CDMA基础

1 蜂窝技术简介

无线移动传输的传统方法是在覆盖区域的中心位置设置具有较高天线的大功率发射机将信号发射至整个区域。而通信的传输方法放弃了中心广播的方法，而是将整个区域划分成很多较小的区域，用许多小功率的发射机来覆盖每个小的区域，这样的区域叫蜂窝小区。

在服务区面积一定的情况下，正六边形的覆盖需要较小的小区，和较少的发射站。因为正六边形形同蜂窝，因此把小区形状为六边形的小区制移动通信网称为蜂窝网。一个特定小区的话务量增加时，需要分裂成更小的小区以增加信道。

蜂窝系统的典型系统结构如下：

BS为基站，MSC为移动交换中心。

蜂窝接入法如下：

FDMA:频分多址，所有用户共享整个时域，频域带宽按照频率信道安排给各个用户。
TDMA:时分多址，所有用户共享整个频域，时域带宽按照时隙安排给各个用户。
CDMA:码分多址，所有用户共享整个时域频域，给每个用户安排一个有很好自相关特性的随机码来区别用户。

2 什么是CDMA

CDMA即码分多址，使用不同的编码来区分用户。频分仍在使用，不过是在一个更大的带宽（1.25Mhz）内。在CDMA中，一个用户信道包含特定频率和唯一编码的组合。

相关码允许各用户在存在噪声的情况下工作。这如同是一个人数众多的鸡尾酒会。许多人同时在讲话，但你只能听清和理解一个人的讲话。因为你的大脑能进行语音甄别，把它与其他人的话音相区别。而其他人的讲话就是一种噪声干扰，当噪声干扰增大时，必须增大讲话者的发射功率（音量）才能让听话者听清。

3 CDMA与其他模拟或TDMA系统间的主要差别

(1) 同一频率上可以同时有多个用户

2 除了频率外，信道可用相关码定义

3 容量极限时软指标。逐渐增加用户仅仅是引起语音质量的逐渐下降

4 扩频通信和香农定理

香农定理：C=W*log2(1＋S/N)  其中C是可得到的链路速度，W是链路的带宽，S是平均信号功率,N是平均噪声功率，信噪比（S/N）通常用分贝（dB）表示，分贝数=10×log10（S/N）

结论：给定的信道容量C，可以用不同的带宽和信噪比S/N组合来传输。

扩频通信：即在发送端，采用扩频编码调制，使信号传输占用的频带带宽，远大于信号带宽；而在收端使用解调技术恢复信号。用来增加抗干扰能力（在信噪比S/N降低的情况下，也能维持信道容量和信号质量）。

CDMA扩频通信系统图示如下：

5 交织

把突发错误分散开来传输，方便纠错。分块交织和卷积交织。

6 数据扰码

数据扰码也称数据掩蔽，目的是为了数据安全。数据扰码在块交织输出端以19.2kb/s速率进行。

7 鉴权和加密

CDMA中，MS和BS拥有相同的SSD。基站通过SSD的适配确认MS的身份。

8 分集接收

分集的基本原理是通过多个信道（时间、频率或者空间）接收到承载相同信息的多个副本，由于多个信道的传输特性不同，信号多个副本的衰落就不会相同。接收机使用多个副本包含的信息能比较正确的恢复出原发送信号。

如果不采用分集技术，在噪声受限的条件下，发射机必须要发送较高的功率，才能保证信道情况较差时链路正常连接。在移动无线环境中，由于手持终端的电池容量非常有限，所以反向链路中所能获得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低发射功率，这在移动通信中非常重要。

CDMA使用三种类型的分集：空间分集、时间分集、频率分集。

空间分集：利用两副接收天线，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，这就是空间分集。

频率分集：采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性，即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现抗频率选择性衰落的功能。

