cdma通信原理

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1、第章 CDMA通信原理n4.1 CDMA基本原理n4.2 CDMA蜂窝网的关键技术n4.3 码分系统容量4.1 CDMA基本原理4.1.1 多址技术的基本概念1.目的: 由于移动用户在不断地随机运动，建立它们之间 的通信，首先必须引入区分和识别动态用户地址的多址技 术。2.原理:与固定式通信中的信号复用技术相同，两者实质上 都是属于信号正交划分与设计技术。3.三种多址方式:FDMA, TDMA, CDMA4.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。4.1.2 CDMA系统的正向链路在CDMA移动通信系统中，基站和移动台之间的通 信即空中

2、接口尤为关键，其中基站发往移动台的 信号线路称为正向链路（下行连路或前向链路） 。同理，由移动台发往基站的信号线路，称为反 向链路（上行链路）。为了简要地说明CDMA空中接口的通信原理，我们 仅以3个移动用户为例。图4-2给出了正向链路 组成方框图。4.1.3 CDMA系统的反向链路在码分多址系统中，由移动台发往基站的无线线路，称为反向链路，也称 为上行链路。由图4-10可见，在基站接收天线上信号Z(t)为：图4-10简化的CDMA系统反向链路组成方框图4.2 CDMA蜂窝网的关键技术4.2.1 功率控制CDMA蜂窝移动通信系统中，所有用户使用相同的频带同时 发送信息，如果各移动台以相同功率发

3、射信号，则信号到 达基站时，因为传输路程的不同，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”。通常，路径损耗的总动态范围在80dB范围内功率控制的目的：为了获得高质量和高的容量，所有的信 号不管离基站的远近，到达基站的信号功率都应该相同， 使每个用户到达基站的功率相同。n 开环功控:指的是移动台(或基站)根据的前向( 或 反向)链路接收到的信号功率大小来调整移 动台(或基站)的发射功率。n开环功控建立在上行与下行链路具有一致的信 道衰落情况之上。n闭环功控:一般是指基站(和移动台)根据前向( 或反向

4、)链路上接收到的移动台(或基站)信号， 来产生功率控制指令，然后通过前向(或反向) 链路传送给移动台(或基站)，移动台(或基站) 根据功率控制指令来调整发射功率。n对于频分双工模式CDMA系统面言，其上行链路 与下行链路相应的频率间隔为45Mh，远大于信 道的带宽，上行链路与下行链路的衰落是不相 关的，采用开环功控难以达到所要求的控制精 度：n通常认为，在频分双工模式的系统中，开环功 控的作用是调整移动台初始接人时的发射功率 ，同时对弥补由于路径损耗而造成衰减的慢变 化起到一定的作用。为了提高功率控制精度， 克服较为快速的瑞利衰落，必须采用闭环功控 。1.反向功控是分布式功控，控制各MS的发射

5、功率，使得基站到 移动台的功率信号基本相当，Pa=Pb=Pc 优：各用户间干扰小，克服远近效应。容量大，干扰小。 (1)反向开环功率控制 反向链路开环功率控制是移动台的基本功能。动态范围：85dB响应时间短：几US存在问题：一开始大功率，不必要的干扰增加。解决方法：接入尝试n优：简单易行控制速度快节省开销对付慢衰弱有效n缺：多径效应 (2)反向闭环功率控制n 解决多径，是由基站协助移动台，n动态范围：48dBn反向链路闭环功率控制包括两部分内 环功率控制和外环功率控制。反向外环功率控制的过程为：基站通过测量误帧 率 并定时地根据目标误帧率来调节设置点cI，来 维持恒定的目标误帧率。反向外环功率

