Transcript CDMA2000基本原理

CDMA2000基本原理
 一、CDMA基本原理
 二、CDMA的逻辑信道
 三、关键技术-功率控制
 四、关键技术-软切换
 五、RAKE接收机与呼吸效应
多址技术
扩频通信原理
CDMA码序列

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。

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.



FDMA：每30Khz服务一个用户，可用频率资源的
多少决定了同时可以服务用户的数目；
TDMA：在FDMA的基础上，将每30Khz划分为7
个时间片段（时隙），每个用户占用一个时隙。
可用频率和时隙的多少决定了可以同时服务的用
户数目；
CDMA：总共占用1.23Mhz带宽，所有用户共享该
带宽。由于用户间同时占用同一个频点，因此发
射台总的发射功率和用户间的相互干扰决定了网
络可以同时服务用户的数目。



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）。
码分多址技术是CDMA系统关键技术之一。








码分多址
CDMA网络的中心频点计算方法：
下行——870+0.03*N ； （N是载频号，例如283）
上行——825+0.03*N；
码分多址的理解：
一个房间（频段1.23Mhz）中有多人（手机MS）在交谈，每组人
之间使用不同的语言（码分），因此相互之间交谈不受影响。基
于这个模型，可以推测到CDMA的几个特点：
自干扰：如果有人说话声音过大，势必影响其他人的交流
码分：不同组之间使用不同的语言保证互不干扰，或者，使用同
样语言的两组人之间间隔足够远。
 码分多址
CDMA 是一个扩频系统
 所谓扩展频谱通信，可定义如下：扩频通信技
术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带
宽度远大于所传信息所必需的最小带宽；频带
的带宽是通过编码及调制的方法实现的，与所
传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码
进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。

 扩频通信的基本原理
 扩频通信的理论基础

在扩频通信中采用宽频带的信号来传送信息，主要是为了通信
的安全可靠，这可用信息和抗干扰理论的基本观点来解释。

信息论中的仙农（Shannon）公式描述如下：
其中 C------信道容量（比特/秒）
N-----噪声功率
W----信道带宽（赫兹）
S---------信号功率




系统中三种编码分别是
WALSH码、 PN 短码、PN 长码。
CDMA




Walsh码
在CDMA2000 1X中，Walsh码用于进行前向扩频，区分扇区内前
向码分信道。
用Walsh码区分这些前向信道的方法是：每个扇区有64个不同的
Walsh码，每一个Walsh码经过扩频后分配给一条信道，扩频速率
是1.2288Mcps。在手机终端，接收到的信号应与所需信道的
Walsh码相关。
前向信道包括导频、同步、寻呼、前向业务信道等。导频信道占
用Walsh码0，同步信道占用Walsh码32，寻呼信道占用Walsh码
1-7（通常使用一条寻呼信道Walsh码1），前向业务信道可以自由
使用其余的Walsh码。
 PN短码



区分不同扇区或小区
伪随机序列
215 = 32,768 unit (period 26.67ms)，PN码的
生成取得是相位偏置。每64位生成一个PN，共
有512个可用PN。不同PN之间相位不同，属于
近似正交。
 PN长码




用于反向逻辑信道区分不同用户
伪随机序列
2^42-1 unit
这个序列非常长, 有数以亿计的不同使用方式.
每一种使用方式构成一个数学码, 用来识别一个
特定的用户或一个特定的接入信道
 三种扩频码的比较
码序列
长度
应用位置
应用目的
主要特性
PN长码
242－1
反向接入信道
标识移动台用户
具有尖锐的二
反向业务信道
前向寻呼信道
值自相关特性
用于数据扰码
前向业务信道
PN短码
215－1
所有前向信道
正交扩频，利于调制
所有反向信道
正交扩频，利于调制，
平衡性
并且用于标识基站
Walsh码
64
所有前向信道
正交扩频，
/32
前向补充信道
前向信道化区分
128
前向快速寻呼信道
16
反向基本信道
正交扩频，
32
反向导频信道
反向信道化区分
2或4
反向补充信道
正交性






