第三代移动通信——第7章CDMA2000移动通信系统.ppt

第7章 cdma2000移动通信系统,cdma2000是美国电信工业协会（TIA）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，本章主要介绍cdma2000移动通信系统如下内容：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系统状态及状态转移cdma2000 1x网络中基本语音和分组业务的呼叫流程,cdma2000 1x EV-DO的特点及网络结构cdma2000 1x EV-DO空中接口的分层结构cdma2000 1x EV-DO组网特点cdma2000 1x EV-DV的基本要求及新增物理信道,7.1概述,7.1.1cdma2000简介 1995年5月，美国电信工业协会（Telecommunication Industry Association，TIA）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。,cdma2000是美国电信工业协会（TIA）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。,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 1x系统的空中接口技术称为1x无线传输技术（Radio Transmission Technology，RTT）。与此类似，cdma2000 3x系统的空中接口技术称为3x RTT，属于多载波技术。,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。,7.1.2cdma2000 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。,（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 cdma2000 1x系统的下一个发展阶段称为cdma2000 1xEV，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。,cdma2000 1xEV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 1xEV又分为两个阶段：cdma2000 1xEV-DO和cdma2000 1xEV-DV。DO指Data Only或Data Optimized，DV是Data and Voice的缩写。,cdma2000 1xEV-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 1xEV-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 1xEV-DO不能兼容cdma2000 1x，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 1xEV-DO 技术在兼容方面的缺点，cdma2000 1xEV-DV采用了后向兼容思路，既可以与cdma2000 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 1xEV-DV综合了cdma2000 1x和cdma2000 1xEV-DO的优点，在1.25MHz的带宽内同时提供语音和分组数据业务。cdma2000 1xEV-DV对应Release C 和Release D两套标准。,Release C主要改进和增强了cdma2000 1x的前向链路，前向最高峰值速率可以达到3.1Mbit/s。Release D改进和增强了cdma2000 1x的反向链路，反向最高峰值速率可以达到1.8Mbit/s。,2网络侧的演进,在无线侧标准不断演进的同时，网络侧标准也经历了从非开放内部接口，到半开放的ATM接口，最终到完全开放的IP接口，即cdma2000 ALL-IP网络。,在cdma2000网络演进过程中，核心网和无线接入网是独立演进的，这两个网络之间的接口由最初的TDM承载变为IP承载。,为了最大限度地保护运营商现有网络投资，网络演进要保持不同阶段的网络互连互通，尽可能地体现不同网络之间的兼容性。cdma2000网络向ALL-IP演进分为4个阶段。,（1）Phase 0和Phase l阶（2）Phase 2阶段（3）Phase 3阶段,7.2cdma2000 1x网络,7.2.1cdma2000 1x网络结构 cdma2000 1x网络结构是从第二代IS-95 CDMA系统演进而来的，与第二代CDMA系统显著不同的地方在于增加了分组域交换的数据业务，本节将重点介绍与分组域相关的模块及接口的功能。,1cdma2000 1x网络结构,（1）cdma2000 1x系统网络组成,图7-1 cdma2000 1x系统的网络结构,移动台（Mobile Station，MS）无线网络（Radio Network，RN）网络交换系统（Network Switching System，NSS）操作维护系统（Operation and Maintennce System，OMS）,（2）新增模块及功能,分组控制功能（PCF）分组数据服务器（PDSN）归属代理（HA）鉴权授权与计账服务器（AAA）,2cdma2000 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，如BSC与MSC的接口、PCF与PDSN及BSC与PCF等。