CDMA通信技术和朗讯科技CDMA系统

CDMA通信技术和朗讯科技CDMA系统青岛朗讯培训中心宋红彦随着现代通信的发展，在任一时间，任一地点能与任一对象进行各种信息交流已成为现代通信理所当然的目标。因而促使移动通信技术发展异常迅速并日渐成熟。从20世纪70年代末蜂窝移动通信的问世到当今21世纪CDMA技术应用，移动通信经历了模拟时代如北美的AMPS、欧洲的TACS、瑞典的NMT-900、日本的HCMTS/MCMTS以及无绳电话CT-1；数字时代如北美的D-AMPS、欧洲的GSM、日本的JDC直至当今WS-CDMA/CDMA2000等。在从模拟到数字的转变过程中经历了多址通信技术的发展：频分多址FDMA、时分多址TDMA以及码分多址CDMA。CDMA系统是20世纪80年代末90年代初由Qualcomm公司开发试验的，由于其能有效的降低人为干扰、窄带干扰、多径干扰的影响，采用语音激活技术、各种分集技术、各小区间均使用同一频率无需频率管理和指配、实现软切换，大大增加了系统容量以及系统抗干扰能力。并且满足了日益激增的对移动通信非话业务的需求。最典型的是IS-95CDMA蜂窝移动通信系统。本文将对多址通信、IS-95CDMA系统技术原理和关键技术作相应介绍后，将重点介绍朗讯科技CDMA系统的应用和组成。第一章、CDMA通信技术一、多址通信方式传统的无线通信是建立在点对点的通信基础上的，而现代通信为了实现任意呼叫某一用户的目的逐步转向多址通信。在射频信号可分割理论基础上，在发送端信号复合，在接收端信号分离，要求各个信号之间必须线性相关且相互正交。即许多移动用户共用一个宽带信道，任意二个移动用户可占用任一指定射频信道，进行相互通信而不影响其他用户。目前常见的多址通信方式有频分多址的FDMA方式、时分多址的TDMA方式以及码分多址的CDMA方式。FDMA采用频率分割，将使用频段划分成若干个极窄子频的频道，一个用户分配一个固定频道，利用调频方式在该频道内传送信息，在接收端采用滤波器将不同信号分离，实现多址通信，为模拟方式。例如北美的APMS利用800MHZ频段频率资源，每个频道占用带宽30KHZ；欧洲的TACS利用900MHZ频段频率，每个频道占用带宽25KHZ。如下图(一)所示。比较项目AMPSTACS工作频段(MHZ)基站发送：870-890基站接收：825-845基站发送：935-960基站接收：890-915频道间隔(KHZ)3025控制频道调制方式控制频道调制峰值频偏FSK8KHZFSK6.4KHZ话音频道调制方式话音频道调制峰值频偏FM12KHZFM9.5KHZ控制信号传输速率(kbps)108图(一)AMPS与TACS的主要差别TDMA是数字通信的主要多址方式，采用时域分割，在FDMA工作频段的基础上，在给定频带的最高数据速率条件下，将传送时间划分成若干个时间间隔(即为时隙)，一个用户使用一个给定的时隙，在接收端利用时间选通门提取信号，实现多址通信。例如北美的D-AMPS，30KHZ分成6个时隙，同时支持3个呼叫；欧洲的GSM，将200KHZ划分成8个时隙，支持8个呼叫。如图(二)所示。比较项目D-AMPS(IS-136)GSM工作频段(MHZ)基站发送：870-890基站接收：825-845基站发送：935-960基站接收：890-915频道间隔(KHZ)3025调制/4-DQPSK(8-PSK)GMSK帧长(ms)404.615每帧时隙68语音编码VSELP(ACELP)PRE-LTP最大可能数据速率(kbps)43.2115.2-182.4图(一)D-AMPS与GSM的主要差别不管是FDMA还是TDMA均存在复杂的频率复用及RF设计。CDMA是通过比传送数据速率高得多的特殊编码来调制信息，将数据带宽大大扩展后再进行传输，不同用户使用相同载频但使用互不干扰的不同编码，即在同频同时的条件下各个接受机根据信号码型之间的差异提取信号，实现多址通信。