时间分集：将同一信号在不同时间区间多次重发，只要各次发送时间间隔足够大，则各次发送降格出现的衰落将是相互独立统计的。时间分集正是利用这些衰落在统计上互不相关的特点，即时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰落的功能。

分集接收后的合并可以在中频和射频上进行，也可以在基带上进行。

9 功率控制

使用功率控制的原因：如果小区中的所有用户均以相同的功率发射信号，则靠近基站的手机到达基站的信号就强，而远离基站的手机到达基站的信号就弱，这样将导致强信号掩盖弱信号，这就是移动通信中的"远近效应"问题。

因为所有用户共同使用同一频率（载波），所以"远近效应"问题更加突出。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，又不对占用同一信道的其它用户产生不应有的干扰。

CDMA 功率控制分为：正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。

(a)反向功率控制

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。

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。

(b)正向功率控制

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。

10 越区切换

当移动台从一个小区（指基站或者基站的覆盖范围）移动到另一个小区时，为了保持移动用户的不中断通信需要进行的信道切换称为越区切换。判定移动台是否需要越区切的标准通常依靠接收信号载波电平判定。当信号载波电平低于门限电平（例如－100dBm），则进行切换。分软切换和硬切换，软切换为先接后断，硬切换为先断后接。

11 CDMA码分系统的容量

CDMA系统的容量是一个软指标，逐渐增加用户相当于增加干扰，仅仅是引起语音质量的逐渐下降。

提高容量的方法有：

（1）采用语音激活技术。人们在通话中，平均只有35%的时间在讲话，65%处于听话或停顿状态。CDMA采用可变速率语音编码器，详情如下：

      高活动量，全数据率编码(9600bps)

      中活动量，半数据率编码(4800bps)

      低活动量，1/4数据编码率(2400bps)

      无活动量，1/8数据编码率(1200bps)

（2）采用定向天线减少相互之间的干扰

12 IS-95 CDMA信道

(a)正向信道(Forward Channel)

分导频信道(1路)、同步信道(1路)、寻呼信道(7路)、正向业务信道(55路)。如图：

1）导频信道（Pilot Channel）
发送一个不含数据信息的扩频信号，但包括引导PN序列的相位偏移量(表示基站）和频率基准信息，电平高于其它信道，一般为总能量的20%。

• 用于移动台获取基站的定时和提取相干载波以进行相干解调；
• 通过对导频信号中多径信号的检测，实现RAKE接收机中的信号估计；
• 通过比较相邻基站导频信号的强度，决定何时需越区切换；
• 通过对导频信号强度的检测，决定开环功率控制的初始值。

2）同步信道（Synchronous Channel）
共有四种传输速率(9600、4800、2400、1200b/s)。
业务速率可以逐帧(20ms)改变，以动态地适应通信者的话音特征。比如，发音时传输速率提高，停顿时传输速率降低。这样做，有利于减少CDMA系统的多址干扰，以提高系统容量。
在业务信道中，还要插入其它的控制信息，如链路功率控制和过区切换指令等。
3）寻呼信道（Paging Channel）
通过寻呼信道传送控制信息给移动台；
定时发送系统信息，使MS收到入网参数，为入网作准备；
寻呼MS。寻呼信道的速率：9600bps，4800bps；

(b)反向信道(Reverse Channel)

分接入信道和反向业务信道，如图：

接入信道

移动台使用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

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。

移动台在反向业务信道上以可变速率9600、4800、2400、1200bit/s的数据速率发送信息。反向业务信道帧的长度为20ms。速率的选择以一帧（即20ms）为单位，即上一帧是9600bit/s，下一帧就可能是4800bit/s。

13 IS-95 CDMA的呼叫流程

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第一步：开机，系统接入

移动台开机后就进入“初始化状态”。移动台不断扫描周围空间频谱，首先扫描使用最频繁的载频，如果没有收到cdma信号，将继续扫描第二个经常使用的载频，重复这一搜索过程直到接收到cdma信号或者失败，如果在要求的频谱范围内没有cdma信号可用，移动台将尝试转向模拟系统或转入待机休眠状态，等待随机时间后，再进行新的尝试。

