WCDMA网规高培-WCDMA无线接口物理层

WCDMA网规高培-WCDMA无线接口物理层第一页，共95页。前言物理层处于无线接口协议模型的最底层，它提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能；物理层通过MAC子层的传输信道实现向上层提供数据传输服务；物理层的主要功能包括：信道编解码，扩频调制和解扩解调，闭环功率控制等等。2第二页，共95页。课程目标了解WCDMA无线接口的协议结构；掌握WCDMA物理层的关键技术；了解WCDMA物理层过程。学习完本课程，您将能够：3第三页，共95页。课程内容 T第一章概述第二章物理信道及信道映射第三章WCDMA物理层处理过程第四章WCDMA物理层过程4第四页，共95页。UTRAN协议结构5第五页，共95页。无线接口协议结构6第六页，共95页。MAC层（层2）物理信道扩频调制传输信道物理信道结构扩频调制编码和复用映射到物理层解复用解码映射到MAC层解调解扩物理层技术实现7第七页，共95页。在WCDMA系统的无线接口中，从不同协议层次上讲，承载用户各种业务的信道被分为以下三类：逻辑信道：直接承载用户业务；根据承载的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：无线接口层二和物理层的接口，是物理层对MAC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（0或/2）的信道都可以理解为一类特定的信道。信道概念8第八页，共95页。物理信道可以由某一载波频率、码（信道码和扰码）、相位确定。在采用扰码与扩频码的信道里，扰码或扩频码任何一种不同，都可以确定为不同的信道。多数信道是由无线帧和时隙组成，每一无线帧包括15个时隙。物理信道分为上行物理信道和下行物理信道。频率、码、相位物理信道物理信道9第九页，共95页。扩频包括两个操作：信道化（channelization）操作，它使数据符号变为码片，并增加了信号带宽，每符号的码片数称为扩频因子（SF），可以通过与OVSF相乘得到扰码操作，它作用在扩频信号上数据比特OVSF码扰码扩频后码片扩频技术10第十页，共95页。信道码使用OVSF码定义：Cch,SF,k,描述信道码，SF为扩频因子，k为码号,0<k<SF-1信道码11第十一页，共95页。

扰码：GOLD序列扰码每10ms重复一次，长度是38400chips对于上行物理信道，可用的扰码分为长扰码和短扰码，共有224个上行长扰码和224个上行短扰码，上行扰码由高层分配对于下行物理信道，可以产生218-1=262143个扰码，但只使用了0...8191号的扰码扰码12第十二页，共95页。下行扰码集0集1…集511主扰码0从扰码1…从扰码15主扰码511×16…从扰码511×16＋1从扰码511×16＋158192个扰码512集每集分为1个主扰码15个从扰码下行链路扰码特点13第十三页，共95页。下行主扰码组0组1…组63主扰码0主扰码1…主扰码7主扰码16*8*63…512个主扰码64组每组8个主扰码主扰码16*8*63＋16主扰码16*8*63＋16×7下行链路扰码特点14第十四页，共95页。本章小结本章主要对物理层的一些基本概念进行了介绍，包括：无线接口协议栈结构扩频调制过程、信道码、扰码物理层技术的实现15第十五页，共95页。课程内容 T第一章概述第二章物理信道及信道映射第三章WCDMA物理层处理过程第四章WCDMA物理层过程16第十六页，共95页。物理信道及信道映射物理信道结构及功能无线接口信道映射17第十七页，共95页。下行专用物理信道(downlinkDPCH)下行物理信道下行公共物理信道公共控制物理信道(CCPCH)同步信道(SCH)物理下行共享信道(PDSCH)寻呼指示信道(PICH)捕获指示信道(AICH)公共导频信道(CPICH)下行物理信道18第十八页，共95页。上行公共物理信道物理随机接入信道(PRACH)物理共用分组信道(PCPCH)上行专用物理信道上行专用物理数据信道(uplinkDPDCH)上行专用物理控制信道(uplinkDPCCH)上行物理信道上行物理信道19第十九页，共95页。SCH不进行扩频和加扰；用于小区搜索；SCH信道占用前256个Chip；分成P-SCH和S-SCH；主同步码（PSC）在每个时隙内重复发射，传送完全确知的序列；用于UE与UTRAN之间的比特同步；从同步码（SSC）中包含扰码组信息，用于确定小区中使用的扰码组。同步信道SCH20第二十页，共95页。同步信道SCH21第二十一页，共95页。commonPilotChannel(CPICH)传送确知序列固定速率30Kbps，SF=256发射分集时，使用相同的扩频码和扰码，但传送序列不同公共导频信道CPICH22第二十二页，共95页。主CPICH使用相同的信道码，即Cch,256,0；扰码为主扰码；一个小区只有一个主CPICH，在整个小区广播；用于小区（主扰码）搜索；主CPICH为SCH,PrimaryCCPCH,AICH,PICH提供相位基准。还是其它下行物理信道的缺省相位基准。其它信道的功率基准，测量其它信道都是通过测量CPICH信道来实现的。确定小区覆盖范围，小区呼吸功能。从CPICH可以使用任意信道码，只要满足SF=256扰码可以使用主扰码，也可以使用从扰码一个小区可以有0、1或几个从扰码可以在小区内部分发射可以作为S-CCPCH和下行DPCH的参考.CPICH23第二十三页，共95页。用于承载BCH信道（系统消息）；固定数率（30kbps，SF=256）；使用相同的信道码，即Cch,256,1；扰码为主扰码；每个时隙的头256chips为空，只有数据域；可以采用STTD传输分集。主公共控制物理信道P-CCPCH24第二十四页，共95页。寻呼指示信道PICH25第二十五页，共95页。PICH为固定速率(SF=256)的物理信道，用于传送PageIndicators(PI).PICH总是与一个S-CCPCH相联系，这个信道正在传送一个PCHPICH的帧结构：一帧为10ms，包括300bits.其中，288bits用于传送PageIndicators.其余12bits尚未定义。N个寻呼指示{PI0,…,PIN-1}在一帧内传送，N=18,36,72,or144.如果某一帧中的PIi被置为1，说明PIi对应UE应对S-CCPCH的对应帧进行解调寻呼指示信道PICH26第二十六页，共95页。用于传送FACH和PCH。两种SCCPCH:有TFCI和无TFCI。UTRAN决定TFCI是否发送，UE支持TFCI。可能的传送速率与下行DPCH相同。SF=256–4。具体信道码与扰码由UTRAN确定。从公共控制物理信道S-CCPCH27第二十七页，共95页。随机接入是基于快速捕获指示的时隙ALOHA方法。时间上用接入时隙来确定，UE只能在时隙的开始位置进行随机接入传送，每个时隙5120chips，每2帧有15个slot。随机接入传送数据由两部分组成：1或多个的preamble：4096chips长度，由长度为16的signature进行256次重复构成，共有16种signature10或20ms的信息部分使用哪个signature及信息部分长度由高层决定物理随机接入信道PRACH28第二十八页，共95页。RACH的接入时隙分配29第二十九页，共95页。RACH的发射结构30第三十页，共95页。PRACH信息部分31第三十一页，共95页。AICH的帧结构：两帧，共20ms，包括重复的15接入时隙AS,每个时隙有20个符号(5120码片)。每个时隙包括两部分，捕获指示AI和空部分。捕获指示AI有16种SignatureAICH的相位参考为CPICH.捕获指示信道（AICH）32第三十二页，共95页。专用下行物理信道33第三十三页，共95页。DPCH包括专用的数据（DPDCH）及控制信息（DPCCH）：专用数据用于传输层2或更高层产生的数据；控制信息用于传输层1的控制信号控制信息包括：导频、TPC、可选的TFCI。DPCH的扩频因子可以为512到4，并且在连接过程中可以改变DPDCH和DPCCH是时间复用的同一CCTrCH的多码传输使用相同的扩频因子，此时，只需传输第一个DPCH的控制信息就行。当有多个CCTrCH给同一用户时，每个CCTrCH可以使用不同的扩频因子，并且只需传输一个DPCCH信息专用下行物理信道DPCH34第三十四页，共95页。实现物理层数据承载DCH数据DPDCHDPCCH为DPDCH提供解调、功控等控制数据DCH数据下行DPDCH/DPCCH作用35第三十五页，共95页。下行多码传输的时隙结构36第三十六页，共95页。PDSCH传送DSCH,DSCH被多个码分用户共享。PDSCH总是与一个DPCH相联系，所需控制信息在DPCH上传送两种方式通知UE解调DSCH（用TFCI域，用高层信令）DSCH是特殊形式的多码传输，DSCH与相联系的DCH可以具有不同的SF，SF可在帧间改变。DSCH数据PDSCH承载DSCH数据物理下行共享信道PDSCH37第三十七页，共95页。DPDCH和DPCCH在无线帧通过I/Q复用DPDCH用来传输层2及更高层产生的专用数据DPCCH用来传输层1的控制信息帧长为10ms，分15个时隙，每时隙2560chipsDPDCH的扩频因子为4到256在相同的层1连接中，DPDCH与DPCCH的扩频因子是可以不同的每个DPCCH时隙由Pilot，TFCI，FBI，TPC构成。上行专用物理信道的特点上行专用物理信道DPDCH/DPCCH38第三十八页，共95页。上行DPDCH/DPCCH帧结构39第三十九页，共95页。DCH数据DPDCHDPCCH为DPDCH提供解调、功控等控制数据实现物理层数据承载上行DPDCH/DPCCH作用40第四十页，共95页。

4096chips

P0

P1

PjPjCollisionResolutionPreamble

AccessPreamble

ControlPart

DataPart

0or8slots

N*10ms

MessagePart

物理公共分组信道PCPCH41第四十一页，共95页。CPCH传输是基于快速捕获指示的DSMA-CD方法CPCH也是在与RACH一样的时隙开始时刻传输的CPCH随机访问信号包括：1个或多个接入前缀AP，长度为4096chips1个冲突检测前缀CD-P，长度为4096chips1个DPCCH功率控制前缀PC-P，长度为0或8个时隙，由高层决定1个message部分：物理公共分组信道PCPCH42第四十二页，共95页。物理信道及信道映射物理信道结构及功能无线接口信道映射43第四十三页，共95页。BCH,广播信道FACH,前向接入信道PCH,寻呼信道RACH,反向（随机）接入信道CPCH,公共分组信道DSCH，下行共享信道DCH，专用信道DCH信道可以为上行或下行信道公共传输信道专用传输信道传输信道44第四十四页，共95页。{XOR}TransportChannels(L1CharacteristicsDependent)PCHBCHFACHRACHDCHS-CCPCHP-CCPCHPhysicalChannelsPRACHDPDCHLogicalChannels(DataDependent)PCCHDCCHDTCHDecicatedLogicalChannelCipherOnBCCHCCCHCTCHHigherLayerdataPagingSystemInfoSignallingCellBroadcastServiceSignallingandUserdataDTCHDTCH信道映射关系45第四十五页，共95页。课程内容 T第一章概述第二章WCDMA物理信道结构及功能第三章WCDMA物理层处理过程第四章WCDMA物理层过程46第四十六页，共95页。WCDMA物理层处理过程编码与复用技术扩频技术调制技术47第四十七页，共95页。目的：从MAC层或更高层来的数据流(TB/TBS)经过信道编码与复用后提供给无线传输链路上传输。来自MAC的数据流编码与复用，实现传输信道映射到物理信道物理信道上的数据流内容：信道编码策略是检错编码、纠错编码、速率匹配、交织和传输信道到物理信道的相互映射的组合；编码与复用概述48第四十八页，共95页。CRC添加传输块级联与码块分段前向纠错编码速率匹配DTX插入交织无线帧分段传输信道(TrCH)复用物理信道分段物理信道映射编码与复用步骤编码与复用步骤49第四十九页，共95页。CRC以TB为单位CRC长度由上层信令告诉0、8、12、16、24可选每个TrCH是不会改变的(重配置除外)如果没有TB输入,不应该计算CRC;如果有TB输入,但输入TBSIZE=0,仍要添加CRC,只是CRC均为0.CRC位添加在数据末端,且要进行比特反转TB的CRC50第五十页，共95页。TB级联是指一个TTI内的所有TB加上CRC后的串行级联码块分段指编码码块的分段,与编码类型相关卷积码:如果TBSSIZE>504,分成等长的多段编码块Turbo码:如果TBSSIZE>5114,分成等长的多段编码块不编码:不用分段如果分段不能均分,在第一个码块的开始位置填充"0"比特如果Turbo编码的码块长度<40,则在开始位置填充"0"比特,使编码长度始终为40TB级联与码块分段51第五十一页，共95页。编码类型及编码率卷积码(1/2、1/3),约束长度为9,加8个尾比特Turbo码(1/3),两个8状态的并行级联卷积码(PCCC)构成,加6个尾比特不编码编码使用BCH、PCH和RACH——1/2卷积码CPCH、DCH、DSCH和FACH——1/2或1/3卷积码、1/3Turbo码、不编码编码码块级联前向纠错编码52第五十二页，共95页。含义对TrCH上的比特进行重复或打孔目的平衡复用在同一个CCTrCH上的各TrCH的Eb/I0匹配信道(上行)尽量避免多码传输速率匹配原则保证重复/打孔位均匀分布在各无线帧内保证重复/打孔位均匀分布在交织前的数据流中,确保译码性能满足各TrCH的平衡条件下,尽量增加重复或减少打孔速率匹配53第五十三页，共95页。与TrCH位置属性有关如果TrCH位置固定,有1stDTX插入和2ndDTX插入;如果TrCH位置灵活,只有2ndDTX插入只有下行才有DTX插入,上行通过重复匹配信道上行用户由扰码区分,SF资源不是问题,所以可以通过重复来匹配信道,以提高性能,而下行由扩频码区分用户,扰码区分小区，一个小区共用一棵SF资源树，资源很有限1stDTX插入对TrCH的一个TTI进行,2ndDTX插入对CCTrCH的无线帧进行DTX在空中接口的发送能量为0DTX插入54第五十四页，共95页。交织的作用：减小信道快衰落带来的影响有两次交织：1st交织和2nd交织1st交织的交织长度是TrCH的TTI，属于帧间交织1st交织与TTI有关,TTI=10ms时没有1st交织1st交织是根据TTI把输入数据分成相应列数并按行写入,经过列间置换后按列读出1st交织的列间置换规则是:把列号进行比特反转2nd交织的交织长度是一个物理帧，属于帧内交织2nd交织是将一个物理帧内的数据分30列按行写入,经过列间置换后按列读出.如果数据长度不是30的倍数,需要去除无效数据2nd交织的列间置换规则是:{0,20,10,5,15,25,3,13,23,8,18,28,1,11,21,6,16,26,4,14,24,19,9,29,12,2,7,22,27,17}交织55第五十五页，共95页。原因:复用是按无线帧进行的无线帧分段是针对TTI>10ms的TrCH上行无线帧分段前,由无线帧均衡保证了数据长度是TTI内无线帧数Fi的整数倍数下行无线帧分段前,由速率匹配算法保证了数据长度是TTI内无线帧数Fi的整数倍数无线帧分段56第五十六页，共95页。复用以无线帧(10ms)为单位复用的输入为TrCH数据,复用后形成CCTrCHCCTrCH的格式由TFCI指示复用前的各TrCH可以有不同的TTICCTrCH有两种类型:公共类型和专用类型公共类型CCTrCH只能由公共TrCH复用而得;专用类型CCTrCH只能由专用TrCH复用形成对一个用户而言,上行同时只能存在一个CCTrCH;下行可有多个同一个CCTrCH的不同无线帧由CFN来区分TrCH的复用57第五十七页，共95页。当不止使用一个物理信道时,一个CCTrCH无线帧分成几个物理帧——多码传输，多码传输的各个物理信道SF一定相同上行物理信道的DPCCH和DPDCH是码复用的下行物理信道的DPCCH和DPDCH是时分复用的上行物理信道一定是全填充的,除了压缩模式下行物理信道的DTX是不发送的上行只有一个DPCCH,因此上行的TPC流可能控制下行的多个DPDCH,这些DPDCH可能属于一个CCTrCH,也可能属于不同的CCTrCH.下行也只有一个DPCCH,尽管可能有多个CCTrCH,这时DPCCH在最小SF的CCTrCH的物理信道上传输.这样TPC流和TFCI字都只有一个.物理信道分段与映射58第五十八页，共95页。10、20、40or80msdatadatadataTrCH-idataCRCdataCRCdataCRCdataCRCdataCRCdataCRCdataCBLCBLCBL0、8、16or24bits块长Z＝512－Ktail，卷积码5120－Ktail，Turbo码CedBLCedBLCedBLCodeddata卷积码或Turbo码RatematcheddataRatematcheddataDTXororDatabefore1stinterleavingDataafter1stinterleaved交织器列数：1、2、4或8无线帧无线帧无线帧无线帧数目：1、2、4或8TrCH-1TrCH-2TrCH-ICCTrCHTrCH-1TrCH-2TrCH-IDTXCCTrCHPh-1Ph-2Ph-P10ms时间内10ms时间内Ph-1Ph-2Ph-PTPCTFCIpilot扩频、加扰扩频、加扰扩频、加扰TrCH-i+1data1data2TPCTFCIpilotdata1data2TPCTFCIpilotdata1data2扩频前物理信道的形成流程59第五十九页，共95页。每个传输信道上可传送不同业务数据，多个传输信道复用为一个码组合信道CCTrCH，所以WCDMA支持多个业务共用一个物理连接。CCTrCH的形成：

业务数据加CRC校验码；信道纠错编码：根据业务类型选择卷积编码或Turbo编码；速率匹配；交织；多个传输信道复用为CCTrCHCCTrCH映射到物理信道的数据部分物理层填加物理层信号TFCI、TPC和Pilot，形成完整物理信道，而后进行扩频加扰，最后在无线接口上发送。扩频前物理信道的形成流程60第六十页，共95页。编码与复用例子61第六十一页，共95页。下行链路12.2kb/sAMR语音编码62第六十二页，共95页。DCH控制数据编码(3.4kb/s)63第六十三页，共95页。AMR语音与控制数据复用64第六十四页，共95页。WCDMA物理层处理过程编码与复用技术扩频技术调制技术65第六十五页，共95页。DPCCH/DPDCH扩频可以同时传输1个DPCCH和0到6个的DPDCH扰码可以为长扰码或短扰码比重因子вc和вd至少有一个为1扰码的边界和无线帧边界一致上行扩频66第六十六页，共95页。DPCCH/DPDCH扩频67第六十七页，共95页。message部分如下图，比重因子取值与DPDCH/DPCCH相同PRACH扩频68第六十八页，共95页。message部分如下图，比重因子也如DPCCH/DPDCH部分PCPCH扩频69第六十九页，共95页。上行DPCCH/DPDCH信道码配置DPCCH固定为Cc=Cch,256,0.当只有一个DPDCH时，Cd,1=Cch,SF,k，k=SF/4当有多个DPDCH传输时，所有的DPDCH的扩频因子为4，DPDCHn由cd,n=Cch,4,k扩频，当n为1，2，时k=1；n为3，4时，k=3；当n为5，6时，k=2PRACHmessage部分信道码配置控制部分固定256扩频，扩频码为cc=Cch,256,m，其中m=16(s-1)+15；（s为preamble的signature号，1<=s<=16）数据部分可以32到256扩频，扩频码为Cd=Cch,SF,m，其中SF为datapart的扩频因子且m=SF*(s-1)/16PCPCH信道码配置message部分的控制部分同PRACH的控制部分message部分的数据部分的扩频因子可以为4到256PCPCH功率控制preamble的扩频码和控制部分是一样的上行信道码配置70第七十页，共95页。上行DPCCH/DPDCH扰码配置当使用长扰码时，Slong,n(i)=Clong,n(i),i=0,1,…,38399当使用短扰码时，Sshort,n(i)=Cshort,n(i),i=0,1,…,38399PRACHmessage部分扰码PRACHmessage部分扰码为10ms长度，与preamble部分扰码是一一对应的，并为上层决定固定采用长扰码，为Sr-msg,n(i)=Clong,n(i+4096),i=0,1,…,38399PCPCH扰码信息部分扰码10ms长度，由小区决定，并且与signature和accesspreamble的接入子信道一一对应可以使用长扰码和短扰码上行扰码配置71第七十一页，共95页。除SCH外的其他下行物理信道，经串并变换后，用同一扩频码扩频，然后进行复扰码操作扰码的起始码片与P-CCPCH的帧边界同步每个信道都有不同的加权因子下行链路扩频72第七十二页，共95页。下行链路扩频73第七十三页，共95页。下行信道码也使用OVSF码主CPICH固定使用Cch,256,0信道码主CCPCH固定使用Cch,256,1信道码其他物理信道由UTRAN确定下行信道码配置74第七十四页，共95页。WCDMA物理层处理过程编码与复用技术扩频技术调制技术75第七十五页，共95页。调制的码片数率为3.84Mbps上行调制76第七十六页，共95页。码片速率为3.84Mbps下行链路调制77第七十七页，共95页。本章小结本章主要介绍了：各种物理信道的结构与功能传输信道到物理信道的映射过程扩频技术的实现调制技术的实现78第七十八页，共95页。课程内容 T第一章概述第二章WCDMA物理信道结构及功能第三章WCDMA物理层处理过程第四章WCDMA物理层过程79第七十九页，共95页。时隙同步帧同步和码组识别扰码识别UE使用SCH的主同步码PSC去获得该小区的时隙同步UE使用SCH的辅助同步码SSC去找到帧同步，并对第一步中找到的小区的码组进行识别。UE通过CPICH对码组进行相关确定小区主扰码，然后检测PCCPCH，UE读取BCH信息。同步过程—小区搜索80第八十页，共95页。公共信道同步下面物理信道有相同的帧定时：SCH(基本和辅助)CPICH(基本和辅助)P-CCPCHPDSCH小区搜索过程中得到P-CCPCH的无线帧定时（发射小区SFN，作为其它物理信道的定时基准）同步过程—公共信道同步81第八十一页，共95页。同步过程—公共信道定时关系82第八十二页，共95页。RACH接入流程随机接入过程-RACH83第八十三页，共95页。物理随机接入过程1、为规定的ASC随机选择一个RACH子信道组中；2、从选择的RACH子信道组中导出可用上行接入时隙；3、为规定的ASC随机选择一个可用的Signature标识；4、设置前缀重传计数Preamble_Retrans_Max；5、设置前缀传输功率Preamble_Initial_Power；6、利用选择的上行接入时隙、识别Signature标识、前缀传输功率参数传送一个前缀；随机接入过程-RACH84第八十四页，共9