前向信道（FORWARD CHANNELS）
CDMA 前向共有4个逻辑信道，介绍如下：
导频（PILOT）信道
同步（SYNC）信道
寻呼（PAGING）信道
业务（TRAFFIC）信道

导频（Pilot）信道使用Walsh0 发送，主要有以下
功能：
为手机捕获系统提供参考；
为手机解调其他信道提供相位参考，相干解
调；
区分扇区和基站
每个载波扇区只有一个导频信道

同步（Sync）信道使用Walsh32发送，主要有以
下功能：
由于PN是近似时正交的。因此各个扇区必须
时钟同步 才能有效区分。
为手机提供系统时钟同步，即提供时间信息；
提供Sid、Nid、PN、系统时间、长码状态
提供寻呼信道速率
每个载扇只有一个同步信道

寻呼信道使用Walsh1-7发送，寻呼信道最多
可以有7个，最少1个，可以随需要配置：

发送关键系统信息参数

发送针对特定手机的消息，例如寻呼某个手机
 前向业务信道是用于呼叫中，基站
向移动台发送用户信息和信令信息。

反向信道（REVERSE CHANNELS）：
接入（ACCESS）信道
业务(TRAFFIC)信道

移动台使用反向接入信道的功能包括：
发起同基站的通信
响应基站发来的寻呼信道消息
进行系统注册
在没有业务时接入系统和对系统进行实
时情况的回应
 反向业务信道是用来在建立呼叫期
间传输用户信息和信令信息。
关键技术-功率控制

功率控制在CDMA中的目的
 明确CDMA中采用的不同类型的功率控制
机制
- 反向开环功率控制
- 反向闭环功率控制
- 反向外环功率控制
- 前向业务信道功率控制
• CDMA是一种基于用户数量的干扰受限系统。要保证每个

用户能够顺利通话，就必须对每个用户通话功率的大小
进行限制。
功率控制的目的？
保证话音质量（FER）：保证每部手机的通话正常，也
就是说确保可接受的服务质量理想情况；
降低干扰：降低对其他用户的干扰；
减小功率消耗使每部手机尽可能低功率发射，节省功率。
CDMA的功率控制包括前向功率控制和反向功率控制。
前向功率控制：95功率控制和1x快速功率控制
前向功率控制受控对象是基站的发射功率，移动台
起辅助作用。
反向功率控制：开环功控、闭环功率控制和外环功率控
制
反向功率控制受控对象是移动台的发射功率，基站
起辅助作用。

CDMA的前向信道功率要分配给前向导频信道、
同步信道、寻呼信道和各个业务信道。基站需要
调整分配给每一个信道的功率，使处于不同传播
环境下的各个移动台都得到足够的信号能量。前
向功率控制的目的就是实现合理分配前向业务信
道功率，在保证通讯质量的前提下，使其对相邻
基站/扇区产生的干扰最小，也就是使前向信道的
发射功率在满足移动台解调最小需求信噪比的情
况下尽可能小。前向功控的原理如下图所示：
•
前向功控的原理图
•
移动台通过Power Measurement Report Message上报当
前信道的质量状况：上报周期内的坏帧数，总帧数。BSC
据此计算出当前的FER，与目标FER相比，以此来控制基
站进行前向功率调整。
 1X中的前向快速功率控制

前向快速功率控制就是实现合理分配前向业务信道
功率，在保证通讯质量的前提下，使其对相邻基站/
扇区产生的干扰最小，也就是使前向信道的发射功
率在满足移动台解调最小需求信噪比的情况下尽可
能小。通过调整，既能维持基站与位于小区边缘的
移动台之间的通信，又能在较好的通信传输特性时
最大限度地降低前向发射功率，减少对相邻小区的
干扰，增加前向链路的相对容量。
 IS95前向功率控制
移动台
BTS
BSC
Adjust Fwd.
Power
FER
前向链路功率控制
• 基站缓慢地降低到每个移动台的功率
• 随着FER(在移动台测定)的增加，移动台要求增加前向业务信道的
功率，发送功率测量报告消息


