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CDMA技术
码分多址(CDMA)技术
本章主要介绍码分多址的概念、基本原理以及其几个关键技术。
第一节码分多址(CDMA)技术概述
一.码分多址技术的概念
在介绍CDMA技术概念前,先回顾一下频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)技术,然后引出码分多址(CDMA)的概念。
1.频分多址
频分多址(FDMA)是发送端对所发的信号的频率参量进行正交分割,形成许多互不重叠的频带。
在接收端利用频率的正交性,通过频率选择(滤波),从混合信号中选出相应的信号。
频分多址技术成熟、容易实现,但易受干扰、保密性差。
2.时分多址
时分多址是发送端对所发信号的时间参量进行正交分割,形成许多互不重叠的时隙。
在接收端利用时间的正交性,通过时间选择(选通门),从混合信号中选出相应的信号。
时分多址:
抗干扰强、频率利用率高、全网同步、技术复杂。
3.码分多址
码分多址是各发送端用各不相同的、相互(准)正交的地址码调制其所发送的信号。
在接收端利用码型的(准)正交性,通过地址识别(相关检测)从混合信号中选择出相应的信号。
码分多址抗干扰最强、频率利用率更高,技术难度大。
FDMA、TDMA、CDMA三种技术的直观图如下图2.1。
从图中可看出,前两种FDMA、TDMA技术是二维空间,而CDMA技术是三维空间。
图2.1
二.码分多址技术基本原理
1.基本原理
在码分多址通信系统中,利用自相关性强而互相关为0或很小周期码序列为地址码,与用户信息数据相乘(或模2加),经过相应的信道传输后,在接收端以本地产生的已知地址码为参考,根据相关性的差异,对收到的所有信号进行鉴别(相关检测),从中将地址码与本地地址码一致的信号选出,把不一致的信号除掉。
2.CDMA通信系统原理
CDMA通信系统原理图详下图2.2
图2.2CDMA通信系统原理图
CDMA实现的步骤:
2.1首先进行扩频、调频实现信息宽带化
图2.2中:
Mi(t)是消息,i=1,2,3,…N
Pi(t)是扩频函数
C(t)载频
Gp=(Tm/Tp)=一般103左右
N
YT(t)=∑yi(t)
i=1
N
=∑Mi(t).Pi(t).C(t)
i=1
2.2通过相关器,进行相关检测,取出相关信号
∫0TYT(t).Pi(t)dt=Mi(t).C(t)
2.3通过MODEM,去掉载频,恢复窄带信号
3.通过实例说明码分多址技术的基本原理
例如:
地址码:
W1={1,1,1,1};W2={1,-1,1,-1}
W3={1,1,-1,-1};W4={1,-1,-1,1}
信息码:
d1={1};d2={-1};d3={1};d4={-1};
码分多址收发系统如图2.3所示。
图2.3
对应的码分多址技术原理波形示意图如图2.4所示。
图2.4
上图中假定系统内有四个用户,各自地址码为W1、W2、W3、W4,且假定某时刻用户信息分别为d1、d2、d3、d4。
四个用户信息在进入后输出端的采样、判决前的信号只有一个用户为非零信号(上图为用户2),其余用户1、3、4信号为零,对信号的采样、判决没有影响。
采样、判决电路的输出信号是J2={-1},是用户2所发送的信息数据,而J1、J3、J4输出均为0。
这样就达到把用户2信息提出。
第二节扩频通信技术
