淺析CDMA關鍵技術

CDMA關鍵技術是3G的基礎。本文從多址技術、RAKE接收機、多用戶檢測、功率控制、軟容量、軟切換、地址碼的選擇、分集技術共八個方面對CDMA中所采取的關鍵技術進行論述，目的使大家對CDMA的關鍵技術有一個全面的了解。
1 多址技術
　　多址技術使眾多的用戶共用公共的通信線路。為使信號多路化而實現多址的方法基本上有三種，它們分別采用頻率、時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概念。
　　FDMA是以不同的頻率信道實現通信的，TDMA是以不同的時隙實現通信的，CDMA是以不同的代碼序列實現通信的。
　　1.1 頻分多址
　　頻分，有時也稱之為信道化，就是把整個可分配的頻譜劃分成許多單個無線電信道（發射和接收載頻對），每個信道可以傳輸一路話音或控制信息。在系統的控制下，任何一個用戶都可以接入這些信道中的任何一個。模擬蜂窩系統是FDMA結構的一個典型例子，數字蜂窩系統中也同樣可以采用FDMA，只是不會采用純頻分的方式，比如GSM和CDMA系統就采用了FDMA。
　　1.2 時分多址
　　時分多址是在一個帶寬的無線載波上，按時間（或稱為時隙）劃分為若干時分信道，每一用戶占用一個時隙，只在這一指定的時隙內收（或發）信號，故稱為時分多址。此多址方式在數字蜂窩系統中采用，GSM系統也采用了此種方式。
　　TDMA是一種較復雜的結構，最簡單的情況是單路載頻被劃分成許多不同的時隙，每個時隙傳輸一路猝發式信息。TDMA中關鍵部分為用戶部分，每一個用戶分配給一個時隙（在呼叫開始時分配），用戶與基站之間進行同步通信，并對時隙進行計數。當自己的時隙到來時，移動臺就啟動接收和解調電路，對基站發來的猝發式信息進行解碼。同樣，當用戶要發送信息時，首先將信息進行緩存，等到自己時隙的到來。在時隙開始后，再將信息以加倍的速率發射出去，然后又開始積累下一次猝發式傳輸。
　　TDMA的一個變形是在一個單頻信道上進行發射和接收，稱之為時分雙工（TDD）。其最簡單的結構就是利用兩個時隙，一個發一個收。當移動臺發射時基站接收，基站發射時移動臺接收，交替進行。TDD具有TDMA結構的許多優點：猝發式傳輸、不需要天線的收發共用裝置等等。它的主要優點是可以在單一載頻上實現發射和接收，而不需要上行和下行兩個載頻，不需要頻率切換，因而可以降低成本。TDD的主要缺點是滿足不了大規模系統的容量要求。
　　1.3 碼分多址
　　碼分多址是一種利用擴頻技術所形成的不同的碼序列實現的多址方式。它不像FDMA、TDMA那樣把用戶的信息從頻率和時間上進行分離，它可在一個信道上同時傳輸多個用戶的信息，也就是說，允許用戶之間的相互干擾。其關鍵是信息在傳輸以前要進行特殊的編碼，編碼后的信息混合后不會丟失原來的信息。有多少個互為正交的碼序列，就可以有多少個用戶同時在一個載波上通信。每個發射機都有自己唯一的代碼（偽隨機碼），同時接收機也知道要接收的代碼，用這個代碼作為信號的濾波器，接收機就能從所有其他信號的背景中恢復成原來的信息碼（這個過程稱為解擴）。CDMA按照獲得帶寬信號所采取的調制方式分為直接序列擴頻（DS）、跳頻（FH）和跳時（TH），如下圖2所示：
2 RAKE接收機
　　RAKE接收機也稱為多徑接收機，即是指移動臺中有多個RAKE接收機，由于無線信號傳播中存在多徑效應，因此基站發出的信號會經過不同的路徑到達移動臺處，經不同路徑到達移動臺處的信號的時間是不同的，如果兩個信號到達移動臺處的時間差超過一個信號碼元的寬度，RAKE接收機就可將其分別成功解調，移動臺將各個RAKE接收機收到的信號進行矢量相加（即對不同時間到達移動臺的信號進行不同的時間延遲到達同相），每個接收機可單獨接收一路多徑信號，這樣移動臺就可以處理幾個多徑分量，達到抗多徑衰落的目的，提高移動臺的接收性能?；緦γ總€移動臺信號的接收也是采用同樣的道理，即也采用多個RAKE接收機。另外，在移動臺進行軟切換的時候，也正是由于使用不同的RAKE接收機接收不同基站的信號才得以實現。
3 多用戶檢測
　　基于RAKE接收機原理的CDMA接收機將其它用戶的信號視為干擾信號，但是優化后接收機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。
　　當新的用戶或干擾源進入網絡時，其它用戶的服務質量會下降，網絡抗干擾能力越強，可服務的用戶就越多。干擾一個基站或移動臺的多路接入干擾是小區內和小區間干擾的總和。
