第5章WCDMA无线接口技术

WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA无线接口技术5-1第5章WCDMA无线接口技术在WCDMA系统中，移动用户终端UE通过无线接口上的无线信道与系统固定网络相连，该无线接口称为Uu接口，是WCDMA系统中是最重要的接口之一。无线接口技术是WCDMA系统中的核心技术，各种3G移动通信体制的核心技术与主要区别也主要存在于无线接口上。通过对WCDMA无线接口的学习，可以理解UE终端与WCDMA网络系统之间的工作原理与通信过程；学习这部分内容也是WCDMA无线网络规划的前提。5.1WCDMA无线接口概述5.1.1无线接口的协议结构图5-1显示了UTRAN无线接口与物理层有关的协议结构。从协议结构上看，WCDMA无线接口由层一、层二、层三组成，分别称作物理层（PhysicalLayer）、媒体接入控制层（MediumAccessControl）、无线资源控制层（RadioResourceControl）。从协议层次的角度看，WCDMA无线接口上存在三种信道，物理信道、传输信道、逻辑信道。无线资源控制(RRC)媒质接入控制(MAC)传输信道物理层控制/测量层3逻辑信道层2层1物理信道图5-1无线接口的物理结构图中不同层/子层间的圆圈部分为业务接入点(SAPs)。物理层提供了高层所需的数据传输业务。对这些业务的存取是通过使用经由MAC子层的传输信道来进行的。物理层通过传输信道向MAC层提供业务，而传输数据本身的属性决定了什么种类的传输信道和如何传输；MAC层通过逻辑信道向RRC层提供业务，而WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA无线接口技术5-2发送数据本身的属性决定了逻辑信道的种类。在媒体接入控制（MAC）层中，逻辑信道被映射为传输信道。MAC层负责根据逻辑信道的瞬间源速率为每个传输信道选择适当的传输格式(TF)。传输格式的选择和每个连接的传输格式组合集（由接纳控制定义）紧密相关。RRC层也通过业务接入点（SAP）向高层（非接入层）提供业务。业务接入点在UE侧和UTRAN侧分别由高层协议和IU接口的RANAP协议使用。所有的高层信令（包括移动性管理、呼叫控制、会话管理）都首先被压缩成RRC消息，然后在无线接口发送。RRC层通过其与低层协议间的控制接口来配置低层的协议实体，包含物理信道、传输信道和逻辑信道等参数。RRC层还将使用控制接口进行实时命令控制，例如RRC层命令低层进行特定类型的测量，低层使用相同接口报告测量接口和错误信息。逻辑信道：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。传输信道：无线接口层二和物理层的接口，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。物理信道：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（I或Q）的信道都可以理解为一类特定的信道。在发射端，来自MAC和高层的数据流在无线接口进行发射，要经过复用和信道编码、传输信道到物理信道的映射以及物理信道的扩频和调制，形成无线接口的数据流在无线接口进行传输。在接收端，则是一个逆向过程。本章节将简要介绍逻辑信道和传输信道，并重点介绍物理信道和物理层的过程；通过对物理信道和物理层过程的学习，可以帮助大家深入掌握WCDMA无线接口的工作原理，也有助于大家对WCDMA网络规划的理解。5.1.2扩频与加扰在无线接口上，待传输信源经过信源编码和信道编码之后，数据流将继续进行扩频、加扰和调制。WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA无线接口技术5-3图5-2扩频与扰码的关系扩频使用的码字成为信道化码，具体采用OVSF码（正交可变扩频因子码）。加扰使用的码字称为扰码，采用GOLD序列。1.扩频与信道化码信道化码用于区分来自同一信源的传输，即一个扇区的下行链路连接，以及上行中同一个终端的不同物理信道。UTRAN的扩频/信道化码基于正交可变扩频因子（OVSF）技术。使用OVSF可以改变扩频因子并保持不同长度的不同扩频码之间的正交性。码字从下所示的码树中选取。如果一个连接使用可变扩频因子，可根据最小扩频因子正确利用码树进行解扩，只需从以最小扩频因子码指示的码树分支中选取信道化码。图5-3信道化码树的结构2.扰码加扰的作用是为了把终端或基站各自相互区分开，扰码是在是在扩频之后使用的，因此不改变信号的带宽，而只是把来自不同的信源的信号区分开，经WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA无线接口技术5-4过加扰，解决了多个发射机使用相同的码字扩频的问题，图5-2给出了UTRA中经过扩频和信道化码片速率的关系。因为经过信道化码扩频之后，已经达到了码片速率，所以扰码不影响符号速率。下表总结了扰码和信道化码的功能和特点。表5-1扰码和信道化码的功能和特点信道化码扰码用途上行链路：区分同一终端的物理数据（DPDCH）和控制信道（DPCCH）下行链路：区分同一小区中不同用户的下行链路上行链路：区分终端下行链路：区分小区长度4-256个码片（1.0-66.7us）下行链路还包括512个码片上行链路：10ms＝38400个码片或66.7us=256码片高级基站接收即可选用选项2下行链路：10ms＝38400码片码字数目一个扰码的下的码字数目＝扩频因子上行链路：几百万个下行链路：512码族正交可变扩频因子长10ms码：Gold码短码：扩展的S（2）码族扩频是，增加了传输带宽否，没有影响传输带宽5.2逻辑信道逻辑信道类型见图5-4：图5-4逻辑信道类型WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA无线接口技术5-51.控制信道以下控制信道只用于控制平面信息的传送:广播控制信道(BCCH)。广播系统消息的下行链路信道。寻呼控制信道(PCCH)。