第4章

Chapter 4

小笨设计的WCDMA网络——在云端的物流公司

3G的最初动力还是源于那个有点遥远的梦想，“任何人”在“任何时间”、“任何地点”和“任何另外一个人”进行“任何方式的信息交换”。前面4个“任何”在大哥大时代和2G时代已经实现了，而第5个“任何”，则一直是人们努力的方向。基于GSM的GPRS、EDGE和基于IS-95的CDMA 1X向这个方向靠近了一步，它们可以完成一些低速率的信息交换，比如发彩信、上WAP网、聊聊QQ，但对于视频以及多媒体数据的传输，还是有点力不从心。

其实关于3G是否有必要一直都有不同的声音，很多人认为只要能打打电话、发发短信就够了，需要那么高的速率干嘛？然而近几年随着互联网越来越深地渗入我们的生活，随着以iPhone和Android为代表的智能手机的异军突起，这种怀疑的声音变得越来越少。3G的用户和业务都在迅速地增长，摩根斯坦利更是发出了这样的惊叹：“移动互联网正在以史无前例的速度在增长！”能让摩根斯坦利这种看惯世间风云的金融大鳄发出这样的感慨，说明移动互联网发展的速度的确超乎想象。现在回过头看那5个“任何”，你不得不佩服移动通信的先驱们是如此富有洞见，对未来的趋势把握得这么准确！

在3G的3大标准中，以WCDMA应用最为成熟广泛，而且3G的3大标准又都以CDMA作为空中接口的基础，彼此有很多相似之处。所以在本书中，将以WCDMA作为重点来介绍3G，对于TD-SCDMA和cdma2000，则主要介绍它们和WCDMA的区别之所在。

在本章中，有时候可能会用物流来打比方。因为通信和物流其实还是有不少相似之处，不过通信运输的是比特流，物流运输的是货物。通信和物流都需要对有限的承载资源进行合理分配，都需要建立保障机制，确保货物不丢失，都需要有QoS保障，服务不同客户的差别化需求……因为快递和物流是我们熟悉的东西，有时候从它来切入会让问题变得更容易理解。

4.1　小笨的恼人课题——画一个WCDMA网络出来

话说小笨完成了老师布置的课题“设计一个简单的GSM网络”以后，长舒了一口气，准备痛痛快快过个假期。哪知道过了几天之后Outlook里又收到了老师的邮件，内容如下：“你画的几张图我已经看了，挺好的。你不仅解决了打电话的问题（如图3.7所示），而且通过增加处理分组业务的PCU、SGSN、GGSN等单元（如图3.26所示），实现了上网，聊聊QQ、MSN等功能，挺有想法的。不过GPRS或者EDGE网络上网还是挺慢的，有没有办法改进？同时啊，一个GSM的载波只能支持8个用户打电话，这也太少了！不如这样，你就设计一张新的网络，来解决支持用户少和下载速率慢的问题，这个网络就叫WCDMA网络吧。”

4.1.1　先继承，后创新——WCDMA的网络结构

又要提高下载速率，又要增加用户数，还要设计一张新的网络。有没有搞错，这不等于说又是一个新的课题吗。小笨心里百般不情愿啊，不过老大都发话了，还能怎样呢？那就动手干吧。小笨想了想，决定先从网络结构入手，因为画个结构图相对什么空中接口啊、帧结构啊、信令流程啊还是要简单很多的，何况这事情他做过一次，做起来比较顺手。

于是，他画出了第一张WCDMA网络的草图，如图4.1所示。细心的朋友可能发现了，这个图4.1……它和图3.26有啥区别吗，不是抄袭GPRS的网络结构吗？这在老师那里能通过吗？

嗯，小笨也发现了这个严重的问题，他觉得一点不改就去忽悠老师非常不妥，于是，他做了几处改动，第一个改动是把基站的名字由“BTS”改成了“Node B”，第二个改动就是把基站控制器的名字由“BSC”改成了“RNC”。然后，他把原来的“Um”口改成了“Uu”口，“Abis”口改成了“Iub”口，“A”接口改成了“Iu-CS”接口，“Gb”接口改成了“Iu-PS”接口。于是，一个崭新的WCDMA网络出炉了，如图4.2所示。

看起来是不是很匪夷所思，图4.2中的WCDMA网络跟GSM网络怎么是一样的呢？其实，图4.2就是WCDMA的最初版本R99，之所以保持几乎完全一致的结构是为了向下兼容，从而降低3G网络的建网成本。TD-SCDMA网络和cdma2000网络也有同样的考虑。

图4.1　WCDMA网络草图1

图4.2　WCDMA网络草图2（R99版本）

小笨是这样描述WCDMA网络的：“图4.2中的RNC功能和GSM中的BSC基本一致，也是负责功率控制、分配和管理无线资源。而Node B的功能与BTS也一致，负责编码解码调制解调这些无线通信基础工作。原来的Um空中接口，BTS和BSC之间的Abis接口，BSC和MSC之间的A接口，BSC和SGSN之间的Gb接口分别改名为Uu接口、Iub接口、Iu-CS接口和Iu-PS接口，作用基本不变”。

乍一看，WCDMA和GSM相比，除了几个设备的名字改了改，几个接口的名字变了变，其余的基本没有变化。这也很好理解，你看计算机的世界里遵从的是摩尔定律，每一年半刷新一次。以前的386变成现在的双核高性能计算机，发展不可谓不迅速，变化不可谓不迅猛，可是CPU、内存、显存、硬盘的主体架构不还是没多少改动，所以说基本架构这种东西是最难改变的。

那么WCDMA相对GSM而言，最大的变化发生在哪里呢？答案是空中接口，那岂止是变化，完全是一场彻底的革命！

4.1.2　源自泰勒管理——分层服务

在对空中接口的结构进行详细研究之前，我想我们有必要对OSI 7层模型进行一下简单的描述。应当说，现代管理学很多内容都源自于科学管理之父弗雷德里克·温斯洛·泰勒。泰勒的管理学精髓概括起来无非两条——其一是进行分工，每个人只专注于自己那一块事情，这样可以做到熟能生巧，提高效率；其二是标准化，每个岗位上都有标准动作，而每个岗位和其他岗位的衔接都有标准规范，不管这个岗位的具体内容怎么变，只要和其他岗位衔接的内容（也即接口）没什么变化，那么对其他岗位就没有多少影响。

泰勒的思想不仅深深地影响了制造业，而且逐渐发散到各个行业。近20年以来，流水线生产方式被深刻理解，各行各业都争相引入流水线生产方式。以软件开发为例，20年前做软件开发，就是程序员单枪匹马去编码、编译和调试。随着软件工程得以应用，软件开发细化为架构设计、软件编码和测试等几个部分，软件开发可以采用工厂化的流水线生产方式来进行。用流水线方式生产软件与软件工程师单打独斗编程相比，能够发挥规模经济的优势，使得软件开发成本大幅度下降。

在通信里面，就充分体现了这种“分工”和“标准化”的精神，典型案例就是OSI 7层模型。OSI 7层模型从上到下分别是：应用层、表达层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层，每层都有自己的功能，如图4.3所示。其中通信系统通常位于最底层的3层结构中，即网络层、数据链路层和物理层。因此，我们来讨论空中接口的时候也主要关注这3层。

其中，网络层的主要任务是保证网络内任意设备之间连接的可靠性传递，也就是“一点到任何一点”的可靠连接。具体到WCDMA空中接口，也就是保证端到端的业务的顺利进行。

图4.3　OSI 7层模型

数据链路层的主要任务是保证设备之间点到点连接的可靠传递，也就是“一点到下一点”可靠连接。具体到WCDMA空中接口，其工作就是要保证UTRAN网络到UE之间的可靠连接。数据链路层和网络层的工作是紧密相关的，如果数据链路层评估两点之间的一条路径已经无法保证通信质量的时候，那么网络层就会考虑寻找这两点之间的其他通路来代替。

物理层的主要任务是建立设备之间的物理连接。在WCDMA空中接口中，其主要工作就是要把比特流映射到电磁波上，然后通过天线发射出去；同时从天线处接收电磁波信号，转换为相应的比特数据。

4.2　少年WCDMA之烦恼一——我有哪些资源

我们在2.2.1节中就已经讨论过，对于无线通信而言，最烦恼的事情莫过于同频段的电磁波在空中会互相干扰。这和有线通信的信号都在电缆或者光缆里传输，彼此之间不会造成干扰有了本质的不同。这种同频段自干扰的特性形成了空中接口的资源的有限性，从而制约了能够接入的用户数或者用户接入后的传输速率，这也成了运营商最大的心病。所以历次无线通信的革命性技术出现，几乎都是空中接口的革命。比如从GSM到3G，空中接口由FDMA、TDMA变成了CDMA。而从3G到其后续演进LTE，OFDM技术又取代了CDMA。在看下面的内容之前，建议大家先回顾一下2.2.1节和2.2.2节，好对接下来的内容有更好的理解。

在小笨的不懈努力下，一个所谓的“WCDMA”网络终于呱呱落地了。但小笨心里并不轻松，因为导师要求的两个改进“容纳更多用户”和“更高上网速率”一个也没实现。改下名字不过是新瓶装旧酒，没有什么实质性的作用。那么该从哪里入手呢？原来网络的“瓶颈”究竟在哪里呢？

小笨在通信的世界里摸爬滚打很多年，他扫了一眼图4.2，他觉得Iub接口、Iu-CS口、Iu-PS口都是地面接口，都是用电缆或者光纤连起来的，在这里信号的传播路径被控制得好好的，不会出现那讨厌的同频干扰，因此“瓶颈”断然不会在这里。那么变革的关键想都不用想，就在Uu口——空中接口！

4.2.1　容量——移动通信的“阿喀琉斯之踵”

我们在2.1.4节中讨论过，还在“贝尔移动系统”那会，不能容纳更多的用户就成了移动通信的“阿喀琉斯之踵”，也是运营商心中的隐痛。到了GSM时代，通过FDMA、TDMA以及频率复用技术，能够容纳更多用户通话这个问题基本得到了解决。中国移动的GSM用户都已经有5.5亿了，也没见到网络瘫痪，足以见得GSM网络的成熟。

但是运营商们依然可以感觉不满，理由也很充分。GSM有两大软肋，一是单个载波最多才8个时隙，才能承载8个话音用户，如果想承载更多的用户，那对不起，请扩容你的载波。第二是传输数据业务的速率也太慢了，采用GPRS时，手机捆绑4个时隙最大理论峰值速率为21.4kbit/s×4＝85.6kbit/s（采用CS-4编码、GMSK调制）；采用EDGE的时候，手机捆绑4个时隙最大理论峰值速率为59.2kbit/s×4＝236.8kbit/s（采用MCS-9编码、8PSK调制）。捆绑更多时隙的手机？对不起，还没有做出来，所以手机的峰值速率跟一个载波能承载的最大峰值速率还是有区别的。一个载波能承载的最大峰值速率一般按8个时隙算。所以我们经常听到GPRS最大峰值速率为171.2kbit/s，EDGE的峰值速率最大为473.6kbit/s，这实际上就是一个载波能承载的最高速率。各位还得注意“理论”、“峰值”这两个词，这意味着现网应用中还要打不少的折扣。而蜗牛一般的手机上网速度，跟运营商往信息化方向转型的战略是相悖的，运营商想卖更多信息，前提是这些信息在管道里的传输速率够快，如果太慢了，大家就没有兴趣用。

小笨很快意识到，导师提到的GSM的两个问题“单个载波只能容纳8个用户，太少”和“单个载波上网最大峰值速率只有473.6kbit/s，太慢”这两个问题其实质是一个问题。为什么这样说呢？因为每个话音用户其话音比特流的速率是恒定的，如果一个载波能承载的比特速率有限，那么自然承载的话音用户就不会多。

