码分多址(CDMA)移动通信系统(一)

8.1 概述概述 8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量蜂窝通信系统的通信容量 8.3 IS-95CDMA蜂窝系统的无线传输蜂窝系统的无线传输 8.4 IS-95CDMA蜂窝系统的消息格式和信道结构蜂窝系统的消息格式和信道结构 8.5 IS-95CDMA蜂窝系统的控制功能蜂窝系统的控制功能 8.6 cdma2000空中接口空中接口 思考题与习题思考题与习题第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）8.1 概概 述述 IS-54 是遵循上述要求制定的，考虑到实现技术存在的困难，IS-54 需要分阶段达到CTIA提出的标准，即全速率传输(每载波 3 个信道)和半速率传输(每载波 6 个信道)两个阶段。Qualcomm公司开发的CDMA系统也是遵循上述要求进行的，几次局部的现场测试说明这种蜂窝系统已能全面满足CTIA提出的标准。其后，有关单位讨论并通过了Qualcomm公司提交的标准文本，形成了TIA/EIA暂行标准IS-95。从IS-95 的名称“双模宽带扩频蜂窝系统的移动台-基站兼容标准”来看，标准涉及的内容是关于蜂窝系统的“公共空中接口”(CAI)问题。实际上，无论是上面所说的几种TDMA蜂窝系统，还是本书所介绍的CDMA蜂窝系统，其运行环境、业务要求和控制功能基本上都是相同的，因此它们的网络结构形式也是大同小异的。8.1.1 码分多址的特征码分多址的特征 在CDMA通信系统中，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的，而是用各不相同的编码序列来区分的。换句话说，是靠信号的不同波形来区分的。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信号中选出其中使用预定码型的信号。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可以使用不同的频率，即通常所谓的频分双工(FDD)；也可以使用不同的时帧，即通常所谓的时分双工(TDD)。码分多址蜂窝通信系统的特征如下：(1)根据理论分析，CDMA蜂窝系统与模拟蜂窝系统或TDMA数字蜂窝系统相比具有更大的通信容量。这个问题将在下面介绍。(2)CDMA蜂窝系统的全部用户共享一个无线信道，用户信号的区分只靠所用码型的不同，因此当蜂窝系统的负荷满载时，另外增加少数用户只会引起话音质量的轻微下降(或者说信干比稍微降低)，而不会出现阻塞现象。(3)CDMA蜂窝系统具有“软切换”功能。即在过区切换的起始阶段，由原小区的基站与新小区的基站同时为过区的移动台服务，直到该移动台与新基站之间建立起可靠的通信链路后，原基站才中断它和该移动台的联系。CDMA蜂窝系统的软切换功能既可以保证过区切换的可靠性(防止切换错误时反复要求切换)，又可以使通信中的用户不易察觉。(4)CDMA蜂窝系统可以充分利用人类对话的不连续特性来实现话音激活技术，以提高系统的通信容量。这个问题在下面还要介绍。(5)CDMA蜂窝系统以扩频技术为基础，因而它具有扩频通信系统所固有的优点，如抗干扰、抗多径衰落和具有保密性等。8.1.2 CDMA蜂窝通信系统的多址干扰和功率控制蜂窝通信系统的多址干扰和功率控制 1.CDMA蜂窝通信系统的多址干扰蜂窝通信系统的多址干扰 蜂窝通信系统无论采用何种多址方式，都会存在各种各样的外部干扰和系统本身产生的特定干扰。FDMA与TDMA蜂窝系统的共道干扰和CDMA蜂窝系统的多址干扰都是系统本身存在的内部干扰。CDMA蜂窝系统的多址干扰分两种情况：一是基站在接收某一移动台的信号时，会受到本小区和邻近小区其他移动台所发信号的干扰；二是移动台在接收所属基站发来的信号时，会受到所属基站和邻近基站向其他移动台所发信号的干扰。图 8-1 是两种多址干扰的示意图。其中，图(a)是基站对移动台产生的正向多址干扰；图(b)是移动台对基站产生的反向多址干扰。图 8-1 CDMA蜂窝系统的多址干扰2.CDMA蜂窝通信系统的功率控制蜂窝通信系统的功率控制 CDMA蜂窝系统的“远近效应”是一个非常突出的问题，它主要发生在反向传输链路上。移动台在小区内的位置是随机分布的，而且是经常变化的，同一部移动台可能有时处于小区边缘，有时靠近基站。如果移动台的发射机功率按照最大通信距离设计，则当移动台驶近基站时，必然会有过量而又有害的功率辐射。(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。(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。8.1.3 IS-95 CDMA蜂窝系统的工作频率蜂窝系统的工作频率 双模CDMA蜂窝系统使用美国联邦通信委员会(FCC)分配给蜂窝通信系统使用的频段。移动台向基站的传输频段是 824849 MHz,基站向移动台的传输频段是 869894 MHz。允许CDMA蜂窝系统占用的频段如表 8 1（略）所示。在数字传输模式工作时，移动台可以按照预定的或要求的网络标志来安排其频率配置。如果移动台预定的或要求的网络标志没有被认出，它就开始向一个频率指配在“基本CDMA频道”上的基站进行捕获和同步。基本CDMA频道号码在系统A是 283，在系统B是 384。如果基本CDMA频道的频率指配未起作用而没有选出预定的网络标志，移动台要试图捕获并同步到“辅助CDMA频道”的频率上，其频道号码在系统A是 691，在系统B是 777。规定的频率容差是：基站发送的载波频率要保持在指配频率的510-8之内，移动台发送的载波频率要保持比基站发送的频率低 45 MHz300 Hz。