移动通信第9章码分多址(CDMA)移动通信系统-文档资料

第9章码分多址(CDMA)移动通信系统（二）9.1WCDMA系统9.2TD-SCDMA系统UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsSystem，通用移动通信系统)是采用WCDMA(WidebandCodeDivisionMultipleAccess)无线接口技术的第三代移动通信系统，通常也把UMTS系统称为WCDMA通信系统。UMTS系统采用了与第二代移动通信系统类似的结构，包括UMTS的陆地无线接入网络(UTRAN，UMTSTerrestrialRadioAccessNetwork)和核心网络(CN，CoreNetwork)。9.1WCDMA系统9.1.1WCDMA系统结构用户设备(UE)+UTRAN+CN构成一个完整的WCDMA移动通信系统。UE与UTRAN之间的接口称为Uu接口（无线接口），UTRAN与CN之间的接口称为Iu接口。WCDMA是一种直接序列扩频码分多址（DS-CDMA）系统。WCDMA无线接口的基本参数如表9-1所示。其中无线接入网络处理所有与无线有关的功能，而CN处理UMTS系统内所有的话音呼叫和数据连接，并实现与外部网络的交换和路由功能。CN从逻辑上分为电路交换(CS，CircuitSwitched)域和分组交换(PS，PacketSwitched)域。表9-1WCDMA无线接口基本参数WCDMA的无线帧长为10ms，分成15个时隙。信道的信息速率将根据符号率变化，而符号率取决于不同的扩频因子(SF)。SF的取值与具体的双工模式有关，对于FDD模式，其上行扩频因子为4～256，下行扩频因子为4～512；对于TDD模式，其上行和下行扩频因子均为1～16。无线空中接口指用户设备(UE)和网络之间的U接口，它分为控制平面和用户平面。控制平面由物理层、媒体接入控制层（MAC）、无线链路控制层（RLC）和无线资源控制（RRC）等子层组成。在用户平面的RLC子层之上有分组数据汇聚协议（PDCP）和广播/组播控制（BMC）。整个无线接口的协议结构如图9-1所示。图9-1无线接口的分层结构RRC(无线资源控制)层位于无线接口的第三层,它主要处理UE和UTRAN的第三层控制平面之间的信令,包括处理连接管理功能、无线承载控制功能、RRC连接移动性管理和测量功能。UTRAN的结构如图9-2中的虚线框所示。媒体接入控制层屏蔽了物理介质的特征,为高层提供了使用物理介质的手段。高层以逻辑信道的形式向MAC层传输信息,MAC完成传输信息的有关变换，通过传输信道将信息发向物理层。图9-2UTRAN的结构传输信道是物理层提供给高层（MAC）的业务。根据其传输方式或所传输数据的特性，传输信道分为两类：专用信道(DCH)和公共信道。9.1.2WCDMA无线接口1.WCDMA无线接口的物理层其中,RACH、CPCH为上行公共信道,BCH、FACH、PCH和DSCH为下行公共信道。公共传输信道又分为6类：广播信道(BCH)、前向接入信道(FACH)、寻呼信道(PCH)、随机接入信道(RACH)、公共分组信道(CPCH)和下行共享信道(DSCH)。物理层将通过信道化码（码道）、频率、正交调制的同相（I）和正交（Q）分支等基本的物理资源来实现物理信道，并完成与上述传输信道的映射。一般的物理信道包括3层结构：超帧、帧和时隙。超帧长度为720ms，包括72个帧；每帧长为10ms，对应的码片数为38400chip；每帧由15个时隙组成,一个时隙的长度为2560chip；每时隙的比特数取决于物理信道的信息传输速率。与传输信道相对应，物理信道也分为专用物理信道和公共物理信道。上行物理信道分为专用上行物理信道和公共上行物理信道。专用上行物理信道有两类，即专用上行物理数据信道(上行DPDCH)和专用上行物理控制信道(上行DPCCH)。(1)专用上行物理信道。1)上行物理信道DPDCH用于传送专用传输信道(DCH)。