CDMA 基本原理

1、pCDMA (码分多址码分多址) Code Division Multiple Access利用不同的编码序列识别不同用户，即使用不同的信号波形区分不同的用户pCDMA的基础的基础扩频通信技术多址技术 CDMA基本原理基本原理p扩频通信技术扩频通信技术扩频通信的基本概念扩频通信的基本概念扩频通信的理论基础扩频通信的理论基础数字信号扩频原理数字信号扩频原理扩频的实现方法扩频的实现方法 CDMA基本原理基本原理p扩频通信扩频通信 SS: Spread Spectrum，指扩展频谱的通信p扩频通信定义扩频通信定义 扩频通信技术是一种信息传输方式； 发端采用扩频码调制,使信号所占的频带宽度远大于所传信

2、息必须的带宽 收端采用与发端相同的扩频码进行相关解调和解扩，恢复所传信息数据。扩频通信的基本概念扩频通信的基本概念扩扩频频调调制制扩扩频频解解调调窄带信号宽带扩频信号窄带信号已调扩频信号解扩信号p发送信息的频谱被展宽发送信息的频谱被展宽 发送的信息通过扩频，将信号能量扩展到很宽的频带上，使扩频通信的信号带宽与信息带宽之比则高达l001000, 属于宽带通信；p扩频方法：扩频码序列调制扩频方法：扩频码序列调制 数字脉冲信号宽度越窄,其频谱就越宽。如果很窄的脉冲序列被所传信息调制, 则可产生很宽频带的信号； 该窄脉冲序列称为扩频信号，即扩频码序列；p接收端相关解调解扩接收端相关解调解扩 接收端则用

3、与发送端完全相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解扩,恢复所传信息。扩频通信定义的三个概念扩频通信定义的三个概念p问题的提出：问题的提出： 在传统的通信系统中在传统的通信系统中, 我们总是想方设法使信号所占频谱尽我们总是想方设法使信号所占频谱尽量窄，以充分提高十分宝贵的频率资源的利用率。那么为什量窄，以充分提高十分宝贵的频率资源的利用率。那么为什么还要用宽频带信号来传输窄带信息呢么还要用宽频带信号来传输窄带信息呢? 扩频通信理论基础扩频通信理论基础p问题的回答：问题的回答： 为了通信的安全可靠，提高抗干扰能力和系统容量。扩频为了通信的安全可靠，提高抗干扰能力和系统容量。扩频通信的理论基础为

4、信息论和抗干扰理论；通信的理论基础为信息论和抗干扰理论； 利用扩频实现码分多址方式。在传统的利用扩频实现码分多址方式。在传统的TDMA和和FDMA之之外又提供了一种新的多址方式。外又提供了一种新的多址方式。p扩频通信是以信息论的仙农扩频通信是以信息论的仙农(Shanon)公式理论发展起来公式理论发展起来的一种通信方式；的一种通信方式； 仙农公式：仙农公式： C = B log2 (1+ S/N) C为信道容量, 单位为b/s；B为传输的信号频带宽度，单位为Hz；S为信号平均功率, N为噪声平均功率； 仙农公式反映的重要结论：仙农公式反映的重要结论： 频带B和信噪比可以互换； 增加信号的频带宽度

5、, 可在较低的信噪比的条件下以任意小的差错概率来传输信息； 采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱的方法可以换取信噪比上的好处。扩频通信理论基础扩频通信理论基础p信息传输差错概率的公式信息传输差错概率的公式 Pe f（E / n0） Pe是信号能量E与噪声功率谱密度n0之比的函数 信号的传输差错概率是输入信号的信噪比和信号带宽与信息带宽之比二者乘积的函数 再次说明看出信噪比和带宽是可以互换的。 同样说明了通过增加带宽可换取信噪比的好处。扩频通信理论基础swwseBBNSfBNBSfnEfP/0p数字信号的波形与频谱数字信号的波形与频谱 幅度为+1，持续时间为Tb的数字矩形脉冲R(t) 经F

