cdma呼叫过程及消息结构-1
(2008-01-06 10:55:11)
北京市电信规划设计院王珏
【概述】本文以图文并茂的形式介绍了cdma通信系统内移动台的呼叫过程，以及通信过程中基站与移动台间发送的控制消息及相关，同时对消息参数进行了注释。呼叫过程包括移动台开机登记系统开始，到移动台同步扇区导频，向外呼叫和接听来话，最后双方挂机整个过程中移动台和系统间控制消息的传递过程。
【关键词】载波（Carrier）、导频（PN）、同步信道（SyncChannel）、判定算法（SDA）、同步信道消息（SyncChannelMessage ）、寻呼信道（PagingChannel）、系统配置消息（ConfigMsg）、接入参数消息（APM）、系统参数消息（SPM）、cdma信道列表消息（CLM）、扩展系统参数消息（ExSPM）、扩展临区列表参数消息（ExNLM）、全球业务重定向消息（GSRM）、接入探针（accessprobe）、接入尝试（access attempt）、系统参数消息（SPM）、注册消息（Registration Message）、确认消息（Order Msg）、通用寻呼消息（GPM）、寻呼响应消息（PRM）、信道分配消息（CAM）、业务连接消息（SCM）、业务连接完成消息（SCCM）、振铃消息（Alert with Info Msg）、释放电路消息（Release Order）。
1移动台登记系统
1.1选择可用载波
移动台开机后就进入“初始化状态”。移动台不断扫描周围空间频谱，首先扫描使用最频繁的载频，如果没有收到cdma信号，将继续扫描第二个经常使用的载频，重复这一搜索过程直到接收到cdma信号或者失败，如果在要求的频谱范围内没有cdma信号可用，移动台将尝试转向模拟系统或转入待机休眠状态，等待随机时间后，再进行新的尝试。
移动台使用的漫游列表数据库（PRL）是预存在移动台内存里的，而已使用过的频率列表都存储在MRU中，移动台扫描频率并选择载波的算法称为系统判定算法（SDA）。典型的移动台判定算法如图1所示：
开机时，移动台使用专用算法决定自己可用的cdma初始化载波。在接收的cdma消息中，有两种寻呼信道消息——cdma信道列表（CLM）和全球业务重定位消息（GSRM）可以决定移动台切换到其他的载波上去。
1.2寻找最强导频（PN），读取同步信道（SyncChannel）
1、移动台将不断的检测周围各基站发来的导频信号和同步信号。移动台通过识别本地PN序列的偏置，可以知道周围有哪些基站在发送导频信号。移动台比较这些导频信号的强度来判断自己处于哪个小区之中。如图2。
2、移动台的瑞克接收机锁定最强导频，进行64阶沃尔什码（WalshCode=32）解调，既可读出同步信道消息（SyncChannelMessage）。如图3。
其中，同步信道消息（SyncChannelMessage）采用固定长度消息格式，具体格式如表1：
同步信道消息（Sync Channel Message ）举例：
上文中移动台已锁定偏置为168的导频序列，进行64阶沃尔什（Walsh32）解调后得到同步信道消息如下：
04/02/1422:14:05.369[SCH]
MSG_LENGTH=208bits
MSG_TYPE=00000001 file://Sync Channel Message 同步信道消息
P_REV=00000010 file://缺省值为3
MIN_P_REV=2 file://移动台的最低版本号不能小于系统版本
SID=179
NID=0
PILOT_PN=168 file://激活导频偏置
OffsetIndex
LC_STATE=0x0348D60E013 file://在系统时间确定后，基站可以决定长码状态
SYS_TIME=04/02/1422:14:05.369 file://系统时间
LP_SEC=12
LTM_OFF=-300minutes file://本地时间= SYS_TIME - LP_SEC + LTM_OFF
DAYLT=0 // daylight savings time没有启动
PRAT=00 // 9600 bps
RESERVED=000 file://保留位
3、在获得同步信道消息后，移动台将继续搜索寻呼信道（PagingChannel）。移动台的瑞克接收机仍然锁定这个最强导频，进行进行64阶沃尔什码（WalshCode=1）解调，监视寻呼信道（PagingChannel），读取配置消息。
寻呼信道中包含系统配置消息（ConfigMsg），配置消息在寻呼信道内每1.28秒重复一次，便于移动台进行捕获。移动台从寻呼信道获取系统配置消息后，就可以在系统内进行发送和相关操作了。配置消息结构如图4所示：