那么，GSM只能承载8个用户的“罪魁祸首”到底是谁呢？答案就是那200kHz的带宽！

请大家把书翻到1.6.2节，来看看那著名的香农定理：

香农定理清楚地告诉我们，要想传输速率C提高，要么你提高你的带宽B，要么你提高你的信噪比S/N。提高信噪比往往意味着提高发射功率和降低噪声，这能做的工作比较有限。所以在UMTS和LTE中，一想到提高峰值速率，首先做的都是占用更多的带宽资源。

小笨清楚地看到了这一点，他决定不管空中接口采用什么多址技术，首要问题就是先把带宽增大，因为根据香农定理，带宽上不去，其他干什么都是白搭。于是，他选择了一个数“5MHz”。（嗯，没错，WCDMA一个载波的带宽就是5MHz。）

一个载波的带宽选定了，接下来就是空中接口最核心的问题，采用怎样的多址技术？多址技术这个词听起来很绕口，其实质就是“怎样把空中接口的资源合理分配给用户，从而让更多的用户接入或者使已经接入的用户达到更高的速率”。

空中接口有哪些资源呢？在我们通常的想法中，应该是两个维度，即频率资源和时间资源。GSM就是在这两个方面做了很多事情，首先是进行频分复用，ITU给了它25MHz的带宽，于是他从频率上竖切一刀，把这25MHz切成200kHz一块，每一块对应一个载波，可以支持一个用户；后来它觉得一个载波只能支持一个用户实在是太亏了，又从时间上横切了一刀，把时间资源切成了8块，这样一个载波就能支持8个用户了。

小笨不想再沿袭GSM的老路了，因为5MHz带宽是不能再继续往下切片了，往下切成一小块一小块的，香农定理就会告诉你，带宽小，速率必然小，这就跟设计这个系统的初衷相违背了。他也不想进行时分，时分的话支持多少个用户就要把时间切成多少片，支持很多的用户就意味着时间片要切得很细，这么狭窄的时间片要做到用户彼此之间时间不交叠、不打架实在不是一件容易的事情。

小笨有了一个大胆的想法，他觉得所有用户在同一个频段同一个时间进行通信也没有什么问题，只要它们之间能够用不同的扩频码来区别就行了。（参见2.2.2节，那一节里说明了两个问题：①如何用扩频码来区分不同的用户；②当用户A的信号去干扰用户B时，用户B怎样通过解扩的过程把用户A的干扰消于无形。）

问题是扩频码并不好找，它需要满足两个特点：一是正交（完全没有什么相关性），这是显而易见的，如果不同的扩频码之间不正交，那么用户之间就无法进行区分了；第二是长度可变，这又是为什么呢？长度可变意味着速率可变，这个道理待会大家就明白了。小笨翻遍各种书籍，终于发现有一个叫Walsh的数学家已经发明了这种序列矩阵，不但正交，而且长度可以变化，非常强大！这种码也叫做OVSF码，即正交扩频因子，如图4.4所示。

大家可以看到，同一阶数的扩频码都是正交的，比如C_2,1和C_2,2就是正交的，C_4,1、C_4,2、C_4,3、C_4,4之间也是相互正交的。不同阶数的序列，比如C_4,x和C_2,y就要看具体属于哪个码树了，同一个码树下的并不相互正交，比如C_4,2，因为是C_2,1衍生出来的，所以和C_2,1混着用就会产生干扰，而C_4,3由于是C_2,2衍生出来的，所以和C_2,1还是正交的。

图4.4　WCDMA空中接口采用的OVSF扩频码

小笨把图4.4所示的码树一直扩充到了512阶，不同的用户、不同的信号占用不同的码字。当一个用户选取扩频码的时候，只要这个扩频码的上一级码树上没有码字被占用，下一级也没有码字被占用就可以使用。上面这句话看上去有点不够直观，我们不妨放到图4.4中来具体看一下。假如用户A想用C_4,4作为自己的扩频码，那么C_4,3被人占了没关系，因为C_4,4和C_4,3正交，C_2,1被人占了也没有关系，因为C_4,4和它也正交。只要C_2,1以及它的下一级码树比如C_8,5不要被占了就没有关系。C_8,5在图中没有画出来，大家可以自行画一下。

大家看到这里或许要好奇了，小笨为什么要搞一个数字从小到大的码树，而不是直接截取第512阶那512个码字。那512个码字都是相互正交的，来得多直接多简单。就不用像现在这样，一个用户想选个扩频码还要看看这条分支上下游的码字有没有被占用掉，岂不是省心很多？别急，这个问题且让小笨慢慢道来。

1．比特、符号、码片

大家知道，话音信号经过信源编码和信道编码就形成了一串串二进制数字，这就是我们常说的“比特”。比特经过基带调制（GMSK、QPSK或16QAM）就成了“符号”。一个符号可以对应两个比特，比如QPSK；一个符号也可以对应4个比特，比如16QAM。如果是GSM，故事到这里也就结束了。如图4.5所示。

图4.5　编码与基带调制

图4.5展示的就是一个“窄带”信号，窄带和宽带是相对来说的。比如GSM，它的带宽只有200kHz，相对于5MHz的WCDMA而言就是窄带。窄带信号的特点是速率不高，而且要独占一个频带。小笨从2.2.2节中吸取了经验，他知道频带是可以让所有用户共享的，不需要独占，只需要合适的码来区分就可以了。而这种码著名的数学家Walsh已经给出来了，那就是OVSF码。所以，在CDMA技术中（WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA均是如此）又多了一个步骤，那就是要拿基带调制后的信号与OVSF码相乘，又得到了一个新的信号，称之为“码片”！如图4.6所示。

图4.6　码片

2．扩频、码片速率、扩频因子

话说到这里，小笨想一定还有读者没有明白OVSF码为什么叫做扩频码。因为从上述来看，它展现的特点不过是不同的OVSF码之间可以正交而已，叫OF（Orthogonal Factor，正交因子）码岂不很好吗？为什么要叫做扩频码呢？

那是因为OVSF码传输速率远远高于基带信号的传输速率，比如一个话音信号编码之后，速率可能是30kbit/s。但是OVSF码的速率达到了3.84Mchip/s。两者一相乘之后原有信号的速率也上去了，所需要的频谱带宽同时也增加了。所谓“扩频”，就是通过信号相乘，扩展了原有信号的频谱带宽的意思，大家看2.2.2节中的图2.15就能得出比较直观的认识，在那个图中，带宽是扩展了8倍。在WCDMA中，OVSF码的速率是恒定的，为3.84chip/s，也称之为码片速率。大家注意了，我们使用速率单位都是很考究的，比特速率是bit/s，符号速率是symbol/s，码片速率是chip/s。

那么一个信号和扩频码相乘其带宽到底扩展几倍呢？这就是“扩频因子”的用处了，大家看图4.4，扩频因子有1、2、4、8…256、512之分，都是2的倍数。当SF＝2时，一个原始信号位与2个码片相乘，频带扩展2倍；当SF＝4时，一个原始信号位与4个码片相乘，频带扩展4倍……关于这一点，大家还是可以翻到2.2.2节，看看图2.15，会有更直观的认识。

现在，我们终于可以把OVSF码的英文全称又翻出来看一遍了，小笨想到现在为止我们终于可以完整地解读这个单词了——Orthogonal Variable Spreading Factor，正交可变扩频因子。

不同的OVSF互不相关，此所谓正交；有SF＝1、2…256、512等多种选择，此所谓可变；码片速率高于原始信号速率，相乘后频带延展，此所谓扩频。这就是正交可变扩频因子的完全解读。

3．扩频有啥好处

俗话说无利不起早，在GSM已经蔚然成型之后，高通公司硬是凭着CDMA杀出了一条血路，并让CDMA成了3大3G标准空中接口的基础，高通也因此获誉“一流的企业做标准”。能在如此条件下取得如此不俗的成绩，说明扩频这个玩意，一定有它独特的价值之所在。

应当说高通当初这样做是很令人匪夷所思的，很长时间都得不到人们的理解。空中接口的频谱资源是非常宝贵的，传统的无线通信，人们总是想方设法使信号所占的频谱尽量地窄，以便充分利用稀缺的频谱资源。高通却反其道而行之，通过“扩频”，一个信号就要占用很宽的频谱，为什么要这样做呢？

答案还是源于伟大的香农定理，让我们来温习一下：

在这里，C表示信道容量，单位为bit/s；B表示信号频带宽度，单位为Hz；S表示信号平均功率，单位为W；N表示噪声平均功率，单位为W。

香农公式指出，如果信道容量C不变（也即传输速率不变），则信号带宽B和信噪比S/N是可以互换的。只要增加信号带宽，就可以在较低的信噪比情况下，以相同的信息速率来可靠地传输信息。甚至在信号远小于噪声，完全被噪声淹没的情况下，只要相应地增加信号带宽，仍然能保持可靠的通信。也就是说，可以用扩频的方法以更高的带宽传输信息来换取信噪比上的好处。

由于扩频通信具有抗干扰和噪声能力强，发射功率小，可以湮没于噪声之中实现隐蔽，很难被发现和截获的特点，使得它广泛应用于军事通信。

小笨思前想后，觉得这个宽带扩频码分多址技术（WCDMA, Wideband Code Division Multiple Access）既能有效区分用户，又具有发射功率低、抗干扰和噪声能力强、保密性好的特点，于是，就决定采用这个多址技术来给用户分配资源了！

他给每个基站分配了一棵OVSF码树，不同的用户可以占用这棵码树上不同的码；他给每个手机也分配了一棵OVSF码树，手机的不同业务（比如话音通话和上网）可以占用码树上不同的码。如此，就实现了对空中接口码资源的分配。

4.2.2　码分多址的胜负手——功率控制与软切换

小笨把空中接口的设计思路拿给导师过目，导师看了大为赞赏。空中接口本来就是无线通信中最复杂的部分，小笨居然从电影演员海蒂·拉玛和高通公司的雅各布那里吸取到了灵感，设计出来这么一个多址方式，实属难得，真是孺子可教也。导师转念一想，决定把刚投奔门下的新同学鲁小新交给小笨，让小笨带着一起做设计。

小笨得到了老师的赞扬，心里不由得扬扬得意，自以为方案做得天衣无缝，接下来的仿真验证也懒得做了，全权交给小新去打理。小新初来乍到就得到了独当一面的机会，对小笨的偷懒行为也并无怨言，喜滋滋地做验证去了。

1．远近效应

话说这几天小笨日日笙歌，夜夜魔兽，好不快活。有一天正在打DOTA，激战正酣之时，突然小新跑了进来，大喊：“不好啦，验证出问题啦，你设计的系统根本打不了电话。导师怪你糊弄他，非常恼怒，打算直接挂掉你的毕业设计！”

小笨一听从座位上蹭地一下蹿了起来，挨骂还好，毕业设计挂了可不是好玩的。于是他立即跑到实验室，跟小新一起看出了什么问题。小新拿出仿真场景给小笨看，如图4.7所示。

图4.7　CDMA中的远近效应

“事情是这样的，我在离基站300m的地方给我妈打电话，声音清晰，一点问题也没有；导师在离基站3km左右的地方给他老婆打电话，却死活打不通。”小新接着又说：“我又和老师换了个位置，这次他离基站近我离基站远，结果是他能打电话我不能打电话了。导师就觉得一定是你这系统有问题，你要改不好这毕业设计就别想过了”。

