劉先攀， 金燕華

（電子科技大學(xué)空天科學(xué)技術(shù)研究院, 四川成都 611731）

0 引言

WCDMA、CDMA2000和 TD-SCDMA是第三代移動(dòng)通信的三大主流標(biāo)準(zhǔn)，其中TDSCDMA[1]是我國(guó)首次提出的國(guó)際移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，在物理層核心技術(shù)上擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。TDSCDMA標(biāo)準(zhǔn)采用了時(shí)分雙工、智能天線、聯(lián)合檢測(cè)、上行同步等諸多關(guān)鍵技術(shù)，具有不需要成對(duì)頻帶、靈活性強(qiáng)、適于非對(duì)稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、理論最大頻譜效率高、軟件升級(jí)容易及系統(tǒng)成本低等優(yōu)點(diǎn)[2]。因此，對(duì)TD-SCDMA的研究具有非常重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[3]。

從3GPP通過(guò)的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)（一個(gè) FDD，兩個(gè)TDD）來(lái)看，它們的不同之處主要體現(xiàn)在物理層[4]，而其上層（層2，層3）除涉及物理層部分的內(nèi)容外，其他則基本相同。物理層是OSI參考模型的最底層，主要任務(wù)是為上層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)以及完成其他一些基本過(guò)程。圖1描述了TD-SCDMA系統(tǒng)的空中接口。

圖1 無(wú)線接口協(xié)議結(jié)構(gòu)

物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層及網(wǎng)絡(luò)層的RRC子層連接，向MAC層提供不同的傳輸信道。傳輸信道定義了信息是如何在空中接口傳輸?shù)?。為保證高層的信息數(shù)據(jù)在無(wú)線信道上可靠的傳輸，需要對(duì)來(lái)自MAC和高層的數(shù)據(jù)流(傳輸快和傳輸快集)進(jìn)行編碼/復(fù)用后在無(wú)線鏈路上發(fā)送，并且將無(wú)線鏈路上接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼/解復(fù)用再送給MAC子層和高層。

本文首先簡(jiǎn)要介紹了物理信道的結(jié)構(gòu)；然后介紹了上行鏈路物理層[5-6]的傳輸信道編碼復(fù)用和解碼解復(fù)用技術(shù)；最后對(duì)編碼復(fù)用以及解碼解復(fù)用過(guò)程建立仿真模型。在MATLAB中對(duì)TDSCDMA上行鏈路物理層傳輸信道編碼復(fù)用和解碼解復(fù)用過(guò)程進(jìn)行了仿真。

1 物理信道

TD-SCDMA的物理信道[7]采用4層結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)幀、無(wú)線幀、子幀和時(shí)隙。依據(jù)不同的資源分配方案，子幀或時(shí)隙碼的配置結(jié)構(gòu)可能有所不同。所有物理信道在每個(gè)時(shí)隙中需要有符號(hào)保護(hù)。時(shí)隙用于在時(shí)域和碼域上區(qū)分不同的用戶信號(hào)，它具有TDMA特性。物理信道的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 物理信道結(jié) 構(gòu)

3GPP定義的一個(gè)TDMA幀長(zhǎng)度為10 ms。TD-SCDMA系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)快速功率控制和定時(shí)提前校準(zhǔn)以及對(duì)一些新技術(shù)的支持，將一個(gè)10 ms的幀分成兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的子幀，每個(gè)子幀的時(shí)長(zhǎng)為5 ms。子幀結(jié)構(gòu)如圖3所示，每一子幀又分成7個(gè)常規(guī)時(shí)隙和3個(gè)特殊時(shí)隙DwPTS(下行導(dǎo)頻時(shí)隙)、GP（保護(hù)間隔）、UpPTS(上行導(dǎo)頻時(shí)隙)。在這7個(gè)常規(guī)時(shí)隙中TS0總是分配給下行鏈路,而TS1總是分配給上行鏈路。上行鏈路的時(shí)隙和下行鏈路的時(shí)隙之間由一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)分開。

