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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 思考题与习题,9.1.1 WCDMA系统结构 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 Network)。 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。,9.1 WCDMA 系 统,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。,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。 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。 UTRAN的结构如图9-2中的虚线框所示。,图9-2 UTRAN的结构,9.1.2 WCDMA无线接口 1. WCDMA无线接口的物理层 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。 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)。 其中， RACH、 CPCH为上行公共信道， BCH、 FACH、 PCH和DSCH为下行公共信道。,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。 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。 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。,1) 上行物理信道 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。 (1) 专用上行物理信道。 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)。 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。 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。 在每一个无线链路中， 只有一个上行DPCCH。,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。,图9-3 上行专用物理信道的帧结构,(2) 公共上行物理信道。 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)。 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。 随机接入的发送格式示于图9-4。 随机接入发送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长为4096 chip， 由长度为16的特征序列的256次重复组成。,图9-4 随机接入的发送格式,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。,图9-5 PCPCH上的传输结构,(3) 上行信道的扩频与调制。 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。,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,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),图9-8 产生正交可变扩频因子码的码树,图9-9 上行链路短扰码生成器,2) 下行物理信道 (1) 下行专用物理信道（DPCH）。 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。 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。,图9-10 下行DPCH的帧结构,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。 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。 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。,图9-11 多码传输时下行链路的时隙格式,(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比特的数据。,(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,(5) 同步信道(SCH)。 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。,图9-13 同步信道(SCH)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,(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。 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。 在每一个PICH帧中发送N个寻呼指示, N=18、 36、 72或144。 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台应读取SCCPCH的对应帧。,图9-15 寻呼指示信道(PICH)的结构,(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。 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。 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。,图9-16 下行DPCH的扩频和调制,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。 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9-17 SCH和下行物理信道的时分多路复用,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。 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， 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。,在一个CCTrCH上可以混合使用基本扰码和辅助扰码。 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：初始条件： x0(0)=x0(1)=x0(16)=0, x0(17)=1 y(0)=y(1)=y(16)=y(17)=1,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,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,哈达码序列有如下的递归定义：,(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， 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。 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。,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)。,图9-18 STTD编码过程,下面以DPCH为例说明STTD编码的应用， 其过程如图9-19所示， 其中的信道编码、 速率匹配和交织与在非分集模式下相同。 为了使接收端能够确切地估计每个信道的特性， 需要在每个天线上插入导频。,图9-19 DPCH的STTD编码过程,闭环发射分集实质上是一种需要移动台参与的反馈模式发射分集， 只有DPCH采用闭环发射分集方式， 需要使用上行信道的FBI域。 DPCH采用反馈模式发射分集的发射机结构如图9-20所示， 其与通常的发射机结构的主要不同在于这里有两个天线的加权因子w1和w2(复数)。 加权因子由移动台决定， 并用上行DPCCH的FBI域中的D域来传送。,图9-20 DPCH采用反馈模式发射分集的发射机结构,3) 业务信道的复接 传输信道到物理信道的映射关系如图9-21所示。 如图所示，DCH经编码和复用后， 形成的数据流串行地映射(先入先映射)到物理信道； BCH、 FACH和PCH的数据流经编码、 交织后分别直接映射到基本和辅助CCPCH上； 对RACH， 编码和交织后的比特映射到PRACH的随机接入突发的消息部分。 