第8章 CDMA系统介绍

1、第九章 CDMA数字蜂窝移动系统介绍 主讲人：刘劲 主要内容 9.1 概述 9.2 系统结构 9.3 CDMA系统中的扩频码与地址码 9.4 正向信道及其信号设计 9.5 反向信道及其信号设计 9.6 功率控制 9.7 CDMA系统的安全性管理 9.8 CDMA系统的移动性管理 CDMA系统 一、对系统的要求 美国蜂窝通信工业协会CTIA于1988年9月发 表了“用户的性能要求UPR”文件，制订了对下 一代蜂窝网的技术要求： 系统容量：=AMPS的10倍 通信质量：等于或优于AMPS 易于过渡并和现有的模拟蜂窝系统兼容 具有保密性、低成本、开放的网络结构 CDMA系统 9.1 概述 一、对系统

2、的要求 与当前模拟系统的兼容 双模式移动台 美国存在的两种双模式移动台： TDMA+AMPS IS-54 D-AMPS CDMA+AMPS IS-95 CDMA系统 9.1 概述 二、CDMA蜂窝网的崛起 1. Q-CDMA（IS-95）标准是美国Qualcomm公司 于1993年7月公布的，采用了直接序列扩频技术。 2. 1995年11月香港开通第一个CDMA系统。 3. 1999年我国信息产业部确定由中国联通在全国 范围内经营CDMA数字蜂窝系统。 CDMA系统 9.1 概述 IS-95公共空中接口是美国TIA于1993年公布的双模式 (CDMA/AMPS)的标准，简称Q-CDMA标准。

3、1. 频段 下行：869MHz894MHz 上行：824MHz849MHz CDMA系统 三、IS-95标准 三、IS-95标准 CDMA系统 2. 信道数 每一载频：64（码分信道） 每一小区可分为3个扇形区，可共用一个载频 每一网络分为9个载频 3. 调制方式 基站：QPSK 移动台：OQPSK 4. 扩频方式 DS直接序列扩频 CDMA系统 三、IS-95标准 5. 语音编码 可变速率CELP，最大速率8kb/s，最大数据 速率为9.6kb/s。每帧时间为20ms。 6. 信道编码 卷积编码、交织编码 7. 多径方式 RAKE接收方式，移动台3个，基站4个 CDMA系统 三、IS-95标

4、准 四、IS-95 CDMA与蜂窝结构的关系 回顾：FDMA TDMA 与蜂窝的关系？ 存在的问题？ CDMA系统 在DS-CDMA中，情况又怎么样呢？ 各小区可共享同一个频带 频率复用与蜂窝区群结构关系大为减弱 问题：频带资源共享后的多用户干扰 干扰受限系统 CDMA系统 四、IS-95 CDMA与蜂窝结构的关系 1. DS-CDMA蜂窝系统的频谱带宽 频谱效率取决于频率复用的蜂窝区群结构。 FDMA模拟蜂窝系统： 7小区（3扇区）才能满足载干比=18dB 频率复用效率为1/7 TDMA数字蜂窝系统： 3小区（3扇区）满足载干比=9dB 频率复用效率为1/3 CDMA系统 四、IS-95 C

5、DMA与蜂窝结构的关系 1. DS-CDMA蜂窝系统的频谱带宽 CDMA数字蜂窝系统： 频率复用效率取决于相邻小区用户的多用 户干扰，考虑这些干扰后，其频率复用效率约 为2/3，相当于1.5小区的区群结构。 CDMA系统 四、IS-95 CDMA与蜂窝结构的关系 1. DS-CDMA蜂窝系统的频谱带宽 CDMA数字蜂窝系统的抗多径时延扩展 多径时延扩展=1 s 要求：码片宽度=1MHz 换句话说，1MHz的扩频信号可以保证大 于1微秒的多径分离。 1.25MHz N-CDMA方案 CDMA系统 四、IS-95 CDMA与蜂窝结构的关系 2. CDMA与蜂窝小区和扇区的关系 FDMA、TDMA划

