（通信与信息系统专业论文）wcdma系统prach随机接入过程算法与实现.pdf

摘要 摘要 移动通信系统由用户终端与网络系统组成。终端与网络的通信可分“接入阶 段 和“通信阶段 二个阶段，只有终端正确地接入到网络，才能够到通信阶段。 一般来说，“接入阶段 在系统中就是指终端物理层随机接入过程。 所以，w c d m a 系统中，如何设计算法以及合理实现p r a c h 随机接入过程， 对用户终端性能有很大的影响，这将直接影响终端接入网络速率和接入效率。 3 g p pw c d m a 协议对终端随机接入过程有了明确的设定，但仅仅是表面的 握手协议流程，并没有说明具体算法以及如何实现。 本文首先介绍了随机接入过程相关的三种信道、随机接入信号生成。然后通 过对3 g p pw c d m a ( f d d 制式) 协议p r a c h 随机接入过程理解，用文字、流 程图和伪代码算法几种方法，全面的分析描述随机接入过程运作流程，并围绕协 议要求展开讨论，从随机接入设定参数、选择接入时隙和签名序列，以及功率控 制和定时关系这五个主要环节进行讨论分析，并设计算法。 为了实现提高终端随机接入速度的目的，在终端实现上行p r a c h 信道发送 相邻前导的时间间隔支持3 g p p 协议t s 2 5 2 1 1 8 3 0 规定的最小时间间隔唧- p , m i n ， 以及在最小时间间隔条件下满足发送前导之后的下行捕获指示( a i ) 接收和前导 或者p r a c h 消息( p r a c hm e s s a g e ) 发送的调度时序，从而设计实现随机接入 前导紧凑发送的算法，利用终端物理层收到随机接入请求时相对空闲的时机进行 时序规划，以初始的时间和空问换取随机接入过程中的时间开销提高终端接入速 度。 最后本文利用搭建算法实现平台f p g a ( f i e l d - - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，即 现场可编程门阵列) ，通过观测输出至示波器中的随机接入信号进行验证，结果表 明，随机接入紧凑前导发送算法实现能够满足协议要求，并增加了前导的发送密 度，加快功率攀升速率，从而提高了终端随机接入效率。 关键词：随机接入过程，p r a c h 前导，算法，紧凑前导发送 a b s t a r c t a b s 仃a c t m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sc o m p o s e do fu s e rt e r m i n a l sa n d n e t w o r k s y s t e m s t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt e r m i n a l sa n dn e t w o r kc a i lb ed i v i d e di n t o a c c e s ss t e p ”a n d ”c o m m u n i c a t i o ns t e p ”，o n l yt h et e r m i n a la c c e s st ot h en e t w o r k s u c c e s s f u l l y , t ob ea b l et oc o m m u n i c a t es t a g e i ng e n e r a l ，a c c e s ss t e p ”o ft h e t e r m i n a li nt h es y s t e ma l w a y si sp h y s i c a ll a y e rr a n d o ma c c e s sp r o c e d u r e t h e r e f o r e ，i nw c d m as y s t e m ，h o wt od e s i g na l g o r i t h m sa n di m p l e m e n t a t i o n m e t h o dt oa c h i e v ep r a c hr a n d o ma c c e s sp r o c e d u r e ，i tw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h er a t eo f t e r m i n a la c c e s s i n gi n t on e t w o r k sa n da c c e s se f f i c i e n c y 3g p pw c d m a p r o t o c o ls e tac l e a rs t e pa b o u tt h er a n d o ma c c e s sp r o c e d u r e ，b u ti t i so n l yt h es u r f a c eo fh a n d s h a k ep r o t o c o lf l o wa n dd i dn o ts p e c i f yt h