WCDMA 系统无线接入网络介绍——RAN总体和物理层

3G 培训资料之五（第一部分）

目 录

1 、 WCDMA 总体介绍

2 、 WCDMA 系统无线接入网络关键技术

3 、 WCDMA 系统无线接入网络体系结构

4 、总结

1 、 WCDMA 总体介绍

IMT-2000 基本要求

信息传输速率： 144 kbps 高速运动 384 kbps 步行运动 2 Mbps 室内运动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FDD 和 TDD 两种双工模式共存

WCDMA 网络总体结构

UIM MT RAN CN

IMT-2000 Family

UIM-MT (UIM) UNI RAN-CN NNI

RAN （ Radio Access Network ）：无线接入网络，完成与无线有关的所有功能CN(Core Network) ：核心网络，交换路由呼叫，与其它固定网络通信

WCDMA 物理层标准化基本稳定L2 和 L3( 包含 RRC) 还需要小范围的修改CN 网不确定因素较多，目前的标准化步骤为 R’99 CN->R4->R5

下行高达 8Mbps 传送速率的标准正在考虑 IMT-2000 使用 450MHz 频谱进行了大量讨论，希望在 IMT-2000

中考虑该频段和占用最小 2*4.5MHz 带宽的要求智能天线和软件无线电将在 2000 年 12 月 GPP RAN 会议上有介绍

和讨论

WCDMA 标准化状况

2 、 WCDMA 系统无线接入网络关键技术

2.1 WCDMA 移动通信环境

2.2 WCDMA 需要解决的问题

2.3 WCDMA 物理层关键技术

2.4 WCDMA 无线资源管理关键技术

2.5 WCDMA 先进技术

WCDMA 移动通信环境——信道环境

衰落（距离、慢衰落）

色散（时间、频率、角度）

时变信道

信号衰落示意

多媒体业务、数据业务将占很大的比重

不同的业务具有不同的 QoS

大量突发业务

业务在不同地理位置分布密度不同，网络优化比较重要

存在多址干扰（ MAI)

