CDMA网络结构分析

1、前言所谓移动通信，是指通信双方或至少有一方处于运动中进行信息交换的通信方式，显然，这是一种人们生活和工作中非常方便、实用的通信方式。移动通信的发展已经经历了两代，第一代（ 1G）采用模拟技术的语音移动通信，第二代（2G）采用数字技术的移动通信（语音为主，低速数据）。目前，各国的蜂窝移动通信技术正在进行系统演进，演进后的系统称为2.5 代（ 2.5G），并继续朝着第三代（ 3G）和第四代（4G）方向发展。本文从基础上系统介绍了窄带（2G）CDMA网络的结构组成。本文第一章介绍了 CDMA的发展历程，第二章介绍 CDMA蜂窝移动通信网的特点及优势，第三章介绍 CDMA系统网络结构及各部分功能和原理

2、， 第四章介绍 CDMA网络中的接口，第五章介绍CDMA网络的发展趋势。第 1 章 CDMA的发展历程CDMA是码分多址 (Code Division Multiple Access)的英文缩写 , 它是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术，它的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大站期间因战争的需要而研究开发的CDMA技术，其初衷是为了防止敌方对己方通信的干扰，在战争期间广泛应用于军事干扰通信，后来由美国高通（ Qualcomm）公司将其发展为商用蜂窝移动通信技术。1995 年 , 第一个 CDMA商用系统运行之后 ,CDMA技术理论上的诸多优势在实践中

3、得到了检验 , 从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。全球许多国家和地区，包括中国香港、 韩国、日本、美国都已建有 CDMA商用网络。在美国和日本， CDMA更是成为国内的主要移动通信技术。在美国，10 个移动通信运营公司中就有7 家选用 CDMA。CDMA技术的标准经历了几个阶段。IS-95 是 CDMA ONE系列标准中最先发布的标准，真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准是 IS-95A ，这一标准支持8K 编码话音服务。其后又分别推出了支持 13K话音编码的 TSB-74标准和支持 1.9GHz的 CDMA PCS系统的 STD-008标准。随着移动通信对数据业务需求的增

4、长 ,1998 年 6 月, 美国高通公司宣布将 IS-95B 标准用于 CDMA基础平台上。 IS-95B 可提供 CDMA系统性能，并增加用户移动通信设备的数据流量，提供对 64KB/S 数据业务的支持。其后，CDMA2000成为窄带 CDMA系统向第三代系统过渡的标准。CDMA2000在标准研究的前期，提出了1X 和 1X 增强型技术代表了未来的发展方向。CDMA技术的标准化，推进了这项技术在世界范围的应用。目前，在美国、韩国、日本等国， CDMA技术已获得了较大规模的应用。在一些欧洲国家一些运营商也建起了 CDMA网络。我国 CDMA技术的发展并不迟，也有长期军用研究的技术积累， 19

5、93 年，国家 863 计划已开展对 CDMA蜂窝技术的研究。 1994 年，美国高通公司首先在天津建成了 CDMA技术实验网。 1998 年，具有 14 万容量的长城 CDMA商用实验网在北京、广州、上海、西安建成 , 并开始小部分商用。 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，为中国联通 CDMA的建设扫清了道路。 2000 年 10 月，中国联通启动 CDMA网络建设。 2001 年 12 月 22 日，联通新时空 CDMA网络建成。 2002 年 1 月 8 日，联通新时空开通放号。到2002 年 10 月，全国 CDMA用

6、户达到 400 万。 2003 年 1 月 28 日，上海联通率先开通CDMA20001X网络，标志着中国联通的CDMA移动通信全面进入2.5G 时代。CDMA是移动通信技术的发展主向。 在 2G阶段，CDMAIS-95A与 GSM在技术体制上处于同一代产品，提供大致相同的业务，但CDMA技术在通话质量好、掉话少、低辐射、健康环保等方面具有显著特色。在2.5G 阶段， CDMA20001X与 GPRS在技术上已有明显不同：在传输速率上CDMA20001X高于 GPRS；在新业务的承载上CDMA20001X比 GPRS成熟，可提供更多中、高速率的新业务；在2.5G 向 3G 技术体制的过渡上,C

7、DMA20001X向 CDMA20003X过渡比 GPRS向 WCDMA过渡更为平滑。第 2 章 CDMA蜂窝移动通信网的特点与 FDMA和 TDMA相比， CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。 CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再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，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，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(CI) 小于 1，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使 CDMA比其它系统有非常重要的优势。2.1系统容量大理

