（通信与信息系统专业论文）cdma无线接入技术的研究与实现.pdf

摘要 无线接入技术的标准化历史不长，但发展却非常迅速，在无线通讯领域的地 位也越来越重要。c d m a 无线接入技术由于其无可比拟的优点，必将在第三代移 动通信系统中得到广泛应用。而c d m a 无线接八模块是c d m a 终端设备的核心 模块，实现了终端设备所具有的通话、收发短信、无线上网等功能。目前国内生 产c d m a 终端设备的厂家虽然较多，但大多是采用国外现成的无线接入模块。研 发出具有自主知识产权的c d m a 终端无线接入模块，可以大大降低终端产品的成 本，提高终端设备制造的技术水平，缩短同国外同类产品的差距。 本文首先介绍了几种主流无线接入技术的标准与发展趋势，其中重点介绍了 c d m a 无线接入技术的原理、系统体系结构和组成，接下来对i s 一9 5 标准的发展 演变历程、前向反向信道及呼叫处理流程进行了概述。在此基础上，本文提出一 种c d m a 无线接入模块的系统设计方案，详细的对此方案进行了原理介绍和方案 论证，以及对射频接收支路和发送支路的链路预算分析，预估c d m a 无线接入模 块的性能，并与i s 一9 5 标准的要求做比较。此外还对c d m a 无线接入模块的软件 总体设计和处理流程进行了一定介绍和分析。最后经过实际测试和对试验数据的 分析，该模块达到了预期的指标和要求，验证了该设计方案的正确性和可行性。 关键词：c d m a 无线接入无线接入模块射频接收机 a b s t r a c t t h o u g h t h es t a n d a r d i z a t i o no fw i r e l e s sa c c e s st e c l m o l o g yi sn o tl o n g ，i th a sb e e n d e v e l o p i n gr a p i d l ya n dh a sb e e nm o r e a n dm o r ei m p o r t a n ti n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n f i e l d c d m aw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g yw i l lb ed e f i n i t e l yw i d e l yu s e di nt h em o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m so ft h e 3 “g e n e r a t i o n b e c a u s eo fi t s o u t s t a n d i n g m e r i t s c o m p a r i n gt o o t h e r s c d m at e r r a i n a lw i r e l e s sa c c e s sm o d u l ei s t h ec o r eo ft h e c d m at e r m i n a le q u i p m e n t i tr e a l i z e st h ef u n c t i o n ss u c ha sc a l l i n g ，t r a n s i m i t t i n g r e c e v i n gs h o r tm e s s a g e sa n da c c e s s i n gi n t e r n e ta n ds oo n a l t h o u g ht h e r ea r em a n y n a t i o n a lc d m at e r m i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r sa tp r e s e n t ，m o s to f t h e mu t i l i z et h e r e a d y m a d e m o d u l e sf r o ma b r o a d d e v e l o p i n gc d m at e r m i n a lw i r e l e s sa c c e s s m o d u l ei np o s s e s s i o no fo w n k n o w l e d g ep r o p e r t yr i g h tc a l lr e d u c et h e c o s ta n d i m p r o v e t h et e c h n i c a ll e v e lo ft h et e r m i n a l p r o d u c t i o na n dc a t c hu pw i t ht h ei n t e r n a t i o n a l a d v a n c e dl e v e l i nt h ep a p e r , w ep r e s e n ts o m ek e ys t a n d a r d sm i dd e v e l o p m e n to fw i t l e s sa c c e s s t e c h n o l o g y ，h e r ec d m a