CDMA通信原理

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3.三种多址方式:FDMA, TDMA, CDMA
4.CDMA通信的基本原理:CDMA通信与传统的通信系统相比较, 发端多了扩频调制,收端多了扩频解调。
4.1.2 CDMA系统的正向链路
在CDMA移动通信系统中,基站和移动台之间的通 信即空中接口尤为关键,其中基站发往移动台的 信号线路称为正向链路(下行连路或前向链路)。 同理,由移动台发往基站的信号线路,称为反向
图4-10简化的CDMA系统反向链路组成方框图
4.2 CDMA蜂窝网的关键技术
4.2.1 功率控制
CDMA蜂窝移动通信系统中,所有用户使用相同的频带同时 发送信息,如果各移动台以相同功率发射信号,则信号到 达基站时,因为传输路程的不同,基站接收到的靠近基站 的用户发送的信号比在小区边缘用户发射的信号强度大, 因此远端的用户信号被近端的用户信号湮没,这就是所谓 的“远近效应”。
4.硬切换 移动台穿越工作于不同载频的小区时发生的过境切换,即移动 台先中断与原基站的联系,再与新基站取得联系。
图4-25软/更软切换
4.3 码分系统容量 4.3.1 CDMA蜂窝通信系统的容量
蜂窝系统采用频率再用技术,使用相同频率的小区称为共道 小区,共道小区之间存在的干扰称为共道干扰。
对于模拟频分和数字时分系统来说,系统容量的计算比较简 单。当蜂窝系统的总频道数M=W/B(W是无线频率带宽,B为信 道间隔)和区群小区数m(小区频率复用数)确定后,每一小 区的可用信道数,即模拟频分和数字时分蜂窝网移动通信系 统容量的一般公式为:
自适应阵的基本思想是依据相应的优化算法,调整权矢量W, 从而使天线阵的性能达到最优。这里选择一个环形排列的8 元阵为例,如图4-22所示,实现天线阵波束的自适应生成。
图4-21 自适应天线组成方框图
图4-22自适应天线阵列
4.2.6 越区切换
1. 移动台由同一基站的一个扇区进入另一个具有同一载频的 扇区时发生的过境切换。基站的RAKE接收机将来自两个扇 区分集式天线的话音帧中最好的帧合并为一个业务帧,更 软切换由基站控制完成。
反向链路闭环功率控制包括两部分——内 环功率控制和外环功率控制。
反向外环功率控制的过程为:基站通过测量误帧 率.并定时地根据目标误帧率来调节设置点c/I, 来维持恒定的目标误帧率。反向外环功率控制是为 了适应无线信道的衰耗变化.动态调整反向闭环功 控中的信噪比门限。
反向内环功率控制的过程为:基站测量接收到的信 号c/I.将该值与设置点相比较,通过发送功率控 制命令来增大或减小功率,以便接收到的信号c/I 接近于设置点。
(4) 场分量分集。 由电磁场理论可知, 电磁波的E场和H场载有相同的消息, 而 反射机理是不同的。
适合低频段。
(5) 角度分集。 角度分集的作法是使电 波通过几个不同路径, 并以不同角度到 达接收端, 而接收端利用多个方向性尖 锐的接收天线能分离出不同方向来的信 号分量;
适合较高频段
(6) 时间分集。 快衰落除了具有空间和频率独 立性之外, 还具有时间独立性, 即同一信号在 不同的时间区间多次重发, 只要各次发送的时 间间隔足够大
小区内切换
图4-23更软切换
2.软切换 移动台从一个小区进入相同载频的另外一个小区时采 用的过境切换。此时移动台与不同小区或三个扇区保 持通信(如图4-24(a)、(b)所示)。软切换由移 动交换中心(MSC)控制完成。图4-24(c)所示是两 基站之间软切换的原理。
软切换的实现
1.
