第5章 CDMA通信

1、第1章 移动通信概述 CDMA概述 CDMA的无线接口 CDMA码序列 *CDMA的控制与管理 CDMA系统新技术第第5章章 CDMA（码分多址移动通信）系统（码分多址移动通信）系统第1章 移动通信概述学习目标学习目标 熟练掌握CDMA的概念、系统结构、特点以及PN码同步技术，能用自己的语言陈述CDMA系统的业务与应用。 熟练掌握CDMA系统的信道结构和基带处理流程。 熟练掌握PN码的原理，复用技术和同步技术，了解常用的伪随机序列。 了解CDMA系统的新技术并关注其发展。 初步能用自己的语言陈述一些CDMA的控制与管理工作流程如位置更新、切换等。第1章 移动通信概述学习指导学习指导 随着移动通

2、信的飞速发展，因频域拥挤而引起的矛盾也日益突出。如何使有限的频率能分配给更多用户使用，已成为当前发展移动通信的首要课题，而CDMA已成为解决这一问题的首选技术。本章介绍了CDMA系统的基本概念、系统结构及特点、主要参数、业务与应用、控制与管理等，着重讲述了CDMA的概念、PN码序列的原理与特点、CDMA的信道结构、CDMA的基带处理过程以及CDMA系统的切换方式等，这些内容是本章的重点和难点，大家要仔细领会。另外，CDMA的控制与管理为选学内容，大家可以根据自己的情况进行掌握。为了帮助你对学习内容的掌握，建议你在学习本章时充分利用我们为你提供的本章知识地图。第1章 移动通信概述知识地图知识地图

3、 第1章 移动通信概述课程学习课程学习 CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。1995年，第一个CDMA商用系统运行之后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。全球许多国家和地区，包括中国、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。在美国和日本，CDMA成为国内的主要移动通信技术。第1章 移动通信概述什么是什么是CDMA系统系统 1 对CDMA的理解

4、 CDMA的业务与应用 第1章 移动通信概述1、对、对CDMA的理解的理解 CDMA是码分多址的英文缩写（Code Division Multiple Access），它也是扩频通信的一种方式，要理解好CDMA的概念就要从码分和扩频两个角度上进行理解。什么是什么是CDMA系统系统 1CDMA是一种码分多址技术，即信道共享技术。 CDMA技术是建立在正交编码、相关接收的理论基础上，运用扩频通信技术解决无线通信的选址问题，是扩频通信的一种。 CDMA是采用扩频技术的码分多址方式是采用扩频技术的码分多址方式第1章 移动通信概述大容量：大容量：理论分析和试验表明，CDMA系统容量是GSM的3至4倍，是

5、模拟网的8至10倍，而且每扇区的话务容量为软容量，不受频率或收发信机数量的严格限制；干扰受限系统：干扰受限系统：CDMA系统的全部用户共享一个无线频点、不分时隙，用户信号的区分只靠所用码型的不同。网中一个用户的通话对另一个用户而言就是干扰，为克服此干扰就需提升自身的功率直到不能再提升为止，因此CDMA是干扰受限的系统；什么是什么是CDMA系统系统 1 CDMA系统的特点：存在远近效应：存在远近效应：由于使用相同的载频，近处强信号对远处弱信号有着明显 的抑制作用，从而产生“远-近”效应，影响用户通话，这点需要功率控制技术来解决；高质量服务：高质量服务：由于软切换、分集等先进技术的采用，CDMA系

6、统抗干扰能力强，覆盖区域内通信质量高；保密：保密：CDMA系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全；综合成本低，频率规划简单：综合成本低，频率规划简单：全网共用同一频点，具有灵活和方便的组网结构，频率复用系数可以达到1，移动交换机的话务承载能力一般都很强，保证在话音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量、高密度业务的要求；用户终端设备（手持机）功耗小、待机时间长；辐射低，有利于人体健康等等用户终端设备（手持机）功耗小、待机时间长；辐射低，有利于人体健康等等。第1章 移动通信概述CDMA系统的主要参数系统的主要参数频频 段：段： 869MHz894MHz为基站发、移动台收的频段； 824

