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中山大学硕士学位论文 w c d m a 系统基站中数据高速传输的设计与实现 专业：微电子学与固体电子学 硕士生：硕士 指导老师：陈弟虎教授 摘要 创新、融合、绿色和低成本是无线市场的需求和未来发展趋势，在无线产品 竞争日益激烈的今天，如何降低基站成本，如何占据更大的市场份额成为通信设 备厂商的首要目标。本文就如何实现u u 接口物理层数据的高速传输进行了设计 与实现。 本论文在研究w c d m a 协议和基站技术研究的基础上，重点研究了物理层数据 传输方式，为物理层数据的传输方式进行了改进，提高物理层数据在基站中传输 的速率。 本论文选用t i 专门为w c d m a 系统基站量身打造的基带处理芯片 t m s 3 2 0 t c l 6 4 8 8 ，作为基带板上的基带处理芯片；在研究t m s 3 2 0 t c l 6 4 8 8 体系结 构和外设s r i o 接口的基础上，利用t id s pt c l 6 4 8 8 的外设s r i o 进行基带板上 各个子系统之间数据的高速传输。另外为了加速基带板子系统间以及d s p 与f p g a 之间数据传输速率，提高d s p 任务的平行处理能力和执行效率，d s p 驱动方案设 计时充分利用t c l 6 4 8 8 提供的外设s r i o 、e d m a 3 和c i c ，构建“大块数据传输不 需c p u 干预，传输过程可进行任务切换”的高效的s r i o 链。 关键词：宽带码分多址，基站，t c l 6 4 8 8 ，串行高速接口 中山大学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh i g h - s p e e d t r a n s m i s s i o no fd a t ai nt h ew c d mb a s es t a t i o n s y s t e m _ m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n d s o l i de l e c t r o n i c s n a m e ：h uy a d o n g s u p e r v i s o r ：p r o f c h e n - - d ih u a b s t r a c t i n n o v a t i o n ，i n t e g r a t i o n ，g r e e na n dl o w - c o s tw i r e l e s sm a r k e td e m a n da n df u t u r e d e v e l o p m e n tt r e n di nt h ei n c r e a s i n g l yc o m p e t i t i v ew i r e l e s sp r o d u c t st o d a y , h o wt o r e d u c et h ec o s to fb a s es t a t i o n , h o wt oo c c u p yag r e a t e rm a r k e ts h a r ea sa c o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n tm a k e r sp r i m a r yo b j e c t i v e t h i sa r t i c l eo nh o wt oa c h i e v e p h y s i c a ll a y e ri n t e r f a c eu uo ft h eh i g h - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o no ft h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o n i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so ft h es t u d yw c d m a p r o t o c o la n do nt h eb a s i so f t e c h n o l o g yo fb a s es t a t i o n s ，f o c u so nt h ep h y s i c a ll a y e rd a t at r a n s m i s s i o nf o rt h e p h y s i c a ll a y e rd a t at r a n s m i s s i o n ，h a sb e e ni m p r o v e dt oi m p r o v et h ep h y s i c a ll a y e r d a t at r a n s m i s s i o nr a t eo ft h eb a s es t a t i o n t h i sp a p e rs e l e c t st h eb a s e b a n dc h i pt