（通信与信息系统专业论文）wcdma系统中的小区搜索算法研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 w c d m a 系统是第三代移动通信系统中最具有竞争力的标准之一。其同步 的技术是这个通信系统中的关键技术之一，为此w c d m a 系统精心设计了快速 的小区搜索算法，本文就是研究小区搜索算法及其实现，共分五章。 第二章中介绍了w c d m a 系统f d d 模式的物理层的标准，我们清楚的勾勒 出物理层本身的包含的内容以及与物理层外关联的各个部分，以对物理层本身有 较清楚的认识。 第三章重点介绍了移动传播环境的特性以及无线信道的仿真技术。j a k e s 信 道仿真技术及其修正用来仿真不相关的多径信道系数的技术在本节中详细描述。 第四章重点介绍了w c d m a 系统中的小区搜索算法的研究。本章依据小区 搜索碰到的两个问题分为两部分快速的获得扰码头的方法大频偏的估计方 法。在第一个问题的研究中我们得出以下六个结论： 在不同的频偏条件下应该使用不同的累加积分的长度以对付频偏，小 于5 k h z 下使用2 5 6 c h i p 累加，2 0 k h z 时应使用6 4 c h i p 累加。 使用软的r s 译码方法有很好的性能。 小区搜索的虚警概率应该很小，否则会带动上层软件频繁误操作，导 致整个流程耗时增加。本文给出了一种可以通过算式表达的虚警概率 计算公式。 从并行小区搜索算法在测试信道c a s ei i ，c a s ei i i 下的性能中可以看 出对各种算法在工作性噪比范围内其平均捕获时问均在1 0 0 m s 以内 如果采用并行的流水线的搜索结构。 在低i o r i o c 的情形下小区搜索算法中第二步采用相干的合并可以提 高性能但是在i o r i o r 3 d b 时相干合并不能带来多少增益，又因为相 干合并在多基站同步信道重叠的情形下，信道系数会估计错误造成性 能的恶化，又兼非相干方法实现较为简单，因此非相干合并是个较为 理想的选择。 大的时延扩展会恶化小区搜索的性能但是高的多普勒会提高小区搜 索的性能。 在第二个问题中我们使用了n e 、v t o n 迭代法和差分鉴频的方法完成了晶振频 偏的估计。 第五章重点介绍了w c d m a 系统中小区搜索算法的硬件实现的方法以及在 设计中遇到的问题以及解决的方法。我们在其中详细的描述了软解码的方法。 【关键词】w c d m a 系统同步小区搜索软解码频偏估计 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w c d m ai so n eo ft h em o s tc o m p e t i t i v es t a n d a r d so f3 g e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h et e c h n i q u eo ft h es y n c h r o n i z a t i o ni so n eo ft h ek e y so ft h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms om u c he m p h a s i si s1 a i do nt h ed e s i g no ft h ec e l ls e a r c h a l g o r i t h m t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h ed e s i g na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ec e l l s e a r c ha l g o r i t h mi nw c d m a w ed i v i d et h ep a p e ri n t of i v ec h a p t e r s c h a p t e r2g i v e sag e n e r a ld e s c r i p t i o no ft e c h n i q u es p e c i f i c a t i o n so fp h y s i c a ll a y e r i nw c d m aw eb o t hd e s c r i b et h ec o n t e n ti nw c d m ap h y s i c a ll a y e ra n dt h ec o n t e n t t h a ti sc o n n e c t e dt oi ts ot h a tw ec a ng e tam o r ec l e a rv i s i o na b o u tt h ep h y s i c a ll a y e r o f i nw c d m a c h a p t e r3d e s c r i b e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h em o b i l ec h a n n e l sa n dt h et e c h