移动通信技术

移动通信技术 第6章 CDMA 移动通信系统

第6章 CDMA 移动通信系统 • 内容： • CDMA的发展介绍 • 码分多址技术基本原理、编码理论基础 • 码分多址在CDMA网络中的实现 • CDMA移动通信系统的特点与结构 • CDMA系统的移动性管理 • CDMA系统的呼叫处理 • CDMA系统的功率控制 • CDMA系统提供的业务

第3章 IS-95CDMA • 重点： • CDMA移动通信系统的网络结构 • CDMA系统提供的业务 • 呼叫处理 • 难点： • 多址技术的比较 • 移动性管理 • 动率控制

第3章 IS-95CDMA • 目的和要求： • 了解CDMA系统的发展 • 了解CDMA系统提供的业务 • 理解CDMA系统的基本原理 • 掌握CDMA的相关技术 • 理解CDMA呼叫处理过程

6.1CDMA的发展介绍 • CDMA是码分多址的英文缩写(Code Division Multiple Access)，它是在扩频技术上发展起来的一种无线通信技术。 • 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通信网络。

6.1CDMA的发展介绍 • 1949年，克拉德·香农和罗伯特·皮尔斯等人首次描述了CDMA的基本思想及框架。 • 1950年德·茹瑟—如高夫提出了一种直接序列扩频系统，并引入了处理增益方程式和随机多址技术的概念。 • 1956年，格林等人提出抗多径“RAKE”接收机的概念。 • 1978年库珀等人给出在蜂窝移动通信系统中采用CDMA的建议。 • 1989年11月，高通公司进行了首次CDMA试验 • 1993年最终形成了窄带CDMA IS-95标准。

6.1CDMA的发展介绍 • 1995年，第一个CDMA商用系统运行。 • 我国CDMA在1993年国家863计划已开展CDMA蜂窝技术研究。 • 1994年高通公司首先在天津建成技术试验网。 • 1997年底北京、上海、西安、广州4个CDMA商用试验网先后建成开通，并实现了网间的漫游开始小部分商用。 • 2000年2月16日中国联通以运营商的身份与美国高通公司签署了CDMA知识产权框架协议。 • 2001年12月22日，联通新时空CDMA网络建成。 • 2002年1月8日，联通新时空CDMA开通放号。

6.2 CDMA系统的基本原理 • 码分多址的基本原理 • 多址技术是一种信号的分割技术，是区分与识别不同用户地址的一种手段。 • 频分多址 (FDMA)按频道划分用户，频带独享，时间共享；时分多址 (TDMA)按时隙划分用户，时隙独享，频率共享；码分多址 (CDMA) 就是按码型划分用户，在时隙和频率上共享。

6.2 CDMA系统的基本原理 • 码分多址的基本原理 • CDMA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（即码组内只有本身码相乘叠加后为 l（自相关值为 1），任意两个不同的码相乘叠加后为0（互相关值为 0））作为地址码。 • 在发送端，利用地址码与用户信息数据相乘（或模2加），经过调制后发送出去。 • 在接收端，对信号进行解调，并以本地产生的己知地址码（接收机中产生）做参考，根据相关性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（称为相关检测）。

6.2 CDMA系统的基本原理 • 码分多址的基本原理 • 工作原理如图（码分多址收发系统）

6.2 CDMA系统的基本原理 • CDMA移动通信系统的编码理论基础 • 地址码和扩频码应具有以下特性： • ①有足够多的地址码； • ②有尖锐的自相关特性； • ③有处处为零的互相关性； • ④不同码元数平衡相等； • ⑤尽可能大的复杂度。 • CDMA系统中使用了两种不同码序列：伪随机序列和Walsh码序列。伪随机序列分长码（long PN code）和短码（short PN code），长码用以区分移动台，短码用以区分基站。Walsh函数则用来区分前向业务信道。

6.2 CDMA系统的基本原理 • CDMA移动通信系统的编码理论基础 • 伪随机序列 • 伪随机序列具有类似噪声序列的性质，是一种貌似随机但实际上是有规律的周期性二进制序列，伪随机序列用于数据的加扰和扩频调制。 • 如果发送的数据序列经过完全随机的加扰，接收机无法恢复原始序列。也就是说，如果接收机知道使用的是一个足够随机的序列，发送的数据序列就不可能是完全随机的。因此，CDMA系统实际上使用的是一个足够随机的序列，所以称之为伪随机序列。

