第五章 CDMA系统

第五章CDMA移动通信系统,5.1CDMA系统概述5.2码分多址的基本原理及实现5.3IS-95CDMA信道5.4CDMA网络主要使用的识别号码5.5CDMA系统的移动性管理5.6CDMA系统呼叫处理5.7CDMA系统的功率控制5.8CDMA的业务,学习目标,了解CDMA移动通信系统的特点、网络结构和提供的服务。正确理解码分多址的基本原理，码分多址在CDMA网络中的实现。正确理解CDMA-95信道结构。正确理解CDMA移动通信系统的移动性管理。正确理解CDMA移动通信系统的呼叫处理和功率控制。,第五章CDMA移动通信系统,5.1CDMA系统概述5.2码分多址的基本原理及实现5.3IS-95CDMA信道5.4CDMA网络主要使用的识别号码5.5CDMA系统的移动性管理5.6CDMA系统呼叫处理5.7CDMA系统的功率控制5.8CDMA的业务,5.1CDMA系统概述,5.1.1CDMA系统的发展5.1.2CDMA的基本原理5.1.3CDMA的特点,5.1.1CDMA系统的发展,CDMA早已在军事抗干扰通信中得到广泛应用;80年代末期以来，CDMA开始应用于数字移动通信领域。由于其频谱利用效率高，抗干扰能力强，应用前景看好；1989年，Qualcomm公司在美国的现场实验证明，CDMA用于蜂窝通信的容量大，且经理论推导,为AMPS的20倍，使CDMA技术成为热门技术；1993年7月，Qualcomm公司开发.的CDMA蜂窝体制被采纳为北美数字蜂窝标准，定名为IS-95（实际上IS-95定义的是CDMA系统的公共空中接口）。,5.1.1CDMA系统的发展,95年美国和香港的CDMA公用网开始投入商用；96年韩国用自己的CDMA系统开发大规模商用,前12个月发展用户150万；1998年，全球的CDMA用户已经达到500万,CDMA的商用和研究进入高潮阶段；1999年,CDMA在日本和美国形成增长高峰期,全球增长率为250%,用户达2000万；现在CDMA为仅次于GSM发展最快的系统，全球现己近一亿用户，二十多个国家采用。,5.1.1CDMA系统的发展,我国在93年863计划已开展CDMA蜂窝技术研究；94年Qualcomm首先在天津建技术试验网；1998年具有14万用户的长城商用试验网在北京、广州、上海、西安建成，并开始小部分商用；迄今，中国联通已在全国250多个城市开通了商用IS-95商用CDMA网，用户已经超过5000万。,5.1CDMA系统概述,5.1.1CDMA系统的发展5.1.2CDMA的基本原理5.1.3CDMA的特点,各用户使用不同的频率,时间,频率,FDMA,频分多址技术（FDMA）,将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道（或称信道）供不同的用户使用。接收方根据载波频率的不同来识别发射地址而完成多址连接。,时间,频率,TDMA,各用户使用不同的时隙,时分多址技术（TDMA）,把时间分割成周期的帧，每帧再分割成若干时隙，各MS只能按指定的时隙向基站发送信号，同时，基站发向多个MS的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路信号中把发给它的信号区分出来。,时间,频率,CDMA,码,各用户使用不同的正交代码序列,码分多址技术（CDMA）,各发送端用各不相同、相互（准）正交的地址码调制其所发送的信号，在接收端利用码型的（准）正交性，通过地址识别（相关检测）从混合信号中选出相应的信号。,码分多址技术（CDMA）,不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是采用相同的频率用各自不同的编码序列来区分，或者说，取信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出使用预定码型的信号。其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调，它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，所以CDMA移动通信系统也是自干扰系统。,在CDMA蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输也是由基站进行转发和控制的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工。无论正向传输或反向传输，除去传输业务信息外，还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息，需要设置相应的信道。但是，CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。,码分多址技术（CDMA）,CDMA系统的工作示意图,举例,在码分多址通信系统中,利用自相关性很强而互相关值为0或很小的周期性码序列作为地址码,与用户信息数据相乘(或模2加),经过相应的信道传输后,在接收端以本地产生的已知地址码为参考,根据相关性的差异对收到的所有信号进行鉴别,从中将地址码与本地地址码一致的信号选出,把不一致的信号除掉(称之为相关检测)。