淺析CDMA關(guān)鍵技術(shù)

CDMA關(guān)鍵技術(shù)是3G的基礎(chǔ)。本文從多址技術(shù)、RAKE接收機(jī)、多用戶檢測、功率控制、軟容量、軟切換、地址碼的選擇、分集技術(shù)共八個(gè)方面對CDMA中所采取的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述，目的使大家對CDMA的關(guān)鍵技術(shù)有一個(gè)全面的了解。
1 多址技術(shù)
　　多址技術(shù)使眾多的用戶共用公共的通信線路。為使信號多路化而實(shí)現(xiàn)多址的方法基本上有三種，它們分別采用頻率、時(shí)間或代碼分隔的多址連接方式，即人們通常所稱的頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）三種接入方式。圖1用模型表示了這三種方法簡單的一個(gè)概念。
　　FDMA是以不同的頻率信道實(shí)現(xiàn)通信的，TDMA是以不同的時(shí)隙實(shí)現(xiàn)通信的，CDMA是以不同的代碼序列實(shí)現(xiàn)通信的。
　　1.1 頻分多址
　　頻分，有時(shí)也稱之為信道化，就是把整個(gè)可分配的頻譜劃分成許多單個(gè)無線電信道（發(fā)射和接收載頻對），每個(gè)信道可以傳輸一路話音或控制信息。在系統(tǒng)的控制下，任何一個(gè)用戶都可以接入這些信道中的任何一個(gè)。模擬蜂窩系統(tǒng)是FDMA結(jié)構(gòu)的一個(gè)典型例子，數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中也同樣可以采用FDMA，只是不會(huì)采用純頻分的方式，比如GSM和CDMA系統(tǒng)就采用了FDMA。
　　1.2 時(shí)分多址
　　時(shí)分多址是在一個(gè)帶寬的無線載波上，按時(shí)間（或稱為時(shí)隙）劃分為若干時(shí)分信道，每一用戶占用一個(gè)時(shí)隙，只在這一指定的時(shí)隙內(nèi)收（或發(fā)）信號，故稱為時(shí)分多址。此多址方式在數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中采用，GSM系統(tǒng)也采用了此種方式。
　　TDMA是一種較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，最簡單的情況是單路載頻被劃分成許多不同的時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙傳輸一路猝發(fā)式信息。TDMA中關(guān)鍵部分為用戶部分，每一個(gè)用戶分配給一個(gè)時(shí)隙（在呼叫開始時(shí)分配），用戶與基站之間進(jìn)行同步通信，并對時(shí)隙進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)自己的時(shí)隙到來時(shí)，移動(dòng)臺(tái)就啟動(dòng)接收和解調(diào)電路，對基站發(fā)來的猝發(fā)式信息進(jìn)行解碼。同樣，當(dāng)用戶要發(fā)送信息時(shí)，首先將信息進(jìn)行緩存，等到自己時(shí)隙的到來。在時(shí)隙開始后，再將信息以加倍的速率發(fā)射出去，然后又開始積累下一次猝發(fā)式傳輸。
　　TDMA的一個(gè)變形是在一個(gè)單頻信道上進(jìn)行發(fā)射和接收，稱之為時(shí)分雙工（TDD）。其最簡單的結(jié)構(gòu)就是利用兩個(gè)時(shí)隙，一個(gè)發(fā)一個(gè)收。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射時(shí)基站接收，基站發(fā)射時(shí)移動(dòng)臺(tái)接收，交替進(jìn)行。TDD具有TDMA結(jié)構(gòu)的許多優(yōu)點(diǎn)：猝發(fā)式傳輸、不需要天線的收發(fā)共用裝置等等。它的主要優(yōu)點(diǎn)是可以在單一載頻上實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收，而不需要上行和下行兩個(gè)載頻，不需要頻率切換，因而可以降低成本。TDD的主要缺點(diǎn)是滿足不了大規(guī)模系統(tǒng)的容量要求。
