第6章CDMA數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)

第6章CDMA數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)6.1引言CDMA是碼分多址的英文縮寫（CodeDivisionMultipleAccess），它是在擴頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術(shù)。CDMA技術(shù)的原理是基于擴頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關(guān)處理，把寬帶信號轉(zhuǎn)換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號，即解擴，以實現(xiàn)信息通信。

采用TDMA/FDMA的GSM比模擬移動電話要有很大的優(yōu)勢，但是在頻譜效率上僅是模擬的三倍，容量還是有限；在話音質(zhì)量上也難于達到有線電話的水平；TDMA系統(tǒng)無軟切換功能，容易掉線，影響系統(tǒng)Qos，因此GSM并不是現(xiàn)代蜂窩移動通信的最佳無線接入方式，而CDMA逐步得到廣泛的應(yīng)用。

中國聯(lián)通的CDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基本思路是：以增強型IS－95A系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建設(shè)覆蓋全國300個以上重要城市和地區(qū)，選擇部分重要城市建設(shè)CDMA2000－1X系統(tǒng)商用試驗網(wǎng)，及時開展144Kbps的新業(yè)務(wù)。6.1.1CDMA技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化

CDMA技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化經(jīng)歷了幾個階段。IS-95是cdmaOne系列標(biāo)準(zhǔn)中最先發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，是真正在全球得到廣泛應(yīng)用的第一個CDMA標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)支持8K編碼話音服務(wù)。其后,又分別出版了13K話音編碼器的TSB74標(biāo)準(zhǔn)，13K編碼話音服務(wù)質(zhì)量已非常接近有線電話的話音質(zhì)量。隨著移動通信對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的增長，1998年2月，美國高通公司宣布將IS-95B標(biāo)準(zhǔn)用于CDMA基礎(chǔ)平臺上。IS-95B可提高CDMA系統(tǒng)性能，并增加用戶移動通信設(shè)備的數(shù)據(jù)流量，提供對64kb/s數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持。其后，cdma2000成為窄帶CDMA系統(tǒng)向第三代系統(tǒng)過渡的標(biāo)準(zhǔn)。cdma2000在標(biāo)準(zhǔn)研究的前期，提出了1x和3x的發(fā)展策略，隨后的研究表明，1x和1x增強型技術(shù)代表了未來發(fā)展方向。6.1.2我國CDMA系統(tǒng)可以占用的頻率

我國無線電委員會分配給蜂窩移動通信系統(tǒng)的頻率如表2-1(見第2章)所示。我們從該表可以看出，目前中國聯(lián)通CDMA使用頻段是上行頻率為825～835MHz，下行頻率為870～880MHz，占用10MHz帶寬。6.1.3CDMA系統(tǒng)的特點

與FDMA和TDMA相比，CDMA有很多獨特的特點，一部分是擴頻通信的特點，另一部分是由于軟切換和功率控制等技術(shù)帶來的。CDMA移動網(wǎng)是由擴頻通信，多址接入，蜂窩組網(wǎng)和頻率復(fù)用等幾種技術(shù)結(jié)合使用，含有頻域、時域、碼域三維信號處理的一種協(xié)作，因此它具有抗干擾好，抗多徑衰落，保密安全性能高，同頻率可在多個小區(qū)內(nèi)重復(fù)使用等特點。

1、系統(tǒng)容量大由于頻率利用率高，所以CDMA可比GSM容量擴大4～5倍。2、軟容量在CDMA系統(tǒng)中，用戶數(shù)量和服務(wù)等級之間有著更靈活的關(guān)系，用戶數(shù)量的增大相當(dāng)于背景噪聲的增大，造成通話質(zhì)量的下降。運營商可以在話務(wù)量的高峰期間將誤幀率提高，從而增加可用的信道數(shù)。

