WCDMA原理与关键技术-ut.ppt
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1,LB10/10/03,WCDMA原理与关键技术,UT斯达康公司3G产品管理与市场部,2,WCDMA原理,CDMA无线技术原理WCDMA功控与切换技术WCDMA空中接口技术UT斯达康系列基站,3,WCDMA无线技术原理,码分多址技术调制与滤波技术RAKE接收技术信道编码与复用技术发射分集技术,4,多址技术比较,频分多址FrequencyDivisionMultipleAccess,User1,User2,User3,频率,频率,码分多址CodeDivisionMultipleAccess,扩频多接入SpreadSpectrumMultipleAccess,MultipleTransmittersandMultipleDataChannels,时分多址TimeDivisionMultipleAccess,User1,User2,User3,UserN,时间,每一个发射机的扰码互不相同每一个信道的正交码互不相同许多用户共享同一频率和时间IS-95,cdma2000,WCDMA,每一个用户的时隙互不相同每一个数据信道在一个时隙内的位置互不相同几个用户可以共享同一频率IS-136,GSM,PDC,每一个用户的频率互不相同(每一个用户一个语音信道)所有用户发射机可以同时工作AMPS,NMT,TACS,5,双工技术比较,频分双工技术,时分双工技术,6,WCDMA发射机,数据0110101.,CRC校验,FEC编码,QPSK调制,OVSF码生成器,检错,纠错,正交码,射频输出,脉冲成型,交织编码,复扩频(下行链路)HPSK扩频(上行链路),SSMA扩频,减小峰均比,频谱限制,射频调制,基站扰码(下行链路)或手机扰码(上行链路),信道码,扩频码(Gold码),“扰码”,抗衰落,串并变换,脉冲成型,7,+1,-1,+1,+1,-1,-1,Bipolardatasequence,直序列扩频技术DS-CDMA,8,基站1,基站2,基站3,用户1,用户2,如何区分基站、用户与信道?
9,情况I:
PN码自相关在相同时间偏移用相同码的发射和接收,PN码相关特性,10,输入数据,+1,-1,+1,+11+1+11-1+1-1,+11+1+11-1+1-1,+11+1+11-1+1-1,+11+1+11-1+1-1,-1+1-1-1+1+1-1+1,+11+1+11-1+1-1,-1+11+1+11+1+1,+1-1+11+1+11-1,-1+1+1+11-1+1+1,-111+11+1+1-1,-111+1+1+1+1-1,-11+1+1+1+1+1-1,发射用PN码,发射序列,接收用PN码,-1,0,2,积分结果,-0.125,0,0.25,归一化,情况II:
PN码互相关接收和发射用不同码,x,x,x,积分,积分,积分,=,=,=,x,x,x,=,=,=,发射机,接收机,PN码相关特性,11,-1+1-1+1+1-1+1-1,+1+1+1+1+1+1+1+1,-1-1+1-1+1+1-1+1,接收端正交码,x,x,x,正交码相关特性,12,码相关特性:
发射、接收在相同时间偏移用相同的码PN码:
100%相关正交码:
100%相关发射、接收用不同的码具有相同的时间偏移PN码:
在任何时间偏移“低”(伪噪)相关,平均相关性与码长成反比正交码:
0%相关(不相关性)发射、接收用相同的码,但时间偏移不同PN码:
对任何时间偏移大于一个码片具有低(伪噪)相关性正交码:
不确定,PN码和正交码相关特性比较,13,正交扩频码当用正交码发送数据时.,用户1数据:
101,与Walsh码1010异或,用户1Walsh码扩频数据:
010110100101,实际传送的是每一个数据比特一个正交码(e.g.,Walsh)!
