常重要。
–尽管上行扰码数量非常多,但为了避免在不同的RNC之间的小
区不同用户使用相同的扰码,则也需对RNC的扰码进行规划。
•码资源规划模块在系统中的位置:
–位于CRNC的RRC中。
处理增益
•处理增益=码片速率/比特率(PG=W/R)
•不同业务的处理增益不同,因此业务覆盖半径也不相同
•12.2k的语音业务:
PG=10log(3840/12.2)=25dB
dBdBmdBidBuv
•dB:
仅仅是个相对值,dB=10log(P1/P2),比如A基站的
发射功率是600mw,B基站是300mw,那么A基站比B基站
发射功率高10lg(600/300)=3dB,从公式中可以看出dB
是表征两个功率的相对值,是没有单位的。
dB是一个无单
位的量纲。
•dBm:
是一个考证功率绝对值的值,公式为dBm=10lg(功率
/1mW),如我们常用的基站是500mw,换算成dBm就是
10lg(500mW/1mW)=27dBm(意思是27dB毫瓦)。
还有一
个单位dBW是将公式中的1mW改成1W,其他都一样。
1W=30dbm;1mw=0dbm,1W=0dbW
•dBi:
前面已解释过,表征相对值,dBi是天线增益的概念,
不是具体单位,i是isotropic(各向同性)简写。
实际上就是
dB。
•dBuV:
和dBm相同的概念。
我们在场强仪和手机测试模式上
看到的基站场强单位都是它,和dBm的关系是:
dBm:
10lg(功率/1mW)。
•dBuV:
20lg(电压/1uV),功率=电压的平方/50欧姆(如果端
口阻抗是50欧姆,一般系统都是)
•所以:
dBuv=dBm+107dB
基本概念1
需要明确的几个概念是Bit、Symbol(码符号)和Chip(码片)。
Bit对应的是有用信息(Information),是进入物理层进行基带信号处理前的信息位,它的速率称为比特速率;Symbol是在空中接口发送之前,对信息进行基带信号处理(信道编码)如交织、循环冗余校验位的添加、速率适配等之后,在进入扩频调制之前的信号,所以Symbol对应的是基带信号处理之后的信号,它的速率称为Symbol速率;Chip是空中接口上经过扩频调制之后的信息单位,用于体现能量(energy)的承载。
由此,公式BitRatexSF=ChipRate将被修正为SymbolRatexSF=ChipRate。
下表所示为UMTS服务类型常见的速率对应关系,其中的BearerDataRate应是SymbolRate:
UMTS服务类型常见的速率对应关系,其中的BearerDataRate应是SymbolRate:
Service
BitRate
(kbps)
BearerDataRate
(kbps)
SF
ModulationRate
(Mchip/s)
Speech
12.2
30
128
3.84
Packet64kbps
64
120
32
3.84
Packet384kbps
384
960
4
3.84
基带信号处理的整个过程与GSM基本一样,原始信息比特流进入传输信道作处理时,首先会添加CRC冗余校验位,称为CRCAttachment过程,这一过程的选择,取决于传输信道的特性;CRC保护之后,对信息进行编码,可以选择各种信道编码方式,如卷积、Turbe码等,效率可以是1/2、1/3各不一样,取决于服务类别;信道编码之后,要进行速率适配,称为Punctch或Repetation过程,原始比特速率可以各不相同,而后面进行扩频时,SF的取值是有固定的如4、16、32、64、128等,所以原始速率为中间值时,需要对速率进行适配,以满足SF的取值;速率适配之后,要完成一次交织和二次交织过程,交织过程中速率不会发生变化,只是打乱发送顺序,目的还是为了抵抗空中接口的干扰;交织完成之后,要做时间帧的适配,即将空中接口上的信息块适配到空中接口10ms的帧上。
