短距离无线通信实验报告-CDMA接入实验

11.1 引言

移动通信是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之一，也是21世纪对人类的生活和社会发展将有重大影响的科学技术领域之一。

自从1981年第一代以频分多址（FDMA）技术为基础的模拟移动通信系统（AMPS、TACS、NMT等）建立使用以来，蜂窝移动通信市场的发展和需求大大超过了任何乐观人士原有的预测。短短几年内，模拟蜂窝系统就面临着阻塞率增高、呼叫中断率增高、蜂窝系统的干扰增大、蜂窝系统迫切需要增容的压力。但由于模拟蜂窝系统本身的缺陷（例如频率效率低、保密性能差等），系统的设计容量远远不能满足需求。紧接着，1992年以时分多址（TDMA）技术为基础的第二代数字蜂窝移动通信系统（GSM、DAMPS、JDC）相继投入使用。但是在美国，已批准的TDMA标准并没有完全满足美国CTIA（蜂窝通信工业协会）对下一代数字蜂窝技术所设想的要求。特别是在容量上，TDMA系统离这个要求很远。 在这种情况下，以美国Qualcomm公司为首的倡导者，提出了在蜂窝移动通信系统中采用码分多址（CDMA）技术的系统实现方案。1993年Qualcomm公司提出的CDMA技术正式成为技术标准（IS-95标准），并且以IS-95为标准的CDMA商用系统已分别在美国、香港和南韩等国家和地区投入使用，取得了良好的用户反映。目前世界上许多大公司都投入巨资进行CDMA系统的研究、开发和生产。

11.2 基本原理

11.2.1 移动通信发展简史

简要的回顾一下移动通信的发展历史，可以看到现代移动通信的飞跃发展历程： • 1946年AT&T推出了第一个移动电话系统，采用的是FM调制方式，120kHz带宽传输一路话音信号；

• 20世纪60年代中期，Bell System推出了IMTS（Improved Mobile Telecommunication Service），采用FM调制，25～30kHz带宽传输一路话音；

• 20世纪年代末、70年代初开始出现了第一个蜂窝（Cellular）电话系统，蜂窝的意思是将一个大区域划分为几个小区（Cell），相邻的蜂窝区使用不同的频率进行传输，以免产生相互干扰；

• 20世纪70年代末，由于半导体技术的发展和微处理器的出现，使蜂窝系统可以实现的复杂度大大提高，从而进一步推动了蜂窝移动通信技术的迅速发展。在这期间，美国推出了AMPS（Advanced Mobile Phone System）系统，欧洲推出了TACS（Total Access Communication System）系统等可向用户提供商业服务的模拟系统；

• 20世纪80年代初蜂窝移动通信系统已开始了真正的运营实验，实现真正意义上的蜂窝移动通信功能；在此基础上，20世纪90年代初，各国又相继推出了今天称为第二代数字移动通信系统的DAMPS、GSM、IS-95 CDMA系统；

• 20世纪90年代中期以后，随着移动通信系统技术的成熟和运营实践的成功，以及计算机技术的飞速发展和迅速普及，对移动通信系统的业务功能又有了更高的要求，世界上许多国家相继开始研究第三代移动通信系统。

第三代移动通信和个人通信系统需要有更大的系统容量和更灵活的高速率、多速率数据传输能力，除了话音和数据传输外，还能传送高达2Mbit/s的高质量的活动图像，真正实现“任何人、在任何地点、任何时间、与任何人”都能便利的通信这样一个目标。

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11.2.2 码分多址（CDMA）技术

1977年，库珀（R.G.Cooper）和内特尔顿（Nettleton）首先提出利用扩频技术实现CDMA方案，以使蜂窝移动通信系统的频谱效率提高2～5倍。这以成果的发表引起了极大的轰动。

码分多址技术包含两个基本技术：一个是码分技术，其基础是扩频技术；另一个是多址技术。将这两个基本技术结合在一起，并吸收其他一些关键技术，形成了今天的码分多址移动通信系统的技术支撑。

11.2.2.1 扩频技术

从形式上讲，扩频无线通信的发射机和接收机的工作都可以分成两个步骤。第一步我们称为一次调制，主要任务是形成窄带信号Sn。第二步是二次调制，目的是进行()运算。运算的目的是将原有窄带信号的频谱扩展到一个非常宽的频带范围。扩展后的带宽信号记为

Sw。

图11.1 扩频和解扩的过程

在接受端，第一步工作是解扩频。从形式上讲，解扩频运算可以表示为

()()

1第 2 页 共 37 页

这表明，解扩频和扩频是完全一样的运算。换句话说，在解扩频之后，宽带信号Sw被还原成原来的窄带信号Sn，而且用于窄带信号解调的标准方法可以使用。这样做的原因是为了抗阻塞性的噪声干扰。

扩频的一个重要应用是解决在出现有强烈干扰情况下的可靠通信问题，如果我们假定收到信号Sw，同时伴有很强的窄带干扰信号in(t)，则解扩过程的结果可以表达为

(swin)((sn))(in)sn(in)sniw

111这样，解扩频过程就将输入的信号转变成一个有用的窄带信号和若干宽带信号之和。再经过窄带滤波运算F()之后，得到

F(sniw)snF(iw)sniwr

由于带通滤波器的带宽Bn等于窄带信号sn的带宽，因此仅有一小部分干扰信号的能量将通过滤波器，成为残余干扰iwr，这是因为iw带宽Bw远远大于Bn。

图11.1表示了这样一个扩频和解扩频的过程。

从图11.1可以看出，假定参与干扰的功率为P(iwr)iBn，干扰信号的整个功率为

P(iw)iBw，则两者的关系为

P(iwr)BnBwP(iw)1GP(iw)

式中，参数G称为扩频增益，这是扩频系统中一个非常重要的参数，它定义为

GBwBn

处理增益（即扩频增益）这个参数表明在扩频和解扩频的过程中，干扰信号得到多大程度的抑制。对于不同系统的实现方法，iwr的统计值是不同的。

扩频系统的抗干扰能力很早以前已经在军事上得到应用。使用在很大程度上取决于可行的技术水平。

最常用的扩频形式可以使用一个伪随机噪声序列或伪随机码（PN）序列与窄带PSK信号相乘。通常我们将PN序列堪称是一种码子，使用符号c来表示一个PN序列是一个有序的有1（由-1表示）和0（用+1表示）构成的二元码流，其中的1和0由于步承载信息，因此不成为比特而成为码片。比特一词用于承载信息的码流的单位。为了扩频的有效性，码片间隔Tc要远远小于信息比特的间隔Tb。因此，处理增益也可以表示为

GTcTb

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于是，一次调制信号可以表示为

PSKsn(t)b(t)cos0t

运算()表示PSK信号与码字c(t)相乘，即

()sw(t)c(t)sn(t)c(t)b(t)cos0t

根据信号处理中的卷积原理，信号sn(t)和码字c(t)相乘后，sw(t)的带宽由c(t)决定，而且远远大于sn(t)的带宽，这是因为1/Tc1/Tb。由于，于是解扩频运算需要再用码字c(t)相乘一次。于是得到

()c(t)sw(t)c(t)b(t)cos0tsn(t)

12PSK情况下的应用可以直接扩展到QPSK形式，于是可以写出

sw(t)c1(t)b1(t)cos0tc2(t)b2(t)sin0t

其中c1(t)和c2(t)是两个不同的PN序列，b1(t)和b2(t)是两个独立的码流，在QPSK情况下，分别代表同相和正交分量。这样一个信号的复数表示形式为

sw(t)Re[d(t)exp(j0t)]

式中

d(t)dR(t)jdI(t)c1(t)b1(t)jc2(t)b2(t)

在实际应用中，乘积c(t)b(t)可以有一些附加的成分。例如，在IS-95标准中，为了使系统容量最大化，b(t)在扩频之前需要进行卷积编码和附加的调制，比如使用Walsh函数于是，等效的调制数据的形式可以表示为b(t)g(t)W(t)，其中b(t)g(t)W(t)进行正交调制。

