WCDMA空中接口原理与问题解析

WCDMA是UMTS网络的空中接口。WCDMA支持两种基本操作模式，即TDD（时分双工）和FDD（频分双工）。在FDD模式中，上行链路和下行链路分别使用独立的5MHz的载波，而TDD模式中，上行链路和下行链路分别在不同的时间使用同一个5MHz的载波。由于TDD很大程度上基于FDD，因此相比之下，FDD模式的WCDMA占主导地位并且使用更广泛。我们只讲述FDD模式的WCDMA。UMTS的TDD模式具体细节请参考（Holma and Toskala，2007）。

1.扩频和解扩

在WCDMA中，通过使用伪随机比特序列与用户数据相乘的方式，把用户信号扩展到一个很宽的频带中，这些伪随机比特被称作“时间片”。WCDMA的时间片传输速率为3.84Mchip/s，从而载波带宽大约为5MHz。扩频就是用一串时间片对每个用户数据进行相乘操作。最后得到的扩频数据传输速率就等于时间片传输速率，也等于扩频因子乘以用户数据传输速率。然后宽频信号通过无线信道传输到接收终端。解扩时，用在扩频时使用的相同的时间片与接收信号相乘，如果用户扩频后的信号能够和扩频时间片完全同步的话，就能无差错地恢复原始用户数据序列。扩频因子由用户扩频信号所占的带宽决定，扩频因子影响信令速率。

在WCDMA中，扩频和解扩带来了增益，再加上宽带信号本身的特点，使得我们能够在相邻小区使用相同的频带，从而带来高频谱利用率。由于大量用户接入干扰的平均效应，许多用户共享宽带载波会带来干扰源分集。另外，与窄带信号相比，宽带信号能更容易地准确分离出不同传播路径的信号，这能带来更高的抗衰落增益。然而，使用严格的功率控制和软切换是必需的，这样才能避免一个用户的信号阻碍其他用户的信号。

2.多径无线信道和Rake接收

无线信号在陆地移动信道中传播时有以下几个特点：多次反射、衍射和功率衰减。这些是由自然界的建筑物和山坡等障碍物造成的，会形成无线信号的多径传播现象。经由不同路径传播的多个信号分量先后到达接收端，可能会有明显的时间间隔。如果各主要多径分量的到达时间间隔大于一个时间片长度的话，WCDMA接收机就能分离各路信号，将它们整合起来，获得多径增益。但在某些时延位置，许多信号到达所经过的路程是相等的，这就造成了信号互相抵消，这种现象也称作快衰落。所以即使接收机移动的距离很短，也可能会出现这种现象。

这些衰落特征使得数据的无差错接收十分困难，WCDMA需要采取相应的解决措施。将多个相关接收机（或Rake finger）调整到重要的多径分量的空间到达点上，就可以将具有不同时延多径信号能量有效合并。快速功率控制和Rake接收机固有的信号分集接收被用于减少信号能量的衰减。有效的编码、交织以及重传协议可用来给信号增加冗余和额外的时间分集，从而帮助接收端在信号衰落的情况下，正确恢复原始的用户数据。CDMA信号接收应该在以下原则下工作（Holma and Toskala，2007）：

1）识别含有较高能量的多径分量的空间到达点，并将相关接收机（或Rake finger）对准这些位置。

2）在每个相关接收机内部，追踪由快衰落引起的相位和幅度的快速变化，并且消除这种现象。

3）将所有经过活跃的“Rake finger”解调并调整了相位的符号合并起来，将它们发送到解码器做进一步处理。

实现典型的Rake接收机，时间片级的处理在ASIC（Application-Specific Inte-grated Circuit，专用集成电路）中完成，而符号级的处理由DSP（Digital Signal Processer，数字信号处理器）实现。Rake接收机的详细细节请参考Holma and Toskala（2007）。(www.xing528.com)

