第5章 CDMA通信

1、第1章 移動通信概述 CDMA概述 CDMA的無線接口 CDMA碼序列 *CDMA的控制與管理 CDMA系統(tǒng)新技術(shù)第第5章章 CDMA（碼分多址移動通信）系統(tǒng)（碼分多址移動通信）系統(tǒng)第1章 移動通信概述學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) 熟練掌握CDMA的概念、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、特點以及PN碼同步技術(shù)，能用自己的語言陳述CDMA系統(tǒng)的業(yè)務(wù)與應(yīng)用。 熟練掌握CDMA系統(tǒng)的信道結(jié)構(gòu)和基帶處理流程。 熟練掌握PN碼的原理，復(fù)用技術(shù)和同步技術(shù)，了解常用的偽隨機序列。 了解CDMA系統(tǒng)的新技術(shù)并關(guān)注其發(fā)展。 初步能用自己的語言陳述一些CDMA的控制與管理工作流程如位置更新、切換等。第1章 移動通信概述學(xué)習(xí)指導(dǎo)學(xué)習(xí)指導(dǎo) 隨著移動通

2、信的飛速發(fā)展，因頻域擁擠而引起的矛盾也日益突出。如何使有限的頻率能分配給更多用戶使用，已成為當(dāng)前發(fā)展移動通信的首要課題，而CDMA已成為解決這一問題的首選技術(shù)。本章介紹了CDMA系統(tǒng)的基本概念、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點、主要參數(shù)、業(yè)務(wù)與應(yīng)用、控制與管理等，著重講述了CDMA的概念、PN碼序列的原理與特點、CDMA的信道結(jié)構(gòu)、CDMA的基帶處理過程以及CDMA系統(tǒng)的切換方式等，這些內(nèi)容是本章的重點和難點，大家要仔細領(lǐng)會。另外，CDMA的控制與管理為選學(xué)內(nèi)容，大家可以根據(jù)自己的情況進行掌握。為了幫助你對學(xué)習(xí)內(nèi)容的掌握，建議你在學(xué)習(xí)本章時充分利用我們?yōu)槟闾峁┑谋菊轮R地圖。第1章 移動通信概述知識地圖知識地圖

3、 第1章 移動通信概述課程學(xué)習(xí)課程學(xué)習(xí) CDMA技術(shù)的出現(xiàn)源自于人類對更高質(zhì)量無線通信的需求。第二次世界大戰(zhàn)期間因戰(zhàn)爭的需要而研究開發(fā)出CDMA技術(shù)，其思想初衷是防止敵方對己方通訊的干擾，在戰(zhàn)爭期間廣泛應(yīng)用于軍事抗干擾通信，后來由美國高通公司更新成為商用蜂窩電信技術(shù)。1995年，第一個CDMA商用系統(tǒng)運行之后，CDMA技術(shù)理論上的諸多優(yōu)勢在實踐中得到了檢驗，從而在北美、南美和亞洲等地得到了迅速推廣和應(yīng)用。全球許多國家和地區(qū)，包括中國、韓國、日本、美國都已建有CDMA商用網(wǎng)絡(luò)。在美國和日本，CDMA成為國內(nèi)的主要移動通信技術(shù)。第1章 移動通信概述什么是什么是CDMA系統(tǒng)系統(tǒng) 1 對CDMA的理解

4、 CDMA的業(yè)務(wù)與應(yīng)用 第1章 移動通信概述1、對、對CDMA的理解的理解 CDMA是碼分多址的英文縮寫（Code Division Multiple Access），它也是擴頻通信的一種方式，要理解好CDMA的概念就要從碼分和擴頻兩個角度上進行理解。什么是什么是CDMA系統(tǒng)系統(tǒng) 1CDMA是一種碼分多址技術(shù)，即信道共享技術(shù)。 CDMA技術(shù)是建立在正交編碼、相關(guān)接收的理論基礎(chǔ)上，運用擴頻通信技術(shù)解決無線通信的選址問題，是擴頻通信的一種。 CDMA是采用擴頻技術(shù)的碼分多址方式是采用擴頻技術(shù)的碼分多址方式第1章 移動通信概述大容量：大容量：理論分析和試驗表明，CDMA系統(tǒng)容量是GSM的3至4倍，是

