移动通信的基础知识

wangcheng70

1.1 WCDMA无线网络基础知识

1.1.1 WCDMA网络概述

    WCDMA 是英文Wideband Code Division Multiple Access（宽带码分多址）的英文简称，是一种第三代无线通讯技术。W-CDMAWideband CDMA 是一种由3GPP具体制定的，基于GSM MAP的核心网，UTRAN（UMTS陆地无线接入网）为无线接口的第三代通信系统。第三代移动通信，简单地说就是提供覆盖全球的宽带多媒体服务的新一代移动通信。其发展已经历了两代，可以这样来讲，第一代移动通信是模拟的语音移动通信，第二代是数字语音移动通信，目前广泛使用的GSM、CDMA就是第二代系统。

     与第一代模拟移动通信和第二代数字移动通信相比，第三代移动通信是覆盖全球的多媒体移动通信。它的主要的特点之一是可实现全球漫游，使任意时间、任意地点、任意人之间的交流成为可能。也就是说，每个用户都有一个个人通信号码，带着手机，走到世界任何一个国家，人们都可以找到你，而反过来，你走到世界任何一个地方，都可以很方便地与国内用户或他国用户通信，与在国内通信时毫无分别。能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务是第三代移动通信的另一个主要特点。这就是说，用第三代手机除了可以进行普通的寻呼和通话外，还可以上网读报纸，查信息、下载文件和图片；由于带宽的提高还可以传输图象，提供可视电话业务，3G的数据传输速度有了大幅提升，能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。

1.1.2主要技术指标及特点

  1.1.2.1 wcdma使用频段

主要工作频段：

[          1920－1980MHz／2110－2170MHz

[          WCDMA频点计算公式：频点号＝频率×5

−      上行中心频点号：9612～9888

−      下行中心频点号：10562～10838

补充工作频率：

[          1755－1785MHz／1850－1880MHz

[          中国移动和中国联通目前已有的GSM频段以后可以用于WCDMA

1.1.2.2wcdma关键技术

1.1.2.2.1WCDMA系统的技术特点

WCDMA由于技术的先进性，所以与以前的GSM等移动通信方式相比，具有以下的优缺点。

优点

[          抗干扰能力强，频率复用度高，频谱利用率高

[          保密性强：扩频后的信号近似白噪声

[          软容量，具备一定的话务自适应能力

缺点

[          占用带宽较大

[          自干扰系统－系统内用户互相干扰

[          技术实现难度大，需要采用快速功率控制、负载控制等技术

WCDMA由于技术的先进性，所以与以前的GSM等移动通信方式相比，具有以下技术特点：

1、更大的系统容量

WCDMA由于自身的带宽较宽，抗衰落性能好，上下行链路实现相干解调，大幅度提高链路容量。WCDMA系统采用快速功率技术，使发射机的发射功率总是处于最小的水平，从而减少了多址干扰。这些技术都提高了系统容量。

2、更多的业务种类

WCDMA系统可以提供和开展的业务种类非常丰富，分为两大类：CS域业务和PS域业务。

其中，CS域业务主要包括：基本电信业务（语音、特服、紧急呼叫）、补充业务、点对点短消息业务、电路型承载业务、电路型多媒体业务、智能网业务。PS域业务主要包括：PS域的短消息业务、移动QICQ、移动游戏、移动冲浪、视频点播、手机收发E-mail、智能网业务等。

3、更高的数据速率

具有支持多媒体业务的能力，特别是支持Internet业务。

现有的移动通信系统主要以提供语音业务为主，一般能提供100~200Kbit/s的数据业务，GSM演进到最高阶段能提供384Kbit/s的数据业务。而第三代移动通信的业务能力将比第二代有明显的改进，支持话音、数据和多媒体业务，并且可根据需要提供宽带，目前H+业务最高达到28兆。

4、更好的无线传输

在无线传输中，频率选择性衰落和多径是一种普遍现象。WCDMA是宽带信号，信号带宽是5MHz。宽带信号可以更好地抗频率选择性衰落，保证传输性能。另外，如果发射信号带宽比信道的相干带宽更宽，那么接收机就能分离多径分量。由于WCDMA的带宽更宽，因此它具有更好的多径接收处理能力。