6、ourier变换后的频谱为是sinx/x类型的函数数字信号扩频原理数字信号扩频原理 第1零点位于1/Tb，表示该信号的能量集中在第1零点内。它所占的频带宽度与Tb的大小相关，当脉冲越宽，其频谱带宽越窄。 幅度为+1和-1，持续时间为Tb的周期性脉冲R(t)，其频谱包络的形状与单矩形脉冲完全一样; 第1零点处的频率正好为该周期性脉冲的传输速率1/Tb数字信号扩频原理数字信号扩频原理p 扩展周期性脉冲的频谱方法扩展周期性脉冲的频谱方法将频谱的1/Tb第1零点向无限远推，即增大1/Tb的值；减小数字脉冲的持续时间，缩小Tb的值。减小Tb值等价于提高数字信号的传输速率1/Tb，扩展了信号的频谱。数字信

7、号扩频原理数字信号扩频原理p数字信号扩频过程数字信号扩频过程高速数字码序C（t）对用户低速信息数据调制 低速信息数据的脉冲持续时间为Tb，其时间长度是TC的N倍。 Tb = N TC 高速码序C（t）乘上信息数据d（t），最后得到的信号y（t）频谱与高速码序的频谱相同，起到频谱扩展的作用。y（t）= di（t）Ci（t）扩频调制扩频调制（乘法器）（乘法器）扩频解调扩频解调（乘法器）（乘法器）Tbdi (t)TCCi (t)y(t)TCCi (t)di (t)数字信号扩频原理数字信号扩频原理p接收的信号为：接收的信号为： yr（t）= di（t） C i（t）p解扩输出信号解扩输出信号 dr（t

8、）= yr（t） C i（t） = di（t） C i（t） C i（t） = di（t）数字信号扩频原理数字信号扩频原理p扩频解调器利用本地地址码的相关性作解扩处理,有用信号频谱被恢复为窄带谱; 窄带干扰信号则在解扩过程中被扩展成为宽带谱。解调后有用信号为窄带谱,无用信号和干扰为宽带谱,可以借助于解调后滤波器去除带外的无用信号,带内的信噪比就可以大大提高,起到了抑制干扰和无用信号的目的。扩频抗干扰原理扩频抗干扰原理p扩频增益扩频增益 扩频系统的抗干扰性能 Bw / Bs 定义：GP=Bw / Bs 扩频系统的处理增益，反映了扩频系统信噪比的改善程度。p抗干扰容限抗干扰容限 M = Gp L

9、+ (S / N0)o 物理意义：正常通信条件下，系统能承受的干扰高出信号的分贝数； CDMA数字蜂窝移动通信系统正常工作的最低信噪比要求为7 dB。扩频增益与抗干扰容限扩频增益与抗干扰容限pDS-SS：直接序列扩频：直接序列扩频 发端直接用高速码序列去扩展输入信息的带宽pFH：跳频：跳频 用扩频码序列去进行频移键控调制,使载波频率不断地跳变； 发端信息码序列与扩频码序列组合构造的不同码字控制频率合成器，使其输出频率根据码字的改变而改变,形成了频率的跳变。pTH：跳时：跳时 用一定码序列进行选择的多时片时移键控； 时间轴分为多个时片，哪个时片发射信号由扩频码序列进行控制。由于发送信号采用的时片

10、很窄，也就展宽了信号的频谱。扩频的实现方法扩频的实现方法CDMA CDMA 多址方式多址方式tftftf码码FDMATDMACDMApCDMA多址方式的特征多址方式的特征 不同的高速扩频码作为不同用户的地址码序列 地址码相互正交 CDMA信号在频率、时间和空间上重叠p具有抗干扰和抗多径衰落的能力具有抗干扰和抗多径衰落的能力p系统容量大系统容量大p不需要复杂的频率分配和管理不需要复杂的频率分配和管理p软容量和小区呼吸功能软容量和小区呼吸功能p软切换软切换p无需均衡器无需均衡器p安全、保密安全、保密p设备简单设备简单p存在多址干扰和远近效应存在多址干扰和远近效应码分多址通信系统的特点码分多址通信系

