中兴通讯股份有限公司 移动产品事业部3G产品部

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1 中兴通讯股份有限公司 移动产品事业部3G产品部
WCDMA初中级培训－ WCDMA原理 中兴通讯股份有限公司 移动产品事业部3G产品部

2 提纲1 WCDMA移动通信基础知识 提纲2 WCDMA物理层过程

3 WCDMA移动通信基础知识 提纲1 WCDMA移动通信环境 提纲2 WCDMA需要解决的问题 提纲3 多址接入技术 提纲4 纠错编码技术
提纲3 多址接入技术 提纲4 纠错编码技术 提纲5 交织技术 提纲6 复用技术 提纲7 扩频技术 提纲8 分集技术

4 WCDMA移动通信环境——信道环境 无线传播方式 直射 反射 由基站发出的电波以四种方式到达终端： 直射波：在视距覆盖区内无遮挡的传播
多径反射波：从不同建筑物发射后到达接收点 绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点 散射波：由空气中离子受激后二次发射所引起的慢放射后到达接收点 时间 接收信号 强度 绕射

5 WCDMA移动通信环境——信道环境 无线传播特性 无线传播过程中，遇到的最主要问题有： 干扰 衰落 抖动 时延
发送信号 接收信号 干扰 0dB 发送信号 -25dB 接收信号 衰落 抖动 0   +  发送信号 接收信号 时延 干扰：是蜂窝无线系统性能的主要限制因素，包括同频干扰、临频干扰和杂散干扰 衰落：路径传播损耗、慢衰落损耗、快衰落损耗。快衰落损耗由多径传播引起，一般遵从Rayleigh分布和Rician分布。 抖动：信号之间的时间差发生变化 时延：从不同路径达到接收点的信号到达时间不同，产生多径 0  2 3  +  发送信号 接收信号 此外还有因传播频率的扩散而引起的多普勒效应等。

6 WCDMA移动通信环境——信道环境 衰落 无线环境中的信号衰减分成三部分： 幅度衰减较大的路径损耗
伴随中等幅度衰减的具有对数正态分布特性的慢变化成分 ——大尺度衰落，也被称为遮蔽。 衰减幅度较小的快变化成分 ——小尺度衰落，也被称为多径衰落。 两类典型小尺度衰落包络分布的描述方法 瑞利（Rayleigh）分布 ——不存在视距传播，衰落很深。 莱斯（Rician）分布 ——存在视距主径，衰落较浅。 衰落产生三种效应：阴影效应、远近效应、多普勒效应

7 WCDMA移动通信环境——信道环境 典型信道划分——室内或静态信道 微微蜂窝 很小的发射功率 基站和用户都位于室内
路径损耗依赖于墙体、地板材料和金属结构的布局 典型时延为50～250ns

8 WCDMA移动通信环境——信道环境 典型信道划分——户外到户内步行信道 微蜂窝 小功率 低速度 天线一般低于建筑物顶 室内覆盖依靠室外基站
存在穿透损耗 （典型值为12dB） 同时存在视距传播和非视距传播 路径损耗波动较大 典型时延为0.2us

9 WCDMA移动通信环境——信道环境 典型信道划分——车速环境 宏蜂窝 大功率 高速移动 存在阴影 多路反射 路径损耗和环境有关

10 WCDMA移动通信环境——业务环境 数据业务将占很大的比重 不同的业务具有不同的QoS 大量的突发业务 业务在不同地理位置分布密度不同
用户业务速率相差很大 存在多址干扰（MAI)

11 WCDMA移动通信环境——基本要求 信息传输速率：提供多速率的业务，最高可达2 Mbps 根据带宽需求实现的可变比特速率信息传递
一个连接中可以同时支持具有不同QoS要求的业务 满足不同业务的延时要求（从实时要求的语音业务到尽力而为的数据业务） 二代、三代系统共存和不同系统之间的切换和负荷平衡 支持上行和下行非对称业务 高的频谱效率

