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1、第5章 窄带CDMA通信系统n n5.1 5.1 概概 述述 5.1.1 IS-955.1.1 IS-95标准标准 5.1.2 5.1.2 窄带窄带CDMACDMA系统系系统系列标准列标准 5.1.3 5.1.3 无线信道无线信道 5.1.4 5.1.4 系统时间系统时间 5.1.5 CDMA5.1.5 CDMA信道的结构信道的结构分层分层 5.1.6 5.1.6 网络结构网络结构 5.1.7 5.1.7 窄带窄带CDMACDMA可提供可提供的业务的业务 5.1.8 5.1.8 窄带窄带CDMACDMA移动业移动业务网编号务网编号 5.1.9 5.1.9 路由及接续路由及接续n n5.2 IS
2、-95 CDMA5.2 IS-95 CDMA逻辑逻辑信道信道 5.2.1 5.2.1 窄带窄带CDMACDMA信道的信道的结构分层结构分层 5.2.2 5.2.2 导频信道导频信道 5.2.3 5.2.3 同步信道同步信道 5.2.4 5.2.4 寻呼信道寻呼信道 5.2.5 5.2.5 正向业务信道正向业务信道 5.2.6 5.2.6 接入信道接入信道 5.2.7 5.2.7 反向业务信道反向业务信道5.1 概 述5.1.1 IS-95标准和所有蜂窝系统一样，IS-95系统通过移动电话交换局（MTSO）与公众电话交换网（PSTN）进行接口，如图5-1所示。n n一个CDMA系统里的MTSO的
3、重要功能之一就是保持频率和时间标准，如图5-3所示。IS95标准的主要特点n n频段频段:n n信道数：信道数：n n调制方式和扩频方式调制方式和扩频方式n n信道编码信道编码n n交织编码交织编码n n扩频码扩频码n n采用功率控制和软切换采用功率控制和软切换5.1.3 无线信道无线信道用来传输无线信号，包括：基站发往移动台，称正向无线信道；移动台发往基站，称反向无线信道。图5-4中“A”和“B”频带分配是根据政府关于在同一给定的地理区域内注册两个蜂窝供应商的政策。基本频道n nA：283 反向：833.49Mhz 前向：878.49Mhzn nB：384 反向：836.52Mhz 前向：8
4、81.52Mhz下面是我国联通800MHz CDMA数字蜂窝移动通信网频率试用计划。1. 工作频率825835MHz（反向，基站收，移动台发）870880MHz（正向，基站发，移动台收）2. 频道间隔及中心频率位置IS-95A及CDMA20001X系统频道间隔为1.23MHz。图5-5CDMA频道中心频点位置示意图n从高到低：2832422011601197837n3. 频道使用计划n（1） 待长城网搬迁或与新建网络合并后，可将新建网络基本频道调整至283号频道，同时242号频道也可开始使用。n（2） 对于其他地区，可直接从283号频道开始使用，并将283号频道定为基本频道。5.1.4 系统时
5、间对同一蜂窝服务区域中的几个CDMA基站的时间基准进行同步是很有必要的，每个基站用同样的中心频率进行传输，用同样的两个短PN码来扩频（正向链路），移动台通过短PN码的唯一起始位置（相位偏置）对不同的基站信号加以区分，基站之间都是同步的移动台同步于最近得基站5.1.5 CDMA信道的结构分层图5-7、图5-8和图5-9分别显示了正向/反向 CDMA信道的完整结构和组成。图5-7CDMA系统信道分类图5-8 N-CDMA系统正向信道组成示意图图5-9 N-CDMA系统反向信道组成示意图n n采用64阶Walsh码区分信道。n n正向信道组成: 导频：1个,W0 0； 寻呼:7个,W1 1W7 7；
6、 同步:1个,W3232； 业务:55个,W8 8W3131,W3333W6363。n n反向信道组成: 接入：132个；业务最多64个。 IS-95：n n一个BS有55个业务信道n n一个1.25频段提供的BS有512个n n总共有25M，能提供的频段数20个n n最大理论上能提供信道数55*512*20=563200 GSM：n n最大理论上能提供信道数n n25/（200*8）=1000n n信道功能：信道功能：导频：不含数据信息，全导频：不含数据信息，全0 0 决定是否越区决定是否越区 开环功控的依据开环功控的依据 功率功率其他信道的功率其他信道的功率同步：传输同步信息同步：传输同步
7、信息 同步捕获同步捕获 系统时间系统时间寻呼：呼叫建立传输控制信息寻呼：呼叫建立传输控制信息正向业务信道：通话过程，基站和移动台信息交换。正向业务信道：通话过程，基站和移动台信息交换。各自数据速率如下：（1） 导频信道以19.2kb/s的速率发送全“0”；（2） 同步信道以固定速率1200b/s分帧传输；（3） 寻呼信道支持9600b/s、4800b/s两种不同速 率；（4） 正向业务信道支持9600b/s、4800b/s、2400b/s或1200b/s四种变速率。反向接入信道：随机协议 不同长码区别 无导频 MS向BS进行登记，发起呼叫。反向业务：同正向业务 不同长码区分用户5.1.6 5.
