CDMA移动通信基本原理

1,CDMA基本原理,福建先创电子有限公司,2,主要内容,一、CDMA系统概述二、CDMA系统组成与结构三、信道与编码四、编号计划,3,一、CDMA系统概述,1、历史2、频率分配3、CDMA的基本概念4、特点和关键技术,4,第二代数字蜂窝移动通信系统90年代开发出了以数字传输、时分多址和窄带码分多址为主体的移动电话系统，称之为第二代移动电话系统。代表产品分为两类：TDMA系统：有代表性的制式有：泛欧GSM、美国D-AMPS和日本PDCN-CDMA系统：N-CDMA（码分多址）系列主要是以高通公司为首研制的基于IS-95的N-CDMA（窄带CDMA）。,一、CDMA系统概述历史,5,CDMA系统历史,1993年7月，第一个CDMA标准IS_95发布。1995年香港开通世界第一个CDMA商用移动网。1996年，韩国汉城附近开通最大的商用CDMA网。目前，日本、美国、澳大利亚等一些国家都建有CDMA商业网络。1997年，新加坡开通亚洲第一个个人CDMA通信网；中国北京、西安、上海、广州等地建有CDMA实验网2000年2月，联通与QUALCOMM签署知识产权框架协议,开始建CDMA网。2000年11月，全世界已有7000万CDMA用户。2001年，将CDMA网络平滑升级到第三代的cdma20001x系统。,6,800MCDMA频率分配,A段10M825MHz835MHz,基本信道,B段10M835MHz845MHz,A段1.5M845MHz846.5MHz,B段2.5M846.5MHz849MHz,辅助信道,A段,B段,A段,B段,共10M7个载频,共5M3个载频,未分配,联通网,长城网,7,GSM/CDMA频谱分配,联通800MCDMA频段是：移动台：825MHz835MHz基站：870MHz880MHz联通900MGSM的频段是：移动台：909MHz915MHz基站：954MHz960MHz移动900MGSM的频段是：移动台：897MHz909MHz基站：942MHz954MHz,8,所谓CDMA，即在发送端使用各不相同的、相互（准）正交的伪随机地址码调制其所发送的信号；在收端则采用同样的伪随机地址码从混合信号中解调检测出相应的信号。,CDMA的基本概念,9,扩频通信概念,CDMA传输系统中采用了扩频技术，即是将原始信号的带宽变换为比原始带宽宽的多的传输信号，以来达到提高通信系统的抗干扰目的。其数学模型为Shanon公式，即在白噪声的干扰下，信道容量为：,C=BLog2（1+S/N）,b：信道带宽；s/n：信噪比；c：信道容量,10,FDMATDMACDMA,多址方式：CDMA采用码分多址,11,码分多址码型应用,WALSH码：区分前向信道（64阶WALSH函数）导频信道采用全为0的W0；同步信道采用0、1相间的W32；寻呼信道采用W1-W7；业务信道采用W8-W31，W33-W63。,12,PN码：m序列伪随机序列码，自相关性好、互相关性弱m序列的周期P必须满足：P=2n-1215-1短码：区分基站可区分512个基站242-1长码：反向区分移动台；正向用于扰码。,码分多址码型应用,13,码分多址信道划分,前向CDMA信道划分为：导频信道同步信道寻呼信道业务信道,反向CDMA信道划分为：接入信道反向业务信道,14,CDMA的特点与关键技术,特点：1、覆盖范围大2、容量大3、通话质量高4、手机发射功率小5、频率规划简单6、干扰受限系统,15,覆盖范围大,覆盖半径是标准GSM的2倍。覆盖1000km2：GSM需要200个基站，CDMA只需50个基站。在相同覆盖条件下，基站数量大为减少，投资将相应减小。,16,决定CDMA系统容量的主要参数有：处理增益、所需的EB/N0、话音激活系数、频率复用系数和扇区数目等。CDMA系统容量高的原因是由于它的频率复用系数远远超过其他制式的蜂窝系统，频谱利用率高，另一主要因素是它使用了话音激活技术。,容量大,17,占有10MHz频谱(5MHz发送，5MHz接收)的情况参数CDMAGSM载频带宽1.25MHz0.20MHz载频数325*频率复用1/13/9有效载频3/1=325/3=8.3话音呼叫/载频25至40+7.25*话音呼叫/小区75至120+7.258.3=60.2扇区/小区33话音呼叫/扇区75至120+60.2/3=20.0Erlangs/扇区*64至107E13.2E*最优情况，对GSM和AMPS无保护带；*比8话音呼叫/载频少0.75，用于开销功能(例如：控制/导频)；*基于2%的阻塞。