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dcma蜂窝移动通信系统的研究
编号
学士学位论文
CDMA蜂窝移动通信系统的研究
学生姓名：
学号：
学 院：
专业：
年级：
指导教师：
完成日期：
2016年5月15日
中文摘要
本文详细的介绍了蜂窝移动通信的工作原理，主要技术指标，以及什么是码分多址技术，码分多址技术的工作原理，对CDMA蜂窝移动通信系统的网络结构、工作原理的研究和内部工作网络的功能部件的了解。
采用的方法是查阅有关书籍，报刊等文献。
主要通过对蜂窝系统和码分多址技术的研究来讨论CDMA蜂窝移动通信如何工作的，这一系统应用在通信方面有何优缺点，也将讨论CDMA蜂窝移动通信未来发展方向如何。
关键词：
CDMA蜂窝移动通信系统；蜂窝系统；码分多址技术。
ResearchonCDMAcellularmobilecommunicationsystem
Abstract
Thispaperdetailedintroducestheworkingprincipleofthecellularmobilecommunication,themaintechnicalindicators,aswellaswhatiscodedivisionmultipleaccess（CDMA）technology.Theprincipleofcodedivisionmultipleaccess（CDMA）technology,forCDMAcellularmobilecommunicationsystemnetworkstructureandworkingprincipleoftheresearchandtheinternalnetworkofthefunctionalcomponentsofunderstanding.Themethodusedistoconsultrelevantbooks,newspapersandperiodicals.MainlythroughthestudyofcellularsystemandCDMAtechnologytodiscusshowtheCDMAcellularmobilecommunicationwork,theapplicationofthissystemincommunicationwithwhatadvantagesanddisadvantages,willalsobediscussedandthefuturedevelopmentdirectionoftheCDMAcellularmobilecommunication.
Keywords:
CDMAcellularmobilecommunicationsystem;cellularsystem;codedivisionmultipleaccesstechnology.
目录
中文摘要1
Abstract2
引言5
1.码分多址技术和蜂窝通信网络概述6
1.1码分多址技术的发展6
1.2蜂窝移动通信系统基础6
1.2.1蜂窝通信系统的概述6
1.2.2蜂窝移动通信系统的基本特点7
1.2.3蜂窝移动通信系统的分类7
2.蜂窝通信网与码分多址9
2.1蜂窝系统的工作原理9
2.1.1蜂窝概述9
2.1.2频率复用技术12
2.2CDMA通信原理15
2.2.1CDMA概念15
2.2.2CDMA工作原理15
2.2.3CDMA的优缺点16
3.对CDMA蜂窝移动通信系统的研究18
3.1CDMA蜂窝移动通信系统的结构和功能18
3.2CDMA蜂窝移动通信系统的关键技术20
3.3CDMA技术应用于蜂窝移动通信系统的优点21
4.总结及展望23
4.1总结23
4.2蜂窝移动通信的未来前景23
参考文献24
