cdma技术原理及演进

1CDMA的发展主要历程2CDMA技术标准的演进路线199519992000200120022003+IS-95-Acdma20001X1xEVPhase1(1xEV-DO)•Voice•14.4kbps•HighCapacityVoice•153kbpsPacket•RFBackwardComp.•2.4MbpsPacket•RFBackwardComp.1xEVPhase2(1xEV-DV)•HigherCapVoice/Data•RFBackwardComp.3IMT-2000是第三代移动通信系统的统称第三代移动通信系统能提供多种类型、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类通信。第三代移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU）1985年提出，考虑到该系统将于2000年左右进入商用市场，并且其工作的频段在2000MHz，故于1996年正式更名为IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication-2000）。IMT-20004全球统一频段、统一标准，全球无缝覆盖高效的频谱效率更高的服务质量、保密性和可靠性易于从2G系统平滑演进与过渡，并反向兼容2G系统提供多媒体业务，速率最高可达2Mb/s•车速环境：144kb/s•步行环境：384kb/s•室内环境：2Mb/sIMT-2000的目标5IMT-2000标准化组织6WCDMAWCDMAcdma2000cdma2000TD-SCDMATD-SCDMA接收机结构接收机结构RAKERAKERAKERAKERAKERAKE闭环功率控制闭环功率控制支持支持支持支持支持支持越区切换越区切换软、硬切换软、硬切换软、硬切换软、硬切换软、硬切换软、硬切换解调方式解调方式相干解调相干解调相干解调相干解调相干解调相干解调码片速率码片速率(Mcps)(Mcps)3.843.84N*1.2288N*1.22881.281.28发射分集方式发射分集方式TSTDTSTDSTTDSTTDFBTDFBTDOTDOTDSTSSTS无无同步方式同步方式异步异步同步同步异步异步核心网核心网GSMMAPGSMMAPANSI-41ANSI-41GSMMAPGSMMAP三种主要体制比较7CDMA基本原理8CDMA系统主要特点系统容量大G×F×u1×/1×RbWNuNoEb其中：W/Rb:处理增益Eb/No:比特能量与噪声系数比u:语音占空比F:频率复用率G:扇区系数CDMA容量计算限制CDMA基站容量的因素RF容量RF反向容量-噪声容量RF前向容量-功率容量WalshCode容量信道单元(CE)容量NWRENVAFfGbo,.....5111122880096001101041065085401610建议最大负荷为极限容量的50%由此得出反向链容量为每扇区20个话务信道9CDMA系统主要特点AMPS,D-AMPS,N-AMPSCDMA303010kHzBandwidth200kHz1250kHz131Users8Users35Users1111111111111112344325617TypicalFrequencyReuseN=7TypicalFrequencyReuseN=4TypicalFrequencyReuseN=1Vulnerability:C/I@17dBVulnerability:C/I@6.5-9dBVulnerability:EbNo@4dB•抗干扰能力强10CDMA系统主要特点•前向链路采用64位WALSH码区分信道，共有导频、寻呼、同步、前向业务等4类信道，不同基站之间采用2（15次方）PN码相位区分，共有512个相位（相邻相位之间相差64个PN码片），采用了卷积编码（K=9，R=l／2）、交织等信道编码方式。•后向链路共有接入、反向业务2类信道，信道及用户之间采用2（42次方）-1PN码相位区分，采用了卷积编码（K=9、R=l／3,R=l／2）、交织等信道编码方式，同时采用了64进制调制方式。•此标准规定的系统是同步CDMA系统（信道、基站区分采用PN码相位），因此，必须有一个时间参考源，标准规定采用GPS定时。•为了提高系统容量，一是在前向信道中加入了功率控制子信道，用于移动台的闭环功率控制；二是采用了可变速率声码器，实现话音激活；三是移动台采用非连续发送方式。11•首次在蜂窝移动通信系统中提出软切换、更软切换概念，并在实际系统中实现了此概念。•前向信道采用相干解调方式，反向信道采用非相干解调方式。•实现了“软容量”，即当系统满负载工作时，再增加少数用户，系统性能会稍有下降。•实现了路径分集（RAKE接收），由于CDMA系统传输带宽较宽，信号传输带宽大于相关带宽时，就可以用1／W的（时间）分辨率分辨出多径分量，再进行分集合并，从而改善接收性能。•可以与其他窄带系统共存，因为扩频之后，信号功率谱展宽，功率谱密度降低，对其他窄带系统影响很小，IS-95A系统信号对窄带信号而言近似白噪声。•实现了高保密通信，鉴权、数字格式、宽带信令可由受话人指定的密码进行保护CDMA系统主要特点12CDMA系统主要技术特点---RAKE接收技术•在移动通信中，移动台与基站之间的环境复杂，到达接收信号不会是一条路径来的信号，而是多径合成信号。对于采用其他技术的移动通信系统，只能采用复杂的抵抗技术，减少影响。而对采用CDMA技术的移动通信系统，由于CDMA的相关特性，只要路径之间的时延差大于一个PN码片宽度，就可以利用多径信号加强接收效果，此种技术称为RAKE分集接收技术（俗称路径分集）。一般RAKE接收机由搜索器（Searcher）、解调器（Finger）、合并器（Combiner）3个模块组成。搜索器完成路径搜索，主要原理是利用码的自相关及互相关特性。解调器完成信号的解扩、解调，解调器的个数决定了解调的路径数，通常CDMA基站系统一个RAKE接收机由4个Finger组成，移动台由3个Finger组成。合并器完成多个解调器输出的信号的合并处理，通用的合并算法有选择式相加合并、等增益合并、最大比合并3种。合并后的信号输出到译码单元，进行信道译码处理。13CDMA系统主要技术特点---速率判定技术•由于CDMA是多个用户共同占用同一频带资源，相互之间通过PN码来区分，因此，同时通话用户数越多，相互之间干扰就越大。在一定的服务质量下，如果要有效利用系统资源，那么必须采用相应的措施。现在通用的方法是采用语音压缩编码及话音激活技术。IS-95系统就是采用了8kbit／s（IS-95A）或13kbit／s（IS-95B）语音编码技术以及变速率话音激活技术。同时，变速率也为随路信令的传输提供了方便。对于IS-95系统，接收端无法知道发送数据速率，只能通过提取信道质量信息，判定发送端可能发送的速率。14•在CDMA数字移动系统中，切换的标准主要为导频信号的强度，导频信号强度为接收到的导频能量与全部接收到的能量的比值。导频信号是每个基站连续发射的未经调制的、直接序列扩频的信号，它主要用于使所有在基站覆盖区中工作的移动台进行同步和切换。基站利用一周期为2（15次方）=32768的最大长度伪随机序列（PN）的时间偏置来标识每个前向CDMA信道（由基站到移动台），此序列PN也称为导频序列。不同前向信道使用不同相位的m序列进行调制，其相位至少相差64bit，因此导频PN序列可使用的相位为512个。在CDMA系统中所有CDMA小区都采用同一个频率，移动台根据接收到的基站导频信号的不同偏置来区分各个基站。每个小区的导频要与其同一CDMA信道中的正向业务信道相配合才有效，当移动台检测到一个足够强度的导频而它未与任何一正向业务信道相配合时，就向基站发送一导频强度测量报告，基站根据此报告决定是否切换。在CDMA的切换技术中一个显著的优点是可以使用软切换。所谓软切换是指当移动台需要跟一个新的基站通信时，并不先中断与原先基站的联系CDMA系统主要技术特点---软切换15CDMA系统主要技术特点---软切换由于CDMA系统中移动台独特的RAKE接收机可以同时接收两个或两个以上基站发来的信号，从而保证了CDMA系统能够实现软切换。软切换引入大大地改善了切换的性能，消除了切换过程中通信的中断、小区边界处的“乒乓效应”以及切换引入的噪声。16CDMA系统主要技术特点---功率控制•功率控制分为反向功率控制及正向功率控制两种，其中，反向功率控制尤其重要，因为，反向是依靠准正交码区分的，因此，用户之间存在相互间干扰，只有保证到达基站各用户间功率一致（防止远近效应），才能保证用户容量及质量。进行反向功率控制，指在移动台接收并测量基站发来的导频信号，根据导频信号强弱估计正确的传输损耗，并根据这种估计来调节移动台的反向发射功率。接收信号增强就降低其发射功率，接收信号减弱就增强其发射功率。•功率控制的原则是：当信道的传播条件突然改善时，功率控制应作出快速反应（例如几微秒），以防止信号突然增强而对其他用户产生附加干扰，相反，当传播条件突然变坏时，功率调整的速度可以相对慢一些。也就是说，宁愿单个用户的信号质量短时间恶化，也要防止许多用户因为单个用户的信号电平突然变大而增大背景干扰。17•这种功率控制办法简单、直接，不需要在移动台和基站之间交换信息，因而控制速度快并节省开销。对于某些情况，例如车载移动台快速驶入或驶出地形起伏区或高大建筑物遮蔽区而引的信号强度变化是十分有效的，但是对于信号因多径传播而引起的瑞利衰落变化则效果不好。因为前向传输和反向传输使用的频率不同，通常两个频率的间隔大大超过信息的相干带宽，因而不能认为移动台在前向信道上测得的衰落特性，就等于反向信道上的衰落特性。为了解决这个问题，可以由基站检测来自移动台的信号强度，并根据测得的结果，形成功率调整指令，通知移动台，使移动台根据此调整指令来调节其发射功率。实现这种办法的条件是传输调整指令的速度要快，处理和执行调整指令的速度也要快。一般情况下，这种调整指令每毫秒发送一次就可以了CDMA系统主要技术特点---功率控制18CDMA概念CDMA以一个窄带信号开始，采用扩频技术扩展到1.2288MHz的宽带信号接收时，从宽带信号中恢复信号CDMA系统干扰主要来自相邻小区和同小区其他用户基带数据前向纠错与交织正交扩频与调制Rake接收机与解调解码与解交织基带数据9.6kbps9.6kbps19.2ksps19.2ksps1.2288Mcps1.2288Mcps10kHzBW1.25MHzBW10kHzBW1.25MHzBW引入噪声背景噪声杂散信号相邻小区干扰同一小区其它用户干扰19CDMA几个常见术语比特(bit)、符号(Symbol)与码片(Chip)信息数据单位称为比特（bit）经过卷积编码器、交织与符号重复后的数据被称为符号(symbol)经过最终扩频后得到的数据被称为码片(chip)处理增益(ProcessingGain)最终速率与信息速率的比在IS-95中处理增益为1.2288M/9.6k=128，即21dBBuildingaCDMASignalBitsfromUser’sVocoderSymbolsChipsForwardErrorCorrectionCodingandSpreading20CDMA中应用的分集技术时间分集采用符号交织，检错纠错编码等方法。频率分集将能量扩展到宽带中实现。IS-95将信号扩展到整个1.25M上。空间分集在基站采用双接收天线。在手机和基站采用RAKE接收，合并不同传输延时的信号软切换的时候，移动台和多个基站同时联系，从中选出最好的帧送给交换机21Walsh码概念W2n=WnWnWnWnW1=0W2=0001W4=0000010100110110完全正交：互相关系数为0其用途：前向信道中用于扩频和码分信道反向信道中用于64阶正交调制，每6个码符号作为一个调制