3WCDMA无线信道结构详解.docx
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3WCDMA无线信道结构详解
WR_BT03_C1_0WCDMA信道结构
课程目标:
●掌握3G移动通信的基本概念
●掌握3G的标准化过程
●掌握WCDMA的基本网络结构以及各网元功能
●掌握无线通信原理
●掌握WCDMA的关键技术
参考资料:
●《3G概述与概况》
●《中兴通讯WCDMA基本原理》
●《ZXWRRNC(V3.0)技术手册》
●《ZXWRNB09技术手册》
第一章信道
&知识点
逻辑信道到传输信道的映射。
传输信道到物理信道的映射。
初始接入过程。
一.1UTRAN的信道
UTRAN的信道分为:
逻辑信道
传输信道
物理信道
在UTRAN空中接口的协议模型中,MAC层完成逻辑信道到传输信道的映射,PHY层完成传输信道到物理信道的映射,所以,逻辑信道和传输信道的位置如图1.11所示。
图1.11逻辑信道和传输信道
一.1.1逻辑信道
MAC层实现逻辑信道与传输信道的映射,为逻辑信道提供数据传输业务,对于由MAC提供的不同数据传送业务定义了一整套逻辑信道类型,每个逻辑信道由其所传送的信息类型所定义,逻辑信道的结构为如图1.12所示。
图1.12逻辑信道结构
控制信道只用于控制平面信息的传送,包括广播控制信道BCCH、寻呼控制信道PCCH、公共控制信道CCCH、专用控制信道DCCH、共享信道控制信道SHCCH。
业务信道只用于用户平面信息的传送,包括专用业务信道DTCH和公共业务信道CTCH。
一.1.2传输信道
传输信道是由L1提供给高层的服务,传输信道定义无线接口数据传输的方式和特性。
传输信道分为专用信道和公共信道两大类,它们之间的主要区别在于公共信道可由小区内的所有用户或一组用户共同分配使用,而专用信道资源仅仅是为单个用户预留的,如图1.13所示。
图1.13传输信道
专用传输信道仅存在一种,即专用信道DCH。
DCH用于发送特定用户物理层以上的所有信息,其中包括实际业务的数据以及高层控制信息。
公共传输信道共有六种:
BCH,FACH,PCH,RACH,CPCH和DSCH。
与2G系统不同的是,可以在公共信道和下行链路共享信道中传输分组数据。
同时,公共信道不支持软切换,但一部分公共信道可以支持快速功率控制。
广播信道BCH
是下行传输信道,用来发送UTRA网络或某一给定小区的特定信息。
每个网络所需的最典型数据有:
小区内可用的随机接入码和接入时隙或该小区中其他信道使用的发射分集方式。
前向接入信道FACH
是下行传输信道,用于向终端发送控制信息的下行链路传输信道。
也就是说,该信道用于基站接收到随机接入消息之后。
系统可以在FACH中向终端发送分组数据。
一个小区中可以有多个FACH,但其中必须有一个具有较低的比特速率,以使该小区范围内的所有终端都能接收到,其他FACH也可以具有较高的数据速率。
寻呼信道PCH
是用于发送与寻呼过程相关数据的下行链路传输信道,用于网络与终端进行初始化。
最简单的一个例子是向终端发起话音呼叫,网络使用终端所在区域内的小区的寻呼信道,向终端发送寻呼消息。
寻呼消息可以在单个小区发送,也可以在几百个小区内发送,取决于系统配置。
RACH随机接入信道
是用来发送来自终端的控制信息(如请求建立连接)的上行链路传输信道。
它同样也可以用来发送终端到网络的少量分组数据。
CPCH公共分组信道
是RACH信道的扩展,用来在上行链路方向发送基于分组的用户数据。
DSCH下行共享信道
是用来发送专用用户数据和/或控制信息的传输信道,它可以由几个用户共享。
一.1.3物理信道
物理信道是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π/2)的信道都可以理解为一类特定的信道。
物理信道按传输方向可分为上行物理信道与下行物理信道。
一.1.3.1上行物理信道