CDMA是自干擾系統(tǒng)，存在“大房子”理論和小區(qū)呼吸功能——小區(qū)的大小是動態(tài)的，當(dāng)兩個小區(qū)的負荷一大一小時，可通過減小負荷重的小區(qū)的發(fā)射功率，是邊緣的用戶進入負荷小的小區(qū)，相當(dāng)與增加了容量。此外，CDMA還支持多級別服務(wù)，目前有了兩種語音編碼，13kbps和8kbps。3、通話質(zhì)量更佳CDMA系統(tǒng)的聲碼器可以動態(tài)的調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率，并根據(jù)適當(dāng)?shù)拈T限值選擇不同的電平級發(fā)射。同時門限值根據(jù)背景噪聲的改變而變化，這樣就算背景噪聲比較大也能得到較好的通話質(zhì)量。目前CDMA系統(tǒng)普遍采用8kbps的可變速率聲碼器，采用被認為是目前效率最高QCELP算法。4、移動臺輔助軟切換軟切換就是當(dāng)移動臺需要跟一個新基站通信時，CDMA系統(tǒng)采用軟切換技術(shù)和先進的數(shù)字話音編碼技術(shù)，并使用多個接收機同時接收不同方向的信號?！跋冗B接再斷開”，并不先中斷與原基站的聯(lián)系。移動臺在切換過程中與原小區(qū)和新小區(qū)同時保持通話，以保持電話的暢通。軟切換只能在具有相同頻率的CDMA信號間進行。軟切換在兩個基站覆蓋區(qū)的交界處起到了話務(wù)信道的分集作用。軟切換的優(yōu)點包括：（1）無縫切換，可保持通話的連續(xù)性。（2）減少掉話可能性。（3）處于切換區(qū)域的移動臺發(fā)射功率降低但同時，軟切換也相應(yīng)帶來了一些缺點，主要有：（1）導(dǎo)致硬件設(shè)備（即信道卡）的增加。（2）降低了前向容量。但由于CDMA系統(tǒng)前向容量大于反向容量，所以適量減少前向容量不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)容量的降低。5.頻率規(guī)劃簡單用戶按不同的序列碼區(qū)分，所以不同的CDMA載波可在相鄰的小區(qū)內(nèi)使用，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃靈活，擴展簡單。6.建網(wǎng)成本低CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大，系統(tǒng)容量高，所需基站少，降低了建網(wǎng)成本。7.“綠色手機”普通的手機（GSM和模擬手機）功率一般能控制在600毫瓦以下，CDMA系統(tǒng)發(fā)射功率最高只有200毫瓦，普通通話功率可控制在零點幾毫瓦，其輻射作用可以忽略不計，對人體健康沒有不良影響。手機發(fā)射功率的降低，將延長手機的通話時間，意味著電池、話機的壽命長了，對環(huán)境起到了保護作用，故稱之為“綠色手機”。

8.保密性強，通話不會被竊聽CDMA信號的擾頻方式提供了高度的保密性，要竊聽通話，必須要找到碼址。但CDMA碼址是個偽隨機碼，而且共有4.4萬億種可能的排列，因此，要破解密碼或竊聽通話內(nèi)容實在是太困難了。9.多種形式的分集分集是對付多徑衰落很好的辦法，有三種主要分集方式：時間分集、頻率分集和空間分集。CDMA系統(tǒng)綜合采用了上述幾種分集方式，使性能大為改善。各種分集方式歸納如下：（1）時間分集——采用了符號交織、檢錯和糾錯編碼等方法。（2）頻率分集——本身是1.25MHz寬帶的信號，起到了頻率分集的作用。（3）空間分集——基站使用兩副接收天線，基站和移動臺都采用了Rake接收機技術(shù)，軟切換也起到了空間分集的作用。10.CDMA的功率控制CDMA系統(tǒng)的容量主要受限于系統(tǒng)內(nèi)移動臺的相互干擾，所以，如果每個移動臺的信號到達基站時都達到最小所需的信噪比，系統(tǒng)容量將會達到最大值。CDMA功率控制的目的就是既維持高質(zhì)量通信，又不對占用同一信道的其他用戶產(chǎn)生不應(yīng)有的干擾。CDMA系統(tǒng)的功率控制除可直接提高容量之外，同時也降低了為克服噪聲和干擾所需的發(fā)射功率。這就意味著同樣功率的CDMA移動臺與模擬或TDMA移動臺相比可在更大范圍內(nèi)工作。CDMA系統(tǒng)引入了功率控制，一個很大的好處是降低了平均發(fā)射功率而不是峰值功率。這就是說，CDMA在一般情況下由于傳輸狀況良好，發(fā)射功率較低；但在遇到衰落時會通過功率控制自動提高發(fā)射功率，以抵抗衰落。11.話音激活

