（通信与信息系统专业论文）wcdma系统反向接收技术的研究及实现.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 r a k e 接收技术和反向功率控制技术是第三代移动通信系统的关键技术，可以 援大地提高系绫靛能。本文结合w c d m a 技术标准对北避学了仿真研究，掇出了易 于实瑰豹r a k e 按敌疆及反岛阕繇渤率控翻方案，莠完成了基露接牧撬鹣疆终设诗。 r a k e 接收技术是w c d m a 系统的关键技术之一，囊接影响接收机的住能。本 文首先根据无线信道数学模型分析了r a k e 接收的原穰，并给出了w c d m a 系统反 向链路r a k e 接收机的结构。然后通过仿真比较了不同参数下r a k e 接收机的性能， 确定了其最终实现方案。最后对r a k e 接收机豹实现方窳按照测试标准进纾了最小 整戆验涯。 本文同时对w c d m a 系统的反国功率控制技术进行了分析与仿真研究。首先给 出了s i r 估计的不同算法，并对篡性能进行了比较。撩着对闭环功率控制的定时方 案进行了讨论，并提出了相应的改进方法。最后通过仿真分析了不同车速下的功率 控制步长的选敬，并给出了反向阂环功率控制实现方鬃的性能曲线。 论文最嚣会绥w c d m a 系统蘩斌接毂撬的硬箨实瑷，蹙今系统采蘧v e r i l o g 疆捧 籀述语言送行开发，并在f p g a 乎螽上进行了验证。 【关键词】w c d m a r a k e 接收机s i r 估计功率控制 末藏大学移动通话嚣容囊森实验室 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t r a k er e c e i v i n ga n dp o w e rc o n t r o lt e c h n i q u e si nt h et h i r dg 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 sa r ei n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s s i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e df o r w i d e - b a n dr a d i oc h a n n e l sw i t hm u l t i p a t hf a s tf a d i n g a ni m p l e m e n t a t i o ns c h e m ef o r r a k er e c e i v e ra n dt h ed o s e d l o o pp o w e rc o n t r o lo fw c d m ab a s es t a t i o ni sp r o p o s e d r a k e r e c e i v i n gi se s s e n t i a li nw c d m as y s t e m ，a n ti ti m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo f t h er e c e i v e r b a s e do nt h em a t h e m a t i cm o d u l eo ft h er a d i oc h a n n e l ，t h ep r i n c i p l eo ft h e r a k er e c e i v i n gi sg i y e na n tas t r u c t u r eo ft h eu p l i n kr e c e i v e ri nw c d m as y s t e mi s p r e s e n t e d t h e np e r f o r m a n c e so ft h er a k er e c e i v e r w i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r sa r e c o m p a r e d ，a n da no p t i m i z e dr a k er e c e i v e rs t r u c t u r ei sd e t e r m i n e d f i n a ls i m u l a t i o n r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ed e s i g nm e e tt h em i n i m u mp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n ts p e c i f i e d i nw c d m as t a n d a r d t h eu p l i n kp o w e rc o n t r o li nw c d m as y s t e mi sa l s os t