6.2 CDMA系统的基本原理 • CDMA移动通信系统的编码理论基础 • 伪随机序列 • PN码是一组正交性良好、互相关值接近0的伪随机序列，称为准正交码。二进制的m序列是一种重要的伪随机序列，有优良的自相关特性。 • 在CDMA系统中，用到两种PN码：PN长码和PN短码。长码序列：m= 242-1；短码序列：m= 215-1。 • 在前向信道中 • 长码序列被用作对业务信道进行扰码；短码序列被用作对前向信道进行正交调制， • 在反向信道中 • 长码序列被用作直接进行扩频，每个用户被分配一个m序列的相位。短码序列也被用作对反向业务信道进行正交调制，其相位偏置为0。

6.2 CDMA系统的基本原理 • CDMA移动通信系统的编码理论基础 • Walsh码 • Walsh函数是一种非正弦的完备正交函数族，在其函数族中，两两之间的互相关函数为“0”，在CDMA系统中使用了64阶Walsh码。 • Walsh函数可用哈达玛矩阵H表示，利用递推关系很容易构成Walsh序列族。哈达玛矩阵H是由＋1和－1构成的正交方阵。 • 正交方阵是指它的任意两行或两列都是互相正交的。即任意两行或两列的对应位相乘之和等于0。也就是说它们的相同位和不同位的个数是相等的，即互相关函数为0。

6.2 CDMA系统的基本原理 • 前向链路 • 码分多址在CDMA网络中的实现图中： c1(t)、 c2(t)、 c3(t)为同一个m序列，但起始位置不同，区分不同的用户；b1(t)、 b2(t)、b3(t)分别为用户A、B、C的数据；ωc为载频。

6.2 CDMA系统的基本原理 • 码分多址在CDMA网络中的实现 • 反向链路图中： c1(t)、 c2(t)、 c3(t)为同一个m序列，但起始位置不同，区分不同的用户；b1(t)、 b2(t)、b3(t)分别为用户A、B、C的数据；ωc为载频。

6.2 CDMA系统的基本原理 • IS-95CDMA系统信道 • 前向逻辑信道 • 前向（正向）CDMA信道采用64阶正交沃尔什（Walsh码）来区分信道，并用一对伪随机序列（PN码）进行四相调制。各个基站使用同一码型的一对PN码，但其相位各不相同，移动台以此来区分不同基站发出的信号。 • 前向链路中包括的逻辑信道有：导频信道、同步信道、寻呼信道和若干个业务信道。

6.2 CDMA系统的基本原理 • IS-95CDMA系统信道 • 前向逻辑信道 • 正向传输中，采用64阶沃尔什函数区分逻辑信道，分别用W0，W1，…，W63表示。其中W0作为导频信道，W1是首选的寻呼信道，W2～W7也是寻呼信道；W32为同步信道，其余用作业务信道，共计55个。

6.2 CDMA系统的基本原理 • IS-95CDMA系统信道 • 前向逻辑信道（1）导频信道（PiCH） • 基站在CDMA前向信道上不停发送导频信号（其信号功率比其它信道高）供移动台识别基站并引导移动台入网。 • 主要功能包括：移动台用它来捕获系统、提供的时间与相位跟踪的参数、用于使在基站覆盖区中所有移动台进行同步和切换、利用导频相位的偏置识别扇区或基站。

6.2 CDMA系统的基本原理 • IS-95CDMA系统信道 • 前向逻辑信道（1）导频信道（PiCH） • 基站使用导频信道为所有的移动台提供基准。 • 基站连续不断地发送导频信息（一种直接序列扩频信号），供移动台从中获得信道信息并提取相干载波以进行相干解调。同时移动台也可对导频信号电平进行检测，比较相邻基站的信号强度以决定是否要进行越区切换。 • 为了保证各移动台载波检测和提取可靠性，导频信道的功率高于业务信道和寻呼信道的平均功率。

