第八章CDMA移動通信系統(tǒng)一課件

1、第8章 CDMA移動通信系統(tǒng)（一）8.1 概述 8.2 CDMA蜂窩通信系統(tǒng)的通信容量8.3 IS-95 CDMA蜂窩系統(tǒng)的無線傳輸 *8.4 IS-95 CDMA蜂窩系統(tǒng)的消息格式和信道結(jié)構(gòu) 8.5 IS-95 CDMA蜂窩系統(tǒng)的控制功能 內(nèi)容提要8.1 概 述 CDMA是碼分多址的英文縮寫（CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS)。它是在數(shù)字?jǐn)U頻技術(shù)的分支擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術(shù)Qualcomm（高通）公司發(fā)明，IS-95CDMA、Q-CDMA、N-CDMA、cdmaOne1993年7月，北美電信工業(yè)聯(lián)合會（TIA）把 CDMA系統(tǒng)的公共空中

2、接口IS-95定為數(shù)字蜂窩移動通信標(biāo)準(zhǔn)，1995年開始商用現(xiàn)為僅次于GSM發(fā)展最快的系統(tǒng)中國聯(lián)通己大規(guī)模建網(wǎng)并投入使用8.1.0 擴(kuò)頻的概念 碼分多址是以擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)的。所謂擴(kuò)頻是把信息的頻譜擴(kuò)展到寬帶中進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。擴(kuò)頻技術(shù)用于通信系統(tǒng)具有抗干擾、抗多徑、隱蔽、保密和多址能力。 適用于碼分多址蜂窩通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻技術(shù)是直接序列擴(kuò)頻(DS)或簡稱直擴(kuò)。 擴(kuò)頻信號的產(chǎn)生包括調(diào)制和擴(kuò)頻兩個步驟。比如，先用要傳送的信息比特對載波進(jìn)行調(diào)制，再用偽隨機(jī)序列（PN序列）擴(kuò)展信號的頻譜；也可以先用偽隨機(jī)序列與信息比特相乘（把信息的頻譜擴(kuò)展），再對載波進(jìn)行調(diào)制，二者是等效的。 設(shè)信息速率為Rb(bit/s)

3、, 偽隨機(jī)序列的速率為Rp(子碼/秒)，定義擴(kuò)頻因子為 通常L1，且為整數(shù)，它是信號頻譜的擴(kuò)展倍數(shù)，也等于擴(kuò)頻系統(tǒng)抑制噪聲的處理增益。 接收端要從收到的擴(kuò)頻信號中恢復(fù)出它攜帶的信息，必須經(jīng)過解擴(kuò)和解調(diào)兩個步驟。所謂解擴(kuò)是接收機(jī)以相同的偽隨機(jī)序列與接收的擴(kuò)頻信號相乘，也稱相關(guān)接收。解擴(kuò)后的信號再經(jīng)過常規(guī)的解調(diào)，即可恢復(fù)出其中傳送的信息。 圖 m序列的自相關(guān)函數(shù) CDMA系統(tǒng)與FDMA系統(tǒng)組網(wǎng)的區(qū)別FDMA系統(tǒng) CDMA系統(tǒng)CDMA系統(tǒng)與FDMA系統(tǒng)組網(wǎng)的區(qū)別（續(xù)）CDMA系統(tǒng)每一小區(qū)采用相同的頻率（可有多個載波頻率），CDMA的小區(qū)如同F(xiàn)DMA系統(tǒng)中的簇。CDMA系統(tǒng)組網(wǎng)取決于每一小區(qū)的大小和小

4、區(qū)內(nèi)的容量。CDMA系統(tǒng)是干擾受限的系統(tǒng)，其干擾取決于鄰區(qū)的同信道干擾和小區(qū)內(nèi)的同信道干擾。在FDMA系統(tǒng)中組網(wǎng)的原則是從提高頻率利用率的角度，在保持滿意的通信質(zhì)量的前提下，簇應(yīng)取最小值最好。即平衡由同頻干擾引起的服務(wù)質(zhì)量和頻譜效率，決定用戶容量。在CDMA系統(tǒng)中核心的問題是限制減少區(qū)內(nèi)和區(qū)外的干擾，得到最大容量。CDMA系統(tǒng)與FDMA系統(tǒng)組網(wǎng)的區(qū)別（續(xù)）8.1.1 碼分多址的特征 根據(jù)理論分析，CDMA蜂窩系統(tǒng)與模擬蜂窩系統(tǒng)或TDMA數(shù)字蜂窩系統(tǒng)相比具有更大的通信容量。 CDMA蜂窩系統(tǒng)的全部用戶共享一個無線信道，用戶信號的區(qū)分只靠所用碼型的不同，因此當(dāng)蜂窩系統(tǒng)的負(fù)荷滿載時，另外增加少數(shù)用戶

