實體層的架構會直接影響到手機和基地台的硬體複雜度，因此任何行動通訊系統的實體層架構經常都是影響系統性能的關鍵之一。由於W-CDMA系統的寬頻屬性，因此它的實體層架構和傳統的FDMA/TDMA系統有著顯著的不同。在W-CDMA系統的上層（通訊協定）部份雖然新增一些功能，但基本上和傳統的2G系統有著很大的相似度，因此要了解W-CDMA系統有必要先從實體層的架構開始。本文將介紹速率匹配、交錯、訊框等化及分割、展頻及擾亂、展頻和擾亂碼的功能等實體層相關的功能。

速率匹配（Rate Matching）

假如訊息的長度小於一個訊框內所要保留給該訊息的長度時，可以將此訊息內的某些位元複製，複製後的訊息長度會等於訊框內所要提供給它的長度。利用這種位元複製的方式可以將整體的傳輸功率降低。另一方面當所要傳送的訊息長度大於一個訊框所能提供的長度，而且其中的一些位元可以在接收端利用某些位元回復，再用消除法（puncturing）將原始訊息內的這些位元消除以滿足訊框的長度。

上層會對每一傳輸頻道指定速率匹配（rate matching；RM）的屬性，這個屬性是屬於半靜態的（semi-static）而且僅能經由上層的訓令來改變。不同傳輸時間間隔（transmission time interval；TTI）的傳輸頻道上的位元總數會有所不同。在下傳方向，若位元總數小於最大值時傳輸會被中斷。在上傳方向，不同TTI內的位元數被重複或消除以確保在TrCH多鐘後的總位元率會等於所配置的專用實體頻道的位元率。

在下傳方向若沒有位元進入RM時，則實行DTX的傳輸。在上傳方向若沒有位元進入RM時，不會有任何的DPDCH頻道被選擇。在3GPP規格中的速率匹配是依照下面的準則來進行：在速率匹配之後的所有傳輸頻道的每一個訊框的位元數必須等於實體頻道指定的展頻因數下的訊框 的位元數相等。速率匹配參數可以利用公式(1)來獲得。

《公式一　》

其中

：傳輸頻道的半靜態速率匹配的屬性；

：在一個CCTrCH頻道裡面TrCH頻道的數目；

：在TFCj的CCTrCH頻道的一個訊框內的總位元數；

：決定的參數；

：上傳方向傳輸頻道TrCHi其TFC為TFCj時在一個訊框內的總位元數；

：具有TFC為TFCj的上傳方向傳輸頻道TrCHi再速率匹配時所需要重複或消除的位元數；若為正值，則表示重複的位元數為；若為負值，則表示要消去的位元數為。

上傳方向速率匹配的程序為：確定展頻因數和所需的實體頻道的數量、根據公式（1）得到所需要的速率匹配參數、利用這些參數在每一個訊框進行速率匹配（位元重複或消除）。

在下傳方向的速率匹配是不同於上傳方向的速率匹配。在下傳方向的傳輸頻道中，在速率匹配之前每個TTI的位元總數為。基本上，下傳方向的速率匹配主要是參考以及傳輸頻道TTI內訊框的數目來決定訊框內的位元總數。其目的在於讓傳輸頻道一個訊框內的位元總數小於在實體頻道中所使用訊框的位元總數。在速率匹配之後，當傳輸頻道訊框內的位元數比指定給該傳輸頻道的訊框的最大位元數還小時，會利用DTX位元來填充不足的位元。DTX指示位元的插入位置取決於訊框中TrCH的位置是否固定。在連結時，UTRAN會決定每個CCTrCH頻道是否使用固定的位置來填充DTX指示位元。DTX指示位元不會被傳送，因此在此段時間是屬於傳輸關閉（transmission off）的期間。(圖一)顯示上傳方向和下傳方向頻道編碼和多工的流程。

《圖一　上傳及下傳方向頻道編碼和多工的流程》

從圖一中可以看出在速率匹配的部份，在上傳和下傳方向有底下三個不同之處：

經過速率匹配之後，每個傳輸頻道會輸出數個位元串流區塊。對於N個傳輸頻道，各取其一塊位元串流進行串列連接，形成一個新的位元流CCTrCH。例如，在(圖二)中有兩個傳輸頻道（TrCH），每個頻道經過無線訊框分割後各有四個區塊，將TrCH1和TrCH2的第一塊組合，將TrCH1和TrCH2的第二塊組合，依此類推形成了四個CCTrCH的訊框。

