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1、目 錄 1.1 概述 2 1.2 WCDMA原理和關(guān)鍵技術(shù) 2 1.2.1 移動(dòng)通信系統(tǒng)中的多址方式 2 1.2.2 WCDMA主要參數(shù)匯總 4 1.2.3 擴(kuò)頻和解擴(kuò) 5 1.2.4 多徑無線信道和Rake接收技術(shù) 8 1.2.5 分集接收原理 12 1.2.6 信道編碼 14 1. 卷積碼 16 2. Turbo碼 17 1.2.7 多用戶檢測技術(shù) 19 1.2.8 功率控制 22 1.2.9 軟切換和更軟切換 24 1.3 WCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 26 1.3.1 WCDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 26 1.3.2 UTRAN地面接口協(xié)議結(jié)構(gòu) 29 1. UTRAN協(xié)

2、議模型簡介 29 2. Iub接口 30 3. Iur接口 32 4. Iu接口 35 第一章 WCDMA系統(tǒng)入門 1.1 概述 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)最早由國際電信聯(lián)盟（ITU） 于1985年提出，主要體制有WCDMA、cdma2000和UWC-136。1999年11月5日，國際電聯(lián)ITU-R TG8/1第18次會(huì)議通過了“IMT-2000無線接口技術(shù)規(guī)范”建議。“IMT-2000無線接口技術(shù)規(guī)范”建議的通過表明TG8/1制定第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)無線接口技術(shù)規(guī)范方面的工作已經(jīng)基本完成，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用將進(jìn)入實(shí)質(zhì)階段。 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)是一種能提供多種類型、高質(zhì)

3、量的多媒體業(yè)務(wù)，能實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋，具有全球漫游能力， 與固定網(wǎng)絡(luò)相兼容，并以小型便攜式終端在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)進(jìn)行任何種類的通信系統(tǒng)。由于其諸多優(yōu)點(diǎn)，全世界各個(gè)運(yùn)營商、生產(chǎn)廠家與廣大用戶對(duì)此產(chǎn)生濃厚的興趣。 本章在介紹WCDMA系統(tǒng)的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，簡單介紹WCDMA系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和無線接口技術(shù)，并對(duì)WCDMA系統(tǒng)的物理層過程進(jìn)行了深入討論，最后簡單分析了WCDMA系統(tǒng)中衡量鏈路性能的相關(guān)參數(shù)和指標(biāo)。 1.2 WCDMA原理和關(guān)鍵技術(shù) CDMA是近年來用于數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信的一種先進(jìn)的無線擴(kuò)頻通信技術(shù)。它能滿足近年來運(yùn)營商對(duì)大容量、高性價(jià)比、高效的移動(dòng)通信的需要。在陸地蜂

4、窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中引進(jìn)碼分多址技術(shù)的目的是為了緩解有限頻帶與無限用戶需求之間的矛盾。為了更好地了解碼分多址技術(shù)，在對(duì)碼分多址技術(shù)進(jìn)行分析之前先簡單介紹一下多址通信的概念。 1.2.1 移動(dòng)通信系統(tǒng)中的多址方式 蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)很久以來就采用技術(shù)高度復(fù)雜的頻譜復(fù)用方式。為了使信號(hào)僅在要求通信的兩者之間傳輸而不影響其他用戶，就必須選用適當(dāng)?shù)奶炀€和多址方式。 空間濾波采用的是定向天線陣，以增強(qiáng)需要方向上的信號(hào)和減輕干擾方向的信號(hào)?，F(xiàn)在主要的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)都利用了扇形分區(qū)來減少相鄰蜂窩共用信道造成的干擾。 至于多址方式，現(xiàn)在用到的主要有三種：FDMA、TDMA和CDMA。其中，F(xiàn)DMA被最

5、早采用，而CDMA則是剛剛被用到蜂窩移動(dòng)通信中。下面分別簡單介紹一下FDMA、TDMA和CDMA： FDMA FDMA是頻分多址的英文縮寫，當(dāng)前應(yīng)用這種多址方式的主要蜂窩系統(tǒng)有北美的AMPS和英國的TACS。所謂FDMA，就是在頻域中一個(gè)相對(duì)窄帶信道里，信道功率被集中起來傳輸，不同信號(hào)被分配到不同頻率的信道里，發(fā)往和來自鄰近信道的干擾用帶通濾波器限制，這樣在規(guī)定的窄帶里只能通過有用信號(hào)的能量，而任何其它頻率的信號(hào)被排斥在外。模擬的FM蜂窩系統(tǒng)都采用了FDMA。 TDMA TDMA是時(shí)分多址的英文縮寫，當(dāng)前應(yīng)用這種多址方式的主要蜂窩系統(tǒng)有北美的DAMPS和歐洲的GSM。所謂TDMA，就是

6、一個(gè)信道由一連串周期性的時(shí)隙構(gòu)成。不同信號(hào)的能量被分配到不同的時(shí)隙里，利用定時(shí)選通來限制鄰近信道的干擾，從而只讓在規(guī)定時(shí)隙中有用的信號(hào)能量通過?，F(xiàn)在使用的TDMA蜂窩系統(tǒng)實(shí)際上都是FDMA和TDMA的組合，如GSM就是先使用了200KHz的頻分信道，然后再把每個(gè)頻分信道分成8個(gè)時(shí)隙進(jìn)行TDMA傳輸。 CDMA CDMA是碼分多址的英文縮寫，當(dāng)前應(yīng)用這種多址方式的主要蜂窩系統(tǒng)有北美的QCDMA和歐洲愛立信的BCDMA。所謂CDMA就是每一個(gè)信號(hào)被分配一個(gè)偽隨機(jī)二進(jìn)制序列進(jìn)行擴(kuò)頻,不同信號(hào)的能量被分配到不同的偽隨機(jī)序列里。在接收機(jī)里，信號(hào)用相關(guān)器加以分離，這種相關(guān)器只接收選定的二進(jìn)制序列并壓縮

7、其頻譜，凡不符合該用戶二進(jìn)制序列的信號(hào)就不被壓縮帶寬，結(jié)果只有有用信號(hào)的信息才被識(shí)別和提取出來。 圖1-2-1 FDMA、TDMA和CDMA在頻域和時(shí)域的顯示 1.2.2 WCDMA主要參數(shù)匯總 本節(jié)給出了 WCDMA的主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)并對(duì)其中的大多數(shù)參數(shù)進(jìn)行了簡要介紹。Error! Reference source not found.總結(jié)了有關(guān)WCDMA空中接口的主要參數(shù)。隨后我們將重點(diǎn)解釋一些標(biāo)志W(wǎng)CDMA特征的項(xiàng)。 表1-2-1 WCDMA的主要參數(shù) 多址接入方式 DS-CDMA 雙工方式 頻分雙工/時(shí)分雙工 基站同步 異步方式 碼片速率 3.84Mcp

8、s 幀長 10ms 業(yè)務(wù)復(fù)用 有不同服務(wù)質(zhì)量要求的業(yè)務(wù)復(fù)用到一個(gè)連接中 多速率概念 可變的擴(kuò)頻因子和多碼 檢測 使用導(dǎo)頻符號(hào)或公共導(dǎo)頻進(jìn)行相關(guān)檢測 多用戶檢測，智能天線 標(biāo)準(zhǔn)支持，應(yīng)用時(shí)可選 WCDMA是一個(gè)寬帶直擴(kuò)碼分多址（DS-CDMA）系統(tǒng)，即將用戶數(shù)據(jù)同由CDMA擴(kuò)頻得來的偽隨機(jī)比特（稱為碼片）相乘從而把用戶信息比特?cái)U(kuò)展到很寬的帶寬上去。為支持高的比特速率（最高可達(dá)2Mbps），還須具備擴(kuò)頻因子可變和多碼連接的功能。圖1-2-2給出了這樣的一個(gè)例子。 3.84Mcps的碼片速率導(dǎo)致了大約為5MHz的載波帶寬。帶寬約為1MHz的SD-CDMA，例如IS-95，通常