8.1.4 IS-95 CDMA蜂窝通信系统的时间基准蜂窝通信系统的时间基准 在数字蜂窝通信系统中，全网必须具有统一的时间标准，这种统一而精确的时间基准对CDMA蜂窝系统来说尤为重要。CDMA蜂窝系统利用“全球定位系统”(GPS)的时标，GPS的时间和“世界协调时间”(UTC)是同步的，二者之差是秒的整倍数。各基站都配有GPS接收机，保持系统中各基站有统一的时间基准，称为CDMA系统的公共时间基准。移动台通常利用最先到达并用于解调的多径信号分量建立时间基准。如果另一条多径分量变成了最先到达并用于解调的多径分量，则移动台的时间基准要跟踪到这个新的多径分量。8.1.5 IS-95 CDMA蜂窝系统的话音编码蜂窝系统的话音编码 IS-95 CDMA蜂窝系统开发的声码器采用码激励线性预测(CELP)编码算法，也称为QCELP算法。其基本速率是 8 kb/s，但是可随输入话音消息的特征而动态地分为四种，即8,4,2,1 kb/s，可以 9.6,4.8,2.4,1.2 kb/s的信道速率分别传输。发送端的编码器对输入的话音取样，产生编码的话音分组(Packet)传输到接收端。接收端的解码器把收到的话音分组解码，再恢复成话音样点。8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量蜂窝通信系统的通信容量 蜂窝通信系统能提高其频谱利用效率的根本原因是利用电波的传播损耗实现了频率再用技术。只要两个小区之间的距离大到一定程度，它们就可以使用相同的频道而不产生明显的相互干扰。首先考虑一般扩频通信系统(即暂不考虑蜂窝网络的特点)的通信容量。载干比可以表示为bbbbRWIEWIERIC/00(8-1)n个用户共用一个无线频道，每一用户的信号都受到其他n-1 个用户的信号干扰。若到达一接收机的信号强度和各个干扰强度都一样，则载干比为0/111IERWnnICbb(8-2)(8-3)通常n1,故C/I1/n，即 0/IERWnbb(8-4)1.话音激活期的影响话音激活期的影响 人类对话的特征是不连续的，对话的激活期(占空比d)通常只有35%左右。当许多用户共享一个无线频道时，如果利用话音激活技术，使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。这就是说，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。dGIERWnbb0/(8-5)令话音的占空比为d,则式(8-4)变成 dGIERWnbb0/(8-6)2.扇区的作用扇区的作用 在CDMA蜂窝系统中，采用有向天线进行分区能明显地提高系统容量。比如，用 120的定向天线把小区分成三个扇区，可以把背景干扰减小到原值的 1/3,因而可以提高容量 3倍。FDMA蜂窝系统和TDMA蜂窝系统利用扇形分区同样可以减小来自共道小区的共道干扰，从而减小共道再用距离，以提高系统容量，但是达不到像CDMA蜂窝系统那样，分成三个扇区系统容量就会增大 3 倍的效果。3.邻近小区的干扰邻近小区的干扰 (1)正向传输。在一个小区内部，同一基站不断地向所有通信中的移动台发送信号。任一移动台在接收有用信号时，基站发给所有其他用户的信号都要对这个移动台形成干扰。图 8-2 CDMA系统中移动台受干扰的情况 假设各小区的基站都同时向n个用户发送功率相等的信号，在三个小区的交界处(图中x处)，来自本基站的有用信号功率为ar-4(a为比例常数，r为小区半径)；来自本基站的干扰信号功率为a(n-1)r-4；来自紧邻 2 个基站(图中的)的干扰信号功率为 2anr-4;来自较远 3 个基站(图中的)的干扰信号功率为3an(2r)-4;来自更远 6 个基站(图中的)的干扰信号功率为 6an(2.63r)-4。比这些基站更远的干扰可以忽略，于是得到载干比的表示式如下：nnnranrananrrnaarIC/3.03.3113.31)63.2(6)2(32)1(44444(8-7)通常发射机的最大功率是根据最大通信距离进行计算的。这里，基站的发射功率必须保证移动台在小区交界处可以正常工作。但是，当移动台靠近基站时，如果基站仍然发射同样强的功率，则除去增大背景干扰外并无好处。为此，令基站发给每一个用户i的功率Pi根据移动台和基站的距离ri进行调整。距离越大，功率越大；反之，则越小。即iirP(8-8)令移动台处于小区边缘(ri=r)所需的信号功率为Pm，式(8-8)可写为2rrPPimi(8-9)假设在各个小区内，移动台的数目较多，而且是均匀分布的，根据图 8-3，可用以下公式来表示小区中的用户数目n:220rdrrnrii(8-10)图 8-3 计算小区中用户数目的示意图 式中，为一常数(与用户密度成比例)。因此，基站在增加功率控制后，发向全部用户的总功率为24220mmiiiRmPPrPdrrrrPP已知n=r2/2，所以(8-11)(8-12)因为基站在未加功率控制时，发向全部用户的总功率为nPm，所以基站增加功率控制后能把其发射的总功率降低 1/2。显然，这样做对减少系统中的多址干扰是有好处的。至此，我们再回过来计算基站增加功率控制后，移动台处于小区交界处的载干比。参考式(8-7)可得nnnnnnIC6.0656.11)63.2)(2(62)2(3)2(2)21(144(8-13)此外，不考虑邻近小区的干扰时，一个小区允许同时工作的用户数约为 n=1/(C/I)；在考虑邻近小区的干扰并且采用功率控制时，这种用户数降低为 n=0.6/(C/I),即后者是前者乘以 0.6。这结果说明CDMA蜂窝系统和其他蜂窝系统类似，也存在一种信道再用效率F=0.6。由此可把式(8-6)写成dGFIERWnbb0/(8-14)(2)反向传输。