第8章 碼分多址(CDMA)移動通信系統(tǒng)(一)

第8章碼分多址(CDMA)移動通信系統(tǒng)（一）8.1概述8.2CDMA蜂窩通信系統(tǒng)的通信容量8.3IS-95CDMA蜂窩系統(tǒng)的無線傳輸8.5IS-95CDMA蜂窩系統(tǒng)的控制功能8.1概述

IS-54是遵循上述要求制定的，考慮到實(shí)現(xiàn)技術(shù)存在的困難，IS-54需要分階段達(dá)到CTIA提出的標(biāo)準(zhǔn)，即全速率傳輸(每載波3個(gè)信道)和半速率傳輸(每載波6個(gè)信道)兩個(gè)階段。Qualcomm公司開發(fā)的CDMA系統(tǒng)也是遵循上述要求進(jìn)行的，幾次局部的現(xiàn)場測試說明這種蜂窩系統(tǒng)已能全面滿足CTIA提出的標(biāo)準(zhǔn)。其后，有關(guān)單位討論并通過了Qualcomm公司提交的標(biāo)準(zhǔn)文本，形成了TIA/EIA暫行標(biāo)準(zhǔn)IS-95。從IS-95的名稱“雙模寬帶擴(kuò)頻蜂窩系統(tǒng)的移動臺-基站兼容標(biāo)準(zhǔn)”來看，標(biāo)準(zhǔn)涉及的內(nèi)容是關(guān)于蜂窩系統(tǒng)的“公共空中接口”(CAI)問題。實(shí)際上，無論是上面所說的幾種TDMA蜂窩系統(tǒng)，還是本書所介紹的CDMA蜂窩系統(tǒng)，其運(yùn)行環(huán)境、業(yè)務(wù)要求和控制功能基本上都是相同的，因此它們的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式也是大同小異的。

8.1.1碼分多址的特征在CDMA通信系統(tǒng)中，不同用戶傳輸信息所用的信號不是靠頻率不同或時(shí)隙不同來區(qū)分的，而是用各不相同的編碼序列來區(qū)分的。換句話說，是靠信號的不同波形來區(qū)分的。如果從頻域或時(shí)域來觀察，多個(gè)CDMA信號是互相重疊的，接收機(jī)用相關(guān)器可以在多個(gè)CDMA信號中選出其中使用預(yù)定碼型的信號。在CDMA蜂窩通信系統(tǒng)中，用戶之間的信息傳輸也是由基站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和控制的。為了實(shí)現(xiàn)雙工通信，正向傳輸和反向傳輸可以使用不同的頻率，即通常所謂的頻分雙工(FDD)；也可以使用不同的時(shí)幀，即通常所謂的時(shí)分雙工(TDD)。碼分多址蜂窩通信系統(tǒng)的特征如下：

(1)根據(jù)理論分析，CDMA蜂窩系統(tǒng)與模擬蜂窩系統(tǒng)或TDMA數(shù)字蜂窩系統(tǒng)相比具有更大的通信容量。這個(gè)問題將在下面介紹。

(2)CDMA蜂窩系統(tǒng)的全部用戶共享一個(gè)無線信道，用戶信號的區(qū)分只靠所用碼型的不同，因此當(dāng)蜂窩系統(tǒng)的負(fù)荷滿載時(shí)，另外增加少數(shù)用戶只會引起話音質(zhì)量的輕微下降(或者說信干比稍微降低)，而不會出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。

(3)CDMA蜂窩系統(tǒng)具有“軟切換”功能。即在過區(qū)切換的起始階段，由原小區(qū)的基站與新小區(qū)的基站同時(shí)為過區(qū)的移動臺服務(wù)，直到該移動臺與新基站之間建立起可靠的通信鏈路后，原基站才中斷它和該移動臺的聯(lián)系。CDMA蜂窩系統(tǒng)的軟切換功能既可以保證過區(qū)切換的可靠性(防止切換錯(cuò)誤時(shí)反復(fù)要求切換)，又可以使通信中的用戶不易察覺。

(4)CDMA蜂窩系統(tǒng)可以充分利用人類對話的不連續(xù)特性來實(shí)現(xiàn)話音激活技術(shù)，以提高系統(tǒng)的通信容量。這個(gè)問題在下面還要介紹。

(5)CDMA蜂窩系統(tǒng)以擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)，因而它具有擴(kuò)頻通信系統(tǒng)所固有的優(yōu)點(diǎn)，如抗干擾、抗多徑衰落和具有保密性等。

8.1.2CDMA蜂窩通信系統(tǒng)的多址干擾和功率控制

1.CDMA蜂窩通信系統(tǒng)的多址干擾蜂窩通信系統(tǒng)無論采用何種多址方式，都會存在各種各樣的外部干擾和系統(tǒng)本身產(chǎn)生的特定干擾。FDMA與TDMA蜂窩系統(tǒng)的共道干擾和CDMA蜂窩系統(tǒng)的多址干擾都是系統(tǒng)本身存在的內(nèi)部干擾。

