第9章CDMA移动通信系统.ppt

1,2023/11/19,第9章 CDMA移动通信系统,引 言9.1系统概述9.1.1 CDMA技术的标准化9.1.2 CDMA系统的基本特性9.1.3 CDMA技术的优点9.2 CDMA蜂窝系统的无线链路9.2.1 前向信道9.2.2 反向信道9.3 CDMA自动功率控制9.3.1 反向开环功率控制9.3.2 反向闭环功率控制9.4 CDMA蜂窝系统的控制功能9.4.1 登记注册9.4.2 切换9.4.3 呼叫处理本章小结,2,2023/11/19,引 言,随着移动通信的飞速发展，因频率资源有限而引起的矛盾也日益突出。如何使有限的频率资源分配给更多的用户使用，已成为当前发展移动通信的首要课题，而CDMA便成为解决这一问题的首选技术。CDMA是码分多址（Code Division Multiple Access）的英文缩写，它是在扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术的出现源于人们对更高质量无线通信的需求。第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术，其思想初衷是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，后来由美国高通公司（Qualcom）更新成为商用蜂窝电信技术。,3,2023/11/19,【案例9.1】,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、中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。1998年全球CDMA用户已达500多万，CDMA的研究和商业运营进入高潮。美国CDMA用户在2002年5月达到4200万，超过AMPS的3600万、D-AMPS的2200万和GSM的1100万，成为全美的最大蜂窝系统。截至2009年12月，中国电信CDMA用户数达到5609万。,4,2023/11/19,【案例9.2】,CDMA手机以前不支持UIM卡，号码和手机捆绑在一起，更换号码必须更换手机，或对手机重新写码。图9.1所示是2002年1月推出的中国第一代机卡分离式CDMA手机，自这款手机开始，CDMA手机开始了飞速的发展。UIM卡和GSM手机的SIM卡一样，它包含所有与用户有关的某些无线接口信息，其中也包括鉴权和加密信息。CDMA系统的机卡分离技术促进了CDMA系统的大力发展。,图9.1 第一代机卡分离式CDMA手机V8060,5,2023/11/19,9.1系统概述,9.1.1 CDMA技术的标准化CDMA技术的标准化经历了以下几个阶段。IS-95A是cdmaOne系列标准中最先发布的标准，是1995年美国电信工业协会（TIA）颁布的窄带CDMA（N-CDMA）标准。IS-95B是IS-95A的进一步发展，主要目的是满足更高的比特速率业务的需求。IS-95B可提供的理论最大比特速率为115kbit/s，实际上只能实现64kbit/s。IS-95A和IS-95B均有一系列标准，其总称为IS-95。其后，CDMA2000成为窄带CDMA系统向第三代移动通信系统过渡的标准。CDMA2000在标准研究的前期，提出了CDMA2000 1x和CDMA2000 3x的发展策略，但随后的研究表明，1x和1x增强型技术代表了未来发展方向。CDMA2000 1x原意是指CDMA2000的第一阶段，网络部分引入分组交换，可支持移动IP业务。其中1x来源于单载波无线传输技术，即只需要占用一个1.25MHz的无线传输带宽；而3x表示占有连续的3个1.25MHz无线传输带宽，即采用多载波的方式支持多种射频带宽。它与1x相比优势在于能提供更高的数据速率。CDMA2000 1xEV是在CDMA2000 1x基础上进一步提高速率的增强体制，采用高速率数据（HDR）技术，能在1.25MHz内提供2Mbit/s以上的数据业务，是CDMA2000 1x的边缘技术。,6,2023/11/19,9.1.2 CDMA系统的基本特性1.工作频段目前，中国电信CDMA使用的频段是上行频率为825835MHz，下行频率为870880MHz，占用10MHz带宽。2.采用直接序列扩频（DSSS）在CDMA蜂窝系统之间是采用频分的，而在一个CDMA蜂窝系统之内是采用码分多址的。不同的码型是由一个伪随机（PN）序列生成的，PN系列周期为215=32768个码片（Chip）。将此周期序列的每64Chip移位序列作为一个码型，共可得到32768/64=512个码型。这就是说，在1.25MHz带宽的CDMA蜂窝系统中，可建多达512个基站（小区）。3.