,3分组业务协议栈,（1）常用协议 PPP协议 IPSec协议 隧道协议 传输协议（TCP/UDP）RADIUS协议,（2）cdma2000 1x分组业务的协议栈模型,图7-2 cdma2000 1x分组业务的数据传送协议（简单IP）,图7-3 cdma2000 1x分组业务的数据传送协议（移动IP）,图7-4 cdma2000 1x分组业务的信令及IKE传送协议（移动IP）,7.2.2IP技术在cdma2000 1x中的应用,在IS-95的网络中，一般通过IWF（互通功能）为用户提供分组接入业务，但移动台和IWF之间采用的是电路交换方式，网络资源的利用率比较低。,cdma2000 1x系统的分组域是建立在全IP技术基础上的，引入了真正意义上的分组接入方式。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,图7-5 简单IP接入网络结构,（2）移动IP,图7-6 移动IP接入网络结构,7.2.3cdma2000 1x空中接口,1cdma2000 1x空中接口的协议结构 与WCDMA和TD-SCDMA标准一样，cdma2000 1x的空中接口采用了分层的协议结构，如图7-7所示。,图7-7 cdma2000 1x空中接口协议结构,cdma2000 1x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（Media Access Control，MAC）子层和链路接入控制（Link Access Control，LAC）子层。,cdma2000 1x空中接口的协议分层结构是在开放系统互连参考模型（Open System Interconnect，OSI）的七层基础上合并而来的，高层对应于OSI的37层。各层的主要功能简述如下。,（1）物理层（2）数据链路层（3）高层,表7-1 逻辑信道与物理信道的映射关系,2cdma2000 1x物理信道,cdma2000 1x空中接口与IS-95空中接口一样采用FDD的工作方式，其物理信道完全包括了IS-95系统中的物理信道，又增加了一些新的物理信道以及新的工作模式，保证了2G系统向3G系统的平滑过渡，但相应地增加了复杂度。,cdma2000 1x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。根据是针对多个移动台还是针对某个特定移动台，物理信道分为公共信道和专用信道两大类。下面主要介绍Release C之前的信道。,（1）前向链路物理信道,图7-8 cdma2000 1x前向链路物理信道结构,（2）反向链路物理信道,图7-9 cdma 2000 lx反向链路信道结构,7.2.4系统状态及状态转移,在cdma2000 1x系统中，按照系统状态和状态转移有效地控制系统的执行。在不同的状态下，通信双方处理的物理信道不同，不同状态之间的转移则是由于系统工作的某些条件发生了变化。,从空中接口的协议分层结构来看，对物理层的使用并不是由物理层标准所规定的，而是由物理层以上的高层来定义。,1移动台状态,（1）移动台初始化状态（2）移动台空闲状态（3）系统接入状态（4）移动台业务信道控制状,图7-10 cdma2000 1x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（Mobile Initialization State）又包含4个子状态：系统确定子状态（System Determination Substate）、导频信道捕获子状态（Pilot Channel Acquisition Substate）、同步信道捕获子状态（Sync Channel Acquisition Substate）和定时转换子状态（Timing Change Substate）。,初始化状态中的子状态及其转移关系如图7-11所示。,图7-11 初始化状态中的子状态及其转移关系,（1）系统确定子状态（2）导频信道捕获子状态（3）同步信道捕获子状态（4）定时转换子状态,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如下：,（1）监测寻呼信道；（2）注册；（3）空闲切换；,（4）更新开销信息（系统参数信息、相邻列表消息、信道列表消息、接入参数消息）；（5）寻呼响应；,（6）MS起呼；（7）发送用户消息；（8）移动台功率控制。,4系统接入状态,（1）系统接入状态时各子状态及子状态之间的转移,图7-12 系统接入状态时各子状态之间的转移,（2）随机接入技术,图7-13 接入试探序列过程,图7-14 接入尝试过程,5移动台业务信道控制状态,（1）移动台业务信道状态,图7-15 移动台业务信道状态,（2）呼叫控制状态,图7-16 呼叫控制状态,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,1基本语音呼叫流程,图7-17 移动台主叫的呼叫流程,2分组业务的呼叫流程,（1）分组呼叫状态,图7-18 分组数据会话的状态及状态转移,（2）分组呼叫流程,图7-19 cdma2000 1x数据业务呼叫流程,7.3cdma2000 1xEV-DO,7.3.1cdma2000 1xEV-DO 特点 cdma2000 1xEV-DO 概念开始是由Qualcomm公司于1997年8月向CDMA发展组织（CDMA Development Croup，CDG）提出的高速数据速率（High Data Rate，HDR）技术。,随着技术的成熟，2000年3月，3GPP2成立了针对HDR的工作组并开始标准化工作，1x EV的名称是在制定标准的过程中得到的，同年10月，1x EV-DO的标准获得通过，在TIA/EIA中编号为IS-856，在3GPP2中编号为C.S0024。