淺議WCDMA 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

熊 煉，韓亞喃

(重慶郵電大學(xué)通信應(yīng)用研究所，重慶 400065)

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，各個(gè)運(yùn)營商越來越重視下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。對于采用WCDMA 系統(tǒng)體制的運(yùn)營商來說，最關(guān)心的是如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的合理配置，解決網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的各種問題，改善網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營環(huán)境，提高服務(wù)質(zhì)量。

因此，為了最大化的利用WCDMA 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上的資源，在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行合理的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是非常有必要的。通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化可以解決或改善許多問題。比如:覆蓋問題、切換問題、干擾問題等。然而，在WCDMA 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中，在了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，對該系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的掌握是非常有必要的。

1 WCDMA 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1 WCDMA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由功能上觀察，WCDMA 網(wǎng)絡(luò)單元可以分為兩個(gè)部分:無線接入網(wǎng)(RAN)和核心網(wǎng)(CN)［1］。對于無線接入網(wǎng)來說，它的功能是處理與無線相關(guān)的工作;而核心網(wǎng)負(fù)責(zé)對話音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行交換和路由查找，以便將業(yè)務(wù)連接至外部網(wǎng)絡(luò)。無線接入網(wǎng)(RAN)、核心網(wǎng)(CN)與用戶設(shè)備(UE)一起構(gòu)成了UMTS(通用移動(dòng)通信系統(tǒng))系統(tǒng)，也就是通常所說的WCDMA 通信系統(tǒng)。

2 WCDMA 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無線信道編碼

當(dāng)信息在傳輸?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(cuò)進(jìn)行有效地控制，就需要采用信道編碼技術(shù)。所謂信道編碼技術(shù)，就是在原數(shù)據(jù)流中增加一些冗余信息，這些冗余信息與原數(shù)據(jù)流是相關(guān)的，它們之間的這種冗余度使碼字具有一定的糾錯(cuò)和檢錯(cuò)能力，在接收端，接收機(jī)利用已知的編碼規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的解碼，從而來檢測傳輸?shù)谋忍匦蛄惺欠癜l(fā)生錯(cuò)誤，進(jìn)而進(jìn)行糾錯(cuò)。這種通過添加冗余信息的編碼技術(shù)雖然降低了誤碼率，但是在一定程度上犧牲了部分傳輸帶寬。我們通常采用的編碼方式有線性分組碼、卷積碼、BCH 碼、Turbo 碼等。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，信道的誤碼率在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。

2.2 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(hào)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(hào)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(hào)往往是幅度和相位各不相同的多個(gè)信號(hào)的疊加，使得接收到的信號(hào)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(gè)信號(hào)，從而使接收端增強(qiáng)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)使用了空分發(fā)送分集和時(shí)間切換發(fā)射分集兩種方案。它們分別利用的是空間和時(shí)間塊進(jìn)行編碼。從基站發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的編碼方案，到達(dá)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行接收譯碼。其主要優(yōu)點(diǎn)是:基站的發(fā)射情況不需要移動(dòng)臺(tái)的反饋?zhàn)鳛閰⒖?，這樣可以不需要額外的信令開銷。

閉環(huán)發(fā)射分集，它的工作方式是在下行鏈路中，基站周期性的發(fā)送信號(hào)，不同的移動(dòng)臺(tái)將接收到的信息反饋給基站，該信息被用來計(jì)算對不同移動(dòng)臺(tái)的最佳發(fā)射權(quán)重，從而改善接收效果。這種方式的特點(diǎn)是需要移動(dòng)臺(tái)的反饋信息來事先了解需要傳輸信號(hào)的信道的狀況。

交織技術(shù)，就是將一條消息中的相繼比特分開，提取某些特定比特作為傳輸?shù)膶ο?，在傳輸過程中即使發(fā)生了差錯(cuò)，差錯(cuò)的長度也很小，然后利用相應(yīng)的編碼方案進(jìn)行糾錯(cuò)。

RAKE 接收技術(shù)［2］，其基本原理是從發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)，經(jīng)過不同的傳輸路徑到達(dá)接收端后，幅度和相位會(huì)產(chǎn)生差異，形成多徑信號(hào)。如果這些多徑信號(hào)之間的延遲大于一個(gè)偽碼的碼片時(shí)間，在接收端就可以將這些不同的波束區(qū)分開，進(jìn)而用信號(hào)處理技術(shù)將這些被分離的信號(hào)進(jìn)行相位校準(zhǔn)，幅度加權(quán)等合并在一起，把干擾信號(hào)變成有用信號(hào)。

2.3 軟切換

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(shí)，在接收端采用了分集接收技術(shù)，為移動(dòng)臺(tái)同時(shí)與多個(gè)基站進(jìn)行通信創(chuàng)造了條件。在這種條件下，移動(dòng)臺(tái)在多個(gè)基站小區(qū)之間進(jìn)行切換時(shí)，就可以采用軟切換技術(shù)。所謂軟切換技術(shù)，指的是在切換過程中，移動(dòng)臺(tái)在進(jìn)入新的基站小區(qū)時(shí)，可以同時(shí)保持與原小區(qū)和新基站小區(qū)的通信連接，沒必要立刻斷掉與原小區(qū)的連接。只有當(dāng)通話質(zhì)量滿足指標(biāo)，切換條件成熟時(shí)，才斷開與原小區(qū)的連接。在發(fā)生切換時(shí)，只需要改變相應(yīng)的擴(kuò)頻碼，從而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。

更軟切換:指移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)小區(qū)中的一個(gè)扇區(qū)到達(dá)另一個(gè)扇區(qū)發(fā)生的切換。