小笨听得头皮发麻，乍一看他也想不出个所以然来，因为WCDMA的基站模样长得跟GSM也差不多，没听说过GSM有离基站近的在打电话离基站远的就打不了电话了的情况，这是怎么回事呢？

小笨和小新都看着图4.7的场景，默默思索，半天都没有说话。还是小新脑袋比较灵光，他试探着跟小笨商量：“我看问题是不是这样，假设现在有学生A和学生B在教室里，学生A坐第一排，学生B坐最后一排。现在学生A和学生B同时向老师大声说话，那么由于学生B离得太远，老师势必听不清楚他说话而只能听得到学生A说话，我们不妨把这个问题就叫做‘远近效应’吧，场景如图4.8所示”。

图4.8　课堂里的远近效应

小新对自己这个想法颇有点自鸣得意，但又觉得有点不对：“虽然与图4.8里的场景挺像的，但是以前的无线通信，比如GSM里可从来没有听说过什么远近效应啊，为什么到了CDMA里会出现这么个问题呢？”

小笨倒腾过GSM，他立即发现了问题之所在：“GSM是通过频分和时分来区分用户的，距离远的和距离近的信号运行在不同的时间和频率里，是不会互相干扰的。而CDMA是在同一个频段上，因此，离基站近的手机嗓门太大，就把离得远的手机的信号给湮没了。”

小新皱了皱眉头：“不对吧，CDMA的用户不是可以用OVSF码来区分么，怎么又会信号强的干扰信号弱的呢？”

小笨微微一笑，指了指OVSF码树的分配方案：“你看，你和导师都是用的同一个基站的下行信号，下行信号是不存在问题的，因为下行信号是一个基站发出的，采用的是同一棵码树的不同OVSF码，不会互相干扰。比如说导师用C_4,1的码字，你用C_4,2的码字，当然没有问题。而上行，这里是两个手机，每个手机都有一棵码树，那么它们完全就可能采用相同的码字。比如导师在用C_4,1的码字进行上行信号传输，你也在用C_4,1的码字进行上行信号的传输，同一个频段同一个码字，不干扰才怪呢！即使码字不同，解码也是需要一定的信噪比才能解得出来的，你离基站这么近，当然就把导师的信号彻底给湮没了。看来在WCDMA里面，上行和下行还真不是一回事，上行要多考虑下自干扰的问题。”

小新转念一想，提出来一个解决办法：“在图4.8中，老师如果想听清楚学生B的讲话，那么只有要求学生A放低声音，学生B提高声音，等学生B的声音比学生A大一些，大到刚好可以弥补从教室后面到前面的音量损耗就可以了。对于老师而言，听到的两个学生的声音最好可以一样大，这样谁都不会盖住谁，就是最佳效果，如图4.9所示。那么以此类推，只要基站有控制手机发射功率的能力，那么‘远近效应’问题也可以迎刃而解。”

图4.9　老师通过控制学生A和学生B的音量来防止“远近效应”

小新觉得自己的解决方案很有参考价值，但是他有一点还没有想明白：“老师听不听得清楚凭耳朵和大脑的直觉来衡量。那么基站能否听清楚该用什么标准来衡量呢，是不是单单用接收信号的功率这个标准就可以呢？”小笨觉得这算不了什么大问题：“听不听得清楚不仅跟接收功率有关，而且跟噪声也有关系，基站应该用信噪比C/I来衡量信号的质量吧。就这么来打比方吧，平时你给你女朋友打电话，你在安静的环境中给她打，可能她只需要很小的声音你就能听得清楚。当你处在超市或者公交车这种很嘈杂的环境下，你大概就听不清楚了，你可能经常要求她大点声，再大点声。这就是因为环境噪声变大了，我觉得图4.9这种方案完全可行，只是我们要把基站‘听得清’的标准用C/I来衡量就可以了，这比光用接收功率来衡量来得科学，方案如图4.10所示”。

图4.10　通过功率控制防止出现“远近效应”

在GSM中，也有功率控制，不过GSM的功率控制的作用主要是以下两个：一来通过提升功率防止单条链路的信号质量过差；二来降低功率来减少终端的耗电和整个网络的电磁噪声。在CDMA中，虽然也有以上两方面的考虑，但由于码分多址这种用户信号都在同一个频段上运行的特殊性质，所以其功率控制最重要的作用还是防止远近效应。试想一下，如果只有离基站最近的那个用户可以打电话，那么这整个无线通信网络还有什么作用呢？

WCDMA的功率控制有个特点，就是速度非常快。GSM的功率控制每秒只能进行2次，而WCDMA的功率控制每秒可以有1500次。其机理与两者的帧结构有关，在这里不展开深入讨论。这样高频率的功率控制使得WCDMA可以应对快衰落的挑战。我们可以从图4.11中看看WCDMA的功率控制是如何克服快衰落的。

图4.11　WCDMA通过快速功率控制来抗衡快衰落

2．软切换

小笨和小新费尽力气才解决“远近效应”的麻烦，满以为可以舒坦一阵日子了。没想到没过多久，新的麻烦又找上门来了。小笨发现，在某一种情况下通话非常嘈杂，基本都打不了电话了，如图4.12所示。

图4.12　小静的困惑

小笨给小新介绍情况：“昨天友情邀请了一下师妹小静帮忙测试。结果发现小静和比较远的基站1通信时，离她很近的基站2的信号对通话信号产生了强烈的干扰，结果信号质量变得非常差。”

小新挠挠头，有点不解：“GSM里面也有这种通话场景啊，没见到这么强烈的干扰……”

小笨狠狠捶了小新一下：“你忘了GSM相邻的基站是不能采用相同的频点的么，不同的频点哪有什么强干扰呢。CDMA可是同一个频段啊，你看图4.12，像不像‘远近效应’的翻版，上一个远近效应是基站接收的场景，这个远近效应是手机接收的场景”。

小新依然有点困惑：“既然手机离基站2比基站1近得多，基站2的信号也远强于基站1，那么为什么手机不切换呢，切换到基站2不就妥了吗？”

小笨的脸刷地一下红了：“嗯，兄弟，这个……凡是一个新东西，总有一个发展的过程嘛。这个是因为切换流程走得太慢了，还没来得及切换呢。”

话外音：这一段并非作者杜撰，高通公司创立CDMA之初，因为切换很慢，网络中遇到了图4.12中所述问题，后来不得已想出了软切换的办法加以解决。

小新灵光一现，想出了一个好主意：“切换慢不要紧嘛。你看这样吧，基站2也不要站在旁边干看着了，它也可以和小静建立通路，发送同样的内容给小静。由于小静和基站1以及基站2都建立了双向的通路，那么我们完全可以采取图4.10中的解决方案了。也就是小静的手机设定一个基准的C/I，要求基站1和基站2发送的信号都要满足这个C/I，嗓门大的就降低一点发射功率，嗓门小的就提高一点发射功率，如图4.13所示。”

“等等，怎么样保证基站1和基站2发给的信号内容都是一样呢？”小笨问道。

图4.13　同时和多个基站连接

“基站的数据从哪里来？还不是从它的上一级RNC中来，RNC通过Iub接口给基站1和基站2发一样的数据不就行了。”小新呵呵一笑：“我觉得小静的手机可以不止和基站1、基站2连接嘛。只要旁边还有合适的基站，也可以连到一起，3个、4个都行，当然也不要太多，免得浪费基站的资源。如图4.14所示。”

图4.14　软切换

大家可以看到，当前和小静的手机相连的基站一共有3个，分别是基站1、基站2、基站3，这些基站都给小静发送信号（图中闪电模样），对于小静的手机而言是“激活”的，所以称之为“激活集”；基站4虽然和小静建立了连接，但是小静的手机并没有和它交互数据，只是在监测它的信号质量，合适的时候就添加进激活集，用来替换原来信号质量比较差的基站1，所以基站4就属于“监测集”。

当小静与基站1渐行渐远，走到基站2的范围，同时与基站1的链路连接质量越来越差，已经低于设定标准的时候，小静的手机与基站1的连接就会断开，会驻留到基站2的小区下面，这个过程也叫做“切换”。由于小静的手机原本就和基站2有连接，整个通信过程中没有中断，所以这个过程也叫做“软切换”。同时占有多条链路的切换都叫做软切换。

软切换降低了掉话的概率，因为它同时利用了多条链路的资源，东方不亮还有西方亮，但同时和多个基站连接对资源也是一种消耗，可谓有得也有失。

4.2.3　搞通信如同做物流

应当说有了功率控制和软切换之后，CDMA技术的关键障碍已经被扫清，我们可以去探讨一些更细节的内容。我们从图4.2中摘出RAN（Radio Acess Network，无线接入网）侧，如图4.15所示，这是本书要重点关注的内容。至于MSC、HLR、VLR等，都是属于无线核心网的内容，大家可以参考相关的书籍。

图4.15　RAN侧的设备

在图4.15中简单地列举出了我们当前围绕RAN侧都学习了哪些知识。从图4.15中我们也可以看到，目前讲的还都是一些宏观的东西或者关键的技术，而并没有去具体描述它们具体是怎么工作的，这就是我们接下来要讲的内容。

其实说起来做无线通信的与做物流的也没有什么本质的区别，通信和物流的本质都是要把一样东西从一个地方传送到另一个地方，差别在于通信传送的是比特流，而物流传送的是实实在在的物理实体。

我们拿一次B2C业务的物流过程来打比方，因为这样来得比较简单。假设你在“京西网上商城”买了一件东西要给你长沙的朋友，我们来看看物流公司需要组建哪些部门才能够完成这个任务。

首先，这家公司在长沙要有配送中心，没有配送中心是没法把东西送到你朋友手上的。这个配送中心需要有单车、摩托车和卡车。假如你买的是书的话，那么只需要单车就可以了。如果买的是笔记本电脑之类比较大的东西的话，那么需要摩托车才方便运送。如果买的是冰箱、彩电，那就非得卡车不可了。

其次，这家公司应该在武汉有物流中心作为货物集散地，除了配送中心以外，物流中心也是很关键的，因为你不可能把所有货物都堆在配送中心，那样很不经济划算。除此之外，信息化系统也装在物流中心，它需要监控每一笔业务的配送情况，保证无差错地送到每个客户手里。物流中心下设两个科室，一个叫做调度科，这个科室负责根据客户货物量的大小远程调度车队资源（单车、摩托车、卡车）来实现配送；另一个叫做质检科，负责给这些货物进行打包，如果客户的货物丢了，这个科室要负责重新发送。

这样，就形成了物流公司的简单构架，如图4.16所示。

图4.16　“京西网上购物商城”的物流公司

很值得庆幸的一点是，我们的RNC和Node B跟一个物流公司几乎有着完全相同的组织架构，大家对比起来学习和记忆比较方便。在这里，物流中心就好比RNC，配送中心就好比Node B。

配送中心的运输大队就好比WCDMA的物理层，物理层存在于Node B中。运输大队的资源就好比OVSF码，单车能运输的东西少，就好比SF＝128的扩频码，摩托车能运输的东西多，就好比SF＝64的扩频码，卡车能运输的更多了，就好比SF＝16的扩频码。在扩频系统中，码字越小，速率越快。

物流中心的调度科就相当于WCDMA中的MAC层（Media Access Control，媒体接入控制层）。调度科的价值在于根据货物量大小有效给运输大队分配资源，而MAC层的价值在于根据数据流的多少有效给物理层分配资源。

物流中心的质检科就相当于WCDMA中的RLC层（Radio Link Control，无线链路控制层）。质检科的作用是给货物分批打包，如果客户反映没收到货，就给客户重新发货。RLC层的作用与质检科相似，其主要作用在于承接上层的数据，然后把上层的数据分割成一个个的数据包，如果手机丢失了数据就反馈到RLC层，RLC层将重新发送数据给手机。

