1、WCDMA无线接入系统,综合通信设计研究院 赵品勇,内容提纲,一、WCDMA无线网概述二、UTRAN体系结构三、物理层四、无线资源管理,网络的演进,80% of the users,Up to 10 Mbps,中国无线频段使用情况及3G频段分配,1745,3GPP 标准,Release 99 (R3)2000年3月正式发布3GPP TS AB.XYZ v3.n.mRelease 4 (R4)2001年3月正式发布3GPP TS AB.XYZ v4.n.mRelease 5 (R5)2002年3月正式发布3GPP TS AB.XYZ v5.n.mRelease 6/7 (R6/R7)正在完善中每
2、次 3GPP 全会 (3 个月)后都会对规范进行修正或补充,3GPP Release 1999,3GPP Release 5,Q2,Q1,Q3,Q2,Q3,Q4,Q4,Q1,Q1,Q2,Q3,Q4,Q4,Q3,Q1,10,9,7,8,5,4,2,3,14,11,12,1,3GPP TSGsPlenary Meetings,6,15,Versions of3GPP Release 1999,Versions of 3GPP Release 4,Q2,13,1998,2001,1999,2000,2002,3GPP 标准发布时间,R99 UTRAN 主要功能,频分双工模式 (UTRAN-FDD):
3、上行和下行是对称的5MHz 带宽，3.84Mcps在慢移动状态下，数据传输速率可以达到2M bps时分双工模式 (UTRAN-TDD)上行和下行非对称的5MHz 带宽，3.84Mcps在慢移动和小覆盖范围内提供高速数据服务5MHz 带宽上采用扩频 CDMA技术在提供UTRAN/GSM间切换的同时，提供 FDD /TDD 间的切换小区级移动性管理切换控制(Soft/Softer, Hard Hand-over),无线空中接口的改进在软切换时，提供DSCH 信道的功率控制功能UTRA复用器以提高覆盖面积UMTS 1800/1900无线接入网络(RAN)的改进无线接入承载(RAB)的增强功能，特别是
4、支持VoIP的包头压缩TDD基站的同步方式UTRAN传输网络的演进Iub、Iur接口上AAL2 连接的QoS优化Iub、Iur以及Iu接口上传输承载的修改过程低码片速率的TDD方式 (1.28 Mcps)Iub、Iur接口上无线资源管理(RRM)的优化,R4在在UTRAN上的改进,R5在空中接口方面的改进,高速下行链路分组数据接入 (HSDPA)提高数据吞吐量和峰值数据速率高阶调制和功率控制传输分集增益 (BLAST)新的流量调度算法终端的“节电”模式通过对DPCCH信道设定传输门限从而减少UL/DL的干扰基站的分级定义Macrocell、Microcell、Picocell适用于FDD/TD
5、D 方式统一定义了使用环境、无线参数以及一致性测试规范不同频率、不同系统间测量的改进当测量其它不同频率时，改进压缩模式操作 (Compressed mode operation)来提高系统容量,内容提纲,一、WCDMA无线网概述二、UTRAN体系结构三、物理层四、无线资源管理,UTRAN体系结构,RNS,RNC,Core Network,Node B,Node B,Node B,Node B,Iu,Iu,Iur,Iub,Iub,Iub,Iub,Iu接口功能,Iu接口功能 无线接入承载管理功能 无线资源管理功能 Iu链路管理功能 Iu用户面（RNL）管理功能 移动性管理功能 安全性功能 业务和网
6、络接入功能 Iu协调功能（Paging）,Iur接口功能,Iur接口功能 传输网络管理 公共传输信道的业务管理准备公共传输信道资源寻呼 专用传输信道的业务管理RL建立/增加/删除测量报告 对公共和专用测量目标的测量报告,Iub接口功能,Iub接口功能 Iub传输资源管理 NodeB逻辑OM 特定实现OM的传输 系统信息管理 公共信道业务管理 专用信道业务管理 共享信道管理 定时和同步管理,基本概念,基本概念Serving RNC与Drift RNCSource RNC与Target RNCCRNC,SRNC/DRNC,CN,SRNC,DRNC,Iu,Iur,在RNC之间切换的时候：与CN有连接
