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摘 要 本文討論了IS-95/cdma2000系統(tǒng)接入技術(shù)相關(guān)的若干關(guān)鍵問題，并進(jìn)行了剖析，澄清了一些易混淆的問題，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)有較大的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞 cdma2000 接入技術(shù)
1 引言
隨著聯(lián)通CDMA網(wǎng)絡(luò)在全國范圍內(nèi)的大規(guī)模建設(shè)以及cdma2000 1x商用網(wǎng)的擴(kuò)大，cdma2000系統(tǒng)中的各標(biāo)準(zhǔn)的研究與實(shí)現(xiàn)已引起越來越多的關(guān)注。
一般而言，接入機(jī)制和切換機(jī)制從根本上決定了通信網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。尤其是接入機(jī)制，在呼叫建立前起著決定性作用。弄清接入機(jī)制的關(guān)鍵問題，有助于判斷接入失敗的原因，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整等網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，有助于開發(fā)接收設(shè)備，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)接入信息的捕獲。
本文對(duì)IS-95/cdma2000系統(tǒng)接入的若干關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析，澄清了一些易混淆及易忽略的問題，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員及移動(dòng)設(shè)備開發(fā)人員有較大的參考價(jià)值。
2 接入機(jī)制概述
IS-95/cdma2000系統(tǒng)的接入信道（R-ACH）采用時(shí)隙ALOHA方案。它的接入信道的時(shí)隙采用一種非重疊方式（即發(fā)送接入請(qǐng)求的長度不會(huì)超過時(shí)隙的寬度），這樣移動(dòng)臺(tái)只要不在同一時(shí)隙發(fā)送請(qǐng)求就不會(huì)發(fā)生碰撞。
從發(fā)送消息到接收到（或接受失敗）該消息的確認(rèn)消息的整個(gè)過程稱為接入嘗試。接入嘗試中的每次發(fā)送被稱為接入試探。移動(dòng)臺(tái)再接入嘗試的每個(gè)試探中發(fā)送相同的消息。
當(dāng)移動(dòng)臺(tái)有業(yè)務(wù)到達(dá)或收到基站的尋呼消息時(shí)，在反向接入信道上發(fā)送接入試探（probe），接入試探包括兩部分：接入信道前綴（preamble）和接入消息（message）。接入信道幀長為20ms，接入信道前綴部分為1~16幀，其幀由96個(gè)全零組成，即以4800bit/s的速率發(fā)射，它是為了幫助基站捕獲移動(dòng)臺(tái)的接入信道消息。接入信道消息部分占3~10個(gè)幀，傳送用戶接入請(qǐng)求信息及基站尋呼應(yīng)答信息。
移動(dòng)臺(tái)發(fā)出接入試探后，等待基站的確認(rèn)信息，確認(rèn)信息通過基站的尋呼信道傳送。在一段時(shí)間內(nèi)，若移動(dòng)臺(tái)收到了確認(rèn)信息，則表明接入成功；若未收到確認(rèn)信息，移動(dòng)臺(tái)將增加一定的發(fā)射功率，并再隨機(jī)延遲一段時(shí)間后重發(fā)接入試探。
具體的接入過程如圖1所示。
移動(dòng)臺(tái)偽隨機(jī)地確定每個(gè)接入試探序列的開始時(shí)間，補(bǔ)償時(shí)延為RS。在發(fā)送接入試探序列時(shí)，對(duì)于補(bǔ)償時(shí)延后的每個(gè)時(shí)隙，移動(dòng)臺(tái)將進(jìn)行偽隨機(jī)的持續(xù)檢測(cè)。若能通過持續(xù)檢測(cè)，那么序列的第一個(gè)試探就從該時(shí)隙開始。若失敗將使接入試探序列延遲至少下一個(gè)時(shí)隙。這樣，使用持續(xù)性檢測(cè)強(qiáng)加了一個(gè)額外的時(shí)延PD。