《圖二　傳輸頻道映射到實體頻道的無線訊框》

交錯（Interleaving）

大部份的干擾訊號是屬於間歇性的脈衝訊號，這些強脈衝會造成在那段時間內的訊號遺失，這種錯誤稱為叢發式的錯誤（burst errors）。快速衰落（fast fading）也會造成類似由高脈衝干擾訊號所產生的叢發錯誤。

因頻道編碼（迴旋或渦輪編碼）的關係，要在接收端解出一個資料位元需要利用到連續相鄰的幾個位元。叢發式的錯誤會造成相鄰的幾個資料位元毀損，因此再強的頻道編碼技術也無法克服這種叢發式的錯誤。

交錯排列（interleaving）即是將相鄰的資料位元利用特定的排列方式錯開，也就是將要解出一個資料位元所需的相鄰位元在時間軸上散開。利用這種交錯排列的架構即使遇到由高脈衝干擾所造成的資料毀損，也能利用剩餘的位元回復原始的資料位元，因此交錯排列在對付叢發式錯誤方面是非常有效的。利用(圖三)(a)和圖三(b)來說明如何利用交錯和編碼的技術來克服叢發式的傳播錯誤。

《圖三　(上)叢發式的傳播錯誤—未使用交錯(下)利用交錯的方式可以克服叢發式的傳播錯誤》

(下)利用交錯的方式可以克服叢發式的傳播錯誤

無論是上傳或下傳方向3GPP的規得採用兩次的交錯技術：第一次交錯（1st interleaving）和第二次交錯（2nd interleaving）。第一次交錯是採用具有欄間置換（inter-columns permutation）功能的區塊交錯器（block interleaver）來實現。在正常模式下，將位元串流以行的方式輸入到一個矩陣中，然後根據一定規則進行不同列之間的置換，最後在以列的方式讀出而形成一個交錯後的位元串流。

第二次交錯是採用一個具有輸入填充（padding）、欄間置換和輸出刪除（pruning）的區塊交錯器來實現。對於每個CCTrCH訊框形成的一個或者P個區塊，其大小為X位元，將位元串流按行輸入到一個矩陣中，該矩陣的列數為30（C2＝30），行數為然後根據規則進行不同列之間的置換，最後依照列的順序讀出而形成一個位元串流。

經過第二次交錯處理的位元串流會映射到無線訊框中，兩個傳輸頻道形成了四個無線訊框，分別在連續的四個無線訊框上傳送，其傳送必須保持與SFN的對齊，即第一個無線訊框必須在SFN是4的整數倍的訊框中傳送。

訊框等化及分割（Frame Equalization & Segmentation）

位元串流經過頻道編碼器編碼之後會進行無線訊框尺寸的等化，以保證位元串流可以被分為多個長度相等的無線訊框。訊框等化主要是將輸入位元串流填入一些填充位元，使得輸出串流可以被分割成具有相同大小的資料區塊。填充的位元可以為0或者1並放在位元串流的尾端。例如，一個TTI的長度可以有10ms、20ms、40ms及80ms等四種，對於TTI為80ms的傳輸頻道，其位元串流經過編碼後應將其位元等化為八塊。訊框等化只適用於上傳方向。

經過第一次交錯之後的位元串流需要進行無線訊框的分割。如果TTI是10ms則不須進行分割，對於TTI ={20ms 40ms 80ms}則要進行分割處理。分割之後的位元串流的區塊是以TTI為10ms的整數倍。

展頻和擾亂（Spreading & Scrambling）

上傳實體頻道的展頻（UL Physical Channels Spreading）

上傳鏈路的展頻包括：DPDCH/DPCCH、PRACH和PCPCH頻道等三種。上傳DPDCH/DPCCH的展頻如(圖四)所示，在展頻之前二進位的DPCCH和DPDCH頻道的內容會先轉換成實數序列，亦即二進制的0會映射到實數+1，二進制的1會映射到實數-1。DPCCH頻道通過通道碼展頻到指定的碼片率，頻道化之後實數值的展頻訊號會進行加權處理，對DPCCH頻道來說是利用參數來進行加權。