6、分不同小区和扇区： 频率、不同小区或扇区都有自己的频点 CDMA：每个载频占用的频段为1.25MHz带 宽，不同的系统可用不同载频区分，同一系统内 不同的小区和扇区依靠不同的码型来区分。 CDMA系统 四、IS-95 CDMA与蜂窝结构的关系 五、采用扩频CDMA技术带来的好处与存在的问题 1. 带来的好处 频带和时间资源共享 多径分集 功率控制 保密性强 软切换 大容量 软容量 低信噪比 CDMA系统 9.1 概述 五、采用扩频CDMA技术带来的好处与存在的问题 2. 存在的问题 用户地址码互相关不为零多址干扰 远近效应精确的功率控制 系统容量下降 CDMA系统 9.1 概述 五、采用CDM

7、A技术带来的好处与存在的问题 3. 关键技术 功率控制技术 多径信号的分离与合并技术 多用户干扰分离技术 同步技术 PN地址码的选择 软切换技术 语音编码技术 CDMA系统 9.1 概述 CDMA系统 9.2 系统结构 基站控制器 BSC BTS BTS MS MSC VLR MSC VLR OMCHLR 市 话 网 PSTN ISDN U接口 Abis接口 A接口 V接口 CDMA系统 9.2 系统结构 基站控制器 BSC BTS BTS MS MSC VLR MSC VLR OMCHLR 市 话 网 PSTN ISDN U接口 Abis接口 A接口 V接口 业务链路 控制链路 9.3 CD

8、MA中的扩频码与地址码 一、基本原理 1. 基于扩频技术，直接序列扩频（DS），直扩 2. 对于扩频码与地址码的要求： 良好的伪随机性能和相关性能 理想地址码与扩频码的特性： 有足够多的地址码码组； 有尖锐的自相关特性； 有处处为零的互相关特性 不同码元数平衡相等； 尽可能大的复杂度。 CDMA系统 用户 数 多址干扰 安全 性 3.伪随机序列 特点： 尖锐的自相关特性 较好的互相关特性 同一码组内的各码可占据很宽的频带且相等 CDMA系统 周期性序列近似理想的纯随机序列和噪声 伪随机码和伪噪声PN（Pesudo Noise） 9.3 CDMA中的扩频码与地址码 3.伪随机序列 R() 0 5

9、102 10 5 30 15 -10 CDMA系统 伪随机序列的自相关(红)和互相关曲线(绿) 9.3 CDMA中的扩频码与地址码 DS-CDMA系统原理框图 调 制 混 频 PN码 信息 解 调 地址码fc 混 频 PN码 信息 fcfofo地址码 CDMA系统 9.3 CDMA中的扩频码与地址码 二、扩频码与地址码 伪随机序列：m序列、M序列、Gold序列、R-S码等。 问题：伪随机序列有良好的自相关特性，但其互相关 特性不是很理想（非处处为零）。 扩频码伪随机序列 地址码伪随机序列效果不好 u 伪随机序列扩频码 u Walsh码地址码 CDMA系统 9.3 CDMA中的扩频码与地址码 1

10、. m序列 由n级移位寄存器、适当的抽头反馈和模2加法器 组成，其周期P=2n-1。 CDMA系统 D1D2D3 时钟脉冲 输出 移位寄 存器 模2加 法器 1110010 9.3 CDMA中的扩频码与地址码 2. Walsh码 Walsh函数是一种非正弦的完备正交函数系，它的 可能取值为+1和-1（或0和1），比较适合于数字信号的 表达和处理。 Walsh函数具有理想的互相关特性。在这个函数族中， 两两之间的互相关函数为“0”，亦即它们之间是正交的。 CDMA系统 9.3 CDMA中的扩频码与地址码 1.短PN码 周期为215个码片，是用于QPSK的同相与正交支路的直接 序列扩频码。15级移

11、位寄存器的m序列周期为（ 215-1 ），当 插入一个全“0”状态后，形成的序列周期为215=32768个码片， 在CDMA中，该序列称为引导PN序列，其作用是给不同基站 发出的信号赋以不同的特征。 不同的基站使用相同的引导PN序列，但各自却采用不同的 时间（相位）偏置。不同的时间偏置用不同的偏置系数表示， 偏置系数共512个（0511）。 一个引导PN序列偏离0偏移引导PN序列的偏移量为偏置指 数乘以64码片。 CDMA系统 三、CDMA系统中采用的三种码序列 2.Walsh码 CDMA系统中采用64阶正交Walsh函数。 对于正向链路，64种Walsh函数被用来构成64条 码分信道。 对于

