WCDMA/UMTS 第三代無線通訊系統 無線技術介紹﹝2﹞

WCDMA/UMTS 第三代無線通訊系統 無線技術介紹﹝2﹞

1,前言
在這期的文章中,我們要介紹在WCDMA無線通訊技術中,屬於各類通訊層的管道﹝Channel﹞技術,與過去我們在Internet使用的TCP/IP通訊協定來比較,TCP/IP並沒有專屬於傳輸控制與資料的固定管道存在,可以由使用者自行產生不同的連線,並且自行建構傳輸控制訊號與使用者資料的連線。但是在WCDMA當中可就不是如此了,他有專屬的通訊管道的概念,每個不同的管道各有它特定的功能,例如:用來進行同步、傳輸控制訊號或是使用者資料,都會透過不同的通訊管道,如果需要傳輸更大量的使用者資料,就會配置更多該類的通訊管道來傳輸使用者資料。
因此,要了解WCDMA無線行動通訊技術,學習這些不同階層的管道架構,將會是一個相當重要的課題,接下來就讓筆者開始這次的內容,希望可以讓各位有所收穫。
二,WCDMA 無線介面協定架構
如下圖﹝一﹞所示,我們可以把WCDMA 無線介面﹝Radio Interface﹞區分為以下幾個部分,
圖﹝一﹞,WCDMA 無線介面架構
由下而上首先就是屬於Layer 1的實體層﹝PHYPhysical Layer﹞,這部分提供了屬於實體層的通道﹝Channel﹞架構與相關技術,例如:實體層的同步機制與碰撞偵測。在來就是屬於Layer 2MACMedia Access Control﹞、RLCRadio Link Control﹞、PDCPPacket Data Control Protocol﹞與BMCBroadcast and Multicast Control﹞,這部分的通訊協定提供各式網路通訊機制,例如:MAC提供了QoS的服務,RLC提供了單雙向的封包進出介面,PDCP提供了使用者用來傳送TCP/IP封包機制與封包表頭壓縮的功能,BMC則可供基地台用來廣播傳送給大量使用者的資訊。最後一層就是屬於Layer 3RRCRadio Resource Control﹞。
PDCPBMCRRC層的服務要透過RLC層所提供的Logical Channel來傳送與接收資料,而RLC層則須把這些Logical Channel整合為MAC層所提供的Transport ChannelMAC層則再透過底層的硬體所提供的Physical Channel來把資料傳送出去。
如下圖﹝二﹞所示, Physical Channel主要是負責處理使用者手持裝置與基地台間的無線資源配置,Transport ChannelLogical Channle則是用來傳遞使用者手持設備與RNC之間的訊息。原本的GSM網路中,BSCBaseStation Controller﹞需要知道詳細的實體層無線通訊資源的情況,到了WCDMA的網路時,RNCRadio Network Controller﹞不在需要了解實體層無線資源的配置情況,改由每個BaseStation來處理。
圖﹝二﹞,由UERNC的無線介面協定的轉換
如同在前幾期所介紹的核心網路架構,在RNC之後就會把這些屬於無線介面的協定,轉為為適合於IuPSIuCS介面傳輸的通訊協定。
三,通訊管道﹝Channel﹞的架構
既然我們已經知道了WCDMA Radio Interface所包含的幾個部分,接下來就針對每個部分所提供的Channel機制來加以說明。
首先,針對Channel的名稱來分類的話,標記為”Common”Channel表示這個Channel是可以被多個使用者通訊設備同時使用的,標記為”Dedicated” Channel表示這個Channel是專屬於特定的使用者通訊設備使用。其它還有被賦予特定工作的Channel,例如:Broadcast ChannelBCH﹞、Paging ChannelPCH﹞、Forward Access ChannelFACH﹞與Downlink Shared ChannelDSCH﹞。
