第3章 WCDMA關(guān)鍵技術(shù)

1、WCDMA基本原理 ISSUE1.0文檔密級(jí)課程WCDMA基本原理 (cover)ISSUE 1.0模板使用說明：(Notes Heading,F10) 1. 本模板為培訓(xùn)手冊(cè)寫作專用模板。模板中藍(lán)字字體為該段落應(yīng)選取的樣式，紅色字體為模板的使用說明。(Notes Text,F8)2. 套用該模板時(shí)，請(qǐng)按正確步驟加載模板。3. 建議直接用該模板建一個(gè)新文件來進(jìn)行寫作。寫作時(shí)一定不要?jiǎng)h除文中的分節(jié)，直接將封面、課程說明、正文、小結(jié)等幾部分內(nèi)容直接拷貝到相應(yīng)位置，并刪除該位置的示例內(nèi)容，再套用相應(yīng)的樣式。樣式說明：(Notes Heading,F10)1. 本模板中標(biāo)題號(hào)、頁碼為自動(dòng)編號(hào)，不需要修

2、改。2. 表格和圖形編號(hào)會(huì)在章內(nèi)自動(dòng)重新編號(hào)，正文中的表格和圖形編號(hào)需要手動(dòng)插入“交叉引用”。3. Notes Text為自動(dòng)編號(hào)。若不需要編號(hào)，需要手動(dòng)取消編號(hào)。(Notes Text,F8)4. 頁眉中左側(cè)的課程名稱需手動(dòng)修改；右側(cè)的章節(jié)名稱及編號(hào)由原來的“交叉引用”改為“域”，會(huì)自動(dòng)更新。設(shè)置好后就不再需要插入和更新。樣式快捷鍵樣式快捷鍵標(biāo)題1 (Heading 1)Alt+1表格題注 (Table Description)F5標(biāo)題2 (Heading 2)Alt+2表頭 (Table Heading)F6標(biāo)題3 (Heading 3)Alt+3表正文 (Table Text)F7標(biāo)題4

3、 (Heading 4)Alt+4說明內(nèi)容 (Notes Text)F8正文 (Normal)F2特別說明 (Notes Heading)F10正文項(xiàng)目 (Item List)F3圖題注 (Figure Description)F11自動(dòng)編號(hào) (Item Step)F4圖文本 (Figure Text)F12模板中樣式與快捷鍵對(duì)應(yīng)表：1. 強(qiáng)烈推薦大家使用快捷鍵，真的又快又方便。2. 請(qǐng)將該模板放到MicrosoftTemplate下，只有這樣快捷鍵才能生效。目 錄（TOC Heading）第3章 WCDMA關(guān)鍵技術(shù)13.1 通信模型13.2 信源編碼23.3 信道編碼與交織43.3.1 卷積

4、碼53.3.2 Turbo碼53.3.3 交織53.4 擴(kuò)頻與加擾63.4.1 相關(guān)性原理63.4.2 擴(kuò)頻原理73.4.3 WCDMA使用的擴(kuò)頻碼93.4.4 擾碼生成的原理113.4.5 擴(kuò)頻碼和擾碼的作用123.5 調(diào)制133.6 分集接收153.6.1 采用分集技術(shù)的原因153.6.2 常用的分集技術(shù)163.6.3 RAKE接收機(jī)173.7 快速功率控制183.8 軟切換193.9 增強(qiáng)技術(shù)193.9.1 智能天線193.9.2 多用戶檢測技術(shù)202021-8-27華為機(jī)密，未經(jīng)許可不得擴(kuò)散第ii頁, 共2頁WCDMA關(guān)鍵技術(shù)文檔密級(jí)第3章 WCDMA關(guān)鍵技術(shù)3.1 通信模型圖3-1

5、WCDMA通信模型圖3-1所示是WCDMA的基本通信模型，WCDMA的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)都基于這個(gè)框圖的處理?？驁D第一步是進(jìn)行信源編碼（語音編碼），WCDMA使用的是自適應(yīng)多速率（Adaptive Multirate,AMR）編碼技術(shù)。第二步是進(jìn)行信道編碼，交織，主要是用來抵抗無線傳播環(huán)境中的各種衰落。第三步是進(jìn)行擴(kuò)頻，加擾，這兩步是WCDMA系統(tǒng)所特有的。第四步是把信息調(diào)制到要求的頻段上發(fā)射出去。首先，了解幾個(gè)基本概念。 比特(Bit)：經(jīng)過信源編碼的含有信息的數(shù)據(jù)稱為“比特”； 符號(hào)(Symbol)：經(jīng)過信道編碼和交織后的數(shù)據(jù)稱為“符號(hào)”； 碼片 (Chip)：經(jīng)過最終擴(kuò)頻得到的數(shù)據(jù)稱為“碼片

6、”； 處理增益=擴(kuò)頻速率/比特速率：在WCDMA系統(tǒng)中，根據(jù)提供業(yè)務(wù)的不同，處理增益是可變的。低比特速率業(yè)務(wù)會(huì)比高比特速率業(yè)務(wù)得到更高的處理增益。正是處理增益賦予WCDMA系統(tǒng)抵抗自干擾的強(qiáng)大能力。但處理增益是以增加傳輸帶寬為代價(jià)的。3.2 信源編碼 圖3-2 信源編碼對(duì)于語音業(yè)務(wù)來說，信源編碼指的就是語音編碼。UMTS語音編解碼器采用自適應(yīng)多速率(AMR, Adaptive Multi-Rate)技術(shù)。多速率聲碼器是一個(gè)帶8種信源速率的集成聲碼器。這8種速率包括：12.2kbit/s,10.2 kbit/s,7.95 kbit/s,7.40 kbit/s,6.70 kbit/s,5.90 k