w i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g yi sp l a c e de m p h a s i so n ，i n c l u d i n g t h ep r i n c i p l e so ft e c h n o l o g ya n dt h ec o n f i g u r a t i o n so ft h es y s t e ma n de t c t h e nt h e d e v e l o p m e n t a lc o u r s eo fi s - 9 5s t a n d a r d s ，f o r w a r dc h a r m e la n dr e v e r s ec h a n n e l ，a n d c a l l i n gf l o wc h a r t sa r ea l s ob r i e f l ys h o w n ，b a s e do nt h i s ，i tp u t f o r w a r das y s t e md e s i g n o fc d m at e r m i n a lw i r e l e s sa c c e s sm o d u l e t h et h e o r i e sa n dd e m o n s t r a t i o no ft h e d e s i g n a r ed i s c u s s e di nd e t a i l a n dl i n k b u d g e ta n a l y s e s a r eu s e dt o b u d g e t t h e p e r f o r m a n c e o ft h em o d u l e a tt h es a n l et i m et h er e s u l t sa r e c o m p a r e d w i t h r e q u i r e m e n t so f i s 一9 5s t a n d a r d s m o r e o v e r , t h eg e n e r a ls t r u c t u r ea n df l o wc h a r to ft h e m o d u l es o f t w a r ea r ea l li n t r o d u c e d f i n a l l y , t h ef e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t i o no fs y s t e m d e s i g nh a v eb e e n v e r i f i e dt h r o u g ht h ed e b u g g i n ga n dt e s t k e y w o r d ：c d m a w i r e l e s sa c c e s sw i r e l e s sa c c e s sm o d u l er ft r a n s c e i v e r 独创性( 或创新性) 声明 y 6 9 5 4 4 5 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作过 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 叠绚 日期： 里耋：兰：兰2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名 查鸳 日期：堕：! ：兰l 垆p 导师签名：一二兰踅 同期：! ：垒：兰z 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景和意义 1 9 8 9 年1 1 月，q u a l c o m m 在美国的现场试验证明c d m a 用于蜂窝移动通信的 容量大，并理论推导其为a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ，高级移动电话 服务技术，属于模拟蜂窝系统) 容量的2 0 倍。这一振奋人心的结果很快使c d m a 成为全球的热门话题。1 9 9 5 年香港和美国的c d m a 公用网开始投入商用。1 9 9 6 年韩国用自己的c d m a 系统开展大规模商用，头1 2 个月发展了1 5 0 万用户。1 9 9 8 年全球c d m a 用户已达5 0 0 多万，经过五年多的发展，c d m a 移动通信系统的 应用已经遍及世界各大洲，用户数量达到一亿用户，特别是作为全球移动通信大 市场的中国引入c d m a 移动通信系统后，更为c d m a 移动通信技术的未来发展 增添了强大的动力。 目前c d m a 移动通信网主要分布在北美洲的美国，东亚的中国、韩国、日本， 南亚的印度、巴基斯坦等，东南亚的印尼、越南、泰国、马来西亚等，南美洲的 巴西、委内瑞拉等，欧洲的东欧国家，大洋州的澳大利亚和非洲。虽然c d m a 网的应用普及程度不及g s j 网那么范围广，但因为它新兴市场主要在近年来经济 发展抢眼的亚太地区，所分布的区域人口密度大，相当多的国家又是发展中国家， 未来市场空间较大；从技术角度看c d m a 系统有容量大、话音质量好和保密性强 等特点，可以实现蜂窝网、个人通信服务( p c s ) 网或无线商务固话( w l l ) 等 多种应用方式，目前c d m a 网的覆盖范围在城市、乡村之间在不断延伸扩展。