,举例,d1dN分别是N个用户的信息数据,其对应的地址码分别为W1WN,为了简明起见,假定系统有4个用户(即N=4),W1=1,1,1,1，W2=1,-1,1,-1，W3=1,1,-1,-1，W4=1,-1,-1,1假设在某一时刻用户信息数据分别为:d1=1，d2=-1，d3=1，d4=-1,识别d2,5.1CDMA系统概述,5.1.1CDMA系统的发展5.1.2CDMA的基本原理5.1.3CDMA的特点,根据理论计算以及现场试验表明，CDMA系统的信道容量是模拟系统的1020倍，是TDMA系统的4倍。CDMA系统的高容量很大一部分因素是出于它的频率复用系数远远超过其他制式的蜂窝系统，另外一个主要因素是它使用了话音激活和扇区化等技术。,1大容量,CDMA技术多址能力决定于地址码间的多址干扰的大小，在实际的CDMA系统中，各地址码之间不是完全正交，它们之间存在一定的互相关性，此互相关性导致的多址干扰是影响CDMA多址能力的决定性因素。,1大容量,CDMA采用多种手段使得多址干扰足够小，从而使CDMA的多址能力比FDMA、TDMA更强:选择有良好的自相关性、互相关性的地址码；采用信号处理的方法消除多址干扰；使用功率控制克服远-近效应，使得系统在一定接收质量下，每用户以“刚刚足够”的功率通信。此外，在蜂窝移动通信中，还采用语音激活技术、高效纠错码及CDMA扇形分区等技术，使整个CDMA通信系统的容量增大。,1大容量,理论上可证明：以频谱资源带宽1.25MHz为基础条件，采用话音激活技术和分扇区技术，当扇区数为3时，CDMA系统每小区内容量比AMPS/FDMA模拟系统大20倍，比DMPS/TDMA数字系统大4倍。分析的依据是：（1）CDMA是一种容量受限于干扰的系统。码间干扰越小，容许的用户越多。而FDMA的容量受限于频带，频带宽带决定了容量的大小；TDMA同样受限于频带宽度和时间。（2）在话音通信中，大量统计表明，话音占空比在35%-40%之间，因此采用动态编码技术可使互干扰降低了60%-65%，从而使CDMA容量增加，这种现象仅有CDMA可利用。,1大容量,（3）扇形天线的应用也促进了容量的增大。扇形天线的应用是一种共同的技术，但在FDMA和TDMA中，应用扇形天线只是为了减少干扰源，提高话音质量；而在CDMA中，应用扇形天线减少干扰源就能提高系统容量，这是CDMA与FDMA和TDMA的重大区别。CDMA使用120有效束宽的扇形天线，这样干扰减少到1/3，系统容量增大3倍，如果使用更窄束宽的扇形天线，容量还将进一步增加。,1大容量,在FDMA、TDMA系统中，当小区服务的用户数达到最大信道数，已满载的系统绝对无法再增添一个信道，此时若有新的呼叫，该用户只能听到忙音。而在CDMA系统中，用户数目和服务质量之间可以相互折中，灵活确定。经营者可以在话务量高峰期将误帧率稍微提高，从而增加可用信道数。同时，当相邻小区的负荷较轻时，本小区受到的干扰减少，容量就可适当增加。体现软容量的另一种形式是小区呼吸功能。所谓小区呼吸功能就是指各个小区的覆盖大小是动态的，当相邻两个小区负荷一轻一重时，负荷重的小区通过减小导频发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度不够，切换到相邻小区，使负荷分担，即相当于增加了容量。,2软容量,指当移动台需要切换时，先与新的基站连通再与原基站切断联系，而不是先切断与原基站的联系再与新的基站连通。软切换只能在同一颠率的信道间进行，因此，模拟系统、TDMA系统不具有这种功能。软切换可以有效地提高切换的可靠性，大大减少切换造成的掉话，因为据统计，模拟系统、TDMA系统无线信道上的掉话90发生在切换中。软切换可以提供分集，从而保证通信的质量。但是软切换也相应带来了一些缺点；导致硬件设备的增加，降低了前向容量等。,3软切换,由于CDMA系统中采用有效的功率控制，强纠错能力的信道编码，以及多种形式的分集技术，可以使基站和移动台以非常节约的功率发射信号，延长手机电池使用时间，同时获得优良的话音质量。,4高的话音质量和低发射功率,CDMA系统的信号扰码方式提供了高度的保密性，使这种数字蜂窝系统在防止串话、盗用等方面具有其他系统不可比拟的优点。CDMA的数字话音信道还可将数据加密标准或其他标准的加密技术直接引入。,5保密,典型的全双工双向通话中，每次通话的占空比小于35，在FDMA和TDMA系统里，由于通话停止时重新分配信道存在一定时延，所以难以利用话音激活因素。CDMA系统因为使用了可变速率声码器，在不讲话时传输速率降低，减轻了对其他用户的干扰，这即是CDMA系统的话音激活技术。,6话音激活,比较CDMA系统与其它移动通信系统的特点,讨论：,第五章CDMA移动通信系统,5.1CDMA系统概述5.2码分多址的基本原理及实现5.3IS-95CDMA信道5.4CDMA网络主要使用的识别号码5.5CDMA系统的移动性管理5.6CDMA系统呼叫处理5.7CDMA系统的功率控制5.8CDMA的业务,本节主要内容,CDMA的编码理论基础,码分多址的实现,1、什么是扩频通信?,扩展频谱通信,是一种把信息的频谱展宽之后再进行传输的技术，是利用扩频码发生器产生扩频序列去调制数字信号以展宽信号的频谱的技术。频谱的展宽是通过使待传送的信息数据被数据传输速率高许多倍的伪随机码序列的调制来实现的，与所传信息数据无关。在接收端则采用相同的扩频码进行相关同步接收、解扩，将宽带信号恢复成原来的窄带信号，从而获得原有数据信息。