配置消息中包含接入参数、配置消息等参数的序列号，如果移动台发现任何消息的序列号需要升级，移动台将继续扫描寻呼信道以获得最新配置参数。如果没有发现序列号变化，移动台每600秒扫描寻呼信道一次。
接入参数消息（APM）举例：
04/02/1422:14:05.369[PCH]
MSG_LENGTH=184bits
MSG_TYPE=00000010 // Access Parameters Message
PILOT_PN=168 // 导频偏置Offset Index
ACC_MSG_SEQ=27 file://接入参数序列号
ACC_CHAN=1channel file://接入信道数
NOM_PWR=0dB file://发送功率初始数值，用于移动台开环功率估计
INIT_PWR=0dB file://初始接入功率数值，用于移动台在接入信道中开环功率初始数值的估计
PWR_STEP=4dB file://功率增加的步长
NUM_STEP=5 file://接入探针的最大数量
MAX_CAP_SZ=4 file://接入信道消息帧的大小
PAM_SZ=3Access Channel Frames file://接入信道导入帧长
PersistValforAcc Overload Classes 0-9 = 0 file://Persistence value for access overload classes 0 through 9.
PersistValforAcc Overload Class 10 = 0 file://Persistence value for access overload classes10.
PersistValforAcc Overload Class 11 = 0 file://Persistence value for access overload classes11.
PersistValforAcc Overload Class 12 = 0 file://Persistence value for access overload classes12.
PersistValforAcc Overload Class 13 = 0 file://Persistence value for access overload classes13.
PersistValforAcc Overload Class 14 = 0 file://Persistence value for access overload classes14.
PersistValforAcc Overload Class 15 = 0 file://Persistence value for access overload classes15.
PersistanceModifierforMsg Tx = 1 file://接入信道发送消息的持续修正值Persistance Modifier
PersistanceModifierforReg = 1 file://接入信道注册系统的持续修正值Persistance Modifier
ProbeRandomization=15 PN chips file://接入信道探针的随机接入时间
AcknowledgementTimeout=320 ms file://确认帧的时间间隔
ProbeBackoffRange= 4 Slots Maximum file://接入信道帧的Backoff Range
ProbeSequenceBackoffRange = 4 Slots Max. file://接入信道帧序列的Backoff Range
Max#ProbeSeq for Requests = 2 Sequences //
Max#ProbeSeq for Responses = 2 Sequences
AuthenticationMode=1 file://授权模式
RandomChallengeValue= Field Omitted
ReservedBits=99 file://保留位
系统参数消息（SPM）举例：
04/02/1422:14:05.369[PCH]MSG_LENGTH = 264 bits
MSG_TYPE=00000001 file://系统参数消息System Parameters Message PILOT_PN=168 // 导频偏置Offset Index
CONFIG_MSG_SEQ=0 file://系统消息序列号
SID=179NID = 0
REG_ZONE=0TOTAL_ZONES = 0 ZONE_TIMER = 60 min
MULT_SIDS=0MULT_NID = 0 BASE_ID = 8710 file://多个SID的存储指针BASE_CLASS=PublicMacrocellular file://站型=宏蜂窝
