CDMA移動通信基本原理

第五章CDMA根本原理1所謂CDMA，即在發(fā)送端使用各不相同的、相互〔準〕正交的偽隨機地址碼調制其所發(fā)送的信號；在收端那么采用同樣的偽隨機地址碼從混合信號中解調檢測出相應的信號。800MCDMA頻段是：移動臺：825MHz～835MHz基站：870MHz～880MHz

一、CDMA的根本概念2CDMA通信模型信源解碼信源編碼Interleavingdeinterleaving信道編碼交織去交織信道解碼加擾解擾擴頻解擴調制解調射頻發(fā)射射頻接收無線信道3擴頻優(yōu)點為什么要進行擴頻，擴頻通信有何好處？隱蔽性和保密性好；抗干擾能力強；抗衰落；抗多徑；多個用戶可以同時占用相同頻帶，實現(xiàn)碼分多址。4香農公式的含義：要到達一定的信道容量，既可以通過較大的信號帶寬和較小的信噪比來實現(xiàn)，又可以通過較小的信號帶寬和較大的信噪比來實現(xiàn)；當信噪比保持一定時，增大帶寬可以提高信道容量。擴頻通信就是利用上述原理，用高速的擴頻碼來擴展待傳輸?shù)臄?shù)字信息帶寬，從而在相同信噪比條件下，獲得較強的抗干擾能力和更大的系統(tǒng)容量。擴頻為什么會帶來上述好處？5擴頻干擾抑技術原理數(shù)據(jù)信號在發(fā)射端被擴譜〔第一次XOR〕fS（f）f0解擴頻前的信號頻譜fS（f）f0擴頻前的信號頻譜信號信號干擾噪聲fS（f）f0擴頻后的信號頻譜信號fS（f）f0解擴頻后的信號頻譜信號干擾噪聲信號脈沖干擾白噪聲在接收端數(shù)據(jù)信號備恢復〔第二次XOR〕干擾信號在接收端被擴譜〔第一次XOR〕6

XXXX

UserAUserBUserCUserDUserAUserBUserCUserDWalsh0Walsh1Walsh2Walsh3Walsh0Walsh1Walsh2Walsh3A+0B+1C+2D+3輸入信號

#1#2擴頻編碼解擴頻功率合成輸出信號

#1#2空中接口CDMA多用戶通信原理示意圖7碼分多址——信道劃分前向CDMA信道(基站到用戶站的碼分多址信道)劃分為：導頻信道同步信道尋呼信道業(yè)務信道反向CDMA信道劃分為：接入信道反向業(yè)務信道8二、CDMA的特點特點：1、覆蓋范圍大2、容量大3、通話質量高4、發(fā)射功率小5、頻率規(guī)劃簡單6、干擾受限系統(tǒng)91、覆蓋范圍大覆蓋半徑是標準GSM的2倍。覆蓋1000km2：GSM需要200個基站，CDMA只需50個基站。在相同覆蓋條件下，基站數(shù)量大為減少，投資將相應減小。10決定CDMA系統(tǒng)容量的主要參數(shù)有：處理增益、所需的信噪比、話音激活系數(shù)、頻率復用系數(shù)和扇區(qū)數(shù)目等。CDMA系統(tǒng)容量高的原因是由于它的頻率復用系數(shù)遠遠超過其他制式的蜂窩系統(tǒng)，頻譜利用率高，另一主要因素是它使用了話音激活技術。

2、容量大11軟容量：小區(qū)呼吸功能1、用戶數(shù)目和效勞質量之間可以相互折中，靈活確定。2、小區(qū)的呼吸功能：當相鄰兩個小區(qū)負荷一輕一重時，負荷重的小區(qū)通過減小導頻發(fā)射功率，使本小區(qū)的邊緣用戶由于導頻強度不夠，切換到相鄰的小區(qū)，使負荷分擔，即相當于增加了系統(tǒng)容量。一個小區(qū)內，其他對于某一個來說，它們發(fā)射的信號都是干擾。如果用戶數(shù)越多，干擾越大，此時這個就會增大發(fā)送功率〔功率控制實現(xiàn)〕來到達反向的解調門限。而對于前向而言，基站為了防止更多的用戶接入系統(tǒng)，造成當前的無法解調，也會減小發(fā)生功率〔也是功率控制實現(xiàn)〕，此時小區(qū)的覆蓋面積就會減小。所以，CDMA的系統(tǒng)就會出現(xiàn)，業(yè)務量增大時，小區(qū)面積減小的情況。稱作呼吸效應。121.提高誤幀率可增加可用信道數(shù),這時通話質量降低。2.呼吸功能：調整基站導頻值來調整小區(qū)覆蓋大小。導頻1＝6導頻2＝14軟容量133、通話質量高聲碼器可以動態(tài)地調整數(shù)據(jù)傳輸速率，并根據(jù)適當?shù)拈T限值選擇不同的電平級發(fā)射。門限值根據(jù)背景噪聲的改變而改變，可以得到較好的通話質量。系統(tǒng)采用軟切換技術，“先連接再斷開”，這樣完全克服了硬切換容易掉話的缺點。144、軟切換：掉話少CDMA小區(qū)/扇區(qū)切換采用軟/更軟切換，切換是先接續(xù)再中斷，效勞質量高,有效減低掉話。其他無線系統(tǒng)小區(qū)/扇區(qū)切換采用硬切換，切換是先中斷再接續(xù)，容易產(chǎn)生掉話。更軟切換：同一基站、相同頻率、不同扇區(qū)的CDMA信道間。15話音質量64kPCM現(xiàn)有的GSM8k的CDMA13k的CDMA8k的EVRCCDMA8K等于G網(wǎng)的13K，13K相當于有線通話質量高－比照165、發(fā)射功率小CDAM技術，功率控制，語音激活176、頻率規(guī)劃簡單網(wǎng)絡規(guī)劃簡單、配置靈活工程設計簡單，擴容方便1324324244123142314GSM：N＝4頻率復用1111111111111111111CDMA：N＝1頻率復用111187、干擾受限系統(tǒng)所有移動用戶都占用相同帶寬和頻率，CDMA是一個自擾系統(tǒng)，用戶的增加要提高整個背景噪聲。控制住用戶的信號強度,在保持高質量通話的同時,就可以容納更多的用戶。有遠近效應，需功率控制。

