3.1 WCDMA空中接口的信道

3.1.1 信道与WCDMA空中接口

信道是空中接口的基本结构与功能单位，为了完成通信任务需要空中接口多种信道的配合。WCDMA空中接口使用了多种信道，这些信道分为逻辑信道、传输信道和物理信道三大类，各个信道与空中接口各个部分之间的关系如图3.1所示，图3.1可以看成图2.7的扩展。

从上到下看图3.1，在L3与L2之间，根据信令与业务数据的不同，也就是控制面与用户面的不同，WCDMA空中接口分别建立了信令无线承载SRB和业务无线承载RB，对应UE与核心网之间的连接，保证UE与核心网之间信令与业务数据的正确传送。与核心网的信令连接建立在终端与SRNC之间RRC连接（即信令连接）之上，而RRC连接通过信令无线承载SRB来体现。

在L2的RLC子层与MAC子层之间，WCDMA空中接口定义了各种逻辑信道，这些逻辑信道类型分为控制信道和业务信道。信令无线承载SRB和业务无线承载RB分别映射到不同的逻辑信道上，所谓映射可以理解为经过处理后进行拼装组合的过程。

在L2层与L1层之间，WCDMA空中接口定义了各种传输信道，这些传输信道分为专用传输信道和公共传输信道两类。从命名上不难看出，传输信道进行了复用，把来自不同逻辑信道的信息组合起来。传输信道在Node B与RNC之间的Iub接口上传输信息。

在L1层，WCDMA空中接口定义了各种物理信道，这些物理信道分为专用物理信道和公共物理信道。传输信道的内容分别映射到对应的物理信道中，物理信道在UE与Node B之间传输信息。

综合上述内容，WCDMA空中接口的信道与WCDMA无线网络设备的关系如图3.2所示。

3.1.2 信道类型与信道映射

1.逻辑信道

WCDMA空中接口中根据传输的信息类型定义了多种逻辑信道，这些逻辑信道类型分为控制信道和业务信道。控制信道包括广播控制信道（BCCH）、寻呼控制信道（PCCH）、专用控制信道（DCCH）和公共控制信道（CCCH）；业务信道包括专用业务信道（DTCH）和公共业务信道（CTCH）两种，其中CTCH信道用于小区广播业务。

逻辑信道可以理解为处理实体的标签，UE和SRNC根据逻辑信道的类型可以将信息发送到相应的处理实体中。

2.传输信道

传输信道（TrCH）是物理层提供给MAC子层的服务接入点，是MAC子层处理的结果，复用了逻辑信道的内容。每个传输信道上都定义了信道上传送信息的格式。

根据信息传输的方式和特点，传输信道可分为两大类：公共传输信道和专用传输信道，这两类传输信道对UE的寻址方式不同。引入传输信道可以提高RNC与Node B之间信息传输的效率。

表3.1列出了R6版本商用网络中WCDMA空中接口的传输信道及可承载的逻辑信道。

公共传输信道包括广播信道（BCH）、寻呼信道（PCH）、前向接入信道（FACH）、随机接入信道（RACH）以及R5中引入的高速下行共享信道（HS-DSCH）。

BCH是一个下行传输信道，用于广播系统或特定小区的信息。BCH覆盖整个小区，并且使用固定的传输格式。

PCH是一个下行传输信道，用于在整个小区广播寻呼消息。为了支持终端的睡眠模式，PCH信道上的信息是和寻呼指示（PI）一起传输的。

FACH是一个多用户共享的下行传输信道，可以承载信令及少量的分组数据。

RACH是一个多用户共享的上行传输信道，有相互碰撞的可能性，为此RACH引入了功率递增过程。

HS-DSCH是一个多用户共享的下行传输信道，用于承载HSDPA的用户业务数据。

专用传输信道包括专用传输信道（DCH）和R6引入的增强专用传输信道（E-DCH），一个专用传输信道上承载一个用户的业务数据。

专用传输信道DCH分为上行DCH和下行DCH，用于承载R99的用户业务数据。

E-DCH是一个上行传输信道，用于承载HSUPA的用户业务数据。

3.物理信道

WCDMA空中接口中的物理信道从技术上定义为一个特定的载频、扰码、信道化码和一个上行I/Q相位（0或π/2）的组合。如果说得更清晰些，物理信道代表调制方式（QPSK和16QAM）以及码分信道（扩频码和扩频因子）和加扰方式（扰码）等参数的组合。

