3.2 WCDMA空中接口的信息处理

WCDMA空中接口处理的信息主要是与用户相关的信令信息和业务信息。

信令信息主要来自第三层，这些信令都通过SRB来承载。

业务信息也就是RAB所承载的业务内容。RAB在第2 章中已经做过简要说明，是UTRAN的业务处理以及管理的单位。不同的RAB定义了不同的属性，一般系统支持几种典型的RAB，例如，AMR12.2，CS64，PS64和HSDPA等。RAB反映在空中接口上就是RB所承载的业务内容。

3.2.1 信息处理流程

从业务流的角度看，UE发出的业务信息经过RB→逻辑信道→传输信道→物理信道的处理过程，变成信号通过无线电波发射出去；信号被基站接收到后，经由物理信道→传输信道，通过传输网络送到SRNC，SRNC执行传输信道→逻辑信道→RB的处理过程，再将承载业务信息的RB转换为Iu承载，通过传输网络送到核心网CN，构成一个完整的RAB，完成RAN的任务。整个过程如图3.15所示。

图3.15也反映了信息的处理过程。在信息处理过程中，我们发现信道复用的情况无处不在：既可以是从逻辑信道复用到传输信道，也可以是从传输信道复用到物理信道。

图3.15中业务信息处理过程涉及业务信息的分段过程，发生在RLC子层，其结果由逻辑信道体现；业务信息的复用过程，主要发生在MAC子层，其结果由传输信道体现；信道编码过程，发生在物理层，其结果由物理信道体现；物理信道上信息最后再进行扩频加扰和调制过程。其中在信息分段过程与复用过程中，业务信息可被加密。

反过来，核心网CN发出的业务信息，只需在图3.15中改变信息流动的方向，经过相反的路径，最终到达UE，其处理过程就不再赘述了。

另外，信令信息（对应SRB）也是采用业务信息同样的处理路径，因此其处理流程也可以通过图3.15体现出来。

3.2.2 信息分段过程

RLC子层的一大任务是实现点到点的数据可靠传输，这就是链路层的主要任务。与其他通信系统一样，点到点数据的可靠传输通过将数据分段和数据重传实现。数据分段后，发生错误后需要重发的部分较少，从而提高了重传的效率。

RLC子层与PHS空中接口的LAPDC协议和GSM的LAPDm协议有许多类似之处。例如，在PHS空中接口，其链路层的数据单位（PDU）中数据部分的长度为168 bit；在GSM空中接口，其链路层PDU中数据部分的长度为160 bit。而在WCDMA空中接口中，其链路层PDU中数据部分的长度为320 bit，引入HSDPA后，可以提升到640 bit。

数据分段对应RLC子层信息的分段及重组过程。数据分段以单位时间内的数据量为衡量标准，RLC子层在单位时间内处理来自RB/SRB的数据块，将其按单位长度切分，实现数据分段。该单位时间就是RLC子层工作的一个重要参数：传输时间间隔（Transmission Time Interval，TTI），R99中TTI长度可以取10 ms、20 ms、40 ms或80 ms，HSDPA将其缩短为2 ms。

由于RLC子层不光为业务信息RB的传输服务，也为信令信息SRB的传输服务，不同类型的信息对传输QoS的要求不一样，因此，RLC子层分为3种工作模式：TM，UM和AM。

在透明传输TM的工作模式下，RLC子层只对TTI内RB的信息进行分段和重组。TM工作模式处理延时最少，因此用于语音业务等实时性要求高的业务。语音业务的RAB每20 ms产生最大长度为103 bit的数据块，由于数据块长度比RLC层的单位长度还小，RLC子层直接将其发送到DTCH逻辑信道上，不做任何处理。从这个角度看，对语音业务来说，RLC子层的处理是被旁路掉的。除了语音业务外，视频电话业务、某些RRC信令以及系统信息和寻呼消息都采用了TM的工作模式。

