CDMA通信原理.docx - 冰点文库

资源描述

CDMA通信原理.docx

《CDMA通信原理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CDMA通信原理.docx（82页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

CDMA通信原理.docx

CDMA通信原理

课程RA100001

CDMA通信原理

课程说明1

课程目标1

课程内容1

相关资料

《数字移动通信系统》杨留清等著人民邮电出版社

《CDMA（码分多址）移动通信技术》孙立新，刑宁霞

《数字移动通信系统》陈德荣等著北京邮电大学出版社

《宽带CDMA：

第三代移动通信技术》TeroOjanperaRamjeePrasad著人民邮电出版社

第1章CDMA发展简史

移动通信系指通信双方或至少一方是处于移动中进行信息交流的通信。

20年代开始在军事及某些特殊领域使用，40年代才逐步向民用扩展；最近十年间才是移动通信真正迅猛发展的时期，而且由于其许多的优点，前景十分广阔。

第一代：

1980S出现，为模拟话音通信系统，如AMP，TACS，NMT，NTT等系统。

第二代：

1980S末出现，传递话音和低速数据，为窄带数字通信系统，如GSM，PDC，D-AMPS，CDMA（IS95）等。

第二代半：

1996出现，用于解决中速数据传递的数字通信系统，如GPRS，IS95B等

第三代：

用于传递高速数据，以支持多媒体应用，如WCDMA，cdma2000、TD-SCDMA等。

1.1主要移动通信系统介绍

●AMPS

先进的移动电话系统（AMPS）使用模拟蜂窝传输的800MHz频带。

AMPS在北美、南美和部分环太平洋国家广泛使用。

●TACS

总接入通信系统（TACS）使用900MHz频带。

有两种版本的TACS：

ETACS（欧洲）和NTACS（日本）。

英国、日本和部分亚洲国家广泛使用该标准。

●GSM

全球移动通信系统（GSM）使用900MHz频带，使用1800MHz频带的叫DCS1800。

GSM发源于欧洲，它是作为全球数字蜂窝通信的TDMA标准而设计的。

GSM支持64kbit/s的数据，可与ISDN互连。

GSM采用FDD双工方式，TDMA多址方式，每载频支持8信道，使用200kHz的带宽。

●IS-54

北美数字蜂窝（IS-54）标准使用800MHz频带。

也叫D-AMPS。

IS-54在两种北美数字蜂窝标准中，是较早推出的一种，它指定使用TDMA。

●IS-95

北美数字蜂窝（IS-95）标准，使用800MHz频带或1.9GHz频带。

IS-95指定使用CDMA，CDMA成为美国PCS网的首选技术。

目前54％的许可证持有者使用CDMA。

CDMAOne是IS-95品牌名称。

cdma2000无线通信标准也是以IS-95为演变基础的。

1.2第三代移动通信系统简介

第三代移动通信系统能提供多种类型、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，可与固定网络相兼容，并可以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类的通信。

由于其诸多的优点，吸引了全世界各个运营商、生产厂家与广大用户。

1.IMT-2000的历史

第三代移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU）1985年提出，曾被称为未来公众陆地移动通信系统FPLMTS（FuturePublicLandMobileTelecommunicationSystem）。

后来考虑到该系统将于2000年左右进入商用市场，并且其工作的频段在2000MHz，故于1996年正式更名为IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication-2000）。

2.第三代移动通信系统的目标

1）能实现全球漫游：

用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，且可以在不同的速率、不同的运动状态下获得有质量保证的服务；

2）能提供多种业务：

提供话音、可变速率的数据、活动视频非话业务，特别是多媒体业务；

3）能适应多种环境：

可以综合现有的公众电话交换网（PSTN）、综合业务数字网、无绳系统、地面移动通信系统、卫星通信系统、提供无缝隙的覆盖；

4）足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和服务质量。

为实现上述目标。

对其无线传输技术（RTT：

RadioTransmissionTechnology）提出了以下要求：

（1）高速传输以支持多媒体任务①室内环境至少2Mbit/s；②室内外步行环境至少384kbit/s；③室外车辆运动中至少144kbit/s；④卫星移动环境至少9.6kbit/s。

