作者：王立宁 等编著
出版社：通信图书编辑部
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WCDMA无线接入网原理与实践试读：
前言
在1987年GSM系统定义的时候，并没有预见到移动通信在全球会有这么庞大和持续的市场需求，因此，其后续演进存在很大的局限性。GPRS和EDGE都是继续在GSM基本的框架上进行业务的设计和拓展。
但是，全球性对移动通信的需求呈现爆发的增长，以国内为例，2000～2009年，国内GSM手机用户从4000万持续稳定地增长到6.5亿。手机日益成为普通大众都拥有的通信工具和上网设备。因此，第三代移动通信系统（3G）从概念雏形阶段就广泛受到行业和社会的关注，而3G标准颁布10多年来，不可避免地历经很多挫折和转机。但这也促使了3G技术更加成熟，3G的演进更加稳健。
2009年年初，中国移动、中国电信和中国联通得到政府颁发的3G网络运营牌照，这启动了3G的实质性商用化进程。3G终于开始逐步进入我们日常的生活。
这一切离不开所有长期从事移动通信从业人员的辛勤努力，包括曾经参与3GPP活动中的公司和专家们、半导体芯片设计公司的工程技术人员、电信设备的制造工程师和运营商的技术团队。感谢他们坚持不懈的努力，使 3G 标准历经长期的发展逐渐成熟起来，可以进入大众的生活，推动信息化社会的发展。
3G 的规范在设计之初就把灵活性放在了非常重要的地位，尽量定义开放的架构，以满足未来的要求。灵活性的代价是复杂，因为通信的本质是互联互通。3G规范对复杂的对接也进行了定义。WCDMA规范非常的繁杂，内在的关系千丝万缕。
在全书中，作者重点依据3个不同层次的概念进行介绍，这3个不同层次的概念是：（1）无线传输的要求；（2）蜂窝网络的要求；（3）终端产品的设计。
从知识体系上而言，任何一种无线通信系统都是为了提供相应的服务，因此从上述3个层次的角度来看待这些原理、设计和应用问题，容易获得清晰的认识，也容易把它们应用到工作中。
WCDMA作为3G技术的重要组成，是全球应用范围最广泛的3G规范，截至2008年年底，在全球已经有200多个WCDMA网络投入了商用，累计全球WCDMA/HSPA的用户已经达到1.58亿。
所谓WCDMA无线传输的要求是指，在WCDMA无线传输中，遵循的基本原则是扩频、解扩、信道的处理，还有信息的剥离技术，另外还包括分集方式等。在无线传输中WCDMA引入了QoS的机理，因为QoS可以节省无线资源，但是QoS也带来复杂度的提高。
对于无线传输唯一要满足的是同步之后的信噪比要求，而这些内容也贯穿在全书中。
所谓蜂窝网的要求是指，蜂窝网强调移动性，还有移动性的管理，这涉及切换，而在切换之后，存在的是大量的测量和功率控制，功率控制的目的根本上不仅仅是为了满足无线传输的要求，而是为了满足“远近效应”的消除，WCDMA网络还要求对接入的管理。
所谓终端产品的设计是指，这里涉及的还只是物理层的内容，物理层最重要的核心话题是成本低的省电的待机、省电通信和省电的多媒体。而这方面的考虑，也会影响到要求（1）和（2）的性能。
如果采取规范、设计、应用的方式进行全书的编排，读者很容易陷入其中的某个细节而产生更多的疑问，相关的内容不易进行相互联系而产生堆砌感，因此编著者尽量采取浅显易懂的方式进行全书的编写。
感谢中国联通公司总部黄韬博士对稿件细致入微的审阅和中肯的修订意见；在编撰过程中，王险峰、赵文伟等无线通信专家对全书的细节提出很多有益的指导和修改建议；刘晖同志对全稿进行了细致和认真的整理与修订工作。编著者在此致以最诚挚的感谢。
本书的撰写过程中，参考了大量的3GPP规范和国内外技术出版物，所引用的出版物和技术规范读者可以参见参考文献部分。
本书的第 8 章和第 10 章由夏飞编写，其余章节由王立宁编写。王立宁对全稿也进行了细致的统稿，但是依然可能会有不确切的地方。关于本书的表述不当的细节，欢迎读者赐教，编著者电子邮箱Lining.wang@gmail.com。编著者2009年7月上海第1章WCDMA概述
从2001年10月日本NTT DoCoMo推出了世界上第一个WCDMA技术的FOMA（Freedom of Mobile multimedia Access）系统到2009年年初，我国作为全球最大的移动通信市场，开始3G网络的建设和运营，3G时代正式到来。
在近10年的时间里，3G无论是从标准还是到业务都有了很大的演进，本章从3GPP的标准化开始，介绍WCDMA的关键技术、主要特点和业务。1.1 第三代移动通信系统标准化1.1.1 标准的制订
1999年11月，ITU-R TG8/1会议确定了5个IMT-2000无线接口技术的框架性标准。此时，包括无线接入部分和核心网在内的较为成熟、完善、具备商用基础的 3G 第一阶段的标准已经基本完成。此外，ITU也已经启动了有关后IMT-2000（Beyond 3G）的工作。1.3GPP简介
为保证各个厂商设计制造的第三代移动通信系统之间的兼容性和设计资源的共享，需要成立为制订通用的WCDMA标准的专门论坛。为了这个目的，在1998年11月创建了这个专门组织，即第三代协作rd伙伴项目（3Generation Partnership Project，3GPP），该组织包括有ARIB（日本）、ETSI（欧洲）、TTA（韩国）、TTC（日本）和T1P1（美国）等组织。这些3GPP的发起组织同意共同进行UTRA（Universal Terrestrial Access）的标准化工作，设备制造商和运营商通过参加上述的区域标准组织，参与3GPP的标准化工作。
在1999年，中国通信标准研究组（China Wireless Telecommunication Standard Group，CWTS）加入3GPP，并提出TD/SCDMA标准，被3GPP所采纳，命名为Low Chip Rate TDD方式，以区别3.84Mchip/s的WCDMA TDD 标准。CWTS的工作后来由CCSA接手，CCSA作为3GPP的技术标准接口，参与到3GPP的活动中。在2001年，TD-SCDMA标准正式纳入Release 4。这是国内的电信技术标准第一次成为国际标准，意义非常重大。