11、统的特点p地址码选择地址码选择p功率控制功率控制p软切换软切换p分集技术分集技术p智能天线智能天线p多用户检测多用户检测CDMA关键技术关键技术p地址码选择地址码选择p功率控制功率控制p软切换软切换p分集技术分集技术p智能天线智能天线p多用户检测多用户检测CDMA关键技术关键技术p基本概念基本概念地址码技术影响系统抗多址干扰/抗多径衰落能力CDMA数字移动通信系统使用地址码进行扩频地址码要求地址码要求： 扩频后的信号具有良好的随机特性和相关性能； 地址码序列具有随机信号的特性，即具有白噪声的性能；伪随机序列伪随机序列PN（Pseudo Noise） 近似随机序列或噪声的一种周期性序列 接收端必

12、须使用与发端相同的编码序列作为地址码 真正的随机序列或噪声是不可能重复产生的地址码技术地址码技术p伪随机码的特点伪随机码的特点 尖锐的自相关特性和较好的互相关特性 同一码组内的各码占据的频带宽且相等 互相关值不是处处为零p伪随机码家族伪随机码家族 m序列 Golden序列 M序列 R-S码 复合码等伪随机序列伪随机序列 PNpm序列：最长线性反馈移位寄存器序列。pm序列组成：n 级移位寄存器、适当的抽头反馈和模2加法器；pN 级移位寄存器产生的最大长度的码序列：P = 2n 1位n级移位寄存器： 2n 1个状态（除去全零状态）p生成多项式Gn(x) = C0X0 + C1X1 + C2X2 +

13、 + CnXnm 序列概念序列概念D1 D2 D3 Dn P = 2n 1 010pT0 010pT1 101pT2 110pT3 111pT4 011pT5 001pT6 100pT7 010m 序列举例序列举例生成多项式：生成多项式：G3(x) = 1 + X2 + X3输出序列：输出序列：0 1 1 1 0 0 1长度和重复周期：长度和重复周期：P = 23 - 1 = 7p码的平衡性好码的平衡性好 一个周期内“1”和“0”的个数大体相同（1比0多1个）pm序列与其移位后的序列模序列与其移位后的序列模2加所得的序列仍为加所得的序列仍为m序列，序列，但相位不同但相位不同 举例：011100

14、1向左移两位再模2加所得序列仍为m序列，相位移了一位m 序列特性序列特性 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0p长度为长度为k的游程占总游程的的游程占总游程的1/2k（1 k n-2） 一个m序列的周期为：P = 2n 1，在该周期内共有2n 1个游程 长度为1的（单个“0”或单个“1”）游程占总游程的1/2 长度为2（00或11）的游程占总游程的1/2 长度为3（000或111）的游程占总游程的1/8 两个游程例外： （n 1）个连“0”的游程 n 个连“1”的游程m 序列特性序列特性p自相关性自相关性 表征信号与其自身延迟 后二者的相似性 二者

15、在时间上不完全重叠 0，乘积的积分为0； 二者在时间上完全重叠 = 0，自相关函数值为一常数。 m序列具有近似理想的自相关性m 序列特性序列特性0 0 0 )()(lim)(2/2/常数dttftfRTTTapm序列的自相关性序列的自相关性 考察某个m序列与其后移位的序列的相似性 A：0的个数（相对应码元相同的数目）； D：1的个数（相对应码元不同的数目）； P = A + D（序列周期长度）m 序列特性序列特性0 /10 1 )(pPDADADARaRe()Re()11- 1/PP位移比特0p互相关性互相关性 表征两个不同信号的相似性 两个不同的信号序列的互相关值越接近0，两个序列的差别越大

16、，即相关性越弱。 两个信号的互相关值等于0时，两个信号完全正交 不同m序列的互相关值不等于0，且呈现多值性m 序列特性序列特性不正交正交 0 0 )()(lim)(2/2/dttgtfRTTTc不同相位的不同相位的m序列产生序列产生a (n-4)a (n-1)a (n-2)a (n-3)m0m1m2m3a (n)Galois 发发生生器器:不同相位的不同相位的 m 序列产生序列产生相相位位延延迟迟 掩掩码码 m0m1m2m3 0 0001 1 1000 2 1100 3 1110 4 1111 5 0111 6 1011 7 0101 8 1010 9 1101 10 0110 11 0011

