广东移动通信有限责任公司ZTE WCDMA－－WCDMA原理 1
WCDMA初中级培训－
WCDMA原理
中兴通讯股份有限公司
移动产品事业部3G产品部
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F提纲2 WCDMA物理层过程
F提纲1 WCDMA移动通信基础知识
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F提纲提纲4 4 纠错纠错编码技术编码技术
F提纲提纲2 2 WCDMAWCDMA需要解决的问题需要解决的问题
F提纲提纲5 5 交织交织技术技术
F提纲提纲1 1 WWCDMACDMA移动移动通信环境通信环境
F提纲提纲8 8 分集分集技术技术
F提纲提纲3 3 多址多址接入技术接入技术
WCDMA移动通信基础知识
F提纲提纲6 6 复用技术复用技术
F提纲提纲7 7 扩频技术扩频技术
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WCDMA移动通信环境——信道环境
直射
反射
绕射
无线传播方式
时间
接收信号
强度
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WCDMA移动通信环境——信道环境
无线传播特性
无线传播过程中，遇到的最主要问题有：
发送信号 接收信号
0dB
发送信号
-25dB
接收信号
衰落干扰
此外还有因传播频率的扩散而引起的多普勒效应等。
0 +
发送信号 接收信号
时延
0 2 3 +
发送信号 接收信号
抖动
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WCDMA移动通信环境——信道环境
衰落
无线环境中的信号衰减分成三部分：
• 幅度衰减较大的路径损耗
• 伴随中等幅度衰减的具有对数正态分布特性的慢变化成分
——大尺度衰落，也被称为遮蔽。
• 衰减幅度较小的快变化成分
——小尺度衰落，也被称为多径衰落。
两类典型小尺度衰落包络分布的描述方法
• 瑞利（Rayleigh）分布
——不存在视距传播，衰落很深。
• 莱斯（Rician）分布
——存在视距主径，衰落较浅。
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WCDMA移动通信环境——信道环境
典型信道划分——室内或静态信道
微微蜂窝
很小的发射功率
基站和用户都位于室内
路径损耗依赖于墙体、地板材料和金属结
构的布局
典型时延为50～250ns
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WCDMA移动通信环境——信道环境
典型信道划分——户外到户内步行信道
• 微蜂窝
• 小功率
• 低速度
• 天线一般低于建筑物顶
• 室内覆盖依靠室外基站
• 存在穿透损耗
（典型值为12dB）
• 同时存在视距传播和非视距传播
• 路径损耗波动较大
• 典型时延为
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WCDMA移动通信环境——信道环境
典型信道划分——车速环境
•宏蜂窝
•大功率
•高速移动
•存在阴影
•多路反射
•路径损耗和环境有关
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WCDMA移动通信环境——业务环境
• 数据业务将占很大的比重
• 不同的业务具有不同的QoS
• 大量的突发业务
• 业务在不同地理位置分布密度不同
• 用户业务速率相差很大
• 存在多址干扰（MAI)
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WCDMA移动通信环境——基本要求
• 信息传输速率：提供多速率的业务，最高可达2 Mbps
• 根据带宽需求实现的可变比特速率信息传递
• 一个连接中可以同时支持具有不同QoS要求的业务
• 满足不同业务的延时要求（从实时要求的语音业务到尽力而
为的数据业务）
• 二代、三代系统共存和不同系统之间的切换和负荷平衡
• 支持上行和下行非对称业务
• 高的频谱效率
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WCDMA需要解决的问题
提高无线资源利用率
无线资源包括频率、功率、时间、空间和特征码等
消除无线信道传输产生的不良影响，使对端尽
可能收到满足要求的信息
满足业务环境的要求，提供不同QoS要求、不同
速率的多媒体业务
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多址接入技术
Fre
qu
enc
y
Time
Power
Fre
que
ncy
Time
Power
Fre
qu
enc
y
Time
Power
FDMA
TDMA
CDMA
频分多址技术
业务信道在不同频段分配给不同
的用户。如TACS、AMPS。
时分多址技术
业务信道在不同的时间分配给不
同的用户。如GSM、DAMPS。
码分多址技术
所有用户在同一时间、同一频段
上、根据不同的编码获得业务信道。
CDMA
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多址接入技术—— FDMA
信道一次只能传递一个电话。如果某一信道空闲，也不能
够被其他 用户使用以增加容量。
符号时间比平均时延扩展大很多，故平均时延扩展造成的
符号间干扰低。