（2）传输速率能够按需分配。

（3）上下行链路能适应不对称需求。

预计第三代移动通信系统的引入将经历一个渐变演进的过程，并充分考虑向下兼容的原则。

通信业务方面，将以第二代出现的各种业务为基础。

逐步引入宽带及多媒体业务；通信技术方面，网络技术和设施将与有线网的智能化、宽带化结合在一起，通过一种演变的过程进入第三代，而无线传输技术将经历一场革命，为第三代移动通信新业务的提供奠定基础。

1.3第三代移动通信的标准化的制定

1.ITU的研究工作

第三代移动通信系统IMT-2000的标准化工作是在国际电信联盟的指导下有组织有步骤地进行的。

目前在ITU组织中负责第三代移动通信系统体制技术规范制定的工作组主要包括如下三个：

ITU-R、ITU-T、ICG。

ITU-R：

负责系统集成无线部分，解决频谱与法规问题，协调无线传输技术的评估活动。

IUT-T：

负责网络端的标准化工作。

主要包括网络部分、信令与协议、编号与寻址、网管及安全性等问题。

ICGforIMT-2000：

中间协调组，负责协调工作，使ITU-R和ITU-T之间能定期进行交流，并协调在制定IMT-2000技术标准中出现的各种问题。

2.IMT-2000标准化工作进度

1985~1994年明确基本概念和目标；

1987~1994年确定基本原则；

1990~1997年制定框架和要求；

1992~1998年确定技术评估方法和程序，开展评估工作；

1998年6月前征集世界各国对IMT-2000的RTT提案；

1997年6月~1999年3月对关键技术进行评选并确定方案和基本参数；

1998年10月~1999年12月制定详细的技术规范。

3.IMT-2000标准的频率制定

10多年来，ITU-R第8研究组的重要贡献除了起草了10余篇有关第三代移动通信系统目标和框架性建议以外，还争取到2GHz附近总共230MHz的频率作为第三代移动通信系统的专用频率。

1992年负责全球无线频率管理和分配的WARC-92大会根据当时CCIR对未来陆地移动通信需要频率的估算，确定在2GHz周围总共辟出230MHz频带作为第三代移动通信系统的专用频率：

1885~2025MHz、2110~2200MHz作为2000年以后的全球性移动通信使用，其中卫星通信使用的频段1980~2010MHz和2170-2200MHz最迟到2005年退出。

1995年WRC大会作出决议，对分配给移动卫星业务的频率又做了少量个性为第二大区增加了2010-2025MHz和2160-2170MHz频段，且要求退出频率的时间提前到2000年。

IMT-2000将使用1875~1975MHz和2110~2160MHz两段频率。

目前各国及国际组织对移动通信频率的划分也各不相同。

4.目前对3G的研究

目前ITU对3G的研究工作主要由3GPP和3GPP2来承担。

3GPP：

是以WCDMA为基础，集合了Erission，Nokia，Simense等欧洲公司以及日本的NTT，韩国的一些公司，共同研究3G的组织。

3GPP2：

是以cdma2000为基础，集合了Qualcomm，Lucent等美国公司及日本的ARIB，韩国的一些公司，共同研究3G的组织。

1.43G三种制式的比较

制式

W－CDMA

cdma2000

TD－SCDMA

双工方式

FDD/TDD

FDD

TDD

带宽（M）

5/10/20

1.25/5/10/20

1.2

码片速率（Mbit）

N*4.096N=1，2，4

N*1.2288N=1，3，6，9，12

1.11

扩谱方式

前向：

WALSH（信道化）+GOLD序列218（区分小区）

反向：

WALSH（信道化）+GOLD序列241（区分用户）

前向：

WALSH（信道化）+M序列215（区分小区）

反向：

WALSH（信道化）+M序列242-1（区分用户）

前向：

WALSH（信道化）+PN序列（区分小区）

反向：

WALSH（信道化）+PN序列（区分用户）

基站间同步

异步，同步（可选）

同步（GPS、GLONSS）

同步（GPS或其它方式）

1.5WCDMA和cdma2000的演进策略

1.W-CDMA-（DS）的演进策略是：

（4）目前的GSM

（5）高速电路交换数据HSCSD（14.4~64kbit/s）

（6）通用分组无线业务GPRS（144kbit/s）

（7）GSM/EDGE384（将调制方式由GMSK更新为8P8K之类更高效率方式，将传输速率上升至384kbit/s）

（8）最终以网络业务覆盖再度平滑无缝隙地演进至IMT-2000W-CDMA-（DS）

cdma2000-（MC）的演进策略是：

（9）由目前与AMPS叠加的IS-95-A，cdma2000的第一阶段

（10）过渡到可传输115.2kbit/s的IS-95-B，

（11）实施加倍容量的IS-95C，最终平滑无缝隙地演进至传输速率可高达2Mbit/s的cdma2000。

第2章数字移动通信技术

2.1多址技术

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上有三种，它们分别采用频率、时间或代码分隔的多址连接方式，即人们通常所称的频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）三种接入方式。