PAGE_CHAN=1channel file://cdma信道所支持的寻呼信道数
MAX_SLOT_CYCLE_INDEX=0
HOME_REG=0FOR_SID_REG = 0 FOR_NID_REG = 1
POWER_UP_REG=0POWER_DOWN_REG = 0
PARAMETER_REG=1REG_PRD = 0.08 sec
BASE_LAT=00D00'00.00NBASE_LONG = 000D00'00.00E
REG_DIST=0
SRCH_WIN_A=40PN chips file://激活集搜索窗大小
SRCH_WIN_N=80PN chips file://临区列表搜索窗大小
SRCH_WIN_R=4PN chips file://剩余组搜索窗大小
NGHBR_MAX_AGE=0
PWR_REP_THRESH=2frames file://功率控制报告门限
PWR_REP_FRAMES=56frames file://功率控制报告帧长
PWR_THRESH_ENABLE=1
PWR_PERIOD_ENABLE=0
PWR_REP_DELAY=20frames file://功率控制报告时延
RESCAN=0 file://rescan指针为0
T_ADD=-13.0dB T_DROP = -15.0 dB T_COMP = 2.5 dB
T_TDROP=4sec
EXT_SYS_PARAMETER=1 file://扩展系统参数消息的指针
RESERVED=0
GLOBAL_REDIRECT=0
当移动台再次扫描寻呼信道中的系统参数消息，移动台会用新接收的配置消息序列号（ConfigMsgSerialNumber）、CONFIG_MSG_SEQr予已经储存的SYS_PAR_MSG_SEQs进行比较，如果相同，移动台将丢弃此帧，如果存在差别，移动台将更新已有配置消息参数。
cdma信道列表消息（CLM）举例：
04/02/1422:14:05.369[PCH]
MSG_LENGTH=72bits file://消息长度72位
MSG_TYPE=00000100 file://信道列表消息CDMA Channel List Message
PILOT_PN=168Offset Index file://导频偏置Offset Index
CONFIG_MSG_SEQ=0 file://系统消息序列号
CDMA_FREQ=283 file://使用载频号
RESERVED=0 file://保留位省略Field Omitted
当移动台再次扫描寻呼信道中的cdma信道列表消息，移动台会用新接收的配置消息序列号（ConfigMsgSerialNumber）、CONFIG_MSG_SEQr予已经储存的
CHAN_LST_MSG_SEQs 进行比较，如果相同，移动台将丢弃此帧，如果存在差别，移动台将更新已有配置消息参数。
扩展系统参数消息（ExSPM）举例：
04/02/1422:14:05.369[PCH]
MSG_LENGTH=104bits file://消息长度72位
MSG_TYPE=00001101 file://扩展系统参数消息Extended System Parameters Message
PILOT_PN=168Offset Index file://导频偏置Offset Index
CONFIG_MSG_SEQ=0 file://系统消息序列号
RESERVED=0 file://保留位省略
PREF_MSID_TYPE=IMSIand ESN file://优选接入信道标识类型（ID type）为IMSI和ESN
MCC=000 file://移动台国家码Mobile Country Code
IMSI_11_12=00 file://国际移动台标识
RESERVED_LEN=8bits file://保留位长
RESERVED_OCTETS=0x00 file://保留的八位数值
BCAST_INDEX=0 file://广播帧索引
RESERVED=0 file://保留位
扩展临区列表参数消息（ExNLM）举例：
04/02/1422:14:05.369[PCH]
MSG_LENGTH=216bits file://消息长度216位
MSG_TYPE=00000011 // 消息类别=临区列表消息Neighbor List Message PILOT_PN=168Offset Index
CONFIG_MSG_SEQ=0
PILOT_INC=4Offset Index
NGHBR_CONFIG=0NGHBR_PN = 220 Offset Index
NGHBR_CONFIG=0NGHBR_PN = 52 Offset Index
NGHBR_CONFIG=0NGHBR_PN = 500 Offset Index