WCDMA 移动通信环境——业务环境

无线资源包括频谱、时间、功率、空间和扩频码等 WCDMA 系统目标：

（ 1 ）提高无线资源利用率

（ 2 ）不同 QoS （ Quality of Service) 业务 WCDMA 系统关键：

（ 1 ）物理层选择抗干扰、抗多径衰落能力强的技术

（ 2 ）依靠无线资源管理技术保证资源的有效利用

WCDMA 需要解决的问题

什么是 WCDMA 关键技术？

对系统性能有重要影响的技术——如功率控制

是提高无线资源利用率和灵活支持各种业务的 RAN 技术

WCDMA 需要解决的问题

1径

2径

3径

1~3径

信 道 传 输 后 相干合并

WCDMA 物理层关键技术

WCDMA RAKE 接收特点

比窄带扩频 IS-95 高 3 倍的多径分辨能力 , 信号能量积累能力更强

反向链路也可以进行相干合并

信 道 纠 错 编 码 卷 积 码

业务：实时的话音和视频业务误码率： 10 － 3

编码速率： 1/2 和 1/3译码算法：维特比算法

TURBO 码业务：对时延不敏感的非实时分组业务如 WWW ， FTP ， E －MAIL 等误码率： 10 － 6

编码速率： 1/3译码算法： LOG － MAP 算法

卷积码译码算法－维特比译码算法

在接收的信道符号对和可能的信道符号对之间采用汉明距离累计误差度量，选取幸存路径回溯译码性能与分组长度没有关系。

MAP 1译 码 器

N - 比 特 去 交 织器

N - 比 特 交 织 器

N - 比 特 交 织 器

MAP 2译 码 器

e12L

e21L

p1y

p2y

sx

输出

N - 比 特 去 交 织器

Turbo--- 涡轮旋转TURBO 码的译码过程是在两个译码器间交互信息，多次迭代的过程。 译码性能与分组长度有关，分组长度越长，其译码性能越好。

TURBO 译码算法

WCDMA 切 换 作 用

切换保证了通信的连续

软切换降低通信中断概率

软切换移动台同时与两个或以上的基站保

持通信

软切换先连后断

注：在 3GPP 规范中没有扇区概念只有小区（ cell ）概念，每 个小区有一套独立的信道资源

WCDMA 切 换 类 型

更软切换软切换硬切换站址选择发射分集

有向天线在基站内形成多个

小区

在两个小区交叠处，发生更

软切换

移动台将通过两条空中信道

与两个小区进行通信。

更 软 切 换

更软切换是在基站控制下完成的，建立

过程快。

下行移动台通过 RAKE 接收机接收来自

两个小区的信号，按最大比率合并以提高

接收性能

上行信号合并通过 RAKE 接收机在基站

内完成

更软切换发生的概率为 5 － 15 ％。

更 软 切 换

发生环境：移动台处于两个基站交叠区

下行：移动台通过 RAKE 接收机接收

两个基站的信号

上行：两个基站分别接收来自移动台的

相同信号并传给基站控制器，在基站控

制器处进行选择合并

软切换在基站控制器的控制下完成

软切换发生概率为 20 － 30 ％。

软 切 换

软切换新方式——站址选择发射分集 移动台在软切换状态时，选择一个小区作为主小区，其他

小区为非主小区。 通过测量每个分集小区的公共导频信道（ CPICH ），确定

当前的主小区传输专用物理控制信道（ DPCCH ）和专用物理数据信道（ DPDCH ），非主小区只发射 DPCCH 。

WCDMA 系统硬切换包含系统内部的硬切换、系统间硬切换：

同一基站不同载频间硬切换

基站间硬切换

基站控制器间的硬切换

FDD 与 TDD 之间的切换

2G 到 3G 系统的硬切换

硬 切 换

开 环 功 率 控 制

作用：初始功率计算

PRACH 功率： PRACH = LPerch + IBTS + Constant val

ue

LPerch —— 移动台测量的路径损耗

IBTS —— 基站测量的小区干扰电平

Constant value —— 根据信号所需的 SIR 确定

基站主公共导频传输功率 – UE 公共导频接收功率

外 环 功 率 控 制

下行链路功率控制目的，节约基站的功率资源

上行链路功率控制目的，克服远近效应

外环功率控制入口参数为目标FER和测量 FER（译码后），出口参数为目标 SIR，作为内环功率控制的比较值。

闭 环 功 率 控 制

下行功率控制步长为 0.5、 1、 1.5、 2dB；上行为

1dB、 2dB

若测定 SIR> 目标 SIR ， 则 TPC=-1 ，降低移动台发射功率

若测定 SIR< 目标 SIR ， 则 TPC=1 ，增加移动台发射功率

CDMA 闭环功率控制频率为 1500Hz ，反向功率控制动态范

围是 80dB 。

注： TPC ： Transmit Power Control

接 纳 控 制接入控制通常发生在如下三种情况：

（ 1 ）用户发起第一次呼叫；

（ 2 ）正在通信的用户期望加入某一小区；

（ 3 ）用户期望增加一个业务承载。

当系统资源不能满足用户要求时拒绝用户

当系统剩余的资源够用户使用时，接纳呼叫的用户，

分配相应的资源（如扰码、信道码等）

拥 塞 控 制

无线 传输环境的恶化，引起发射功率的上升，

使系统负荷增大，此时无线网络控制器（ RNC ）

中的无线资源管理（ RRM ）模块就要控制系统

的负荷以达到平衡。

负荷控制使系统负荷限制在一定的范围内，

保证系统稳定运行。

若没有对系统实行很好的负荷控制，那么系统就不稳定工作甚至发生崩溃。

接 纳 控 制 和 拥 塞 控 制 示 意

