浅析CDMA关键技术

浅析CDMA关键技术

CDMA关键技术是3G的基础。本文从多址技术、RAKE接收机、多用户检测、功率控制、软容量、软切换、地址码的选择、分集技术共八个方面对CDMA中所采取的关键技术进行论述，目的使大家对CDMA的关键技术有一个全面的了解。
1 多址技术
　　多址技术使众多的用户共用公共的通信线路。为使信号多路化而实现多址的方法基本上有三种，它们分别采用频率、时间或代码分隔的多址连接方式，即人们通常所称的频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）三种接入方式。图1用模型表示了这三种方法简单的一个概念。
　　FDMA是以不同的频率信道实现通信的，TDMA是以不同的时隙实现通信的，CDMA是以不同的代码序列实现通信的。
　　1.1 频分多址
　　频分，有时也称之为信道化，就是把整个可分配的频谱划分成许多单个无线电信道（发射和接收载频对），每个信道可以传输一路话音或控制信息。在系统的控制下，任何一个用户都可以接入这些信道中的任何一个。vwin 蜂窝系统是FDMA结构的一个典型例子，数字蜂窝系统中也同样可以采用FDMA，只是不会采用纯频分的方式，比如GSM和CDMA系统就采用了FDMA。
　　1.2 时分多址
　　时分多址是在一个带宽的无线载波上，按时间（或称为时隙）划分为若干时分信道，每一用户占用一个时隙，只在这一指定的时隙内收（或发）信号，故称为时分多址。此多址方式在数字蜂窝系统中采用，GSM系统也采用了此种方式。
　　TDMA是一种较复杂的结构，最简单的情况是单路载频被划分成许多不同的时隙，每个时隙传输一路猝发式信息。TDMA中关键部分为用户部分，每一个用户分配给一个时隙（在呼叫开始时分配），用户与基站之间进行同步通信，并对时隙进行计数。当自己的时隙到来时，移动台就启动接收和解调电路，对基站发来的猝发式信息进行解码。同样，当用户要发送信息时，首先将信息进行缓存，等到自己时隙的到来。在时隙开始后，再将信息以加倍的速率发射出去，然后又开始积累下一次猝发式传输。
　　TDMA的一个变形是在一个单频信道上进行发射和接收，称之为时分双工（TDD）。其最简单的结构就是利用两个时隙，一个发一个收。当移动台发射时基站接收，基站发射时移动台接收，交替进行。TDD具有TDMA结构的许多优点：猝发式传输、不需要天线的收发共用装置等等。它的主要优点是可以在单一载频上实现发射和接收，而不需要上行和下行两个载频，不需要频率切换，因而可以降低成本。TDD的主要缺点是满足不了大规模系统的容量要求。
　　1.3 码分多址
　　码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。它不像FDMA、TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同时传输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间的相互干扰。其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混合后不会丢失原来的信息。有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。每个发射机都有自己唯一的代码（伪随机码），同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，接收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码（这个过程称为解扩）。CDMA按照获得带宽信号所采取的调制方式分为直接序列扩频（DS）、跳频（FH）和跳时（TH），如下图2所示：
2 RAKE接收机
