1、现代无线与移动通信系统 第五章(上),李少谦电子科技大学,CDMA数字移动通信系统,一、概述,Qualcomm公司发明，叫IS-95CDMA、Q-CDMA、N-CDMA、cdmaOne 1993年，北美电信工业联合会（TIA）把CDMA系统的公共空中接口IS-95定为数字蜂窝移动通信标准。 1995年开始商用 现为仅次于GSM发展最快的系统，全球现己近一亿用户，二十多个国家采用 中国联通己开始大规模建网并投入使用，计划在三年内发展用户3-5千万。,IS-95CDMA系统,Qualcomm公司(高通公司)具有几乎所有知识产权 南韩最早引进CDMA技术与系统 中国在九十年代中期开始研究CDMA技术
2、 中国己与高通公司签了有关许可协议 中国的公司己开始生产有关设备,IS-95CDMA的相关标准(一),IS-95 空中接口， IS-95A、 IS-95B IS-96 CDMA话音业务选择标准 IS-97 CDMA基站最低性能测试标准 IS-98 CDMA/AMPS双模移动台最低性能测试标准 IS-99 CDMA数据业务选择标准 IS-125 CDMA话音业务选择最低性能测试标准 IS-126 移动台环回业务选择标准 IS-127 CDMA话音编码EVRC标准,IS-95CDMA的相关标准(二),IS-634 A接口 IS-41 无线网络 IS-637 短消息 IS-53 补充业务 IS-52
3、 编号计划 IS-93 Ai、Di接口 IS-771 无线智能网 IS-707 数据业务,二、CDMA的特点 （1）系统容量大，多址能力强,CDMA系统是干扰受限的系统，多址能力决定于地址码间的多址干扰的大小，在实际的CDMA系统中，各地址码之间不是完全正交，它们之间存在一定的互相关性，此互相关性导致的多址干扰是影响CDMA多址能力的决定性因素。,（1）系统容量大，多址能力强,CDMA采用多种手段使得多址干扰足够小，从而使CDMA的多址能力比FDMA、TDMA更强，这些手段包括选择有良好的自相关性、互相关性的地址码；采用信号处理的分集技术消除多址干扰；使用功率控制克服远近效应，使得系统在一定接
4、收质量下，每用户以“刚刚足够”的功率通信。此外，在蜂窝移动通信中，还采用语音激活技术、高效纠错码及CDMA扇形分区等技术，使整个CDMA通信系统的容量增大。,（1）系统容量大，多址能力强,根据W. C. Y. Lee的分析、比较，认为以频谱资源带宽1.25MHz为基础条件，采用话音激活技术和分扇区技术，当扇区数为3时，CDMA系统每小区内容量比AMPS/FDMA模拟系统大20倍，比DMPS/TDMA数字系统大4倍。,（1）系统容量大，多址能力强,分析的依据是：CDMA是一种容量受限于干扰的系统。码间干扰越小，容许的用户越多。而FDMA的容量受限于频带，频带宽带决定了容量的大小；TDMA同样受限
5、于频带宽度和时间。在话音通信中，大量统计表明，话音占空比在35%40%之间，因此采用动态编码技术可使互干扰降低了60%65%，从而使CDMA容量增加，这种现象仅有CDMA可利用。,（1）系统容量大，多址能力强,扇形天线的应用也促进了容量的增大。扇形天线的应用是一种共同的技术，但在FDMA和TDMA中，应用扇形天线减少了干扰源，提高话音质量，但对容量影响较小；而在CDMA中，应用扇形天线减少干扰源,则可大大提高系统容量，这是CDMA与FDMA和TDMA的区别。W. C. Y. Lee的分析就基于使用120有效束宽的扇形天线，这样干扰减少到1/3，系统容量增大3倍，如果使用更窄束宽的扇形天线，容量
6、还将进一步增加。 实际IS-95 CDMA蜂窝系统的容量可达到模拟系统的10倍，达到现有TDMA系统的23倍。,（2）良好的抗干扰、抗衰落性能,多径传输问题是移动通信，特别是城市移动通信影响通信质量的重要问题。在扩频通信中，由于多径传播中的多条路径可以利用扩频码进行分离，并通过分集合并取得分集增益，使通信质量得到较大的改善。,（2）良好的抗干扰、抗衰落性能,在CDMA系统中，对多径衰落，扩频编码相关输出是彼此分离互不干扰的。这样，不仅由于扩频后的宽带信号比未扩频的窄带信号具有更好的频率分集作用，使最坏衰落深度减少以及衰落速率降低，而且由于扩频信号在设计时往往使不同路径的传播时延超过PN码片（c