NGHBR_CONFIG=0NGHBR_PN = 8 Offset Index
NGHBR_CONFIG=0NGHBR_PN = 176 Offset Index
NGHBR_CONFIG=0NGHBR_PN = 304 Offset Index
NGHBR_CONFIG=0NGHBR_PN = 136 Offset Index
NGHBR_CONFIG=0NGHBR_PN = 384 Offset Index
NGHBR_CONFIG=0NGHBR_PN = 216 Offset Index
NGHBR_CONFIG=0NGHBR_PN = 68 Offset Index
NGHBR_CONFIG=0NGHBR_PN = 328 Offset Index
NGHBR_CONFIG=0NGHBR_PN = 112 Offset Index
RESERVED=0
全球业务重定向消息（GSRM）举例：
04/02/1422:14:05.369[PCH]
MSG_TYPE=00010010 file://消息类别=全球业务重定向消息GSRM
PILOT_PN=168 file://导频偏置Offset Index
CONFIG_MSG_SEQ=0 file://配置消息序列号
Redirectedaccessoverloadclasses = { 0, 1 } file://共有16个子集，祥见IS-95协议
RETURN_IF_FAIL=0
DELETE_TMSI=0
EXPECTED_SID=0 file://重定向至模拟系统
2移动台空闲模式的切换（Handoff）
移动台在完成同步并登记完系统后，即由初始状态进入“空闲状态”。在此状态中，移动台可以接收外来的呼叫，可以进行呼出和登记注册，还可以选择所需的码信道和数据率。
移动台在空闲模式中将不断监测导频信号的强度，如果监测到更好的导频信号，随时可以进行软切换。移动台不能够同时对多个小区的信号进行解调，因为各扇区的寻呼道配置消息是不同的。所以移动台每次只对周围接收到的最强信号进行解调，既然多个扇区的信号不能合并，移动台就要在不同导频信号间进行快速的切换，以保持和基站通信的可靠性。
移动台空闲模式下的切换过程图5：
空闲状态下，移动台的导频搜索器不断扫描临区列表消息（NeighborListMessage）中的导频信号强度，如果移动台发现一个临区导频强度超过参考导频（ReferencePN），这个新的强导频变为参考导频。同时移动台在下个超帧（Supperframe 80ms，由三个同步信道帧组成）——80ms后——切换到新的强导频的寻呼信道，重新进行配置消息的接收。在新的寻呼信道消息中，如果基站需要移动台进行注册，移动台将在新的扇区内完成上述注册过程。
3移动台在接入信道中的操作
接入信道（AccessChannel）用于移动台向基站报告自己的注册、本机和寻呼响应消息，基站通过寻呼信道不断与移动台通信。理论上一个扇区的寻呼信道可以同时和32个接入信道进行通信，实际上，移动台只用一个接入信道就完成所有的操作。在接入信道上，移动台不在基站的闭环功率控制范围内。
移动台使用随机接入协议在接入信道上进行发射，从发射一则消息到接收到（或接受失败）该消息的确认消息的过程称为接入尝试（accessattempt）。接入尝试中的每次发送称为接入探针（accessprobe）。移动台在接入尝试的每个接入探针发送相同的消息。一次成功的接入尝试如图6所示：
如图所示，移动台用接入探针（probe）与基站通信，接入功率大小由移动台开环功控决定。如果探针在ACC_TMO时间内（最大400ms）没有收到确认消息，移动台等待随机时间（最大200ms）后，探针功率增加PI（功率增加量PowerIncrease）dB再次发送。一个探针序列最多由15个接入探针组成，通常为5个探针；一个接入尝试通常含有两个接入序列，大多数情况下接入探针第一次发送即可成功，如上图。寻呼信道的接入参数消息（APM）包含所有与接入有关的参数。呼叫建立过程如图7：
4移动台系统注册（Registration）
系统登记使系统知道移动台已处于激活状态，可以随时发起呼叫或接收来话。移动台不断向系统报告自己的位置变化，以便于有来话发生时，系统可以及时进行交换处理，发送来话消息到移动台。注册后，系统只有和移动台建立通信的基站发送寻呼信道消息，这样减少了系统内的寻呼信道消息的拥塞。寻呼信道的系统参数消息（SPM）决定移动台是否需要进行新
的系统注册，收到消息的移动台将向系统回复自己的注册消息（RegistrationMessage）。注册消息的呼叫过程如下：
首先，移动台发送系统参数消息（SPM），要求收到的移动台进行注册。
16:18:26.826[PCH]SystemParameters Message
Pilot_PN:32
