4.CDMA移动通信基本原理

1第五章CDMA基本原理2所谓CDMA，即在发送端使用各不相同的、相互（准）正交的伪随机地址码调制其所发送的信号；在收端则采用同样的伪随机地址码从混合信号中解调检测出相应的信号。800MCDMA频段是：移动台：825MHz～835MHz基站：870MHz～880MHz一、CDMA的基本概念3CDMA通信模型信源解码信源编码Interleavingdeinterleaving信道编码交织去交织信道解码加扰解扰扩频解扩调制解调射频发射射频接收无线信道4扩频优点为什么要进行扩频，扩频通信有何好处？隐蔽性和保密性好；抗干扰能力强；抗衰落；抗多径；多个用户可以同时占用相同频带，实现码分多址。5香农公式的含义：要达到一定的信道容量，既可以通过较大的信号带宽和较小的信噪比来实现，又可以通过较小的信号带宽和较大的信噪比来实现；当信噪比保持一定时，增大带宽可以提高信道容量。扩频通信就是利用上述原理，用高速的扩频码来扩展待传输的数字信息带宽，从而在相同信噪比条件下，获得较强的抗干扰能力和更大的系统容量。扩频为什么会带来上述好处？6扩频干扰抑制技术原理数据信号在发射端被扩谱（第一次XOR）fS（f）f0解扩频前的信号频谱fS（f）f0扩频前的信号频谱信号信号干扰噪声fS（f）f0扩频后的信号频谱信号fS（f）f0解扩频后的信号频谱信号干扰噪声信号脉冲干扰白噪声在接收端数据信号备恢复（第二次XOR）干扰信号在接收端被扩谱（第一次XOR）7XXXXUserAUserBUserCUserDUserAUserBUserCUserDWalsh0Walsh1Walsh2Walsh3Walsh0Walsh1Walsh2Walsh3A+0B+1C+2D+3输入信号#1#2扩频编码解扩频功率合成输出信号#1#2空中接口CDMA多用户通信原理示意图8码分多址——信道划分前向CDMA信道(基站到用户站的码分多址信道)划分为：导频信道同步信道寻呼信道业务信道反向CDMA信道划分为：接入信道反向业务信道9二、CDMA的特点特点：1、覆盖范围大2、容量大3、通话质量高4、手机发射功率小5、频率规划简单6、干扰受限系统（其系统容量取决于可承受的干扰程度。）101、覆盖范围大覆盖半径是标准GSM的2倍。覆盖1000km2：GSM需要200个基站，CDMA只需50个基站。在相同覆盖条件下，基站数量大为减少，投资将相应减小。11决定CDMA系统容量的主要参数有：处理增益、所需的信噪比、话音激活系数、频率复用系数和扇区数目等。CDMA系统容量高的原因是由于它的频率复用系数远远超过其他制式的蜂窝系统，频谱利用率高，另一主要因素是它使用了话音激活技术。2、容量大12软容量：小区呼吸功能1、用户数目和服务质量之间可以相互折中，灵活确定。2、小区的呼吸功能：当相邻两个小区负荷一轻一重时，负荷重的小区通过减小导频发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度不够，切换到相邻的小区，使负荷分担，即相当于增加了系统容量。一个小区内，其他手机对于某一个手机来说，它们发射的信号都是干扰。如果用户数越多，干扰越大，此时这个手机就会增大发送功率（功率控制实现）来达到反向的解调门限。而对于前向而言，基站为了防止更多的用户接入系统，造成当前的手机无法解调，也会减小发生功率（也是功率控制实现），此时小区的覆盖面积就会减小。所以，CDMA的系统就会出现，业务量增大时，小区面积减小的情况。称作呼吸效应。131.提高误帧率可增加可用信道数,这时通话质量降低。2.呼吸功能：调整基站导频值来调整小区覆盖大小。导频1＝6导频2＝14软容量143、通话质量高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。门限值根据背景噪声的改变而改变，可以得到较好的通话质量。系统采用软切换技术，“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。