这样一来，我们就有了物流公司和我们的无线接入网的对比图，如图4.17所示。

图4.17　RAN侧与物流公司的对比

除以上3块内容以外，由于电磁波在空中快速变化的特性，RNC还有一块与物流相比而言比较独特的内容，那就是4.2.2节描述的“切换”与“功率控制”，这两者的作用都是为了保证空中接口的链路的可靠性。除这两者之外，RRC层还可以根据自身的负荷情况的策略对空中接口进行负荷和接纳控制。上面这些工作都属于RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）层的工作，在物理实体上属于RNC，如图4.18所示。RRC层的这些作用可以说是被电磁波的传播特性给逼出来的，我们并不好从现实生活中（比如物流）找到相似的场景，所以无线资源管理的工作，大家就拎出来单独看吧。

图4.18　包含了RRC层的RNC

应当说图4.18还只是将空中接口的层级化结构和物流公司的层级化结构进行一个初步的、粗略的对比。其中RRC层的工作我们已经在4.2.2节中阐释过了，接下来我们就要分别了解Node B中的物理层和RNC中的MAC层以及RLC层，看看它们分别都能完成怎样的工作。

4.2.4　组建运输大队——OVSF码

应当说物理层的资源有两种：第一种是OVSF码资源，也就是图4.4所示的OVSF码树；第二种是功率资源，WCDMA一个载波的功率是有限的，标准是20W，也有40W的，所有用户的信号都是来共享这个功率，每个用户信号根据其信道质量要求和空中接口传输速率的大小分配的功率也不相同。功率的分配相对而言没有OVSF码的分配那么重要，也比较复杂，所以在本小节只讨论OVSF码的分配，功率部分的内容请自行阅读相关书籍。

对图4.19所示的OVSF码树，我们已经不陌生了，这个图在2.2.2节中出现过，在4.2.1节中也出现过。但是在那两小节中，我们只是介绍了OVSF码的正交特性，并没有说清楚这个为什么是空中接口的资源。

图4.19　OVSF码树

所谓“资源”，说的是每个OVSF码都可以对应空中接口的一条物理信道。根据这个OVSF码扩频因子的大小（即SF码，Spreading Factor），其对应的物理信道的符号速率也是固定的。也就是说一个OVSF码对应了一条物理信道的信道容量，所以OVSF码也被称为码资源。在这里，我们举一个例子来说明。

假设空中接口有一条话音信道，它占用了Node B的一个SF＝128的码字，那么其符号速率是多少？所谓SF＝128，也即话音信道的每“1个符号”都与“128个码片”相乘，从而使得它的速率和占用带宽都与码片一致。WCDMA空中接口的码片速率是3.84Mchip/s，因此我们不难得出这条话音信道的符号速率为：

码片速率／扩频因子＝3.84Mchip/s/128＝30ksymbol/s

也即话音信道的“符号速率”为30ksymbol/s。在这里，我们必须强调一下这样得出的是符号速率，而非比特速率，请看图4.20。

图4.20　码片速率、符号速率、比特速率

WCDMA在下行链路中通常采用的是QPSK调制，如图4.21所示，两个比特映射到一个点位上。所以当符号速率为30ksymbol/s的时候，其比特速率为60kbit/s。

在WCDMA中，我们采用不同的扩频因子来对信道进行区分。问题是，在下行方向，每个小区都有一棵码树，相邻小区完全有可能分配相同的码字；在上行方向，每个终端也都有一棵码树，离得不远的终端也可能分配相同的码字。相同的码字必然会带来干扰，这个问题怎么解决呢？

图4.21　QPSK点位图

4.2.5　运输大队的编号——扰码

如果把每一个发射信号的信源的信道资源比作运输大队的话，那么不同容量的OVSF码就是运输大队的单车、摩托车、卡车。由于每个运输大队都有这些交通工具，如果不对不同的运输大队进行编号的话，那么这些交通工具就很有可能弄混。而“扰码”的作用就是对这些“运输大队”进行编号，以避免混淆。

我们把目光再一次放到图4.19上，前面已经介绍了OVSF码是如何正交的，也讲了OVSF码的使用原则，那就是“上面用过的下面不用，下面用过的上面不用”（C_2,2用过了，那么下面的C_4,3就不要再用了，此所谓“上面用过的下面不用”；C_4,2被占用了，那么上面的C_2,1就不要再用了，此所谓“下面用过的上面不用”）。

看起来这样一来就不会有重复使用码字导致不正交的问题了，但是依然有一个隐患，很大的隐患！请看图4.22。

假设世界上只有一个手机，假设这个手机就是手机1。那么前面所述的OVSF码的使用方式是没有问题的。但是现在不止一个信源，不止一个手机，每个手机都有一个码树，那么麻烦就来了，必然有些手机或小区会用到相同的OVSF码，这就没法区分了。

图4.22　不同的信源，相同的OVSF码

为了区分不同的信源，在OVSF码之外，又设置了一个新的码字，叫做扰码，扰码的速率与扩频码一样，也是3.84Mchip/s。于是，图4.6所示的流程就变成如图4.23所示。

图4.23　加扰过程

请注意，扰码在上行方向可以区分不同的终端，在下行方向可以区分不同的小区（非基站，因为一个小区使用一个载波，就是一个信源）。

在下行方向，一共有512个扰码，分为64组，每组8个（WCDMA的扰码的分配有点像GSM中的频点分配，相邻的小区是不能分配相同的扰码的。由于扰码有这么多个，所以分配起来比GSM的频点而言要简单得多）。

在上行方向，有数以百万计的扰码，因此给一个小区下的不同的手机分配不同的扰码更加不是问题。

在WCDMA里面，一个码树和一个扰码一起配合使用，以传输来自终端或基站的单个信源的信息。这也意味着不同的终端和基站可以完全独立地运用各自的码树，不需要对不同的基站或终端之间的码树资源的使用进行协调。

4.3　少年WCDMA之烦恼二——资源如何分配

我们在上一节里介绍了WCDMA空中接口的资源，主要是码资源。在这一节里，我们想来了解一下，扩频码资源都是如何分配给用户的。码资源是很稀缺的，每一个扩频码分配出去，都必定有一项具体的作用，都必定是由某项业务过程引起的。所以，对扩频码的使用情况进行研究，不仅有利于我们加深对空中接口的理解，也有利于我们了解一个用户业务过程的来龙去脉。

我们在3.2节中介绍过GSM空中接口的帧结构，在这里，不妨先来了解一下WCDMA空中接口的帧结构，如图4.24所示。应当说WCDMA空中接口的帧的时间长度是比较好记的，10ms，比GSM那4.615ms的古怪数字（见图3.15）记起来要方便多了。

图4.24　WCDMA的帧结构

我们看到，WCDMA空中接口的帧结构与GSM还是有很多相似之处的，两相对比着学习有利于加深我们的记忆。不同点在于以下几点。

（1）WCDMA占用的带宽为5MHz，而GSM占用的带宽为200kHz；

（2）WCDMA一个帧的时间长度为10ms，GSM一个TDMA帧为4.615ms；

（3）WCDMA一个帧有15个时隙，而GSM中只有8个时隙。不过请大家注意，在WCDMA中虽然有时隙的概念，但这些时隙并不是时分复用分配给很多用户的，而是都是给同一个用户的，这是与GSM里面的时隙的最大不同。采用时隙化设计不过是为了降低接收机设计的难度。

大家知道，WCDMA的码片速率为3.84Mchip/s，那么我们不难得出一个帧的码片数量为3840000/100＝38400码片。那么每个时隙的码片数为38400／15＝2560码片，这就是图4.24中一个时隙占用2560个码片的由来。

介绍完帧结构之后，我们可以开始结合业务流程来谈谈OVSF码资源的分配了。

4.3.1　年年岁岁花相似——无线的标准套路

但凡无线通信，总是逃不过那几个步骤，我们根据这些步骤就知道基站要分配资源给哪些信道。首先是手机要完成和基站小区的同步，也就是说基站需要有同步信道来给手机提供一个时间基准，从而完成同步；其次手机要驻留在一个小区下，它必须要知道这个小区的很多信息，比如位置区号、小区号、允许的最大发射功率是多少、有哪些邻区，等等，这就要求基站必须来广播这些信息，保证手机都能听到这些信息，这就是广播信道的起因，只有听到了广播，了解了相关信息，手机才能进行下一步的动作；除此之外，为了能找到被叫用户，基站必须预留一定的信道资源用于用户寻呼；当手机发现自己被寻呼后，它接下来就需要接入网络，那么它就向基站发起随机接入，如果有足够的资源分配给这个手机，那么基站就需要通知相应的手机它可以接入了，这个信道在GSM里面叫做接入允许信道，在WCDMA中叫做捕获指示信道。在“同步—收听广播—被寻呼—接入网络”这一系列动作完成之后，手机就建立了和网络的连接，那么接下来就要进行信息交互，在这个过程中，显然是需要业务信道的。

无线通信的这几个标准套路动作我们在GSM里面看到了，在WCDMA里面也看到了。在TD-SCDMA、cdma2000、LTE里面依然会继续跟它们打照面，足见搞清楚这几个套路有多么重要。接下来的小节里，我们将看到WCDMA是怎么演绎这些标准动作的。

4.3.2　当好管家不容易——OVSF码的分配

我们知道，OVSF的码树跟信源是一一对应的，一个载波对应一棵码树。在上行方向，一个手机也对应一棵码树。而一个载波同时需要和N个手机进行通信，所以下行链路的码资源比上行链路要稀缺得多，如图4.25所示。

在下行链路上，通常码资源的数量是不够用的，我们希望好钢花在刀刃上，希望每一个扩频码都能用于承载话音和用户下载的数据，因为只有这部分内容能带来收益。事实上这不可能，因为一部分码资源必须分配给控制信道，由控制信道来完成4.3.1节所说的“标准动作”。这就好比一家公司一样，不可能所有人员都是销售人员或者技术人员，必须有一部分管理人员把整个系统串联起来。在无线通信中，公共控制信道和广播信道就是这样的“管理人员”。

接下来，我们要来讨论的是如何给每个控制信道分配OVSF码。学习这个内容有两个好处：其一，码资源非常有限，我们可以通过这个过程学到WCDMA是如何节省地利用码资源；其二，我们可以借机梳理一下无线通信的流程，因为各种无线通信标准其流程非常相似，读透一种碰到其他的也很容易举一反三。

图4.25　下行链路稀缺的码资源

1．欲通信，先同步

手机开机之后，会先根据SIM卡里存储的信息去锁定上次通信的那个频点。找到之后，就开始和基站的同步过程。同步的意义在于保证每个比特都出现在它该出现的位置，对于“0、1”化的通信世界而言，这非常重要，错一个位置意思的差别会很大。

在WCDMA中，要完成同步，手机必须知道信号什么时候开始发射，也就是说找到时隙开始的地方，或者说边界。于是，基站设置了一个主同步信道P-SCH，主同步信道上发射的是主同步码，主同步码在每个时隙的最开始的256个码片上发射，发射主同步码的时候，手机滤波器上就会有高电平指示，由于主同步码是一个固定的序列，在每个时隙都是相同的，这样就获得了时隙同步（一个时隙有2560个码片，256个码片也就是一个时隙1/10的时间）。

