CDMA 快速指南

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CDMA 简介

什么是 CDMA？

码分多址 (Code Division Multiple Access, CDMA) 是一种用于移动通信的数字蜂窝技术。CDMA 是 cdmaOne、CDMA2000 和 WCDMA 等接入方法的基础。CDMA 蜂窝系统被认为优于 FDMA 和 TDMA，这就是为什么 CDMA 在构建高效、可靠和安全的无线通信系统中发挥着关键作用的原因。

一个简单的比喻

让我们做一个简单的比喻来理解 CDMA 的概念。假设在一个教室里有一些学生想要同时互相交谈。如果每个人都同时开始说话，什么也听不见。他们要么轮流说话，要么使用不同的语言进行交流。

第二个选项与 CDMA 非常相似——说同一种语言的学生可以互相理解，而其他语言则被视为噪声并被忽略。类似地，在无线电 CDMA 中，每组用户都会分配一个共享码。许多码占用相同的信道，但只有与特定码关联的用户才能进行通信。

CDMA 的显著特点

基于扩频技术的 CDMA 具有以下显著特点：

  • 在 CDMA 中，每个信道都使用全部可用频谱。

  • 个别对话使用伪随机数字序列进行编码，然后使用宽频范围进行传输。

  • CDMA 一致地为语音和数据通信提供更好的容量，允许更多用户在任何给定时间连接。

  • CDMA 是构建 3G 技术的通用平台。对于 3G，CDMA 使用 1x EV-DO 和 EV-DV。

第三代标准

CDMA2000 使用频分双工-多载波 (FDD-MC) 模式。这里，多载波意味着 N × 1.25 MHz 信道叠加在 N 个现有的 IS-95 载波上，或者部署在未占用的频谱上。CDMA2000 包括：

  • 1x — 使用 1.2288 Mcps 的扩频速率。

  • 3x — 使用 3 × 1.2288 Mcps 或 3.6864 Mcps 的扩频速率。

  • 1xEV-DO (1x Evolution – Data Optimized) — 使用 1.2288 Mcps 的扩频速率，针对数据进行了优化。

  • WCDMA/FDD-DS — 宽带 CDMA (WCDMA) 频分双工-直接序列扩频 (FDD-DS) 模式。这具有单个 5 MHz 信道。WCDMA 每个信道使用单个载波，并采用 3.84 Mcps 的扩频速率。

CDMA 开发组 (CDG)

CDMA 开发组 (CDG) 成立于 1993 年 12 月，是一个国际公司联盟。它共同努力，引领先进无线电信系统的增长和发展。

CDG 由服务提供商、基础设施制造商、设备供应商、测试设备供应商、应用程序开发商和内容提供商组成。其成员共同定义了 CDMA2000 和 4G 互补系统开发的技术要求。此外，与其他新兴无线技术的互操作性旨在增加全球消费者和企业对无线产品和服务的可用性。

IMT-2000 系统

IMT-2000 System

CDMA 信道

CDMA 信道可大致分为前向信道和反向信道。本章解释了这些信道的功能。

前向信道

前向信道是通信方向或移动到小区的下行链路路径。它包括以下信道：

  • 导频信道 - 导频信道是一个参考信道。它用于移动台获取时间并作为相干解调的相位参考。它由每个基站在每个活动 CDMA 频率上连续传输。并且，每个移动台连续跟踪此信号。

  • 同步信道 - 同步信道携带单个重复消息，该消息向移动台提供有关时间和系统配置的信息。同样，移动台可以通过与短码同步来获得精确的系统时间。

  • 寻呼信道 - 寻呼信道的主要目标是发送寻呼，即向移动台发送来电通知。基站使用这些寻呼来传输系统开销信息和移动台特定消息。

  • 前向业务信道 - 前向业务信道是码信道。它用于将呼叫（通常是语音和信令业务）分配给单个用户。

反向信道

反向信道是移动到小区的通信方向或上行链路路径。它由以下信道组成：

  • 接入信道 - 移动台使用接入信道与基站建立通信或应答寻呼信道消息。接入信道用于短信令消息交换，例如呼叫、对寻呼的响应和注册。

  • 反向业务信道 - 反向业务信道由单个用户在其实际呼叫中使用，以将业务从单个移动台传输到一个或多个基站。

CDMA Channels

CDMA 多址接入方法

允许在 FDD 或 TDD 模式下运行，以便根据不同区域的频率分配有效利用可用频谱。

频分双工

一种双工方法，其中上行链路和下行链路传输使用两个独立的频带：

  • 上行链路 - 1920 MHz 至 1980 MHz

  • 下行链路 - 2110 MHz 至 2170 MHz

  • 带宽 - 每个载波位于 5 MHz 宽带的中心

信道分离

可调整的 5 MHz 标称值。

信道栅格

200 kHz（中心频率必须是 200 kHz 的倍数）。

收发频率分离

标称值为 190 MHz。此值可以是固定的或可变的（最小值为 134.8 MHz，最大值为 245.2 MHz）。

信道编号

载波频率由 UTRA 绝对射频信道编号 (UARFCN) 指定。此编号由网络（对于上行链路和下行链路）在 BCCH 逻辑信道上传输，并由 Nu = 5 * (上行链路频率 MHz) 和 ND = 5 * (下行链路频率 MHz) 定义。

时分双工

时分双工是一种通过使用同步时间间隔在同一频率上传输上行链路和下行链路传输的技术。载波使用 5 MHz 带宽，尽管 3GPP 正在研究低芯片速率解决方案 (1.28 Mcps)。TDD 的可用频带将为 1900–1920 MHz 和 2010 – 2025 MHz。

