CDMA 的发展主要历程

CDMA的发展主要历程

CDMA技术标准的演进路线 IS-95-A cdma2000 1X 1xEV Phase 1 (1xEV-DO) 1xEV Phase 2 (1xEV-DV) • Voice • 14.4 kbps • High Capacity Voice • 153 kbps Packet • RF Backward Comp. • 2.4 Mbps Packet • RF Backward Comp. • Higher Cap Voice/ Data • RF Backward Comp. 1995 1999 2000 2001 2002 2003+

IMT-2000 IMT-2000是第三代移动通信系统的统称 • 第三代移动通信系统能提供多种类型、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类通信。 • 第三代移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU）1985年提出，考虑到该系统将于2000年左右进入商用市场，并且其工作的频段在2000MHz，故于1996年正式更名为IMT-2000（International Mobile Telecommunication-2000）。

IMT-2000的目标 • 全球统一频段、统一标准，全球无缝覆盖 • 高效的频谱效率 • 更高的服务质量、保密性和可靠性 • 易于从2G系统平滑演进与过渡，并反向兼容2G系统 • 提供多媒体业务，速率最高可达2Mb/s • 车速环境：144kb/s • 步行环境：384kb/s • 室内环境：2Mb/s

IMT-2000标准化组织

三种主要体制比较

CDMA基本原理

其中： W/Rb : 处理增益 Eb/No: 比特能量与噪声系数比 u : 语音占空比 F : 频率复用率 G : 扇区系数 CDMA系统主要特点系统容量大 CDMA容量计算 • 建议最大负荷为极限容量的50%由此得出反向链容量为每扇区20个话务信道限制CDMA基站容量的因素 • RF 容量 • RF 反向容量 - 噪声容量 • RF 前向容量 - 功率容量 • Walsh Code 容量 • 信道单元 ( CE ) 容量

抗干扰能力强 AMPS, D-AMPS, N-AMPS 2 1 3 1 Users 3 7 1 6 4 5 Vulnerability: C/I @ 17 dB 30 30 10 kHz Bandwidth Typical Frequency Reuse N=7 2 Vulnerability: C/I @ 6.5-9 dB 1 8 Users 3 4 200 kHz Typical Frequency Reuse N=4 1 CDMA Vulnerability: EbNo@ 4 dB 1 1 1 1 1 1 1 35 Users 1 1 1 1 1 1 1250 kHz Typical Frequency Reuse N=1 CDMA系统主要特点

前向链路采用64位WALSH码区分信道，共有导频、寻呼、同步、前向业务等4类信道，不同基站之间采用 2（15次方）PN码相位区分，共有512个相位（相邻相位之间相差64个PN码片），采用了卷积编码（K=9，R= l／2）、交织等信道编码方式。后向链路共有接入、反向业务2类信道，信道及用户之间采用2（42次方）-1 PN码相位区分，采用了卷积编码（K=9、R=l／ 3, R= l／2 ）、交织等信道编码方式，同时采用了64进制调制方式。此标准规定的系统是同步CDMA系统（信道、基站区分采用PN码相位），因此，必须有一个时间参考源，标准规定采用GPS定时。为了提高系统容量，一是在前向信道中加入了功率控制子信道，用于移动台的闭环功率控制；二是采用了可变速率声码器，实现话音激活；三是移动台采用非连续发送方式。 CDMA系统主要特点

首次在蜂窝移动通信系统中提出软切换、更软切换概念，并在实际系统中实现了此概念。首次在蜂窝移动通信系统中提出软切换、更软切换概念，并在实际系统中实现了此概念。前向信道采用相干解调方式，反向信道采用非相干解调方式。实现了“软容量”，即当系统满负载工作时，再增加少数用户，系统性能会稍有下降。实现了路径分集（RAKE接收），由于CDMA系统传输带宽较宽，信号传输带宽大于相关带宽时，就可以用1／W的（时间）分辨率分辨出多径分量，再进行分集合并，从而改善接收性能。可以与其他窄带系统共存，因为扩频之后，信号功率谱展宽，功率谱密度降低，对其他窄带系统影响很小，IS-95A系统信号对窄带信号而言近似白噪声。实现了高保密通信，鉴权、数字格式、宽带信令可由受话人指定的密码进行保护 CDMA系统主要特点