ea l g o r i t h ma n d i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h r e et y p e so fc h a n n e l si nr a n d o ma c c e s sp r o c e d u r e a n dh o wt r a n d o ma c c e s ss i g n a lg e n e r a t e d t h e n ，b a s e do n3 g p pw c d m a ( f d d s t a n d a r d ) p r o t o c o lp r a c h r a n d o ma c c e s sp r o c e d u r eu n d e r s t a n d i n g ，t h r o u g ht h ew o r d e x p l a n a t i o n ， f l o wc h a r t sa n da l g o r i t h mp s e u d oc o d e ，a n a l y s i sa n dd e s c r i p tt h e r e i f i c a t i o no p e r a t i o no fr a n d o ma c c e s sp r o c e s s ，a n de n c i r c l et h er e q u e s to ft h e3 g p p p r o t o c o l ，d i s c u s sd e s i g na l g o r i t h m sd e e p l y f r o mf i v em a j o ra s p e c t s ，s u c ha st h e p a r a m e t e r sc o n f i g u r a t i o nf r o mt h er a n d o ma c c e s s ，s e l e c tt h ea c c e s ss l o ta n ds i g n a t u r e s e q u e n c e ，a n dp o w e r c o n t r o la n dt i m i n gr e l a t i o n s i no r d e rt oi n c r e a s ea c c e s ss p e e di nt h et e r m i n a l s ，a n dr e a l i s et h es e n d i n gu p l i n k p r a c ha d j a c e n tp r e a m b l ew h i c hs u p p o r t i n gs p e c i f i e dm i n i m u mt i m ei n t e r v a lt p p , m i n i n3 g p pt s 2 5 211 8 3 0p r o t o c o l ，a n da tt h ec o n d i t i o n so ft h em i n i m u mt i m ei n t e r v a l a f t e rs e n d i n gp r e a m b l es c h e d u l et h ea ir e c e p t i o na n dt h en e x tp r e a m b l eo rp r a c h m e s s a g e ，t h e r e b yd e s i g na l g o r i t h mo f r a n d o ma c c e s sp r e a m b l ec o m p a c ts e n t ，a n du s i n g i d l et i m ew h e np h y s i c a ll a y e rr e c e i v e da c c e s sr e q u e s tt os c h e d u l et i m i n gp l a n n i n g ，a n d i m p r o v et h et e r m i n a la c c e s ss p e e dw i t ht h eb e g i n n i n g t i m ea n ds p a c ee x c h a n g i n g f i n a l l y , b u i l dr e a l i s i n gp l a t f o r mf p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) t ov e r i f y t h ea l g o r i t h mb yo b s e r v i n gt h et h er a n d o ma c c e s ss i g n a lo u t p u to fo s c i l l o s c o p e ，a n dt h e r e s u l ts h o w st h er a n d o ma c c e s sc o