第六章CDMA数字蜂窝移动通信系统

第六章CDMA数字蜂窝移动通信系统6.1引言码分多址是以扩频技术为基础的。所谓扩频是把信息的频谱扩展到宽带中进行传输的技术。即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。扩频技术用于通信系统具有抗干扰、抗多径、适用于码分多址蜂窝通信系统的扩频技术是直接序列扩频(DS)扩频信号的产生包括调制和扩频两个步骤。比如，先用要传送的信息比特对载波进行调制，再用伪随机序列(PN序列)扩展信号的频谱；也可以先用伪随机序列与信息比特相乘(把信息的频谱扩展)，再对载波进行调制。二者是等效的。设信息速率为Rb(bit/s),伪随机序列的速率为Rp(子码/秒)，定义扩频因子为bPRRL通常L1，且为整数，它是信号频谱的扩展倍接收端要从收到的扩频信号中恢复出它携带的信息，必须经过解扩和解调两个步骤。所谓解扩是接收机以相同的伪随机序列与接收的扩频信号相乘，也称相关接收。解扩后的信号再经过常规的解调，即可恢复出其中传送的信息。发展：第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰。美国高通公司（Qualcom）更新成为商用蜂窝电信技术。1995年，第一个CDMA商用系统运行之后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。在中国，1999年4月，国务院批准中国联通统一负责中国CDMA网络的建设、经营和管理。2000年9月，国家发展计划委员会、信息产业部下发了《关于启动CDMA移动通信网络建设有关事项的通知》，中国联通CDMA网络建设计划正式启动。中国联通CDMA网络建设的基本思路是：以增强型IS-95A系统为基础，用一年时间迅速建成覆盖全国300个以上重要城市和地区，网络规模达1500万户左右的CDMA网络。该网络能够支持国际漫游、UIM卡方式（机卡分离），具备基本的智能网业务（如预付费业务），支持移动互连网和数据服务的接入方法，并可在升级软件和仅更换信道板方式下向cdma2000-1X系统演进。在以增强型IS-95A系统实现网络规模覆盖的同时，选择部分重要城市建设cdma2000-1X系统商用试验网，及时开展适应144kbit/s速率的各种新业务，配合各种CDMA新型手机，使CDMA网络一推出就是覆盖广阔、网络质量良好、手机精美、业务新颖的精品网络。中国联通的建设发展中国联通于2001年底前仅用半年多的时间就迅速完成的一期工程容量为1515万用户，覆盖包括西藏在内的全国３１个省、自治区、直辖市的300个以上地级市。成为业界的一大壮举。2002年4月8日联通CDMA网已正式对外放号。2002年底，CDMA用户成功突破700万大关，创造了移动通信事业领域用户发展的神话和奇迹。随后又用半年多时间把基于IS-95A标准的CDMA一期网络升级到2.5G的CDMA1X,并进一步扩大网络覆盖范围,使网络容量达到3500万户。2003年底,又完成了三期工程的第一阶段目标,使CDMA1X网络容量达到5000万户,至2004年7月三期工程第二阶段完成后,CDMA1X网络容量达到6000万户。至2004年5月CDMA用户已达2256万户,其中CDMA1X数据用户500万户,占CDMA用户总数的22.2%。中国联通CDMA1X网络不但是目前世界上同类型最大的网络,同时在加强网络深度覆盖、提高网络运行质量、增加数据业务信道和全面增强数据业务支撑能力等方面遥遥领先。提供的业务除基本的业务外，还提供基于移动数据和短消息的无线上网、移动秘书、电子商务/移动购物、财经／黄页／交通信息、移动办公自动化系统、可视电话、定位服务、娱乐信息广播／点播、网上下载音乐、图片传递和基于移动智能网的缩位拨号、内部广播、移动会议系统等新业务。2003年3月中国联通隆重推出了基于联通新时空CDMA网络的“联通无限U-Max”增值业务。这是中国联通推出的数据增值业务统一品牌，具体包括“彩e、互动视界、掌中宽带、神奇宝典、定位之星”五个子品牌业务。提供多媒体邮件、业务下载、精确位置服务、WAP浏览、高速无线互联网接入等丰富多彩的数据服务。中国联通是目前世界少有同时经营GSM和CDMA两个通信网络取得了重大成功的运营商。按照“两网并重，协调发展”的策略保持了快速稳定增长。两网用户超过9000户，国内移动市场分额超过30%，拥有世界第三大移动电话用户群。中国联通十大转折点★1995年7月19日中国联通在北京、天津、上海、广州开通GSM数字移动电话★1999年4月国信寻呼有限责任公司正式并入中国联通★2000年6月21、22日中国联通股份有限公司成功在美国纽约交易所、香港联交所发行股票★2001年1月1日军队CDMA移动通信网正式移交中国联通★2002年1月8日中国联通CDMA移动通信网正式开通★2002年10月9日中国联通A股在上海证券交易所挂牌交易★2002年12月25日中国联通CDMA移动电话用户突破700万户★2003年7月1日中国联通互动视界、掌中宽带、彩e业务正式进入商用★2003年12月1日中国联通GSM用户数突破7000万★2003年12月31日中国联通CDMA用户数突破1900万,成为全球第二大CDMA运营商6.1.1CDMA技术的标准化CDMA技术的标准化经历了以下几个阶段：第一阶段：融合了IS-95CDMA标准的cdmaone系统IS-95是cdmaONE系列标准中最先发布的标准，真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准是IS-95A，这一标准支持8K编码话音服务。其后又分别出版了13K话音编码器的TSB74标准，支持1.9GHｚ的CDMAPCS系统的STD-008标准，其中13K编码话音服务质量已非常接近有线电话的话音质量。