FDMA比TDMA简单，同步和组帧比特少，系统开销小。
FDMA需要精确的RF滤波器。
非线性效应：许多信道共享一个天线，功率放大器的非线
性会产生交调频率（IM），产生额外的RF辐射。
Fre
qu
enc
y
Time
Power
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多址接入技术—— TDMA
多个用户共享一个载波频率，分享不同时隙。
可以实现不连续发送，利用空闲时隙监听其他基站，实现
切换处理。
需要自适应均衡；需要保护时隙。
分组发射需要额外的系统开销，如保护数据同步。
按照不同的用户提供不同的带宽。
质量控制通过频率规划来实现
Fre
que
ncy
Time
Power
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多址接入技术—— CDMA
多用户同时共享同一频段无线资源。
系统容量大，无线频谱效率率高。
自干扰性，远近效应。
不相关码的选择和功率控制非常重要。
易于实现宽带可变速率通信。
支持多用户检测、软件无线电等新技术。
Fre
qu
enc
y
Time
Power
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多址接入技术—— WCDMA系统的优势
• 采用RAKE接收机，有效利用了信道相干时间形成的时间
分集效应；
• 宽带传输系统，利用了信道的频率分集效果
• 信号在信道中传输功率低，降低了干扰，提高了保密性
• 扩频因子灵活变换，又助于多媒体等多速率并发业务的传
输
• 频谱效率高，优于以往的AMPS和GSM
• 支持软切换和更软切换
• 支持新技术的应用，如多用户检测
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纠错编码技术—— 卷积码
纠错编码技术是在发射端按一定规则引入冗余信息，从而使得即
使空中传输引入了误码，也能利用冗余信息将此错误纠正回来的技术。
在WCDMA系统中主要用于话音信道和控制信道，编码速率为1/2和
1/3。卷积码特点：译码简单，时延小，一般采用维特比算法，信道
误码率在10－3，适合实时业务，如话音和视频业务的传送。
Output 0
G0 = 557 (octal)
Input
D D D D D D D D
Output 1
G1 = 663 (octal)
Output 2
G2 = 711 (octal)
(b) Rate 1/3 convolutional coder
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纠错编码技术—— Turbo码
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交织技术
在通信系统中，为了减少突发干扰对连续数据造成的大面积差错，
常采用交织来将突发干扰造成的连续差错化解为随机独立差错，使其
适合于译码器的错误纠正。
交织，就是打乱原来的数据排列规则，按照一定顺序重新排列。
缺点：
带来了附加的额外延时
在特殊情况下，若干个随机独立差错有可能交织为突发差错。
x1 x6 x11 x16 x21
x2 x7 … x22
x3 x8 … x23
x4 x9 … x24
x5 x10 … x25
输入数据
A = (x1 x2 x3 x4 x5 … x25)
输出数据
A’= (x1 x6 x11 x16… x25)
举例：
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交织技术（续）
交织器根据采用的技术不同，又可分为多种，如分组交织器、
随机交织器、循环移位交织器、半随机交织器、奇偶交织器、均
匀交织器等。
WCDMA系统采用了分组交织器（又称矩形交织器）和均匀
交织器两种技术。
分组交织器在第一次交织（帧间交织）和第二次交织（帧内
交织）中用到，特点是方式简单、对短序列交织效果较好，但交
织后码元的去相关不彻底。
均匀交织器在Turbo编码中用到，其特点是交织算法复杂，
但去相关较彻底。
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复用技术
复用技术是指将具有相同或不同QoS要求的业务复用到一个
物理信道中进行传输的技术。
由于业务种类及其QoS要求千变万化，但物理信道的能力只
是有限的几个等级。如何在保证各种业务QoS要求的前提下高
效地复用到一个物理信道中传输是复用算法首要考虑的问题。
这就牵涉到速率匹配的问题，它是复用技术的核心之所在，
同时还牵涉到信道编码方案等其它技术的选用问题。
业务3业务2业务1 业务4
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扩频技术
扩频通信就是将信号的频谱展宽后进行传输的技术。
其理论解释为Shannon定理： C=Wlog2(1+S/N)
Fast
Spreading
Sequence
Slow
Information
Sent
TX
Slow
Information
Recovered
RX
Fast
Spreading
Sequence
Wideband
Signal
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f
S（f）
f0
扩频前的信号频谱
信号
S（f）
ff0
扩频后的信号频谱
信号
S（f）
ff0
解扩频后的信号频谱
信号
干扰噪声
f
S（f）
