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模块三 WCDMA移动通信技术模块(5)


任务5 WCDMA物理层

?

【本模块重点难点】
物理层信道特性

重点: 难点:
小区搜索过程

课堂练习 一、填空

二、名词解释

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 1 // 52 1 64

模块三 WCDMA移动通信技术模块
任务1 WCDMA系统概述

任务2 WCDMA无线网络 任务3 WCDMA核心网络
任务4 WCDMA空中接口 任务5 WCDMA物理层 任务6 WCDMA无线资源管理

任务7 WCDMA系统的关键技术

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 2 // 52 2 64

问题引入

1.

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。那么WCDMA的物理层信

道具有哪些特性?
2.

编码和复用、扩频与调制过程、以及小区搜索过程是怎样

的?

3

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
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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。物理层主要功能包括:传输信道的FEC编/解码、向上
层提供测量及指示(如FER、SIR、 干扰功率、发送功率等)、宏分集分 布/组合及软切换执行、传输信道的错误检测、传输信道的复用、CCTrCH (编码复合传输信道)的解复用、速率匹配、编码复合传输信道到物理信 道的映射、物理信道的调制/扩频与解调/解扩、频率和时间(码片、比特

、时隙、帧)的同步、闭环功率控制、物理信道的功率加权与组合、射频
处理等。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 4 // 52 4 64

前 言

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,传输信 道特性由传输格式定义,传输格式同时也指明物理层对这些传输信道的处 理过程。物理层的操作严格按照无线帧的定时进行,传输块定义为能被物 理层联合编码的数据,传输块的定时与无线帧严格对应,每10ms或10ms 的整数倍产生一个传输块。一个UE可同时建立多个传输信道,每个传输信 道都有其特征。每个传输信道都可为一个无线承载提供信息比特流的传输 ,也可用于L2和高层的信令消息传输。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 5 // 52 5 64

前 言

物理层实现传输信道到相同或不同物理信道的复用,在当前无线帧中, 传送格式组合指示(TFCI)字段用于唯一标识编码复合传输信道中每个传 输信道的传输格式。 传输块(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TB添加一个CRC。 传输块集(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。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
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前 言
传输时间间隔(TTI):定义为一个传输块集合到达的时间间隔,等于 在无线接口上物理层传送一个TBS所需的时间。在每一个TTI内MAC子层传 送一个TBS到物理层。 传输格式组合(TFC):一个或多个传输信道复用到物理层,对于每一 个传输信道,都有一系列传输格式(传输格式集)可使用。对于给定的时 间点,不是所有的组合都可应用于物理层,而只是它的一个子集,这就是 TFC。它定义为当前有效传输格式的指定组合,这些传输格式能够被同时提

供给物理层,用于UE侧编码复用传输信道,即每一个传输信道包含一个传
输格式。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
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前 言

传输格式组合指示(TFCI):它是当前TFC的一种表示。TFCI的值和 TFC间是一一对应的,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。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 8 // 52 8 64

1、物理层信道特性

2、编码与复用
3、扩频与调制

4、小区搜索过程
3、实践活动

9

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 9 // 52 9 64

1

物理层信道特性

WCDMA无线信道如图3-16所示。无线信道分为三层,分别是 逻辑信道、传输信道和物理信道。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
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1)逻辑信道
逻辑信道Logical Channel (RLC到MAC):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。具体逻辑信道如图3-17所示。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 11 // 52 11 64

1)逻辑信道

图3-17 逻辑信道

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
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2)传输信道
传输信道Transport Channel (MAC到PHY):无线接口L2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。具体传输信道如图3-18所示。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
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2)传输信道

立德 明志 精业 惟新

图3-18 传输信道 “质量就是超出客户预期” 117 14 // 52 14 64

3)物理信道
物理信道Physical Channel: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(信道化码和扰码 )以及载波相对相位(0或π/2)的信道都可以理解为一类特定的 信道。

(1)物理信道分类-上行物理信道
上行物理信道如图3-19所示。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
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3)物理信道