物理信道从时间上分为以下两个层次。

● 时隙：时隙是物理信道的基本时间单位。一个时隙包含2560个码片，码率为3.84 Mcps。由于使用不同的扩频因子，一个时隙可以传送不同数量的信息比特。

● 无线帧：一个无线帧包含15个时隙，共38400个码片，时长为10 ms。每个无线帧用SFN（System Frame Number，系统帧号）编号，从0～4095循环。

无线帧与时隙的关系如图3.3所示。WCDMA空中接口上每秒可传送100个无线帧，包含1500个时隙。

在R5以后，WCDMA空中接口还引入了子帧的概念，应用于HSDPA和HSUPA的业务与调度。一个无线帧中每3个时隙构成一个子帧，每个子帧的时长为2 ms，这样每个无线帧中包含5个子帧。

在WCDMA空中接口中还定义了接入时隙，每两个无线帧之间有15个接入时隙，每个接入时隙包含5120个码片，相对的每个接入时隙的时长就是普通时隙的2倍了。接入时隙主要用于终端接入和接入指示信息的发送，无线帧与接入时隙的关系如图3.4所示。

物理信道的内容默认是连续传输的，但有时为了适应某些信道的特点或节约系统资源，会进行不连续传输，如PCH的非连续发送（DTX）及接收（DRX）。

物理信道分为下行和上行两种物理信道。下行或上行物理信道又分为公共和专用两种类型，公共物理信道是多个UE共用的，而专用物理信道是每个UE独享的。表3.2列出了R6版本商用网络中WCDMA空中接口的物理信道及功能。从表3.2中可以看到，物理信道的种类非常多，除了承载传输信道的物理信道外，还包括提供相位参考、小区搜索信息和传送各种指示以及控制信息的物理信道。

4. 信道映射

从表3.1我们不难发现逻辑信道与传输信道之间的映射关系不是简单的一对一关系。为了方便读者直观理解逻辑信道与传输信道之间的映射关系，图3.5反映了从UE侧看到的逻辑信道和传输信道之间的映射关系，图中箭头代表信息传送的方向。从UTRAN侧看到的映射关系与图3.5类似，只是箭头的方向调整一下。图3.5还体现了传输信道的复用效果，基本上是一对多的关系。

和逻辑信道与传输信道之间的映射关系不同，传输信道与物理信道之间的映射关系基本上是一对一的关系，也就是每个传输信道都有相应的物理信道来承载。图3.6反映了从UE侧看到的传输信道和物理信道之间的映射关系，图中箭头代表信息传送的方向。从UTRAN侧看到的映射关系与图3.6类似，只是箭头的方向调整一下。

图3.5和3.6只反映了R99版本的信道映射关系，R5和R6版本的映射关系是在R99基础上的简单叠加，读者不难自行添加相应的信道映射关系。

3.1.3 下行物理信道

从表3.2可以看到，WCDMA空中接口的下行物理信道很多，本小节主要介绍其中与无线网络设计与优化密切相关的信道，包括公共导频信道、公共控制物理信道、专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阅参考书《WCDMA空中接口技术》。

1.公共导频信道（CPICH）

CPICH是一个固定速率的公共下行物理信道，比特率为30 kbps，扩频因子SF=256，承载一个预先定义好的比特/符号序列。图3.7所示为CPICH信道的帧结构。

公共导频信道分两种：主公共导频信道（P-CPICH）和辅助公共导频信道（S-CPICH）。辅助公共导频信道（S-CPICH）目前系统中一般不使用，因此主公共导频信道也简称为导频信道CPICH。

导频信道有以下特点：

● 导频信道采用的信道化码为；

● 导频信道使用主扰码；

● 每个小区有且只有一个导频信道。

导频信道是其他物理信道的相位参考点，这些信道包括同步信道（SCH）、主公共控制物理信道（P-CCPCH）、俘获指示信道（AICH）及携带PCH的辅助公共控制物理信道（S-CCPCH）。