非确认UM工作模式主要用于传送RRC的信令，不需要接收方的反馈，由此处理速度较快，但是可靠性略差，这与GSM空中接口的UI帧非常类似。在UM的工作模式下，RLC子层除对TTI内SRB的信息进行分段和重组外，还可以实施加密。RLC子层为了处理的需要，在RLC的头信息中包含有PDU的序列号和PDU的长度信息。

确认AM工作模式主要用于RRC的信令、NAS层的信令以及分组业务数据的传输，可以确保信息传送的准确性，相应的处理延时也最大。

在AM的工作模式下，RLC子层除对TTI内RB/SRB的信息进行分段和重组外，还进行接收确认和差错检查，发现接收错误后可以要求发送方重传，也就是执行ARQ（Automatic Retransmission reQuest，自动重传请求）机制。ARQ机制在各种空中接口的链路层中都得到应用，流程也大致相同。

在AM工作模式下，RLC的PDU分为数据PDU和控制PDU。数据PDU与GSM空中接口的信息帧非常相似，控制PDU与GSM空中接口的管理帧非常相似。

RLC的数据PDU中并不携带正确性信息，接收错误是通过检查物理层的CRC信息来实现的。发现接收错误后，RLC实体通过ARQ机制，发送控制信息到对端，进行数据重传。这些控制信息分为状态PDU、复位PDU和复位反馈PDU等几类，分别用于反馈接收状态和控制重传，这些控制信息还可以在单独的逻辑信道上传送。

除了分段重发外，加密也是RLC层的一大特色功能，这是空中接口安全性的一种体现。

WCDMA空中接口采用f8算法对终端和RNC之间所传递的用户数据和信令数据进行加密。如果采用非确认模式UM或确认模式AM，加密在RLC子层进行；如果采用透明TM传输模式，加密在MAC子层进行。

加密的方法与扰码的方法一样，也就是将原始数据与密钥序列进行异或操作。密钥序列根据计数器COUNT-C、加密密钥CK、承载标识BEARER和传输方向DIRECTION等参数产生，长度由要求的密钥序列长度LENGTH参数决定。

3.2.3 信息复用过程

RLC子层处理后，逻辑信道上承载的信息将进行复用，以充分利用空中接口的传输能力。从前文中我们了解到，逻辑信道是复用在传输信道上的，复用的过程发生在MAC子层。除了复用外，MAC子层还可以对TM模式的SDU进行加密处理。

WCDMA空中接口的一大特点就是“复用更复杂”，这既体现在一个用户的多种业务复用在一起传输，如语音CS与数据PS，以方便多媒体业务的实现；又体现在一个用户的业务与信令复用在一起传输，类似于随路信令；还体现在将多个用户的业务复用在同一个信道上传输，也就是所谓的公共传输信道FACH和RACH。因此MAC子层在进行复用时必须考虑到这几种情况，这也导致WCDMA空中接口的MAC子层非常复杂。

在复用过程中MAC子层还需要确定传输信道的传输格式及组合。MAC子层将复用后数据以传输块集（TBS）的形式输出到传输信道上，每个TTI内输出一次TBS。一个TBS中包含多个传输块（TB），每个TB的大小都是一样的，TB可以理解为MAC子层的PDU。TBS中TB的数量与大小对应TBS的不同格式。

RRC允许MAC子层在不同用户和不同承载之间对给定的无线资源进行协商，主要包括逻辑信道的复用方式、传输信道的传输格式及组合等内容。

值得注意的是，物理层也实施复用，也就是下面提到的传输信道的复用。

3.2.4 信道编码流程

信息复用到传输信道后，再送到物理层继续处理。为了在无线传输链路上提供可靠的数据传输服务，物理层对链路层下发的传输块集（TBS），也就是传输信道上承载的内容进行信道编码，信道编码由差错校验、卷积/Turbo编码、交织、传输信道以及物理信道之间的映射等主要步骤和速率适配等过程组成，如图3.16所示。