一.扩频通信的基本概念
扩频码分多址是数字移动通信中的一种多址接入方式,特别是在第三代移动通信中,它已成为最主要的多址接入方式。
扩频通信确切地说称为扩谱通信更为恰当,因为被扩展的是信号频谱带宽,不过习惯上均称为扩频,它是一类宽带通信系统。
它的主要特征是:
扩频前的信息码元带宽远小于扩频后的扩频码序列(chip)的带宽。
1.窄带和宽带通信系统
1.1定义:
设R为待传送信息码元速率,T为信息码元的接续时间,F为传送信号扩频码序列(chip)所占用的带宽。
若R·T=F·T≈1时,即当R=F,或者F=2R时,称为一般窄带通信系统,在通常数字通信系统中,移频、移相均属于窄带通信系统。
若F》R,即(F/R)=10~106(10~60dB),则称该系统为宽带通信系统。
1.2宽带通信系统是窄带系统通过扩频方式来实现的。
码分多址CDMA就是一类典型的扩频宽带通信系统。
2.扩频增益Gp和干扰容限(Mj)
2.1扩频增益Gp
在扩频通信系统中,经过对信息信号带宽的扩展和解扩处理,获得了扩频增益(Gp)。
扩频通信系统的扩频部分是一个带宽比信息带宽宽得多的伪随机码(PN码)对信息数据进行调制,解扩则是将接收到的扩展频谱信号与一个和发端伪随机码完全的本地码相关来实现的。
当收到的信号与本地码相匹配时,所要的信号就会恢复到其扩展之前的原始带宽。
而任何不匹配的的输入信号则被本地码扩展至本地码的带宽或更宽的的频带上。
解扩后的信号经过一个窄带滤波器后,有用的信号被保留,干扰信号被抑制,从而改善了信噪比,提高了抗干扰能力。
而扩频增益Gp是扩频信号带宽W与信息带宽B之比,即
Gp=W/B
它表示了扩频通信系统信噪比改善的程度,是扩频通信系统一个重要指标。
例如:
W=20MHz,B=10KHz,则Gp=W/B=2000(33dB),说明这个系统在接收机的射频输入端和基带滤波器输出端之间有33dB的信噪比增益改善。
2.2干扰容限(Mj)
干扰容限是在保证系统正常工作的条件下(保证输出端一定的的信噪比),接收机输入端能承受的干扰信号比有用信号高出的分贝(dB)数。
其数学表达方式为
Mj=Gp-(Ls+(S/N)0)dB
式中Mj为干扰容限,Gp为扩频增益,Ls为系统损耗,(S/N)0为接收机输出信噪比。
干扰容限直接反映了扩频通信系统接收机允许的极限干扰强度,它往往能比扩频增益更确切地表征系统的抗干扰能力。
例如,某扩频通信系统的扩频增益Gp=33dB,系统损耗Ls=3Db,接收机的输出信噪比(S/N)0≥10dB,则该系统的干扰容限Mj=20dB。
这表明该系统最大能承受20dB(100倍)的干扰,即当干扰信号功率超过有用信号功率20dB时,该系统不能正常工作,而二者之差不大于20dB时,系统仍能正常工作。
二.扩频通信的基本原理
1.扩频通信的理论基础
1.1由通信原理与信息论中的著名仙农公式:
C=FTlg(1+S/N)(见图2.5)
公式中F为限频带宽;
T为限时时隙,在一般通信原理中取T=1;
S/N为功率信噪比;
C为信道容量。
这一公式指出一个限时(T)、限频(F)、限功率(S)的连续白色高斯信道,其信道容量可以形象的用三个主要信号参量所决定的体积来表示。
1.2三个参量F,T与lg(1+S/N)所构成的体积,当容积C不变时,具有〝可塑性〞。
即三个参量之间可以互换。
1.3在移动通信中,信噪比S/N是最主要的矛盾,为了提高信噪比,可以不惜一切手段。
其中Shannon(仙农)公式指出:
可以采用频带F来换取信噪比,即当C不变时,增加频带F可以降低接收机接收的信噪门限值lg(1+S/N)。
这就是扩频通信的基本原理,即用频带换取信噪比。
图2.5信道容量C的直观图示
三.扩频通信的主要优缺点
1.主要优点
1.1抗干扰能力强且G越大,抗干扰能力越强,抗白噪声、抗单频窄带干扰、抗人为干扰、抗跟踪干扰、抗宽带的等效白噪声的多址与多径干扰能力都很强。
1.2扩频系统抗干扰性强的物理解释是:
在允许的一定误码率的条件下,可以实现很低的S/N值下进行通信,即允许很强的干扰。
1.3保密性能强,无论是直扩还是跳频,扩频后其频谱均为近似白噪声,因此具有良好的保密性能。
1.4低功率谱密度,由于扩频属于宽带系统,频带越宽,功率谱密度就越低,因此它具有良好的隐蔽性能。
且对其他通信系统及人体的干扰与影响也小。
1.5易于实现大容量多址通信,时频二维地址划分使潜在地址数量增大。
抗干扰能力强与低功率密度对于干扰受限系统,将允许接纳更多的用户数。
1.6适合于变参信道的无线通信,扩频系统易于实现多种形式分集接收并提高抗干扰性。
2.主要缺点
2.1占用信号频带宽,扩频后的码序列(chip)带宽远大于扩频前的信息序列带宽。
2.2系统实现复杂。
2.3在时变信道中实现同步较为困难。
2.4目前受寻找地址码数量上的限制,实现大容量通信仍存在一定困难。
第三节CDMA多址码设计
CDMA系统是一个干扰受限的系统,其主要干扰有白噪声干扰、多径干扰、多址干扰。
而三个干扰中,多址干扰是CDMA系统中最突出的干扰,设计的不好会引起整个系统的瘫痪,因此要非常重视多址码设计。
一.CDMA中多址码类型
在CDMA中需要用地址码来区分地址。
其有以下四种不同的类型:
1.用户地址,用于区分不同移动用户。
2.多速率(多媒体)业务地址,用于多媒体业务中区分不同类
型速率的业务。
以上两类多用于上行信道,以移动台为主。
3.信道地址,用于区分不同小区内的不同信道。
4.基站地址,用于区分不同基站与扇区。
以上两类多用于下行信道,以基站为主。
二.CDMA中地址码设计的基本要求
1.用户地址:
随着移动用户日益骤增,用户地址码数量是主要
矛盾,但亦必需满足各用户间的正交(准正交)性能,以减少多用户(即用户之间)干扰。
2.多速率业务地址:
质量是主要矛盾,即要求满足不同速率业
务之间的正交性能。
以防止多速率业务间的干扰。
3.信道地址:
质量是主要矛盾,它是多用户(用户之间)干扰
的主要来源,它要求各信道之间正交、互不干扰。
4.基站地址:
数量上有一定要求,而没有用户地址数量要求大,但是在质量上要求各基站之间正交(准正交),以减少基站间的干扰。
三.多址码的设计与实现
1.用户地址、多速率业务地址、信道地址、基站地址四类地址
码,要求不完全一致,很难用同一类正交码或伪码(PN码)能同时满足数量与质量上的矛盾要求。
2.对不同地址码,根据不同的要求,分别设计不同的类型的码组,以解决不同的矛盾,是当今地址码设计的主导思想。
3.为解决数量上的矛盾而采用的主要措施:
3.1由于典型的m序列数量很有限,由m序列扩展到G0ld序列等,数量上虽有较大增加,但仍不能满足日益增长的数量上的要求。
3.2采用超产的序列,比如242-1,模二加用户电子序列号ESN,作为用户地址码兼作掩码的方法,由于数量大是一个很有成效的方法,它已在IS-95以及第三代移动通信的CDMA系统中广泛采用.