u d i e di nt h i st h e s i s s e v e r a l s i m p l es i re s t i m a t i o nm e t h o d sa l ep r e s e n t e da n dt h e i rp e r f o r m a n c e sa l ec o m p a r e d t h e n t h ec l o s e d l o o pp o w e rc o n t r o lt i m i n go ft h ew c d m as t a n d a r di sd i s c u s s e da n dan o v e l t i m i n gs c h e m eo fp o w e r c o n t r o li sd e d v a d m o r e o v e r , s i m u l a t i o n so fp o w e rc o n t r o ls t e p s i nd i f f e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n sa c a r r i e d ，o u t t h ep e r f o r m a n c e so ft h eu p l i n k c l o s e d l o o pp o w e rc o n t r o la l es h o w nf i n a l ly t h el a s tp a r to ft h i st h e s i si n t r o d u c e st h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fb a s e - s t a t i o n r e c e i v e ri nw c d m a s y s t e m a l lt h ed e s i g n sa l ed e v e l o p e dw i t hv e r i l o gh d l a n dd e s i g n a r ef u l l yv e r i f i e do nf p g a p l a t f o r m k e y w o r d s w c d m a r a k er e c e i v e r s i re s t i m a t i o np o w e rc o n t r o l 东南大学移动通信国家重点实验室 1 i - 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：塞筮羧导师签名：主羔麴日期：塑：! ：丝 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 移动通信是目前通信领域内发展最为迅速的领域之一随着通信技术的飞速发 展和人们对通信需求的不断提高，未来的个人移动通信系统不仅要求保证任何人在 任何地点、任何时候、以任何方式与任何人进行通信，而且还必须满足人们日益增 长的对语音、数据、图像等多种业务并存的多媒体通信的需求，第三代移动通信系 统就是在这种背景下应运而生，它可以提供全球漫游服务、支持多媒体业务并有足 够的系统容量。 1 1 第三代移动通信系统概述 移动通信在短短二十多年内经历了从大区制到小区制、从模拟调制技术到数字 调制技术等几次重大的技术革新。第一代蜂窝移动通信系统采用频分多址o s o m a ) 模拟调制方式，解决了公用移动通信系统的大容量要求和频谱资源受限之间的矛盾， 极大地推动了移动通信的发展，但同时也存在频谱利用率低、同频干扰和互调干扰 大、保密性差等缺点。第二代蜂窝移动通信系统采用时分多址( t d m a ) 或码分多址 ( c d m a ) 数字调制方式，大大增加了频谱利用率，提高了系统容量，而且话音质量好、 保密性能高，再次推动了移动通信的迅猛发展。但是第一、第二代蜂窝移动通信系 统只能提供话音和低速数据业务的服务，不能满足人们对图像、话音和数据相结合 的多媒体业务和高速率数据业务的需求，并且随着用户数量的迅猛增加，系统容量 也远远满足不了用户容量的发展需要。 为了满足更多更高速率的业务以及更高的频谱效率，同时减少目前存在的各大 网络之间的互不兼容性，1 9 8 5 年国际电联( f l u ) 提出了第三代移动通信系统的概念， 当时称为未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，并于1 9 9 6 年更名为国际移动电信 2 0 0 0 系统( i m t - 2 0 0 0 ) 。i m t - 2 0 0 0 支持的网络被称为第三代移动通信系统，简称3 g 。 相比较以前的移动通信系统，其主要特点可以概括为：( 1 ) 全球普及和全球无缝漫游： ( 2 ) 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：在快速移动环境下最高 速率达1 4 4 k b p s ，室外到室内或步行环境下最高速率达到3 8 4 k b p s ，室内环境下最 高速率达到2 m b p s ；( 3 ) 高频谱利用率和高服务质量以及高保密性；( 4 ) 低成本并利于 过渡演进。