《移动通信原理与工程》.ppt

6.1CDMA技术基础6.2CDMA数字蜂窝通信系统6.3CDMA网络结构与组成6.4CDMA蜂窝网的关键技术6.,5FDMATDMACDMA的特点,知识点 CDMA的原理 CDMA系统的构成及业务功能 CDMA采用的关键技术 难点 扩频的概念 CDMA软切换及漫游 物理信道与逻辑信道的关系 要求掌握：CDMA基本原理及系统构成理解：CDMA的关键技术了解：CDMA设备的构成,6.1 CDMA技术基础,6.1.1 扩展频谱通信的基本概念,1.扩频通信的含义,扩展频谱（SS：Spread Spectrum）通信简称扩频通信。扩频通信的定义简单表述如下：是一种信息传输方式，在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息必须的带宽，在收端采用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所传信息数据。这一定义其实包含了以下三方面意思：(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（或相干解调）来解扩,2.扩频通信的理论基础,香农公式为：,（6-1）,式中，C为信道容量，单位为bps；B为信号频带宽度，单位为Hz；S为信号平均功率，单位为W；N为噪声平均功率，单位为W 香农公式原意是说，在给定信号功率和白噪声功率N的情况下，只要采用某种编码系统，就能以任意小的差错概率，以接近于C的传输速率来传送信息。这个公式还暗示：在保持信息传输速率C不变的条件下，可以用不同频带宽度B和信噪功率比（简称信噪比）来传输信息。换言之，频带B和信噪比是可以互换的。也就是说，如果增加信号频带宽度，就可以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。,甚至在信号被噪声淹没的情况下，即S/N1，或10log2(S/N)0dB，只要相应地增加信号带宽，也能进行可靠的通信。上述表明，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。柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰性理论中得到如下关于信息传输差错概率的公式：,Pe,（6-2）,上面公式指出，差错概率Pe 是信号能量E与噪声功率谱密度n0 之比的函数。设信息持续时间为T，或数字信息的码元宽度为T，则信息带宽为Bm,(6-3),信号功率S为,(6-4),已调（或已扩频）信号的带宽为B，则噪声功率为 N=n0B(6-5),将式（6-3）（6-5）代入式（6-2），可得,Pe=,(6-6),上面公式指出，差错概率Pe 是输入信号与噪声功率之比S/N和信号带宽与信息带宽之比B/Bm二者乘积的函数，信噪比与带宽是可以互换的。它同样指出了用增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处这一客观规律。,3.处理增益和抗干扰容限,扩频通信系统由于在发端扩展了信号频谱，在收端解扩后恢复了所传信息，这一处理过程带来了信噪比上的好处，即接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比大有改善，从而提高了系统的抗干扰能力。因此，可以用系统输出信噪比与输入信噪比二者之比来表征扩频系统的抗干扰能力。理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰能力大体上都与扩频信号带宽B与信息带宽Bm之比成正比。工程上常以分贝（dB）表示，即,(6-7),Gp 称作扩频系统的处理增益。它表示了扩频系统信噪比改善的程度，因此Gp是扩频系统一个重要的性能指标。,仅仅知道了扩频系统的处理增益，还不能充分地说明系统在干扰环境下的工作性能。因为通信系统要正常工作，还需要保证输出端有一定的信噪比（如CDMA蜂窝移动通信系统为7 dB），并需扣除系统内部信噪比的损耗，因此需引入抗干扰容限Mj，其定义如下：,Mj,(6-8),式中，(S/N)o为输出端的信噪比；Ls 为系统损耗。,6.1.2 扩频通信的主要特性,1抗干扰能力强,扩频通信系统扩展的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰能力就越强。对于单频及多频载波信号的干扰、其它伪随机调制信号的干扰，以及脉冲正弦信号的干扰等，扩频系统都有抑制干扰、提高输出信噪比的作用。