　　RAKE接收机也称为多径接收机，即是指移动台中有多个RAKE接收机，由于无线信号传播中存在多径效应，因此基站发出的信号会经过不同的路径到达移动台处，经不同路径到达移动台处的信号的时间是不同的，如果两个信号到达移动台处的时间差超过一个信号码元的宽度，RAKE接收机就可将其分别成功解调，移动台将各个RAKE接收机收到的信号进行矢量相加（即对不同时间到达移动台的信号进行不同的时间延迟到达同相），每个接收机可单独接收一路多径信号，这样移动台就可以处理几个多径分量，达到抗多径衰落的目的，提高移动台的接收性能。基站对每个移动台信号的接收也是采用同样的道理，即也采用多个RAKE接收机。另外，在移动台进行软切换的时候，也正是由于使用不同的RAKE接收机接收不同基站的信号才得以实现。
3 多用户检测
　　基于RAKE接收机原理的CDMA接收机将其它用户的信号视为干扰信号，但是优化后接收机可以将检测所有信号或从指定的信号中减去其它信号的干扰。
　　当新的用户或干扰源进入网络时，其它用户的服务质量会下降，网络抗干扰能力越强，可服务的用户就越多。干扰一个基站或移动台的多路接入干扰是小区内和小区间干扰的总和。
　　多用户检测（MUD）也称为联合检测和干扰消除，它提供了降低多路接入干扰的影响，因而增加系统容量。同时MUD显著降低了CDMA系统的远近效应。MUD可以缓解系统对功率控制的需求。
4 功率控制
　　由于CDMA系统不同用户同一时间采用相同的频率，所以CDMA系统为自干扰系统，如果系统采用的扩频码不是完全正交的（实际系统中使用的地址码是近似正交的），因而造成相互之间的干扰。在一个CDMA系统中，每一码分信道都会受到来自其它码分信道的干扰，这种干扰是一种固有的内在干扰。由于各个用户距离基站距离不同而使得基站接收到各个用户的信号强弱不同，由于信号间存在干扰，尤其是强信号会对弱信号造成很大的干扰，甚至造成系统的崩溃，因此必须采用某种方式来控制各个用户的发射功率，使得各个用户到达基站的信号强度基本一致。 CDMA系统的容量主要受限于系统内部移动台的相互干扰，所以每个移动台的信号达到基站时都达到最小所需的信噪比，系统容量将会达到最大值。
　　CDMA功率控制分为：前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又分为开环和闭环功率控制。
　　反向开环功率控制
　　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。
　　1）刚进入接入信道时（闭环校正尚未激活）
　　平均输出功率（dBm）= -平均输入功率（dBm）-73+NOM_PWR（dB）+ INIT_PWR（dB）
　　其中：平均功率是相对于1.23 MHz 标称CDMA 信道带宽而言；
　　INIT_PWR 是对第一个接入信道序列所需作的调整；
　　NOM_PWR是为了补偿由于前向CDMA 信道和反向CDMA 信道之间不相关造成的路径损耗。
　　2）其后的试探序列不断增加发射功率（步长为PWR_STEP），直到收到一个效应或序列结束。输出的功率电平为：
　　平均输出功率（dBm） = -平均输入功率（dBm）-73+NOM_PWR（dB）+INIT_PWR（dB）＋PWR_STEP之和（dB）
　　3）在反向业务信道开始发送之后一旦收到一个功率控制比特，移动台的平均输出功率变为：平均输出功率（dBm） = -平均输入功率（dBm）-73+NOM_PWR（dB）+INIT_PWR （dB）+PWR_STEP 之和（dB）+所有闭环功率校正之和（dB）
　　其中：NOM_PWR 的范围为－8～7 dB，标称值为0dB
　　INIT_PWR 的范围为－16～15 dB，标称值为0dB
　　PWR_STEP 的范围为 0～7 dB
　　反向闭环功率控制