7、，为UE提供资源的RNC叫SRNC；与CN没有连接，为UE提供资源的RNC叫DRNC,Source RNC/Target RNC,在RNC之间迁移的时候：原来为SRNC的RNC叫Source RNC；将要成为SRNC的RNC叫Target RNC。,CN,CN,Source RNC,TargetRNC,RNC,Iu,Iu,Iur,ServingRNC,CRNC,从资源管理的角度来看：管理NodeB资源的RNC叫这些NodeB的CRNC。,CN,CRNC,Iu,NodeB和RNC功能,Uu接口协议栈结构,Uu接口PDCP功能,PDCP功能 映射网络PDU从网络协议到RLC协议 头压缩/解压缩,U
8、u接口BMC功能,BMC功能 小区广播消息存储 业务量监测和CBS无线资源请求 BMC消息调度 传送BMC消息到UE,Uu接口RRC功能(一),RRC功能接入层信息广播 RRC连接的建立、重建、维护和释放 无线承载的建立、重配置和释放 RRC连接无线资源的指配、重配置和释放 RRC连接移动性管理功能 寻呼/通知 高层PDU路由 请求的QoS控制,Uu接口RRC功能(二),RRC功能（续） UE测量控制和测量报告 外环功率控制 加密控制 UL DCH无线资源仲裁 完整性保护 CBS初始配置 CBS无线资源分配 CBS不连续接收控制,RLC的功能,RLC连接建立/释放透明数据传输分段和重组数据传输
9、非确认方式数据传输数据错误检测传递唯一性立即传递,确认方式数据传输无差错传递传递唯一性按序传递无序传递QoS设置不可恢复错误的通知,逻辑信道,控制逻辑信道（CCH）BCCH：广播控制信道PCCH：寻呼控制信道DCCH：专用控制信道CCCH：公共控制信道SHCCH：上行共享控制信道业务逻辑信道（TCH）DTCH：专用业务信道CTCH：公共业务信道,Uu接口MAC功能,MAC功能 逻辑信道到传输信道的映射 根据瞬时数据速率选择传输格式 UE内不同数据流的优先级处理 动态调度UE之间优先级处理 公共传输信道上标示不同UE 在公共传输信道上，复用/分解高层PDU进入/从传输块集。该传输块集来自/发送到
10、物理层 在专用传输信道上，复用/分解高层PDU进入/从传输块集。该传输块集来自/发送到物理层 业务量测量 动态传输信道类型切换 加密,传输信道,公共传输信道RACH随机接入信道FACH前向接入信道CPCH公共分组信道DSCH下行共享信道BCH广播信道PCH寻呼信道SCH同步信道专用传输信道DCH专用信道,逻辑信道到传输信道的映射关系,Uu接口L1功能,L1功能 宏分集合并/分发和软切换执行 传输信道错误检测，并向高层指示 传输信道FEC编解码和交织/去交织 传输信道复用和码组合信道解复用 速率匹配 码组合信道到物理信道的映射 功率加权和物理信道合并 物理信道调制/解调和扩频/解扩 频率和时间(
11、chip, bit, slot, frame)同步 测量并向高层指示 闭环功率控制 RF处理,三层信道概念,逻辑信道RLC与MAC之间传输信道MAC与物理层之间物理信道,内容提纲,一、WCDMA无线网概述二、UTRAN体系结构三、物理层四、无线资源管理,WCDMA物理链路示意,物理信道,物理信道可以由某一载波频率、码（信道码和扰码）、相位确定。在采用扰码与扩频码的信道里，扰码或扩频码任何一种不同，都可以确定为不同的信道。多数信道是由无线帧和时隙组成，每一无线帧包括15个时隙。物理信道分为上行物理信道和下行物理信道。,频率、码、相位,物理信道,上行物理信道,上行公共物理信道物理随机接入信道(PR
12、ACH)物理共用分组信道(PCPCH),上行专用物理信道上行专用物理数据信道(uplink DPDCH)上行专用物理控制信道 (uplink DPCCH),上行物理信道,上行DPDCH/DPCCH帧结构,上行专用物理信道,DPDCH和DPCCH在无线帧通过I/Q复用DPDCH用来传输层2及更高层产生的专用数据DPCCH用来传输层1的控制信息帧长为10ms，分15个时隙，每时隙2560 chipsDPDCH的扩频因子为4到256在相同的层1连接中，DPDCH与DPCCH的扩频因子是可以不同的每个DPCCH时隙由Pilot，TFCI，FBI，TPC构成。,上行物理信道的特点,RACH接入时隙分配,