3GPP还包括市场代表伙伴：GSM联盟、UMTS 论坛、Global Mobile Suppliers Association、IPv6 Forum 和UWCC（Universal Wireless Communications Consortium）。
3GPP为标准的制订成立了如下技术标准组（Technical Specification Group，TSG）：
●无线接入网（Radio Access Network）TSG
●核心网（Core Network）TSG
●业务和系统层（Service and System Aspect）TSG
●终端（Terminals）TSG
其中，无线接入网技术标准组又分为4个不同的工作组，如图1.1所示。图1.1 RAN标准组的结构
RAN TSG负责制订UTRA空中接口标准。在1999年的上半年，RAN TSG致力于将不同区域组织提出的建议融合到统一的标准中。在1999年的下半年，为Release-99的第一个版本拟定细节参数。
在2000年，原先由ETSI承担的GSM标准的演化工作也转移到3GPP，因此3GPP成立了一个新的“TSG-GERAN”，负责GSM标准方向的GPRS和EDGE的标准化工作。关于3GPP的所有信息可以访问www.3gpp.org，其主页如图1.2所示。图1.2 3GPP主页2.3GPP标准的版本管理机制
WCDMA的标准化工作集中在3GPP进行。3GPP的标准分为不同版本（Release），各版本之间的时间间隔约为1年。同一个版（Release）之内又分为不同的小版本（Version），每3个月会出现一个小版本。
3GPP对技术规范采用严格的版本管理，这主要是为了保证设备厂商可以根据一套相对稳定的技术规范开发设备。当一个版本完成后，它就不会轻易改动，进一步的工作将被放在后续的版本中，这样设备商就可以根据一个稳定的版本进行开发。根据同一个版本规范开发设备的厂家的设备都能达到相似的功能。
WCDMA的规范在3GPP的管理下，一直是个“活”的标准，其含义是版本号对整体的开发具有非常重要的意义，这对产品研发和运营存在很大的风险，最为关键的是物理层的设计，因为其属于基础定义的范畴，在产品开发中，会面临协议发生重大修订，导致设计不能进行的风险。因此WCDMA的版本之间也存在强弱的问题，在目前运营商已运营的系统，也可能存在未来进行规范修订的问题，因此对3GPP的规范进行足够的重视，对产品的生命周期是有非常重要的现实意义。因此在实际运营中，需要对3GPP的规范的变动引起足够的重视。比较好的是，3GPP组织在其规范中的Change History会详细给出新旧版本的变动细节，以方便读者进行检索。在 3GPP 网站上也可下载到每次变更的正式报告和讨论概要。图 1.3中举例给出2009年3月份的TS 25.211规范中的Change History，包括TSG Doc号码和CR编号及该变更通过的会议编号和日期。图1.3 3GPP规范中的Change History1.1.2 3GPP规范各版本的细节
图1.4所示为3GPP的WCDMA规范相关的启动和稳定时间，目前Release 6作为一个比较成熟的版本，在接入网层面上不会进行更改，这样设备制造厂商和芯片厂商可以根据这个成熟的依据，开发相应的业务。运营商也可以据此提供电信和信息服务。相比较而言，之前的版本无不经历重大的变化，因为对设备制造厂商和芯片厂商而言，规范中的一个关键参数的修订都会导致产品整体不能进入量产。而在2005年之前的几年里，这是经常发生的状况。图1.4 3GPP的WCDMA规范历史演进时间表
下面将介绍各个版本间的一些细节和特点。1.Release-99版本（R99）
在1999年12月，3GPP冰封（frozen）了第一个正式发布版本，Release-99的特点是采用基于GSM/GPRS的核心网络，引入新的WCDMA（UTRA FDD）和UTRA TDD的无线接入网络（RAN），确定WCDMA无线传输技术的接口，无线接入网络的Iub、Iur、Iu接口都基于ATM传输，核心网络基于演进的移动交换中心（MSC）和GPRS服务节点（GSN）。
但是在2000年3月的RAN会议结束后，又进行了大幅度的修正，影响了各个厂商开发产品的速度，直到2000年12月，Release-99的版本才较为稳定，此后每三个月更新一次，且其后的更新版本将能与之后向兼容。
Release-99的主要特征是在网络结构上继承了2G系统的GSM/GPRS核心网结构。但在空中接口方面，Release-99采用了全新的 UTRAN 结构，定义了全新的 5MHz 载频的宽带CDMA（WCDMA）接入网，采纳了功率控制、软切换和更软切换等CDMA的关键技术。基站只负责基带处理和扩频调制等工作，接入系统由 RNC 管理，引入了适用于分组数据传输的协议和机制，可以支持到384kbit/s的数据速率，理论峰值速率可以达到2Mbit/s。
R99版本的功能于2000年3月份确定，是UMTS标准的第一个正式版本，后续版本将与R99版兼容。3GPP R99版本的主要特征是在网络结构上继承了2G系统的GSM/GPRS核心网结构。但在空中接口方面，R99引入了全新的UTRAN技术，定义了全新的5MHz载频宽带CDMA（WCDMA）接入网，采纳了功率控制、软切换及更软切换等CDMA关键技术。基站只实现基带处理和扩频操作，接入系统由 RNC 集中统一管理，引入了适于分组数据传输的协议和机制，可支持144kbit/s、384kbit/s数据速率，峰值速率理论上可达2Mbit/s。基站和RNC之间的Iub接口基于异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）实现，RNC则分别通过基于ATM自适应层类型2（ATM Adaptation Layer type 2，ATM AAL2）的Iu-CS接口和基于ATM自适应层类型5（ATM Adaptation Layer type 5，ATM AAL5）的Iu-PS接口与核心网的电路交换（CS）域和分组交换（PS）域相连。