无线链路的双工方法

Duplex Methods Radio Links

对于时分双工，前向链路频率与反向链路频率相同。在每个链路中，信号轮流连续传输——就像乒乓球游戏一样。

Ping-Pong

TDD 系统示例

TDD 使用单个频带进行发送和接收。此外，它通过分配交替时隙进行发送和接收操作来共享频带。要传输的信息可以是按位串行格式的语音、视频或计算机数据。每个时间间隔可以为 1 字节长，也可能是几字节的一部分。

TDD 随时间交替传输和接收站数据。时隙长度可变。由于高速数据的特性，通信双方不能意味着传输是间歇的。看似同时的传输实际上是在相互竞争。数字转换为模拟语音，没有人可以说它不是全双工的。

TDD System Example

在某些 TDD 系统中，交替的时间间隔持续时间相同或同时具有 DL 和 UL；但是，系统不需要对称 50/50。系统可以根据需要是非对称的。

例如，在访问互联网时，下载速度通常高于上传速度。大多数设备在异步模式下工作，其中下载速度高于上传速度。当下载速度高于上传速度时，上传所需的时隙较少。一些 TDD 格式提供动态带宽分配，其中时间间隔的数量或持续时间可以根据需要动态更改。

TDD 的真正优势在于它只有一个频谱信道，不需要带隙或信道分离，因为间隔是使用时隙进行的。缺点是 TDD 的成功实施需要一个定时系统。需要向发射机和接收机提供精确的定时，以确保时间间隔不会重叠或相互干扰。

定时通常与 GPS 原子钟标准的特定衍生物同步。时隙之间还需要保护时间以避免重复。这段时间通常等于传输接收处理时间（传输接收切换时间）和通信信道上的传输延迟（延迟）。

频分双工

在频分双工 (FDD) 中，前向链路频率与反向链路频率不同。在每个链路中，信号并行连续传输。

Frequency Division Duplex

FDD 系统示例

FDD 需要频谱的两个对称段用于上行链路和下行链路信道。

在具有发射机和接收机的手机中，由于同时在如此接近的距离内工作，接收机必须尽可能过滤掉来自发射机的信号。频谱分离越多，滤波器越有效。

FDD System Example

频分双工(FDD) 使用大量的频谱，通常是所需时分双工(TDD) 频谱的两倍。此外，信道收发之间必须有足够的频谱隔离。这些频段总是被认为是无法使用的，多余的。鉴于频谱的稀缺性和成本，这些都是真正的缺点。

FDD 的应用

FDD 广泛应用于不同的蜂窝电话系统。在某些系统中，869-894 MHz 频段用作从基站塔到设备的下行链路 (DL) 频谱。而 824-849 MHz 频段用作手机在基站处的上行链路 (UL) 频谱。

FDD 也适用于电缆，其中收发信道被分配到电缆频谱的不同部分，就像在有线电视系统中一样。并且，使用滤波器来保持信道的分离。

FDD 的缺点

FDD 的缺点是它不允许使用诸如多天线、多输入多输出 (MIMO) 和波束成形之类的特殊技术。这些技术是新一代长期演进 (LTE) 4G 手机提高数据速率的重要组成部分。很难制造出足够宽的带宽来覆盖两组天线的频谱。需要复杂的电路动态调整。

多址接入方法

无线信道是由地理区域内的多个用户共享的通信介质。移动台为了传输信息流而相互竞争频率资源。如果没有其他措施来控制多个用户的并发访问，则可能会发生冲突。由于冲突对于诸如移动电话之类的面向连接的通信是不希望的，因此需要根据请求为个人/移动用户站分配专用信道。

Multiple Access Methods

移动通信共享所有用户的无线资源，必须进行用户识别。在识别用户的过程中，它被称为“多址接入”（Multiple Access），即在接收站接收多个发射站的无线电波（如下图所示）。

FDMA - 技术

频分多址 (FDMA) 是最常见的模拟多址接入方法之一。频带被划分为等带宽的信道，以便每次通话都在不同的频率上进行（如下所示）。

FDMA 概述

在 FDMA 方法中，相邻信号频谱之间使用保护频带以最大限度地减少信道间的串扰。特定的频带分配给一个人，接收端通过识别每个频率来接收。它常用于第一代模拟手机。

FDMA

FDMA 的优点

由于 FDMA 系统与平均时延扩展相比使用低比特率（大的符号时间），因此它具有以下优点：

  • 降低比特率信息，使用高效的数字码提高容量。

  • 降低成本并降低符号间干扰 (ISI)。

  • 不需要均衡。

  • FDMA 系统易于实现。可以配置系统，以便可以轻松地整合语音编码器和比特率降低方面的改进。

  • 由于传输是连续的，因此同步和帧同步所需的比特数较少。

FDMA 的缺点

尽管 FDMA 提供了一些优点，但它也有一些缺点，如下所示：

  • 它与模拟系统没有显著差异；容量的提高取决于信干比的降低或信噪比 (SNR)。

  • 每个信道的最大传输速率是固定的且较小。

  • 保护频带导致容量浪费。

  • 硬件意味着窄带滤波器，这在 VLSI 中无法实现，因此增加了成本。

TDMA - 技术

时分多址 (TDMA) 是一种数字蜂窝电话通信技术。它使许多用户能够共享相同的频率而不会发生干扰。它的技术将信号分成不同的时隙，并增加数据承载能力。

TDMA 概述

时分多址 (TDMA) 是一项复杂的技术，因为它需要发射机和接收机之间精确的同步。TDMA 用于数字移动无线电系统。各个移动台循环分配一个频率供其在一个时间间隔内独占使用。

在大多数情况下，不会将整个系统带宽分配给一个台站一段时间。但是，系统的频率被分成子频带，并且在每个子频带中使用 TDMA 进行多址接入。子频带被称为**载波频率**。使用这种技术的移动系统被称为**多载波系统**。

