码分多址CDMA移动通信系统

1、要想变得强大就需要学习得更多。 学习时的痛苦是暂时的，未学到的痛苦是终生的。 学习是为提高批判性思维能力和想象力，学会发现和鉴别事实真相，坚持对事物进行严谨的分析，能够理性、历史地认识现实问题和道德问题。,本章要解决的问题,1、码分多址的特征：(1) (8) 2、CDMA蜂窝通信系统的多址干扰 3、CDMA蜂窝通信系统的功率控制：“远近效应”，也称近端对远端的干扰。 4、IS-95 CDMA蜂窝系统的工作频率 5、IS-95 CDMA蜂窝通信系统的时间基准 6、IS-95 CDMA蜂窝系统的话音编码 7、IS-95 CDMA蜂窝系统的无线传输 信道组成 8、IS-95 CDMA蜂窝系统的控制功

2、能 登记注册、切换 软切换的呼叫过程：,第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 8.1 概 述,美国高通Qualcomm公司开发的CDMA蜂窝体制定名为IS 95，被人们称为窄带码分多址（N - CDMA），载波频带宽度为1.25MHz，采用频分双工（FDD/FDMA）方式，上行为869894MHz，下行为824849MHz ，占用25MHz，一个基站最多可以有64个同时传输的信道。几种TDMA蜂窝系统与CDMA蜂窝系统， 其运行环境、 业务要求和控制功能基本上都是相同的。差异在于无线信道的构成，以及与之有关的无线接口和无线设备。 本章介绍的内容是IS 95A CDMA系统。 下张内容

3、-8.1.1 码分多址的特征,8.1.1 码分多址的特征 在CDMA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的， 而是用各不相同的编码序列来区分的。 换句话说， 是靠信号的不同波形来区分的。 如果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信号中选出其中使用预定码型的信号。在CDMA蜂窝通信系统中， 用户之间的信息传输也是由基站进行转发和控制的。 下张内容-码分多址蜂窝通信系统的特征如下：,码分多址蜂窝通信系统的特征如下： (1) 根据理论分析， CDMA蜂窝系统与模拟蜂窝系统或TDMA数字蜂窝系统相比具有更大的通信容量。

4、 (2) CDMA蜂窝系统的全部用户共享一个无线信道， 用户信号的区分只靠所用码型的不同， 因此当蜂窝系统的负荷满载时， 另外增加少数用户只会引起话音质量的轻微下降(或者说信干比稍微降低)， 而不会出现阻塞现象。 (3) CDMA蜂窝系统具有“软切换”功能。 即在过区切换的起始阶段， 由原小区的基站与新小区的基站同时为过区的移动台服务， 直到该移动台与新基站之间建立起可靠的通信链路后， 原基站才中断它和该移动台的联系。 下张内容-(4) (5) (6)(7),(4) CDMA蜂窝系统可以利用话音激活技术，扇区分割技术，可变速率声码器，宽带CDMA技术提高系统的通信容量。 (5) CDMA蜂窝系

5、统以扩频技术为基础， 因而它具有扩频通信系统所固有的优点， 如抗干扰、 抗多径衰落和具有保密性等。 (6) 频率规划简单 用户按不同的序列码区分，所以不同的CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活， 扩展简单。 (7)无需防护间隔，只需扩频码满足正交性；而FDMA、TDMA为防护频率重叠、时间重叠，需设置防护间隔。 下张内容- (8) (9),(8) “绿色手机” 普通的手机（GSM和模拟手机）功率一般能控制在600毫瓦以下， CDMA系统发射功率最高只有200毫瓦， 普通通话功率可控制在零点几毫瓦，其辐射作用可以忽略不计， 对人体健康没有不良影响。低功耗，对减小移动台及电池体积均有利。

