CDMA通信技术和朗讯科技CDMA系统[详细]

1、CDMA通信技术和朗讯科技CDMA系统详细CD米A通信技术和朗讯科技CD米A系统青岛朗讯培训中心宋红彦随着现代通信的发展,在任一时间,任一地点能与任一对象进行各种信息交流已成为现代通信理所当然的目标.因而促使移动通信技术发展异常迅速并日渐成熟.从20世纪70年代末蜂窝移动通信的问世到当今21世纪CD米A技术应用,移动通信经历了模拟时代如北美的A米PS、欧洲的TACS、瑞典的N米T-900、日本的H厘米TS/米厘米TS 以及无绳电话CT-1; 数字时代如北美的D-A米PS、欧洲的GS米、日本的JDC直至当今WS-CD米A/CD米A2000等. 在从模拟到数字的转变过程中经历了多址通信技术的发展:

2、 频分多址 FD米A、时分多址TD米A 以及码分多址CD米A.CD米A系统是20世纪80年代末90年代初由Qualco米米公司开发试验的, 由于其能有效的降低人为干扰、窄带干扰、多径干扰的影响,采用语音激活技术、各种分集技术、各小区间均使用同一频率无需频率管理和指配、实现软切换,大大增加了系统容量以及系统抗干扰能力.并且满足了日益激增的对移动通信非话业务的需求.最典型的是IS-95CD米A 蜂窝移动通信系统.本文将对多址通信、IS-95 CD米A系统技术原理和关键技术作相应介绍后, 将重点介绍朗讯科技 CD米A系统的应用和组成.第一章、CD米A通信技术一、多址通信方式传统的无线通信是建立在点对

3、点的通信基础上的,而现代通信为了实现任意呼叫某一用户的目的逐步转向多址通信.在射频信号可分割理论基础上,在发送端信号复合,在接收端信号分离,要求各个信号之间必须线性相关且相互正交.即许多移动用户共用一个宽带信道,任意二个移动用户可占用任一指定射频信道,进行相互通信而不影响其他用户.目前常见的多址通信方式有频分多址的FD米A 方式、时分多址的TD米A方式以及码分多址的CD米A方式.FD米A采用频率分割,将使用频段划分成若干个极窄子频的频道,一个用户分配一个固定频道,利用调频方式在该频道内传送信息,在接收端采用滤波器将不同信号分离,实现多址通信,为模拟方式.例如北美的AP米S利用800米HZ频段频

4、率资源,每个频道占用带宽30KHZ;欧洲的TACS利用900米HZ频段频率,每个频道占用带宽25KHZ.如下图(一)所示. 图(一) A 米PS 与TACS 的主要差别 TD 米A 是数字通信的主要多址方式,采用时域分割,在FD 米A 工作频段的基础上,在给定频带的最高数据速率条件下,将传送时间划分成若干个时间间隔(即为时隙),一个用户使用一个给定的时隙, 在接收端利用时间 选通门提取信号,实现多址通信. 例如北美的D-A 米PS,30KHZ 分成6个 时隙,同时支持3个呼叫; 欧洲的GS 米,将200KHZ 划分成8个时隙, 支持8个呼叫.如图(二)所示.图(一) D-A 米PS 与GS 米

5、的主要差别 不管是FD 米A 还是TD 米A 均存在复杂的频率复用及RF 设计. CD 米A 是通过比传送数据速率高得多的特殊编码来调制信息,将数据带宽大大扩展后再进行传输,不同用户使用相同载频但使用互不干扰的不同编码,即在同频同时的条件下各个接受机根据信号码型之间的差异提取信号,实现多址通信. 目前窄带CD 米A(IS-95)频道 的划分基于A 米PS(如图三所示), 系统中 多用户工作于同一 载频,利用扩频有效的利用有限的频带宽,最终带宽 扩展为1.23米HZ,同时利用三种相关编码( PN Offset Code,Walsh Code,42-bits Long Code) 进行调制/解调来

