CDMA移動(dòng)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(zhǔn)〕正交的偽隨機(jī)地址碼調(diào)制其所發(fā)送的信號(hào)；在收端那么采用同樣的偽隨機(jī)地址碼從混合信號(hào)中解調(diào)檢測(cè)出相應(yīng)的信號(hào)。800MCDMA頻段是：移動(dòng)臺(tái)：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(kuò)頻解擴(kuò)調(diào)制解調(diào)射頻發(fā)射射頻接收無(wú)線信道3擴(kuò)頻優(yōu)點(diǎn)為什么要進(jìn)行擴(kuò)頻，擴(kuò)頻通信有何好處？隱蔽性和保密性好；抗干擾能力強(qiáng)；抗衰落；抗多徑；多個(gè)用戶可以同時(shí)占用相同頻帶，實(shí)現(xiàn)碼分多址。4香農(nóng)公式的含義：要到達(dá)一定的信道容量，既可以通過較大的信號(hào)帶寬和較小的信噪比來(lái)實(shí)現(xiàn)，又可以通過較小的信號(hào)帶寬和較大的信噪比來(lái)實(shí)現(xiàn)；當(dāng)信噪比保持一定時(shí)，增大帶寬可以提高信道容量。擴(kuò)頻通信就是利用上述原理，用高速的擴(kuò)頻碼來(lái)擴(kuò)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(qiáng)的抗干擾能力和更大的系統(tǒng)容量。擴(kuò)頻為什么會(huì)帶來(lái)上述好處？5擴(kuò)頻干擾抑技術(shù)原理數(shù)據(jù)信號(hào)在發(fā)射端被擴(kuò)譜〔第一次XOR〕fS（f）f0解擴(kuò)頻前的信號(hào)頻譜fS（f）f0擴(kuò)頻前的信號(hào)頻譜信號(hào)信號(hào)干擾噪聲fS（f）f0擴(kuò)頻后的信號(hào)頻譜信號(hào)fS（f）f0解擴(kuò)頻后的信號(hào)頻譜信號(hào)干擾噪聲信號(hào)脈沖干擾白噪聲在接收端數(shù)據(jù)信號(hào)備恢復(fù)〔第二次XOR〕干擾信號(hào)在接收端被擴(kuò)譜〔第一次XOR〕6

XXXX

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

#1#2擴(kuò)頻編碼解擴(kuò)頻功率合成輸出信號(hào)

#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(dǎo)頻信道同步信道尋呼信道業(yè)務(wù)信道反向CDMA信道劃分為：接入信道反向業(yè)務(wù)信道8二、CDMA的特點(diǎn)特點(diǎn)：1、覆蓋范圍大2、容量大3、通話質(zhì)量高4、發(fā)射功率小5、頻率規(guī)劃簡(jiǎn)單6、干擾受限系統(tǒng)91、覆蓋范圍大覆蓋半徑是標(biāo)準(zhǔn)GSM的2倍。覆蓋1000km2：GSM需要200個(gè)基站，CDMA只需50個(gè)基站。在相同覆蓋條件下，基站數(shù)量大為減少，投資將相應(yīng)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(fù)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(fù)用系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)。

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(zhì)量之間可以相互折中，靈活確定。2、小區(qū)的呼吸功能：當(dāng)相鄰兩個(gè)小區(qū)負(fù)荷一輕一重時(shí)，負(fù)荷重的小區(qū)通過減小導(dǎo)頻發(fā)射功率，使本小區(qū)的邊緣用戶由于導(dǎo)頻強(qiáng)度不夠，切換到相鄰的小區(qū)，使負(fù)荷分擔(dān)，即相當(dāng)于增加了系統(tǒng)容量。一個(gè)小區(qū)內(nèi)，其他對(duì)于某一個(gè)來(lái)說(shuō)，它們發(fā)射的信號(hào)都是干擾。如果用戶數(shù)越多，干擾越大，此時(shí)這個(gè)就會(huì)增大發(fā)送功率〔功率控制實(shí)現(xiàn)〕來(lái)到達(dá)反向的解調(diào)門限。而對(duì)于前向而言，基站為了防止更多的用戶接入系統(tǒng)，造成當(dāng)前的無(wú)法解調(diào)，也會(huì)減小發(fā)生功率〔也是功率控制實(shí)現(xiàn)〕，此時(shí)小區(qū)的覆蓋面積就會(huì)減小。所以，CDMA的系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)，業(yè)務(wù)量增大時(shí)，小區(qū)面積減小的情況。稱作呼吸效應(yīng)。121.提高誤幀率可增加可用信道數(shù),這時(shí)通話質(zhì)量降低。2.呼吸功能：調(diào)整基站導(dǎo)頻值來(lái)調(diào)整小區(qū)覆蓋大小。導(dǎo)頻1＝6導(dǎo)頻2＝14軟容量133、通話質(zhì)量高聲碼器可以動(dòng)態(tài)地調(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(jí)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(zhì)量。系統(tǒng)采用軟切換技術(shù)，“先連接再斷開”，這樣完全克服了硬切換容易掉話的缺點(diǎn)。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(zhì)量高,有效減低掉話。其他無(wú)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(zhì)量64kPCM現(xiàn)有的GSM8k的CDMA13k的CDMA8k的EVRCCDMA8K等于G網(wǎng)的13K，13K相當(dāng)于有線通話質(zhì)量高－比照165、發(fā)射功率小CDAM技術(shù)，功率控制，語(yǔ)音激活176、頻率規(guī)劃簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃簡(jiǎn)單、配置靈活工程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，擴(kuò)容方便1324324244123142314GSM：N＝4頻率復(fù)用1111111111111111111CDMA：N＝1頻率復(fù)用111187、干擾受限系統(tǒng)所有移動(dòng)用戶都占用相同帶寬和頻率，CDMA是一個(gè)自擾系統(tǒng)，用戶的增加要提高整個(gè)背景噪聲?？刂谱∮脩舻男盘?hào)強(qiáng)度,在保持高質(zhì)量通話的同時(shí),就可以容納更多的用戶。有遠(yuǎn)近效應(yīng)，需功率控制。

19三、關(guān)鍵技術(shù)1、地址碼的選擇：m序列的PN碼作為地址碼2、分集技術(shù)：空間、時(shí)間與頻率分集3、功率控制：前向與反向功率控制4、語(yǔ)音編碼技術(shù)：采用碼鼓勵(lì)線形預(yù)測(cè)編碼技術(shù)〔Q-CELP〕5、RAKE接收技術(shù)：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(yīng)接近白噪聲特性，自相關(guān)性要好，互相關(guān)性要弱，實(shí)現(xiàn)和編碼方案簡(jiǎn)單等。長(zhǎng)度為215的PN序列

用于區(qū)分不同的基站信號(hào)長(zhǎng)度為242－1的PN序列

在前向信道用于信號(hào)的保密，在反向信道用于區(qū)分不同的移動(dòng)臺(tái)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(duì)信號(hào)進(jìn)行正交調(diào)整。212、分集技術(shù)分集技術(shù)是指系統(tǒng)能同時(shí)接收兩個(gè)或更多個(gè)輸入信號(hào)，這些輸入信號(hào)的衰落互不相關(guān)。系統(tǒng)分別解調(diào)這些信號(hào)然后將它們相加，這樣可以接收到更多的有用信號(hào)，克服衰落。分集技術(shù)包括空間分集、時(shí)間分集和頻率分集。CDMA協(xié)調(diào)綜合利用分集技術(shù)來(lái)抵抗衰落對(duì)信號(hào)的影響，獲得高質(zhì)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(shí)值，慢衰落反映的是瞬時(shí)值加權(quán)平均后的中值。分集技術(shù)：多個(gè)接收信號(hào)(互相獨(dú)立)合并處理，是克服衰落的主要方法。CDMA采用的分集技術(shù)：空間、時(shí)間(RAKE)和頻率分集技術(shù)。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(hào)的局部功率。CDMA空間分集：1：兩個(gè)接收天線(天線間隔>10l,l為波長(zhǎng)〕2：兩個(gè)基站(用在軟切換時(shí))。接收天線接收天線基站1基站223CDMA時(shí)間分集：利用RAKE接收機(jī)。兩條路徑時(shí)延為1ms時(shí)，RAKE接收機(jī)可分別把它們提取出來(lái)而不混淆。極化分集：在移動(dòng)環(huán)境下，空中的水平路徑和垂直路徑是不相關(guān)的，因而信號(hào)也呈現(xiàn)不相關(guān)的衰落特性。這就可在發(fā)射和接收端各裝兩付天線，一個(gè)水平極化天線，一個(gè)垂直極化天線，這就可以得到兩個(gè)不相關(guān)的信號(hào)。接收窗口1接收窗口224