过程结束之后,对于上下链路,在区分I路和Q路时,处理方法各不一样,下行链路要先进行串并转换分成I路和Q路,每个I路和Q路上的速率即为SymbolRate。
同样,对于上行链路,采用并行的BPSK方式,I路和Q路不是串并转换而来,而是各是一个分支分别进行扩频和加扰调制过程。
进行扩频之后的速率为ChipRate。
再进行加扰处理和每码字功率增益的调整过程。
整个基带信号处理过程结束之后,再进行中频转换和射频调制过程,将Chip关系调制到相位关系上,即所谓的相调。
值得注意的是,对于同一类业务,系统根据不同的Qos要求,在传输信道上可能会选择不同的速率,则信号处理过程会有所区别,实行动态的处理过程,这也是与GSM系统的区别。
但从规范的角度来看,不同Qos的业务选择的处理过程是一定的,只是提供了多样的处理方式,由RNC动态分配。
3.84Mchip/s的速率值是人为确定的。
从上述的时间频率二元性上可知,频率越宽系统的抗干扰性能越好,但频率的使用率却越低。
所以3.84Mchip/s的速率值只是人为的一个折中。
WCDMA本身定义的速率值是4.096Mchip/s,为了欧洲与北美不同制式的协调,才最终选择了3.84Mchip/s的速率。
在UMTS中,码字一共有二种类型的应用,第一种称为信道化码(Channelizationcode,简写为CH),第二种称为扰码(Scramblingcode,简写为SC)。
由于在上下行链路中处理方式的不同,导致二种类型码字的作用各不一样。
在下行链路(基站→移动台方向)上,基站向本小区发送信息时,基站首先将各种用户信息分别与各自的CH进行相乘运算,之后将信号叠加,再与扰码进行相乘运算,之后在空中接口上发射。
移动台侧先做解扰,然后再解出自己的有用信息。
用户信息和CH进行相乘运算时,CH就是扩频序列,通过选择CH的正交性,来区分用户信息。
所以CH无论在上行还是下行链路上,它最基本的作用就是直接扩频(Spreading),所以CH就是扩频码。
经过扩频后的速率都是3.84Mchip/s,再进行扰码加密过程,扰码的速率也是恒定的3.84Mchip/s。
CH除了作为扩频码外,还可以作为物理信道的ID。
在UMTS中,单个用户的业务类型,可以根据需要分配多个物理信道,理论上2M速率的实现是通过同时占用多个物理信道来实现的,而用户正是通过识别不同的CH来获得物理信道的服务,所以CH是用来区分在下行链路上的多个物理信道的。
空中接口资源在分配时,相当于分配给用户的就是多个CH。
而这种分配是由RNC来完成的动态分配。
作为扰码,移动台必须首先进行解扰,然后才能获得自己的有用信息,所以扰码的作用相当于小区的ID。
对移动台来说,由于工作在相同频率,所以可以收到来自不同小区的无线信号,是一个自干扰系统,但通过扰码,移动台只需要对驻扎小区进行解码,因为有用信息只有在本小区的专用信道上发送。
在下行链路上,移动台首先要区分本小区和非本小区的信号,这个区分过程就是通过解本小区扰码来实现的。
所以系统中每小区对应一个扰码。
需要强调的是cell、sector和BTS概念的不同。
对于BTS来说,可以是全向站、三扇区或六扇区定向站等,如果基站在发射方向是全向发射,从逻辑角度来说,基站的管理是一个小区(cell),1BTS=1cell,基站分配一个扰码;如果基站在发射方向是三扇区定向发射,每个扇区(sector)就是一个小区(cell),故一个BTS需要3个扰码。
所以cell的概念是OMCR上的概念,逻辑上是执行相关算法的最小单位。
而sector的构成是从射频角度上讲的。
在UMTS中,一个全向的BTS,可以理解为在下行链路上是全向发射,而上行方向则是3扇区定向接受的,采用3付天线,在发射方向三扇区发射相同的信号,相当于全向发射,而接受端是定向接受。