我们可以从图4.26中很清楚地看出主同步信道只在每个时隙的前256个码片上发射，其他时间这个同步信道是不发射任何信号的。

假如是GSM的话，到这里同步就算完成了，因为GSM里面一个手机只占用一个时隙，它只要搞清楚自己所在时隙的位置就可以了，对于其他时隙的位置它懒得管。WCDMA就不同了，整个15时隙的一个完整的帧都是归一个手机的，所以，它还必须搞清楚帧的边界，这就必须再增加一个同步信道来完成这个任务，于是基站又设置了一个从同步信道S-SCH，如图4.27所示。

图4.26　主同步信道

图4.27　从同步信道

从同步信道上发射从同步码，从同步码也是在那256个码片的时间发送，其他时间不发送信号。所以根据搜索主同步码时检测到的信号的峰值非常有用，手机可以在这个位置继续寻找从同步码。由于从同步码在每个时隙都是不同的，所以把所有15个位置都搜索一遍之后，帧的边界也敲定了。除了确定帧的边界，从同步码还有一个作用，即确定主扰码的码组。

应当说WCDMA中的同步是挺复杂的，一般人读起来感觉比较晦涩。我们不妨来打个比方说明这个同步过程是怎么实现的。首先假设一天只有6个小时（没办法，如果按24小时画图还不累死作者我和看晕读者你），你被关在一间小黑屋子里，你的手表时间是乱的，请问你怎样才能校准你的手表？

假设你屋子的旁边有一座教堂，每到准点的时候就会“当——当——当”敲3下钟，说明整点到了。你根据这个就可以校准好你手表的时针和分针，但是你只知道这是一个整点时间，并不知道是几点，也不知道一天是从什么时候开始的（只能锁定某个时刻的起点，而不能判断这个时刻的具体位置，看看是不是像P-SCH的功能）。

很幸运，你被关进这间房子之前得到了一张课程表。这张课程表是教堂旁边的音乐学院的声乐系的。每当钟声敲响的时候，音乐学院的学生就会唱歌，你可以在这个时间点竖起耳朵来听他们唱歌，然后根据课表来判断具体的时间。你并不好判断是哪个班级在唱歌，因为有6个班级。这张课表是这么排的，如图4.28所示。

图4.28　音乐学院的课表

图4.28有两个特点，第一个特点是听到任何一首歌你都没法判断现在是几点，比如说《枉凝眉》，可能是0点，也可能是2点、3点、4点；第二个特点是你听他们唱完几轮后你一定能找到是哪个班级唱的，因为每个班级唱的歌其排列顺序不一样，顺带着你也就能判断0点是什么时候了，也就能校准你的手表了。

如果你把表格的纵列由“6个小时”变成“15个时隙”，横排由“6个班级”变成“64个扰码组号”，然后再在表里填上数字。那么就完全可以阐述清楚S-SCH的工作方式了，S-SCH就是通过这种方法来确定一个帧的边界（几点）和一个基站小区所采用的扰码的组号（班级号）的。

可能有人觉得这种判断帧的边界的方法非常麻烦，也许觉得以图4.29所示的方式来敲定帧的起始地点要方便得多。图4.29中，不论听到哪首歌都可以判断现在的时间。

图4.29　课表改良版

是的，图4.29所示的方法确实方便多了，随便听到哪首歌都能校准好时间。问题是，（大家应该也注意到了）最左边那一列没有了。也就是说，这种方法虽然能更简便地判断帧的边界，但是我们没办法判断扰码的组号了。这是一个很大的麻烦，因为除了同步信道这种已经固定好，且每个基站小区都一样的序列，其他信道都是要加扰的。为了保证能够有效对其他信道进行解码，我们必须把扰码找出来，既然如此，那么同步信道就该有点自我牺牲精神，浪费点资源先把扰码的组号找出来。扰码的组号找出来了并不意味着万事大吉，因为每个组还有8个扰码，我们必须确定是这8个里面的哪一个。

2．找到保险箱的密码——确定扰码

我们可以这么说，基站小区的扰码就像保险箱的密码，如果找不到扰码，接下来的通信过程就都没有办法进行。而掌握这把钥匙的，在WCDMA里面叫做公共导频信道（CPICH, Common PIlot CHannel），导频信道有着全0的序列（GSM里面的FCCH信道也是全0序列），全0序列由于简单，可以方便地拿来对信道的情况进行校准。

导频信道的主要作用是辅助手机对小区进行信道估计，在切换和小区选择的时候都需要测量CPICH的电平值，同时它也是其他信道的相位和功率的基准。在WCDMA里面，它还有一个附加的功能，那就是用于确定扰码。

我们在图4.24里就画出了WCDMA空中接口帧的结构，到了CPICH，我们终于有机会演示一个真正的信道是怎样的了，如图4.30所示。

图4.30　CPICH信道

在完成同步后，手机只知道小区用的扰码的组号，但是这个组里有8个扰码，具体是哪一个，还不清楚。于是，就用8个扰码一个一个去试，直到解出一个全0的序列，说明这个扰码就对了。这跟开保险柜有点相似，给你8个密码，一个个去尝试，直到听到“嚓”的一声，保险柜开了，说明这个密码是对的。

CPICH信道采用的是256的扩频因子，但并不意味着每个256的扩频码都可以用。如果不是固定的扩频码，每次的扩频序列都不相同，就没有办法保证解扰后的信号与扩频信号相乘得到的是全0序列。所以给了它一个固定的扩频码C₂₅₆，如图4.31所示。

图4.31　CPICH信道的固定扩频码

如果哪个扰码对CPICH解码得出的是全0序列，说明它就是正确的扰码。然后我们可以通过扰码这把钥匙去解码其他信道。扰码找到之后，我们就完成了信息交互前的所有工作，如图4.32所示。

图4.32　信息交互前的工作

3．收听广播

手机完成和基站的同步了，打开大门的“钥匙”——扰码也找到了。接下来手机需要收听一下基站广播的内容，比如说小区号、LAI号，允许手机发射的最大功率、邻小区等相关信息，好知道接下来该怎么做。

完成这个广而告之工作的在GSM里面叫做BCCH信道，而在WCDMA里面叫做P-CCPCH信道（Primary Common Control Physical CHannel，主公共控制物理信道）。这个信道也和CPICH信道一样，用的是256的扩频码。现在我们看看图4.33所示的OVSF码树，就会发现一个问题，这么多OVSF码，我们怎么知道P-CCPCH信道占用的是哪个码字？

图4.33　OVSF码树部分

图4.33其实就是OVSF码树的SF＝16及往下的部分，在图中，CPICH已经占用了C_256,0的码字，我们刚才说了，P-CCPCH也是SF＝256的信道。作为SF＝256的信道，在CPICH已经占用了一个码字的情况下，它还有255个选择。那么该怎样选择呢，是选择一个固定的码字，还是每个基站可以根据自己的需要选取这255个中的任意一个？

P-CCPCH选择了前者，如果它的扩频码不固定，那么手机每次收听广播的时候都要到那255个扩频码上挨个检索它，这是一件多么麻烦的事。于是，为了节约码字起见，P-CCPCH选择了C_256,1码字，也就是跟CPICH做邻居，如图4.34所示。

图4.34　P-CCPCH

到这里我们不过是完成了同步、导频、收听广播，同步信道由于是固定的序列，就高风亮节地没有使用扩频码。而已经开始用扩频码的导频信道和广播信道，通通都用的固定的扩频码，那么我们接下来的其他信道，是不是都会是固定的扩频码呢？

实际上，从广播信道往后的其他信道，就不再需要固定在某个位置了，可以自行设置。这是因为广播信道里会广播调度信息，告诉手机某某信道现在使用的是哪个扩频码，手机就可以按图索骥了。

4．收听寻呼消息

手机收听完广播消息，知道了网络的状况，然后就会选择一个小区驻留下来，这个时候就是我们通常意义上所说的“待机状态”。平时手机所宣称的待机时间，就是按这个状态的耗电量来计算的。

然而手机在待机状态并不意味着什么都不干，它需要竖起耳朵来听听是不是有人要找它。在机场等飞机或者在火车站候车的人一定有过类似的经验，虽然你坐在位子上休息，但你的耳朵一定还在工作，它需要听候车室的那个大喇叭的信息“某某班次的旅客请注意了，列车就要出发了，请马上上车……”。

在移动通信系统里，也有这么一个大喇叭，那就是PCH寻呼信道，它时时刻刻在提醒你是否有人在找你。PCH寻呼信道在GSM里面和在WCDMA里面的处理方式还不太一样。

GSM采用的是一条单独的PCH信道，手机通过不连续接收来收听寻呼消息。什么叫不连续接收呢？就好比你在候车室里每隔一段时间来收听大喇叭里传来的广播消息。

至于为什么要“每隔一段时间”大家可能不太好理解，我们不妨这样来打一个比方。比如说你在北京西站的候车室，为了让你能更好地休息，工作人员根据身份证尾数号码把大家分成10组，尾数为“1”的一组，这组人在12:11分，12:21分……收听寻呼；尾数为“5”的一组，这一组人在12:15分，12:25分收听寻呼，这样的话大家听那个大喇叭的时间就缩短为原来的1/10，精力就可以节省9/10，岂不美哉。这就是GSM里面对于寻呼的处理方式。

不过这种方式仍然有不完善的地方，WCDMA对此进行了改进。因为在你竖起耳朵的这一分钟，可能你们这一组根本就没有任何寻呼消息。一天下来，每隔这么一小会就要竖起耳朵听这么一分钟，岂不费事。

于是，贴心的工作人员又想出了一个新办法，他们在旅客的座位上安装了一个小喇叭，你只需要在相应的时间听一下小喇叭的动静，如果有“滴滴滴”3声说明接下来的时间里有你们这个组的寻呼消息，你就需要认真听，看有没有找你的，否则的话接下来你就可以继续休息，不用听那个大喇叭的消息。这个小喇叭在WCDMA中叫做PICH信道（Paging Indicator CHannel，寻呼指示信道），它也占用一个256的扩频码。在WCDMA中，手机就不直接去解PCH信道了，它先来听听PICH信道，如果发现在对应自己的那段码流是全1序列，那么就去监听寻呼信道。这是跟GSM最大的不同，GSM不管三七二十一都是需要去解PCH信道的，没有一个什么PICH信道来进行预先的提醒。

在WCDMA中承载PCH信道的物理信道叫做S-CCPCH信道（Secondary Common Control Physical CHannel，辅助公共控制物理信道），这个信道占用一个128的扩频码。

除了承载PCH信道的S-CCPCH信道以外，还有一个S-CCPCH信道用来承载FACH信道上的分组数据，在这里不多加解释。

到目前为止，我们就已经讲述完了一个手机不打电话、不上网时所要做的所有工作，如图4.35所示。

到现在为止，图4.34所示的物理资源占用情况又有了新的变化，如图4.36所示。

5．发起接入申请

刚才我们讲到了手机需要监听寻呼消息，当手机通过寻呼消息发现有人在打电话找它时，它接下来该怎么办？毫无疑问，它需要接入网络，那么手机会向网络发起一个接入申请，占用相应的资源来和对端手机接通以完成通话。

图4.35　从同步到“待机”

图4.36　物理层资源占用情况

随机接入在一个叫PRACH的上行信道上进行，这跟GSM里面的RACH信道的作用很相似。请注意哦，随机接入申请发生在上行链路，只占用手机的码资源，而并不占用图4.34中的下行信道的码资源。PRACH信道要占用多少上行链路的码资源呢？这就不好说了，根据数据量传输的大小，从32～256皆有可能。

既然有接入申请，那么就必然有接入批准，在GSM中，是采用的AGCH信道；在WCDMA中，是采用AICH信道（AICH, Acquisition Indication CHannel，捕获指示信道）来承载准入消息，AICH信道也是采用256扩频码。由此可见，在WCDMA下行信道中采用256扩频码的真是挺多的，到目前为止已经有CPICH、P-CCPCH、PICH和AICH。除了CPICH和P-CCPCH以外，其他两个信道的位置都是可以自行设置的，手机可以通过解码P-CCPCH上的系统消息得到它们的位置。

