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1、- 1 - WCDMA 系统关键技术(XX 大学应用技术学院电子信息工程) 作者XXX 指导教师XXX 摘要本文主要讨论了WCDMA 系统的关键无线技术：无线信道编码、扩频与调制、随机接入与同步、分集技术、功率控制、软切换技术、多址干扰消除技术。并简要介绍了 WCDMA移动通信系统中的智能技术。关键词WCDMA 功率控制扩频分集软切换多址干扰智能随着对通信业务种类和数量需求的剧增，频率资源日益紧张，第三代移动通信系统的研究开发已成为当前国际通信界的热点。国际电联(ITU) 提出的第三代移动通信系统(3G)标准IMT-2000 是一个能提供覆盖全球的综合业务与多媒体业务，具有多种空中接口和接入方
2、式，多种系统制式和多种运营环境的大容量、高速率、 高质量、 多功能的全球移动通信系统。该系统包括地面系统与卫星系统，覆盖范围从50左右的微微小区、微小区、小区，到500k以上的卫星小区，可向高速与慢速移动的用户提供包括话音、数据、 会议电视和多媒体等多种业务，以及广域速率达384kbit/s ，本地速率高达2Mbit/s 的多种服务，能跨越不同网络进行无缝漫游，并具有高度智能和个人服务特色。WCDMA( 宽带码分多址 )作为第三代移动通信系统的主流技术之一，以其能与固定网络相兼容、 能提供多种类型的多媒体服务、能实现全球无缝覆盖并且小型便携终端能在任何时间、任何地点与任何人进行通信等诸多优点，
3、吸引着通信运营者、制造商和广大用户。而且WCDMA 从现有 GSM 系统发展起来， 实现 GSM 系统向 3G 平滑过渡最为合适，而 GSM 系统占整个全球移动用户的85%以上，在现有的第二代移动通信市场中占绝对优势。所以采用基于 GSM 系统的 WCDMA 技术向 3G 过渡是大势所趋。本文主要讨论WCDMA移动通信系统中的关键无线技术，并简要介绍了WCDMA 移动通信系统中的智能技术。1 WCDMA 概述WCDMA 主要由欧洲ETSI 和日本 ARIB 提出， 系统的核心网是基于GSM-MAP 的，同时可通过网络扩展方式提供在基于ANSI-41的核心网上运行的能力。WCDMA全名是Wide
4、band CDMA ，即“宽带码分多址接入”，它可支持384kbit/s 到 2Mbit/s 不等的数据传输速率， 而 GSM 系统目前只能传送9.6kbit/s，固定线路Modem 也只是 56kbit/s 的速率， 由此可见 WCDMA 是无线的宽带通讯。此外，在某些信道中，它还可有效支持电路交换业务(如 PSTN、ISDN 网)、分组交换业务(如 IP 网)和可变速率话音业务。因此，灵活的无线协议可在一个载波内对同一用户同时支持话音、 数据和多媒体业务，通过透明或非透明传输块来支持实时、非实时业务。 这样用户可以同时利用电路交换方式接听电话，然后以分组交换方式访问Internet，这样的
5、技术可以提高移动电话的使用效率，使得我们可以超过越在同一时间只能做语音或数据传输的服务的限制。WCDMA 作为一种全新第三代移动通信系统方案，与窄带 CDMA 相比具有更大的系统容量和更大的覆盖区域，可适应多种速率的传输，灵活的提供多种业务，并采用了包数据交换和快速业务接入，大大提高了频谱利用率。2 WCDMA 无线技术2.1 无线信道编码无线信道编码是为了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了冗余信息，提高了数据速率。对应不同类型的传输信道和不同类型的数据，信名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -
6、- - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - - 2 - 道编码使用的算法和加入的冗余量可以不同。WCDMA的信道编码方案包括以下几部分：纠错编码 /译码 (包括速率适配)，交织 /解交织，传输信道映射到/分离出物理信道。为了适应多种速率的传输，信道编码方案中还增加了速率适配功能，WCDMA还给出了一种速率适配算法，目的是把业务速率适配为标准速率集中的某个速率。当然，决定信道编码性能最基本的问题还是它的差错控制方案。差错控制方式可以分为两类：前向差错控制(FEC)和自动请求重发(ARQ) ，但也可以用二者的复合方式。在FEC
7、中一种纠错编码用来抵抗衰落信道的传输差错。在 ARQ 中一种检错编码与重传协议共同应用。复合方式中FEC 在 ARQ 前改善差错率以减少重传的需求。WCDMA主要信道纠错码有三种，它们分别是：卷积码、RS 码与卷积码的串行级联、Turbo 码以及业务专用编码。* 卷积码： 对于卷积码需要选择其约束长度和码率。约束长度应尽可能的大以获得好的性能，但是解码器的复杂性随约束长度的增加而增加。码率依赖于交织深度和信道的相干时间。卷积码用于BER 为 10-3级别的业务， 典型的有传统的话音业务所用卷积码的码型和编译码方法基本上是对第二代移动通信系统的继承。* RS 码与卷积码的串行级联：这一编码方式提
8、供外码为RS 码，内码为卷积码的级联编码，并结合外层与内层的交织。RS 码为256 进制，码率在4/5 左右。码长根据业务速率和时延的要求可在一定范围内变化。RS 码与卷积码之间通过交织相联接，交织的范围可在20ms 和 150ms 之间变化，属于帧间交织。采用帧间比特交织/解交织对可使衰落信道无记忆，并使卷积码消除多用户干扰更为有效。 Viterbi 译码器输出的突发差错被外层符号交织随机化。这种串行级联码用于BER 为 10-310-6的业务中。* Turbo 码：Turbo 码是并行或串行级联循环卷积码。它由两个递归系统卷积码(RSC 码)通过一个交织器的并行(或串行 )级联构成， 其编
9、码是迭代式进行的。在 AWGN和瑞利衰落信道中的实验表明它可以很接近仙农容量极限且具有很强的纠错性能。RS 码与卷积码的串行级联码优点是结合了RS 码纠突发错误的能力和卷积码纠随机错误的能力，在相对较低的复杂度下取得较好的纠错性能。和其他信道编码方案相比，Turbo码因为使用相对简单的RSC 码和交织器就能得到接近香农极限的纠错性能，被广泛应用在高速率、 对时延要求不高的数据链路中，但由于 Turbo 译码器的译码算法相对复杂，且有较大的译码时延，这使得它在某些对时延要求较高的通信系统中的应用受到限制。WCDMA 方案中采用了对不同QoS 要求的业务进行不同的信道编码的策略。对低速数据业务仅采
10、用R=1/2 及 1/3 的卷积码和软判决的维特比解码;高质量业务 ,主要对速率超过32kbit/s 的高速数据业务在卷积编码的基础上增加RS 编码或采用Turbo Code 的编码方法，而对特定业务则在第一层不采用纠错编码而完全由高层来采取差错控制。2.2 扩频与调制2.2.1 扩频扩频是 CDMA 的最基本概念， CDMA 系统中的每一个信号被分配一个正交序列进行扩频，不同信号的能量被分配到不同的正交序列里。在接收机里， 通过使用相关器只接收选定的正交二进制序列并压缩其频谱，凡不符合该用户二进制序列的信号就不被压缩带宽。结果只有指定信号才被提取出来。WCDMA下行链路的小区和上行链路的用户
11、各使用不同的扩频码区分。下行链路把长度为 218 的 Gold 码截短，形成周期为216 10ms 的帧来区分小区。为使小区搜索时间最短，采用短码屏蔽技术。用一个长256 码片的正交短Gold 码屏蔽同步信道，该屏蔽符号携带着有关基站长码所属长码组的信息。移动台先搜索短屏蔽码，找到之后再在码组中搜索长名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - - 3 - 码。上行链路一般使用241 位 Gold 序列来区分用户，Gold 码
