IS-95cdma2000系统接入相关问题分析

摘　要　 本文讨论了IS-95/cdma2000系统接入技术相关的若干关键问题，并进行了剖析，澄清了一些易混淆的问题，对实际系统设计有较大的参考价值。

关键词　cdma2000　接入技术

1　引言

随着联通CDMA网络在全国范围内的大规模建设以及cdma2000 1x商用网的扩大，cdma2000系统中的各标准的研究与实现已引起越来越多的关注。

一般而言，接入机制和切换机制从根本上决定了通信网的服务质量。尤其是接入机制，在呼叫建立前起着决定性作用。弄清接入机制的关键问题，有助于判断接入失败的原因，进行参数调整等网络优化，有助于开发接收设备，实现移动台接入信息的捕获。

本文对IS-95/cdma2000系统接入的若干关键问题进行了分析，澄清了一些易混淆及易忽略的问题，对于网络优化人员及移动设备开发人员有较大的参考价值。

2　接入机制概述

IS-95/cdma2000系统的接入信道（R-ACH）采用时隙ALOHA方案。它的接入信道的时隙采用一种非重叠方式（即发送接入请求的长度不会超过时隙的宽度），这样移动台只要不在同一时隙发送请求就不会发生碰撞。

从发送消息到接收到（或接受失败）该消息的确认消息的整个过程称为接入尝试。接入尝试中的每次发送被称为接入试探。移动台再接入尝试的每个试探中发送相同的消息。

当移动台有业务到达或收到基站的寻呼消息时，在反向接入信道上发送接入试探（probe），接入试探包括两部分：接入信道前缀（preamble）和接入消息（message）。接入信道帧长为20ms，接入信道前缀部分为1~16帧，其帧由96个全零组成，即以4800bit/s的速率发射，它是为了帮助基站捕获移动台的接入信道消息。接入信道消息部分占3~10个帧，传送用户接入请求信息及基站寻呼应答信息。

移动台发出接入试探后，等待基站的确认信息，确认信息通过基站的寻呼信道传送。在一段时间内，若移动台收到了确认信息，则表明接入成功；若未收到确认信息，移动台将增加一定的发射功率，并再随机延迟一段时间后重发接入试探。

具体的接入过程如图1所示。

移动台伪随机地确定每个接入试探序列的开始时间，补偿时延为RS。在发送接入试探序列时，对于补偿时延后的每个时隙，移动台将进行伪随机的持续检测。若能通过持续检测，那么序列的第一个试探就从该时隙开始。若失败将使接入试探序列延迟至少下一个时隙。这样，使用持续性检测强加了一个额外的时延PD。

接入试探序列由1+num_step个接入试探组成，每个接入试探比前一个试探高一定的电平值发送，知道移动台获得确认响应或序列结束为止。在接入试探之间，移动台禁止传送。

用接入信道时隙表示接入试探和接入试探序列的时间。在一个接入信道时隙开始时刻，接入试探开始传送。移动台通过PN随机化过程确定在一个接入尝试中接入信道传送的准确时刻。在每个接入尝试的持续时间内，移动台用hash函数来计算时延RN，该函数取决于移动台的电子序列号ESN。移动台将传送时间延时RN个码片。传送时间的调整既包括直接序列扩频长码的时延，又包括I和Q路正交导频PN序列的时延，所以它可有效的增大移动台到基站的范围。这增加了基站在同一个接入信道时隙内分别解调多个移动台发出的消息的概率，尤其是当许多移动台工作在与基站距离很近的区域时。

同样，移动台伪随机的产生接入试探序列的接入试探间的时间间隔。在发送接入试探以后，移动台等待特定的时间TA，即从该时隙结束直至收到来自基站的确认信息。若移动台接收到确认信息，则接入信道尝试结束。否则，移动台在附加的补偿时延RT后开始发送下一个接入试探。

3　接入相关问题分析

本节指出并澄清一些接入机制相关技术，包括接入相关参数的获取，接入信道的选取，接入过程的时序关系及接入信道的时间系统的确定等问题。

3.1　接入相关参数的获取

3.1.1　接入信道时隙的获取

接入信道时隙是由接入信道最大前缀长度和最大消息长度确定的。接入信道前缀长度为1+PAM_SZ，接入信道最大消息长度为1+MAX_CAP_SZ，因此接入信道时隙为4+PAM_SZ+MAX_CAP_SZ。

参数PAM_SZ和MAX_CAP_SZ是由基站在一定范围内设定的，不同的接入信道可设置不同的参数，也就是说不同的接入信道可以有不同的接入信道时隙。不同地区可根据具体覆盖情况由运营商自行设置，具体参数在接入信道上传送的接入参数消息中灵活配置。

