WCDMA无线接口物理层与信道

WCDMA无线接口物理层与信道

CDD陈黎

2008.11.5

言

无线接口物理层处于无线接口协议模型

的最底层，它提供物理介质中保证比特

流正确传输所需要的所有功能。

物理层通过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，内环功率控制等

信道结构和物理层密切相连，不可能脱离物

理层单独讲信道；要理解信道，必须深入了解

无线接口的物理层。

2

参考资料

TS25.104UTRA(BS)FDDRadioTransmissionand

Reception

TS25.201Physicallayer-generaldescription

TS25.211Physicalchannelsandmappingof

transportchannelsontophysical

channels(FDD)

TS25.212Multiplexingandchannelcoding(FDD)

TS25.213Spreadingandmodulation(FDD)

TS25.214Physicallayerprocedures(FDD)

TS25.308UTRAHighSpeedDownlinkPacketAccess

(HSDPA);Overalldescription;Stage2

TR25.877HighSpeedDownlinkPacketAccess

(HSDPA)-lub/IurProtocolAspects

TR25.858PhysicallayeraspectsofUTRAHigh

SpeedDownlinkPacketAccess

3

课程目标

学习完此课程，您将会:

了解WCDMA无线接口的协议结构

掌握WCDMA信道的基本结构和映射关系

了解WCDMA物理层过程

4

内容介绍

第1章概述

第2章WCDMA物理层关键技术

第1节信道结构与映射关系

第2节编码和复用技术

第3节扩频技术

第4节调制技术

第3章WCDMA物理层过程

UTRAN协议结构

6

Uu接口协议栈结构

GCXN^LDC^

Duplicationavoidance

G*钙

UuSboundary

C-planesignallingU-planeinformation

RRCcontrolL3

5

ooo1Radio

J匕J

ulUul:

oOo5Bearers

。。。

CJ

L2/PDCP

BMCL2/BMC

i.cL2/RLC

I.LC

RLC

Logical

Channels

8MACL2/MAC

Transport

Channels

PHYLI

物理层技术实现

解复用解码编码和复用

映射到MAC层映射到物理层

•••

物理信道

结构

解调解扩

扩频调制

8

物理层处理

传输信道

物理信道

扩频到5MHz带宽上

9

物理层帧结构

比特速率每一帧(10ms)都可能改变

快速功率控制要求每个时隙(0,666ms)都处理执行

10

物理层帧结构

■信道编码后，传输块被分成无线帧（10ms）

•比特速率每一帧都可以改变

■每一帧又分成15个时隙，每时隙2560chips

•所有的时隙都属「同一个用户，与GSM不同

•每一帧中15个时隙的比特速率一致

・快速功率:每个时隙（1500Hz）都处理

■M等于扩频因子

,SF（SpreadingFactor）扩频因子

•SF=W/R=3.84Mchips/R

W=3.84Mchips/sR:业务比特速率

•SF取值4,8,16,...256

・速率适配：添加填充比特

11

扩频技术

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。

12

信道化码（OVSF码）

U信道化码使用OVSF码；

定义：Cch,SF,k,描述信道码，SF为扩频因子，k为码

号，OWkWSF-1。

CchA0=(l,1,1,1)_1

____ch,2,0=(1，1)

Cch,4J=(1,1,-1,-1)_1

Cw二⑴r

Cch,4,2=(1,-1,1,-1)[

Cch)211=(1,-D

Cch,4,3=(111,1)[

SF=1SF=2SF=4

13

扰码

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ZE1="/1”个

扰码，但只使用了。…8191号的扰码。

14

下行链路扰码特点

集。

下

行集1

扰

码

■■■主扰码

511x16

从扰码511x16+每集分为

集5111

1个主扰

码15个从

从扰码扰码

8192个扰码512集511x16+

15

15

下行链路扰码特点

主扰码0

主扰码1

组O

下

行

缈

主主扰码7

扰

码主扰码16*8*63

主扰码16*8*63+

组63

______16

主扰码16*8*63+

16X7

个主扰码组

51264每组8个主扰码

16

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

物理层的数据处理过程

物理层技术的实现

17

内谷介绍

第2章WCDMA物理层关键技术

第1节信道结构与映射关系

第2节编码和复用技术

第3节扩频技术

第4节调制技术

18

信道分类

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n/2）的信道都可以理解为一类特定的信

道。

19

逻辑信道分类

专用业务信道(DTCH)

业务逻辑信道(TCH)

公共业务信道(CTCH)

广播控制信道(BCCH)

寻呼控制信道(PCCH)

控制逻辑信道(CCH)

专用控制信道(DCCH)