13、RACH发射结构,RACH信息部分,随机接入是基于快速捕获指示的时隙ALOHA方法时间上用接入时隙来确定，UE只能在时隙的开始位置进行随机接入传送，每个时隙5120chips，每2帧有15个slot哪些时隙可以使用由高层给定随机接入传送数据由两部分组成：1或多个的preamble：4096chips长度，由16长度的signature进行256次重复构成，共有16种signature10或20ms的信息部分使用哪个signature及信息部分长度由高层决定,PRACH信道,物理公共分组信道PCPCH,CPCH传输是基于快速捕获指示的DSMA-CD方法CPCH也是在与RACH一样的时隙开始时刻传
14、输的CPCH随机访问信号包括：1个或多个接入前缀AP，长度为4096chips1个冲突检测前缀CD-P，长度为4096chips1个DPCCH功率控制前缀PC-P，长度为0或8个时隙，由高层决定1个message部分：长度为Nx10ms，最多的帧数由N_Max_frames参数决定，此为高层的参数。每10ms帧分为15个时隙，每个时隙2560chips也分为两个并行的部分：传输高层信息的数据部分和传输层1控制信息的控制部分数据部分的扩频因子为256到4数据部分与控制部分分别与上行的DPDCH与DPCCH结构相同,物理公共分组信道（继续）,专用下行物理信道,专用下行物理信道（继续）,DCH包括专
15、用的数据及控制信息：专用数据用于传输层2或更高层产生的数据；控制信息用于传输层1的控制信号控制信息包括：导频、TPC、可选的TFCI。DCH的扩频因子可以为512到4，并且在连接过程中可以改变DPDCH和DPCCH是时间复用的同一CCTrCH的多码传输使用相同的扩频因子，此时，只需传输第一个DPCH的控制信息就行。当有多个CCTrCH给同一用户时，每个CCTrCH可以使用不同的扩频因子，并且只需传输一个DPCCH信息,下行多码传输的时隙结构,公共导频信道CPICH,common Pilot Channel (CPICH)传送确知序列固定速率30KBPS， SF=256发射分集时，使用相同的扩频
16、码和扰码，但传送序列不同,CPICH,主CPICH使用相同的信道码,即Cch,256,0扰码为主扰码一个小区只有一个主CPICH在整个小区广播主CPICH为SCH, Primary CCPCH, AICH, PICH提供相位基准。还是其它下行物理信道的缺省相位基准。从CPICH可以使用任意信道码，只要满足 SF=256扰码可以使用主扰码，也可以使用从扰码一个小区可以有0、1或几个从扰码可以在小区内部分发射可以作为 SCCPCH 和下行 DPCH的参考.,主公共控制物理信道PCCPCH,固定数率（30kbps，SF=256）用于承载BCH信道每个时隙的头256chips为空只有数据域可以采用ST
17、TD传输分集,从公共控制物理信道S-CCPCH,用于传送 FACH和PCH. 两种SCCPCH: 有TFCI 和无TFCI。UTRAN 决定 TFCI是否发送，UE支持TFCI。可能的传送速率与下行DPCH 相同。,SF =256 - 4. FACH and PCH 可被映射到同一个或不同的 SCCPCHs. 如果映射到同一个SCCPCH, 它们可以映射到相同的帧。,同步信道SCH,SCH用于小区搜索分成 P-SCH和S-SCH. SCH信道占用前256个CHIP主同步码 (PSC) 在每个时隙内重复发射。,从同步码 (SSC)指定小区扰码的码组 SSC从16个长为256的码组中选择。共有64
18、组，代表64个扰码码组,物理下行共享信道PDSCH,PDSCH传送 DSCH, DSCH 被多个码分用户共享。 PDSCH 总是与一个 DPCH相联系，所需控制信息在DPCH上传送两种方式通知 UE 解调 DSCH（用TFCI域，用高层信令）DSCH是特殊形式的多码传输，DSCH与相联系的DCH可以具有不同的SF，SF可在帧间改变。,承载DSCH数据,捕获指示信道（AICH）,AICH的帧结构：两帧，共20 ms，包括重复的15接入时隙AS, 每个时隙有20个符号(5120码片)。每个时隙包括两部分，捕获指示AI和空部分 。捕获指示AI有16种Signature AICH的相位参考为CPICH
