CDMA网络结构分析.docx

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CDMA网络结构分析

前言

所谓移动通信，是指通信两边或至少有一方处于运动中进行信息互换的通信方式，显然，这是一种人们生活和工作中超级方便、有效的通信方式。

移动通信的进展已经经历了两代，第一代（1G）采纳模拟技术的语音移动通信，第二代（2G）采纳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，演进后的系统称为代（），并继续朝着第三代（3G）和第四代（4G）方向进展。

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的进展历程，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份功能和原理，第四章介绍CDMA网络中的接口，第五章介绍CDMA网络的进展趋势。

第1章CDMA的进展历程

CDMA是码分多址（CodeDivisionMultipleAccess）的英文缩写,它是在扩频通信技术的基础上进展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术，它的显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，其初衷是为了避免敌方对己方通信的干扰，在战争期间普遍应用于军事干扰通信，后来由美国高通（Qualcomm）公司将其进展为商用蜂窝移动通信技术。

1995年,第一个CDMA商用系统运行以后,CDMA技术理论上的诸多优势在实践中取得了查验,从而在北美、南美和亚洲等地取得了迅速推行和应用。

全世界许多国家和地域，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更是成为国内的要紧移动通信技术。

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时期。

IS-95是CDMAONE系列标准中最先发布的标准，真正在全世界取得普遍应用的第一个CDMA标准是IS-95A，这一标准支持8K编码话音效劳。

其后又别离推出了支持13K话音编码的TSB-74标准和支持的CDMAPCS系统的STD-008标准。

随着移动通信对数据业务需求的增加,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增强型技术代表了以后的进展方向。

CDMA技术的标准化，推动了这项技术活着界范围的应用。

目前，在美国、韩国、日本等国，CDMA技术已取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技术的进展并非迟，也有长期军用研究的技术积存，1993年，国家863打算已开展对CDMA蜂窝技术的研究。

1994年，美国高通公司第一在天津建成了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,并开始小部份商用。

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移动通信全面进入时期。

CDMA是移动通信技术的进展主向。

在2G时期，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。

在时期，CDMA20001X与GPRS在技术上已有明显不同：

在传输速度上CDMA20001X高于GPRS；在新业务的承载上CDMA20001X比GPRS成熟，可提供更多中、高速度的新业务；在向3G技术体制的过渡上,CDMA20001X向CDMA20003X过渡比GPRS向WCDMA过渡更为滑腻。

第2章CDMA蜂窝移动通信网的特点

与FDMA和TDMA相较，CDMA具有许多独特的优势，其中一部份是扩频通信系统所固有的，另一部份那么是由软切换和功率操纵等技术所带来的。

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置的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密平安性高，同频率可在多个小区内重复利用，所要求的载干比（C／I）小于1，容量和质量之间可做衡量取舍等属性。

这些属性使CDMA比其它系统有超级重要的优势。

系统容量大

理论上，在利用相同频率资源的情形下，CDMA移动网比模拟网容量大20倍，实际利用中比模拟网大10倍，比GSM要大4-5倍。

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。

但对用户数并无穷制，操作者可在容量和话音质量之间折衷考虑。

另外，多小区之间可依照话务量和干扰情形自动均衡。

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，打个例如，将带宽想像成一个大屋子，所有的人将进入惟一的大屋子。

若是他们利用完全不同的语言，他们就能够够清楚地听到同伴的声音而只受到一些来自他人谈话的干扰。

在那个地址，屋里的空气能够被想像成宽带的载波，而不同的语言即被看成编码，咱们能够不断地增加用户直到整个背景噪音限制住了咱们。

若是能操纵住用户的信号强度，在维持高质量通话的同时，咱们就能够够容纳更多的用户。

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的结构能够支持13kb的语音编码器。

因此能够提供更好的通话质量。

CDMA系统的声码器能够动态地调整数据传输速度，并依照适当的门限值选择不同的电平级发射。

同时门限值依照背景噪声的改变而变，如此即便在背景噪声较大的情形下，也能够取得较好的通话质量。

另外，TDMA采纳一种硬移交的方式，用户能够明显地感觉到通话的中断，在用户密集、基站密集的城市中，这种中断就尤其明显，因为在如此的地域每分钟会发生2至4次移交的情形。

而CDMA系统“掉话”的现象明显减少，CDMA系统采纳软切换技术，“先连接再断开”，如此完全克服了硬切换容易掉话的缺点。

频率计划简单

用户按不同的序列码区分，因此不相同CDMA载波可在相邻的小区内利用，网络计划灵活，扩展简单。

建网本钱低

CDMA技术通过在每一个蜂窝的每一个部份利用相同的频率，简化了整个系统的计划，在不降低话务量的情形下减少所需站点的数量从而降低部署和操作本钱。

CDMA网络覆盖范围大，系统容量高，所需基站少，降低了建网本钱。

CDMA数字移动技术与此刻众所周知的GSM数字移动系统不同。

模拟技术被称为第一代移动技术，GSM是第二代，CDMA是属于移动通信第二代半技术，比GSM更先进。

第3章CDMA系统的大体组成

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）和网络互换子系统（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形不同时，某些接口就变成内部接口，内部接口就没必要遵循统一接口标准。