公共控制信道(CCCH)f

20

传输信道分类

专用信道DCH

•DCH信道可以为上行或下行信道专用传输信道

广播信道BCH

前向接入信道FACH

公共传输信道

寻呼信道PCH

反向（随机）接入信道RACH

21

物理信道分类

物理信道分为上行物理信道和下行物理信道；

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，每一无线帧包括工5个时隙；

物理信道

频率、码、相位

22

上行物理信道

一上行专用物理信道

•上行专用物理数据信道(uplink

DPDCH)

•上行专用物理控制信道(uplink

DPCCH)上行物理信道

一上行公共物理信道

•物理随机接入信道(PRACH)

23

下行物理信道

一下行专用物理信道(downlinkDPCH)

一下行公共物理信道

下行物理信道

•公共控制物理信道(CCPCH)

•同步信道(SCH)

•寻呼指示信道(PICH)

•捕获指示信道(AICH)

•公共导频信道(CPICH)

24

物理信道的功能

/1双广播管m

P-CPICH-主公共导频信道

S-CPICH-从公共导频信道

P-CCPCH-主公共控制物理信道

声刍SCH-同步信道

学—朝箍

S-CCPCH-从公共控制物理信道

PICH-寻呼指示信道

随机Mi言道

基站NodeB<―PRACH-随即接入物理信道用户终顺

AICH-获取指示信道___UE

专用睦接偌道

DPDCH-专用物理数据信道

DPCCH-专用物理控制信道

高速下行哄享信道

HS-SCCH-高速共享控制信道

HS-PDSCH-高速下行物理共享信道

HS-DPCCH-局速专用控制信道

25

同步信道SCH

SCH用于小区搜索；在S・SCH上发送从同步码(SSC),

分成主同步信道P-SCH和从同步信SSC从16个长为256的码组中选

道S・SCH；择。共有64组，代表64个扰码码组

SCH信道占用前256个Chip；从同步码(SSC)指定小区扰码的码

组；

在P・SCH上发送主同步码(PSC),

PSC在每个时隙内重复发射；

Slot#0Slot#1Slot#14

PrimaryCIU

SCHp

Secondary

i,0aci,14

SCHs

256chips

2560chips

One10SCHradioframe

26

公共导频信道CPICH

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

27

CPICH的分类

主公共导频信道(PYPICH)

使用相同的信道码，即Cch,256,0;

U扰码为主扰码；

止一个小区只有一个主CPICH;

L在整个小区广播；

P-CPICH为SCH,P-CCPCH,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；

从公共导频信道(S-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；

一般用于窄天线发射波束范围内，高业务量的覆盖区；

可以作为S-CCPCH和下行DPCH的参考;

28

主公共控制物理信道P-CCPCH

固定数率(30kbps,SF=256)

U用于承载BCH信道

每个时隙的头256chips为空

只有数据域

1可以采用STTD传输分集

29

从公共控制物理信道S-CCPCH

用于传送FACH和PCH;SF=256~4;

两种SCCPCH:有TFCI和无FACHandPCH可被映射到同一

TFCIOUTRAN决定TFCI是否发个或不同的S-CCPCH.如果映射

送，UE必须支持TFCI的接收和处到同一个S-CCPCH,它们可以映

理；射到相同的帧；

可能的传送速率与下行DPCH相

同；

30

寻呼指示信道PICH

PICH为固定速率(SF=256)的物理信道，用于传送PageIndicators(PI);

IPICH总是与一个S-CCPCH相联系，这个信道正在传送一个PCH;

IPICH的帧结构：一帧为10ms,包括300bits.其中，288bits用于传送Page

Indicators.其余12bits尚未定义；

IN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Pli被置为1,说明Pli对应UE应对S-CCPCH的对应帧进行解

调；

288bitsforpagingindication12bits(undefined)

Oneradioframe(10ms)

31

物理随机接入信道PRACH

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：

或多个的preamble（前缀）:4096chips长度，由长度为

16chips的signature（标签序列）进行256次重复构成，一共

有16种signature（标签序列）;

I使用哪个signature（标签序列）及信息部分长度由高层决

r-^-i.

