《CDMA网络规划与优化案例教程》课件-第2章

第2章CDMA基本原理2.1CDMA通信系统2.2CDMA的体系结构2.3扩频通信技术2.4可变速率声码器小结

学习提示

本章主要介绍CDMA有关的基础知识，例如：CDMA通信系统、CDMA体系结构以及CDMA扩频通信原理及关键技术等。

学习目的和要求

掌握无线通信基础知识。

掌握CDMA扩频通信原理及关键技术。

掌握码在CDMA系统中的应用。

理解CDMA信道分类以及各信道功能。

掌握CDMA关键技术原理。

码分多址(CodeDivisionMultipleAccess，CDMA)技术是数字移动通信的一种接入方式，是一种以扩频技术为基础的调制和多址接入技术，并且早在20世纪40年代就有过商用的尝试。经过近五十年的努力，克服了一个又一个的关键技术问题，1995年由美国Qualcomm公司开发的CDMA蜂窝体制被采纳为北美数字蜂窝标准，定名为IS-95。特别是在第三代移动通信中，它已成为一种最主要的多址接入方式。2.1CDMA通信系统

1. CDMA基本原理

CDMA系统是基于码分技术(扩频技术)和多址技术的通信系统。在CDMA系统中，每个用户被分配各自特定的地址码。地址码之间具有相互准正交性，从而在时间、空间和频率上都可以重叠。将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的伪随机码进行调制，使原有的数据信号的带宽被扩展，接收端进行相反的过程，进行解扩。因此CDMA系统能够使多个用户在同一时间、同一载频以不同的码序列实现多路通信。CDMA系统属于自干扰系统。图2-1CDMA原理图

2. CDMA系统的主要优点

与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。

CDMA系统的主要特点如下：

(1)系统容量大；

(2)软容量；

(3)移动台辅助软切换；

(4)通话质量更佳；

(5)频率规划简单；

(6)绿色手机；

(7)建网成本低。

移动通信的最大特点就是移动台在服务区内任意地点移动时都能进行收发信息。为了实现移动用户与市话用户之间或移动用户与移动用户之间的通信，移动通信网必须具有交换控制功能。2.2CDMA的体系结构2.2.1移动通信网络的结构

移动通信系统主要由基站(BaseStation，BS)、移动台(MobileStation，MS)、移动业务交换中心(MobileTelephoneSwitchingCenterorMobileServicesSwitchingCenter，MSC)以及传输线四个部分组成，如图2-2所示。

图2-2移动通信网络结构图基站是以多信道共用方式在移动通信中提供通信服务的关键设备，其中主要由收发信道盘等组成。

移动台有手提式、车载式、便携式三种。所以说移动台不单指手机，手机只是一种便携式的移动台。

移动业务交换中心除具有一般市话交换机的功能之外，还有移动业务所需处理的越区切换、漫游等处理功能。

传输线部分主要指连接各设备之间的中继线。目前MSC到BS之间的传输主要采用小微波及光缆等方式。2.2.2CDMA网络参考模型

CDMA系统的网络结构与一般数字蜂窝移动通信系统的网络结构基本相同，差别主要在于无线信道的构成、相关的无线接口和无线设备、特殊的控制功能等。CDMA网络主要由基站收/发信机(BS)、基站控制器(BSC)、移动交换中心(MSC)、操作管理中心(OMC)等组成，如图2-3所示。

图2-3CDMA数字蜂窝移动通信系统的网络结构2.2.3CDMA网络的功能模块

从图2-3可见，CDMA系统由三大部分组成：网络子系统(MSS)、基站子系统(BSS)和移动台子系统(MS)。

1.网络子系统

网络子系统处于市话网与基站控制器之间，它主要由移动交换中心(MSC)，或称为移动电话交换局(MTSO)组成。此外，还有本地用户位置寄存器(HLR)、访问用户位置寄存器(VLR)、操作管理中心(OMC)以及鉴权中心(图中未画)等设备。图2-4是移动交换中心(MSC)的模块结构。MSC完成BSC与公众市话网或综合业务数字网之间的联系。移动交换中心(MSC)是蜂窝通信网络的核心，其主要功能是对位于本MSC控制区域内的移动用户进行通信控制和管理。移动交换中心的功能还有：信道的管理和分配、呼叫的处理和控制、过区切换与漫游的控制、用户位置信息的登记与管理、用户号码和移动设备号码的登记与管理、服务类型的控制、对用户实施鉴权，为系统连接别的MSC和为其它公用通信网络，如公用交换电信网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)，提供链路接口。

图2-4移动交换中心(MSC)结构

2.基站子系统

基站子系统(BSS)包括基站控制器(BSC)和基站收发设备(BTS)。

BSC的结构如图2-5所示。它起着连接BS和移动交换中心的作用。基站控制器的主要功能有：提供多个BS的接口并进行控制，提供移动交换中心的接口，完成语音编码，进行业务信道的信令控制，完成呼叫处理功能，实现剩余纠错和双重控制并进行小区的软越区切换。

图2-5基站控制器结构简化图

BTS是用户在其无线区域内通信所需的实际装置。对于无线发射、接收，低噪声放大器、功率放大器、信号合成器/分配器以及变频器都由基站控制器(BSC)控制。服务于某个小区的无线收发信息设备完成BSC与无线信道之间的转换，实现BTS与移动终端之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。

3.移动台子系统

移动台是CDMA移动通信系统用户所使用的一种物理装置。它由射频(RF)子系统、中频(IF)子系统及基带(DB)子系统组成，提供用户通往网络系统的无线通道。MS有两种类型：一是便携式MS，另一种是移动装配的MS。话音通信只需要移动终端功能。其它服务需要额外的功能，例如终端设备、终端适配器及组合装置。

IS-95标准规定的双模式移动台，必须与原有的模拟蜂窝系统(AMPS)兼用，以便使CDMA系统的移动台也能用于所有的现有蜂窝系统的覆盖区，从而有利于发展CDMA蜂窝系统。这一点非常有价值，也利于从模拟蜂窝平滑地过渡到数字蜂窝网。

CDMA双模式移动台的结构图如图2-6所示。它具备以下功能：

(1)可用于模拟AMPS和数字CDMA两种方式。

(2)具有呼叫处理功能；能完成语音编码、交织编码、信道编码，具有检测功能，可实现功率控制功能。

(3)可进行射频与中频信号转换等。

图2-6CDMA双模移动台的结构图2.2.4CDMA2000的网络结构

CDMA2000系统是在窄带CDMA移动通信系统的基础上发展起来的。CDMA2000系统分为两类：一类是CDMA20001x，另一类是CDMA20003x。目前CDMA20001x设备已投入运营，因CDMA20001x系统与CDMA20003x系统相似，所以，这里就介绍CDMA2000技术，而不分成CDMA20001x与CDMA20003x来介绍。CDMA20001x的网络结构如图2-7所示。

CDMA20001x的网络分成两大部分：基站子系统和核心网。

图2-7CDMA20001x的网络结构

1.基站子系统

基站子系统包含基站控制器(BSC)和基站(BTS)。

BSC的主要功能为：

(1)提供寻呼、系统信息广播、切换、功率控制等基本的业务功能。

(2)电路域数据业务和分组域数据业务的承载。

(3)动态信道分配等信道分配的管理。

(4)移动台准予接入、小区“呼吸”功能、切换、软容量等的控制管理。

(5)提供手持终端和遥控网管两种方式的配置、维护、告警和性能统计等操作维护管理功能。

BTS的主要功能为：

(1)扩频、调制和信道编码。

(2)解扩、解调和信道解码。

(3)射频信号处理。

(4)基带信号和射频信号的相互转换功能。

(5)接收基站控制器BSC传输来的信号并加以处理。

2.核心网

核心网分成电路域核心网和分组域核心网。

电路域核心网包含移动交换中心(MSC)、访问位置寄存器(VLR)、归属位置寄存器(HLR)和鉴权中心。这部分的功能与第二代移动通信系统中的基本相同。但在归属位置寄存器中，增加了与分组业务有关的用户信息。