接入試探序列由1+num_step個(gè)接入試探組成，每個(gè)接入試探比前一個(gè)試探高一定的電平值發(fā)送，知道移動(dòng)臺(tái)獲得確認(rèn)響應(yīng)或序列結(jié)束為止。在接入試探之間，移動(dòng)臺(tái)禁止傳送。
用接入信道時(shí)隙表示接入試探和接入試探序列的時(shí)間。在一個(gè)接入信道時(shí)隙開始時(shí)刻，接入試探開始傳送。移動(dòng)臺(tái)通過PN隨機(jī)化過程確定在一個(gè)接入嘗試中接入信道傳送的準(zhǔn)確時(shí)刻。在每個(gè)接入嘗試的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，移動(dòng)臺(tái)用hash函數(shù)來計(jì)算時(shí)延RN，該函數(shù)取決于移動(dòng)臺(tái)的電子序列號(hào)ESN。移動(dòng)臺(tái)將傳送時(shí)間延時(shí)RN個(gè)碼片。傳送時(shí)間的調(diào)整既包括直接序列擴(kuò)頻長碼的時(shí)延，又包括I和Q路正交導(dǎo)頻PN序列的時(shí)延，所以它可有效的增大移動(dòng)臺(tái)到基站的范圍。這增加了基站在同一個(gè)接入信道時(shí)隙內(nèi)分別解調(diào)多個(gè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的消息的概率，尤其是當(dāng)許多移動(dòng)臺(tái)工作在與基站距離很近的區(qū)域時(shí)。
同樣，移動(dòng)臺(tái)偽隨機(jī)的產(chǎn)生接入試探序列的接入試探間的時(shí)間間隔。在發(fā)送接入試探以后，移動(dòng)臺(tái)等待特定的時(shí)間TA，即從該時(shí)隙結(jié)束直至收到來自基站的確認(rèn)信息。若移動(dòng)臺(tái)接收到確認(rèn)信息，則接入信道嘗試結(jié)束。否則，移動(dòng)臺(tái)在附加的補(bǔ)償時(shí)延RT后開始發(fā)送下一個(gè)接入試探。
3 接入相關(guān)問題分析
本節(jié)指出并澄清一些接入機(jī)制相關(guān)技術(shù)，包括接入相關(guān)參數(shù)的獲取，接入信道的選取，接入過程的時(shí)序關(guān)系及接入信道的時(shí)間系統(tǒng)的確定等問題。
3.1 接入相關(guān)參數(shù)的獲取
3.1.1 接入信道時(shí)隙的獲取
接入信道時(shí)隙是由接入信道最大前綴長度和最大消息長度確定的。接入信道前綴長度為1+PAM_SZ，接入信道最大消息長度為1+MAX_CAP_SZ，因此接入信道時(shí)隙為4+PAM_SZ+MAX_CAP_SZ。
參數(shù)PAM_SZ和MAX_CAP_SZ是由基站在一定范圍內(nèi)設(shè)定的，不同的接入信道可設(shè)置不同的參數(shù)，也就是說不同的接入信道可以有不同的接入信道時(shí)隙。不同地區(qū)可根據(jù)具體覆蓋情況由運(yùn)營商自行設(shè)置，具體參數(shù)在接入信道上傳送的接入?yún)?shù)消息中靈活配置。
接入信道的時(shí)隙長度是由參數(shù)PAM_SZ和MAX_CAP_SZ確定的，它們是由基站在接入?yún)?shù)消息（APM）中設(shè)置并通過相應(yīng)的尋呼信道通知移動(dòng)臺(tái)的。接收尋呼信道并解析接入?yún)?shù)消息可獲取時(shí)隙相關(guān)參數(shù)從而計(jì)算出時(shí)隙長度。
PAM_SZ的典型值為3，MAX_CAP_SZ的典型值為3，因而接入信道時(shí)隙的典型值為200ms。目前，成都地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)配置PAM_SZ為3，MAX_CAP_SZ為5，即接入信道時(shí)隙為240ms。
3.1.2 隨機(jī)參數(shù)的獲取及處理
