第六章CDMA数字蜂窝移动通信系统.ppt

第六章 CDMA数字蜂窝移动通信系统 6 1引言 码分多址是以扩频技术为基础的 所谓扩频是把信息的频谱扩展到宽带中进行传输的技术 即将需传送的具有一定信号带宽信息数据 用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制 使原数据信号的带宽被扩展 再经载波调制并发送出去 接收端使用完全相同的伪随机码 与接收的带宽信号作相关处理 把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩 以实现信息通信 扩频技术用于通信系统具有抗干扰 抗多径 隐蔽 保密和多址能力 适用于码分多址蜂窝通信系统的扩频技术是直接序列扩频 DS 或简称直扩 扩频信号的产生包括调制和扩频两个步骤 比如 先用要传送的信息比特对载波进行调制 再用伪随机序列 PN序列 扩展信号的频谱 也可以先用伪随机序列与信息比特相乘 把信息的频谱扩展 再对载波进行调制 二者是等效的 设信息速率为Rb bit s 伪随机序列的速率为Rp 子码 秒 定义扩频因子为 通常L 1 且为整数 它是信号频谱的扩展倍数 也等于扩频系统抑制噪声的处理增益 接收端要从收到的扩频信号中恢复出它携带的信息 必须经过解扩和解调两个步骤 所谓解扩是接收机以相同的伪随机序列与接收的扩频信号相乘 也称相关接收 解扩后的信号再经过常规的解调 即可恢复出其中传送的信息 发展 第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术 其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰 美国高通公司 Qualcom 更新成为商用蜂窝电信技术 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 在中国 1999年4月 国务院批准中国联通统一负责中国CDMA网络的建设 经营和管理 2000年9月 国家发展计划委员会 信息产业部下发了 关于启动CDMA移动通信网络建设有关事项的通知 中国联通CDMA网络建设计划正式启动 中国联通CDMA网络建设的基本思路是 以增强型IS 95A系统为基础 用一年时间迅速建成覆盖全国300个以上重要城市和地区 网络规模达1500万户左右的CDMA网络 该网络能够支持国际漫游 UIM卡方式 机卡分离 具备基本的智能网业务 如预付费业务 支持移动互连网和数据服务的接入方法 并可在升级软件和仅更换信道板方式下向cdma2000 1X系统演进 在以增强型IS 95A系统实现网络规模覆盖的同时 选择部分重要城市建设cdma2000 1X系统商用试验网 及时开展适应144kbit s速率的各种新业务 配合各种CDMA新型手机 使CDMA网络一推出就是覆盖广阔 网络质量良好 手机精美 业务新颖的精品网络 中国联通的建设发展 中国联通于2001年底前仅用半年多的时间就迅速完成的一期工程容量为1515万用户 覆盖包括西藏在内的全国 个省 自治区 直辖市的300个以上地级市 成为业界的一大壮举 2002年4月8日联通CDMA网已正式对外放号 2002年底 CDMA用户成功突破700万大关 创造了移动通信事业领域用户发展的神话和奇迹 随后又用半年多时间把基于IS 95A标准的CDMA一期网络升级到2 5G的CDMA1X 并进一步扩大网络覆盖范围 使网络容量达到3500万户 2003年底 又完成了三期工程的第一阶段目标 使CDMA1X网络容量达到5000万户 至2004年7月三期工程第二阶段完成后 CDMA1X网络容量达到6000万户 至2004年5月CDMA用户已达2256万户 其中CDMA1X数据用户500万户 占CDMA用户总数的22 2 中国联通CDMA1X网络不但是目前世界上同类型最大的网络 同时在加强网络深度覆盖 提高网络运行质量 增加数据业务信道和全面增强数据业务支撑能力等方面遥遥领先 提供的业务 除基本的业务外 还提供基于移动数据和短消息的无线上网 移动秘书 电子商务 移动购物 财经 黄页 交通信息 移动办公自动化系统 可视电话 定位服务 娱乐信息广播 点播 网上下载音乐 图片传递和基于移动智能网的缩位拨号 内部广播 移动会议系统等新业务 2003年3月中国联通隆重推出了基于联通新时空CDMA网络的 联通无限U Max 增值业务 这是中国联通推出的数据增值业务统一品牌 具体包括 彩e 互动视界 掌中宽带 神奇宝典 定位之星 五个子品牌业务 提供多媒体邮件 业务下载 精确位置服务 WAP浏览 高速无线互联网接入等丰富多彩的数据服务 中国联通是目前世界少有同时经营GSM和CDMA两个通信网络取得了重大成功的运营商 按照 两网并重 协调发展 的策略保持了快速稳定增长 两网用户超过9000户 国内移动市场分额超过30 拥有世界第三大移动电话用户群 中国联通十大转折点 1995年7月19日中国联通在北京 天津 上海 广州开通GSM数字移动电话 1999年4月国信寻呼有限责任公司正式并入中国联通 2000年6月21 22日中国联通股份有限公司成功在美国纽约交易所 香港联交所发行股票 2001年1月1日军队CDMA移动通信网正式移交中国联通 2002年1月8日中国联通CDMA移动通信网正式开通 2002年10月9日中国联通A股在上海证券交易所挂牌交易 2002年12月25日中国联通CDMA移动电话用户突破700万户 2003年7月1日中国联通互动视界 掌中宽带 彩e业务正式进入商用 2003年12月1日中国联通GSM用户数突破7000万 2003年12月31日中国联通CDMA用户数突破1900万 成为全球第二大CDMA运营商 6 1 1CDMA技术的标准化 CDMA技术的标准化经历了以下几个阶段 第一阶段 融合了IS 95CDMA标准的cdmaone系统IS 95是cdmaONE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 其后又分别出版了13K话音编码器的TSB74标准 支持1 9GH 的CDMAPCS系统的STD 008标准 其中13K编码话音服务质量已非常接近有线电话的话音质量 1998年2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64kbps数据业务的支持 第二阶段 从窄带cdmaOne向第三代cdma2000过渡 cdma20001X是cdma2000第三代无线通信系统的第一个阶段 主要特点是与IS 95A B完全兼容 并可与IS 95B系统的频段共享或重叠 cdma2000 X向cdma2000 1X EV演进代表了未来发展方向 cdma20003X 3GPP2规范为IS 2000 A 也称为宽带cdmaOne 是基于IS 95标准演化的一个重要部分 3X表示3载波 即3个1 25MHz共3 75MHz的频率宽度 提供达到2Mbps的数据速率 实现与cdma20001X和cdmaOne系统的后向兼容性等 CDMA和GSM的比较 CDMA是移动通信技术的发展方向 在2G阶段 CDMA增强型IS 95A与GSM技术体制基本处于同一体制 在2 5G阶段 cdma2000 1 xRTT 无线传输技术 与通用无线分组技术GPRS相比 在传输速率及承载业务上更先进 在从2 5G到3G的过渡阶段 cdma2000 1 x向cdma2000 3 x过渡比GPRS向WCDMA过渡更为平滑 无论是WCDMA还是CDMA2000 其发展目标均是在核心网络实现语音和数据业务的统一承载和交换 软交换技术无疑将是一种较好的选择 在3G网络中 原MSC将裂变为MSC GW和MSC SERVER MSC GW完成媒体网关的功能 MSC SERVER完成软交换机的功能 IP网络作为3G网络的统一语音 数据媒体流的承载网络 实现各种业务数据流的融合 6 1 2我国CDMA系统可以占用的频率 目前中国联通CDMA使用原军队AMPS频段 即上行频率825 835MHz 下行频率870 880MHz 6 1 3CDMA系统的特点 CDMA移动通信网是由扩频 多址接入 蜂窝组网和频率复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 容量和质量之间可做权衡取舍等属性 1 系统容量大 系统容量大即频谱利用率高 指的是CDMA在与GSM同样的频段下可以允许更多的用户使用 理论上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要大4 5倍 在CDMA系统中 由于不同的扇区也可以使用相同频率 当小区使用定向天线 即120 扇形天线 时 干扰减为1 3 整个系统所提供的容量又可提高约3倍 并且小区容量将随着扇区数的增大而增大 2 软容量 CDMA系统是一个自干扰系统 用户数和服务级别之间有着更灵活的关系 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 如果能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 体现软容量的另一种形式是小区呼吸功能 所谓小区呼吸功能是指各个小区的覆盖大小是动态的 当相邻两小区负荷一轻一重时 负荷重的小区通过减少导频发射功率 使本小区的边缘用户由于导频强度不足 切换到邻小区 使负荷分担 即相当于增加了容量 另外 CDMA系统还提供多级别服务 例如现在已经有了两种语音编码 13kbit s和8kbit s 如果用户支付较高费用 则可获得高级别服务 3 通话质量更佳 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 目前CDMA系统普遍采用8kbit s的可变速率声码器 声码器使用的是码激励线性预测 CELP 和CDMA特有的算法 称为QCELP 可变速率声码器的一个重要特点是使用适当的门限值来决定所需速率 门限值随背景噪声电平的变化而变化 即使在喧闹的环境下 也能得到良好的话音质量 4 移动台辅助软切换 CDMA移动通信系统使用软切换和更软切换 FDMA和TDMA移动通信系统使用硬切换 软切换就是当移动台需要跟一个新的基站通信时 CDMA系统采用软切换技术和先进的数字话音编码技术 并使用多个接收机同时接收不同方向的信号 先连接再断开 makebeforebreak 并不先中断与原基站的联系 移动台在切换过程中与原小区和新小区同时保持通话 以保证电话的畅通 软切换只能在具有相同频率的CDMA信道间进行 更软切换是一种蜂窝内的切换 发生在两个扇区或三个扇区之间 这种类型的切换只发生在蜂窝内 而不涉及移动交换中心 