在核心网方面，R99充分考虑到了向下兼容GPRS，其电路域与GSM完全兼容，分组域仍采用了基于服务GPRS支撑节点（Serving GPRS Support Node，SGSN）和网关GPRS支撑节点（Gateway GPRS Support Node，GGSN）的网络结构，但相对于GPRS，增加了服务等级的概念，提高了分组域的业务质量保证能力。
从系统角度来看，R99仍然采用分组域和电路域分别承载与处理的方式，分别接入公共交换电话网（Public Switched Telephone Network，PSTN）和公用数据网。R99是最早成熟的版本，适用于早期部署UMTS网络的运营商，同时也适用于拥有GSM/GPRS既有网络的运营商。R99优点在于技术成熟稳定、风险小，多厂商环境基本形成；可充分利用部分现有网络资源。
但也正因为考虑了向下兼容，R99也存在一定的缺陷。首先，R99核心网发展滞后于接入网，接入网已分组化的AAL2语音仍需经过编解码转换器转化为64kbit/s电话语音，影响了话音质量，核心网的传输资源利用率较低。其次，核心网仍采用过时的时分复用（TDM）技术，虽然技术成熟，互通性好，价格合理，但技术过时，厂家后续开发力度不够，新业务跟进不足。另外，分组域和电路域双网并行，不仅造成了重复投资，而且增加了网管的复杂度，网络维护费用较高，演进线路不清晰。最后，R99的网络智能仍然基于节点，全网新业务部署仍需逐点升级，既耗时，成本又高。
因此，3GPP R99核心网只是为2G向3G过渡而引入的解决方案。2.Release 4版本（R4）
Release 4中，CWTS提交的TD-SCDMA技术被3GPP所接受。该版本在核心网电路域中实现了软交换的概念，即传统 MSC 分离为媒体网关和 MSC 服务器两部分。除此之外，Release 4与Release-99的区别不大。
3GPP R4版本功能于2001年3月确定。3GPP R4与3GPP R99版本相比，在RAN的网络结构方面无明显变化，重要的改变是在核心网方面，主要是3GPP R4版本在电路域完全体现了下一代网络（Next Generation Network，NGN）的体系构架思想，引入软交换的概念，实现了控制和承载分开。在R4网络中，核心网的电路交换域被分为两层，它们是控制层和连接层。控制层负责控制呼叫的建立、进程的管理和计费等相关功能。由于分层结构的引入，可以采用新的承载技术（如ATM和IP）来传输电路域的语音和信令。由于分组交换域的传输建立在ATM或IP网络上，因而运营商可以用同一个网络来传输所有业务。
3GPP R4实现了语音、数据和信令承载的统一，有效降低了承载网络的运营和维护成本。而在核心网中采用压缩话音的分组传输方式，可以节省传输带宽，降低建设成本。由于控制和承载分离，使得媒体网关（MG）和服务器可以灵活放置，提高了组网的灵活性；集中放置的服务器可以使业务的开展更快捷。此外，由于3GPP R4网络主要是基于软交换结构的网络，为向R5的顺利演变奠定了基础。另外，TD-SCDMA无线接入技术也在3GPP R4阶段被3GPP所接纳。3.Release 5版本（R5）
Release 5是全IP的第一个版本。Release 5的核心网部分结构进行了较大的变化，引入了IP多媒体子系统（IMS）。Release 5引入支持下行速率为14.4Mbit/s的HSDPA（High Speed Downlink Packet Access）技术。
随着数据业务的增长和移动互联网的应用，WCDMA 的网络结构逐渐向全 IP 化方向发展，先是核心网，然后是全网IP化。R5是全IP架构的第一个版本。
3GPP R5版本功能于2002年6月份确定。R5阶段，接入网部分采用全IP，核心网部分主要是引入了IP多媒体子系统（IMS）域，它是基于PS域之上的多媒体业务平台，用于提供各种实时的或非实时的多媒体业务。R5的早期仍然保留电路域，话音业务由CS域实现；到后期CS和PS完全融合，所有业务由IP承载，全网从接入到交换实现全IP化。R5阶段只完成了IMS子系统基本功能的描述。
3GPP R5版本中IMS的引入，为开展基于IP技术的多媒体业务创造了条件。R5主要提供端到端的IP多媒体业务，新增加了支持SIP业务的功能，如IP话音（VoIP）、一键通（PTT）、即时消息、多媒体信息业务（MMS）、在线游戏以及多媒体邮件等。同时，为解决IP管理问题，IMS引入了IPv6。4.Release6版本（R6）
到了3GPP R6版本阶段，对前面规范版本的继承性较好，网络架构和物理层的定义已没有太大的变更，甚至不变化。主要增加了一些新的功能特性，以及对已有的功能特性进行增强。在R6版本中进行标准化的主要内容包括以下几方面。（1）HSUPA技术。用于提高上行分组域的数据速率。（2）多媒体广播和多播业务（Multimedia Broadcast and Multicast Service，MBMS）。网络中增加了广播和多媒体中心功能实体，根据MBMS业务对用户终端。接入网及核心网提出的新需求，对信道结构、接入网和核心网接口信令进行了修改。（3）扩展工作频段。支持不同频率的UMTS系统，包括850MHz、800MHz、1.7GHz/2.1GHz等频段，同时增强了不同频率和不同系统间的测量。（4）基于PS和IMS的紧急呼叫业务，改变仅电路域支持紧急呼叫业务的现状，提出IMS紧急呼叫业务，对PS有一定帮助。（5）定位业务增强。支持IMS公共标识，支持基于伽利略卫星系统的定位业务，对UE定位进行了增强，增加了开放式移动定位服务中心——服务无线电网络控制器接口。（6）RAN功能的完善。完善的方向包括从UTRAN到GERAN网络的小区重选、天线倾角的远端控制、对无线接入承载（Radio Access Bearer，RAB）支持的增强、对Iub/Iur接口无线资源管理的优化。（7）IMS第二阶段。在R5 IMS第一阶段的基础上提供了新特性。（8）基于不同IP连接网的IMS互通。