在接入嘗試過程中，為減輕碰撞的發(fā)生，各移動(dòng)臺(tái)在各個(gè)環(huán)節(jié)加入隨機(jī)延遲，這些延遲的范圍由基站規(guī)定，由移動(dòng)臺(tái)具體確定。整個(gè)接入過程中包括以下隨機(jī)延遲參數(shù)：
序列延遲RS。該延遲在一個(gè)接入子嘗試的各接入序列前產(chǎn)生，確定下一個(gè)接入序列的延遲時(shí)間。取值范圍為0~16slot，由移動(dòng)臺(tái)從0到1+BKOFF間隨機(jī)產(chǎn)生，其中BKOFF為基站確定的值。
試探延遲RT。取值范圍為0~16slot。若一個(gè)接入試探序列中的接入試探在相同的R-ACH上傳送，RT在0到1+PROBE_BKOFF間隨機(jī)產(chǎn)生。若R-ACH不同，在0到PROBE_BKOFF間產(chǎn)生。參數(shù)PROBE_BKOFF為基站確定的值。
PN隨機(jī)化延遲RN。取值范圍為0~511chip。移動(dòng)臺(tái)通過hash函數(shù)在0到2PROBE_PN_RAN-1間產(chǎn)生，每個(gè)接入子嘗試開始前產(chǎn)生一次。參數(shù)PROBE_PN_RAN由基站確定。這是唯一一個(gè)在物理層及層2進(jìn)行調(diào)整的隨機(jī)延遲。
持續(xù)性檢測(cè)時(shí)延PD。單位為時(shí)隙。移動(dòng)臺(tái)始呼時(shí)，在發(fā)送接入序列前，首先延遲RS個(gè)時(shí)隙，再在之后的每個(gè)時(shí)隙開始時(shí)都根據(jù)參數(shù)P進(jìn)行偽隨機(jī)持續(xù)性檢測(cè)，若通過，在該時(shí)隙發(fā)送序列的第一個(gè)試探；若失敗，則延遲至下一個(gè)時(shí)隙再進(jìn)行持續(xù)性檢測(cè)。參數(shù)P為預(yù)先設(shè)定好的比較門限，由基站確定。
等待基站確認(rèn)時(shí)間TA。移動(dòng)臺(tái)在發(fā)送一個(gè)接入試探后，等待一定的時(shí)間TA，若期間收到基站的確認(rèn)消息，完成接入嘗試；否則在TA后隨機(jī)延遲RT個(gè)時(shí)隙，繼續(xù)發(fā)下一個(gè)接入試探。TA是個(gè)規(guī)定好的時(shí)間，TA=80×（2+ACC_TMO）ms，其中參數(shù)ACC_TMO由基站確定。
R-ACH序號(hào)。取值范圍為0~31。在每個(gè)接入試探序列或接入試探前隨機(jī)從0到ACC_CHAN中產(chǎn)生。參數(shù)ACC_CHAN由基站根據(jù)相應(yīng)尋呼信道對(duì)應(yīng)的接入信道數(shù)確定。
以上參數(shù)均由基站在接入?yún)?shù)消息（APM）中設(shè)置，通過尋呼信道傳送給移動(dòng)臺(tái)。目前成都地區(qū)的參數(shù)設(shè)置情況如下：BKOFF為0，PROBE_BKOFF為0，PROBE_PN_RAN為0，ACC_TMO為3，ACC_CHAN為0。相應(yīng)的隨機(jī)延遲的取值范圍為：RS為0～1，RT為0~1，RN為0（即未延遲），RA為0（即只有一個(gè)接入信道）。特定值TA為400ms，即5個(gè)尋呼信道時(shí)隙。從以上參數(shù)可見，目前成都地區(qū)網(wǎng)絡(luò)對(duì)接入信道的隨機(jī)化要求不高，只在很小的范圍內(nèi)做了隨機(jī)化延遲，說明當(dāng)前用戶數(shù)不是很多，接入信道僅做簡單的隨機(jī)化即可滿足要求。
3.2 接入信道的選取
3.2.1 接入信道的區(qū)分
每個(gè)尋呼信道可對(duì)應(yīng)多個(gè)接入信道，這些接入信道是通過不同的長碼掩碼區(qū)分的。長碼掩碼的生成方式如圖2所示。
移動(dòng)臺(tái)在接入信道上傳送消息時(shí)首先以ESN和系統(tǒng)時(shí)間為種子，隨機(jī)產(chǎn)生接入信道號(hào)ACN，然后根據(jù)接入信道號(hào)、該接入信道對(duì)應(yīng)的PCH號(hào)（PCN）、PN偏移、基站ID等產(chǎn)生長碼掩碼。
3.2.2 接入信道的解碼
