UMTS Overview

ＵＭＴＳ系统下行链路帧结构
帧长度为10ms
每帧分15个时隙，每时隙0.667ms
0.667ms
话音、数据或 导频 话音、数据或 导频 比特 控制信息 比特 控制信息 话音、数据或 导频 比特 控制信息
10ms,15时隙
导频比特的作用
使每个信道具有一个分布式的导频信道
便于精确同步（相对于IS-95，WCDMA对 同步要求更高） 类似于GSM中的训练比特
在对称的频带可使用FDD方式，在不对称的频带 可使用TDD方式
已经冻结的R99标准
R99标准:2000年3月冻结
– RAN（Radio Access Network）部分的变化是革命式 的。
• 空中接口基于CDMA技术 • Iub，Iur，Iu接口基于ATM • Iu接口上语音基于AAL2，数据基于AAL5
将其中一个序列经过n次循环移位后与另一 个序列模２加后，可得到n个长度为n的序列， 这样的一族序列（n＋２）个序列称为Gold序 列
m序列的进一步改进
——Kasami序列
具有更小的互相关函数值，该值等于韦尔 奇（Welch）下边界，因而是最佳序列
序列的个数相应减少（2m/2个）
ＵＭＴＳ系统中的ＯＶＳＦ信道码
内共存，但随着三代终端普及率逐渐超过二代终 端，二代网络将逐渐淘汰，为第三代腾出频率。
无线网络的引入（3/3）
漫游的要求
–利用多频多模终端实现在不同系统间漫游
切换的要求
–第三代相同制式间的切换
–第三代不同制式间的切换（不同FDD之间或
FDD与TDD之间）间切换 –第三代与第二代GSM间的切换
核心网络的演进（1/4）
– RAN部分与R99基本一致 – CN部分改变较大
• IP作为核心网的主要承载技术 • 分层化，引入新的功能实体(CSCF,MGCF,MGW等)
正在制定的R4、R5标准
应用&业务* 其他接入网络 SCP SGSN CAP Gn Gp TE R MT Um
ERAN 传统移动信令网络
Mh HSS *) Gr EIR Gf SGSN Gn Iu 1 MGW Iu 2 MSC server Nb Mc Cx
直接序列扩频信号抵抗窄带干扰的原理
原 始 信 号
窄 带 干 扰
扩频后信号
解 扩 后 信 号
扩频后信号
解扩后干扰
二进制伪随机序列的产生
性能要求
好的全部或部分自相关、互相关特性 （即使有少量的相位偏差）
有足够多数量的码
最大长度移位寄存器序列（m序列）
m序列的性质 由长度为m的线性反馈移位寄存器产生
时间冗余度 频率冗余度 空间冗余度 编码冗余度
各种资源的使用是相互制约的，必须在保证满意的 差错性能和数据速率的前提下，对各种资源的使用 取得折衷（Trade Off）——因地制宜
通信系统的基本法则
香农（Shannon）定律 S C B log (1 ) N
2
在占用一定的资源的前提下，通信系统所能达到的无失 真数据速率具有一个理论上限（Upper-Bound）,如何逼 近这个上限，定律本身并未指出。因而为研究者提供了 发挥智慧的空间——FDMA、TDMA、CDMA。
序列长度为 n=2m-1
是循环码，序列周期为n=2m-1
每个序列周期包含2m-1个1和2m-1-1个0
序列的数量随m的增加而迅速增加
互相关特性不够理想
m序列的产生
输出
1 2 3 4
m-1
m
+
为改善m序列的互相关特性 ——戈尔德(Gold)序列出现
Gold 和Kasami证明存在一对长度为n的m序 列，其互相关函数只有３个值，称为优选序列 对
– 不能频繁改动网络
• 人力、财力、物力投入大 • 网络稳定性难以保证
– 有选择的采用新技术，且保证新技术之间有一 定间隔
核心网络的演进（3/4）
演进步骤
第一步 GSM PHASE 2+ 分组化— GPRS 智能化— CAMEL 2 宽带化— CMNET 核心网高层协议从MAP2升级到MAP2+ RELEASE 99 RELEASE 00（R4、R5）
