翻译版wcdma技术和系统设计(第三版)中文Chapter-3

第3章WCDMA导论PeterMuszynskiandHarriHolma3.1引言本章介绍WCDMA空中接口的基本原理，并且特别关注那些与GSM和IS-95不同的特征。3.2节介绍WCDMA物理层的主要参数。3.3节介绍扩频和解扩的概念，随后在3.4节中介绍多径无线信道和Rake接收机。其他的WCDMA空中接口的关键组成部分——功率控制、软切换和更软切换也将在本章中介绍。3.5节阐述了功率控制的必要性及实现，3.6节介绍软切换和更软切换。3.2WCDMA主要参数概括在本节中，我们将介绍WCDMA的主要系统参数，并对其中的大多数参数做出简要解释。表3-1概括了有关WCDMA空中接口的主要参数。这里我们主要突出一些表征WCDMA特点的参数。表3-1WCDMA的主要参数多址接入方式DS-CDMA双工方式频分双工/时分双工基站同步异步方式码片速率3.84Mchip/s帧长10ms业务复用有不同服务质量要求的业务复用到一个连接中多速率概念可变的扩频因子和多码检测使用导频符号或公共导频进行相关检测多用户检测，智能天线标准支持，应用时可选zWCDMA是一个宽带直扩码分多址（DS-CDMA）系统，即通过用户数据与由CDMA扩频码得来的伪随机比特（称为码片）相乘，从而把用户信息比特扩展到宽的带宽上去。为支持高的比特速率（最高可达2Mbit/s），采用了可变扩频因子和多码连接。图3-1表示了这样安排的例子。z使用3.84Mchip/s的码片速率需要大约5MHz的载波带宽。带宽约为1MHz的DS-CDMA系统，例如IS-95，通常称为窄带CDMA系统。WCDMA所固有的较宽的载波带宽使其能支持高的用户数据速率并且也具有某些性能方面的优势，例如增加了多径分集。网络运营商可以遵照其运营执照，以分等级的小区分层的形式，使用多个这样的5MHz载波来增加第3章WCDMA导论27容量。图3-1也表示了这一特点。实际的载波间距要根据载波间的干扰情况，以200kHz为一个基本单位在大约4.4MHz和5MHz之间选择。zWCDMA支持各种可变的用户数据速率，换句话说，就是它能很好地支持带宽需求（BoD）的概念。给每个用户都分配一些10ms的帧，在每个10ms期间，用户数据速率是恒定的。然而在这些用户之间的数据容量从帧到帧是可变的。图3-1也表示了这一特点。这种快速的无线容量分配一般是由网络来控制，以达到分组数据业务的最佳吞吐量。图3-1在时间-频率-码的空间中的WCDMA的带宽分配zWCDMA支持两种基本的工作模式：频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。在FDD模式下，上行链路和下行链路分别使用两个独立的5MHz的载波，在TDD模式只使用一个5MHz载波，在上下行链路之间分时共享。上行链路是移动台到基站的连接，下行链路是基站到移动台的连接。TDD模式在很大程度上是基于FDD模式的概念和思想，加入它是为了弥补基本WCDMA系统的不足，也是为了能使用ITU为IMT-2000分配的那些不成对频谱。第13章将详细讨论TDD模式。zWCDMA支持异步基站操作，这样就不用像同步的IS-95系统那样需要使用一个全局时间参考量，比如GPS。因为不需要接收GPS信号，室内小区和微小区基站的布站就变得简单了。zWCDMA在上行链路和下行链路中采用基于导频符号或公共导频的相干检测。虽然IS-95在下行链路中使用了相干检测，但是在公众CDMA系统中上行链路使用相干检测是一种新技术，这将全面地增加上行链路的覆盖和容量。zWCDMA空中接口中包括一些先进的CDMA接收机理念，例如多用户检测和自适应智能天线，运营商可以开发和使用这些先进技术作为提高系统容量和/或覆盖的选择方案。在大多数第二代系统中，并没有提出这些先进的接收机理念，结果，它们要么根本不可能应用，要么就是只能在一些苛刻的条件下才能应用，而且在性能方面的提高很有限。zWCDMA能与GSM协同工作。