《3G移动通信理论及应用》课件第5章

5.1物理层结构5.2传输信道和物理信道5.3信道编码与复用5.4扩频与调制 5.1物理层结构

物理层是空中接口的最底层,它提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能。物理层与数据链路层的MAC子层和网络层的RRC子层连接。物理层向MAC层提供不同的传输信道,传输信道定义了信息是如何在空中接口上传输的。物理信道在物理层定义,物理层受RRC控制。5.1.1物理信道帧结构

高层数据传输到物理层之后,映射到物理信道的无线帧中。物理信道的数据传输速率、加扰方式、信道内容都有所不同,而且都可以无线帧为单位进行区分。因此,可以从物理信道的帧结构着手,介绍各信道的结构、调制参数、在系统中的应用、信道之间的相对时序等内容。

WCDMA系统的物理信道在时间上分为3层结构:超帧、无线帧、时隙。物理信道的帧结构如图5-1所示:一个超帧为期720ms,包括72个无线帧。其边界由系统帧标号

(SFN,SystemFrameNumber)定义。一个超帧的头帧SFN对72取模值为0,尾帧SFN对72取模值为71。一个无线帧周期长10ms,包括15个等长时隙,对应38400个码片,它是物理信道的基本单元。时隙是一个比特域组成的单元,对应2560个码片。物理信道的类型决定了每个时隙的信息比特数和结构。图5-1物理信道的帧结构5.1.2物理信道时序结构

发送小区系统帧号(SFN)的PCCPCH将被直接用于下行链路所有物理信道的定时基准,而间接用于上行链路的定时基准。上行物理信道的传输定时取决于接收下行物理信

道的定时。下行物理信道的定时遵从以下规则:

•PSCH/SSCH、PCPICH/SCPICH、PCCPCH和PDSCH采用相同的帧定时;

•不同的SCCPCH可以采用不同的定时,但其与PCCPCH的帧定时偏移量是256码片的整数倍,即τSCCPCH,k=Tk×256码片,Tk∈{0,1,…,149};

5.2传输信道和物理信道

5.2.1传输信道

1.专用传输信道

专用传输信道使用UE的内在寻址方式。WCDMA仅存在一种专用传输信道,即专用信道(DCH)。这个信道传输用户数据,并且只能为一个用户使用。尽管别的信道也能够传

输少量的突发用户数据,但它们的设计并不是为了传送大量的数据,也不是为了传送扩展数据会话,DCH可用于那些类型的对话。DCH分为上行和下行,它支持快速功率控制、分集技术和软切换。

2.公共传输信道

公共传输信道有以下几种类型:

(1)随机接入信道(RACH):上行链路信道,用于传输相对量小的数据,如初始接入或非实时专用控制或业务数据。

(2)ODMA随机接入信道(ORACH):用在中继链路中。

(3)公用分组信道(CPCH):用于传输突发数据业务。该信道仅存在FDD模式下的上行链路方向。公用分组信道为小区内全部UE所共享,因此它是一个公共资源。CPCH受快速功率控制。

(4)前向接入信道(FACH):一种公共下行信道。它不受闭环功率控制,用于传输相对量小的数据。

(5)下行链路共享信道(DSCH):几个UE共享的下行链路信道,用于传输专用控制或业务数据。

(6)上行链路共享信道(USCH):几个UE共享的上行链路信道,用于传输专用控制或业务数据。USCH仅用于TDD模式。

(7)广播信道(BCH):一种下行链路信道,用于在整个小区中广播系统信息。

(8)寻呼信道(PCH):一种下行链路信道,用于在整个小区中广播控制信息,以保证UE睡眠模式过程有效。当前确定的信息类型为寻呼和通告。PCH的另一用处是UTRAN用来通知BCCH信息有变动。

3.传输信道的一些基本概念

(1)传输块(TransportBlock,TB):定义为物理层与MAC子层间的基本交换单元,物理层为每个传输块添加一个CRC。

(2)传输块集(TransportBlockSet,TBS):定义为多个传输块的集合,这些传输块是在物理层与MAC子层间的同一传输信道上同时交换。

(3)传输时间间隔(TransmissionTimeInterval,TTI):定义为一个传输块集合到达的时间间隔,等于在无线接口上物理层传送一个TBS所需要的时间。在每一个TTI内MAC子层送一个TBS到物理层。

(4)传输格式组合指示(TransportFormatCombinationIndicator,TFCI):当前TFC

的一种表示。TFCI的值和TFC是一一对应的,TFCI用于通知接收侧当前有效的TFC,即如何解码、解复用以及在适当的传输信道上递交接收到的数据。5.2.2物理信道

WCDMA物理信道分为上行物理信道和下行物理信道,而上、下行物理信道又可分为专用物理信道和公共物理信道两类,下面分别介绍。

1)WCDMA上行物理信道

WCDMA上行物理信道包括专用上行物理信道(DUPCH)和公共上行物理信道(CPUCH)两类。

(1)专用上行物理信道。专用上行物理信道包括上行专用物理数据信道(DPDCH)和上行专用物理控制信道(DPCCH)。上行DPDCH用于承载层2或者更高层(如DCH)产生的专用数据。上行DPCCH用于承载层1产生的控制信息,包括用于相干检测的支持信道估计的导频比特、传输格式组合指示符(TFCI)、反馈信息(FBI)和传输功率控制命令(TPC)等。