8、1.6 网络结构网络结构1. IS-95系统基本结构窄带CDMA蜂窝通信系统网络结构符合典型的数字蜂窝移动通信的网络结构，如图5-10所示。图5-10 IS-95系统基本结构n n各部分功能：各部分功能：n nMSMSn nBSCBSCn nMSCMSCn nVLRVLRn nHLRHLRn nEIREIRn nAUCAUCn nOMCOMC由图5-10可见，网络结构由3大部分组成：交换子系统、基站子系统和移动台子系统。2. 话路网（电路域）中国联通CDMA移动网的网络结构可有如下两种方案：方案一：三级网络结构图5-12二级网网络结构示意图n方案二：两级网络结构n具体结构为：全网分为汇接局层面
9、和端局层面，各省会城市设一对汇接局，所有汇接局网状相连；移动业务交换中心与相应的汇接中心相连。两级网络结构如图5-12所示。3. 移动专用7号信令网结构(1)信令网的等级结构方案一：建设二级信令网（信令转接点STP和信令点SP）；方案二：建设三级信令网（高级信令转接点HSTP、低级信令转接点LSTP和信令点SP）。三级信令网结构如图5-13所示。图5-13移动专用7号信令网结构(2) 移动信令网与移动话路网的关系在移动信令网与移动话路网中，一、二级汇接交换中心（TMSC1，TMSC2）、移动交换中心（MSC/VLR）、移动网关交换中心（GMSC）及其他的信令点（如HLR等）的对应关系如图5-1
10、4所示图5-14移动信令网与移动话路网的关系5.1.7 窄带CDMA可提供的业务CDMA网络可实现的业务如下：1.呼叫前转类业务2. 呼叫限制/呼叫过滤类业务3. 群组呼叫/多方呼叫类业务4. 呼叫显示提醒/限制类业务5. 业务控制管理类业务6. 呼叫计费/灵活计费类业务7. 移动数据/短消息类业务8. 其他移动智能网业务5.1.8 窄带CDMA移动业务网编号1.移动用户电话号码簿号码（DN） 长为11位。网号为133。 号码组成：CC+MAC+h1h2h3h4+abcd CC: 国家码 86MAC: 移动接入码 133H1H2H3H4: HLR识别码ABCD: 移动用户号拨号程序： 国内用户
11、：DN 国际用户：00+DNn2. 国际移动用户识别码（IMSI）IMSI唯一地识别一个移动用户的15位十进制数号码 MCC+MNC+MSIN 460 03 MSIN: XX+h1h2h3h4+abcd 09n3. 临时本地用户号码（TLDN）n当呼叫一个移动用户时，为使网络进行路由选择，访问位置寄存器（VLR）临时分配给漫游移动用户的一个号码。4. 电子序号（ESN）电子序号用于唯一地识别一个移动台设备，每个双模移动台分配一个唯一的电子序号。5. 系统识别码（SID）和网络识别码（NID）在窄带CDMA网中，由一对识别码（SID、NID）共同标识一个移动业务本地网。6. 登记区识别码（REG
12、-ZONE）在一个SID区或NID区中唯一识别一个位置区的号码，它包含12比特，由各省统一分配。7. 基站识别码（BSID）一个16比特的数，唯一地识别一个NID下属的基站。8. 与GT有关的号码9. 语言信箱号码5.1.9 路由及接续1.路由组织路由选择的原则是先高效直达路由，后低呼损路由。2. 窄带CDMA系统中工作时的路由接续 本地有CDMA网端局的，就近入网点设在本地；本地有CDMA基站，而没有CDMA交换机的，就 近入网点选在基站所属的交换机； 本地既没有CDMA基站，也没有交换机的，就近入网点设在各省省会。5.2 IS-95 CDMA逻辑信道窄带CDMA的逻辑信道分控制信道和业务信
13、道，IS-95逻辑信道如图5-15所示。图5-15IS-95逻辑信道5.2.1 窄带CDMA信道的结构分层 图5-16和图5-17分别详细指出了正向/反向CDMA的信道组成、信号产生过程及信号的主要参数。正向信道信号设计：反向信道信号设计：5.2.2 导频信道基站使用导频信道为所有的移动台提供基准。在导频信道中基站不间断地发送非调制扩频信号，导频信道不传送任何数据信息，输入全为0。图5-18导频信道处理处理过程：正交扩频在I和引入两个互为准正交的序列，周期为P=Pi=1000010111000101Pq=1001111000111001引导PN的作用：移动台识别基站一个基站可使用同时间偏置时间
