第3章移动通信技术

第 3 章 CDMA数字蜂窝移动通信

第 3 章 CDMA数字蜂窝移动通信3.1 概述 3.2 码分多址的基本原理 3.3 扩频通信系统 3.4 CDMA系统规划 3.5 CDMA地址码和扩频码

3.6 CDMA技术的特点3.7 CDMA提供的业务 思考与练习题

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3.1 概 述1. CDMA技术的产生与发展 20世纪80年代末, 全球范围从模拟向数字蜂窝技术的突然转 变, 使欧洲的GSM数字技术得以迅速推广, 占据了无可争议的市 场领先地位。几乎与GSM技术同时诞生的还有CDMA技术。与

原来模拟通信系统所采用的FDMA技术和GSM系统所采用的TDMA 技术相对应, CDMA是码分多址(Code Division Multiple Access)技术的英文缩写, 它是在数字技术的分支——扩频通信技

术的基础上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。 正是由于它是以扩频通信技术为基础的, 能够更加充分的利用频谱资 源, 更加有效的解决频谱短缺问题, 因此被视为是实现第3代移动

通信的首选。

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IS-9 5A

IS-9 9、IS6 57 CDMA One IS-9 5B

IS-9 5HDR、IS-9 5C

CDMA 2 00 0 1 X R TT

CDMA 2 00 0 3 X R TT

CDMA 2 00 0

图 3-1 CDMA技术标准化发展阶段

第 3 章 CDMA数字蜂窝移动通信 CDMA技术的发展, 推进了3G的实现进程。CDMA技术的 标准化经历了如下几个阶段(如图3-1所示): IS-95是CDMA One系 列标准中最先发布的标准, 真正在全球得到广泛应用的第一个 CDMA 标准是IS-95A, 这一标准支持8K编码话音服务。其后又 分别出版了13K话音编码器的TSB74标准, 支持1.9GHz 的CDMA PCS系统的STD-008标准, 其中13K编码话音服务质量已非常接 近有线电话的话音质量。随着移动通信对数据业务需求的增长, 1998年, IS-95B 标准应用于CDMA基础平台。 IS-95B可提高 CDMA系统性能, 并增加用户移动通信设备的数据流量, 提供对 64 kb/s数据业务的支持。 其后, CDMA 2000成为窄带CDMA系 统向第三代系统过渡的标准。CDMA 2000在标准研究的前期, 提出了1X和3X的发展策略, 但随后的研究表明, 1X和1X增强型 技术代表了未来发展方向。

第 3 章 CDMA数字蜂窝移动通信 2. 我国CDMA标准的发展 中国CDMA的发展并不迟, 也有长期军用研究的技术积累, 1993年国家863计划已开展了CDMA蜂窝技术研究。1994年高 通首先在天津建设技术试验网。1998年, 具有14万容量的长城 CDMA商用试验网在北京、 广州、 上海、 西安建成, 并开始小 部分商用。 1999年4月, 我国成立了中国无线通信标准研究组 CWTS, 其主要目的是加强我国的标准制定工作。 CWTS下属的 WG4即为CDMA工作组, 它的主要任务就是制定适合我国具体 情况的CDMA标准, 加强中国对国际标准制定的影响力。 此后, 我 国 向 国 际 电 信 联 盟 递 交 了 第 三 代 移 动 通 信

技 术 规 范 TDCDMA标准, 该标准在1999年11月结束的有关世界第三代移动 通信标准制定会上被最终确定为第三代移动通信技术规范的系 列标准之一。这是中国提出的电信技术标准第一次被国际电信 联盟所采用, 同时也证明了我国的通信技术水平已逐渐与世界 同步, 我们的民族产业也日益引起世界的瞩目。

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3.2 码分多址的基本原理模拟系统是靠频率的不同来区别不同用户的, GSM系统靠 的是极其微小的时差, 而CDMA则是靠编码的不同来区别不同

的用户。由于CDMA系统采用的是二进制编码技术, 编码种类可以达到4.4亿, 而且每个终端的编码还会随时发生变化, 两部 CDMA终端编码相同的可能性是“二百年一遇”, 因此, 在 CDMA系统中进行盗码几乎不可能。

第 3 章 CDMA数字蜂窝移动通信 正是因为CDMA系统是根据编码, 而不是根据频率来区分 用户的, 所以, 每个用户被分配的带宽可以很宽, 实际上, CDMA

的编码过程也扩展了信号的频谱, 因而, CDMA通常也用扩频多址(SSMA, Spread Spectrum Multiple Access)来表征。 在信号发 送端的编码过程亦称为扩频调制, 其所产生的信号也称为扩频 信号。 在接收端, 只有具有正确的码序列的接收机才能将接收 到的信号与码序列进行相应的运算, 从而恢复出原始信息。 换

句话说, 信号对于不具有正确码序列的接收机来讲是完全保密的。

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3.3 扩频通信系统3.3.1 扩频通信的基本概念 1. 背景 扩频通信是近年发展非常迅速的一种技术, 它与光纤通信、 卫星通信, 一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方 式。它不仅在军事通信中发挥出了不可取代的优势, 而且广泛