在下面的示例中，三个用户共享频带。每个用户都被分配确定的**时隙**来发送和接收数据。在这个例子中，用户**‘B’**在用户**‘A’**之后发送，用户**‘C’**随后发送。这样，峰值功率成为一个问题，并且通过突发通信变得更大。

TDMA

FDMA 和 TDMA

这是一个多载波 TDMA 系统。25 MHz 频率范围包含 124 个单链路（载波频率 200），每个带宽为 kHz；每个频率信道包含 8 个 TDMA 对话信道。因此，分配给移动台的时隙和频率序列是 TDMA 系统的物理信道。在每个时隙中，移动台传输一个数据包。

分配给移动台的时隙周期也决定了载波频率上的 TDMA 信道数量。时隙周期组合在一个所谓的 TDMA 帧中。在载波频率上传输的 TDMA 信号通常比 FDMA 信号需要更大的带宽。由于使用了多个时隙，总数据速率应该更高。

TDMA 的优点

以下是 TDMA 的一些显著优点：

  • 允许灵活的速率（例如，可以为用户分配多个时隙，例如，每个时间间隔翻译 32Kbps，为用户分配每个帧两个 64 Kbps 时隙）。

  • 可以承受阵风或可变比特率流量。分配给用户的时隙数量可以逐帧更改（例如，帧 1 中的两个时隙，帧 2 中的三个时隙，帧 3 中的一个时隙，帧 0 中的四个时隙等）。

  • 宽带系统不需要保护频带。

  • 宽带系统不需要窄带滤波器。

TDMA 的缺点

TDMA 的缺点如下：

  • 宽带系统的高数据速率需要复杂的均衡。

  • 由于突发模式，需要大量额外的比特进行同步和监控。

  • 每个时隙都需要呼叫时间来适应时间不准确性（由于时钟不稳定）。

  • 以高比特率运行的电子设备会增加能耗。

  • 需要复杂的信号处理才能在短时隙内同步。

CDMA 技术

码分多址 (CDMA) 是一种多路复用技术，它使各种信号能够占据单个传输信道。它优化了可用带宽的使用。该技术通常用于超高频 (UHF) 蜂窝电话系统，频段范围在 800 MHz 和 1.9 GHz 之间。

CDMA 概述

码分多址系统与时间和频率多路复用非常不同。在这个系统中，用户可以访问整个带宽的整个持续时间。基本原理是使用不同的 CDMA 码来区分不同的用户。

常用的技术是直接序列扩频调制 (DS-CDMA)、跳频或混合 CDMA 检测 (JDCDMA)。在这里，生成一个扩展到宽带宽的信号。一个称为**扩频码**的码用于执行此操作。使用一组彼此正交的码，可以在存在许多其他具有不同正交码的信号的情况下选择具有给定码的信号。

CDMA 如何工作？

CDMA 通过使用两个 PN 码处理每个语音数据包，允许在 1.2288 MHz 信道中最多有 61 个并发用户。有 64 个沃尔什码可用于区分通话和理论限制。操作限制和质量问题会使最大通话数略低于此值。

事实上，许多不同的具有不同扩频码的基带“信号”可以调制在相同的载波上，以允许支持许多不同的用户。使用不同的正交码，信号之间的干扰最小。相反，当从多个移动台接收信号时，基站能够隔离每个信号，因为它们具有不同的正交扩频码。

下图显示了 CDMA 系统的技术细节。在传播过程中，我们将所有用户的信号混合在一起，但是通过使用与发送时使用的相同的码进行接收，您可以只取出每个用户的信号。

CDMA Work

CDMA 容量

决定 CDMA 容量的因素是：

  • 处理增益
  • 信噪比
  • 语音活动因子
  • 频率复用效率

CDMA 的容量是软的，CDMA 在每个频率上都有所有用户，并且用户通过码来区分。这意味着 CDMA 在存在噪声和干扰的情况下运行。

此外，相邻小区使用相同的频率，这意味着没有复用。因此，CDMA 容量计算应该非常简单。小区中没有码信道，乘以小区数。但并非如此简单。虽然可用的码信道有 64 个，但可能无法一次使用一个，因为 CDMA 的频率是相同的。

集中式方法

  • CDMA 使用的频段是 824 MHz 到 894 MHz（50 MHz + 20 MHz 分隔）。
  • 频率信道被分成码信道。
  • 1.25 MHz 的 FDMA 信道被分成 64 个码信道。

处理增益

CDMA 是一种扩频技术。每个数据位都由一个码序列扩展。这意味着每位能量也会增加。这意味着我们获得了这种增益。

P（增益）= 10log（W/R）

W 是扩频率

R 是数据速率

对于 CDMA P（增益）= 10 log（1228800/9600）= 21dB

这是一个增益因子和实际数据传播速率。平均而言，典型的传输条件需要 7 dB 的信噪比才能获得足够的语音质量。

转换成比率，信号必须比噪声强五倍。

实际处理增益 = P（增益） - SNR

= 21 – 7 = 14dB

CDMA 使用可变速率编码器

语音活动因子为 0.4，考虑为 -4dB。

因此，CDMA 具有 100% 的频率复用。在周围小区使用相同的频率会导致一些额外的干扰。

在CDMA频率中，频率复用效率为0.67（70%效率）= -1.73dB

CDMA的优点

CDMA具有软容量。码字数量越多，用户数量越多。它具有以下优点：

  • CDMA需要严格的功率控制，因为它会受到近远效应的影响。换句话说，靠近基站并以相同功率传输的用户会淹没较远用户的信号。所有信号在接收端必须具有大致相同的功率。

