WCDMA是在1998年1月的ETSI會議上由歐洲作為IMT-2000(即3G)的建議提出的,與北美CDMA2000同為IMT-2000的主流傳輸制式,也是ITU-T業已完成標準化工作的3種制式(CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA)之一。WCDMA與IS-95相比,採用了寬頻擴頻技術,這樣能更好地利用WCDMA的優點,如統計復用、多徑分辨和利用等。WCDMA系統支持寬頻業務,可有效支持電路交換業務(如PSTN、ISDN網)、分組交換業務(如IP網)。靈活的無線協定可在一個載波內對同一用戶同時支持話音、數據和多媒體業務。通過透明或非透明傳輸塊來支持實時、非實時業務。WCDMA採用DS-CDMA多址方式,碼片速率為3.84Mcps,載波頻寬為5MHz。
CSICH↓->AccessPreamble↑->AP-AICH↓->CDPreamble↑->CD/CA-ICH↓->PCPCH↑CSICH指示一個CPCH信道的狀態,...Preamble,來檢測碰撞;基站收到後,通過CD/CA-ICH來確認;手機收到第二次確認後,就開始在PCPCH上傳送高速數據信息。
WCDMA物理層分析
整個WCDMA系統由三部分組成,即CN(核心網)、UTRAN(無線接入網)和UE(用戶裝置)。CN與UTRAN的接口定義為Iu接口,UTRAN與UE的接口定義為Uu接口。Uu接口分為3個協定層:物理層(L1)、數據鏈路層(L2)和網路層(L3)。
物理層(L1)是衡量不同體制的移動通信系統的主要方面之一。終端與基站間的單純物理鏈路採用何種信號處理的結構,直接關係到整體的業務性能,並且對其他層的協定也有很大的影響。從手機和基站設備的基帶處理能力而言,物理層關係到設備的複雜度。另外,第三代系統同樣著眼於業務的寬頻,所以物理層不僅圍繞單一的業務,而且也考慮到將來引入的業務所需的更多變化。
物理層提供物理信道,並在此信道上傳輸原始比特,為MAC層和更高層提供信息傳輸服務,包括物理信道的調製與擴頻、信道的編解碼、軟切換的實施、頻率和時間(chip,bit,slot,frame)的同步及閉環功率控制等。物理信道分為專用物理信道(DPCH)和公共物理信道(CPCH)。
專用下行物理信道
專用下行物理信道指專用下行DPCH。DPCH信道的上層數據(專用傳輸信道DCH的信息)和物理層產生的控制信息進行時分復用,控制信息包括固定的導頻比特、TPC指令、可選的TFCI比特。時分復用的目的是節約基站的碼樹資源,並減低總體發射功率。下行DPCH可看成是下行DPDCH和下行DPCCH的時分復用。
下行DPCH的幀結構如圖1所示。每幀長10ms,由15個時隙組成,時隙長為Tslot=2560個碼片,對應一個功率控制指令周期。
公共下行物理信道
公共下行物理信道包括:主公共控制物理信道(P-CCPCH),次公共控制物理信道(S-CCPCH),下行共享物理信道(PDSCH),公共導頻信道(CPICH),同步信道(SCH),尋呼指示信道(PICH),捕獲指示信道(AICH),接入前綴-捕獲指示信道(AP-AICH),CPCH狀態指示信道(CSICH),碰撞檢測/信道分配指示信道(CD/CA-ICH),回響HS-DSCH的共享控制物理信道(HS-SCCH)和高速物理下行共享信道(HS-PDSCH)。
干擾
在WCDMA中,主要有兩種類型的干擾:多址干擾和人為強幹擾。WCDMA是一個自干擾系統,在接收端由於信道衰落、干擾、信號時延等原因,接收符號序列通常難以保持正交,這就導致了多址干擾,這種干擾是結構性的而非高斯白噪聲。多址干擾包括小區內干擾和鄰區干擾。在下行鏈路中鄰區干擾主要表現為相鄰小區的基站對本小區基站的干擾;小區內干擾主要表現為其它用戶對接收用戶的干擾,以及各物理信道間的干擾。採用具有低互相關性的擴頻序列,採用功率控制和多用戶檢測技術均可抑制多址干擾。