14、偏置可再用不同的时间偏置用不同的偏置系数表示，偏置系数共有32768/64512个，编号K从0到511，参见图5-19。n n偏置时间偏置时间= =偏置系数偏置系数* *6464个子码宽度时间个子码宽度时间n引导PN在时间的偶数秒开始传输。n周期时间为n即26.66*75=2sn n2. 正交相移键控n如图5-18所示，利用Q(t)和I(t)对正弦和余弦载波进行幅度调制得到正交QPSK波形S(t)。5.2.3 同步信道同步信道主要传输同步信息，同步信道信号要经过编码、交织、扩频和调制，移动台利用此同步信息进行同步调整。图5-21同步信道处理n帧长：32768/1.2288=26.67msn超帧
15、：由3个同步信道帧构成（26.667380ms）。 在同步信道上传送消息只能从同步信道超帧的起始点开始， K=0,同步信道超帧要在偶数秒的起始点开始，也可相隔一个超帧 K=0，要在偶数秒+偏置时间开始。调制码元速率;4.8ks/s，包含子码数256信息码元包含子码数256*4=1024图5-22同步信道超帧结构1.同步信道卷积编码（2，1，8） 正向链路卷积编码器的比率为1/2，即每输入1比特，则输出2个比特符号。正向链路卷积编码器包含1个8级线性移位寄存器和2个模2加法器，如图5-23所示。图5-23正向信道卷积编码器2. 同步信道分组交织交织是为了克服突发性差错，它可将突发性差错分散化。同
16、步信道使用时间跨距为26.66ms的分组交织，这一跨距与4800s/s字符速率的128个调制字符相对应。3. 同步信道发送的主要消息利用导频信道和同步信道可以获得起始时间同步，在同步信道上还传送如下同步信道消息参数。5.2.4 寻呼信道向移动台发控制消息。最多7个速率：4.8，9.6kb/s利用42比特的掩码产生长代码（如图5-24所示），长码是周期为的 PN序列。图5-24寻呼信道的掩码格式n n寻呼信道每80ms分为寻呼信道时隙n n时隙模式：指定的时隙n n非时隙模式：所有时隙时隙长：时隙长：1.28s=16*801.28s=16*80首先时隙：首先时隙：Slot_cycle_index
17、Slot_cycle_index1.寻呼信道分组交织寻呼信道中分组交织器的交织跨度为20ms，这相当于码元速率为19.2ks/s的384个调制码元宽度。2. 寻呼信道数据扰码通过分组交织的寻呼信号，还要进行数据掩蔽，其目的是为了信息安全，起到保密作用。长码生成器的42位状态向量如图5-27所示。图5-27长码生产器3. 寻呼信道发送的主要消息(1)系统参数消息(2) 接入参数消息(3) 邻区列表消息(4) CDMA信道列表消息(5) 时隙寻呼和寻呼消息(6) 标准的指令消息(7) 信道分配消息(8) 鉴权查询消息(9) SSD更新消息(10) 特定通知消息5.2.5 正向业务信道 正向业务信道
18、是基站向移动台传送业务信息的信道。 还必须传输必要的随路信令，如功率控制和过境切换 指令等。帧长:20ms,速率：19.2速率集合1（RS1）：9.6kb/s、4.8kb/s、2.4kb/s和1.2kb/s；速率集合2（RS2）：14.4kb/s、7.2kb/s、3.6kb/s和1.8kb/s。可选（）所有的系统在正向业务链路上都支持RS1，RS2在正向业务信道上作为任选项。我们仅以RS1为例介绍正向业务信道的整体结构，如图5-29所示。产生CRC的过程如下图5-309.6kb/s速率的CRC产生电路1. 正向业务信道CRC计算2. 正向业务信道分组交织正向业务信道对不同速率（9.6kb/s、
19、4.8kb/s、2.4kb/s和1.2kb/s）来说，调制符号速率都是19.2ks/s。块交织器跨度为20ms，也就是在符号速率为19.2ks/s时，以384个调制码元为一组进行交织。3. 正向业务信道的数据扰码正向业务信道用于数据扰码长码生成多项式、长码生成器、长码掩码格式和数据扰码机制都与寻呼信道扰码相同4. 信息的组成及其格式业务信道信息的编码过程如图5-34所示。图5-34正向业务信道的信号编码正向业务信道的信号编码过程也适用于反向业务信道。如图5-35所示。图5-35MM0时的业务信道帧格式5. 功率控制子信道正向业务信道中的功率控制子信道发送功率控制比特的速率是800b/s，即以每