　　1.3 碼分多址
　　碼分多址是一種利用擴(kuò)頻技術(shù)所形成的不同的碼序列實(shí)現(xiàn)的多址方式。它不像FDMA、TDMA那樣把用戶的信息從頻率和時(shí)間上進(jìn)行分離，它可在一個(gè)信道上同時(shí)傳輸多個(gè)用戶的信息，也就是說，允許用戶之間的相互干擾。其關(guān)鍵是信息在傳輸以前要進(jìn)行特殊的編碼，編碼后的信息混合后不會(huì)丟失原來的信息。有多少個(gè)互為正交的碼序列，就可以有多少個(gè)用戶同時(shí)在一個(gè)載波上通信。每個(gè)發(fā)射機(jī)都有自己唯一的代碼（偽隨機(jī)碼），同時(shí)接收機(jī)也知道要接收的代碼，用這個(gè)代碼作為信號的濾波器，接收機(jī)就能從所有其他信號的背景中恢復(fù)成原來的信息碼（這個(gè)過程稱為解擴(kuò)）。CDMA按照獲得帶寬信號所采取的調(diào)制方式分為直接序列擴(kuò)頻（DS）、跳頻（FH）和跳時(shí)（TH），如下圖2所示：
2 RAKE接收機(jī)
　　RAKE接收機(jī)也稱為多徑接收機(jī)，即是指移動(dòng)臺(tái)中有多個(gè)RAKE接收機(jī)，由于無線信號傳播中存在多徑效應(yīng)，因此基站發(fā)出的信號會(huì)經(jīng)過不同的路徑到達(dá)移動(dòng)臺(tái)處，經(jīng)不同路徑到達(dá)移動(dòng)臺(tái)處的信號的時(shí)間是不同的，如果兩個(gè)信號到達(dá)移動(dòng)臺(tái)處的時(shí)間差超過一個(gè)信號碼元的寬度，RAKE接收機(jī)就可將其分別成功解調(diào)，移動(dòng)臺(tái)將各個(gè)RAKE接收機(jī)收到的信號進(jìn)行矢量相加（即對不同時(shí)間到達(dá)移動(dòng)臺(tái)的信號進(jìn)行不同的時(shí)間延遲到達(dá)同相），每個(gè)接收機(jī)可單獨(dú)接收一路多徑信號，這樣移動(dòng)臺(tái)就可以處理幾個(gè)多徑分量，達(dá)到抗多徑衰落的目的，提高移動(dòng)臺(tái)的接收性能。基站對每個(gè)移動(dòng)臺(tái)信號的接收也是采用同樣的道理，即也采用多個(gè)RAKE接收機(jī)。另外，在移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行軟切換的時(shí)候，也正是由于使用不同的RAKE接收機(jī)接收不同基站的信號才得以實(shí)現(xiàn)。
3 多用戶檢測
　　基于RAKE接收機(jī)原理的CDMA接收機(jī)將其它用戶的信號視為干擾信號，但是優(yōu)化后接收機(jī)可以將檢測所有信號或從指定的信號中減去其它信號的干擾。
　　當(dāng)新的用戶或干擾源進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其它用戶的服務(wù)質(zhì)量會(huì)下降，網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力越強(qiáng)，可服務(wù)的用戶就越多。干擾一個(gè)基站或移動(dòng)臺(tái)的多路接入干擾是小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間干擾的總和。
