第3章3G技术.docx
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第3章3G技术
第三章IS-95系统原理
：
知识点
介绍IS-95空中接口参数。
介绍IS-95系统的前反向信道的种类和功能。
介绍IS-95系统的前反向信道的编码、调制过程。
3.1引言
通过对本章的学习，你能基本掌握IS-95系统前反向信道的种类、功能以及编码、调制过程。
3.2IS-95系统概述
美国电信工业协会（TLA）于1993年公布了代号为IS-95等一系列窄带CDMA蜂窝通信系统的标准。
IS-95标准的全称是“双模式宽带扩频蜂窝系统的移动台——基站兼容标准”。
3.3IS-95系统空中接口参数
由于IS-95系统最早要求与模拟通信系统AMPS兼容，因此频点编号继承了AMPS的频点编号，频率描述比较复杂。
频点编号N与载频之间f（单位为MHz）的关系如下：
f上行=825+0.03×N
f下行=870+0.03×N
与GSM系统相比，CDMA系统使用的频点数量少得多。
当然，CDMA系统每个频点占用了1.25MHz的带宽，远超过GSM一个频点的带宽。
IS-95系统空中接口参数见表3.31。
表3.31IS-95系统空中接口参数
项目
指标
下行频段
870MHz~880MHz
上行频段
825MHz~835MHz
上、下行间隔
45MHz
波长
约36cm
频点宽度
1230kHz
多址方式
CDMA
工作方式
FDD
调制方式
QPSK
语音编码
CELP
语音编码速率
8kbit/s
传输速率
1.2288Mbit/s
比特时长
0.8μs
终端最大发射功率
200mW~1W
3.4前向信道
前向链路（基站到移动台），提供了基站到各移动台之间的通信。
3.4.1信道种类及功能
前向链路由以下逻辑信道构成：
导频信道
导频信道用来传送供移动台识别基站并引导移动台入网的导频信号。
同步信道
同步信道用来传送基站提供给移动台的时间和帧同步信号。
寻呼信道
寻呼信道用来传送基站向移动台发送的系统消息和寻呼消息。
前向业务信道
前向业务信道用来传送基站向移动台发送的用户信息和信令信息，在每个前向业务信道中包含有向移动台传送的业务数据和功率控制的信息。
这些逻辑信道的特点如表3.41所示。
表3.41IS-95系统前向信道
信道
数量
速率（bit/s）
功能
导频信道
1
1200
广播基站的频率和相位信息，帮助终端相干解调
同步信道
1
1200
广播基站的同步信息及系统参数
寻呼信道
1~7
9600/4800
广播基站的寻呼终端信息、系统参数和传送基站的指令
前向业务信道
1~55
9600/4800
2400/1200
传送语音和数据业务
3.4.2信道帧结构
前向链路上的导频信道只提供参考频率供移动台相干解调，数据全部为‘0’，不需要帧结构。
其余几个信道的结构描述如下。
1．同步信道
同步信道的比特率是1200bit/s，帧长为26.67ms。
一个同步信道超帧（80ms）由三个同步信道帧组成，在同步信道上以同步信道超帧为单位发送消息。
超帧开始的时间与基站导频PN序列开始的时间对齐。
2．寻呼信道
寻呼信道传送9600bit/s或4800bit/s固定数据速率的信息，不支持2400bit/s或1200bit/s数据速率。
在一个给定系统中所有寻呼信道发送数据速率相同。
寻呼信道帧长为20ms。
寻呼信道使用的导频序列偏置与同一前向CDMA信道的导频信道上使用的相同。
交织块与寻呼信道帧的开始应与用于前向CDMA信道扩频的导频PN序列的开始对齐。
3．前向业务信道
基站在前向业务信道上以9600bit/s、4800bit/s、2400bit/s和1200bit/s可变数据速率发送信息。
业务信道采用可变数据速率，不同的速率对应的发射功率不同，速率越高，发射功率越大。
这样就很好理解采用可变数据速率的目的在于在没有语音活动期间降低数据速率，以降低此业务信道对其它用户的干扰。
前向业务信道帧长为20ms，数据速率的选择是按帧（即20ms）进行的。
虽然数据速率是按帧改变的，但调制符号速率保持固定，即19200个符号/秒，这是通过码元重复实现的。
3.4.3信道编码、调制
在IS-95系统中各前向信道的编码过程不同。
下面分别介绍。
