WCDMA协议解析技术研究与实现

熊志广，韩 星

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

WCDMA协议解析技术研究与实现

熊志广，韩 星

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对WCDMA侦察和干扰系统对协议解析技术的迫切需求，给出了WCDMA协议解析的总体方案，设计了WCDMA协议的解析算法，研制了WCDMA协议解析原理样机，实现了对WCDMA下行链路同步信道、导频信道、广播信道和辅助公共控制信道承载的协议参数和信息的解析。此外，利用地面WCDMA基站进行了性能测试，证明了该协议解析技术的可行性和有效性。

WCDMA；协议解析；码道

0 引言

WCDMA技术以其高容量、高数据传输速率、高频谱效率、标准化和抗干扰等优势，成为目前世界范围内陆地移动通信应用广泛的一种技术，同时也被卫星移动通信等通信系统采用[1]。对采用WCDMA体制的通信系统实施侦察和干扰，解析出其协议参数至关重要[2-3]。本文主要研究了WCDMA协议解析技术，提出了WCDMA协议解析总体方案，设计实现了导频信道、同步信道、广播信道和辅助公共控制信道的协议解析模块，并在原理样机上进行了验证，能够对WCDMA系统信号进行协议解析处理，分析出数据和控制信息，掌握系统当前的状态，进而能够构建针对性的干扰信号，对WCDMA系统实施高效干扰。

1 WCDMA协议解析结构和策略

WCDMA网络空中接口共分为3层：物理层(L1)、数据链路层(L2)和网络层(L3)[4]。L3与L2层之间，根据信令与业务数据的不同，空中接口建立了信令无线承载(SRB)和业务无线承载(RB)，分别映射到专用控制信道DCCH和专用业务信道DTCH上[5]。

物理层L1是由一系列的下行物理信道和上行物理信道组成，提供信息传输服务，负责进行信道编码、扩频、扰码、调制以及相应的解调、解扰、解扩、信道解码[6]。功率控制以及导频同步也是物理层的主要任务。

数据链路层L2可以细化为媒体接入控制子层(MAC)、无线链路控制子层(RLC)、分组数据汇聚层(PDCP)和广播/多播层(BMC)，基本功能是对物理层的资源进行管理和控制，对上层提供不同质量要求的服务[7]。其中BMC层完成的功能包括：小区广播消息的存储、调度和发送。

网络层L3负责各种业务的呼叫信息处理以及语音、数据等业务的控制和处理。L3层中处理控制信令的主要部分是无线资源控制层(RRC)，功能包括配置下层协议实体的参数、控制下层协议实体的状态和各种无线业务过程的信令交互和处理等。WCDMA网络结构如图1所示。

图1 WCDMA网络结构

协议解析的总体方案是要依据3GPP协议标准，通过协议解析技术分解侦察到的WCDMA空中接口信号，从而得到各层协议所包含的协议头和负载内容。首先对接收的WCDMA系统信号进行物理层处理，然后在MAC层解析模块中进行分解，确定数据包的传输信道、采用的MAC实体和传输格式等参数；接着对其在RLC层进行分解，确定RLC层的协议头，进而判断RLC的负载是上传到RRC层还是上传到BMC层；最后在BMC层进行协议解析得到系统的主系统信息块(MIB)和系统信息块(SIB)信息，在RRC层得到RRC连接建立信息。从MIB/SIB中可以获取WCDMA网络公共陆地移动通信网络标识(PLMN)、位置区编码(LAC)、小区标识(cell Identity)、随机接入前导可以使用的特征码等参数，掌握网络当前的状态。

2 协议解析过程设计与实现

2.1 导频信道、同步信道的协议解析

在WCDMA下行链路中，导频信道承载了小区主扰码，主同步信道承载了时隙同步信息，辅同步信道承载了帧同步信息[8]。

WCDMA的每个小区使用唯一的下行主扰码。下行扰码总数为8 192，分为64个扰码组，每个扰码组包含1个主扰码和15个辅助扰码。512个主扰码又进一步分为64个主扰码组，每组包括8个主扰码[9]。小区搜索用来实现终端与目标小区的同步，并获得目标小区的主扰码。小区搜索过程分为主同步、辅同步和导频搜索3步。