代表编码后的信号。IS-95的PN序列使用了长码lc(t)和短码sc(t)的形式。于是，乘积

c(t)b(t)在IS-95情况下变成了lc(t)sc(t)[b(t)g(t)]W(t)。整个信号的解调过程在直接序列

BPSK系统情况下可以实现为用一个对应的序列和相干载波与输入的接收信号相乘，然后在比特间隔Tb内积分。

如果K个相干信号同时发送（比如在蜂窝网中的下行链路），在第K个接收机的判决变

量可以表示为

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Tbdk0K2ckcos0tcibicos0tdti1TbTbk

bkc0ckdtbcciiik0kdtbkTbbiikTb其中，最后一个求和项是多址干扰。ik表示相关函数，定义为

ik1TbTbcci0kdt

11.2.2.2 多址技术

1.多址接入的概念

蜂窝系统向用户提供服务的资源包括空间、时间、频率和编码方式等。一般而言，不同的系统可以使用不同的通信资源（可以看成抽象的信道）来区分通信对象，一个这样的信道只容纳一个用户进行通信，而许多同时通信的用户，互相以不同的抽象信道的形式来区分，这就是多址的概念。蜂窝移动通信系统是一个有多个抽象信道同时工作的系统，同时在下行方向具有广播的特点和大面积覆盖的特点。在利用无线通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式要解决的问题。解决多址接入问题的方法叫多址接入技术。

2.多址接入的方式

从移动通信网的构成可以看出，移动通信系统都有若干个基站和大量的移动台。基站要和许多移动台同时通信，因而基站通常是多路的，有多个信道，而每个移动台只供一个用户使用，是单路的。许多用户同时通话，以不同的通信资源相互分隔，防止相互干扰。同时，各用户信号通过在射频波道上的复用，从而建立各自的通信信道，以实现双边通信的连接称为多址接入。多址接入方式是移动通信网体制范畴，关系到系统容量、小区构成、频谱和信道利用率以及系统复杂性。

多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。无线电信号可以表达为空间、时间、频率和码型的函数，即可写作

s(c,f,t)c(t)s(s,f,t)

式中，c(t)是码型函数；s(s,f,t)是空间s、时间t和频率f的函数。

当以传输信号存在的空间不同来区分信道建立多址接入时，称为空分多址（SDMA）方式；当以传输信号的载波频率不同来区分信道建立多址接入时，称为频分多址（FDMA）方式；当以传输信号存在的时间不用来区分信道建立多址接入时，称为时分多址（TDMA）方式；当以传输信号的码型不同来区分信道建立多址接入时，称为码分多址（CDMA）方式。在实际应用中，上述几种多址方式可以结合使用。比如GSM系统就结合了FDMA和TDMA技术，同时它也利用了空分复用（SDM）技术。SDM即在相同的频率、同一时刻、空间上相隔足够远的两个小区就可以避免相互干扰，这也是蜂窝移动系统的一个基本出发点。此外，天线的扇区化，也是空分复用的一个很好的应用，广泛应用于移动通信系统中。CDMA技术和频分复用（FDM）和时分复用（TDM）技术共同使用，可以达到更好的技术效果。

图11.2分别给出了N各信道的FDMA、TDMA和CDMA的示意图

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图11.2 FDMA、TDMA、CDMA示意图

3.码分多址的实现原理

码分多址是使用一组正交（或准正交）的码组通过相关处理来实现多个用户共享空间传播的频率资源和同时入网接续的功能。

码分多址采用扩频技术。扩频技术的概念就是把原始信息的带宽变换成带宽宽得多得类噪声信号。

在发端，有用信号经扩频处理后，频谱被展宽；在收端，利用伪码的相关性作解扩频处理后，有用信号频谱被恢复成窄带谱。宽带无用信号与本地伪码不相关，因此不能解扩频，仍为宽带谱；窄带无用信号则为本地伪码所扩展成为宽带谱。由于无用的干扰信号为宽带谱而有用信号为窄带谱，我们可以用一个窄带滤波器排除带外的干扰电平，于是窄带内的信噪比就大大提高了。

11.2.2.3 码分多址和其他多址方式的比较

目前在移动通信中应用的多址方式有：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）以及它们的混合应用方式等，由于SDMA一般不单独使用，而是和其他多址方式结合使用，下面重点介绍前三种多址方式。

1.频分多址（FDMA）方式

（1）FDMA系统原理

频分多址为每一个用户指定了特定频率信道，这些信道按要求分配给请求服务的用户。在呼叫的整个过程中，其他用户不能共享这一频段。

（2）FDMA系统的特点

——每信道占用一个载频，相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽的要求。为了在有限的频谱中增加信道数量，系统均希望间隔越窄越好。每个信道的每一载波仅支持一个电路连接，也就是说FDMA通常在窄带系统中实现。

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——符号时间与平均延迟扩展相比是很大的。FDMA方式中，每信道只传送一路数字信号，信号速率低，一般在25kbit/s以下，远低于多径实验扩展所限定的100kbit/s，所以在数字信号传输中，由码间干扰引起的误码极小，因此在窄带FDMA系统中无需自适应均衡。

——基站复杂庞大，重复设置收发信设备。基站有多少信道，就需要多少部收发信机，同时需用天线共用器，功率损耗大，易产生信道间的互调干扰。

——越区切换较为复杂和困难。因在FDMA系统中，分配好语音信道后，基站和移动台都是连续传输的，所以在越区切换时，必须瞬时中断传输数十至数百毫秒，以把通信从一频率切换到另一频率上去。对于话音，瞬时中断问题不大，对于数据传输则将带来数据的丢失。

2.时分多址（TDMA）方式 （1）TDMA系统原理

时分多址是在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。

（2）TDMA系统的特点 ——突发传输的速率高，远大于语音编码速率，每路编码速率设为R bit/s，共N个时隙，则在这个载波上传输的速率将大于NR bit/s。这是因为TDMA系统中需要较高的同步开销。同步技术是TDMA系统正常工作的重要保证。

——发射信号速率随N的增大而提高，如果达到100kbit/s以上，码间串扰就将加大，必须采用自适应均衡，用以补偿传输失真。

——TDMA用不同的时隙来发射和接收，因此不需要双工器。即使使用FDD技术，用户单元内部的切换器，就能满足TDMA在接收机和发射机间的切换，而不使用双工器。 ——基站复杂性减小。N个时分信道共用一个载波，占据相同带宽，只需一部收发信机，互调干扰小。

——抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大。

——越区切换简单。由于在TDMA中移动台是不连续的突发式传输，所以切换处理对一个用户单元来说，是很简单的，因为它可以利用空闲时隙检测其他基站，这样越区切换可在无信息传输时进行。因而没有必要中断信息的传输，即使传输数据也不会因越区切换而丢失。

3.码分多址（CDMA）方式 （1）CDMA系统原理

码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。CDMA系统的地址码相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠、系统的接收端必须有完全一致的本地地址码，用来对接收的信号进行相关检测。其他使用不同码型的信号，因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。

（2）CDMA系统的特点

CDMA系统的许多用户共享一个频率。不管使用的是TDD（Time Division Duplex，时分双工）还是FDD（Frequency Division Duplex，频分双工）技术，都具有一下特点。 ——通信容量大。理论上讲，信道容量完全由信道特性决定，但实际的系统很难达到理想的情况，因而不同的多址方式可能有不同的通信容量。CDMA是干扰限制性系统，任何干扰的减少都直接转化为系统容量的提高。因此一些能降低干扰功率的技术，如话音激活（Voice Activity）技术等，可以自然的用于提高系统容量。 ——容量的软特性。TDMA系统中同时可接入的用户数是固定的，无法再多接入任何一个用户，而DS-CDMA系统中，多增加一个用户只会使通信质量略有下降，不会出现硬阻塞现象。

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——由于信号被扩展在一个较宽的频谱上而可以减小多径衰落。如果频谱带宽比信道的相关带宽要宽，那么固有的频率分集将减少小尺度衰落的作用。

——在CDMA系统中，信道数据速率很高，因此码片（chip）时长很短，通常比信道的时延扩展小得多。因为PN序列有低的自相关性，所以大于一个码片宽度的时延扩展部分，可受到接收机的自然抑制。另一方面，如采用分集接收最大比合并技术，可获得最佳的抗多径衰落效果。而在TDMA系统中，为克服多径造成的码间干扰，需要用复杂的自适应均衡，均衡器的使用增加了接收机的复杂度，同时影响到越区切换的平滑性。

——平滑的软切换和有效的宏分集。DS-CDMA系统中所有小区使用相同的频率，这不仅简化了频率规划，也使越区切换得以完成。每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送相同的信号，移动台的分集接收机能同时接收合并这些信号，此时处于宏分集状态。当某一基站的信号强于当前基站信号且稳定后，移动台才切换到该基站的控制上去。这种切换可以在通信的过程中平滑的完成，称为软切换。