如下圖﹝三﹞所示,就是各協定層所包含的各類通訊管道,左邊的為DownLink部分﹝BaseStationUE﹞,右邊的為UpLinkUEBaseStation﹞,由上而下就是屬於RLC提供的Logical ChannelMAC提供的Trasnport Channel與實體層提供的Physical Channel
圖﹝三﹞,各協定層的通訊管道
接下來,就讓我們針對各個不同部分的Channel,作一個介紹。
屬於RLC部分的Logical Channel
圖﹝四﹞,RLC所包含的Channel與傳輸方向
DCCHDedicated Control Channel
e傳輸控制訊息,雙向傳輸。
屬於點對點的傳輸方式,用來傳送使用者與核心網路端的控制資訊。
DTCHDedicated Traffic Channel
e傳輸資料訊息,雙向傳輸。
屬於點對點的傳輸方式,用來傳送使用者與使用者間的通訊資料。
CCCHCommon Control Channel
e傳輸控制訊息,雙向傳輸。
用來傳送UE與核心網路端的資訊,會透過Transport ChannelFACHDownlink﹞與RACHUpLink﹞來傳送資料。資料傳輸時,會傳送一個U-RNTI UTRAN Radio Network Temporary Identity 
的識別碼,用來識別目前正在服務該位使用者的RNC,以便於收到這份資料的RNC可以將資料繞送到正確的RNC
CTCHCommon Traffic Channel
e傳輸資料訊息,單向DownLink傳輸。
屬於1對多單向傳輸方式,用來傳送資料給一群使用者。
BCCHBroadcast Control Channel
e傳輸控制訊息,單向DownLink傳輸。
用來傳送與該無線網路區域相關的廣播訊息,所有的UE都必須可以收到這個Channel的訊息。
PCCHPaging Control Channel
e傳輸控制訊息,單向DownLink傳輸。
用來傳送建立連線的呼叫﹝Paging﹞訊息。
屬於MAC部分的Transport Channel
圖﹝五﹞,MAC所包含的Channel與傳輸方向
DCHDedicated Channele傳輸資料訊息,雙向傳輸。
Transport Channel 中唯一屬於DedicatedChannel,負責傳送上層的資料﹝例如:語音或是封包資料﹞。支援Soft Handover﹝屬於Common Channel不支援Soft Handover﹞與快速功率控制﹝Fast Power Control﹞,可以動態的在Frame傳送過程中改變傳輸速率。
CPCHCommon Packet Channel
e傳輸資料訊息,單向UpLink傳輸。
CPCH主要用來傳輸UE上傳的資料封包,與RACH的不同在於它使用快速功率控制﹝Fast Power Control﹞與實體層碰撞偵測,使得CPCH可以提供較佳的傳輸,細節可以參考稍後介紹的PCPCH
RACHRandom Access Channele傳輸資料或控制訊息,單向UpLink傳輸。
提供給UE用來傳送控制訊息給無線網路端﹝例如:要建立一個通話的連線﹞,由於RACH傳輸可涵蓋整個Cell的範圍,因此它所能提供的傳輸速率相當有限,僅能用來傳輸少量的使用者資料封包。
BCHBroadcast Channel
e傳輸控制訊息,單向DownLink傳輸。用來廣播系統相關訊息到無線網路所屬的Cell,當UE無法讀取BCH的資料時,將會造成該使用者無法對目前的基地台註冊。所以說BCH傳輸功率必須夠大,以便讓UE可以順利讀取該Channel的訊息。由於每個Cell當中會存在運算能力較低的通訊設備,為了讓所有通訊設備都可以接收到廣播的訊息,所以BCH的傳輸速率並不高。