1 9 9 9 年1 1 月国际电联在芬兰首都赫尔辛基召开的会议，将w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 同时作为3 g 的无线接口标准。 在c d m a 系统中，存在频分双t ( f d d ，f r e q u e n c y d i v i s i o n d u p l e x ) ； l l 时分双工 ( t d d ，t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 两种双工模式。对于宽带系统来说，又有直接序列扩频 s s s ，d i r e c ts e q u e n c e s p r e a d s p e c t r u m ) 和多载波( m c ，m u l t i p l ec a m e o 两种方式。 w c d m a 系统包括t d d 和f d d 两种双工模式，并且对于f d d 模式，w c d m a 系 统使用的是直接序列扩频技术：c d m a 2 0 0 0 则是多载波的f d d 系统；t d s c d m a 是宜接序列扩频的t d d 系统。 东南大学移动通信国家重寰实验室 1 - 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d _ s c d m a 系统的比较 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 是目前3 g 的三大技术标准，有各自技术 特点和背景，在第三代移动通信系统中将长期并存、共同发展，我们在此简要介绍 一下它们各自的技术特点。 w c d m a 的主要关键技术是建立在窄带c d m a 基础上的，并在原有基础上又前 进了一步，其主要技术特点有：可适应多种速率的传输，灵活地提供多种业务；是 一个异步系统，基站之间无需同步；优化的分组数据传输方式；支持不同载频之间 的切换；上下行快速功控；反向采用导频辅助的相干检测；充分考虑信号设计对e m c 的影响等。 c d m a 2 0 0 0 沿用了i s 9 5 的主要技术和基本技术思路，采用i s 一9 5 的软切换和功 率控制技术：需要g p s 同步；反向信道相干接收；前向发送分集；全部速率采用 c r c 方式；充分考虑信号设计对e m c 的影响等。 t d s c d m a 采用时分双i ( t d d ) ，前向和反向链路可以使用相同无线频率的同 步时间间隔，前向和反向在不同时隙相互发送；可以使用各种频率资源，不需要成 对的频率；适用于不对称的上下行数据，特别是m 型的数据业务；上下行工作于统 一频率，对称的电波特性便于采用智能天线等技术，达到提高系统性能的目的。 1 3 第三代移动通信系统的关键技术 第三代移动通信系统的三种无线接口标准无一例外地采用了c d m a 扩频技术， 并采纳了其他一些先进的通信技术，因此相比较前两代移动通信系统而言，有其独 特的技术特点。 1 ) 分集技术 分集技术是一项主要的抗衰落技术，它可以大大提高多径衰落信道下的传输可 靠性。在第三代移动通信系统中，分集技术得到了广泛的应用：在上行链路中，基 站普遍采用双天线实现二重空间分集接收；而在下行链路中，由于移动台受尺寸和 功率的限制，则利用基站的多天线发射分集技术来提高下行链路的性能和容量i l l 。 目前使用的发射分集主要有t s t d ( t i m es w i t c h e dt r a n s m i s s i o nd i v e r s i t y ) 、 o t d ( o r t h o g o n a lt r a n s m i s s i o nd i v e r s i t y ) 和s t d ( s e l e c t i o nt r a n s m i s s i o nd i v e r s i t y ) 三种 方式 2 l t 3 1 t s t d 是在时间上将两个天线上的信号隔离开来；s t i d ( s p a c et i m eb l o c k c o d i n gb a s e d t r a n s m i s s i o nd i v e r s i t y ) 是o t d 方式的推广，以4 个符号为单位进行空时 编码，分别在两个天线上发射；而s t d 以闭环发送分集的方式在s t r d 中实现。 2 ) r a k e 接收 移动通信系统的多径衰落造成信号发生严重畸变，大大降低了系统的性能。但 是在宽带c d m a 系统中，信号带宽的增加使得信号的码片时间减小，从而使得相对 的延迟路径变得可以区分。r a k e 接收机对分辨出来的多径分量进行合并，从而获得 东南大学移动通信国家重点实验室 东南大学硕士学位论文第一章绪论 了额外的分集增益，大大提高了系统的性能“1 。 