WCDMA呼叫流程

黄海逸

WCDMA呼叫流程
呼叫处理基本过程：
小区搜索
手机注册
手机空闲
手机主叫
手机被叫
数据传输
基础知识：
OVSF 码：互相正交的一组码。表示法：Cch,SF,j－SF 表示矩阵的阶数，也是扩频系数；
j 表示矩阵中的第j+1 行。由于正交特性，用来区分同一扇区内不同的信道（用户）。是有限
的，如SF＝256，就是一个256 阶的矩阵，共256 行，就表示只有256 个不同的OVSF 码，
只能区分256 个用户。
Scrambling Code：扰码。下行区分不同的扇区，上行区分不同的UE。这样，不同的扇区
内可以使用同样的OVSF 码。扰码的主要编码类型是Gold Code（金码）。主扰码是区分每
个扇区的。
Gold Code：先从PN 序列（伪随机序列）说起。PN 序列的输出长度为2^N-1（N 为移位
寄存器的个数）。对应不同的起始位，得到2^N-1 个输出序列组合。不同的移位寄存器组合，
会得到不同的PN 序列组合。不同PN 序列组合中分别拿出的PN 序列之间的互相关特性没
有太强的规律，但有一些特殊的会有，其互相关值只有三个取值。称这样的序列为优选对。
优选对移位模二加，就可总共得到2^N-1＋2＝2^N＋1 个金码（家族）。金码自相关归一化
为1，互相关为0。这样就可区分小区和UE。
在下行物理信道上共有8192 个扰码（N＝13），将这8192 个码分成512 个组，每组有16
个码，其中第一个为主扰码（共有512 个主扰码），其余15 个为次扰码。512 个组每8 个组
成一个大组，共有64 个大组（主扰码组）。
为什么要分组？是为了提高同步时的速度。手机开机后寻找当前基站的主扰码时就可以
采取分级的方法，先64 个大组选1，再8 个组选1，这样就能很快知道接入的扇区的主扰码
是什么了。
现在可以看呼叫过程了。通过物理信道的使用来了解整个呼叫的过程。
一、 小区搜索
P-SCH↓－>S-SCH↓－>P-CPICH↓－>P-CCPCH↓ ↑↓表示上下行
解释：手机一开机，首先要寻找NodeB（或扇区），判断这个NodeB（或扇区）用的是哪个
主扰码，然后才能拿到小区开销信息。
所以先听主同步信道上的主同步码（PSC，手机和NodeB 用的都一样，非周期自相关），做
自相关，有自相关峰，说明周围有好的NodeB。
然后再听辅同步信道上的辅同步码（SSC），共有16 个，因为一个无线帧只有15 个时隙，
只用其中的15 个。16 个中选择15 个，这样不同的排列组合有很多，且具有唯一性，选择
64 个分别区分64 个主扰码组。听完一帧后，根据15 个SSC 的排列顺序，就可以判断当前
扇区属于哪个主扰码组（64 选1）。
接着，听主公共导频信道P-CPICH，确定到底是哪个主扰码。P-CPICH 的内容是一个高电
位，使用固定的信道化编码Cch，256，0，扰码使用的是主扰码。在手机确定是哪个主扰码
组后，它只剩下8 个主扰码（一个主扰码组是8 个组，每组只有一个主扰码）。只有一致的
主扰码才能最后解出P-CPICH 中的高电位。通过一个一个试，直到得到高电位，这样就确
定了主扰码。
得到主扰码，就可以听到主公共控制物理信道P-CCPCH，因为它也是用主扰码来加扰的，
信道化编码固定Cch，256，1。它上的内容是小区的系统消息BCCH。
通过这么4 步，我的手机终于了解了它附近的一个小区的基本情况了。之前的这一系列过程，
都是盲检测。
二、 手机注册/位置更新
PRACH Preamble↑ － >AICH↓ － >PRACH Message↑ － >S-CCPCH↓ －
>DPDCH/DPCCH↑↓
在上一过程中，手机了解了小区的情况，但是基站还不知道有移动台。所以，手机必须要有
一个注册的过程。
首先在主随机接入信道上发送随机接入前导。这是一个敲门的动作，同时也在进行开环功控。
手机会发送不止一个Preamble，一开始做试探，功率小一点，看基站能不能听到。如果听不
到，下一个Preamble 的功率就增加一个步长，直到功率足够强，基站就听到了。Preamble
里的两个扰码来区分是哪个扇区哪个用户发来的前导。前导签名Preamble Signature 区分用
户，前导扰码来区分扇区。
基站听到后，通过捕获指示信道AICH 告诉手机可以继续发送具体的接入请求信息了。AICH
上的信息AI 与PRACH 上的签名对应。即如果是骆驼发送Preamble，则基站回一个“骆驼，
我听到你了，可以发接入消息了”。
于是，手机开始在PRACH 上发送接入Message。
基站收到手机的接入请求后，通过辅公共控制信道S-CCPCH 给手机分配资源（通过传输信