19三、關鍵技術1、地址碼的選擇：m序列的PN碼作為地址碼2、分集技術：空間、時間與頻率分集3、功率控制：前向與反向功率控制4、語音編碼技術：采用碼鼓勵線形預測編碼技術〔Q-CELP〕5、RAKE接收技術：克服多徑衰落6、切換：軟切換、更軟切換與硬切換201、地址碼的選擇地址碼的選擇直接影響到CDMA系統(tǒng)的容量、抗干擾能力、接入和切換速度等性能地址碼提供的PN碼序列應接近白噪聲特性，自相關性要好，互相關性要弱，實現(xiàn)和編碼方案簡單等。長度為215的PN序列

用于區(qū)分不同的基站信號長度為242－1的PN序列

在前向信道用于信號的保密，在反向信道用于區(qū)分不同的移動臺Walsh序列：

在前向信道用于區(qū)分同一基站的不同信道，在反向信道中用于對信號進行正交調整。212、分集技術分集技術是指系統(tǒng)能同時接收兩個或更多個輸入信號，這些輸入信號的衰落互不相關。系統(tǒng)分別解調這些信號然后將它們相加，這樣可以接收到更多的有用信號，克服衰落。分集技術包括空間分集、時間分集和頻率分集。CDMA協(xié)調綜合利用分集技術來抵抗衰落對信號的影響，獲得高質量的通信性能。22分集方式瑞利衰落：快衰落，慢衰落?？焖ヂ浞从车氖撬矔r值，慢衰落反映的是瞬時值加權平均后的中值。分集技術：多個接收信號(互相獨立)合并處理，是克服衰落的主要方法。CDMA采用的分集技術：空間、時間(RAKE)和頻率分集技術。CDMA頻率分集：一般情況下，衰落是200到300kHz寬，CDMA系統(tǒng)使用1.23MHz帶寬，因此，只減少了CDMA信號的局部功率。CDMA空間分集：1：兩個接收天線(天線間隔>10l,l為波長〕2：兩個基站(用在軟切換時)。接收天線接收天線基站1基站223CDMA時間分集：利用RAKE接收機。兩條路徑時延為1ms時，RAKE接收機可分別把它們提取出來而不混淆。極化分集：在移動環(huán)境下，空中的水平路徑和垂直路徑是不相關的，因而信號也呈現(xiàn)不相關的衰落特性。這就可在發(fā)射和接收端各裝兩付天線，一個水平極化天線，一個垂直極化天線，這就可以得到兩個不相關的信號。接收窗口1接收窗口224

陸地移動通訊具有復雜的通訊環(huán)境多移動臺?多信道造成同頻?互調干擾?遠近效應等問題；復雜地形及傳播環(huán)境造成多徑衰落?陰影效應等；還有一直存在的有限頻率資源與用戶數(shù)的矛盾需要解決；

