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構與功能單位，為了完成通信任務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，各個信道與空中接口各個部分之間的關系如圖3.1所示，圖3.1可以看成圖2.7的擴展。

從上到下看圖3.1，在L3與L2之間，根據信令與業務數據的不同，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線承載SRB和業務無線承載RB，對應UE與核心網之間的連接，保證UE與核心網之間信令與業務數據的正確傳送。與核心網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連接通過信令無線承載SRB來體現。

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務信道。信令無線承載SRB和業務無線承載RB分別映射到不同的邏輯信道上，所謂映射可以理解為經過處理后進行拼裝組合的過程。

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，傳輸信道進行了復用，把來自不同邏輯信道的信息組合起來。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。傳輸信道的內容分別映射到對應的物理信道中，物理信道在UE與Node B之間傳輸信息。

綜合上述內容，WCDMA空中接口的信道與WCDMA無線網絡設備的關系如圖3.2所示。

3.1.2 信道類型與信道映射

1.邏輯信道

WCDMA空中接口中根據傳輸的信息類型定義了多種邏輯信道，這些邏輯信道類型分為控制信道和業務信道。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）；業務信道包括專用業務信道（DTCH）和公共業務信道（CTCH）兩種，其中CTCH信道用于小區廣播業務。

邏輯信道可以理解為處理實體的標簽，UE和SRNC根據邏輯信道的類型可以將信息發送到相應的處理實體中。

2.傳輸信道

傳輸信道（TrCH）是物理層提供給MAC子層的服務接入點，是MAC子層處理的結果，復用了邏輯信道的內容。每個傳輸信道上都定義了信道上傳送信息的格式。

根據信息傳輸的方式和特點，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之間信息傳輸的效率。

表3.1列出了R6版本商用網絡中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是一個下行傳輸信道，用于廣播系統或特定小區的信息。BCH覆蓋整個小區，并且使用固定的傳輸格式。

PCH是一個下行傳輸信道，用于在整個小區廣播尋呼消息。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）一起傳輸的。

FACH是一個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據。

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

HS-DSCH是一個多用戶共享的下行傳輸信道，用于承載HSDPA的用戶業務數據。

專用傳輸信道包括專用傳輸信道（DCH）和R6引入的增強專用傳輸信道（E-DCH），一個專用傳輸信道上承載一個用戶的業務數據。

專用傳輸信道DCH分為上行DCH和下行DCH，用于承載R99的用戶業務數據。

E-DCH是一個上行傳輸信道，用于承載HSUPA的用戶業務數據。

3.物理信道

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

物理信道從時間上分為以下兩個層次。

● 時隙：時隙是物理信道的基本時間單位。一個時隙包含2560個碼片，碼率為3.84 Mcps。由于使用不同的擴頻因子，一個時隙可以傳送不同數量的信息比特。

● 無線幀：一個無線幀包含15個時隙，共38400個碼片，時長為10 ms。每個無線幀用SFN（System Frame Number，系統幀號）編號，從0～4095循環。

無線幀與時隙的關系如圖3.3所示。WCDMA空中接口上每秒可傳送100個無線幀，包含1500個時隙。

在R5以后，WCDMA空中接口還引入了子幀的概念，應用于HSDPA和HSUPA的業務與調度。一個無線幀中每3個時隙構成一個子幀，每個子幀的時長為2 ms，這樣每個無線幀中包含5個子幀。

在WCDMA空中接口中還定義了接入時隙，每兩個無線幀之間有15個接入時隙，每個接入時隙包含5120個碼片，相對的每個接入時隙的時長就是普通時隙的2倍了。接入時隙主要用于終端接入和接入指示信息的發送，無線幀與接入時隙的關系如圖3.4所示。

物理信道的內容默認是連續傳輸的，但有時為了適應某些信道的特點或節約系統資源，會進行不連續傳輸，如PCH的非連續發送（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UE共用的，而專用物理信道是每個UE獨享的。表3.2列出了R6版本商用網絡中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我們不難發現邏輯信道與傳輸信道之間的映射關系不是簡單的一對一關系。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系，圖3.5反映了從UE側看到的邏輯信道和傳輸信道之間的映射關系，圖中箭頭代表信息傳送的方向。從UTRAN側看到的映射關系與圖3.5類似，只是箭頭的方向調整一下。圖3.5還體現了傳輸信道的復用效果，基本上是一對多的關系。

和邏輯信道與傳輸信道之間的映射關系不同，傳輸信道與物理信道之間的映射關系基本上是一對一的關系，也就是每個傳輸信道都有相應的物理信道來承載。圖3.6反映了從UE側看到的傳輸信道和物理信道之間的映射關系，圖中箭頭代表信息傳送的方向。從UTRAN側看到的映射關系與圖3.6類似，只是箭頭的方向調整一下。

圖3.5和3.6只反映了R99版本的信道映射關系，R5和R6版本的映射關系是在R99基礎上的簡單疊加，讀者不難自行添加相應的信道映射關系。

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，本小節主要介紹其中與無線網絡設計與優化密切相關的信道，包括公共導頻信道、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《WCDMA空中接口技術》。

1.公共導頻信道（CPICH）

CPICH是一個固定速率的公共下行物理信道，比特率為30 kbps，擴頻因子SF=256，承載一個預先定義好的比特/符號序列。圖3.7所示為CPICH信道的幀結構。

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

導頻信道有以下特點：

● 導頻信道采用的信道化碼為；

● 導頻信道使用主擾碼；

● 每個小區有且只有一個導頻信道。

導頻信道是其他物理信道的相位參考點，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空中接口中導頻信道也是其他下行物理信道的功率參考點，作為這些物理信道功率設置的基準。一旦導頻信道的功率發生改變，所有下行物理信道的功率都將發生改變，可謂牽一發動全身。

此外，由于導頻信道是連續發射的，因此還作為終端監測小區信號強度以及信號質量的參考源，用于小區選擇、小區重選、切換及功率控制等機制。

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，其幀結構如圖3.8所示，包括導頻比特Pilot、數據Data及可選的傳輸格式組合指示TFCI，其中數據部分就是S-CCPCH上承載的傳輸信道的內容。導頻比特、數據部分以及TFCI的不同長度組合對應S-CCPCH的一種格式，S-CCPCH有多種的格式。

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

S-CCPCH物理信道與P-CCPCH物理信道的主要區別是：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來支持多種傳輸格式組合；此外WCDMA空中接口只有一個P-CCPCH物理信道，然而可以設置多個S-CCPCH物理信道。

目前商用系統至少配置了2個S-CCPCH物理信道，其中一個專門用來承載PCH傳輸信道，一個專門用來承載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及上層產生的專用數據以時分復用的方式與物理層產生的控制信息（如導頻比特、TPC命令以及一個可選的TFCI指示）一起傳輸。因此，一個下行DPCH可以看做一個承載數據的下行DPDCH和一個承載物理層控制信息的下行DPCCH進行時分復用后的產物。這樣做可以減少對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物理信道的結構，其無線幀的時隙分為多個部分，其中Data1和Data2部分的內容就是DPDCH物理信道的內容，承載數據；而TPC（發送功率控制）、TFCI（傳輸格式）和Pilot（導頻）三部分是DPCCH物理信道的內容，雖然沒有承載數據，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統稱為DPCH信道上的信息。

圖3.9中，參數k（取值范圍為0～7）決定了每個下行DPCH時隙的信息比特數，一共分為8種類型，對應信息比特數從10比特到38400比特。參數k還決定了下行DPCH物理信道的擴頻因子SF，有SF=512/2k，所以下行DPCH物理信道SF的取值范圍是4～512。

數據、導頻比特、TPC命令以及TFCI指示的不同組合長度對應下行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的業務數據通過下行HS-PDSCH物理信道來傳輸。HS-PDSCH（High Speed Physical Downlink Shared Channel，高速下行共享物理信道）專門用于承載高速的分組數據，其結構如圖3.10所示。

HS-PDSCH信道以2 ms的子幀為單位，每個子幀對應無線幀3 個時隙的長度。HS-PDSCH信道的格式是固定的，其擴頻因子SF=16，比特率為480 kbps（采用QPSK調制）或960 kbps（采用16QAM調制），也就是每個子幀可以發送960 bit（采用QPSK調制）或1920 bit（采用16QAM調制）的數據。

一個小區可以配置多個HS-PDSCH信道，最多可以配置15個HS-PDSCH信道，這些HS-PDSCH信道采用不同的信道化碼來區分，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分為專用物理數據信道（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用于承載物理層產生的控制信息。DPCCH與DPDCH信道碼分復用，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構。

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

DPCCH的擴頻因子固定為256，每個DPCCH時隙固定傳10 bit信息，這10 bit信息分為包括導頻比特、傳輸功率控制（TPC）命令、反饋信息（FBI）及傳輸格式組合指示（TFCI），每個部分長度可以靈活變化，不同長度的組合對應了DPCCH的不同格式。

2. 隨機接入物理信道（PRACH）

隨機接入物理信道用于終端的隨機接入，WCDMA空中接口的隨機接入基于有快速接入指示時隙的ALOHA方式，UE可以在某一個接入時隙開始隨機接入傳輸。隨機接入傳輸結構如圖3.12所示，由一個或多個長度為4096個碼片的接入前導（Preamble）部分和一個長度為10 ms或20 ms的消息部分組成。10 ms的消息部分占用一個無線幀，而一個20 ms的消息部分占用2個連續無線幀。現網中消息部分的長度通常等于20 ms。

接入前導部分由多個接入前導組成，每個前導包含有4096 個碼片，由一個16 階的Walsh碼經過256次重復后得到。一個小區最多有16個Walsh碼可以選用，稱為特征碼，詳細過程參見4.3.2節。

圖3.13給出了隨機接入消息部分的幀結構，消息部分由兩部分組成：其一為數據部分，承載RACH傳輸信道；其二為控制部分，用于攜帶物理層產生的控制信息。數據和控制部分是碼分并行傳輸的。

數據部分包含10×2k比特，其中k=0～3，分別對應256～32的擴頻因子，使用相應階數的信道化碼。

控制部分擴頻因子固定為256，使用256階的信道化碼。控制部分包含8個導頻比特，以支持相干解調。控制部分還有2 bit的TFCI，用來指明RACH傳輸信道的傳輸格式。因此，在一個隨機接入消息中總共有15×2=30 bit的TFCI信息。如果RACH消息部分為20 ms的話，TFCI在第2個無線幀中重復。

與DPCCH相比，主要差別是控制部分沒有TPC部分，這是由于相應的下行信道ALCH不進行功率控制。

3. 增強上行專用物理信道（E-DPCH）

E-DPCH信道是用來承載HSUPA業務數據的物理信道，其結構與上行DPCH信道結構非常類似，如圖3.14所示。

如同上行DPDCH信道，E-DPCH信道也分為增強專用物理數據信道（E-DPDCH）和增強專用物理控制信道（E-DPCCH）兩種信道，其中E-DPDCH用于承載HSUPA的業務信息，而E-DPCCH用于承載HSUPA的業務控制信息。

E-DPDCH信道的擴頻因子SF也是可變的，E-DPDCH的擴頻因子取值范圍是2～256，這樣就增加了每個時隙承載的數據量，從而可以提高上行速率。另外，在HSUPA中，最多允許并發4個E-DPDCH信道。

E-DPCCH信道的擴頻因子也固定為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，是專門用于HSUPA業務的信息。