第9章码分多址(CDMA)移动通信系统(二)

第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）第第9章章 码分多址码分多址(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）9.1 WCDMA系统系统 9.2 TD-SCDMA系统系统 思考题与习题思考题与习题 第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）9.1 WCDMA 系系 统统 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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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 Access Network)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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）表9-1 WCDMA无线接口基本参数 第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-1 无线接口的分层结构 高层高层RRC子层RLCPDCPBMC逻辑信道MAC传输信道物理层(物理信道)信令和控制控制平面用户信息语音/数据用户平面无线网络层层2配置控制第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-2 UTRAN的结构 数据NdatabitCSPSRNSRNSRNSIuIurIuIubIubIubIubNode BNode BNode BNode B第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-3 上行专用物理信道的帧结构 数据NdatabitDPDCHTslot2560 chip,Ndata102kbit(k06)导频NpilotbitTFCINTPCIbitFBINFBIbitTPCNTPCbitDPCCH时隙#0 时隙#1时隙#i时隙#14Tslot2560 chip,10 bit1个无线帧：Tr 10 ms第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）(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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-4 随机接入的发送格式 123455时隙15时隙#在此开始传输用户数据20 ms前置码前置码前置码消息部分1或2个连续的10 md的帧4096 chip5120 chip(a)01时隙 N时隙 14在10ms无线帧中的时隙用户数10、20、40或80 bit导频比特(8 bit)TFCI(2 bit)消息的数据部分消息的控制部分(b)2560 chip第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-5 PCPCH上的传输结构 第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）(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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-6 上行DPDCHDPCCH的扩频与调制 dcd,1DPDCH1DPDCH3DPDCH5dcd,3dcd,5dcd,2DPDCH1DPDCH3DPDCH5dcd,4dcd,6cCcDPCCHjQI jQSdpch,nS第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-7 PRACH消息部分的扩频和调制Sr-msg,nPRACH消息数据部分PRACH消息控制部分dcdcccjQII jQS第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）复数扰码是采用下列方法产生的：)(1201c jccscramb(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(222kckckck=0，1，2，(9-4)第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-8 产生正交可变扩频因子码的码树 c1,1(1)SF 1SF 2SF 4c2,2(1,1)c2,1(1,1)c4,1(1,1,1,1)c4,3(1,1,1,1)c4,2(1,1,1,1)c4,4(1,1,1,1)第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-9 上行链路短扰码生成器 765432107654321076543210在每256个码片循环后进行移位挂起模 n 加乘mod43323ar(n)bs(n)ct(n)mod2mod2mod422映射器Zv(n)Sv(n)第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-10 下行DPCH的帧结构 数据1Ndata 1bitTPCNTPCbitTFCINTPCIbit数据2Ndata 2bit导频NpilotbitDPDCHDPCCHDPDCHDPCCHTslot2560 chip,102kbit时隙#0 时隙#1时隙#i时隙#14一个无线帧,Tf10 ms第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-11 多码传输时下行链路的时隙格式 DPDCHDPDCHTFCITPCPilot物理信道1物理信道2物理信道 L一个时隙(2560 chip)发射功率发射功率发射功率第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）(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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）(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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）(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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-12 辅助公共控制物理信道的帧结构 TFCINTFCIbitTslot2560 chip,202kbit(k06)DataNdatabitPilotNpilotbitslot#0slot#1slot#islot#141个无线帧,Tf10 ms第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）(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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-13 同步信道(SCH)结构 acpacsi,0acpacsi,1acpacsi,4基本SCH辅助SCH时隙#0时隙#1时隙#14256 chip2560 chip10 ms SCH无线帧第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）(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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-14 捕获指示信道(AICH)的结构 AS#14AS#0AS#1AS#iAS#14AS#020 msa0a1a2a30a31发射关闭AI部分1024 chip第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）(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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-15 寻呼指示信道(PICH)的结构 b0b1288 bit的寻呼指示1无线帧(10 ms)12 bit(未定义)b287b288b299第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）(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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-16 下行DPCH的扩频和调制 SP除了SCH有所有下行物理信道QICch,SF,mSdi,nSI jQ第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-17 SCH和下行物理信道的时分多路复用 不同的下行物理信道G1G2GPGSS-SCHP-SCH第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）哈达码序列有如下的递归定义：1)0(11110kHHHHHHkkkkk第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）(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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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)。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-18 STTD编码过程 STTD编码b0b1b2b3源信道比特b0b1b2b3 b2b3b0 b1天线1天线2发往天线1和天线2的经过STTD编码后的信信道比特第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-19 DPCH的STTD编码过程 STTD编码复用复用交织速率匹配信道编码数据TPCTPCISTTD编码后的导频1STTD编码后的导频2QPSK 符号天线2天线1天线2天线1信道码和长扰码发射天线1发射天线2第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-20 DPCH采用反馈模式发射分集的发射机结构 复用信道编码数据TFCITPC导频交织扩频滤波器RF天线1天线2滤波器RFDPCCH解码(解出FBI域)w1w2第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-21 传输信道到物理信道的映射物理信道专用物理数据信道(DPDCH)专用物理控制信道(DPCCH)物理随机接入信道(PRACH)物理公共分组信道(PCPCH)公共导频信道(CPICH)基本公共控制物理信道(P-CCPCH)辅助公共控制物理信道(S-CCPCH)同步信道(SCH)物理下行共享信道(PDSCH)捕获指信道(AICH)接入前置捕获指示信道(AP-AICH)寻呼指示信道(PICH)COCH状态指示信道(CSICH)碰撞检测/信道指配指示(CD/CA-ICH)传输信道DCHRACHCPCHBCHFACHPCHDSCH第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）(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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-22 MAC和物理层间数据的交换 传输块传输块传输块DCH1TTI传输块传输块传输块传输块传输块传输块DCH2TTI传输块传输块传输块传输块传输块传输块传输块传输块传输块TTIDCH3第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）(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)。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-23 上行传输信道复接结构 第 二 交 织CRCTrBk级 联/码 组 分 段信 道 编 码无 线 帧 均 衡第 一 交 织无 线 帧 分 段速 率 匹 配TrCH复 接物 理 信 道 分 段第 二 交 织第 二 交 织物 理 信 道 映 射速 率 匹 配aim1,aim2,aim3,aimAbim1,bim2,bim3,bimBoir1,oir2,oir3,oirKiiici1,ci2,ci3,ciEiti1,ti2,ti3,tiTidi1,di2,di3,diTiei1,ei2,ei3,eiNifi1,fi2,fi3,fiVis1,s2,s3,sVup1,up2,up3,upUvp1,vp2,vp3,vpU物 理 信 道 1 物 理 信 道 2第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-24 下行传输信道复接结构 第二交织CRCTrBk级联/码组分段信道编码速率匹配固定位置DTX指示插入第一交织无线帧分段TrCH复接灵活位置DXT指示插入第二交织第二交织物理信道映射aim 1,aim 2,aim 3,aimAbim 1,bim 2,bim 3,bimBoir1,oir2,oir3,oirKiiici1,ci2,ci3,ciEigi1,gi2,gi3,giGihi1,hi2,hi3,hi(F H)iqi1,qi2,qi3,qiQifi1,fi2,fi3,fiVis1,s2,s3,sVup1,up2,up3,upUvp1,vp2,vp3,vpU物理信道1 物理信道2速率匹配物理信道分段w1,w2,w3,wpUi第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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 第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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)。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）表9-2 编码方案和编码速率 第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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）。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）(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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）(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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-25 应答模式实体模型重发缓冲和管理加RLC头加密分段/级连RLC控制单元AM-SAP重组解密去除RLC头，抽取Piggybacked信息接收缓冲和重发管理设置RLC头的字段(如设置查询比特)，加入Piggybacked信息分接/询路AM实体接收应答应答发送缓冲发送侧DCCH/DTCHDCCH/DTCHDCCH/DTCHDCCH/DTCHDCCH/DTCHDCCH/DTCH接收侧Piggybacked状态第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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)。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-26 RRC与低层的交互动作 RRCRLCMACL1UTRANRLC重传控制无线资源分配测量报告RRCRLCMACL1UE控制控制测量测量控制控制控制测量控制测量第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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；第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-27 RRC的连接建立过程 UEUTRANRRC连接建立请求RRC连接建立RRC连接建立完成第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-28 R99网络结构GMSCGMSNSGSNHLRAuCPSTNGiGpGcCHPSTNPSTNGnEIRGrGfFDGsGEVLRBMSCVLRMSCBAGbIuCSIuPSCNBSCRNCBTSBTSRNCRNCIurBSSAbisUmIubisMESIMUSIMMSCu或SIM-MEi/f小区Node BNode BUu注：粗线表示支持用户业务的 接口，细线表示支持信令 的接口第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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；G s 实 现 S G S N 与 M S C 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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-29 支持CS和PS业务的PLMN的基本配置（R4）CS-MGWGMSCServerGGSNHLRAuCEIRSGSNVLRMSC ServerBMSC ServerBVLRCS-MGWCS-MGWBSCBTSBTSRNCRNCGENcMcNbNbPSTNPSTNPSTNPSTNMcGiGp核心网MhCGcHGrGfFDNcGnGsMcAGbBSSAbisIuCSIuPSRNSIurUmIubMEUu小区Node BNode BUSIMSIMMSCuSIM-ME i/f或第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）(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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）(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)。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）图9-30 R5版本的PLMN基本网络结构 信令网多媒体IP网络PSTN/PLMN应用&服务应用&服务可选接入网GGSN其他PLMNTEMTERANEIRHSS*SGSNSGSNGGSNTEMTUTRANR-SGWMRFMGCFMGWT-SGW*T-SGW*GMSC ServerMSC ServerR-SGW*HSS*CSCFCSCFCSCFCSCFMGWGnCAPMhMwMsMmGiMgMrMcGiGiGiGcGnGfGpGrCxMcRUmIuIu1Iu2McNbNcMAPMhMAPRUuIu-PSIu1IuCS(RTP,AAL2)Iu2Iu(RANAP)*被标记的网元是重复的，仅是为了进行完整的描述信令和数据传输接口信令接口SCP第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）(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。第第9 9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（二）移动通信系统（二）S-CSCF实现UE的会话控制功能，维持网络运营商支持该业务