理论分析表明，相干r a k e 接收相对于非相干r a k e 接收可以获得3 d b 左右的 性能增益 5 1 因此在w c d m a 系统中，上下行链路都采用了导频辅助的相干接收技 术。接收机利用已知导频序列，正确估计出信道的幅度和相位，并对接收信号进行 调整，从而解调出发射信号。我们将在第三章中详细分析r a k e 接收技术，并在第 五章中介绍w c d m a 系统基站r a k e 接收机的硬件实现。 3 ) 功率控制技术 c d m a 系统是个干扰受限系统，其干扰的大小直接影响系统的容量，但是由 于系统中的所有用户均共享同一频带，并且用户之间的扰码相关特性并非理想，因 此在用户之间存在多址干扰。如果所有用户都使用尽可能小的发射功率进行数据传 输，那么系统的干扰就可以达到最小，从而提高系统容量。因此功率控制在c d m a 系统中具有重要作用，其目标是控制所有用户的发射功率使得接收信号的信干比 s i r ( s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o ) 基本保持恒定并最小化。 常见的c d m a 功率控制技术可分为开环功率控制和闭环功率控制，其中闭环功 控又分为内环功控和外环功控。外环功率控制根据接收性能动态调整目标s i r ，而 内环功率控制则根据目标s i r ，控制移动台的发射功率，使其到达基站的接收信号 的信干比s i r 在达到性能要求的前提下基本保持恒定并尽量小。内环功率控制的速 度一般为1 时隙一次，其控制速度大于信道快衰落速度，所以在一定程度上可以补 偿信道的快衰落。这方面的详细内容将在第四章作详细的讨论。 4 ) 高效信道编译码技术 t u r b o 码引入了多项编译码技术，具有十分优异的纠错性能，在a w g n 信道下 的纠错性能接近香农限，被公认为迄今已知的最佳前向纠错编码。第三代移动通信 系统无一例外的选定t u r b o 码作为高速信道的纠错编码方案，其译码技术被列为第 三代移动通信系统的关键技术之一。 虽然t u r b o 码的性能优于卷积码，但其相应的译码算法相对复杂，并且译码延 时较大。在w c d m a 系统中，对实时性要求较高的话音服务采用卷积码，而对实时 性要求较低的高速数据业务采用t u r b o 码。 5 ) 智能天线 智能天线是基于自适应天线阵原理，利用天线阵的波束成形产生多个独立的波 束，并且自适应地调整波束方向来跟踪每一个用户，达到提高信干比s i r ，增加系 统容量的目的。采用智能天线技术，实际上是通过数字信号处理，使天线阵为每个 用户自适应地进行波束成形，相当予为每个用户形成一个可跟踪的高增益天线，从 而既可以进行全方位通信，又可以用较小的发射功率覆盖相同的范围，大大提高了 移动通信系统的性能。 6 ) 多用户检测 东南大学移动通信国家重点实验室 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 在c d m a 系统中存在多址干扰( m a i ) ，传统的检测技术将其当成高斯白噪声， 因此大大降低了系统容量。而多用户检测技术认为，多址干扰是具有一定结构的有 效信息，理论证明采用最大似然序列检测( m l s d ) 可以逼近单用户接收性能，并有效 地克服远近效应，提高系统容量。 第三代移动通信系统还有其他一些关键技术，如软件无线电、软切换、宏分集 等等。 1 4 本论文的主要内容 本论文研究的主要内容是w c d m a 系统上行链路的接收，包括r a k e 接收技术 以及反向闭环功率控制技术。全文共分为5 章，其中第二章主要介绍w c d m a 系统 f d d 模式下的物理层标准，并侧重于上行链路专用物理信道的描述。 第三章主要讨论r a k e 接收技术。首先介绍频率选择性慢衰落信道的抽头延迟 线模型，并推导出w c d m a 系统上行链路的r a k e 接收机结构。接着介绍w c d m a 系统上行链路的仿真平台，并通过仿真比较了不同参数下r a k e 接收机的性能，确 定了其最终实现方案。最后对r a k e 接收机的实现方案进行了性能仿真，仿真结果 表明，此接收机实现方案可以满足w c d m a 测试标准所要求的最小性能指标。 第四章对w c d m a 系统中的反向功率控制技术尤其是闭环功率控制技术进行了 研究。首先分析了几种不同的s i r 估计算法，并对其性能进行了仿真比较。接着对 闭环功率控制的定时方案进行了讨论，并提出了相应的改进方法。最后通过仿真分 析了不同车速下的功率控制步长的选取，并给出了反向闭环功率控制实现方案的性 能曲线。 第五章结合上行链路基站接收的硬件实现，重点介绍了r a k e 接收机的硬件实 现方法，此外解复用模块以及整个基站接收机的硬件实现也在本章作了说明。 东南大学移动通信国家重点实验室 东南大学硕士学位论文 第二章w c d m a 系统的物理层描述 第二章w c d m a 系统的物理层描述 为了便于分析w c m d a 系统上行链路的r a k e 接收以及闭环功率控制技术，本 章对w c d m a 系统f d d 模式的物理层标准作了简要介绍。