WCDMA空中接口及无线技术

1、2020/7/23,1,WCDMA空中接口及无线技术,2020年7月23日,2020/7/23,2,内 容,UMTS的体系结构 UU协议栈结构 物理层概述 物理层过程 几个RRC过程 业务相关内容,2020/7/23,3,2020/7/23,4,WCDMA体系结构,UTRANUMTS Terrestrial Radio Access Network CN Core Network UE User Equitment,2020/7/23,5,UMTS的组成 UE：用户设备 UE中的物理层负责上行信道的发送和下行信道的接收。 UTRAN：通用陆地无线接入网络 UTRAN由NODE B和RNC组成，

2、地面网络的物理层在物理实体上存在于NODE B，空中接口的其他层则主要存在于RNC，NODE B中的物理层负责下行信道的发送和上行信道的接收。 CN：核心网,空中接口的物理层存在于这两部分设备，其中地面部分在NODE B（BS）,2020/7/23,6,UTRAN网络结构,RNS 无线网络子系统 RNC 无线网络控制器 Node B 节点B,2020/7/23,7,UTRAN的接口协议,WCDMA网络的协议结构 接入层的协议在Iu接口终止，非接入层协议在UTRAN透传,2020/7/23,8,UTRAN的接口协议,UTRAN各接口的通用协议模型,2020/7/23,9,UTRAN的接口协议,U

3、TRAN各接口的通用协议模型 层和面的概念，逻辑上相互独立 垂直的层 无线网络层：与UTRAN有关的功能 传输网络层：UTRAN选用的标准传输技术 平行的面 控制面：应用协议（建立到UE的承载）和传输应用协议的信令承载 用户面：数据流和用于承载这些数据流的数据承载 传输网络控制面：传输层内的所有控制信令，建立用于用户面的数据承载,2020/7/23,10,内 容,UMTS的体系结构 UU协议栈结构 物理层概述 物理层过程 几个RRC过程 业务相关内容,简单回顾一下UU接口（空中接口）的协议栈结构，这部分内容在前面的培训中已经有比较详细和完备的介绍，这里着重看看物理层在空中接口协议栈的位置,20

4、20/7/23,11,UU协议栈,2020/7/23,12,无线接口协议,无线接口是指UE和UTRAN之间的Uu接口 Uu接口包括： 无线接口分为三个协议层，层1为PHY，层2分为两层（RLC和MAC），层包含RRC及以上各层； RLC和层分为两个平面（控制面和用户面）； 在用户平面，层2还包括PDCP和BMC； 在控制平面，层分为若干子层： 最低子层为RRC子层，大多数UE和UTRAN之间的控制信令是RRC消息； 高层信令，如：MM和CC，由核心网实现。,2020/7/23,13,无线接口协议,PHY(物理层):编解码，扩频调制 MAC(媒体接入控制协议层):逻辑信道到传输信道的映射，流量控

5、制 RLC(无线链路控制层):封装、重传、加密、纠错 BMC(广播组播控制协议层):小区广播消息存储转发控制 PDCP(分组数据汇聚协议层):分组业务的IP包头压缩/解压 RRC(无线资源控制层):无线资源管理，调整MAC、PHY层参数设置，保证用户QoS实现,2020/7/23,14,信道结构,逻辑信道：按信息内容分类，分为控制信道和业务信道，控制信道用来传输控制平面信息，而业务信道用来传输用户平面信息。 传输信道：按传送方式分类，分为公共信道和专用信道，公共信道需要所有用户或一组用户要对该信道的信息进行解码，而专用信道的信息在某一刻只针对一个用户。 物理信道：一组特定的正交码道，利用载波频

6、率、信道化码、扩频码、调制相位界定出唯一信道。,2020/7/23,15,空中接口,L1-PHY L2-数据链路层 L3-网络层,这是我们今天主要关心的内容,2020/7/23,16,有什么问题吗？,2020/7/23,17,内 容,UMTS的体系结构 UU协议栈结构 物理层概述 物理层过程 几个RRC过程 业务相关内容,介绍物理层提供给高层的服务，空中接口的物理层信道类型，传输信道和物理信道的关系，以及物理层的编码复用和扩频调制等等内容,2020/7/23,18,物理层提供给高层的服务和功能 物理信道类型 传输信道和物理信道关系 编码复用 扩频调制,WCDMA物理层原理,2020/7/23,

