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CDMA基础知识
CDMA2000基础知识
2008年3月
前言
随着现代通信的发展，在任一时间，任一地点能与任一对象进行各种信息交流已成为现代通信理所当然的目标。
从20世纪70年代末蜂窝移动通信的问世到当今21世纪CDMA技术应用，移动通信技术发展异常迅速并日渐成熟。
为了普及CDMA网络相关的基础知识，帮助广大管理人员和技术人员了解CDMA网络的结构、业务和最新技术发展，在中国电信股份有限公司湖北分公司移动通信办公室的指导下我们编写了本教材。
本教材主要介绍CDMA2000有关的基础知识，诸如：
CDMA2000发展简史、关键技术、CDMA2000网络结构、区域定义及主要编号计划、CDMA2000系统主要业务功能、网络的规划、优化以及CDMA2000网络现状等内容。
本培训资料由中国电信股份有限公司湖北分公司无线网络技术支撑中心负责编写，雷悦春负责统稿及主要编写工作，石云立承担第一章和第三章初稿编写，朱仪、郑成林承担第五、六、七章初稿编写，周志安、孙智负责全文审查工作。
特别感谢中国电信股份有限公司湖北分公司移动通信办公室各位领导及专家对本教材编写的关心和指导。
由于编写时间仓促，编写成员现网的实际经验有限，所以不可避免地存在一些疏漏或错误，敬请广大读者批评指正。
读者有任何问题，可以与湖北电信无线网络技术支撑中心联系（TEL：
027－；Email）。
第1章CDMA2000发展简史
移动通信系指通信双方或至少一方是处于移动中进行信息交流的通信。
20年代开始在军事及某些特殊领域使用，40年代才逐步向民用扩展；最近十年间才是移动通信真正迅猛发展的时期，而且由于其许多的优点，前景十分广阔。
第一代：
1980S出现，为模拟话音通信系统，如AMP，TACS，NMT，NTT等系统。
第二代：
1980S末出现，传递话音和低速数据，为窄带数字通信系统，如GSM，PDC，D-AMPS，CDMA（IS95）等。
第二代半：
1996出现，用于解决中速数据传递的数字通信系统，如GPRS，IS95B等
第三代：
用于传递高速数据，以支持多媒体应用，如WCDMA，cdma2000、TD-SCDMA等。
图1-1移动通信发展示意图
1.2主要移动通信系统介绍
●TACS
总接入通信系统（TACS）使用900MHz频带。
有两种版本的TACS：
ETACS（欧洲）和NTACS（日本）。
英国、日本和部分亚洲国家广泛使用该标准。
1987年，中国首个TACS制式模拟移动电话系统建成商用。
●GSM
全球移动通信系统（GSM）使用900MHz频带，使用1800MHz频带的叫DCS1800。
GSM发源于欧洲，它是作为全球数字蜂窝通信的TDMA标准而设计的。
GSM支持64kbit/s的数据，可与ISDN互连。
GSM采用FDD双工方式，TDMA多址方式，每载频支持8信道，使用200kHz的带宽。
●GPRS
通用无线分组业务（GPRS）是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。
简单的说，GPRS是一项高速数据处理的技术，其方法是以“分组”的形式传送数据。
网络容量只在所需时分配，不要时就释放，GPRS是在GSM基础上发展起来的技术，是介于第二代数字通信和第三代分组型移动业务之间的一种技术，所以通常称为2.5G。
●IS-95
北美数字蜂窝（IS-95）标准，使用800MHz频带或频带。
IS-95指定使用CDMA，CDMA成为美国PCS网的首选技术。
CDMAOne是IS-95品牌名称。
cdma2000无线通信标准也是以IS-95为演变基础的。
1.3第三代移动通信系统简介
第三代移动通信系统能提供多种类型、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，可与固定网络相兼容，并可以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类的通信。
由于其诸多的优点，吸引了全世界各个运营商、生产厂家与广大用户。
1.IMT-2000的历史
第三代移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU）1985年提出，曾被称为未来公众陆地移动通信系统FPLMTS（FuturePublicLandMobileTelecommunicationSystem）。
后来考虑到该系统将于2000年左右进入商用市场，并且其工作的频段在2000MHz，故于1996年正式更名为IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication-2000）。
2.第三代移动通信系统的目标
1）能实现全球漫游：
用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，且可以在不同的速率、不同的运动状态下获得有质量保证的服务；
2）能提供多种业务：
提供话音、可变速率的数据、活动视频非话业务，特别是多媒体业务；