9、稱為窄帶CDMA系統(tǒng)。WCDMA所固有的寬載波帶寬使其能夠支持更高的比特率和并因此帶來某些性能方面的好處，例如多徑分集的增加。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以遵照其運(yùn)營執(zhí)照，使用多個(gè)這樣的5MHz載波來增加容量，有可能是以分層小區(qū)的形式。實(shí)際的載波間距應(yīng)根據(jù)載波間的干擾情況以200KHz為一個(gè)基本單位在4.4MHz和5MHz之間選擇。 WCDMA支持各種不同的用戶數(shù)據(jù)速率，換句話說就是它能很好地支持不同帶寬的需求（BoD）。給每個(gè)用戶都分配一些10ms的幀，在每個(gè)10ms期間用戶數(shù)據(jù)速率是恒定的。然而從一幀到另一幀，用戶數(shù)據(jù)容量是可變得。圖1-2-2同樣也示出了這點(diǎn)。這種快速的無線容量分配一般是由網(wǎng)絡(luò)來控制以

10、期達(dá)到最優(yōu)的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)吞吐量。 WCDMA支持兩種基本的運(yùn)行模式：頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）。在FDD模式下，上行鏈路和下行鏈路分別使用兩個(gè)獨(dú)立的5MHz的載波，在TDD模式下只使用一個(gè)5MH載波，這個(gè)載波在上下行鏈路之間分時(shí)共享。TDD模式在很大程度上是基于FDD模式的概念和思想的，加入它是為了彌補(bǔ)WCDMA系統(tǒng)的不足，也是為了能夠使用ITU為IMT-2000分配的那些不成對(duì)頻譜。 圖1-2-3 時(shí)間－頻率－碼空間中的WCDMA的帶寬分配 WCDMA支持異步基站操作，這樣，就不用像同步的IS-95系統(tǒng)那樣需要使用一個(gè)全局的時(shí)間參考量，比如GPS。因?yàn)椴恍枰邮誈PS，

11、開發(fā)室內(nèi)小區(qū)和微小區(qū)的應(yīng)用就變得簡單了。 WCDMA在上行鏈路和下行鏈路中采用基于導(dǎo)頻符號(hào)或公共導(dǎo)頻的相干檢測。IS-95中在下行鏈路中使用了相干檢測，但是WCDMA在上行鏈路中也使用了相干檢測，這將使上行鏈路的覆蓋范圍和容量都有所增加。 所制定的WCDMA空中接口中包括一些先進(jìn)的CDMA接收機(jī)理念，例如多用戶檢測和自適應(yīng)智能天線，運(yùn)營商可以開發(fā)和使用這些功能作為提高系統(tǒng)容量或覆蓋范圍的選擇方案。在大多數(shù)第二代系統(tǒng)中，并沒有提供這些先進(jìn)的接收機(jī)理念，結(jié)果，他們要么是根本不可能應(yīng)用，要么就是只能在一些苛刻的條件下才能應(yīng)用，而且所獲得的性能提高很有限。 WCDMA能與GSM協(xié)同工作。因此，為

12、了能夠引入WCDMA后彌補(bǔ)WCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期的覆蓋范圍的不足，就必須支持WCDMA與GSM系統(tǒng)間的切換。 1.2.3 擴(kuò)頻和解擴(kuò) 下圖示出了一個(gè)DS-CDMA系統(tǒng)中擴(kuò)頻和解擴(kuò)的基本操作。 圖1-2-4 DS－CDMA中的擴(kuò)頻和解擴(kuò) 這里的用戶數(shù)據(jù)是采用BPSK調(diào)制的比特序列，其速率為R，用戶數(shù)據(jù)比特取+1的值。在本例中，擴(kuò)頻就是將每一個(gè)用戶數(shù)據(jù)比特與一個(gè)8個(gè)比特的碼序列（稱為碼片）相乘。我們假定對(duì)BPSK擴(kuò)頻調(diào)制也是如此?？梢钥闯觯詈蟮玫降臄U(kuò)展后的數(shù)據(jù)速率為8×R并且與擴(kuò)頻碼有相同的隨機(jī)（具有偽隨機(jī)噪聲的特征）特性。在這種情況下，我們說其擴(kuò)頻因子為8。擴(kuò)頻后得到的寬帶信號(hào)

13、將通過無線信道傳送到接收端。 在解擴(kuò)時(shí)，把擴(kuò)展后的用戶數(shù)據(jù)/碼片序列乘以與他們擴(kuò)頻時(shí)所用的相同的8比特的碼片序列。如圖1-2-3所示，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，就能很好的恢復(fù)出原始的用戶比特序列。將信號(hào)速率以因子8倍乘相當(dāng)于用戶數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬擴(kuò)展。由于這個(gè)效果，CDMA系統(tǒng)更經(jīng)常的被稱為擴(kuò)頻系統(tǒng)。解擴(kuò)將信號(hào)帶寬恢復(fù)到R值。 圖1-2-4是CDMA中相關(guān)接收機(jī)的基本操作。圖的上半部分是期望的用戶信號(hào)的接收過程。像圖1-2-3中一樣，解擴(kuò)操作中采用完全同步的解擴(kuò)碼，然后相關(guān)接收機(jī)對(duì)每個(gè)用戶比特（解擴(kuò)后的數(shù)據(jù)）進(jìn)行積分。 圖中下半部分是對(duì)使用不同的擴(kuò)頻碼

14、的另外一個(gè)用戶的CDMA信號(hào)進(jìn)行與上半部分相同解擴(kuò)操作后的效果。將接收機(jī)接收到的另一個(gè)用戶的信號(hào)（實(shí)際上是第一個(gè)用戶的干擾信號(hào)）與擴(kuò)頻碼相乘后積分，最后得到的是一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度在0附近徘徊的干擾信號(hào)。 可以看出，用戶自己的信號(hào)幅度比其他干擾系統(tǒng)的用戶信號(hào)幅度平均增大了8倍；也就是說，相關(guān)檢測以擴(kuò)頻因子的長度為倍數(shù)把期望的用戶信號(hào)從CDMA系統(tǒng)存在的干擾中增強(qiáng)了。這種效果被稱為“處理增益”.它是所有CDMA系統(tǒng)的基本特征，換言之，它也是所有擴(kuò)頻系統(tǒng)的基本特征。正是處理增益賦予了CDMA系統(tǒng)抵抗自我干擾的健壯性，而要在地理上比較相近的距離重用5MHz的載波頻率,這種健壯性是必需的。讓我們舉一個(gè)實(shí)際當(dāng)

15、中WCDMA參數(shù)的例子，話音業(yè)務(wù)的比特率為12.2kbps,處理增益為25dB＝。解擴(kuò)后，信號(hào)功率一般地要比干擾和噪聲功率高幾個(gè)分貝。在本書中，解擴(kuò)后所需信號(hào)功率密度與干擾功率密度之比表示成：，這里是每用戶比特的能量或者功率密度，而是干擾和噪聲的功率密度。對(duì)于話音業(yè)務(wù)，的典型值是在5.0dB的量級(jí)上。所需的帶寬信干比就等于5.0dB減去處理增益等于-20.0dB。換句話說，信號(hào)功率可以比干擾或熱噪聲功率低20dB，這時(shí)，WCDMA接收機(jī)仍然能夠檢測出信號(hào)來。寬帶信干比也被稱作載干比C/I。正是因?yàn)橛辛藬U(kuò)頻和解擴(kuò)，WCDMA中的C/I才能比諸如GSM系統(tǒng)中的載干比低。在GSM中，高質(zhì)量的話音連接

16、所需要的C/I＝9~12dB。 圖1-2-5 CDMA相關(guān)接收機(jī)的原理 既然寬帶信號(hào)可以比熱噪聲電平低，如果不采用擴(kuò)頻序列的話，就很難將其從噪聲中檢測出來。由于這個(gè)原因，擴(kuò)頻系統(tǒng)最初實(shí)在軍事領(lǐng)域中應(yīng)用，信號(hào)的寬帶特性使得它可以很好地隱藏于無所不在地?zé)嵩肼曋小? 注意對(duì)任意給定的信道帶寬（碼片速率），對(duì)低用戶比特速率所獲得的處理增益要高于高用戶比特速率。特別是對(duì)2Mbps的用戶數(shù)據(jù)，處理增益要小于2dB（=3.84Mbps/2Mbps=1.92,即2.8dB），這樣就對(duì)WCDMA的波形抵抗干擾的健壯性有著明顯的損害。 WCDMA中的基站和移動(dòng)臺(tái)在實(shí)質(zhì)上都使用了這種相關(guān)接收機(jī)。然而，由