7、MHz849 MHz为移动台发、基站收的频段；通信方式：通信方式： 全双工；载波间隔：载波间隔： 1.23MHz；调制方式：调制方式： /4-QPSK；语音编码：语音编码： QCELP；信道数：信道数： 64 (码分信道)/每1.23MHz；扩频方式：扩频方式： DS-PN；什么是什么是CDMA系统系统 1话音编码：话音编码：采用可变速率编码及话音激活技术,每帧20ms；PN PN 码：码：片码率为1.2288MHz，基站识别码(短码)为215-1，用户识别码(长码)为242-1，64个正交Walsh函数组成64个信道；交织编码：交织编码：交织深度20ms导频：导频：前向链路用导频信号作同步跟

8、踪接收方式：接收方式：RAKE接收（移动台3RAKE,基站4RAKE）第1章 移动通信概述2 、 CDMA的业务与应用 语音通信是CDMA的基本业务应用，未来视频电话可能会是会话类业务的主要发展方向。什么是什么是CDMA系统系统 1会话类业务：流媒体业务：交互类与背景类业务： 根据流媒体持续时间的长短，流媒体业务可分为长流媒体业务与短流媒体业务两大类；根据同时使用同一流媒体内容的人数多少，可分为群组流媒体业务与个人流媒体业务；根据人们对流媒体业务的接受主动性，可分为广播式流媒体业务和交互式流媒体业务。 交互类与背景类业务应用种类繁多，可满足不同的消费群体的个性化需求，是CDMA数据业务的主要应

9、用类型。 第1章 移动通信概述CDMA的无线接口的无线接口 2 CDMA的信道结构 CDMA的基带处理 第1章 移动通信概述 无线信道用来传输无线信号，从基站发往移动台的无线信道称正向信道，从移动台发往基站的无线信道称反向信道。正向传输与反向传输的信道结构有较大差异，如下图5-1所示。1 、CDMA的信道结构的信道结构CDMA的无线接口的无线接口 2图5-1 CDMA系统信道结构分类 1、帮助手机捕获系统2、提供同步信号、相位参考，帮助手机进行信道估计，作相干解调 3、切换时手机测量导频信道，进行导频强度比较1、手机通过同步信道获得与系统的同步2、提供导频偏置PILOT_PN；系统时间；系统识

10、别符；寻呼信道速率等3、手机只在初始化时采集接收同步信道信令，之后不再使用1、BTS在寻呼信道上广播：系统参数消息；接入参数消息；邻区列表；CDMA信道列表2、 BTS通过寻呼信道：寻呼手机；指配业务信道 用于基站、手机之间传送话音、数据及相关信令每个寻呼信道下最多可对应32个接入信道，移动台选择其中一个作为自己的接续信道，完成发起呼叫（始呼），响应呼叫（被呼）和位置登记等工作。第1章 移动通信概述CDMA的无线接口的无线接口 2逻辑信道控制信道业务信道反向链路前向链路导频同步寻呼接入11/41/21/8语音和数据使用W32使用w1到w79600bps1200bps使用W0逻辑信道组成及结构第

11、1章 移动通信概述调谐到CDMA载波获取导频和同步信道获取并监控寻呼信道移动台通过接入信道发消息基站通过寻呼信道发消息业务信道连接建立开始通信系统初始化状态系统空闲状态系统接入信道业务信道状态IS95AIS95A的呼叫处理流程的呼叫处理流程第1章 移动通信概述2 、 CDMA的基带处理 （1） 正向传输CDMA的无线接口的无线接口 2第1章 移动通信概述数据速率：数据速率：同步信道的数据速率为1.2kb/s，寻呼信道的数据速率为9.6kb/s或4.8kb/s，正向业务信道的数据速率为9.6kb/s，4.8kb/s，9.4kb/s和1.2kb/s； 正向信道的数据在每帧（20ms）末含有8位编码

12、器尾比特，它把卷积码编码器置于规定的状态。此外，在9.6kb/s和4.8kb/s的数据中含有帧质量指示比特即CRC检验比特。所以，实际上正向业务信道的信息速率分别为8.6kb/s、4.0kb/s、2.0kb/s和0.8kb/s；卷积编码：卷积编码：数据在传输之前都要进行卷积编码，卷积码的码率为1/2，约束长度为9。码元重复：码元重复：对于同步信道，经过卷积编码后的各个码元，在分组交织之前，都要重复一次（每码元连续出现两次）；码元重复的目的是使各种信息速率均统一到19200调制码元/秒的标准速率上来。CDMA的无线接口的无线接口 2分组交织：分组交织：所有码元在重复之后都要进行分组交织；数据掩蔽

