第七章 CDMA技术.docx

第七章 N-CDMA 技术第一节 概述IS-95是1992年由美国高通公司提出的，1993年被北美电信工业协会（TIA）采纳的第 一个CDMA商用移动通信技术空中接口标准后来，此标准经过了几次修改，1995年5月颁 布了 A版修订本由于IS-95标准的扩频码速率为1.2288MHz,占用带宽为1.25MHz,为了与 第三带5MHz带宽的CDMA系统区分，一般将IS-95 CDMA系统又称为窄带码分多址（N-CDMA） 移动通信系统数字蜂窝移动通信系统采用DS-CDMA技术将带来下列好处：（1）多种形式的分集（时间 分集，空间分集和频率分集），（2）低的发射功率，（3）保密性，（4）软切换，（5）大容量， （6）话音激活技术，（7）频率再用及扇区化，（8）低的信噪比或载干比需求，（9）软容量 这些特性在满足用户需求方面具有独特的优势，因而得到迅速发展本章主要介绍基于IS —95标准的窄带扩频CDMA数字蜂窝移动通信技术CDMA 系统中的扩频原理扩频的基本原理基于 Shannon's 公式：C = W log2（l + S / N）这公式说明：对一个给定的信道容量而言，既可以用增大信道带宽同时相应降低信噪比 的办法达到，又可以用减小信道带宽同时相应增大信噪比的办法实现。

这就是说：信道容量 可以利用带宽与信噪比的互换而保持不变当然，并不是说，任一系统随意扩展其传输带宽就一定能获得信噪比的互换，因此在设 计实际的通信系统时，应该采取有效的方法来实现这种带宽与信噪比的互换，扩频技术就是 一种行之有效的手段列举一个生动的例子：CDMAiGreatKanichi wa!Vous vene igi souvenlSie haben recht, fraiileinInternational Cuisine19600©2000INTERNATIONAL DINING ROOM A CDMA ANALOGY h ■ =我们的例子没有考虑纠错和抗干扰编码，International Cuisine19601丿©2000SHOOTING THE BREEZE WITH CDMA SCRAMBLINGKJ多代理想传输例：如图1-3所示，将两个用户的不同的数据，m^t)和m2(t)，同时在同一频带里传输, 分别使用正交码C](t)和c2(t)来区分消息m卫)由C](t)进行扩频，消息m2(t)由c2(t)进行扩频 扩频后的信号m](t)C](t)和m2(t)c2(t)叠加同时在同一媒质的同一波段传播。

在接收端先用对应 的码解调积分，然后经过判决器，恢复出来的信号与发送端是一致的C2（ °c2（ t）发送端信道接收端图 1-3 直接序列扩频原理图我们假设待发送的信号mx为(+1,-1, +1), m2为(+1, +1,-1),而所用的扩频码 5 和 c2分别为(-1，-1，+1，+1)和(-1, +1，+1,-1)图 1-4 示出了 m^t)、C](t)、m1(t)c1(t) 和m2(t)、c2(t)、m2(t)c2(t)的波形和带宽我们知道，一个随机数字波形的带宽为1/T,其中 T是一比特的时长图1-4中的Tb为待发送消息的比特时长(单位为秒)，T为正交码的码 bc片时长本例中，正交码码片速率(1/T )是消息比特速率(1/ Tb)的4倍所以，我们采 cb用的扩频系数为4扩频系数也就是处理增益W/R,其中，W是扩频后消息的带宽，R是基带消息的带宽本例中，W等于(1/ T)，R等于(1/ Tb)我们从图1-4中可看出，经过正 cb交码扩频后，扩频的消息m](t)C](t)和m2(t)c2(t)比原消息占用更高的带宽图1-5示出了接收端不同点处的波形A点的信号是两个扩频消息m 1(t)c1(t)和m2(t)c2(t) 的和，既A处的波形含有两个独立的发送信号。

为了恢复m1(t)和m2(t)，在A处，分别用 扩频码c1(t)和c2(t)与A处的接收信号相乘得到如图1-5所示的B1和B2信号图1-6示出了 在C1和C2处的信号，和恢复以后的信号m「(t)和m2' (t)积分器按基带信息的比特时长 Tb将信号的能量加起来，判决器按照积分器输出是否大于零而决定特定的比特是+1还是-1b从图1-6可以看出，恢复的信号m「(t)和m2' (t)与发送的信号m^t)和m2(t)是一致的，这 就说明了扩频的原理m (t)M/f)1/Tbc (t)cm1C (f)11/T 1/Tb c1/T1/TbM1(f)*C (f)1cm (t)M (f)21/TC (f)2bm2c (t)「I丨丨1bc1/T 1/Tb cM (f)*C (f)图 1-4 发送端波形和频谱图接收端波形和频谱图图 1-5bbbbbM '(f)bC图 1-5 积分器和判决器的波形和频M '(f)b0BPFBPF228 Mbps228 MbpsDIGITAL FILTERENCODING & INTERLEAVING25 MHzDATA(9.6 Kbps)10 KHzEXTERNAL INTERFERENCECARRIER1 25 MHz1.25 MHz1.25 MHzCARRIERDATA1.25 MHzOTHER USER NOISE (ISC)WIDEBAND SPECTRUMDEINTERLEAVE DATA& DECODE.25 MHzCDMA 系统的容量二-169 dB/Hz1oBACKGROUND NOISEJ11L*0OTHER CELL INTERFERENCE (IOC)决定CDMA数字蜂窝系统容量的主要参数是：处理增益、Eb /N。