Cch,4,0 =(1,1,1,1) Cch,2,0 = (1,1) Cch,4,1 = (1,1,-1,-1) Cch,1,0 = (1) Cch,4,2 = (1,-1,1,-1) Cch,2,1 = (1,-1) Cch,4,3 = (1,-1,-1,1) SF = 1 SF = 2 SF = 4
UMTS系统概览 Overview of UMTS System
GMCC企业发展部规划一室 2001年1月
R99标准的UMTS采用的技术
信道带宽：5MHz 码片速率：3.84Mcps 基站同步方式：支持同 步和异步的基站运行
语音编码：AMR
功率控制方式：上、下行 闭环功率控制，外环功率控制
WCDMA
信号1和信号2
信 号 1 信号2
UMTS系统的多用户检测技术
扩频码的不完全正交使得不同用户之间的信号相互 干扰
不同扩频信号之间的残留的互相关值可以用一个互 相关矩阵来描述 如果能求出该矩阵的逆矩阵，就可以完全抵消其他 用户信号的残余干扰，此技术称为多用户检测技术
如果同时通信的用户数量非常多，技术的实现 将非常复杂——不可接受的成本
网络演进的平滑性 – 在现有网络基础上，通过设备改造或逐步引入 新网络单元等方式平滑演进到第三代核心网络 – 业务的连续性
• 演进后的网络在逐步加入新业务的同时仍支持原有业务 • 保证切换和漫游
– 终端的连续性
• 能做到多模多频 • 具有后向兼容的业务功能
核心网络的演进（2/4）
网络演进的阶段性
D
SM-SC C
HLR Gc Gi GGSN Ga Billing System PDN TE
Gr
3GPP (3 Generation Partnership Project)正在制定R4、R5标准
• 在3GPP 2000年9月 的会议上，将R00标准分 为R4、R5两个阶段实现；R4预定2001年3月 完成，R5预定2001年12月实现。 • R4、R5是实现ALL IP网络的两个阶段。
A
BSC
Iu-cs
核心网
2G/3G MSC
Gb
2G/3G SGSN
Iu-cs
A
2G/3G MSC
无线网络的引入（2/3）
无线设备方面（包括NODE-B、RNC）必须重新建
设，无法对原有无线设备进行升级改造。
第三代无线网络的覆盖由岛屿式向连片覆盖发
展，逐渐达到全覆盖。
第二代网络将与第三代网络将在相当长的时间
采用沃尔什（Walsh）码作为ＯＶＳＦ 信道码，用以区分不同的信道
不同码序列之间完全正交，即互相关为０
最大数量为２５６（即最大的信道数）
扩频增益从４到２５６不等
对同步信号相位偏差较敏感
采用哈达玛传递矩阵或码树生成
ＯＶＳＦ码的生成
哈达玛传递矩阵生成
码树生成——避免分配不同长度的码时，失去正交性
在一个符号周期上的积分为零。
加性高斯噪声信道的最佳接收准则
最大后验概率（MAP）准则 （等价为最小误差概率准则） 求Pr的最大值 Pr=P发送信号m|接收信号r(t)，0 t T, m=1,2 , …, K
加性高斯噪声信道的最佳接收机结构
匹配滤波器结构 相关器结构 无论哪种接收机，得到的判决变量是一致的。
CDMA技术的基础—扩展频谱通信技术
特征—引入超常的频率资源冗余度。即 传输时占用的带宽远大于原始信 息所占的带宽，两者之比称为扩 频增益。
扩展频谱通信技术的目的
对抗或抑制干扰（人为、自身的多径传播或其 他用户干扰）
极低功率传送信号，从而将其隐藏在背景噪声
中，使信号具有极低的被截获概率 利用扩频码的伪随机特性实现保密通信 利用扩频码的正交特性实现多址通信—CDMA
1992年ITU为3G分配230MHz的2GHz频段
1885——2025MHz 2110——2200MHz
2000年5月的WRC－2000会议上，ITU又 追加了三段3G可使用的频率（519MHz）：
800MHz频段（806——960MHz） 1.7GHz频段（1710——1885MHz） 2.5GHz频段（2500——2690MHz）
GGSN 其他 PLMN
R-SGW Ms
CSCF
CSCF
Mw Mm Mr Mg
多媒体 IP 网络
Gc
Gi
MGCF Mc T-SGW *)
MRF Gi GGSN Gi
Iu-ps' Iu