目前窄带CDMA(IS-95)频道的划分基于AMPS(如图三所示)，系统中多用户工作于同一载频，利用扩频有效的利用有限的频带宽，最终带宽扩展为1.23MHZ，同时利用三种相关编码(PNOffsetCode，WalshCode，42-bitsLongCode)进行调制/解调来区分每个用户；将来宽带CDMA可将带宽扩展为5MHZ、10MHZ、15MHZ、20MHZ。CDMA信道编号(AMPS信道编号)基站接收频率(MHZ)基站发送频率(MHZ)蜂窝频带283(主载频)833.49878.49A384(主载频)836.52881.52B691(次载频)845.73890.73A777(次载频)848.31893.31B图(三)CDMA信道分配二、CDMA主要技术参数CDMA建立在正交编码、相关接收的基础上，利用扩频通信原理实现多址通信，其主要技术参数如图四所示频段(MHZ)824-849(基站收)，869-894(基站发)频带间隔1,25MHZ扩频方式DS-PN扩频码元速率1.2288Mchips/s帧长(ms)20可变语音编码及话音激活速率(kbps)QCELP/CELP8，13数据调制速率(kbps)1.2/1.8，2.4/3.6，4.8/7.2，9.6/14.4调制方式QPSK，64-AryOQPSK数据速率(kbps)9.6/14.4(IS-95A)，64/115.2(IS-95B)图(四)CDMA主要技术参数三、CDMA关键技术1、直接序列扩频：信息承载信号被一个高码片速率的扩展码相乘。CDMA利用自相关性非常大而互相关性小的码序列作为地址码，对已被原始用户信息信号调制的载频进行二次调制，扩展其信号频谱。IS-95采用180度相移键控QPSK。有效的降低功率谱密度提高信噪比，保密性好，同时用户共用同一宽带频谱不存在互调干扰。CDMA采用三层编码结构：用户码(42比特长码)、基站码(15比特时间偏移码)、信道的正交码(64正交walsh码)。2、多种分集技术分集合成技术是指系统提供二个或更多个输入信号到接收端，这些输入信号的衰落各不相关，系统分别接收它们再将它们合成处理后进行判决，大大降低衰落对信号的影响。依据衰落的频率、时间和空间的选择性，相应有频率分集、时间分集和空间分集。空间分集通过几个独立天线或在不同位置分别发射和接收信号，采用选择性合成技术总是选择信号较强的一个输出，降低了地形等因素对信号的影响。CDMA越区软切换就是空间分集的一个有利例证。CDMA采用扩频技术，根据宽带信号不会在使用频率均衰落这一特性，其宽带传输即为频率分集，克服了因信号传送的多条路径以及用户的移动性带来的多径衰落。CDMA利用交织编码、纠错和检错编码等技术在不同时隙发送信号，利用衰落的时间选择性来进行时间分集。同时CDMA采用RAKE接受机(基站采用4finger接受机，手机采用3finger接受机)分别接收时延较大的不同路径强信号然后合并，采用数字判别恢复信号。CDMA采用多种分集技术减少衰落对信号的影响，获取高质量的通信。3、自动功率控制FDMA和TDMA依靠用户占用不同的频率和时隙来区分用户，而CDMA依靠地址码来解扩，依据功率来区分信号。对于移动通信中，假设基站覆盖小区中所有用户均以相同功率发射，则靠近基站的手机信号到达基站的功率较强，而远离基站的手机信号较弱，强信号掩盖弱信号，称为远近效应。这对于CDMA影响尤为突出。CDMA只有通过自动功率控制来克服远近效应。上行链路(手机至基站)功率控制：一方面通过手机对其发射功率的开环估计(手机估计从基站到手机的路径损耗以及根据收到的基站功率发送第一个功率试验值)，另一方面通过基站辅助闭环控制(基站检测从手机来的信噪比，并与系统设置的信噪比进行比较产生功率校正命令发送给手机)，来保证所有手机信号到达基站时具有相同功率。下行链路(基站到手机)采用功率控制技术克服同频干扰：基站估计下行链路的传输损耗，分配给每个业务信道一定的初始功率，然后周期性的减少发射功率直至手机发出增加功率请求。