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1、1 第八章码分多址 CDMA 移动通信系统 一 2 主要内容 概述CDMA蜂窝通信系统的通信容量IS 95CDMA蜂窝系统的无线传输IS 95CDMA蜂窝系统的控制功能 3 概述 CDMA蜂窝系统的提出由于移动通信的迅速发展 在20世纪80年代中期 不少国家都在探索蜂窝网通信系统如何从模拟蜂窝系统向数字蜂窝系统转变的办法美国蜂窝通信工业协会 CTIA 于1988年9月发表了 用户的性能要求 UPR 文件 制订了对下一代蜂窝网的技术要求 这些要求包括 系统的容量至少是AMPS的10倍 通信质量等于或优于现有的AMPS系统 易于过渡并和现有的模拟蜂窝系统兼用 具有保密性 有先进的特征 较低的成本
2、使用开放的网络结构 CONA 4 概述 续 IS 54标准 D AMPS TDMA系统 虽是按上述要求制定的 考虑到实现技术的困难 需要分阶段达到CTIA提出的要求 即当前为全速率传输 每个载波包含3个信道 即TDMA一帧包含3个时隙 以后发展为半速率传输 每个载波包含6个信道 该标准即使到半速率工作阶段 其容量仍达不到CTIA的要求 IS 95标准 美国Qualcomm公司开发的窄带CDMA蜂窝系统 能全面地满足CTIA提出的要求 因此很快形成标准 并形成了全球性的CDMA热 5 概述 续 CDMA蜂窝系统的发展在大量蜂窝移动通信工业部门的支持下 美国圣地亚哥Qualcomm公司设计 开发并
3、试验了CDMA蜂窝网 于1991年12月作了现场试验并取得了一致好评 当时有5个基站 70个移动台参加组网的试验1991年12月5日 现场试验报告证明 CDMA理论上分析的优越性 在实际通信条件下是存在的 并且实际测试数据证明其系统容量和性能相对于模拟系统改善了许多 CDMA蜂窝网的关键技术已基本过关 可向实用化方向发展 CDMA双模式公共空中接口方案是可行的 基站和移动台的专用集成电路是可靠的 便于向工业化方向发展 1992年3月 申请领到了美国联邦通信委员会 FCC 将CDMA用于PCS 1 8GHz 的技术实验许可证 6 概述 续 1992年5 10月 建立了德国 瑞士 芝加哥 华盛顿的
4、PCS实验网 1992年12月 由国际上18个大公司参加 进行了工业生产验证1993年1月 收到了3万台移动用户订单 1993年3月 制定了CDMA公共空中接口标准 IS 95 同年7月美国电信工业协会 TIA 投票通过IS 95标准 并于7月17日正式公布 从1993年开始 根据这些标准 世界上许多著名电信公司生产了CDMA系统的设备 1993年4月 韩国邮电部正式决定采用CDMA蜂窝移动通信 购买了Q CDMA的生产许可证 7 概述 续 我国93年国家863计划已开展CDMA蜂窝技术研究 94年Qualcomm首先在天津建技术试验网 1998年具有14万容量的长城CDMA商用试验网在北京
5、广州 上海 西安建成 并开始小部份商用 2001年底前中国联通完成一期工程 容量为1515万用户2002年初正式对外放号 由此可见 CDMA蜂窝网通信系统在20世纪90年代得到了迅猛的发展 并且已经进入实用化 商业化 不难预计 CDMA通信系统未来的发展规模和速度必将越来越大 越来越快 8 概述 续 IS 95 双模宽带扩频蜂窝系统的移动台 基站兼容标准 双模 体现数字蜂窝网和原有模拟蜂窝网的兼用问题 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 或者说 双模式移动台无论在模拟蜂窝系统中或在某一种数字蜂窝系统中 均能向其它用户发起呼叫和接收呼叫 两种蜂窝系统也能向双模式移动台发
6、起呼叫和接收呼叫 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 目前 在美国存在两种双模式移动台 一种是时分多址 TDMA 数字系统和模拟调频系统 AMPS 的兼用 其标准为IS 54 其系统简称为D AMPS 另一种是码分多址 CDMA 数字系统和模拟调频系统的兼用 其主要标准是IS 95 移动台 基站兼容标准 标准涉及的内容是关于蜂窝系统的 公共空中接口 CAI 问题CDMA与TDMA蜂窝系统的运行环境 业务要求和控制功能基本上都是相同的 因此它们的网络结构形式也是大同小异的 CDMA与TDMA蜂窝系统的重要差异在于无线信道的构成无线接口和无线设备控制功能 9 扩频原理的回顾
7、码分多址是以扩频技术为基础的所谓扩频是把信息的频谱扩展到宽带中进行传输的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 简称直扩 直扩系统原理 10 扩频原理的回顾 续 发送端 扩频信号的产生包括扩频和调制两个步骤 先用伪随机序列 PN序列 扩展信号的频谱 展宽以后的信号再对载波进行调制 接收端 从收到的扩频信号中恢复出它携带的信息 经过解扩 窄带滤波和解调三个步骤 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 也称相关解扩 使有用宽带信息信号恢复成窄带信号 而把非所需信号扩展成宽带信号窄带滤波 通过窄带滤波技术提取有用的信号 解调 提取的有用信号再经过常规的解调 即可恢复
8、出原始传送信息 11 扩频原理的回顾 续 直接序列扩频系统具有很强的抗干扰能力宽带干扰窄带干扰 12 扩频原理的回顾 续 为什么可以对抗窄带 宽带干扰 干扰信号 当干扰信号进入接收机后 在解扩单元被接收机的伪随机码展宽 从而导致干扰信号功率谱密度的降低 经过窄带滤波器 会被窄带滤波器滤波 因此只有一小部分干扰信号的能量进入接收机 有用信号 由于发送端的扩频码和接收端的解扩码的相关则恢复成扩频前的窄带信号 通过窄带滤波器时有用信号的能量没有损失 因此提高了系统的抗干扰性能 13 码分多址技术的优点 通信容量大 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