n i q u e s t os i m u l a t et h e m j a k e s m e t h o da n dt h er e v i s e dm e t h o da r ec a r e f u l l yc o n s i d e r e di n t h i sc h a p t e r c h a p t e r4d e s c r i b e so u rr e s e a r c hw o r ko nt h ec e l ls e a r c ha l g o r i t h mi nw c d m a t ob em o r ec l e a rw ed i v i d et h ec h a p t e ri n t o2p a r t sa c c o r d i n gt ot h e2p r o b l e m sw e w i l le n c o u n t e r t h ef i r s ti sh o wt og e tt h es c r a mc o d ea n dt i m eq u i c k l y t h es e c o n di s h o wt oe s t i m a t et h el a r g ef r e q u e n c ye r r o r i no u rr e s e a r c hw o r kw ed r a wt h ef o l l o w i n g 6c o n c l u s i o n s 1 w ec a ng e tb e t t e rp e r f o r m a n c ei fw eu s ed i f f e r e n tl e n g t hi nc h i p sf o r a c c u m u l a t i o nf o rd i f f e r e n tf r e q u e n c ye r r o r 2 t h ef a l s ea l a r mp r o b a b i l i t ys h o u l db ev e r ys m a l lf o rt h ea l g o r i t h m w e d e r i v ea ne x p r e s s i o nt oc a l c u l a t ei t 3 c o h e r e n tc o m b i n a t i o nc a ng e tb e t t e rp e r f o r m a n c ei nt h es t e p 2a l g o r i t h m i nl o wi o r i o ch o w e v e rc o h e r e n tc o m b i n a t i o nc a nn o tg e tm u c hg a i ni f i o r i o ri sm o r et h a n0 d b 4 s o f td e c o d i n gc a na c h i e v eb e t t e rp e r f o r m a n c e 5 i nr e a l i s t i cc h a n n e l st h ea v e r a g ec e l ls e a r c ht i m ei sn o1 e s st h a n10 0 m si n a n ya l g o r i t h mi fw eu s et h ep i p e l i n e dc e l ls e a r c hp r o c e s s 6 h i g h t i m es p r e a dw i l ld e g r a d et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h mh o w e v e r t h ed o p p l o rs p r e a dw i l lb e n e f i tt h ep e r f o r m a n c e w h e nt a l k i n ga b o u tt h es e c o n dq u e s t i o nw eu s et h en e w t o ni t e r a t i o nm e t h o da n d d i 虢r e n t i a lf r e q u e n c ye s t i m a t i o nm e t h o dt ot a c k l ei t c h a p t e r5d e s c r i b e st h em e t h o dt oi m p l e m e n tt h ea l g o r i t h m w 色w i l ll a yg r e a t e m p h a s i so nt h ep r o b l e m sw e w i l le n c o u n t e ra n dh o wt os o l v et h e m w h a t sm o r ew e d e s c r i b et h es o f td e c o d i n gm e t h o d m o r es p e c i f i c a l l y 【k e yw o r d s w c d m a s y s t e ms y n c h r o n i z a t i o n c e l ls e a r c hs o f td e c o d i n g f r e q u e n c ye s t i m a t i o n 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 现代科学技术和社会经济的高度发展，直接推动了人类社会由工业化向信息 化的转变。