详解CDMA蜂窝移动通信1

CDMA蜂窝移动通信——袁超伟陈德荣冯志勇编著第１章概述第２章CDMA技术基础第３章CDMA码序列第４章CDMA通信原理第５章窄带CDMA通信系统第６章IS-95CDMA呼叫处理第７章IS-95CDMA中信令的应用第８章IS-95CDMA系统中的软切换和功率控制第９章宽带CDMA蜂窝移动通信简介目录1.1蜂窝网通信概论1.1.1移动通信的发展历史1.1.2我国移动通信的发展状况1.1.3蜂窝技术1.1.4蜂窝网移动通信概论1.2多址接入技术1.3CDMA的过去、现在和将来第一章概述1.1蜂窝网通信概论1.1.1移动通信的发展历史移动通信的发展，大致经历了五个发展阶段:第一阶段是从２０世纪20年代至40年代，为早期发展阶段;第二阶段是从２０世纪40年代中期到60年代中期;第三阶段是从２０世纪60年代中期至70年代中期，这时出现并推广自动交换式的三级结构;第四阶段是从２０世纪70年代中期到80年代末，主要是解决用户增加而频道有限的问题;第五阶段是从２０世纪80年代中期开始至今。这是数字移动通信系统的发展和成熟时期。以AMPS和TACS为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题，主要表现如下：1．现有的模拟式蜂窝系统体制混杂，不能实现国际漫游。2．模拟蜂窝网不能提供数据业务。3．模拟系统设备价格高、手机体积大、电池充电后有效工作时间短，给用户带来不便。4．模拟系统网用户容量受到限制，在人口密度很大的城市，系统扩容困难。为了克服第一代蜂窝系统的局限性，以满足移动通信网发展的需要，北美、欧洲和日本自２０世纪80年代中期起相继为第二蜂窝系统制定了三种不同的标准，即北美的IS、欧洲的GSM和日本的JDC。表1-2几种典型的模拟蜂窝状移动电话系统年代体制名称国家或地区1979年HCMTS日本1981年NMT-450北欧1984年AMPS美国1985年TACS英国1986年NMT-900北欧1987年C-900德国1988年ETACS/AMPS美国，英国1991年GSM.8CH.TDMA欧洲1992年CADN.3CH.TDMA美国，日本1.1.2我国移动通信的发展状况1987年我国第一个模拟网在广东珠江三角洲开通，采用的体制为TACS。随后北京、秦皇岛、上海相继组建模拟移动电话系统，年增长率一直超过100%；1994年11月开始组建GSM数字网；1998年模拟用户开始下降；2001年7月关闭模拟网；到2001年11月底，移动用户约达到1.4亿户，其中中国联通用户约达4000万。年份199419951996199719981999200020012002中国移动总用户数156.78362.94684.8113252357432485261410020037中国移动模拟用户数150.04347.27520.7640.3626.8459250中国移动数字用户数6.7415.67164.116831729.8782964001005012929.8中国联通GSM移动用户数31040141521182539305400中国联通CDMA移动用户数120701.2表1-5中国蜂窝移动用户发展情况。（单位：万）年份200320042005中国移动总用户数230002800034000中国移动数字用户数150001830021200中国联通GSM移动用户数610063006400中国联通CDMA移动用户数190034005400表1.6中国蜂窝移动电话用户预测结果（单位：万）图1.1数字移动通信的演进过程1.1.3蜂窝技术蜂窝的概念在处理覆盖区问题上与大区制是不同的。它放弃了中心广播的方法，而将整个服务区划分为许多较小的区域，用许多小功率的发射机来覆盖每个小的区域，这样的区域称为蜂窝小区（cell），许多小区就可以覆盖整个服务区了。从理论上讲，我们可以给每个小区分配不同的频率，但这样需要大量的频率资源，并且频谱利用率很低，为了减小对频率资源的需求和提高频谱利用率，我们需将相同的频率在相隔一定距离的小区中重复使用，只１．