下面是幾個(gè)在軟切換過程中常用的名詞:

激活集:與終端建立連接通信的小區(qū)的集合。在激活集里，小區(qū)的個(gè)數(shù)一般為3個(gè)。

監(jiān)測集:由RNC 下發(fā)的，在鄰區(qū)列表中除了激活集以外的小區(qū)，終端能夠檢測到它們的存在。

檢測集:除了激活集和監(jiān)測集以外的小區(qū)，終端自己檢測到的。

在軟切換過程中，會(huì)主要涉及到1A，1B和1C 事件。它們分別表示激活集的增加，減少和替換，它們是軟切換過程重要的組成部分。

軟切換的基本過程:

圖2是軟切換過程的示意圖［3］:

圖2 軟切換示意圖

首先，RNC 下發(fā)測量控制信息給UE，告訴UE 如何進(jìn)行測量;其次，UE 在與小區(qū)1 進(jìn)行通信的同時(shí)，在向小區(qū)2 移動(dòng)的過程中，測量小區(qū)2的主公共導(dǎo)頻信道的信號(hào)強(qiáng)度，并把測得的數(shù)據(jù)發(fā)送給RNC;接著，RNC 根據(jù)上報(bào)的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的判決，當(dāng)小區(qū)2 滿足了軟切換算法的要求時(shí)，將被加入U(xiǎn)E的激活集中。UE 可以在小區(qū)1和2 之間進(jìn)行軟切換。

2.4 功率控制

在一個(gè)小區(qū)范圍內(nèi)，不同的移動(dòng)終端用戶距離基站的距離是不一樣的。在上行鏈路中，如果不同的終端以相同的功率發(fā)射信號(hào)到基站，由于有的終端距離基站遠(yuǎn)，有的終端距離基站的距離比較近，因此，從終端發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過不同的路徑到達(dá)基站后的強(qiáng)度是不一樣的。距離基站近的終端發(fā)出的信號(hào)到達(dá)基站后，信號(hào)強(qiáng)度比較強(qiáng)，勢必會(huì)對到達(dá)基站信號(hào)弱的終端造成干擾，以至于不能通信，這就是所謂的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”?！斑h(yuǎn)近效應(yīng)”嚴(yán)重地影響了系統(tǒng)的容量。同時(shí)，由于在WCDMA 系統(tǒng)中，所有終端都是使用相同的頻率，基站只依靠各自的擴(kuò)頻碼來區(qū)分它們，這就大大增加了出現(xiàn)“遠(yuǎn)近效應(yīng)”的可能性。WCDMA 功率控制技術(shù)的目的就是有效地克服這種效應(yīng)，實(shí)時(shí)地控制手機(jī)的發(fā)射功率，保證可靠的通話質(zhì)量。

按照移動(dòng)臺(tái)和基站的上下行通信方向，功率控制可分為上行功率控制和下行功率控制。上下行功率控制可以有效地節(jié)省基站的資源和終端的功率，同時(shí)克服“遠(yuǎn)近效應(yīng)”和“陰影效應(yīng)”。

按照功率控制環(huán)路的類型，功率控制方式可分為開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制，閉環(huán)功率控制又可以分為內(nèi)環(huán)功率控制和外環(huán)功率控制。

開環(huán)功率控制，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)有業(yè)務(wù)發(fā)起呼叫時(shí)，開環(huán)功率控制的任務(wù)就是根據(jù)接收到的鏈路的損耗情況，粗略地計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率。

內(nèi)環(huán)功率控制，在上下行鏈路中，基站和移動(dòng)臺(tái)之間的內(nèi)環(huán)功率控制依賴于物理層的反饋信息。在上行鏈路中，基站作為接收端，將會(huì)測量接收到的移動(dòng)臺(tái)發(fā)射信號(hào)的SIR，若測定的SIR值大于SIR 目標(biāo)值時(shí)，基站將會(huì)通知移動(dòng)臺(tái)降低發(fā)射功率。若測定的SIR值小于SIR 目標(biāo)值時(shí)，將會(huì)升高移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率。同理，在下行鏈路中，控制原理也是如此。

圖3為上行內(nèi)環(huán)功率控制示意圖［4］:

圖3 上行內(nèi)環(huán)功率控制示意圖

外環(huán)功率控制，外環(huán)功率控制的思想就是在各個(gè)無線鏈路中，為了使通信質(zhì)量滿足系統(tǒng)的要求，動(dòng)態(tài)地調(diào)整SIR的目標(biāo)值，使其維持在一個(gè)穩(wěn)定值。在現(xiàn)實(shí)生活中，從終端發(fā)出的信號(hào)，在復(fù)雜多變的環(huán)境中傳播，到達(dá)終端后，目標(biāo)SIR的值要進(jìn)行調(diào)整。在每條鏈路中，根據(jù)實(shí)際得到的BLER 或者FER 與理想目標(biāo)值進(jìn)行比較，來調(diào)整目標(biāo)信噪比。

3 結(jié)束語

以上內(nèi)容重點(diǎn)介紹WCDMA 系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。雖然說目前我國的通信市場以語音為主，但是未來WCDMA 業(yè)務(wù)將會(huì)朝著多樣化、多媒體化、智能化的方向發(fā)展，這已成為必然趨勢。全I(xiàn)P 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)正逐漸成為WCDMA 發(fā)展的目標(biāo)。HSDPA 將會(huì)是WCDMA 系統(tǒng)在未來發(fā)展中引入的無線增強(qiáng)技術(shù)。其中涉及到大量的關(guān)鍵技術(shù)，比如:AMC、HARQ、16QAM 等，有待于進(jìn)一步的應(yīng)用和發(fā)展。

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