1.5 CDMA及其关键技术

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1.5.1 CDMA 概念

20世纪90年代以后，无线通信市场的快速发展急需使用新的数字移动通信系统代替原有的模拟移动通信系统，CDMA和TDMA就是两种最典型的数字移动通信系统。

CDMA扩频技术最初的应用是在军事领域，使用扩频技术的通信系统可以有效抵制人为的干扰，并且可以提高系统的保密性，不易被敌方探测到。

扩频是指在信号的发送端通过一个码字对数据进行扩频，解扩是指在接收端对该码字的同步接收，从而能将发送的数据恢复出来。扩频技术主要可以分为3 类，即直接序列扩频系统（DS)、跳频扩频系统（FH)和跳吋（TH)混合系统，直接序列扩频就是用比信息速率高很多倍的信道码对信号进行扩频；跳频是使原信号随机地用不同载波传输发送，在发送数据之前，收端和发端先协调好有 关跳频的信息；跳时是使用伪随机码序列来开通或关断发射机，即信号的发射时刻和持续时间是随机的。

CDMA扩频技术的优点如下：
(1)抗干扰能力强，特别萣抗窄带干扰能力；
(2)可检性低，不容易被侦破；
C3)具有多址能力，易于实现码分多址技术；
(4)可抗多径干扰；
(5)可抗频率选择性衰落；
(6)频谱利用率高，容量大（可宥效利用纠错技术、正交波形编码技术、话音激活技术等）。

WCDMA、CDMA2000. TD-SCDMA使用的都是直接序列扩频技术（DS-SS)，

本章将着重就直接序列扩频技术的基本原理作简要描述。

1.5.2直接序列扩频技术

在直接序列扩频的CDMA系统中，用户信息是通过不同的码字扩频之后进行传输的，不同的用户可以使用相同的频谱发送数据，而且不同的相邻小区之间也可以使用相同的频谱，这是CDMA系统的显著优点。

这样所带来的一个实际问题就进用户间的干扰问题，这包括不同信号源之间的干扰和同一个信号源下不同信道之间的干扰。

首先，不同的信号源之间存在干扰，在下行（CDMA2000系统习惯上称为前向链路上，两个相邻小区的基站发射的信号之间存在干扰；在上行（CDMA2000 系统习惯上称为反向）链路上，不同的用户终端发送的信号之间也存在干扰。另外，同一个信号源内部的不同信道之间也存在干扰，在下行方向上，一个基站负责同时发送多个用户的业务数据，这样在手机端，必然存在用户间的干扰；在上行方问上，由于3G业务的复杂性，一个用户可以同时使用多个信道。显然，CDMA 系统需要解决的问题是如何区分同一个频率下不同的信号源，以及如何区分同一个信号源下的不同信道。CDMA系统是通过码字的巧妙使用来解决这一问题的。

IS-95和CDMA2000系统的空屮接口信道设计是一脉相承的，在IS-95系统中，不同的基站发送的信号是使用同一个PN码的不同时间偏置来加以区分的，总共有512个不同的时间配置；同一个基站下的不同信道则是通过不同的信道码 (Walsh码）加以区分的。在上行方向上，不同用户使用的是同一个长码的不同偏置来区分，而偏置信息是通过用户终端的特有ESN计算得到的。另外，在IS-95 系统中，由于用户不同时使用两个或两个以上的物理信道（接入时使用接入信道, 通话时则使用专用的业务信道），所以不需要使用信道码区分不同的信道，而是将用户数据通过正交调制进行处理。在CDMA2000中，上行方向也是通过信道码来区分不同信道的。

在WCDMA中，不同的信号源是通过不同的扰码来区分的，在下行方向上，不同的小区使用不同的下行扰码，共有512个可用的扰码，同一个小区下的不同信道是通过信道码（OVSF码）来区分的。在上行方向上，不同的终端使用不同 的上行扰码发送数据，上行扰码是网络方为终端分配的，通过公共控制信道通知 终端，同一个终端下的不同物理信道也是通过信道码（OVSF码）来进行区分的。图1-8所示为直接序列扩频系统的逻辑结构框图。

