第8章-CDMA2000移动通信系统.doc
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1、第8章 CDMA2000移动通信系统教学内容、难点等教学内容: CDMA2000系统的主要特点; CDMA2000 1X 网络结构,主要网元和接口功能; CDMA2000 1X 空中接口协议结构、物理信道及 功能; CDMA2000 1X EV-DO的特点及网络结构; CDMA2000 1X EV-DV的基本要求 教学要求 了解CDMA2000系统的主要特点; 掌握CDMA2000 1X 网络结构,主要网元和接口功能; 掌握CDMA2000 1X 空中接口协议结构、物理信道及功能; 掌握CDMA2000 1X EV-DO的特点及网络结构; 了解CDMA2000 1X EV-DV的基本要求。重点
2、难点 掌握CDMA2000 1X 网络结构,主要网元和接口功能; 掌握CDMA2000 1X 空中接口协议结构、物理信道及功能; 掌握CDMA 2000 1X EV-DO的特点及网络结构;8.1 CDMA2000概述8.1.1 CDMA2000简介1995年5月美国电信工业协会(TIA,Telecommunication Industry Association)正式颁布了窄带CDMA标准(IS-95A),它是CDMA标准系列中第一个投入商用的标准。IS-95A标准在一个业务信道上只能使用一个扩频码。为了满足更高速率数据业务的需求,于1999年3月完成IS-95B标准的制定。IS-95B的目标
3、是在一个业务信道上可连续使用8个码字,通过对物理信道的捆绑应用,使得系统可以提供的最大比特速率达115.2kbit/ s。不过因为要将8个信道的资源分配给一个用户使用,IS-95B的商用系统很少。通常IS-95A和IS-95B总称为IS-95。一般把基于IS-95标准系列的CDMA系统称为CDMAOne系统。人们习惯将CDMAOne系统称为IS-95 CDMA系统,很少使用CDMAOne系统这个名称。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
4、。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。CDMA2000系统的一个载波带宽为1.25MHz。如果系统分别独立使用每个载波,则称为CDMA2000 1X 系统;如果系统将3个载波捆绑使用,则称为CDMA2000 3X系统。CDMA2000 3X是与CDMA2000 1X 一起提出的规范,但由于各种原因,在这个领域开展的研究
5、很少,厂商和运营商都没有选用这个系统,而CDMA2000 1X 系统已经在世界上多个国家和地区投入商用。8.1.2 CDMA2000 1X 特点 CDMA2000 1X 是CDMA2000移动通信系统发展的第一阶段。其对应的协议版本为CDMA2000 Release 0、CDMA2000 Release A以及CDMA2000 Release B。相比IS-95系统,CDMA2000 1X 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移动台向基站发出调整基站发射功率的指令,闭环功率控制速率可以达到800Hz,这样可以对功率进行更为精确的调整。降低了前向链路的干扰,可以达到
6、减少基站发射功率、减少总干扰电平,从而降低移动台信噪比要求,最终可以起到增大系统前向信道容量、节约基站耗电的作用。(2)增加了反向导频信道基站利用反向导频信道发出扩频信号捕获移动台的发射,再用Rake接收机实现相干解调。与IS-95采用非相干解调相比,提高了反向链路性能,降低了移动台发射功率,提高了反向链路容量。(3)前向链路采用发射分集技术前向链路采用发射分集技术有两种方式:正交发射分集(OTD)和空时扩展(STS)。前者是先分离数据流,再用不同的正交Walsh码对两个数据流进行扩频,并通过两个发射天线发射。后者使用空间两根分离天线发射已交织的数据,使用相同的原始Walsh码信道。发射分集技
7、术提高了系统的抗衰落能力,改善了前向信道的信号质量。系统容量也会有进一步的增加。 (4)前向链路引入快速寻呼信道基站使用快速寻呼信道向移动台发出指令,决定移动台是处于监听寻呼信道还是处于低功耗状态的睡眠状态。移动台便不必长时间连续监听前向寻呼信道,可减少移动台激活时间,减小了移动台功耗,提高了移动台的待机时间。 (5)编码采用Turbo码CDMA2000 1X 中,数据业务信道可以采用Turbo编码,Turbo码仅用于前向补充信道和反向补充信道。 (6)灵活的帧长CDMA2000 1X 支持5ms、l0ms、20ms、40ms、80ms和160ms多种帧长,根据不同类型信道选择不同帧长。 (7
8、)定义了新的接入方式新的接入方式既兼容IS-95的接入模式,又对IS-95的不足进行了改进,可以减少呼叫建立时间,提高接入效率,并减少移动台在接入过程中对其他用户的干扰。8.1.3 CDMA2000网络的演进1. 无线侧的演进CDMA2000 1X 系统的下一个发展阶段称为CDMA2000 1X EV,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CDMA2000 1X 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。CDMA2000 1X EV又分为两个阶段:CDMA2000 1X EV-DO
9、和CDMA2000 1X EV-DV。DO指Data Only或Data Optimized。DV是Data and Voice的缩写。CDMA2000 1X EV-DO 通过与语音业务不同的独立载波提供高速数据业务。其前向链路的主要特点是在CDMA技术的基础上引入了TDMA技术,采用了动态功率控制、快速自适应的调制编码、灵活的调度算法和快速小区交换等技术,从而大幅度提高了数据业务的性能。在实际使用中,CDMA2000 1X EV-DO 系统需要使用独立的载波,虽然对资源的控制相对简单,语音业务和高速数据业务之间没有影响,但是,CDMA2000 1X EV-DO 不能兼容CDMA2000 1X
10、 。移动台也需要使用双模方式来支持语音和数据,不能实现语音业务和高速数据业务之间的资源共享。为了克服CDMA2000 1X EV-DO 技术在兼容方面的缺点,CDMA2000 1X EV-DV采用了后向兼容思路,既可以与1X系统共存在同一个载波中,同时也提高了数据业务的速率和语音业务的容量。CDMA2000 1X EV-DV综合了CDMA2000 1X 和CDMA2000 1X EV-DO 的优点,在1.25MHz的带宽内同时提供语音和分组数据业务。2. 网络侧的演进CDMA2000网络向ALL-IP演进分为4个阶段。(1) Phase 0和Phase l阶段基于传统电路模式的无线网络,支持电
11、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) Phase 2阶段也称为传统MS域(LMSD,Legacy MS Domain)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 ,Time Division Multiplexing)技术,将传统的电路域移动交换机(MSC ,Mobile Switching Center)分离为移动交换中心仿真(MSCE ,Mobile Switching Center Emulation)和媒体网关(M
