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IS-95A CDMA移動通信基站子系統(tǒng)

發(fā)布: 2010-10-20 00:49 | 作者: | 來源: | 字體:  小  中  大 

相關(guān)專題： 無線 中國電信 芯片

IS-95A CDMA移
動通信基站子系統(tǒng)


翟文軍

 

摘  要 本文將從移動通信的發(fā)展及IS-95A標(biāo)準(zhǔn)的特點出發(fā)，論述首信集團(tuán)所承
接的國家“863”移動通信項目的研發(fā)內(nèi)容、相關(guān)技術(shù)、研發(fā)成果及后期項目的延續(xù)情況。

關(guān)鍵詞 CDMA  移動通信  IS-95A  基站

1  IS-95A標(biāo)準(zhǔn)的特點

    IS-95A是美國QUALCOMM公司1990年提出的，大規(guī)模商用是在
1996年之后，主要應(yīng)用于韓國、北美、拉丁美洲及香港，目前大概有7000萬用戶。
    IS-95A是前向兼容北美模擬系統(tǒng)AMPS的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，其特
點如下：

    （1）頻段為800 MHz（上行824－849 MHz，下行869－894
MHz），其擴(kuò)頻采用直序擴(kuò)頻方式（DS）。

    （2）前向鏈路（又稱正向鏈路）采用64位WALSH碼區(qū)分信道，
共有導(dǎo)頻、尋呼、同步、前向業(yè)務(wù)等4類信道，不同基站之間采用 2（15次方）PN碼相位區(qū)分，共
有512個相位（相鄰相位之間相差64個PN碼片），采用了卷積編碼（K=9，R=
l／ 2）、交織等信道編碼方式。

    （3）后向鏈路（又稱反向鏈路），共有接入、反向業(yè)務(wù)2類信
道，信道及用戶之間采用2（42次方）-1 PN碼相位區(qū)分，采用了卷積編碼（K=9、R=l／
3）、交織等信道編碼方式，同時采用了64進(jìn)制調(diào)制方式。

    （4）此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的系統(tǒng)是同步CDMA系統(tǒng)（信道、基站區(qū)分采
用PN碼相位），因此，必須有一個時間參考源，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用GPS定時。

    （7）為了提高系統(tǒng)容量，一是在前向信道中加入了功率控制
子信道，用于移動臺的閉環(huán)功率控制；二是采用了可變速率聲碼器，實現(xiàn)話音激活；三是移動臺采
用非連續(xù)發(fā)送方式，減少了同一時間相互之間的干擾。

    （6）首次在蜂窩移動通信系統(tǒng)中提出軟切換、更軟切換概
念，并在實際系統(tǒng)中實現(xiàn)了此概念。

    （7）前向信道采用相干解調(diào)方式，反向信道采用非相干解調(diào)
方式。

    （8）實現(xiàn)了“軟容量”，即當(dāng)系統(tǒng)滿負(fù)載工作時，再增加少
數(shù)用戶，系統(tǒng)性能會稍有下降，但不會發(fā)生阻塞，實際增加的干擾也不大。

    （9）實現(xiàn)了路徑分集（RAKE接收），由于CDMA系統(tǒng)傳輸帶寬
較寬，信號傳輸帶寬大于相關(guān)帶寬時，就可以用1／W的（時間）分辨率分辨出多徑分量，再進(jìn)行分
集合并，從而改善接收性能。

    （10）可以與其他窄帶系統(tǒng)共存，因為擴(kuò)頻之后，信號功率譜
展寬，功率譜密度降低，對其他窄帶系統(tǒng)影響很小，IS-95A系統(tǒng)信號對窄帶信號而言近似白噪
聲。

    （11）實現(xiàn)了高保密通信，鑒權(quán)、數(shù)字格式、寬帶信令可由受
話人指定的密碼進(jìn)行保護(hù)，可提供較好的保密特性，防止盜號和被竊聽。

2  項目研發(fā)內(nèi)容

    1995年，我國正處于數(shù)字移動通信制式選擇時期，在技術(shù)方
面，CDMA比其他數(shù)字移動通信制式具有更大的優(yōu)勢，具有更好的技術(shù)發(fā)展?jié)摿Γ辉谏逃媒?jīng)驗方
面，CDMA要比其他數(shù)字移動通信制式少。正當(dāng)中國電信傾向選擇CDMA制式時，聯(lián)通闖入了通信市
場，由于聯(lián)通缺少其他業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，最終選擇了蜂窩移動通信作為與中國電信抗衡的切入點，為了
減少風(fēng)險，聯(lián)通公司選擇了商業(yè)化程度較高的GSM作為發(fā)展方向，迫使中國電信也選擇GSM制式。
但當(dāng)時的原郵電部已認(rèn)識到CDMA將作為今后移動通信發(fā)展必選技術(shù)，因此，決定組織國內(nèi)相關(guān)部
門攻克CDMA關(guān)鍵技術(shù)，研制自主知識產(chǎn)權(quán)的CDMA移動通信系統(tǒng)。當(dāng)時由原郵電部科技司牽頭，組
織北京郵電大學(xué)、原中國郵電工業(yè)總公司（主要為首信人員）聯(lián)合進(jìn)行“IS-95A CDMA移動通信基
站子系統(tǒng)研發(fā)”項目。1997年，此項目又被國家“ 863”列為重點項目。