链状网链状网主要用于覆盖公路、铁路、海岸等，如图1-2所示。图1-2链状网基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的。链状网宜采用有向天线，使每个小区是扁圆形。链状网可进行频率再用。若以采用不同信道的两个小区组成一个区群，如图１-２（ａ）所示，称为二频组。若以采用不同信道的三个小区组成一个区群，如图１-２（ｂ）所示，称为三频组。若以采用不同信道的四个小区组成一个区群，如图１-２（ｃ）所示，称为四频组。从造价和频率资源的利用而言，当然二频组最好；但从抗同频道干扰方面而言，二频组最差，还应考虑多频组。设n频组的链状网如图1-3所示图1-3链状网的同频道干扰每个小区的半径为r，相邻小区的交叠宽度为a，第n+1区与第1区为同频道小区。据此，可以算出信号传输距离和同频道干扰传输距离之比。SdId/SIdd二频组三频组N频组r/(3r-2a)r/(5r-3a)r[(2n-1)r-na]I/Sa=0-19db-28db40lg[1/(2n-1)]a=r0db-12db40lg[1/(n-1)]表1-7同频道干扰２．蜂窝网a.无线小区的形成全向小区辐射的覆盖区是个圆形。为了不留空隙地覆盖整个平面的服务区，一个个圆形辐射区之间一定含有很多的交叠。在考虑了交叠之后，实际上每个辐射区的有效覆盖区是一个多边形。小区形状如图1-4所示。图1-4小区的形状可以证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面区域，可取的形状只有这三种。那么这三种形状小区的邻区距离、小区面积、交叠区宽度和交叠区面积如表1-8所示。小区形状正三角形正方形正六边形邻区距离小区面积交叠区宽度交叠区面积a21.3a21.2aa2a3a22a22.6a0.59a0.27a20.73a20.35a表1-8三种形状小区的比较b.区群的组成单位无线区群的构成应满足以下两个条件：一是单位无线区群之间彼此邻接；二是相邻单位无线区群的同频小区中心间隔距离是一样的。满足以上两个条件的关系式如下：22Naabb中N为构成单位无线区群的正六边形的数目，简称区群数。ａ及b均为非负整数，但ａ、b不能同时为零。c.同频（信道）小区的距离设小区的辐射半径（即六边形外接圆的半径）为R,则从图1-5可以算出同信道小区中心之间的距离为：22223(/2)(3/2)3()3DRbaaaabbRNR图1-5面状覆盖d.中心激励与顶点激励在每个小区中，基站可放在小区的中央，用全向天线形成圆形覆盖区，这就是所谓的“中心激励”方式，如图1-6（a）所示。也可以将基站设计在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用三副120°扇形天线共同覆盖，这就是所谓的“顶点激励”，如图1-6（b）所示。图1-6激励与频率复用采用定向天线后，所接收的同频干扰功率下降，因而可以减少系统的同道干扰。另外，在不同地点采用多副定向天线可以消除小区内障碍物的阴影区。若要用定向天线，建议采用4×3N=4，每个基站3个120°扇区或60°三叶草形小区。见图1-6（c）、（d）、（e）、（f）。e.在整个服务区中每个区的大小可以是相同的，但这只能适应用户密度均匀的情况。在用户密度高的市中心区可使小区的面积小一些，在用户密度低的市郊区可使小区的面积大一些。小区一般分为巨区、宏区、微区、微微区几类。具体指标及大体关系分别见表1-9和图1-7所示。蜂房类型巨区宏区微区蜂房半径(km)100～500≤35≤1终端速度(km/h)1500≤500≤100运行环境所有乡村郊区市区业务量密度低低到中中到高适用系统卫星蜂窝蜂窝/无绳表1-9小区分类图1-7小区分类图示当一个特定小区的话务量增加时，小区可以被分裂为更小的小区。通过小区数的增加来增加信道的再用数，这样来增加用户容量，如图1-8所示。图1-8小区分裂f.切换切换是使移动台的一个呼叫进程在小区之间移动时能够继续的过程。