6.2 CDMA系统的基本原理 • IS-95CDMA系统信道 • 前向逻辑信道（2）同步信道(SYNCH) • 基站在此信道发送同步信息供移动台建立与系统的定时和同步。一旦同步建立，移动台就不再使用同步信道。 • 同步信道上载有系统时间和基站引导PN序列码的偏置系数，以实现移动台接收解调。 • 同步信道包括以下信息：该同步信道对应的导频信道的PN偏置、系统时间、长码状态、系统标识、网络标识、跳秒、夏令时间指示符、寻呼信道的比特率。 • 同步信道的比特率是1200bit/s，其帧长为26.666ms。同步信道上使用的PN序列偏置与同一前向信道中的导频信道使用的偏置相同。

6.2 CDMA系统的基本原理 • IS-95CDMA系统信道 • 前向逻辑信道（3）寻呼信道(PaCH) • 基站在此信道向移动台发送有关寻呼、指令以及业务信道指配等控制信息。当有用户呼入移动台时，基站就利用此信道来寻呼移动台，以建立呼叫。 • 每个基站有一个或若干个（最多7个）寻呼信道，其播送移动台用户识别码。 • 移动台在建立同步后，就在首选寻呼信道（或基站指定寻呼信道上）监听由基站发来的信令，当收到基站分配业务信道的指令后就转入指配的业务信道进行信息传输。其速率可为4800 bit/s或9600bbit/s。

6.2 CDMA系统的基本原理 • IS-95CDMA系统信道 • 前向逻辑信道（4）正向业务信道(F-TCH) • 传送前向通信数据及信令，用于基站到移动台的信息通信，主要传送用户业务数据，同时也传送随路信令。例如功率控制信令信息、切换指令等就是插入在此信道中传送。 • 前向码分信道的配置并不是固定的，其中导频信道一定要有，其余的码分信道可根据情况配置。

6.2 CDMA系统的基本原理 • IS-95CDMA系统信道 • 反向逻辑信道 • 反向CDMA信道由接入信道和反向业务信道组成。这些信道采用直接序列扩频的CDMA技术共用于同一CDMA频率。 • 在反向CDMA信道上，基站和用户使用不同的长码掩码区分每一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上的用户使用的长码掩码则是一致的。进入业务信道以后，不同的用户使用不同的长码掩码，也就是不同的用户使用不同的相位偏置。

CDMA反向信道 （基站接收的1.23MHz信道） … … … … 接入信道接入信道业务信道业务信道 1 1 n m 6.2 CDMA系统的基本原理 • IS-95CDMA系统信道 • 反向逻辑信道

6.2 CDMA系统的基本原理 • IS-95CDMA系统信道 • 反向逻辑信道（1）反向业务信道（B-TCH） • 供移动台到基站之间的通信，它与正向业务信道一样，用于传送用户业务数据，同时也传送信令信息，如功率控制信息等。 • 移动台在反向业务信道上以可变速率9600bit/s、4800bit/s、2400bit/s、1200bit/s的数据速率发送信息。 • 反向业务信道帧的长度为20ms。速率的选择以一帧为参考，即上一帧是9600bit/s，下一帧就可能是4800bit/s。

6.2 CDMA系统的基本原理 • IS-95CDMA系统信道 • 反向逻辑信道（2）接入信道（AcCH） • 一个随机接入信道，供网内移动台随机占用，移动台在此信道发起呼叫或对基站的寻呼信息进行应答。 • 接入信道与正向传输前向逻辑信道的寻呼信道相对应，其作用是在移动台没有占用业务信道之前提供由移动台至基站的传输通路，供移动台发起呼叫或对基站的寻呼进行响应，以及向基站发送登记注册的信息等。 • 接入信道的功能包括：发起同基站的通信、响应基站发来的寻呼信道消息、进行系统注册、在没有业务时接入系统和对系统进行实时的回应。

6.3 CDMA移动通信系统的特点与结构 • CDMA移动通信系统的特点 1）系统容量大。理论上CDMA移动网容量比模拟网大20倍，实际要比模拟网大10倍，比GSM要大4~5倍。 2）抗干扰性好，抗多径衰落，隐蔽、保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比小于1，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这是扩频技术所固有的特点。 3）软切换。CDMA系统由于相邻的小区（或扇区）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移动到另个小区时，不需要让手机的收、发频率切换，只需在码序列上作相应的调整，故CDMA系统可以实现软切换。