Ai、Di、为CDMA互联的接口。

图3-1CDMA网络系统结构

网络互换子系统（NSS）

NSS包括CDMA系统的移动互换中心（MSC）、归属位置寄放器（HLR）、访问位置寄放器（VLR）、鉴权中心（AUC）、消息中心（MC）、短消息实体（SME）、和操作保护中心（OMC）。

移动互换中心（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，和实现CDMA系统用户的漫游。

同时，它还操纵着基站和移动台的工作状态，实现移动用户的互连，移动台的各类切换等。

移动互换中心（MSC）用线路与每一个基站相连。

每一个基站对每一个声码器（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出的数据一路传送到移动互换中心。

由于移动台至基站的无线链路会受到衰落和干扰的阻碍，从某

图3-2MSC结构示用意

一基站到互换中心的信号有可能比从其他基站传到互换中心的质量好。

互换中心把从一个基站或几个基站取得的信号送入选择器，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信号或模拟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，第一接至互换中心的声码器。

MSC的操纵器与每一个基站的操纵器相连，检测、监视基站和移动台。

移动互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。

用户接口子系统的要紧功能是:

为移动用户与固定用户之间和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/按时；语音编、译码；治理相邻小区之间的切换；为PSTN子系统提供接口；记录各类信息和时刻、检测子系统的运行和诊断保护等。

PSTN子系统要紧由PSTN操纵器和互换结构组成，要紧完成以下功能：

提供与固定市话网的操纵和业务接口；治理和执行呼唤处置；提供互换矩阵；移动用户鉴权、记录注册等。

归属位置寄放器（HLR）是记录注册用户身份特点的位置寄放器，记录的内容是用户信息。

HLR能够与MSC合设，也能够分设。

合设在一路时C接口变成内部接口。

访问位置寄放器（VLR）是MSC作为检索信息用的位置记录器，例如，它能够处置产生或来自一个访问用户的呼唤信息。

VLR能够与MSC合设,也能够分设。

合设在一路时B接口变成内部接口。

鉴权中心（AUC）是一个治理与移动台相关的鉴权信息的功能实体，AC能够与HLR合设，也能够分设。

合设在一路时H接口变成内部接口。

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能够位于MSC、HLR或MC内。

基站子系统（BSS）

基站子系统是设于某一地址、效劳于一个或几个蜂窝小区的全数无线设备及无线信道操纵设备的总称。

基站子系统包括集中基站操纵器（BSC）和假设干个基站收发信机（BTS），如图3-3。

CBSC由码转换器（XC）和移动治理器（MM）组成。

另外，还有与此有关的无线操作保护中心（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置和反向链路的接收信号处置。

其要紧功能有：

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类逻辑信道；正向信道功率操纵和反向信道对MS的功率操纵；可将基站设置成全向或120°扇形小区覆盖；空间分集和途径分集接收；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3-4BTS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信道处置器机盘，和公共设备机盘中的某些CDMA专用电路板。

信号处置器机盘具有支持其他配置结构的标准组成形式，其中每一个宽带接收机（BBX）支持一个CDMA载频。

在一个3扇区的小区配置中，在每一个扇区内，一个BBX支持一个CDMA载波，信道处置器机盘最多含有3个BBX和20个多信道CDMA操纵器卡，可最多支持160个CDMA信道。

BBX对正向链路的I、Q数据进行D∕A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A∕D变换取得I、Q数据。

在基站分派卡上进行分集归并，然后送至能提供IS-95标准的各类逻辑信道（导频信道除外）的全数基带信号信号处置功能的多信道操纵器中。

例如，在正向链路中，多信道操纵器进行同步信道、寻呼信道、业务信道中包括信道编码、长码扩频和Walsh扩频等全数基带信号处置。

多信道操纵器对反向链路信号进行由四个单途径接收支路组成的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、等增益归并多径信号，为维特比译码提供软裁决信息。

（2）基站接口机架

基站接口机架提供如下连接：

在射频接收途径上基站天线和射频解调器机架间的连接；在射频发射途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

线性功率放大器采纳并行配置的鼓励放大器和末级功率放大器。

当任何一个功率放大器显现故障时，只会使输出功率减少，可不能使线性功率放大器失效。

集中基站操纵器（CBSC）

CBSC包括两个单元：

移动治理器（MM）和码转换器（XC）。

移动治理器（MM）和无线操作保护中心（OMC-R）一路实现以下的操作和保护功能：

配置治理、故障治理、事件／告警治理、性能测试、平安治理、初始化和设备状态治理。

呼唤处置操纵、射频信道分派、互换操纵和码转换器操纵等均由移动治理器（MM）来完成。

呼唤处置操纵和系统间的切换（切换到模拟）操纵是和移动互换中心（MSC）一路一起完成的。

码转换器（XC）在BSS的移动治理器（MM）操纵下工作，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QCELP编码话音之间的转换。

