《3G移動通信理論及應(yīng)用》課件第8章

第8章WCDMA關(guān)鍵技術(shù)8.1功率控制技術(shù)8.2分集和RAKE接收技術(shù)8.3多用戶檢測技術(shù)8.4切換技術(shù)8.5無線信道編碼8.6高速下行分組接入技術(shù)8.7軟件無線電

8.1功率控制技術(shù)

功率控制是WCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于遠(yuǎn)近效應(yīng)和自干擾問題,功率控制是否有效直接決定了WCDMA系統(tǒng)是否可用,并且很大程度上決定了WCDMA系統(tǒng)性能的

優(yōu)劣,對于系統(tǒng)容量、覆蓋、業(yè)務(wù)的QoS(系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量)都有重要影響。

功率控制的作用首先是提高單用戶的發(fā)射功率以改善該用戶的服務(wù)質(zhì)量,但由于遠(yuǎn)近效應(yīng)和自干擾的問題,提高單用戶發(fā)射功率會影響其他用戶的服務(wù)質(zhì)量,所以功率控制在WCDMA系統(tǒng)中呈現(xiàn)出矛盾的兩個方面。

WCDMA系統(tǒng)采用寬帶擴頻技術(shù),所有信號共享相同頻譜,每個移動臺的信號能量被分配在整個頻帶范圍內(nèi),這樣移動臺的信號能量對其他移動臺來說就成為寬帶噪聲。由于在無線電環(huán)境中存在陰影、多徑衰落和遠(yuǎn)距離損耗影響,移動臺在小區(qū)內(nèi)的位置是隨機的且經(jīng)常變動,所以信號路徑損耗變化很大。如果小區(qū)中的所有用戶均以相同的功率發(fā)射,則靠近基站的移動臺到達(dá)基站的信號強,遠(yuǎn)離基站的移動臺到達(dá)基站的信號弱。另外,由于在WCDMA系統(tǒng)中,所有小區(qū)均采用相同頻率,上行鏈路為不同用戶分配的地址碼是擾碼,且上行同步較難,很難保證完全正交。這將導(dǎo)致強信號掩蓋弱信號,即遠(yuǎn)近效應(yīng)。

因此,功率控制目的是在保證用戶要求的QoS的前提下最大程度降低發(fā)射功率,減少系統(tǒng)干擾從而增加系統(tǒng)容量。

8.2分集和RAKE接收技術(shù)

8.2.1分集技術(shù)

在通信系統(tǒng)中,由于從發(fā)射端到接收端的信號要經(jīng)過各種復(fù)雜的地理環(huán)境,以至于從發(fā)射端發(fā)出的信號經(jīng)過發(fā)射、折射、散射等多種傳播路徑后,到達(dá)接收端的信號往往是幅度和相位各不相同的多個信號的疊加,使得接收到的信號出現(xiàn)嚴(yán)重的衰落變化,以至于不能通信。為了有效地對抗信道衰落,可以采用分集技術(shù)。分集技術(shù)包括兩重含義:分散傳輸,集中處理。常用的分集方式有空間分集、頻率分集、角度分集、極化分集等。

對于發(fā)射分集,是指在基站側(cè)利用兩根被賦予不同加權(quán)系數(shù)的天線來發(fā)射同一個信號,從而使接收端增強接收效果,改善系統(tǒng)信噪比,提高數(shù)據(jù)傳輸速率。發(fā)射分集包括開環(huán)發(fā)射分集和閉環(huán)發(fā)射分集。對于WCDMA系統(tǒng)來說,使用的分集技術(shù)主要是開環(huán)發(fā)射分集、閉環(huán)發(fā)射分集、交織技術(shù)和RAKE接收技術(shù)等。對于開環(huán)發(fā)射分集,在WCDMA系統(tǒng)中使用了空分發(fā)送分集和時間切換發(fā)射分集兩種方案。它們分別利用的是空間和時間塊進(jìn)行編碼。從基站發(fā)出的信號經(jīng)過相應(yīng)的編碼方

案,到達(dá)移動臺進(jìn)行接收譯碼。其主要優(yōu)點是:基站的發(fā)射情況不需要使用移動臺的反饋作為參考,這樣可以不需要額外的信令開銷。

閉環(huán)發(fā)射分集的工作方式是,在下行鏈路中,基站周期性地發(fā)送信號,不同的移動臺將接收到的信息反饋給基站,該信息被用來計算對不同移動臺的最佳發(fā)射權(quán)重,從而改善接收效果。這種方式的特點是需要使用移動臺的反饋信息來事先了解需要傳輸信號的信道的狀況。分集技術(shù)是一項重要的抗衰落技術(shù),它可以大大提高多徑衰落信道下的傳輸可靠性。其中空間分集技術(shù)早期已成功應(yīng)用于模擬短波通信中。在移動通信中,特別是在數(shù)字移動