有两个上行专用物理信道(上行专用物理数据信道DPDCH和上行专用物理控制信道DPCCH)和两个公共物理信道(物理随机接入信道PRACH和物理共用分组信道PCPCH),如图1.14所示。
图1.14上行物理信道
a上行专用物理信道
上行专用物理信道分为上行专用物理数据信道(上行DPDCH)和上行专用物理控制信道(上行DPCCH)。
DPDCH和DPCCH在每个无线帧内是I/Q码复用。
上行DPDCH用于传输专用传输信道(DCH)。
在每个无线链路中可以有0个,1个或者几个上行DPDCH。
上行DPCCH用于传输L1产生的控制信息。
L1的控制信息包括支持信道估计以进行相干检测的已知导频比特、发射功率控制指令TPC、反馈信息FBI以及一个可选的传输格式组合指示TFCI。
TFCI将复用在上行DPDCH上的不同传输信道的瞬时参数通知给接收机,并与同一帧中要发射的数据相对应。
在每个层一连接中有且仅有一个上行DPCCH。
图1.15表示了上行专用物理信道的帧结构。
每个帧长10ms,分成15个时隙,每个时隙长度为Tslot=2560chips,对应一个功率控制周期,即一个功率控制周期为10/15ms。
图1.15上行专用物理信道帧结构
图1.15中的参数k决定每个上行DPDCH/DPCCH时隙的比特数。
它与物理信道的扩频因子SF有关,SF=256/2k。
DPDCH的扩频因子的变化范围为256、128、64、32、16和4,上行DPCCH的扩频因子固定为256,即每个上行DPCCH时隙有10个比特。
上行DPDCH确切的比特数和上行DPCCH各个字段(Npilot、NTFCI、NFBI和NTPC)的比特数由高层按照业务类型不同配置不同时隙格式。
FBI比特用于支持在UE和UTRAN接入点之间(即小区收发信机)需要反馈的技术,它包括闭环模式发射分集和地点选择分集(SSDT)。
FBI由S字段和D字段组成,其中S字段用于SSDT信令,D字段用于闭环模式发射分集信令。
S字段由0,1和2个比特组成。
D字段由0或1个比特组成。
总的FBI字段的大小NFBI在不同时隙格式情况下不同。
有两种类型的上行专用物理信道:
包括TFCI的(如几个同时发生的业务)和不包括TFCI的(如固定速率业务)。
UTRAN决定是否需要发射TFCI和是否要求所有的UEs在上行链路中支持TFCI。
导频比特Npilot=3,4,5,6,7和8。
其中的FSWs可以用于帧同步的确认。
TPC比特与发射机功率控制指令对应。
上行专用物理信道可以进行多码操作。
当使用多码传输时,几个并行的DPDCH使用不同的信道化码进行发射。
值得注意的是,每个连接只有一个DPCCH。
可以用一个功率控制前缀来初始化一个DCH。
在功率控制前缀期,功率控制前缀的长度是高层参数Npcp,由网络通过信令方式给出。
在功率控制前缀期以后,ULDPCCH都应该使用相同的时隙格式。
b公共上行物理信道
l物理随机接入信道(PRACH):
随机接入信道的传输是基于带有快速捕获指示的时隙ALOHA方式。
UE可以在一个预先定义的时间偏置开始传输,表示为接入时隙。
每两帧有15个接入时隙,间隔为5120码片。
当前小区中哪个接入时隙的信息可用是由高层信息给出的。
PRACH分为前缀部分和消息部分。
随机接入发射的结构如下图所示。
随机接入发射包括一个或者多个长为4096码片的前缀和一个长为10ms或20ms的消息部分。
图1.16随机接入发射的结构
随机接入的前缀部分长度为4096chips,是对长度为16chips的一个特征码(signture)的256次重复,总共有16个不同的特征码。
PRACH消息部分10ms被分作15个时隙,每个时隙的长度为Tslot=2560chips。
每个时隙包括两部分,一个是数据部分,RACH传输信道映射到这部分;另一个是控制部分,用来传送L1控制信息。
数据和控制部分是并行发射传输的。
一个10ms消息部分由一个无线帧组成,而一个20ms的消息部分是由两个连续的10ms无线帧组成。