5、模擬網(wǎng)的8至10倍，而且每扇區(qū)的話務(wù)容量為軟容量，不受頻率或收發(fā)信機數(shù)量的嚴(yán)格限制；干擾受限系統(tǒng)：干擾受限系統(tǒng)：CDMA系統(tǒng)的全部用戶共享一個無線頻點、不分時隙，用戶信號的區(qū)分只靠所用碼型的不同。網(wǎng)中一個用戶的通話對另一個用戶而言就是干擾，為克服此干擾就需提升自身的功率直到不能再提升為止，因此CDMA是干擾受限的系統(tǒng)；什么是什么是CDMA系統(tǒng)系統(tǒng) 1 CDMA系統(tǒng)的特點：存在遠近效應(yīng)：存在遠近效應(yīng)：由于使用相同的載頻，近處強信號對遠處弱信號有著明顯 的抑制作用，從而產(chǎn)生“遠-近”效應(yīng)，影響用戶通話，這點需要功率控制技術(shù)來解決；高質(zhì)量服務(wù)：高質(zhì)量服務(wù)：由于軟切換、分集等先進技術(shù)的采用，CDMA系

6、統(tǒng)抗干擾能力強，覆蓋區(qū)域內(nèi)通信質(zhì)量高；保密：保密：CDMA系統(tǒng)具有加密和鑒權(quán)功能，能確保用戶保密和網(wǎng)絡(luò)安全；綜合成本低，頻率規(guī)劃簡單：綜合成本低，頻率規(guī)劃簡單：全網(wǎng)共用同一頻點，具有靈活和方便的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，頻率復(fù)用系數(shù)可以達到1，移動交換機的話務(wù)承載能力一般都很強，保證在話音和數(shù)據(jù)通信兩個方面都能滿足用戶對大容量、高密度業(yè)務(wù)的要求；用戶終端設(shè)備（手持機）功耗小、待機時間長；輻射低，有利于人體健康等等用戶終端設(shè)備（手持機）功耗小、待機時間長；輻射低，有利于人體健康等等。第1章 移動通信概述CDMA系統(tǒng)的主要參數(shù)系統(tǒng)的主要參數(shù)頻頻 段：段： 869MHz894MHz為基站發(fā)、移動臺收的頻段； 824

7、MHz849 MHz為移動臺發(fā)、基站收的頻段；通信方式：通信方式： 全雙工；載波間隔：載波間隔： 1.23MHz；調(diào)制方式：調(diào)制方式： /4-QPSK；語音編碼：語音編碼： QCELP；信道數(shù)：信道數(shù)： 64 (碼分信道)/每1.23MHz；擴頻方式：擴頻方式： DS-PN；什么是什么是CDMA系統(tǒng)系統(tǒng) 1話音編碼：話音編碼：采用可變速率編碼及話音激活技術(shù),每幀20ms；PN PN 碼：碼：片碼率為1.2288MHz，基站識別碼(短碼)為215-1，用戶識別碼(長碼)為242-1，64個正交Walsh函數(shù)組成64個信道；交織編碼：交織編碼：交織深度20ms導(dǎo)頻：導(dǎo)頻：前向鏈路用導(dǎo)頻信號作同步跟

8、蹤接收方式：接收方式：RAKE接收（移動臺3RAKE,基站4RAKE）第1章 移動通信概述2 、 CDMA的業(yè)務(wù)與應(yīng)用 語音通信是CDMA的基本業(yè)務(wù)應(yīng)用，未來視頻電話可能會是會話類業(yè)務(wù)的主要發(fā)展方向。什么是什么是CDMA系統(tǒng)系統(tǒng) 1會話類業(yè)務(wù)：流媒體業(yè)務(wù)：交互類與背景類業(yè)務(wù)： 根據(jù)流媒體持續(xù)時間的長短，流媒體業(yè)務(wù)可分為長流媒體業(yè)務(wù)與短流媒體業(yè)務(wù)兩大類；根據(jù)同時使用同一流媒體內(nèi)容的人數(shù)多少，可分為群組流媒體業(yè)務(wù)與個人流媒體業(yè)務(wù)；根據(jù)人們對流媒體業(yè)務(wù)的接受主動性，可分為廣播式流媒體業(yè)務(wù)和交互式流媒體業(yè)務(wù)。 交互類與背景類業(yè)務(wù)應(yīng)用種類繁多，可滿足不同的消費群體的個性化需求，是CDMA數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的主要應(yīng)

