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第 8 章 CDMA 蜂窝移动通信系统

第 8 章 CDMA 蜂窝移动通信系统. 本章提示.  CDMA 蜂窝移动通信系统是建立在扩频码分多址技术之上的，因而具有抗人为干扰、抗窄带干扰、抗衰落、抗多径时延扩展和大的系统容量等一系列优越的性能，对移动通信的发展产生了巨大和深远的影响。. 本章提示.  CDMA 系统是一个同频自干扰系统，任何使干扰减少的措施，都是对系统容量的贡献。  精确功率控制技术是 IS-95 CDMA 系统能够运行的基本保证。没有功率控制， CDMA 系统是不可能实现的。. 本章提示.

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第 8 章 CDMA 蜂窝移动通信系统

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  1. 第8章 CDMA蜂窝移动通信系统

  2. 本章提示 •  CDMA蜂窝移动通信系统是建立在扩频码分多址技术之上的，因而具有抗人为干扰、抗窄带干扰、抗衰落、抗多径时延扩展和大的系统容量等一系列优越的性能，对移动通信的发展产生了巨大和深远的影响。

  3. 本章提示 •  CDMA系统是一个同频自干扰系统，任何使干扰减少的措施，都是对系统容量的贡献。 •  精确功率控制技术是IS-95 CDMA系统能够运行的基本保证。没有功率控制，CDMA系统是不可能实现的。

  4. 本章提示 • 在TDMA系统中，DTX和扇区化技术增强了系统的抗干扰能力，与系统容量扩大无关。在CDMA系统中的话音激活、扇区化和扩频处理增益是CDMA系统容量扩大的基本技术。 •  多址干扰是CDMA系统实现大的系统容量的主要问题，需要使用新的多用户检测技术。多用户检测是3G技术，不在本教材范围内。

  5. 本章提示 •  IS-95 CDMA系统的前向信道是相干解调，反向信道是非相干解调，这是CDMA系统实现大的系统容量的又一瓶颈。3G将解决这一问题。 •  软切换、软容量是CDMA系统独有的技术，TDMA系统是不可能有的。

  6. 第8章 CDMA蜂窝移动通信系统 • 8.1 IS-95 CDMA系统概述 • 8.2 IS-95 CDMA数字蜂窝移动通信系统 • 8.3 IS-95 CDMA系统的无线链路 • 8.4 IS-95 CDMA系统的同步与定时 • 8.5 IS-95 CDMA 系统的功率控制 • 8.6 CDMA系统的软切换技术及其漫游 • *8.7 cdma2000-1x 概述

  7. 8.1 IS-95 CDMA系统概述 • 8.1.1 双模系统和技术标准 • 8.1.2 IS-95 CDMA与蜂窝结构的关系 • 8.1.3 采用扩频CDMA技术带来的好处和存在的问题

  8. 8.1.1 双模系统和技术标准 • 1．对系统的要求 • 新一代蜂窝系统的移动台既能工作于新系统，也能工作于模拟蜂窝网系统（AMPS系统），这就是双模式移动台的概念。

  9. 1．对系统的要求 • 双模式移动台既能以模拟调频方式工作，又能以新系统的方式工作，或者说双模式移动台无论在模拟蜂窝系统中还是在某一种数字蜂窝系统中，均能向其他用户发起呼叫和接收呼叫，两种蜂窝系统也能向双模式移动台发起呼叫和接收呼叫，而且这种呼叫无论在定点上还是在移动漫游过程中都是自动完成的。

  10. 1．对系统的要求 • 目前，在美国存在两种双模式移动台：一种是时分多址（TDMA）数字系统和模拟调频系统（AMPS）的兼用，其标准为IS-54，其系统简称为D-AMPS；另一种是码分多址 （CDMA）数字系统和模拟调频系统的兼用，其主要标准是IS-95。

  11. 2．CDMA蜂窝网的崛起 • CDMA蜂窝网通信系统是20世纪90年代崛起的，并且已经进入实用化、商业化。 • 不难预计，CDMA通信系统未来的发展规模和速度必将越来越大和越来越快。