语音编解码CDMA蜂窝系统语音编码的基本速率是8kbit/s，但是可随输入语音消息的特征而动态地分为四种，即8kbit/s、4kbit/s、2kbit/s和1kbit/s，可以以9.6kbit/s、4.8kbit/s、2.4kbit/s和1.2kbit/s的信道速率分别传输。发送端的编码器对输入的语音取样，产生编码的语音分组传输到接收端，接收端的解码器把收到的语音分组解码，再恢复成语音样点，每帧时间为20ms。,7,2023/11/19,4.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。5.RAKE接收机由于移动通信环境的复杂和移动台的不断运动，接收到的信号往往是多个反射波的叠加，形成多径衰落。分集是解决多径衰落很好的方法，CDMA系统在基站和移动台都采用RAKE接收机。RAKE接收机的作用就是通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并把它们合并在一起以改善接收信号的信噪比，提高系统链路质量，给系统带来更好的性能。,8,2023/11/19,9.1.3 CDMA技术的优点,CDMA是一项革命性的新技术，其优点已经获得全世界广泛的研究和认同。与FDMA、TDMA系统相比，CDMA系统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、蜂窝组网和频率复用等几种技术组合而成，因此它具有抗干扰性好、抗多径衰落、保密安全性好、同频率可在多个小区重复使用、容量和质量之间可作权衡取舍等属性，这些属性使CDMA比其他系统更有优势。1.系统容量大理论上，在使用相同频率资源的情况下，CDMA移动通信网的容量是模拟网容量的20倍，实际比模拟网大10倍，比GSM网大4-5倍。在CDMA系统中，由于不同的扇区也可以使用相同频率，当小区使用定向天线（如120扇形天线）时，干扰减小1/3，因为每幅天线只收到1/3移动台的发射信号。这样，整个系统所提供的容量又可以提高约3倍(实际上，由于相邻扇区之间有重叠，一般只能提高到2.55倍)，并且小区容量将随着扇区数的增大而增大。但对其他系统来说，由于不同扇区不能使用同一频率，所以即使分成三扇区也只是频率复用的要求，并没有增加小区容量。,9,2023/11/19,2.软容量在模拟移动通信系统和数字时分系统中，通信信道是以频带或时隙的不同来划分的，每个蜂窝小区提供的信道数一旦固定就很难改变。当没有空闲信道时，系统会出现忙音，移动用户不可能再呼叫其他用户或接收其他用户的呼叫。当移动用户在越区切换时，也很容易出现通话中断现象。在CDMA系统中，信道划分是靠不同的码型来划分的，其标准的信道数是以一定的输入、输出信噪比为条件的，当系统中增加一个通话用户时，所有用户输入、输出信噪比都有所下降，这使该扇区内的移动用户信息数据的误码率有所升高，但增加的用户不会发生因无信道而出现忙音的现象。这对于解决通信高峰期时的通信阻塞问题和提高用户越区切换的成功率无疑是非常有益的。3.通话质量更佳CDMA系统的声码器使用的是码激励线性预测（CELP）和CDMA特有的算法，称为QCELP（Qualcomm Code Excited Linear Prediction）。QCELP算法被认为是到目前为止效率最高的算法。可变速率声码器的一个重要特点是使用适当的门限值来决定所需速率，门限值随背景噪声电平的变化而变化。这样就抑制了背景噪声，使得即使在喧闹的环境下，也能得到良好的语音质量。,10,2023/11/19,4.移动台辅助软切换CDMA系统采用软切换技术和先进的数字语音编码技术，并使用多个接收机同时接收不同方向的信号。“先连接再断开”，并不先中断与原基站的联系。移动台在切换过程中与原小区和新小区同时保持通话，以保证通信的畅通。软切换只能在具有相同频率的CDMA信道间进行。软切换在两个基站覆盖区的交界处起到了话务信道的分集作用，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。软切换的主要优点是：（1）无缝切换，可保持通话的连续性；（2）减小掉话可能性。由于在软切换过程中，在任何时候移动台至少可以跟一个基站保持联系，从而减少了掉话的可能性；（3）处于切换区域的移动台发射功率降低。减少发射功率是通过分集接收来实现的，降低发射功率有利于增加反向容量。但同时，软切换也相应带来了一些缺点，主要有：（1）导致硬件设备的增加；（2）降低了前向容量。但由于CDMA系统前向容量大于反向容量，因此适量减少前向容量不会导致整个系统容量的降低。,11,2023/11/19,5.频率规划简单用户按不同的序列码区分，所以不同的CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。6.建网成本低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。