《3G移動通信理論及應用》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信道編碼與復用5.4擴頻與調(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)中的應用、信道之間的相對時序等內(nèi)容。

WCDMA系統(tǒng)的物理信道在時間上分為3層結(jié)構(gòu):超幀、無線幀、時隙。物理信道的幀結(jié)構(gòu)如圖5-1所示:一個超幀為期720ms,包括72個無線幀。其邊界由系統(tǒng)幀標號

(SFN,SystemFrameNumber)定義。一個超幀的頭幀SFN對72取模值為0,尾幀SFN對72取模值為71。一個無線幀周期長10ms,包括15個等長時隙,對應38400個碼片,它是物理信道的基本單元。時隙是一個比特域組成的單元,對應2560個碼片。物理信道的類型決定了每個時隙的信息比特數(shù)和結(jié)構(gòu)。圖5-1物理信道的幀結(jié)構(gòu)5.1.2物理信道時序結(jié)構(gòu)

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

道的定時。下行物理信道的定時遵從以下規(guī)則:

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

?不同的SCCPCH可以采用不同的定時,但其與PCCPCH的幀定時偏移量是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)。這個信道傳輸用戶數(shù)據(jù),并且只能為一個用戶使用。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)計并不是為了傳送大量的數(shù)據(jù),也不是為了傳送擴展數(shù)據(jù)會話,DCH可用于那些類型的對話。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)隨機接入信道(RACH):上行鏈路信道,用于傳輸相對量小的數(shù)據(jù),如初始接入或非實時專用控制或業(yè)務數(shù)據(jù)。

(2)ODMA隨機接入信道(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。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,用于傳輸相對量小的數(shù)據(jù)。

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

(6)上行鏈路共享信道(USCH):幾個UE共享的上行鏈路信道,用于傳輸專用控制或業(yè)務數(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,用于在整個小區(qū)中廣播控制信息,以保證UE睡眠模式過程有效。當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。

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,物理層為每個傳輸塊添加一個CRC。

(2)傳輸塊集(TransportBlockSet,TBS):定義為多個傳輸塊的集合,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交換。

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

(4)傳輸格式組合指示(TransportFormatCombinationIndicator,TFCI):當前TFC

的一種表示。TFCI的值和TFC是一一對應的,TFCI用于通知接收側(cè)當前有效的TFC,即如何解碼、解復用以及在適當?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的導頻比特、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接入信道(PRACH)和物理公共分組信道(PCPCH)。

①物理隨機接入信道。物理隨機接入信道用于承載RACH信號。隨機接入傳輸采用基于快速捕獲指示的時隙ALOHA方式。UE能夠在一個定義好的時間偏移(用接入時隙表示)上開始傳輸。每兩個幀有15個接入時隙并且由5120碼片分隔開來。隨機接入傳輸結(jié)構(gòu)如圖5－2所示。隨機接入傳輸由一個或幾個長度為4096碼片的前導和長度為10ms或20ms的消息部分組成。隨機接入突發(fā)前導包含一個長度為16符號的簽名序列,采用擴頻因子為256的擴頻處理,總長度為4096碼片。隨機接入消息格式中,10ms消息分成15個時隙,每個時隙長度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。這兩部分被同時并行傳輸。圖5－2隨機接入傳輸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間間隔的起始位置上開始傳輸,這些時間間隔取決于當前小區(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(導頻比特、TCP指令和一個可選的TFCI)以時

分復用的方式傳輸。

(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,而是要映射到對應的物理信道。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)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信道編碼與復用

詳細情況請參見本書6.3節(jié)。

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

擴頻、加擾之后的復數(shù)值碼片序列分裂為實部和虛部,再進行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頻流程。待擴頻的物理信道包含一個實數(shù)值符號序列,除AICH信道之外,符號值可以取+1、-1或0,這里的0代表不連續(xù)傳輸(DTX)。對AICH信道來說,符號的取值依賴于待發(fā)射的獲得指示(AI)的精確組合。圖5－8下行鏈路的擴頻每一對連續(xù)的符號都要首先進行串/并轉(zhuǎn)換,映射到I、Q

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

支路。除AICH信道之外,編號為0的符號定義為每幀的第一個符號;對AICH信道,編號為0的符號定義為每個接入時隙的第一個符號。I支路和Q支路通過相同的實數(shù)值信道化碼Cch,SF,m

擴頻到指定的碼片速率,實數(shù)值的I支路和Q支路序列就變?yōu)閺蛿?shù)值的序列,這個序列經(jīng)過復數(shù)值的擾碼Sdl,n進行加擾處理。對于P－CCPCH信道,擾碼應與P－CCPCH信道的幀邊界對齊。而對于下行鏈路上的其他信道,其擾碼應與P－CCPCH信道的擾碼對齊,但不必與待加擾的物理信道的幀邊界對齊。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QPSK信號和16QAM信號的處理方法不同,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由實符號序列組成,不經(jīng)過擴頻和調(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,所有信道的符號序列的取值均為+1,-1,0。對于承載簽名序列的指示符信道,符號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連續(xù)符號組成的組序列經(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:序號為偶