(2)公共上行物理信道(CUPCH)。公共上行物理信道包括物理随机接入信道(PRACH)和物理公共分组信道(PCPCH)。

①物理随机接入信道。物理随机接入信道用于承载RACH信号。随机接入传输采用基于快速捕获指示的时隙ALOHA方式。UE能够在一个定义好的时间偏移(用接入时隙表示)上开始传输。每两个帧有15个接入时隙并且由5120码片分隔开来。随机接入传输结构如图5－2所示。随机接入传输由一个或几个长度为4096码片的前导和长度为10ms或20ms的消息部分组成。随机接入突发前导包含一个长度为16符号的签名序列,采用扩频因子为256的扩频处理,总长度为4096码片。随机接入消息格式中,10ms消息分成15个时隙,每个时隙长度Tslot=2560码片,由数据部分和控制部分组成,其中数据部分承载层2信息,控制部分承载层1控制信息。这两部分被同时并行传输。图5－2随机接入传输②物理公共分组信道。物理公共分组信道用于承载传输信道中的公共分组信道

(CPCH)。CPCH传输采用带有快速捕获指示的DSMACD(DigitalSenseMultiple

AccessCollisionDetection)方式。终端能够在定义好的若干时间间隔的起始位置上开始传输,这些时间间隔取决于当前小区接收到BCH的帧边界。

2)WCDMA下行物理信道

下行物理信道主要包括下行专用物理信道和下行公共物理信道。

(1)下行专用物理信道。下行专用物理信道只有下行DPCH一种类型。下行DPCH将高层来的专用数据与层1产生的控制信息(导频比特、TCP指令和一个可选的TFCI)以时

分复用的方式传输。

(2)下行公共物理信道。下行公共物理信道包括公共导频信道(CPICH)、公共控制物理信道(CCPCH)、同步信道(SCH)、捕获指示信道(AICH)、公共分组信道(CPCH)、状态

指示信道(CSICH)和寻呼指示信道(PICH)等。5.2.3传输信道与物理信道之间的映射

公共传输信道不是直接作用在物理层上发挥其作用,而是要映射到对应的物理信道。各种传输信道与各种物理信道的映射关系如图5-3所示,其中部分传输信道映射到相同的(或同一个)物理信道。图5－3各种传输信道与各种物理信道的映射关系

5.3信道编码与复用

详细情况请参见本书6.3节。

5.4扩频与调制5.4.1上行链路的扩频与调制图5－4给出了上行链路的DPCCH、DPDCH和HSDPCCH的扩频过程。物理信道数据用二进制的实数序列表示,即“1”映射为实数-1,“0”映射为实数+1。扩频后的速率达到码片速率,一个扰码序列可对并行传输的1个DPCCH、最多6个DPDCH和1个HSDPCCH进行扰码操作。扩频后,扩频信号与增益因子相乘(加权),DPCCH和DPDCH的增益因子分别为βc和βd。每个时刻的βc和βd中至少有一个取值为1。β值量化为4bit的码字。图5－4上行链路DPCCH/HSDPCCH的扩频图5－5PRACH消息部分的扩频图5－6PCPCH消息部分的扩频然后由增益因子加权,增益因子分别为βc、βd。每个时刻的βc和βd中至少有一个为1.0。β值量化为4bit的码字。相加为复值的码片序列由复序列Srmsg,n扰码。加权处理后,I路和Q路的实数值码片流相加成为复数值的码流,复数值的信号再通过复数值的扰码Sdpch,n进行加扰操作。扰码与无线帧相对应,也就是说,扰码的第一个码片对应于无线帧的开始。

扩频、加扰之后的复数值码片序列分裂为实部和虚部,再进行QPSK调制,如图5－7所示。升余弦滤波器的滚降系数α=0.22。图5－7上行链路调制5.4.2下行链路的扩频与调制

图5－8给出了除SCH外的所有下行物理信道的扩频流程。待扩频的物理信道包含一个实数值符号序列,除AICH信道之外,符号值可以取+1、-1或0,这里的0代表不连续传输(DTX)。对AICH信道来说,符号的取值依赖于待发射的获得指示(AI)的精确组合。图5－8下行链路的扩频每一对连续的符号都要首先进行串/并转换,映射到I、Q

两个支路上去,编号为偶数和奇数的符号分别映射到I支路和Q

支路。除AICH信道之外,编号为0的符号定义为每帧的第一个符号;对AICH信道,编号为0的符号定义为每个接入时隙的第一个符号。I支路和Q支路通过相同的实数值信道化码Cch,SF,m

扩频到指定的码片速率,实数值的I支路和Q支路序列就变为复数值的序列,这个序列经过复数值的扰码Sdl,n进行加扰处理。对于P－CCPCH信道,扰码应与P－CCPCH信道的帧边界对齐。而对于下行链路上的其他信道,其扰码应与P－CCPCH信道的扰码对齐,但不必与待加扰的物理信道的帧边界对齐。下行链路的调制过程如图5－9所示,调制码片速率为3.84Mchip/s。调制映射器对QPSK信号和16QAM信号的处理方法不同,采用QPSK调制的物理信道为P－CCPCH、

S－CCPCH、CPICH、AICH、AP－AICH、CSICH、CD/CAICH、PICH、PDSCH、HSSCCH和下行链路DPCH。SCH由实符号序列组成,不经过扩频和调制的处理。

HSDSCH采用QPSK和16QAM调制。除承载签名序列的指示符信道和HSPDSCH外,所有信道的符号序列的取值均为+1,-1,0。对于承载签名序列的指示符信道,符号值取决于指示符的具体组合。图5－9下行链路调制采用QPSK调制的物理信道的每两个连续符号组成的组序列经过串/并转换之后分别映射到I支和Q支路。映射的规则是:序号为偶