8、论上，在使用相同频率资源的情况下，CDMA 移动网比模拟网容量大20 倍，实际使用中比模拟网大10 倍，比 GSM 要大 4-5 倍。2.2系统容量的配置灵活在 CDMA系统中，用户数的增加相当于背景噪声的增加，造成话音质量的下降。但对用户数并无限制， 操作者可在容量和话音质量之间折衷考虑。 另外，多小区之间可根据话务量和干扰情况自动均衡。这一特点与 CDMA的机理有关。 CDMA是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，打个比方，将带宽想像成一个大房子，所有的人将进入惟一的大房子。如果他们使用完全不同的语言， 他们就可以清楚地听到同伴的声音而只受到一些来自别人谈话的干扰。 在这里，屋

9、里的空气可以被想像成宽带的载波， 而不同的语言即被当作编码，我们可以不断地增加用户直到整个背景噪音限制住了我们。 如果能控制住用户的信号强度，在保持高质量通话的同时，我们就可以容纳更多的用户。2.3通话质量更佳TDMA的信道结构最多只能支持4Kb 的语音编码器，它不能支持8Kb 以上的语音编码器。而 CDMA的结构可以支持13kb 的语音编码器。因此可以提供更好的通话质量。CDMA系统的声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。另外，TDMA采用一种硬移交的方式，用户可以

10、明显地感觉到通话的间断，在用户密集、基站密集的城市中，这种间断就尤为明显，因为在这样的地区每分钟会发生2 至 4 次移交的情形。而CDMA系统“掉话”的现象明显减少， CDMA系统采用软切换技术，“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。2.4频率规划简单用户按不同的序列码区分，所以不相同CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。2.5建网成本低CDMA技术通过在每个蜂窝的每个部分使用相同的频率，简化了整个系统的规划，在不降低话务量的情况下减少所需站点的数量从而降低部署和操作成本。CDMA网络覆盖范围大，系统容量高，所需基站少，降低了建网成本。CDMA数字移动技术与

11、现在众所周知的GSM数字移动系统不同。模拟技术被称为第一代移动电话技术，GSM是第二代， CDMA是属于移动通讯第二代半技术，比GSM更先进。第 3 章 CDMA系统的基本组成与 CSM系统相类似， CDMA系统也由三个独立的子系统组成：移动台（ MS）、基站子系统（ BSS）和网络交换子系统（ NSS），如图 3-1 所示。图中 A、Um、 B、 C、 D、E、H、 M、N、 O、P 等表示各功能实体之间的接口，当功能实体在各物理单元设置情况不同时，某些接口就变为内部接口，内部接口就不必遵循统一接口标准。Ai 、 Di 、为CDMA互联的接口。图 3-1CDMA 网络系统结构3.1 网络交换

12、子系统（ NSS）NSS包括 CDMA系统的移动交换中心（ MSC）、归属位置寄存器（ HLR）、访问位置寄存器（ VLR）、鉴权中心（ AUC）、消息中心（ MC）、短消息实体（ SME）、和操作维护中心（ OMC）。移动交换中心 (MSC)是码分多址移动通信系统的心脏。通过它，CDMA系统与固定市话网相连，实现固定用户与CDMA移动用户互连，以及实现CDMA系统用户的漫游。同时，它还控制着基站和移动台的工作状态，实现移动用户的互连， 移动台的各种切换等。移动交换中心（ MSC）用线路与每个基站相连。每个基站对每个声码器( 约 20ms长) 的数据组作信号质量的估算，并将估算结果随同声码器输

13、出的数据一起传送到移动交换中心。由于移动台至基站的无线链路会受到衰落和干扰的影响，从某图 3-2 MSC 结构示意图一基站到交换中心的信号有可能比从其他基站传到交换中心的质量好。交换中心把从一个基站或几个基站得到的信号送入选择器，每次通话需要一个选择器和相应的声码器，如图 3-2 所示。选择器对从两个或更多个基站传来的信号质量进行比较， 逐帧选取质量最高的信号送入声码器。声码器再把数字信号转换成 64Kbit/s 的 PCM电话信号或模拟电话信号送往固定市话网。 在相反方向，市话网用户的话音信号送往移动台时，首先接至交换中心的声码器。 MSC的控制器与每一个基站的控制器相连，检测、监视基站和移

14、动台。移动交换中心通常由两个子系统组成: 用户接口子系统和PSTN子系统。用户接口子系统的主要功能是 : 为移动用户与固定用户之间以及移动用户之间的通话提供网络连接；为声码器 / 选择器、编码器提供参考频率 / 定时；语音编、译码；管理相邻小区之间的切换；为 PSTN子系统提供接口；记录各种信息和时间、检测子系统的运行和诊断维护等。PSTN子系统主要由 PSTN控制器和交换结构组成，主要完成以下功能：提供与固定市话网的控制和业务接口；管理和执行呼叫处理；提供交换矩阵；移动用户鉴权、登记注册等。归属位置寄存器 (HLR)是记录注册用户身份特征的位置寄存器，登记的内容是用户信息。 HLR可以与 M

