非合作定位中的WCDMA協議分析

趙 毅， 卓永寧， 劉偉輝

(①電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，四川 成都 611731；②金鵬電子信息機器有限公司，廣東 廣州 510663)

0 引言

非合作定位是一種獨立于蜂窩網絡的對目標移動臺的定位方式，其定位過程不依賴于運營商網絡的支持，定位過程所需的參量需要測量者自己獲取，因此，現有的標準協議中可以為運營商網絡提供定位觀測量提取的技術和服務，如位置服務(LCS, Location Service)業務，在非合作定位中都不能使用，而要直接從終端與基站的信息交互過程中獲取，從而需要對協議進行深入的分析。本文分析WCDMA協議中在非合作的情況下獲取定位參數的難易程度。

1 WCDMA的隨機接入過程

定位需要的觀測量有信號到達時間(TOA)，到達時差(TDOA)，信號強度等，這些都可以在WCDMA協議中的反向物理信道上獲取。WCDMA系統中反向物理信道包括上行專用物理信道(UL-DPCH)、物理隨機接入信道(PRACH)和物理公共分組信道(PCPCH)。這里主要討論在隨機接入過程中提取定位觀測量。

隨機接入過程是當用戶設備(UE,User Equipment)的物理層收到來自MAC子層的PHY-DATA-REQ原語請求觸發的[1]。物理隨機接入信道承載隨機接入信道，它分為前綴和消息兩部分，每次隨機接入都包含一個或多個前綴以及一個消息部分。協議為UE定義了幾個開始發送信息的確切時刻，這幾個時刻叫做接入時隙。UE的每個接入消息均是對齊時隙開始處發送的，這對于確定TOA或TDOA是有利的。如圖1所示UE接入時隙的劃分及接入時刻[2]。

圖1 UE接入時隙的劃分及接入時刻

要從隨機接入過程提取手機信號的TOA或TDOA，必須了解其物理層的調制過程。WCDMA系統用Walsh函數的一種正交可變擴頻因子碼(OVSFC,Orthogonal Variable Spreading Factor Codes)來信道化碼，作用是區分同一信源的傳輸，即一個扇區的下行連接以及上行同一UE的不同信道[3]。使用OVSF可以改變擴頻因子(SF,Spreading Factor)而不同長度的擴頻碼間的正交性。OVSF碼字可從哈德瑪矩陣導出的碼樹依據擴頻因子選取。擴頻后采用Gold碼加擾。加擾的作用是為了把終端和基站各自分開。Gold碼由兩個特定的m序列相加而成，其中m序列的產生依賴擾碼序號。由于采用多用戶檢測技術，擾碼分長擾碼和短擾碼。隨機接入過程采用長擾碼。

隨機接入過程首先給基站發送前綴部分（Preamble），物理隨機接入信道中總共有的16個長度為16bit簽名序列，前綴部分是由其中一個簽名序列重復256次而形成的長度為4096碼字(chip)。前綴部分總共有8192個可用的擾碼，前綴擾碼序號是由小區下行鏈路主擾碼序號和高層發來的簽名序列號共同決定的,其中小區下行鏈路的主擾碼序號是通過UE開機時的同步搜索中獲得的。前綴擾碼截取擾碼序號產生的長碼序列的前4 096 chip使用。如圖2所示前綴部分基帶調制過程。

圖2 前綴部分調制過程

當UE接收到基站對前綴的確認信號后，就可以發送隨機接入的消息部分了。消息部分分為數據部分和控制部分，它的擴頻碼和擾碼的選擇取決于前綴簽名序列號。前綴簽名序列號指向OVSF碼中碼字長度為16 bit的16個節點來對消息部分擴頻。數據部分映射到I路，選擇擴頻因子為32、64、128或256。消息的控制部分映射到Q路，選擇擴頻因子為256。消息部分的擾碼是前綴部分擾碼偏移4 096 chip產生的，長度截取前38 400 chip。圖3所示為物理隨機接入信道消息部分的調制過程[4]。

圖3 消息部分的調制過程

上行鏈路功率控制主要是移動臺UE的行為，因此信號強度測量值可以從UE的前綴部分發射的功率獲得[5]。在隨機接入過程中UE發射前綴前，其物理層先從RRC層接收包括前綴碼重傳計數器、初始發射功率、功率攀升因子、消息部分長度、前綴簽名序列號等配置信息。設定好配置后按高層規定的功率發送前綴部分。圖4所表示的是UE發射前綴部分的功率差值容限。

