毕业论文——WCDMA的空中接口技术浅析

WCDMA的空中接口技术浅析 摘 要：随着3G网络的走近，广大网络工作者面临新的挑战。与2G不同，3G无线接入网采用CDMA技术，对大家来说是全新的概念。本文中，作者根据自己对WCDMA无线接口关键技术的理解，对扩频和加扰技术、上下行链路、功率控制和RAKE接收等内容，向各位网络优化的同仁做简要的介绍，抛砖引玉，希望能有助于读者对WCDMA无线接口技术的理解，未雨绸缪，为3G的到来做好充分准备。关键词：WCDMA 扩频 加扰 传输信道 物理信道 比特 符号 功率控制 RAKE接收 1 无线接口协议结构 图1 UTRAN OSI MODEL图1是WCDMA无线接入网(RAN)Un接口的协议结构图。无线接入网分成用户平面和控制平面，用户平面负责数据的传送而控制平面负责信令接续。Un接口分成三个协议层：L1、L2和L3，分别对应于OSI参考模型的物理层、数据链路层和网络层，其中L2又被分为媒体接入控制协议（MAC）、无线链路控制协议（RLC），L3的最底层是无线资源控制（RRC），负责处理UE和RNC之间的信令管理，并直接负责物理层的呼叫建立和释放等事务，它只存在控制平面。无线接入承载（RAB）是在UE和核心网之间为UMTS提供支持QoS承载业务的连接分段，类似于GSM里根据话音或数据业务建立的手机到核心网的电路连接。每个RAB映射到一个或几个RB（Radio Bearer），而每个RB映射到不同的RLC。在UE和RNC之间，通过一个或几个逻辑信道在RLC对等实体之间通信。关于Un口的信道分类将在第二节里细述。二 传输信道和物理信道1 引入传输信道的意义在WCDMA里，传输信道是按照数据在空中接口上传输的方式和特点来定义的，而逻辑信道是按照传输信息内容的类型来定义的，包含了用户数据和L3控制信令，将在后面介绍下行DPCCH和DPDCH的复用时会提到它的具体应用。GSM系统将信道简单地分为逻辑信道和物理信道，这里多出了一个传输信道的概念。逻辑信道是一个抽象的概念，由于在高层协议中，控制信息和业务信息是分别由不同的实体处理的，而对于一个用户来说，在进行业务通信的同时，必然传送着相关控制信息，就涉及到要将业务信息和控制信息通过某种方式复用后一起传送给用户。物理信道是用户占用的特定资源，其容量和性能是和具体设备属性相关的。在空中接口中就表现为一个无线承载。对于GSM系统来说，就是在某一个中心频点上、占用一定带宽（200kHz）并持续一定时长（0.577ms）的一个突发脉冲。对于WCDMA系统来说，一个物理信道就是具有经过一特定的扩频码扩频、并经一特定的扰码加扰、占用5MHz带宽的一个符号序列。对于GSM来说，因为其承载的是单一业务，其物理信道是固定的突发脉冲，因而在信息处理时逻辑信道按照一定的方式直接映射到物理信道。而WCDMA系统是多业务承载平台，对于不同业务其传送方式差别很大，具体表现在信道编码方式、CRC校验等。在WCDMA里对实时性要求较强的业务（如话音和VEDIO PHONE等业务）采用卷积码，因为它的特点是算法简单时延小但纠错能力稍弱；而对网址浏览业务采用Turbo编码，因为它算法复杂时延长纠错功能强。因此逻辑信道首先要映射到传输信道，再映射到物理信道，这就给上层处理带来方便。2 物理信道结构对于不同的信道具有不同的帧结构，这里仅以DPCH（专用物理信道）为例说明，图2是上行DPCH的帧结构。上行信道的帧结构采用类似“码分复用”的方式传送，控制信息和用户数据分别通过不同码信道传送。所有的物理信道多10Ms的高速码片含38400个chips进行加扰，因此每帧长10ms，分为15个slots。DPDCHDedicated Physical Data Channel，专用物理数据信道，传送用户信息。DPCCHDedicated Physical Control Channel，专用控制信道，用于传送控制信息。