7、bit/s,5.15 kbit/s,4.75 kbit/s。每個(gè)話音信息由3個(gè)子流塊組成，通過改變?nèi)齻€(gè)子流塊中傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，從而改變最終話音速率。如圖3-3所示。圖3-3 AMR語音編碼結(jié)構(gòu)AMR多種語音速率與目前各種主流移動(dòng)通信系統(tǒng)使用的編碼方式兼容，有利于設(shè)計(jì)多模終端。比如，12.2 kbit/s AMR聲碼器相當(dāng)于GSM EFR編解碼器，7.40 kbit/s相當(dāng)于US-TDMA的聲碼器，6.70 kbit/s的相當(dāng)于日本的PDC聲碼器。根據(jù)用戶離基站遠(yuǎn)近，系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)整語音速率，減少切換，減少掉話。當(dāng)移動(dòng)終端離開了小區(qū)覆蓋范圍，并且已經(jīng)達(dá)到了它的最大發(fā)射功率，可以利用較低的AMR速率

8、來擴(kuò)展小區(qū)的覆蓋范圍。根據(jù)小區(qū)負(fù)荷，系統(tǒng)可以自動(dòng)降低部分用戶語音速率，節(jié)省部分功率，從而容納更多用戶。在高負(fù)荷期間，比如忙時(shí)，就有可能采用較低的AMR速率在保證略低的話音質(zhì)量的同時(shí)提供較高的容量。利用AMR聲碼器，就有可能在網(wǎng)絡(luò)容量，覆蓋以及話音質(zhì)量間按運(yùn)營商的要求進(jìn)行折衷。在一次正常的電話交談過程中，通話雙方交替說話，因此平均來看，每個(gè)方向上的傳輸只占據(jù)了50%的時(shí)間。而AMR有以下4個(gè)基本功能來有效利用這種非連續(xù)的行為： 在發(fā)送端采用話音激活監(jiān)測器（Voice Activity Detector,VAD）； 在發(fā)送端進(jìn)行背景噪聲評(píng)估來確定傳輸給收端的特征參數(shù)； 柔和的噪聲信息通過靜默描述符

9、（Silence Descriptor,SID）幀來傳送給接收端，SID幀在正常的時(shí)間間隔上發(fā)送； 接收端如果沒有收到正常的話音幀就產(chǎn)生柔和的噪聲信息。顯然，非連續(xù)傳輸（DTX）會(huì)有下面一些有益的影響：對(duì)于終端來說，可以延長電池壽命或者對(duì)于給定的使用時(shí)間，只需要更小容量的電池；從網(wǎng)絡(luò)角度來看，可以減小平均需要的比特速率，從而減小系統(tǒng)的干擾水平并提高容量。3.3 信道編碼與交織圖3-4 信道編碼與交織在數(shù)字通信中，為提高通信的可靠性而采取的編碼稱為信道編碼。數(shù)字通信要求傳輸過程中所造成的誤碼率足夠低，引起傳輸誤碼的根本原因是信道內(nèi)存在著噪聲或者衰落，為了提高通信的可靠性，就需要采用信道編碼技術(shù)，

10、對(duì)可能或者已經(jīng)出現(xiàn)的差錯(cuò)進(jìn)行控制。信道編碼按一定的規(guī)則給輸入的經(jīng)過信源編碼后的比特序列增加一些冗余的碼元，使不具有規(guī)律性的比特序列變換為具有某種規(guī)律性的比特序列。也就是說，輸入的比特序列中的各個(gè)碼元與新增加的冗余碼元之間是相關(guān)的。這種冗余度使碼字具有一定的糾錯(cuò)和檢錯(cuò)能力，提高了傳輸?shù)目煽啃?，降低了誤碼率。在接收端，信道解碼器利用預(yù)知的編碼規(guī)則來解碼，從而發(fā)現(xiàn)傳輸?shù)谋忍匦蛄惺欠裼绣e(cuò)，進(jìn)而糾正其中的差錯(cuò)。根據(jù)相關(guān)性來檢測（發(fā)現(xiàn)）和糾正傳輸過程中產(chǎn)生的差錯(cuò)就是信道編碼的基本思想。信道編碼獲得通信可靠性的代價(jià)是增加了信息冗余度，犧牲了傳輸帶寬。在WCDMA系統(tǒng)中，主要采用卷積碼和Turbo碼這兩種信道

11、編碼。不同的業(yè)務(wù)、不同的信道對(duì)于信道誤碼率和時(shí)延的要求不同，因此采用不同的信道編碼方案。一般來說，卷積碼用于誤碼率要求為10-3的業(yè)務(wù)，Turbo碼用于誤碼率要求為10-310-6的業(yè)務(wù)。若業(yè)務(wù)的時(shí)延要求相對(duì)較低，可選擇卷積碼，若業(yè)務(wù)的時(shí)延要求較高，可選擇Turbo碼。語音和低速信令采用卷積碼，數(shù)據(jù)采用Turbo碼。3.3.1 卷積碼卷積編碼器在任何一段規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的n個(gè)碼元，不僅取決于這段時(shí)間中的k個(gè)信息位，而且還取決于前N-1段時(shí)間內(nèi)的信息位。此時(shí)監(jiān)督碼元監(jiān)督著這N段時(shí)間內(nèi)的信息，這N段時(shí)間內(nèi)的碼元數(shù)目nN稱為這種碼字的約束長度。對(duì)于編碼速率為1/2的卷積編碼，每輸入一個(gè)比特至編碼器，在