通信作为人们在信息获取和交流中不可或缺的重要工具，已在当今信 息化时代扮演着越来越重要的角色。因此，世界各国都在致力于现代综合通信网 的建设，其中移动通信作为能够提供快速、便捷、可靠的通信方式更是倍受关注。 移动通信的快速发展，将使人类“不论何时，不论何地都能与任何人交流任何信 息”的个人通信愿望逐步成为现实。 在过去的十几年里，移动通信技术获得了很大的进步，从单基站大功率系统 到多基站小功率系统，从单一覆盖模式到蜂窝和复蜂窝覆盖模式，从小区域覆盖 到大区域覆盖并实现了国内甚至国际漫游，从纯语音系统到包括低速数据传输的 综合传输系统，从模拟移动通信系统到数字移动通信系统。这些变化，使得移动 通信技术在传输能力和传输质量等方面获得了巨大的进步。 但是，移动通信技术不会，也不可能因为今天的成就而停止不前。相反，相 对于有线通信技术的传输能力，相对于人们对于信息传输能力的要求，移动通信 技术还会，且应该得到进一步的研究和开发。 1 1 论文背景 蜂窝移动通信的发展经历了第一代模拟系统和第二代数字移动系统，目前以 进入第三代宽带数字系统。 第一代模拟移动通信系统以北美a m p s 、欧洲t a c s 、北欧n m t 、德国c 一4 5 0 以及同本n t t 等系统为代表。由于模拟系统的容量小，频谱利用率低，保密性 能差以及不同系统不能兼容等不足，促使人们研制出以欧洲的g s m 系统、美国 i s 5 4 和i s 一9 5 、日本p d c 等系统为代表的第二代数字移动通信系统。第二代数 字移动通信系统能提供数字话音通信，以及电路交换的低速或中速率的数据通 信，改善了第一代系统存在的不足。 由于第二代数字移动通信系统在很多方面仍然没有实现人们最初的目标，比 如统一的全球标准；同时也由于技术的发展和人们对于系统传输能力的要求越来 越高，几千比特每秒的数据传输能力已经不能满足某些用户对于高速率数据传输 的需要，一些新的技术如i p 等不能有效地实现，这些需要是高速率移动通信系 东南大学硕士学位论文 统发展的市场动力。在此情况下，具有9 1 5 0 k b p s 传输能力的通用分组无线电业 务( g p r s ：g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e s ) 系统和其它系统开始出现，并成为向 第三代移动通信系统过渡的中间技术。 随着社会的发展，技术的进步，国际间的交流合作日益频繁，人们希望移动 通信系统能和固定网一样提供将话音、图象、数据等综合在一起的交互式多媒体 业务，这是目前正在营运的第二代系统所不能满足的。因此，人们的目光开始向 第三代移动通信系统转移。 国际电联i t u 从1 9 8 0 年起就致力于第三代移动通信系统的标准化工作。区 别于现有的第一代和第二代移动通信系统，第三代移动通信系统至少要实现下列 的基本目标，其主要特点可概括为 全球普及和全球无缝漫游的系统。第三代移动通信系统即便不能形成统一 的全球标准，但也要实现兼容的标准，从而实现全球漫游。 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持i n t e r n e t 业务的能力。现有的移 动通信系统主要以提供话音业务为主，一般仅能提供10 0 k b s 2 0 0 k b s 的数据业 务：g s m 演进到最高阶段也仅能提供3 8 4 k b s 的数据业务。i t u 规定的第三代移 动通信无线传输技术则要求在快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b s ；室外到室内 或步行环境，最高速率达3 8 4 k b s ；室内环境，最高速率达2 m b s 增加分组交换业务：第二代移动通信系统停留在传统的电路交换模式，在 信道效率方面相对较低。在第三代移动通信系统中，电路交换和分组交换将共同 存在，提高传输的灵活性和信道效率。 增加非对称传输模式：由于新的数据业务，比如w w w 浏览等，具有固定 的非对称特性，上行传输往往只需要几千比特每秒，而下行传输可能要几百千比 特每秒，甚至上兆比特每秒才能满足需要。而第二代移动通信系统只支持对称业 务。 高频谱效率：提供软切换、快速功控、相干接收、r a k e 合并接收、智能天 线系统等新技术的应用，有效地提高新系统的频谱效率。 更好的传输质量：未来的移动通信系统使得传输质量达到或者接近有线系 统的传输质量，可以为车载用户提供1 4 4 k b p s ，为行人提供3 8 4 k b p s ，为室内用 户提供高达2 m b p s 的传输速率。 其它还有诸如，低成本、高保密性、便于向4 g 过渡演进等特点。 