9、用類型。 第1章 移動通信概述CDMA的無線接口的無線接口 2 CDMA的信道結(jié)構(gòu) CDMA的基帶處理 第1章 移動通信概述 無線信道用來傳輸無線信號，從基站發(fā)往移動臺的無線信道稱正向信道，從移動臺發(fā)往基站的無線信道稱反向信道。正向傳輸與反向傳輸?shù)男诺澜Y(jié)構(gòu)有較大差異，如下圖5-1所示。1 、CDMA的信道結(jié)構(gòu)的信道結(jié)構(gòu)CDMA的無線接口的無線接口 2圖5-1 CDMA系統(tǒng)信道結(jié)構(gòu)分類 1、幫助手機捕獲系統(tǒng)2、提供同步信號、相位參考，幫助手機進行信道估計，作相干解調(diào) 3、切換時手機測量導(dǎo)頻信道，進行導(dǎo)頻強度比較1、手機通過同步信道獲得與系統(tǒng)的同步2、提供導(dǎo)頻偏置PILOT_PN；系統(tǒng)時間；系統(tǒng)識

10、別符；尋呼信道速率等3、手機只在初始化時采集接收同步信道信令，之后不再使用1、BTS在尋呼信道上廣播：系統(tǒng)參數(shù)消息；接入?yún)?shù)消息；鄰區(qū)列表；CDMA信道列表2、 BTS通過尋呼信道：尋呼手機；指配業(yè)務(wù)信道 用于基站、手機之間傳送話音、數(shù)據(jù)及相關(guān)信令每個尋呼信道下最多可對應(yīng)32個接入信道，移動臺選擇其中一個作為自己的接續(xù)信道，完成發(fā)起呼叫（始呼），響應(yīng)呼叫（被呼）和位置登記等工作。第1章 移動通信概述CDMA的無線接口的無線接口 2邏輯信道控制信道業(yè)務(wù)信道反向鏈路前向鏈路導(dǎo)頻同步尋呼接入11/41/21/8語音和數(shù)據(jù)使用W32使用w1到w79600bps1200bps使用W0邏輯信道組成及結(jié)構(gòu)第

11、1章 移動通信概述調(diào)諧到CDMA載波獲取導(dǎo)頻和同步信道獲取并監(jiān)控尋呼信道移動臺通過接入信道發(fā)消息基站通過尋呼信道發(fā)消息業(yè)務(wù)信道連接建立開始通信系統(tǒng)初始化狀態(tài)系統(tǒng)空閑狀態(tài)系統(tǒng)接入信道業(yè)務(wù)信道狀態(tài)IS95AIS95A的呼叫處理流程的呼叫處理流程第1章 移動通信概述2 、 CDMA的基帶處理 （1） 正向傳輸CDMA的無線接口的無線接口 2第1章 移動通信概述數(shù)據(jù)速率：數(shù)據(jù)速率：同步信道的數(shù)據(jù)速率為1.2kb/s，尋呼信道的數(shù)據(jù)速率為9.6kb/s或4.8kb/s，正向業(yè)務(wù)信道的數(shù)據(jù)速率為9.6kb/s，4.8kb/s，9.4kb/s和1.2kb/s； 正向信道的數(shù)據(jù)在每幀（20ms）末含有8位編碼