154、软切换：掉话少CDMA小区/扇区切换采用软/更软切换，切换是先接续再中断，服务质量高,有效减低掉话。其他无线系统小区/扇区切换采用硬切换，切换是先中断再接续，容易产生掉话。更软切换：同一基站、相同频率、不同扇区的CDMA信道间。16话音质量64kPCM现有的GSM8k的CDMA13k的CDMA8k的EVRCCDMA8K等于G网的13K，13K相当于有线通话质量高－对比175、手机发射功率小CDMA技术，功率控制，语音激活技术体制平均发射功率最大发射功率GSM125mW2WCDMA2mW200mW186、频率规划简单网络规划简单、配置灵活工程设计简单，扩容方便1324324244123142314GSM：N＝4频率复用1111111111111111111CDMA：N＝1频率复用111197、干扰受限系统所有移动用户都占用相同带宽和频率，CDMA是一个自扰系统，用户的增加要提高整个背景噪声。控制住用户的信号强度,在保持高质量通话的同时,就可以容纳更多的用户。有远近效应，需功率控制。20三、关键技术1、地址码的选择：m序列的PN码作为地址码2、分集技术：空间、时间与频率分集3、功率控制：前向与反向功率控制4、语音编码技术：采用码激励线形预测编码技术（Q-CELP）5、RAKE接收技术：克服多径衰落6、切换：软切换、更软切换与硬切换211、地址码的选择地址码的选择直接影响到CDMA系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等性能地址码提供的PN码序列应接近白噪声特性，自相关性要好，互相关性要弱，实现和编码方案简单等。长度为215的PN序列用于区分不同的基站信号长度为242－1的PN序列在前向信道用于信号的保密，在反向信道用于区分不同的移动台Walsh序列：在前向信道用于区分同一基站的不同信道，在反向信道中用于对信号进行正交调整。222、分集技术分集技术是指系统能同时接收两个或更多个输入信号，这些输入信号的衰落互不相关。系统分别解调这些信号然后将它们相加，这样可以接收到更多的有用信号，克服衰落。分集技术包括空间分集、时间分集和频率分集。CDMA协调综合利用分集技术来抵抗衰落对信号的影响，获得高质量的通信性能。23分集方式瑞利衰落：快衰落，慢衰落。快衰落反映的是瞬时值，慢衰落反映的是瞬时值加权平均后的中值。分集技术：多个接收信号(互相独立)合并处理，是克服衰落的主要办法。CDMA采用的分集技术：空间、时间(RAKE)和频率分集技术。CDMA频率分集：一般情况下，衰落是200到300kHz宽，CDMA系统使用1.23MHz带宽，因此，只减少了CDMA信号的部分功率。CDMA空间分集：1：两个接收天线(天线间隔10l,l为波长）2：两个基站(用在软切换时)。接收天线接收天线基站1基站224CDMA时间分集：利用RAKE接收机。两条路径时延为1ms时，RAKE接收机可分别把它们提取出来而不混淆。极化分集：在移动环境下，空中的水平路径和垂直路径是不相关的，因而信号也呈现不相关的衰落特性。这就可在发射和接收端各装两付天线，一个水平极化天线，一个垂直极化天线，这就可以得到两个不相关的信号。接收窗口1接收窗口225陆地移动通讯具有复杂的通讯环境•多移动台¸多信道造成同频¸互调干扰¸远近效应等问题；•复杂地形及传播环境造成多径衰落¸阴影效应等；•还有一直存在的有限频率资源与用户数的矛盾需要解决；功率控制技术是CDMA关键技术的核心•自干扰系统影响通讯质量和系统容量；•其它许多特色性能如软容量和小区呼吸等；3、功率控制26CDMA功率控制简介功率控制的作用•克服远近效应、阴影效应•针对不同用户需求，提供合适的发射功率•提高系统的容量功率控制的目标•在维持通话质量的前提下，降低发射功率功率控制的意义•控制保证通话质量•提高系统容量•降低移动台发射功率—环保27CDMA功率控制综述CDMA系统采用了前向和反向相结合的功率控制技术前向功率控制：前向功率控制是一种闭环控制，受控对象是基站的发射功率，移动台起辅助作用。