消息部分的长度可以使用的特征码和/或接入时隙决定,这是由高层配置的。
数据部分包括10*2k个比特,其中k=0,1,2,3。
对消息数据部分来说分别对应着扩频因子256,128,64和32。
控制部分包括8个已知的导频比特,用来支持用于相干检测的信道估计,以及2个TFCI比特,对消息控制部分来说这对应于扩频因子为256。
在随机接入消息中TFCI比特的总数为15*2=30比特。
TFCI值对应于当前随机接入消息的一个特定的传送格式。
在PRACH消息部分长度为20ms的情况下,TFCI将在第二个无线帧中重复。
l物理公共分组信道(PCPCH):
CPCH的传输是基于快速捕获指示的DSMA-CD(DigitalSenseMultipleAccess-CollisionDetection)方法。
UE可在一些预先定义的与当前小区接收到的BCH的帧边界相对的时间偏置处开始传输。
接入时隙的定时和结构与RACH相同。
CPCH随机接入传输的结构如下图所示。
CPCH随机接入传输包括一个或多个长为4096chips的接入前缀[A-P],一个长为4096chips的冲突检测前缀(CD-P),一个长度为0时隙或8时隙的DPCCH功率控制前缀(PC-P)和一个可变长度为Nx10ms的消息部分。
图1.17CPCH随机接入传输的结构
CPCH接入前缀部分:
与RACH前缀部分类似。
这里使用了RACH前缀的特征序列,但使用的数量要比RACH前缀少。
扰码的选择为组成RACH前缀扰码的Gold码中一个不同的码段,也可在共享特征码的情况下使用相同的扰码。
CPCH冲突检测前缀部分:
与RACH前缀部分类似。
使用了RACH前缀特征序列。
扰码的选择为组成RACH和CPCH前缀扰码的Gold码中一个不同的码段。
CPCH功率控制前缀部分:
功率控制前缀部分叫做CPCH功率控制前缀(PC-P)部分。
功率控制前缀长度似一个高层参数,Lpe-preamble可以是0或8时隙。
TFCI字段应用“1”比特填充。
CPCH消息部分:
CPCH消息部分的结构与上行专用信道过程相同,每个消息包括最多N_Max_frames作为一个高层参数。
每个10ms帧分成15个时隙,每个时隙长度为Tslot=2560chips。
每个时隙包括两个部分,用来传送高层信息的数据部分和L1控制信息的控制部分。
数据和控制部分是并行发射的。
CPCH消息部分的控制部分扩频因子为256。
一.1.3.2下行物理信道
下行物理信道有下行专用物理信道、一个共享物理信道和五个公共控制物理信道:
下行专用物理信道DPCH
基本和辅助公共导频信道CPICH
基本和辅助公共控制物理信道CCPCH
同步信道SCH
物理下行共享信道DSCH
捕获指示信道AICH
寻呼指示信道PICH
下行物理信道如图1.18所示。
图1.18下行物理信道
a专用下行物理信道
下行专用物理信道只有一种类型即下行DPCH。
在一个DPCH内,专用数据在层2或更高层产生,即专用传输信道(DCH),是与L1产生的控制信息(包括已知的导频比特,TPC指令和一个可选的TFCI)以时间分段复用的方式进行传输发射。
因此下行DPCH可看作是一个下行DPDCH和下行DPCCH的时间复用。
下图显示下行DPCH的帧结构。
每个长10ms的帧被分成15个时隙,每个时隙长为Tslot=2560chips,对应一个功率控制周期。
图1.19下行DPCH的帧结构
图中的参数k确定了每个下行DPCH时隙的总比特数。
它与物理信道的扩频因子有关,即SF=512/2k。
因此扩频因子的变化范围为512到4。
不同下行DPCH的实际比特数(Npilot,NTPC,NTFCI,Ndata1和Ndata2),由高层配置不同时隙格式确定,支持17种不同时隙格式。
有两种类型不同的下行专用物理信道:
包括TFCI(如用于一些同时发生的业务)和那些不包括TFCI的(如用于固定速率业务的)。