12、器尾比特，它把卷積碼編碼器置于規(guī)定的狀態(tài)。此外，在9.6kb/s和4.8kb/s的數(shù)據(jù)中含有幀質(zhì)量指示比特即CRC檢驗比特。所以，實際上正向業(yè)務(wù)信道的信息速率分別為8.6kb/s、4.0kb/s、2.0kb/s和0.8kb/s；卷積編碼：卷積編碼：數(shù)據(jù)在傳輸之前都要進行卷積編碼，卷積碼的碼率為1/2，約束長度為9。碼元重復(fù)：碼元重復(fù)：對于同步信道，經(jīng)過卷積編碼后的各個碼元，在分組交織之前，都要重復(fù)一次（每碼元連續(xù)出現(xiàn)兩次）；碼元重復(fù)的目的是使各種信息速率均統(tǒng)一到19200調(diào)制碼元/秒的標(biāo)準(zhǔn)速率上來。CDMA的無線接口的無線接口 2分組交織：分組交織：所有碼元在重復(fù)之后都要進行分組交織；數(shù)據(jù)掩蔽

13、：數(shù)據(jù)掩蔽：數(shù)據(jù)掩蔽用于尋呼信道和正向業(yè)務(wù)信道，其作用為通信提供保密；功率控制子信道：功率控制子信道：正向業(yè)務(wù)信道中有一個功率控制子信道，在該子信道中，基站連續(xù)發(fā)送功率控制信息數(shù)據(jù)，不斷地控制移動臺發(fā)射功率。正交擴展：正交擴展：為了使正向傳輸?shù)母鱾€信道之間具有正交性，在正向信道中傳輸?shù)乃行盘柖家?4階的Walsh碼進行正交擴展；四相調(diào)制：四相調(diào)制：在正交擴展后，各種信號都要進行四相調(diào)制，所用的兩個偽隨機序列為引導(dǎo)PN序列，引導(dǎo)PN序列的作用是給不同基站發(fā)出的信號賦予不同的特征，便于移動臺識別所需的基站。第1章 移動通信概述 （2）反向傳輸CDMA的無線接口的無線接口 2第1章 移動通信概述

14、數(shù)據(jù)速率：數(shù)據(jù)速率：反向業(yè)務(wù)信道的數(shù)據(jù)速率可為9.6kb/s，4.8kb/s，9.4kb/s和1.2kb/s，而接入信道的數(shù)據(jù)速率固定為4.8kb/s；兩種信道的數(shù)據(jù)中均要加入編碼器尾比特，用于把卷積碼編碼器復(fù)位到規(guī)定的狀態(tài)。此外，在反向業(yè)務(wù)信道上傳送9.6kb/s和4.8kb/s的數(shù)據(jù)中也含有幀質(zhì)量指示比特即CRC檢驗比特。卷積編碼：卷積編碼：接入信道和反向業(yè)務(wù)信道上數(shù)據(jù)在傳輸之前都要進行卷積編碼，卷積碼的約束長度為9。碼元重復(fù)：碼元重復(fù)：反向業(yè)務(wù)信道的數(shù)據(jù)速率為9.6kb/s，碼元不重復(fù)；數(shù)據(jù)速率為4.8kb/s，9.4kb/s和1.2kb/s時，碼元分別重復(fù)1次、3次和7次（每碼元連續(xù)出

15、現(xiàn)2、4和8次）；這樣可使得各種數(shù)據(jù)速率均統(tǒng)一到28800碼元/秒的標(biāo)準(zhǔn)速率上。分組交織：分組交織：所有碼元在重復(fù)之后都要進行分組交織；可變數(shù)據(jù)速率傳輸：可變數(shù)據(jù)速率傳輸：為了減少功耗和減小對CDMA信道產(chǎn)生的干擾，對交織器輸出的碼元，用一個時間濾波器進行選通，只允許所需碼元輸出，而刪除其它重復(fù)的碼元。正交調(diào)制：正交調(diào)制：在反向CDMA信道中，把交織器輸出的碼元每6個為一組，用64階的Walsh函數(shù)之一（稱調(diào)制碼元）進行正交傳輸；直接序列擴展：直接序列擴展：在反向業(yè)務(wù)信道和接入信道傳輸?shù)男盘柖家瞄L碼進行擴展。四相調(diào)制：四相調(diào)制：反向信道四相調(diào)制所用的偽隨機序列就是正向CDMA信道所用的引導(dǎo)P