  12. 3．IS-95标准 • IS-95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Q-CDMA标准，主要包括下列几部分。

  13. 3．IS-95标准 • （1）频段 • 下行：869MHz～894MHz（基站发射），824MHz～849MHz（基站接收）； • 上行：824 MHz～849MHz（移动台发射），869MHz～894MHz（移动台接收）。

  14. 3．IS-95标准 • （2）信道数 • 每一载频：64（码分信道）； • 每一小区可分为3个扇形区，可共用一个载频； • 每一网络分为9个载频，其中收、发各占12.5MHz，共占25MHz频段。

  15. 3．IS-95标准 • （3）射频带宽 • 第一频道：2 × 1.77MHz； • 其他频道：2 × 1.23MHz。 • （4）调制方式 • 基站：QPSK； • 移动台：OQPSK。

  16. 3．IS-95标准 • （5）扩频方式 • DS（直接序列扩频）。 • （6）语音编码 • 可变速率CELP，最大速率为8kbit/s，最大数据速率为9.6kbit/s。每帧时间为20ms。

  17. 3．IS-95标准 • （7）信道编码 • 卷积编码：下行码率R =，约束长度K = 9；上行码串R =，约束长度K = 9。 • 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215 − 1；用户识别码242 − 1。 • 64个正交沃尔什函数组成64个码分信道。

  18. 3．IS-95标准 • （8）导频、同步信道 • 它们供移动台做载频和时间同步时使用。 • （9）多径利用 • 多径利用采用RAKE接收方式，移动台为3个，基站为4个（指3条路径、4条路径）。

  19. 8.1.2 IS-95 CDMA与蜂窝结构的关系 • 在FDMA（频分多址）和TDMA（时分多址）系统中，频率复用与蜂窝区群的结构具有紧密关系。

  20. 1．DS-CDMA蜂窝系统的频谱带宽 • N-CDMA蜂窝系统频谱带宽的确定，是基于如下考虑：频谱资源的限制；系统容量；多径分离；扩频处理增益。

  21. 1．DS-CDMA蜂窝系统的频谱带宽 • 对于FDMA模拟蜂窝系统，其频谱效率主要取决于频率复用的蜂窝区群结构。一般需采用7小区（3扇区）的区群结构才能满足载干比(C/I)大于或等于18dB的要求，其频率复用效率为1/7。

  22. 1．DS-CDMA蜂窝系统的频谱带宽 • 在TDMA数字蜂窝系统中，一般需采用3小区（3扇区）的区群结构，满足载干比等于9dB的要求，其频率复用效率为1/3。

  23. 1．DS-CDMA蜂窝系统的频谱带宽 • 对于CDMA数字蜂窝系统来说，频率复用的效率取决于相邻近小区用户的多用户干扰，考虑这些干扰后，其频率复用效率约为2/3，相当于l.5小区的区群结构。

  24. 2．CDMA与蜂窝小区和扇区的关系 • 在FDMA和TDMA蜂窝系统中，系统内的小区和扇区都是靠频率来划分的。 • 每个小区或扇区都有它自己的频点。CDMA蜂窝系统每个载频占用的频段为1.25MHz带宽，不同的DS-CDMA蜂窝系统可采用不同的载频区分。 • 同一个DS-CDMA蜂窝系统的某一个载频，则是采用码分选择站址的，即对不同的小区和扇区基站分配不同的码型。

  25. 2．CDMA与蜂窝小区和扇区的关系 • 在IS-95 CDMA系统中，这些不同的码型是由一个PN码序列生成的，PN序列周期为215 = 32768个码片（chip），并将此周期序列每隔64码片移位序列作为一个码，共可得到 32768/64= 512个码。

  26. 2．CDMA与蜂窝小区和扇区的关系 • 在1.25MHz带宽的CDMA蜂窝系统中，可区分多达512个基站（或扇区站）。 • 在一个小区（或扇区）内，基站（BS）与移动台（MS）之间的信道，是在PN序列上再采用正交序列进行码分的信道。