,扩频通信的三层含义,1)信号的频谱被展宽；2)采用扩频序列调制的方式来展宽信号频谱；3）在接收端用相关解调来解扩。,含义1：信号频谱被展宽,传输任何信息都需要一定的频带,称为信息带宽或基带信号频带宽度。例如,人类语音的信息带宽为3003400Hz,电视图像信息带宽为6.5MHz。,设W代表系统占用带宽或信号带宽,B代表信息带宽,则一般认为:W/B=12窄带通信W/B50宽带通信W/B100扩频通信扩频通信系统用100倍以上的信号带宽来传输信息,最主要的目的是为了提高通信的抗干扰能力,即在强干扰条件下保证安全可靠地通信。,含义2：采用扩频序列调制方式来展宽频谱,由信号理论知道,在时间上有限的信号,其频谱是无限的。脉冲信号宽度越窄,其频谱就越宽。作为工程估算,信号的频带宽度与其脉冲宽度近似成反比。例如,1s脉冲的带宽约为1MHz。因此,如果很窄的脉冲序列被所传信息调制,则可产生很宽频带的信号。所采用的扩频序列与所传的信息数据是无关的,也就是说它与一般的正弦载波信号是相类似的,丝毫不影响信息传输的透明性。扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。,含义3：在接收端用相关解调来解扩,接收端采用与发送端相同的扩频码序列同收到的扩频调制信号进行相关解调，恢复所传的信息。换句话说，这种相关解调起到了解扩的作用，即把扩展后的宽带信号又恢复成原来所传的窄带信息。,2、扩频通信的实现条件,信号的带宽须远大于原有信息的最小带宽；所产生的射频信号的带宽与原有信息无关。,3、扩频通信工作原理,3、扩频通信工作原理,4、扩频通信的特点,1）隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小。由于扩频信号在相对较窄的频带上被扩展了，单位频带内的功率很小，信号被淹没在噪声里，一般不容易被发现，而想进一步检测信号的参数就更加困难，因此隐蔽性好。,4、扩频通信的特点,2）频谱利用率高，易于重复使用频率扩频通信发送功率极低（1650mW），又采用了相关接收技术，而且可以工作在信道噪声和热噪声背景中，因此，易于在同一地区重复使用同一频率，也可以与现今各种窄带通信共享同一频率资源。所以，扩频通信是解决目前无限频谱资源有限问题的一把金钥匙。,4、扩频通信的特点,3)抗干扰性强，误码率低其抗干扰能力与其频带扩展的倍数成正比，频谱扩展的越宽，抗干扰能力就越强。,干扰,干扰,信号,信号,解扩后,信号在接收端解扩前后信噪比情况,4、扩频通信的特点,目前商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作于负信噪比条件下的通信方式。由于扩频系统这一优良性能，它的误码率很低，正常条件下可以低到10-10，最差条件下也能到达10-6，完全能满足国内相关系统信道传输质量的要求。,4、扩频通信的特点,4）可以实现码分多址扩频通信用多个伪随机序列分别作为不同用户的地址码，可以共用一个频段来实现码分多址通信。可以说，扩频通信本身就是一种多址通信方式，称为扩频多址（SSMA），实际上是码分多址的一种。扩频通信实现的码分多址能够获得比其他多址方式更高的通信容量。,4、扩频通信的特点,5）易于数字化，能够开展多种通信业务。,本节主要内容,CDMA的编码理论基础,码分多址的实现,扩频通信的理论基础,扩频通信属于“宽带通信”，基本特点是：传输信号所占用的频带宽度远大于原始信息本身实际所需的最小（有效）带宽。那么，为什么要采用这种通信方式那？简单的说，是为了提高移动通信系统的安全性和可靠性。其理论基础有两个：信息论中关于信息容量的香农公式关于信息传输差错概率的柯捷尔尼可夫公式,香农公式,C=WC为信道容量（bit/s），W为信道带宽（Hz），S为信号平均功率，N为噪声功率（w）。在给定的信道容量C不变的情况下，可以通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比（S/N）情况下以相同的信息速率来可靠的传输信息，甚至是在信号被噪声淹没的情况下，只要相应地增加信号带宽，仍然能够保证可靠的通信。扩展频谱以换取对信噪比要求的降低，正是扩频通信的主要特点，并由此为扩频通信的应用奠定理论基础。,柯捷尔尼可夫公式,Powj为差错概率，P为信号功率，W为信道带宽，N为噪声功率，为信息带宽。该式是一个关于变量的递减函数，信噪比（P/N）一定的情况下，信息的传输带宽比实际信息带宽越宽，信息传输差错概率就越低。所以，可以通过对信息传输带宽的扩展来提高通信的抗干扰能力，保证强干扰条件下通信的安全可靠。总之，我们用信息带宽的100倍，甚至1000倍以上的带宽来传输信息，可以提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全的通信。这就是扩频通信的基本思想和理论依据。,本节主要内容,CDMA的编码理论基础,码分多址的实现,问题：CDMA中都需要哪些码？,1、扩频码扩展信号频谱；2、地址码用于表明信号的地址。例如：1）如何识别不同的小区？2）MS-BTS，基站在收到的众多MS的信号中，如何分别各个MS的信号？3）BTS-MS，MS收到来自基站的发给不同MS的信号，MS如何从这些信号中识别出自己的信号？,问题：扩频码和地址码如何选择？