5、，只會引起話音質(zhì)量的輕微下降(或者說信干比稍微降低)，而不會出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。在FDMA蜂窩系統(tǒng)或TDMA蜂窩系統(tǒng)中，當(dāng)全部頻道或時隙被占滿以后，哪怕只增加一個用戶也沒有可能。CDMA蜂窩系統(tǒng)的這種特征，使系統(tǒng)容量與用戶數(shù)之間存在一種“軟”的關(guān)系。 在業(yè)務(wù)高峰期間，可以稍微降低系統(tǒng)的誤碼性能，以適當(dāng)增多系統(tǒng)的用戶數(shù)目，即在短時間內(nèi)提供稍多的可用信道數(shù)。舉例來說，如規(guī)定可同時工作的用戶數(shù)為 50 個，當(dāng) 52 個用戶同時通話時，信干比的差異僅為10 log(52/50)=0.17 dB。 這就是說CDMA蜂窩通信系統(tǒng)具有“軟容量”特性，或者說“軟過載”特性。在其它蜂窩通信系統(tǒng)中，當(dāng)用戶過境切換而找不

6、到可用頻道或時隙時， 通信必然中斷。CDMA蜂窩系統(tǒng)的軟容量特性可以避免發(fā)生類似現(xiàn)象。 CDMA蜂窩系統(tǒng)具有“軟切換”功能。 CDMA蜂窩系統(tǒng)可以充分利用人類對話的不連續(xù)特性來實現(xiàn)話音激活技術(shù)，以提高系統(tǒng)的通信容量。 CDMA蜂窩系統(tǒng)以擴(kuò)頻技術(shù)為基站，因而它具有擴(kuò)頻通信系統(tǒng)所固有的優(yōu)點，如抗干擾、抗多徑衰落和具有保密性等。 1. CDMA蜂窩通信系統(tǒng)的多址干擾 蜂窩通信系統(tǒng)無論是采用何種多址方式都會存在各種各樣的外部干擾和系統(tǒng)本身產(chǎn)生的特定干擾。FDMA與TDMA蜂窩系統(tǒng)的共道干擾和CDMA蜂窩系統(tǒng)的多址干擾都是系統(tǒng)本身存在的內(nèi)部干擾。對于各種干擾來說，對蜂窩系統(tǒng)的容量起主要制約作用的是系統(tǒng)本

7、身存在的自我干擾。 8.1.2 CDMA蜂窩通信系統(tǒng)的多址干擾和功率控制圖 8-1 CDMA蜂窩系統(tǒng)的多址干擾 2. CDMA蜂窩通信系統(tǒng)的功率控制 功率控制技術(shù)是CDMA系統(tǒng)的核心技術(shù)。CDMA系統(tǒng)是一個自擾系統(tǒng)，所有移動用戶都占用相同的帶寬和頻率，在CDMA系統(tǒng)中，不同用戶發(fā)射的信號由于距基站的距離不同，到達(dá)時的功率也不同。距離近的信號功率大，距離遠(yuǎn)的功率小，相互形成干擾，這種現(xiàn)象稱為“遠(yuǎn)近效應(yīng)”。CDMA系統(tǒng)要求所有用戶到達(dá)基站接收機(jī)信號的平均功率要相等才能正常解擴(kuò)，功率控制就是為解決這一問題。它調(diào)整各個用戶發(fā)射機(jī)的功率，使其到達(dá)基站接收機(jī)的平均功率相等。功率控制分為前向功率控制和反向功

8、率控制，功率控制的原理有兩種類型：開環(huán)控制與閉環(huán)控制。(1) 反向功率控制。反向功率控制也稱上行鏈路功率控制。其主要要求是使任一移動臺無論處于什么位置上，其信號在到達(dá)基站的接收機(jī)時，都具有相同的電平，而且剛剛達(dá)到信干比要求的門限。顯然，能做到這一點，既可以有效地防止“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，又可以最大限度地減小多址干擾。 進(jìn)行反向功率控制的辦法可以在移動臺接收并測量基站發(fā)來的信號強(qiáng)度，并估計正向傳輸損耗，然后根據(jù)這種估計來調(diào)節(jié)移動臺的反向發(fā)射功率。如果接收信號增強(qiáng)，就降低其發(fā)射功率；接收信號減弱，就增加其發(fā)射功率。 功率控制的原則是：當(dāng)信道的傳播條件突然改善時，功率控制應(yīng)作出快速反應(yīng)(例如在幾微秒時間內(nèi))