7、hip）宽度，从而使我们能把不同路径的信号区分开来，通过路径分集加以利用。,（2）良好的抗干扰、抗衰落性能，语音质量好,在CDMA系统中采用多种分集方式，大大地改善了信号传输的性能。所采用分集方式为： 时间分集符号交织和纠错编码； 频率分集1.25MHz宽带信号； 空间（路径）分集基站采用多副接收天线，基站和移动台采用多径Rake接收机。,（3）严格的功率控制,为了实现大容量、高质量和其它优点，CDMA采用了严格的功率控制。 反向（移动台至基站方向）功率控制的目的，是使小区内工作的每个移动台发射机在基站接收机产生额定的接收信号功率，不管移动台的位置及传播损耗如何，每个移动台的信号在小区基站均以
8、相同电平被接收，使得每个移动台仅以“刚刚足够”的功率发射信号。,（3）严格的功率控制,正向（基站至移动台方向）功率控制的目的是降低靠近基站用户的信号功率，尽量减少对其它小区的干扰，让多余的功率可以分配给环境更困难或远离移动台和误码高的用户。同时，由于CDMA采用功率控制，减小了平均发射功率。 功率控制技术不但能减少相互干扰，同时还能改善慢速率变化的衰落，还使CDMA电话发射功率低。,（4）软切换,在CDMA系统中，其相邻小区工作频率采用同一频率，只是扩频地址码不一样。这样用户越区切换不需改变频率，而只改变地址码，这使切换方便容易，这种切换称为软切换。在CDMA系统中，当移动台越区时，能够同时连
9、接到两个或多个小区；在老的连接中断之前，新的连接已经建立，这就减少了呼叫中断的概率，改善了切换时的话音质量。 “硬切换”呼叫常在切换过程中断,软切换明显优于TDMA、FDMA系统在切换时需变换工作频率的“硬切换”。,（5）软容量,由于FDMA、TDMA的容量是由频率和时隙所决定的，因此容量是固定值，当同时工作的用户数超过系统容量时，必会出现阻塞。而CDMA虽然在一定的信干比下也有一个对应的容量限值，但由于CDMA是受干扰限制的系统，如果用户数超过了容量，只会使系统性能下降，而不会出现阻塞。这样，CDMA系统中某一局部区域的短期过载对性能影响不大，增加了系统运行的灵活性。,（6）保密性好,CDM
10、A具有天然的保密性。CDMA系统采用的扩频地址码一般是长周期码，接收时，需接收方的本地相关码与发端的扩频码同步，且两码必须完全相同，这就使CDMA系统比一般系统安全，窃听者必须要先破译和产生一个相关的本地码，这是十分困难的。,（7）电磁污染小,CDMA信号在空中传播时，由于扩展了频谱，使空中的信号功率谱密度低，这样造成的电磁污染小，对使用者人体和其它电子设备的影响小。 所以，有时人们称CDMA手机为“绿色手机”。,（8）组网方便、建网经济,CDMA可以单频组网，组网方便 CDMA的基站覆盖面大, 在同一地区,CDMA组网的小区数比GSM少三分之一, 成本下降三分之一。,三、CDMA的关键技术
11、1. 功率控制技术,在CDMA系统中实现严格的功率控制，是CDMA系统的一大技术特点。CDMA系统是一个干扰受限的系统，如果每个移动台的发射功率受控，使得它的信号以所要求的最小的信号干扰比到达基站，那么这个系统的容量就会达到最大。功率控制的目的，就是要保证每个用户的接收和发射，在保证信息正确接收的条件下，有刚刚足够的能量。 CDMA系统的功率控制包括正向功率控制（控制基站的发射功率）和反向功率控制（控制移动台的发射功率）。,正向功率控制主要目的是使小区内所有移动台接收良好，增加小区容量，并减少对邻区的干扰。正向功率控制一般只需要小动态范围、慢速率的控制。 反向功率控制主要目的是克服远近效应，使