在移动通信中，移动台与基站之间的环境复杂，到达接收信号不会是一条路径来的信号，而是多径合成信号。对于采用其他技术的移动通信系统，只能采用复杂的抵抗技术，减少影响。而对采用CDMA技术的移动通信系统，由于CDMA的相关特性，只要路径之间的时延差大于一个PN码片宽度，就可以利用多径信号加强接收效果，此种技术称为RAKE分集接收技术（俗称路径分集）。一般RAKE接收机由搜索器（Searcher）、解调器（Finger）、合并器（Combiner）3个模块组成。搜索器完成路径搜索，主要原理是利用码的自相关及互相关特性。解调器完成信号的解扩、解调，解调器的个数决定了解调的路径数，通常CDMA基站系统一个RAKE接收机由4个Finger组成，移动台由3个Finger组成。合并器完成多个解调器输出的信号的合并处理，通用的合并算法有选择式相加合并、等增益合并、最大比合并3种。合并后的信号输出到译码单元，进行信道译码处理。在移动通信中，移动台与基站之间的环境复杂，到达接收信号不会是一条路径来的信号，而是多径合成信号。对于采用其他技术的移动通信系统，只能采用复杂的抵抗技术，减少影响。而对采用CDMA技术的移动通信系统，由于CDMA的相关特性，只要路径之间的时延差大于一个PN码片宽度，就可以利用多径信号加强接收效果，此种技术称为RAKE分集接收技术（俗称路径分集）。一般RAKE接收机由搜索器（Searcher）、解调器（Finger）、合并器（Combiner）3个模块组成。搜索器完成路径搜索，主要原理是利用码的自相关及互相关特性。解调器完成信号的解扩、解调，解调器的个数决定了解调的路径数，通常CDMA基站系统一个RAKE接收机由4个Finger组成，移动台由3个Finger组成。合并器完成多个解调器输出的信号的合并处理，通用的合并算法有选择式相加合并、等增益合并、最大比合并3种。合并后的信号输出到译码单元，进行信道译码处理。 CDMA系统主要技术特点--- RAKE接收技术

由于CDMA是多个用户共同占用同一频带资源，相互之间通过PN码来区分，因此，同时通话用户数越多，相互之间干扰就越大。在一定的服务质量下，如果要有效利用系统资源，那么必须采用相应的措施。现在通用的方法是采用语音压缩编码及话音激活技术。IS-95系统就是采用了8 kbit／s（IS-95A）或13 kbit／s（IS-95B）语音编码技术以及变速率话音激活技术。同时，变速率也为随路信令的传输提供了方便。对于IS-95系统，接收端无法知道发送数据速率，只能通过提取信道质量信息，判定发送端可能发送的速率。 CDMA系统主要技术特点---速率判定技术

在CDMA数字移动系统中，切换的标准主要为导频信号的强度，导频信号强度为接收到的导频能量与全部接收到的能量的比值。导频信号是每个基站连续发射的未经调制的、直接序列扩频的信号，它主要用于使所有在基站覆盖区中工作的移动台进行同步和切换。基站利用一周期为2（15次方）=32 768的最大长度伪随机序列（PN）的时间偏置来标识每个前向CDMA信道（由基站到移动台），此序列PN也称为导频序列。不同前向信道使用不同相位的m序列进行调制，其相位至少相差64bit，因此导频PN序列可使用的相位为512个。在CDMA系统中所有CDMA小区都采用同一个频率，移动台根据接收到的基站导频信号的不同偏置来区分各个基站。每个小区的导频要与其同一CDMA信道中的正向业务信道相配合才有效，当移动台检测到一个足够强度的导频而它未与任何一正向业务信道相配合时，就向基站发送一导频强度测量报告，基站根据此报告决定是否切换。在CDMA的切换技术中一个显著的优点是可以使用软切换。所谓软切换是指当移动台需要跟一个新的基站通信时，并不先中断与原先基站的联系 CDMA系统主要技术特点---软切换

由于CDMA系统中移动台独特的RAKE接收机可以同时接收两个或两个以上基站发来的信号，从而保证了CDMA系统能够实现软切换。软切换引入大大地改善了切换的性能，消除了切换过程中通信的中断、小区边界处的“乒乓效应”以及切换引入的噪声。由于CDMA系统中移动台独特的RAKE接收机可以同时接收两个或两个以上基站发来的信号，从而保证了CDMA系统能够实现软切换。软切换引入大大地改善了切换的性能，消除了切换过程中通信的中断、小区边界处的“乒乓效应”以及切换引入的噪声。 CDMA系统主要技术特点---软切换

