CDMA技术课件

CDMA技术1CDMA系统概念系统概念 CDMA系统是基于码分技术（扩频技术）和多址技术的通信系统，系统为每个用户分配各自特定地址码。地址码之间具有相互准正交性，从而在时间、空间和频率上都可以重叠；将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的伪随机码进行调制，使原有的数据信号的带宽被扩展，接收端进行向反的过程，进行接扩，增强了抗干扰的能力。vCDMA系统属于子干扰系统。CDMA技术2 系统零时：定义1980年1月6日0时整为系统起始时间。偏置为零的长码和短码此时同时处于初始状态 所有基站将在GPS时间的每个偶秒起始时刻（或在此之后80ms整数倍处）作为0偏置PN码（周期为80/3 ms）的初态，即在此之前恰好输出了1个“1”和连续15个“0”这样的PN码片 所有基站需将1980年1月6日零时（GPS起始时间）作为m序列长码的初态（在此之前恰好输出了一个“1”码片和41个连续的“0”码片） 使用GPS定时的好处：切换快，同步简单CDMA系统时间系统时间CDMA技术3CDMA系统缺点系统缺点来自非同步CDMA网中不同的用户的扩频序列不完全正交，从而引起多址干扰；由于使用相同的载频，许多用户共用一个信道，强信号对弱信号有着明显的抑制作用，从而产生“远近”效应，影响用户通话。vCDMA系统中采用功率控制技术解决“远-进”效应。CDMA技术4我国我国CDMA系统频率使用规划系统频率使用规划 联通新时空CDMA占用的载频上行（825MHz-835MHz）下行（870MHz-880MHz）载频计算：上行：载频=0.030MHz*载频号+825.000MHz下行：载频=0.030MHz*载频号+870.000MHz载频号信道号上行（MHz）下行（MHz）7283833.49878.496242832.26877.265201831.03876.034160829.80874.803119828.57873.57278827.34872.34137826.11871.11CDMA技术5CDMA系统编号计划系统编号计划MSISDN：移动用户号码 CC+NDS+SNIMSI:国际移动用户识别码 MCC+MNC+MSIN国家号码86移动国家号码86数字蜂窝移动业务接入号133移动网号联通：03移动用户号移动用户识别码CDMA技术6CDMA系统构成系统构成CDMA系统结构图MSCHLREIRSCBSCBTSMSOMCAUCSMESMEMSCIWFVLRSCVLRPSTNISDNPSPDNAEQFLUmCHNDQMMMAbisBGPiAiDi功能模块接口CDMA技术7CDMA系统构成部件说明：BSC基站控制器对一个或多个BTS进行控制及相应呼叫控制的功能实体BTS基站收发信机为一个小区服务的无线收发设备MSC移动交换中心对位于它管辖区域中的移动台进行控制、交换的功能实体OMC操作维护中心操作、维护系统中的各种功能实体AUC鉴权中心为认证移动用户的身份和产生相应的鉴定参数的功能实体EIR设备识别寄存器存储有关移动台设备参数的数据库HLR归属位置寄存器管理部门用于移动用户管理的数据库CDMA技术8CDMA系统构成部件说明：VLR拜访位置寄存器MSC为所管辖区域中MS的呼叫、所需检索信息的数据库MS移动台ISDN综合业务数字网PSTN公用电话交换网PSPDN公用数据交换网PLMN共用陆地移动网SC短消息中心CDMA技术9CDMA 系统接口、协议系统接口、协议接口：代表两个相邻实体之间的连接点。协议：说明连接点上交换信息需要遵守的规则。IS95 L3IS95 L2IS95 L1IS95 L3IS95 L2IS95 L1Abis L3Abis L2Abis L1Abis L3Abis L2Abis L1BSSAPSCCPMTPBSSAPSCCPMTPTCAPMAPUmAbisAMSBTSBSCMSCCDMA网络结构协议图CDMA技术10 前向v导频信道v同步信道v寻呼信道v业务信道（含功率控制子信道） 反向v接入信道v业务信道CDMA信道类型信道类型BTSW0: PILOTACCESSW32: SYNCW1: PAGINGWn: TRAFFICTRAFFICCDMA技术11前向CDMA信道(基站发送的1.23 MHz 