致谢25
引言
蜂窝移动通信（CellularMobileCommunication）是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道连接起来，进而实现用户在活动中可相互通信。
其主要特征是终端的移动性，并具有越区切换和跨本地网自动漫游功能。
蜂窝移动通信业务是指经过由基站子系统和移动交换子系统等设备组成蜂窝移动通信网提供的话音、数据、视频图像等业务。
1.码分多址技术和蜂窝通信网络概述
1.1码分多址技术的发展
码分多址英文缩写是CDMA技术（CodeDivisionMultipleAccess），是基于扩频通信的原理衍生出的一项无线通信技术。
因为人们对好的传输质量的无线通信的要求逐渐增强，CDMA技术起源就是这样的。
第二次世界大战的爆发，使得抗战中的双方为防止敌方对我方信号进行干扰，从而采取了更为高级的技术，CDMA技术由此广泛地应用到军事战争中抗干扰通信方面。
在20世纪末，CDMA用于商业用途的系统发布运营后，它的优点在生活中得到了广泛验证，在多个地方得到了普及和运营。
CDMA技术发展历经几个变革:
首先IS-95为第一次发表的标准，但在全世界运营的是IS-95A;其次提出TSB74标准，它运行13K话音编码器，很靠近话音的通话质量，和运行1.9GHz的CDMAPCS系统的J-STD-008标准；1998年2月美国高通公司把可以供给64kbps数据业务满足一大部分客户需求的IS-95B标准应用到CDMA基础平台上，之后提出CDMA20001X和CDMA20003X的发展方向，然而研究表明CDMA20001X和CDMA20001X增强型（EVDO、EVDV）技术代表了未来发展方向。
在2002年，韩国已经开始大规模实现3G标准之一CDMA2000标准中的EVDO的商用。
[1]
1.2蜂窝移动通信系统基础
1.2.1蜂窝通信系统的概述
无线通信发展历史追根到19世纪80年代赫兹进行的基础性实验，以及马可尼从事的研究工作。
移动通信的祖先马可尼是第一个证明海上运行的轮船之间互相通信的可能性。
马可尼在1897年的实验中：
验证了运动中无线通信的可实施性。
人类从此开始走向对移动通信的兴趣和追求。
也因奈奎斯特在20世纪20年代末提出的采样定理，是人类走向数字化的重要条件。
[2]
移动通信是两个人正在通信，其中一人或者两人都在运动中，在这个运动过程中交换信息的通信方式。
本文所研究的蜂窝移动通信是未来移动通信主要研究对象。
最初的移动通信系统是在大区制的基础上的，但因为大区制不能实现频率复用，为了解决大区制带来的频率资源少的难题，在20世纪40年代末，贝尔实验室的人把蜂窝概念使用到移动通信领域，提出了蜂窝移动通信的概念，并以此设立了实验蜂窝系统，最早的时候，该系统仅有一个基站和多个移动终端。
通过重新构造无线通信系统的覆盖面积，蜂窝移动通信系统限定了每个基站的覆盖范围，利用小区间的频率复用提高了频谱利用率，在很少的资源内获得了大的容量，解决了频率资源紧张难题。
[3]
蜂窝系统的构成：
终端子系统、基站子系统、网络子系统、PSTN的网络相连接的中继线，如图1-1所示。
1.2.2蜂窝移动通信系统的基本特点
1.高容量。
原理上，通过合理规划和扩展的蜂窝系统，提供的容量是无限的。
2.小区制。
在蜂窝系统中，每个蜂窝是相对独立，即每个小区可独立提供一组信道。
3.频率复用。
分配给一个小区的频率，也可以由另一个小区使用。
[4]
1.2.3蜂窝移动通信系统的分类
1.模拟蜂窝移动通信系统
在20世纪70年代中后期，模拟蜂窝移通信系统逐渐完善，在1980年广泛应用于商用中，因此人们不再局限于固定电话通讯，是第一代移动通信技术是基于频分复用（FDMA）技术。