6、控制是为了 适应无线信道的衰耗变化动态调整反向闭环功控 中的信噪比门限。反向内环功率控制的过程为：基站测量接收到的信 号cI将该值与设置点相比较，通过发送功率控 制命令来增大或减小功率，以便接收到的信号cI 接近于设置点。2. 正向功控正向功控是调整基站向移动台发射的功率，是集中 式功率控制。其目的是对路径哀落小的移动台分配相对较小的前 向发射功率，而对那些较远的和解调信噪比较低的 移动台分配较大的前向发射功率，基站通过移动台 对前向解调误帧率的反馈报告来决定针对该移动台 的前向链路功率的增大或减小。适应于：n 基站采用同步CDMA，且选用完全正交扩 频码，理想情况下，基站发射给每个移动 台的

7、扩频信号完全正交，则移动台间的干 扰就不存在。n 多小区正向功率控制方法与反向功率控制相类似也 是由开环功控和闭环功控两部分组成。正向功率控制与反向功率控制区别：n 一对多， 多对一n 正向有导频信号。n 调整阶距：n 速率4.2.2 信道衰落与分集接收分集接收技术用于减少衰落的影响，其作用是在不增 加发射机功率或信道带宽的情况下提高系统的可靠性 。分集原理： 一分散传输二集中处理n分集的类型n(1)宏分集: 宏分集用于减少由于阴影效应而引 起的大范围衰落，宏分集也称为“多基站”分 集。n(2)微分集: 微分集在同一地点使用两个或多个 天线，是一种减小快衰落影响的分集技术。微 分集又可分为下列

8、7种： 空间分集, 频率 分集,极化分集,场分量分集, 角度分集, 时间分集, 路径分集n(3) 隐分集: 隐分集主要指把分集作用隐蔽于 传输信号之中。(1) 空间分集。 空间分集的依据在于快衰落的空间独立性， 即在任意两个不同的位置上接收同一个信号， 只 要两个位置的距离大到一定程度， 则两处所收信 号的衰落是不相关的。空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d 的天线， 间隔距离d与工作波长、 地物及天线高度有关 ， 在移动信道中， 通常取：市区 d=0.5 郊区 d=0.8 (2) 频率分集。 由于频率间隔大于相关 带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为 是不相关的， 因此可以用两个以上不 同

9、的频率传输同一信息， 以实现频率 分集。 根据相关带宽的定义， 即(3) 极化分集。 由于两个不同极化的电 磁波具有独立的衰落特性， 因而发送 端和接收端可以用两个位置很近但为不 同极化的天线分别发送和接收信号， 以获得分集效果。 (4) 场分量分集。 由电磁场理论可知， 电磁波的E场和H场载有相同的消息， 而反射机理是不同的。适合低频段。 (5) 角度分集。 角度分集的作法是使电 波通过几个不同路径， 并以不同角度 到达接收端， 而接收端利用多个方向 性尖锐的接收天线能分离出不同方向来 的信号分量；适合较高频段n (6) 时间分集。 快衰落除了具有空间和频率 独立性之外， 还具有时间独立性，

10、 即同一信 号在不同的时间区间多次重发， 只要各次发 送的时间间隔足够大适合运动的移动台，n(7) 路径分集Rake接收机组成：相关器、合并 器原理：过程：相关器估算出各路信号的 强度和伪码相位，找出最强的信号， 使本地码的三个发生器的输出码相位 和对应的信号的伪码同步。经解扩合 并后译码。好处：n结论： Rake接收把多径变害为利 。n相关器多，增益好，但设备复杂度高 。nIS-95 基站4个相关器n 移动台3个相关器n（3）隐分集2. 基本的合并方法 （） 选择式合并:选择式合并又称为开关式相加 。以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为

11、合并器的 输出。输出。 由上式可见，由上式可见， 在选择式合并器中，在选择式合并器中， 加权系数只有一加权系数只有一 项为项为1 1， 其余均为其余均为0 0。 图4-16选择式合并原理图(2) 等增益合并:等增益合并是各支路的信号等增益相加(3) 最大比值合并:在接收端由M个分集电路，经过相位调整 后，按照适当的增益系数，同相相加，再送入检测器进行检 测。 图4-17给出三种合并方式平均信噪比的改善程度。4.2.3 正交调制和正交扩频由于CDMA移动通信系统采用了扩频技术，信道的传输 速率达1.2288Mb/s，因此必须采用高效的调制方法， 以提高频谱使用效率。QPSK调制，oQPSK调制采