反向功率控制：反向功率控制是一种精确的控制，包括开环、闭环和外环，受控对象是移动台的发射功率，基站起辅助作用。28开环功率控制假设前向路径与反向路径的衰耗类似接收功率+发射功率=-73(dbm)移动台BTS反向开环功率控制29反向闭环功率控制基站检测信噪比SNR，与门限值比较，产生对移动台的功率控制命令每1.25ms更新一次（每秒重复800次）1dB的步长校正开环功率控制未消除的、与前向链路相独立的损耗移动台BTS信号强度测量预设值或反向闭环功率控制30FER移动台BTSBSC反向外环功率控制信号强度测量预设值或反向外环功率控制FER误帧率31前向链路功率控制基站系统缓慢地减少对每一移动台的前向链路发射功率当移动台检测到FER增大，就请求基站系统增大前向链路发射功率FER移动台BTSBSC功率调整前向链路功率控制324、语音编码编码与解码语音编码的目标是既能维持一定的语音质量，又能较大程度的降低数据量。包括波形编码和声源编码。自适应多速率（AMR）语音编码：在通话过程中，当用户说话时，手机处于高度激活状态，编码速率为9600bps；而当用户停顿或静听时，手机降低编码速率到1200bps。这时，手机处于间断发射状态，就减小了其平均发射功率，减小了干扰。从而增加了系统容量。采用码激励线形预测编码技术（Q-CELP）。335、RAKE接收技术移动通信信道是一种多径衰落信道，RAKE接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的，这里多径信号不仅不是一个不利因素，而且在CDMA系统变成一个可供利用的有利因素。在CDMA系统中，增加了一个搜索器，可动态地测量各径信号的幅度和延迟，然后才有选择地进行合并，因此是一个抽头可变的接收机。346、软切换切换技术1.软切换：在切换过程中，移动台开始与新的基站联系时，并不中断与原有的基站的通信。软切换会带来更好的话音质量，实现无缝切换、减少掉话可能，且有利于增加反向容量。2.更软切换：与软切换类似，发生在同一基站的不同扇区之间。3.硬切换：在切换过程中，移动台与新的基站联系前，先中断与原基站的通信，再与新基站建立联系。硬切换过程中有短暂的中断，容易掉话。35切换技术：软切换/更软切换上行信号的合并：软切换上行在BSC帧处理板中进行帧选择。更软切换上行在BTS信道板中进行多径合并。BSC帧处理板Abis链路BTSBBTSA36切换技术：切换流程导频信道：CDMA系统用于引导接入和切换信道，手机在网络中不间断测量周围小区的导频信号强度。不同扇区载频的导频信道使用不同的PN来标识。导频集：导频的集合，分为：激活集、候选集、相邻集、剩余集。激活集：AcitiveSet，当前手机正在保持连接的业务信道所对应的导频集合。候选集：CandidateSet，导频信号强度足够、手机可以成功解调、随时可以接入的导频集合。相邻集：NeighborSet，当前不在有效或候选集里，但可能会进入候选集的导频集合。剩余集：所有其余导频的集合。37切换技术：切换流程相邻集候选集激活集相邻集T_ADDT_DROP时间1234567导频强度1.导频强度超过T_ADD，手机发送PSMM导频强度测量消息，并将该导频加入侯选集。2.BSC发送切换指示消息HDM，要求将该导频加入激活集。3.手机将该导频加入激活集，并发送HCM切换完成消息。4.该导频强度低于T_DROP，手机启动切换DROP定时器。5.切换DROP定时器超时，手机通过PSMM将该情况上报给BSC。6.BSC发送切换指示消息HDM。7.手机将该导频从激活集中去除，并发送HCM切换完成消息。38四、CDMA系统组成与结构1、网络结构2、系统组成与功能3、主要接口39组网示意图组网结构基于高速ATM网络，接口协议为IS-95A、J-STD-008、cdma20001X。它既是成熟的IS-95A产品，又是面向3G的产品。MSCHLR/AUC2GBTS3GBTS或2GBTS版本升级