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CDMA通信原理

CDMA通信原理

摘要：

本文从系统出发，简要介绍了CDMA系统的组成部分，并详细介绍了基站子系统和网络子系统，另外分析了CDMA的呼叫流程、无线链路的调制，最后详细介绍了CDMA的关键技术：

扩频技术，软切换技术，功率控制技术，分集接收技术，自适应天线。

关键字：

CDMA无线链路扩频软切换功率控制分集接收自适应天线

目录

一CDMA简介3

二系统原理4

1系统结构和原理4

1.1系统结构4

1.2组成部分简介4

2CDMA的接口和协议6

3子系统介绍6

3.1基站子系统6

3.2交换子系统10

3.2.1MSC与VLR功能10

3.2.2HLR与AC功能12

四无线链路（CDMA信道调制）13

1前向链路13

1.1导频信道16

1.2同步信道17

1.3寻呼信道18

1.4前向业务信道18

1.5相关知识19

2反向链路20

2.1接入信道22

2.2反向业务信道22

2.3相关知识23

四呼叫处理25

1登记26

2呼叫控制28

2.1移动台始呼过程28

2.2移动台终止呼叫处理29

五CDMA的关键技术30

1扩频通信技术30

1.1扩频通信相关理论基础31

1.1.1扩频通信的可行性31

1.1.2扩频码的产生32

1.2扩频通信原理及工作方式33

2功率控制技术33

2.1反向开环功率控制34

2.2反向闭环功率控制35

2.3前向功率控制35

3软切换技术36

3.1硬切换与软切换36

3.1.1硬切换36

3.1.2软切换37

3.2更软切换38

4分集接收技术38

5.1空间分集39

5.2频率分集39

5.3时间分集39

5自适应天线40

附录：

CDMA常用术语42

一CDMA简介

CDMA是码分多址的英文缩写（CodeDivisionMultipleAccess）,它是在数字技术的分支——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技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。

接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。

CDMA的主要优势:

1.话音清晰

CDMA采用了先进的扩频技术和数字话音编码技术，使通话噪音大大降低。

其系统的声码器可以动态调整数据传输速率，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音的改变而变，这样即使在背景噪音较大的情况下，也可以得到较好的通话质量，打电话时几乎没有杂音。

特别是在嘈杂的背景中，对方能清晰听到您的声音。

2.辐射小

普通的手机（GSM和模拟手机）功率一般能控制在600毫瓦以下，而CDMA手机的问世，给人们带来了"绿色"手机的曙光，因为与GSM手机相比，CDMA手机的发射功率尚不足其一个小零头。

CDMA系统发射功率最高只有200毫瓦，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，对健康没有不良影响。

基站和手机发射功率的降低，将大大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"。

3.掉线率低

基站是手机通话的保障，当用户移动到基站覆盖范围的边缘时，基站就应该自动"切换"来保障你，否则就会掉话。

CDMA系统切换时的基站覆盖是"单独覆盖－双覆盖－单独覆盖"，而且是自动切换到相邻较为空闲的基站上，也就是说，在确认手机已移动到另一基站单独覆盖地区时，才与原先的基站断开，即软切换，这样就保障了手机不会掉话。

4.时钟准确

由于CDMA采用全球同步技术，通过接收全球定位信息，即可确保系统正常工作。

此外，CDMA还可为用户自动提供准确的时钟，勿需用户自行调整，当地准确的时间信息一目了然，为频繁进行跨时区差旅的商务人士提供了方便。

其时钟准确的原理是因为CDMA选用了精确的全球卫星定位系统（GPS），目前，全球卫星定位系统（GPS）是这种时钟参考的最佳选择。

GPS是一个由24颗绕地球运转的卫星组成的天线导航系统，它的优势在于全球覆盖，系统时钟精度高，不易受电磁暴、低频干扰源的影响。

作为备份，远距离导航（LORAN-C）系统也是一个很好的选择，该系统采用地波传播技术，同样具有时钟精确、不受电离层变化影响、衰减小、相位及幅度稳定等特点，从而保证了时钟准确的可能性。