下面讨论具体的编码和复用过程。,图9-21 传输信道到物理信道的映射,(1) 物理层数据传输格式。 在物理层和MAC间交互的所有传输信道规定为单向链路，即上行或下行，移动终端可以同时具有一个或多个传输信道。在物理层和MAC间信息交换的基本单元定义为传输块。 典型的传输块为RLC的一个协议数据单元(PDU)，物理层为每一个传输块添加CRC。 在同一时间使用同一个传输信道， 在物理层和MAC间交换的一组传输块称作传输块集。 传输块中的比特数定义为传输块的大小。 在一个给定的传输块集中， 传输块的大小总是固定的， 也就是说， 在一个传输块集中的所有传输块应是相同大小的。,MAC层是按照固定的传输时间间隔向物理层传输数据块的。传输时间间隔(TTI)定义为传输块集的到达间隔，它等于物理层在无线接口中发送传输块集的周期。TTI总是最小交织周期(10 ms)的倍数，MAC层每个TTI向物理层发送一次传输块集。图9-22为在物理层与MAC间通过三个并行的传输信道同时交换传输块集的示例。每一个传输块集由大量的传输块组成。 图中同时也示出了不同TTI的大小， 可能的TTI大小为10、 20、 40和80 ms。,图9-22 MAC和物理层间数据的交换,传输格式定义为在一个传输信道上， 在一个TTI中发送传输块集的格式。 传输格式由两部分组成， 分别称作动态部分和半静态部分。 动态部分的属性包括传输块大小、 传输块集大小。 半静态部分的属性包括传输时间间隔、 使用的差错保护方案（差错保护类型（Turbo编码、 卷积编码或不编码）、 纠错编码速率、 静态速率匹配参数、 凿孔极限）以及CRC大小。,动态部分： 320 bit， 640 bit。它表示传输块大小为320 bit；传输块集由两个传输块组成， 其大小为640 bit。 半静态部分： 10 ms， 卷积编码， 静态速率匹配参数=1。 它表示传输时间间隔为10 ms， 采用的纠错编码为卷积编码， 静态速率匹配参数为1。 传输格式组合集定义为在编码组合传输信道上的传输格式组合的集合。,动态部分： 组合1 DCH1： 20 bit， 20 bit； DCH2： 320 bit， 1280 bit； DCH3： 320 bit， 320 bit； 组合2 DCH1： 40 bit， 40 bit； DCH2： 320 bit， 1280 bit； DCH3： 320 bit， 320 bit； 组合3 DCH1： 160 bit， 160 bit； DCH2： 320 bit， 320 bit； DCH3： 320 bit， 320 bit。,半静态部分： DCH1： 10 ms， 卷积编码， 静态速率匹配参数=1； DCH2： 10 ms， 卷积编码， 静态速率匹配参数=1； DCH3： 40 ms， Turbo编码， 静态速率匹配参数=2。,(2) 信道编码与复接。 上行和下行信道编码复接分别如图9-23和图9-24所示。 其基本的过程包括： 添加CRC校验比特、传输块级联和码组分段、信道编码、速率匹配、交织、 无线帧分段、 传输信道复接、物理信道分段、交织和物理信道映射等。 在下行信道中还需插入不连续发送指示比特(DTX)。,图9-23 上行传输信道复接结构,图9-24 下行传输信道复接结构,CRC为24、 16、 12、 8或0 bit， 其生成多项式分别为 gCRC24(D)=D24+D23+D6+D5+D+1 gCRC16(D)=D16+D12+D5+1 gCRC12(D)=D12+D11+D3+D2+D+1 gCRC8(D)=D8+D7+D4+D3+D+1,传输块级联和码块分段的功能是将一个TTI中的所有传输块级联到一起。 如果级联后的比特数大于一个信道编码单元（码块）的最大允许比特数Z， 那么要将级联后的比特进行分段， 分段后的码块具有相同的长度。 码块的最大长度取决于TrCH的编码方式(卷积编码时， Z=504； Turbo编码时， Z=5114； 不编码时， Z不受限)。,分段后的码块送给信道编码模块进行信道编码操作, 从而形成无线帧。 TrCH可用的信道编码方案为卷积编码、 Turbo编码、 不编码。 不同类型的TrCH上使用的编码方案和编码速率如表9-2所示。,表9-2 编码方案和编码速率,2. WCDMA无线接口的MAC层 MAC层负责将逻辑信道映射到传输信道， 为每个传输信道选择合适的传输格式(TF)。 MAC向上层提供以下业务： (1) 数据传输。 通过该服务， 可以实现端到端MAC层实体间MAC SDU的无分段、 非确认的传输。 (2) 无线资源和MAC层参数的重新分配。 该服务是由RRC来控制执行的。 (3) 测量报告。 