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1、在线教务辅导网：http:/,教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网,QQ:349134187 或者直接输入下面地址：,http:/,第2章 CDMA基本原理,2.1 CDMA通信系统 2.2 CDMA的体系结构 2.3 扩频通信技术 2.4 可变速率声码器 小结,学习提示 本章主要介绍CDMA有关的基础知识，例如：CDMA通信系统、CDMA体系结构以及CDMA扩频通信原理及关键技术等。,学习目的和要求 掌握无线通信基础知识。 掌握CDMA扩频通信原理及关键技术。 掌握码在CDMA系统中的应用。 理解CDMA信道分类以及各信道功能。 掌握CDMA关键技术原理。,码分多址(Code Divi
2、sion Multiple Access，CDMA)技术是数字移动通信的一种接入方式，是一种以扩频技术为基础的调制和多址接入技术，并且早在20世纪40年代就有过商用的尝试。经过近五十年的努力，克服了一个又一个的关键技术问题，1995年由美国Qualcomm公司开发的CDMA蜂窝体制被采纳为北美数字蜂窝标准，定名为IS-95。特别是在第三代移动通信中，它已成为一种最主要的多址接入方式。,2.1 CDMA通信系统,1. CDMA基本原理 CDMA系统是基于码分技术(扩频技术)和多址技术的通信系统。在CDMA系统中，每个用户被分配各自特定的地址码。地址码之间具有相互准正交性，从而在时间、空间和频率上
3、都可以重叠。将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的伪随机码进行调制，使原有的数据信号的带宽被扩展，接收端进行相反的过程，进行解扩。因此CDMA系统能够使多个用户在同一时间、同一载频以不同的码序列实现多路通信。CDMA系统属于自干扰系统。,图2-1 CDMA原理图,2. CDMA系统的主要优点 与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。 CDMA系统的主要特点如下： (1) 系统容量大； (2) 软容量； (3) 移动台辅助软切换； (4) 通话质量更佳； (5) 频率规划简单；
4、 (6) 绿色手机； (7) 建网成本低。,移动通信的最大特点就是移动台在服务区内任意地点移动时都能进行收发信息。为了实现移动用户与市话用户之间或移动用户与移动用户之间的通信，移动通信网必须具有交换控制功能。,2.2 CDMA的体系结构,2.2.1 移动通信网络的结构 移动通信系统主要由基站(Base Station，BS)、移动台(Mobile Station，MS)、移动业务交换中心(Mobile Telephone Switching Center or Mobile Services Switching Center，MSC)以及传输线四个部分组成，如图2-2所示。,图2-2 移动通信
5、网络结构图,基站是以多信道共用方式在移动通信中提供通信服务的关键设备，其中主要由收发信道盘等组成。 移动台有手提式、车载式、便携式三种。所以说移动台不单指手机，手机只是一种便携式的移动台。 移动业务交换中心除具有一般市话交换机的功能之外，还有移动业务所需处理的越区切换、漫游等处理功能。 传输线部分主要指连接各设备之间的中继线。目前MSC到BS之间的传输主要采用小微波及光缆等方式。,2.2.2 CDMA网络参考模型 CDMA系统的网络结构与一般数字蜂窝移动通信系统的网络结构基本相同，差别主要在于无线信道的构成、相关的无线接口和无线设备、特殊的控制功能等。CDMA网络主要由基站收/发信机(BS)、
6、基站控制器(BSC)、移动交换中心(MSC)、操作管理中心(OMC)等组成，如图2-3所示。,图2-3 CDMA数字蜂窝移动通信系统的网络结构,2.2.3 CDMA网络的功能模块 从图2-3可见，CDMA系统由三大部分组成：网络子系统(MSS)、基站子系统(BSS)和移动台子系统(MS)。 1. 网络子系统 网络子系统处于市话网与基站控制器之间，它主要由移动交换中心(MSC)，或称为移动电话交换局(MTSO)组成。此外，还有本地用户位置寄存器(HLR)、访问用户位置寄存器(VLR)、操作管理中心(OMC)以及鉴权中心(图中未画)等设备。,图2-4是移动交换中心(MSC)的模块结构。MSC完成B
7、SC与公众市话网或综合业务数字网之间的联系。移动交换中心(MSC)是蜂窝通信网络的核心，其主要功能是对位于本MSC控制区域内的移动用户进行通信控制和管理。移动交换中心的功能还有：信道的管理和分配、呼叫的处理和控制、过区切换与漫游的控制、用户位置信息的登记与管理、用户号码和移动设备号码的登记与管理、服务类型的控制、对用户实施鉴权，为系统连接别的MSC和为其它公用通信网络，如公用交换电信网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)，提供链路接口。,图2-4 移动交换中心(MSC)结构,2. 基站子系统 基站子系统(BSS)包括基站控制器(BSC)和基站收发设备(BTS)。 BSC的结构如图2-5所示
8、。它起着连接BS和移动交换中心的作用。基站控制器的主要功能有：提供多个BS的接口并进行控制，提供移动交换中心的接口，完成语音编码，进行业务信道的信令控制，完成呼叫处理功能，实现剩余纠错和双重控制并进行小区的软越区切换。,图2-5 基站控制器结构简化图,BTS是用户在其无线区域内通信所需的实际装置。对于无线发射、接收，低噪声放大器、功率放大器、信号合成器/分配器以及变频器都由基站控制器(BSC)控制。服务于某个小区的无线收发信息设备完成BSC与无线信道之间的转换，实现BTS与移动终端之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。,3. 移动台子系统 移动台是CDMA移动通信系统用户所使用的一种物理