17、 12 1001 13 0100 14 0010 p一种一种m序列的复合码序列的复合码 将周期相等，并经过优选的两个m序列进行模2加组合形成新的序列；p2n + 1个个Gold序列序列 两个m序列共有2n 1不同的相对位移 两个产生Gold序列的m序列优选对pWCDMA使用使用Gold序列作为扰码（上行序列作为扰码（上行25阶，下行阶，下行18阶）阶）Gold 序列序列码发生器 1码发生器 2时钟p一种非正弦的完备正交函数系一种非正弦的完备正交函数系 两种取值（-1、+1或0、1） 沃尔什函数族中,两两之间的互相关函数为“0”，它们之间是完全正交的。p沃尔什函数的产生沃尔什函数的产生 哈达码矩

18、阵H +l和 -l元素构成的正交方阵 H中任意两行或两列这些函数互相正交 一般关系式：Walsh（沃尔什）函数（沃尔什）函数 2NNNNNHHHHH1000 111122HH或，8阶沃尔什函数波形阶沃尔什函数波形Walsh 0Walsh 1Walsh 2Walsh 3Walsh 4Walsh 5Walsh 6Walsh 7tttttttt1-1p地址码选择地址码选择p功率控制功率控制p软切换软切换p分集技术分集技术p智能天线智能天线p多用户检测多用户检测CDMA关键技术关键技术WCDMA功率控制功率控制p功率控制原因功率控制原因： 码分多址干扰码分多址干扰 CDMA系统是一个自干扰系统。系统是

19、一个自干扰系统。WCDMA采用宽带扩频技术，所采用宽带扩频技术，所有信号共享相同频谱；每个移动台的信号能量被分配在整个频带有信号共享相同频谱；每个移动台的信号能量被分配在整个频带范围内，这样对其它移动台来说就成为宽带噪声。如为了提高某范围内，这样对其它移动台来说就成为宽带噪声。如为了提高某个用户的信号质量而提高发射功率，则可能带来其他用户的质量个用户的信号质量而提高发射功率，则可能带来其他用户的质量的降低。的降低。 远近干扰远近干扰 无线环境的阴影、多径衰落和远距离损耗影响，移动台在小区内无线环境的阴影、多径衰落和远距离损耗影响，移动台在小区内的位置随机性，导致路径损耗大幅度变化；的位置随机性

20、，导致路径损耗大幅度变化； 使用使用CDMA技术的各小区采用相同频率，理论上各用户分配的地技术的各小区采用相同频率，理论上各用户分配的地址码是正交的，实际很难做到，造成各信道间的干扰。从而不可址码是正交的，实际很难做到，造成各信道间的干扰。从而不可避免地引起严重的避免地引起严重的“远近干扰远近干扰”。WCDMA功率控制功率控制p功率控制目的：功率控制目的： 在保证用户要求的在保证用户要求的QoS的前提下，最大程度地降低发射功率，的前提下，最大程度地降低发射功率，减少系统干扰，增加系统容量。减少系统干扰，增加系统容量。WCDMA功率控制功率控制p功率控制的分类功率控制的分类开环功率控制开环功率控

21、制闭环功率控制闭环功率控制 内环功率控制内环功率控制 外环功率控制外环功率控制前向功率控制前向功率控制反向功率控制反向功率控制WCDMA功率控制功率控制p开环功率控制开环功率控制 WCDMA随机接入信道PRACH 是唯一只采用开环功率控制的； UE的发射功率估算： PRACH = L perch + I BTS + 常数PRACH：移动台初始发射功率（ dBm ）L perch ：路径损耗（dB），UE从广播信道上获知基站公共导频信道 的发射功率，然后测量接收该导频信号强度，估计路径损耗；I BTS ：BTS处的上行链路干扰信号功率（ dBm ），由广播信道获得；常数：接收所需的SIR和调整值

