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1、WCDMA系统的物理层系统的物理层（FDD）刘林南刘林南 博士博士WCDMA系统的物理层（FDD）v概述；概述；v编码技术；编码技术；v物理层的成帧过程；物理层的成帧过程；v业务复用；业务复用；v扩频与扰码；扩频与扰码；v物理层帧结构；物理层帧结构；概述v蜂窝系统的焦点：蜂窝系统的焦点：物理层物理层直接影响无线链路的性能直接影响无线链路的性能直接决定了用户终端与交换设备的复杂度直接决定了用户终端与交换设备的复杂度vWCDMAWCDMA系统不仅所用带宽增加了，而且还采用系统不仅所用带宽增加了，而且还采用了多种新的技术解决方案，因此它不局限于了多种新的技术解决方案，因此它不局限于传统的话音业务，能
2、够提供更灵活、多样化传统的话音业务，能够提供更灵活、多样化的业务传输组合的业务传输组合WCDMA系统的物理层（FDD）v概述；概述；v编码技术；编码技术；v物理层的成帧过程；物理层的成帧过程；v业务复用；业务复用；v扩频与扰码；扩频与扰码；v物理层帧结构；物理层帧结构；1. 交织技术2. 卷积码3. Turbo码4. 速率匹配交织交织v交织技术是为了抵抗无线信道的噪声以及衰交织技术是为了抵抗无线信道的噪声以及衰落的影响而采取的时间分集技术落的影响而采取的时间分集技术，衰落信道，衰落信道的突发错误随机化，使得信道无记忆；的突发错误随机化，使得信道无记忆；v在实际通信系统中，交织技术与纠错技术联在
3、实际通信系统中，交织技术与纠错技术联合使用，以提高系统性能合使用，以提高系统性能对角交织对角交织v交织算法：交织算法：对角交织的端到端时延为3倍的码块长度(短时延)仅仅能够把突发错误分散到两个连续的码块中，具有局限性块交织块交织v块交织将块交织将n n个码字比特，逐行写入个码字比特，逐行写入DWDW的矩阵，的矩阵，在逐列读出在逐列读出v将错误长度将错误长度bDbD地突发错误分散到各个码字地突发错误分散到各个码字中，每个码字最多包含中，每个码字最多包含1 1个单发错误个单发错误 v块交织地端到端时延为块交织地端到端时延为2 2个比特存储器的容量个比特存储器的容量（2WD2WD）v缺点：缺点： 对
4、于周期性发生的错误缺少鲁棒性对于周期性发生的错误缺少鲁棒性块间交织块间交织v把一个输入块的把一个输入块的NBNB个比特分散输出到个比特分散输出到B B个码块个码块中，每个输出码块包含中，每个输出码块包含N N个比特个比特v一个输入块中的连续符号映射到一个输入块中的连续符号映射到B B个连续的输个连续的输出块，但是它们再这些块中的偏移量是不规出块，但是它们再这些块中的偏移量是不规则的，从而使得周期性的噪声随机化则的，从而使得周期性的噪声随机化v缺点：缺点：1.确保输入与输出的符号一一对应，确保输入与输出的符号一一对应，必须保证必须保证B和和N之间没有公约数之间没有公约数2.由于它的分散性质，端到
5、端的交织时延由于它的分散性质，端到端的交织时延为为B2N个符号个符号FDD模式的交织器v交织模式与深度的确定既要考虑到其分散错交织模式与深度的确定既要考虑到其分散错误的效果，又要兼顾业务传输时延的限制误的效果，又要兼顾业务传输时延的限制 v交织类型交织类型帧间交织即块间交织。帧间交织在编码流程中为帧间交织即块间交织。帧间交织在编码流程中为第一次交织，完成帧数据之间的位置交换第一次交织，完成帧数据之间的位置交换 帧内交织也属于块交织，在编码流程中为第二步帧内交织也属于块交织，在编码流程中为第二步交织，它完成一个帧内部的数据比特位置的交换交织，它完成一个帧内部的数据比特位置的交换操作操作信道编码概
6、述信道编码概述v信道编码的本质信道编码的本质利用冗余降低差错概率利用冗余降低差错概率v信道编码设计信道编码设计信息的准确度信息的准确度允许的时延允许的时延系统级因素系统级因素v分集接收分集接收v改进调制解调方法改进调制解调方法v经济因素经济因素资源、可靠性和传信量之间选择差错控制方案差错控制方案WCDMAv差错控制方案差错控制方案前向纠错前向纠错(FEC)v单向信道单向信道v无法做到无差错传输无法做到无差错传输v效率高效率高自动重发请求自动重发请求(ARQ)v双向信道双向信道v无差错传输无差错传输v效率低、时延大效率低、时延大WCDMA中的信道编码v卷积码BERBER1010-3-3vTurb