16、N序列。CDMA的無線接口的無線接口 2第1章 移動通信概述小結(jié)：小結(jié)：功能前向鏈路反向鏈路糾錯編碼1/2速率1/3速率Walsh碼提供信道化64階調(diào)制長碼擴展提供加密性信道化短碼擴展標(biāo)識基站用作OQPSK調(diào)制重復(fù)符號傳輸降低重復(fù)符號功率連續(xù)發(fā)射采用隨機突發(fā)方式不連續(xù)發(fā)射導(dǎo)頻信道提供相干接收沒有導(dǎo)頻信道，采用非相干接收調(diào)制方式支持多碼道傳輸，采用QPSK方式不支持多碼道傳輸，采用OQPSK方式第1章 移動通信概述CDMA碼序列碼序列 3 CDMA碼序列特性 m序列PN碼 其它偽隨機序列 PN碼的復(fù)用技術(shù) PN碼的同步第1章 移動通信概述 CDMA碼序列的設(shè)計是碼分多址系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。具有良

17、好的相關(guān)特性和隨機性的地址碼和擴頻碼對碼分多址通信是非常重要的，對系統(tǒng)的性能具有決定的作用；它直接關(guān)系到系統(tǒng)的多址能力，關(guān)系到抗干擾、抗噪聲、抗截獲的能力及多徑保護和抗衰落的能力，關(guān)系到信息數(shù)據(jù)的隱蔽和保密，關(guān)系到捕獲與同步系統(tǒng)的實現(xiàn)。理想的地址碼和擴頻碼主要應(yīng)具有如下特性：CDMA碼序列碼序列 31 、CDMA碼序列特性 有足夠多的地址碼； 有尖銳的自相關(guān)特性； 有處處為零的互相關(guān)特性； 不同碼元數(shù)平衡相等； 盡可能大的復(fù)雜度。第1章 移動通信概述CDMA碼序列碼序列 32、 m序列PN碼移位寄存器序列 目前，幾乎所有的擴頻序列都用移位寄存器產(chǎn)生。移位寄存器又可分為線性反饋移位寄存器和非線性

18、反饋移位寄存器兩類。這里主要研究線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的偽隨機序列。圖5-4給出了線性移位寄存器的結(jié)構(gòu)圖。圖5-4 線性反饋移位寄存器的一般形式第1章 移動通信概述 CDMA通信要求擴頻序列具有良好的偽隨機特性。由于隨機噪聲具有難以重復(fù)產(chǎn)生和處理的缺點，而偽隨機噪聲既具有類似于隨機噪聲的一些統(tǒng)計特性，又便于重復(fù)產(chǎn)生和處理，因而偽隨機序列或偽噪聲序列（PN序列）被廣泛應(yīng)用于擴頻通信。目前應(yīng)用最為廣泛的偽隨機序列是m序列，它是由線性反饋移存器產(chǎn)生的周期最長的二進制數(shù)字序列。圖5-5給出了一個4階移位寄存器序列生成器。圖5-5 4階移位寄存器序列生成器m序列的生成 CDMA碼序列碼序列 3第1章 移

19、動通信概述 該序列生成器能夠產(chǎn)生周期為15的0，1二值序列。設(shè)初始狀態(tài)（a1,a2,a3,a4）= (1,0,0,0),則周期序列輸出為：000111101011001 。圖5-6是反饋移存器生成的m序列狀態(tài)圖。若設(shè)初始狀態(tài)（a1,a2,a3,a4）= (0,0,0,0), 移位后得到的仍為0狀態(tài)，反饋移存器應(yīng)避免出現(xiàn)全“0”的初始狀態(tài)，并用盡可能少的級數(shù)產(chǎn)生盡可能長的序列。CDMA碼序列碼序列 3第1章 移動通信概述平衡特性平衡特性 在m序列的一周期中，“1”的個數(shù)僅比“0”的個數(shù)多1，即“1”的個數(shù)為(N+1)/2，“0”的個數(shù)為(N-1)/2。游程分布特性游程分布特性 把一個序列中取值相