图3-19 上行物理信道

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 16 // 52 16 64

3)物理信道
(2)物理信道分类-下行物理信道 下行物理信道如图3-20所示。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 17 // 52 17 64

3)物理信道
主公共控制物理信道P-CCPCH:用于承载BCH信道(系统消 息);固定速率(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。

从公共控制物理信道S-CCPCH: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。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
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3)物理信道
寻呼指示信道PICH:PICH为固定速率(SF=256)的物理信道, 用于传送Page Indicators (PI);PICH 总是与一个S-CCPCH 相联 系,这个信道正在传送一个PCH;PICH的帧结构:一帧为10ms ,包括300bits.其中,288 bits用于传送 Page Indicators. 其余12

bits尚未定义;N 个寻呼指示 {PI0, …, PIN-1} 在一帧内传送,
N=18, 36, 72, or 144;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。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 19 // 52 19 64

3)物理信道
专用下行物理信道DPCH: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

立德 明志 精业 惟新

信息。

“质量就是超出客户预期”
117 20 // 52 20 64

3)物理信道
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 ,DPCCH用来传输层1的控制信息。 帧长为10ms,分15个时隙,每时隙2560 chips,DPDCH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。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 21 // 52 21 64

3)物理信道
物理下行共享信道PDSCH: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。
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

立德slot。 精业 惟新 明志

“质量就是超出客户预期”
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3)物理信道
捕获指示信道(AICH):AICH的帧结构:两帧,共20 ms, 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 Signature, AICH的相位参考为CPICH.

物理公共分组信道PCPCH:CPCH传输是基于快速捕获指示
的,CPCH也是在与RACH一样的时隙开始时刻传输的。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 23 // 52 23 64

3)物理信道
同步信道SCH: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。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 24 // 52 24 64

3)物理信道
公共导频信道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。 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, Primary 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。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 25 // 52 25 64

3)物理信道
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。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 26 // 52 26 64

4)逻辑信道-传输信道-物理信道的映射关系
逻辑信道-传输信道-物理信道的映射关系如图3-21所示。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 27 // 52 27 64

1、物理层信道特性

2、编码与复用
3、扩频与调制

4、小区搜索过程
3、实践活动

28

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 28 // 52 28 64

2

编码与复用

信道编码分为上行链路和下行链路信道编码,在网络侧完成下 行链路编码和上行链路译码,在终端侧完成上行链路编码和下行 链路译码。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 29 // 52 29 64

1)上行链路信道编码与复用
上行链路信道编码和复用包括:CRC校验、传输块级联与分割 、信道纠错编码、无线帧尺寸均衡、第一次交织、无线帧分段、 速率匹配、传输信道复用并映射到物理信道、物理信道分割、第 二次交织、物理信道映射到无线帧。上行链路信道复用结构流程

如图3-22示。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 30 // 52 30 64

1)上行链路信道编码与复用
① CRC(循环冗余效验)

用于计算接收数据的误码率。对于一个TTI内到达的TBS,CRC 处理单元将为其中的每一个TB附加上独立的CRC码。CRC长为24 、16、12、8或0bit,每个TrCH使用的CRC长度由高层信令给出。 每个传输块的CRC是通过对整个传输块进行计算得来的。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 31 // 52 31 64

1)上行链路信道编码与复用
② 传输块的级联和分割

给一个TTI内的所有传输块附加上CRC比特后,从编号最小的 传输块开始,连同附加的CRC比特,将它们依次串联起来,这样 就得到了一个TrCH的数据码块。 如果传输信道数据码块的总比特数A大于一个编码块允许的最 大长度K,则在传输块级联后就需要进行码块分割处理。分割后 码块的最大长度将取决于传输信道使用的编码方案。卷积编码:

K=504;Turbo编码:K=5114;无信道编码:K没有限制。 “质量就是超出客户预期” 立德 明志 精业 惟新 117 32 // 52 32 64

1)上行链路信道编码与复用
③ 信道编码

信道编码方案分为:卷积编码、Turbo编码和不编码三种。 ④ 无线帧尺寸均衡

以上的数据处理均是针对一个传输信道在一个TTI内传输下来 的数据块进行的。一TTI的长度为10ms、20ms、40ms或80ms,对 应的这些数据需要被平均分配到1个、2个、4个或8个无线帧上发 送。尺寸均衡是通过对输入比特序列进行适当的填充,保证经过 填充后的输出能够被均匀分割。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 33 // 52 33 64

1)上行链路信道编码与复用
⑤ 第一次交织

系统的第一次交织为列间交换的块交织,它完成无线帧之间的 交织。 ⑥ 无线帧分割

当传输信道的TTI大于10ms时,输入比特序列将被分段映射到 连续的F个无线帧上。经过前面的无线帧均衡后,可以保证输入比 特序列的长度为F的整数倍。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 34 // 52 34 64

1)上行链路信道编码与复用
⑦ 速率匹配

一个TrCH中的比特数在不同的TTI可以发生变化,而所配 置的物理信道容量(或承载比特数)确实固定的。 因而,当不同TTI的数据比特发生改变时,为了匹配物理信 道的承载能力,输入序列中的一些比特将被重复或打孔,以确 保在传输信道复用后总的比特率与所配置的物理信道承载能力 相一致。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 35 // 52 35 64

1)上行链路信道编码与复用
⑧ 传输信道复用

根据无线信道的传输特性,在每一个10ms周期,来自不同 TrCH的无线帧被送到传输复用单元。复用单元根据承载业务的类 别和高层设置,分别将其进行复用或组合,构成一条或多条 CCTrCH。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 36 // 52 36 64

1)上行链路信道编码与复用
⑨ 物理信道分割

一条CCTrCH的数据数率可能要超过单条物理信道的承载能力 ,这就需要对CCTrCH数据进行分割处理,以便比特流分配到不 同的物理信道中。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 37 // 52 37 64

1)上行链路信道编码与复用

图3-22 立德 明志 精业 惟新 UE侧上行传输信道复用结构

“质量就是超出客户预期”
117 38 // 52 38 64

2)下行链路信道编码与复用
下行链路信道编码和复用基本上与上行类似,包括:CRC校验 、传输块级联与分割、信道编码、速率匹配、第一次DTX插入、 第一次交织、无线帧分割、传输信道复用、第二次DTX插入、物 理信道分割、第二次交织、物理信道映射。

下行信道复用结构流程如图3-23所示。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 39 // 52 39 64

2)下行链路信道编码与复用

图3-23 UTRAN下行传输信道复用结构 “质量就是超出客户预期” 立德 明志 精业 惟新 117 40 // 52 40 64

2)下行链路信道编码与复用
DTX比特的插入:在下行链路中,当无线帧要发送的数据无法 把整个无线帧填满时,需要采用非连续发送(DTX)技术,DTX 指示比特插入点算法由两种情况,即TrCH在无线帧的位置是固定 的还是不固定的。DTX指示比特的作用是指出何时传输需要被关

闭,所以指示比特本身不需要被发送。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 41 // 52 41 64

1、物理层信道特性

2、编码与复用
3、扩频与调制

4、小区搜索过程
3、实践活动

42

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 42 // 52 42 64

1)扩频与扰码
扩频与扰码应用在物理信道上,它包括两个操作,如图3-24所 示,第一个是信道化操作,通过与信道化码相乘将每一个数据符 号转换为若干码片,因此增加了信号的带宽。每一个数据符号转 换的码片数称为扩频因子,第二个是扰码操作,将扰码与扩频后