CDMA蜂窩系統(tǒng)的多址干擾分兩種情況：一是基站在接收某一移動臺的信號時(shí)，會受到本小區(qū)和鄰近小區(qū)其他移動臺所發(fā)信號的干擾；二是移動臺在接收所屬基站發(fā)來的信號時(shí)，會受到所屬基站和鄰近基站向其他移動臺所發(fā)信號的干擾。圖8-1是兩種多址干擾的示意圖。其中，圖(a)是基站對移動臺產(chǎn)生的正向多址干擾；圖(b)是移動臺對基站產(chǎn)生的反向多址干擾。圖8-1CDMA蜂窩系統(tǒng)的多址干擾

2.CDMA蜂窩通信系統(tǒng)的功率控制

CDMA蜂窩系統(tǒng)的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”是一個(gè)非常突出的問題，它主要發(fā)生在反向傳輸鏈路上。移動臺在小區(qū)內(nèi)的位置是隨機(jī)分布的，而且是經(jīng)常變化的，同一部移動臺可能有時(shí)處于小區(qū)邊緣，有時(shí)靠近基站。如果移動臺的發(fā)射機(jī)功率按照最大通信距離設(shè)計(jì)，則當(dāng)移動臺駛近基站時(shí)，必然會有過量而又有害的功率輻射。

(1)反向功率控制。反向功率控制也稱上行鏈路功率控制。其主要要求是使任一移動臺無論處于什么位置上，其信號在到達(dá)基站的接收機(jī)時(shí)，都具有相同的電平，而且剛剛達(dá)到信干比要求的門限。

(2)正向功率控制。正向功率控制也稱下行鏈路功率控制。其要求是調(diào)整基站向移動臺發(fā)射的功率，使任一移動臺無論處于小區(qū)中的任何位置上，收到基站的信號電平都剛剛達(dá)到信干比所要求的門限值。

8.1.3IS-95CDMA蜂窩系統(tǒng)的工作頻率雙模CDMA蜂窩系統(tǒng)使用美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)分配給蜂窩通信系統(tǒng)使用的頻段。移動臺向基站的傳輸頻段是824～849MHz,基站向移動臺的傳輸頻段是869～894MHz。允許CDMA蜂窩系統(tǒng)占用的頻段如表8–1（略）所示。在數(shù)字傳輸模式工作時(shí)，移動臺可以按照預(yù)定的或要求的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志來安排其頻率配置。如果移動臺預(yù)定的或要求的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志沒有被認(rèn)出，它就開始向一個(gè)頻率指配在“基本CDMA頻道”上的基站進(jìn)行捕獲和同步?；綜DMA頻道號碼在系統(tǒng)A是283，在系統(tǒng)B是384。如果基本CDMA頻道的頻率指配未起作用而沒有選出預(yù)定的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志，移動臺要試圖捕獲并同步到“輔助CDMA頻道”的頻率上，其頻道號碼在系統(tǒng)A是691，在系統(tǒng)B是777。規(guī)定的頻率容差是：基站發(fā)送的載波頻率要保持在指配頻率的±5×10-8之內(nèi)，移動臺發(fā)送的載波頻率要保持比基站發(fā)送的頻率低45MHz±300Hz。

8.1.4IS-95CDMA蜂窩通信系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)在數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)中，全網(wǎng)必須具有統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，這種統(tǒng)一而精確的時(shí)間基準(zhǔn)對CDMA蜂窩系統(tǒng)來說尤為重要。

CDMA蜂窩系統(tǒng)利用“全球定位系統(tǒng)”(GPS)的時(shí)標(biāo)，GPS的時(shí)間和“世界協(xié)調(diào)時(shí)間”(UTC)是同步的，二者之差是秒的整倍數(shù)。各基站都配有GPS接收機(jī)，保持系統(tǒng)中各基站有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，稱為CDMA系統(tǒng)的公共時(shí)間基準(zhǔn)。移動臺通常利用最先到達(dá)并用于解調(diào)的多徑信號分量建立時(shí)間基準(zhǔn)。如果另一條多徑分量變成了最先到達(dá)并用于解調(diào)的多徑分量，則移動臺的時(shí)間基準(zhǔn)要跟蹤到這個(gè)新的多徑分量。

8.1.5IS-95CDMA蜂窩系統(tǒng)的話音編碼

IS-95CDMA蜂窩系統(tǒng)開發(fā)的聲碼器采用碼激勵(lì)線性預(yù)測(CELP)編碼算法，也稱為QCELP算法。其基本速率是8kb/s，但是可隨輸入話音消息的特征而動態(tài)地分為四種，即8,4,2,1kb/s，可以9.6,4.8,2.4,1.2kb/s的信道速率分別傳輸。發(fā)送端的編碼器對輸入的話音取樣，產(chǎn)生編碼的話音分組(Packet)傳輸?shù)浇邮斩?。接收端的解碼器把收到的話音分組解碼，再恢復(fù)成話音樣點(diǎn)。8.2CDMA蜂窩通信系統(tǒng)的通信容量蜂窩通信系統(tǒng)能提高其頻譜利用效率的根本原因是利用電波的傳播損耗實(shí)現(xiàn)了頻率再用技術(shù)。只要兩個(gè)小區(qū)之間的距離大到一定程度，它們就可以使用相同的頻道而不產(chǎn)生明顯的相互干擾。首先考慮一般擴(kuò)頻通信系統(tǒng)(即暫不考慮蜂窩網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn))的通信容量。載干比可以表示為(8-1)

n個(gè)用戶共用一個(gè)無線頻道，每一用戶的信號都受到其他n-1個(gè)用戶的信號干擾。若到達(dá)一接收機(jī)的信號強(qiáng)度和各個(gè)干擾強(qiáng)度都一樣，則載干比為(8-2)(8-3)通常n>>1,故C/I≈1/n，即(8-4)