设各小区中的移动台均能自动调整其发射功率，使任一移动台无论处于小区内的任何位置上，其信号功率在到达基站时，都能保持在某一额定值即载干比的门限值。由于基站的位置是固定不变的，各移动台在其小区内是随机分布的(可以看成是均匀分布的)，因而基站附近的背景干扰不会因为某一移动台的位置变化而发生明显的变化。因此，反向功率控制应该按照传播损耗的规律来确定，即移动台(i)的发射功率(Pi)与距离(ri)的关系应该是44rrPPrPimiii用与式(8-9)相同的表示方法，可得(8-15)(8-16)nnnnnIC1181261118126)1(132321(8-17)从图8-4 可见，围绕某一小区y的四周，有 6 个距离最近的小区，它们构成的环路用表示；在这 6 个小区外面，有 12 个距离较远的小区，它们构成的环路用表示；依此类推。各小区中的移动台都根据它与各自基站的距离调整其功率，显然要计算邻近小区中各移动台对环路中心小区y的干扰并不简单。可以把来自一个邻近小区中所有移动台的干扰等效成由其基站发射来的干扰，因而小区y的基站收到的载干比为 式中，1,2,3是分别对应于环路,的比例常数。由此可得信道再用效率321812611F采用数值计算或仿真技术，可以算出F的值大约是 0.65。(8-18)图 8-4 CDMA系统中基站受干扰的情况 由此可见，反向传输和正向传输的信道再用效率大致一样。也就是说，作为通信容量的估算公式(8-14)，既可用于正向传输，也可用于反向传输。几种蜂窝通信系统的通信容量的比较如下：模拟FDMA系统 总频段宽度：1.25 MHz (AMPS)频道间隔：30 kHz 信道数目：1.25106/(30103)=41.7 每区群小区数：7 通信容量：41.7/7=6 TDMA系统 总频段宽度：1.25 MHz 频道间隔：30 kHz 每载频时隙数：3 信道数目：31.25106/(30103)=125 每区群小区数：4 通信容量：125/4=31.25 CDMA系统 总频段宽度：1.25 MHz 扇形分区数：3 通信容量：120 以n表示通信容量，三种系统的比较结果可以写成23 n(CDMA)=20 n(FDMA)=4 n(TDMA)(8-19)8.3 IS-95 CDMA蜂窝系统的无线传输蜂窝系统的无线传输 8.3.1 信道组成信道组成 在CDMA蜂窝系统中，除去要传输业务信息外，还必须传输各种必需的控制信息。为此，CDMA蜂窝系统在基站到移动台的传输方向上设置了导频信道、同步信道、寻呼信道和正向业务信道，在移动台到基站的传输方向上设置了接入信道和反向业务信道。这些信道的示意图如图 8 -5 所示。图 8-5 CDMA蜂窝系统的信道示意图 1.导频信道导频信道 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区切换。2.同步信道同步信道 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敷应用时，此同步信道也可临时改作业务信道使用。3.寻呼信道寻呼信道 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他指令。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.正向业务信道正向业务信道 正向业务信道共有四种传输速率(9600，4800，2400，1200 b/s)。业务速率可以逐帧(20 ms)改变，以动态地适应通信者的话音特征。5.接入信道接入信道 当移动台没有使用业务信道时，接入信道提供移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，以相互传送指令、应答和其他有关的信息。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。每个寻呼信道所支持的接入信道数最多可达 32 个。6.反向业务信道反向业务信道 与正向业务信道相对应。8.3.2 正向传输正向传输 CDMA信道综合使用频分和码分多址技术。所谓频分，是指把可供使用的频段分成若干个宽为 1.25 MHz的频道，它是传输扩频调制信号所需的最小带宽。在建网初始阶段，一个CDMA蜂窝服务区可以只占用一个这样的频道，以后随着通信业务量的增多，一个CDMA 蜂窝服务区可以占用多个这样的频道，使各个基站以频分方式使用这些频道。所谓码分，是指用正交沃尔什函数来区分不同用途的信道(如导频信道、同步信道、寻呼信道)，并用一对伪码的不同偏置进行四相调制来区分不同基站发出的信号。图 8-6 是正向CDMA信道的功能框图。在上面已经介绍过，正向CDMA信道包含1个导频信道，1个同步信道(必要时可以改作业务信道)，7个寻呼信道(必要时可以改作业务信道)和 55 个(最多 63 个)正向业务信道。图 8-6 正向CDMA信道的功能框图1.数据速率数据速率 同步信道的数据速率为1200 b/s，寻呼信道为 9600 b/s 或 4800 b/s，正向业务信道为 9600,4800,2400,1200 b/s。2.卷积编码卷积编码 数据在传输之前都要进行卷积编码，卷积码的码率为 1/2，约束长度为 9。3.码元重复码元重复 对于同步信道，经过卷积编码后的各个码元，在分组交织之前，都要重复一次(每码元连续出现 2 次)。对于寻呼信道和正向业务信道，只要数据率低于 9600 b/s,在分组交织之前都要重复。速率为 4800 b/s时，各码元要重复一次(每码元连续出现 2 次);速率为 2400 b/s时，各码元要重复 3 次(每码元连续出现 4 次);速率为 1200 b/s时，各码元要重复 7 次(每码元连续出现 8 次)。4.分组交织分组交织 所有码元在重复之后都要进行分组交织。