信道)导频信道同步信道寻呼信道1寻呼信道7业务信道1业务信道25业务信道55W0W32W2W7W8W31W0业务信道24W33移动台功率控制子信道业务数据W：编码信道CDMA系统前向信道结构系统前向信道结构CDMA技术12导频、同步、寻呼信道结构导频、同步、寻呼信道结构导频信道导频信道（全（全0）Walsh (0)去去QPSK2.4ksps4.8ksps4.8ksps调制调制符号符号码符号码符号重复的重复的码符号码符号1.2kbps卷积编码卷积编码r=1/2,K=9符号符号重复重复块交织块交织同步信道比特同步信道比特Walsh (32)寻呼信道比特寻呼信道比特19.2ksps9.6ksps19.2ksps19.2ksps调制调制符号符号码符号码符号重复的重复的码符号码符号9.6kbps4.8kbps卷积编码卷积编码r=1/2,K=9码符号码符号重复重复块交织块交织寻呼信道寻呼信道P的长码掩码的长码掩码长码发生器长码发生器抽取器抽取器1.2288McpsWalsh (N)去去QPSK去去QPSK1.2288Mcps1.2288Mcps1.2288McpsCDMA技术13Add Frame Quality IndicatorF-TCH bitsAdd 8 Encoder Tail bitsConvolutional Encoder R=1/2, K=9Symbol RepetitionBlock Interleaver (384 Symbols)+Symbol point Mapping( 0+1, 1-1)Channel GainF-PSCH gainPower Control bit positionDecimatorLong code Generator (1.2288Mcps)Power Control bits800HzPower Control Symbol PunctureUser ns Long Code MaskBits00812Data Rate (kbps)1.22.44.89.6Factpr8X4X2X1X19.2 kspsBits/Frame164080172+WnTo QPSKCDMA系统前向业务信道结构系统前向业务信道结构CDMA技术14反向CDMA信道(基站接收的1.23 MHz 信道)以长码进行编址与寻呼信道有关的接入信道业务信道 1业务信道与寻呼信道有关的接入信道与寻呼信道有关的接入信道与寻呼信道有关的接入信道CDMA系统反向信道结构系统反向信道结构CDMA技术15R-ACH bitsAdd 8 Encoder Tail bitsConvolutional Encoder R=1/3, K=9Symbol RepetitionBlock Interleaver (576 Symbols)64-ary Othogonal ModulatorData Burst RandomizerLong code Generator (1.2288Mbps)User ns Long Code MaskData Rate (kbps)4.8Factpr2X28.8 kspsBits/Frame88+To OQPSK28.8 ksps307.2 ksps接接入入信信道道将将支支持持 4800 bps的的固固定定速速率率接入信道公用长码掩码 41 33 32 28 27 25 24 9 8 0110001111ACNPCNBASE_IDPILOT_PNR-ACH信道结构信道结构CDMA技术16Add Frame Quality IndicatorR-TCH bitsAdd 8 Encoder Tail BitsConvolutional Encoder R=1/3, K=9Symbol RepetitionBlock Interleaver (576 Symbols)64-ary Othogonal ModulatorData Burst RandomizerLong code Generator (1.2288Mbps)User ns Long Code MaskBits00812Data Rate (kbps)1.22.44.89.6Factpr8X4X2X1X28.8 kspsBits/Frame164080172+To OQPSK28.8 ksps307.2 ksps 公 用 长 码 掩 码 41 32 31 0 1100011000 重 排 的 ESNCDMA系统反向业务信道结构系统反向业务信道结构CDMA技术17CDMA关键技术关键技术CDMA技术18分集技术分集技术 分集技术（diversity techniques）：利用多条传输相同信息且有尽量相等的平均信号强度和相互独立衰落特性的信号路径，并在接收端对这些信号进行适当的合并，以便大大降低多经衰落的影响，从而改善传输的可靠性。