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第十四章 CDMA系统
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一、概述 CDMA (Code Division Multiple Access)，是一种多址接入技术。 在CDMA通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分的，而是用各不相同的编码序列来区分的，即靠信号的不同波形来区分的。多个CDMA信号在频域和时域上是重叠的，接收机用相关器在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。
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图１４－１ DS-CDMA中的扩频和解扩
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CDMA的特点 －理论上来说，CDMA系统比FDMA系统和TDMA系统有更大的容量； －CDMA系统具有“软容量特性”； －CDMA系统具有“软切换”功能； －CDMA系统同时又是一个直接扩频通信系统。
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下行：870.0000MHz+Freq.No×0.03MHz CDMA的带宽：1.2288MHz 0.6144MHz －频率资源
IS-95推荐Freq.No为283、384、676、777；其中283为联通的Freq.No 上行： MHz+Freq.No×0.03MHz 下行： MHz+Freq.No×0.03MHz CDMA的带宽：1.2288MHz MHz
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MS可以完成与3个扇区同时通信。 解调一路信号 不停扫描Short PN Offset 3 个解码，一个搜索
图１４－２ Rake Receive 3 个解码，一个搜索 解调一路信号 不停扫描Short PN Offset MS可以完成与3个扇区同时通信。
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－地址码 各用户使用经过特别挑选的不同的地址码，彼此之间不会造成干扰。 每一个比特时间被划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。 每个用户被指派一个唯一的m 位码片序列：发送1时，则发送自己的m位码片序列；发送0时，则发送m位码片序列的二进制反码，记作(-1)*m。 每个用户分配到的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交。
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假设向量S表示用户S的码片向量，T表示其他站的码片向量：
任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1。
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二、Code －Short PN： CDMA中必须严格时钟同步，才能对齐信号，解调出信息，Short PN用于区分不同扇区的信号。 －Long Code：用于区分不同的反向的逻辑信道。 －Walsh Code：用于区分不同的前向的逻辑信道。
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Short PN 由15位移位寄存器产生，用其偏移量(offset)区分不同的站点(site)。 Cdma空中传输速率：1.2288MCPS Short PN一周期26.5ms 电磁波传播速率：3105Km 1.2288/3105=4.1Chip每公里引起4.1Chip偏差。
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实际系统中，使用64Chip offset区分site，既两个site到MS的距离相差16km，可能引起site混淆(利用衰落区分)
可能的站点数量：215/64=32768/64=512 实际中：512/3~4 Short PN用来区分小区。
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Long Code 由42位移位寄存器产生。 242=4.4 Trilon(万亿) 以1.2288MCPS速率，一周期为41天。 用来区分上行逻辑信道。
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Walsh (沃尔什)码 １.Walsh函数 ～是一种非正弦的完备正交函数系。它仅有可能的取值为：+1和-1(或者0和1)。 ～比较适合用来表达和处理数字信号。 ～具有理想的互相关特性。在Walsh函数族中，两两之间的互相关函数为“0”，亦即它们之间是正交的。在CDMA系统中，Walsh函数作为地址码来使用。
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Walsh Code： W0: W1: W7: 图１４－３ Walsh code
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实际用64阶 特性： －W(n)+W(m)= 用Walsh码区分不同下行逻辑信道。 1
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三、多址干扰和功率控制 多址干扰 CDMA系统是自干扰系统。当系统内移动用户的数目增加到一定程度时，将会使接收地点的信号电平与干扰电平之比达不到要求。 －反向多址干扰：移动台在接收所属基站发来的信号时，会受到所属基站和邻近基站向其他移动台所发信号的干扰；－前向多址干扰：基站在接收某一移动台的信号时，会受到本小区和邻近小区其他移动台所发信号的干扰。
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图１４－４ CDMA蜂窝系统的多址干扰
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功率控制 远近效应：在DS-CDMA系统中，不同用户发射的信号由于距基站的距离不同，到达时的功率也不同。距离近的信号功率大，距离远的功率小，相互形成干扰。 DS-CDMA系统要求所有用户到达基站接收机信号的平均功率要相等才能正常解扩。 因为CDMA是一个自干扰系统，所有用户共同使用同一频率，所以“远近效应”问题更加突出。