  • 可以使用RAKE接收机来改善信号接收。可以收集信号的延迟版本（一个或多个码片延迟）（多径信号），并用于在比特级别进行决策。

  • 可以使用灵活的切换。移动基站可以在不改变运营商的情况下切换。两个基站接收移动信号，移动设备接收来自两个基站的信号。

  • 传输突发——减少干扰。

CDMA的缺点

使用CDMA的缺点如下：

  • 必须仔细选择码长。较长的码长会引起延迟或干扰。

  • 需要时间同步。

  • 软切换增加了无线资源的使用，并可能降低容量。

  • 由于基站接收和发送的功率总和需要持续严格的功率控制，这可能导致多次切换。

CDMA Disadvantages

CDMA 网络

CDMA网络是用于规范CDMA技术的系统。它包括从基站、发射天线、接收天线到移动交换中心的所有方面和功能。

CDMA网络概述

基站是CDMA网络的重要组成部分。一个基站覆盖一个小地理区域，称为小区。小区可以是全向的或扇区的。每个基站都具有一个发射天线和两个接收天线（每个小区）。每个小区使用两个接收天线是为了实现空间分集。在许多应用中，它是一个BSC（基站控制器），它控制多个基站。

由于移动电话数据的速率为13kbps或8kbps，是非ISDN的，但作为移动交换中心（MSC）的交换机通常切换到64kbps。因此，在交换之前，需要将这些移动数据速率转换为64kbps。这是通过一个称为转码器的组件实现的。转码器可以是一个单独的组件，也可以位于每个基站或MSC中。

所有基站都连接到MSC，即移动交换中心。MSC是管理网络内以及与外部世界呼叫的建立、连接、维护和处置的实体。

MSC还拥有一个名为HLR/AC的数据库，即归属位置寄存器/鉴权中心。HLR是数据库，维护所有网络用户的数据库。鉴权中心（AC）是HLR安全的一部分，它使用某些算法来检查移动电话。

MSC连接到外部世界，即固定线路网络。MSC还可以连接到其他多个MSC。

CDMA标识

网络标识：

  • SID（系统标识）
  • NID（网络标识）

移动台标识：

  • ESN（电子序列号）
  • 置换ESN
  • IMSI（国际移动用户识别码）
  • IMSI_S
  • IMSI_11_12
  • 终端类别标志

系统和网络标识

基站属于蜂窝系统和网络。网络是系统的子集。系统安装有称为系统标识（CIS）的标识。接收系统的网络称为网络标识（NID）。它是一个唯一标识的网络对（SID，NID）。移动台具有一对或多对归属（非漫游）网络对（SID，NID）的列表。

SID

系统标识指示器（SID）是一个15位的值，存储在移动台中。它用于确定移动台的归属系统。系统标识指示器的位分配如下所示。

SID

国际代码 (INTL) (位 14 和 13) 的分布也显示在表中。位 12-0 由 FCC 为美国以外的国家/地区的每个美国系统分配。位分配将由当地监管机构进行。

NID

NID 的范围为 0-65535 个保留值。SID 中的值为 65535 表示 SID 对表示移动台将整个 SID 视为归属网络。

NID

系统和网络

移动台具有一对或多对归属（非漫游）网络对（SID，NID）的列表。当基站广播的（SID，NID）对与移动台的非漫游（SID，NID）对之一不匹配时，移动台处于漫游状态。

移动台是外国NID漫游者：

  • 如果移动台正在漫游，并且移动台的（SID，NID）列表中有一些（SID，NID）对与SID相对应。

  • 如果移动台正在漫游，并且移动台的（SID，NID）列表中有一些（SID，NID）对没有匹配的SID（表示移动台具有漫游的外国SID客户）。

电子序列号 (ESN)

ESN是一个32位的二进制数，唯一地标识CDMA蜂窝系统中的移动台。它应该在工厂设置，并且不能轻易地在现场更改。更改ESN需要特殊的设备，通常用户无法获得。ESN的位分配如下所示：

ESN

提供ESN的电路必须隔离，以防止任何人接触和篡改。试图更改ESN电路应使移动台无法工作。在初始验收签发时，必须为制造商分配制造商代码（MFR）在32位序列号的8个最高有效位（位31-24）中。位23-18保留（初始为零）。而且，每个制造商只分配17位为0。当制造商几乎用尽位17-0中序列号的所有可能组合时，制造商可以向FCC提交通知。FCC将在保留块（位23至）中分配下一个连续的二进制数。

置换ESN

CDMA是一种扩频技术，允许多个用户在同一小区中甚至在同一频率上访问系统。因此，它在反向链路（即从MS到基站的信息）上区分用户。它使用对所有CDMA蜂窝系统中的移动台唯一的码字来扩散信息。此码字包含ESN作为元素，但它不使用与ESN相同的格式，而是使用交换后的ESN。

如果在一个小区中有两个相同品牌的移动设备并且具有连续的序列号，那么对于基站的接收器来说，连接它们就变得困难。因此，为了避免与连续ESN对应的长码之间存在强相关性，我们使用置换ESN。

国际移动用户识别码 (IMSI)

移动台通过国际移动用户识别码 (IMSI) 来识别。IMSI由最多10到15位数字组成。IMSI的前三位是移动设备的国家代码（MCC），其余数字是国家NMSI移动台标识。NMSI由移动网络代码 (MNC) 和移动台标识号 (MSIN) 组成。

MCC MSN MSIN
NMSI
IMSI ≤15位
  • MCC：移动国家代码
  • MNC：移动网络代码
  • MSIN：移动台标识
  • NMSI：国家移动台标识

长度为15位的IMSI称为0类IMSI（NMSI长度为12位）。长度小于15位的IMSI称为1类IMSI（NMSI长度小于12位）。对于CDMA操作，相同的IMSI可以在多个移动台中注册。各个系统可能会或可能不允许这些功能。这些功能的管理是基站和系统运营商的功能。