9、，以防止信號突然增強(qiáng)而對其它用戶產(chǎn)生附加干擾；相反，當(dāng)傳播條件突然變壞時，功率調(diào)整的速度可以相對慢一些。也就是說，寧愿單個用戶的信號質(zhì)量短時間惡化，也要防止許多用戶都增大背景干擾。 (2) 正向功率控制。 正向功率控制也稱下行鏈路功率控制。其要求是調(diào)整基站向移動臺發(fā)射的功率，使任一移動臺無論處于小區(qū)中的任何位置上，收到基站的信號電平都剛剛達(dá)到信干比所要求的門限值。作到這一點，可以避免基站向距離近的移動臺輻射過大的信號功率，也可以防止或減少由于移動臺進(jìn)入傳播條件惡劣或背景干擾過強(qiáng)的地區(qū)而發(fā)生誤碼率增大或通信質(zhì)量下降的現(xiàn)象。 8.1.3 IS-95 CDMA蜂窩系統(tǒng)的工作頻率 雙模CDMA蜂窩系統(tǒng)

10、使用美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)分配給蜂窩通信系統(tǒng)使用的頻段。移動臺向基站的傳輸頻段占25MHz，由 824849 MHz, 基站向移動臺的傳輸頻段占25MHz，由869894 MHz。頻道間隔規(guī)定為30kHz。對應(yīng)的頻道編號如下頁圖所示。允許CDMA蜂窩系統(tǒng)占用的頻段如表 8-1 所示。對一個指定的系統(tǒng)可以分配多個CDMA頻道，同一個系統(tǒng)中的小區(qū)和扇區(qū)要使用其中的任一個CDMA頻道。 圖示 蜂窩系統(tǒng)的頻率配置表 8-1 CDMA頻道編號及相應(yīng)的頻率 允許CDMA蜂窩系統(tǒng)使用的頻段如表 8-1 所示。如果頻道編號以N表示，則對應(yīng)的中心頻率按下表進(jìn)行計算。 IS95規(guī)定的基本頻道(或首選頻道)號

11、碼為： A系統(tǒng)為283， B系統(tǒng)為384。 由上表可分別計算出相應(yīng)的頻率值。 A系統(tǒng)， 頻道號碼為283：移動臺發(fā)射頻率0.03283825.00833.49(MHz)基站發(fā)射頻率0.03283870.00878.49(MHz) B系統(tǒng)， 頻道號碼為384：移動臺發(fā)射頻率0.03 384825.00836.52(MHz)基站發(fā)射頻率0.03384870.00881.52(MHz)IS-95 CDMA系統(tǒng)Qualcomm公司(高通公司)具有幾乎所有知識產(chǎn)權(quán)南韓最早(1996)引進(jìn)CDMA技術(shù)與系統(tǒng)中國在九十年代中期開始研究CDMA技術(shù)中國己與高通公司簽了有關(guān)許可協(xié)議中國的公司己開始生產(chǎn)有關(guān)設(shè)備I

12、S-95 CDMA主要技術(shù)指標(biāo) 工作頻率：前向869-894MHz 反向824-849MHz雙工方式：FDD 收發(fā)間隔45MHz 多址方式：CDMA 擴(kuò)頻碼速率：1.2288Mc/s調(diào)制方式：前向QPSK，反向OQPSKIS-95 CDMA主要技術(shù)指標(biāo)（續(xù)） 語音編碼方式：8k或13k變速率CELP碼信道編碼方式：卷積碼（k=9, 正向Rb=1/2，反向Rb=1/3）數(shù)據(jù)幀長：20ms擴(kuò)頻解調(diào)門限：7dB(Pe=10-4)IS-95 CDMA主要技術(shù)指標(biāo)（續(xù)） 基站邏輯信道數(shù)：大于30/每載波小區(qū)結(jié)構(gòu)：120o三扇區(qū)構(gòu)成功率控制精度：正向：0.5dB 反向：1dB分集接收：基站4路RAKE接收

13、 移動臺3路RAKE接收 8.1.4 IS-95 CDMA蜂窩通信系統(tǒng)的時間基準(zhǔn) CDMA蜂窩系統(tǒng)利用“全球定位系統(tǒng)”(GPS)的時標(biāo)， GPS的時間和“世界協(xié)調(diào)時間”(UTC)是同步的，二者之差是秒的整倍數(shù)。 各基站都配有GPS接收機(jī)，保持系統(tǒng)中各基站有統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，稱為CDMA系統(tǒng)的公共時間基準(zhǔn)。移動臺通常利用最先到達(dá)并用于解調(diào)的多徑信號分量建立基準(zhǔn)。如果另一條多徑分量變成了最先到達(dá)并用于解調(diào)的多徑分量，則移動臺的時間基準(zhǔn)要跟蹤到這個新的多徑分量。8.1.5 IS-95 CDMA蜂窩系統(tǒng)的話音編碼 Qualcomm CDMA蜂窩系統(tǒng)開發(fā)的聲碼器采用碼激勵線性預(yù)測(CELP)編碼算法，也稱