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功率控制原理 －开环控制：主要是用户根据测量到的帧差错概率来调整发射功率。 －闭环控制：由基站根据收到移动台发来的信号测量其信干比(SIR)发出指令，调整移动台发射机的功率。
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反向功率控制(MSBTS) 主要是使任一移动台无论处于什么位置上，其信号在到达基站的接收机时，都具有相同的电平，而且刚刚达到信干比要求的门限。
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前向功率控制(BTSMS) 其目的是调整基站向移动台发射的功率，使任一移动台无论处于蜂窝小区中的任何位置上，收到基站的信号电平都刚刚达到信干比所要求的门限值。
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四、系统容量 CDMA系统不受频率的限制，但是同样存在着多址干扰。系统中移动用户数量越多，多址干扰就越强。系统容量就是指在保证信号功率与干扰功率的比值大于或等于某一门限值，使信道能提供可以接受的话音质量为前提，系统中可以同时进行的通话数量。
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实际应用中的容量计算： S：扇区系数 0.853 F：相邻基站干扰 0.6 d：语音激活系数 0.4 W0：带宽 Eb：码片能量 R：码片速率 I0：噪声
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五、逻辑信道 前向信道(Forward) －Pilot(导频信道)：W0 －Sync(同步信道)：W32 －Paging(寻呼信道)：W1-7 －Traffic(话务信道)：else Walsh 反向信道(Reserve) －Access(接入信道)：Long code －Traffic(话务信道)：Long code
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前向信道(BTS to MS) １.Searcher Pilot：搜索导频信道 ２.Finger (解码) Sync、Paging、Traffic
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１.导频信道(Pilot channel) ～传输的是基站连续发出的导频信号。导频信号是一种未调制的PN码，令移动台可以迅速而精确地捕获信道的定时信息，并提取相干载波进行信号的解调。 移动台通过对周围不同基站的导频信号进行检测和比较，可以决定什么时候需要进行越区切换。
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２.同步信道(Sync Channel) 功能 与信道同步：同步时间(系统时间)、同步Long Code、获取PN偏置(PN offset) 内容 系统识别符(SID)/网络识别符(NID)，来区分不同网络；导频短码偏移量，来区分不同的基站/扇区；长码状态；系统时间(SYS_TIME)；寻呼信道数据速率(PRAT)：4.8或9.6Kbps
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Sync信道信息加工过程 卷积编码：在数据传输之前进行，编码率为1/2，约束长度为9 码元重复：目的是在前向话务信道上，将各种信息速率变换成相同的调制码元速率，即19200CPS 交织编码：抵抗连续的突发性 使用W32来区分与其他前向信道，速率为1.2288MCPS;
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３.寻呼信道(Paging Channel) 功能 使得MS获得系统参数；系统寻呼MS 内容 系统参数消息，如基站标识符、寻呼信道数；相邻小区列表消息/寻呼消息
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Paging信道上信息加工过程 卷积编码：在数据传输之前进行，编码率为1/2，约束长度为9； 码元重复：目的是在前向话务信道上，将各种信息速率变换成相同的调制码元速率，即19200CPS； 加Long PN扰码---用于离散化数据、抗干扰&加密、专用； 使用W1-7来区分其他前向信道。
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４.前向话务信道(Traffic Channel)
速率集：RS1 (Rate Set 1)---OCELP8K(中国使用) 四种传输速率9600, 4800, 2400, 1200 bps。速率可以逐帧调整，以动态地适应移动用户的语音特征为手段，来减少CDMA系统的多址干扰，提高系统容量。 在话务信道中，还需要传输其他的控制信息。
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反向信道(MS to BTS) －接入信道(Access Channel) 使用Long Code来区分反向信道；Short PN用来扩频；MS做主被叫的响应(登记：区域性登记、周期性登记、开关机登记) －话务信道(Traffic Channel) 用于MS到BTS的话音传输；伴有必要的信令
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区分不同逻辑信道 Forward 为“0” Traffic 抗干扰 区分逻辑信道 Access Reverse else 加密 W1-7
扰码 Paging W32 × Sync W0 区分Site_NO 偏移量 “0” 除外 Pilot Walsh Long Code Short PN 表１４－１ cdma中的逻辑信道
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导频信道 同步信道 寻呼信道 前向业务信道 接入信道 反向业务信道 图１４－５ CDMA系统的信道示意图 图中包含１个导频信道、１个同步信道、７个寻呼信道和５５个业务信道。
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六、切换 DAHO (Data_base Associated HandOff) 用数据库完成切换，无手机参与属于Hard HandOff。
MAHO (Mobile Associated HandOff) －Hard HandOff：由于只有一个频率调节器，在不同系统、载波间的切换 －Soft HandOff：在同一频率不同基站间完成的切换 －Softer HandOff：在同一基站不同扇区间完成的切换