陸地移動(dòng)通訊具有復(fù)雜的通訊環(huán)境多移動(dòng)臺(tái)?多信道造成同頻?互調(diào)干擾?遠(yuǎn)近效應(yīng)等問題；復(fù)雜地形及傳播環(huán)境造成多徑衰落?陰影效應(yīng)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(shù)是CDMA關(guān)鍵技術(shù)的核心自干擾系統(tǒng)影響通訊質(zhì)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(jiǎn)介功率控制的作用克服遠(yuǎn)近效應(yīng)、陰影效應(yīng)針對(duì)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(biāo)在維持通話質(zhì)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(zhì)量提高系統(tǒng)容量降低移動(dòng)臺(tái)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(jié)合的功率控制技術(shù)前向功率控制：前向功率控制是一種閉環(huán)控制，受控對(duì)象是基站的發(fā)射功率，移動(dòng)臺(tái)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(duì)象是移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率，基站起輔助作用。27開環(huán)功率控制假設(shè)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(dòng)臺(tái)BTS反向開環(huán)功率控制28反向閉環(huán)功率控制基站檢測(cè)信噪比SNR，與門限值比較，產(chǎn)生對(duì)移動(dòng)臺(tái)的功率控制命令每1.25ms更新一次〔每秒重復(fù)800次〕1dB的步長(zhǎng)校正開環(huán)功率控制未消除的、與前向鏈路相獨(dú)立的損耗移動(dòng)臺(tái)BTS信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量預(yù)設(shè)值或反向閉環(huán)功率控制29FER移動(dòng)臺(tái)BTSBSC反向外環(huán)功率控制信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量預(yù)設(shè)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(duì)每一移動(dòng)臺(tái)的前向鏈路發(fā)射功率當(dāng)移動(dòng)臺(tái)檢測(cè)到FER增大，就請(qǐng)求基站系統(tǒng)增大前向鏈路發(fā)射功率FER移動(dòng)臺(tái)BTSBSC功率調(diào)整前向鏈路功率控制314、語(yǔ)音編碼編碼與解碼語(yǔ)音編碼的目標(biāo)是既能維持一定的語(yǔ)音質(zhì)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(yīng)多速率〔AMR〕語(yǔ)音編碼：在通話過程中，當(dāng)用戶說(shuō)話時(shí)，處于高度激活狀態(tài)，編碼速率為9600bps；而當(dāng)用戶停頓或靜聽時(shí)，降低編碼速率到1200bps。這時(shí)，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(lì)線形預(yù)測(cè)編碼技術(shù)〔Q-CELP〕。325、RAKE接收技術(shù)移動(dòng)通信信道是一種多徑衰落信道，RAKE接收技術(shù)就是分別接收每一路的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，然后疊加輸出到達(dá)增強(qiáng)接收效果的目的，這里多徑信號(hào)不僅不是一個(gè)不利因素，而且在CDMA系統(tǒng)變成一個(gè)可供利用的有利因素。在CDMA系統(tǒng)中，增加了一個(gè)搜索器，可動(dòng)態(tài)地測(cè)量各徑信號(hào)的幅度和延遲，然后才有選擇地進(jìn)行合并，因此是一個(gè)抽頭可變的接收機(jī)。336、軟切換切換技術(shù)1.軟切換：在切換過程中，移動(dòng)臺(tái)開始與新的基站聯(lián)系時(shí)，并不中斷與原有的基站的通信。軟切換會(huì)帶來(lái)更好的話音質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(dòng)臺(tái)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(shù)：軟切換/更軟切換上行信號(hào)的合并：軟切換上行在BSC幀處理板中進(jìn)行幀選擇。更軟切換上行在BTS信道板中進(jìn)行多徑合并。BSC幀處理板Abis鏈路BTSBBTSA35切換技術(shù)：切換流程導(dǎo)頻信道：CDMA系統(tǒng)用于引導(dǎo)接入和切換信道，在網(wǎng)絡(luò)中不間斷測(cè)量周圍小區(qū)的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度。不同扇區(qū)載頻的導(dǎo)頻信道使用不同的PN來(lái)標(biāo)識(shí)。導(dǎo)頻集：導(dǎo)頻的集合，分為：激活集、候選集、相鄰集、剩余集。激活集：AcitiveSet，當(dāng)前正在保持連接的業(yè)務(wù)信道所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)頻集合。候選集：CandidateSet，導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度足夠、可以成功解調(diào)、隨時(shí)可以接入的導(dǎo)頻集合。相鄰集：NeighborSet，當(dāng)前不在有效或候選集里，但可能會(huì)進(jìn)入候選集的導(dǎo)頻集合。剩余集：所有其余導(dǎo)頻的集合。36切換技術(shù)：切換流程相鄰集候選集

激活集

相鄰集T_ADDT_DROP時(shí)間1234567導(dǎo)頻強(qiáng)度1.導(dǎo)頻強(qiáng)度超過T_ADD，發(fā)送PSMM導(dǎo)頻強(qiáng)度測(cè)量消息，并將該導(dǎo)頻參加侯選集。2.BSC發(fā)送切換指示消息HDM，要求將該導(dǎo)頻參加激活集。3.將該導(dǎo)頻參加激活集，并發(fā)送HCM切換完成消息。4.該導(dǎo)頻強(qiáng)度低于T_DROP，啟動(dòng)切換DROP定時(shí)器。5.切換DROP定時(shí)器超時(shí)，通過PSMM將該情況上報(bào)給BSC。6.BSC發(fā)送切換指示消息HDM。7.將該導(dǎo)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(jié)構(gòu)1、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)基于高速ATM網(wǎng)絡(luò)，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(jí)3GBTSAbisAbisAbisPSTN/PLMN3GBSC或2GBSC版本升級(jí)3GBSCInternetPDSNHAAAAserver路由器路由器EthernetATM2GBTS2GBSCAbisBSM3G終端2G終端39

BTS〔BaseTransmitterStation

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