特别是对抗敌方人为干扰方面，效果很突出扩频通信系统抗干扰能力强是扩频通信系统的最突出的优点。,2.隐蔽性好,由于扩频信号在很宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率就很小，即信号的功率谱密度就很低。所以，应用扩频码序列扩展频谱的直接序列扩频系统，可在信道噪声和热噪声的背景下，在很低的信号功率谱密度上进行通信。信号既然被湮没在噪声里，敌方就很不容易发现有信号存在，而想进一步检测出信号的参数就更困难了。因此，扩频信号具有很低的被截获概率。这在军事通信上十分有用，即可进行隐蔽通信。,此外，值得指出的是，由于扩频信号具有很低的功率谱密度，它对目前广泛使用的各种窄带通信系统的干扰就很小。近年来，在民用通信中，各国都在研究和试验在原有窄带通信的频段内同时进行扩频通信，这可大大提高频率的利用率。这是鉴于上述的扩频通信系统既有很强的抗干扰性能，又以低功率谱密度发射信号，对窄带通信系统的干扰很小之故,3.可以实现码分多址,扩频通信具有较强的抗干扰性能，但付出了占用频带宽的代价。但是，如果让许多用户共用这一宽频带，则可大大提高频带的利用率。由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用正交或准正交的扩频码序列之间的相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户以不同码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。,这样一来，在一宽频带上许多用户可以同时通信而互不造成严重干扰。它与利用频带分割的频分多址（FDMA）或时间分割的时分多址（TDMA）通信的概念类似，即利用不同的码型进行分割，所以称为码分多址（CDMA）。为了区别FDMA、TDMA和CDMA3种多址方式，图6.1示出了3种多址方式的示意图。,种码分多址方式，虽然要占用较宽的频带，但平均到每个用户占用的频带来计算，其频带利用率是较高的。最近研究表明，在3种蜂窝网移动通信系统，即FDMA的AMPS系统、TDMA的GSM系统和CDMA的蜂窝系统中，CDMA系统的通信容量最大，即为FDMA的20倍，是TDMA的4倍。除此之外，码分多址蜂窝网移动通信系统还具有软容量、软切换等一些独特的优点,4.抗衰落、抗多径干扰,众所周知，移动信道属随参信道，信道条件最为恶劣。由于移动台不断移动，受地形地物的影响产生慢衰落现象。更为严重的是，由于多径效应产生快衰落现象，其衰落深度可达30 dB。在频域上来看，多径效应会产生频率选择性衰落。扩频系统具有潜在的抗频率选择性衰落的能力。这是因为扩频通信系统所传送的信号频谱已扩展很宽，频谱密度很低，如在传输中小部分频谱衰落时，不会使信号造成严重的畸变。,6.1.3 直接序列扩频(DS)原理,所谓直接序列扩频(DS)，就是直接用高速率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。图6.2示出了直扩通信系统原理及有关波形或相位关系。,（a）系统组成方框图,（b）主要波形或相位,图6.2 直扩通信系统原理,在发送端输入信息码元m(t)，它是二进制数据，图中为0、1两个码元，其码元宽度为Tb，加入扩频调制器，图中为一个模2加法器，扩频码为一个伪随机码(PN码)，记作p(t)，伪码的波形如图6.2(b)中第(2)个波形，其码元宽度为Tp，且取Tb16Tp。通常在DS系统中，伪码的速率Rp远大于信码速率Rm，即RpRm，也就是说，伪码的宽度Tp远远小于信码的宽度，即Tp Tb，这样才能展宽频谱。模2加法器运算规则可用下式表示：,(6-9),当m(t)与p(t)符号相同时，c(t)为0；而当m(t)与p(t)符号不同时，则为1。c(t)的波形如图6.2(b)中的第(3)个波形。由图可见，当信码m(t)为0时，c(t)与p(t)相同；而当信码m(t)为1时，则c(t)为p(t)取反即是。显然，包含信码的c(t)其码元宽度已变成了Tp，亦即已进行了扩展频谱。其扩频处理增益也可用下式表示,=,(6-10),在Tb一定情况下，若伪码速率越高，亦即伪码宽度(码片宽度)越窄，则扩频处理增益越大。,经过扩频的信号，还要进行载频调制，以便在信道上有效地传输。图中采用二相相移键控方式。调相器可由环形调制器完成，即将c(t)与载频Acos1t相乘，输出为s1(t)。