m p a c tp r e a m b l es e n ta l g o r i t h mc o n t e n tr e q u i r e m e n t s o f t h e3 g p pp r o t o c o la n di n c r e a s e dt h ed e n s i t yo f p r e a m b l e ，t h e r e b yi n c r e a s i n gt h e i i i e f f i c i e n c yo fr a n d o m a c c e s sp r o c e d u r eo ft h et e r m i n a l k e y w o r d ：r a n d o ma c c e s sp r o c e d u r e ，p r a c hp r e a m b l e ，a l g o r i t h m s ，c o m p a c tp r a c h p r e a m b l es e n t v 第一章引言 第一章引言 本文主要研究w c d m a 系统中( f d d 制式) 物理层p r a c h ( p h y s i c a lr a n d o m a c c e s sc h a n n e l ) 随机接入过程的算法与实现。 p r a c h 随机接入过程属于w c d m a 系统中一个重要的物理层过程，为了便 于介绍，引言中简单介绍涉及的几个重要基本概念，包括w c d m a 系统、 w c d m a 系统物理层和物理层随机接入过程，并说明国内外研究现状。 注：文章没有注明系统制式的情况下，都默指w c d m a 系统f d d 制式。 1 1w c d m a 系统简介 1 1 1w c d m a 系统概述 w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，宽带码分多址，是一种 由3 g p p 具体制定，基于g s mm a p 核心网，u t r a n ( u m t s 陆地无线接入网) 为无线接口的第三代移动通信系统。 w c d m a 通讯技术作为第三代移动通信系统( 3 g ) 的国际主流标准之一，目 前已有r 9 9 ，r 4 ，r 5 ，r 6 ，r 7 等多个版本，其中r 9 9 版本相对成熟。随着近年来 w c d m a 网络在全世界范围内的逐渐部署，r 9 9 版本的w c d m a 标准己经成为各 终端厂商采用的主流3 g 标准之一。 w c d m a 最初来源于n 啪s f m a 2 、富士通、n e c 、松下等几大公司的提 案。同时，日本、欧洲和美国公司也对于w c d m a 概念发展做出了非常重要的 贡献。 w c d m a 系统基本特点包括： 宽带c d m a 以5 m h z 带宽工作； 物理层的灵活性，在一个单一的载波上综合所有的数据速率； 再用系数为1 。 相比上代通讯技术，宽带w c d m a 系统增强的内容包括： 发送分集； 自适应天线工作； 支持先进的接收机结构。 重庆邮电大学硕士研究生论文 表1 1 概括了有关w c d m a 空中接口的主要参数。这里主要突出一些表征 w c d m a 特点的参数n 1 。 表1 1w c d m a 主要参数 多址接入方式 d s c d m a 双工方式 频分双i 时分双工 基站同步异步方式 码片速率 3 8 4 m c h i p s 帧长1 0 m s 业务复用有不同服务质量要求的业务复用到一个链接中 多速率概念可变扩频因子和多码 检测使用到品符号或公共到品进行相关检测 多用户检测，智能天线标准支持。应用时可选 1 1 2w c d m a 系统分层结构 w c d m a 系统作为u m t s ( 通用移动通信系统) 的实现，其系统体系结构与 大多数第二代系统甚至第一代系统基本类似：分成用户设备终端( u e ) ，无线接 入网( 黜埘) 和核心网( c n ) 。其中r a n 处理与无线通信有关的功能，c n 处理 语音和数据业务的交换功能，完成移动网络与其他外部通信网络的互联堙1 。 w c d m a 系统空中协议接口结构可以分为无线资源控制层( r r c r a d i o r e s o u r c ec o n t r 0 1 ) ，媒质接入控制层( m a c m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) ，以及物理 层( p h y ：p h y s i c a ll a y e r ) 口1 。如图1 1 所示。 从开发的角度来分析终端基带芯片架构，一般分为协议栈与物理层。协议栈 指物理层之上的结构，包括r r c 层、m a c 层( 见图1 1 ) 。协议栈主要作用是分 析当前终端和网络状态，对物理层下达指令，物理层则主要进行信道相关操作， 包括信道发送与接收，完成终端与基站信息传输，数据交互等实际功能。 