6、 (9)多种形式的分集 分集是对付多径衰落很好的办法，有三种主要分集方式： 时间分集(RAKE)、 频率分集(移动台)和空间分集(基站)。CDMA系统综合采用了上述几种分集方式，使性能大为改善。 (10)不需均衡器，而需相关器。 下张内容-（11）,(11)高质量话音和数据传输。利用先进的无线接口和话音编码技术，可以更好的抑制背景噪声。可用高冗余度纠错技术，保证话音和数据的高质量、无误性。 缺点：（1）占用信号频带宽（2）系统实现复杂（3）在衰落时变信道中，实现同步、实现信道估值困难（4）寻求性能好数量多的码分多址方面仍存在问题（5） 存在自干扰（6）存在“远近效应”-近端对远端的干扰。 下张

7、内容-8.1.2 CDMA蜂窝通信系统的多址干扰和功率控制,8.1.2 CDMA蜂窝通信系统的多址干扰和功率控制 1. CDMA蜂窝通信系统的多址干扰 不能被接收机解调的其它地址码的存在，类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。 蜂窝通信系统无论采用何种多址方式， 都会存在各种各样的外部干扰和系统本身产生的特定干扰。 FDMA与TDMA蜂窝系统的共道干扰和CDMA蜂窝系统的多址干扰都是系统本身存在的内部干扰。 下张内容-CDMA蜂窝系统的多址干扰分两种情况：,CDMA蜂窝系统的多址干扰分两种情况： 一是基站在接收某一移动台的信号时， 会受到本小区和邻近小区其他移动台所发信号的干扰；

8、 二是移动台在接收所属基站发来的信号时， 会受到所属基站和邻近基站向其他移动台所发信号的干扰。 图 8 - 1 是两种多址干扰的示意图。 其中， 图(a) 是基站对移动台产生的正向多址干扰； 图(b) 是移动台对基站产生的反向多址干扰。 下张内容-图 8 - 1 CDMA蜂窝系统的多址干扰,图 8 - 1 CDMA蜂窝系统的多址干扰 下张内容-2. CDMA蜂窝通信系统的功率控制,2. CDMA蜂窝通信系统的功率控制 CDMA蜂窝通信系统的许多电台共用一个频率发送信号或接收信号，近地强信号压制远地弱信号的现象称之为“远近效应”，也称近端对远端的干扰。 CDMA蜂窝系统的“远近效应”是一个非常突

9、出的问题， 它主要发生在反向（上行）传输链路上。 移动台在小区内的位置是随机分布的， 而且是经常变化的， 同一部移动台可能有时处于小区边缘， 有时靠近基站。 如果移动台的发射机功率按照最大通信距离设计， 则当移动台驶近基站时， 必然会有过量而又有害的功率辐射。解决这个问题的办法是功率控制。 下张内容- (1) 反向功率控制,(1) 反向功率控制。 反向功率控制也称上行链路功率控制。 其主要要求是使任一移动台无论处于什么位置上， 其信号在到达基站的接收机时， 都具有相同的电平， 而且刚刚达到信干比（Eb/Io）要求的门限。 控制方法：移动台检测基站发来的信号强度 控制原则：条件突然改善快速反应；

10、条件突然变坏调整速度慢 控制方式：开环（移动台检测基站信号）和闭环控制（基站检测移动台信号和控制移动台） (2) 正向功率控制。 正向功率控制也称下行链路功率控制。 其要求是调整基站向移动台发射的功率， 使任一移动台无论处于小区中的任何位置上， 收到基站的信号电平都刚刚达到信干比所要求的门限值。 下张内容-8.1.3 IS-95 CDMA蜂窝系统的工作频率,8.1.3 IS-95 CDMA蜂窝系统的工作频率 双模CDMA（AMPS）蜂窝系统使用美国联邦通信委员会(FCC)分配给蜂窝通信系统使用的频段。 移动台向基站的传输频段是 824849 MHz，基站向移动台的传输频段是 869894 MH

11、z。 中国电信（老联通）CDMA的移动台向基站的传输频段是825 835MHz，基站向移动台的传输频段是 870880MHz。工作的多址方式是FDMA/CDMA/FDD 下张内容- 8.1.4 IS-95 CDMA蜂窝通信系统的时间基准,8.1.4 IS-95 CDMA蜂窝通信系统的时间基准 在数字蜂窝通信系统中， 全网必须具有统一的时间标准， 这种统一而精确的时间基准对CDMA蜂窝系统来说尤为重要。 CDMA蜂窝系统利用“全球定位系统”(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。 CDMA蜂窝系统各基站都配有GPS（Global Positi