5.保密性好

客户在使用移动电话时，往往担心自己的移动电话被别人监听或盗打，但是要窃听通话，必须要找到码址。

CDMA手机的用户每次通话时，系统都将在2的42次方个码中随机分配任意一个码给该手机用户，共有4.4万亿种可能的排列，要想破解密码或窃听简直不可想象。

而且CDMA采用的扩频通信技术使通信具有天然的保密性，其消息在空中信道上被截获的概率几乎为零。

另外，CDMA系统的鉴权、数字格式、扩频处理等通话保护措施，可提供最佳的保密特性，防止通信过程中的盗听和手机密码的盗用。

二系统原理

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，与GSM的网络结构相似。

1系统结构和原理

1.1系统结构

系统结构

1.2组成部分简介

MS—移动站，即手机，由基带、中频、射频部分组成，提供用户通往网络系统的无线通道。

BS—基站，提供其区域用户无线通道的一种物理装置，它包括3个部分：

用于发射、接收无线信号的BTS（基站收发信台）；用于BS控制的BSC及用于BS、OAM的BSM，一个BSC可以控制多个BTS。

BTS—是用户在其元件区域内通信所需的实际装置。

对于无线发射、接收，低噪声放大器、功率放大器、信号合成器/分配器以及变频器都装在无线频率单元上。

对于无线信号的处理，调制解调、CDMA频道编码/解码以及GPS接收器都在CDMA数字单元内，呼叫过程和OAM能在BTS控制处理器中执行。

在BTS和BSC之间邮件路由和路径由BTS互联网络系统提供。

BSC管理BS资源并控制BS区域用户，所有来自MS的通信邮件在BSC中处理，切换的邮件选择以及语音邮件在编码激励线性预测与PCM间的转换都在代码转换机及波段开关组（TSB）上执行，TSB用E1线路与MX相连。

BSC呼叫过程和BSC资源管理在呼叫控制处理器中实现。

CDMA互联网络系统交换BSC内部邮件，同时提供通往BTS的路径。

时钟脉冲发生器、分配器向TSB源于GPS的时钟信号。

BSM为BS装置提供OAM功能，针对BS操作程序及BS维护的故障接收皆于BSMP（BSM处理器）内执行。

对于BS操作的人机界面，也包括在BSMP内，当BS装置发生任何错误或者故障时ALM产生警告信号。

MSC—移动交换中心，它是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制、交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。

它除了具有固定网的交换中心的呼叫控制等功能外，还具有无线资源管理、移动性管理等功能。

另外，为了建立至移动台的呼叫路由，每个MSC还应能完成区域MSC（GMSC）的功能，即查询MS位置信息的功能。

OMC—操作维护中心，用于蜂窝网络日常管理以及为网络工程和规划提供数据库的集中化设备。

通常，OMC同时管理移动交换中心MSC和各基站子系统BSS，但也可配置为只负责由许多BSS构成的无线子系统，这种配置的OMC称作无线操作及维护中心（OMC-R）。