文中参考了3 g p p 关于 w c d m a 系统的物理层技术标准f f s2 5 系列) ，由于篇幅所限只介绍和本论文密切相 关的内容，具体细节可以参考相关文献1 6 1 0 1 。 2 1 概述 w c d m a 系统是一个d s s s 系统，使用了速率为3 8 4 m c p s 的扩频信号( 码片) 来调制数据信号，这样数据信号被直接扩频至约5 m h z 的带宽上，宽带c d m a 的名 称也就由此而来。 2 1 1工作频带和信道分配 w c d m a 系统可以工作于f d d t d d 两种模式，对于u t r a f d d 方式，其指定 可用的频带如表( 2 1 ) 所示硒1 工作频带上行链路工作频率下行链路工作频率 u e 发射n o d eb 接收u e 接收n o d eb 发射 i1 9 2 0 1 9 8 0m h z2 1 1 0 2 1 7 0m h z 1 8 5 0 1 9 1 0m h z1 9 3 0 - 1 9 9 0m h z 1 7 10 - 1 7 8 5m h z1 8 0 5 1 8 8 0m h z 表2 1 频带分配 从表可以看出，上下行链路的频带间隔较大，从而前向和反向链路之间的信道 衰落是互不相关的，在对移动台进行功率控制时，开环功率控制不能满足要求，而 应该使用快速闭环功率控制来保证较好的系统性能。 在进行信道分配时，每个载波的带宽为5 m h z ，并且其中心频率必须是2 0 0 k h z 的整数倍。这样对于工作频带i ，在6 0 m h z 频带内有3 0 0 种( 6 0 m h z 2 0 0 k h z ) 不同的 分配方式，并最多可以容纳1 2 ( 6 0 m h z 5 m h z ) 个载波。 2 1 2无线接口的协议结构 w c d m a 系统的空中接口是指用户设备( 1 y e ) 和u m t s 地面无线接入网( u t r a n 3 之间的接口，通常也被称为无线接口，简称u u ( u e - u t r a n ) 接口。无线接口使用无 线传输技术( g t r ) 将用户设备接入到系统固定网络部分。 根据3 g p p 的协议规范1 7 1w c d m a 的空中接口协议层分为三层。最底层是物 理层，位于物理层( l 1 ) 之上的协议层称为数据链路层( l 2 ) 和网络层( l 3 ) 。图( 2 1 ) 显示 了u t r a 无线接口与物理层有关的协议结构。物理层与层2 的媒体接入子层( m a c ： m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 和层3 的无线资源控制子层( r r c ：r a d i or e s o u r c ec o n t r 0 1 ) 相连。图中不同层子层问的圆圈部分为业务接入点( s a p ：s e r v i c e a c c e s sp o i n t s ) 。物 东南大学移动通信国家重点实验室 东南大学硕士学位论文第二章w c d m a 系统的物理层描述 理层为m a c 层提供不同的传输信道，传输信道定义了信息是如何在无线接口上进 行传输的。m a c 层为无线链路控制( r l c ) 子层提供不同的逻辑信道，逻辑信道定义 了所传输信息的类型。物理信道在物理层进行定义，物理层由r r c 控制。w c d m a 系统有两种双工模式：频分双工( f d d ) 和时分双i ( t d d ) ，在此我们主要介绍f d d 双工模式。 层3 嘲 群 层2 隶 强 层1 逻辑信道 传输信道 图2 1w c d m a 空中接口协议结构 2 1 3物理层提供的业务操作 物理层利用m a c 层的传输信道为高层提供数据传输业务，为了能够提供这些 数据传输业务，物理层将执行以下的功能订： a 宏分集和软切换； b 传输信道上的错误检测并向高层汇报； c 传输信道的f e c 编码，解码； d 传输信道的复用和编码组合传输信道( c c t r c 功的解复用； e 编码传输信道到物理信道上的速率匹配； f 编码组合传输信道到物理信道的映射； g 功率的加权和物理信道的组合； h 物理信道的调制和扩频懈调和解扩； i 频率和时间同步( 码片、比特、时隙、帧) ； j 无线特性的测量，包括f e r ，s 己，干扰功率和到高层的指示； k 内环功率控制； l 射频处理； 其中同步i 是系统工作的前提，本文将主要讨论h 、j 和k 的内容。 2 2 物理信道和传输信道到物理信道的映射 2 2 1物理信道 物理信道由特定的载波频率、扰码、信道化码，起止时间等要素决定，持续时 东南大学移动通信国家重点实验室 东南大学硕士学位论文 第二章w c d m a 系统的物理层描述 问由开始和结束时刻来定义，用码片c h i p ) 的整数倍来测量。在规范中规定一个无线 帧包括1 5 个时隙，每个时隙有2 5 6 0 码片c h i p s ) 组成，所以一个无线帧有3 8 4 0 0 个 码片( c h i p s ) 。 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。