请注意图4.37中的箭头，我们刚才画的都是下行方向的箭头，这时终于有第一个上行方向的信号了，这标志着手机正式开始进行双向的通信（Communication），而不再是单向的收听广播（Broadcast）和解码寻呼消息（Paging），手机的业务过程开始了！

图4.37　随机接入过程

6．业务过程

手机申请接入网络之后，无线网络就会给手机分配相应的资源。如果是小流量的数据业务，就很可能分配一条FACH信道，在物理层则映射到S-CCPCH上。

如果是话音业务，就分配DCH信道，在物理层映射到DPDCH（Dedicated Physical Data CHannel，专用物理数据信道）上。DPDCH是一条纯数据传送信道，有些控制信息占用了它的一部分容量，和它时分复用一起传输。传输这些控制信息的信道叫做DPCCH信道（Dedicated Physical Control CHannel，专用物理控制信道）。

下行链路的扩频因子的范围是4～512，到底选择多大的扩频因子在业务开始之时就已经固定下来了，后续传输过程中不会再发生改变。这很好理解，下行的码树可是N多手机共享的，你的码字说变就变这个码字的分配就变得很难控制了，系统会复杂得难以设计。

有些人可能不同意这个观点，他说我现在通过手机上新浪，看看新闻，流量并不大，可能给我分配一个SF＝256的码字也就够了（SF＝256对应30kbit/s的速率）。可是我在看新闻的时候发现一个有意思的视频，视频的流量可大多了，SF＝256的码字肯定不够，你又不让我改扩频因子，那我该怎么办呢？答案是再增加一条扩频因子比较小的DPCH信道，比如SF＝16（对应480kbit/s的速率）。

请注意的是，图4.38演示的仅仅是下行的专用信道。在下行专用信道中，由于码资源比较有限，所以有些地方可以不用码资源的能省就省了。比如DPCCH信道，传输一些功率控制、导频、传输格式等相关物理层信息，消耗的资源并不多（在图中不好体现），所以就采取了和DPDCH时分复用。

而在上行链路，码资源可谓是大大的丰富（下行链路是N个手机共享一棵码树，上行链路是一个手机独占一棵码树），而上行链路的数据量一般都小于下行链路（上网主要以下行流量为主），不浪费一点资源简直都对不起观众。于是，上行链路的DPDCH和DPCCH采取的是并行传输的方式，如图4.39所示。

图4.38　下行数据链路的帧结构

图4.39　上行数据链路的帧结构

并行传输的原因也不全是因为上行链路的码资源丰富。试想一下，假如上行链路也采用图4.38所示的帧结构，会出现什么情况？由于随机接入或是打电话的时候在上行链路不会总是有数据传输，所以如果采用图4.38所示的结构的话“数据”那一部分就有可能为空白，没有内容传输。没有内容传输会导致帧传输一会儿有一会儿无，有点像脉冲传输一样，跟GSM颇有点相似。

请大家回忆一下你们在电脑音响旁使用GSM手机的情况。此时你正在打魔兽，然后电脑的小音箱放着音乐，好不快意。正在这时，你的电脑音响“得得滋……得得滋……”地响了起来，接下来会发生什么事情不用说你也知道，不是有电话找你就是你的手机收到了短信，为什么会出现这种情况呢？

让我们来看看GSM的帧长，GSM是TDMA帧，帧长为4.615ms，也就是一秒钟传输217个TDMA帧。由于GSM采用的是时分复用，一个手机的信号只在其中1个时隙上发射，所以就呈现“‘通—断’——‘通—断’……‘通—断’”这样的信号发射模式，当然断的时间比通的时间要长得多，我们可以说一秒钟通断217次，也就是217Hz。

大家看到217Hz这个数字想到了什么？对的，人耳能听到的频率范围就是从20～3400Hz，所以这217Hz的脉冲方式就造成了可闻干扰。这种可闻干扰大家使用CDMA手机就不会听到，就有赖于这种并行的传输方式。

大家或许要问，WCDMA下行链路采用的是时分结构，为什么没有造成可闻干扰呢？那是因为除了DPCH信道在发射信号以外，CPICH、P-CCPCH也在一刻不停地发射信号，而这些信道是连续的、不中断的，所以当DPCH没有数据传输时并不意味着整个下行链路没有数据传输，也就不会出现脉冲方式的传送方式，自然不会出现可闻干扰。DPCCH和DPDCH虽然不是并行的，但是它们和CPICH、P-CCPCH都是并行的，这就是CDMA手机听不到这种杂音的原因。

至此，我们就介绍完了一个WCDMA R99版本的空中接口的完整结构，在这里，给出一个完整的流程图以供大家参考，如图4.40所示。

图4.40　WCDMA从同步到业务的流程

对于图4.40有两点要注意，第一是DCH信道是双向箭头，我们打电话的时候，DCH上下行都传送话音，我们上网的时候，DCH上下行都传送数据，这是与其他信道区别的地方。但这并不意味着DCH上下行是同一个物理信道。实际上，上下行采用的扩频码、扰码和频率都是不同的，从物理上而言是两个信道。

第二个要注意的是AICH信道，它并不承载高层信息，所以也没有数据链路层的通道（我们实际上把图4.40中的数据链路层通道叫做传输信道）。

现在大家把书回翻几页，看到图4.36，把AICH信道填到PICH信道旁边，就会发现，在WCDMA中，公共信道对于码资源的消耗并不多，只不过占用了相当于SF＝16的OVSF码分支。还有15个SF＝15的OVSF码分支可以用于传送话音和数据，所以HSDPA中也恰好有15个码字可以用来传输数据。

4.4　少年WCDMA之烦恼三——调度是个技术活

在4.3节中，我们详细描述了WCDMA中通信的过程以及对OVSF码资源的占用。4.3节做的事情就好比如一家物流公司在总载重吨位一定的情况下（下行链路只有一棵OVSF码树），如何合理分配资源，根据业务需要来安排单车（SF＝256）、摩托车（SF＝128、SF＝64）、卡车（SF＝32及以上）的配比，从而达到资源的最大合理化应用。

然后，我们的工作并没有完成，大家可以试想一下，假如一家物流公司只有配送人员和那些单车、摩托车、卡车，这家物流公司能否运行下去？

图4.41　配送中心资源到位，调度中心虚席以待

答案显然是否定的，如果一家物流公司没有调度，那么货物配置很可能极不合理，有的卡车可能运输的太多，有些可能运输的太少。运输效率低下，那么这家物流公司很可能就要赔本。同样，如果空中接口的资源没有有效的调度，那么底下的物理层的资源则很可能被浪费。4.3节不过是完成了物理层的资源的分配，也就是对OVSF资源进行分配给各个信道。如何根据业务量的大小来合理将各种数据引导到物理层的各个信道，则是MAC层的工作。

我们在图4.41中画了一个圈，留了一个疑问。既然物理层可以通过物理信道把数据流送到空中，这些数据又不是从天上掉下来的，那么总得有信道把数据从高层送过来吧？

这些信道就叫做传输信道，传输信道这个名字取得非常有意思，有利于我们记忆。因为接触过设备的人都会知道，RNC一般放在中心局房里，而Node B则分布于每个需要覆盖的地方，RNC和Node B之间相隔的距离挺远，它们之间需要通过光缆和光端机相连，也就是说，光缆和光端机是RNC和Node B之间的通道，这个通道有个名字与之相对应，就叫做“Transmission——传输”，传输在运营商的维护部门有专门的中心负责，在设备商里也有专门的产品线来生产相应的设备。所以，对此有所了解的人应该就不太容易把传输信道和物理信道弄混，一个存在于RNC和Node B之间，另一个存在于Node B和空气之间。

在介绍MAC层之前，我想我们有必要先了解这条流水线的上一环节，RLC层。假如WCDMA是一家物流公司，那么它的顶层，也就是应用层就相当于业务部门。业务部门总是会接到汹涌澎湃的各式各样的快递物品，业务部门接收的东西就会形成一大堆物品到这个“质检部”。

“质检部”需要对这些物品进行分拣和打包，然后发送到调度科，由调度科决定分配到运输大队的哪辆车。同样，RLC层也要对高层的数据进行分门别类的打包，然后交给MAC层，由MAC层来调度，底下的物理层来做苦力，负责把数据运送到位。如果出现了数据丢失，RLC是需要重新发送的。

闲话少说，让我们从RLC层开始了解WCDMA空中接口的二层结构。

4.4.1　质检保证无差错进行传输

话说自从成立WCDMA物流公司以来，作为重要部门的RLC层就在认真思考自己的工作方法和工作流程。WCDMA这个物流公司有点特殊，运输的都是比特流。

RLC层的部门经理小笨同学上任之后，马上遇到了第一个问题。WCDMA的业务部门（业务层）给他传送了一大堆“00111101010101101010010101010101011100……”的比特流，堆得物流中心（RNC）满地都是，而且这些货物还在不断增加中，增加的速度不等，有时多有时少，需要赶快运出去。

部门主管小新犯愁了，这些货物待会就要搬到列车上送到配送中心了，该怎样打包比较好呢？

正在此时，小笨同学指示了：“给我配一大堆箱子来，每个大小要一样，这些箱子的名字就叫做RLC PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）吧。马上装货，马上发到调度中心，由他们给运输大队配送给用户”。

小新犯愁了：“小笨老大，货物来得不是很均匀，一会儿多一会儿少的，是不是定制各种不同规格的箱子啊。或者我们干脆不定制箱子，把这些东西直接拖上火车可好？”

小笨同学嗓门立即提高了8度：“是我笨还是你笨，定制各种不同规格的箱子成本多高啊，哪有统一的箱子来得简单。”

“那来的货物多于一个箱子咋办，少于一个箱子咋办？”小新弱弱地问。小笨答道：“多于一个箱子，你不知道把货物分成较小的几部分啊，多放几个箱子就是了，这就是部门重要的一项工作，叫做‘分段’；到了客户那里，他们自然会把这些东西合并，叫做‘重组’。至于来的货物不够一个箱子，这还不简单，塞点泡沫填满就是了（填充一些比特），还可以减少货物损伤呢，这个叫做‘填充’”。“还有，你必须得理解定制箱子然后把东西进行‘分段’的意义。分段之后，到了配送中心（物理层），他们会给箱子里的货物加一段标注，说明是什么货物。客户开箱之后，如果发现货物不对，就可以要求我们重发这个箱子的货。保证所有货物都送到位，送不到位出现丢失的我们公司赔补（重发），这是我公司的服务承诺啊。你想啊，假设你不分段，直接拖一火车皮到客户那去，要是客户发现货物有丢失，又分不出到底丢失了多少，你怎么办，难道重发一火车皮过去吗？”

RLC子层的一大任务就是实现点到点的数据可靠传输，这是数据链路层的主要任务。与其他通信系统一样，WCDMA系统点到点的可靠传输也是通过将数据分段以及数据重传来实现。RLC层把数据切成一小块一小块，每一块标注序号。到了物理层之后，物理层给每一个RLC的分块都添加CRC标识，到了对端那里，就可以通过CRC标识来检查这一块有没有错误，如果有错误，对这一小块进行重传即可。

