（通信与信息系统专业论文）移动代理技术在cdma通信系统中的应用研究.pdf

哈尔滨一l ：程人学硕士学位论文 摘要 c d m a 通信是一套全新的技术体制，一经问世，就得到了广泛的应用，特 别是1 9 9 5 年进入商用以后，它以其大容量、低辐射、通话质量好和绿色环保 等诸多优点，成为移动通信发展中新的亮点。本文是作者参与设计与实现的 中国联通黑龙江省分公司c d m a 网络优化工程项目的实际工作的总结。 本文介绍了c d m a 技术原理和c d m a 网络结构以及系统组成的各个部分， 并提出了一种新颖的优化网络结构的方法，即将移动代理的理念运用到c d h a 通信网络系统中。根据中国联通黑龙江省分公司的经营发展战略，和c d 姒 系统设计规范，设计和实现了中国联通黑龙江省分公司c d m a 网络优化工程。 c d m a 网络优化工程是在原有的网络基础上进行的，进一步完善了网络结构、 网络覆盖、网络质量，为移动数据业务的开发搭建网络基础平台。本文还在 工程实施上作了精心的设计和安排，对工程建设过程中存在的问题进行了认 真的分析。并提出了解决措施，指导了工程的实施和圆满完成。目前中国联 通黑龙江省分公司c d m a 网络改建工程己投入运行，在c d m a 网络服务中发挥 着重要的作用。 关键词；c d m a 移动代理网络优化 哈尔滨r 程大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t c d m a t e c h n o l o g yi sa s e to fc o m p l e t e l yn e wc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i th a s b e e nw i d e l ya p p l i e df r o mt h ev e r ye a r l yb e g i n n i n g s i n c et h ee n t r a n c eo ft h e c o m m e r c i a lf i e l df r o mt h ey e a r19 9 5 ，c d m ah a sb e c o m ea n o t h e rs p a r ko ft h e d e v e l o p m e n th i s t o r yo ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s i th a sl a r g ea m o u n to f d i s a d v a n t a g e ss u c ha st h eg r e a tc a p a c i t y , t h el i t t l er a d i a t i o n ，t h ee x c e l l e n t c o m m u n i c a t i o nq u a l i t ya n dt h e a d v a n t a g et ot h ee n v i r o n m e n t t h ee s s a yi sa c o n c l u s i o no ft h es e c o n dp r o j e c to ft h ec h i n au n i c o r nh a r b i n ，b a s e do nt h e a u t h o r sp a r t i c i p a t i o na n d d e s i g ni np e r s o n t h ee s s a yi n t r o d u c e st h et e c h n o l o g yt h e o r y ，t h en e tf r a m e w o r ka n dt h e c o n s t i t u t i o no ft h es y s t e mo ft h ec d m a a tt h es a m et i m e ，t h ee s s a yp u tf o r w a r d an o v e lm e t h o dt oo p t i m i z et h en e tf r a m ew o r k ，t h a ti sa p p l y i n gt h ec o n c e p to f t h e m o b i l ea g e n tt ot h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mo ft h ec d m an e t w o r k a c c o r d i n gt o t h em a n a g e m e n ta n dd e v e l o p m e n ts t r a t a g e m so f t h ec h i n au n i c o mh a r b i na sw e l l a st h ec r i t e r i o no ft h ec d m a s y s t e m sd e s i g n t h ea u t h o rd e s i g n sa n di