《3G移動(dòng)通信理論及應(yīng)用》課件第5章

5.1物理層結(jié)構(gòu)5.2傳輸信道和物理信道5.3信道編碼與復(fù)用5.4擴(kuò)頻與調(diào)制 5.1物理層結(jié)構(gòu)

物理層是空中接口的最底層,它提供物理介質(zhì)中比特流傳輸所需要的所有功能。物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層和網(wǎng)絡(luò)層的RRC子層連接。物理層向MAC層提供不同的傳輸信道,傳輸信道定義了信息是如何在空中接口上傳輸?shù)?。物理信道在物理層定義,物理層受RRC控制。5.1.1物理信道幀結(jié)構(gòu)

高層數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锢韺又?映射到物理信道的無線幀中。物理信道的數(shù)據(jù)傳輸速率、加擾方式、信道內(nèi)容都有所不同,而且都可以無線幀為單位進(jìn)行區(qū)分。因此,可以從物理信道的幀結(jié)構(gòu)著手,介紹各信道的結(jié)構(gòu)、調(diào)制參數(shù)、在系統(tǒng)中的應(yīng)用、信道之間的相對(duì)時(shí)序等內(nèi)容。

WCDMA系統(tǒng)的物理信道在時(shí)間上分為3層結(jié)構(gòu):超幀、無線幀、時(shí)隙。物理信道的幀結(jié)構(gòu)如圖5-1所示:一個(gè)超幀為期720ms,包括72個(gè)無線幀。其邊界由系統(tǒng)幀標(biāo)號(hào)

(SFN,SystemFrameNumber)定義。一個(gè)超幀的頭幀SFN對(duì)72取模值為0,尾幀SFN對(duì)72取模值為71。一個(gè)無線幀周期長10ms,包括15個(gè)等長時(shí)隙,對(duì)應(yīng)38400個(gè)碼片,它是物理信道的基本單元。時(shí)隙是一個(gè)比特域組成的單元,對(duì)應(yīng)2560個(gè)碼片。物理信道的類型決定了每個(gè)時(shí)隙的信息比特?cái)?shù)和結(jié)構(gòu)。圖5-1物理信道的幀結(jié)構(gòu)5.1.2物理信道時(shí)序結(jié)構(gòu)

發(fā)送小區(qū)系統(tǒng)幀號(hào)(SFN)的PCCPCH將被直接用于下行鏈路所有物理信道的定時(shí)基準(zhǔn),而間接用于上行鏈路的定時(shí)基準(zhǔn)。上行物理信道的傳輸定時(shí)取決于接收下行物理信

道的定時(shí)。下行物理信道的定時(shí)遵從以下規(guī)則:

?PSCH/SSCH、PCPICH/SCPICH、PCCPCH和PDSCH采用相同的幀定時(shí);

?不同的SCCPCH可以采用不同的定時(shí),但其與PCCPCH的幀定時(shí)偏移量是256碼片的整數(shù)倍,即τSCCPCH,k=Tk×256碼片,Tk∈{0,1,…,149};

5.2傳輸信道和物理信道

5.2.1傳輸信道

1.專用傳輸信道

專用傳輸信道使用UE的內(nèi)在尋址方式。WCDMA僅存在一種專用傳輸信道,即專用信道(DCH)。這個(gè)信道傳輸用戶數(shù)據(jù),并且只能為一個(gè)用戶使用。盡管別的信道也能夠傳

輸少量的突發(fā)用戶數(shù)據(jù),但它們的設(shè)計(jì)并不是為了傳送大量的數(shù)據(jù),也不是為了傳送擴(kuò)展數(shù)據(jù)會(huì)話,DCH可用于那些類型的對(duì)話。DCH分為上行和下行,它支持快速功率控制、分集技術(shù)和軟切換。

2.公共傳輸信道

公共傳輸信道有以下幾種類型:

(1)隨機(jī)接入信道(RACH):上行鏈路信道,用于傳輸相對(duì)量小的數(shù)據(jù),如初始接入或非實(shí)時(shí)專用控制或業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

(2)ODMA隨機(jī)接入信道(ORACH):用在中繼鏈路中。

(3)公用分組信道(CPCH):用于傳輸突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。該信道僅存在FDD模式下的上行鏈路方向。公用分組信道為小區(qū)內(nèi)全部UE所共享,因此它是一個(gè)公共資源。CPCH受快速功率控制。

(4)前向接入信道(FACH):一種公共下行信道。它不受閉環(huán)功率控制,用于傳輸相對(duì)量小的數(shù)據(jù)。

(5)下行鏈路共享信道(DSCH):幾個(gè)UE共享的下行鏈路信道,用于傳輸專用控制或業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

(6)上行鏈路共享信道(USCH):幾個(gè)UE共享的上行鏈路信道,用于傳輸專用控制或業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。USCH僅用于TDD模式。

(7)廣播信道(BCH):一種下行鏈路信道,用于在整個(gè)小區(qū)中廣播系統(tǒng)信息。

(8)尋呼信道(PCH):一種下行鏈路信道,用于在整個(gè)小區(qū)中廣播控制信息,以保證UE睡眠模式過程有效。當(dāng)前確定的信息類型為尋呼和通告。PCH的另一用處是UTRAN用來通知BCCH信息有變動(dòng)。

3.傳輸信道的一些基本概念

(1)傳輸塊(TransportBlock,TB):定義為物理層與MAC子層間的基本交換單元,物理層為每個(gè)傳輸塊添加一個(gè)CRC。

(2)傳輸塊集(TransportBlockSet,TBS):定義為多個(gè)傳輸塊的集合,這些傳輸塊是在物理層與MAC子層間的同一傳輸信道上同時(shí)交換。

(3)傳輸時(shí)間間隔(TransmissionTimeInterval,TTI):定義為一個(gè)傳輸塊集合到達(dá)的時(shí)間間隔,等于在無線接口上物理層傳送一個(gè)TBS所需要的時(shí)間。在每一個(gè)TTI內(nèi)MAC子層送一個(gè)TBS到物理層。

(4)傳輸格式組合指示(TransportFormatCombinationIndicator,TFCI):當(dāng)前TFC

的一種表示。TFCI的值和TFC是一一對(duì)應(yīng)的,TFCI用于通知接收側(cè)當(dāng)前有效的TFC,即如何解碼、解復(fù)用以及在適當(dāng)?shù)膫鬏斝诺郎线f交接收到的數(shù)據(jù)。5.2.2物理信道

WCDMA物理信道分為上行物理信道和下行物理信道,而上、下行物理信道又可分為專用物理信道和公共物理信道兩類,下面分別介紹。

1)WCDMA上行物理信道

WCDMA上行物理信道包括專用上行物理信道(DUPCH)和公共上行物理信道(CPUCH)兩類。

(1)專用上行物理信道。專用上行物理信道包括上行專用物理數(shù)據(jù)信道(DPDCH)和上行專用物理控制信道(DPCCH)。上行DPDCH用于承載層2或者更高層(如DCH)產(chǎn)生的專用數(shù)據(jù)。上行DPCCH用于承載層1產(chǎn)生的控制信息,包括用于相干檢測的支持信道估計(jì)的導(dǎo)頻比特、傳輸格式組合指示符(TFCI)、反饋信息(FBI)和傳輸功率控制命令(TPC)等。

