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IS-95A CDMA移
动通信基站子系统
翟文军
摘 要 本文将从移动通信的发展及IS-95A标准的特点出发，论述首信集团所承 接的国家“863”移动通信项目的研发内容、相关技术、研发成果及后期项目的延续情况。 关键词 CDMA 移动通信 IS-95A 基站 1 IS-95A标准的特点 IS-95A是美国QUALCOMM公司1990年提出的，大规模商用是在 1996年之后，主要应用于韩国、北美、拉丁美洲及香港，目前大概有7000万用户。 IS-95A是前向兼容北美模拟系统AMPS的数字蜂窝移动通信系统标准，其特 点如下： （1）频段为800 MHz（上行824－849 MHz，下行869－894 MHz），其扩频采用直序扩频方式（DS）。 （2）前向链路（又称正向链路）采用64位WALSH码区分信道， 共有导频、寻呼、同步、前向业务等4类信道，不同基站之间采用 2（15次方）PN码相位区分，共 有512个相位（相邻相位之间相差64个PN码片），采用了卷积编码（K=9，R= l／ 2）、交织等信道编码方式。 （3）后向链路（又称反向链路），共有接入、反向业务2类信 道，信道及用户之间采用2（42次方）-1 PN码相位区分，采用了卷积编码（K=9、R=l／ 3）、交织等信道编码方式，同时采用了64进制调制方式。 （4）此标准规定的系统是同步CDMA系统（信道、基站区分采 用PN码相位），因此，必须有一个时间参考源，标准规定采用GPS定时。 （7）为了提高系统容量，一是在前向信道中加入了功率控制 子信道，用于移动台的闭环功率控制；二是采用了可变速率声码器，实现话音激活；三是移动台采 用非连续发送方式，减少了同一时间相互之间的干扰。 （6）首次在蜂窝移动通信系统中提出软切换、更软切换概 念，并在实际系统中实现了此概念。 （7）前向信道采用相干解调方式，反向信道采用非相干解调 方式。 （8）实现了“软容量”，即当系统满负载工作时，再增加少 数用户，系统性能会稍有下降，但不会发生阻塞，实际增加的干扰也不大。 （9）实现了路径分集（RAKE接收），由于CDMA系统传输带宽 较宽，信号传输带宽大于相关带宽时，就可以用1／W的（时间）分辨率分辨出多径分量，再进行分 集合并，从而改善接收性能。 （10）可以与其他窄带系统共存，因为扩频之后，信号功率谱 展宽，功率谱密度降低，对其他窄带系统影响很小，IS-95A系统信号对窄带信号而言近似白噪 声。 （11）实现了高保密通信，鉴权、数字格式、宽带信令可由受 话人指定的密码进行保护，可提供较好的保密特性，防止盗号和被窃听。 2 项目研发内容 1995年，我国正处于数字移动通信制式选择时期，在技术方 面，CDMA比其他数字移动通信制式具有更大的优势，具有更好的技术发展潜力；在商用经验方 面，CDMA要比其他数字移动通信制式少。正当中国电信倾向选择CDMA制式时，联通闯入了通信市 场，由于联通缺少其他业务的基础，最终选择了蜂窝移动通信作为与中国电信抗衡的切入点，为了 减少风险，联通公司选择了商业化程度较高的GSM作为发展方向，迫使中国电信也选择GSM制式。 但当时的原邮电部已认识到CDMA将作为今后移动通信发展必选技术，因此，决定组织国内相关部 门攻克CDMA关键技术，研制自主知识产权的CDMA移动通信系统。当时由原邮电部科技司牵头，组 织北京邮电大学、原中国邮电工业总公司（主要为首信人员）联合进行“IS-95A CDMA移动通信基 站子系统研发”项目。1997年，此项目又被国家“ 863”列为重点项目。 由于当时CDMA属于最为先进的技术，国内在此 方面的基础还是很薄，此项目的研发几乎是从基本概念开始，研发内容不仅涉及到了RAKE接收、 信道编译码、速率判定、搜索等许多CDMA信道处理及可变速率编码器等关键技术研究实现，而且 也涉及到了软切换、功率控制、多CPU通信、分组交换平台、Abis协议定义实现及系统软件设计实 现等多方面的系统实现技术。下面简单介绍几个我们已实现的技术。 （1）RAKE接收技术 在移动通信中，移动台与基站之间的环境复杂，到达接收信号不会是一条路径来的信 号，而是多径合成信号。对于采用其他技术的移动通信系统，只能采用复杂的抵抗技术，减少影 响。