浅析CDMA与SCDMA

浅析CDMA与SCDMA系统的“呼吸效应”北京信威通信技术股份有限公司BeijingXinweiTelecomTechnologyCo.，LTDSCDMASCDMA综合无线接入系统线声明本资料著作权属于北京信威通信技术股份有限公司所有，未经著作权人同意，不得摘录、复制、翻译、注释、编辑，侵权必究。由于产品版本升级或其他原因，本手册内容将随之进行更新。除非另有约定，本手册仅作为使用指导，本手册中的所有陈述、信息建议不构成任何明示或暗示的担保。北京信威通信技术股份有限公司地址：北京市海淀区东北旺西路8号中关村软件园7号楼信威大厦邮编：100094电话：[phone]传真：[phone]E-mail：[e-mail]重庆信威通信技术有限责任公司地址：重庆市北部新区高新园星光大道60号金星科技大厦邮编：401147电话：[phone]传真：[phone]E-mail：[e-mail]全国客户服务热线：400-6788-800E-mail：[e-mail]目录摘要：..............................................................................................................................................41、什么是“呼吸效应”.................................................................................................................42、CDMA系统的“软”容量...........................................................................................................43、“呼吸”效应..............................................................................................................................54、“呼吸效应”的危害...................................................................................................................75、为什么SCDMA系统中没有“呼吸效应”............................................................................86、小结..........................................................................................................................................10浅析CDMA与SCDMA系统的“呼吸效应”摘要：本文简要介绍了CDMA系统中的“呼吸效应”问题，分析了其出现的原因及带来的危害。最后从SCDMA系统自身的技术特点出发，阐述了为什么在SCDMA系统中不会出现“呼吸效应”。关键字：CDMA软容量呼吸效应SCDMA1、什么是“呼吸效应”在介绍CDMA系统中小区的“呼吸效应”之前，让我们先来分析一下什么是CDMA的“软”容量概念。2、CDMA系统的“软”容量CDMA系统中无线资源的概念与GSM系统有着本质的区别。2G中的GSM系统具有基于信道规划的硬容量，是资源受限的系统。也就是说GSM系统的容量就是网络规划所设计的所有信道数目。而在CDMA系统中，所有的频率和时间是每个用户都在同时共享的公共资源，而非给某个用户单独所有。无线信道是基于不同的扩频码字来区分的，理论上来说系统容量也就自然取决于码字资源即扩频码的数量，但实际的系统容量（实际可以分配的扩频码数量），却是受限于系统的自干扰，即不同用户间由于扩频码并非理想正交而产生的多址干扰，同时包括本小区用户干扰及其他小区干扰。所以说，CDMA系统是一个干扰受限的系统，具有“软”容量的特性。由于CDMA系统的“软”容量是导致其发生“呼吸效应”的最主要因素，因此下面我们将用图释的方式再详细解释一下“软”容量的概念。如图1(a)所示，当CDMA网络中所有小区的业务强度相当时，各小区都具有相同的容量。如图1(b)所示，当邻近小区的用户数较少，业务强度较低时，本小区可以吸纳更多的用户数，增大系统容量；相反的，当相邻小区的用户数增多，业务强度增大时，对本小区的干扰增大，本小区的用户数就将减少。图1CDMA“软”容量概念示意图3、“呼吸”效应以上CDMA系统“软”容量的分析可以看出，在CDMA系统中，小区的容量和覆盖是通过系统干扰紧密相连的。当小区内用户数增多，也就是小区容量增大时，小区基站端接收到的干扰将增大，这就意味着在小区边缘地区的用户即使以最大发射功率发射信号，也无法保证自身与基站间的传输QoS能够得到保证，于是这些用户将会切换到邻近小区，也就意味着本小区的半径即覆盖范围相对减小了。反之，当小区用户数目减少，也就是小区容量减小时，系统业务强度的降低使得基站接收的干扰功率水平降低，各用户将可以发射更小的功率来维持与基站的连接，结果导致在小区内可以容忍的最大路径损耗增大，等效于小区半径增加，覆盖范围增大。以上所描述的小区面积随着小区内业务量的变化而动态变化的效应称之为“呼吸效应”。我们也可以利用CDMA系统中常提及的“鸡尾酒会”的例子更加形象的来说明，在一个鸡尾酒会上，来了很多客人。同时讲话的人数越多，就越难听清对方的声音。