由UTRAN决定TFCI是否应该被发射,对所有UEs而言,必须在下行链路上支持TFCI的使用。
下行DPCCH的导频比特模式Npilot=2,4,8和16。
TPC符号与发射功率控制命令“0”或“1”的关系对应。
下行链路可以使用多码发射,即一个CCTrCH可以映射到几个并行的使用相同的扩频因子的下行DPCHs上。
在这种情况下,L1的控制信息仅放在第一个下行DPCH上,在对应的时间段内,属于次CCTrCH的其他的下行DPCHs发射DTX比特。
当映射到不同的DPCHs的几个CCTrCHs发射给同一个UE时,不同CCTrCH映射的DPCHs可使用不同的扩频因子。
在这种情况下,L1的控制信息仅放在第一个下行DPCH上,在对应的时间段内,属于此CCTrCH的其他下行DPCHs发射DTX比特。
b公共下行物理信道
公共导频信道CPICH为固定速率(30kbps,SF=256)的下行物理信道,用于传送预定义的比特/符号序列。
有两种类型的公共导频信道,基本和辅助CPICH。
它们的用途不同,区别仅限于物理特性。
基本公共导频信道(P-CPICH)总是使用同一个信道化码,对基本扰码进行扰码,每个小区有且仅有一个CPICH,在整个小区内进行广播。
基本CPICH是下面各个下行信道的相位基准:
SCH、P-CCPCH、AICH、PICH、AP-AICH、CD/CA-ICH、CSICH和PCH映射的S-CCPCH。
P-CPICH也是FACH映射S-CCPCH和下行DPCH缺省相位基准,如果P-CPICH不是RACH映射的S-CCPCH和下行DPCH的相位基准,需要高层通知UE。
辅助公共导频信道(S-CPICH)可使用SF=256的信道化码中的任一个,可用基本或辅助扰码进行扰码,每个小区可有0、1或多个辅助CPICH,可以在全小区或小区的一部分进行发射,辅助CPICH可以是辅助CCPCH和下行DPCH的基准。
公共控制物理信道分为基本公共控制物理信道(P-CCPCH)和辅助公共控制物理信道(S-CCPCH)。
P-CCPCH为一个固定速率(30kbps,SF=256)的下行物理信道,用于传输BCH。
与下行DPCH的帧结构的不同指出在于没有TPC指令、TFCI、导频比特。
在每个时隙的第一个256chips内,基本CCPCH不进行发射,在此段时间内,将发射基本SCH和辅助SCH。
S-CCPCH用于传送RACH和PCH,有两种类型的辅助CCPCH,包括TFCI的和不包括TFCI的,是否传输TFCI由UTRAN确定。
因此对所有的UEs来说,支持TFCI是必须的。
S-CCPCH可能的速率集与下行DPCH相同。
每个下行辅助CCPCH时隙的总比特数与期物理信道的扩频因子SF有关,SF=256/2k,扩频因子SF的范围为256至4。
FACH和PCH可以映射到相同的或不同的辅助CCPCHs。
S-CCPCH和一个下行专用物理信道的主要区别在于CCPCH不是内环功率控制。
基本和辅助CCPCH的主要的区别在于基本CCPCH是一个预先定义的固定速率而辅助CCPCH可以通过TFCI来支持可变速率。
更进一步讲,基本CCPCH是在整个小区内连续发射的而辅助CCPCH可以采用专用物理信道相同的方式以一个窄瓣波束的形式来发射
同步信道(SCH)是一个用于小区搜索的下行链路信号,两个子信道,基本和辅助SCH。
基本和辅助SCH的10ms无线帧分成15个时隙,每个长为2560chips。
基本SCH包括一个长为256chips的调制码,基本同步码(PSC),每个时隙发射一次,系统中每个小区的PSC是相同的。
辅助SCH重复发射一个有15个序列的调制码,每个调制码长256chips,辅助同步码(SSC),与基本SCH并行进行传输。
SSC用csi,k来表示,其中i=0,1,……,63为扰码码组的序号,k=0,1,2……,14为时隙号。
每个SSC是从长为256的16个不同码中挑选出来的一个码。
在辅助SCH上的序列表示小区的下行码属于哪个码组。