7、19,物理层提供给高层的服务和功能 物理信道类型 传输信道和物理信道关系 编码复用 扩频调制,WCDMA物理层原理,2020/7/23,20,物理层提供的服务,物理层给MAC和更高层提供信息传输能力。我们用传输信道来描述。传输信道分为两类： 公共传输信道 RACH：随机接入信道 CPCH：公共分组信道 FACH：前向接入信道 DSCH：下行共享信道 BCH：广播信道 PCH：寻呼信道 专用传输信道 DCH：专用信道,2020/7/23,21,物理层的功能,-宏分集的合并和分发，软切换的执行； -传输信道的错误检测并且上报给高层； -传输信道的前向编码和译码，交织和解交织； -传输信道的复用、编

8、码组合传输信道的解复用； -速率匹配； -编码组合传输信道向物理信道的映射； -物理信道的功率加权和合并； -物理信道的扩频、调制以及解扩和解调； -频率和时间（chip, bit, slot, frame ）同步； -测量并向高层指示； -闭环功率控制； -射频处理；,2020/7/23,22,物理层提供给高层的服务和功能 物理信道类型 传输信道和物理信道关系 编码复用 扩频调制,WCDMA物理层原理,2020/7/23,23,什么是物理信道？,物理信道是有自己特定的载波频率，扰码，信道化码，开始和停止的时间，在上行并且有相对相位的实体。时间段由开始和停止的时刻定义，是chip的整数倍。下面

9、是几个概念： 无线帧（Radio frame）：一个无线帧是由15个时隙组成的一段处理时间。无线帧的长度对应于38400chip，绝对时间是10ms。 时隙（slot）：时隙是包含bit的时间段。时隙的长度对应于2560chip。 码片（Chip）：WCDMA中的chip速率是3.84M，所以一个chip所对应的时间是260ns。,2020/7/23,24,物理信道（上行）,上行物理信道 Dedicated uplink physical channels Common uplink physical channels Physical Random Access Channel (PRACH

10、)随机接入物理信道 Physical Common Packet Channel (PCPCH)公共分组物理信道,2020/7/23,25,物理信道（下行）,下行物理信道 Dedicated downlink physical channels Common downlink physical channels Common Pilot Channel (P,S-CPICH)公共导频信道 Common Control Physical Channel (P，S-CCPCH)公共控制物理信道 Synchronisation Channel (SCH)同步信道 Physical Downlink

11、Shared Channel (PDSCH)物理下行共享信道 Acquisition Indicator Channel (AICH)捕获指示信道 CPCH Access Preamble Acquisition Indicator Channel (AP-AICH)接入前导请求指示信道 CPCH Collision Detection/Channel Assignment Indicator Channel (CD/CA-ICH)冲突检测信道分配指示信道 Paging Indicator Channel (PICH)寻呼指示信道 CPCH Status Indicator Channel (

12、CSICH) CPCH状态指示信道,2020/7/23,26,专用物理信道, DPCH,两个部分: DPDCH (Dedicated Physical Data Channel)携带第二层以上产生的数据 DPCCH (Dedicated Physical Control Channel)携带物理层产生的数据 导码 (接收机已知) TPC 功率控制命令 TFCI bits (传输格式合并提示比特) DPDCH/DPCCH 复用 Downlink: 时分复用 Uplink: Code/IQ 复用,2020/7/23,27,上行专用物理信道 （UL-DPCH）,I/Q-multiplexing,TF

13、CI - Transport Format Combination Indicator TPC - Transmitter Power Control FBI - Feedback Information,承载专用信道 DCH DPDCH 与 DPCCH 使用不同的扩频码，同时传输 一条链路可同时传输0个，个或多个DPDCH信道,2020/7/23,28,下行专用物理信道 （DL-DPCH）,0.667 ms = 2560 chips, 102k channel bits,DPCCH,DPDCH,10 ms,TFCI,Data1,TPC,Data2,Pilot,DPDCH,DPCCH,DPCC