7、o码BER10-310-6v业务专用编码不等差错保护 卷积码v卷积码：卷积码：本组的编码不仅与当前输入的本组的编码不仅与当前输入的k个信息元有关，个信息元有关，而且还与前而且还与前m个时刻的输入信息元有关个时刻的输入信息元有关v参数：参数：卷积码卷积码 (n,k,m)信息位信息位k k码字码字n n校验位校验位n-kn-k约束长度约束长度m m1 1码率码率R=k/nR=k/n寄存器个寄存器个v=mv=m码重与码距码重与码距编码生成多项式编码生成多项式卷积码 mipi2pi1(3,1,2) 卷积编码器卷积码(续)WCDMA中的卷积码v卷积码方案话音业务在内的速率相对较低的业务 编码编码方案方案
8、码率码率约束长度约束长度生成多项式生成多项式自由距自由距CCCC(2,1,9)(2,1,9)1/29753,56112CCCC(3,1,9)(3,1,9)1/39 9557，663，711 16卷积码的距离特性v码距离欧氏距离汉明距离v自由距任意长编码后序列之间的最小汉明距离采用维特比译码算法时，自由距是衡量译码性能的重要参数由于卷积码的线性性质，所有码序列之间的最小汉明距应该等于非0码序列的最小汉明重量 自由距可由生成函数求得，但计算量太大，目前的卷积码好码大都是用计算机搜索得到的 Turbo码v1993年提出，性能接近香农限vTurbo码的优点性能优异，接近香农限适用于长延时和不限延时业务
9、vTurbo码的缺点长译码延时高复杂度误差底限理论分析困难Turbo码概述v香农第二定理（无失真传输定理）当R C，可以找到使 Pe0 的编码方法满足：v采用随机编、译码方式v编译码长度L，即码长无限v采用最大似然译码方法vTurbo码的编、译码结构并行级联 RSC 卷积码随机交织器迭代译码结构软输入、软输出子译码器vMAP类译码算法 （MAP、Log-MAP、Max-Log-MAP）vSOVA类译码算法Turbo码编码结构 vTurbo码编码器反馈系统卷积码(RSC)并行结构随机化交织器TTT TTTbkvk,1vk,2vk,33GPP3GPP推荐的推荐的TurboTurbo码，码，码率码率
10、1/31/3、RSC(13,15)RSC(13,15)作子码作子码 Turbo码交织器v交织器的功能利用随机化的思想将两个相互独立的短码连接成一个线性的长码离散突发错误v交织器的设计交织长度越大，则性能越好,译码时延越大交织规则的随机性越好，则性能越好，针对性越强v矩阵交织器vS-随机交织器v非均匀交织器 v码匹配交织器Turbo码译码结构SISO子译码器的输入输出关系对数似然比 L(u)SISO子译码器外部信息 Le(u)先验信息 L0(u)信道信息 LcySISO1-1-1硬判决硬判决-1-1L(uk)Yk,1Yk,2Yk,3LE(uk) L(uk)LE(uk)ukSISO2Turbo码的
11、迭代译码结构vTurbo译码器软输入软输出(SISO)子译码器迭代译码器算法v相互传递外部信息Turbo码的译码算法最优化最优化误比特率误比特率最优化最优化误帧率误帧率Turbo的性能(1)迭代次数越多，迭代次数越多， 性能越好性能越好Turbo的性能(2)交织长度越大，交织长度越大， 性能越好性能越好Turbo的性能(3)译码性能上：译码性能上：MAPMAP算算法很好，其次是法很好，其次是LogLogMAPMAP，然后是然后是MaxMaxLogLogMAPMAP和和SOVASOVA从复杂度来分析，从复杂度来分析，MaxMaxLogLogMAPMAP最低，最低，其次是其次是LogLogMAPM
12、AP和和SOVASOVA，最后是最后是MAPMAP WCDMA中的Turbo码vTurbo码母码为1/3码RSC生成多项式为RSC(13,15)通过速率匹配(打孔或重复)获得其他码率适用于对时延要求不高数据业务传输速率匹配v为了适应多种速率传输，WCDMA给出了一种速率适配算法，目的是把业务速率适配为标准速率集中的一种速率速率匹配就是指在传输信道上的数据比特被打孔（puncturing）或重复（repeating），以便于使信道映射时达到传输格式所要求的比特速率 WCDMA系统的物理层（FDD）v概述；概述；v编码技术；编码技术；v物理层的成帧过程；物理层的成帧过程；v业务复用；业务复用；v扩
