CDMA技術(shù)-數(shù)字移動通信關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字移動通信關(guān)鍵技術(shù)目錄一． 多址技術(shù) 1（一） 頻分多址 1（二） 時分多址 1（三） 碼分多址 2二． RAKE多徑接收機 3三． 多用戶檢測技術(shù) 3四． 功率控制技術(shù) 4（一） 反向開環(huán)功率控制 4（二） 反向閉環(huán)功率控制 5（三） 前向功率控制 6（四） dB和功率的換算關(guān)系 6五． 軟容量技術(shù) 6六． 軟切換 7（一） 切換類型 7（二） 軟切換的實現(xiàn) 8七． 地址碼的選擇 9（一） 地址碼選擇的要求 9（二） 偽隨機序列 9（三） PN碼的碼捕獲 10（四） PN碼在CDMA中的應(yīng)用 10八． 分集技術(shù) 11多址技術(shù)多址技術(shù)使眾多的用戶共用公共的通信線路。為使信號多路化而實現(xiàn)多址的方法基本上有三種，它們分別采用頻率、時間或代碼分隔的多址連接方式，即人們通常所稱的頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）三種接入方式。0用模型表示了這三種方法簡單的一個概念。FDMA是以不同的頻率信道實現(xiàn)通信的，TDMA是以不同的時隙實現(xiàn)通信的，CDMA是以不同的代碼序列實現(xiàn)通信的。頻分多址頻分，有時也稱之為信道化，就是把整個可分配的頻譜劃分成許多單個無線電信道（發(fā)射和接收載頻對），每個信道可以傳輸一路話音或控制信息。在系統(tǒng)的控制下，任何一個用戶都可以接入這些信道中的任何一個。模擬蜂窩系統(tǒng)是FDMA結(jié)構(gòu)的一個典型例子，數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中也同樣可以采用FDMA，只是不會采用純頻分的方式，比如GSM和CDMA系統(tǒng)就采用了FDMA。時分多址時分多址是在一個帶寬的無線載波上，按時間（或稱為時隙）劃分為若干時分信道，每一用戶占用一個時隙，只在這一指定的時隙內(nèi)收（或發(fā)）信號，故稱為時分多址。此多址方式在數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中采用，GSM系統(tǒng)也采用了此種方式。TDMA是一種較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，最簡單的情況是單路載頻被劃分成許多不同的時隙，每個時隙傳輸一路猝發(fā)式信息。TDMA中關(guān)鍵部分為用戶部分，每一個用戶分配給一個時隙（在呼叫開始時分配），用戶與基站之間進(jìn)行同步通信，并對時隙進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)自己的時隙到來時，移動臺就啟動接收和解調(diào)電路，對基站發(fā)來的猝發(fā)式信息進(jìn)行解碼。同樣，當(dāng)用戶要發(fā)送信息時，首先將信息進(jìn)行緩存，等到自己時隙的到來。在時隙開始后，再將信息以加倍的速率發(fā)射出去，然后又開始積累下一次猝發(fā)式傳輸。TDMA的一個變形是在一個單頻信道上進(jìn)行發(fā)射和接收，稱之為時分雙工（TDD）。其最簡單的結(jié)構(gòu)就是利用兩個時隙，一個發(fā)一個收。當(dāng)移動臺發(fā)射時基站接收，基站發(fā)射時移動臺接收，交替進(jìn)行。