同样OMC如用于管理MSC时，就称之为OMC-S。

LMF--本地维护设备。

除了OMC外，LMF提供给技术人员对BTS操作和维护的另一种途径。

这对于尚未与OMC接通的新装置BTS来说更为有用。

当BTS与OMC接通后，LMF也可以作为远端设备。

VLR—访问位置寄存器，存放其控制区域内所有拜访的移动用户信息，这些信息包括MS建立和释放呼叫以及提供漫游和补充业务的管理所需的全部数据。

HLR—归属位置寄存器，运营商用于管理移动用户的数据库。

HLR存放着该HLR控制的所有移动用户数据，以及每个移动用户的路由信息和状态信息，每个移动用户都应在某个HLR注册登记。

HLR跟踪漫游的手机，存储位置信息，并在呼叫建立期间向MX提供位置信息。

当手机开机运行时，它的位置信息经MX传递到HLR。

当MX为建立手机终止呼叫而请求HLR的路由信息时，HLR响应并将位置信息传递给MX。

位置取消要求VLR删除漫游手机的信息

EIR—设备识别寄存器，存储有关手机的设备参数的数据库。

主要完成对手机的识别、监视、闭锁等功能。

MC—短消息中心，存储和转发短信息的功能实体。

SME---短消息实体，是合成和分解短信息的实体，位于MSC、HLR和MS内。

AC----鉴权中心，用来认证移动用户的身份并产生相应鉴权参数的功能实体。

PSTN—公用数字网

2CDMA的接口和协议

CDMA系统的主要接口包括Um接口、A接口和交换子系统内部接口，这三种主要接口的定义和标准化可以保证不同供应商生产的MS、BSS（基站子系统）和NSS（网络子系统）能纳入同一个CDMA数字移动通信网运行和使用。

（1）Um接口：

BSS与MS之间的空中接口，即无线接口；

（2）A接口：

MSC与BSC之间的接口，采用标准的2.048Mbit/sPCM数字传输链路，主要传递呼叫处理、移动性管理、基站管理和移动台管理，使用BSSAP协议；

（3）交换子系统内部各实体之间的接口：

包括B、C、D、E、H、M、N和Q接口，其接口协议是MAP协议。

3子系统介绍

3.1基站子系统

基站子系统（BSS）由一个集中的基站控制器（BSC）和若干个基站无线收发信台（BTS）组成。

在CDMA系统的基站子系统中，声码器／选择器（V/S）单元是必需的，而且从功能上说属于BSS，但其实体一般放在移动交换机（MSC）一侧，也可以放在MSC和BSS之间。

在逻辑上受BSS控制。

声码器／选择器（V/S）单元用来完成BSS与固定网之间码型的变换及速率的配合，在软切换时具有分集作用。

当移动台拨打移动台时，语音编码应该只经过选择器而不经过声码器传至被叫移动交换局，这样避免两次编解码，提高了话音质量。

一般来说，声码器与选择器是合在一起的。

这就使它具有以下特点：

Ø当软切换时，它能将前向业务信道的语音／数据链路分配到正在软切换的所有BTS；

Ø当软切换时，它能从所有参与软切换的BTS的反向业务信道语音／数据链路里选择最好的一条传送至MSC；

Ø它能对反向业务信道进行解码，将语音从QCELP变换成PCM。

并且对前向业务信道进行编码，将语音从PCM变换成QCELP。

基站收发信台（BTS）包括了在固定端实现CDMA空中接口所需的设备，如：

射频收发信机、模拟接口卡、信道卡等。

BSC控制着BTS，用来管理无线资源和进行操作维护。

主要功能如下：

⑴无线信道的管理

在CDMA中，其物理信道占用1.23MHz的频宽，采用CDMA／FDMA方式。

在这同一物理信道通过不同码字区分不同的逻辑信道。

前向CDMA信道（基站至移动台方向）的逻辑信道包括导频信道、同步信道、寻呼信道和前向业务信道。

反向CDMA信道（移动台至基站方向）的逻辑信道包括接入信道、反向业务信道。

BSS对公共控制信道管理包括对导频信道、同步信道、寻呼信道的管理。

在CDMA系统的每个物理信道中，导频信道必须存在，对于同步信道和寻呼信道可根据情况分配不同的信道数，这与网络设计有关。

基站子系统结构

CDMA的无线业务信道管理包括：

信道分配、链路监视、信道释放、空闲信道观察、业务信道功率控制。

BSS支持全速率、半速率、1／4速率、1／8速率业务信道。

（2）有线信道的管理

主要是用于指示MSC和BSC之间的信道阻塞，包括BSS无线信道与地面电路关系的管理。

（3）BSS／MSC管理

BSS在BSS／MSC管理中所起的作用是：

当控制信道过载时，BSS向MSC发送过载消息。

（4）信道编码和解码

BSS使用卷积编码和交织等技术进行信道编码和解码。

（5）测量

BSS中的测量主要有两种，一种是用于功率控制的测量，即BSS测量移动台的反向FER（误帧率），根据误帧率与标准误帧率位比较，决定目标Eb/No的升高或降低，并将测量到的移动台Eb/No与目标Eb/No值相比较，以通知移动台升高或降低发射功率，这就是CDMA闭环功率控制。

