第三代移动通信教学大纲第7章讲义.docx

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第三代移动通信教学大纲第7章讲义

第7章CDMA2000移动通信系统

本章主要内容。

●CDMA2000系统的主要特点；

●CDMA20001X网络结构，主要网元和接口功能；

●CDMA20001X空中接口协议结构、物理信道及功能；

●CDMA20001X系统状态及状态转移；

●CDMA20001X网络中基本语音和分组业务的呼叫流程；

●CDMA20001XEV-DO的特点及网络结构；

●CDMA20001XEV-DO空中接口的分层结构；

●CDMA20001XEV-DO组网特点；

●CDMA20001XEV-DV的基本要求及新增物理信道。

7.1概述

7.1.1CDMA2000简介

CDMA2000是美国电信工业协会（TIA）标准组织提出的第三代CDMA移动通信系统的技术建议，是IMT2000系统的三大主流技术标准之一，也是IS-95标准向第三代移动通信系统演进的技术体制方案。

实现CDMA2000技术体制的正式标准名称为IS-2000，由TIA制定，并经3GPP2批准成为第三代移动通信系统的空中接口标准。

CDMA2000技术体制向下兼容IS-95系统。

CDMA2000代表一个体系结构，可以表示一系列的子标准或不同版本的CDMA2000标准。

CDMA2000也可以代表空中接口所采用的技术。

7.1.2CDMA20001X特点

CDMA20001X是CDMA2000移动通信系统发展的第一阶段。

其对应的协议版本为CDMA2000Release0、CDMA2000ReleaseA以及CDMA2000ReleaseB。

相比IS-95系统，CDMA20001X系统在空中接口部分引入的新技术如下。

（1）前向链路采用快速功率控制

（2）增加了反向导频信道

（3）前向链路采用发射分集技术

（4）前向链路引入快速寻呼信道

（5）编码采用Turbo码

（6）灵活的帧长

（7）定义了新的接入方式

7.1.3CDMA2000网络的演进

1.无线侧的演进

CDMA20001X系统的下一个发展阶段称为CDMA20001XEV，其中EV是Evolution（演进）的缩写，也是目前国际上研究的重点，意指在CDMA20001X基础上的演进系统。

不仅要和原有系统保持后向兼容，而且要能够提供更大的容量，更佳的性能，满足数据业务和语音业务的需求。

CDMA20001XEV又分为两个阶段：

CDMA20001XEV-DO和CDMA20001XEV-DV。

DO指DataOnly或DataOptimized。

DV是DataandVoice的缩写。

2.网络侧的演进

（1）Phase0和Phasel阶段基于传统电路模式的无线网络，支持电路交换技术和初始分组交换技术。

提供对分组数据会话的切换功能，支持电路域语音业务和分组域数据呼叫同时进行的并发业务，无线接入网侧业务信令采用IP方式传输。

（2）Phase2阶段也称为传统MS域（LMSD，LegacyMSDomain）阶段，核心网络引入软交换思想、基于呼叫控制和承载分离原则，用分组网技术替换时分多路复用（TDM，TimeDivisionMultiplexing）技术，将传统的电路域移动交换机（MSC，MobileSwitchingCenter）分离为移动交换中心仿真（MSCE，MobileSwitchingCenterEmulation）和媒体网关（MediaGateways，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。

（3）Phase3阶段也称为多媒体域（MultimediaDomain）阶段，包含两个子系统：

分组数据子系统（PDS，PacketDataSubsystem）和IP多媒体子系统（IMS，IPMultimediaSubsystem），PDS为IP多媒体子系统提供可靠的IP承载通道，IMS为CDMA2000网络提供移动多媒体相关业务。

7.2CDMA20001X网络

7.2.1CDMA20001X网络结构

1．CDMA20001X网络结构

（1）CDMA20001X系统网络组成

图7-1CDMA20001X系统的网络结构

1移动台（MS）

移动台（MS，MobileStation），通过空中接口为用户提供服务的设备，按照不同的射频能力，移动台可以分为车载台，手提式及手机3种类型。

2无线网络（RN）

无线网络（RN，RadioNetwork），为移动用户提供服务的无线接入点，实现无线信息传输到有线信息传输的互换，完成无线资源的管理和控制，并与网络交换系统交换信息，包括有基站收发信机（BTS，BaseStationTransceiver）、基站控制器（BSC，BaseStationController）和分组控制功能（PCF，PacketControlFunction）。

3网络交换系统（NSS）

网络交换系统（NSS，NetworkSwitchingSystem），分为电路域和分组域两部分，为移动用户提供基于电路交换和分组交换的业务，所有的业务都在无线网络中分流。

核心网电路域与IS-95一样，包括BTS、BSC、MSC/VLR和HLR/AUC等网元。

网络结构中核心网分组域新增的网元为分组数据服务器（PDSN，PacketDataServingNode）、归属代理（HA，HomeAgent）、鉴权授权与计帐服务器（AAA，AuthenticationAuthorizationandAccounting），新增的接口为A8、A9、A10、A11。

4操作维护系统（OMS）

操作维护系统（OMS，OperationandMaintennceSystem），提供在远端操作、管理和维护CDMA网络的能力，包括有网络管理中心（NMC，NetworkManagementCentre）和操作维护中心（OMC,OperationandMaintaenanceCentre）两部分。

（2）新增模块及功能

①分组控制功能（PCF）

②分组数据服务器（PDSN）

③归属代理（HA）

④鉴权授权与计帐服务器（AAA）

AAA主要负责管理分组交换网的移动用户的权限，开通的业务，提供身份认证、授权以及计费服务。

因为AAA主要采用的协议为RADIUS，AAA有时也被称为RADIUS服务器。

2.CDMA20001X接口简介

IS-2000是CDMA2000技术的接口标准或规范，定义了MS和BSC之间的接口。

IS-2000物理层规范定义了无线传输部分的内容，包括频率参数、扩频参数、系统定时、射频调制、差错控制及物理信道的配置参数等。

IS-2001是第三代移动通信系统采用的互操作性规范，定义了无线网络与网络交换系统的接口，如BSC与MSC的接口、PCF与PDSN及BSC与PCF等等。

MSC/VLR与HLR/AUC之间的接口基于ANSI-41协议。

BTS在小区建立无线覆盖区域用于移动台通信，移动台可以是基于IS-95或CDMA20001X制式的手机。

BSC可对多个BTS进行控制，Abis接口用于连接BTS和BSC，A1接口用于MSC与BSC之间的信令信息，A2接口用于传输MSC与BSC之间的语音信息，A3接口用于传输BSC与业务数据单元（SDU，ServiceDataUnit）之间的用户业务（包括语音和数据）和信令，A7接口用于传输BSC之间的信令，支持BSC之间的软切换。

电路域完成用户基于电路交换技术的传统服务，如语音业务、低速的电路数据业务等，同时提供这些服务所需的呼叫控制、移动性管理和用户管理等功能。

PCF用于转发无线子系统和PDSN分组控制单元之间的信息，PDSN节点为CDMA20001X接入Internet的接口模块。

A8接口用于传输BSC和PCF之间的用户业务，A9接口用于传输BSC和PCF之间的信令信息，A10和A11接口都是无线接入网和分组核心网之间的开放接口，A10接口用于传输PCF和PDSN之间的用户业务，A11接口用于传输PCF和PDSN之间的信令信息。

PCF和PDSN通过支持移动IP的A10、A11接口互连，可以支持分组数据业务传输。

3.分组业务协议栈

（1）常用协议

①PPP协议

点对点协议（PPP，PointtoPointProtocol）是为在对等网络单元之间传送数据包而设计的TCP/IP协议集中链路层协议，封装来自更上层（如IP层）的数据分组。

PPP的优点是协议简单，具备用户验证能力，可实现灵活计费、满足动态分配IP地址需求及支持上层的多种协议等。

②IPSec协议

③隧道协议

④传输协议（TCP/UDP）

⑤RADIUS协议

（2）CDMA20001X分组业务的协议栈模型

CDMA2000分组数据网大量采用已有的IP技术，通过在原有网络组成结构中引入分组控制功能（PCF）和分组数据服务节点（PDSN）实现数据传输服务。

分组核心网协议接口包括R-P接口（RAN与PDSN的接口），P-P接口（相邻的PDSN间接口）和Pi接口（PDSN与因特网间的接口），所采用协议均为IETF协议。

R-P接口连接RAN与PDSN，完成无线到有线的转换，由IS-2000的互操作接口规范定义，即A10和A11，二者分别用于传输PCF与PDSN之间的业务数据和信令消息。

PPP通常用于低速的点对点连接，在MS和PDSN间实现IP协议。

PDSN为每一个用户终端建立和终止PPP连接，向用户提供分组数据业务。

从PPP和IP的角度来讲，RAN仅提供一个信息传送通道。

7.2.2IP技术在CDMA20001X中的应用

（1）简单IP

基于简单IP的CDMA2000分组数据网的网络结构如图7-5所示。

授权与计帐服务器（AAA），即鉴权、授权与计费服务器，选用RADIUS协议来实现，用于在呼叫建立时，对分组数据用户进行鉴权和授权，判决用户的合法性以及哪类业务对用户是开放的，负责呼叫过程中采集分组数据计费信息。

图7-5简单IP接入网络结构

简单IP的呼叫流程简述如下：

①移动台首先与无线接入网络（RAN）建立空中接口连接。

②RAN向PDSN请求建立链路层连接，PDSN收到请求后，发出响应消息，并与移动台建立链路层连接。

③PDSN向拜访地AAA发送接入请求，启动认证过程。

AAA完成认证后，向PDSN返回接入允许消息。

④PDSN与MS建立PPP连接，移动用户连接至业务提供网络，开始分组数据的传输。

（2）移动IP

实现移动IP接入网络结构如图7-6所示，移动IP业务主要涉及的功能实体有：

移动台（MS）、分组数据节点（PDSN）、归属代理（HA）、鉴权、授权与计帐服务器（AAA）。

就网络结构而言，简单IP仅比移动IP少一个HA。

图7-6移动IP接入网络结构

归属代理（HA）实际上是MS在归属网中的一个路由器，至少有一个接口在归属网络，用于维护移动台的当前位置信息，负责建立MS的IP地址和转发地址关系。

当移动台离开注册网络后，需要向HA进行登记，HA在收到发往移动台的数据包时，通过HA与MS的转发地址之间的隧道将数据包送往MS，完成移动IP功能。

外地代理（FA）可以是移动台拜访网络的一个路由器，对已在HA登记的MS提供IP地址转发和IP选路服务。

CDMA20001X网络中由PDSN承担着FA的功能，它为CDMA20001X移动台提供拜访Internet或Intranet的服务。

7.2.3CDMA20001X空中接口

1.CDMA20001X空中接口的协议结构

与WCDMA和TD-SCDMA标准一样，CDMA20001X的空中接口采用了分层的协议结构，如图7-7所示。

图7-7CDMA20001X空中接口协议结构

CDMA20001X空中接口的协议结构中包括物理层、数据链路层及高层，其中数据链路层又分为媒体接入控制子层（MAC，MediaAccessControl）和链路接入控制（LAC，LinkAccessControl）子层。

CDMA20001X空中接口的协议分层结构是在开放系统互连参考模型（OSI，OpenSystemInterconnect）的七层基础上合并而来的，高层对应于OSI的3～7层。

各层的主要功能简述如下。

（1）物理层

表7-1逻辑信道与物理信道的映射关系

（2）数据链路层

①MAC子层是为了适应更大的带宽需求以及处理多种业务的需要，根据LAC子层不同业务实体的要求对物理层资源进行管理与控制，并负责提供LAC子层业务实体所需的QoS级别。

MAC层与物理层的定时是同步的，MAC层必须按照物理层信道的定时要求，及时地利用物理层中特定的信道发送、接收数据。

②LAC子层具有与物理层独立的链路管理与控制，通过自动重复请求（ARQ）等方式保证高层的QoS级别。

与信令消息相关的主要功能是保证高层的信令在无线信道上的正确传输和发送，完成信令信息的打包、分割、重装、寻址、鉴权以及重传控制。

（3）高层

CDMA20001X空中接口是三层结构的协议体系，有时也将高层称为第三层。

它通过LAC子层提供服务，按照协议所规定的语法和定时关系来发送和接收MS与BS之间的信令消息，以便于高层实现特定的应用服务。

高层协议侧重于描述系统控制信息（信令）的交互。

2.CDMA20001X物理信道

CDMA20001X的物理信道从传输方向上分为前向信道和反向信道两大类，前向信道从基站到移动台，反向信道从移动台到基站。

根据物理信道是针对多个移动台还是针对某个特定移动台分为公共信道和专用信道两大类。

下面主要介绍ReleaseC之前的信道。

（1）前向链路物理信道

图7-8CDMA20001X前向链路物理信道结构

（2）反向链路物理信道

图7-9反向链路信道结构

7.2.4系统状态及状态转移

1.移动台状态

（1）移动台初始化状态：

当移动台加电或者一个呼叫结束后，它将进入初始化状态。

主要工作包括首先确定工作频段和频点，搜索导频，捕获同步信道，通过导频和同步信道的处理过程，移动台利用导频和同步信道与CDMA系统获得同步，在此状态下移动台选择并捕获一个系统。

这个系统可以是模拟系统或CDMA系统。

当移动台捕获到系统后，将进入空闲状态。

（2）移动台空闲状态：

在空闲状态下移动台监听和检测寻呼信道或前向公共控制信道的消息。

主要工作包括：

捕获寻呼信道，完成系统配置更新；完成注册、空闲状态下的切换；完成接入准备或寻呼应答、系统重定向和系统鉴权等。

移动台一直处于空闲状态，直到它接收来自前向公共控制信道的消息、发起一个寻呼或在反向公共控制信道上完成注册，移动台将进入系统接入状态。

（3）系统接入状态：

在系统接入状态下，移动台在反向公共控制信道上发送消息，在前向公共控制信道上接收消息。

完成接入状态下的接入过程、切换过程；完成初始业务信道的建立过程。

如果始呼成功，移动台将被基站的业务信道所控制。

（4）移动台业务信道控制状态：

移动台转向业务信道与基站进行业务通信。

完成业务信道建立、业务状态下的通话、注册、鉴权、位置管理、移动性管理及业务状态下会话的结束过程。

图7-10表示了CDMA20001X系统移动台状态和状态转移关系。

图7-10CDMA20001X系统移动台状态和状态转移

2.移动台初始化状态

移动台加电后就进入初始化状态，初始化状态（MobileInitializationState）又包含4个子状态：

系统确定子状态（SystemDeterminationSubstate）、导频信道捕获子状态（PilotChannelAcquisitionSubstate）、同步信道捕获子状态（SyncChannelAcquisitionSubstate）和定时转换子状态（TimingChangeSubstate）。

初始化状态中的子状态及其转移关系如图7-11所示。

3.移动台空闲状态

移动台进入空闲状态后，将不断监视网络的变化。

移动台接收寻呼信道并处理寻呼信道消息，为随时发起的业务连接建立做准备。

移动台空闲状态完成的主要功能：

（1）监测寻呼信道

移动台监听寻呼信道（F-PCH）时，寻呼信道被分为80ms的时隙，寻呼信道消息主要分为两类：

●移动台的特定消息，如寻呼消息；

●所有移动台的广播消息，如系统参数消息。

移动台监听寻呼信道的方式有两种：

非时隙模式和时隙模式。

（2）监测前向公共控制信道（F-CCCH）和广播控制信道（F-BCCH）

4.系统接入状态

在系统接入状态，移动台向基站发送消息或从基站接收消息。

系统接入状态包含6个子状态：

、

（2）随机接入技术

移动台随机的选择接入信道，随机接入过程可能产生冲突，为了减少冲突，可采用如下技术。

●时隙ALOHA技术；

●共享接入信道；

●随机的发射时间；

●拥塞控制。

5.移动台业务信道控制状态

（1）移动台业务信道状态

移动台业务信道状态包含3个子状态：

业务信道初始化子状态（TrafficChannelInitializationSubstate）、业务信道子状态（TrafficChannelSubstate）和释放子状态（ReleaseSubstate），移动台在这3个子状态中转移。

（2）呼叫控制状态

1每次呼叫有独立的呼叫控制状态，呼叫控制子状态包括4个子状态：

等待命令子状态（WaitingforOrderSubstate）、等待移动台响应子状态（WaitingforMobileStationAnswerSubstate）、会话子状态（ConversationSubstate）和呼叫释放子状态（CallReleaseSubstate）。

6.移动台关机状态

处于移动台关机状态时，移动台将向CDMA网络发送关机登记消息，通知网络移动台已经离开网络。

如果还有人对这个移动台呼叫，将被告知“被叫用户已关机”的提示，CDMA网络将不再发送任何寻呼消息。

如果移动台处在一个没有CDMA信号的区域，如果有人呼叫这个移动台时，将听到“被叫用户不在服务区”或“被叫用户暂时无法接通”的提示，这时CDMA网络向空中发送寻呼消息但不会收到寻呼响应。

7.2.5移动台呼叫流程

对于CDMA20001X系统，由于可以支持多业务，所以各业务需要自己的呼叫控制实体，每个实体可以有自己的状态转移。

1.基本语音呼叫流程

下面以基本语音呼叫为例，介绍移动台主叫的呼叫流程。

（1）当空闲状态下的移动台检测到用户发起呼叫时，移动台通过R-ACH或R-EACH发送起呼消息（OriginationMessage），起呼消息中包含了主叫移动台的接入信息，同时在F-FCH上发送空业务信道数据（nulltraffic），进入业务信道初始化子状态。

（2）基站通过F-PCH或F-CCCH向移动台发送信道指派消息（ChannelAssignmentMessage），消息中包含了所分配业务信道的载波和沃尔什码。

移动台根据这些信息捕获相应的F-FCH，在0.2s内收到N5m个连续有效帧才算是对信道建立的有效确认。

同时，移动台在反向业务信道R-FCH上发送业务信道前缀，以便于基站捕获反向业务信道。

（3）基站捕获反向业务信道后通过F-FCH发送基站确认指示（BaseStationAcknowledgementOrder），移动台收到后开始发送空业务信道数据，表示确认。

空中接口的业务信道建立完成后，进入等待指令子状态。

（4）基站通过F-FCH发送业务选项响应指示（ServiceOptionResponseOrder），同意或拒绝移动台的业务选项请求。

（5）移动台通过R-FCH发送可选的起呼后续消息（OriginationContinuationMessage）。

（6）基站通过F-FCH发送由对端交换机送来的回铃音，此时移动台处于等待用户应答子状态。

一旦对端用户摘机，基站停止发送回铃音，双方进入通话状态。

2.分组业务的呼叫流程

（1）分组呼叫状态

为适应分组业务数据传输这样的突发特性并且提高无线资源的利用率，在分组呼叫过程中，系统定义了3种状态。

1激活态（Active）：

MS和基站之间存在无线链路，双方都可以发送数据，无线链路保持，空中接口、A8、A10、PPP连接都存在。

2休眠态（Dormant）：

MS和基站之间不存在无线链路，空中接口、A8连接释放，A10、PPP连接保持。

3空闲态（Idle）：

MS和基站之间不存在无线链路，空中接口、A8、A10、PPP连接没有建立或已经释放。

（2）分组呼叫流程

①无线链路的建立从移动台（MS）发送始呼消息（OriginationMessage）开始，MS通过始呼消息将协议版本、业务选项等信息送到BSC，BSC向MSC发送服务请求消息，对始呼请求的鉴权成功后，基站为移动台分配一个业务信道，并回复一个扩展/信道分配消息和服务连接消息，从而建立起前向FCH。

②无线链路建立完成后，BSC和PCF间建立A8连接，进而发起PCF与PDSN之间的A10连接的建立，在PCF与PDSN间完成R-P链路的建立。

A8、A10连接建立完成后，与无线链路一起在MS与PDSN之间为PPP连接提供承载服务。

③PPP是在点对点的链路上的虚拟链路层协议。

PPP连接的建立过程如下。

●首先是协商参数，MS与PDSN之间通过链路配置协议（LCP）进行PPP连接参数的协商，建立链路层连接；

●接着开始身份认证，认证协议可以选用口令鉴权协议（PAP，PasswordAuthenticationProcotol）或质询握手鉴权协议（CHAP，ChallengeHandshakeAuthenticationProcotol），MS在AAA服务器上通过响应认证协议进行鉴权；

●LCP、鉴权认证完成后，MS启动IP网络配置协议（IPCP，IPControlProtocol）进程，MS和PDSN通过网络配置协议（NCP）进行IP地址的分配，完成Internet接人。

PPP连接建立后，移动台获得了ＩＰ地址，终端用户和PDSN之间就可以开始传送分组数据包。

7.3CDMA20001XEV-DO

7.3.1CDMA20001XEV-DO特点

①前向链路采用时分复用

②速率控制技术

③自适应调制编码技术

④调度算法

⑤虚拟软切换

⑥射频部分的继承性

⑦组网灵活

7.3.2CDMA20001XEV-DO网络结构

CDMA20001XEV-DO网络由接入终端（AT，AccessTerminal）、无线接入网（RAN，RadioAccessNetwork）、分组核心网（PCN，PacketCoreNetwork）等逻辑实体组成。

接入终端与无线接入网间通过空中接口（Um）相连，无线接入网与分组核心网间通过A接口相连，分组核心网与外部IP网络通过Pi接口相连，如图7-20所示。

图7-20CDMA1XEV-DO网络结构

1.接入终端（AT）

2.无线接入网

无线接入网提供接入终端与核心网间的无线承载，负责建立和维护无线信道、进行无线资源管理和移动性管理，完成会话控制功能。

AT通过信令消息与PCN进行业务信息的