CDMA信令系统总述

CDMA信令系统绪论1．1蜂窝移动通信网的发展本世纪80年代以来，随着人们对通信需求的快速增长，个人通信网（PersonalCommunicationNetwork）技术逐渐原以为各地发达国家重点研究、重点研究的关键领域。个人通信网融卫星通信、移动通信、光纤通信和现有的陆地公用固定网于一体，能够实现在任何地点、任何时间与任何人建立起通信链路，传输话音、数据及图像信号。个人通信网的核心技术少不了能够提供足够多容量的蜂窝移动通信系统，该系统应具备良好的传输质量，较高的数传速率和优越的频谱利用率。近年来，蜂窝移动通信系统的发展经历了一个从模拟网到数字网，从频分多址（FDMA）到时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）和过程。1983年推出的美国的AMPS系统，1985年推出的英国的TACS系统，都是FDMA（频分多址）模拟系统，两者大体类似，只是前者为800MHZ系统，，频道间隔为30KHZ，控制信号传输速率为10kb/s；拉开距离国900MHZ系统，频道间隔为25KHZ，控制信号传输速率为8kb/s。随后发展起来的泛欧GSM、DECT，加拿大的CT3系统为TDMA数字网，其中GSM系统在网络性能和容量上较模拟网有了重大改善，因此倍受推崇。然而，从1992年开始，在美国又出现了一种全新的数字蜂窝移动通信系统――CDMA系统。该系统采用码分多址直接序列扩频（DS/SSCDMA），相比较而言有两大突出优点：一是系统抗干扰能力增强，特别对移动通信系统普遍存在的频率选择性衰落，多径衰落有着极好的抵抗能力；二是系统容量增大。CDMA系统所有用户在一定区域内，使用同一个频段，他们通过使用互不相关的伪随机（PN）码作为扩频序列来相互区分，系统容量最终取决于载波干扰比（C/I），面不直接受带宽的限制，因此，借助于功率控制等技术，CDMA系统的容量一般是模拟系统的10－20倍，是GSM系统的2倍左右。而且在系统工作时，CDMA小区赔不是通话的用户数可以在满负荷情况下适当地有所啬，代价只用户的通话质量略有下降，这就是所谓的软容量。上述这些特点使得CDMA蜂窝移动通信系统极有可能在将来的个人通信网中发挥巨大的作用。1．2CDMA系统概述码分多址（CDMA）蜂窝移动通信系统的网络结构如图1．1所示。1SS7SS7或LAPDTDMCDMA图1.1CDMA系统的网络结构在CDMA系统小区内，基站与移动台之间采用异频双工码分多址方式工作，基站一般通过微波或光纤同移动电话交换中心（MTSO）用时分双工（TDM）方式连接起来，最后MTSO通过7号信令（CommonChannelSignalling）与当地公用电话网（PTSN）联络。基站与MTSO之间的信令可以是7号信令，也可以用其它数据控制规程LAPD，而移动台与基站之间的信令关系正是本书所要详细介绍的内容。在CDMA小区内，基站和移动台都采用直接序列扩频QPSK市制方式，即用节普速率（ChipRate）为1.2288MHZ的伪随机（PN）序列对242－1比特，用来区别不同的移动台用户；另一种码称为异频（Pilot）PN导引伪码序列，它有I、Q两路，长度为215比特，用于扩频系统中QPSK调制，其依稀可以区别512个不同的基站。另外，否认是前向通道（基站－移动台）还是反向通道（移动台－基站），都采用一组64个两两下次的Walsh函数按逻辑区分了同一基站下的64个不同的信道；在反向通道中，每6个基带信息比特选择个Walsh函数序列进行下次扩频。为提高能力，CDMA系统还采用了块交织技术和约束度K＝9的卷各编码/维特比解码。图1.2和图1.3分别为前向通道及反向通道的编码、调制结构示意图。