9第七章码分多址移动通信系统

1第7章码分多址(CDMA)移动通信系统第7章码分多址(CDMA)移动通信系统7.1概述7.2CDMA蜂窝通信系统的通信容量7.3CDMA蜂窝系统的无线传输*7.4CDMA蜂窝系统的消息格式和信道结构7.5CDMA蜂窝系统的控制功能2第7章码分多址(CDMA)移动通信系统码分多址(CDMA)是以扩频技术为基础的。扩频是把信息的频谱扩展到宽带中进行传输的技术。扩频技术用于通信系统具有抗干扰、抗多径、隐蔽、保密和多址能力。CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。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，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。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)或简称直扩。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。扩频的概念3第7章码分多址(CDMA)移动通信系统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数，也等于扩频系统抑制噪声的处理增益。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。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。4第7章码分多址(CDMA)移动通信系统码分多址的特征1.CDMA蜂窝通信系统无论是采用何种多址方式都会存在各种各样的外部干扰和系统本身产生的特定干扰。FDMA与TDMA蜂窝系统的共道干扰和CDMA蜂窝系统的多址干扰都是系统本身存在的内部干扰。对于各种干扰来说，对蜂窝系统的容量起主要制约作用的是系统本身存在的自我干扰。5第7章码分多址(CDMA)移动通信系统图CDMA蜂窝系统的多址干扰(a)(b)CDMA蜂窝通信系统的多址干扰分两种情况：①基站在接收某一移动台的信号时，会受到本小区和临近小区其他MS所发信号的干扰，如图（a）所示，基站对MS产生的正向多址干扰；②移动台在接收所属基站发来的信号时，会受到所属基站和邻近基站向其他MS所发信号的干扰，如图（b）所示，MS对基站产生的反向多址干扰。6第7章码分多址(CDMA)移动通信系统1.话音激活技术；2.扇区3.功率控制CDMA提高容量的条件：进行功率控制。减少多址干扰的主要技术：7第7章码分多址(CDMA)移动通信系统远近效应：CDMA蜂窝系统的“远近效应”很突出，主要发生在反向传输链路上。移动台在小区内的位置是随机移动的，而且是经常变化的，同一部移动台可能有时处于小区边缘，有时靠近基站。如果移动台发射功率按照最大通信距离设计，则当移动台靠近基站时，必然会有过量而又有害的功率辐射。解决方法就是根据通信距离的不同，实时调整发射机所需的功率，即功率控制。功率控制的原则（要求）：当信道的传播条件突然改善时，功率控制应作出快速反应；当信道传播条件突然变坏时，功率控制的速度可以相对慢一些。功率控制分为①反向功率控制②正向功率控制CDMA蜂窝通信系统的功率控制8第7章码分多址(CDMA)移动通信系统反向功率控制反向功率控制也称上行链路功率控制。其主要要求是使任一移动台无论处于什么位置上，其信号在到达基站的接收机时，都具有相同的电平，而且刚刚达到信干比要求的门限。进行反向功率控制的办法可以在移动台接收并测量基站发来的信号强度，并估计正向传输损耗，然后根据这种估计来调节移动台的反向发射功率。如果接收信号增强，就降低其发射功率；接收信号减弱，就增加其发射功率。9第7章码分多址(CDMA)移动通信系统反向链路功率控制影响接入和反向业务信道。