同步信道所用的交织跨度等于 26.666 ms，相当于码元速率为 4800 s/s时的 128 个调制码元宽度。交织器组成的阵列是 8 行16 列(即 128 个单元)。寻呼信道和正向业务信道所用的交织跨度等于 20 ms，这相当于码元速率为 19 200 s/s 时的 384 个调制码元宽度。交织器组成的阵列是 24 行16 列(即 384 个单元)。5.数据掩蔽数据掩蔽 数据掩蔽用于寻呼信道和正向业务信道，其作用是为通信提供保密。掩蔽器把交织器输出的码元流和按用户编址的PN序列进行模 2 相加。011011001010000010000222222420HHHHHHHH6.正交扩展正交扩展 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。这种沃尔什函数的 6464 矩阵可用以下的循环步骤产生：10010100001111100101100011110010011001001100111010101000000000104444428HHHHHH76543210NNNNNHHHHH2（-）7.四相扩展四相扩展 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。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。0 偏置引导PN序列必须在时间的偶数秒(以基站传输时间为基准)起始传输，其他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，偏置指数为 15 时，引导PN序列的偏离时间为 781.25s，说明该PN序列要从每一偶数秒之后 781.25s 开始。引导PN序列有两个：I 支路PN序列和Q支路PN序列，它们的长度均为 215(32 768)个子码。其构成是以下面的生成多项式为基础的：PI(x)=x15+x13+x9+x8+x7+x5+1PQ(x)=x15+x12+x11+x10+x6+x5+x4+x3+1(8-21)引导PN序列的周期长度是 32 768/1 228 800=26.66 ms,即每 2 秒有 75 个PN序列周期。信号经过基带滤波器之后，按照表 8-2 的相位关系进行四相调制。两个支路的合成信号具有图 8-7 所示的相位点和转换关系。显然，它和典型的四相相移键控(QPSK)具有相同的信号相量图。值得注意的是，这里的四相调制是由两个不同的PN序列直接对输入码元进行扩展而得到的。(输入码元未经串/并变换。)表表 8-2 正向正向CDMA信号的信号的 图 8-7 正向CDMA信道的信号相位点及其转换关系8.信道参数信道参数 表 8-3、表 8-4 和表 8-5 分别是同步信道参数、寻呼信道参数和正向业务信道参数。表 8-3 同步信道参数表 8-4 寻呼信道参数表表 8-5 正向业务信道参数正向业务信道参数8.3.3 反向传输反向传输 反向CDMA信道由接入信道和反向业务信道组成。每个接入信道用不同码序列来区分，每个反向业务信道也用不同的码序列来区分。图 8-8 是反向 CDMA信道的电路框图。图 8-8 反向 CDMA 信道的电路框图1.数据速率数据速率 接入信道用 4800 b/s的固定速率。反向业务信道用 9600，4800，2400和 1200 b/s的可变速率。两种信道的数据中均要加入编码器尾比特，用于把卷积编码器复位到规定的状态。此外，在反向业务信道上传送 9600 b/s和 4800 b/s数据时，也要加质量指示比特(CRC校验比特)。2.卷积编码卷积编码 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，卷积码的码率为 1/3，约束长度为 9。3.码元重复码元重复 反向业务信道的码元重复方法和正向业务信道一样。数据速率为 9600 b/s时，码元不重复；数据速率为 4800、2400 和 1200 b/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 28 800 码元每秒。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 4800 b/s，所以每一码元只重复 1 次，而且两个重复码元都要发送。4.分组交织分组交织 所有码元在重复之后都要进行分组交织。分组交织的跨度为 20 ms。交织器组成的阵列是32 行18 列(即 576 个单元)。5.可变数据速率传输可变数据速率传输 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，而删除其他重复的码元。这种过程如图 8-9所示。由图可见，传输的占空比随传输速率而变：当数据速率是 9600 b/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；当数据速率是 4800 b/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20 ms的帧分成 16 个等长的段，即功率控制段，每段1.25 ms，编号从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，见图 8-10。