2 第一章引言 层3 删 宦， 晕 盾二 磊 锻 层l 图1 1w c d m a 系统分层结构 1 2w c d m a 系统物理层简介 逻辑信道 传送信道 物理层( p h v ，p h y s i c a ll a y e r ) 是衡量不同体制的移动通信系统性能的主要方 面之一h 3 。终端与基站间的单纯物理链路采用何种信号处理的结构，直接关系到 整体的业务性能。不同的蜂窝系统相互比较时，无线接口物理层通常是重点的讨 论对象。考察单个终端和基站之间的链路时，物理层设计结构直接关系到可获得 性能的好坏。物理层决定着链路信道的基本容量，对系统性能的影响非常显然。 物理层中找到对信干比( s 瓜) 要求较低的编码方案和分集方案对整个系统很重 要，它使得较低的s i r 就能满足协议要求的链路级性能腩明。 物理层提供了高层所需的数据传送业务。对这些业务的存取是通过使用经由 m a c 子层的传送信道来进行的。为提供这些数据传送业务，物理层将执行以下的 功能口町引： 宏分集的分解合成和软切换 传输信道上的错误检测，和到高层的指示 传输信道的f e c 编码解码 传输信道的复用和码组合传输信道( c c t r c h ) 的解复用 编码传输信道到物理信道上的速率匹配 码组合传输信道到物理信道的映射 功率的加权和物理信道的组合 物理信道的调制和扩频解调和解扩 频率和时间同步( 码片、比特、时隙、帧) 无线特性的测量，包括f e r ，s i r ，干扰功率，和到高层的指示 内环功率控制 r f 的处理( 注：r f 处理在t s2 5 1 0 0 系列中定义) 物理层过程是实现u e 各种功能的最底层，也是最直接的部分。协议栈( 物 3 重庆邮电大学硕士研究生论文 理层之上的高层部分) 将数据和信令通过信道( 逻辑信道，传输信道) 传输、映 射、编码复用操作，最终这些信息承载于物理层相应的物理信道上，物理层再通 过对物理信道加扰、扩频、调制一系列操作，将携带高层信息的物理信道转化为 可空中传播的信号，通过天线发送出去，这也就是上行链路的工作模式。与此同 时，物理层再通过解调解码等一系列与上行链路相反的操作来获取网络侧信息， 从而实现终端与网络的通信。 所以，终端的各种通信功能，最直接的就是通过物理层的相关过程完成的。 1 3w c d m a 系统物理层随机接入过程 用户终端( l y e ) 与网络系统( 基站) 的通信可分为两个阶段，一是接入阶段， 二是话务通信阶段n 们。由此可见，只有终端正确地接入到网络，才使终端与网络 的通信成为可能。系统接入网络的过程，在w c d m a 系统中，就是随机接入过程。 随机接入过程是系统中重要的物理层过程。在w c d m a 系统中，随机接入过 程包括p r a c h 接入过程和c p c h ( 公共分组信道) 接入过程。c p c h 接入过程在 经历了多次修改后，仍没有归入r e l e a s e 9 9 必须支持的功能，所以本文只研究 w c d m a 系统中p r a c h 随机接入过程】。 在w c d m a 系统中，接入阶段就是p r a c h 随机接入过程阶段。系统物理层 分为上行链路和下行链路。所谓上行链路就是由手机终端侧调制并发出，基站侧 解调接收的信道链路；下行链路则链接方向与上行链路相反，由基站调制发出， l y e 解调接收的信道链路n 羽。 随机接入过程是一个复杂的物理层过程，牵涉到整个系统的上行链路与下行 链路，也涉及到多个相关信道，包括：传输信道r a c h ( r a n d o ma c c e s sc h a n n e l ， 随机接入信道) ，上行物理信道p r a c h ，下行物理信道a i c h ( a c q u i s i t i o ni n d i c a t i o n c h a n n e l ，捕获指示信道) 。随机接入信道( r a c h ) 是上行传输信道，它用来传送来 自终端高层的控制信息，如建立链接的请求等，同时它也可以用来传送少量从终 端到网络的分组数据；物理随机接入过程信道( p r a c h ) 用于承载随机接入信道 所有信息；下行指示信道a i c h 用于发送网络侧指示符a i ，通过觚指示符的值， u e 可以判断接入请求有没有被基站正确接收。物理层通过处理，发送、接收与 随机接入过程紧密相关的r a c h 信道、p r a c h 信道和a i c h 信道，完成u e 与 网络侧信息交互，最终完成物理层随机接入过程口驯。 w c d m a 系统中，随机接入过程的目的是使手机注册到网络，实现上行同步， 并建立主叫业务。 4 第一章引言 1 4 研究现状 c d m a 移动通信系统具有系统容量大、话音质量高、抗干扰能力高和保密性 好等许多特点，近年来得到了迅速的发展。第三代宽带移动通信系统的无线传输 技术几乎都无一例外地采用了c d m a 技术。w c d m a 作为第三代移动通信系统 空中接口的主导技术之一，其终端技术有一定的成熟性u 钔。 目前，国内3 g 牌照在0 9 年3 月刚刚颁发，各个运营商也才开始进行3 g 网 络基站覆盖建设，通讯现状依旧以2 5 g ( g s m ) 技术为主。而世界上很多发达国 家已经稳定运营3 g 技术多年，所以我们国家在通讯行业研发技术上，依旧处于 比较落后的状态。