在WCDMA空中接口中导频信道也是其他下行物理信道的功率参考点，作为这些物理信道功率设置的基准。一旦导频信道的功率发生改变，所有下行物理信道的功率都将发生改变，可谓牵一发动全身。

此外，由于导频信道是连续发射的，因此还作为终端监测小区信号强度以及信号质量的参考源，用于小区选择、小区重选、切换及功率控制等机制。

2. 公共控制物理信道（CCPCH）

公共控制物理信道分为主公共控制物理信道P-CCPCH和辅助公共控制物理信道S-CCPCH两类，分别用于承载BCH传输信道以及FACH和PCH传输信道，这里只介绍S-CCPCH。

S-CCPCH信道使用主扰码，其帧结构如图3.8所示，包括导频比特Pilot、数据Data及可选的传输格式组合指示TFCI，其中数据部分就是S-CCPCH上承载的传输信道的内容。导频比特、数据部分以及TFCI的不同长度组合对应S-CCPCH的一种格式，S-CCPCH有多种的格式。

S-CCPCH的扩频因子是可变的，由图3.8中的参数k（取值范围为0～6）决定，S-CCPCH的扩频因子为256/2k，也就是S-CCPCH的扩频因子取值范围是4～256。因此每个S-CCPCH时隙可以传20～1280 bit信息。S-CCPCH根据不同的扩频因子可以选用不同级数的信道化码。

S-CCPCH物理信道与P-CCPCH物理信道的主要区别是：映射到P-CCPCH上的传输信道仅可以使用固定的传输格式组合，而S-CCPCH则可以使用TFCI来支持多种传输格式组合；此外WCDMA空中接口只有一个P-CCPCH物理信道，然而可以设置多个S-CCPCH物理信道。

目前商用系统至少配置了2个S-CCPCH物理信道，其中一个专门用来承载PCH传输信道，一个专门用来承载FACH传输信道。

3. 专用下行物理信道（DPCH）

WCDMA空中接口的专用下行物理信道只有一种，即DPCH。在下行DPCH信道上，L2及上层产生的专用数据以时分复用的方式与物理层产生的控制信息（如导频比特、TPC命令以及一个可选的TFCI指示）一起传输。因此，一个下行DPCH可以看做一个承载数据的下行DPDCH和一个承载物理层控制信息的下行DPCCH进行时分复用后的产物。这样做可以减少对下行信道化码的需求，提高空中接口的容量。

图3.9所示为下行DPCH物理信道的结构，其无线帧的时隙分为多个部分，其中Data1和Data2部分的内容就是DPDCH物理信道的内容，承载数据；而TPC（发送功率控制）、TFCI（传输格式）和Pilot（导频）三部分是DPCCH物理信道的内容，虽然没有承载数据，但是承载了DPDCH物理信道正常工作所必须的控制信息，因此下行DPDCH和DPCCH物理信道合称为下行DPCH信道，而Data1，Data2，TPC，TFCI和Pilot统称为DPCH信道上的信息。

图3.9中，参数k（取值范围为0～7）决定了每个下行DPCH时隙的信息比特数，一共分为8种类型，对应信息比特数从10比特到38400比特。参数k还决定了下行DPCH物理信道的扩频因子SF，有SF=512/2k，所以下行DPCH物理信道SF的取值范围是4～512。

数据、导频比特、TPC命令以及TFCI指示的不同组合长度对应下行DPCH的一种格式，下行DPCH有非常多的格式。

4. 高速共享下行物理信道（HS-PDSCH）

HSDPA的业务数据通过下行HS-PDSCH物理信道来传输。HS-PDSCH（High Speed Physical Downlink Shared Channel，高速下行共享物理信道）专门用于承载高速的分组数据，其结构如图3.10所示。