地渗透到了社会的各个领域, 如通信、 遥测、 监控、 报警和导航等。

第 3 章 CDMA数字蜂窝移动通信 2. 定义 所谓扩频通信, 即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication), 是一种把信息的频谱展宽之后再进行传输的技 术。频谱的展宽是通过使待传送的信息数据被数据传输速率高

许多倍的伪随机码序列(也称扩频序列)的调制来实现的, 与所传信息数据无关。 在接收端则采用相同的扩频码进行相关同步接 收、 解扩, 将宽带信号恢复成原来的窄带信号, 从而获得原有数 据信息。 扩频通信与CDMA的关系是: CDMA只能由扩频技术 来实现, 而扩频通信并不意味着CDMA。 

第 3 章 CDMA数字蜂窝移动通信 这一定义包含了以下三方面的含义: 1) 信号的频谱被展宽了 2) 采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱 3) 在接收端用相关解调来解扩 

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3. 实现条件 由上述定义可知, 扩频技术必

须满足两个基本要求:  (1) 所传信号的带宽必须远大于原有信息所需的最小带宽; (2) 所产生的射频信号的带宽与原有信息无关。

第 3 章 CDMA数字蜂窝移动通信 4. 工作原理 扩频通信的一般工作原理如图3-2所示。图中, 在发送端输 入的信息先经过信息调制形成数字信号, 然后由扩频码发生器 产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后 的信号再经过射频调制, 调制到较高频率上再发送出去。  在接收端收到的宽带射频信号经过射频解调, 恢复到中频, 然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。再经 信息解调, 即恢复出原始信息。 

由此可见, —般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的 解调。 一次调制为信息调制, 二次调制为扩频调制, 三次调制为 射频调制, 以及相应的信息解调、 解扩和射频解调。与一般通 信系统比较, 扩频通信多了扩频调制和解扩两个部分。

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信息

信息 调制

扩频 调制

射频 调制

射频 解调

扩频 解调

信息 解调

信息

扩频码 发生器

射频 发生器

本地 射频 发生器

本地 扩频码 发生器

图 3-2 扩频通信工作原理

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5. 应用举例图3-3所示为全双工方式下的多媒体扩频通信系统的原理框 图。 以召开视频会议为例, 操作人员将文字、 语音、 视频等信 号输入计算机, 计算机系统用改进后的NetMeeting平台作为人机 对话软件。 NetMeeting将信号发至定义过的RS-232通信口, 然后 由与RS-232 通信口相连接的扩频数字收发信机进行扩频调制, 形成伪随机序列宽带码, 再发射出去, 通过微波(或卫星)建立链 路; 在接收端, 天线将信号接收至收发信机, 经解扩、 解调以及

计算机软件的相应转换, 恢复出原始文字、语音、视频。当然,通信双方都应该装有摄像头装置, 使对方能看到自己的表情、 动作和会场情况等。

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微波 扩频数字 收发信机 扩频数字 收发信机

数据

计算机

RS-2 32 口

RS-2 32 口

计算机

数据

图 3-3 (全双工)多媒体扩频通信系统原理框图

第 3 章 CDMA数字蜂窝移动通信 6. 特点 1) 隐蔽性好, 对各种窄带通信系统的干扰很小

2) 频谱利用率高, 易于重复使用频率3) 抗干扰性强, 误码率低 4) 可以实现码分多址 5) 易于数字化, 能够开展多种通信业务

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信号 干扰 解扩后

信号

干扰

图 3-4 信号在接收端解扩前后信噪比情况

第 3 章 CDMA数字蜂窝移动通信 3.3.2 扩频通信的理论基础 其理论基础有两个:  (1) 信息论中关于信息容量的仙农(Shannon)公式为

P C W 1b 1

N 其中, C为信道容量(bit/s), W为信道带宽(Hz), P为信号平均功率 (W), N为噪声平均功率(W)。

第 3 章 CDMA数字蜂窝移动通信 这个公式说明，在给定的信道容量C不变的条件下, 频带宽 度W和信噪比P/N是可以互换的。也就是说可通过增加频带宽

度的方法, 在较低的信噪比(P/N)情况下以相同的信息率来可靠地传输信息, 甚至是在信号被噪声淹没的情况下, 只要相应的增 加信号带宽, 仍然能够保证可靠地通信。  扩展频谱以换取对信噪比要求的降低, 正是扩频通信的重 要特点, 并由此为扩频通信的应用奠定了基础。 

第 3 章 CDMA数字蜂窝移动通信 (2) 关于信息传输差错概率的柯捷尔尼可夫公式为

其中, Powj 为差错概率, E为信号能量(J), N0 为噪声功率谱密度 (W/Hz)。 

E Powj f N 0

又因为信号功率

E P T

(T为信息持续时间)

第 3 章 CDMA数字蜂窝移动通信 噪声功率 N=WN0 ( W为信道带宽) 信息带宽

1 F T则上式可转化为

W P W Powj f T P f N N F

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