4、相关接收CDMA在接收端将高频扩频信号变成中频信号时，噪声和干扰的功率大于有用信号功率，这时必须依靠地址码的相关特性将有用信号提取出来。采用匹配滤波器使有用信号匹配输出，而噪声和干扰由于未匹配而被抑制，从而得到最大的信噪比。5、语音编码语音编码包括波形编码(采用线性预测技术，尽可能地重现原始语音波形，语音质量高但传输的比特数多)和参数编码(依据人类语音生成模型为基础分析表征语音的特征参数并传送这些参数，在接收端合成恢复，比特数降低但语音质量不高)，因此目前多混合使用这二种编码采用码激励线性预测编码CELP、矢量和激励线性预测编码VSELP。同时存在可变速率话音编码器，提供4种速率在话音间歇期减少传输速率并降低发射功率，减少干扰，6、容量softblocking特性CDMA确定系统容量的重要参数为Eb/No，Eb为有用信号每比特能量，No为干扰和噪声总和的功率谱密度；系统忙时用户增多，Eb/No降低，通信质量下降；系统闲时，用户减少，Eb/No增加，通信质量提高。7、越区软切换CDMA所有覆盖小区均采用同一频带，同时存在RAKE接受机，手机在小区之间的移动不须进行频率和时隙的改换，是一种软切换。8、可靠前向纠错在IS-95系统中,采用卷积码和维特比译码来实现差错控制算法--前向：卷积编码的码率为1/2约束长度为9--反向：卷积编码的码率为1/3约束长度为9另外除导频信道以外，其他所有信道信息在传送前都要加入用于接收较验的循环较验信息；同时业务信道中加入用于标识帧质量的循环较验。四、CDMA系统结构参考模型CDMA系统中各个实体和相关接口如图五所示。AC：鉴权中心BS：基站HLR：归属位置寄存器ISDN：综合数字业务网MC：短消息中心MS：移动台(手机)MSC：移动交换中心PSTN：公用交换电话网VLR：拜访位置寄存器图(五)CDMA系统参考模型五、IS-95空中接口分层结构IS-95是一种与AMPS模拟制式相兼容的双模空中接口标准。其中IS-95A标准在一个业务信道上只能使用一个扩谱码，而1998年完成的IS-95B为了获得更高的比特率可以连续使用八个扩谱码，最大比特率达到115.2kbps。IS-95分层结构如下：第三层：包括DTAP部分和BSMAP部分，主要包括呼叫处理、无线资源管理、MSBSMSCHLRACMSCPSTNISDNMCVLRABCDHBDUmACHEAiDiPN移动性管理和地面电路管理。其中DTAP消息并不透明传输，可以支持多种空中接口。第二层：基于中国No.7信令系统的MTP。第一层：采用数字传输，速率2048kbps如图六所示BSMSCDTAPBSMAPDTAPBSMAP分配子层分配子层SCCPSCCPMTPMTP物理子层物理子层A接口图(六)A接口信令协议参考模型六、CDMA信道前向(基站至手机)CDMA信道由导频信道、同步信道、寻呼信道和前向业务信道组成。反向(手机至基站)信道由接入信道(寻呼信道的反向)和反向业务信道组成。导频信道调制于Walsh码0，再用PN码进行扩频调制；消耗基站功率15%.同步信道经由卷积编码、符号重复、块交织后，调制于Walsh码32和PN扩频码；消耗基站功率1.5%。寻呼信道消息经由卷积编码、符号重复、块交织后，用42比特长码覆盖对用户消息进行保密，然后调制于Walsh码1至7(一般只用一个寻呼信道调制于码1，其他码可用于业务信道)和PN扩频码。每个消耗基站功率5.5%.业务信道信息经由卷积编码、符号重复、块交织后，用42比特长码覆盖并加入功率控制比特，然后调制于其他Walsh码和PN扩频码。消耗剩余基站功率。导频和同步信道用于移动台初始化时捕捉基站和同步信号。寻呼信道用于传送命令到手机以及接收手机呼叫请求。寻呼信道用于手机传送控制信息到基站。业务信道用于在基站和手机之间传送用户和信令信息。第二章、朗讯科技CDMA系统一、CDMA系统简介朗讯CDMA系统早在20世纪90年代中期即投入商用，与北美AMPS兼容使用。