WCDMA系统的物理层（FDD ）刘林南 博士WCDMA系统的物理层（FDD）v概述；v编码技术；v物理层的成帧过程；v业务复用；v扩频与扰码；v物理层帧结构；概述v蜂窝系统的焦点：物理层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vWCDMA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 传统的话音业务，能够提供更灵活、多样化 的业务传输组合WCDMA系统的物理层（FDD）v概述；v编码技术；v物理层的成帧过程；v业务复用；v扩频与扰码；v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v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，衰落信道 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 合使用，以提高系统性能对角交织v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v块交织将n个码字比特，逐行写入DW的矩阵 ，在逐列读出v将错误长度bD地突发错误分散到各个码字 中，每个码字最多包含1个单发错误 v块交织地端到端时延为2个比特存储器的容量 （2WD）v缺点：对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v把一个输入块的NB个比特分散输出到B个码块 中，每个输出码块包含N个比特v一个输入块中的连续符号映射到B个连续的输 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v缺点：1.确保输入与输出的符号一一对应， 必须保证B和N之间没有公约数2.由于它的分散性质，端到端的交织时延 为B2N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 误的效果，又要兼顾业务传输时延的限制 v交织类型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 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 操作信道编码概述v信道编码的本质利用冗余降低差错概率v信道编码设计信息的准确度允许的时延系统级因素v分集接收v改进调制解调方法v经济因素资源、可靠性和 传信量之间选择差错控制方案WCDMAv差错控制方案前向纠错(FEC)v单向信道v无法做到无差错传输v效率高自动重发请求(ARQ)v双向信道v无差错传输v效率低、时延大WCDMA中的信道编码v卷积码BER10-3vTurbo码BER10-310-6v业务专用编码不等差错保护 卷积码v卷积码：本组的编码不仅与当前输入的k个信息元有关， 而且还与前m个时刻的输入信息元有关v参数：卷积码 (n,k,m)信息位k码字n校验位n-k约束长度m1码率R=k/n寄存器个v=m码重与码距编码生成多项式卷积码mipi2 pi1(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 方案码率约束长度生成多项式自由距CC (2,1,9)1/29753,56112CC (3,1,9)1/39557，663，711 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,33GPP推荐的Turbo码， 码率1/3、RSC(13,15)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硬判决 -1L(uk)Yk,1 Yk,2Yk,3LE(uk) L(uk)LE(uk)ukSISO2Turbo码的迭代译码结构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误比特率最优化误帧率Turbo的性能(1)迭代次数越多， 性能越好Turbo的性能(2)交织长度越大， 性能越好Turbo的性能(3)译码性能上：MAP算 法很好，其次是Log MAP，然后是Max LogMAP和SOVA从复杂度来分析， MaxLogMAP最低 ，其次是LogMAP和 SOVA，最后是MAP 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；v编码技术；v物理层的成帧过程；v业务复用；v扩频与扰码；v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 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(续)v传输信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(续)专用传输信道 DCH随机接入信道 RACH公共分组信道 CPCH广播信道 BCH下行链路共享信道 DSCH前向链路接入信道 FACH寻呼信道 PCH寻呼指示信道 PICH 同步信道 SCH 公共导频信道 CPICH 请求指示信道 AICH 接入前导请求指示信道 AP-AICH CPCH状态指示信道 SCICH 冲突检测/信道分配指示信道 CD/CA-ICH 传输信道 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主公共控制物理信道 P-CCPCH下行物理共享信道 PDSCH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TTI添加CRC校验传输块级连或分割信道编码无线帧均衡第一次交织无线帧分段速率匹配第二次交织物理信道分段另一个TTI添加CRC校验传输块级连或分割信道编码无线帧均衡第一次交织无线帧分段速率匹配传输信道复用物理信道分段编码组合信道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；v编码技术；v物理层的成帧过程；v业务复用；v扩频与扰码；v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 CRC 比特100CRC12添加CRC比特尾比特128688Turbo 编码 R1/38700第1次 交织43504350无线帧 分段尾比特8添加尾比特360卷积码 R1/3360第一次交织90909090速率匹配407298470298470298470298第2次 交织SMU#4 98SMU#1 #2 #3SMU#1 4702 SMU#2 4702 SMU#1 4702 SMU#2 4702 989898速率 匹配DTCH1(8kbit/s话音)DTCH2(64kbit/s数据)DCCH 801280961296bit/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 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；v编码技术；v物理层的成帧过程；v业务复用；v扩频与扰码；v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（FDMA）；v时分多址（TDMA）；v码分多址（CDMA）；频分复用v原理：整个传输频带