第5章_IS-95_CDMA和cdma2000-1x系统

2019年12月18日星期三第5章IS-95CDMA和cdma2000-1x系统黑龙江大学电子工程学院2019年12月18日星期三CDMA蜂窝移动通信系统是建立在扩频码分多址技术之上的，因而具有抗人为干扰、抗窄带干扰、抗衰落，抗多径时延扩展和大的系统容量等一系列优越的性能。cdma2000-1x通过多方面的改进增强了网络的数据传输能力，用户容量进一步扩大，接入能力有了较大提升，是2.5G技术之一。2019年12月18日星期三5.1IS-95CDMA系统概述5.2IS-95CDMA数字蜂窝移动通信系统5.3IS-95CDMA系统的无线链路5.4IS-95CDMA系统的同步与定时5.5IS-95CDMA系统的功率控制5.6IS-95的软切换技术及其漫游5.7cdma2000lx目录2019年12月18日星期三5.1IS-95CDMA系统概述5.1.1IS-95CDMA的产生和发展5.1.2IS-95载波带宽的选择和蜂窝结构的变化5.1.3直扩CDMA技术带来的好处和存在的问题2019年12月18日星期三5.1.1IS-95CDMA的产生和发展IS-95CDMA的产生CDMA蜂窝系统由美国Qualcomm(高通)公司开发。1990年7月公布了最早的CDMA标准；1993年7月，正式将其确定为IS-95标准(InterimStandard，暂定标准)；随后几年，该标准经过不断的修改，又逐渐形成了IS-95A、TSB-74、STD-008、IS-95B等一系列标准。我们将基于IS-95系列标准(包括IS-95、IS-95A、TSB-74、STD-008、IS-95B)的CDMA系统称为cdmaOne系统，有时也被称为IS-95CDMA系统。2019年12月18日星期三5.1.1IS-95CDMA的产生和发展IS-95的发展世界各国和地区的发展1995年，全球第一个CDMA商用网络在香港地区开通。1996年韩国用自己的CDMA系统开展大规模商用。1999年CDMA在日本和美国形成增长的高峰期，全球的增长率高达250%，用户已达2000万。我国的发展1997年底，我国首先在北京、上海、西安、广州4个城市开通了CDMA商用实验网，该网被称作长城网。2001年1月，长城网经过资产清算后，正式移交中国联通。2002年1月中国联通CDMA网开通，后来升级到2.5G，即cdma20001x阶段。2008年5月中国电信业重组后，中国电信接管了原中国联通CDMA网络，随后升级到了3G，即cdma20001x/EV-DO阶段。手机号段为133、153、189及刚刚放号的180号段。CDG公布数据显示，截止到2009年三季度，全球cdma2000用户已增至5.12亿，其中有25%为EV-DO用户。2019年12月18日星期三IS-95标准IS-95是TIA定义的空中接口标准主要包括下列几部分:频段下行：869～894MHz(基站发射，移动台接收)；上行：824～849MHz(移动台发射，基站接收)。信道数64(码分信道)/每一载频；每一小区可分为3个扇区，可共用一个载频射频带宽:第一频道：2×1.77MHz；其它频道：2×1.23MHz。调制方式:基站：QPSK移动台：OQPSK。扩频方式:DS(直接序列扩频)。语音编码:可变速率CELP，最大速率为8kb/s，最大数据速率为9.6kb/s。每帧时间为20ms。2019年12月18日星期三IS-95标准信道编码卷积编码：下行码率R=1/2，约束长度K=9；上行码率R=1/3，约束长度K＝9。交织编码：交织间距20ms。PN码码片的速率都为1.2288Mc/s;基站识别码为m序列，周期为215-1；64个正交Walsh函数组成64个下行码分信道；上行码分信道为m序列，周期为242-1。导频、同步信道它们供移动台作载频和时间同步时使用。