6.3 CDMA移动通信系统的特点与结构 • CDMA移动通信系统的特点 4）软容量特性。CDMA系统的容量与系统的载干比有关，CDMA系统中，所有用户都占用相同带宽和频率，当用户数增加时，仅仅会使通话质量下降，而不会出现信道阻塞现象。因此，系统容量不是定值，而是可以变动。可以在话务量高峰期通过提高误帧率来增加可以用的信道数。当相邻小区的负荷一轻一重时，负荷重的小区可以通过减少导频的发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度的不足而切换到相临小区，实现负担分担。

6.3 CDMA移动通信系统的特点与结构 • CDMA移动通信系统的特点 5）频率规划灵活，扩展简单，频率利用率高。用户按不同的序列码区分，所以相同CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展方便。 6）采用功率控制和可变速率声码器技术，可以减少用户间的干扰，提高系统容量，降低手机发射功率，延长手机电池寿命。 7）话音音质好。CDMA 系统的话音质量明显高于 GSM 系统，更为接近固定网的话音质量，特别是在强背景噪声环境下（如娱乐场所、商场、餐馆等），由于采用了伪随机序列进行扩频／解频，用户通话中有明显的噪声抑制优点。

6.3 CDMA移动通信系统的特点与结构 • CDMA移动通信系统的网络结构 CDMA网络结构如图所示。

6.4 CDMA系统的移动性管理 • CDMA网络主要使用的识别号码 • 移动用户号码簿号码(MDN) • 此号码为主叫用户呼叫一个数字移动用户时所拨的号码。号码结构如下： • 国内有效移动用户号码簿号码由三部分组成：数字蜂窝移动业务接入号(N1N2N3)+HLR识别号(H1H2H3)+移动用户号(XXXX)。 CC：国家码。即移动台登记注册地国家码，中国为86 MAC：数字蜂窝移动业务接入号(N1N2N3)为13X。 SN：用户号码。前四位(H0H1H2H3)为用户归属位置寄存器HLR识别号，由运营商分配。后四位（ XXXX）为移动用户码, 由各HLR自行分配。

6.4 CDMA系统的移动性管理 • CDMA网络主要使用的识别号码 • 国际移动用户识别码(IMSI) • 在数字公用陆地蜂窝移动通信网中,唯一地识别一个移动用户的国际通用号码，长度为15位。移动用户以此号码发起入网请求和位置登记，网络据此查询用户数据。此号码也是VLR、HLR的主要检索参数。结构如下：其中MCC：移动国家码，我国为460。MNC：移动网码，用于识别归属的移动通信网，原中国联通CDMA网码为03。MSIN：移动用户识别码，10位十进制的数字。

6.4 CDMA系统的移动性管理 • CDMA网络主要使用的识别号码 • 移动台识别码（MIN） MIN是IMSI的后10位，即MSIN。格式为： XX + H0H1H2H3 + ABCD XX：为分配给我国的MIN号码段，暂定为09。 H0H1H2H3：同MDN号码中的H0H1H2H3。 ABCD：用户号码

6.4 CDMA系统的移动性管理 • CDMA网络主要使用的识别号码 • 临时本地用户号码(TLDN) • 移动用户临时本地电话号码（TLDN）构成与移动用户号码薄号码（MDN）相同，用于移动用户漫游到其它服务区时使用。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它服务区时，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。以便可再分配给其它移动台使用。

6.4 CDMA系统的移动性管理 • CDMA网络主要使用的识别号码 • MSC/VLR号码 460 03 09 M0M1M2M3 1000 在NO.7信令消息中使用、代表MSC/VLR的号码, M0M1M2M3的分配同H0H1H2H3的分配。

6.4 CDMA系统的移动性管理 • CDMA网络主要使用的识别号码 • HLR号码 460 03 09 H0H1H2H3 0000 在NO.7信令消息中使用、代表HLR的号码。

6.4 CDMA系统的移动性管理 • CDMA网络主要使用的识别号码 • 系统识别码(SID) • 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。由三部分组成：SID=国家识别码+国内业务区组识别码+组内业务区识别码。具体格式如下：中国的国家识别码为011011和0110101。

6.4 CDMA系统的移动性管理 • CDMA网络主要使用的识别号码 • 网络识别码(NID) • 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，网络识别码由各省通信运营部门自行分配，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。