14、H,QPSK,TFCI - Transport Format Combination Indicator TPC - Transmitter Power Control,专用数据信道与控制信道时分复用,2020/7/23,29,下行多码传输,2020/7/23,30,上行随机接入信道结构,每个preamble长度为4096chip，并且由一个长度 为16chip的signature重复256次组成。最多有16种可用的signature,31,公共导频信道CPICH,Pilot Symbol Data (10 symbols per slot),1 timeslot = 2560 Chips =

15、 10 symbols = 20 bits = 666.667 uSec,3GPP TS 25.211 5.3.3,CPICH不传送任何高层信息，在物理层产生的信道 CPICH为越区切换和小区重选的参考信号 CPICH对专用信道进行辅助的信道估计，对公共信道提供信道相位参考,2020/7/23,32,基本公共控制物理信道P-CCPCH,下行物理信道 携带BCH信息 与 DL DPCH比较 No TPC command (no related power-controlled uplink) No TFCI (fixed rate) No pilot,0.667 ms,DTX,DTX,SCH,D

16、TX - Discontinuous Transmission SCH - Synchronization Channel,2020/7/23,33,基本公共控制物理信道,2020/7/23,34,辅助公共控制物理信道 S-CCPCH,下行物理信道 携带 FACH和/或PCH信息 与下行DPCH比较 No TPC command (no related power-controlled uplink) Optional TFCI Optional Pilot,0.667 ms,2020/7/23,35,寻呼指示信道PICH,和传送PCH的S-CCPCH相关联，为终端提供睡眠模式 减少接收机开启

17、时间，低电池消耗,2020/7/23,36,同步信道,2020/7/23,37,物理信道之间的定时关系,2020/7/23,38,PRACH/AICH定时关系,2020/7/23,39,物理层提供给高层的服务和功能 物理信道类型 传输信道和物理信道关系 编码复用 扩频调制,WCDMA物理层原理,2020/7/23,40,传输信道到物理信道的映射,2020/7/23,41,一个小区内的信道,2020/7/23,42,有什么问题吗？,2020/7/23,43,物理层提供给高层的服务和功能 物理信道类型 传输信道和物理信道关系 编码复用 扩频调制,WCDMA物理层原理,2020/7/23,44,非压

18、缩模式下的传输信道编码/复用,编码/复用步骤： 给传送块加CRC 传送块级联和码块分割 信道编码 速率匹配 插入非连续传输DTX指示比特 交织（两次） 无线帧分割 传输信道的复用 物理信道的分割 物理信道的映射,2020/7/23,45,上行链路传输信道的 编码复用过程,2020/7/23,46,下行链路传输信道的 编码复用过程,2020/7/23,47,信道编码,2020/7/23,48,卷积编码,2020/7/23,49,Turbo编码,2020/7/23,50,交 织,2020/7/23,51,速率匹配,2020/7/23,52,有什么问题吗？,2020/7/23,53,物理层提供给高层

19、的服务和功能 物理信道类型 传输信道和物理信道关系 编码复用 扩频调制,WCDMA物理层原理,2020/7/23,54,扩 频,2020/7/23,55,OVSF码,2020/7/23,56,上行链路长扰码,2020/7/23,57,下行链路长扰码,2020/7/23,58,上行专用物理信道（DPCH）扩频,2020/7/23,59,下行链路的扩频操作,2020/7/23,60,调 制,2020/7/23,61,FDD模式的码分配介绍,码分配处理不同的码如何分配给不同的连接的问题。,2020/7/23,62,FDD模式的码分配策略,原因： OVSF码是CDMA系统中的重要资源。 码分配的目标是

