3.2 WCDMA空中接口的信息處理

WCDMA空中接口處理的信息主要是與用戶相關的信令信息和業務信息。

信令信息主要來自第三層，這些信令都通過SRB來承載。

業務信息也就是RAB所承載的業務內容。RAB在第2 章中已經做過簡要說明，是UTRAN的業務處理以及管理的單位。不同的RAB定義了不同的屬性，一般系統支持幾種典型的RAB，例如，AMR12.2，CS64，PS64和HSDPA等。RAB反映在空中接口上就是RB所承載的業務內容。

3.2.1 信息處理流程

從業務流的角度看，UE發出的業務信息經過RB→邏輯信道→傳輸信道→物理信道的處理過程，變成信號通過無線電波發射出去；信號被基站接收到后，經由物理信道→傳輸信道，通過傳輸網絡送到SRNC，SRNC執行傳輸信道→邏輯信道→RB的處理過程，再將承載業務信息的RB轉換為Iu承載，通過傳輸網絡送到核心網CN，構成一個完整的RAB，完成RAN的任務。整個過程如圖3.15所示。

圖3.15也反映了信息的處理過程。在信息處理過程中，我們發現信道復用的情況無處不在：既可以是從邏輯信道復用到傳輸信道，也可以是從傳輸信道復用到物理信道。

圖3.15中業務信息處理過程涉及業務信息的分段過程，發生在RLC子層，其結果由邏輯信道體現；業務信息的復用過程，主要發生在MAC子層，其結果由傳輸信道體現；信道編碼過程，發生在物理層，其結果由物理信道體現；物理信道上信息最后再進行擴頻加擾和調制過程。其中在信息分段過程與復用過程中，業務信息可被加密。

反過來，核心網CN發出的業務信息，只需在圖3.15中改變信息流動的方向，經過相反的路徑，最終到達UE，其處理過程就不再贅述了。

另外，信令信息（對應SRB）也是采用業務信息同樣的處理路徑，因此其處理流程也可以通過圖3.15體現出來。

3.2.2 信息分段過程

RLC子層的一大任務是實現點到點的數據可靠傳輸，這就是鏈路層的主要任務。與其他通信系統一樣，點到點數據的可靠傳輸通過將數據分段和數據重傳實現。數據分段后，發生錯誤后需要重發的部分較少，從而提高了重傳的效率。

RLC子層與PHS空中接口的LAPDC協議和GSM的LAPDm協議有許多類似之處。例如，在PHS空中接口，其鏈路層的數據單位（PDU）中數據部分的長度為168 bit；在GSM空中接口，其鏈路層PDU中數據部分的長度為160 bit。而在WCDMA空中接口中，其鏈路層PDU中數據部分的長度為320 bit，引入HSDPA后，可以提升到640 bit。

數據分段對應RLC子層信息的分段及重組過程。數據分段以單位時間內的數據量為衡量標準，RLC子層在單位時間內處理來自RB/SRB的數據塊，將其按單位長度切分，實現數據分段。該單位時間就是RLC子層工作的一個重要參數：傳輸時間間隔（Transmission Time Interval，TTI），R99中TTI長度可以取10 ms、20 ms、40 ms或80 ms，HSDPA將其縮短為2 ms。

由于RLC子層不光為業務信息RB的傳輸服務，也為信令信息SRB的傳輸服務，不同類型的信息對傳輸QoS的要求不一樣，因此，RLC子層分為3種工作模式：TM，UM和AM。

在透明傳輸TM的工作模式下，RLC子層只對TTI內RB的信息進行分段和重組。TM工作模式處理延時最少，因此用于語音業務等實時性要求高的業務。語音業務的RAB每20 ms產生最大長度為103 bit的數據塊，由于數據塊長度比RLC層的單位長度還小，RLC子層直接將其發送到DTCH邏輯信道上，不做任何處理。從這個角度看，對語音業務來說，RLC子層的處理是被旁路掉的。除了語音業務外，視頻電話業務、某些RRC信令以及系統信息和尋呼消息都采用了TM的工作模式。

非確認UM工作模式主要用于傳送RRC的信令，不需要接收方的反饋，由此處理速度較快，但是可靠性略差，這與GSM空中接口的UI幀非常類似。在UM的工作模式下，RLC子層除對TTI內SRB的信息進行分段和重組外，還可以實施加密。RLC子層為了處理的需要，在RLC的頭信息中包含有PDU的序列號和PDU的長度信息。

確認AM工作模式主要用于RRC的信令、NAS層的信令以及分組業務數據的傳輸，可以確保信息傳送的準確性，相應的處理延時也最大。

在AM的工作模式下，RLC子層除對TTI內RB/SRB的信息進行分段和重組外，還進行接收確認和差錯檢查，發現接收錯誤后可以要求發送方重傳，也就是執行ARQ（Automatic Retransmission reQuest，自動重傳請求）機制。ARQ機制在各種空中接口的鏈路層中都得到應用，流程也大致相同。

在AM工作模式下，RLC的PDU分為數據PDU和控制PDU。數據PDU與GSM空中接口的信息幀非常相似，控制PDU與GSM空中接口的管理幀非常相似。

RLC的數據PDU中并不攜帶正確性信息，接收錯誤是通過檢查物理層的CRC信息來實現的。發現接收錯誤后，RLC實體通過ARQ機制，發送控制信息到對端，進行數據重傳。這些控制信息分為狀態PDU、復位PDU和復位反饋PDU等幾類，分別用于反饋接收狀態和控制重傳，這些控制信息還可以在單獨的邏輯信道上傳送。

除了分段重發外，加密也是RLC層的一大特色功能，這是空中接口安全性的一種體現。

WCDMA空中接口采用f8算法對終端和RNC之間所傳遞的用戶數據和信令數據進行加密。如果采用非確認模式UM或確認模式AM，加密在RLC子層進行；如果采用透明TM傳輸模式，加密在MAC子層進行。

加密的方法與擾碼的方法一樣，也就是將原始數據與密鑰序列進行異或操作。密鑰序列根據計數器COUNT-C、加密密鑰CK、承載標識BEARER和傳輸方向DIRECTION等參數產生，長度由要求的密鑰序列長度LENGTH參數決定。

3.2.3 信息復用過程

RLC子層處理后，邏輯信道上承載的信息將進行復用，以充分利用空中接口的傳輸能力。從前文中我們了解到，邏輯信道是復用在傳輸信道上的，復用的過程發生在MAC子層。除了復用外，MAC子層還可以對TM模式的SDU進行加密處理。

WCDMA空中接口的一大特點就是“復用更復雜”，這既體現在一個用戶的多種業務復用在一起傳輸，如語音CS與數據PS，以方便多媒體業務的實現；又體現在一個用戶的業務與信令復用在一起傳輸，類似于隨路信令；還體現在將多個用戶的業務復用在同一個信道上傳輸，也就是所謂的公共傳輸信道FACH和RACH。因此MAC子層在進行復用時必須考慮到這幾種情況，這也導致WCDMA空中接口的MAC子層非常復雜。

在復用過程中MAC子層還需要確定傳輸信道的傳輸格式及組合。MAC子層將復用后數據以傳輸塊集（TBS）的形式輸出到傳輸信道上，每個TTI內輸出一次TBS。一個TBS中包含多個傳輸塊（TB），每個TB的大小都是一樣的，TB可以理解為MAC子層的PDU。TBS中TB的數量與大小對應TBS的不同格式。

RRC允許MAC子層在不同用戶和不同承載之間對給定的無線資源進行協商，主要包括邏輯信道的復用方式、傳輸信道的傳輸格式及組合等內容。

值得注意的是，物理層也實施復用，也就是下面提到的傳輸信道的復用。

3.2.4 信道編碼流程

信息復用到傳輸信道后，再送到物理層繼續處理。為了在無線傳輸鏈路上提供可靠的數據傳輸服務，物理層對鏈路層下發的傳輸塊集（TBS），也就是傳輸信道上承載的內容進行信道編碼，信道編碼由差錯校驗、卷積/Turbo編碼、交織、傳輸信道以及物理信道之間的映射等主要步驟和速率適配等過程組成，如圖3.16所示。

信道編碼以傳輸塊集（TBS）為處理單位。首先進行差錯校驗，差錯校驗時將給TBS中每個傳輸塊TB加入循環冗余校驗碼（CRC）。CRC長度可以是24、16、12、8或0比特，每個傳輸信道（TrCH）使用的CRC長度由RRC信令給出，例如，PS64數據業務固定采用16比特的CRC。有了CRC接收方就可以根據接收到的傳輸塊內容和CRC，判斷是否出現了傳輸錯誤，并獲得BLER（塊誤碼率）。

接著TBS中各個TB拼接成數據塊，進行信道編碼。信道編碼可以選擇使用卷積或者Turbo編碼。卷積和Turbo編碼利用增加多余的碼元來糾正隨機差錯，編碼碼率代表編碼前后碼元數量的比值。卷積編碼后的碼元不僅與當前的碼元信息有關，還與以前的碼元信息有關。Turbo碼是卷積的發展，能得到接近理論極限的糾錯性能，具有很強的抗衰落和抗干擾能力。但由于Turbo碼的譯碼復雜度大、譯碼時延大等原因，比較適合時延要求不高的數據業務，尤其是HSPA業務。卷積碼主要用于語音業務和對譯碼時延要求比較苛刻的數據業務。

信道編碼后進行交織，交織是對抗突發性連續錯誤的方法，交織后碼元次序被打亂，這樣即使是發生連續性錯誤，也會被切割為小片段，落入卷積和Turbo碼的糾錯范圍內。

交織過程分為多個步驟，首先進行第一次交織，又叫幀間交織，僅在允許10 ms以上的交織延遲時使用，交織長度可以是20 ms、40 ms或80 ms，交織周期為一個TTI。

第一次交織后進行速率匹配，再進行傳輸信道的復用，每隔10 ms，來自各TrCH的數據就被送到傳輸信道復用單元，該單元將把所有TrCH的比特順序串聯起來，形成一個編碼組合傳輸信道（CCTrCH），也就是將多個傳輸信道上承載的內容復用到一個物理信道的過程。

接下來進行第二次交織，這次是幀內交織（10 ms），完成一個無線幀內部數據比特的位置變換操作。

最后物理層將數據映射到物理信道，并加入物理層的指示信息。物理信道再進行后續的擴頻、加擾和調制。

3.2.5 擴頻、加擾與調制

1.下行物理信道擴頻與擾碼

下行物理信道的擴頻與擾碼過程如圖3.17所示，需要經過S/P串/并轉換、擴頻、增益調整、IQ合并、擾碼和信道合并的過程。同步信道是個例外，不需要擴頻、IQ合并和加擾處理。

圖3.18所示為除同步信道之外的所有下行物理信道的擴頻與擾碼原理，這些下行物理信道包括P-CCPCH、S-CCPCH、CPICH、AICH、PICH和下行DPCH信道。圖3.18選取了一個物理信道為例子，物理信道上采用雙極性信號，信號取值為+1、?1或0，這里的+1代表邏輯值的“0”，?1代表邏輯值的“1”，0代表不連續傳輸（DTX）。

信號首先進行串/并轉換，順序分配到I、Q兩個支路上去。I路和Q路信號與相同的信道化碼Cch，SF，m進行擴頻處理，得到擴頻后的碼片序列Ichip和Qchip。

WCDMA空中接口下行采用可變階Walsh碼，也就是OVSF碼作為信道化碼，用于區分同一小區內的各個物理信道。

Q路的擴頻結果經過相位處理后，與I路的擴頻結果相加，就得到了復合的碼片序列。這個碼片序列利用復擾碼Sd1，n進行加擾處理，加擾處理后，各個物理信道的信號再進行合并。

WCDMA空中接口的擾碼基于Gold碼，Gold碼在下行方向上用來區分不同的小區，可以理解為設備碼。這些Gold碼分為512個擾碼碼集合，簡稱為碼集合。碼集合的編號為0～511，每個碼集合中包含一個主擾碼和15個輔助擾碼。

WCDMA空中接口為每個小區分配一個主擾碼，相鄰小區的主擾碼是不能相同的，而輔助擾碼目前一般不使用。

圖3.19所示為不同下行物理信道的增益調整與信號合并的過程。每一個信道擾碼后的信號分別采用不同增益因子Gi放大后進行疊加，而P-SCH和S-SCH信道設有專門的增益因子Gp和Gs，然后所有物理信道的信號疊加在一起。增益因子與各個物理信道的功率之間有直接的關系。

注意：由于I、Q兩路信號需要分別疊加，因此圖3.19必須理解為I路或Q路中的一路，當然I、Q兩路的信號合并過程是相同的。從圖3.19中也可以看出WCDMA空中接口技術特點：由于利用不同的碼來區分不同的物理信道，這些物理信道的功率可以疊加。

2. 上行專用物理信道擴頻與擾碼

圖3.20給出了上行專用物理信道DPCCH和DPDCH的擴頻原理。DPCCH物理信道固定在I路，DPDCH物理信道固定在Q路。DPCCH和DPDCH信道上的邏輯信號用雙極性信號表示，同樣是邏輯值 “0”變換為+1，邏輯值 “1”變換為?1。

DPCCH物理信道承載的信號使用信道化碼Cc進行擴頻，DPDCH物理信道承載的信號使用信道化碼Cd進行擴頻。WCDMA空中接口上行采用可變階Walsh碼，也就是OVSF碼作為信道化碼，用于區分同一終端內的各個物理信道。

在經過擴頻處理之后，DPCCH物理信道的信號用增益因子βc進行放大，DPDCH物理信道的信號用增益因子βd進行放大。之后，I路和Q路的信號將進行合并，復合的碼片流再利用復擾碼Sdpch，n加擾，該復擾碼由SRNC分配。

WCDMA空中接口的擾碼基于Gold碼，Gold碼在上行方向上用來區分不同的用戶，可以理解為設備碼。上行的Gold碼在規范中定義了兩種：長碼和短碼，其中長碼由25級的移位寄存器生成；而短碼由8級的移位寄存器生成，主要用于高性能的基站，以實現增強多用戶接收檢測。目前現網中只采用長碼，由SRNC分配。

3. 上行物理隨機接入信道擴頻與擾碼

物理隨機接入信道（PRACH）包含前導和消息兩部分內容。

PRACH前導部分不需要擴頻處理，其擾碼采用Sr-pre，n，屬于長碼。

圖3.21給出了PRACH消息部分擴頻和加擾原理。PRACH消息又分為數據和控制兩部分，數據部分只作為I路的輸入，控制部分只作為Q路的輸入。擴頻前的邏輯信號轉換為雙極性信號，邏輯值“0”變換為+1，邏輯值“1”變換為?1。控制部分的信號使用信道化碼Cc進行擴頻，數據部分的信號使用信道化碼Cd進行擴頻。

在經過擴頻處理之后，數據部分的信號用增益因子βd進行放大，控制部分的信號用增益因子βc進行放大。放大處理后，同樣I路和Q路的信號將進行合并，復合的碼片流再利用復擾碼Sr-msg，n加擾，復擾碼Sr-msg，n采用長碼。

4. 調制

擴頻加擾后得到3.84 Mcps的復合碼片序列再分離為實部和虛部，分別進行脈沖整型和調制，合并后發送。調制過程如圖3.22所示。調制后信號經過變頻和功放，最后送到天線，發射出去。

3.2.6 上、下行物理信道的時間關系

下行物理信道與上行物理信道之間有密切的關系，由于同一終端上行DPCCH與DPCCH信道時間上是同步的，無線幀的起點相同，由此可以用上行DPCCH作為代表。

圖3.23給出了上、下行DPCCH的時間關系。為了提供充分的響應時間，終端下一時隙的時間起點比基站時隙的時間起點延遲1024個碼片。

基站發出的DPCCH無線幀經過傳輸延遲后到達終端，終端對前一時隙下行DPCCH信道中的導頻部分進行功率測量，并由此計算出TPC，向基站反饋；終端接收基站發出的DPCCH信道當前時隙的內容，獲得其中的TPC信息，并根據TPC調整終端下一時隙發射功率。這一步驟也就是圖3.23中標號1的部分。

同樣，基站對上行DPCCH信道中的導頻部分進行功率測量，并由此計算出TPC，向終端反饋；同時基站根據接收到的上行DPCCH信道中的TPC信息，從導頻部分開始調整發射功率。這一步驟也就是圖3.23中標號2的部分。