12、小区内移动台间干扰最小，保证基站能同时接收稳定数量的移动台信号，提高系统容量。反向功率控制一般要求动态范围大、控制速度快、控制精度高， 反向功率控制一般又分为反向开环控制与反向闭环控制。,反向开环控制,当一个移动台开始工作时，处于开环功率控制状态。移动台通过不断发射不同等级功率的信号进行入网探测，入网探测信号功率从低到高变化。当移动台收到基站的应答信号后，则系统转入闭环功率控制。,开环功率控制与闭环功率控制,开环功率控制,反向闭环控制,闭环功率控制是对移动台的开环控制提供一个快速校正，以使各移动台在高速运动的状态下，均能保持最佳的发射功率。 闭环控制的机理是：基站解调器测量各移动台的信干比，并
13、把它与一个要求的门限相比较，然后在正向信道上（基站向移动台发射）向移动台发送功率上升或下降的指令。移动台接收到这个指令后，调整发射功率，从而达到功率的自动控制的目的。,闭环功率控制。,功率控制子信道,功率控制比特要在信道上连续传输，每1.25ms的时间发送1比特（“0”或“1”），实际速率为800bit/s。基站的反向业务信道接收机在1.25ms的时间间隔内（相当于24个调制码元宽度），对特定移动台来的信号强度进行估值，并根据此估值来确定控制比特应该是“1”还是“0”，然后采用插入技术，把此控制比特嵌入正向业务信道中进行传输。把20ms的时间间隔分成16个功率控制段，每段宽为1.25ms，编号
14、从0到15。,2. RAKE分集接收技术,在移动通信中，多径传播往往会产生有害的多径干扰。但在扩频通信系统中却可以对这些多径信号进行分离和合并，实现多径分离，以改善系统的性能。具有这种功能的接收机称为RAKE接收机。,1958年Price和Green提出一种解决多径的方法：利用伪PN码的特征，时移序列与原序列相关性小，因看似相关接收机图像耙子（RAKE），而称为RAKE接收机。 RAKE接收机包含多个相关器，每一相关器接收一个多径信号，多径信号被相关器解扩后，可按最大比组合在一起。因为接收到的多径信号的衰落是独立的，经分集后，系统的性能可得到改善，这也是CDMA系统的话音质量优于TDMA系统，
15、通话时不易掉话的原因之一。 CDMA系统中基站4路RAKE，移动台3路,RAKE的基本原理图,CDMA系统中RAKE接收机的基本原理图,图中假设有多条路径，路径具有不同的时延t1、t2、t3tN，以及不同的衰落因子a1、a2、a3 aN。RAKE接收机设计成三个支路对应三条路径的多径分量。对每一支路，接收信号分别与一个对应时延t的扩频码相关，信号经解扩后加权再组合，从而达到分集接收的目的。 相关时延小于的多径分量不能被分解。1.2288Mcps的PN码片允许以0.814s的时间间隔分解多径成分。,3. 话音激活与可变速率声码器技术,在典型的全双工通信中，每次通话的占空比小于35%。CDMA系统
16、在通话的停顿期间，降低信号传输速率，从而减轻对其它用户的干扰。这即是CDMA系统中的话音激活技术。由于CDMA系统的容量与所受干扰功率有关，降低用户间的干扰，则可增加系统容量。,3. 话音激活与可变速率声码器技术,目前CDMA系统普遍采用可变速率声码器，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，从而提高了话音的质量，同时在低速率工作时又降低了信道间的干扰，提高了系统的容量。,3. 话音激活与可变速率声码器技术,在IS-95 CDMA系统中，采用了8kbs和13kbs的变速率声码器技术。在8kbs声码器中，采用了4种码率的传输速率，根据话音信
17、号激活程度，声码器自动选择传输速率。 设了三个门限来变换声码器速率，三个门限由前一帧话音自相关函数和前一帧噪声电平决定，每帧更新一次（20ms）。 声码器采用了QCELP编码（Q码激励线性预测）,3. 话音激活与可变速率声码器技术,如若话音帧自相关函数： 三个门限，选择全速率（9.6kbs） 大于二个门限，选择半速率（4.8kbs） 仅大于一个门限，选择1/4速率（2.4kbs） 所有三个门限，选择1/8速率（1.2kbs）； 当不讲话时，用1.2kbs速率，只传背景噪声。,4. 软切换技术,软切换技术是CDMA系统独有的技术。 软切换的机理是：当移动台在工作时，特别在运动的状态下，移动台对邻