软切换的主要优点 无缝切换 保持通话的连续性 减少掉话可能性 由于在软切换过程中 在任何时候移动台至少可跟一个基站保持联系 减少了掉话的可能性 处于切换区域的移动台发射功率降低 减少发射功率是通过分集接收来实现的 降低发射功率有利于增加反向容量 软切换的缺点 导致硬件设备 即信道卡 的增加 降低了前向容量 但由于CDMA系统前向容量大于反向容量 所以适量减少前向容量不会导致整个系统容量的降低 5 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 6 建网成本低7 绿色手机 CDMA系统发射功率最高只有200毫瓦 普通通话功率可控制在零点几毫瓦 其辐射作用可以忽略不计 8 保密性强 通话不会被窃听 CDMA信号的扰频方式提供了高度的保密性 CDMA码址是个伪随机码 而且共有4 4万亿种可能的排列 因此 要破解密码或窃听通话内容是很困难的 9 多种形式的分集 分集的概念 如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落 而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号 因此可以在多径信号中选择两个或两个以上的信号 这样做的好处是它对于接收端的瞬时信噪比的平均信噪比都有提高 并且通常可以提高20dB到30dB 有有三种主要分集方式 时间分集 频率分集和空间分集 时间分集 以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号 以便让再次收到的信号具有独立的衰落环境 从而产生分集效果 目前 这种分集技术已经被大量用于扩频CDMA的RAKE接收机中 以处理多径信号 频率分集 在多于一个载频上传送信号 工作原理 在信道相干带宽之外的频率上不会出现同样的衰落 在理论上 不相关信道产生同样衰落的概率是各自产生的衰落概率的乘积 应用 频率分集经常用在频分双工 FDD 方式的视距微波链路中 在实际应用中 有一种工作方式称为1 N保护交换方式 在这种方式中 有一个频道是空闲的 但它实际上是一个备用频道 可以用来提供和同一链路上N个载频 这些载频上的业务是相互独立的 中任一个载频间的频率分集切换 当需要分集时 相应的业务被切换到备用频率上 这项技术的缺点是 它不仅需要备用带宽 而且需要有和频率分集中采用的频道数相等的若干个接收机 但是对于特殊业务 这个费用也许是划算的 空间分集 也称为天线分集 是无线通信中使用的最多的分集形式 理论上 如果天线间的相隔距离等于或大于半波长 那么从不同的天线上收到的信号包络将基本上是非相关的 天线分集的概念用于基站的设计是这样的 在每个蜂窝小区的中心 为了进行分集接收 装备了多个基站接收天线 但是 由于移动台接近于地面 容易产生严重的信号散射现象 因而在基站处的分集天线之间必须隔的相当远 通常是波长的几十倍 才能实现信号的非相关 天线分集即可用于基站 也可用于移动台 或两者同时采用 分集是对付多径衰落很好的办法 CDMA采用了三种分集方式 时间分集 频率分集和空间分集 时间分集 采用了符号交织 检错和纠错编码等方法 频率分集 本身是1 25MHz宽带的信号 起到了频率分集的作用 空间分集 基站使用两付接收天线 基站和移动台都采用了Rake接收机技术 软切换也起到了空间分集的作用 CDMA系统采用并联相关器的方法解决了多径问题 移动台和基站分别配备三个和四个相关器 基站和移动台所用的Rake接收机 能独立跟踪各个不同路径 将收到的信号强度矢量相加 然后再进行解调 这样 虽然每条路径都有衰落 但各自独立 因此基于各信号之和的解调就更为可靠 10 CDMA的功率控制 CDMA系统的容量主要受限于系统内移动台的相互干扰 如果每个移动台的信号到达基站时都达到最小的信噪比 系统容量将会达到最大值 CDMA功率控制的目的就是既维持高质量通信 又不对占用同一信道的其它用户产生不应有的干扰 CDMA系统的功率控制也能降低为克服噪声和干扰所需的发射功率 工作范围更大 CDMA系统引入了功率控制 一个很大的好处是降低了平均发射功率而不是峰值功率 1 反向功率控制 反向功率控制也称上行链路功率控制 其主要要求是使任一移动台无论处于什么位置上 其信号在到达基站的接收机时 都具有相同的电平 而且刚刚达到信干比要求的门限 显然 能做到这一点 既可以有效地防止 远近效应 又可以最大限度地减小多址干扰 进行反向功率控制的办法可以在移动台接收并测量基站发来的信号强度 并估计正向传输损耗 然后根据这种估计来调节移动台的反向发射功率 如果接收信号增强 就降低其发射功率 接收信号减弱 就增加其发射功率 功率控制的原则 当信道的传播条件突然改善时 功率控制应作出快速反应 例如在几微秒时间内 以防止信号突然增强而对其它用户产生附加干扰 相反 当传播条件突然变坏时 功率调整的速度可以相对慢一些 也就是说 宁愿单个用户的信号质量短时间恶化 也要防止许多用户都增大背景干扰 2 正向功率控制 正向功率控制也称下行链路功率控制 其要求是调整基站向移动台发射的功率 使任一移动台无论处于小区中的任何位置上 收到基站的信号电平都刚刚达到信干比所要求的门限值 作到这一点 可以避免基站向距离近的移动台辐射过大的信号功率 也可以防止或减少由于移动台进入传播条件恶劣或背景干扰过强的地区而发生误码率增大或通信质量下降的现象 