WCDMA/UMTS 第三代無線通訊系統 無線技術介紹﹝2﹞

Posted by Lawpig on 5月 31, 2017 | No comments

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﹝PHY，Physical 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 2的MAC﹝Media Access Control﹞、RLC﹝Radio Link Control﹞、PDCP﹝Packet Data Control Protocol﹞與BMC﹝Broadcast 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 3的RRC﹝Radio Resource Control﹞。

PDCP、BMC與RRC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 Channel，MAC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 Channel與Logical 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，BSC﹝BaseStation 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，RNC﹝Radio 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UE到RNC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IuPS與IuCS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”的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” 的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 Channel﹝BCH﹞、Paging Channel﹝PCH﹞、Forward Access Channel﹝FACH﹞與Downlink Shared Channel﹝DSCH﹞。

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﹝BaseStation到UE﹞，右邊的為UpLink﹝UE到BaseStation﹞，由上而下就是屬於RLC提供的Logical Channel、MAC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

DCCH﹝Dedicated 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。

DTCH﹝Dedicated 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。

CCCH﹝Common 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 Channel的FACH﹝Downlink﹞與RACH﹝UpLink﹞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。

CTCH﹝Common 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。

BCCH﹝Broadcast 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。

PCCH﹝Paging 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

DCH﹝Dedicated Channel﹞e傳輸資料訊息，雙向傳輸。

是Transport Channel 中唯一屬於Dedicated的Channel，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的 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。

CPCH﹝Common 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。

RACH﹝Random Access Channel﹞e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。

BCH﹝Broadcast 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。

FACH﹝Forward Link Access Channel﹞e傳輸資料或控制訊息，單向DownLink傳輸。 FACH與PCH﹝Paging Channel﹞一樣都是透過Physical Channel的S-CCPCH﹝Secondary-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。

DSCH﹝Downlink 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FACH與BCH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。

PCH﹝Paging 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

DPDCH﹝Dedicated Physical Data Channel﹞與

DPCCH﹝Dedicated Physical Control Channel﹞e

DPDCH與DPCCH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DPDCH﹝Dedicated Physical Data Channel﹞與DPCCH﹝Dedicated 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﹞，DPDCH與DPCCH UpLink的Frame結構

DPCCH的PILOT欄位主要是提供給基地台用來判斷目前接收的Channel。TFCI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。

在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DPCCH的TFCI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 QPSK，UpLink的DPDCH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﹞，DPDCH與DPCCH DownLink的Frame結構

如下圖﹝九﹞所示，為DPDCH與DPCCH在UpLink與DownLink的運作示意圖。

圖﹝九﹞，WCDMA FDD Mode DPDCH與DPCCH在 UpLink和DownLink的運作示意圖

PCPCH﹝Physical Common Packet Channel﹞e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DownLink的DPCCH傳遞給UE端。

圖﹝十﹞，PCPCH與AICH 傳輸流程

如下圖﹝十一﹞所示，PCPCH的控制訊息分別會透過UpLink以Dual-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 Channel﹞e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 Channel﹞e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

PRACH﹝Physical Random Access Channel﹞e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﹞，PRACH與AICH 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

PDSCH﹝Physical Downlink Shared Channel﹞e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TFCI與TPC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，3到18個Slot內送達，如下圖﹝十五﹞所示

圖﹝十五﹞，PDSCH 與 DPCH﹝DPCCH+DPDCH﹞的Timing

P-CCPCH﹝Primary-Common Control Physical Channel﹞e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 Chips的Idle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-CCPCH﹝Secondary-Common Control Physical Channel﹞e單向DownLink傳輸，負責傳遞PCH與FACH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PICH﹝Paging 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TFCI與PILOT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 Channel﹞e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Dedicated的Channel。CPICH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CPICH的Frame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Dedicated的Channel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。

SCH﹝Synchronisation Channel﹞e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-SCH﹝Primary Synchronisation Channel﹞與S-SCH﹝Secondary Synchronisation Channel﹞。所有Cell的P-SCH的展頻碼固定為256，當UE可以解調出P-SCH與S-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i與k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—14個Slot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

PICH﹝Paging Indicator Channel﹞e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PICH的PI﹝Paging 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﹞，PICH與S-CCPCH的Timing

如下圖﹝二十一﹞所示，代表PI值的欄位共有288 Bits，可以代表18、36、72與144個PI值。

圖﹝二十一﹞，PICH的Frame結構

假如288 Bits可代表36個PI值，那所有在這通訊範圍內的手機就會被分屬於這36個PI值，而每個PI值的長度就是為8個Bits，如下圖﹝二十二﹞所示，假如現在屬於第N個PI的使用者有Paging訊息的話，那第N個 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72或144個PI值的話，那每個PI值長度就分別為4或2個Bits。

圖﹝二十二﹞，PI的組成

AICH ﹝Acquisition Indicator Channel﹞e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PRACH的Preamle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AICH的Frame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8個Primary 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