12、輸出端同時(shí)得到2個(gè)比特，輸出比特速率是輸入比特速率的2倍。對(duì)于編碼速率為1/3的卷積編碼，每輸入一個(gè)比特至編碼器，在輸出端同時(shí)得到3個(gè)比特，輸出比特速率是輸入比特速率的3倍。卷積編碼的約束長度為9，也就是說，為了完成整個(gè)碼塊的編碼過程，需要在輸入的碼塊后，加上8個(gè)值為”0”的尾比特，再輸入編碼器進(jìn)行編碼。假設(shè)編碼前碼塊的比特?cái)?shù)為K，編碼后碼塊的比特?cái)?shù)為Y，采用1/2碼率的卷積編碼，Y=2K+16，采用1/3碼率的卷積編碼，Y=3K+24。3.3.2 Turbo碼Turbo編碼器是一種并行級(jí)聯(lián)卷積碼編碼器(PCCC, Parrallel Concatenated Convolutional Co

13、der)，它由兩個(gè)8狀態(tài)子編碼器和一個(gè)Turbo碼內(nèi)交織器組成，其編碼速率為1/3，輸出比特速率是輸入比特速率的3倍。Turbo編碼需要增加6個(gè)尾比特，前3個(gè)尾比特用于第一個(gè)子編碼器，后3個(gè)尾比特用于第二個(gè)子編碼器。假設(shè)編碼前碼塊的比特?cái)?shù)為K，編碼后碼塊的比特?cái)?shù)為Y，采用1/3碼率的Turbo編碼，Y=3K+12。Turbo譯碼算法的特點(diǎn)是利用兩個(gè)子譯碼器之間信息的往復(fù)迭代遞歸調(diào)用，來加強(qiáng)后驗(yàn)概率對(duì)數(shù)似然比，提高判決可靠性。Turbo碼的譯碼是一種有反饋的迭代譯碼，這也是Turbo碼命名的原因。Turbo編解碼器是一種流水線結(jié)構(gòu)，它的特點(diǎn)是兩個(gè)遞歸卷積碼子譯碼器的輸出由于交織器的存在而不具有相

14、關(guān)性，從而可以相互利用對(duì)方提供的先驗(yàn)信息，通過反復(fù)迭代而取得優(yōu)越的譯碼性能。它每次先要輸入一個(gè)數(shù)據(jù)塊，然后逐位譯出數(shù)據(jù)。在一定范圍內(nèi)，編碼塊越長，Turbo碼的編碼增益越大。3.3.3 交織信道中的噪聲或者衰落導(dǎo)致的信號(hào)誤碼一般都會(huì)影響連續(xù)的幾個(gè)比特，而上面所述的卷積碼和Turbo碼在糾正單個(gè)或者離散的誤碼的時(shí)候效果最好，對(duì)于較長時(shí)間的突發(fā)錯(cuò)誤的糾錯(cuò)能力就會(huì)比較差。為了彌補(bǔ)這個(gè)問題，就引入了交織技術(shù)。交織可以到把較長的突發(fā)錯(cuò)誤離散。交織技術(shù)是為了抵抗無線信道的噪聲以及衰落的影響而采取的時(shí)間分集技術(shù)。交織就是用某一種一一對(duì)應(yīng)的確定性方法重新排列比特序列的過程。換句話說，交織就是把一連串連續(xù)發(fā)送的

15、比特序列通過交織來變換它們的發(fā)射順序，使得相鄰比特在不同的時(shí)間發(fā)送出去，起到打亂比特之間衰落相關(guān)性的作用。它的逆過程是將交織后的序列還原回原來的順序的解交織。一種最簡單的理解方法是，可以把交織看作是一個(gè)矩陣行列轉(zhuǎn)換的過程，一個(gè)矩陣首先按行寫入，按列讀出，然后再按列寫入，按行讀出，得到的結(jié)果就是它自己，這就是交織和解交織的基本原理。交織深度越大，突發(fā)錯(cuò)誤被分散得更徹底，信道解碼器的性能會(huì)更好。但另一個(gè)方面，交織和解交織的時(shí)延也增加了。交織所帶來的好處是以時(shí)間為代價(jià)的，所以在性能的提高和交織深度之間需要有一個(gè)折衷的考慮。交織的算法有很多種，常用的有對(duì)角交織、塊交織、塊間交織和卷積交織。在WCDMA