TDD具有TDMA結(jié)構(gòu)的許多優(yōu)點：猝發(fā)式傳輸、不需要天線的收發(fā)共用裝置等等。它的主要優(yōu)點是可以在單一載頻上實現(xiàn)發(fā)射和接收，而不需要上行和下行兩個載頻，不需要頻率切換，因而可以降低成本。TDD的主要缺點是滿足不了大規(guī)模系統(tǒng)的容量要求。碼分多址碼分多址是一種利用擴頻技術(shù)所形成的不同的碼序列實現(xiàn)的多址方式。它不像FDMA、TDMA那樣把用戶的信息從頻率和時間上進(jìn)行分離，它可在一個信道上同時傳輸多個用戶的信息，也就是說，允許用戶之間的相互干擾。其關(guān)鍵是信息在傳輸以前要進(jìn)行特殊的編碼，編碼后的信息混合后不會丟失原來的信息。有多少個互為正交的碼序列，就可以有多少個用戶同時在一個載波上通信。每個發(fā)射機都有自己唯一的代碼（偽隨機碼），同時接收機也知道要接收的代碼，用這個代碼作為信號的濾波器，接收機就能從所有其他信號的背景中恢復(fù)成原來的信息碼（這個過程稱為解擴）。CDMA按照獲得帶寬信號所采取的調(diào)制方式分為直接序列擴頻（DS）、跳頻（FH）和跳時（TH），如下圖所示：RAKE多徑接收機RAKE接收機也稱為多徑接收機，即是指移動臺中有多個RAKE接收機，由于無線信號傳播中存在多徑效應(yīng)，因此基站發(fā)出的信號會經(jīng)過不同的路徑到達(dá)移動臺處，經(jīng)不同路徑到達(dá)移動臺處的信號的時間是不同的，如果兩個信號到達(dá)移動臺處的時間差超過一個信號碼元的寬度，RAKE接收機就可將其分別成功解調(diào)，移動臺將各個RAKE接收機收到的信號進(jìn)行矢量相加（即對不同時間到達(dá)移動臺的信號進(jìn)行不同的時間延遲到達(dá)同相），每個接收機可單獨接收一路多徑信號，這樣移動臺就可以處理幾個多徑分量，達(dá)到抗多徑衰落的目的，提高移動臺的接收性能?；緦γ總€移動臺信號的接收也是采用同樣的道理，即也采用多個RAKE接收機。另外，在移動臺進(jìn)行軟切換的時候，也正是由于使用不同的RAKE接收機接收不同基站的信號才得以實現(xiàn)。多用戶檢測技術(shù)基于RAKE接收機原理的CDMA接收機將其它用戶的信號視為干擾信號，但是優(yōu)化后接收機可以將檢測所有信號或從指定的信號中減去其它信號的干擾。當(dāng)新的用戶或干擾源進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時，其它用戶的服務(wù)質(zhì)量會下降，網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力越強，可服務(wù)的用戶就越多。干擾一個基站或移動臺的多路接入干擾是小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間干擾的總和。多用戶檢測（MUD）也稱為聯(lián)合檢測和干擾消除，它提供了降低多路接入干擾的影響，因而增加系統(tǒng)容量。同時MUD顯著降低了CDMA系統(tǒng)的遠(yuǎn)近效應(yīng)。MUD可以緩解系統(tǒng)對功率控制的需求。功率控制技術(shù)由于CDMA系統(tǒng)不同用戶同一時間采用相同的頻率，所以CDMA系統(tǒng)為自干擾系統(tǒng)，如果系統(tǒng)采用的擴頻碼不是完全正交的（實際系統(tǒng)中使用的地址碼是近似正交的），因而造成相互之間的干擾。在一個CDMA系統(tǒng)中，每一碼分信道都會受到來自其它碼分信道的干擾，這種干擾是一種固有的內(nèi)在干擾。