　　多用戶檢測（MUD）也稱為聯(lián)合檢測和干擾消除，它提供了降低多路接入干擾的影響，因而增加系統(tǒng)容量。同時(shí)MUD顯著降低了CDMA系統(tǒng)的遠(yuǎn)近效應(yīng)。MUD可以緩解系統(tǒng)對功率控制的需求。
4 功率控制
　　由于CDMA系統(tǒng)不同用戶同一時(shí)間采用相同的頻率，所以CDMA系統(tǒng)為自干擾系統(tǒng)，如果系統(tǒng)采用的擴(kuò)頻碼不是完全正交的（實(shí)際系統(tǒng)中使用的地址碼是近似正交的），因而造成相互之間的干擾。在一個(gè)CDMA系統(tǒng)中，每一碼分信道都會(huì)受到來自其它碼分信道的干擾，這種干擾是一種固有的內(nèi)在干擾。由于各個(gè)用戶距離基站距離不同而使得基站接收到各個(gè)用戶的信號強(qiáng)弱不同，由于信號間存在干擾，尤其是強(qiáng)信號會(huì)對弱信號造成很大的干擾，甚至造成系統(tǒng)的崩潰，因此必須采用某種方式來控制各個(gè)用戶的發(fā)射功率，使得各個(gè)用戶到達(dá)基站的信號強(qiáng)度基本一致。 CDMA系統(tǒng)的容量主要受限于系統(tǒng)內(nèi)部移動(dòng)臺(tái)的相互干擾，所以每個(gè)移動(dòng)臺(tái)的信號達(dá)到基站時(shí)都達(dá)到最小所需的信噪比，系統(tǒng)容量將會(huì)達(dá)到最大值。
　　CDMA功率控制分為：前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又分為開環(huán)和閉環(huán)功率控制。
　　反向開環(huán)功率控制
　　反向開環(huán)功率控制是移動(dòng)臺(tái)根據(jù)在小區(qū)中所接收功率的變化，迅速調(diào)節(jié)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率。其目的是試圖使所有移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的信號在到達(dá)基站時(shí)都有相同的標(biāo)稱功率。開環(huán)功率控制是為了補(bǔ)償平均路徑衰落的變化和陰影、拐彎等效應(yīng)，它必須有一個(gè)很大的動(dòng)態(tài)范圍。IS95空中接口規(guī)定開環(huán)功率控制動(dòng)態(tài)范圍是－32dB～＋32dB。
　　1）剛進(jìn)入接入信道時(shí)（閉環(huán)校正尚未激活）
　　平均輸出功率（dBm）= -平均輸入功率（dBm）-73+NOM_PWR（dB）+ INIT_PWR（dB）
　　其中：平均功率是相對于1.23 MHz 標(biāo)稱CDMA 信道帶寬而言；
　　INIT_PWR 是對第一個(gè)接入信道序列所需作的調(diào)整；
　　NOM_PWR是為了補(bǔ)償由于前向CDMA 信道和反向CDMA 信道之間不相關(guān)造成的路徑損耗。
　　2）其后的試探序列不斷增加發(fā)射功率（步長為PWR_STEP），直到收到一個(gè)效應(yīng)或序列結(jié)束。輸出的功率電平為：
　　平均輸出功率（dBm） = -平均輸入功率（dBm）-73+NOM_PWR（dB）+INIT_PWR（dB）＋PWR_STEP之和（dB）
　　3）在反向業(yè)務(wù)信道開始發(fā)送之后一旦收到一個(gè)功率控制比特，移動(dòng)臺(tái)的平均輸出功率變?yōu)椋?平均輸出功率（dBm） = -平均輸入功率（dBm）-73+NOM_PWR（dB）+INIT_PWR （dB）+PWR_STEP 之和（dB）+所有閉環(huán)功率校正之和（dB）
　　其中：NOM_PWR 的范圍為 －8～7 dB，標(biāo)稱值為0dB
　　INIT_PWR 的范圍為－16～15 dB，標(biāo)稱值為0dB
　　PWR_STEP 的范圍為 0～7 dB
　　反向閉環(huán)功率控制