“此外，还有一项重要的工作要做”，小笨仿佛又若有所思，顿了顿说：“对于一家物流公司而言，很关键的一点就是各种业务需要差别化对待，不能所有的业务一个标准。有些业务你要快快地送，在本部门除了分段往箱子里一塞，啥事情也不用管，这种叫透明模式（TM, Transparent Mode）；有些业务也要快，丢了也不用管，但是要有顺序，我们需要标注一下序号，这种叫非确认模式（UM, Unacknowledged Mode）；有些业务是一定要保证质量的，不能丢，这种不但要有序号，而且丢了一定要重传，这种叫做确认模式（Acknowledged Mode）。”如图4.42所示。

图4.42　RLC的3种传输模式TM、UM、AM

小笨继续说道：“除此之外，对于各种业务也需要分下类吧，比如本公司的宣传信息（BCCH广播信息）、本公司寻找客户的信息（PCCH寻呼信息），这类消息反正总是重复播放，丢了也无所谓。这类信息包装也不必要了，采用TM模式吧。然后这类消息都通过自己的专门通道送给调度科，这些专门通道叫做‘逻辑信道’。像投递一些公共信息（CCCH、CTCH，比如随机接入、接入允许、小区广播等业务）的话，这类消息要求快速处理，不要在本部门耽搁了，就采用UM模式吧，加个包装（RLC头）寄出去，收不收得到我就不管了。至于个人业务（DTCH、DCCH），对速度要求没那么高，但对于可靠性要求非常高，所以一定要采取AM模式”。

大家请注意，在图4.42中，AM模式的箭头都是双向的，因为AM模式都需要和信息交互才知道哪个段的数据丢了，然后才好重新发送。

我们不妨用京东商城物流运输的一个实例来说明RLC层的工作，如图4.43所示。

图4.43　京东商城的处理模式

在图4.42中，MAC层的处理方式就像一个黑盒子一样，我们打了一个问号，接下来的小节我们就要来了解一下MAC层的工作。

4.4.2　调度确保资源高效利用

话说RLC层的小主管小新同学在小笨经理的教导下，日渐成熟，于是被调往MAC层担任部门经理。MAC层与RLC层有着密切的业务联系，上级这样安排，也是有着良苦用心——希望小新同学能完成好MAC层和RLC层的对接。

事实证明，小新同学果然是小笨同学的好战友，刚上任就将MAC层划分为3大模块，实现和RLC层的全面对接，分别叫做MAC-b、MAC-c和MAC-d。请注意了，这可并不是按字母排序，这几个名字都是有含义的，这些模块也是有作用的。我们看到图4.42中，RLC层有N多逻辑信道，这些逻辑信道都需要MAC层的承接。

于是，MAC-b（broadcast）负责处理广播信道BCH。MAC-c（common）负责处理公共信道，比如前向接入信道（FACH）、随机接入信道（RACH）、小区广播信道（CBCH）。MAC-d（dedicate）就是处理一些个人业务了。如图4.44所示。

图4.44　3大MAC模块

小新完成了和RLC层的对接，转念一想，觉得还需要改进。逻辑信道和传输信道的对应关系太简单、太直接，对资源的合理利用没有做太多的考虑。BCCH对应BCH、PCCH对应PCH、CCCH对应FACH和RACH。

毕竟，RLC层和MAC层是共同组成了数据链路层，数据链路层的主要功能，比如纠错、保证无错传输都被RLC层做了。MAC层要是不能做出点什么成绩，那这个部门的作用就体现不出来了。MAC层的价值可以体现在哪呢？当然是资源的调度。

要想提高资源利用率，肯定得从MAC-c这边想办法，因为只有这个模块传输公共信道数据，MAC-b处理的是广播，MAC-d处理的是专用信道，都没有共享数据的概念，榨不出油水。

而MAC-b中，RACH是上行信道，我们知道，上行信道的资源是大大的丰富，不是当务之急。PCH早就定义了只传递寻呼消息，其他啥也不干。下行只有FACH信道是个大杂烩，什么都可以传，因此想提高资源利用率，就得从它入手。

我们知道，手机进入某个小区后需要听该小区的小区广播，从而得到系统信息。但是小区的系统信息的改动是很少的，听完一遍完整的信息是否有必要继续听，继续解码呢？小新同学觉得没有必要，就决定只在小区广播的系统信息有修改的时候再听。问题是，既然不再持续监听BCH信道了，那怎么样才能知道系统信息发生了变化呢？这就需要对该手机发起寻呼，让该手机接入通过FACH信道来接收系统消息。这样的话，BCCH逻辑信道也就可以通过FACH传输信道来承接了，资源利用率得到了提高，如图4.45所示。

图4.45　提高资源的利用率

大家在图4.45中看到，除了BCCH可以映射到FACH上之外，还有一个变化，那就是MAC-d的专用信道也可以通过公共信道来传输。利用的是哪些传输信道呢？自然是下行数据采用FACH，上行数据利用的是RACH信道。

当然，并不是所有MAC-d的数据都可以用公共信道来承载，否则还需要专用信道做什么？首先，话音是肯定由专用信道来承载的，因为要保证质量和时效性，由一条专门的物理信道来承载比较好。其次，数据量大的业务也不能由公共信道来承载，因为FACH信道是映射到一个SF＝64的S-CCPCH信道，信道容量只有120kbit/s。考虑到信道编码至少要占到一半以上，那么真正用来传输数据的就不到60kbit/s了。所以，数据量高于一定的门限就需要采用专用信道，而不是通过公共信道来传输。这种按门限来启动信道的方式显然有它的好处，比如你上网挂挂QQ、看看小说，那才多少流量，N个用户一起共享FACH信道足矣。而想看点图片和视频的话，就那么一点信道容量，那大家就都没法用了，所以一定需要给用户单独分配信道。

在这里，我们还要注意一个问题。我们在图4.41中显示的是所有RLC层和MAC层都处于RNC中，实际上并不完全是这样的。MAC-b其实是在Node B当中的，因为MAC-b是针对小区而非用户的，广播信息和每个小区是一一对应的，所以放到Node B中更方便。而MAC-c和MAC-d中的信道都是针对用户的，由于CDMA软切换的特性，这些用户可能同时和好几个小区进行着连接，所以放到RNC中比较方便。

到这里为止，WCDMA的最初版本，R99的内容我们就介绍完毕了。我们描述了R99的网络结构和空中接口的物理层、MAC层及RNC层。R99是从2G迈向3G的第一步，但是R99的上下行速率、往返时间等方面依然不能令人满意，这就催生了HSDPA和HSUPA。

4.5　少年WCDMA之烦恼四——如何应对流量飙涨

到4.4节为止，一个完整的WCDMA算是蔚然成型了，这个最初的版本也取名叫R99。在今后的几年中，这个初长成的少年被运营商寄予厚望，在3G牌照拍卖的时候频频拍出高价；同时，它也遇到了很多烦恼，由于终端的不成熟、下载上传速率没有太大的改善、盈利模式不清晰等一系列原因，在世纪之交高价拍得3G牌照的那些运营商在3G运营上几乎无一例外陷入亏损的境地，这也使得业界普遍开始怀疑，3G能不能赚钱，WCDMA到底行不行？

就在这样的压力和质疑下，R5和R6版本相继推出，并将在未来的几年里彻底改变人们对于WCDMA的印象。

概括起来，R99的关键问题还是承载数据业务的能力不够，一旦数据业务上量上规模，它的麻烦和烦恼就来了。那么，究竟是哪几个方面的问题限制了R99承载数据业务的能力呢？

其一，DPDCH信道独享性与数据业务突发性的矛盾。在R99中，下行链路建立了链接之后，其扩频因子就不能更改。假如给一个用户分配了一个SF＝8的码资源（信道速率960kbit/s），而实际上由于数据业务的突发性，其流量是忽大忽小的，很多时候这个码资源都得不到充分利用。资源得不到充分利用又不能释放，那么就必然会影响其他用户的正常接入，从而降低了小区的业务容量。

其二，较差信道质量与较高速率的矛盾。在R99中，当用户处于小区边缘且速率较高的时候，为了保证用户的接收质量，那么基站不得不加大发射功率，从而消耗过多的功率资源，将会影响整个小区的下行业务容量。

话说起来，互联网被分为Web1.0时代和Web2.0时代，Web1.0时代以新浪、搜狐、网易这些门户网站为代表，这些网站有点像传统媒体的网络版。主要特征就是它们说我们看，人民群众并不是发布新闻和视频的主体，在网络上体现的特点就是下行数据流量激增，而上行流量的增长曲线要平滑得多。当我们开始更多地用手机接入互联网而不仅仅是通过电脑来接入网络的时候，那么移动网络的下行流量也会飞速增长，传统的R99网络面对这样的挑战显得有点捉襟见肘，就这催生了HSDPA。

Web1.0还方兴未艾，Web2.0时代又悄然来到。Web2.0强调每个用户的参与性，强调分享、交友、互动等理念，在国外以Facebook、Twitter和Youtube为代表，在中国以新浪、腾讯微博、Youku、人人网、天涯为代表。大家可以很清楚地看出Web2.0和Web1.0的区别。Web1.0网站是所有信息的来源，而用户只是信息的受众，所以造成下行链路数据流量激增而上行链路数据流量变化相对比较平缓。到了Web2.0时代，网站本身一般只负责运营和管理，上面的新闻也好、视频也罢，基本都是用户自己传上去的，这就导致了上行流量的爆炸性增长。随着Twitter和微博的兴起，在移动网上这种趋势也越发明显，这使得原本显得有点鸡肋的HSUPA也开始焕发强大的生命力。

4.5.1　“Web1.0时代”——HSDPA

由于下行功率以及码资源利用率的问题，R99在承载数据业务时遇到了“瓶颈”。于是，HSDPA（High Speed Downlink Packet Access，高速下行分组接入）应运而生。在HSDPA中，采用了多种技术来提高空中接口的速率，我们来看看有哪些方式。

1．码资源共享

首先要解决的是码资源利用率的问题，在R99中，用户上网的时候独占一条信道资源，而在HSDPA中，引入了共享的概念，如图4.46所示。

图4.46　HSDPA——码资源共享

HSDPA把SF＝16的16个码字拿出来，其中1个用于公共信道，另外15个用于大家共享。这15个信道在物理层也叫做HS-DSCH信道（High-Speed Downlink Shared CHannel，高速下行共享信道），专门用于下行。

可能有人要问为什么采用的是15个SF＝16的码字，大家可以参见图4.34，SF＝16的码字有一个在图中已经变成了灰色，所以只剩下了15个。

图4.47揭示的是HSDPA中15个码字的共享方式，大家可以看到，HSDPA相对于R99有几个不同。第一，扩频码是固定的，都是SF＝16，不像R99下行从4～512皆有可能；第二，信道是可以共享的，这样当某个用户数据量不大的时候，就可以释放信道资源给其他用户用，从而提高资源的整体利用效率。

图4.47　HSDPA码资源共享方式

2．快速调度、自适应编码、高阶调制

我们在图4.47中也可以看到，TTI（Transmission Time Interval，传输时间间隔）的间隔由R99的10ms缩短为2ms，也就是相当于原来15个时隙发射一次数据，现在3个时隙发射一次数据。由于无线环境是快速变化的，采用更短的传输时间间隔有利于无线网络根据无线环境的变化快速调整参数，从而更充分地利用网络资源，并为我们下面所说的自适应编码打下基础。除此之外，采用更短的传输时间间隔还有一个好处，就是可以缩短往返延时，这对魔兽世界、反恐精英等交互类游戏有着重要意义，在这类游戏中，传输的时延直接影响终端用户感知。R99的数据业务的往返时延约150ms（如图4.48所示），而HSDPA的往返时延可以低于100ms。