nt h ee n d r e a l i z e st h es e c o n dc d m ap r o j e c to ft h ec h i n au n i c o m ，h a r b i nw h i c hi sb a s e d o nt h ef i r s tp r o j e c t t h ed e s i g n e ds e c o n dc d m ap r o j e c ti m p r o v e sal o to f p r o b l e m si nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，s u c ha st h en e tf r a m e w o r k ，t h en e to v e r c a s t a n dt h en e tq u a l i t y m e a n w h i l e ，t h ed e s i g ns o l v e st h ed i f f i c u l t yo ft h ei n t e r f a c eo f t h ec o m p l e t en e t su p d a t eo ft h es e c o n dc d m a p r o j e c tt ot h ec d m a 1x s y s t e m t h eu p d a t ec a nb u i l dab a s i cn e tp l a t f o r mf o rt h em o b i l ed a t ao p e r a t i o n t h ee s s a y c a r e f u l l yd e a l sw i t ht h ep r o j e c to nt h ed e s i g na n da r r a n g e m e n t i ta l s os e r i o u s l y a n a l y z e st h ep r o b l e m sc o m i n go u td u r i n gt h ep r o c e s so ft h ep r o j e c t ，a n dt h e n c o m e su pw i t hs o m ep r a c t i c a l l ym e a s u r e m e n t s a l lt h ew o r ka b o v eb r i n g so nt h e s u c c e s s f u la c c o m p l i s h m e n to f t h ep r o j e c t a tp r e s e n t ，t h es e c o n dc d m ap r o j e c t o ft h ec h i n au n i c o r nh a r b i nh a sc o m ei n t oo p e r a t i o n ，t a k i n gq u i t eag r e a t i m p o r t a n te f f e c ti nt h ec d m a n e tw o r k k e yw o r d s ：c d m a ；m o b i l ea g e n t ；n e to p t i m i z a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 赵细聊彤 ， 年 字 乡 签 协 衅 础 者 期 怍 日 哈尔滨i 稗火学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 移动通信技术概况 移动通信是指移动体之间或者移动体和固定体之间的通信。例如运动中 的人、汽车、轮船、飞机等移动体之膪j 的通信，分别构成海上移动通信系统、 陆地移动通信系统、空中移动通信系统。移动通信系统包括无绳电话、无线 寻呼、陆地蜂窝移动通信和卫星移动通信等。 移动通信的发展给用户带来极大的便利，移动通信的历史可以追溯到1 9 世纪8 0 年代，在第二次世界大战期间种种军事上的需求导致了移动通信事业 的巨大变化，二次大战后，移动通信丌始转为民用，从8 0 年代初模拟蜂窝移 动通信系统出现以来。移动通信技术得到了迅猛发展，特别是9 0 年代以后， 无论是发展中国家还是发达国家，移动通信更是以高速度进入千家万户。 移动通信的高速发展是建立在技术发展和市场需求基础上的。第一代移 动通信系统出现在7 0 年代中期，采用模拟调制技术，主要提供话音业务。 a m p s ( 北美蜂窝系统) 、n m t ( 北欧移动电话) 和t a c s ( 全相通信系统) 是三种主要的窄带模拟标准。第一代无线网络技术使用户第一次能够在他们 所在的任何地方无线接收和拨打电话。由于其频率利用率低、保密性能差( 第 三方只需将接收机频点调整到合适的信道，便能接受到通话双方的信息) 、业 务单一，所以逐渐被第二代移动系统所代替。第二代移动通信系统出现在8 0 年代中期。采用数字调制技术，除提供语音业务外，还提供少量的短信息服 务。它提供了更高的网络容量，改善了话音质量和保密性，并为用户引入了 无缝的国际漫游。