在1985年-1989年间，对于移动通信要求的提高使得模拟通信系统所存在的缺点更加明显，比如，信道容量小，通话质量差，信息易泄漏，兼容性不强，也不能提供数据业务等。
还有，该系统体制混乱，没有国际漫游，使用价格高等等，使很多国家关闭了该系统。
2.数字蜂窝通信系统
我们把第二代之后的移动通信系统叫做数字蜂窝移动通信系统，是基于时分多址（TDMA）技术，在时间轴上对特定频率分割，形成很多通话信道。
数字蜂窝移动通信系统相比模拟蜂窝移动通信系统在一些地方得到了改进，比如，话音的保密性和通话质量得到了提高抗干扰能力增强，可以进行提供数据业务，像图片、文字等传输，还有短信业务语音通话，呼叫等多项服务。
2.蜂窝通信网与码分多址
2.1蜂窝系统的工作原理
2.1.1蜂窝概述
1.大区制与小区制
传统的移动通信方式是借鉴了广播电视系统，把大功率发射机设置在覆盖区域的中间位置，整个区域由一个焊点去覆盖，这就是我们所说的大区制。
大区制的特点是由一个基站来对整个区域进行覆盖，其覆盖面积很大，达几十千米，但是，缺点是可提供的信道数是很有限的，在业务量不是很大时就有可能出现阻塞。
蜂窝系统实现服务区的覆盖所用的方式是和大区制完全不同，把服务区域划分成多个小的区域，采用发射功率较小的基站来进行覆盖，可达到多个小区覆盖整个区域的效果。
具体到某个站点可以根据容量需求、地形地貌等因素，调节天线挂高的升降、发射功率以及天线参数等来控制覆盖范围，就可以保证蜂窝通信系统提供足够的容量。
使不同区域的覆盖面积和容量得到满足。
2.蜂窝小区的特征
（1）.频率复用功能。
一般来说，相互紧靠的两个小区是不能够使用相同频道的，所以把许多相邻的小区通过计算，按计算的个数来划分成区群，且同时把能够用于通信的无线频道划分成多个频率组，在一个区群内的小区使用不相同的频率组，而其他区群中的小区可以使用一样的频率组，但区群内的小区的频率组一定是不同的，这就是频率复用。
频率复用技术高效的提高了移动通信系统的容量，保证了系统在有限的频率段内为更多客户服务。
（2）.越区切换功能。
正在运动中的客户从这个小区到那个小区，为了保持通话联系，系统内部会自动进行信道的切换，即改变发信机、收信机的无线频率。
在这个变换过程中，客户没有参与其中，其关键是在切换的过程中一定要使通信连贯。
所以越区切换是必备功能。
（3）.信道分配与小区分裂。
一个区群内的所有小区的信道数量是不同的，是根据话务量的多少来计算的，目的是满足客户的话务量要求。
由于话务量在服务区分布是极其不均衡的，所以这种信道的分配也很复杂。
闹市区相比郊区，在吵闹的市场中的话务量是郊区的几百倍，所以用话务量来计算小区的半径以及分到的信道数都是不相同的，并且话务量变大会使原小区又一次分裂成新的更小的小区，这样的裂变叫做小区分裂，完成这一变换是需要蜂窝系统来进行的。
那么，有人就会问：
小区分裂是不是就可以无限制地分裂下去，减小小区面积?
答案当然是否定的，因为如果小区无限制分裂反而会增加小区基站等的建设费用，同时也会增加同频干扰等问题，所以要控制小区分裂使之在合理的数量中。
[5]
小区分裂后，不同话务需求区域的小区分布情况如图2-1所示。
3.蜂窝小区的分类
在实际的蜂窝网络当中，由于地形地貌、用户分布和周边其他小区等的影响使小区的覆盖范围受到很大影响，变得非常不规则，且不同小区之间差别很大。
如果对这种不规则的小区模型进行网络规划，设计上将有很大的难度。
为了改变这种情况，简化网络规划，在设计时有必要采用简化模型来代替蜂窝小区的实际覆盖，这种简化模型必须要接近实际小区的覆盖范围。
根据蜂窝小区覆盖面积的多少，将蜂窝小区分为宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝等类型。
此外，由于蜂窝通信系统使用智能天线，智能蜂窝也随之建立起来。