f0
解扩频前的信号频谱
信号
干扰噪声
信号 脉冲干扰 白噪声
扩频通信示意图
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扩频通信的特点
• 抗多径干扰能力强
• 抗突发脉冲干扰
• 保密性高
• 低发射功率－对其他通信系统和人体的
影响较小
• 易于实现大容量多址通信
• 占用频带宽
• 实现复杂
• 在时变信道中实现同步较为困难
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p 直接扩频（DS－SS）
• 通过将伪噪声序列与基带脉冲数据相乘来扩展基带数据，其伪
噪声序列由伪噪声生成器产生
• 误码率受限于多址干扰和远近效应的影响
• 用功率控制来克服远近效应，受限于功率检测的精度
• WCDMA采用的是直接扩频方式
p 跳频扩频（FH－SS)
• 数据以发射机的载波频率跳变的方式发送到表面上随机的信道
中
• 每个信道上，在发射机再次调频之前，数据用传统的窄带调制
方式发送一些小的突发
• 无远近效应的影响，因为多个用户不会同时使用同一频率
（Bluetooth技术、快、慢调频）
扩频的方式
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Symbol
Spreading
Despreading
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
Data =
010010
Spreading code
Spread signal
= Data × code
Spreading code =
1 -1 -1 1 -1 1 1 -1
( SF = 8 )
Data =
Spread signal
× code
Chip
直接扩频与解扩示意图
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DATA
信道码OVSF 扰码
Symbol rate Chip rate
Chip rate
分为扩频和加扰两个步骤：
符号速率 × SF =
WCDMA中，上行信道码的SF为：4~256
下行信道码的SF为：4~512
WCDMA系统的扩频
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正交可变扩频因子（OVSF）码
• 同一级的任意两个分支两两正交
• 某一分支被使用后，则其直系祖先级和直系子孙级分支均不能使用
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WCDMA直接扩频方案的优点
p 采用正交可变长度的扩频序列，支持多速率传输
p 采用自相关特性好的扰码与互相关特性好的扩频码配
合使用，每个用户有唯一的扰码与扩频码的组合，保
密性高。
p 所有用户、基站都使用相同的频率，可以简化频率规
划工作
p 良好的抗多径干扰特性：
• RAKE接收机利用多径分量
• 同时由于宽带信号的频率选择性衰落，反映在时域上，多径
干扰导致传输延迟的PN信号和原PN序列的互相关性减弱，导
致延迟信号对接收机的影响减弱
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分集技术
是通过利用和查找自然界无线传播环境中的独立（或至
少高度不相关）多径信号来实现的
可简单解释为：如果一条路径中的信号经历了深度衰落，
而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号。
两重含义：分散传输；集中处理
优点：
易获得相对稳定的信号
可获得分集处理增益，提高信噪比
投资低廉
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假设输入的分集信号分别为：
r1(t), r2(t), r3(t), … rk(t), rm(t)
则，合并后的输出为：
其中αK 为第 k 个分量的权重。
选择不同的加权系数，就构成不同的合并方式。
通常所用的方法有三种：
选择合并、最大比合并和等增益合并。
分集原理
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• 空间分集
又称天线分集，如果天线间的距离大于半个波长，则从不同的天线
上收到的信号包络基本上是不相关的
• 时间分集
以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号，以便让再次接收到
的信号具有独立的衰落环境，从而产生分集效果
• 频率分集
在多个频率上传送信号，其理论基础是在信道相干带宽之外的频率
上不会出现同样的衰落
• 极化分集
信号在空中传播进行了多次反射，由于不同极化方向的反射系数不
同，使得信号在不同的极化方向上是不相关的
分集的分类
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• 开环发射分集
使用空时编码对信号进行处理，并从两根天线上发射，综合利用了时间
分集和空间分集技术
• 闭环发射分集
由接收端反馈参数控制两根发射天线的加权，是带反馈技术的空间分集
• 交织技术
是一种隐含的时间分集技术，与WCDMA系统选用的编码方案配合使用。
• RAKE接收技术
也是一种隐含的时间分集技术。认为：一个码片时间 > 信道的相关时间，
RAKE接收利用的多径信号被认为是发射机多次发送过来的信号
WCDMA使用的分集技术