9、量 具有 软容量 特征 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 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移动台服务 直到该移动台与新基站之间建立起可靠的通信链路后 原基站才中断它和该移动台的联系 CDMA蜂窝系统的软切换功能既可以保证过区切换的可靠性 防止切换错误时反复要求切换 又可以使通信中的用户不易察觉 采用话音激活技术 CDMA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
10、统的通信容量 以扩频技术为基础 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 频率规划简单 绿色手机 手机发射功率200毫瓦以下 14 CDMA蜂窝通信系统的多址干扰 蜂窝通信系统无论采用何种多址方式 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 内部 干扰 FDMA和TDMA系统 为保证通信质量 要求满足一定的载干比 限制了系统的频率再用距离 也就限制了通信容量CDMA系统 所有用户工作在同一频率上 随着
11、同时工作用户的数目的增加 多址干扰电平越来越大 当增加到一定程度时 载干比将达不到要求多址干扰的实质原因是由于多个用户要求同时通信 而又不能完全将他们彼此隔开而引起的干扰 CDMA系统为一干扰受限系统 即干扰的大小直接影响系统容量 15 CDMA蜂窝通信系统的多址干扰 续 CDMA蜂窝系统的多址干扰分两种情况 基站对移动台产生的正向多址干扰 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移动台所发信号的干扰 移动台对基站产生的反向多址干扰 基站在接收某一移动台的信号时 会受到本小区和邻近小区其他移动台所发信号的干扰 16 CDMA蜂窝通信系统的功率控制 远近效应CDMA蜂窝移
12、动通信系统中 所有的用户使用相同的频带发送信息 如果各移动台以相同的功率发射信号 则信号到达基站时 因为传输路程不同 基站接收到的靠近基站的用户发送的信号比在小区边缘用户发射的信号强度大 因此远端的用户信号被近端的用户信号湮没 这就是所谓的 远近效应 解决的办法功率控制 根据通信距离的不同 实时调整发射机所需的功率 17 功率控制是CDMA技术成功的关键上世纪80年代中期IEEE文章 CDMA用于蜂窝系统不可行 1989 2高通 Qualcomm 造访李建业 CDMA蜂窝系统商用必须解决功率控制 1989 4高通再访李建业 6个月内演示CDMA功控 太平洋电话公司将支付100万美元 1993年
13、高通基于功率控制 软切换等核心专利技术的IS 95标准通过 CDMA蜂窝系统商用 目前 1400多项专利 专利费已成为高通公司的重要经济支柱 CDMA蜂窝通信系统的功率控制 续 18 CDMA蜂窝通信系统的功率控制 续 功率控制 若d2 d1 100 则S1 S2将达近80dB 强抑弱 功率控制的目标 及时调整发射机的功率 使接收端接收的功率始终刚刚够用 多 多的部分是干扰 少 通信质量达不到 19 CDMA蜂窝通信系统的功率控制 续 功率控制是不是只需要在反向链路上进行 反向和正向链路均进行功率控制功率控制的依据实际接受的信号强度只要能保证信号电平与干扰电平的比值达到规定的门限值就可以了反向
14、功率控制 也称上行链路功率控制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 开环功率控制 移动台接收并测量基站发来的信号强度 估计正向传输损耗 依据估计来调整移动台的反向发射功率不需要反馈信息 因此在无线信道突然变化时 它可以快速响应变化 此外 它可以对功率进行较大范围的调整 开环功率控制不够精确闭环功率控制 为了能估算出瑞利衰落信道下的对移动台发射功率的调节量 需要采用闭环功率控制的方法 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弥补开环功控的不足 消除快衰
15、落的影响 实现精确控制 20 CDMA蜂窝通信系统的功率控制 续 正向功率控制 也称下行链路功率控制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 正向功率控制也分开环功控和闭环功控开环功控是基站通过接入程序期所接收的移动台功率 估算出传输损耗来调整各业务信道的起始功率 闭环功控是基站和移动台相配合而动态地改变功率 21 IS 95CDMA蜂窝系统的参数 工作频段824 849MHz 反向 869 894MHz 前向 双工方式FDD 间隔45MHz载波间隔1 25MHz信道速率1 2288kbps接入方式CDMA调制方式 4
16、 QPSK分集RAKE 移动台2 3指 基站3指 接收 天线分集信道编码卷积码 K 9 R 1 3 反向 K 9 R 1 2 前向 话音编码QCELP可变速率编码器数据速率9 6 4 8 2 4 1 2kbps正交扩频 64进制WLASH码PN序列周期 242 1chipsand215 1chips 22 IS 95CDMA蜂窝系统的工作频率 频道编号与工作频率 P282 表8 1频道号1 666 占20MHz 其中1 333属系统A 334 666属系统B 系统A B分别为两个不同的经营部门 各自组成蜂窝网 A和B是基本的频道 此外 又外加5MHz频带作为A系统 A A 和B系统的扩展 B 其频道号分别为667 777和991 1023 基本CDMA频道在数字传输模式工作时 移动台可以按照预定的或要求的网络标志来安排其频率配置 如果移动台预定的或要求的网络标志没有被认出 它就开始向一个频率指配在 基本CDMA频道 上的基站进行捕获和同步 基本CDMA频道号码在系统A是283 在系统B是384 辅助CDMA频道如果基本CDMA频道的频率指配未起作用而没有选出预定的网络标志 移动台要试图