此 外，很多国家政府直在极力引导在窄带c d m a 网基础上发展c d m a 2 0 0 0 技术。 所以从更远的前景看，在解决好设备的平滑升级问题上，c d m a 网将更具生命力。 据预测，未来的几年全球c d m a 市场将以超过1 0 0 的增长速度发展，远快于g s m 4 0 的发展速度。 随着c d m al x 技术的成熟和制造成本的下降，目前世界各地运营中的 c d m a 网络都已完成或正在进行将原有的基于c d m ai s - 9 5 的网络设备改造成 基于c d m a1 x 技术的c d m a 移动通信网；而对于新建设的c d m a 网则直接采 用l x 的技术。所以在可以预见的未来几年，c d m a 的网络建设将呈现以c d m al x 技术为主流的局面。 1 2 国内外发展现状 在国外市场，利用基于c d m a 蜂窝技术的c d m aw l l ( 无线本地环路) c d m a 无线接入技术的研究与实现 系统有较为广泛的应用，尤其是在新兴的c d m a 市场，如印度、巴基斯坦、越南、 印尼、马来西亚、非洲和东欧等国家，由于国家对电信业的管理政策、经济发达 程度、通信基础设施建设状况等综合因素，使得在建网的初衷主要是采用c d m a 移动通讯设备来完成无线的话音和窄带数据、传真业务的接入，同时可以支持 c d m a 手机的业务接入。 国内市场方面。随着中国电信拆分的结束，目前国内主要的电信运营商形成 了群雄遂鹿的势态，中国移动、中国电信、新网通、联通等大型电信运营商都在 采用各种运营手段吸引客户群，扩大现有业务的市场份额，同时拓展新的运营领 域，挖掘可能的运营收入来源，这必然引起运营商在业务领域的互相渗透，加剧 面对面的竞争。 目前国内的运营商还是把目光转到可以带来稳定营业收入的传统的话音业务 和窄带数据业务上来。我国的固网话音业务和窄带数据业务基本由中国电信和新 网通垄断，经过前几年的高速发展，囤网的话音业务进入平稳增长期，今后几年 的增长空间不大；同时，由于用户对通信方式有着越来越强烈的灵活性要求，使 得我国的无线移动通信业过去的几年有了飞速的发展。2 0 0 1 年，国内移动通信的 运营收入首次超过了固网话音业务的运营收入，这充分的表明当前通信业务的发 展趋向。 虽然目前我国绝大部分移动用户使用的是g s m 或g p r s 网络，但由于c d m a 技术具有无可比拟的优越性，第三代通信网络目前虽然有三个不同的通信标准 ( i s 一2 0 0 0c d m a 、w c d m a 和t d s c d m a ) ，但都无一例外的基于c d m a 技 术。可以预见，今后若干年内，c d m a 技术必将得到迅猛的应用和发展。因此， 研发出适用于c d m a 网络的终端无线接入模块既是c d m a 技术发展的需要，也 是市场的需要，具有较高的实用价值。 1 3 论文的主要内容 本文以c d m a 无线接入技术的研究与实现为目标，通过对其中涉及的相关理 论和技术进行分析和研究，给出c d m a 无线接入模块的一种系统设计方案，最后 经过实际测试和对试验数据的分析，验证了该设计方案的正确性和可行性。本文 一共分为六章，内容组织和章节安排如下： 第一章绪论，首先介绍了c d m a 无线接入技术的研究背景和意义，并对国 内外的发展现状进行了总结，然后给出了本文研究的主要内容和章节安排。 第二章无线接入技术，简要介绍了几种主流的无线接入技术的标准与发展趋 势，以及几种多址技术的比较，其中重点介绍了c d m a 无线接入技术的原理、系 统结构、组成和关键技术等。 第一章绪论 第三章t i a j e i a i s 一9 5 b 标准，对c d m a 标准的发展演变历程做了介绍，对 基于i s 一9 5 标准的c d m a 系统的前向反向信道和呼叫处理流程进行了概述。因为 对此标准的深入理解是后续工作的基础。 第四章c d m a 无线接入模块的系统设计，本章提出一种c d m a 无线接入模 块的系统设计方案，详细的对此方案进行了原理介绍和方案论证，以及对射频接 收支路和发送支路的链路预算分析，预估c d m a 无线接入模块的性能，并与i s 一9 5 标准的要求做比较。然后从软件入手，介绍了高通公司的软件开发平台，并在对 此平台进行分析的基础上，进行了c d m a 无线接入模块软件总体结构的设计。 第五章试验数据及分析，记录了模块主要指标的测试结果和分析。 第六章结束语，是全文的总结和概括。 第二章无线接入技术 第二章无线接入技术 2 1 无线接入技术概述 根据目前的技术标准和将来的发展，主流的无线接入技术可以分为： 无线局域网( w i r e l e s sl a n s ，w l a n ) 技术，如i e e e8 0 2 1 i b a 和e t s i h i p e r l a n 2 ； 无线人域网( w i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k s ，w p a n ) 技术，如蓝牙技术 ( b l u e t o o t h ) 和1 e e e8 0 2 1 5 ； 固定无线接入技术( f i x e db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，f b w a ) ，如i e e e8 0 2 1 6 无线城域网( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ，w m a n ) 技术【4 3 j 。 