19、.,寻呼指示信道,寻呼指示信道（继续）,PICH为固定速率(SF=256)的物理信道，用于传送Page Indicators (PI).PICH 总是与一个S-CCPCH 相联系，这个信道正在传送一个PCH PICH的帧结构：一帧为10ms，包括300bits.其中，288 bits用于传送 Page Indicators. 其余12 bits尚未定义。N 个寻呼指示 PI0, , PIN-1 在一帧内传送，N=18, 36, 72, or 144. 如果某一帧中的 PIi 被置为1，说明PIi对应UE应对S-CCPCH的对应帧进行解调,传输信道与物理信道的映射关系,Logical Chann
20、els(Layers 3+),Transport Channels(Layer 2),Physical Channels(Layer 1),UplinkRF Out,UEScramblingCode,I+jQ,I/QMod.,Q,I,Chc,I,Filter,Filter,CCCHCommon Control Ch.,DTCH (packet mode)Dedicated Traffic Ch.,RACHRandom Access Ch.,PRACHPhysical Random Access Ch.,DPDCH #1Dedicated Physical Data Ch.,CPCHCommon
21、 Packet Ch.,PCPCHPhysical Common Packet Ch.,Data Coding,Data Coding,DPDCH #3 (optional)Dedicated Physical Data Ch.,DPDCH #5 (optional) Dedicated Physical Data Ch.,DPDCH #2 (optional) Dedicated Physical Data Ch.,DPDCH #4 (optional) Dedicated Physical Data Ch.,DPDCH #6 (optional) Dedicated Physical Da
22、ta Ch.,Q,DPCCHDedicated Physical Control Ch.,Pilot, TPC, TFCI bits,Chd,Gc,Gd,j,Chd,1,Gd,Chd,3,Gd,Chd,5,Gd,Chd,2,Gd,Chd,4,Gd,Chd,6,Gd,Chc,Gd,Chc,Chd,Gc,Gd,j,RACH Control Part,PCPCH Control Part,j,DCCHDedicated Control Ch.,DTCHDedicated Traffic Ch. N,DCHDedicated Ch.,Data Encoding,DTCHDedicated Traffi
23、c Ch. 1,DCHDedicated Ch.,Data Encoding,MUX,CCTrCH,DCHDedicated Ch.,Data Encoding,WCDMA 上行 (FDD),WCDMA 下行 (FDD),扩频技术,扩频包括两个操作：信道化（channelization）操作，它使数据符号变为码片，并增加了信号带宽，每符号的码片数称为扩频因子（SF），可以通过与OVSF相乘得到扰码操作，它作用在扩频信号上,数据比特,OVSF码,扰码,扩频后码片,扩频码：区分上行同一终端的数据信息和控制信息，下行区分同一小区不同用户的连接。扰码：区分上行终端，区分下行扇区。扩频包括两个操作：信道