道FACH 来分配），分配得到的主要是专用物理信道。
手机收到资源分配消息后，手机转到基站给它分配的DPDCH/DPCCH 上进行注册或位置更
新。这是双向的信道。
三、 手机空闲
P-CCPCH/PICH↓
手机空闲时，要不断地监听主公共控制信道，在这上面经常会发送一些小区开销信息，如哪
些状态发生改变。所以手机要想在这个小区生活下去，就要不断地了解小区的规则以及小区
环境的变化。
手机还要监听寻呼指示信道，它会告诉手机在辅公共控制信道上有没有这个手机的寻呼消
息。如果有，就转到辅公共控制信道上去收。（S-CCPCH 映射PCH）
四、 手机主叫
PRACH Preamble↑ － > AICH↓ － >PRACH Message↑ － >S-CCPCH(FACH) ↓ －
>DPDCH/DPCCH↑↓
发送接入前导，进行呼叫请求，开环功控；
基站确认呼叫请求，发送AI，通知手机继续发送具体接入请求；
手机发送接入消息；
基站通过S-CCPCH(FACH)给手机分配信道；
手机占用PDCH 进行话音通信。
五、 手机被叫
PICH↓ － >S-CCPCH(PCH) ↓ － >PRACH Preamble↑ － >AICH↓ － >PRACH Message↑ －
>S-CCPCH(FACH) ↓－>DPDCH/DPCCH↑↓
快速寻呼消息。通过监听PICH，得到有给此手机的寻呼消息。这个消息不是具体的寻呼
消息，具体的要到S-CCPCH(PCH)中得到。
在S-CCPCH(PCH)中得到寻呼消息后，手机就试图接入相应的基站，后面就和手机主叫
的过程一样了。
六、 高速数据传输（上行）
CSICH↓ － >Access Preamble↑ － >AP-AICH↓ － >CD Preamble↑ － >CD/CA-ICH↓ －
>PCPCH↑
CSICH 指示一个CPCH 信道的状态，即一个CPCH 信道是不是可用。手机通过监听
CSICH，就可以知道有没有可用的CPCH；如果手机知道有一个可用的CPCH，就在PCPCH
物理信道上发送接入前导。Preamble 同样进行敲门和开环功控；当基站收到请求，就通过接
入前置捕获指示信道AP-AICH 通知手机已收到请求。这是基站的第一次确认；手机收到第
一次确认后，在PCPCH 上发送碰撞检测前导CD Preamble，来检测碰撞；基站收到后，通
过CD/CA-ICH 来确认；手机收到第二次确认后，就开始在PCPCH 上传送高速数据信息。
整个呼叫过程就写完了。整个过程基本上涉及了绝大部分物理信道，把整个过程理解了，
就不用再一个一个背信道了。
七、在这里我们介绍的呼叫流程是从UE 与CN 之间的端到端的呼叫流程，其中包括UE 主
动发 起呼叫（我们通常称之为UE 起呼）和UE 接受呼叫（UE 被呼）。由于呼叫的另一端
可能为PS TN、PLMN、ISDN 等不同网络系统终端，将涉及有线或无线网络之间的消息交
互，我们将不在此介绍。
下面给出了WCDMA 系统的协议栈，我们将简要介绍一下呼叫流程中可能涉及到的协议模
块。与无线接入无关的高层协议模块我们通称为非接入层（NAS），NAS 层存在于UE 和CN
中，主要处理与业务相关的功能。物理层我们称之为L1 层。在Uu 接口上，物理层是WCDMA
系统中重要的部分，主要处理无线数据的传输。而Iub、Iu 以及Iur 接口是有线连接的，物
理层通常是指光纤、电缆等物理连接实体。媒体接入控制（MAC）和无线链路控制（RLC）
协议属于第二层（L2）,主要提供数据的传输和交换。无线资源控制（RRC）协议主要完成
无线资源的管理和分配。其中Node B 的RRC、RLC、MAC 模块仅完成系统广播功能，大
部分无线资源管理功能都在RNC 中实现。Node B 应用部分（NBAP）主要处理Iub 接口的
信令，FP 则处理各接口的数据传输。无线接入网应用部分（RANAP）和网络业务接入点
（RNSAP）协议分别处理Iu 以及Iur 接口的信令传输。在呼叫流程中主要涉及Uu、Iub 以
及Iu 接口及相关协议模块，我们主要介绍与WCDMA 无线接入相关的部分，其他如RNC
与Node B、RNC 与CN 之间有线传输（在Release99 协议中采用ATM 传输）采用的均是通
用的传输方式，我们将不再介绍。
八、呼叫处理流程
在介绍呼叫处理流程之前，我们首先要了解几个概念：
RRC 连接。RRC 连接是UE 与UTRAN 的RRC 协议层之间建立的一种双向点到点的连接。
对一个UE 来说，至多存在一条RRC 连接。RRC 连接在UE 与UTRAN 之间传输无线网络
信令，如进行无线资源的分配等等。RRC 连接在呼叫建立之初建立，在通话结束后释放，