分组域核心网包括分组控制节点PCF，分组数据服务节点PDSN，归属代理HA和认证、授权、计费服务器AAA。各设备的主要功能如下：

(1)分组控制节点：管理与分组业务有关的无线资源，管理与基站子系统的通信，以便传送来自或送给移动台的数据；负责建立、保持和终止至分组数据服务节点PDSN的连接，实现与分组数据服务节点PDSN的通信。

(2)分组数据服务节点：负责为移动台建立和终止分组数据业务的连接，为简单的IP用户终端分配一个动态的IP地址，与认证服务器配合向分组数据用户提供认证服务，以确认用户的身份与权限。

(3)归属代理：主要负责鉴别来自移动台的移动IP注册，动态分配归属IP地址。

(4)认证、授权、计费服务器：负责移动台使用分组数据业务的认证、授权和计费。

扩展频谱通信技术(扩频通信)是一种信息传输方式，也是码分多址的基础。扩频通信近年发展的非常迅速，它与卫星通信、光纤通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信不仅在军事领域中发挥了不可取代的优势，而且广泛渗透到了社会的各个领域，如遥测、监控、导航和报警等。2.3扩频通信技术

1.定义

所谓扩频通信(SpreadSpectrum，SS)，是把需要传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端由使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号即解扩，以此实现信息通信。这一定义包含了以下三方面的含义：

(1)信号的频谱被展宽了。

(2)采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。

(3)在接收端用相关解调来解扩。

应该指出的是，CDMA只能由扩频技术来实现，而扩频通信并不意味着CDMA。

2.扩频通信的理论基础

任何信息传输都需要一定的频带，称为信息带宽或基带信号频带宽度，如人类语音的信息带宽为300～3400Hz。而频谱资源是有限的，因此，长期以来，人们一直想方设法使信号所占频谱尽量的窄，即采用所谓的“窄带通信”，以充分利用十分宝贵的频谱资源。

扩频通信的理论基础来源于信息论和抗干扰理论。信息论中关于信息容量的香农(Shannon)公式为：

(2-1)

其中，C为信道容量(bit/s)，W为信道带宽(Hz)，P为信号平均功率(W)，N为白噪声平均功率(W)。

香农公式原意是说，在给定的信道容量C不变的条件下，频带宽度W和信噪比P/N是可以互换的。也就是说，可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比(P/N)情况下以相同的信息率来可靠地传输信息，甚至是在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽，仍然能够保证可靠地通信。扩展频谱以换取对信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。

3.工作原理

1)码分多址技术

码分多址(CDMA)包含两个基本技术：一个是码分技术；一个是多址技术。将这两个基本技术结合在一起，并吸收其它一些关键技术，形成了码分多址移动通信系统的技术支撑。

多址技术使众多的用户共用公共的通信线路。为使信号多路化而实现多址的方法基本有三种，它们分别采用频率、时间或代码分隔的多址连接方式，即人们通常所称的频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)接入方式。其中，FDMA是以不同的频率信道实现通信的，TDMA是以不同的时隙实现通信的，CDMA是以不同的代码序列实现通信的。图2-8为这三种方式的简单示意图。

图2-8多址方法示意图

2)

CDMA扩频系统组成

码分多址是一种利用扩频技术，通过不同的代码序列实现的多址方式。它不像FDMA、TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，可在一个信道上同时传输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间的相互干扰。其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码，经编码的信息混合后不会丢失原来的信息。有多少个互为正交的代码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。每个发射机都有自己唯一的代码(伪随机码)，同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，接收机就能从接收信号(包含所有其它信号)中恢复原来的信息码(这个过程称为解扩)。

扩频通信系统的基本组成框图如图2-9所示。扩频通信系统除了具有一般通信系统所

具有的信息调制和射频调制外，还增加了扩频调制，即增加了扩频调制和解扩部分。

图2-9扩频通信系统基本组成框图

3)