1.話音激活期的影響人類對話的特征是不連續(xù)的，對話的激活期(占空比d)通常只有35%左右。當(dāng)許多用戶共享一個(gè)無線頻道時(shí)，如果利用話音激活技術(shù)，使通信中的用戶有話音才發(fā)射信號，沒有話音就停止發(fā)射信號，那么任一用戶在話音發(fā)生停頓時(shí)，所有其他通信中的用戶都會因?yàn)楸尘案蓴_減小而受益。這就是說，話音停頓可以使背景干擾減小65%，能提高系統(tǒng)容量到1/0.35=2.86倍。FDMA和TDMA兩種系統(tǒng)都能利用這種話音特性，實(shí)現(xiàn)信道的動態(tài)分配，以獲得不同程度的容量提高。不過要做到這一點(diǎn)，二者都必須增加額外的控制開銷，而且要實(shí)現(xiàn)信道的動態(tài)分配，還必然會帶來時(shí)間延遲，而CDMA蜂窩系統(tǒng)獲得這種好處是非常容易的。令話音的占空比為d,則式(8-4)變成

(8-5)

2.扇區(qū)的作用在CDMA蜂窩系統(tǒng)中，采用有向天線進(jìn)行分區(qū)能明顯地提高系統(tǒng)容量。比如，用120°的定向天線把小區(qū)分成三個(gè)扇區(qū)，可以把背景干擾減小到原值的1/3,因而可以提高容量3倍。FDMA蜂窩系統(tǒng)和TDMA蜂窩系統(tǒng)利用扇形分區(qū)同樣可以減小來自共道小區(qū)的共道干擾，從而減小共道再用距離，以提高系統(tǒng)容量，但是達(dá)不到像CDMA蜂窩系統(tǒng)那樣，分成三個(gè)扇區(qū)系統(tǒng)容量就會增大3倍的效果。(8-6)

3.鄰近小區(qū)的干擾

(1)正向傳輸。在一個(gè)小區(qū)內(nèi)部，同一基站不斷地向所有通信中的移動臺發(fā)送信號。任一移動臺在接收有用信號時(shí)，基站發(fā)給所有其他用戶的信號都要對這個(gè)移動臺形成干擾。圖8-2CDMA系統(tǒng)中移動臺受干擾的情況假設(shè)各小區(qū)的基站都同時(shí)向n個(gè)用戶發(fā)送功率相等的信號，在三個(gè)小區(qū)的交界處(圖中x處)，來自本基站的有用信號功率為ar-4(a為比例常數(shù)，r為小區(qū)半徑)；來自本基站的干擾信號功率為a(n-1)r-4；來自緊鄰2個(gè)基站(圖中的Ⅰ)的干擾信號功率為2anr-4;來自較遠(yuǎn)3個(gè)基站(圖中的Ⅱ)的干擾信號功率為3an(2r)-4;來自更遠(yuǎn)6個(gè)基站(圖中的Ⅲ)的干擾信號功率為6an(2.63r)-4。比這些基站更遠(yuǎn)的干擾可以忽略，于是得到載干比的表示式如下：(8-7)通常發(fā)射機(jī)的最大功率是根據(jù)最大通信距離進(jìn)行計(jì)算的。這里，基站的發(fā)射功率必須保證移動臺在小區(qū)交界處可以正常工作。但是，當(dāng)移動臺靠近基站時(shí)，如果基站仍然發(fā)射同樣強(qiáng)的功率，則除去增大背景干擾外并無好處。為此，令基站發(fā)給每一個(gè)用戶i的功率Pi根據(jù)移動臺和基站的距離ri進(jìn)行調(diào)整。距離越大，功率越大；反之，則越小。即(8-8)令移動臺處于小區(qū)邊緣(ri=r)所需的信號功率為Pm，式(8-8)可寫為(8-9)假設(shè)在各個(gè)小區(qū)內(nèi)，移動臺的數(shù)目較多，而且是均勻分布的，根據(jù)圖8-3，可用以下公式來表示小區(qū)中的用戶數(shù)目n:(8-10)圖8-3計(jì)算小區(qū)中用戶數(shù)目的示意圖式中，γ為一常數(shù)(與用戶密度成比例)。因此，基站在增加功率控制后，發(fā)向全部用戶的總功率為已知n=γr2/2，所以(8-11)(8-12)因?yàn)榛驹谖醇庸β士刂茣r(shí)，發(fā)向全部用戶的總功率為nPm，所以基站增加功率控制后能把其發(fā)射的總功率降低1/2。顯然，這樣做對減少系統(tǒng)中的多址干擾是有好處的。至此，我們再回過來計(jì)算基站增加功率控制后，移動臺處于小區(qū)交界處的載干比。參考式(8-7)可得(8-13)此外，不考慮鄰近小區(qū)的干擾時(shí)，一個(gè)小區(qū)允許同時(shí)工作的用戶數(shù)約為n=1/(C/I)；在考慮鄰近小區(qū)的干擾并且采用功率控制時(shí)，這種用戶數(shù)降低為n=0.6/(C/I),即后者是前者乘以0.6。這結(jié)果說明CDMA蜂窩系統(tǒng)和其他蜂窩系統(tǒng)類似，也存在一種信道再用效率F=0.6。由此可把式(8-6)寫成(8-14)

(2)反向傳輸。設(shè)各小區(qū)中的移動臺均能自動調(diào)整其發(fā)射功率，使任一移動臺無論處于小區(qū)內(nèi)的任何位置上，其信號功率在到達(dá)基站時(shí)，都能保持在某一額定值——即載干比的門限值。由于基站的位置是固定不變的，各移動臺在其小區(qū)內(nèi)是隨機(jī)分布的(可以看成是均勻分布的)，因而基站附近的背景干擾不會因?yàn)槟骋灰苿优_的位置變化而發(fā)生明顯的變化。

因此，反向功率控制應(yīng)該按照傳播損耗的規(guī)律來確定，即移動臺(i)的發(fā)射功率(Pi)與距離(ri)的關(guān)系應(yīng)該是用與式(8-9)相同的表示方法，可得(8-15)(8-16)從圖8-4可見，圍繞某一小區(qū)y的四周，有6個(gè)距離最近的小區(qū)，它們構(gòu)成的環(huán)路用Ⅰ表示；在這6個(gè)小區(qū)外面，有12個(gè)距離較遠(yuǎn)的小區(qū)，它們構(gòu)成的環(huán)路用Ⅱ表示；依此類推。各小區(qū)中的移動臺都根據(jù)它與各自基站的距離調(diào)整其功率，顯然要計(jì)算鄰近小區(qū)中各移動臺對環(huán)路中心小區(qū)y的干擾并不簡單。可以把來自一個(gè)鄰近小區(qū)中所有移動臺的干擾等效成由其基站發(fā)射來的干擾，因而小區(qū)y的基站收到的載干比為(8-17)式中，η1,η2,η3是分別對應(yīng)于環(huán)路Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ的比例常數(shù)。由此可得信道再用效率采用數(shù)值計(jì)算或仿真技術(shù)，可以算出F的值大約是0.65。(8-18)圖8-4CDMA系統(tǒng)中基站受干擾的情況由此可見，反向傳輸和正向傳輸?shù)男诺涝儆眯蚀笾乱粯?。也就是說，作為通信容量的估算公式(8-14)，既可用于正向傳輸，也可用于反向傳輸。幾種蜂窩通信系統(tǒng)的通信容量的比較如下：模擬FDMA系統(tǒng)總頻段寬度：1.25MHz(AMPS)頻道間隔：30kHz

信道數(shù)目：1.25×106/(30×103)=41.7

每區(qū)群小區(qū)數(shù)：7

通信容量：41.7/7=6TDMA系統(tǒng)總頻段寬度：1.25MHz頻道間隔：30kHz

每載頻時(shí)隙數(shù)：3

信道數(shù)目：3×1.25×106/(30×103)=125

每區(qū)群小區(qū)數(shù)：4

通信容量：125/4=31.25CDMA系統(tǒng)總頻段寬度：1.25MHz

扇形分區(qū)數(shù)：3

通信容量：120

以n表示通信容量，三種系統(tǒng)的比較結(jié)果可以寫成［23］

n(CDMA)=20n(FDMA)=4n(TDMA)(8-19)8.3IS-95CDMA蜂窩系統(tǒng)的無線傳輸

8.3.1信道組成在CDMA蜂窩系統(tǒng)中，除去要傳輸業(yè)務(wù)信息外，還必須傳輸各種必需的控制信息。為此，CDMA蜂窩系統(tǒng)在基站到移動臺的傳輸方向上設(shè)置了導(dǎo)頻信道、同步信道、尋呼信道和正向業(yè)務(wù)信道，在移動臺到基站的傳輸方向上設(shè)置了接入信道和反向業(yè)務(wù)信道。這些信道的示意圖如圖8-5所示。圖8-5CDMA蜂窩系統(tǒng)的信道示意圖

1.導(dǎo)頻信道導(dǎo)頻信道傳輸由基站連續(xù)發(fā)送的導(dǎo)頻信號。導(dǎo)頻信號是一種無調(diào)制的直接序列擴(kuò)頻信號，令移動臺可迅速而精確地捕獲信道的定時(shí)信息，并提取相干載波進(jìn)行信號的解調(diào)。移動臺通過對周圍不同基站的導(dǎo)頻信號進(jìn)行檢測和比較，可以決定什么時(shí)候需要進(jìn)行過區(qū)切換。