7.“绿色手机”CDMA系统发射功率最高只有200mW，普通通话功率可控制在零点几毫瓦，其辐射作用可以忽略不计，对人体健康没有不良影响。手机发射功率的降低，将延长手机的通话时间，意味着电池、话机的寿命长了，对环境起到了保护作用，故称之为“绿色手机”。8.保密性强，通话不会被窃听CDMA系统的体制本身就决定了它具有良好的保密能力。首先在CDMA移动通信系统中必须采用扩频技术，使它所发射的信号频谱被扩展的很宽，从而使发射的信号完全隐蔽在噪声、干扰之中，不易被发现和接收，因此也就实现了保密通信。其次在通信过程中，各移动用户所使用的地址码各不相同，在接收端只有完全相同(包括码型和相位)的用户才能接收到相应的发送数据，对非相关的用户来说是一种背景噪声，所以CDMA系统可以防止有意或无意的窃取，具有很好的保密性能。,12,2023/11/19,9.CDMA的功率控制CDMA系统的容量主要受限于系统内移动台的互相干扰，所以，如果每个移动台的信号到达基站时都达到最小所需的信噪比，系统容量将会达到最大值。CDMA功率控制的目的就是既维持高质量通信，又不对占用同一信道的其他用户产生不应有的干扰。CDMA系统的功率控制除可直接提高容量之外，同时也降低了为克服噪声和干扰所需的发射功率。这就意味着同样功率的CDMA移动台与模拟或者GSM移动台相比可在更大范围内工作。CDMA系统引入了功率控制，一个很大的好处就是降低了平均发射功率而不是峰值功率。这就是说，CDMA在一般情况下由于传输状况良好，发射功率较低，但在遇到衰落时会通过功率控制自动提高发射功率，以抵抗衰落。,13,2023/11/19,10.语音激活技术统计结果表明，人们在通话过程中，只有35%的时间在讲话，另外65%的时间处于听对方讲话、话句间停顿或其他等待状态。在CDMA系统中，所有用户共享同一个无线频道，当某一用户没有讲话时，该用户的发射机不发射或少发射功率，其他用户所受到的干扰都相应地减少。为此，在CDMA系统中，采用相应的编码技术，使用户的发射机所发射的功率随着用户语音编码的需求来作调整。当用户讲话时语音编码器输出速率高，发射机所发射的平均功率大；当用户不讲话时语音编码器输出速率很低，发射机所发射的平均功率很小，这就是语音激活技术。在蜂窝移动通信系统中，采用语音激活技术可以使各用户之间的干扰平均减少65%。也就是当系统容量较大时，采用语音激活技术可以使系统容量增加约3倍，但当系统容量较小时，系统容量的增加值要降低。在频分多址、时分多址和码分多址三种制式中，唯有码分多址可以方便而充分地利用语音激活技术。如果在频分多址和时分多址制式中采用语音激活技术，其系统容量将有不同程度的提高，但二者都必须增加比较复杂的功率控制系统，而且还要实现信道的动态分配，其结果必然带来时间延迟和系统复杂性的增加，而在CDMA系统中实现这种功能就相对简单得多。,14,2023/11/19,9.2 CDMA蜂窝系统的无线链路,在CDMA通信系统的无线链路中，各种逻辑信道都是由不同的码序列来区分的。因为任何通信网络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通信系统在基站到移动台的传输方向（前向信道）上设置了导频信道、同步信道、寻呼信道和前向业务信道；在移动台到基站的传输方向（反向信道）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9.2所示。,图9.2 CDMA蜂窝系统的信道结构,15,2023/11/19,9.2.1 前向信道,1.前向信道结构CDMA前向信道利用不同的Walsh码实现码分多址，以向不同的移动台传送信息。移动台接收机则采用对应的Walsh码通过正交相关处理实现基站多路发射信号的理想分离。前向链路中采用64阶Walsh码，最多可以有64个同时传输的信道，分别用W0，W1，W63表示，它们采用同一射频载波发射。其中W0用作导频信道，W32用作同步信道，W1，W2，W7用作寻呼信道，其他用作业务信道，如图9.3所示。,图9.3 前向信道结构,16,2023/11/19,图9.4是前向CDMA信道的功能框图。前向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）前向业务信道。,17,2023/11/19,图9.4 前向CDMA信道的功能框图,18,2023/11/19,2.前向链路基本操作1）数据速率同步信道的数据速率为1.2kb/s，寻呼信道为9.6kb/s或4.8kb/s，前向业务信道为9.6kb/s、4.8kb/s、2.4kb/s和1.2kb/s。2）卷积编码数据在传输之前都要进行卷积编码，包括同步信道、寻呼信道和业务信道，均使用相同的卷积码（2，1，8）码，其编码速率r=1/2，约束长度k=9。