CDMA 技术

RAKE接收机

由于宽带无线信道的反射，可能包含许多原始传输信号的副本（多径），这些副本具有不同的幅度、相位和延迟。如果信号分量在彼此的码片周期内到达，则可以使用RAKE接收机来调整和组合这些信号。RAKE接收机利用多径分集的原理。下图显示了RAKE接收机的方案。

Rake Receiver

RAKE接收机处理多个多径信号分量。相关器输出被组合以实现更好的可靠性和通信性能。基于单个相关的比特判决可能会产生较大的比特错误率，因为多径分量由相关器处理的事实可能会被褪色损坏。如果相关器的输出被衰落破坏，则另一个可能不会被破坏，并且可以通过加权过程来减少损坏的信号。

沃尔什码

沃尔什码最常用于CDMA应用中的正交码。这些码对应于称为阿达玛矩阵的特殊方阵的行。对于长度为N的沃尔什码集，它由n行组成，形成一个n × n的沃尔什码方阵。

IS-95系统使用64个沃尔什函数矩阵64。该矩阵的第一行包含一个全为零的字符串，其后每一行包含0和1的不同组合。每一行都是正交的，并且对二进制位具有相同的表示。当与CDMA系统一起实现时，每个移动用户使用矩阵中64个行序列中的一个作为扩频码。并且，它在所有其他用户之间提供零互相关。该矩阵递归定义如下：

Walsh Matrix Code

其中n是2的幂，表示矩阵W的不同维度。此外，n表示对该矩阵中所有位的逻辑非运算。三个矩阵W2, W4, 和W8, 分别显示维度为2、4和8的沃尔什函数。

Walsh Functions

64个沃尔什矩阵64的每一行对应于一个信道号。信道号0映射到沃尔什矩阵的第一行，即全为零的码字。该信道也称为导频信道，用于形成和估计移动无线信道的冲激响应。

为了计算序列之间的互相关，我们需要将矩阵中的位转换为±1值的反义词。但是，同一CDMA信道上的所有用户都可以使用公共长PN序列同步到一个码片间隔的精度。它还可以用作数据加扰器。

  • 沃尔什码是一组具有良好自相关特性和较差互相关特性的扩频码。沃尔什码是CDMA系统的基础，用于开发CDMA中的各个信道。

  • 对于IS-95，共有64个可用码。

    • 码`0`用作导频，码`32`用于同步。

    • 码1到7用于控制信道，其余码可用于业务信道。如果不需要，码2到7也可用于业务信道。

  • 对于cdma2000，存在大量的沃尔什码，其长度各不相同，以适应不同无线配置的不同数据速率和扩频因子。

  • 64个正交比特模式之一，速率为1.2288 Mcps。

  • 沃尔什码用于识别每次单独传输的数据。在正向链路中，它们定义CDMA频率内的正向码信道。

  • 在反向链路中，每个反向信道都使用所有64个码来携带信息。

请看下面的图示。它显示了如何使用沃尔什码进行多路复用。

Multiplexing Using Walsh Code

CDMA 扩频

所有技术调制和解调都力求在加性高斯白噪声信道中获得更高的功率和/或带宽效率。由于带宽是一种有限的资源，所有调制方案的主要设计目标之一就是最大限度地减少传输所需的带宽。另一方面，扩频技术使用的传输带宽比最小信号所需的带宽大一个数量级。

扩频技术的优势在于——许多用户可以同时使用相同的带宽而不会相互干扰。因此，当用户数量较少时，扩频技术并不经济。

  • 扩频是一种无线通信形式，其中传输信号的频率被故意改变，从而导致更高的带宽。

  • 香农和哈特利信道容量定理中明显体现了扩频——

    C = B × log2 (1 + S/N)

  • 在给定方程式中，`C`是以比特每秒 (bps) 为单位的信道容量，它是理论误码率 (BER) 的最大数据速率。'B'是以赫兹 (Hz) 为单位的所需信道带宽，S/N是信噪比。

  • 扩频使用难以检测、拦截或解调的宽带、类噪声信号。此外，扩频信号比窄带信号更难以干扰。

  • 由于扩频信号非常宽，因此它们以比窄带发射机低得多的每赫兹瓦特为单位的光谱功率密度进行传输。扩频信号和窄带信号可以占据相同的频带，几乎没有或没有干扰。这种能力是当今人们对扩频技术产生浓厚兴趣的主要吸引力。

要点总结 −

  • 传输信号带宽大于成功传输信号所需的最小信息带宽。

  • 通常采用信息本身以外的其他函数来确定最终传输带宽。

以下是两种扩频技术：

  • 直接序列和
  • 跳频。

CDMA采用直接序列。

直接序列 (DS)

直接序列码分多址 (DS-CDMA) 是一种通过不同的码复用用户的技术。在这种技术中，不同的用户使用相同的带宽。每个用户都被分配一个自己的扩频码。这些码集分为两类：

  • 正交码和
  • 非正交码

沃尔什序列属于第一类，即正交码，而其他序列（例如PN、Gold和Kasami）是移位寄存器序列。

Direct Sequence

为用户分配正交码后，接收器中相关器的输出将为零，除非是所需序列。在同步直接序列中，接收器接收与传输的码序列相同的码序列，因此用户之间没有时间偏移。

解调DS信号 - 1

为了解调DS信号，您需要知道传输时使用的码。在这个例子中，通过将传输中使用的码与接收信号相乘，我们可以得到传输信号。

在这个例子中，传输时使用了多个码 (10,110,100) 到接收信号。在这里，我们使用二元加法（模2加法）进行了计算。通过将传输时使用的码（称为**反扩散**（解扩））相乘，可以进一步解调。在下图中，可以看到在将数据传输到窄带频谱时，信号的频谱被扩散。