17、于存在多徑傳播（和可能的多接收天線），為了從全部的路徑和（或）接收天線中恢復(fù)信號(hào)的能量，有必要使用多個(gè)相關(guān)接收機(jī)。這樣一些稱作“指峰”的相關(guān)接收機(jī)的集合就構(gòu)成了CDMA Rake接收機(jī)。在下一節(jié)我們會(huì)詳細(xì)討論CDMA Rake接收機(jī)的工作原理與操作細(xì)節(jié)，但是在這之前，我們對(duì)無線系統(tǒng)中使用的擴(kuò)頻和解擴(kuò)變換作一總結(jié)。 必須要理解，無線應(yīng)用中的擴(kuò)頻/解擴(kuò)本身并不提供任何信號(hào)的增強(qiáng)功能，其實(shí)處理增益是以增加傳輸帶寬為代價(jià)的。 站在系統(tǒng)級(jí)而不是單個(gè)地?zé)o線鏈路級(jí)的角度，所有WCDMA的好處更像是靠信號(hào)的帶寬特性這個(gè)“后門”而獲得的： 處理增益與寬帶特性一起暗示了一個(gè)無線系統(tǒng)中不同小區(qū)之間的頻率復(fù)用系

18、數(shù)可以為1（即一個(gè)頻率可以在每一個(gè)小區(qū)/扇區(qū)使用）。利用這一特點(diǎn)可以取得高的頻譜利用率。 多個(gè)用戶使用同一個(gè)寬帶載波通信能夠提供干擾信號(hào)的分集，即來自系統(tǒng)中的多個(gè)用戶的多址干擾被平均化。這樣，與那些不得不考慮最壞情況下的干擾的系統(tǒng)相比，容量可以大幅度提高。 但是，要想獲得以上的這些好處，就必須應(yīng)用強(qiáng)功率控制和軟切換來避免一個(gè)用戶的信號(hào)阻塞其他用戶的通信。本章后面幾節(jié)將會(huì)討論功率控制和軟切換。 由于使用了寬帶信號(hào)，對(duì)一個(gè)無線信號(hào)的不同傳播路徑的分辨精度要大大高于窄帶信號(hào)，這樣就產(chǎn)生了能抵抗衰落現(xiàn)象的分集從而提高了系統(tǒng)性能。 1.2.4 多徑無線信道和Rake接收技術(shù) 陸地移動(dòng)通信信

19、道中無線電波傳播的特點(diǎn)是多反射（reflection）、散射（scatter or dispersion）、衍射（diffraction）和信號(hào)能量的衰減。這時(shí)由一些空間中必然會(huì)存在的障礙如建筑物、小山等造成的，產(chǎn)生了被稱為多徑傳播的結(jié)果。這一部分我們主要考慮下面兩個(gè)由多徑傳播導(dǎo)致的影響： 信號(hào)能量（屬于例如CDMA波形中一個(gè)碼片的能量）在一些明顯可分辨的時(shí)刻分別到達(dá)接收機(jī)。接收到的能量就組成某一多徑時(shí)延分布，如圖1-2-5所示。在市內(nèi)或郊區(qū)，延遲的典型值是1到2us，而在某些情況下（例如在一個(gè)有很多坡度起伏的地區(qū)）會(huì)到達(dá)20us或者更多，而這時(shí)觀測到的信號(hào)能量卻很強(qiáng)。碼片速率為3.84Mc

20、ps，則一個(gè)碼片的持續(xù)時(shí)間為0.26us,如果多徑分量之間的時(shí)間差至少是0.26us時(shí)，WCDMA接收機(jī)就能將這些多徑分量區(qū)分開來并結(jié)合在一起以取得多徑分集。至少0.26us的時(shí)間差意味著路徑的長度差至少為78m。如果碼片速率為1Mcps，則路徑長度差至少要為300m，而這在小的小區(qū)中是不可能的。所以，很容易看出，5Mcps的WCDMA能在較小的小區(qū)中提供多徑分集——這在IS-95中是不可能的。 圖1-2-6 多徑傳播導(dǎo)致的多徑延遲 對(duì)某一時(shí)延位置而言，通常會(huì)有許多條長度幾乎相等的無線信號(hào)傳播路徑。例如,與單個(gè)碼片持續(xù)時(shí)間（上面已經(jīng)提到過3.84Mcps時(shí)一個(gè)碼片的持續(xù)時(shí)間為0.26us，

21、相當(dāng)于78m）相比長度差為半個(gè)波長（2GHz情況大約為7cm）的路徑上的信號(hào)事實(shí)上是在同一瞬間到達(dá)的。這樣即使當(dāng)接收機(jī)只移動(dòng)了很短的距離，就會(huì)發(fā)生信號(hào)抵消，也被稱作“快衰落”的效果。最好是把信號(hào)抵消理解成一些加權(quán)向量的求和，加權(quán)向量表示的是一個(gè)特定時(shí)隙的一條特定路徑的相移（通常以無線信號(hào)的波長為模）和衰減。 圖1-2-6示出了當(dāng)接收機(jī)移動(dòng)時(shí)，到達(dá)接收機(jī)的特定時(shí)延位置的信號(hào)能量所表現(xiàn)出的典型快衰落模式。當(dāng)多個(gè)路徑上的反射波的相位發(fā)生抵消時(shí)，接收到的信號(hào)功率大幅度地下降（有20～30dB）。由于導(dǎo)致衰落和色散現(xiàn)象產(chǎn)生的潛在的幾何學(xué)因素，快衰落導(dǎo)致的信號(hào)變化頻率要比由平均多徑時(shí)延導(dǎo)致的信號(hào)變化頻率

22、高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。接收信號(hào)能量的短期統(tǒng)計(jì)平均通?？捎萌鹄植紒磔^好地描述。這些深衰落區(qū)域使數(shù)據(jù)比特的無差錯(cuò)接收變得異常困難，這就需要在WCDMA中加入一些相應(yīng)的手段。WCDMA中對(duì)抗衰落的方法有： 使用多個(gè)Rake指峰（相關(guān)接收機(jī)）把那些延遲的、分散的能量集中起來，這些指峰分配到那些有顯著能量到來的延遲位置上。 利用快速功率控制和Rake接收機(jī)內(nèi)在地分集接收的性質(zhì)來減輕信號(hào)功率衰落的問題。 采用強(qiáng)大的編碼、交織和重傳協(xié)議給信號(hào)增加冗余度和時(shí)間分集以助于接收機(jī)從衰落中恢復(fù)用戶比特。 圖1-2-7 由多徑傳播導(dǎo)致的Rayleigh快衰落 無線傳播的動(dòng)態(tài)特性暗含著接收CDMA信號(hào)要采取以下

23、三項(xiàng)操作原理： 確定有效能量到達(dá)的時(shí)延點(diǎn)并分配相關(guān)接收機(jī)（即Rake指峰）處于這些能量峰值上。獲取多徑時(shí)延分布所使用的測量間距為一個(gè)碼片間隔的數(shù)量級(jí)（典型值在1/4到1/2的碼片間隔之間），更新速率則在幾十毫秒的數(shù)量級(jí)上。 在每一個(gè)相關(guān)接收機(jī)中都要對(duì)快衰落過程產(chǎn)生的變化很快的相位和幅度值進(jìn)行跟蹤并將其去掉。當(dāng)然這一跟蹤也必須進(jìn)行得相當(dāng)快，其更新速率在1ms量級(jí)或更小些。 從所有有效的指峰中將解調(diào)后、調(diào)整相位后的符號(hào)集合起來送給解碼器作進(jìn)一步的處理。 WCDMA中的RAKE接收機(jī)很好地實(shí)現(xiàn)了上述目標(biāo)，下面簡單地介紹一下它的工作原理： 圖1-2-7所示為一個(gè)有三個(gè)峰值的RAKE接收機(jī)，它