18、近基站发出的同一工作频率的导频信号不断地进行测量，而且把检测到的导频信号根据强弱进行分类、登录，并动态进行调整，根据通信环境的变化，作出可靠的切换判决，同时，把测量结果通知基站，作为切换的判决依据。 软切换技术主要涉及导频搜索技术，导频强度的测量技术，切换过程中的导频变换技术。,5.地址码选择,CDMA前向链路中采用了Walsh函数作为地址码。 Walsh函数，1923年证明为正交函数，Wal（n, t）表示，其中n为序号。CDMA采用了64阶Walsh函数，n=063作为前向链路地址码。 在CDMA中，还用到两个m序列（一个长度是215-1，一个长度是242-1 ），242-1序列在反向链路
19、中作为地址码。,Walsh函数的递推公式,四、IS-95 CDMA主要技术指标,工作频率：前向869-894MHz反向824-849MHz 双工方式：FDD 收发间隔45MHz 多址方式：CDMA 扩频码速率：1.2288Mc/s 调制方式：前向QPSK，反向OQPSK,IS-95 CDMA主要技术指标,语音编码方式：8k或13k变速率QCELP码 信道编码方式：卷积码（k=9, 正向Rb=1/2，反向Rb=1/3） 数据帧长：20ms 扩频解调门限：7dB(Pe=10-4) 基站逻辑信道数：大于30/每载波 小区结构：1200三扇区构成,IS-95 CDMA主要技术指标,功率控制范围：正向：
20、6dB反向：80dB 功率控制精度：正向：0.5dB反向：1dB 分集接收：基站4路RAKE接收移动台3路RAKE接收,五、无线链路,CDMA无线链路在频率上分为1.25MHz间隔的频道，一个小区可在一个频道上工作也可有多个频道，常采用多个频道工作。CDMA频道中码速率为1.2288Mc/S。码分多址方式形成物理信道和逻辑信道。 CDMA中的前向链路(基站发射)与反向链路(移动台发射)在信号设计与处理上是不相同的。,1、前向链路及其信号设计,（1）前向链路中的序列码 Walsh函数扩频,Walsh函数扩频：采用64个Walsh函数对信道扩频，每一W序列为一物理信道，实现码分多址功能。信道数记为
21、W0-W63，速率：1.2288Mc/S。,正交引导PN序列,m序列，215长度（32768），采用215-1m序列，速率：1.2288Mc/S。 在出现14个0时，加一个“0”成215 作用：加入基站特征，用于基站同步。 按64个码为间隔，形成32768/64=512个不同的时间偏置，2秒中75个周期，每偶数秒开头，15个“0”。在全系统时钟同步的情况下，移动台根据时间偏置可识别与同步基站。,正交引导PN序列,长码,在前向链路中作掩码：用于数据扰码和用户保密。 采用：周期为242-1的m长码 长码速率为1.2288Mc/s64分频后为19.6kc/s 长码序列生成器多项式为,（2）正向信道结
22、构,64个逻辑信道 W0：导频信道 W32：同步信道 W1-7：寻呼信道 其它55个信道：业务信道 寻呼信道、同步信道必要时都可改为业务信道,卷积编码,1/2卷积码，约束长度=9， 译码采用8电平软判决和维特比译码算法。 生成多项式为,编码符号重复,当数据率低于9600bps时，卷积编码器的输出在交织前重复形成19.2kbps符号流 同步信道：重复一次。 寻呼和业务信道： 数据为4800bps，2次重复； 数据为2400bps，4次重复 数据为1200bps，8次重复,分组交织,交织与帧对齐 同步信道：4800bps时,128个调制符号宽，交织阵列为16行8列）。 寻呼与业务信道：交织深度20