2 1 1 无线局域网( w l a n ) 技术 目前，全球有三大类型的无线局域网标准，包括：美国i e e e8 0 2 11 标准家 族；欧洲e t s ib r a n 的h i p e r l a n 标准；r 本a r i b 开发的多媒体移动接入通 信( m u l t i m e d i am o b i l ea c c e s sc o m m u n i c a t i o n ，m m a c ) 标准。 在上述标准中，i e e e8 0 2 1l 系列发展最为迅速，得到业界的广泛支持，因 此，下面将以i e e e8 0 2 1 1 系列w l a n 标准为主进行简单介绍。 1 ) i e e e8 0 2 1 1 系列w l a n 标准家族技术特点 该标准支持a dh o c 和i n f r a s t r u c t u r e 两种网络拓扑结构。目前已经标准化的物 理层标准有i e e e8 0 2 1 1 、i e e e8 0 2 1 1 b 和i 髓e8 0 2 1 1 a 。在物理层，由于工 作于无执照( u n l i c e n s e d ) 频段，几种标准都采用了抗干扰通信机制；在媒体访 问控制( m a c ) 层，为了适应无线共享信道通信的要求，标准采用了分布式控制 的侦听多点接入冲突避免( c s m a c a ) 机制，对安全的支持是可选的。这几个标 准的参数如表2 1 所示。 表2 1i e e e8 0 2 i 1 、8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 l a 标准的比较 标准 8 0 2 1 18 0 2 1 l b8 0 2 1 l a 网络拓扑 a dh o c i n f r a s t r u c t u r e l l c 西议 8 0 2 2l l c c 协议8 0 2 11 m a c ： c s m a c a ( d c f 和p c f ( 可选) ，r t s c t s ) 安全机制 i e e e8 0 2 1 1w e p 协议( 可选) 工作频段2 4 g h z ，i s m 频段( 8 35 m h z )5g h z ，u n i i 频段( 3 0 0 m h z ) 抗干扰通 d s s s f h s s i rd s s s ( c c k ) ，o f 蹦 6c d m a 无线接入技术的研究与实现 信机制p b c c ( 可选) f h s sd s s s 7 5 个信1 4 个信道，每 信道带宽1 4 个信道，2 0 m h z ，1 6 6 m h z ( 一3 d b ) 道，每个 个2 2 删z 每个2 2 m h z l m h z 调制方式 g f s kb p s k q p s kb p s k q p s k b p s k ，q p s k ，1 6 一q a m 6 4 一q a m 1 ，2 ，6 ，9 ，1 2 ，1 8 ，2 4 ，3 6 ，4 8 和5 4 数据速率1 ，2m b p s1 ，2m b p s 5 5 ，1 1 m b p sm b p s k = 7 卷积码，码率i 2 ，2 3 编码c c i t tc r c 一1 6 3 4 5 0 m w ( 5 1 5 0 5 2 5 0 g h z ) ，2 5 0 发射功率1 w ( 美国) ，1 0 0 m w ( 欧溯)r o w ( 5 2 5 0 53 5 0 g h z ) ， l w ( 5 7 2 5 - 5 8 2 5 g h z ) 覆盖范围室内：1 5 0 m ；室外：3 0 0 m室内：5 0 m ；室外1 5 0 m 2 ) w l a n 的应用前景与发展趋势 w l a n 最初是作为有线l a n 的无线扩展开发的，随着应用的推动和w l a n 自身技术的不断发展，已经出现了w l a n 与电信刚络融合提供公共w l a n 服务 的趋势。w l a n 技术另一个重要的优势是提供了a dh o c 网络的模式，在很多没有 基础网络设施可用的环境下具有巨大的应用空间。i e e e8 0 2 1 1 工作组目前讵在 努力使w l a n 技术朝着数据速率更高、功能更多、应用更加安全的方向发展。 2 1 2 蓝牙与i e e e8 0 2 1 5 无线人域网( w p a n ) 技术 蓝牙技术是由蓝牙s i g 组织开发的工作于2 4 g h zi s m 频段的通用近距离无 线通信规范其目的在于使智能移动电话与笔记本电脑、掌上电脑以及各种数字 化的信息设备能不再用电缆，而是用种小型的、低成本的无线通信技术连接起 来，进而形成w p a n ，实现资源无缝共享。目前，蓝牙s 1 g 已经发布了蓝牙规范 1 1 版。