由于各個用戶距離基站距離不同而使得基站接收到各個用戶的信號強弱不同，由于信號間存在干擾，尤其是強信號會對弱信號造成很大的干擾，甚至造成系統(tǒng)的崩潰，因此必須采用某種方式來控制各個用戶的發(fā)射功率，使得各個用戶到達(dá)基站的信號強度基本一致。CDMA系統(tǒng)的容量主要受限于系統(tǒng)內(nèi)部移動臺的相互干擾，所以每個移動臺的信號達(dá)到基站時都達(dá)到最小所需的信噪比，系統(tǒng)容量將會達(dá)到最大值。CDMA功率控制分為：前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又分為開環(huán)和閉環(huán)功率控制。反向開環(huán)功率控制反向開環(huán)功率控制是移動臺根據(jù)在小區(qū)中所接收功率的變化，迅速調(diào)節(jié)移動臺發(fā)射功率。其目的是試圖使所有移動臺發(fā)出的信號在到達(dá)基站時都有相同的標(biāo)稱功率。開環(huán)功率控制是為了補償平均路徑衰落的變化和陰影、拐彎等效應(yīng)，它必須有一個很大的動態(tài)范圍。IS95空中接口規(guī)定開環(huán)功率控制動態(tài)范圍是－32dB～＋32dB。剛進(jìn)入接入信道時（閉環(huán)校正尚未激活）平均輸出功率（dBm）=-平均輸入功率（dBm）-73+NOM_PWR（dB）+INIT_PWR（dB）其中：平均功率是相對于1.23MHz標(biāo)稱CDMA信道帶寬而言；INIT_PWR是對第一個接入信道序列所需作的調(diào)整；NOM_PWR是為了補償由于前向CDMA信道和反向CDMA信道之間不相關(guān)造成的路徑損耗。其后的試探序列不斷增加發(fā)射功率（步長為PWR_STEP），直到收到一個效應(yīng)或序列結(jié)束。輸出的功率電平為：平均輸出功率（dBm）=-平均輸入功率（dBm）-73+NOM_PWR（dB）+INIT_PWR（dB）＋PWR_STEP之和（dB）在反向業(yè)務(wù)信道開始發(fā)送之后一旦收到一個功率控制比特，移動臺的平均輸出功率變?yōu)椋浩骄敵龉β剩╠Bm）=-平均輸入功率（dBm）-73+NOM_PWR（dB）+INIT_PWR（dB）+PWR_STEP之和（dB）+所有閉環(huán)功率校正之和（dB）其中：NOM_PWR的范圍為－8～7dB，標(biāo)稱值為0dBINIT_PWR的范圍為－16～15dB，標(biāo)稱值為0dBPWR_STEP的范圍為0～7dB反向閉環(huán)功率控制閉環(huán)功率控制的目的是使基站對移動臺的開環(huán)功率估計迅速作出糾正，以使移動臺保持最理想的發(fā)射功率。功率控制比特是連續(xù)發(fā)送的，速率為每比特1.25ms（即800bit/s）。“0”比特指示移動臺增加平均輸出功率，“1”比特指示移動臺減少平均輸出功率，步長為1dB/比特。基站發(fā)送的功率控制比特比反向業(yè)務(wù)信道延遲2*1.25ms。一個功率控制比特的長度正好等于前向業(yè)務(wù)信道兩個調(diào)制符號的長度（即104.66us）。每個功率控制比特將替代兩個連續(xù)的前向業(yè)務(wù)信道調(diào)制符號，這個技術(shù)就是通常所說的符號抽取技術(shù)。反向外環(huán)與閉環(huán)功率控制如圖所示：前向功率控制基站周期性地降低發(fā)射到移動臺的發(fā)射功率，移動臺測量誤幀率，當(dāng)誤幀率超過預(yù)定義值時，移動臺要求基站對它的發(fā)射功率增加1％，每15～20ms進(jìn)行一次調(diào)整。下行鏈路低速控制調(diào)整的動態(tài)范圍是±6dB。移動臺的報告分為定期報告和門限報告。