2.同步信道同步信道主要傳輸同步信息(還包括提供移動臺選用的尋呼信道數(shù)據(jù)率)。在同步期間，移動臺利用此同步信息進(jìn)行同步調(diào)整。一旦同步完成，它通常不再使用同步信道，但當(dāng)設(shè)備關(guān)機(jī)后重新開機(jī)時(shí)，還需要重新進(jìn)行同步。當(dāng)通信業(yè)務(wù)量很多,所有業(yè)務(wù)信道均被占用而不敷應(yīng)用時(shí)，此同步信道也可臨時(shí)改作業(yè)務(wù)信道使用。

3.尋呼信道尋呼信道在呼叫接續(xù)階段傳輸尋呼移動臺的信息。移動臺通常在建立同步后，接著就選擇一個(gè)尋呼信道(也可以由基站指定)來監(jiān)聽系統(tǒng)發(fā)出的尋呼信息和其他指令。在需要時(shí)，尋呼信道可以改作業(yè)務(wù)信道使用，直至全部用完。

4.正向業(yè)務(wù)信道正向業(yè)務(wù)信道共有四種傳輸速率(9600，4800，2400，1200b/s)。業(yè)務(wù)速率可以逐幀(20ms)改變，以動態(tài)地適應(yīng)通信者的話音特征。

5.接入信道當(dāng)移動臺沒有使用業(yè)務(wù)信道時(shí)，接入信道提供移動臺到基站的傳輸通路，在其中發(fā)起呼叫，對尋呼進(jìn)行響應(yīng)以及傳送登記注冊等短信息。接入信道和正向傳輸中的尋呼信道相對應(yīng)，以相互傳送指令、應(yīng)答和其他有關(guān)的信息。不過，接入信道是一種分時(shí)隙的隨機(jī)接入信道，允許多個(gè)用戶同時(shí)搶占同一接入信道。每個(gè)尋呼信道所支持的接入信道數(shù)最多可達(dá)32個(gè)。

6.反向業(yè)務(wù)信道與正向業(yè)務(wù)信道相對應(yīng)。

8.3.2正向傳輸

CDMA信道綜合使用頻分和碼分多址技術(shù)。所謂頻分，是指把可供使用的頻段分成若干個(gè)寬為1.25MHz的頻道，它是傳輸擴(kuò)頻調(diào)制信號所需的最小帶寬。在建網(wǎng)初始階段，一個(gè)CDMA蜂窩服務(wù)區(qū)可以只占用一個(gè)這樣的頻道，以后隨著通信業(yè)務(wù)量的增多，一個(gè)CDMA蜂窩服務(wù)區(qū)可以占用多個(gè)這樣的頻道，使各個(gè)基站以頻分方式使用這些頻道。所謂碼分，是指用正交沃爾什函數(shù)來區(qū)分不同用途的信道(如導(dǎo)頻信道、同步信道、尋呼信道)，并用一對偽碼的不同偏置進(jìn)行四相調(diào)制來區(qū)分不同基站發(fā)出的信號。圖8-6是正向CDMA信道的功能框圖。在上面已經(jīng)介紹過，正向CDMA信道包含1個(gè)導(dǎo)頻信道，1個(gè)同步信道(必要時(shí)可以改作業(yè)務(wù)信道)，7個(gè)尋呼信道(必要時(shí)可以改作業(yè)務(wù)信道)和55個(gè)(最多63個(gè))正向業(yè)務(wù)信道。圖8-6正向CDMA信道的功能框圖

1.數(shù)據(jù)速率同步信道的數(shù)據(jù)速率為1200b/s，尋呼信道為9600b/s或4800b/s，正向業(yè)務(wù)信道為9600,4800,2400,1200b/s。

2.卷積編碼數(shù)據(jù)在傳輸之前都要進(jìn)行卷積編碼，卷積碼的碼率為1/2，約束長度為9。

3.碼元重復(fù)對于同步信道，經(jīng)過卷積編碼后的各個(gè)碼元，在分組交織之前，都要重復(fù)一次(每碼元連續(xù)出現(xiàn)2次)。對于尋呼信道和正向業(yè)務(wù)信道，只要數(shù)據(jù)率低于9600b/s,在分組交織之前都要重復(fù)。速率為4800b/s時(shí)，各碼元要重復(fù)一次(每碼元連續(xù)出現(xiàn)2次);速率為2400b/s時(shí)，各碼元要重復(fù)3次(每碼元連續(xù)出現(xiàn)4次);速率為1200b/s時(shí)，各碼元要重復(fù)7次(每碼元連續(xù)出現(xiàn)8次)。

4.分組交織所有碼元在重復(fù)之后都要進(jìn)行分組交織。同步信道所用的交織跨度等于26.666ms，相當(dāng)于碼元速率為4800s/s時(shí)的128個(gè)調(diào)制碼元寬度。交織器組成的陣列是8行×16列(即128個(gè)單元)。尋呼信道和正向業(yè)務(wù)信道所用的交織跨度等于20ms，這相當(dāng)于碼元速率為19200s/s時(shí)的384個(gè)調(diào)制碼元寬度。交織器組成的陣列是24行×16列(即384個(gè)單元)。

5.數(shù)據(jù)掩蔽數(shù)據(jù)掩蔽用于尋呼信道和正向業(yè)務(wù)信道，其作用是為通信提供保密。掩蔽器把交織器輸出的碼元流和按用戶編址的PN序列進(jìn)行模2相加。

