WCDMA/UMTS 第三代無線通訊系統 無線技術介紹﹝1﹞

WCDMA/UMTS 第三代無線通訊系統 無線技術介紹﹝1﹞

在前三期的文章中,我們把重點放在WCDMA/UMTS核心網路的部分,從這期的文章開始,筆者將以無線部分的技術作為我們探討的重點。屬於第三代無線通訊技術的WCDMA服務之所以可以提供更高的頻寬,以符合各式多媒體與無線寬頻需求,所著重的一點就是它比起原本的第二代GSM無線通訊系統來說,大幅改進了無線部分的多工技術,使得我們可以在有限的無線通訊頻帶中,透過更新的無線傳輸技術來提供更為豐富與大量的使用者資料。
我們都知道,3GPP R99核心網路與GSM/GPRS核心網路是可以存在同一個架構下的,主要的原因還是在於可以保有GSM/GPRS系統業者原有的投資,並且沿用了現在最為穩定的核心網路架構,減少系統過渡到3G通訊系統時,所產生的諸多相容問題。不過在無線通訊接取端的部分,可就沒有這樣容易解決了,WCDMA所採用的無線通訊多工技術與GSM/GPRS完全不相同,也就是說雖然它們可以共用相同的核心網路設備,不過在無線通訊的接取端技術,彼此就是差異相當大的部分,因此希望透過本文的介紹,可以讓各位真正的了解這些技術上的不同差異。
接下來就讓我們開始這次所要介紹的文章內容。
二,無線網路Cell的概念
如下圖﹝一﹞所示,在無線網路的環境中,我們會透過基地台來傳送與接收使用者手持設備的資料,不過無線網路的資源是有限的,在有線的網路環境中,如果我們需要更多的頻寬,可以透過更多的實體線路來提昇兩端點的可用頻寬,可是無線網路的環境裡,因為實際的傳輸媒介為我們生活的空間,而這部分的資源並不會因為我們需要更多的頻寬而增加。
圖﹝一﹞,無線網路細胞﹝Cell﹞涵蓋的示意圖
因為這樣的因素,所以每個基地台無線電所涵蓋的範圍就需要經過適當的考慮。例如:如果在一個人口稠密的區域,每一個無線電所涵蓋的範圍就要縮小,這樣在同一個區域中,就可以建構一個以上的基地台無線通訊區域,如此就可以增加該區域可容納的使用者數目。相對的,如果我們把一個基地台無線電所涵蓋的範圍加大,那樣在這個大區域的範圍中,所能接受的使用者數目,就僅限於一個基地台無線通訊範圍中,所能接受的人數了。
三,FDMA、TDMA、CDMA與SDMA
以目前常用的無線通訊多工技術來說,我們可以大略的把各種技術區分為四類,分別為
FDMA﹝Frequency Division Multiple Access﹞e
如下圖﹝二﹞所示,FDMA主要是透過切割許多小的無線通訊頻帶,而每個無線通訊頻帶都屬於一個專屬的使用者用來傳輸資料,透過這樣的方式我們可以在一個大的頻帶範圍中,切割出許多小的頻帶,讓多個使用者可以同時傳輸資料。
圖﹝二﹞,FDMA多工概念圖
當然,衍生出的缺點就是每個使用者都會使用到特定的頻帶,一旦同一區域的使用者人數超過所能提供的頻帶數目,就會造成系統無法提供服務的問題發生。
TDMATime Division Multiple Accesse
相對於FDMA,TDMA的技術是在同一個頻帶中,透過分時多工的方式讓多個使用者可以享用一個頻帶的資源,如下圖﹝三﹞所示。
圖﹝三﹞,TDMA多工概念圖
我們可以在一個固定的頻帶中,讓每個使用者擁有屬於自己的時槽﹝Time Slot﹞,當輪到屬於該使用者的時槽時,該使用者就可以傳遞資料。透過這樣的方式,我們就可以在一個頻帶的範圍內,實現多個使用者同時傳遞資料的目的。
SDMASpace Division Multiple Accesse
除了把每個基地台涵蓋的範圍縮小以外,我們還可以透過SDMA的技術讓每個基地台涵蓋的無線電範圍再透過分割Sector的方式來增加有限的無線電資源使用效率。