12、反向链路，Walsh函数用来调制信息符号， 即每6位输入的码子符号调制后变成输出一个64码片 的Walsh序列。 CDMA系统 三、CDMA系统中采用的三种码序列 3.长PN码 周期为242个码片，CDMA系统利用该码对数据进 行扩频和扰码，为通信提供保密。 长码的各个PN子码是用一个42位的掩码和序列产 生器的42位状态矢量进行模2加产生的。只要改变掩 码，产生的PN子码的相位将随之改变。 IS-95中，每个用户特定的掩码对应一个特定的PN 码相位，每一个长码和相位偏移量就是一个确认的 地址。 CDMA系统 三、CDMA系统中采用的三种码序列 CDMA数字移动通信系统中，正向信道采用 FDM

13、A/CDMA混合多址技术。把使用频段分成若干个 带宽为1.25MHz的频道，一个蜂窝小区可有一个或多 个1.25MHz的频道。 正向信道用Walsh码作为地址码来建立码分信道； 各基站是用一对引导PN序列进行四相调制，不同基站 的引导PN序列具有不同的相位偏移量。 一个CDMA频道划分为64个码分逻辑信道。正向信 道包含一个倒频信道、一个同步信道（必要时可改作 业务信道）、七个寻呼信道（必要时可改作业务信道） 和55个（最多63个）正向业务信道。 CDMA系统 9.4 正向信道及其信号设计 CDMA系统 正向CDMA信道 导 频 信 道 同 步 信 道 寻 呼 信 道 1 寻 呼 信 道 7

14、业 务 信 道 1 业 务 信 道 N 业 务 信 道 55 业务 数据 移动台功率 控制子信道 业 务 信 道 24 业 务 信 道 25 W0W32 W1W7 W8W31W33W63 9.4 正向信道及其信号设计 导频信道（W0） 基站在此信道发送导频信号（信号功率比其他信道 高）供移动台识别基站并引导移动台入网。 导频信号是一个不含信息数据的扩频信号，但包含 引导PN序列时间（相位）偏移量和频率基准信号。 导频信号也是移动台判断是否需要越区切换的一个 基准。 CDMA系统 9.4 正向信道及其信号设计 2. 同步信道（W32） 同步信道的信息数据主要包括系统时间和导频偏 置，是移动台确知

15、正在接入的是哪个基站。 此外，公布寻呼信道德速率是9600kb/s或 4800kb/s、长PN码状态等。 CDMA系统 9.4 正向信道及其信号设计 3. 寻呼信道（W1W7） 每个基站有一个或几个寻呼信道，当呼叫时，在移 动台没有转入业务信道之前，基站通过寻呼信道传送 控制信息移动台。 寻呼信道的数据速率是9600kb/s或4800kb/s两种， 经卷积、码元重复，由交织器输出速率为19.2ks/s的调 制码元。 寻呼数据须经长PN码序列调制后再传输数据扰 码，目的是为了通信保密。 CDMA系统 9.4 正向信道及其信号设计 4. 正向业务信道（W8W31，W32W64） 业务信道传输的是用

16、户语音编码或其他业务数据。 业务信道中包含了一个功率控制子信道，用于传输功 率控制信息来控制移动台的发射功率。此外，业务信 道还传输如越区切换等控制信息。 用户数据速率是9600b/s、4800b/s、2400b/s、 1200b/s。不同速率的选取是根据用户讲话速度的不 同。速率调整的目的是减少用户间相互干扰，增大系 统容量。选择数据速率按帧（帧长20ms）进行，即数 据速率按帧改变，但通过码元重复使调制符号速率固 定不变，即19.2kb/s。 CDMA系统 9.4 正向信道及其信号设计 4. 正向业务信道（W8W31，W32W64） 正向业务信道除传送业务数据外，还传送基站对以 动台的功率