分集空间分集时间分集极化分集角度分集频率分集CDMA技术19 时间分集采用符号交织，检错纠错编码等方法。 频率分集将能量扩展到宽带中实现。CDMA将信号扩展到整个1.23M上。 空间分集 在基站采用双接收天线。 在手机和基站采用RAKE接收，合并不同传输延时的信号 软切换的时候，移动台和多个基站同时联系，从中选出最好的帧送给交换机CDMA系统应用的分集技术系统应用的分集技术CDMA技术20 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。RAKE接收技术接收技术CDMA技术21CDMA系统的功率控制系统的功率控制CDMA系统是自干扰系统，限制CDMA系统容量的因素是“干扰”；CDMA功率控制的目标：克服反向链路的远近效应；基站从各个移动台接收到的功率相同；保证接收机的解调性能情况下，尽量降低发射功率，减小对其他用户的干扰。当达到以下条件，系统容量最大当在可接受的信号质量下，功率最小基站从各个移动台接收到的功率相同在CDMA系统中，功率控制是关键技术CDMA技术22 功率控制功率控制的原则原则是：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。功率控制功率控制CDMA技术23CDMA系统的功率控制类型系统的功率控制类型功率控制反向功率控制前向功率控制开环功率控制闭环功率控制内环功率控制外环功率控制 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。进行反向功率控制的以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。CDMA技术24 反向开环功率控制是由移动台发起的工作 移动台所需发射功率受以下因素影响移动台与基站距离小区负荷信道环境 CDMA系统规定用一个常数来补偿路径损耗与小区负荷的影响，这个常数可由基站调整 移动台根据接收前向信道的功率，直接确定发射功率反向开环功率控制是移动台根据在小区中所接收功率的变化，迅速调节移动台发射功率。其目的是试图使所有移动台发出的信号在到达基站时都有相同的标称功率。开环功率控制是为了补偿平均路径衰落的变化和阴影、拐弯等效应，它必须有一个很大的动态范围。IS95空中接口规定开环功率控制动态范围是32dB32dB。反向开环功率控制反向开环功率控制CDMA技术25内环功率控制内环功率控制基站测量Eb/Nt和设定的目标Eb/Nt进行比较，大于则指令移动台降低发射功率，否则增加发射功率。调节速率为 800Hz外环功率控制外环功率控制统计误帧率，测量接收到的能量并估计Eb/Nt将接收到的Eb/Nt与设定门限进行比较产生功率控制命令反向闭环功率控制反向闭环功率控制CDMA技术26移动台测量前向业务信道帧质量，周期方式或门限方式上报帧质量。基站根据上报的帧质量情况确定是否进行前向功率调节前向功率控制是一种慢速功率调节。前向功率控制前向功率控制CDMA技术27切换切换 当移动用户处于通话状态时，如果出现用户从一个小区移动导另一个小区的情况，为了保证通话的连续，系统需要将对该移动台的连接控制也从一个小区移动到另一个小区，这种将正在处于通话状态的移动台转移到新业务信道上（新的小区）的过程称为“切换切换”（Handover）。 切换的目的切换的目的：实现移动通信系统的“无缝隙”覆盖，即当移动台从一个小区进入另一个小区时，保证通信的连续性。切换类型类型：硬切换、软切换、更软切换CDMA技术28 软切换：在切换过程中，移动台开始与新的基站联系时，并不中断与原有的基站的通信。软切换会带来更好的话音质量，实现无缝切换、减少掉话可能，且有利于增加反向容量； 更软切换：与软切换类似，但这种切换由基站完成，并不通知MSC，适用于同一基站不同扇区之间进行的切换； 硬切换：在切换过程中，移动台与新的基站联系前，先中断与原基站的通信，再与新基站建立联系。硬切换过程中有短暂的中断，容易掉话。