CDMA通信技术和朗讯科技CDMA系统

1、CDMA 通信技术和朗讯科技 CDMA 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 CDMA 技术应用,移 动通信经历了模拟时代如北美的 AMPS 、欧洲的 TACS 、瑞典的 NMT-900、日本的 HCMTS/MCMTS 以及 无绳电话 CT-1; 数字时代如北美的 D-AMPS 、欧洲的 GSM 、 日本的 JDC 直至当今 WS-CDMA/CDMA2000等。 在从模拟到数字的转变过程中经历 了多

2、址通信技术的发展:频分多址 FDMA、时分多址 TDMA 以及码分多址 CDMA 。 CDMA 系统是 20世纪 80年代末 90年代初由 Qualcomm 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-95CDMA 蜂窝 移动通信系统。本文将对多址通信、 IS-95 CDMA 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 CDMA系统的应用和组成。

3、第一章、 CDMA 通信技术一、多址通信方式传统的无线通信是建立在点对点的通信基础上的,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 FDMA 方式、时分多址的 TDMA 方式以及码分多址的 CDMA 方式。FDMA 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,

4、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 APMS 利 用 800MHZ 频段频率资源,每个频道占用带宽 30KHZ ;欧洲的 TACS 利用 900MHZ 频段频率,每个频道占用带宽 25KHZ 。如下图 (一 所示。 图 (一 AMPS与 TACS 的主要差别 TDMA 是数字通信的主要多址方式,采用时域分割,在 FDMA 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-AMPS , 30KHZ 分成 6个 时

5、隙,同时支持 3个呼叫; 欧洲的 GSM ,将 200KHZ 划分成 8个时隙, 支持 8个呼叫。如图 (二 所示。 图 (一 D-AMPS 与 GSM 的主要差别不管是 FDMA 还是 TDMA 均存在复杂的频率复用及 RF 设计。 CDMA 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 CDMA(IS-95频道 的划分基于 AMPS(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

6、宽 扩展为1.23MHZ ,同时利用三种相关编码 ( PN Offset Code , Walsh Code , 42-bitsLong Code 进行调制 /解调来区分每个用户; 将来宽带 CDMA 可将带宽扩展为 5MHZ 、 10MHZ 、 15MHZ 、 20MHZ 。 图 (三 CDMA信道分配二、 CDMA 主要技术参数CDMA 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 CDMA主要技术参数三、 CDMA 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。CDMA 利用自相关性非常大而互相关性小的码序

7、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干扰。CDMA 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。

8、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。 CDMA 越区软切换就是空间分集的一个有利例证。CDMA 采用扩频技术, 根据宽带信号不会在使用频率均衰落这一特性, 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。CDMA 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 CDMA 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

9、合并,采用数字 判别恢 复信号。CDMA 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FDMA 和 TDMA 依靠用户占用不同的频率和时隙来区分用户,而 CDMA 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 CDMA 影响尤为突 出。CDMA 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

10、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 发射功率直至手机发出增加功率请求。4、相关接收CDMA 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

11、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CDMA 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

12、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CDMA 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、 CDMA

13、系统结构参考模型CDMA 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 MC :短消息中心 MS :移动台 (手机 MSC :移动交换中心 PSTN :公用交换电话网VLR :拜访位置寄存器图 (五 CDMA系统参考模型五、 IS-95空中接口分层结构IS-95是一种与 AMPS 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-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

14、结构如下:第三层:包括 DTAP 部分和 BSMAP 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 MTP 。第一层:采用数字传输,速率 2048kbps如图六所示 图 (六 A接口信令协议参考模型六、 CDMA 信道前向 (基站至手机 CDMA 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

15、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时捕捉基站和同步信号。寻呼信道用于传 送命令到手机

16、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 CDMA 系统一、 CDMA 系统简介朗讯 CDMA 系统早在 20世纪 90年代中期即投入商用,与北美 AMPS 兼容使用。 称为 Autoplex System 1000,随着高速数据业务的发展,现演变发展为 Flexent / Autoplex Wireless Network。朗讯 CDMA 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 OMP-FX 组成。 如图七 /图八

17、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 CDMA 产品结构二、 FLEXENT 网络技术特点1、分组管应用 Packet Pipe为了配合 CDMA 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 ATM 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

18、 编码器不 影响基站覆盖范围和容量,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 19.6608MHZ , 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 IMS 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

19、括控 制单元和外围单元,每个 ECPC 支持 600KBHCA ,若每线用户 1.8BHCA 则大约支持 333K 用户;支持 500K HLR和 700K VLR; 16个 5EDCS ; 192个 Modular Cell或 1152个 Micro 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 DMA 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 IMS 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 AM机柜几乎完全相同,只是装载

20、的程 序和数据不同。2、 IMS Interprocess Message SwitchIMS 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 64Mbps , IMS 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 IMS 硬件机柜主要配置如下图所示

21、。53 45 28 19 GP32 GP32GP32GP 00GP 00GP320-45-910-140-45-910-14四、 5ESS 数字蜂窝交换机 DCS5EDCS 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 AM - 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 CM - 提供不同模块间 (AM与 SM , SM 与 SM 通信路径, 完 成空分交换,提供时钟信号。交换模块 SM 2000 - 提供分组管、

22、 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, :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 PCM 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

23、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 - 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 - ATM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

24、Mbps ,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 CDMA 中继相连时,消除 DCS 侧回声延时。 ECSU可以 提 供 32毫秒到 64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 PCM 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

25、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 Micro Cell 或 1个 Modular Cell。六、操作维护提供平台 OMP-FXOMP-FX基于 UNIX 操作系统, 利用 SUN Netra-t 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

26、-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 Modular 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/3G-3X最终可以 支持 2Mbps 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

27、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 CDMA 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、手机 -固定、 手机 -手机、越区切

28、换。下面参考图十二 进行分析。 语音中继控制链路 以太链路图 (十二 CDMA 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

29、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 报告寻呼响应;若手机未响应寻呼则