　　閉環(huán)功率控制的目的是使基站對移動(dòng)臺(tái)的開環(huán)功率估計(jì)迅速作出糾正，以使移動(dòng)臺(tái)保持最理想的發(fā)射功率。功率控制比特是連續(xù)發(fā)送的，速率為每比特1.25ms（即800bit/s）?！?”比特指示移動(dòng)臺(tái)增加平均輸出功率，“1”比特指示移動(dòng)臺(tái)減少平均輸出功率，步長為1dB/比特。一個(gè)功率控制比特的長度正好等于前向業(yè)務(wù)信道兩個(gè)調(diào)制符號的長度（即104.66us）。每個(gè)功率控制比特將替代兩個(gè)連續(xù)的前向業(yè)務(wù)信道調(diào)制符號，這個(gè)技術(shù)就是通常所說的符號抽取技術(shù)。
　　前向功率控制
　　基站周期性地降低發(fā)射到移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率，移動(dòng)臺(tái)測量誤幀率，當(dāng)誤幀率超過預(yù)定義值時(shí)，移動(dòng)臺(tái)要求基站對它的發(fā)射功率增加1％，每15～20ms進(jìn)行一次調(diào)整。下行鏈路低速控制調(diào)整的動(dòng)態(tài)范圍是±6dB。 移動(dòng)臺(tái)的報(bào)告分為定期報(bào)告和門限報(bào)告。
5 軟容量
　　對于CDMA系統(tǒng)，用戶數(shù)與服務(wù)級別存在比較靈活的關(guān)系，運(yùn)營商可在話務(wù)量高峰期將誤幀率稍微提高，來增加可用信道數(shù)，提高系統(tǒng)容量。軟容量是通過CDMA系統(tǒng)的呼吸功能來實(shí)現(xiàn)的。呼吸功能是CDMA系統(tǒng)中特有的改善用戶相互干擾、合理分配基站容量的功能。它是指相鄰基站間，如果某基站覆蓋區(qū)正在通話的用戶數(shù)量較多時(shí)，該基站的用戶之間會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，這時(shí)，該基站可通過降低該基站的導(dǎo)頻信道的發(fā)射功率使部分用戶通過軟切換切換到負(fù)荷較輕相鄰基站中去，從而降低該基站的負(fù)荷，減輕該基站的干擾，這是所謂的“呼”功能；當(dāng)該基站的用戶數(shù)量減少、干擾減輕時(shí)，該基站又可增加導(dǎo)頻信道的發(fā)射功率，將相鄰基站的用戶通過軟切換納入自己的覆蓋區(qū)域，這是所謂的“吸”功能。CDMA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)呼吸功能的本質(zhì)在于其可以方便的控制各個(gè)基站的覆蓋范圍和系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)軟切換，通過改變基站的覆蓋范圍來調(diào)整各個(gè)基站下面的用戶容量，CDMA系統(tǒng)通過呼吸功能，實(shí)現(xiàn)相鄰基站之間的容量均衡，降低各個(gè)基站內(nèi)部的用戶干擾，從整個(gè)系統(tǒng)考慮是增加了容量。
6 軟切換
　　切換是指將一個(gè)正在進(jìn)行的呼叫從一個(gè)小區(qū)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)小區(qū)的過程。切換是用于無線傳播、業(yè)務(wù)分配、激活操作維護(hù)、設(shè)備故障等原因而產(chǎn)生。CDMA系統(tǒng)中的切換有兩類：硬切換和軟切換。
　　硬切換（Hard Handoff）
　　硬切換是指在切換的過程中，業(yè)務(wù)信道有瞬時(shí)的中斷的切換過程。硬切換包括以下兩種情況：1）同一MSC中的不同頻道之間；2）不同MSC之間。
　　軟切換（Soft Handoff）
