1、第六章 WCDMA 物理层,物理层概述 物理层技术 物理层过程 物理层测量 几个RRC过程,内容提要,UMTS的体系结构,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,物理层,物理层提供的服务,传输信道：定义无线接口数据传输的方式和特性。公共传输信道RACH：随机接入信道（Random Access Channel），上行信道的建立CPCH：公共分组信道（Common Packet Channel）FACH：前向接入信道（Forward Access Channel），响应RACHDSCH：下行共享信道（Downlink Shared C
2、hannel）BCH：广播信道（Broadcast Channel）PCH：寻呼信道（Paging Channel）专用传输信道DCH：专用信道（Dedicated），既可以上行，又可以下行。在DCH上，所有的UE可被分配的物理信道被唯一的标识,公共传输信道分类,传输信道以一定方式传送数据 传输块（TB，Transport Block）：物理层与MAC层间的基本交换单元。物理层为每个TB添加一个CRC校验。 传输块集（TBS，Transport Block Set）：多个TB的集合，TBS是一条数据请求内承载的TB的集合。 传输块的大小（Transport Block Size）：指一个传输块
3、的比特数。在一个传输块集TBS中，传输块的大小是固定的、同向的。 传输时间间隔（TTI，Transmission Time Interval）：一个传输块集合到达的时间间隔。在每一个TTI内MAC层传送一个TBS到物理层。,传输块,传输格式（TF，Transport Format）：一条传输信道对应一个传输格式。TF由两部分组成： 动态部分：传输块的大小和传输块集的大小 半静态部分：传输时间间隔TTI、信道编码方案及码速率、静态速率匹配参数RM等。 传输格式组合（TFC，Transport Format Combination）：为了提高传输效率，把一条或多条传输信道的数据组合起来构成组合传输
4、信道（CCTrCH）。 在每一个传输信道上都存在一个传输格式集，TFC定义为当前有效传输格式的指定组合。 传输格式组合指示（TFCI，TFC Indicator）：TFCI是当前TFC的一种组合，TFCI与TFC是一一对应的。 物理层根据所有并行的传输信道上收到的TFI的值，生成物理层控制信令TFCI。TFCI由高层协商并配置。,传输块,业务复用的概念,业务复用： 1传输格式（TF：Transport Format） 2传输格式集合（TFS：Transport Format Set） 3传输格式组合（TFC：Transport Format Combination） 4传输格式组合集合（TFC
5、S：Transport Format Combination Set） 5传输格式指示（TFI ：Transport Format Indicator） 6传输格式组合指示（TFCI：Transport Format Combination Indicator）,业务复用举例 3.4 kbps数据,业务复用举例 12.2 kbps数据,12.2 kbps data and 3.4 kbps data 的复用,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、编码组合传输信道的解复用；
6、- 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；,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,什么是物理信道？,物理信道：有自己特定的载波频率，扰码，信道化码，开始和停止的时间。 时间段由开始和停止的时刻定义，是chip的整数倍。 下面是几个概念： 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
7、线帧的长度对应于38400chip，绝对时间是10ms。72个连续帧构成一个720ms的超帧 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。 比特（bit）：chip是固定的，bit数是可变的,物理信道(上行),上行信道,上行专用信道,DPDCH,DPCCH,上行公用信道,PRACH,PCPCH,物理信道（下行）,下行信道,下行专用信道,DPDCH,DPCCH,下行公用信道,CCPCH,SCH,PDSCH,PICH,AICH,CPICH,WCDMA物理信道,传输
8、信道,物理信道,BCH,FACH,PCH,RACH,CPCH,DCH,DSCH,公共导频信道（CCPCH）,主公共导频信道（P-CCPCH）,辅助公共导频信道（S-CCPCH）,物理随机接入信道（PRACH）,物理公共分组信道（PCPCH）,专用物理数据信道（DPDCH）,专用物理控制信道（DPCCH）,同步信道（SCH）,物理下行公享信道（PDSCH）,寻呼指示信道（PICH）,物理信道（上行）,上行物理信道 Dedicated uplink physical channels 两种上行专用物理信道：DPCCH，DPDCH。DPCCH和DPDCH在IQ两路上复用。 DPDCH承载DCH，在每
