三、WCDMA（空中接口）基本原理概述
    目标：了解扩频的基本原理（码字）、功率、功率控制、上下行链路的覆盖限制、Rake接收机、宏分集、发射分集、压缩模式及无线帧等概念。
   
    1、扩频基本原理（码字）
    对于多址接入方式，WCDMA在同一载频上，多个用户通过不同的码字加以区分，为什么WCDMA还会有时间轴的定义？对于CDMA来说，物理信道的定义是频率加码字，时间概念的引入是在传输信道上基带信号处理过程的基本单位，对应用层信息，以多长时间来分块进行基带信号处理，如GSM中20ms的时间块，在UMTS中则随不同传输信道的格式，选择10ms、20ms、40ms或80ms等不同的时间块TTI。所以时间概念是空中接口基带信号处理中传输信道的适配，也就是传输信道上的速率适配。时间和时隙的作用是提供时钟参考和传输信道块的处理单位。
在WCDMA中码字（Code）和功率（Power）是二个重要概念，码字是用来区分每一路通信的，而功率是对系统的干扰。与GSM类似，在WCDMA系统中，FDD方式下空中接口的主要参数包括：
    带宽――5MHz（实际使用的带宽射频调制之后是4.75MHz，在频率划分上可以不留保护频带）；
    双工间隔――190MHz（中间值），规范规定双工间隔可以在134.8MHz～245.2MHz间取值（取决于不同国家的频谱规划）；
    信道栅格（channel raster）――200KHz，在中心频率选择时，每200KHz频率作为一个单位，故中心频率一定是200KHz的整数倍；
    绝对射频信道号（UARFCN）――用一对整数来描述空中接口的一对上下行频率，对应关系：Nul（Number UL）＝5xful；Ndl＝5xfdl，其中ful和fdl分别是上行和下行链路的绝对频率值。该参数将作为底层的系统配置参数写入软件中，一旦获得相应的Lisence参数就不会发生变化。
在TDD方式下，会增加一个时隙参数的定义，一个TS（时隙）定义为666.67us；频段从1900～1920MHz；2010～2025MHz，每5MHz构成一个中心频率。
    （UM10 4-7～4-8）
    在WCDMA中采用的扩频方式是直接扩频（DS），在讲述扩频原理之前，须明确几个概念，首先，时间频率的二元性指的是在传送二进制比特流时，它的周期性和在频谱上表现出来特性之间的相互关系，如要传送的比特流101101，在扩频及加扰调制之前，它要被转换成物理上高低电平的电信号，在UMTS中，电平转换采用的是NRZ编码方案。0比特编为正相位、1比特变为负相位。左图中每比特周期用T0表示，右图每比特周期用T1表示，T1< T0所以右图比特流速率大于左图，速率＝1/周期。对应于空中接口功率谱特性，横轴单位格是1/T，纵轴表示功率峰值，只考虑主瓣值为a2T，其中a代表比特本身的幅度增益。比较二图可知，T值较小的信号，频谱特性中的峰值能量就小，也就是随比特速率增高，主瓣峰值能量降低，而占用的频谱1/T展宽。扩频的目标就是将窄代高能量信号展宽成5MHz的宽带低能量信号，降低峰值能量。如何将窄代高能量信号展宽成宽带低能量信号？作为直扩的方式，就是将数据序列与高速的扩频序列进行相乘运算获得，如果是比特流的话就是进行异或运算，由于在电路扩频之前已经是＋1、-1的物理电信号，所以异或运算将转变成相乘运算，结果是一样的。由4-8图可知，数据序列是扩频之前的序列，经过NRZ编码之后，假设每比特周期是由6个单位（虚线表示周期单位）构成，对于原始比特来说，峰值能量是a2Tbit，即Ebit＝a2Tbit。扩频序列是幅度增益为1的单位序列，没有多余能量的引入，只是速率上有变化，扩频序列速率是数据序列速率的6倍。经过相乘运算之后，在空中接口上发送的序列，速率与扩频序列的速率相同，原数据序列的1比特由6个比特位的序列来表示，因此，扩频后的序列抗干扰性能增加了。扩频之后的比特能量峰值仍然是a，周期发生变化T＝Tchip，所以扩频后的峰值能量为a2Tchip。定义Eb＝a2Tbit为扩频之前比特的峰值能量；Ec＝a2Tchip为扩频之后在空中接口传送的码片的峰值能量。Tb＝SFxTc，定义SF为扩频因子，指原来的1比特信息由SF个码片（chip）来表示。因此，在Chip速率保持一定（3.84Mcps）的前提下，比特速率与扩频因子呈反比关系。在UMTS中已定义了扩频后的Chip速率为3.84Mcps，Bit Rate x SF＝3.84Mcps， SF最小取值是4。需要明确的几个概念是Bit、Symbol（码符号）和Chip（码片）。Bit对应的是有用信息（Information），是进入物理层进行基带信号处理前的信息位，它的速率称为比特速率；Symbol是在空中接口发送之前，对信息进行基带信号处理（信道编码）如交织、循环冗余校验位的添加、速率适配等之后，在进入扩频调制之前的信号，所以Symbol对应的是基带信号处理之后的信号，它的速率称为Symbol速率；Chip是空中接口上经过扩频调制之后的信息单位，用于体现能量（energy）的承载。由此，公式Bit Rate x SF＝Chip Rate将被修正为Symbol Rate x SF＝Chip Rate。下表所示为UMTS服务类型常见的速率对应关系，其中的Bearer Data Rate应是Symbol Rate：

    基带信号处理的整个过程与GSM基本一样，原始信息比特流进入传输信道作处理时，首先会添加CRC冗余校验位，称为CRC Attachment过程，这一过程的选择，取决于传输信道的特性；CRC保护之后，对信息进行编码，可以选择各种信道编码方式，如卷积、Turbo码等，效率可以是1/2、1/3各不一样，取决于服务类别；信道编码之后，要进行速率适配/速率匹配RM，分为Punctch（打孔）或Repetation（重复）过程，原始比特速率可以各不相同，而后面进行扩频时，SF的取值是有固定的如4、16、32、64、128等，所以原始速率为中间值时，需要对速率进行适配，以满足SF的取值；速率适配之后，要完成一次交织和二次交织过程，交织过程中速率不会发生变化，只是打乱发送顺序，目的还是为了抵抗空中接口的干扰；交织完成之后，要做时间帧的适配，即将空中接口上的信息块适配到空中接口10ms的帧上。过程结束之后，对于上下链路，在区分I路和Q路时，处理方法各不一样，下行链路要先进行串并转换分成I路和Q路，每个I路和Q路上的速率即为Symbol Rate。同样，对于上行链路，采用并行的BPSK方式，I路和Q路不是串并转换而来，而是各是一个分支分别进行扩频和加扰调制过程。进行扩频之后的速率为Chip Rate。再进行加扰处理和每码字功率增益的调整过程。整个基带信号处理过程结束之后，再进行中频转换和射频调制过程，将Chip关系调制到相位关系上，即所谓的相调。值得注意的是，对于同一类业务，系统根据不同的Qos要求，在传输信道上可能会选择不同的速率，则信号处理过程会有所区别，实行动态的处理过程，这也是与GSM系统的区别。但从规范的角度来看，不同Qos的业务选择的处理过程是一定的，只是提供了多样的处理方式，由RNC动态分配。
3.84Mchip/s的速率值是人为确定的。从上述的时间频率二元性上可知，频率越宽系统的抗干扰性能越好，但频率的使用率却越低。所以3.84Mchip/s的速率值只是人为的一个折中。WCDMA本身定义的速率值是4.096Mchip/s，为了欧洲与北美不同制式的协调，才最终选择了3.84Mchip/s的速率。
    对于接受端，接受机会将接受到的信号序列和相同的扩频序列进行同样的相乘运算而完成解扩过程。在信号接受开始时，接受端产生的扩频序列必须完成与发射端扩频序列同步的过程，同时一直维持同步过程直到信号完全接受。
    作为CDMA来说，用户工作在同一个中心频率上，所有的用户信息叠加在空中接口上发射并通过码字来区分。所以码字的选择非常重要，系统应对码字有怎样的特性要求？也就是怎样来区分用户？一个重要的概念就是码字的正交。需要明确的几个概念――自相关性和互相关性。所谓自相关性（auto-correlation），指的是作为一个码字序列来说，它本身的相关特性，在相位同步的前提条件下，有100％的相关性。对于二进制比特流来说，也就是自身进行异或运算后为0序列，对相乘运算来说，得到100％的+1，称为完全正相关，如得到的是100％的-1，则称为完全负相关，相位偏转；码字选择时，要求码字要有良好的自相关性，使得相关解调器可以很容易捕捉到码字的存在。互相关性（cross-correlation）指的是不同码字之间的相关特性，通过不同码字，系统得以实现码分复用，所以不同码字应保证不相关，简单来说，系统希望码字能完全正交。但在实际系统中，这种完全正交的特性是比较难实现的，所以希望码字的互相关性是越低越好。正交性的判断，在同步条件下，进行相乘运算，50％的＋1和50％的-1，则完全正交，如果是二进制比特流运算的话，应该是50％的＋1和50％的0，表示完全正交。所以良好的自相关性和较低的互相关性，是对码字的基本要求。有用信号的提取正是由于有用信号的码字和其他信号的码字存在正交性，经过相乘运算之后，可以将其他信号屏蔽为零，而只提取出有用信号的能量。公式∑SPi x SPm＝0（i≠m）时，表示完全正交。（举例见UM10 4-11）

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