11 话音激活 CDMA在不讲话时传输速率降低 减轻了对其它用户的干扰 这就是CDMA系统中的话音激活技术 人类对话的特征是不连续的 对话的激活期 占空比 通常只有35 左右 在许多用户共享一个无线信道时 如果利用话音激活技术 是通信中的用户有话音才发射信号 没有话音就停止发射信号 那么任一用户在话音发生停顿时 所有其他通信中的用户都会因为背景干扰减小而受益 话音停顿可以使背景干扰减小65 能提高系统容量到1 0 35 2 86倍 FDMA和TDMA两种系统都能利用这种话音特性 实现信道的动态分配 以获得不同程度的容量提高 不过要做到这一点 二者都必须增加额外的控制开销 而且要实现信道的动态分配 还必然会带来时间延迟 而CDMA蜂窝系统获得这种好处是非常容易的 12接通率高 上网的人都有经验 找人少的时候上网 这样网塞少 就容易接通 打手机也是同样道理 CDMA源于军用抗干扰系统 其中 处理增益 的参数远远高于其他系统 再加上CDMA的信号占用整个频段 几乎是普通窄带调制效率的7倍 因此综合来看 对于相同的带宽 CDMA系统是GSM系统容量的4 5倍 网塞大大下降 接通率自然就高了 6 2CDMA空中接口协议层 CDMA信道包含反向CDMA信道 CDMA上行信道 和正向CDMA信道 CDMA下行信道 反向CDMA信道由接入信道和反向业务信道组成 正向CDMA信道由导频信道 寻呼信道和正向业务信道组成 所有信道的信令都使用基于比特同步的协议 所有信道上的消息都有一个相同的层格式 第一层是数据无线信道中的物理层 包括传递比特位的功能如调制 编码 成帧 信道匹配等 在第一层和第二层之间包括了一个复用子层 这个复用子层允许用户数据和信令处理通过无线通道实现共享 对于用户数据来说 高于复用子层的协议层对于业务选择是独立的 典型来说 有更高两层的定义 信令协议第二层是和可靠的信令发送相联系的协议 处于基站和移动台之间的第三层消息如消息重传和双重检测 信号第三层的协议包括了呼叫流程 无线信道控制 移动台控制 包括呼叫的建立 切换 功率的控制 移动台的注销 图6 1CDMA协议的结构简略逻辑图 6 3CDMA前向信道 图6 2CDMA蜂窝系统的信道示意图 a 前向信道 b 反向信道图6 3CDMA蜂窝系统的逻辑信道示意图 1 导频信道 传输由基站连续发送的导频信号 导频信号是一种无调制的直接序列扩频信号 令移动台可迅速而精确地捕获信道的定时信息 并提取相干载波进行信号的解调 移动台通过对周围不同基站的导频信号进行检测和比较 可以决定什么时候需要进行过境切换 2 同步信道 主要传输同步信息 还包括提供移动台选用的寻呼信道数据率 在同步期间 移动台利用此同步信息进行同步调整 一旦同步完成 它通常不再使用同步信道 但当设备关机后重新开机时 还需要重新进行同步 当通信业务量很多 所有业务信道均被占用而不够应用时 此同步信道也可临时改作业务信道使用 3 寻呼信道 在呼叫接续阶段传输寻呼移动台的信息 移动台通常在建立同步后 接着就选择一个寻呼信道 也可以由基站指定 来监听系统发出的寻呼信息和其它指令 在需要时 寻呼信道可以改作业务信道使用 直至全部用完 4 正向业务信道共有四种传输速率 9600 4800 2400 1200b s 业务速率可以逐帧 20ms 改变 以动态地适应通信者的话音特征 比如 发音时传输速率提高 停顿时传输速率降低 这样做 有利于减少CDMA系统的多址干扰 以提高系统容量 在业务信道中 还要插入其它的控制信息 如链路功率控制和过区切换指令等 5 接入信道 当移动台没有使用业务信道时 提供运动台到基站的传输通路 在其中发起呼叫 对寻呼进行响应以及传送登记注册等短信息 接入信道和正向传输中的寻呼信道相对应 以相应传送指令 应答和其它有关的信息 不过 接入信道是一种分时隙的随机接入信道 允许多个用户同时抢占同一接入信道 每个寻呼信道所支撑的接入信道数最多可达32个 前向CDMA信道由以下码分信道组成 导频信道 同步信道 寻呼信道 最多可以有7个 和若干个业务信道 前向CDMA信道可使用的码分信道最多为64个 一种典型的配置是 1个导频信道 1个同步信道 7个寻呼信道 允许的最多值 和55个业务信道 信道配置并不是固定的 其中导频信道一定要有 其余的码分信道可根据情况配置 例如可用业务信道取代寻呼信道和同步信道 成为一个导频信道 0个同步信道 0个寻呼信道和63个业务信道 6 3 1前向业务信道 声码器 卷积编码 符号重复 符号收缩 块交织 数据扰码 功率控制子信道 正交扩频 四相扩频 基带滤波 PCM语音 到RF部分 图6 4CDMA前向信道结构 语音编码 CDMA声码器是可变速率声码器 可工作于全速率 1 2 1 4和1 8速率 有两种声码器 速率1和速率2 速率1声码器为工作于9 6kb s数据流的8kb s声码器 包含四种速率 9600 4800 2400和1200b s 速率2声码器为工作于14 4kb s数据流的13 3kb s声码器 包含四种速率 14400 7200 3600和1800b s 对于速率1和速率2 信道结构是不同的 图6 5速率1和速率2前向业务信道的产生 图6 6正向业务信道帧结构 图6 7速率1的前向 反向业务信道帧结构 图6 8速率2的前向 反向业务信道帧结构 其中F为帧质量指示 CRC 目的为 允许接收机在所有172信息比特上计算了CRC后 