1．导频信道
导频信道的编码过程在前向信道中是最简单的，如图3.41所示。
图3.41IS-95导频信道的编码过程
由于导频信道的信息全是0，因此不需要卷积和交织。
导频信道使用W0扩频，扩频后进行调制。
Walsh码的码率为1.2288Mchip/s。
2．同步信道
同步信道的编码过程如图3.42所示。
图3.42IS-95同步信道的编码过程
（1）卷积。
对同步信道上传送的信息进行1/2卷积（约束长度为9），变成2400bit/s。
（2）码元重复（即每个符号连续发两次）。
码元重复后变成4800bit/s的信号。
（3）交织处理。
交织处理采用列存取的方法，矩阵为16行8列，包含128个比特数据，相当于26.67ms的数据量。
（4）扩频。
同步信道使用W32扩频，扩频后进行调制。
3．寻呼信道
寻呼信道的编码过程如图3.43所示。
图3.43IS-95寻呼信道的编码过程
（1）卷积。
对信号进行1/2卷积（约束长度为9），变成9600bit/s或19200bit/s的信号。
（2）码元重复。
如果原来是4800bit/s的信号，还要再由码元重复变成19200bit/s的信号，但原来的9600bit/s信号就不需要码元重复了。
（3）交织处理。
交织处理的矩阵为24行16列，包含384个比特数据，相当于20ms的数据量。
（4）扰码。
扰码所用的PN码有42位。
（5）扩频。
寻呼信道使用W1~W7扩频，扩频后进行调制。
4．前向业务信道
前向业务信道的编码过程如图3.44所示。
图3.44IS-95前向业务信道的编码过程
（1）卷积。
对前向业务信道的数据进行1/2卷积（约束长度为9）。
（2）码元重复。
与寻呼信道类似，原来9600bit/s的信号不用重复，4800bit/s的信号重复1次，2400bit/s的信号重复3次，1200bit/s的信号重复7次，最后变成19200bit/s的信号。
（3）交织处理。
交织处理的矩阵为24行16列，包含384个比特数据，相当于20ms的数据量。
（4）扰码。
扰码的方法与寻呼信道的扰码方法相同，但长码掩码格式有区别。
前向业务信道中还包含了功率控制比特，速率为800bit/s。
“0”指示终端增加输出功率，“1”指示终端减小输出功率。
（5）扩频。
前向业务信道使用W8~W31以及W33~W63扩频，最多可以有55个前向业务信道，实际上由于系统自干扰的缘故，达不到这么多业务信道数。
前向信道的各个信道采用相同的调制方式，如图3.45所示。
图3.45IS-95前向信道调制过程
首先I、Q路输入信号是相同的，其次I、Q路输入信号在基带滤波前还要与PN码做模2加，也就是扰码。
I、Q路输入信号使用的PN码生成多项式是有差别的，如下式：
fI（x）=1+x5+x7+x8+x9+x13+x15
fQ（x）=1+x3+x4+x5+x6+x10+x11+x12+x15
前向业务信道的调制参数如表3.42所示。
表3.42IS-95系统前向业务信道的调制参数
速率（kbit/s）
PN子码速率（Mchip/s）
卷积编码码率
码元重复后出现次数
调制码元速率（s/s）
每调制码元的子码数
每比特的子码数
9600
1.2288
1:
2
1
19200
64
128
4800
1.2288
1:
2
2
19200
64
256
2400
1.2288
1:
2
4
19200
64
512
1200
1.2288
1:
2
8
19200
64
1024
各个信道的解码过程是编码过程的逆过程，具体解码过程这里就不加以介绍了。
不过我们应该知道，解码过程需要一定的步骤，即解调、短码解扩、长码解扩。
3.5
反向信道
反向链路（移动台到基站），提供了移动台到基站之间的通信。
3.5.1信道种类及功能
反向链路由以下逻辑信道构成：
接入信道
移动台使用接入信道来发起同基站的通信，以及响应基站发来的寻呼信道消息。
它是一种随机接入信道，每个寻呼信道能同时支持32个接入信道。
反向业务信道
反向业务信道用于在呼叫期间移动台向基站发送用户信息和信令信息。
3.5.2信道帧结构
1．接入信道
每个接入信道帧包含96bit。
每个接入信道帧由88个信息比特和8个编码尾比特组成。
接入信道前缀包含一个96个全零的帧，以4800bit/s的速率发射。
