wcdma的信道.docx
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wcdma的信道
WCDMA空中接口协议结构及信道映射
在3G标准化论坛中，WCDMA技术已经成为了被广泛采纳的第三代空中接口，其规范已在3GPP中制定，WCDMA被称作UTRA（UniversalTerrestrialRadioAccess，通用地面无线接入）FDD和UTRATDD两种操作模式。
FDD方案可能用在亚洲、欧洲和美洲，TDD解决方案可能主要用在亚洲，本文主要涉及FDD方案。
在FDD方案中，在上行和下行链路中用的是5MHz带宽的载波，而且上行链路分配的频段为1920～1980MHz，下行链路分配的频段为2110～2170MHz。
这样，使用FDD方式的工作模式运行时，在上行链路和下行链路之间就有190MHz的频率间隔。
尽管5MHz是正常的载波间隔，但在载波间隔4.4MHz～5MHz之间的频带间隙中可有几个200kHz的间隔。
这些间隔可以用来避免相邻信道之间产生相互干扰。
对于TDD方案，分配的频段为1900～1920MHz和2010～2025MHz。
一个确定的载波要同时用于上行链路和下行链路，因此不需要载波间隔。
在任何CDMA系统中,通过应用扩频码，用户数据被扩展到比用户数据本身大得多得带宽上去，此处扩频码是具有很宽的伪随机比特序列,称为码片。
每个用户的传送信息用不同的扩频码进行扩频，并且所有用户在相同时间用相同的频率传送信息。
在接收终端，通过应用该用户的相应扩频码来对接收到的信号进行解扩，把该用户的信号从一系列接收到的信号中分离出来。
解扩操作的结果是重新得到该用户的数据，这些数据要附加上来自其他用户传输引起的噪声。
扩频码速率与用户数据速率的比率称为扩频增益。
扩频增益越大，从其他用户信号中提取该用户信号的能力就越强。
换句话说，对于一个给定的用户数据速率，码片速率越高，可支持的用户数越多。
同样，对于一定数量的用户，码片速率越高，对于每一个用户能够支持的数据速率也越高。
在WCDMA中的码片速率为3.84Mchip/s，它所需要的载频带宽在4.4MHz～5MHz之间。
在WCDMA系统中存在许多不同的信道类型，按照WCDMA空中接口协议结构，不同的信道类型都在相应的逻辑等级中进行定义。
一．空中接口协议结构
1.WCDMA空中接口
WCDMA用的码片速率为3.84Mchip/s，系统用扩频码将某一用户的传输信号与其他用户的传输信号分开，同时还要分离一个用户产生的不同的传输信号。
为此，WCDMA对来自单个的用户信息采取两步分离法，如图l所示。
首先，通过应用扩频码（扩频码也称为信道化码），将单个用户的数据流扩展到码片速率，扩频码工作的码片速率为3.84Mchip/s。
接着合并一系列的扩频信号并应用扰码加扰，加扰也工作在码片速率3.84Mchip/s。
信道化扩展了单个用户的数据流，因此增加了所需的带宽。
扰码也工作在码片速率，但是并不增加所需的带宽。
在接收端，合并的信号首先通过应用相应的扰码进行解扰。
通过应用相应的信道化码，单个用户的数据流也被恢复出来。
不同用户要用不同的扰码，多个用户可以用相同的信道化码，而同一用户的两个不同的传输信号不能用完全相同的信道化码。
2.无线接口协议结构
无线接口协议的作用是建立、重新配置和释放无线承载业务（包括UTRAFDD/TDD业务）。
WCDMA无线接口的整体逻辑协议结构如图2所示。
该图只包含了在UTRAN中可见的协议。
位于物理层上面的协议层称为数据链路层（第2层）和网络层（第3层）。
在UTRAFDD无线接口中，第2层又分为多个子层。
从控制平面看，UTRAFDD第2层包含2个子层——媒体接入控制（MAC）协议层和无线链路控制（RLC）协议层；从用户平面看，除了MAC层和RLC层外，还有两个依赖于业务的协议层：
分组数据汇聚协议（PDCP）和广播/组播控制协议（BMC）。