对于相邻小区的扰码在分配时码字的互相关性要低,正交性要好。
但从网络角度来说,如果二个基站处于同时发射,到达移动台后,由于所处位置不同,在接受来自二个小区的信号时,由于传播时延,信号的相位会有所偏差,形成干扰。
也就是在同步条件下,完全正交的特性,由于传播时延而遭到破坏。
在上行链路(移动台→基站方向)上,每个移动台向基站发射自己的信息,信息由每个移动台自己处理,首先经过CH进行扩频,然后再增加各自的扰码进行加扰。
对于不同用户,如果是相同的服务类型,则可以选择相同的CH,而通过扰码来加以区分。
从扰码角度来看,在上行方向上是移动台(UE)的ID,对于每一个移动台,会有一个扰码来对应,不同UE之间的扰码应该是完全正交。
对于高速业务,UE同样可以分配多个物理信道同时进行工作,只是现阶段不作讨论。
所以在UL方向,CH的作用只是扩频。
在不同方向上码字的作用归纳如下:
DownLink
UpLink
信道化码(CH)
扩频(spreading)
物理信道标识(phychannelID)
扩频(spreading)
扰码(SC)
小区标识(cellID)
移动台标识(UEID)
值得注意的是,码字作为空中接口的资源是按序分配的。
在DL方向,CH是由RNC根据业务类型进行动态分配,对于相同业务类型则分配正交的码字;SC是在OMC上确定的,相当于GSM中频率规划,在UMTS中需要做码字规划(512个主扰码),一旦确定,则是由OMC静态管理。
在UL方向,现阶段的CH是由RNC以半静态方式分配的,对于相同业务速率,CH是唯一的,规范中规定在将来可以是动态分配;SC的分配,首先要区分二个ID,一个是RNC所分配的临时识别符(UEID),另一个是完成位置登记时由核心网分配的临时识别符(UIA)。
这里的UEID仍然是由RNC动态分配的,如果是属于同一个RNC,UE的ID是不会出现重复的,由UEID来触发上行链路上扰码的产生,所以上行链路上的扰码是RNC根据用户的每一次RRC连接建立请求动态分配的,上行SC是针对每用户分配,而不是针对每业务类型。
所谓的RNC无线资源的管理功能,就是RNC对码字的管理。
(注上述码字均为用户专用信道上的码字,非公共信道上的码字)
对于WCDMA来说,选择的扩频码称为正交可变扩频因子(OrthogonalVariableSpresdingFactor,简称OVSF)。
该码字的产生机制与Walsh码的产生机制没有太大区别,Walsh码用矩阵结构而OVSF采用树形结构来描述。
最初的根赋值是Cch,1,0=1,由SF=1升至SF=2时,第1个子树的第一比特位保留,第二比特位进行复制,Cch,2,0=11,第2个子树的第一比特位保留,第二比特位进行相位偏转,Cch,2,1=1-1,依此类推,SF=4时子树的产生机制与SF=2时相同,码树结构如图:
SF=1SF=2SF=4……
在OVSF码树结构中,每一阶对应一个SF值,如SF=2时,位于同阶的可用码字是2个,SF=4时,可用码字是4个,依此类推,SF=8时,有8个可用码字。
码字的标识是Cch,SF,no
其中,SF为扩频因子,No从上至下按序编号。
SF值代表原来的一个比特用SF个码片来表示,如SF=4,一个比特位用4个码片来表示。
每个码字的长度与SF值相关,SF=4表示码字长度为4。
码字的取值范围,在上行方向,SF=4、8、16、32、64、128、256;在下行方向,SF=4、8、16、32、64、128、256、512。
使用位于同一阶的码字,表示原始用户的业务速率是一致的,才会选择到相同的SF值。
同一阶码字之间是完全正交的。
当位于不同阶的码字间存在父子关系时,码字之间具有相关性,在DL方向也就不能被同时分配使用。
当位于不同阶的码字间不存在父子关系时,码字之间仍是正交关系。
由于父子关系的码字具有相关性,所以在选择码序列时数量会受限。