5、更高的语音质量

采用AMR语音编码技术，语音传输速率最高达到12.2Kbit/s（R99）。WCDMA的带宽达到5MHz，使得其具有更大的扩频因子，从而带来更大的处理增益。同时宽带使其具有更强的多径分辨能力，改善RAKE接收机性能。

另外，WCDMA采用发射分集技术，有效改善下行链路的接收性能。并通过交织和卷积编码技术来有效保证传输误码率。

通过采用这些技术，使得WCDMA网络语音质量接近固定网的语音质量。

6、更低的传送功率

采用CDMA技术，通过扩频将窄带信号转换为宽带信号后再进行发射。由于WCDMA的带宽达到5MHz，使得其扩频因子可以更高，带来更大的接收机处理增益，使得WCDMA系统具有更高的接收灵敏度，终端需要的发射功率可以很低。

另外，通过采用快速功率控制技术，可以降低发射功率，软切换提高提高业务信道接收增益，也可以降低终端发射功率的要求。

一般地，WCDMA终端的发射功率在室内为20mW，室外300mW，电磁辐射少，对人身体影响很小，是一种绿色手机。同时由于发射功率低，使得其待机时间很长。

1.1.2.2.2WCDMA关键技术

1、 RAKE接收

扩频信号非常适应多径信道传输。在多径信道中，传输信号被障碍物如建筑物和山等反射，接收机就会接收到多个不同时延的码片信号。如果码片信号之间的时延超过一个码片，接收机就可以分别对它们进行解调。实际上，从每一个多径信号的角度看，其他多径信号都是干扰并被处理增益抑制，但是对于RAKE接收机则可以对多个信号进行分别处理合成而获得，因此CDMA的信号很容易实现多路分集。从频率范围看，传输信号的带宽大于信号相关带宽，并且信号频率是可选择的（例如，仅仅信号的一部分受到衰落的影响）。

2、 多用户检测

在多径衰落环境下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用户之间的相互干扰，并限制系统容量的提高。解决以上问题的一个有效方法是使用多用户检测技术（MUD）。多用户检测技术（MUD）是通过取消小区间干扰来改进性能，增加系统容量。实际容量的增加取决于算法的有效性、无线环境和系统负载。除了系统的改进，还可以有效的缓解远近效应。多用户检测的主要优点是可以有效地减弱和消除多径干扰、多址干扰和远近效应；简化功率控制；减少正交扩频码互相关性不理想所带来的消极影响；改善系统性能、提高系统容量、增加小区覆盖范围。

3、切换

当移动台从一个小区移动到另一个小区时，为保持移动用电话不中断通信需要进行的信道切换称为越区切换。根据切换方式不同，可以分为硬切换和软切换两种情况。硬切换是指移动台在载波频率不同的基站覆盖小区之间信道的切换。切换过程中，移动用户仅与新旧基站其中一个连通，从一个基站切换到另一个基站过程中，通信链路有短暂的中断时间。当切换时间较长时，将影响用户通话。软切换是指移动台在载波频率相同的基站覆盖小区之间的信道切换。切换过程中，移动用户可能同时与两个基站进行通信，从一个基站到另一个基站的切换过程中，不需要改变收发频率，没有通信暂时中断的现象。

根据切换发生时移动台与源基站和目标基站连接的不同，切换可以分为以下几种类型：

软切换：在这种切换中，当移动台开始与一个新的基站联系时，并不立即中断与原来基站之间的通信。软切换仅仅能应用于具有相同频率的直扩CDMA信道之间，软切换可提供在基站边界处的前向业务信道和反向业务信道的路径分集。

更软切换：是软切换的一种特殊情况。这种切换发生在同一基站的具有相同频率的不同扇区之间。更软切换是CDMA的特色，在基站的扇区之间同频工作时可方便地进行。

硬切换：在这一切换中，任一时刻只有一个业务信道被激活，一般情况下，移动台先中断与原基站的联系，再与新基站取得联系。硬切换通常发生在不同频率的CDMA信道间。

4.功率控制

　   功率控制是WCDMA系统的关键技术之一。由于远近效应和自干扰问题，功率控制是否有效直接决定了WCDMA系统是否可用，并且很大程度上决定了WCDMA系统性能的优劣，对于系统容量、覆盖、业务的QoS（系统服务质量）都有重要影响。