切换可以基于接收的信号强度或信干比（SIR），或基于网络资源管理的需要。切换过程可能涉及终端的注册和鉴权。切换可以分为硬软切换是当移动终端的通信被连到另一个目标的无线端口时，不需要中断与当前服务的无线端口的通信。在软切换中，移动终端可以硬切换是移动终端被连到相邻的无线系统、不同的频率分配或不同的空中接口特性和技术。硬切换在空中接口是先断后通的过程。1.1.4蜂窝网移动通信概论１．系统结构蜂窝系统的典型结构如图1-9所示。图1-9蜂窝系统形状由图可见，蜂窝网移动通信系统本身由三大部分组成，即移动交换中（MSC）或移动电话交换局（MTSO）、基站（BS）和移动（MS）。２．蜂窝网的功能与特征（１）蜂窝网移动通信系统的服务由基本服务及操作、维护和管理服务成。（２）①传输和同步②功率控制③采用小区制信道再用技术，提高频率使用效率。④设备通用性较强，接口标准规范统一。（３）业务分为基本业务和补充业务。３．蜂窝网通信的主要特征频率再用是蜂窝系统的重要概念，也是蜂窝系统的显著特征。为了实现频率再用，除了正确的频率配置外，在小区内应限制基站的发射功率。蜂窝移动系统的另一重要特征是过境切换（或越区切换）。将服务区域划分成小区所带来的一个很自然的问题是并非所有的移动中通话都能在单个小区内完成。蜂窝系统的第三个特征是小区分裂。用小区分裂的方式可增加系统的容量。一般来说，小区半径越小，基站数量越多，系统的容量也就越大。４．从模拟蜂窝网到数字蜂窝网模拟蜂窝网存在的主要缺陷为频谱利用率低；体制过多，不易于国际漫游；保密性差，易被窃听；移动设备成本高，体积大；不安全，容易被盗号码；所能提供的业务种类受限；网络管理存在问题等。数字蜂窝系统能够解决这些问题，数字蜂窝移动通信网的主要优点可以归纳如下：（1）（2）能提供多种业务服务。（3）保密性好。（4）抗衰落能力强。（5）网络管理与控制更有效。今后十多年将是数字网（尤其是CDMA数字网）大发展的时期，其体制与技术对未来移动通信系统将产生重大影响。1.2多址接入技术任何空中接口设计的基础都是如何选择在用户之间分享公共传输媒体，即多址接入方案。第一代蜂窝系统AMPS以及第二代IS-54和IS-95标准代表了三类典型的多址（MA）技术方式，即FDMA、TDMA、CDMA。基本的多址接入方案如图1-10所示。图1-10多址接入方案1.3CDMA的过去、现在和将来扩频技术起源于军用和航空系统。抵消人为干扰技术的发展已经证CDMA时代可以划分为三个阶段：（1）先锋CDMA时代；（2）窄带CDMA时代；（3）宽带CDMA时代。2.1CDMA技术基本原理2.1.1引言2.1.2码分多址技术基本原理2.2扩频通信系统2.2.1概述2.2.2扩频通信系统2.3卷积编码2.4块交织2.5数字信号调制2.5.1数字信号的表示2.5.2数字信号传输质量指标2.5.3调制技术第２章CDMA技术基础2.6数据扰码2.7鉴权和加密2.7.1鉴权过程2.7.2共用保密数据2.7.3参数更新2.7.4话音保密第２章CDMA技术基础2.1CDMA技术基本原理2.1.1引言所谓无线多址通信是指在一个通信网内各个通信台、站共用一个指定的射频频道，进行相互间的多边通信，也称该通信网为各用户间的多元连接。实现多址连接的理论基础是信号分割技术。在发送端，信号设计的任务是使信号按某种参量相互正交或准正交。一个无线电信号可以用若干参数来表征，其中最基本的是信号的射频频率、信号出现的时间、信号出现的空间、信号的码型、信号的波形等。按照这些参量的分割，可以实现的多址连接有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）、码分多址（CDMA）等。由这些基本的多址方式还可以派生出多种组合多址方式。目前，在移动通信系统中所采用的多址方式主要有三种：频分多址、时分多址和码分多址。1．频分多址频分多址是发送端对所发信号的频率参量进行正交分割，形成许多互不重叠的频带。在接收端利用频率的正交性，通过频率选择（滤波），从在移动通信系统中，频分多址是把通信系统的