第5章 WCDMA物理层的功能.docx
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第5章WCDMA物理层的功能
第5章物理层的功能
物理层向上层提供数据传输服务，这些服务都是通过MAC子层调用传输信道来实现的。
传输格式（或传输格式集）定义了传输信道的特征，它同时也指明了物理层对这些传输信道的处理过程，如信道卷积编码与交织，以及服务所需的速率匹配参数等。
物理层的操作严格按照物理信道无线帧的定时进行。
传输块定义为物理层从上层接收的、将被同时编码的数据，于是传输块的定时就与物理信道无线帧严格对应，也就是说每10ms或10ms的整数倍产生一个传输块。
一个UE可同时建立多个传输信道，每个传输信道都有其特征（如提供不同的纠错能力）。
每个传输信道都可为一个或多个无线承载提供信息比特流的传输，也可用于层2和高层的信令消息传输。
物理层实现传输信道到相同或不同物理信道的复用。
另外，在当前无线帧中，传送格式组合指示（TFCI）字段用于惟一标识编码复合传输信道（CCTrCH）中每个传输信道的传输格式。
WCDMA的物理层主要完成以下功能：
（1）传输信道的FEC编/解码。
（2）向上层提供测量及指示（如FER、SIR、干扰功率和发送功率等）。
（3）宏分集分发/组合及软切换执行。
（4）传输信道的错误检测。
（5）传输信道的复用，编码复合传输信道的解复用。
（6）速率匹配。
（7）编码复合传输信输到物理信道的映射。
（8）物理信道的调制/扩频与解调/解扩。
（9）频率和时间（码片、比特、时隙和帧）的同步。
（10）闭环功率控制。
（11）物理信道的功率加权与组合。
（12）射频处理。
5.1WCDMA中上行和下行无线链路的结构
UMTS的空中接口物理层对上行和下行信道的处理过程是不同的，这种不同一方面表现在上下行物理层的信号处理的流程略有不同，同时也体现在上行和下行的信道结构的不同，这些差异其实是由上下行链路所具有的特点以及资源分配策略上的不同所决定的。
UE和基站是通信网中的两个物理实体。
不同的UE发送的上下链路数据是通过使用不同的上行扰码来区分的，不同小区发送下行链路数据是通过每个小区使用的不同下行扰码来区分的。
从每个UE的角度来看，它不用关心自己使用的信道码是否会与其他用户（UE）使用的信道码相同或不同，或者说上行信道码并不存在多个用户共享的问题，上行扰码已经被用来区分不同用户的信号了。
在这里需要注意的是，在软切换的情况下，下行方向上，UE会同时接收到来自多个基站的发送的数据；但UE在空中接口上发送给不同基站的上行信号却只有一份，UE不必给不同的基站使用不同的空中接口资源。
软切换中，每个基站必须知道UE使用的上行扰码是什么，这样每个基站就可以正确读取UE发送的上行信号。
上/下行链路使用的信道码和信道扰码如图5-1所示。
从基站端看来，情况就与UE有所不同了，一个基站侧必须考虑的问题就是多个UE的下行物理信道共享的问题。
对于同一个小区中的不同物理信道而言，它们使用的下行扰码是相同的，但是它们必须共享同一棵OVSF码树。
在信道的分配上，不同UE使用的信道码之间是有制约关系的，也即要求不同的物理信道使用的OVSF码相互正交。
基于这种不同，上行和下行物理信道的信道结构以及物理层中对传输信道的数据处理过程是不相同的。
下行信道码因为被多个UE共用，从而必须考虑如何才能节约码字的问题，所以下行物理信道DPCH的DPDCH与DPCCH是时分复用的，在下行上并没有为DPCCH使用专门的码字。
相反，上行信道则不存在这样的问题，所以上行的DPDCH和DPCCH使用不同的OVSF码。
另外，在实际的数据传输过程中，无论上行还是下行，数据速率都是随时间的改变而不停变化的，这种变化的传输速率存在于相同的空中接口链路上。
在WCDMA中使用TFCS来定义（各个传输信道的）不同传输格式对应的物理信道传输速率的集合，TFCI被用来指示当前的传输速率对于传输速率集合中的哪一个具体的传输速率。