当今的g s m 、d - a m p s 、p d c 和i s - 9 5 c d m a 等第二代数 字无线标准。仍均为窄带系统。第二代移动通信技术的应用和推广，推动了 移动通信系统的广泛使用，对无线通信领域以及人们的社会生活方式产生了 深远影响吼移动通信的历史演进如图l 一1 。 1 2 移动互联网技术的发展 现代通信技术的发展历程可分解为两条主线：以通信内容为中心的通信 哈尔滨l ：程人学硕+ 学位论文 能力的发展，包括信息的传输能力和信息的传输范围的发展，它的代表是因 特网：以个人为中心的通信模式的发展，最重要的就是从有线到无线的通信 模式的发展，这一发展实际上是一种在通信模式上质的突破，它的代表就是 移动通信。目前移动通信和因特网已经成为支柱产业它们的网络覆盖愈来 愈大，传输速率越来越快。几乎最新的信息、通信、电子、计算机方面的新 技术，都最先为这两大支柱产业吸收和采纳，进而成为风靡全球的高新技术 和新兴产业。自7 0 年代末第一代模拟蜂窝移动通讯系统问世以来，模拟移动 通信在技术和市场两方面都取得了较大的发展。现有的g s m 和c d m a 业务 发展迅猛，第三代( 3 g ) 移动通讯系统备受关注。移动通信技术因具有移动 性、自由性、不受时问与地点限制等特性，正深刻改变着人们的生活和思维 方式。 图l 一1 信的历史演进图 另一方面，互联网这个高速数据网络集，通过i p 协议在网络层进行互联， 使用户不用关心特性各异的内部网络和路由等细节问题，解决了异构网的互 通互联问题，在全球范围内实现了资源共享。因特网的触角已逐渐深入到人 们r 常生活的方方面面，也直接导致了计算机网、电信网、电视网的三网融 合和信息共享。 当现代通信技术沿着两条主线发展到一定程度时。必然会发生这两个发 展趋势的交融与融合。如何将移动通讯技术与互联网技术相结合，在实现不 哈尔滨工程大学硕士学位论文 受信息源和用户访问位置限制的同时，以统一的标准向用户提供无所不在的 个性信息网络服务，是目前的一个研究热点，其在军事及商用领域都有着极 大的应用前景。无线与数据的融合，也就是个人化的通信模式和宽带的通信 能力以及丰富的通信内容的融合，它的优势和特色就在于：能够传送不同业 务要求的高速数据，能方便就近接入因特网，能支持用户漫游和移动。 移动和互联网结合最重要的意义，在于它把锁定在一个个固定站点中的 信息释放到时空中去每一个活动的个体都成为移动的网络节点，可以随时 随地获取所需信息。基于移动互联网平台展丌的各种业务，在个性化、实用 化以及时间和位置的高度灵活性上独具优势，将创造一种全新的个性化服务 理念和商业运作模式，为不同用户群体量身定制多种差异化的信息，用户可 以自由自在地控制所享受服务的内容、时问和方式等。移动通信技术本身具 有的安全和保密性能与互联网上广泛采用的电子签名、认证等安全协议相结 合，为用户提供服务的安全性保证。移动互联网可以在最大程度上实现社会 资源更自由，更大范围的调配和更快速的沟通，它必将影响未来信息社会人 们数字化生活中方方面面的需求。 目前发展移动无线互联网主要是从蜂窝移动电话向移动数据业务演化， 从2 g 的g s m 移动通信经过2 5 g 的g p r s 向第三代( 3 g ) 的w c d m a ( c d m a 2 0 0 0 ) 演化3 1 。 1 3 移动代理技术在移动通信网络中的应用 移动通信的发展当f | i 正处于一个关键时期，新的业务和技术f 不断涌现， 客户的需求也正不断增长，运营商和服务提供商之恻的竞争也在同益加剧。 他的发展给用户带来的极大的便利。同时因特网迅速的发展成为真讵的超级 信息高速公路。2 0 世纪9 0 年代人们已经看到了电信、消费者和计算机之间 相互融合的趋势，这种技术融合的目标就是要创建一个单一的平台，将移动 和个人通信的融合创新作为发展的动力，基于这种信念，欧盟资助了许多的 研究和开发计划，其中先进通信技术和服务( a c t s ) 计划在此过程中起着举 足轻重的作用。目前a c t s 计划在移动领域中的主要目标是要开发第三代移 动通信系统的平台，以实现宽带业务在不同的无线环境和运营条件合理的传 送。在a c t s 计划中有一个致力于解决蜂窝通信领域和宽带业务相结合问题 哈尔滨l ：程人学硕十学位论文 的a m a s e 项目，a m a s e 项目主要研究的是基于代理的无线接入到信息业 务。本论文j 下是基于这种理念将移动代理技术更缩小于同是蜂窝结构的 c d m a 通信系统。期望增强现有移动平台的功效，增强网络功能，充分发挥 c d m a 通信系统的高速传输业务的特色f 4 】。 随着移动通信网络规模的不断扩大，网络业务的不断发展，有效的获得 相关网络信息用以网络监测、网络故障分析和网络性能评估变得越来越重要。 而现有的网络管理系统都存在着扩展性、灵活性和效率等方面的问题，不能 很好的适应现代网络的发展，而移动代理技术则给我们提供了一个可选择的 办法，特别是在以大规模和动态性为特点的网络中，有传统方法所不具有的 优势。移动代理是具有逻辑智能的，可以在不同节点问移动的，代表用户完 成某种任务的程序。通过它的移动可以实现对动态网络的监测，携带智能可 以实现远程节点的可编程性，携带可移植的代码可以实现异构网络的管理。 