Pilot导频信号；TFCITransport Format Combined Indicator，传输格式综合指示。FBIFeedback Indicator，反馈指示，用于终端向基站提供分集发射天线的反馈信息。TPCTransmission Power Control，发射功率控制，用于终端向基站提供功率控制命令。 图 2 上行DPCH帧结构图3是下行DPCH（专用物理信道）的帧结构。和上行帧结构不同，下行信号的帧结构采用了一种类似“时分复用”的方式，即将控制信息和用户数据在同一个码信道中传输，但占用不同的时间片。 图 3 下行DPCH帧结构三 扩频和加扰在GSM中以时分复用和频率复用相结合来区分不同的小区和用户，WCDMA技术中所有的用户共享相同的频率资源，也没有时间复用的概念，那么靠什么来区分用户和小区呢？这里引入一个重要的技术即：扩频和加扰，下面我们先来认识扩频（Spreading）和加扰（Scrambling）的概念。WCDMA系统是一个FDD直接序列扩频系统，码片速率3.84Mcps。扩频的理论基础：由Shanon 定理C=Wlog2(1+S/N)可知，在信道容量一定情况下，通信带宽W与信噪比S/N可以互换。即通过扩展频带使信噪比降低。扩频通信的特点：抗干扰能力强、隐蔽性好（信号频谱密度低于白噪声）、抗衰落、抗多径干扰、可以实现码分多址通信。1 信号正交的概念数字通信接收端信号解调过程相乘、积分, 就是在一段时间内相乘、积分结果为零，例：正弦信号与余弦信号在一个周期内积分结果为零，正交。 图4 信号正交过程2 码序列的正交概念两个取值为+1或-1的码序列按位对应相乘，将每位相乘结果进行累加，结果为零就表示两个码序列正交。符合正交的两个序列不符合正交的两个序列序列一1111111111111111序列二1111111111111111相乘结果1111111111111111累加结果023 扩频过程当物理信道成帧后，就需要进行扩频和调制，扩频分两个步骤：第一步称为信道化超作：将每一个数据符号转换为若干个码片，大大提高数字符号的速率，增加了信号带宽，在接收端用相同的高数字序列符号与接收端相乘，进行相关运算，再将扩频符号解扩，即可得到原始的数据符号。用来转换数据的数字序列呼号成为信道化码，在WCDMA系统中用OVSF码（正交可扩频因子码）作为信道化码每个符号转换后的码片数成为扩频因子。第二步是加扰处理：用一个伪随机序列与扩频之后的扩频符号相乘，对信号进行加密。扰码的码字速率与扩频码速率相同，因此不影响最总的符号速率。WCDMA采用Gold码作为扰码，它具有尖锐的自相干性，正交性不太好。 图5 下行发射过程图图5显示了下行信号发射的整个过程。经过编码的bit流在扩频之前进行数模转换，为的是扩频后能将不同物理信道上的信号进行线性叠加（合路）。为了充分利用RF调制技术的I/Q特性，接下来将合路信号进行1：2的分路处理（de-multiplexing），即将所有的偶比特置于I支路而所有的奇比特置于Q支路，由于I路和Q路信息是采用不同的相位进行调制的，使得下行链路的数据传输速率增大一倍。4 OVSF码和PN码共同作用WCDMA系统的信道是码信道，任何时候，各个信道的频谱混合叠加在一起，所以WCDMA系统是一个自干扰系统，CDMA系统接收机接收的信号是各个码信道的信号之和：Stotal(t)=A1S1(t)PN1PR1+ A2S2(t)PN2PR2+ A3S3(t)PN3PR3+WCDMA系统中，用两层码保护。因为OVSF码自相关特性不理想，而PN码互相关特性（正交性）不理想。PN1是第一个用户的扩频码序列，PR1是第一个用户的扰码序列。在WCDMA系 统中，在一个小区中，下行使用同一个扰码，用户身份靠扩频码（OVSF码）区分。上行使用相同的扩频码（相同类型的业务时），靠扰码区分用户身份。因此在WCDMA的网络规划中，对下行PN码的规划非常重要。