13、频与扰码；扩频与扰码；v物理层帧结构；物理层帧结构；1. 传输信道向物理信道的映射2. 成帧过程传输信道向物理信道的映射传输信道向物理信道的映射 v高层的数据通过传输信道映射到物理层的物理信道上v物理层既要有能力支持传输宽带业务所使用的多种速率的传输信道，又要能够把多种业务复用到同一个连接中v每一个传输信道都有一个传输格式指示信息TFI，物理层把同一时刻到的各传输信道的TFI组合成传输格式组合指示TFCI，用来通知接收机当前帧的传输信道的格式。接收机从解调后的TFCI信息判断出当前信道的传输格式，从而能够正确解调接收信息 传输信道向物理信道的映射传输信道向物理信道的映射( (续续) )v传输信
14、道分为公共传输信道与专用传输信道两种，专用信道是采用特定的扩频码、扰码码字，为某一个用户所专用；公共信道则是为整个小区或小区中的某一组用户所公用 v专用传输信道（DCH）对应2个物理信道专用数据物理信道（DPDCH）专用控制物理信道（DPCCH） v高层并没有为所有的物理信道设置相应的传输信道但是每个基站都必须有传输这些物理信道的能力 传输信道向物理信道的映射传输信道向物理信道的映射( (续续) ) 专用传输信道专用传输信道 DCH随机接入信道随机接入信道 RACH公共分组信道公共分组信道 CPCH广播信道广播信道 BCH下行链路共享信道下行链路共享信道 DSCH前向链路接入信道前向链路接入信
15、道 FACH寻呼信道寻呼信道 PCH寻呼指示信道寻呼指示信道 PICH 同步信道同步信道 SCH公共导频信道公共导频信道 CPICH 请求指示信道请求指示信道 AICH接入前导请求指示信道接入前导请求指示信道 AP-AICHCPCH状态指示信道状态指示信道 SCICH冲突检测冲突检测/信道分配指示信道信道分配指示信道 CD/CA-ICH 传输信道专用物理数据信道专用物理数据信道 DPDCH专用物理控制信道专用物理控制信道 DPCCH物理随机接入信道物理随机接入信道 PRACH物理公共分组信道物理公共分组信道 PCPCH主公共控制物理信道主公共控制物理信道 P-CCPCH下行物理共享信道下行物理
16、共享信道 PDSCH辅公共控制物理信道辅公共控制物理信道 S-CCPCH物理信道上行链路成帧v基带处理步骤包括为每个传输块加CRC校验比特：传输块的串联与码块分段：信道编码：无线帧均衡：匹配速率：插入不连续传输（DTX）指示比特：交织：无线帧分段：传输信道的复用：物理信道分段：映射到物理信道上行链路成帧过程 一个一个TTI添加添加CRC校验校验传输块级连或分割传输块级连或分割信道编码信道编码无线帧均衡无线帧均衡第一次交织第一次交织无线帧分段无线帧分段速率匹配速率匹配第二次交织第二次交织物理信道分段物理信道分段另一个另一个TTI添加添加CRC校验校验传输块级连或分割传输块级连或分割信道编码信道编
17、码无线帧均衡无线帧均衡第一次交织第一次交织无线帧分段无线帧分段速率匹配速率匹配传输信道复用传输信道复用物理信道分段物理信道分段编码组合信道编码组合信道CCTrCH下行链路成帧v在成帧过程中，上行链路与下行链路基本类似v区别在于速率匹配不是在无线帧分段之后，而是在信道编码之后，针对一个无线帧的信息比特进行的分别在编码组合信道（CCTrCH）成型之前、后增加了一次DTX指示信息的输入机会。第一次是针对固定位置（fixed position）的，第二次是针对可变位置（flxible position）的 下行链路成帧(续)WCDMA系统的物理层（FDD）v概述；概述；v编码技术；编码技术；v物理层的
18、成帧过程；物理层的成帧过程；v业务复用；业务复用；v扩频与扰码；扩频与扰码；v物理层帧结构；物理层帧结构；业务复用vWCDMA系统传输业务数据经过高层的封装，以传输信道数据的形式进入物理信道 承载着通信业务的多个传输信道进入同一个复合传输信道（CCTrCH），再映射到物理信道 WCDMA系统的业务复用过程，是为并发业务分配无线资源、保证其业务质量、并将传输格式通知接收机的过程具体到物理层，就是把承载了用户信息的传输信道与其控制信息进行组合，再映射到物理信道，进行发送的过程 传输格式参数v传输格式(TF)v传输格式集合v传输格式组合v传输格式组合集合v传输格式指示v传输格式组合指示3G系统承载业