在每个无线链路中，可能有0、1或若干个上行DPDCH。DPCCH用于传输物理层产生的控制信息。在WCDMA无线接口中，传输的数据速率、信道数、发送功率等参数都是可变的。为了使接收机能够正确解调，必须将这些参数在物理层控制信息中通知接收机。物理层控制信息由为相干检测提供信道估计的导频比特、发送功率控制(TPC)命令、反馈信息(FBI)、可选的传输格式组合指示(TFCI)等组成。上行专用物理信道的帧结构如图9-3所示。每一长度10ms的帧分为15个时隙，每一时隙的长度为Tslot=2560个码片(chip)，对应于一个功率控制周期。DPDCH和DPCCH是并行码分复用传输的。在每一个无线链路中，只有一个上行DPCCH。TFCI通知接收机在上行DPDCH的一个无线帧内同时传输的传输信道的瞬时传输格式组合参数。图9-3上行专用物理信道的帧结构与上行传输信道相对应，公共上行物理信道也分为两类。用于承载RACH的物理信道称为物理随机接入信道(PRACH)，用于承载CPCH的物理信道称为物理公共分组信道(PCPCH)。(2)公共上行物理信道:物理随机接入信道(PRACH)用于移动台在发起呼叫等情况下发送接入请求信息。PRACH的传输基于时隙ALOHA协议，可在一帧中的任一个时隙开始传输。图9-4随机接入的发送格式随机接入的发送格式示于图9-4。它由一个或几个长度为4096chip的前置序列和10ms或20ms的消息部分组成。随机接入突发前置部分中,长为4096chip由长度为16的扩频(特征)序列的256次重复组成占两个物理时隙进行传输。随机接入消息部分的物理传输结构与上行专用信道的相同,但扩频比仅有256、128、64和32几种形式,占用15或30个时隙,每个时隙内可以传送10/20/40/80个比特。其控制部分的扩频比与专用信道的相同,但其导频比特仅有8bit一种形式,导频比特图案与专用信道中Npilot=8的情况完全相同。物理公共分组信道(PCPCH)是一条多用户接入信道，传送CPCH传输信道上的信息。接入协议基于带冲突检测的时隙载波侦听多址(CSMA/CD)，用户可以在无线帧中的任何一个时隙作为开头开始传输,其传输结构如图9-5所示。在10ms的消息格式中,随机接入消息中的TFCI的总比特数也为15×2=30bit。无线帧中TFCI的值对应于当前随机接入信道部分的传输格式。在使用20ms消息格式的情况下,TFCI在第二个无线帧重复。PCPCH的格式与PRACH类似,但增加了一个冲突检测前置码和一个可选的功率控制前置码,消息部分可能包括一个或多个10ms长的帧。与PRACH类似,消息有两个部分—高层用户数据部分和物理层控制信息部分。数据部分采用和DPDCH一样的扩频因子:4、8、16、32、64、128和256;控制部分的扩频因子是256。图9-5PCPCH上的传输结构上行专用物理信道和上行公共物理信道的扩频和调制分别如图9-6和9-7所示。(3)上行信道的扩频与调制。图9-6上行DPDCH／DPCCH的扩频与调制图9-7PRACH消息部分的扩频和调制在上行DPDCH/DPCCH的扩频与调制中,1个DPCCH和最多6个并行的DPDCH可以同时发送。所有的物理信道数据先被信道码cd,n或cc扩频,再被乘以不同的增益β(βd代表业务信道增益,βc代表控制信道增益),合并后分别调制到两个正交支路I和Q上,最后还是经过复数扰码。PRACH消息部分的扩频和调制与上行DPDCH/DPCCH的扩频和调制相似。在上述扩展过程中,信道码cd(cd,n)或cc扩频因子(OVSF))码,它的作用是保证所有用户不同物理信道之间的正交性。OVSF码可以用图9-8所示的码树来定义。图9-8产生正交可变扩频因子码的码树图中,OVSF码可以描述为cSF,codenumber,其中的SF代表了DPDCH的扩展因子,codenumber是扩展码的编号。如c4,2表示的是扩展因子为4的第2号码,c4,2=(1,1,-1m-1)。)