功率控制分为反向功率控制及正向功率控制两种，其中，反向功率控制尤其重要，因为，反向是依靠准正交码区分的，因此，用户之间存在相互间干扰，只有保证到达基站各用户间功率一致（防止远近效应），才能保证用户容量及质量。进行反向功率控制，指在移动台接收并测量基站发来的导频信号，根据导频信号强弱估计正确的传输损耗，并根据这种估计来调节移动台的反向发射功率。接收信号增强就降低其发射功率，接收信号减弱就增强其发射功率。功率控制的原则是：当信道的传播条件突然改善时，功率控制应作出快速反应（例如几微秒），以防止信号突然增强而对其他用户产生附加干扰，相反，当传播条件突然变坏时，功率调整的速度可以相对慢一些。也就是说，宁愿单个用户的信号质量短时间恶化，也要防止许多用户因为单个用户的信号电平突然变大而增大背景干扰。 CDMA系统主要技术特点---功率控制

这种功率控制办法简单、直接，不需要在移动台和基站之间交换信息，因而控制速度快并节省开销。对于某些情况，例如车载移动台快速驶入或驶出地形起伏区或高大建筑物遮蔽区而引的信号强度变化是十分有效的，但是对于信号因多径传播而引起的瑞利衰落变化则效果不好。因为前向传输和反向传输使用的频率不同，通常两个频率的间隔大大超过信息的相干带宽，因而不能认为移动台在前向信道上测得的衰落特性，就等于反向信道上的衰落特性。为了解决这个问题，可以由基站检测来自移动台的信号强度，并根据测得的结果，形成功率调整指令，通知移动台，使移动台根据此调整指令来调节其发射功率。实现这种办法的条件是传输调整指令的速度要快，处理和执行调整指令的速度也要快。一般情况下，这种调整指令每毫秒发送一次就可以了这种功率控制办法简单、直接，不需要在移动台和基站之间交换信息，因而控制速度快并节省开销。对于某些情况，例如车载移动台快速驶入或驶出地形起伏区或高大建筑物遮蔽区而引的信号强度变化是十分有效的，但是对于信号因多径传播而引起的瑞利衰落变化则效果不好。因为前向传输和反向传输使用的频率不同，通常两个频率的间隔大大超过信息的相干带宽，因而不能认为移动台在前向信道上测得的衰落特性，就等于反向信道上的衰落特性。为了解决这个问题，可以由基站检测来自移动台的信号强度，并根据测得的结果，形成功率调整指令，通知移动台，使移动台根据此调整指令来调节其发射功率。实现这种办法的条件是传输调整指令的速度要快，处理和执行调整指令的速度也要快。一般情况下，这种调整指令每毫秒发送一次就可以了 CDMA系统主要技术特点---功率控制

CDMA以一个窄带信号开始，采用扩频技术扩展到1.2288MHz的宽带信号CDMA以一个窄带信号开始，采用扩频技术扩展到1.2288MHz的宽带信号接收时，从宽带信号中恢复信号 CDMA系统干扰主要来自相邻小区和同小区其他用户 CDMA概念

比特(bit)、符号(Symbol)与码片(Chip) 信息数据单位称为比特（bit）经过卷积编码器、交织与符号重复后的数据被称为符号(symbol) 经过最终扩频后得到的数据被称为码片(chip) 处理增益(Processing Gain) 最终速率与信息速率的比在IS-95中处理增益为1.2288M/9.6k = 128，即21dB Building a CDMA Signal Bits from User’s Vocoder Forward Error Correction Symbols Coding and Spreading Chips CDMA几个常见术语

CDMA中应用的分集技术 时间分集采用符号交织，检错纠错编码等方法。频率分集将能量扩展到宽带中实现。IS-95将信号扩展到整个1.25M上。空间分集在基站采用双接收天线。在手机和基站采用RAKE接收，合并不同传输延时的信号软切换的时候，移动台和多个基站同时联系，从中选出最好的帧送给交换机

Walsh码概念 • 完全正交：互相关系数为0 • 相关 • 相关是衡量两个信号之间相似性的一个手段。将两个信号相乘 • 再积分即得出相关值。两个完全一样的信号其相关值为1。两个 • 信号若互不相关，则它们互不干扰。其用途：前向信道中用于扩频和码分信道反向信道中用于64阶正交调制，每6个码符号作为一个调制符号使用 64阶Wash函数中的一个进行调制。在正向线路中，Walsh码用来区分用户；在反向信道中，Walsh码用来区分“码元”。

长码 • 长码为一周期为242-1的m-序列 • 自相关特性　 PN码的自相关函数是一个二值函数，只要移位超过一个chip，相关值都很小。 • 移位相加特性： • 输出序列Ck和Ck+t(Ck延时t)相加后的序列仍然是序列Ck的一个时移序列.PN码的移位是通过掩膜码来实现的。不同的掩膜对应于不同的移位。在cdmaOne系统的业务码信道中，用户的电子序列号即用作掩膜码。 • 长码的作用 • 反向用于提供信道化 • 前向用作扰码加密 • 控制反向功率控制比特的插入