在DL方向不考虑公共信道和功率受限,假设所有码字都可以被分配用来通信,在最大情况下允许同时使用的用户数应当是512个。
在DL方向所能支持的最大速率,SF越小,速率越高,所以在SF=4时,速率是最大。
但在SF=4是,只能用Cch,4,1、Cch,4,2、、Cch,4,3三个码字,这是因为Cch,4,0产生的子码字序列要被分配给公共信道使用。
所以Cch,4,0树不能使用,用户的2M速率就是同时占用SF=4的三个码字获得的。
SF=4时单信道的SymbolRate=3.84/4=960ksymbol/s,这只是其中一路(I或Q路)上的速率,两路信号在DL方向是通过串并转换之后获得的,奇偶比特分开,速率减半。
所以在恢复到原始比特时,首先要经过串并转换的逆过程,将I路960k信号和Q路960k信号叠加,成为2x960=1920kbps速率的信号,这才是经过信道编码、交织等基带信号处理过程之后的信号速率。
在1920kbps中有用信息只占768kbps,这是进行基带信号处理前的有效速率,相当于用户单信道上的原始信息速率只有768kbps,只有同时得到DL方向上三个信道的物理链路,BitRate=3x768=2.1Mbps,才能满足最大2M的业务。
所以2M速率指的是用户的比特速率,在规范中被归为2048业务。
OVSF的分配原则:
在DL方向,根据用户的业务请求由RNC动态分配,在同一阶情况下,初始状态时,是按由上到下的原则分配,在使用状态下,对空闲资源,也是从上到下按序分配。
从RNC的动态资源管理来说,假设在SF=8层,已有5个用户分别占用5个码字信道(0、2、6码字未用),在不考虑上行链路的干扰受限和下行链路的功率受限时,有第6个用户(业务速配要求SF=4)申请接入时,RNC允许接入,分配码字时可以采用二种方案,第一种称为Auto-Patching(打补丁)方案,所谓补丁现象,是指由于码字资源的按序分配,个别用户在放弃码字时,会出现不相邻码字被分别占用的现象,如3、7码字占用而2、6码字未占用。
所以当第6个用户申请接入时,可以将占用码字3的用户重新配置,使占用码字6信道,将2、3码字的父码字(SF=4)分配给用户6,这个过程即为Auto-Patching过程;第二种称为Self-Splitting(自我分裂)方案,将申请SF=4的用户分裂,使分别占用2个SF=8的信道来实现。
二种方案优选第二种,因为无线链路重建需要涉及相应的信令过程,同时,二个SF=8的功率和一个SF=4的功率是不等效的。
在速率适配时,RNC会优先选择SF值高的物理信道,以降低功率。
在UL方向的码字分配,现阶段在专用的信令和业务信道上,只能分配每阶中的一个码字,即Cch,SF,SF/4的码字,如Cch,4,1、Cch,8,2等。
该码字是11-1-1的重复,只是根据速率不同SF值的不同而重复的次数不同。
这是针对单业务单信道情况的码字分配方案,将来如果一个移动台支持多个业务,码字分配就会发生变化,该原则不再发生作用。
一般认为在上行链路上所要求的速率不是很高,区分用户是通过扰码来区分的,不同用户之间无需通过扩频码来区分用户,所以可以简化码字的分配方式,现阶段无需通过扩频码来区分物理信道,对相同速率的业务可以分配相同的扩频码字,而只通过扰码来区分用户。
RNC的这种分配方式称为半静态分配方式。
根据上述的分配原则,一个小区在DL方向码字最多只能分配一个2M业务的承载,这称为码字缺陷(Shortage)。
为了弥补缺陷,规范中规定了付扰码(SecondarySC)的概念,对相同的扩频码,为了达到重复使用的目的,以满足多用户的业务需求,可以通过付扰码加以区分。
在同一个扰码下,OVSF码树只能使用一次,对同一个小区来说,最多可以分配1个主扰码和15个付扰码,即OVSF可以重复使用16次,所以码字资源是足够使用,只是现阶段仍暂不使用付扰码。