,容量大,18,软容量：小区呼吸功能,1、用户数目和服务质量之间可以相互折中，灵活确定。,2、小区的呼吸功能：各小区的覆盖大小是动态的，通过调整小区的导频发射功率，使相邻小区负荷分担话务，相当于增加了容量。,19,1.提高误帧率可增加可用信道数,这时通话质量降低。2.呼吸功能：调整基站导频值来调整小区覆盖大小。,软容量,20,通话质量高,声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。门限值根据背景噪声的改变而改变，可以得到较好的通话质量。系统采用软切换技术，“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。,21,软切换：掉话少,CDMA小区/扇区切换采用软/更软切换，切换是先接续再中断，服务质量高,有效减低掉话。其他无线系统小区/扇区切换采用硬切换，切换是先中断再接续，容易产生掉话。,更软切换：同一基站、相同频率、不同扇区的CDMA信道间。,22,8K等于G网的13K，13K相当于有线,通话质量高对比,23,手机发射功率小,CDAM技术，功率控制，语音激活,24,频率规划简单,网络规划简单、配置灵活,25,干扰受限系统,所有移动用户都占用相同带宽和频率，CDMA是一个自扰系统，用户的增加要提高整个背景噪声。控制住用户的信号强度,在保持高质量通话的同时,就可以容纳更多的用户。有远近效应，需功率控制。,26,关键技术,1、地址码的选择：m序列的PN码作为地址码2、分集技术：空间、时间与频率分集3、功率控制：前向与反向功率控制4、语音编码技术：采用码激励线形预测编码技术（Q-CELP）5、RAKE接收技术：克服多径衰落6、切换：软切换、更软切换与硬切换,27,地址码的选择,地址码的选择直接影响到CDMA系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等性能地址码提供的PN码序列应接近白噪声特性，自相关性要好，互相关性要弱，实现和编码方案简单等。长度为215的PN序列用于区分不同的基站信号长度为2421的PN序列在前向信道用于信号的保密，在反向信道用于区分不同的移动台Walsh序列：在前向信道用于区分同一基站的不同信道，在反向信道中用于对信号进行正交调整。,28,分集技术,分集技术是指系统能同时接收两个或更多个输入信号，这些输入信号的衰落互不相关。系统分别解调这些信号然后将它们相加，这样可以接收到更多的有用信号，克服衰落。分集技术包括空间分集、时间分集和频率分集。CDMA协调综合利用分集技术来抵抗衰落对信号的影响，获得高质量的通信性能。,29,功率控制,功率控制的概念远近效应CDMA是一个自干扰系统功率控制分为前向功率控制和反向开环功率控制和反向闭环功率控制。反向开环功率控制移动台根据接收功率的变化，迅速调节移动台发射功率。反向闭环功率控制基站对移动台的开环功率估计迅速做出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。前向功率控制基站根据测量结果调整移动台的发射功率。,30,语音编码,编码与解码语音编码的目标是既能维持一定的语音质量，又能较大程度的降低数据量。包括波形编码和声源编码。自适应多速率（AMR）语音编码：AMR语音编码器的采用允许系统根据信道的情况在总的信道传输速率不变的情况下，改变信源和信道的编码速率，达到高的频谱利用率，采用码激励线形预测编码技术（Q-CELP）。,31,RAKE接收技术,移动通信信道是一种多径衰落信道，RAKE接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的，这里多径信号不仅不是一个不利因素，而且在CDMA系统变成一个可供利用的有利因素。多对振子组合构成天线阵。它们能形成不同指向，不同辐射波束宽度的天线波束方向图。,32,软切换,所谓软切换就是当移动台需要跟一个新的基站通信时，并不先中断与原基站的联系。