该服务向RRC报告本地测量结果。,MAC层通过逻辑信道向高层提供服务， 或者说逻辑信道是MAC层向上层提供数据传输服务的接口。 逻辑信道类型是由其传输的信息类别来定义的。 所有逻辑信道可分为两大类： 控制信道和业务信道。 控制信道包括同步控制信道（SCCH）、 广播控制信道（BCCH）、 寻呼控制信道（PCCH）、 专用控制信道（DCCH）、 公共控制信道（CCCH）以及共享控制信道（SHCCH）。 业务信道包括专用业务信道（DTCH）和公共业务信道（CTCH）。,逻辑信道的信息经过MAC层后， 将映射至相应的传输信道。 以下列出了逻辑信道至传输信道的映射关系， 反之亦然： BCCH可映射至BCH， 也可映射至FACH； PCCH可映射至PCH； CCCH可映射至RACH和FACH； DCCH和DTCH可映射至RACH和FACH， 或CPCH和FACH， 或RACH和DSCH， 或DCH和DSCH， 或DCH； DCCH还可映射至FAUSCH； CTCH映射至FACH； SHCCH映射至RACH和USCH/FACH以及DSCH。,MAC层的主要功能有： 进行逻辑信道和传输信道间的映射， 为每一传输信道选择合适的传输格式， 对每一移动终端（UE）的不同数据流进行优先级处理， 对不同UE进行优先级处理， 在DSCH和FACH上对不同用户的数据流进行优先级处理， 在公用传输信道上识别不同移动终端（UE）， 复用和解复用， 业务流量监控， 动态传输信道类型切换， 对透明RLC进行加密和解密， 为RACH和CPCH进行ASC选择。,3. WCDMA无线接口的链路层控制协议 1) 无线链路控制（RLC）协议 无线链路控制（RLC）协议主要完成对数据单元的分割和组装， 加密和解密， 用判决反馈重传实现对数据单元的差错控制， 并通过收、 发窗口进行流量控制等。 RLC有三种工作模式： 透明模式(Transparent Mode)、 非确认模式(Unacknowledged Mode)和确认模式(Acknowledged Mode)。 RLC的建立、 释放和重新配置由RRC控制。,(1) 透明模式(Tr)。 对于透明模式， 发射端从高层接收业务数据单元， RLC将业务数据单元分割成一定大小的RLC协议数据单元而不附加任何RLC开销。 (2) 非确认模式(UM)。 对于非确认模式， 发射端从高层接收业务数据单元， RLC将业务数据单元分割成一定大小的RLC协议数据单元。,(3) 确认模式(AM)。 确认模式比较复杂，它包含反馈重传机制ARQ。 通过ARQ， 可以实现RLC层的差错控制。 与非确认模式类似，发射端通过AM-SAP从高层接收业务数据单元。RLC将业务数据单元(SDU)分段级联为固定长度的有效载荷单元(PU)。一个AM协议数据单元（PDU）内有一个有效载荷单元(PU)， MUX决定在什么时候将哪一个协议数据单元送给MAC， 通常控制协议数据单元在一个逻辑信道里传输， 而数据协议数据单元在另外一个逻辑信道里传输， 如图9-25所示。,图9-25 应答模式实体模型,2) 分组数据汇聚协议(PDCP) 目前，最常见的高层数据业务的传输协议有： 网络层的IPv4与IPv6、传输层的用户数据报协议(UDP)和传输控制协议(TCP)等。为了有效支持上述协议和其他新型的协议， 而不需对RLC或MAC层作任何改动，在WCDMA中引入了分组数据汇聚协议(PDCP)。 PDCP以三种不同的RLC传输方式(确认、 非确认和透明方式)来提供对网络协议数据单元(PDU)的发送和接收。 PDCP负责协议数据单元(PDU)从一种网络协议到一种RLC实体间的映射， 并且完成了在传输实体端对网络PDU的冗余控制信息的压缩和在接收实体端的解压缩。,3） 广播/组播(BMC)协议 广播/组播(BMC)协议子层负责传输来自网络的需要广播或组播给小区内所有移动台的信息。 BMC子层仅存在于无线空中接口的用户平面上， 它暂时存放从高层来的用户数据， 直到将它们调度好后准备发送。 它在一条公用业务信道（CTCH）上使用RLC的非确认模式来传输信息。 对不希望在小区内广播的用户数据， BMC对其进行透明传递。 BMC还完成其他一些功能， 如在网络侧周期性地估计小区广播的业务量大小， 并用一个指示原语将此信息转给RRC层。,4. WCDMA无线接口的无线资源控制 RRC协议是UTRAN中高层协议的核心规范，其中包括了UE和UTRAN之间传递的几乎所有的控制信令，以及UE在各种状态下无线资源的使用情况、 测量任务和执行的操作。 系统中无线资源包含WCDMA频率、不同信道类型、信道码、 扩频因子、 扰码和控制发射功率的能力等。