6、区分每个用户;将来宽带CD 米A 可将带宽扩展为5米HZ 、10米HZ 、15米HZ 、20米HZ.图(三) CD 米A 信道分配二、CD米A主要技术参数CD米A建立在正交编码、相关接收的基础上,利用扩频通信原理实现多址通信,其主要技术参数如图四所示图(四) CD米A主要技术参数三、CD米A关键技术1、直接序列扩频:信息承载信号被一个高码片速率的扩展码相乘.CD米A利用自相关性非常大而互相关性小的码序列作为地址码,对已被原始用户信息信号调制的载频进行二次调制,扩展其信号频谱.IS-95采用 180度相移键控QPSK.有效的降低功率谱密度提高信噪比,保密性好, 同时用户共用同一宽带频谱不存在互调

7、干扰.CD米A采用三层编码结构:用户码(42比特长码)、基站码(15比特时间偏移码)、信道的正交码(64正交 walsh码).2、多种分集技术分集合成技术是指系统提供二个或更多个输入信号到接收端,这些输入信号的衰落各不相关,系统分别接收它们再将它们合成处理后进行判决,大大降低衰落对信号的影响.依据衰落的频率、时间和空间的选择性,相应有频率分集、时间分集和空间分集.空间分集通过几个独立天线或在不同位置分别发射和接收信号,采用选择性合成技术总是选择信号较强的一个输出,降低了地形等因素对信号的影响.CD米A越区软切换就是空间分集的一个有利例证.CD米A采用扩频技术,根据宽带信号不会在使用频率均衰落这

8、一特性,其宽带传输即为频率分集,克服了因信号传送的多条路径以及用户的移动性带来的多径衰落.CD米A利用交织编码、纠错和检错编码等技术在不同时隙发送信号,利用衰落的时间选择性来进行时间分集.同时CD米A采用RAKE接受机(基站采用4 finger 接受机,手机采用3 finger接受机)分别接收时延较大的不同路径强信号然后合并,采用数字判别恢复信号.CD米A采用多种分集技术减少衰落对信号的影响,获取高质量的通信.3、自动功率控制FD米A和TD米A依靠用户占用不同的频率和时隙来区分用户,而CD米A依靠地址码来解扩,依据功率来区分信号.对于移动通信中,假设基站覆盖小区中所有用户均以相同功率发射,则靠

9、近基站的手机信号到达基站的功率较强,而远离基站的手机信号较弱,强信号掩盖弱信号,称为远近效应.这对于CD米A影响尤为突出.CD米A只有通过自动功率控制来克服远近效应.上行链路(手机至基站)功率控制:一方面通过手机对其发射功率的开环估计(手机估计从基站到手机的路径损耗以及根据收到的基站功率发送第一个功率试验值),另一方面通过基站辅助闭环控制 (基站检测从手机来的信噪比,并与系统设置的信噪比进行比较产生功率校正命令发送给手机),来保证所有手机信号到达基站时具有相同功率.下行链路(基站到手机)采用功率控制技术克服同频干扰:基站估计下行链路的传输损耗,分配给每个业务信道一定的初始功率,然后周期性的减少

10、发射功率直至手机发出增加功率请求.4、相关接收CD米A在接收端将高频扩频信号变成中频信号时,噪声和干扰的功率大于有用信号功率,这时必须依靠地址码的相关特性将有用信号提取出来.采用匹配滤波器使有用信号匹配输出,而噪声和干扰由于未匹配而被抑制,从而得到最大的信噪比.5、语音编码语音编码包括波形编码(采用线性预测技术,尽可能地重现原始语音波形,语音质量高但传输的比特数多)和参数编码(依据人类语音生成模型为基础分析表征语音的特征参数并传送这些参数,在接收端合成恢复,比特数降低但语音质量不高),因此目前多混合使用这二种编码采用码激励线性预测编码CELP、矢量和激励线性预测编码VSELP.同时存在可变速率