更软切换：同一基站、相同频率、不同扇区的CDMA信道间。软切换只能在相同频率的CDMA信道间进行，它在两个基站覆盖区的交界处起到业务信道分集的作用软切换可以大大减少掉话，保证通信的可靠性CDMA系统中支持的切换：硬切换、软切换、更软切换。,33,二、CDMA系统组成与结构,1、网络结构2、系统组成与功能3、主要接口,34,组网示意图,组网结构基于高速ATM网络，接口协议为IS-95A、J-STD-008、cdma20001X。它既是成熟的IS-95A产品，又是面向3G的产品。,35,简单组网模型,36,Um,E,Abis,A,Q,C,B,N,G,N,MS,BT,S,B,S,C,PSTN,ISDN,PSPDN,M,S,C,SCP,M,S,C/SSP,VLR,HLR,AUC,SC,VLR,D,SC,S,ME,M,M,SME,M,SCP,CDMA系统网络结构图,MSS,37,BTS（BaseTransmitterStation）:基站收发信台BSC（BaseStationController）:基站控制器BS（BaseStation）:基站MSC（MobileSwitchCentre）：移动交换中心VLR（VisitorLocationRegister）:拜访位置寄存器HLR（HomeLocationRegister）:归属位置寄存器AC（AuthenticationCentre）:鉴权中心MC（MessageCentre）:消息中心SME（ShortMessageEntity）:短消息实体PSTN（PublicSwitchedTelephoneNetwork）:共用电话交换网ISDN（IntegratedServiceDigitalNetwork）：综合业务数字网PSPDN（PacketSwitchedPublicDataNetwork）分组交换数据网,38,CDMA系统包括：移动终端、BSS子系统、MSS子系统、OMM子系统等部分,基站子系统BSS可分为两部分。通过无线接口与移动台相连的基站收发信台（BTS）以及与移动交换中心相连的基站控制器（BSC），BTS负责无线传输、BSC负责控制与管理。,基站子系统BSS,系统组成,39,移动交换子系统MSS完成CDMA的主要交换功能，同时管理用户数据和移动性所需的数据库。MSS子系统的主要作用是管理CDMA移动用户之间的通信和CDMA移动用户与其它通信网用户之间的通信。移动交换子系统MSS包括以下主要功能单元：移动交换中心（MSC）拜访位置寄存器（VLR）归属位置寄存器（HLR）鉴权中心（AUC）短消息中心（SC）,MSS子系统,40,MSC是CDMA网络的核心。MSC对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路接续的功能，也是CDMA网和其他网络之间的接口。另外，为了建立至移动台的呼叫路由，每个MSC还完成GMSC的功能。MSC从三种数据库，拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）和鉴权中心（AUC）中取得处理用户呼叫请求所需的全部数据。反之，MSC根据其最新数据更新数据库。,移动交换中心（MSC）,41,VLR通常与MSC合设，其中存储MSC所管辖区域中的移动台（称拜访客户）的相关用户数据，包括：用户号码、移动台的位置区信息、移动用户识别码、批准数据、鉴权数据和用户服务清单等参数。VLR是一个动态用户数据库。VLR从移动用户的归属位置寄存器（HLR）处获取并存贮必要的数据，一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则重新在另一个VLR登记，原VLR将取消该移动用户的数据记录。,拜访位置寄存器（VLR）,42,HLR存储管理部门用于移动用户管理的数据。每个移动用户都应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记，它主要存储两类信息：一是有关移动用户的参数，包括移动用户识别号码、电子序列号、用户号码、服务项目清单、批准有效时间等；一是有关移动用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MSC、VLR地址等。