确定是否有帧发生错误 帮助确定接收帧的数据速率 速率2和速率1使用相同的过程 区别是所有的速率2都有帧质量指示 且速率2有1比特的预留字段 卷积编码 卷积编码是通过提供纠错 检错能力为信息比特提供保护 对于一个1 2比率卷积编码器 它是用两个符号代替每一个输入比特 若约束长度为9 延迟长度为8 见书上图6 7 符号重复 作用 根据需要重复数据 其中 速率1产生19 2kb s的速率 速率2产生28 8kb s的速率 意义 为无线信道抵抗衰落提供附加的措施 可增加接收的可靠性 重复符号比全速率符号的功率电平低 由于所有符号总功率是一样的 因此各符号功率减少了 注 导频信道没有该过程 符号抽取 此过程只作用于速率2帧 CDMA通过从每6输入中删除2实现把28 8kb s数据流变为19 2kb s 目的是为了对两种速率的数据流进行块交织的时候其输入符号速率是相同的 块交织 作用 交织是用来抗瑞利衰落影响的 瑞利衰落是频率选择性衰落 交织扰乱信息的顺序使交织后的突发错误在接收端还原后成为随机错误 这样就比较容易使用纠错编码技术进行纠正 前向业务信道和寻呼信道交织宽度为20ms 在调制符号速率为19200s s时 等于384调制比特的宽度 输入到24 16的矩阵中 同步信道交织宽度为26 666ms 在符号速率为4800符号 s时 等于128个调制宽度 交织器阵列为16行 8列 三种信道的符号都是按列写入阵列 交织后按行读出 数据扰码 只用于寻呼信道和前向业务信道 反向信道没有数据扰码 主要是提供安全性和保密性 长码掩码与使用前向业务信道移动台的电子串号ESN联合使用 长码掩码的周期大约为40天 长码掩码根据具体移动台的电子串号ESN而改变 可提供额外的安全保障 在发送端 数据扰码是对从块交织器输出的19 2ks s调制符号与一个随机序列进行模2加 数据扰码使用的随机序列是由长码 长度为 的每64个比特片取出的第一个比特片组成 由于长码的速率是1 2288MHz 所以进行数据扰码的随机序列速率为19200符号 秒 1 2288 功率控制子信道 在CDMA中 使用快功率控制子信道技术来避免 远近效应 子信道以每1 25ms发射一比特 0或1 即发射速率为800b s 0指示移动台提高发射功率 1指示移动台降低发射功率 每个功率控制比特提高或降低的功率大小为1dB 与CDMA反向信道调制不同 在CDMA前向信道调制中所有的重复比特全部发送 但对于不同速率其发射功率不同 速率越低 功率越低 基站前向业务信道接收机 在1 25ms时间内评估移动台接收到的信号强度 然后基站用评估值来决定发射的功率控制比特是1还是0 并用抽取技术在相应的前向业务信道上发射功率控制比特 使用抽取技术 两符号长的功率控制比特取代了两连续前向业务信道调制符号 移动台要完成从前向业务信道中分离功率控制子信道的工作 然后修复被损坏的剩下编码数据流 移动台在不需要对帧头和帧信息解码的情况下能够快速对功率控制比特解码 一旦恢复功率控制子信道 移动台能根据数据对RF输出功率进行调整 正交信道扩频 为了使正向传输的各个信道之间具有正交性 在正向CDMA信道中传输的所有信号都要用六十四进制的沃尔什函数进行扩展 这种沃尔什函数64 64矩阵这样进行分配 号码为0的沃尔什函数W0分配给导频信道 号码为32的沃尔什函数W32分配给同步信道 号码为1 7的沃尔什函数W1 W7分配给寻呼信道 其余沃尔什函数分配给正向业务信道 沃尔什函数的子码速率为1 2288MC s 并以52 083 s 64 1 2288 106 为周期重复 此周期就是正向业务信道调制码元的宽度 四相扩频调制 在正交扩展之后 各种信号都要进行四相扩展 四相扩展所用的序列称为引导PN序列 短码 引导PN序列的作用是给不同基站发出的信号赋以不同的特征 便于移动台识别所需的基站 不同的基站使用相同的PN序列 但各自采用不同的时间偏置 由于PN序列的相关特性在时间偏移大于一个子码宽度时 其相关值就等于0或接近于0 因而移动台用相关检测法很容易把不同基站的信号区分开来 在一个CDMA蜂窝系统中 时间偏置可以再用 CDMA前向信道调制采用QPSK调制 6 3 2前向广播信道 CDMA前向广播信道由下列码分信道组成 1个导频信道 1个同步信道和7个寻呼信道 每个码分信道通过适当的Walsh函数进行正交扩频 导频信道使用W0 同步信道使用W32 而寻呼信道使用W1到W7 导频信道 导频信道在CDMA前向信道上是不停地发射的 移动台利用导频信道来获得初始系统同步 完成对来自基站信号的时间 频率和相位和跟踪 基站利用导频PN序列的时间偏置来标识每个CDMA前向信道 不同的时间偏置用不同的偏置系统表示 偏置系数共512个 编号从0到511 偏置时间等于偏置的系数乘以64 单位是PN序列子码数目 例如 当偏置系数是15时 相应的偏置时间是15 64 960个子码 已知子码宽度为1 1 2288 106 0 8138 s 故偏置时间为960 0 8138 781 25 s 0偏置导频PN序列必须在时间的偶数秒 参照系统时间 起始传输 他们的开始位置被定义为连续输出15个 0 的时刻 其它PN引导序列的偏置指数规定了它和0偏置引导PN序列偏离的时间值 如上所述 偏置指数15时 引导PN序列的偏离时间为781 25 s 说明该PN序列要从每一偶数秒之后781 25 s开始 