CDMA移动通信技术

1、CDMA移动通信技术京信通信系统（广州）有限公司技术部目 录第一章CDMA系统概论第二章CDMA的关键技术第三章CDMA网络参数及概念第四章CDMA基本计算公式第五章CDMA的信道调制第六章系统结构及信令接口第一章 CDMA系统概论1.1 移动通信系统中的多址方式 单个用户/频道 8个用户/较宽频带 多个用户/宽带频道频分多址（FDMA） 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。BSBSMS1MS2MSkf1f2fkF1F2Fk.时分多址（TDMA） 在时分多址系统中，把时间分成周期性的帧，每一帧再分

2、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。BSBSMS1MS2MSk. . . . . . .帧时隙码分多址（CDMA） CDMA通信系统不同用户传输信息是用各自不同的编码序列来区分。从频域或时域来观察多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出使用预定码型的信号。BSBSMS1MS2MSkc1c2ckC1C2Ck. 码分多址的比喻Buon GiornoO-Hi-Yo你好吗你好吗Good MorningBuon GiornoO-Hi-Yo你好吗你好吗Good Morning1.2 我国CDMA系统的频段1.3 CDMA系

3、统的特点1.3.1 低功率1.3.2 大容量1.3.3 所有基站使用相同频率1.3.4 通话质量好1.3.5 保密性能高CDMA CDMA 上行上行CDMA CDMA 下行下行825 835825 835电信电信CDMACDMA870 880870 880电信电信CDMACDMAGSM GSM 上行上行890 909 915890 909 915移动移动GSMGSM联通联通GSMGSMGSM GSM 下行下行移动移动GSMGSM联通联通GSMGSM935 954 960935 954 960我国我国CDMACDMA工作频段工作频段MHzMHz1.3.1 低功率由于采用了更精确的功率控制技术，使

4、得手机发射功率更低。最大发射功率是GSM900的1/10，是GSM1800的1/5。1.3.2 大容量 软容量：用户数和服务级别之间有着灵活的关系。 例如运营商可在话务量高峰期将误帧率稍微提高，便可增加可用信道数。 小区呼吸功能：各小区的覆盖功能是动态的，当相邻两小区负荷一轻一重时，负荷重的小区通过减小导频发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度不足，切换到邻小区。使负荷分担，即相当于增加了容量。 CDMA数字蜂窝系统容量的计算： Npole= Gp/VAF*(1+Beta)*(Eb/No)+1其中：Npole为反向链路单载频单扇区极限用户数量;Gp为处理增益，即W/R；在本计算中W=1.22

5、88MHz, R=9600bit,VAF为语音激活系数，常取0.4 Beta为其它扇区对本扇区的干扰因子，此值通过计算机仿真得出， 全向=0.6； 扇区型=0.85Eb/No为能噪比，是决定基站反向容量的主要因素；是指一个基站为了实现良好话音质量和误帧率(FER),而采用的平均Eb/No,常取5.01。根据上述取值的极限容量为：全向41channels 扇区型35channels/sector 建议负荷57%；可得反向链路容量:全向23channels，20channels/sector。1.3.3 所有基站使用相同频率 是一个自干扰系统自干扰系统Ec of Base Station 1Tot

6、al Power Received from BS 1 PilotChannel. Shaded Yellow in Diagram.Ec/Io of Base Station 1 Total Power from BS 1 PilotTotal Power in 1.23 MHz Band=BS 1 Walsh 0 (Pilot)BS 2 Walsh 0 Pilot 1.23 MHz wide frequency channel for CDMABS 1 Walsh 1-63BS 2 Walsh 1-63.IoNoise +Broadband Ext Interference第二章 CDMA

7、的关键技术CDMA是一种扩频技术，它将包含有用信息的信号扩展成较大的带宽，通过接收端的解调压缩来获取极大的信号增益和较高的信噪比。2.1 扩频技术2.2 功率控制技术瑞利衰落瑞利衰落平均路径平均路径损耗损耗所需的平均发射功率所需的平均发射功率发射功率发射功率距离距离在基站接收到的移动台功率在基站接收到的移动台功率所需的平均接收功率所需的平均接收功率距离距离在CDMA系统中，功率控制是所有关键技术的核心。功率控制的目的就是克服远近效应，是系统既能维持高质量通信，由不对其他移动台产生干扰。功率控制分为前向功率控制和反向功率控制。反向功率控制又分为开环功率控制和闭环功率控制。前向功率控制（低速功率控