　　功率控制的作用首先是提高单用户的发射功率以改善该用户的服务质量，但由于远近效应和自干扰的问题，提高单用户发射功率会影响其他用户的服务质量，所以功率控制在WCDMA系统中呈现出矛盾的两个方面。

　　WCDMA系统采用宽带扩频技术，所有信号共享相同频谱，每个移动台的信号能量被分配在整个频带范围内，这样移动台的信号能量对其他移动台来说就成为宽带噪声。由于在无线电环境中存在阴影、多径衰落和远距离损耗影响，移动台在小区内的位置是随机的且经常变动，所以信号路径损耗变化很大。如果小区中的所有用户均以相同的功率发射，则靠近基站的移动台到达基站的信号强，远离基站的移动台到达基站的信号弱，另由于在WCDMA系统中，所有小区均采用相同频率，上行链路为不同用户分配的地址码是扰码，且上行同步较难，很难保证完全正交。这将导致强信号掩盖弱信号，即远近效应。

　　因此，功率控制目的是在保证用户要求的QoS的前提下最大程度降低发射功率，减少系统干扰从而增加系统容量。

由于移动信道是一个衰落信道，快速闭环功控可以随着信号的起伏进行快速改变发射功率，使接收电平由起伏变得平坦。

1.1.2.3 网络结构

UMTS系统的划分中，我们将其划分为无线接入网络子系统、核心网络子系统和操作维护子系统来描述。其中无线网络子系统处理所有与无线接入有关的无线信道的分配、释放、切换管理等功能，核心网络子系统处理所有与话音呼叫、数据连接以及与外部网络相关的交换、连接、路由等功能，网络操作维护子系统执行网络操作维护、用户管理等相关功能，各子系统间关系描述见下图：

UMTS网络子系统划分图

                          CN：核心网子系统

                          RNS：无线网络子系统

                          OSS：操作维护子系统

1.1.2.3．1 无线网络子系统（RNS）网元实体

RNS（无线网络子系统）通过无线接口（Uu）直接与移动台相接，负责无线信号的发送接收和无线资源管理。另一方面，RNS与MSC、SGSN相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。RNS子系统包括RNC和Node B两部分。

1、 RNC

RNC是RNS的控制部分，主要负责各种接口的管理，承担无线资源和无线参数的管理。它主要与MSC和SGSN以Iu口相连，UE和UTRAN之间的协议在此终结。

2、 Node B

Node B属于RNS的无线部分，由RNC控制，服务于某个小区的无线收发信设备，完成空中接口与物理层相关的处理（信道编码、交织、速率匹配、扩频等），同时它还完成一些内环功率控制等无线资源管理功能。

3、UE

移动台是用户设备，它可以为车载型、便携型和手持型。物理设备与移动用户可以是完全独立的，与用户有关的全部信息都存储在智能卡SIM中，该卡可在任何移动台上使用。在2G的MS中，MS由ME与SIM卡组成；在3G的UE中，UE由ME、SIM以及USIM组成。其中，ME是一个裸的终端，通过它可以完成与基站子系统之间的空中接口的交互，SIM存储的是2G用户的签约数据，USIM是3G用户的签约数据。3G通过多模UE，可以使UE在3G与2G网络之间漫游与切换。

4、UTRAN

UTRAN是UMTS的无线接入网，它是由两个或两个以上的RNS组成的无线接入网。

1.1.2.3．2 网络结构图及接口描述

      

WCDMA RAN体系结构图

   Uu口：用户端UE与基站NodeB的空中接口，采用无线链路，用于移动台与GSM无线接入系统之间的互通，传递的信息包括无线资源管理、移动性管理和呼叫控制管理等。

   IUB口：基站NodeB与RNC之间的接口。

   IUR口：RNC与RNC之间的接口。