CDMA2000 基本原理

1. CDMA2000基本原理

2. 内容介绍 一、CDMA基本原理 二、CDMA的逻辑信道 三、关键技术-功率控制 四、关键技术-软切换 五、RAKE接收机与呼吸效应

3. CDMA基本原理 多址技术 扩频通信原理 CDMA码序列

4. CDMA基本原理-多址技术 • 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上有三种，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）三种接入方式。

5. CDMA基本原理-多址技术 • 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.

6. CDMA基本原理-多址技术 • FDMA：每30Khz服务一个用户，可用频率资源的多少决定了同时可以服务用户的数目； • TDMA：在FDMA的基础上，将每30Khz划分为7个时间片段（时隙），每个用户占用一个时隙。可用频率和时隙的多少决定了可以同时服务的用户数目； • CDMA：总共占用1.23Mhz带宽，所有用户共享该带宽。由于用户间同时占用同一个频点，因此发射台总的发射功率和用户间的相互干扰决定了网络可以同时服务用户的数目。

7. CDMA基本原理-多址技术 • 码分多址 • 码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的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，它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，编码后的信息混合后不会丢失原来的信息。有多少个互为正交的码序列，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，接收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码（这个过程称为解扩）。 • 码分多址技术是CDMA系统关键技术之一。

8. CDMA基本原理-多址技术 • 码分多址 • CDMA网络的中心频点计算方法： • 下行——870+0.03*N ； （N是载频号，例如283） • 上行——825+0.03*N； • 码分多址的理解： • 一个房间（频段1.23Mhz）中有多人（手机MS）在交谈，每组人之间使用不同的语言（码分），因此相互之间交谈不受影响。基于这个模型，可以推测到CDMA的几个特点： • 自干扰：如果有人说话声音过大，势必影响其他人的交流 • 码分：不同组之间使用不同的语言保证互不干扰，或者，使用同样语言的两组人之间间隔足够远。

9. CDMA基本原理-多址技术 • 码分多址

10. CDMA基本原理-扩频通信原理 • CDMA 是一个扩频系统 • 所谓扩展频谱通信，可定义如下：扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息所必需的最小带宽；频带的带宽是通过编码及调制的方法实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。

11. CDMA基本原理-扩频通信原理 • 扩频通信的基本原理

12. CDMA基本原理-扩频通信原理 • 扩频通信的理论基础 • 在扩频通信中采用宽频带的信号来传送信息，主要是为了通信的安全可靠，这可用信息和抗干扰理论的基本观点来解释。 • 信息论中的仙农（Shannon）公式描述如下： • 其中C------信道容量（比特/秒） • N-----噪声功率 • W----信道带宽（赫兹） • S---------信号功率

13. CDMA基本原理-码序列 • CDMA 系统中三种编码分别是WALSH码、PN 短码、PN 长码。

14. CDMA基本原理-码序列 • Walsh码 • 在CDMA2000 1X中，Walsh码用于进行前向扩频，区分扇区内前向码分信道。 • 用Walsh码区分这些前向信道的方法是：每个扇区有64个不同的Walsh码，每一个Walsh码经过扩频后分配给一条信道，扩频速率是1.2288Mcps。在手机终端，接收到的信号应与所需信道的Walsh码相关。 • 前向信道包括导频、同步、寻呼、前向业务信道等。导频信道占用Walsh码0，同步信道占用Walsh码32，寻呼信道占用Walsh码1-7（通常使用一条寻呼信道Walsh码1），前向业务信道可以自由使用其余的Walsh码。

15. CDMA基本原理-码序列 • PN短码 • 区分不同扇区或小区 • 伪随机序列 • 215 = 32,768 unit (period 26.67ms)，PN码的生成取得是相位偏置。每64位生成一个PN，共有512个可用PN。不同PN之间相位不同，属于近似正交。

16. CDMA基本原理-码序列 • PN长码 • 用于反向逻辑信道区分不同用户 • 伪随机序列 • 2^42-1 unit • 这个序列非常长, 有数以亿计的不同使用方式. 每一种使用方式构成一个数学码, 用来识别一个特定的用户或一个特定的接入信道