功率控制技術是CDMA關鍵技術的核心自干擾系統(tǒng)影響通訊質量和系統(tǒng)容量；其它許多特色性能如軟容量和小區(qū)呼吸等；3、功率控制25CDMA功率控制簡介功率控制的作用克服遠近效應、陰影效應針對不同用戶需求，提供適宜的發(fā)射功率提高系統(tǒng)的容量功率控制的目標在維持通話質量的前提下，降低發(fā)射功率功率控制的意義控制保證通話質量提高系統(tǒng)容量降低移動臺發(fā)射功率—環(huán)保26CDMA功率控制綜述CDMA系統(tǒng)采用了前向和反向相結合的功率控制技術前向功率控制：前向功率控制是一種閉環(huán)控制，受控對象是基站的發(fā)射功率，移動臺起輔助作用。反向功率控制：反向功率控制是一種精確的控制，包括開環(huán)、閉環(huán)和外環(huán)，受控對象是移動臺的發(fā)射功率，基站起輔助作用。27開環(huán)功率控制假設前向路徑與反向路徑的衰耗類似接收功率+發(fā)射功率=-73(dbm)移動臺BTS反向開環(huán)功率控制28反向閉環(huán)功率控制基站檢測信噪比SNR，與門限值比較，產(chǎn)生對移動臺的功率控制命令每1.25ms更新一次〔每秒重復800次〕1dB的步長校正開環(huán)功率控制未消除的、與前向鏈路相獨立的損耗移動臺BTS信號強度測量預設值或反向閉環(huán)功率控制29FER移動臺BTSBSC反向外環(huán)功率控制信號強度測量預設值或反向外環(huán)功率控制FER誤幀率30前向鏈路功率控制基站系統(tǒng)緩慢地減少對每一移動臺的前向鏈路發(fā)射功率當移動臺檢測到FER增大，就請求基站系統(tǒng)增大前向鏈路發(fā)射功率FER移動臺BTSBSC功率調整前向鏈路功率控制314、語音編碼編碼與解碼語音編碼的目標是既能維持一定的語音質量，又能較大程度的降低數(shù)據(jù)量。包括波形編碼和聲源編碼。自適應多速率〔AMR〕語音編碼：在通話過程中，當用戶說話時，處于高度激活狀態(tài)，編碼速率為9600bps；而當用戶停頓或靜聽時，降低編碼速率到1200bps。這時，處于間斷發(fā)射狀態(tài)，就減小了其平均發(fā)射功率，減小了干擾。從而增加了系統(tǒng)容量。采用碼鼓勵線形預測編碼技術〔Q-CELP〕。325、RAKE接收技術移動通信信道是一種多徑衰落信道，RAKE接收技術就是分別接收每一路的信號進行解調，然后疊加輸出到達增強接收效果的目的，這里多徑信號不僅不是一個不利因素，而且在CDMA系統(tǒng)變成一個可供利用的有利因素。在CDMA系統(tǒng)中，增加了一個搜索器，可動態(tài)地測量各徑信號的幅度和延遲，然后才有選擇地進行合并，因此是一個抽頭可變的接收機。336、軟切換切換技術1.軟切換：在切換過程中，移動臺開始與新的基站聯(lián)系時，并不中斷與原有的基站的通信。軟切換會帶來更好的話音質量，實現(xiàn)無縫切換、減少掉話可能，且有利于增加反向容量。2.更軟切換：與軟切換類似，發(fā)生在同一基站的不同扇區(qū)之間。3.硬切換：在切換過程中，移動臺與新的基站聯(lián)系前，先中斷與原基站的通信，再與新基站建立聯(lián)系。硬切換過程中有短暫的中斷，容易掉話。34切換技術：軟切換/更軟切換上行信號的合并：軟切換上行在BSC幀處理板中進行幀選擇。更軟切換上行在BTS信道板中進行多徑合并。BSC幀處理板Abis鏈路BTSBBTSA35切換技術：切換流程導頻信道：CDMA系統(tǒng)用于引導接入和切換信道，在網(wǎng)絡中不間斷測量周圍小區(qū)的導頻信號強度。不同扇區(qū)載頻的導頻信道使用不同的PN來標識。導頻集：導頻的集合，分為：激活集、候選集、相鄰集、剩余集。激活集：AcitiveSet，當前正在保持連接的業(yè)務信道所對應的導頻集合。候選集：CandidateSet，導頻信號強度足夠、可以成功解調、隨時可以接入的導頻集合。相鄰集：NeighborSet，當前不在有效或候選集里，但可能會進入候選集的導頻集合。剩余集：所有其余導頻的集合。36切換技術：切換流程相鄰集候選集

激活集

相鄰集T_ADDT_DROP時間1234567導頻強度1.導頻強度超過T_ADD，發(fā)送PSMM導頻強度測量消息，并將該導頻參加侯選集。2.BSC發(fā)送切換指示消息HDM，要求將該導頻參加激活集。3.將該導頻參加激活集，并發(fā)送HCM切換完成消息。4.該導頻強度低于T_DROP，啟動切換DROP定時器。5.切換DROP定時器超時，通過PSMM將該情況上報給BSC。6.BSC發(fā)送切換指示消息HDM。7.將該導頻從激活集中去除，并發(fā)送HCM切換完成消息。37四、CDMA系統(tǒng)組成與結構1、網(wǎng)絡結構2、系統(tǒng)組成與功能3、主要接口38組網(wǎng)示意圖組網(wǎng)結構基于高速ATM網(wǎng)絡，接口協(xié)議為IS-95A、J-STD-008、cdma20001X。它既是成熟的IS-95A產(chǎn)品，又是面向3G的產(chǎn)品。MSCHLR/AUC2GBTS3GBTS或2GBTS版本升級3GBTSAbisAbisAbisPSTN/PLMN3GBSC或2GBSC版本升級3GBSCInternetPDSNHAAAAserver路由器路由器EthernetATM2GBTS2GBSCAbisBSM3G終端2G終端39

BTS〔BaseTransmitterStation

〕:基站收發(fā)信臺BSC〔BaseStationController〕: