CDMA网络结构分析

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1、前言所谓移动通信，是指通信双方或至少有一方处于运动中进行信息交换的通信方 式，显然，这是一种人们生活和工作中非常方便、实用的通信方式。移动通信的发展 已经经历了两代，第一代（1G）采用模拟技术的语音移动通信，第二代（2G）采用数 字技术的移动通信（语音为主，低速数据）。目前，各国的蜂窝移动通信技术正在进 行系统演进，演进后的系统称为2.5代（2.5G）,并继续朝着第三代（3G）和第四代 （4G）方向发展。本文从基础上系统介绍了窄带（2G）CDMA网络的结构组成。本文第一章介绍了 CDMA的发展历程，第二章介绍CDMA蜂窝移动通信网的特点及 优势，第三章介绍CDMA系统网络结构及各部分功能和原理

2、，第四章介绍CDMA网络中 的接口，第五章介绍CDMA网络的发展趋势。第 1 章 CDMA 的发展历程CDMA是码分多址（Code Division Multiple Access）的英文缩写，它是在扩频通 信技术的基础上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术，它的出现源自于人类对 更高质量无线通信的需求。第二次世界大站期间因战争的需要而研究开发的 CDMA 技 术，其初衷是为了防止敌方对己方通信的干扰，在战争期间广泛应用于军事干扰通信， 后来由美国高通（Qualcomm）公司将其发展为商用蜂窝移动通信技术。1995年,第一个CDMA商用系统运行之后,CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得 到

3、了检验， 从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。全球许多国家和地 区,包括中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。在美国和日本，CDMA 更是成为国内的主要移动通信技术。在美国， 10 个移动通信运营公司中就有 7 家选 用 CDMA。CDMA技术的标准经历了几个阶段。IS-95是CDMA ONE系列标准中最先发布的标 准，真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准是IS-95A，这一标准支持8K编码 话音服务。其后又分别推出了支持13K话音编码的TSB-74标准和支持1.9GHz的CDMA PCS 系统的 STD-008 标准。随着移动通信对数据业务需求的增长,1998

4、 年6月, 美国高 通公司宣布将IS-95B标准用于CDMA基础平台上。IS-95B可提供CDMA系统性能，并 增加用户移动通信设备的数据流量，提供对64KB/S数据业务的支持。其后，CDMA2000 成为窄带CDMA系统向第三代系统过渡的标准。CDMA2000在标准研究的前期，提出了 IX和IX增强型技术代表了未来的发展方向。CDMA 技术的标准化，推进了这项技术在世界范围的应用。目前，在美国、韩国、 日本等国，CDMA技术已获得了较大规模的应用。在一些欧洲国家一些运营商也建起 了 CDMA 网络。我国 CDMA 技术的发展并不迟，也有长期军用研究的技术积累， 1993 年，国家863计划已

5、开展对CDMA蜂窝技术的研究。1994年，美国高通公司首先在天 津建成了 CDMA技术实验网。1998年，具有14万容量的长城CDMA商用实验网在北京、 广州、上海、西安建成,并开始小部分商用。 2000年2月16日，中国联通以运营商 的身份与美国高通公司签署了 CDMA知识产权框架协议，为中国联通CDMA的建设扫清 了道路。2000年10月，中国联通启动CDMA网络建设。2001年12月22日，联通新 时空CDMA网络建成。2002年1月8日，联通新时空开通放号。到2002年10月，全 国CDMA用户达到400万。2003年1月28日，上海联通率先开通CDMA20001X网络， 标志着中国联

6、通的CDMA移动通信全面进入2.5G时代。CDMA是移动通信技术的发展主向。在2G阶段，CDMAIS-95A与GSM在技术体制上 处于同一代产品，提供大致相同的业务，但CDMA技术在通话质量好、掉话少、低辐 射、健康环保等方面具有显著特色。在2.5G阶段，CDMA20001X与GPRS在技术上已 有明显不同：在传输速率上CDMA20001X高于GPRS；在新业务的承载上CDMA20001X 比 GPRS 成熟，可提供更多中、高速率的新业务；在 2.5G 向 3G 技术体制的过渡 上, CDMA20001X向CDMA20003X过渡比GPRS向WCDMA过渡更为平滑。第 2 章 CDMA 蜂窝移

7、动通信网的特点与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统 所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。 CDMA 移动通信网是 由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码 域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高， 同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比(C/I)小于1,容量和质量之间可 做权衡取舍等属性。这些属性使CDMA比其它系统有非常重要的优势。2.1 系统容量大理论上，在使用相同频率资源的情况下，CDMA移动网比模拟网容量大20倍， 实际使用中比模拟网大10倍，比GSM

8、要大4-5倍。2.2 系统容量的配置灵活在 CDMA 系统中，用户数的增加相当于背景噪声的增加，造成话音质量的下降。 但对用户数并无限制，操作者可在容量和话音质量之间折衷考虑。另外，多小区之间 可根据话务量和干扰情况自动均衡。这一特点与CDMA的机理有关。CDMA是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同 带宽和频率，打个比方，将带宽想像成一个大房子，所有的人将进入惟一的大房子。 如果他们使用完全不同的语言，他们就可以清楚地听到同伴的声音而只受到一些来自 别人谈话的干扰。在这里，屋里的空气可以被想像成宽带的载波，而不同的语言即被 当作编码，我们可以不断地增加用户直到整个背景噪音限制住了我们。如果能

9、控制住 用户的信号强度，在保持高质量通话的同时，我们就可以容纳更多的用户。2.3 通话质量更佳TDMA的信道结构最多只能支持4Kb的语音编码器，它不能支持8Kb以上的语音 编码器。而CDMA的结构可以支持13kb的语音编码器。因此可以提供更好的通话质量。 CDMA 系统的声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的 电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而变，这样即使在背景噪声较大的情况 下，也可以得到较好的通话质量。另外， TDMA 采用一种硬移交的方式，用户可以明 显地感觉到通话的间断，在用户密集、基站密集的城市中，这种间断就尤为明显，因 为在这样的地区每分钟会发生2至

10、4次移交的情形。而CDMA系统“掉话”的现象明 显减少， CDMA 系统采用软切换技术，“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容 易掉话的缺点。2.4 频率规划简单用户按不同的序列码区分，所以不相同CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络 规划灵活，扩展简单。2.5 建网成本低CDMA 技术通过在每个蜂窝的每个部分使用相同的频率，简化了整个系统的规划， 在不降低话务量的情况下减少所需站点的数量从而降低部署和操作成本。 CDMA 网络 覆盖范围大，系统容量高，所需基站少，降低了建网成本。CDMA 数字移动技术与现在众所周知的 GSM 数字移动系统不同。模拟技术被称为 第一代移动电话技术， GSM

11、是第二代， CDMA 是属于移动通讯第二代半技术，比 GSM 更先进。第 3 章 CDMA 系统的基本组成与CSM系统相类似，CDMA系统也由三个独立的子系统组成：移动台（MS）、基站 子系统（BSS）和网络交换子系统（NSS）,如图3-1所示。图中A、Um、B、C、D、E、 H、 M、 N、 O、 P 等表示各功能实体之间的接口，当功能实体在各物理单元设置情况不 同时，某些接口就变为内部接口，内部接口就不必遵循统一接口标准。Ai、Di、为 CDMA互联的接口。图 3-1 CDMA 网络系统结构3.1网络交换子系统（NSS）NSS包括CDMA系统的移动交换中心（MSC）、归属位置寄存器（HLR