对上行物理信道而言，可以通过灵活调整OVSF码的阶数来适应传输速率变化的需要，但是在下行方向上，这种物理信道码的灵活变更却是不允许的，因为多个用户共享相同的OVSF码，所以在改变每个UE使用的OVSF码的时候必需也同时考虑其他UE使用的信道码的限制。
基于这个原因，除非被重新分配，下行信道上每次传输数据使用的信道码在被分配后是不变的，而且下行信道码是按照TFCS中最高要求的传输速率来进行分配的，也即下行信道码必须满足传输信道集中最大传输速率的要求。
下行信道码的这种分配策略决定了在下行信道上经常要在较大的带宽（OVSF码）上传输较低的数据速率，具体到物理信道上相当于总会有一些码片是用来传输无用信息的，如果这种无用信息被正常传送，一方面将增加对其他物理信道不必要的干扰，另一方面也不能达到UE节电的目的。
不连续传输（DTX）就是被用来解决这一问题的，有关DTX会在物理信道部分做更详细的介绍。
5.2数据由MAC层到物理层的发送和接收
空中接口一章已经详细介绍了空中接口各层协议的关系以及各种信道之间的映射关系。
在数据发送端，来自上层的信令和业务数据通过层2的MAC子层发送到物理层，数据经物理层处理后通过天线发送给接收端。
下面首先来看数据是怎样从MAC层传送给物理层的。
在WCDMA中，所有的传输信道都被定义为单向的（即上行无线链路和下行无线链路），这表明UE在上/下行链路可同时拥有一个或多个传输信道（取决于业务及UE状态）。
一个UE可同时建立多个传输信道，每个传输信道都有其特征（如提供不同的纠错能力）。
每个传输信道都可为一个无线承载提供信息比特流的传输，也可用于传输层2和高层的信令消息。
物理层实现传输信道到一条或多条物理信道的复用。
另外，在当前的无线帧中，传送格式组合指示（TFCI）字段用于惟一标识编码复合传输信道（CCTrCH）中每个传输信道的传输格式。
传输信道参数中包含动态部分和半静态部分，动态部分在每个传输时间间隔中是可变的，而半静态部分则相对固定，上层的RRC协议可以通过原语来修改底层传输信道相关的半静态参数，例如通过传输信道的重配置功能就可以在UE和UTRAN之间修改传输信道的半静态参数。
下面介绍传输格式、传输格式集方面的问题。
MAC层负责通过L1/L2接口向物理层映射数据，此接口即传输信道。
为了描述映射是如何实现和如何控制的，将在下面给出一些术语定义。
这些定义对所有的传输信道类型通用，而不是专指DCH，见表5-1。
物理层向上层提供数据传输服务，这些服务都是通过MAC子层调用传输信道实现的。
传输格式（或格式集）定义了传输信道的特征，它同时也指明了物理层对这些传输信道的处理过程，如信道卷积编码与交织，以及服务所需的速率匹配。
物理层的操作严格按照物理层无线帧的定时进行。
传输块定义为物理层从上层接收的、将被同时编码的数据，于是传输块的定时就与物理层无线帧严格对应，也就是说，每10ms或10ms的整数倍产生一个传输块。
有关上面一些术语的说明，参见图5-2。
一个传输信道的属性由半静态部分和动态部分构成，动态部分决定数据速率，半静态部分决定数据在物理层中的处理过程。
下面介绍传输信道属性的参数。
（1）动态部分属性
①传输块大小；
②传输块集大小。
（2）半静态部分属性
①传输时间间隔（TTI）；
②CRC的长度；
③采用的错误保护机制有：
a.错误保护类型，Turbo码、卷积码、或无信道编码；
b.码速率；
c.静态速率匹配参数；
d.上行链路的打孔限制。
下面以WCDMA中AMR语音呼叫时可能存在的传输信道组合说明以上传输信道参数的含义。
有关AMR语音呼叫传输信道的参数，可以参见TS34.108的6.10.2.4.1.4a小节。
AMR语音业务在空中接口上行和下行方向上分别使用3条传输信道，另外在上行和下行方向还分别包含一条用于传输空中接口信令的3.4kbit/s的传输信道。