3GPP IMS用户与3GPP2 IMS、固网IMS等用户之间的互通。（9）Push业务。网络主动向用户Push内容，根据网路和用户的能力退出多种实现方案。（10）安全性的增强。基于IP传输的网络域安全。（11）无线局域网（WLAN）/UMTS互通。用户经过WLAN接入时可与UMTS用户一样使用移动网业务，包括统一的鉴权和计费、移动网提供的PS域和IMS业务，在不同接入方式之间切换时业务不中断。（12）优先业务。指导电路域优先业务的实现。（13）网络共享。多个拥有独立核心网或业务网的移动运营商共享接入网。（14）增强业务质量（QoS）。提供增强的端到端QoS动态策略控制。（15）计费管理。包括WLAN计费、基于IP流的承载计费和在线计费系统。（16）蜂窝一键通（PTT over Cellular，PoC）业务。UMTS移动网为一键通（Push-To-Talk，PTT）业务提供了承载能力，PTT业务应用层规范由开放移动联盟（OMA）制定。
截至2007年年底，全球已经在75个国家开通了166个HSDPA网络，并且有38个国家开始进入布网阶段，同时有24个HSUPA网络处于建设阶段。5.Release 7版本（R7）
3GPP R7版本在继续R6未完成的工作（如MIMO技术的标准化）外，又增加了一些新的功能特性，或对已有的功能特性进行了增强。另外，R7中还开始LTE的可行性研究和HSPA+的工作范围研究。在R7版本中研究和标准化的主要内容包括以下方面。（1）干扰消除技术。（2）下行符号周期减小和高阶调制，可以实现上行 11Mbit/s（16QAM），下行 42Mbit/s（64QAM）。（3）用于HSDPA的MIMO技术。（4）通过CS域承载IMS话音。（5）支持IMS紧急呼叫对PS域和IMS的影响。（6）采用OFDM增强HSDPA和HSUPA的可行性研究。（7）位置业务的增强。（8）先进全球导航卫星系统（Advanced Global Navigation Satellite System，A-GNSS）的概念。（9）辅助GPS（Assisted GPS，A-GPS）的最小性能。（10）合并业务（Combination Services）。（11）端到端QoS的增强。（12）在通用3GPP IP接入系统中支持短信息业务（SMS）和多媒体信息业务（MMS）。（13）基于WLAN的IMS话音与GSM网络的电路域的互通。（14）在R7架构中的合法监听。（15）GERAN的进一步增强。（16）MBMS增强。（17）R7安全性增强。（18）通过IMS支持电话会议组与信息组管理。（19）为实时通信增强和优化IMS。（20）UE在高速火车（最高速度350km/h）场景的性能评估。（21）可视电话（Video Telephony）业务研究。（22）分组数据用户的连续连接。（23）UTRA塔放（Tower Mounted Amplifier）的研究。（24）UTRAN MBMS业务的改进。（25）TD-SCDMA的HSUPA。（26）LTE的可行性研究。（27）FDD HSPA演进工作范围研究。6.Release 8版本（R8）
R8中开展了两项非常重要的演进标准化项目——LTE和SAE。在完成LTE和SAE规范制定的同时，R8还进行了一系列其他增强和完善工作。在R8版本中研究和标准化的主要内容包括以下方面。（1）3G长期演进（LTE）。（2）3G系统架构演进（SAE）。（3）3G本地节点B（Home Node B）与本地演进型节点B（Home eNode B）。（4）LTE和3GPP2、移动WiMAX系统之间改进的网络控制移动性研究。（5）3GPP WLAN和3GPP LTE之间互操作和移动性的可行性研究。（6）GERAN侧对GERAN/LTE互操作的支持。（7）基于SMS的增值业务。（8）地震与海啸警报系统。（9）IMS多媒体电话与补充业务。（10）针对Home Node B的与自组织网络（Self Organizing Network，SON）相关的O&M接口。（11）用于FDD HSDPA的64QAM与MIMO的合并使用。（12）GSM和UMTS系统中的机器间通信（Machine-to-Machine Communications）等。7.Release 9版本（R9）
R9研究和标准化工作主要包括以下内容。（1）对移动网络和WLAN网络之间的无缝漫游和业务连续性的需求研究。（2）对WiMAX/LTE移动性的支持。（3）对WiMAX/UMTS移动性的支持。（4）对IMS紧急呼叫的扩展性的支持。（5）对GPS系统和EPS系统中IMS紧急呼叫的支持。（6）对EPS系统中增强话音业务的需求研究。（7）对Home Node B和Home eNode B安全性的研究。（8）对LTE-Advanced的研究。8.Release 10版本（R10）
Release 10研究和标准化工作刚刚开始，主要包括以下内容。（1）非3GPP规范类型呼叫的接入问题。（2）机器类型通信的网络增强。（3）Densely-populated Area的注册。（4）继续对Rel-9的增强型Home Node B/eNode B研究。（5）IMS 业务的多项议题。（6）GTP-based S8 chaining。（7）Multi Access PDN Connectivity。（8）EEA3和EIA3的新加密集成EPS安全算法。（9）移动Haptic业务的研究。（10）IPv6相关话题。（11）非鉴权的PS紧急呼叫研究。（12）关于开展个人广播业务的研究。（13）RAN节点到多个CN节点的域间连接。（14）SR-VCC 增强的研究。1.1.3 版本的技术演进
世界上第一个WCDMA商用系统是基于 Release-99的，在实际的运营中，不断检验了Release-99的工程可行性以及在日本和欧洲现网上暴露出来的WCDMA技术上的和业务上的缺陷，最终促使了HSDPA和HSUPA技术的诞生和成熟。在这个期间，3GPP在规范层面也进行了相应的调整，