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3 2 1 MSC1 MSC2 A B C1 C2 图１４－６ 硬切换
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软切换和更软切换 移动台如果与两个基站同时连接时进行的切换称为软切换。 原理：移动台在上行链路中发射的信号被两个基站所接收。经解调后转发到基站控制器(BSC)。下行链路的信号也同时经过两个基站再传送到移动台。移动台可以将收到的两路信号合并，起到宏分集的作用。因为处理过程是先通后断，故称为软切换。而一般的硬切换则是先断后通。
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切换参数 －Active Set：有效导频集，最多6个 －Candidate Set：候选导频集，最多6个 －Neighbor Set：相邻导频集，最多20个 －Remaining Set剩余导频集，不限个数 －T_ADD：超过T_ADD归类为Candidate Set； －T_COMP：超过有效最小强度+T_COMP的候选导频为有效导频：Active Set； －T_DROP：低于该门限的有效导频启动TT_DROP计时器 －TT_DROP：超过该计时器的有效导频放入剩余邻域导频集中
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软切换过程 移动台首先搜索所有导频并测量它们的强度。移动台合并计算导频的所有多径分量(最多K个)的Ec/I0(一个比特的能量Ec与接收总频谱密度，噪声加信号I0的比值)来作为该导频的强度， K是移动台所能提供的解调单元数。当该导频强度Ec/I0大于一个特定值T_ADD时，移动台认为此导频的强度已经足够大，能够对其进行正确解调，但尚未与该导频对应的基站相联系时，它就向原基站发送一条导频强度测量消息，以通知原基站这种情况，原基站再将移动台的报告送往MSC， MSC则让新的基站安排一个前向业务信道给移动台，并且原基站发送一条消息指示移动台开始切换。
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收到来自基站的切换指示消息后，移动台将新基站的导频纳入有效导频集，开始对新基站和原基站的前向业务信道同时进行解调。之后，移动台会向基站发送一条切换完成消息，通知基站自己已经根据命令开始对两个基站同时解调了。
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随着移动台的移动，可能两个基站中某一方的导频强度已经低于某一特定值T_DROP，这时移动台启动切换去掉计时器。当该计时器T期满时(在此期间，其导频强度应始终低于门限值)，移动台发送导频强度测量消息。两个基站接收到后，将此信息送至MSC，然后基站将MSC返回的相应切换指示消息转发给移动台，移动台将切换去掉计时器到期的导频将其从有效导频集中去掉，此时移动台只与目前有效导频集内的导频所代表的基站保持通信，同时会发一条切换完成消息告诉基站，表示切换已经完成。
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B A T_add T_drop A＋B Soft HandOff TT_drop 图１４－７ CDMA中软切换示意图
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更软切换 更软切换指的是一个小区内不同扇区间的软切换。
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3 2 1 图１４－８ CDMA中的更软切换
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移动台初始化呼叫流程 －自检 －寻找频率(首先寻找推荐频率) －寻找Pilot Short PN Offset －时钟同步(Sync信道) －守候在Paging信道(接收System Parameters、Neighbors_list等消息)等待被呼
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七、CDMA2000空中接口 CDMA2000空中接口的特点 CDMA2000是第三代移动通信的标准之一，包括：CDMA2000-1X(采用的扩频速率为SR1), CDMA2000-3X(采用的扩频速率为SR3), CDMA2000-1XEV (CDMA2000-1X的增强型)。 CDMA2000系统是在IS-95B系统的基础上发展而来的，与IS-95B后向兼容。它采用的新技术和信号处理方式有：
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－多载波工作：CDMA2000系统的前向链路支持N×1
－多载波工作：CDMA2000系统的前向链路支持N× Mc/s (N=1, 3, 6, 9, 12)的码片速率。N=1时的扩频速率与IS-95B系统的扩频速率完全相同，被称作扩频速率1。对于N=3以上的情况，均为多载波方式。 －反向链路连续传送：CDMA2000系统的反向链路对所有的数据速率提供连续波形，包括连续导频和连续数据信道波形。 －反向链路独立的导频和数据信道。CDMA2000系统反向链路使用独立的正交信道区分导频和数据信道。
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－独立的数据信道：CDMA2000系统在反向链路和前向链路中均提供了基本信道和补充信道的两种物理数据信道，每种信道均可以独立地编码、交织，设置不同的发射功率电平和错帧率要求以适应特殊的业务要求。
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－前向链路的发射分集：发射分集可以改进系统性能，降低对每个信道发射功率的要求，所以可以增加容量。cdma2000系统中两根天线的应用为正交发射分集OTD (Orthogonal Transmit Diversity)和空时扩展分集STS (Space Time Spread)提供了可能。 在OTD方式下，两根天线上发送的信号是采用相互正交的walsh码加以隔离；在STS方式下，两根天线上发送的信号采用不同的空时编码方案，以实现信号的分离。
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小结： 了解CDMA系统的特征，熟悉CDMA系统中功率控制部分，掌握CDMA系统中切换的相关知识。
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