因此，WCDMA支持与GSM之间的切换，这样就能够在引入WCDMA后达到增加GSM覆盖的目的。在本章的后面部分，简要地回顾了CDMA工作的基本原理。在以后的章节中将会详细介绍和解释上面列出的WCDMA标准的各方面的技术规范。CDMA的基本原理在参考文献28WCDMA技术与系统设计[1]、[2]、[3]、[4]中也有介绍。3.3扩频和解扩图3-2示出了一个DS-CDMA系统中扩频和解扩的基本操作。图3-2DS-CDMA中的扩频和解扩这里，假定用户数据是二进制移相键控（BPSK）调制的速率为R的比特序列，用户数据比特取±1值。在本例中，扩频操作就是将每一个用户数据比特与一个包括8个比特的码序列（称为码片）相乘。我们假定对BPSK扩频调制也是如此。可以看出，最后得到的扩展后的数据速率为8R，并且与扩频码有相同的随机（类似伪噪声）特性。这种情况下，我们说其扩频因子为8。扩频后得到的宽带信号将通过无线信道传送到接收端。在解扩时，把扩展的用户数据/码片序列以一比特间隔乘以与在扩频这些比特时所用的相同的8个比特的码片。如图3-2所示，只要我们能在扩展后的用户信号和扩频码（解扩码）之间取得很好的同步，就能很好地恢复出原始的用户比特序列。信号速率增加8倍，相当于扩展的用户数据信号的占有带宽扩展了8倍。由于有这个效果，CDMA系统普遍被称为扩频系统。解扩将信号带宽按比例地恢复到R值。图3-3表示CDMA中相关接收机的基本操作。图的上半部分是要求的属于用户自己信号的接收过程。如图3-2一样，解扩操作中采用完全同步的解扩码。然后，相关接收机对每个用户比特的解扩操作后的乘积（数据×解扩码）进行积分（即求和）。图3-3中下半部分是对使用不同扩频码的另外一个用户的CDMA信号进行上半部分相同的解扩操作后的效果。将另一个用户的信号（实际上是第一个用户的干扰信号）与第一个用户的解扩码的乘积进行积分，解扩后得到均值为0的噪声。可以看出，用户自己的信号幅度比其他干扰系统的用户信号幅度平均增大了8倍，也就是说，相关检测以扩频因子的值（这里为8）为倍数把需要的用户信号从存在干扰的CDMA系统中增强了。这种效果被称为“处理增益”，它是所有CDMA系统的基本特征。正是处理增益赋予了CDMA系统抵抗自干扰的强大能力，而要在地理上比较相近的距离上再用5MHz的第3章WCDMA导论29载波频率，这种强大能力是必需的。举一个实际的WCDMA参数的例子。话音业务的比特速率为12.2kbit/s，处理增益为25dB=10㏒10（3.84E6/12.2E3）。解扩后，信号功率一般要比干扰和噪声功率高几个分贝。在本书中，解扩后所需信号功率密度与干扰功率密度之比表示成：Eb/N0，这里Eb是每用户比特的能量或功率密度，而N0是干扰和噪声的功率密度。对话音业务，Eb/N0的典型值是在5.0dB的量级上。所需的宽带信干比就等于5.0dB减去处理增益等于－20.0dB。换句话说，信号功率可以比干扰或热噪声功率低20dB，这时，WCDMA接收机仍然能检测出信号来。宽带信干比也称作载干比（C/I）。正是因为有了扩频和解扩，WCDMA中的C/I才能比诸如GSM系统中的载干比低。在GSM中，高质量的话音连接所需要的C/I的值为9～12dB。图3-3CDMA相干接收机的原理由于宽带信号可以比热噪声电平低，所以如果不知道扩频序列很难将其检测出来。正因为这个原因，扩频系统最初应用在军事领域中，信号的宽带特性使得它可以很好地隐藏于无所不在的热噪声之中。需要指出的是，在给定信道带宽（码片速率）的情况下，低用户比特速率业务会比高比特速率得到更高的处理增益。特别是对2Mbit/s的用户数据，处理增益要小于2（=3.84Mchip/s÷2Mbit/s=1.92，即2.8dB），这样就对WCDMA波形抵抗干扰的强大能力有着明显的损害。12.4节将介绍WCDMA中高用户比特速率时的性能。WCDMA中的基站和移动台在实质上都使用这种相干接收机。然而，由于存在多径传播（和可能的多接收天线），为了从全部的路径和/或天线中恢复信号的能量，有必要使用多个相干接收机。