在CDMA系统的反向链路中引入了功率控制，通过调整用
户发射机功率，使各用户不论在基站覆盖区的什么位置和
经过何种传播环境，都能保证各个用户信号到达基站接收
机时具有相同的功率。在实际系统中，由于用户的移动性，
使用户信号的传播环境随时变化，致使每时每刻到达基站
时所经历的传播路径、信号强度、时延、相移都随机变化，
接收信号的功率在期望值附近起伏变化。
反向功率控制包括三部分：开环功率控制、闭环功率控制
和外环功率控制。
 反向开环功控
 CDMA系统的每一个移动台都一直在计算从基站
到移动台的路径损耗，当移动台接收到从基站来
的信号很强时，表明要么离基站很近，要么有一
个特别好的传播路径，这时移动台可降低它的发
送功率，而基站依然可以正常接收；相反，当移
动台接收到的信号很弱时，它就增加发送功率，
以抵消衰耗，这就是开环功率控制。开环功率控
制简单、直接，不需在移动台和基站之间交换控
制信息，同时控制速度快并节省开销。
 反向开环功控
移动台
反向开环
功率控制
BTS
 反向闭环功控
 反向闭环功控正又分为内环和外环两部分，内环
指基站接收移动台的信号后，将其强度与一门限
（下面称为“闭环门限”）相比，如果高于该门
限，向移动台发送“降低发射功率”的功率控制
指令；否则发送“增加发射功率”的指令。外环
的作用是对内环门限进行调整，这种调整是根据
基站所接收到的反向业务信道的指令指标（误帧
率）的变化来进行的。
 反向闭环功控
移动台
BTS
反向闭环
功率控制
or
Signal Strength
Measurement
门限值
•
•
•
•
•
补偿前向和反向路径之间的不对称
由发往移动台的提升功率(0)和降低功率(1)指令组成， 根据在基站测得的信
号强度并与以特定门限值(给定值)相比较确定发送0或1
每条指令要求移动台增加或减少发射功率1dB
每秒发射800次，始终以全功率发射
允许补偿快衰落的影响
 反向外环功控
移动台
BSC
BTS
or
反向闭环
功率控制
Signal Strength
Measurement
门限值
•
反向外环
功率控制
FER
反向链路差错控制的渐进形式
• 给定值根据反向业务信道的FER调整(在基站控制器决定)
• 以50帧/秒(20ms/帧)的速率抽样
• 给定值每1-2秒调整一次
移动台
FER
反向开环
功率控制
反向闭环
功率控制
BTS
BSC
or
Signal Strength
Measurement
门限值t
Adjust Fwd.
Power
反向外环
功率控制
FER
前向功率控制
所有类型的功率控制共同工作，移动台的功率消耗降低到最小，并增加了系统的
整体容量。
软切换的相关概念
CDMA切换的分类
软切换的实现原理


当手机从一个基站向另外一个基站移动时，为了保证通话
的连续性，必须将呼叫链路从当前基站转移到目标基站上。
这个过程叫“切换”。软切换的概念是，目标基站提前准
备好必须的无线资源，并通过源基站通知手机。手机保持
与源基站的连接不断，同时与新的基站建立连接。之后手
机将同时与两个基站进行通信。只有当一个基站的信号强
度低到门限值以下（Tdrop），系统才考虑丢弃该基站。
从原理可以知道，软切换的特点是先与目标侧建立连接，
同时保持源侧连接不变。只有当一个导频强度低于门限值，
才会考虑丢弃一个导频。软切换可以理解为“先切后断”，
它是发生在相同载频之间的切换。