12 WCDMA需要解决的问题 提高无线资源利用率 无线资源包括频率、功率、时间、空间和特征码等
消除无线信道传输产生的不良影响，使对端尽可能收到满足要求的信息 满足业务环境的要求，提供不同QoS要求、不同速率的多媒体业务

13 多址接入技术 FDMA TDMA CDMA 频分多址技术 业务信道在不同频段分配给不同的用户。如TACS、AMPS。
Frequency Time Power FDMA TDMA CDMA 频分多址技术 业务信道在不同频段分配给不同的用户。如TACS、AMPS。 时分多址技术 业务信道在不同的时间分配给不同的用户。如GSM、DAMPS。 码分多址技术 所有用户在同一时间、同一频段上、根据不同的编码获得业务信道。CDMA

14 多址接入技术—— FDMA 信道一次只能传递一个电话。如果某一信道空闲，也不能够被其他 用户使用以增加容量。
信道一次只能传递一个电话。如果某一信道空闲，也不能够被其他 用户使用以增加容量。 符号时间比平均时延扩展大很多，故平均时延扩展造成的符号间干扰低。 FDMA比TDMA简单，同步和组帧比特少，系统开销小。 FDMA需要精确的RF滤波器。 非线性效应：许多信道共享一个天线，功率放大器的非线性会产生交调频率（IM），产生额外的RF辐射。 Frequency Time Power

15 多址接入技术—— TDMA 多个用户共享一个载波频率，分享不同时隙。 可以实现不连续发送，利用空闲时隙监听其他基站，实现切换处理。
需要自适应均衡；需要保护时隙。 分组发射需要额外的系统开销，如保护数据同步。 按照不同的用户提供不同的带宽。 质量控制通过频率规划来实现 Frequency Time Power

16 多址接入技术—— CDMA 多用户同时共享同一频段无线资源。 系统容量大，无线频谱效率率高。 自干扰性，远近效应。
不相关码的选择和功率控制非常重要。 易于实现宽带可变速率通信。 支持多用户检测、软件无线电等新技术。 Power Frequency Time

17 多址接入技术—— WCDMA系统的优势 采用RAKE接收机，有效利用了信道相干时间形成的时间分集效应；
宽带传输系统，利用了信道的频率分集效果 信号在信道中传输功率低，降低了干扰，提高了保密性 扩频因子灵活变换，又助于多媒体等多速率并发业务的传输 频谱效率高，优于以往的AMPS和GSM 支持软切换和更软切换 支持新技术的应用，如多用户检测

18 纠错编码技术—— 卷积码 纠错编码技术是在发射端按一定规则引入冗余信息，从而使得即使空中传输引入了误码，也能利用冗余信息将此错误纠正回来的技术。 在WCDMA系统中主要用于话音信道和控制信道，编码速率为1/2和1/3。卷积码特点：译码简单，时延小，一般采用维特比算法，信道误码率在10－3，适合实时业务，如话音和视频业务的传送。 Output 0 G = 557 (octal) Input D Output 1 1 = 663 (octal) Output 2 2 = 711 (octal) (b) Rate 1/3 convolutional coder

19 纠错编码技术—— Turbo码 在WCDMA系统中主要用于数据业务信道，编码速率为1/3，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。TURBO码的特点：译码复杂，常采用LOG－MAP算法，信道误码率可以达到10－6，非常适合对误码率敏感，而对时延不敏感的非实时分组业务，如WWW，FTP，E－MAIL等多媒体业务传送。

20 交织技术 在通信系统中，为了减少突发干扰对连续数据造成的大面积差错，常采用交织来将突发干扰造成的连续差错化解为随机独立差错，使其适合于译码器的错误纠正。 交织，就是打乱原来的数据排列规则，按照一定顺序重新排列。 x1 x6 x11 x16 x21 x2 x … x22 x3 x … x23 x4 x … x24 x5 x10 … x25 输入数据 A = (x1 x2 x3 x4 x5 … x25) 输出数据 A’= (x1 x6 x11 x16… x25) 举例： 缺点： 带来了附加的额外延时 在特殊情况下，若干个随机独立差错有可能交织为突发差错。