4.为解决质量上矛盾的主要措施
4.1采用完全正交的Walsh码区分信道地址。
4.2采用Walsh码与中等长度伪码,比如215-1两次联合扩频的复合正交码,以改善Walsh码互相关以及小同步误差时的正交性能的恶化。
以上两类主要用于下行、前向信道。
4.3利用超长m序列,比如242-1的截短局部自相关特性的码组代替定长短伪码序列的互相关特性。
由于各个用户地址码均采用超长码截短后有限长度局部码,多个用户局部自相关和可看作近似白噪声(主要用于下行、反向信道)。
5.为解决多速率业务矛盾
5.1在IS-95中.采用低速率重复至最高速率并行选通发送的方式。
5.2在第三代(3G)中,采用层间可变扩频比正交码。
四.IS-95中的多址码技术实现
由于IS-95是北美及韩国等采用的第二代数字式移动通信系统,
我国联通公司目前也开始大规模建设基于IS-95上的CDMA网,下面从扩频与多址接入方面介绍它的一些设计思路。
主要介绍用户地址、信道地址和基站地址3个方面。
1.基站地址码
采用准正交伪随机的序列作为基站(或扇区)地址码。
1.1取m=215=32768,作为区分不同基站的地址
1.2利用GPS定位控制m序列的移位产生器
1.3每个基站间至少相差64位,即有32768/64=512个地址码。
1.4以上512个地址码最多可分配给512个基站使用,如果基站是采用3个扇区的定向站,则最多只能分配给512/3=170基站使用。
如果基站再增加,就应再增加载频。
2.信道地址码
采用全正交的Walsh函数码区分每个小区中64个可用信道(正向信道)。
2.1下行利用GPS可实现全正交同步码分,64个信道分配为:
(1)1个导频信道,采用全0的W0;
(2)1个同步信道,采用0,1相间的W32;
(3)7个寻呼信道,采用W1至W7;
(4)55个业务信道,采用W8至W31,W33至W63。
2.2上行,由于移动台无法携带GPS,因此只能实现异步码分,其
64个反向信道分配为:
(1)接入信道(从1到32,最大是32)
(2)反向业务信道(从1到64)
图2.6CDMA信道示意图
3.用户地址码
用准正交超长度伪随机序列区分用户地址。
3.1为了保证数量,选用超长m=242-1序列为基础;
3.2在整个IS-95中,超长m=242-1序列的结构是唯一不便的;
3.3不同移动台用户随机分配一个延迟初相,并再与该移动台电
子序号ESN作掩码二加形成不同相位的地址码;
3.4延迟相位初相与作掩码用的移动台ESN是一一对应的。
第四节CDMA系统的切换
一.CDMA系统中切换的类型
在GSM系统中,所进行的切换均是硬切换,即都是先断后切换。
而在CDMA系统中存在以下几种切换,下面分别介绍。
1.软切换
软切换又分为两种:
一种是一般的软切换,另一种是更软切换。
1.1一般软切换
在这种切换中,当移动台开始与一个新的基站联系时,并不立即
中断与原来基站之间的通信。
这种切换仅仅能用于具有相同频率的CDMA信道之间。
切换是在同一BSC下进行。
1.2更软切换
这种切换发生在同一基站具有相同频率的不同扇区之间。
切换是在同一BTS内进行。
2.硬切换
在这一切换里,移动台先中断与原基站的联系,再与新基站取得联系。
硬切换一般发生在不同频率的CDMA信道间。
在相同或不同的BSC之间进行。
3.CDMA到模拟切换
在这一切换里,移动台从CDMA业务信道转换到模拟话音信道。
切换在不同的MSC之间进行。
二.CDMA系统软切换的实现
软切换是CDMA系统主要优点之一,因此有必要对软切换实现过程进行深入探讨。
CDMA系统软切换过程详见图2.7所示。
具体描述如下:
1.当导频强度达到T-ADD,移动台发送一个导频强度测量消息,并将该导频转换到侯选导频集。
2.基站发送一个切换指示消息。
3.移动台将此导频转到有效导频集并发送一个切换完成消息。
4.导频强度掉到T-DROP以下,移动台启动切换去掉计时器。
5.切换去掉计时器到期,移动台发送一个导频强度测量消息。
6.基站发送一个切换指示消息。
7.移动台把导频从有效导频移到相邻导频集并发送切换完成消
息。
图2.7CDMA软切换过程