DPDCH頻道是使用增益因數來進行加權處理。加權處理後，I軸和Q軸的實數值訊號會相加成為複數值的訊號。

《圖四　上傳DPDCH/DPCCH頻道的展頻》

PRACH和PCPCH頻道訊息部分的展頻會和專用頻道相同，資料和控制部分分別對應於DPDCH和DPCCH頻道，(圖五)顯示PRACH頻道的展頻。

《圖五　PRACH頻道的展頻》

對於上傳頻道的頻道碼分配如下：

《圖六　PRACH頻道展頻碼的選擇》

下傳實體頻道的展頻（DL Physical Channels Spreading）

下傳實體頻道的展頻除了SCH頻道比較特殊外，其他實體頻道例如P-CCPCH、S-CCPCH、CPICH、AICH、PICH、PDSCH和DPCH頻道的展頻都是採用(圖七)所示的架構。未展頻前的實數值序列其值可以是+1、-1或0，0代表DTX。每一對連續的兩個符碼利用串聯轉並聯的方式將偶數號的符碼分到I軸，奇數號的符碼分到Q軸。符號為0的定義為每一訊框的第一個。對AICH頻道，符號為0的定義為每一進接時槽的第一個。

《圖七　下傳實體頻道的展頻》

I軸和Q軸使用相同的頻道碼展頻到指定的碼片速率。實數值的I軸和Q軸序列會變為複數值的序列。

對於下傳頻道的頻道碼分配如下：

●CPICH頻道：展頻碼固定為；

●PCCPCH頻道：展頻碼固定為；

●其它實體頻道的展頻碼是由UTRAN指派。

上傳實體頻道的擾亂（UL Physical Channels Scrambling）

上傳擾亂碼的分配原則如下：

●DPDCH/DPCCH頻道：在展頻之後，I軸和Q軸的實數值位元串流會相加成為單一複數值的位元串流，此複數值的訊號會利用來進行擾亂。可以是長擾亂碼或短擾亂碼。若使用第n個長擾亂碼，則。若使用第n個短擾亂碼，則。

●PRACH頻道前言部份：使用長擾亂碼進行擾亂。用於PRACH頻道前言部份的擾亂碼的長度為10ms，總共定義了8192個不同的擾亂碼。PRACH前言部份是一個複數值的序列，它是由前言擾亂碼和特徵序列。是由長擾亂碼所產生，共有8192個。這8192個碼被分成512組，每組有16個。細胞內的與下傳擾亂碼有一一對應的關係。若細胞內下傳主擾亂碼為m，碼中的n會等於。

●PRACH頻道訊息部份：使用在PRACH頻道訊息部份的擾亂碼長度為10ms且數目為8192個，事實上使用在訊息部份的擾亂碼和使用在前言部份的擾亂碼是相同的。在前言部份所使用的擾亂碼編號是從0到4095，而訊息部份則是從4096到42495。為使用在PRACH訊息部份的擾亂碼的一般式。

●PCPCH頻道進接前言的部份：PCPCH頻道前言部份的擾亂碼是屬於長擾亂碼，共有40960個擾亂碼。第n（）個PCPCH進接前言擾亂碼可以表示成。40960個PCPCH前言部份的擾亂碼被分成512組，每一組有80個擾亂碼。PCPCH前言部份擾亂碼的群組和細胞下傳主擾亂碼群組具有一對應的關係。

●PCPCH頻道碰撞偵測前言部份：PCPCH頻道碰撞偵測前言部份的擾亂碼是屬於長擾亂碼，共有40960個。第n（）個PCPCH進接前言擾亂碼可以表示成。40960個PCPCH前言部份的擾亂碼被分成512組，每一組有80個擾亂碼。PCPCH前言部份擾亂碼的群組和細胞下傳主擾亂碼群組具有一一對應的關係。

●PCPCH頻道功率控制前言的部份：PCPCH功率控制前言部份的擾亂碼和PCPCH訊息部份的擾亂碼是相同的。

●PCPCH頻道訊息部份：PCPCH頻道訊息部份的擾亂碼長度為10ms，在每一個細胞內具有64組擾亂碼，因此整個系統共具有32768個不同的擾亂碼。為PCPCH訊息部份擾亂碼的產生式；其中，。可以利用長擾亂碼（long scrambling code；）或短擾亂碼（short scrambling codes；）來作為PCPCH訊息部份的擾亂。

下傳實體頻道的擾亂（DL Physical Channels Scrambling）

共有個擾亂碼可以產生，編號為0…262142。但並不是所有的擾亂碼都可以使用。所有的擾亂碼被分成兩組：一組是主擾亂碼共有512個、另一組是副擾亂碼共有15512。主擾亂碼包括的擾亂碼，。第i個副擾亂碼包括的擾亂碼，。在主擾亂碼和15個副擾亂碼之間有一對應的關係，第i個主擾亂碼對應於第i個副擾亂碼。