12、由两个 m 序列相加而成， 有容易产生、自相关性优良的优点。也有人提议用短VL Kasami 码简化上行链路MUD 的实现。上下行链路都使用Walsh 码，用可变正交扩频系数(OVSF ， Orthogonal Variable Spreading Factor) 进行正交扩频。它能够对不同速率和扩频因子保持信道之间的正交性，消除在同一RF 载波上工作的不同速率用户间的干扰码。2.2.2 调制数字调制 /解调技术是数字移动通信系统空中接口的重要组成部分。在不同的应用环境中，移动通信信道将呈现不同的衰落特性。调制使数据信息与信道特性相匹配，以便有效地发送和接收数据信息。高效调制方式一直是移动通信
13、研究的重要课题。在 WCDMA系统中，调制可分为数据调制和扩频调制。数据调制是指数据以某种方式映射到和支路。扩频调制是指和支路被信道码和扰码扩频，经滤波和载波调制后输出。一般的线性调制方法，如BPSK，QPSK， O-QPSK 等均被建议用于宽带CDMA ，因为它们具有良好的调制效率。BPSK 扩频调制可用于具有二元扩展电路。没有滤波的BPSK 具有恒包络和无限的频谱。但实际上BPSK 信号是经过滤波的，造成了非恒包络和更高的线性要求。 QPSK 和 O-QPSK 都是四相型的调制方法。在O-QPSK 中 Q 信道有一个半码片的迟延， 因而能避免相位过零的变换。O-QPSK 包络的变化比QPS
14、K 更小， 从而减少了对功率放大器线性的要求，这一点对上行链路特别重要。但是，如果采用复数扩频，则应以QPSK取代 O-QPSK。WCDMA 的数据调制方式为双通道-QPSK( 上行 )和 QPSK(下行 )， 扩频调制采用HPSK(上行)和 QPSK(下行 )。2.3 随机接入与同步WCDMA的随机接入方式是采用分时隙ALOHA技术。所有业务共享同一随机接入信道。当需要更多的容量时可用多个随机接入信道。随机接入过程是：移动台请求接入系统，网络应答并分配一业务信道给移动台。在下列步骤完成后随机接入才能完成：1)码和帧的同步； 2)小区参数的恢复，例如随机接入码；3)下行链路路径损失的估值和随机
15、接入起始功率电平。 移动台开机， 需要与系统联系，首先要与某一个小区的信号取得时序同步。这种从无联系到时序同步的过程就是移动台的小区搜索过程。小区搜索分三步实现：* 时隙同步移动台首先搜索主同步信道的主同步码，与信号最强的基站取得时隙同步，这一步可利用匹配滤波器匹配基本同步码Cpsc 来实现，也可用自相关器实现。* 扰码码组识别和帧同步在时隙同步后，利用辅同步信道S-SCH 来识别扰码码组和实现帧同步。* 扰码识别移动台使用第二步识别到的扰码码组中的8 个主扰码分别与捕获的P-CPICH 信道进行相关计算，得到该小区使用的下行扰码。经过以上三步， 移动台已经检测到基本公共控制信道的信息，从而可
16、得到超帧同步，正确解调系统信息和指定小区的广播控制信道信息，开始通信。2.4 分集技术移动通信中信道传输条件较恶劣，调制信号在到达接收端前常常经历了严重衰落，这不利于信号的接收检测，分集技术是对抗信道衰落的有效措施之一。发射分集是指在基站方通过两根天线发射信号，每根天线被赋予不同的加权系数(包括幅度，相位等 )，从而使接收方增强接收效果，改进下行链路的性能。发射分集包括开环发射分集和闭环发射分集，开环发射分集不需要移动台的反馈，基站的发射先经过空间时间块编码，再在移动台中进行分集接收译码，改善接收效果。 而闭环发射分集需要移动台的参与，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -
17、- - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - - 4 - 移动台实时监测基站的两个天线发射的信号幅度和相位等，然后在反向信道里通知基站下一次就发射的幅度和相位，从而改善接收效果。近几年对天线发射分集技术的研究相当活跃，也取得了一些令人瞩目的成果，这主要包括：文献 1 等计算了多天线发系统在衰落信道中的信道容量，得到多天线系统容量远大于单天线系统， 且当收天线数目大于或等于发天线数目时系统容量至少随发天线数目线性增加等有指导意义的结论；V.Tarokh 等在他们相继发表的文献24等文中