圖4 前綴部分發射功率差值容限

如圖4所示，每個前綴發射持續時間為3 904 chip，即1.016 7 ms。UE每次按初始發射功率等概率選擇一個上行接入時隙發射三到四個前綴，發射功率容限視不同情況而定。然后在選定的上行接入時隙對應的下行接入時隙中捕獲指示信道(AICH)上監聽NodeB返回一個針對所用簽名的確認信號。AICH時隙是PRACH時隙延后7 680 chip,即2 ms。當UE在確認信號中檢測到-1或+1的捕獲指示，UE按協議進行對應的下一步操作。如果沒有檢測到+1或者-1的捕獲指示，UE將根據調整發射功率并隨機選擇下一個可用上行接入時隙發射前綴。

表1表明根據不同的捕獲指示依照功率攀升因子增加或減少發射功率容限[6]。如果當前的發射功率超過最大允許功率6 dB，UE上報物理層狀態“No ack on AICH”給MAC層，然后退出物理隨機接入過程。

表1 功率攀升因子對應增加或減少的功率容限

2 WCDMA協議中對用戶身份信息的傳遞和管理

身份識別參數在非合作定位中對目標手機起到重要作用。在UE的身份識別參數中，國際移動用戶標識(IMSI，International Mobile Subscriber Identity)和國際移動設備標識(IMEI，International Mobile Equipment Identity)可以用來確定用戶的身份。由于以上兩種身份識別參數涉及到用戶利益，因此為了提高通信過程安全性，每當UE用IMSI向系統發起接入、位置更新、呼叫嘗試或業務激活等請求時，服務網絡都會對其進行鑒權，鑒權成功后利用安全算法產生臨時移動用戶標識(TMSI，Temperate Mobile Subscriber Identity)唯一代替UE的IMSI，避免在無線信道透明傳輸。在路由區引入的P-TMSI（Packet Temperate Mobile Subscriber Identity）功能與TMSI一樣，但它只在路由區有效，在路由區外必須加上路由區標示符才能唯一認證。特別注意的是，在隨機接入過程中每個需要接入的UE都可以隨機的從簽名序列中選擇，所以不能用前綴碼做用戶的身份識別參數。

隨機接入過程一般發生在UE開機進行身份信息附著，關機身份信息分離，位置區更新，路由區更新，執行任何業務的信令連接建立中，以上情況均傳遞或更新UE的身份識別參數。如非接入層中TMSI重分配過程(TMSI Reallocation Procedure)、P-TMSI重分配過程(P-TMSI Reallocation Procedure)、位置更新過程、身份識別過程。TMSI重分配過程是在UE通過服務網絡的鑒權后由服務網絡發起的；P-TMSI重分配過程在每一次路由區改變的過程中顯示或隱式發生的，但具體實施靠網絡運營商定；位置更新過程在UE更新當前注冊位置、UE進入一個新的位置區或服務網絡在MM連接請求響應中指示UE在VLR都會觸發的；身份識別過程由UE發現服務網絡鑒權消息中AUTN參數中MAC碼無效或SQN超出范圍失敗觸發的[7]。如圖5所示身份識別過程觸發和執行。

圖5 身份識別過程的觸發

表2列舉非接入層中各過程中攜帶身份識別參數的消息對比。

3 結語

綜合前兩章所述，非合作定位參數的載體有很多，但提取難易程度各有不同。比較TOA、TDOA以及信號強度，雖然到達時間TOA容易從前綴部分得到，但WCDMA系統是異步的，前綴到達時間存在較大誤差，提取準確性不大，而提取TDOA相對容易；前綴的發射功率隨不同的情況而變化，同時信道復雜多變，提取能反應距離遠近的信號強度相對困難；比較各種身份參數的傳輸過程，TMSI重分配過程、P-TMSI重分配過程、位置更新過程發生在服務網絡鑒權后，信令是在無線信道上加密傳輸的，難以從信令消息中解密出身份識別參數，而身份識別過程中的IDENTITY RESPONSE消息中的用戶身份信息并未加密，提取則相對容易。

[1] 3GPP Technical Specification ETS 125.321 v 8.7.0-2009. Medium Access Control (MAC) Protocol Specification[S].[s.l.]： 3GPP,2009.

[2] 3GPP Technical Specification ETSI125.211 v 8.5.0-2009.Physical Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels (FDD)[S].[s.l.]：3GPP,2009.

[3] 史鋒峰.WCDMA系統的信道碼分配策略[J].通信技術,2003(03)：59.

[4] 3GPP Technical Specification ETSI125.213 v 8.4.0-2009.Spreading and Modulation(FDD)[S].[s.l.]：3GPP,2009.

[5] 李慶,梁云,胡捍英.WCDMA系統中的功率控制的研究[J].通信技術,2008,41(02)：121-122.

[6] 3GPP Technical Specification ETSI125.101 v8.7.0-2009. UE Radio Transmission and Reception(FDD)[S].[s.l.]：3GPP,2009.

[7] 3GPP Technical Specification ETSI124.008v8.7.0-2009. Mobile Radio Interface Layer 3 Specification;Core Network Protocols Stage3[S].[s.l.]：3GPP,2009.