1、 第25章CDMA数字蜂窝移动通信25.1扩频通信原理扩频通信原理25.2CDMA数字蜂窝移动通信结构数字蜂窝移动通信结构25.3 CDMA正向信道正向信道25.4 CDMA反向信道反向信道25.5 CDMA系统功率控制系统功率控制25.6CDMA系统的切换系统的切换25.7CDMA位置登记及呼叫处理位置登记及呼叫处理本章小结本章小结25.1 扩频通信原理扩频通信原理25.1.1 扩频理论基础扩频理论基础1.香农(Shannon)公式香农在其信息论中给出了带宽与信噪比之间的关系式，即香农公式(25.1.1)式中，C为信道容量，单位为b/s；B为信号的频带宽度，单位为Hz；S为信号的平均功率，单
2、位为W；N为噪声的平均功率，单位为W。由香农公式可知，在给定信号功率S和噪声功率N的情况下，只要采用某种编码就能以任意小的差错概率，以接近于C的传输速率来传送信息。在保持信息传输速率C不变的条件下，频带B和信噪比是可以互换的。也就是说，如果增加信号频带宽度，就可以在较低信噪比的条件下以任意小的差错概率来传输信息。甚至在信号被噪声淹没即S/N1的情况下，只要相应地增加信号带宽，也能进行可靠的通信。2.差错概率公式信息传输的差错概率Pe由下式决定，即式中，E为信号的能量，no为噪声的功率谱密度，f(.)为一函数。设信息的持续时间或数字码元的宽度为T，则信息的带宽及信号的功率分别为(25.1.3)(
3、25.1.2)若已调或已扩频信号的带宽为B，则噪声功率为 N=noB(25.1.4)将Bm、S、N代入式(25.1.2)，可得由式(25.1.5)可见，差错概率Pe是输入信号与噪声功率之比S/N和信号带宽与信息带宽之比B/Bm二者乘积的函数，信噪比与带宽是可以互换的。用增加带宽的方法可以换取信噪比上的降低。(25.1.5)3.处理增益与抗干扰容限在各种扩频系统中，它们的抗干扰能力总是与扩频信号带宽B和信息带宽Bm之间的比成正比的，在工程中常以分贝(dB)表示，即（25.1.6)式中，Gp称为扩频系统的处理增益，是扩频系统一个重要的性能指标。它表示了扩频系统信噪比改善的程度。通信系统要正常工作，
4、还需要保证输出端有一定的信噪比，并要扣除系统内部信噪比的损耗，因此需引入抗干扰容限Mj，其定义为(25.1.7)25.1.2 直接序列扩频直接序列扩频直接序列扩频(Direct Sequence-Spread Spectrum,DS-SS)简称直扩，就是直接用高速率的扩频码序列在发送端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把扩频信号还原成原始信息。其原理如图25.1.1所示。图25.1.1 DS-SS原理图在发送端，输入的信息码元为m(t)，为二进制码元，其码元宽度为Tb；扩频器为一逻辑运算器，可采用模2加法器来实现；扩频码为一个伪随机码(PN码)，用p(t)表示，其码元宽度为
5、Tp。通常在DS-SS系统中，伪随机码的速率Rp远远大于信息码元的速率Rm。也就是说，伪随机码的码元宽度远远小于信息码元的宽度，这样才能展宽频谱。模2加法器运算规则为(25.1.8)对于式(25.1.8)，若m(t)与p(t)相同，则c(t)=0；m(t)与p(t)不相同，则c(t)=1。扩频系统的处理增益为即Tb越大，而Tp越小时，Gp越高。5.2 CDMA数字蜂窝移动通信结构数字蜂窝移动通信结构25.2.1 CDMA数字蜂窝移动通信系统的构成数字蜂窝移动通信系统的构成CDMA数字蜂窝移动通信系统的结构如图25.2.1所示，它主要由网络子系统、基站子系统和移动台三部分组成，与GSM数字蜂窝移
6、动通信系统的结构非常相似。以下介绍网络子系统和基站子系统图25.2.1 CDMA蜂窝移动通信系统结构1.网络子系统网络子系统处于固定通信网如PSTN、ISDN与基站控制器之间，它主要由移动交换中心(MSC)、原籍位置寄存器(HLR)、访问用户位置寄存器(VLR)、操作管理中心(OMC)以及鉴权中心等设备组成。MSC是蜂窝通信网络的核心，其主要功能是对位于本MSC控制区域内的移动用户进行通信控制和管理。所有基站都通过通信线路连至MSC，该通信线路包括业务线路和控制线路。2.基站子系统基站子系统(BSS)包括基站控制器(BSC)和基站收发设备(BTS)。每个基站的有效覆盖范围即为无线小区，简称小区
