2、CDMA移动通信基本原理

京信通信1/56CDMA移动通信基本原理—IS-952008年6月京信通信系统培训教材（一）京信通信2/56目录三种多址通信方式介绍…………………………..3CDMA系统主要特点…………………….……..12CDMA系统的关键技术………………………….27CDMA网络规划…………………………………39CDMA直放站的引入对搜索窗的影响…………47京信通信3/56三种多址通信方式京信通信4/56三种多址通信方式1、FDMA——频分多址2、TDMA——时分多址3、CDMA——码分多址ftFia)FDMAtb)TDMAftc)CDMAfCi京信通信5/56频分多址（FDMA）在频分多址系统中，把可以使用的总频段划分为若干占用较小带宽的频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道，分配给一个用户。BSMS1MS2MSkf1f2fkF1F2Fk...京信通信6/56时分多址（TDMA）在时分多址系统中，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每一个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。BSMS1MS2MSk......帧时隙京信通信7/56码分多址（CDMA）在CDMA通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。从频域或时域来观察多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出使用预定码型的信号。其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。BSMS1MS2MSkc1c2ckC1C2Ck...京信通信8/56DS扩频系统（a）系统的发射端机基带数据谱RF谱数据波形扩谱信号波形载波调制TS=1/BTC=NTS=1/WPS=A1W=A0B京信通信9/56DS扩频系统（b）系统的接收端机Δ(SNR)baseband===·=·(SNR)RFEbBN0BEbN0EcN0WBWB解扩和解调恢复的基带数据波形干扰滤波解调后的谱接收谱京信通信10/56三种多址技术频域、时域比较频率频率时间时间频率时间25KHz200KHz·单个用户/频道·8个用户/较宽频带·多个用户/宽带频道1.23MHz京信通信11/56我国CDMA工作频段CDMA上行CDMA下行825835联通CDMA870880联通CDMAGSM上行890909915移动GSM联通GSMGSM下行移动GSM联通GSM935954960我国CDMA工作频段MHz京信通信12/56CDMA系统主要特点京信通信13/56CDMA系统主要特点一、多种形式的分集六、低功率发射二、CDMA的功率控制七、可变速率声码器三、软容量八、保密四、大容量九、话音激活α=0.4五、软切换十、低值和高冗余度的纠错编码京信通信14/56CDMA系统特点(一)——多种分集形式综合采用多种分集方式，大大降低多径衰落的影响。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，较切换也起到了空间分集的作用。京信通信15/56CDMA系统特点(一)——频率分集频率选择性衰落对CDMA影响不大上述衰落若对30KHz带宽的TDMA信号影响，则用户信号的衰落值为12dB。一个400KHz带宽12dB的衰落，只影响CDMA频带的1/3。对每个CDMA用户信号的衰落只为0.85MHz/1.25MHz=2dB。0dB-10dB-20dB-30dB0dB-10dB-20dB-30dB0dB-10dB-20dB-30dB0dB-10dB-20dB-30dB0dB-10dB-20dB-30dBRadiotowerRadiotower发射信号频谱接收信号频谱发射信号频谱接收信号频谱京信通信16/56CDMA系统特点(一)——路径分集RadiotowerRadiotowerRadiotower衰落很可能导致信息丢失=低话音质量利用多路接收机叠加来自不同基站的和反射的信号，从而减轻衰落的影响衰落衰落移动接收机D/AD/AAudio移动Rake接收机接收机接收机接收机京信通信17/56CDMA系统特点(二)——功率控制2.1功率控制示意图2.2反向开环功率控制2.3闭环功率控制2.4下行链路低速功率控制京信通信18/56CDMA系统特点(二)——功率控制2.1功率控制示意图：瑞利衰落平均路径损耗所需的平均发射功率发射功率距离在基站接收到的移动台功率所需的平均接收功率距离京信通信19/56CDMA系统特点(二)——功率控制2.2反向开环功率控制平均输出功率Tx(dBm)=-平均输入功率Rx(dBm)+偏置功率+参数偏置功率：-73dB(800MHz)控制参数：小区大小，基站有效发射功率(ERP)和基站接收机灵敏度，这些参数均在同步信道上传输。开环功率控制动态范围±8dBAGC放大器调整Tx功率PA测量Rx功率双工器Tx=+17dBm移动台2BTS移动台1d1d2Rx=-90dBmTx=-3dBmRx=-70dBm上行链路开环功率控制原理图京信通信20/56CDMA系统特点(二)——功率控制2.3闭环功率控制(高速功率控制)基站每1.25ms(等于6个调制符号)测量接收到的SIR4，与目标SIR相比较，决定是增加移动台功率还是降低移动台功率。闭环功率控制动态范围±24dBMUX解码Eb/NoSNR测量去扩展解码功率控制命令测量质量调整Eb/No目标用户数据基站闭环功率控制功能功率控制命令用户数据移动台闭环功率控制功能解复用AGC放大器闭环功率控制原理图京信通信21/56CDMA系统特点(二)——功率控制2.4下行链路低速功率控制◆下行链路低速功率控制的目的：提高小区边缘的移动台的性能。基站依据路径损耗和干扰环境，控制一个给移动台的发射功率，称为下行链路低速功率控制。◆下行链路功率控制机制：基站周期性地降低发射到移动台的发射功率，移动台测量误帧率（FER），当FER超过定义值时，移动台要求基站对它的发射功率增加1%，每15~20ms进行一次调整。◆下行链路低速功率控制调整的动态范围：±6dB京信通信22/56CDMA系统特点(三)——软容量◆用户数和服务级别之间有着灵活的关系。例如运营商可在话务量高峰期将误帧率稍微提高，便可增加可用信道数。◆小区呼吸功能：各小区的覆盖功能是动态的，当相邻两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足，切换到邻小区。使负荷分担，即相当于增加了容量。这种功能用在切换时，在防止由于缺少信道导致通话中断方面特别重要。在模拟系统和数字TDMA系统中，如一时缺少信道，通话必须等待信道出现空闲，否则会造成时切换的中断。然而在CDMA系统中，通过稍微降低用户通话质量，可以保证通话的继续进行，等到目标小区负荷减轻时，通话质量再恢复正常。京信通信23/56CDMA系统特点(四)——大容量◆决定CDMA数字蜂窝系统容量的基本参数有：处理增益、Eb/No、通话占空比、频率复用效率、小区扇区数。1、处理增益：处理增益越大，系统抗干扰越好、容量越大，为21dB；2、通话占空比：通话占空比是一个统计数字，小于35%，CDMA系统采用话音激活技术，而其它系统没有，仅此就比其它系统增加容量约1倍；3、频率复用效率：在CDMA中，由于它的宽带信道在每个小区中都能复用，所以频率复用效率几乎为1，而其它窄带系统一般为1/7；4、小区扇区数：在CDMA中，由于不同的扇区也可以使用相同频率，所以小区容量将随着扇区数的增大而增大。一般对于一个三扇区小区来说，容量比全向小区增大2.5倍左右。京信通信24/56CDMA系统特点(四)——大容量◆CDMA数字蜂窝系统容量的计算：1、处理增益：Eb/No确定的容量：N=处理增益：10log(W/Rb)=10log(1.2288MHz/9.6MHz)=21dBEb/No=6dBN=128/4=322、话音激活通话占空比为35%，提高容量1/0.35=2.86倍（实际2倍左右）；3、频率复用效率：理想值为1，实际F=0.6；4、扇区化：2.5倍（三扇区）；一个频道容量：32×2×0.6×2.5=96W/RbEb/NO京信通信25/56CDMA系统特点(五)——软切换◆软切换：CDMA系统各小区可使用相同的频率，从现有小区到领近小区的切换是无间切换。在软切换中移动台是同时连接到多个基站上通信，它的功率控制由它接收到的最强信号的小区决定。当邻近小区的信号强度超过一个确定的数值，但仍低于现有基站的信号强度时，移动台进入软切换状态。BTS两基站收发信机参与的软切换的原理BSCBTS京信通信26/56CDMA系统特点(五)——软切换同时与两个或多个基站通信信号强度手机位置小区间“合作”小区间“竟争”CDMA其他软切换硬切换京信通信27/56CDMA系统的关键技术京信通信28/56CDMA系统的关键技术一、功率控制二、分集技术三、软切换四、可变速率声码器五、Rake接收六、自适应天线京信通信29/56CDMA系统的关键技术◆前向链路多径/基站分集京信通信30/56CDMA系统的关键技术◆反向链路多径/天线分集京信通信31/56CDMA系统的关键技术——RAKE接收机RAKE接收机包含多个相关器，每个相关器接收一个多路信号。在相关器进行去扩展后，信号进行合成。因为接收的多路信号是衰落独立的，因此进行分集可以提高接收性能。RAKE接收机的原理τ1τ2τ3α1+α2α3调制器编码发生器×二进制数据α1+α2α3解调器×××多路信道RAKE接收机c(t-τ1)c(t-τ2)c(t-τ3)京信通信32/56CDMA系统的关键技术——RAKE接收机框图第三径第二径第一径带DLL的相关器相位旋转延迟均衡本地扩频码信道估计基带输入信号合并相加ΣIΣQ延迟估计时间量(径位置)IQIQ延时估计：通过匹配滤波器获取不同时间延迟位置上的信号能量分布，识别具有较大能量的多径位置，并将它们的时间量分配到RAKE接收机的不同接收径上。京信通信33/56CDMA系统中的软切换——切换程序测量阶段：由移动台完成下行链路的测量，包括信号质量、本小区和相邻小区的信号强度。由基站完成上行链路信号质量测量。决策阶段：将测量结果与预先定义的门限值进行比较，并决定是否应当启动切换。执行阶段：移动台进入软切换状态，增加或释放一个新的基站，或者完成频率间的切换。测量阶段切换准则完成执行阶段--更新有效集--激活新的基站否是决策阶段信号强度京信通信34/56CDMA导频集合◆邻域导频集合◆候选导频集合◆激活导频集合◆剩余导频集合京信通信35/56CDMA系统中的软切换——切换消息(1)切换消息图：京信通信36/56CDMA系统中的软切换——切换消息(2)(1)导频强度超过T-ADD，移动台发送一个PSMM，并且将导频转向候选导频集合。(2)基站给移动台发送HDM，其中该移动台将导频增加到激活集合中。(3)移动台接收HDM并且得到一个新的业务信道。导频进入激活集合，同时移动台给基站发送HCM。(4)导频强度降低到T-DROP值以下，移动台启动软切换结束记时器。(5)切换结束记时器终止，移动台给基站发送PSMM。(6)基站给移动台发送一个不具有相关导频的HDM。(7)移动台接收到HDM，导频进入邻域集合并且移动台给基站发送HCM。(8)移动台接收一个不包括导频的NLUM。导频进入剩余集合。IS-95中的切换消息是：PSMM：导频强度消息HDM：切换指示消息HCM：切换完成消息NLUM：邻域列表消息上图注解：京信通信37/56CDMA系统中的软切换——切换参数邻域候选激活邻域时间T-ADDT-DROPEc/It导频1导频2将导频1从有效集中去除.激活集总的Eb/No在激活集中增加导频2(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)切换结束记时器京信