要实现上述目标，移动通信系统在技术上仍有许多问题需要研究解决，空中 接口( a i r i n t e r f a c e ) 技术是其中的核心问题之- 6 1 。 东南大学硕士学位论文 在提交给i t u 的关于第三代数字移动通信系统的各种方案中，欧洲提出的基 于g s m 的w c d m a 、北美提出的基于i s 一9 5 的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的 t d s c d m a 将是主流技术，采用码分多址的空中接口标准已基本达成共识。 1 2w c d m a 系统的主要关键技术 ( 1 ) 同步技术 同步在任何系统中都非常重要，w c d m a 系统将同步分为初始同步 即捕获和细同步即跟踪。在w c d m a 系统中，由于其具有异步的特点， 专门对初始同步进行了设计，采用了快速的小区搜索，缩短了捕获时间。 ( 2 ) r a k e 接收技术 移动通信是在较为恶劣的无线信道下进行的，如何克服电波传播造 成的多径衰落的现象是移动通信的基本问题之一。在宽带c d m a 系统中， 其信号的带宽远大于信道的相干带宽，这样对分辨出的多径信号进行分 集接收，便z 日, 匕2 , 一t k e t 好的抵抗衰落效应，这便是r a k e 接收技术。 ( 3 ) 高效信道编译码技术 在第三代移动通信系统的主要提案中，其信道编码采用卷积码或t u r b o 码。为了对抗移动信道的衰落特性，他们都采用了交织技术。 t u r b o 码的性能要由于卷积码，但其译码复杂度高，译码延时长，因此 在w c d m a 系统中的话音业务仍然采用卷积码。 ( 4 ) 发射分集技术 发射分集是对抗多径衰落影响的一项技术。为了提高性能，我们可 以在基站端采用双天线分集接收的技术。但在移动台端无法使用双天线 分集接收。在第三代移动通信移动中采用了发射分集的技术，它的基本 思想便是把接收端的分集等到发射端。 ( 5 ) 功率控制技术 由于c d m a 系统是白干扰系统，用户发射的功率的大小将直接影响系统的 容量。因此功率控制成为c d m a 系统中的关键技术之一。 常见的c d m a 功控可分为开环功控，闭环功控，和外环功控。 在闭环功控中，首先测试信号的信干比然后把它与门限比较，确定功率 控制的比特信息。然后通过信道传送功控比特，以次来控制移动台发射功率 的大小。 ( 6 ) 智能天线技术 智能天线是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的应用。他可以减少多 址干扰，其中包括基站发射信号波束成型和抑制其他移动台的干扰。在另一 东南大学硕士学位论文 方面，智能天线的使用会大大加大基带处理的复杂度。 ( 7 ) 多用户检测技术 多用户检测技术是一项抑制多址干扰的技术。从理论上讲，多用户检测 技术可以极大的提高系统的容量但在实际上其算法的复杂程度非常的高。 1 3 本文的工作 本论文共有5 章，在此后的4 章内将主要讨论以下内容： 第二章主要讨论w c d m a 系统的物理层的标准，以期对物理层首先有个基 本的认识，并且为后面的算法的理解提供基础。重点介绍w c d m a 物理层发射 信道的构成以及其各种信道的帧结构。 第三章主要讨论无线信道的传播及其特点以及无线信道的仿真技术。 无线信道是一种复杂的传输环境，只有先了解其特性，才能理解移动通信中 的接收的各种技术。在无线信道的传播中将分成大尺度传播和小尺度传播两个方 面介绍。在小尺度传播中重点介绍各种用时间和频率对应的四个参数来刻画无线 信道。对于无线信道的仿真技术主要介绍了j a k e s 信道模型用于仿真平坦 r a y l e i g h 衰落以及如何使用修正j a k e s 信道模型仿真频率选择性r a y l e i g h 衰落信 道中的不相关的信道系数。 第四章主要是w c d m a 系统中的小区搜索算法的研究。 f 如前述，在w c d m a 系统中，由于其具有异步的特点，专门对初始同步 进行了设计，采用了快速的小区搜索的技术。但在w c d m a 系统中小区搜索一 般会碰到两个问题，其一如何快速的获得扰码的定时以及扰码号的信息；其二如 何克服初始同步的较大的晶振的频偏。为此首先使用c 语言建立了完整的 w c d m a 系统的同步的仿真链路。从单基站到多基站同步信道重叠的情形，作 者都给予了详细的考虑；接着论文给出小区搜索的各步实现的方法，并对具体情 况( 如晶体振荡器的频偏) 做了详细的分析，并根据频偏的不同选择了合适的相 关累积的长度，给出了各步的性能；在这以后本文对标准给出的信道进行了并行 流水线的小区搜索性能仿真，给出了不同方法下的性能曲线。除了上述克服频偏 的方法外，还可以通过估计频偏的方法，然后通过控制v c o n c o 以消除频偏。 本章的最后一部分使用了差分鉴频法和n e 、v t o n 迭代法进行小区搜索中的频率偏 移进行了估计。 第五章最后给出了小区搜索硬件实现中遇到的主要问题和解决的方法。 东南大学硕士学位论文 第二章w c d m a 系统物理层介绍 本节将主要介绍w c d m a 系统频分双工模式下的物理层标准，限于篇幅将 简要的介绍物理层的相关背景知识。 