WCDMA 关键技术详解

摘要

WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access）是第三代移动通信技术3G的主流标准之一，由3GPP（3rd Generation Partnership Project）制定，它基于直接序列码分多址技术，采用5MHz的宽带载波，为用户提供高速数据业务和高质量的语音服务，本文将深入解析WCDMA系统的各项关键技术，包括多址技术、功率控制、软切换、信道编码、调制解调、核心网架构等，以帮助读者全面理解WCDMA的设计原理和实现方法。

第一章：引言

WCDMA作为IMT-2000（International Mobile Telecommunications-2000）标准的重要组成部分，其设计目标是：

1. 高速数据传输：支持从静止到高速移动（500km/h）的各种环境下的通信，最高下行速率可达2Mbps，上行可达384kbps。
2. 频谱效率高：通过码分多址和先进的功率控制等技术，在有限的频谱资源下支持更多用户。
3. 服务质量保障：通过多种逻辑信道和完善的QoS机制，为语音、视频、数据等不同业务提供差异化的服务保障。
4. 全球漫游：基于统一的全球标准，实现全球范围内的无缝漫游。

第二章：核心多址技术——DS-CDMA

WCDMA的基础是直接序列码分多址，其核心思想是：所有用户在同一时间、同一频段上发送信号，但每个用户都分配一个独特的、相互正交（或准正交）的扩频码，接收端使用与发送端相同的扩频码进行相关解调，即可从混合信号中分离出所需的用户数据。

1 扩频与解扩

• 扩频：将低速的原始数据信号与一个高速的伪随机噪声序列相乘，将信号的频谱展宽到一个更宽的带宽（5MHz）上。

  • 码片速率：WCDMA的固定码片速率为 84 Mcps（Mega-chips per second），这个高速率是系统同步和区分用户的基础。
  • 处理增益：处理增益 = 码片速率 / 数据速率，处理增益越大，系统的抗干扰能力和多径分辨能力就越强。

• 解扩：在接收端，使用与发送端完全相同的PN序列与接收到的混合信号进行相关运算，由于PN序列的自相关性非常好，只有使用正确PN序列的信号才能被还原成原始数据信号，而其他用户的信号则会因为相关性低而被当作噪声抑制掉。

  
  （图片来源网络，侵删）

2 地址码：OVSF码

为了在扩频的同时实现多用户接入,WCDMA采用了可变扩频因子正交可变扩频因子码。

• 特点：
  1. 正交性：在同一层级上，不同码字之间是完全正交的，可以完全消除用户间的干扰。
  2. 可变扩频因子：码树的层级决定了扩频因子，SF越大，数据速率越低，覆盖范围越大；SF越小，数据速率越高，但覆盖范围越小。
  3. 树形结构：码树的结构使得一旦某个码字被分配给一个用户，其父节点和子节点的码字都不能再被使用，保证了正交性。

3 加扰

• 目的：
  1. 区分小区：每个小区都有一个唯一的主扰码，用于区分不同小区的信号，避免小区间干扰。
  2. 保证用户安全性：在OVSF码的基础上再进行一次加扰，可以进一步加密用户数据，提高安全性。
• 实现：将扩频后的信号与一个速率与码片速率相同（3.84 Mcps）的长伪随机码相乘。

第三章：功率控制

功率控制是CDMA系统的“灵魂”，是解决远近效应和小区呼吸效应的关键，远近效应是指，如果距离基站近的用户功率过大，会完全淹没距离远的微弱信号，WCDMA采用了精确而快速的功率控制机制。

1 开环功率控制

• 场景：主要用于上行链路的初始接入阶段（如随机接入）。
• 原理：移动台根据接收到的下行信号功率来估算上行链路的路径损耗，并初步设定一个发射功率，公式大致为：P_up = P_down - PL，其中PL为路径损耗。
• 缺点：无法准确反映上行链路的快速衰落，精度较低。

2 闭环功率控制

• 场景：用于业务连接建立后的通信过程，是功率控制的主体。
• 原理：接收端（基站或UE）持续测量接收信号的信干比，并与目标SIR进行比较，根据比较结果，在上行或下行方向上，以每1500次/秒（1.6ms）的频率发送功率控制指令（TPC：Transmit Power Control），命令发送端增加或减少功率。
  • 上行闭环功控：基站测量来自UE的SIR，并向UE发送TPC命令。
  • 下行闭环功控：UE测量来自基站的SIR，并向基站发送TPC命令。

第四章：切换技术

WCDMA支持多种切换模式,其中最具特色的是软切换。

1 软切换

• 定义：当移动台在两个或多个基站覆盖的重叠区域移动时，它与所有这些基站同时保持通信连接，直到它移动到新的主服务小区后，才释放与旧基站的连接。
• 特点：
  1. 宏分集：来自多个基站的信号在移动台或RNC（无线网络控制器）进行选择性合并，从而获得分集增益，有效对抗衰落，提高通信质量和系统容量。
  2. 中断率低：切换过程平滑，用户几乎感觉不到中断。
  3. 资源占用：在切换期间，需要同时占用多个基站的信道资源，会增加网络信令和资源的开销。
• 流程：测量 -> 判决 -> 执行 -> 完成。

2 更软切换

• 定义：当移动台在同一个基站的不同扇区间移动时发生的切换。
• 特点：不同扇区的信号在基站内部进行最大比合并，合并效果比软切换的选择性合并更优，且不增加RNC到NodeB之间的接口资源占用。