即 s1(t)Acos1t,式中，,c(t),(6-11),因此，经过扩频和相位调制后的信号s1(t)为,s1(t)Acos1t,=,(6-12),由上面讨论可知，经过扩频调制的信号c(t)可看作只取1的二值波形，然后对载频进行调制，这里是采用调相(BPSK)。所谓调制，就是相乘过程，可采用相乘器、环行调制器(或平衡调制器)，最后得到的是抑制载波双边带振幅调制信号。这里假定平衡调制器是理想对称、码序列取1、一1的概率相同，即调制信号无直流分量，这样平衡调制器输出的己调波中，无载波分量。s1(t)通过发射机中推动级、功放和输出电路加至天线发射出去。,接收端工作原理：,假设发射的信号经过信道传输，不出现差错，经过接收机前端电路(包括输入电路、高频放大器等)，输出仍为s1(t)。这里不考虑信道衰减等问题，因为对PSK调制信号而言，重要的是相位问题，这样的假定对分析工作原理是不受影响的。相关器完成相干解调和解扩。接收机中的本振信号频率与载频相差为一个固定的中频。假定收端的伪码(PN)与发端的PN码相同，且已同步。接收端本地调相情况与发端相类似，这里的调制信号是p(t)，亦即调相器输出信号s2(t)的相位仅决定于p(t)，当p(t)1时，s2(t)的相位为；当p(t)0时，s2(t)的相位为0。s2(t)的相位如图6.2(b)中(7)所示。,6.2 CDMA数字蜂窝通信系统,6.2.1 总体要求与标准,1.对系统的要求,系统的容量至少是AMPS的10倍；通信质量等于或优于现有的AMPS系统；易于过渡并和现有的模拟蜂窝系统兼用；具有保密性；有先进的特征；较低的成本；使用开放的网络结构(CONA),2.IS95标准,IS95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QCDMA标准。其主要包括下列几部分：频段：下行 869894 MHz（基站发射）；824849 MHz（基站接收）；上行 824849 MHz（移动台发射）；869894 MHz（移动台接收）。射频带宽：第一频道21.77MHz；其它频道21.23MHz。调制方式：基站 QPSK 移动台 OQPSK,扩频方式：DS(直接序列扩频)。话音编码：可变速率CELP，最大速率为8kb/s，最大数据速率为9.6kb/s，每帧时间为20ms。信道编码：卷积编码 下行码率R1/2，约束长度K9；上行码率Rl/3，约束长度K9。交织编码：交织间距20ms。PN码：码片的速率为1.2288Mc/s；基站识别码为 m 序列，周期为2151；64个正交沃尔什函数组成64个码分信道。导频、同步信道：供移动台作载频和时间同步。多径利用：采用RAKE接收方式，移动台为3个，基站为4个。,6.2.2 无线信道,1.CDMA频道号码与相应频率值,频道号1666，占20MHz频段，其中1333属系统A，334666属系统B。系统A、B分别为两个不同的经营部门，各自组成蜂窝网，它类似于我国的“电信”和“联通”两个不同的经营单位。A和B是基本的频道。此外，又外加5MHz频带作为A系统的扩展(A，A“)和B系统的扩展(B)，其频道号码为667779和9911023。,2.CDMA采统的逻辑信道,在CDMA系统中，各种逻辑信道都是由不同的码序列来区分的。因为任一个通信网络除去要传输业务信息外，还必须传输有关的控制信息。,对于大容量系统，一般采用集中控制方式，以便加快建立链路的过程。为此，CDMA蜂窝系统在基站至移动台的传输方向(正向传输)上，设置了导频信道、同步信道、寻呼信道和正向业务信道；在移动台至基站的传输方向（反向传输上），设置了接入信道和反向业务信道。这些信道的示意如图6.3所示。,图6.3 CDMA蜂窝系统信道分类,前已指出，CDMA蜂窝系统采用码分多址方式，收发使用不同载频(收发频差45MHz)，亦即通信方式是频分双工。一个载频包含64个逻辑信道，占用带宽约1.23MHz。由于正向传输(下行）和反向传输的要求及条件不同，因此逻辑信道的构成及产生方式也不同，下面分别予以说明。,(1)正向逻辑信道。在基站至移动台的下向链路中，即CDMA正向传输的逻辑信道的组成如图6.4所示。,图6.4 正向传输的逻辑信道组成,正向传输中，采用64阶沃尔什函数区分逻辑信道，分别用W0，W1，W63表示。其中W0用作导频信道，W1是首选的寻呼信道，W2，W7也是寻呼信道，即寻呼信道最多可达7个。W8，W63用作业务信道(其中W32为同步信道)，共计55个。,导频信道用于传送导频信息，由基站连续不断地发送一种直接序列扩频信号，供移动台从中获得信道的信息并提取相干载波以进行相干解调。