3.1 WCDMA空中接口的信道

3.1.1 信道與WCDMA空中接口

信道是空中接口的基本結(jié)構(gòu)與功能單位，為了完成通信任務(wù)需要空中接口多種信道的配合。WCDMA空中接口使用了多種信道，這些信道分為邏輯信道、傳輸信道和物理信道三大類，各個(gè)信道與空中接口各個(gè)部分之間的關(guān)系如圖3.1所示，圖3.1可以看成圖2.7的擴(kuò)展。

從上到下看圖3.1，在L3與L2之間，根據(jù)信令與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的不同，也就是控制面與用戶面的不同，WCDMA空中接口分別建立了信令無(wú)線承載SRB和業(yè)務(wù)無(wú)線承載RB，對(duì)應(yīng)UE與核心網(wǎng)之間的連接，保證UE與核心網(wǎng)之間信令與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的正確傳送。與核心網(wǎng)的信令連接建立在終端與SRNC之間RRC連接（即信令連接）之上，而RRC連接通過(guò)信令無(wú)線承載SRB來(lái)體現(xiàn)。

在L2的RLC子層與MAC子層之間，WCDMA空中接口定義了各種邏輯信道，這些邏輯信道類型分為控制信道和業(yè)務(wù)信道。信令無(wú)線承載SRB和業(yè)務(wù)無(wú)線承載RB分別映射到不同的邏輯信道上，所謂映射可以理解為經(jīng)過(guò)處理后進(jìn)行拼裝組合的過(guò)程。

在L2層與L1層之間，WCDMA空中接口定義了各種傳輸信道，這些傳輸信道分為專用傳輸信道和公共傳輸信道兩類。從命名上不難看出，傳輸信道進(jìn)行了復(fù)用，把來(lái)自不同邏輯信道的信息組合起來(lái)。傳輸信道在Node B與RNC之間的Iub接口上傳輸信息。

在L1層，WCDMA空中接口定義了各種物理信道，這些物理信道分為專用物理信道和公共物理信道。傳輸信道的內(nèi)容分別映射到對(duì)應(yīng)的物理信道中，物理信道在UE與Node B之間傳輸信息。

綜合上述內(nèi)容，WCDMA空中接口的信道與WCDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的關(guān)系如圖3.2所示。

3.1.2 信道類型與信道映射

1.邏輯信道

WCDMA空中接口中根據(jù)傳輸?shù)男畔㈩愋投x了多種邏輯信道，這些邏輯信道類型分為控制信道和業(yè)務(wù)信道。控制信道包括廣播控制信道（BCCH）、尋呼控制信道（PCCH）、專用控制信道（DCCH）和公共控制信道（CCCH）；業(yè)務(wù)信道包括專用業(yè)務(wù)信道（DTCH）和公共業(yè)務(wù)信道（CTCH）兩種，其中CTCH信道用于小區(qū)廣播業(yè)務(wù)。

邏輯信道可以理解為處理實(shí)體的標(biāo)簽，UE和SRNC根據(jù)邏輯信道的類型可以將信息發(fā)送到相應(yīng)的處理實(shí)體中。

2.傳輸信道

傳輸信道（TrCH）是物理層提供給MAC子層的服務(wù)接入點(diǎn)，是MAC子層處理的結(jié)果，復(fù)用了邏輯信道的內(nèi)容。每個(gè)傳輸信道上都定義了信道上傳送信息的格式。

根據(jù)信息傳輸?shù)姆绞胶吞攸c(diǎn)，傳輸信道可分為兩大類：公共傳輸信道和專用傳輸信道，這兩類傳輸信道對(duì)UE的尋址方式不同。引入傳輸信道可以提高RNC與Node B之間信息傳輸?shù)男省?/p>

表3.1列出了R6版本商用網(wǎng)絡(luò)中WCDMA空中接口的傳輸信道及可承載的邏輯信道。

公共傳輸信道包括廣播信道（BCH）、尋呼信道（PCH）、前向接入信道（FACH）、隨機(jī)接入信道（RACH）以及R5中引入的高速下行共享信道（HS-DSCH）。

BCH是一個(gè)下行傳輸信道，用于廣播系統(tǒng)或特定小區(qū)的信息。BCH覆蓋整個(gè)小區(qū)，并且使用固定的傳輸格式。

PCH是一個(gè)下行傳輸信道，用于在整個(gè)小區(qū)廣播尋呼消息。為了支持終端的睡眠模式，PCH信道上的信息是和尋呼指示（PI）一起傳輸?shù)摹?/p>

FACH是一個(gè)多用戶共享的下行傳輸信道，可以承載信令及少量的分組數(shù)據(jù)。

RACH是一個(gè)多用戶共享的上行傳輸信道，有相互碰撞的可能性，為此RACH引入了功率遞增過(guò)程。

HS-DSCH是一個(gè)多用戶共享的下行傳輸信道，用于承載HSDPA的用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

專用傳輸信道包括專用傳輸信道（DCH）和R6引入的增強(qiáng)專用傳輸信道（E-DCH），一個(gè)專用傳輸信道上承載一個(gè)用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

專用傳輸信道DCH分為上行DCH和下行DCH，用于承載R99的用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

E-DCH是一個(gè)上行傳輸信道，用于承載HSUPA的用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

3.物理信道

WCDMA空中接口中的物理信道從技術(shù)上定義為一個(gè)特定的載頻、擾碼、信道化碼和一個(gè)上行I/Q相位（0或π/2）的組合。如果說(shuō)得更清晰些，物理信道代表調(diào)制方式（QPSK和16QAM）以及碼分信道（擴(kuò)頻碼和擴(kuò)頻因子）和加擾方式（擾碼）等參數(shù)的組合。

物理信道從時(shí)間上分為以下兩個(gè)層次。

● 時(shí)隙：時(shí)隙是物理信道的基本時(shí)間單位。一個(gè)時(shí)隙包含2560個(gè)碼片，碼率為3.84 Mcps。由于使用不同的擴(kuò)頻因子，一個(gè)時(shí)隙可以傳送不同數(shù)量的信息比特。

● 無(wú)線幀：一個(gè)無(wú)線幀包含15個(gè)時(shí)隙，共38400個(gè)碼片，時(shí)長(zhǎng)為10 ms。每個(gè)無(wú)線幀用SFN（System Frame Number，系統(tǒng)幀號(hào)）編號(hào)，從0～4095循環(huán)。

無(wú)線幀與時(shí)隙的關(guān)系如圖3.3所示。WCDMA空中接口上每秒可傳送100個(gè)無(wú)線幀，包含1500個(gè)時(shí)隙。

在R5以后，WCDMA空中接口還引入了子幀的概念，應(yīng)用于HSDPA和HSUPA的業(yè)務(wù)與調(diào)度。一個(gè)無(wú)線幀中每3個(gè)時(shí)隙構(gòu)成一個(gè)子幀，每個(gè)子幀的時(shí)長(zhǎng)為2 ms，這樣每個(gè)無(wú)線幀中包含5個(gè)子幀。

在WCDMA空中接口中還定義了接入時(shí)隙，每?jī)蓚€(gè)無(wú)線幀之間有15個(gè)接入時(shí)隙，每個(gè)接入時(shí)隙包含5120個(gè)碼片，相對(duì)的每個(gè)接入時(shí)隙的時(shí)長(zhǎng)就是普通時(shí)隙的2倍了。接入時(shí)隙主要用于終端接入和接入指示信息的發(fā)送，無(wú)線幀與接入時(shí)隙的關(guān)系如圖3.4所示。

物理信道的內(nèi)容默認(rèn)是連續(xù)傳輸?shù)模袝r(shí)為了適應(yīng)某些信道的特點(diǎn)或節(jié)約系統(tǒng)資源，會(huì)進(jìn)行不連續(xù)傳輸，如PCH的非連續(xù)發(fā)送（DTX）及接收（DRX）。

物理信道分為下行和上行兩種物理信道。下行或上行物理信道又分為公共和專用兩種類型，公共物理信道是多個(gè)UE共用的，而專用物理信道是每個(gè)UE獨(dú)享的。表3.2列出了R6版本商用網(wǎng)絡(luò)中WCDMA空中接口的物理信道及功能。從表3.2中可以看到，物理信道的種類非常多，除了承載傳輸信道的物理信道外，還包括提供相位參考、小區(qū)搜索信息和傳送各種指示以及控制信息的物理信道。

4. 信道映射

從表3.1我們不難發(fā)現(xiàn)邏輯信道與傳輸信道之間的映射關(guān)系不是簡(jiǎn)單的一對(duì)一關(guān)系。為了方便讀者直觀理解邏輯信道與傳輸信道之間的映射關(guān)系，圖3.5反映了從UE側(cè)看到的邏輯信道和傳輸信道之間的映射關(guān)系，圖中箭頭代表信息傳送的方向。從UTRAN側(cè)看到的映射關(guān)系與圖3.5類似，只是箭頭的方向調(diào)整一下。圖3.5還體現(xiàn)了傳輸信道的復(fù)用效果，基本上是一對(duì)多的關(guān)系。

和邏輯信道與傳輸信道之間的映射關(guān)系不同，傳輸信道與物理信道之間的映射關(guān)系基本上是一對(duì)一的關(guān)系，也就是每個(gè)傳輸信道都有相應(yīng)的物理信道來(lái)承載。圖3.6反映了從UE側(cè)看到的傳輸信道和物理信道之間的映射關(guān)系，圖中箭頭代表信息傳送的方向。從UTRAN側(cè)看到的映射關(guān)系與圖3.6類似，只是箭頭的方向調(diào)整一下。

圖3.5和3.6只反映了R99版本的信道映射關(guān)系，R5和R6版本的映射關(guān)系是在R99基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)單疊加，讀者不難自行添加相應(yīng)的信道映射關(guān)系。

3.1.3 下行物理信道

從表3.2可以看到，WCDMA空中接口的下行物理信道很多，本小節(jié)主要介紹其中與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與優(yōu)化密切相關(guān)的信道，包括公共導(dǎo)頻信道、公共控制物理信道、專用下行物理信道以及高速共享下行物理信道，其他物理信道的信息可以查閱參考書(shū)《WCDMA空中接口技術(shù)》。

1.公共導(dǎo)頻信道（CPICH）

CPICH是一個(gè)固定速率的公共下行物理信道，比特率為30 kbps，擴(kuò)頻因子SF=256，承載一個(gè)預(yù)先定義好的比特/符號(hào)序列。圖3.7所示為CPICH信道的幀結(jié)構(gòu)。

公共導(dǎo)頻信道分兩種：主公共導(dǎo)頻信道（P-CPICH）和輔助公共導(dǎo)頻信道（S-CPICH）。輔助公共導(dǎo)頻信道（S-CPICH）目前系統(tǒng)中一般不使用，因此主公共導(dǎo)頻信道也簡(jiǎn)稱為導(dǎo)頻信道CPICH。

導(dǎo)頻信道有以下特點(diǎn)：

● 導(dǎo)頻信道采用的信道化碼為；

● 導(dǎo)頻信道使用主擾碼；

● 每個(gè)小區(qū)有且只有一個(gè)導(dǎo)頻信道。

導(dǎo)頻信道是其他物理信道的相位參考點(diǎn)，這些信道包括同步信道（SCH）、主公共控制物理信道（P-CCPCH）、俘獲指示信道（AICH）及攜帶PCH的輔助公共控制物理信道（S-CCPCH）。

在WCDMA空中接口中導(dǎo)頻信道也是其他下行物理信道的功率參考點(diǎn)，作為這些物理信道功率設(shè)置的基準(zhǔn)。一旦導(dǎo)頻信道的功率發(fā)生改變，所有下行物理信道的功率都將發(fā)生改變，可謂牽一發(fā)動(dòng)全身。

此外，由于導(dǎo)頻信道是連續(xù)發(fā)射的，因此還作為終端監(jiān)測(cè)小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度以及信號(hào)質(zhì)量的參考源，用于小區(qū)選擇、小區(qū)重選、切換及功率控制等機(jī)制。

2. 公共控制物理信道（CCPCH）

公共控制物理信道分為主公共控制物理信道P-CCPCH和輔助公共控制物理信道S-CCPCH兩類，分別用于承載BCH傳輸信道以及FACH和PCH傳輸信道，這里只介紹S-CCPCH。

S-CCPCH信道使用主擾碼，其幀結(jié)構(gòu)如圖3.8所示，包括導(dǎo)頻比特Pilot、數(shù)據(jù)Data及可選的傳輸格式組合指示TFCI，其中數(shù)據(jù)部分就是S-CCPCH上承載的傳輸信道的內(nèi)容。導(dǎo)頻比特、數(shù)據(jù)部分以及TFCI的不同長(zhǎng)度組合對(duì)應(yīng)S-CCPCH的一種格式，S-CCPCH有多種的格式。

S-CCPCH的擴(kuò)頻因子是可變的，由圖3.8中的參數(shù)k（取值范圍為0～6）決定，S-CCPCH的擴(kuò)頻因子為256/2k，也就是S-CCPCH的擴(kuò)頻因子取值范圍是4～256。因此每個(gè)S-CCPCH時(shí)隙可以傳20～1280 bit信息。S-CCPCH根據(jù)不同的擴(kuò)頻因子可以選用不同級(jí)數(shù)的信道化碼。

S-CCPCH物理信道與P-CCPCH物理信道的主要區(qū)別是：映射到P-CCPCH上的傳輸信道僅可以使用固定的傳輸格式組合，而S-CCPCH則可以使用TFCI來(lái)支持多種傳輸格式組合；此外WCDMA空中接口只有一個(gè)P-CCPCH物理信道，然而可以設(shè)置多個(gè)S-CCPCH物理信道。

目前商用系統(tǒng)至少配置了2個(gè)S-CCPCH物理信道，其中一個(gè)專門(mén)用來(lái)承載PCH傳輸信道，一個(gè)專門(mén)用來(lái)承載FACH傳輸信道。

3. 專用下行物理信道（DPCH）

WCDMA空中接口的專用下行物理信道只有一種，即DPCH。在下行DPCH信道上，L2及上層產(chǎn)生的專用數(shù)據(jù)以時(shí)分復(fù)用的方式與物理層產(chǎn)生的控制信息（如導(dǎo)頻比特、TPC命令以及一個(gè)可選的TFCI指示）一起傳輸。因此，一個(gè)下行DPCH可以看做一個(gè)承載數(shù)據(jù)的下行DPDCH和一個(gè)承載物理層控制信息的下行DPCCH進(jìn)行時(shí)分復(fù)用后的產(chǎn)物。這樣做可以減少對(duì)下行信道化碼的需求，提高空中接口的容量。

圖3.9所示為下行DPCH物理信道的結(jié)構(gòu)，其無(wú)線幀的時(shí)隙分為多個(gè)部分，其中Data1和Data2部分的內(nèi)容就是DPDCH物理信道的內(nèi)容，承載數(shù)據(jù)；而TPC（發(fā)送功率控制）、TFCI（傳輸格式）和Pilot（導(dǎo)頻）三部分是DPCCH物理信道的內(nèi)容，雖然沒(méi)有承載數(shù)據(jù)，但是承載了DPDCH物理信道正常工作所必須的控制信息，因此下行DPDCH和DPCCH物理信道合稱為下行DPCH信道，而Data1，Data2，TPC，TFCI和Pilot統(tǒng)稱為DPCH信道上的信息。

圖3.9中，參數(shù)k（取值范圍為0～7）決定了每個(gè)下行DPCH時(shí)隙的信息比特?cái)?shù)，一共分為8種類型，對(duì)應(yīng)信息比特?cái)?shù)從10比特到38400比特。參數(shù)k還決定了下行DPCH物理信道的擴(kuò)頻因子SF，有SF=512/2k，所以下行DPCH物理信道SF的取值范圍是4～512。

數(shù)據(jù)、導(dǎo)頻比特、TPC命令以及TFCI指示的不同組合長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)下行DPCH的一種格式，下行DPCH有非常多的格式。

4. 高速共享下行物理信道（HS-PDSCH）

HSDPA的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過(guò)下行HS-PDSCH物理信道來(lái)傳輸。HS-PDSCH（High Speed Physical Downlink Shared Channel，高速下行共享物理信道）專門(mén)用于承載高速的分組數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)如圖3.10所示。

HS-PDSCH信道以2 ms的子幀為單位，每個(gè)子幀對(duì)應(yīng)無(wú)線幀3 個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度。HS-PDSCH信道的格式是固定的，其擴(kuò)頻因子SF=16，比特率為480 kbps（采用QPSK調(diào)制）或960 kbps（采用16QAM調(diào)制），也就是每個(gè)子幀可以發(fā)送960 bit（采用QPSK調(diào)制）或1920 bit（采用16QAM調(diào)制）的數(shù)據(jù)。

一個(gè)小區(qū)可以配置多個(gè)HS-PDSCH信道，最多可以配置15個(gè)HS-PDSCH信道，這些HS-PDSCH信道采用不同的信道化碼來(lái)區(qū)分，可以分屬不同的用戶。

3.1.4 上行物理信道

上行物理信道分為專用上行物理信道、隨機(jī)接入物理信道（PRACH）和公共上行物理信道。

1. 專用上行物理信道（DPCH）

專用上行物理信道DPCH分為專用物理數(shù)據(jù)信道（DPDCH）和專用物理控制信道（DPCCH）兩種信道，DPDCH用于承載傳輸信道上的信息，DPCCH用于承載物理層產(chǎn)生的控制信息。DPCCH與DPDCH信道碼分復(fù)用，這樣可以傳輸更多的信息。圖3.11所示為專用上行物理信道的幀結(jié)構(gòu)。

DPDCH的擴(kuò)頻因子是可變的，由圖3.11中的參數(shù)k（取值范圍0～6）決定，DPDCH的擴(kuò)頻因子SF為256/2k，也就是DPDCH的擴(kuò)頻因子取值范圍是4～256。因此每個(gè)DPDCH時(shí)隙可以傳10～640 bit信息。

DPCCH的擴(kuò)頻因子固定為256，每個(gè)DPCCH時(shí)隙固定傳10 bit信息，這10 bit信息分為包括導(dǎo)頻比特、傳輸功率控制（TPC）命令、反饋信息（FBI）及傳輸格式組合指示（TFCI），每個(gè)部分長(zhǎng)度可以靈活變化，不同長(zhǎng)度的組合對(duì)應(yīng)了DPCCH的不同格式。

2. 隨機(jī)接入物理信道（PRACH）

隨機(jī)接入物理信道用于終端的隨機(jī)接入，WCDMA空中接口的隨機(jī)接入基于有快速接入指示時(shí)隙的ALOHA方式，UE可以在某一個(gè)接入時(shí)隙開(kāi)始隨機(jī)接入傳輸。隨機(jī)接入傳輸結(jié)構(gòu)如圖3.12所示，由一個(gè)或多個(gè)長(zhǎng)度為4096個(gè)碼片的接入前導(dǎo)（Preamble）部分和一個(gè)長(zhǎng)度為10 ms或20 ms的消息部分組成。10 ms的消息部分占用一個(gè)無(wú)線幀，而一個(gè)20 ms的消息部分占用2個(gè)連續(xù)無(wú)線幀。現(xiàn)網(wǎng)中消息部分的長(zhǎng)度通常等于20 ms。

接入前導(dǎo)部分由多個(gè)接入前導(dǎo)組成，每個(gè)前導(dǎo)包含有4096 個(gè)碼片，由一個(gè)16 階的Walsh碼經(jīng)過(guò)256次重復(fù)后得到。一個(gè)小區(qū)最多有16個(gè)Walsh碼可以選用，稱為特征碼，詳細(xì)過(guò)程參見(jiàn)4.3.2節(jié)。

圖3.13給出了隨機(jī)接入消息部分的幀結(jié)構(gòu)，消息部分由兩部分組成：其一為數(shù)據(jù)部分，承載RACH傳輸信道；其二為控制部分，用于攜帶物理層產(chǎn)生的控制信息。數(shù)據(jù)和控制部分是碼分并行傳輸?shù)摹?/p>

數(shù)據(jù)部分包含10×2k比特，其中k=0～3，分別對(duì)應(yīng)256～32的擴(kuò)頻因子，使用相應(yīng)階數(shù)的信道化碼。

控制部分?jǐn)U頻因子固定為256，使用256階的信道化碼。控制部分包含8個(gè)導(dǎo)頻比特，以支持相干解調(diào)。控制部分還有2 bit的TFCI，用來(lái)指明RACH傳輸信道的傳輸格式。因此，在一個(gè)隨機(jī)接入消息中總共有15×2=30 bit的TFCI信息。如果RACH消息部分為20 ms的話，TFCI在第2個(gè)無(wú)線幀中重復(fù)。

與DPCCH相比，主要差別是控制部分沒(méi)有TPC部分，這是由于相應(yīng)的下行信道ALCH不進(jìn)行功率控制。

3. 增強(qiáng)上行專用物理信道（E-DPCH）

E-DPCH信道是用來(lái)承載HSUPA業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的物理信道，其結(jié)構(gòu)與上行DPCH信道結(jié)構(gòu)非常類似，如圖3.14所示。

如同上行DPDCH信道，E-DPCH信道也分為增強(qiáng)專用物理數(shù)據(jù)信道（E-DPDCH）和增強(qiáng)專用物理控制信道（E-DPCCH）兩種信道，其中E-DPDCH用于承載HSUPA的業(yè)務(wù)信息，而E-DPCCH用于承載HSUPA的業(yè)務(wù)控制信息。

E-DPDCH信道的擴(kuò)頻因子SF也是可變的，E-DPDCH的擴(kuò)頻因子取值范圍是2～256，這樣就增加了每個(gè)時(shí)隙承載的數(shù)據(jù)量，從而可以提高上行速率。另外，在HSUPA中，最多允許并發(fā)4個(gè)E-DPDCH信道。

E-DPCCH信道的擴(kuò)頻因子也固定為256，可承載10 bit的信息，這些信息與DPCCH信道上承載的功控及格式信息是不一樣的，是專門(mén)用于HSUPA業(yè)務(wù)的信息。