20、1.25ms（1/800）1个比特（0或1）的速率发送。“0”或“1”比特分别表示增加或降低移动台的平均输出功率电平。如果功率控制比特在移动台发送时隙之后的第二个时隙即1.25ms时收到，则有效。例如在图5-39中，反向业务信道在编号为5的功率控制组上接收信号，那么正向业务信道便在功率控制组编号为527发送相应的功率控制比特。6. 当正向业务信道用于传送信令的时候，可以传送以下消息：(1) 指令消息 (2) 鉴权查询消息(3) 通知消息 (4) 数据子帧消息(5) 越区切换消息 (6) 模拟切换指示消息 (7) 业务内系统参数消息 (8) 邻域列表更新消息 (9) 功率控制消息 (10) 发送
21、突发双音多频（DTMF）消息 (11) 恢复参数消息 (12) 设置参数消息 (13) SSD更新数据 (14) 短消息信息 (15) 移动台登记消息 (16) 扩展切换指示消息5.2.6 接入信道由移动台发往基站的信道称为反向信道。反向信道中只包含接入信道和反向业务信道，移动台利用接入信道发起呼叫或对基站寻呼信道的寻呼信号作出响应。接入信道组成如图5-41所示。1.接入信道卷积编码反向链路卷积编码器包含一个输入端、一个约束长度为9位的8级移动寄存器、三个模2加法器和输出的连续转向器，如图5-42所示。图5-42反向信道卷积编码器2. 接入信道分组交织与重复在接入信道上，因为数据速率固定为4.
22、8kb/s，因而每一码元只重复一次，而且两个重复码元都要发送。这些重复的编码符号按照图5-43所示的发送结构传输。图5-43接入信道发送结构3. 正交多进制调制在反向业务信道和接入信道传输的信号都采用多进制正交调制，采用相互正交的64阶沃尔什函数。4. 直接序列扩频和数据扰码由图5-44可知图5-44接入信道的掩码格式5. 偏置正交四相相移键控（OQPSK）由于窄带CDMA（IS95）系统中在反向链路中没有使用导频信道，不能实现同步CDMA，而是采用异步CDMA。反向CDMA信道的合成信号的相位点及其转换关系如图5-45所示。图5-45反向CDMA信道的信号6. 接入信道传送的消息主要包括：(
23、1) 登记消息：移动台发送消息通知基站它所处的位置、状态、标识符和其他登记系统所需要的参数。这样，一个呼叫不论什么时候发送给移动台，基站都能寻呼到该移动台。(2) 指令消息：典型的指令消息包括基站查询、SSD更新确认、SSD更新登记、移动台确认、局部控制响应和移动台拒收。(3) 数据子帧消息：这是用户产生的数据消息，由移动台发送给基站。(4) 始呼消息：该消息允许移动台发起呼叫。(5) 寻呼响应消息：移动台利用该消息在接收一个呼叫的过程中对寻呼或时隙发出响应。(6) 鉴权查询响应消息：该消息包含验证移动台身份的必要信息。5.2.7 反向业务信道反向业务信道用于移动通信中由移动台向基站传输话音、
24、数据和必要的信令信息。反向业务信道可使用RS1，即9.6kb/s、4.8kb/s、2.4kb/s和1.2kb/s四种不同速率，同时支持任选项RS2。反向业务信道结构如图5-46所示。1. 可变数据速率传输为了减少移动台的功耗和减少它对其他用户产生干扰，对交织器输出的码元，用一时间滤波器（选通门电路）进行选通，只允许所需的码输出，而删除其他重复的码元。这种过程如图5-47所示。2. 反向业务信道主要传送下列消息：(1) 指令消息 (2) 鉴权查询响应消息(3) 短消息信息 (4) 数据子帧消息(5) 导频强度测量消息 (6) 功率测量报告消息 (7) 发送脉冲DTMF消息 (8) 状态消息 (9
25、) 起始连续消息 (10) 切换完成消息 (11) 参数响应消息6.2.3 系统接入状态在这个状态中，移动台在寻呼信道上接收来自基站的接续消息或在接入信道上发送接续消息。如图6-5所示，系统接入状态由如下几个子状态组成：更新开销信息子状态、移动台始发尝试子状态、寻呼响应子状态、登记接入子状态、移动台指令/消息响应子状态、移动台消息传送子状态、优先接入信道分配（PACA）取消子状态。图6-5CDMA移动台的系统接入子状态(1) 接入过程移动台发送消息和接收（或接收失败）到消息确认这一整个过程称为接入尝试，如图6-6所示。图6-6接入尝试示意图(2) 确认过程确认过程完成基站和移动台之间消息的可靠