CDMA的开环功率控制需要基站子系统作的工作是判断在开环功率控制公式中的几个常量参数值，并通过寻呼信道消息通知移动台。

在CDMA的前向功率控制中，BSS根据移动台的FER测量结果，决定增加或降低前向业务信道发射功率。

另一种是用于切换的测量。

BSS收到从MS来的测量信息，进行处理。

如果是一个基站不同扇区之间的软切换（更软切换），则由BSS决定切换方向，然后将切换结果报告MSC。

如果是不同BTS之间的软切换，可由BSC决定切换方向也可由MSC决定（由运营者设定）。

BSC间或MSC间的切换，必须由MSC决定切换方向。

在CDMA系统中，BSC或MSC一般只依靠来自移动台的测量结果就可判断切换方向，这也就是通常所说的移动台辅助切换。

仅有些时候，还需要对移动台的信号强度进行测量，才能判断切换方向，这时由MSC控制BSS对移动台反向业务信道进行测量，并将结果报告MSC，同移动台报告的测量结果一起作为MSC确定切换方向的依据.

（6）支持码变换／速率适配

在实际应用中，码变换器在功能上将被划归到BSS，它不被认为是一个独立设备，BSS直接控制码变换器，在BSS和码变换器之间不定义控制接口。

为了节省电路，码变换器一般被放在MSC的—侧，但它仍被认为是BSS的一部分。

（7）切换（包括软切换和硬切换）

在以下几种情况时可能发生软切换利硬切换（内部和外部）：

比如无线传播、业务分配、操作和维护激活、设备故障。

在进行一个小区的内部切换即不同扇区间的切换（更软切换）时，由BSS决定目标扇区。

并通知MSC需要进行一次切换。

在一个小区的内部切换完成以后，也将通知MSC。

在一个BSS内的不同小区间切换时，由BSS或MSC选择目标小区。

由BSS选择目标小区时，在小区间切换完成以后，将通知MSC，若由MSC决定目标小区，BSS将得到的测量结果报告给MSC，由MSC进行计算优选，确定最终切换目标。

外部切换是指当一个候选目标小区与原小区不在同—BSS时，就尝试进行一次外部切换，可分为软切换和硬切换两种切换。

此类切换包括同一MSC下的不同BSS间的切换和MSC间的切换（原BSS和目标BSS由不同的MSC控制）。

（8）传递移动性管理消息

移动性管理消息在MS和MSC／VLR／HLR之间通过BSS进行传输。

如鉴权、登记、切换和漫游等消息，BSS负责将这些消息传给网络部分。

（9）寻呼

BSS负责将网络来的寻呼消息转换成相应的空中接口消息向一定范围的小区分发。

重呼功能可以放在BSS，也可以放在MSC，可由运营者和厂家协调。

（10）操作维护功能

BSS的操作功能包括：

对BTS／BSC参数的修改，对BSC的硬件配置；BSS的维护功能包括：

对BSC的故障定位，支持BSC和BTS的再配置，对BSC的软件升级。

另外，为了实现对系统的远端操作维护，BSS到OMC（操作维护中心）之间要有接口，以便将BSS的数据文件以及测量结果传送到OMC。

（11）测量／监视

BSS能完成话务量测量、信令状态测量，以及对指定MS的监视。

（12）支持扩容功能

BSS对扩容的支持包括：

Ø小区分割和扩展；

Ø增减BSS中的设备；

Ø增减信道数目。

（13）功率控制功能

BSS支持闭环和外环功率控制功能。

BSC可以设置误帧率（FER）的目标值。

（14）呼吸功能

BSS支持呼吸功能。

呼吸作用实际就是BTS在一个CDMA频带里的接收功率超过一个限定值时，主动减少它的发射功率。

（I5）小区规划

BSS能支持重叠覆盖和非重叠覆盖结构，它根据需要最多可配置9个扇区。

（16）BTS与MS接口

BTS到MS的空中接口符合IS—95A的要求。

BTS支持CDMA所有类型移动台的操作。

（17）加密

BSS具有话音和消息加密功能，由MSC控制实现。

（18）接收机空间分集

BTS具有接收机空间分集功能。