24、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)的。 帶DLL的相關(guān)器是一個(gè)遲早門的鎖相環(huán)。它由兩個(gè)相關(guān)器（早和晚）組成，和解調(diào)相關(guān)器分別相差±1/2（或1/4）個(gè)碼片。遲早門的相關(guān)結(jié)果相減可以用于調(diào)整碼相位。延遲環(huán)路的性能取決于環(huán)路帶寬。 延遲估計(jì)的作用是通過匹配濾波器獲取不同時(shí)間延遲位置上的信號(hào)能量分布（如圖1-2-7），識(shí)別具有較大能量的多徑位置，并將它們的時(shí)間量分配到RAKE接收機(jī)的不同接收徑上。匹配濾波器的測量精度可以達(dá)到1/4-1/2碼片，而RAKE接收機(jī)的不同接收徑的間隔是一個(gè)碼片。實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，如果延遲估

25、計(jì)的更新速度很快（比如幾十ms一次），就可以無須遲早門的鎖相環(huán)。 圖1-2-8 RAKE接收機(jī)框圖 由于信道中快速衰落和噪聲的影響，實(shí)際接收的各徑的相位與原來發(fā)射信號(hào)的相位有很大的變化，因此在合并以前要按照信道估計(jì)的結(jié)果進(jìn)行相位的旋轉(zhuǎn)，實(shí)際的CDMA系統(tǒng)中的信道估計(jì)是根據(jù)發(fā)射信號(hào)中攜帶的導(dǎo)頻符號(hào)完成的。根據(jù)發(fā)射信號(hào)中是否攜帶有連續(xù)導(dǎo)頻，可以分別采用基于連續(xù)導(dǎo)頻的相位預(yù)測和基于判決反饋技術(shù)的相位預(yù)測方法。 圖1-2-9 基于連續(xù)導(dǎo)頻信號(hào)的信道估計(jì)方法 圖1-2-10 使用判決反饋技術(shù)的間斷導(dǎo)頻條件的信道估計(jì)方法 LPF是一個(gè)低通濾波器，濾除信道估計(jì)結(jié)果中的噪聲，其帶寬一般要

26、高于信道的衰落率。使用間斷導(dǎo)頻時(shí)，在導(dǎo)頻的間隙要采用內(nèi)插技術(shù)來進(jìn)行信道估計(jì)，采用判決反饋技術(shù)時(shí)，先硬判決出信道中的數(shù)據(jù)符號(hào)，在已判決結(jié)果作為先驗(yàn)信息（類似導(dǎo)頻）進(jìn)行完整的信道估計(jì)，通過低通濾波得到比較好的信道估計(jì)結(jié)果，這種方法的缺點(diǎn)是由于非線性和非因果預(yù)測技術(shù)，使噪聲比較大的時(shí)候，信道估計(jì)的準(zhǔn)確度大大降低，而且還引入了較大的解碼延遲。 圖1-2-11 配濾波器的基本結(jié)構(gòu) 延遲估計(jì)的主要部件是匹配濾波器，匹配濾波器的功能是用輸入的數(shù)據(jù)和不同相位的本地碼字進(jìn)行相關(guān)，取得不同碼字相位的相關(guān)能量。當(dāng)串行輸入的采樣數(shù)據(jù)和本地的擴(kuò)頻碼和擾碼的相位一致時(shí)，其相關(guān)能力最大，在濾波器輸出端有一個(gè)最大值。

27、根據(jù)相關(guān)能量，延遲估計(jì)器就可以得到多徑的到達(dá)時(shí)間量。 從實(shí)現(xiàn)的角度而言，RAKE接收機(jī)的處理包括碼片級(jí)和符號(hào)級(jí)，碼片級(jí)的處理有相關(guān)器、本地碼產(chǎn)生器和匹配濾波器。符號(hào)級(jí)的處理包括信道估計(jì)，相位旋轉(zhuǎn)和合并相加。碼片級(jí)的處理一般用ASIC器件實(shí)現(xiàn)，而符號(hào)級(jí)的處理用DSP實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)臺(tái)和基站間的RAKE接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法和功能盡管有所不同，但其原理是完全一樣的。 對(duì)于多個(gè)接收天線分集接收而言，多個(gè)接收天線接收的多徑可以用上面的方法同樣處理，RAKE接收機(jī)既可以接收來自同一天線的多徑，也可以接收來自不同天線的多徑，從RAKE接收的角度來看，兩種分集并沒有本質(zhì)的不同。但是，在實(shí)現(xiàn)上由于多個(gè)天線的數(shù)據(jù)要進(jìn)行

28、分路的控制處理，增加了基帶處理的復(fù)雜度。 1.2.5 分集接收原理 無線信道是隨機(jī)時(shí)變信道，其中的衰落特性會(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)，抗衰落接收技術(shù)或者擴(kuò)頻技術(shù)。分集接收技術(shù)被認(rèn)為是明顯有效而且經(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。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)合并后就能是系統(tǒng)性能大為改善。 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

29、角度、不同極化等接收手段來獲?。? 1. 空間分集：在接收或者發(fā)射端架設(shè)幾副天線，各天線的位置間要求有足夠的間距（一般在10個(gè)信號(hào)波長以上），以保證各天線上發(fā)射或者獲得的信號(hào)基本相互獨(dú)立。如圖所示就是一個(gè)雙天線發(fā)射分集的提高接收信號(hào)質(zhì)量的例子，通過雙天線發(fā)射分集，增加接收機(jī)獲得的獨(dú)立接收路徑，取得合并增益： 2. 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)。 3. 角度分集：利用天線波束指向不同使信號(hào)不相關(guān)的原理構(gòu)成的一種分集方法。例如，在微波面天線上設(shè)置若干個(gè)照射器，產(chǎn)生相關(guān)性很小的幾個(gè)波束。 圖1-

30、2-12 正交發(fā)射分集原理 4. 極化分集：分別接收水平極化和垂直極化波形成的分集方法。 圖1-2-11所示為正交發(fā)射分集的原理，圖中兩個(gè)天線的發(fā)射數(shù)據(jù)是不同的，天線1發(fā)射的偶數(shù)位置上的數(shù)據(jù)，天線2發(fā)射的是奇數(shù)位置上的數(shù)據(jù)，利用兩個(gè)天線上發(fā)射數(shù)據(jù)的不相關(guān)性，通過不同天線路徑到達(dá)接收機(jī)天線的數(shù)據(jù)具備了相應(yīng)的分集作用，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡墓β省Ｍ瑫r(shí)由于發(fā)射天線上單天線發(fā)射數(shù)據(jù)的比特率降低，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃栽黾?。因此發(fā)射天線分集可以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。 其他的分集方法還有時(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。分集方法相互是不排斥的，實(shí)際使用中可以組合。 不同合

31、并方式的增益比較 分集信號(hào)的合并可以采用不同的方法： 1. 最佳選?。簭膸讉€(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)。 2. 等增益相加：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)。 3. 最大比值相加：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)。 上面方法的對(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非常明顯的。 圖1-2-12中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值合并的效果相差不大，僅僅在

32、1dB左右。 1.2.6 信道編碼 信道編碼的編碼對(duì)象是信源編碼器輸出的數(shù)字序列（信息序列）。信道編碼按一定的規(guī)則給數(shù)字序列M增加一些多余的碼元，使不具有規(guī)律性的信息序列M變換為具有某種規(guī)律性的數(shù)字序列Y（碼序列）。也就是說，碼序列中信息序列的諸碼元與多余碼元之間是相關(guān)的。在接收端，信道譯碼器利用這種預(yù)知的編碼規(guī)則來譯碼，或者說檢驗(yàn)接收到的數(shù)字序列R是否符合既定的規(guī)則從而發(fā)現(xiàn)R中是否有錯(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。 通常數(shù)字序列M總是以k個(gè)碼元為一組來進(jìn)行傳輸?shù)?。我們稱這k個(gè)碼元的碼組為信息碼組，信道編碼器按一定的

33、規(guī)則對(duì)每個(gè)信息碼組附加一些多余的碼元，構(gòu)成了n個(gè)碼元的的碼組。這n個(gè)碼元之間是相關(guān)的。即附加的n-k個(gè)碼元稱為該碼組的監(jiān)督碼元。從信息傳輸?shù)慕嵌葋碚f，監(jiān)督碼元不載有任何信息，所以是多余的。這種多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)目煽啃裕档土苏`碼率。另一方面，如果我們要求信息傳輸?shù)乃俾什蛔?，在附加了監(jiān)督碼元后，就必須減少碼組中每個(gè)碼元符號(hào)的持續(xù)時(shí)間，對(duì)二進(jìn)制碼而就是要減少脈沖寬度，若編碼前每個(gè)碼脈沖的歸一化寬度為1，則編碼后的歸一化寬度為k/n，因此信道帶寬必須展寬n/k倍。在這種情況下，我們是以帶寬的多余度換取了信道傳輸?shù)目煽啃?。如果信息傳輸速率允許降低，則編碼后每個(gè)碼元的持續(xù)