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b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 b10b11b12b13在图 8-9 的例子中,它们对应的比特取值为 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 数据猝发随机化算法如下：数据速率为 9600 b/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数据速率为4800 b/s时，所用的功率控制段为 b0,2+b1,4+b2,6+b3,8+b4,10+b5,12+b6,14+b7数据速率为 2400 b/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)图 8-9 反向CDMA信道的可变数据率传输举例数据速率为 1200 b/s时，所用的功率控制段为b0(如b8=0和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)图 8-10 接入信道传输结构6.正交多进制调制正交多进制调制 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。沃尔什函数的构成见式(8-20)。调制码元的传输速率为 28 800/6=4800 s/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 644800=307.2 kc/s，相应的子码宽度为 3.255 s。7.直接序列扩展直接序列扩展 在反向业务信道和接入信道传输的信号都要用长码进行扩展。前者是数据猝发随机化产生器输出的码流与长码模 2 相加；后者是六十四进制正交调制器输出的码流和长码模 2 相加(参考图 8-8)。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：P(x)=x42+x35+x33+x31+x27+x26+x25+x22+x21+x19+x18+x17+x16+x10+x7+x6+x5+x3+x2+x1+1 (8-22)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 内乘而产生的，见图 8-11。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 8-12。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 8-11 长码产生器图 8-12 掩码格式ESN的置换规则如下：ESN=(E31,E30,E29,E28,E27,E26,E2,E1,E0)置换后的ESN为 ESN=(E0,E31,E22,E13,E4,E26,E17,E8,E30,E21,E12，E3,E25,E16,E7,E29,E20,E11,E2,E24,E15,E6,E28,E19,E10,E1,E23,E14,E5,E27,E18,E9)8.四相扩展四相扩展 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引导PN序列。如图 8-8 所示，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 个子码宽度(409.901 ns)，再送入基带滤波器。信号经过基带滤波器之后，按照表8-2所示的相位关系进行四相调制。合成信号的相位点及其转换关系如图 8-13 所示。图 8-13 反向CDMA信道的信号相位点及其转换关系 9.信道参数信道参数 表 8-6 和表 8-7 分别给出了反向业务信道参数和接入信道参数。表表 8-6 反向业务信道参数反向业务信道参数 表表 8-7 接入信道参数接入信道参数*8.4 IS-95 CDMA蜂窝系统的消息格式蜂窝系统的消息格式和信道结构和信道结构 8.4.1 导频信道导频信道 导频信道发送的是未调制的扩频信号。移动台从导频信道获取同步信道PN码的同步和交织帧定时。捕获导频信道码序列是移动台获得系统定时过程的第一步。导频信道的扩展频谱码序列是长为215(32 768子码)的PN码，子码速率为1.2288Mc/s，序列重复时间为32 768/1.2288 MHz(=26.666 ms)，因而在每个2秒中，导频信道恰好重复75次。基站在所有时间内都在激活的正向CDMA信道上发送导频信号。基站利用引导PN序列不同的时间偏置来区分正向CDMA信道。在一个CDMA蜂窝系统中引导PN序列可以再用。8.4.2 同步信道同步信道 同步信号是经过编码、交织、扩展调制的扩频信号，数据速率是 1200 b/s。同步信道消息由长度域、消息正文域和CRC域构成，如图 8-14 所示。在同步信道消息之后加上填充比特，以形成同步消息容器，使其总长度等于 93 bit的整倍数，以便与同步信道结构相协调，填充比特均置“0”，且不进行CRC校验。图 8-14 同步信道消息结构 长度域以八进制数值表示同步消息的长度(含长度域、消息正文域和CRC域)，长度域共计8 bit，因此，同步信道消息的最大长度为8255=2040 bit。CRC域长 30 bit，其生成多项式如下：g(x)=x30+x29+x21+x20+x15+x13+x12 +x11+x8+x7+x6+x2+x+1 (8-23)同步信道结构如图 8-15 所示。信道被划分成若干个超帧，超帧长 80 ms，含96 bit。每个超帧分为三个同步信道帧，帧长 80/3=26.666 ms。各帧的第一个比特为信息启动(SOM)比特。根据需要，用几个同步信道超帧传输一个同步消息容器，每个容器中第一个同步信道帧的SOM置“1”,而把其后的所有SOM均置“0”。容器中应包括足够的填充比特，以把它延伸到后面新的同步信道容器第一个SOM的前一比特。图 8-15 同步信道结构在同步信道上传送的消息只能从同步信道超帧的起点处开始。