接入信道的时隙长度是由参数PAM_SZ和MAX_CAP_SZ确定的，它们是由基站在接入参数消息（APM）中设置并通过相应的寻呼信道通知移动台的。接收寻呼信道并解析接入参数消息可获取时隙相关参数从而计算出时隙长度。

PAM_SZ的典型值为3，MAX_CAP_SZ的典型值为3，因而接入信道时隙的典型值为200ms。目前，成都地区的网络配置PAM_SZ为3，MAX_CAP_SZ为5，即接入信道时隙为240ms。

3.1.2　随机参数的获取及处理

在接入尝试过程中，为减轻碰撞的发生，各移动台在各个环节加入随机延迟，这些延迟的范围由基站规定，由移动台具体确定。整个接入过程中包括以下随机延迟参数：

序列延迟RS。该延迟在一个接入子尝试的各接入序列前产生，确定下一个接入序列的延迟时间。取值范围为0~16slot，由移动台从0到1+BKOFF间随机产生，其中BKOFF为基站确定的值。

试探延迟RT。取值范围为0~16slot。若一个接入试探序列中的接入试探在相同的R-ACH上传送，RT在0到1+PROBE_BKOFF间随机产生。若R-ACH不同，在0到PROBE_BKOFF间产生。参数PROBE_BKOFF为基站确定的值。

PN随机化延迟RN。取值范围为0~511chip。移动台通过hash函数在0到2PROBE_PN_RAN-1间产生，每个接入子尝试开始前产生一次。参数PROBE_PN_RAN由基站确定。这是唯一一个在物理层及层2进行调整的随机延迟。

持续性检测时延PD。单位为时隙。移动台始呼时，在发送接入序列前，首先延迟RS个时隙，再在之后的每个时隙开始时都根据参数P进行伪随机持续性检测，若通过，在该时隙发送序列的第一个试探；若失败，则延迟至下一个时隙再进行持续性检测。参数P为预先设定好的比较门限，由基站确定。

等待基站确认时间TA。移动台在发送一个接入试探后，等待一定的时间TA，若期间收到基站的确认消息，完成接入尝试；否则在TA后随机延迟RT个时隙，继续发下一个接入试探。TA是个规定好的时间，TA=80×（2+ACC_TMO）ms，其中参数ACC_TMO由基站确定。

R-ACH序号。取值范围为0~31。在每个接入试探序列或接入试探前随机从0到ACC_CHAN中产生。参数ACC_CHAN由基站根据相应寻呼信道对应的接入信道数确定。

以上参数均由基站在接入参数消息（APM）中设置，通过寻呼信道传送给移动台。目前成都地区的参数设置情况如下：BKOFF为0，PROBE_BKOFF为0，PROBE_PN_RAN为0，ACC_TMO为3，ACC_CHAN为0。相应的随机延迟的取值范围为：RS为0～1，RT为0~1，RN为0（即未延迟），RA为0（即只有一个接入信道）。特定值TA为400ms，即5个寻呼信道时隙。从以上参数可见，目前成都地区网络对接入信道的随机化要求不高，只在很小的范围内做了随机化延迟，说明当前用户数不是很多，接入信道仅做简单的随机化即可满足要求。

3.2　接入信道的选取

3.2.1　接入信道的区分

每个寻呼信道可对应多个接入信道，这些接入信道是通过不同的长码掩码区分的。长码掩码的生成方式如图2所示。

移动台在接入信道上传送消息时首先以ESN和系统时间为种子，随机产生接入信道号ACN，然后根据接入信道号、该接入信道对应的PCH号（PCN）、PN偏移、基站ID等产生长码掩码。

3.2.2　接入信道的解码

每个基站最多可有7个寻呼信道，因而，对一个小区的基站而言，接入信道最多可能有7×32＝224个，这些信道是并行使用的。对同一个寻呼信道而言，它所对应的接入信道的区别仅在于接入信道号引起的掩码的不同，只要采用不同的掩码就可以区分。由于同时存在n个（n<224）接入信道，不同的移动台可同时在n个不同的信道上传送消息，因此可以同时收到不同移动台的接入消息，极限情况下会同时收到224个接入消息。寻呼信道个数由参数PAGE_CHANs决定，该参数可由系统参数消息（SPM）获得。

每个寻呼信道所对应的接入信道个数由参数ACC_CHANs决定，该参数可由接入参数消息（APM）得到。当前成都地区的PAGE_CHANs和ACC_CHANs均为1，说明只使用了一个1个接入信道。在捕获接入信道时可以采用串行的方式，仅用ACN为1，PCN为1的掩码对接入信道解码即可。