圖3 系統(tǒng)子幀結(jié)構(gòu)

TDD模式下的物理信道是一個(gè)突發(fā)，在分配到的無(wú)線幀中的特定時(shí)隙發(fā)射。時(shí)隙結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括兩個(gè)長(zhǎng)度分別為352chip的數(shù)據(jù)域、一個(gè)長(zhǎng)度為144chip的訓(xùn)練序列域和一個(gè)長(zhǎng)度為16chip的保護(hù)間隔。

圖4 常規(guī)時(shí)隙結(jié)構(gòu)

2 信道編碼與復(fù)用

TD-SCDMA系統(tǒng)物理層傳輸信道編碼/復(fù)用過(guò)程[8-9]主要包括CRC校驗(yàn)、傳輸塊級(jí)連和碼塊分割、信道編碼、無(wú)線幀均衡、第一次交織、無(wú)線幀分割、速率匹配、傳輸信道復(fù)用、物理信道分割、第二次交織、子幀分割、傳輸信道到物理信道的映射等步驟。整個(gè)過(guò)程處理的數(shù)據(jù)是以傳輸時(shí)間間隔TTI為周期、按數(shù)據(jù)類型分類的傳輸塊。經(jīng)過(guò)處理后，數(shù)據(jù)成為以5 ms無(wú)線子幀為結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)在不同時(shí)隙物理信道上的比特序列，再經(jīng)過(guò)加擾、擴(kuò)頻和調(diào)制發(fā)送出去。

TD-SCDMA中的信道編碼復(fù)用分上行鏈路與下行鏈路兩種情況，上行鏈路編碼復(fù)用是指數(shù)據(jù)在用戶設(shè)備端編碼后發(fā)往基站側(cè)，下行鏈路編碼復(fù)用是指數(shù)據(jù)在基站側(cè)編碼后發(fā)往用戶端。上、下行鏈路的處理過(guò)程有所不同，但總的來(lái)說(shuō)基本上是一致的。這里以上行鏈路的情況為例進(jìn)行分析。上行鏈路傳輸信道編碼/復(fù)用過(guò)程的的具體步驟如圖5所示，圖中每個(gè)方框代表數(shù)據(jù)的處理流程。

傳輸信道的解碼解復(fù)用執(zhí)行與編碼復(fù)用相反的過(guò)程，這里不再仔細(xì)討論。

圖5 傳輸信道編碼與復(fù)用結(jié)構(gòu)

3 編碼復(fù)用與解碼解復(fù)用的仿真

對(duì)于每個(gè)傳輸時(shí)間間隔TTI，物理層以傳輸塊集的形式接收來(lái)自MAC子層的數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流在物理層經(jīng)過(guò)基帶處理后，在無(wú)線鏈路上提供傳輸服務(wù)。這里以信息速率12.2Kb/s的上行鏈路為例來(lái)進(jìn)行仿真，每個(gè)TTI為20ms,流程圖如圖6所示，圖中框圖內(nèi)的數(shù)字為比特流。

圖6 12.2Kb/s上行鏈路流程圖

首先，在一個(gè)TTI內(nèi)數(shù)據(jù)流先經(jīng)過(guò)附加CRC校驗(yàn)，在數(shù)據(jù)流末尾添加16 bit的校驗(yàn)位。然后進(jìn)行卷積編碼，在編碼前附加8bit的尾比特。卷積編碼結(jié)束進(jìn)行第一次交織。然后將一個(gè)20 ms的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線幀分割，分割為兩個(gè)10 ms的無(wú)線幀。物理信道，映射過(guò)后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻和加擾，然后被調(diào)制到射頻段發(fā)射出去。在接收段實(shí)行相同的逆過(guò)程，首先進(jìn)行解調(diào)、解擾和解擴(kuò)，然后送去譯碼和解復(fù)用。整個(gè)譯碼解復(fù)用過(guò)程就是編碼復(fù)用的相反處理，基本和編碼復(fù)用相同，在仿真模型中有具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程可以參照，在此不作詳細(xì)介紹。圖7為仿真模型，發(fā)射部分為編碼復(fù)用過(guò)程；接收部分為解碼解復(fù)用過(guò)程；信道部分為擴(kuò)頻、調(diào)制、加擾等過(guò)程，用高斯信道代替。圖8和圖9位發(fā)射和接收部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖7 編碼復(fù)用與解碼解復(fù)用仿真模型