多径利用多径利用采用RAKE接收方式，移动台为3个，基站为4个(指3条路径、4条路径)。2019年12月18日星期三5.1.2IS-95载波带宽的选择和蜂窝结构的变化CDMA蜂窝系统频谱带宽的选择，是基于如下考虑：频谱资源的限制；系统容量；多径分离；扩频处理增益。蜂窝结构FDMA模拟蜂窝系统，其频率复用效率为1/7。TDMA数字蜂窝系统中，频率复用效率为1/3。CDMA数字蜂窝系统来说，频率复用的效率取决于相邻近小区用户的多用户干扰，考虑这些干扰后，其频率复用效率约为2/3，相当于l.5小区的区群结构。2019年12月18日星期三5.1.3采用直扩CDMA技术带来的好处和存在的问题数字蜂窝移动通信系统采用直接序列扩频CDMA技术将带来下列好处：多种形式的分集(时间分集、空间分集、频率分集)；低的发射功率：GSM为125mW(2W)，CDMA为2mW（200mW）保密性：利用扩频码的相关性来获取用户的信息，抗截获的能力强。软切换；大容量；语音激活；频率重用及扇区化；低的信噪比(Eb/N0)或载干比(C/I)，软容量。2019年12月18日星期三5.1.3采用直扩CDMA技术带来的好处和存在的问题存在的问题:远近效应和多址干扰。所谓远近效应，就是指当基站同时接收多个距离不同的移动台发来的信号时，若所有移动台发射功率相同，则离基站近的移动台将对离基站远的移动台信号产生严重的干扰。精确功率控制可以较好的解决远近效应，同时可以降低多址干扰。解决多址干扰的主要技术是多用户检测技术。2019年12月18日星期三5.1.3采用直扩CDMA技术带来的好处和存在的问题CDMA数字蜂窝系统的关键技术功率控制技术；多用户干扰分离技术；同步技术；PN地址码的选择；软切换技术；分集接收技术；语音编码技术。为了正确接收直接序列扩频信号，要求到达接收机(一般指基站接收机)输入端的多用户信号为等功率，否则，严重的远近效应将使扩频通信系统不能正常工作。所以功率控制技术是CDMA系统最为关键的技术。2019年12月18日星期三5.2IS-95CDMA数字蜂窝移动通信系统5.2.1CDMA网络结构与组成5.2.2IS-95CDMA系统接口2019年12月18日星期三5.2.1CDMA网络结构与组成图5-1CDMA蜂窝通信系统的网络结构2019年12月18日星期三5.2.1CDMA网络结构与组成网络交换子系统(NSS)网络交换子系统以移动交换机为核心，包括MSC、VLR、HLR、AUC、OMC、EIR、SMC、PSTN等设备。移动交换中心(MSC)：它是对于它所覆盖的区域的移动台进行控制、交换的功能实体，也是移动通信系统与其他公用通信网之间的接口。访问位置寄存器(VLR)：VLR连接到一个或多个MSC上，是能够动态存储用户信息的功能单元，其中用户信息是当用户位于VLR的覆盖区域之内时从用户的HLR中得到的。归属位置寄存器(HLR)：HLR是通过维护所有用户信息而对移动用户进行治理的功能单元。2019年12月18日星期三5.2.1CDMA网络结构与组成网络交换子系统(NSS)鉴权中心(AUC)它用来认证移动用户的身份并产生相应鉴权参数的功能实体。设备识别寄存器(EIR)存储有关移动台设备参数的数据库。操作维护中心(OMC)操作维护网络的正常运行的功能实体。短消息中心(SMC)存储和转发短消息的功能实体。短消息实体(SME)合成和分解消息的实体，它位于MSC，HLR和MS内。2019年12月18日星期三5.2.1CDMA网络结构与组成基站子系统(BSS)基站子系统包括基站控制器(BSC)和基站收发设备(BTS)。每个基站的有效覆盖范围即为无线小区，简称小区。小区可分为全向小区(采用全向天线)和扇形小区(采用定向天线)，常用的小区分为3个扇形区，分别用α、β和γ表示。BSC通过网络接口分别连接移动交换中心和基站收发信机(BTS)群，此外，还与操作维护中心(OMC)连接。