14、為QCELP算法。其基本速率是 8 kb/s，但是可隨輸入話音消息的特征而動態(tài)地分為四種，即 8、 4、 2、 1 kb/s， 可以 9.6, 4.8, 2.4, 1.2 kb/s的信道速率分別傳輸。發(fā)送端的編碼器對輸入的話音取樣，產(chǎn)生編碼的話音分組(packet)傳輸?shù)浇邮斩?，接收端的解碼器把收到的話音分組解碼，再恢復(fù)成話音樣點。 經(jīng)過內(nèi)部測試、現(xiàn)場測試和MOS測試表明，這種聲碼器的話音質(zhì)量比其他模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的話音質(zhì)量好，尤其在傳播條件惡劣的情況下，改善更為明顯。 使用可變速率的聲碼器，在發(fā)送時，調(diào)制器必須知道現(xiàn)在要傳輸?shù)氖鞘裁此俾?；而接收時，解調(diào)器又必須判明當(dāng)前接收的是什么速率。 8

15、.2 CDMA蜂窩通信系統(tǒng)的通信容量 首先考慮一般擴(kuò)頻通信系統(tǒng)(即暫不考慮蜂窩網(wǎng)絡(luò)的特點)的通信容量。載干比可以表示為 式中，Eb是消息的一比特能量；Rb是信息的比特率；I0是干擾的功率譜密度(每赫干擾功率)；W是總頻段寬度(在這里W也是CDMA信號所占的頻譜寬度，即擴(kuò)頻帶寬)； (Eb/I0）類似于通常所謂的歸一化信噪比(Eb/N0)，其取值決定于系統(tǒng)對誤碼率或話音質(zhì)量的要求，并與系統(tǒng)的調(diào)制方式和編碼方案有關(guān)； (W/Rb)是系統(tǒng)的擴(kuò)頻因子，即系統(tǒng)的處理增益。 n個用戶共用一個無線頻道，每一用戶的信號都受到其他n-1個用戶的信號干擾。若到達(dá)一接收機(jī)的信號強(qiáng)度和各個干擾強(qiáng)度都一樣，則載干比為或

16、 通常n1, 故C/I1/n，即 (8-4)(8-2)(8-3) 上述結(jié)果表明：在誤碼率一定的條件下，所需歸一化信干比(Eb/I0）越小，系統(tǒng)可以同時容納的用戶數(shù)越大。 注意：這里所使用的假定條件，所謂“到達(dá)一接收機(jī)的信號強(qiáng)度和各個干擾強(qiáng)度都一樣”，是指在正向傳輸時，基站向移動臺發(fā)送的信號應(yīng)不加任何功率控制；而在反向傳輸時，各移動臺向基站發(fā)送的信號必須具有理想的功率控制。且沒有考慮鄰近小區(qū)的干擾。 在上面分析的基礎(chǔ)上，下面根據(jù)CDMA蜂窩系統(tǒng)的特征對公式進(jìn)行逐步修正。1. 話音激活期的影響 人類對話的特征是不連續(xù)的，對話的激活期(占空比d)通常只有35%左右。在許多用戶共享一個無線頻道時， 如

17、果利用話音激活技術(shù)，使通信中的用戶有話音才發(fā)射信號，沒有話音就停止發(fā)射信號，那么任一用戶在話音發(fā)生停頓時，所有其他通信中的用戶都會因為背景干擾減小而受益。這就是說，話音停頓可以使背景干擾減小65%，能提高系統(tǒng)容量到 1/0.35=2.86 倍。 令話音的占空比為d, 則式(8-4)變成 (8-5) 2. 扇區(qū)的作用 在CDMA蜂窩系統(tǒng)中采用有向天線進(jìn)行分區(qū)能明顯地提高系統(tǒng)容量。比如，用 120的定向天線把小區(qū)分成三個扇區(qū)， 可以把背景干擾減少到原值的 1/3, 因而可以提高容量3倍。 FDMA蜂窩系統(tǒng)和TDMA蜂窩系統(tǒng)利用扇形分區(qū)同樣可以減小來自共道小區(qū)的共道干擾，從而減小共道再用距離，以提高

18、系統(tǒng)容量。但是，達(dá)不到像CDMA蜂窩系統(tǒng)那樣，分成三個扇區(qū)系統(tǒng)容量就會增大 3 倍的效果。令G為扇區(qū)數(shù)，式(8-5)變成 (8-6)例：如果CDMA系統(tǒng)的頻帶寬度為1.25MHz，語音編碼速率為9.6kb/s，比特能量與噪聲功率譜密度為10dB，求出分別使用1）和2）兩種技術(shù)在一個單小區(qū)CDMA系統(tǒng)中時，所能支持的最大用戶數(shù)（假設(shè)系統(tǒng)是干擾受限的）1）基站采用全向天線，沒有語音激活檢測；2）基站有三個扇區(qū)，且采用占空比為d=0.35的語音激活檢測。3. 鄰近小區(qū)的干擾 (1) 正向傳輸。 圖 8-3 CDMA系統(tǒng)中移動臺受干擾的情況 假設(shè)各小區(qū)的基站都同時向n個用戶發(fā)送功率相等的信號，在三個小