( a) 1接 入 控 制

( b) 2接 入 控 制

( c) 拥 塞 控 制

1用户 占有无线资源

2用户 占有无线资源

所有用户占有资源

系 统 剩 余 资 源

用 户 要 求 无 线 资 源

小 区 呼 吸 功 能

目标：各个小区在合理的负荷下稳定运行

作用：降低了呼损率，提高了重负荷小区的服务质量，使系统资源得到充分的利用。

方式：改变下行公共导频信道（ CPICH ）的发射功率，使其有效覆盖范围改变，将处于小区边缘的用户“推”给另一个小区或从另一个

小区“吸入”小区边缘的用户。

WCDMA 先 进 技 术

技术名称 特点和作用智能天线 基带形成波束

增大通信距离，提供更大范围的覆盖 可以实现特殊需求的覆盖 增加系统通信容量 与其它技术结合，提供无线电定位，提

供新的电信业务 改善通信质量，降低误码率 克服小区内外干扰。

多用户检测 克服多址干扰和远近效应无线电定位 基带扩展功能，需要网络配合

提供增殖电信业务

3 、 WCDMA 系统无线接入

网络体系结构

RNS

RNC

RNS

RNC

核心网络 （CN）

Node B Node B Node B Node B

Iu Iu

Iur

Iub Iub Iub Iub

UE UE

Uu Uu

WCDMA 无线接入网络系统（ RAN ）由一组通过 Iu 连到核心网（ CN ）的无线网络子系统（ RNS ）组成。 一个 RNS 由一个基站控制器（ RNC ）和一个或多个基站 Node B 组成。 RNC 和 Node B 之间通过 Iub 接口连接。 UE 通过空中接口（ Uu ）接入 RNS 。

无线接入网络总体描述

Ix 接 口 综 述

Ix 接口包含 Iub ， Iur ， Iu 三大接口，分别用于 Node B

和 RNC ， RNC 和 RNC ，以及 RNC 和 CN 之间的互连，并支

持业务数据流和信令流在其上的传输。与 GSM 不同， Ix 接口

都是开放的接口，便于不同厂家的设备互连。

空中接口（ Uu ）总体描述

L3

co

ntr

ol

co

ntr

ol

co

ntr

ol

co

ntr

ol

LogicalChannels

TransportChannels

C-plane signalling U-plane information

PHY

L2/MAC

L1

RLC

DCNtGC

L2/RLC

MAC

RLCRLC

RLCRLC

RLCRLC

RLC

Duplication avoidance

UuS boundary

BMC L2/BMC

RRC

control

PDCPPDCP L2/PDCP

DCNtGC

空中接口协议结构

Uu 是 UE 和 3G RAN 之间的接口，是移动通信系统最有特色的方面 无线资源控制层（ RRC ）是层 3 （ L3 ）最下面的一个子层，属于控

制面。

它与每个下层协议实体（ PDCP 、 BMC 、 RLC 、 MAC 和 PHY ）之

间都存

在一个控制服务接入点（ SAP ）。 RRC 通过这些控制 SAP 配置和控

制这

下层协议实体。因此 RRC 是整个空中接口协议的控制核心。 L2 包括 PDCP 、 BMC 、 RLC 、 MAC ，其中 PDCP 、 BMC 仅位于

用户面，

RLC 被分成控制面和用户面两部分。 RLC 与 MAC 之间的 SAP 体现为逻辑信道 MAC 与物理层之间的 SAP 体现为传输信道

空中接口（ Uu ）总体描述

WCDMA 系统功能分布

MT

Node B RNC CN

Uu Iub Iu

CM

MM

RRC

传输

WCDMA 物理链路示意¾ í»ý±à ë

p(t)P A

MU

X

½ âµ÷

½ »Ö ¯

*j

p (t)

Pi l ot

DPCCH

DPDCH

tco s

......

tsin

I +j Q

TPC command

sc ra m bS

Ê ±Ñ Ó1slo t

Ic

Qc

1 01 0

TFCITPC

C R C β ±È ÌØ信息

匹配滤波器 RAKE合并 Vi t er bi译码 帧错误检测

LPF

目标FER

判决

SI R测定

判决

TPC命令

SI R目标

延时

内环功控

外环功控

WCDMA GSM

载波间隔 5MHz 200kHz

频率复用系数 1 1~18

功率控制频率 1500Hz 2 Hz或更低质量控制 无线资源管理算法 频率规划频率分集 采用Rake接收机 跳频分组数据 负荷控制的方法 GPRS

下行发射分集 有 无

WCDMA 与 GSM 比 较

载波间隔 5MHz 1. 25MHz

码片速率 3. 84Mcps 1. 2288Mcps

功能控制频率 1500Hz,包括上行和下行 :上行 800Hz;下行：慢速功控

基站间同步 异步 同步

频率间切换 可以，压缩模式下测量 可能，没有指明测量方法

高效无线资源管理算法 需要提供QoS 对于纯话音网络不需要

分组数据 基于负荷控制的分组方案 采用短的电路交换方式进行

下行发射分集 有 无

WCDMA 与 IS-95 比 较

WCDMA 调 制

上下行均采用 QPSK 调制 不同之处在于调制之前的扩频部分

扩 频

扩频分为两步：正交扩频和加扰 Symbol rate × 扩频因子 SF = Chip rate 正交扩频： OVSF 信道码区分信道 扰码：上行区分用户，下行区分小区