（19）同步

如果码序列在传输中有传输时延，在收端便不能解调恢复出原始数数据，需要在接受端通过人工的时延来补偿传输及数字信号处理造成的时延。

要做到这种补偿，我们必需建立一种同步体制，即必须使收、发端产生的码序列同步。

这就是CDMA系统的同步问题。

由于CDMA系统中的码速率非常高，因此必须有一套高精度的同步时钟作为参考，协调全网所有基站的工作。

目前，全球卫星定位系统（GPS）是这种时钟参考的最佳选择。

GPS是一个由24颗绕地球运转的卫星组成的天线导航系统，它的优势在于全球覆盖，系统时钟精度高，不易受电磁暴、低频干扰源的影响。

每个BTS、BSC都装有GPS，以保证系统同步。

在CDMA系统中，BSS对以上功能的完成确保了系统的正常运转。

3.2交换子系统

交换子系统是以移动交换机为核心，并包括与之其相连的相邻MSC、VLR、HLR、AC、OMC、EIR、MC、PSTN。

交换子系统的典型结构如图。

交换子系统的结构组成

3.2.1MSC与VLR功能

MSC除具有一般交换机的功能如电路交换，CCITT7号信令的各种应用部分（ISUP,MAP等）之外，还具有许多与移动性有关的功能。

（1）地面电路管理

地面电路就是那些在MSC和BS之间用于承载业务（语音或数据）和信令信息的设施。

地面电路管理包括地面电路分配、地面电路阻塞和解闭以及地面电路复位。

MSC选择使用地面电路。

（2）无线资源管理功能

无线资源管理功能包括对切换、寻呼无线业务信道释放等的管理。

首先介绍对切换（包括软切换和硬切换）的管理。

在一个小区的内部切换时，BSS将通知MSC需要进行一次切换。

在切换完成以后,也将通知MSC。

当小区间切换时，由BSS或MSC选择目标小区，在前一种情况下，BSS将通知MSC需要进行一次切换。

在切换完成以后，也要通知MSC切换已经完成。

当目标小区在原小区的BSS的覆盖范围之外时，就需要进行外部切换，它包括MSC间的切换，即原BSS和目标BSS由不同的MSC控制。

MSC间的连续切换，即指移动台在一次通话过程中，连续经过两个以上的MSC区域。

为节省资源，主控MSC必须建立新的链路连接，例如，由MSC—A切换至MSC—B时，MSC—A与MSC—B有链路连接，这时又切换至MSC—C，为节省资源，应建立MSC—A与MSC—C之间的直接连接，而不是保持MSC—A至MSC—B之间的电路，再建立MSC—B至MSC—C之间电路连接。

这就需要有主控MSC控制，切换信道、保持通话。

以上讲述了对切换的管理功能，无线资源管理还包括以下一些管理功能。

无线业务信道的释放管理基本上是由MSC控制的。

然而由于无线传播的原因BSS也可以请求MSC释放一个呼叫。

对于寻呼，在MSC／VLR里存有一个登记区域表（表中地址通常不止一个），MSC可根据此表做出决定，向其认为移动台可能存在的所有BSS传达寻呼请求消息。

（3）MSC管理

在MSC处理器过载时，MSC有责任将过载消息发送到BSS以阻止部分业务。

（4）信道编码和解码

信道编码的类型是由MSC指配BSS进行的。

（5）移动性管理

移动性管理是MSC非常重要的功能，关系到系统的安全性、保密性和全网的互通性，具体包括以下几个方面。

a鉴权

在具体应用时．运营者可根据需要决定是否使用鉴权。

鉴权在功能上是属于AC的，但一般为了节省时间，鉴权功能可下放到MSC／VLR（但对SSD更新的过程却必须在AC中完成，这主要是为安全保密考虑）。

MSC到BSS的接口被用作传送必要的查询和响应消息。

网络可以对系统中每一个用户都进行鉴权，也可只对申请了此项功能的用户进行鉴权（由运营者设定）。

b加密

有了前面鉴权的基础，才有了话音与信令加密的可能，是否进行加密由网络决定，MSC会通知BSS是否加密，以及是话音加密还是信令加密，再由BSS通知移动台，以实现系统的安全保密。