9、一个无线链路上可以有0，1或者多个上行DPDCHs。 DPCCH承载物理层生成的控制信息，包括：pilot，TPC，TFCI，FBI。TFCI指示了DPDCH中承载的DCH的数据格式。在每一个无线链路上有且只有一个DPCCH。 Common uplink physical channelsPhysical Random Access Channel (PRACH)随机接入物理信道Physical Common Packet Channel (PCPCH)公共分组物理信道,下行物理信道 Dedicated downlink physical channels 下行DPCH可以看成是下行DPDCH
10、（DCH）和下行DPCCH（控制信息：pilot，TPC，TFCI，FBI ）的时分复用。 Common downlink physical channels Common Pilot Channel (P，S-CPICH)Common Control Physical Channel (P，S-CCPCH)Synchronisation Channel (SCH)Physical Downlink Shared Channel (PDSCH)Acquisition Indicator Channel (AICH)CPCH Access Preamble Acquisition Indicat
11、or Channel (APICH)CPCH Collision Detection/Channel Assignment Indicator Channel (CD/CA-ICH)Paging Indicator Channel (PICH)CPCH Status Indicator Channel (CSICH),物理信道（下行）,上行专用物理信道结构（UL-DPCH）,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0，一个或多个DPDCH信道,下行专用物理信道结构（DL-DPCH）,专用数据信道与控制信道时分复用,下行多码传输,下行链路多
12、码发送，即CCTrCH（使用相同的扩频因子）映射到多个并行的下行链路DPCH中。 物理层的控制信息只在第一个物理信道上发送。 在相应的的时间段内，附加的下行链路DPCH发送DTX。,上行随机接入信道PRACH,采用时隙ALOHA方向，竞争接入 前导+消息：前导由签名序列构成。每个preamble由长为16chip的signature重复256次组成。最多有16种可用的signature 。前导个数有高层制定,消息部分：分为控制和数据 并行传输,PRACH的消息部分,公共导频信道 (CPICH),CPICH：固定速率，30 kbps, SF=256，承载一个预先定义好的比特/符号序列。不传输高层
13、信息，也不对传输信道映射 P-CPICH：为SCH、P-CCPCH等提高相位参考，切换测量 S-CPICH：为S-CCPCH和DL-DPCH提供相位参考，由高层通知移动台,主公共控制物理信道P-CCPCH,P-CCPCH：固定速率，30kbps，SF=256，承载BCH传输信道 S-CCPCH：承载下行寻呼PCH和接入指示信道FACH,同步信道（SCH）,SCH：提供同步、定时，没有数据，只有特定码组 P-SCH：PSC，256个固定码片，每个小区的PSC相同 S-SCH：主扰码组，每个小区尽量不同 两者并行传输，没有信道化码，也不扰码,物理信道之间的定时关系,PRACH/AICH定时关系,物
14、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,传输信道到物理信道的映射,一个小区内的信道,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,上行链路传输信道的 编码复用过程,下行链路传输信道的 编码复用过程,信道编码,卷积编码,Turbo编码,交 织,速率匹配,速率匹配：指在传输信道上的数据比特被打孔（puncturing）或重复（repeating），以便于使信道映射时达到传输格式所要求的比特速率,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
15、物理层原理,物理信道成帧后，需要进行扩频、扰码两步操作。 第一步：信道化，扩频，增加信号带宽。采用OVSF码作为信道化码；扩频因子（Spreading Factor）。 第二步：扰码，扰码的码字速率与已扩频符号相同，不影响带宽。采用Gold码作为扰码。 上行链路物理信道加扰的作用是区分用户。 下行链路加扰可以区分小区。,扩 频,OVSF码,上行链路长扰码,Gold码由2个m序列相加而成，,下行链路长扰码,上行专用物理信道（DPCH）扩频,最多允许一个DPCCH信道，6个DPDCH信道同时传输,下行链路的扩频操作,调 制,介绍小区搜索，功率控制等一些物理层的过程,物理层过程,小区搜索随机接入功率