/E/

110或20ms的message（信息部分）;

32

PRACH的发射结构

PreamblePreamblePreambleMessagepart

4096chips

10ms(oneradioframe)

PreamblePreamblePreambleMessagepart

4096chips20ms(tworadioframes)

33

RACH的接入时隙分配

radioframe:10msradioframe:10ms

5120chips

抱搭#i於照#7।然的#10#11#12#13#14

Accessslot#0RarKfornAccessTninsmission

Accessslot#1RandomAccessTransmission

Accessslot#7RandoniAccessTransmissbn

Accessslot#8RandomAocesslhomission

Accessslot#14

PRACH信息部分的帧结构

Data

DataMbits

Control

MessagepartradioirameTRACH=l0ms

35

捕获指示信道AICH

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个比特(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Signature

AICH的相位参考为CPICH

AICH为固定速率(SF=256)的物理信道

36

上行专用物理信道DPDCH/DPCCH

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；

IDPCCH用来传输层工的控制信息；

帧长为10ms,分15个时隙，每时隙2560chips；

」DPDCH的扩频因子(SF)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

37

上行DPDCH/DPCCH帧结构

Data

DPDCH

N1atabits

Tsbt=2560chips,Niata-10*少bits(k=0..6)

DPCCH

1radioframe:Tf=10ms

38

上行DPDCH/DPCCH作用

实现物理层对

高层数据承载

■

DPDCH

DCH数据

DPCCH

39

专用下行物理信道DPCH

UDPCH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

彳言号；

控制信息包括：导频、TPC、可选的TFCI;

IDPCH的扩频因子可以为512到4,并且在连接过程中可以改变；

UDPDCH和DPCCH是时间复用的；

U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；

40

DPCH的帧结构

CTDCH-CTOCH-fflXH

Oneradioflame,Tf=10ms

41

下行DPDCH/DPCCH作用

实现物理层

数据承载

■

■

DCH数据

DPDCH

DCH数据

DPCCH

Z

为DPDCH提供解调、功

控等控制数据

42

下行DPCH多码传输的时隙结构

DPDCHDPDCH

1j.—■—

TPCTFCIPilot

Ak

Transmission

PowerPhysicalChannel1

Ak

Transmission

PowerPhysicalChannel2

.

Ak

Transmission—

PowerPhysicalChanne1L

.一

►

0neSlot(2560chips)

43

HSDPA结构-HSDPA基本流程

4）检测HS-DSCH参数，如2）调度并确定HS-DSCH

果有发送鳄M的信息，则参数

开始接铲卷匾解调数据

I)CQI(onHS-DPCCH)

3)发送HS-DSCH参数(onHS-

SCCH)和数据(onHS-

5)ACK/NACK(onHS-

UHCCM)

6)数据包+重传(如果需要)

«(onHS-PSGH)

UENodeBRNC

44

HSDPA物理信道

HS-SCCH/HS-PDSCH为下行共享信道，为所有用户共享，UE一直侦察HS-

SCCH上的UEid判断该TTI是否指向自己，确定有数据发给自己后才解调HS-

PDSCH信道上的数据;HS-DPCCH为上行专用物理信道，用于传送三个物理

层信号ACK/NACK/CQI。

DPCH为专用信道（伴随信道），主要用于信令传输和功率控制；一般不承载

业务，但是也可以承载诸如AMR等实时业务（多RAB）。

45

HSDPA相关物理信道-HS-PDSCH的帧结构

时隙格式比特速率符号速率扩频因子子帧比特数时隙比特数Ndata

O(QPSK)480kbps240ksps16960320320'

1(16QAM)960kbps240ksps161920640640

f1T、

固定赧因子SF=16

可以多信道并行传输《通过传输速率

QPSK调制M=2,16QAM调制M=4

只承载脐啜所不承载任何控制1言息

46

HSDPA相关物理信道-HS-SCCH帧结构

HS-SCCH帧结构:

HS-SCCH固定SF=128,固定数据速率60kbps

承载HS-PDSCH信道的层1控制信令

HS-SCCH全部映射用户七项数据属性信息，包括：Xue、Xccs、Xms、

Xrv、Xtbs、XhapxXnd;

每一个TH数据UE首先解调HS-SCCH,通过Xue发现这次数据是自己的，然

后解出其他六项属性，使用Xccs、Xms、Xrv、Xtbs属性解出HS-PDSCH上

的数据，然后使用Xhp、Xnd属性进行HARQ操作。

47

HSDPA相关物理信道-HS-DPCCH帧结构

上行HS-DPCCH信道

TTI=2ms（3时隙），SF=256,速率为15Kbps,承载HSDPA的3种上行物

理层信令（signal）,包含:ACK、NACK和CQI

ACK和NACK对应着数据传输的正确性指示，只有数据传输时才发送。CQI是

物理信道质量指示。

Tslot=2560chips2TS]Ot=5120chips

v►一

v

OneradioframeTf=10ms

48

逻辑信道与传输信道的映射关系

在WCDMA系统中，常用的逻辑信道和传输信道的映射关系

LogicalChannelsTransportChannels

CCCH(uplink)RACH

DCCH/DTCH(uplink)RACH

''DCH

BCCH(downlink)BCH

PCCH(downlink)PCH

CCCH/CTCH(downlink)FACH

DCCH/DTCH(downlink)一DCH

'''''''FACH

DTCH(downlink)HS-DSCH

49

传输信道与物理信道的映射关系

TransportChannelsPhysicalChannels

DCHDedicatedPhysicalDataChannel(DPDCH)

