cdma技术原理及演进

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CDMA系统主要特点
• • • • • 首次在蜂窝移动通信系统中提出软切换、更软切换概念，并在实际系统中 实现了此概念。 前向信道采用相干解调方式，反向信道采用非相干解调方式。 实现了“软容量”，即当系统满负载工作时，再增加少数用户，系统性能 会稍有下降。 实现了路径分集（RAKE接收），由于CDMA系统传输带宽较宽，信号传 输带宽大于相关带宽时，就可以用1／W的（时间）分辨率分辨出多径分量 ，再进行分集合并，从而改善接收性能。 可以与其他窄带系统共存，因为扩频之后，信号功率谱展宽，功率谱密度 降低，对其他窄带系统影响很小，IS-95A系统信号对窄带信号而言近似白 噪声。 实现了高保密通信，鉴权、数字格式、宽带信令可由受话人指定的密码进 行保护
CDMA概念
10kHzBW 1.25MHz BW 1.25MHz BW 10kHzBW
ù ´ » ø Ê ý ¾ Ý
9.6 kbps
Ç Ï ° ò ¾ À ´ í ë ½ Ó » Ö ¯
19.2 ksps
ý » Õ ½ À © Æ µ ë µ Ó ÷Ö Æ
1.2288 Mcps
Rake½ Ó Ê Õ ú Ó » ë ½ â µ ÷
全球统一频段、统一标准，全球无缝覆盖
高效的频谱效率
更高的服务质量、保密性和可靠性 易于从2G系统平滑演进与过渡，并反向兼容2G系统
提供多媒体业务，速率最高可达2Mb/s
•车速环境：144kb/s •步行环境：384kb/s
•室内环境：2Mb/s
IMT-2000标准化组织
三种主要体制比较
信息数据单位称为比特（bit） Bits 经过卷积编码器、交织与符号重复后的数据被称为符号(symbol) from User’s Vocoder 经过最终扩频后得到的数据被称为码片(chip)
处理增益(Processing Gain)
CDMA系统主要技术特点---速率判定技术
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由于CDMA是多个用户共同占用同一频带资源，相互之间通过PN码来区分，因 此，同时通话用户数越多，相互之间干扰就越大。在一定的服务质量下，如果 要有效利用系统资源，那么必须采用相应的措施。现在通用的方法是采用语音 压缩编码及话音激活技术。IS-95系统就是采用了8 kbit／s（IS-95A）或13 kbit ／s（IS-95B）语音编码技术以及变速率话音激活技术。同时，变速率也为随 路信令的传输提供了方便。对于IS-95系统，接收端无法知道发送数据速率，只 能通过提取信道质量信息，判定发送端可能发送的速率。
CDMA系统主要技术特点---软切换
由于CDMA系统中移动台独特的RAKE接收机可以同时接收两个或两个 以上基站发来的信号，从而保证了CDMA系统能够实现软切换。软切换 引入大大地改善了切换的性能，消除了切换过程中通信的中断、小区边 界处的“乒乓效应”以及切换引入的噪声。
CDMA系统主要技术特点---功率控制
• 功率控制分为反向功率控制及正向功率控制两种，其中，反向功率控制 尤其重要，因为，反向是依靠准正交码区分的，因此，用户之间存在相 互间干扰，只有保证到达基站各用户间功率一致（防止远近效应），才 能保证用户容量及质量。 进行反向功率控制，指在移动台接收并测 量基站发来的导频信号，根据导频信号强弱估计正确的传输损耗，并根 据这种估计来调节移动台的反向发射功率。接收信号增强就降低其发射 功率，接收信号减弱就增强其发射功率。 • 功率控制的原则是：当信道的传播条件突然改善时，功率控制应作出快 速反应（例如几微秒），以防止信号突然增强而对其他用户产生附加干 扰，相反，当传播条件突然变坏时，功率调整的速度可以相对慢一些。 也就是说，宁愿单个用户的信号质量短时间恶化，也要防止许多用户因 为单个用户的信号电平突然变大而增大背景干扰。
建议最大负荷为极限容量的50%由此得出反 向链容量为每扇区20个话务信道
W 1 1 Nu × × × F × G Rb Eb /No u
其中： W/Rb : Eb/No: u : F : G : 处理增益 比特能量与噪声系数比 语音占空比 频率复用率 扇区系数
限制CDMA基站容量的因素 RF 容量
WCDMA RAKE 支持 软、硬切换 相干解调 3.84 TSTD STTD FBTD 异步 GSM MAP cdma2000 RAKE 支持 软、硬切换 相干解调 N*1.2288 OTD STS 同步 ANSI-41 TD-SCDMA RAKE 支持 软、硬切换 相干解调 1.28 无 异步 GSM MAP
Ó É Ô ¢ Ð Å º Å
CDMA以一个窄带信号开始，采用扩频技术扩展到 1.2288MHz的宽带信号 接收时，从宽带信号中恢复信号 CDMA系统干扰主要来自相邻小区和同小区其他用户
CDMA几个常见术语
比特(bit)、符号(Symbol)与码片(Chip) Building a CDMA Signal
CDMA的发展主要历程
CDMA技术标准的演进路线
IS-95-A
• Voice • 14.4 kbps
cdma2000 1X
• High Capacity Voice • 153 kbps Packet • RF Backward Comp.
1xEV Phase 1 (1xEV-DO)
• 2.4 Mbps Packet • RF Backward Comp.