18、提出将编码、调制和天线发射分集有机结合的空时卷积码和分组码；文献5 提出一种在移动台仅需简单处理的天线发射分集技术，它是文献4 的特例，但文献 4 受其启发产生，并已被WCDMA 建议采纳为开环发射分集方案；文献 6 提出基于部分信道状态信息反馈(PIF) 的闭环发射分集思想，它可看作是WCDMA建议中闭环发射分集的前身。分集接收是将到达接收机的多径信号在接收端进行加权调整并经过不同的延迟线，对齐以及合并在一起，使合成后的信号得以增强，从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负面影响。WCDMA 系统中采用导频符号相干RAKE 接收机技术，解决了反向信道的容量限制问题，每个无线帧长度为10m
19、s，分成 16 个时隙 (time slot) 每个时隙长度为0.625ms，在每个时隙的前部插入全“1”或全“ 0”的导频符号进行信道参数估计，这种方法在其它系统的调制中也有采用的，但WCDMA系统将从导频符号得到的衰落信道的振幅和相位信息，作为RAKE 接收机最大比值合并的加权系数，取得了很好的效果。2.5 功率控制如果小区中的所有用户均以相同功率发射，则靠近基站的移动台到达基站的信号强，远离基站的用户到达基站的信号弱，导致强信号掩盖了弱信号，这就是移动通信中的“远近效应”问题。 WCDMA系统是一个自干扰系统，所有用户使用同一频率，所以“远近效应”更加突出。 WCDMA功率控制的目的就是
20、克服远近效应，使系统既能维持高质量通信，又不对占用同一信道的其他用户产生不应有的干扰。WCDMA系统采用了精确的功率控制，即采用基于SIR( 信噪比 )的开环 +闭环的功率控制方式，在业务信道帧中插入功率控制比特，插入速率1.6kbit/s ，比 IS-95 的功控速率增加一倍， 可以跟踪一般的快衰落过程。根据欧洲电信技术标准协会ETSI 对 WCDMA系统的规定，在上、下行信道中采用反馈型快速功率控制，其中，在上行信道采用开环、闭环相结合的反馈型功率控制方法，开环功率控制主要用于克服距离衰减，闭环功率控制主要用于克服多普勒频率产生的衰减，以此保证基站接收到的所有移动台信号具有相同的功率；在下
21、行信道采用闭环的反馈型功率控制方法。上、下行信道功控速率均为1.6kbit/s 。2.6 软切换技术所谓软切换就是当移动台需要跟一个新的基站通信时，并不先中断与原基站的联系。软切换的原理如下：移动台在上行链路中发射的信号被两个基站所接收。经解调后转发到基站控制器 (BSC)。下行链路的信号也同时经过两个基站再传送到移动台。移动台可以将收到的两路信号合并，起到宏分集的作用。因为处理过程是先通后断，故称为软切换。软切换本身是一个比较有争议的CDMA 特性，一方面软切换在两个基站覆盖区的交界处起到了业务信道的分集作用，以减少移动台发射功率和由切换造成的掉话。但另一方面，它由于同时占用多个信道资源而加
22、强了设备投资和系统设备的复杂性。但无论怎样，由于WCDMA系统的相邻小区同频工作，为避免由于同频在重迭覆盖区域的强干扰，必须采用软切换。它与快速功率控制一样，是WCDMA必不可少的核心技术之一。而且实现软切换以后，由于切换引起掉话的概率大降低，保证了通信的可靠性。2.7 多址干扰消除技术在 CDMA系统中，由于多个用户的随机接入，所使用的扩频码集一般并非严格正交，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - - 5 - 非零互
23、相关系数会引起各用户之间的相互干扰称为多址干扰（MAI ） 。多址干扰的存在严重地影响了WCDMA 系统的性能和大大降低了系统的容量，因此多址干扰的抑制和消除对于 WCDMA 系统的发展具有重要的意义。经过近 20 年的发展，多址干扰抑制技术的研究已日臻成熟，从最初S.Verdu 提出的最优检测器， 到后来以解相关检测器为代表的线性检测器，直至从实现的角度考虑而发展形成的多级型和自适应等次最优检测器。毫无疑问， 在现有的技术条件下，并行多址干扰对消算法（ PIC）是到目前为止最有可能得以实现的多址干扰消除技术。干扰消除技术实际上是多用户检测技术的一种实现方式。干扰抵消方法基本原理是认为想要从存