2.1.1 主同步信道解析获取时隙同步

WCDMA的P-SCH信道在每个时隙的前256个码片传输PSC码序列，提供了很好的时隙同步信号[10]。主同步用本地的PSC码序列和接收到的PSCH信号做相关。直接做相关会消耗大量资源，根据PSC码字设计PSC滤波器，对输入信号进行滤波，输出即为相关结果。

2.1.2 辅同步信道解析获取帧同步与扰码组

S-SCH信道的结构和P-SCH信道的结构相同，时间上完全重合，区别是码字不同。P-SCH信道每时隙的256个PSC码都是相同的，S-SCH信道的SSC码则各个时隙间有所不同，小区与小区之间SSC码的组合和排列顺序也不同。辅同步码共有16种，15个时隙构成一种SSC码组合，每种码组合代表一种主扰码组号。

时隙同步完成后本地时隙定时已经确定，因此将本地产生的16个辅助同步码分别与接收数据进行相关，可以确定发送的辅同步码序列。根据得到的辅SSC序列在扰码组号与辅同步码的关系表中进行查表，确定发射所选取的码组号，进而得到辅同步码序列的相位偏移量。根据序列的相位偏移信息和已经得到的时隙定时，可以得到帧定时信息。

2.1.3 导频信道解析获取主扰码

WCDMA小区有唯一的主导频信道(P-CPICH)，导频信道采用信道化码为C256,0，扰码为小区主扰码。与同步信道(SCH)只出现在每个时隙的前256码片不同，导频信道在整个时隙的2 560码片上都有。根据识别出的扰码码组和帧定时，将匹配滤波后的I/Q两路信号与该码组中的8个主扰码并行作相关，输出结果求平方和并按符号累加，然后进行择大判决、与门限比较验证等完成主扰码搜索。

2.2 广播信道协议解析

广播信道承载的系统信息物理层解析流程如图2所示。

图2 物理层解析流程

协议解析单元将侦收到的WCDMA空口信息数据送到PCCPCH处理函数。首先进入解物理信道映射子模块，判断数据是否采用压缩模式，并进行相应处理；其次进入解第2次交织子模块，依据交织算法将交织后的数据恢复到交织前；随后判断当前帧是不是偶数帧，如果不是，返回PCCPCH处理函数入口，如果是偶数帧，则进入解第1次交织子模块，依据广播信道TTI为20ms恢复第1次交织前数据；接着在CRC校验模块中对恢复的数据进行CRC校验，如果CRC校验正确，说明此次侦收的数据可用，将其送入MAC层模块，进行物理层以上解析流程。

系统消息解析流程如图3所示。系统侦收的空口信息首先完成物理层解析流程，CRC校验正确后送入MAC层模块。MAC层模块完成的功能包括：实现数据流从物理层向高层的传送；分析传输信道的传输格式；解传输信道和逻辑信道之间的映射与复用。RLC层模块负责将MAC层上传的数据进行分割和重组、采用透明模式将数据上传至BMC模块等。BMC模块对RLC层上传的数据进行处理，首先判断是否已经解析过MIB消息，如果没有解析过，就一直等待MIB消息；如果解析过MIB，就继续解析紧随的SIB消息。最后将解析结果传送给MC模块，并在监控界面显示出来。

图3 系统信息解析流程

2.3 辅助公共控制信道协议解析

辅助公共控制信道用于承载RRC连接建立消息。作为WCDMA系统安全性的一部分，终端和基站需要对空中接口的RRC消息实行完整性保护[11]。3GPP协议规定，在启动安全模式控制信令流程之前的所有RRC消息不需要进行完整性保护。辅助公共控制信道承载的寻呼消息和RRC连接建立消息在安全模式控制信令流程之前，不需要实行完整性保护。因此，辅助公共控制信道承载的消息是可以解析的。

2.3.1 寻呼信道解析

寻呼信道用于承载PAGINGTYPE1消息，该消息是没有完整性保护的。解析PAGINGTYPE1消息，可以获得终端的身份标识(UEIdentity)。根据终端厂家设置不同，可以获得终端的IMSI、TMSI或者P-TMSI中的一种，同时可以获得陆地移动无线接入网标识(UTRANidentity)。

2.3.2 前向接入信道解析

前向接入信道承载的下行RRCCONNCETIONSETUP信令没有完整性保护[12]。解析RRCCONNCETIONSETUP消息，可以获得以下主要信息：

① 发起RRC连接建立请求的终端的初始临时身份标识(TMSI)。终端收到FACH下传此消息后，会比较初始临时身份标识与自己保存的变量是否一致。如果不同，终端会忽略此消息；如果相同，终端会认为此消息是网络方给自己的回应。