17. CDMA基本原理-码序列 • 三种扩频码的比较

18. CDMA的逻辑信道 前向信道（FORWARD CHANNELS） CDMA 前向共有4个逻辑信道，介绍如下： 导频（PILOT）信道 同步（SYNC）信道 寻呼（PAGING）信道 业务（TRAFFIC）信道

19. CDMA的逻辑信道

20. CDMA的逻辑信道 导频（Pilot）信道使用Walsh0 发送，主要有以下功能： 为手机捕获系统提供参考； 为手机解调其他信道提供相位参考，相干解调； 区分扇区和基站 每个载波扇区只有一个导频信道

21. CDMA的逻辑信道 同步（Sync）信道使用Walsh32发送，主要有以下功能： 由于PN是近似时正交的。因此各个扇区必须时钟同步 才能有效区分。 为手机提供系统时钟同步，即提供时间信息； 提供Sid、Nid、PN、系统时间、长码状态 提供寻呼信道速率 每个载扇只有一个同步信道

22. CDMA的逻辑信道 寻呼信道使用Walsh1-7发送，寻呼信道最多可以有7个，最少1个，可以随需要配置： 发送关键系统信息参数 发送针对特定手机的消息，例如寻呼某个手机

23. CDMA的逻辑信道 前向业务信道是用于呼叫中，基站向移动台发送用户信息和信令信息。

24. CDMA的逻辑信道 反向信道（REVERSECHANNELS）： 接入（ACCESS）信道 业务(TRAFFIC)信道

25. CDMA的逻辑信道 移动台使用反向接入信道的功能包括： 发起同基站的通信 响应基站发来的寻呼信道消息 进行系统注册 在没有业务时接入系统和对系统进行实时情况的回应

26. CDMA的逻辑信道 反向业务信道是用来在建立呼叫期间传输用户信息和信令信息。

27. 关键技术-功率控制 • 功率控制在CDMA中的目的 • 明确CDMA中采用的不同类型的功率控制机制 • - 反向开环功率控制 • - 反向闭环功率控制 • - 反向外环功率控制 • - 前向业务信道功率控制

28. CDMA功率控制目的 • CDMA是一种基于用户数量的干扰受限系统。要保证每个用户能够顺利通话，就必须对每个用户通话功率的大小进行限制。 • 功率控制的目的？ 保证话音质量（FER）：保证每部手机的通话正常，也就是说确保可接受的服务质量理想情况； 降低干扰：降低对其他用户的干扰； 减小功率消耗使每部手机尽可能低功率发射，节省功率。

29. CDMA功率控制分类 CDMA的功率控制包括前向功率控制和反向功率控制。 • 前向功率控制：95功率控制和1x快速功率控制 前向功率控制受控对象是基站的发射功率，移动台起辅助作用。 • 反向功率控制：开环功控、闭环功率控制和外环功率控制 反向功率控制受控对象是移动台的发射功率，基站起辅助作用。

30. 前向功控 CDMA的前向信道功率要分配给前向导频信道、同步信道、寻呼信道和各个业务信道。基站需要调整分配给每一个信道的功率，使处于不同传播环境下的各个移动台都得到足够的信号能量。前向功率控制的目的就是实现合理分配前向业务信道功率，在保证通讯质量的前提下，使其对相邻基站/扇区产生的干扰最小，也就是使前向信道的发射功率在满足移动台解调最小需求信噪比的情况下尽可能小。前向功控的原理如下图所示：

31. 前向功控 • 前向功控的原理图 • 移动台通过Power Measurement Report Message上报当前信道的质量状况：上报周期内的坏帧数，总帧数。BSC据此计算出当前的FER，与目标FER相比，以此来控制基站进行前向功率调整。