并可对导频信号电平进行检测，以比较相邻基站的信号强度和决定是否需要进行越区切换。为了保证各移动台载波检测和提取可靠性，导频信道的功率高于业务信道和寻呼信道的平均功率。例如导频信道可占64信道总功率的12%。,同步信道用于传输同步信息，在基站覆盖范围内，各移动台可利用这些信息进行同步捕获。同步信道上载有系统的时间和基站引导PN码的偏置系数，以实现移动台接收解调。同步信道在捕捉阶段使用，一旦捕获成功，一般就不再使用。同步信道的数据速率是固定的，为1200b/s。,寻呼信道供基站在呼叫建立阶段传输控制信息，每个基站有一个或几个(最多7个)寻呼信道，当有市话用户呼叫移动用户时，经移动交换中心(MSC)或移动电话交换局(MTSO)送至基站，寻呼信道上就播送该移动用户识别码。通常，移动台在建立同步后，就在首选的Wl寻呼信道(或在基站指定的寻呼信道上)监听由基站发来的信令，当收到基站分配业务信道的指令后，就转入指配的业务信道中进行信息传输。当小区内需要通信的用户数目很多，业务信道不敷应用时，某几个寻呼信道可临时用作业务信道。在极端情况下，7个寻呼信道和一个同步信道都可改作业,务信道。这时候，总数为64的逻辑信道中，除去一个导频信道外，其余63个均用于业务信道。在寻呼信道上的数据速率是4800或9600b/s，由经营者自行决定。,业务信道载有编码的话音或其它业务数据，除此之外，还可以插入必需的随路信令，例如必须安排功率控制子信道，传输功率控制指令；又如在通话过程中，发生越区切换时，必须插入过境切换指令等,在CDMA蜂窝通信系统中，全网必须有统一的时间基准，以保证整个系统有条不紊地进行信息的传输、处理和交换，协调一致地对系统内各种设备进行管理、控制和操作，这种统一而精确的时间基准对CDMA系统尤为重要。,CDMA蜂窝系统是利用“全球定位系统(GPS)”的时标，GPS的时间与“世界协调时间（UTC）”是同步的，二者相差是秒的整数倍。CDMA系统时间的开始是1980.1.6 UTC，这与GPS的开始时间正好重合。,在CDMA蜂窝系统中，各基站配有GPS接收机，保证系统中各基站有统一的时间基准，即CDMA蜂窝系统的公共时间基准。小区内所有移动台均以基站的时间基准作为各移动台的时间基准，从而保证全网的同步,(2)反向逻辑信道。CDMA系统的反向逻辑信道由接入信道和反向业务信道组成，图6.5示出了基站接收的反向CDMA逻辑信道的实例。,图6.5 基站接收的反向CDMA信道,在反向传输逻辑信道中，接入信道与正向传输的寻呼信道相对应，其作用是在移动台接续开始阶段提供通路，即在移动台没有占用业务信道之前，提供由移动台至基站的传输道路。供移动台发起呼叫或对基站的寻呼进行响应，以及向基站发送登记注册的信息等。,接入信道使用一种随机接入协议，允许多个用户以竞争的方式占用。在一个反向信道中，接入信道数n最多可达32个。在极端情况下，业务信道数m最多可达64个，每个业务信道用不同的用户长码序列加以识别；每个接入信道也采用不同的接入信道长码序列加以区别。,在反向传输方向上无导频信道，这样，基站接收反向传输的信号时，只能用非相干解调。,6.3 CDMA网络结构与组成,CDMA蜂窝通信系统的网络结构如图6.6所示，它与TDMA蜂窝系统的网络相类似，主要由3大部分组成：网络子系统，基站子系统和移动台。图6.6中已表明了各部分之间以及与市话网(PSTN或ISDN)之间的接口关系。其中小区分为全向小区和扇形小区两种类型。下面对各部分功能及主要组成作扼要说明。,图6.6 CDMA蜂窝系统的网络结构,6.3.1 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。,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。MSC的结构如图6.7所示。所有基站都有线路连至MSC，包括业务线路和控制线路。每一基站对每一声码器为20ms（1帧）长的数据组信号质量(即信噪比)作出估算，并将估算结果随同声码器输出的数据传送至移动交换中心。由于移动台至相邻各基站的无线链路受到的衰落和干扰情况不同，从某一基站到移动交换中心的信号有可能比从其它基站传到的同一信号质量好。,移动交换中心将收到的信息送入选择器和相应的声码器。选择器对两个或更多基站传来的信号质量进行比较，逐帧(20ms为l帧)选取质量最高的信号送入声码器，即完成选择式合并。声码器再把数字信号转换至64kb/s的PCM电话信号或模拟电话信号送往公用电话网。