12、on System）接收机，保持系统中各基站有统一的时间基准， 称为CDMA系统的公共时间基准。 下张内容-8.1.5 IS-95 CDMA蜂窝系统的话音编码,8.1.5 IS-95 CDMA蜂窝系统的话音编码 IS-95 CDMA蜂窝系统开发的声码器采用码激励线性预测(CELP)编码算法， 也称为QCELP算法。 其基本速率是 8 kb/s， 但是可随输入话音消息的特征而动态地分为四种， 即 8, 4, 2, 1 kb/s， 可以 9.6, 4.8, 2.4, 1.2 kb/s的信道速率分别传输。 发送端的编码器对输入的话音取样， 产生编码的话音分组(Packet)传输到接收端。 接收端的解

13、码器把收到的话音分组解码， 再恢复成话音样点。 实际中语音编码采用DSP实现。 下张内容-几种低数据比特率语音编码性能比较,几种低数据比特率语音编码性能比较,下张内容-8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量,8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量,蜂窝通信系统能提高其频谱利用效率的根本原因是利用电波的传播损耗实现了频率再用技术。 只要两个小区之间的距离大到一定程度， 它们就可以使用相同的频道而不产生明显的相互干扰。 1、话音激活期的影响 2、扇区的作用 3、邻近小区的干扰,W：总频段宽度 Eb：信息的1比特能量 Rb：信息的比特率 Io：干扰的功率谱密度 G：扇区数 F：信道再用效率 d：话音

14、的占空比,下张内容-几种蜂窝通信系统的通信容量的比较,几种蜂窝通信系统的通信容量的比较如下： 1、 模拟FDMA系统 总频段宽度： 1.25 MHz (AMPS) 频道间隔： 30 kHz 信道数目： 1.25106/(30103)=41.7 每区群小区数： 7 通信容量： 41.7/7=6 2、TDMA系统 总频段宽度： 1.25 MHz 频道间隔： 30 kHz 每载频时隙数： 3 信道数目： 31.25106/(30103)=125 每区群小区数： 4 通信容量： 125/4=31.25 下张内容- 3、CDMA系统,3、CDMA系统 总频段宽度： 1.25 MHz 扇形分区数： 3？

15、通信容量： 120？ 以n表示通信容量， 三种系统的比较结果可以写成（计算可参考移动通信原理、系统及技术曹仲达主编P170） n(CDMA)=20 n(FDMA)=4 n(TDMA) 下张内容-8.3 IS-95 CDMA蜂窝系统的无线传输,8.3 IS-95 CDMA蜂窝系统的无线传输,8.3.1 信道组成 在CDMA蜂窝系统中， 除去要传输业务信息外， 还必须传输各种必需的控制信息。 为此， CDMA蜂窝系统在基站到移动台的传输方向上设置了导频信道、 同步信道、 寻呼信道和正向业务信道， 在移动台到基站的传输方向上设置了接入信道和反向业务信道。 这些信道的示意图如图 8 - 2 所示。 正

16、向逻辑信道包括：1 个导频信道、 1个同步信道、 7个寻呼信道和55个业务信道，共64个信道，其数量是由信道地址码决定2r=26=64，信道地址码采用完全正交的64位Walsh码。 反向逻辑信道包括：9个接入信道和55个业务信道。 下张内容-图 8 - 2 CDMA蜂窝系统的信道示意图,图 8 - 2 CDMA蜂窝系统的信道示意图 下张内容- 1. 导频信道,1. 导频信道 导频信道传输由基站连续发送的导频信号。 导频信号是一种无调制的直接序列扩频信号， 令移动台可迅速而精确地捕获信道的定时信息， 并提取相干载波进行信号的解调。 移动台通过对周围不同基站的导频信号进行检测和比较， 可以决定什么