34、時(shí)間可以不變。此時(shí)我們以信息傳輸速度的多余度或稱時(shí)間的多余度換取了傳輸?shù)目煽啃浴? 信道容量是信道能夠傳輸?shù)淖畲笮畔⒙?。如果噪聲的單邊功率譜密度為n0（W/Hz），信道的帶寬為B（Hz），信號(hào)功率為S（W），則該信道的信道容量C(Bit/s)為： 此即Shannon公式。在高斯信道下，若信道的信息率為R（bit/s）< C，令為每比特的信號(hào)能量，則有 令（bit/s，Hz），是單位譜寬的信息傳輸速率，即譜比特率，則有 當(dāng)平均功率受限而帶寬不受限時(shí)，，此時(shí)，有 即功率受限的高斯信道傳輸信息必須保證的信噪比的下限，通常稱為Shannon限，是軟判決譯碼所能夠達(dá)到的最好結(jié)果。

35、實(shí)際的通信中往往無法得到這個(gè)最低的極限。 表1-2-2給出了不同的編碼方法所能夠得到的編碼增益，和理想的編碼增益（達(dá)到Shannon限）之間有很大的差別。 表1-2-2 BPSK或QPSK編碼增益 采用編碼 編碼增益（dB@BER=10-3） 編碼增益（dB@BER=10-5） 數(shù)據(jù)速率 理想編碼 11.2 13.6 級(jí)聯(lián)碼 （RS與卷積碼Viterbi譯碼） 6.5-7.5 8.5-9.5 適中 卷積碼序列譯碼 （軟判決） 6.0-7.0 8.0-9.0 適中 分組碼（軟判決） 5.0-6.0 6.5-7.5 適中 級(jí)聯(lián)碼（RS與分組碼）

36、4.5-5.5 6.5-7.5 很高 卷積碼Viterbi譯碼 4.0-5.5 5.0-6.5 高 卷積碼序列譯碼 （硬判決） 4.0-5.0 6.0-7.0 高 分組碼（硬判決） 3.0-4.0 4.5-5.5 高 分組碼門限譯碼 2.0-4.0 3.5-5.5 高 卷積碼門限譯碼 1.5-3.0 2.5-4.0 很高 由此可以看出對(duì)于相同的調(diào)制方式，不同的編碼方案得到的解調(diào)信噪比是不同的，即編碼增益是不同的。我們通常采用的編碼方式有線性分組碼、卷積碼、Reed-Solomon碼、BCH碼、Turbo碼等。WCDMA選用的碼字是語音和低速信令采

37、用卷積碼，數(shù)據(jù)采用Turbo碼。下面我們簡單介紹一下卷積碼和Turbo碼的編解碼技術(shù)。 2. 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。 圖1-2-14 卷積編碼器及其狀態(tài)圖 我們以一個(gè)簡單的例子來說明卷積碼的編碼原理。圖1-2-13所示為一個(gè)（2，1，2）的卷積編碼器。這里編碼器輸入的信息位暫存于2級(jí)的移位寄存器中，每當(dāng)進(jìn)入編碼器一個(gè)信息位，就立即計(jì)算出兩個(gè)監(jiān)督碼元，因此這種編碼器的參量為：n=2，k=1，N

38、=2，約束長度＝nN=4。我們通常用（n，k，N）表示卷積碼。 圖1-2-13中，兩個(gè)移位寄存器的起始狀態(tài)為零，即b1b2b3為000。c1，c2與b1，b2，b3關(guān)系如下： c1=b1b2b3 c2=b1b3 圖1-2-15 卷積編碼器的格狀圖（trellis） 對(duì)于這種編碼我們可以用圖1-2-14的格狀圖來描述編碼中的狀態(tài)，這里用a，b，c，d來表示編碼器中移位寄存器b2b3的四種狀態(tài)，此時(shí)數(shù)據(jù)的輸入b1會(huì)使得移位寄存器的狀態(tài)發(fā)生遷移，格狀圖中用實(shí)線表示輸入為0的狀態(tài)遷移情況

39、，而用虛線表示輸入為1的狀態(tài)牽引情況，線上的數(shù)據(jù)表示對(duì)應(yīng)狀態(tài)遷移的輸出信號(hào)。圖中的粗線表示了當(dāng)輸入為[11010]時(shí)，輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)移為a→b→d→c→b，輸出的碼元序列為1。 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，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。 3. Turbo碼 逼近Shannon極限是編碼領(lǐng)域的主要努力方向，Turbo碼是領(lǐng)域里具有里程碑意義的創(chuàng)新。Berrou，Glavieux和Thitimajshima在1993年首次提出了Turbo碼，這

40、標(biāo)志著繼1982年Ungerboeck提出的格狀編碼后最重大的突破。格狀編碼在帶限信道情況下能夠比較接近Shannon極限，而Turbo碼則在深空通信、衛(wèi)星通信等非帶限信道上有突出的表現(xiàn)。理論仿真表明，在Eb/N0為0.7dB的AWGN信道上，1/2碼率的Turbo碼的誤比特率為10-5。 Turbo編碼由兩個(gè)或以上的基本編碼器通過一個(gè)或以上交織器并行級(jí)聯(lián)構(gòu)成，如圖1-2-15。Turbo碼的原理是基于對(duì)傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)碼的算法和結(jié)構(gòu)上的修正，內(nèi)交織器的引入使得迭代解碼的正反饋得到了很好的消除。Turbo的迭代解碼算法包括SOVA（軟輸出Viterbi算法）、MAP（最大后驗(yàn)概率算法）等。由于MAP

41、算法的每一次迭代性能的提高都優(yōu)于Viterbi算法，因此MAP算法的迭代譯碼器可以獲得更大的編碼增益。實(shí)際實(shí)現(xiàn)的MAP算法是Log-MAP算法，它將MAP算法置于對(duì)數(shù)域中進(jìn)行計(jì)算，減少了計(jì)算量。 圖1-2-16 Turbo編碼器 MAP算法 MAP算法是Bahl、Cocke、Jelinek和Raviv于1974年提出的。該算法基于Chang和Hancock于1966年提出的去除碼間干擾的算法，是按符號(hào)來計(jì)算最大后驗(yàn)概率的算法。該算法根據(jù)接收的整個(gè)序列R對(duì)每個(gè)傳輸符號(hào)計(jì)算它的軟輸出值，該值用最大后驗(yàn)概率的形式表示。其對(duì)數(shù)似然函數(shù)比表示為： 其中，是接收序列的長度，如果對(duì)每個(gè)

42、編碼前符號(hào)計(jì)算得到這個(gè)后驗(yàn)概率，那么將它進(jìn)行門限判決就可以得到的硬判決值為： 后驗(yàn)概率作為軟信息，可以用于下一級(jí)的解碼過程中。 Turbo碼的迭代譯碼原理 圖1-2-17 Turbo碼的MAP迭代解碼方法 下面介紹采用MAP算法的Turbo迭代解碼方法，圖1-2-16表示了Turbo碼的解碼方法，第一個(gè)MAP解碼器接收信息比特R0和校驗(yàn)比特R1，產(chǎn)生的軟輸出進(jìn)行交織作為對(duì)先驗(yàn)概率的改進(jìn)估計(jì)，輸入第二個(gè)解碼器中。 第二個(gè)MAP解碼器同時(shí)輸入接收信息序列的交織序列和校驗(yàn)比特序列R2，解碼產(chǎn)生的軟輸出作為第一個(gè)MAP解碼器的先驗(yàn)概率，這樣反復(fù)進(jìn)行，成為迭代解碼。相對(duì)于串行級(jí)聯(lián)碼的單