圖﹝四﹞,SDMA架構示意圖
如圖﹝四﹞所示,透過這樣的技術,我們可以在每個基地台的範圍中再透過不同的無線電區域分割,讓相鄰的三個區域可以同時讓三位不同使用者使用同一個無線通訊頻帶,以便於容納更多的使用者。如果沒有SDMA的技術,那樣在一個基地台涵蓋的範圍中,一個頻帶就無法重複在不同的分割Sector中使用,而增加可容納的使用者數目。
CDMACode Division Multiple Accesse
CDMA技術使用了正交﹝orthogonal﹞的展頻碼﹝spreading codes﹞,這種技術允許系統可以在同一個頻帶上,讓多個不同使用者的資料同時傳送。由於透過展頻碼所處理過的資料都會具有正交性,因此接收端在收到資料後,如果計算結果為0就表示所接收到的為其它無關的信號﹝例如: 是傳給其它使用者的資料,而非要傳給該使用者的資料﹞,如果計算後的結果不為0,就表示此為我們所要接收的資料。
CDMA技術對於頻帶的使用率來說,比起FDMA與TDMA來的更為有效率,因為它允許多個使用者同時在同一個頻帶上面傳送資料,再由接收端根據不同的正交展頻碼來解回資料。相對於FDMA與TDMA來說,都必須要分配一個固定的頻帶或是固定頻帶中的特定時槽,即使該使用者在連線後,並沒有透過所配置的無線資源來傳送資料,可是無線資源配置卻還專屬於該使用者,對於有限的無線資源來說將會是一種相當大的浪費。因此,CDMA的技術可以大幅的增加原本FDMA與TDMA技術所能容納的通訊使用者數目,對於頻帶的使用效率也相對的大幅提高。
目前主要使用的CDMA技術包括了WCDMA與IS-95﹝cdmaOne﹞所採用的DS-CDMA﹝Direct Sequence-CDMA﹞與CDMA 2000採用的MC-CDMA﹝MultiCarrier-CDMA﹞。
如下圖﹝五﹞所示,DS-CDMA會完整的佔用整個傳輸頻帶,由於正交碼的數目是有限的,所以我們必須透過擾碼﹝Scrambling Code﹞讓相鄰的Cell可以使用同樣的展頻碼﹝Spreading Code﹞來傳遞資料,而避免了因為相鄰兩區域使用同樣的展頻碼所造成的干擾。

圖﹝五﹞,DS-CDMA示意圖
而MC-CDMA ﹝MultiCarrier-CDMA﹞可以依據使用者目前所需要的頻寬資源,動態的結合一個以上的頻帶用來傳輸使用者的資料。
三,GSM、GPRS與WCDMA比較
在我們介紹過了主要的無線通訊多工技術的基本觀念後,我們來看目前商業化的通訊系統,其中
GSMGlobal System for Mobile Communication﹞ e
GSM系統主要是透過TDMA與FDMA的技術實現多人使用的無線通訊系統,如下圖所示,分別為GSM900系統中Downlink﹝由BaseStation到手機端﹞與Uplink﹝由手機到BaseStation端﹞的頻寬分割多工示意圖。

圖﹝六﹞,GSM 900頻寬分割與多工示意圖
由圖中我們可以看到,GSM 900系統在進行不同方向的傳輸時,是透過不同的頻率﹝DownLink使用了935–960MHz,而UpLink使用了890—915MHz﹞。並且Uplink與Downlink所採用的頻率彼此距離會相距45MHz。每個可以用來傳送資料的頻帶﹝Frequency Carrier﹞所佔的頻寬為200 kHz,每個頻帶再透過分時多工的方式區分為8個時槽﹝Time Slot﹞。也就是說每個使用者Uplink與Downlink所傳送與接收的資料,都會分配到特定頻率的其中一個時槽。
由於GSM系統所採用的無線介面﹝Air Interface﹞是類似Circuit-Switched﹝電路交換﹞的方式,所以說只要使用者撥通後,就會一直佔住固定的無線系統資源,不論是否目前正在說話。所以說如果在某一個基地台服務的範圍內,所有頻帶包含的時槽都配置給目前正在線上的用戶,那系統將會暫時無法提供服務給新來的使用者。
如下圖﹝七﹞所示,我們可以看到GSM系統會透過跳頻﹝Frequency Hopping﹞的方式,來避免特定頻帶在通訊時遭遇到干擾的問題,因為使用者透過GSM通訊時所使用的頻帶會隨著時間的不同而不斷的改變,如此可以避免特定的頻帶受到干擾,而讓正在使用該頻帶使用者的通訊受到不良影響。所以說跳頻的方式,可以讓使用者通話時所使用的頻帶,均勻的在該業者所使用的頻帶範圍內跳躍,而讓用戶可以在比較穩定的通訊環境中進行通話。
圖﹝七﹞,GSM Frequency Hopping多工示意圖
當然我們都知道GSM系統除了GSM900以外,另外一個大家常用的就是GSM1800了,所以如下圖﹝八﹞所示,就是GSM1800頻寬分割多工的示意圖。