3）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)。对于寻呼信道和前向业务信道，只要数据速率低于9.6kb/s，在分组交织之前都要重复。速率为4.8kb/s时，各码元要重复一次(每码元连续出现2次)；速率为2.4kb/s时，各码元要重复3次(每码元连续出现4次)；速率为1.2kb/s时，各码元要重复7次(每码元连续出现8次)。,19,2023/11/19,4）分组交织所有码元在重复之后都要进行分组交织。交织的作用是为了克服突发性干扰，它可将突发性差错分散化，在接收端由卷积编码器按维特比译码法纠正随机差错，从而间接地纠正了突发性差错。同步信道所用的交织跨度等于26.666ms，相当于码元速率为4.8kb/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)。寻呼信道和前向业务信道所用的交织跨度等于20ms，这相当于码元速率为19.2kb/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）数据掩蔽数据掩蔽也称作数据加扰，用于寻呼信道和前向业务信道，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。这种PN序列是工作在时钟为1.2288MHz的长码，每一调制码元长度等于1.2288106/19200=64个PN子码宽度。长码经分频后，其速率变为19.2kb/s，因而送入模2相加器进行数据掩蔽的是每64个子码中的第一个子码在起作用。,20,2023/11/19,图9.5 长码产生器原理框图,21,2023/11/19,6）长码产生长码在CDMA系统中用于前向链路寻呼信道和业务信道的数据掩蔽，以及在反向链路中区分用户，长码产生器原理框图如图9.5所示。长码产生器是由42级移位寄存器和相应反馈支路及模2加法器组成的。为了保密起见，42级移位寄存器的各级输出与长码掩码（一个42位的序列）相乘，然后进行模2加，得到长码输出。产生的长码周期为242-1，速率为1.2288Mc/s，该长码产生器的特征多项式为（9-1）前向业务信道的掩码可使用公共掩码或专用掩码。公共掩码格式如图9.6（a）所示，M41到M32要置成“1100011000”，M31到M0要置成移动台的电子序列号码(ESN)，ESN是设备制造商给移动台分配的32位设备序号。为了防止和连号ESN相对应的长码之间出现过大的相关值，移动台的ESN要进行置换。,22,2023/11/19,23,2023/11/19,专用掩码用于用户的保密通信，其格式由TIA规定。寻呼信道用于长码产生器的掩码格式如图9.5（b）所示。其中，寻呼信道号用3位二进制表示，即23=8种，满足实际系统中最多7个寻呼信道的要求。导频PN序列的偏置系数用9位二进制表示，正好满足0511（共512个）偏置系数的需要。7）正交扩展为了使前向链路的每个信道之间具有正交性，在前向CDMA信道中传输的所有信号都要用64阶的Walsh函数进行正交扩展。8）四向调制在正交扩展之后，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。通常，一个基站的PN序列在其所有配置的频率上，都采用相同的时间偏置，而在一个CDMA蜂窝系统中，时间偏置可以再用。,24,2023/11/19,不同的时间偏置用不同的偏置系数表示，偏置系数共512个，编号从0到511。偏置时间等于偏置系数乘以64个子码宽度时间。例如，当偏置系数是15时，相应的偏置时间是1564=960个子码，已知子码宽度为1/1.2288106=0.8138s，故偏置时间为9600.8138=781.25s。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（32768）个子码。其构成是以下面的生成多项式为基础的：,25,2023/11/19,按此生成多项式产生的是长为215-1的m序列。为了得到周期为215的I序列和Q序列，当生成的m序列中出现14个连“0”时，在其中再插入一个“0”，使序列14个“0”的游程变成15个“0”的游程。引导PN序列的周期长度是32768/1228800=26.66ms，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9-1的相位关系进行四相调制。两个支路的合成信号具有图9.7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),26,2023/11/19,图9.7 前向信道的信号相位点及其转换关系,27,2023/11/19,3.