43、獨(dú)解碼而言，這種迭代操作改善了解碼器的性能。反饋回路是這種解碼的顯著優(yōu)點(diǎn)，Turbo碼的名字起源于它參考了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的原理。 多次迭代以后，軟輸出的結(jié)果產(chǎn)生了很大的性能提高，最后可以在解交織后進(jìn)行相應(yīng)硬判決得到符號(hào)估計(jì)。 1.2.7 多用戶檢測技術(shù) 多用戶檢測技術(shù)（MUD）是通過去除小區(qū)內(nèi)干擾來改進(jìn)系統(tǒng)性能，增加系統(tǒng)容量。多用戶檢測技術(shù)還能有效緩解直擴(kuò)CDMA系統(tǒng)中的遠(yuǎn)/近效應(yīng)。 由于信道的非正交性和不同用戶的擴(kuò)頻碼字的非正交性，導(dǎo)致用戶間存在相互干擾，多用戶檢測的作用就是去除多用戶之間的相互干擾。一般而言，對(duì)于上行的多用戶檢測，只能去除小區(qū)內(nèi)各用戶之間的干擾，而小區(qū)間的干擾由于缺

44、乏必要的信息（比如相鄰小區(qū)的用戶情況），是難以消除的。對(duì)于下行的多用戶檢測，只能去除公共信道（比如導(dǎo)頻、廣播信道等）的干擾。 以兩用戶的情況為例，在信道和擴(kuò)頻碼字完全正交的情況下，兩個(gè)BPSK用戶S1和S2的星座圖是左邊的情況。而經(jīng)過非正交信道和非正交的擴(kuò)頻碼字后的星座圖是右邊的情況。此時(shí)多用戶檢測的作用就是去除兩個(gè)用戶信號(hào)間的相互干擾，他們分別向坐標(biāo)線S1和S2投影，得到去除第二用戶干擾后的信號(hào)向量。此時(shí)，通過多用戶檢測算法，判決的分界線也重新定義了。在這種新的分界線上，顯然可以到達(dá)更好的判決效果。 圖1-2-18 多用戶檢測的效果 按照上面的解釋，多用戶檢測的系統(tǒng)模型可以用圖1-

45、1-23來表示：每個(gè)用戶發(fā)射數(shù)據(jù)比特，，…，，通過擴(kuò)頻碼字進(jìn)行頻率擴(kuò)展，在空中經(jīng)過非正交的衰落信道，并加入噪聲n(t)，接收端接收的用戶信號(hào)與同步的擴(kuò)頻碼字相關(guān)，相關(guān)由乘法器和積分清洗器組成，解擴(kuò)后的結(jié)果通過多用戶檢測的算法去除用戶之間的干擾，得到用戶的信號(hào)估計(jì)值，，…，。 從上圖可以看到，多用戶檢測的性能取決于相關(guān)器的同步擴(kuò)頻碼字跟蹤、各個(gè)用戶信號(hào)的檢測性能，相對(duì)能量的大小，信道估計(jì)的準(zhǔn)確性等傳統(tǒng)接收機(jī)的性能。 圖1-2-19 多用戶檢測的系統(tǒng)模型 從上行多用戶檢測來看，由于只能去除小區(qū)內(nèi)干擾，假定小區(qū)間干擾的能量占據(jù)了小區(qū)內(nèi)干擾能量的f倍，那么去除小區(qū)內(nèi)用戶干擾，容量的增加是（1

46、+f）/f。按照傳播功率隨距離4次冪線性衰減，小區(qū)間的干擾是小區(qū)內(nèi)干擾的55%。因此在理想情況下，多用戶檢測減少干擾提高容量2.8倍。但是實(shí)際情況下，多用戶檢測的有效性還不到100%，多用戶檢測的有效性取決于檢測方法，和一些傳統(tǒng)接收機(jī)估計(jì)精度，同時(shí)還受到小區(qū)內(nèi)用戶業(yè)務(wù)模型的影響。例如，在小區(qū)內(nèi)如果有一些高速數(shù)據(jù)用戶，那么采用干擾消除的多用戶檢測方法去掉這些高速數(shù)據(jù)用戶對(duì)其他用戶的較大的干擾功率，顯然能夠比較有效的提高系統(tǒng)的容量。 多用戶檢測的想法最早在1979年由Schneider提出，1983年Kohno et.al.發(fā)表了基于干擾消除算法的接收機(jī)的研究成果。1984年Verdu提出和分析

47、了最優(yōu)多用戶檢測器和最大序列檢測器，但由于其實(shí)際實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。大家轉(zhuǎn)而研究次優(yōu)的多用戶檢測器。 多用戶檢測算法可以下面的分類。 圖1-2-20 多用戶檢測算法分類 其中線性檢測器包括Lupas和Verdu提議的解相關(guān)器，通過求出多用戶信號(hào)互相關(guān)矩陣的逆，乘以解擴(kuò)后的信號(hào)，得到去除其他用戶相互干擾后的信號(hào)估計(jì)。這種方法的缺點(diǎn)是會(huì)擴(kuò)大噪聲的影響，并且導(dǎo)致解調(diào)信號(hào)很大的延遲。 干擾消除的想法是估計(jì)不同用戶和多徑引入的干擾，然后從接收信號(hào)中減去干擾的估計(jì)。串行干擾消除（SIC）是逐步減去最大用戶的干擾，并行干擾消除（PIC）是同時(shí)減去除自身外所有其他用戶的干擾。 圖1-2-21

48、 解相關(guān)器 并行干擾消除是在每級(jí)（如圖1-2-21所示）干擾消除中，對(duì)每個(gè)用戶減去其他用戶的信號(hào)能量，并進(jìn)行解調(diào)。重復(fù)進(jìn)行這樣的干擾消除3-5次，就基本可以去除其他用戶的干擾，值得注意地是，在每一級(jí)干擾消除中，并不是完全消除其他用戶的所有信號(hào)能量，而是乘以一個(gè)相對(duì)小的系數(shù)，這樣做的原因是為了避免傳統(tǒng)接收檢測中的誤差被不斷放大。PIC的好處在于比較簡單地實(shí)現(xiàn)了多用戶的干擾消除，而又優(yōu)于SIC的延遲。 圖1-2-22 并行干擾消除中的一級(jí)消除器 就WCDMA上行多用戶檢測而言，目前最有可能實(shí)用化的技術(shù)就是并行的干擾消除，因?yàn)樗枰馁Y源相對(duì)比較少，僅僅是傳統(tǒng)接收機(jī)的3-5倍。而數(shù)據(jù)通路

49、的延遲也相對(duì)比較小。 WCDMA下行的多用戶檢測技術(shù)則主要集中在消除下行公共導(dǎo)頻、共享信道和廣播信道的干擾，以及消除同頻相鄰基站的公共信道的干擾方面。 1.2.8 功率控制 強(qiáng)、快速功率控制是WCDMA最重要的方面之一，尤其是在上行鏈路中。如果沒有它，一個(gè)功率過強(qiáng)的移動(dòng)臺(tái)就可能阻塞整個(gè)小區(qū)。圖1-2-22給出了這一問題及采用閉環(huán)傳輸功率控制形式的解決方案。 圖1-2-23 CDMA中的閉環(huán)功率控制 如圖中所示，移動(dòng)臺(tái)UE1和UE2工作于同一個(gè)頻率，基站只依靠二者各自的擴(kuò)頻碼來去分它們。可能還會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：UE1正處于小區(qū)邊緣，UE2處于靠近基站的位置，UE1的路徑損耗

50、要比UE2高70dB。如果沒有采取某種功率控制機(jī)制來使兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)到達(dá)基站的功率在相同電平上，MS2發(fā)射的信號(hào)很容易就會(huì)蓋過UE1的信號(hào)，并因此阻塞小區(qū)的一大片區(qū)域，從而產(chǎn)生了在CDMA中被稱為“遠(yuǎn)近效應(yīng)”的問題。從容量最大化的意義上講，優(yōu)化策略是使所有移動(dòng)臺(tái)的比特接收功率在所有時(shí)間內(nèi)保持均衡。 開環(huán)功率控制機(jī)制很容易被人們所理解——發(fā)送下行信標(biāo)信號(hào)來對(duì)路徑損耗做出粗略的估計(jì)，然而，不幸的是這一方法相當(dāng)不精確。主要的原因是由于WCDMA FDD模式中上行鏈路和下行鏈路采用的頻率相差得比較大，兩個(gè)鏈路的快衰落在本質(zhì)上是不相關(guān)。然而在WCDMA中仍然使用開環(huán)功率控制，不過只用在連接的開始階段給移動(dòng)

