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1、CDMA 通 信 原 理,第一节 CDMA基本原理,CDMA是利用码序列正交性或准正交区分不同用户，它是在同频、同时条件下。各个接收机根据信号码型之间的差异分离出需要的信号。 一、CDMA通信的基本原理 CDMA通信与传统的通信系统相比较，发端多了扩频调制，收端多了扩频解调。,发送端：将待传的话音通过A/D转换将模拟语音转变成二进制数据信息，通过高速率的伪随机扩频调制，从原理上讲，两者相乘，扩展到一个很宽的频带，因而在信道中传输信号的带宽远远大于信息带宽。,接收端：接收机接收到有用信号、各种干扰和噪声。本地伪码与有用扩频信号中伪码一致，通过相关运算还原成原始窄带信号，顺利通过窄带滤波器，恢复语
2、音数据。而接收到的干扰和噪声，由于和本地伪随机序列不相关，经过接收解扩，将干扰和噪声频谱大大扩展，频谱功率密度大大下降，落入窄带滤波器的干扰和噪声分量大大下降，因此在窄带滤波器输出端的信噪比(或信干比)得到了极大改善。,二、CDMA系统下行链路 下行链路（基站 移动台）组成 为了简明说明CDMA通信原理，现仅以3个移动用户为例，下图示出了下行链路组成方框图。,c2(t),y2(t),发往用户B,c1(t),y1(t),发往用户A,c3(t),y3(t),发往用户C,b2(t),b1(t),b3(t),z1,y (t),y (t),移动台A,b1(t),z2,y (t),移动台B,b2(t),z
3、3,y (t),移动台C,b3(t),输入,扩频,合路,射频 调制,解扩,比特 检测,射频 解调,输出,简化的CDMA系统下行链路组成方框图,基站发射合路信号 为了说明基站发射信号原理，假定伪码c1(t)、c2(t)、c3(t)是起始位不同的15位m序列，码片宽度为Tc，信息码元宽度为Tb，且Tb/Tc=6。,“0”,“1”,“1”,“1”,“0”,“0”,“0”,Tb,Tc,1,-1,0,1,-1,0,1,-1,0,b1(t),c1(t),y1(t),时间0,y1(t) b1(t) c1(t) 波形,“1”,“1”,“1”,“1”,“0”,“1”,“0”,Tb,Tc,1,-1,0,1,-1,
4、0,1,-1,0,b2(t),c2(t),y2(t),时间0,图38 y2(t) b2(t) c2(t) 波形,“0”,“1”,“1”,“1”,“1”,“0”,“1”,Tb,Tc,1,-1,0,1,-1,0,1,-1,0,b3(t),c3(t),y3(t),时间0,图39 y3(t) b3(t) c3(t) 波形,1,-1,0,y(t),时间0,3,2,-2,-3,图39 y (t)= y1(t) +y2(t) +y3(t)的波形,移动台接收信号 由于移动台A、B和C处于不同地方，因此基站发送的合路信号到达不同移动台的传输损耗Ai和传输时间ti都不同。对于某一个移动台i而言，其接收机输入端是z
5、i(t)，即,1,-1,0,y(t),3,2,-2,-3,1,-1,0,c1(t),1,-1,0,y(t) c1(t),3,2,-2,-3,1,-1,0,y(t),3,2,-2,-3,1,-1,0,c2(t),1,-1,0,y(t) c2(t),3,2,-2,-3,1,-1,0,y(t),3,2,-2,-3,1,-1,0,c3(t),1,-1,0,y(t) c3(t),3,2,-2,-3,三、CDMA上行链路 在码分多址通信系统中，由移动台发往基站的无线线路称为上行链路，即反向链路。上行链路发方是各自独立的移动台，基站接收各个移动台的信号。与下行链路相类似，发端仍采用直接序列扩频和射频调制。收
6、方进行解调、解扩，积分判决，输出数据，在解调和解扩中必须由载频同步和时间同步作保证。,c2(t),y2(t),移动台B,c1(t),y1(t),移动台A,c3(t),y3(t),移动台C,b2(t),b1(t),b3(t),b1(t),b2(t),b3(t),输入,扩频,射频调制,解扩,比特 检测,射频 解调,输出,第二节 CDMA蜂窝网的关键技术,用户的移动性要求进行自动功率控制； 移动信道中的衰落需采用分集接收技术； 提高频带利用率而采用正交扩频调制； 低速话音编码、软切换、直扩等。,一、自动功率控制 在CDMA系统中，为了解决远近效应问题，同时避免对其它用户过大的干扰，必须采取严格的功率
7、控制，包括反向链路开环功率控制和闭环功率控制，还有正向链路的功率控制。,远近效应 远近效应指当基站同时接收两个距离不同的移动台发来的信号时，由于两个移动台频率相同，则距离基站近的（设距离为d1）移动台MS1将对另一移动台MS2（设距离基站为d2，d2d1）信号产生严重干扰。 而CDMA是一个自干扰系统，很多用户共同使用同一频率，所以“远近效应”问题更加突出。,在移动通信网络中，这种远近效应普遍存在，甚至会影响网络的容量。所以必须采用功率控制，其目的：使每个用户到达基站的功率相同。 从通信的正、反向链路分为：反向功率控制和正向功率控制； 从实现功控方式分为：集中式功率控制和分布式功率控制； 从功