（1）.宏蜂窝（MacroCell）
该蜂窝小区主要是用于范围广的区域覆盖，其涵盖范围在1km以上最大值可以达到上百千米。
对这一范围广的宏蜂窝系统而言，要用较大的发射功率，最高可达80w甚至更多。
与此同时，基站天线的挂高也必须在围绕的各个建筑物的平均高度之上，一般在建筑物上方或塔上搭建。
宏蜂窝小区既可以采用宏基站作为信号源，也可以采用微基站作为信号源。
宏蜂窝是对应覆盖范围的概念，而宏基站是相对硬件设备的概念。
宏蜂窝不适用于高密度地区，比较适用于话务密度少或一般的地区，比如，在农村、城郊等使用宏蜂窝来覆盖，采用微蜂窝进行补充。
（2）.微蜂窝（MicroCell）
在蜂窝通信系统中，微蜂窝小区主要用做对宏蜂窝小区没有涵盖上的区域进行填充，用于对覆盖不到的地方和话务较多的地方，且涵盖范围在1Km以内。
为了能将覆盖区域控制在可以预测的范围内，微蜂窝小区采用比较小的发射功率，并且把天线架设在与周遭环境高度差不多的位置上或者更低位置，例如，在路灯柱或者建筑物的墙上。
影响微蜂窝在无线传播环境中覆盖的主要原因是人造物体的障碍。
跟宏蜂窝一样，微蜂窝也可用宏基站和微基站做信号源。
微蜂窝小区不仅适用于话务密集区，还适用于解决覆盖小面积区域的要求，主要有以下几种适用环境：
话务量较少的覆盖盲区，由于遮盖物阻挡等原因，覆盖不好；话务量较多的覆盖盲区，像地铁、隧道等；话务热点地区，像商业中心、交通枢纽等人流量大的区域、高档写字楼、密集的住宅区等。
这些地区的话务密度高，容量需求大，可以采用宏基站或微基站来满足容量需求，并且通过控制天线挂高和发射功率等方法控制覆盖面积。
（3）.微微蜂窝（
Cell）
随着客户对移动通信服务质量要求的提高，我们使用的宏蜂窝和微蜂窝只能够解决大多数区域的覆盖面积和容量要求，对于在室内，建筑物内工作的客户或者在盲区、话务特别密集的区域内，不能够满足客户通信需求，面对这种情况，解决的方法是使用微微蜂窝。
微微蜂窝因其覆盖面积很小，所以半径一般只有几十米，所放置的发射功率一般控制在几十毫瓦。
微微蜂窝一般应用于高档写字楼内、商场、会议中心等话务量比较大，且对通信要求较高的建筑物内，采用室内分布的方式对服务区域的覆盖，所以天线一般安装在建筑群内部。
实际建网时，宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝共同构成分层蜂窝结构。
在一个移动网中，对于那些面积大的区域我们使用宏蜂窝来覆盖，再对宏蜂窝不能涵盖到的盲区、话务量较多的地方，使用微蜂窝小区进行覆盖，对于微蜂窝不能覆盖的某些重点覆盖区域的建筑内，则采用微微蜂窝覆盖。
（4）.智能蜂窝
在使用智能天线的小区采用智能蜂窝覆盖进行移动通信，智能天线的特征是可以根据用户的位置来调整信号辐射方向，覆盖面积更大、客户间相互干扰更小、系统容量更大。
[6]
2.1.2频率复用技术
1.频率复用概述
蜂窝系统的频率复用是指分配给每个小区使用的频率，其他小区也可使用一样的频率。
对于FDMA，采取的方法是使用不一样的频率来区别客户，相互靠近的两个小区不能使用一样的频率。
FDMA频率复用时，需要有一定的隔离距离，确保使用相同频率的小区之间产生的干扰低于某一门限。
在DTMA中，相互靠近的两个小区之间可采用一样的频率，频率复用的使用，使得蜂窝移动通信系统能够提供更多的客户服务。
2.频率复用距离的计算
频率复用计算距离要根据很多参数，有频率的分组数、衰落以及屏蔽对频率复用的干扰、同道干扰的概率等。
[7]
（1）.D与R的关系
在蜂窝小区中采用一样频率的小区叫做共道小区，它们之间互相会产生干扰，这个干扰叫共道干扰。
可以推出，当区群中的小区数目越少时，相邻区群位置越靠近，这时它们之间的同道干扰越强。
