移动通信第9章码分多址(CDMA)移动通信系统.ppt
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1、第9章 码分多址(CDMA)移动通信系统 (二),9.1 WCDMA系统 9.2 TD-SCDMA系统,UMTS(Universal Mobile Telecommunications System, 通用移动通信系统)是采用WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)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, UMTS Terrestrial Radio AccessNetwork)和核心网络(CN,Core Ne
2、twork)。,9.1 WCDMA 系 统,9.1.1 WCDMA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,Circuit Switched)域和分组交换(PS,Packet Switched)域
3、。,表9-1 WCDMA无线接口基本参数,WCDMA的无线帧长为10 ms,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4256, 下行扩频因子为4512;对于TDD模式, 其上行和下行扩频因子均为116。,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
4、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9-2 UTRAN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
5、)和公共信道。,9.1.2 WCDMA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720 ms,包括72个帧;每帧长为10 ms,对应的码片
6、数为38 400 chip;每帧由15个时隙组成,一个时隙的长度为2560 chip;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
7、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10 ms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
8、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4096 chip的前置序列和10 ms或20 ms的消息部分组成。随机接入突发前置部分中,长为4096 chip由长度为16的扩频
9、(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
10、格式中,随机接入消息中的TFCI的总比特数也为152=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9-5 PCPCH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
11、和9-7所示。,(3) 上行信道的扩频与调制。,图9-6 上行DPDCHDPCCH的扩频与调制,图9-7 PRACH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(d代表业务信道增益,c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
12、。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,code number,其中的SF代表了DPDCH的扩展因子,code number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) 。,复数扰码是采用下列方法产生的:,(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:,k=0, 1, 2, (9-4),在 OVSF的码树中,我们
13、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
14、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 =5122k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,
15、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(30 kbs, 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(Tx off), 因而可携带18比特的
16、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4256。,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
17、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
18、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), 用于携带寻呼指示(PI)。 PICH总是与SCCPCH相关联。 PICH的帧结构如图9-15所示。,在每一个PICH帧中发送N个寻呼指示, N=18、 36、 72或144。,图9-15 寻呼指示信道(PICH)的结构,一个长度为10 ms的PICH由300 bit组成, 其中288 bit用于携带寻呼指示, 剩下的12 bit未用。,如果在某一帧中寻呼指示置为“1”, 则表示与该寻呼指示有关的移动
19、台应读取SCCPCH的对应帧。,图9-16 下行DPCH的扩频和调制,(8) 下行链路的扩频和调制:,除了SCH外, 所有下行物理信道的扩频和调制过程如图9-16所示。,数字调制方式是QPSK, 每一组两个比特经过串/并变换之后分别映像到I和Q支路。,不同的物理信道使用不同的信道码,而同一个小区的物理信道则使用相同的扰码。,I和Q支路随后用相同的信道码扩频至码片速率(实数扩频),然后再用复数的扰码Sdl,n对其进行扰码。,SCH和其它下行物理信道的时分多路复用如图9-17所示。 基本SCH和辅助SCH是码分多路的, 并且在每个时隙的第1个256码片中同时传输。,图9-17 SCH和下行物理信道
20、的时分多路复用,SCH的传输功率可以通过增益因子GP和GS来分别加以调节.与PCCPCH的传输功率是不相关的。,图9-16中使用的信道化扩频码与上行中所用的信道化扩频码相同,为正交扩频因子(OVSF)码。基本CPICH使用c256,0,PCCPCH使用c256,1, 其余信道的扩频码由网络决定。,图9-16 下行DPCH的扩频和调制,扰码的长度为38 400码片,共有218-1=262 143个扰码,序号为0,262 142,但实际上只用序号为k=0, 1, , 8191的扰码,共8192个,分成512个集合。,每个集合有16个码,其中一个是基本扰码,码序号为n=16i,i=0, , 511,
21、其它15个为辅助扰码,第i个集合中的码序号为16i+k, k=1, , 15。,此外,在压缩模式下,要改变所使用的扰码,将序号为k的扰码替换成对应的两各扰码之一,序号分别为k+8192和k+16 384。,扰码序列是通过将两个实数序列合并为一个复数序列构成的。每一个实数序列由如下两个x和y序列的对应位模2加而成,它实际上是一个Gold序列: x序列用本原多项式1+x7+x18, y序列用多项式1+x5+x7+x10+x18。,x序列取决于选定的扰码序号n,表示为xn。这样,令xn(i)和y(i)分别表示序列xn和y的第i个符号, m序列xn和y就可以这样构成:,在一个CCTrCH上可以混合使用
22、基本扰码和辅助扰码。,其后序列的递归定义为 xn(i+18)=xn(i+7)+xn(i) mod 2 i=0, , 218-2 y(i+18)=y(i+10)+y(i+7)+y(i+5)+y(i) mod 2 i=0, , 218-2,初始条件: x0(0)=x0(1)=x0(16)=0, x0(17)=1 y(0)=y(1)=y(16)=y(17)=1,xn用如下的等式构成: xn(i)=x0(i+n) mod 218-1) i=0, , 218-2,第n个Gold码序列zn定义为 zn(i)=xn(i)+y(i) mod 2 i=0, , 218-2 经过“0”“+1”, “1”“-1”变
23、换成为实数值。,最后, 第n个复数扰码序列cscramb定义为(其中, N为38 400, M=217=131 072): cscramb(i)=zn(i)+jzn(i+M) i=0, 1, , N-1,基本同步码系列cp是这样产生的:,哈达码序列有如下的递归定义:,令 y=,则 cp=,其中,y(i)表示y的第i位,辅助同步码的产生方法如下:,(9) 下行链路发射分集:,下行链路发射分集是指在基站方通过两根天线发射信号,每根天线被赋予不同的加权系数(包括幅度、 相位等),从而使接收方增强接收效果, 改进下行链路的性能。发射分集包括开环发射分集和闭环发射分集。,开环发射分集不需要移动台的反馈,
24、基站的发射先经过空间时间块编码,再在移动台中进行分集接收解码,改善接收效果。,开环发射分集主要包括TSTD(Time Switched Transmit Diversity, 时间切换发射分集)和STTD(Space Time block coding based Transmit antenna Diversity, 空间时间发射分集)。,闭环发射分集需要移动台的参与, 移动台实时监测基站的两个天线发射的信号幅度和相位等, 然后在反向信道里通知基站下一次应发射的幅度和相位, 从而改善接收效果。,图9-18 STTD编码过程,STTD发射分集的编码过程如图9-18所示。,输入的信道比 特分为4
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