2 1 概述 2 1 1w c d m a 的主要参数 w c d m a 是一个宽带直扩码分多址( d s c d m a ) 系统。它使用的码片( c h i p ) 速率为3 8 4 m c h i p s s ，信息被直接扩频至约5 m h z 的带宽上，因此被称为宽带 c d m a 。 w c d m a 可以工作于两种模式下：频分双工和时分双工。论文中我们只讨 论频分双工模式。在该模式下，系统中前向链路和反向链路可以选择使用以下两 对频带： ( a ) 1 9 2 0 1 9 8 0 m h z ( 反向链路) 2 1 1 0 2 1 7 0 m h z ( 前向链路) ( b 11 8 5 0 1 9 1 0 m h z ( 反向链路) 1 9 3 0 1 9 9 0 m h z ( 前向链路) 这里，前向链路( 又称下行链路) 是指基站发射，移动台接收，而反向链路( 又 称上行链路) 是指移动台发射，基站接收。可以看出，( a ) ( b ) 两种方式下分配的 带宽均为6 0 m h z ，而前向和反向间的保护带宽分别为1 9 0 m h z 和8 0 m h z ，远大于 信号的相干带宽，从而前向和反向链路上的衰落是不相关的，必须使用快速闭环 功控来保证较好的功控性能。 w c d m a 系统中，我将扩频前的数据称为符号( s y m b 0 1 ) ，扩频后的每位数据称 为码片( c h i p ) 。数据传输的一个基本时间单位是帧( f r a m e ) ，一帧的长度为1 0 m s ， 包含3 8 4 0 0 c h i p s 。每帧包含1 5 个时隙( s l o t ) ，每个时隙长，包含2 5 6 0 c h i p s 。 2 1 2w c d m a 物理层周边协议结构 w c d m a 中，移动台也被称为用户设备( u e ，u s e re q u i p m e n t ) ，它和网络 之间的接口被称作无线接口，该接口协议由3 层构成，图2 1 中给出了和物理层 有关的协议实体： 东南大学硕士学位论文 l a y e r3 l a y e r2 图2 1w c d m a 系统中分层结构图 图2 1 中，每一个方框代表一个相应的协议实体。与物理层有关的是第二层 中的媒体接入控制( m a c ，m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层和第三层中的无线资源 控制( r r c ，r a d i or e s o u r c ec o n t r 0 1 ) 子层。协议与协议之间的每一个椭圆代表 一个业务接入点( s a p ，s e r v i c ea c c e s sp o i n t s ) 。物理层通过s a p 向m a c 子层 提供若干传输信道( t r a n s p o r tc h a n n e l s ) ，传输信道描述了信息如何在无线接口上 传输；m a c 子层通过s a p 向上层提供若干逻辑信道( 1 0 9 i c a lc h a n n e l s ) ，逻辑信 道描述了传输信息的类型；同时物理层还通过s a p 向r r c 子层提供层间的控制 业务。在物理层中，传输信道是通过物理信道承载的。 为了了解w c d m a 系统的工作过程，下面我们简要介绍标准中定义的几种 传输信道，物理信道，以及传输信道向物理信道的映射。 2 2 传输信道 如前文所述，物理层通过传输信道向高层提供服务。w c d m a 中传输信道分 为两大类： 专用传输信道：该信道的信息在某一时刻只针对一个用户，标准中只规定了 一种专用传输信道。 公用传输信道：所有用户都要对该信道的信息进行解码，如果信息针对单个 用户时，该信道必须包含该用户的i d ，标准中共有6 种传输信道。 表2 1 给出了各个传输信道的具体作用： 类型上行下行信道名称功能 专用传输信道 上行专用信道( d c h )传送网络和特定 下行移动台之间的数 据信息或控制信 息 公用传输信道 下行 广播信道( b c h ) 广播系统以及小 区的特定信息 前向接入信道系统确知移动台 ( f a c h ) 所在的小区时，用 来承载发送到移 动台的控制信息 芒ouiojn盘芝io扫cou 东南大学硕士学位论文 寻呼信道( p c h )当系统不能确知 移动台所在的小 区时，用来承载对 移动台的寻呼指 不 下行共享信道几个移动台共享， ( d s c h )和下行d c h 相 连，只传输数据信 息 上行随机接入信道承载来自移动台 ( p r a c h ) 的接入请求信息 公用分组信道基于竞争的突发 ( c p c h ) 数据业务传输 表2 1w c d m a 系统中传输信道的功能 传输信道上的数据以传输块为单位进行传输，不同传输信道上的多个传输块 可能被映射到同一物理信道进行传输。在进入物理层前，为了适合物理信道实际 的传输能力，我们需要在传输信道上进行速率匹配，复用等操作，c l ；, b 还应提供 检错和纠错来对抗较为恶劣的移动信道。传输信道上进行的具体基带处理过程的 几个主要的步骤： 1 添加c r c 校验：即循环冗余校验码，主要用于检错。 2 信道编码：w c d m a 中规定了三种信道编码，分别是码率为1 2 和1 3 的 卷积码以及码率为1 3 的t u r b o 码。 