m s 3 2 0 t c l 6 4 8 8t a i l o r e df o rw c d m ab a s e s t a t i o n ，a sab a s e b a n dp r o c e s s o rc h i po n - b o r a db a s e b a n dc h i p ；o nt h eb a s i so ft h e s t u d yo ft h es y s t e ma r c h i t e ：c t l l r eo ft m s 3 2 0 t c l 6 4 8 8a n dp e r i p h e r a li n t e r f a c es r i o ， t h eu s eo ft h et id s pt c l 6 4 8 8s r i op e r i p h e r a lf o rd a t ab e t w e e nt h ev a r i o u s h 中山大学硕士学位论文 s u b s y s t e m so ft h eh i g h s p e e dt r a n s m i s s i o n i no r d e rt os p e e du pd a t at r a n s f e rr a t e b e t w e e nt h es u b s y s t e m so nt h eb a s eb o a r d ，a sw e l la sb e t w e e nd s pa n df p g aa n d i m p r o v et h et a s ko fp a r a l l e ld s pp r o c e s s i n gp o w e ra n dp e r f o r m a n c e ，d s p d r i v e n p r o g r a md e s i g n e dt op r o v i d ef u l lu s eo ft h et c l 6 4 8 8p e r i p h e r a ls r i o ，e d m a 3a n d t h ec i c ，t ob u i l dt h e ”b i gb l o c kd a t at r a n s f e rw i t h o u tc p ui n t e r v e n t i o n , t h et a s k t r a n s f e rp r o c e s sc a nb es w i t c h e d ”c h a i ns r i oe f f i c i e n t k e yw o r d s ：w c d m a ，n o d eb ，t c l 6 4 8 8 ，s r i o i i i 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：钥亚螽、 日期：w ( f 年口1 ) 月p 1 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：钥参巧、 导师签名： 日期：1 年移6 月o 2 , 日 日期：卅年月弓日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下 完成的成果，该成果属于中由大学物理科学与工程技术学院，受国家 知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请 专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得 以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 钥塬 日期：础年d 毛月。日 中山大学硕士学位论文 1 1 本文背景 1 1 2 移动通信发展简介 第一章绪论 移动通信目前发展到第三代，即3 g ，经历三个发展阶段，分别成熟于2 0 世 纪8 0 年代、9 0 年代和2 0 0 0 年。第一代是模拟蜂窝移动通信网。1 9 7 8 年，美国 贝尔实验室研制成功移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝状移动通信系统。其它 工业化国家也相继开发出蜂窝式移动通信网。这一阶段相对于以前的移动通信系 统，最重要的突破是贝尔实验室提出的蜂窝网的概念。第一代移动通信系统的典 型代表是美国的a m p s 系统和欧洲的t a c s 系统。a m p s 是英文“先进的移动电话 系统”的字头，使用模拟蜂窝传输的8 0 0 m h z 频带，在北美、南美和部分环太平 洋国家广泛使用；t a c s 是总接入通信系统的英文字头，使用9 0 0 m h z 频带，分e t a c s ( 欧洲) 和n t a c s ( 日本) 两种版本，英国、日本和部分亚洲国家广泛使用此标 准。第一代移动通信系统的主要特点是采用频分复用，语音信号为模拟调制，每 隔3 0 k h z 2 5 l ( h z 一个模拟用户信道。它的主要缺点是：频谱利用率低、业务种类 有限、无数据业务、保密性差、设备成本高及体积大、重量大。 