另一方面，i e e e 成立了8 0 2 1 5 标准化工作组开发w p a n 通信标准，下 设4 个任务组，分别开展蓝牙p a n ( p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 、共存性、高速率和低 速率p a n 标准的研究。 1 ) 技术特点 根据蓝牙s i g 技术规范，蓝牙技术涵盖了从物理层到应用层的多层协议，分 为核心协议和采用的其它协议。蓝牙核心协议是蓝牙s i g 自己开发的、实现蓝牙 应用必需的协议，而其它协议则根据应用的需要灵活取舍，为此，蓝牙s 1 g 定义 第二章无线接入技术 了应用协议框架，指导不同应用的协议栈结构。蓝牙技术的基本参数如表2 2 所 示。 表2 2 监牙技术的基本参数 网络拓扑a dh o c ( p i c o n e t ，s c a t t e r n e t ) i 作频段 2 4g h zi s m 频段，2 4 0 0 2 4 8 3 5 g h z 信道带宽1 m h z ，7 9 个 抗干扰通信机制f h s s ，1 6 0 0 跳秒 双工方式 t d d 时隙长度 6 2 5 u s 最大分组时隙数5 个 调制方式 g f s k ，b t = 0 5 最高数据速率 7 2 3 ，2k b s 语音编码方式对数p c m 或c s v d 编码方式1 3f e c ( 3 b i t 重复编码) ，2 3f e c ( 截短汉明码) ，c r c - 1 6 覆盖范围1 1 0 m ( o d b m ) ，l o o m ( 2 0 d b m ) s c o ( 话音，电路交换，预留时隙) ：a c l ( 分组数据，分组交换， 链路类型 轮询) 链路级的安全。认证基于共享链路密钥韵询问响应机制；认 安全机制 证和加密密钥的生成基于s a f e r + 算法 2 ) 应用前景与发展趋势 蓝牙技术的初衷是电缆替代，目前，已经有支持蓝牙技术的移动电话、计算 机外设产品进入市场，其巨大应用空间正在逐步得到开发。蓝牙a d h o c 网络模式 可以实现同一区域多个a d h o c 网络共存，与传统的a d h o c 网络相比具有巨大的优 势。这种通过一种技术就能允许构成随着人们的移动而移动的入域冈络，只有巨 大的应用前景。目前，蓝牙s i gf 在分析来自工业界的反馈，针对规范的一些不 足，制订新的支持更高数据率、更加安全、抗干扰性能更好的蓝牙新规范。 2 1 3 固定无线接入技术( f b w a ) 固定宽带无线接入系统是宽带无线点到多点通信系统，可以提供双向的话音、 数据、i n t e m e t 和视频服务，主要通过位于建筑物上的外部天线与中心无线基站通 信，使户内用户可以通过其它户内网络接入核心网络。目前业界开发了两类无线 接入技术： c d m a 无线接入技术的研究与实现 本地多点分布式服务( l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e ，l m d s ) ，通常工作 于2 4 4 8 g h z ，在基站和用户接收天线之间存在电波的视线( l i g h t o g s i g h t ，l o s ) 传播； 多信道多点分布式服务( m u l t i c h a n n e l m u l t i p o i n t d i s t r i b u t i o ns e r v i c e ， m m d s ) ，通常工作于1 1 9 h z 以下，电波在基站和用户接收天线之间是非视线 ( n o n l i g h t - o f s i g h t ，n l o s ) 传播。 当前，对上述两种技术的标准化工作正在进行，主要包括： 美国i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准，欧洲e t s ib r a nh i p e r a c c e s s 和r 本a r i bm m a ch s w a 。其中，i e e e8 0 2 1 6 涉及的范围最广泛、工作进展最快， 后两种标准正在开发中并可能与i e e e8 0 2 1 6 融合。 1 ) i e e e8 0 2 1 6 标准 这里只讨论空中接口标准1 e e es t a n d a r d8 0 2 1 6 2 0 0 1 ，该标准涵盖的范围分 为物理层( p h y ) 和m a c 两层。 a p h y 层 考虑到基站和用户单元之间存在无线电波直线传播，i e e e8 0 2 1 6 1 采用单 载波( s i n g l e c a r r i e r ，s c ) 调制技术，因此又将其称为“w i r e l e s s m a n s c ”。物理层 标准的基本参数如表2 3 所示。 表2 3i e e e8 0 2 1 6 1 物理层标准的基本参数 工作频段1 0 6 6 6 h z 带宽2 0 或2 5 姗i z ( 美国) ；2 8 m h z ( 欧洲) 覆盖范围2 5 k m 复甩与多址方式下行链路：t d m ；上 亍链路：t o m , a 帧长 0 5 ，1 ，2 m s 物理时隙4 个q a m 符号 调制单载波；q p s k ( 必选) ，1 6 一q a m ( 必选) 6 4 - q a m ( 可选) 成形脉冲n y q u i s t 平方根升余弦，滚降系数0 2 5 外码：r e e d s o l o m o n 码( g f ( 2 5 6 ) ) ；分组t u r b o 码( 可选) ： 纠错编码( 4 类) 内码：( 2 4 ，1 6 ) 分组卷积码、( 9 ，8 ) 奇偶校验码( 二选一) 扰码f 行链路：；上行链路： b m a c 层 i e e e8 0 2 1 6 i m a c 协议用于点对多点宽带无线接入应用，是面向连接的 协议，包括无连接服务在内的所有业务均映射为一个连接。i e e e8 0 2 1 6m a c 协议包括三个子层：特定服务汇聚子层、公共部分子层、保密子层，负责业务映 第二章无线接入技术 射、资源分配、链路建立和维护以及认证与加密。 2 ) 应用前景与发展趋势 固定无线接入技术在高速i n t e r n e t 接入、双向数据通信、私有或公共电话、 双向多媒体服务等领域具有广泛的应用前景。 为了与有线接入技术竞争，固定宽带无线技术必须在衰落信道提供与有线相 当质量的高速据率无线接入服务，并最终为用户提供端到端的连接。目前，有很 多问题仍然需要进一步研究，包括：提高系统的频谱效率；降低小区间的干扰， 提高系统容量；改进m a c 层，研究适应宽带无线传输条件下的分段、重传和无 线资源管理机制，以提高t c p 性能。为此，i e e e8 0 2 1 6 项目正在加紧开发工作 于2 1 1 g h z 的新的w m a n 标准。 2 2 蜂窝移动通信技术概述 到目前为止，各种无线接入技术的标准化和市场化已经取得了很大的进展， 但都没有达到当前蜂窝移动通信网络的商业成功，本节就蜂窝移动通信技术的发 展进行简要介绍。 移动通信是指通信双方至少有一方在移动中或临时停留在某一非预定的位置 上进行的信息传输和交换i “。现代移动通信技术的发展始于上世纪2 0 年代的美国 警用车载无线电系统。随着微电子技术，特别是微处理器、大规模和超大规模集 成电路、数字信号处理器和专用集成芯片的发展，使生产价廉、可靠、轻便、节 能、性能优越和便于使用的移动通信设备成为可能。应用领域的扩大和对性能要 求的提高，促使移动通信在技术上和理论上向更高水平发展。到上世纪8 0 年代， 美国贝尔实验室研制成功的先进移动电话系统a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n e s y s t e m ) 网络开始在全世界得到广泛的应用，这时的通信网络是模拟制式，被称 作第一代移动通信系统。上世纪9 0 年代初，欧洲移动通信特别小组提出的泛欧数 字式移动通信系统g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 网络开始广 泛应用并在全世界范围内逐步取代了a m p s 网络，这时的移动通信网络已经采用 了数字制式，被称为第二代移动通信系统。上世纪束，出现了被称为2 5 代的移 动通信系统的g s m 升级网络g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 网络和基 于i s 一9 5 a b 标准的码分多址c d m a ( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 网络。上世 纪末和本世纪初，在美国、日本和欧洲的某些地方出现了基于i s 一2 0 0 0 c d m a 和 w c d m a 标准的第三代移动通信系统，同时在一些国家开始了第四代移动通信系 统的研究工作2 1 1 3 j f 4 】1 5 】【6 】。 oc d m a 无线接入技术的研究与实现 2 3 几种多址技术的比较 根据接入方式的不同，移动通信系统可咀分为频分多址f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 、时分多址t d m a ( t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 和码 分多址c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 三种。多址接入是指多于一个用 户同时使用一个通信系统，每个用户的信号必须能够和其它用户的信号相区别， 以保证通信不互相干扰。在无线通信系统中，可咀根据频率、时间或码型划分出 不同的“信道”，实现多址接入。 多址接入方式的数学基础是信号正交分割原理。无线电信号可以表示为时间、 频率和码型的函数，即可以写作： s ( c ，) = c ( t ) s ( f ，f ) ( 2 - 1 ) 其中c ( f ) 是码型函数，s ( f ，f ) 为时间t 和频率f 的函数【4 。当以传输信号的载 波频率的不同划分来建立多址接入时，称为频分多址方式( f d m a ) ；当以传输信 号存在的时间不同划分来建立多址接入时，称为时分多址( t d m a ) ：当以传输信 号的码型不同划分来建立多址接入时，称为码分多址方式( c d m a ) 。图2 1 给出 了f d m a 、t d m a 和c d m a 的示意图【2 】。 频分多址时分多址 匿 钐 图2 1f d m a 、t d m a 和c d m a 的不意图 1 ) 频分多址( f d m a ) 在频分多址系统中，把可以使用的总频段划分为若干占用较小带宽的频道， 这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道，分配给一个用户。