并在期间一直维持。
Iu 信令连接。如果说RRC 连接建立了UE 与UTRAN 之间的信令通路，那么Iu 信令连接则
是建立了UE 与CN 之间的信令通路。Iu 信令连接主要传输UE 与CN 之间非接入层信令。
在UTRAN 中，非接入层信令是通过上下行直接传输信令透明传输的。鉴权。出于网络安全
性能考虑，在呼叫建立时，网络必须对UE 进行鉴权。
无线接入承载（RAB）。RAB 可以看作是UE 与CN 之间接入层向非接入层提供的业务，主
要用于用户数据的传输。RAB 直接与UE 业务相关，它涉及接入层各个协议模块，在空中
接口上，RAB 反映为无线承载（RB）。
无线承载（RB）。RB 是UE 与UTRAN 之间L2 向上层提供的业务。上面我们提到的RRC
连接也可以看作是一种承载信令的RB。
无线链路（RL）。无线链路是指一个UE 和一个UTRAN 接入点之间的逻辑连接，它在物理
实现上通常是由一到多个无线承载传输组成。在UE 与一个UTRAN 接入点（通常指小区）
之间最多存在一条无线链路。
1、 CS 起呼流程
电路交换业务起呼流程主要有以下几个基本过程：
第一步，建立RRC 连接。起呼时，首先由UE 的RRC 接收到非接入层的请求发送RRC 连
接建立请求消息给UTRAN，在该消息中包含被叫UE 号码，业务类型等等。UTRAN 接收
到该消息后，根据网络情况分配无线资源，并在RRC CONNECTION SETUP 消息中发送给
UE，UE 将根据消息配置各协议层参数，同时返回确认消息。
RRC 连接建立有两种情况：公共信道上的RRC 连接建立和专用信道上的RRC 连接建立。
两者的区别在于RRC 连接使用的传输信道不同，因而连接建立的流程有所区别。
公共信道上的RRC 连接建立
专用信道上的RRC 连接建立
第二步，Iu 信令连接的建立。在RRC 连接建立后，UE 将向CN 发送业务请求。此时UE 的
RRC 发送INITIAL DIRECT TRANSFER 消息，在该消息中包含非接入层的信息（CM
SERVICE REQUEST）。RNC 接收到该消息后，RNC 的RANAP 发送INITIAL UE MESSAGE，
将UE 的非接入层消息透明转发给CN，在该消息发送的同时建立Iu 信令连接。在Iu 信令
连接建立后，UE 和CN 之间的非接入层消息传输使用DOWNLINK DIRECT TRANSFER 和
UPLINK DIRECT TRANSFER 消息进行。
第三步，鉴权。Iu 信令连接建立后，CN 需要对UE 进行鉴权。鉴权是非接入层功能，在UTRAN
中透明传输。具体操作见第二步的流程中3－6 消息内容。
第四步，RAB 的建立。UE 业务请求被网络接收后，CN 将根据业务情况分配无线接入承载
（RAB）。同时在空中接口将建立相应的无线承载（RB）。
需要注意的是，4－8 条消息若在RRC 连接建立中建立了无线链路，则需要进行上述无线链
路的重配置过程，若在RRC 连接中没有建立无线链路，即建立了公共信道上的RRC 连接时，
则在此应进行无线链路建立的过程。
第五步，等待应答。此时UE 将等待被呼叫方应答，进入通话状态。
2、 CS 被呼流程
CS 被呼流程基本与起呼流程相似，只是在RRC 连接建立前，UE 首先接收到寻呼信道上的
PAGING TYPE 1 消息，然后进行RRC 连接的建立。以后各部分同起呼流程。
3、 PS 起呼流程
分组交换业务起呼流程有以下几个基本过程：
第一步，建立RRC 连接。
第二步，Iu 信令连接的建立。
第三步，UE 的鉴权和安全模式控制。
第四步，ATTACH。建立UE 和服务GPRS 业务节点（SGSN）之间的逻辑连接。
第五步，业务请求及分组数据协议（PDP）激活。UE 非接入层发送业务请求，并激活PDP。
第六步，RAB 的建立。UE 业务请求被网络接收后，CN 将分配无线接入承载（RAB）。在
空中接口将建立相应的无线承载（RB）。
第七步，等待应答。UE 等待CN 响应。当UE 接收到PDP RESPONSE 消息，此时可以发送
接收IP 数据包。
需要说明的是，WCDMA 系统的分组业务是“实时在线”的，就是说用户和网络始终连接。
通常在用户终端开启时，便进行ATTACH 操作，与SGSN 建立逻辑连接。在需要进行分组
业务数据传输时，直接激活PDP 就可以了。因此，在实际操作时流程如下图所示：
在UE 上电时通常会执行1－5 步，ATTACH 到网络上，并一直保持附着状态。在需要进行
数据传输时，执行6－10 步呼叫过程。
4、 PS 被呼流程
与电路交换一样，PS 被呼流程也与起呼流程相似，只是在接收到PAGING 消息后进行。