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技术的选用是围绕要克服的问题来进行的
WCDMA多址接入方式
纠错编码技术
交织技术
复用技术
扩频技术
分集技术
高速率、大容量
无线传播中的干扰
深衰落
多媒体业务
抗干扰
提高系统容量
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F提纲提纲3 3 同步过程同步过程
F提纲提纲2 2 编码与复用编码与复用
F提纲提纲4 4 随机接入过程随机接入过程
WCDMA物理层过程
F提纲提纲1 1 物理信道特征与帧结构物理信道特征与帧结构
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专用物理信道(DPCH)
下行物理信道
上行物理信道
公用物理信道
物理随机接入信道(PRACH)
物理公共分组信道(PCPCH)
主公共控制物理信道(P-CCPCH)
捕获指示信道(AICH)
寻呼指示信道(PICH)
物理下行共享信道(PDSCH)
专用物理信道(DPCH)
公用物理信道
物
理
信
道
物理信道分类
辅助公共控制物理信道(S-CCPCH)
CPCH状态信道(CSICH)
同步信道(SCH)
接入前缀捕获指示信道(AP-AICH)
碰撞检测/信道指配指示信道(CD/CA-
ICH)
公用导频信道(CPICH)
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上行专用物理信道帧结构（DPCH）
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物理随机接入信道（PRACH）
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下行专用物理信道帧结构（DPCH）
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下行DPCH的多码传输
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• 发射预先定义好的已知序列，A＝1＋j
• 固定传输速率30Kbps， SF=256
• 发射分集时，两根天线上发射的信号使用相同
的扩频码和扰码，但传送序列有所不同。
• 主要用于信道估计
公共导频信道（CPICH）
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• 主CPICH
– 使用相同的信道码,即Cch,256,0
– 扰码为主扰码
– 一个小区只有一个主CPICH
– 在整个小区广播
• 辅助CPICH
– 可以使用任意信道码，只要满足 SF=256
– 扰码可以使用主扰码，也可以使用辅助扰码
– 一个小区可以有0、1或几个辅助扰码
– 可以在小区内部分发射
主CPICH与辅助CPICH的区别
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主公共控制物理信道（P-CCPCH）
固定为30Kbps （SF=256）的传输速率，用于承载BCH。
每个时隙的头256chips为空，到时候由SCH填充；或者说P-CCPCH与
SCH时分复用。
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辅助公共控制物理信道（S-CCPCH）
用于承载FACH和PCH，可分别承载FACH和PCH，也可两者同
时承载。
TFCI可有可无，由上层决定；没有TPC，采用开环功控；导
频为8或16比特。
传输能力比下行DPCH稍逊，SF为256~4。
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同步信道（SCH）
• SCH用于小区搜索，分成主同步信道（ P-SCH）和辅助同步信道（S-
SCH），两者并行发射。
• SCH占用每个无线帧的前256个码片，与P-CCPCH时分复用。
• 主同步码 (PSC) 以时隙为周期发射，用于时隙同步；辅助同步码以无线
帧为周期发射，用于帧同步，并指出小区主扰码的组号。
• a为一个指示调制信号，用于指示P-CCPCH是否采用了STTD。
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• PDSCH承载 DSCH, 被多个码分用户分时共享。
• PDSCH 总是与一个 DPCH相伴随，所需控制信息在所伴随的DPCH的
DPCCH上传输。
• DSCH上传的是纯数据，效率很高，适合处理短时高速率突发业务，是特
殊形式的多码传输，但高层控制起来比较复杂。
物理下行共享信道（PDSCH）
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捕获指示信道（AICH）
AICH每一帧为20 ms，分成15个接入时隙AS, 每个时隙
有20个符号(5120码片)。每个时隙包括两部分，捕获指示
AI部分（4096码片）和空部分（1024码片） 。
16个AI分别对16种签名进行应答，AI＝＋1、－1和0分
别代表同意接入、不同意接入和没有听到请求。
aj是由16个AI和16个签名进行矩阵运算得到。
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寻呼指示信道（PICH）
PICH为固定速率(SF=256)的物理信道，用于承载寻呼指示
(PI).