,电信业务数据业务智能业务短消息业务数据服务限制（如：漫游限制）补充业务参数,还包括下列信息：,归属位置寄存器（HLR）,43,AUC属于HLR的一个功能单元部分，专门用于CDMA系统的安全性管理，用来鉴别用户身份的合法性以及对无线接口上的话音、数据、信令信号进行加密，防止无权用户接入和保证移动用户通信的安全。鉴权中心一般与HLR合设。包括参数：A_key,SSD、MIN/IMSI、AAV等,鉴权中心（AUC）,44,短消息中心的主要功能是接收、存储和转发用户的短消息。通过短消息中心能够更可靠地将信息传送到目的地。如果传送失败，短消息中心保存失败消息直至发送成功为止。,短消息中心（SC）,短消息实体（SME）,合成与分解短消息,45,为运营商提供对网络的操作和维护服务、管理签约用户信息，对网络进行规划。主要实现以下功能：1、维护测试2、障碍检测及处理3、系统状态监视4、系统实时控制5、局数据修改6、性能管理7、用户跟踪、告警8、话务统计等,操作维护中心（OMC）,46,OMC与各单元的关系,47,1、A接口：基站子系统与交换子系统之间的接口即A接口，其物理链路通过采用标准的2.048Mbit/s的PCM数字传输链路来实现。此接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理、接续管理等。一般采用IS-634标准、IOS2.4、IOS4.0等。,主要接口,48,2.Abis接口：基站子系统中BSC与BTS之间的接口。支持对BTS无线设备的控制。物理层采用直接互联的方法，无统一标准。3.Um接口Um接口被定义为MS与BTS之间的通信接口，即空中接口。它实现了各种制造商的移动台与不同运营者的网络间的兼容性，从而实现了移动台的漫游。此接口遵守IS-95A标准。,主要接口,49,MSC,VLR,B,MSC,VLR,B,E,HLR/AUC,BSC,BTS,A,BSS,子系统,C,D,移动交换子系统MSS内部接口,H,MC,Q,N,50,lC接口：MSC和HLR间的接口，接口的物理层为2.048Mbit/s的PCM传输链路。信令接口符合ITU-T七号信令系统规范。lD接口：VLR和HLR间的接口，接口的物理层为2.048Mbit/s的PCM传输链路。信令接口符合ITU-T七号信令系统规范。,lE接口：MSC和MSC间的接口，接口的物理层为2.048Mbit/s的PCM传输链路。信令接口符合ITU-T七号信令系统规范。,lB接口：MSC和VLR间的接口，内部接口，没有标准定义。,内部接口,51,lN接口：HLR和MC间的接口，接口的物理层为2.048Mbit/s的PCM传输链路。信令接口符合ITU-T七号信令系统规范。,lAi/Di接口：:MSC和PSTN/ISDN间的接口,采用2Mb/sPCM数字链路，接口的物理层为2.048Mbit/s的PCM传输链路。信令接口符合ITU-T七号信令系统规范，采用TUP、ISUP以及随路信令。,lQ接口：:MSC和MC间的接口,采用2Mb/sPCM数字链路，接口的物理层为2.048Mbit/s的PCM传输链路。,lH接口：HLR和AUC间的接口，内部接口,内部接口,52,三、信道与编码,1、扩频与解扩过程2、前向信道3、反向信道,53,扩频,基带（9.6kb/s),编码与交织（19.2kb/s),沃什码扩频（12288kb/s),调制/相加（12288kb/s),fc,-100dBm/Hz,1.25MHzBW,fc,背景噪声,本小区其它用户干扰（OCNS）,1.25MHzBW,fc,邻小区其它用户干扰（GWNS）,fc,外部干扰噪声,TX,54,扩频,10kHzBW,1.25MHzBW,fc,0,窄带信号（9.6kb/s语音)用PN码扩频为1.2288Mc/s的宽带信号，比值(1.2288/9.6)叫做扩频处理增益（128,21db）。在传送过程中，CDMA信号受到各种噪声干扰，主要是同小区其它用户非理想正交引起的干扰和邻小区用户产生的加性白噪声。此外还有背景噪声和外部干扰。,55,基带滤波（9.6kb/s),相关器（12288kb/s),10kHzBW,1.25MHzBW,译码/去交织（12288kb/s),fc,0,10kHzBW,0,收到信号后，相关器利用扩频处理增益恢复有用信号，抑制干扰信号。