19、區(qū)的交界處(圖中x處)，來自本基站的有用信號功率ar-4(a為比例常數(shù)， r為小區(qū)半徑)。來自本基站的干擾信號功率為a(n-1)r-4；來自緊鄰 2 個基站(圖中)的干擾信號功率為 2anr-4; 來自較遠(yuǎn)3個基站(圖中)的干擾信號功率為 3an(2r)-4; 來自更遠(yuǎn) 6 個基站(圖中)的干擾信號功率為 6an(2.63r)-4。比這些基站更遠(yuǎn)的干擾可以忽略，于是得到載干比的表示式如下： 如果不計鄰近基站的干擾，此公式的分母只剩下第一項，可得C/I=1/(n-1)，即式(10-2)的結(jié)果，而由于鄰近基站的干擾不能忽略，載干比將下降為原載干比的 1/3.3。 通常發(fā)射機(jī)的最大功率是根據(jù)最大通信

20、距離進(jìn)行計算的。這里，基站的發(fā)射功率必須保證移動臺在小區(qū)交界處可以正常工作。但是，當(dāng)移動臺靠近基站時，如果基站仍然發(fā)射同樣強(qiáng)的功率，則除去增大背景干擾處并無好處。為此，令基站發(fā)給每一個用戶i的功率Pi根據(jù)移動臺和基站的距離ri進(jìn)行調(diào)整。距離越大，功率越大；反之，則越小。即 (8-8)式中，是一常數(shù)，可用試探法進(jìn)行選擇，一般選擇=2 比較合適。這里沒有按照傳播損耗的規(guī)律把定為4，是考慮到當(dāng)移動臺靠近其基站時，來自本小區(qū)基站的干擾與有用信號一起變化；而來自其它小區(qū)基站的干擾，雖然有減小，但改變的速度相對較慢。這時，如果基站把發(fā)向某個移動臺的信號功率按=4的規(guī)律急劇減小，則可能使該移動臺的基站附近的

21、載干比達(dá)不到要求。 令移動臺處于小區(qū)邊緣(ri=r)所需的信號功率Pm，式(8-8)可寫為 (8-9) 假設(shè)在各個小區(qū)內(nèi)，移動臺的數(shù)目較多，而且是均勻分布的，根據(jù)圖8-3，可用以下公式來表示小區(qū)中的用戶數(shù)目n: 式中，為一常數(shù)(與用戶密度成比例)。因此，基站在增加功率控制后，發(fā)向全部用戶的總功率為 已知n=r2/2，所以 (8-10) 功率控制后，基站發(fā)射總功率降低一半，顯然，這對減少系統(tǒng)中的多址干擾是又好處的。 不考慮鄰近小區(qū)的干擾時，一個小區(qū)允許同時工作的用戶數(shù)約為n=1/(C/I), 在考慮鄰近小區(qū)的干擾并且采用功率控制時，這種用戶數(shù)降低為n=0.6/(C/I), 即后者是前者乘以0.6

22、。這結(jié)果說明CDMA蜂窩系統(tǒng)和其它蜂窩系統(tǒng)類似，也存在一種信道再用效率F=0.6。由此可把式(8-6)寫成 (8-14)重新計算:不考慮蜂窩網(wǎng)絡(luò)的特點時：W 為頻帶寬度，Rb為信息比特率，Eb/I0為比特能量與噪聲功率譜密度比考慮話音激活期的影響時：d 為對話的激活期(占空比)考慮扇區(qū)的作用時：G 為扇區(qū)數(shù)考慮鄰近小區(qū)的干擾時：F 為信道再用效率，一般取值0.6小結(jié)：CDMA蜂窩系統(tǒng)正向傳輸?shù)耐ㄐ湃萘康挠嬎?(2) 反向傳輸。設(shè)各小區(qū)中的移動臺均能自動調(diào)整其發(fā)射功率，使任一移動臺無論處于小區(qū)內(nèi)的任何位置上，其信號功率在到達(dá)基站時，都能保持在某一額定值即載干比的門限值。由于基站的位置是固定不變的

23、，各移動臺在其小區(qū)內(nèi)是隨機(jī)分布的(可以看成是均勻分布的)，因而基站附近的背景干擾不會因為某一移動臺的位置變化而發(fā)生明顯的變化。因此，反向功率控制應(yīng)該按照傳播損耗的規(guī)律來確定。即移動臺(i)的發(fā)射功率(Pi)與距離(ri)的關(guān)系應(yīng)該是 用式(8-9)相同的表示方法，可得 從概念上看，如果功率控制很完善，而且只考慮本小區(qū)中移動臺的干擾，則基站接收某一信號的載干比也是(C/I)=1(n-1)1/n。實際上，來自鄰近小區(qū)中移動臺的干擾同樣不能忽略，因為它必然會降低CDMA蜂窩系統(tǒng)的通信容量。 圖 8-4 CDMA系統(tǒng)中基站受干擾的情況 可以把來自一個鄰近小區(qū)中所有移動臺的干擾等效成由其基站發(fā)射來的干擾