51、臺(tái)提供比較粗略的初始功率設(shè)置。 WCDMA中功率控制的解決方案是快速閉環(huán)功率控制，同樣如圖1-2-22所示。在上行鏈路的功率控制中，基站要頻繁地估計(jì)接收信干比（SIR）值并把它同目標(biāo)SIR值相比較。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；若測得的SIR要比目標(biāo)值低很多，基站就命令移動(dòng)臺(tái)提高功率。對(duì)每一個(gè)移動(dòng)臺(tái)，這個(gè)“測試－命令－反應(yīng)”循環(huán)的周期為每秒1500次（1.5kHz），比任何較明顯的路徑損耗的改變都要快，實(shí)際上甚至比以低速到中速運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生的Rayleigh快衰落的速度還快。這樣閉環(huán)功率控制就能夠防止基站接收的所有上行信號(hào)中出現(xiàn)功率不平衡的現(xiàn)象。 下行鏈路中采

52、用同樣的閉環(huán)功率控制技術(shù)，但是采用的動(dòng)機(jī)不同：由于下行鏈路中是一對(duì)多的形式，所以不存在遠(yuǎn)近效應(yīng)的問題。一個(gè)小區(qū)中的所有信號(hào)都來自一個(gè)基站并能到達(dá)所有移動(dòng)臺(tái)。然而，如果在移動(dòng)臺(tái)處于小區(qū)邊緣時(shí)能提供少量的額外功率就更理想了，因?yàn)樵谶@種時(shí)候，移動(dòng)臺(tái)受到的來自其他小區(qū)的干擾增加。而且在移動(dòng)臺(tái)低速移動(dòng)時(shí)，其他那些基于交織和糾錯(cuò)碼的糾錯(cuò)方法變得不那么有效，下行鏈路中也需要一種方法來增強(qiáng)由于Rayleigh衰落造成的信號(hào)功率減弱。 圖1-2-23示出了上行閉環(huán)功率控制如何作用于慢速衰落信道。閉環(huán)功率控制命令移動(dòng)臺(tái)采用與基站接收功率（或SIR）成反比的發(fā)射功率。只要移動(dòng)臺(tái)有足夠的余量來增大發(fā)射功率，那么剩下

53、的殘余衰落就非常小，從基站接收機(jī)處看，信道基本上就成了非衰落信道。 盡管從接收機(jī)的角度來看，這樣消除衰落是很值得的，但在發(fā)射端，其代價(jià)就是平均發(fā)射功率的增加。這就意味著當(dāng)一個(gè)移動(dòng)臺(tái)處于深衰落的情形，使用很高的發(fā)射功率，它對(duì)其他小區(qū)的干擾將增加了。圖1-2-23解釋了這一點(diǎn)。 圖1-2-24 閉環(huán)功率控制對(duì)衰落信道的補(bǔ)償 在結(jié)束閉環(huán)功率控制這部分之前，我們還要提一下一種與之更相關(guān)的控制環(huán)路：外環(huán)功率控制。外環(huán)功率控制根據(jù)各個(gè)單獨(dú)的無線鏈路的需要調(diào)整目標(biāo)SIR的設(shè)置，其目標(biāo)是取得恒定的質(zhì)量——通常是由某個(gè)值的誤比特率（BER）和誤塊率（BLER）來定義。為什么需要改變目標(biāo)SIR設(shè)置值

54、呢？例如，BLER＝1%所要求的SIR（相應(yīng)的有Eb/No要求）取決于移動(dòng)臺(tái)的速度和多徑的分布。現(xiàn)在，假使SIR的設(shè)置值要考慮最壞的情況，即高移動(dòng)速度的情況，那么在低速時(shí)這些連接就會(huì)有大的容量浪費(fèi)。所以，最好的策略是讓目標(biāo)SIR的設(shè)置值在最小值附近浮動(dòng)，這樣就滿足了所要求的目標(biāo)質(zhì)量。隨著移動(dòng)速度和傳播環(huán)境的改變，目標(biāo)SIR的設(shè)置值也將隨著時(shí)間來改變。如圖1-2-24所示。 圖1-2-25 閉環(huán)功率控制 外環(huán)功率控制的實(shí)現(xiàn)一般是這樣的：給上行鏈路中的每一個(gè)用戶幀加上“幀可靠性指示器”的標(biāo)簽，例如解碼某個(gè)用戶幀中得到的CRC校驗(yàn)結(jié)果。如果幀質(zhì)量指示器顯示傳輸質(zhì)量在下降，RNC就命令基站把目

55、標(biāo)SIR設(shè)置值提高一定的值。在RNC中采用外環(huán)功率控制的原因是在一次可能的軟切換組合后需要執(zhí)行這一功能。 1.2.9 軟切換和更軟切換 更軟切換時(shí)，移動(dòng)臺(tái)位于一個(gè)基站兩個(gè)相鄰扇區(qū)的小區(qū)覆蓋重疊區(qū)域，移動(dòng)臺(tái)和基站的通信有兩條空中接口信道，每個(gè)扇區(qū)各一個(gè)。這樣，下行方向需要使用兩個(gè)不同的擴(kuò)頻碼以區(qū)分它們。移動(dòng)臺(tái)靠Rake處理來接收這兩個(gè)信號(hào)，非常類似于多徑接收，不過為了能正確解擴(kuò)，指峰需要為每個(gè)扇區(qū)產(chǎn)生各自的解擴(kuò)碼。更軟切換的方案如圖1-2-25所示。 在上行方向上，基站采取的步驟與此類似：基站要接收每個(gè)扇區(qū)中移動(dòng)臺(tái)的碼分信道，然后引入到同一基帶Rake接收機(jī)并進(jìn)行通常的最大比例合并。在

56、更軟切換期間，每條連接都只有一條功率控制環(huán)路是激活狀態(tài)。一般地，大約5％～15％的連接中就會(huì)有一次更軟切換發(fā)生。 圖1-2-26示出了軟切換的過程。在軟切換期間，移動(dòng)臺(tái)處于屬于不同基站的兩個(gè)扇區(qū)覆蓋面的重疊部分。和更軟切換一樣，移動(dòng)臺(tái)和基站之間的通信是同時(shí)通過分別來自兩個(gè)基站的兩條空中接口信道來完成的。移動(dòng)臺(tái)通過最大比例合并Rake處理來接收兩個(gè)信道(信號(hào))。從移動(dòng)臺(tái)的角度來看，軟切換和更軟切換的差別很小。 但是在上行鏈路軟切換和更軟切換差別很大：兩個(gè)基站同時(shí)接收移動(dòng)臺(tái)的碼分信道，但接收到的數(shù)據(jù)被發(fā)送到RNC進(jìn)行合并。這樣做的原因是因?yàn)樵赗NC中要使用提供給外環(huán)功率控制的幀可靠性指示來在這

57、兩個(gè)候選幀之中選擇更好的幀。這個(gè)選擇發(fā)生在每一次交織周期完成之后，也就是說，每10～80ms發(fā)生一次。 圖1-2-26 更軟切換 圖1-2-27 軟切換 需要注意的是,在軟切換期間每條連接的兩個(gè)功率控制環(huán)路都是激活狀態(tài)，每個(gè)基站各用一個(gè)。5.2.1節(jié)中將詳細(xì)討論軟切換中功率控制。 大約20％～40％的連接中就會(huì)有一次軟切換發(fā)生。為了滿足軟切換連接需要，系統(tǒng)提供一下的額外資源，并且這些資源在規(guī)劃期間是必須要考慮的： 基站處額外的Rake接收機(jī)信道 基站與RNC之間的額外的傳輸鏈路 移動(dòng)臺(tái)處的額外的Rake指峰 我們還應(yīng)注意，軟切換和更軟切換可以同時(shí)發(fā)生。 為什么需要注意

