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1、第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 8.1 概述 8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量 8.3 IS-95CDMA蜂窝系统的无线传输 8.4 IS-95CDMA蜂窝系统的消息格式和信道结构 8.5 IS-95CDMA蜂窝系统的控制功能 8.6 cdma2000空中接口 思考题与习题第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一）第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 8.1 概 述 IS-54 是遵循美国蜂窝电信工业公司CTIA要求制定的，考虑到实现技术存在的困难，IS - 54 需要分阶段达到CTIA提出的标准， 即全速率传输(每载波 3 个信道)和半速率传输(每载波 6
2、 个信道)两个阶段。Qualcomm公司开发的CDMA系统也是遵循上述要求进行的，几次局部的现场测试说明这种 蜂窝系统已能全面满足CTIA提出的标准。其后，有关单位讨论并通过了Qualcomm公司提交的标准文本，形成了TIA/EIA暂行标准IS - 95。第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 从IS - 95 的名称“双模宽带扩频蜂窝系统的移动台-基站兼容标准”来看， 标准涉及的内容是关于蜂窝系统的“公共空中接口”(CAI)问题。 实际上， 无论是上面所说的几种TDMA蜂窝系统， 还是本书所介绍的CDMA蜂窝系统， 其运行环境、 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
3、构形式也是大 同小异的。美国两种双模式移动台：1）TDMA和模拟调频系统兼容的移动台 2）CDMA和模拟调频系统兼容的移动台。第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 8.1.1 码分多址的特征在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的， 而是用各不相同的编码序列来区分的。 换句话说， 是靠信号的不同波形来区分的。 如果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信号中选出其中使用预定码型的信号。第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 在CDMA蜂窝通信系统中， 用户之间的信息传输也是由基站进行转
4、发和控制的。 为了实现双工通信， 正向传输和反向传输可以使用不同的频率， 即通常所 谓的频分双工(FDD)； 也可以使用不同的时帧， 即通常所谓的时分双工(TDD)。CDMA蜂窝通信系统既不分频道也不分时隙。靠不同的码型区分。第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 码分多址蜂窝通信系统的特征如下：(1) 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量。 这个问题将在下面介绍。(2) 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(
5、或者说信干比稍微降低)， 而不会出 现阻塞现象。例，可同时工作的用户数50个，当52个 同时通话时，信干比的差异为10lg（52/50）=0.17dB。 即CDMA具有“软容量”或“软过载”特性。 第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） (3) CDMA蜂窝系统具有“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。第8章 码分多址(CDM
6、A)移动通信系统（一） (4) 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， 以提高系统的通信容量。 这个问题在下面还要介绍。(5) CDMA蜂窝系统以扩频技术为基础， 因而它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。第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 8.1.2 CDMA蜂窝通信系统的多址干扰和功率控制1. 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。对容量起制约
7、作用。因为 TDMA蜂窝系统的共道干扰和CDMA蜂窝系统的多址干扰都影响信干比。第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） CDMA蜂窝系统的多址干扰分两种情况： 一是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； 二是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。 图 8 - 1 是两种多址干扰的示意图。 其中， 图(a) 是基站对移动台产生的正向多址干扰； 图(b) 是移动台对基站产生的反向多址干扰。第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 图 8 - 1 CDMA蜂窝系统的多址干扰第8章 码分多址(C
8、DMA)移动通信系统（一） 近地强信号压制远地弱信号叫“远近效应”。2. CDMA蜂窝通信系统的功率控制CDMA蜂窝系统的“远近效应”是一个非常突出的问题， 它主要发生在反向传输链路上。移动台在小区内的位置是随机分布的，而且是经常变化的，同一部移动台可能有时处于小区边缘，有时靠近基站。 如果移动台的发射机功率按照最大通信距离设计， 则当移动台驶近基站时， 必然会有过量而又有害的功率辐射。要实时调整发射机的功率。在正反链路都进行功率控制。第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） (1) 反向功率控制。 反向功率控制也称上行链路功率控制。 其主要要求是使任一移动台无论处于什么位置上， 其信号