通信和第三代移動通信中,分集技術(shù)有了更加廣泛的應(yīng)用。無線信道是隨機時變信道,其中的衰落特性會降低通信系統(tǒng)的性能。為了對抗衰落,可以采用信道編解碼、抗衰落接收、

擴頻等多種技術(shù)。其中,分集接收技術(shù)被認(rèn)為是明顯有效而且經(jīng)濟的抗衰落技術(shù)。分集技術(shù)是研究如何充分利用傳輸中的多徑信號能量,以改善傳輸?shù)目煽啃浴Ｋ彩且豁椦芯坷眯盘柕幕緟⒘吭跁r域、頻域和空域中,如何分散開又如何收集起來的技術(shù)。為了在接收端得到幾乎相互獨立的路徑,可以通過空域、頻域和時域的不同角度、不同方法與措施予以實現(xiàn)。分集接收中,在接收端從不同的N個獨立信號支路所獲得的信號,可以通過不同形式的合并技術(shù)來獲得分集增益。如果從合并所處的位置來看:合并可以在檢測器以前,即在中頻和射頻上進(jìn)行;合并也可以在檢測器以后,即在基帶進(jìn)行。合并時采用的準(zhǔn)則與方式主要分為選擇性合并、最大比值合并和等增益合并三種。這三種方法對合并后的信噪比的改善(分集增益)各不相同,但總的來說,分集接收方法對無線信道接收效果的改善非常明顯。8.2.2RAKE接收技術(shù)

無線信號在傳輸過程中遇到障礙物阻擋反射后,接收機就會接收到多個不同時延的多徑信號。在TDMA(時分多址)系統(tǒng)中信道帶寬小于信道的平坦衰落寬度,所以采用傳統(tǒng)的

調(diào)制技術(shù)需要用均衡器來消除碼間串?dāng)_。而在WCDMA系統(tǒng)中,多徑信號的時延超過一個碼片,接收機可以分別對它們進(jìn)行解調(diào),然后分別處理合成。如果僅僅是信號的一部分受

到衰落的影響,由于在多徑信號中含有可以利用的信息,經(jīng)RAKE接收機合并多徑信號后可以改善接收信號的信噪比。作為RAKE接收機來說,一個RAKE接收機對應(yīng)一路通信,它可以同時處理空中接口上的多徑信號。每個RAKE接收機可以由多個相關(guān)器組成,在接收時接收多個路徑(finger)的信號,也就是一路通信上的多徑信號,通過解擴、解擾、時延調(diào)整之后進(jìn)行疊加,最終合并為一路,進(jìn)行基帶信號的逆處理過程。RAKE接收機所帶來的優(yōu)勢就是多徑分集,RAKE接收機配置的最大相關(guān)器數(shù)決定了基站同時能夠處理的多徑數(shù)量。一般上行鏈路可處理的多徑數(shù)最大是4個,下行鏈路最大是6個,每徑都將接收來自不同路徑的一路信號。在多徑合并時需要對不同路徑信號的時延進(jìn)行補償,通過RAKE接收機所配置的搜索窗來控制,調(diào)整搜索窗相關(guān)點的大小,根據(jù)相關(guān)點大小來估算時延。經(jīng)多徑分離處理后的信號要實現(xiàn)多徑合并。通常合并技術(shù)有三類:選擇性合并、最大比合并和等增益合并。

(1)選擇性合并:所有的接收信號送入選擇邏輯,選擇邏輯從所有接收信號中選擇具有最高基帶信噪比的基帶信號作為輸出。

(2)最大比合并:對M路信號進(jìn)行加權(quán)再進(jìn)行同相合并,其輸出信噪比等于各路信噪比之和。在各路信號都很差的情況下,即使沒有一路信號可以被單獨解調(diào)時,最大比方法仍然有可能合成出一個達(dá)到解調(diào)所需信噪比要求的信號。在所有已知的線性分集合并方法中,最大比合并的抗衰落性能是最佳的。