本书的第11章将对Release-99 实现高速传输的缺点进行详细的介绍，然后介绍HSPA。图1.5所示为从Release-99到Release 6之间的无线接入网部分的主要变更，这些变更产生的依据是在试验网阶段或者多媒体应用阶段暴露出来的问题，然后经由规范成员采取CR递交的方式，经过3GPP成员的技术会议讨论和论证，最后形成的新版本的规范。图1.5 从Release-99到Release 6无线接入网部分的主要变更1.2 WCDMA无线接入系统的关键技术
图1.6所示为WCDMA的功能层面，其中包括3个部分：图1.6 WCDMA系统的功能层面（1）无线链路（物理层）；（2）无线接入网；（3）核心网。
本书主要介绍第（1）项和第（2）项，其中将重点放在第（1）项，因为这是最体现WCDMA无线接入系统的核心部分，另外对无线接入网的下层接口和协议要求也有所涉及。
无线接入系统的关键技术主要包括两个方面。一个是信号的正确接收所进行的信号能量方面的指标，也就是专业上提到的信噪比与误码率的比值（SNR/BER）；另外一个方面就是保证系统工程意义上的实现所进行的工作，对基站而言就是功率控制、测量、接入方法和切换等工作。对移动终端而言，除包括睡眠和唤醒机制等功耗层面的考虑，也包括功率控制、测量、切换和压缩模式等细节。1.2.1 CDMA的扩频和解扩
图1.7所示为DS-CDMA系统扩频和解扩的一般概念。假设用户的信号是速率为R的BPSK调制信号，取值为±1，本例中的扩频操作是将每位用户数据比特用一个8比特（码片）的序列相乘，得到一个速率为8×R的伪随机扩频序列。这个扩频操作的扩频因子为8，扩频得到的宽带信号经过无线信道到达接收端。图1.7 DS-CDMA系统的扩频和解扩
在接收端，用完全相同的8码片的序列对接收的扩频用户数据/码片序列进行相乘（即解扩），如果扩频用户数据与本地的伪随机序列完全同步，就可以将用户信息数据完全恢复（如图1.7所示）。
以上的扩频操作在时域内将用户速率提高了8倍，在频域内也就相应地扩展了信号的带宽。这就是CDMA称为扩频系统的由来，解扩操作将用户比特速率恢复为R。
图1.8所示为CDMA相关接收机的基本操作。图1.8中的上半部给出了期望信号的接收。在图1.8中可以看到在完全同步情况下的解扩操作，相关接收机对每个用户比特积分（求和）得到乘积（数据比特乘以序列码片）。图1.8 CDMA相关接收示意图
图1.8的下半部给出用当前8码片的序列对其他用户的信号进行解扩处理所得到的结果。其他用户信号是采用其他序列进行扩频的，解扩后得到的是均值为0的噪声。
与其他用户的干扰信号相比，期望信号的幅度在解扩之后增加了8倍，即相关检测在CDMA系统的噪声中将期望用户的信号幅度提高了扩频因子倍（此处为8倍），这也就是我们常说的CDMA系统的处理增益。
处理增益能够消除小区布局时5MHz的频带密集复用产生的自干扰。例如，12.2kbit/s的话音编码业务的处理增益为25dB=10×63lg（3.84×10/12.2×10）。解扩处理后，期望的信号噪声功率谱密度b0比E/N一般为5dB，因此期望的宽带信号干扰比为25dB减去5dB等于20dB。这就是说在无线传输时，即使信号的功率比干扰或热噪声低20dB，也可以保持正确的解调输出。这个宽带信号干扰比也称为载波干扰比C/I。因为扩频和解扩操作，WCDMA 系统的载波干扰比比GSM系统的低。以话音业务为例，同样质量的话音业务在GSM系统中需要9～12dB的载波干扰比。
因为低载波干扰比的特性，如果接收端不知道扩频序列的内容，就无法检测出比热噪声还要低的扩频信号。这也是扩频通信早期多用于军事通信的原因。
需要指出的是，在给定信道带宽（码片速率）的情况下，低速率业务会比高速率业务得到更高的处理增益。例如2Mbit/s的用户比特速率得到的处理增益小于2（=3.84Mcbip/s/2Mbit/s=1.92，约为2.8dB），因此高速率业务不能从CDMA优良的抗噪声性能获益。
WCDMA的基站和手机的基带处理部分都需要应用相关接收技术。因为多径传播的影响和多接收天线技术的应用，通常对每个有效的多径信号或天线支路都采用专门的接收相关处理器，在WCDMA的Rake接收机中这样的一组信号相关处理单元称为“Finger”。在第9章将详细介绍数字Rake接收机的设计问题。
注意，单纯的扩频和解扩操作并不能给信号的处理带来好处，得到的信号处理增益是以扩展带宽为代价的，而WCDMA系统的所有优点并不能从单独链路获得，而要在系统级的评价上得到。（1）WCDMA的处理增益和宽带特性使蜂窝小区间的频率再利用系数为1（即同一频率可以用在每个小区/扇面），这样就会达到高的频谱利用率。（2）同一带宽下的众多用户的通信干扰平均化，降低多址干扰对单一用户的影响，与其他体制的系统相比无疑提升了系统容量。（3）获得以上两种优势的前提是精确功率控制和软切换技术的使用，否则单个用户的信号会阻塞其他用户的通信。（4）宽带信号和窄带信号相比在多径传输后能得到更高精度的恢复信号，这是因为宽带信号具有更好的分集效果以对抗衰落的影响，从而提高了系统的性能。1.2.2 无线传输和接收的机理1.信道
陆地移动通信的电波传播特性包括多径反射、散射和衰耗效应，这些都是无线信道所固有的不确定因素，会对正确同步和解调带来严重影响。多径传播带来的影响主要有以下两点。（1）到达接收机的信号能量可以清晰地划分出多径的数目，如图 1.9 所示。在市区和郊区到达信号的时延一般为1～2μs，山地环境的时延可能达到20μs或以上。WCDMA的码片速率为3.84Mchip/s，单个码片的持续时间约为0.26μs，也就是说一个码片单位的时间内，电波可以传播78m，如果多径间的几何距离差大于78m（时延大于0.26μs），接收机就可以分离出多径信号，然后将多径信号加以合并，实现多径分集。如果码片速率为1Mchip/s，则多径间的距离约为300m，因此，即使是微WCDMA蜂窝覆盖区也可以实现多径利用。窄带IS-95却不具备这样的优点。图1.9 多径传播引起的快衰落示意图（2）在某个时刻接收端可能会得到多个幅度相等的多径信号。例如如果多径间的距离是载波频率的半波长（在2GHz系统中，间距约为7cm），多径信号的幅度就相等。如果用码片的持续时间做为单位，则3.84Mchip/s时，间距为 78m。即使接收机移动很小的距离，多径信号也可能彼此抵消，即信号产生了快衰落。这种信号间的相互抵消可看作是特定时刻和路径下多径信号间的相位偏移与路径衰耗的合成结果。
