第二章CDMA系统及现代通信系统组成.

第二章CDMA技术及现代通信系统组成3G通信概述第三代移动通信系统IMT2000的目标多媒体能力个人化使用智能化功能多速率和高级业务(2Mb/s)固定网的质量更简单的蜂窝结构容易进行信道规划和管理大容量:60路话/小区/MHz低的发射功率室外300mw,室内20mW•频率–1890~2030MHz，2110~2250MHz•最高传输速率–高速运动：144kb/s–步行速度：384kb/s–室内环境：2Mb/s第三代移动通信系统IMT2000的基本参数北美欧洲IS-95AIS-95BIS-95Ccdma2000GSMTDMAGSM+GPRS,HSCSDGSM++EDGEWCDMA普通分组数据业务高速电路交换数据GSM增强数据率第三代移动通信系统IMT2000的演进第三代移动通信系统IMT2000的构成无线接入网络移动台移动台移动台基台基台基台无线网络控制器无线网络控制器核心网络宽带（移动）综合业务交换中心和VLR归属位置寄存器(HLR)其它网络：PSTN，ISDN，B-ISDN，IP-Net.IUIUR•导频辅助相干解调和RAKE接收•变速率传输•高效Turbo-Code•具有应用智能天线的潜力•具有应用多用户检测的能力第三代移动通信系统IMT2000的技术特点4G/B3G移动通信概述•3G的目标•–室外步行：384Kbps•–城区车速：144Kbps•–频谱效率1bps/Hz虽然标称能达到2Mbit/s的速率•3G的背景•3G的尴尬局面：前有埋伏，后有追兵•–埋伏：4G的概念始于90年代末，2002年至今，概念与目标逐步明确。现已有许多重要进展；一些被认为是4G的技术（如WLAN，WMAN）已开始应用，特别是最近WiMax联盟提出的WMAN的移动计划和IEEE802.20（MBWA，移动宽带无线接入)如取得成功将对3G形成强大的冲击。•–追兵：2G的增强版（GPRS，EDGE等）许多功能接近3G••GPRS的最高速率可以达到171.2Kbps，EDGE甚至可以高达554Kbps•许多学者预言：3G将是短命的一代！•–3G的目标制定的太低•–3G可提供给用户的业务，2G的增强版基本都可以提供•–许多国家，包括一些发达国家，计划跨过3G，直接采用4G•–3G是一个专利“地雷阵”•--不能提供动态范围多速率业务。由于3G空中接口主流的三种体制WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA所支持的核心网不具有统一的标准，难以提供具有多种QoS及性能的多速率业务。•--不能真正实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游。由于采用不同频段的不同业务环境，需要移动终端配置有相应不同的软、硬件模块，而3G移动终端目前尚不能实现多业务环境的不同配置。4G概念•a)用户可以在任何地点、任何时间以任何方式不受限地接入网络中来；•b)移动终端可以是任何类型的；•c)用户可以自由地选择业务、应用和网络；•d)可以实现非常先进的移动电子商务；•e)新的技术可以非常容易地被引入到系统和业务中来。CDMA技术及系统组成第二代移动通信系统产生于20世纪80年代末期，使用数字调制技术，网络采用数字信令，除提供语音业务外，还含有少量短消息服务。GSM系统就属于第二代移动通信系统，它采用的是TDMA方式。在第二代移动通信系统中，还有一种系统采用的是码分多址（CDMA）方式，简称CDMA系统。CDMA通信•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•中国联通大规模建网并投入使用，截止2006年6月CDMA用户数达到3453万。•中国移动已经开始大规模TD-CDMA试验，先期硬件采购247亿元。•CDMA是码分多址的英文缩写（CodeDivisionMuitipleAccess），它是在数字技术的分支--扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，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。目前中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网采用的便是FDMA和TDMA两种方式的结合。GSM比模拟移动电话有很大的优势，但是，在频谱效率上仅是模拟系统的3倍，容量有限；在话音质量上也很难达到有线电话水平；TDMA终端接入速率最高也只能达到9.6kbit/s；TDMA系统无软切换功能，因而容易掉话，影响服务质量。因此，TDMA并不是现代蜂窝移动通信的最佳无线接入，而CDMA多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，正受到越来越多的运营商和用户的青睐。CDMA能够满足市场对移动通信容量和品质的高要求，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆覆盖广等特点，可以大量减少投资和降低运营成本。CDMA最早由美国高通公司推出，与GSM相同，CDMA也有2代、2.5代和3代技术。中国联通推出的CDMA属于2.5代技术。CDMA被认为是第3代移动通信技术的首选，目前的标准有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。CDMA2000是TIA标准组织用于指代第三代CDMA的名称。适用于3GCDMA的TIA规范称为IS-2000，该技术本身被称为CDMA2000。CDMA2000的第一阶段也称为1x，其使拥有现有IS-95系统的通信公司能将其整体系统容量增加一倍，并可将数据速率增加到高达614kbps。比1x更高的CDMA2000技术进展包括1xEV(高速数据速率)。CDMA2000标准由3GPP2组织制订，版本包括Release0、ReleaseA、EV-DO和EV-DV，Release0的主要特点是沿用基于ANSI-41D的核心网，在无线接入网和核心网增加支持分组业务的网络实体，此版本已经稳定。联通开通的CDMA二期工程采用的就是这个版本，单载波最高上下行速率可以达到153.6kbit/s。ReleaseA是Release0的加强，单载波最高速率可以达到307.2kbit/s，并且支持话音业务和分组业务的并发。1xEV-DORelease0标准（正式的名称为HRPD-HighRatePacketData）。该标准根据无线数据业务的非对称特性，优化了数据业务的传输能力，前向最高传输速率提高到2.4Mbit/s。CDMA20001xRelease0中还定义了CDMA20003x多载波模式。它与CDMA20001x的主要区别是，前向信道采用3载波方式，而CDMA20001x用单载波方式。1xEV-DV与CDMA2000系列标准完全后向兼容，能够在一个载波上提供混合的高速数据和话音业务。1xEV-DV空中接口标准分为两个版本：ReleaseC和ReleaseD。ReleaseC主要改进和增强了CDMA20001x的前向链路，前向峰值速率达到3.1Mbit/s。ReleaseD在ReleaseC的基础上改进和增强了反向链路，反向峰值速率达到1.8Mbit/s。随着EV-DV的性能在ReleaseD中获得完善和增强，CDMA2000EV-DO也于同期针对Release0的不足做了改进，制定了ReleaseA。ReleaseA的分组数据信道采用了和EV-DVReleaseD相同的复用和调制方式，支持的前反向峰值速率亦达到3.1和1.8Mbit/s。同时，增强了QoS支持，前向链路增加了对小数据包的支持，反向链路采用子分组发送、公共速率控制的调度机制，这些改进有效减少了时延，保障了EV-DO的QoS。CDMA原理示意图编码与交织BPF扩频编码扩频编码数字滤波器去交织和解码BPF载波载波数据数据CDMA系统的主要优点•大容量•软容量•软切换•话音激活•保密性好•高质量和低功率二、CDMA的特点（1）系统容量大，多址能力强•CDMA技术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；采用信号处理的方法消除多址干扰；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，应用扇形天线只是为了减少干扰源，提高话音质量；而在CDMA中，应用扇形天线减少干扰源就能提高系统容量，这是CDMA与FDMA和TDMA的重大区别。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，容量还将进一步增加。•实际IS-95CDMA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2~3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（chip）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，还使CDMA电话发射功率消耗低，从而使通话时间