圖﹝八﹞,GSM 1800頻寬分割與多工示意圖
由圖中我們可以知道,GSM1800的Uplink與Downlink所涵蓋的頻率範圍更寬﹝DownLink使用了1805–1880MHz,而UpLink使用了1710—1785MHz﹞,相對的也可以容納更多的使用者進行通話服務,並且GSM1800系統進行不同方向的傳輸時,Uplink與Downlink所採用的頻率彼此距離會相距95MHz。
GPRSGeneral Packet Radio Service﹞e

相對於GSM採用TDMA與FDMA技術,GPRS為了實現多人共享一段較寬的無線資源,以便於可以在使用者真正傳送資料時才計費,如果沒有傳送資料時則不計費,達到以傳輸量計費,而非使用時間長短來計費的目的。所以說,在無線端技術上必須要經過改進,以便於可以允許多人使用該Cell所配置出來屬於GPRS Packet-Switched的時槽﹝Time-Slot﹞,如下圖﹝九﹞所示
圖﹝九﹞,GPRS時槽﹝Time-Slot﹞使用示意圖
這是一個4+1的GPRS服務示意圖,所謂的4就是指DownLink,1就是指UpLink,另外兩個時槽就是用來傳遞控制的訊號。由此我們可以了解,相對於GSM通話服務,每個使用者都會佔有固定的時槽,只要系統配置了該時槽給特定的使用者,在這段期間中,該項時槽資源就沒有其它人可以使用。而GPRS是透過多人共享幾個時槽,當使用者要傳送資料時才會透過該組時槽傳送,因而計費。如果使用者沒有透過GPRS的時槽傳輸時,則不計費,如此對於使用者來說可以降低使用無線通訊網路的費用,達到只有真正傳輸資料時才收費的目的,對於系統業者來說也可以增加無線資源的使用率。
WCDMAWideband Code Division Multiple Access﹞e
WCDMA主要分為三個發展的方向,其中包括
﹝1﹞ DS-WCDMA-FDD﹝Direct Sequence – Wideband Code Division Multiple Access – Frequency Division Duples﹞e總共會佔用兩個頻帶,分別為DownLink與UpLink,分別用來傳輸基地台到使用者手持設備與手持設備到基地台端的資料。
﹝2﹞ DS-WCDMA-TDD﹝ Direct Sequence – Wideband Code Division Multiple Access –Time Division Duples﹞e只會佔用一個頻帶,透過分時多工技術在同一個頻帶上面,利用不同的時槽分別傳輸DownLink與UpLink的資料。
﹝3﹞ MC-CDMA﹝ Multi Carrier – Code Division Multiple Access﹞e可以透過一個以上的頻帶來傳輸使用者資料,如果使用者需要更高頻寬就會透過組合一個以上的頻帶來滿足需求。
由於日本與歐洲所定義的CDMA版本比起美國所採用的cdmaOne使用了更寬的頻寬,所以才加入了 ”Wideband”的稱呼,因此我們通稱為WCDMA。