这样，多个相干接收机的集合，术语称“叉指”，就构成了CDMARake接收机。下一节我们会详细说明CDMARake接收机的工作原理与操作细节，但说明之前，我们对无线系统中使用的扩频/解扩变换做一总结。重要的是需要明白，对无线应用来，说扩频和解扩操作本身并不能提供任何的信号增强。其实，处理增益是以增加传输带宽（增加的倍数就是处理增益）为代价的。30WCDMA技术与系统设计当以系统级而不以单个的无线链路级的角度考察时，WCDMA所有的好处更像是通过信号的宽带特性这个“后门”而获得的：（1）WCDMA的处理增益，连同宽带特性，使无线系统的小区之间的频率再用因数为1（即同一频率可以用在每个小区/扇区），这样就会达到高的频谱利用率。（2）多个用户使用同一宽带载波通信能够提供干扰信号的分集，即来自大量的系统用户的多址干扰被平均。这样，与那些不得不考虑最坏情况下的干扰规划的系统相比，容量可以大幅度提高。（3）但是，获得以上两种好处的前提是使用精确功率控制和软切换技术，以避免单个用户的信号阻塞其他用户的通信。本章后面将会解释功率控制和软切换。（4）利用宽带信号比利用窄带信号可以更精确地分辨不同传播路径的无线电信号，这就导致较高的抗衰落的分集效果。3.4多径无线信道和Rake接收陆地移动信道中，无线电波传播的特点是多反射、衍射和信号能量的衰减。这是由一些空间中必然会存在的障碍，如建筑物、小山等造成的，产生了所谓的多径传播的结果。在本小节中，主要考虑两个由多径传播导致的影响：（1）信号能量（例如与CDMA波形的单个码片有关）在一些明显可分辨的时刻到达接收机。到达的能量就形成多径时延分布，如图3-4所示。在市内或市郊，延迟的典型值是1~2µs，虽然在某些情况下，在丘陵山岗地区观测到有效信号能量的时延有20µs或者更长。码片速率为3.84Mchip/s，则码片时间周期为0.26µs。如果多径分量之间的时间差至少是0.26µs,WCDMA接收机就能将那些多径分量区分开来，并结合在一起，以取得多径分集。路径的长度差至少为78m（=光速÷码片速率=3.0×108ms-1÷3.84Mchip/s），就可以得到0.26µs的时延差。如果码片速率为1Mchip/s，则多径分量的路径长度差必须是300m，而这在小的小区中是不可能的。所以，很容易看出，5MHz的WCDMA能在较小的小区中提供多径分集，而这在IS-95中是不可能的。图3-4多径传播导致的多径时延剖面轮廓（2）对某一个时延情况，通常会有许多条长度几乎相等的无线信号传输路径。例如，当第3章WCDMA导论31与单个的码片时间周期（3.84Mchip/s时为0.26µs，78m）相比时，长度差为半个波长（2GHz时大约是7cm）的路径上的信号事实上是在同一瞬间到达的。结果，即使接收机只移动了很短的距离，也会发生信号抵消，这称作快衰落。最好是把信号抵消理解成一些加权矢量和，加权矢量表示在某个时间瞬间沿着某条路径的相移（通常以无线信号的波长取模）和衰减。图3-5示出了当接收机移动时，到达接收机的特定延时位置的信号能量所表现出的典型快衰落模式。当多径反射的相位抵消发生时，接收到的信号功率可以相当大地下降（有20～30dB）。因为潜在的几何因素发生衰落和色散现象，快衰落导致的信号变化频率要比由平均多径延迟导致的信号变化频率高几个数量级。接收信号能量的短期统计平均通常可用瑞利分布来较好地描述，参见参考文献[5]和[6]。这些深衰落的急剧下降使数据比特的无差错接收变得异常困难，这就需要在WCDMA中采取一些措施。WCDMA中对抗衰落的方法有：（1）使用多个Rake叉指（相关接收机）把那些延迟的、分散的能量集中起来，这些叉指分别在那些有显著能量到达的时延位置上。（2）利用快速功率控制和Rake接收机内在的分集接收缓解信号功率问题。（3）采用强大的差错编码、交织保护和重传协议增加对信号的冗余度和时间分集，帮助接收机恢复通过衰落作用的信号。图3-5由多径传播导致的Ra