20、同的那些連在一起的元素合稱為一個“游程”。在一個游程中元素的個數(shù)稱為游程長度。在m序列中，長度為1的游程占游程總數(shù)的1/2；長度為2的游程占游程總數(shù)的1/4；長度為 3的游程占游程總數(shù)的1/8。m序列的特點CDMA碼序列碼序列 3延位相加特性延位相加特性 一個m序列M1與其經(jīng)任意次遲延移位產(chǎn)生的另一個不同序列M2進行模2相加，得到的仍是的某次遲延移位序列M3。即：M3=M1 M2雙極性雙極性m序列的自相關(guān)函數(shù)序列的自相關(guān)函數(shù)1, 2 , 1,10, 1)(mjmjjR第1章 移動通信概述 Gold序列是在1967年提出的一種具有良好互相關(guān)特性的PN序列。圖5-7給出了一個Gold序列生成器。3

21、 、其它偽隨機序列CDMA碼序列碼序列 3Gold序列圖5-7 Gold序列生成器第1章 移動通信概述 除了Gold序列外，Walsh序列也有著良好的互相關(guān)和較好的自相關(guān)特性。 Walsh函數(shù)是一種非正弦的完備函數(shù)系，其連續(xù)波形如圖5-8所示。它僅有兩個可能的取值：+1或-1，所以比較適合用來處理數(shù)字信號。利用Walsh函數(shù)的正交性，可獲得CDMA的地址碼。若對Walsh函數(shù)波形在8個等間隔上取樣，即得到離散Walsh函數(shù)，可用的Walsh函數(shù)矩陣來表示。采用負邏輯，即“0”用“+1”表示，“1”用“-1”表示，從上往下排列，變換行的次序后與下面所述的Walsh函數(shù)的矩陣相同。Walsh序列C

22、DMA碼序列碼序列 3第1章 移動通信概述4、 PN碼的復(fù)用CDMA碼序列碼序列 3 （1）CDMA通信系統(tǒng)的編碼結(jié)構(gòu)圖5-9 移動通信系統(tǒng)中的蜂窩結(jié)構(gòu) 圖5-10 CDMA通信系統(tǒng)三層擴頻編碼機構(gòu) 第1章 移動通信概述 在IS-95 CDMA系統(tǒng)中，前向信道包括導(dǎo)頻信道、同頻信道、尋呼信道和業(yè)務(wù)信道，其中必然有且僅有一個導(dǎo)頻碼分信道，以便于系統(tǒng)內(nèi)所有基站覆蓋區(qū)中工作的移動臺同步和切換，每個基站利用導(dǎo)頻PN序列的時間偏置來標(biāo)識它的前向信道。PN序列的時間偏置常用偏置指數(shù)來區(qū)別，偏置指數(shù)是相對于零偏置導(dǎo)頻PN序列的偏置值，其取值范圍為0511。導(dǎo)頻PN碼序列由15階序列生成器產(chǎn)生，故PN碼的周期

23、為32768個碼片。將此周期序列的每64個碼片作為一個碼型，即每兩個相鄰的碼之間的相位相差64Bbit，共可得到512個碼型。將這些不同的碼型作為基站碼分配給不同的基站，那么，在1.25MHz帶寬的CDMA蜂窩系統(tǒng)中，可建多達512個基站（或扇區(qū)）。 在同一個擴頻CDMA蜂窩系統(tǒng)中，這512個基站碼是互不相同的，并與基站一一對應(yīng)。但這些基站碼卻能在其它的擴頻CDMA蜂窩系統(tǒng)中得到復(fù)用，以區(qū)別本系統(tǒng)內(nèi)的基站。（2）IS-95 CDMA蜂窩系統(tǒng)中基站碼的復(fù)用 CDMA碼序列碼序列 3第1章 移動通信概述 CDMA系統(tǒng)要求PN碼自相關(guān)性好、互相關(guān)性弱，實現(xiàn)方案簡單等。PN碼的選擇直接影響到CDMA系統(tǒng)性能的方方面面。同時，PN碼同步是擴頻系統(tǒng)所特有的，也是擴頻技術(shù)中的難點。CDMA系統(tǒng)要求接收機生成的本地碼與發(fā)送端的PN碼在結(jié)構(gòu)、頻率和相位上完全