DS Signals - 1

解调DS信号 − 2

另一方面，如果您不知道传输时使用的码，则将无法解调。在这里，您尝试使用不同的码 (10101010) 进行解调，但失败了。

即使查看频谱，它在传输期间也在扩散。当它通过带通滤波器 (Band Path Filter) 时，只有这个小信号保留下来，而这些信号没有被解调。

DS Signals - 2

扩频的特性

如下图所示，扩频信号的功率密度可能低于噪声密度。这是一个极好的特性，可以保护信号并保持隐私。

Spread Spectrum Features

通过扩散传输信号的频谱，可以降低其功率密度，使其低于噪声的功率密度。这样，就可以将信号隐藏在噪声中。如果您知道用于发送信号的码，则可以对其进行解调。如果不知道码，则即使在解调后，接收信号也将隐藏在噪声中。

DS-CDMA

CDMA使用DS码。到目前为止，已经解释了扩频通信的基本部分。从这里开始，我们将解释直接序列码分多址 (DS-CDMA) 的工作原理。

扩频信号只能通过用于传输的码进行解调。通过使用此方法，当接收信号时，可以使用单独的码来识别每个用户的传输信号。在给定的示例中，用户A的扩频信号在码A处，用户B的扩散信号在码B处。接收到的每个信号都被混合。但是，通过反扩散器 (Despreadder)，它可以识别每个用户的信号。

DS-CDMA系统 - 正向链路

DS-CDMA System Forward Link

DS-CDMA系统 - 反向链路

DS-CDMA System Reverse Link

扩频码

互相关

相关是一种测量给定信号与所需码匹配程度的方法。在CDMA技术中，每个用户都被分配一个不同的码，用户分配或选择的码对于调制信号非常重要，因为它与CDMA系统的性能有关。

当所需用户信号与其他用户信号之间有清晰的分离时，将获得最佳性能。这种分离是通过将本地生成的所需信号码与其他接收信号相关来实现的。如果信号与用户的码匹配，则相关函数将很高，系统可以提取该信号。如果用户所需的码与信号没有任何共同点，则相关应尽可能接近于零（从而消除信号）；这也被称为互相关。因此，存在**自相关**（自相关）和**互相关**（互相关）。

下图显示了自相关和码的特性，其中显示了扩频码“A”和扩频码“B”之间的相关性。在这个例子中，给出了扩频码“A (1010110001101001)”和扩频码“B (1010100111001001)”的计算相关性，在下面的例子中进行计算时，结果为6/16。

Cross-Correlation

优选码

CDMA使用优选码。可以使用不同的码，具体取决于CDMA系统的类型。系统有两种类型：

  • 同步系统和
  • 异步系统。

在同步系统中，可以使用正交码（正交码）。对于异步系统，可以使用伪随机码（伪随机噪声）或Gold码。

为了最大限度地减少DS-CDMA中的互扰，应选择互相关较小的扩频码。

同步DS-CDMA

  • 正交码是合适的。（沃尔什码等）

异步DS-CDMA

  • 伪随机噪声 (PN) 码/最大序列
  • Gold码

同步DS-CDMA

同步CDMA系统在点对多点系统中实现。例如，移动电话中的正向链路（基站到移动站）。

Synchronous DS-CDMA

同步系统用于一对多（点对多点）系统。例如，在给定的时间内，在移动通信系统中，单个基站 (BTS) 可以与多个手机通信（正向链路/下行链路）。

在这个系统中，所有用户的传输信号都可以同步通信。意思是，这里的“同步”是指可以发送以对齐每个用户信号顶部的信号。在这个系统中，可以使用正交码，也可以减少互扰。对于正交码，符号为互相关，即0。

异步DS-CDMA

在异步CDMA系统中，正交码具有较差的互相关。

Asynchronous DS-CDMA

与基站的信号不同，从移动站到基站的信号变成了异步系统。

在异步系统中，互扰有所增加，但它使用其他码，例如PN码或Gold码。

扩频的优点

由于信号分布在很宽的频带上，因此功率谱密度变得非常低，因此其他通信系统不会受到这种通信的影响。但是，高斯噪声会增加。下面列出了扩频的一些主要优点：

  • 可以解决多径问题，因为可以生成大量的码，从而允许大量的用户。

  • 在扩频中，用户没有限制，而FDMA技术对用户有限制。

  • 安全性——如果不了解扩频码，几乎不可能恢复传输的数据。

  • 抗衰落性——由于使用了大带宽系统；它不易受衰落的影响。

PN序列

DS-CDMA系统使用两种类型的扩频序列，即**PN序列**和**正交码**。如上所述，PN序列由伪随机噪声发生器生成。它只是一个二进制线性反馈移位寄存器，由异或门和移位寄存器组成。该PN发生器能够为发射机和接收机创建相同的序列，**并保留噪声随机比特序列的理想特性**。

PN序列具有许多特性，例如具有几乎相等数量的零和一，序列的移位版本之间的相关性非常低，以及与其他信号（如干扰和噪声）的互相关性非常低。但是，它能够与其自身及其反向很好地相关。另一个重要方面是序列的自相关性，因为它决定了同步和锁定接收信号的扩频码的能力。这种方法有效地影响了多路干扰并提高了信噪比。M序列、Gold码和Kasami序列是这类序列的例子。