不同频率间的切换不同系统间的切换两个不同步基站间的切换CDMA系统的切换类型系统的切换类型CDMA技术29 导频集是指具有相同的频率但有不同的PN码相位的导频集合。激活集：与正在联系的基站对应的导频集合。候选集：当前不在有效集中，但是已有足够的强度表明与该导频对应基站的前向业务信道可以被成功解调的导频集合。相邻集：当前不在有效集或候选集中但是有可能进入候选集的导频集合。剩余集：其它导频集合。CDMA系统导频集系统导频集CDMA技术30CDMA系统的软切换优点系统的软切换优点软切换提高质量改善话音质量控制手机干扰降低掉话率改善小区覆盖软切换需要手机协助完成手机搜索强的导频信号手机上报导频信号搜索情况基站引导手机进行软切换CDMA技术31(1) 导频强度超过T_ADD，MS向BS发PSMM将其加入候选集(2 3) BS发HDM命令MS将该导频加入有效集, MS将该导频加入有效集后向BS发HCM(4) 导频强度小于T_DROP，手机启动T_DROP定时器(5) T_DROP定时器超时，MS向BS发PSMM(6 7) BS命令MS将该导频从有效集中删除, MS将该导频放入相邻集, 然后向BS发HCMCDMA系统的软切换的过程系统的软切换的过程CDMA技术32CDMA系统的软容量系统的软容量软容量视图邻小区本小区 当CDMA网络中所有的小区的业务强度相当时，各小区具有相同的容量，当邻小区的用户数目较小，业务强度较低，对本小区的干扰也就较小时，本小区可以容纳更多的用户，即具有更大的容量。反之，当邻小区的业务强度很大时，对本小区的干扰较大，则本小区的容量就会减少。CDMA技术33CDMA系统的小区呼吸系统的小区呼吸 CDMA系统中，小区的容量和覆盖与系统干扰有紧密的关系。当小区内用户数量增长，也就是小区容量增大时，小区基站处接收到的干扰也随之增大，这就意味着小区边缘的一些用户即使在最大发射功率的情况下也无法保证自身与基站之间连接的QOS，于是这些用户便会被切换到相邻小区，也就是说，原小区的覆盖范围相对缩小了； 反之，当小区内用户数目减小，也就时小区容降低时，系统业务强度的降低使得基站接收的干扰功率水平下降，各用户设备（UE）可以发射更小的功率来维持与基机站的连接，结果导致在小区内可容忍的最大路径损耗增大，等效为小区扩张。CDMA技术34 当相邻小区的负荷一重一轻时，负荷重的小区降低导频信道的发射功率，使本小区边缘的用户切换到临近小区，从而实现负荷分担，也相当于增加了系统容量。CDMA系统的小区呼吸系统的小区呼吸导频110导频210导频16导频214（1）（2）ABABCDMA技术35扩频扩频 扩展频谱（扩频、spread spectrum）：是指用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种传输方式。频带的扩展有独立于信息的码来实现，在接收端用同步接受实现接扩和数据恢复。扩频系统的优点： 具有选择地址的能力； 在公共信道中能实现码分多址复用； 信号功率谱密度低，具有隐蔽性且功率污染小； 有利于数字加密、防止窃听； 抗干扰能力强，可在较低的信噪比条件下，保证系统传输质量； 抗衰落能力强。CDMA技术36CDMA系统的扩频系统的扩频CDMA系统通过扩频可以产生21dB增益。信号脉冲干扰白噪声解扩频后的信号频谱解扩频前的信号频谱S（f）f0信号干扰噪声fS（f）f0信号干扰噪声白噪声白噪声f0S(f)扩频前的信号频谱信号fS（f）f0扩频后的信号频谱信号f0f0CDMA技术37CDMA系统的语音编码系统的语音编码 目前CDMA系统的话音编码主要有两种，即码激励线性预测编码(CELP)8kbit/s和13bit/s。8kbit/s的话音编码达到GSM系统的13bit/s的话音水平甚至更好。13bit/s的话音编码已达到有线长途话音水平。CELP采用与脉冲激励线性预测编码相同的原理，只是将脉冲位置和幅度用一个矢量码表代替。 CDMA技术38CDMA系统的定位系统的定位 CDMA系统采用“混合定位技术混合定位技术”，即为达到定为目标，采用多种定位技术。辅助辅助GPS技术技术（AGPS）:依靠GPS卫星完成定位；到达时间差技术到达时间差技术（TDOA）:通过确定来自两个基站的时间差，确定移动台到两个基站的距离差，进行定位；其他技术其他技术：通过内部算法实现的定位操作。定位是移动通信系统的一个关键性特色业务。