CDMA扩频方式

扩频通信系统有三种实现方式：直接序列扩频(DSSS)、跳频扩频(FHSS)和跳时扩频(THSS)。CDMA采用直接序列扩频通信技术，使用一组正交(或准正交)的伪随机噪声(PN)序列，通过相关处理来实现多个用户共享空间传输的频率资源和同时入网接续的功能。CDMA扩频通信原理如图2-10所示。

图2-10CDMA扩频通信原理在发送端，有用信号经扩频处理后，频谱被展宽；在接收端，利用伪码的相关性做解扩处理后，有用信号频谱被恢复成窄带谱。

宽带无用信号与本地伪码不相关，因此不能解扩，仍为宽带谱；窄带无用信号被本地伪码扩展为宽带谱。由于无用的干扰信号为宽带谱，而有用信号为窄带谱，我们可以用一个窄带滤波器滤除带外的干扰电平，于是窄带内的信噪比就大大提高了。

通常，CDMA可以采用连续多个扩频序列进行扩频，然后以相反的顺序进行频谱压缩，恢复出原始数据。

4.扩频通信的主要技术指标

处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要的性能指标。

1)处理增益

处理增益也称扩频处理增益(SpreadingGain)，指的是频带扩展后的信号带宽W与频谱扩展前的信息带宽B之比，即

(2-2)

工程上常以分贝(dB)表示，即

上两式中：G为扩频通信系统的扩频处理增益；Gp为扩频通信系统的处理增益，单位为dB；W为扩频信号的带宽，单位为Hz；B为信息带宽，单位为Hz；(S/N)in为扩频解调前的信噪比；(S/N)out为扩频解调后的信噪比。扩频处理增益Gp的取值一般可以在100～1 000 000之间(20～60 dB)。扩频处理增益Gp正是反映了扩频通信系统对信噪比的改善程度。除了系统信噪比改善程度之外，扩频系统的其它一些性能也大都与Gp有关。因此，处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。一般来讲处理增益值越大，系统性能越好。

2)抗干扰容限

抗干扰容限是指扩频通信系统在正常工作条件下可以接收的最小信噪比，即它反映的是系统对于噪声的容忍情况，其定义为

其中，Mj为抗干扰容限；Gp为处理增益；(S/N)out为信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比；Ls为接收系统的工作损耗。

5.扩频通信的特点

扩频通信在发送端以扩频编码进行扩频调制，在接收端以扩频码序列进行扩频解调，这一过程使其具有诸多优良特性。

1)抗干扰能力强

扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，在接收端采用相关检测的方法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信息信号。而对于各种形式的干扰，只要波形、时间和码元稍有差异，解扩后仍然保持其宽带性，然后通过窄带滤波技术提取出有用的信息信号。这样对于各种干扰信号，因其在接收端的非相关性，解扩后在窄带中只有微弱的成分。因此扩展频谱越宽，处理增益越高，抗干扰能力越强。

2)保密性强

由于扩频信号在很宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率很小，即信号功率谱密度很低。所以，在信道噪声和热噪声的背景下，使信号淹没在噪声之中，敌方一般很难发现有信号存在，再加上不知道扩频编码，就很难进一步检测出有用信号。由于扩频信号的隐蔽性好，因此，它具有很低的被截获概率，如图2-11所示。

图2-11保密性示意图由于扩频信号具有极低的功率谱密度，它对目前广泛使用的各种窄带通信系统的干扰就很小。在原有窄带通信的频段内同时进行扩频通信，可大大提高频率利用率。

总之，有用信号被扩展在很宽的频带上，单位频带内的功率很小，被淹没在噪声里，非法用户很难检测出信号。

3)

可以实现码分多址

可利用扩频码的优良的自相关和互相关特性实现码分多址，提高频率利用率。从表面上看，扩频通信提高了抗干扰性能，但付出了占有频带宽的代价，如果能让许多用户共享这一宽频带，则可提高频带的利用率。正是由于扩频通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码之间的相关解扩才能得到，这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型扩频编码之间的相关特性，给不同用户分配不同的扩频编码，就可以区分不同用户的信号。众多用户只要配对使用自己的扩频编码，就可以互不干扰地同时使用同一频率进行通信，从而实现频率复用和码分多址。