图2-1用模型表示了这三种方法简单的一个概念。

图2-1三种多址方式概念示意图

FDMA是以不同的频率信道实现通信的，TDMA是以不同的时隙实现通信的，CDMA是以不同的代码序列实现通信的。

2.1.2频分多址

频分，有时也称之为信道化，就是把整个可分配的频谱划分成许多单个无线电信道（发射和接收载频对），每个信道可以传输一路话音或控制信息。

在系统的控制下，任何一个用户都可以接入这些信道中的任何一个。

模拟蜂窝系统是FDMA结构的一个典型例子，数字蜂窝系统中也同样可以采用FDMA，只是不会采用纯频分的方式，比如GSM和CDMA系统就采用了FDMA。

2.1.3时分多址

时分多址是在一个带宽的无线载波上，按时间（或称为时隙）划分为若干时分信道，每一用户占用一个时隙，只在这一指定的时隙内收（或发）信号，故称为时分多址。

此多址方式在数字蜂窝系统中采用，GSM系统也采用了此种方式。

TDMA是一种较复杂的结构，最简单的情况是单路载频被划分成许多不同的时隙，每个时隙传输一路猝发式信息。

TDMA中关键部分为用户部分，每一个用户分配给一个时隙（在呼叫开始时分配），用户与基站之间进行同步通信，并对时隙进行计数。

当自己的时隙到来时，移动台就启动接收和解调电路，对基站发来的猝发式信息进行解码。

同样，当用户要发送信息时，首先将信息进行缓存，等到自己时隙的到来。

在时隙开始后，再将信息以加倍的速率发射出去，然后又开始积累下一次猝发式传输。

TDMA的一个变形是在一个单频信道上进行发射和接收，称之为时分双工（TDD）。

其最简单的结构就是利用两个时隙，一个发一个收。

当移动台发射时基站接收，基站发射时移动台接收，交替进行。

TDD具有TDMA结构的许多优点：

猝发式传输、不需要天线的收发共用装置等等。

它的主要优点是可以在单一载频上实现发射和接收，而不需要上行和下行两个载频，不需要频率切换，因而可以降低成本。

TDD的主要缺点是满足不了大规模系统的容量要求。

2.1.4码分多址

码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。

它不像FDMA、TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同时传输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间的相互干扰。

其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混合后不会丢失原来的信息。

有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。

每个发射机都有自己唯一的代码（伪随机码），同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，接收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码（这个过程称为解扩）。

CDMA按照获得带宽信号所采取的调制方式分为直接序列扩频（DS）、跳频（FH）和跳时（TH），如下图2-2所示：

图2-1三种CDMA扩频方式概念示意图

2.2RAKE接收机

RAKE接收机也称为多径接收机，即是指移动台中有多个RAKE接收机，由于无线信号传播中存在多径效应，因此基站发出的信号会经过不同的路径到达移动台处，经不同路径到达移动台处的信号的时间是不同的，如果两个信号到达移动台处的时间差超过一个信号码元的宽度，RAKE接收机就可将其分别成功解调，移动台将各个RAKE接收机收到的信号进行矢量相加（即对不同时间到达移动台的信号进行不同的时间延迟到达同相），每个接收机可单独接收一路多径信号，这样移动台就可以处理几个多径分量，达到抗多径衰落的目的，提高移动台的接收性能。