17、控制比特，速率为800b/s，规定每1.25ms 发送1bit（“0”或“1”）。在正向业务数据扰码后， 功率 控制比特插入到业务数据流中。 CDMA系统 9.4 正向信道及其信号设计 反向信道由接入信道和反向业务信道组成。反向 信道理用具有不同相位偏移量的长PN码作为连接地 址，同一个CDMA频道内的反向信道用相同的频率供 许多用户共享。 在一个CDMA频道中，接入信道最多32个，最少 1个；业务信道最多64个，最少32个。 每个接入信道由不同的接入信道长码相位偏移量 识别。进入业务信道后，不同用户的长码相位偏移量 由用户特征决定。 CDMA系统 9.5 反向信道及其信号设计 CDMA系统

18、反向CDMA信道 接 入 信 道 1 接 入 信 道 N 业 务 信 道 1 业 务 信 道 M 用长码PN序列选址 9.5 反向信道及其信号设计 接入信道 每个接入信道对应正向信道中的一个寻呼信道，但 是每个寻呼信道可以对应多个接入信道。 作用：移动台通过接入信道向基站进行登记、发起 呼叫、响应基站发来的呼叫等。 特点：采用4800b/s的固定数据速率； 分时隙的随机接入信道，允许多个用户同时企图 占用同一接入信道； CDMA系统 9.5 反向信道及其信号设计 接入信道 编码过程： 利用64阶Walsh函数码进行正交调制，扩频增益相 应增大6倍，抗干扰能力增强。 再用长码进行直接序列扩频调制

19、（模2加）。接入 信道的长码掩码格式： 进行四相扩频, OQPSK（交错四相相移键控调制）。 CDMA系统 110001111 接入信 道号码 寻呼信 道号码 基站标志 正向CDMA信道 的PN序列偏置 41 33 32 28 27 25 24 9 8 0 9.5 反向信道及其信号设计 2. 业务信道 作用：用于在呼叫建立期间传输用户业务和信令信 息，与正向业务信道基本相同。 特点：采用9600b/s、4800b/s、2400b/s、 1200b/s的可变数据速率； 业务初始化期间，为了使基站能迅速捕获业务信道， 移动台先发送192个全0组成的帧作为信道前缀； 分时隙的随机接入信道，允许多个用

20、户同时企图占 用同一接入信道； CDMA系统 9.5 反向信道及其信号设计 2. 业务信道编码： 两个掩码：公开掩码和私用掩码。二者均为该移 动台所独有。 公开掩码格式： ESN为移动台的电子串号。 私用掩码适用于用户保密通信，其格式由TIA（电 子工业协会）规定。 CDMA系统 1100011000置换后的ESN 41 32 31 0 9.5 反向信道及其信号设计 9.6 功率控制 1. 原因： 多址干扰：任何一个信道将受到其他不同地 址码信道的干扰； 远近效应：距离接收机近的信道将严重干扰 距离接收机远的信道的接收，使近端强信号掩 盖了远端弱信号。 CDMA系统是一个干扰受限系统，各种干扰

21、的 存在和积累直接影响系统的容量和通信质量。 CDMA系统 2. 定义 功率控制是指基站和移动台所发射的功率根据 需要时刻变化，使系统既能维持高质量通信，又 能保证对同频道的其它码分信道产生尽可能少干 扰。 CDMA系统 功率控制 前向功率控制 反向功率控制 反向开环功率控制 反向闭环功率控制 9.6 功率控制 3.前向信道功率控制 原理：基站根据移动台提供的测试结果调整各用户 链路信号的正向信道功率。 步骤：各移动台监测正向业务信道数据帧的质量， 周期地向基站报告帧质量计算结果；基站周期性地降 低发向移动台的功率，同时不断地将移动台发来的计 算结果与一预定的阈值相比较，从而确定分配给该信 道