FACHForward Link Access Channele傳輸資料或控制訊息,單向DownLink傳輸。 FACHPCHPaging Channel﹞一樣都是透過Physical ChannelS-CCPCHSecondary-Common Control Physical Channel﹞來傳送資料的。它可以獨立使用一個S-CCPCH或是與PCH共用S-CCPCH。由於FACH並不需要先建立一個Dedicated的連線,也沒有支援快速功率控制﹝Fast Power Control﹞,所以當無線網路收到使用者透過RACH傳送的訊息,可以透過FACH傳送低速率的回應訊息給使用者通訊設備。如同BCH一樣,為了可以讓所有在無線通訊網路中的通訊設備都可以接收並解碼FACH的資料,FACH通道的傳輸速率並不高。
DSCHDownlink Shared Channel
e傳輸資料或控制訊息,單向DownLink傳輸。可用來傳輸給指定或一組使用者資料或控制訊息,它的用途類似FACH,不過不同的是它支援了快速功率控制﹝Fast Power Control﹞,並可以根據使用情況動態改變Frame的傳輸速率。由於DSCH不像FACHBCH需要讓整個Cell的用戶都收到訊息,所以說可以提供較為充分彈性的傳輸速率。
PCHPaging Channel
e傳輸控制訊息,單向DownLink傳輸。當無線網路要與使用者的通訊設備建立一個連線時,就會透過PCH來傳送訊息﹝例如:有人撥電話給該使用者﹞。根據系統規劃上的不同,可以針對使用者目前所在的Cell送訊息,或是對一群Cell送訊息。
屬於實體層部分的Physical Channel
WCDMA與目前使用的GSM有一個明顯的不同就是,GSM系統只能在同一時間選擇傳送語音或是數據資料,而WCDMA而可以透過實體層的Channel,來同時傳送一個以上的通訊管道,藉以傳送語音或是資料封包。所以,WCDMA的實體層Channel架構將會是了解它如何提供如此多樣化服務的必備知識,接下來我們就以此為主軸來加以介紹。
圖﹝六﹞,實體層所包含的Channel與傳輸方向
DPDCHDedicated Physical Data Channel﹞與
DPCCHDedicated Physical Control Channele
DPDCHDPCCH均為雙向傳輸,負責傳送使用者的資料與控制訊息。專供特定一位使用者與無線網路端資料傳送用,可以動態地改變傳輸速率。一個DPDCH可以包含多個DCH,傳送一個以上的語音或是資料封包連線。每個DPDCH都會伴隨著一個DPCCH來傳送控制訊息。
如圖﹝七﹞所示,在UpLink的傳輸時,是透過Dual-Channel QPSK把實際的使用者資料與控制訊息分別透過DPDCHDedicated Physical Data Channel﹞與DPCCHDedicated Physical Control Channel﹞傳輸,通常UpLink會有一個固定展頻碼﹝Spreading Factor﹞的DPCCH傳送控制訊息與一個或一個以上不同展頻碼的DPDCH來傳送使用者的資料。
圖﹝七﹞,DPDCHDPCCH UpLinkFrame結構
DPCCHPILOT欄位主要是提供給基地台用來判斷目前接收的ChannelTFCI欄位,可以用來指示每個傳輸Frame中的DPDCH,所使用的資料傳輸速率﹝透過改變展頻碼﹞。如果TFCI資料沒有接收正確的話,就會導致DPDCH的資料損毀,每個TFCI都會隨著它目前所指定的DPDCH傳送出去,所以說如果TFCI損毀的話,只會影響到目前的DPDCH。如果沒有TFCI欄位的話,傳輸時就會使用固定展頻碼,維持一定的傳輸速率,透過TFCI的好處就是可以維持一個動態的展頻碼與傳輸速率。TPC欄位,用來指示DownLink部分傳輸功率控制﹝Power Control﹞命令。
UpLink部分,可以藉由一個以上的DPDCH管道,在每個管道使用不同的展頻碼,提高傳送速率到2Mbps,不過提供了多個編碼管道可是會造成UE功率上的消耗,而犧牲了電力供給的持久性。
