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第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统6.1引言6.2CDMA空中接口协议层6.3CDMA前向信道6.4CDMA反向信道6.5功率控制6.6RAKE接收机6.7CDMA系统的容量6.8CDMA登记6.9CDMA切换过程第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统6.1引言CDMA是码分多址的英文缩写（CodeDivisionMultipleAccess），它是在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，把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号，即解扩，以实现信息通信。第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统6.1.1CDMA技术的标准化CDMA技术的标准化经历了几个阶段。IS-95是cdmaOne系列标准中最先发布的标准，是真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准，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，它支持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。随着移动通信对数据业务需求的增长，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可提高CDMA系统性能，并增加用户移动通信设备的数据流量，提供对64kb/s数据业务的支持。其后，cdma2000成为窄带CDMA系统向第三代系统过渡的标准。cdma2000在标准研究的前期，提出了1x和3x的发展策略，随后的研究表明，1x和1x增强型技术代表了未来发展方向。第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统6.1.2我国CDMA系统可以占用的频率我国无线电委员会分配给蜂窝移动通信系统的频率如表2-1(见第2章)所示。我们从该表可以看出，目前中国联通CDMA使用频段是上行频率为825～835MHz，下行频率为870～880MHz，占用10MHz带宽。第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统6.1.3CDMA系统的特点1.系统容量大2.软容量3.通话质量更佳4.软切换的主要优点是：（1）无缝切换，可保持通话的连续性。（2）减少掉话可能性。（3）处于切换区域的移动台发射功率降低。第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统但同时，软切换也相应带来了一些缺点，主要有：（1）导致硬件设备（即信道卡）的增加。（2）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。第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统5.用户按不同的序列码区分，所以不同的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CDMA网络覆盖范围大，系统容量高，所需基站少，降低了建网成本。第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统7.“绿色手机”普通的手机（GSM和模拟手机）功率一般能控制在600毫瓦以下，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，对人体健康没有不良影响。手机发射功率的降低，将延长手机的通话时间，意味着电池、话机的寿命长了，对环境起到了保护作用，故称之为“绿色手机”。第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统8.保密性强，CDMA信号的扰频方式提供了高度的保密性，要窃听通话，必须要找到码址。但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实在是太困难了。第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统9.分集是对付多径衰落很好的办法，有三种主要分集方式：时间分集、频率分集和空间分集。CDMA系统综合采用了上述几种分集方式，使性能大为改善。各种分集方式归纳如下：（1）时间分集——采用了符号交织、检错和纠错编码等方法。（2）频率分集——本身是1.25MHz宽带的信号，起到了频率分集的作用。（3）空间分集——基站使用两副接收天线，基站和移动台都采用了Rake接收机技术，软切换也起到了空间分集的作用。第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统10.CDMA的功率控制CDMA系统的容量主要受限于系统内移动台的相互干扰，所以，如果每个移动台的信号到达基站时都达到最小所需的信噪比，系统容量将会达到最大值。CDMA功率控制的目的就是既维持高质量通信，又不对占用同一信道的其他用户产生不应有的干扰。CDMA系统的功率控制除可直接提高容量之外，同时也降低了为克服噪声和干扰所需的发射功率。这就意味着同样功率的CDMA移动台与模拟或TDMA移动台相比可在更大范围内工作。CDMA系统引入了功率控制，一个很大的好处是降低了平均发射功率而不是峰值功率。这就是说，CDMA在一般情况下由于传输状况良好，发射功率较低；但在遇到衰落时会通过功率控制自动提高发射功率，以抵抗衰落。第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统11.典型的全双工双向通话中，每次通话的占空比小于35%。在FDMA和TDMA系统里，由于通话停顿时重新分配信道存在一定时延，所以难以利用话音激活因素。CDMA在不讲话时传输速率降低，减轻了对其他用户的干扰，这就是CDMA系统中的话音激活技术。而CDMA的容量又直接与所受总干扰功率有关，这样就可以使容量增加一倍左右。第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统6.2CDMA空中接口协议层图6-1给出了CDMA空中接口层结构。CDMA信道包含反向CDMA信道(CDMA上行信道)和正向CDMA信道(CDMA下行信道)。反向CDMA信道由接入信道和反向业务信道组成。正向CDMA信道由寻呼信道和正向业务信道组成。所有信道的信令都使用基于比特同步的协议。