22、的功率应增加还是继续减少。 目的：对路径衰落小的移动台分配较小的正向功率 链路，而对远离基站和误码率高的移动台分配较大的 正向功率链路。 CDMA系统 4. 反向信道开环功率控制 原理：移动台根据接收功率的变化，估算由基站到移 动台的传输损耗，迅速调整其发射功率。 目的：试图使所有移动台发出的信号到达基站时都有 相同的功率。 开环功率控制具有约85dB的动态范围，响应时间只有 几个微秒。 CDMA系统 4. 反向信道开环功率控制 “接入尝试”程序功率逐步增大。一次接入尝试是指移动台 传送一信息直到收到该信息的认可的整个过程，一次接入尝试包 括多次“接入探测”。在一次接入尝试中，多次接入探测都传

23、送 同一信息，但各接入探测所用功率是逐步增加的。 反向链路中，不同信道的开环输出功率估算方法不同： (1) 接入信道： P0= - 平均输入功率（dBm）- 73(dB) + 标称发射功率偏置 (dB) + 初始发射功率(INIT-PWR)(dB) 其后不断增加发射功率，增加步长为PWR-STEP(dB)，直到收 到认可信息。此时平均输出功率为 P1=P0+(PWR-STEP)之和(dBm) CDMA系统 4. 反向信道开环功率控制 “接入尝试”程序功率逐步增大。一次接入尝试是指移动台 传送一信息直到收到该信息的认可的整个过程，一次接入尝试包 括多次“接入探测”。在一次接入尝试中，多次接入探测

24、都传送 同一信息，但各接入探测所用功率是逐步增加的。 反向链路中，不同信道的开环输出功率估算方法不同： (2) 业务信道： 反向业务信道初始发射后，移动台收到来自基站的第一个功率 控制比特的平均输出功率为： P2=P1+全部闭环功率控制校正值之和(dBm) CDMA系统 5.反向信道闭环功率控制 原理：移动台根据基站发送的功率控制指令（功 率控制比特携带的信息）来调整其发射功率。 基站测量所接收到的每一个移动台的信噪比，并 与一个门限相比较，决定发给移动台的功率控制 指令是增大还是减小发射功率。 功率调节命令，以800次/秒的速率插入正向业 务信道中传输。 是开环功率控制的补充。 CDMA系统

25、 1. 鉴权 应用场合：移动台在登记、主呼、被呼、请求补充 业务等。 分类： SSD（共用加密数据）共享：AUC将鉴权算法及对MS 的鉴权数据都传给VLR，鉴权在MSC/VLR中进行。 非SSD共享：每次鉴权都需经过AUC才能完成。 SSD：存储于MS半永久性存储器中由定义的程序生 成的128比特数据。SSD-A用于鉴权；SSD-B用于信息加 密。不能在无线接口传输。可更新。 CDMA系统 9.7 安全性管理 1. 鉴权 CDMA系统 RAND SSN 56 bit ESN 32 bit A钥钥 64 bit SSD 生成程序生成程序 SSD-A-NEW 64 bit SSD-B-NEW 64

26、 bit ESN：MS的电子串号 新SSD的生成 9.7 安全性管理 1. 鉴权 CDMA系统 MS主呼鉴权过程 RAND 32 bit ESN 32 bit SSD-A 64 bit 鉴权特征程序鉴权特征程序 AUTH R 18 bit AUTH DATA 24 bit 9.7 安全性管理 2. 加密 通过具有掩码的长码进行数据扰乱来实现。 CDMA系统 返回 9.7 安全性管理 9.8 移动性管理 位置登记 切换 漫游 CDMA系统 1. 位置登记 也称注册，是移动台向网络报告其位置、状态、 身份标志、时隙周期和其它特征的过程。 开电源登记 关电源登记 周期性登记 根据距离登记 根据区域登记 参数改变登记 受命登记 默认登记 业务信道登记 CDMA系统 9.8 移动性管理 2.切换 硬切换 软切换 CDMA系统 9.8 移动性管理 (1) 硬切换 移动台在不同载频之间的切换。 包括：CDMA系统内不同频道之间的切换及 CDMA系统到其它系统的切换。 硬切换需要移动台更换收发频率，对于CDMA系 统内不同频道的硬切换还需完成引导PN序列偏移量 的转换。 硬切换会导致通话的短暂中断。 CDMA系统 9.8 移动性管理 (2) 软切换 在相同CDMA频道中的切换，移动台不需更换收 发频率，只需完成引导PN序列偏移量的转换。 包括：不同基站的小区之