基站对每个移动台信号的接收也是采用同样的道理，即也采用多个RAKE接收机。

另外，在移动台进行软切换的时候，也正是由于使用不同的RAKE接收机接收不同基站的信号才得以实现。

2.3多用户检测

基于RAKE接收机原理的CDMA接收机将其它用户的信号视为干扰信号，但是优化后接收机可以将检测所有信号或从指定的信号中减去其它信号的干扰。

当新的用户或干扰源进入网络时，其它用户的服务质量会下降，网络抗干扰能力越强，可服务的用户就越多。

干扰一个基站或移动台的多路接入干扰是小区内和小区间干扰的总和。

多用户检测（MUD）也称为联合检测和干扰消除，它提供了降低多路接入干扰的影响，因而增加系统容量。

同时MUD显著降低了CDMA系统的远近效应。

MUD可以缓解系统对功率控制的需求。

2.4功率控制

由于CDMA系统不同用户同一时间采用相同的频率，所以CDMA系统为自干扰系统，如果系统采用的扩频码不是完全正交的（实际系统中使用的地址码是近似正交的），因而造成相互之间的干扰。

在一个CDMA系统中，每一码分信道都会受到来自其它码分信道的干扰，这种干扰是一种固有的内在干扰。

由于各个用户距离基站距离不同而使得基站接收到各个用户的信号强弱不同，由于信号间存在干扰，尤其是强信号会对弱信号造成很大的干扰，甚至造成系统的崩溃，因此必须采用某种方式来控制各个用户的发射功率，使得各个用户到达基站的信号强度基本一致。

CDMA系统的容量主要受限于系统内部移动台的相互干扰，所以每个移动台的信号达到基站时都达到最小所需的信噪比，系统容量将会达到最大值。

CDMA功率控制分为：

前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又分为开环和闭环功率控制。

1.反向开环功率控制

反向开环功率控制是移动台根据在小区中所接收功率的变化，迅速调节移动台发射功率。

其目的是试图使所有移动台发出的信号在到达基站时都有相同的标称功率。

开环功率控制是为了补偿平均路径衰落的变化和阴影、拐弯等效应，它必须有一个很大的动态范围。

IS95空中接口规定开环功率控制动态范围是－32dB～＋32dB。

1）刚进入接入信道时（闭环校正尚未激活）

平均输出功率（dBm）=-平均输入功率（dBm）-73+NOM_PWR（dB）+INIT_PWR（dB）

其中：

平均功率是相对于1.23MHz标称CDMA信道带宽而言；

INIT_PWR是对第一个接入信道序列所需作的调整；

NOM_PWR是为了补偿由于前向CDMA信道和反向CDMA信道之间不相关造成的路径损耗。

2）其后的试探序列不断增加发射功率（步长为PWR_STEP），直到收到一个效应或序列结束。

输出的功率电平为：

平均输出功率（dBm）=-平均输入功率（dBm）-73+NOM_PWR（dB）+INIT_PWR（dB）＋PWR_STEP之和（dB）

3）在反向业务信道开始发送之后一旦收到一个功率控制比特，移动台的平均输出功率变为：

平均输出功率（dBm）=-平均输入功率（dBm）-73+NOM_PWR（dB）+INIT_PWR（dB）+PWR_STEP之和（dB）+所有闭环功率校正之和（dB）

其中：

NOM_PWR的范围为－8～7dB，标称值为0dB

INIT_PWR的范围为－16～15dB，标称值为0dB

PWR_STEP的范围为0～7dB

2.反向闭环功率控制

闭环功率控制的目的是使基站对移动台的开环功率估计迅速作出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。

功率控制比特是连续发送的，速率为每比特1.25ms（即800bit/s）。

“0”比特指示移动台增加平均输出功率，“1”比特指示移动台减少平均输出功率，步长为1dB/比特。

基站发送的功率控制比特比反向业务信道延迟2*1.25ms。

一个功率控制比特的长度正好等于前向业务信道两个调制符号的长度（即104.66us）。

每个功率控制比特将替代两个连续的前向业务信道调制符号，这个技术就是通常所说的符号抽取技术。

反向外环与闭环功率控制如图2-3所示：

图2-1反向外环与闭环功率控制示意图

3.前向功率控制

基站周期性地降低发射到移动台的发射功率，移动台测量误帧率，当误帧率超过预定义值时，移动台要求基站对它的发射功率增加1％，每15～20ms进行一次调整。

下行链路低速控制调整的动态范围是±6dB。

移动台的报告分为定期报告和门限报告。

2.5软容量

对于CDMA系统，用户数与服务级别存在比较灵活的关系，运营商可在话务量高峰期将误帧率稍微提高，来增加可用信道数，提高系统容量。

软容量是通过CDMA系统的呼吸功能来实现的。

呼吸功能是CDMA系统中特有

展开阅读全文