DATA

信道码OVSF 扰码

Symbol rate Chip rate3.84MHz

Chip rate3.84MHz

正交可变扩频因子信道码 Orthogonal Variable Spreading Factor （ OVSF ） C ch,SF,n

上行 SF=4~256 下行 SF=4~512

SF = 1 SF = 2 SF = 4

Cch,1,0 = (1)

Cch,2,0 = (1,1)

Cch,2,1 = (1,-1)

Cch,4,0 =(1,1,1,1)

Cch,4,1 = (1,1,-1,-1)

Cch,4,2 = (1,-1,1,-1)

Cch,4,3 = (1,-1,-1,1)

上行扰码（ Scrambling code ） 上行可用长扰码或短扰码区分用户 长扰码：周期为 38400 码片（一帧）， 25 阶 Gold code 短扰码 ：周期为 256 码片，可用于多用户检测

cn1,

cn2,

MSB LSB

下行扰码（ Scrambling code ） 共有 512 个主扰码，区分小区 主扰码分为 64 组，每组 8 个 一个小区分配一个主扰码， 15 个辅助扰码

I

Q

1

1 0

02

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

8

8

9

9

17

17

16

16

15

15

14

14

13

13

12

12

11

11

10

10

上 行 扩 频

DPDCH（ data ）

扰码信道码

DPCCH（ control ）

上行专用数据信道和专用控制信道分别在 I 、Q 传输

信道码

I

Q*j

I+jQ

增益因子

增益因子

下 行 扩 频

下行专用信道数据和控制部分时分复用

I

DPDCH +

DPCCH

SP

信道码

j

扰码

Q

I+jQ

上行专用信道帧结构

上行专用信道 DPDCH 和 DPCCH 码分复用

Pilot Npilot bits

TPC NTPC bits

DataNdata bits

Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14

Tslot = 2560 chips, 10*2k bits (k=0..6)

1 radio frame: Tf = 10 ms

DPDCH

DPCCHFBI

NFBI bitsTFCI

NTFCI bits

上 行 多 码 传 输

（ 1 ）最多 6 个数据信道复用

（ 2 ）只有在 Q 路有一个控制信道

I

j

cd,1

d

Slong,n or Sshort,n

I+jQ

DPDCH1

Q

cd,3

d

DPDCH3

cd,5

d

DPDCH5

cd,2

d

DPDCH2

cd,4

d

DPDCH4

cd,6

d

DPDCH6

cc

c

DPCCH

下行专用信道帧结构

DPDCH 和 DPCCH 以时分的方式复接

One radio frame, Tf = 10 ms

TPC NTPC bits

Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14

Tslot = 2560 chips, 10*2k bits (k=0..7)

Data2Ndata2 bits

DPDCH

TFCI NTFCI bits

Pilot Npilot bits

Data1Ndata1 bits

DPDCH DPCCH DPCCH

10 、 20 、 40 or 80ms

data

data

data

TrCH-i

dataCRC dataCRC dataCRC

dataCRCdataCRC dataCRCd a t aCBL CBL CBL

0 、 8 、 16 or 24bits

块长 Z ＝512 － Ktail ， 卷积码

5120 － Ktail ， Turbo 码

CedBL CedBL CedBLCoded data 卷积码 或 Turbo 码Rate matched data

Rate matched data DTX

or

or

Data before 1st interleavingData after 1st interleaved

交织器列数： 1 、 2 、 4 或 8

无线帧 无线帧 无线帧无线帧数目： 1 、 2 、 4 或 8

TrCH-1 TrCH-2 TrCH-ICCTrCHTrCH-1 TrCH-2 TrCH-I DTXCCTrCH

Ph-1 Ph-2 Ph-P

10ms 时间内

10ms 时间内Ph-1 Ph-2 Ph-P

TPC TFCI pilot

扩频、加扰 扩频、加扰 扩频、加扰

TrCH-i+1

data1 data2 TPC TFCI pilotdata1 data2 TPC TFCI pilotdata1 data2

扩频前物理信道的形成流程

扩频前物理信道的形成流程 每个传输信道上可传送不同业务数据，多个传输信道复用为

一个码组合信道 CCTrCH ，所以 WCDMA 支持多个业务共用一个物理连接。

CCTrCH 的形成： 业务数据加 CRC 校验码； 信道纠错编码：根据业务类型选择卷积编码或 Turbo 编码； 速率匹配； 交织； 多个传输信道复用为 CCTrCH CCTrCH映射到物理信道的数据部分 物理层填加物理层信号 TFCI 、 TPC 和 Pilot ，形成完整物理