图1.10所示为一个快衰落的图形，当多径信号发生相位间的相互抵消时，信号的功率可能瞬间降低20～30dB。图1.10 多径引起的快衰落时域波形2.Rake接收
快衰落条件下无差错接收很难实现，WCDMA系统采用如下的措施克服快衰落对信息传输的影响。（1）为主要的多径信号准备独立的相关接收机（Rake的Finger），收集分散的信号能量。（2）采用快功率控制和WCDMA信号内在的分集特性缓解快衰落信号功率的起伏。（3）采用差错编码、交织保护和重传机制增加信息的冗余度，获得时间分集以恢复快衰落作用下的信号。
RAKE接收机在工程实现上包括以下内容。（1）识别主要多径支路的时间延迟位置，并且将相关接收机同步到该位置，即将 Rake接收机的 Finger 对准这些多径时延的峰值。衡量这些多径信号时间差的基本单位是码片（chip），一般采用（1/4～1/2 chip的精度），并且以数十次的ms刷新路径的时间延迟位置。（2）每个相关接收机锁定快衰落下的多径信号的相位和幅度变化，这种锁定处理的速率很快，刷新周期小于1ms。（3）将每个相关接收机的输出进行相位和幅度合并，并送入解码器进行后面的处理。
CDMA Rake接收机采用最大比例合并原则（MRC）处理上述第（2）点和第（3）点，如图1.11所示。为了实现第（2）点，WCDMA系统采用已知的导频符号恢复信道，并且为给定的 Finger 提供即时的信道状态估计（加权相位的值），这样就消除了多径信道产生的相位畸变，该信道补偿符号可以很方便地作为接收的多径信号在合并时的加权值。这就是最大比例合并原则。图1.11 CDMA Rake接收机内的最大比例合并示意图
图1.12所示为具有3个Finger的Rake接收机的框图。来自射频前端电路的模拟信号在模数变化后以I/Q信号的方式输入到Rake接收机。伪序列生成器和相关器随后对其进行解扩和积分处理，得到用户数据符号。信道估计器采用导频符号估计信道的状态，然后用相位旋转器消除信道畸变。延迟均衡器补偿每个Finger处理的、多径信号的时间差，Rake合并器将经过补偿的多径解扩信号进行合并，输出到解码器。匹配滤波器检测和更新信道多径时延的位置并分配各个Finger对准幅度最大和延迟适当的多径信号。
在Rake接收机的典型实现中，通常用ASIC实现码片级的处理单元，这些单元包括相关器、序列生成器和匹配滤波器。而符号级的处理单元通常则采用DSP实现，这些单元包括信道估计器、相位旋转器和合并器。基站和手机的Rake接收机的实现方式类似。图1.12 CDMA Rake接收机框图
手机的设计还需要考虑STTD信号的接收。因为来自基站两个天线的信号处理方式相同，所以只需增加相应的Finger就可实现STTD信道的接收。Rake接收机不需考虑多径信道和多天线信号的差别。3.功率控制
快速、准确的功率控制是保证WCDMA系统性能的基本要求，上行链路的功率控制对此有更高的要求。如果上行链路不进行功率控制，一个超发射功率的手机所产生的能量可以阻塞整个小区的用户通信。
图1.13是闭环功率控制的示意图。手机1和手机2工作于相同的频率，基站用扰码序列识别不同的手机。手机1位于小区边界，基站到手机1的路径损耗比基站到手机2的路径损耗高70dB。采用功率控制，可以使基站接收到的手机1、手机2的功率大致相等，否则手机2的到达功率大于手机1，进而干扰小区大部分区域的手机通信。这就是CDMA系统的远近效应。系统容量最大化的最优策略是保证所有时刻到达基站的全部手机的功率都相等。图1.13 CDMA闭环功率控制示意图
开环功率控制通过测量下行链路公共信道的功率，粗略估计路径损耗；手机根据路径损耗决定其发射功率。WCDMA的上行链路和下行链路相隔一定的频带，因此上行链路和下行链路彼此之间不相关，如果通过下行链路的测量推算上行链路的路径损耗必然带来误差。在WCDMA系统中开环功率控制只应用在物理连接建立时初始化发射功率。
WCDMA中主要采用闭环功率控制技术，如图1.13所示。在基站侧频繁采用上行链路的闭环功率控制技术，测量接收信号的信号干扰比（SIR），并且与目标SIR比较。如果测量得到的SIR大于目标SIR，基站会指示手机降低发射功率，反之则要求手机增加发射功率。这个基站与手机配合的循环动作（测量、比较、指示）以1500次每秒的频率进行（1.5kHz）。基站对小区内的每个手机都进行该闭环功率控制。1.5kHz的指令速率大于或等于低速或中速移动中的手机所经历的瑞利快衰落的速率。因此该功率控制可以完全消除基站侧接收功率的不平衡。
下行链路也同样采用了闭环功率控制，但其目的与上行链路的闭环功率控制不同，在下行链路上是一点对多点（基站对多个手机）的形式，因此不存在远近效应的问题。但是差错编码和交织等抗衰落措施并不能有效消除其他小区信号对小区边界手机的干扰，因此当前小区的基站用闭环功率控制增加对小区边界的发射功率，以弥补低速运动的小区边界手机因为衰落产生的性能损失。
图1.14所示为低速环境下上行衰落信道的功率控制的实际范例。基站按照其接收到的功率（或SIR）指令手机改变其发射功率：接收功率增加，就指令手机减少功率；接收功率减少，指令手机增加发射功率。如果手机的发射功率没有达到其功放的上限，改变手机的发射功率可以有效地对抗衰落信道的影响，基站接收机得到的接收信号上只残留很小的衰落影响，接近无衰落的效果。图1.14 闭环功率控制对抗衰落信道的作用