（2）对BTS的可变速度换音编码。

在寻呼信道和业务信道，XC依照信息负荷大小而改变（降低）到BTS的编码数据速度。

（3）提供互换矩阵，在BTS和MSC之间的操纵、业务信道路由互换。

（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派到所有参与软切换的BTS，又分集作用。

实际系统中，XC一样被至于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组成，起作用还有：

（6）提供MSC（XC）、BSS之间的接口。

（7）当移动台呼唤移动台时，编码话音在XC中被选择通过而再也不实行码转换，幸免两次编译码只是话音质量降低。

无线操作保护中心（OMC-R）

OMC-R是对BTS机架的操作保护终端，负责软件装载、扩充BTS频道、故障检测、配置治理、性能测试等。

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置器来操纵的。

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。

移动台利用一副天线，通过双工器与收发两头相连。

在模拟前端包括了功率放大、频率合成及射频和中频放大处置电路等。

通过频率合成器，移动台能够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。

中频放大处置电路中利用一个声表面波（SAW）带通滤波器，带宽约为。

当移动台工作在CDMA接收模式时，中频滤波器输出信号第一通过模/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括许多由相邻小区基站发出的具有相同导几回率的呼唤信号。

数字接收机用适当的伪随机序列进行相关解调。

相关处置取得的处置增益增加了匹配信号的信噪比，而抑制了其他信号。

利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，从而取得编码数据符号序列。

那个地址采纳三个相关接收机（Rake接收），并行接收三路不同途径信号，输出信号再进行途径分集归并。

解调后的数据第一进行反交织，在用维特比（Viterbi）译码器进行前向纠错译码，取得的用户数据由声码器变成语音。

发送进程与之相反。

第4章CDMA网络中的接口

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份组成。

基站子系统BTS、BSC和为基站提供OAM功能的BSM。

互换子系统包括移动互换中心、归属寄放器/识别中心、短信息效劳、操作保护与治理中心等部份。

图4-1CDMA系统的接口

在上述部份中,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：

基站子系统与互换子系统的接口，要紧传递移动台治理、基站治理、移动性治理、接续治理等功能。

（3）Abis接口：

基站子系统中基站操纵器与基站收发信机之间的接口,支持对BTS无线设备的操纵。

（4）互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。

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，所有信道上的信令利用面向比特的同步协议。

所有信道上的报文利用一样的分层格式。

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

（基本业务）

第二层

（基本业务）

上层

（辅助业务）——

第二层

（辅助业务）

第三层

（移动台控制处理）

第二层

（信令）

第二层

（链路层）

（寻呼/接入信道）

第二层

（同步信道）

复用子层（业务信道）

第一层

（物理层）

图4-2CDMA系统信令协议的分层结构

空中接口的信令协议结构被分作三层，即物理层、链路层和操纵处置层，如图4-2。

物理层、复用子层、信令2层、寻呼及接入信道2层、同步信道2层、移动操纵处置层是CDMA系统的基础。

物理层，包括基带调制、编码、成帧、射频调制等与无线信道传输有关的功能。

链路层，由复用子层（业务信道）及大体业务2层、辅助业务2层、信令2层，和寻呼和接入信道2层和同步信道2层组成。

其中，复用子层（业务信道）及大体业务2层、辅助业务2层、信令2层，对应于伴随信道。

大体业务是指典型的语音和数据业务，辅助业务是指次要的数据业务，例如（FAX）业务。

因此，属于第三层的大体业务（上层）和辅助业务（上层）是对应用户的。

而操纵处置3层是通过链路层，完成呼唤成立、切换、功率操纵、鉴权、位置记录等功能。

而物理层及复用子层为用户应用提供帧的传输。

第5章CDMA网络的进展趋势

移动同信网络正朝着综合化、智能化、全世界、个人化的方向进展。

移动通信网作为一种理想的智能接入网，必然要与固定通信网、综合业务数字网、Internet等网络综合成为全世界互联互通、信息共享的智能化网络。

蜂窝、无绳、寻呼、卫星和集群等各类移动通信系统将在第三代中以全世界通用、系统综合作为起点慢慢融合，力图成立一个全世界性的综合移动通信网络。

个人通信是人类试图实现的理想通信方式,它成立在宽带综合业务数字网的基础上,以无线移动通信网为要紧接入方式,以智能网为核心,并慢慢深化成为所有个人提供多媒体业务的智能型宽带全世界性移动因特网。

相信随着各类低中高轨道卫星通信系统的纷纷推出,借以解决全世界覆盖三维空间的个人移动性,人类通信的最高境遇——个人通信终将实现。

参考文献

[1]曹达仲，移动通信原理、系统及技术，清华大学出版社

[2]庞宝茂，现代移动通信，清华大学出版社

[3]袁超伟等，CDMA蜂窝移动通信，北京邮电大学出版社

[4]袁贵民等，移动通信，北京师范大学出版社