(2)公共上行物理信道(CUPCH)。公共上行物理信道包括物理隨機(jī)接入信道(PRACH)和物理公共分組信道(PCPCH)。

①物理隨機(jī)接入信道。物理隨機(jī)接入信道用于承載RACH信號(hào)。隨機(jī)接入傳輸采用基于快速捕獲指示的時(shí)隙ALOHA方式。UE能夠在一個(gè)定義好的時(shí)間偏移(用接入時(shí)隙表示)上開始傳輸。每兩個(gè)幀有15個(gè)接入時(shí)隙并且由5120碼片分隔開來。隨機(jī)接入傳輸結(jié)構(gòu)如圖5－2所示。隨機(jī)接入傳輸由一個(gè)或幾個(gè)長度為4096碼片的前導(dǎo)和長度為10ms或20ms的消息部分組成。隨機(jī)接入突發(fā)前導(dǎo)包含一個(gè)長度為16符號(hào)的簽名序列,采用擴(kuò)頻因子為256的擴(kuò)頻處理,總長度為4096碼片。隨機(jī)接入消息格式中,10ms消息分成15個(gè)時(shí)隙,每個(gè)時(shí)隙長度Tslot=2560碼片,由數(shù)據(jù)部分和控制部分組成,其中數(shù)據(jù)部分承載層2信息,控制部分承載層1控制信息。這兩部分被同時(shí)并行傳輸。圖5－2隨機(jī)接入傳輸②物理公共分組信道。物理公共分組信道用于承載傳輸信道中的公共分組信道

(CPCH)。CPCH傳輸采用帶有快速捕獲指示的DSMACD(DigitalSenseMultiple

AccessCollisionDetection)方式。終端能夠在定義好的若干時(shí)間間隔的起始位置上開始傳輸,這些時(shí)間間隔取決于當(dāng)前小區(qū)接收到BCH的幀邊界。

2)WCDMA下行物理信道

下行物理信道主要包括下行專用物理信道和下行公共物理信道。

(1)下行專用物理信道。下行專用物理信道只有下行DPCH一種類型。下行DPCH將高層來的專用數(shù)據(jù)與層1產(chǎn)生的控制信息(導(dǎo)頻比特、TCP指令和一個(gè)可選的TFCI)以時(shí)

分復(fù)用的方式傳輸。

(2)下行公共物理信道。下行公共物理信道包括公共導(dǎo)頻信道(CPICH)、公共控制物理信道(CCPCH)、同步信道(SCH)、捕獲指示信道(AICH)、公共分組信道(CPCH)、狀態(tài)

指示信道(CSICH)和尋呼指示信道(PICH)等。5.2.3傳輸信道與物理信道之間的映射

公共傳輸信道不是直接作用在物理層上發(fā)揮其作用,而是要映射到對(duì)應(yīng)的物理信道。各種傳輸信道與各種物理信道的映射關(guān)系如圖5-3所示,其中部分傳輸信道映射到相同的(或同一個(gè))物理信道。圖5－3各種傳輸信道與各種物理信道的映射關(guān)系

5.3信道編碼與復(fù)用

詳細(xì)情況請(qǐng)參見本書6.3節(jié)。

5.4擴(kuò)頻與調(diào)制5.4.1上行鏈路的擴(kuò)頻與調(diào)制圖5－4給出了上行鏈路的DPCCH、DPDCH和HSDPCCH的擴(kuò)頻過程。物理信道數(shù)據(jù)用二進(jìn)制的實(shí)數(shù)序列表示,即“1”映射為實(shí)數(shù)-1,“0”映射為實(shí)數(shù)+1。擴(kuò)頻后的速率達(dá)到碼片速率,一個(gè)擾碼序列可對(duì)并行傳輸?shù)?個(gè)DPCCH、最多6個(gè)DPDCH和1個(gè)HSDPCCH進(jìn)行擾碼操作。擴(kuò)頻后,擴(kuò)頻信號(hào)與增益因子相乘(加權(quán)),DPCCH和DPDCH的增益因子分別為βc和βd。每個(gè)時(shí)刻的βc和βd中至少有一個(gè)取值為1。β值量化為4bit的碼字。圖5－4上行鏈路DPCCH/HSDPCCH的擴(kuò)頻圖5－5PRACH消息部分的擴(kuò)頻圖5－6PCPCH消息部分的擴(kuò)頻然后由增益因子加權(quán),增益因子分別為βc、βd。每個(gè)時(shí)刻的βc和βd中至少有一個(gè)為1.0。β值量化為4bit的碼字。相加為復(fù)值的碼片序列由復(fù)序列Srmsg,n擾碼。加權(quán)處理后,I路和Q路的實(shí)數(shù)值碼片流相加成為復(fù)數(shù)值的碼流,復(fù)數(shù)值的信號(hào)再通過復(fù)數(shù)值的擾碼Sdpch,n進(jìn)行加擾操作。擾碼與無線幀相對(duì)應(yīng),也就是說,擾碼的第一個(gè)碼片對(duì)應(yīng)于無線幀的開始。