这些都很好的适应未来网络的发展同时也指明了移动代理技术的应用前景。 1 4 本文的主要工作 1 4 1 课题背景 2 0 世纪9 0 年代以来，移动通信发展迅速，我国现已有移动用户i 5 亿。 码分多址( c d m a ) 技术以及它在系统容量、业务质量、安全性和可靠性等 方面的优势备受关注，全球已有近5 0 个国家采用c d m a 技术提供电信业务。 新建成的中国联通c d m a 网期工程总投资2 4 0 亿元人民币，采用i s - 9 5 a 增强型技术标准，网络规模为1 5 1 5 万户，覆盖全国3 1 个省市的3 3 0 个本地 网，除开通基本通话业务和各种附加功能外，还- 丌通移动智能网和短消息网 等增值业务。七城市的i x 试验网规模总量为1 0 万用户，已经和j 下在丌展高 速上网、图像下载、可视电话等新业务试验。c d m a 是一种先进的数字通信 技术，经历了从窄带c d m a 到宽带c d m a 的演进，已经成为第三带移动通 信系统的实际应用技术。 本论文将移动代理技术运用到c d m a 通信系统中，可以较大地减轻网络 上的数据流量。通过将服务请求代理移动到目标主机，使得移动代理可以直 接访问该主机上的资源，与源主机间的交互变少，避免了大量数据在网络中 哈尔滨f ：稗人学硕十学1 1 i 7 ：论文 的传输，从而降低了整个系统对网络带宽的依赖，缩短了通信时延，提高了 服务质量。利用移动代理的移动性和智能性，可以构造出系统管理和配置方 便、业务提供灵活、管理简单的新的网络业务体系结构。 1 4 2 研究内容 1 、移动代理技术运用到c d m a 通信系统中，较大地减轻网络上的数据 流量。可以进一步提高话务均衡质量。话务均衡是改善网络运行质量与环境 的重要途径。通过话务均衡可以进一步提高接通率，减少由于话务不均引起 的掉话。造成话务不均衡的原因：m s c 部分数据定义的问题、链路不畅：小 区结构配置、参数设计不合理。建立了简单的移动代理平台后，对由于m s c 中数据设置错误造成的话务不均，我们将很容易检查出来并加以改f 。运用 代理的特性对由于各方向话务不断变化造成的不均衡采用相应的动态管理， 根据不同情况进行调整。越区切换技术是c d m a 通信系统中的一个关键技 术。切换策略的好坏将直接影响到系统的性能。本论文在阅读了大量相关技 术文献的基础上，主要研究适合移动代理技术的更为高效的切换技术，结合 c d m a 通信系统的特点选择了具有强占优先策略的越区切换算法。并对该算 法进行了仿真研究。越区切换是为了保证通信质量或进一步提高通信质量， 将当前连接的信道( 这罩的信道指的是c d m a 移动通信个小区之削通信信 道) 切换至另外一个信道的过程。 2 、由于在c d m a 通信系统中使用了移动代理技术，建立了一个简单的 移动平台，在执行时能在异构计算机网络的主机间自主迁移。它能自主选择 何时迁移以及迁移到何地；能在程序任意执行点上挂起并将执行代码连同运 行状态将数据进行封装后传送到其他主机，然后继续执行。这势必给系统带 来了安全性问题，移动代理自身的安全保护、移动代理之间通讯的安全保护 以及站点的安全保护。移动代理的安全性是急需解决但有较难解决的问题之 一，它将直接影响移动代理系统的实用性。 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 第2 章c d m a 通信技术 2 1 移动通信系统的发展 移动通信是指通信双方或至少其中一方在运动状态中进行信息传递的通 信方式。随着社会的发展，人们期望能随时随地、及时可靠、不受时空限制 地进行信息交流。移动通信系统由于综合利用了有线和无线的传输方式，不 受时间和空间的限制，能解决人们在活动中与固定终端和其他移动载体上的 对象进行通信联系的要求，从而可以有效提高工作效率，节约人力、物力和 时间。因此，它被认为是实现通信理想目标的重要手段，具有广阔的发展前 景。 经过多年的发展，移动通信系统经历了几个重要的发展阶段，也就是人 们常说的第一代模拟移动通信系统，第二代数字移动通信系统，第三代宽带 移动通信系统和第四代多媒体移动通信系统，各发展阶段的业务和带宽是不 同的。 目前，第一代模拟移动通信系统己经停止使用，第二代系统正处于应用 阶段，第三代系统目前正在发展中，第四代的技术尚处于初级验证和实验阶 段踟。 2 1 1 第一代移动通信系统 1 9 7 1 年1 2 月，贝尔公司向美国联邦通信委员会f c c 提出了蜂窝移动通 信系统h c m t s 建议。f c c 接受了这个建议，并在8 5 0 m h z 频段提供了4 0 m h z 的通信资源h c m t s 于1 9 7 8 年安装，1 9 8 3 年丌始提供商业服务。该系统在 多个方面发展了蜂窝移动通信技术，并在2 0 世纪8 0 年代演变成为美国模拟 系统的国家标准a m p s 。与原有的移动通信相比，a m p s 系统极大地提高了 频道的利用率，以有限的频率资源解决大量用户的需求该系统可以全自动接 入公共电话网，代表了移动通信的新体制，被誉为移动通信发展史上的蜂窝 革命。