17、时候需要进行过区切换。 下张内容- 2. 同步信道,2. 同步信道 同步信道主要传输同步信息(还包括提供移动台选用的寻呼信道数据率)。 在同步期间， 移动台利用此同步信息进行同步调整。 一旦同步完成， 它通常不再使用同步信道， 但当设备关机后重新开机时， 还需要重新进行同步。 当通信业务量很多, 所有业务信道均被占用而不敷应用时， 此同步信道也可临时改作业务信道使用。 下张内容-3. 寻呼信道,3. 寻呼信道 寻呼信道在呼叫接续阶段传输寻呼移动台的信息。 移动台通常在建立同步后， 接着就选择一个寻呼信道(也可以由基站指定)来监听系统发出的寻呼信息和其他指令。 在需要时， 寻呼信道可以改作业务信

18、道使用， 直至全部用完。 4. 正向业务信道 正向业务信道共有四种传输速率(9600， 4800， 2400， 1200 b/s)。 业务速率可以逐帧(20 ms)改变， 以动态地适应通信者的话音特征。 下张内容-5. 接入信道,5. 接入信道(反向) 当移动台没有使用业务信道时， 接入信道提供移动台到基站的传输通路， 在其中发起呼叫， 对寻呼进行响应以及传送登记注册等短信息。 接入信道和正向传输中的寻呼信道相对应， 以相互传送指令、 应答和其他有关的信息。 不过， 接入信道是一种分时隙的随机接入信道， 允许多个用户同时抢占同一接入信道。 每个寻呼信道所支持的接入信道数最多可达 32 个。 6

19、. 反向业务信道 与正向业务信道相对应。 下张内容-8.3.2 正向传输,8.3.2 正向传输 CDMA信道综合使用频分和码分多址技术。 所谓频分， 是指把可供使用的频段分成若干个宽为 1.25 MHz的频道， 它是传输扩频调制信号所需的最小带宽。 在建网初始阶段， 一个CDMA蜂窝服务区可以只占用一个这样的频道， 以后随着通信业务量的增多， 一个CDMA 蜂窝服务区可以占用多个这样的频道， 使各个基站以频分方式使用这些频道。 所谓码分， 是指用正交沃尔什函数来区分不同用途的信道(如导频信道、 同步信道、 寻呼信道)， 并用一对伪码的不同偏置进行四相调制来区分不同基站发出的信号。 下张内容-

20、1. 数据速率,1. 数据速率 同步信道的数据速率为 1200 b/s， 寻呼信道为 9600 b/s 或 4800 b/s， 正向业务信道为 9600, 4800, 2400, 1200 b/s。 2. 卷积编码 数据在传输之前都要进行卷积编码， 卷积码的码率为 1/2， 约束长度为 9。 下张内容- 3. 码元重复,3. 码元重复 对于同步信道， 经过卷积编码后的各个码元， 在分组交织之前， 都要重复一次(每码元连续出现 2 次)。 对于寻呼信道和正向业务信道， 只要数据率低于 9600 b/s, 在分组交织之前都要重复。 速率为 4800 b/s时， 各码元要重复一次(每码元连续出现 2

21、 次); 速率为 2400 b/s时， 各码元要重复 3 次(每码元连续出现 4 次); 速率为 1200 b/s时， 各码元要重复 7 次(每码元连续出现 8 次)。 目的是变成相同的调制码元速率。 下张内容- 4. 分组交织,4. 分组交织 所有码元在重复之后都要进行分组交织。 同步信道所用的交织跨度等于 26.666 ms， 相当于码元速率为 4800 s/s时的 128 个调制码元宽度。 交织器组成的阵列是 8 行16 列(即 128 个单元)。 寻呼信道和正向业务信道所用的交织跨度等于 20 ms， 这相当于码元速率为 19 200 s/s 时的 384 个调制码元宽度。 交织器组成