当使用 0 偏置引导PN序列时，同步信道超帧要在偶数秒的时刻开始，也可在其后距离为三个同步信道帧或其倍数时刻开始；当所用的引导PN序列不是 0 偏置PN序列时，同步信道超帧将在偶数秒加上引导PN序列偏置时间的时刻开始，参见图 8-16 的正向信道引导PN序列偏置。图 8-16 正向信道引导PN序列偏置 8.4.3 寻呼信道寻呼信道 寻呼信号也是经过编码、交织、扩展调制的扩频信号，数据速率为 9600 b/s或者 4800b/s(不支持 2400 b/s和 1200 b/s)。在一给定的系统中，所有寻呼信道均以相同的速率发送信息。寻呼信道消息由长度域、消息正文域和CRC域构成，如图 8 -17 所示。图 8-17 寻呼信道消息结构长度域以八进制数值指示寻呼信道消息的长度(含长度域、消息正文域和CRC域)。长度域共计 8 bit，但是基站要限制寻呼信道消息的最大长度为 1488=1184 bit，因而长度域的最大值不超过 148。CRC域含 30 bit，其生成多项式和同步信道一样。寻呼信道结构如图 8-18 所示。图 8-18 寻呼信道结构 寻呼信道容器由寻呼信道消息和填充比特组成。填充比特均置“0”，其长度视需要而定。寻呼信道消息容器可以是同步的，也可以是非同步的。同步容器要从寻呼信道半帧的第二个比特开始，非同步容器要紧接着前面的消息容器立即开始。对后一种情况而言，前一个消息容器不加任何的填充比特(填充长度为零)，因而把这种寻呼信道消息称作是毗邻寻呼信道消息。同步容器可使移动台易于和消息流同步，毗邻寻呼消息在一定条件下(比特差错率低时)可得较大的寻呼信道容量。当一个寻呼信道消息结束后而在下一个SCI比特之前，余下的比特数等于或多于 8 时，基站可以紧跟这个消息立即发送一个非同步消息容器，而且这个被跟随的消息容器不再包含任何的填充比特。当一个寻呼信道消息结束后而在下一个SCI比特之前，余下的比特数少于 8 时，或者没有非同步消息容器要跟着发送时，基站要在该消息容器中设置足够的填充比特，使之扩展到下一个SCI比特的前一个比特，然后跟随该SCI比特立即发送一同步消息容器。基站要把在每个寻呼信道时隙中出现的第一个消息以同步消息容器的形式发送，使得以时隙模式工作的移动台在激活之后立即获得同步。寻呼信道数据要用寻呼信道长码进行掩蔽，掩码格式见图 8-19。图 8-19 寻呼信道掩码格式 8.4.4 正向业务信道正向业务信道 在通话期间，基站用正向业务信道给移动台传送业务信息和信令信息。基站在正向业务信道上以可变速率 9600、4800、2400 或 1200 b/s传送信息，数据速率可以逐帧选择。虽然数据速率可以逐帧改变，但调制码元速率(靠码字重复)仍保持恒定，即为 19 200 s/s。由于码字重复的原因，较低数据速率的调制码元可以用较低能量(Es)发送。具体如表 8-8 所示。表 8-8 码元能量与数据图 8-20 正向业务信道的消息结构 消息长度消 息 正 文CRC161160 bit8 bit16 bit 长度域用八进制数值指示消息长度(含长度域、消息正文域和CRC域)。长度域共计 8 bit，最小值等于 5，即消息长度为 58=40 bit，最大值等于 148；即消息长度为 1488=1184 bit。CRC域共含 16 bit，其生成多项式为 g(x)=x16+x12+x5+1 (8-24)同样，在消息结构后面附加必需的填充比特，以形成正向业务信道的消息容器。正向业务信道划分成宽度为 20 ms的业务信道帧。根据数据速率的不同，这种帧结构如图 8-21 所示。图 8-21 正向业务信道帧结构 数据速率为 9600 b/s或 4800 b/s时，分别使用 12 bit或 8 bit的帧质量指示(CRC)，其生成多项式分别为 g(x)=x12+x11+x10+x9+x8+x4+x+1 g(x)=x8+x7+x4+x3+x+1 (8-25)正向业务信道掩码格式如图 8-22 所示。1100011000变换后的电子序列号码4132310图 8-22 正向业务信道掩码格式图 8-23 数据速率为 9600 b/s时，正向业务信道在一帧中的信息复接 表 8-9 列出的是在各种数据速率时，用于“复接选择 1”的正向业务信道的业务复接。其中带*号的是可选项。表 8-9 用于“复接选择 1”的正向业务信道的业务复接 在正向业务信道帧中，第一个信令业务比特称作消息启动(SOM)比特。如果一正向业务信道消息在一帧中开始，基站要把此比特置“1”；如果此帧中包含的正向业务信道消息是在前一帧中开始，基站要把这 SOM 比特置“0”。如果帧中所发消息的最后包含任何未用的比特，基站要把这些比特置“0”，称之为填充比特。作为例子，图 8-24 给出了一种正向业务信道结构(9600 b/s)，其中既有空白和猝发帧，也有混合和猝发帧。图 8-24 正向业务信道结构举例 8.4.5 功率控制子信道功率控制子信道 功率控制比特要在正向业务信道上连续地进行传输，每 1.25 ms发送 1 bit(“0”或“1”),实际速率为 800 b/s。“0”比特表示移动台要增大其平均功率，“1”比特表示移动台要减少其平均功率。基站的反向业务信道接收机在 1.25 ms的时间间隔内(相当于 24 个调制码元宽度)，对特定移动台来的信号强度进行估值，并根据此估值来确定控制比特应该取“0”还是取“1”，然后采用插入技术，把此控制比特嵌入正向业务信道中进行传输。把 20 ms的时间间隔分成 16 个功率控制段，每段宽 1.25 ms，编号从 0 到 15。当基站在某一功率控制段从反向业务信道中估计出信号的强度时，它跟着就在此功率控制段的后面，把功率控制比特由另一功率控制段插入正向业务信道中。例如，在图 8-25 中，信号在编号 5 的功率控制段中从反向业务信道被收到，功率控制比特将在编号 5+2=7 的功率控制段中，由正向业务信道进行传输。