信道，而后进行扩频加扰，最后在无线接口上发送。

随机接入过程 PRACH/AICHOne access slot

p-a

p-m

p-p

Pre-amble

Pre-amble Message part

Acq.Ind.

AICH accessslots RX at UE

PRACH accessslots TX at UE

有突发数据要上传时，用户开始随机接入过程。 接入方式采用时隙 ALOHA访问方式： 用户首先发送接入前导（功率不断攀升），收到 Node B 从 AI

CH 发出的确认后，才发数据部分。

其它物理信道介绍 上行除了专用信道 DPDCH 和 DPCCH外，还有公

共信道 PRACH 和 PCPCH ， PCPCH 和 PRACH类似，增加了碰撞检测前导和功率控制前导，主要用于突发数据。

下行除了专用信道 DPDCH 和 DPCCH外，还有：

★公共导频信道 CPICH 提供相位参考；

★公共控制信道 CCPCH 提供公共控制信息；

★同步信道 SCH 用于小区搜索和帧同步；

★共享信道 PDSCH伴随专用信道传送大业务数

据。

其它物理信道介绍

指示信道： AICH——指示 PRACH 的捕获信息； AP-AICH——指示 PCPCH 前导 AP 的捕获信息； CD/CA-ICH—指示 PCPCH碰撞前导 CD 的捕获 信息和信道分配信息； CSICH——指示 PCPCH 的状态信息； PICH——指示用户去检测下行的寻呼信息。

宏分集的分裂 / 组合和软切换执行传输信道复用及码组合传输信道解复用传输信道到物理信道的速率匹配传输信道到物理信道的映射物理信道功率加权 / 合成传输信道错误检测传输信道 FEC 编解码扩频调制频率和时间（ chip,bit,slot,frame ）同步RF 处理内环功控测量并提供给高层如下测量信息 FER 、 SIR 、 干扰功率和发射功率等参与无线资源管理

Node B 完成的主要功能

RNC 完成的主要功能

提供标准和开放的 Iub 接口与 Node B 相连

对与之连接所有 Node B 的无线资源进行管理和控制

提供标准的、开放的 Iur 接口与其它 RNC 相连

提供标准的、开放的 Iu 接口与 CN 相连，包括 Iu-CS 和 Iu-PS

支持 FDD 方式并可以扩充至支持 TDD 的 Uu 接口

可以选择大容量的 ATM 交换功能，提供多种中继接口如 E1 和 STM-1

支持多种业务包括电路数据业务、分组数据业务和多媒体业务

支持最高用户数据速率为 2Mbps 的电路数据业务与分组数据业务的处

理与传输

R

F

TX

R X

½ »

»»

½ Ó

¿Ú¿Ø Ö Æ

R

F

TX

R X

½ »

»»

½ Ó

¿Ú¿Ø Ö Æ

Node B

Node B

Iub

½ Ó

¿Ú

Ð Ò é ´¦ À í

Iu r ½ Ó ¿Ú

·Ö ×é Ê ý ¾ Ý

µç  · Ê ý ¾ Ý

·

Ó É

Iub

½ Ó

¿Ú

I u_CS

I u_PS

O M C

R N C

Node B 和 RNC 完成功能示意

4 、总结

WCDMA 围绕着 IMT-2000 要求设计

OVSF

多码传输

Turbo 码和卷积码

CCTrCH

下行发射分集

不同业务速率

高速率传输

时延、误码率的折中

一次连接中多个业务

满足非对称业务要求

WCDMA 高 度 标 准 化

接口的高度标准化

组织严密的标准化过程

具备多厂家供应能力

终端和业务非常丰富

中兴通讯衷心感谢您的支持！谢谢大家！