为了解决模拟系统中存在的这些根本性技术缺陷，数字移动通信技术应运而 生，并且发展起来，这就是以g s m 和i s - 9 5 为代表的第二代移动通信系统。相对 于模拟移动通信，数字移动通信网络提高了频谱利用率，支持多种业务服务，并 与i s d n ( 综合业务数字网) 等兼容。第二代移动通信系统以传输话音和低速数 据( 9 6 k b i t s ) 业务为目的，因此又称为窄带数字通信系统。 第二代数字蜂窝移动通信系统的典型代表是美国的i s 一9 5 系统和欧洲的g s m 系统。i s 一9 5 是北美的一种数字蜂窝标准，使用8 0 0 m h z 或1 9 0 0 m h z 频带，指定 使用c d m a ( g t 分多址) 多址方式，已成为美国p c s ( 个人通信系统) 网的首选技 术。g s m 发源于欧洲，它是作为全球数字蜂窝通信的t d m a ( 时分多址) 标准而设 计的，支持6 4 k b p s 的数据速率，可与i s d n 互连。g s m 使用9 0 0 m h z 或1 8 0 0 m h z 中山大学硕士学位论文 频带，采用全双工方式( f d d ) 和t d m a 多址方式，每载频支持8 个信道，信号带 宽2 0 0 k h z 。g s m 标准体制较为完善，技术相对成熟，不足之处是相对于模拟系统 容量增加不多，仅仅为模拟系统的两倍左右，无法和模拟系统兼容。 由于第二代移动通信以传输话音和低速数据业务为目的，并且不能支持全球 漫游通信。从1 9 9 6 年开始，为了解决中速数据传输问题，又出现了2 5 代的移 动通信系统，如目前中国移动公司使用g p r s 和联通公司使用的c d m a l x 。移动通 信现在主要提供的服务仍然是语音服务以及低速率数据服务。由于网络的发展， 数据和多媒体通信的发展势头很快，所以，第三代移动通信的目标就是实现移动 宽带多媒体通信。从发展前景看，由于自有的技术优势，c d m a 技术已经成为第 三代移动通信的核心技术。 第三代移动通信系统最早由国际电信联盟( i t u ) 于1 9 8 5 年提出，1 9 9 6 年更 名为i m t - 2 0 0 ，意即该系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，最高业务速率可达2 0 0 0 k b p s 。 目前有三大主要体制w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - - s c d m a 。 1 1 2 发展3 g 的必然性 由于第二代( 2 g ) 系统频谱资源的有限性、频谱利用率的较低性、支持移动 多媒体业务的局限性( 只能提供话音与低速数据业务) ，以及2 g 系统之间的不兼 容性，因而导致了系统的容量较小、难以满足高速宽带业务的需求和不能实现用 户全球漫游等不足，因此，发展3 g 移动通信将是第二代移动通信前进的必然结 果。发展3 g 的原动力有市场驱动和技术驱动两方面原因。 市场驱动方面：一是满足未来移动用户容量的需求；二是提供移动数据和多 媒体通信业务。技术驱动：更高频谱效率的要求；各大网络兼容性要求；全球统 一频段、统一标准，全球无缝覆盖，全球漫游要求。 第三代移动通信可使人们享受到更多的通信乐趣，除了获得更清晰的话音业 务外，还可以随时随地通过个人移动终端进行多媒体通信，比如上网浏览、多媒 体数据库访问、实时股市行情查询、可视电话、移动电子商务、交互游戏，无线 个人随身听和视频传送等，更有特色的是与位置相关的业务，人们随时随地可以 了解周围环境的情况，如街区地图、宾馆商场的位置、天气预报等。3 g 移动电 话将成为人们生活和工作的好帮手。 2 中山大学硕二仁学位论文 1 2w c d m a 技术概述 w c d m a 主要起源于欧洲和日本的早期第三代无线研究活动欧洲于1 9 8 8 年开展 r a c e i ( 欧洲先进通信技术的研究) 程序，并一直延续到1 9 9 2 年6 月，它代表了第 三代无线研究活动的开始。日本运营商n t t 在1 9 9 6 年推出了一套w c d m a 的实验 系统方案：并得到了当时世界上主要的移动设备制造商的支持。下面给出w c d m a 通信系统的主要技术参数。 表卜1w c d m a 主要技术参数瞳儿3 1 参数 w c d m a 信道带宽 5 m h z 复用方式f d d t d d 码片速率3 8 4 m c p s 帧长 1 0 m s 扩频调制q p s k 复数扩频调制 扩频参数 4 2 5 6 信道编码卷积编码、t u r b o 编码 功率控制开环+ 上下行闭环功率控制，功率 控制次数1 5 0 0 次秒 越区切换软切换硬切换系统间切换 基站间同步异步方式同步( 可选) 多址方式 d s - c d m a 核心网核心网基于g s m - m a p ，并保持与 g s m g p r s 网络的兼容性 w c d m a 由于技术的先进性，与以前的g s m 等移动通信方式相比具有以下的技 术特点： ( 1 ) 更大的系统容量 w c d m a 由于自身的带宽较宽，抗衰落性能好，上下行链路实现相干解调大幅 度提高链路容量，w c d m a 系统采用快速功率技术使发射机的发射功率总是处于最 小的水平，从而减少了多址干扰这些技术都提高了系统容量；系统容量大，单用 户设备成本降低，建设w c d m a 网络的投资要比2 g 低。 ( 2 ) 更多的业务种类 w c d m a 系统可以提供和开展的业务种类非常丰富，分为两大类：c s 域业务和 p s 域业务；其中c s 域业务，主要包括基本电信业务、语音特服、紧急呼叫、补 充业务、点对点短消息业务、电路型承载业务、电路型多媒体业务、智能网业务。 3 中山大学硕士学位论文 p s 域业务主要包括p s 域的短消息业务、移动q i c q 移动游戏、移动冲浪视频点 播、手机收发e - m a i l 、智能网业务等。 ( 3 ) 更高的数据速率 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。现有的移动通信 系统主要以提供语音业务为主一般能提供1 0 0 2 0 0 k b i t s 的数据业务，g s m 演进 到最高阶段能提供3 8 4 k b i t s 的数据业务，而第三代移动通信的业务能力将比第 二代有明显的改进，支持话音、数据和多媒体业务并且可根据需要提供宽带。第 三代移动通信无线传输技术满足以下三种要求，即： 快速移动环境：最高速率达1 4 4 k b i t s 室外到室内或步行环境：最高速率达3 8 4 k b i t s 室内环境：最高速率达2 m b i t s ( 4 ) 更好的无线传输 无线信道是一种较恶劣的通信介质。由于它的特性难以预测，因此一般根据 实际测量的数据，以统计的方法来表征无线信道的模型。通常认为其具有莱斯或 瑞利特性，其中瑞利衰落信道是最恶劣的移动无线信道。 要在衰落信道中实现良好的性能，采用分集技术非常关键。在w c d m a 中，仿 真结果表明，衰落信道情况下，发射分集可以改善性能1 2 d b ，因此通过采用发 射分集技术，可以更有效地保证无线传输的质量。 在无线传输中，频率选择性衰落和多径衰落是一种普遍现象。w c d m a 是宽带 信号，信号带宽是5 m t t z 。宽带信号可以更好地抗频率选择性衰落，保证传输性 能。另外，如果发射信号带宽比信道的相干带宽更宽，那么接收机就能分离多径 分量。由于w c d m a 的带宽更宽，因此它具有更好的多径接收处理能力。 ( 5 ) 更高的语音质量 采用a m r 语音编码技术，语音传输速率最高达到1 2 2 k b i t s ( r 9 9 ) 。w c d m a 的带宽达到5 m t t z ，使得其具有更大的扩频因子，从而带来更大的处理增益同时宽 带使其具有更强的多径分辨能力，改善r a k e 接收机性能。 另外，w c d m a 采用发射分集技术，有效改善下行链路的接收性能。并通过交 织和卷积编码技术来有效保证传输误码率。通过采用这些技术使得w c d m a 网络语 音质量接近于固定网的语音质量。 4 中山大学硕士学位论文 ( 6 ) 更低的传送功率 采用c d m a 技术，通过扩频将窄带信号转换为宽带信号后再进行发射。由于 w c d m a 的带宽达到5 m h z ，使得其扩频因子可以更高，带来更大的接收机处理增益， 使得w c d m a 系统具有更高的接收灵敏度，终端需要的发射功率可以很低。 另外，通过采用快速功率控制技术，可以降低发射功率，软切换提高提高业 务信道接收增益，也可以降低终端发射功率的要求。一般地w c d m a 终端的发射功 率在室内为2 0 m w ，室外3 0 0 m w ，电磁辐射少，对人身体影响很小，是一种绿色手 机。同时由于发射功率低，使得其待机时间很长。 1 3w c d m a 技术优势 相对于c d m a ，w c d m a 明显的优势是可以在现有的g s m 网络基础上，经由g p r s 实现到w c m d a 的演进，这将为移动通信运营商节约大量的投资。而相对t d - s c d m a ， w c d m a 在功率控制、小区组网等技术方面有着明显的优势，同时w c d m a 在系统的 商用化、移动终端的开发等方面的工作开始的较早，技术方面的开发迅速而且卓 有成效。 1 4 本人所做的工作 第三代移动通信系统的研发是当今世界通信领域最炽热的课题之一，本人有 幸能够加入国内著名电信设备开发商的w c d m a 系统开发队伍当中，成为大型商用 无线基站d s p 底层驱动软件开发中的一员。本人的课题为：w c d m a 系统基站中基 带板d s p 底层驱动的设计与实现。在当今的无线基站系统中，各个芯片之间的大 数据量传输成为物理层数据处理时延的瓶颈，通过高端d s p 的外设s r i o 接口可 以进行芯片之间高速度的数据传输，对为依赖高速率的通信提供增值服务的性能 和服务质量是非常关键的。本人具体负责t c l 6 4 8 8 中s r i o 模块驱动软件代码的 编写、修改、维护、测试工作。 1 5 本文章节安排 本文主要关注w c d m a f d dn o d eb 基站基带处理板中d s p 的外设s r i o 底层驱 5 中山大学硕士学位论文 动的实现问题。章节安排如下： 第一章简要介绍w c d m a 通讯技术，阐述本论文的研究背景和内容。 第二章首先介绍地面无线接入网的系统结构和物理层的基本概念，然后对 物理层中基带收发过程以及实现的方式进行了介绍。