9、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。既可防止远 近效应，又可减少多址干扰。开环方法：MS测量BC发的信号强度，估计正向损耗，调整反向功率。对瑞 利衰落效果不好。闭环方法：BC测强度，1ms发1次功率调整指令，MS据此调节其发射功率。(2) 正向功率控制。 正向功率控制也称下行链路功率控制。 其要求是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。也有开、闭环方法。功率控制是提高容量的关键技术。第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 8.1.3 IS-95 CDMA蜂窝系统的工
10、作频率双模CDMA蜂窝系统使用美国联邦通信委员会(FCC)分配给蜂窝通信系统使用的频段。 移动台向基站的传输频段是 824849 MHz, 基站向移动台的传输频段是 869894 MHz。 允许CDMA蜂窝系统占用的频段如表 8 1（ 略）所示。 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。第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 如果基本CDMA频道的频率指配未起作用而没有选
11、出预定的网络标志，移动台要试图捕获并同步到“辅助CDMA频道”的频率上，其频道号码在系统A是 691， 在系统B是 777。规定的频率容差是： 基站发送的载波频率要保持在指配频率的510-8之内， 移动台发送的载波频率要保持比基站发送的频率低 45 MHz300 Hz。 第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 8.1.4 IS-95 CDMA蜂窝通信系统的时间基准在数字蜂窝通信系统中， 全网必须具有统一的时间标准， 这种统一而精确的时间基准对CDMA蜂窝系统来说尤为重要。CDMA蜂窝系统利用“全球定位系统”(GPS)的时标， GPS的时间和“世界协调时间”(UTC)是同步的， 二者之差
12、是秒的整倍数。第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 各基站都配有GPS接收机， 保持系统中各基站有统一的时间基准，称为CDMA系统的公共时间基准。 移动台通常利用最先到达并用于解调的多径信号分量 建立时间基准。 如果另一条多径分量变成了最先到达并用于解调的多径分量，则移动台的时间基准要跟踪到这个新的多径分量。第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 8.1.5 IS-95 CDMA蜂窝系统的话音编码IS-95 CDMA蜂窝系统开发的声码器采用码激励线性预测(CELP)编码算法， 也称为QCELP算法。 其基本速率是 8 kb/s，但是可随输入话音消息的特征而动态地分为四种，即8
13、, 4, 2, 1 kb/s，可以 9.6, 4.8, 2.4, 1.2 kb/s的信道速率分别传输。发送端的编码器对输入的话音取样，产生编码的话音分组(Packet)传输到接收端。 接收端的解码器把收到的话音分组解码， 再恢复成话音样点。采用变速率的声码器，发收端的MODEM要知道传输的是何速率。第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量 蜂窝通信系统能提高其频谱利用效率的根本原因是利用电波的传播损耗实现了频率再用技术。 只要两个小区之间的距离大到一定程度， 它们就可以使用相同的频道而不产生明显的相互干扰。 首先考虑一般扩频通信系统(即暂不考虑蜂窝
14、网络的特点)的通信容量。 载干比可以表示为(8- 1) 第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） Eb是信息的一比特能量，Rb是信息的比特率，Io是干扰功率的谱密度（干扰功率每赫），W是总频段宽度，Eb/Io类似归一化信噪比Eb/No, W/Rb是扩频因子，即处理增益。第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） n个用户共用一个无线频道， 每一用户的信号都受到其他n-1 个用户的信号干扰。 若到达一接收机的信号强度和各个干扰强度都一样， 则载干比为(8 - 2) (8 - 3) 通常n1, 故C/I1/n， 即 (8 - 4) 第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 假定条件
15、：正向不加功率控制，反向有理想的功率控制。下面对公式逐步修正。第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 1. 话音激活期的影响人类对话的特征是不连续的， 对话的激活期(占空比d)通常只有35%左右。当许多用户共享一个无线频道时，如果利用话音激活技术，使通信中的用户有话音才发射信号，没有话音就停止发射信号， 那么任一用户在话音发生停顿时，所有其他通信中的用户都会因为背景干扰减小而受益。这就是说 ， 话音停顿可以使背景干扰减小 65%，能提高系统容量到 1/0.35=2.86 倍。 FDMA和TDMA两种系统都能利用这种话音特性， 实现信道的动态分配， 以获得不同程度的容量提高。 不过要做到
16、这一点， 二者都必须增加额外的控制开销， 而且 要实现信道的动态分配， 还必然会带来时间延迟， 而CDMA蜂窝系统获得这种好处是非常容易的。第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） (8 - 5) 令话音的占空比为d, 则式(8 - 4)变成 第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） (8- 6) 2. 扇区的作用在CDMA蜂窝系统中， 采用有向天线进行分区能明显地提高系统容量。 比如， 用 120的定向天线把小区分成三个扇区， 可以把背景干扰减小到原值的 1/3, 因而可以提高容量 3倍。 FDMA蜂窝系统和TDMA蜂窝系统利用扇形分区同样可以减小来自共道小区的共道干扰， 从而减小共道再用距离， 以提高系统容量， 但是达不到像CDMA蜂窝系统那样， 分成三个扇区系统容量就会增大 3 倍的效果。G为扇区数。第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统（一） 3. 邻近小区的干扰 (1) 正向传输。 在一个小区内部， 同一基站不断地向所有通信中的移动台发送信号。 任一