22、，调整上下行的不平衡，由运营者决定。WCDMA功率控制功率控制p闭环功率控制与快速功率控制闭环功率控制与快速功率控制 对于对于WCDMA-FDD系统，上下行频段间隔较大，上下行的快衰落系统，上下行频段间隔较大，上下行的快衰落情况完全不相关；情况完全不相关； 开环功率控制根据下行信号所得的路径损耗的估计对于上行情况来开环功率控制根据下行信号所得的路径损耗的估计对于上行情况来说是很不准确的；说是很不准确的； 解决上下行链路估计差错问题的方法就是引入快速闭环功率控制。解决上下行链路估计差错问题的方法就是引入快速闭环功率控制。 闭环功率控制就是对通信期间的上下行链路进行快速功率调整，以闭环功率控制就是

23、对通信期间的上下行链路进行快速功率调整，以便链路质量收敛于目标便链路质量收敛于目标SIR； 在在GSM系统，手机每系统，手机每480ms上报一次测量报告，功控的最快频度不上报一次测量报告，功控的最快频度不超过每秒超过每秒2次。次。GSM只能通过系统跳频对抗快衰落；只能通过系统跳频对抗快衰落； WCDMA采用快速功控，功控速度为采用快速功控，功控速度为1.5KHz，高于快衰落，从而，高于快衰落，从而保证了保证了 慢速运动时的移动台接收质量。慢速运动时的移动台接收质量。WCDMA功率控制功率控制p内环功率控制内环功率控制 上行内环功率控制调整上行内环功率控制调整UE的发射功率的发射功率，使基站接收

24、到的上行使基站接收到的上行链路的链路的SIR保持在一个给定的目标值保持在一个给定的目标值SIR附近附近，而而SIR则是由外则是由外环功率控制分别调整环功率控制分别调整 ； 基站对上行链路进行测量得到信噪比估计值基站对上行链路进行测量得到信噪比估计值SIRest ，然后根据，然后根据以下规则产生以下规则产生TPC命令命令 ： SIRest SIRtarget ：TPC命令为“0” 要求降低发射功率 SIRest FER目标值：提高SIRtarge一个规定的步长 FER测量 FER目标值：降低SIRtarge一个规定的步长WCDMA功率控制功率控制p地址码选择地址码选择p功率控制功率控制p软切换软

25、切换p分集技术分集技术p智能天线智能天线p多用户检测多用户检测CDMA关键技术关键技术p切换概念切换概念 定义：定义：指将一个正在进行的呼叫从一个小区转移到另一个小区的过程，即呼叫通信时的服务小区改变过程。 切换分类切换分类 按MS与网络之间连接建立释放的情况，划分切换类型； 硬切换：硬切换：硬切换过程中业务信道有瞬时中断的现象 软切换：软切换： 软切换过程中当移动基站开始与一个新基站联系时，并不立即中断与原基站之间的通信。 更软切换：更软切换：一个基站内小区间的软切换。WCDMA软切换软切换p软切换概念软切换概念相同频率的CDMA信道间的切换；软切换时，移动台在中断与旧小区的联系前，先用相同

26、频率建立与新小区的联系；移动台可以同时与几个小区的基站进行通信，然后系统根据与各个基站通话的质量，选择误帧率低，信号质量好的信号传送给CN。软切换在两个基站覆盖区的交界处起到了业务信道的分集作用软切换软切换软切换软切换硬切换硬切换软切换与硬切换的区别软切换与硬切换的区别WCDMA软切换软切换WCDMA 软切换处理方式软切换处理方式p上下行采用不同的处理方式上下行采用不同的处理方式 MS：最大比合成（MRC） RNC：帧选择p软切换与更软切换的区别软切换与更软切换的区别 更软切换发生在同一个Node B里，分集信号在Node B做最大增益比合成； 软切换发生在两个Node B之间，分集信号由RN