1998年2月，美国高通公司宣布将IS-95B标准用于CDMA基础平台上。IS-95B可提供CDMA系统性能，并增加用户移动通信设备的数据流量，提供对64kbps数据业务的支持。第二阶段：从窄带cdmaOne向第三代cdma2000过渡。cdma20001X是cdma2000第三代无线通信系统的第一个阶段。主要特点是与IS-95A/B完全兼容，并可与IS-95B系统的频段共享或重叠。cdma2000-１X向cdma2000-1X-EV演进代表了未来发展方向。cdma20003X（3GPP2规范为IS-2000-A），也称为宽带cdmaOne，是基于IS-95标准演化的一个重要部分。3X表示3载波，即3个1.25MHz共3.75MHz的频率宽度。提供达到2Mbps的数据速率，实现与cdma20001X和cdmaOne系统的后向兼容性等。CDMA和GSM的比较CDMA是移动通信技术的发展方向。在2G阶段，CDMA增强型IS-95A与GSM技术体制基本处于同一体制；在2.5G阶段，cdma2000-1.xRTT（无线传输技术）与通用无线分组技术GPRS相比，在传输速率及承载业务上更先进；在从2.5G到3G的过渡阶段，cdma2000-1.x向cdma2000-3.x过渡比GPRS向WCDMA过渡更为平滑。无论是WCDMA还是CDMA2000，其发展目标均是在核心网络实现语音和数据业务的统一承载和交换，软交换技术无疑将是一种较好的选择。在3G网络中，原MSC将裂变为MSC-GW和MSC-SERVER，MSC-GW完成媒体网关的功能，MSC-SERVER完成软交换机的功能，IP网络作为3G网络的统一语音、数据媒体流的承载网络，实现各种业务数据流的融合。6.1.2我国CDMA系统可以占用的频率系统与使用部门上行频率（MHz）下行频率（MHz）ETACS﹡880～890925～935TACS﹡890～905935～950中国移动GSM890～909935～954中国联通CDMA825～835870～880中国联通GSM909～915954～960CT2839～843目前中国联通CDMA使用原军队AMPS频段，即上行频率825～835MHz，下行频率870～880MHz。6.1.3CDMA系统的特点CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率复用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。1、系统容量大系统容量大即频谱利用率高，指的是CDMA在与GSM同样的频段下可以允许更多的用户使用。理论上使用相同频率资源的情况下，CDMA移动网比模拟网容量大20倍，实际使用中比模拟网大10倍，比GSM要大4－5倍。在CDMA系统中，由于不同的扇区也可以使用相同频率，当小区使用定向天线（即120°扇形天线）时，干扰减为1/3，整个系统所提供的容量又可提高约3倍。并且小区容量将随着扇区数的增大而增大。2、软容量CDMA系统是一个自干扰系统，用户数和服务级别之间有着更灵活的关系，用户数的增加相当于背景噪声的增加，造成话音质量的下降。如果能控制住用户的信号强度，在保持高质量通话的同时，我们就可以容纳更多的用户。体现软容量的另一种形式是小区呼吸功能。所谓小区呼吸功能是指各个小区的覆盖大小是动态的。当相邻两小区负荷一轻一重时，负荷重的小区通过减少导频发射功率，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。另外，CDMA系统还提供多级别服务，例如现在已经有了两种语音编码——13kbit/s和8kbit/s。如果用户支付较高费用，则可获得高级别服务。3、通话质量更佳CDMA系统的声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。目前CDMA系统普遍采用8kbit/s的可变速率声码器，声码器使用的是码激励线性预测（CELP）和CDMA特有的算法，称为QCELP。可变速率声码器的一个重要特点是使用适当的门限值来决定所需速率。门限值随背景噪声电平的变化而变化。即使在喧闹的环境下，也能得到良好的话音质量。4、移动台辅助软切换CDMA移动通信系统使用软切换和更软切换，FDMA和TDMA移动通信系统使用硬切换。软切换就是当移动台需要跟一个新的基站通信时，CDMA系统采用软切换技术和先进的数字话音编码技术，并使用多个接收机同时接收不同方向的信号。“先连接再断开（makebeforebreak）”，并不先中断与原基站的联系。移动台在切换过程中与原小区和新小区同时保持通话，以保证电话的畅通。软切换只能在具有相同频率的CDMA信道间进行。更软切换是一种蜂窝内的切换，发生在两个扇区或三个扇区之间。这种类型的切换只发生在蜂窝内，而不涉及移动交换中心。软切换的主要优点：⑴无缝切换，保持通话的连续性。⑵减少掉话可能性，由于在软切换过程中，在任何时候移动台至少可跟一个基站保持联系，减少了掉话的可能性。⑶处于切换区域的移动台发射功率降低，减少发射功率是通过分集接收来实现的，降低发射功率有利于增加反向容量。软切换的缺点：⑴导致硬件设备（即信道卡）的增加。⑵降低了前向容量，但由于CDMA系统前向容量大于反向容量，所以适量减少前向容量不会导致整个系统容量的降低。5、频率规划简单:用户按不同的序列码区分，所以不相同CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。6、建网成本低7、“绿色手机”：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。8、保密性强，通话不会被窃听：CDMA信号的扰频方式提供了高度的保密性，CDMA码址是个伪随机码，而且共有4.4万亿种可能的排列，因此，要破解密码或窃听通话内容是很