送“0”,发射指定Walsh码送“1”,发射指定Walsh码的反码,发射码片“chips”,数据,正交码,正交码多址技术,14,正交码发射机,数据信道1010,数据信道2001,与码1异或(1111),与码2异或(1100),异或输出(1111)(0000)(1111),输出混合发射数据:
(-2-2+2-2)(-2+2+2+2)(000-4),数据信道3101,与码3异或(1010),4码片正交码集1)11112)11003)10104)1001,D/A映射后(-)(+)(-),异或输出(1100)(1100)(0011),D/A映射后(-+)(-+)(+-),异或输出(0101)(1010)(0101),D/A映射后(+-+-)(-+-+)(+-+-),数据信道4000,与码4异或(1001),异或输出(1001)(1001)(1001),D/A映射后(-+-)(-+-)(-+-),正交码多址技术,15,正交码接收机,积分&归一化,积分&归一化,积分&归一化,积分&归一化,结果:
1-11,结果:
11-1,结果:
-11-1,结果:
111,“相关”,混合接收数据:
(-2-2+2-2)(-2+2+2+2)(000-4),与码1异或(-1-1-1-1),与码2异或(-1-1+1+1),与码3异或(-1+1-1+1),与码4异或(-1+1+1-1),4-码片正交码集1)-1-1-1-12)-1-1+1+13)-1+1-1+14)-1+1+1-1,MapAD010,MapAD001,MapAD101,MapAD000,正交码多址技术,16,OC4,OC3,OC2,OC1,RF调制,RF解调,OC3,数据信道1,数据信道2,数据信道3,数据信道4,接收机,本例中接收机采用正交码3与复合信号进行相关操作结果是可以完全无干扰地重建信道3的数据为了实现这个完全的正交性,各个正交码必须具有严格地时间同步,线性相加,发射机,正交码多址技术,17,OC1,OC2,OC3,OC4,OC5,OC6,OC7,OC1,OC2,OC3,OC1,OC2,OC1,OC2,OC3,OC4,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,正交码多址技术,18,Walsh正交码的产生,1,11,10,1111,1100,1010,1001,11111111,11110000,11001100,11000011,10101010,10100101,10011001,10010110,1100110000110011,Digital/AnalogMappinglogic0analog+1logic1analog-1,1100110011001100,可变正交码产生技术,19,OVSF码空间:
8个用户;每个用户一个8-bit码字,码片速率=3.840Mcps,480kb/s,480kb/s,480kb/s,480kb/s,480kb/s,480kb/s,480kb/s,480kb/s,1,11,10,1111,1100,1010,1001,11111111,11110000,11001100,11000011,10101010,10100101,10011001,10010110,可变正交码产生技术,20,OVSF码空间:
5个用户;其中一个用户具有4倍数据速率,4倍数据速率的用户,=不能使用的码空间,480kb/s,480kb/s,480kb/s,480kb/s,1.92Mb/s,1,11,10,1111,1100,1010,1001,11111111,11110000,11001100,11000011,10101010,10100101,10011001,10010110,码片速率=3.840Mcps,可变正交码产生技术,21,符号速率扩频因子码片速率15k2563.84M30k1283.84M60k643.84M120k323.84M240k163.84M480k83.84M960k43.84M1920k23.84M,可变正交码产生技术,22,CDMA允许多个数据流在同一个射频载波中发送数据流间完全分隔数据流间定时必须严格同步最大数据信道数=正交码长度码字越长,数据速率越低码空间可以迅速重分配以适应用户数据速率要求CDMA优势在实际应用中受限因素多径、小的时间偏差、移动相关的效果使得可用码空间减小,每个数据流拥有一个唯一的正交信道码各个用户共享一个频率和时间资源IS-95,cdma2000,WCDMA,Frequency,CodeDivisionMultipleAccess,正交码分多址技术总结,23,PN码:
特点PN码可以由线性反馈移位寄存器产生PN码以确定长度的0和1块进行周期性重复1和0出现的次数基本相等块内出现位置随机,所以称为伪噪声序列具有良好的自相关和互相关特性PN码的互相关性不依赖于码间的时间一致性,例如一个32-bit(25)PN码:
0110100011010100101001101010011,PN码分多址技术,24,PN码:
用移位寄存器产生,D,D,时钟,D,D,1,2,3,N,n是0或1由生成多项式决定最大长度有(2N1)bits重复周期一个具有32,768bits的码可由一个15-bit“键”表示,1010010010001110101.,PN码分多址技术,25,PN码相关图,2000-bitPN码序列的自相关,唯一中心相关峰为两个相同码在零时间偏移时相关的结果,两个不同PN码的互相关,PN码分多址技术,26,PN码分多址技术,27,下行:
PN码用于区分不同的基站上行:
PN码用于区分不同的手机,PN码分多址技术,28,PN码规划,N,S,W,E,PN码分多址技术,29,PN码的使用在CDMA系统中用于区分发射源(基站或手机)在同一个地理区域同频下,可用很好地区分多个发射机对时间延时无要求码规划代替了频率规划频率重用率=1PN码的局限性非完全的信号区分不适用于在同一个发射机中区分不同的数据流,每个发射机拥有一个唯一的PN码几个发射机共享时间和频率,Frequency,SpreadSpectrumMultipleAccess,PN码分多址技术总结,30,CDMA系统(IS-95,cdma2000,WCDMA)PN码上行用于区分手机下行用于区分基站正交码上行用于区分手机发送的各数据信道下行用于区分基站发送的各数据信道,PN扰码和正交码共同使用,Frequency,码分多址技术总结,31,2个数据信道(语音,控制)PN3+OC1+OC2,2个数据信道(14kbps数据,控制)PN4+OC1+OC2,3个数据信道(话音,视频,控制)PN2+OC1+OC2+OC3,3个数据信道(voice,video,control)PN5+OC1+OC2,4个数据信道(384kbps数据,话音,视频,控制)PN6+OC1+OC2+OC3+OC4,4个数据信道(384kbps数据,话音,视频,控制)PN2+OC4+OC5+OC6+OC7,2个数据信道(语音,控制)PN1+OC1+OC2,1个数据信道(控制)PN1+OC3,语音用户,上行数据,可视电话,可视电话和数据,导频,广播PN1+OCP+OCB,码分多址技术总结,导频,广播PN2+OCP+OCB,32,各种制式的码分多址技术比较,33,WCDMA发射机,数据0110101.,CRC校验,FEC编码,QPSK调制,OVSF码生成器,检错,纠错,正交码,射频输出,脉冲成型,交织编码,复扩频(下行链路)HPSK扩频(上行链路),SSMA扩频,减小峰均比,频谱限制,射频调制,基站扰码(下行链路)或手机扰码(上行链路),信道码,扩频码(Gold码),“扰码”,抗衰落,串并变换,脉冲成型,34,WCDMA无线技术原理,码分多址技术调制与滤波技术RAKE接收技术编码与复用技术发射分集技术,35,I/Q调制技术,I/Q调制两个数据流与相同载波相乘,但是两路载波分别偏移0度(cos)和90度(sin),数据流#1“I”路信号,数据流#2“Q”路信号,90o,求和,cos(2fRFt),Isin(2fRFt)+Qcos(2fRFt),LPF,LPF,36,I/Q调制信号星座图,I,Q,(I=1,Q=1),(I=-1,Q=-1),(I=-1,Q=1),(I=1,Q=-1),1个调制符号代表两个数据2个数据比特调制效率=2比特/符号,RF载波幅度,RF载波相位角,I/Q调制技术,37,BPSK,QPSK调制技术Eb/Novs.BER比较,38,接收信号分别乘sin和cos,原I路和Q路数据流得以恢复,90o,分路,cos(2fRFt),Isin(2fRFt)+Qcos(2fRFt),LPF,LPF,数据流#1“I”路信号,数据流#2“Q”路信号,+1-1,+1-1,I/Q解调技术,39,为什么要对数据滤波?
