WCDMA 物理层.doc

WCDMA 物理层(第六章)Peter Chong, Ph.D. (UBC, Canada) Research EngineerNokia Research Center, Helsinki, Finland1 26.01.2002WCDMA P hys ical L ayer概述本章介绍了WCDMA or UTRA (Universal Terrestrial Radio Access) FDD (Frequency Division Duplex) 物理层的基本问题 扩频和加扰 传输信道 物理信道 信令 物理层的过程Mapping to2 26.01.2002WCDMA P hys ical L ayerWCDMA 物理层参数载波间隔5 MHz (nominal)码片速率3.84 Mcps帧长10 ms (38400 chips)每帧时隙数15每时隙码片数2560 chips (Max. 2560 bits)上行 SF4 to 256下行 SF4 to 512信道速率7.5 Kbps to 960 Kbps3 26.01.2002WCDMA P hys ical L ayer扩频和加扰4 26.01.2002WCDMA P hys ical L ayer扩频操作扩频指的是增加信号的带宽一般来说, 扩频包含两个步骤 信道化 (扩展信号的带宽) 使用正交码 加扰 (不改变信号带宽) 使用伪随机码信道化码 (SF)扰码Data比特速率码片速率码片速率5 26.01.2002WCDMA P hys ical L ayer信道化 (1/3)信道化码之间是正交的, 基于Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF) 技术。码字之间是完全正交的, 也就是., 只要时间同步，它们彼此之间就互不干扰因此, 信道化码能够区分来自同一信源的不同发射在下行, 它可以用来区分同一个小区/扇区内的不同用户的连接有限的正交码字资源必须在不同小区之间重复使用 问题: 如果两个小区使用相同的码就会出现干扰 解决: 利用扰码来减小基站间的干扰6 26.01.2002WCDMA P hys ical L ayer信道化 (2/3)在上行, 它只能区分同一用户不同的物理信道或业务，因为手机之间在时间上不是同步的存在两个手机使用相同信道化码的可能为了在上行区分不同的用户，扰码被使用。信道化码从下页的码树中选取一棵码树和一个扰码配合使用如果c4,4 被使用, 则其树枝上的码(c8,7 , c8,8 , )都不能使用.7 26.01.2002WCDMA P hys ical L ayer信道化 (3/3)码树(c)(c,c)(c,-c)c1,1=(1)c2,1=(1,1)c2,2=(1,-1)c4,1=(1,1,1,1)c4,2=(1,1,-1,-1)c4,3=(1,-1,1,-1)c4,4=(1,-1,-1,1)c8,1 c8,2 c8,3 c8,4 c8,5 c8,6 c8,7 c8,8. . .SF =1SF =2SF =4SF =8 . . .8 26.01.2002WCDMA P hys ical L ayer加扰加扰过程中码序列和伪随机扰码相乘。扰码可以是长码(10ms周期的Gold 码) 或者短码(S(2)码).在下行扰码用来减少基站之间的干扰，典型情况下，每一个基站只是用一个扰码，Ues用它来区分基站，由于一个扰码对应一棵码树，该码树为小区内所有用户使用，所以需要合适的码资源管理手段。在上行扰码用来区分手机终端。9 26.01.2002WCDMA P hys ical L ayer总结信道化码扰码应用上行: 区分同一UE的物理数据信道和控制信道下行: 区分同一小区里的不同的用户长度上行:4 256 码片（SF的范围）上行: 区分终端下行: 区分小区/扇区下行码的数量是有限的UL: 10ms=38400 码片下行:4 512 码片（SF的范围）DL: 10838499 chips400码数量一个扰码下的码数量 = SF上行: 几百万下行: 512码种类OVSF码（Orthogonal Variable Spreading Factor）10ms长码: Gold 码短码: 扩展的 S(2) 码族扩频增加发射带宽不影响发射代宽1026.01.2002WCDMA P hys ical L ayer传输信道1126.01.2002WCDMA P hys ical L ayer信道概念在UTRA中有三种相对独立的信道概念: 逻辑信道,传输信道和物理信道。逻辑信道定义的是传送的是何种类型的数据传输信道定义数据以何种特性，何种方式来通过物理信道传输。 物理信道定义无线信道的确切的物理特性。RLC layer逻辑信道传输信道物理信道L2MAC layerPHY layerL11226.01.2002WCDMA P hys ical L ayer传输信道 - 物理信道(1/3)传输信道包含高层产生的数据，这些数据在空中传播并在物理层映射到不同的物理信道上。MAC层每10ms产生一次数据，数据以TB（传输块）的形式由MAC层向物理层发送。每个传输信道的传输格式通过TFI（Transport Format Indicator）来识别，TFI被用于在物理层和传输层之间的层间通信。几个传输信道可以被物理层复用组成一个码分组合传输信道(CCTrCh).1326.01.2002WCDMA P hys ical L ayer传输信道 - 物理信道 (2/3)物理层将几个TFI信息合并在一起组成TFCI（Transport Format Combination Indicator）, 用来指示当前帧中哪些传输信道是激活的。传输信道分为两种：专用传输信道和公共传输信道 。专用传输信道 仅为单个用户保留. 支持快速功率控制和软切换.公共传输信道 可以在任何时间为任何用户使用 不支持软切换但有一些支持快速功率控制。另外，除了从传输信道映射来的物理信道以外，还存在专用于信令目的的物理信道，用来承载网络和终端之间单一的信息（和物理层过程有关的信息）。1426.01.2002WCDMA P hys ical L ayer传输信道 - 物理信道 (3/3)传输信道(UL/DL) 专用信道 DCH(UL) 随机接入信道 RACH(UL) 公共分组信道 CPCH(DL) 广播信道 BCH(DL) 前向接入信道 FACH(DL) 寻呼信道 PCH(DL) 下行共享信道 DSCH物理信令信道物理信道专用物理数据信道 DPDCH专用物理控制信道 DPCCH物理随机接入信道 PRACH物理公共分组信道 PCPCH主公共控制物理信道 P-CCPCH辅公共控制物理信道 S-CCPCH物理下行共享信道 PDSCH同步信道 SCH公共导频信道 CPICH捕获指示信道 AICH寻呼指示信道 PICHCPCH 状态指示信道 CSICH碰撞检测信道分配指示信道 CD/CA-ICH1526.01.2002WCDMA P hys ical L ayer上行链路专用信道 DCH (1/3)由于不连续的上行发射音频设备带来可听的干扰，两路专用物理信道I-Q/码分复用 (称为双路QPSK调制)而不是时分复用（在下行DPDCH和DPCCH是时分复用的）Data (DPDCH)DTX PeriodData (DPDCH)Data(DPDCH)Control(DPDCH)Layer 1的控制信息 (DPCCH)信道化码, cD*j复扰码I+jQ信道化码, cCBPSK for each channel1626.01.2002WCDMA P hys ical L ayer上行链路专用信道 DCH (2/3)专用物理控制信道(DPCCH) 采用固定的SF256，携带物理层的控制信息。DPCCH由四个域组成: Pilot, TFCI, FBI, TPC. Pilot 信道估计+ 功控的SIR估计TFCI 每个DPDCH帧的比特速率,信道译码以及交织参数FBI (Feedback Information) 下行发射分集TPC (Transmission Power Control) 功率控制指令2560 chipsDPDCH数据DPCCHPILOTTFCIFBITPCUplink DPCH1021410 ms1726.01.2002WCDMA P hys ical L ayer上行链路专用信道 DCH (3/3)专用物理数据信道(DPDCH)的SF取值范围为4 to 256，其数据速率可以每帧改变。可以使用并行信道码为用户提供2Mbps的数据速率3.84 Mcps/256=15 kbpsDPDCH SF256128643216844, 采用6个并行码DPDCH 比特速率 (kbps)1530601202404809605740采用1/2信道编码是的最大用户速率 (约数.)7.5 kbps15 kbps30 kbps60 kbps120 kbps240 kbps480 kbps2.3 Mbps1826.01.2002WCDMA P hys ical L ayer上行链路复用和信道编码流程TrCH 1TrCH 2CRC 添加TrBlk 级联/ 码块分割DPDCH#1 DPDCH#2 DPDCH#N物理信道映射信道编码无线帧均衡. . .2nd (帧内)交织1st 交织无线帧分割速率匹配Other TrCHs物理信道分割CCTrChTrCH 复用1926.01.2002WCDMA P hys ical L ayer下行链路专用信道 DCH (1/3)在下行，由于公共信道在不断的发射，不会因DTX而产生可听见的干扰。下行DCH 在下行专用物理信道上发送(Downlink DPCH); , DPCCH 和 DPDCH时分复用采用一般的QPSK调制DPCCH2560 chipsDPDCHDPCCHDPDCHDPCCHNo FBISlotTPCDATATFCIDATAPILOT下行012 DPCH1410 ms2026.01.2002WCDMA P hys ical L ayer下行链路专用信道 DCH (2/3)在下行一个扰码下的一棵码树为多个用户使用。一般情况下基站的每个扇区使用一个扰码和一棵码树。DCH SF 不能逐帧改变; 因此数据数量通过速率匹配，打孔或者重复来实现，或者使用某些时隙不发射的DTX技术来实现。多码传输的过程中所有码的SF都相同。下行 DPCH 时隙A full rateTFCITrCh ATPCTrCh BPILOTA half rateTFCITrCh ADTXTPCTrCh BPILOT2126.01.2002WCDMA P hys ical L ayer下行链路专用信道 DCH (3/3)上行 DPDCH 由BPSK 符号组成，下行DPDCH 由QPSK 符号组成. 下行DPDCH比特速率为上行DPDCH 的两倍。扩展因子512256128643216844, 3个并行码信道符号 速率(kbps)7.51530601202404809602880信道比特速率(kbps)15306012024048096019205760DPDCH 信道比特速率(kbps)3-612-2442-5190210432912187256161/2信道编码的最大用户速率 (约数.)1-3 kbps6-12 kbps20-24 kbps45 kbps105 kbps215 kbps456 kbps936 kbps2.3 Mbps2226.01.2002WCDMA P hys ical L ayer下行链路复用和信道编码流程TrCH 1TrCH 2CRC 添加TrBlk 级联/ 码块分割DPDCH#1 DPDCH#2 DPDCH#N物理信道映射信道编码速率匹配1st 插入DTX指示1st 交织无线帧分割. . .Other TrCHs2nd (帧内)交织物理信道分割CCT rCh2nd插入 DTX指示传输信道复用2326.01.2002WCDMA P hys ical L ayer下行链路共享信道 (DSCH)用于专用控制或者业务数据(bursty traffic).几个用户共享，每个用户可以根据特定的分组调度算法短时分配一个DSCH 。支持快速功率控制，但不支持软切换。扩频因子逐帧可变，所以比特速率也可以逐帧改变。和下行链路DPCH伴随，使用其中的DPCCH信道.。DPCCH提供功率控制信息，指示UE何时对DSCH解码以及DSCH所使用的SF。由于DSCH信息由伴随的下行DPCH信道提供, PDSCH帧不能在相伴随的下行DPCH帧结束后3个时隙之前开始。2426.01.2002WCDMA P hys ical L ayer随即接入信道 (RACH)A contention-based uplink transport channel; thus, no scheduling is performed.Use of RACH 携带UE建立初始连接的控制信息，比如：开机登记到网络，执行位置更新或者初始化一次呼叫。 发送12帧的少量分组数据由于需要在整个小区被接收到，数据速率要求很低。前缀开环功率控制，消息部分没有功率控制2526.01.2002WCDMA P hys ical L ayerRACH 操作首先，UE发送一个前缀。 T前缀的SF为256，包含一个16符号的特征序列 总长度为4096码片。等待AICH上基站捕获到前缀的应答消息如果没有收到AICH，一段时间后UE将增大功率再次发送前缀。当接收到AICH后，UE将发送10ms或者20ms长的信息部分。 T信息部分的SF为32到 256.BSUERACH 前缀AICH 前缀RACH 信息2626.01.2002WCDMA P hys ical L ayer公共分组信道(CPCH)A contention-based uplink transport channel for transmission of bursty data traffic.D和RACH不同的是, 该信道可以保留多帧，并且可以是用快速动态功率控制。CPCH 的信息由以下提供： DL DPCCH 提供快速功控信息。前向接入信道(FACH)提供高层下行信令。CPCH 的过程和RACH相似，增加了层一碰撞检测功能。如果发生碰撞，在RACH信道, 仅会丢失一个RACH消息，而在CPCH中会丢失几个帧的消息并且还会带来额外的干扰。2726.01.2002WCDMA P hys ical L ayerCPCH 操作接收到CPCH AICH后 UE 发送CPCH CD 前缀采用相同的功率发送另外一个特征标志符号。 然后，如果没有碰撞基站就会在CD 检测信道(CD-ICH)返回相同的特征标志符给UE。 于是UE开始它长度为几帧的数据发送，并且具有快速动态功率控制机制。CPCH 状态指示信道(CSICH)携带不同的CPCH信道的状态信息。BSUECPCH PreambleAICH PreambleCPCH MessageCPCH CDCPCH CD-ICH2826.01.2002WCDMA P hys ical L ayer广播信道(BCH)下行链路公共传输信道。BCH映射对应的物理信道为主公共控制物理信道(Primary CCPCH).BCH: 广播系统消息和小区专用信息比如：随即接入码和时隙。 终端必须对广播信道解码才能注册到网络。 需要使用较大发射功率以使小区内所有用户都能构接收到广播信息。2926.01.2002WCDMA P hys ical L ayer前向接入信道(FACH)下行链路公共传输信道。它可以与PCH一起或单独复用到同一物理信道,辅CCPCHFACH: 在整个小区内携带到UE的控制信息。 携带少量的分组数据。 没有功率控制或者满速功率控制。 可以有几个FACHs，但是主FACH必须使用低速率以使小区内所有的终端都能够接收到。 需要带内信令来告知传输的数据是哪些用户的。3026.01.2002WCDMA P hys ical L ayer寻呼信道(PCH)PCH是下行公共传输信道，用来传输寻呼和通知消息，例如当网络想要发起一次通信时。它可以和FACH一起或者单独复用到同一物理信道Secondary CCPCH。同一个寻呼可以在一个小区或者数百个小区发送，寻呼消息需要被整个小区内所有的终端接收到。PCH的传送和寻呼指示信道(PICH)相伴随。3126.01.2002WCDMA P hys ical L ayer物理层信令信道3226.01.2002WCDMA P hys ical L ayer公共导频信道 (CPICH)下行链路信道，固定速率30 Kbps ， SF 固定为 256.采用小区主扰码加扰。用于终端信道估计的参考。两种类型：primary 和 secondary CPICHPrimary CPICH 用于切换、小区选择和重选的测量。 SCH, primary CCPCH, AICH 等等的相位参考。Secondary CPICH 可以作为secondary CCPCH的相位参考。3326.01.2002WCDMA P hys ical L ayer同步信道(SCH) 小区搜索SCH 用于小区搜索。两个子信道: primary 和 secondary SCH.P-SCH 和 S-SCH 只在每个时隙的前256 码片并行发送，它们和Primary CCPCH时分复用。P-SCHS-SCH256 chips010114142560 chips10 ms3426.01.2002WCDMA P hys ical L ayer同步信道(SCH) 小区搜索SCH用于小区搜索，包含三个基本步骤: UE搜索主同步码，检测出和时隙边界相对应的滤波器上出现的峰值。主同步码在所有小区的每个时隙都是相同的256个码片。 (时隙同步). UE查找滤波器中辅同步码（SSC）的峰值。共有64个不同的辅同步码序列，对应于64个主扰码组，每个码组有15个SSC，UE需要从S-SCH得到15个连续的SSC，这样就可以判断出码组以便于知道帧的边界，又可以得到对该小区加扰的扰码的扰码组。 seeks the largest peak secondary synchronisation code(SSC). There are 64 unique SSC sequences. Each SSC sequence has 15 SSCs. The UE needs to know 15 successive SSCs from the S-SCH, then it can determine the code group in order to know the frame boundary (frame synchronisation). 每一个扰码组有8个主扰码，通过搜索所有可能的情况，最终确定小区所使用的主扰码。ach code group has 8 primary scrambling. The correct one is found by each possible scrambling code in turn over the CPICH of that cell.3526.01.2002WCDMA P hys ical L ayerSSC 序列帧开始从S-SCH 接收到的SSC序列3626.01.2002WCDMA P hys ical L ayer主公共控制物理信道(Primary CCPCH)承载广播信道 (BCH).需要被小区内所有终端解调.扩频因子256，固定速率30 kbps不包含功率控制信息.主CCPCH 和SCH时分复用，因此它不使用时隙的前256个码片，以至于信道比特率降为27 kbps.3726.01.2002WCDMA P hys ical L ayer辅公共控制物理信道(Secondary CCPCH)携带两种传输信道：FACH和PCH, 它们可以被映射到同一个或者独立的物理信道。比特速率可变.F使用固定的SF，通过加入DTX或者速率匹配参数实现速率的改变。不包含功率控制信息3826.01.2002WCDMA P hys ical L ayer物理层过程3926.01.2002WCDMA P hys ical L ayer功率控制过程Frame reliabilty info.SIRtarget adjustment commandsRNC外环功率控制 if qualitytarget, increase SIRtargetDLULBS快速功率控制if SIRestimateSIRtarget, send power up command4026.01.2002WCDMA P hys ical L ayer功率控制 (PC) (1/2)快速闭环PC 内环 PC 反馈信息 U上行功控解决远近效应，下行功控保证手机在小区边界能够接收到足够的功率。 一个时隙一条 PC 命令 1500 Hz 步长 1 dB or 0.5 dB (每2时隙1 PC 指令). 快速内环功率控制的SIR目标值由外环功率控制设定。 快速闭环功率控制的两个特例：软切换时的功控: 当手机同时接收到几个基站的PC指令时，功率下降指令要比功率提升指令具有更高的优先级。压缩模式下的功控: 压缩帧后