移动台将不断的检测周围各基站发来的导频信号和同步信号。移动台通过识别本地PN序列的偏置，可以知道周围有哪些基站在发送导频信号。移动台比较这些导频信号的强度来判断自己处于哪个小区之中。

第二步：获取同步信息

移动台的瑞克接收机锁定最强导频，进行64阶沃尔什码（WalshCode=32）解调，既可读出同步信道消息（SyncChannelMessage）。

第三步：监视寻呼信道，读取配置信息

在获得同步信道消息后，移动台将继续搜索寻呼信道（PagingChannel）。移动台的瑞克接收机仍然锁定这个最强导频，进行进行64阶沃尔什码（WalshCode=1）解调，监视寻呼信道（PagingChannel），读取配置消息。寻呼信道中包含系统配置消息（ConfigMsg）移动台从寻呼信道获取系统配置消息后，就可以在系统内进行发送和相关操作了。 配置消息中包含接入参数。

第四步：通过接入信道，向基站报告注册，相应寻呼信息

接入信道（AccessChannel）用于移动台向基站报告自己的注册、本机和寻呼响应消息，基站通过寻呼信道不断与移动台通信。寻呼信道的系统参数消息（SPM）决定移动台是否需要进行新的系统注册，收到消息的移动台将向系统回复自己的注册消息（RegistrationMessage）。

系统登记使系统知道移动台已处于激活状态，可以随时发起呼叫或接收来话。移动台不断向系统报告自己的位置变化，以便于有来话发生时，系统可以及时进行交换处理，发送来话消息到移动台。注册后，系统只有和移动台建立通信的基站发送寻呼信道消息，这样减少了系统内的寻呼信道消息的拥塞。

第五步：监听呼入，如果有呼入，进行通话

移动台完成系统注册后，就可以随时进行呼入和呼出操作。在这过程中，移动台不断监视寻呼信道以判断是否有来话呼叫。当有来话发生时，寻呼信道中的通用寻呼消息（GPM）通知移动台准备接入。之后，移动台通过接入信道向系统发送寻呼响应消息（PRM），准备接收来话。得到确认后，系统通过信道指配消息（CAM）分配一条下行业务信道给移动台来接入来话。然后，移动台和基站互相进行确认，保证双方的业务信道已经建立完成，同时确定呼叫的类型是否一致，9.6Kbps或13Kbps 等。移动台现在可以振铃通知用户准备接听，并显示呼叫方的电话号码（callinglineID）。当用户按动通话按钮，语音通道建立完成，就可以进行双工通话了。通话过程中，如果移动台在移动，可能发生越区切换。

和接听来话相似，用户对外拨叫也要同系统进行消息传递，建立双方通话的上下行业务信道。

首先用户拨打对方的电话号码，按下呼叫按钮，移动台在接入信道（AccessChl）上发送原始消息（OriginationMsg）。系统收到消息后，在寻呼信道上进行确认。系统开始分配业务信道用于双方通话，通过业务信道分配消息（CAM）指配专用信道给移动台作为上下行信道。双方进行上下行业务信道的确认，并确定语音通话速率。最后，交换机建立语音电路，被叫方听到电话振铃，通话开始。

第六步：通话结束

通话结束后，移动台重新搜索周围最强导频，读取同步消息，定期监测寻呼信道。

注：除了正常的通话结束外，还有其他原因可能导致双方通话被迫中断，常称为“掉话”。掉话原因可能是：移动台无法收到前向业务信道信号，超过定时器时间，导致掉话；基站无法收到反向业务信道信号，超过定时器时间，导致掉话；基站发送的许多前向链路消息得不到确认，基站断开连接，导致掉话；移动台发送的许多反向链路消息得不到确认，移动台断开连接，导致掉话。