典型的全雙工雙向通話中，每次通話的占空比小于35%。在FDMA和TDMA系統(tǒng)里，由于通話停頓時重新分配信道存在一定時延，所以難以利用話音激活因素。CDMA在不講話時傳輸速率降低，減輕了對其他用戶的干擾，這就是CDMA系統(tǒng)中的話音激活技術(shù)。而CDMA的容量又直接與所受總干擾功率有關(guān)，這樣就可以使容量增加一倍左右。

6.2CDMA信道CDMA信道包括反向CDMA信道（上行信道），前向信道（下行信道）。CDMA前向信道由用于控制的廣播信道和用于攜帶用戶信息的業(yè)務(wù)信道組成。廣播信道由導(dǎo)頻信道，同步信道，尋呼信道組成。這些信道都在同一個1.23MHz的CDMA載波上。下圖給出CDMA支持的不同的前向信道?？墒褂玫拇a分信道最多位64個，典型的配置：1個導(dǎo)頻信道，一個同步信道，7個尋呼信道和55個業(yè)務(wù)信道。

圖6-2CDMA前向信道結(jié)構(gòu)

前向業(yè)務(wù)信道同時支持速率1（9.6kbps）和速率2（14.4kbps）的聲碼器業(yè)務(wù)。以上配置不是固定的，其中導(dǎo)頻信道一定要有，其余的碼分信道可靈活使用。例如可以用業(yè)務(wù)信道取代同步信道和尋呼信道。即：1個導(dǎo)頻信道，0個同步信道，0個尋呼信道，63個業(yè)務(wù)信道。這種信道分配場合在一個基站有兩個CDMA信道，平時使用一個基本信道，若話務(wù)量太大，則使用另一個信道，該信道只需有導(dǎo)頻信道。6.3.1前向業(yè)務(wù)信道圖6-3CDMA前向信道結(jié)構(gòu)

1.語音編碼

CDMA聲碼器是可變速率聲碼器，可工作于全速率，1/2，1/4和1/8速率。通常對應(yīng)于速率1和速率2分別有兩種聲碼器：工作于9.6kb/s數(shù)據(jù)流的8kb/s聲碼器和工作于14.4kb/s數(shù)據(jù)流的13.3kb/s聲碼器。速率1包含四種速率：9600，4800，2400和1200b/s。速率2包含四種速率：14400，7200，3600和1800b/s。當(dāng)速率2是可選時，移動臺必須支持速率1。信道結(jié)構(gòu)對于速率1和速率2是不同的。兩種聲碼器都能進行語音性能檢測和減少在系統(tǒng)中受到的干擾。3.符號重復(fù)

符號重復(fù)器跟隨在卷積編碼之后，它根據(jù)需要重復(fù)數(shù)據(jù)，速率1產(chǎn)生19.2kb/s，速率2產(chǎn)生28.8kb/s的速率。對于速率1，如果輸入是19.2kb/s，符號不重復(fù)；如果輸入是9.6kb/s，則每個符號出現(xiàn)兩次；如果輸入是4.8kb/s，則每個符號出現(xiàn)四次;以此類推。符號重復(fù)為無線信道抵抗衰落提供附加的措施，可增加接收的可靠性。重復(fù)符號比全速率符號的功率電平低。由于所有符號總功率是一樣的，因此各符號功率減少了。4.功率控制子信道

在前向業(yè)務(wù)信道上功率控制子信道是連續(xù)發(fā)送的，控制移動臺的發(fā)射功率。子信道以每1.25ms發(fā)射一比特（0或1），也就是發(fā)射速率為800b/s。0比特指示移動臺提高發(fā)射功率，而1比特則指示移動臺降低發(fā)射功率。每個功率控制比特提高或降低的功率大小為1dB。在CDMA中,由于“遠近效應(yīng)”問題，要求采用快功率控制。當(dāng)離基站近的移動臺發(fā)射的功率，大于在小區(qū)邊緣的移動臺發(fā)射的功率，那么離基站近的移動臺，就會覆蓋離基站遠的移動臺發(fā)射的信號，這就是“遠近效應(yīng)”。在CDMA中通過使用快功率控制子信道技術(shù)，能避免發(fā)生“遠近效應(yīng)”。6.3.2前向廣播信道