信道编码是指为了提高数据传输的可靠性，使用特定的编码方式对用户信息进行冗余处理，从而克服无线信道传输过程中的噪声和干扰，保证原始数据的可靠传输。传送的原始数据一般称为位（bit)，经过信道编码后的数字信号称为符号（Symbol),符号经过扩频处理得到的数字信号才称为码片。WCDMA使用的两种编码方式是卷积码和Turbo码。

WCDMA系统使用的调制方式是QPSK，位级调制做的工作就是指将信道编码后的数据符号映射为信号星座图上的相应点。
扩频调制包含釆样保持功能和乘法器功能，首先要将数据进行采样保持，使数据速率达到基带信号要求的码片速率。釆样速率提高后的数据需要和扩频码相乘。扩频码有两种：一种是用于区分信道的信道码；另一种是用于区分发射源的扰码。

经过扩频调制后的数据需要进行脉冲成形操作,然后经上变频过程发送出去。

接收端所做的步骤是发送端的逆操作。接收的信号经下变频处理，并经脉冲成形匹配滤波器滤波，再进行解扩处理，然后经信道解码就恢复了发送端的原始数据。

直接序列扩频系统中使用的码字特性如下：
(1)互相关性应该为0或者很小；
(2)在每个码字序列中包含1和-1的个数应该相等，或者两者之间的数目相差不大于1；
(3）自相关性为1。

WCDMA系统使用的码字包括信道码和扰码。信道码用于区分不同的信道， 而扰码则用于区分信号发射源的物理实体。有关WCDMA系统倍道码和扰码的使用，可以参考本书的物理层一章。

1.5.3 CDMA关键技术简介

1. RAKE接收机

在无线通信系统中，因为信号的传输环境不同，不可避免地会存在多径干扰问题。CDMA系统中，当两路相同信号传播时延超过一个码片时，多径信号可以被看作是相同信号在不同时间重复传输的结果，而根据CDMA系统的特性，这些多径信号是很容易被检测出来的。由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以CDMA接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。

CDMA系统是一个宽频系统，CDMA2000使用1.228SMHz的载频，TD-SCDMA 使用1.28MHz的载频，WCDMA系统使用3.84MHz的载频，基于直接扩频技术的3G系统都是使用超过1MHz的载频，这也同时保证了系统码片时延是一个很小的时间间隔，也同时保证了可以使用RAKE接收机将不同传播时延的信号检测出來。

RAKE接收机所做的工作就是通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，然后把它们合并在一起，如图1-9所示。

2.软切换

CDMA系统允许相邻小区使用相同的频率，所以不同小区之间存在干扰是CDMA系统所必须考虑的一个问题，但是这种不同小区使用相同频率的特性也为增加信号分集提供了可能，也即移动台可以与不同的基站之间同时保持多条空中链路，这也就是我们通常所说的软切换，如图1-10所示。如果希望移动台同时监听来自两个基站的信号，则移动台需要知道下行链路的物理信道资源，这包括不同基站使用的下行扰码，以及特定物理信道所使用的信道码，如果要保证多个基站能够同时监听来自同一个移动台的信号，则需要基站一侧知道移动台使用的上行链路扰码就可以了。在软切换过程中使用的信令实际上就是用来传送这些信息的。

需要指出的是，CDMA系统不仅具有软切换，根据实际情况CDMA系统内还可以进行硬切换（可以分为系统内硬切换、系统间硬切换）。同时为了配合硬切换，WCDMA系统还定义了压缩模式等技术。

3.功率控制

功率控制技术是CDMA系统的核心技术。CDMA系统是一个自干扰系统，所有移动用户都占用相同的带宽和频率，“远近效应”问题特别突出。CDMA功率控制的目的就是克服“远近效应”，使系统既能维持高质量通信，又能减小对其 他用户产生干扰。功率控制分为下行链路功率控制（也称为前向功率控制）和上行链路功率控制（也称为反向功率控制）。根据接收方的参与与否，功率控制又可以分为开环功率控制与闭环功率控制。

功率控制的原则是在可以满足无线链路传输质量的前提下，尽可能减小发送端的发射功率，进而尽可能减少用户专用链路对其他用户的干扰。

本书的功率控制一章将针对WCDMA的功率控制技术进行详细说明。