1、5.1 物理层物理层结构结构5.2 传输信道和物理传输信道和物理信道信道5.3 信道编码与信道编码与复用复用5.4 扩频与调制扩频与调制5.1 5.1 物物 理理 层层 结结 构构物理层是空中接口的最底层,它提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能。物理层与数据链路层的 MAC子层和网络层的 RRC子层连接。物理层向 MAC层提供不同的传输信道,传输信道定义了信息是如何在空中接口上传输的。物理信道在物理层定义,物理层受 RRC控制。5.1.1 物理信道帧结构物理信道帧结构高层数据传输到物理层之后,映射到物理信道的无线帧中。物理信道的数据传输速率、加扰方式、信道内容都有所不同,而且都可以无线帧为
2、单位进行区分。因此,可以从物理信道的帧结构着手,介绍各信道的结构、调制参数、在系统中的应用、信道之间的相对时序等内容。WCDMA 系统的物理信道在时间上分为3层结构:超帧、无线帧、时隙。物理信道的帧结构如图5-1所示:一个超帧为期720 ms,包括72个无线帧。其边界由系统帧标号(SFN,SystemFrameNumber)定义。一个超帧的头帧 SFN 对72取模值为0,尾帧 SFN对72取模值为71。一个无线帧周期长10ms,包括15个等长时隙,对应38400个码片,它是物理信道的基本单元。时隙是一个比特域组成的单元,对应2560个码片。物理信道的类型决定了每个时隙的信息比特数和结构。图5-
3、1 物理信道的帧结构5.1.2 物理信道时序结构物理信道时序结构发送小区系统帧号(SFN)的 P CCPCH 将被直接用于下行链路所有物理信道的定时基准,而间接用于上行链路的定时基准。上行物理信道的传输定时取决于接收下行物理信道的定时。下行物理信道的定时遵从以下规则:P SCH/S SCH、P CPICH/S CPICH、P CCPCH 和 PDSCH 采用相同的帧定时;不同的S CCPCH 可以采用不同的定时,但其与 P CCPCH 的帧定时偏移量是256码片的整数倍,即SCCPCH,k=Tk256码片,Tk0,1,149;5.2 传输信道和物理传输信道和物理信道信道5.2.1 传输信道传输
4、信道1.专用传输信道专用传输信道专用传输信道使用 UE的内在寻址方式。WCDMA 仅存在一种专用传输信道,即专用信道(DCH)。这个信道传输用户数据,并且只能为一个用户使用。尽管别的信道也能够传输少量的突发用户数据,但它们的设计并不是为了传送大量的数据,也不是为了传送扩展数据会话,DCH 可用于那些类型的对话。DCH 分为上行和下行,它支持快速功率控制、分集技术和软切换。2.公共传输信道公共传输信道公共传输信道有以下几种类型:(1)随机接入信道(RACH):上行链路信道,用于传输相对量小的数据,如初始接入或非实时专用控制或业务数据。(2)ODMA 随机接入信道(ORACH):用在中继链路中。(
5、3)公用分组信道(CPCH):用于传输突发数据业务。该信道仅存在 FDD 模式下的上行链路方向。公用分组信道为小区内全部 UE 所共享,因此它是一个公共资源。CPCH 受快速功率控制。(4)前向接入信道(FACH):一种公共下行信道。它不受闭环功率控制,用于传输相对量小的数据。(5)下行链路共享信道(DSCH):几个 UE共享的下行链路信道,用于传输专用控制或业务数据。(6)上行链路共享信道(USCH):几个 UE 共享的上行链路信道,用于传输专用控制或业务数据。USCH 仅用于 TDD模式。(7)广播信道(BCH):一种下行链路信道,用于在整个小区中广播系统信息。(8)寻呼信道(PCH):一
6、种下行链路信道,用于在整个小区中广播控制信息,以保证UE睡眠模式过程有效。当前确定的信息类型为寻呼和通告。PCH 的另一用处是 UTRAN用来通知 BCCH 信息有变动。3.传输信道的一些基本概念传输信道的一些基本概念(1)传输块(TransportBlock,TB):定义为物理层与 MAC 子层间的基本交换单元,物理层为每个传输块添加一个 CRC。(2)传输块集(TransportBlockSet,TBS):定义为多个传输块的集合,这些传输块是在物理层与 MAC子层间的同一传输信道上同时交换。(3)传输时间间隔(TransmissionTimeInterval,TTI):定义为一个传输块集合