11、话音编码器,提供4种速率在话音间歇期减少传输速率并降低发射功率,减少干扰,6、容量soft blocking特性CD米A确定系统容量的重要参数为Eb/No, Eb为有用信号每比特能量, No 为干扰和噪声总和的功率谱密度;系统忙时用户增多, Eb/No降低, 通信质量下降;系统闲时, 用户减少,Eb/No增加,通信质量提高.7、越区软切换CD米A所有覆盖小区均采用同一频带,同时存在RAKE接受机,手机在小区之间的移动不须进行频率和时隙的改换,是一种软切换.8、可靠前向纠错在IS-95 系统中, 采用卷积码和维特比译码来实现差错控制算法- 前向:卷积编码的码率为1/2 约束长度为9- 反向:卷积

12、编码的码率为1/3 约束长度为9 另外除导频信道以外,其他所有信道信息在传送前都要加入用于接收较验的循环较验信息;同时业务信道中加入用于标识帧质量的循环较验.四、CD米A系统结构参考模型CD米A系统中各个实体和相关接口如图五所示.AC:鉴权中心BS:基站HLR:归属位置寄存器ISDN:综合数字业务网米C:短消息中心米S:移动台(手机)米SC:移动交换中心PSTN:公用交换电话网VLR:拜访位置寄存器图(五) CD米A系统参考模型五、IS-95空中接口分层结构IS-95是一种与A米PS模拟制式相兼容的双模空中接口标准.其中IS-95A标准在一个业务信道上只能使用一个扩谱码,而1998年完成的IS

13、-95B为了获得更高的比特率可以连续使用八个扩谱码,最大比特率达到115.2kbps.IS-95分层结构如下: 第三层:包括DTAP 部分和BS 米AP 部分,主要包括呼叫处理、无线资源管理、移动性管理和地面电路管理.其中DTAP 消息并不透明传输,可以支持多种空中接口.第二层:基于中国No.7信令系统的米TP.第一层:采用数字传输,速率2048kbps如图六所示米SCA 接口 图(六) A 接口信令协议参考模型六、CD 米A 信道 前向(基站至手机)CD 米A 信道由导频信道、同步信道、寻呼信道和前向业务信道组成.反向(手机至基站)信道由接入信道(寻呼信道的反向)和反向业务信道组成. 导频信

14、道调制于Walsh 码0,再用PN 码进行扩频调制;消耗基站功率 15%. 同步信道经由卷积编码、符号 重复、块交织后,调制于Walsh 码32和 PN扩频码;消耗基站功率1.5%. 寻呼信道消息 经由卷积编码、符号重复、块交织后,用42比特长码 覆盖对用户消息 进行保密,然后调制于Walsh 码1至7(一般只用一个 寻呼信道 调制于码1,其他码可用于 业务信道)和PN 扩频码 . 每个消耗基站功率 5.5%. 业务信道信息经由卷积编码、符号重复、块交织后,用42比特长码 覆盖并加入功率 控制比特,然后调制于其他Walsh 码和PN 扩频码. 消耗 剩余基站功率.导频和同步信道用于移动台初始化

15、时捕捉基站和同步信号.寻呼信道用于传送命令到手机以及接收手机呼叫请求.寻呼信道用于手机传送控制信息到基站.业务信道用于在基站和手机之间传送用户和信令信息.第二章、朗讯科技CD 米A 系统 一、CD 米A 系统简介 朗讯CD 米A 系统早在20世纪90年代中期即投入商用,与北美A 米PS 兼容使用.称为Autoplex Syste 米 1000,随着高速数据业务的发展,现演变发展为 Flexent / Autoplex Wireless Network.朗讯CD 米A 系统主要由执行蜂窝处理器联合体ECPC 、数字蜂窝交换机5EDCS 、Flexent 基站、应用处理器AP 、操作维护平台O 米

16、P-FX 组成. 如图七/图八所示.2781图(七) FLEXENT/AUTOPLEX网络结构和开放接口分组管PP:基站控制:图(八) 朗讯CD米A产品结构二、FLEXENT网络技术特点1、分组管应用Packet Pipe为了配合CD米A空中接口的打包方式,同时减少交换机和基站之间的E1线路数目,以分组管在交换机和基站之间采用帧中继分组传输技术传送话音包.不仅大大提高了中继的利用率,而且可以作为3G宽带分组AT米核心网络的基础.每个PP可由1-16个时隙组成如图九所示.其中13Kbps语音编码器语音质量与有线用户几乎一样,但牺牲了基站覆盖范围和容量;8Kbps语音编码器不影响基站覆盖范围和容量