3 硬切换

• 定义：先断开与旧基站的连接，再与新的基站建立连接。
• 场景：主要用于不同载频间、不同系统间（如WCDMA到GSM）的切换。
• 缺点：切换过程中可能出现短暂的服务中断，掉话风险相对较高。

第五章：信道编码与交织

为了在无线恶劣的传播环境中保证通信的可靠性,WCDMA采用了强大的信道编码方案和交织技术。

1 信道编码

WCDMA根据业务类型的不同,采用了不同的编码方案：

• Turbo码：
  • 应用：用于高速数据业务（如PS/HS-DSCH信道）。
  • 特点：性能非常接近香农极限，编码增益高，但解码复杂度高，时延较大。
• 卷积码：
  • 应用：用于语音业务（如AMR）和低/中速数据业务（如DCH）。
  • 特点：性能良好，实现相对简单，时延小，根据不同的数据速率和业务要求，采用不同的编码率和约束长度。
• 不编码：
  • 应用：对实时性要求极高、对误码不敏感的信令信息。

2 交织

• 目的：对抗信道产生的突发性错误，突发错误会导致一连串的比特出错，而信道编码更擅长纠正随机分布的错误。
• 原理：将原始数据比特按照一定规律打散（交织）后发送，如果发生突发错误，接收端解交织后，错误比特会分散到整个数据块中，从而可以被信道编码有效地纠正。
• 方式：通常采用块交织或卷积交织。

第六章：物理层信道结构

WCDMA的物理层信道分为物理信道和传输信道，两者之间通过传输信道到物理信道的映射建立联系。

1 传输信道

是物理层向MAC层提供的服务,描述的是传输的内容。

• 专用传输信道：DCH（Dedicated Channel），为单个用户分配，承载用户的高层信令和业务数据。
• 公共传输信道：
  • BCH (Broadcast Channel)：广播信道，基站向小区内所有用户广播系统信息（如主同步信号、小区选择信息等）。
  • PCH (Paging Channel)：寻呼信道，用于网络寻址处于空闲模式的移动台。
  • RACH (Random Access Channel)：随机接入信道，用于UE发起初始接入或响应寻呼。
  • FACH (Forward Access Channel)：前向接入信道，用于基站向UE发送少量的控制信息或响应RACH的接入请求。
  • DSCH (Downlink Shared Channel)：下行共享信道，由多个用户共享，动态分配资源，承载下行分组数据。

2 物理信道

是承载传输信道的具体物理载体,由特定的频率、编码、扰码和相位来定义。

• 主/辅同步信道：用于小区搜索和下行同步。
• 物理随机接入信道：承载RACH。
• 物理下行共享信道：承载DSCH。
• 专用物理数据信道 和 专用物理控制信道：承载DCH。

第七章：核心网与网络架构

WCDMA的网络架构分为核心网和无线接入网，由Iu接口连接。

1 无线接入网

• UTRAN：UMTS Terrestrial Radio Access Network。
• 组成：
  • Node B：基站功能，负责无线收发、调制解调、信道编码等物理层功能。
  • RNC：Radio Network Controller，无线网络控制器，负责一个或多个Node B的无线资源管理、切换控制、功率控制、接入控制等。
• 接口：
  • Iub：Node B与RNC之间的接口。
  • Iur：RNC与RNC之间的接口，用于支持软切换和宏分集。

2 核心网

• 电路域：主要承载语音业务和电路型数据业务。
  • MSC：移动交换中心，负责呼叫控制和交换。
  • VLR：访问位置寄存器，存储漫游到本地的用户信息。
  • HLR：归属位置寄存器，存储用户的永久性信息（如签约信息、位置信息）。
  • GMSC：网关MSC，负责与其他网络（如PSTN、其他PLMN）的互联。
• 分组域：主要承载IP数据业务。
  • SGSN：服务GPRS支持节点，负责移动性管理、路由选择和会话管理。
  • GGSN：网关GPRS支持节点，作为WCDMA网络与外部数据网络（如Internet）的网关。
• 接口：
  • Iu-CS：RNC与核心网电路域的接口。
  • Iu-PS：RNC与核心网分组域的接口。

第八章：关键技术总结

第九章：WCDMA的演进

WCDMB技术自身也在不断演进,以提供更高的数据速率和更好的性能。

• HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access)：在下行引入新的物理信道（HS-DSCH），采用自适应调制编码、混合自动重传请求和快速调度等技术，将下行峰值速率提升至14.4Mbps。
• HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access)：在上行引入E-DCH信道，采用 shorter TTI、Node B调度和混合ARQ，将上行峰值速率提升至5.76Mbps。
• HSPA+：进一步通过MIMO（多入多出）、64-QAM高阶调制和连续分组连接等技术，将峰值速率推向更高（下行可达42Mbps甚至更高），并降低时延。

WCDMA作为一项成熟且成功的3G技术,其设计的精妙之处在于通过一系列紧密关联的关键技术（如DS-CDMA、快速功率控制、软切换）协同工作，有效地解决了移动通信中的核心挑战，尽管现在已被4G/5G技术所超越，但WCDMA所蕴含的设计思想和网络架构，至今仍对移动通信技术的发展具有重要的借鉴意义，理解WCDMA是深入学习后续移动通信技术（如LTE, 5G NR）的重要基础。