第8章 码分多址(CDMA)移动通信系统(一).ppt

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。
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。
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(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
C 1 I n 1 W / Rb n 1 Eb / I 0
(8 - 2) (8 - 3)
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通常n>>1, 故C/I≈1/n， 即
W / Rb n Eb / I 0
(8 - 4)
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1. 话音激活期的影响 人类对话的特征是不连续的， 对话的激活期(占空
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(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
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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)。
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8.1.4 IS-95 CDMA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，
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。
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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 777。 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±5×10-8之内， 移动台发送的载波频率 要保持比基站发送的频率低 45 MHz±300 Hz。
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。
W / Rb G n Eb / I 0 d
(8- 6)
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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。
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(a)
(b)
图 8 - 1 CDMA蜂窝系统的多址干扰
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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
8.6 cdma2000空中接口
思考题与习题
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8.1 概 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。
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Ⅲ Ⅲ 本 小 区 Ⅱ Ⅰ Ⅲ Ⅲ Ⅱ x Ⅱ Ⅲ Ⅰ Ⅲ
图 8- 2 CDMA系统中移动台受干扰的情况
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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)； 来自本
衰落和具有保密性等。
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8.1.2 CDMA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 CDMA 蜂窝系
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。
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8.1.3 IS-95 CDMA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
成话音样点。
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8.2 CDMA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。
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8.1 概述
8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量 8.3 IS-95CDMA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 8.5 IS-95CDMA蜂窝系统的控制功能
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8.1.5 IS-95 CDMA蜂窝系统的话音编码
IS-95 CDMA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 8 kb/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, 1 kb/s， 可以 9.6, 4.8, 2.4, 1.2 kb/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
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。 无线通信系统
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(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
W / Rb G n Eb / I 0 d
(8 - 5)
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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
二者之差是秒的整倍数。
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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。
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。
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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信号中选出其中使用预定码型的信号。
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Ⅰ)的干扰信号功率为 2anr-4; 来自较远 3 个基站(图中的 Ⅱ)的干扰信号功率为3an(2r)-4; 来自更远 6 个基站(图中的
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。
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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CDMA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
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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
站的传输频段是 824～849 MHz, 基站向移动台的传输 频段是 869～894 MHz。 允许CDMA蜂窝系统占用的
频段如表 8 – 1（ 略）所示。
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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
统的多址干扰都是系统本身存在的内部干扰。
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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。
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 Rb Eb Eb / I 0 I I 0W W / Rb
(8- 1)
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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