24、， 因而小區(qū)y的基站收到的載干比為 式中，1, 2, 3是分別對應(yīng)于環(huán)路,的比例常數(shù)。 由此可得信道再用效率 采用數(shù)值計算或仿真技術(shù)，可以算出F的值大約是 F0.65。 幾種蜂窩通信系統(tǒng)的通信容量的比較： 模擬FDMA系統(tǒng) (AMPS)總頻段寬度 1.25 MHz頻道間隔 30 kHz信道數(shù)目 1.2510 6/(30103)=41.7每區(qū)群小區(qū)數(shù) 7通信容量 41.7/7=6 TDMA系統(tǒng)總頻段寬度1.25 MHz頻道間隔30 kHz每載頻時隙數(shù) 3信道數(shù)目 31.25106/(30103)=125每區(qū)群小區(qū)數(shù) 4通信容量 125/4=31.25 CDMA系統(tǒng) 總頻段寬度 1.25 MHz扇

25、形分區(qū)數(shù) 3通信容量 120以n表示通信容量，三種系統(tǒng)的比較結(jié)果可以寫成n(CDMA)=20n(FDMA)=45n(TDMA) 8.3 IS-95 CDMA蜂窩系統(tǒng)的無線傳輸 8.3.1 信道組成 圖 8-5 CDMA蜂窩系統(tǒng)的信道示意圖 1. 導(dǎo)頻信道 傳輸由基站連續(xù)發(fā)送的導(dǎo)頻信號。導(dǎo)頻信號是一種無調(diào)制的直接序列擴(kuò)頻信號，令移動臺可迅速而精確地捕獲信道的定時信息，并提取相干載波進(jìn)行信號的解調(diào)。移動臺通過對周圍不同基站的導(dǎo)頻信號進(jìn)行檢測和比較，可以決定什么時候需要進(jìn)行過境切換。 2. 同步信道 主要傳輸同步信息(還包括提供移動臺選用的尋呼信道數(shù)據(jù)率)。在同步期間，移動臺利用此同步信息進(jìn)行同步調(diào)

26、整。一旦同步完成，它通常不再使用同步信道，但當(dāng)設(shè)備關(guān)機(jī)后重新開機(jī)時，還需要重新進(jìn)行同步。當(dāng)通信業(yè)務(wù)量很多, 所有業(yè)務(wù)信道均被占用而不敷應(yīng)用時，此同步信道也可臨時改作業(yè)務(wù)信道使用。 類似于GSM邏輯信道中的SCH3. 尋呼信道 在呼叫接續(xù)階段傳輸尋呼移動臺的信息。移動臺通常在建立同步后，接著就選擇一個尋呼信道(也可以由基站指定)來監(jiān)聽系統(tǒng)發(fā)出的尋呼信息和其它指令。在需要時，尋呼信道可以改作業(yè)務(wù)信道使用，直至全部用完。 類似于GSM邏輯信道中的 PCH4. 正向業(yè)務(wù)信道 共有四種傳輸速率(9600、4800、2400、1200 b/s)。業(yè)務(wù)速率可以逐幀(20ms)改變，以動態(tài)地適應(yīng)通信者的話音特

27、征。比如，發(fā)音時傳輸速率提高，停頓時傳輸速率降低。這樣做，有利于減少CDMA系統(tǒng)的多址干擾， 以提高系統(tǒng)容量。在業(yè)務(wù)信道中，還要插入其它的控制信息，如鏈路功率控制和過區(qū)切換指令等。 反向傳輸邏輯信道如圖 5-5(b)所示。圖中，含 55 個業(yè)務(wù)信道和n個接入信道。 類似于GSM邏輯信道中的TCHP189 圖 5-5 CDMA蜂窩系統(tǒng)的邏輯信道示意圖 5. 接入信道 當(dāng)移動臺沒有使用業(yè)務(wù)信道時，提供運(yùn)動臺到基站的傳輸通路，在其中發(fā)起呼叫、對尋呼進(jìn)行響應(yīng)以及傳送登記注冊等短信息。接入信道和正向傳輸中的尋呼信道相對應(yīng)，以相應(yīng)傳送指令、應(yīng)答和其它有關(guān)的信息。不過，接入信道是一種分時隙的隨機(jī)接入信道，允