在CDMA系统中,为实现系统捕获,系统采用了导 频信道。导频信道可以通过引导PN序列偏移和频 率分配来识别。移动台将能够接受的导频信号分 为4
通常认为,在频分双工模式的系统中,开环功控 的作用是调整移动台初始接人时的发射功率,同 时对弥补由于路径损耗而造成衰减的慢变化起到 一定的作用。为了提高功率控制精度,克服较为 快速的瑞利衰落,必须采用闭环功控。
1.反向功控
是分布式功控,控制各MS的发射功率,使得基站到 移动台的功率信号基本相当,Pa=Pb=Pc 优:各用户间干扰小,克服远近效应。
(8 - 2)
C 1 I n 1 n 1 W / Rb
Eb / I0
(8 - 3)
通常n>>1, 故 C/I≈1/n, 即
n W / Rb Eb / I0
(8 - 4)
这一结果表明:在误码率一定的条件下, 所需归一化信干比越小,系统可以同时 容纳的用户数越大。
T 1 1 2 fm 2( / )
适合运动的移动台,
(7) 路径分集
①Rake接收机组成:相关器、合并器
②原理:
③过程:相关器估算出各路信号的强 度和伪码相位,找出最强的信号,使 本地码的三个发生器的输出码相位和 对应的信号的伪码同步。经解扩合并 后译码。
④好处:
⑤结论: Rake接收把多径变害为利。 相关器多,增益好,但设备复杂度高。
分集原理:
一分散传输 二集中处理
分集的类型 (1)宏分集: 宏分集用于减少由于阴影效应而引起
的大范围衰落,宏分集也称为“多基站”分集。
(2)微分集: 微分集在同一地点使用两个或多个天 线,是一种减小快衰落影响的分集技术。微分集 又可分为下列7种:① 空间分集,② 频率分集,③ 极化分集,④场分量分集, ⑤角度分集, ⑥时间分 集, ⑦路径分集
频码,理想情况下,基站发射给每个移动 台的扩频信号完全正交,则移动台间的干 扰就不存在。 多小区
正向功率控制方法与反向功率控制相类似也 是由开环功控和闭环功控两部分组成。
正向功率控制与反向功率控制区别:
一对多, 多对一 正向有导频信号。 调整阶距: 速率
4.2.2 信道衰落与分集接收
分集接收技术用于减少衰落的影响,其作用是在不增 加发射机功率或信道带宽的情况下提高系统的可靠性。
第4章 CDMA通信原理
4.1 CDMA基本原理 4.2 CDMA蜂窝网的关键技术 4.3 码分系统容量
4.1 CDMA基本原理
4.1.1 多址技术的基本概念
1.目的: 由于移动用户在不断地随机运动,建立它们之间 的通信,首先必须引入区分和识别动态用户地址的多址技 术。
2.原理:与固定式通信中的信号复用技术相同,两者实质上 都是属于信号正交划分与设计技术。
2. 正向功控
正向功控是调整基站向移动台发射的功率,是集中 式功率控制。
其目的是对路径哀落小的移动台分配相对较小的前 向发射功率,而对那些较远的和解调信噪比较低的 移动台分配较大的前向发射功率,基站通过移动台 对前向解调误帧率的反馈报告来决定针对该移动台 的前向链路功率的增大或减小。
适应于: 基站采用同步CDMA,且选用完全正交扩
3.可变速率声码器
语音激活技术可提高容量约3倍 激活系数为0.3~0.4
4.2.5 扇区划分技术
扇区划分技术是位于蜂窝小区中心的基站利用天线的定向特 性把蜂窝小区分成不同的扇面如图4-20所示。
图4-20三种主要的无线区图形
自适应天线组成方框图如图4-21所示,其组成部分是在空间 按一定规则排列的一组天线(天线阵)、方向图形成网络和 自适应处理器
通常,路径损耗的总动态范围在80dB范围内
功率控制的目的:为了获得高质量和高的容量,所有的信 号不管离基站的远近,到达基站的信号功率都应该相同, 使每个用户到达基站的功率相同。
开环功控:指的是移动台(或基站)根据的前向(或 反向)链路接收到的信号功率大小来调整移动台 (或基站)的发射功率。
开环功控建立在上行与下行链路具有一致的信道 衰落情况之上。
nM W m mB
1. 码分系统的容量 首先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
C RbEb Eb / I0 I I0W W / Rb
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
(3) 最大比值合并:在接收端由M个分集电路,经过相位调整 后,按照适当的增益系数,同相相加,再送入检测器进行检 测。 图4-17给出三种合并方式平均信噪比的改善程度。