PICH 总是与S-CCPCH 相伴随，如果某一帧中的 PIi 被置为1，
说明Pii所对应的UE应对S-CCPCH的对应帧进行解调。
PICH一帧为10ms，包括300bits。其中，288 比特用于传送 PI
， 其余12 比特尚未定义，不发射。
一帧内传送N 个寻呼指示PI，N=18, 36, 72, or 144。
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各物理信道之间的时序关系
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10、20、40 or 80ms
da
ta
da
ta
da
ta
TrCH-i
dataCRC dataCRC dataCRC
dataCRCdataCRC dataCRCd a t aCBL CBL CBL
0、8、12、16 or 24bits
块长 Z＝
504 ， 卷积码
5114 ，Turbo码
CedBL CedBL CedBLCoded data 卷积码 或 Turbo码Rate matched data
Rate matched data DTX
or
or
Data before 1st interleavingData after 1st interleaved
交织器列数：1、2、4 或 8
无线帧 无线帧 无线帧
无线帧数目：1、2、4 或 8
TrCH-1 TrCH-2 TrCH-ICCTrCHTrCH-1 TrCH-2 TrCH-I DTXCCTrCH
Ph-1 Ph-2 Ph-P
10ms时间内
10ms时间内Ph-1 Ph-2 Ph-P
TPC TFCI pilot
扩频、加扰 扩频、加扰 扩频、加扰
TrCH-i+1
data1 data2 data1 data2 data1 data2
下
行
信
道
编
码
与
复
用
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同步过程—小 区 搜 索
三步搜索法
• 第一步
时隙同步：搜索P-SCH的主同步码，与信号最强的基站取得时隙同
步。
• 第二步
扰码码组识别和帧同步：利用S-SCH的辅助同步码码组实现帧同步，
并识别扰码码组号。
广东移动通信有限责任公司ZTE WCDMA－－WCDMA原理 53
•第三步
扰码识别：利用扰码码组中的8个主扰码与捕获的P-CPICH的主扰码比较，
得到该小区的主扰码。
根据主扰码可以检测出P-CCPCH，从而可以收到系统及小区的广播信息。
同步过程—小 区 搜 索（续）
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• 通过小区搜索，可获得SCH帧同步和帧头的位置。
• 根据下行物理信道时序关系，有下述信道与SCH帧头
对齐：
– P-CPICH
– S-CPICH
– P-CCPCH
– PDSCH
• S-CCPCH和PICH等信道的帧头与上述信道的帧头的时
间差由高层配置参数确定。
同步过程—公共信道同步
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专用信道DPCH同步定时关系：
– 不同下行DPCH定时可以不同，由高层参数配置决定，但
其与P-CCPCH的帧定时的偏置将是256码片的整数倍，即
有tDPCH,n=Tn*256码片，其中Tn={0,1,...149}；
– 在UE侧上行链路DPCCH/DPDCH帧发射大概在接收到对应
的下行DPCCH/DPDCH帧的第一个检测径后T0(1024码片)
处；
– 同一UE的所有UL DPCCH/DPDCHs有相同的帧定时。
同步过程—专用信道同步
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• 对专用物理信道，采用同步原语指示上下行无线链路
的同步状态，一般采用基于接收到的DPCCH质量或
CRC校验确定。
• 下行同步原语：UE的层1将测量下行专用信道的每一
物理帧的同步状态，并向高层报告。
• 上行同步原语：Node B的层1将测量所有无线链路集合
的每一物理帧的同步状态，并向RL失败/恢复触发函数
指示，因此在每一个链路集中只有一个同步状态指示。
同步过程—专用信道同步（续一）
广东移动通信有限责任公司ZTE WCDMA－－WCDMA原理 57
• Node B无线链路同步状态图如下，每一个无线链路可以存在3种
不同的状态：初始状态、非同步状态和同步状态。
• 初始状态到同步状态的转移可通过“同步过程A”和“同步状态B”
两个过程实现。
• 同步状态到非同步状态的转移可通过“RL失败”和“RL恢复”两
个过程来实现。
同步过程—专用信道同步（续二）
广东移动通信有限责任公司ZTE WCDMA－－WCDMA原理 58
R
A
C
H
随
机
接
入
过
程
—
M
A
C
传
输
控
制
广东移动通信有限责任公司ZTE WCDMA－－WCDMA原理 59
R
A
C
H
随
机
接
入
过
程
—
层
一
接
收
参
数
•前导扰码
•消息长度（10或20ms）
•AICH发射时序参数
•各ASC的可用签名集与可用RACH子信道集
•功率爬坡因子
•前导最大重传次数
•前导初始功率
•前导与消息控制部分的功率差
•传输格式集
•传输格式
•ASC
•待传数据
广东移动通信有限责任公司ZTE WCDMA－－WCDMA原理 60
R
A
C
H
随
机
接
入
过
程
—
层
一
前
导
接
入
广东移动通信有限责任公司ZTE WCDMA－－WCDMA原理 61