19、务v物理层传输的业务选择单独信令语音信令电路交换数据信令分组交换数据信令语音电路交换数据信令语音分组交换数据信令 DTCH288028964800480048004800信息数据DCCH信息数据1002880CRC16添加添加CRC比特比特100CRC12添加添加CRC比特比特尾比特128688Turbo编码R1/38700第第1次次交织交织43504350无线帧分段尾比特8添加尾比特添加尾比特360卷积码卷积码 R1/3 360第一次交织第一次交织90909090速率匹配速率匹配407298470298470298470298第2次交织SMU#498SMU#1 #2 #3SMU#1 4702
20、 SMU#2 4702 SMU#1 4702 SMU#2 4702989898速率速率匹配匹配 DTCH1(8kbit/s话音)DTCH2(64kbit/s数据)DCCH801280961296bit/20ms信息数据信息数据信息数据1280添加CRC比特96添加CRC比特112添加尾比特318318速率匹配2400240024002400第2次交织3900第1次交织360第1次交织80添加CRC比特CRC16312卷积编码1/3码率96添加尾比特尾比特83888Turbo编码1/3码率360卷积编码1/3码率#1 1990#2 1990#1 1950#2 1950无线帧分段90 90 90
21、90929292 92无线帧分段318 1900 92 318 1900 92 318 1900 92 318 1900 92传输信道复用WCDMA系统的物理层（FDD）v概述；概述；v编码技术；编码技术；v物理层的成帧过程；物理层的成帧过程；v业务复用；业务复用；v扩频与扰码；扩频与扰码；v物理层帧结构；物理层帧结构；1. 多址技术2. 扩频码3.扰码多址技术v频分多址（频分多址（FDMA）；）；v时分多址（时分多址（TDMA）；）；v码分多址（码分多址（CDMA）；）； 频分复用频分复用v原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频
22、率通道进行传输。频率通道每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰之间留有防护频带以防相互干扰。CH2CH1CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用信号带宽复用信号f复用器复用器波分复用波分复用光的频分复用光的频分复用原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输每路信号占用一个波长范围来进行传输。F2F1F3 光谱光谱F1F2F3共享光纤的光谱共享光纤的光谱光纤光纤2光纤光纤3光纤光纤1共享光纤共享光纤 棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅时分复用时分
23、复用原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输输。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据流复用后的数据流时隙号时隙号1231D3D2D1时间片时间片12时间片时间片2D1时隙时隙D2复用器复用器码分复用 码分复用 扩频 理想的扩频码v扩频码有优良的自相关性：v扩频码有优良的互相关性：WCDMA的扩频和加扰 数据数据信道化码信道化码码片速率码片速率扰码扰码码片速率码片速率比特速率比特速率扩频码v用来区分用户占用的信道；用来区分用户占用的信道；v正交可变
24、长扩频码（正交可变长扩频码（OVSF）码字的长度是码字的长度是2的整数次幂的整数次幂v对于上行链路：对于上行链路：SF=2k(k=2,3,8),即即SF=4,8,256v对于下行链路：对于下行链路：SF=2k(k=2,3,9),即即SF=4,8,512对于长度一定的对于长度一定的OVSF码，其包括的码字总数与其码长度码，其包括的码字总数与其码长度相等，即共有相等，即共有SF个长度为个长度为SF的的OVSF码码不同长度，长度相同的不同码字之间相互正交，其互相不同长度，长度相同的不同码字之间相互正交，其互相关为关为0扰码v区分不同的用户或基站v有尖锐的自相关性v尽可能小的互相关性v产生容易，足够多