      由于當(dāng)時CDMA屬于最為先進(jìn)的技術(shù)，國內(nèi)在此
方面的基礎(chǔ)還是很薄，此項目的研發(fā)幾乎是從基本概念開始，研發(fā)內(nèi)容不僅涉及到了RAKE接收、
信道編譯碼、速率判定、搜索等許多CDMA信道處理及可變速率編碼器等關(guān)鍵技術(shù)研究實現(xiàn)，而且
也涉及到了軟切換、功率控制、多CPU通信、分組交換平臺、Abis協(xié)議定義實現(xiàn)及系統(tǒng)軟件設(shè)計實
現(xiàn)等多方面的系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)。下面簡單介紹幾個我們已實現(xiàn)的技術(shù)。

    （1）RAKE接收技術(shù)

   
在移動通信中，移動臺與基站之間的環(huán)境復(fù)雜，到達(dá)接收信號不會是一條路徑來的信
號，而是多徑合成信號。對于采用其他技術(shù)的移動通信系統(tǒng)，只能采用復(fù)雜的抵抗技術(shù)，減少影
響。而對采用CDMA技術(shù)的移動通信系統(tǒng)，由于CDMA的相關(guān)特性，只要路徑之間的時延差大于一個
PN碼片寬度，就可以利用多徑信號加強接收效果，此種技術(shù)稱為RAKE分集接收技術(shù)（俗稱路徑分
集）。一般RAKE接收機(jī)由搜索器（Searcher）、解調(diào)器（Finger）、合并器（Combiner）3個模
塊組成。搜索器完成路徑搜索，主要原理是利用碼的自相關(guān)及互相關(guān)特性。解調(diào)器完成信號的解
擴(kuò)、解調(diào)，解調(diào)器的個數(shù)決定了解調(diào)的路徑數(shù)，通常CDMA基站系統(tǒng)一個RAKE接收機(jī)由4個Finger組
成，移動臺由3個Finger組成。合并器完成多個解調(diào)器輸出的信號的合并處理，通用的合并算法有
選擇式相加合并、等增益合并、最大比合并3種。合并后的信號輸出到譯碼單元，進(jìn)行信道譯碼處
理。

    （2）速率判定技術(shù)

    由于CDMA是多個用戶共同占用同一頻帶資源，相互之間通過PN
碼來區(qū)分，因此，同時通話用戶數(shù)越多，相互之間干擾就越大。在一定的服務(wù)質(zhì)量下，如果要有效
利用系統(tǒng)資源，那么必須采用相應(yīng)的措施�，F(xiàn)在通用的方法是采用語音壓縮編碼及話音激活技術(shù)。
IS-95系統(tǒng)就是采用了8 kbit／s（IS-95A）或13 kbit／s（IS-95B）語音編碼技術(shù)以及變速率
話音激活技術(shù)。同時，變速率也為隨路信令的傳輸提供了方便。對于IS-95系統(tǒng)，接收端無法知道
發(fā)送數(shù)據(jù)速率，只能通過提取信道質(zhì)量信息，判定發(fā)送端可能發(fā)送的速率。

   
對于業(yè)務(wù)信道可變速率聲碼器產(chǎn)生四種速率，分別為：8
kbit／s，4 kbit／s，2 kbit／s，0.8 kbit／s。對兩種高速率加CRC、對所有速率
數(shù)據(jù)加8個“0”編碼尾比特后，速率變?yōu)椋?.6 kbit／s、4.8 kbit／s、2.4 kbit／s、1.2
kbit／s。聲碼器初始幀應(yīng)為全速率（8.0 kbit／s）、半速率（4.0 kbit／s），通
常情況，選擇全速率。各種速率在整個聲碼器中所起的作用及所占的比例是不同的，其中，全速率
所占比例大約為60％，主要完成話音與隨路信令傳輸；半速率約占20％，主要完成話音與噪聲過
渡帶的編碼；1／4及1／8速率約占20％，主要完成背景噪聲編碼。   
多速率判定必須依據(jù)信道狀態(tài)來達(dá)到判定目的，可依據(jù)的參數(shù)有以下幾個：