在此我們介紹的內容主要以WCDMA-FDD為主﹝DownLink使用了2110–2170MHz,而UpLink使用了1920–1980MHz﹞,因此如下圖﹝十﹞所示。WCDMA的Chip Rate為3.84Mcps,所以實際上使用的頻寬為3.84MHz,不過為了預防彼此間的干擾,所以配合所需的Guard Band,共需要5MHz的無線頻寬。而整個WCDMA Uplink與Downlink分別可使用的頻帶為60MHz,所以基本上共可以細分為12個可供系統業者用來傳輸的頻帶﹝UpLink與DownLink為一組,每組雙向都需要5MHz的頻寬,因此為12個﹞。至於頻帶如何劃分給不同的系統業者,就依據各個國家不同的電信政策來決定了。

圖﹝十﹞,WCDMA頻寬分割與多工示意圖
如下表﹝一﹞所示,這是WCDMA所包含的通訊介面特性
表﹝一﹞,WCDMA的特性整理
多重擷取技術
DS-WCDMA﹝Direct Sequence-WCDMA﹞
全雙工技術
FDD/TDD﹝Frequency/Time Division Duplex﹞
Chip Rate
3.84 Mbps
Frame Length
10 ms
Carrier Frequeny
5MHz
UpLink-Modulation
BPSK﹝Binary Phase Shift Keying﹞
DownLink-Modulation
QPSK﹝Quadrature Phase Shift Keying﹞
WCDMA主要是透過展頻﹝Spread Spectrum﹞的技術,透過無線的介面來傳送與接收資料,雖然透過展頻的技術會使得傳輸時需要更寬的頻寬,不過因為它具備了抗干擾與更佳的資料保密性,可以允許多個使用者在同一個頻帶上同時傳送資料,並減低了資料被竊取的機會,因此相對於GSM的系統來說具備了相當不錯的優勢。展頻碼﹝Spreading Code﹞,之所以可以允許不同的串送端同時在一個頻帶上傳送,主要就是透過不同的展頻碼彼此正交的特性,如果接收端所收到的資料並非正確的傳送端所傳送的資料,那計算出來的結果則為0。如下表﹝二﹞所示
表﹝二﹞,正交碼﹝Orthogonal Code﹞

(1,1,1,1)
(1,1,-1,-1)
(1,-1,1,-1)
(1,-1,-1,1)
(1,1,1,1)
4
0
0
0
(1,1,-1,-1)
0
4
0
0
(1,-1,1,-1)
0
0
4
0
(1,-1,-1,1)
0
0
0
4











由於展頻碼﹝Spreading Code﹞的數目是有限的,所以為了讓不同的Cell之間的展頻碼可以重複使用,所以WCDMA還加入了擾碼﹝Scrambling Code﹞的技術,在傳送資料的一端透過擾碼﹝Scrambling Code﹞﹝長度與Chip Rate一樣同為3.84Mbit﹞來對所傳送的資料作擾亂的動作,而在接收的一端再用同樣的擾碼來解回原資料,如此一來即使相鄰的兩個Cell使用同樣的展頻碼,也不會發生資料錯誤的問題了,由於擾碼是隨機產生的,且保證相鄰的Cell是不會有重複的擾碼,因此我們可以確保相鄰的Cell資料傳輸的正確性。
因為DS-WCDMA-FDD的Uplink的數位調變方式為BPSK而Downlink數位調變方式為QPSK。所以說在傳送資料時,Uplink 1個bit的Symbol代表1bit的資料,而Download 1個bit的Symbol則可以代表2 bit資料。以下筆者為各位介紹QPSK調變方式主要的原理
QPSKe

WCDMA在Downlink部分﹝由BaseStation到手機端﹞採用了QPSK的編碼方式,如下圖﹝十一﹞所示

圖﹝十一﹞,傳送端的QPSK編碼示意圖
圖的左方為實際的資料”1011001111”,之後會被分為I與Q兩個部分,如我們所舉的例子分別會被分為屬於I的”01011”與屬於Q的”11011”。整個過程如下
﹝1﹞實際資料的第一位被分到I﹝”1”﹞,實際資料的第二位被分到Q﹝”1”﹞
2﹞實際資料的第三位被分到I﹝”1”﹞,實際資料的第四位被分到Q﹝”1”﹞
3﹞實際資料的第五位被分到I﹝”0”﹞,實際資料的第六位被分到Q﹝”0”﹞
﹝4﹞實際資料的第七位被分到I﹝”1”﹞,實際資料的第八位被分到Q﹝”1”﹞
﹝5﹞實際資料的第九位被分到I﹝”0”﹞,實際資料的第十位被分到Q﹝”1”﹞