20、以最低的复杂度支持尽可能多的用户。 实际应用中，不同的用户可能请求传输速率不同的各种各样的服务。每一个UE可能会使用不止一个码来支持不同的数据速率。,2020/7/23,63,码资源分配策略,码资源分配策略指标： 利用率：分配的带宽/总带宽，越高越好，尽量保留扩频因子小的码字； 复杂度：与多码的数目成反比，越小越好，尽量使用单码传输； 码资源分配原则： 提高码字利用率 降低码资源分配策略的复杂度 确保尽量使用正交性好的码字 降低信道间干扰 提高系统容量,2020/7/23,64,FDD模式的码分配举例,为了指示系统可用的OVSF码，引入一个有序对C，叫做码字。C=(a1,a2,a3,a4,a5

21、,a6,a7)分别代表 SF=(4,8,16,32,64,128,256)可用的码，这里a14，a28，a316，a432，a564，a6128，a7256。 C所支持的全部数据速率（也就是被SF=256的OVSF码的数据速率归一化的）记做权重W， 可以如下得到：W(C)= a126+a225+a324+a423+a522+a621+a7. S(n)是能够支持全部速率 n的码字的集合，可以如下得到：S(n)=C|W(C)=n, C. 要求发送一个码字C的码N(C)的个数可以如下计算：N(C)= a1+a2+a3+a4+a5+a6+a7. 考虑一个请求数据速率n的UE。定义Ct=(a1,a2,a

22、3,a4,a5,a6,a7) 和Ct=(a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7)分别为码分配前后的系统的码字。对于W(Ct)=m，我们发现W(Ct)=W(Ct)-n=m-n。 例如，m=13并且n=6 Ct=(0,0,0,0,2,1,3)。 可能的候选码是集合S(6)的一个元素，这里： S(6)=(0,0,0,0,0,0,6), (0,0,0,0,0,1,4), (0,0,0,0,0,2,2), (0,0,0,0,1,0,2),(0,0,0,0,0,3,0), (0,0,0,0,1,1,0) C1,C2,C3,C4,C5,C6。 因此，在给UE分配了码之后系统可能的码字由以下得到： T(7)

23、 =Ct-C1, Ct-C2, Ct-C3, Ct-C4, Ct-C5, Ct-C6 =(0,0,0,0,1,1,1), (0,0,0,0,1,1,1), (0,0,0,0,1,1,1), (0,0,0,0,1,1,1), (0,0,0,0,1,0,3),(0,0,0,0,1,0,3). 根据第一个标准，在分配了之后(0,0,0,0,1,1,1)是推荐的码字（计作Copt），C1, C2, C3, 和C4是可能的候选码字。这些码字所需要的码的个数是：N(C1)=6, N(C2)=5, N(C3)=4, and N(C4)=3。根据第二个标准，应该选择C4因为它有最少的码。,2020/7/23,

24、65,物理层处理全过程汇总,2020/7/23,66,WCDMA 上行 (FDD),2020/7/23,67,WCDMA 下行 (FDD),2020/7/23,68,有什么问题吗？,2020/7/23,69,内 容,UMTS的体系结构 UU协议栈结构 物理层概述 物理层过程 几个RRC过程 业务相关内容,介绍小区搜索，功率控制等一些物理层的过程,2020/7/23,70,小区搜索 随机接入 功率控制 软切换,WCDMA物理层过程,2020/7/23,71,小区搜索 随机接入 功率控制 软切换,WCDMA物理层过程,2020/7/23,72,UE开机并建立通信,小区搜索：时隙同步-帧同步-解扰码

25、 小区选择：BCCH 随机接入：RACH RRC连接建立：FACH RB无线承载建立,2020/7/23,73,小区搜索,异步系统,小区ID码之间的时间偏移量是不可控制的 所有小区具有不同的小区ID码 UE 必须一直搜索所有的小区ID码 非常复杂 通过UTRAN的SCH得到解决,Cell #1, ID code,Cell #2, ID code,Cell #3, ID code,?,?,2020/7/23,74,小区搜索分三步实现： 第一步：时隙同步。 第二步：扰码码组识别和帧同步。 第三步：扰码识别。,小区搜索,2020/7/23,75,小区搜索信号,Common Pilot Channel

26、,One frame (38400 chips, Tf=10 ms),One slot (2560 chips),256 chips,基本同步信道Primary Synchronization Channel (P-SCH) 在每个小区时隙发送长度为256码片的序列 对于所有小区和时隙发送相同的序列 辅助同步信道Secondary Synchronization Channel (S-SCH) 与P-SCH并列发送长度为256码片的序列 每个小区和时隙发送的序列通常是不同的 15个连续的S-SCH序列对应一个小区的扰码码组,2020/7/23,76,小区搜索 - Step 1,Matched

27、filter,2560 chips,2560 chips,寻找基本同步信道P-SCH的时间,Indicates timing of P-SCH,2020/7/23,77,Slot no. #0 #1 #2 #13 #14 Group 0SSC1SSC1SSC2SSC7SSC16 Group 1SSC1SSC1SSC5SSC12SSC10 Group 2SSC1SSC2SSC1SSC15SSC12 Group 63SSC9SSC12SSC10SSC16SSC10,小区搜索 - Step 2,已知辅助同步信道(S-SCH)的位置 从辅助同步码获取帧同步和扰码组 每个辅助同步码是唯一的 每个S-SC

28、H 的循环移位是唯一的,Secondary SCH code words,2020/7/23,78,小区搜索 - Step 3,已知帧同步扰码组 从扰码组获取小区基本扰码 读取BCH，获得小区指定信息 小区负荷, 上行干扰 随机接入时隙的时序 下行功率,2020/7/23,79,小区搜索 随机接入 功率控制 软切换,WCDMA物理层过程,2020/7/23,80,随机接入过程,随机接入过程用于UE和UTRAN建立初始的连接。通过随机接入可以在UE和UTRAN之间建立信令的连接，或者发送少量的分组数据。在物理层进行随机接入之前需要从高层（MAC,RRC）得到必要的信息：,PRACH信息部分使用的

29、Transport Format。 PRACH发送的ASC。 要发送的数据。 preamble的扰码。 信息的时间长度，10ms或者20ms。 AICH_Transmission_Timing参数 0 or 1。 每个Access Service Class (ASC)的可用signatures和RACH子信道组。 功率控制因子Power_Ramp_Step integer 0。 参数Preamble_Retrans_Max integer 0。 初始preamble功率Preamble_Initial_Power。 功率偏移DPp-m = Pmessage-control Ppreamble

30、， 单位dB，发送的最后一个preamble的功率 和trandom-access message控制部分的功率差。 Transport Format集参数。包括每一个Transport Format的random-access地数据部分和控制部分的功率差。,81,随机接入,随机接入尝试和AICH 指示,Pre-amble,Pre-amble,Pre-amble,AICH,RACH,UE,BS,3GPP TS 25.211 7.3,4096 chips(1.066 msec),82,无线随机接入信息,无线随机接入信息 只有在AICH 指示之后才发送,3GPP TS 25.211 5.2.2,R

31、andom Access Message (10, 20, 40, or 80 bits per slot),RACH Data Slot (0.666 mSec),Pilot (8 bits),RACH Message Slot (0.666 mSec),1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,1 Frame = 15 slots = 10 mSec,I,Q,TFCI (2 bits),83,随机接入的时间偏移,BCH 播放可用随机接入时隙,5120 chips,radio frame: 10 ms,radio frame: 10 ms,Access slot

32、 #0,Random Access Transmission,Access slot #1,Access slot #7,Access slot #14,Random Access Transmission,Random Access Transmission,Random Access Transmission,Access slot #8,= Random Access Transmission,3GPP TS 25.211 5.2.2.1.1,2020/7/23,84,小区搜索 随机接入 功率控制 软切换,WCDMA物理层过程,2020/7/23,85,功率控制,功率控制的功能： 控制发

33、送功率的级别 减小干扰 保持连接的质量 功率控制分为： 上行外环功控 下行外环功控 上行内环功控 下行内环功控 上行开环功控 下行开环功控,2020/7/23,86,内环功率控制,2020/7/23,87,外环功率控制,2020/7/23,88,小区搜索 随机接入 功率控制 软切换,WCDMA物理层过程,89,WCDMA 软切换,目标 BS,起始 BS,SC5,SC6,SC1,SC4,SC7,SC8,每一个小区使用一个扰码 每一个 小区有一个独立的时间参考 小区间的CPICH和系统帧定时是任意的,2020/7/23,90,WCDMA 软切换,WCDMA 基站间是异步定时参考 IS-95/cdm