图 8-25 功率控制子信道的构成一个功率控制比特的宽度严格地等于两个调制码元的宽度，即21/19 200=104.166 s。因此，每一功率控制比特要占用正向业务信道中 2 个调制码元的位置，它是受数据掩蔽长码控制的。由图 8-25 可见，在1.25 ms的期间内，功率控制比特可以有 24 个开始位置，但只利用其中前面的 16 个之一作为开始位置，编号从 0 到 15。数据掩蔽长码经 64 次分频后，在 1.25 ms内共有 24 个掩蔽比特，编号从 0 到 23。因为4个二进制比特可编成 24=16 个十进制数值，所以这里只用24个掩蔽比特的最后4位(即 23、22、21、20)的取值确定功率控制比特的开始位置。比如，在图8-25 中，它们的取值依次为 1011,相当于十进制数值 11,于是功率控制比特的位置编号是 11。8.4.6 接入信道接入信道 移动台利用接入信道启动与基站的通信和响应寻呼信道所传送的消息。接入信道使用随机接入协议，数据速率固定为 4800 b/s。对应于正向CDMA信道上的每个寻呼信道，在反向CDMA信道上至少存在一个接入信道，最多可达 32 个，编号从 0 到 31。每个接入信道只和单一的寻呼信道相联系，使得在接入信道上传送的消息能在相应的寻呼信道上得到响应，而在寻呼信道上发送的消息也能在相应的接入信道上得到响应。接入信道的消息结构如图 8-26 所示，它也由消息长度域、消息正文域和CRC域组成。消息长度域长 8 bit，因为移动台限定消息长度域的值不超过 110，故接入信道消息的最大长度(含消息长度域、消息正文域和CRC域)为 8110=880 bit。图 8-26 接入信道的消息结构 CRC域长 30 bit，其生成多项式和前述同步信道一样。接入信道消息容器由接入信道消息和填充比特组成，填充比特置“0”，其长度根据需要而定。接入信道分成若干个时隙(AS1,AS2,ASn,)，时隙由消息容器和报头组成，其结构如图 8-27 所示。消息容器含(3+MAX-CAP-SZ)个接入信道帧，报头含(1+PAM-SZ)个接入信道帧。图中MAX-CAP-SZ取 0，PAM-SZ取 1。图 8-27 接入信道时隙结构88888 bit96 bit（20 ms）T接入信道的帧结构如图 8-28 所示，每帧长 20 ms，含 96 bit，其中信息比特 88 个，编码尾比特 8 个。图 8-28 接入信道的帧结构接入信道报头由包含 96 个“0”的帧组成，其作用是帮助基站捕获接入信道。接入信道报头在时隙开始处发送，其后跟着发送接入信道消息容器。接入信道时隙是接入信道帧的整倍数，长度不超过 4+MAX-CAP-SZ+PAM-SZ个接入信道帧。接入信道时隙在接入信道帧的分界处开始和结束,和一特定寻呼信道结合的所有接入信道具有相同的时隙尺寸。不同基站的接入信道时隙可以用不同的长度，因而移动台在传输之前要判定其所用接入信道时隙的长度和开始时间。由此而构成的接入信道结构如图8-29 所示。图中 NfS是消息传输所需要的接入信道帧数，T是编码尾比特。图 8-29 接入信道结构举例8.4.7 反向业务信道反向业务信道 移动台在通信过程中用反向业务信道向基站传输话音、数据和信令信息，因而它的许多特征和正向业务信道一样。反向业务信道也以可变数据速率 9600、4800、2400、1200 b/s传送信息，帧长也是 20 ms，数据速率也可逐帧选择。反向业务信道的帧结构与正向业务信道的帧结构完全一样，见图 8-21。反向业务信道的消息结构如图 8-30 所示，包括消息长度域、消息正文域和CRC域。消息长度消 息 正 文CRC162016 bit8 bit16 bit图 8-30 反向业务信道的消息结构消息长度域含 8 bit,以八进制数值表示消息长度，其最小值为 5,即消息长度为 58=40 bit；最大值为 255，即消息长度为 2558=2040 bit。CRC域含 16 bit，其生成多项式见式(8-24)。反向业务信道报头由 192 个“0”的帧组成(不含帧质量指示比持)，以 9600 b/s的速率传送，其作用是帮助基站完成反向业务信道的初始捕获。当没有服务选择被激活的时候，移动台也发送一种无值业务数据，以保持基站和移动台的连接性。无值业务数据由包含 16 个“1”、跟着 8 个“0”的帧组成，以 1200 b/s的速率发送。移动台要支持“复接选择 1”。其信息比特复接方式与正向业务信道相同，见图 8-23 和表 8-9。移动台可以使用一个或多个反向业务信道帧发送消息。反向业务信道帧中的第一个信令业务比特是消息开始(SOM)比特。如果此信令消息在当前帧开始，移动台要把其SOM比特置“1”;如果当前帧所含的信令消息是从前一帧开始的，移动台要把其SOM比特置“0”。如果用来发送一消息的最后帧中含有未用的比特，移动台要把这些比特的每一个都置成“0”，这种比特即填充比特。8.5.1 登记注册登记注册 登记注册是移动台向基站报告其位置状态、身份标志和其他特征的过程。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。显然，注册是蜂窝通信系统在控制和操作中不可少的功能。8.5 IS-95 CDMA蜂窝系统的控制功能蜂窝系统的控制功能IS-95 CDMA系统支持以下几种类型的注册：(1)开电源注册。移动台打开电源时要注册，移动台从其他服务系统(如模拟系统)切换过来时也要注册。为了防止电源因连续多次接通和断开而需多次注册，通常移动台在打开电源后要延迟 20 s才予以注册。(2)断电源注册。移动台断开电源时要注册，但只有它在当前服务的系统中已经注册过后才能进行断电源注册。(3)周期性注册。为了使移动台按一定的时间间隔进行周期性注册，移动台要设置一种计数器。计数器的最大值受基站控制。