TE R
1 2
MT Uu
UTRAN
MGW Mc
PSTN/ 传统/外部
Iu = Iucs (RTP, AAL2) Iu = Iu (RANAP)
– CN（Core Network）部分的变化是逐步演进式的。
• 分为CS、PS两个域 • CS域以2G的TDM交换网络为基础，增强其对话音业务、 数据业务的支持能力 • PS域以2.5G的GPRS网络为基础，增强数据业务的Qos
R99标准的UMTS网络
SMS-GMSC SMS-IWMSC E Gd MSC/VLR A R TE MT Iu Uu UTRAN Gb TE R MT Um SGSN BSS Gn Gp CGF GGSN Other PLMN Signalling Interface Signalling and Data Transfer Interface Gf EIR Gs Iu SGSN Gn Ga
信道编码：卷积码 和TURBO码
发射分集 解调方式：导频 辅助的相干解调
调制方式：下行 QPSK上行BPSK
UMTS系统主要的技术指标
信道带宽 CHIP速率 多址方式 双工方式 帧长 扩频码的应用 导频信道的应用 功率控制 基站间同步 WCDMA 5/10/20 MHz N*3.84Mcps N=1,2,4 DS-CDMA FDD 10ms Walsh（信道化）+Gold序列（区 分小区） 前向：专用导频信道 反向：专用导频信道 开环结合快速闭环（1.5KHz） 异步，同步（可选）
Nc
GMSC server MAP MAP Mh HSS *) R-SGW *) *) 这些单元在图中是重复的,具有相同逻辑功能 T-SGW *)
应用&业务* 信令接口 信令和数据传输接口
UMTS无线网络的引入（1/3）
UMTS （FDD）
UMTS （TDD）
GSM
无线接入网
RNC Iu-ps
RNC Iu-ps
Pilot/TPC/TFCI
1:2
+ I Gi + Q
+
QPSK 调制器
N# 信道码 DPDCH N# DPCCH N#
CU
Pilot/TPC/TFCI
可随时动态测量SIR，便于智能天线的应用
UMTS系统基站下行信道发信机
SCH 扇区扰码
1:2 CU Secondary SCH 1:2
0# 信道码
Primary SCH
Gi Gi + + + + + I Gi + Q
+
I
CPCCH
CU
导频比特
1:2
1# 信道码
DPDCH 1#
DPCCH 1#
CU
扩展频谱通信技术的种类
直接序列（DS）扩频 跳频（FH） 跳时（TH） W-CDMA技术采用的是直接序列扩频
CDMA vs TDMA&FDMA
Power Power Frequency
Frequency
多址通信的基础—信号的正交性
频率域正交 时间域正交 归根结底——信号波形的正交
即代表两个用户的信号之积，
第二步 第三步
核心网络的演进（4/4）
GSM BSS
A MSC +
CS域
HLR+
PLMN
GMSC +
3G WCDMA
Gb Iu-cs Iu-ps
IP骨干网
SGSN +
PS域
GGSN+
INTERNET INTERNE / 宽带网 T
终端
无线接入
核心网
外部网络
WCDMA无线技术原理
可靠通信—高资源冗余度通信
加性高斯噪声信道的匹配滤波器接收机
r(t)
实现多址技术的最大挑战
构造足够多的正交波形
实现CDMA技术的最大挑战
在尽可能短的长度要求下，构造出足够 数量的正交码，不同的码与不同用户的 一个原始符号周期 的信号相乘后，得 到相互正交的波形。
直接序列扩展频谱通信系统原理图
信息序列 输入 信息序列 输出 调制器 信道 解调器
信道
编码器
信道
解码器
伪随机码 发生器
伪随机码 发生器
直接序列扩频及调制后的信号波形
二进制直接序列扩频系统的差错性能
1
P=
erfc (
2
W/R ) Jav/Sav
扩频增益W/R直接影响系统差错性能， 系统误比特概率是扩频增益的减函数。
直接序列扩频CDMA信号的提取
信 号 1
信号1
信 号 2 信号2