,2001年12月，cdma2000 1xEV-DO 成为cdma2000家族的一员，为IMT-2000标准之一，由3GPP2命名为高速分组数据（High Rate Packet Data，HRPD）。cdma2000 1xEV-DO 系统中语音和数据业务使用不同的载波。,（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,7.3.2cdma2000 1xEV-DO网络结构,cdma2000 1xEV-DO 网络由接入终端（Access Terminal，AT）、无线接入网（Radio Access Network，RAN）、分组核心网（Packet Core Network，PCN）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7-20 CDMA 1X EV-DO网络结构,1接入终端（AT）,接入终端（AT）是提供给用户数据连接的一种设备，等同于IS-95A/cdma2000 1x系统中移动台（Mobile Station，MS）的概念，用户可以把接入终端作为调制解调器与计算机连接，也可以直接使用支持分组数据业务的接入终端访问分组数据网。,图7-21 接入终端的组成,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 进行业务信息的交互。无线接入网结构如图7-22所示，包括接入网（Access Network，AN）、分组控制功能（Packet Control Function，PCF）和接入网鉴权/授权/计费（AN-Authentication，Authorizationand Accounting，AN-AAA）等功能实体。,A12和A13接口是cdma2000 1xEV-DO新增接口，A8、A9、A10和A11接口的定义与cdma2000 1x中一致。图7-22中，实线连接表示用来传送用户数据；虚线连接表示用来传送信令消息。,图7-22 无线接入网结构,（1）逻辑实体,AN AN-AAA PCF,（2）新增接口,A12接口 A13接口,图7-23 A12接口协议栈,图7-24 A13接口协议栈,3核心分组网,核心网分组域与cdma2000 1x系统中核心网域相同，通过IP网络与多媒体域相连，为终端提供数据业务服务。,7.3.3cdma2000 1xEV-DO空中接口,为解决分组数据的无线传送问题所设计的cdma2000 1xEV-DO 空中接口（Um），主要完成因特网的数据链路层和物理层功能。空中接口（Um）各协议层按功能划分，各协议层之间没有严格的上下层承载关系。,各层协议在时间上可以同时存在，没有严格的先后关系。在数据封装上，业务数据自上而下进行封装，可以跨越部分协议层。,1cdma2000 1x EV-DO空中接口协议,（1）物理层,图7-25 cdma 2000 lxEX-DO空中接口协议栈,（2）MAC层（3）安全层（4）连接层（5）会话层（6）流层（7）应用层,2协议通信方式,图7-26 空中接口协议的通信方式,3cdma2000 1xEV-DO的物理信道,（1）cdma2000 1xEV-DO前向链路的物理信道,图7-27 cdma2000 1xEV-DO前向链路的物理信道,（2）cdma2000 1xEV-DO反向链路物理信道,图7-28 cdma2000 1xEV-DO反向链路物理信道,7.3.4cdma2000 1xEV-DO组网方式,1单独组网2混合组网,图7-29 cdma2000 1x/cdma2000 1xEV-DO 混合组网示意图,（1）升级组网方案（2）叠加组网方案,7.4cdma2000 1xEV-DV,3GPP2在2002年5月通过的DV规范是在IS-2000的基础上，增加了支持高速的前向分组数据信道的内容，可以在1.25MHz的带宽内同时提供语音和高达3.1Mbit/s的前向分组数据业务，反向峰值速率可达153.6kbit/s，版本定为Release C。,Release D版本改进和增强了反向链路，使反向最高速率达到1.8Mbit/s。3GPP2从多方面对cdma2000 1xEV-DV作了基本要求，包括核心网、系统容量和信息数据速率、无线环境、兼容性以及互用性等方面。,1cdma2000 1xEV-DV的基本要求,（1）核心网 cdma2000 1xEV-DV规范应该与ANSI-41核心网标准相兼容。,根据MC MAP（采用多载波和MAP核心网）规范，cdma2000 1xEV-DV规范不排除对GSM MAP核心网的支持并应与之兼容。,（2）系统容量和信息数据速率,支持cdma2000 1xEV-DV的系统应该能够支持下列系统容量和信息数据速率。,对于使用相同扇区配置和语音编码器的无线信道，必须支持同时发生的语音呼叫至少是cdma2000的两倍。,对于任何处于室外高速车载环境的用户，峰值数据速率如下：前向数据传送信道至少达到1.25Mbit/s反向数据传送信道至少达到1.25Mbit/s；前向和反向的要求必须同时满足。,在室外高速车载环境下，满负荷系统每扇区平均数据速率（吞吐量）如下：前向数据传送信道至少达到600kbit/s；反向数据传送信道至少达到600kbit/s；前向和反向的要求必须同时满足。,对于任何处于步行速率环境的用户，峰值数据速率如下：前向数据传送信道至少达到2Mbit/s；反向数据传送信道至少达到2Mbit/s；前向和反向的要求必须同时满足。,对于处于室内静止环境的用户，峰值数据速率如下：前向数据传送信道至少达到2Mbit/s；反向数据传送信道至少达到2Mbit/s；前向和反向的要求必须同时满足。,以上所列的所有要求，均应支持前向和反向信道的对称和不对称模式。,当cdma2000 1xEV-DV工作于3x无线配置时，对于系统性能的要求（峰值和系统均值）应按技术标准发展组规定的方式成比例放大。