21 交织技术（续） 交织器根据采用的技术不同，又可分为多种，如分组交织器、随机交织器、循环移位交织器、半随机交织器、奇偶交织器、均匀交织器等。
WCDMA系统采用了分组交织器（又称矩形交织器）和均匀交织器两种技术。 分组交织器在第一次交织（帧间交织）和第二次交织（帧内交织）中用到，特点是方式简单、对短序列交织效果较好，但交织后码元的去相关不彻底。 均匀交织器在Turbo编码中用到，其特点是交织算法复杂，但去相关较彻底。

22 复用技术 复用技术是指将具有相同或不同QoS要求的业务复用到一个物理信道中进行传输的技术。
由于业务种类及其QoS要求千变万化，但物理信道的能力只是有限的几个等级。如何在保证各种业务QoS要求的前提下高效地复用到一个物理信道中传输是复用算法首要考虑的问题。 这就牵涉到速率匹配的问题，它是复用技术的核心之所在，同时还牵涉到信道编码方案等其它技术的选用问题。 业务3 业务2 业务1 业务4

23 扩频技术 扩频通信就是将信号的频谱展宽后进行传输的技术。 其理论解释为Shannon定理： C=Wlog2(1+S/N)
Fast Spreading Sequence Slow Information Sent TX Recovered RX Wideband Signal C=Wlog2(1+S/N)中，W为占用的带宽、C为系统所能达到的极限容量，S/N为接收机所能正常工作的信噪比。由此式可以看出，要提高系统容量，在信噪比无法再提高的情况下，可以增大信道带宽来提高系统容量，即用频带换取信噪比，这就是扩频通信的基本原理。

24 扩频通信示意图 信号经过扩频之后，所占用的频带变宽，但信号幅度可以降低。
f S（f） f0 扩频前的信号频谱 信号 扩频后的信号频谱 解扩频后的信号频谱 干扰噪声 解扩频前的信号频谱 信号经过扩频之后，所占用的频带变宽，但信号幅度可以降低。 在接收端进行解扩后，宽带信号能量被重新集中到其原来的带宽内，而干扰则被扩展到比较宽的频带中，能量下降。经过解调器的滤波，能将大部分干扰能量滤掉，提高了信噪比。 信号 脉冲干扰 白噪声

25 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－对其他通信系统和人体的影响较小 易于实现大容量多址通信 占用频带宽
实现复杂 在时变信道中实现同步较为困难

26 扩频的方式 直接扩频（DS－SS） 跳频扩频（FH－SS) 通过将伪噪声序列与基带脉冲数据相乘来扩展基带数据，其伪噪声序列由伪噪声生成器产生
误码率受限于多址干扰和远近效应的影响 用功率控制来克服远近效应，受限于功率检测的精度 WCDMA采用的是直接扩频方式 跳频扩频（FH－SS) 数据以发射机的载波频率跳变的方式发送到表面上随机的信道中 每个信道上，在发射机再次调频之前，数据用传统的窄带调制方式发送一些小的突发 无远近效应的影响，因为多个用户不会同时使用同一频率（Bluetooth技术、快、慢调频）

27 直接扩频与解扩示意图 被扩频数据与扩频码序列相称得到被扩频后的信号
Symbol Spreading Despreading 1 -1 Data = 010010 Spreading code Spread signal = Data × code Spreading code = ( SF = 8 ) × code Chip 被扩频数据与扩频码序列相称得到被扩频后的信号 被扩频后的信号在接收端再与相同的扩频码序列相称，由于扩频码序列良好的相关性，可解出相应的原始信号。

28 WCDMA系统的扩频 分为扩频和加扰两个步骤： DATA 信道码OVSF 扰码 Symbol rate Chip rate 3.84MHz
信号经过扩频后达到3.84MHz的码片速率，不同速率的信号与不同SF的扩频码相乘，保证达到3.84MHz的码片速率。然后与一个复数扰码相乘，扰码的速率也为3.84MHz。 符号速率 × SF = 3.84Mbps WCDMA中，上行信道码的SF为：4~256 下行信道码的SF为：4~512

29 正交可变扩频因子（OVSF）码 同一级的任意两个分支两两正交 某一分支被使用后，则其直系祖先级和直系子孙级分支均不能使用
由于扩频码的资源有限，所以对码资源的分配和管理就显得很重要。