导频信道导频信道用于传送导频信号，由基站在导频信道连续不断地发送一种不调制的直接序列扩频信号，移动台监视导频信道以获取信道的信息并提取相干载波以进行相干解调，并可对导频信号电平进行检测，以比较相邻基站的信号强度和辅助决定是否需要进行越区切换。为了保证各个移动台载波检测和提取的可靠性，导频信道是不可缺少的。导频信道在每个载频上的每小区或扇区配置一个。导频信号在基站工作期间是连续不断发送的，功率高于其他信道的平均功率，一般情况下，导频信道功率占64个信道总功率的1220%，以19.2kb/s的速率发送全“0”。导频信道的时间周期为2s。每偶数秒的开始作为PN序列的零偏置定时，每2s内可发送导频信号75次。导频信道的时间周期恰好等于同步信道高帧的时间长度，因此移动台捕获导频信道后，就可以与同步信道建立联系，并获取同步信息。,28,2023/11/19,4同步信道同步信道用于传送同步信息，在基站覆盖范围内，各移动台可利用这些信息进行同步捕获。同步信道上载有系统的时间和基站引导伪随机码的偏置系数，以实现移动台接收解调。同步信道在捕获阶段使用，一旦捕获成功就不再使用。一般同步信道占64个信道总功率的1.53%，以固定速率1.2kb/s分帧传输。同步信道消息结构由消息长度域、消息正文域和CRC域构成，如图9.8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93bit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9.8 同步信道消息结构,29,2023/11/19,同步信道结构如图9.9所示。信道被划分成若干个超帧，超帧长80ms，含96bit。每个超帧分为三个同步信道帧，帧长80/3=26.666ms。各帧的第1个比特为信息启动(SOM)比特。根据需要，可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9.9 同步信道结构,30,2023/11/19,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3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9.10的前向信道引导PN序列偏置。,图9.10 前向信道引导PN序列偏置,31,2023/11/19,5.寻呼信道寻呼信道提供基站在呼叫建立阶段传输控制信息。当呼叫移动用户时，寻呼信道上就播送该移动用户的识别码等信息。通常，移动台在建立同步后，就在首选的W1寻呼信道监听由基站发来的信令，当收到基站分配业务信道的指令后，就转入指配的信道传输信息。当需要时，寻呼信道可以变成业务信道，用于传输用户业务数据。一般寻呼信道功率占64个信道总功率的5.256%，支持9.6kb/s、4.8kb/s两种不同速率的传输。寻呼信道消息由长度域、消息正文域和CRC域构成，如图9.11所示。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8bit，但是基站要限制寻呼信道消息的最大长度为1488=1184bit，因而长度域的最大值不超过148。CRC域含30bit，其生成多项式和同步信道一样。寻呼信道结构如图9.12所示。,32,2023/11/19,图9.11 寻呼信道消息结构,图9.12 寻呼信道结构,33,2023/11/19,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2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。,34,2023/11/19,基站要把在每个寻呼信道时隙中出现的第1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。6.前向业务信道前向业务信道用来传输在通话过程中基站向特定移动台发送用户语音编码数据或其他业务数据及随路信令。一般情况下，前向业务信道功率占64个信道总功率的78%左右，最多可有63个业务信道，支持9.6kb/s、4.8kb/s、2.4kb/s和1.2kb/s这4种变速率的传输。前向业务信道的消息结构也由长度域、消息正文域和CRC域构成，如图9.13。,图9.13 前向业务信道消息结构,35,2023/11/19,同样，在消息结构后面附加必需的填充比特，以形成前向业务信道的消息容器。前向业务信道划分成宽度为20ms的业务信道帧。根据数据速率的不同，这种帧结构如图9.14所示。值得注意的是，在前向业务信道上所传输的信息有不同类型，通常分主要业务、辅助业务和信令业务。具体传输哪一些业务由一种称之为“服务选择”的功能控制，而根据实际情况把这些业务信息综合到前向业务信道帧中进行传输的方法称为“复接选择”。当前，CDMA系统采用的复接方法称为“复接选择1”，其他复接选择有待于进一步研究。