4)通话质量高

在移动通信中，多径干扰是一个很严重的、非解决不可的问题。接收端用相关技术从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或合成多径信号，变害为利，提高接收信噪比。系统常采用以下两种方法来提高抗多径干扰的能力：一是把最强的有用信号从接收到多路信号中分离出来，即采用分集技术，解决抗多径干扰的问题；二是设法把从不同路径来的不同延迟、不同相位的信号在接收端从时域上对齐相加，合并成较强的有用信号，即采用梳状滤波器的方法。这两种技术在扩频通信中利用扩频码的自相关性都易于实现，由于扩频码具有自相关特性，在接收端可以方便地从多路信号中分离出最强的有用信号，或把从多个路径来的同一码序列的波形相加合成。扩频信号的频带扩展，信号分布在很宽的频带内，信号的功率谱密度降低，而多径效应产生的频率选择性衰落只会造成传输的小部分频谱衰落，不会造成信号严重变形，扩频系统具有抗频率选择性衰落的能力。

5)提高了频率利用率

在窄带通信中，主要依靠频道间隔来防止信道之间发生干扰。而在扩频通信系统中，由于采用了相关接收技术，系统本身的抗干扰能力强，所以扩频通信的发送功率可以很低(1～650mW)，系统可以工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可与现今各种窄带通信共享同一频率资源，大大提高了频率利用率。

6)手机接通率高

对于CDMA系统，用户数与服务级别存在比较灵活的关系，运营商可在话务量高峰期将误帧率稍微提高，来增加可用信道数，提高系统容量。

软容量是通过CDMA系统的呼吸功能来实现的。呼吸功能是CDMA系统中特有的改善用户相互干扰、合理分配基站容量的功能。它是指相邻基站间，如果某基站覆盖区正在通话的用户数量较多时，该基站的用户之间会产生较大的干扰，这时，该基站的覆盖范围缩小，使边缘部分用户通过软切换到负荷较轻的相邻基站中去，从而降低了该基站的负荷，减轻该基站的干扰，这是所谓的“呼”功能；当该基站的用户数量减少、干扰减轻时，该基站的覆盖范围扩大，将相邻基站的用户通过软切换纳入自己的覆盖区域，这是所谓的“吸”功能。CDMA系统实现呼吸功能的本质在于其可以方便地控制各个用户的数量，CDMA系统通过呼吸功能，实现相邻基站之间的容量均衡，降低各个基站内部的用户干扰，从整个系统考虑是增加了容量。

7)能精确定时和测距

利用电磁波的传播特性和伪随机码的相关性，可以比较正确地测出两个物体间的距离，使精确定时和测距得以广泛应用。

声码器是对模拟语音信号进行数字化编码、译码的部件，其目的是在保证语音传输质量的同时数据传输速率尽可能低。2.4可变速率声码器

1.背景

声码器最早出现在美国贝尔实验室。这个实验室的H.W.达得利在1928年提出合成话音的设想，并于1939年在纽约世界博览会上首次表演了他取名为声码器的话音合成器。此后，话音合成的原理被用来研究压缩话音频带。随着声码器的研究工作不断取得进展，数码率已降到2400b/s或1200b/s，甚至更低。合成后的话音质量有较大提高。在售价、结构、耗电等诸方面符合商用的声码器已经出现。中国于20世纪50年代末开始研制声码器，并已用于数字通信。

2.工作原理

声码器在发送端对语音信号进行分析，提取出语音信号的特征参量加以编码和加密，以取得和信道的匹配，经信道传递到接收端，再根据收到的特征参量恢复原始语音波形。图2-12所示为可变速率声码器的工作原理。

图2-12可变速率声码器的工作原理对语音信号的分析可在频域中进行，鉴别清浊音，测定浊音基频，进而选取清浊判断、浊音基频和频谱包络作为特征参量加以传送。对语音信号的分析也可在时域中进