6.正交擴(kuò)展為了使正向傳輸?shù)母鱾€(gè)信道之間具有正交性，在正向CDMA信道中傳輸?shù)乃行盘柖家昧倪M(jìn)制的沃爾什函數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。這種沃爾什函數(shù)的64×64矩陣可用以下的循環(huán)步驟產(chǎn)生：

7.四相擴(kuò)展在正交擴(kuò)展之后，各種信號都要進(jìn)行四相擴(kuò)展。四相擴(kuò)展所用的序列稱為引導(dǎo)PN序列。引導(dǎo)PN序列的作用是給不同基站發(fā)出的信號賦以不同的特征，便于移動臺識別所需的基站。不同的基站使用相同的PN序列，但各自采用不同的時(shí)間偏置。由于PN序列的相關(guān)特性在時(shí)間偏移大于一個(gè)子碼寬度時(shí)，其相關(guān)值就等于0或接近于0，因而移動臺用相關(guān)檢測法很容易把不同基站的信號區(qū)分開來。

0偏置引導(dǎo)PN序列必須在時(shí)間的偶數(shù)秒(以基站傳輸時(shí)間為基準(zhǔn))起始傳輸，其他PN引導(dǎo)序列的偏置指數(shù)規(guī)定了它和0偏置引導(dǎo)PN序列偏離的時(shí)間值。如上所述，偏置指數(shù)為15時(shí)，引導(dǎo)PN序列的偏離時(shí)間為781.25μs，說明該P(yáng)N序列要從每一偶數(shù)秒之后781.25μs開始。引導(dǎo)PN序列有兩個(gè)：I支路PN序列和Q支路PN序列，它們的長度均為215(32768)個(gè)子碼。其構(gòu)成是以下面的生成多項(xiàng)式為基礎(chǔ)的：PI(x)=x15+x13+x9+x8+x7+x5+1PQ(x)=x15+x12+x11+x10+x6+x5+x4+x3+1(8-21)引導(dǎo)PN序列的周期長度是32768/1228800=26.66ms,即每2秒有75個(gè)PN序列周期。信號經(jīng)過基帶濾波器之后，按照表8-2的相位關(guān)系進(jìn)行四相調(diào)制。兩個(gè)支路的合成信號具有圖8-7所示的相位點(diǎn)和轉(zhuǎn)換關(guān)系。顯然，它和典型的四相相移鍵控(QPSK)具有相同的信號相量圖。值得注意的是，這里的四相調(diào)制是由兩個(gè)不同的PN序列直接對輸入碼元進(jìn)行擴(kuò)展而得到的。(輸入碼元未經(jīng)串/并變換。)表8-2正向CDMA信號的圖8-7正向CDMA信道的信號相位點(diǎn)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系

8.信道參數(shù)表8-3、表8-4和表8-5分別是同步信道參數(shù)、尋呼信道參數(shù)和正向業(yè)務(wù)信道參數(shù)。表8-3同步信道參數(shù)表8-4尋呼信道參數(shù)表8-5正向業(yè)務(wù)信道參數(shù)

8.3.3反向傳輸反向CDMA信道由接入信道和反向業(yè)務(wù)信道組成。每個(gè)接入信道用不同碼序列來區(qū)分，每個(gè)反向業(yè)務(wù)信道也用不同的碼序列來區(qū)分。圖8-8是反向CDMA信道的電路框圖。圖8-8反向CDMA信道的電路框圖

1.數(shù)據(jù)速率接入信道用4800b/s的固定速率。反向業(yè)務(wù)信道用9600，4800，2400和1200b/s的可變速率。兩種信道的數(shù)據(jù)中均要加入編碼器尾比特，用于把卷積編碼器復(fù)位到規(guī)定的狀態(tài)。此外，在反向業(yè)務(wù)信道上傳送9600b/s和4800b/s數(shù)據(jù)時(shí)，也要加質(zhì)量指示比特(CRC校驗(yàn)比特)。

2.卷積編碼接入信道和反向業(yè)務(wù)信道所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都要進(jìn)行卷積編碼，卷積碼的碼率為1/3，約束長度為9。

3.碼元重復(fù)反向業(yè)務(wù)信道的碼元重復(fù)方法和正向業(yè)務(wù)信道一樣。數(shù)據(jù)速率為9600b/s時(shí)，碼元不重復(fù)；數(shù)據(jù)速率為4800、2400和1200b/s時(shí)，碼元分別重復(fù)1次、3次和7次(每一碼元連續(xù)出現(xiàn)2次、4次和8次)。這樣就使得各種速率的數(shù)據(jù)都變換成28800碼元每秒。這里不同的地方是重復(fù)的碼元不是重復(fù)發(fā)送多次，相反，除去發(fā)送其中的一個(gè)碼元外，其余的重復(fù)碼元全部被刪除。在接入信道上，因?yàn)閿?shù)據(jù)速率固定為4800b/s，所以每一碼元只重復(fù)1次，而且兩個(gè)重復(fù)碼元都要發(fā)送。