如果开始你还可以与在房间另一头的客人交谈，但是当房间里的噪声达到一定程度后，你就根本听不清对方的谈话了。这就意味着谈话区的半径缩小了。我们也可以通过下面的公式推导来说明一个“呼吸效应”的概念。为简单起见，我们以单小区为例，由于CDMA系统中干扰主要以本小区用户为主，这样的假设并不失一般性。同时我们假设CDMA系统在理想功控下，即本小区中所有用户到达基站的功率相等，假定该功率为PS，Eb为用户每比特能量，Io为功率谱密度，GP为处理增益，W为码片速率（即系统带宽），Rb为用户比特速率，N为小区用户数目，Ior为本小区其他用户干扰，NF为热噪声功率，则可以定义以下方程式：(a)bbSREP.(b)WNIIFor/)(0(c)SorPNI)1(联立以上各式，可以得到以下公式：bbSFSRWIEPNNP//)1(0（1）以cdma2000系统为例，假设式（1）中参数取值分别为PS=-123dBm（接收机灵敏度），W=1.25MHz，Rb=9.6kbps，NF＝－113dBm。我们将信噪比与小区覆盖距离进行等效，可以得到CDMA系统小区数目与覆盖的曲线关系图。图2给出CDMA系统单基站的覆盖半径随用户数目增多（干扰增加）而减小的关系曲线。可以看出，当单用户通话时，基站的接收灵敏度为－123dBm，但随着用户数目增加，用户间的干扰增加，当该基站的用户数到达30时，基站对于一个用户的接收灵敏度降低了6dB（相当于另外29个用户的干扰抬高了底噪6dB），由此造成了基站的覆盖半径减小了一半（50％），覆盖面积只是原来的四分之一。这就是我们所说的“呼吸效应”。图2CDMA系统单基站的呼吸效应4、“呼吸效应”的危害以上我们解释了“呼吸效应”的含义，并详细分析了造成“呼吸效应”出现的原因－CDMA系统的“软”容量特性。接下来我们将分析一下由于小区的“呼吸效应”所带来的危害。图3“呼吸效应”示意图如图3所示，我们可以看出“呼吸效应”最大的危害是可能由于小区的收缩而形成“覆盖漏洞”，即覆盖盲区，这在网络规划时是必须要注意到的问题。在进行网络规划时，运营商一般会采用“先覆盖，后容量”的策略，即在建网初期先进行薄容量的覆盖，在后期再逐渐进行扩容。而CDMA系统的“呼吸效应”使得这种策略很难再得以实施。如果在CDMA网络建网初期也象GSM一样基于覆盖建一层薄薄的网（低负荷），随着容量的增加，基站间就会普遍的出现覆盖漏洞。这时就不得不通过建一些新基站来弥补这些漏洞。但由于CDMA是一个干扰受限的系统，新基站增加的同时会对周围基站带来干扰，因此周围基站的容量也就相应降低。因此，CDMA网络中由于容量需求而增加新基站，并不能使网络容量像GSM网络一样线性增长，尤其是在城市密集区，基站间距本身就很小，这种现象也就更加严重。由此可以看出，“呼吸效应”增大了网络规划的复杂性。5、为什么SCDMA系统中没有“呼吸效应”由前面的分析可以看出，“呼吸效应”是CDMA系统不可避免的缺陷之一，它为网络规划带来了很多麻烦，极大增加了其复杂性。但在SCDMA系统中为什么不会出现“呼吸效应”呢，下面我们将从SCDMA自身的技术特点来逐一加以分析：1.前面我们分析过引起“呼吸效应”最主要的原因是由于CDMA系统是一个自干扰的系统，当用户数增多，用户产生的自干扰呈指数形式增加，因此“呼吸效应”是CDMA系统一个天然的缺陷。而SCDMA系统是一个集FDMA、TDMA和CDMA为一体的通信系统，它通过频分基站，极大降低了其他小区用户的干扰，使产生“呼吸效应”的因素显著降低；2.SCDMA系统在每时隙中采用CDMA技术来提高系统容量，产生“呼吸效应”的唯一因素是单时隙中多用户的自干扰，但由于SCDMA系统中的同步技术及智能天线等技术，极大地消除了来自本小区用户的自干扰。同步技术WCDMA及cdma2000系统均为异步CDMA系统，使得网络中的上行用户很难达到完全正交，而产生了本小区用户的自干扰，造成了CDMA系统上行容量受限，从而出现了“呼吸效应”。而SCDMA系统是一个同步码分多址系统，上下行信号完全同步，使得上行用户可以完全正交，基本上消除了本小区用户间的自干扰。智能天线技术SCDMA系统中采用的智能天线技术，为每一个信道产生一个天线波束，大大降低了多址干扰，使得每时隙中的多用户干扰被进一步抑制。为了更好的体现同步技术及智能天线技术在SCDMA系统抗干扰性能提升中所起到的重要作用，我们可以通过数学推导和仿真实验，与CDMA系统进行对比。同样以单小区为例，假设理想功控情况下。对于SCDMA系统，考虑同步技术与智能天线技术，我们假设正交因子为α、智能天线带来增益因子β，则有下式：bbSFSRWIEPNNP//.)1(.0（2）式（2）中SCDMA系统参数分别取值为PS=-110dBm（接收机灵敏度），W=500kHz，Rb=25.6kbps，NF=-113dBm，α=0.4，β=5.04。并与1.2小节中的公式（1）及对应参数值做比较，可以得到信噪比随小区用户数目的变化关系图。图4SCDMA系统与CDMA系统对比由图4可以看出对于单时隙中的多用户干扰，SCDMA系统由于采用了同步技术和智能天线技术，在接收机抗干扰性能上相对于CDMA系统有了很大的提高。比如，在系统要求的最低信噪比为8dB时，CDMA的小区用户数最大为21，而*SCDMA系统·CDMA系统SCDMA系统则是40左右。由此看出，SCDMA系统不再是一个干扰受限的系统，而是一个码道受限的系统，覆盖范围不会受到业务量变化的影响，即没有“呼吸效应”。6、小结本文浅析了CDMA系统中的“呼吸效应”问题，从介绍CDMA系统“软”容量特性入手，引出了小区“呼吸效应”的概念，并阐明了“呼吸效应”对于无线网络规划所产生的危害，增加了网络规划的复杂性。最后从SCDMA的技术特点出发，分析了为什么在SCDMA系统中不会出现“呼吸效应”的问