对第一个用户进行解扩、解扰后得到所需的信号： S(t) PN1PR1 =A1S1(t)PN1PR1 PN1PR1 + A2S2(t)PN2PR2 PN1PR1 + A3S3(t)PN3PR3 PN1PR1 +=A1S1(t)+0 图6 一个WCDMA小区中的PN码和OC码图6是一个PN和OC配合使用的例子，很好的说明了PN和OC配合使用在下行链路上对不同物理信道的区分和上行链路上对不同用户的区分。5 WCDMA的下行链路图7是详细的下行链路形成过程，看起来非常复杂，但总体上遵循前文介绍的物理信道产生过程，包含了各类信道之间的映射过程，并进行扩频和加扰。 图中显示， 除了承载传输信道的部分物理信道之外，还有部分物理信道并不承载任何上层信息，只是用于基站和终端的物理层之间，起控制和辅助的作用。这些信道包括：SCH、CPICH、AICH、PICH等。其中SCH用于系统同步作用，CPICH是公共导频信道，起相位参考和信号强度测量作用，AICH是捕获指示信道，用于在UE申请接入的时候，基站向UE反馈信号的正确检测作用，PICH是寻呼指示信道，用于配合PCH完成对用于的寻呼。通过PICH的引入，可以大大提高终端的待机时间。 WCDMA技术中，在串并转换之前的数据流（sctreams）称为比特流，之后称为符号流（symbols），比特速率是符号速率的2倍。 在图3中，参数k决定了每个下行DPCH时隙的总比特数，它和物理信道的扩频因子SF有关，SF512/2k，k取07，因此，下行扩频因子SF范围为5124。上行SF256/2k ，k取06，上行范围2564。 正因为SF的可变性使得DPDCH携带的数据（包含了L3的控制信令，如切换信息等）速率可变。下面我们借助一个速率为15kbps的例子来说明比特、符号、SF等概念的关系。15kbps在S/P转换后得到两个7.5kbps (15/2)的分符号流，两个分流以相同SF为512的OC码扩频，这就是说用512个码片（chips）去扩展一个符号，一帧10ms总共有38400个码片产生75个符号（38400/512），或150个比特。150bits里60bits用于DPDCH携带用户数据和L3的控制信令，90bits用于DPCCH携带L1的控制信息，如TFCI、TPC和pilot，具体的比特分配可以查阅3。注意：举例的15kbps是传输速率，即不是RLC也不是应用层的速率，因此我们在查阅3G的相关资料时，注意区分各SF对应的速率是什么速率。 系统中公共导频信道（CPICH）和主公共控制物理信道（P-CPCCH）固定的OC码，分别为C256，0 和C256，1，因此它们的速率是恒定的。有兴趣的读者可以自行计算其值。 值得说明的是，同步信道SCH不需要经过扩频和加扰的，其原因是能让UE在捕获基站的下行加扰码之前，能顺利解码SCH，从实现更基站的同步。SCH和传输BCH通过时分复用在PCPCCH里。 图7 WCDMA下行链路6 上行链路与下行链路不同的是，DPCCH和DPDCH不再“时分复用”，分别在I和Q支路进行复数加扰。 图8 采用多码传输时的上行扩频加扰当上行DCH采用多个专用物理信道时，多个DPDCH共用一个DPCCH，且DPCCH只出现在第一个物理信道中。采用多码传输的时候，所有的DPDCH均使用相同的扩频因子SF=4。其中I和Q支路分别进行扩频并赋予每个扩频之后的信道化码流一个增益因子，然后将I和Q支路进行合并，进行复数扰码操作。这时，I和Q支路可以看作是两条并行传输的信道。四 功率控制1 WCDMA系统特有的功率攀升现象下行物理码信道之间的非正交产生多址干扰，存在功率攀升现象。WCDMA系统的所有用户同时在同一频段工作，就象一间房间里，两个广东人+两个福建人+两个上海人交谈，只要讲话的声音不是太大，可以做到互不影响。吵架影响大家交谈，声音互相提高，功率攀升。很明显，房间外的干扰也会影响房间内的谈话，这就是WCDMA系统的小区外干扰。2 功控的意义 图9功控效果示例功率是CDMA系统的核心，一切是围绕着功率进行。CDMA系统是一个同频自干扰系统，任何多余不必要的功率不允许发射，这是一个一定要遵守的总准则！功率控制就是维护这个准则的手段。码分多址技术是在同一频段同时建立多个码分信道，伪随机码具有很好的自相关性，但互相关不为0，产生码信道之间的干扰多址干扰（AMI）。 多用户检测和干扰对消技术、智能天线技术可以降低多址干扰。由于移动信道是一个衰落信道，快速闭环功控可以随着信号的起伏进行快速改变发射功率，使接收电平由起伏变得平坦。功率控制技术能够解决以上提到的几种问题，是使CDMA走向实用化的重要关键技术之一。本文仅叙述功控分类和工作原理，对具体算法不作分析。3 功控的分类功率控制分为上行功控和下行功控。功控又分为开环功控和闭环功控两大类。（1） 开环功控开环功控是接收机测量接收到的宽带导频信号的功率，并估计传播路径损耗，根据路径损耗计算得到需要发射的功率。接收到的功率越强，说明收发双方距离较近或有非常好的传播路径，发射的功率就越小。由于在FDD系统，收发频差是190MHz，大大超过了信道的相关带宽（约100KHz左右），收发频率（信道）的快衰落特性不相关，因而从接收信号得到的路径损耗决定发射功率的方法误差较大，最大可达8dB以上，因此开环功控只能在决定接入初期发射功率和切换时决定切换后初期发射功率的时候使用。（2）闭环功控闭环功控是发方根据收方链路质量测量结果的反馈信息，进行增加或减少（降低）发射功率。可见闭环功控需要一个反馈通道。闭环功控又分快速的内环功控、慢速的外环功控两种。内环功控：内环功率控制过程会在每一个功率控制组内执行，每帧15次（10ms/15=0.67ms一次），每秒1500次。接收机在每个时隙测量信道的信噪比（SIR），并与目标SIR进行比较，当测量的SIR低于目标值时给出增加功率的指令，发射方增加一个单位功率，这个单位功率就是功控步长，从0.5dB到2dB不等，一般是1dB，也可以变步长改变发射功率。当SIR测量值高于目标值时，就发出降低一个单位（步长）的功率。直到满足接收方通信质量为止。并不是所有的物理信道都要进行内环功控，如P-CPCCH总是以恒定的功率发射，需要在初期规划时设定。外环功控：实际上，外环功率控制技术并不在物理层实现，而是由高层实现的, 外环功率控制用于设置快速闭环功率控制的目标值，以使得系统在无线接口上可以提供可靠的质量；质量太好会影响容量，而质量太差则会影响正确接收。外环功率控制不仅在上行方向需要，而且在下行方向也需要，因为快速功控在两个方向上都有。环功控慢得多，时间一般是在TTI（传输时间间隙）级，一个TTI从20ms到80ms不等。外环功控是接收方通过每帧的CRC校验来统计误帧（块）率（BLER），当误帧率高于目标值时就提高SIR目标值，通过快速闭环功控实现通信质量的提高；当误帧率低于目标值时就降低SIR目标值，通过快速闭环功控实现刚好的通信质量，以降低不必要的功率发射。当业务要求误块率为10-3时，需要统计1000个以上的数据块才能给出一个统计的结果，这样就需要20s以上的时间才能进行一次外环功控！实际上是通过时间窗来统计的，在通信初期可能需要长时间的统计，在通信过程中，是一个滑动的时间窗（窗口尺寸是20s），每个TTI时间滑动一次，这样就可以在一个TTI时间进行外环功控了。五 RAKE接收技术 图10 RAKE接收示意图Rake接收技术是WCDMA的一个特殊优势。RAKE接收本质是将通过不同路径来的多径信号进行径分离，然后按照一定的算法给以不同的相位、延时补偿，并将这些处理过的信号进行合并，以达到增强接收信号强度的目的。与IS-95 A的不同之处为，W-CDMA具有高3倍的多径分辨能力。WCDMA对传播波程差78米以上的多径就可以被RAKE接收机利用，一般可以利用6条多径以上，大大提高了通信质量，提高系统容量。另外在W-CDMA系统中，可以利用用户发射的导频信息，在反向链路进行相干合并。对于W-CDMA理