30 采用正交可变长度的扩频序列，支持多速率传输
WCDMA直接扩频方案的优点 采用正交可变长度的扩频序列，支持多速率传输 采用自相关特性好的扰码与互相关特性好的扩频码配合使用，每个用户有唯一的扰码与扩频码的组合，保密性高。 所有用户、基站都使用相同的频率，可以简化频率规划工作 良好的抗多径干扰特性： RAKE接收机利用多径分量 同时由于宽带信号的频率选择性衰落，反映在时域上，多径干扰导致传输延迟的PN信号和原PN序列的互相关性减弱，导致延迟信号对接收机的影响减弱

31 分集技术 是通过利用和查找自然界无线传播环境中的独立（或至少高度不相关）多径信号来实现的
可简单解释为：如果一条路径中的信号经历了深度衰落，而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号。 两重含义：分散传输；集中处理 优点： 易获得相对稳定的信号 可获得分集处理增益，提高信噪比 投资低廉

32 分集原理 假设输入的分集信号分别为： r1(t), r2(t), r3(t), … rk(t), rm(t) 则，合并后的输出为：
其中αK 为第 k 个分量的权重。 选择不同的加权系数，就构成不同的合并方式。 通常所用的方法有三种： 选择合并、最大比合并和等增益合并。

33 分集的分类 空间分集 时间分集 频率分集 极化分集
又称天线分集，如果天线间的距离大于半个波长，则从不同的天线上收到的信号包络基本上是不相关的 时间分集 以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号，以便让再次接收到的信号具有独立的衰落环境，从而产生分集效果 频率分集 在多个频率上传送信号，其理论基础是在信道相干带宽之外的频率上不会出现同样的衰落 极化分集 信号在空中传播进行了多次反射，由于不同极化方向的反射系数不同，使得信号在不同的极化方向上是不相关的

34 WCDMA使用的分集技术 开环发射分集 闭环发射分集 交织技术 RAKE接收技术
使用空时编码对信号进行处理，并从两根天线上发射，综合利用了时间分集和空间分集技术 闭环发射分集 由接收端反馈参数控制两根发射天线的加权，是带反馈技术的空间分集 交织技术 是一种隐含的时间分集技术，与WCDMA系统选用的编码方案配合使用。 RAKE接收技术 也是一种隐含的时间分集技术。认为：一个码片时间 > 信道的相关时间，RAKE接收利用的多径信号被认为是发射机多次发送过来的信号

35 技术的选用是围绕要克服的问题来进行的 WCDMA多址接入方式 纠错编码技术 交织技术 复用技术 扩频技术 分集技术 高速率、大容量
无线传播中的干扰 深衰落 多媒体业务 抗干扰 提高系统容量 WCDMA采用5MHz的宽频带，用于解决3G对高速率、大容量的需求； 纠错编码技术可以将信号中由于干扰产生的误码纠正回来，对抗了无线传播中的干扰； 交织技术将深衰落产生的突发错误转换为随机错误，克服了深衰落的影响； 复用技术将不同QoS要求的业务复用到一个物理信道中，使给用户提供多媒体业务成为可能； 扩频技术固有的抗干扰能力是对付无线信道干扰的有效手段； 分集技术的处理增益使系统容量得以提高。

36 WCDMA物理层过程 提纲1 物理信道特征与帧结构 提纲2 编码与复用 提纲3 同步过程 提纲4 随机接入过程

37 物理信道分类 上行物理信道 物理信道 下行物理信道 公用物理信道 专用物理信道(DPCH) 公用物理信道 专用物理信道(DPCH)
物理随机接入信道(PRACH) 公用物理信道 物理公共分组信道(PCPCH) 上行物理信道 公用导频信道(CPICH) 专用物理信道(DPCH) 同步信道(SCH) 物理信道 主公共控制物理信道(P-CCPCH) 辅助公共控制物理信道(S-CCPCH) 寻呼指示信道(PICH) 公用物理信道 物理下行共享信道(PDSCH) 捕获指示信道(AICH) 下行物理信道 接入前缀捕获指示信道(AP-AICH) CPCH状态信道(CSICH) 专用物理信道(DPCH) 碰撞检测/信道指配指示信道(CD/CA-ICH)