(3)等增益合并:在某些情況下最大比合并需要產(chǎn)生可變的加權(quán)因子,這并不方便,因而出現(xiàn)了等增益合并。這種合并方法也是把各支路信號進(jìn)行同相后再相加,只不過加權(quán)時各路的加權(quán)因子相同。接收機仍然可以利用同時接收到的各路信號,并且接收機從大量不能夠正確解調(diào)的信號中合成一個可以正確解調(diào)信號的概率仍很大。其性能比最大比合并略差,但比選擇性合并要好。 8.3多用戶檢測技術(shù)

8.3.1引言

在傳統(tǒng)的WCDMA接收機中,各個用戶的接收是相互獨立進(jìn)行的。在多徑衰落環(huán)境下,由于各個用戶之間所用的擴頻碼通常難以保持正交,因而造成多個用戶之間的相互干擾,并限制系統(tǒng)容量的提高。如果每個用戶相對于其他用戶的干擾能夠消除,那么系統(tǒng)容量會得到很大的提高并且理論上能夠消除遠(yuǎn)近效應(yīng)。解決此問題的一個有效方法是使用多用戶檢測技術(shù)(MUD)。它是引用信息論并通過嚴(yán)格的理論分析后提出的一種新型抗多址技術(shù),而且通過多用戶檢測既可以抗多址干擾,又可以抵抗遠(yuǎn)近效應(yīng)和多徑干擾。

1979年和1983年,K.S.Schneider和R.Kohno分別提出了多用戶接收(即多用戶檢測)的思想,利用其他用戶的已知信息消除多址干擾,實現(xiàn)無多址干擾的多用戶檢測,并指出了一些研究方向。這是多用戶檢測最早的報導(dǎo)。1986年,S.Verdu將多用戶檢測的理論向前推動了一大步,他提出匹配濾波器組加Viterbi譯碼的異步CDMA最佳檢測,其復(fù)雜度為2的用戶數(shù)減一次方。此后,多用戶檢測取得了很大的進(jìn)展。

對于上行鏈路的多用戶檢測技術(shù),可去除小區(qū)內(nèi)各用戶之間的干擾,而小區(qū)間的干擾由于缺乏必要的信息(比如相鄰小區(qū)的用戶情況)可以利用,是難以消除的;對于下行鏈路的多用戶檢測,可去除公共信道(如導(dǎo)頻、廣播信道等)的干擾。多用戶檢測考慮到其他用戶的信息(如用戶之間的相關(guān)特性)是已知的,充分利用CDMA用戶特征碼的內(nèi)在結(jié)構(gòu)信息改善接收系統(tǒng)的性能。比較典型的多用戶檢測算法有線性解相關(guān)算法和干擾抵消算法。線性解相關(guān)算法通過估計用戶之間的相關(guān)矩陣同時檢測多個用戶的信號;干擾抵消算法則先將干擾信號扣除掉,然后再進(jìn)行信號檢測。多用戶檢測可以提高系統(tǒng)的容量,克服遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響。8.3.2多用戶檢測的現(xiàn)狀

目前適用于WCDMA的多用戶檢測算法較少,今后多用戶檢測努力的方向是降低復(fù)雜度和針對WCDMA系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。多用戶檢測技術(shù)考慮復(fù)雜性和處理時延兩大障礙。從

處理時延考慮,數(shù)十毫秒處理時延對語音信號數(shù)據(jù)是不可接受的;從復(fù)雜性考慮,最佳檢測器的指數(shù)復(fù)雜性是不現(xiàn)實的,次最佳檢測的線性復(fù)雜度隨技術(shù)的發(fā)展可能會得到廣泛應(yīng)

用。多用戶檢測研究的另一個重要方面是堅韌性:既然任何頻率、幅度、相位和定時上的誤差都將產(chǎn)生不精確的多址干擾消除,帶來系統(tǒng)性能的惡化,多用戶檢測就必須研究方案

應(yīng)對不理想條件的堅韌性。多用戶檢測技術(shù)的局限性:多用戶檢測只是消除了本小區(qū)內(nèi)的干擾,小區(qū)間的干擾并沒有消除。鑒于多用戶檢測技術(shù)投入使用尚存在上述問題和困難,在WCDMA技術(shù)上,對

多用戶檢測技術(shù)進(jìn)行研究的工作重點是縮短處理時延,同時在增強堅韌性方面做研究。在此基礎(chǔ)上,綜合考慮WCDMA移動通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)和多用戶檢測技術(shù)實現(xiàn)的復(fù)雜度,