24、化（channelization）操作，它使数据符号变为码片，并增加了信号带宽，每符号的码片数称为扩频因子（SF），可以通过与OVSF相乘得到扰码操作，它作用在扩频信号上,信道码,信道码使用OVSF码定义：Cch,SF,k, 描述信道码，SF 为扩频因子， k 为码号, 0 kSF-1,上行链路长扰码,共有224个长扰码可以通过扰码号n设定第一个移位寄存器的初始相位确定扰码序列,上行链路短扰码,共有224个短扰码可以通过扰码号n设定3个移位寄存器的初始相位确定扰码序列,下行链路扰码,共218-1 =262143个扰码，只用0.8191号的扰码,上行扩频,DPCCH/DPDCH扩频可以同时传输1
25、个DPCCH和0到6个的DPDCH扰码可以为长扰码或短扰码比重因子c和d至少有一个为1扰码的边界和无线帧边界一致,DPCCH/DPDCH扩频,PRACH扩频,message 部分如下图，比重因子取值与DPDCH/DPCCH相同,PCPCH扩频,message 部分如下图，比重因子也如DPCCH/DPDCH部分,上行信道码配置,上行DPCCH/DPDCH信道码配置DPCCH固定为Cc = Cch,256,0.当只有一个DPDCH时，Cd,1 = Cch,SF,k ，k=SF/4当有多个DPDCH传输时，所有的DPDCH的扩频因子为4，DPDCHn由cd,n = Cch,4,k 扩频，当n为1，2
26、，时k=1；n为3，4时，k=3；当n为5，6时，k=2PRACH message部分信道码配置控制部分固定256扩频，扩频码为cc = Cch,256,m ，其中 m = 16(s - 1) + 15；（s为preamble的signature号，1 = s 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,BLER = Block Error RateSIR = Signal to Interference RatioTPC = Transmit Power Control,三种功率控制,功率控制流程,接收方根据接收
27、到信号的信干比与控制信道的信干比目标值比较，然后向发送方返回一个TPC命令，发送方根据接收到的TPC命令，通过高层给定的闭环功率控制算法得出是增加发射功率还是减小发射功率调整的幅度TPC_cmdTPC_STEP_SIZE。,闭环功率控制基本原理,随着移动通信环境的变化和移动速度的变化，传输的业务需要满足的信干比也要变化，而且上行的SIRtarget是由网络侧指定的，有可能初始给定的值与实际需要的信干比相差的比较多，这些都需在外环功率控制根据业务的质量情况对SIRtarget作调整。 上行链路的外环功率算法在SRNC侧进行，下行链路的外环功率控制算法在UE侧进行。,外环功率控制基本原理,功率控制
28、,内环功率控制(起始接收功率目标值l,基站接收功率目标值,开环功率控制接入前导,I外环功率控制(更新的接收功率目标值,基站接收功率,时间,800 updates/sec (IS-95, cdma2000)1500 updates/sec (WCDMA),切换基本分类,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）,软切换(Soft Handover),相对门限减少了移动终端软切换的数量
29、,更软切换(Softer Handover),更软切换时的接收从一个基站来的联合信号,BS,减少了掉话,从WCDMA到GSM 的切换(覆盖),从GSM到WCDMA的切换(高负荷或系统优先),多膜终端,系统间的切换,系统间切换,频间测量支持系统间切换压缩模式支持频间测量,系统间,测量时间,压缩模式,频间切换,支持高容量地区多载频的应用 负荷分担，提高性能,载频间负荷分配,信道切换,信道类型切换信道速率切换,软切换相关的几个概念,激活小区集（Active Set）：这些小区与UE同时进行通信，在UE处被同时解调进行相关合并；就是软切换与更软切换中，与UE同时保持通信的小区。监测小区集（Monito