而对采用CDMA技术的移动通信系统，由于CDMA的相关特性，只要路径之间的时延差大于一个 PN码片宽度，就可以利用多径信号加强接收效果，此种技术称为RAKE分集接收技术（俗称路径分 集）。一般RAKE接收机由搜索器（Searcher）、解调器（Finger）、合并器（Combiner）3个模 块组成。搜索器完成路径搜索，主要原理是利用码的自相关及互相关特性。解调器完成信号的解 扩、解调，解调器的个数决定了解调的路径数，通常CDMA基站系统一个RAKE接收机由4个Finger组 成，移动台由3个Finger组成。合并器完成多个解调器输出的信号的合并处理，通用的合并算法有 选择式相加合并、等增益合并、最大比合并3种。合并后的信号输出到译码单元，进行信道译码处 理。 （2）速率判定技术 由于CDMA是多个用户共同占用同一频带资源，相互之间通过PN 码来区分，因此，同时通话用户数越多，相互之间干扰就越大。在一定的服务质量下，如果要有效 利用系统资源，那么必须采用相应的措施。现在通用的方法是采用语音压缩编码及话音激活技术。 IS-95系统就是采用了8 kbit／s（IS-95A）或13 kbit／s（IS-95B）语音编码技术以及变速率 话音激活技术。同时，变速率也为随路信令的传输提供了方便。对于IS-95系统，接收端无法知道 发送数据速率，只能通过提取信道质量信息，判定发送端可能发送的速率。 对于业务信道可变速率声码器产生四种速率，分别为：8 kbit／s，4 kbit／s，2 kbit／s，0.8 kbit／s。对两种高速率加CRC、对所有速率 数据加8个“0”编码尾比特后，速率变为：9.6 kbit／s、4.8 kbit／s、2.4 kbit／s、1.2 kbit／s。声码器初始帧应为全速率（8.0 kbit／s）、半速率（4.0 kbit／s），通 常情况，选择全速率。各种速率在整个声码器中所起的作用及所占的比例是不同的，其中，全速率 所占比例大约为60％，主要完成话音与随路信令传输；半速率约占20％，主要完成话音与噪声过 渡带的编码；1／4及1／8速率约占20％，主要完成背景噪声编码。 多速率判定必须依据信道状态来达到判定目的，可依据的参数有以下几个： ·CRC校验：四种速率中，只有全速率与半速率有CRC校验； ·信道误码个数：反映的是维特比译码器的纠错能力，及信道 恶劣程度； ·帧质量指示：也称为山本度量（YamamotoMetric）指示。 其基本原理是基于译码过程中，当到达某一状态的两条路径的度量差值小于一定门限时，就可认为 此时选择的幸存路径不可靠，如果回溯路径选择了此路径，则此帧数据也就不可靠，此帧为“坏” 帧。 上面已说明，各速率在整个系统中所起作用及所占比例是不同的，因此，对各速率判 定的精度也是不同的。首先，要尽可能保证全速率判定的准确度，不仅要判别出全速率好帧，而且 还要能判别出全速率坏帧，这是因为全速率帧中有时包含随路信令。其次，进行半速率、1／4及 1／8速率判定。另外，误帧也是反向闭环功率控制的重要依据。 （3）软切换 软切换是CDMA移动通信系统所特有的，其基本原理如下，当移 动台处于同一个BSC控制下的相邻BTS之间区域时，移动台在维持与源BTS无线连接同时，又与目标 BTS建立无线连接，之后再释放与源BTS的无线连接。发生在同一个BSC控制下的同一个BTS间的不 同扇区间的软切换又称为更软切换。 在CDMA数字移动系统中，切换的标准主要为导频信号的强度， 导频信号强度为接收到的导频能量与全部接收到的能量的比值。导频信号是每个基站连续发射的未 经调制的、直接序列扩频的信号，它主要用于使所有在基站覆盖区中工作的移动台进行同步和换。 基站利用一周期为2（15次方）=32 768的最大长度伪随机序列（PN）的时间偏置来标识每个前向CDMA信道（由基站到移 动台），此序列PN也称为导频序列。不同前向信道使用不同相位的m序列进行调制，其相位至少相 差64bit，因此导频PN序列可使用的相位为512个。在CDMA系统中所有CDMA小区都采用同一个频 率，移动台根据接收到的基站导频信号的不同偏置来区分各个基站。每个小区的导频要与其同一 CDMA信道中的正向业务信道相配合才有效，当移动台检测到一个足够强度的导频而它未与任何一 正向业务信道相配合时，就向基站发送一导频强度测量报告，基站根据此报告决定是否切换。