RF调制器,频率,对基带数据流进行滤波使得射频带宽维持在允许的范围内,基带滤波,40,升余弦滤波器,升余弦滤波器频域方程,0,50,100,150,200,250,300,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1,=0.1=0.3=0.5,=0.7=0.9,WCDMA采用alpha=0.22,41,升余弦滤波器冲击响应,-0.4,-0.2,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1,=0.01(窄带宽),=0.3(宽带宽),Notes:
1)Ringing=0atexacttimeinstantswherefuturedatapointsaretobesampled2)Lowalphaprovidesnarrowestspectrum;bestforreducingadjacentchannelinterference3)alphamaximumprovideslowestringingamplitude;bestforreducingISI4)Theoretically,evenfilterswithverylowalphaprovidezeroringingatfuturesamplepoints5)Practically,low-alphafilterscreategreaterISIwhenthereistimingjitterpresent,升余弦滤波器,42,WCDMA无线技术原理,码分多址技术调制与滤波技术RAKE接收技术信道编码与复用技术发射分集技术,43,多径传播,时间离散,h(),无线传播环境,44,RAKE接收技术有效地克服多径干扰,提高接收性能,接收机,单径接收电路,单径接收电路,单径接收电路,搜索器,计算信号强度与时延,合并,合并后的信号,t,t,s(t),s(t),Rake接收机,45,时间延迟,到译码器,复合接收信号,PN码,Walsh码,时间延迟,时间延迟,G1,G2,GM,相关器,相关器,相关器,等增益合并,最大比合并,或选择最强信噪比支路,时间,1,2,3,1,2,3,1,2,3,1,2,3,1,2,3,+干扰,+干扰,+干扰,Rake接收机,X1,N,X2,N,XM,N,Y,NT,46,Rake接收机,最大比合并技术:
输出信号,输出噪声功率,输出信噪比,根据Chebychev不等式,当Gi=Xi/N时使得输出信噪比最大:
可见,当采用最大比合并技术时,输出信噪比等于各支路信噪比之和;即当每个支路信号的信噪比都不满足要求时,合并后的输出信号信噪比有可能满足要求。
该技术为已知的最佳线性分集合并技术。
47,WCDMA无线技术原理,码分多址技术调制与滤波技术RAKE接收技术信道编码与复用技术发射分集技术,48,生活实例:
在美国寄信额外的字符帮助纠正丢失的符号,JohnDoe123East45thStreetNewYorkCity,NewYork10017,JD123E45NYCNY,最精简的数据.使得差错无法纠正,有冗余数据.使得差错可纠正,数据量:
13字节,数据量:
48字节,信道编码技术,49,WCDMA采用高性能的信道编码,提高系统性能编解码极大地降低了工作点的信噪比,是无线传输中的常用手段Turbo码能够使传输信号的信噪比接近Shannon极限,信道编码技术,50,编码目的:
使接收机能够检测和纠正由于传输媒介带来的信号误差。
同时在原数据流中加入冗余信息,提高数据传输速率。
主要有两种编码方法:
卷积码:
在WCDMA系统中主要用于低速率的话音信道和控制信道;Turbo码:
主要用于分组业务数据的传送。
信道编码技术,51,卷积码译码简单(Viterbi算法),时延较短;误码率较高(一般在10-3)。
编码速率为1/2和1/3。
适合实时业务,如话音和视频业务的传送。
TURBO码译码复杂(LOGMAP算法),时延较长;误码率低(可以达到106)。
编码速率为1/3适合对误码率敏感,而对时延不敏感的非实时分组业务(如WWW,FTP,EMAIL等)。
分组长度最大到5114比特,可以实现大分组,时延长的业务传送。
信道编码技术,52,信道编码技术,WCDMA卷积码产生器,D,D,D,D,D,D,D,D,DataIn,2:
1MUX,DataOut,D,D,D,D,D,D,D,D,DataIn,3:
1MUX,DataOut,Rate1/2,k=9coder:
G0=5618,G1=7538,Rate1/3,k=9coder:
G0=5578,G1=6638,G2=7118,53,Turbo码编解码器,信道编码技术,54,不同信道的编码,信道编码技术,55,到译码器,射频传输信道,信道编码技术,交织编码技术,56,交织编码技术,信道编码技术,57,交织器矩阵列重排算法(一次和二次交织器),信道编码技术,58,Conv.CodingR=1/3,360,402,600,RadioframeFN=4N+1,RadioframeFN=4N+2,RadioframeFN=4N+3,RadioframeFN=4N,Trafficdata(122x2),AddCRCbits,AddTailbits,2ndinterleaving,600,600,600,490,110,110,110,110,110,804,260,244,Tail8,CRC16,360,112,Tail8,96,96,CRC16,1stinterleaving,AddCRCbits,Layer3Controldata,AddTailbits,Conv.CodingR=1/3,RateMatching,slotsegmentation,60kspsDPDCH,1stinterleaving,244,Traffic12.2kbps,L3Data2.4kbps,600bits(600symbols),600bits(600symbols),600bits(600symbols),600bits(600symbols),Datafromsecond244-bitpacket,402,FrameSegmentation,804,#1a490,#2a490,#1b490,#2b490,FrameSegmentation,90,90,90,90,490,110,490,110,490,110,信道复用技术,59,WCDMA无线技术原理,码分多址技术调制与滤波技术RAKE接收技术信道编码与复用技术发射分集技术,60,开环模式发送分集TSTD,TSTD时间切换的发送分集TSTD模式只用于同步信道,主SCH与辅SCH并行发送对于UTRAN该模式为可选,对UE该模式为必选偶数时隙主同步码(PSC)和辅同步码(SSC)同时在天线1发送天线2停止发送奇数时隙主同步码(PSC)和辅同步码(SSC)同时在天线2发送天线1停止发送,256码片,61,开环模式发送分集STTD,b,0,b,1,b,2,b,3,b,0,b,1,b,2,b,3,-b,2,b,3,b,0,-b,1,天线1,天线2,信道比特流,对天线1、2经STTD编码的信道比特流,STTD空时发送分集STTD模式对连续4个比特b0,b1,b2,b3如上图编码,62,闭环发送分集,复用,DCH(orPDSCH),W1,W2,CPICH2,CPICH1,天线1,天线2,串并解复用信道化扰码I/Q调制,闭环发送分集(DCH,PDSCH)移动台通过上行链路DPCCH反馈FBI信息给基站FBI信息通知基站如何调整两天线的增益和相位优化移动台接收,63,WCDMA原理,CDMA无线技术原理WCDMA功控与切换技术WCDMA空中接口技术UT斯达康系列基站,64,WCDMA功控技术,65,PL1,PL2,L1L2PRX,2PRX,1,PTX,2,PTX,1,PRX,2,PRX,1,远近效应的问题,每个用户对于其他用户都相当于干扰,远近效应严重影响系统容量,基站接收端某个用户过大的功率甚至阻碍其它用户的通信采用功控技术减少了用户间的相互干扰,消除远近效应,提高了系统整体容量,66,无线传播的多径环境,67,接收机多径信号迭加,DirectSignal,ReflectedSignal,CombinedSignal,无线传播的多径环境,68,多径(快)衰落,发射数据,接收数据,无线传播的多径环境,69,快速功控消除快衰落,发射功率,发射功率,接收功率,接收功率,t,t,t,t,没有功控,有功控,70,各种功率控制技术,BLER=BlockErrorRateSIR=SignaltoInterferenceRatioTPC=TransmitPowerControl,71,快速闭环功控初始接收功率目标值,基站接收功率目标值,上行随机接入开环功率控制,快速闭环功控新的接收功率目标值,基站接收功率,时间,800次/秒(IS-95,cdma2000)1500次/秒(WCDMA),功率控制效果,RACH,外环功控目标值调整,72,开环功率控制,上行随机接入初始发射功率计算Preamble_Init_Power=CPICH_Tx_PowerCPICH_RSCP+UL_interference+UL_required_CICPICH_Tx_Power:
基站导频发射功率,手机通过读取系统广播消息(SIB5/6-PRACHsysinfolist-P-CPICHTxPower)得到CPICH_RSCP:
手机实测的基站导频信号码功率CPICH_Tx_PowerCPICH_RSCP:
链路损耗UL_interference:
上行链路干扰功率电平,手机通过读取系统广播消息(SIB7)得到UL_required_CI:
上行前导正确解调所需信噪比常数,手机通过读取系统广播消息(SIB5/6-PRACHsysinfolist-Constantvalue)得到PCPCH接入前缀传输功率设定与随机接入信道采取相同功率估算方法,73,外环功率控制,SIR目标值,CRC差错,CRC校验:
SIR目标值调整:
CRC正确SIR目标值-*PdBP=1/(-1+1/BLER目标值)E.g.2%1/(-1+1/0.02)=1/49,CRC差错SIR目标值+dB,测量每种业务的实际误块率BLER估计多大的SIR能满足所要求的业务质量,即BLER目标值,并将其设为SIR目标值检查CRC,调整SIRtarget,74,测量SIR和目标SIR-targ
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- WCDMA 原理 关键技术 ut