圖8 編碼復(fù)用內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖9 解碼解復(fù)用內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于本文研究的是TD-SCDMA編碼復(fù)用與解碼解復(fù)用，在仿真模型中省去了擴(kuò)頻調(diào)制和無(wú)線信道以及相應(yīng)的解調(diào)、解擴(kuò)部分，而是信息序列編碼復(fù)用之后通過(guò)高斯信道直接送去完成相對(duì)應(yīng)的解碼解復(fù)用操作，以得到理論上的還原序列。論文中利用MATLAB中的誤比特率計(jì)算模塊來(lái)計(jì)算原始信息序列和還原序列的誤比特率。文中將原始信息序列和還原序列同時(shí)輸入到誤比特率計(jì)算模塊，在一段仿真時(shí)間過(guò)后模塊將顯示出誤比特率、誤比特個(gè)數(shù)和總比特?cái)?shù)。仿真時(shí)間設(shè)置為1 s,在這1 s的時(shí)間內(nèi)共12440比特，從圖10誤比特率計(jì)算結(jié)果可以看出協(xié)議規(guī)定的編碼復(fù)用及其譯碼解復(fù)用過(guò)程在理想傳輸信道情況下是正確和有效的。

圖10 仿真結(jié)果——誤比特率

4 結(jié)論

本文是在對(duì)TD-SCDMA上行鏈路協(xié)議理論研究[10]的基礎(chǔ)上，運(yùn)用MATLAB建立上行鏈路模型并仿真?zhèn)鬏斝诺谰幋a復(fù)用與解碼解復(fù)用部分，在理想的情況下，得到誤比特率為零，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編碼復(fù)用和解碼解復(fù)用后可以無(wú)差錯(cuò)的恢復(fù)出來(lái)，驗(yàn)證了TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)編碼復(fù)用與譯碼解復(fù)用的流程的正確性。

[1]李世鶴.TD-SCDMA第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:人民郵電出版社,2003.

[2]Dongliang Xie,Shiduan Cheng,uanliang Chen.Recent advances on TD-SCDMA in China[J].IEEE communications Magizine,2005,43(1):30-37.

[3]唐宏,張艷.一種TD- SCDMA 集群中的動(dòng)態(tài)信道分配算法[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2012,24(1):29-33.

[4]Qun Hou.Study of TD-SCDMA Physical Channels Assignment and Power Setting[C].2010 3rd International Conference on Biomedical Engineering and Informatics(BMEI 2010),7:2868-2871.

[5]康鋒.TD-SCDMA上行鏈路傳輸信道編碼復(fù)用以及解碼解復(fù)用的研究和實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2009.

[6]Shuqing Liu, and J. R. Cruz. Uplink Performance of TD-SCDMA Systems[C].Vehicular Technology conference, 2004,6: 4170-4174.

[7]王曉磊.TD-SCDMA無(wú)線接口物理層實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[D]. 西安:西安電子科技大學(xué),2006.

[8]3GPP Technical Specification 25.222,Multiplexing and channel coding(TDD).

[9]石璟,張朝陽(yáng),仇佩亮.TD-SCDMA物理傳輸鏈路仿真分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2005,39(11):1756-1760.

[10]Peng Mugen,Wang Wenbo,Chen HsiaoHwa.TD-SCDMA Evolution[J].IEEE VEHICULAR TECHNOLOGY MAGAZINE, 2010,5(2):28-41.