第 6 章 CDMA移动通信系统

第6

章CDMA移动通信系统

概述6.1CDMA系统信道组成6.2CDMA移动通信系统组成6.3IS-95CDMA系统简介6.4【本章内容简介】

本章主要介绍CDMA通信原理及技术，包括扩频通信的基本概念、CDMA系统的基本特点和基本特性、CDMA系统信道组成以及系统结构组成等内容，并对IS-95CDMA系统的主要业务和业务编号以及路由接续作了详细说明。【学习重点与要求】

本章重点掌握扩频通信的基本原理，对CDMA系统的基本特点和结构组成有一个全面的认识。6.1概述码分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。6.1.1扩频通信的基本概念1．基本概念扩频通信技术是一种信息传输方式，是码分多址的基础，是数字移动通信中的一种多址接入方式。特别是在第三代移动通信中，它已成为最主要的多址接入方式。扩频通信是扩展频谱（SpreadSpectrum，SS）通信的简称。传输任何信息都需要一定的频带，称为信息带宽或基带信号频带宽度。由信号理论知道，在时间上有限的信号，其频谱是无限的。如果我们用W代表系统占用带宽或信号带宽，B代表信息带宽，则一般认为：●W/B=1～2 窄带通信●W/B≥50 宽带通信●W/B≥100 扩频通信图6-1扩频通信系统基本组成框图图6-2扩频通信系统频谱变换图2．扩频通信的理论基础扩频通信的理论基础来源于信息论和抗干扰理论。仙农（Shannon）在其信息论中得出带宽与信噪比互换的关系式，即仙农公式

C=Wlog2（1+S/N） （6-1）式中，W为信号频带宽度，单位为Hz；S为信号平均功率，单位为W；N为噪声平均功率，单位为W；C为信道容量，单位为bit/s。采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱的方法可以降低接收机接收的信噪比门限值。扩频通信就是将信息信号的频谱扩展100倍以上，甚至1

000倍以上，然后再进行传输，因而提高了通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是扩频通信的基本思想和理论依据。3．处理增益和抗干扰容限扩频通信系统的扩频部分是一个带宽比信息带宽宽得多的伪随机码（PN码）对信息数据进行调制，解扩则是将接到的扩展频谱信号与一个和发端伪随机码完全相同的本地码相关来实现的。把扩频信号带宽W与信息带宽B之比称为处理增益G，表示如下

G=W/B

（6-7）它表示了扩频通信系统信噪比改善的程度，是扩频通信系统的一个重要的性能指标。4．扩频通信的特点（1）抗干扰能力强（2）抗衰落、抗多径干扰（3）保密性和隐蔽性好（4）可以实现码分多址（5）能精确地定时和测距6.1.2CDMA系统的基本特点1．系统容量大2．软容量3．话音质量高4．软切换功能5．保密性强，通话不会被窃听6．多种形式的分集（1）时间分集（2）频率分集（3）空间分集7．精确的功率控制8．话音激活9．频率规划简单10．建网成本低11．发射功率低6.1.3CDMA系统的基本特性1．工作频段（1）800

MHz频段●下行链路：869～894

MHz（基站发射，移动台接收）；●上行链路：824～849

MHz（移动台发射，基站接收）。（2）1

800

MHz频段●下行链路：1

955～1

980

MHz（基站发射，移动台接收）；●下行链路：1

875～1

900

MHz（移动台发射，基站接收）。2．信道数（1）每一小区可分为3个扇形区，可共用一个载频；（2）每一载频64（码分信道）；（3）每一网络分为9个载频，其中收、发各占12.5

MHz，共占25

MHz频段。表6-1 信道分配和800

MHz频段的发送中心频率发射机CDMA信道编号CDMA信道中心频率/MHz移动台（MS）1≤N≤7770.030N+825.001

013≤N≤1

0230.030×(N−1

023)−825.00基站（BS）1≤N≤7770.030N+870.001

013≤N≤1

0230.030×(N−1

023)+870.00表6-2 信道分配和1

800MHz频段的发送中心频率发射机CDMA信道编号CDMA信道中心频率/MHz移动台（MS）1≤N≤1

1990.050N+1

850.00基站（BS）1≤N≤1

1990.050N+1

930.003．调制方式基站：QPSK。移动台：OQPSK。4．采用直接系列扩频（DSSS）在CDMA蜂窝系统之间是采用频分的，而在一个CDMA蜂窝系统之内是采用码分多址的。5．语音编、解码CDMA蜂窝系统语音编码采用码激励线性预测（CELP）编码算法，也称为QCELP算法。6．时间基准CDMA蜂窝系统利用“全球卫星定位系统（GPS）”的时标，GPS的时间和“世界协调时间（UTC）”是同步的，二者之差是秒的整倍数。7．双模式移动台双模式移动台既能工作在原有的模拟蜂窝系统（AMPS），又能工作在扩频码分（CDMA）蜂窝系统。6.2CDMA系统信道组成CDMA系统中各种传输信道是由不同的码型来进行区分的，除了要传输业务信息外，还必须传输各种所需的控制信息。这些信道按传输方向的不同分为前向传输信道和反向传输信道。6.2.1前向传输信道CDMA前向传输信道（下行信道）由用于控制的广播信道和用于携带用户信息的业务信道组成。广播信道由导频信道、同步信道和寻呼信道组成。一个载频共有64个信道，所有这些信道都在同一个1.23