如下圖﹝十二﹞所示,原本的使用者資料會被分為I與Q兩個分支。被分到I與Q兩邊的資料,會再經由展頻與擾碼的過程後,再透過QPSK調變送出。

圖﹝十二﹞,資料分成I與Q的示意圖

如下圖﹝十三﹞所示,在資料傳送端把資料乘上展頻碼﹝Spreading Code﹞後送出,而在接收端則把所收到經過展頻的訊號,再與相同的展頻碼相乘,而得到原本傳送端所送出的資料。因此如果展頻碼為8 位元,最原始的使用者資料長度為8位元,經過展頻的動作後,就會需要傳送出64位元的資料。


圖﹝十三﹞,資料展頻示意圖

在資料展頻過後,就會乘上擾碼﹝Scrambling Code﹞,之後再透過QPSK的調變﹝Modulation﹞技術,如下圖﹝十四﹞所示分屬I與Q兩部分經過展頻與擾碼處理過的資料,會透過函式
來調變後成類比的訊號送出。
圖﹝十四﹞,QPSK編碼的相位圖
例如,如果要傳送 “01”就會送出由Cosin在45度時波形為起始的類比波形,要傳送 “00”就會送出由Cosin在315度時波形為起始的類比波形。如此就可以透過同樣的類比波形,來代表兩個位元資料了。
如下圖﹝十五﹞所示,筆者假設I與Q兩部分經過展頻與擾碼處理後的數位資料分別為I﹝”01010010”﹞與Q﹝”00111101”﹞,經過QPSK調變後則送出底下的波形。
圖﹝十五﹞,QPSK編碼實例
相對於QPSK﹝Quadrature Phase Shift Keying﹞,BPSK﹝Binary Phase Shift Keying﹞對於處理過的資料並沒有降低Bit Rate的能力。而如前面所述,QPSK主要是透過相位的方式透過不同的Cosin波形相位來代表4個值,而非只是0或1,所以說透過QPSK調變技巧可以讓送出的Chip Rate降低一半。
以Chip Rate 3.84Mbit/sec來說,如果今天的Spreading Factor為8﹝傳送1bit的資料,透過展頻後會成為8bits﹞,如果是以BPSK調變則可以傳送最原始的使用者資料共3840(kbit/sec) / 8 = 480 (kbit/sec),如果是透過QPSK調變則可以傳送最原始的使用者資料共(3840(kbit/sec) / 8)*2 = 960 (kbit/sec)。
由於WCDMA會透過展頻碼﹝Spreading Code﹞來把每一個傳送管道﹝Channel﹞透過展頻方式來彼此區隔,因此我們又稱展頻碼為Channelisation Code。
如下表﹝三﹞所示,我們都知道Channelisation Code的數目是有限的,所以說為了可以重複利用Channelisation Code,透過擾碼﹝Scrambling Code﹞可以讓同樣一組Channelisation Code在不同的擾碼下運作。而在同一個擾碼下所能使用的Channelisation Code數目就等於Spreading Factor的值,如下
Spreading Factor = (System Chip Rate) / (User Data Rate) =全部Channelisation Code數目
表﹝三﹞,Channelisation Code與Scrambling Code的特性
DownLink
UpLink
Channelisation Code
功能e 透過展頻(Spreading)的技術,用來區隔同一個Cell範圍中不同的使用者連線
功能e透過展頻的技術,用來區隔同一個無線通訊裝置的不同Channel
長度e 512 Chips
長度e 4-256 Chips
數量e 在同一個擾碼(Scrambling Code)下,等於Spreading Factor
數量e在同一個擾碼下,等於Spreading Factor
Scrambling Code
功能e 用來區隔不同的Cell
功能e 用來區隔不同的無線通訊裝置
長度e 每個Frame間隔為10 ms時為38400 Chips
長度e每個Frame間隔為10 ms時為38400 Chips
數量e 512 個
數量e 數十萬個以上
四,介紹WCDMA Frame的傳送
如下圖﹝十六﹞所示,每個WCDMA的Frame傳送的時間長度為10 ms,而WCDMA無線部分傳輸的速率為3.84 Mbits/sec,所以說每個WCDMA Frame所能傳送的位元為3.84 Mbits/sec * 10 ms = 38400 bits,每個Frame會包含15個時槽﹝Time Slot﹞,每個時槽所能傳送的位元數目為38400 bits /15 = 2560 bits。
圖﹝十六﹞,WCDMA Frame示意圖
對於UpLink的資料來說,使用者的資料與實體層的控制訊息會透過I-Q編碼多工﹝Dual-Channel QPSK﹞的方式送出。如下圖﹝十七﹞所示,透過這樣的技術我們可以讓DPDCH與DPCCH同時送出,而在接收端再分別解回DPDCH與DPCCH這兩個通訊管道,隨著使用者傳輸資料量的增加,而控制部分的資料量卻有限,會使得I部分的資料獨立傳輸,而產生類似於BPSK﹝Binary Phase Shift Keying﹞的調變傳輸方式。這也就是為何WCDMA 無線通訊部分UpLink 為BPSK的原因了。