与此相紧联系的终端芯片研发工作，国内起步较晚，目前只有 有限的几家大公司( 中兴，华为) 自主研发芯片技术，但还远远没达到商用水平。 w c d m a 手机终端核心部分的芯片技术以及操作系统都靠引进，这也就是山寨机 称谓的由来。 终端随机接入过程的设计质量非常重要，它将直接影响终端的接入速度、开寿 环功率变化、通话质量甚至全网性能等方面。目前，仍然属于终端射频性能的薄 弱环节之一，商用终端中也或多或少的存在这方面问题，需要在芯片设计开发和 制造工艺等方面加以完善和改进。 为了解决提高终端接入速度的技术问题，现有公开技术方案采用配置较高的 前导初始功率和增大功率攀升步长的方法( 国内专利c n l 5 4 9 4 7 5 ) n 副，或者通过 对前导根序列索引的选择设计实现减少接入延时( 国内专利c n l 4 0 1 1 9 7 ) u 刚。但7 是这两种方法的设计内容都包括了系统端和终端两侧，对系统端有一定的依赖性。 本文研究了一种紧凑前导发送算法与实现，只在终端侧预先规划发送时序操作， 并不需要在系统端进行相应操作，就可以提升系统接入网络性能。 1 5 文章结构 本文主要内容为w c d m a 系统随机接入过程算法与实现。w c d m a 系统中 随机接入是非常重要的过程，其中包括多个信道的交互，协作，包括高层到物理 层传输信道、物理信道的建立，物理层与网络侧的信息通信、握手协议过程。 本文第一章为引言，首先概述w c d m a 系统，w c d m a 系统物理层，并简 单介绍p r a c h 随机接入过程；接着分析当前研究现状；最后说明文章结构。 第二章介绍随机接入过程相关信道和随机接入信号。首先介绍w c d m a 系统 信道类型，接着描述与随机接入过程相关的r a c h ，p r a c h ，a i c h 三个信道， 5 重庆邮电大学硕士研究生论文 最后介绍随机接入信号生成过程。期间，本章也简要介绍了传输信道编码复用和 物理信道扩频调制操作。 第三章主要是分析理解3 g p p 协议对p r a c h 随机接入过程的设定，并从整 体流程，以及参数、时隙和签名序列选择、功率控制和定时关系，五个关键环节 详细分析讨论p r a c h 随机接入过程。 第四章讨论随机接入过程软件程序算法设计。首先从整体流程描述软件算法， 其次对其中关键环节进行具体算法分析设计，并特别针对定时关系的时间紧迫问 题设计不同的算法，并进行比较，挑选性能更好的算法。之后为满足对协议中要 求的最小时间间隔发送前导的难点问题，提出p r a c h 随机接入过程紧凑前导发 送算法，说明算法原理，设计算法，并通过分析具体算法实现的案例，详细的说 明算法步骤。 第五章随机接入过程实现测试验证。通过搭建f p g a 平台，实现第四章设计 的随机接入过程紧凑前导发送算法。先提出紧凑前导发送算法具体实施方案，接 着假定输入，顺步骤推导最后得到结果，并分析说明紧凑发送前导理论，最后通 过观测示波器中的随机接入信号波形，验证说明此算法的优越性。 最后一章对全文进行总结，并展望未来可进行的工作。 6 第二章随机接入过程信道与信号 第二章随机接入过程信道与信号 w c d m a 系统中，共有三种不同类型信道：逻辑信道、传输信道和物理信道。 不同类型信道承载信息内容不同，功能作用也不相同n 7 儿坩3 。其中，传输信道、物 理信道与w c d m a 系统物理层紧密相关。 随机接入过程是系统物理层重要过程，用于实现移动终端接入网络。与随机 接入过程相关的信道有传输信道r a c h ，上行物理信道p r a c h ，下行物理信道 a i c h 。 随机接入过程中，最终与基站通信的不是信道，而是对信道加工后形成的随 机接入信号。物理层首先对传输信道r a c h 编码复用操作，接着对物理信道 p r a c h 扩频和调制，通过这些处理操作，最终将高层设定用于传输的数据或信 令，转化生成为可用于空中传输的随机接入信号。 2 1w c d m a 系统信道概述 w c d m a 系统中，有3 种不同类型的信道，分别是逻辑信道，传输信道和物 理信道。 逻辑信道定义传送信息的类型，这些信息可能是独立成块的数据流，也可能 是夹杂在一起，但是有确定起始位的数据流，这些数据流是包括所有用户的数据。 传输信道是在对逻辑信道信息进行特定处理后再加上传输格式等指示信息 后的数据流，这些数据流仍然包括所有用户的数据。 物理信道则是将属于不同用户、不同功用的传输信道数据流分别按照相应的 规则确定其载频、扰码、扩频码、开始结束时间等进行相关的操作，并在最终调 制为模拟射频信号发射出去。不同物理信道上的数据流分别属于不同的用户或者 是不同的功用。 2 1 1 逻辑信道 媒体接入层( m a c 层) 为逻辑信道上提供数据传送业务。逻辑信道的类型根 据m a c 层提供的不同类型数据传输业务而定义的，通常可以分为两类：控制信 道和业务信道。控制信道用于传输控制平面信息，而业务信道用于传输用户平面 信息。 7 重庆邮电大学硕士研究生论文 其中，控制信道包括： 广播控制信道( b c c h ) ：广播系统控制信息的下行链路信道。 