物理下行共享信道PDSCH用于传送下行共享信道(DSCH),一个PDSCH对应于一个PDSCH根信道码或下面的一个信道码。
PDSCH的分配是一个无线帧内,基于一个单独的UE。
在一个无线帧内,UTRAN可以在相同的PDSCH根信道码下,基于码复用,给不同的UEs分配不同的PDSCHs。
在同一个无线帧中,具有相同扩频因子的多个并行的PDSCHs,可以被分配给一个单独的UE。
在相同的PDSCH根信道码下的所有PDSCHs都是帧同步的。
在不同的无线帧,每一个PDSCH总是与一个下行DPCH随路。
PDSCH与随路的DPCH并不需要有相同的扩频因子,也不需要帧对齐。
在随路的DPCH的DPCCH部分发射所有与L1相关的控制信息,集PDSCH不携带任何L1信息。
为了告知UE,在DSCH上有数据需要解码,将使用两种可能的信令方法,或者使用TFCI字段,或使用在随路的DPCH上携带的高层信令。
使用基于TFCI的信令方法时,TFCI除了告知UE,PDSCH的信道码外,还告知UE与PDSCH相关的瞬时传输格式参数。
对PDSCH来说,允许的扩频因子的范围为256到4。
RACH接入捕获指示信道AICH:
捕获指示信道(AICH)时一个用于传输捕获指示(AI)的物理信道。
捕获指示Ais对应于PRACH上的特征码。
AICH的结构由重复的15个连续的接入时隙(AS)的序列组成,每个长为5120chips。
每个接入时隙由两部分组成,一个时接入指示(AI)部分,由32个实数值符号a0,…..a31组成,后面时持续1024比特的空闲部分,AICH信道化的扩频因子时256,AICH的相位参考时基本CPICH。
CPCH接入前缀捕获指示信道(AP-AICH)时一个固定速率(SF=256)的用来传送CPCH的AP捕获指示(API)的物理信道。
AP捕获指示API对应于UE发射的AP特征码S。
AP-AICH和AICH可以使用相同的或不同的信道码。
AP-AICH的相位参考时基本CPICH,AP-AICH用一个长为4096chips的部分来发射AP捕获指示(API),后面1024chips为空闲部分。
CPCH冲突检测/信道分配指示信道(CD/CD-ICH):
冲突检测信道分配指示信道(CD/CD-ICH)时一个固定速率(SF=256)的物理信道。
当CA不活跃时,用来传送CD指示(CDI),或当CA活跃时,用来同时传送CD/CA指示(CDI/CAI)。
CD/CA-ICH和AP-AICH可以使用相同的或不同的信道码。
CD/CA-ICH用一个长为4096chips的部分来发射CDI/CAI,后面时一个长为1024chips的空闲部分。
时隙的这个空闲部分时为CSICH或其他物理信道将来可能会使用而保留的。
寻呼指示信道(PICH)时一个固定速率(SF-256)的物理信道用于传输寻呼指示(PI),PICH总是与一个S-CCPCH随路,S-CCPCH为一个PCH传输信道的映射。
PICH的帧结构长为10ms,包括300个比特(b0,b1,….b299)。
其中,288个比特(b0,b1,….b287)用于传输寻呼指示。
余下的12个比特未用。
这部分时为将来可能的使用而保留的。
N寻呼指示{PI0,….,PIN-1}是在每个PICH帧内进行传输的,其中N=18,36,72or144。
高层为特定的UE而计算的PI,映射到某个寻呼指示PIp,p是按照一个函数式计算的,此函数式是由高层计算的PI,PICH无线帧开始时P-CCPCH无线帧的SFN,每帧内寻呼指示的个数(N)构成的:
从{PI0,….,PIN-1}到PICH比特{b0,…..b287}的映射。
如果在一个特定帧内的一个寻呼指示为“1”,它表示与此寻呼指示相关的UEs将读取相关联的S-CCPCH的对应帧。
CPCH状态指示信道(CSICH):
CPCH状态指示信道(CSICH)时一个用于传送CPCH状态信息的固定速率(SF=256)的物理信道。
CSICH总是和一个用于发射CPCHAP-AICH的物理信道相关联,并和此信道使用相同的信道码和扰码。