8、制） 前向功率控制的目的：提高小区边缘的移动台的性能。 基站依据路径损耗和干扰环境，控制给移动台的发射功率，称为下行链路低速功率控制。 前向功率控制机制： 基站周期性地降低发射到移动台的发射功率，移动台测量误帧率（FER），当FER超过定义值时，移动台要求基站对它的发射功率增加1%，每1520ms进行一次调整。 前向功率控制调整的动态范围： 6dB反向开环功率控制平均输出功率： Tx(dBm)=-平均输入功率平均输入功率Rx(dBm)+偏置功率偏置功率+发射调整发射调整偏置功率： -73dB(800MHz)控制参数：小区大小，基站有效发射功率(ERP)和基站接收机灵敏度，这些参数均在同 步信道

9、上传输。开环功率控制动态范围32dBAGC放大器调整Tx功率PA测量Rx功率双工器Tx = +17dBm移动台2移动台2BTS移动台1移动台1d1d1d2d2Rx = -90dBmTx = -3dBmRx = -70dBm上行链路开环功率控制原理图上行链路开环功率控制原理图反向闭环功率控制(高速功率控制) 基站每1.25ms(等于6个调制符号)测量接收到的SIR4，与目标SIR相比较，决定是增加移动台功率还是降低移动台功率。 闭环功率控制动态范围闭环功率控制动态范围24dBMUX解 码Eb/NoSNR测量去扩展解 码功率控制命令测 量质 量调整Eb/No目标用户数据基站闭环功率控制功能功率控制

10、命令用户数据移动台闭环功率控制功能解复用AGC放大器2.3 软切换技术所谓软切换就是当移动台需要跟一个新的基站通信时，不先中断与原基站的联系。起到业务信道的分集作用。减少由于切换造成的掉话。在软切换中移动台是同时连接到多个基站上通信，它的功率控制由它接收到的最强信号的小区决定。当邻近小区的信号强度超过一个确定的数值，但仍低于现有基站的信号强度时，移动台进入软切换状态。BTSBSCBSCBTS2.3.1 CDMA系统中切换的种类硬切换硬切换发生在不同频率的信道之间。软切换软切换发生在相同频率的信道之间。更软切换更软切换发生在同一基站具有相同频率的不同扇区之间。切换消息图2.3.2 软切换的实现软

11、切换需要两个条件：一个是导频强度、一个是导频保持某一强度的时间。T-TDROP 参数值1、2、3、4、5分别对应的时间：1秒、2秒、4秒、6秒、9秒。(1) 导频强度超过T-ADD，移动台发送一个PSMM，并且将导频转向候选导频集合。(2) 基站给移动台发送HDM，其中该移动台将导频增加到激活集合中。(3) 移动台接收HDM并且得到一个新的业务信道。导频进入激活集合，同时移动台给基站发送HCM。(4) 导频强度降低到T-DROP值以下，移动台启动软切换结束记时器。(5) 切换结束记时器终止，移动台给基站发送PSMM。(6) 基站给移动台发送一个不具有相关导频的HDM。(7) 移动台接收到HDM

12、，导频进入邻域集合并且移动台给基站发送HCM。(8) 移动台接收一个不包括导频的NLUM。导频进入剩余集合。IS-95中的切换消息是：PSMM：导频强度消息 HDM： 切换指示消息 HCM： 切换完成消息 NLUM：邻域列表消息上图注解：邻域候选激活邻域时间T-ADDT-DROPE Ec c/I/It t导频1导频2将导频1从有效集中去除.激活集总的Eb/No在激活集中增加导频2(1)(2) (3)(4)(5) (6)(7) (8)切换结束记时器软切换示意图2.4 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