7、。小区可分为采用全向天线的全向小区和采用定向天线的扇形小区。扇形小区常分为3个扇形区，分别用、和表示。一个基站控制器控制多个基站，每个基站含有多部收发信机。BSC的结构如图25.2.2所示，主要包括代码转换器和移动性管理器。图25.2.2 BSC结构代码转换器主要包含代码转换器插件、交换矩阵及网络接口单元。代码转换功能由EIA/TIA宽带扩频标准规定，完成适应地面MSC使用的64 kb/s PCM语音和无线信道中的声码器语音转换，其声码器速率是可变的，有8 kb/s、4 kb/s、2 kb/s和0.8 kb/s四种。除此之外，代码转换器还将业务信道和控制信道分别送往MSC和移动性管理器。BSC
8、与MSC及BTS之间的传输速率都很高，可达1.544 Mb/s。基站子系统中，数量最多的是收发信机(BTS)等设备。BTS由于接收部分采用空间分集方式，因此采用两副接收天线(Rx)和一副发射天线(Tx)。基站控制器的功能是控制管理蜂窝系统小区的运行，维护基站设备的硬件和软件，为建立呼叫、接入、信道分配等正常运行收集有关的统计信息，并监测设备故障、分配定时信息等。25.2.2 CDMA系统的接口、系统的接口、信令及相关参数信令及相关参数1.CDMA系统的接口CDMA系统的接口如图25.2.3所示。图中的IWF为互通功能单元。MC为短消息中心，是存储和转发短报文的实体。短报文实体(SMF)是合成和
9、分解短报文的实体，它们之间的接口为M接口。图25.2.3 CDMA系统的接口其主要接口如下：（1）Um接口：MS与BS之间的接口。（2）A接口：BS与MSC之间的接口。（3）B接口：MSC与VLR之间的接口。（4）C接口：MSC与HLR之间的接口。（5）D接口：VLR与HLR之间的接口。（6）E接口：MSC与MSC之间的接口。（7）F接口：MSC与EIR之间的接口。（8）G接口：VLR与VLR之间的接口。（9）H接口：HLR与AUC之间的接口。（10）Ai接口：MSC与PSTN之间的接口。（11）Pi接口：MSC与PSPDN之间的接口。（12）Di接口：MSC与ISDN之间的接口。2.信令CD
10、MA系统信令应包括各个接口间的信令，信令是以协议的形式来表现的，因此信令可称为信令协议。以下以空中接口Um信令协议为例，介绍信令的结构。在CDMA系统中，所有信道上的信令都使用面向比特的同步协议，所有信道上的报文都使用同样的分层格式。最高层的格式是报文囊(Capsule)，它包括报文(Message)和填充物(Padding)；次一层的格式将报文分成报文长度、报文体和CRC。Um接口信令协议结构也分为三层，即物理层、链路层和移动台控制处理层，它们是CDMA系统的基础。CDMA系统信令协议的三层结构如图25.2.4所示。图25.2.4 CDMA系统信令协议的三层结构第一层是数据无线信道中的物理层
11、，包括传递比特位的功能，如射频调制、编码、成帧、信道匹配传输等。在第一层和第二层之间有一个复用子层，它允许用户数据和信令处理通过无线通道实现共享。对于用户数据来说，高于复用子层的协议层与业务选择无关。在典型的情况下，它有更高两层，即第二层、第三层的协议内容。信令协议的第二层是和可靠的信令发送相联系的协议。信令协议的信号第三层包括了呼叫流程，无线信道控制，以及呼叫的建立和切换、功率的控制、移动台注销在内的移动台控制。3.CDMA系统参数及应用频段频段：824849 MHz（反向链路），869894 MHz（前向链路）。双工方式：FDD。载波间隔：1.25 MHz。信道速率：1.2288 Mc/s