当没有主要业务要发送时（主要业务为空白），辅助业务可以占整个帧进行传输，这种方式叫“空白和猝发”；当存在主要业务要发送时，辅助业务和主要业务可以分享一个帧进行传输，这种方式叫“混合和猝发”。同样，信令业务也可以和辅助业务一样通过“空白和猝发”或者“混合和猝发”方式进行传输。在一帧中安排多少主要业务的比特数目，受“复接选择1”的控制。当主要业务服务选择被激活时，如果在一帧中要发送信令业务或辅助业务，“复接选择1”要限制主要业务的比特数，或者使之等于0（实现“空白和猝发”），或者使之少于17（实现“混合和猝发”）。根据需要，“复接选择1”可以把主要业务的比特数限制为0、16、40、80或171，如图9.15所示。一个前向业务信道的消息结构可包含几个不同类型的业务信道帧，如“空白和猝发”帧与“混合和猝发”帧，而且最先出现的是信令业务信息。,36,2023/11/19,图9.14 前向业务信道帧结构,37,2023/11/19,图9.15 数据速率为9.6kb/s时前向业务信道在一帧中的信息复接,38,2023/11/19,9.2.2 反向信道1.反向信道结构CDMA系统反向链路信道结构包括物理信道和逻辑信道。物理信道由长度242-1的PN长码构成，使用长码的不同相位偏置来区分不同的用户。逻辑信道包括接入信道和反向业务信道。反向信道中最少有1个，最多有32个接入信道。每个接入信道都对应正向信道中的一个寻呼信道，而每个寻呼信道可以对应多个接入信道。移动台通过接入信道向基站进行登记、发起呼叫、响应基站发来的呼叫等。接入信道使用一种随机接入协议，允许多个用户以竞争的方式占用接入信道。当需要时，接入信道可以变成反向业务信道，用于传输用户业务数据。图9.16是反向信道的原理框图，图中上部分为接入信道，下部分为反向业务信道。,39,2023/11/19,图9.16 CDMA系统反向信道组成框图,40,2023/11/19,2.反向链路基本操作反向信道的基本操作如下：卷积编码、码元重复与分组交织、可变速率数据传输、正交多进制调制和四相扩展。1）数据速率接入信道用4.8kb/s的固定速率。反向业务信道用9.6kb/s，4.8kb/s，2.4kb/s和1.2kb/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9.6kb/s和4.8kb/s数据时，也要加质量指示比特(CRC校验比特)。2）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）码元重复与分组交织反向链路的输入信息经卷积编码后要进行码元重复，其码元重复方法和前向业务信道一样。数据速率为9.6kb/s时，码元不重复；数据速率为4.8kb/s、2.4kb/s和1.2kb/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），这样使得各种数据的速率都变换成28.8ks/s。,41,2023/11/19,反向业务信道的码元重复与前向业务信道的区别是：(1)反向业务信道的重复码元并不是重复发送多次，而是除了发送其中的一个码元外，其余的重复码元都删除；(2)在接入信道上，因为数据速率固定为4.8kb/s，因而每一码元只重复一次，而且两个重复码元都要发送。所有码元在重复之后都要进行分组交织。其速率为28.8ks/s（每20ms含576个编码符号），输入码元（包括重复码元）按顺序逐列从左到右写入交织器的3218矩阵，直到填满。4）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9.17所示。由图可见，传输的占空比随传输速率而变：当数据率是9.6kb/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；当数据率是4.8kb/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20ms的帧分成16个等长的段，即功率控制段，每段1.25ms，编码从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，如图9.18。,42,2023/11/19,图9.17 反向信道可变速率传输示例,43,2023/11/19,图9.18 接入信道传输结构,44,2023/11/19,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：在图9.17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：数据率为9.6kb/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数据率为4.8kb/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数据率为2.4kb/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)数据率为1.2kb/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),45,2023/11/19,5）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64阶Walsh序列进行调制。