设两个区群相距D时，同道干扰不明显，那么就称D为复用空间保护距离。
当小区半径为R时，那么就称D/R是共道干扰抑制因子。
由蜂窝系统的几何关系可知，当区群数为k，则有：
（2-1）
式中，
是由
所确定，可推出
（2-2）
所以有
（2-3）
对于7/21复用方式，其D为
（2-4）
根据上式推导出，4/12复用方式，
；对于3/9复用方式，
。
由此可知，一样信道的小区间距离增大时，区群内的小区数目k的值就会增大，这时小区的抗同频干扰的性能越强。
但有必要了解的是区群内小区数k的值太大也不好，因为k大了后，就会使得每个小区内分得的频点数相对就少了很多，会使得小区的容量下降，因此，k的取值要综合各个因素决定。
（2）.载波干扰比C/I
在（2-3）中提及k根据
所决定，然而载波干扰比C/I是根据系统所采用的调制方式和带宽来决定。
比如，在蜂窝网中一个区群里有7个小区，所以，基站的收信机和发信机都使用全向天线，因此关注第一组频道组的共道小区的干扰，蜂窝网络共道小区如图2-2所示。
如图2-2此时的载波干扰比C/I计算式为
（2-5）
在（2-5），
是第i频道组的共道干扰电平，存在6个；n是环境噪声功率，可以忽视。
因为电波传输损耗为4次幂规律，则接收到的信号功率和干扰功率分别为
（2-6）
（2-7）
式中，A为常数。
考虑到上述情况，而且
都相同，则有
（2-8）
规定系统的载干比门限为
，只要满足
（2-9）就可以保证通信质量。
2.1.3多址方式
在无线通信网络中，存在多个用户共享传输媒介，接收端则通过多址技术区分不同用户的信息。
从另一个方面考虑，多址技术其实也是一种广义滤波技术，
它是在用户共享的频带内滤除其他用户信号的干扰，只把本用户的有用信息保留下来。
多址技术有FDMA（频分多址），TDMA（时分多址）和CDMA（码分多址）如图2-3所示。
FDMA以频率来区分信道，每个用户占用一个频道;TDMA是在一个无线频道上，按时间划分为若干个时隙，一个信道占一个时隙，在规定的时隙内收发信号;CDMA是扩频理论基础上的无线通信技术。
CDMA技术的依据是基于扩频技术，即将有用信号用一个远比它带宽大的伪随机码进行扩频，再经载波调制并发送出去。
接收端使用一样的伪随机码，对接收的信号做处理，使宽带信号换成窄带信号，进行通信。
TDMA系统无软切换功能，因而容易掉话，影响服务质量。
CDMA有较多的优点，能够在未来更加普及。
[8]
2.2CDMA通信原理
2.2.1CDMA概念
码分多址技术是扩频通信原理上发展出来的，所以我们要从码分和扩频两方面来研究CDMA码分多址。
码分多址就是信道共享技术，码分是指所有的信号在发送端都会被分配一个自相关性小的伪随机二进制序列进行扩频，我们说的PN码就是这个伪随机二进制序列，所有的信号被分配到伪随机序列里，在信道中相互叠加的同时还伴随着宽带传输、窄带干扰及噪声，在接收端，相关器把各个信号分离开来，因为相关器只能接收已经选定的二进制序列并将其频谱压缩，宽带信号都可被还原成为窄带信号，其他与本地地址码不相关的宽带信号与宽带噪声保持不变；通过窄带滤波后的解扩信号其信噪比将会有很大的提高，因此，当二进制序列通过时，不满足该用户的就不会被压缩带宽，与该用户符合的二进制序列就会被识别提取出来。
综上所述，基于扩频技术的CDMA技术会给每个使用的用户分配不相同的PN码，并对有用信息编码，接收机对接收到的信号根据已知码序列进行解码，还原出原始信息，也是由于该客户码序列与其他客户码序列互相关很小。
因其所承载的信号的带宽远小于码序列带宽，在编码过程中扩展了频谱，也叫扩频调制，其产生的信号叫扩频信号。
CDMA技术因为自身的多种优点受到运营商和客户越来越多的关注。
2.2.2CDMA工作原理
CDMA工作原理：