16、系統(tǒng)中，用到了三種交織。第一種是幀間交織，也就是塊間交織；第二種是幀內(nèi)交織，屬于塊交織；第三種就是Turbo碼編碼器內(nèi)部的交織3.4 擴(kuò)頻與加擾3.4.1 相關(guān)性原理相關(guān)性用來描述的是碼字之間的相似程度的，用相關(guān)值來定量表述。假設(shè)A是兩個(gè)碼序列相同碼元的數(shù)目，D是兩個(gè)碼序列不同碼元的數(shù)目，P是碼序列的周期，即P=A+D，則計(jì)算兩個(gè)碼序列相關(guān)性的定量公式為，如圖3-5所示。 圖3-5 碼序列的相關(guān)性圖3-5的上半部分，參與計(jì)算的兩個(gè)碼序列分別是(-1, 1, -1, 1)和(-1, 1, -1, 1)，也就是說兩個(gè)碼序列是相同的。對(duì)這兩個(gè)碼序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到的結(jié)果是1，這表示兩個(gè)碼序列100

17、%相關(guān)。圖的下半部分，參與計(jì)算的兩個(gè)碼序列分別是(-1, 1, -1, 1)和(1, 1, 1, 1)，對(duì)這兩個(gè)碼序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到的結(jié)果是0，這表示兩個(gè)碼序列之間是完全正交的關(guān)系，即完全不相關(guān)。如果參與相關(guān)性運(yùn)算的是兩個(gè)不同的碼序列，那么計(jì)算得到的結(jié)果是指兩個(gè)碼序列之間的互相關(guān)性?；ハ嚓P(guān)性好指的是兩個(gè)碼序列之間的相關(guān)性運(yùn)算結(jié)果為0，也就是說兩個(gè)碼序列完全不相關(guān)。采用這樣的碼字來區(qū)分不同的物理信道，可以使得不同物理信道之間的信號(hào)互不相關(guān)，就能夠保證各個(gè)物理信道之間的多址干擾會(huì)盡可能得小。所以說互相關(guān)性決定了多址干擾的特性。自相關(guān)性用來表示碼序列和它自身延遲一定時(shí)間后的相關(guān)程度，也就是指當(dāng)一

18、個(gè)碼序列與自己當(dāng)存在一位或多位時(shí)延后的序列作相關(guān)運(yùn)算后，得到的相關(guān)性的定量表述。自相關(guān)性好，就是指當(dāng)碼序列沒有時(shí)延時(shí)，其相關(guān)性運(yùn)算結(jié)果為1（兩個(gè)相同的碼序列，相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果一定是1），在有時(shí)延時(shí)（時(shí)延大于1個(gè)碼片），其相關(guān)性運(yùn)算結(jié)果為0。現(xiàn)實(shí)的無線傳播環(huán)境是多徑環(huán)境，不同徑的信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間不同，采用自相關(guān)性好的碼字來區(qū)分不同的信源，可以保證各個(gè)徑之間的信號(hào)在存在時(shí)延的情況下互不相關(guān)，干擾較小，有利于在接收端進(jìn)行有效的合并。所以說自相關(guān)性決定了多徑干擾的特性?；ハ嚓P(guān)特性的函數(shù)表示為V()=。自相關(guān)特性的函數(shù)表示為R()=。公式中，x1和x2分別是兩個(gè)碼序列，t是時(shí)間，是時(shí)間偏置。在WCDM

19、A系統(tǒng)中，采用OVSF（正交可變擴(kuò)頻因子，Orthogonal Variable Spreading Factor）碼作為擴(kuò)頻碼，采用Gold序列作為擾碼。OVSF碼的互相關(guān)性好，但自相關(guān)性不是很好，而Gold序列的自相關(guān)性比較好，通過擴(kuò)頻后的加擾操作，就能夠滿足自相關(guān)性的要求，這樣就同時(shí)滿足了對(duì)抗多址干擾和多徑干擾的要求。3.4.2 擴(kuò)頻原理圖3-6 擴(kuò)頻擴(kuò)頻又叫做信道化操作，用一個(gè)高速數(shù)字序列與數(shù)字信號(hào)相乘，把一個(gè)一個(gè)的數(shù)據(jù)符號(hào)轉(zhuǎn)換為一系列碼片，大大提高了數(shù)字符號(hào)的速率，增加了信號(hào)帶寬。在接收端，用相同的高速數(shù)字序列與接收符號(hào)相乘，進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，將擴(kuò)頻符號(hào)解擴(kuò)。用來轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的數(shù)字序列符號(hào)叫

20、做信道化碼，在WCDMA中采用OVSF碼作為信道化碼。圖3-7 CDMA中的擴(kuò)頻與解擴(kuò)假定用戶數(shù)據(jù)是二進(jìn)制移相鍵控（BPSK）調(diào)制的速率為R的比特序列，用戶數(shù)據(jù)比特取值為+1或者-1。在圖3-7這個(gè)例子中，擴(kuò)頻操作就是將每一個(gè)用戶數(shù)據(jù)比特與一個(gè)8個(gè)比特的碼序列相乘?？梢钥闯觯詈蟮玫降臄U(kuò)展后的數(shù)據(jù)速率為8R。這種情況下，我們說其擴(kuò)頻因子為8。擴(kuò)頻后得到的寬帶信號(hào)將通過無線信道傳送到接收端。在解擴(kuò)時(shí)，把擴(kuò)展的用戶碼片序列與擴(kuò)頻這些比特時(shí)所用的相同的8bit的碼片序列逐位相乘，只要我們能在擴(kuò)展后的用戶信號(hào)和擴(kuò)頻碼（解擴(kuò)碼）之間取得很好的同步，就能很好地恢復(fù)出原始的用戶比特序列。在這個(gè)過程中，傳信速