6.4 CDMA系统的移动性管理 • CDMA网络主要使用的识别号码 • 登记区域识别码(REG_ZONE)(对CDMA) • 登记区域识别码（REG_ ZONE）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。中国由各省通信运营部门自行分配。

6.4 CDMA系统的移动性管理 • CDMA网络主要使用的识别号码 • 电子序号（ESN） • 电子序号（ESN）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。

6.4 CDMA系统的移动性管理 • CDMA网络主要使用的识别号码 • 基站识别码(BSID) • 基站识别码（ID）是在一个CDMA网络范围内唯一地识别一个基站的号码。总长为16比特，中国由各省通信运营商自行分配。

6.4 CDMA系统的移动性管理 • 位置更新 • 移动系统中位置更新的目的是使移动台总能与网络保持联系，以便移动台在网络覆盖的范围内的任何一个地方都能接入到网络中；或者说网络能随时知道移动台所在的位置，以使网络能随时寻呼到移动台。 • 位置更新分正常的位置更新、周期性位置更新和IMSI附着。

6.4 CDMA系统的移动性管理 • 位置更新 • 正常的位置更新 • MS从一个LAI小区进入另外一个LAI小区进行正常的位置更新。 VLR内的位置更新跨VLR（漫游）的位置更新。

6.4 CDMA系统的移动性管理 • 位置更新 • 周期性位置更新 • 当网络在特定的时间内没有收到来自移动台任何信息时将启动周期位置更新。统要求移动用户在一特定时间内登记一次。这种位置登记过程就叫做周期位置更新。 • 当定时值到时，移动台便向网络发送位置更新请求消息启动周期位置更新过程。 • 周期位置更新过程只有证实消息，移动台只有接收到证实消息才会停止向网络发送周期位置更新请求消息。

6.4 CDMA系统的移动性管理 • 位置更新 • IMSI附着 • 手机开机，网络对它做“附着”标记。 • 若MS是第一次开机，向MSC发送“位置更新请求”消息，MSC根据该用户发送的IMSI中的H0H1H2H3消息，向该用户的归属位置寄存器（HLR）发送“位置更新请求”，HLR记录发请求的MSC号码，并向MSC回送“位置更新接受”消息，至此MSC认为此MS已被激活，在访问位置寄存器（VLR）中对该用户对应的IMSI上作“附着标记”，再向MS发送“位置更新证实”消息，MS的手机卡记录此位置区识别码。

6.4 CDMA系统的移动性管理 • 位置更新 • IMSI附着 • 若MS不是第一次开机，而是关机后又开机的，MS接收到的LAI为它卡中原来存储的LAI不一致，那么它也是立即向MSC发送“位置更新请求”，MSC要判断原有的LAI是否是自己的服务区的位置，如果是原来的服务区位置，MSC只需对该用户原来的LAI码更新为新的LAI码，并在该用户对应的IMSI做“附着”标记即可。如果判断出不是自己的服务区位置，MSC需根据用户IMSI中的H0H1H2H3信息，向该用户的HLR发送“位置更新请求”，HLR在该用户数据库内记录发请求的MSC号码，在回送“位置更新接受”，MSC再对该用户的IMSI作“附着”标记，并向MS回送“位置更新证实”信息，MS将手机卡原来的LAI码改写成新的LAI码。但若MS关机再开机时，所接收到的LAI与卡中存储的LAI一致，那MSC只对用户做“附着”标记。

6.4 CDMA系统的移动性管理 • 越区切换 • 越区切换的分类 • 硬切换：指不同载频的小区之间的过境切换，移动台须先中断与原基站的联系，再与新基站取得联系。 • 更软切换：移动台由同一基站的一个扇区进入另一个具有同一载频的扇区时发生的过境切换。 • 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扇区保持通信。 • 软/更软切换：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时采用的过境切换。这类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。

6.4 CDMA系统的移动性管理 • 越区切换 • 软切换的特点 • 减少了由于切换造成的掉话，可以带来更好的话音质量并从某种程度上增加容量。 • 保证了基站最佳的接收结果。 • 采用了空间分集技术，大大提高了移动台在小区边缘的通信质量，增加了系统的容量。从反向链路来说，移动台根据传播状况好的基站情况来调整发射功率，减少了反向链路的干扰，从而增加了反向链路的容量。

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