38 上行专用物理信道帧结构（DPCH） DPDCH承载高层数据，DPCCH承载物理层控制信息，DPDCH与DPCCH并行传输（码分复用）。

39 物理随机接入信道（PRACH） PRACH由若干个接入前缀和一个消息部分组成：接入前缀用于向UTRAN发起接入请求，消息部分承载信令和数据。

40 下行专用物理信道帧结构（DPCH） DPDCH承载高层数据，DPCCH承载物理层控制信息，DPDCH与DPCCH串行传输（时分分复用）。

41 下行DPCH的多码传输 这多个物理信道是给同一个用户使用的，各信道的数据速率和帧结构必须一样。
利用多码传输可以提供高的传输速率，并为码资源管理提供了灵活性。

42 公共导频信道（CPICH） 发射预先定义好的已知序列，A＝1＋j 固定传输速率30Kbps， SF=256
发射分集时，两根天线上发射的信号使用相同的扩频码和扰码，但传送序列有所不同。 主要用于信道估计

43 主CPICH与辅助CPICH的区别 主CPICH 辅助CPICH 使用相同的信道码,即Cch,256,0 扰码为主扰码
在整个小区广播 辅助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，也可以使用辅助扰码 一个小区可以有0、1或几个辅助扰码 可以在小区内部分发射

44 主公共控制物理信道（P-CCPCH） 固定为30Kbps （SF=256）的传输速率，用于承载BCH。
每个时隙的头256chips为空，到时候由SCH填充；或者说P-CCPCH与SCH时分复用。

45 辅助公共控制物理信道（S-CCPCH） 用于承载FACH和PCH，可分别承载FACH和PCH，也可两者同时承载。
TFCI可有可无，由上层决定；没有TPC，采用开环功控；导频为8或16比特。 传输能力比下行DPCH稍逊，SF为256~4。

46 同步信道（SCH） SCH用于小区搜索，分成主同步信道（ P-SCH）和辅助同步信道（S-SCH），两者并行发射。
SCH占用每个无线帧的前256个码片，与P-CCPCH时分复用。 主同步码 (PSC) 以时隙为周期发射，用于时隙同步；辅助同步码以无线帧为周期发射，用于帧同步，并指出小区主扰码的组号。 a为一个指示调制信号，用于指示P-CCPCH是否采用了STTD。

47 物理下行共享信道（PDSCH） PDSCH承载 DSCH, 被多个码分用户分时共享。
PDSCH 总是与一个 DPCH相伴随，所需控制信息在所伴随的DPCH的DPCCH上传输。 DSCH上传的是纯数据，效率很高，适合处理短时高速率突发业务，是特殊形式的多码传输，但高层控制起来比较复杂。

48 捕获指示信道（AICH） aj是由16个AI和16个签名进行矩阵运算得到。
AICH每一帧为20 ms，分成15个接入时隙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部分（4096码片）和空部分（1024码片） 。 16个AI分别对16种签名进行应答，AI＝＋1、－1和0分别代表同意接入、不同意接入和没有听到请求。 aj是由16个AI和16个签名进行矩阵运算得到。

49 寻呼指示信道（PICH） PICH为固定速率(SF=256)的物理信道，用于承载寻呼指示 (PI).
PICH 总是与S-CCPCH 相伴随，如果某一帧中的 PIi 被置为1，说明Pii所对应的UE应对S-CCPCH的对应帧进行解调。 PICH一帧为10ms，包括300bits。其中，288 比特用于传送 PI， 其余12 比特尚未定义，不发射。 一帧内传送N 个寻呼指示PI，N=18, 36, 72, or 144。