在相反方向，公用电话网用户的话音信号送往移动台时，首先是由市话网连至交换中心的声码器，再连至一个或几个基站，再由基站发往移动台。交换中心的控制器确定话音传给哪一个基站或哪一个声码器，该控制器与每一基站控制器是连通的，起到系统控制作用。,移动交换中心的其它功能与GSM的移动交换中心的功能是类同的，主要有：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。,由此可见，MSC的功能与数字程控交换机有相似之处，如呼叫的接续和信息的交换；也有特殊的要求，如无线资源的管理和适应用户移动性的控制。因此，MSC是一台专用的数字程控交换机。,本地位置寄存器（HLR），也称原籍位置寄存器，是一种用来存储本地用户位置信息的数据库。每个用户都必须在当地入网时，在相应的HLR中进行登记，该HLR就为该用户的原籍位置寄存器。登记的内容分为两类：一种是永久性的参数，如用户号码、移动设备号码、接入的优先等级、预定的业务类型以及保密参数等z另一种是临时性的需要随时更新的参数，即用户当前所处位置的有关参数。即使移动台漫游到新的服务区时，HLR也要登记新区传来的新的位置信息。这样做的目的是保证当呼叫任一个不知处于哪一个地区的移动用户时，均可由该移动用户的原籍位置寄存器获知它当时处于哪一个地区，进而能迅速地建立起通信链路。,访问用户(位置)寄存器(VLR)是一个用于存储来访用户位置信息的数据库。一般而言，一个VLR为一个MSC控制区服务。当移动用户漫游到新的MSC控制区(服务区)时，它必须向该区的VLR登记。VLR要从该用户的HLR查询其有关参数，并通知其HLR修改该用户的位置信息，准备为其它用户呼叫此移动用户时提供路由信息。如果移动用户由一个VLR服务区移动到另一个VLR服务区时，HLR在修改该用户的位置信息后，还要通知原来的VLR，并删除此移动用户的位置信息,鉴权中心(AUC)的作用是可靠地识别用户的身份，只允许有权用户接入网络并获得服务。,操作和管理(维护)中心(OMC)的任务是对全网进行监控和操作，例如系统的自检、报警与备用设备的激活，系统的故障诊断与处理，话务量的统计和计费数据的记录与传递，以及各种资料的收集、分析与显示等,6.3.2 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)。每个基站的有效覆盖范围即为无线小区，简称小区。小区可分为全向小区(采用全向天线)和扇形小区(采用定向天线)，常用的是小区分为3个扇形区，分别用、和表示。,一个基站控制器(BSC)可以控制多个基站，每个基站含有多部收发信机。图6.8为基站控制器(BSC)结构,基站控制器(BSC)通过网络接口分别连接移动交换中心和基站收发信机(BTS)群，此外，还与操作维护中心(OMC)连接,基站控制器主要为大量的BTS提供集中控制和管理，如无线信道分配、建立或拆除无线链路、过境切换操作以及交换等功能,由图6.8可见，它主要包括代码转换器和移动性管理器,图6.8 基站控制器结构简化图,移动性管理器负责呼叫建立、拆除、切换无线信道等，这些工作由信道控制软件和MSC中的呼叫处理软件共同完成。,代码转换器主要包含代码转换器插件、交换矩阵及网络接口单元,代码转换功能按EIA/TIA宽带扩频标准规定，完成适应地面的MSC使用64kb/s PCM话音和无线信道中声码器话音转换，其声码器速率是可变的，即8kb/s、4kb/s、2kb/s和0.8kb/s 4种。除此之外，代码转换器还将业务信道和控制信道分别送往MSC和移动性管理器。基站控制器无论是与MSC还是与BTS之间，其传输速率都很高，达1.544Mb/s,基站子系统中，数量最多的是收发信机(BTS)等设备，图6.9示出了单个扇形小区的设备组成方框图。由于接收部分采用空间分集方式，因此采用两付接收天线(Rx)，发射天线1付（Tx）。顶端为滤波器和线性功率放大器，即接收部分输入电路，选取射频信号，滤除带外干扰。接收部分的前置低噪声放大器(LNA)也置于第1层中，其主要作用是为了改善信噪比,第2层是发射部分的功率放大器。第3层是收发信机主机部分，包括发射机中扩频、调制、接收机中的解调、解扩，以及频率合成器、发射机中的上变频、接收机中的下变频等。,第4层是全球定位系统(GPS)接收机，其作用就是起到系统定时作用,图6.9 单个扇区的设备组成,最底层是数字机，装有多块信道板，每用户占用一块信道板。数字架中信道板以中频与收发信机架连接。