在 接收设备中使用带通滤波器允许指定频道里的能量通过，但滤除其它频率的信号， 从而限制临近信道之间的相互干扰。这种通信系统的基站必须同时发射和接收多 圃唾 ，；下酊0 第二章无线接入技术 个不同频率的信号；任意蕊个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因 而必须同时占用4 个频道a 能实现双工通信。这种方式在系统设计中需要周密的 频率规划，基站需要多部不同载波频率发射机同时工作，设备多且容易产生信道 间的互调干扰。第一代移动通信系统a m p s 采用的就是这种接入方式。 2 ) 时分多址( t d m a ) 在时分多址系统中，把时问分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙( 无 论帧或时隙都是互不重叠的) ，每一个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。 然后根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站 发射信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的 信号而互不干扰。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预订的时隙 中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信 号区分出来。第二代移动通信系统g s m 采用的就是这种接入方式。 与f d m a 相比，t d m a 系统的基站只需要一部发射机，可以避免像f d m a 系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰。t d m a 的频率规 划比较简单，对时隙进行管理和分配比频率管理分配要容易而且经济。但t d m a 系统设备必须有精确的定时和同步，以保证各移动台发送的信号不会在基站发生 重叠或混淆，并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号。这往往是比 较复杂的技术难题。 3 ) 码分多址( c d m a ) 在c d m a 通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时 隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形 来区分。如果从频域或时域来观察，多个c d m a 信号是互相重叠的。接1 殳机的相 关器可以在多个c d m a 信号选出使用的预定码型的信号。其它使用不同码型的信 号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中 引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。 c d m a 蜂窝移动通信系统与f d m a 模拟蜂窝通信系统或t d m a 数字蜂窝移 动通信系统相比具有更大的系统容量、更高的话音质量以及抗干扰、保暂等优点， 因而近年来得到各个国家的普遍重视和关注，并作为第三代数字蜂窝移动通信系 统的首选方案。 2 4 1 技术原理 2 , 4c d m a 无线接入技术 c d m a 技术是建立在正交编码、相关接收的理论基础上，运用扩频通信技术 解决无线通信的选址问题的技术。扩频通信是指系统将所需传输的信号用一个带 c d m a 无线接八技术的研究与实现 宽远大于信号带宽的高速伪随机编码信号去调制它，使原信息数掘的带宽大大扩 展，再经载波调制后发射出去；接收端经解调后，使用与发送端完全相同的伪随 机码，与接收的宽带信号做相关处理，把宽带信号解扩为原始数掘信息。c d m a 系统利用自相关特性大而互相关特性小的码序列作为地址码，在信道中许多用户 的宽带信弓相互叠加在一起同时进行宽带传输，同时还叠加有宽带、窄带干扰及 噪声，系统利用本地产生的地址码对接收到的信号及噪声进行解调，凡是与本地 产生的地址码不相关的宽带信号与宽带噪声仍保持带宽。解扩信号经窄带滤波后， 信噪比得到极大提高，可将所需的信号分离出来。 一个c d m a 系统的基本构成如图2 2 所示。 桶荚城渡接收聊l l ￥ n 2 2c d m a 通信系统 在发射端各路用户数据流b l ( f ) ，b 2 0 ) ，b u ( ，) 与各自的伪随机码 p n ，州：，p 。相乘进行扩频。刷码必须与b ，( ，) 同步，然后把扩频后的各 路基带信号相加，再去调制射频载波a c o s ( a ，。t + 妒) ，变为宽带信号z ( t ) 发送出去。 z ( f ) = 【a ，c ，( f ) 6 ，( 0 1 c o s ( c o 。t + 妒) ( 2 2 ) i = 1 以第一路为例，在接收端，收到的信号中包括了本用户的有用信号b ，( f ) 和 表现为干扰的其它用户信号，用相干载波先对已调载波进行解调，获得如下信号： 第二章无线接入技术 a i c l ( f ) 6 1 ( ，) + 一，c ) 6 ，( r ) + ( ，) ( 2 3 ) ，= 2 其中”( ，) 为噪声。 