这里只看其中一个方向上MAC层到物理层的数据传输。
图5-3所示为传输信道的参数。
在图5-3中，每个传输信道向物理层传送数据使用的传输块不同，而且每个传输信道都有其自己使用的传输格式集（TFS），每个传输格式集中会包含多个传输格式。
并不是每种可能的传输信道组合都是可用的，在这个实例中，传输信道向物理层传输数据可以使用的TFC共有12种可能的组合，这些组合构成TFCS。
在每个传输信道上，每个传输格式都对应有一个传输格式指示（TFI）。
而每个TFC都对应有一个TFCI。
TFCI在空中接口编码后传输，接收端可以根据TFCI获知来自发送端的物理信道使用的是什么样的传输信道组合。
这一过程在本章后面部分会有详细说明。
5.3上行物理信道和下行物理信道
空中接口的上行物理信道和下行物理信道具有不同的结构。
本节将着重讨论UE在上行方向和下行方向都使用哪些信道。
5.3.1上行传输信道和物理信道
UE使用上行传输信道和相应的上行物理信道发送数据给网络方，在上行方向上，UE可能使用的传输信道和物理信道组合包括以下3种：
（1）RACH/PRACH；
（2）CPCH/PCPCH；
（3）DCH/DPCH。
在某一时刻，UE只能使用上述3种信道组合中的一种（这里不讨论HSDPA的情况）。
其中，RACH和CPCH为公共信道；DCH为专用信道。
RACH总是——映射到物理信道（PRACH）上，没有物理层的RACH复用。
业务的复用由MAC层来完成。
在一个小区中可以配置几个RACH/PRACB。
RACH映射到PRACH时，可以采用相同的TF和TFCS，也可以釆用不同的TFCS。
系统信息中可以指定可用的RACH/PRACH映射关系及相应的参数。
PRACH资源是通过可用的接入前导特征码与可用的接入子信道来标识的。
不同的PRACH可以采用不同的接入前导扰码来区分；不同的PRACH也可以使用相同的接入前导扰码，通过使用不同的可用接入前导特征码可以区分PRACH。
小区中PRACH配置的例子可以参见本书的随机接入过程部分。
CPCH是另一种公共类型传输信道，与RACH相比增加了碰撞检测机制，CPCH传输信道总是单独映射到PCPCH物理信道上。
一个或多个DCH信道可在同一编码复用单元中处理与复用，此单元输出一个数据流，该数据流定义为编码复合传输信道（CCTrCH）。
在下行链路上，一个UE可同时使用多个CCTrCH，这些不同的CCTrCH只需要一个快速功控环，但不同的CCTrCH可能有不同的C/I要求，以保证这些被映射的传输信道能提供不同的QoS。
在上行链路且FDD模式下，同时只能有一个CCTrCH可以使用。
—个CCTrCH的数据流经过解复用/分割单元后，可以被映射到一个或多个物理信道中进行传输。
对每一个10ms无线帧来说，当前编码复用单元的配置信息可以是通过高层信令在UE和网络间传送。
在物理信道上,使用TFCI来指示CCTrCH中所有DCH的传输格式组合。
5.3.2下行传输信道和物理信道
在下行方向上，UE通过BCH/P-CCPCH来接收小区的系统广播信息，BCH总是映射到P-CCPCH，而不和其他传输信道复用。
UE通过PCH/S-CCPCH来接收网络的寻呼消息。
另外，在下行方向上，网络还可以使用FACH向UE传送信令或（和）业务数据。
PCH和FACH可以分别映射到不同的S-CCPCH上，也可以一起映射到同一个S-CCPCH上。
当PCH和FACH在同一个物理信道S-CCPCH上复用时，一个PCH可以和一个或几个FACH经过编码复用构成一个CCTrCH。
每个CCTrCH只有一个TFCI用来标识PCH及每个FACH的传输格式。
PCH同携带寻呼指示的PICH物理信道相关，PICH用于触发UE对承载PCH的物理信道的接收。
在下行方向上，DCH与物理层数据流间映射的方式同上行链路一样，但其使用的信道编码/复用功能单元参数可能有所区别。
在下行方向上，还可以使用DSCH/PDSCH来传输下行数据。
每个PDSCH总是与一个下行DPCH相关。
5.3.3TFI和TFCI
TFI是每个传输格式集合内某个特定传输格式（TF）的标签。
当每次物理层和MAC层在一个传输信道上传输一个传输块集时，它用于这两层间的通信。
当DSCH与一个DCH相关时，TH将标识DSCH映射的物理信道（即信道码），且UE必须监听此DSCH。
TFCI是当前传输格式组合的一种表示。
TFCI的值和传输格式组合间是一一对应的，TFCI用于通知接收侧当前有效的传输格式组合，即如何解码、解复用以及在适当的传输信道上递交接收到的数据。
在传输信道上每一次传递传输块集时，MAC都要向物理层指示TFI。
物理层将UE所有的并行传输信道上的TFI组合成TFCI，然后对传输块进行适当的处理，并将TFCI加到物理控制信令中。
接收侧利用对TFCI的检测来识别传输格式组合。
对于某些特定的传输格式组合集，TFCI信令可被忽略，并代之以盲检测。
有关传输信道和物理信道的映射关系，可以参见空中接口一章。
5.4传输信道到物理信道的映射以及物理层中的数据处理过程
在进行调制和信道化操作之前，先要对传输信道进行相应的处理。
物理信道的信道码所对应的扩频增益SF值决定了物理信道的传输速率。
如果同时有多个传输信道映射到一个物理信道上，则物理信道的SF就决定了各个传输信道总的传输速率，或者说决定了一个物理信道帧内需要传送的数据符号的个数。
这就有一个如何将不同的传输信道复用到同一个物理信道上的问题。
在这种情况下，每个物理信道帧都需要包含多个传输信道的数据，在物理帧进行交织前，这几个传输信道的数据被依次放置在物理帧上。
在上行方向上，物理信道的SF可以灵活调整，如果传输信道有需要发送的数据，通过调制速率匹配参数，总是可以将物理帧需要的数据填充满。
但在下行方向上，物理信道的SF值总是按照最大传输速率的要求来分配物理信道码的，SF值不能根据每个物理帧的传输数据大小灵活改变，这样当实际传输速率低于最大传输速率时，来自各个传输信道的数据就无法将物理信道要求传输的数据区填满。
图5-4所示为UE侧上行物理层的数据处理过程。
在下行方向上，各个传输层数据在物理信道上的放置位置有两种选择：
一种方式是固定位置的复用，也就是每个传输信道被放置在固定位置；另一种方式是可变方式，也就是每个传输信道的数据被无间隔地连续放置，将不传的空位放在每个物理帧的末尾。
相应这两种复用方式的不同，放置DTX的指示位也有两种方式，即第一次DTX插入和第二次DTX插入。
图5-5所示为NodeB侧下行物理层的数据处理过程。
来自/到达MAC和高层的数据流（传输块/传输块集）将被编码/解码，以在无线传输链路上提供传输服务。
信道编码方案由差错检测、差错纠正、速率匹配、交织及“传输信道到物理信道的映射”和“物理信道到传输信道的分段”组成。
到达编码/复用单元的数据以传输块集的形式传输，在每个传输时间间隔（TTI）传输一次。
TTI的取值可以是{10ms,20ms,40ms,80ms}中的一个。
物理层中编码/复用的步骤如下：
（1）给每个传输块加CRC;
（2）传输块级联和码块分段；
（3）信道编码；
（4）无线帧的均衡；
（5）速率匹配；
（6）插入非连续传输DTX指示比特；
（7）交织；
（8）无线帧分段；
（9）传输信道的复用和物理信道的分割；
（10）到物理信道的映射。
5.4.1CRC的添加
对于每个传输信道的传输块，在物理层中首先要添加CRC位。
根据上层协议的规定，传输信道块的CRC可以是24、16、12、8或者0位，CRC位数越长，则接收传输块的错误遗漏概率越低。
接收端要根据传输的数据内容检査CRC是否正确，如果不一致，则接收端认为传输块是错误的。
整个传输块被用来计算每个传输块的CRC校验比特。
校验比特的产生来自下面的一个循环生成多项式：
5.4.2传输块的级联和码块分段