具体而言，在正向传输时，即基站为发射信号往移动台、数字架输出的中频信号经收发信机架上变频到射频信号，再通过功率放大器、滤波器，最后馈至天线。在反向传输信道，基站处于接收状态。通过空间分集的接收信号，经天线输入、滤波、低噪声放大(LNA)然后通过收发信机架下变频.把射频信号变换到中频，再送至数字架。,数字架和收发信机架均受基站(小区)控制器控制。前已指出，它的功能是控制管理蜂窝系统小区的运行，维护基站设备的硬件和软件的工作状况，为建立呼叫、接入、信道分配等正常运行，并收集有关的统计信息、监测设备故障、分配定时信息等。,基站接收机除了上述进行空间分集之外，还采用了多径分集，用4个相关器进行相关接收，简称4 RAKE接收机,6.3.3 移动台,IS一95标准规定的双模式移动台，它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，也利于从模拟蜂窝网平滑地过渡到数字蜂窝网。,双模式移动台与原有模拟蜂窝移动台之间的差别是增加了数字信号处理部分，如图6.10所示。图中，着重画出了增加的部分，有关模拟调频部分可参阅有关内容。,图6.10 双模式移动台方框图,图6.10示出了CDMA移动台收、发信机中有关数字信号处理的内容。发送时，由送话器输出话音信号，经编码输出PCM信号，经声码器输出低速率话音数据，经数据速率调节、卷积编码、交织、扩频、滤波后送至射频前端(含上变频、功放、滤波等)，馈至天线。,收、发合用一副天线，由天线共用器进行收、发隔离，收发频差为45MHz,6.4 CDMA蜂窝网的关键技术,6.4.1 自动功率控制,1.远近效应,由于移动通信中移动用户不断地移动，有时靠近基站，有时远离基站。如果移动台发射功率固定不变，那么离基站距离近时，过大的发射功率不仅浪费，而且会造成对其它用户的干扰，尤其是对离基站较远的移动台发给基站的信号影响较大。所谓远近效应就是当基站同时接收两个距离不同的移动台发来的信号时，由于两个移动台频率相同，则距基站近的（设距离为d1）移动台MSl将对另一移动台MS2(它距基站距离为d2，d2 d1)信号产生严重干扰，参见图6.11。,图6.11 远近效应现象,由于MSl和MS2发射频率相同，图中均为fc，而且移动台设备相同，同样的发射机，同样的天线。因此当基站接收远距离MS2时，必将受到MSl信号的干扰。,假设不实施功率控制，亦即各移动台的发射功率相同，则两移动台至基站的功率电平的差异仅决定于传输损耗之差。即可定义近端对远端的干扰比,Rd2,d1LA(d2)LA(d1),(6-13),式中LA(d2)和LA(d1)均以dB计，LA(d2)为d2的路径传输损耗，LA(d1)为较近距离MSl的路径传输损耗。,在同样地形、地物条件下，传输损耗近似与距离的4次方成正比，即有,=,则,Rd2,d1,(6-14),2.反向链路的功率控制,DMA系统的通信质量和容量主要受限于收到干扰功率的大小。若基站接收到移动台的信号功率太低，则误比特率太大而无法保证高质量通信；反之，若基站接收到某一移动台功率太高，虽然保证了该移动台与基站间的通信质量，却对其它移动台增加了干扰，导致整个系统质量恶化和容量减小。只有当每个移动台的发射功率控制到基站所需信噪比的最小值时，通信系统的容量才达到最大值。,上行链路功率控制就是控制各移动台的发射功率的大小。它可分为开环功率控制和闭环功率控制。,上行链路开环功率控制亦称反向链路开环功率控制，或简称反向开环功率控制。它的前提条件是假设上行与下行传输损耗相同，移动台接收并测量基站发来的信号强度，并估计下行传输损耗，然后根据这种估计，移动台自行调整其发射功率，即接收信号增强，就降低其发射功率；接收信号减弱，就增加其发射功率。开环功率控制的响应约毫秒级，控制动态范围约有几十分贝。,开环功率控制的优点是简单易行，不需要在移动台和基站之间交换控制信息，因而不仅控制速度快而且节省开销。它对付慢衰落是比较有效的，即对车载移动台快速驶入(或驶出)高大建筑物遮蔽区所引起的衰落，通过开环功率控制可以减小慢衰落影响。但是对于信号因多径效应而引起的瑞利衰落，效果,不佳。对于900MHz的CDMA蜂窝系统，采用频分双工通信方式，收发频率相差45MHz，已远远超过信道的相干带宽。因而上行或下行无线链路的多径衰落是彼此独立的，或者说它们是不相干的。不能认为移动台在下行信道上测得的衰落特性，就等于上行信道上的衰落特性。为了解决这个问题，可采用闭环功率控制方法,所谓闭环功率控制，即由基站检测来自移动台的信号强度或信噪比，根据测得结果与预定的标准值相比较，形成功率调整指令，通知移动台调整其发射功率，调整阶距为0.5dB。