12、。接入方式：CDMA。调制方式：/4-QPSK。分集方式：RAKE、交织、天线分集。信道编码：卷积码，K=9，R=3（反向链路）；K=9，R=2（前向链路）。语音编码：QCELP可变速率声码器。数据速率：9.6 kb/s，4.8 kb/s，2.4 kb/s，1.2 kb/s。信道号：1666，占20 MHz频段，其中1333属于系统A，334666属于系统B。系统A、B为两个不同的经营部门，各自组成蜂窝网。A和B是基本的信道。另外，又增加了5 MHz频带作为A系统的扩展(A、A)和B系统的扩展(B)，其信道号码分别为667779 和9911023。25.2.3 CDMA系统的逻辑信道系统的逻辑
13、信道1.逻辑信道CDMA系统中，各种逻辑信道都是由不同的码序列来区分的。任何一个通信网络除了主要传输业务信息外，还必须传输有关的控制信息。对于大容量系统，一般采用集中控制方式，以便快速实现建立链路的过程。CDMA系统在基站至移动台的传输方向（正向传输或下行传输）上设置了导频信道、同步信道、寻呼信道和正向业务信道；在移动台至基站的传输方向（反向传输或上行传输）上设置了接入信道和反向业务信道，如图25.2.5所示。图25.2.5 CDMA信道分类CDMA系统采用码分多址方式，收、发使用不同的载频，其收、发频差为45 MHz；通信方式是频分双工；一个载频包含64个逻辑信道，占用带宽约1.23 MHz
14、。由于CDMA系统的正向传输和反向传输的要求及条件不同，因此逻辑信道的构成及产生方式也不同。2.正向逻辑信道CDMA系统的正向逻辑信道结构如图25.2.6所示。在正向传输中，采用64阶沃尔什函数区分逻辑信道，分别用W0，W1，W63表示。其中，W0为导频信道；W1，W7为寻呼信道，即寻呼信道最多可达7个，W1是首选的寻呼信道；W8，W63为业务信道，W32为同步信道，共计55个正向逻辑信道。图25.2.6 正向逻辑信道的结构导频信道可用来传送导频信息，即由基站连续不断地发送一种直接序列扩频信号，供移动台获得信道的信息，也可提取相干载波以进行相干解调，还可对导频信号电平进行检测，用以比较相邻基站
15、的信号强度和决定是否需要进行越区切换。为了保证各移动台载波检测和提取的可靠性，导频信道的功率须高于业务信道和寻呼信道的平均功率。如导频信道可占总功率的20%，同步信道占3%，每个寻呼信道占6%，剩下的功率分配给各业务信道。同步信道用于传输同步信息，在基站覆盖范围内，各移动台可利用这些信息进行同步捕获。同步信道上载有系统的时间和基站引导PN码的偏置系数，以实现移动台的接收解调。同步信道在捕捉阶段使用，一旦捕获成功就不再使用。同步信道的数据速率固定为1200 b/s。寻呼信道供基站在呼叫建立阶段来传输控制信息，每个基站有1个或最多7个的寻呼信道。当有市话用户呼叫移动用户时，经MSC或移动电话交换局
16、送至基站，寻呼信道上就播送该移动用户识别码。通常，移动台在建立同步后，就在首选的W1寻呼信道（或在基站指定的寻呼信道上）监听由基站发来的信令，当收到基站分配业务信道的指令后，就转入指配的业务信道中进行信息传输。当小区内需要通信的用户数较多，而业务信道不够应用时，某几个寻呼信道可临时用作业务信道。在极端情况下，7个寻呼信道和一个同步信道都可用来充当业务信道。这时候，总数为64的逻辑信道中，除去一个导频信道外，其余63个均用于业务信道。寻呼信道上的数据速率是4800 b/s或9600 b/s，由网络经营者自行决定。业务信道上载有编码的语音或其他业务数据，除此之外，还可以插入必需的随路信令，如必须安
17、排功率控制子信道，用于传输功率控制指令；又如在通话过程中，越区切换时，必须插入过境切换指令等。在CDMA蜂窝系统中，各基站配有GPS接收机，保证系统中各基站有统一的时间基准。小区内所有移动台均以基站的时间基准作为各移动台的时间基准，从而保证全网的同步。3.反向逻辑信道CDMA系统的反向逻辑信道由接入信道和反向业务信道组成。反向逻辑信道的结构如图25.2.7所示。在反向逻辑信道中，接入信道与正向传输的寻呼信道相对应，其作用是在移动台接续开始阶段提供通路，在移动台没有占用业务信道之前，提供由移动台到基站的传输通路。供移动台发起呼叫或对基站的寻呼进行响应，以及向基站发送登记注册的信息等。图25.2.