15、SC合设，也可以分设。合设在一起时C 接口变为内部接口。访问位置寄存器 (VLR)是 MSC作为检索信息用的位置登记器，例如，它可以处理产生或来自一个访问用户的呼叫信息。VLR可以与 MSC合设 , 也可以分设。合设在一起时 B 接口变为内部接口。鉴权中心 (AUC)是一个管理与移动台相关的鉴权信息的功能实体，AC可以与 HLR合设，也可以分设。合设在一起时H接口变为内部接口。消息中心 (MC)是一个有存储和转送短消息的实体。短消息实体 (SME)是合成和分解短消息的实体，SME可以位于 MSC、HLR或 MC内。3.2基站子系统（ BSS）基站子系统是设于某一地点、 服务于一个或几个蜂窝小区

16、的全部无线设备及无线信道控制设备的总称。基站子系统包括集中基站控制器（ BSC）和若干个基站收发信机（BTS），如图 3-3 。CBSC由码转换器（ XC）和移动管理器（ MM）组成。另外，还有与此有关的无线操作维护中心（ OMC-R）。图 3-3基站子系统基站收发信台（ BTS）BTS 是 CDMA系统无线接口的固定端设备，进行正向链路的发送信号处理和反向链路的接收信号处理。 其主要功能有：数据调制和解调， 支持无线接口 Um；提供 CDMA系统正向和反向的各种逻辑信道；正向信道功率控制和反向信道对 MS的功率控制；可将基站设置成全向或 120°扇形小区覆盖；空间分集和路径分集接收

17、；切换的实现等。BTS包括三个功能单元：射频调制解调器框架、基站接口机架、线性功率放大器机架。下面以 Motorola 商用 CDMA典型的 BTS硬件平台为例说明，如图3-4 。图 3-4 BTS框图（1） 射频调制解调器框架射频调制解调器机架至少应装入一个 CDMA信道处理器机盘，以及公共设备机盘中的某些 CDMA专用电路板。信号处理器机盘具有支持其他配置结构的标准组成形式，其中每个宽带接收机（ BBX）支持一个 CDMA载频。在一个 3 扇区的小区配置中，在每个扇区内，一个 BBX支持一个 CDMA载波，信道处理器机盘最多含有 3 个 BBX和 20 个多信道 CDMA控制器卡，可最多支

18、持 160 个 CDMA信道。 BBX对正向链路的 I 、Q数据进行 DA 变换和 QPSK调制，将其调制到 115MHz的载频上，并被上变频到选定的频道频率；对反向信号的接收有一个主用支路和一个分集支路， 两支路信号均被二次变频到中频 70MHz。因为反向链路没有导频信道，基站接收机在中频上对 OQPSK信号作非相干解调，输出经 AD变换得到 I 、Q数据。在基站分配卡上进行分集合并，然后送至能提供 IS-95 规范的各种逻辑信道 （导频信道除外） 的全部基带信号信号处理功能的多信道控制器中。例如，在正向链路中，多信道控制器进行同步信道、寻呼信道、业务信道中包括信道编码、 长码扩频和 Wal

19、sh 扩频等全部基带信号处理。 多信道控制器对反向链路信号进行由四个单路径接收支路组成的RAKE接收，在空间分集基础上增加多径接收。输出数据经反交织、维特比译码。基站 RAKE接收机的任务是短 PN 码解扩和 64-aryWalsh 函数码解扩、等增益合并多径信号，为维特比译码提供软判决信息。（2） 基站接口机架基站接口机架提供如下连接： 在射频接收路径上基站天线和射频解调器机架间的连接；在射频发射路径上提供基站天线和线性功率放大器机架间的连接。（3） 线性功率放大器机架线性功率放大器采用并行配置的激励放大器和末级功率放大器。当任何一个功率放大器出现故障时，只会使输出功率减少，不会使线性功率放

20、大器失效。集中基站控制器（ CBSC）CBSC包括两个单元：移动管理器（MM）和码转换器 (XC) 。移动管理器（ MM）和无线操作维护中心（OMC-R）一起实现以下的操作和维护功能：配置管理、故障管理、事件告警管理、性能测试、安全管理、初始化和设备状态管理。呼叫处理控制、射频信道分配、交换控制以及码转换器控制等均由移动管理器（MM）来完成。呼叫处理控制和系统间的切换（切换到模拟）控制是和移动交换中心（MSC）一起共同完成的。码转换器（ XC）在 BSS的移动管理器（ MM）控制下工作，码转换器（ XC）有如下功能：（ 1）执行 64Kbit s 的 PCM数字话音与在 BTS中传输的 QCE