上面主要介绍了切换的类型以及软切换实现过程和更软切换的概念。
在实际系统运行时,这些切换是组合出现的,可能同时既有软切换,又有更软切换。
例如,当一个移动台处于一个基站的两个扇区和另外一个基站交界的区域内,这时将发生软切换和更软切换。
而当一个移动台处于三个基站交界处,又会发生三方软切换。
以上两种软切换都是基于具有相同载频的各方容量有余的条件下,若其中某一相邻基站的相同载频已经达到满负荷,MSC就会让基站指示移动台切换到相邻基站的另一载频上,这就是硬切换。
在三方切换时,只要另两方中有一方的容量有余,都优先进行软切换。
也就是说,只有在无法进行软切换时,才考虑使用硬切换。
第五节CDMA系统功率控制技术
在CDMA系统中,由于所有用户均使用相同频段的无线信道和相同的时隙,用户间仅靠地址扩频码的不同,即靠它们之间互相关特性加以区分。
若用户间的互相关不为零,则用户间就存在干扰,这类干扰称多址干扰。
而CDMA系统为一干扰受限系统,干扰的大小直接影响系统容量。
除了多址干扰本身直接的影响外,在上行链路中,如果保持小区内所有移动台的发射功率相同,由于小区内移动台用户的随机移动,使得移动台与基站间距离是不同的,离基站近的移动台的信号强,离基站远的移动台信号弱,将会产生以强压弱的现象,这就是所谓的“远近效应”。
在下行链路中,当移动台位于相邻小区的交界处时,收到所属基站的有用信号功率很低,同时还会受到相邻小区基站较强的干扰,这就是所谓的“角效应”。
另外,电波传播中由于大型建筑物的阻挡,形成“阴影”效应产生了慢衰落。
这些现象都会导致系统容量下降和实际通信服务范围缩小等。
解决以上这些问题,最有效的方法是采用功率控制技术。
可以说,功率控制技术是CDMA系统的核心技术。
一.功率控制准则
功率控制准则是指功率控制的基本依据。
一般有两个:
功率平衡准则、信噪比平衡准则。
1.功率平衡准则基本原理
1.1功率平衡是指在接收端收到的有用信号功率相等。
1.2对于上行链路,功率平衡的目标是使各个移动台到达基站的信号功率相等。
1.3对于下行链路,则是使各个移动台接收到基站的有用信号功率相等。
2.信号干扰比SIR平衡准则的基本原理
2.1SIR平衡是指接收到的信号干扰比相等。
2.2对于上行链路,SIR平衡的目标是使基站接收到的各个移动
台信号干扰比SIR相等。
2.3对于下行链路,SIR平衡的目标是使各个移动台接收到的基
站信号的信号干扰比SIR相等。
2.4在单小区蜂窝系统中的上行链路,当各个移动台到达基站的信号功率相等时,所对应的的信号干扰比SIR也相等.因此在单个小区系统中,上行链路功率平衡准则与SIR平衡准则是等效的。
2.5但是在单小区蜂窝系统的下行链路以及多小区蜂窝系统中,功率平衡准则与SIR平衡准则具有不同的含义。
二.功率控制方法
1.反向功控与前向功控
1.1反向功控
(1)反向功控是指上行链路的功率控制。
(2)反向功控用来控制移动台的发射功率,使基站接收到的所有移动台发射到基站的信号功率或SIR基本相等。
(3)反向功控使各用户之间相互干扰最小,并能达到克服“远近效应”的目的。
(4)反向功控使系统达到最大容量,因为CDMA是干扰受限系统,干扰小,容量就大。
(5)反向功控可使每个移动台发射功率最合理,以节省能量,延长移动台电池使用寿命。
1.2前向功控
(1)前向功控是指下行链路的功率控制。
(2)前向功控是用来控制基站发射功率的,使所有移动台接收到的信号功率或SIR基本相等。
(3)在实际的时变多径衰落信道中,理想同步是达不到的,特别是在多小区情况下,前向功控是有必要的,但其作用不如反向功控。
(4)前向功控可使基站平均发射功率最小,不仅能减小邻区干扰,还可以克服“角效应”。
2.集中式功控与分布式功控
2.1集中式功率控制
(1)集中式功控是指在基站进行功控,它根据接收端接收到的信号功率和链路增益来调整发射端的发射功率,以使接收端接收到的SIR相等。
(2)集中式功控最大难点是要求系统在每一时刻获得一个归一化的链路增益距阵。
2.2分布式功控
(1)分布式功控是在移动台进行功控,以使接收端接收到的SIR相等。