3 两次交织：主要用于对抗无线信道可能带来的突发误码。 4 速率匹配：通过重复或删除传输信道上的一些比特，将业务速率适配为标 准速率集中的一种，使之适合物理信道可以承载的确切比特数。 其下行传输信道的基带处理的流程如图2 2 。 东南大学硕士学位论文 勺 = 广 n 工 稚 勺 = r n 工 赫 图2 2w c d m a 系统中下行传输信道基带处理流程 8 东南大学硕士学位论文 2 3 物理信道 由前所述，物理信道承载了上层的传输信道，同时它还承载一些底层的信令， 我们称之为指示符。物理信道由特定的载波频率、扰码( s c r a m b l i n gc o d e ) 、信 道化码( c h a n n e l i z a i o nc o d e ) ，起止时间这些要素决定，此外上行中，不同信道 还通过相对相位区分( i 路或q 路) 。 w c d m a 标准定义了一系列物理信道：按传输信息的方向，物理信道被分为 上行物理信道和下行物理信道；按承载数据的使用对象，又可分为专用物理信道 和公用物理信道。下面我们介绍各个物理信道，后文使用的信道将较为详细的描 述。 2 3 1 上行专用物理信道 上行专用物理信道有两种类型： 上行专用物理数据信道( d p d c h ，d e d i c a t e dp h y s i c a ld a t ac h a n n e l ) ，他 的功能是承载前述传输信道中的上行专用信道( d c h ) 。 上行专用物理控制信道( d p c c h ，d e d i c a t e dp h y s i c a lc o n t r o lc h a n n e l ) ， 他的功能是承载第一层产生的控制信息，这些控制信息包括用于相关r a k e 接 收中信道估计的导频比特( p i l o t ) 、功率控制指令( t p c ) 、用于闭环发射分集 的反馈信息( f b i ) 和可选的传输格式组合指示信号( t f c i ) 。 上行d p d c h 和d p c c h 通过i q 两路码分复用。上行中每个移动台有且仅 有一个d p c c h ，扩频比( s f ) 恒定为2 5 6 但存在不同的时隙格式；d p d c h 可 以没有，也可以有一个或多个( 最多可有6 个用于支持高速数据业务) ，扩频比 可变。 2 3 2 上行公用物理信道 理随机接入信道( p r a c h ，p h y s i c a lr a n d o ma c c e s sc h a n n e l ) p r a c h 用来 承载前述传输信道中的随机接入信道( r a c h ) ，采用基于时隙a l o h a 的接入 方式。 物理公用分组信道( p c p c h ，p h y s i c a lc o m m o np a c k e tc h a n n e l ) p c p c h 用 来承载前述传输信道中的公用分组信道( c p c h ) ，采用基于碰撞检测的d s m a 接入方式，与p r a c h 类似。 2 3 3 下行专用物理信道 下行专用物理信道只有一种，就叫下行专用物理信道( d p c h ，d o w n l i n k d e d i c a t e dp h y s i c a lc h a n n e l ) ，用来承载前述传输信道中的下行专用信道( d c h ) 。 d p c h 又分为专用物理数据信道( d p d c h ) 和专用物理控制信道( d p c c h ) ，和上 行一样，分别用来传输上层产生的数据和第一层产生的控制信息。d p d c h 和d p c c h 东南大学硕士学位论文 以指定的格式在d p c h 上时分复用。图2 2 给出了下行d p c h 的帧结构，参数k 表示每个时隙中的数据比特数，对应的扩频比s f - - 5 1 2 2 k ，由图可见s f 可以为 2 9 至2 2 ，共8 种情况。该信道上的数据首先通过串并转换映射到i 路和q 路上， 然后通过乘信道码与其它信道隔离及扩频、然后乘以扰码。图2 3 便是其帧结构。 q p 旦h ， 旦堡h ， 旦里旦h ，旦堡h - d a t a lt p ct f c i d a t a 2 p i l o t n d 。t 。ib i t sn t p cb i t sn t f c ib i t sn d a c a 2b i t s n p i l o tb i t s 。， 1 一h j p s ，l 。+ 2 。i ：一7 s l o tj ! 0s l o t ls l o t i is l o t 1 4 o n er a d i of r a m e ，t f = 1 0m s 图2 3 下行物理信道帧结构 2 3 4 下行公用物理信道 2 3 4 1 公用导频信道( c plc h ，c o m m o npii0 1 ：c h a n n ei ) c p i c h 的扩频比固定为2 5 6 ，每个时隙发射1 0 个复数符号。在基站中，一 根天线上发射的复数符号恒定为a = 1 + j ，如果存在发射分集，另一1 根天线上发 射的符号在一帧内以a 、一a 、一a 、a 重复，这样一帧内两个天线上的c p i c h 在 任意位置上，以1 0 2 4 c h i p s 长度的整数倍正交。 