    ·CRC校驗：四種速率中，只有全速率與半速率有CRC校驗；


    ·信道誤碼個數(shù)：反映的是維特比譯碼器的糾錯能力，及信道
惡劣程度；

    ·幀質(zhì)量指示：也稱為山本度量（YamamotoMetric）指示。
其基本原理是基于譯碼過程中，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一狀態(tài)的兩條路徑的度量差值小于一定門限時，就可認(rèn)為
此時選擇的幸存路徑不可靠，如果回溯路徑選擇了此路徑，則此幀數(shù)據(jù)也就不可靠，此幀為“壞”
幀。

   
上面已說明，各速率在整個系統(tǒng)中所起作用及所占比例是不同的，因此，對各速率判
定的精度也是不同的。首先，要盡可能保證全速率判定的準(zhǔn)確度，不僅要判別出全速率好幀，而且
還要能判別出全速率壞幀，這是因為全速率幀中有時包含隨路信令。其次，進(jìn)行半速率、1／4及
1／8速率判定。另外，誤幀也是反向閉環(huán)功率控制的重要依據(jù)。

   （3）軟切換

    軟切換是CDMA移動通信系統(tǒng)所特有的，其基本原理如下，當(dāng)移
動臺處于同一個BSC控制下的相鄰BTS之間區(qū)域時，移動臺在維持與源BTS無線連接同時，又與目標(biāo)
BTS建立無線連接，之后再釋放與源BTS的無線連接。發(fā)生在同一個BSC控制下的同一個BTS間的不
同扇區(qū)間的軟切換又稱為更軟切換。

    在CDMA數(shù)字移動系統(tǒng)中，切換的標(biāo)準(zhǔn)主要為導(dǎo)頻信號的強度，
導(dǎo)頻信號強度為接收到的導(dǎo)頻能量與全部接收到的能量的比值。導(dǎo)頻信號是每個基站連續(xù)發(fā)射的未
經(jīng)調(diào)制的、直接序列擴(kuò)頻的信號，它主要用于使所有在基站覆蓋區(qū)中工作的移動臺進(jìn)行同步和換。
基站利用一周期為2（15次方）=32
768的最大長度偽隨機(jī)序列（PN）的時間偏置來標(biāo)識每個前向CDMA信道（由基站到移
動臺），此序列PN也稱為導(dǎo)頻序列。不同前向信道使用不同相位的m序列進(jìn)行調(diào)制，其相位至少相
差64bit，因此導(dǎo)頻PN序列可使用的相位為512個。在CDMA系統(tǒng)中所有CDMA小區(qū)都采用同一個頻
率，移動臺根據(jù)接收到的基站導(dǎo)頻信號的不同偏置來區(qū)分各個基站。每個小區(qū)的導(dǎo)頻要與其同一
CDMA信道中的正向業(yè)務(wù)信道相配合才有效，當(dāng)移動臺檢測到一個足夠強度的導(dǎo)頻而它未與任何一
正向業(yè)務(wù)信道相配合時，就向基站發(fā)送一導(dǎo)頻強度測量報告，基站根據(jù)此報告決定是否切換。在
CDMA的切換技術(shù)中一個顯著的優(yōu)點是可以使用軟切換。所謂軟切換是指當(dāng)移動臺需要跟一個新的
基站通信時，并不先中斷與原先基站的聯(lián)系。

    由于CDMA系統(tǒng)中移動臺獨特的RAKE接收機(jī)可以同時接收兩個或
兩個以上基站發(fā)來的信號，從而保證了CDMA系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)軟切換。軟切換引入大大地改善了切換
的性能，消除了切換過程中通信的中斷、小區(qū)邊界處的“乒乓效應(yīng)”以及切換引入的噪聲。盡管軟
切換對前向鏈路的容量有一定的影響，但在切換區(qū)域由于需要，兩個前向業(yè)務(wù)信道為一個移動臺使
用，所以理論分析前向鏈路的容量損失相對于語音激活因子3／8或1／2分別為0.2％或0.1％，而
這點損失對整個系統(tǒng)不會產(chǎn)生什么影響。

    （4）功率控制

    功率控制在CDMA系統(tǒng)中非常重要，根據(jù)傳輸方向的不同，分為
反向功率控制及正向功率控制兩種，其中，反向功率控制尤其重要，因為，反向是依靠準(zhǔn)正交碼區(qū)
分的，因此，用戶之間存在相互間干擾，只有保證到達(dá)基站各用戶間功率一致（防止遠(yuǎn)近效應(yīng)），
才能保證用戶容量及質(zhì)量。   
進(jìn)行反向功率控制的以在移動臺接收并測量基站發(fā)來的導(dǎo)頻信號，根據(jù)導(dǎo)頻信號強弱
估計正確的傳輸損耗，并根據(jù)這種估計來調(diào)節(jié)移動臺的反向發(fā)射功率。接收信號增強就降低其發(fā)射
功率，接收信號減弱就增強其發(fā)射功率。