26、交换。移动台利用如下五个字段实现这一机制。字段分别是确认地址类型、确认序列数、消息序列数、确认要求标识和有效确认标识。(3) 开销子状态更新在更新开销子状态中，移动台一直检测寻呼信道直到检测到当前设置消息。(4) 寻呼响应子状态在寻呼响应子状态中，移动台发送与来自基站的寻呼消息或时隙寻呼消息对应的寻呼响应消息。(5) 移动台指令/消息响应子状态移动台对接收到的来自基站的消息发送响应信号，如果移动台接收了在该子状态下发送消息的确认，则终止接入尝试。(6) 移动台发起尝试子状态移动台向基站发送开始消息，如果基站响应该消息时带有鉴别请求，移动台在该子状态中响应消息。(7) 注册接入子状态在注册接入子
27、状态中，移动台向基站发送注册消息。(8) 移动台消息发送子状态(9) PACA取消子状态8.1.2 软切换的实现1. 导频分类在CDMA系统中，为实现系统捕获，系统采用了导频信道。导频信道可以通过引导PN序列偏移和频率分配来识别。移动台将能够接受的导频信号分为4类，以便于实现软切换操作。1) 有效导频集。2) 候选导频集。3) 邻近导频集。4) 剩余导频集。2. 搜索窗口移动台使用以下三种搜索窗口跟踪导频信号：1) SRCH_WIN_A：有效和候选集合的搜索窗口的大小；2) SRCH_WIN_N：邻域集合的搜索窗口的大小；3) SRCH_WIN_R：剩余集合的搜索窗口的大小。图8-1为移动台从
28、小区A移动到小区B时点X和点Y之间包含软切换的区域示意图。图8-1用于X和Y之间软切换的SRCH-WIN-A3. 切换参数1) 导频检测门限（T-ADD）；2) 门限比较（T-COMP）；3) 导频丢失门限（T-DROP）；4) 衰减定时器门限（T-TDROP）。4. 切换过程当移动台进入某一基站服务区，然后又离开该基站时，移动台收到该基站的导频强度先由弱变强，接着又由强变弱，因而该导频信号可能由邻近导频集和候选导频集进入有效导频集，然后又返回邻近导频集，见图8-2。图8-2切换门限举例为了获得大容量、高质量的通信，CDMA蜂窝移动通信系统必须采用功率控制技术。在CDMA关键技术中已对此作了介
29、绍，这里就系统中的具体实施作进一步的介绍。发送功率必须尽可能低并足以维持所需的帧误码率（FER）。图8-3为功率控制图。8.2 IS-95系统中的功率控制图8-3系统功率控制方框图8.2.1 正向信道功率控制正向信道功率控制是基站根据移动台提供的测试结果来调整各用户链路信号的正向信道功率控制。图8-4表示了正向信道功率控制过程的流程图。图8-4正向信道功率控制的流程图8.2.2 反向信道功率控制移动台发射功率由两个转换链路控制机构调整：开环功率控制和闭环功率控制。闭环功率控制由内环功率控制和外环功率控制组成。1. 反向信道开环功率控制反向信道开环功率控制是移动台的基本功能。每个移动台测量其总接
30、收功率（未解调前）并估算从基站到移动台的路径损耗。发送消息和接收消息的确认信号的整个过程称为接入试呼。接入试呼中每一次发射称为接入探测。移动台在每次接入试呼中的接入探测中发送相同的消息。每次接入探测包括接入信道报头和接入信道封装。在接入试呼中，将接入探测分为接入探测序列。每个接入探测序列最多包括16个接入探测，这些探测在相同的信道发送。2. 反向信道闭环功率控制反向信道闭环功率控制是根据基站的要求，调节移动台的发射功率。反向链路闭环功率控制机制包括两部分内环功率控制和外环功率控制。内环功率控制的目的是保证移动台发射信号到达基站时尽可能地接近基站的目标Eb/N0;而外环功率控制为一个给定的移动台调整基站的目标值Eb/N0。功控方案如图8-6所示。图8-6IS-95反向闭环功控方案反向闭环功率控制比特传输的原理示意图如图8-8所示。反向链路闭环功率控制流程如图8-9所示。图8-8反向闭环功控比特传输示意图图8-9反向链路闭环功率控制流程图
