CDMA数字蜂窝移动通信系统.doc

13.2 CDMA 数字蜂窝移动通信系统CDMA 是一种以扩频技术为基础的多址通信技术，具有保密性好、抗干扰能力强和通信容量大等优点，因而在数字移动通信中得到了广泛的应用CDMA 数字蜂窝移动通信系统已成为数字移动通信技术发展的主流技术，典型的应用是 IS-95 CDMA 第二代数字蜂窝移动通信系统和第三代移动通信系统 CDMA2000、WCDMA 和 TD-SCDMA下面着重介绍 IS-95CDMA 数字蜂窝移动通信系统（简称 IS-95 CDMA 系统）13.2.1 IS-95 CDMA 系统概述IS-95 CDMA 是美国高通公司于 1992 年提出的，1993 年被北美电信址协会（TIA）采纳的北美数字蜂窝移动通信标准1995 年 5月 TIA 发布了 IS-95A 修订版标准1. 工作频段IS-95 CDMA 系统的工作频带为：① 上行（移动台发，基站收）频段为 869～894 MHz；② 下行（基站发，移动台收）频段为 824～849 MHz；③ 双工间隔为 45 MHzIS-95 CDMA PCS 系统的工作频带为：① 上行（移动台发，基站收）频段为 1850～1910 MHz；② 下行（基站发，移动台收）频段为 1930～1990 MHz；③ 双工间隔为 80 MHz。

2. 通信体制 IS-95 CDMA 系统采用 FDMA 和 DS-CDMA 相结合的混合多址通信方式采用 FDMA 方式将可用频段划分为若干个载波，每个载波带宽为1.25 MHz它是 IS-95 CDMA 系统小区的最小带宽业务量大时可以占有多个载波采用 DS-CDMA 方式接入，每个小区可采用相同的载波频率，即频率复用因子为 1数字蜂窝系统采用 DS-CDMA 技术具有以下优点：⑴ 可采用多种形式的分集技术（空间分集、时间分集和频率分集） ⑵ 较低的发射功率⑶ 保密性好⑷ 具有抗人为干扰、窄带干扰、多径干扰和多径时延扩展的能力⑸ 软切换⑹ 较容量⑺ 大容量⑻ 低信噪比或载干比要求⑼ 高频率复用等13.2.2 无线信道结构 1. 码分多址逻辑信道CDMA 系统既不分频道也不分时隙，所有的信道(称为逻辑信道)都是靠不同的码型来区别的IS-95 CDMA 系统采用沃尔什正交码（WC） CDMA 无线信道分为前向传输信道（基站发，移动台收）和反向传输信道（移动台发，基站收） 2. 前向信道在 IS-95 CDMA 系统中，前向信道由导频信道、同步信道、寻呼信道和前向业务信道组成，如图 13-1 所示。

前向信道共有 64 个沃尔什正交码(W0,W1,W2,…,W63),每个沃尔什正交码长 64 比特，构成 64个可同时传输的逻辑信道前向信道 （ 1 . 2 3 M H z )导频信道 寻呼信道 1 寻呼信道 7 业务信道 1 业务信道 2 4 同步信道 业务信道 2 5 业务信道5 5 W 1W 0 W 7 W 8 W 3 1 W 3 2 W 3 3 W 6 3. . .… . . .图 13-1 前向信道的组成⑴ 导频信道（PC） ，是基站连续发射的导频信号，供移动台识别基站，引导移动台入网并用于功率控制和越区切换的测量信号其信号功率比其他信道高 20dB⑵ 同步信道（SC）,是基站连续发送的同步信号，为移动台提供同步信息⑶ 寻呼信道（PgC） ，最多可以有七个，其功能是基站向小区内的移动台发送有关寻呼、指令和业务信道指配信息⑷ 前向业务信道（FTC） ，共有 55 个，其功能是传送用户业务信息和信令信息，共有四种传输速率:9.6 kb/s,4.8 kb/s,2.4 kb/s,1.2 kb/s3. 反向信道 在 IS-95 CDMA 系统中，反向信道由多个接入信道和多个反向业务信道组成，如图 13-2 所示。