信道编码以传输块集（TBS）为处理单位。首先进行差错校验，差错校验时将给TBS中每个传输块TB加入循环冗余校验码（CRC）。CRC长度可以是24、16、12、8或0比特，每个传输信道（TrCH）使用的CRC长度由RRC信令给出，例如，PS64数据业务固定采用16比特的CRC。有了CRC接收方就可以根据接收到的传输块内容和CRC，判断是否出现了传输错误，并获得BLER（块误码率）。

接着TBS中各个TB拼接成数据块，进行信道编码。信道编码可以选择使用卷积或者Turbo编码。卷积和Turbo编码利用增加多余的码元来纠正随机差错，编码码率代表编码前后码元数量的比值。卷积编码后的码元不仅与当前的码元信息有关，还与以前的码元信息有关。Turbo码是卷积的发展，能得到接近理论极限的纠错性能，具有很强的抗衰落和抗干扰能力。但由于Turbo码的译码复杂度大、译码时延大等原因，比较适合时延要求不高的数据业务，尤其是HSPA业务。卷积码主要用于语音业务和对译码时延要求比较苛刻的数据业务。

信道编码后进行交织，交织是对抗突发性连续错误的方法，交织后码元次序被打乱，这样即使是发生连续性错误，也会被切割为小片段，落入卷积和Turbo码的纠错范围内。

交织过程分为多个步骤，首先进行第一次交织，又叫帧间交织，仅在允许10 ms以上的交织延迟时使用，交织长度可以是20 ms、40 ms或80 ms，交织周期为一个TTI。

第一次交织后进行速率匹配，再进行传输信道的复用，每隔10 ms，来自各TrCH的数据就被送到传输信道复用单元，该单元将把所有TrCH的比特顺序串联起来，形成一个编码组合传输信道（CCTrCH），也就是将多个传输信道上承载的内容复用到一个物理信道的过程。

接下来进行第二次交织，这次是帧内交织（10 ms），完成一个无线帧内部数据比特的位置变换操作。

最后物理层将数据映射到物理信道，并加入物理层的指示信息。物理信道再进行后续的扩频、加扰和调制。

3.2.5 扩频、加扰与调制

1.下行物理信道扩频与扰码

下行物理信道的扩频与扰码过程如图3.17所示，需要经过S/P串/并转换、扩频、增益调整、IQ合并、扰码和信道合并的过程。同步信道是个例外，不需要扩频、IQ合并和加扰处理。

图3.18所示为除同步信道之外的所有下行物理信道的扩频与扰码原理，这些下行物理信道包括P-CCPCH、S-CCPCH、CPICH、AICH、PICH和下行DPCH信道。图3.18选取了一个物理信道为例子，物理信道上采用双极性信号，信号取值为+1、−1或0，这里的+1代表逻辑值的“0”，−1代表逻辑值的“1”，0代表不连续传输（DTX）。

信号首先进行串/并转换，顺序分配到I、Q两个支路上去。I路和Q路信号与相同的信道化码Cch，SF，m进行扩频处理，得到扩频后的码片序列Ichip和Qchip。

WCDMA空中接口下行采用可变阶Walsh码，也就是OVSF码作为信道化码，用于区分同一小区内的各个物理信道。

Q路的扩频结果经过相位处理后，与I路的扩频结果相加，就得到了复合的码片序列。这个码片序列利用复扰码Sd1，n进行加扰处理，加扰处理后，各个物理信道的信号再进行合并。

WCDMA空中接口的扰码基于Gold码，Gold码在下行方向上用来区分不同的小区，可以理解为设备码。这些Gold码分为512个扰码码集合，简称为码集合。码集合的编号为0～511，每个码集合中包含一个主扰码和15个辅助扰码。

WCDMA空中接口为每个小区分配一个主扰码，相邻小区的主扰码是不能相同的，而辅助扰码目前一般不使用。

图3.19所示为不同下行物理信道的增益调整与信号合并的过程。每一个信道扰码后的信号分别采用不同增益因子Gi放大后进行叠加，而P-SCH和S-SCH信道设有专门的增益因子Gp和Gs，然后所有物理信道的信号叠加在一起。增益因子与各个物理信道的功率之间有直接的关系。