18、7 反向逻辑信道的结构接入信道采用一种随机接入协议，允许多个用户以竞争的方式占用。在一个反向逻辑信道中，接入信道数n最多可达32个。在极端情况下，业务信道数m最多可达64个。每个业务信道用不同的用户长码序列加以识别，每个接入信道也采用不同的接入信道长码序列加以区别。在反向传输方向上无导频信道，因此基站接收反向传输的信号时，只能用非相干解调来接收。25.3 CDMA正向信道正向信道25.3.1 正向信道的组成正向信道的组成1.信道的组成CDMA系统的正向信道组成原理如图25.3.1所示，它主要由沃尔什函数、卷积编码器、长码产生器、分频器、调制解调器、基带滤波器等组成。图25.3.1 CDMA正向
19、信道组成原理2.信号的构成基站发送的信号带宽约为1.23 MHz，该信号带宽内包含了相互正交的64个逻辑信道。但正向信道的逻辑信道配置并不是固定的，其中导频信道一定要有，其余的逻辑信道可根据具体情况进行配置。例如，可用业务信道取代寻呼信道和同步信道，成为1个导频信道、0个同步信道、0个寻呼信道和63个业务信道。这种情况发生在基站拥有两个以上的CDMA 信道，即带宽大于2.5 MHz的情况下，其中一个为CDMA基本信道，其带宽为1.23 MHz，所有移动台都先集中在该基本信道上工作。此时，若基本CDMA业务信道忙，则可由基站在基本CDMA信道的寻呼信道上发射信道指配消息，将某移动台分配到另一个C
20、DMA信道进行业务通信。该CDMA信道只需一个导频信道，而不再需要同步信道和寻呼信道。每一个逻辑信道都选用相应的沃尔什函数进行正交扩频，沃尔什函数的码片（或称子码）的速率为1.2288 Mc/s，即子码的码元宽度为0.8138 s，约0.814 s。每个逻辑信道，对输入的数据都经过卷积编码（码率为1/2，约束长度为9）、分组交织（导频信道除外，导频信道为全0，无需卷积和交织）、沃尔什函数扩展频谱。由于沃尔什函数是一正交函数族，互相关值为零，所以在扩频的同时,给各个逻辑信道赋予了正交性，称其为正交扩频。扩频后的信号再进行四相调制，基站发射信号则采用QPSK调制方式。3.四相调制正交扩频后的信号需
21、要进行四相调制，或者称为四相扩展。在同相支路(I支路)和正交支路(Q支路)引入两个互为准正交的m序列，即I信道引导PN序列和Q信道引导PN序列，序列周期长度均为215(=32 768)，其构成是以下列生成多项式为基础的：I支路：PI(x)=x15+x13+x9+x8+x7+x5+1Q支路：PQ(x)=x15+x12+x11+x10+x6+x5+x4+x3+1上述生成多项式产生的是周期长度为2151的m序列。为了得到周期长度为215的 I 序列和Q序列，当生成的m序列中出现14个连“0”时，向其中再插入一个“0”，使序列中14个“0”的游程变成15个“0”的游程。这样不仅使得引导序列周期的长度为
22、偶数(21532 768)，而且使得序列中“0”和“1”的个数各占半，从而平衡性更好。引导PN序列的主要作用是给不同基站发出的信号赋以不同的特征，便于移动台识别所需的基站。不同的基站虽然使用相同的PN序列，但各基站PN序列的起始位置是不同的，即各自采用不同的时间偏置。由于m序列的自相关特性在时间偏移方面大于一个子码码元宽度，所以其自相关系数值接近于0，因而移动台用相关器很容易把不同基站的信号区分开来。通常一个基站的PN序列在其所有配置的频率上，都采用相同的时间偏置，而在一个CDMA蜂窝系统中，时间偏置也可以再用。不同的时间偏置用不同的偏置系数表示，偏置系数共512个。编号K为0511，如图25
23、.3.2所示。通常，规定序列中出现15个“0”后，后续的64个子码为偏置系数K=0。同样，K1表示后续的64个子码是码序列中最末的64个子码，它包含序列周期中唯一的15个连“0”。图25.3.2 偏置系数K示意图偏置时间tk等于偏置系数乘以64个子码宽度时间，即偏置的引导PN序列必须在以基站传输为基准时间的偶数秒起开始传输，其他PN引导序列的偏置系数规定了它的零偏置(K=0)引导序列的偏置时间差。引导PN序列的周期时间为26.666(=32 768/1.2288)ms，即每秒有75个PN序列周期。经过基带滤波器后，四相调制的相位关系如表25.3.1所示。)s(2288.1164k Kt4.数据
24、传输与信息帧结构数据信息帧的结构如图25.3.3所示，它分为同步数据信息帧和寻呼/业务数据信息帧两大类。两类信息帧组成的高帧结构相同，均含有25个超帧，但两类超帧、帧、符号的结构则不相同，两类逻辑信道的结构也不相同。图25.3.3 数据信息帧的结构1）同步数据信息帧的结构同步数据信息帧的组成如下：高帧：含25个超帧或75个PN帧（相当于75个PN周期），时长为2 s。超帧：相当于3个PN周期，时长为80 ms。PN帧：含128个同步符号，即32 768个码片，时长为26.66 ms。同步符号：含256个码片，即4个沃尔什序列，时长为208.338 s。沃尔什序列：含64个码片，时长为52.08