话音负载周期、频率再用效率、以及基站天线扇区数若不考虑蜂窝系统的特点，只考虑一般扩频通信系统，接收信号的载干比可以写成C R E=—b——bI N W0(E )(7-14) b{N丿' 0 7式中，E是信息的比特能量；R是信息的比特能量；N是干扰的功率谱密度；W是总频 bb0段宽度（即CDMA信号所占的频谱宽度）；E /N类似于通常所谓的归一化信噪比，其取 b0值决定于系统对误比特率或话音质量的要求，并与系统的调制方式和编码方案有关；W/R 是系统的处理增益若m个用户共用一个无线信道，显然每一用户的信号都受到其他m -个用户信号的干扰假设到达一个接收机的信号强度和各干扰强度都相等，则载干比为：(7-15)I RbRb丿信道/小区(7-16)式（7-10）没有考虑在扩频带宽中的背景热噪声n，如果把耳考虑进去，则能够接入此系统的 用户数可表示为：■b信道/小区(7-17)结果表明，在误比特率一定的条件下，降低热噪声功率，减小归一化信噪比，增大系统的处 理增益都将有利于提高系统的容量应该注意这里的假定条件，所谓到达接收机的信号强度和各个干扰强度都一样，对单 一小区（没有临近小区的干扰）而言，在正向传输时，不加功率控制即可满足；但在反向传 输时，各个移动台向基站发送的信号必须进行理想的功率控制才能满足。

其次，应根据 CDMA 蜂窝通信系统的特点对这里得到的公式进行修正 1．采用话音激活技术提高系统容量在典型的全双工通话中，每次通话中话音存在时间小于35%，亦即话音的激活期（占空 比）d通常小于35%如果在话音停顿时停止信号发射，对CDMA系统而言，直接减少了 对其他用户的干扰，即其他用户受到的干扰会相应地平均减少 65%，从而使系统容量提高到原来的1/d二2.86倍为此，CDMA系统的容量公式被修正为m = 1 +IR■b信道/小区(7-18)当用户数目庞大并且系统是干扰受限而不是噪声受限时，用户数可表示为：信道/小区(7-19)(E ) bIN丿' oy2．利用扇区划分提高系统容量CDMA小区扇区化有很好的容量扩充作用利用120o扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝 小区划分成3个扇区时，处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之一，相应的各用户之 间的多址干扰分量也就减少为原来的三分之一，从而系统的容量将增加约3倍（实际上，由 于相邻天线覆盖区之间有重叠，一般能提高到G=2.55倍左右）为此CDMA系统的容量公 式又被修正为r w「(E )1m-1+b-〔R丿/{ N' 0 7d-G （信道/小区）(7-20)其中， G 为扇区分区系数。

3．频率再用在 CDMA 系统中，所有用户共享一个无线频率，即若干个小区内的基站和移动台都工 作在相同的频率上因此任一小区的移动台都会受到相邻小区基站的干扰，任一小区的基站 也会受到相邻小区移动台的干扰这些干扰的存在必然会影响系统的容量其中任一小区的 移动台对相邻小区基站（反向信道）的总干扰量和任一小区的基站对相邻小区移动台（正向 信道）的总干扰量是不同的，对系统容量的影响也有多差别对于反向信道，因为相邻小区 基站中的移动台功率受控而不断调整，对被干扰小区基站的干扰不易计算，只能从概率上计 算出平均值的下限然而理论分析表明，假设各小区的用户数为 M， M 个用户同时发射信 号，正向信道和反向信道的干扰总量对容量的影响大致相等因而在考虑邻近蜂窝小区的干 扰对系统容量影响时，一般按正向信道计算对于正向信道，在一个蜂窝小区内，基站不断地向移动台发送信号，移动台在接收它自 己所需的信号时，也接收到基站发给其他移动台的信号，而这些信号对它所需的信号将形成 干扰当系统采用正向功率控制技术时，由于路径传播损耗的原因，位于靠近基站的移动台， 受到本小区基站发射的信号干扰比距离远的图7.12 CDMA系统移动台受干扰示意图移动台要大，但受到相邻小区基站的干扰较 小；位于小区边缘的移动台，受到本小区基 站发射的信号干扰比距离近的移动台要小， 但受到相邻小区基站的干扰较大。

移动台最 不利的位置是处于 3 个小区交界的地方，如 图 7.12 中的 MS 所在点假设各小区中同时通信的用户数是 M， 即各小区的基站同时向M个用户发送信号， 理论分析表明，在采用功率控制时，每小区同时通信的用户数将下降到原来的 60%，即1G-卩信道/小区）(7-21)信道复用效率F=0.6,也就是系统容量下降到 没有考虑邻区干扰时. 的 60%此时， CDMA 系统的容量公式再次被修正为.MS.三种系统容. 量的比较在作比较之前我们先考虑FDMA和TDMA蜂窝系统容量的计算方法一个无线电系统的容量被定义为一定频段内所能提供的信道数或用户的最大数目或系统输 入话务总量（Erlang）它与信道的载频间隔、每载频的时隙数、频率资源和频率复用方式、 基站设置方式等有系统移动前受干扰示无线容量m来表。