主要研究的是WCDMA無線接口的抗人為強幹擾問題。干擾信號的模型如圖2所示。隨機數發生器產生干擾比特流,然後經過擴頻加擾,再對擴頻加擾後的信號進行調製,輸出的干擾信號是一簡單的擴頻信號。
輸出的干擾信號將被送入信道。在傳輸過程中,干擾信號將產生衰減,並且被延遲。設預先給定的目標信號和干擾信號的信乾比為SIR,相對時延為τ。
設傳輸干擾信號的信道的衰減因子為scale。假設到達接收端前端的一幀信號為signal[38400*8],則信號平均功率為:
仿真模型
系統的仿真模型
對WCDMA無線接口物理層的仿真,主要是對WCDMA的Uu接口物理層下行鏈路進行分析和仿真。基於VisualC++6.0為開發平台,開發WCDMA無線接口仿真軟體,仿真模型如圖3所示。圖中的信道均指統計信道模型。
N個用戶的數據分別進入信道編碼及復接模組,經擴頻和加擾後,進入物理信道合併模組合併成一路比特流,此比特流經過調製後送入信道。傳送比特流經由不同的信道1i傳輸到達用戶接收端,而人為強幹擾信號也經過不同的信道2i傳輸。到達用戶接收端的比特流是加入了人為強幹擾和高斯白噪聲的傳送比特流。各用戶對接收比特流進行解調、匹配濾波、去擾解擴和去復用解碼後得到各用戶的數據。對各用戶的數據與傳送端對應的用戶數據進行分析、比較,計算其誤碼率,並以此為基礎分析WCDMA無線接口的抗干擾性能。
仿真模型各模組說明
在傳送端,數據在每個傳輸時間間隔(TTI)以傳輸塊集的形式到達信道編碼及復接模組,主要完成檢錯、信道編碼、速率匹配、傳輸信道復接、物理信道映射等操作。傳輸信道可用的編碼方案為卷積編碼、Turbo編碼、不編碼。在擴頻加擾模組,採用正交可變擴頻因子碼序列(OVSF)作為信道化擴頻碼序列,將數據符號按位轉換為一組碼片序列,擴展數據信息的頻寬;對擴頻後的信號再進行擾碼操作。擴頻加擾後的各路信道進入物理信道合併模組,將所有下行鏈路物理信道合併起來並送入調製模組。可用的調製方式為QPSK調製、16QAM調製。而圖中的信道均指寬頻衰落信道統計模型,在接收端,匹配濾波器濾除其它用戶數據,輸出屬於接收用戶的數據。
二次擴頻加擾
二次擴頻加擾
擴頻技術對系統的抗干擾性能起著決定性作用。直擴系統對干擾的抗拒能力可用擴頻增益GP=10×lg(SF)來表示。由於WCDMA無線接口使用的擴頻因子有限(上行鏈路SFmax=256,下行鏈路SFmax=512),所以系統抗干擾的能力受到了限制,因此本文提出二次擴頻加擾技術。二次擴頻加擾是在原有擴頻加擾模組後追加的一個模組,其它各模組保持不變,如圖4所示。
設一次擴頻因子和擾碼分為SF1、Scram1,二次擴頻因子和擾碼分為SF2、Scram2。當一次擴頻加擾後,一幀的長度為38400chips,此時將該幀分為n段,n=SF2,每段的長度為length=38400/SF2。然後把每段用擴頻因子為SF2的ovsf碼進行擴頻,並用Scram2加擾,最後送到調製模組,直到傳送完一幀中的所有分段,再繼續下一幀的分段與傳送。
二次擴頻加擾的優缺點
從二次擴頻加擾的傳送過程可知,傳送的信息速率將變為原來信息速率的1/SF2。設一次擴頻的擴頻增益為Gp1=10×lg(SF1),二次擴頻的擴頻增益為Gp2=10×lg(SF2),則總的擴頻增益為:
由此可見,增大SF2可有效地提高系統的擴頻增益,改進系統的抗干擾性能,增加擾碼捕獲的難度;但同時卻降低了信息傳輸速率,即二次擴頻加擾技術是以降低信息傳輸速率為代價來換取傳輸可靠性的提高(兩次擴頻級聯,增大擴頻因子)。因此我們可以根據干擾的強度來適當選取不同的SF2,以滿足在信息可靠傳輸的條件下,儘可能地提高信息傳輸速率。