  • 伪随机噪声 (PN) 序列是由二进制数（例如 ±1）组成的序列，它看起来是随机的；但实际上，它是完全确定的。

  • PN序列用于两种类型的PN扩频技术：

    • 直接序列扩频 (DS-SS) 和

    • 跳频扩频 (FH-SS)。

  • 如果“u”使用PSK调制PN序列，则会产生DS-SS。

  • 如果“u”使用FSK调制PN序列，则会产生FH-SS。

跳频技术

跳频是一种扩频技术，其传播通过在宽带上跳频进行。跳频的精确顺序由使用伪随机码序列生成的跳频表确定。

跳频速率是速度信息的函数。频率的顺序由接收机选择，并由伪随机噪声序列决定。虽然跳频信号频谱的传输与直接序列信号的传输大相径庭，但足以说明数据分布在一个大于所需承载信号带宽的信号带上。在这两种情况下，产生的信号都会表现为噪声，接收机使用与传输中使用的类似技术来恢复原始信号。

CDMA 衰落

在无线通信中，衰落是指影响特定传播介质的信号衰减的偏差。失真可能会随时间、地理位置或无线电频率而变化，这通常被建模为一个随机过程。衰落信道是指经历衰落的通信信道。

多径衰落

在无线系统中，衰落可能是由于多径引起的，称为多径衰落，也可能是由于影响波传播的障碍物引起的阴影，称为阴影衰落。本章将讨论多径衰落如何影响CDMA中信号的接收。

Multipath Fading

CDMA系统中的衰落

CDMA系统使用快速芯片速率来扩频。它具有高时间分辨率，因此它可以分别接收来自每条路径的不同信号。RAKE接收机通过将所有信号相加来防止信号退化。

Fading in CDMA Systems

由于CDMA具有高时间分辨率，不同的路径会延迟CDMA信号，这些信号是可以区分的。因此，可以通过调整它们的相位和路径延迟来将所有路径的能量相加。这是RAKE接收机的原理。通过使用RAKE接收机，可以改善由于衰落引起的接收信号损耗。它可以确保稳定的通信环境。

Fading in CDMA Systems 1

在CDMA系统中，多径传播通过使用RAKE接收机来提高信号质量。

CDMA 近远效应问题

近远效应是严重影响移动通信的主要问题之一。在CDMA系统中，互干扰将决定每个用户的信噪比的大部分。

近远效应如何影响通信？

下图显示了近远效应如何影响通信。

Near-Far Problem Affects

如图所示，用户A远离接收机，用户B靠近接收机，则期望信号功率和干扰信号功率之间将存在很大差异。期望信号功率将远高于干扰信号功率，因此用户A的信噪比将较小，用户A的通信质量将严重下降。

CDMA 功率控制

在CDMA中，由于所有移动设备都在同一频率上发射，网络的内部干扰在决定网络容量方面起着关键作用。此外，必须控制每个移动发射机的功率以限制干扰。

功率控制对于解决近远效应至关重要。减轻近远效应的主要思想是实现所有移动设备到基站的接收功率水平相同。每个接收功率必须至少达到一定水平，以便链路满足系统的要求，例如Eb/N0。为了在基站接收相同的功率水平，靠近基站的移动设备应比远离移动基站的移动设备发射更低的功率。

在下图中，有两个移动小区A和B。A更靠近基站，B远离基站。Pr是所需系统性能的最小信号电平。因此，移动设备B应发射更多功率以实现与基站相同的Pr（PB>PA）。如果没有功率控制，换句话说，来自两个移动小区的发射功率相同，则从A接收到的信号比从移动小区B接收到的信号强得多。

Power Control

当所有移动台以相同的功率（MS）发射信号时，基站接收到的电平彼此不同，这取决于BS和MS之间的距离。

由于衰落，接收电平会快速波动。为了在BS处保持接收电平，必须在CDMA系统中采用合适的功率控制技术。

我们需要控制每个用户的发射功率。这种控制称为发射功率控制（功率控制）。控制发射功率有两种方法。第一种是开环控制，第二种是闭环控制。

Open and Closed Loop Power Control

反向链路功率控制

除了上面描述的近远效应外，另一个迫切的问题是在移动设备首次建立连接时确定其发射功率。在移动设备未与基站接触之前，它不知道系统中的干扰量。如果它试图发射高功率以确保联系，那么它可能会引入过多的干扰。另一方面，如果移动设备发射较低的功率（以免干扰其他移动连接），则功率可能无法满足所需的Eb/N0。

如IS-95标准中所述，移动设备当它想要进入系统时，会发送一个称为接入的信号。

在CDMA中，每个用户的发射功率由功率控制分配，以实现相同的功率（Pr），该功率由基站/BTS通过低功率的接入探测接收。移动设备发送其第一个接入探测，然后等待基站的响应。如果它没有收到响应，则会以更高的功率发送第二个接入探测。

重复此过程，直到基站响应。如果基站响应的信号强度高，则移动设备将连接到更靠近移动小区且发射功率低的基站。类似地，如果信号较弱，移动设备知道路径损耗较大，并发射高功率。

上述过程称为开环功率控制，因为它仅由移动设备本身控制。开环功率控制从第一个移动设备尝试与基站通信时开始。

这种功率控制用于补偿缓慢变化的阴影效应。但是，由于前后链路在不同的频率上，因此估计的发射功率由于到基站前方的路径损耗而无法提供精确的功率控制解决方案。对于快速瑞利衰落信道，这种功率控制会失败或速度太慢。

闭环控制的功率用于补偿快速的瑞利衰落。这次，移动设备的发射功率由基站控制。为此，基站持续监控反向链路信号质量。如果连接质量低，它会告诉移动设备增加其功率；如果连接质量很高，移动基站控制器会降低其功率。

前向链路功率控制

与反向链路功率控制类似，前向链路功率控制对于将前向链路质量保持在指定水平也是必要的。这次，移动设备监控前向链路质量，并指示基站打开或关闭。这种功率控制对近远效应没有影响。当所有信号到达移动设备时，它们以相同的功率级别混合在一起。简而言之，前向链路中不存在近远效应。