传送寻呼消息的下行链路信道。公共控制信道(CCCH)。在网络和UE之间发送控制信息的双向信道，该信道映射到RACH/FACH传输信道。由于该信道中要求长UTRANUE的标识（U-RNTI，包括SRNC），因此保证了上行链路消息能够正确传送到正确的SRNC中。专用控制信道(DCCH)。在网络和UE之间发送控制信息的双向信道，该信道在RRC建立的时候由网络分配给UE的点对点专用信道。2.业务信道以下业务信道只用于用户平面信息的传送:专用业务信道(DTCH)：是传输用户信息的专用于一个UE的点对点双向信道。公共业务信道(CTCH)：向全部或者一组特定UE传输专用用户信息的点对多点的下行链路。5.3传输信道5.3.1传输信道分类传输信道是指由物理层提供给高层的服务。传输信道定义了在空中接口上数据传输的方式和特性。传输信道分为两类：专用信道和公共信道。他们的主要区别在于公共信道是由小区内的所有用户或一组用户共同分配使用的资源；而专用信道资源，由特定频率上特定的编码确定，只能是单个用户专用的。5.3.2专用传输信道仅存在一种专用传输信道，即专用信道(DCH)。专用信道(DCH)是一个上行或下行传输信道。DCH在整个小区或小区内的某一部分使用波束赋形的天线进行发射。WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA无线接口技术5-65.3.3公共传输信道共有六类公共传输信道：BCH,FACH,PCH,RACH,CPCH和DSCH。BCH-广播信道：广播信道(BCH)是一个下行传输信道，用于广播系统或小区特定的信息。BCH总是在整个小区内发射，并且有一个单独的传输格式。FACH-前向接入信道：前向接入信道(FACH)是一个下行传输信道。FACH在整个小区或小区内某一部分使用波束赋形的天线进行发射。PCH-寻呼信道：寻呼信道(PCH)是一个下行传输信道。PCH总是在整个小区内进行发送。PCH的发射与物理层产生的寻呼指示的发射是相随的，以支持有效的睡眠模式程序。RACH-随机接入信道：随机接入信道(RACH)是一个上行传输信道。RACH总是在整个小区内进行接收。RACH的特性是带有碰撞冒险，使用开环功率控制。CPCH-公共分组信道：公共分组信道(CPCH)是一个上行传输信道。CPCH与一个下行链路的专用信道相随，该专用信道用于提供上行链路CPCH的功率控制和CPCH控制命令（例：紧急停止）。CPCH的特性是带有初始的碰撞冒险和使用内环功率控制。DSCH-下行共享信道：下行共享信道(DSCH)是一个被一些UEs共享的下行传输信道。DSCH与一个或几个下行DCH相随路。DSCH使用波束赋形天线在整个小区内发射，或在一部分小区内发射。5.3.4指示符WCDMA协议中为传输信道定义了一系列的指示符功能，但是实际上指示符是一种快速的低层信令实体，没有在传输信道上占用的任何实体信息块，而是由物理信道在物理层直接完成。相关的指示符有：捕获指示（AI），接入前缀指示（API），信道分配指示（CAI），冲突检测指示（CDI），寻呼指示（PI）和状态指示（SI）。指示符可以是二进制的，也可以是三进制的。它们到指示信道的映射是由物理信道决定的。发射指示符的物理信道叫做指示信道（ICH）。5.3.5逻辑信道到传输信道的映射传输信道是为逻辑信道服务的，从图5-5中，可以知道逻辑信道和传输信道之间的映射关系。WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA无线接口技术5-7图5-5逻辑信道与传输信道的映射5.4物理信道5.4.1物理信道的相关概念物理信道是由一个特定的载频、扰码、信道化码（可选的）、开始、结束的时间段（有一段持续时间）和上行链路中相对的相位（0或/2）定义的。持续时间由开始和结束时刻定义，用chip的整数倍来测量。无线帧：无线帧是一个包括15个时隙的处理单元。一个无线帧的长度是38400chips。时隙：时隙是由包含一定比特的字段组成的一个单元。时隙的长度是2560chips。一个物理信道缺省的持续时间是从它的开始时刻到结束时刻这一段连续的时间。不连续的物理信道将会明确说明。传输信道被描述（比物理层更抽象的高层）为可以映射到物理信道上。在物理层看来，映射是从一个编码组合传输信道（CCTrCH）到物理信道的数据部分。除了数据部分，还有信道控制部分和物理信令。物理信令和物理信道一样，是有着相同的基于空中特性的实体，但是没有传输信道或指示符映射到物理信令。物理信令可以和物理信道一起支持物理信道的功能。5.4.2上行物理信道结构上行物理信道分为：专用上行物理信道和公共上行物理信道；WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA无线接口技术5-8专用上行物理信道分为：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)；公共上行物理信道分为：物理随机接入信道（PRACH）和物理公共分组信道(PCPCH)1.DPDCH/DPCCH图5-6显示了上行专用物理信道的帧结构。每个帧长为10ms，分成15个时隙，每个时隙的长度为Tslot=2560chips，对应于一个功率控制周期。数据部分（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个或几个上行DPDCHs；图5-6DPCH的信道结构控制信息（DPCCH）包括支持信道估计以进行相干检测的已知导频比特（Pilot），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)。每个无线链路中只有一个DPCCH。图5-6中的参数k决定了每个上行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到4。上行DPCCH的扩频因子一直等于256，即每个上行DPCCH时隙有10个比特。2.PRACH物理随机接入信道用来传输RACH。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