4.2.3 正交调制和正交扩频
由于CDMA移动通信系统采用了扩频技术,信道的传输 速率达1.2288Mb/s,因此必须采用高效的调制方法, 以提高频谱使用效率。QPSK调制,oQPSK调制
IS-95 基站4个相关器
移动台3个相关器
(3)隐分集
2. 基本的合并方法 (1) 选择式合并:选择式合并又称为开关式相加。
以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输 出。 由上式可见, 在选择式合并器中, 加权系数只有一项 为1, 其余均为0。
图4-16选择式合并原理图
(2) 等增益合并:等增益合并是各支路的信号等增益相加
闭环功控:一般是指基站(和移动台)根据前向(或 反向)链路上接收到的移动台(或基站)信号,来产 生功率控制指令,然后通过前向(或反向)链路传 送给移动台(或基站),移动台(或基站)根据功率 控制指令来调整发射功率。
对于频分双工模式CDMA系统面言,其上行链路与 下行链路相应的频率间隔为45Mh,远大于信道的 带宽,上行链路与下行链路的衰落是不相关的, 采用开环功控难以达到所要求的控制精度:
为了简要地说明CDMA空中接口的通信原理,我们仅 以3个移动用户为例。图4-2给出了正向链路组成 方框图。
4.1.3 CDMA系统的反向链路
在码分多址系统中,由移动台发往基站的无线线路,称为反向链路,也称 为上行链路。由图4-10可见,在基站接收天线上信号Z(t)为:
3
z(t) Aici (t ti )bi (t ti ) cos(ct i ) n(t) i1
采用PN序列进行正交扩频,使信号特性接近白噪声特 性,从而能改善系统的信噪比。正交调制提高了频率 利用率。
4.2.4 编码技术
数字化通信必须使用编码技术,包括信源编码和信道编码。语音编码 包括波形编码、参数编码(声码器)和波形与参数的混合编码。
1.波形编码 波形编码是传统的语音编码方式,它以精确再现原来语音 的波形为目的,并以波形的保真度即自然度为其质量的主 要度量指标。 2.参数编码 参数编码利用人的发声机制,仅传送反映话音波形产生的 主要变化参量,在接收端根据发声机制,由传送来的变化 参量人工合成话音。它的主要度量指标在于可懂度。 3 混合编码吸取了波形编码和参数编码两者的优点,以参量 编码为基础并附加一定的波形编码的特征,实现在可懂度 的基础上适当地改善自然度的目的。
(3) 隐分集: 隐分集主要指把分集作用隐蔽于传 输信号之中。
(1) 空间分集。
①空间分集的依据在于快衰落的空间独立性, 即
在任意两个不同的位置上接收同一个信号, 只要两 个位置的距离大到一定程度, 则两处所收信号的衰 落是不相关的。
②空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d的
天线,
③间隔距离d与工作波长、 地物及天Biblioteka 高度有关,1) 有效导频集。
2)
3) 邻近导频集。
4) 剩余导频集。
3.
4. 当移动台进入某一基站服务区,然后又离开该基站时,移动台收到该基站的导 频强度先由弱变强,接着又由强变弱,因而该导频信号可能由邻近导频集和候 选导频集进入有效导频集,然后又返回邻近导频集,见图8-2。
图8-2切换门限举例
3. 软/更软切换 软/更软切换的原理如图4-25所示。
容量大,干扰小。 (1)反向开环功率控制 反向链路开环功率控制是移动台的基本功能。
动态范围:85dB 响应时间短:几US 存在问题:一开始大功率,不必要的干扰增加。 解决方法:接入尝试
优:简单易行 控制速度快 节省开销 对付慢衰弱有效
缺:多径效应 (2)反向闭环功率控制 解决多径,是由基站协助移动台, 动态范围:48dB
④在移动信道中,
市区 d=0.5λ 郊区 d=0.8λ
(2) 频率分集。 由于频率间隔大于相关 带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为 是不相关的, 因此可以用两个以上不同 的频率传输同一信息, 以实现频率分集。 根据相关带宽的定义, 即
Bc
1
2
(3) 极化分集。 由于两个不同极化的电 磁波具有独立的衰落特性, 因而发送端 和接收端可以用两个位置很近但为不同 极化的天线分别发送和接收信号, 以获 得分集效果。
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