DedicatedPhysicalControlChannel(DPCCH)

RACHPhysicalRandomAccessChannel(PRACH)

BCH_____________________________PrimaryCommonControlPhysicalChannel(PRACH)

FACH______SecondaryCommonControlPhysicalChannel(SCCPCH)

______

PCH_____________一

SychronisationChannel(SCH)

AcquisitionIndicatorChannel(AICH)

PagingIndicatorChannel(PICH)

HS-DSCHHighSpeedPhysicalDownlinkSharedChannel(HS-PDSCH)

HS-DSCH-relatedSharedControlChannel(HS-SCCH)

DedicatedPhysicalControlChannel(uplink)forHs-DSCH

(HS-DPCCH)

50

内容介绍

O

第2章WCDMA物理层关键技术

第1节信道结构与映射关系

第2节编码和复用技术

第3节扩频技术

第4节调制技术

51

编码与复用概述

目的：从MAC层来的数据流

以传输时间间隔(Tn)为周

期，以传输块(TB/TBS)为单

位，流经物理层，经过信道

编码与复用后提供给无线传♦

输链路上传输；

编码与复用，实现传输信道映射到

物理信道

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

4•

1=1/

物理信道上的数据流

52

编码与复用步骤

CRC添力口

编

」传输块级联与码块分段

码

前向纠错编码

速率匹配与

L1DTX插入复

交织用

无线帧分段步

」传输信道(TrCH)复用骤

U物理信道分段

"物理信道映射

53

传输块(TB)的CRC添加

CRC以TB为单位进行添加；

CRC长度由上层信令告诉；

止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=O,仍要添力「CRC,只是CRC均为0；

54

传输块（TB）的级联与码块分段

」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：

LL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；

1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40;

55

前向纠错编码

［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

1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、l/3Turbo

码、不编码

编码码块级联

56

速率匹配(RM)

含义

I!对TrCH上的比特进行重复或打孔，来确保TrCH复用后总的比特

速率和被分配的专用物理信道的总的比特速率相同。上层为各个

TrCH配置了相应的速率匹配参数(RM),用于计算各个TrCH的

比特重复和打孔值。

速率匹配原则

」保证重复/打孔位均匀分布在各无线帧内；

U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；

57

不连续发射标识(DTX)插入

U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

JlstDTX插入对TrCH的一个TTI进行,2ndDTX插入对CCTrCH的

无线帧进行

UDTX在空中接口的发送能量为0

58

交织

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211d交织

Wist交织的交织长度是TrCH的TTI,属于帧间交织；

[1st交织与丁口有关,TTI=10ms时没有1st交织；

[1st交织是根据丁TI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无线帧，属于帧内交织

出2nd交织是将一个无线帧内的数据分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；

山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}

59

无线帧分段

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

60

传输信道(TrCH)的复用

复用以无线帧(10ms)为单位；

复用的输入为TrCH数据，复用后形成CCTrCH；

CCTrCH的格式由TFCI指示；

复用前的各TrCH可以有不同的TTI；

CCTrCH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；

胴一个CCTrCH的不同无线帧由CFN来区分；

61

物理信道分段与映射

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；

1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；

62

扩频前下行物理信道的形成流程

扩频、加扰扩频、加扰OOO扩频、加扰

63

扩频前物理信道的形成流程

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。

KCTrCH的形成：

出业务数据加CRC校验码；

1信道纠错编码：根据业务类型选择卷积编码或Tu「b。编码;

出速率匹配；

山交织；

山多个传输信道复用为CCTrCH

CCTrCH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。

64

编码与复用例子（下行12.2Kbps的AMR语音业务）

12.2kb/sAMR语音参数

ThenumberofTrChs3

Transportblocksize81,103,and60bits

CRC12bits(attachedonlytoTrCh#1)

CodingCC,codingrate=1/3forTrCh#1,2codingrate=

1/2forTrCh#3

TTI20ms

3.4kb/s控制信道参数

Transportblocksize148bits

Transportblocksetsize148bits

CRC16bits

CodingCC,codingrate=1/3

TTI40ms

65

下行链路12.2kbpsAMR语音编码

Transportblock

CRCattachment

I

Tailbitattachment

Convolutional

codingR=l/3,1/2

J

Ratematching

I

1stinterleaving

Radioframe

segmentation

NRF1=(303+NRMI)/2

NRF2=(333+