下面我们对各个物理信道作简要介绍，具体内容可以参见w c d m a 协 议标准1 8 1 0 2 2 1 1上行专用物理信道 上行专用物理信道可以分为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 v s i c a l d a t ac h a n n e l ) 和上行专用物理控制信道( d p c c h ：d e d i c a t e d p h y s i c a l c o n t r o l c h a n n e l ) ，d p d c h 和d p c c h 在每个无线帧内以i ，q 两路码分复用。 d p d c h 用于承载传输信道中的专用信道( d c h ) ，在一个无线链路中可以没有， 也可以有1 个或多个d p d c h 。d p c c h 用于承载第一层产生的控制信息，包括用于 支持相干检测的导频比特口i l o tb i t s ) 、发射功率控制指令( t p c ：t r a n s m i tp o w e r c o n t r 0 1 ) 、反馈信息e e d b a c kh f o r m a t i o n ) 和可选的传输格式组合指示信号( t f c i ： t r a n s p o r tf o r m a tc o m b i n a t i o nh d i c m 0 0 。在一个无线链路中，有且仅有一个专用物理 控制信道。 d p d c h 砭i i p i l o t i t f c i l f b i l 邛c jn d h b i t sln t t 订b i t sl n 阳i b i t s l n t p cb i t s 1 2 5 6 。c “1 9 i j ! 7 ls 1 0 t 舟os l o t 社1s l o t 衔s l o t 样1 4 i 图2 2 上行d p d c h d p c c h 的帧结构 图2 2 显示了上行链路专用物理信道的帧结构，每帧长度为1 0 m s ，由1 5 个时隙 组成，每个时隙长度为2 5 6 0 c h i p s ，对应于一个功率控制周期。图中的k 决定了每个 f 时隙的比特数，它与物理信道的扩展因子s f 有关，满足s f = 2 5 6 2 。在上行链路 中，专用物理数据信道的s f 的取值范围为4 至2 5 6 ，专用物理控制信道的s f 则恒 为2 5 6 。需要注意的是，d p d c h 中的导频符号是不连续的，在信道估计的时候需要 进行特别处理，表2 2 给出了不同时隙格式下d p c c h 中不同域上的符号数目。 东南大学移动通信国家重点实验室 东南大学硕士学位论文 第二章w c d m a 系统的物理层描述 时隙信道比特率s f比特，帧 比特， n mn 叶陀n t 目n f m每个无线帧 格式 ( k b p s ) 时隙发射的时隙 o1 52 5 61 5 0 1 0 6 2 2 o 1 5 0 a1 52 5 61 5 01 052301 0 1 4 0 b1 52 5 6 1 5 01 04 2 4 08 - 9 11 52 5 61 5 01 082oo8 1 5 21 52 5 61 5 01 052211 5 2 a1 52 5 61 5 01 042311 0 1 4 2 b 1 5 2 5 61 5 01 032 4 1 8 1 9 31 52 5 61 5 01 072018 1 5 4 1 52 5 61 5 01 062 028 1 5 51 52 5 61 5 01 051221 5 5 a1 52 5 61 5 01 041321o - 1 4 5 b1 52 5 61 5 01 031 4 28 9 表2 2d p l 0 c h 域结构 2 2 1 2上行公用物理信道 物理随机接入信道( p r a c h ) p r a c h 用来承载传输信道中的随机接入信道( r a c h ) ，该信道的传输是基于带 有快速捕获指示的时隙a l o h a 方式，即u e 可以在一个预先定义的时间间隔( 接入 时隙) 开始传输尝试。接入时隙之间的间隔为5 1 2 0 c h i p s ，每两帧包括1 5 个接入时隙， 在当前小区中哪个接入时隙的信息可用，由高层信息指定。 随机接入发射包括两个部分：一个或多个4 0 9 6 c h i p s 长的前缀部分和1 0 m s 或 2 0 r n s 长的消息部分。其结构如图2 3 所示： 圈圈圈圈 4 0 9 6c h i p s 赢i 二莜线哟 网 1 _ j 4 0 9 6c h i p s 圈圈 】堕! 气瓦而丽磊两贡广 图2 3 随机接入发射的结构 物理公共分组信道( p c p c h ) p c p c h 用来承载传输信道中的公用分组信道( c p c h ) ，该信道的传输基于带有快 速捕获指示的d s m a c d 方式，即u e 可在一些预先定义的时间间隔( 接入时隙) 开始 传输尝试，接入时隙的定时和结构与p r a c h 相同。 