(1201cjccscramb(9-1)其中,w0和w1是码片速率的序列，定义为w0={(+1+1)(+1+1)(+1+1)(+1+1)…}(9-2)w1={(+1-1)(+1-1)(+1-1)(+1-1)…}(9-3)用下式给出：2c)2()12()2(222kckckck=0，1，2，…(9-4)在OVSF的码树中,我们可按一定的规则来选取不同SF的相互正交的码,如c4,1和c2,2相互正交。图9-9上行链路短扰码生成器下行DPCH由传输数据部分的DPDCH和传输控制信息(导频比特、TPC命令和可选的TFCI)部分（DPCCH）组成，以时分复用的方式发送,如图9-10所示。2)下行物理信道(1)下行专用物理信道（DPCH）:下行物理信道分为下行专用物理信道(DPCH)和下行公共物理信道(包括公共下行导频信道(CPICH)、基本公共控制物理信道(PCCPCH)、辅助公共控制物理信道(SCCPCH)、同步信道(SCH)、捕获指示信道(AICH)、寻呼指示信道(PICH)。图9-10下行DPCH的帧结构每个下行DPCH时隙的总比特数由扩频系数SF=512／2k决定，扩频系数的范围由512到4。下行链路可能采用多码传输，一个或几个传输信道经编码复接后，组成的组合编码传输信道(CCTrCH)使用几个并行的扩频系数相同的下行DPCH进行传输。在不同的下行时隙格式中，下行链路DPCH中Npilot的比特数为2到16，NTPC为2到8比特，NTFCI为0到8比特，Ndata1和Ndata2的确切比特数取决于传输速率和所用的时隙格式。下行链路使用哪种时隙格式由高层设定。图9-11多码传输时下行链路的时隙格式此时,物理层的控制信息仅放在第一个下行DPCH上,其他附加的DPCH相应的控制信息的传输时间不发送任何信息,即采用不连续发射(DTX),如图9-11所示。(2)公共下行导频信道（CPICH）:CPICH是固定速率(30kb／s，SF=256)的下行物理信道，携带预知的20比特(10个符号)导频序列（且没有任何物理控制信息）。公共导频信道有两类：基本CPICH和辅助CPICH，它们的用途不同，物理特征上也有所不同。(3)基本公共控制物理信道（PCCPCH）:基本CCPCH为固定速率(SF=256)的下行物理信道，用于携带BCH。在每个时隙的前256个码片不发送CCPCH的任何信息（Txoff），因而可携带18比特的数据。基本CCPCH与下行DPCH的不同是没有TPC命令、TFCI和导频比特。在每一时隙的前256个码片,即基本CCPCH不发送的期间,发送基本SCH和辅助SCH(见图9-13)图9-13同步信道(SCH)结构(4)辅助公共控制物理信道（SCCPCH）:辅助CCPCH用于携带FACH和PCH。有两类辅助CCPCH：包括TFCI的和不包括TFCI的，由UTRAN决定是否发送TFCI。辅助CCPCH可能的速率集和下行DPCH相同。辅助CCPCH的帧结构如图9-12所示，扩频系数的范围为4~256。图9-12辅助公共控制物理信道的帧结构同步信道(SCH)是用于小区搜索的下行信道。SCH由两个子信道组成：基本SCH和辅助SCH。SCH无线帧的结构如图9-13所示。(5)同步信道(SCH):图9-13同步信道(SCH)结构图9-14捕获指示信道(AICH)的结构(6)捕获指示信道（AICH）:捕获指示信道(AICH)为用于携带捕获指示(AI)的物理信道，它给出移动终端是否已得到一条PRACH的指示。AIi对应于PRACH或PCPCH上的特征码i。AICH的帧结构如图9-14所示。包括由15个连续接入时隙(AS)组成的重复序列，每一个AS的长度为40个比特间隔，每个AS包括32个比特和1024个码片长度的空部分，采用固定的扩展因子128。图9-14捕获指示信道(AICH)的结构图9-15寻呼指示信道(PICH)的结构(7)寻呼指示信道（PICH）:寻呼指示信道(PICH)是固定速率的物理信道(SF=256)，用于