21、率增加8倍，相當(dāng)于擴(kuò)展的用戶數(shù)據(jù)信號(hào)的占有帶寬擴(kuò)展了8倍。因此，CDMA系統(tǒng)被稱為擴(kuò)頻系統(tǒng)。解擴(kuò)將信號(hào)帶寬按比例地恢復(fù)到R值。圖3-8 CDMA相干接收機(jī)的原理圖3-8表示的是CDMA 相關(guān)接收機(jī)的基本工作原理。圖的上半部分表示本接收機(jī)希望接收到的信號(hào)。相關(guān)接收機(jī)對(duì)每個(gè)用戶比特的解擴(kuò)操作后的乘積（數(shù)據(jù)*解擴(kuò)碼）進(jìn)行積分（即求和）。圖的下半部分是對(duì)使用不同擴(kuò)頻碼的另外一個(gè)用戶信號(hào)進(jìn)行與上半部分相同的解擴(kuò)操作后的效果。將另一個(gè)用戶的信號(hào)（實(shí)際是第一個(gè)用戶的干擾信號(hào)）與第一個(gè)用戶的解擴(kuò)碼乘積進(jìn)行積分，最后得到均值為0的干擾。擴(kuò)頻優(yōu)點(diǎn)有： 抗干擾能力強(qiáng)：處理增益越大，抗干擾能力越強(qiáng)。 保密性強(qiáng)：擴(kuò)頻后

22、其頻譜均為近似白噪聲，因此具有良好的保密性。3.4.3 WCDMA使用的擴(kuò)頻碼WCDMA使用的擴(kuò)頻碼是OVSF碼，全稱為正交可變擴(kuò)頻因子碼，在WCDMA系統(tǒng)中又稱信道化碼，主要用于物理信道的信道化操作，對(duì)物理信道比特進(jìn)行擴(kuò)頻，以保證不同物理信道之間的正交性。OVSF碼可以用以下的碼樹生成。圖3-9 OVSF碼的生成 信道化碼被定義為Cch,SF,k，其中SF是碼的擴(kuò)頻因子，K是碼的序號(hào)，K的取值范圍是0KSF-1,碼樹的每一級(jí)定義了長度為SF的信道化碼，對(duì)應(yīng)于擴(kuò)頻因子SF。例如Cch,4,3，定義了擴(kuò)頻因子為4的第4個(gè)碼子。每個(gè)碼字直接派生出兩個(gè)碼，這兩個(gè)碼叫做延長碼；每個(gè)碼又是由其他碼生成的

23、，生成它的碼叫做前置碼。第一個(gè)延長碼派生的原則是對(duì)它的前置碼重復(fù)兩次，第二個(gè)延長碼派生的原則是首先重復(fù)其前置碼，然后再加上對(duì)其前置碼的反轉(zhuǎn)。例如，對(duì)于Cch,2,1，它的延長碼是Cch,4,2和Cch,4,3，它的前置碼是Cch,1,0。每個(gè)碼字與它的非前置碼，非延長碼都是正交的，而與它的前置碼，延長碼都不正交。我們?cè)诖a樹上選則所使用的碼字時(shí)，盡量選擇正交碼子。因此在分配OVSF碼時(shí)，一個(gè)碼字若是被分配了，那么其前置碼和延長碼就均不能再被分配了。不同的業(yè)務(wù)使用不同的擴(kuò)頻因子，最終碼片速率都達(dá)到3.84Mchip/s。圖3-10列出了在WCDMA系統(tǒng)中，各個(gè)常用業(yè)務(wù)所采用的擴(kuò)頻因子。圖3-10

24、WCDMA典型業(yè)務(wù)所使用的擴(kuò)頻因子3.4.4 擾碼生成的原理圖3-11 加擾為了實(shí)現(xiàn)碼分多址，信號(hào)之間必須正交或者基本正交，這樣，在信號(hào)傳輸?shù)倪^程中各個(gè)信號(hào)之間才不容易產(chǎn)生相互的干擾，以利于有效的接收。隨機(jī)序列就是很好的用來傳輸信號(hào)的碼。后面在表述擾碼序列的時(shí)候，使用”0”和”1”來描述碼序列的組成，在WCDMA系統(tǒng)中，這里的”0”就代表”1”，”1”就代表”-1”?！?”和”1”構(gòu)成的碼序列的模2加，與”1”和”-1”構(gòu)成的碼序列的相乘，兩者是等效的。隨機(jī)序列（貝努利序列）的特點(diǎn)是序列中”0”和”1”的個(gè)數(shù)各占一半，連續(xù)出現(xiàn)”1”或者”0”的個(gè)數(shù)的概率，連續(xù)1個(gè)為1/2，連續(xù)2個(gè)為1/4，連

25、續(xù)3個(gè)為1/8， 隨機(jī)序列具有很好的自相關(guān)性。但是如果使用完全隨機(jī)的序列對(duì)信號(hào)進(jìn)行加擾，在接收端是無法恢復(fù)出原始的信號(hào)的，因此需要采用偽隨機(jī)序列，也稱為PN(Pseudo-Noise)序列。m序列就是一類重要的偽隨機(jī)序列，它是“最長線性移位寄存器序列”的簡稱。m序列是由帶反饋的線性移位寄存器生成的，周期P=2n-1，n為移位寄存器的數(shù)目。m序列符合隨機(jī)序列的特性，其自相關(guān)函數(shù)是：當(dāng)mod P = 0時(shí)，R()=1；當(dāng)mod P 0時(shí)，R()=-1/P。從這里可以看出，周期P越大，且不是P的整數(shù)倍時(shí)，m序列的自相關(guān)性越好，自相關(guān)函數(shù)具有二值特性。但是m序列的缺點(diǎn)是數(shù)量比較少，n級(jí)移位寄存器能夠產(chǎn)