c p c h 随机接入传输包括四个部分：一个或多个长为4 0 9 6 c h i p s 的接入前缀 【a p ，一个长为4 0 9 6 c h i p s 的冲突检测前缀( c d p ) ，一个长度为0 时隙或8 时隙的 d p c c h 功率控制前缀( p c p ) 和一个可变长度为n 1 0 m s 的消息部分。其结构如图 2 4 所示： 东南大学移动通信国家重点实验室8 东南大学硕士学位论文 第二章w c d m a 系统的物理层描述 图2 4 随机接入传输的结构 2 2 1 3下行专用物理信道 下行专用物理信道( d p c h ：d e d i c a t e dp h y s i c a lc h a n n e l ) 是唯一的下行专用物理信 道。在一个下行d p c h 内，专用数据信息以及控制信息以时分复用的方式进行发射 传输，因此下行的d p c h 可以看成是一个d p d c h 和一个d p c c h 的时分复用。 乜d h - 卫基 - d p q e h - p l 笪旦- ld a t a li t p c it f c i d a m 2p i l o t in d a n lb i t sln t ”b i 拓ln 1 霄i b 如in d a b 2 b i t sn 。i hb i t s 1 。c “1 p s 1 。：i 一7 s l o t # 0s l o t 挣ls l o t 撕s l o t # 1 4 图2 5 下行d p c h 的帧结构 图2 5 给出了下行链路专用物理信道的帧结构。图中的k 决定了每一个时隙的比 特数，它与物理信道的扩展因子s f 有关，满足s f = 2 5 6 z ，扩频因子s f 的取值 范围为4 至5 1 2 。 2 2 1 4下行公用物理信道 公共导频信道( c p i c h ) c p i c h 是固定速率为3 0 k b p s ( s f = 2 5 6 ) 的下行物理信道，承载预先定义的比特序 列。c p i c h 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 ) 。每个小 区有且仅有一个p c p i c h ，并且在整个小区内广播，为其它下行物理信道提供相位 基准。而小区中可以没有，也可以有一个或多个s - c p i c h ，在整个小区或在小区的 部分区域发送，指导s - c c p c h 和d p c h 的接收。 导频信道主要作用在于为接收提供相干解调。由于在下行链路中，所有l i e 可 以共享一个导频信道，占用信道资源有限，所以下行链路采用了连续导频；但是对 于上行链路，如果为每个用户分配一个连续导频信道，将占用较大的系统资源，故 而在上行链路中使用的是在d p c c h 中加入导频符号的非连续导频方式。 公共控制物理信道( c c p c h ) 东南大学移动通信国家重点实验室 东南大学硕士学位论文 第二章w c d m a 系统的物理层描述 c c p c h 又分为主公用控制物理信道( p - c c p c 啪和辅助公用控制物理信道 f s c c p c h ) 。 p c c p c h 用于承载传输信道中的广播信道( b c 聊，其扩频比恒为2 5 6 。在每个 时隙的第一个2 5 6c h i p s 内，p c c p c h 不进行发射，而是留给p s c h 和s ，s c h 使用。 s - c c p c h 用于承载传输信道中的前向接入信道( f a c i - i ) 和寻呼信道( p c h ) ，并支持多 速率传输( s f = 2 5 6 4 ) ，仅当有数据时才在小区内发送。 同步信道( s c l i ) s c h 用于快速小区搜索，该信道由主同步信道( p s c h ) 和辅助同步信道( s s c h ) 两个子信道构成，它们都在每个时隙的前2 5 6 c h i p s 内发射，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 z 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 z a t i o nc o d e ) 。 在w c d m a 系统中，各个小区的基站无需g p s 的精确定时，它们之间是异步 工作的。移动台可以利用s c h ，通过快速小区搜索来完成同步。快速小区搜索过程 可以分为以下三个过程：( 1 ) 搜索p s c 获得时隙同步；( 2 ) 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。 下行物理共享信道( p d s c h ) p d s c h 承载传输信道中的下行共享信道s c 田，多个用户共享同一个物理信 道，用户之间以信道码隔离。 捕获指示信道( a i c h ) 捕获指示信道( i n c h ) 是一个用于传输捕获指示( a d 的物理信道，捕获指示a i s 对应于p r a c h 上的特征码s 。 c p c h 接入前缀捕获指示信道( a p - a i c h ) 接入前缀捕获指示信道( a p - a i c h ) 是一个固定速率( s f = 2 5 6 ) 的用来传送c p c h 的a p 捕获指示( a p i ) 的物理信道，a i p 捕获指示a p i s 对应于u e 发射的a p 特征码s 。 