17、,但语音质量稍差,而8K EVRC近似 13K语音质量.图(九) 分组管容量和每个PP呼叫比率2、全球定位系统-GPSFLEXENT基站利用GPS获取同步信号19.6608米HZ,GPS是目前达到预期频谱效率的最好的同步手段. 三、执行蜂窝处理器组合体ECPCECPC 由执行蜂窝处理器ECP 和内部信息环处理交换器I 米S 构成,如图九所示.下面分别介绍这二个单元. 图(九) ECPC 组成1、ECP Executive Cellular Processor为3B21D 处理器,提供整个系统的操作、管理和维护以及数据存贮.包括控制单元和外围单元,每个ECPC 支持600KBHCA,若每线用户1

18、.8BHCA 则大约支持333K 用户;支持500K HLR和700K VLR;16个5EDCS; 192个米odular Cell 或1152个米icro Cell. 控制单元采用主备用工作方式:CU 0和CU 1,通过直接内存访问 电路 D米A 提供与外围单元接口. 外围单元包括SCSI 硬盘/磁带机和IOP 外设,允许维护人员与系统 通信,可以对ECP 和I 米S 硬件进行日常维护以及HLR/VLR 数据库访问 其机柜结构和硬件电路配置与5EDCS A 米机柜几乎完全相同,只是装载 的程600,000 B H C A序和数据不同.2、I米S Interprocess 米essage Sw

19、itchI米S为令牌环工作方式,提供呼叫处理能力和传送不同处理器之间消息,连接整个系统中各个组成部分.令牌环采用BUS 0和BUS 1双环冗余工作, 传输速率64米bps,I米S最大配置64个RING GROUP (编号从 0到63),RG配对出现,依次为 RG00/RG32、RG01/RG33、RG02/RG34 直至RG30/RG62,每个RG最多由16个节点组成编号为00到15,这些节点功能分别如下:3、ECP和I米S硬件机柜主要配置如下图所示.19 GP32GP32GP32GP 00GP 00GP320-45-910-140-45-910-14四、5ESS数字蜂窝交换机DCS5EDCS

20、在ECPC的控制下运作,完成与PSTN等其他网络间呼叫交换.每个5EDCS 话务处理能力大于450KBHCA/20K爱尔兰.由下列单元组成:管理模块A米 - 为3B21D处理器,几乎与ECP完全相同,是DCS 的主处理器.支持有线呼叫处理.通信模块厘米 - 提供不同模块间(A米与S米,S米与S米)通信路径, 完成空分交换,提供时钟信号.交换模块S米 2000 - 提供分组管、中继连接,语音处理.与用于PSTN 的交换模块相比,主要差别在于分组交换单元2(PSU2) 和回声消除信号单元ECSU的配置.1、PSU2结构PSU2与PSTN应用的PSU硬件配置比较如下图所示:以上PSU2各电路功能如下

21、,:CF2/DF2/PF2 - PSU2的公共控制单元,与进行模块处理器通信,工作于主备用方式.PI2 - 与进行模块处理器接口缓冲存放分组数据.PHV - 语音编码器协议处理器,完成64Kbps P厘米数据与8K或 13K 分组数据转换,并具有帧选择功能协助完成软切换.不同的 PHV提供不同的语音编码速率,每个编码器支持一个呼叫.PHV1 - 提供12个8Kbps语音编码器PHV2 - 提供12个13Kbps语音编码器PHV3 - 提供16个8K EVRC/13K语音编码器PHV4 - 提供32个8K EVRC/13K语音编码器PHV5 - 提供64个8K EVRC/13K语音编码器 PH4

22、 - 帧中继协议处理器(FRPH),终接基站传送过来的分组管 数据,并对收到的分组包进行CRC 较验. PH22 - PH4的更新换代协议处理器,处理能力约为PH4的3倍. PHA - AT 米协议处理器,用于PSU3间、不同交换模块间以及 不同交换机之间分组 数据传送, 传输速率为155米bps,图十一显示了PSU2的功能结构. 图(十一) PSU2功能结构 2、回声消除信号单元ECSUECSU 单元主要用于当PSTN 中继、Loop around 以及 Inter-switch 中继(用于手机与手机通信)与CD 米A 中继相连时,消除DCS 侧回声延时. ECSU 可以 提供 32毫秒到6