与此同时，基于不同标准的其他模拟蜂窝移动通信系统也得到了很大 的发展，如英国的t a c s 、同本的n a m t s 、北欧的n m t s 和原联邦德国的 哈尔滨r + 稗人学硕十学1 ：i 7 ：论文 n e t z c 等。尽管这些系统有很多相似之处，但却没有一个全球共同的标准， 各个国家和地区都选择与之国情相适应的系统进行研究和无线网络配置，采 取的通信频段也不同。此外，模拟移动通信系统还存在以下的缺陷1 6 】： 各系统没有公共接口； 数据承载业务很难丌展； 频谱利用率低，无法适应大容量的需求； 安全保密性差，易被窃听。 另外，随着用户数量的急剧增加，蜂窝网络容量的需求不断扩大。一般 增加蜂窝网络容量的方法是增加基站和减小基站小区的覆盖面积，然而，在 特大城市和城市密集区，要增设基站和减少基站覆盖范围，己变得非常困难 而且费用昂贵。此外，网络运营部门也希望少增加基站，在增加网络容量时 最大限度地减低费用。因此，8 0 年代初，世界上一些发达国家就丌始了下一 代移动通信系统规范的研究和开发工作。 2 1 2 第二代移动通信系统 在学术界和工业界丌始研究第二代移动通信系统标准的时候，对于究竟是 以模拟系统为基准还是以数字系统为基准这个问题上存在着明显不同的看 法。因为这将涉及到第二代移动通信系统的最基本的特征，并且一旦确定就 无法逆转。在人们犹豫不决之际，数字技术的巨大进步和由强大计算能力导 致的信息服务的无规则化运动，使一些世界性的标准委员会最终选择了数字 系统作为第二代蜂窝移动通信的基准。这个选择确保了两个目标：移动通信不 断升级的能力；移动通信和其他信息技术融合的能力。与第一代模拟移动通信 系统相比，采用数字技术的系统有如下优点： 系统灵活性强。 高效的数字调制技术和低功耗系统。 增加了系统的有效容量。 信源和信道编码技术。 抗干扰能力强。 灵活的带宽配置。 新的服务能力。 哈尔滨j 二稃人学硕士学位论文 鉴于以上优点，数字移动通信系统在过去的几年晕获得了前所未有的发 展。同时，随着数字处理技术和大规模集成电路及其加工技术的发展，数字 系统综合处理能力的不断提高，使得系统成本、价格和功耗不断下降，这使 得数字移动通信系统在实际的应用中逐步占领并大大扩充了过去模拟系统的 市场【 。 2 1 3 第三代移动通信系统 i m t - 2 0 0 0c d m a - d s ( i m i - 2 0 0 0 直接扩频c d m a ) ，即w c d m a 它是 在一个宽达5 m 的频带内直接对信号进行扩频。 i m t - 2 0 0 0c d m a m c ( i m t - 2 0 0 0 多载波c d m a ) ，即c d m a 2 0 0 0 。这是 美国提出的技术，由多个1 2 5 m 的窄带直接扩频系统组成的一个宽带系统。 i m t - 2 0 0 0c d m at d d ( i m t - 2 0 0 0 时分双工c d m a ) 。目前包括 t d s c d m a 和u t r a t d d ，其中t d s c d m a 是我国提出的技术【8 】。 2 2 c d m a 技术 2 2 1 概述 c d m a 通信是利用相互正交的不同编码分配给不同用户调制信号，实现 多用户同时使用同一频率接入系统和网络的通信，即码分多址通信。由于利 用相互f 交的编码去调制信号，会将原信号的信号频谱带宽扩展，因此，对 这种调制方式的通信，又称为扩展频谱通信，简称为扩频通信。 扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码调制，实现频谱扩展后再 传输，接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。 显然，这种通信方式与一般常见的窄带通信方式相反，是在扩展频谱后，宽 带通信，再相关处理恢复成窄带后解调数据，因此，具有伪随机编码调制和 信号处理两大特点。j 下是这两大特点，使扩展频谱通信方式有许多优点，如 抗干扰、抗噪音、抗多经衰落、能在多功率频谱密度工作、有保密性、可多 址复用和任意选址、可高精度测量等。扩频通信作为新型通信方式，特别引 人注目，得到了迅速发展和广泛应用驯。 哈尔滨i ：程火学硕十学位论文 2 2 2 扩频技术 1 扩频的概念 扩频是把信息的频谱扩展到宽带中进行传输的技术，它用于通信系统， 具有抗干扰、抗多经、隐蔽、保密和多址能力。从形式上讲，扩频无线通信 的发射机和接收机以工作都可以分成两个步骤，第一步称为调制，主要任务 是形成窄带信号，第二步是二次调制，目的是进行运算运算的目的是将窄 带信号的频谱扩展到一个非常宽的频带范围。 有许多调制技术中所用的传输带宽大于传输信息所需要的最小带宽，但 它们不属于扩频通信，只有在系统占用带宽大于信息带宽1 0 0 倍以上的系统 才叫扩频通信系统。 扩频通信系统的基本组成框图如图2 1 所示： 2 扩频通信的理论基础 扩频通信的理论基础来源予信息论和抗干扰理论。香农在其信息论中的 到如下有关信息容量的著名公式： c = w l o g2 ( 1 + s ) 其中c 为信息容量，w 为信道带宽，s n 为信噪比。 从这个公式可以得到一个重要的结论：对于给定的信道容量c 可以用不 同的带宽w 和信噪比s n 的组合来传输。若减小带宽则必须发送较大的信号 功率( 0 0 较大的信噪比s n ) ，若有较大的传输带宽，则同样的信道容量能够用 较小的信号功率来传送。 3 扩频通信系统的种类 ( 1 ) 直接序列系统 用一高速伪随机序列与信息数据相乘，由于伪随机序列的带宽远远大于 信息数据的带宽，从而扩展了发射信号的频谱。 哈尔滨l 。稗人学硕十学位论文 图2 1 扩频通信系统的基本组成框图 ( 2 ) 跳频系统 在一伪随机序列的控制下，发射频率在一组预先指定的频率上按照所知 定的顺序离散地跳变，扩展了发射信号的频谱。 ( 3 ) 脉冲线性调频系统 系统的载频在一给定的脉冲间隔内线性的扫过一个宽的频宽带，扩展发 射信号的频谱。 ( 4 ) 跳时系统 这种系统与跳频系统类似，区别在于一个是控制频率，一个是控制时问， 即调时系统是用一伪随机序列控制发射时间和发射时间的长短【1 0 1 。 2 2 3c d m a 蜂窝通信系统的技术特点 与g s m 系统相比，基于码分多址的c d m a 系统具有许多独特的优点。 c d m a 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网，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藿复使用， 容量和质量之间可做权衡取舍等属性，这些属性使c d m a 比其它系统有以下 重要的优势 1 1 ： 1 系统容量大 由于c d m a 系统中所有小区都共用相同的频谱，对于网络的频率分配 1 0 哈尔滨一i ：稃人学硕十学位论文 和管理十分便利，同时可以大大增加系统的容量，影响通信容量的关键因素 在于系统中的多址干扰。 2 软容量 在码分系统中，信道是靠不同的码型来划分的，其标准的信道数是以一定 的输入、输出信噪比来决定的，当系统中增加一个通话的用户时，所有用户 的输入、输出信噪比都有所下降，但不会出现因没有信道而不能通话的现象。 对于解决通信高峰期的通信阻塞问题和提高用户越区切换的成功率是非常有 益的。 3 软切换 在c d m a 系统中，由于所有小区( 或扇区) 都可以使用相同的频率，小区 ( 或扇区) 之间是以码型的不同来区分的。当移动用户从一个小区( 或扇区) 移动 到另一个小区( 或扇区) 时，不需要移动台的收、发频率切换，只需在码序列 上作相应的调整，这就称之为软切换。同时，软切换的优点还在于首先与新 的基站接通新的通路，然后切断原通话链路，这种先通后断方式克服了“乒乓” 效应，并且切换时间很短。 4 语音激活技术 统计表明，人们在通话过程中，只有3 5 的时间在讲话，另外6 5 的时 间处于听对方讲话，话句间顿或其它等待状态，当某一个用户没有讲话时， 该用户的发射机不发或发射功率小其他用户所受到的干扰相应减少。为此， c d m a 系统中，采用相应的编码技术，使用户的发射机的功率随着用户语音 编码的需求来作调整。当用户讲话时语音编码输出速率高，发射机发射功率 大，当用户不讲话时，语音编码器输出速率低发射机发射功率就很小，这 就是语音激活技术。 5 特有的分集形式 c d m a 系统有分离多径的能力，可以实现路径分集，由于移动通信环境 的复杂和移动台的不断运动，接收到的信号往往是多个反射波的叠加，会形 成多径衰落。c d m a 系统可以采用特有的技术( 如瑞克接收技术) ，将多径信 号分离出来，分别接收，这样不但克服了多径衰落对通信带来的不利影响， 还等效增加了接收有用信号的功率。 6 ，良好的保密能力 哈尔滨i ：科人学硕十学位论文 码分多址的移动通信系统的体制本身就决定了它有良好的保密能力，首 先在c d m a 数字移动通信系统中必须采用扩频技术，发射信号频谱被扩展的 很宽，从而使信号完全隐蔽在噪声干扰之中，不易被发现和接收，其次在通 信中，各用户的地址码不相同，对其它用户来说是一种噪声，所以c d m a 系 统可以防止有意或无意的窃取，具有很好的保密性能。 7 发射功率小，对人体危害小 c d m a 系统的发射功率非常小，最大只有2 0 0 毫瓦，币常通话时仅需0 1 毫瓦，即使与一只普通灯泡相比，也仅相当于十万分之一以下，因此移动电 话功耗小，无线辐射能量低。这样c d m a 手机就更省电，使用时削更长同 时对人体的危害也相应地减小。 8 抗干扰能力强、抗多径衰落能力强、抗多普勒效应能力强 c d m a 采用宽带传输，信号不可能使所有频率在同一地点、同一时刻均 发生衰落，所以宽带信号解扩后某一频率点发生的衰落对整个信号的影响很 小，同时抗多普勒效应的能力也强。此外，c d m a 还具有频率复用率高，话 音和数据传输质量高、多址能力强、能与传统窄带系统共用频段、组网灵活、 频带容易监控和易于扩展、支持多媒体业务的优点等等。 2 2 4c d m a 蜂窝移动通信系统技术难点 上面介绍了c d m a 技术的诸多特点和优点以及不同于其它几种技术体 制的特性，但是要实现这一技术，却不是那么容易，主要表现在以下三大核 一f l , 技术【2 】： 1 达到多路多用户的目的就要有足够的地址码，而这些地址码又要有良 好的自相关特性和互相关特性，这是码分的基础。 2 在码分多址通信系统中的各接收端必须产生本地地址码，该本地码 不但在码型结构与对端发来的地址一致，而且在相位上也要完全同步，这样 y j 能从中选出所需要的信号，这是码分的最主要环节。 