在每个传输块都被添加CRC之后，下一步就是将一个TTI时间内由MAC层传送到物理层的传输块级联起来，然后再统一进行信道编码。
级联操作可以减小信道编码过程中编码器尾比特的开销。
如果各个传输块串联起来的长度大于了信道编码的所要求的最大值，则还要将串联起来的传输块进行码块分割，以适应下一步信道编码方式的要求。
经过码块分割后数据块被分为大小相等的码块，然后执行信道编码操作。
码块的最大尺寸根据传输信道（TrCH）使用卷积编码、Turbo编码或不编码而定。
对于不同的编码方式，允许的最大码块Z值是：
卷积编码Z=504bit；
Turbo编码Z=5114bit；
如果不进行信道编码，则对码块大小没有任何限制。
5.4.3信道编码
在完成传输块的级联和数据分割后，就可以将符合信道编码要求的数据块进行信道编码处理了。
信道编码的目的是获得需要的BER目标值和BLER目标值。
WCDMA中有3种方式可用于专用物理信道的编码：
卷积码（1/2速率或1/3速率）、Turbo码（只有1/3速率）和没有信道编码。
3GPP标准并没有强制规定必须使用什么样的编码方式,但原则上Turbo码适用于对大块的数据进行编码，卷积码适用于对小块的数据进行编码。
不同传输信道适用的编码方式见表5-2（摘自3GPPTS25.212）。
如果用Ki表示被编码的码块的大小（位数），用f表示编码后码块的大小，则二者的关系可表示为：
（1）1/2速率卷积码，Yi=2xKi+16；
（2）1/3速率卷积码，Yi=3xKi+24；
（3）1/3速率的Turbo码，Yi=3xKi+12；
（4）没有信道编码，Yi=Ki。
卷积编码器的结构如图5-6所示。
卷积码约束长度义=9，编码率为1/3和1/2。
当卷积编码率为1/3时，卷积编码器的输出将按输出0，输出1，输出2，输出0，输出1,…，输出2的次序进行；当卷积编码率为1/2时，卷积编码器的输出将按输出0，输出1，输出0，输出1,…，输出1的次序进行。
在编码前码块的末端将加8个全“0”的尾比特。
编码器的移位寄存器的初始值将全为“0”。
5.4.4无线帧的尺寸均衡
无线帧尺寸均衡的过程只用于上行链路的处理，目的是对信道编码后的数据进行填充，以保证输出可以分成相同大小的数据段。
通过无线帧均衡操作，保证了多个10ms无线帧上发送的数据长度相同。
5.4.5第一次交织
如果传输信道的TTI大于10ms,即为20ms、40ms或80ms中的一个值，则物理层中需要对信道编码后的数据进行第一次交织，由于这个交织深度大于物理帧10ms,所以第一次交织也被称为帧间交织。
第一次交织是一个进行列间置换的块交织。
5.4.6速率匹配
速率匹配的目的使每个传输信道对物理信道的输入比特数与物理信道上无线帧所能承载的比特数匹配起来。
WCDMA允许多个传输信道映射到同一个（或多个）物理信道上，这种映射是通过多个传输信道在CCTrCH上的复用来实现的。
一个物理信道的传输速率是与它使用的OVSF码的扩频增益SF直接相关的，一个CCTrCH可以对应一个或多个物理信道，一个CCTrCH帧上包含的数据块大小也是与物理信道的SF直接相关的。
一旦物理信道的扩频增益SF确定下来，这个物理信道上一个无线帧上所能承载的数据大小也就是一定的了。
如果将空中接口的物理帧（或者对应的CCTrCH）比喻为一个固定大小的车厢，则一个传输信道中速率匹配要解决的问题就是如何调整经过“添加CRC/信道编码/交织”处理后的数据大小，从而使它的大小刚好能够填充满在车厢内被分配的空间。
速率匹配就是将信道编码之后的数据进行打孔或者数据重复，以使速率匹配后的数据可以满足该传输信道在CCTrCH中分配给它的位置的要求。
速率匹配参数被用来计算出比特重复或者打孔的数量。
速率匹配的参数由RRC层给出。
RRC层在决定一个传输信道参数时需要考虑这个传输信道的数据速率和QoS要求。