尽管两个相邻小区使用相同的PN码 但不能让他们使用相同的时间偏置 相邻基站的导频PN序列偏置指数间隔应设置得大一些 同步信道 同步信道是为移动台提供时间和帧同步的 使用W32 一旦移动台捕获到导频信道 即与导频PN序列同步 即可认为移动台与前向信道的同步信道也达到同步 同步信道工作在固定速率1200b s 若数据是半速率卷积编码 则符号重复一次 同步信道包含的消息有 基站协议版本 基站支持的最小的协议版本 移动台使用的版本只有高于或等于此值时 方能接入系统 系统和网络识别号 SID NID 导频PN序列偏置指数 详细的时间信息 寻呼信道数据速率和CDMA信道数量 寻呼信道 此信道可选 能够工作在数据速率为9600或4800b s 寻呼信道包括对一个或多个移动台的寻呼 当基站接收到对移动台的呼叫时 通常发送寻呼信号 并且由几个不同的基站发送寻呼信号 时隙模式 是寻呼信道的一个特殊的模式 类似于GSM的不连续接收 DRX 在这种模式中 确定移动台的消息 只有在某一预先确定的时隙上被传输 此时隙发生在某一预先确定的时间上 通过接入处理 移动台能够指定哪些时隙来监控进入的寻呼信息 这些时隙可以每2秒到每128秒发生一次 这样允许移动台在时隙上部分的功率下降 但预先确定的部分除外 移动台侦听部分时隙 而非全部 这样移动台的电池功耗大大减少 1个9600b s的寻呼信道能够支持每秒大约180个寻呼 则7个寻呼信道能够支持1260个寻呼 寻呼信道把信息从基站发送到移动台 每个移动台的消息地址可通过ESN IMSI TMSI进行寻址 寻呼信道支持以下信息 系统参数信息 接入参数消息 CDMA信道列表消息 信道分配消息 6 4CDMA反向信道 反向CDMA信道 CDMA上行信道 由接入信道和反向业务信道组成 在这一反向CDMA信道上 基站和用户使用不同的长码掩码区分每个接入信道和反向业务信道 当长码掩码输入长码发生器时 会产生唯一的用户长码序列 其长度为242 1 对于接入信道 不同基站或同一基站的不同接入信道使用不同的长码掩码 而同一基站的同一接入信道用户所用的接入信道长码掩码则是一致的 每个接入信道有一个明确的接入信道长码序列标志 每个业务信道有一个明确的用户特有长码序列标志 进入业务信道以后 不同的用户使用不同的长码掩码 也就是不同的用户具有不同的相位偏置 反向支持总计62个不同业务信道和总计32个不同接入信道 1个 或多个 接入信道与1个寻呼信道相对应 1个寻呼信道至少应有1个 最多可对应32个反向CDMA接入信道 标号从0到31 接入信道和反向业务信道的区别是 反向接入信道调制中没有加CRC校验比特 反向业务信道也只对数据速率较高的9600b s和4800b s的两种速率使用CRC校验 接入信道发送速率是固定的 而反向业务信道可以选择不同的速率发送 6 4 1接入信道 当移动台不使用业务信道时 接入信道提供从移动台到基站的通信 MS在接入信道时发送信息的速率固定为4800b s 接入信道帧长度为20ms 仅当系统时间为20ms的整数倍时 接入信道帧才可能开始传输 每个接入信道由一个不同的长PN码区分 接入信道是一个随机接入的CDMA信道 与一个特定寻呼信道相连的多数移动台可以同时试着使用一个接入信道 接入信道采用ALOHA协议 以防止两个以上移动台同抢 即同步发射 1 接入信道信息结构 CDMA反向接入信道帧由88个信息比特和8个编码尾比特构成 没有CRC校验比特 数据速率固定为4800b s 一个接入信道传输发生在一个接入信道时隙上 基站和移动台的接入信道时隙长度有所不同 移动台先决定相关时隙的长度 然后开始他的接入信道传输 接入信道传输由接入信道前缀和接入信道信息封装组成 接入信道前缀的帧由96个全0组成 速率为4800b s 作用是为了基站捕获移动台的接入信道消息 接入信道消息由登记 命令 数据突发 源 寻呼响应 鉴权响应 状态响应和临时移动用户识别号TMSI分配完成信息组成 接入信道消息共享如下参数 应答和序列数 移动识别参数 鉴权参数等 2 接入信道产生 4 8kb s速率的信息被输入到1 3卷积编码器 从卷积编码器输出的信号输入到一个符号重复器 其目的是使数据以恒定比特速率输入到块交织器中 使块交织器高效运行 送入块交织器的是28 8ks s的信道编码数据 交织器后面是64阶正交调制 输出是307 2kc s的编码数据 此输出被一个长掩码序列取代 最后是每个接入信道用小区特定PN码进行四相扩频 6 4 2反向业务信道 反向业务信道是用于在呼叫建立期间传输用户信息和信令信息 反向业务信道支持两种速率 速率1包括四种速度 9600 4800 2400和1200b s 速率2包括四种速度 14400 7200 3600和1800b s 反向业务信道帧的长度为20ms 移动台业务信道初始帧的时间偏置由寻呼信道的信道指配消息中的帧偏置参数定义 反向业务信道的时间偏置与前向业务信道的时间偏置相同 仅当系统时间是20ms的整数倍时 零偏置的反向业务信道帧才开始 帧偏置参数被指定为FRAME OFFSET的业务信道帧在比零偏置业务信道帧晚1 25 FRAME OFFSET毫秒时开始 CDMA支持两种模式传送信令信息 空白突发序列模式和半空白突发序列模式 在上行和下行链路上都可使用 空白模式可以用来发送信令信息 也可以用半空白模式来发送 在业务信道上有五种类型的控制消息 呼叫控制消息 切换控制消息 