　　軟切換是指在切換過程中，在中斷與舊的小區(qū)的聯(lián)系之前，先用相同頻率建立與新的小區(qū)的聯(lián)系。手機(jī)在兩個(gè)或多個(gè)基站的覆蓋邊緣區(qū)域進(jìn)行切換時(shí)，手機(jī)同時(shí)接收多個(gè)基站（大多數(shù)情況下是兩個(gè)）的信號，幾個(gè)基站也同時(shí)接收該手機(jī)的信號，直到滿足一定的條件后手機(jī)才切斷同原來基站的聯(lián)系。如果兩個(gè)基站之間采用的是不同頻率，則這時(shí)發(fā)生的切換是硬切換。軟切換包括以下四種情況：
　　1）同一基站的兩個(gè)扇區(qū)之間；（這種切換也稱為更軟切換（Softer Handoff））。
　　2）不同基站的兩個(gè)小區(qū)之間；
　　3）不同基站的小區(qū)和扇區(qū)之間的三方切換；
　　4）不同基站控制器之間；
　　軟切換的實(shí)現(xiàn)
　　能夠?qū)崿F(xiàn)軟切換的原因在于：1、CDMA系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)相鄰小區(qū)的同頻復(fù)用；2、手機(jī)和基站對于每個(gè)信道都采用多個(gè)RAKE接收機(jī)，可以同時(shí)接收多路信號，在軟切換過程中各個(gè)基站的信號對于手機(jī)來講相當(dāng)于是多徑信號，手機(jī)接收到這些信號相當(dāng)于是一種空間分集。
　　導(dǎo)頻 ：指導(dǎo)頻信道
　　導(dǎo)頻集合：指所有具有相同頻率但不同 PN碼相位的導(dǎo)頻集。
　　有效導(dǎo)頻集：與正在聯(lián)系的基站相對應(yīng)的導(dǎo)頻集合。
　　候選導(dǎo)頻集：當(dāng)前不在有效導(dǎo)頻集里，但是已有足夠的強(qiáng)度表明與該導(dǎo)頻相對應(yīng)的基站的前向業(yè)務(wù)信道可以被成功解調(diào)的導(dǎo)頻集合。
　　相鄰導(dǎo)頻集：當(dāng)前不在有效導(dǎo)頻集或候選導(dǎo)頻集里但又根據(jù)某種算法被認(rèn)為很快就可以進(jìn)入候選導(dǎo)頻集里的導(dǎo)頻集合。
　　剩余導(dǎo)頻集：不被包括在相鄰導(dǎo)頻集。候選導(dǎo)頻集和有效導(dǎo)頻集里的所有其它導(dǎo)頻的導(dǎo)頻集合。軟切換過程如圖4所示：
　　a、當(dāng)導(dǎo)頻強(qiáng)度達(dá)到T_ADD，移動(dòng)臺(tái)發(fā)送一個(gè)導(dǎo)頻強(qiáng)度測量消息，并將該導(dǎo)頻轉(zhuǎn)到候選導(dǎo)頻集合；
　　b、基站發(fā)送一個(gè)切換指示消息；
　　c、移動(dòng)臺(tái)將此導(dǎo)頻轉(zhuǎn)到有效導(dǎo)頻集并發(fā)送一個(gè)切換完成消息；
　　d、當(dāng)導(dǎo)頻強(qiáng)度掉到T_DROP 以下時(shí)，移動(dòng)臺(tái)啟動(dòng)切換去掉定時(shí)器；
　　e、切換去掉定時(shí)器到期，移動(dòng)臺(tái)發(fā)送一個(gè)導(dǎo)頻強(qiáng)度測量消息；
　　f、基站發(fā)送一個(gè)切換指示消息；
　　g、移動(dòng)臺(tái)把導(dǎo)頻從有效導(dǎo)頻集移到相鄰導(dǎo)頻集并發(fā)送切換完成消息。
7 地址碼的選擇
　　地址碼選擇的要求：所選的地址碼應(yīng)能提供足夠數(shù)量的相關(guān)函數(shù)特性尖銳的碼系列，保證信號經(jīng)過地址碼解擴(kuò)后具有較高的信噪比。地址碼提供的碼序列應(yīng)接近白噪聲特性，同時(shí)編碼方案簡單，保證具有較快的同步建立速度。
　　偽隨機(jī)序列
　　偽隨機(jī)序列（PN碼）具有類似噪聲序列的性質(zhì)，是一種貌似隨機(jī)但實(shí)際上是有規(guī)律的周期性二進(jìn)制序列。CDMA系統(tǒng)中采用 m序列。
　　m序列定義：“最長線性反饋移位寄存器序列”的簡稱。如果 r 級線性移位寄存器序列的周期是P＝2r－1，則該移位序列為 m序列。
　　PN 碼的碼捕獲