dB和功率的換算關(guān)系a.dB是一個純計數(shù)單位：dB=10lgXb.dBm定義的是miliwatt。0dBm=10lg1mwc.dBw定義watt。0dBw=10log1W=10log1000mw=30dBm。需要注意的是，用一個dBm減另外一個dBm時，得到的結(jié)果是dB。如：30dBm-0dBm=30dB。軟容量技術(shù)對于CDMA系統(tǒng)，用戶數(shù)與服務(wù)級別存在比較靈活的關(guān)系，運營商可在話務(wù)量高峰期將誤幀率稍微提高，來增加可用信道數(shù)，提高系統(tǒng)容量。軟容量是通過CDMA系統(tǒng)的呼吸功能來實現(xiàn)的。呼吸功能是CDMA系統(tǒng)中特有的改善用戶相互干擾、合理分配基站容量的功能。它是指相鄰基站間，如果某基站覆蓋區(qū)正在通話的用戶數(shù)量較多時，該基站的用戶之間會產(chǎn)生較大的干擾，這時，該基站可通過降低該基站的導(dǎo)頻信道的發(fā)射功率使部分用戶通過軟切換切換到負(fù)荷較輕相鄰基站中去，從而降低該基站的負(fù)荷，減輕該基站的干擾，這是所謂的“呼”功能；當(dāng)該基站的用戶數(shù)量減少、干擾減輕時，該基站又可增加導(dǎo)頻信道的發(fā)射功率，將相鄰基站的用戶通過軟切換納入自己的覆蓋區(qū)域，這是所謂的“吸”功能。CDMA系統(tǒng)實現(xiàn)呼吸功能的本質(zhì)在于其可以方便的控制各個基站的覆蓋范圍和系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)軟切換，通過改變基站的覆蓋范圍來調(diào)整各個基站下面使用用戶的容量，CDMA系統(tǒng)通過呼吸功能，實現(xiàn)相鄰基站之間的容量均衡，降低各個基站內(nèi)部的用戶干擾，從整個系統(tǒng)考慮是增加了容量。軟切換切換是指將一個正在進(jìn)行的呼叫從一個小區(qū)轉(zhuǎn)移到另一個小區(qū)的過程。切換是用于無線傳播、業(yè)務(wù)分配、激活操作維護(hù)、設(shè)備故障等原因而產(chǎn)生。切換類型CDMA切換類型有兩類：硬切換和軟切換。硬切換（Hardhandoff）硬切換是指在切換的過程中，業(yè)務(wù)信道有瞬時的中斷的切換過程。硬切換包括以下兩種情況：同一MSC中的不同頻道之間；不同MSC之間。軟切換（SoftHandoff）軟切換是指在切換過程中，在中斷與舊的小區(qū)的聯(lián)系之前，先用相同頻率建立與新的小區(qū)的聯(lián)系。手機在兩個或多個基站的覆蓋邊緣區(qū)域進(jìn)行切換時，手機同時接收多個基站（大多數(shù)情況下是兩個）的信號，幾個基站也同時接收該手機的信號，直到滿足一定的條件后手機才切斷同原來基站的聯(lián)系。如果兩個基站之間采用的是不同頻率，則這時發(fā)生的切換是硬切換。軟切換包括以下四種情況：同一基站的兩個扇區(qū)之間；（如果切換發(fā)生在兩個相同頻率的扇區(qū)之間的話，這種切換稱為更軟切換（SofterHandoff））；不同基站的兩個小區(qū)之間；不同基站的小區(qū)和扇區(qū)之間的三方切換；不同基站控制器之間。軟切換的實現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)軟切換的原因在于：1、CDMA系統(tǒng)可以實現(xiàn)相鄰小區(qū)的同頻復(fù)用；2、手機和基站對于每個信道都采用多個RAKE接收機，可以同時接收多路信號，在軟切換過程中各個基站的信號對于手機來講相當(dāng)于是多徑信號，手機接收到這些信號相當(dāng)于是一種空間分集。