最后给出了n o d eb 的整体 框架。 第三章首先对基带d s p 芯片t c l 6 4 8 8 的内核和外设进行了简要介绍，然后 对在本论文中用到的外设e d m a 和s r i o 进行详细讲解，最后对开发环境c c s 和 t i 提供的实时操作系统b i o s 进行简要介绍。 第四章主要介绍了为了加速基站基带板子系统问以及d s p 与f p g a 间的数 据传输速率，提高d s p 的任务平行处理能力和执行效率，d s p 驱动方案设计时充 分利用t c l 6 4 8 8 提供的外设，构建“大块数据传输不需c p u 干预，传输过程可进 行任务切换”的高效s r i o 链的原理及实现方式。 第五章首先给出了n o d eb 基带处理单板的硬件框架结构，简要介绍各个 子系统的功能；然后对基带处理系统中d s p 的外设s r i o 的驱动进行详细的介绍， 主要从各个子系统数据的接收和发送的代码如何实现进行详细的介绍。 第六章主要介绍了本论文要达到的目的和验证的方法。 第七章对论文所做的工作进行了总结，给出了下一步工作的发展方向。 6 中山大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章u u 接口物理层 w c d m a 采用直扩序列码分多址的接入方式，使信息扩频至5 m h z 带宽，所以称 其为宽带c d m a 。w c d m a 有两种复用方式：频分复用( f d d ) 和时分复用( t d d ) 。本文 只讨论f d d 模式。、f d d 模式下上行、下行链路使用以下两对不同的频段。 a 欧洲地区采用的频段：上行1 9 2 0 ，- - 1 9 8 0 m h z ，下行2 1 l o 2 1 7 0 m h z 。 b 美国采用的频段：上行1 8 5 0 一- - 1 9 1 0 m h z ，下行1 9 3 0 1 9 9 0 m h z 。 在w c d m a 系统中，将扩频前的数据称为符号( s y s m b 0 1 ) ，扩频后的每位数据 称为码片( c h i p ) 。本文论述的系统的底层硬件主要的功能是实现c r a d s p 、s r d s p 和f p g a 之间数据的高速传输。 2 2w c d m a 系统 u m t s ( 通用移动通信系统) 是采用w c d m a 空中接口技术的第三代移动通信系 统，通常也把u m t s 系统称为w c d m a 通信系统。u m t s 系统采用了与第二代移动通 信系统类似的结构，包括无线接入网络( r a d i oa c c e s sn e t w o r k ，r a n ) 和核心网 络( c o r en e t w o r k ，c n ) 。其中无线接入网络用于处理所有与无线有关的功能，而 c n 处理u m t s 系统内所有的话音呼叫和数据连接，并实现与外部网络的交换和路 由功能。c n 从逻辑上分为电路交换域( c s ) 和分组交换域( p s ) 。u t r a n 、c n 与用户 设备( u s e re q u i p m e n t ，u e ) 一起构成了整个u m t s 系统。其系统结构如图2 一l 所 示。 7 枣波轰攀麓老鬻链谂巍 图2 - 1u m t s 系统结构 2 2 。1n o d eb 在地面无线接入网中的位置 u t r a n 的结构n 鳓如图2 2 所示。无线接入部分( u t 融n ) 由多个无线网络子系统 r n s ( r a d i on e t w o r ks u b s y s t e m 无线髓络子系统) 组成，每个r n s 包括一个无线 网络控制器( r n c ) 和一个或多个n o d eb 。在r n s 内部，r n c 之闻通过i u b 接口相 连。r n c 与r n c 之间通过i u r 接口相连。n o d eb 和r n c 通过u u 空中接口与u e 通 信；r n c 通过i u - p s 接团与s g c n ( c n 的分组域) 相连，r n c 通过i u - c s 接口与瞒c ( 烈 的电路域) 楣连。 图 客 中山大学硕士学位论文 从图2 - 2 的u m t s 系统网络构成示意图中可以看出，u m t s 系统的网络单元包 括如下部分： 1 、核心网络( c n ) ：对位于它管辖区域中的移动台进行控制、交换的功能实 体。c n 是一个统一称谓，一般还包括多个功能实体，如m s c ( 电路交换) 、s g s n ( 分组交换) 、h l r 等。 2 、无线网络控制器( r n c ) ：具有对一个或多个n o d eb 进行无线资源的控制 和管理的功能实体。 3 、基站( n o d eb ) ：w c d m a 系统的基站，包括无线收发信机和基带处理部件， 主要完成u u 接口物理层协议的处理，它的主要功能是扩频、调制、信道编码及 解扩、解调、信道编码，还包括基带信号和射频信号的相互转换等功能，也参与 无线资源管理。 