反向功率控制分为开环功率控制和闭环功率控制(1)开环功率控制：移动台接收并测量基站发来的信号强度，并估计正向传输的损耗，然后根据这种估计调节移动台的反向发射功率。(2)闭环功率控制：由基站检测来自移动台的信号强度，根据检测结果形成功率调整指令，通知移动台来调整发射功率。反向功率控制10第7章码分多址(CDMA)移动通信系统1反向链路开环功率控制原则：距离基站越近的移动台与距离基站较远或处于衰落区的移动台相比发射功率要更小。移动台根据在1.23MHz带宽内的总的接收功率(导频、寻呼、同步、业务信道的功率)来调整发射功率。在开环功率控制中不包括基站—只有移动台进行开环功率控制。CDMA系统的主要目的是发射刚好满足必需的性能目标的功率，因此移动台试图通过发射一个极低的功率信号首先引起基站的注意。关键的原则是移动台的发射功率与接收功率成反比。缺点：反向链路传播的统计量是根据前向链路的传播统计量进行估测的，但由于两个链路是不相关的，可能会出现大的差错。纠正：通过移动台捕获到前向业务信道，并开始处理功率控制比特，闭环功率控制机制开始生效后，才能纠正。反向功率控制11第7章码分多址(CDMA)移动通信系统2.反向链路闭环功率控制两种独立的功率控制机制结合起来能在80dB(48dB闭环+32dB开环)的动态范围对功率进行调节。闭环功率控制对开环功率控制提供校正。移动台根据来自基站的功率控制比特增加或降低反向业务信道的发射功率，从而接近Eb/It额定值的目标值或控制长期FER的设定值。每个功率比特能够使移动台功率产生1dB的变化—可以使测量的Eb/It的值与目标值之间的差距减少1dB。基站在每个长度为20ms的帧内发送对Eb/It的修正16次。如果测得的Eb/It大于当前的Eb/It的目标值，基站通知移动台按照每次降低1dB的方式降低它的功率，否则，基站指令移动台按照每次增加1dB的方式增加功率。12第7章码分多址(CDMA)移动通信系统13第7章码分多址(CDMA)移动通信系统正向功率控制也称下行链路功率控制。要求：调整基站向移动台发射的功率，使任一移动台无论处于小区中的任何位置上，收到基站的信号电平都刚刚达到信干比所要求的门限值。作用：可以避免基站向距离近的移动台辐射过大的信号功率，也可以防止或减少由于移动台进入传播条件恶劣或背景干扰过强的地区而发生误码率增大或通信质量下降的现象。正向功率控制14第7章码分多址(CDMA)移动通信系统①根据理论分析，CDMA蜂窝系统与模拟蜂窝系统或TDMA数字蜂窝系统相比具有更大的通信容量。②具有“软容量”的特点。CDMA蜂窝系统的全部用户共享一个无线信道，用户信号的区分只靠所用码型的不同，因此当蜂窝系统的负荷满载时，另外增加少数用户，只会引起话音质量的轻微下降(或者说信干比稍微降低)，而不会出现阻塞现象。CDMA蜂窝系统的这种特征，使系统容量与用户数之间存在一种“软”的关系。码分多址蜂窝通信系统的特点15第7章码分多址(CDMA)移动通信系统③CDMA蜂窝系统具有“软切换”功能。即在过区切换的起始阶段，由原小区的基站与新小区的基站同时为过区的MS服务，直到该MS与新基站建立起可靠的通信链路后，原基站才中断它和该MS的联系。④CDMA蜂窝系统可以充分利用人类对话的不连续特性来实现话音激活技术，以提高系统的通信容量。⑤CDMA蜂窝系统以扩频技术为基站，因而它具有扩频通信系统所固有的优点，如抗干扰、抗多径衰落和具有保密性等。码分多址蜂窝通信系统的特点16第7章码分多址(CDMA)移动通信系统双模式移动台的概念双模式移动台既能以模拟调频方式工作，又能以扩频码分方式工作。这种移动台在模拟调频和码分多址两种制式不同的蜂窝系统中，均能向网中其他用户发起呼叫和接受其呼叫，而两种制式不同的蜂窝系统也均能向网中这种双模式移动台发起呼叫和接受其呼叫，而且这种呼叫无论在定点上或在移动漫游过程中都是自动完成的。