MHz带宽的CDMA载波上。移动台能够根据分配给每个信道唯一的码分来区分逻辑信道。CDMA前向传输信道可使用的码分信道最多为64个，如图6-3所示。图6-3CDMA前向传输信道结构1．导频信道2．同步信道3．寻呼信道4．前向业务信道表6-3 前向业务信道各功能模块作用声码器减小语音需要的比特速率。工作在全速率，1/2、1/4和1/8速率的变模式。速率1声码器的全速输出速率为9.6

kbit/s，速率2的全速输出速率为14.4

kbit/s卷积编码提供错误检测/纠正。每输入一个比特有两个符号输出符号重复重复从编码器来的输入符号。重复是维持一个持续输入到块交织器。全速符号不被重复，并在全功率上发送。半速率重复一次并在半功率上发送，以此类推。速率1输出维持在192

kbit/s（与编码速率无关），速率2输出是28.8

kbit/s符号收缩只用于工作在速率2的声码器上。一个28.8

kbit/s输出从每6输入中删除2。因此实现进入块交织器的输入速率相同，都为19.2

kbit/s，而与编码的速率无关块交织通过确保连续的数据不被丢失，以抗瑞利衰落的影响数据扰码通过输入数据和长掩码扰乱，与用户ENS的序列改变来提供安全保障功率控制子信道提供一个非常快的功率控制子信道（800次/秒）。输入数据每秒被抽取800次，向移动台发送一个增加或减少功率命令，每个命令能增加或减少移动台1

dB的功率正交扩频通过用一个唯一Walsh码来扩频，从而提供识别和正交。每一输入符号要和64

bit的Walsh码进行异或，使之速率成为1.228

Mchip/s四相扩频提供唯一的基站识别码。这种扩频序列是32768码片和每26.66

ms重复。所有基站使用同样的序列，但相位偏置各不相同，有512种可能的偏置。确保移动台锁定在正确的基站基带滤波把信号转变到蜂窝频率范围（800

MHz）或PCS频率（1

900

MHz）6.2.2反向传输信道CDMA反向传输信道（上行信道）由接入信道和反向业务信道组成。图6-4CDMA反向传输信道结构6.3CDMA移动通信系统组成CDMA蜂窝通信系统的网络结构与GSM系统相类似，主要由基站收发信机（BTS）、基站控制器（BSC）、移动交换中心（MSC）、操作管理中心（OMC）等组成，如图6-5所示。由图可见，该网络结构可分为3大部分组成：网络子系统、基站子系统和移动台子系统。下面对各部分功能及主要组成作简要介绍。图6-5CDMA网络结构6.3.1网络子系统网络子系统位于市话网与基站控制器之间，它主要由移动交换中心（MSC）或称为移动电话交换局（MTSO）组成。此外，还有本地用户位置寄存器（HLR）、访问用户位置寄存器（VLR）、操作管理中心（OMC）以及鉴权中心等设备。图6-6移动交换中心（MSC）结构6.3.2基站子系统基站子系统（BSS）包括基站控制器（BSC）和基站收发设备（BTS）。每个基站的有效覆盖范围即为无线小区，简称小区。小区可分为全向小区（采用全向天线）和扇形小区（采用定向天线），常用的小区分为3个扇形区，分别用、

和

表示。BSC可以控制多个基站，每个基站含有多部收发信机。图6-7所示为BSC的结构。图6-7基站控制器结构简化图代码转换器主要包含代码转换器插件、交换矩阵及网络接口单元。图6-8单个扇区的设备组成6.3.3移动台IS-95标准规定的双模式移动台必须与原有的模拟蜂窝系统（AMPS）兼用，以便使CDMA系统的移动台也能用于所有的现有蜂窝系统的覆盖区，从而有利于发展CDMA蜂窝系统。图6-9双模式移动台方框图6.4IS-95CDMA系统简介IS-95是1992年由美国高通公司提出的，1993年被北美电信工业协会（TIA）采纳的第一个CDMA商用移动通信技术空中接口标准。IS-95标准全称是“双模式宽带扩频蜂窝系统的移动台-基站兼容标准”图6-10蜂窝系统结构IS-95标准关心的是一个或多个地理上分散的固定基站收发器和地理上分散的移动用户收发器在射频链路上的通信。许多基站与基站控制器相连，并受其控制，基站控制器与一个MTSO相连，MTSO通过一个MSC与PSTN进行互连。同一个地区的几个MTSO轮流处于一个OMC的控制下。一个CDMA系统里的MTSO的重要功能之一就是保持频率和时间标准，如图6-11所示。图6-11MTSO功能IS-95CDMA蜂窝系统工作频带：●上行（移动台发，基站收）870～894

MHz；●下行（基站发，移动台收）825～849

MHz；●双工间隔为45MHz。IS-95CDMAPC