——低信号功率谱密度。在DS-CDMA系统中，信号功率被扩展到比自身频带宽度宽百倍以上的频带范围内，因而其功率谱密度大大降低。由此可得到两方面的好处：其一，具有较强的抗窄带干扰能力；其二，对窄带系统的干扰很小，有可能与其他系统共用频段，使有限的频谱资源得到更充分的使用。

11.2.3 CDMA标准体系

CDMA系统的最大特点是组成的各模块按照自己的技术发展道路向前演进。这与全球移动通信系统（GSM）和宽带码分多址（WCDMA）的体系结构完全不同。GSM和WCDMA的体系结构强调的是全系统统一的发展。这种差别的具体体现就是GSM和WCDMA有一个全系统统一的发展阶段，而CDMA系统没有。

CDMA系统的这种方式的优点在于它的平滑演进能力。在大多数情况下，组成系统的各个部分技术发展速度是不一样的。当某个部分有重大技术进步时，可以仅修改相关部分，而其他部分尽量保持不变。图11.3是简化的CDMA（此处的CDMA系统特指使用IS-95技术的码分多址移动通信系统。下同。）和CDMA2000系统参考模型。此图描述了CDMA和CDMA2000系统主要组成部分和它们之间的关系，一些非关键性的内容被简化了。 1.无线部分

包括基站控制器（BSC）、基站收发信系统（BTS）。其中BTS主要负责收发空中接口的无线帧：BSC主要负责对其所管辖的多个BTS进行管理，将话音和数据分别转发给移动交换中心（MSC）和分组控制功能（PCF），也接收分别来自MSC和PCF的话音和数据。该部分为基本配置。

PCF主要负责与分组数据业务有关的无线资源的控制。它是CDMA2000系统中为了支持分组数据而新增加的部分，因此，它也可以看作分组域的一个组成部分。但大多数厂商在开发产品的时候，将它与BSC做在一起，所以，这里将它放在无线部分中。

2.核心网电路域

核心网电路域包括MSC、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AC）等，在这部分，CDMA2000的要求与CDMA的要求基本相同。

到目前为止，智能网主要用于控制电路域的业务，在本文中为了便于描述而将其从电路域中独立出来。 3.核心网分组域

核心网分组域包括PCF、分组数据服务节点（PDSN）、认证、授权和计费（AAA）和归属代理（HA）。

其中PCF负责与BSC配合，完成与分组数据有关的无线信道控制功能。PDSN负责管

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理用户通信状态，转发用户数据。AAA负责管理用户，包括用户权限、开通的业务等信息。目前，AAA采用的主要协议为远程鉴权拨号用户业务（RADIUS），所以在某些文件中，AAA也可以直接叫做RADIUS服务器。

图11.3 简化的CDMA和CDMA2000系统参考模型

当使用简单因特网协议（IP）时，分组域包括PCF、PDSN和RADIUS。该部分为基本配置。

当使用移动IP协议时，分组域还应在简单IP基础上，增加HA。HA负责将分组数据通过隧道技术发送给移动用户，并实现PDSN之间的宏移动管理。同时，PDSN还应增加外地代理（FA）功能，负责提供隧道出口，并将数据解封装后发往移动台。

4.智能网部分

包括MSC/业务交换点（SSP）、IP、业务控制节点（SCP）等。在这部分，CDMA2000的要求与CDMA系统的要求基本相同。由于智能网本身的技术进步，这部分将逐渐发展到第二阶段和第三阶段。但这种发展独立于无线接口技术的发展。换句话说，新的智能网技术可以用于CDMA系统，也可以用于CDMA2000系统。

5.短消息中心

在这部分，CDMA2000的要求与CDMA的要求基本相同。但是对短消息业务来说，由于CDMA2000无线技术的性能改善，短消息系统的容量可以变大，短消息传输的时延可以降低。

6.无线应用协议（WAP）网关

在这部分，CDMA2000的要求与CDMA的要求基本相同。同样原理，由于CDMA2000无线技术的性能改善，用户可以明显的感到速度加快，时延降低。

7.定位

在这部分，CDMA2000的要求与CDMA的要求基本相同。

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图11.4 CDMA和CDMA2000系统发展演进和性能提高的过程

IS95A是CDMA标准系列中第一个商用的标准。大约在1995年下半年，我国香港的CDMA网络成为全世界第一个开通的CDMA商用网络。从技术角度来说，IS95A完全是一种第二代移动通信技术，它主要支持语音业务。

IS95A商用几年后，市场对数据业务的需求逐渐显现出来。在这种条件下，美国电信工业协会（TIA）制定了IS95B标准。IS95B通过将多个低速信道捆绑在一起来提供中高速的数据业务。但是，从技术角度来说，IS95B并没有引入新技术，所以通常将IS95B也作为第二代移动通信技术。

在上世纪的最后一两年里，第三代移动通信技术的发展呈现加速发展的趋势。在国际电信联盟（ITU）中，第三代移动通信技术被分为多种模式，其中IMT-2000 MC模式，即CDMA2000技术，是IS95技术的演进和发展。按照使用的带宽划分，CDMA2000技术有多种工作方式。其中独立使用一个1.25MHz载波的方式叫做CDMA2000 1x。将三个1.25MHz载波捆绑在一起使用的方式叫做CDMA2000 3x。

目前，国际上商用的CDMA2000系统都采用CDMA2000 1x技术。虽然理论上存在3x系统，但在这个领域开展的研究很少。本实验中所使用的FD5105 CDMA无线模块，采用的就是CDMA2000 1x协议。

由于采用了一系列新技术，例如反向导频、前向快速功控、Turbo码和传输分集发射等，相比于IS95技术，CDMA2000技术大大提高了系统的性能。从理论分析结果来看，如果用于传输语音业务，CDMA2000 1x的系统的总容量是IS95系统的2倍（实际现场实验表明大致是IS95系统的1.5～1.7倍）；如果传送数据业务，CDMA2000 1x的系统总容量是IS95系统的3.2倍。尽管这样，CDMA2000 1x系统所能提供的传输速率还是远不能达到3G技术所要求的标准（2Mbit/s），因此，普遍上认为CDMA2000 1x属于2.5代技术。

现今国际上的研究重点是1x演进（1x EV）系统。1x EV系统分为两个阶段，即1x演进数据业务（1x EV-DO）和1x演进数据话音业务（1x EV-DV）。DO是Data Only的缩写，1x EV-DO通过引进一系列新技术，提高了数据业务的性能。DV是Data and Voice的缩写，1x EV-DV同时改善了数据业务和语音业务的性能。从图11.4中，我们可以看出，1x EV系统已经可以满足对3G技术的基本要求。通常我们所说的属于3G技术的 CDMA2000系统，即指的是CDMA2000 1x EV系统。

11.2.4 IS-2000标准概况

IS-2000指的是采用CDMA2000技术的接口标准或规范，它定义了一个移动台和基站子系统之间的接口。IS-2000和IS-95一样，属于IS（Interim Standard）系列标准，是由美国的电信/电子工业协会制定的，后来被3GPP2接受。在本书中，以IS-2000来表示CDMA2000

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的空中接口标准。

图11.5 IS-2000体系的结构

11.2.4.1 物理层

如图11.5所示，CDMA2000的物理层处于其体系结构的最底层，它通过各种物理信道（详见附录），完成高层信息与空中无线信号间的相互转换；几乎CDMA2000的所有特点和优点都通过它来保证并体现，它是这种无线通信系统的基础。

CDMA2000物理层的关键性特征包括： （1）多种射频信道带宽

射频信道带宽可为NΧ1.25MHz，其中，N=1、3、6、9或12，也即可选择的带宽有1.25MHz、3.75 MHz、7.5 MHz、11.25 MHz和15 MHz，但IS-2000仅支持前两种带宽（1.25 MHz和3.75 MHz）

（2）两种扩展技术——多载波（MC，Multi-Carrier）和直接扩谱（DS，Direct Spread） 在MC方式中，编码和交织后的调制符号可多路分解到N各1.25 MHz的载波上，每个载波的码片速率仅为1.2288Mchip/s，结果在整个传输带宽上能有效的扩展信号。与MC方式相对应的是DS方式，调制符号的码片速率为NΧ1.2288Mchip/s（N=1、3、6、9或12），但这么高码片速率的扩展信号都在一个载波上调制，当然，这个载波的带宽为NΧ1.25 MHz。

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因为IS-95的扩展信号带宽为1.25 MHz，所以多载波可以覆盖N个相邻的IS-95载波。