25、25 s。码片(Chip)：时长为0.8137 s。2）寻呼/业务数据信息帧的结构寻呼/业务数据信息帧的组成如下：高帧：含25个超帧或75个PN帧（相当于75个PN周期），时长为2 s。超帧：相当于4个业务帧，时长为80 ms。业务帧：含384个寻呼/业务符号（24 576个码片），时长为20 ms。寻呼/业务符号：含64个码片（1个沃尔什序列），时长为52.0825 s。沃尔什序列：含64个码片。码片(Chip)：时长为0.8137 s。3）业务信息帧业务信息帧可分为前向业务信道信息帧和反向业务信道信息帧，它们的格式相同，帧长均为20 ms，如图25.3.4所示。业务信道在信道编码之前的数据
26、传输速率分别为9.6 kb/s、4.8 kb/s、2.4 kb/s、1.2 kb/s，因此，在一帧内可传送的信息位分别为172 bit、80 bit、40 bit、16 bit。在速率为9.6 kb/s、4.8 kb/s的帧中，F分别为12 bit和8 bit的帧质量指示位，T为8 bit的尾位。在速率为2.4/1.2 kb/s的帧中，只有8 bit的尾位。帧质量指示位的功能有两个，一是帧校验，即指示该帧是否有错；二是指示传输速率，因为低传输速率时无F位。图25.3.4 业务信道帧结构前向业务信道：在业务信道工作期间，基站在前向业务信道中的业务帧给移动台发送报文信息。前向业务信道报文包含报文长
27、度(8 bit)、报文体(161160 bit)及CRC(16 bit)。基站发送的报文可在一个业务信道帧或多个业务信道帧中传送。在多帧传送时，以业务信道帧的第一位SOM(1 bit)来标识报文的开始，即报文开头这一帧的SOM为“1”，其余帧的SOM为“0”，如果报文结束的哪一帧有空余位，则用“0”作填充。当无业务激活时，基站发送无业务信道数据(Null Traffic Channel Data)给移动台，以保持联系，无业务信道数据的传输率为1.2 kb/s，在其帧结构中含有247 bit报文，由16个“1”后跟8个“0”组成。反向业务信道：其帧结构与前向业务信道帧相同。反向业务信道的前导(P
28、reamble)由含有192个“0”的若干帧组成。无业务信道数据由16个“1”加8个“0”组成，传输速率为1.2 kb/s。当移动台无业务激活时，它发送无业务信道数据，以保持移动台与基站的连接性。25.3.2 正向控制信道正向控制信道1.导频信道导频信道用于移动台作相位定时、相干载波提取以及过境切换时信号强度的比较。导频信道输入为全0，用沃尔什函数进行扩频，然后进行四相调制。导频信号在基站工作期间是连续不断地发送的，而且所占功率较大（约占20），以保证小区内各个移动台能进行正确的解调。2.同步信道同步信道用于传输同步信息，此同步信息被移动台用来进行同步调整。此外，同步信道还提供移动台选用的寻呼
29、信道数据率。移动台一旦完成同步，通常不再接收同步信号，但当设备关机重新开机时，还需要重新进行同步。当通信业务量很多、所有业务信道均被占用而不够应用时，同步信道也可临时改作业务信道使用。同步信号的数据速率是1.2 kb/s，分帧传输，帧长是26.66 ms，即与引导PN序列周期的时间相同。3个同步信道帧构成2个超帧（80 ms，含96 bit)。在同步信道上传送消息只能从同步信道超帧的起始点开始。当使用零偏置(K=0)引导PN序列时，同步信道超帧要在偶数秒的时刻开始。当然，也可在相隔1个超帧时刻开始。当所用的引导PN序列不是零偏置引导PN序列时，同步信道超帧将在偶数秒加上引导PN序列偏置时间的时
30、刻开始。同步信道的主要参数如表25.3.2所示。在扩频前，调制码元还需进行分组交织。交织的作用是为了克服突发性干扰，它可将突发性差错分散化，在接收端由卷积编码器按维特比译码法纠正随机差错，从而间接地纠正了突发性差错。同步信道使用时间跨距为26.66 ms的分组交织，此跨距与4800 s/s字符速率的128个调制字符相对应。3.寻呼信道寻呼信道是在呼叫接续阶段传输寻呼移动台的信息的。这些信息包括被呼的移动台号码，以及给移动台指配业务信道的指令等。寻呼信道最多可达7条，分别用W1，W2，W7进行扩频调制。寻呼信道的信息速率有9.6 kb/s和4.8 kb/s两种。CDMA系统的正向信道的寻呼信道中
31、的信息流首先经过卷积编码器，该编码器码率为1/2，约束长度为9，卷积编码器输出的码元速率提高一倍，即输入信息速率为9.6 kb/s时输出为19.2 ks/s而输入为4.8 kb/s时输出为9.6 ks/s；对于9.6 ks/s的码元重复一次，而对于19.2 ks/s的码元并不进行重复。这样分组交织器输入端的调制码元速率统一为19.2 ks/s，分组交织器仅改变码元的顺序，不改变码元（或符号）的速率。寻呼信道中分组交织器的交织跨度为20 ms，这相当于码元速率为19.2 ks/s时的384个调制码元宽度。交织器组成的阵列是24行16列(即384个码元)。通过分组交织的寻呼信号还要进行数据掩蔽，其
32、目的是为了信息的安全，起到保密作用。寻呼信道中含有移动用户号码等重要信息，必须采取安全措施。长码产生器由42级移位寄存器和相应的反馈支路及模2加法器组成，产生的m序列周期很长，达2421，因此重复周期的时间也很长。移位寄存器共有42级，下式是该长码产生器的特征多项：为了安全起见，42级移位寄存器的各级输出与寻呼信道长码的42 bit时标相乘，再进行模2相加，产生长码输出。长码的时钟工作频率是1.2288 MHz，相应的长码速率是1.2288 Mc/s，经分频比为64的分频器后得到的数据速率为19.2 kb/s，再与经卷积、交织处理后的调制码元进行模2加，然后才进行W1（或W2W7）扩频调制。寻
33、呼信道用于长码产生器的掩码格式如图25.3.5所示。图中，寻呼信道号(PCN)用3个比特表示，即23=8，可满足最多7个寻呼信道的要求。引导PN序列的偏置系数PILOT-PN用9个比特表示，可满足0511个偏置系数的需要。寻呼信道参数如表25.3.3所示。图25.3.5 寻呼信道中长码产生器的掩码格式25.3.3 正向正向CDMA业务信道业务信道正向CDMA业务信道是基站向移动台传送如语音业务等信息的信道。此外，它还必须传输必要的随路信令，如功率控制和过境切换指令等。正向CDMA业务信道上传送的信号经过语音编码、信道编码、分组交织、长码掩蔽、沃尔什函数扩频及正交调制等步骤产生，如图25.3.6
34、所示。图25.3.6 正向业务信道信号的流程图基站在正向业务信道上可以改变数据速率来传送信息，共分为4种速率，即9.6 kb/s、4.8 kb/s、2.4 kb/s和1.2 kb/s。信号帧的长度为20 ms，数据速率可逐帧选择（20 ms一次）。这样可实现通话时以较高速率传送，而停顿时以较低速率传输，以减小共道干扰。虽然数据速率可以逐帧变化，但调制码元速率仍统一为19.2 ks/s。由于码字重复的原因，较低数据速率的调制码元可以用较低能量发送。假设速率为9.6 kb/s的调制码元能量归一化为1，则4.8 kb/s的调制码元能量为1/2，2.4 kb/s的调制码元能量为1/4，1.2 kb/s
35、 的调制码元能量为1/8。1.信息的组成及其格式业务信道主要传送的是可变速率语音编码器输出的数字语音，也可传输同样速率的其他业务，前者称主要业务，后者称辅助业务；此外，还有一些必要的随路信令。业务信道信息的编码过程如图25.3.7所示。图25.3.7 正向业务信道信息的编码过程可变速率语音编码器输出速率分别为8.6 kb/s、4.0 kb/s、2.0 kb/s和0.8 kb/s的数据后，进入业务帧的复接。MM称做混合模式比特，MM=0，表示该帧无信令；MM=1，表示该帧加入了信令。IS-95规定只有速率为1，即8.6 k/s，才允许加入信令。MM=0时，各种速率的情况下，20 ms一帧内语音的
36、比特数如图25.3.8所示。20 ms为一组的语音包，速率为1时，输入语音为171bit，MM=0的标志符插入1比特（放在第1位），其余171 bit为语音数据信息比特，共计172 bit，因此业务速率为8.6 kb/s（20 ms含有172 bit）。对于速率为1/2、1/4和1/8的语音信号，不加标志位。因此对于20 ms业务帧，语音比特分别是80 bit、40 bit和16 bit，相应的业务速率是4.0 kb/s、2.0 kb/s和0.8 kb/s。正向业务信道上传输的业务信息和信令信息，可以通过复接方式把它们装载到物理信道上。通过复接，业务信道对每帧还要加入帧质量指示位和尾位。前者属
37、于循环冗余编码，具有检纠错能力，能表明该帧信息传输的质量；后者是末位加入8个“0”，它是在每帧进行卷积编码时，为使卷积编码器中的8级移位寄存器（约束长度为9）复位至“0”而添加的。添加的过程如图25.3.8所示。图25.3.8 业务帧增加CRC及尾比特过程20 ms的业务帧，对于速率为1的业务，CRC为12位，由172 bit增加到184 bit；对于速率为1/2的业务，CRC为8位，由80 bit增加到88 bit；对于速率为1/4和1/8的业务，不进行CRC校验。无论是哪种速率，后续都要变换为约束长度均为9的卷积编码，因此都需要在末位添加8个全“0”位。对于20 ms的业务帧，在不同速率的
38、情况下，帧结构如图25.3.9所示。图25.3.9 正向业务信道帧结构2.卷积编码卷积编码用于信道编码，主要用来纠正码元的随机差错，它是利用增加监督位来进行检错和纠错的。CDMA系统中的各种信道都使用卷积编码器。在正向CDMA信道中，包括同步信道、寻呼信道和业务信道，均使用相同的卷积编码器，即码率为1/2、约束长度为9的卷积编码器。所谓“码率”就是编码效率。码率为1/2，意味着编码器每输入1 bit信息，输出为2 bit。3.码元重复和交织对于正向业务信道，在分组交织之前还要进行码元重复。对于速率为1/2的数据，输入数据速率为9.6 ks/s，各码元重复一次（每个码元连续出现两次）；速率为4.
39、8 ks/s时，各码元重复3次（每个码元连续出现4次）；速率为2.4 ks/s时，各码元重复7次（每个码元连续出现8次)。这样，各种速率均变换成相同的调制码元速率，即19 200个调制码元每秒，亦即每20 ms有384个调制码元，以便实现统一的分组交织。分组交织的作用主要是为了对抗突发性干扰，即将突发性差错分散开来，以便于接收端进行纠错。正向业务信道的交织跨度是20 ms，也就是以384个调制码元为一组进行交织。交织器组成的阵列是24行16列，即384个调制码元。对于速率为9.6 ks/s的业务信道，其交织阵列输入和输出，即写入矩阵和读出矩阵，与寻呼信道的相同。4.数据掩蔽数据掩蔽也称为数据扰
40、乱，其目的是为了数据的安全。正向业务信道的数据掩蔽原理与寻呼信道的信号掩蔽原理相同。图25.3.10为正向业务信道的数据掩蔽以及功率控制原理。图25.3.10 正向业务信道的数据掩蔽及功率控制原理图中的扰码是在分组交织器输出的19 200 s/s调制字符上进行的。它是通过交织器输出字符与长码PN码片的二进制值模2相加而完成的。该长码PN码片在交织器输出字符传送期的开始时有效。PN序列是工作时钟为1.2288 MHz的长码（长码周期为2411），每一调制码元长度为长码经分频后（分频系数为64），其速率变为19 200 s/s，因而送入模2加法器进行数据掩蔽的是每64个子码中的第一个子码在起作用。
41、5.功率控制子信道功率控制子信道信号是连续地在正向业务信道上发送的。该子信道以每1.25 ms中1个比特（“0”或“1”）的速率（800 bit/s）发送。“0”或“1”比特分别表示增加或降低移动台的平均输出功率电平。基站反向业务信道接收机对在1.25 ms期间所分配的特定移动台的信号强度进行接收和估算。1.25 ms相当于6个调制字符。基站接收机利用估算值来确定功率控制比特值。基站在相应的正向业务信道上使用收缩技术来发送功率控制比特。在正向业务信道上传输功率控制比特的功率控制组，是跟随相应反向信道上估算信号强度的功率控制组之后的第二个功率控制组。例如在图25.3.11中，反向业务信道在编号为
42、5的功率控制组上接收信号，那么正向业务信道应在功率控制组编号为5+27期间发送相应的功率控制比特。图25.3.11 功率控制比特位置示意图一个功率控制比特的长度相当于正向业务信道的2个调制字符，每个功率控制比特取代2个连贯的正向业务信道调制字符，这种技术就是通常所称的字符收缩。这样，收缩的调制字符就被功率控制比特所取代。功率控制比特的发送能量不小于Eb，如图25.3.12所示，这里的Eb是正向业务信道上每信息比特的能量，而x值给定为发送速率 x值9600 b/s24800 b/s42400 b/s81200 b/s16一帧中的所有非收缩调制字符是在同样功率电平上发送的，而在邻近帧中的调制字符可
43、以发送不同的功率电平。正向业务信道的参数如表25.3.4所示。图25.3.12 功率控制子信道的结构与字符收缩 25.4 CDMA反向信道反向信道CDMA系统中，移动台与基站之间的信道称为CDMA反向信道，也称为上行传输信道。反向信道中只包含接入信道和反向业务信道，其中接入信道与正向信道中的寻呼信道相对应，反向业务信道与正向业务信道相对应。这些信道采用直接序列扩频的CDMA技术共享同一CDMA频率分配。25.4.1 反向信道的组成反向信道的组成1.反向信道的构成移动台发射信号的信道通常称为反向信道，其电路原理框图如图25.4.1所示。图25.4.1 反向CDMA信道原理框图接入信道采用4800
44、 b/s的固定速率，反向业务信道采用9600 b/s、4800 b/s、2400 b/s和1200 b/s的可变速率。这两种信道的数据中均要求加入编码器层比特，用于将卷积编码器复位到规定的状态。此外，在反向业务信道上以9600 b/s和4800 b/s的速率传送数据时，需要增加质量指示位，即CRC校验位。接入信道和反向业务信道所传输的数据都要进行卷积编码，卷积码的码率为1/3，约束长度为9。反向业务信道的码元重复方法与正向业务信道相同。数据速率为9600 b/s时，码元不重复；数据速率为4800 b/s、2400 b/s和1200 b/s时，码元分别重复1次、3次和7次，即每个码元连续出现2次
45、、7次和8次。这样，使得各种速率的数据都变换成每秒28 800码元。反向业务信道与正向业务信道的不同之处是并非对重复的码元重复发送多次，而是除了发送其中的一个码元外，其余的重复码元全部被删除。在接入信道上，因为数据速率固定为4800 b/s，所以每一码元只重复1次，而且两个重复码元都要发送。所有码元在重复之后都要进行分组交织。分组交织的跨度为20 ms。交织器组成的阵列是32行18列，即576个单元。为了减小移动台的功耗及其对CDMA信道产生的干扰，需对交织器输出的码元采用时间滤波器进行选通，只允许所需的码元输出，而删除其他重复的码元。2.正交多进制调制在反向CDMA信道中，把交织器输出的码元
46、每6个作为一组，用六十四进制的沃尔什函数之一（称为调制码元）进行传输。调制码元的传输速率为（28 800/6）b/s4800 b/s，调制码元的时间宽度为1/4800208.333 s。每一调制码元含64个子码,因此沃尔什函数的子码速率为644800 b/s=307.2 kb/s，相应的子码宽度为3.255 s。正向CDMA信道和反向CDMA信道都使用六十四进制的沃尔什函数，但两者的应用目的不同，前者是为了区分信道，而后者是对数据进行正交码多进制调制，以提高通信质量。因为在反向CDMA信道中，不可能像正向CDMA信道那样提供共享的导频信道。3.直接序列扩展 在反向业务信道和接入信道传输的信号都
47、要用长码进行扩展。前者是数据猝发随机化器输出的码流与长码模2相加；后者是六十四进制正交调制器输出的码流和长码模2相加。长码的周期是2421个子码，并满足以下特征多项式的线性递归关系：长码的各个PN子码是用一个42位的掩码和序列产生器的42位状态矢量进行模2乘而产生的。正交多进制调制和长码序列扩展示意如图25.4.2所示。图25.4.2 正交多进制调制与长码序列扩展原理用于长码产生器的掩码随移动台传输信道的不同类型而变。掩码的格式如图25.4.3所示。在接入信道传输时，掩码格式为：M41M33要置成“110001111”，M32M28要置成选用的接入信道号码，M27M25要置成对应的寻呼信道号码
48、（范围是17），M24M9要置成当前的基站标志，M8M0要置成当前CDMA信道的引导PN偏置。图25.4.3 接入信道掩码格式在反向业务信道传输时，移动台要用到如下两个掩码中的一个：一个是公开掩码；另一个是私用掩码。这两个掩码都是该移动台所独有的。公开掩码为：M41M33要置成“110001100”，M31M0要置成移动台的电子序列号码(ESN)。为了防止和连号ESN相对应的长码之间出现过大的相关值，移动台的ESN要进行置换，置换规则如下：置换前：ESN=(E31，E30，E1，E0）置换后：ESN=(E0，E31，E22，E4，E26，E17，E8，E30，E21，E12，E3，E25，E1
49、6，E7，E29，E30，E11，E2，E24，E15，E6，E28，E19，E10，E1，E23，E14，E5，E27，E18，E9）私用掩码适用于用户保密通信，其格式由TIA规定。25.4.2 接入信道接入信道移动台利用接入信道发起呼叫或对基站寻呼信道的寻呼信号进行响应。接入信道的输入信息速率是4.4 kb/s，加上用于后续卷积编码器的编码尾位后，速率为 4.8 kb/s，经过码率为1/3、约束长度为9的卷积编码，速率变为14.4 ks/s，码元重复一次，速率提高到28.8 ks/s，然后进行正交多进制扩频调制、长码掩蔽、四相位调制等。1.反向信道的卷积编码器为了提高反向信道信号抗干扰能力
50、，采用码率为1/3的卷积编码器，即输入1个码元，编码器相应输出3个码元；约束长度为9，即前后9个码元有关联，或者说有约束关系。因此它包含8级移位寄存器和3个模2加法器，其电路原理如图25.4.4所示。图25.4.4 反向信道卷积编码电路原理由图可见，每输入1 bit信息，输出为3 bit，并依次由c0、c1和c2产生3 bit输出。c0、c1和c2分别由模2加法器g(1)1、g(2)1和g(3)1输出产生，而g(1)1、g(2)1和g(3)1输入的序列由各级移位寄存器的反馈系数决定。编码器输出的c0、c1和c2按下列公式计算：2.码元重复和分组交织对于接入信道，输入速率为4.4 kb/s，加入