c p c h 冲突检测，信道分配指示信道( c d c a i c h ) 冲突检测信道分配指示信道( c d c a i c h ) 是一个固定速率( s f = 2 5 6 ) 的物理 信道。当c a 不活跃时，用来传送c d 指示( c d i ) ；当c a 活跃时，用来同时传送 c d 指示，c a 指示( c d f c a i ) 。c d c a i c h 和a p a i c h 可以使用相同的或不同的信 道码。 寻呼指示信道( h c h ) 寻呼指示信道( p i c m 是一个固定速率( s f = 2 5 6 ) 的用于传输寻呼指示( p d 的物理 信道，p i c h 总是与一个承载p c h 信息的s c c p c h 一起进行传输。 c p c h 状态指示信道( c s i c h ) c p c h 状态指示信道( c s i c h ) 是一个的固定速率( s f = 2 5 6 ) 的用于传送c p c h 状 东南大学移动通信国家重点实验室 东南大学硕士学位论文第二章w c d m a 系统的物理层描述 态信息的物理信道。c s i c h 总是和一个用于发射c p c h 的a p a i c h 的物理信道相 关联，并和此信道使用相同的信道码和扰码。 2 2 2传输信道 根据图2 i 的空中接口协议结构，物理层通过传输信道向高层提供服务。传输 信道定义了在空中接口中数据传输的方式和特性。在w c d m a 系统中，共有7 种传 输信道，可以分为两大类：专用传输信道和公共传输信道。 专用传输信道： 专用信道( d c h ：d e d i c a t e dc h a n n e l ) ；d c h 是上下行传输信道，承载移动 台和网络之间的用户或者控制信息。 公共传输信道： 广播信道( b c h ：b r o a d c a s tc h a n n e l ) ：b c h 是下行传输信道，用来广播发 送系统和小区的具体信息，在整个小区以较低的固定速率传输( s f = 2 5 6 ) 。 前向接入信道( f a c h ：f o r w a r da c c e s sc h a n n d ) ：f a c h 是下行传输信道， 当系统确知移动台所在的小区位置时，用来承载发送到移动台的控制信息。 寻呼信道( p c h ：p a g i n gc h a n n d ) ：p c h 是下行传输信道，当系统不能确知 移动台的小区位置时，用来承载对移动台的寻呼指示，并且支持足够长的睡眠 模式时间。 下行链路共享信道( d s c h ；d o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l ) ：d s c h 是由多个 用户共享的下行传输信道，必须与一个或多个下行d c h 配合使用。 随机接入信道( r a c h ：r a n d o m a c c e s sc h a n n e l ) ：r a c h 是上行传输信道， 用来承载来自移动台的接入请求信息。 公用分组信道( c p c h ：c o m m o np a c k e tc h a n n e l ) ：c p c h 是上行传输信道， 是基于竞争的用于突发数据业务传输的传输信道。 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经 过c r c 校验、信道编码、交织、速率匹配以后被复用到同一个编码组合传输信道 ( c c r r c m 上，然后映射到物理信道上进行传输1 9 。 2 2 3传输信道到物理信道的映射 对于上面介绍的w c d m a 系统中的传输信道以及物理信道，它们之间有着内在 的联系，每一种具体的传输信道都和相应的物理信道所匹配，图2 6 给出了两者之 间的映射关系。我们可以看到，每一个传输信道都有相应的物理信道来承载，但还 有一些物理信道并不承载任何传输信道，它们用于承载一些指示信息来实现物理层 的基本功能。 东南大学移动通信国家重点实验室 东南大学硕士学位论文 第二章w c d m a 系统的物理层描述 篮箍篮遒 d c h r a c h c p c h b c h f a c h p c h d s c h 堑堡篮道 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 ) 物理随机接入信道( p r a c h ) 物理公共分组信道( p c p c h ) 公共导频信道( c p i c h ) 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 i o 同步信道( s c h ) 物理下行共享信道( p d s c h ) 捕获指示信道( a i c h ) 接入前缀捕获指示信道( a p - a i c h ) 寻呼指示信道( p i c h ) c p c h 状态指示信道( c s i