CDMA2000前向链路支持DS和MC两种方式，反向链路仅支持DS方式。 （3）前向链路的快速功率控制

——移动台在检测了前向链路的Eb/N0后送出功率控制比特； ——功率控制信道与反向导频信道时分复用；

——为了避免编码、成帧和解码造成的时延，功率控制比特不用编码； ——发送功率控制比特的速率是固定的，为800bit/s。 （4）前向链路的发射分集

前向链路采用的发射分集方式有三种：

——多载波发射分集（MCTD，Multi-Carrier Transmit Diversity）：对于MC方式，不同的载波可映射到不同的天线上；

——正交发射分集（OTD，Orthogonal Transmit Diversity）：对于DS方式，可以通过分离数据流，采用正交序列扩展两个数据流来完成；

——空时扩展（STS，Space Time Spreading）：对于DS方式，通过对数据流进行空时编码，采用两个不同的Walsh码进行扩展，并发送到两个天线上。

（5）Turbo编码

对较高速率的信道，用Turbo编码比起传统的卷积码来，其对Eb/N0的要求更低。因此，Turbo编码用在高速率信道，卷积码用在公共信道和低速率信道中。

（6）导频辅助

不仅前向链路使用公共导频信道，反向链路中还为每个业务信道都配备了一个导频信道，这有别于IS-95技术。

（7）反向链路相干解调 （8）增强信道结构

（9）灵活的帧长（交织器的时间跨度）

CDMA2000支持5ms、10ms、20ms、40ms和80ms的帧。交织器的时间跨度时由时延、交织器内存的要求和Eb/N0的要求权衡而得到的。较短的帧长可以减少端到端的时延，而对较长的帧而言，帧头占的比重小，要求的Eb/N0也将减小。

（10）可选择的长交织器。

CDMA2000物理层规范详细定义了CDMA2000系统前向和反向链路的信道结构和各种参数设置。相关的CDMA2000信道结构的知识可以参阅相关书籍，在此就不多做说明了。

11.2.4.2 第二层协议

CDMA2000技术中的第二层协议是在第三层信令应用与物理层无线链路之间的桥梁，实现了高层信令与业务向物理信道的映射与复用。同时，为信令和业务数据提供一定的服务质量保证机制，并且完成信令信息的寻址、鉴权等功能。

CDMA2000的第二层协议包括两个协议层次：媒体接入控制子层（MAC）和链路接入控制子层（LAC）。其中，MAC子层完成了信令和业务数据的复用和QoS控制，LAC子层则完成了信令信息的打包、分割、重装、寻址、鉴权以及重传控制。

具体来说，CDMA2000的第二层协议设计体现了如下的需求： 1）支持广泛的高层业务的要求；

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2）为数据业务在宽范围（1.2kbit/s到2Mbit/s以上）内提供高效率及低延时的服务； 3）支持电路和分组交换数据业务的不同QoS的传递能力；

4）需要支持多种同时发生的多媒体业务——每种业务都有不同的QoS需求。 对于这些要求的实现，在实际操作上则由MAC和LAC两个子层完成。 1.MAC子层

IS-2000引入MAC层时为了适应更多的带宽以及处理更多种类业务的需要；它支持一个通用的多媒体业务模型，在空中接口容量范围内，允许话音、分组数据和电路数据业务的组合且同时工作。CDMA2000还采用了QoS控制机制用来平衡并发的多个业务的不同QoS要求。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，及时的向物理层中特定信道发送数据或从那里接收数据。

IS-2000的MAC子层主要有下面两个重要的针对逻辑信道的功能：

1）“尽力发送”（Best Effort Delivery）：由于无线链路协议（RLP，Radio Link Protocol）提供“尽力”级别的可靠性，在无线链路上适度可靠的传输；

2）复用（Mux）和QoS控制：通过协调由竞争业务产生的有冲突的请求，以及为接入请求安排合适的优先级，来确保实施协商好的QoS级别。

MAC子层还要完成具体的逻辑信道和物理信道的映射转换，尽管这个映射可能在MAC层以上的层中就已经定义了，但最终的转换过程是在MAC层和物理层之间发生的。

图11.5中示出了MAC子层的层次结构，其中包含三个主要部分。其中，复用与QoS保证子层完成上述MAC子层的第二项功能，而信令无线突发协议（SRBP）和无线链路协议（RLP）两个子层则分别完成了信令信息和业务信息的“尽力传送”功能，保证信令和业务的传送。

在MAC子层的服务接口中，为了支持多媒体业务能力，有必要将空中接口的抽象功能描述分解成准确定义的功能实体，并定义MAC子层各实体与其他实体间的功能服务接口。每个功能实体由以下两部分描述：

1）一系列服务接口原语：对应某个事件，作为一个功能实体的触发；

2）一系列动作：功能实体在某个状态遇到一个有效的原语时所需进行的。 原语类型 Request Confirm Indication Response 源 服务用户 服务提供者 服务提供者 服务用户 目的地 服务提供者 服务用户 服务用户 服务提供者 请求某种服务或资源等 作用 对一种请求原语做出响应（主动或被动） 指示数据已到达或对应于一个服务用户的事件已发生 对指示原语进行确认 表11.1 服务接口原语类型 表11.1中所列出的服务原语的类型，只是服务原语中的一个要素。一个完整的服务原语应包括服务提供者、原语名称、原语类型及原语参数四大部分。其具体写法如下所示：

RX-Primitive.Primitive_Type（参数）

其中，RX——服务提供者实体的缩写（其中MAC代表MAC子层，PHY代表物理层，

SDBTS代表短数据突发业务）； Primitive——达到服务提供者或从服务提供者发出的特定原语的名称； Primitive_Type——表11.1中特定的原语的类型；

Primitive_Type——原语的一系列参数（可选）（如信道数）。

例如，一条请求MAC子层传数据的原语，其具体变量为数据、大小，可表达如下： MAC-Data.Request（类型，数据，大小） （MAC子层发送和接收的主要原语详见附录）

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2.LAC子层

在CDMA2000的协议层次结构中，LAC子层位于MAC子层之上，为第三层协议提供 通过物理层无线信道可靠传输信令信息的机制（图11.6）。为了实现这一目的，LAC子层共定义了五个子层，包括：鉴权子层、ARQ子层、寻址子层、功用子层和分割与重装子层。

这些控制子层为信令信息在不同的物理信道上传输提供了信令信息的打包、分割与重装、鉴权与寻址，以及重传控制等功能。

LAC子层为高层提供信令服务，它与高层之间的服务数据单元（SDU，Service Data Unit）在它内部和LAC协议数据单元（PDU，Protocol Data Unit）相互转换，最后再经过分割或重新组装成PDU与MAC层交换。

当高层信令数据穿过LAC子层时，它要经过不同协议子层的处理，这些处理又按不同的逻辑信道划分而不同。如图11.7所示，当信令通过LAC层时，每一子层都一次对它进行处理，只是处理的数据区域各有不同，所起的作用也各有分工。

图11.6 LAC信令在IS2000信令总体结构中所处的位置

• 鉴权子层：

用于接入信道，完成一定的鉴权功能（另外还有的鉴权功能在第三层完成）。它将MS鉴权数据设置好加入到SDU的特定区域中。 • ARQ子层

和对等实体中的ARQ子层一起工作，为逻辑信道提供SDU的可靠传输，并排除重复的发送。它主要采用的手段包括：顺序号、证实机制和重发等。ARQ子层为高层提供确认发送（Assured Delivery）和非确认发送（Nonassured Delivery）两种服务：

• 寻址子层

只用于公共信道上，它所管理的数据区域提供了对特定MS的标识，以便消息能被相匹

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配的MS接收。

• 共用子层（Utility Sublayer）

该子层对LAC PDU进行打包和拆包。它所要管理的数据区域有：消息类型（用来区别消息所起的作用）；LAC长度（用来指示PDU中的数据长度）；扩展加密域（用来支持消息加密）；无线环境报告（报告对时间敏感的传播参数，例如MS报告所测导频强度）；以及填充bit（用于byte对齐）。

• SAR子层

该子层在发送时，给LAC PDU加上长度指示和CRC；然后将处理后的PDU切成适合MAC层处理的数据片。在接收时，SAR合并低层来的数据片，并进行CRC校验。

图11.7 LAC层数据单元的处理

（SAP：Service Access Point，服务接入点）

11.2.4.3 第三层协议

IS-2000协议的第三层，指在LAC层协议之上所定义的部分。该层协议侧重于描述系统的控制消息的交互，也就是信令的交互。第3层通过第2层提供的服务，利用各种逻辑信道，按照该通信协议规定的语法和定时关系发送和接收BS和MS之间的信令消息，来完成一些基本的承载业务，在此基础之上，高层再实现特定的应用服务。

