WCDMA协议和小区搜索过程详解

WCDMA频率规划根据工信部规定,中国联通可用的频段是1940MHz-1955MHz(上行)、2130MHz -2145MHz(下行),上下行各15MHz。

在WCDMA中采用升余弦滚降系数滤波器,滚降系数为0.22, 那么传速率为3.84Mb/s信号的所需带宽为B=3.84(1+0.22)=4.684Mb/s,考虑到频点间要留有一定的保护间隔200K,两头的两个一共是400K,在WCDMA系统中每频点带宽选5MHz是合适的。

从手机开机上电开始,手机先要扫频,找到可以使用的频点,这个时候还不涉及到物理信道。

当手机选好频点以后,要找合适的小区驻留,这个时候就涉及到了物理信道。

WCDMA终端的网络搜索过程实际上可以分解为公众陆地移动网(PLMN)选择与小区搜索两个子过程。

首先,手机必须知道小区是否可以驻留,这个和PLMN有关。所以手机要先知道小区的PLMN等关键信息。想要知道PLMN,就必须去读PCCPCH主公共控制物理信道。但是这个信道已经被扩频加扰了,怎么获取扰码和扩频码就是当前最重要的了。

为了获取扰码和扩频码等信息,手机就要读取包含这些内容的小区物理信道的具体信息,也就是每个帧和时隙。

要读取时隙和帧的具体信息,必须要知道每个时隙和帧的开始位置,这个过程就是同步过程。同步过程涉及到的物理信道有两条,主同步信道和从同步信道。

主同步信道上发射的是主同步码,主同步码在每个时隙的最开始的256个码片上发射,发射主同步码的时候,手机滤波器上就会有高电平指示,这样就获得了时隙同步。

获得时隙同步之后,手机就知道了这个小区的每个时隙的开始。这个时候手机会去读从同步信道。从同步信道上发射的是从同步码,从同步码的序列是64组固定序列中的一种,也在每个时隙的前256个码片发射,对应主扰码组的组号。手机也知道这64个固定序列。当手机逐个读取从同步码之后,就知道了从同步码的固定序列,也就知道了序列的开始位置和序列对应的主扰码组号。

这样,一个无线帧的开始就确定了,当然,还有主扰码组的组号。要强调一下,主从同步信道都是不扩频不加扰的,所以手机不需要知道扩频码和扰码就能读取这2个信道的信息。

获取同步之后,手机已经收集了该小区的很多有用信息,但是还是不知道该小区的主扰码,所以接下来的过程就是要获取小区信息的关键——主扰码。

获取主扰码的过程就像解一个方程。涉及到的物理信道是CPICH公共导频信道。CPICH发射的信息是固定的全1序列,该信道的扩频码也是固定的256,这些是在协议里固定好的,手机自己也知道。

在同步过程的第2步里,手机已经知道了主扰码组的组号。在这个组里,一共有8个主扰码。手机用这8个主扰码挨个去解扰CPICH,如果得到的是全1序列,那么用来解扰的扰码就是当前小区的主扰码。这样最多试8次就能确定主扰码。这也是为什么512个主扰码要分成64组的原因。

主扰码确定以后,所有的物理信道都可以解扰了,协议中又规定了PCCPCH主公共控制物理信道的扩频码固定为256,那么PCCPCH信道的所有信息就知道了。

首先要知道PCCPCH的信息结构。

PCCPCH里有3种信息,分别是MIB主消息块,SB调度块,SIB系统消息块。

MIB里保存的是该小区的最重要的信息,比如PLMN。手机在读取了MIB以后,就知道这个小区是否可以驻留。不同的运营商对应的PLMN是不一样的。手机的SIM卡里保留有可用的PLMN。当手机读取了PLMN以后,确定可以驻留在当前小区后,继续读SIB和SB的信息。SIB中有该小区的具体配置信息,比如各物理信道的配置情况,使用的扩频码,功率设置等。

到这里,手机的选网流程就完成了。涉及到的信道有:PSCH,SSCH,CPICH,PCCPCH.