c p i c h 又被分为主公用导频信道( p c p i c h ) 和辅助公用导频信道 ( s c p i c h ) 。 导频信道除了用于初始捕获，切换测量外，另一个重要作用是为相干下行 r a k e 接收提供信道估计，这将在第三章中详述。比较上行和下行我们可以发现， w c d m a 系统中上行采用的是时隙导频，它只在上行d p c c h 的部分时间内发 射，而下行却采用了连续导频。这是由于导频信道占用了有限的信道资源，在上 行，如果为每个用户分配一个连续导频信道是非常浪费的，而在下行增加一条连 续导频信道却可以改善整个小区内所有移动台的接收性能。 2 3 4 2 公用控制物理信道( c c p c h ，c o m m o nc o n t r o ip h y s i c a ic h a n n e i ) c c p c h 又分为主公用控制物理信道( p c c p c h ) 和辅助公用控制物理信道 ( s c c p c h ) 。 p c c p c h 的扩频比固定为2 5 6 ，承载传输信道中的广播信道( b c h ) 。它和 同步信道( s c h ) 时分复用一个时隙。每个时隙开始的2 5 6 c h i p s 用于传输s c h ， 其后的2 3 0 4 c h i p s 用于传输p - c c p c h 。 东南大学硕士学位论文 s - c c p c h 承载前述传输信道中的前向接入信道( f a c h ) 和寻呼信道( p c h ) 。 s - c c p c h 支持多种数据速率( s f = 2 5 6 , - 一4 ) ，仅当有数据时才在小区内发送。 2 3 4 3 同步信道( s c h ，s y n c h r o n is a tio nc h a n n ei ) s c h 由主同步信道( p s c h ) 和辅助同步信道( s - s c h ) 两个子信道构成， 由前所述它们在每个时隙的前2 5 6 c h i p s 发射，p s c h 以时隙为单位重复发送 2 5 6 c h i p s 长的主同步码( p s c ，p r i m a r ys y n c h r o n i s a t i o nc o d e ) ，s s c h 以帧为单 位重复发送1 5 个2 5 6 c h i p s 长的辅助同步码( s s c ，s e c o n d a r ys y n c h r o n i s a t i o n c o d e ) 。 s c h 用于快速小区搜索。快速小区搜索分为3 步，是w c d m a 特有的同步 方式。w c d m a 是一个异步系统，移动台通过3 步搜索可以完成捕获并且获得 解扩广播信道用的扰码号，具体过程是：( 1 ) 搜索p s c 获得时隙同步( 2 ) 此后 搜索s s c 获得帧同步，以及当前基站使用的扰码组号( 3 ) 搜索p c p i c h 获得主 扰码号，从而可以解调p c c p c h ，获得广播信道( b c h ) 上的信息。 2 3 4 4 下行物理共享信道( p d s c h ，p h y sic ai d o w ni in ks h a r e d c h a n n ei ) p d s c h 承载前述传输信道中的下行共享信道( d s c h ) ，多个用户共享同一 个物理信道，用户之间以信道码隔离。 2 3 4 5 捕获指示信道( aic h ，a c q uisitio n in dic a t o rc h a n n ei ) a i c h 专门用来承载捕获指示( a i ) ，作为基站对上行随机接入信道的回应。 2 3 4 6 寻呼指示信道( p i c h ，p a g in gi n d i c a t o rc h a n n e i ) p i c h 用来承载寻呼指示( p i ) ，指示是否需要接收相应的寻呼信道( p c h ) 。 此外还有三个和上行公用分组信道( c p c h ) 相联系的下行公用物理信道，它们是 a p - a i c h 、c d c a i c h 、c s i c h ，用来承载不同用处的指示符， 2 4 传输信道到物理信道的映射 前面我们分别介绍了w c d m a 中采用的具体传输信道和物理信道，图2 4 总 结了两者的映射关系。我们可以看到，每一个传输信道都有相应的物理信道来承 但还有若干物理信道并不承载任何传输信道，而是实现物理层的基本功能。 