32,768 chips long 26-2/3 ms. (75 repetitions in 2 sec.) I Q 短码 • 短码为一周期215的M-序列 • 在m-序列中增加了一个全0状态 • PNi, PNq • 导频偏置 • IS-95系统中，从周期为215的M-序列中取出512个相位（步长为64），此即基站的512种导频偏置。 • 导频偏置用于区别小区

IS-95A技术特点 码片速率：1.2288 Mcps 调制前向：QPSK；反向：OQPSK 信道编码：卷积码功率控制前向：消息方式的慢速功率控制反向：开环功率控制；快速功率控制（800Hz）切换：软切换/更软切换、硬切换 BTS工作在同步方式

IS-95A信道类型 • 前向 • 导频信道 • 同步信道 • 寻呼信道 • 业务信道（含功率控制子信道） • 反向 • 接入信道 • 业务信道 W0: PILOT ACCESS W32: SYNC TRAFFIC BTS W1: PAGING Wn: TRAFFIC

… … … 导引信道同步信道寻呼信道1 寻呼信道7 业务信道1 业务信道24 业务信道25 业务信道55 W32 W2 W7 W8 W31 W33 W0 W0 W：编码信道业务数据移动台功率控制子信道前向CDMA信道 (基站发送的1.23 MHz 信道) 前向CDMA信道

导频信道作用 • 全0信息，用Walsh 0扩展。直接用PN短码进行调制 • 导频信道作用 • BTS连续发射 • 提供给手机相位参考，相干解调用 • 帮助手机捕获系统，进行信道估计、多径搜索 • 切换时手机测量导频信道，进行导频强度比较

同步信道作用 • 手机通过同步信道获得与系统的长码同步： • 导频偏置PILOT_PN • 系统时间SYS_TIME • 长码状态LC_STATE • 寻呼信道速率P_RAT • 等 • 同步信道速率固定为1200bps

寻呼信道作用 • 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 • BTS通过寻呼信道寻呼手机指配业务信道 • 寻呼信道速率为9600bps或4800bps • 寻呼信道帧长为20ms

Switch BSCor Access Manager BTS (1 sector) Short PN Code PN Offset 246 I Q cos t Walsh #0 S I S Q Pilot FEC x Trans- mitter, Sector X Walsh #32 + Sync FEC x sin t Walsh #1 Paging FEC • A Forward Channel is identified by: • its CDMA RF carrier Frequency • the unique Short Code PN Offset of the sector • the unique Walsh Code of the user Walsh #12 Vocoder FEC a Channel Element Walsh #23 Vocoder FEC Walsh #27 Vocoder FEC Walsh #44 Vocoder FEC more more more 前向信道结构

卷积码 • 采用约束长度为9的卷积编码器 • IS95前向采用编码效率为1/2，反向采用1/3

QPSK调制 当所有不同信道用Walsh码调制后，采用QPSK调制，并转为模拟信号，累加后发射

反向 CDMA信道

Walsh码不为反向信道提供信道化 数据由28.8kbps扩展到307.2kcps 64阶正交调制

IS95CDMA信道总结

CDMA中的信源编码 可变速率声码器支持如下的信源编码 EVRC 支持话音激活典型的双工通话中，通话的占空比小于35%,不通话的时候降低发射速率，有效提高系统容量。

反向链路特点 由于移动台距离基站的远近不同，其路径损耗不同，差别可达80dB，“远近效应” 不同移动台信道条件不同反向功率控制要求高，控制动态范围大，灵敏度高，以补偿快速环境变化 CDMA链路特点前向链路特点 • 信道相同 • 一个基站发射的所有信道经过相同路径到达移动台，信号会同时衰减 • 前向信道正交性好 • 移动站利用导频信号作相干解调

CDMA系统是自干扰系统，限制CDMA系统容量的因素是总干扰CDMA系统是自干扰系统，限制CDMA系统容量的因素是总干扰当达到以下条件，系统容量最大当在可接受的信号质量下，功率最小基站从各个移动台接收到的功率相同在CDMA系统中，功率控制是关键技术 CDMA中的功率控制

功率控制类型 • 反向 • 开环功率控制 • 闭环功率控制 • 内环功率控制：800 Hz • 外环功率控制 • 前向 • 闭环功率控制 • 消息报告方式：周期报告、门限报告