反向信道 （ 1 . 2 3 M H z )接入信道1接入信道 n 业务信道 1业务信道m. . . . . .图 13-2 反向信道的组成⑴ 接入信道（AC）是一个随机接入信道，用于传送移动台响应基站命令和发起呼叫最多可设置 n=32 个接入信道（PNA1～PAn） 接入信道的传输速率为 4.8 kb/s⑵ 反向业务信道（RTC）用于传输用户业务数据和信令信息最多可设置 m=64 个反向业务信道（PNT1～PNTm） 13.2.3 语音编码技术 IS-95 CDMA 系统所采用的语音编码算法是 QCELP，即码激励的可变速率混合编码方案，其特点主要有：⑴ 基于线性预测编码⑵ 使用码表矢量量化差值信号代替简单线性预测中产生的浊音准周期脉冲的脉冲位置和幅度，用伪随机矢量代替线性预测中产生的清音⑶ 采用话音激活检测（VAD）技术在话音间隙期，根据不同的信噪比情况，分别选择 9.6kb/s、4.8 kb/s、2.4 kb/s、1.2 kb/s 四种话音质量等级的传输速率，从而有效地降低平均传输速率数据速率的选择是基于每一帧的信号能量与三个门限值 T1(Bi)、T2(Bi)、T3(Bi)的比较，其中 Bi为背景噪声值，每帧的信号能量由相关函数 R（ 0） 值确定。

其数据速率选择规则是：① 若 R（ 0） 大于 3 个门限值，则选择速率“1” ，即 9.6 kb/s；② 若 R（ 0） 大于 2 个门限值，则选择速率“1/2” ，即 4.8 kb/s；③ 若 R（ 0） 大于 1 个门限值，则选择速率“1/4” ，即 2.4 kb/s；④ 若 R（ 0） 小于所有门限值，则选择速率“1/8” ，即 1.2 kb/s同时，话音激活技术是有效降低 CDMA 多址干扰的首选技术对通话时的语音信号分析统计表明，不讲话和话音停顿的时间占整个通话时间的 60%以上如果按有声音和无声音来控制发射机的发射或不发射，则能使 CDMA 多址干扰减少 60%显然，采用话音激活技术能有效地提高系统容量⑷ 参量编码的主要参量每帧更新图 13-3 给出了 QCELP 编码的原理图，QCELP 的编码原理是：① 模拟语音信号按 8 kHz 进行抽样；② 按照 20 ms 划分为一个语音帧，每帧共 160 个样值；③ 对 160 个样值进行分析处理生成三个参数子帧；④ 12 个预测滤波参数 a1a2a12 每 20ms 更新一次（对任何速率） 音调参数 L 和 b、码表参数 T 的更新次数与编码速率相关。

伪随机矢量矢量码表音调合成滤波器线性预测编码滤波器自适应滤波器增益控制×G增益图 13-3 QCELP 语音编码器原理图QCELP 采用了动态音调合成滤波器、线性预测滤波器和自适应滤波器，有效地改善了合成语音的质量（特别是自然度） 其编码过程是：① 根据不同的传输速率选择不同的矢量对传输速率（1.2kb/s） ，选用伪随机矢量；② 生成的矢量加上增益后，经音调合成滤波器、线性预测编码滤波器和自适应滤波器分析处理，量化后经增益控制后输出合成语音信号13.2.4 IS-95 CDMA 功率控制技术1. 概述在 CDMA 系统中，功率控制是一项非常关键的技术，前面介绍的话音激活技术属于功率控制的方法之一IS-95 CDMA 系统采用功率控制技术来实现以下目标：有效地克服由于电波传播的“阴影效应”而产生的慢衰落；有效地克服由于用户随机移动而引起的“远近效应”和“角效应” ；有效地减少由于同时通信的各用户共用同一频段和时隙而引起的 CDMA 多址干扰IS-95 CDMA 采用信干比平衡准则与误帧率平衡准则相结合的混合型准则，即采用信干比平衡准则，目标函数由误诊率确定在IS-95 CDMA 中，由于下行（前向）链路优于上行（反向）链路，因此下行链路的功率控制不是重点，故采用相对简单的慢速功率控制。