12、edia Gateways,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) Phase 3阶段也称为多媒体域(Multimedia Domain)阶段,包含两个子系统:分组数据子系统(PDS ,Packet Data Subsystem)和IP多媒体子系统(IMS ,IP Multimedia Subsystem),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。3G业务统一基于一个ALL-IP架构上来实现,业务实现形式变得更加容易和丰富。Phase3为网络融合提供了很好的契机,分别基于
13、3GPP2和3GPP标准的移动网络可以实现融合,而且移动网络也可以实现与固定网络的融合。8.2 CDMA2000 1X 网络8.2.1 CDMA2000 1X 网络结构1 CDMA2000 1X 网络结构(1)CDMA2000 1X 系统网络组成基于ANSI-41核心网的CDMA2000 1X 系统网络结构如图8-1所示,网络结构由四部分组成。图8-1 CDMA2000 1X 系统的网络结构 移动台(MS)移动台(MS,Mobile Station),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。 无线网络(RN)无线网络(RN,Radio
14、Network),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,Base Station Transceiver)、基站控制器(BSC,Base Station Controller)和分组控制功能(PCF,Packet Control Function)。 网络交换系统(NSS)网络交换系统(NSS,Network Switching System),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
15、、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,Packet Data Serving Node)、归属代理(HA,Home Agent)、鉴权授权与计帐服务器(AAA,Authentication Authorization and Accounting)。 操作维护系统(OMS)操作维护系统(OMS,Operation and Maintennce System),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,Network Management Centre)和操作维护中心(OMC,Operation
16、 and Maintaenance Centre)两部分。(2)新增模块及功能相对于IS-95网络,CDMA2000 1X 网络中新增模块及功能如下。分组控制功能(PCF)PCF通常作为无线网络设备设置于基站控制器(BSC)内,也可以与BSC同址外置。作为实现分组业务所必备的功能单元,主要用来建立、保持和终结至PDSN的连接,与PDSN之间进行互操作支持休眠切换,用来保持无线资源状态(如激活、休眠等),缓存和转发由PDSN到达的分组数据,请求无线资源管理等等。分组数据服务器(PDSN)PDSN是连接无线网络(RN)和分组数据网的接入网关。主要功能是提供移动IP服务,使用户可以访问公共数据网或专
17、有数据网。PDSN可以为每一个用户终端建立、终止点对点协议(PPP,Point to Point Protocol)连接,以向用户提供分组数据业务。PDSN与RADIUS服务器配合向分组数据用户提供认证功能、授权和计费功能。PDSN从AAA服务器接收用户的特性参数,从而区分不同业务和不同安全机制。 归属代理(HA)HA提供用户漫游时的IP地址分配、路由选择和数据加密等功能,主要负责用户分组数据业务的移动管理和注册认证,包括鉴别来自移动台的移动IP的注册信息,将来自外部网络的分组数据包发送到外地代理(FA),通过加密服务建立、保持或终止FA与PDSN之间的通信,接收从鉴权授权与计帐服务器(AAA
18、)得到的用户身份信息,为移动用户分配动态或静态的归属I P地址等。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. CDMA2000 1X 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
19、,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CDMA2000 1X 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,Service Data Unit)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
20、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CDMA2000 1X 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CDMA2
21、000分组数据网大量采用已有的IP技术,分组核心网逻辑实体及相关接口基于IETF协议集。CDMA2000网络中常用的因特网工程任务小组(IETF)协议集为PPP、IPSec、IKE、隧道协议、传输协议(如TCP、UDP)、RADIUS协议等,详细描述请参见相关IETF协议。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。当采用简单IP时
22、,图8-2描述了系统提供分组业务时的协议栈结构。 图8-2 CDMA2000 1X 分组业务的数据传送协议(简单IP)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。当采用移动IP时,用户数据、控制信令及IKE传送的协议栈如图8-3和图8-4所示。在图8-3中,PDSN与HA采用隧道传送,
23、利用IPSec协议对业务数据、控制信令及IKE信息提供保护。可以通过Pi协商并实现HA与FA之间隧道。在图8-4中,采用UDP传送移动IP的信令消息,IKE用于建立PDSN与HA之间的安全关联(SA,Security Association),负责安全参数的更新。 图8-3 CDMA2000 1X 分组业务的数据传送协议(移动IP) 图8-4 CDMA2000 1X 分组业务的信令及IKE传送协议(移动IP)8.2.2 IP技术在CDMA2000 1X 中的应用CDMA2000 1X 提供了简单IP和移动IP两种分组业务接入方式。(1) 简单IP基于简单IP的CDMA2000分组数据网的网络结
24、构如图8-5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8-5 简单IP接入网络结构 简单IP的呼叫流程简述如下:移动台首先与无线接入网络(RAN)建立空中接口连接。RAN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。PDSN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。PDSN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
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