CDMA通信技术和朗讯科技CDMA系统

-.zCDMA通信技术和朗讯科技CDMA系统**朗讯培训中心宋红彦随着现代通信的开展，在任一时间，任一地点能与任一对象进展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开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址通信技术的开展：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Qualm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-95CDMA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。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根底上的，而现代通信为了实现任意呼叫*一用户的目的逐步转向多址通信。在射频信号可分割理论根底上，在发送端信号复合，在接收端信号别离，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，进展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，将使用频段划分成假设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，在接收端采用滤波器将不同信号别离，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。如以下列图(一)所示。比较工程AMPSTACS工作频段(MHZ)基站发送：870-890基站接收：825-845基站发送：935-960基站接收：890-915频道间隔(KHZ)3025控制频道调制方式控制频道调制峰值频偏FSK8KHZFSK6.4KHZ话音频道调制方式话音频道调制峰值频偏FM12KHZFM9.5KHZ控制信号传输速率(kbps)108图(一) AMPS与TACS的主要差异TDMA是数字通信的主要多址方式，采用时域分割，在FDMA工作频段的根底上，在给定频带的最高数据速率条件下，将传送时间划分成假设干个时间间隔(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。比较工程D-AMPS(IS-136)GSM工作频段(MHZ)基站发送：870-890基站接收：825-845基站发送：935-960基站接收：890-915频道间隔(KHZ)3025调制/4-DQPSK(8-PSK)GMSK帧长(ms)404.615每帧时隙68语音编码VSELP(ACELP)PRE-LTP最大可能数据速率(kbps)43.2图(一) D-AMPS与GSM的主要差异不管是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展传输，不同用户使用一样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承受机根据信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，最终带宽扩展为1.23MHZ，同时利用三种相关编码(PNOffsetCode，WalshCode，42-bitsLongCode)进展调制/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。CDMA信道编号(AMPS信道编号)基站接收频率(MHZ)基站发送频率(MHZ)蜂窝频带283(主载频)833.49878.49A384(主载频)836.52881.52B691(次载频)845.73890.73A777(次载频)848.31893.31B 图(三) CDMA信道分配二、CDMA主要技术参数CDMA建立在正交编码、相关接收的根底上，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频段(MHZ)824-849(基站收)，869-894(基站发)频带间隔1,25MHZ扩频方式DS-PN扩频码元速率1.2288Mchips/s帧长(ms)20可变语音编码及话音激活速率(kbps)QCELP/CELP8，13数据调制速率(kbps)1.2/1.8，2.4/3.6，4.8/7.2，9.6/14.4调制方式QPSK，64-AryOQPSK数据速率(kbps)9.6/14.4(IS-95A)，64/115.2(IS-95B) 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列作为地址码，对已被原始用户信息信号调制的载频进展二次调制，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，**性好，同时用户共用同一宽带频谱不存在互调干扰。CDMA采用三层编码构造：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展判决，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。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，抑制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展时间分集。同时CDMA采用RAKE承受机(基站采用4finger承受机，手机采用3finger承受机)分别接收时延较大的不同路径强信号然后合并，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一样功率发射，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抑制远近效应。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展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一样功率。下行链路(基站到手机)采用功率控制技术抑制同频干扰：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根底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鼓励线性预测编码CELP、矢量和鼓励线性预测编码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softblocking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承受机，手机在小区之间的移动不须进展频率和时隙的改换，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过失控制算法--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参加用于接收较验的循环较验信息；同时业务信道中参加用于标识帧质量的循环较验。四、CDMA系统构造参考模型CDMA系统中各个实体和相关接口如图五所示。VLRVLR B DUm A C H E Ai Di P N AC：鉴权中心 BS：基站 HLR：归属位置存放器 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：公用交换网VLR：拜访位置存放器图(五) CDMA系统参考模型DBHCA五、IS-95空中接口分层构造DBHCAIS-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，最大比特率到达115.2kbps。IS-95分层构造如下：第三层：包括DTAP局部和BSMAP局部，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BSMSCDTAPBSMAPDTAPBSMAP分配子层分配子层SCCPSCCPMTPMTP物理子层物理子层 A接口 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码进展扩频调制；消耗基站功率15%.同步信道经由卷积编码、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展**，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比特长码覆盖并参加功率控制比特，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Autople*System1000，随着高速数据业务的开展，现演变开展为Fle*ent/Autople*WirelessNetwork。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、Fle*ent基站、应用处理器AP、操作维护平台OMP-F*组成。如图七/图八所示。MSC交换中心MSC交换中心IS95:0,A,JTCIS54/IS136IS95:0,A,JTCIS54/IS136IS53/IS104IS99Other5ESSSwitchesOperationsNetworkOperationsNetworkIntelligentNetworkIntelligentNetwork(SCP,SCE,SMS,S,HLR,etc)SNMPSS7AP-RCSSNMPSS7AP-RCSOMP TCP/IPOMP TCP/IPDCIIS41,WINDCIIS41,WINECPCECPCSTPSTPFle*entCSsFle*entCSsSS7INAPPSTNSS7INAPPSTNSS7SS7TUP,ISUP,MF,DTMFTUP,ISUP,MF,DTMFE1E15ESSSwitch5ESSSwitchE1E1R2MF,SS7R2MF,SS7*.25IS41IS41-A,B,C...*.25IS41IS41-A,B,C...OtherOtherCellularMessageCenterBillingMessageCenterBillingSystemVoiceMail27812781图(七) FLE*ENT/AUTOPLE*网络构造和开放接口其他5EDCS其他5EDCS SS7 E1 SS7 E1 E1 SS7 E1 SS7 E1 E1 SS7 E1 Ethernet DCIFLE*ENTMicroCell5EDCS其他5EDCS5EDCS其他5EDCSAPCAPCAP-RCSFLE*ENTFLE*ENTModularCellECPECPple*FLE*ENTFLE*ENT5100MicroMiniOMP-F*OMP-F* 分组管PP： 基站控制： 图(八) 朗讯CDMA产品构造 二、FLE*ENT网络技术特点1、分组管应用—PacketPipe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核心网络的根底。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*围和容量；8Kbps语音编码器不影响基站覆盖*围和容量，但语音质量稍差，而8KEVRC近似13K语音质量。PP中时隙数目时隙速率64Kbps，支持呼叫数RateSetIVoiceCalls(8K或EVRC语音编码器)RateSetIIVoiceCalls(13K语音编码器)1212753128416115211562619732238362694130104734115339125742136245146749157253167857语音编码器类型RatioofCallsperPP13K2.5to18K3.5to1 图(九) 分组管容量和每个PP呼叫比率2、全球定位系统---GPSFLE*ENT基站利用GPS获取同步信号19.6608MHZ，GPS是目前到达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。RP00DLNRP00DLNEINACDNEINACDNSS7NSS7N600,000BHCA600,000BHCAECPCU0CU1SS7NCU0CU1SS7NSS7NSS7NSS7NSS7NEINEINCDNIICDNIIDLNRP32RP32APCCSS7SS7E1E1基站5EDCS基站5EDCS其它网络或系统其它网络或系统 图(九) ECPC组成1、ECP–E*ecutiveCellularProcessor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。包括控制单元和外围单元，每个ECPC支持600KBHCA，假设每线用户1.8BHCA则大约支持333K用户；支持500KHLR和700KVLR；16个5EDCS；192个ModularCell或1152个MicroCell。控制单元采用主备用工作方式：CU0和CU1，通过直接内存电路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硬件进展日常维护以及HLR/VLR数据库其机柜构造和硬件电路配置与5EDCSAM机柜几乎完全一样，只是装载的程序和数据不同。2、IMS–InterprocessMessageSwitchIMS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局部。令牌环采用BUS0和BUS1双环冗余工作，传输速率64Mbps，IMS最大配置64个RINGGROUP(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：节点名称功能令牌环外围控制节点---RP只存在一对位于RG00/RG32，提供数据链路与ECPCU0和CU1通信。直接链路节点---DLN只存在一对位于RG00/RG32，协助CC7信令消息在SS7N和CDN之间传送。呼叫处理数据库节点---CDNII*/CDNIII提供272M/544M内存存贮HLR/VLR，支持无线呼叫处理；其中至少一个为ACDN(呼叫处理数据库管理节点)用于话务分配和均衡。目前IMS支持2-12个节点配置。7号信令节点---SS7N与5EDCS、PSTN等交换机通信传送7号信令消息。一个节点支持一个交换机连接。目前IMS支持96个配置。以太接口节点---EIN与应用处理器AP通信传送基站控制信息。一个节点支持一个AP。目前IMS支持24个配置.3、ECP和IMS硬件机柜主要配置如以下列图所示。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。由以下单元组成：管理模块AM---为3B21D处理器，几乎与ECP完全一样，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SM2000---提供分组管、中继连接，语音处理。与用于PSTN的交换模块相比，主要差异在于分组交换单元2(PSU2)和回声消除信号单元ECSU的配置。1、PSU2构造PSU2与PSTN应用的PSU硬件配置比较如以下列图所示：PSU2PSU每个PSU2最多5个SHELVES分组总线PB传输速率为100Mbps每个PSU最多5个SHELVES分组总线PB传输速率为10MbpsCF2(只位于SHELF0)–TN1843CF(只位于SHELF0)–TN1082BPF2–UN396PF–TN1083CDFMP–UN399(4对PIDB)DF–UN192D(6对DPIDB，1对PIDB)DF–UN192D(6对DPIDB，1对PIDB)PH3–TN1371C(可由PH22进展换代)PH4–TN1846(将来可用PH22换代)PH4–TN1846PHV1--TN1844(8K语音编码器)PHV2–TN1856(13K语音编码器)PHV3/PHV4/PHV5PHA–TN1845PI2–UN395PI–TN1042B以上PSU2各电路功能如下，：CF2/DF2/PF2---PSU2的公共控制单元，与进展模块处理器通信，工作于主备用方式。PI2---与进展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64KbpsPCM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8KEVRC/13K语音编码器PHV4---提供32个8KEVRC/13K语音编码器PHV5---提供64个8KEVRC/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展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155Mbps，图十一显示了PSU2的功能构造。PSTNPSTNMSC5ESS-2000SwitchDCSMSC5ESS-2000SwitchDCSSM2000SM2000PacketSwitchUnit2(PSU2)DFIPacketSwitchUnit2(PSU2)DFIECPCECPCPHVPHVPBPBPH4PHADFIPH4PHADFI分组管分组管PP=PP=分组CDMACELP语音64KbpsPCM语音64KbpsPCM语音基站 图(十一) PSU2功能构造2、回声消除信号单元ECSUECSU单元主要用于当PSTN中继、Looparound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。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个无线控制效劳器(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FLE*ENT基站信令，并面向3G的宽带无线业务，每个RCS最大支持6个MicroCell或1个ModularCell。六、操作维护提供平台OMP-F*OMP-F*基于UNI*操作系统，利用SUNNetra-t硬件平台对整个FLE*ENT无线网络进展综合的操作、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ECP40-50%的实时任务。七、FLE*ENT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5EDCSE1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ModularCell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-1*/3G-3*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。以下列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ap*rcv数据库进展无线局部呼叫处理，5EDCSODD数据库进展有线局部呼叫处理。呼叫的主要类型包括固定-手机、手机-固定、手机-手机、越区切换。下面参考图十二进展分析。OMP-F*AP-RCSECPCOMP-F*AP-RCSECPC5EDCS5EDCSAMAMCMCMSM2000SM2000TSIUTSIUDLTU3PSTNDLTU3DLTU3PSTNDLTU3PSU2PSU2DFMPDFMPPHVPHVPH4PH4 语音中继 分组管控制链路 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，用户拨打并按“SEND〞键。发话：手机将拨打的、手机模式、手机识别码发送至基站，基站将传送到ECPC即进入发话阶段。信道分配：ECP/CDN对接收到的码执行D-*-D数字分析决定路由和计费信息，假设呼叫无效ECPC中止此次呼叫要求5EDCS送音信号或录音通知；假设呼叫有效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