結(jié)合當(dāng)前微電子技術(shù)及DSP(數(shù)字信號處理)器件的發(fā)展及其未來的發(fā)展趨勢,努力找到多用戶檢測技術(shù)具體實現(xiàn)的切入點,以便能夠大幅度提高其系統(tǒng)容量的關(guān)鍵技術(shù),必將在未

來的移動通信中發(fā)揮重要作用。

8.4切換技術(shù)

就WCDMA系統(tǒng)而言,切換分成軟切換和硬切換兩大類。

WCDMA是頻分復(fù)用系統(tǒng),相鄰小區(qū)之間可以使用相同的頻率。同時,在接收端采用了分集接收技術(shù),為移動臺同時與多個基站進(jìn)行通信創(chuàng)造了條件。在這種條件下,移動臺在多個基站小區(qū)之間進(jìn)行切換時,就可以采用軟切換技術(shù)。在發(fā)生切換時,只需要改變相應(yīng)的擴頻碼,就可以有效地提高切換的通話質(zhì)量,但是它在一定程度上占用了更多的系統(tǒng)資源。

當(dāng)用戶在網(wǎng)絡(luò)中移動時,需要機動地建立和釋放無線鏈路,切換控制管理用戶的移動性。WCDMA系統(tǒng)中所使用的這種軟切換技術(shù),是FDMA和TDMA系統(tǒng)所不具備的。軟切換可以有效地提高切換的可靠性,大大減少切換過程中造成掉話的概率。同時,軟切換提供分集,從而提高了通信的質(zhì)量。 8.5無線信道編碼

雖然擴頻技術(shù)有利于克服多徑衰落以提高傳輸質(zhì)量,但擴頻系統(tǒng)存在潛在的頻率效率低的缺點,所以系統(tǒng)中必須采用信道編碼技術(shù)以進(jìn)一步改善通信質(zhì)量。此外,在信息傳輸?shù)倪^程中,由于信道內(nèi)部存在噪聲或者衰落,增加了傳輸信息的誤碼率,為了提高通信的可靠性和安全性,對可能出現(xiàn)的差錯進(jìn)行有效地控制,也同樣需要采用信道編碼技術(shù)。

目前,主要采用前向信道糾錯編碼和交織技術(shù)以進(jìn)一步克服衰落效應(yīng),編碼和交織都極大地依賴于信道特性和業(yè)務(wù)需求。不僅對于業(yè)務(wù)信道和控制信道采用不同的編碼和交織技術(shù),對于同一信道的不同業(yè)務(wù)也采用不同的編碼和交織技術(shù)。對于WCDMA系統(tǒng)來說,采用的是卷積碼和Turbo碼。卷積碼主要適用于語音和低速信令的傳送,編碼速率為1/2和1/3,譯碼比較簡單,信道的誤碼率為10-3。Turbo碼用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),譯碼采用了Log.MAP算法,有效地降低了誤碼率,可以達(dá)到10-6。

WCDMA選用的碼字是:語音和低速信令業(yè)務(wù)采用卷積碼,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用Turbo碼的編解碼技術(shù)。卷積碼的解碼方法有門限解碼、硬判決Viterbi解碼和軟判決Viterbi解碼。其中軟判決Viterbi解碼的效果最好,是通常采用的解碼方法,其與硬判決方法相比復(fù)雜度增加不多,但性能上卻優(yōu)于硬判決1.5~2dB。

8.6高速下行分組接入技術(shù)

為了很好地解決WCDMA系統(tǒng)覆蓋與容量之間的矛盾,消除干擾,提升系統(tǒng)容量,滿足用戶業(yè)務(wù)需求,在WCDMA的后續(xù)發(fā)展期間產(chǎn)生了許多新技術(shù)。其中最值得關(guān)注的就是高速下行分組接入(HighSpeedDownlinkPacketAccess,HSDPA)。HSDPA是3GPP在R5協(xié)議中為了滿足上/下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不對稱的需求而提出的一種調(diào)制解調(diào)算法,它可以在不改變已經(jīng)建設(shè)的WCDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下,把下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率提高到10Mb/s。該技術(shù)是WCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)后期提高下行容量和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率的一種重要技術(shù)。

HSDPA采用的關(guān)鍵技術(shù)是自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)和混合自動重復(fù)(HARQ)。AMC根據(jù)信道的質(zhì)量情況,選擇最合適的調(diào)制和編碼方式。HSDPA技術(shù)增加了高速下行共享信道(HSDSCH),并依靠HARQ和AMC對信道變化進(jìn)行