HS-PDSCH信道以2 ms的子帧为单位，每个子帧对应无线帧3 个时隙的长度。HS-PDSCH信道的格式是固定的，其扩频因子SF=16，比特率为480 kbps（采用QPSK调制）或960 kbps（采用16QAM调制），也就是每个子帧可以发送960 bit（采用QPSK调制）或1920 bit（采用16QAM调制）的数据。

一个小区可以配置多个HS-PDSCH信道，最多可以配置15个HS-PDSCH信道，这些HS-PDSCH信道采用不同的信道化码来区分，可以分属不同的用户。

3.1.4 上行物理信道

上行物理信道分为专用上行物理信道、随机接入物理信道（PRACH）和公共上行物理信道。

1. 专用上行物理信道（DPCH）

专用上行物理信道DPCH分为专用物理数据信道（DPDCH）和专用物理控制信道（DPCCH）两种信道，DPDCH用于承载传输信道上的信息，DPCCH用于承载物理层产生的控制信息。DPCCH与DPDCH信道码分复用，这样可以传输更多的信息。图3.11所示为专用上行物理信道的帧结构。

DPDCH的扩频因子是可变的，由图3.11中的参数k（取值范围0～6）决定，DPDCH的扩频因子SF为256/2k，也就是DPDCH的扩频因子取值范围是4～256。因此每个DPDCH时隙可以传10～640 bit信息。

DPCCH的扩频因子固定为256，每个DPCCH时隙固定传10 bit信息，这10 bit信息分为包括导频比特、传输功率控制（TPC）命令、反馈信息（FBI）及传输格式组合指示（TFCI），每个部分长度可以灵活变化，不同长度的组合对应了DPCCH的不同格式。

2. 随机接入物理信道（PRACH）

随机接入物理信道用于终端的随机接入，WCDMA空中接口的随机接入基于有快速接入指示时隙的ALOHA方式，UE可以在某一个接入时隙开始随机接入传输。随机接入传输结构如图3.12所示，由一个或多个长度为4096个码片的接入前导（Preamble）部分和一个长度为10 ms或20 ms的消息部分组成。10 ms的消息部分占用一个无线帧，而一个20 ms的消息部分占用2个连续无线帧。现网中消息部分的长度通常等于20 ms。

接入前导部分由多个接入前导组成，每个前导包含有4096 个码片，由一个16 阶的Walsh码经过256次重复后得到。一个小区最多有16个Walsh码可以选用，称为特征码，详细过程参见4.3.2节。

图3.13给出了随机接入消息部分的帧结构，消息部分由两部分组成：其一为数据部分，承载RACH传输信道；其二为控制部分，用于携带物理层产生的控制信息。数据和控制部分是码分并行传输的。

数据部分包含10×2k比特，其中k=0～3，分别对应256～32的扩频因子，使用相应阶数的信道化码。

控制部分扩频因子固定为256，使用256阶的信道化码。控制部分包含8个导频比特，以支持相干解调。控制部分还有2 bit的TFCI，用来指明RACH传输信道的传输格式。因此，在一个随机接入消息中总共有15×2=30 bit的TFCI信息。如果RACH消息部分为20 ms的话，TFCI在第2个无线帧中重复。

与DPCCH相比，主要差别是控制部分没有TPC部分，这是由于相应的下行信道ALCH不进行功率控制。

3. 增强上行专用物理信道（E-DPCH）

E-DPCH信道是用来承载HSUPA业务数据的物理信道，其结构与上行DPCH信道结构非常类似，如图3.14所示。

如同上行DPDCH信道，E-DPCH信道也分为增强专用物理数据信道（E-DPDCH）和增强专用物理控制信道（E-DPCCH）两种信道，其中E-DPDCH用于承载HSUPA的业务信息，而E-DPCCH用于承载HSUPA的业务控制信息。

E-DPDCH信道的扩频因子SF也是可变的，E-DPDCH的扩频因子取值范围是2～256，这样就增加了每个时隙承载的数据量，从而可以提高上行速率。另外，在HSUPA中，最多允许并发4个E-DPDCH信道。

E-DPCCH信道的扩频因子也固定为256，可承载10 bit的信息，这些信息与DPCCH信道上承载的功控及格式信息是不一样的，是专门用于HSUPA业务的信息。