公用电话网PTSN移动电话交换中心MTSO基站基站移动台移动台移动台移动台Wslsh函数I路PilotPN序列cos2πfct序列I(0=i=63)信息系列信道(0=i=63)Q路PilotPN序列sin2πfct图1.2前向通道纠错编码、调制示意图I路pilotPN序列cos2πfctWalsh函数序列0Walsh函数序列1Walsh函数序列63Q路pilotPN序列sin2πfct信息序列图1.3反向通道编码、调制示意图在信号接收方面，CDMA系统最大的特色是采用了瑞克（Rake）接收机。在FDMA卷积编码块交织＋长码发生器＋＋＋滤波器滤波器＋＋＋64选1卷积编码块交织＋长码发生器＋＋×滤波器滤波器××及TDMA系统中，对多径信号的处理是消极地均衡和剔除，而CDMA及TDMA系统中，对多径信号的处理是地均衡和剔除，而CDMA系统则充分利用了含有信息量的多径信号，对其进行功率叠加，使得信噪比在为改善。我径信号的这种处理过程由Rake接收机完成，如图1.4所示。Rake接收机内一般有4个相关器单元，其中1个用于动态搜寻当前帧内3路最强的多径信号，然后它命令另外3个相关器单元分别跟踪接收这3路信号。最后，将这3路接收到的信号加权合并作为Rake接收机的输出，而加权因子与各路信号的信噪比成正比。这样，Rake接收机就充分利用了多径信号的能量，化消极因素为积极因素，体现了CDMA技术的优越性。输入输出图1.4Rake接收框图1.3CDMA系统信道类型1.3.1前向信道在CDMA蜂窝移动通信系统中，每个小区内的前向信道（基站――移动台）共有64个信道，分别由Walsh函数序列0到序列63提供正交隔离。这64个信道分为四种类型：Pilot（导频）、Sync（同步）、Paging（寻呼）、ForwardTraffic（前向话音）信道。Pilot信道每个小区只有一个，它由Walsh函数序列0提供正交调制。Pilot信道信号不含任何信息，它只提供同步信号，供移动台采集获取相干解调时所需的载波相位参考。Sync信道每个小区只有一个，它由Walsh函数序列32提供正交调制。Sync信道信号主要提供基站PilotPN码的偏移量及系统标准定时。系统识别符等信息。移动台只在初始化时采集接收Sync信道信令，之后不再使用。A/D转换相关器1相关器2相关器3搜寻相关器加权合并Paging信道每个小区最多可以有7个，分别使用Walsh函数序列1－序列7。其中，使用Walsh函数序列1的称为主Paging信道。Paging信道主要用于寻呼移动台收听。传送系统参数。管理移动台的登记工作以及为移动台分配信道。ForwardTraffic信道每个小区至少有55个，分别以Walsh函数序列8到序列63（除序列32以外）提供正交隔离。ForwardTraffic信道用于基站向移动台传送话音、数据以及有着信令，而且，信令可以在一帧内与话音或数据从那时起传送，其格式如下：1帧：其中，话音（或数据）、信令所占长度可以调整。1.3.2反向信道在CDMA系统中，每个小区内的反向信道（移动台－基站）有两类信道：Access（接入）、ReverseTraffic（反向话音）信道。在小区内，每个Paging信道下可对应最多32个Access信道、移动台选择它所监视的Paging信道下的某一个Access信道作为自己的接续信道，完成忏呼叫（始呼）、响应呼叫和位置登记等工作。Access信道采用随机接续时隙――ALOHA（slotted-ALOHA）方式，在这种方式下，移动台的每个接续信号在时隙的起点处开始改善，然后随机地等待一段时间（160－1360ms）。其间，如果基站没有通过Paging信道向移动台发出认可信号，则表明接续信号在信道中发生了碰撞，移动台就选择一个时隙，重复改善该接续信号。反向话音信道与前向话音信道基本相似，只是它不用Walsh函数序列来区分信道，而是每6个基带信息比特选择1个Walsh函数序列进行正交扩频。1.4CDMA系统信令类型在CDMA数字蜂窝移动通信系统中，基站和移动台之间的信令关系非常复杂。首先，在CDMA蜂窝网中，作为信令信道有多种类型。例如，前向信道可分为Pilot信道、Sync信道、Paging信道、前向ForwardTraffic信道，不再是简简单单地只有控制信道与话音信道之分。