4 、u e ( u s e re q u i p m e n t ) ：u e 是用户终端设备，它主要包括射频处理单元、 基带处理单元、协议栈模块以及应用层软件模块等；u e 通过u u 接口与网络设备 进行数据交互，为用户提供电路域和分组域内的各种业务功能，包括普通话音、 数据通信、移动多媒体、i n t e r n e t 应用( 如e - m a i l 、w w w 浏览、f t p 等) 。 5 、系统接口： u u 接口：u u 接口是w c d m a 的无线接口。u e 通过u u 接口接入到u m t s 系统的 固定网络部分，可以说u u 接口是u m t s 系统中最重要的开放接口。i u 接口：i u 接口是连接u t r a n 和c n 的接口。i u 接口是一个开放的标准接口。这也使通过i u 接口相连接的u t r a n 与c n 可以分别由不同的设备制造商提供。 i u r 接口：i u r 接口是连接r n c 之间的接口，i u r 接口是u m t s 系统特有的接 口，用于对u t r a n 中移动台的移动管理。比如在不同的r n c 之间进行软切换时， 移动台所有数据都是通过i u r 接口从正在工作的r n c 传到候选r n c 。f u r 是开放 的标准接口。 l u b 接口：i u b 接口是连接n o d eb 与r n c 的接口，i u b 接口也是一个开放的 标准接口。这也使通过i u b 接口相连接的r n c 与n o d eb 可以分别由不同的设备 制造商提供。 而n o d eb 在w c d m a 系统中来看，主要是通过两个接口完成相关功能，如图 2 3 所示。一方面通过u u 接口完成与u e 的无线链路传输功能，主要包括：射频 9 中山大学硕士学位论文 处理、信道编译码及复用解复用、扩频调制及解扩解调、测量及其上报、更软切 换及功率控制、分集、压缩模式以及同步功能等；另一方面就是通过i u b 接口与 r n c 相联，上报n o d eb 测量信息，转发由r n c 提供的系统信息广播，执行由r n c 下发的接入控制、移动性管理、无线资源管理和控制命令，n o d eb 与r n c 、u e 设备的接口如图2 3 所示n 0 1 。 l u b u u u er n c 一 n o d eb 2 2 2u u 接口概述 图2 3n o d eb 与r n c 、u e 设备的接口 1 、w c d m a 无线接口协议简介 图2 - 5 显示了u t a r n 无线接口与物理层有关的协议结构h 1 。从协议结构上看， w d c m a 无线接口有层一、层二、层三组成，分别称作物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 、 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 、无线资源控制层( r a d i or e s o u r c ec o n t r 0 1 ) 。 从协议层次的角度看，w c d m a 无线接口上存在三种信道，物理信道、传输信道、 逻辑信道。 层三 控 制 层二测 量 层一 逻辑信道 传输信道 图2 4 无线接口协议中与物理层相关的上层接口 物理层与l 2 的m a c 子层和l 3 的r r c 子层相连。图中不同层子层间的圆圈 1 0 中山大学硕士学位论文 为业务接入点( s a p ) 忉。物理层提供了高层所需的数据传输业务。对这些业务的 存取是通过使用经由m a c 子层的传输信道来进行的。 物理层通过传输信道向m a c 层提供业务，而传输数据本身的属性决定了什么 种类的传输信道和如何传输；m a c 层通过逻辑信道向r r c 层提供业务，而发送数 据本身的属性决定了逻辑信道的种类。在媒体接入控制( m a c ) 层中，逻辑信道被 映射为传输信道。m a c 层负责根据逻辑信道的瞬间源速率为每个传输信道选择适 当的传输格式( t f ) 。传输格式的选择和每个连接的传输格式组合集( 由接纳控制 定义) 紧密相关。 r r c 层也通过业务接入点( s a p ) 向高层( 非接入层) 提供业务。业务接入点在 u e 侧和u t a r n 侧分别由高层协议和i u 接口的r a n a p 协议使用。所有的高层信令 ( 包括移动性管理、呼叫控制、会话管理) 都首先被压缩成r r c 消息，然后在无线 接口发送。 r r c 层通过其与低层协议间的控制接口来配置低层的协议实体，包含物理信 道、传输信道和逻辑信道等参数。r r c 层还将使用控制接口进行实时命令控制， 例如r r c 层命令低层进行特定类型的测量，低层使用相同接口报告测量接口和错 误信息。 在w c d m a - f d d 模式下，物理信道的特性是由编码、频率和上行相对相位定义 的。通过业务接入点，r r c 实现对物理层的控制，同时物理层向r r c 提供测量上 报。物理层提供的功能如下： 向高层上报的测量和指示( 如误码率、信干比、发射功率等) 。 宏分集的分集合并、软切换的实现。 传输信道的复用和编码组合传输( c c t r c h ) 信道的解复用。 速率匹配。 编码组合传输信道向物理信道的映射。 物理信道的调制和扩频解调和解扩、频率和时间( 码片，b i t ，时隙，帧) 的同步。 闭环功率控制。 物理信道功率的加权和组合。 射频处理。 