CONFIG_MSG_SEQ:14SID:16420 NID: 0,
REG_ZONE:0TOTAL_ZONES:0 Zone timer length (min): 1
MULT_SIDS:0MULT_NIDS:0
BASE_ID:1618BASE_CLASS:Reserved
PAG_CHAN:1MAX_SLOT_CYCLE_INDEX:2
HOME_REG:1 // 本地用户注册指针（Home registration indicator）允许本地用户独立注册
FOR_SID_REG:1
file://系统外漫游用户注册指针（SIDroamer registration indicator）允许系统外漫游用户独立注册
FOR_NID_REG:1
file://网络外漫游用户注册指针（NIDroamer registration indicator）允许网络外漫游用户独立注册
POWER_UP_REG:1POWER_DOWN_REG:1
file://允许独立注册用户在功率增加后或供率降低前快速注册
PARAMETER_REG:1Registrationperiod (sec): 54
file://参数变化注册指针（Parameter-changeregistrationindicator），注册周期54秒Basestation0°00′00.00¨Lon., 0°00′00.00° Lat. REG_DIST: 0
SRCH_WIN_A(PNchips):28 SRCH_WIN_N (PN chips): 100,
基站注册参数
SRCH_WIN_R(PNchips):130 NGHBR_MAX_AGE: 2
PWR_REP_THRESH:2PWR_REP_FRAMES(frames): 15
PWR_THRESH_ENABLE:1PWR_PERIOD_ENABLE:0,
PWR_REP_DELAY:1(4frames) RESCAN: 0,
T_ADD:-14.0dBT_DROP:-16.0dB T_COMP: 2.5dB,
T_TDROP:4s
EXT_SYS_PARAMETER:1
EXT_NGHBR_LIST:1
GLOBAL_REDIRECT:0
移动台收到此消息后，向基站发送注册消息（Registration Message）
16:18:27.144AccessChannel:Registration Message
ACK_SEQ:7
MSG_SEQ:1 file://基站设定消息序列号
ACK_REQ:1 file://移动台要求基站收到注册消息后进行应答
VALID_ACK:0
ACK_TYPE:0
MSID_TYPE:3,ESN:[0x 01 99 0d fc]
MFR1,Reserved38, Serial Number 69116,
IMSI:(Class:0,Class_0_type: 1) [0x 01 8d 31 74 29 36]
460-030-09-2200-2198 file://国际移动台识别码（唯一）
AUTH_MODE:0
移动台标识
REG_TYPE:Timer-based
SLOT_CYCLE_INDEX:2
MOB_P_REV:1
EXT_SCM:1
SLOTTED_MODE:1
MOB_TERM:1
基站收到移动台发送的注册消息后，向移动台回复确认消息，通报系统注册已完成。
16:18:27.506PagingChannel:Order
ACK_SEQ:1 file://确认序列号（Acknowledgement sequence number），基站确认已收到注册消息
MSG_SEQ:0ACK_REQ:0 VALID_ACK: 1
MSID_TYPE:2IMSI:(Class: 0, Class_0_type: 3)
[0x02478d 31 74 29 36] (302) 460-030-09-2200-2198 file://国际移动台识别码（唯一）Ordertype:BaseStation Acknowledgement Order
5对外呼叫
和接听来话相似，用户对外拨叫也要同系统进行消息传递，建立双方通话的上下行业务信道。具体消息传递过程如图13：
首先用户拨打对方的电话号码，按下呼叫按钮，移动台在接入信道（AccessChl）上发送原始消息（OriginationMsg）。系统收到消息后，在寻呼信道上进行确认。系统开始分配业务信道用于双方通话，通过业务信道分配消息（CAM）指配专用信道给移动台作为上下行信道。双方进行上下行业务信道的确认，并确定语音通话速率。最后，交换机建立语音电路，被叫方听到电话振铃，通话开始。
双方的消息传递过程如下：
用户按下拨叫按钮后，移动台向系统发送原始消息
17:48:53.144AccessChannel:Origination file://接入信道，原始消息
