码分多址CDMA移动通信系统.ppt
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1、第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）第第8章章 码分多址码分多址(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）8.1 概述概述 8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量蜂窝通信系统的通信容量 8.3 IS-95CDMA蜂窝系统的无线传输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蜂窝系统的控制功能 8.6 cdma2000空中接口空中接口 思考题与习题思考题与习题 第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一
2、）移动通信系统（一）8.1 概概 述述 IS-54是遵循上述要求制定的，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。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）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
3、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，因此它们的网络结构形式也是大同小异的。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）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
4、中使用预定码型的信号。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）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)。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）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
5、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(或者说信干比稍微降低)，而不会出现阻塞现象。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）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。第第8 8章章 码分多址
6、码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）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。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）8.1.2CDMA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
7、CDMA蜂窝系统的多址干扰都是系统本身存在的内部干扰。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）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。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）图8-1CDMA蜂窝系统的多址
8、干扰第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）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。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）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
9、信号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。(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。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）8.1.3IS-95CDMA蜂窝系统的工作频率双模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824849MHz,基站向移动台的传输频段是869894MHz。允许CDMA蜂窝系统占用的频段如表81
10、（略）所示。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）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。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）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77
11、7。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45MHz300Hz。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）8.1.4IS-95CDMA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，二者之差是秒的整倍数。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统
12、（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。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）8.1.5IS-95CDMA蜂窝系统的话音编码IS-95CDMA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8kb/s，但是可随输入话音消息的特征而动态地分为四种，即8,4,2,1kb/s，可以9.6,
13、4.8,2.4,1.2kb/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。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）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。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）首先
14、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(8-1)第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）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)第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）通常n1,故C/I1/n，即(8-4)第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）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
15、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。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）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CD
16、MA蜂窝系统获得这种好处是非常容易的。令话音的占空比为d,则式(8-4)变成(8-5)第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）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。(8-6)第第8 8章章 码分多址码分多址(CDM
17、A)(CDMA)移动通信系统（一）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。任一移动台在接收有用信号时，基站发给所有其他用户的信号都要对这个移动台形成干扰。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）图8-2CDMA系统中移动台受干扰的情况第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）假设各小区的基站都同时向n个用户发送功率相等的信号，在三个小区的交界处(图中x处)，来自本基站的有用信号功率为ar-4(a为比例常数，r为小区半径)；
18、来自本基站的干扰信号功率为a(n-1)r-4；来自紧邻2个基站(图中的)的干扰信号功率为2anr-4;来自较远3个基站(图中的)的干扰信号功率为3an(2r)-4;来自更远6个基站(图中的)的干扰信号功率为6an(2.63r)-4。比这些基站更远的干扰可以忽略，于是得到载干比的表示式如下：(8-7)第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）通常发射机的最大功率是根据最大通信距离进行计算的。这里，基站的发射功率必须保证移动台在小区交界处可以正常工作。但是，当移动台靠近基站时，如果基站仍然发射同样强的功率，则除去增大背景干扰外并无好处。为此，令基站
19、发给每一个用户i的功率Pi根据移动台和基站的距离ri进行调整。距离越大，功率越大；反之，则越小。即(8-8)第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）令移动台处于小区边缘(ri=r)所需的信号功率为Pm，式(8-8)可写为(8-9)假设在各个小区内，移动台的数目较多，而且是均匀分布的，根据图8-3，可用以下公式来表示小区中的用户数目n:(8-10)第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）图8-3计算小区中用户数目的示意图第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）
20、移动通信系统（一）式中，为一常数(与用户密度成比例)。因此，基站在增加功率控制后，发向全部用户的总功率为已知n=r2/2，所以(8-11)(8-12)第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）因为基站在未加功率控制时，发向全部用户的总功率为nPm，所以基站增加功率控制后能把其发射的总功率降低1/2。显然，这样做对减少系统中的多址干扰是有好处的。至此，我们再回过来计算基站增加功率控制后，移动台处于小区交界处的载干比。参考式(8-7)可得(8-13)第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）此外，不
21、考虑邻近小区的干扰时，一个小区允许同时工作的用户数约为n=1/(C/I)；在考虑邻近小区的干扰并且采用功率控制时，这种用户数降低为n=0.6/(C/I),即后者是前者乘以0.6。这结果说明CDMA蜂窝系统和其他蜂窝系统类似，也存在一种信道再用效率F=0.6。由此可把式(8-6)写成(8-14)第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）(2)反向传输。设各小区中的移动台均能自动调整其发射功率，使任一移动台无论处于小区内的任何位置上，其信号功率在到达基站时，都能保持在某一额定值即载干比的门限值。由于基站的位置是固定不变的，各移动台在其小区内是随机分
22、布的(可以看成是均匀分布的)，因而基站附近的背景干扰不会因为某一移动台的位置变化而发生明显的变化。第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）因此，反向功率控制应该按照传播损耗的规律来确定，即移动台(i)的发射功率(Pi)与距离(ri)的关系应该是用与式(8-9)相同的表示方法，可得(8-15)(8-16)第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）从图8-4可见，围绕某一小区y的四周，有6个距离最近的小区，它们构成的环路用表示；在这6个小区外面，有12个距离较远的小区，它们构成的环路用表示；依此类
23、推。各小区中的移动台都根据它与各自基站的距离调整其功率，显然要计算邻近小区中各移动台对环路中心小区y的干扰并不简单。可以把来自一个邻近小区中所有移动台的干扰等效成由其基站发射来的干扰，因而小区y的基站收到的载干比为(8-17)第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）式中，1,2,3是分别对应于环路,的比例常数。由此可得信道再用效率采用数值计算或仿真技术，可以算出F的值大约是0.65。(8-18)第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）图8-4CDMA系统中基站受干扰的情况第第8 8章章 码分
24、多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）由此可见，反向传输和正向传输的信道再用效率大致一样。也就是说，作为通信容量的估算公式(8-14)，既可用于正向传输，也可用于反向传输。几种蜂窝通信系统的通信容量的比较如下：模拟FDMA系统总频段宽度：1.25MHz(AMPS)频道间隔：30kHz信道数目：1.25106/(30103)=41.7每区群小区数：7通信容量：41.7/7=6TDMA系统总频段宽度：1.25MHz第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）频道间隔：30kHz每载频时隙数：3信道数目：31.2510
25、6/(30103)=125每区群小区数：4通信容量：125/4=31.25CDMA系统总频段宽度：1.25MHz扇形分区数：3通信容量：120以n表示通信容量，三种系统的比较结果可以写成23n(CDMA)=20n(FDMA)=4n(TDMA)(8-19)第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统（一）移动通信系统（一）8.3 IS-95 CDMA蜂窝系统的无线传输蜂窝系统的无线传输 8.3.1信道组成在CDMA蜂窝系统中，除去要传输业务信息外，还必须传输各种必需的控制信息。为此，CDMA蜂窝系统在基站到移动台的传输方向上设置了导频信道、同步信道、寻呼信道和正向业务信道
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