12、）、访问位置 寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）、消息中心（MC）、短消息实体（SME）、和操作维护 中心（ OMC）。移动交换中心（MSC）是码分多址移动通信系统的心脏。通过它，CDMA系统与固定 市话网相连，实现固定用户与CDMA移动用户互连，以及实现CDMA系统用户的漫游。 同时，它还控制着基站和移动台的工作状态，实现移动用户的互连，移动台的各种切 换等。移动交换中心（MSC）用线路与每个基站相连。每个基站对每个声码器（约20ms 长）的数据组作信号质量的估算，并将估算结果随同声码器输出的数据一起传送到移 动交换中心。由于移动台至基站的无线链路会受到衰落和干扰的影响，从某图 3-2 M

13、SC 结构示意图 一基站到交换中心的信号有可能比从其他基站传到交换中心的质量好。交换中心把从 一个基站或几个基站得到的信号送入选择器，每次通话需要一个选择器和相应的声码 器，如图 3-2 所示。选择器对从两个或更多个基站传来的信号质量进行比较，逐帧选 取质量最高的信号送入声码器。声码器再把数字信号转换成 64Kbit/s 的 PCM 电话信 号或模拟电话信号送往固定市话网。在相反方向，市话网用户的话音信号送往移动台 时，首先接至交换中心的声码器。MSC的控制器与每一个基站的控制器相连，检测、 监视基站和移动台。移动交换中心通常由两个子系统组成:用户接口子系统和PSTN子系统。 用户接口子系统的

14、主要功能是:为移动用户与固定用户之间以及移动用户之间的 通话提供网络连接；为声码器/选择器、编码器提供参考频率/定时；语音编、译码； 管理相邻小区之间的切换；为PSTN子系统提供接口；记录各种信息和时间、检测子 系统的运行和诊断维护等。PSTN子系统主要由PSTN控制器和交换结构组成，主要完成以下功能：提供与固 定市话网的控制和业务接口；管理和执行呼叫处理；提供交换矩阵；移动用户鉴权、 登记注册等。归属位置寄存器(HLR)是记录注册用户身份特征的位置寄存器，登记的内容是用 户信息。HLR可以与MSC合设，也可以分设。合设在一起时C接口变为内部接口。访问位置寄存器(VLR)是MSC作为检索信息用

15、的位置登记器，例如，它可以处理 产生或来自一个访问用户的呼叫信息。 VLR 可以与 MSC 合设,也可以分设。合设在一 起时 B 接口变为内部接口。鉴权中心（AUC）是一个管理与移动台相关的鉴权信息的功能实体，AC可以与HLR 合设，也可以分设。合设在一起时 H 接口变为内部接口。消息中心（MC）是一个有存储和转送短消息的实体。短消息实体（SME）是合成和分解短消息的实体，SME可以位于MSC、HLR或MC内。3.2基站子系统（BSS）基站子系统是设于某一地点、服务于一个或几个蜂窝小区的全部无线设备及无线 信道控制设备的总称。基站子系统包括集中基站控制器（BSC）和若干个基站收发信 机（BTS

16、）,如图3-3。CBSC由码转换器（XC）和移动管理器（MM）组成。另外，还有 与此有关的无线操作维护中心（O MC-R）。图 3-3 基站子系统3.2.1基站收发信台（BTS）BTS 是 CDMA 系统无线接口的固定端设备，进行正向链路的发送信号处理和反向 链路的接收信号处理。其主要功能有：数据调制和解调，支持无线接口 Um；提供CDMA 系统正向和反向的各种逻辑信道；正向信道功率控制和反向信道对MS的功率控制； 可将基站设置成全向或120扇形小区覆盖；空间分集和路径分集接收；切换的实现 等。BTS包括三个功能单元：射频调制解调器框架、基站接口机架、线性功率放大器 机架。下面以Motorola商用CDMA典型的BTS硬件平台为例说明，如图3-4。图 3-4 BTS 框图（1）射频调制解调器框架射频调制解调器机架至少应装入一个 CDMA 信道处理器机盘，以及公共设备机盘 中的某