BSC主要为大量的BTS提供集中控制和管理无线信道分配建立或拆除无线链路过境切换操作BSC无论是与MSC还是与BTS之间，其传输速率都很高，达1.544Mb/s。2019年12月18日星期三5.2.1CDMA网络结构与组成图5-2单个扇区的设备组成♪图5-2示出了单个扇形小区的设备组成方框图。由于接收部分采用空间分集方式，因此采用两副接收天线(Rx)，一副发射天线(Tx)。2019年12月18日星期三5.2.1CDMA网络结构与组成第1层是滤波器和前置低噪声放大器（LNA）。LNA主要作用是为了改善信噪比第2层是发射部分的功率放大器。第3层是全球定位系统(GPS)接收机，其作用就是起到系统定时作用。第4层是收发信机主机部分，包括发射机中的扩频、调制，接收机中的解调、解扩，以及频率合成器、发射机中的上变频、接收机中的下变频等。最底层是数字架，装有多块信道板信道板以中频与收发信机机架连接2019年12月18日星期三5.2.2IS-95CDMA系统接口系统接口：主要接口和GSM类似，只是有些接口的名称不同。MS与BSS间的接口-UmMSC与EIR间的接口-FBSS与MSC间的接口-AVLR与VLR间的接口-GMSC与VLR间的接口-BHLR与AUC间的接口-HMSC与HLR间的接口-CMSC与PSTN间的接口-AiVLR与HLR间的接口-DMSC与PDN间的接口-PiMSC与MSC间的接口-EMSC与ISDN间的接口-DiMC(短报文中心)与(SME)间的接口-M。2019年12月18日星期三5.2.2IS-95CDMA系统接口空中接口的信令协议在CDMA系统中，最重要的是空中接口(Um)标准，图5-4定义了各层的结构关系。图5-4Um接口信令层结构2019年12月18日星期三5.2.2IS-95CDMA系统接口空中接口(Um)的信令协议第一层是数字无线信道的物理层，包括与传输相关的功能，如基带调制、编码、组帧和射频调制等。第一层和第二层之间是一个复用子层，允许用户数据和信令共享数字无线信道。复用子层上面是第二层，该层信令协议的目标是在基站与移动台之间可靠传输第三层信令协议，例如消息重发、各种信道统计和复制检测。信令层是关于呼叫处理、无线信道控制和移动台控制的信令协议，如呼叫建立、切换、功率控制和移动台锁定等。2019年12月18日星期三5.2.2IS-95CDMA系统接口A接口的信令协议A接口是BSS和MSC之间的接口。A接口支持向CDMA用户提供的业务，同时允许在PLMN内分配无线资源及对这些资源的操作和维护。MAP（移动应用部分）MAP协议是移动通信系统之间操作的接口协议，它包括以MSC为中心，与其它系统模块的信令联系(例如，与另一系统的MSC、VLR)以及各系统模块彼此连接。系统间切换信息流程；自动漫游信息流程；操作、维护管理信息；信令协议；信令程序。2019年12月18日星期三5.3IS-95CDMA系统的无线链路5.3.1IS-95前向信道5.3.2IS-95后向信道2019年12月18日星期三前向链路(ForwardLink)基站到移动台方向的链路，也称为正向链路。反向链路(ReverseLink)移动台到基站方向的链路IS-95CDMA是一个频分双工(FDD)系统。前向信道和反向信道的工作频率是不同的。2019年12月18日星期三在CDMA系统中，不同的基站和同一基站的不同扇区以及同一扇区下不同的信道都是靠地址码的良好的相关性来区分的，而它们使用的频率则是完全相同的。基站地址码：PN码PN序列周期为215=32768个码片(chip)，并将此周期序列每隔64码片移位序列作为一个码，共可得到32768/64=512个码。这就是说，在1.25MHz带宽的CDMA蜂窝系统中，可区分多达512个基站(或扇区站)。基站和移动台的信道码：正交码前向信道：Walsh码后向信道：m序列