50 各物理信道之间的时序关系 下行各个物理信道之间的发射时间有一定的时序关系，具体的时间差由高层给定。

51 下行信道编码与复用 下行编码复用流程由以下步骤组成： 添加CRC 传输块拼接/编码块分段 信道编码 速率匹配 第一次DTX插入 第一次交织
TrCH-i+1 data TrCH-i 10、20、40 or 80ms 下行信道编码与复用 data CRC 0、8、12、16 or 24bits data CRC 块长 Z＝ 504 ， 卷积码 5114 ，Turbo码 CBL d a t a CedBL Coded data Rate matched data 卷积码 或 Turbo码 Rate matched data DTX or 交织器列数：1、2、4 或 8 Data after 1st interleaved Data before 1st interleaving 无线帧数目：1、2、4 或 8 无线帧 CCTrCH CCTrCH TrCH-1 TrCH-2 TrCH-I TrCH-1 TrCH-2 TrCH-I DTX 10ms时间内 下行编码复用流程由以下步骤组成： 添加CRC 传输块拼接/编码块分段 信道编码 速率匹配 第一次DTX插入 第一次交织 无线帧分段 传输信道复用 第二次DTX插入 物理信道分段 第二次交织 成帧 扩频加扰 Ph-1 Ph-2 Ph-P Ph-1 Ph-2 Ph-P 10ms时间内 data1 data2 data1 data2 data1 data2 TPC TFCI pilot 扩频、加扰

52 同步过程—小 区 搜 索 三步搜索法 第一步 时隙同步：搜索P-SCH的主同步码，与信号最强的基站取得时隙同步。 第二步
扰码码组识别和帧同步：利用S-SCH的辅助同步码码组实现帧同步，并识别扰码码组号。 由于P-SCH以时隙为周期，所以，搜索到了P-SCH便找到了时隙的头，即获得了时隙同步； S-SCH以帧为单位，且其同步码组与扰码组一一对应，所以，搜索到了S-SCH同步码组便获得了帧同步。

53 同步过程—小 区 搜 索（续） 第三步 扰码识别：利用扰码码组中的8个主扰码与捕获的P-CPICH的主扰码比较，得到该小区的主扰码。
根据主扰码可以检测出P-CCPCH，从而可以收到系统及小区的广播信息。

54 同步过程—公共信道同步 通过小区搜索，可获得SCH帧同步和帧头的位置。 根据下行物理信道时序关系，有下述信道与SCH帧头对齐：
P-CPICH S-CPICH P-CCPCH PDSCH S-CCPCH和PICH等信道的帧头与上述信道的帧头的时间差由高层配置参数确定。

55 同步过程—专用信道同步 专用信道DPCH同步定时关系：
不同下行DPCH定时可以不同，由高层参数配置决定，但其与P-CCPCH的帧定时的偏置将是256码片的整数倍，即有tDPCH,n=Tn*256码片，其中Tn={0,1,...149}； 在UE侧上行链路DPCCH/DPDCH帧发射大概在接收到对应的下行DPCCH/DPDCH帧的第一个检测径后T0(1024码片)处； 同一UE的所有UL DPCCH/DPDCHs有相同的帧定时。

56 同步过程—专用信道同步（续一） 对专用物理信道，采用同步原语指示上下行无线链路的同步状态，一般采用基于接收到的DPCCH质量或CRC校验确定。 下行同步原语：UE的层1将测量下行专用信道的每一物理帧的同步状态，并向高层报告。 上行同步原语：Node B的层1将测量所有无线链路集合的每一物理帧的同步状态，并向RL失败/恢复触发函数指示，因此在每一个链路集中只有一个同步状态指示。

57 同步过程—专用信道同步（续二） Node B无线链路同步状态图如下，每一个无线链路可以存在3种不同的状态：初始状态、非同步状态和同步状态。
初始状态到同步状态的转移可通过“同步过程A”和“同步状态B”两个过程实现。 同步状态到非同步状态的转移可通过“RL失败”和“RL恢复”两个过程来实现。

58 RACH随机接入过程—MAC传输控制

59 RACH随机接入过程—层一接收参数 前导扰码 消息长度（10或20ms） AICH发射时序参数 各ASC的可用签名集与可用RACH子信道集
功率爬坡因子 前导最大重传次数 前导初始功率 前导与消息控制部分的功率差 传输格式集 传输格式 ASC 待传数据 RACH随机接入过程—层一接收参数

60 RACH随机接入过程—层一前导接入

61 思考题： 1.各种关键技术的采用分别是为了解决一些什么问题？ 2.如何在复杂度和性能之间做权衡？ 3.编码复用流程采用了哪些关键技术？ 4.同步过程的顺序如何？