,（3）无线环境,当基站位置、发送功率和基站天线相同，且移动台具有相同的天线增益时，cdma2000 1xEV-DV规范应能够配置系统，使系统覆盖超过之前的cdma2000标准所能达到的覆盖。,cdma2000 1xEV-DV系统频带范围外的发射应满足与cdma2000 1x系统相同的要求。,cdma2000 1xEV-DV系统应能支持处于移动环境的移动台和固定台设备。,（4）兼容性,cdma2000 1xEV-DV标准应该允许支持cdma2000 1xEV-DV的扇区向一个符合cdma2000标准族之前版本的移动台提供服务。,IS-2000码片速率和频段规划必须支持现有的帧长，但并不排除增加新的帧长。,cdma2000 1xEV-DV标准应该许可使用符合cdma2000标准族之前版本的基站的天线配置。,2新增物理信道,（1）cdma2000 1xEV-DV前向链路物理信道,图7-30 cdma2000 1xEV-DV前向链路物理信道,（2）cdma2000 1xEV-DV反向链路物理信道,图7-31 cdma2000 1xEV-DV反向链路物理信道,3cdma2000 1xEV-DV应用现状,在cdma2000 1x阶段之后，从技术本身讲应该说EV-DV是cdma2000 1x的后续演进阶段，EV-DV也兼容cdma2000 1x。,因此曾经有人想跳过DO，直接到达DV阶段。但是EV-DV是要把语音和数据业务放在同一个载波里面传输，如果提供更高速的数据业务，从技术实现和实际组网上都存在很大难度，该系统距离实际的商用设备还需要很长一段 时间。,小 结,1cdma2000 1x是cdma2000移动通信系统发展的第一阶段。在空中接口部分引入的技术包括前向链路快速功率控制，增加了反向导频信道，前向链路采用发射分集技术，前向链路引入快速寻呼信道，采用Turbo编码，灵活可变的帧长，新的接入方式等。,2基于ANSI-41核心网的cdma2000 1x系统结构核心网电路域与IS-95一样，包括BTS、BSC、MSC/VLR和HLR/AUC等网元。,网络结构中两个新增的模块是分组控制功能（PCF）和分组数据服务器（PDSN），新增的接口为A8、A9、A10、A11。IP技术在cdma2000 1x中获得充分的应用，分为简单IP方式和移动IP方式。,3cdma2000空中接口的协议分层结构是在开放系统互连参考模型（OSI）的7层基础上合并而来的，高层对应于OSI的37层。,cdma2000空中接口的协议结构包括物理层、数据链路层及高层，其中数据链路层又分为媒体接入控制（MAC）子层和链路接入控制（LAC）子层。,4cdma2000 1x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。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。,前向物理信道由适当的Walsh函数或准正交函数进行扩频，并采用了多种分集发送方式来提高容量。在反向链路上，仍然用PN长码来区分不同的用户。,5在cdma2000 1x系统中，系统的状态和状态的转移描述了移动台和基站之间通信的过程。在不同的状态下，系统的不同转移是当移动台和基站的条件发生变化所触发的。,移动台具有4种状态：移动台初始化状态、移动台空闲状态、系统接入状态和移动台业务信道控制状态，各状态间可以相互转换，每种状态拥有相应的子状态。,6在分组呼叫过程中，系统定义了激活态、休眠态、空闲态，3种状态可以相互转移。cdma2000 1x系统中的数据呼叫与语音呼叫有很大的不同，数据呼叫不仅要建立空中接口的无线链路，而且要建立起PPP连接。,分组数据业务的建立过程主要包括3个环节：空中接口无线链路的建立，A接口数据连接的建立，PPP连接的建立。,7cdma2000 1xEV-DO 网络由接入终端、无线接入网、分组核心网等逻辑实体组成。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。,8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。,无线接入网结构包括接入网（AN）、分组控制功能（PCF）和接入网鉴权/授权/计费（AN-AAA）等功能实体。A12和A13接口是cdma2000 1xEV-DO 新增接口，A8、A9、A10和A11接口的定义与cdma2000 1x中一致。,9cdma2000 1xEV-DO空中接口协议由7个协议层组成，从下到上依次为物理层、MAC层、安全层、连接层、会话层、流层和应用层。,空中接口不同协议层之间及对等协议层之间的通信方式包含4类通信接口：消息型接口、命令型接口、指示型接口和公共数据型接口。,10cdma2000 1xEV-DO物理层规定了前反向物理信道结构、输出功率大小、数据封装形式、基带及射频处理方法和工作频点等。,cdma2000 1xEV-DO的前向链路物理信道和反向链路物理信道结构为独立的体系。,11cdma2000 1xEV-DO网络可以单独组网。cdma2000 1x能提供良好的语音业务，cdma2000 1xEV-DO能提供良好的高速分组数据业务。,如果两种网络结构混合组网，将能充分利用原有cdma2000 1x网络的投资，降低cdma2000 1xEV-DO网络规划、建设、优化以及运营等方面的成本。,123GPP2从多方面对cdma2000 1xEV-DV作了基本要求，包括核心网、系统容量和信息数据速率、无线环境、兼容性以及互用性等方面。,作为对cdma2000 1x标准的演进，在同一载波上不仅支持基于电路交换的语音和数据业务，而且还支持基于分组交换的高速数据业务。,cdma2000 1xEV-DV在保留原有物理信道的基础上，新增了两种前向信道和两种反向链路物理信道。,