CDMA系统主要技术特点---功率控制
• 这种功率控制办法简单、直接，不需要在移动台和基站之间交换信息 ，因而控制速度快并节省开销。对于某些情况，例如车载移动台快速 驶入或驶出地形起伏区或高大建筑物遮蔽区而引的信号强度变化是十 分有效的，但是对于信号因多径传播而引起的瑞利衰落变化则效果不 好。因为前向传输和反向传输使用的频率不同，通常两个频率的间隔 大大超过信息的相干带宽，因而不能认为移动台在前向信道上测得的 衰落特性，就等于反向信道上的衰落特性。为了解决这个问题，可以 由基站检测来自移动台的信号强度，并根据测得的结果，形成功率调 整指令，通知移动台，使移动台根据此调整指令来调节其发射功率。 实现这种办法的条件是传输调整指令的速度要快，处理和执行调整指 令的速度也要快。一般情况下，这种调整指令每毫秒发送一次就可以 了
8
Users
Vulnerability: C/I @ 6.5-9 dB
1
4
2 3
200 kHz
Typical Frequency Reuse N=4
Vulnerability: EbNo @ 4 dB
CDMA 35 Users
1250 kHz
1 1 1 1 1 1 1
1
1 1
1 1
1 1
Typical Frequency Reuse N=1
第三代移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU）1985年提 出，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（International Mobile Telecommunication2000）。
IMT-2000的目标
CDMA系统主要技术特点---软切换
• 在CDMA数字移动系统中，切换的标准主要为导频信号的强度，导频信号强度 为接收到的导频能量与全部接收到的能量的比值。导频信号是每个基站连续发 射的未经调制的、直接序列扩频的信号，它主要用于使所有在基站覆盖区中工 作的移动台进行同步和切换。基站利用一周期为2（15次方）=32 768的最大长 度伪随机序列（PN）的时间偏置来标识每个前向CDMA信道（由基站到移动台 ），此序列PN也称为导频序列。不同前向信道使用不同相位的m序列进行调制 ，其相位至少相差64bit，因此导频PN序列可使用的相位为512个。在CDMA系 统中所有CDMA小区都采用同一个频率，移动台根据接收到的基站导频信号的 不同偏置来区分各个基站。每个小区的导频要与其同一CDMA信道中的正向业 务信道相配合才有效，当移动台检测到一个足够强度的导频而它未与任何一正 向业务信道相配合时，就向基站发送一导频强度测量报告，基站根据此报告决 定是否切换。在CDMA的切换技术中一个显著的优点是可以使用软切换。所谓 软切换是指当移动台需要跟一个新的基站通信时，并不先中断与原先基站的联 系
接收机结构 闭环功率控制 越区切换 解调方式 码片速率 (Mcps) 发射分集方式 同步方式 核心网
CDMA基本原理
CDMA系统主要特点
系统容量大
CDMA容量计算
W 1 1 N, 1 f G VAF R Eb No 1 1 1228800 6.5 1 065 . 085 . 10 9600 10 04 . 401 .
1xEV Phase 2 (1xEV-DV)
• Higher Cap Voice/ Data • RF Backward Comp.
1995
1999
2000
2001
2002
2003+
IMT-2000
IMT-2000是第三代移动通信系统的统称
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，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任 何时候、任何地点进行任何种类通信。
CDMA系统主要特点
• 前向链路采用64位WALSH码区分信道，共有导频、寻呼、同步、前向业务 等4类信道，不同基站之间采用 2（15次方）PN码相位区分，共有512个相 位（相邻相位之间相差64个PN码片），采用了卷积编码（K=9，R= l／2） 、交织等信道编码方式。 后向链路共有接入、反向业务2类信道，信道及用户之间采用2（42次方）1 PN码相位区分，采用了卷积编码（K=9、R=l／ 3, R= l／2 ）、交织等信 道编码方式，同时采用了64进制调制方式。 此标准规定的系统是同步CDMA系统（信道、基站区分采用PN码相位）， 因此，必须有一个时间参考源，标准规定采用GPS定时。 为了提高系统容量，一是在前向信道中加入了功率控制子信道，用于移动 台的闭环功率控制；二是采用了可变速率声码器，实现话音激活；三是移 动台采用非连续发送方式。
RF 反向容量 - 噪声容量 RF 前向容量 - 功率容量
Walsh Cwk.baidu.comde 容量 信道单元 ( CE ) 容量
CDMA系统主要特点
AMPS, D-AMPS, N-AMPS
1 3 1 Users 2 3 7 1 6 4 5
• 抗干扰能力强
30 30
Vulnerability: C/I @ 17 dB 10 kHz Bandwidth Typical Frequency Reuse N=7
1.2288 Mcps
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19.2 ksps
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9.6 kbps
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CDMA系统主要技术特点--- RAKE接收技术
• 在移动通信中，移动台与基站之间的环境复杂，到达接收信号不会是一条路径 来的信号，而是多径合成信号。对于采用其他技术的移动通信系统，只能采用 复杂的抵抗技术，减少影响。而对采用CDMA技术的移动通信系统，由于 CDMA的相关特性，只要路径之间的时延差大于一个PN码片宽度，就可以利用 多径信号加强接收效果，此种技术称为RAKE分集接收技术（俗称路径分集） 。一般RAKE接收机由搜索器（Searcher）、解调器（Finger）、合并器（ Combiner）3个模块组成。搜索器完成路径搜索，主要原理是利用码的自相关 及互相关特性。解调器完成信号的解扩、解调，解调器的个数决定了解调的路 径数，通常CDMA基站系统一个RAKE接收机由4个Finger组成，移动台由3个 Finger组成。合并器完成多个解调器输出的信号的合并处理，通用的合并算法 有选择式相加合并、等增益合并、最大比合并3种。合并后的信号输出到译码 单元，进行信道译码处理。