3.功率控制

由于功率是所有用户之间共享的资源，严格、快速的功率控制对CDMA系统十分重要。假设一个接收机两个发射机的场景，如果一个发射机离接收机较近，而另一个较远，如果两个发射机以相同的功率同时向接收机发射信号，那么接收机将更多地接收到从较近发射机传播来的能量。这样一来，接收机将无法解析出较远发射机发送来的信号。当一个距离接收机较近的发射机以大功率向接收机发射信号时，其他较远发射机与接收机之间的通信会受到严重干扰。这种现象被称作CDMA系统的远近效应。这个现象必须采用有效的发射功率控制方法消除，尤其在上行链路中。

上行链路有一种粗略的发射功控方法，称为开环功控（Open Loop Power Con-trol）。终端收听基站发出的功率水平已知的导频信号或者信标信号（Beacon Signal），从而估计出无线信道的功率衰减，并且根据估计结果调整自己的发射功率。FDD空中接口，例如WCDMA，存在一个问题，那就是由于上下行链路占用隔离的频段，它们的快衰落过程几乎是相互独立的。这样一来，这种开环功控方法就不准确了。

使用闭环功控（Closed Loop Power Control）可以达到更高的准确度，基站检测接收到的SIR（Signal Interference Ratio，信干比）水平，将其与目标水平进行比较，根据比较结果来决定让移动终端增大或减小发射功率。在WCDMA中，上述过程每秒发生1500次，也就是说功控频率是1.5kHz。这个频率足以满足追踪路径损耗和阴影衰落的要求，甚至能够追踪中低速移动终端的快衰落。闭环功控分为外环和内环两部分。外环功控包括根据通信质量的要求和当前传播条件来调整目标SIR水平，这个过程进行缓慢。为了达到目标SIR，内环功控每个时隙进行一次快速命令和调整。

在下行链路，由于每个小区只有一个数据源，因此在这里功率控制并不是用来克服远近效应的，而是用于衰落补偿和帮助深受小区间干扰影响的小区边缘移动终端。

4.软切换

与GSM相比，UMTS支持两种新的切换方式：软切换和更软切换。它们的共同点是一个移动终端与网络之间的通信同时在两个或两个以上的空中接口信道上进行。在更软切换中，这两个空中信道分别与由同一个Node B服务的两个不同扇区联系在一起。在软切换中，移动终端通过不同的Node B连接到网络，甚至这些Node B可能隶属于不同的RNC。软切换时移动终端连接到不止一个基站，因此可以获得分集增益。如果信号在多条甚少相关的传播路径上传播，那么由于在任意时刻至少有一条路径能够提供足够高的信号质量，这时接收端收到满意质量信号的可能性比只有一条传播路径时大得多，这被称为宏分集。

在上行链路方向，当进行软切换时，有多个Node B会接收到移动终端发出的信号。这些基站组成一个活跃集。接收到的不同信号由SRNC（Serving RNC，服务RNC）进行合并。如果参加软切换的Node B受控于另一个RNC，那么这个RNC被称为DRNC（Drift RNC，漂流RNC）。活跃集里的基站尽量相互独立地进行闭环功控，这样一来移动终端就可能接收到相互冲突的功控要求。在出现这种情况的时候，减小功率的要求将被优先考虑，因为减小功率的要求意味着活动集里至少有一个基站能够接收到质量足够高的信号。

下行链路方向的软切换中，多个基站向一个处于软切换状态的移动终端发射信号。尽管这对移动终端有益，但也增大了下行链路的干扰。所以，需要综合考虑由宏分集带来的优势和由干扰增强带来的劣势。当不同基站向同一接收端发送信号路损大致相同时，最大净增益为2.5 dB。当路损差异达到6 dB时，净损失为0.5 dB。当路损差异达到10 dB时，净损失为2.5 dB（Brand and Aghvami，2002）。软切换只对移动终端中的一小部分有益，事实上获益群体的比例小于30%～40%（Holma and Toskala，2007）。