　　闭环功率控制的目的是使基站对移动台的开环功率估计迅速作出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。功率控制比特是连续发送的，速率为每比特1.25ms（即800bit/s）。“0”比特指示移动台增加平均输出功率，“1”比特指示移动台减少平均输出功率，步长为1dB/比特。一个功率控制比特的长度正好等于前向业务信道两个调制符号的长度（即104.66us）。每个功率控制比特将替代两个连续的前向业务信道调制符号，这个技术就是通常所说的符号抽取技术。
　　前向功率控制
　　基站周期性地降低发射到移动台的发射功率，移动台测量误帧率，当误帧率超过预定义值时，移动台要求基站对它的发射功率增加1％，每15～20ms进行一次调整。下行链路低速控制调整的动态范围是±6dB。移动台的报告分为定期报告和门限报告。
5 软容量
　　对于CDMA系统，用户数与服务级别存在比较灵活的关系，运营商可在话务量高峰期将误帧率稍微提高，来增加可用信道数，提高系统容量。软容量是通过CDMA系统的呼吸功能来实现的。呼吸功能是CDMA系统中特有的改善用户相互干扰、合理分配基站容量的功能。它是指相邻基站间，如果某基站覆盖区正在通话的用户数量较多时，该基站的用户之间会产生较大的干扰，这时，该基站可通过降低该基站的导频信道的发射功率使部分用户通过软切换切换到负荷较轻相邻基站中去，从而降低该基站的负荷，减轻该基站的干扰，这是所谓的“呼”功能；当该基站的用户数量减少、干扰减轻时，该基站又可增加导频信道的发射功率，将相邻基站的用户通过软切换纳入自己的覆盖区域，这是所谓的“吸”功能。CDMA系统实现呼吸功能的本质在于其可以方便的控制各个基站的覆盖范围和系统能够实现软切换，通过改变基站的覆盖范围来调整各个基站下面的用户容量，CDMA系统通过呼吸功能，实现相邻基站之间的容量均衡，降低各个基站内部的用户干扰，从整个系统考虑是增加了容量。
6 软切换
　　切换是指将一个正在进行的呼叫从一个小区转移到另一个小区的过程。切换是用于无线传播、业务分配、激活操作维护、设备故障等原因而产生。CDMA系统中的切换有两类：硬切换和软切换。
　　硬切换（Hard Handoff）
　　硬切换是指在切换的过程中，业务信道有瞬时的中断的切换过程。硬切换包括以下两种情况：1）同一MSC中的不同频道之间；2）不同MSC之间。
　　软切换（Soft Handoff）
　　软切换是指在切换过程中，在中断与旧的小区的联系之前，先用相同频率建立与新的小区的联系。手机在两个或多个基站的覆盖边缘区域进行切换时，手机同时接收多个基站（大多数情况下是两个）的信号，几个基站也同时接收该手机的信号，直到满足一定的条件后手机才切断同原来基站的联系。如果两个基站之间采用的是不同频率，则这时发生的切换是硬切换。软切换包括以下四种情况：
　　1）同一基站的两个扇区之间；（这种切换也称为更软切换（Softer Handoff））。
　　2）不同基站的两个小区之间；
　　3）不同基站的小区和扇区之间的三方切换；
　　4）不同基站控制器之间；
　　软切换的实现
　　能够实现软切换的原因在于：1、CDMA系统可以实现相邻小区的同频复用；2、手机和基站对于每个信道都采用多个RAKE接收机，可以同时接收多路信号，在软切换过程中各个基站的信号对于手机来讲相当于是多径信号，手机接收到这些信号相当于是一种空间分集。
　　导频：指导频信道
　　导频集合：指所有具有相同频率但不同 PN码相位的导频集。
　　有效导频集：与正在联系的基站相对应的导频集合。
　　候选导频集：当前不在有效导频集里，但是已有足够的强度表明与该导频相对应的基站的前向业务信道可以被成功解调的导频集合。
　　相邻导频集：当前不在有效导频集或候选导频集里但又根据某种算法被认为很快就可以进入候选导频集里的导频集合。
　　剩余导频集：不被包括在相邻导频集。候选导频集和有效导频集里的所有其它导频的导频集合。软切换过程如图4所示：