24、在多址干扰的信号中提取所需用户的信号，就必须首先恢复干扰信号；然后从整个接收信号集中减去这些多址信号，就能获得所需用户的信号。并行多址干扰对消技术属于多级型多址干扰抑制算法，是一类很重要的准最优检测器，它的主体思想就是利用前面的检测结果反复地进行优化检测。并行的概念源自各用户之间的处理是同步进行的，在处理上没有优先权的区别。因为并行多址干扰对消算法属于一类多级型检测器，所以需要通过多次的对消才能达到对信号最佳检测的目的，但是级数的增加不仅会增加系统的成本，更会增加系统的复杂度，故合理级数的确定也是应用并行多址干扰对消技术的关键。在一般情况下需要经过5 级以后，并行多址干扰对消算法的性能趋于极限
25、。考虑到系统的成本和复杂度，在应用时只选取23 级的检测方案。3 WCDMA 移动通信系统中的智能技术WCDMA移动通信系统中的智能技术包括：智能天线技术、智能传输技术、智能接收技术及智能无线资源和网络管理技术等。3.1 智能天线技术移动通信系统中天线从全向天线发展到扇区天线，使系统容量大大增加，而智能天线技术的应用将进一步提高系统性能。智能天线是通过反馈控制去自动调整天线波束成型模式模式的自适应天线阵，其波束方向和增益被增益智能处理后自适应改变。这样， 可以降低多用户干扰（ MAI ）和多径干扰，增加系统容量。由于在 CDMA 系统中， 对一个用户造成干扰的用户太多，所以， 在 WCDMA
26、移动通信系统中的智能天线的研究不能停留在原来的空分多址的阶段，而需要将空分多址和CDMA 结合起来进行研究。此外， 将智能天线与功率控制、多用户检测等技术结合起来可以进一步提高系统性能。3.2 智能接收技术WCDMA移动通信系统这的多址干扰是影响系统性能的一个重要因素，要使WCDMA 移动通信系统能达到极大的系统容量，需要研究可以有效克服多址干扰的智能接收。1986年 Verdu 首次提出了在高斯白噪声信道下的最优检测理论，并证明采用最大似然序列检测算法时， 多用户系统能达到与单用户通信系统几乎相同的性能。但对计算机速度和存储空间的要求都很高。而且，要求知道所有用户的扩频码、信号负担、相位和多
27、径时延，很难实际。但如果采用智能处理技术对接收信号进行处理，有可能实现比现有常规接收机性能好而又能实际应用的智能接收机。例如，中国科技大学提出了一种在异步WCDMA系统中自适应的进行多址干扰对消的接收机，自适应调整算法的运算复杂度是与用户数成线性增长的，比常规的接收机复杂，但系统的性能有很大的提高。与其他的干扰对消接收机或多用户检测接收机相比， 在相同的性能要求下，运算复杂度大大降低。此外， 他们提出的这种干扰对消接收机的结构是分布式、全前馈的。整个系统稳定性很好，还可以方便地与智能天线技术、功率控制技术结合，以获得更好的性能。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - -
28、- - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - - 6 - 3.3 智能无线资源和网络管理技术WCDMA 移动通信系统将提供具有不同QoS 的多媒体业务，发射功率、带宽都是有限的无线资源， 采用智能化的无线资源管理技术可以提供频谱利用率。为此， 我们提出了一种给多媒体业务划分优先级，并按优先级进行自适应发射功率和传输功率控制方法，在系统负载轻时， 增加传输速率以减少平均服务时间；而在系统重负载时，可以降低数据业务的传输速率以减少网络拥挤， 目的是保证高优先级业务所需要的无线资源时，提高整个系统