反向开环功率控制 • 移动台所需发射功率受以下因素影响 • 移动台与基站距离 • 小区负荷 • 信道环境 • CDMA系统规定用一个常数来补偿路径损耗与小区负荷的影响，这个常数可由基站调整 • 移动台根据接收前向信道的功率，直接确定发射功率 • 发射功率=k-平均接收功率+NOM_PWR • +INIT_PWR+接入修正值反向开环功率控制是移动台根据在小区中所接收功率的变化，迅速调节移动台发射功率。其目的是试图使所有移动台发出的信号在到达基站时都有相同的标称功率。开环功率控制是为了补偿平均路径衰落的变化和阴影、拐弯等效应，它必须有一个很大的动态范围。IS95空中接口规定开环功率控制动态范围是－32dB～＋32dB。

反向闭环功率控制 • 内环功率控制 • 基站测量Eb/Nt和设定的目标Eb/Nt进行比较，大于则指令移动台降低发射功率，否则增加发射功率。调节速率为 800Hz • 外环功率控制 • 统计误帧率，设定所需的目标Eb/Nt

前向功率控制 • 移动台测量前向业务信道帧质量，周期方式或门限方式上报帧质量。基站根据上报的帧质量情况确定是否进行前向功率调节 • 前向功率控制是一种慢速功率调节。

Light Traffic Loading Ec/Io = (2/4) = 50% = -3 db. BTS Transmit Power Paging 1.5w I0 Sync 0.5w EC Pilot 2w Heavily Loaded BTS Transmit Power Traffic Channels 6w Ec/Io = (2/10) = 20% = -7 db. I0 Paging 1.5w Sync 0.5w EC Pilot 2w 小区呼吸当相邻小区的负荷一重一轻时，负荷重的小区降低导频信道的发射功率，使本小区边缘的用户切换到临近小区，从而实现负荷分担，也相当于增加了系统容量。

切换 • 软切换：在切换过程中，移动台开始与新的基站联系时，并不中断与原有的基站的通信。软切换会带来更好的话音质量，实现无缝切换、减少掉话可能，且有利于增加反向容量 • 更软切换：与软切换类似，发生在同一基站的不同扇区之间。 • 硬切换：在切换过程中，移动台与新的基站联系前，先中断与原基站的通信，再与新基站建立联系。硬切换过程中有短暂的中断，容易掉话。 • 不同频率间的切换 • 到其它系统的切换

软切换提高质量 改善话音质量控制手机干扰降低掉话率改善小区覆盖软切换需要手机协助完成手机搜索强的导频信号手机上报导频信号搜索情况基站引导手机进行软切换软切换

导频集 • 导频集是指具有相同的频率但有不同的PN码相位的导频集合 • 有效集：与正在联系的基站对应的导频集合。 • 候选集：当前不在有效集中，但是已有足够的强度表明与该导频对应基站的前向业务信道可以被成功解调的导频集合。 • 相邻集：当前不在有效集或候选集中但是有可能进入候选集的导频集合。 • 剩余集：其它导频集合。

软切换过程 (1) 导频强度超过T_ADD，MS向BS发PSMM将其加入候选集 (2 3) BS发HDM命令MS将该导频加入有效集, MS将该导频加入有效集后向BS发HCM (4) 导频强度小于T_DROP，手机启动T_DROP定时器 (5) T_DROP定时器超时，MS向BS发PSMM (6 7) BS命令MS将该导频从有效集中删除, MS将该导频放入相邻集, 然后向BS发HCM

移动台呼叫处理 开机移动台初始化状态移动台完全捕获系统定时移动台空闲状态收到除对始呼或寻呼响应消息证实以外的接入信道发送的证实业务信道使用结束被呼、始呼或登记系统接入状态指配到业务信道移动台控制在业务信到状态

移动台初始状态 移动台在这个状态选择并获得系统移动台空闲状态移动台在这个状态监视寻呼信道的消息系统接入状态移动台在这个状态通过接入信道向基站发消息移动台控制在业务信道状态移动台在这个状态使用正反向业务信道与基站通信移动台呼叫处理

移动台接入过程 • 术语 • 接入尝试 Access Attempt • 发送一条消息和接收(或接收失败)对该消息的证实的整个过程 • 接入试探 Access Probe • 由前缀和消息组成的一个接入信道的发射 • 接入试探序列 Access Probe Sequence • 一个或更多个在接入信道上接入试探的序列。在一接入尝试的每一个接入试探中所发送的接入信道消息是相同的。

CDMA 的发展主要历程