   
功率控制的原則是：當(dāng)信道的傳播條件突然改善時，功率控制應(yīng)作出快速反應(yīng)（例如
幾微秒），以防止信號突然增強而對其他用戶產(chǎn)生附加干擾，相反，當(dāng)傳播條件突然變壞時，功率
調(diào)整的速度可以相對慢一些。也就是說，寧愿單個用戶的信號質(zhì)量短時間惡化，也要防止許多用戶
因為單個用戶的信號電平突然變大而增大背景干擾。

   
這種功率控制辦法簡單、直接，不需要在移動臺和基站之間交換信息，因而控制速度
快并節(jié)省開銷。對于某些情況，例如車載移動臺快速駛?cè)牖蝰偝龅匦纹鸱鼌^(qū)或高大建筑物遮蔽區(qū)而
引的信號強度變化是十分有效的，但是對于信號因多徑傳播而引起的瑞利衰落變化則效果不好。因
為前向傳輸和反向傳輸使用的頻率不同，通常兩個頻率的間隔大大超過信息的相干帶寬，因而不能
認(rèn)為移動臺在前向信道上測得的衰落特性，就等于反向信道上的衰落特性。為了解決這個問題，可
以由基站檢測來自移動臺的信號強度，并根據(jù)測得的結(jié)果，形成功率調(diào)整指令，通知移動臺，使移
動臺根據(jù)此調(diào)整指令來調(diào)節(jié)其發(fā)射功率。實現(xiàn)這種辦法的條件是傳輸調(diào)整指令的速度要快，處理和
執(zhí)行調(diào)整指令的速度也要快。一般情況下，這種調(diào)整指令每毫秒發(fā)送一次就可以了。

   
以上這些技術(shù)只是項目中我們已研究并實現(xiàn)的很少一部分，還有很多技術(shù)我們已實現(xiàn)
但未列在此處。

3  項目研發(fā)的成果

    經(jīng)過2年多的努力，我們將CDMA原理概念最終形成了FPGA信道
板，完成了Abis自定義接口規(guī)范的制定、實現(xiàn)及測試，采用高性能的嵌入式CPU處理器實現(xiàn)了多
CPU通信，設(shè)計并實現(xiàn)了高速包交換技術(shù)構(gòu)造的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，完成了中、射頻子系統(tǒng)的設(shè)計，第一次
實現(xiàn)了與商用手機(jī)通話。

   
1998年12月，國家“863”專家組對項目進(jìn)行了驗收，全部指標(biāo)符合“863”項目合同
要求，順利通過了專家組的驗收。

   
為了將國家“863”項目成果轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品，我們繼續(xù)進(jìn)行研發(fā)，最終完成了軟切換設(shè)計
及實現(xiàn)，并通過軟硬件聯(lián)測進(jìn)行了驗證，完成了與多家商用手機(jī)的通話，完成了與商用交換機(jī)聯(lián)
調(diào)，并成功運行在試驗環(huán)境。2000年9月28日通過信息產(chǎn)業(yè)部項目驗收。

    CDMA基站系統(tǒng)研制的成功，不僅完善了專用儀表設(shè)備和開發(fā)工
具、軟件的配置、建立了BTS BSC實驗室以及MSC交換機(jī)系統(tǒng)室；更重要的是培養(yǎng)和建立了一支在
CDMA關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)集成方面積累了豐富經(jīng)驗的研發(fā)隊伍。

4  項目今后的發(fā)展

   
在原國家項目研發(fā)成果基礎(chǔ)上，聽取了國家相關(guān)部委領(lǐng)導(dǎo)及運營部門用戶及其它專家
建議后，吸取了原有設(shè)計的優(yōu)點，重新進(jìn)行了總體設(shè)計，其主要特點是面向產(chǎn)品設(shè)計，設(shè)計具有可
升級性和擴(kuò)展性；方案的實施分階段、有步驟地進(jìn)行（IS-95與cdma20001X功能分步實現(xiàn)）；技術(shù)
上盡可能采用國內(nèi)外已有的新技術(shù)和芯片，以加速設(shè)備的開發(fā)工作；支持IS-95A功能并能平滑過
渡到cdma2000
1X，通過部分硬件及軟件修改即可推出WCDMA移動通信系統(tǒng)產(chǎn)品。預(yù)計2001年上半年
推出支持話音業(yè)務(wù)cdma2000
1X系統(tǒng)，2001年底推出支持全部功能的1X系統(tǒng)。

摘自《電信科學(xué)》
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