前3条信道都不承载上层的有效信息,所以没有传输信道映射到这些物理信道上。广播消息是承载在PCCPCH上的,所有传输信道中的BCH是映射到PCCPCH上的。

PCCPCH发射的时候有一个特点,就是每个时隙的前256码片会关闭发射机,也就是不发送信号。原因是为了避免因为同步信道在前256码片发射的时候峰均比太高。

经过以上的步骤,UE可以正常驻留在当前小区后,就进入了IDLE状态,会进行空闲态下的一些活动,比如位置区更新等,当然也等待别人呼叫自己或者去呼叫别人。

如果UE等待别人呼叫自己的话,就涉及到了另外一个物理层过程——寻呼。

寻呼涉及到的物理信道有2个,PICH寻呼指示信道和SCCPCH从公共控制物理信道。PICH上承载的是寻呼指示消息,不是真正的寻呼消息。而真正的寻呼消息承载在SCCPCH上。两个信道成对出现,可以配置多条。

UE会采用非连续接收技术,每隔一段时间侦听一次PICH,看是否有属于自己寻呼组的寻呼消息。这里要注意,在PICH上发的寻呼指示都是针对某个寻呼组的,不是针对某个UE的。如果UE发现有属于自己所在寻呼组的寻呼指示,则去SCCPCH上读对应的寻呼消息,看是不是寻呼自己的。不是的话,继续采用非连续接收技术隔一段时间侦听一次PICH,如果是的话,响应寻呼

除了寻呼,UE还可以呼叫别人嘛,所以就要提到随机接入过程,随机接入过程涉及的信道也有2条,分别是PRACH物理随机接入信道和AICH捕获指示信道。

物理随机接入信道采用特定的接入帧和接入时隙,分别是普通无线帧和时隙的2倍。为什么是两倍呢,这个又和随机接入过程有关系。

UE想发起随机接入过程,就要给UTRAN发信息,但是UE不知道以多大的功率来发送信息UTRAN才能受到,那怎么办呢,UE会估计一个初始功率来发射。因为一开始UE不知道UTRAN能不能收到,所以会试探性的发一些东西给UTRAN,以期待UTRAN能有所反应。

这个试探性的东西就是前导,也叫前缀,preamble。前导生成是有规则的,UE会选一个16个码片大小的签名序列重复256次,得到一个4096码片长的前导。然后在一个接入时隙的开始以自己估计的那个功率发送这个前导。因为前导是4096chip长,比一个无线帧大,所以PRACH采用特殊的接入帧和接入时隙。

UE发了前导以后,会侦听AICH,也就是捕获指示信道。为什么要侦听这条信道呢,是因为如果UTRAN收到了UE发送的前导,会在AICH上发与生成前导的那个签名序列对应的捕获指示AI。UE收到了这个AI后,就知道UTRAN收到了它发的前导,就接着发后面的消息部分。如果UE侦听AICH一段时间后发现没有对应自己发的前导的AI,则UE认为UTRAN没有收到自己发射的前导。于是,UE按一定步长提升发射功率,选择一个新的签名序列构成新前导,在3-4个接入时隙过后开始第2次随机接入过程。如果达到重试次数或者发射功率达到一定值,或者UTRAN在AICH上回拒绝信息,则随机接入过程失败。

呼叫与被呼基本介绍完了,涉及的信道都是成对出现的

PICH和SCCPCH,AICH和PRACH。

其中PICH和AICH都是承载一些物理层指示,没有承载上层信息,所以没有传输信道映射到这2条信道上。

SCCPCH承载了寻呼消息,所以传输信道的PCH寻呼信道映射到了SCCPCH上。当然,SCCPCH不仅仅承载了寻呼消息,还正在公共信道的一些信令和数据,所以传输信道里的FACH也映射到了SCCPCH上。

PRACH承载的是UE的上行数据,所以传输信道中的RACH映射到了PRACH上。

最后还有2条信道没有介绍,那就是DPCCH和DPDCH。上行的时候,这2条信道分别有属于自己的码字,都采用IQ两路复用的方式上传数据。下行的时候,原本这2条信道的信息都被时分复用到一条信道DPCH中。DPDCH是专用物理数据信道,用来传用户的数据的。DPCCH不承载上层业务,只负责传送DPDCH需要的控制、解调等信息。DPCCH采用固定的256位的扩频码,每时隙传固定的10bit,其中包括支持信道估计以进行相干检测的已知导频比特(Pilot),可选的传输格式组合指示(TFCI),反馈信息(FBI, Feedback Information),以及发射功率控制指令(TPC, Transmission Power Control),所以说WCDMA系统的功控频率是1500次/s

首先从同步信道的作用来看,主同步信道的作用是让UE获得时隙同步,辅同步信道的作用是获得帧同步,只有在这两个进程完成后,才能获取小区的信息并完成小区的驻留。这是任何UE都需要完成的步骤,因此不需要用特别的扩频码来标示,也不需要扰码来区分小区,因为这个过程中UE根本不在乎是哪个小区,这是不需要扩频和加扰的原因。而关于干扰的问题,同步码只在每个时隙的前256chips发送,对于其他的干扰可以说不会太大,而且wcdma是通过码来识别用户和信道,所有的信道都是叠加发送的,通过码的特性和接收机的设计来克服,对于同频的干扰有很多处理的办法,针对同步信道也是同样的原理来处理。

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