CSICH帧由15个连续的接入时隙(AS)组成,每个AS长度为40比特。
每个接入时隙由两部分组成,一部分是长为4096chips的空闲时刻,另一部分是由8比特b8i,….b8i+7组成的状态指示(SI),其中I是接入时隙号。
CSICH使用的调制与PICH相同。
在每个CSICH帧内发射N个状态指示{SI0,…SIN-1}、在CSICH帧内所有的接入时隙都应发射状态指示,甚至当一些特征码和或接入时隙是由CPCH和RACH共享的。
一.1.4信道映射
信道映射分为逻辑信道<=>传输信道的映射和传输信道<=>物理信道的映射。
一.1.4.1逻辑信道——传输信道的映射
逻辑信道和传输信道之间的映射关系如图1.110所示。
图1.110逻辑信道<=>传输信道的映射
一.1.4.2传输信道——物理信道
传输信道<=>物理信道的映射如图1.111所示。
图1.111传输信道<=>物理信道的映射
物理信道除了有对应的传输信道之外,还有只与物理层过程有关的信道。
同步信道SCH、公共导频信道CPICH和捕获指示信道AICH对高层来说不是直接可见的,但从系统功能的观点来说,这些信道是必需的,每个基站都要发送这些信道。
如果使用CPCH,还需要CSICH和CAICH两个信道。
一.2初始接入过程
一.2.1小区搜索过程
通常,终端在事先不知道小区任何信息的情况下搜索小区,需要经过时隙同步、帧同步、捕获主扰码三个步骤。
这三个步骤涉及到四个下行物理信道:
主同步信道(P-SCH)、从同步信道(S-SCH)、主公共导频信道(P-CPICH)、主公共控制物理信道(P-CCPCH)。
在小区搜索过程中,UE搜索到一个小区并确定该小区的下行扰码和其公共信道的帧同步。
1.时隙同步
一个无线帧为10ms,38400码片,又分为15各时隙。
第一步的目的就是要获取各时隙的边界,从而与各物理信道实现时隙同步,这一步是通过捕获主同步信道来实现的。
UE使用SCH的基本同步码去获得该小区的时隙同步。
典型的是使用一个匹配滤波器(或任何类似设备)来匹配对所有小区都为公共的基本同步码。
小区的时隙定时可由检测匹配滤波器输出的波峰值得到。
主同步信道不属于码信道,没有经过扩频和加扰处理。
主同步信道在每个时隙的起始处重复发送主同步码,为256码片,占整个时隙的1/10。
所有小区的主同步码相同,而且终端预先知道其码片序列,因此只需要用一个性能较好的匹配滤波器就可以检测、捕获到该主同步码,从而确定各物理信道的时隙边界。
2.帧同步和码组识别
这一步是通过捕获从同步信道来实现的,UE使用SCH的辅助同步码去找到帧同步,并对第一步中找到的小区的码组进行识别。
从同步信道也不属于码信道,没有经过扩频和加扰处理。
从同步信道上发送从同步码,从同步码也是256个码片,在每个时隙的开始处与主同步码一起发送,每个时隙使用一个从同步码。
所不同的是,从同步码总共有16个不同的码片序列,这些从同步码又被编排成64个不同的组合,每个组合为15个从同步码字长,用于一个无线帧,需要注意的是,在某一组合中同一从同步码可能出现若干次,而每个组合对应于一组主扰码。
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。
我们知道,下行扰码是由长度为18位的移位寄存器生成的PN序列,因此总共有218-1个,常用的有8192个,又分为主扰码和从扰码,其中主扰码有512个,分为64组,每组8个。
因此,在第二步实现物理信道的帧同步的同时,终端可以获悉该小区的无线帧中使用的从同步码字组合,从而可以确定该小区使用的主扰码所属的组别。
3.扰码识
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- WCDMA 无线 信道 结构 详解
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