注意：由于I、Q两路信号需要分别叠加，因此图3.19必须理解为I路或Q路中的一路，当然I、Q两路的信号合并过程是相同的。从图3.19中也可以看出WCDMA空中接口技术特点：由于利用不同的码来区分不同的物理信道，这些物理信道的功率可以叠加。

2. 上行专用物理信道扩频与扰码

图3.20给出了上行专用物理信道DPCCH和DPDCH的扩频原理。DPCCH物理信道固定在I路，DPDCH物理信道固定在Q路。DPCCH和DPDCH信道上的逻辑信号用双极性信号表示，同样是逻辑值 “0”变换为+1，逻辑值 “1”变换为−1。

DPCCH物理信道承载的信号使用信道化码Cc进行扩频，DPDCH物理信道承载的信号使用信道化码Cd进行扩频。WCDMA空中接口上行采用可变阶Walsh码，也就是OVSF码作为信道化码，用于区分同一终端内的各个物理信道。

在经过扩频处理之后，DPCCH物理信道的信号用增益因子βc进行放大，DPDCH物理信道的信号用增益因子βd进行放大。之后，I路和Q路的信号将进行合并，复合的码片流再利用复扰码Sdpch，n加扰，该复扰码由SRNC分配。

WCDMA空中接口的扰码基于Gold码，Gold码在上行方向上用来区分不同的用户，可以理解为设备码。上行的Gold码在规范中定义了两种：长码和短码，其中长码由25级的移位寄存器生成；而短码由8级的移位寄存器生成，主要用于高性能的基站，以实现增强多用户接收检测。目前现网中只采用长码，由SRNC分配。

3. 上行物理随机接入信道扩频与扰码

物理随机接入信道（PRACH）包含前导和消息两部分内容。

PRACH前导部分不需要扩频处理，其扰码采用Sr-pre，n，属于长码。

图3.21给出了PRACH消息部分扩频和加扰原理。PRACH消息又分为数据和控制两部分，数据部分只作为I路的输入，控制部分只作为Q路的输入。扩频前的逻辑信号转换为双极性信号，逻辑值“0”变换为+1，逻辑值“1”变换为−1。控制部分的信号使用信道化码Cc进行扩频，数据部分的信号使用信道化码Cd进行扩频。

在经过扩频处理之后，数据部分的信号用增益因子βd进行放大，控制部分的信号用增益因子βc进行放大。放大处理后，同样I路和Q路的信号将进行合并，复合的码片流再利用复扰码Sr-msg，n加扰，复扰码Sr-msg，n采用长码。

4. 调制

扩频加扰后得到3.84 Mcps的复合码片序列再分离为实部和虚部，分别进行脉冲整型和调制，合并后发送。调制过程如图3.22所示。调制后信号经过变频和功放，最后送到天线，发射出去。

3.2.6 上、下行物理信道的时间关系

下行物理信道与上行物理信道之间有密切的关系，由于同一终端上行DPCCH与DPCCH信道时间上是同步的，无线帧的起点相同，由此可以用上行DPCCH作为代表。

图3.23给出了上、下行DPCCH的时间关系。为了提供充分的响应时间，终端下一时隙的时间起点比基站时隙的时间起点延迟1024个码片。

基站发出的DPCCH无线帧经过传输延迟后到达终端，终端对前一时隙下行DPCCH信道中的导频部分进行功率测量，并由此计算出TPC，向基站反馈；终端接收基站发出的DPCCH信道当前时隙的内容，获得其中的TPC信息，并根据TPC调整终端下一时隙发射功率。这一步骤也就是图3.23中标号1的部分。

同样，基站对上行DPCCH信道中的导频部分进行功率测量，并由此计算出TPC，向终端反馈；同时基站根据接收到的上行DPCCH信道中的TPC信息，从导频部分开始调整发射功率。这一步骤也就是图3.23中标号2的部分。