16、控制,WCDMA物理层过程,小区搜索分三步实现： 第一步：时隙同步：首先搜索主同步信道P-SCH的主同步码PSC，与信号最强的基站取得时隙同步。 第二步：扰码码组识别和帧同步：搜索辅同步信道S-SCH的辅同步码SSC来识别扰码码组，识别出该小区的帧头。 第三步：扰码识别：需进一步确定基站的身份码下行扰码。移动台使用第二步识别到的扰码码组中的8个主扰码分别与捕获的P-CPICH信道进行相关计算，得到该小区使用的下行扰码。 根据识别到的扰码，P-CCPCH就可以被检测出，从而可获得超帧同步，系统以及小区的特定的广播信息BCH就可被读出。,小区搜索,1 、时隙同步,UE采用SCH的主同步码来获取(在
17、256chip之内完成) 一般采用一个匹配滤波器来完成。做相关运算 所有小区主同步码都相同，即C256,0。此码的自相关性能很好。,2 、帧同步和码组指示,UE采用辅助同步码来发现帧同步（在无线帧长10ms之内） 并同时确定小区的码组 辅助同步码是由16个长度为256chip的短码构成。共有512个扰码，对应了32个扰码码组，每个码组含16个扰码。 网络规划时：需对扰码的码组选择和扰码选择做优化，因为不同码字之间的相关性不一样 尽量使相邻扰码的互相关很小,3、扰码识别,UE确定小区中使用的基本扰码。 在PCCPCH上与2中识别的码组中所有码字进行符号与符号之间的相关运算。 识别了小区基本扰码后
18、，同时UE也得到了超帧同步（从BCH上的系统帧序号SFN信息获得）,小区搜索随机接入功率控制,WCDMA物理层过程,随机接入过程用于UE和UTRAN建立初始的连接。 可以在UE和UTRAN之间建立信令的连接 发送少量的分组数据。 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Transport Format。 对应每个接入业务级别ASC的可用特征码和RACH子信道组 要发送的数据 信息的时间长度，10ms或者20ms。 preamble的扰码 最大前导重传次数 初始前导功率,随机接入过程,AICH_Transmission_Timing参数 0 or 1。
19、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， 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-
20、access地数据部分和控制部分的功率差。,随机接入过程条件,物理随机接入步骤(1),1.UE对给定的ASC，从可用的子信道组中随机选择一个RACH子信道组 2.选择接入时隙 3.对给定的ASC，从可用的特征码中随机选择一个特征码 4.设置前导重传次数,5.设置前导传输功率 6.UE用选定的接入时隙、特征码、和前导传输功率发送第一个前导 7.如果没有在下行链路的AICH中对应的接入时隙里得到捕获指示AI:,物理随机接入步骤(2),选择新的上行接入时隙重新尝试 在给定的ASC内，从可用的特征码中随机选择新的特征码 以设定的步长增加前导发射功率 记录前导重传的次数,若前导重传次数小于设定值，返回6
21、。 若前导重传的次数大于设定值，将“无应答”传递给MAC层,物理随机接入步骤(3),8. 若在AICH信道中检测得到负的捕获指示，则将“拒绝接入”信息返回MAC层 9. 根据AICH中传输定时参数，在最后一个前导之后，发送随机接入消息部分。,将已发送RACH消息传递给MAC层,小区搜索随机接入功率控制,WCDMA物理层过程,目的：CDMA系统是自干扰系统 保证用户QoS要求 减小干扰，提高容量 阴影效应 方式： 开环：自己根据某种参数，自我决定功率 闭环：有反馈 内环：内环功率控制调整的速率为1500次/s。主要是克服无线信道的快速衰落变化。保证用户QoS要求的信噪比要求。 外环：外环功率控制
22、主要是为了克服无线信道中的长期衰落。控制内环业务的FER要求。,功率控制,内环功率控制,外环功率控制,功率控制,开环功率控制：无反馈 闭环功率控制：与反馈 外环功率控制 外环功率控制 上行和下行之分,开环功率,开环功控设定PRACH的功率发射，遵循以下算法： PLI常数 P: RACH信道的传输功率,dBm； L：测量下行P-CCPCH（primary CCPCH）的信道损失，dB; I：在BTS的干扰信号功率，dBm，在BCCH中广播; 常数: 由第三层确定的参数。,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
23、际中的应用。,几个RRC过程,RRC建立过程RRC释放过程,几个RRC过程,RRC连接 建立过程,RRC建立过程RRC释放过程,几个RRC过程,专用信道RRC连接释放过程,业务等级,业务举例1Conversational / speech / UL:12.2 DL:12.2 kbps / CS RAB + UL:3.4 DL:3.4 kbps SRBs for DCCH,Transport channel parameters for DL:3.4 kbps SRBs for DCCH,业务举例2Interactive or background / UL:384 DL:384 kbps /