闭环功率控制改善信号质量的代价是增加了手机的平均发射功率。这也意味着如果手机处于深衰落的环境，就要用很大的功率发射信号，从而也就增加了对其他小区的干扰。基站采用外环功率控制调整目标SIR的设定，因为不同的物理链路设定相应的链路质量，目标SIR的值可由误比特率（BER）或误块率（BLER）得到。为什么要调整目标SIR呢？例如对于一定的移动速率和多径传播所期望的BLERb0值为1%，这就要求相应的E/N和目标SIR。如果按照最坏的传输情况（例如手机进行高速移动）设置目标SIR，就会浪费其他低速物理连接的容量。最好的策略是根据实际链路质量随时设定所需的目标SIR，如图1.15所示，当手机的移动速度和传播环境改变时，目标SIR的值也随之改变。由物理连接的CRC校验值得到BLER，如果RNC收到的CRC表明物理连接的质量下降，RNC就指示基站增加目标SIR的值。图1.15 外环功率控制1.2.3 无线接入网的要求
无线接入网的要求就是实现移动性管理，包括接纳控制、切换和测量[35]等，下面就最有特色的切换进行说明。图1.16 更软切换
如果手机位于基站的两个扇面的重叠覆盖区，将发生更软切换，如图1.16所示。手机与基站间的物理连接经过两个独立的空中接口，每个基站的扇区维持一个无线连接，这两个无线连接采用不同的扰码序列，以便手机区分来自不同扇区的信号。在手机Rake接收机处，对这种情况的处理类似于多径信号的接收，但为对准不同扇区的下行链路，需要为 Rake 接收机的Finger分配相应的扰码序列。
上行链路的情况与下行链路类似，如果手机的上行链路由基站的不同扇区接收，然后由同一Rake接收机处理和执行最大比例合并（MRC），更软切换的每个物理连接（物理连接，也称为无线链路，在第7章中有详细介绍）都维持各自的功率控制环路。在基站处理的物理连接中，更软切换占5%～15%的份额。
图1.17和图1.18是软切换的示意图，软切换中的手机处于不同基站的两个扇面的重叠覆盖区内，手机与两个基站都保持联系。图1.17 软切换（1）图1.18 软切换（2）
对手机而言软切换或更软切换没有明显区别，但是基站对软切换和更软切换的处理却有很大的不同：同一手机发送的信号由两个基站接收，接收后的信号在RNC中合并，RNC根据每个链路的CRC校验值选择质量较好的链路。链路的选择是在TTI数据处理后进行的，即选择周期为10～80ms。
软切换中的两个基站都维持各自的功率控制环路。在基站处理的物理连接中，软切换约占20%～40%的份额。为进行更软切换和软切换，系统需要配置额外的物理资源，并且在网络规划时加以考虑：
●基站中配置额外的Rake接收机；
●基站和RNC的额外传输链路；
●手机中额外的Rake Finger接收机。
在实际的环境中，还会出现更软切换和软切换同时发生的情形，在此不再赘述。
除了更软切换和软切换，WCDMA的切换处理还包括如下几项。
●系统内异频切换，即手机从 WCDMA 的一个频点切换到另一频点。配置了多个工作频率的基站小区会发生这种切换以维持高的系统容量。
●系统间异频切换，如WCDMA手机切换到GSM系统。
为什么CDMA系统需要定义这么多种切换呢？
这个问题的答案与为什么 CDMA 系统需要闭环功率控制的答案相同：如果不定义更软切换和软切换，手机会对基站产生远近效应，即手机会“刺入”新小区但仍保持与原小区的物理连接和功率控制环路，而没有建立与新小区的功率控制环路，这将严重干扰该小区的通信质量。频繁、快速的硬切换虽然可以避免这种情况的发生，但是硬切换会产生处理延迟，因此也无法很好地克服远近效应。消除WCDMA系统干扰最有效的策略就是采用快速功率控制技术支持下的更软切换和软切换。1.3 WCDMA系统的主要参数1.3.1 WCDMA系统空中接口的主要参数
表1.1列出了WCDMA系统空中接口的主要参数。表1.1 WCDMA系统空中接口的主要参数
WCDMA 系统是宽带直接序列扩展码分多址（DS-CDMA）系统，即用户的信息比特和来自CDMA扩频码序列集的伪随机序列比特（也称为码片）相乘，得到频域内的宽带信号。WCDMA系统采用了变扩频因子和多码传输技术，Release-99实现高速的物理连接（数据速率可达2Mbit/s）。图1.19所示为WCDMA信号在时间—频率—码空间的分布范例。图1.19 WCDMA信号在时间—频率—码空间的分布
WCDMA系统的码片速率达3.84Mchip/s，载波带宽约5MHz，而IS-95的DS-CDMA系统的带宽略大于1MHz，称为窄带CDMA系统。WCDMA的宽带特性支持高速的用户数据传送和更好的多径分集效果。网络运营商可以用多个小区层的方式实现多个5MHz的带宽以增加容量。按照载波间干扰的大小，实际载波的宽度在4.4～5MHz间选择，载波间的空白频带是200kHz的倍数。
WCDMA支持变用户速率传输，即可以实现带宽点播（Bandwidth on Demand：BoD）业务，每 10ms 的用户帧内的速率保持恒定，但是帧与帧间所承载的用户信息量可以变化，这种快速无线容量分配技术由网络控制，以优化分组数据业务的流量。
WCDMA上行链路和下行链路各占用5MHz的频带，上行链路是指手机到基站的无线物理连接，下行链路是指基站到手机的无线物理连接。
WCDMA的基站间的同步方式为准同步，而IS-95采用的是GPS为参考的全球定时信号同步。
WCDMA系统因为采用了导频符号和公共导频信道，所以上行链路和下行链路都是相关检测。IS-95 系统的下行链路采用相关解调方法，上行链路是非相关解调的方法。WCDMA在上行链路上采用相关检测，可以带来上行链路容量和覆盖范围的增加。
WCDMA 的空中接口定义有助于多用户检测和智能自适应天线技术这样的新接收机技术的应用，网络运营商可以通过新技术在系统中的配置来增加容量和覆盖范围。在目前GSM和IS-95这样的二代系统中，改善性能的新技术很难直接应用在工程上。
WCDMA网络支持与GSM网络的接口。1.3.2 WCDMA与其他数字蜂窝系统的比较1.WCDMA与GSM和IS-95的比较
GSM和IS-95系统初始的设计目标是在宏小区内提供话音业务和低速的数据业务，表1.2和表1.3分别列出了从空中接口的角度得到的WCDMA系统与GSM系统和IS-95系统的主要参数比较，GSM系统还定义了支持的业务种类和核心网的内容，WCDMA可以采用GSM平台。表1.2 WCDMA系统与GSM系统的比较表1.3 WCDMA系统与IS-95系统的比较