3 丰艮掘码分多址通信系统的特点，即网内所有用户使用同一载波，各个 用户可以同时发送和接收信号。这样，在接收机的输入信号干扰比将小于1 ， 这使传统的调制解调方式无能为力。为了把各用户之间的相互干扰降到最低 限度，并使各个用户的信号占用相同的带宽，就必须采用扩频技术，使在信 哈尔滨i ：烈人学硕+ 学位论文 道传输的信号所占频率极大的展宽( 一般达百倍以上) ，为接收端分离信号完 成实际性的准备。 2 3c d m a 网络结构及功能 2 3 1c d m a 蜂窝移动通信系统的网络结构 c d m a 系统主要由基站子系统、移动台和移动交换子系统三个部分组 成，下面分别介绍c d m a 系统网络中的各子系统的功能与原理f 1 2 1 。c d m a 参考模型如图2 2 所示： l 移动交换i l 小 s c 、f m s cb ! 公用交换电诱 网p s t n 。jl 燮! = h 燮墅h 燮到随p ，略 s d 孵n 匿甚 匠埋一一 哈尔滨j ：程人学硕+ 学位论文 信系统与其它公用通信网之间的接口，除了完成固定网中交换中心所要完成 的呼叫控制等功能外，还要完成无线资源的管理，移动性能管理，位置信息 的管理。 5 拜访位置寄存器( v l r ) v l r 是m s c 检索用户信息用的位置寄存器，当一个用户漫游到一个新 的m s c 覆盖区内时，i 亥用户的各类信息就会暂时存入当地的v l r 中，便于 该用户在本地的呼叫和信息接收。 6 归属位置寄存器( h l r l h l r 是用于存储所有用户的各类信息的一个数据库，登记的内容主要有 e s n 、d n 、i m s i 、服务项目信息和当前位置等。 7 设备识别寄存器( e i r ) e i r 是记录用户使用设备身份的寄存器，用于对移动设备的识别、监视、 闭锁等。 8 鉴权中心( a c ) 是一个管理与移动台相关鉴权信息数据的功能实体，加强网络的安全性， 保密性。 9 消息中心( m c ) 是一个存储和转送短消息的实体 2 3 2 功能简介 2 3 2 1 基站子系统 基站子系统主要包括含基站收发信机( b t s ) 、基站控制器( b s c ) 和基站管 理器( b s m ) 三个部分。基站收发信机包括实现c d m a 控制接口所需的设备， 如射频收发信机、信道卡、网络接口单元等。其功能是实现前向、反向各种 逻辑信道信号的收发、c d m a 信号处理操作、功率控制等等。基站控制器完 成多个基站收发信机的移动管理功能和与交换分系统进行码型变换与接口的 功能，如处理注册、移动呼叫、切换和管理b s c 资源：基站管理器为b s 提供 操作、管理、维护( o a m ) 功能。其中的o a m 功能分为五个类型：程序下载、 配置数据管理、故障管理、状态管理、b s 测量与统计。 ( 1 1 基站收发信机 哈尔滨阴鼙火学硕十学位论文 基站子系统中，数量最多的是收发信机( b t s ) 等设备。图2 - - 3 展示了单 个扇形小区的设备组成方框图。 圉2 3 单个扇区的设备组成 由于接收部分采用了空间分集方式，因此采用两付接收天线( r x ) ，l 付发 射天线( t x ) 。顶端为滤波器和线性功率放大器，即接收部分输入电路，选取 射频信号，滤除带外干扰。接收部分的前置低噪声放大器也置于第一层中， 其主要作用时为了改善信噪比。 第2 层是发射部分的功率放大器。 第3 层是全球定位系统( g p s ) 接收机，其作用是起到系统定时作用。 第4 层是收发信机主机部分，包括发射机中扩频、调制，接收机中解调、 解扩，以及频率合成器、发射机中的上变频、接收机中的下变频等。 最底层是数字机，装有多块信道板，每用户占用一块信道板。数字架中 信道板以中频和收发信机架连接具体而言，在正向传输时，即基站发射信号 往移动台、数字架输出的中频信号经收发信机架上变频到射频信号，再通过 功率放大器、滤波器，最后馈至天线。在反向传输信道，基站处于接收状态 通过空间分集的接收信号，经天线输入、滤波、低噪声放大( l n a ) ，然后通 哈尔滨】：张人学硕十学何论文 过收发信机架下变频，把射频信号变换到中频，再送至数字架。 数字架和收发信机架均受基站( 小区) 的控制器控制。l i 面已指出，它的 功能是控制管理蜂窝系统小区的运行，维护基站设备的硬件和软件的工作状 况，使得建立呼叫、接入、信道分配等j 下常运行，并收集有关的统计信息、 监测设备故障、分配定时信息等。 ( 2 ) 基站控制器 一个基站控制器( b s c ) 可以控制多个基站，每个基站含有多个收发信机。 基站控n n ( b s c ) n 过网络接口分别连接移动交换中心和基站收发信机( b t s l 群，此外还与操作维护中- i l , ( o m c ) 连接。基站控制器主要为大量的b t s 提供 集中控制和功率，如无线信道分配、建立或拆除无线链路、过境切换以及交 换等功能。由图2 4 f l5 ) 可见，它主要包括代码转换器和移动性管理器。 移动性管理器负责呼q 建立、拆除、切换无线信道等，这些工作由信道 控制软件和m s c 中的呼叫处理软件共同完成。 代码转换器主要包含代码转换器插件、交换矩阵以及网络接口单元。