在 CDMA的切换技术中一个显著的优点是可以使用软切换。所谓软切换是指当移动台需要跟一个新的 基站通信时，并不先中断与原先基站的联系。 由于CDMA系统中移动台独特的RAKE接收机可以同时接收两个或 两个以上基站发来的信号，从而保证了CDMA系统能够实现软切换。软切换引入大大地改善了切换 的性能，消除了切换过程中通信的中断、小区边界处的“乒乓效应”以及切换引入的噪声。尽管软 切换对前向链路的容量有一定的影响，但在切换区域由于需要，两个前向业务信道为一个移动台使 用，所以理论分析前向链路的容量损失相对于语音激活因子3／8或1／2分别为0.2％或0.1％，而 这点损失对整个系统不会产生什么影响。 （4）功率控制 功率控制在CDMA系统中非常重要，根据传输方向的不同，分为 反向功率控制及正向功率控制两种，其中，反向功率控制尤其重要，因为，反向是依靠准正交码区 分的，因此，用户之间存在相互间干扰，只有保证到达基站各用户间功率一致（防止远近效应）， 才能保证用户容量及质量。 进行反向功率控制的以在移动台接收并测量基站发来的导频信号，根据导频信号强弱 估计正确的传输损耗，并根据这种估计来调节移动台的反向发射功率。接收信号增强就降低其发射 功率，接收信号减弱就增强其发射功率。 功率控制的原则是：当信道的传播条件突然改善时，功率控制应作出快速反应（例如 几微秒），以防止信号突然增强而对其他用户产生附加干扰，相反，当传播条件突然变坏时，功率 调整的速度可以相对慢一些。也就是说，宁愿单个用户的信号质量短时间恶化，也要防止许多用户 因为单个用户的信号电平突然变大而增大背景干扰。 这种功率控制办法简单、直接，不需要在移动台和基站之间交换信息，因而控制速度 快并节省开销。对于某些情况，例如车载移动台快速驶入或驶出地形起伏区或高大建筑物遮蔽区而 引的信号强度变化是十分有效的，但是对于信号因多径传播而引起的瑞利衰落变化则效果不好。因 为前向传输和反向传输使用的频率不同，通常两个频率的间隔大大超过信息的相干带宽，因而不能 认为移动台在前向信道上测得的衰落特性，就等于反向信道上的衰落特性。为了解决这个问题，可 以由基站检测来自移动台的信号强度，并根据测得的结果，形成功率调整指令，通知移动台，使移 动台根据此调整指令来调节其发射功率。实现这种办法的条件是传输调整指令的速度要快，处理和 执行调整指令的速度也要快。一般情况下，这种调整指令每毫秒发送一次就可以了。 以上这些技术只是项目中我们已研究并实现的很少一部分，还有很多技术我们已实现 但未列在此处。 3 项目研发的成果 经过2年多的努力，我们将CDMA原理概念最终形成了FPGA信道 板，完成了Abis自定义接口规范的制定、实现及测试，采用高性能的嵌入式CPU处理器实现了多 CPU通信，设计并实现了高速包交换技术构造的内部网络，完成了中、射频子系统的设计，第一次 实现了与商用手机通话。 1998年12月，国家“863”专家组对项目进行了验收，全部指标符合“863”项目合同 要求，顺利通过了专家组的验收。 为了将国家“863”项目成果转变为产品，我们继续进行研发，最终完成了软切换设计 及实现，并通过软硬件联测进行了验证，完成了与多家商用手机的通话，完成了与商用交换机联 调，并成功运行在试验环境。2000年9月28日通过信息产业部项目验收。 CDMA基站系统研制的成功，不仅完善了专用仪表设备和开发工 具、软件的配置、建立了BTS BSC实验室以及MSC交换机系统室；更重要的是培养和建立了一支在 CDMA关键技术和系统集成方面积累了丰富经验的研发队伍。 4 项目今后的发展 在原国家项目研发成果基础上，听取了国家相关部委领导及运营部门用户及其它专家 建议后，吸取了原有设计的优点，重新进行了总体设计，其主要特点是面向产品设计，设计具有可 升级性和扩展性；方案的实施分阶段、有步骤地进行（IS-95与cdma20001X功能分步实现）；技术 上尽可能采用国内外已有的新技术和芯片，以加速设备的开发工作；支持IS-95A功能并能平滑过 渡到cdma2000 1X，通过部分硬件及软件修改即可推出WCDMA移动通信系统产品。预计2001年上半年 推出支持话音业务cdma2000 1X系统，2001年底推出支持全部功能的1X系统。 摘自《电信科学》 |
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