13、收到更多的又用信号，克服衰落。由于衰落具有频率、时间、空间的选择性，因此分集技术包括:时间分集：采用了符号交织，检错和纠错编码等方法，基站和移动台 都采用了Rake接收机技术，频率分集：本身是1.23MHz宽带的信号，起到了频率分集的作用 。空间分集：基站使用两副接收天线，软切换也起到了空间分集的作用。Radio towerRadio towerRadio tower衰落很可能导致信息丢失=低话音质量 利用多路接收机叠加来自不同基站的和反射的信号，从而减轻衰落的影响衰落衰落移动接收机 D/AD/AAudio移动Rake接收机接收机接收机接收机路径分集路径分集 频率选择性衰落对CDMA影响不大

14、上述衰落若对上述衰落若对30KHz带宽的带宽的TDMA信号影响，则用户信号的衰落值为信号影响，则用户信号的衰落值为12dB。 一个400KHz带宽12dB的衰落，只影响CDMA频带的1/3。 对每个CDMA用户信号的衰落只为0.85MHz/1.25MHz=2dB。 0dB-10dB-20dB-30dB 0dB-10dB-20dB-30dB 0dB-10dB-20dB-30dB 0dB-10dB-20dB-30dB 0dB-10dB-20dB-30dBRadio towerRadio tower 发射信号频谱 接收信号频谱 发射信号频谱 接收信号频谱频率分集频率分集2.5 语音编码技术目前CDM

15、A系统的话音编码主要有两种，即码激励线性预测编码(CELP)8kbit/s和13bit/s。8kbit/s的话音编码达到GSM系统的13bit/s的话音水平甚至更好。13bit/s的话音编码已达到有线长途话音水平。CELP采用与脉冲激励线性预测编码相同的原理，只是将脉冲位置和幅度用一个矢量码表代替。 第三章CDMA网络参数及概念3.1 搜索窗Win-Seach搜索窗是CDMA基站和手机为了能够识别出所能接收到的有效信号而设定的搜索时间段。搜索窗既不能太大也不能太小，太小时延较大的强信号不能够被识别会造成干扰，太大增加基站和手机的搜索时间导致手机接入时间很慢。搜索窗的单位用chip表示，参数和c

16、hip的对应值如下： 搜索窗参数 搜索窗大小04 chips由于1秒时间内电磁波在空间传播3*108米,16 chips 1秒时间内有1.2288*106个chips被解调。28即：1s=300000000m=1228800chips310 1s=300m=1.2288chips740 1chip=244m=0.814s860 1km=4.1chips=3.3s980 1km光纤距离=1.4km空间距离1010011130 CDMA系统中有四个基本搜索窗反向链路业务信道多径搜索窗接入信道搜索窗活动导频集搜索窗邻域导频集搜索窗反向链路业务信道多径搜索窗的中心位置是手机根据目前所收信号的相位偏移量

17、，以该偏移量为中心，用设定的搜索窗单边宽度对各个PN的超前和滞后多径进行搜索，从而对多径进行解调避免干扰。例如：手机在基准时间后64*28+33个chips收到一个同步信号和搜索窗参数为6的信号。手机就把它作为PN28的导频来处理，并以64*28+33chip为中心时间，在比这个时间超前和滞后28chips的时间段内信号进行搜索。3.2 导频污染 是指有3个以上激活导频信号，但它们中没有一个能够使移动台发起 呼叫。 通常表现为移动台接收功率好、Ec/Io差，前向BER差（下行误码率高）。 为了防止导频污染，网络规划必须创建一个存在主导频的小区规划。这可通过 可调整的导频功率、下倾天线或增加特定

18、扇区或小区的覆盖等来实现。E0时间时间64i 64j 64k当移动台沿着一个拐角移动时，移动台的接收信号电平发生。 在拐角后面如果有一个新的基站，移动台接收到的信号强度就会上升得非常快。如果移动台不能足够快地获得新基站，那么增加的干扰就会导致掉话。另一方面，如果新基站不能调节移动台的功率，高的移动台发射功率会闭塞新小区内的所有用户。3.3 拐角效应拐角效应示意图小区A小区B3.4 链路平衡所谓链路平衡就是前向覆盖范围等于反向覆盖范围。CDMA是一个具有呼吸效应的系统，即随着用户的增加覆盖范围要缩小，这个变化是同时体现在前向和反向上的。反向覆盖范围：由于用户的增加使得基站的反向噪声增加，边缘用户