(2)分布式功控算法首先是在窄带蜂窝系统中提出并通过迭代方式近似地实现最佳功控,而在迭代过程中只需各链路上接收到的SIR即可。
(3)对于宽带的CDMA系统,当不考虑SIR估计误差时,分布算法非常有效,但是当SIR估计存在误差时,分布式SIR平衡算法有可能不再收敛于一个平衡SIR水准,若估计误差较小,分布式算法仍然有效。
随着误差的增大,性能将很快地下降。
3.开环功控与闭环功控
3.1开环功控
(1)移动台(或基站)根据下行链路(或上行链路)接收到的信号质量,对信道衰落情况进行估计。
(2)当移动台(或基站)接收到的信号很强时,表明移动台与基站之间距离很近,或者是有一个很好的传播路径。
这时移动台(或基站)可以降低它的发射功率;相反,就增加发射功率以抵消信道衰落。
(3)开环功控是建立在上、下行链路具有一致的信道衰落,但实际信道是不对称的(CDMA/FDD系统),开环功控的控制精度受到信道不对称的影响,只能起到粗控的作用。
(4)对于CDMA/TDD,即时分双向双工的体制中,上、下行链路处于同一频段不同时隙,这时信道上、下行基本是对称的,开环功控可以达到相当高的精度要求。
3.2闭环功控
(1)一般是指基站根据在上行反向链路上接收到的移动台信号的强弱,产生功率控制命令。
(2)闭环是由基站通过前向下行链路将基站功控命令传送给各个移动台,移动台根据此命令在开环所选择发射功率的基础上,上升或下降一个固定量,以保持基站接收到的SIR基本相等。
(3)闭环功控又被称为“乒乓”式控制。
它存在的缺点:
①从基站发出控制命令到移动台执行命令改变发射功率时,有一段时延,当时延上升时,功控性能将严重下降。
②“乒乓”式功控有稳定性差、过调量大、上升时间长、稳态误差大等缺点。
(4)闭环控制的主要优点是控制精度高,可以起到实际功控系统中精控作用,所以它是实际系统中常采用的主要精控手段。
三.IS-95中功率控制
1.IS-95中功率控制方案
1.1前向功率控制
(1)IS-95中前向(下行)链路优于反向(上行)链路,即前向同步码分优于反向异步码分;
(2)前向功控在系统中是非重点,它可以采用较简单的慢速率闭环功控方案。
1.2反向(上行)功率控制
(1)反向功控是IS-95系统中功控的重点;
(2)反向功控由粗控、精控与外环控制三部分组成;
(3)粗控:
由移动台完成的开环功率控制实现粗控功能;
(4)精控:
由移动台与基站相配合共同完成闭环功率修正的精控过程。
采用精控是由于在IS-95中采用频率双向双工的FDD体制,这时前向、反向传输频段相差45MHz,远大于相关带宽,因而前、反向的衰落是独立的,仅仅采用单向的开环是实现不了精确功控。
(5)外环控制:
确定闭环精控中的门限阀值。
2.前向(下行)功率控制
2.1功控依据(即误差源的提取):
各移动台的误帧率。
2.2功控方式:
慢速闭环功率控制
(1)调节步长:
一般为0.5dB(12%),当负荷接近容量时,步长降为6%。
(2)调节范围:
±4dB~±6dB。
2.3功控信息执行信道
(1)上行通过反向业务信道的“功率测量报告信息”段进行。
(2)下行起始功控指令是通过寻呼信道上“系统参数信息”段或前向(下行)业务信道上的“功率参数信息”段传递。
2.4功控调节算法
(1)具体算法在IS-95中无明确定义,而美国高通公司有专利。
(2)前向总功率分配如下:
①导频信道占20%
②同步信道占3%
③每个寻呼信道占6%
④剩下来的功率分配给业务信道
(3)为了克服“角落”效应,基站必须控制发射给每个不同用户的功率,称前向功率。
(4)基站根据各移动台的误帧率与一个给定阀值比较,决定是增加还是减小各个对应前向信道功率。
(5)移动台接收到的坏帧数超过一定阀值后,也会自动向基站汇报,经基站判断后,亦可决定是增加还是减小各个对应前向信道功率。
3.反向(上行)功率控制
3.1开环功率控制粗估
(1)各移动台测量其总接收功率并对发射电平作粗略估计。
(2)为了补偿传播中产生的“阴影”效应、“角落”效应,需要有较大的动态变化范围:
±32dB。
(3)这个过程完全由移
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