4.分組交織所有碼元在重復(fù)之后都要進(jìn)行分組交織。分組交織的跨度為20ms。交織器組成的陣列是32行×18列(即576個(gè)單元)。

5.可變數(shù)據(jù)速率傳輸為了減少移動臺的功耗和減小它對CDMA信道產(chǎn)生的干擾，對交織器輸出的碼元用一時(shí)間濾波器進(jìn)行選通，只允許所需碼元輸出，而刪除其他重復(fù)的碼元。這種過程如圖8-9所示。圖8-9反向CDMA信道的可變數(shù)據(jù)率傳輸舉例由圖可見，傳輸?shù)恼伎毡入S傳輸速率而變：當(dāng)數(shù)據(jù)速率是9600b/s時(shí)，選通門允許交織器輸出的所有碼元進(jìn)行傳輸，即占空比為1；當(dāng)數(shù)據(jù)速率是4800b/s時(shí)，選通門只允許交織器輸出的碼元有1/2進(jìn)行傳輸，即占空比為1/2；依此類推。在選通過程中，把20ms的幀分成16個(gè)等長的段，即功率控制段，每段1.25ms，編號從0至15。根據(jù)一定的規(guī)律，使某些功率段被連通，而某些功率控制段被斷開。這種選通要保證進(jìn)入交織器的重復(fù)碼元只發(fā)送其中一個(gè)。不過，在接入信道中，兩個(gè)重復(fù)的碼元都要傳輸，見圖8-10。圖8-10接入信道傳輸結(jié)構(gòu)

6.正交多進(jìn)制調(diào)制在反向CDMA信道中，把交織器輸出的碼元每6個(gè)作為一組,用26=64進(jìn)制的沃爾什函數(shù)之一(稱調(diào)制碼元)進(jìn)行傳輸。沃爾什函數(shù)的構(gòu)成見式(8-20)。調(diào)制碼元的傳輸速率為28800/6=4800s/s。調(diào)制碼元的時(shí)間寬度為1/4800=208.333μs。每一調(diào)制碼元含64個(gè)子碼，因此沃爾什函數(shù)的子碼速率為64×4800=307.2kc/s，相應(yīng)的子碼寬度為3.255μs。

7.直接序列擴(kuò)展在反向業(yè)務(wù)信道和接入信道傳輸?shù)男盘柖家瞄L碼進(jìn)行擴(kuò)展。前者是數(shù)據(jù)猝發(fā)隨機(jī)化產(chǎn)生器輸出的碼流與長碼模2相加；后者是六十四進(jìn)制正交調(diào)制器輸出的碼流和長碼模2相加(參考圖8-8)。長碼的周期是242-1個(gè)子碼并滿足以下特征多項(xiàng)式的線性遞歸關(guān)系：P(x)=x42+x35+x33+x31+x27+x26+x25+x22+x21+x19+x18+x17+x16+x10+x7+x6+x5+x3+x2+x1+1(8-22)長碼的各個(gè)PN子碼是用一42位的掩碼和序列產(chǎn)生器的42位狀態(tài)矢量進(jìn)行模2內(nèi)乘而產(chǎn)生的，見圖8-11。用于長碼產(chǎn)生器的掩碼根據(jù)移動臺用來傳輸?shù)男诺李愋投?。掩碼的格式見圖8-12。當(dāng)在接入信道傳輸時(shí)，掩碼為：M41到M33要置成“110001111”,M32到M28要置成選用的接入信道號碼，M27到M25要置成對應(yīng)的尋呼信道號碼(范圍是1到7)，M24到M9要置成當(dāng)前的基站標(biāo)志，M8到M0要置成當(dāng)前CDMA信道的引導(dǎo)PN偏置。圖8-11長碼產(chǎn)生器圖8-12掩碼格式ESN的置換規(guī)則如下：

ESN=(E31,E30,E29,E28,E27,E26,…,E2,E1,E0)置換后的ESN為

ESN=(E0,E31,E22,E13,E4,E26,E17,E8,E30,E21,E12，

E3,E25,E16,E7,E29,E20,E11,E2,E24,E15,E6,E28,E19,E10,E1,E23,E14,E5,E27,E18,E9)

8.四相擴(kuò)展反向CDMA信道四相擴(kuò)展所用的序列就是前面正向CDMA信道所用的I與Q引導(dǎo)PN序列。

如圖8-8所示，經(jīng)過PN序列擴(kuò)展之后，Q支路的信號要經(jīng)過一個(gè)延遲電路，把時(shí)間延遲1/2個(gè)子碼寬度(409.901ns)，再送入基帶濾波器。信號經(jīng)過基帶濾波器之后，按照表8-2所示的相位關(guān)系進(jìn)行四相調(diào)制。合成信號的相位點(diǎn)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖8-13所示。圖8-13反向CDMA信道的信號相位點(diǎn)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系

9.信道參數(shù)表8-6和表8-7分別給出了反向業(yè)務(wù)信道參數(shù)和接入信道參數(shù)。表8-6反向業(yè)務(wù)信道參數(shù)表8-7接入信道參數(shù)8.5IS-95CDMA蜂窩系統(tǒng)的控制功能

8.5.1登記注冊登記注冊是移動臺向基站報(bào)告其位置狀態(tài)、身份標(biāo)志和其他特征的過程。通過注冊，基站可以知道移動臺的位置、等級和通信能力，確定移動臺在尋呼信道的哪個(gè)時(shí)隙中監(jiān)聽，并能有效地向移動臺發(fā)起呼叫等。顯然，注冊是蜂窩通信系統(tǒng)在控制和操作中不可少的功能。