由于可接受的语音质量需要大约7dB的信/噪比，其余14dB增益用以从噪声中提取有用信号。因为噪声与有用信号正交（下行链路）或不相关（上行链路），所以能够通过相关器提取有用信号，抑制干扰噪声。,RX,解扩,56,CDMA的前向（下行）物理链路,20ms语音数据帧,卷积1/2,9.6kb/s,交织,19.2ks/s,19.2ks/s,长码发生器,19.2ks/s,Walsh码扩频,64阶Walsh码发生器,1.2288Mc/s,1.2288Mc/s,I短码,异或,异或,Q短码,滤波,滤波,I,Q,1.2288Mc/s,1.2288Mc/s,异或,长码分样器,1.2288Mc/s,19.2kc/s,57,前向链路可变速率语音编码,20ms语音帧172/80/40/16kb/20ms,8kb/sVocoded语音数据,8.6/4.0kb/s,2.0/0.8kb/s,加入帧CRC,不加入帧CRC,9.2/4.4kb/s,2.0/0.8kb/s,每帧加入8比特尾码,9.6/4.8/2.4/1.2kb/s,至X/Y卷积信道编码器,语音,13kb/enhancedVocoded语音数据,14.4kb/s,58,前向（下行）信道编码（1/2卷积编码）/前向纠错,D,D,D,D,D,D,D,D,+,+,9.6kb/s,9.6kb/s,9.6kb/s,19.2kb/s,14.4kb/s,1/3卷积编码,19.2kb/s,14.4kb/s增强语音信号的前向纠错编码,59,在前向链路中，长码用于对语音数据的扰码，提供语音消息的加密，而不是用于扩充信号带宽。为了实现扰码而不增加信号速率，在“与”入用户独特的长码掩码之后，1.2288Mb/s的长码通过运算被缩减为与语音数据相匹配的低速率19.2kb/s，这实质上是通过提取长码数据流的每一第64比特实现的。,长码扰码原理,60,长码发生器原理,长码是采用42比特线性反馈移位寄存器产生的，它也是各CDMA无线系统用以同步的主时钟。该移位寄存器需要由GPS接收机的时钟输出加以驱动。为了提供语音加密，用一个用户特定的42比特掩码（mask）和移位寄存器的输出进行“与（AND）”运算，生成独特的长码。所谓用户特定的mask是指，从移动台的设备串号（ESN）导出的一个序列，或是从ESN、随机数种和加密过程算法组合导出的一个序列。,61,异或,19.2ks/s,19.2ks/s,19.2kc/s,长码分样器,编码的语音数据,与,0,1,2,3,4,与,与,40,与,41,分配给用户的42比特长码掩码,42比特线性移位寄存器,摸2加,长码发生器,1.2288Mb/s,长码发生器原理图,62,数据源,加如保留比特,加入帧质量指示,加入保留编码器尾比特,卷积或Turbo编码器,符号重复,符号删缩,分块交织,信道编码,长码扰码,功率控制插入,可变长度WALSH码扩频,PN短码扰码,基带滤波,IQ调制,可变长度WALSH码扩频,PN短码扰码,基带滤波,IQ调制,基带滤波,IQ调制,直接扩频模式,复用器,Cdma2000前向链路方框图,63,CDMA的反向（上行）物理链路,20ms语音数据帧,卷积1/3,9.6kb/s,交织,28.8ks/s,28.8ks/s,长码,307.2ks/s,64态调制,64阶Walsh码发生器,1.2288Mc/s,1.2288Mc/s,I短码,异或,异或,Q短码,滤波,滤波,I,Q,1.2288Mc/s,1.2288Mc/s,异或,64,cdma2000RC1的反向业务信道(R-FCH和R-SCCH)信号流程图,65,反向业务信道(R-FCH和R-SCCH)信号流程图,66,四、编号计划号码类型,MDN：移动用户号码簿号码NID网络识别码(NID)IMSI：国际移动用户识别码SID系统识别码(SID)TLDN：临时本地用户号码ESN电子序号（ESN）HLR号码BSID基站识别码(BSID)MSC/VLR号码REG-ZONE登记区识别码(对CDMA),67,1.移动用户号码簿号码(MDN)此号码为主叫用户呼叫一个数字移动用户时所需拨的号码。,CC,SN,MAC,国际移动用户DN号码,国内有效用户DN号码,号码组成,86N1N2N3H0H1H2H3XXXX,68,中国国家号为86国内有效移动用户号码簿号码由