将有用信号经过高速伪随机码进行扩频，再由载波调制发送出去，接收端在采用一样的码序列解扩，使数据能够通信。
扩频是用伪随机编码的，叫扩频编码。
高速伪随机编码信号的带宽和要发送的信息带宽之比N叫扩频增益，也是每数据比特的扩频编码长，这种扩频通信方式的明显特点是:
编码调制、频谱扩展和相关处理。
使用扩频编码调制用于保密、也可供多用户运用和定时测距。
对信息的带宽扩展使得功率谱密度减少很多，容易被别人发现又不容易干扰到别人，同一须带可供多个用户使用，接收端的相关处理，对编码调制信号是解调，而对非原编码信号是频谱扩展，功率谱密度大大降低，这样，扩频通信具有强抗千扰能力。
相关处理还在时间上把翰出信号压缩成窄脉冲信号，形成较强的抗多径衰落能力，CDMA原理示意如图2-4所示。
2.2.3CDMA的优缺点
1.码分多址方式的优点是：
（1）容量大。
据计算它比模拟系统容量大20倍（实际没有那么多），比时分多址系统大4倍，同时码分多址具有“软”容量。
（2）.基地台进行接收载波频率和发送载波频率，没必要有天线供用器。
基地台的设备也较频分多址方式少，花费较少；移动台构造不复杂，因为有且只存在一个载波频率，无须对信号进行滤波，因此移动台简单。
上、下各使用一个载波频率，也不需要保护时隙或频带保护间隔。
（3）.抗干扰性能强，它使用扩频编码，故具有抗干扰的性能，对于不是同一种扩频码的干扰都有抵抗的能力，军事中常用到。
（4）.码分多址的传输速率虽增加了n倍（n为扩频码的位数），但它没有均衡，因它采用相关器接收，因为相关器接收可以消除多径效应而引起的码间干扰。
（5）.过区切换改变扩频码的“软切换”，比频分多址的要简单（不同小区使用不同的扩频码）。
（6）.码分多址系统有且只有一个共用载波，不需要对频率管理和指配频率给移动台。
但是在频分多址系统中则是一定的，并且是较复杂的动态管理。
2.码分多址的缺点是：
（1）.远近效应是码分多址的主要缺点，它会引起通信质量的下降，严重时甚至会中断通信。
（2）.增益受限是码分多址的一个难题。
原因是码片速率的提高和信源比特率的减少很难完成。
增益受限对抗干扰能力、多址能力有很大影响。
也说明同一频率上用户越多，重叠越多，信噪比越下降，差错概率相应增加。
3.对CDMA蜂窝移动通信系统的研究
3.1CDMA蜂窝移动通信系统的结构和功能
CDMA数字蜂窝移动通信系统网络结构同欧洲GSM制式相似，由基站收/发信机BTS、基站控制器BSC、移动交换中心MSC、操作管理中心MC构成，还存在两个存储器，目的是为了保存本地客户信息及外来的客户信息。
一个MSC可以控制多个BSC，BTS接受BSC的命令发射信号，如图3-1所示。
以下将介绍各个子部分的结构和其在系统中的作用。
在图3-2中是BTS的一般组成，它是连接移动台和基站控制器的接口部分，功能如下：
1.完成射频空中接口，同时具备寻呼、导频、接入、业务及同步等信道；
2.利用来自定位系统的信号进行无线信号的同步；
3.测量移动台的发射功率；
4.控制和管理BTS资源；
5.完成扇区之间的软切换；
6.具有自检和监测功能。
-
BSC的结构如图3-3所示，它有着连接BTS和移动交换中心的用途，其主要作用如下：
1.提供若干个BTS的接口并进行控制；
2.提供移动交换中心的接口；
3.完成语音编码；
4.进行业务信道和信令控制；
5.完成呼叫处理功能；
6.实行冗余纠错和双重控制；
7.进行小区间的软越区切换。
如图3-4为移动交换中心的组成模块结构。
MSC完成BSC与公用市话网或综合业务数字网间的联系，其主要功能有一下几点：
1.交换功能；
2.对市话-与移动台、移动台市话、移动台与移动台三者进行呼叫处理；
3.越
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