,扩频码和地址码的选择至关重要。关系到系统的抗多径干扰、抗多址干扰的能力,关系到信息数据的保密和隐蔽,关系到捕获和同步系统的实现。经研究表明,理想的地址码和扩频码应具有如下特性:(1)有足够多的地址码码组;(2)有尖锐的自相关特性;(3)有处处为零的互相关特性;(4)不同码元数平衡相等;(5)尽可能大的复杂度。,几个基本概念,1、半加器（模二加法器）和乘法器在二进制中，负逻辑条件下（0代表+1，1代表-1），半加器与乘法器的运算结果相同。,几个基本概念,2、相关性概念在信息传输中各种符号之间的差异性越大越好,这样任意两个信号不容易混淆,也就是说相互之间不容易发生干扰、不会发生误判。理想的传输信息的信号形式应该是类似白噪声的随机信号,因为在任何时间上不同的两段噪声比较都不会完全相似,若能用它们代表两种信号,其差别性就很大。换句话说,为了实现选址通信,信号间必须正交或准正交。,伪随机序列（PN码）,目前广泛应用的伪随机噪声都是有数字电路产生的周期序列，经滤波等处理后得到的，这种周期序列称为伪随机序列（PN码）。这是因为伪随机序列是按照确定的规律产生的，但是，伪随机序列又具有和随机序列相类似的随机性。,伪随机序列（PN码）的产生,通常产生伪随机序列的电路为反馈移存器。它由位移寄存器、线性反馈抽头和模二加法器（半加器）组成。下图是3个位移寄存器产生伪随机序列的示意图。,伪随机序列（PN码）的相关性,当同一个伪随机序列的两个码组的时间偏移相同时，它们模二加的每位都是“0”，按位累加的结果为2n-1=7（n=3）。当同一个伪随机序列的两个码组的时间偏移不相同时，它们模二加的结果是“1”的个数比“0”的个数多一个，采用了负逻辑转换，按位累加的结果为-1。,按位求和为7=23-1负逻辑“0”“+1”“1”“-1”,按位求和为-1负逻辑“0”“+1”“1”“-1”,伪随机序列的自相关性,伪随机序列（PN码）的相关性,由自相关性函数曲线可以看出-1/2n-1不可能等于零，正是由于-1/2n-1的存在，不相关的信道会给通信带来干扰，所以CDMA系统也称自干扰系统。但当n很大时，-1/2n-1近似为零，干扰就会很小。,归一化伪随机序列自相关性函数曲线,伪随机序列自相关性函数曲线,沃尔什码（Walsh）,尽管伪随机序列具有良好的自相关特性,但其互相关特性不是很理想(互相关值不是处处为零),如果把伪随机序列同时用作扩频码和地址码,系统性能将受到一定影响。所以,通常将伪随机序列用作扩频码,而就地址码而言,则采用沃尔什码。,沃尔什码（Walsh）产生过程,沃尔什码（Walsh）的正交特性,两个同维数的相同的沃尔什码进行模二加的每位都是“0”，按位累加的和为n（n为沃尔什码的维数），归一化后为1。两个同维数的不同的沃尔什码进行模二加并按位累加的和为0。则称这两个沃尔什码是正交的。,CDMA码速率的选择,CDMA蜂窝系统码的速率规定为1.2288MHz，这个规定考虑了频谱资源的限制、系统容量、多径分离的需要和基带数据速率多个因素。在美国，FCC规定划分给蜂窝通信的频谱带宽为单向25MHz，并分配给两家公司，每家分得单向频谱带宽总计为12.5MHz，其中最窄的一段带宽为1.5MHz，为获得最大适应性，信号带宽应小于1.5MHs。选择1.2288MHz的码速率，滤波后可获得1.25MHz的带宽。在12.5MHz宽频带内可以划分出10条信道。为了获得高的系统容量，扩频码速率应尽可能高。通常陆地移动通信环境的多径延迟为l-100s，为了充分发挥扩频码分多址技术，实现多径分离的作用，要求扩频码序列的持续时间应小于1s，也就是扩频码速率应大于1MHz。选择l.2288MHz的另一个原因是，这个速率可以被基带数据速率9.6kbps整除，且除数为2的幂指数(12827)。,本节主要内容,CDMA的编码理论基础,码分多址的实现,在CDMA网络中用到了三种码：短码用于区分不同的小区；长码用于区分不同的反向信道；沃尔什码用于区分不同的前向信道。,CDMA网络中用到的码型,CDMA系统是怎样解调信号？,短码（shortPNcode）,短码是由一个15位长的移位寄存器产生的伪随机序列，用于区分不同的小区。码组长度为215=32768个码片，其中32767个码片由15位移位寄存器产生，1个码片为人为设计插入。短码的码片速率是1.2288Mcps,可以计算出一个短码周期为32768/1.2288M=26.67ms，每个码片时长为26.67ms/32768=813.802ns。由于空中传播的时延以及多径效应，CDMA系统并不是使用全部的32768个不同的时延，而是每64个码片为一时延段，称之为短码偏置（shortPNoffset）,即共有32768/64=512个短码偏置。用PN（i）表示，i从0到511，因而有512个值可被不同基站使用。不同的短码偏置即代表不同的基站。,短码（shortPNcode）,CDMA系统是一个全网同步的系统，它们使用同一个时钟源，来自卫星的GPS（全球定位系统）时钟。所有基站每隔2秒钟对基站进行一次校准，2秒钟恰好是75个短码周期（2000ms/26.67ms=75）。,长码（longPNcode）,长码是由一个42位长的移位寄存器产生的伪随机序列，用于区分不同的反向信道。码组长度为242个码片，其中242-1个码片由42位移位寄存器产生，1个码片为人为设计插入。短码的码片速率是1.2288M/cps,可以计算出一个长码周期时间为242/1.2288M=41.4天。长码也称长码掩码，在全网中具有唯一性。CDMA系统中的长码都由相同的发生器产生，不论长码如何组成，只能产生相同的长码序列，但产生不同的时间位移，使得MS使用的长码偏置各不相同，并达到独自地、快速地与网络同步的目的。,64维沃尔什码（Walshcode）,IS-95CDMA系统中，使用64维的沃尔什码，用来区分同一小区下的不同的前向信道。沃尔什码被标识为Wi64,其中64表示64维，i表示第i个沃尔什码。即有64个沃尔什码，每个沃尔什码长64维。在同一小区内沃尔什码是唯一的。,本节内容总结,CDMA的编码理论基础,码分多址的实现,第五章CDMA移动通信系统,5.1CDMA系统概述5.2码分多址的基本原理及实现5.3IS-95CDMA信道5.4CDMA网络主要使用的识别号码5.5CDMA系统的移动性管理5.6CDMA系统呼叫处理5.7CDMA系统的功率控制5.8CDMA的业务,IS-95CDMA信道,IS-95CDMA系统中，把信道分为前向信道和反向信道。前向是指从基站到移动台方向，反向是指从移动台到基站方向。IS-95CDMA系统采用频分双工（FDD）来实现双工通信，双工间隔45MHZ，频道带宽为1.23MHZ，使用的无线电波频段为：前向信道870-890MHZ，反向信道825-845MHZ。,IS-95CDMA信道,导频信道,同步信道,前向业务信道,前向信道,寻呼信道,逻辑信道,反向信道,接入信道,反向业务信道,前向信道,同一小区前向信道使用同一个短码，它们之间通过64维沃尔什码（Wi64）的不同来彼此区分。64个沃尔什码分配如下：W064用于导频信道，W1-764用于寻呼信道，W3264用于同步信道，其余的55个用于前向业务信道。由计算可知,实际当中只能使用40余个信道。通常一个载频(1.23MHz)供1824个用户同时通信较合适。通过采用扇区划分每个蜂窝,小区的一个载频可供使用信道数达100以上,也就是说可供100多人同时通信。,IS-95CDMA前向信道,导频信道,同步信道,前向业务信道,前向信道,寻呼信道,导频信道,1）导频信道的功能在移动台接入系统时，导频信道为所有的移动台提供基准，来区分CDMA载频与其他无线信号，与系统初同步；移动台用导频信号来比较不同基站之间的信号强度，从而确定哪个小区为服务小区；导频信道为移动台进行相干解调提供相位基准以确保相干解调。在移动台接入系统后，移动台用导频信号来比较不同基站之间的信号强度，从而确定何时进行切换。,导频信道,2）导频信道的结构导频信道不传送任何信息，内容为全零码信息，导频信道被划分成26.67ms的帧，使用W064来区分其他信道。所有基站的导频信道电平一般要比业务信道电平高4-6dB，并且导频信道不做功率控制，以恒定功率持续发射。,同步信道,1）同步信道的功能:用于移动台与系统之间的同步系统识别号（SID）/网络识别号（NID），来区分不同的网络；导频短码偏移量（短码偏置），区分不同的基站/扇区；长码状态，告诉用户现在的长码状态以便于同步；系统时间，用于校准移动台的时间，以便CDMA系统全网的移动台时间相同；寻呼信道数据速率（4.8kbps或9.6kbps）,通知移动台寻呼信道的数据速率为多少。,同步信道,2）同步信道的结构:同步信道消息速率为1.2kbps，帧时长26.67ms，三个帧构成一个80ms的超帧，同步信道消息通过N个同步信道超帧传输，不足的用“0”填充。,同步信道,卷积编码：一进二出，标识为R=1/2；由八位移位寄存器实现前后9个码片相关，标识为K=9；经过卷积编码后，传输内容的名称从“比特bit”变为“符号symbol”；传输单位从“比特每秒bps”变为“符号每秒sps”，传输速率从1.2kbps变为2.4ksps。符号重复：传输速率从2.4ksps变为4.8ksps。块交织：交织跨度是一帧，交织并不改变传输速率，只是改变符号排序，传输速率保持4.8ksps不变。加W3264：固定使用W3264，W3264的速率是1.2288Mcps，传输内容的名称从“符号symbol”变为“码片chip”；传输单位从“符号每秒sps”变为“码片每秒cps”，传输速率为1.2288Mcps。,寻呼信道,1）寻呼信道的功能寻呼信道用于广播系统参数，系统寻呼移动台和信道指配。最多可有7个寻呼信道。寻呼信道信道的内容：系统参数消息（如基站标识符）、接入参数消息、邻区列表消息、CDMA信道列表消息、寻呼消息、标准的指令消息、信道分配消息、鉴权查询消息、SSD更新消息、特性通知消息等。,寻呼信道,2）寻呼信道的结构长码发生器：产生寻呼信道长码掩码，扰码的作用。64:1抽取器：变换1.2288Mcps成19.2ksps，为寻呼信道产生一个与本机相关的扰码，为通信保密。,前向业务信道,1）前向业务信道的功能用于BTS到MS话音和数据的传输，伴有必要的信令。,前向业务信道,2）前向业务信道的结构:,前向业务信道,根据不同的速率被分为172bit、80bit、40bit和16bit的20ms帧，对应的信息速率分别为8.6kbps、4.0kbps、2.0kbps、0.8kbps。帧质量指示仅用于8.6kbps、4.0kbps；分别加12bit和8bit帧质量指示位，用于前向查错；信息速率变为9.2kbps、4.4kbps。