如果一个CCTrGH中的所有TrCH速率匹配模块都没有比特输入，那么该CCTrCH中的所有TrCH的速率匹配模块必须没有比特输出，若是上行链路速率匹配，则没有DPDCH被选择。
1.上行链路的速率匹配
在上行链路中，无论需要在无线链路上传输的数据速率是多少，速率匹配总能保证经过速率匹配的数据都能刚好填充满上行DPDCH。
因为在上行链路上，各个UE的无线信号靠上行扰码区分开来，UE之间并不需要共享信道码，所以在信道码的使用上较下行链路有更大的灵活性。
在上行链路上，UE可以根据TFCI值对应的不同数据速率选择需要的上行链路的扩频增益（SF）。
在建立上行链路时，网络会给出在此上行链路上的打孔限制参数，如果UE发现速率匹配超出了打孔限制的要求，则UE就需要考虑使用SF更小的信道码。
SF值的限制取决于UE的能力，网络方在分配无线链路时，也会给出UE—个限制值。
在上行链路上，不同的TFCI用来指示不同的传输信道格式组合，它代表不同的数据速率。
而速率匹配特性可以根据TFCI的不同选取不同的值。
在数据传输过程中，两个连续物理帧都可以使用不同的速率匹配参数，上行链路就是通过这种方式来保证物理信道上总能被填充满数据。
2.下行链路的速率匹配
在下行链路上，小区内的多个UE共享同一套OVSF码树，UE在信道码的使用上没有上行链路那种灵活性。
在下行链路上，物理信道在被分配时，SF值就被固定下来，所以无线帧中所包含的数据童并不随TFCI的改变而改变。
在下行链路上，UE的速率匹配特性是相对固定的。
在下行无线链路被分配时，TFCS中可以包含多个TFCI用于指示不同的传输信道格式组合，不同的TFCI相应代表不同的数据传输速率。
下行链路上，速率匹配参数是根据TFCS中最大数据传输速率情况来确定的，也就是说速率匹配参数将保证在下行链路最大数据传输速率的情况下，物理信道中的空间刚好能够填满。
这样也就保证了物理信道在SF不变的情况下，总能够有足够的空间容纳来自传输信道的数据。
在数据传输过程中，如果存在数据速率的改变，也仍将沿用固定的速率匹配参数。
由于下行物理信道的速率匹配参数是固定的，当下行链路上不使用最大数据速率传输时，下行物理信道上必然会有空出来的空间。
为了降低在空中接口上各个物理信道相互之间的干扰，最好的方式就是在这些空闲的位置上不传输任何功率比特。
这也就是下行链路中独有的DTX指示位插入过程产生的原因。
5.4.7传输信道的复用和DTX指示位的插入
在每个传输信道中，数据被分为适合10ms物理帧传输的数据块。
每隔10ms，这些传输信道数据快被复用到一个编码复合传输信道（CCTrCH）上。
根据传输信道数据块在CCTrCH中的复用方式的不同，可以分为固定位置的复用方式和可变位置的复用方式，如图5-7所示。
固定位置的复用方式是指在CCTrCH中，每个传输信道都有固定的位置，即使一个传输信道的数据块不能够填满CCTrCH给它预留的空间，其他物理信道也不会占用该空闲的空间。
可变位置的复用方式则是指在CCTrCH上，根据数据块实际大小，各个传输信道在CCTrCH上的位置是可变的。
各个传输信道数据块之间不需要留有空闲的空间，而是在CCTrCH上顺序排列。
在下行链路中，利用DTX比特填充无线帧的空闲位置，使用DTX指示比特，表示物理信道在该比特没有功率发送。
DTX指示比特的插入位置取决于无线帧中传输信道的位置是否固定。
共有两种TRX比特插入的方式，这两种方式不会被同时使用，所以在下行链路数据处理的流程框图（图5-5）中，使用虚线表示。
1.第一次TRX比特的插入
如果传输信道在CCTrCH上使用固定位置的复用机制，则当传输信道不使用最大数据速率发送时，需要先添加DTX比特，以满足CCTrCH上为该传输信道预留的位置大小，如图5-8所示。
2.第二次TRX比特的插入
如果传输信道在CCTrCH上使用可变位置的复用机制，在当传输信道不
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