导频集
“导频信号”可用一个导频信号序列偏置和一个载频标明，
一个导频信号集的所有导频信号具有相同的CDMA载频。
移动台搜索导频信号以探测现有的CDMA信道，并测量它
们的强度，当移动台探测了一个导频信号具有足够的强度，
但并不与任何分配给它的前向业务信道相联系时，它就发
送一条导频信号强度测量消息至基站，基站分配一条前向
业务信道给移动台，并指示移动台开始切换。业务状态下，
相对于移动台来说，在某一载频下，所有不同偏置的导频
信号被分类为如下集合：

1.
2.
3.
导频集
有效集：所有与移动台的前向业务信道相联
系的导频信号。
候选集：当前不在有效导频信号集里，但是
已经具有足够的强度，能被成功解调的导频
信号。
激活集：指与移动台建立连接的小区的集合。





软切换：所谓软切换就是当移动台需要跟一个新的基站通
信时，并不先中断与原基站的联系。软切换是CDMA移动通
信系统所特有的，以往的系统所进行的都是硬切换，即先
中断与原基站的联系，再在一指定时间内与新基站取得联
系。软切换只能在相同频率的CDMA信道间进行，它在两个
基站覆盖区的交界处起到了业务信道的分集作用。
软切换有以下几种方式：
同一BTS内相同载频不同扇区之间的切换，也就是通常说的
更软切换（softer handoff）；
同一BSC内不同BTS之间相同载频的切换；
同一MSC内，不同BSC的之间相同载频的切换。

•
软切换的优点
FDMA、TDMA系统中广泛采用硬切换技术，当硬切
换发生时，因为原基站与新基的载波频率不同，移
动台必须在接收新基站的信号之前，中断与原基站
的通信，往往由于在与原基站链路切断后，移动台
不能立即得到与新基站之间的链路，会中断通信。
另外，当硬切换区域面积狭窄时，会出现新基站与
原基站之间来回切换的“乒乓效应”，影响业务信道的
传输。在CDMA系统中提出的软切换技术，与硬切
换技术相比，具有以下更好的优点：

1.
2.
3.
软切换的优点
软切换发生时，移动台只有在取得了与新基站的链接之后，
才会中断与原基站的联系，通信中断的概率大大降低。
软切换进行过程中，移动台和基站均采用了分集接收的技术，
有抵抗衰落的能力，不用过多增加移动台的发射功率；同时，
基站宏分集接收保证在参与软切换的基站中，只需要有一个
基站能正确接收移动台的信号就可以进行正常的通信，由于
通过反向功率控制，可以使移动台的发射功率降至最小，这
进一步降低移动台对其它用户的干扰，增加了系统反向容量。
进入软切换区域的移动台即使不能立即得到与新基站通信的
链路，也可以进入切换等待的排队队列，从而减少了系统的
阻塞率。

软切换示意图：

更软切换：指发生在同一基站下不同扇区之间
的切换。在基站收发机（BTS）侧，不同扇区
天线的接收信号对基站来说就相当于不同的多
径分量，由RAKE接收机进行合并后送至BSC，
作为此基站的语音帧。而软切换是由BSC完成
的，将来自不同基站的信号都送至选择器，由
选择器选择最好的一路，再进行话音编解码。


硬切换：当移动台从一个基站的覆盖范围移动到
另外一个基站的覆盖范围，通过切换移动台保持
与基站的通信。硬切换是在呼叫过程中，移动台
先中断与原基站的通信，再与目标基站取得联系，
发生在分配不同频率或者不同的帧偏置的CDMA
信道之间的切换。在呼叫过程中，根据候选导频
强度测量报告和门限值的设置，基站可能指示移
动台进行硬切换。
硬切换就是“先断后切”。

•
硬切换
硬切换可以发生在相邻的基站集之间，不同的频
率配置之间，或是不同的帧偏置之间。可以在同
一个小区的不同载波之间，也可以在不同小区的
不同载波之间。
• 切换的两个基站工作在不同的频率
• 切换的两个基站可以工作在相同的频率，但 从属于不同的MSC