第3层包含的协议层——无线资源控制（RRC）——属于控制平面。
在协议结构图中，物理层通过传输信道向MAC层提供服务，传输数据的类型及特征决定传输信道的特征。
然后，MAC层通过逻辑信道给RLC层提供服务，逻辑信道的特征是由发送的数据类型决定的。
无线链路控制（RLC）通过业务接入点（SAP）向高层提供服务；业务接入点用来描述RLC层处理数据分组的方式，例如在采用自动重发请求（ARQ）功能的情况下，RLC如何处理数据分组。
在控制平面上，RRC层使用RLC层的业务来传输信令。
在用户平面上，无论是特定业务专用协议层PDCP或者BMC，还是其他高层U平面功能（例如语音编码器）都使用RLC层的业务。
RLC业务在控制平面里称作信令无线承载；而在用户平面业务没有使用PDCP层和BMC层协议的情况下称为无线承载。
RLC层协议以三种模式进行操作——透明模式、非确认模式和确认模式。
分组数据汇聚协议（PDCP）只存在于分组交换（PS）域业务，它的主要功能是头压缩,提供的业务也称为无线承载。
广播/组播控制协议（BMC）用来传送小区广播中心产生的无线接口消息。
在3GPP规范Release99版本中，惟一的广播业务是源于GSM系统的短消息小区广播业务。
BMC层协议所提供的业务也称为无线承载。
无线资源控制（RRC）层也是通过业务接入点（SAP）将服务提供给高层（非接入层），业务接入点在UE侧和UTRAN侧分别由高层协议和Iu接口RANAP协议使用。
所有高层信令（移动性管理、呼叫控制、会话管理等等）都被压缩成RRC消息在无线接口上传送。
RRC层通过RRC层和所有低层协议之间的控制接口，配置低层协议实体的特征参数，包括物理信道、传输信道和逻辑信道的参数。
RRC层也使用相同的控制接口，如命令低层进行某种特定的测量，低层向RRC报告测量结果和差错就是通过该接口进行的。
媒体接入控制协议（MAC）层，在MAC层中，逻辑信道映射为传输信道。
MAC层还根据逻辑信道的瞬间源速率,为各传输信道选择适当的传输格式（TF）。
传输格式的选择与接纳控制为每个连接定义的传输格式组合集紧密相关。
MAC层逻辑结构如图3所示，包括三个逻辑实体：
●MAC-b处理广播信道（BCH）。
在每个UE中有一个MAC-b实体，在UTRAN中（位于NodeB）每一个小区有一个MAC-b实体。
●MAC-c/sh处理公共信道和共享信道——寻呼信道（PCH）、前向接入信道（FACH）、随机接入信道（RACH）、上行链路公共分组信道（CPCH）和下行链路共享信道（DSCH）。
在每个使用共享信道的UE中有一个MAC-c/sh实体，、在UTRAN中（位于CRNC中）的每个小区有一个MAC-c/sh实体。
需要注意的是，BCCH逻辑信道可以映射到BCH或者FACH两种传输信道。
由于BCCH的MAC层信元头格式取决于传输信道所使用的信元头格式，图3给出了两种BCCH映射方式。
而PCCH没有MAC层信元头格式，MAC层只是按照RRC层的控制在给定时刻将从PCCH接收到的数据填充到PCH中。
●MAC-d处理连接模式下分配给UE的专用信道（DCH）。
在每个UE中有一个MAC-d。
二．WCDMA系统的各种信道
在WCDMA系统的无线接口中，从无线接口的整体协议结构的不同层次上，承载用户各种业务的信道被分为逻辑信道、传输信道和物理信道三类。
1．逻辑信道
信息可以开始于协议堆栈的高层，以逻辑信道的形式从RLC层传输到MAC层。
MAC层在逻辑信道上提供数据传输业务，直接承载用户业务,逻辑信道类型集合根据MAC层提供的数据传输业务类型进行定义。
根据承载的是控制平面业务还是用户平面业务，逻辑信道通常可以分成两类：
控制信道和业务信道。
控制信道用来传输控制平面信息；业务信道用来传输用户平面信息。
控制信道包括：
●广播控制信道（BCCH）:
广播系统控制信息的下行链路信道。
●寻呼控制信道（PCCH）:
传输寻呼信息的下行链路信道，用于在一个或多个小区中呼叫UE。
●专用控制信道（DCCH）:
在UE和RNC之间传送专用控制信息的点对点双向信道，在RRC连接建立过程期间建立该信道。
●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，这个逻辑信道总是映射到RACH/FACH传输信道。
由于要求长UTRANUE标识（U-RNTI，它包括了SRNC地址），因此即使接收消息的RNC不是这个UE的SRNC，上行链路消息仍然可以传送给正确的SRNC。
业务信道包括：
●专用业务信道（DTCH）:
为传输用户信息的专用于一个UE的点对点信道，专用于一个UE、用于传输用户数据。
该信道在上行链路和下行链路都存在。
●公共业务信道（CTCH）:
单点对多点无方向信道，向全部或者一组特定UE传输专用用户信息的下行链路。
CTCH只存在于下行链路。
公共控制信道（CCCH）用于在上行链路中欲接入网络，但还没有与网络链接的终端。
CCCH可用于在下行链中响应这些接入请求。
WCDMA还定义了共享信道控制信道，但此种信道只用于TDD模式中。
2．传输信道
传输信道是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，它们之间的主要区别在于公共信道资源可由小区内的所有用户或一组用户共同分配使用，而专用信道资源仅仅是为单个用户预留的，并采用特定频率的特定编码加以识别。
（1）专用传输信道
只有一种类型的专用传输信道，即专用信道，是上行与下行传输信道。
在UTRA规范的25系列中用DCH表示。
专用传输信道用于发送特定用户物理层以上的所有信息，其中包括实际业务的数据以及高层控制信息。
由于DCH上发送的信息内容对物理层是不可见的，因此对高层控制信息和用户数据采用相同的处理方式。
当然，UTRAN对控制信息和数据的物理层参数设定各不相同。
专用传输信道主要特征包括诸如：
快速功率控制，逐帧快速数据速率变，以及通过改变自适应天线系统的天线权值来实现对某小区或某扇区的特定部分区域的发射等.专用信道还支持软切换。
（2）公共传输信道
目前经UTRA定义的公共传输信道有六种。
与第二代系统不同的是，可以在公共信道和下行链路共享信道中传输分组数据。
同时，公共信道不支持软切换，但一部分公共信道可以支持快速功率控制。
●广播信道（BCH）是下行传输信道，用来发送UTRA网络或某一给定小区的特定信息。
每个网络所需的最典型数据有：
小区内可用的随机接入码和接入时隙，或该小区中其他信道使用的发射分集方式。
如果对广播信道的译码不正确，将导致终端不能进行小区注册，因此，广播信道需要用相对较高的功率进行发送，以使覆盖范围内的所有用户都能接收到该信息。
从实际应用的观点来看，低端的终端对广播信道的译码能力限制了广播信道中的信息速率，从而导致UTRA广播信道的数据速率较低且是固定的。
●前向接入信道（FACH）是下行传输信道，用于向位于某一小区的终端发送控制信息的下行链路传输信道，也就是说，该信道用于基站接收到随机接入消息之后。
同样也可以在FACH中发送分组数据。
一个小区中可以有多个FACH，但其中必须有一个具有较低的比特速率，以使该小区范围内的所有终端都能接收到；即其他FACH也可以具有较高的数据速率。
FACH不使用快速功率控制，且发送的消息中必须包括带内标识信息来确保正确接收。
●寻呼信道（PCH）是用于发送与寻呼过程相关数据的下行链路传输信道，也就是用于网络与终端进行初始化。
最简单的一个例子是向终端发起话音呼叫，网络使用终端所在区域内的小区的寻呼信道，向终端发送寻呼消息。
同样的寻呼消息可以在单个小区发送，也可以在几百个小区内发送，这就取决于系统配置。
终端必须在整个小区范围内都能接收到寻呼信息，因此寻呼信道的设计影响着终端在待机模式下的功耗：
终端调整接收机监听可能的寻呼消息的次数越少，在待机模式下终端电池的持续时间就越长。
●随机接入信道（RACH）是用来发送来自终端的控制信息（如请求建立连接）的上行链路传输信道。
它同样也可以用来发送终端到网络的少量分组数据。
正常系统操作要求随机接入信道能在整个期望的小区覆盖范围内接收到，因此，也就意味着实际数据速率必须足够低，至少对于系统初始化接入和其他控制过程应该如此。
●上行链路公共分组信道（CPCH）是RACH信道的扩展，用来在上行链路方向发送基于分组的用户数据。
在下行链路方向上与之成对出现的信道是FACH。
CPCH与RACH在物理层上的主要区别在于：
前者使用快速功率控制，采用基于物理层的碰撞检测机制和CPCH状态检测过程，且上行链路CPCH的传输可能会持续几个帧，而RACH可能只占用一个或者两个帧。
●下行链路共享信道（DSCH）是用来发送专用用户数据和/或控制信息的传输信道；它可以由几个用户共享。
DSCH在很多方面与前向接入信道相似，但共享信道支持使用快速功率控制和逐帧可变比特速率。
DSCH不要求能在整个小区范围接收到，可以采用与之相关下行链路DCH的发送天线分集技术，且它总是与一个下行链路DCH相关联。
用于基本网络运营的公共传输信道有RACH、FACH和PCH，而DSCH和CPCH是可选的，使用情况由网络决定的。
3.物理信道
物理信道是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（0或π/2）的信道都可以理解为一类特定的信道。
按传输方向可分为上行物理信道与下行物理信道。
（1）上行物理信道
有两个上行专用物理信道和两个共用物理信道。
它们分别是上行专用物理数据信道（DPDCH）和上行专用物理控制信道（DPCCH）以及物理随机接入信道（PRACH）和物理共用分组信道（PCPCH）。
●上行专用物理数据信道DPDCH：
用来承载由第二层和更高层生成的专用数据（例如专用传输信道DCH）。
在每个层l连接中，可能有0、l或者多个上行DPDCH。
多个并行变速率服务（=专用逻辑业务和控制信道）可以在每个DPDCH帧中时分复用。
整个DPDCH比特率是一帧一帧改变的。
在大多数情况下，只给一个连接分配一个DPDCH。
在各种业务联合交织并共享相同的DPDCH中，也可能分配多个DPDCH。
当使用多码传输时，几个并行的DPDCH用不同的信道编码来传送，而每个连接只有一个DPCCH。
多个并行变速率服务（=专用逻辑业务和控制信道）可以在每个DPDCH帧中时分复用。
整个DPDCH比特率是一帧一帧改变的。
在大多数情况下，只给一个连接分配一个DPDCH。
在各种业务联合交织并共享相同的DPDCH中，也可能分配多个DPDCH。
当使用多码传输时，几个并行的DPDCH用不同的信道编码来传送，而每个连接只有一个DPCCH。
图7上行链路DPDCH／DPCCH的结构
●上行专用物理控制信道（DPCCH）：
用来承载在层1中产生的控制信息。
控制信息包括已知的导频信息，用于支持信道估计、相干检测、发送功率控制（TPC）命令、反馈信息（FBI）和可选择的传输格式组合指示器（TFCI）。
这个传输格式组合指示器为接收方提供在上行链路DPDCH上复用的不同传输信道的瞬时参数，和在同一个帧中相应的发送数据。
每个层l连接只能有一个上行链路DPCCH。
●上行物理随机接入信道（PRACH）：
用于在上行链路中传送RACH传输信道。
上行链路中，PRACH有15个接入时隙，每个接入时隙之间间隔为5120个码片。
这些接入时隙配置成不同的组合，称为RACH子信道，对于这些子信道有特定的扰码和签名。
一个特定的UE可以根据UE分组使用一个或多个RACH子信道。
一个特定的RACH子信道可用的签名和扰码通过BCH传输信道进行广播。
随机接入传输中包含一个或几个长度为4096的前缀和一个长度为10ms到20ms的消息。
移动台用特定的签名向网络报告消息的长度。
图8所示为随机接入消息部分无线帧的结构。
10ms消息部分的无线帧被分成15个时隙，每个时隙长度Tslot=2560码元。
每个时隙包含两个部分：
数据部分承载第二层信息：
控制部分承载第一层的控制信息。
数据和控制部分是并行传输的。
一个20ms长的消息部分含有两个连续的消息部分的无线帧。
图8随机接入消息部分无线帧的结构
上行链路的接入过程开始于终端在特殊的接入时隙传送特殊的前同步码。
这个前同步码长为4096个码片，包含有256个长为16个码片的前缀。
前同步码由长为8192的扰码加扰。
长为8192的扰码分为512组，每组长为16个码字。
一个特殊的前同步扰码与在小区中应用的1级下行链路扰码相一致。
基站检测到前同步码，就用捕获指示信道（AICH）向UE表明前同步码已经检测到，并且表明这个UE允许或不允许接入上行链路。
AICH也可分配在时隙中，每一个AICH时隙长为5120个码片。
每个时隙表明PRACH前缀号和每个时隙是否允许UE接入上行链路的指示。
UE检察AICH，看是否允许接入（由被应用的签名检测决定）。
假定UE被允许接入，则在随后的接入时隙中发送真实的RACH信息（长为10ms或20ms）。
●上行物理共用分组信道（PCPCH）：
用于传送上行链路CPCH传输信道。
假定CPCH有些类似于RACH，应用PCHPCH的过程就类似于应用PRACCH。
前同步码首先用一个特殊的签名发送。
接入的前同步码获取指示信道（AP-AICH），终端等待来自基站的响应情况，与在PRACH中用于接入尝试AICH所作的类似。
当在AP-AICH上接收到响应时，由于CPCH比RACH能支持更长的数据，终端并不继续发送要求的数据。
这样，如果发生冲突，将丢失更大数量的数据。
因此，终端接着发送一个冲突检测（CD）前缀，并且等待基站从冲突检测/信道分配指示信道（CD/CA-ICH）上发出的信息反馈。
在这一点上，终端能够在PCPCH上发送CPCH数据。
发送数据持续时间能够维持几个lOms帧。
扩频增益可在4～256之间取任意值。
作为一个可选择项，基站能够支持CPCH状态指示信道，用于指示小区中定义的任何CPCH的事务状况。
通过监控这个信道，终端能够提前确定资源是否可用于支持用户对CPCH的应用。
这样就避免了移动台接入尝试的失败。
（2）.下行物理信道
下行链路物理信道有一个下行链路专用物理信道、一个共享和五个共用控制信道：
·下行链路专用信道（DPCH）;
·基本和辅助公共导频信道（CPICH）;
·基本和辅助公共控制物理信道（CCPCH）;
·同步信道（SCH）;
·物理下行链路共享信道（DSCH）;
·捕获指示信道AICH;
·寻呼指示信道PICH;
图9下行物理信道
●下行专用物理信道DPCH:
分为DPDCH和DPCCH两个物理信道。
DPDCH传输真实的用户数据，并可以具有不同的扩频增益，比特速率是可以逐帧改变的。
而DPCCH则传输包含已知导频信息、功率控制命令和一个可以选择的传输组合格式指示器组成的第一层产生的控制信息，比特速率是恒定的。
从图10给出的DPCH帧结构中，DPDCH和DPCCH采用时分方式传送。
当TFCI被传送时，DPCH可以包含几个同时发生的服务；或者TFCI没有传送的时候，DPCH包含一个固定速率的业务。
这由网络来决定是否传送TFCI。
图10下行链路DPCH的帧结构
当整个要传送内容的比特率超过了一个下行链路物理信道最大的比特速率时，就使用多码传送（如，几个并行的下行链路DPCH用同样的扩频因子来传送）。
在这种情况下，第一层的控制信息只放在第一个下行链路DPCH中。
●基本和辅助公共导频信道（CPICH）:
是一个下行链路物理信道，并且由小区的特殊1级扰码进行加扰。
它的扩频增益固定为256，相当于空中接口中的30kbit/s传输速率，承载一个预先定义好的比特／符号序列。
见表1，有基本CPICH和辅助CPICH两种类型的公共导频信道。
CPICH的一个很重要的功能是终端在切换时或者小区重新选择时要进行测量，终端的测量是基于对CPICH的接收。
因此，对CPICH的传输功率的操作能够指示终端去向某个小区或者离开某特定小区。
例如，如果某特定小区的CPICH传输功率减小，邻近小区的CPICH接收功率增强，这将使其切换到邻近小区。
这对在RF网络中进行负载均衡是非常有用的。
在一个特定小区中可有多个CPICH。
主CPICH在整个小区区域内传送。
次CPICH能够在整个小区区域内传输或者能被窄带波束天线的传输限制在小区的特殊区域里，如交通拥挤的地区。
对于主CPICH的信道化码固定为Cch,256，0，SF=256的任意信道化码用于S-CPICH。
●基本公共控制物理信道（P-CCPCH）：
用于下行链路传输BCH传输信道。
它的工作扩频增益为256，相当于空中接口速率为30kbit/s。
实际上，在空中接口，真实速率下降到27kbit/s，因为CCPCH与SCH是时分复用的，如图11所示。
在空中接口上，对于许多信道来说，一个时隙的所有码片被分配到特定的物理信道上。
P-CCPCH是个例外，因为它与SCH共用每一个时隙。
每一个时隙的前256
图11CCPCH与SCH时分复用
个码片用于SCH。
剩下的2304个码片用于主CCPCH来传输BCH传输信道。
分配给主CCPCH的2304个码片与18个比特的主CCPCH数据相对应。
而且，这18个比特还包括半速卷积码（支持前向纠错），因此实际数据速率大约为13.5kbit/s。
●辅助公共控制物理信道（S-CCPCH）：
用于在下行链路传输两个公共传输信道FACH和PCH。
FACH和PCH能够共用一个二次CCPCH，或者分别有自己的S-CCPCH。
S-CCPCH传送的PCH必须能够覆盖整个小区，而不管物理信道传送的只是PCH还是PCH和FACH。
如果S-CCPCH只用于FACH，那么就不必覆盖整个小区。
图12辅助CCPCH的帧结构
基本和辅助CCPCH之问的主要不同在于基本CCPCH有固定的、预先定义的速率，而辅助CCPCH可以支持变速率。
另外，基本CCPCH连续地在整个小区传送，而辅助CCPCH只有在有可以用的数据存在时，用与专用物理信道相同的方式在一段时间传送（只在辅助CCPCH承载FACH时有效）。
●同步信道（SCH）：
由基站传送，在小区搜索过程中用于UE。
UE为了重新得到由基站发送的广播信息，必须首先同基站正确同步。
同步是SCH的首要条件。
SCH包含两个子信道：
基本SCH和辅助SCH。
基本SCH包含一个长度为256码元的调制码，基本同步码（PSC）用Cp（如图13所示）表示，在每个时隙中传送一次。
PSC在这个系统中的每一个小区中都是相同的。
这个特殊的码字由如下的一组16比特码片序列产生：
令a=（1,1,l,1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,-l,1）
则基本SCH包含一个复数序列为：
（1+j）×（a,a,a,-a,-a,a,-a,-a,a,a,a,-a,a,-a,a,a）
图13同步信道的结构
辅助SCH包含重复的传送一个长度为15的256码元长的调制码的序列，称为辅助同步码（SSC），辅助同步码（SSC）用Cs（如图13所示）表示,辅助SCH和基本SCH是并行传输的。
每个SSC都是在一组16个不同的长度为256的码中选出来的。
这16个码字分配到长度为15的64个不同序列中。
即一个序列是一系列特定次序的长为15的码字，有64个这样的序列。
这个序列在辅助SCH中指出了哪个码组是这个小区的下行链路扰码组。
●下行物理共享信道（PDSCH）：
用于下行链中传送DSCH传输信道，扩频因子在256～4之间变化。
因为DSCH传输信道可为一些用户所共享，
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