17第7章码分多址(CDMA)移动通信系统QualcommCDMA蜂窝系统的工作频率QualcommCDMA蜂窝系统：美国Qualcomm（高通）公司开发的CDMA蜂窝体制，被采纳为北美蜂窝数字标准，定名为IS-95。双模CDMA蜂窝系统使用美国联邦通信委员会(FCC)分配给蜂窝通信系统使用的频段。①移动台向基站的传输频段是824～849MHz②基站向移动台的传输频段是869～894MHz18第7章码分多址(CDMA)移动通信系统表CDMA频道编号及相应的频率允许CDMA蜂窝系统占用的频段如表所示。对一个指定的系统可以分配多个CDMA频道，同一个系统中的小区和扇区要使用其中的任一个CDMA频道。19第7章码分多址(CDMA)移动通信系统QualcommCDMA蜂窝通信系统的时间基准CDMA蜂窝系统利用“全球定位系统”(GPS)的时标，GPS的时间和“世界协调时间”(UTC)是同步的，二者之差是秒的整倍数。各基站都配有GPS接收机，保持系统中各基站有统一的时间基准，称为CDMA系统的公共时间基准。移动台通常利用最先到达并用于解调的多径信号分量建立基准。如果另一条多径分量变成了最先到达并用于解调的多径分量，则移动台的时间基准要跟踪到这个新的多径分。20第7章码分多址(CDMA)移动通信系统QualcommCDMA蜂窝系统的话音编码QualcommCDMA蜂窝系统开发的声码器采用码激励线性预测(CELP)编码算法，也称为QCELP算法。•其基本速率是8kb/s，但是可随输入话音消息的特征而动态地分为四种，即8、4、2、1kb/s，可以9.6#,4.8#,2.4#,1.2kb/s的信道速率分别传输。•发送端的编码器对输入的话音取样，产生编码的话音分组(packet)传输到接收端，接收端的解码器把收到的话音分组解码，再恢复成话音样点。码分多址(CDMA)概述从原理上讲，无论FDMA，TDMA，CDMA所能提供的系统容量都是一定的（香农公式）结合具体的应用条件和工作环境，能得到的通信容量可以是不同的，甚至有较大的差异。CDMA系统理论容量C=Wlog2(1+SN)(b/s)码分多址(CDMA)概述FDMA和TDMA系统提高容量的根本原因:减小频率再用的距离。影响频率再用距离的原因：受载干比的限制。模拟蜂窝系统：1/7小区共用；数字蜂窝系统（GSM）：1/4小区共用；CDMA系统：每小区可以使用相同的频率，但存在多址干扰，容量受到限制。CDMA提高容量的根本方法：减少多址干扰。容量受限CDMA蜂窝通信系统的通信容量几种蜂窝通信系统的通信容量的比较：模拟FDMA系统总频段宽度1.25MHz(AMPS)频道间隔30kHz信道数目1.25×106/(30×103)=41.7每区群小区数7通信容量41.7/7=6CDMA蜂窝通信系统的通信容量TDMA系统总频段宽度1.25MHz频道间隔30kHz每载频时隙数3信道数目3×1.25×106/(30×103)=125每区群小区数4通信容量125/4=31.25CDMA蜂窝通信系统的通信容量CDMA系统总频段宽度1.25MHz扇形分区数3通信容量120以n表示通信容量，三种系统的比较结果可以写成n(CDMA)=20n(FDMA)=4n(TDMA)CDMA蜂窝系统的无线传输信道组成图CDMA蜂窝系统的信道示意图导频信道同步信道寻呼信道正向业务信道反向业务信道接入信道移动台基站在CDMA蜂窝系统中，除了要传输业务信息外，还必须传输各种必需的控制信息。为此，在基站到移动台的方向设置了导频信道、同步信道、寻呼信道、正向业务信道，在移动台到基站的方向上设置了接入信道和反向业务信道。CDMA蜂窝系统的无线传输图CDMA蜂窝系统的逻辑信道示意图导频信道同步信道W0W32寻呼信道W1寻呼信道W7业务信道W8业务信道业务信道业务信道业务信道W31W33W63业务数据控制子信道接入信道接入信道业务信道业务信道业务信道(a)(b)1n1255用户地址长码171N242555CDMA蜂窝系统的无线传输1.导频信道传输由基站连续发送的导频信号。