8、率控制环路类型分为：开环功控和闭环功控（外环功控与内环功控）。,反向链路的功率控制 反向链路功率控制属于分布式功控，用来控制各移动台的发射功率大小，使基站接收到的所有移动台的信号功率或信干比基本相等。 使各用户之间相互干扰最小，达到克服“远近效应”的目的； 使系统容量达到最大（CDMA为干扰受限系统，干扰小，容量就大）； 使移动台发射功率最合理，以节省能量，延长电池使用寿命。,(1)反向开环功率控制 反向开环功率控制是移动台的基本功能。 前提条件：假设正向和反向传输损耗相同。 过程： 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； 以此估计，移动台自行调整其发射功率。 结果：每个移动
9、台使用同样的过程，使所有到达基站的功率相等。 范围：约85dB的动态范围，其响应时间也很短，只有几微秒的时间。,保障：为了防止移动台一开始就使用很大的功率，增加不必要的干扰，又要保证通信质量，移动台在接入状态开始向基站发送信息时，先使用“接入尝试”程序。它实质上是一个功率逐步增大的过程。 优点：简单易行，不需要在移动台和基站之间交换控制信息，因而不仅控制速度快而且节省开销。 效果：对付慢衰落是比较有效的， 缺点：对于信号因多径效应而引起的瑞利衰落，效果不佳。由于CDMA系统的收发频率相差45MHz，已远远超过信道的相干带宽，因而正向或反向无线短路的多径衰落是被此独立的（不相干）。不能认为移动台
10、在正向信道上测得的衰落特性，就等于反向信道上的衰落特性。一般采用闭环功率控制方法。,（2）反向闭环功率控制 目的：克服不相关的瑞利衰落效应影响移动台信号在基站的接收效果。 过程：由基站检测来自移动台的信号强度或信噪比，根据测得结果与预定的标准值相比较，形成功率调整指令，通知移动台调整其发射功率，调整阶距为1dB。 范围：总共有48dB的动态范围。一般间隔1.25ms。,反向功率控制效果图,功率控制系统有许多可调整的参数： 开环功率控制参数主要应用于根据不同小区规模和有效辐射功率进行调整； 闭环功率控制的主要参数包括功率控制步长和动态范围。 反向链路闭环功率控制包括两部分： 内环功率控制，是保持
11、移动台尽可能地接近它的预定的信号强度或信噪比的标准值： 外环功率控制，为一个给定的移动台调整基站预定信号强度或信噪比的标准值，简称标称功率。,正向功率控制 正向功率控制属于集中式功控，是调整基站向移动台发射的功率。使移动台无论处于蜂窝小区中的任何位置，收到基站发来的信号电平都恰好达到信干比所要求的门限值。 可以避免向距离近的移动台发射过大的信号功率； 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串增大或通信质量下降的现象。,理想情况：如果基站采用同步CDMA，且选用完全正交扩频码，基站发射结每个移动台的扩频信号完全正交，则移动台间的干扰就不存在。因此在单小区同步码分时
12、，可不考虑正向功控。 实际中：时变多径衰落的存在使得理想同步达不到。 所以在多小区情况下，正向功率控制是必要的。但是其作用远不如反向功控。,正向功控在实现和性能上与反向功控有很大的区别。这些区别主要包括下面三个因素： 正向为一点对多点，面反向为多点对一点，即正向为集中式功率控制而反向为分布式功率控制； 正向使用共同的导频信号，同步和相关控制容易实现而反向则不同； 正向功率的调整阶距较小，通常为0.5dB，调整的动态范围限制在标称功率的6dB之内。,正向功率控制方法也是由开环功控和闭环功控两部分组成。 在开环功率控制过程中，基站利用接入程序期所接收的移动台的功率估算出正向链路的传输损耗，并调节各
13、业务信道的起始功率； 在闭环功率控制过程中，基站与移动台结合进行动态功率控制。由移动台检测基站发来信号的强度，并不断地比较信干比。如果小于预定的门限值，移动台就向基站发出增加功率的请求。基站收到调整功率的请求后，按0.5dB的调整阶距改变相应的发射功率。最大的调整范围为 6dB。,二、信号衰落 移动信道的特征 传播的开放性：一切无线信道都基于电磁场在空间传播来实现信息传输的。 接收点地理环境的复杂性和多样性：有高楼林立的城市繁华区、有一般建筑物的小城镇、有以山丘、湖泊、平原为主的远郊乡村等。 移动用户的随机移动性：慢速步行时的通信、高速车载时的不间断通信。 以上特点说明了移动信道属于典型的随参信道。,移动信道下电磁波传播的特点 直射波：指在视距覆盖区内无遮挡的传播，其传播的信号最强。 多径反射波：指从不同建筑物或其他物体反射后到达接收点的传播信号，其信号强度次之。 绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射到达接收点的传播信号，其强度与反射波相当。 散射波：由空气中离子受激后二次发射所引起的慢反射后到达接收点的传播信号，其强度最弱。,三类不同损耗和三种效应 上述移动信道的特点及其传播上的特点，对接收点的信号将会产生三种效应和三类不同损耗。 阴影效应：由大型建筑物和其他物体的阻挡而形成在传播接收区域上的半盲区。 远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站