主擾亂碼又可以分成64個擾亂碼群組，每個擾亂碼群組中有8個主擾亂碼。第j個擾亂碼群組所包含的擾亂碼為，這裏和。每一個細胞只分配一個主擾亂碼，P-CCPCH和P-CPICH頻道總是使用主擾亂碼來發射，其餘的下傳實體頻道既可以用主擾亂碼也可以用和細胞相關的副擾亂碼來擾亂。

展頻和擾亂碼的功能（Functionality of Spreading & Scrambling Codes）

在WCDMA的空中介面每一個頻道都含有一組唯一的碼，這個碼是由頻道碼及擾亂碼所組成，如(圖八)所示。利用不同的擾亂碼可以將有限的頻道碼在不同細胞/扇區（cell/sector）或手機上重複使用，不同擾亂碼間的互相關性可以降低相鄰細胞不同頻道間的干擾。

《圖八　展頻碼和擾亂碼在發射機內的角色》

在下傳方向不同的展頻碼可以區分不同的細胞/扇區，如(圖九)(a)，在上傳方向利用不同的擾亂碼可以區別來自不同手機的頻道，如圖九(b)。下傳方向的擾亂碼是使用主擾亂碼，至於副擾亂碼則必須搭配智慧型天線的使用。上傳方向的擾亂碼是採用長擾亂碼，但由於手機在細胞內的分佈情形是很隨機的，因此不同手機所發射的頻道抵達基地台之後會造成多重用戶的干擾產生（multi-user interference；MUI）造成系統容量的降低。利用短擾亂碼搭配多重用戶檢測（multi-user detection；MUD）的技術可以降低不同用戶間的干擾，進而增加上傳方向的容量。

《圖九　(上)利用下傳擾亂碼來區分不同的細胞/扇區(下)利用上傳擾亂碼來區分不同的用戶》

　　　　(下)利用上傳擾亂碼來區分不同的用戶

（下期預告:本期介紹W-CDMA無線電傳輸技術架構中速率匹配、交錯、訊框等化及分割、展頻及擾亂、展頻和擾亂碼的功能等實體層相關的功能，下期將進行W-CDMA無線電傳輸技術架構最後一期，敬請持續鎖定。）

延 伸 閱 讀

W-CDMA系統無線電架構設計與訊號傳輸效能息息相關，因此在討論完編碼技術與實體頻道之後，將再接連三期進一步介紹無線電傳輸架構設計，本期內容主要集中在頻道編碼的概念、架構與設計要點等。相關介紹請見「W-CDMA無線電傳輸架構（I）」一文。 為了測試W-CDMA用戶設備（UE）中的解調器性能，33kbps參考測量信道（RMC）被開發出來。該信道提供了一種方法來分析接收器RF域的性能，而該性能通常被標準糾錯演算法的使用所遮罩。三種不同類型的WCDMA UE的性能已經經過了測量和展示。你可在「一種W-CDMA用戶設備接收機測量的全新方法」一文中得到進一步的介紹。 在UMTS-FDD的下鏈路實體通道，CPICH為連續不斷廣播基地台攪亂碼，攪亂碼提供每個基地台發射訊號的識別，UE利用CPICH作為同調（coherent）接收的參考以精確的量測基地台的參考時間，並在基地台交遞期間或交遞之前，用來決定來自週遭基地台的訊號強度。在「UMTS-FDD/W-CDMA第三代行動通訊系統概論（下）」一文為你做了相關的評析。

市場動態

美商亞德諾推出五款腳位相容的新型四相位調變器，將射頻（RF）積體電路產品系列推展至包括從250MHz到4GHz頻率範圍，使得無線系統工程師能夠將用於多種作業頻帶與行動通信標準的電路板予以標準化。每一款四相位調變器都適用於一種特定的頻帶，因此能避免使用單一調變器來處理全頻帶範圍所造成性能下降的缺點。相關介紹請見「亞德諾推出將射頻產品頻率由250MHZ擴展至4GHZ的新型四相位調變器」一文。 在“BREW 2006 Conference”會議開幕之前舉行的一次新聞說明會上，美國高通向與會者介紹了W-CDMA晶片組的開發方針。同為第三代行動通訊標準，在北美採用的CDMA2000標準中高通已經是市場領導者，而在W-CDMA方面則起步較晚。你可在「高通公佈W-CDMA晶片開發方針」一文中得到進一步的介紹。 日本無線將推出3.5G行動測試機，可以用來測試3.5G手機的HSDPA（Ｈigh Speed Downlink Packet Access）功能以及GSM的EGPRS（Enhanced GPRS）功能，可進行W-CDMA與GSM之間的基地台轉換。在「日本無線推出3.5G HSDPA行動測試機」一文為你做了相關的評析。