26、生的m序列的個(gè)數(shù)由下式?jīng)Q定：N=(2n-1)/n，其中(x)為歐拉函數(shù)，其值為小于x并與x互質(zhì)的正整數(shù)的個(gè)數(shù)（包括1在內(nèi)）。例如，對(duì)于4級(jí)移位寄存器，小于24-1=15并與15互質(zhì)的正整數(shù)為1、2、4、7、8、11、13、14，共8個(gè)，所以(15)=8，N=8/4=2，所以4級(jí)移位寄存器最多能夠產(chǎn)生2個(gè)m序列。另外，在使用時(shí)，m序列采用不同的“節(jié)拍”也就是相位來進(jìn)行區(qū)分，因此對(duì)于同步的要求很高。圖3-12列舉了一個(gè)簡單的移位寄存器，來說明m序列的生成原理。這是一個(gè)4級(jí)移位寄存器，生成的m序列的周期P是15。圖3-12 m序列的生成m序列的互相關(guān)函數(shù)是一個(gè)多值函數(shù)，有些m序列之間的互相關(guān)函數(shù)特性

27、比較好，而另一些m序列之間的互相關(guān)函數(shù)特性則會(huì)比較差，我們把2個(gè)互相關(guān)函數(shù)特性比較好的m序列稱為優(yōu)選對(duì)。由于m序列的個(gè)數(shù)比較少，且m序列之間的互相關(guān)函數(shù)是多值的，并不理想，因此在實(shí)際使用當(dāng)中，我們采用Gold序列作為擾碼。Gold序列就是由兩個(gè)長度相同的m序列優(yōu)選對(duì)模2相加而成，具有良好的自相關(guān)性和互相關(guān)性，能夠有效地降低多徑干擾和多址干擾。Gold序列的自相關(guān)特性沒有m序列好。但是Gold序列的數(shù)量相對(duì)m序列來說非常多，對(duì)于生成m序列的n級(jí)移位寄存器，能夠產(chǎn)生的m序列有(2n-1)/n個(gè)，但是對(duì)于Gold序列來說，由于2個(gè)m序列優(yōu)選對(duì)的不同移位相加產(chǎn)生的新序列都是Gold序列，而n級(jí)m序列總

28、共有2n-1個(gè)不同的相位位移，加上原來的2個(gè)m序列本身，共有2n+1個(gè)不同的Gold序列。3.4.5 擴(kuò)頻碼和擾碼的作用WCDMA系統(tǒng)中采用擴(kuò)頻碼即OVSF碼進(jìn)行擴(kuò)頻，采用擾碼即Gold序列進(jìn)行加擾。擴(kuò)頻操作將輸入的每一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)轉(zhuǎn)換為若干個(gè)碼片，擴(kuò)頻前后信號(hào)的傳輸速率增加了，無論輸入的符號(hào)的傳輸速率是多少，擴(kuò)頻后的碼片速率就是3.84Mcps。加擾在擴(kuò)頻之后，它不會(huì)改變信號(hào)的傳輸速率和帶寬，加擾的輸入和輸出都稱為碼片，速率為3.84Mcps。擴(kuò)頻碼和擾碼的作用是不同的，下表列出了兩者在上下行的不同作用。擴(kuò)頻碼擾碼上行區(qū)分來自同一個(gè)UE的專用物理數(shù)據(jù)信道(DPDCH)和專用物理控制信道(DPC

29、CH)區(qū)分不同的UE下行區(qū)分小區(qū)內(nèi)不同UE的下行物理信道區(qū)分不同的小區(qū)簡單地說，擾碼用來區(qū)分不同的信源，而擴(kuò)頻碼用來區(qū)分來自同一個(gè)信源的不同物理信道。3.5 調(diào)制圖3-13 調(diào)制調(diào)制的目的是為了使傳送信息的基帶信號(hào)搬移到相應(yīng)頻段的信道上進(jìn)行傳輸，以解決信源信號(hào)與客觀信道特性相匹配的問題。調(diào)制在實(shí)現(xiàn)時(shí)分為兩個(gè)步驟：首先是將含有信息的基帶信號(hào)調(diào)制至某一載波上，再通過上變頻搬移至適合某信道傳輸?shù)纳漕l段。在WCDMA 的R99、R4版本中，使用的調(diào)制方式是QPSK（四進(jìn)制移相鍵控，Quadrature Phase Shift Keying）。在WCDMA 的R5版本中HSDPA使用的調(diào)制方式是16QA

30、M（正交幅度調(diào)制，Quadrature Amplitude Modulation）。不同的調(diào)制方式單相位所攜帶的比特信息不同，因此空中接口提供傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的能力也就不同。 2PSK（BPSK）定義了2個(gè)相位，每個(gè)相位需要1個(gè)比特來表示。例如，0用”0”表示，180用”1”表示。 4PSK（QPSK）定義了4個(gè)相位，每個(gè)相位需要2個(gè)比特來表示。例如，0用”00”表示，90用”01”表示，180用”10”表示，270用”11”表示。當(dāng)然也可以把相位整體旋轉(zhuǎn)45，如圖3-14所示。圖3-14 QPSK 8PSK（EDGE采用）定義了8個(gè)相位，每個(gè)相位由3個(gè)比特來表示。例如，0用”000”表示，45用

