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 MHz。
IS-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。

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20dB。
⑵ 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/s。
3. 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。

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/s。
⑵ 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a1a2。。。a12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。

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 dB。
3. 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。

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。

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
芝加哥开通商用AMPS（先进移动电话系统）以来，移动通信系统已发展了两代。
第一代移动通信系统是采用FDMA 方式的模拟蜂窝移动通信系统，例如AMPS、TACS等。第一代模拟蜂窝移动通信系统容量小，不能满足移动通信业务的快速发展。
第二代移动通信系统是采用TDMA或CDMA方式的数字蜂窝移动通信系统，例如GSM、IS-95 CDMA 等。它是目前全球广泛使用的移动通信系统。第二代数字蜂窝移动通信系统在系统容量、通信质量、业务性能和耗能等方面都比第一代模拟蜂窝移动通信系统有了很大的提高。
随着移动通信的普及、移动用户的高速增长和对移动宽带业务不断增长的需求，第二代移动通信系统的不足逐渐显现出来。例如全球漫游问题、系统容量问题、频率资源问题、宽带业务支持问题，等等。为此，国际电信联盟（ITU-T）从1998开始着手制定第三代移动通信标准IMT-2000。
2. 第三代移动通系统的主要目标
第三代移动通信系统的主要目标有：
⑴ 第三代移动通信系统将是一个全球统一的移动通信网络，实
现全球范围内覆盖，使用共同的频段，采用全球统一的标准或兼容标准，实现全球无缝漫游。
⑵ 更高的频谱利用率，系统容量能满足全球人口总数的应用需要。
⑶ 支持多媒体业务，提供更高的传输速率，最低要求是：① 快速移动环境，最高速率达到144 kb/s；② 室外到室内或步行环境，最高速率达到348 kb/s；室内环境，最高速率达到2 Mb/s。
⑷ 便于由第二代移动通信传统过渡演进到第三代移动通信系统。
⑸ 支持非对称传输模式，满足Web浏览等非对称业务的需求。
3. 第三代移动通信的无线传输技术方案
无线传输技术（RTT）是第三代移动通信的核心部分，主要包括
调制解调、信道编解码、复用技术、多址技术、信道结构、RF（射频）信道参数等。国际电信联盟通过对16种RTT提案进行了必要的技术融合，最终形成了最具有代表性的IMT-2000技术标准，涉及CDMA方式的有三种：WCDMA、CDMA 2000和TD-SCDMA。其中TD-SCDMA由我国原邮电部电信科学院（CATT）提交。表13-1给出了WCDMA 、CDMA 2000和TD-SCDMA三种RTT技术方案比较。

表13-1 WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA比较