19、手机发射功率升高，导致反向覆盖范围缩小。前向覆盖范围：由于用户的增加使得基站的输出功率增加，边缘用户接收到的Ec/Io下降，导致前向覆盖范围缩小。由于各种干扰的影响很可能导致链路失衡，这会对CDMA网络造成不良的影响。下行链路覆盖区域中的移动台在此区边缘将具有较差的前向链路质量。下行链路覆盖区域中的移动台在此区边缘将具有较差的前向链路质量。前向链路前向链路覆盖区域覆盖区域反向链路反向链路覆盖区域覆盖区域小区小区A的链路不平衡的链路不平衡小区小区B的链路是平衡的的链路是平衡的在这个区域内不会产生从在这个区域内不会产生从B向向A的的越区，因此小区越区，因此小区B中的移动台必中的移动台必然会对小区然

20、会对小区A产生过多的干扰产生过多的干扰前向链路过弱或反向链路过强的概念前向链路过弱或反向链路过强的概念反向链路大于前向链路 B小区的移动台会为小区的移动台会为A小区较强的导频信号而试图进行越区。小区较强的导频信号而试图进行越区。 然而越区极可能引起掉话，因为移动台很有可能不具备足够的功率与然而越区极可能引起掉话，因为移动台很有可能不具备足够的功率与A小区保持可靠的反向链路通信。小区保持可靠的反向链路通信。 如果越区后建立了反向链路，会因移动台的反向输出功率较大对原（如果越区后建立了反向链路，会因移动台的反向输出功率较大对原（B）小区产生极强的干扰。小区产生极强的干扰。前向链路大于反向链路第四章

21、CDMA基本计算公式dB=10*lg(A/B)dBm=10*lg(功率值/1mw)dBw=10*lg(功率值/1w)dBi=dBd+2.154.1 dB、dBm、dBw和dBi4.2 室内路径损耗模型PL（d）=PL（d0）+10* NSF *lg（d/d0）+FAF（dB）PL（d0）为1米距离的空间损耗: 31.5dBNSF为同层损耗因子（1.63.3）d为距天线的路径距离 FAF:为建筑物穿透损耗 如：混凝土楼板 10dB混凝土墙13dB 电梯金属门20dB4.3 自由空间路径损耗模型PL=32.4+20lgd+20lgf d为空间距离，单位为km f为工作频率，单位为MHz 4.4 O

22、kumura_Hata模型PL=69.55+26.16lg(F)-13.82lg(H) +(44.9-6.55lg(H)*lg(D)+CPL：路径损耗，单位dBF： 频率，单位MHz(150-1500MHz)D： 距离，单位kmH： 基站天线有效高度，单位mC： 环境校正因子一般取值：城区： 0 dB郊区： -10dB农村： -17dB 4.5 隔离度水平隔离度公式Ih=22.0+20lg 10(d/)-(Gd+Gr)+(Xd+Xr)CGd、Gr为收发天线增益Xd、Xr为收发天线前后比垂直隔离度公式Iv28.0+40lg 10(d/)Cd 为收发天线之间的距离，单位米为天线工作频率的波长，单位

23、米C 为阻挡损耗4.6 热噪声Nt=10log(KTB)Nt(dBw)基底热噪声 K波尔兹曼常数 1.38E-23w/HzK T(K)绝对温度 B(Hz)带宽4.7 噪声叠加No(mw)=N1(mw)+N2(mw) No(dBm)=10*lg(10 N1/10+10 N2/10)No总噪声N1第一个有源设备引入的噪声N2第二个有源设备引入的噪声 PBTS ：基站输出功率 GBTS：基站天线增益，含馈线损耗 Gm： 移动台天线增益，含馈线损耗 P： 发射功率分配给导频的部分， P =15% Ec/No.T： 移动台所需最小导频chip能量和噪声功率谱之比值， Ec/No.T =-15dB Io.