一般情况下这种调整指令每1ms发送一次就可以了。反向功率控制效果如图6.12所示。,（a）移动台接收信号功率,（b）移动台发射信号功率,（c）基站接收信号功率,图6.12 反向链路功率控制示意,3.正向链路的功率控制,正向链路也称作下行链路，所以正向链路的功率控制也称为正向功率控制。它是调整基站向移动台发射的功率，使任一移动台无论处于蜂窝小区中的任何位置上，收到基站发来的信号电平都恰好达到信干比所要求的门限值。做到这一点，就可以避免基站向距离近的移动台辐射过大的信号功率，也可以防止或减小由于移动台进入传播条件恶劣或背景干扰过强的地区而发生误码率增大或通信质量下降的现象。,正向功率控制方法与反向功率控制相类似，正向功率控制可以由移动台检测基站发来、信号的强度，并不断地比较信号电平和干扰电平的比值。如果此比值小于预定的门限值，移动台就向基站发出增加功率的请求。基站收到调整功率的请求后，按0.5dB的调整阶距改变相应的发射功率。最大的调整范围约土6dB。上述的正向功率控制是属于闭环方式。正向功率控制,也可以采用开环方式，即可由基站检测来自移动台的信号强度，以估计反向传输的损耗并相应调整发给该移动台的功率。,6.4.2 CDMA系统的分集技术,1.多种分集技术,CDMA系统中采用了多种分集技术，包括“宏分集”(多基站分集)和多种“微分集”。下面着重就减小快衰落的微分集作一说明，着重是利用路径分集技术，即RAKE接收机作更详细讨论。,CDMA系统综合利用多种分集技术来减弱快衰落对信号的影响，从而获得高质量的通信性能。,减弱慢衰落采用宏分集（空间分集），即用几付独立天线或不同基站分别发射信号，保证各信号之间的衰落独立。由于这些信号传输路径的地理环境不同，因而各信号的慢衰落互不相关。通常，采用选择式合并方式，选择信号较强的一个作为接收机输出，从而减弱了慢衰落的影响，如图6.12示出的那样。CDMA软切换就是一个例证。,图6.12 选择式分集合并示意,CDMA系统中减弱瑞利衰落采取了多种分集技术，包括频率分集、时间分集和路径分集（或空间分集）。,码分多址采用扩频技术，属于宽带传输，例如CDMA蜂窝系统的带宽约1.25MHz，它远远大于移动信道的相干带宽(约几十KHz)，因此频率选择性衰落对宽带信号的影响是很小的，也就是说，码分多址的宽带传输起到了频率分集的作用,CDMA系统中采用的交织编码技术，用于克服突发性干扰，从分集技术而言是属于时间分集。通常将连续出现的误码分散开来，变成随机差错，采用分组纠错技术(如卷积编码)纠正随机差错，从而间接地纠正了连续的突发性差错。为此，必须解决将突发性差错分散的办法，其基本方法可举例予以说明。,排列，依次按行写入发送矩阵，如表6.2所示。,从发送矩阵读出的顺序则按列顺序，即先取出第一列1001，然后是第二列1011。这样送入信道的数据流是1001101101011100。假定在数据传输过程中出现突发性差错，例如第5至第8位发生了差错，即接收到的数据流可写成,100101011100,由于发送端将数据按行写入、按列读出，为了恢复原始数据顺序，必须进行相反变换，即将接收到的数据送入接收矩阵，进行按列写入、按行读出。自然，发端若采用按列写入、按行读出，那么收端需要按行写入、按列读出。这两种方式其原理是相同的。针对表6.2例子，现将接收到的数据流，按列写入接收矩阵，如表6.3所示,接收矩阵按行读出的数据是,由上可见，将上述连续错码已分散开来，且每组(4位)中只有一个差错，通过分组码纠错技术，可以纠正少量的差错，从而纠正了突发性的连续差错。上面只是作了原理性说明，但有了这样的概念或基础，就可理解CDMA系统中各种(包括上行链路和下行链路)交织编码技术。,CDMA系统中还采用了空间分集技术，亦即进行路径分集。对于传输带宽为1.25MHz的CDMA系统，它容易采用路径分集技术。因为当来自两个不同路径的信号的时延差大于1s时，这两个衰落信号可看作互不相关。CDMA系统采用RAKE接收机进行路径分集，它能有效地克服快衰落的问题，因此受到人们关注，它也是CDMA系统能成功的关键之一，下面予以详细介绍。,2.RAKE接收机,所谓RAKE接收机就是利用多个并行相关器检测多径信号，按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机。需要特别指出的是，一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理，而RAKE接收机采取变害为利，即利用多径现象来增强信号。