此信号再与本地产生的j p 。码( 与发送端的p n t 码完全相同) 相乘进行解调， 即解扩处理。设此p ，码与发端c l ( ，) 准确同步，则c ( o c ( ，) = 】，故解扩后的信 号一。( f ) 变为： f ) = a l b l ( f ) + 争肿舭b i ) “( f ) ( 2 - 4 ) = a b ，( f ) + 干扰+ ”( f ) 如果干扰和噪声能够控制得足够低，则积分器输出的信号( f ) 为： r ，( f ) = e 。，如b ( t ) = 逻辑“1 ” ( f ) = 一e 。，如b 1 ( f ) 一逻辑“0 ” ( 2 - 5 ) 即v o ( t ) = b l ( f ) ，恢复了原来发送的信号。 由上可见，在接收过程中，系统内其它用户信号对有用信号而言都成为干扰， 如控制得不好就会明显影响积分器的输出信号，而不能正常恢复原来发送的信号， 这就是所谓的c d m a 是一种干扰受限的通信系统。在c d m a 系统中必须动态地严 格控制移动台( m s ) 和基站( b s ) 的功率。一方面要把功率控制得尽量小，以容 纳尽量多的用户；另一方面还要保持一定的水平，保证信道达到可以接收的性能 要求。在c d m a 系统中，任何消除干扰的方法都可提高c d m a 系统的容量。 2 4 2 系统的体系结构和组成 c d m a 系统网络结构如图2 3 所示，其中，m s ：移动台；b s s ：基站子系统； m s s ：交换子系统；b t s ：基站收发信机：b s c ：基站控制器：m s c ：移动交换 中心：v l r ：访问用户位置寄存器；h l r j a c ：归属用户位置寄存器鉴权中心： e i r ：移动设备识别寄存器：p s t n ：公用电话网；i s d n ：综合业务数字网：p d n ： 公用数据网【“。 从图2 3 可见，c d m a 系统由三大部分组成： 1 ) 交换子系统：由一系列功能实体所构成，包括m s c 、e i r 、v l r 、h l r a c 等，各功能实体介绍如下： m s c ：是c d m a 系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和 完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。它 可完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完成b s c 、m s c 之间的切 换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。另外，为了建立至移动台的呼叫路 由，每个m s 、还应能完成入口m s c ( g m s c ) 的功能，即查询位置信息的功能。 c d m a 无线接入技术的研究与实现 图2 3c d m a 系统网络结构图 v l r ：是一个数据库，具有动态用户数据库的功能，存储m s c 为了处理所 管辖区域中m s ( 统称拜访客户) 的来电、去电呼叫所需检索的信息，例如客户 的号码，所处位置区域的识别，向客户提供的服务等参数。 h l r ：也是一个数据库，具有中央数据库的功能，存储管理部门用于移动客 户管理的数据。每个移动客户都应在其归属位置寄存器( h l r ) 注册登记，它主 要存储两类信息：一是有关客户的参数；二是有关客户目前所处位置的信息，以 便建立至移动台的呼叫路由，例如m s c 、v l r 地址等。 a c ：用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数 ( 随机号码r a n d ，符合响应s r e s ，密钥k c ) 的功能实体。 e i r ：也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。主要完成对移动设备的 识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。 2 ) 基站子系统：功能实体可分为基站控制器( b s c ) 和基站收发信台( b t s ) 。 b s c ：具有对个或多个b t s 进行控制的功能，它主要负责无线网路资源的 管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。 b t s ：无线接口设备，它完全由b s c 控制，主要负责无线传输，完成无线与 有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。 3 ) 移动台予系统：就是移动客户设备部分，包括手机、固定台、车载台等终 端设备，实现移动用户向无线链路的信息交换。它由两部分组成，移动终端( m s ) 和客户识别卡( u i m ) 。 移动终端：就是“机”，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的 调制和解调、信息发射和接收。 u i m 卡：就是“身份卡”，它类似于我们现在所用的i c 卡，因此也称作智 啊雌圈5