其次，由于CDMA系统采用了许多独特的处理方法，因此，虽然系统性能有了很大的提高，但却使信令系统非常复杂。概括地说，在CDMA系统中，基站和移动台之间的信令系统应能提供以下服务：（1）参数传递（包括系统配置参数和移动台状态参数）；（2）链路管理（包括通信链路的建立及拆除）；（3）服务方式管理（包括服务项目的选择和磋商、特殊服务请求等）；（4）高层管理（包括位置登记、越区切换、功率控制等）。1.4．1参数传递信令这部分信令主要在Sync同步信道和Paging寻呼信道中使用，用于基站向小区内的移帧头话音/数据信令帧尾动台通报系统配置、邻近小区参数、信道分配情况以及信道参数等等。如Paging信道中的SystemParametersMessage(系统参数)信令包含以下内容：系统识别符、网络识别符、基站识别符、基站级别、该基站所支持的Paging信道数、位置登记参数、Access信道最大时隙数等等。其它还有SystemParametersMessage(系统参数)、NeighborListMessage、CDMAChannelListMessage、SyncChannelMessage（同步信道）等信令。参数传递信令前向及反向话音信道中出现，主要用于基站及移动台在通信链路建立之后，相互传递有着参数。如基站在前向话音信道中发出的In-TrafficSystemParametersMessage信令和移动台在反向话音信道中发出的ParametersResponseMessage（参数响应）信令。1.4.2链路管理类信令这类信令用于前向及反向话音链路的建立及拆除，其中用于建立链路的信令，如移动台始呼信令OriginationMessage和基站寻呼信令PageMessage，大都出现在Paging和Access信道中：而用于拆除链路的信令，如释放命令ReleaseOrder，则出现在前向和反向话音信道中，与话音同帧分时传送。1.4.4高层管理信令这类信令用于CDMA系统中的位置登记、越区切换、功率控制等过程，是提高系统性能的重要组成部分。1）位置登记移动台的通过登记过程向基站报告当前的位置、状态、识别参数、加密参数等信息，这有助于基站及移动电话交换中心对移动台进行定位，准确寻呼移动台及接收其呼叫。位置登记有多种类型：上电登记上、受命登记、隐含登记和话音信道登记，基站可以灵活地有选择性地使能某些登记类型，做到既准确、及时，又不过多地加重信道的工作负荷。2）越区切换当移动台在通话过程从一个小区运动到另一个小区时，其通信链路就要从原小区基站转移到新的小区基站，并保持通话，这就是所谓的越区切换。由于CDMA蜂窝采用小区制，因此越区切换在系统中非常频繁。如图1.5所示，切换时，移动电话交换中心（MTSO）指令两个跟移动台最近、Pilot导频信号最强的基站A和B同时与移动台建立通信链路，MTSO从这两个基站送来的信号中挑选一个信噪比较高的作为接收信号，而移动台则利用Rake接收机同时捕捉接收两个基站发出的信号。由于CDMA系统所有用户在一定区域内使用同一个频段，移动台在越区切换时并不改变频率，不会发出话音或数据中断的现象，所以对通话质量并无影响，故称作软切换（SoftHandoff）。软切换保证了系统的通信性能，但却影响了系统容量，而且需要相当复杂的信令及流程加以支持。常用的越区切换信令有：前向话音信道中的HandoffDirectionMessage(切换方向)，反向话音信道中的PilotStrengthMeasurementMessage（导引强度测量）和HandoffCompletionMessage（切换完成）。图1.5越区切换示意图3）功率控制为了克服CDMA系统所特有的远近效应，达到高的系统容量和好的通信性能，CDMA蜂窝移动通信网在话音信道采用了功率控制技术。由于基站受阻塞的可能性及受影响程度远大于移动台，因此，反向通道功率控制的精度、速度及动态范围都应大于前向通道