寻呼控制信道( p c c h ) ：传输寻呼信息的下行链路信道。 专用控制信道( d c c h ) 在l i e 和无线网路控制( r n c ) 之间实现点对 点信息发送的专用控制信道。 公共控制信道( c c c h ) ：在网络和用户终端之间发送控制信息的双向 - 、1 厶 佰逼。 用于传输用户信息的业务信道包括： 专用业务信道( d t c h ) ：专用业务信道是为特定用户传输当前用户 信息使用的点对点信道。该信道在上行链路和下行链路都存在。 公共业务信道( c t c h ) ：向全部用户或者一组特定用户传输专用用 户信息的点到多点下行链路。 2 1 2 传输信道 传输信道分类 传输信道定义了在空中接口上数据传输的方式和特性。一般分为专用信道和 公共信道两类。系统中只存在一种专用信道，即专用传输信道( d c h ) 。它可以是 上行专用信道，也可以是下行传输信道。专用信道使用波束赋形方式进行发射。 w c d m a 定义了六类公共传输信道：b c h ，f a c h ，p c h ，r a c h ，c p c h 和 d s c h 。 广播信道( b c h ) ：是一个下行传输信道，用于对所有用户广播传递网络系 统信息或小区特定信息。b c h 总是在整个小区内发射，并且有一个单独 的传送格式，是一对多的传播方式。 前向接入信道( f a c h ) ：是一个下行传输信道。f a c h 在整个小区或小区 内某一部分使用波束赋形的天线进行发射。f a c h 使用慢速功控。 寻呼信道( p c h ) ：是一个下行传输信道。p c h 对整个小区进行发送。p c h 的发射与寻呼指示( p i ) 的传输是相随的，用于支持睡眠模式。 随机接入信道( r a c h ) 是一个上行传输信道。r a c h 总是在整个网络小 区内进行接收。r a c h 的特性是带有碰撞冒险，使用开环功率控制，是 多对一的信道传输模式。 公共分组信道( c p c h ) ：是一个上行传输信道。属于系统随机接入过程中 的一种类型，但多次修改后，仍未纳入r 9 9 必须支撑的信道。 第二章随机接入过程信道与信号 下行共享信道( d s c h ) - 是一个被某些用户同时共享的下行传输信道。 d s c h 与多个下行d c h 相随路。 用于基本网络运营所必需的公共传输信道有b c h 、r a c h 、f a c h 和p c h ， 而d s c h 和c p c h 是可选的，根据支持业务类型和网络支持功能决定。 传输信道编码与复用 包含r a c h 、d c h 、c p c h 、d s c h 、b c h 、f a c h 和p c h 在内的的传输信 道，在数据处理过程中，需要进行信道编码与复用处理。经过处理后，成为1 0 m s 、 周期，并按物理信道分类的成帧比特序列。 信道编码与复用处理过程一般包括：c r c 粘贴、传输块的级联和码块分段、 差错检测纠正、速率匹配、交织( 包括第一次帧外交织和第二次帧内交织) 、及 “传输信道到物理信道的映射 等。 2 1 3 物理信道 物理信道分类 w c d m a 系统中，物理信道由无线帧组成，每个无线帧为1 0 m s ( 3 8 4 0 0 码片) ， 由1 5 个时隙组成，每个时隙的长为t s l m = 2 5 6 0 c h i p s 。物理信道可以用一个特定 的载频、扰码序列和信道化码( 可选的) 序列、帧开始和结束时间( 有一段持续， 时间) 来区别辨识。 m a c 层与物理层之间承载信息的传输信道通过信道编码与复用操作，映射到 物理信道( 物理层与空口间交互信道) 。从物理层看来，映射是从一个编码组合 传输信道( c c t r c h ) 到物理信道的数据部分。除了数据部分，还有信道控制部 分和物理信令。 物理信道分为上行物理信道和下行物理信道。 上行物理信道，有： 上行链路专用物理数据信道( u l d p c h ) 物理随机接入信道( p r a c h ) 物理公共分组信道( p c p c h ) 下行物理信道，有： 下行链路专用物理信道( d l d p c h ) 物理下行共享信道( p d s c h ) 公共导频信道( c p i c h ) 9 重庆邮电大学硕士研究生论文 同步信道( s c h l 基本公共控制物理信道( p c c p c h ) 辅助公共控制物理信道( s c c p c h ) 捕获指示信道( a i c h ) 寻呼指示信道伊i c h ) 接入前缀捕获指示信道( a p 灿c h ) 冲突检测信道分配指示信道( c d c a - i c h ) c p c h 状态指示信道( c s i c h ) 一部分物理信道是传输信道经过信道编码( 编码和复用) 得到的，这部分的 处理过程，我们称之为传输信道到物理信道的映射。经过从传输信道到物理信道 的映射，不同传输信道承载的不同用处的数据映射到相应的物理信道上。图2 1 体现传输信道与物理信道的对应关系。 还有一部分只与物理层过程有关的物理信道。