交织器输出的码元速率是28.8ks/s，正交调制之后的码元速率是28.8/6=4.8ks/s，一个码元的时间宽度为1/4800=208.333s。每一调制码元含64个子码，因此Walsh函数的子码速率为644800=307.2kc/s，相应的子码宽度为3.255s。又因为每一个Walsh子码被扩成四个PN子码，所以其最终的数据速率就是扩频PN序列的速率，为307.24=1.2288Mc/s。需要注意的是，使用Walsh函数的目的是在前向链路上，用来区分信道；在反向链路上，用来进行多进制正交调制，以提高反向链路的通信质量。,46,2023/11/19,6）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导频PN序列。如图9.16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(409.901ns)，再送入基带滤波器。信号经过基带滤波器之后，进行四相调制，合成信号的相位点及其转换关系如图9.19所示。CDMA反向信道采用OQPSK调制，调制相位跳变小，信号的包络起伏小。OQPSK调制使用功率效率高、非线性、完全饱和的C类放大器，节省了移动台的功耗，延长了通话时间。,图9.19 反向CDMA信道的信号相位点及其转换关系,47,2023/11/19,3.反向接入信道当移动台不使用业务信道时，接入信道提供从移动台到基站的通信。移动台在接入信道上发送信息的速率固定为4.8kb/s。接入信道帧长度为20ms，仅当系统时间为20ms的整数倍时，接入信道帧才可能开始传输。接入信道和前向传输中的寻呼信道相对应，以相互传送指令、应答和其他有关信息。一个寻呼信道最多可以对应32个CDMA反向接入信道，标号从031。对于每个寻呼信道，至少有一个反向接入信道与之对应。基站根据寻呼信道上的消息，在相应的接入信道上等待移动台的接入。同样，移动台通过在一个相应的接入信道上传输，响应相应的寻呼信道信息。接入信道的消息结构如图9.20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8bit，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=880bit。CRC域长30bit，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。,48,2023/11/19,图9.20 接入信道的消息结构,图9.21 接入信道时隙结构,49,2023/11/19,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9.21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。接入信道的帧结构如图9.22所示，每帧长20ms，含96bit，其中信息比特88个，编码尾比特8个。,图9.22 接入信道的帧结构,50,2023/11/19,图9.23 接入信道结构举例,51,2023/11/19,4.反向业务信道反向业务信道用于通信过程中由移动台向基站传输用户信息和必要的信令信息，因而它的许多特征和前向业务信道一样。反向业务信道也以可变数据速率9.6kb/s、4.8kb/s、2.4kb/s和1.2kb/s传送信息，帧长也是20ms，数据速率也可逐帧选择。反向业务信道的帧结构与前向业务信道的帧结构完全一样，其消息结构如图9.24所示，包括消息长度域、消息正文域和CRC域。,图9.24 反向业务信道的消息结构,52,2023/11/19,消息长度域含8bit，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=40bit；最大值为255，即消息长度为2558=2040bit，CRC域含16bit。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9.6kb/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。没有服务选择被激活的时候，移动台也