发射接入信道前缀是为了帮助基站捕获接入信道。
2．反向业务信道
移动台在反向业务信道上以可变速率9600bit/s、4800bit/s、2400bit/s和1200bit/s的数据率发送信息。
反向业务信道帧的长度为20ms。
速率集内的数据率的选择以一帧为基础。
移动台支持带时间偏置的业务信道帧。
时间偏置量由寻呼信道的信道指配消息中的FRAME－OFFSET参数定义。
当系统时间是20ms的整数倍时，开始零偏置的反向业务信道帧。
滞后帧在比零偏置业务信道帧晚1.25×FRAME－OFFSETms时开始。
反向业务信道交织块与反向业务信道帧时间一致。
3.5.3信道编码、调制
1．接入信道
接入信道的编码过程如图3.51所示。
图3.51IS-95接入信道的编码过程
（1）卷积。
接入信道的信息首先经过1/3卷积（约束长度为9），变成14400bit/s的信号。
（2）码元重复。
码元重复后变成28800bit/s的信号。
（3）交织。
交织处理采用列存取的方法，矩阵为32行18列，包含576个比特数据，相当于20ms的数据量。
（4）正交调制。
正交调制后信号速率从28800bit/s提高到307.2kbit/s。
接入信道扩频时利用了PN长码。
2．反向业务信道
反向业务信道的编码过程如图3.52所示。
图3.52IS-95反向业务信道的编码过程
（1）卷积。
反向业务信道的信息首先经过1/3卷积（约束长度为9）。
（2）码元重复。
与前向业务信道相似，9600bit/s的信号不用重复，4800bit/s的信号重复1次，2400bit/s的信号重复3次，1200bit/s的信号重复7次。
（3）交织。
交织处理采用列存取的方法，矩阵为32行18列，包含576个比特数据，相当于20ms的数据量。
（4）正交调制。
正交调制与接入信道方法相同。
反向业务信道扩频时利用了PN长码，长码的产生过程与寻呼信道的长码的产生过程相同。
（5）随机化。
数据随机化保证了每个经过码元重复的码仍然只被传送一次。
数据随机化通过门控实现。
反向信道的各个信道采用相同的调制方式，调制过程如图3.53所示。
图3.53IS-95反向信道调制过程
调制方式与前向信道的调制方式有一些差别：
首先Q路信号上引入了半个码片（410ms）的延迟，因此变成了OQPSK调制方式，这样做的好处是避免了180°的突变，也就是信号过零点；
其次I、Q路信号在基带滤波前还要与PN码做二进制加，使用的PN码是0偏置导频PN序列。
反向业务信道的调制参数如表3.51所示。
表3.51IS-95系统反向业务信道的调制参数
速率（kbit/s）
PN子码速率（Mchip/s）
卷积编码码率
传输占空比（%）
码元速率（s/s）
每调制码元的子码数
调制码元速率（s/s）
Walsh子码速率（kc/s）
9600
1.2288
1:
3
100
28800
6
4800
370.20
4800
1.2288
1:
3
50
28800
64
4800
370.20
2400
1.2288
1:
3
25
28800
6
4800
370.20
1200
1.2288
1:
3
12.5
28800
64
4800
370.20
3.6反向信道与前向信道的比较
与前向信道相似，反向信道中也采用PN码扩频调制，此PN码的长度也与前向信道中的相同。
然而，在这里使用了一个固定的相位差。
移动台发送的数字信号也进行卷积编码、码组交织、Walsh码64进制正交调制、长码扩频和四相PN扩频调制。
但是与前向信道相比有下面一些主要的不同之处：
发送的数字信息使用码率为1/3、约束长度为9的卷积编码，因此编码后的符号速率是28.8kbit/s。
卷积编码的信息以20ms间隔进行交织，信号完成交织编码后将6个二进
制符号形成一组，用它来选择64个不同Walsh正交函数之一作为发射信号。
很明显这里的Walsh函数应用不同于前向链路，在前向链路上Walsh函数是由分配给移动台的信道来确定，而在反向链路上Walsh函数则是由发送的信息来确定的，也就是说反向链路上函数是用来作64阶正交调制的。
调制后的符号速率变为307.2kchip/s，码片速率则为1.2288Mchip/s。
在反向链路上PN长码不是用来扰码而是直接用来扩频，用来区别不同的移动台。
由于这个PN长码每一个可能的相位偏差都对应于一个有效地址，因而可以提供一个非常大的地址空间并且具有较高的保密性。
当用PN短码进行四相调制时，对任一移动台而言都统一使用零偏置PN码。
这是因为在反向信道上不需标识基站身份。
3.7业务流程
IS-95只支持语音业务，语音业务中包含几个典型的流程：
主叫、被叫、挂机、登记和切换。
下面介绍主叫、被叫、挂机及登记流程。
切换流程请参见“5.2.3软切换”。
3.7.1主叫流程
主叫流程如图3.71所示。
图3.71主叫流程
A．终端通过接入信道向基站发送Orginationmessage，并且等待基站的确认消息；
B．基站收到起呼消息后，通过寻呼信道向终端发送BaseStationAcknowledgementOrder，表明鉴权已经通过；
C．基站为终端分配一个空闲的业务信道，通过寻呼信道向终端发送ChannelAssingment消息，通知终端为其分配的专用业务信道；
D．同时，基站通过此专用业务信道向终端发送空白消息Null；
E．终端收到信道指配消息后，转到基站为其分配的专用业务信道，监听前向业务信道的质量。
如果能监听到连续两个好帧，表明此业务信道可用，终端就通过此业务信道向基站发送Premble；
F．基站收到终端发来的前导帧后，通过业务信道向终端发送BaseStationAcknowledgementOrder；
G．终端收到该指令后，通过业务信道向基站发送MobileStation
AcknowledgementOrder，业务信道建立完毕；
H．基站通过业务信道向终端发送ServiceConnectMessage，开始进行业务协商；
I．终端接受后，通过业务信道向基站发送ServiceConnectCompleteMessage，业务协商过程结束；
J．基站通过业务信道向终端发送BaseStationAcknowledgementOrder；
K．终端和基站可以正常通话。
3.7.2被叫流程
被叫过程比主叫过程复杂，被叫流程如图3.72所示。
图3.72被叫流程
A．如果终端处于开机并且允许接收呼叫，在被叫时，会收到基站通过寻呼信道广播的GeneralPageMessage；
B．终端收到通用寻呼消息后，通过接入信道向基站发送PageResponseMessage；
C~J．步骤同主叫流程的步骤B~I；
K．基站通过前向业务信道向终端发送AlertWithInformationMessage，要求终端振铃；
L~M．终端收到振铃消息并振铃后，通过反向业务信道向基站发送MobileStationAcknowledgementOrder，表明终端已经振铃；
N．终端振铃后一段时间，用户摘机。
终端通过反向业务信道向基站发送ConnectOrder，告知用户已经摘机；
O．基站收到该指令后，通过业务信道向终端发送BaseStationAcknowledgementOrder；
P．终端和基站可以进行通话。
3.7.3挂机流程
挂机是通话释放的过程，包括两种情况：
终端先挂机和终端后挂机。
挂机流程如图3.73和图3.74所示。
图3.73终端先挂机流程
A．终端和基站处于通话过程；
B．终端决定结束通话，先行挂机，通过反向业务信道向基站发送ReleaseOrder；
C．基站收到释放指令后，通过前向业务信道向终端发送ReleaseOrder，挂机过程结束。
同样是ReleaseOrder，参数不同。
图3.74终端后挂机流程
A．终端和基站处于通话过程；
B．基站决定结束通话，先行挂机，通过前向业务信道向终端发送ReleaseOrder；
C．终端收到释放指令后，通过反向业务信道向基站发送ReleaseOrder，挂机过程结束。
3.7.4登记流程
登记流程如图3.75所示。
图3.75登记流程
A．终端通过接入信道向基站发送登记消息（RegistrationMessage）；
B．基站收到登记消息后，在寻呼信道上反馈基站确认指令，表明终端鉴权已经通过，登记成功。
复习题
简述IS-95系统的前反向信道的种类和功能。
简述IS-95系统的前反向信道的编码、调制过程。
比较IS-95系统的前反向信道。
IS-95系统中呼叫流程有哪些，简述终端被叫的流程。
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