同步信道( s c h ) 、公共导频 信道( c p i c h ) 和捕获指示信道( a i c h ) ，这几个物理信道对高层不是直接可见 的，它们承载发送的信息，只与物理层过程相关，从系统作用和实现功能的角度 来说，每个基站都要发送这些信道( 都是下行信道，由网络侧发送，用户终端接 收) ，这些信道同样也是必需的。 物理信道扩频操作 物理信道 主公共控制信道p c c p c h 副公共控制信道s c c p c h 物理随机接入信道p l 认c h 专用物理数据信道d p d c h 专用物理控制信道d p c c h 物理下行共享信道p d s c h 物理公共分组信道p c p c h 同步信道s c h 公共导频信道c p i c h 捕获指示信道 j c h 寻呼指示信道p i c h c p ( m 状态指示信道c s i c h 碰撞检测i 言道分配指示信道( c d ，c a i c h ) 图2 1 传输信道到物理信道的映射 物理信道的扩频操作分为2 步，第一步是信道化操作，第二步是加扰操作。 如果形容逻辑信道是一种概念，用于表征不同种类的内容，而传输信道是承载这 1 0 一咖一唧一嘲 一一 第二章随机接入过程信道与信号 些内容的简单容器，那么物理信道就是添加了区别以及标志后承载信息的最终信 道。扩频操作后，不同的物理信道就可以被轻易的识别出来。 w c d m a 系统中，信道化操作与扰码操作是维持c d m a 系统物理链路质量 的基础。通常，信道化操作与加扰操作普遍应用于各个不同物理信道，都是对物 理信道原码进行处理，形成特殊的加密识别的码段或是提高系统传输速率。其中， 信道化序列来自o v s f 码树( 图2 2 ) ：扰码序列则由小区根据资源分配情况进行 广播配置。 s f = 1s f = 2s f = 4 图2 2 信道化码码树 信道化操作使用正交信道化采用o v s f 正交可变扩频因子码( 最小扩频因子 4 ，最大扩频因子5 1 2 ，o v s f 码用于保持用户不同物理信道之间的正交性) ，信道 化将一个个的数据符号乘以s f ，转换为一系列的码片。通过信道化操作增加了信 号的带宽。 扩频第二步就是加扰操作。加扰是由伪随机码发生器产生的伪随机序列与原 始的数据相乘，不改变数据传输速度，只变化被传输信息的特征。 扰码操作是在信道化操作之后( 如图2 3 所示) ，它不会改变信号的带宽， 也不会改变符号速度，而只是将扰码加在扩频信号上。扰码操作可以将来自不同 信源的信号区分开来，这样，即使多个发射机使用相同的码字扩频也不会出现问 题。 重庆邮电大学硕士研究生论文 d a t a 信道码o v s f 扰码 s y m b o l 3 8 4 m h z 3 8 4 m h z 图2 3 信道化码与扰码的关系 w c d m a 系统中，对于上行链路，我们用扰码来进行区分用户，以信道化码 来区分用户终端的不同业务信道；对于下行链路，以扰码区分网络侧小区( 扇区 载频) ，以o v s f 码区分小区内不同用户。也就是说，只要扰码或信道化码其中 一种存在不同，都可以确定为不同的信道。$ 2 2 随机接入过程相关信道 在w c d m a 系统中，与随机接入过程相关的信道有传输信道r a c h ，上行物 理信道p r a c h ，下行物理信道a i c h 。 2 2 1 传输信道r a c h r a c h ( 随机接入信道) ，属于物理层上行链路，是上行传输信道。r a c h 信道承载用户终端到网络侧的控制信息。 r a c h 随机接入发射的结构如图2 4 所示。随机接入发射包括一个或多个长 为4 0 9 6 码片的前缀和一个长为1 0 m s 或2 0 m s 的消息部分。 ：困 ：团 ：! ! 口 ：圃 ：团 ：圈 图2 4 随机接入发射的结构 1 2 1 0 m s ( 一个无线帧) 2 0 m s ( 两个无线帧)黑 第二章随机接入过程信道与信号 2 2 2 物理信道p r a c h 物理信道p r a c h 承载传输信道r a c h 。对随机接入信道r a c h 进行随机接 入信道编码复用后，完成对r a c h 数据的纠错编码，交织、速率匹配、数据级联 分段等处理后，将r a c h 信道上承载的信息映射到p r a c h 相应位置上。 终端侧通过发送传输p r a c h 信道信息，实现注册接入到网络。随机接入信 道的传输是基于带有快速a i ( 捕获指示符) 的时隙a l o h a 方式( 阿罗哈冲突协 议：由于发送信道没有在频率和时间上进行区分，所以在同信道中两个或者多 个信号可能会发生“碰撞 ，如果发生“冲突”，那么在这种情况下，发送端就 会收到一个从接收端发来的一个否定的应答信号，或者什么也接收不到。于是发 送端在经过一个随机时延后重新发送这个数据包，由于这种技术最早应用于夏威 夷大学的a l o h a 系统第一个用无线信道连接的计算机网络，后来人们便把 这种接人技术称之为a l o h a 多址n 町) 。l i e 可以在一个预先定义的时间偏置开始 传输，表示为接入时隙。每两帧2 0 m s 有1 5 个接入时隙，每相邻两个接入间隔为 5 1 2 0 码片( 如图2 5 所示) ，当前小区中哪个接入时隙可用于p r a c h 信道接入， 是由高层信息给出的啪1 。 - 垂丝塑! ! ! 竺 一立幽竺一一一一 垂丝塑! ! ! 竺 一立墨i 坐竺一 一 一一 i 接入时骧舯 二二二二二二二二堕蔓蔓至至三 二二二二二二二二 ； 。- _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ i - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ i _ _ o _ _ - _ _ _ o o - - _ o 。 接入时腺l 厂i 二丽玩磋天夏爵： ii ： ： 接入时障舸：厂r 1 酹丽曩夏爵；拄入时障舸 ：i：竺墨苎全苎竺i ： 接入时尊档； 二二 亟亚 二二二j接入时尊孵： ： l竺! ! 堡垒垄翌 ；j - ： ： 接入时礞# 1 4 ： ：厂f 一 ；_ 图2 5p r a c h 接入时隙数量和间隔 p r a c h 的传输结构分为前导和消息两部分。终端通过发送前导，与网络侧 基站取得联系，前导发送成功后，物理层将发送p r a c h 的消息部分，消息部分 由导频与传输格式控制指示信息组成。 p r a c h 的传输结构及过程如图2 6 所示。 1 3 重庆邮电大学硕士研究生论文 门眦。前导 u 囹 删 前导部分 ，4 。l t ，。i 。?。， r ，i+， 同 j ，j ，j 图2 6p r a c h 传输前导和消息传输 随机接入的前导长度为4 0 9 6 e h i p s ，随机接入前缀总共有1 6 个不同的特征码 ( 也就是后文协议中提到的p r a c h 前导签名序列) ，每个特征码都是1 6 c h i p s 长度( 见表2 1 ) ，再对特征码进行重复2 5 6 次，就形成了随机接入的前缀部分。 消息部分 l p i l o t it f c i in p i l o tb i t sin t f c lb i t s 1 0 ，那么重复第五步。否则物理层反 馈n oa c ko n a i c h 给上层，并退出接入进程。 第七步，如果在对应上行链路接入时隙的下行链路接入时隙检测到其签名序 列的捕获指示为负值，那么物理层反馈n a e k0 1 1a i c hr e c e i v e d ( 在a i c h 上接收 到拒绝应答) 给上层，并退出接入随机进程。 第八步，否则，收到a i c h 的接收应答，然后根据传输定时参数a i c ht x ( 系统设定的参数，用于表示不同的时间定时间隔) ，在最后一个传输前缀结t i m 束i n 9 3 个或者4 个接入时隙后传输随机接入消息。随机接入消息的控制部分的传输功率 须比相邻前缀的功率高p o w e ro f f s e td b 。随机接入消息的数据部分的传输功率按 上行链路r a c h 功率控制设置。 第九步，物理层反馈r a c hm e s s a g et r a n s m i t t e d ( r a c h 消息已发送) 给上层， 并退出p r a c h 接入进程。 3 2 随机接入过程流程 根据3 1 节对、耽d m a 系统p r a c h 随机接入过程的描述，对应随机接入过 程流程图见图3 1 。 随机接入流程由物理层收到高层请求和相关参数后，就开始首次发送随机接 入前导，包括接入时隙选择，前导使用签名序列选择，设置正确的发送功率。发 送前导后，根据前导与指示符时间间隔要求，接收指示符，通过指示符的值判断 继续发送前导，还是发送随机接入消息部分。 下一部分对随机接入过程流程中比较重要环节进行讨论。 第三章w c d m ap r a c h 随机接入过程算法设计 开始 选择可用的接入时隙 选择特征码 m = p r e a m b l er e t r a n sm a x 指定前缀功率= p r e a m b l e i n i t i a l _ p o w e r y 发射功率= 最大功率 选择发射功率使得 指定前缀功率 消息部分长度：1 0 m s 或者2 0 m s ，长度由前导特征码和接入时隙决定； a i c ht r a n s m i s s i o n ：高层根据业务配置的参数，o，1，两种不timing 同的参数值，代表不同的时间间隔设定； 签名序列：小区系统资源，就是p r a c h 前导特征码序列的使用范围， 总共有1 6 个：每2 0 m s 时间内，随机接入过程有1 5 个不同的接入时隙， 由接入业务的种类不同决定。属于当前小区资源。由于有些签名序列已 经被占据，不能供当前随机接入过程再次使用，所以可选的，也只是基 站分配的可用序列。 r a c h 子信道：每相邻2 个时隙相隔5 1 2 0 c h i p s ，但不是每次随机接入过 程，所有接入时隙都可以随意接入发起随机过程。子信道组总共有1 2 组，高层根据小区广播信息，配置可用一组接入时刻，由物理层从中随 机选择出唯一一个做为前导接入时隙； 功率爬坡因子：p o w e rr a m p ，协议规定是大于0的整数，具体的step 设置值由不同的实现方案进行自主设定。一般的设定范围为1 - 8 d b ，为 了更精确的调整前导功率攀比爬坡因子，取l d b 或2 d b