从码字角度考虑容量是不受限的,受限的是下行链路上的功率和上行链路上的干扰,也就是在下行链路上允许提供多少个2M用户取决于小区最大允许功率数。
码字的正交性在同步前提下完全正交,非同步条件下会发生相位偏转。
信号在下行链路是所有码字叠加后进行发射的,所有码字同步且正交,到达移动台后,移动台接受来自不同小区的信号,码字会发生偏转,可以通过主扰码加以区分和过虑,从而接受本小区的信号。
本小区信号由于多经产生的时延对于移动台来说,无论是有用信号还是干扰信号都是一样的。
所以对于信道化码的码字要求只是完成扩频及基本正交就可以。
在上行链路,每个移动台各自发射独立的信号,传播时延及发射时间不同,基站侧接受仍是所有信号的叠加,上行链路上的信号相关性较差,不可能同步,所以要选择相关性比扩频码要好的扰码来区分不同用户,对扰码的特性要求较高。
对于扰码来说,系统选择的是伪随机序列(PN序列),PN序列的码字与窄代CDMA不同,窄代CDMA是m序列,WCDMA选择的是Gold序列。
序列不同指的是产生的机制不同,从而会有不同的相关特性。
PN序列产生的基本原理如图所示:
以三个移位寄存器为例,每一位的初始赋值称为状态值,假设为001,最后一位的状态值作为PN序列的输出,序列产生如下:
序列
第一位
第二位
第三位
PN输出
0
1
1
1
0
0
0
2
0
1
0
0
3
1
0
1
1
4
1
1
0
0
5
1
1
1
1
6
0
1
1
1
7
0
0
1
1
产生的PN序列为11101001的周期性重复,循环周期称为PN序列的长度=2n-1,其中n为移位寄存器的个数,例中n=3,所以序列长度为7位,每7位之后会重复一次。
由于选择PN序列的长度、寄存器抽头及初始赋值各不一样,将会产生不同的PN序列。
PN序列每偏移一个相位,就可以截取2n-1长的PN序列,也就是对于周期为2n-1的PN序列可以有2n-1个。
在UMTS中,上行链路的PN序列采用25位移位寄存器,I路Q路分开各是25位寄存器,可以看成同一个扰码。
扰码周期(长度)为225-1。
根据扰码产生的机制,首先寄存器的赋值是变化的,对Q路来说,初始赋值为全“1”码,对I路来说,初始赋值的前24位有RNC动态分配,也就是RNC分配给移动台一个24位的识别符,这个识别符将作为PN序列产生的寄存器前24位的初始赋值,再加上第25位的状态值“1”。
在上行链路方向上每个移动台由于所得的状态值不同的,所以产生的码序列是不同的,相当于在该方向上实际可以使用的扰码是224个。
Gold码产生的码序列的自相关性是非常好的,但由于只是初始赋值的不同,所以不同的PN序列不是完全正交,只是近似正交。
但由于码序列长度较长,克服了正交特性的不足,因为码字越长,正交性越好。
所以在UMTS中,系统不需完全同步,只要近似同步就可以。
在上行链路,还可以选择短扰码,该扰码周期是256,该技术在将来会被引入,当在上行链路上使用短扰码时,为克服码间干扰,对Rake接受机会有较高要求,会采用多用户监测技术(MUD)来代替Rake接受机制,目前使用的还是长扰码。
在实际使用中,系统会每10ms截取PN序列中的38400chips,使扰码速率位3.84Mchip/s,所以只使用了PN序列中的一段。
在下行方向上的扰码仍然选择的是长扰码,它的初始赋值及周期是固定的。
采用18位的移位寄存器,周期是218-1=262143,而实际在下行链路上可以使用的扰码规范只定义了8192个,作为CellID,规范只定义了8192个扰码,并分配到512个小区,每个小区可以使用16个扰码,包括1个主扰码和15个付扰码。
15个付扰码完成对OVSF的复用。
相当于可用码字是1
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