3）能适应多种环境：
可以综合现有的公众电话交换网（PSTN）、综合业务数字网、无绳系统、地面移动通信系统、卫星通信系统、提供无缝隙的覆盖；
4）足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和服务质量。
预计第三代移动通信系统的引入将经历一个渐变演进的过程，并充分考虑向下兼容的原则。
通信业务方面，将以第二代出现的各种业务为基础。
逐步引入宽带及多媒体业务；通信技术方面，网络技术和设施将与有线网的智能化、宽带化结合在一起，通过一种演变的过程进入第三代，而无线传输技术将经历一场革命，为第三代移动通信新业务的提供奠定基础。
3.目前对3G的研究
目前ITU对3G的研究工作主要由3GPP和3GPP2来承担。
3GPP：
是以WCDMA为基础，集合了Erission，Nokia，Simense等欧洲公司以及日本的NTT，韩国的一些公司，共同研究3G的组织。
3GPP2：
是以cdma2000为基础，集合了Qualcomm，Lucent等美国公司及日本的ARIB，韩国的一些公司，共同研究3G的组织。
1.43G技术标准
●WCDMA由欧洲标准化组织3GPP所制定，受全球标准化组织、设备制造商、器件供应商、运营商的广泛支持，将成为未来3G的主流体制。
●cdma2000体制是基于IS-95的标准基础上提出的3G标准，目前其标准化工作由3GPP2来完成。
●TD-SCDMA标准由中国无线通信标准组织CWTS提出，目前已经融合到了3GPP关于WCDMA-TDD的相关规范中。
●2007年10月19日，WiMax继WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA之后成为第四个全球3G标准，WiMax是由英特尔、三星、IBM等企业主导的无线互联网技术。
1.5cdma网络的演进策略
CDMA网络，核心网和接入网采用相对独立的演进方式。
对于核心网络，其演进策略为CDMA2000Phase0→CDMA2000Phase1→CDMA2000Phase2→CDMA2000Phase3等不同阶段。
图1-1CDMA核心网络演进示意图
●Phase0和Phase1阶段
网络结构采用传统的TDM交换网络，支持电路交换技术和初始分组交换技术，只不过Phase1阶段相比Phase0阶段来说，提供对分组数据会话的切换功能支持，还提供电路域话音业务和分组域数据呼叫同时进行的并发业务，同时无线接入侧业务信令采用IP方式传输。
●Phase2阶段
又称为LMSD（LegacyMSDomain）阶段，在这个阶段，核心网络首次引进软交换思想，基于呼叫控制和承载分离原则，用分组网技术替换TDM技术，把传统的电路域核心网元MSC分离为MSCe和MGW两个功能实体，MSCe提供呼叫控制和移动性管理功能，MGW提供媒体承载和编解码转换功能。
●Phase3阶段
又称为多媒体域MMD（MultimediaDomain），包含两个子系统：
分组数据子系统PDS和IP多媒体子系统IMS，分组数据子系统PDS为IP多媒体子系统IMS提供可靠的IP承载通道，IMS为CDMA2000网络提供丰富多彩的移动多媒体相关业务。
对于接入网的空中接口部分，其演进策略为IS95A→IS95B→CDMA20001X→CDMA20001XEV等不同阶段。
图1-2CDMA无线网络演进示意图
●IS-95A和IS-95B
以语音业务为主，属于第二代移动通信。
●cdma20001X
在IS-95的基础上升级空中接口，可支持语音业务，也支持数据业务，其最高数据速率在前反向均可达。
●CDMA20001xEV：
增强型1x，包括EV-DO和EV-DV两个阶段。
cdma20001xEV-DO是在cdma2000-1X基础上进一步提高速率的增强体制，采用高速率数据（HDR）技术，其中版本最初是针对非实时、非对称、高速分组数据业务而设计的，其基本设计思想是将高速分组数据业务与低速语音及数据业务分离开来，优化的重点在于前向链路，其最高速率在前向高达Mbps，反向峰值数据速率。
由于版本存在一定的局限性，例如反向吞吐量不足以开展多种应用，反向速率和容量相对于前向偏小等，版本在频谱效率、系统容量、QoS要求、业务覆盖和网络切换等方面均进行了改善，其前向链路的峰值速率达Mbps，反向链路的峰值速率达Mbps。
2006年5月，3GPP2发布了EV-DO空中接口协议，即多载波EV-DO，它主要是基于现有的1xEV-DO，通过合并多个1xEV-DO载波来提供更高的分组数据速率，多载波EV-DO系统作为EV-DO的演进技术，将数据速率由前向Mbps、反向Mbps提升到了前向应支持至少NF×Mbps的总峰值速率，反向应支持至少NR×Mbps的总峰值速率。
其中，NF为前向链路的载波数，NR为反向链路的载波数，最新数据是前向Mbps，反向27Mbps。
目前，cdma20001xEV-DO及已在部分国家和地区实现商用，EV-DO的规范也已公布。
EV-DO未来演进还包括EV-DO标准。
UMB（超移动宽带）被称为EV-DO。
UMB系统是以OFDMA（正交频分复用接入）技术为基础、专门针对无线移动环境和实时应用优化的移动无线宽带系统。
引入了基于MIMO（多路输入输出）、SDMA（空分复用接入）和Beamforming（波束赋性）等多天线技术，使系统可以在达到更高传输效率的同时经济有效地支持各类具有QoS要求的应用。
UMB的最高数据下载速率将达到288Mbps，而最高上传速率将达到75Mbps。
其部署时间可能在2009到2015年。
cdma20001xEV-DV于2001年5月形成最后的标准，与IS95-A/B以及cdma20001X系统后向兼容，前向速率，反向速率，但由于控制技术复杂，成本较高，大部分研发企业已经放弃此项技术的研发。
第2章关键技术简介
2.1扩频技术
扩频（spreadspectrum）技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息所必需的最小带宽；频带的展宽是通过编码及调制的方法实现的，并与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。
此定义包括四方面的内容：
1）信号的频谱被展宽了。
2）信号频谱的展宽是通过扩频码序列调制的方式实现的。
我们知道，在时间上有限的信号，其频谱是无限的。
信号的频带宽度与其持续时间近似成反比，因此，如果用很窄的脉冲序列被所传的信息调制，则可产生很宽频带的信号。
这种很窄的脉冲码序列，其码速率是很高的，称为扩频码序列。
3）采用的扩频码序列与所传信息数据是无关的，也就是说它与一般的正弦波信号一样，丝毫不影响信息传输的透明性，扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。
4）在接收端用相关解调来解扩。
图2-1扩频技术示意图
扩频系统的优点主要是在公共信道中能实现码分多址复用；其信号功率谱密度低，具有隐蔽性且功率污染小；系统抗干扰能力强，可在较低的信噪比条件下，保证系统传输质量。
CDMA系统具有许多独特的优点，其中一部分便是扩频通信系统所固有的。
2.2多址技术
多址技术使众多的用户共用公共的通信线路。
为使信号多路化而实现多址的方法基本上有三种，它们分别采用频率、时间或代码分隔的多址连接方式，即人们通常所称的频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）三种接入方式。
图2-1用模型表示了这三种方法简单的一个概念。
图2-1三种多址方式概念示意图
FDMA是以不同的频率信道实现通信的，TDMA是以不同的时隙实现通信的，CDMA是以不同的代码序列实现通信的。
2.2.2频分多址
频分，有时也称之为信道化，就是把整个可分配的频谱划分成许多单个无线电信道（发射和接收载频对），每个信道可以传输一路话音或控制信息。
在系统的控制下，任何一个用户都可以接入这些信道中的任何一个。
模拟蜂窝系统是FDMA结构的一个典型例子，数字蜂窝系统中也同样可以采用FDMA，只是不会采用纯频分的方式，比如GSM和CDMA系统就采用了FDMA。
2.2.3时分多址
时分多址是在一个带宽的无线载波上，按时间（或称为时隙）划分为若干时分信道，每一用户占用一个时隙，只在这一指定的时隙内收（或发）信号，故称为时分多址。
此多址方式在数字蜂窝系统中采用，GSM系统也采用了此种方式。
2.2.4码分多址
码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。
它不像FDMA、TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同时传输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间的相互干扰。
其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混合后不会丢失原来的信息。
有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。
每个发射机都有自己唯一的代码（伪随机码），同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，接收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码（这个过程称为解扩）。
2.3RAKE接收机
RAKE接收机也称为多径接收机，即是指移动台中有多个RAKE接收机，由于无线信号传播中存在多径效应，因此基站发出的信号会经过不同的路径到达移动台处，经不同路径到达移动台处的信号的时间是不同的，如果两个信号到达移动台处的时间差超过一个信号码元的宽度，RAKE接收机就可将其分别成功解调，移动台将各个RAKE接收机收到的信号进行矢量相加（即对不同时间到达移动台的信号进行不同的时间延迟到达同相），每个接收机可单独接收一路多径信号，这样移动台就可以处理几个多径分量，达到抗多径衰落的目的，提高移动台的接收性能。
基站对每个移动台信号的接收也是采用同样的道理，即也采用多个RAKE接收机。
另外，在移动台进行软切换的时候，也正是由于使用不同的RAKE接收机接收不同基站的信号才得以实现。
图2-1RAKE接收示意图
2.4功率控制
由于CDMA系统不同用户同一时间采用相同的频率，所以CDMA系统为自干扰系统，如果系统采用的扩频码不是完全正交的（实际系统中使用的地址码是近似正交的），因而造成相互之间的干扰。
在一个CDMA系统中，每一码分信道都会受到来自其它码分信道的干扰，这种干扰是一种固有的内在干扰。
由于各个用户距离基站距离不同而使得基站接收到各个用户的信号强弱不同，由于信号间存在干扰，尤其是强信号会对弱信号造成很大的干扰，甚至造成系统的崩溃，因此必须采用某种方式来控制各个用户的发射功率，使得各个用户到达基站的信号强度基本一致。
CDMA功率控制分为：
前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制。
图2-1功率控制示意图
1．前向功率控制
基站周期性地降低发射到移动台的发射功率，移动台测量误帧率，当误帧率超过预定义值时，移动台要求基站对它的发射功率增加1％，每15～20ms进行一次调整。
下行链路低速控制调整的动态范围是±6dB。
移动台的报告分为定期报告和门限报告。
2.反向开环功率控制
CDMA系统的每一个移动台都一直在计算从基站到移动台的路径损耗，当移动台接收到从基站来的信号很强时，表明要么离基站很近，要么有一个特别好的传播路径，这时移动台可降低它的发送功率，而基站依然可以正常接收；相反，当移动台接收到的信号很弱时，它就增加发送功率，以抵消衰耗，这就是开环功率控制。
其目的是试图使所有移动台发出的信号在到达基站时都有相同的标称功率。
3.反向闭环功率控制
为了克服前向和反向链路上不相关的瑞利衰落，可以由基站检测来自移动台信号的信噪比，并把它与一个门限值比较，根据比较结果在下行信道上向移动台发送功率上升或功率下降的指令，移动台根据收到的指令来调节其发射功率，这就是闭环功率控制。
闭环功率控制的目的是使基站对移动台的开环功率估计迅速作出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。
4.反向外环功率控制
在闭环功率控制中，信噪比的门限值也不是一直恒定的，而是在外环功率控制下动态变化的。
所谓外环功率控制实际上是一种发生在基站内或基站与移动交换中心之间的一种功率控制过程，它以直接影响话音质量的误帧率作为判决依据，及时地作出上调或下调信噪比门限的指令。
2.5软切换
软切换是CDMA移动通信系统所特有的，CDMA系统采用软切换技术，在越区时，“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点，因为据以往对模拟系统TDMA的测试统计，无线信道上90%的掉话是在切换过程中发生的。
1.硬切换
硬切换是指在切换的过程中，业务信道有瞬时的中断的切换过程。
硬切换包括以下两种情况：
●同一MSC中的不同频道之间；
●不同MSC之间。
图2-1硬切换示意图
2.软切换（SoftHandoff）
软切换是指在切换过程中，在中断与旧的小区的联系之前，先用相同频率建立与新的小区的联系。
手机在两个或多个基站的覆盖边缘区域进行切换时，手机同时接收多个基站（大多数情况下是两个）的信号，几个基站也同时接收该手机的信号，直到满足一定的条件后手机才切断同原来基站的联系。
如果两个基站之间采用的是不同频率，则这时发生的切换是硬切换。
软切换包括以下四种情况：
●同一基站的两个扇区之间；（如果切换发生在两个相同频率的扇区之间的话，这种切换称为更软切换（SofterHandoff））；
●不同基站的两个小区之间；
●不同基站的小区和扇区之间的三方切换；
●不同基站控制器之间。
图2-1软切换示意图
第3章CDMA2000网络结构
3.1CDMA系统的基本特点
CDMA系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统具有下列主要特点：
●CDMA系统是由几个子系统组成的，并且可与各种公用通信网（PSTN、ISDN、PDN等）互连互通。
各子系统之间或各子系统与各种公用通信网之间都明确和详细定义了标准化接口规范，保证任何厂商提供的CDMA系统或子系统能互连；
●CDMA系统能提供穿过国际边界的自动漫游功能。
●CDMA系统除了可以开放电信业务，还可以开放各种承载业务、补充业务、智能业务；
●CDMA系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全；
●CDMA系统具有灵活和方便的组网结构，频率复用系数可以达到1，移动交换机的话务承载能力一般都很强，保证在话音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量、高密度业务的要求；
●CDMA系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高。
●用户终端设备（手持机）功耗小，待机时间长。
3.2CDMAphase0/1阶段网络结构及主要网元
在这种组网方式下，传统的语音和窄带数据业务传输采用TDM方式，新的分组业务由PDSN通过边界路由器与外部Internet连接，为用户提供数据业务服务。
网络结构如图3-1所示。
图3-1CDMAphase0/1阶段系统结构
3.2.2移动台（MS）
移动台是公用CDMA移动通信网中用户使用的设备，也是用户能够直接接触的整个CDMA系统中的唯一设备。
除了通过无线接口接入CDMA系统的通常无线和处理功能外，移动台必须提供与使用者之间的接口。
比如完成通话呼叫所需要的话筒、扬声器、显示屏和按键。
或者提供与其它一些终端设备之间的接口。
比如与个人计算机或传真机之间的接口，或同时提供这两种接口。
3.2.3基站子系统（BSS）
基站子系统（BSS）是CDMA系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。
它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送接收和无线资源管理。
另一方面，基站子系统与网络中的移动交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网络用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。
基站子系统是由基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）这两部分的功能实体构成。
1.基站收发信台（BTS）
基站收发信台（BTS）属于基站子系统的无线部分，由基站控制器（BSC）控制，服务于某个小区的无线收发信设备，完成BSC与无线信道之间的转换，实现BTS与移动台（MS）之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。
2.基站控制器（BSC）
基站控制器（BSC）是基站子系统（BSS）的控制部分，起着BSS的变换设备的作用，即各种接口的管理，承担无线资源和无线参数的管理。
3.2.4核心网电路域（CSdomain）
1.移动交换中心（MSC）
移动交换中心（MSC）是网络的核心，它提供交换功能及面向系统其它功能实体的接口功能，把移动用户与移动用户、移动用户与固定网用户互相连接起来。
移动交换中心MSC可从三种数据库，即归属位置寄存器（HLR）、拜访位置寄存器（VLR）和鉴权中心（AC）获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据。
反之，MSC也根据其最新获取的信息请求更新数据库的部分数据。
2.拜访位置寄存器（VLR）
拜访位置寄存器（VLR）是服务于其控制区域内移动用户的，存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息，为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。
VLR从该移动用户的归属位置寄存（HLR）处获取并存储必要的数据。
一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则重新在另一个VLR登记，原VLR将取消临时记录的该移动用户数据。
因此，VLR可看作为一个动态用户数据库。
VLR功能总是在每个MSC中综合实现的。
3.归属位置寄存器（HLR）
归属位置寄存器（HLR）是CDMA系统的中央数据库，存储着该HLR控制的所有存在的移动用户的相关数据。
一个HLR能够控制若干个移动交换区域以及整个移动通信网，所有移动用户重要的静态数据都存储在HLR中，这包括移动用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等数据。
HLR还存储且为MSC提供关于移动用户实际漫游所在的MSC区域相关动态信息数据。
这样，任何入局呼叫可以即刻按选择路径送到被叫的用户。
4.鉴权中心（AC）
CDMA系统采取了特别的安全措施，例如用户鉴权、对无线接口上的话音、数据和信号信息进行保密等。
因此，鉴权中心（AC）存储着鉴权信息和加密密钥，用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户通信的安全。
AC属于HLR的一个功能单元部分，专用于CDMA系统的安全性管理。
5.关口移动交换中心（GMSC）
对于容量比较大的移动通信网，一个网络子系统NSS可包括若干个MSC、VLR和HLR，为了建立固定网用户与CDMA移动用户之间的呼叫，无需知道移动用户所处的位置。
此呼叫首先被接入到入口移动交换中心，称为GMSC，入口交换机负责获取位置信息，且把呼叫转接到可向该移动用户提供即时服务的MSC，称为被访MSC（VMSC）。
因此，GMSC具有与固定网和其它网络实体互通的接口。
目前，GMSC功能就是在MSC中实现的。
3.2.5核心网分组域（PSdomain）
1．分组控制功能（PCF）
PCF主要负责与BSC、MSC配合将分组数据用户接入到分组交换
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