基地台端會查看DPCCH的欄位,透過PILOT欄位根據Slot來加以區隔DPDCH,並且依據TPC欄位的命令修正DownLink部分的連線功率。針對每個 Frame來取得DPCCHTFCI欄位,以便獲得DPDCH傳輸速率相關資訊。
如圖﹝八﹞所示,在DownLink傳輸DPDCH時,有一部份的時間會用來傳輸DPCCH的控制訊息,由於使用了QPSK的編碼,相較於UpLunk部分採用的Dual-Channel QPSKUpLinkDPDCH等於使用了BPSK的編碼方式來傳輸,因此DownLink部分的DPDCH可以擁有較高的資料傳輸速率﹝請參閱前期文章﹞。
圖﹝八﹞,DPDCHDPCCH DownLinkFrame結構
如下圖﹝九﹞所示,為DPDCHDPCCHUpLinkDownLink的運作示意圖。
圖﹝九﹞,WCDMA FDD Mode DPDCHDPCCH UpLinkDownLink的運作示意圖
PCPCHPhysical Common Packet Channele單向UpLink傳輸,負責傳遞CPCH的資料。當需要增加UpLink的傳輸速率時,可以透過增加PCPCH的方式,來傳遞使用者的資料。
PCPCH的配置與運作流程如下圖﹝十﹞所示,PCPCH會先透過傳送Access Preamble的方式,決定所要使用的傳輸功率,之後透過CD/CA偵測碰撞訊息,最後傳輸相關能量控制訊息後,才進行真正的PCPCH資料傳輸。在建立PCPCH的傳輸後,基地台控制訊息會透過DownLinkDPCCH傳遞給UE端。
圖﹝十﹞,PCPCHAICH 傳輸流程
如下圖﹝十一﹞所示,PCPCH的控制訊息分別會透過UpLinkDual-Channel QPSK傳送,與DownLink部分透過DPCCH傳送。
圖﹝十一﹞,PCPCH Frame的結構
CD/CA-ICH Collision Detection/Channel Assignment Indicator Channele進行PCPCH傳輸流程時所會使用到的Channel,用來傳輸DownLink的控制信號,展頻碼固定為256。傳回碰撞偵測與通訊管道配置訊息給UE
CSICH CPCH Status Indicator Channele進行PCPCH傳輸流程時所會使用到的Channel,用來傳輸DownLink的控制信號。利用了AICH未被使用的部分來傳遞資料,可以用來顯示現在每一個實體層的PCPCH的使用狀態,以便於讓使用者端選擇一個目前尚未被使用的PCPCH,或是經由系統指定使用一個未被使用的PCPCH,與AP-AICH使用共同的展頻碼。
圖﹝十二﹞,CSICH Frame的結構
PRACHPhysical Random Access Channele單向UpLink傳輸,負責傳遞RACH的資料。使用者的無線通訊設備可以透過P-CCPCH取得BCH傳送的資訊,透過這些資訊可以知道目前可用的PRACH資源與所使用的擾碼﹝Scrambling Code﹞,之後由使用者的通訊設備選擇一個PRACH資源來使用。如下圖﹝十三﹞所示,首先透過PRACH傳送Preamble的資訓給基地台端,如果基地台有收到UE送出的PRACH資訊,基地台就會透過AICH回應,如果UE沒有收到AICH的資訊,就會把PRACH的傳送能量調高後,再重新傳送給基地台端,直到基地台收到UE所送出的PRACH資訊,並且成功回應AICH
圖﹝十三﹞,PRACHAICH 傳輸流程
如下圖﹝十四﹞所示,PRACH透過透UpLink來傳輸資料與關於實體層的控制訊息。
圖﹝十四﹞,PRACH Frame結構
PDSCHPhysical Downlink Shared Channele單向DownLink傳輸,負責傳遞DSCH的資料,可使用4—256的展頻碼﹝Spreading Factor﹞,當DownLink資料傳輸速率要增加時,可以透過PDSCH來增加DownLink部分的資料傳輸速率。而且在同一個Cell當中,可以針對不同的使用者配置多個PDSCH。不過PDSCH所傳送的Frame必須要伴隨著DPCH (DPCCH/DPDCH)來傳輸,PDSCH所使用的控制訊息,會透過所伴隨的 DPCCH來傳遞,所以PDSCH支援TFCITPC欄位的控制訊息,因此可以隨著每個Frame的傳遞來調整傳輸速率並且支援快速能量控制﹝Fast Power Control﹞,以提供較高的傳輸速率。
PDSCH主要是用在短時間內傳輸大量資料的情況,在沒有PDSCH的情況下,系統面對這樣的需求時,需要使用額外的展頻碼以增加通訊管道,來擴充傳輸的速率,不過有了PDSCH之後,系統在傳輸短時間的資料時,就可以透過PDSCH來傳輸,以增加系統運作上的效率。
此外,為了確保UE接收PDSCH資料時不會增加比對上的問題,PDSCH的資料會在DPCCH控制資訊接收後,318Slot內送達,如下圖﹝十五﹞所示
圖﹝十五﹞,PDSCH  DPCHDPCCH+DPDCH﹞的Timing
P-CCPCHPrimary-Common Control Physical Channele單向DownLink傳輸,負責傳遞BCH的資料,為了能夠讓所有Cell內的UE都可以接收並解調P-CCPCH的資料,它使用固定的展頻碼﹝通常為256﹞,與較低的傳輸速率,並且透過較高的能量來傳遞。如下圖﹝十六﹞所示,在P-CCPCH傳遞資料時,會先持續256 ChipsIdle時間後,才傳遞資料。
圖﹝十六﹞,P-CCPCH Frame結構
P-CCPCH的資料是很重要的,必須要確保所有的通訊設備都可以收到該訊息,如果使用者的通訊設備收不到P-CCPCH的資料,就無法透過BCH取得重要的系統資訊。
S-CCPCHSecondary-Common Control Physical Channele單向DownLink傳輸,負責傳遞PCHFACH的資料,這些不同的上層資料,可以透過同一個或是個別的S-CCPCH來傳遞。如同P-CCPCH的情形,S-CCPCH同樣也是屬於低速率的通訊管道,可以透過修改系統的參數來增加S-CCPCH傳輸的速率,或是把PCH的資料另外透過PICHPaging Indicator Channel﹞來傳遞,以增加系統的效能。
如下圖﹝十七﹞所示,為S-CCPCH的資料結構,S-CCPCH並沒有TPC欄位,不過與P-CCPCH相比多了TFCIPILOT欄位,所以說S-CCPCH可以支援多種的傳輸速率,而P-CCPCH只能提供固定的傳輸速率。
圖﹝十七﹞,S-CCPCH Frame結構
CPICH Common Pilot Channele用來傳輸DownLink的控制信號,展頻碼固定為256 CPICH在每個區域都會採用不同的擾碼﹝Scrambling Code﹞,主要提供給UE偵測DedicatedChannelCPICH可以分為兩類,Primary CPICH具有固定的展頻碼,在一個通訊區域裡只會有一個Primary CPICH,但會有零個或是零個以上的Secondary CPICH
如下圖﹝十八﹞所示,為CPICHFrame結構,在同一區域中傳輸CPICH時會透過兩個天線傳輸同樣展頻碼與同樣擾碼的資料,不過這兩個天線索傳送的資料會具有不同的預定順序符號﹝Pre-Define Symbol Sequence﹞,以便於讓UE可以選擇出訊號品質較好的天線,以進行DedicatedChannel資料傳輸。
圖﹝十八﹞,CPICH Frame結構
如果在一個通訊範圍內,有某個區域的無線通訊資源需求很強烈,就可以提供Secondary CPICH給該區域,以便於提供更多屬於Dedicated的通訊管道給該區域使用。
SCHSynchronisation Channele用來傳輸DownLink的控制信號。WCDMA提供的SCH同步管道共有兩類,分別為P-SCHPrimary Synchronisation Channel﹞與S-SCHSecondary Synchronisation Channel﹞。所有CellP-SCH的展頻碼固定為256,當UE可以解調出P-SCHS-SCH資料時,就表示已經達到Frame與每個Slot間的同步了,並且可由S-SCH獲得目前該Cell所採用的Scrambling Code群組。
如圖﹝十九﹞所示,Secondary SCH所傳送的資料可由ik兩個數值來區隔,i代表了從0—63個不同的Scrambling Code群組,k則代表了0—14Slot編號。手機可以透過Secondary SCH取得目前所要使用的Scrambling Code群組,之後再由該群組中找出目前使用的Scrambling Code,以便於解出BCH的資料,獲得系統的廣播訊息。

圖﹝十九﹞,Synchronisation Channel 結構說明
PICHPaging Indicator Channele用來傳輸DownLink的控制信號。PICH的展頻碼為256,基地台端所傳送的PICH資訊可以被全部Cell中的使用者通訊設備接收,因此PICH屬於低速的通訊管道。如下圖﹝二十﹞所示,上層的PCH資料會透過S-CCPCH來傳送,而PICH主要的目的是與PCH搭配,當使用者通訊設備與無線網路端註冊後,系統就會把使用者歸類到某一個特定的Paging群組,如果使用者通訊設備偵測到PICHPIPaging Indicator﹞欄位是自己所屬的Paging群組,就會開始去解碼S-CCPCH上的PCH資料,來查看是否有通話的訊息送給該使用者。
圖﹝二十﹞,PICHS-CCPCHTiming
如下圖﹝二十一﹞所示,代表PI值的欄位共有288 Bits,可以代表183672144PI值。
圖﹝二十一﹞,PICHFrame結構
假如288 Bits可代表36PI值,那所有在這通訊範圍內的手機就會被分屬於這36PI值,而每個PI值的長度就是為8Bits,如下圖﹝二十二﹞所示,假如現在屬於第NPI的使用者有Paging訊息的話,那第N PI值就會為{-1,-1, -1, -1, -1, -1, -1, -1},如果沒有Paging訊息要傳給該PI的使用者的話,那PI值就會為{+1,+1,+1,+1,+1,+1,+1,+1}。每個UE端都會去查看自己所屬的PI值欄位,是否有要傳給他的Paging訊息,有的話就會去解出之後的PCH資料。同理,如果288 Bits代表72144PI值的話,那每個PI值長度就分別為42Bits
圖﹝二十二﹞,PI的組成
AICH Acquisition Indicator Channele用來傳輸DownLink的控制信號。AICH的展頻碼為256,基地台端所傳送的AICH資訊可以被全部Cell中的使用者通訊設備接收,AICH屬於低傳輸速率且不具備能量控制﹝Power Control﹞的通訊管道。在使用PRACH傳輸資料時,AICH主要是在基地台端收到PRACHPreamle資料後,針對UE送出PRACH接收順序的資訊。
如下圖﹝二十三﹞所示,為AICHFrame結構。

圖﹝二十三﹞,AICH Frame結構
最後,我們以手機啟動後,搜尋Cell的程序作為例子,說明這些Channel運作的流程。
首先,UE端會透過目前所在區域的Primary SCH所取得的Slot進行同步,之後搜尋Secondary SCH來進行Frame的同步與取得目前使用的Scrambling Code群組,之後再把Scrambling Code群組中含有的8Primary Scrambling Code拿來與CPICH驗證,都用來解CPICH的資料,找出可用的Scrambling Code。取得目前所使用的Scrambling Code之後,就可以解出P-CCPCH的資料內容,並且可以取得BCH的內容,這樣整個系統相關的資訊就都可以得知了。
四,結語
下期的文章,我將針對無線介面的通訊協定作一個介紹。如果各位對於這次的文章有任何問題,歡迎與我聯繫。
我的E-Mail: hlchou@gmail.com