7、到达的时间间隔,等于在无线接口上物理层传送一个 TBS所需要的时间。在每一个 TTI内MAC子层送一个 TBS到物理层。(4)传输格式组合指示(TransportFormatCombinationIndicator,TFCI):当前 TFC的一种表示。TFCI的值和 TFC 是一一对应的,TFCI用于通知接收侧当前有效的 TFC,即如何解码、解复用以及在适当的传输信道上递交接收到的数据。5.2.2 物理信道物理信道WCDMA 物理信道分为上行物理信道和下行物理信道,而上、下行物理信道又可分为专用物理信道和公共物理信道两类,下面分别介绍。1)WCDMA 上行物理信道WCDMA 上行 物 理 信
8、道 包 括 专 用 上 行 物 理 信 道(DUPCH)和 公 共 上 行 物 理 信 道(CPUCH)两类。(1)专用上行物理信道。专用上行物理信道包括上行专用物理数据信道(DPDCH)和上行专用物理控制信道(DPCCH)。上行 DPDCH 用于承载层2或者更高层(如 DCH)产生的专用数据。上行 DPCCH 用于承载层1产生的控制信息,包括用于相干检测的支持信道估计的导频比特、传输格式组合指示符(TFCI)、反 馈 信 息(FBI)和 传 输 功 率 控 制 命 令(TPC)等。(2)公 共 上 行 物 理 信 道(CUPCH)。公 共 上 行 物 理 信 道 包 括 物 理 随 机 接
9、入 信 道(PRACH)和物理公共分组信道(PCPCH)。物理随机接入信道。物理随机接入信道用于承载 RACH 信号。随机接入传输采用基于快速捕获指示的时隙 ALOHA 方式。UE能够在一个定义好的时间偏移(用接入时隙表示)上开始传输。每两个帧有15个接入时隙并且由5120码片分隔开来。随机接入传输结构如图52所示。随机接入传输由一个或几个长度为4096码片的前导和长度为10ms或20ms的消息部分组成。随机接入突发前导包含一个长度为16符号的签名序列,采用扩频因子为256的扩频处理,总长度为4096码片。随机接入消息格式中,10ms消息分成15个时隙,每个时隙长度 Tslot=2560码片,
10、由数据部分和控制部分组成,其中数据部分承载层2信息,控制部分承载层1控制信息。这两部分被同时并行传输。图52 随机接入传输 物理公共 分 组 信 道。物 理 公 共 分 组 信 道 用 于 承 载 传 输 信 道 中 的 公 共 分 组 信 道(CPCH)。CPCH 传 输 采 用 带 有 快 速 捕 获 指 示 的 DSMA CD(DigitalSense MultipleAccess CollisionDetection)方式。终端能够在定义好的若干时间间隔的起始位置上开始传输,这些时间间隔取决于当前小区接收到 BCH 的帧边界。2)WCDMA 下行物理信道下行物理信道主要包括下行专用物理
11、信道和下行公共物理信道。(1)下行专用物理信道。下行专用物理信道只有下行 DPCH 一种类型。下行 DPCH 将高层来的专用数据与层1产生的控制信息(导频比特、TCP指令和一个可选的 TFCI)以时分复用的方式传输。(2)下行公共物理信道。下行公共物理信道包括公共导频信道(CPICH)、公共控制物理信道(CCPCH)、同步信道(SCH)、捕获指示信道(AICH)、公共分组信道(CPCH)、状态指示信道(CSICH)和寻呼指示信道(PICH)等。5.2.3 传输信道与物理信道之间的映射传输信道与物理信道之间的映射公共传输信道不是直接作用在物理层上发挥其作用,而是要映射到对应的物理信道。各种传输信
12、道与各种物理信道的映射关系如图5-3所示,其中部分传输信道映射到相同的(或同一个)物理信道。图53 各种传输信道与各种物理信道的映射关系5.3 信道编码与信道编码与复用复用详细情况请参见本书6.3节。5.4 扩扩 频频 与与 调调 制制5.4.1 上行链路的扩频与调制上行链路的扩频与调制图54给出了上行链路的 DPCCH、DPDCH 和 HS DPCCH 的扩频过程。物理信道数据用二进制的实数序列表示,即“1”映射为实数-1,“0”映射为实数+1。扩频后的速率达到码片速率,一个扰码序列可对并行传输的1个 DPCCH、最多6个 DPDCH 和1个HS DPCCH进 行 扰 码 操 作。扩 频 后