擴(kuò)頻、加擾之后的復(fù)數(shù)值碼片序列分裂為實(shí)部和虛部,再進(jìn)行QPSK調(diào)制,如圖5－7所示。升余弦濾波器的滾降系數(shù)α=0.22。圖5－7上行鏈路調(diào)制5.4.2下行鏈路的擴(kuò)頻與調(diào)制

圖5－8給出了除SCH外的所有下行物理信道的擴(kuò)頻流程。待擴(kuò)頻的物理信道包含一個(gè)實(shí)數(shù)值符號(hào)序列,除AICH信道之外,符號(hào)值可以取+1、-1或0,這里的0代表不連續(xù)傳輸(DTX)。對(duì)AICH信道來說,符號(hào)的取值依賴于待發(fā)射的獲得指示(AI)的精確組合。圖5－8下行鏈路的擴(kuò)頻每一對(duì)連續(xù)的符號(hào)都要首先進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換,映射到I、Q

兩個(gè)支路上去,編號(hào)為偶數(shù)和奇數(shù)的符號(hào)分別映射到I支路和Q

支路。除AICH信道之外,編號(hào)為0的符號(hào)定義為每幀的第一個(gè)符號(hào);對(duì)AICH信道,編號(hào)為0的符號(hào)定義為每個(gè)接入時(shí)隙的第一個(gè)符號(hào)。I支路和Q支路通過相同的實(shí)數(shù)值信道化碼Cch,SF,m

擴(kuò)頻到指定的碼片速率,實(shí)數(shù)值的I支路和Q支路序列就變?yōu)閺?fù)數(shù)值的序列,這個(gè)序列經(jīng)過復(fù)數(shù)值的擾碼Sdl,n進(jìn)行加擾處理。對(duì)于P－CCPCH信道,擾碼應(yīng)與P－CCPCH信道的幀邊界對(duì)齊。而對(duì)于下行鏈路上的其他信道,其擾碼應(yīng)與P－CCPCH信道的擾碼對(duì)齊,但不必與待加擾的物理信道的幀邊界對(duì)齊。下行鏈路的調(diào)制過程如圖5－9所示,調(diào)制碼片速率為3.84Mchip/s。調(diào)制映射器對(duì)QPSK信號(hào)和16QAM信號(hào)的處理方法不同,采用QPSK調(diào)制的物理信道為P－CCPCH、

S－CCPCH、CPICH、AICH、AP－AICH、CSICH、CD/CAICH、PICH、PDSCH、HSSCCH和下行鏈路DPCH。SCH由實(shí)符號(hào)序列組成,不經(jīng)過擴(kuò)頻和調(diào)制的處理。

HSDSCH采用QPSK和16QAM調(diào)制。除承載簽名序列的指示符信道和HSPDSCH外,所有信道的符號(hào)序列的取值均為+1,-1,0。對(duì)于承載簽名序列的指示符信道,符號(hào)值取決于指示符的具體組合。圖5－9下行鏈路調(diào)制采用QPSK調(diào)制的物理信道的每兩個(gè)連續(xù)符號(hào)組成的組序列經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換之后分別映射到I支和Q支路。映射的規(guī)則是:序號(hào)為偶