每個(gè)基站最多可有7個(gè)尋呼信道，因而，對(duì)一個(gè)小區(qū)的基站而言，接入信道最多可能有7×32＝224個(gè)，這些信道是并行使用的。對(duì)同一個(gè)尋呼信道而言，它所對(duì)應(yīng)的接入信道的區(qū)別僅在于接入信道號(hào)引起的掩碼的不同，只要采用不同的掩碼就可以區(qū)分。由于同時(shí)存在n個(gè)（n<224）接入信道，不同的移動(dòng)臺(tái)可同時(shí)在n個(gè)不同的信道上傳送消息，因此可以同時(shí)收到不同移動(dòng)臺(tái)的接入消息，極限情況下會(huì)同時(shí)收到224個(gè)接入消息。尋呼信道個(gè)數(shù)由參數(shù)PAGE_CHANs決定，該參數(shù)可由系統(tǒng)參數(shù)消息（SPM）獲得。
每個(gè)尋呼信道所對(duì)應(yīng)的接入信道個(gè)數(shù)由參數(shù)ACC_CHANs決定，該參數(shù)可由接入?yún)?shù)消息（APM）得到。當(dāng)前成都地區(qū)的PAGE_CHANs和ACC_CHANs均為1，說明只使用了一個(gè)1個(gè)接入信道。在捕獲接入信道時(shí)可以采用串行的方式，僅用ACN為1，PCN為1的掩碼對(duì)接入信道解碼即可。
3.3 接入信道定時(shí)關(guān)系
接入信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括接入前綴和層2封裝的PDU。每次接入信道上傳送的數(shù)據(jù)都是接入信道幀的整數(shù)倍，并且不會(huì)超過4+MAX_CAP_SZ+PAM_SZ個(gè)幀。在每個(gè)接入信道傳輸時(shí)，移動(dòng)臺(tái)首先在時(shí)隙的起始處開始發(fā)前綴（附加PN隨機(jī)化延遲），緊接著發(fā)封裝好的接入信道消息。
重要的是接入信道時(shí)隙是從哪開始的。從圖1看，容易混淆的問題是移動(dòng)臺(tái)在發(fā)送完一個(gè)接入試探后，在等待TA+RT后就開始發(fā)送下一個(gè)接入試探，雖然RT是以時(shí)隙為單位的，但TA只是80ms的倍數(shù)，并不是以時(shí)隙為單位，說明移動(dòng)臺(tái)等待一個(gè)非時(shí)隙整數(shù)倍開始新的接入試探，這樣會(huì)造成所有的移動(dòng)臺(tái)并不在統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)間開始進(jìn)行接入嘗試，而是各自以自己認(rèn)為的時(shí)隙開始進(jìn)行接入。這就給基站捕獲所有移動(dòng)臺(tái)的接入帶來了困難。
事實(shí)上，協(xié)議上對(duì)接入信道時(shí)隙的開始做了規(guī)定，要求接入信道時(shí)隙在接入信道幀的整數(shù)倍處開始，并且滿足如下條件：
t mod（4+MAX_CAP_SZ+PAM_SZ）= 0 （1）
這里的t指以幀為單位的系統(tǒng)時(shí)間。這說明圖1只是示意了一下接入過程中的各隨機(jī)延遲，并未準(zhǔn)確畫出時(shí)間關(guān)系。
對(duì)應(yīng)于同一個(gè)尋呼信道的所有接入信道都必須使用相同的接入信道時(shí)隙長度，它們有著相同的時(shí)隙開始時(shí)間。
移動(dòng)臺(tái)在捕獲接入信道時(shí)，首先要獲取基站的同步信息，得到系統(tǒng)時(shí)間，在每個(gè)滿足（1）式的時(shí)刻開始解析接入信道。解析時(shí)，首先確認(rèn)連續(xù)收到1+PAM_SZ個(gè)前綴，后面的幀就是真正的接入信道封裝的消息PDU，再按照一定的格式進(jìn)行組包和消息解析。
3.4 接入過程時(shí)序關(guān)系
協(xié)議規(guī)定接入過程的每一個(gè)子階段必須在一定的時(shí)間內(nèi)完成。有如下5個(gè)子階段：
（1）基站對(duì)呼叫請(qǐng)求的確認(rèn)�；就ㄟ^確認(rèn)消息對(duì)移動(dòng)臺(tái)的呼叫進(jìn)行確認(rèn)，移動(dòng)臺(tái)在接收到呼叫請(qǐng)求之前可能會(huì)發(fā)送多次呼叫請(qǐng)求消息。在此階段，若當(dāng)前的開銷消息沒有在T41m（4s）內(nèi)接收到，移動(dòng)臺(tái)將中止接入，重新進(jìn)行初始化。