29、的性能。我们的模拟结果表明：对应不同的用户数，自时延发射功率和传输功率方式比固定传输速率方式的信道利用率高，因为前者可以充分利用无线资源。我们假定系统的最小传输速率为8kbit/s，所以，用户数量多到一定程度时，自适应发射功率和传输速率控制方式和8kbit/s固定传输速率方式有相同的网络资源利用率。WCDMA移动移动通信系统将提供不同传输速率和不同QoS 要求的多媒体业务，这使得网络管理变得重要和复杂，不采用智能化管理是很难解决这个复杂任务的。WCDMA移动通信系统以其无线传输技术和智能技术上的优势，成为中国第三代移动通信的发展重点。同时WCDMA还继承了第二代移动通信体制GSM 标准化程度高
30、和开放性好的特点，标准化进展顺利，网络运营商可以通过在GSM 网络上引入GPRS 网络设备和新业务，培育数据业务消费群体，逐步过渡到第三代。因此WCDMA将是 3G 建设初期的优选，在无线网络建设中的比重会占主要部分。参考文献1Jfoschini G, Gans JrM J. On limits of wireless comm. In a fading environment when using multipleantenn as Wireless Personal Comm, Mar 1998, 6(3 ):311 335 2Tarokh V, SeshadriN, Calderbank
31、AR. Spacetime code for high data rate wireless communication: performance criterion and code construction IEEE Trans On Information Theory, Mar 1998,44(3 ): 744765 3TarokhV , Seshadri N, Calder bank AR.Spacetime codes for high data rate wireless communication: performance criteria in the presence of
32、 channelestimation errors, mobility and multiple paths. IEEE Trans on Comm, Feb1999,47(2):199207 4Tarokh V , Seshadri N, Calderbank AR.Spacetime block codes from or thogonal designs. IEEE Trans on Information Theory, Jul 1999,45(5):1456 1467 5Alamouni SM. Asimple transmit diversity technique for wir
33、eless communications. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Oct 1998,16(8):1451 1458 6Heath JrR W, Paulraj A. Asimple scheme for transmit diversity using partial channel feed back. 1998Signal, Systems & Computers Conference. 2: 1073 1078 7 郭经红，尤肖虎，程时昕. WCDMA 系统中匹配滤波器的FPGA 实现 . 通信学报， 2001
34、,1: 22（ 1）, 5258 8 曹阳， 陈晓明，欧阳尚荣 . DS-WCDMA中的快速小区搜索技术分析. 电子与自动化， 2000,4, 26 29 9 张严， 蒋朱成，尤肖虎 . WCDMA 闭环功率控制的研究. 电路与系统学报， 2000,7: 5(3), 12 16 10 任品毅，朱世华，汪勇刚. 宽带码分多址系统中的并行干扰抑制技术. 西安交通大学学报， 2001,2: 35(2), 149 152 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -