通信工程专业外文翻译--CDMA蜂窝网介绍

外文原文
Introduction to Cellular CDMA
中文译文
CDMA蜂窝网介绍
扩频调制技术已经历了过去40多年来的演化。

扩频技术曾经广泛用于抗干扰和多径场合以及测距和跟踪。

扩频技术还被用于CDMA，以支持在大量群体用户之间同时进行数字通信的服务。

CDMA概念可简单地解释成基于扩频通信的调制和多址接入方案。

本文概要介绍了美国圣迭戈高通公司倡导的CDMA数字蜂窝系统。

在很多参与其中的通信公司和设备制造商(AT＆T，Motorola，North Telecom 和其他)的协作下，基于多址接入方案的数字蜂窝应用也取得了进展，CDMA系统作为候选标准(Is-95)完全符合蜂窝通信工业协会(CTIA)要求。

典型的数字蜂窝系统有GSM(欧洲1990年提出的方案)、NATDMA(北美1990年提出的IS-54方案)、PDC(日本1990年提出的标准方案)以及CDMA(美国1993年提出的IS-95方案)。

1982年6月，西欧提山了基于时分多址(TDMA)的GSM系统。

GSM 能够扩展多样的电信网络(例如ISDN)，并提供了对整个欧洲大陆的兼容性。

1992年，第一个商用GSM系统在德国设计成功。

GSM基于频分多址和时分多址的组合。

NA-TDMA系统和GSM相似，惟一差别在于该系统中仅仅存在一个公共无线接口。

PDC(个人数字蜂窝)是日本提出的TDMA蜂窝系统，工作在800 MHz和1.5GHz。

该系统在数字蜂窝网络之间提供了9个接口。

1.5GHzPDC于1994年公开投入运营。

除了数字多址接入系统，还有TDD无绳电话系统，如PHP，CT-2，DCT-900（或CT-3）以及DECT。

TDD(时分双工)系统都是数字系统，但只使用—个载波发送和接收信息。

PHP(个人便携式电话)是支持PCS(个人通信服务)的TDD无线通信系统。

PHP可以用于住宅无绳电话、私有无线PBX(专用分组交换机)、公众远程点和无线电话通信。

CT-2(无绳通信系统2)是第二代无绳电话系统，在英国由GPT公司开发，是第一个用于无线移动通信的TDD系统。

CT-2系统是一种最简单的PCS系统，具有不需要多信道复用的控制结构。

CT-2系统不使用信道编码，取消了切换和寻呼，因此只允许呼叫服务。

呼叫半径通常小于200米，允许用户占用很大带宽。

DCT-900或CT-3(工作在900MHz的数字无绳电话)由瑞典爱立信公司在1988年开发，作为CT-2的升级版，有时又被称为CT-3。

英国和瑞典允许使用CT-2和DCT-900系统，直到DECT的出现：DECT(数字欧洲无绳通信)像CT-2和DCT-900一样被采用成为无绳电话欧洲标准，但它具有改进的资源用于处理数据和语音传输。

CDMA发展始于1989年早期，在NA-TDMA标准(IS-54)创立之后。

1989年11月进行了CDMA可行性测试。

EIA的CDMA IS-95中间标准在1992午12月发布。

CDMA系统可以使用双模用户单元提供与模拟系统的兼容性，但这里只限讨论CDMA的数字模式。

1.CDMA蜂窝覆盖范围
对CDMA蜂窝系统，服务区被划分为六边形蜂窝小区。

每个小区包含一个基站，在话音编码和解码之前，基站与MTSO(移动电话交换局)连接。

每个小区中，在基站和小区内每个移动台之间存在两条由前向和反向CDMA信道组成的链路。

前向CDMA信道是指从基站到小区内移动台的前向链路。

反问CDMA信道是指从移动台到基站的反向链路。

CDMA重复使用小区无线电频率资源并高效地控制系统容量，因为CDMA系统天生具有出色的抗十扰能力。

前向CDMA信道包括一个或多个码道，这些码道在某一CDMA指定频率传输，并使用特定的导频PN偏移。

每个基站使用一个导频PN序列的时间偏移(称为伪随机扩频序列)来标识每个前向CDMA信道。

CDMA蜂窝系统中，时间偏移可以重复使用。

前向CDMA信道上每个码道由适当的Walsh函数正交扩展，以使得所有码道之间正交，再由导频PN序列正交对(即相互正交的相位)扩频，以便使用QPSK(正交相移键控)调制波形传输。