34、a2000 基站同步到GPS!,Data 2,TFCI,Data 1,TPC,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,Pilot,CPICH 2,CPICH 2,CPICH 2,CPICH 1,CPICH 1,CPICH 1,DPCCH/DPDCH,DPCCH/DPDCH,DPCCH/DPDCH,CPICH 2,CPICH 1,DPCCH/DPDCH,Toffset,10 msecframe,BS 1,BS 2,DPCCH/DPDCH,DPCCH/DPDCH,DPCCH/DPDCH,DPCCH/DPDCH,10 msec DPCCH/DPDCH frame,0.

35、666 msec DPCCH/DPDCH slot,91,WCDMA 软切换,软切换起动,(2) UE 测量邻近小区的CPICH 功率和时间延时,(3) UE 报告测量结果给UTRAN,(1) UTRAN 通知UE有关 邻小区的信息,(4) UTRAN决定 切换策略,DOCUMENTTYPE,TypeUnitOrDepartmentHere,TypeYourNameHere,TypeDateHere,CPICH 2,CPICH 2,CPICH 2,CPICH 1,CPICH 1,CPICH 1,DPCCH/DPDCH,DPCCH/DPDCH,DPCCH/DPDCH,CPICH 2,CPICH

36、1,DPCCH/DPDCH,Toffset,10 msecframe,BS 1,BS 2,UTRAN,UE Reports Toffset to UTRAN,92,WCDMA 软切换,(6) UE 的Rake 接收机同步到 BS2 的DPCCH/DPDCH,(7) UE处于BS1 and BS2 之间的软切换DPCCH/DPDCHs,(5) UTRAN命令BS2调整 DPCH定时偏移Toffset,(8) 当BS2信号足够强 放弃 BS1分支(切换完成),CPICH 1,CPICH 1,CPICH 1,DPCCH/DPDCH,DPCCH/DPDCH,DPCCH/DPDCH,CPICH 1,DP

37、CCH/DPDCH,Toffset,10 msecframe,BS 1,BS 2,UTRAN,UE 报告 Toffset 给 UTRAN,UTRAN 命令 BS2 调整DPCH 时间偏移Toffset,Toffset,软切换的执行,2020/7/23,93,有什么问题吗？,2020/7/23,94,内 容,UMTS的体系结构 UU协议栈结构 物理层概述 物理层过程 几个RRC过程 业务相关内容,这一部分主要使用几个例子，来说明物理层和其他层之间的关系，主要的目的是用实例来说明逻辑信道，传输信道，物理信道之间的映射及在实际中的应用。,2020/7/23,95,RRC建立过程 RRC释放过程,几个

38、RRC过程,2020/7/23,96,RRC连接 建立过程,2020/7/23,97,RRC建立过程 RRC释放过程,几个RRC过程,2020/7/23,98,专用信道RRC连接释放过程,2020/7/23,99,内 容,UMTS的体系结构 UU协议栈结构 物理层概述 物理层过程 几个RRC过程 业务相关内容,说明物理层如何实现WCDMA中所期望的支持多种速率业务的特点,2020/7/23,100,业务复用 WCDMA可以承载的业务,和业务相关的内容,2020/7/23,101,业务复用 WCDMA可以承载的业务,和业务相关的内容,2020/7/23,102,业 务 复 用,WCDMA系统传输的业务数据经过高层的封装，以传输信道数据 的形式进入物理层。承载着通信业务的多个传输信道进入同一 个复合传输信道（CCTrCH），再映射到物理信道。WCDMA系统 的业务复用过程，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收机过程；具体到物理层，就是把承载了用 户信息的传输信道与其控制信息进行组合，再映射到物理信道， 进行发送的过程。业务复用与物理信道的编码过程密不可分。,2020/7/23,103,几个业务复用相关的概念（1）,我们在讲述业务复用之前需要澄清几个概念： 1传输格式（TF：Trans