24、PS RAB + UL:3.4 DL:3.4 kbps SRBs for DCCH,专用物理信道结构,DPCCH中的域,Pilot：导频信道 FBI：反馈信息，支持反馈模式发射分集（FBD）和站址选择分集（SSD） S域用于SSD控制 D域用于FBD反馈模式发射分集控制 TPC: 传输功率控制 TFCI：传输格式组合指示，通知基站有关用户上行DPDCH多路复用的不同传输信道数据格式（传输块大小、间隔等）,RACH基于时隙ALOHA方式,上行物理随机接入信道PRACH,前导部分,.,前导部分,前导部分,消息部分,4096Chip,前导部分是长16chip的特征码重复256次,Data Nbit,
25、Pilot Npbit,TFCI,10ms,slot1,slot2,slot15,sloti,10ms,.,.,.,4096Chip,接入前导,碰撞检测前导,DPCCH,DPDCH,10ms,N10ms,上行物理公共分组信道PCPCH,下行专用物理信道DPCH,物理信道1,物理信道2,物理信道L,Pilot,TPC,TFCI,多码传输时下行时隙格式,DPDCH,1个时隙0.625ms,数据,slot1,slot2,slot15,sloti,10ms,.,.,帧1,帧2,帧72,帧i,.,.,720ms,256chip,2560chip 20bit,主公共控制物理信道PCCPCH,数据,slot
26、1,slot2,slot15,sloti,10ms,.,.,帧1,帧2,帧72,帧i,.,.,720ms,2560chip 20*2Kbit(K=0.6),Pilot,TFCI,辅助共公控制物理信道SCCPCH,DATA,acp,acsi,1,256chip,DATA,acp,acsi,2,slot2,DATA,acp,acsi,15,slot15,.,帧,slot1,P-CCPCH,P-SCH,S-SCH,同步信道SCH,同步信道的域,CP表示主同步码 Csi,k表示辅助同步码，i表示该小区使用的扰码组号；k表时隙号 a表示同步码上的调制信号，用来指明PCCPCH上是否用了STTD编码。,P
27、DSCH,DCH,Slot=2560chip,物理下行共享信道PDSCH,AS0 AS1 . ASi . AS14,AI 空闲部分,16symbol(4096chip) 4symbol(1024chip),20ms,AI对应于PRACH或PCPCH上的特征码，通知用户准予接入。包含15个接入时隙AS,下行捕获指示信道AICH,时隙,天线1,天线2,公共导频信道调制样图,公用导频信道CPICH,（双天线分集发送）,.,.,1帧10ms,288bits,12bits,每帧发送N个寻呼指示，N8、36、72、144。如果相应位置的PI为1，就表明与之相关的UE应该去读取相关的S-CPCH相应帧内容。
28、 固定的SF=256,寻呼指示信道PICH,信道编码和复用,为保证高层数据在无线信道上传输，需要将MAC来的数据流进行编码/复用 非压缩模式 压缩模式,以传送块集的形式，每个传送时间间隔TTI传输一次，TTI是10,20,40,80ms中的一个 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 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,非压缩模式传输信道编码/复用,压缩模式传输信道编码/复用,一个帧中时隙Nfirst到Nlast不被用作数据传输，为保持压缩后的BER不受影响，压缩帧中其他时隙的传输功率加大，何时帧被压缩，取决于网络。 用打
29、空或减小扩频因子两种方式来完成,接收机为了准确解码，必须知道发送方的编码/复用格式。 检测方式有显式和阴式（盲传送格式检测）两种,传输格式检测,扩频与调制,CDMA系统的基础。使得系统具有抗多径衰落，发射功率低和频谱利用率高等优点。,上行链路,PRACH 消息数据,PRACH 消息控制,Cc,c,Cd,j,d,Sr,C1,1=(1),C2,1=(1,1),C2,1=(1,-1),C4,1=(1,1,1,1),C4,1=(1,1,-1,-1),C4,1=(1,-1,1,-1),C4,1=(1,-1,-1,1),OVSF正交可变扩频因子信道码,长扰码的生成,短扰码的生成,随机接入前导扰码,下行链路
30、,下行扰码的生成,发射分集,开环发射分集 TSTD（Time Switched Transmit Diversity,时间切换发射分集） STTD(Space Time block coding based Transmit Diversity，空间时间发射分集) 闭环发射分集,b0 b1 b2 b3,b0 b1 b2 b3,-b2 b3 b0 -b1,STTD,天线1,天线2,STTD开环发射分集,采用STTD编码的信道有：P-CCPCH,S-CCPCH,DPCH,PICH,PDSCH,AICH,CPICH,信道 编码,速率 匹配,交织,复 用,复 用,STTD 编码,TPC,TFCI,STTD后的导频1,STTD后的导频2,信道码、扰码,天线1,天线2,信道 编码,交织,复 用,TPC,TFCI,导频,天线1,天线2,扩频,交织,DPCCH 解码 (FBI域),w1,w2,反馈模式发射分集,