21、LP编码话音之间的转换。（ 2）对 BTS的可变速率换音编码。在寻呼信道和业务信道， XC根据信息负荷大小而改变 ( 降低 ) 到 BTS的编码数据速率。（3）提供交换矩阵，在 BTS和 MSC之间的控制、业务信道路由交换。(4) 到 BTS的 E1 接口上的话音编码信号复用传输。(5) 软切换。将参与软切换的所有 BTS反向业务信道信息，选其最好的送至 MSC；将正向业务信道信息分配到所有参与软切换的BTS，又分集作用。实际系统中， XC一般被至于 BSS与 MSC间的 MSC一侧，作为 MSC中移动用户接口子系统中的功能构成，起作用还有：（ 6）提供 MSC(XC)、 BSS之间的接口。（

22、 7）当移动台呼叫移动台时，编码话音在 XC中被选择通过而不再实行码转换，避免两次编译码只是话音质量降低。无线操作维护中心（ OMC-R）OMC-R是对 BTS机架的操作维护终端， 负责软件装载、 扩充 BTS频道、故障检测、配置管理、性能测试等。3.3 移动台（ MS）码分系统的移动台是双模式移动台，是与模拟系统兼容的。 移动台既能工作于数字 CDMA蜂窝移动通信系统，又能工作与模拟蜂窝移动通信系统移动台中相当与有两套收发信设备，一套工作模拟，一套工作于数字 CDMA。他们之间的转换是由微处理器来控制的。图 3-4 双模式移动台原理图图 3-4 是双模式移动台的原理图。 移动台使用一副天线，

23、 通过双工器与收发两端相连。在模拟前端包含了功率放大、 频率合成及射频和中频放大处理电路等。 通过频率合成器，移动台可以把工作频率调整到任意一个 CDMA频道或模拟系统的频道上去。中频放大处理电路中使用一个声表面波（ SAW）带通滤波器，带宽约为 1.25MHz。当移动台工作在 CDMA接收模式时，中频滤波器输出信号首先经过模 / 数（ D/A）变换成数字信号， 此数字信号送给四个相关接收机。 其中一个用于搜索， 其余三个用于数据接收。数字化的中频信号包含许多由相邻小区基站发出的具有相同导频频率的呼叫信号。数字接收机用适当的伪随机序列进行相关解调。 相关处理获得的处理增益增加了匹配信号的信噪比

24、， 而抑制了其他信号。 使用距离基站最近的导频载波作为相位参考对相关的解调器输出的信号进行信息解调，从而获得编码数据符号序列。 这里采用三个相关接收机（ Rake 接收），并行接收三路不同路径信号，输出信号再进行路径分集合并。解调后的数据首先进行反交织，在用维特比（Viterbi）译码器进行前向纠错译码，得到的用户数据由声码器变成语音。发送过程与之相反。第 4 章 CDMA网络中的接口4.1 CDMA网络中的接口如图 4-1 所示 ,CDMA系统网络结构符合典型的数字蜂窝移动通信的网络结构由基站子系统、移动台子系统三大部分组成。基站子系统BTS、 BSC和为基站提供 OAM功能的 BSM。交换

25、子系统包括移动交换中心、归属寄存器/ 识别中心、短信息服务、操作维护与管理中心等部分。图 4-1 CDMA 系统的接口在上述部分中 , 存在着几个重要接口。（ 1）空中接口：基站与移动台之间的信号互通。（ 2） A 接口：基站子系统与交换子系统的接口，主要传递移动台管理、基站管理、移动性管理、接续管理等功能。(3)Abis接口：基站子系统中基站控制器与基站收发信机之间的接口, 支持对 BTS无线设备的控制。（ 4）交换子系统内部功能实体之间的接口：此类接口将连接MSC、ULR、HLR、EIR、AUC。4.2空中接口 (Um)的信令协议CDMA系统信令应包括各个接口间的信令协议。CDMA系统中，所有信道上的信令使用面向比特的同步协议。 所有信道上的报文使用同样的分层格式。最高层的格式是报文囊（capsule ）, 它包括报文 (Massage) 和填充物 (Padding) 。次一层的格式是将报文分成报文长度、报文体和CRC。上层上层（基本业务 ）（辅助业务）第二层第二层（基本业务）（辅助业务）复用子层（业务信道）第三层（移动台控制处理）第二层第二层第二层（信令）（链路层）（同步信（寻呼 /接道）入信道）第一层（