25、的序列数v尽可能大的序列复杂度vGold扰码v2个特定的m序列相加v具有良好的自、互相关特性v上行区分用户，下行区分基站v长扰码&短扰码M序列v由本原多项式生成v性质:周期:2r-1(r是移位寄存器的个数).在一个周期内1的个数是2r-1,0的个数是2r-1-1;在一个周期中,共有2r-1个游程,游程长度为k的个数占游程总个数的比例是1/2kM序列和其移位后的序列逐位模相加，所得序列还是m序列；扰码的分配v上行链路：专用信道：由网络分配给用户；随机接入信道：使用的扰码与该小区下行链路的主扰码对应；公共分组信道：使用的扰码与该小区下行链路的主扰码对应；v下行链路：每个小区分配一个扰码集合（1个主
26、扰码，15个辅扰码）WCDMA系统的物理层（FDD）v概述；概述；v编码技术；编码技术；v物理层的成帧过程；物理层的成帧过程；v业务复用；业务复用；v扩频与扰码；扩频与扰码；v物理层帧结构；物理层帧结构；1. 物理信道帧结构2. 发射分集3. 下行链路物理信道4. 上行链路物理信道物理层的帧结构 帧帧 i 帧帧 1帧帧 70帧帧 0帧帧 71时隙0时隙1时隙2时隙3时隙4时隙5时隙6时隙7时隙8时隙9时隙14时隙13时隙12时隙11时隙1010ms2560chip发射分集v为减少下行物理信道之间的干扰，提高接收机性能，下行链路物理信道在发射时采用两个正交天线发送一种信息的不同的调制信号，即发射
27、分集。开环模式v空时发射分集（STTD）v时间切换发射分集（TSTD）同步信道SCH闭环模式闭环模式 下行链路物理信道v下行链路物理信道下行链路专用传输信道下行链路公共物理信道下行链路专用物理信道v帧结构：v专用物理信道的发送分集：空时分组码专用物理信道的多码传输 用扩频码来区分占用不同物理信道的用户下行链路公共物理信道v根据是否通过传输信道中的信息块传输，公共下行物理信道可以大致分为两类一类是有对应的传输信道：公共导频信道、公共控制信道、同步信道、下行共享信道；另一类没有对应的传输信道，为指示信息。包括捕获指示、接入前导指示API、信道分配指示、冲突检测指示、寻呼指示PI和状态指示SI 主公
28、共控制物理信道(P-CCPCH)v特点：承载广播信道（BCH），单一传输格式，为小区内所有用户接收上行链路专用物理信道vWCDMAWCDMA系统中的专用信道对用户数据和物理层系统中的专用信道对用户数据和物理层控制信息进行控制信息进行I/QI/Q复用复用 v每个物理连接中有且只有一个每个物理连接中有且只有一个DPCCH(SF=256),DPCCH(SF=256),可有可有6 6个个DPDCH(SF=4-256)DPDCH(SF=4-256)vDPDCHDPDCH的数据速率以帧为单位变化的数据速率以帧为单位变化v 传输格式指示（传输格式指示（TFCI）随帧变化随帧变化上行链路专用物理信道 上行链路
29、专用物理信道多码道调制过程上行链路专用物理信道多码道调制过程 DPDCH1Cd,1BdDPDCH2Cd,2BdDPDCH3Cd,3BdDPDCH4Cd,4BdDPCCH1CCBCDPDCH6Cd,6BdDPDCH5Cd,5BdIQjI+jQSdpch物理信道间的相对时序v系统帧标号系统帧标号SFN作为所有物理信道的时序参考；作为所有物理信道的时序参考；v主主/辅同步信道辅同步信道(P/S-SCH)，主，主/辅公共导频信道辅公共导频信道(P/S-CPICH)，主公共控制信道，主公共控制信道(P-CCPCH)和下行和下行物理共享信道物理共享信道(PDSCH)具有相同的帧时序；具有相同的帧时序；v不同的辅公共控制信道不同的辅公共控制信道(S-CCPCH)有不同的时延；有不同的时延；v寻呼指示信道寻呼指示信道PICH比对应的辅公共控制信道超前比对应的辅公共控制信道超前7680chip；v下行共享信道与下行共享信道与P-CCPCH信道帧时序的偏移量一定信道帧时序的偏移量一定是是256个码片长度的整数倍个码片长度的整数倍