3.3　接入信道定时关系

接入信道传输的数据包括接入前缀和层2封装的PDU。每次接入信道上传送的数据都是接入信道帧的整数倍，并且不会超过4+MAX_CAP_SZ+PAM_SZ个帧。在每个接入信道传输时，移动台首先在时隙的起始处开始发前缀（附加PN随机化延迟），紧接着发封装好的接入信道消息。

重要的是接入信道时隙是从哪开始的。从图1看，容易混淆的问题是移动台在发送完一个接入试探后，在等待TA+RT后就开始发送下一个接入试探，虽然RT是以时隙为单位的，但TA只是80ms的倍数，并不是以时隙为单位，说明移动台等待一个非时隙整数倍开始新的接入试探，这样会造成所有的移动台并不在统一的系统时间开始进行接入尝试，而是各自以自己认为的时隙开始进行接入。这就给基站捕获所有移动台的接入带来了困难。

事实上，协议上对接入信道时隙的开始做了规定，要求接入信道时隙在接入信道帧的整数倍处开始，并且满足如下条件：

t mod（4+MAX_CAP_SZ+PAM_SZ）= 0        （1）

这里的t指以帧为单位的系统时间。这说明图1只是示意了一下接入过程中的各随机延迟，并未准确画出时间关系。

对应于同一个寻呼信道的所有接入信道都必须使用相同的接入信道时隙长度，它们有着相同的时隙开始时间。

移动台在捕获接入信道时，首先要获取基站的同步信息，得到系统时间，在每个满足（1）式的时刻开始解析接入信道。解析时，首先确认连续收到1+PAM_SZ个前缀，后面的帧就是真正的接入信道封装的消息PDU，再按照一定的格式进行组包和消息解析。

3.4　接入过程时序关系

协议规定接入过程的每一个子阶段必须在一定的时间内完成。有如下5个子阶段：

（1）基站对呼叫请求的确认。基站通过确认消息对移动台的呼叫进行确认，移动台在接收到呼叫请求之前可能会发送多次呼叫请求消息。在此阶段，若当前的开销消息没有在T41m（4s）内接收到，移动台将中止接入，重新进行初始化。

（2）等待信道指配消息。若移动台在接收到基站的确认消息之后的12s之内没有收到寻呼信道上发送的信道指配消息，移动台会自动返回到空闲状态。记载移动台发起呼叫尝试子状态中，若定时器超时，移动台将返回空闲状态。该时间常数为T42m。

（3）确认前向业务信道。移动台在收到指配消息之后必须马上获取前向业务信道。IS-95A中该时间为200ms，在IS-95B中延长至1s，该时间常数为T50m。若定时器超时，则系统丢失，移动台重新初始化。

（4）若前向业务信道被成功解调，移动台开始在反向业务信道上发送业务信道前缀。在成功获取反向信道之后，基站在前向业务信道上发送确认消息。若该确认消息没有在2s内收到，移动台会重新初始化。该时间常数为T51m。

（5）基站向移动台发送业务连接消息。若连接失败，则系统释放，移动台重新初始化。

在接入过程的早期，有两个关键的子状态，更新开销子状态（T41m，4s为限），移动台起呼尝试子状态（T42m，12s为限）。

在接入过程后期，有两个关键的定时器：T50m（0.2s内收到连续两个好帧），T51m（2s内收到基站识别反向业务信道的证实消息）。接入信道各定时器设置如图3所示。

弄清这些定时器的设置对于基站捕获移动台的接入及上行业务信道很重要，可作为状态转移的根据。

若捕获到移动台的接入后，等待T42m即12s后仍未捕获到相应的寻呼信道上的指配消息时，放弃对该移动台的捕获。

在捕获到寻呼信道上的指配消息后，在T50m即0.2s内应该能捕获到前向业务信道的两个连续好帧，若收不到，或者是自身离基站太远，信号不好；或者是移动台也收不到两个连续的好帧，这种情况下通话会自动切断。无论是哪种情况，都不应立即终止对移动台业务信道的捕获，再等待一定的时间，分别尝试对上、下行业务信道的捕获。

在捕获到寻呼信道的指配消息或前向业务信道两个连续好帧后，监视反向业务信道上前缀。移动台在T51m即2s内在没收到基站的证实前会一直发送业务信道前缀用于帮助基站捕获反向业务信道。要想捕获移动台的上行业务信道，必须在2s之内完成前缀的捕获，并且在收到寻呼信道的指配消息后必须在200ms内完成捕获前缀的准备，这是对捕获上行业务信道在时间上的限制。

4　结束语

本文介绍了IS-95/cdma2000接入机制，剖析了接入信道和接入机制相关的若干问题，包括接入信道相关参数的获取，接入信道的选取，接入信道的定时及整个接入过程的时序关系。这些问题的说明及澄清对于配置接入信道，设计移动台和基站对接入过程的处理方案有着重要的指导意义。

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