东南大学硕士学位论文 = ：= ：= = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 焦输篮道 塑堡篮道 d c h r a c h c p c h b c h f a c h _ 二= 7 p c h d s c h 2 5 扩频与调制 专用物理信道( d p d c h ) 专用物理控制信道( d p c c h ) 随机接入物理信道( p r a c h ) 公共分组物理信道( p c p c h ) 公共导频物理信道( c p i c h ) 主公共控制物理信道( p c c p c h ) 辅助公共控制物理信道( s - c c p c h ) 同步信道( s c h ) 下行公享物理信道( p d s c h ) 捕获指示信道( a i c h ) 寻呼指示信道( p i c h ) a p a 1 c h ，c s i c h ，c d c a i c h ，c a i c h 图2 4 传输信道与物理信道的映射关系 2 5 1 扩频 所谓扩频就是将每个符号( s y m b 0 1 ) 转换成若干c h i p 进行传输，每个符号对 应的c h i p 个数被称为扩频比。扩频前，各物理信道上的二进制符号首先要进行映 射，映射规则为cc 0 ，映射成+ 1 ，“1 映射成一1 。图2 5 表明了下行扩频的过程。 除同步信道以外的 信道 1 2 s 东南大学硕士学位论文 图2 5w c d m a 中下行扩频 上行的扩频方式类似于下行。如图2 5 ，扩频包括两个过程：第一步是用信 道化码( c c h ，s f ，m ) 作信道隔离及扩频；第二步是用复数扰码( s d l ，。) 进行信号加 扰。w c d m a 系统中，上行使用不同的扰码区分不同的移动台，同一移动台使用不 同的正交信道化码区分不同信道；下行使用不同扰码区分不同基站，同一基站使 用不同的正交信道化码区分发给不同移动台的不同信道。w c d m a 标准中，信道化 码使用的是可变长度的正交码( o v s f ，o r t h o g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r ) ， 类似于c d m a 2 0 0 0 中使用的w a ls h 码。 复数扰码是通过周期为2 2 5 1 ( 上行) 矛 j 2 1 8 1 ( 下行) 的g o l d 码产生，一般在 接收端使用r a k e 接收机时使用。在w c d m a 这样一个异步系统中，为了方便定 时，复数扰码被截断为3 8 4 0 0 c h i p s ，以一帧为一个周期。此外上行还使用一种扩 展的s ( 2 ) 码作为短扰码，如果基站使用先进的多用户检测机或干扰抵消接收机， 可以选择短扰码以优化先进接收机的实现，这也是为什么只在上行增加了短扰 码，因为只有基站才可能实现较为复杂的接收结构。下面我们具体介绍o v s f 码： 扩频比不同的o v s f ( 信道化) 码是一组相互正交的序列，其生成码树如图2 5 所 示，它被记为c c l ，s f ，1 1 、，0 m s f 一1 。从图2 6 中可以看出，码树的每一层对应一 个扩频比下的所有信道化码，不同速率的信道被不同扩频比的信道化码隔离。 sf = 1sf = 2sf = 4 图2 6o v s f 码码树结构图 为了保证选出的o v s f 码之间的正交性，需要依照下述准则：当码树中某一 位置上的o v s f 码被使用后，从该节点上溯到码树树根的路径上以及该节点的子 树上的所有节点均不能再被选作信道扩频码。 下行链路中两个公用信道的0 v s f 码已被系统预先指定：c p i c h 吏m c 。1 1 ，2 5 6 ，o ， p - c c p c h 吏用c 。h ，2 5 6 ，1 ，其它物理信道的o v s f 码由基站临时分配。上行链路中， d p c c h 的信道化码固定为c 。h ，2 5 6 ，o ，当只存在一条d p d c h 时信道化码固定为 东南大学硕士学位论文 c 。h s f ，s f 4 ，其中s f 是可变的扩频比，如有多条d p d c h 时，s f 固定为4 ，信道化码 选a c c h ，4 ，l ，c c l l 4 ，2 ，c c h ，4 ，3 。 o v s f 码的生成码树，可以写出其递推表达式( 2 1 ) ： c c l ，l ，o = 1 ， 陵? = 戮乞 = ： c d2 ( 。+ 1 ) l ， c 。：( 。+ ， c 舢( 。i2 c 2 ( 。+ i ) c “2 ( 。+ 1 12 ( 。+ i ) 一2 c 。h2 12 ( 川一i c 。：。 c 。：。 c 。：。 c 。：。 c 。：。：。一 c 。：。：。 ( 2 1 ) 从式( 2 1 ) 可以看到，o v s f 码的定义与h a d a m a l d 矩阵的定义极为相似，相同 阶数的o v s f 码矩阵和h a d a m a r d 矩阵中的每一行有一一对应的关系，只是所在矩 阵中的行号不同。经过分析与验证，若以二进制来表示o v s f 的码号与h a d a m a r d 序列的序号，二者有码位倒置的关系。例如，码号为1 ( “0 0 0 0 0 0 0 1 ”) 、扩频 因子为2 5 6 的0 v s f 码对应于序号为1 2 8 ( “1 0 0 0 0 0 0 0 ”) 、阶数为8 的h a d a m a r d 序列。有前面的介绍可知，o v s f 的生成采用的是递推结构，它存在一些特殊的 性质。首先，扩频比为2 m ，码号( 行号) 为k * 2 n ( k 木2 。 2 。、) 的o v s f 码，实际是 扩频比为2 。k c h c 2 2k ，k 。2 口m m 码号( 行号) 为k ( k 2 n ) 的