② 信令无线承载的参数(SRBInformationSetupList)，终端会依据获得的参数建立相应的无线承载。

③ 上行无线资源信息。包括上行DPCH的功率控制信息、上行物理信道的扰码类型以及扰码号、上行物理信道的扩频因子等。

④ 下行无线资源信息。包括导频信道与DPDCH之间的功率偏置值、下行物理信道的扩频因子、信道码号等。

2.4 硬件设计

协议解析样机硬件实现的原理框图如图4所示。协议解析样机主要包括侦察天线、下变频滤波放大单元、侦察解调处理单元、协议解析单元和监控处理单元。

协议解析样机首先通过侦察天线接收WCDMA下行信号，经过下变频滤波放大单元得到零中频数据，侦察解调处理单元完成WCDMA下行信号的同步、解调和解码等处理，协议解析单元完成WCDMA各个码道的协议解析，并将解析结果传输给监控处理单元。

图4 协议解析样机硬件实现的原理

3 性能分析

3.1 测试方法

利用协议解析原理样机对地面WCDMA现网基站进行试验，解析获得导频信道承载的小区主扰码、广播信道承载的系统消息以及辅助公共控制信道承载的RRC连接建立消息。

TEMS软件是爱立信公司开发的用于运营商网络优化的软件，国内三大电信运营商均在使用[13]。该软件连接工程手机后能够解析出WCDMA的协议，将协议解析原理样机的解析结果和TEMS软件检测结果进行对比，可以验证协议解析的正确性。

3.2 测试结果分析

解析获得的广播信道承载的系统消息如图5所示。

系统信息包含MIB、SIB1、SIB2、SIB3、SIB5、SIB7和SIB11。从MIB中可以获得小区所属的公共陆地移动通信网络标识(Public Land Mobile Network(PLMN)：46001)以及各个SIB的调度信息；从SIB1中可以获得小区的位置区编码(Location area code (LAC) :45331)，终端使用的定时器等信息；从SIB2中可以获得URA(UTRAN注册区)等信息；从SIB3中可以获得小区标识(cell Identity:33753673)、小区选择和重选信息、小区接入限制等信息；通过分析SIB5可以得到随机接入前导可以使用的特征码、最小扩频增益以及扰码号。从系统信息中可以得到系统的各种配置参数，进而对其他下行信道进行接收；同时可以利用系统的配置参数构建高效的WCDMA干扰系统。

利用TEMS软件检测得到同一个地面WCDMA现网基站的小区LAC为45331，系统消息其他内容与原理样机测试结果信息一致，可有效验证本文协议解析算法的正确性。

4 结束语

本文在分析WCDMA网络结构基础上，设计了WCDMA协议解析方案，研制了协议解析原理样机，并进行了功能验证，能够解析WCDMA协议的同步信道和导频信道、广播信道、辅助公共控制信道承载的信息，通过与TEMS软件检测结果对比，验证了本协议解析技术的有效性和正确性。该协议解析技术在公共安全和国防等领域具有广泛的应用前景。

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熊志广 男，(1984—)，工程师。主要研究方向：通信协议分析、信号处理。

韩 星 男，(1982—)，工程师。主要研究方向：通信信号处理、解调。

Research and Implementation of WCDMA Protocol Analysis Technique

XIONG Zhi-guang,HAN Xing

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

In view of the significant requirement of WCDMA reconnaissance and jamming system for protocol analysis,this paper proposes an overall solution for WCDMA protocol analysis,and designs an analytical algorithm of WCDMA protocol.An analytical prototype of WCDMA protocol analysis is developed for the communication system based on WCDMA technology.The protocol parameters and information analysis of WCDMA downlink channels are implemented,including synchronous channel,pilot channel,broadcast channel and auxiliary public control channel.Moreover,the performance test is performed by using land WCDMA base station,and the test results prove the fesibility and effectiveness of analytical algorithm.

WCDMA;protocol analysis;channel

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.04.16

熊志广，韩 星.WCDMA协议解析技术研究与实现[J].无线电工程，2017,47(4):69-72.

2017-01-06

国家部委基金资助项目。

TN911

A

1003-3106(2017)04-0069-04