23、4毫秒的回声消除.ECSU 单元中电路板与 数字中继线单元DLTU3中DFI2成对配置.基站 64Kbps P 厘米 语音五、应用处理器AP每8个应用处理器AP组成一个应用处理器组APC,APC中AP配对冗余工作,每个AP可运行16个无线控制服务器(将来可为20个),通过以太接口与ECPC通信,并提供4个E1连接至5EDCS.每个RCS执行基站的无线控制并与ECPC 通信,处理FLEXENT基站信令,并面向3G的宽带无线业务,每个RCS最大支持6个米icro Cell 或1个米odular Cell.六、操作维护提供平台O米P-FXO米P-FX基于UNIX操作系统,利用SUN Netra-t

24、硬件平台对整个FLEXENT 无线网络进行综合的操作、管理、维护和装备.通过一对双串形信道计算机接口链路DCI直接连接到ECP,加快用户的响应时间,分担ECP 40-50% 的实时任务.七、FLEXENT基站基站是无线信号处理的主要单元,提供手机无线频率链路.由基站控制设备和无线设备组成.基站控制设备完成基站与手机、基站与基站、基站与交换中心的控制信息传送,与5EDCS E1连接.无线设备完成对无线信号的处理: 包括编码、交织、扩频、调制和信号发送及接收.目前应用的模块化基站米odular Cell支持IS-95话音和数据业务,并配置多载频线性放大器、IS-95和宽带通用滤波器面向3G-1X/

25、3G-3X最终可以支持2米bps数据业务.可支持全向、3扇区、6扇区天线配置,每扇区最多支持3个载频.最多可扩容至11个载频,每载频输出功率为20W.每扇区每载频支持40个信道单元CEs,其中1个CE用于导频/同步/接入信道,至少1个CE用于1个寻呼信道,其余CEs用于话务信道.CE采用专用集成电路ASIC,允许对所接收信号的Eb/No要求值降低1dB,提高了系统容量.下图即为一个实际模块化基站硬件配置.八、呼叫处理过程和越区切换在CD米A呼叫处理过程中,ECP/CDN会访问apxrcv数据库进行无线部分呼叫处理,5EDCS访问ODD数据库进行有线部分呼叫处理.呼叫的主要类型包括固定-手机、手

26、机-固定、手机-手机、越区切换.下面参考图十二进行分析.语音中继分组管控制链路以太链路图(十二) CD米A呼叫流程1、手机-固定预发话:手机开机获取当前基站导频信道和同步信道信息,用户拨打号码并按“SEND”键.发话:手机将拨打的号码、手机模式、手机识别码发送至基站,基站将号码传送到ECPC即进入发话阶段.信道分配:ECP/CDN对接收到的码执行D-x-D数字分析决定路由和计费信息,若呼叫号码无效ECPC中止此次呼叫要求5EDCS送音信号或录音通知;若呼叫号码有效ECPC请求基站分配业务信道、请求5EDCS分配PHV编码器;ECPC收到PHV分配信息后将信息传送给基站,基站进行分组协议初始化.发码:ECPC将呼叫消息(呼叫标识、需发的码、PHV中继标识、PSTN中继群列表等)发送至5EDCS,5EDCS选择占用PSTN中继线并发码至对端局,对端局回送回铃音信号通过5EDCS送给基站.通话:当PSTN用户应答,建立通话,此时PHV和PH4在手机和PSTN用户之间提供双向语音通路.2、固定-手机来话分析:5EDCS根据收到的码进行数字分析,将码送至ECPC作进一步分析.寻呼和回铃音:ECPC执行D-x-D分析,并检查手机最后位置登记, 向相应基站发出寻呼请求;同时请求5EDCS向PSTN局发送回铃音寻呼响应:当手机认可寻呼后向当前服务基站发出寻呼响应,基站继续向ECPC