23、ms，当19.2Kbps速率时为384个符号宽，阵列24行16列。,导频信道,W0全0，不含数据，含引导PN码序列相位偏移量和频率基准信息，电平高于其它信道，一般为总能量的20%。,导频信道,用于移动台获取基站的定时和提取相干载波以进行相干解调， 通过对导频信号中多径信号的检测，实现RAKE接收机中的信号估计， 通过比较相邻基站导频信号的强度，决定何时需越区切换， 通过对导频信号强度的检测，决定开环功率控制的初始值。,同步信道,数据率为1200bps， 传输同步信息和其它信息。如系统时间，导频偏置，寻呼信道速率，242-1长码的状态等，最终码速率：4.8Kbps。,寻呼信道,用途：定时发送系统
24、信息，入网参数，基站寻呼移动台，信道速率可有9600bps，4800bps两种。,业务信道,用于传输用户信息和信令信息。 传输8.6kbps、4kbps、2kbps、800bps的不同速率的数据。 组帧后，加帧质量指示比特（CRC检验比特）,并加编码器尾比特后(每帧加8bit)数据变为9.6/4.8/2.4/1.2kbps 业务信道中嵌入了功率控制子信道,业务信道,功率控制子信道,2、反向链路及信号设计,（1）反向链路中的序列码 引导PN码序列与OQPSK调制,采用与前向链路相同的引导PN码正交调制，偏置为“0” . OQPSK调制，Q支路比I支路延迟半个码元，从而相位变化只有90，无180，
25、频谱效率较高 。,64位Walsh函数正交扩频,功能：完成多进制扩频的功能，提高系统的抗干扰能力和信息传输能力。 多进制扩频的概念 例：DS扩频为二进制扩频 ，处理增益64倍,M进制扩频,用2M个PN码，每个PN码代表M比特的信息，2 M个PN码的最小码长为2M。 则可将传输带宽减小M倍，而保持处理增益。 CDMA反向链路中，采用了与前向链路相同的Walsh函数，此时M为6。 信息速率变为28.8/664=307.2Kcps。,Walsh函数的选择,调制符号索引为6比特值。 调制符号索引i对应相应的Walsh序列,。,长码扩频,长码扩频采用了242-1的PN码，m序列以完成信道的扩频调制 长码
26、由长码产生器的42位状态矢量和一个42位的掩码模2加产生，由于掩码不同，长码的相位改变（偏移），从而产生一个m序列，因不同相位的m序列之间良好的相关性，则产生了地址空间，从而构成了逻辑信道和移动台的地址码。实现了反向链路的码分多址功能。 。,长码结构,长码掩码,ESN：移动台电子串号比特的重新排列，以防止码出现高度相关性。,（2）反向信道结构,码重复、交织、卷积编码,码重复以便交织，信道数据率28.8Kbps。 交织器：32行和18列。 采用1/3码率，约束长度k=9的卷积编码,数据突发随机化,在反向业务信道中，数据重复后，重复的部份不发射，以减少发射功率，从而减少对邻近台的干扰。 在反向接入
27、信道中，数据重复要发射，接高可靠性。 方法：将正交调制信号307.2Kbps的帧20ms，可分为16个功率控制组，每组1.25ms。按一定的算法，不同速率的数据，发射不一样，低速率数据，不发射数据重复的部份，位置随机。 不发的功率控制组平均功率低20dB，或低于发射机噪声电平。,接入信道,接入信道数至少有一个，至多有32个，每个接入信道对应正向信道中的一个寻呼信道，但每个寻呼信道可以对应多个接入信道。 移动台通过接入信道向基站进行登记、发起呼叫、响应基站发来的呼叫等，当呼叫时，在移动台没有转入业务信道之前，接入信道传送控制信号。,接入信道,接入信道为固定信息速率4800bps，含编码器尾数比特（4.4+0.4kbps），帧长20ms。 接入信道前缀由96个全“0”组成的帧构成，在系统时间是20ms的整倍数时发射。,接入信道,业务信道,业务信道传送9600/4800/2400/1200bps变速率信息，帧长为20ms。 业务信道前缀由192个“0”组成的帧构成，以9600bps速率传输。,业务信道,