31、”001”表示，90用”010”表示，135用”011”表示，180用”100”表示，225用”101”表示，270用”110”表示，315用”111”表示。 16QAM用相位和幅度一起來表示比特信息。如圖3-15，每個(gè)點(diǎn)由4個(gè)比特表示，用幅度加相位來表示一個(gè)點(diǎn)。16QAM這種調(diào)制方式攜帶了更多的比特信息，因此空中接口提供更強(qiáng)傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的能力。圖3-15 16QAM3.6 分集接收3.6.1 采用分集技術(shù)的原因無線信道是隨機(jī)時(shí)變信道，信號(hào)在無線信道中傳播，會(huì)經(jīng)歷各種衰落。有路徑損耗，慢衰落損耗，快衰落損耗。路徑損耗是指在空間傳播所產(chǎn)生的損耗，它描述了由于移動(dòng)用戶與基站之間相對(duì)距離產(chǎn)生變化而引

32、起的傳播損耗的變化，主要與無線電波頻率以及移動(dòng)用戶與基站之間的距離有關(guān)。慢衰落損耗是由于在電波傳播路徑上受到建筑物及山丘等的阻擋所產(chǎn)生的陰影效應(yīng)而產(chǎn)生的損耗。它反映了中等范圍內(nèi)數(shù)百波長量級(jí)接收電平的均值變化而產(chǎn)生的損耗，一般遵從對(duì)數(shù)正態(tài)分布?？焖ヂ鋼p耗是由于多徑傳播而產(chǎn)生的損耗，它反映微觀小范圍內(nèi)數(shù)十波長量級(jí)接收電平的均值變化而產(chǎn)生的損耗，一般遵從瑞利分布或萊斯分布?？焖ヂ溆挚煞譃橐韵氯悾嚎臻g選擇性衰落，頻率選擇性衰落和時(shí)間選擇性衰落。這些衰落會(huì)降低通信系統(tǒng)的性能，為了對(duì)抗衰落，可以采用多種措施，比如信道編解碼技術(shù)，抗衰落發(fā)射/接收技術(shù)、快速功率控制或者擴(kuò)頻技術(shù)。分集接收技術(shù)被認(rèn)為是明顯有效

33、而且經(jīng)濟(jì)的抗衰落技術(shù)。我們知道，無線信道中接收的信號(hào)是到達(dá)接收機(jī)的多徑分量的合成。如果在接收端同時(shí)獲得幾個(gè)不同路徑的信號(hào)，將這些信號(hào)適當(dāng)合并成總的接收信號(hào)，就能夠大大減少衰落的影響。這就是分集的基本思路。分集的字面含義就是分散得到幾個(gè)合成信號(hào)并集中這些信號(hào)。只要幾個(gè)信號(hào)之間是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，那么經(jīng)適當(dāng)合并后就能使系統(tǒng)性能大為改善。3.6.2 常用的分集技術(shù)互相獨(dú)立或者基本獨(dú)立的一些接收信號(hào)，一般可以利用不同路徑或者不同頻率、不同角度、不同極化等接收手段來獲?。?空間分集：在接收端采用兩根接收天線，接收天線之間要求有足夠的間距（一般水平間距要求在10個(gè)信號(hào)波長以上），以保證各天線上接收的信號(hào)基本相互

34、獨(dú)立，從而增加了接收機(jī)獲得的獨(dú)立接收路徑，取得了合并增益。 極化分集：在接收端安裝雙極化天線，就可以利用兩路衰落特性不相關(guān)的信號(hào)進(jìn)行極化分集。 時(shí)間分集：是利用不同時(shí)間上傳播的信號(hào)的不相關(guān)性進(jìn)行合并。 頻率分集：用多個(gè)不同的載頻傳送同樣的信息，如果各載頻的頻差間隔比較遠(yuǎn)，其頻差超過信道相關(guān)帶寬，則各載頻傳輸?shù)男盘?hào)也相互不相關(guān)。頻率分集與空間分集相比，其優(yōu)點(diǎn)是減少了接收天線與相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目，缺點(diǎn)是占用更多的頻率資源，并且在發(fā)送端有可能需要多部發(fā)射機(jī)。WCDMA系統(tǒng)本身就是寬帶系統(tǒng)，就具有頻率分集作用。分集信號(hào)的合并可以采用不同的方法： 選擇合并：從幾個(gè)分散信號(hào)中選取信噪比最好的一個(gè)作為接收信號(hào)。

35、 等增益合并：將幾個(gè)分散信號(hào)以相同的支路增益進(jìn)行直接相加，相加后的信號(hào)作為接收信號(hào)。 最大比合并：控制各合并支路增益，使它們分別與本支路的信噪比成正比，然后再相加獲得接收信號(hào)。上面方法對(duì)合并后的信噪比的改善（分集增益）各不相同，但總的說來，分集接收方法對(duì)無線信道接收效果的改善是非常明顯的。圖3-16 不同合并方式效果圖圖3-16給出了不同合并方法的接收效果改善情況，可以看出當(dāng)分集數(shù)k較大時(shí)，選擇合并的改善效果比較差，而等增益合并和最大比合并的效果相差不大。我們可以采用發(fā)射分集來提高用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅埽Ｒ姷陌l(fā)射分集有開環(huán)發(fā)射分集和閉環(huán)發(fā)射分集，網(wǎng)絡(luò)端對(duì)此沒有強(qiáng)行規(guī)定，而終端必須支持。開環(huán)發(fā)射分