  27. 2．CDMA与蜂窝小区和扇区的关系 • 一般将基站到移动台方向的链路称做前向链路（Forward Link），将移动台到基站方向的链路称做反向链路（Reverse Link）。前向链路和反向链路均是由码分物理信道构成的。 • 利用码分物理信道可以传送不同功能的信息。依据所传送的信息功能不同而分类的信道，称为逻辑信道。

  28. 8.1.3 采用扩频CDMA技术带来的好处和存在的问题 • 1．带来的好处 • 数字蜂窝移动通信系统采用扩频CDMA技术将带来下列好处：多种形式的分集（时间分集、空间分集、频率分集），低的发射功率，保密性强，软切换，大容量，语音激活，频率重用及扇区化，低的信噪比 或载干比 ；软容量。

  29. 2．存在的问题 • 多址干扰的实质原因是由于多个用户要求同时通信，而又不能完全将他们彼此隔开而引起的干扰。 • CDMA系统为一干扰受限系统，即干扰的大小直接影响系统容量。

  30. 2．存在的问题 • 除了多址干扰本身直接的影响外，在上行链路中，如果保持小区内所有移动台的发射功率相同，由于小区内移动台用户的随机移动，使得移动台与基站间距离是不同的，接近基站的移动台信号强，远离基站的移动台信号弱，因而会产生以强压弱现象，而设备的非线性就更会加速这一现象的产生，这就是“远近效应”。

  31. 2．存在的问题 • 在下行链路中，当移动台位于相邻小区的交界处时，受到所属基站的有用信号功率很低，同时还会受到相邻小区基站较强的干扰，这就是“角效应”。 • 除此之外，电波传播中由于大型建筑物的阻挡形成“阴影效应”产生慢衰落。这些现象将会导致系统容量下降和实际通信服务范围缩小等。

  32. 2．存在的问题 • 多址干扰、远近效应都是码分多址移动通信中最为重要的问题。

  33. 3．扩频CDMA数字蜂窝系统的关键技术 • 扩频CDMA数字蜂窝系统的关键技术有：功率控制技术，多径信号的分离与合并技术，多用户干扰分离技术，同步技术，PN地址码的选择，软切换技术，分集接收技术，语音编码技术。

  34. 8.2 IS-95 CDMA数字蜂窝移动通信系统 • 8.2.1 CDMA系统网络结构与组成 • 8.2.2 CDMA系统接口与信令协议

  35. 8.2.1 CDMA系统网络结构与组成 图8-1 CDMA数字蜂窝移动通信系统的网络结构

  36. 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。

  37. 1．网络子系统 • 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。

  38. 1．网络子系统 图8-2 移动交换中心（MSC）结构

  39. 1．网络子系统 • 移动交换中心（MSC）的其他功能与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和为其他公用通信网络，如公用交换电信网（PSTN）、综合业务数字网（ISDN），提供链路接口。

  40. 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。

  41. 2．基站子系统 图8-3 基站控制器结构简化图

  42. 2．基站子系统 图8-4 单个扇区的设备组成方框图

  43. 3．移动台 • 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。

  44. 3．移动台 图8-5 双模式移动台方框图

  45. 8.2.2 CDMA系统接口与信令协议 • 1．系统接口 • CDMA系统有如下主要接口（见图8-6）。 • MS与BSS间的接口——Um • MSC与EIR间的接口——F • BSS与MSC间的接口——A • VLR与VLR间的接口——G • MSC与VLR间的接口——B • HLR与AUC间的接口——H

  46. 1．系统接口 • MSC与HLR间的接口——C • MSC与PSTN间的接口——Ai • VLR与HLR间的接口——D • MSC与PSPDN间的接口——Pi • MSC与MSC间的接口——E • MSC与ISDN间的接口——Di

  47. 1．系统接口 • 图中MC为短报文中心，是存储和转发短报文的实体。短报文实体（SME）是合成和分解短报文的实体。它们之间的接口为M。

  48. 1．系统接口 图8-6 CDMA系统的接口

  49. 2．空中接口的信令协议 • 在CDMA系统中，最重要的是空中接口（Um）标准，图8-7中定义了各层的结构关系。

  50. 2．空中接口的信令协议 图8-7 Um接口信令层结构

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