IS-2000除了传统的话音业务之外，还支持分组数据业务和电路数据业务。为了支持分组/电路数据业务，IS-2000的第3层在IS-95的第3层的基础之上，又扩充了许多响应的消息/信令，它们的使用是与新增加的各种物理信道的使用紧密相关的；此外还扩充了关于切换方面的消息和提供层次化的位置服务（Tiered Services）的消息。要想深刻的理解IS-2000提供的业务，就必须了解与之有关的信令。

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11.2.4.3.1 IS-2000协议中第3层信令的结构

1.信令结构

IS-2000的第3层信令的结构是由这样两个模块处理完成的：第一个模块的任务使组成第3层协议层的协议数据单元（PDU），然后将其封装传送给第2层处理，或者反过来接收第2层的业务数据单元（SDU），然后解封装在第3层进行处理；第二个模块的任务是业务接入点的处理。

2.与第2层的接口

IS-2000的第3层与第2层间的接口是业务接入点（SAP）。在数据平面中定义业务接入点（SAP）和相关原语，以及在SAP上的第2层与第3层通过原语交换SDU和按消息控制与状态块（MCSB）形式说明的协议控制信息。

MCSB是一个为原语而定义的参数块，它包含与第3层PDU相关的信息，包括SDU类型、PDU长度、是否需要第2层确认、是否需要鉴权、消息地址标识、是否需要发送通知等等，以及指明消息应怎样被第2层处理的指令。 接口原语包括以下五条：

-L2-Data.Request（传递PDU给第2层，以通过空中接口发送出去） -L2-Data.Confirm（收到对方信令第2层的PDU确认）

-L2-Data.Indication（传递PDU至第3层）

-L2-Condition.Notification（向第3层报告检测到的相关事件，如异常）

-L2-Supervision.Request（执行第3层的控制命令，如放弃重发、第2层复位） 第3层使用第2层提供的业务传送和接收PDU。在传送时，第3层将在MCSB中指明执行确认模式还是非确认模式，对于确认模式，第3层可指定是否需要往回发送证实或确认（ACK）。第2层保证所收到的第3层确认模式PDU的可靠发送，如果不能则发回失败指示，以便第3层做出处理；第2层不保证所收到的第3层非确认模式PDU的可靠发送，但第3层可以请求第2层在接收方重复性检测允许范围内多次重发PDU，以增加发送成功的概率。另外，第3层可以请求第2层执行ARQ过程的复位。

11.2.4.3.2 IS-2000协议中的第3层信令协议

1.第3层协议体系描述

从第3层协议体系来说，主要描述了这样一些内容：首先定义了信令的结构和与第2层的接口；然后描述了CDMA模式下移动台MS的信令处理和操作，具体为：安全和识别、第3层的信令消息处理（包括MS初始状态、MS空闲状态、系统接入状态、移动台控制和业务信道状态）、登记（也称注册）、切换过程以及MS的PDU格式；还描述了CDMA模式下基站BS的信令处理和操作，具体为：安全和识别、监控、第3层的信令消息处理（包括导频和同步信道处理、公共信道的处理、接入信道和增强的接入信道的处理、业务信道的处理）、注册、切换过程、CDMA的捆绑业务、呼叫控制过程以及消息的PDU格式。

这是一个相当庞大的协议体系，本书不可能一一详述，仅从信令流程角度做简要介绍。

2.第3层协议消息流程及操作原理

IS-2000协议中第3层的信令消息有很多，作用也很复杂，为了便于理解，大致可以按照MS开机、发起呼叫、建立连接、连接过程中发生切换的线索来概括的描述第3层提供业务时有关的消息及其交互。

（1）MS状态转移流程

MS的基本工作状态转移流程如图11.8所示。图中，MS的初始化状态又可分为四个基本的子状态，如该图右半侧所示。

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图11.8 IS-2000中MS的基本工作状态转移

（注：本图中未画出所有的状态转移）

当符合IS-2000兼容标准的MS上电后，首先进入MS初始化状态，在此状态中，MS选择并捕获一个系统，当选择CDMA系统时，MS将尝试捕获CDMA系统；当选择模拟系统时，MS将尝试捕获模拟系统。更具体的说，当MS上电后，它应产生上电指示（Power-up Indication），进入MS初始化状态中的确定系统子状态（System Determination Substate）。

在确定系统子状态中，由于MS进入该状态的原因的不同，所采取的操作也会不同。通常，上电后进入该子状态后要将一些系统变量复位，而其他一些情况下则不复位。MS上电后将采用自己内部定义好的系统选择准则来选择系统，而这个准则是存储在MS中的，可以由用户自己按需要通过菜单来设置，也可以是终端制造商设置的缺省值。例如可以决定只选CDMA（或模拟）系统；或优先选CDMA（或模拟）系统；或只选800MHz（或1.8GHz）频段CDMA系统；或优先选800MHz（或1.8GHz）频段CDMA系统；等等。确定了选择顺序后，MS就根据该顺序依次设置自己的参数，准备对目标系统进行搜索和捕获。

MS除了采用自己内部定义的系统选择准则之外，还可以接收已经捕获的系统所发的参数来改变自己的系统选择方式，例如Service Redirection Message中的参数。当然，如果MS收到Extended Neighbor List Message或General Neighbor List Message时，在邻区列表（Neighbor List）中发现有不同于当前所指配频率的导频，MS可以去选择包括了这些相邻导频的CDMA系统。当MS选择了CDMA系统后，它就转入导频信道捕获子状态。 在导频信道捕获子状态中，MS要在一定的时间内，按照所选的CDMA信道号进行搜索，如果超过时间限制，无论是否捕获成功，都应产生捕获失败指示，然后返回到确定系统子状态。如果导频信道在规定时间内捕获成功，则MS转入同步信道捕获子状态。

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进入同步信道捕获子状态后，MS调整其解调器的Walsh函数到同步信道所对应的值上，开始对同步信道进行解调。当MS在一定时间内未能收到一个有效的Sync Channel Message消息，则MS必须产生捕获失败指示，返回确定系统子状态。如果MS在一定时间内收到了有效的Sync Channel Message消息，但却发现自身所支持的协议版本和BS所支持的协议版 本不匹配，或无法使用BS提供业务，则MS返回确定系统子状态。而当MS所支持的协议版本级别大于或等于BS所支持的最小协议版本级别时，则MS从同步信道消息中提取并存储系统的基本参数，包括系统标识、网络标识、导频PN序列偏置索引、寻呼信道速率、是否支持1x或3x，等等；以及定时信息，包括长码状态值、系统时间、闰秒数量、夏令时指示等。有了这些参数，MS要根据它们对自己存储的一些变量进行初始化，然后转入定时改变子状态。

在定时改变子状态中，MS主要完成两项工作：一个时利用从同步信道消息中提取出来的长码状态值设置自己的长码发生器；另一个是使自己的系统时间与所提取的系统时间同步。由于同步信道的消息发送与系统定时严格对齐，这样就使得MS可以把自己的长码发生器状态与整个系统的长码状态（在考虑传输时延的影响下）对齐，在此基础之上，MS就可以转入空闲状态，调制和解调那些通过长码扩频或扰码的物理信道了。必须注意，同步信道使未经过长码扰码的，所以MS在捕获了导频信道后就可以对它解调了。

在空闲状态中，MS主要监听在f-csch上的消息（注：有关CDMA系统物理信道的相关知识，请参阅附录中相关部分。下同。）；除了接收一些系统开销参数消息外，当MS在F-PCH或F-CCCH上收到需要确认或响应的消息时，或者检测到用户要发起呼叫时，或者需要注册时，MS转入系统接入状态。

进入系统接入状态后，MS在r-csch上给BS发消息，并在f-csch上接收来自基站（BS）的消息，当收到BS对起呼消息或寻呼响应消息的确认后，MS应转向控制业务信道状态；在收到其他对R-ACH或R-EACH上发送消息的确认后，应返回空闲状态。

MS进入控制业务信道状态后，通过f/r-dsch和f/r-dtch与BS通信，通信结束后转入初始化状态。

（2）有关用户业务的信令消息流程

在IS-2000斯3层中，比较重要的几类控制信令流程包括：MS起呼、MS被呼等等。 这部分在实验中的“信令仿真”部分有详细的软件仿真过程，在此就不赘述了。 （3）切换中的控制信令流程