36、集包括 STTD（空間時(shí)間塊編碼的發(fā)射天線分集）和TSTD（時(shí)間切換發(fā)射分集）。閉環(huán)發(fā)射分集使用兩副天線發(fā)送用戶信息，這兩副天線發(fā)射的信號(hào)需要根據(jù)UE反饋的信息來進(jìn)行調(diào)整。具體有兩種工作模式：模式1只調(diào)整相位信息，模式2既調(diào)整相位信息，又調(diào)整幅度信息。3.6.3 RAKE接收機(jī)在多徑信號(hào)中含有可以利用的信息，所以CDMA接收機(jī)可以通過合并多徑信號(hào)來改善接收信號(hào)的信噪比。其實(shí)RAKE接收機(jī)所作的就是：通過多個(gè)相關(guān)檢測器接收多徑信號(hào)中的各路信號(hào)，并把它們合并在一起。RAKE接收機(jī)是專為CDMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)典的分集接收器，其理論基礎(chǔ)就是：當(dāng)傳播時(shí)延超過一個(gè)碼片周期時(shí)，多徑信號(hào)實(shí)際上可被看作是互不相關(guān)

37、的。圖3-17 RAKE接收機(jī)圖3-17是一個(gè)包含3個(gè)指峰Rake接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖。每個(gè)指峰輸入的數(shù)字化信號(hào)在Rake接收機(jī)經(jīng)過一系列的處理。首先，每一徑信號(hào)分別進(jìn)行解擴(kuò)，積分處理，得到用戶數(shù)據(jù)符號(hào)。然后進(jìn)行相位調(diào)整。最后進(jìn)行延遲補(bǔ)償。每一個(gè)指峰中的信號(hào)經(jīng)過相位的偏轉(zhuǎn)和延遲補(bǔ)償兩步調(diào)整后，到達(dá)信號(hào)合成器，在這里進(jìn)行最大比合并，然后輸出最終的合并信號(hào)，由此提供了抵抗快衰落的多徑分集。Rake接收機(jī)實(shí)現(xiàn)了多徑分集接收，能夠很好的抵抗快衰落。多徑分集的徑數(shù)越多，抵抗衰落的效果越好，如圖3-18所示。圖3-18 多徑分集接收效果3.7 快速功率控制快速、準(zhǔn)確的功率控制是保證WCDMA系統(tǒng)性能的基本要求，

38、尤其是在上行鏈路中，如果沒有它，就會(huì)由于遠(yuǎn)近效應(yīng)導(dǎo)致超功率發(fā)射的移動(dòng)臺(tái)阻塞整個(gè)小區(qū)的通信。WCDMA中采用的功率控制方案有開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制，開環(huán)功率控制主要用于UE的初始接入。閉環(huán)功率控制主要用于UE進(jìn)行業(yè)務(wù)的過程中。閉環(huán)功率控制又分為內(nèi)環(huán)功率控制和外環(huán)功率控制。內(nèi)環(huán)功率控制就是快速功率控制，是WCDMA所特有的一種技術(shù)。下面以上行內(nèi)環(huán)功率控制過程來說明內(nèi)環(huán)功率控制的原理。上行內(nèi)環(huán)功率控制是在上行鏈路中，基站頻繁估計(jì)接收到的信干比（SIR）值，并把它同目標(biāo)SIR值比較。如果測得的SIR高于目標(biāo)SIR，基站就命令移動(dòng)臺(tái)降低功率；如果測得的SIR要比目標(biāo)SIR值低，基站就命令移動(dòng)臺(tái)提高功

39、率。對(duì)每一個(gè)移動(dòng)臺(tái)，這個(gè)“測量-指示-反應(yīng)”循環(huán)的周期為1500次/秒，比任何明顯的路徑損耗變化都要快，甚至比以低速到中速運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生的快衰落速度還快。因此，快速內(nèi)環(huán)功率控制是一種很好的抵抗衰落的技術(shù)。3.8 軟切換 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，當(dāng)處于連接狀態(tài)的移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)小區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)小區(qū)時(shí)，為了使通信不中斷，網(wǎng)絡(luò)側(cè)通常會(huì)啟動(dòng)切換過程來保證移動(dòng)臺(tái)的業(yè)務(wù)傳輸。根據(jù)切換發(fā)生時(shí)移動(dòng)臺(tái)與原基站和目標(biāo)基站連接的不同，切換可分為硬切換，軟切換和更軟切換等幾種。硬切換采用先斷后連的方式，先切斷移動(dòng)臺(tái)與原小區(qū)之間的通信信道，再接通與目的小區(qū)之間的通信信道。移動(dòng)臺(tái)在硬切換過程中的任何時(shí)刻都只與一個(gè)小區(qū)有業(yè)務(wù)信道通信。因此，在通話過程中會(huì)產(chǎn)生“縫隙”，容易掉話。軟切換是CDMA系統(tǒng)所特有的。它采用了先連后斷的方式，先接通移動(dòng)臺(tái)與目的小區(qū)之間的通信信道，再斷開