圖﹝十七﹞,UpLink Dual-Channel QPSK
在傳送UpLink 資料時,使用者的資料透過過專屬的DPDCH﹝Dedicated Physical Data Channel﹞通訊管道來傳送,而控制訊息則透過DPCCH﹝Dedicated Physical Control Channel﹞通訊管道傳送。在上傳資料時,使用者可以擁有一個以上的DPDCH用來傳送更多的使用者資料,並且每個DPDCH可以擁有不同的Spreading Factor﹝可由4–256﹞,與一個固定的DPCCH用來傳送相關的控制訊息,而DPCCH的Spreading Factor固定為256。但如果從節省手持設備電源的觀點來看,透過一個DPDCH傳輸會是比較節省能量的方式,因為每個Channel都會擁有專屬的Channelisation Code,若有一個以上的DPDCH同時進行多個碼的編碼傳送時,對於手持設備的電力消耗上將不甚理想。
DPDCH的資料傳送速率可以隨著每個Frame的不同而有所調整,相關的控制訊息就透過DPCCH來傳送,如下圖﹝十八﹞所示,DPCCH的TFCI﹝Transport Format Combination Indicator﹞欄位就是用來傳送這方面的訊息。

圖﹝十八﹞,WCDMA UpLink Frame示意圖
在介紹了UpLink傳輸之後,接下來就是介紹DownLink傳輸的部分,如下圖﹝十九﹞所示,與UpLink最大的不同在於,因為DownLink使用了QPSK的調變技術來傳送DPDCH,原本DPCCH則透過DPDCH的欄位來傳送,所以說只會需要一個Channelisation Code,而UpLink因為使用了Dual-Channel QPSK所以說會用去兩個Channelisation來傳送DPDCH與DPCCH。DownLink主要是把DPDCH與DPCCH整合在同一個要送出的Frame中,當成同一筆資料透過QPSK來調變送出。因此在相同的Chip Rate與Spreading Factor下,DownLink透過QPSK的編碼,會比UpLink透過BPSK編碼的方式,送出更多的使用者資料。

圖﹝十九﹞,WCDMA DownLink Frame示意圖
在WCDMA無線部分的技術上,還包含了許多用來傳輸資料的通訊管道﹝Channel﹞概念,詳細的部分將留待下期的文章再行介紹。
五,結語
如下圖﹝二十﹞所示,我們可以發現目前有許多的無線通訊系統被應用到商業的市場上,每一個無線通訊系統都有它既定的使用者與過去的設備投資。因此,我們可以想見這樣的未來,那就是一個無線通訊設備同時支援了一個以上的無線通訊系統,在這樣的架構下,使用者可以從使用GSM 1800的網路移動到使用WCDMA-FDD的網路,而無須更新使用者的無線通訊設備,甚至無須中斷目前正在使用的通訊服務。

圖﹝二十﹞,各類系統服務所佔用的頻帶
我們都知道無線電通訊時,主要傳遞的介面就所我們所生活的空間,可是無線電的資源並不若有線頻寬的資源一般,可以透過不斷的舖設光纖與添購設備來增加頻寬。所以,我們能用來傳輸的無線頻帶資源是有限的,如何透過更有效的方式來增加在有限資源中的寬頻,相信將會是日後我們可以進一步努力的方向。
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