码分多址CDMA基本原理

比特 输出 检测
CDMA通信的基本原理
CDMA系统的上行链路
各移动台的伪码序列必须满足准正交的条件，可采用长 周期序列的m序列，其起始位置不同
在基站接收天线上信号为：
3
z(t) Aic j (t ti )bj (t ti ) cos(ct i ) n(t) i 1

83
2 TDMA蜂窝系统的通信容量
尽管TDMA系统在每一频道上可以分成m个时隙作 为m个信道使用，但是不能由此而说其等效信道总 数比FDMA系统的信道总数增大m倍。
因为话音编码速率确定后，传输一路话音所需要 的频带也是确定的。TDMA系统在一个频道上用m 个时隙传输m路话音，它所占用的频道宽度必然比 FDMA系统传输一路话音所需要的频道宽度大m倍。
CDMA系统中的主要干扰源是系统中存在的多址干扰。
1 FDMA蜂窝系统的通信容量（265页）
共道小区以某一小区为中心 可分成许多层： 第一层6个半径为D 第二层6个半径为D1 第三层6个半径为D2 来自第一层共道小区的干扰 最强, 可只考虑这6个共道小区所 产生的干扰。
r
D D1
D2
1 FDMA蜂窝系统的通信容量
从原理上说，在系统总频段相同的条件下，两系 统的信道总数是一样的
2 TDMA蜂窝系统的通信容量
如果二者要求的载干比相同,则二者的通信容量是 一样的.
例如: 通信系统的总频段为96KHz, 各路数字话音速率 为16kb/s,传输一路话音需要的带宽为16KHz. 采用FDMA,可划分的总信道数为:96/16=6. 采用TDMA,每频道3个时隙,所需频道带宽为 3*16=48KHz, 只能96/48=2个频段,等效信道总 数为2*3=6个.
c1(t)
Tb Tb
c1(t-⊿1)
∫
Tb+⊿1
Hold until Tb+⊿N
z(t)
∫
Hold until
Tb+⊿N
∑
PathN
cosct
c1(t-⊿N-1)
Tb+⊿N-1
∫
Hold until Tb+⊿N
•Multipath has been treated as causing delayed versions of the signal to add to the system noise when the differential delay exceeds the chip time. •Substantial performance improvement can occur by detecting each additional path separately,thereby enabling the signals to be combined
3N 2 6 C
I S
1 FDMA蜂窝系统的通信容量（265页）
当蜂窝系统的总频道数M=W/B（W为频段宽度，B为
频道间隔）和区群小区数N确定后，每一小区的可用频
道数:
n W
W
M
NB B 2 C I
2 C I
3
S
3
S
从上式可知：蜂窝系统可以分配给每个小区的信道数 除了取决于总信道之外，还取决于要求的载干比。 基站若采用定向天线把小区分成多扇区进行工作，可 以减小系统中的共道干扰。提高系统的通信容量。
3 1
y (t)
-1
-3
1 c1(t) -1
3
y(t)c1(t) 1
-1 -3
每隔Tb积分
6
判决数据
0
-4
-6 2
12
1
10
0
CDMA通信的基本原理
CDMA系统的上行链路
移动台 A
×
y1(t)
×
b1(t)
c1(t) cos(ωct+α 1)
移动台 B
×
y2(t)
×
b2(t)
Fra Baidu bibliotek
c2(t) cos(ωct+α 2)
1 c1(t)
-1 1 c2(t) -1
1 c3(t)
-1
CDMA通信的基本原理
c1(t),c2(t),c3(t)为同一个m序列（P=15），但起始位置 不同
1 b1(t)
0
0
0
-1
1
1
1
c1(t)
-1
1 y1(t)
-1
CDMA通信的基本原理
c1(t),c2(t),c3(t)为同一个m序列（P=15），但起始位置 不同
Path1 integrator +4 +4
output
-8 +8 +12
Path2 integrator +8 -8 -12 -4 +12
output
Sum of integrator 12
outputs
-4 -20 +4 +24
Detected bit
0
1
1 00
values
发送的比特 0
1
100
移动台 C
×
y3(t) ×
b3(t)
c3(t) cos(ωct+α 3)
输入 扩频
射频 调制
×
cos(ωct+φ1)
×
cos(ωct+φ2)
×
cos(ωct+φ3)
射频 解调
×
c1(t-t1)
×
c2(t-t2)
×
c3(t-t3)
解扩
Tb b1(t) 0
Tb b2(t) 0
Tb b3(t) 0
C
I
6
C Ii n0
i 1
忽略背景噪声功率n0,
C=Ar-4 Ii=ADi-4
C
I
r 4
6
Di 4
i 1
1 FDMA蜂窝系统的通信容量
令Di=D
因 D 3N
r
所以
C
I
r 4
6
Di 4
i 1
C

1

r
4

C

I 6 D I S
射频 解调
c3(t-t3)
解扩
移动台
Tb 0
A b1(t)
移动台
Tb 0
B b2(t)
移动台
Tb 0
C b3(t)
比特 输出 检测
CDMA通信的基本原理
假定b1(t)=“01100”, b2(t)=“00100”, b3(t)=“01001” 信息码元宽度为Tb 伪码为15位的m序列，码片宽度为Tc c1(t),c2(t),c3(t)为同一个m序列（P=15），但起始位置不同
1 2
Aici
(t

ti
)bi
(t

ti
)
再进行解扩，即可得有用的数据信息b1(t) 由于（M-1）干扰与噪声与ci(t)不相关，解扩中，将它们
的谱密度大大降低，输出干扰和噪声降到很小。
Tb/Tc越大，干扰降低越多
练习
在CDMA系统上行链路中，请画出相关各点的 波形。
(1)发送端y1(t),y2(t),y3(t) (2)接收端针对其中一个用户的波形，并包括干
2 TDMA蜂窝系统的通信容量
要提高数字蜂窝系统的通信容量，必须采用先进 的技术： 采用先进的话音编码技术，降低话音编码的数据 率 有效的进行差错保护，在话音质量要求相同的情 况下，所需的载干比值可以降低 TDMA蜂窝网络由于采用了移动台辅助切换技术， 能明显加快移动台的过区切换速度，其小区半径 可以减小，则单位面积的通信容量越大。
2 TDMA蜂窝系统的通信容量（267页）
TDMA系统的频道宽度为B，而每一频道包含m个 时隙，信道总数为M=mW/B
GSM系统容量
信道总数M

25106 8 200 103
1000
N 4时，每小区信道数 1000 25（0 ch/cell） 4
每扇区信道数=
250 3
蜂窝系统的通信容量
通信容量的设计依据是： 为保证规定的话音质量，系统接收端的信号功率与 干扰功率的比值（C/I）必须大于一定门限值。
在模拟蜂窝系统中：（C/I）S = 18dB 数字蜂窝系统中： （C/I）S = 10~12dB
FDMA和TDMA,由于区群之间实现频率再用，可将共道 小区之间存在的同频干扰作为主要的干扰。
则：
y1(t) b1(t) c1(t)
y2 (t) b2 (t) c2 (t)
y3(t) b3(t) c3(t)
3
3
y(t) y j (t) bj (t)c j (t)
j 1
j 1
CDMA通信的基本原理
c1(t),c2(t),c3(t)为同一个m序列（P=15），但起始位置 不同
c1(t)
发往用户 B
×
y2(t)
Σ
×
b2(t)
c2(t)
发往用户 C
×
y3(t)
b3(t)
cosωct
c3(t)
输入 扩频
合路 射频 调制
z1 × y(t) ×
cos(ωct+φ1)
z2 × y(t)
c1(t-t1)
×
cos(ωct+φ2)
z3 × y(t)
c2(t-t2)
×
cos(ωct+φ3)
例：两路RAKE接收机
t=0 y(t)
y(t-2tc)
z(t)
Downlink Multiuser with Two Equal Strength Paths
例：两路RAKE接收机
t=0 0
11
00
z(t)
1 0
c1(t)
z(t)c1(t) t
Tb 2Tb 3Tb 4Tb 5Tb Downlink Multiuser with Two Equal Strength Paths
CDMA通信的基本原理
CDMA通信的基本原理
简化的CDMA系统
话音数据 9.6kbps
话音数据 9.6kbps
×
PN码 1.22Mbps
×
本地PN码 1.22Mbps
×
载频 900MHz
×
本地载频 900MHz
CDMA通信的基本原理
CDMA系统的下行链路
发往用户 A
×
y1(t)
b1(t)
扰项的波形。 (3) b1(t)=“01100”, b2(t)=“00100”, b3(t)=“01001”
(4)c1(t)=000011101100101 c2(t)=110110010100001 c3(t)=001010000111011
RAKE接收机
decide
… … …
…
Path1 Path2
Ai为各个移动台至基站的传输损耗系数 ti为各个移动台至基站的传输时间
i为各个载波相位由i变为i (由ti引起)
n(t)为背景噪声
CDMA通信的基本原理
CDMA系统的上行链路
在基站采取相干解调方式，φi可消去的影响 在时间同步情况下，ti 的影响也可不考虑
推广到M个用户，在接收某一移动用户支路时，在基站 接收机第i个支路解调器的输入端为：
1 b2(t)
0
0
0
0
-1
1
1
c2(t)
-1
1 y2(t)
-1
CDMA通信的基本原理
1 b3(t)
0
0
0
-1
1
1
1
c3(t)
-1
1 y3(t)
-1
CDMA通信的基本原理
1 y1(t)
-1 1 y2(t) -1
1 y3(t)
-1
3 1
y (t)
-1 -3
CDMA通信的基本原理
移动台接收信号
由于移动台A、B、C处于不同的地方，因此基站发送的 合路信号到达不同移动台的传输损耗和传输时间都是不 同的。
zi (t) Aici (t ti )bi (t ti ) cos(ct i )
M
Ajcj (t t j )bj (t t j ) cos(ct j ) n(t) j 1 ji
M-1干扰
CDMA通信的基本原理
CDMA系统的上行链路
相干解调后，上式第一项产生
小区半径为r，
两个相邻共道小区的距离D= r 3N 21r
共道干扰抑制因子 D 3N
r
假如传播损耗与传播距离的4次方成比例，接收到 的信号功率与第i个共道小区的干扰功率可分别为：
C=Ar-4 Ii=ADi-4
A为比例常数
1 FDMA蜂窝系统的通信容量
接收信号的载波与干扰功率之比为:
对于某个移动台而言，其接收机输入端是
3

zi (t) Ai cj (t ti )bj (t ti ) cos(ct i )
j1

式中包含了所需的信号和其它用户的信号。
传播时延及载波偏移通过同步电路（包括伪码同步）消除影响
CDMA通信的基本原理
移动台A的接收过程
例：两路RAKE接收机
t=0 0
11
00
z(t)
2Tc
c1(t-2Tc)
z(t)c1(t-2Tc)
t Tb 2Tb 3Tb 4Tb 5Tb Downlink Multiuser with Two Equal Strength Paths
例：两路RAKE接收机
Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5
蜂窝系统的通信容量
在蜂窝移动通信系统中，系统的容量有多种衡量方法， 如： 每小区可用信道数（ch/cell）
每小区每兆赫兹可用信道数（ch/cell/MHz） 每小区爱尔兰（Erl/cell） 每平方公里用户数（用户数/km2） 每平方公里每小时通话次数（通话次数/h/km2） 这些表征方法从不同的角度对系统的容量进行衡量，它们之间 是有联系的，在一定的条件下可以互相转换。 一般用每小区可用信道数（ch/cell）或每小区每兆赫兹可用信 道数（ch/cell/MHz）对蜂窝移动通信系统的容量进行度量。