28、許多個用戶同時搶占同一接入信道。每個尋呼信道所支撐的接入信道數(shù)最多可達(dá) 32 個。6. 反向業(yè)務(wù)信道 與正向業(yè)務(wù)信道相對應(yīng)。 8.3.2 正向傳輸 圖 8-6 正向CDMA信道的電路框圖1. 數(shù)據(jù)速率 同步信道的數(shù)據(jù)速率為1200b/s，尋呼信道為9600或 4800b/s，正向業(yè)務(wù)信道為9600、4800、2400、1200b/s 正向業(yè)務(wù)信道的數(shù)據(jù)在每幀(20ms)末尾含有8bit, 稱為編碼器尾比特，在前面的TDMA系統(tǒng)中也常用到，它的作用是把卷積碼編碼器置于規(guī)定的狀態(tài)。此外，在9600和4800b/s的數(shù)據(jù)中都含有幀質(zhì)量指示比特(即CRC檢驗比特)，前者為12bit, 后者為 8bit

29、。因而，正向業(yè)務(wù)信道的信息速率分別是 8.6、4.0、2.0、0.8kb/s。2. 卷積編碼 數(shù)據(jù)在傳輸之前都要進(jìn)行卷積編碼，卷積碼的碼率為 1/2， 約束長度為 9。3. 碼元重復(fù) 對于同步信道，經(jīng)過卷積編碼后的各個碼元，在分組交織之前，都要重復(fù)一次(每碼元連續(xù)出現(xiàn)2次)。對于尋呼信道和正向業(yè)務(wù)信道，只要數(shù)據(jù)率低于9600 b/s, 在分組交織之前都要重復(fù)。 速率為4800b/s時，各碼元要重復(fù)一次(每碼元連續(xù)出現(xiàn)2 次)； 速率為2400b/s時，各碼元要重復(fù)3次(每碼元連續(xù)出現(xiàn)4 次)； 速率為1200b/s時，各碼元要重復(fù)7次(每碼元連續(xù)出現(xiàn)8 次)。 這樣做，使各種信息速率均變換為相

30、同的調(diào)制碼元速率，即每秒19200個調(diào)制碼元。 4. 分組交織 所有碼元在重復(fù)之后都要進(jìn)行分組交織。 同步信道所用的交織跨度等于26.666ms，相當(dāng)于碼元速率為4800b/s時的128個調(diào)制碼元寬度。交織器組成的陣列是8行16列(即128個單元)。 尋呼信道和正向業(yè)務(wù)信道所用的交織跨度等于20 ms，這相當(dāng)于碼元速率為19200b/s時的384個調(diào)制碼元寬度。交織器組成的陣列是24行16列(即384個單元)。 5. 數(shù)據(jù)掩蔽 數(shù)據(jù)掩蔽用于尋呼信道和正向業(yè)務(wù)信道，其作用是為通信提供保密。掩蔽器把交織器輸出的碼元流和按用戶編址的PN序列進(jìn)行模2相加。這種PN序列是工作在時鐘為1.2288MHz的

31、長碼，每一調(diào)制碼長度等于1.2288106/19200=64個PN子碼寬度。長碼經(jīng)分頻后，其速率變?yōu)?9200 b/s，因而送入模 2 相加器進(jìn)行數(shù)據(jù)掩蔽的是每64個子碼中的第一個子碼在起作用。 6. 正交擴(kuò)展 為了使正向傳輸?shù)母鱾€信道之間具有正交性，在正向CDMA信道中傳輸?shù)乃行盘柖家昧倪M(jìn)制的沃爾什函數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。這種沃爾什函數(shù) 6464 矩陣可用以下的循環(huán)步驟產(chǎn)生： 號碼為0的沃爾什函數(shù)W0分配給導(dǎo)頻信道，號碼為32的沃爾什函數(shù)W32分配給同步信道。號碼為17的沃爾什函數(shù)W1W7分配給尋呼信道，其余沃爾什函數(shù)分配給正向業(yè)務(wù)信道。沃爾什函數(shù)的子碼速率為1.2288 MC/s，并以52.

32、083s(64/1.2288106)為周期重復(fù)，此周期就是正向業(yè)務(wù)信道調(diào)制碼元的寬度。 7. 四相擴(kuò)展 在正交擴(kuò)展之后，各種信號都要進(jìn)行四相擴(kuò)展。四相擴(kuò)展所用的序列稱為引導(dǎo)PN序列。引導(dǎo)PN序列的作用是給不同基站發(fā)出的信號賦以不同的特征，便于移動臺識別所需的基站。不同的基站使用相同的PN序列，但各自采用不同的時間偏置。由于PN序列的相關(guān)特性在時間偏移大于一個子碼寬度時，其相關(guān)值就等于 0 或接近于 0，因而移動臺用相關(guān)檢測法很容易把不同基站的信號區(qū)分開來。通常，一個基站的PN序列在其所有配置的頻率上，都采用相同的時間偏置，而在一個CDMA蜂窩系統(tǒng)中，時間偏置可以再用。 不同的時間偏置用不同的偏