前向功率控制消息 安全和鉴权控制消息 为移动台引出或提供特定信息的控制消息 图6 9反向业务信道的产生 声码器 信源编码 减小语音冗余度 降低语音传输需要的比特速率 工作在全速率 1 2 1 4和1 8速率的可变模式 速率1声码器和全速输出速率为9 6kb s 速率2的全速输出速率为14 4kb s 卷积编码 接入信道和反向业务信道所传输的数据都要进行卷积编码 卷积编码就是串行延时数据序列所选抽头的模2加 卷积码的码率为1 3 约束长度为9 3 码元重复 反向业业信道的码元重复办法和正向业务信道一样 当工作在速率1时 数据速率为9600b s时 码元不重复 数据速率为4800 2400和1200b s时 码元分别重复1次 3次和7次 每一码元连续出现2次 4次和8次 这样就使得各种速率的数据都变换成每秒28800码元 这里不同的地方是重复的码元不是重复发送多次 相反 除去发送其中的一个码元外 其余的重复码元全部被删除 在接入信道上 因为数据速率固定为4800b s 因而每一码元只重复1次 而且两个重复码元都要发送 4 块交织 块交织的主要作用是抗瑞利快衰落造成的突发错误 所有码元在重复之后都要进行块交织 块交织的跨度为20ms 交织器组成的阵列是32行 18列 即576个单元 5 可变数据率传输 为了减少移动台的功耗和减小它对CDMA信道产生的干扰 对交织器输出的码元 用一时间滤波器进行选通 只允许所需码元输出 而删除其它重复的码元 这种过程如下图所示 图6 10反向CDMA信道的可变数据速率传输举例 由图可见 传输的占空比随传输速率而变 当数据率是9600b s时 选通门允许交织器输出的所有码元进行传输 即占空比为1 当数据率是4800b s时 选通门只允许交织器输出的码元有1 2进行传输 即占空比为1 2 依此类推 在选通过程中 把20ms的帧分成16个等长的段 即功率控制段 每段1 25ms 编码从0至15 根据一定的规律 使某些功率段被连通 而某些功率控制段被断开 这种选通要保证进入交织器的重复码元只发送其中一个 不过 在接入信道中 两个重复的码元都要传输 见下图 图6 11接入信道传输结构 通过选通门允许发送的码元以猝发的方式工作 它在一帧中占用哪一位置进行传输是受一PN码控制的 这一过程称为数据的猝发随机化 猝发位置根据前一帧中倒数第二功率控制段内的最末14个PN码比特进行计算 这14个比特表示为 在图6 10的例子中 它们对应的比特取值为 00101101100100 数据猝发随机化算法如下 数据率为9600b s时 所用的功率控制段为 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 数据率为4800b s时 所用的功率控制段为 数据率为2400b s时 所用的功率控制段为 b0 如b8 0 或2 b1 如b8 1 4 b2 如b9 0 或6 b3 如b9 1 8 b4 如b10 0 或10 b5 如b10 1 12 b6 如b11 0 或14 b7 如b11 1 数据率为1200b s时 所用的功率控制段为 b0 如b8 0或b12 0 或2 b1 如b8 1和b12 0 或4 b2 如b9 0和b12 1 或6 b3 如b9 1和b12 1 8 b4 如b10 0和b13 0 或10 b5 如b10 1和b13 0 或12 b6 如b11 0和b13 1 或14 b7 如b11 1和b13 1 6 正交多进制调制 在反向CDMA信道中 把交织器输出的码元每6个作为一组 用26 64进制的沃尔什函数之一 称调制码元 进行传输 调制码元的传输速率为28800 6 4800s s 调制码元的时间宽度为1 4800 208 333 s 每一调制码元含64个子码 因此沃尔什函数的子码速率为64 4800 307 2kc s 相应的子码宽度为3 255 s 7 直接序列扩展 长码的周期是242 1个子码并满足以下特征多项式的线性递归关系 长码的各个PN子码是用一42位的掩码和序列产生器的42位状态矢量进行模2加而产生的 见图6 12 整个CDMA系统中所用到的长码序列只有一个 但是CDMA系统通过不同的掩码给每个信道分配一个不同的初相 图6 12长码产生器 用于长码产生器的掩码根据移动台用来传输的信道类型而变 掩码的格式见图6 13 当在接入信道传输时掩码为 M41到M33要置成 110001111 M32到M28要置成选用的接入信道号码 M27到M25要置成对应的寻呼信道号码 范围是1到7 M24到M9要置成当前的基站标志 M8到M0要置成当前CDMA信道的引导PN偏置 图6 13掩码格式 当在反向业务信道传输时 移动台要用到两个掩码中一个 一个是公开掩码 另一个是私用掩码 这两个掩码都是该移动台所独有的 公开掩码如下 M41到M32要置成 1100011000 M31到M0要置成移动台的电子序列号码 ESN 为了防止和连号ESN相对应的长码之间出现过大的相关值 移动台的ESN要进行置换 ESN的置换规则如下 置换后的ESN为 私用掩码适用于用户保密通信 其格式由TIA规定 8 四相扩展 反向CDMA信道四相扩展所用的序列就是前面正向CDMA信道所用的I与Q导频PN序列 经过PN序列扩展之后 Q支路的信号要经过一个延迟电路 把时间延迟1 2个子支宽度 409 901ns 再送入基带滤波器 信号经过基带滤波器之后 