由于上行链路是功率控制的重点，因而采用比较复杂的功率控制方法上行链路功率控制由粗控、精控和外环控制三部分组成由移动台完成的闭环功率控制实现精控，外环控制确定闭环精确功率控制中的门限值2. 下行（前向）链路功率控制下行链路功率控制方式为慢速闭环功率控制，功率控制的依据是各移动台的误帧率当移动台处于小区边界或阴影区时，下行链路接收条件较差，移动台的误帧率较高基站根据各移动台的误帧率（与一给定阈值比较） ，控制各种移动台的发射功率同时，当各移动台接收到的坏帧数超过给定的阈值时，也会自动向基站报告，由基站控制各移动台的发射功率功率控制调节步长一般为 0.5 dB（12%） 当负荷接近容量时，步长降为 6%，调节范围为±4～±6 dB3. 上行（反向）链路功率控制各移动台根据测量的总接收功率，粗略估计其发射功率，完成开环功率控制调节步长 0.5 dB ,调节范围为-32～+32 dB移动台根据前向业务信道中的功率控制比特来调整其发射功率功率控制比特为“0”表示增加发射功率，功率控制比特为“1”表示减小发射功率闭环功率控制过程范围为-24～+24 dB图 13-4给出了美国高通公司的功率控制方案闭环功率控制过程如下：⑴ 基站接收机接收到的移动台的发射信号经 PN 码解扩和哈达码变换后，其功率值按一个功率控制组（1.25 ms ）进行平均。

对每个接收到的沃尔什码进行功率测量，取 64 个解调值中的最大值，然后将每个功率控制组中六个沃尔什码的最大值相加并取其平均，得到移动台发射信号功率 P1值⑵ 用户数据译码器产生用户数据与译码差错度量值⑶ 帧速率判定的作用是根据用户数据和译码差错确定移动台的发送帧速率⑷ 外环功率控制处理器根据判定的帧速率来计算预定接收功率P0值⑸ 比较 P1与 P0值若 P1﹥ P0，则发出减小发射功率指令“1” ；若 P1﹤P0，则发出增大发射功率指令“0” ，并将功率控制调整指令插入到前向业务信道中的功率控制比特中接收机 相关器 哈达码变换用户数据译码器帧速率判决器P N 码发生器功率平均器外环功率控制器门限比较器功率增减指令发生器发射机图 13-4 美国高通公司功率控制方案13.2.5 软切换技术当移动台由一个小区进入另一个小区时就需要进行越区切换越区切换过程主要包括：测量、决策和执行⑴ 测量：移动台负责测量下行链路的接收信号质量、所属小区和新小区的信号强度；上行链路信号质量由基站测量⑵ 决策：将测量的结果与给定的阈值门限进行比较，决定是否进行越区切换⑶ 执行：移动台由所属小区切换到新的小区越区切换技术主要有硬切换和软切换，软切换又可分为更软切换和软/更软切换。

更软切换是指在一个小区内的扇区之间的信道切换，由基站完成软/更软切换是指在一个小区内的扇区与另一个小区或另一个小区的扇区之间的信道切换在 IS-95 CDMA 中，采用三种类型的切换技术：硬切换、软切换和更软切换⑴ 当移动台穿越不同工作频率的小区进行软切换，即移动台先要断开与原小区基站的链接，然后再与新小区基站建立链接⑵ 当移动台穿越相同工作频率的小区时进行软切换，即移动台先与新基站建立链接，然后再断开与原小区基站的链接⑶ 当移动台在同一小区内穿越相同频率的不同扇区时进行更软切换13.2.6 Rake 接收技术在 IS-95 CDMA 系统中，移动台和基站都使用了 Rake 接收机，通过充分利用多径信号的能量来提高有用信号的传输质量图 13-5给出了 IS-95 CDMA 基站 Rake 接收机的原理框图每个小区分成三个扇区，每个扇区都有一个发射天线和两个接收天线，共有六个接收天线从六个接收信号中搜索出四个较强的信号进行解调，由合并处理，从而实现分集接收接收和搜索解调器解调器解调器解调器合并处理去交织器1234561234图 13-5 IS-95 CDMA 基站 Rake 接收机的原理图13.2.7 第三代移动通信系统1. 概述目前，移动通信已逐渐成为现代通信的主流。

自 1983 年美国在芝加。