33、置系統(tǒng)表示，偏置系數(shù)共512個，編號從0到511。偏置時間等于偏置的系數(shù)乘以64，單位是PN序列子碼數(shù)目。例如，當(dāng)偏置系數(shù)是15 時，相應(yīng)的偏置時間是1564=960個子碼，已知子碼寬度為 1/1.338 8106=0.813 8s, 故偏置時間為 9600.813 8=781.25s。 0偏置引導(dǎo)PN序列必須在時間的偶數(shù)秒(以基站傳輸時間為基準(zhǔn))起始傳輸，其它PN引導(dǎo)序列的偏置指數(shù)規(guī)定了它和0 偏置引導(dǎo)PN序列偏離的時間值。如上所述，偏置指數(shù)15 時， 引導(dǎo)PN序列的偏離時間為781.25s，說明該P(yáng)N序列要從每一偶數(shù)秒之后 781.25s開始。 引導(dǎo)PN序列的有兩個：I支路PN序列和Q支路

34、PN序列，它們的長度均為 215(32768)個子碼。其構(gòu)成是以下面的生成多項式為基礎(chǔ)的。 按此生成多項式產(chǎn)生的是長為215-1的m序列。為了得到周期為215的I序列和Q序列，當(dāng)生成的m序列中出現(xiàn)14個“0”時，從中再插入一個“0”，使序列14個“0”的游程變成15個“0”的游程。引導(dǎo)PN序列周期長度是 32768/1228800=26.66 ms, 即每 2 秒有 75 個PN序列周期。表 8-2 正向CDMA信號的相位關(guān)系 IQ相 位 00/4 103/4 11-3/4 01-/4 圖 8-9 正向CDMA信道的信號相位點及其轉(zhuǎn)換關(guān)系 長 碼在前向鏈路中作掩碼：用于數(shù)據(jù)擾碼和用戶保密。采用

35、：周期為242-1的m長碼長碼速率為1.2288Mc/s64分頻后為19.2kc/s長碼序列生成器多項式為 9. 信道參數(shù) 表 8-3 同步信道參數(shù) 參 數(shù) 數(shù)據(jù)率1 200 b/s PN子碼速率/(Mc/s) 1.228 8 卷積編碼碼率 1/2 碼元重復(fù)后出現(xiàn)次數(shù) 2 調(diào)制碼元速率/(s/s) 4 800 每調(diào)制碼元的子碼數(shù) 256 每比特的子碼數(shù) 1 024 參 數(shù) 數(shù)據(jù)率/(b/s) 9 6004 800PN子碼速率/(Mc/s) 1.228 8 1.228 8卷積編碼碼率 碼元重復(fù)后出現(xiàn)次數(shù) 1 2調(diào)制碼元速率/(s/s) 19 200 19 200每調(diào)制碼元的子碼數(shù) 64 64每比

36、特的子碼數(shù) 128 256表 8-4 尋呼信道參數(shù) 表 8-5 正向業(yè)務(wù)信道參數(shù) 8.3.3 反向傳輸 圖 8-10 反向 CDMA 信道的電路框圖1. 數(shù)據(jù)速率 接入信道用4800b/s的固定速率。反向業(yè)務(wù)信道用 9600, 4800, 2400和1200b/s的可變速率。兩種信道的數(shù)據(jù)中均要加入編碼器尾比特，用于把卷積編碼器復(fù)位到規(guī)定的狀態(tài)。此外，在反向業(yè)務(wù)信道上傳送9600和4800b/s數(shù)據(jù)時，也要加質(zhì)量指示比特(CRC校驗比特)。2. 卷積編碼 接入信道和反向業(yè)務(wù)信道所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都要進(jìn)行卷積編碼，卷積碼的碼率為1/3，約束長度為9。 3. 碼元重復(fù) 反向業(yè)業(yè)信道的碼元重復(fù)辦法和正向業(yè)

37、務(wù)信道一樣。數(shù)據(jù)速率為9600b/s時，碼元不重復(fù)；數(shù)據(jù)速率為4800, 2400和1200b/s時，碼元分別重復(fù)1次、3次和7次(每一碼元連續(xù)出現(xiàn) 2 次、4 次和 8 次)。這樣就使得各種速率的數(shù)據(jù)都變換成每秒28800碼元。這里不同的地方是重復(fù)的碼元不是重復(fù)發(fā)送多次，相反，除去發(fā)送其中的一個碼元外，其余的重復(fù)碼元全部被刪除。在接入信道上，因為數(shù)據(jù)速率固定為4800b/s，因而每一碼元只重復(fù)1 次，而且兩個重復(fù)碼元都要發(fā)送。 4. 分組交織 所有碼元在重復(fù)之后都要進(jìn)行分組交織。分組交織的跨度為20ms。交織器組成的陣列是32行18列(即 576個單元)。5. 可變數(shù)據(jù)率傳輸 為了減少移動臺的功耗和減小它對CDMA信道產(chǎn)生的干擾，對交織器輸出的碼元，用一時