9、装置。它由射频(RF)子系统、中频(IF)子系统及基带(DB)子系统组成，提供用户通往网络系统的无线通道。MS有两种类型：一是便携式MS，另一种是移动装配的MS。话音通信只需要移动终端功能。其它服务需要额外的功能，例如终端设备、终端适配器及组合装置。,IS-95标准规定的双模式移动台，必须与原有的模拟蜂窝系统(AMPS)兼用，以便使 CDMA系统的移动台也能用于所有的现有蜂窝系统的覆盖区，从而有利于发展CDMA蜂窝系统。这一点非常有价值，也利于从模拟蜂窝平滑地过渡到数字蜂窝网。,CDMA双模式移动台的结构图如图2-6所示。它具备以下功能： (1) 可用于模拟AMPS和数字CDMA两种方式。 (
10、2) 具有呼叫处理功能；能完成语音编码、交织编码、信道编码，具有检测功能，可实现功率控制功能。 (3) 可进行射频与中频信号转换等。,图2-6 CDMA双模移动台的结构图,2.2.4 CDMA2000的网络结构 CDMA2000系统是在窄带CDMA移动通信系统的基础上发展起来的。CDMA2000系统分为两类：一类是CDMA2000 1x，另一类是CDMA2000 3x。目前CDMA2000 1x设备已投入运营，因CDMA2000 1x系统与CDMA2000 3x系统相似，所以，这里就介绍CDMA2000技术，而不分成CDMA2000 1x与CDMA2000 3x来介绍。CDMA2000 1x的
11、网络结构如图2-7所示。 CDMA2000 1x的网络分成两大部分：基站子系统和核心网。,图2-7 CDMA2000 1x的网络结构,1. 基站子系统 基站子系统包含基站控制器(BSC)和基站(BTS)。 BSC的主要功能为： (1) 提供寻呼、系统信息广播、切换、功率控制等基本的业务功能。 (2) 电路域数据业务和分组域数据业务的承载。 (3) 动态信道分配等信道分配的管理。 (4) 移动台准予接入、小区“呼吸”功能、切换、软容量等的控制管理。 (5) 提供手持终端和遥控网管两种方式的配置、维护、告警和性能统计等操作维护管理功能。,BTS的主要功能为： (1) 扩频、调制和信道编码。 (2)
12、 解扩、解调和信道解码。 (3) 射频信号处理。 (4) 基带信号和射频信号的相互转换功能。 (5) 接收基站控制器BSC传输来的信号并加以处理。,2. 核心网 核心网分成电路域核心网和分组域核心网。 电路域核心网包含移动交换中心(MSC)、访问位置寄存器(VLR)、归属位置寄存器(HLR)和鉴权中心。这部分的功能与第二代移动通信系统中的基本相同。但在归属位置寄存器中，增加了与分组业务有关的用户信息。 分组域核心网包括分组控制节点PCF，分组数据服务节点PDSN，归属代理HA和认证、授权、计费服务器AAA。各设备的主要功能如下：,(1) 分组控制节点：管理与分组业务有关的无线资源，管理与基站子
13、系统的通信，以便传送来自或送给移动台的数据；负责建立、保持和终止至分组数据服务节点PDSN的连接，实现与分组数据服务节点PDSN的通信。 (2) 分组数据服务节点：负责为移动台建立和终止分组数据业务的连接，为简单的IP用户终端分配一个动态的IP地址，与认证服务器配合向分组数据用户提供认证服务，以确认用户的身份与权限。 (3) 归属代理：主要负责鉴别来自移动台的移动IP注册，动态分配归属IP地址。,(4) 认证、授权、计费服务器：负责移动台使用分组数据业务的认证、授权和计费。,扩展频谱通信技术(扩频通信)是一种信息传输方式，也是码分多址的基础。扩频通信近年发展的非常迅速，它与卫星通信、光纤通信，
14、一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信不仅在军事领域中发挥了不可取代的优势，而且广泛渗透到了社会的各个领域，如遥测、监控、导航和报警等。,2.3 扩频通信技术,1. 定义 所谓扩频通信(Spread Spectrum，SS)，是把需要传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端由使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号即解扩，以此实现信息通信。,这一定义包含了以下三方面的含义： (1) 信号的频谱被展宽了。 (2) 采用扩频码序列调制的方
15、式来展宽信号频谱。 (3) 在接收端用相关解调来解扩。 应该指出的是，CDMA只能由扩频技术来实现，而扩频通信并不意味着CDMA。,2. 扩频通信的理论基础 任何信息传输都需要一定的频带，称为信息带宽或基带信号频带宽度，如人类语音的信息带宽为3003400 Hz。而频谱资源是有限的，因此，长期以来，人们一直想方设法使信号所占频谱尽量的窄，即采用所谓的“窄带通信”，以充分利用十分宝贵的频谱资源。 扩频通信的理论基础来源于信息论和抗干扰理论。信息论中关于信息容量的香农(Shannon)公式为： (2-1),其中，C为信道容量(bit/s)，W为信道带宽(Hz)，P为信号平均功率(W)，N为白噪声平
16、均功率(W)。 香农公式原意是说，在给定的信道容量C不变的条件下，频带宽度W和信噪比P/N是可以互换的。也就是说，可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比(P/N)情况下以相同的信息率来可靠地传输信息，甚至是在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽，仍然能够保证可靠地通信。扩展频谱以换取对信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。,3. 工作原理 1) 码分多址技术 码分多址(CDMA)包含两个基本技术：一个是码分技术；一个是多址技术。将这两个基本技术结合在一起，并吸收其它一些关键技术，形成了码分多址移动通信系统的技术支撑。 多址技术使众多的用户共用公共的通信线路。为使信号多路化而实现多址的方法基本有三种，它们分别采