,图9-26 RRC与低层的交互动作,RRC层的主要功能有： 广播由非接入层(核心网)提供的信息； 广播与接入层相关的信息； 建立、 维持及释放UE和UTRAN之间的一个RRC连接； 建立、 重新配置及释放无线承载； 分配、 重新配置及释放用于RRC连接的无线资源； RRC连接移动功能； 控制所需的QoS； UE测量的报告和对报告模式的控制；,外环功率控制； 安全模式控制； 慢速动态信道分配； 寻呼； 初始小区选择和重选； 上行链路DCH上无线资源的仲裁； RRC消息完整性保护； 定时提前； CBS控制。 RRC的连接建立过程如图9-27所示。,图9-27 RRC的连接建立过程,9.1.3 WCDMA系统的网络 1. WCDMA系统的网络结构 R99版本中的网络结构如图9-28所示。,图9-28 R99网络结构,R99网络结构的设计中充分考虑了第二代（2G）/第三代（3G）移动通信系统的兼容， 以支持GSMGPRS3G的平滑过渡。 因此， 在核心网络中，CS域和PS域是并列的。 R99中CS域的功能实体包括MSC、VLR、GMSC等。PS域特有的功能实体包括SGSN和GGSN，为用户提供分组数据业务。 HLR、AuC、EIR为CS域和PS域共用设备，在无线接入网中可支持GSM的BSS以及UTRAN的RNS。 图9-28中所有功能实体都可作为独立的物理设备。,1) CS域的接口 A接口和Abis接口定义在GSM08-series技术规范中； Iu-CS接口定义在UMTS25.4xx-series技术规范中； B、 C、 D、 E、 F和G接口则是以7号信令方式实现相应的移动应用部分(MAP)， 用于完成数据交换。 H接口未提供标准协议。,2) PS域的接口 Gb接口定义在GSM08.14、 08.16 和 08.18 技术规范中； Iu-PS接口定义在UMTS25.4xx-series技术规范中； Gc、 Gr、 Gf、 Gd接口则是基于7号信令的MAP协议； Gs实现SGSN与MSC之间的联合操作， 基于SCCP/BSSAP+协议； Ge基于CAP协议； Gn/Gp协议由GTP V0升级到V1版本； GaGi协议没有太大改动。,图9-29所示为R4版本的PLMN基本网络结构。R4版本中PS域的功能实体SGSN 和GGSN没有改变，与外界的接口也没有改变。但为了支持全IP网发展需要， R4版本中CS域实体有所变化，如MSC根据需要可分成两个不同的实体：MSC服务器(MSC Server，仅用于处理信令)和电路交换媒体网关(CS-MGW，用于处理用户数据)。MSC服务器和CS-MGW共同完成MSC功能； 对应的GMSC也分成GMSC服务器和CS-MGW。各实体的功能如下。,图9-29 支持CS和PS业务的PLMN的基本配置（R4）,(1) MSC服务器(MSC Server)：主要由MSC的呼叫控制和移动控制组成，负责完成CS域的呼叫处理等功能。MSC服务器终接用户-网络信令， 并将其转换成网络-网络信令。 MSC服务器也可包含VLR以处理移动用户的业务数据和CAMEL相关数据。 (2) 电路交换媒体网关(CS-MGW)是PSTNPLMN的传输终接点， 并且通过Iu接口连接核心网和UTRAN。 (3) GMSC服务器(GMSC Server)主要由GMSC的呼叫控制和移动控制组成。 图9-30是R5版本的PLMN基本网络结构(没有包括多媒体（IM）子系统部分)。,图9-30 R5版本的PLMN基本网络结构,归属用户服务器(HSS)是指定用户的主数据库， 包含支持网络实体处理呼叫会话的相关签约信息。 HSS包括HLR和鉴权中心(AuC)。 R5新增了漫游信令网关(R-SGW)和T-SGW； 新增了IP多媒体子系统(IMS)。 IP多媒体核心网子系统实体配置如图9-31所示。 下面简要介绍该子系统的各实体功能。,(1) 呼叫服务器控制功能(CSCF)。 CSCF可起到代理CSCF(P-CSCF)、 服务CSCF(S-CSCF)或询问CSCF(I-CSCF)的作用。 P-CSCF是IP多媒体核心网子系统(IMS)内的第一个接触点， 接受请求并进行内部处理或在翻译后接着转发。 S-CSCF实现UE的会话控制功能， 维持网络运营商支持该业务所需的会话状态。 I-CSCF是运营网络内关于所有到用户的IMS连接的主要接触点，用于所有与该网络内签约用户或当前位于该网络业务区内漫游用户相关的连接。,图9-31 IP多媒体核心网子系统实体配置,(2) 媒体网关控制功能(MGCF)。 MGCF的主要功能包括：负责控制适于媒体信道连接控制的呼叫状态部分，与CSCF的通信，根据来自传统网络的入局呼叫的路由号码选择CSCF，执行ISUP与IMS网络呼叫控制协议间的转换，并能将其所收到的频段信息转发给CSCF/IM-MGW。 (3) IP多媒体媒体网关功能(IM-MGW)。 IM-MGW能够支持媒体转换、承载控制和有效负荷的处理，并能提供支持UMTSGSM传输媒体的必需资源。,(4) 多媒体资源功能控制器(MRFC)。 MRFC负责控制MRFP中的媒体流资源， 解释来自应用服务器和S-CSCF的信息并控制MRFP。 (5) 多媒体资源功能处理器(MRFP)。 MRFP负责控制Mb参考点上的承载， 为MRFC 的控制提供资源， 产生、 合成并处理媒体流。,(6) 签约位置功能(SLF)。 在注册和会话建立期间， 用于I-CSCF询问并获得包含所请求用户特定数据的HSS的名称。 而且，S-CSCF也可以在注册期间询问SLF。 (7) 突破网关控制功能(BGCF， Breakout Gateway Control Function)。 BGCF的主要功能是选择在哪个网络中将发生PSTN突破。,2. WCDMA系统的接入网络协议模型 图9-32为UTRAN地面接口的通用协议模型。 UTRAN从层次上可以分为无线网络层和传输网络层两部分。 UTRAN涉及的内容都是与无线网络层相关的， 而传输网络层使用标准的传输技术， 根据UTRAN的具体应用进行选择。,图9-32 UTRAN地面接口的通用协议模型,(1) 控制平面。 控制平面包含应用层协议（如无线接入网应用部分（RANAP）、 无线网络子系统应用部分（RASAP）、 Node B应用协议（NBAP）和传输层应用协议的信令承载。 该信令承载的建立通过操作维护来完成。,(2) 用户平面。 用户收发的所有信息，例如语音和分组数据，都经过用户平面传输。 用户平面包括数据流和相应的承载，每个数据流的特征都由一个或多个接口的帧协议来描述。,(3) 传输网络层控制平面。 传输网络层控制平面为传输层内的所有控制信令服务，不包含任何无线网络层信息。它包括为用户平面建立传输承载(数据承载)的接入链路控制应用部分（ALCAP）协议，以及ALCAP需要的信令承载。（ALCAP是专门针对AAL2连接的信令协议，负责AAL2点对点连接的建立、 维持和维护， 其协议规程为Q.2630.2。）,9.2.1 TD-SCDMA的物理层 TD-SCDMA系统的多址接入方案属于DS-CDMA，码片速率为1.28 Mcs， 扩频带宽约为1.6 MHz，采用TDD工作方式。 它的下行(前向链路)和上行(反向链路)的信息是在同一载频的不同时隙上进行传送的。在TD-SCDMA系统中，其多址接入方式上除具有DS-CDMA特性外， 还具有TDMA的特点。因此，TD-SCDMA的接入方式也可以表示为TDMACDMA。,*9.2 TD-SCDMA系统,TD-SCDMA的基本物理信道特性由频率、 码字和时隙决定。 其帧结构将10 ms的无线帧分成两个5 ms子帧， 每个子帧中有7个常规时隙和3个特殊时隙。 信道的信息速率与符号速率有关，符号速率由1.28 Mcs的码片速率和扩频因子(SF)所决定， 上、 下行信道的扩频因子在116之间， 因此调制符号速率的变化范围为80.0 ks/s1.28 Ms/s。,TD-SCDMA系统空中接口的体系结构可参照图9-1。 物理层是空中接口的最底层， 支持比特流在物理介质上的传输。 物理层与数据链路层的MAC子层及网络层的RRC子层相连。 物理层向MAC层提供不同的传输信道， 传输信道定义了信息是如何在空中接口上传输的。 物理信道在物理层定义， 物理层受RRC的控制。,物理层向高层提供数据传输服务， 这些服务的接入是通过传输信道来实现的。 为提供数据传输服务， 物理层需要完成以下功能： 传输信道错误检测和上报； 传输信道的FEC编译码； 传输信道和编码组合传输信道的复用解复用； 编码组合传输信道到物理信道的映射； 物理信道的调制扩频和解调解扩；,频率和时钟(码片、 比特、 时隙和子帧)同步； 功率控制； 物理信道的功率加权和合并； RF处理； 速率匹配； 无线特性测量， 包括FER、 SIR、 干扰功率等等； 上行同步控制； 上行和下行波束成形(智能天线)； UE定位(智能天线)。,TD-SCDMA的传输信道与WCDMA的传输信道基本相同。 TD-SCDMA的物理信道采用四层结构： 系统帧、 无线帧、 子帧和时隙码字。 时隙用于在时域上区分不同用户信号， 具有TDMA的特性。 TD-SCDMA的物理信道信号格式如图9-33所示。,图9-33 TD-SCDMA的物理信道信号格式,TD-SCDMA系统帧结构的设计考虑到了对智能天线和上行同步等新技术的支持。 一个TDMA帧长为10 ms， 分成两个5 ms子帧。 这两个子帧的结构完全相同。 每一子帧又分成长度为675 s的7个常规时隙和3个特殊时隙。 这3个特殊时隙分别为DwPTS、 GP和UpPTS。 在7个常规时隙中， TS0总是分配给下行链路， 而TS1总是分配给上行链路。 上行时隙和下行时隙之间由转换点分开。 在TD-SCDMA系统中， 每个5 ms的子帧有两个转换点(UL到DL和DL到UL)。 通过灵活地配置上、 下行时隙的个数， 使TD-SCDMA 适用于上、 下行对称及非对称的业务模式。TD-SCDMA帧结构如图9-34所示， 图中分别给出了时隙对称分配和不对称分配的例子。,图9-34 TD-SCDMA帧结构 (a) DL/UL对称分配； (b) DL/UL不对称分配,每个子帧中的DwPTS是作为下行导频和同步而设计的。 该时隙由长为64 chip的下行同步序列SYNC-DL和32 chip的保护间隔组成， 其时隙结构如图9-35所示。 图中SYNC-DL是一组PN码， 用于区分相邻小区。 系统中定义了32个码组， 每组对应一个SYNC-DL序列， SYNC-DL PN码集在蜂窝网络中可以复用。 将DwPTS放在单独的时隙， 便于下行同步的迅速获取， 同时也可以减小对其他下行信号的干扰。,图9-35 DwPTS的时隙结构,图9-36 UpPTS的时隙结构,TD-SCDMA系统采用的突发结构如图9-37所示， 图中CP表示码片长度。 突发由两个长度分别为352 chip的数据块、 一个长为144 chip的中间码和一个长为16 chip的GP组成。 数据块的总长度为704 chip， 所包含的符号数等于352除以扩频因子（1/2/4/8/16）。,图9-37 TD-SCDMA系统突发结构,TD-SCDMA系统的突发结构传送的物理层控制信令包括传输格式合成指示(TFCI)、 发射功率控制(TPC)和同步偏移(SS)。 物理层控制信令在相应物理信道的数据部分发送，即物理层控制信令和数据比特具有相同的扩频操作。物理层控制信令的结构如图9-38 所示， 图中的SS和TPC部分可以不发送。,图9-38 发送SS和TPC时的物理层控制信令结构,对于每个用户，TFCI信息将在每10 ms无线帧里发送一次。编码后的TFCI符号分为四个部分，在子帧内和数据块内都是均匀分布的。 TFCI的发送是由高层信令配置的。 对于每个用户， TPC信息在每5 ms子帧里发送一次， 这使得TD-SCDMA系统可以进行快速功率控制。,对于每个用户， SS信息在每5 ms子帧里发送一次。 SS用于命令终端每M帧进行一次时序调整， 调整步长为(k8)Tc。 其中, Tc为码片周期，M值和k值由网络设置，并在小区中进行广播。上行突发中没有SS信息，但是SS位置予以保留， 以备将来使用。 TD-SCDMA的信道编码、 复用、 传输信道到物理信道的映射与WCDMA系统类似， 这里给出其广播信道的编码、 交织和映射的过程， 如图9-39所示。 (图中， MA为突发中的中间码。 ),图9-39 TD-SCDMA广播信道数据块的编码、 交织及映射过程,表9-3 TD-SCDMA的功率控制参数,9.2.2 TD-SCDMA系统的特征 表9-4对WCDMA、 TD-SCDMA和cdma 2000三种主流标准的主要技术性能进行了比较。其中仅有TD-SCDMA使用了智能天线、联合检测和同步CDMA等先进技术，因此在系统容量、频谱利用率和抗干扰能力等方面具有突出的优势。,表9-4 三种主流第三代移动通信系统标准主要技术性能比,TD-SCDMA与其他第三代移动通信系统标准相比具有较为明显的优势，主要体现在如下几个方面。 (1) 频谱灵活性和支持蜂窝网的能力。 TD-SCDMA采用TDD方式，仅需要1.6 MHz(单载波)的最小带宽，因此频率安排灵活，不需要成对的频率，可以使用任何零碎的频段，能较好地解决当前频率资源紧张的矛盾。 (2) 高频谱利用率。TD-SCDMA频谱利用率高，抗干扰能力强，系统容量大，适于在人口密集的大、中城市传输对称与非对称业务；尤其适合移动Internet业务。 (3) 适用于多种使用环境。TD-SCDMA系统全面满足ITU的要求，适用于多种环境。,1. DCA技术 TD-SCDMA系统中的任何一条物理信道都是通过它的载频时隙扩频码的组合来标记的。 信道分配实际上就是一种无线资源的分配过程。 DCA算法具有如下特点： (1) 能够较好地避免干扰，使信道重用距离最小化，从而高效率地利用有限的无线资源，提高系统容量。 (2) 适应第三代移动通信业务的需要， 尤其是高速率的上、 下行不对称的数据业务和多媒体业务。,2. 智能天线技术的应用 在基于CDMA技术的移动通信系统中，采用智能天线技术可以提高系统容量，减少用户间干扰，扩大小区的覆盖范围，提高网络的安全性以及实施用户定位等。