代 码转换功能按e i a t i a 宽带扩频标准规定，完成适应地面的m s c 使用 6 4 k b s p c m 话音和无线信道中声码器话音转换，其声码器速率是可变的，即 8 k b s ，4 k b s ，2 k b s ，0 8 k b s 4 种。除此之外，代码转换器还将业务信道和控制信 道分别送往m s c 和移动性管理器。 基站控制器无论是与m s c 还是与b t s 之间，其传输速率都很高，达到 1 5 4 4 m b s 。 ( 3 ) 基站管理器 基站管理系统为维护人员提供缸告管理、故障渗断测试、性能管理、配 置管理、安全管理等基站管理功能，具有良好的用户操作界面。基站管理系 统由3 部分构成：b s h l a g e n t ( 基站管理代理) 、b s m _ s e r v e r ( 基站管理服务器) 、 b s mc l i e n t ( 基站管理客户端) 。 具体地讲，基站系统要完成的工作包括：无线信道的管理( 包括信道分 配、信道释放、链路监视等) 、信号传递( 包括完成对前向、反向信号的发送、 接收，包括信道编译码、调制解调、频谱扩展解扩、p c m 与q c e l p 之倒 的码形变换等功能) 、测量( 包括用于功率控制的测量和用于切换的测量) 、 切换、传递移动性管理信息、寻呼、功率控制功能、小区呼吸功能、加密、 哈尔滨i ：科人学硕+ 学位论文 操作维护功能。 f 网络接口 l 代码转换器r l 控 l 移动性 代码转化器 交换矩阵 制 i 管理器 插什 网络接口 ， | 乱 基站b t s 群 图2 4 基站控制器框图 2 3 2 2 移动台 1 、移动台结构： 移动台主要有车载台和手机两类，其主要差别是功率大小不同，而功能、 组成和工作原理相同。 移动台主要包括控制单元、逻辑单元和收发信机三个部分。用户控制单 元包括送收话器、键盘、指示灯和蜂鸣器等。与普通的固定电话不同，移动 台为了节省无线信道占用时间和避免发生错拨现象，并不将用户所拨的号码 原位立即发出，而是在屏幕上显示出来并存人寄存器，只有当用户确认拨号 无误，按下发送键后，被叫号码才快速发出。一旦连接成功，双方即可通话。 如果没有成功，显示屏会显示相应内容，以便用户处理。逻辑单元是移动台 的主控部件，主要由单片微处理器组成，用于宽带数据信令的编角 码、控制 发射机开启、检测并转发监控音等。由测量获得的各种模拟信号，如信号电 平、噪声电平、发射功率、静噪检测结果、压控振荡器的电压、频率合成器 7 哈尔滨f ：稗人学硕十学位论文 锁相环的工作状态等，经过a d ( 模数) 变换送入单片微处理器处理，处理结 果以指令方式送到收、发信机中相关的受控部件，实现移动台类似电脑的智 能化功能。收、发信机主要由发射机接收机和收发共用的频率合成器组成。 车载台可采用二重空间分集，以减小衰落的影响，即移动台配备两根天线， 其中一根天线收发合用，另一根只做分集用，采用选择式丌关分集方式。手 机则无法分集接收，移动台收发合用一副天线( 基站采用两幅接收天线，一副 发射天线) ，由天线共用器进行收发隔离，收发频差为4 5 m h z 。 移动台发送过程主要是声码器对用户话音处理，首先由送话器输出话音 信号，经编码输出p c m 信号，经声码器输出低速率话音数据，经数掘速率 调制，然后利用卷积码的日口向纠错及交织编码，再进行扩频调制，扩频调制 使用的长p n 码表征呼叫用户的地址。经数字滤波后，由o q p s k 调制进行 d a 转换，送至模拟前端变换到相应当发送频道频率上，经功率放大后射频 信号被放大到合适的发射功率。再经收发双工器馈送到天线上发送出去。 在移动台中还包括信号处理电路，主要由瞬时频偏控制电路、压缩与扩 张电路和加重与去加重电路组成。 2 、移动台工作过程： 移动台丌机接通电源后，就会对控制信道进行扫描搜索，锁定在最强的 信道上，并保持监视。这个过程随着移动台的移动或信道的变化会反复进行， 以保证移动台不断跟踪信号最强的基站。移动台被呼的工作过程包括寻呼、 选择基站、寻呼响应、分配话音信道、振铃和通话等。移动电话交换局收到 被呼移动用户号码后，将其转换为移动台的识别号码并发出寻呼指令，让本 服务区各基站通过前向控制信道选呼该移动用户。若移动台开机，就会发现 被呼信号，并选择信号最强的空闲基站在反向控制信道上发送识别码，由基 站送到移动电话交换局。移动电话交换局收到寻呼响应后分配话音信道，基 站在前向控制信道上发送振铃信号，移动台摘机即可通话。移动台主呼的过 程，首先是呼前拨号，然后是按发送键将呼叫的号码和用户识别码通过反向 信道发送给基站，基站通过有线数据线路告知移动电话交换局移动电话交 换局先为基站和移动台分配话音信道，然后向被呼用户送振铃音。电话振铃， 被呼用户摘机即可通话。 哈尔滨工程人学硕士学位论文 2 4c d m a 的区域、号码、地址与识别 1 移动用户号码( m d n ) m d n 号码为本网移动用户作被叫时，主叫用户所需拨的号码。m d n 号 码结构如下： c c + m a c + h o h i h 2 h 3 + a b c d 其中： ( 1 ) c c ：国家码，我国使用4 6 0 ( 2 ) m a c ：移动接入码，本网采用网号1 3 3 0 。 (