的码片符号相乘。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 43 // 52 43 64

1)扩频与扰码

立德 明志 精业 惟新

图3-24 扩频与扰码“质量就是超出客户预期” 117 44 // 52 44 64

1)扩频与扰码
信道化码是正交可变扩频因子(OVSF)码,用于保持用户不 同物理信道之间的正交性。 扰码采用的是Gold码,扰码序列具有伪随机性,对于上行物理 信道可用的扰码分为长扰码和短扰码,各有224个,上行扰码由高 层分配。对于下行物理信道扰码产生方法是通过将两个实数序列 合并成一个复数序列构成一个扰码序列,共有8192个上行扰码可

以用。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 45 // 52 45 64

1)扩频与扰码
(1)上行链路扩频与扰码 上行链路扩频包括DPDCH/DPCCH、PRACH、PCPCH三种 。上行DPDCH/DPCCH的扩频原理如图3-25所示。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 46 // 52 46 64

1)扩频与扰码
(2)下行链路扩频与扰码 下行物理信道除SCH比较特殊,其它物理信道P-CCPCH、SCCPCH、CPICH、AICH、PICH、PDSCH和下行DPCH信道相 同如图3-26所示。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 47 // 52 47 64

1)扩频与扰码

图3-26 下行链路扩频 “质量就是超出客户预期” 立德 明志 精业 惟新 117 48 // 52 48 64

2)调制
WCDMA系统的调制码片速率是3.84Mcps。通过扩频产生的复 数值码片用QPSK方式进行调制,如图3-27所示。上下行链路调制 相同。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 49 // 52 49 64

1、物理层信道特性

2、编码与复用
3、扩频与调制

4、小区搜索过程
3、实践活动

50

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 50 // 52 50 64

4

小区搜索过程

小区搜索详细过程如图3-28所示。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 51 // 52 51 64

4

小区搜索过程

在小区搜索过程中,UE将搜索小区并确定该小区的下行链路 扰码和该小区的帧同步,小区搜索一般分为三步:时隙同步、帧 同步和码组识别、扰码识别。 (1)时隙同步 基于SCH信道,UE使用SCH的主同步码PSC去获得该小区的 时隙同步。典型方法是使用匹配滤波器来匹配PSC(为所有小区 公共)。小区的时隙定时可由检测匹配滤波器输出的峰值得到。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 52 // 52 52 64

4

小区搜索过程

(2)帧同步和码组识别 UE使用SCH的从同步码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。这是通过对收到的信号与所有可能的 从同步码序列进行相关得到的,并标识出最大相关值。由于序列 的周期移位是唯一的,因此码组与帧同步一样,可以被确定下来 。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 53 // 52 53 64

4
(3)扰码识别

小区搜索过程

UE确定找到的小区所使用的主扰码。主扰码是通过在CPICH 上对识别的码组内的所有的码按符号相关而得到的。在主扰码被 识别后,则可检测到主CCPCH。系统和小区特定的BCH信息也 就可以读取出来了。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 54 // 52 54 64

1、物理层信道特性

2、编码与复用
3、扩频与调制

4、小区搜索过程
3、实践活动

55

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 55 // 52 55 64

5

实践活动:WCDMA信道的应用

(1)实践目的 通过用户主叫和被叫流程,熟悉WCDMA信道的运用。 (2)实践要求 各位学员分主叫组和被叫组完成主叫流程和被叫流程。 (3)实践内容

① 熟悉主叫基本流程

UE主叫的基本流程及采用的信道如图3-29所示。 “质量就是超出客户预期” 立德 明志 精业 惟新 117 56 // 52 56 64

5

实践活动:WCDMA信道的应用

立德 明志 精业 图3-29 UE主叫的基本流程及采用的信道 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 57 // 52 57 64

5

实践活动:WCDMA信道的应用

② 熟悉被叫基本流程

UE被叫的基本流程及采用的信道如图3-30所示。

立德 明志 精业 惟新

“质量就是超出客户预期”
117 58 // 52 58 64

本任务要求
?

识记:物理层信道特性。

?

领会:编码与复用、扩频与调制。
应用:小区搜索过程。

?

立德 明志 精业 惟新

59 “质量就是超出客户预期”

117 59 // 52 59 64



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