所有信道上的消息都有一个相同的层格式。最高层的协议是由一则消息和填充物(Padding)组成的封装信息。填充物是为了在某些信道上让消息适合帧的装配。其中的一个例子是业务信道中空缺突发(BlankandBurst)信令模式。如果消息小于一帧，封装的是整一个帧，填充比特从消息比特的结束至帧的结束。下一层的格式可能将信息分装成长度区域、信息和CRC校验。第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统图6-1CDMA空中接口层结构复用子层(业务信道)第二层(链路层)寻呼和接入信道更高层(基本业务)更高层(辅助业务)第三层(呼叫处理和控制)第二层(基本业务)第二层(辅助业务)第二层(信令)第一层物理层第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统6.3CDMA前向信道CDMA前向信道（也可称下行信道）由用于控制的广播信道和用于携带用户信息的业务信道组成。广播信道由导频信道、同步信道和寻呼信道组成。所有这些信道都在同一个1.23MHz的CDMA载波上。移动台能够根据分配给每个信道惟一的码分来区分逻辑信道。这个码分是经过正交扩频的Walsh码。每个码分信道都要经一个Walsh函数进行正交扩频，然后又由1.228Mc/s速率的伪噪声系列扩频。在基站可按频分多路方式使用多个CDMA前向信道（1.23MHz）。图6-2给出了CDMA支持的不同前向信道。如图所示，CDMA前向信道可使用的码分信道最多为64个。第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统一种典型的配置是:1个导频信道,1个同步信道,7个寻呼信道(允许的最多值)和55个业务信道。但前向信道的码分信道配置并不是固定的,其中导频信道一定要有,其余的码分信道可根据情况配置。例如，可用业务信道取代寻呼信道和同步信道,成为1个导频信道,0个同步信道,0个寻呼信道和63个业务信道。这种情况发生在基站拥有两个以上的CDMA信道(即带宽大于2.5MHz),其中一个为CDMA基本信道(1.23MHz),所有移动台都先集中在该基本信道上工作。此时,若基本CDMA业务信道忙,可由基站在基本CDMA信道的寻呼信道上发射信道指配消息将某移动台分配到另一个CDMA信道进行业务通信,该CDMA信道只需一个导频信道,而不再需要同步信道和寻呼信道。第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统图6-2CDMA前向信道结构……Walsh码W0CDMA下行信道(1.23MHz移动台发射)导频信道同步信道寻呼信道1寻呼信道7业务信道1业务信道55W32W1W7W8W63第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统6.3.1前向业务信道图6-3CDMA前向信道结构PCM语音减小语音需要的比特速率。工作在全速率，1/2,1/4和1/8速率的可变模式。速率1声码器的全速输出速率为9.6kb/s,速率2的全速输出速率为14.4kb/s提供错误检测/纠正。每输入一个比特有两个符号输出重复从编码器来的输入符号。重复是维持一个持续输入到块交织器。全速符号不被重复，并在全功率上发送。半速率重复一次并在半功率上发送，以此类推。速率1输出维持在19.2kb/s(与编码速率无关），速率2输出是28.8kb/s只用于工作在速率2的声码器上。一个28.8kb/s输出从每6输入中删除2。因此实现进入块交织器的输入速率相同，都为19.2kb/s，而与编码的速率无关通过确保连续的数据不被丢失，以抗瑞利衰落的影响通过输入数据和长掩码扰乱，与用户ENS的序列改变来提供安全保障通过用一个惟一Walsh码来扩频，从而提供识别和正交。每一输入符号要和64比特Walsh码进行异或，使之速率成为1.228Mc/s提供惟一的基站识别码。这种扩频序列是32768码片和每26.66ms重复。所有基站使用同样的序列，但相位偏置各不相同，有512种可能的偏置。确保移动台锁定在正确的基站把信号转变到蜂窝频率范围(800MHz)或PCS频率(1900MHz)到RF部分声码器卷积编码符号重复符号收缩块交织数据扰码功率控制子信道正交扩频四相扩频基带滤波提供一个非常快的功率控制子信道(每秒800次)。输入数据每秒被抽取800次，向移动台发送一个增加或减少功率命令。每个命令能增加或减少移动台1dB的功率第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统图6-4速率1和速率2前向业务信道的产生速率2前向业务信道的产生14400b/s功率控制比特1.2288Mc/s从语音编码器来19.2ks/s1.2288Mc/s长码PN发生器用户地址掩码(ESN)卷积编码和重复符号重复块交织复用器抽取器抽取器800HzWnIPNQPNR=1/2,K=97200b/s3600b/s1800b/s注：ks/s—千符号/秒(kilosymbol)；Mc/s—兆码片/秒(Megachip/s)。速率1前向业务信道的产生9600b/s功率控制比特1.2288Mc/s从语音编码器来19.2ks/s1.2288Mc/s长码PN发生器长掩码(ESN)卷积编码和重复块交织复用器抽取器抽取器800HzWnIPNQPNR=1/2,K=94800b/s2400b/s1200b/s调制符号调制符号19.2ks/s第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统1.语音编码CDMA声码器是可变速率声码器，可工作于全速率，1/2，1/4和1/8速率。通常对应于速率1和速率2分别有两种声码器：工作于9.6kb/s数据流的8kb/s声码器和工作于14.4kb/s数据流的13.3kb/s声码器。速率1包含四种速率：9600，4800，2400和1200b/s。速率2包含四种速率：14400，7200，3600和1800b/s。当速率2是可选时，移动台不得不支持速率1。信道结构对于速率1和速率2是不同的。两种声码器都能进行语音性能检测和减少在系统中受到的干扰。第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统图6-5速率1的前向/反向业务信道帧结构24bit(20ms)1200b/s帧信息比特(1/8速率)16T8信息比特(1/4速率)48bit(20ms)40T82400b/s帧4800b/s帧9600b/s帧FT88128FT信息比特(1/2速率)信息比特(全速率)96bit(20ms)192bit(20ms)80172F—帧质量指示(CRC)T—编码尾比特注：第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统图6-6速率2的前向/反向业务信道帧