反向CDMA信道由接入信道和反向业务信道组成。

接入信道用于短信令消息交换，能提供呼叫来源、寻呼响应、指令和注册。

反向业务信道用于从单个移动台向单个或多个基站传输用户信令和业务。

需要在反向CDMA信道传输的所有数据都经过卷积编码，以便纠错、块交织，从而防止突发错误，并引入接入冗余来提高系统性能，经过64阶Walsh函数调制来提供正交信道化，以及由长码进行直接序列扩频来获得发送之前有限的加密。

2.CDMA信道的结构分层
前向CDMA 链路包括导频信道、同步信道、寻呼信道和一定数量的前向业务信道。

典型的前向CDMA 信道包含了64路码道可供使用；在这64条码道中，前向CDMA 链路包括1路导频信道、1路同步信道、7路寻呼信道和55路前向业务信道。

导频信道用于传送导频信息，由CDMA 基站连续不断地发送一种不调制的直接序列扩频信号。

移动台监视导频信道以捕获前向CDMA 信道定时并提供相关解调的相位参考。

导频码道总是分配编号为0(0W )的码道。

编号为32(32W )的码道分配给同步信道，用于向移动台传送同步消息。

更重要的是，同步信道信号是经过编码、交织、扩频和调制的扩频信号，被移动台用来获取初始时间同步。

寻呼信道信号也是经过编码、交织、扩频和调制的扩频信号。

寻呼信道供基站在呼叫建立阶段传输控制信息，编号从1到7的连续码道(71~W W )分配给寻呼信道。

前向业务信道用来在通话过程中基站向特定移动台发送用户语音编码数据或其他业务数据和信令业务。

在同一前向CDMA 信道工作时，63减去同步信道数和寻呼信道数就得到最大前向业务信道数。

1)导频信道以19.2kb/s 的速率发送全“0”。

2)同步信道以固定速率1200b/s 分帧传输。

3)寻呼信道支持9600b/s ，4800b/s 或2400b/s 三种不同速率。

4)前向业务信道支持9600b/s ，4800b/s ，2400b/s 或1200b/s 四种变速率。

同步信道、寻呼信道和前向业务信道在发送之前都进行卷积编码以便纠错，而导频信道不需要卷积编码。

编码符号通常定义为纠错编码器的输出。

编码器输入信息比特，输出编码符号。

每当信息速率低于9600 b/s 时，除了导频码道，其它所有码道的编码符号在进行块交织之前都重复若干次。

对寻呼信道和前向业务信道而言，重复次数取决于每路信道的数据速率。

速率为4.8kb/s 的编码符号要重复1次（每个符号连续出现2次）。

速率为2.4kb/s 的编码符号要重复3次(每个符号连续出现4次)。

速率为1.2ks/s 的编码符号要重复7次（每个符号连续出现8次）。

这样，对于所有速率的数据（9600b/s ，4800b/s ，2400b/s 或1200b/s ），符号重复将使得调制符号速率统一为19.2kb/s 。

对同步信道，编码信号重复一次（每个符号连续出现2次），这样调制符号速率为4800b/s 。

同步信道、寻呼信道和前向业务信道重复后的所有符号进行块交织。

使用块交织的目的是防止数据在发送到多径衰落环境中后发生突发性错误。

交织之后，前向CDMA 信道的每路码道用一个64阶Walsh 函数进行正交扩频，再由导频PN 序列正交对以1.2288Mc/s 的速率扩频。

正交扩频的二进制数据(0和1)输人基带滤波器。

基带滤波之后，前向CDMA 信道将相应的BPSK(二进相移键控)的调制数据和载波结合，产生QPSK(正交相移键控)信号再发送。

数据扰码应用在寻呼信道和前向业务信道。

数据扰码在块交织器输出端以19.2kb/s 传输。

数据扰码通过对交织器输出数据与用户号码对应的长伪码进行模2加来完成。

长码是周期为1242-的PN 序列，用于前向CDMA 信道(即寻呼和前向业务信道)的扰码和反向CDMA 信道(即接人和反向业务信道)的扩频。

长码发生器的掩码是长为42比特的二进制数，用以产生长码的惟一标识。

长码的每个PN 码片由长码发生器内的42比特LFSR(左移寄存器)和一个42比特掩码的内积做模2运算而产生、长码工作在1．2288 MHz 的时钟速率，这和长码发生器的输出PN 码片序列速率相等。

请注意一个PN 码片定义为PN 序列的一个比特。

如果长码以64比特(或码片)划分，那么第一个64比特将以19．2kb/s 速率用于数据扰码。

分频器功能为，以每输人64(2610192/102288.1⨯⨯=)比特输出1比特的速率减小长码的大小。

卷积码(m k n ,,)由k 位输入、n 位输出线性时序电路和m 阶存储寄存器实现。

寻呼信道上基站不插人功率控制子信道。

但是功率控制子信道信号在前向业务信道以800 b/s 的速度(即每1.25毫秒1比特)连续发送功率控制信息。

功率控制比特0表不移动台必须增加平均输出功率控制级别，功率控制比特1表示移动台必须减少平均输出功率控制级别。

这样，针对在前向业务信道收到的每个有效功率控制比特，移动台将调整其输出功率级别：
反向CDMA 信道内接入信道和反向业务信道组成。

在反向CDMA 信道发送的数据被封装成20毫秒帧。

所有在反向CDMA 信道上发送的数据都进行卷积编码(用于纠正随机错误)、块交织(用于防止突发错误)、含有64位长码片的64阶Walsh 码调制，并存发送之前用周期为1242-的长码直接序列扩展。

移动台在接入信道上发送数据时不使用数据脉冲随机发生器。

但是在反向业务信道，使用数据突发随机发生器产生掩码比特0和1，用于对码
重复产生的冗余数据进行随机掩码。

反向业务悟道和接入信道由长码直接序列扩展。

扩展操作包含对数据突发随机发生器的输出流和长码进行模2加。

直接序列扩展之后，反向业务信道和接入信道进行正交相位扩展，如图1.3所示。

请注意，由正交相位导频PN序列扩展的Q信道数据相对于同相导频PN序列扩展的I信道数据，存在半个码片(406.9纳秒)的延时。

帧长定义为系统基本定时间隔。

对于接入信道、寻呼信道和前向/反向业务信道，帧长为20毫秒。

对同步信道，帧长为26.666毫秒。

帧质量指示器用于9600b/s和4800b/s速率的业务信道的CRC校验。

CRC(循环冗余码)是一类线性错误检测码，能查找多项式余数而产生奇偶校验比持。

帧质量指示器(CRC)支持接收机的两种功能。

第一种是确定帧的发送速率，第二种是确定帧是否出错。

编码器尾比特表示加在数据帧末尾的固定比特序列，用于将卷积码编码器复位成已知状态。

无论是反向CDMA信道还是前向CDMA信道，发送的数据都被封装成20毫秒长的帧。

前向业务信道和反向业务信道帧结构都可以描述如下：
(1)每路以下列速率发送的反向业务信道帧：
1.9600b/s，含有192比特，由172位信息比特加上12位帧质量指示器(CRC)和8位编码器尾比特组成。

2.4800b/s，含有96比特，由80位信息比特加上8位顺CRC比特和8位编码器尾比持组成。

3. 2400b/s,含有48比待，由40位信息比特加8位编码器尾比特组成。

速率为2400b/s的反问业务信道帧不使用8位CRC比持。

4.1200b/s，含有24比特，由16位信息比特加8位编码器尾比特组成。

速率为1200b/s的反向业务信道帧不使用8位CRC比特。

5.每路接人传道帧含有96比特(速率为4800b/s的20毫秒帧)，由88位信息比特加8位编码器尾比特组成。

接入信道帧不使用8位CRC比特。

(2)每路以下列速率发送的前向业务信道帧：
1.9600b/s，含有192比特，由172位信息比特加上12位帧质量指示器(CRC)和8位编码器尾比特组成。

2.4800b/s,含有96比特，由80位信息比特加上8位帧质量指示器(CRC)和8位编码器尾比特组成。

3.2400b/s，含有48比特，由40位信息比特加8位编码器尾比特组成。

速率为2400b/s的反向业务信道帧不使用8位CRC比特。

4.1200b/s，含有24比特，由16位信息比特加8位编码器尾比持组成。

速率为1200b/s的反向业务信道帧不使用8位CRC比特。

前向业务信道帧长20毫秒，选择发送数据必须基于每帧进行。

尽管基于帧的数据率可能不同，但是通过码重复可以保持调制速率统一为19.2kb/s。

同步信道比特速率为1200b/s。

同步信道帧长26.666毫秒，寻呼信道帧长20毫秒。

3.鉴权和消息加密
鉴权是指基站确认移动台身份的过程。

只有当基站处理的共享私有数据集和移动台的相同时，鉴权才成功进行。

SSD是存储在移动台的128比特长的数据。

SSD分为两个不向子集：SSD-A和SSD-B。

64比特的SSD-A 用于支持鉴权过程；64比特的SSD-B用于CDMA话音保密和数据加密。

基站配备数据库，该数据库含有针对每个蜂窝系统内注册移动台的鉴权密钥(A密钥)和共享数据(SSD)。

该数据库用于移动台鉴权。

如果基站支持移动台鉴权，那么基站将发送和接收鉴权消息并执行鉴权计算。

SSD使用SSD产生过程进行更新，该过程由移动台特定信息(ESN)、随机数据(RANDSSD)和移动台A密钥进行初始化。

64比特A密钥存储在移动台永久安全和鉴权存储器中．并且只对本移动台和移动台相关的本地位置注册/鉴权中心(HLR/AC)公开。

SSD更新过程执行方法如下所示。

基站在寻呼信道或前向业务信道上发送SSD更新消息指令。

收到SSD 更新消息指令之后，移动台将输人参数(RANDSSD、ESN、A密钥)设置到SSD产生算法中。

移动台然后执行SSD产生过程。

SSD产生过程的输出就是强SSD-A-NEW和SSD-B-NEW。

然后移动台选择一个32比特随机数，并放在接人信道或反向业务信道的基站询问指令中向基站发送。

移动台和基站都设置鉴权签名过程的输入参数(RANDBS，ESN，MINl，SSD-A-NEW)，并执行鉴权签名过程。

AUTHBS设量成18比特的鉴权签名。

基站将AUTHBS计算值放在寻呼信道或前向业务信道的基站询问确认指令中向移动台发送。

收到基站询问确认指今后，移动六将收到的AUTHBS值和它内部产生的值进行比较。

如果比较成功，则移动台执行SSD更新过程，将SSD-A和SSD-B分
别设置成SSD-A-NEW和SSD-B-NEW。

移动台然后向基站发送SSD更新过程确认指令，表明SSD更新过程成功完成。

如果比较失败，那么移动台丢弃SSD-A-NEW和SSD-B-NEW。

移动台之后向基站发送SSD更新过程拒绝指令，表明SSD更新过程不成功。

在收到SSD更新过程确认指今后，基站将SSD-A和SSD-B设置成HLR/AC计算的值。

SSD更新仅在移动台和其相关的HLR/AC上进行，而不在服务系统中进行。

服务系统保留HLR/AC通过和移动台HLR/AC系统间通信而计算的SSD值。

为了保护用户敏感信息，设计了一种方法对选定业务信道信令消息的特定字段进行加密。

如果基站支持移动台鉴权，那么它可能也支持消息加密．通过发送加密控制消息并执行加密和解密操作来实现。

然而，TIA/EIA/IS-95不支持加密算法，因为算法受到美国国际交易和武器规则(ITAR)控制，该规则中有算法如何初始化和应用的描述。

如果鉴权没有执行，就不应该对信令加密。

信令消息加密足对每个呼叫单独控制的。

CDMA系统小通过用于PN扩展的私有长码掩码能提供话音保密。

话音保密只能用在业务信道。

所有呼叫都是使用PN扩展的公用长码掩码发起的，移动台用户可以在呼叫设置过程使用呼叫源消息或寻呼响应消息，或者在业务信道操作过程使用长码转换请求指令来要求话音保密。

如果鉴权没有执行，就不会进行私有长码掩码的转换。

要发起私有或公用长码掩码转换，基站或移动台应在业务信道上发送一条长码转换请求指令。