这里所说的切换是指与业务信道相关的切换。当MS将它与某BS所建立的通信连接转移到另外的BS上时，就发生了切换。在CDMA2000中，由MS辅助的切换包括的步骤通常有：MS搜索新的BS（工作于本系统内同频带的、或本系统内不同频带的、甚至不同的系统的）；MS向当前的BS报告搜索结果；当传输条件满足且网络支持时，BS指示MS切换到新的BS上。下面对CDMA2000中几种切换的类型分别进行介绍。

① 软切换

软切换（Soft Handoff）是CDMA系统中的一个重要概念，软切换是指MS在中断与原来BS的业务通信之前，和工作在相同频点的另一BS建立起业务连接，通常这发生在同一运营商的CDMA系统内。另外，我们还常常把分扇区的小区内扇区之间的切换定义为更软切换（Softer Handoff），即在同一个BSC控制下的同一个BTS间的不同扇区间的软切换。

图11.9给出了CDMA软切换和更软切换的示意图。

在IS-2000的切换过程中还定义了导频集的概念（图11.10）：

——有效导频集（有时也称激活导频集和工作导频集）：与分配给MS前向信道所对应的导频。

——候选导频集：目前不在有效集（激活集）内，但已有足够的导频强度，MS可以成

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功解调出的前向信道的导频。

——相邻导频集：不在目前有效导频集和候选导频集内，但能作为切换候选的导频。 ——剩余导频集：不包含在有效导频集、候选导频集、相邻导频集内的系统的所有其他导频。

图11.9 CDMA软切换和更软切换的示意图

图11.10 导频集的示意图

CDMA系统之所以能够进行软切换是因为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。

切换是靠MS测量不同基站的导频强度，并将测量结果报告给BS，由基站按一定算法实现的。

IS-2000/IS-95B使用了一种不同于IS-95A的软切换方式，它的消息交互如图11.12所示。 图中，各时刻（标为1～8）所对应的消息交互依次如下：

——导频P2超过T_ADD，但尚未到达动态门限，MS将P2加入候选集。 ——P2超过动态门限（动态门限由相关算法决定），MS将此通过消息（Pilot Strength Measurement Message）向BS报告。

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图11.11 RAKE示意图

图11.12 软切换消息交互举例

——MS收到将P2加入激活集的切换指示消息（Extended Handoff Direction Message、General Handoff Direction Message或Universal Handoff Direction Message），完成后向BS发送Handoff Completion Message。

——P1降到动态门限一下，MS启动切换去掉定时器。

——切换去掉定时器超时，MS发送Pilot Strength Measurement Message向BS报告。 ——MS收到切换指示消息（Extended Handoff Direction Message、General Handoff Direction Message或Universal Handoff Direction Message），将P1移入候选集，并发送Handoff Completion Message。

——P1降低到T_DROP以下，MS启动切换去掉定时器。

——切换去掉定时器超时，MS将P1从候选集中移入相邻集。

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相比IS-95A而言，这种切换流程有较多改进，最主要的有：在使用静态门限（T_ADD和T_DROP）之外，还使用了动态门限，从动态门限的计算方法可以看出，它衡量的时各导频之间的相对量，也就是它们对MS解调所起作用中各占多大的比例，这样就可以更为准确的判断软切换的最佳时机。另外，在IS-65A中，切换完成后，直接将导频从激活集中转到相邻集中；而改进后的流程则将导频转入候选集中。这些新的手段的采用，将减少由于环境的不稳定因素造成的MS在小区边缘过于频繁的来回切换（也称“乒乓效应”），从而减少系统软切换消息交互的负载，提高服务质量和系统可靠性。

上面所举的这个例子是在两个BS之间发生，实际情况中软切换还有可能涉及3个甚至更多的BS。本实验中信令仿真部分，“顺序软切换中的呼叫处理”流程说明了MS从一对基站A和B经过一对基站B和C到基站C的顺序软切换中的呼叫处理操作。可以看出，顺序软切换的各个详细的步骤实际上与前面所提到的两方软切换相同。

② CDMA工作模式下系统之间的硬切换

这里的硬切换通常指在切换过程中，MS和BS之间的业务信道有短暂的中断。CDMA工作模式之间的硬切换发生的条件可包括：在不相交的BS集合之间（例如不同的CDMA运营商）、不同的激活集之间、不同的频段之间、不同的频点之间、不同的帧偏置（Frame Offset）之间。

CDMA工作模式间的硬切换的工作流程大体上包括下面的步骤：

第1步：BS和MS在原来的业务信道上通信；BS决定让MS对同频率上不同的激活集或不同频率上的激活集进行搜索，发送带有搜索参数的消息给MS。

第2步：MS根据搜索参数计算搜索时间，并给BS发响应消息。

第3步：BS收到MS的响应后，决定让MS开始搜索（可以是单次搜索，也可以是周期式搜索），然后发送启动搜索的消息。

第4步：MS收到启动搜索的消息后，保存现有的业务信道的配置，停止原业务信道操作。调整到新的业务信道所对应的参数上，并开始搜索新的导频。

第5步：MS重新回到原来的业务信道上，恢复原有配置和通信，并向BS报告搜索结果。

第6步：BS恢复和MS在原来业务信道上的通信，接收MS的搜索结果报告。BS根据搜索报告决定让MS切换到新的业务信道上，并建立新的业务信道开始发送。然后BS通过原来的业务信道通知MS开始切换。

第7步：MS收到切换指示消息后，保存原来的业务信道配置，停止使用原来的业务信道。MS尝试用新的业务信道和BS建立新连接。

第8步：如果MS尝试成功，便在新的业务信道上收发，通过新业务信道向BS发切换完成消息。

第9步：BS收到切换完成消息，释放原来的业务信道，用新业务信道和MS继续通信。 上述步骤中第3步～第5步有时也可以没有，即BS直接让MS开始向新的业务信道上切换，如果失败，MS也要报告搜索的结果让BS安排另一次切换。另外，上面的步骤中也没有说明切换尝试失败时的恢复程序。通常当切换失败时，MS应该恢复到原来的业务信道上BS和通信，并报告刚才的搜索结果。在本实验中的信令仿真部分里，针对这种情况举了两个简单的例子来说明切换失败恢复的呼叫流程。

③ CDMA到模拟系统的硬切换

CDMA到模拟系统的硬切换适用于支持CDMA和模拟操作的双模MS。切换时，MS从CDMA业务信道上转化到模拟话音信道上。其流程和CDMA工作模式间的硬切换类似，存在业务的短暂中断。已经建立的业务连接向模拟系统切换后，所支持的业务能力可能降低，

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例如原来可以同时支持话音和分组数据业务，切换到模拟系统后，就只能提供话音业务了，这时由于网络自身能力有限造成的。与之类似的情况也会发生在从能力高的CDMA网络向能力低的CDMA网络的切换过程中，例如从IS-2000 1x网络向IS-95网络切换，或从1x EV-DV网络向1x网络切换，这时话音业务一般不会中断，但支持数据业务的能力会降低。

11.2.5 第三代移动通信系统中的WAP业务模型

1.WAP简介

WAP时Wireless Application Protocol（无线应用协议）的简称，它是开发移动网络上类似互联网应用的一系列规范的组合。通过WAP，用户可以通过移动电话、寻呼机、PDA或其他无线设备实现对相关Internet信息的访问。WAP的应用模型如图11.13所示。

图11.13 WAP应用模型

图中的内容服务器就是我们目前常用的Web服务器，WAP网关与内容服务器之间通过HTTP1.1协议进行通信，内容服务器上存储着大量的信息，WAP手机用户通过手机内置的微浏览器可登陆访问、查询、浏览。WAP网关是WAP应用实现的核心，起着协议的“翻译”和传输内容编解码的作用，是联系移动通信网与WWW的桥梁。

2.WAP业务模型的特点

WAP业务的交互过程如图11.14所示。

由图可见，当WAP用户发出业务请求后，需等待一定的响应时间，响应时间到时，服务器向用户发送包含若干个对象的响应。当前响应的所有对象到达用户端后，便开始了阅读时间。阅读时间到时，用户又发起一个新的业务请求，如此往复。