58、這些特定的CDMA切換類型？需要它們的原因和需要閉環(huán)功率控制的原因是一樣的：如果沒有軟或更軟切換，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)小區(qū)進(jìn)入鄰近的小區(qū)，而沒有被后者進(jìn)行功率控制會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)近效應(yīng)，用非?？旌头浅ｎl繁的硬切換可以在很大程度上避免這一問題；但是硬切換的執(zhí)行會(huì)有一些延遲，在延遲期間會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)近問題。所以，如同快速功率控制一樣，軟切換和更軟切換也是WCDMA中消除干擾的有效手段。軟切換更軟切換在5.3節(jié)中作更詳細(xì)的介紹。 除了軟切換和更軟切換，WCDMA還提供其他一些切換方式： 頻率間的硬切換的使用，例如，把移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)WCDMA載波切換到另外一個(gè)載波。一個(gè)應(yīng)用的例子就是帶有幾個(gè)載波的高容量基站進(jìn)行載波之間

59、的負(fù)載平衡。 1.3 WCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1.3.1 WCDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) UMTS網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)成如Error! Reference source not found.所示。 圖1-3-1 UMTS網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)成示意圖 從Error! Reference source not found.的UMTS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成示意圖中可以看出，UMTS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)單元包括如下部分： UE （User Equipment） UE是用戶終端設(shè)備，它主要包括射頻處理單元、基帶處理單元、協(xié)議棧模塊以及應(yīng)用層軟件模塊等；UE通過Uu接口與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，為用戶提供電路域和分組域內(nèi)的各種業(yè)務(wù)功能，

60、包括普通話音、數(shù)據(jù)通信、移動(dòng)多媒體、Internet應(yīng)用（如E-mail、WWW瀏覽、FTP等）。 UE包括兩部分： l ME（The Mobile Equipment），提供應(yīng)用和服務(wù) l USIM（The UMTS Subsriber Module），提供用戶身份識(shí)別 UTRAN（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UMTS） UTRAN，即陸地?zé)o線接入網(wǎng)，分為基站（Node B）和無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）兩部分。 l Node B Node B是WCDMA系統(tǒng)的基站（即無線收發(fā)信機(jī)），包括無線收發(fā)信機(jī)和基帶處理部件。通過標(biāo)準(zhǔn)的Iub接

61、口和RNC互連，主要完成Uu接口物理層協(xié)議的處理。它的主要功能是擴(kuò)頻、調(diào)制、信道編碼及解擴(kuò)、解調(diào)、信道解碼，還包括基帶信號(hào)和射頻信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換等功能。 Node B由下列幾個(gè)邏輯功能模塊構(gòu)成：RF收發(fā)放大，射頻收發(fā)系統(tǒng)（TRX），基帶部分（BB），傳輸接口單元，基站控制部分。 l RNC（Radio Network Controller） RNC是無線網(wǎng)絡(luò)控制器，主要完成連接建立和斷開、切換、宏分集合并、無線資源管理控制等功能。具體如下： (1) 執(zhí)行系統(tǒng)信息廣播與系統(tǒng)接入控制功能； (2) 切換和RNC遷移等移動(dòng)性管理功能； (3) 宏分集合并、功率控制、無線承載分配等無線資源管

62、理和控制功能。 CN（Core Network） CN，即核心網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)與其他網(wǎng)絡(luò)的連接和對(duì)UE的通信和管理。主要功能實(shí)體如下： l MSC/VLR MSC/VLR是WCDMA核心網(wǎng)CS域功能節(jié)點(diǎn)，它通過Iu_CS接口與UTRAN相連，通過PSTN/ISDN接口與外部網(wǎng)絡(luò)（PSTN、ISDN等）相連，通過C/D接口與HLR/AUC相連，通過E接口與其它MSC/VLR、GMSC或SMC相連，通過CAP接口與SCP相連，通過Gs接口與SGSN相連。MSC/VLR的主要功能是提供CS域的呼叫控制、移動(dòng)性管理、鑒權(quán)和加密等功能。 l GMSC GMSC是WCDMA移動(dòng)網(wǎng)CS域與外部網(wǎng)絡(luò)

63、之間的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，是可選功能節(jié)點(diǎn)，它通過PSTN/ISDN接口與外部網(wǎng)絡(luò)（PSTN、ISDN、其它PLMN）相連，通過C接口與HLR相連，通過CAP接口與SCP相連。它的主要功能是完成VMSC功能中的呼入呼叫的路由功能及與固定網(wǎng)等外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)間結(jié)算功能。 l SGSN SGSN（服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）是WCDMA核心網(wǎng)PS域功能節(jié)點(diǎn)，它通過Iu_PS接口與UTRAN相連，通過Gn/Gp接口與GGSN相連，通過Gr接口與HLR/AUC相連，通過Gs接口與MSC/VLR，通過CAP接口與SCP相連，通過Gd接口與SMC相連，通過Ga接口與CG相連，通過Gn/Gp接口與SGSN相連。SGSN的主要

64、功能是提供PS域的路由轉(zhuǎn)發(fā)、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、鑒權(quán)和加密等功能。 l GGSN GGSN（網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）是WCDMA核心網(wǎng)PS域功能節(jié)點(diǎn)，通過Gn /Gp接口與SGSN相連，通過Gi接口與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Internet /Intranet）相連。GGSN提供數(shù)據(jù)包在WCDMA移動(dòng)網(wǎng)和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)之間的路由和封裝。GGSN主要功能是同外部IP分組網(wǎng)絡(luò)的接口功能，GGSN需要提供UE接入外部分組網(wǎng)絡(luò)的關(guān)口功能，從外部網(wǎng)的觀點(diǎn)來看，GGSN就好象是可尋址WCDMA移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中所有用戶IP的路由器，需要同外部網(wǎng)絡(luò)交換路由信息。 l HLR HLR（歸屬位置寄存器）是WCDMA核心網(wǎng)C

65、S域和PS域共有的功能節(jié)點(diǎn)，它通過C接口與MSC/VLR或GMSC相連，通過Gr接口與SGSN相連，通過Gc接口與GGSN相連。HLR的主要功能是提供用戶的簽約信息存放、新業(yè)務(wù)支持、增強(qiáng)的鑒權(quán)等功能。 l OMC OMC功能實(shí)體包括設(shè)備管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。 設(shè)備管理系統(tǒng)完成對(duì)各獨(dú)立網(wǎng)元的維護(hù)和管理，包括性能管理、配置管理、故障管理、計(jì)費(fèi)管理和安全管理等功能。 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全網(wǎng)所有相關(guān)網(wǎng)元的統(tǒng)一維護(hù)和管理，實(shí)現(xiàn)綜合集中的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)功能，同樣包括網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的性能管理、配置管理、故障管理、計(jì)費(fèi)管理和安全管理。 l External networks External netwo

66、rks，即外部網(wǎng)絡(luò)，可以分為兩類： 電路交換網(wǎng)絡(luò)（CS networks）：提供電路交換的連接，象通話服務(wù)。ISDN和PSTN均屬于電路交換網(wǎng)絡(luò)。 分組交換網(wǎng)絡(luò)（PS networks）：提供數(shù)據(jù)包的連接服務(wù)，Internet屬于分組數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)。 1.3.2 UTRAN地面接口協(xié)議結(jié)構(gòu) 1. UTRAN協(xié)議模型簡介 UTRAN各個(gè)接口的協(xié)議結(jié)構(gòu)是按照一個(gè)通用的協(xié)議模型設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)的原則是層和面在邏輯上是相互獨(dú)立的。如果需要，可以修改協(xié)議結(jié)構(gòu)的一部分而無需改變其他部分，如Error! Reference source not found.所示。 圖1-3-2 UTRAN接口的通用協(xié)議模型 水平層 從水平層來看，協(xié)議結(jié)構(gòu)主要包含兩層：無線網(wǎng)絡(luò)層和傳輸網(wǎng)絡(luò)層。所有與陸地?zé)o線接入網(wǎng)有關(guān)的協(xié)議都包含在無線網(wǎng)絡(luò)層，傳輸網(wǎng)絡(luò)層是指被UTRAN所選用的標(biāo)準(zhǔn)的傳輸技術(shù)，與UTRAN的特定的功能無關(guān)。 垂直平面 從垂直平面來看，包括控制面和用戶面。 l 控制面 控制面包括應(yīng)用協(xié)議（Iu接口中的RANAP，Iur接口中的RNSAP，Iub接口中的NBAP）及用于傳輸這