因此，智能天线将在第三代及其以后的移动通信系统中获得广泛的应用。采用智能天线技术后必将影响到网络的许多功能， 如无线资源管理和移动性管理等。,1） 智能天线对于DCA的影响 智能天线的引入可以极大地提升系统性能， 但会对DCA的策略和方案带来较大影响。 图9-40所示为按照时隙干扰大小分配用户位置的原理示意。,图9-40 按照时隙干扰大小分配用户时隙位置的原理 (a) 时隙1； (b) 时隙2,2） 智能天线对功率控制的影响 智能天线对功率控制的影响表现在以下几个方面： (1) 使功率控制的流程发生变化。 无智能天线时， 功率控制根据SIR测量值和目标值周期进行调整。 有智能天线时， 首先将主波束对准要调整的用户， 然后再进行相关的测量。 (2) 对功率控制的要求降低了。 在有智能天线的情况下， 当主波束对准该用户时， 由于天线增益较高， 相对于没有智能天线时可以大大降低用户功率。,(3) 在有智能天线的情况下， 功率控制的平衡点方程变得复杂。 传统的功率控制建模方法已不再适用。 这种情况下的功率控制算法建模与具体的智能天线算法相关。,3) 智能天线对分组调度的影响 分组调度算法的功能是在分组用户之间分配分组数据业务， 提高用户利用空中接口资源的能力。 在传统的CDMA系统中， 分组调度方式主要有码分和时分两种。,(1) 码分方式， 即大量用户同时占用有限的信道资源，因此对Eb/N0的要求高，传输速率低，传输时延长， 但是空中接口的干扰水平比较稳定，对移动台的要求也比较低。 (2) 时分方式是指在每个调度周期将空中接口的可利用资源只分给一个或少数几个用户，它对Eb/N0的要求较低。,3. 接力切换 接力切换是TD-SCDMA移动通信系统的核心技术之一。 其设计思想是利用智能天线和上行同步等技术， 在对UE的距离和方位进行定位的基础上， 根据UE方位和距离信息作为辅助信息来判断目前UE是否移动到了可进行切换的相邻基站的临近区域。,实现接力切换的必要条件是： 网络要准确获得UE的位置信息， 包括UE的信号到达方向(DOA)和UE与基站之间的距离。 在TD-SCDMA系统中， 由于采用了智能天线和上行同步技术， 系统能够比较容易地获得UE的位置信息。 具体过程是： (1) 利用智能天线和基带数字信号处理技术， 可以使天线阵根据每个UE的到达方向（DOA）为其进行自适应的波束赋形。 对每个UE来讲， 好像始终都有一个高增益的天线在自动地跟踪它。 基站根据智能天线的计算结果就能够确定UE的DOA， 从而获得UE的方向信息。,(2) 利用上行同步技术，系统可以获得UE信号传输的时间偏移， 进而计算得到UE与基站之间的距离（它等于移动台到基站之间的传输时延除以电波传播的速度）。 (3) 经过前两步之后， 系统就可准确获得UE的位置信息。 接力切换分三个过程， 即测量过程、 判决过程和执行过程。,(1) 接力切换中的测量过程。 在UE和基站通信过程中， UE需要对本小区基站和相邻小区基站的导频信号强度进行测量。 (2) 接力切换的判决过程。 接力切换的判决过程是根据各种测量信息合并综合系统信息， 依据一定的准则和算法， 来判决UE是否应当切换和如何进行切换的。,(3) 接力切换中的执行过程。 接力切换的执行过程， 就是当系统收到UE发出的切换申请， 并且通过算法模块的分析判决已经同意UE可以进行切换的时候(满足切换条件)， 执行将通信链路由当前服务小区切换到目标小区的过程。,思考题与习题,1. WCDMA的帧结构是如何组成的？ 2. WCDMA码片速率是多少？ 可传输的数据速率是多少？ 3. WCDMA的上、 下行的时隙突发结构有何异同？ 4. WCDMA的上、 下行扩频和调制有何异同？ 5. WCDMA系统中采用了几种纠错编码方案？ 6. 试述传输信道的复接原理。 7. 试述MAC层的主要功能。 8. 试述RLC中应答模式的工作原理。,9. 无线资源管理的主要功能是什么？ 10. 一个可独立运行的最简的WCDMA系统应由哪些基本单元组成？ 11. WCDMA网络中为什么要分为电路交换域和分组交换域？ 基于IP的电路交换域与传统的GSM的电路交换域有何异同点？ 12. 基于ATM的协议栈与基于IP的协议栈有何差别？ 给出一个最简的能完成移动通信基本功能的协议栈。 13. WCDMA网络中有哪些主要接口？,14. TD-SCDMA系统支持的最大小区半径是多少？为什么？ 15. TD-SCDMA系统如何支持不对称速率传输？上行和下行的最大数据速率是多少？ 16. TD-SCDMA的物理层与WCDMA的物理层有何异同点？ 17. 智能天线的应用可以带来哪些好处？ 智能天线可否用于GSM系统？ 18. 接力切换与传统的切换有哪些区别？,