27、C做选择合并。p硬切换类型硬切换类型 包括同频、异频和异系统三种情况； FDD频间切换 FDD/TDD切换 3G到2G的切换（WCDMA与GSM的切换） 注意：同频之间不一定是软切换。不存在Iur接口的不同RNC之间小区的同频间切换也为硬切换；WCDMA软切换软切换pIntra Node B Intra Node B (Intra Cell) Intra Node B (Inter Cell)pInter Node B Inter Node B (Intra RNS) Inter Node B (Inter RNS with Iur) Inter Node B (Inter RNS witho

28、ut Iur)pInter URAN (different URAN types)pInter CN (same URAN types)pInter CN (different URAN types)pInter CN (different CN/URAN types)pIntra CN (UTRAN-GSM/GPRS)WCDMA软切换软切换p切换典型过程切换典型过程测量控制 测量报告 切换判决 切换执行 新的测量控制；测量控制阶段：网络通过发送测量控制消息告诉UE进行测量的参数；测量报告阶段：UE给网络发送测量报告消息；切换判断阶段：网络根据测量报告作出切换判断；切换执行阶段：UE和网络走信

29、令流程，并根据信令消息作出响应动作。WCDMA 越区切换过程越区切换过程测量类型：测量类型：六类内容；测量识别号：测量识别号：UTRAN修改或释放测量时以及在UE的测量报告中将要使用的参考号；测量命令测量命令v 建立：建立：建立一个新的测量；v 修改：修改：修改以前定义的测量，例如改变报告的准则；v 释放：释放：停止测量，清除在UE中与该测量有关的所有信息。测量目标：测量目标：UE的测量目标和对应的目标信息；WCDMA 越区切换测量控制越区切换测量控制测量数量：测量数量：UE应测的数量，同时包括测量的过滤；报告量：报告量：UE应包括在报告中的数量；测量报告准则：测量报告准则：测量报告的触发准则

30、，如周期性的或时间触发；报告模式：报告模式：指定UE是使用RLC的应答还是非应答数据传输模式发射测量报告。pUTRAN发送的测量控制消息内容：发送的测量控制消息内容：pUE 测量类型测量类型 频内测量：频内测量：在与激活集频率相同的下行物理信道上进行测量； 频间测量：频间测量：在与激活集频率不同的下行物理信道上进行测量； 系统间测量：系统间测量：在非UTRAN的另一个无线接入系统，如GSM的下行物理信道上进行的测量； 业务量测量：业务量测量：上行链路业务量的测量； 质量测量：质量测量：质量参数（如下行链路传输分组差错率）测量； 内部测量：内部测量：UE发射功率和UE接收信号电平的测量。WCDM

31、A软切换软切换p软切换采用移动台辅助切换软切换采用移动台辅助切换p软切换是无缝切换软切换是无缝切换p软切换减小掉话或呼叫中断概率软切换减小掉话或呼叫中断概率p软切换移动台通过分集接收提高传输质量软切换移动台通过分集接收提高传输质量,减少发送功率减少发送功率p软切换需要占用更多的信道资源软切换需要占用更多的信道资源p软切换增加了设备的复杂性软切换增加了设备的复杂性软切换特点软切换特点p导频（导频（PILOT_PN） 基站发射用作为移动台起导引作用的信号IS-95的导频集的概念的导频集的概念有效导频集有效导频集候选导频集候选导频集相邻导频集相邻导频集剩余导频集剩余导频集导频集导频集IS-95 软切

32、换实现软切换实现EC/I0T-ADDT-TROP时间范围时间范围小区小区 A小区小区 B小区小区 C信号范围信号范围软切换范围软切换范围（1）（2）（3）（4） （5）（6）（7）增阀增阀降阀降阀 p概念概念UE中将测量小区导频分成三类；Active Set （激活集）（激活集） 该导频集对应的小区正与UE进行通信，在UE处被同时解调和相关合并。在FDD模式，就是软切换和更软切换中与UE进行通信的小区。Monitored Set （监视集）（监视集） 除了Active Set 外，UE需要监测的邻区。Detected Set （检测到集）（检测到集） UE监测到的所有小区WCDMA导频集导频集WCDMA软切换实现软切换实现小区 2 的导频信号强度逐渐增强到 ( 最好导频最好导频 Ec/I。 ( 报告门限报告门限 增加