IS-95CDMA系統(tǒng)支持以下幾種類型的注冊：

(1)開電源注冊。移動臺打開電源時(shí)要注冊，移動臺從其他服務(wù)系統(tǒng)(如模擬系統(tǒng))切換過來時(shí)也要注冊。為了防止電源因連續(xù)多次接通和斷開而需多次注冊，通常移動臺在打開電源后要延遲20s才予以注冊。

(2)斷電源注冊。移動臺斷開電源時(shí)要注冊，但只有它在當(dāng)前服務(wù)的系統(tǒng)中已經(jīng)注冊過后才能進(jìn)行斷電源注冊。

(3)周期性注冊。為了使移動臺按一定的時(shí)間間隔進(jìn)行周期性注冊，移動臺要設(shè)置一種計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的最大值受基站控制。當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到最大(或稱計(jì)滿、終止)時(shí)，移動臺即進(jìn)行一次注冊。

(4)根據(jù)距離注冊。如果當(dāng)前的基站和上次注冊的基站之間的距離超過了門限值，則移動臺要進(jìn)行注冊。移動臺根據(jù)兩個(gè)基站的緯度和經(jīng)度之差來計(jì)算它已經(jīng)移動的距離。

(5)根據(jù)區(qū)域注冊。為了便于對通信進(jìn)行控制和管理，把蜂窩通信系統(tǒng)劃分為三個(gè)層次，即系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和區(qū)域。網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)的子集，區(qū)域是系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的組成部分(由一組基站組成)。圖8-31系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的示意圖

(6)參數(shù)改變注冊。當(dāng)移動臺修改其存儲的某些參數(shù)時(shí)，要進(jìn)行注冊。

(7)受命注冊?；景l(fā)送請求指令，指揮移動臺進(jìn)行注冊。

(8)默認(rèn)注冊。當(dāng)移動臺成功地發(fā)送出一啟動信息或?qū)ず魬?yīng)答信息時(shí)，基站能借此判斷出移動臺的位置，不涉及二者之間的任何注冊信息的交換，這叫做默認(rèn)注冊。

(9)業(yè)務(wù)信道注冊。一旦基站得到移動臺已被分配到一業(yè)務(wù)信道的注冊信息時(shí)，則基站通知移動臺它已被注冊。

8.5.2切換基站和移動臺支持三種切換方式。

(1)軟切換：移動臺開始與新的基站通信但不立即中斷它和原來基站通信的一種切換方式。軟切換只能在同一頻率的CDMA信道中進(jìn)行。軟切換是CDMA蜂窩系統(tǒng)獨(dú)有的切換功能，可有效地提高切換的可靠性，而且若移動臺處于小區(qū)的邊緣上，軟切換能提供正向業(yè)務(wù)信道分集，也能提供反向業(yè)務(wù)信道的分集，從而保證通信的質(zhì)量(說明見后)。

(2)CDMA到CDMA的硬切換：當(dāng)各基站使用不同頻率或幀偏置時(shí)，基站引導(dǎo)移動臺進(jìn)行的一種切換方式。

(3)CDMA到模擬系統(tǒng)的切換：基站引導(dǎo)移動臺由正向業(yè)務(wù)信道向模擬話音信道切換。同一CDMA信道的導(dǎo)頻分為四類。

(1)激活組：和分配給移動臺的正向業(yè)務(wù)信道結(jié)合的導(dǎo)頻。

(2)候補(bǔ)組：未列入激活組，但具有足夠的強(qiáng)度表明它與正向業(yè)務(wù)信道結(jié)合并能成功地被解調(diào)。

(3)鄰近組：未列入激活組和候補(bǔ)組，但可作為切換的備用導(dǎo)頻。

(4)剩余組：未列入上述(1)、(2)、(3)組的導(dǎo)頻。

當(dāng)移動臺駛向一基站，然后又離開該基站時(shí)，移動臺收到該基站的導(dǎo)頻強(qiáng)度先由弱變強(qiáng)，接著又由強(qiáng)變?nèi)酰蚨搶?dǎo)頻信號可能由鄰近組和候補(bǔ)組進(jìn)入激活組，然后又返回鄰近組，見圖8-32。在此期間，移動臺和基站之間的信息交換如下：

(1)導(dǎo)頻強(qiáng)度超過門限(上)，移動臺向基站發(fā)送一導(dǎo)頻強(qiáng)度測量消息，并把導(dǎo)頻轉(zhuǎn)換到候補(bǔ)組。

(2)基站向移動臺發(fā)送一切換引導(dǎo)消息；

(3)移動臺把導(dǎo)頻轉(zhuǎn)換到激活組，并向基站發(fā)送一切換完成消息；

(4)導(dǎo)頻強(qiáng)度降低到門限(下)之下，移動臺啟動“切換下降計(jì)時(shí)器”；

(5)切換下降計(jì)時(shí)器終止，移動臺向基站發(fā)送一導(dǎo)頻測量消息；

(6)基站向移動臺發(fā)送一切換消息；

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