　　CDMA中，PN 碼的碼捕獲采用兩段搜索算法，實(shí)現(xiàn)快速捕獲。實(shí)現(xiàn)過程如下：
　　a、在相關(guān)解調(diào)過程中，先設(shè)置一較低門限，然后相關(guān)解調(diào)PN 碼的一小段，如果沒有超過門限，則表明在該相位無有用信號，將相位后移一段，再作相關(guān)解調(diào)。
　　b、如果超過門限了，在該相位再做更長一段PN碼的相關(guān)解調(diào)，以判定該相位是否有有用信號。
　　c、每次移PN 碼的半個(gè)比特的長度。
　　PN 碼在CDMA中的應(yīng)用
　　在前向信道中，長度為242-1的 m序列被用作對業(yè)務(wù)信道進(jìn)行擾碼（注意不是用作擴(kuò)頻，在前向信道中是使用正交的Walsh函數(shù)進(jìn)行擴(kuò)頻）。長度為215-1的 m序列被用作對前向信道進(jìn)行正交調(diào)制，不同的基站使用不同相位的 m序列進(jìn)行調(diào)制，其相位差至少為64個(gè)比特，這樣，最多有512 個(gè)不同的相位可用。
　　在反向信道中，長度為242-1的 m序列被用作直接進(jìn)行擴(kuò)頻，每個(gè)用戶被分配一個(gè) m序列的相位，這個(gè)相位是由用戶的ESN （移動(dòng)臺(tái)的電子序號）計(jì)算出來，這些 m序列的相位是隨機(jī)分布且不會(huì)重復(fù)的。長度為215-1的PN 碼也被用作對反向業(yè)務(wù)信道進(jìn)行正交調(diào)制，其相位偏置為0 。
8 分集技術(shù)
　　分集技術(shù)是指系統(tǒng)同時(shí)接收衰落互不相關(guān)的兩個(gè)或更多個(gè)輸入信號后，系統(tǒng)分別解調(diào)這些信號然后將他們相加，這樣系統(tǒng)可以接收到更多有用信號，克服衰落。
　　移動(dòng)通信信道是一種多徑衰落信道，發(fā)射的信號要經(jīng)過直射、反射、散射等多條傳播途徑才能達(dá)到接收端，而且隨著移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)，各條傳播路徑上的信號幅度、時(shí)延及相位隨時(shí)隨地發(fā)生變化，所以接收到的信號的電平是起伏、不穩(wěn)定的，這些多徑信號相互疊加就會(huì)形成衰落。疊加后的信號幅度變化符合瑞利分布，又稱瑞利衰落。瑞利衰落隨時(shí)間急劇變化時(shí)，稱為“快衰落”。快衰落嚴(yán)重衰落深度達(dá)到20~30dB。瑞利衰落的中值場強(qiáng)只產(chǎn)生比較平緩的變化，稱為“慢衰落”，且服從對數(shù)正態(tài)分布。分集技術(shù)是克服疊加衰落的一個(gè)有效分發(fā)。由于具有頻率、時(shí)間、空間的選擇性，因此分集技術(shù)包括頻率分集、時(shí)間分集、空間分集。
　　減弱慢衰落采用空間分集，即用幾個(gè)獨(dú)立天線或在不同場地分別發(fā)射和接收信號，以保證各信號之間的衰落獨(dú)立。根據(jù)衰落的頻率選擇性，當(dāng)兩個(gè)頻率間隔大于信道帶寬相關(guān)帶寬時(shí)，接收到的此兩種頻率的衰落信號不相關(guān)，市區(qū)的相關(guān)帶寬一般為50kHz左右，郊區(qū)的相關(guān)帶寬一般為250kHz左右。而CDMA的一個(gè)信道帶寬為1.23MKz，無論在市區(qū)還是郊區(qū)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相關(guān)帶寬的要求，所以CDMA的寬帶傳輸本身就是頻率分集。時(shí)間分集是利用基站和移動(dòng)臺(tái)的RAKE接收機(jī)來完成的。對于一個(gè)信道帶寬為1.23MHz的CDMA系統(tǒng)，當(dāng)來自兩個(gè)不同路徑信號的時(shí)延為1us時(shí)，也即這兩條路徑相差大約300m時(shí)，RAKE接收機(jī)就可以將它們分別提取出來而不混淆。