中山大学硕士学位论文 传输信道前向纠错编解码。 逻辑信道：直接承载用户业务；根据承载得是控制平面业务还是用户平面业 务分为两大类，即控制信道和业务信道。 传输信道：m a c 子层和物理层的接口，是物理层对m a c 层提供的服务；根据 传输的是针对一个用户的专用信息还是针对所有用户的公共信息而分为专用信 道和公共信道两大类。 物理信道：各种信息在无线接口传输时的最终体现形式；每一种使用特定的 载波频率、码( 扩频码和扰码) 以及载波相对相位( i 或q ) 的信道都可以理解为一 类特定的信道。 在发射端，来自m a c 和高层的数据流在无线接口进行发射，要经过复用和信 道编码、传输信道到物理信道的映射以及物理信道的扩频和调制，形成无线接口 的数据流在无线接口进行传输。在接收端，则是一个逆向过程。 2 、物理层帧结构 物理信道在空中将以一定的格式进行传输，有以下结构： 时隙：时隙是由包含一定比特的字段组成的一个单元。时隙的长度是 2 5 6 0 c h i p s 。由物理信道决定每个时隙的信息比特数和结构。 无线帧：无线帧是一个包括1 5 个时隙的处理单元。一个无线帧的长度是 3 8 4 0 0 c h i p s 。周期为l o m s ，是物理信道的基本单元。 下图以上行d p d c h d p c c h 的帧结构为例来说明物理信道的帧结构。 图2 - 5 上行d p d c h d p c c h 的帧结构 1 2 中山大学硕士学位论文 2 2 3 基带收发过程 来随1 自上层得数据比特是以传输时间间隔( t t i ) 为周期到达得、按传输信道 分类的数据传输块或传输块集。w c d m a 物理层的编码与复用处理包括检错、编码、 速率匹配、交织和传输到物理信道的映射和反向提取等步骤。编码与复用单元处 理后，成为以l o m s 无线帧为周期、按物理信道分类得成帧信息比特序列。 然后，这些比特序列成帧填入对应物理信道时隙格式中的数据域，再进行扰 码( 与复扰码序列相乘) 、扩频处理( 与信道化编码序列相乘) ，经过相应的o p s k 或q a m 调制到达模拟前端，由相应的发送分集方式经天线以适当的功率发送出 去。接收的处理是发送过程得逆处理，在协议中不限实现方法。下图是基带收发 的基本过程。 图2 - 6 基带信号收发图 1 、信道编码与复用 w c d m a 系统信道的复用过程与物理信道的编码过程密不可分。来自高层的业 务数据经过封装，以传输信道数据的形式进入物理层。物理层对来自高层的数据 进行编码在发射出去；反之，在接收端，数据在物理层被译码之后再送往上层。 物理层的信道编码包括检错编码、纠错编码、速率匹配和交织。w c d m a 系统的信 道复用过程是为并发业务分配无线资源、保证其业务质量、并将传输格式通知接 1 3 中山大学硕士学位论文 收机过程；具体到物理层，就是把承载了用户信息得传输信道与其控制信息进行 组合，在映射到物理层信道，进行发送得过程。 从传输信道复用模块出来的单一数据流( 包括下行链路的不连续传输指示 位) 就是c c t r c h 。一个c c t r c h 可以映射到一个或者多个物理信道上。信道编码 复用的一般步骤如下： ( 1 ) 在每个传输块后面添加c r c 校验比特：在每个传输块后添加数位c r c 比 特，可以起到检测错误的作用。c r c 比特可为2 4 、1 6 、1 2 、8 或0 位，由高层信 令控制每个传输信道上使用的c r c 块的大小。 ( 2 ) 传输块级联和码块分割：一个t t i 内的所有传输块按照先入先出的顺序 串联在一起组合成信道编码的码块，如果串联后一个t t i 的总比特数大于信道编 码规定的码块最大尺寸，传输块级联之后将进行码块分割，分割之后码块大小相 同。 ( 3 ) 信道编码：信道编码技术是移动通信中提高系统传输数据可靠性的有效 方法，在2 g 移动通信系统中应用卷积编码和交织，对保证语音和低速数据业务 的q o s 取得了很好的效果。3 g 系统与2 g 相比，需要提供的业务种类大大增加， 这就对信道编码提出了更高的要求。设计信道编码方案，不仅要从用户业务的要 求考虑，如信息的准确性、允许的时延等，也应从提高系统增益的全局优化的角 度，与分集接收、改进调制解调方法、系统的经济性等其他因素综合考虑。 ( 4 ) 无线帧均衡：上行链路，经过信道编码、数据块串联的数据流，往其中 填充冗余比特：使得数据可以等长地分割成段，为速率匹配做准备。 ( 5 ) 交织( 两次) ：交织技术是为了抵抗无线信道的噪声以及衰落的影响而采 取的时间分集技术，它在接收技术中具有重要的作用。在编码过程中采用交织算 法是为了对信息流进行纠错控制。在移动通信中，选择合适的纠错控制算法既要 考虑可能发生的错误数，又要考虑错误在数据中的分布。 ( 6 ) 无线帧分割：w c d m a 物理信道的帧长为l o m s ，若传输信道的t t i 长度大 于l o m s ，则在帧间交织之后，进行物理信道的分割，将数据影射到连续的f 。个 物理帧上。 ( 7 ) 速率匹配：为了适应多种速率的传输，信道编码方案中还增加了速率适 配功能，目的是把业务速率适配为标准速率集中的一种速率。 1 4 中山大学硕j ：学位论文 ( 9 ) 传输信道的复用：经过无线帧分割之后，传输信道中的数据都是以l o m s 的帧形式存在。