WCDMA采用5MHz的频带可以支持更高的比特速率，其采用的发送分集可以提高下行链路的容量，支持上下行链路的非对称传输。WCDMA将不同比特速率的业务和质量要求进行混合处理，采用改进的无线资源管理算法，保证了业务质量，使系统流量最大化。WCDMA支持对非实时分组业务的处理。
WCDMA的码片速率为3.84Mchip/s，远大于窄带IS-95的1.2288Mchip/s，这样就可以获得较高的路径分集增益，提高微小区下的路径分集增益。
WCDMA在上/下行链路上应用快速闭环功率控制。下行链路快速闭环功率控制能够提高物理连接的质量，增加下行链路的容量，但是需要手机增加SIR估计电路和外环功率控制技术进行配合。而在IS-95系统中没有这样的要求。
IS-95 系统的设计目标是宏小区的业务，宏小区的基站建址一般位于开阔位置以便接收GPS信号，这样在室内环境和微小区环境下进行小区规划时就较为困难，因为GPS的卫星信号不能视线到达室内环境。WCDMA 只能采用准同步的方式获得小区同步，这样 WCDMA系统的切换进程与IS-95系统就有所不同。
为平衡单个基站内多个工作载频的使用率，频率间切换对WCDMA系统非常重要；IS-95系统没有定义这样的频率间切换，所以很难实现频率间切换。2.WCDMA与TD-SCDMA的比较
TD-SCDMA作为3GPP重要的组成部分，一直和WCDMA标准一样在持续发展，这里简要对比WCDMA和TD-SCDMA在基础层面的一些异同。
第三代系统的设计目标是：
●数据速率要远远超过2G系统；
●支持带宽点播（bandwidth on demand）的变比特速率技术；
●支持将不同业务质量（QoS）的视频、分组数据和话音业务复用在单一物理连接上；
●满足实时传输业务到动态变化最优效果的分组业务对时延的要求；-6
●满足不同业务从10%的帧差错率到10比特差错率的要求；
●增加覆盖区域和负荷平衡所要求的二代和三代系统共存和系统间切换；
●支持上行链路和下行链路的非平衡传输，如网页的浏览占用很多下行链路的资源，而上行链路却很空闲；
●高的频谱效率；
●FDD、TDD模式共存。
我国具有自主知识产权的TD-SCDMA是从GPRS向3G进行技术演进的另一条路径。TD-SCDMA是基于时分双工（上/下链路使用相同的频谱）的3G技术。TD-SCDMA的技术规范与WCDMA技术规范由3GPP负责定义。TD-SCDMA与WCDMA的不同点主要体现在空中接口的底层技术方面。在核心网层面，TD-SCDMA系统和 WCDMA 系统可以共享设备。
TD-SCDMA系统空中接口的关键参数如下：（1）射频带宽为1.6MHz，码片速率为1.28Mchip/s；（2）采用CDMA技术（上行同步），降低了上行用户间的干扰和保持时隙宽度；（3）采用QPSK/8PSK调制方式；（4）支持Turbo编码及卷积编码；（5）物理帧长为10ms（每个子帧5ms，每个子帧7时隙）；（6）可应用智能天线技术；（7）采用联合检测技术。
TD-SCDMA和WCDMA最大的区别在于资源复用的方式不同，如图1-20所示。WCDMA，也就是3GPP的UTRA FDD模式是采用频率分解复用，上/下行通路占用不同的频率范围；而 TD-SCDMA 采用时间分解复用方式，上/下行通路占用相同的频率，但是持续时间定时错开。这样造成WCDMA上/下行的信道特征不同，因此WCDMA采用复杂的功率控制方式和分集方式来确保链路质量的稳定。而 TD-SCDMA 因为上/下行的信道特征只是时间的差异，因此在信道估计方面具有很大优势。TD-SCDMA系统在设计方面一个很大的挑战是定时问题，因为TD-SCDMA严格依赖上行同步技术，如果一旦失去同步，则整个信道的正确接收就失去依据；而WCDMA则有一定的冗余。另外，TD的带宽与WCDMA相比较窄，在3GPP称为Low Chip Rate的UTRA TDD模式，这样TD系统的信息传输速度要低于WCDMA。图1.20 TDD（TD-SCDMA）和FDD（WCDMA）系统在上/下行资源的对比
WCDMA和TD-SCDMA采用类似的信道复用方式以实现对不同业务的QoS管理。TD-SCDMA相应地也可以过渡到HSDPA技术，不过这种HSDPA仍然是基于时分双工方式的。关于TD-SCDMA的详细介绍，有很多技术文章和出版物可供读者参考，在这里不再赘述。3.WCDMA与cdma2000的比较
WCDMA进一步的演进方向是HSDPA/HSUPA。HSDPA技术通过使用自适应编码调制、快速重传等技术，理论上的速度最大为14.4Mbit/s（下行空中接口数据传输速率）。而相应地，HSUPA理论上允许5.76Mbit/s的上行空中接口数据传输速率。
在空中接口上，HSDPA保持了对WCDMA R99版本的后向兼容性，HSDPA采用的新技术包括：更短的物理帧结构、自适应编码调制（引入16QAM高阶调制）、结合了时分复用与码分复用机制、物理层HARQ机制以及物理层的快速调度机制等。
HSDPA在设计理论上与cdma2000家族的cdma 1x EV-DO、cdma 1x EV-DV技术类似。
CDMA向3G的演进过程中，曾经存在过cdma2000 1x与cdma2000 3x两种方案。在目前的实际系统中，使用的都是基于1x技术的系统，而cdma2000 1x之后的EV-DO和EV-DV技术也都是使用一个载频的CDMA技术。
cdma2000 1x技术由于建立在已有的IS-95系统之上，所以在空中接口上能够保证较好的兼容，cdma2000系统和CDMA IS-95系统不仅在核心网，而且在接入网方面都可以做到后向兼容。运营商现有的CDMA网络可以通过网络的升级在将来直接过渡到cdma2000 1x。
cdma2000 1x系统的关键技术如下：（1）前向、反向同时采用导频辅助相干解调；（2）扩频码采用相同的M序列，通过不同的相位偏置来区分不同的小区和用户；（3）射频带宽为1.25MHz，码片速率为1.228 8Mchip/s；
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]