12、用PN序列进行正交扩频，使信号特性接近白噪声特 性，从而能改善系统的信噪比。正交调制提高了频率 利用率。4.2.4 编码技术数字化通信必须使用编码技术，包括信源编码和信道编码。语音编码 包括波形编码、参数编码（声码器）和波形与参数的混合编码。1波形编码 波形编码是传统的语音编码方式，它以精确再现原来语音 的波形为目的，并以波形的保真度即自然度为其质量的主 要度量指标。 2参数编码 参数编码利用人的发声机制，仅传送反映话音波形产生的 主要变化参量，在接收端根据发声机制，由传送来的变化 参量人工合成话音。它的主要度量指标在于可懂度。 3混合编码 混合编码吸取了波形编码和参数编码两者的优点，以参量

13、编码为基础并附加一定的波形编码的特征，实现在可懂度 的基础上适当地改善自然度的目的。n3可变速率声码器n语音激活技术可提高容量约3倍n激活系数为0.30.44.2.5 扇区划分技术扇区划分技术是位于蜂窝小区中心的基站利用天线的定向特 性把蜂窝小区分成不同的扇面如图4-20所示。图4-20三种主要的无线区图形自适应天线组成方框图如图4-21所示，其组成部分是在空间 按一定规则排列的一组天线（天线阵）、方向图形成网络和 自适应处理器。自适应阵的基本思想是依据相应的优化算法，调整权矢量W ，从而使天线阵的性能达到最优。这里选择一个环形排列的 8元阵为例，如图4-22所示，实现天线阵波束的自适应生成

14、。图4-21 自适应天线组成方框图图4-22自适应天线阵列4.2.6 越区切换1 更软切换 移动台由同一基站的一个扇区进入另一个具有同一载频的 扇区时发生的过境切换。基站的RAKE接收机将来自两个扇 区分集式天线的话音帧中最好的帧合并为一个业务帧，更 软切换由基站控制完成。小区内切换图4-23更软切换2.软切换 移动台从一个小区进入相同载频的另外一个小区时采 用的过境切换。此时移动台与不同小区或三个扇区保 持通信（如图4-24（a）、（b）所示）。软切换由移 动交换中心（MSC）控制完成。图4-24（c）所示是两 基站之间软切换的原理。n软切换的实现n1. 导频分类n在CDMA系统中，为实现系

15、统捕获，系统采用了 导频信道。导频信道可以通过引导PN序列偏移 和频率分配来识别。移动台将能够接受的导频 信号分为4类，以便于实现软切换操作。n1) 有效导频集。n2) 候选导频集。n3) 邻近导频集。n4) 剩余导频集。3. 切换参数4. 切换过程 当移动台进入某一基站服务区，然后又离开该基站时，移动台收到该基站的导 频强度先由弱变强，接着又由强变弱，因而该导频信号可能由邻近导频集和候 选导频集进入有效导频集，然后又返回邻近导频集，见图8-2。图8-2切换门限举例3. 软/更软切换 软/更软切换的原理如图4-25所示。 4.硬切换 移动台穿越工作于不同载频的小区时发生的过境切换，即移动 台先

16、中断与原基站的联系，再与新基站取得联系。图4-25软/更软切换4.3 码分系统容量4.3.1 CDMA蜂窝通信系统的容量蜂窝系统采用频率再用技术，使用相同频率的小区称为共道 小区，共道小区之间存在的干扰称为共道干扰。对于模拟频分和数字时分系统来说，系统容量的计算比较简 单。当蜂窝系统的总频道数M=W/B（W是无线频率带宽，B为信 道间隔）和区群小区数m（小区频率复用数）确定后，每一小 区的可用信道数，即模拟频分和数字时分蜂窝网移动通信系 统容量的一般公式为： 码分系统的容量 首先考虑一般扩频通信系统(即暂不考虑蜂 窝网络的特点)的通信容量。 载干比可以 表示为n 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) n 通常n1, 故 C/I1/n