8bit尾比特：用于消除本帧对下一帧的影响，8bit为预先设置码，加上8bit尾比特后的速率为9.6kbps、4.8kbps、2.4kbps、1.2kbps。64：1抽取器：变换1.2288Mcps成19.2ksps，为业务信道产生一个与本机相关的扰码，为通信保密。24：1抽取器：变换19.2ksps成800sps，为业务信道产生一个800HZ的频率，用于控制加入功率控制比特的时钟。功率控制比特800bps：用于插入功率控制比特的节奏，最快功率控制速率可达800HZ，也可比800HZ低。加Wi64：用来区分其他前向信道，i在一个小区必须唯一。,反向信道,反向信道使用长码来区分，为什么不使用64维沃尔什码（Wi64）来区分呢？因为沃尔什码必须完全同步，由于移动台与BTS之间的距离不同，并且没有反向导频信道，所以不可以达到完全同步，沃尔什码的正交特性无法实现。,IS-95CDMA反向信道,接入信道,反向业务信道,反向信道,接入信道,1）接入信道的功能移动台通过反向接入信道接入CDMA系统,接入信道,2）接入信道的结构反向接入信息的速率为4.8kbps（4.4kbps），被划分成20ms的帧，接入信息以1个接入时隙传输，不足的用“0”填充符占位。接入时隙的长度可根据数据库参数计算出占用的帧的个数，相关参数来自寻呼信息。,接入信道,64维正交调制：加强反向的抗干扰特性。就是把块交织后的码片，6位分为一段，并且这6位二进制对应的10进制的Wi64来代替，即6bit变成64bit，产生大量的冗余信息。例：6位二进制为101011，其转换过程为（101011）2=（1*32+1*8+1*2+1）10=（43）10，即用W4364代替101011。,接入信道,长码掩码：掩码结构如图所示。其中，Pilot-PN来自同步信道消息，BASE-ID来自寻呼信道，ACN、PCN是移动台根据寻呼信道的消息计算出来的值。所以接入信道长码掩码是移动台计算出来的，不是随意产生的。,反向业务信道,1）反向业务信道的功能用于MS到BTS的话音和数据传输，并伴有必要的信令。,反向业务信道,2）反向业务信道的结构:利用长码来区分不同的信道。,反向业务信道,随机突发：由数据子帧随机发生器来完成，它把前面符号重复的数据进行随机掩蔽，保证随机发送不重复的符号信息，与帧数据速率有关。,反向业务信道,反向业务信道的长码：长码结构如图所示。它与接入信道长码掩码的结构不同，使用了电子序号（ESN），对于机卡分离系统，移动台中的UIM卡中的ESN取代了移动设备中的ESN。,第五章CDMA移动通信系统,5.1CDMA系统概述5.2码分多址的基本原理及实现5.3IS-95CDMA信道5.4CDMA网络主要使用的识别号码5.5CDMA系统的移动性管理5.6CDMA系统呼叫处理5.7CDMA系统的功率控制5.8CDMA的业务,系统识别码（SID）网络识别码（NID）登记区识别码（REGZONE）基站识别码（ID）国际移动用户识别码(IMSI)临时移动用户识别码(TMSI)移动电话薄号码（MDN）移动用户临时本地电话号码（TLDN）电子序号（ESN）,CDMA网络主要使用的识别号码,系统识别码（SID）是CDMA数字蜂窝移动通信系统中，唯一地识别一个CDMA蜂窝系统（即一个移动业务本地网）的号码。移动台中必须存储该号码，用于识别移动台归属的CDMA移动业务本地网。系统识别码总长为15比特。,系统识别码（SID）,网络识别码（NID）是CDMA数字蜂窝移动通信系统中，唯一地识别一个网络的号码。网络识别码总长为16个比特，其中0与65535（即全0和全1）保留。在中国，网络识别码由各省邮电管理局自行分配，例如NID可用于识别一个移动业务本地网内不同的移动交换中心区。,网络识别码（NID）,是在一个网络范围内唯一地识别一个登记区域的号码。登记区识别码总长为12个比特。中国由各省邮电管理局自行分配。(类似于GSM中的LA),登记区识别码（REGZONE）,在一个CDMA网络范围内唯一地识别一个基站的号码。总长为16比特，中国由各省电信运营商自行分配。,基站识别码（ID）,国际移动用户识别码用于识别CDMA网中用户，全网具有唯一性。总长度为15位十进制数字，共60比特。,国际移动用户识别码(IMSI),移动国家码：中国的MCC为460。移动网号：用于识别归属的移动通信网。移动用户识别码：用于识别移动通信网中的移动用户。,为了安全起见，在空中传送用户识别时TMSI来代替IMSIVLR控制新的TMSI的分配，并将它们报告给HLRTMSI可在下列情况下更新：呼叫建立时；进入新的区域，进入新的访问位置寄存器（VLR）。,临时移动用户识别码(TMSI),就是手机号，总长不超过15位数字，中国采用的是14位。由三部分组成：MDN=国家码（CC）+国内地区码（NDC）+用户号码（SN）。具体格式如下：国家码（CC）：中国为086国内地区码（NDC）：中国为133用户号码（SN）：前三位为移动交换局端局号码，HLR地址。例如：086-133-045-67890,移动电话薄号码（MDN）,移动用户临时本地电话号码（TLDN）构成与移动电话薄号码（MDN）相同，用于移动用户漫游到其他服务区时使用。该号码为预留的不能被用户使用的电话号码。当移动用户漫游到其他服务区时，由移动用户目前所在的移动交换中心（MSC）和访问位置寄存器（VLR）为寻址该用户临时分配给移动用户的号码，用于路由选择。