图6.14示出了简化的RAKE接收机组成。,假设发端从Tx发出的信号经N条路径到达接收天线Rx。路径1距离最短，传输时延也最小，依次是第二条路径、第三条路径，时延时间最长的是第N条路径。通过电路测定各条路径的相对时延差，以第一条路径为基准时，第二条相对于第一条路径相对时延差为2，第三条相对于第一条路径相对时延差为3，第N条路径相对于第一条路径相对时延差为N，且有N N-13 2(1=0)。,图6.14 简化的RAME接收机组成,接收端通过解调后，送入N个并行相关器。在QCDMA系统中，基站接收机N4，移动台接收机N3。图中为用户1，即使用伪码c1(t)，通过位同步，各个相关器的本地码分别为c1(t)、c1(t-2)、c1(t-3)c1(t-N)。经过解扩加入积分器，每次积分时间为Tb，第一支路在Tb末尾进入电平保持电路，保持直到TbN，即到最后一个相关器于TbN 产生输出。这样N个相关器于TbN 时刻，通过相加求和电路(图中为)再经判决电路产生数据输出。,电于各条路径加权系数为1，因此为等增益合并方式。利用多个并行相关器，获得了各多径信号能量，即RAKE接收机利用多径信号，提高通信质量。,6.4.3 CDMA切换技术,模拟蜂窝系统(AMPS或TACS)采用频分多址方式，其过境切换必须改变话务信道频率，通常称作硬切换。图6.15所示的是发生过境切换情况；图中所示的移动台(MS)从基站BSl进入BS2小区时，将发生过境切换。假定移动台正在通过BSl移动交换中心(MSC)公用交换电话网市话用户进行通话，BS1中设置的定位接收机不断监测来自移动台的信号电平(或监测音SAT的信噪比)低于某一门限值，便立即报告MSC，MSC当即命令邻近基站(BS2、BS3)同时监测该移动台的信号，并将测得的结果报告MSC。MSC根据测量数据，就可以判断移动台从BSl驶入了哪个小区，这就叫定位。,在TDMA数字蜂窝系统中，其过境切换中采用了移动台辅助切换方式，简称MAHO(Mobile Assisted Handoff)。这是由于移动台通话期间，接收机只用了某一个时隙，其它时隙内，可监测邻近基站的信号强度，并不断地向MSC报告测量结果，如图6.16所示。因为移动台协助了切换过程，所以称作移动台辅助切换技术，它可以加快切换进程。如果也是从BSl切换到BS2，一歧情况下，移动台不仅要改变时隙，而且也要改变频率，因此也属于硬切换。CDMA蜂窝系统支持3种切换方式：同一载频的软切换；不同载频的硬切换；CDMA到AMPS的切换。,图3-37为CDMA的软切换示意。各个基站使用相同的载频，但引导的伪码偏置不同。基站发出的导频信号在使用相同频率时，只有由引导PN序列的不同偏置系数来区分。移动台不断接收各基站的导频信号强度，并通过原基站（BS1）向MSC报告测量结果。在切换时，移动台同时与新、老基站保持无线链路(如同时与BSl和BS2)，从而可有效地提高切换的可靠性。由于软切换是不改变频率的，更重要的是在切换的过程中移动台开始和一个新基站(BS2)通信时，并不立即中断和原来基站(BS1)的通信，只有当移动台在新的小区(BS2的服务区)建立起稳定通信之后，原来的基站才中断与该移动台的通信。软切换有很突出的优越性，首先是提高了切换的可靠性。在硬切换中，如果找不到空闲信道或切换指令的传输发生错误，则切换失败，通信中断。此外，当移动台靠近两个小区的交界,处需要切换的时候，两个小区的基站在该处的信号电平都较弱而且有起伏变化，这会导致移动台在两个基站之间反复要求切换(即“乒乓”现象)，从而重复地往返传送切换信息，使系统控制的负荷加重，或引起过载，并增加了中断通信的可能性。,其次，软切换为实现分集接收提供了条件。当移动台处于两个(或三个)小区的交界处进行软切换时，会有两个（或三个）基站在同时向它发送相同的信息，移动台采用RAKE接收机，进行分集合并，即起到了多基站宏分集的作用，从而能提高正向业务信道的抗衰落性能，提高话音质量。同样，在反向业务信道中，当移动台处于两个(或三个)小区的交界处进行软切换时，会有两个(或三个)基站同时收到一个移动台发出的信号，这些基站对所收信号进行解调并作质量估计，然后送,往移动交换中心(MSC)。这些来自不同基站而内容相同的信息由MSC采用选择式合并方式，逐帧挑选质量最好的，从而实现了反向业务信道的分集接收，提高了反向业务信道的抗衰落性能。这里所说的分集接收是利用CDMA系统在切换过程中当移动台和多个基站交换信息的条件下实现的，着重点是说明软切换为分集接收提供了