13、,扩 频 信 号 与 增 益 因 子 相 乘(加 权),DPCCH 和DPDCH 的增益因子分别为c 和d。每个时刻的c 和d 中至少有一个取值为1。值量化为4bit的码字。图54 上行链路 DPCCH/HS DPCCH 的扩频图55 PRACH 消息部分的扩频图56 PCPCH 消息部分的扩频然后由增益因子加权,增益因子分别为c、d。每个时刻的c 和d 中至少有一个为1.0。值量化为4bit的码字。相加为复值的码片序列由复序列Srmsg,n扰码。加权处理后,I路和Q 路的实数值码片流相加成为复数值的码流,复数值的信号再通过复数值的扰码Sdpch,n进行加扰操作。扰码与无线帧相对应,也就是说,
14、扰码的第一个码片对应于无线帧的开始。扩频、加扰之后的复数值码片序列分裂为实部和虚部,再进行 QPSK 调制,如图57所示。升余弦滤波器的滚降系数=0.22。图57 上行链路调制5.4.2 下行链路的扩频与调制下行链路的扩频与调制图58给出了除SCH 外的所有下行物理信道的扩频流程。待扩频的物理信道包含一个实数值符号序列,除 AICH 信道之外,符号值可以取+1、-1或0,这里的0代表不连续传输(DTX)。对 AICH 信道来说,符号的取值依赖于待发射的获得指示(AI)的精确组合。图58 下行链路的扩频每一对连续的符号都要首先进行串/并转换,映射到I、Q 两个支路上去,编号为偶数和奇数的符号分别
15、映射到I支路和Q 支路。除 AICH 信道之外,编号为0的符号定义为每帧的第一个符号;对 AICH 信道,编号为0的符号定义为每个接入时隙的第一个符号。I支路和Q支路通过相同的实数值信道化码Cch,SF,m 扩频到指定的码片速率,实数值的I支路和Q支路序列就变为复数值的序列,这个序列经过复数值的扰码Sdl,n进行加扰处理。对于 PCCPCH 信道,扰码应与 PCCPCH 信道的帧边界对齐。而对于下行链路上的其他信道,其扰码应与 PCCPCH 信道的扰码对齐,但不必与待加扰的物理信道的帧边界对齐。下行链路的调制过程如图59所示,调制码片速率为3.84 Mchip/s。调制映射器对QPSK 信号和
16、16QAM 信号的处理方法不同,采用 QPSK 调制的物理信道为 PCCPCH、SCCPCH、CPICH、AICH、APAICH、CSICH、CD/CA ICH、PICH、PDSCH、HS SCCH和下行链 路 DPCH。SCH 由 实 符 号 序 列 组 成,不 经 过 扩 频 和 调 制 的 处 理。HS DSCH采用 QPSK 和16QAM 调制。除承载签名序列的指示符信道和 HS PDSCH外,所有信道的符号序列的取值均为+1,-1,0。对于承载签名序列的指示符信道,符号值取决于指示符的具体组合。图59 下行链路调制采用 QPSK 调制的物理信道的每两个连续符号组成的组序列经过串/并转
17、换之后分别映射到I 支和Q 支路。映射的规则是:序号为偶数的符号映射到I 支路,序号为奇数的符号映射到Q 支路。除指示符信道外的所有信道,序号0的符号作为每帧的第一个符号。而在承载签名序列的指示符信道中,序号0的符号作为每个接入时隙的第1个符号。I、Q 支路由信道化码序列Cch,SF,m 扩展为码片速率。信道化码序列的定时必须和符号边界对齐。随后I、Q 支路上的实数码片序列作为一个复码片序列的实部和虚部进行后面的扰码处理。复码 片 序 列 用 复 扰 码 序 列 Sdl,n 进 行 扰 码。P-CCPCH 的 扰 码 序 列 的 定 时 必 须 和P CCPCH的帧边界对齐,即 P-CCPCH 帧的第1个码片与扰码序列序号为0的码片相乘;其他类型的下行链路物理信道,扰码序列必须和P-CCPCH 帧应用的扰码序列定时对齐,而不必与物理信道的帧边界对齐。采用16QAM 的物理信道,将一组连续的符号送入调制映射器内,串/并变换后映射到16QAM的星座上。I、Q支路的符号序列由信道化码序列Cch,16,m 扩展为码片速率。信道化码序列的定时必须和符号边界对齐。随后I、Q 支路上的实数码片序列作为一个复码片序列的实部和虚部进行后面的扰码处理。复码片序列用复扰码序列Sdl,n进行扰码。扰码序列必须和 P-CCPCH 帧应用的扰码序列定时对齐。