当移动台离开该区域后，被访访问位置寄存器（VLR）和归属位置寄存器（HLR）都要删除该漫游号码。以便可再分配给其他移动台使用。该号码的数量通常按移动用户号码数量的1/100来考虑。,移动用户临时本地电话号码（TLDN）,用于唯一识别一个移动设备，每个移动台分配一个唯一的电子序号。网络识别码总长为32比特，由四部分组成：ESN=设备序号+保留比特+设备编号+厂商编号。具体格式如下：其中设备序号、设备编号由各厂商自行分配。在中国由于采用了机卡分离，移动设备没使用这个号码，而是使用UIM卡来识别。,电子序号（ESN）,各种“号码”使用图示,用于空中传输，保护IMSI,为了便于漫游时确定路由,MDNIMSI,根据TLDN确定访问MSC,1.MDN,2.MDN,4.TLDN,5.TLDN,说明,已拨号码(MDN)被中继给GMSC，此号码用于接入数据库，是和接入用户HLR相关的号码。GSMC向HLR发送一个包括被叫MDN的申请。HLR检验其记录，找出被叫用户的当前位置，然后向被叫用户所在的MSC/VLR发出一个申请，而此申请中采用IMSI。MSC/VLR收到此申请后发回包含在TLDN内的选路指令。HLR下传此TLDN给GMSC。GMSC采用此选路信息，把呼叫沿指定的路由传给正为被叫用户服务的MSC（访问区的MSC）。该MSC把此呼叫路由给适当的BSC。此呼叫被发送给被叫的用户。由于被叫用户已经在网络中登记过，因此在空中接口传送时用的是TMSI。,2020/5/1,思考题,第五章CDMA移动通信系统,5.1CDMA系统概述5.2码分多址的基本原理及实现5.3IS-95CDMA信道5.4CDMA网络主要使用的识别号码5.5CDMA系统的移动性管理5.6CDMA系统呼叫处理5.7CDMA系统的功率控制5.8CDMA的业务,5.5CDMA系统的移动性管理,位置更新,越区切换,鉴权加密,当移动台在CDMA系统中移动时，位置是不断变化的。系统要不断地更新移动台的位置，登记注册就是实现位置更新的手段。登记注册是移动台向基站报告其位置、状态、身份标志和其它特征的过程。通过注册，基站可以知道移动台的位置、等级和通信能力，确定移动台在寻呼信道的哪个时隙中监听，并能有效地向移动台发起呼叫等。,位置更新,加电注册关机注册周期性注册基于距离注册基于区域注册参数变化注册指令注册隐含注册业务信道注册,位置更新,加电注册,关机注册,周期性注册,移动台在有规律的间隔内进行登记注册。周期性注册的好处不仅能保证系统及时掌握移动台的状态，而且当移动台的关机注册没有成功时，系统还会自动删除该移动台的注册。注册周期具有一折衷值，能使寻呼信道和接入信道的负荷比较平衡。,基于距离注册,移动台如果与当前的基站和上次注册的基站之间的距离超过了门限值，移动台要进行注册。移动台根据两个基站的纬度和经度之差来计算它已经移动的距离，移动台要存储最后进行注册的基站的纬度、经度，从而确定它自己已经移动的距离。如果该距离超过了门限值，移动台就进行登记注册。,基于区域注册,当移动台进入一个新的区域时将会进行登记注册。这些区域是已知系统和网络内的基站群组，可以通过系统参数消息中的REG-ZONE字段对基站区域分配进行识别。基于区域的登记注册使得移动台无论什么时候进入一个新的，在内部存储的被访问过登记区域列表内所没有的区域时，都能够进行登记。当发生登记时，该区域会增加到列表中，在定时器终止之后在列表中删除该区域。系统接入之后，在每一个区域启动定时器，只有当前服务的区域除外。,基于区域注册,CDMA蜂窝通信系统划分为“系统”、“网络”和“区域”三个层次。“网络”是“系统”的子集，“区域”是“系统”和“网络”的组成部分(由一组基站组成)，系统用“系统标志”（SID）区分，网络用“网络标志”(NID)区分，区域用“区域号”区分。,基于区域注册,1、区域表格：基站和移动台都保存一张供移动台注册用的“区域表格”。当移动台进入一个新区，区域表格中没有对它的登记注册，则移动台进行以区域为基础的注册。注册的内容包括区域号与系统网络标志(SID，NID)。每次注册成功，基站和移动台都要更新其存储的区域表格。移动台为区域表格的每一次注册都提供一个计时器，一旦发现区域表格中注册的数目超过了允许保存的数目，可根据定时器的值把最早的(即寿命最长的)注册删掉，保证剩下的注册数目不超过允许的数目。允许移动台注册的最大数目由基站控制，移动台在其区域表格中至少能进行7次注册。,基于区域注册,2、系统/网络表格：目的：实现系统之间和网络之间漫游；移动台可在这种表格中存储4次注册。每次注册都包括系统网络标志(SID，NID)。这种注册有两种类型：一是原籍注册；二是访问注册。如果要存储的标志(SID，NID)和原籍的标志(SID，NID)不符，则说明移动台是漫游者。漫游有两种形式：其一是要注册的标志(SID，NID)中和原籍标志(SID，NID)中的SID相同，则移动台是网络之间的漫游者(或称外来NID漫游者)；其二是要注册的标志(SID，NID)中和原籍标志(SID，NID)中的SID不同，则移动台是系统之间的漫游者(或称外来SID漫游者)。,参数变化注册,当移动台修改其存储的某些参数时，要进行注册。如：首选的时隙周期指数、呼叫终止激活指示符,指令注册,隐含注册,当移动台成功地发送出一启动信息或寻呼应答信息时，基站能借此判断出移动台的位置，不涉及二者之间的任何注册信息的交换，这叫做隐含注册。