（2）等待信道指配消息。若移動(dòng)臺(tái)在接收到基站的確認(rèn)消息之后的12s之內(nèi)沒有收到尋呼信道上發(fā)送的信道指配消息，移動(dòng)臺(tái)會(huì)自動(dòng)返回到空閑狀態(tài)。記載移動(dòng)臺(tái)發(fā)起呼叫嘗試子狀態(tài)中，若定時(shí)器超時(shí)，移動(dòng)臺(tái)將返回空閑狀態(tài)。該時(shí)間常數(shù)為T42m。
（3）確認(rèn)前向業(yè)務(wù)信道。移動(dòng)臺(tái)在收到指配消息之后必須馬上獲取前向業(yè)務(wù)信道。IS-95A中該時(shí)間為200ms，在IS-95B中延長至1s，該時(shí)間常數(shù)為T50m。若定時(shí)器超時(shí)，則系統(tǒng)丟失，移動(dòng)臺(tái)重新初始化。
（4）若前向業(yè)務(wù)信道被成功解調(diào)，移動(dòng)臺(tái)開始在反向業(yè)務(wù)信道上發(fā)送業(yè)務(wù)信道前綴。在成功獲取反向信道之后，基站在前向業(yè)務(wù)信道上發(fā)送確認(rèn)消息。若該確認(rèn)消息沒有在2s內(nèi)收到，移動(dòng)臺(tái)會(huì)重新初始化。該時(shí)間常數(shù)為T51m。
（5）基站向移動(dòng)臺(tái)發(fā)送業(yè)務(wù)連接消息。若連接失敗，則系統(tǒng)釋放，移動(dòng)臺(tái)重新初始化。
在接入過程的早期，有兩個(gè)關(guān)鍵的子狀態(tài)，更新開銷子狀態(tài)（T41m，4s為限），移動(dòng)臺(tái)起呼嘗試子狀態(tài)（T42m，12s為限）。
在接入過程后期，有兩個(gè)關(guān)鍵的定時(shí)器：T50m（0.2s內(nèi)收到連續(xù)兩個(gè)好幀），T51m（2s內(nèi)收到基站識(shí)別反向業(yè)務(wù)信道的證實(shí)消息）。接入信道各定時(shí)器設(shè)置如圖3所示。
弄清這些定時(shí)器的設(shè)置對(duì)于基站捕獲移動(dòng)臺(tái)的接入及上行業(yè)務(wù)信道很重要，可作為狀態(tài)轉(zhuǎn)移的根據(jù)。
若捕獲到移動(dòng)臺(tái)的接入后，等待T42m即12s后仍未捕獲到相應(yīng)的尋呼信道上的指配消息時(shí)，放棄對(duì)該移動(dòng)臺(tái)的捕獲。
在捕獲到尋呼信道上的指配消息后，在T50m即0.2s內(nèi)應(yīng)該能捕獲到前向業(yè)務(wù)信道的兩個(gè)連續(xù)好幀，若收不到，或者是自身離基站太遠(yuǎn)，信號(hào)不好；或者是移動(dòng)臺(tái)也收不到兩個(gè)連續(xù)的好幀，這種情況下通話會(huì)自動(dòng)切斷。無論是哪種情況，都不應(yīng)立即終止對(duì)移動(dòng)臺(tái)業(yè)務(wù)信道的捕獲，再等待一定的時(shí)間，分別嘗試對(duì)上、下行業(yè)務(wù)信道的捕獲。
在捕獲到尋呼信道的指配消息或前向業(yè)務(wù)信道兩個(gè)連續(xù)好幀后，監(jiān)視反向業(yè)務(wù)信道上前綴。移動(dòng)臺(tái)在T51m即2s內(nèi)在沒收到基站的證實(shí)前會(huì)一直發(fā)送業(yè)務(wù)信道前綴用于幫助基站捕獲反向業(yè)務(wù)信道。要想捕獲移動(dòng)臺(tái)的上行業(yè)務(wù)信道，必須在2s之內(nèi)完成前綴的捕獲，并且在收到尋呼信道的指配消息后必須在200ms內(nèi)完成捕獲前綴的準(zhǔn)備，這是對(duì)捕獲上行業(yè)務(wù)信道在時(shí)間上的限制。
4 結(jié)束語
本文介紹了IS-95/cdma2000接入機(jī)制，剖析了接入信道和接入機(jī)制相關(guān)的若干問題，包括接入信道相關(guān)參數(shù)的獲取，接入信道的選取，接入信道的定時(shí)及整個(gè)接入過程的時(shí)序關(guān)系。這些問題的說明及澄清對(duì)于配置接入信道，設(shè)計(jì)移動(dòng)臺(tái)和基站對(duì)接入過程的處理方案有著重要的指導(dǎo)意義。
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