然后，在每个l o m s 的时间间隔里，从每条传输信道上取一帧数 据，连续地复用到一条c c t r c h 中。 ( 1 0 ) 插入d t x 比特：d t x 是一种用于优化无线通信系统资源分配效率的方法， 使用比特填充无线帧，在没有信息输入的时候指示发射应该关闭；可以使同一小 区内的无线资源得到最大限度的利用。 ( 1 1 ) 物理信道的分割：当使用多个物理信道时，需要将输入比特流分段，放 到不同的物理信道中。 ( 1 2 ) 映射到物理信道。 2 、扩频与加扰 w c d m a 是一种典型的扩频系统，扩频已经应用在多种无线通信系统中，这是 因为扩频信号具有如下特点： ( 1 ) 可以对抗或者抑制干扰的影响，如人为干扰、信道中其他用户的干扰 以及多径传播导致的干扰等。 ( 2 ) 以低功率发送来实现信号的隐蔽性，提高无线传输的安全性，使得窃 听者难以在背景噪声中检测出信号。 ( 3 ) 利用正交的扩频码来实现同一信道中传输多个用户的信息。 扩频是指发送信号所在点频谱远大于信息本身所需的最小带宽，是将窄带的 信息信号调制到很宽的频带上。其理论依据是香农定理，根据香农信道容量公式 c = w l o g 。( i + s n ) ，在速率c 不变的条件下，频率宽度w 与信噪s n 的关系是相反 的，即在频带宽度w 增加的情况下，可在较低的信噪比下，以不变的传输速率传 递信息。甚至频宽足够大时，在信号几乎被噪声淹没的情况下，也能可靠地通信。 这是扩频与常规通信( 如调幅与调频) 的主要区别。通常采用的扩频方式有跳频 ( f r e q u e n c yh o p p i n g ，f h ) 、跳时( t i m eh o p p i n g ，t h ) 和直扩( d i r e c t s p r e a d i n g ，d s ) 三种。 w c d m a 系统是一个f d d 直接序列扩频系统，码片速率3 8 4 m c p s 。直接扩频序 列，就是直接用具有高码元速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收 端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号，因此多 个扩频设备可共享同一频带，每个系统使用各自独特的扩展码，这就产生了码分 中山大学硕士学位论文 多址。物理信道成帧之后，需要对物理信道的数据流进行扩频、加扰两步操作。 扩频操作又叫做信道化操作，就是用一个高速数字序列与数字信号相乘，把一个 一个的数据符号转换为一系列码片，大大提高了数字符号的速率，增加了信号带 宽。在接收端，用相同的高速数字序列与接收符号相乘，进行相关运算，将扩频 符号解扩。用来转换数据的数字序列符号叫做信道化码，在w c d m a 中采用o v s f 码作为信道化码；每个符号被转化成的码片数目叫做扩频因子( s p r e a d i n g f a c t o r ，s f ) 。第二步操作叫做加扰操作，就是用一个伪随机序列与扩频之后的 序列相乘，对信号起到加密、扰乱作用。扰码的码片速率与己扩频符号相同，因 此不影响符号速率。 在无线接口上，待传输信源经过信源编码和信道编码之后，数据流将继续进 行扩频、加扰和调制。 数 据 符 速 信道 图2 7 扩频与扰码的关系 扩频使用的码字成为信道化码，具体采用o v s f 码( 正交可变扩频因子码) 。 加扰使用的码字称为扰码，采用g o l d 序列。 ( 1 ) 扩频与信道化码 信道化码用于区分来自同一信源的传输，即一个扇区的下行链路连接，以及 上行中同一个终端的不同物理信道。u t r a n 的扩频信道化码基于正交可变扩频 因子( o v s f ) 技术。 使用o v s f 可以改变扩频因子并保持不同长度的不同扩频码之间的正交性。 码字从图2 - 8 所示的码树中选取。如果一个连接使用可变扩频因子，可根据最小 扩频因子正确利用码树进行解扩，只需从以最小扩频因子码指示的码树分支中选 取信道化码。 1 6 中山大学硕士学位论文 图2 8 信道化码树结构 ( 2 ) 扰码 加扰的作用是为了把终端或基站各自相互区分开，扰码是在扩频之后使用 的，因此不改变信号的带宽，而只是把来自不同的信源的信号区分开，经过加扰， 解决了多个发射机使用相同的码字扩频的问题。因为经过信道化码扩频之后，己 经达到了码片速率，所以扰码不影响符号速率。 表2 - 2 扰码和信道化码的功能和特点 信道化码扰码 用途上行链路：区分同一终端得物理数据( d p d c h )上行链路：区分终端 和控制信道( d p c c h )下行链路：区分小区 下行链路：区分同一小区中不同用户得下行链 路 长度4 - 2 5 6 个码片，下行链路还包括5 1 2 个码片上行链路：1 0 m s = 3 8 4 0 0 个码片或 6 6 7 u s = 2 5 6 个码片 下行链路：10 m s = 3 8 4 0 0 码片 码字数一个扰码的下的码字数目= 扩频因子上行链路：几百万个 目下行链路：5 1 2 码族正交可变扩频因子长l o m s 码：g o l d 码 扩频是，增加了传输带宽否，没有影响传输带宽 2 3 基站研究 基站即n o d eb ，为w c d