CDMA技术原理及主要特点

CDMA 技术原理及主要特点CDMA 是 Code Division Multiple Access 的英文缩写，中文翻译为码分多址。 CDMA 是用于数字蜂窝移动通信的一种先进的无线扩频通信技术，它能满足近年来运营者对 大容量、廉价、高质量的移动通信系统的需求o CDMA中的多址可以被理解为一个滤波问题， 多个用户同时使用同一频谱，然后采用不同的滤波器和处理技术，将不同用户的信号互不干 扰地接收和解调出来。移动通信一般采用三种多址方式：FDMA （频分多址）、TDMA （时分 多址）和CDMA （码分多址）。FDMA就是信号功率被集中在频域中一个相对的窄带中传输， 不同信号被分配到不同频率的信道里，发往和来自邻近信道的干扰用带通滤波器限制，这样 在规定的窄带里只能通过有用信号的能量，而任何其他频率的信号被排斥在外。模拟的FM蜂 窝系统采用的就是FDMA方式。TDMA就是一个信道由一连串周期性的时隙构成，不同信号 的能量被分配到不同的时隙里，利用定时选通来限制邻道的干扰，从而只让在规定时隙中有 用的信号能量通过。现在使用的TDMA蜂窝系统实际上都是FDMA和TDMA的组合。CDMA 就是每一个信号被分配一个伪随机二进制序列进行扩频，不同信号的能量被分配到不同的伪 随机序列里。在接收机里，信号用相关器加以分离，相关器只接收选定的二进制序列并压缩 其频谱，将有用信号的信息识别和提取出来。 CDMA 技术作为一种抗干扰的通信手段， 很早就在军事通信中得到了应用，但是将 CDMA 技术应用于民用的数字蜂窝移动通信系 统，还是80年代末才由美国Qualcomm公 司实现的。QCDMA系统中采用了许多先进的技 术从而保证了系统性能的优势，其标准称为IS-95系列，包含多个标准。多径衰落是移动通信 系统需要克服的主要问题，CDMA系统采用了多种形式的分集，从而很好地解决了这一问题。 CDMA系统采用符合交织、检错和纠错编码等方法实现了时间分集；CDMA系统的信号带宽 是1.25MHz，起到了频率分集的作用；基站使用多付接收天线，基站和移动台都使用了 Rake 接收机技术，软切换时，移动台和基站同时联系，从中选取最好的信号送给交换机，从而起 到了空间分集的作用。CDMA系统的容量主要受限于系统移动台之间的相互干扰，如果每个 移动台的信号在到达基站时都保持所需的最小信噪比，系统容量将达到最大值。CDMA功率 控制的目的就是使每个用户即维持高质量通信，又不对占用同一信道的其他用户产生不应有 的干扰。功率控制分为前向功率控制和反向功率控制，而反向功率控制又分为开环和闭环两 部分。反向开环功率控制是在反向闭环功率控制还未形成时，移动台根据接收功率的变化控 制发射功率。CDMA系统的每一个移动台都一直在计算从基站到移动台的路径衰耗。当移动 台接收到从基站来的信号很强时，表明要么离基站很近，要么有一个很好的传播路径，这时移动台将降低它的发射功率。相反，当移动台接收到的信号很弱时，它就增加发射功率以抵 销损耗。CDMA系统前向、反向信道分别占用不同的频段，间隔为45MHz，两个频道衰减的 相关性较弱。这就需要基站根据目前所需信噪比和实际接收的信噪比之差随时命令移动台调 整发送功率（即闭环调整）。基站所需的信噪比是根据初始设定的误帧率随时调整的（即外环 调整）。前向信道总功率被按一定比例分配给导频信道、同步信道、寻呼信道以及所有的前向 业务信道。因为不同移动台可能处在不同的距离和不同的环境，基站到每一个移动台的传输 损耗都不一样，因此基站必须控制发送功率，给每个用户的前向业务信道都分配以适当的功 率。基站这种视具体情况而分配给不同业务信道不同功率的方法就是前向功率控制。 CDMA 系统的功率控制除了直接提高容量之外，同时也降低了为克服噪声和干扰所需的发射功率， 这就意味着CDMA移动台有着更长的工作时间。目前CDMA系统普遍采用8Kbit/s的可变速 率声码器，声码器使用的是QCELP（Qualcomm码激励线性预测）语言编码技术，QCELP算 法被认为是到目前为止效率最高的一种算法，可以保证很高的话音质量。此外，系统还采用 了话音激活技术，在用户不讲话时数据传输速率降低，减轻了对其他用户的干扰，而 CDMA 的容量直接于总干扰功率相关，这样就可以使系统容量增加一倍左右。CDMA信号的扰频方式提供了高度的保密性，使这种数字蜂窝系统在防止串话、盗用等方面具有其他系统不 可比拟的优点。CDMA的数字语音信道还可将数据加密标准或其他标准的加密技术直接引入。 CDMA 系统能提供软切换技术。软切换就是当移动台需要跟一个新的基站通信时，并不先中 断与原基站的联系，移动台在切换过程中与原小区和新小区同时保持通话，以保持电话的通 畅。软切换只能在具有相同频率的 CDMA 信道间进行。它的优点包括三方面：1、无缝切换 保持通话的连续性。 2、减小了掉话可能性。 3、处于切换区域的移动台发送功率降低，减少 发送功率是通过分集接收来实现的，降低发送功率有利于增加反向容量。在FDMA和TDMA 系统中，一个小区中的信道数是固定的，然而在CDMA系统中用户数和服务级别之间有着更 灵活的关系。例如系统经营者可在话务量高峰期将误帧率稍微提高，从而增加可用信道数。 而且由于CDMA是一个自干扰系统，当相邻小区负荷较轻时，本小区所受的干扰相应减少， 容量就可适当增加。体现软容量的再一种形式是小区呼吸功能。所谓小区呼吸功能是指各个 小区覆盖大小是动态的。当相邻两小区负荷一轻一重时，负荷重的小区通过减小导频发射功 率，使本小区的边缘用户由于导频强度不足，切换到相邻小区，使负载分担，即相当于增加 了容量。另外，当缺少信道时，还可以通过降低用户通话质量来保证话路的接通，等目标小 区负荷减轻时，再将通话质量恢复正常。 基于 CDMA 技术的数字蜂窝移动通信系统的 优点很多，最重要的就是系统容量大。根据理论计算和现场实验表明，CDMA的每小区信道 容量是模拟系统10倍左右，而爱尔兰容量更大。CDMA可变速率声码器8K编码所提供的话 音质量与GSM的13K编码的话音质量接近，而现在提出的13K编码话音服务已经非常接近 有线电话。 CDMA 的软切换技术更大大降低了切换掉话的可能性，实现了无缝切换。鉴权、 数字格式、宽带信令和根据受话人制定的通话保护措施，可提供最佳的保密特性，防止手机 密码被盗。CDMA系统的空中接口与模拟系统兼容，使用CDMA双模手机，手机会自动判别 是接入CDMA网还是接入模拟网。2 . CDMA 与 GSM 系统技术比较GSM 系统是目前世界上应用最广泛的数字蜂窝移动通信系统。 1982 年，欧洲邮电主管 部门会议（CEPT）建立了移动通信特别组（GSM）,着手进行泛欧数字蜂窝移动通信系统的 标准制定工作。1988年提出了主要建议和投标方案，到90年代中期，GSM标准的数字蜂房 系统几乎覆盖全欧，并向全世界扩展。（1）GSM系统的主要指标如下：频段890915 MHz (MSBS)； 935965 MHz (BSMS)双工方式FDD载波间隔200kHz接入方式TDMA 8 时隙/200kHz调制方式GSMK (BT=0.3)分集方式SFH （跳速；217跳/秒，Th=4.616ms）,父织，自适应均衡信息传输率22.8Kbps传输速率270.833Kbps话音编码13Kbps,规则脉冲激励线性预测编码（RPE-LTP）数据率9.6Kbps （全速）；4.8Kbps （半速）Q-CDMA系统主要参数（IS-95）：频段824849 MHz (MSBS)； 869894 MHz (BSMS)双工方式FDD载波间隔1.25MHz信道速率1.2288Mbps接入方式CDMA调制方式QPSK （基站）OQPSK （移动台）分集方式RAKE，交织，天线分集信道编码卷积码，K=9, R=l/3 （反向信道）；K=9, R=l/2 （前向链路）话音编码QCELP可变速率声码器数据速率9.6， 4.8， 2.4， l.2KbpsGSM 系统标准完善、技术成熟，在欧洲和亚洲地区有很高的市场占有率。缺 点是容量较小，只有模拟系统的两倍左右，而且与模拟系统不兼容，只能独立组网。CDMA系统容量是模拟系统的10倍左右，而且与模拟系统的兼容性好，可与模拟网 相互漫游。系统有极强的的抗干扰性能，无需频率动态分配，无需小区频率规划，组网灵活方便。但是CDMA系统的技术没有GSM成熟，部分标准还不完善，除了北美 地区以外，其他地区的市场占用率都比较低。3CDMA 系统的接口与标准到目前为止CDMA系统发展已经较为完善和成熟，由于参照GSM，部分标准还高于 GSM 系统。3.1 CDMA数字蜂窝移动通信系统主要由以下功能单元构成：（1）移动台（MS）包括车载台和手持机。（2）基站（ BS）BS可分为基站控制器（BSC）和基站收发信机（BTS）两部分，一个BSC可以 控制多个 BTS。（3）移动业务交换中心（ MSC）MSC 是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制、交换的功能实体，也是移动通信系统与其他公用通信网之间的接口。(4) 访问位置寄存器(VLR)VLR中存放着其控制区域内所有拜访的移动用户信息，这些信息含有MS建立 和释放呼叫以及提供漫游和补充业务的管理所需要的数据。(5) 归属位置寄存器(HLR)HLR是运营者用于管理移动用户的数据库。HLR中存放着该HLR控制的所有移 动用户的数据，以及每个移动用户的路由信息和状态信息。每个移动用户都 应在某 HLR 注册登记。(6) 鉴权中心( AC)AC 是用来认证移动用户的身份并产生相应鉴权参数的功能实体。(7) 设备识别寄存器(EIR)EIR是存储移动台设备参数的数据库，主要用于完成对移动设备的识别、监 视、 闭锁等功能。(8) 操作维护中心( OMC) 操作维护数字蜂窝移动网的功能实体。(9) 短消息中心(SME)SME 是合成和分解短消息的实体。32 CDMA 数字蜂窝移动通信系统包括的接口和目前采用的标准(1) 移动台与基站的接口(Um接口)现在的公开接口标准是：E1A/T1A IS-95A(2) BSS与MSC间的接口 (A接口)现在的公开接口标准为：Motorola提交的E1A/T1AIS-634，AT&T提交的ULTRA，以及 Qualcomm 提交的 QA(3) MSC/VLR 与 HLR/AC 间的接 口( C/D 接口) 现在的公开接口标准是： EIA/TIA IS41C(4) MSC 与 VLR 的接口(B 接口) 一般为内部接口（5）MSC 与 PSTN 间的接口（Ai 接口）优先选用 7号信令，对于不具备条件的地区可选用随路信令。（6）MSC 与 ISDN 接口（Di 接口）（7）MSC至短消息业务实体（SME）的接口现在的公开接口标准为：E1A/T1A IS-41C（8）MSC至操作维护中心（OMC）的接口有待进一般研究（9）MSC之间及VLR之间的接口（E和G接口）现在的公开接口标准为： E1A/T1A IS-41C（10） HLR至短消息中心（MC）的接口（N接口）现在的公开接口标准为： E1A/T1A IS-41C（11）MSC 至 EIR 的接口（F 接口）（12）HLR 与 AC 的接口（H 接口）（13）MC与MC之间以及MC与短消息实体（SME）之间的接口（M接口）现在的公开接口标准为： E1A/T1A IS-41C 备注：近日较为忙碌，没仔细总结，见谅！东方通信科技发展有限公司 科技发展部田宏鹏