功率控制的影响

通过发射功率控制，用户可以获得稳定的通信环境，而不管位置如何。远离基站的用户发送的发射功率高于靠近基站的用户。此外，通过这种发射功率控制，可以减轻衰落的影响。这意味着由于衰落引起的接收功率变化可以通过发射功率控制来抑制。

Power Control Effects
  • 功率控制能够补偿衰落波动。
  • 来自所有MS的接收功率被控制为相等。
  • 功率控制减轻了近远效应。

CDMA 频率分配

CDMA的主要容量优势在于它在每个小区的每个扇区中重复使用相同的分配频率。在IS-136和模拟蜂窝系统中，存在7个小区重复因子，3个扇区。这意味着每个扇区只有21个信道中的一个可用。CDMA设计为在每个小区的每个扇区中共享相同的频率。对于每个使用cdma2000编码而不是IS-95的用户，系统效率更高。

在FDMA或TDMA中，无线资源的分配是为了避免相邻小区之间的干扰−

  • 相邻小区不能使用相同的（相同的）频段（或时隙）。
  • 左图显示了具有七个频段的简单小区分配。

在实际情况下，由于复杂的无线电传播和不规则的小区分配，难以适当地分配频率（或时隙）。

Frequency Allocate

相反，在CDMA系统中，由于所有用户共享相同的频率，因此频率的安排不是问题。这是CDMA技术的最大优势。

Frequency Allocate1

在CDMA中，所有小区都可以使用相同的无线资源，因为CDMA信道同时使用相同的频率。

  • CDMA中不需要频率分配。
  • 从这个意义上说，CDMA蜂窝系统易于设计。

CDMA 切换

每当蜂窝用户从一个基站切换到另一个基站时，网络会自动切换到另一个相应的基站并保持覆盖责任。这种行为称为“切换”或“移交”。

而在FDMA和TDMA系统中，它使用不同的频率与该区域的基站通信。这意味着，将发生从一个频率到另一个频率的频率切换，并且在切换过程中，将会有短暂的通信中断，这称为“硬切换”或“硬移交”。

硬切换

在FDMA或TDMA蜂窝系统中，在切换时刻中断当前通信后，可以建立新的通信。在切换频率或时隙时，MS和BS之间的通信中断。

Hard Handoff

软切换

蜂窝系统跟踪移动台以保持其通信链路。当移动台移至相邻小区时，通信链路将从当前小区切换到相邻小区。

Soft Handoff

当移动设备进入新区域（从一个基站到另一个基站）时，移动设备通过向第一个基站发送驱动器强度消息来发送第二个足够功率的导频。基站通知MTSO，然后MTSO请求第二个基站的新沃尔什码分配。

  • 第一个基站控制新的渐进传输沃尔什码分配，然后MTSO将陆地链路发送到第二个基站。移动设备由两个基站供电，MTSO每20毫秒选择最佳质量状态。

  • 第一个BS使移动台的功率降低，移动台发送导频强度消息，然后第一个BS传输停止并释放信道。并且，业务信道继续在第二个基站上进行。

  • 在CDMA蜂窝系统中，即使在进行切换时，通信也不会中断，因为不需要切换频率或时隙。

注意 − Walsh序列是正交码的一部分，而其他序列，如PN、Gold和Kasami序列是移位寄存器序列。如果为用户分配正交码，则接收器中相关器的输出将为零，除了期望序列外，而同步直接序列接收器接收的是与发送的相同的码序列，因此用户之间没有时间偏移。

CDMA 干扰

CDMA信号会受到除CDMA用户以外的高干扰信号的影响。这两种干扰形式——来自同一微小区中其他用户的干扰以及来自相邻小区的干扰。总干扰还包括背景噪声和其他杂散信号。

CDMA基于使用扩频调制来编码信号以进行传输和检索。

噪声源

在扩频技术中，无线电信号分布在单个1.23 MHz宽的频带上。每个用户都分配有PN码。对对应于PN码的信号进行解码和处理。不包含代码匹配的信号被视为噪声并被忽略。

信号处理：接收

CDMA以编码的窄带信号开始；利用PN码将其扩展到1.23 MHz的带宽。

接收信号后，对其进行滤波和处理以恢复所需信号。相关器消除了干扰源，因为它们与所需信号处理不相关。使用这种方法，许多CDMA呼叫可以同时占用相同的频谱。

帧错误率

传输错误的数量，以帧错误率 (FER) 来衡量。它随着呼叫数量的增加而增加。为了克服这个问题，微小区和移动站点可以增加功率，直到移动站点或微小区站点能够进一步提高功率以将FER降低到可接受的量。此事件为特定微小区的呼叫提供了一个软限制，并且取决于：

  • 自然发生的噪声底限和人为干扰。
  • 此微小区呼叫的干扰。
  • 其他小区呼叫的干扰。

每个Walsh码的功率

功率控制位在呼叫处理过程中用于保持每个活动业务信道的相对功率，并向上或向下调节功率以保持移动设备在信道上可接受的FER测量值。此功率以数字增益单位表示。

在发送路径中可以看到以下操作：

  • 来自PSU2（5ESS交换机中的分组交换单元2）的低比特率数字语音分组在微小区中由Walsh码扩展。

  • RF发送载波频率由扩展信号调制。

  • 传输直接序列扩频信号。

在接收路径中可以看到以下操作：

  • 接收直接序列扩频信号。

  • 使用RF接收载波频率解调信号。

  • 使用相同的Walsh码对信号进行解扩。

  • 比特检测器将解码后的信号恢复到原始语音模式的合理表示。

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