ACK_SEQ:7MSG_SEQ:6 ACK_REQ: 1
VALID_ACK:0ACK_TYPE:0 MSID_TYPE: 3
ESN:[0x0006 98 24] MFR 0 Reserved 1
SerialNumber170020
IMSI:(Class:0,Class_0_type: 0)
[0x035db8 97 c2] 460-030-09-2200-2198
AUTH_MODE:0MOB_TERM:1
SLOT_CYCLE_INDEX:2MOB_P_REV:1 EXT_SCM: 1 DualMode:0SLOTTED_MODE:1 PowerClass: 0 REQUEST_MODE:CDMAonlySPECIAL_SERVICE: 1 Serviceoption:(6)Voice (13k) (0x8000) PM: 0
DIGIT_MODE:0MORE_FIELDS:0 NUM_FIELDS: 11 Chari:180********
NAR_AN_CAP:0
基站收到原始消息后，向移动台进行确认
17:48:53.487PagingChannel:Order file://寻呼信道，确认消息ACK_SEQ:6MSG_SEQ:0 ACK_REQ: 0 VALID_ACK: 1 MSID_TYPE:2
IMSI:(Class:0,Class_0_type: 0)
[0x035db8 97 c2] 460-030-09-2200-2198
基站向移动台发送信道指配消息（CAM），移动台锁定该下行业务信道
17:48:54.367PagingChannel:Channel Assignment file://寻呼信道，确认消息
ACK_SEQ:6MSG_SEQ:1 ACK_REQ: 0 VALID_ACK: 1
MSID_TYPE:2
IMSI:(Class:0,Class_0_type: 0)
[0x035db8 97 c2] 972-849-5073
ASSIGN_MODE:TrafficChannelAssignment,
ADD_RECORD_LEN:5FREQ_INCL:1 GRANTED_MODE: 2
CODE_CHAN:12FRAME_OFFSET:0
ENCRYPT_MODE:Encryptiondisabled
BAND_CLASS:1.8to2.0 GHz PCS band
CDMA_FREQ:425
基站向移动台连续发送空的数据帧，用指定的沃尔什码调制，以实现在专用业务信道上的传送。
移动台在指定业务信道上收到至少两个空帧后，确认该业务信道是用于通话的下行信道后，移动台在它的反向业务信道上发送两个连续的空报头（Blank Preamble）。注：移动台的反向业务信道是通过长码偏置确定的，而每个移动台长码偏置是由电子序列号（ESN）唯一确定的，因此每个移动台的反向业务业务信道是不会混淆的，它通过不同的长码进行解调。
基站发送确认消息，表明已收到移动台发送的空报头
17:48:54.757ForwardTrafficChannel: Order
ACK_SEQ:7MSG_SEQ:0 ACK_REQ: 1 ENCRYPTION: 0
USE_TIME:0ACTION_TIME:0
移动台发送确认消息，表明已经知道基站的确认
17:48:54.835ReverseTrafficChannel: Order
ACK_SEQ:0MSG_SEQ:0 ACK_REQ: 0
ENCRYPTION:0
基站在指定业务信道上再次发送业务连接消息（SCM），此时双方上下行业务信道都已建立，且不会占用小区内其他用户通话的业务信道。
17:48:55.098ForwardTrafficChannel: Service Connect file://前向业务信道，业务连接消息
ACK_SEQ:7MSG_SEQ:1 ACK_REQ: 1 ENCRYPTION: 0
USE_TIME:0ACTION_TIME:0 SERV_CON_SEQ: 0
ServiceConfigurationSupportedTransmission:
ForwardTrafficChannelRate (Set 2): 14400, 7200, 3600, 1800 bps
ReverseTrafficChannelRate (Set 2): 14400, 7200, 3600, 1800 bps
Serviceoption:(6)Voice (13k) (0x8000)
ForwardTrafficChannel:Primary Traffic
ReverseTrafficChannel:Primary Traffic
移动台收到连接消息后，回复业务连接完成消息（SCCM），表明连接已经建立，可以准备通话了。