基于以上分析，WAP模型可以用下面的几个参数描述：

1）WAP请求：浏览器发出的每个WAP请求的大小是固定的，当浏览器发出这个请求后，经过一个响应时间后，WAP服务器返回一个响应；

2）响应时间：WAP网关的响应时间是指从发出WAP请求的最后一个字节到接收到来自服务器的第一个响应字节之间的时间；

3）响应：WAP业务的响应由几个对象组成； 4）对象：对象携带需要的数据； 5）每个响应包含的对象的个数； 6）对象之间的时间间隔；

7）阅读时间：当接收完最后一个对象后，阅读时间便开始计时，直到WAP浏览器发出下一个WAP请求时计时结束。

在整个仿真时长内，假设每一个WAP用户总是不断的处于业务激活状态，也就是说，

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总是在进行以下的操作：发出WAP请求、等待响应、等待阅读时间、然后再发出下一个WAP请求。

图11.14 WAP业务的交互过程

3.前向/反向链路WAP业务模型

由于数据业务是非对称的，因此前向和反向链路的WAP模型是不尽相同的。对于前向链路，我们关心的数据是响应的各个对象，这个对于前向链路来说是有用数据；而对于反向链路，有用数据则主要是WAP请求，它是一个固定字节数（76B），所以反向链路的模型是模拟这个请求以及相关的时间间隔。

图11.15和11.16分别示出了前向和反向链路WAP模型流程图

11.2.6 FD5105 CDMA无线模块AT命令集

本实验中使用的FD5105模块为Fidelix公司生产的CDMA无线模块，模块提供30芯的对外接口以和相关硬件连接。计算机对模块的控制通过一系列的AT命令集实现。

以下为这些AT命令的大致特征：

• 所有的AT命令以AT$FX（或AT+）开始，以回车符结尾；

• 所有的AT命令可以大致分为：设置（Set），读取/查询（Read）和执行（Execute）三大类；

• 命令中若需携带多个参数，则各参数间以逗号(,)隔开； • 所有的命令由9个以内的字符组成（包括开头的AT$FX）； • 所有命令中不得包含空格；

• 所有的AT命令，包括模块返回的结果代码，以ASC II码形式传输； • 当模块接收到正确的AT命令后，返回“OK”；若模块接收到的命令无法执行，则返回“ERROR”。

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图11.15 前向链路WAP模型流程图

图11.16 反向链路WAP模型流程图

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1.基本应答 OK ERROR CONNECT RING BUSY NOANSWER $FXREADY 2.基本AT命令

• RESET

命令：AT$FXRST

结果返回：OK/ERROR

功能：此命令执行后，模块将重启。模块重启完毕后返回“$FXREADY”

• PING

命令：AT$FXPING

结果返回：$FXPONG：state 功能：查询模块状态 state：0：Pilot State 1：Sync State

2：Paging/Idle State 3：Traffic Initialize 4：Conversation 5：Exit 举例：

发送：AT$FXPING 返回：$FXPONG：2

• Checking IMSI

命令：AT$FXRDIM=nam

结果返回：$FXRDIM:mcc,mnc,min2,min1 功能：查询IMSI（国际移动台识别码）

nam:Decimal number representing NAM(number assignment module)(默认

为0) mcc：移动国家码 mnc：移动网络码

min2：移动台识别码（前3位） min1：移动台识别码（后7位） 举例：

发送：AT$FXRDIM=0

返回：$FXRDIM：450，00，011，2486575

• Checking RSSI 命令：AT$FXRSSI

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命令执行 命令无法执行 进入联线模式 来电警告 模块忙 呼叫无应答 模块准备好，可以使用 结果返回：$FXRSSI:strength 功能：检查信号强度

strength:取值在0～105之间 105:无信号

0～104:信号强度（-dBm） 举例：

发送：AT$FXRSSI

返回：$FXRSSI:85 （当前信号强度为-85dBm） • Checking Time 命令：AT$FXTIME 结果返回：$FXTIME:time 功能：查询系统时间 time:YYYYMMDDHHMMSS

• Checking Network Information 命令：AT$FXRNET

结果返回：$FXRNET:FA,PN,PREV,state,Ec/Io,rx,tx 功能：查询网络状态 FA:载波频率

PA:PILOT PN OFFSET INDEX OF CURRENTLY SERVING BASE STATION PREV:使用协议 1:IS95 2:IS95A 3:TSB74

4:IS95B PHASE 1

5:IS95B PHASE 2

6:IS2000(CDMA2000 1xRTT) STATE:同ping

EC/IO:0(0DB)~63(-31.5DB) 0.5步长 RX:同RSSI

TX:传输功率（0～255）

3..与短消息有关的 • 发送短消息

命令格式：AT$FXTXSM=”sendNo”,”receiveNo”,”msg” sendNo:本机号码 receiveNo:对方号码

msg:短信内容

• 收到短消息

模块返回：$FXRXRM:length,sendNo,data,time,msg length:短信长度 sendNo:对方号码

data:系统日期（mm/dd）

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time:系统时间（hh:mm） msg:短信内容

• 读取历史短信

命令格式：AT$FXRDSM=index （已发送的短信） AT$FXRDRM=index （收到的短信） index:短信编码（0～22）

4.与话音服务有关的AT命令

• 拨打电话

命令格式：AT+CDV number 返回信息：OK：命令正在执行 ERROR：命令执行错误

ERROR:error code error code:

1：模块忙 2：UIM卡未插 3：PIN锁定 4：PIN阻塞 其他：未知错误

• 接听电话

命令格式：AT$QCCAV

• 挂机

命令格式：AT+CHV

返回信息：$FXCALL:CALL DISCONNECTED:call time 举例：

发送：AT+CHV

返回：$FXCALL:CALL DISCONNECTED:63 seconds

11.3 实验设备与软件环境

本实验每两台PC机为一组，软、硬件设备配置相同。

硬件：SEMIT TTO6607硬件模块（包括已开通的联通UIM卡），串口电缆，耳机话筒，稳压电源。

软件：Windows 2000 Professional 操作系统，TTP CDMA实验软件。

11.4 实验内容

1）手机业务：包括短信收发、电话拨打/接听；

2）话机功能：包括电话本操作、通话记录/历史短信查询、音量控制；

3）网络服务部分：通过建立TCP端口间的连接实现聊天功能，WAP服务； 4）通过AT命令集操作CDMA模块；

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5）CDMA信令流程仿真。

11.5 实验步骤

11.5.1 实验准备

1.硬件连接

用串口电缆将SEMIT TTP6607硬件和计算机串口相连，接通稳压直流电源，硬件红灯亮表示电源已正常接通。注意保证天线接触良好，切忌带电插拔串口电缆。

2.初始化串口并查询模块

1）选中“手机业务”标签中（默认），选择对应的串口，点击“初始化串口”按钮； 2）点击“查询模块”按钮

上述两步骤若成功完成，对应按钮下方会显示小图标，同时在提示窗口会有文字提示。

11.5.2 手机业务

图11.17 手机业务界面

1.话音服务

（1）拨打电话

在“对方电话号码”一栏输入电话号码，点击“拨号”按钮进行拨号。如要转接（例如转接，或者无人台查询业务等），点击“转接”按钮，输入转接的号码，点击确定。

（2）接听电话

若有电话拨入，程序会弹出相应提示窗口，若要接听则点击“接听”按钮，也可直接点击“挂机”按钮拒绝接听。

（3）挂机

通话结束后点击“挂机”按钮结束通话。 （4）选择号码

单击选中“话音服务”框中“对方号码”栏里的号码，点击“选择号码”；或在电话本

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窗口或查询联系人窗口完成相应步骤，则可将选中的号码直接输入到“对方电话号码栏中”。 2.短信服务

（1）发送短信

在“短信服务”框中的“对方手机号码”栏填入对方号码，按回车键确定；在短信内容栏输入所要发送的短信内容。特别需要注意的有两点：1.短信内容中不允许包含回车符；2.短信长度限定为140个英文字符（由于包括最后的回车符，实际限定为139个字符），超过这个长度的短信将无法正常发送。

点击“发送”按钮，短信内容会自动显示在“短信显示”窗口中，发送成功或失败时，也将在此窗口返回相应的文字信息。

若想清空“短信内容”窗口，可点击“重新输入”。该窗口支持复制/粘贴操作。 （2）接收短信

收到短信时，软件会跳出提示框，点击“确定”确认。收到的短信以及相关信息将自动显示在“短信显示”窗口。

若要清除该窗口，可点击窗口右下方“清屏”按钮。

3.模块功能

（1）查询通话记录

点击“话音服务”框中下方“通话记录”按钮，将显示最近的10条通话记录。 （2）查询历史短信

在“短信服务”框中，先选择所要查询的为已发送短信还是收到的短信 点击“短信条数”，可分别查询收件箱/发件箱中存有多少条短信。 选择短信序号（0～21）：可以通过下拉框或“＋”“－”号选择。