32. 前向功控 • 1X中的前向快速功率控制 • 前向快速功率控制就是实现合理分配前向业务信道功率，在保证通讯质量的前提下，使其对相邻基站/扇区产生的干扰最小，也就是使前向信道的发射功率在满足移动台解调最小需求信噪比的情况下尽可能小。通过调整，既能维持基站与位于小区边缘的移动台之间的通信，又能在较好的通信传输特性时最大限度地降低前向发射功率，减少对相邻小区的干扰，增加前向链路的相对容量。

33. 前向功控 BSC 移动台 BTS Adjust Fwd. Power FER 前向链路功率控制 • 基站缓慢地降低到每个移动台的功率 • 随着FER(在移动台测定)的增加，移动台要求增加前向业务信道的功率，发送功率测量报告消息 • IS95前向功率控制

34. 反向功控 • 在CDMA系统的反向链路中引入了功率控制，通过调整用户发射机功率，使各用户不论在基站覆盖区的什么位置和经过何种传播环境，都能保证各个用户信号到达基站接收机时具有相同的功率。在实际系统中，由于用户的移动性，使用户信号的传播环境随时变化，致使每时每刻到达基站时所经历的传播路径、信号强度、时延、相移都随机变化，接收信号的功率在期望值附近起伏变化。 • 反向功率控制包括三部分：开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制。

35. 反向功控 • 反向开环功控 • CDMA系统的每一个移动台都一直在计算从基站到移动台的路径损耗，当移动台接收到从基站来的信号很强时，表明要么离基站很近，要么有一个特别好的传播路径，这时移动台可降低它的发送功率，而基站依然可以正常接收；相反，当移动台接收到的信号很弱时，它就增加发送功率，以抵消衰耗，这就是开环功率控制。开环功率控制简单、直接，不需在移动台和基站之间交换控制信息，同时控制速度快并节省开销。

36. 反向功控 反向开环 功率控制 移动台 BTS • 反向开环功控

37. 反向功控 • 反向闭环功控 • 反向闭环功控正又分为内环和外环两部分，内环指基站接收移动台的信号后，将其强度与一门限（下面称为“闭环门限”）相比，如果高于该门限，向移动台发送“降低发射功率”的功率控制指令；否则发送“增加发射功率”的指令。外环的作用是对内环门限进行调整，这种调整是根据基站所接收到的反向业务信道的指令指标（误帧率）的变化来进行的。

38. 反向功控 移动台 BTS or 反向闭环 功率控制 Signal Strength Measurement 门限值 • 补偿前向和反向路径之间的不对称 • 由发往移动台的提升功率(0)和降低功率(1)指令组成， 根据在基站测得的信号强度并与以特定门限值(给定值)相比较确定发送0或1 • 每条指令要求移动台增加或减少发射功率1dB • 每秒发射800次，始终以全功率发射 • 允许补偿快衰落的影响 • 反向闭环功控

39. 反向功控 BSC 移动台 BTS or 反向闭环 功率控制 Signal Strength Measurement 反向外环 功率控制 FER 门限值 • 反向链路差错控制的渐进形式 • 给定值根据反向业务信道的FER调整(在基站控制器决定) • 以50帧/秒(20ms/帧)的速率抽样 • 给定值每1-2秒调整一次 • 反向外环功控

40. 功率控制机制概要 反向开环 功率控制 BSC 移动台 BTS or 反向闭环 功率控制 Adjust Fwd. Power Signal Strength Measurement 反向外环 功率控制 FER FER 门限值t 前向功率控制 所有类型的功率控制共同工作，移动台的功率消耗降低到最小，并增加了系统的整体容量。

41. CDMA关键技术-软切换 软切换的相关概念 CDMA切换的分类 软切换的实现原理

42. 软切换的相关概念 当手机从一个基站向另外一个基站移动时，为了保证通话的连续性，必须将呼叫链路从当前基站转移到目标基站上。这个过程叫“切换”。软切换的概念是，目标基站提前准备好必须的无线资源，并通过源基站通知手机。手机保持与源基站的连接不断，同时与新的基站建立连接。之后手机将同时与两个基站进行通信。只有当一个基站的信号强度低到门限值以下（Tdrop），系统才考虑丢弃该基站。 从原理可以知道，软切换的特点是先与目标侧建立连接，同时保持源侧连接不变。只有当一个导频强度低于门限值，才会考虑丢弃一个导频。软切换可以理解为“先切后断”，它是发生在相同载频之间的切换。

43. 软切换的相关概念 • 导频集 • “导频信号”可用一个导频信号序列偏置和一个载频标明，一个导频信号集的所有导频信号具有相同的CDMA载频。移动台搜索导频信号以探测现有的CDMA信道，并测量它们的强度，当移动台探测了一个导频信号具有足够的强度，但并不与任何分配给它的前向业务信道相联系时，它就发送一条导频信号强度测量消息至基站，基站分配一条前向业务信道给移动台，并指示移动台开始切换。业务状态下，相对于移动台来说，在某一载频下，所有不同偏置的导频信号被分类为如下集合：

44. 软切换的相关概念 导频集 有效集：所有与移动台的前向业务信道相联系的导频信号。 候选集：当前不在有效导频信号集里，但是已经具有足够的强度，能被成功解调的导频信号。 激活集：指与移动台建立连接的小区的集合。

45. CDMA切换的分类 • 软切换：所谓软切换就是当移动台需要跟一个新的基站通信时，并不先中断与原基站的联系。软切换是CDMA移动通信系统所特有的，以往的系统所进行的都是硬切换，即先中断与原基站的联系，再在一指定时间内与新基站取得联系。软切换只能在相同频率的CDMA信道间进行，它在两个基站覆盖区的交界处起到了业务信道的分集作用。 • 软切换有以下几种方式： • 同一BTS内相同载频不同扇区之间的切换，也就是通常说的更软切换（softer handoff）； • 同一BSC内不同BTS之间相同载频的切换； • 同一MSC内，不同BSC的之间相同载频的切换。

46. CDMA切换的分类 • 软切换的优点 • FDMA、TDMA系统中广泛采用硬切换技术，当硬切换发生时，因为原基站与新基的载波频率不同，移动台必须在接收新基站的信号之前，中断与原基站的通信，往往由于在与原基站链路切断后，移动台不能立即得到与新基站之间的链路，会中断通信。另外，当硬切换区域面积狭窄时，会出现新基站与原基站之间来回切换的“乒乓效应”，影响业务信道的传输。在CDMA系统中提出的软切换技术，与硬切换技术相比，具有以下更好的优点：

47. CDMA切换的分类 软切换的优点 软切换发生时，移动台只有在取得了与新基站的链接之后，才会中断与原基站的联系，通信中断的概率大大降低。 软切换进行过程中，移动台和基站均采用了分集接收的技术，有抵抗衰落的能力，不用过多增加移动台的发射功率；同时，基站宏分集接收保证在参与软切换的基站中，只需要有一个基站能正确接收移动台的信号就可以进行正常的通信，由于通过反向功率控制，可以使移动台的发射功率降至最小，这进一步降低移动台对其它用户的干扰，增加了系统反向容量。 进入软切换区域的移动台即使不能立即得到与新基站通信的链路，也可以进入切换等待的排队队列，从而减少了系统的阻塞率。

48. CDMA切换的分类 软切换示意图：

49. CDMA切换的分类 • 更软切换：指发生在同一基站下不同扇区之间的切换。在基站收发机（BTS）侧，不同扇区天线的接收信号对基站来说就相当于不同的多径分量，由RAKE接收机进行合并后送至BSC，作为此基站的语音帧。而软切换是由BSC完成的，将来自不同基站的信号都送至选择器，由选择器选择最好的一路，再进行话音编解码。

50. CDMA切换的分类 • 硬切换：当移动台从一个基站的覆盖范围移动到另外一个基站的覆盖范围，通过切换移动台保持与基站的通信。硬切换是在呼叫过程中，移动台先中断与原基站的通信，再与目标基站取得联系，发生在分配不同频率或者不同的帧偏置的CDMA信道之间的切换。在呼叫过程中，根据候选导频强度测量报告和门限值的设置，基站可能指示移动台进行硬切换。 • 硬切换就是“先断后切”。