当计数值达到最大(或称计满、终止)时，移动台即进行一次注册。(4)根据距离注册。如果当前的基站和上次注册的基站之间的距离超过了门限值，则移动台要进行注册。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。(5)根据区域注册。为了便于对通信进行控制和管理，把蜂窝通信系统划分为三个层次，即系统、网络和区域。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)。图 8-31 系统与网络的示意图(6)参数改变注册。当移动台修改其存储的某些参数时，要进行注册。(7)受命注册。基站发送请求指令，指挥移动台进行注册。(8)默认注册。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，这叫做默认注册。(9)业务信道注册。一旦基站得到移动台已被分配到一业务信道的注册信息时，则基站通知移动台它已被注册。8.5.2 切换切换 基站和移动台支持三种切换方式。(1)软切换：移动台开始与新的基站通信但不立即中断它和原来基站通信的一种切换方式。软切换只能在同一频率的CDMA信道中进行。软切换是CDMA蜂窝系统独有的切换功能，可有效地提高切换的可靠性，而且若移动台处于小区的边缘上，软切换能提供正向业务信道分集，也能提供反向业务信道的分集，从而保证通信的质量(说明见后)。(2)CDMA到CDMA的硬切换：当各基站使用不同频率或帧偏置时，基站引导移动台进行的一种切换方式。(3)CDMA到模拟系统的切换：基站引导移动台由正向业务信道向模拟话音信道切换。同一CDMA信道的导频分为四类。(1)激活组：和分配给移动台的正向业务信道结合的导频。(2)候补组：未列入激活组，但具有足够的强度表明它与正向业务信道结合并能成功地被解调。(3)邻近组：未列入激活组和候补组，但可作为切换的备用导频。(4)剩余组：未列入上述(1)、(2)、(3)组的导频。当移动台驶向一基站，然后又离开该基站时，移动台收到该基站的导频强度先由弱变强，接着又由强变弱，因而该导频信号可能由邻近组和候补组进入激活组，然后又返回邻近组，见图8-32。在此期间，移动台和基站之间的信息交换如下：(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，并把导频转换到候补组。(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“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。图 8-32 切换门限举例下面概要地说明软切换的优点。(1)在一般模拟蜂窝系统中，当基站发现某一移动台发来的信号强度低到门限以下时，表明移动台已接近小区的边缘，于是基站就询问系统控制器是否有其他基站能收到这个移动台的信号而且有足够的强度。(2)软切换为在CDMA通信系统中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，移动台搜索并解调这些信号，即可按一定的方式(比如最大比值合并方式)进行分集合并。8.5.3 呼叫处理呼叫处理 1.移动台呼叫处理移动台呼叫处理 移动台呼叫处理状态如图 8-33 所示。(1)移动台初始化状态。移动台接通电源后就进入初始化状态。在此状态下，移动台首先要判定它要在模拟系统中工作还是要在CDMA系统中工作。图 8 33 移动台呼叫处理状态(2)移动台空闲状态。移动台在完成同步和定时后，即由初始化状态进入空闲状态。在此状态下，移动台可接收外来的呼叫，可进行向外的呼叫和登记注册的处理，还能置定所需的码信道和数据率。移动台的工作模式有两种:一种是时隙工作模式，另一种是非时隙工作模式。如果是后者，移动台要一直监听寻呼信道；如果是前者，移动台只需在其指配的时隙中监听寻呼信道，其他时间可以关掉接收机(有利于节电)。(3)系统接入状态。如果移动台要发起呼叫，或者要进行注册登记，或者收到一种需要认可或应答的寻呼信息，移动台即进入系统接入状态，并在接入信道上向基站发送有关的信息。这些信息可分为两类：一类属于应答信息(被动发送)；一类属于请求信息(主动发送)。(4)移动台在业务信道控制状态。在此状态下，移动台和基站利用反向业务信道和正向业务信道进行信息交换。其中比较特殊的是：为了支持正向业务信道进行功率控制，移动台要向基站报告帧错误率的统计数字。如果基站授权它作周期性报告，则移动台要在规定的时间间隔内，定期向基站报告统计数字；如果基站授权它作门限报告，则移动台只在帧错误率达到了规定的门限时，才向基站报告其统计数字。周期性报告和门限报告也可以同时授权或同时废权。为此，移动台要连续地对它收到的帧总数和错误帧数进行统计。无论移动台还是基站都可以申请“服务选择”。基站在发送寻呼信息或在业务信道工作时，能申请服务选择。移动台在发起呼叫、向寻呼信息应答或在业务信道工作时，都能申请服务选择。如果移动台(基站)的服务选择申请是基站(移动台)可以接受的，则它们开始使用新的服务选择。如果移动台(基站)的服务选择申请是基站(移动台)不能接受的，则基站(移动台)能拒绝这次服务选择申请，或提出另外的服务选择申请，移动台(基站)对基站(移动台)所提另外的服务选择申请也可以接受、拒绝或再提出另外的服务选择申请，这种反复的过程称为“服务选择协商”。当移动台和基站找到了双方可接受的服务选择或者找不到双方可接受的服务选择，这种协商过程就结束了。2.基站呼叫处理基站呼叫处理 基站呼叫处理有以下类型：(1)导频和同步信道处理。在此期间，基站发送导频信号和同步信号，使移动台捕获和同步到CDMA信道。同时，移动台处于初始化状态。(2)寻呼信道处理。在此期间，基站发送寻呼信号。同时，移动台处于空闲状