,业务信道注册,5.5CDMA系统的移动性管理,位置更新,越区切换,鉴权加密,任何一种蜂窝网都是采用小区制方式,小区中常常分为若干个扇区(如3个或6个),因此移动台从一个扇区到另一个扇区,或从一个小区到另一个小区,甚至从一个业务区到另一个业务区,都需要进行过区切换,或者统称为过境切换。CDMA系统的过境切换与FDMA或TDMA系统的过境切换是不同的。,切换,硬切换,软切换,更软切换,软软切换,越区切换的分类,硬切换,先断开原有的连接，再建立与新的连接。可能存在掉话。GSM系统就是采用的这种硬切换的方式，经统计表明，GSM系统中90%的掉话都是越区切换引起的。CDMA系统也存在硬切换，常见的硬切换有：不同CDMA系统之间的切换；不同载频之间的切换。,软切换,移动台从一个小区进入相同载频的另外一个小区时采用的过境切换。此时移动台与不同小区或三个扇区保持通信，开始与新的基站通信时不立即中断它和原来基站通信。,软切换,软切换又分同一BSC内的软切换和不同BSC内的软切换。对于同一BSC内的软切换反向的两路信号由BSC进行帧选择，前向信号由BSC进行帧复制；对于不同BSC内的软切换反向的两路信号由始呼BSC进行帧选择，前向信号由始呼BSC进行帧复制，要求两个BSC之间要有连接。,更软切换,更软切换是指同一BTS下，不同小区（扇区）之间的软切换。更软切换进行时基站处理占一个用户的处理能力；基站发射时占两路用户资源，即占用两路Walsh码；基站接收时，多路信号运算成一路信号后，传给BSC。,软软切换,移动台从一个小区的两个扇区进入相同载频的另外一个小区的扇区采用的过境切换。这种类型的切换网络资源包括小区A和B之间的双方软切换资源加上小区B内的更软切换资源。,软切换的优势,1、提高切换的可靠性。在硬切换中,如果找不到空闲信道或切换指令的传输发生错误,则切换失败,通信中断。此外,当移动台靠近两个小区的交界处需要切换的时候,两个小区的基站在该处的信号电平都较弱而且有起伏变化,这会导致移动台在两个基站之间反复要求切换(即“乒乓”现象),从而重复地往返传送切换消息,使系统控制的负荷加重,或引起过载,并增加中断通信的可能性。,软切换的优势,2、软切换为实现分集接收提供了条件。当移动台处于两个(或三个)小区的交界处进行软切换时,会有两个(或三个)基站同时向它发送相同的信息,移动台采用RAKE接收机,进行分集合并,即起到了多基站宏分集的作用,从而能提高正向业务信道的抗衰落性能,提高话音质量。同样,在反向业务信道中,当移动台处于两个(或三个)小区的交界处进行软切换时,会有两个(或三个)基站同时收到一个移动台发出的信号,这些基站对所收信号进行解调并作质量估计,然后送往移动交换中心(MSC)。这些来自不同基站而内容相同的信息由MSC采用选择式合并方式,逐帧挑选,切换的发生,基站发出的导频信号在使用相同频率时，只由引导PN序列的不同偏置来区分，每一可用导频要和与它同一CDMA信道中的正向业务信道相配合才有效。当移动台检测到一个足够强的导频而它未与任何一个正向业务信道相配合，它就向基站发送一导频测量报告，于是基站就给移动台指定一正向业务信道和该导频相对应，这样的导频称为激活导频或称有效导频。,切换的发生,同一CDMA信道的导频分为如下4类：(1)激活组。激活组是指分配给移动台的正向业务信道相结合的导频。(2)候选组。候选组是指未列入激活组，但具有足够的强度的导频，它与正向业务信道结合能成功地被解调。(3)邻近组。邻近组是指未列入激活组和候选组，但可作为切换的备用导频。(4)剩余组。剩余组是指未列入上述3组的导频。,切换的发生,切换的发生,(1)导频强度超过门限(上)，移动台向基站发送一导频强度测量消息并把导频转换到候选组；(2)基站向移动台发送一切换引导消息；(3)移动台把导频转换到激活组，并向基站发送一切换完成消息；(4)导频强度降低到门限(下)之下，移动台启动一“切换下降计时器”；(5)切换下降计时器终止，移动台向基站发送一导频测量消息；(6)基站向移动台发送一切换消息；(7)移动台把导频从激活组转移到邻近组，并向基站发送一切换完成消息：,5.5CDMA系统的移动性管理,位置更新,越区切换,鉴权加密,鉴权,鉴权(认证)技术的目的：通过交换移动台和基站及网络端的信息，以确认移动台的合理身份；通过鉴权保证数据用户的完整性，防止错误数据的插入和防止正确数据被篡改。,IS-95中的两个鉴权过程,鉴权的基本原理,鉴权基本原理是要在通信双方都产生一组鉴权认证参数，这组数据必须满足下列特性：通信双方、移动台与网络端均能独立产生这组鉴权认证数据；必须具有被认证的移动台用户的特征信息；具有很强的保密性能，不易被窃取，不易被复制；具有更新的功能；产生方法应具有通用性和可操作性，以保证认证双方和不同认证场合产生规律的一致性。,鉴权技术的原理图,鉴权过程中的关键技术,SSD的产生,鉴权认证算法,SSD的更新,鉴权过程中的关键技术,SSD的产生,鉴权认证算法,SSD的更新,鉴权过程中的关键技术,SSD的产生,鉴权认证算法,SSD的更新,加密,加密技术的目的：防止非法用户从信道中窃取合法用户正在传送的信息，它包括：语音加密、数据加密、信令加密。,信令加密,话音加密,数据加密,为了加强鉴权过程和保护用户的敏感信息，一种有效的方法是对所选业务信道中信令消息的某些字段进行加密。信令消息加密是由每个呼叫在信道指配时通过加密消息中信令加密字段的值来