点击“阅读短信”，相应的短信信息会显示在下方窗口中。 点击“删除短信”，确认后可删除对应的短信。 （3）电话本相关 点击“打开电话本”按钮，将弹出电话本窗口。第一次打开电话本需先“读取电话本”，读取的过程稍长，软件每次运行只需要在第一次使用电话本时读取即可。读取完毕后，点击“添加联系人”，则弹出添加窗口；在“姓名”栏选中相应联系人后，可进行“删除联系人”、“修改资料”、“选择联系人”的操作。

查找联系人：点击“手机业务”界面上，或者“电话本”窗口上的“查找联系人”按钮，则弹出查找窗口。查找有两种方式，“按姓名查找”和“按号码查找”。搜索结果将显示在“搜索结果”栏中。

图11.18 电话本窗口

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图11.19 搜索联系人窗口

11.5.3 网络服务

图11.20 网络服务界面

1.模块配置

1）点击“关闭串口”按钮，在安装CDMA MODEM之前必须释放此前所占用的串口； 2）点击“装载MODEM驱动”，在弹出窗口中选择“添加”，弹出界面如图11.21：

图11.21 添加/删除硬件向导

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勾选“不要检测我的调制解调器„„”前的复选框，进入“下一步”；

在“制造商”栏选择“（标准调制解调器类型）”，在“型号”栏选中“标准33600 bps 调制解调器”，点击“下一步”；

图11.22 选择MODEM型号 选择对应的端口，点击“下一步”，即可完成安装。

图11.23 选择端口

3）连接管理

点击“连接管理”按钮，弹出对话框如图11.24 连接名称：cdma 用户名：card

密码：card

连接时使用：标准33600 bps 调制解调器（modem） 勾选“使用国家/地区拨号”复选框 国家/地区号：中国（86）

国家号：86 区号：025（以南京为例） 电话号码：#777

完成以上设置后，点击“新建连接”。

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图11.24 连接管理

4）网络连接

点击“网络连接按钮”弹出界面如下：

图11.25 网络连接

点击“更新”；在“连接列表”中选择相应的CDMA连接，然后点击“拨号”。断开连接则点击“挂断”按钮。

2.网络服务

完成上述步骤后，则CDMA模块已拨号连接上网，此时打开浏览器即可浏览网页。

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3.聊天服务

点击“刷新”，则会显示当前的IP地址。同组两位实验者，一个选做“服务器”，一个做“客户端”。

1）服务器端配置：

• 在“本机为”下拉框中选择“服务器”（默认）

• 点击“开始监听”

• 如要断开则选择“断开连接” 2）客户端配置：

• 在“本机为”下拉框中选择“客户端” • 点击“连接到服务器”

• 在弹出的窗口中填入对方服务器的IP地址 • 点击“连接”

• 如想断开则点击“断开连接” 3）聊天显示

“聊天窗口”栏分为两个部分，在下方对话框输入信息，点击“消息发送”（或快捷键Ctrl+S），相应信息将显示在上方对话框中。对方发送来的信息也将显示在上方对话框中。

11.5.4 AT命令控制

图11.26 AT命令窗口

在“AT命令输入”栏输入相应的AT命令，点击“AT命令发送”或按回车键，AT命

令将被发送至模块。AT命令信息窗口显示操作信息。

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11.5.5 信令仿真

图11.27 信令仿真界面

选择需要仿真的过程（共3类9种），点击右方的箭头按钮，即开始仿真过程。

11.6 预习要求

1）了解码分多址的原理

2）了解CDMA系统标准体系

3）掌握CDMA系统工作的基本信令流程 4）熟悉AT命令集

5）初步了解WAP基本概念以及业务模型

11.7 实验报告要求

1）记录实现手机业务各各功能所使用的AT命令集，在AT命令控制窗口使用AT命令重复这些操作并记录模块的反馈信息。 2）记录信令仿真的结果

3）回答思考题

思考题

1）CDMA相比于其他系统（FDMA、TDMA）具有哪些优势？

2）为什么软切换技术对于CDMA系统十分重要？而这种平滑切换又是如何实现的？ 3）在使用AT命令操作短消息发送功能时，为什么短消息字段中不能包含回车符？

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参考文献

杨大成等 《cdma2000 1x 移动通信系统》 机械工业出版社 QUALCOMM Inc..CDMAOverview

(www.qualcomm.com/press/PDF/CDMA_Overview1002.pdf）

孙立新，邢宁霞 《CDMA（码分多址）移动通信技术》 人民邮电出版社 1996 谢希仁 《计算机网络》第2版 大连理工大学出版社 1996 邢宁霞 《移动通信核心网的演进》 电信科学 2000（5）

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附录1. MAC层服务接口原语

原语类型 Request 原语 MAC-SDUReady 参数 Channel_type,size,P,seqno 说明 在发送一个MAC SDU时进行初始化 channel_type是数据类型（如5ms或20ms） size时SDU的比特长度 P用于持续性检测（只用于r-csch） Seqno是在当前接入子尝试组中的接入师太次数（只用于r-csch） Request MAC-Data Type,data,size 对原语MAC-Availability.Indication的响应，此原语携带被传送的数据 type为数据类型（如5ms或20ms） data是一个SDU或一个SDU的一部分 size是数据的比特长度 表11.2 信令LAC实体发送到MAC实体的原语 （MAC层接收的服务接口原语）

原语类型 Indication 原语 MAC-Data 参数 Channel_id,type, data,size, system_time MAC层传送数据 说明 Channel_id是接收数据的物理信道的唯一信道标识 type为数据类型（如5ms或20ms） data是一个SDU或一个SDU的一部分 size是数据的比特长度 system_time是物理层接收到含有数据的物理帧的第一个比特时间 指示下一帧能传输的最大比特数 Type是被传送数据的类型（如5ms，20ms或二者皆有） max_size是在物理层SDU中能存放的最大比特数 system_time是物理层发送到含有信息比特的物理帧的第一个比特的时间 Indication MAC-Availability Type,max_size, System_time Indication MAC-AccessFailure Reason Reason是接入失败的原因 Reason可能为“未接收到的EACAM”或“信道速率不足” 表11.3 信令MAC实体发送到LAC实体的原语 （MAC层发送的服务接口原语）

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附录2. 物理信道命名约定

物理信道由大写字母缩写标识。信道名称的第一个字母表示信道的方向（前向或反向），用F/R表示。例如，前向基本信道（Forward Fundamental Channel）的物理信道名为F-FCH。

信道名称 F/R-FCH F/R-DCCH F/R-SCCH F/R-SCH F-PCH F-QPCH R-ACH F/R-CCCH F/R-PICH F-APICH F-TDPICH F-ATDPICH F-SYNCH F-CPCCH F-CACH R-EACH F-BCCH F-PDCH F-PDCCH R-ACKCH R-CQICH 物理信道 Forward/Reverse Fundamental Channel (前向/反向基本信道) Forward/Reverse Dedicated Control Channel (前向/反向专用控制信道) Forward/Reverse Supplemental code Channel (前向/反向补充码分信道) Forward/Reverse Supplemental Channel (前向/反向补充信道) Paging Channel (前向寻呼信道) Quick Paging Channel (前向快速寻呼信道) Access Channel (反向接入信道) Forward/Reverse Common Control Channel (前向/反向公共控制信道) Forward/Reverse Pilot Channel (前向/反向导频信道) Dedicated Auxiliary Pilot Channel (前向专用辅助导频信道) Transmit Diversity Pilot Channel (前向发送分集导频信道) Auxiliary Transmit Diversity Pilot Channel (前向辅助发送分集导频信道) Sync Channel (前向同步信道) Forward Common Power Control Channel (前向公共功率控制信道) Forward Common Assignment Channel (前向公共指配信道) Reverse Enhanced Access Channel (反向增强接入信道) Forward Broadcast Control Channel (前向广播控制信道) Forward Packet Data Channel (前向分组数据信道) ，Release C 新增 Forward Packet Data Control Channel (前向分组数据控制信道) ，Release C 新增 Reverse Acknowledgement Channel (反向确认信道) ，Release C 新增 Reverse Channel Quality Indicator Channel (反向信道质量指示信道)，Release C 新增 表11.4 物理信道的命名约定 第 37 页 共 37 页