中国通信网3G系列讲座-WCDMA系统的物理层(FDD)

1中国通信网3G系列讲座WCDMA系统的物理层（FDD）©2006CNTTR.AllRightsReserved.WCDMA系统的物理层（FDD）概述；编码技术；物理层的成帧过程；业务复用；扩频与扰码；物理层帧结构；©2006CNTTR.AllRightsReserved.概述蜂窝系统的焦点：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WCDMA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©2006CNTTR.AllRightsReserved.WCDMA系统的物理层（FDD）概述；编码技术；物理层的成帧过程；业务复用；扩频与扰码；物理层帧结构；1.交织技术2.卷积码3.Turbo码4.速率匹配©2006CNTTR.AllRightsReserved.交织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；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©2006CNTTR.AllRightsReserved.对角交织交织算法：§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©2006CNTTR.AllRightsReserved.块交织块交织将n个码字比特，逐行写入D×W的矩阵，在逐列读出将错误长度b≤D地突发错误分散到各个码字中，每个码字最多包含1个单发错误块交织地端到端时延为2个比特存储器的容量（2×W×D）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©2006CNTTR.AllRightsReserved.块间交织把一个输入块的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©2006CNTTR.AllRightsReserved.FDD模式的交织器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©2006CNTTR.AllRightsReserved.信道编码概述信道编码的本质§利用冗余降低差错概率信道编码设计§信息的准确度§允许的时延§系统级因素•分集接收•改进调制解调方法•经济因素资源、可靠性和传信量之间选择©2006CNTTR.AllRightsReserved.差错控制方案－WCDMA差错控制方案§前向纠错(FEC)•单向信道•无法做到无差错传输•效率高§自动重发请求(ARQ)•双向信道•无差错传输•效率低、时延大©2006CNTTR.AllRightsReserved.添加CRC校验比特信道编码速率匹配速率匹配…第一次插入DTX指示第一次交织无线帧均衡…传输信道复用第二次插入DTX指示物理信道分段…第二次交织……物理信道映射……物理信道1物理信道2…编码组合信道CCTrCH传输块的级联/码块的分段WCDMA中的信道编码v卷积码™BER＝10-3vTurbo码™BER＝10-3－10-6v业务专用编码™不等差错保护©2006CNTTR.AllRightsReserved.卷积码卷积码：§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参数：卷积码(n,k,m)•信息位k•码字n•校验位n-k•约束长度m＋1•码率R=k/n•寄存器个v=m•码重与码距•编码生成多项式©2006CNTTR.AllRightsReserved.卷积码mipi2pi1(3,1,2)卷积编码器©2006CNTTR.AllRightsReserved.卷积码(续)输入DDDDDDDD输出0G0＝561（八进制）输出1G1＝753（八进制）输入DDDDDDDD输出0G0＝557（八进制）输出1G1＝663（八进制）输出2G2＝711（八进制）©2006CNTTR.AllRightsReserved.WCDMA中的卷积码卷积码方案§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)1/39557，663，71116©2006CNTTR.AllRightsReserved.卷积码的距离特性码距离§欧氏距离§汉明距离•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©2006CNTTR.AllRightsReserved.Turbo码1993年提出，性能接近香农限Turbo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Turbo码的缺点§长译码延时§高复杂度§误差底限§理论分析困难©2006CNTTR.AllRightsReserved.Turbo码概述香农第二定理（无失真传输定理）§当RC，可以找到使Pe→0的编码方法满足：•采用随机编、译码方式•编译码长度L→∞，即码长无限•采用最大似然译码方法Turbo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•MAP类译码算法（MAP、Log-MAP、Max-Log-MAP）•SOVA类译码算法©2006CNTTR.AllRightsReserved.Turbo码－编码结构Turbo码编码器§反馈系统卷积码(RSC)§并行结构§随机化交织器TTT⊕⊕pTTT⊕⊕bkvk,1vk,2vk,33GPP推荐的Turbo码，码率1/3、RSC(13,15)作子码dkdkY1kcTurbo编码交织器Y2kRSC编码器1RSC编码器1打孔与交织©2006CNTTR.AllRightsReserved.Turbo码－交织器交织器的功能§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•矩阵交织器•S-随机交织器•非均匀交织器•码匹配交织器©2006CNTTR.AllRightsReserved.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Lc·ySISO1ππ-1硬判决ππ-1L(uk)Yk,1Yk,2Yk,3LE(uk)L(uk)LE(uk)ukSISO2Turbo码的迭代译码结构Turbo译码器§软输入软输出(SISO)子译码器§迭代译码器算法•相互传递外部信息©2006CNTTR.AllRightsReserved.Turbo码的译码算法迭代解码算法MAP算法Log－MAP算法Max-Log－MAP算法SOVA算法改进的SOVA算法最优化误比特率最优化误帧率©2006CNTTR.AllRightsReserved.Turbo的性能(1)•迭代次数越多，性能越好©2006CNTTR.AllRightsReserved.Turbo的性能(2)•交织长度越大，性能越好©2006CNTTR.AllRightsReserved.Turbo的性能(3)•译码性能上：MAP算法很好，其次是Log－MAP，然后是Max－Log－MAP和SOVA•从复杂度来分析，Max－Log－MAP最低，其次是Log－MAP和SOVA，最后是MAP©2006CNTTR.AllRightsReserved.WCDMA中的Turbo码Turbo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©2006CNTTR.AllRightsReserved.速率匹配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©2006CNTTR.AllRightsReserved.WCDMA系统的物理层（FDD）概述；编码技术；物理层的成帧过程；业务复用；扩频与扰码；物理层帧结构；1.传输信道向物理信道的映射2.成帧过程©2006CNTTR.AllRightsReserved.传输信道向物理信道的映射高层的数据通过传输信道映射到物理层的物理信道上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©2006CNTTR.AllRightsReserved.传输信道向物理信道的映射(续)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）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©2006CNTTR.AllRightsReserved.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-AICHCPCH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©2006CNTTR.AllRightsReserved.上行链路成帧基带处理步骤包括§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©2006CNTTR.AllRightsReserved.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©2006CNTTR.AllRightsReserved.下行链路成帧在成帧过程中，上行链路与下行链路基本类似区别在于§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（fixedposition）的，第二次是针对可变位置（flxibleposition）的©2006CNTTR.AllRightsReserved.下行链路成帧(续)添加CRC校验比特信道编码速率匹配速率匹配…第一次插入DTX指示第一次交织无线