24、oc/ Io.sc： 移动台在小区边缘，其它小区干扰对本小区干扰的比值， =2.5dB=1.78 （NoW）m ： 移动台接收机热噪声功率, （NoW）m =-174dBm+NFm+10log1.2288106Io.oc Io.scLmax=PBTS(dBm ) +GBTS(dB) +Gm(dB)+10logP-(Ec/No.T)(1+Io.oc/ Io.sc) (Ec/No.T) (dB) (NoW) m(dBm) 4.8 前向链路允许最大传输损耗 Pm： 移动台功放输出功率 GBTS：小区天线增益（包括馈线损耗） Gm： 移动台天线增益（包括馈线损耗） SNRmin： 基站接收最小信号噪声

25、功率比 （N0W）BTS：基站接收机热噪声基底功率= -108dBm（5dB噪声系数） X：小区负荷因子 X= = M 小区用户数MMAX 小区最大用户数LMAX=Pm(dBm)+GBTS(dB)+Gm(dB)-SNRmin(dB)-(N0W)BTS+10log1-x4.9 反向链路允许最大传输损耗第五章 CDMA的信道调制CDMA信道分为反向信道和前向信道，反向信道分：接入信道和反向业务信道，前向信道分：导频信道、同步信道、寻呼信道和业务信道。通常前向20%的功率专门用于导频，5%的功率用于同步信道。寻呼信道：与业务信道相同功率一个前向CDMA载频可使用的码分信道最多有64个，其中1个导频信

26、道、1个同步信道、7个寻呼信道和55个业务信道。当使用第二个载频时，前向信道可分为1个导频信道和63个业务信道。发起呼叫及响应寻呼，与寻呼信道配对使用。用户通过其进行系统登记。接入信道上发送信息的速率固定为4800bit/s，帧长度为20ms。一个寻呼信道最多可对应32个反向CDMA接入信道。5.1 接入信道（Access）手机向基站传送话音，命令应答及请求移动台在反向业务信道上以可变速率9600、4800、2400和1200 bit/s的数据率发送信息。帧长度为20ms。 3.3 调制速率CDMA反向信道的速率为：4800调制符号/秒=4800*64Walsh比特片/秒=4800*64*4P

27、N比特片/秒=1.2288Mchip/s5.2 反向业务信道（Traffic）5.3 导频信道（Access）导频信道在CDMA前向信道上不停的发射 引导手机进入系统其信号强度是小区软切换的依据帮助手机与系统取得时间同步发送同步信息， 如导频PN码偏移，系统时间，寻呼信道数 据速率等同步信道的比特率为1200bit/s，其帧长为26.666ms。5.4 同步信道（Sync）5.5 寻呼信道（Paging）5.6 前向业务信道（Traffic）提供手机进入系统所需参数信息，如邻近基站清单，信道清单等 基站用来寻呼手机。基站向手机传送话音及功率控制等信息。第六章 CDMA的系统结构及接口信令6.1

28、 CDMA的系统结构BTSBSCOMC-RBTSBSCBTSMSMSBSSMSCPNDEIRACHLRMSSSMEVLROMC-RPSTNISDN其他网络接口A口Um口Abis口CDMA-IS95CDMA-IS95结构结构MS 移动台 BS 基站 MSC 移动交换中心 HLR 归属位置寄存器VLR 拜访位置寄存器 AC(AUC) 鉴权中心MC 消息中心 SME 短消息实体OMC 操作维护中心 IP 智能外设SCP 业务控制点 SSP 业务交换点 BTS 无线基站 CBSC 集中基站控制器 VMS 语言信箱业务中心 MSC 移动交换中心 SCP 智能业务控制点 PLMN 公共陆地移动网HLR 归

29、属位置寄存器 SSP 智能业务交换点 PSTN 公共电话交换网 VLR 拜访位置寄存器 STP 信令转接点 INMS 网管系统AuC 鉴权中心 SMSC 短消息业务中心 逻辑功能实体的定义6.2 基站子系统（BSS） 基站子系统有一个集中的基站控制器和若干个基站无线收发信台组成。6.3 网络子系统（NSS）网络子系统是以移动交换机为核心，并包括与之相连的相 邻的MSC、VLR、HLR、AC、OMC、EIR、MC、PSTN。6.4 接口名称及定义Um接口：移动台与基站间的接口。A接口： BSS与MSC间的间的接口。B接口： MSC与VLR的接口。6.5 登记 CDMA系统运行中，登记是移动台通知基站自己的位置、状态、识别等的一种有效手段。共规定了9种登记方式。开机登记关机登记基于定时器的登记基于距