13、：数据掩蔽：数据掩蔽用于寻呼信道和正向业务信道，其作用为通信提供保密；功率控制子信道：功率控制子信道：正向业务信道中有一个功率控制子信道，在该子信道中，基站连续发送功率控制信息数据，不断地控制移动台发射功率。正交扩展：正交扩展：为了使正向传输的各个信道之间具有正交性，在正向信道中传输的所有信号都要用64阶的Walsh码进行正交扩展；四相调制：四相调制：在正交扩展后，各种信号都要进行四相调制，所用的两个伪随机序列为引导PN序列，引导PN序列的作用是给不同基站发出的信号赋予不同的特征，便于移动台识别所需的基站。第1章 移动通信概述 （2）反向传输CDMA的无线接口的无线接口 2第1章 移动通信概述

14、数据速率：数据速率：反向业务信道的数据速率可为9.6kb/s，4.8kb/s，9.4kb/s和1.2kb/s，而接入信道的数据速率固定为4.8kb/s；两种信道的数据中均要加入编码器尾比特，用于把卷积码编码器复位到规定的状态。此外，在反向业务信道上传送9.6kb/s和4.8kb/s的数据中也含有帧质量指示比特即CRC检验比特。卷积编码：卷积编码：接入信道和反向业务信道上数据在传输之前都要进行卷积编码，卷积码的约束长度为9。码元重复：码元重复：反向业务信道的数据速率为9.6kb/s，码元不重复；数据速率为4.8kb/s，9.4kb/s和1.2kb/s时，码元分别重复1次、3次和7次（每码元连续出

15、现2、4和8次）；这样可使得各种数据速率均统一到28800码元/秒的标准速率上。分组交织：分组交织：所有码元在重复之后都要进行分组交织；可变数据速率传输：可变数据速率传输：为了减少功耗和减小对CDMA信道产生的干扰，对交织器输出的码元，用一个时间滤波器进行选通，只允许所需码元输出，而删除其它重复的码元。正交调制：正交调制：在反向CDMA信道中，把交织器输出的码元每6个为一组，用64阶的Walsh函数之一（称调制码元）进行正交传输；直接序列扩展：直接序列扩展：在反向业务信道和接入信道传输的信号都要用长码进行扩展。四相调制：四相调制：反向信道四相调制所用的伪随机序列就是正向CDMA信道所用的引导P

16、N序列。CDMA的无线接口的无线接口 2第1章 移动通信概述小结：小结：功能前向链路反向链路纠错编码1/2速率1/3速率Walsh码提供信道化64阶调制长码扩展提供加密性信道化短码扩展标识基站用作OQPSK调制重复符号传输降低重复符号功率连续发射采用随机突发方式不连续发射导频信道提供相干接收没有导频信道，采用非相干接收调制方式支持多码道传输，采用QPSK方式不支持多码道传输，采用OQPSK方式第1章 移动通信概述CDMA码序列码序列 3 CDMA码序列特性 m序列PN码 其它伪随机序列 PN码的复用技术 PN码的同步第1章 移动通信概述 CDMA码序列的设计是码分多址系统的关键技术之一。具有良

17、好的相关特性和随机性的地址码和扩频码对码分多址通信是非常重要的，对系统的性能具有决定的作用；它直接关系到系统的多址能力，关系到抗干扰、抗噪声、抗截获的能力及多径保护和抗衰落的能力，关系到信息数据的隐蔽和保密，关系到捕获与同步系统的实现。理想的地址码和扩频码主要应具有如下特性：CDMA码序列码序列 31 、CDMA码序列特性 有足够多的地址码； 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。第1章 移动通信概述CDMA码序列码序列 32、 m序列PN码移位寄存器序列 目前，几乎所有的扩频序列都用移位寄存器产生。移位寄存器又可分为线性反馈移位寄存器和非线性

18、反馈移位寄存器两类。这里主要研究线性反馈移位寄存器产生的伪随机序列。图5-4给出了线性移位寄存器的结构图。图5-4 线性反馈移位寄存器的一般形式第1章 移动通信概述 CDMA通信要求扩频序列具有良好的伪随机特性。由于随机噪声具有难以重复产生和处理的缺点，而伪随机噪声既具有类似于随机噪声的一些统计特性，又便于重复产生和处理，因而伪随机序列或伪噪声序列（PN序列）被广泛应用于扩频通信。目前应用最为广泛的伪随机序列是m序列，它是由线性反馈移存器产生的周期最长的二进制数字序列。图5-5给出了一个4阶移位寄存器序列生成器。图5-5 4阶移位寄存器序列生成器m序列的生成 CDMA码序列码序列 3第1章 移

19、动通信概述 该序列生成器能够产生周期为15的0，1二值序列。设初始状态（a1,a2,a3,a4）= (1,0,0,0),则周期序列输出为：000111101011001 。图5-6是反馈移存器生成的m序列状态图。若设初始状态（a1,a2,a3,a4）= (0,0,0,0), 移位后得到的仍为0状态，反馈移存器应避免出现全“0”的初始状态，并用尽可能少的级数产生尽可能长的序列。CDMA码序列码序列 3第1章 移动通信概述平衡特性平衡特性 在m序列的一周期中，“1”的个数仅比“0”的个数多1，即“1”的个数为(N+1)/2，“0”的个数为(N-1)/2。游程分布特性游程分布特性 把一个序列中取值相

20、同的那些连在一起的元素合称为一个“游程”。在一个游程中元素的个数称为游程长度。在m序列中，长度为1的游程占游程总数的1/2；长度为2的游程占游程总数的1/4；长度为 3的游程占游程总数的1/8。m序列的特点CDMA码序列码序列 3延位相加特性延位相加特性 一个m序列M1与其经任意次迟延移位产生的另一个不同序列M2进行模2相加，得到的仍是的某次迟延移位序列M3。即：M3=M1 M2双极性双极性m序列的自相关函数序列的自相关函数1, 2 , 1,10, 1)(mjmjjR第1章 移动通信概述 Gold序列是在1967年提出的一种具有良好互相关特性的PN序列。图5-7给出了一个Gold序列生成器。3

21、 、其它伪随机序列CDMA码序列码序列 3Gold序列图5-7 Gold序列生成器第1章 移动通信概述 除了Gold序列外，Walsh序列也有着良好的互相关和较好的自相关特性。 Walsh函数是一种非正弦的完备函数系，其连续波形如图5-8所示。它仅有两个可能的取值：+1或-1，所以比较适合用来处理数字信号。利用Walsh函数的正交性，可获得CDMA的地址码。若对Walsh函数波形在8个等间隔上取样，即得到离散Walsh函数，可用的Walsh函数矩阵来表示。采用负逻辑，即“0”用“+1”表示，“1”用“-1”表示，从上往下排列，变换行的次序后与下面所述的Walsh函数的矩阵相同。Walsh序列C

22、DMA码序列码序列 3第1章 移动通信概述4、 PN码的复用CDMA码序列码序列 3 （1）CDMA通信系统的编码结构图5-9 移动通信系统中的蜂窝结构 图5-10 CDMA通信系统三层扩频编码机构 第1章 移动通信概述 在IS-95 CDMA系统中，前向信道包括导频信道、同频信道、寻呼信道和业务信道，其中必然有且仅有一个导频码分信道，以便于系统内所有基站覆盖区中工作的移动台同步和切换，每个基站利用导频PN序列的时间偏置来标识它的前向信道。PN序列的时间偏置常用偏置指数来区别，偏置指数是相对于零偏置导频PN序列的偏置值，其取值范围为0511。导频PN码序列由15阶序列生成器产生，故PN码的周期

23、为32768个码片。将此周期序列的每64个码片作为一个码型，即每两个相邻的码之间的相位相差64Bbit，共可得到512个码型。将这些不同的码型作为基站码分配给不同的基站，那么，在1.25MHz带宽的CDMA蜂窝系统中，可建多达512个基站（或扇区）。 在同一个扩频CDMA蜂窝系统中，这512个基站码是互不相同的，并与基站一一对应。但这些基站码却能在其它的扩频CDMA蜂窝系统中得到复用，以区别本系统内的基站。（2）IS-95 CDMA蜂窝系统中基站码的复用 CDMA码序列码序列 3第1章 移动通信概述 CDMA系统要求PN码自相关性好、互相关性弱，实现方案简单等。PN码的选择直接影响到CDMA系统性能的方方面面。同时，PN码同步是扩频系统所特有的，也是扩频技术中的难点。CDMA系统要求接收机生成的本地码与发送端的PN码在结构、频率和相位上完全