CDMA前向廣播信道由下列碼分信道組成：一個導(dǎo)頻信道，一個同步信道和七個尋呼信道。每個碼分信道通過適當(dāng)?shù)腤alsh函數(shù)進行正交擴頻。規(guī)定導(dǎo)頻信道使用Walsh碼W0，同步信道使用W32，而尋呼信道使用W1至W7。Walsh碼正交擴頻每個信道，從而使移動臺能區(qū)分不同的信道。1.導(dǎo)頻信道

導(dǎo)頻信道在CDMA前向信道上是不停地發(fā)射的。移動臺利用導(dǎo)頻信道來獲得初始系統(tǒng)同步，完成對來自基站信號的時間、頻率和相位的跟蹤。基站利用導(dǎo)頻PN序列的時間偏置來標(biāo)識每個CDMA前向信道。由于CDMA系統(tǒng)的頻率復(fù)用系數(shù)為“1”,即相鄰小區(qū)可以使用相同的頻率。2.同步信道

同步信道使用Walsh碼W32。一旦移動臺“捕獲”到導(dǎo)頻信道，即與導(dǎo)頻PN序列同步,即可認為移動臺與這個前向信道的同步信道也達到同步.同步信道在發(fā)射前要經(jīng)過卷積編碼、符號重復(fù)、交織、擴頻和調(diào)制等步驟。利用這些信息移動臺獲得初始的時間同步和知道合適發(fā)射功率，為發(fā)起呼叫作好準(zhǔn)備。同步信道工作在固定速率1200b/s，若數(shù)據(jù)是半速率卷積編碼，則符號重復(fù)一次（也就是同樣的編碼符號出現(xiàn)兩次）。3.尋呼信道這些信道是可選的，在一個小區(qū)內(nèi)它們的數(shù)量范圍是從0到7（Walsh碼W0~W7）。尋呼信道能夠工作在數(shù)據(jù)速率9600或4800b/s。尋呼消息包括對一個或多個移動臺的尋呼。當(dāng)基站接收到對移動臺的呼叫時，通常發(fā)送尋呼信號，并且由幾個不同的基站發(fā)送尋呼信號。移動臺偵聽部分時隙，而不是全部時隙。移動臺能夠指定哪些時隙來監(jiān)控進入的尋呼信息。這些時隙能夠從每2秒發(fā)生一次，到每128秒發(fā)生一次。

這項技術(shù)提供了一個非常好的方法，通過這個方法移動臺在空閑時，電池功耗大大減少，從而延長一次充電后的手機使用時間。

尋呼信道結(jié)構(gòu)：一旦移動臺從同步信道消息處獲得信息，它就會把時間調(diào)整到相應(yīng)正常系統(tǒng)時間。然后，移動臺確定并開始監(jiān)控尋呼信道。正常情況下，一個9600b/s的尋呼信道能夠每秒支持大約180個尋呼。在一個單獨的CDMA頻率上使用所有7個尋呼信道，能每秒支持1260個尋呼。尋呼信道消息把信息從基站發(fā)送到移動臺。每個移動臺的消息地址可通過IMSI，或TMSI進行尋址。尋呼信道支持以下消息：

·系統(tǒng)參數(shù)消息。在系統(tǒng)參數(shù)消息上發(fā)送導(dǎo)頻PN序列偏置信息、系統(tǒng)識別碼和網(wǎng)絡(luò)識別碼。登記信息有地區(qū)識別碼和不同種類登記信息，這些信息有功率下降、功率上升和參數(shù)變化等。參數(shù)消息如基站等級、尋呼信道個數(shù)、最大時隙周期指數(shù)、基站緯度與經(jīng)度以及功率控制報告閾值等?！DMA信道列表消息這個消息指示了CDMA信道的個數(shù)。·接入?yún)?shù)消息。涉及移動臺接入方面的信息，經(jīng)由此消息發(fā)送。它包括的信息有接入信道個數(shù)、初始接入功率要求、接入嘗試次數(shù)、接入消息的最大長度、不同過載等級值、接入嘗試退出值、鑒權(quán)模式和全球隨機問題值。移動臺用這些信息來修改它的接入程序。

·信道分配消息。此消息是發(fā)送到移動臺并用來分配信道的。這個被分配的信道能成為一個CDMA業(yè)務(wù)信道、尋呼信道或是一個模擬語音信道。6.4CDMA反向信道

CDMA反向信道由接入信道和反向業(yè)務(wù)信道組成。反向業(yè)務(wù)信道支持共計62個不同業(yè)務(wù)信道和總計32個不同接入信道。一個（或多個）接入信道和一個尋呼信道相對應(yīng)。一個尋呼信道至少有一個，最多有32個反向接入信道。圖6-12CDMA反向信道結(jié)構(gòu)6.4.1接入信道圖6-13接入信道幀結(jié)構(gòu)1.接入信道信息結(jié)構(gòu)CDMA反向接入信道幀由88個信息比特和8個編碼尾比特構(gòu)成，沒有CRC校驗比特。數(shù)據(jù)速率固定為4800b/s，見圖6-13。為了增加接入信道的可靠性，每個經(jīng)卷積編碼出來的符號被重復(fù)一次再進行發(fā)射。接入信道消息由登記、命令、數(shù)據(jù)突發(fā)、源、尋呼響應(yīng)、鑒權(quán)響應(yīng)、狀態(tài)響應(yīng)和臨時移動用戶識別號TMSI分配完成消息組成。所有接入信道消息分享一些共同的參數(shù)，這些參數(shù)可分成以下幾類：·應(yīng)答和序列數(shù)。·移動識別參數(shù)?！よb權(quán)參數(shù)。6.4.2反向業(yè)務(wù)信道

反向業(yè)務(wù)信道用于在呼叫建立期間傳輸用戶信息和信令信息。在業(yè)務(wù)信道上，有五種類型的控制消息：呼叫控制消息，切換控制消息，前向功率控制消息，安全和鑒權(quán)控制消息，為移動臺引出或提供特定信息的控制消息。

6.5功率控制CDMA系統(tǒng)中，功率控制被認為是所有關(guān)鍵技術(shù)的核心，如果小區(qū)中的所有用戶均以相同的功率發(fā)射，就會造成移動通信中的“遠近效應(yīng)”。由于CDMA所有用戶共同使用相同的頻率，所以“遠近效應(yīng)”更加突出，CDMA功率控制的目的就是克服遠近效應(yīng)，使系統(tǒng)既能維持高質(zhì)量通信，又不對占用同一信道的其它用戶產(chǎn)生不應(yīng)有的干擾。功率控制可分為前向功率控制和反向功率控制，而反向功率控制又分為僅有移動臺參與的開環(huán)功率控制和移動臺、基站同時參與的閉環(huán)功率控制。1.反向開環(huán)功率控制

CDMA系統(tǒng)的每一個移動臺都一直在計算從基站到移動臺的路徑衰耗，當(dāng)移動臺接收到的信號很強時，表明要么離基站很近，要么有一個特別好的傳播路徑。這時移動臺可降低它的發(fā)射功率，而基站依然可以正常接收。相反當(dāng)移動臺接收到的來自基站的信號很弱時，它就增加發(fā)射功率，以抵消衰耗，這就是開環(huán)功率控制。

開環(huán)功率控制只是對發(fā)送電平的粗略估計，因此它的反應(yīng)時間既不應(yīng)太快，也不應(yīng)太慢。如反應(yīng)太慢，在開機或進入陰影、拐彎效應(yīng)時，開環(huán)起不到應(yīng)有的作用；而如果反應(yīng)太快，將會由于前向鏈路中的快衰落而浪費功率.2.反向閉環(huán)功率控制圖6-17外環(huán)和閉環(huán)調(diào)整的具體過程

CDMA系統(tǒng)的前向、反向信道分別占用不同的頻段，這使得這兩個頻道衰減的相關(guān)性很弱，在測試中，兩個信道的衰減的平均值應(yīng)該相等，但在具體某一時刻，則可能不相等。這就需要基站根據(jù)目前所需信躁比與實際接收的信躁比之差隨時命令移動臺調(diào)整發(fā)射功率（閉環(huán)調(diào)整），基站目前所需的信躁比是根據(jù)初始設(shè)定的誤幀率隨時調(diào)整的（外環(huán)調(diào)整）。

在圖6-17中，從BTS來的語音幀以每秒50幀的速率送到選擇器V/