软切换流程图：




Tadd——决定手机是否把一个导频从N集（邻区）
提升到C集（候选集），是否加入A集（激活集）
需要系统决定；现网一般值在-12/-13左右
Tdrop——决定何时启动TTdrop定时器，一般值在14 - -16dB左右。
Tcomp——在A集满的情况下决定是否要ADD一个
新的导频；
TTDrop——超时后手机申请将一个导频放入N集
（邻区），需要系统决定；








软切换简要流程介绍如下：
手机检测到一个导频强度大于TADD，将其加入C集
由于导频强度大于TADD，手机发送PSMM消息
经过切换机制的判断，BSC允许切换，发送HDMI消息给手
机，手机将导频加入A集
手机检测到A集中导频强度小于Tdrop，启动TTDrop定时器
TTDrop超时，手机发送PSMM消息
系统判断允许切换，发送HDM消息给手机，指示手机Drop
该导频
手机Drop该导频到Neighbor集并发送HCM消息给BSC
RAKE接收机工作原理
呼吸效应

由于多径信号具有不同的相位偏置，各个信号的叠加反而会造成信号的畸变和
衰减。Rake接收机通过分别接收各个多径信号，将信号合并而得到最终有用
信号。有效避免了多径的负面影响。

工作原理：发射机发出的扩频信号，在传输过程中受
到不同建筑物、山岗等各种障碍物的反射和折射，到
达接收机时每个波束具有不同的延迟，形成多径信号。
如果不同路径信号的延迟超过一个伪码的码片的时延，
则在接收端可将不同的波束区别开来。将这些不同波
束分别经过不同的延迟线，对齐以及合并在一起，则
可达到变害为利，把原来是干扰的信号变成有用信号
组合在一起。这就是RAKE接收机的基本原理。也就是
说，它是利用了空间分集技术。



呼吸效应的概念
在CDMA系统中，小区的容量和覆盖是通过系统干扰紧密相
连的。当小区内用户数增多，也就是小区容量增大时，小
区基站端接收到的干扰将增大，这就意味着在小区边缘地
区的用户即使以最大发射功率发射信号，也无法保证自身
与基站间的传输QoS能够得到保证，于是这些用户将会切
换到邻近小区，也就意味着本小区的半径即覆盖范围相对
减小了。反之，当小区用户数目减少，也就是小区容量减
小时，系统业务强度的降低使得基站接收的干扰功率水平
降低，各用户将可以发射更小的功率来维持与基站的连接，
结果导致在小区内可以容忍的最大路径损耗增大，等效于
小区半径增加，覆盖范围增大。
以上所描述的小区面积随着小区内业务量的变化而动态变
化的效应称之为“呼吸效应”。
 呼吸效应的概念

我们也可以利用CDMA系统中常提及的“酒会”
的例子更加形象的来说明，在一个酒会上，来
了很多客人，同时讲话的人数越多，就越难听
清对方的声音。如果开始你还可以与在房间另
一头的客人交谈，但是当房间里的噪声达到一
定程度后，你就根本听不清对方的谈话了，这
就意味着谈话区的半径缩小了。下图给出了呼
吸效应与覆盖距离之间的关系。
 呼吸效应的概念

CDMA系统单基站的呼吸效应



呼吸效应的危害
“呼吸效应”最大的危害是可能由于小区的收缩而形成
“覆盖漏洞”，即覆盖盲区，这在网络规划时是必须要注
意到的问题。
由于CDMA是一个干扰受限的系统，新基站增加的同时会
对周围基站带来干扰，周围基站的容量也就相应降低。因
此，CDMA网络中由于容量需求而增加新基站，并不能使
网络容量像GSM网络一样线性增长，尤其是在城市密集区，
基站间距本身就很小，这种现象也就更加严重。由此可以
看出，“呼吸效应”增大了网络规划的复杂性。