22、的阵列是 24 行16 列(即 384 个单元)。 5. 数据掩蔽 数据掩蔽用于寻呼信道和正向业务信道， 其作用是为通信提供保密。 掩蔽器把交织器输出的码元流和按用户编址的PN序列进行模 2 相加。 下张内容- 6. 正交扩展,6. 正交扩展 为了使正向传输的各个信道之间具有正交性， 在正向CDMA信道中传输的所有信号都要用六十四进制的沃尔什函数进行扩展。 这种沃尔什函数的 6464 矩阵可用以下的循环步骤产生：,下张内容- 7. 四相扩展,7. 四相扩展 在正交扩展之后， 各种信号都要进行四相扩展。 四相扩展所用的序列称为引导PN序列。 引导PN序列的作用是给不同基站发出的信号赋以不同的特征

23、， 便于移动台识别所需的基站。 不同的基站使用相同的PN序列， 但各自采用不同的时间偏置。 由于PN序列的相关特性在时间偏移大于一个子码宽度时， 其相关值就等于 0 或接近于 0（参见P63）， 因而移动台用相关检测法很容易把不同基站的信号区分开来。通常，一个基站的PN序列在其所有配置的频率上，都采用相同的时间配置。 数据掩蔽是为区分用户（PN序列），正交扩展是为区分基站信道（Walsh函数），四相扩展是为区分不同基站（PN序列）。 下张内容- 8. 信道参数,0 偏置引导PN序列必须在时间的偶数秒(以基站传输时间为基准)起始传输， 其他PN引导序列的偏置指数规定了它和 0 偏置引导PN序列偏

24、离的时间值。 如上所述， 偏置指数为 15 时， 引导PN序列的偏离时间为 781.25s， 说明该PN序列要从每一偶数秒之后 781.25s 开始。 8. 信道参数 表 8 - 1、 表 8 - 2 和表 8 - 3 分别是同步信道参数、 寻呼信道参数和正向业务信道参数。 下张内容-表 8 - 1 同步信道参数表 ，8 - 2寻呼信道参数表， 8 - 3 正向业务信道参数,表 8 - 1 同步信道参数,表 8 - 2寻呼信道参数,表 8 - 3 正向业务信道参数,下张内容- 8.3.3 反向传输,8.3.3 反向传输 反向CDMA信道由接入信道和反向业务信道组成。 每个接入信道用不同码序列来

25、区分，每个反向业务信道也用不同的码序列来区分。 1. 数据速率 2. 卷积编码 3. 码元重复 4. 分组交织 5. 可变数据速率传输 6. 正交多进制调制 7. 直接序列扩展 8. 四相扩展 9. 信道参数 下张内容-表 8 - 4反向业务信道参数，表 8 - 5 接入信道参数,表 8 - 4反向业务信道参数,表 8 - 5 接入信道参数,下张内容-8.5 IS-95 CDMA蜂窝系统的控制功能,8.5 IS-95 CDMA蜂窝系统的控制功能,8.5.1 登记注册 登记注册是移动台向基站报告其位置状态、 身份标志和其他特征的过程。 通过注册， 基站可以知道移动台的位置、 等级和通信能力， 确

26、定移动台在寻呼信道的哪个时隙中监听，并能有效地向移动台发起呼叫等。 显然， 注册是蜂窝通信系统在控制和操作中不可少的功能。,IS-95 CDMA系统支持以下几种类型的注册： (1) 开电源注册。 移动台打开电源时要注册， 移动台从其他服务系统(如模拟系统)切换过来时也要注册。 为了防止电源因连续多次接通和断开而需多次注册， 通常移动台在打开电源后要延迟 20 s才予以注册。 (2) 断电源注册。 移动台断开电源时要注册， 但只有它在当前服务的系统中已经注册过后才能进行断电源注册。,(3) 周期性注册。 为了使移动台按一定的时间间隔进行周期性注册， 移动台要设置一种计数器。 计数器的最大值受基站控制。 当计数值达到最大(或称计满、 终止)时， 移动台即进行一次注册。 (4) 根据距离注册。 如果当前的基站和上次注册的基站之间的距离超过了门限值， 则移动台要进行注册。 移动台根据两个基站的纬度和经度之差来计算它已经移动的距离。 (5) 根据区域注册。 为了便于对通信进行控制和管理， 把蜂窝通信系统划分为三个层次，