图4.48　R99典型往返时延

自适应调制编码（AMC）又称为快速链路匹配，乍一看这两个词离得有点远，其实是一回事。所谓快速链路匹配，就是根据当前的信道状况，不断改变调制方式和编码率，为用户分配最佳调制方式和编码速率。比如信道质量好的时候，基站就可以选择使用16QAM的调制方式；而当无线环境不佳的时候，就可以调整为采用QPSK编码。那么信道质量该采用什么方式评估呢？我们在很多地方都提过了，是采用信噪比C/I来表示。

请注意了，在下行引入16QAM也是HSDPA的一项重大举措，这可以使得在同等扩频码的情况下下行的峰值速率提高一倍，如图4.49所示，在QPSK里一个点位只能对应2bit，而在16QAM里面一个点位能对应4bit，所以能使得速率提高一倍。不过硬币总有正反两面，大家也可以看到，16QAM的点位比QPSK要密得多，这使得16QAM的抗干扰能力相对QPSK要弱，从而只适合在信道质量比较好的时候使用。

图4.49　QPSK和16QAM对比图

3．混合传输ARO（Automatic Retransmission reQuest，自动重传请求）

我们在RLC层那一小节里已经提到过，所谓ARQ，就是物理层通过CRC检错之后上报RLC层，由RLC层进行重传。这种方式在HSDPA中可以沿用吗？有什么问题？我们不妨来看看图4.50，对比一下R99和HSDPA的重传方式。

R99和HSDPA下行数据都是从RNC发送到Node B，但一旦检测出数据错误，重传方式就不一样了。在R99中，UE检测出数据错误，于是回送一个NACK（None ACKnowlegdement，非确认）数据告诉RNC，由RNC下发重传数据。而在HSDPA中，NACK数据发送给Node B，由Node B重传就可以了。从图4.50中可以看出，HSDPA重传不再需要与RNC交互，响应速度快了很多。

值得注意的是，在ARQ前面还有混合两个字，这是什么意思呢？所谓混合，说明重传方式不止一种，一种称为软合并模式，也就是将数据完整地再传一遍，然后将两次传输的数据合并；第二种称为递增冗余模式，也就是只传一部分有问题的数据。

图4.50　R99和HSDPA重传方式对比

我们知道，原来在Node B中除了物理层以外就只有一个MAC-b子层，MAC-b的功能就是发送广播信息，其他的事情都干不了。如果要支持混合ARQ功能的话，那么无非就是两条途径，一是修改MAC-b的功能，二是新增一个实体来满足这些需求。修改MAC-b显然不是一个好主意，因为R99版本已经固化，而且早已在网上运行很久了，遍地都是R99的手机，你总不可能去把这些手机的操作系统版本都重新升级一遍吧。所以，从继承性和改动最小的角度出发，在Node B中增加一个新的实体来处理这些事情来得比较方便，实际上，现网也是这么处理的，HSDPA在Node B里增加了一个MAC-hs的实体，由它来负责混合ARQ功能和调度机制，如图4.51所示。

图4.51　MAC-hs实体

4.5.2　“Web2.0时代”——HSUPA

如果大家喜欢上网查询手机的各项性能参数从而决定选购哪款手机的话，那么可能就会发现不少手机的标注中已经是“下行7.2M，上行384k”或者“下行3.6M，上行384k”。大家或许很奇怪，这个384kbit/s是从哪里来的？

虽然R99协议规定了上行可以多码并行传输，但出于成本考虑，现网应用的终端在上行链路上从来就不是多码传输的，而是普遍只支持一个上行DPDCH物理信道。

我们知道，上行链路扩频码的变动范围是从4～256，就算只使用一个为4的扩频码，其信道的比特速率也是3.84Mbit/s/4＝960kbit/s，而不应该是384kbit/s啊？实际上，这384kbit/s指的是实打实的用户数据，是剔除了信道编码冗余后的纯数据，不像下行7.2Mbit/s或3.6Mbit/s那样宣称的是信道编码后的速率。

随着SNS网站的兴起，如微博、人人网、51，以及随着Youku、Tudou等视频网站越来越流行，Web2.0时代正悄然兴起。与此同时，手机摄像头的像素也不断提高，人们可以很方便地随时随地用手机拍摄视频传到微博上，和自己的朋友以及粉丝们分享自己的所见所闻。384kbit/s的带宽应对这样的变化与挑战显然是有点捉襟见肘的。有时候你不得不佩服那些3GPP领路人们的洞见，要知道R6版本在2003年就冻结了。那个时候youtube、facebook以及twitter还不知道在哪里呢，要在那个时候预料到后来的上行流量的爆炸性的增长恐怕不是一件容易的事情。

我们在上一小节中已经讲述了种种提高下行速率的方式，其实很多方式在上行方向都可以如法炮制。下面我们就来介绍一下R6版本对于上行速率提高的方式，这就是HSUPA（High Speed Uplink Packet Access，高速上行分组接入）。

1．多码传输

显而易见，要提高上行的速率第一个要解决的问题就是实现多个码并行传输，否则只有一个码可以用的话，而想提高速率纯属不可能。出于继承性和改动最小的考虑，HSUPA并没有在原来上行信道DPDCH做什么改动，而是新增了一条信道，叫做E-DPDCH（Enhanced Dedicated Physical Data CHannel，增强型专用物理数据信道）。每当有新的技术出现的时候，总是伴随着新增的信道，这在移动通信中几乎成了一条规律，在GPRS/EDGE中如是，在HSDPA中如是，如今在HSUPA中又如是。E-DPDCH实现上行并码传输之后，并行6个码就可以达到上行速率5.76Mbit/s，具体是怎么得出这个速率的，在这里不再加以解释，读者可查阅其他相关图书或技术资料。

2．调度与重传

HSUPA和HSDPA调度主体相同，都是Node B来给各个手机分配资源。但是调度的资源又不一样，在HSDPA中，调度的资源是调制方式、码字数量，而在HSUPA中，调度的资源是扩频因子和功率。我们来对比一下这几种调制方式的不同。

在HSDPA中，是可以根据信道质量将调制方式在16QAM和QPSK之间切换的；而HSUPA中，并不打算修改调制方式，因为上行的数据流量本来就小于下行，5.76Mbit/s就可以了，没有必要用高阶的调制方式。直到到了后续演进阶段HSPA+，下行采用64QAM调制后，上行才开始采用16QAM的调制方式。

除此之外，HSDPA中这种通过分配码个数的方式来调节各手机的速率的方式在HSUPA中也没有必要。在上行链路中，一个手机就有一棵码树资源，码资源充分得很，显然不需要通过限制码资源数量来调节速度，而是依然沿用R99里通过调节扩频因子来调节速率的方式。

再者，HSDPA是没有功率控制的，而HSUPA依然有功率控制。因为在上行方向，最大的麻烦依然是干扰问题，需要通过功率控制来防止“远近效应”。

我们从图4.52中可以看到，HSUPA调度的主体依然是Node B。在HSDPA中，采用Node B来调度不会有什么问题，因为Node B本身就是数据的发送方，所以这个过程会很快。而在HSUPA中，Node B是数据的接收方，这样在进行调度的时候就不可避免有一定的延时，从而使得跟踪用户瞬时信号并及时调度变得要困难。

图4.52　HSUPA和HSDPA调度及重传方式对比

HSUPA的重传和HSDPA没有太多区别，不过是发送方和接收方刚好反过来了而已。

3．增加功能实体

在HSDPA中，为了实现快速调度和混合ARQ功能，在Node B中增加了一个MAC-hs实体。而在HSUPA中，为了实现这些功能，也在Node B中增加了一个MAC-e的实体。而手机上传的数据同时被多个Node B接收，RNC需要对这些数据进行一下排序，因此就需要在RNC中增加一个功能实体来处理这件事情，这个功能实体叫做MAC-es，如图4.53所示。

图4.53　HSUPA新增实体结构

我们在上面看到，HSUPA通过并码传输、快速调度与重传等方式实现了上行速率的提高。上下行在实现HSDPA和HSUPA后其峰值速率分别达到了14.4Mbit/s和5.76Mbit/s，看起来已经蛮快了，好像可以满足现网需求了。但随着WiMAX的崛起，HSPA不得不继续向前演进，以应对新的挑战，这就是HSPA+。

4.5.3　无线宽带再提速——HSPA+

如果没有WiMAX的横空出世，LTE和HSPA+或许还不会这么快就出现。本来在HSPA和IMT-Advanced（可以理解为4G技术）之间，是没有规划做LTE的。但WiMAX的出现打破了这一格局，为了应对WiMAX的挑战，也为了实现无线的宽带化，支持3GPP的厂家不得不团结起来快速跟进标准，并开始努力推动UMTS技术的演进版本——LTE。LTE的工作是革命性的，它取消了重要的网元——RNC，并要求核心网也同步演进。一部分设备厂家和运营商出于保护投资的目的，不希望一下子进行这么大的变革，于是就有了HSPA的演进，也称为HSPA+。我们也来看看HSPA+都有哪些关键技术。

1．高阶调制

想提高传输速率，最简单的办法往往就是采取更高阶的调制。HSPA+在下行信道质量好的时候可以采用64QAM，而在上行信道质量好的时候可以采用16QAM，如图4.54所示。

图4.54　高阶调制

从16QAM到64QAM能提升多少速率不难算出来，原来16QAM的时候，一个点位可以表示4个比特，2⁴＝16。现在采取64QAM，一个点位可以表示6个比特，2⁶＝64。速率相对于原来可以提高6／4＝1.5倍。也就是说下行的峰值速率可以提高到14.4Mbit/s×1.5＝21.6Mbit/s。现在联通宣称的下行速率21Mbit/s就是这么得来的。

我们不妨这样来理解调制方式的改变对容量的影响。以前HSDPA采用的是4吨的货车（16QAM），现在用的是6吨的货车（64QAM），因此运输能力可以提高到原来的1.5倍。

上行方向速率的提升大家不难由相同的方式计算出来。

2．MIMO

我们从字面意思就不难看出，MIMO（Multi Input Multi Output）基于的是无线信号的多路发射与接收。现网用的比较多的是双发双收，两根天线采用同一个频点，复用同样的信道化码，但是每根天线上走的不同的数据流，通过多通道的传输也可以使得一个载波内发送的业务量翻番，如图4.55所示。

这就好比原来有一条路，在路的上方又叠加一个高架桥，那么通道增加了，车流量也可以增加一倍。

3．多载波技术

为了能进一步提高单个用户数据业务的最高速率，HSPA+技术最后借助一个用户捆绑多个频点的方法，如图4.56所示。在R8和R9中采用的是捆绑两个载波，也就是单用户可以使用10MHz的带宽。而到了R10能支持捆绑4个载波，也就是单用户可以使用20MHz的带宽，与LTE的最大带宽一致。

图4.55　MIMO技术

图4.56　多载波技术

这就好比一条5车道的路（类比WCDMA的5MHz带宽），用着用着发现这条道路的吞吐量不够了，就在旁边再修一条5车道的路，从而使得吞吐量可以扩大一倍。当然，旁边新修的道路可以相邻也可以不相邻。

至此，HSPA+技术大体就介绍完了，关于HSPA+，对于其下行速率有多种宣传，我们很容易就能计算出这些数据是怎么来的。

（1）下行速率21Mbit/s：下行采用64QAM调制技术，速率提高50％，14.4Mbit/s×1.5＝21.6Mbit/s。

（2）下行速率28Mbit/s：下行采用MIMO或多载波技术，速率提高1倍，14.4Mbit/s×2＝28.8Mbit/s。

（3）下行速率43.2Mbit/s：下行采用64QAM调制技术，同时采用MIMO和多载波调制技术，14.4Mbit/s×1.5×2＝43.2Mbit/s。