c登记

登记（位置更新）程序是由MSC／VLR／HLR负责的。

在CDMA系统中文持9种登记形式，MSC／VLR可根据网络运行要求来设置是否进行某种登记，可以9种登记都要，也可只设置其中的一些。

d首次寻呼

首次寻呼是由MSC／VLR控制BSS完成的。

（6）呼叫控制功能

用户数据存储在MSC／VLR中，当用户起呼或被呼时，为了检验用户的合法性，系统要进行鉴权，检查用户的HLR和EIR，这就是呼叫控制功能。

（7）业务功能

MSC／VLR可以提供电信业务、承载业务和补充业务。

3.2.2HLR与AC功能

HLR存储着与移动用户有关的数据，例如，国际移动台识别号码（IMSI或MIN），用户号码簿号码，用户的服务项目清单（所拥有的业务），登记与激活数据以及与漫游有关的数据。

HLR向MSC／VLR提供用户数据，用于确定被叫移动台的位置，提供路由信息。

AC提供给用户在鉴权时所需的数据，从而在空中接口对用户信息进行保护，防止移动台被盗用。

根据网络管理的需要，AC可将一部分鉴权功能下放到MSC/VLR中完成，将移动台鉴权数据直接送至MSC/VLR的目的是节省鉴权时间。

但值得注意的是，SSD更新不能下放，这就是说，移动台的A钥（存放在移动台及其相应AC的一个64比持数）只有移动台自己和其相应的AC知道，不会传至MSC／VLR，这样可保证移动台鉴权参数的保密。

下面简要介绍一下HLR／AC的功能。

（1）提供相关接口

HLR／AC应提供与MSC／VLR的接口，该接口使用MAP信令；

HLR／AC应提供与OMC的接口；

HLR与AC的接口，该接口信令属内部信令。

（2）移动台被叫处理

当移动台被叫时，MSC必须询问移动台所属的HLR，才能得知移动台所在地。

从HLR得到移动台的漫游号TLDN（临时本地用户号码）后，进行下一步的路由选择，进一步处理此呼叫。

在HLR中的操作过程如下：

输入被叫移动台的号码簿号码，找到相应的IMSI，再找到被叫移动台的TLDN，然后将其提供给始呼MSC进行路由接续。

（3）登记

在CDMA系统中，包括9种登记形式，下面介绍HLR/AC在登记过程中所起的作用。

Ø当移动台进入到新的MSC时，在HLR中将更新移动台的位置信息；

Ø当移动台在MSC／VLR中已经登记时，HLR将向原来的MSC发送相关消息，清除移动台在原来VLR中的数据，这样可防止VLR中的数据量太大；

Ø由于管理上的原因，移动台被限制呼叫时，将改变HLR中该移动台的服务项目清单，HLR也应将这一信息通知VLR；

ØHLR还为MSC／VLR提供所有必需的数据。

当HLR收到从移动台所在地的VLR发来的登记消息后，HLR将更新自身数据（VLR地址，移动台的TLDN等）。

对于始呼有限制（无长途权）的移动台，HLR可根据情况拒绝位置更新。

（4）数据恢复

在HLR发生故障时，它能自动启动数据恢复程序，然后将HLR复位消息传给MSC/VLR，在与移动台首次无线连接中确认其位置数据。

（5）对业务的支持

HLR能支持基本和补充业务。

（6）安全性

安全性在这里有两种含义，一是HLR／AC自身的安全性，一是用户鉴权即合法性管理的功能。

Ø对于自身安全性，HLR/AC使用备份方式，以保证系统的安全性。

在HLR／AC中保存有用户永久性数据，如果用户数据发生修改，都应立即或周期性进行磁盘备份，以保证数据的安全性；

Ø对于鉴权，AC可将用户的一部分鉴权算法和数据传送给VLR，在某些鉴权场合由VLR来完成。

而对于SSD更新的鉴权算法和数据要保留在AC中完成。

AC将