进行四相调制 CDMA反向信道采用OQPSK调制 Q导频PN序列扩频的数据相对于I导频PN序列扩频的数据将延时半个PN比特片的时间 OQPSK调制使用功率效率高 非线性 完全饱和的C类放大器 节省了移动台的功耗 延长了通话时间 合成信号的相位点及其转换关系如图6 14所示 图6 14反向CDMS信道的信号相位点及其转换关系 反向业务信道的参数 6 5功率控制 在CDMA系统中 功率控制被认为是所有关键技术的核心 如果小区中的所有用户均以相同功率发射 则靠近基站的移动台到达基站的信号强 远离基站的移动台到达基站的信号弱 导致强信号掩盖弱信号 这就是移动通信中的 远近效应 问题 因为CDMA是一个自干扰系统 所有用户共同使用同一频率 所以 远近效应 问题更加突出 CDMA功率控制的目的就是克服远近效应 使系统既能维持高质量通信 又不对占用同一信道的其它用户产生不应有的干扰 功率控制的原则是 当信道的传播条件突然改善时 功率控制应作出快速反应 例如在几微秒时间内 以防止信号突然增强而对其它用户产生附加干扰 相反 当传播条件突然变坏时 功率调整的速度可以相对慢一些 也就是说 宁愿单个用户的信号质量短时间恶化 也要防止许多用户都增大背景干扰 功率控制分为前向功率控制和反向功率控制 反向功率控制又分为仅由移动台参与的开环功率控制和移动台 基站同时参与的闭环功率控制 6 5 1反向开环功率控制 CDMA系统的每一个移动台都一直在计算从基站到移动台的路径衰耗 当移动台接收到的信号很强时 表明要么离基站很近 要么有一个特别好的传播路径 这时移动台可降低它的发射功率 而基站依然可以正常接收 相反当移动台接收的来自基站的信号很弱时 它就增加发射功率 以抵消衰耗 开环功率控制的目的是试图使所有移动台发出的信号在到达基站时都有相同的标称功率 它完全是移动台自己进行的功率控制 开环功率控制只是对发送电平的粗略估计 因此它的反应时间既不应太快 也不应太慢 如反应太慢 在开机或进入阴影 拐弯效应时 开环起不到应有的作用 而如果反应太快 将会由于前向链路中的快衰落而浪费功率 移动台通过开环功率控制计算发射功率的方法 1 刚进入接入信道时 闭环校正尚未激活 移动台将按下式计算平均输出功率 以发射其第一个试探序列 平均输出功率 dBm 平均输入功率 dBm 73 NOM PWR dB INIT PWR dB 其中 平均功率是相对于1 23MHz标称CDMA信道带宽而言的 INIT PWR是对第一个接入信道序列所需要作的调整 NOM PWR是为了补偿由于前向CDMA信道和反向CDMA信道之间不相关造成的路径损耗 这两个参数都需要根据具体传播环境通讯当地噪声电平通过计算得出 2 其后的试探序列不断增加发射功率 增加的步长为PRW STEP 直到收到一个响应或序列结束 这时移动台开始在反向业务信道上发送信号 其平均输出功率电平为 平均输出功率 dBm 平均输入功率 dBm 73 nompwr dB INITPWR dB PWRSTEP之和 dB 在反向业务信道开始发送之后一旦收到一个功率控制比特 移动台的平均输出功率将变为 平均输出功率 dBm 平均输入功率 dBm 73 NOM PWR dB INIT PWR dB PWR STEP之和 dB 所有闭环功率控制校正之和 dB 其中 NOM PWR INIT PWR和PWR STEP均为在接入参数消息中定义的参数 在移动台发射之前便可得到这些参数 NOM PWR参数的范围为 8 7 dB 标称值为0dB INIT PWR参数的范围为 16 15 dB 标称值为0dB PWR STEP参数的范围为 0 7 dB 根据CDMA空中接口的标准 移动台平均输出功率可调整的动态范围至少应为 32dB 6 5 2反向闭环功率控制 CDMA系统的前向 反向信道分别占用不同的频段 收 发间隔为45MHz 这使得这两个频道衰减的相关性很弱 在整个测试过程中 两个信道衰减的平均值应该相等 但在具体某一时刻 则很可能不等 这就需要基站根据目前所需信噪比与实际接收的信噪比之差随时命令移动台调整发射功率 即闭环调整 基站目前所需的信噪比是根据初始设定的误帧率随时调整的 即外环调整 从BTS来的语音帧以每秒50帧的速率送到选择器V S 该选择器放在MSC还是BSC 各公司有不同的做法 选择器每过一定的时间就统计所收到的坏帧与总帧数之比是否超过1 如果超过1 说明目前所设的目标Eb N0还不够 就指令BTS将目标Eb N0上升几个步阶 如果小于1 说明目前所设的目标Eb N0还有余量 就指令BTS针目标Eb N0 下降一个步阶 这就是所说的外环调整 闭环高速是这样一个过程 BTS对从MS收到的信号进行Eb N0测量 每帧分阶段6次 即以一个功率控制组为单位 测量过程如下 对于收到的每一个Walsh符号进行解调 取64个解调值中的最大值 把每六个最大值加在一起 6个Walsh符号 1个功率控制组 总和与一个门限相比 测验量结果如果大于门限 则发送 下降 命令 1dB 而如果小于门限 则发送 上升 命令 1dB 移动台则根据收到的命令调整它的发射功率 直到最佳 在反向闭环功率控制中 基站起着很重要的作用 在对反向业务信道进行闭环功率控制时 移动台将根据在前向业务信道上收到有的效功率控制比特 在功率控制子信道上 来调整其平均输出功率 功率控制比特 0 或 1 是连续发送的 其速率为每比特1 25ms