30、red Set）：除了激活小区集外，UE需要监测的小区。检测小区集（Detected Set）：UE检测到的所有小区。列项小区集（Listed Set）：激活小区集和监测小区集的并集。同频率检测小区子集（IAF Monitored Subset Cells）：UE需要监测的同频率小区。GSM率检测小区子集（GSM Monitored Subset Cells）：UE需要监测的GSM小区。相邻关系表（Neighbor Cell List）：SRNC中设置的每小区的相邻小区。建议激活小区集（Proposed Active Set）：软切换评估和执行的建议激活小区集。,只连接小区1,Event 1A
31、,增加小区2,Event 1C,用小区3,来替换1,Event 1B,删除小区3,CPICH 1,CPICH 2,CPICH 3,时间,测量,质量,D,T,D,T,D,T,软切换举例,软切换过程和效果,在上行链路，二个或多个基站可以接收同样的信号，在下行链路移动台可以相干地合并来自不同基站的信号，即宏分集由于新基站发射额外的信号给移动台，由于RAKE的Finger数目有限，若移动台不能合并所有的能量。在下行链路， 软切换增加了对系统的干扰软切换的增益决定于宏分集增益和由于增加的干扰引起的性能损失,接纳控制,接纳控制的目的： 在于根据系统目前的资源状况对新的用户、新的无线接入承载(RAB)和新的
32、无线链路(RL)（例如切换）给予接纳或拒绝。上行负荷的衡量是接收总干扰功率是否超出LNA的线性动态范围；下行负荷的衡量是发射功率是否分配完毕。在呼叫（新接入呼叫和切换呼叫）时要测量系统小区当前的负荷情况，并对呼叫进行预测和估计，判断是否能接入呼叫，这就是接纳控制过程。,接纳控制,接纳控制的关键是在混合业务环境中精确预测呼叫业务对资源的要求 由于功率攀升存在，业务对资源的要求是非线性规律的，需要深入研究、仿真和实验才能得到。,在用户发起呼叫时，RRM根据系统资源的可用情况决定接纳还是拒绝用户。 当系统剩余的资源足够用户使用时，接纳呼叫的用户，并分配相应的资源（如扰码、信道码等）给呼叫用户。,接纳
33、控制,上行链路接纳控制算法,下行链路接纳控制算法,负荷控制,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。,负载控制,移动终端速度和位置的变化造成无线传输环境的恶化,发射功率的上升，使系统负荷增大,负载控制,系统不断在实时测量系统小区的负荷，当负荷平均值在一个设定的时间内超越某一个门限值时就有必要进行负荷控制。,负荷控制的核心思想是保证系统在稳定运行的前提下，最大限度地接入尽可能多的业务，以达到高效运行的目的。,负载控制手段,开始,判断负荷情况,（1）允许切入、接入,（2）允许增加功率,（3）提高速率,（4）其它,负荷偏低,负荷,偏高
34、,负荷,正常,（1）允许切入、接入,（2）允许增加功率,（1）停止切入、接入（2）停止增加功率（3）速率降低（4）切换（切出）（5）执行掉话,小区呼吸是负载控制的一个手段,小区呼吸的主要目的是将某些“热点小区”的负载分担到周围负载较轻的小区中，提高系统容量的利用率,小区呼吸,码资源,WCDMA系统中所用到的码的类型： 1.上行链路扰码；2.上行链路信道化码；3.下行链路扰码；4.下行链路信道化码.主要对4进行规划下行链路信道化码的码树是一个典型的二叉树,1、码表利用率高,分配掉的码字所阻塞掉的码字越少，说明码表利用率越高,2、码表复杂度低,尽量用短码分配,3、先分配公共和共享物理信道的的下行链
35、路信 道化码,尽量保证下行公共物理信道码资源的使用,4、按照一定的策略分配下行专用物理信道的信道化码,下行信道化码分配策略,码资源规划,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15,16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31,SF = 4,SF = 8,SF = 16,SF = 32,SF = 4,SF = 8,SF = 16,SF = 32,红色代表已分配的码字,绿色代表由于低速扩频因子码字被分配而阻塞掉的高速扩频因子码字,蓝色代表由于高速扩频因子码字被分配而阻塞掉的低速扩频因子码字,桔色代表根据申请的扩频因子而优化分配的码字,三个结果任取一个,码资源分配原则利用率：尽量减少因码分配而阻塞掉的码字复杂度：尽量减少分配的码字数量,THANKS！,