導(dǎo)頻：指導(dǎo)頻信道導(dǎo)頻集合：指所有具有相同頻率但不同PN碼相位的導(dǎo)頻集。有效導(dǎo)頻集：與正在聯(lián)系的基站相對應(yīng)的導(dǎo)頻集合。候選導(dǎo)頻集：當(dāng)前不在有效導(dǎo)頻集里，但是已有足夠的強度表明與該導(dǎo)頻相對應(yīng)的基站的前向業(yè)務(wù)信道可以被成功解調(diào)的導(dǎo)頻集合。相鄰導(dǎo)頻集：當(dāng)前不在有效導(dǎo)頻集或候選導(dǎo)頻集里但又根據(jù)某種算法被認(rèn)為很快就可以進(jìn)入候選導(dǎo)頻集里的導(dǎo)頻集合。剩余導(dǎo)頻集：不被包括在相鄰導(dǎo)頻集。候選導(dǎo)頻集和有效導(dǎo)頻集里的所有其它導(dǎo)頻的導(dǎo)頻集合。軟切換過程如圖所示：a、當(dāng)導(dǎo)頻強度達(dá)到T_ADD，移動臺發(fā)送一個導(dǎo)頻強度測量消息，并將該導(dǎo)頻轉(zhuǎn)到候選導(dǎo)頻集合；b、基站發(fā)送一個切換指示消息；c、移動臺將此導(dǎo)頻轉(zhuǎn)到有效導(dǎo)頻集并發(fā)送一個切換完成消息；d、當(dāng)導(dǎo)頻強度掉到T_DROP以下時，移動臺啟動切換去掉定時器；e、切換去掉定時器到期，移動臺發(fā)送一個導(dǎo)頻強度測量消息；f、基站發(fā)送一個切換指示消息；g、移動臺把導(dǎo)頻從有效導(dǎo)頻集移到相鄰導(dǎo)頻集并發(fā)送切換完成消息。地址碼的選擇地址碼選擇的要求所選的地址碼應(yīng)能提供足夠數(shù)量的相關(guān)函數(shù)特性尖銳的碼系列，保證信號經(jīng)過地址碼解擴后具有較高的信噪比。地址碼提供的碼序列應(yīng)接近白噪聲特性，同時編碼方案簡單，保證具有較快的同步建立速度。偽隨機序列偽隨機序列（PN碼）具有類似噪聲序列的性質(zhì)，是一種貌似隨機但實際上是有規(guī)律的周期性二進(jìn)制序列。CDMA系統(tǒng)中采用m序列。m序列定義：“最長線性反饋移位寄存器序列”的簡稱。如果r級線性移位寄存器序列的周期是P＝2R－1，則該移位序列為m序列。m序列的基本性質(zhì)a、周期是P＝2R－1。一個周期內(nèi)，1的個數(shù)是2r-1，0的個數(shù)是2r-1-1，遍歷的狀態(tài)數(shù)為2r－1。b、在一個周期內(nèi)，共有2r－1個游程。長度為r的1游程和長度為r-1的0游程各有一個。c、m序列和其移位后的序列逐位模2相加，所得的序列還是m序列，只是相位不同。d、具有雙值自相關(guān)特性。PN碼的碼捕獲CDMA中，PN碼的碼捕獲采用兩段搜索算法，實現(xiàn)快速捕獲。實現(xiàn)過程如下：a、在相關(guān)解調(diào)過程中，先設(shè)置一較低門限，然后相關(guān)解調(diào)PN碼的一小段，如果沒有超過門限，則表明在該相位無有用信號，將相位后移一段，再作相關(guān)解調(diào)。b、如果超過門限了，在該相位再做更長一段PN碼的相關(guān)解調(diào)，以判定該相位是否有有用信號。c、每次移PN碼的半個比特的長度。PN碼在CDMA中的應(yīng)用在前向信道中，長度為242-1的m序列被用作對業(yè)務(wù)信道進(jìn)行擾碼（注意不是用作擴頻，在前向信道中是使用正交的Walsh函數(shù)進(jìn)行擴頻）。長度為215-1的m序列被用作對前向信道進(jìn)行正交調(diào)制，不同的基站使用不同相位的m序列進(jìn)行調(diào)制，其相位差至少為64個比特，這樣，最多有512個不同的相位可用。在反向信道中，長度為242-1的m序列被用作直