　　a、当导频强度达到T_ADD，移动台发送一个导频强度测量消息，并将该导频转到候选导频集合；
　　b、基站发送一个切换指示消息；
　　c、移动台将此导频转到有效导频集并发送一个切换完成消息；
　　d、当导频强度掉到T_DROP 以下时，移动台启动切换去掉定时器；
　　e、切换去掉定时器到期，移动台发送一个导频强度测量消息；
　　f、基站发送一个切换指示消息；
　　g、移动台把导频从有效导频集移到相邻导频集并发送切换完成消息。
7 地址码的选择
　　地址码选择的要求：所选的地址码应能提供足够数量的相关函数特性尖锐的码系列，保证信号经过地址码解扩后具有较高的信噪比。地址码提供的码序列应接近白噪声特性，同时编码方案简单，保证具有较快的同步建立速度。
　　伪随机序列
　　伪随机序列（PN码）具有类似噪声序列的性质，是一种貌似随机但实际上是有规律的周期性二进制序列。CDMA系统中采用 m序列。
　　m序列定义：“最长线性反馈移位寄存器序列”的简称。如果 r 级线性移位寄存器序列的周期是P＝2r－1，则该移位序列为 m序列。
　　PN 码的码捕获
　　CDMA中，PN 码的码捕获采用两段搜索算法，实现快速捕获。实现过程如下：
　　a、在相关解调过程中，先设置一较低门限，然后相关解调PN 码的一小段，如果没有超过门限，则表明在该相位无有用信号，将相位后移一段，再作相关解调。
　　b、如果超过门限了，在该相位再做更长一段PN码的相关解调，以判定该相位是否有有用信号。
　　c、每次移PN 码的半个比特的长度。
　　PN 码在CDMA中的应用
　　在前向信道中，长度为242-1的 m序列被用作对业务信道进行扰码（注意不是用作扩频，在前向信道中是使用正交的Walsh函数进行扩频）。长度为215-1的 m序列被用作对前向信道进行正交调制，不同的基站使用不同相位的 m序列进行调制，其相位差至少为64个比特，这样，最多有512 个不同的相位可用。
　　在反向信道中，长度为242-1的 m序列被用作直接进行扩频，每个用户被分配一个 m序列的相位，这个相位是由用户的ESN （移动台的电子序号）计算出来，这些 m序列的相位是随机分布且不会重复的。长度为215-1的PN 码也被用作对反向业务信道进行正交调制，其相位偏置为0 。
8 分集技术
　　分集技术是指系统同时接收衰落互不相关的两个或更多个输入信号后，系统分别解调这些信号然后将他们相加，这样系统可以接收到更多有用信号，克服衰落。
　　移动通信信道是一种多径衰落信道，发射的信号要经过直射、反射、散射等多条传播途径才能达到接收端，而且随着移动台的移动，各条传播路径上的信号幅度、时延及相位随时随地发生变化，所以接收到的信号的电平是起伏、不稳定的，这些多径信号相互叠加就会形成衰落。叠加后的信号幅度变化符合瑞利分布，又称瑞利衰落。瑞利衰落随时间急剧变化时，称为“快衰落”。快衰落严重衰落深度达到20~30dB。瑞利衰落的中值场强只产生比较平缓的变化，称为“慢衰落”，且服从对数正态分布。分集技术是克服叠加衰落的一个有效分发。由于具有频率、时间、空间的选择性，因此分集技术包括频率分集、时间分集、空间分集。
　　减弱慢衰落采用空间分集，即用几个独立天线或在不同场地分别发射和接收信号，以保证各信号之间的衰落独立。根据衰落的频率选择性，当两个频率间隔大于信道带宽相关带宽时，接收到的此两种频率的衰落信号不相关，市区的相关带宽一般为50kHz左右，郊区的相关带宽一般为250kHz左右。而CDMA的一个信道带宽为1.23MKz，无论在市区还是郊区都远远大于相关带宽的要求，所以CDMA的宽带传输本身就是频率分集。时间分集是利用基站和移动台的RAKE接收机来完成的。对于一个信道带宽为1.23MHz的CDMA系统，当来自两个不同路径信号的时延为1us时，也即这两条路径相差大约300m时，RAKE接收机就可以将它们分别提取出来而不混淆。