　　多用戶檢測（MUD）也稱為聯合檢測和干擾消除，它提供了降低多路接入干擾的影響，因而增加系統容量。同時MUD顯著降低了CDMA系統的遠近效應。MUD可以緩解系統對功率控制的需求。
4 功率控制
　　由于CDMA系統不同用戶同一時間采用相同的頻率，所以CDMA系統為自干擾系統，如果系統采用的擴頻碼不是完全正交的（實際系統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CDMA系統中，每一碼分信道都會受到來自其它碼分信道的干擾，這種干擾是一種固有的內在干擾。由于各個用戶距離基站距離不同而使得基站接收到各個用戶的信號強弱不同，由于信號間存在干擾，尤其是強信號會對弱信號造成很大的干擾，甚至造成系統的崩潰，因此必須采用某種方式來控制各個用戶的發射功率，使得各個用戶到達基站的信號強度基本一致。 CDMA系統的容量主要受限于系統內部移動臺的相互干擾，所以每個移動臺的信號達到基站時都達到最小所需的信噪比，系統容量將會達到最大值。
　　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和閉環功率控制。
　　反向開環功率控制
　　反向開環功率控制是移動臺根據在小區中所接收功率的變化，迅速調節移動臺發射功率。其目的是試圖使所有移動臺發出的信號在到達基站時都有相同的標稱功率。開環功率控制是為了補償平均路徑衰落的變化和陰影、拐彎等效應，它必須有一個很大的動態范圍。IS95空中接口規定開環功率控制動態范圍是－32dB～＋32dB。
　　1）剛進入接入信道時（閉環校正尚未激活）
　　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 標稱CDMA 信道帶寬而言；
　　INIT_PWR 是對第一個接入信道序列所需作的調整；
　　NOM_PWR是為了補償由于前向CDMA 信道和反向CDMA 信道之間不相關造成的路徑損耗。
　　2）其后的試探序列不斷增加發射功率（步長為PWR_STEP），直到收到一個效應或序列結束。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）在反向業務信道開始發送之后一旦收到一個功率控制比特，移動臺的平均輸出功率變為： 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）+所有閉環功率校正之和（dB）
　　其中：NOM_PWR 的范圍為 －8～7 dB，標稱值為0dB
　　INIT_PWR 的范圍為－16～15 dB，標稱值為0dB
　　PWR_STEP 的范圍為 0～7 dB
　　反向閉環功率控制
　　閉環功率控制的目的是使基站對移動臺的開環功率估計迅速作出糾正，以使移動臺保持最理想的發射功率。功率控制比特是連續發送的，速率為每比特1.25ms（即800bit/s）?！?”比特指示移動臺增加平均輸出功率，“1”比特指示移動臺減少平均輸出功率，步長為1dB/比特。一個功率控制比特的長度正好等于前向業務信道兩個調制符號的長度（即104.66us）。每個功率控制比特將替代兩個連續的前向業務信道調制符號，這個技術就是通常所說的符號抽取技術。
　　前向功率控制
　　基站周期性地降低發射到移動臺的發射功率，移動臺測量誤幀率，當誤幀率超過預定義值時，移動臺要求基站對它的發射功率增加1％，每15～20ms進行一次調整。下行鏈路低速控制調整的動態范圍是±6dB。 移動臺的報告分為定期報告和門限報告。
5 軟容量
　　對于CDMA系統，用戶數與服務級別存在比較靈活的關系，運營商可在話務量高峰期將誤幀率稍微提高，來增加可用信道數，提高系統容量。軟容量是通過CDMA系統的呼吸功能來實現的。呼吸功能是CDMA系統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，如果某基站覆蓋區正在通話的用戶數量較多時，該基站的用戶之間會產生較大的干擾，這時，該基站可通過降低該基站的導頻信道的發射功率使部分用戶通過軟切換切換到負荷較輕相鄰基站中去，從而降低該基站的負荷，減輕該基站的干擾，這是所謂的“呼”功能；當該基站的用戶數量減少、干擾減輕時，該基站又可增加導頻信道的發射功率，將相鄰基站的用戶通過軟切換納入自己的覆蓋區域，這是所謂的“吸”功能。CDMA系統實現呼吸功能的本質在于其可以方便的控制各個基站的覆蓋范圍和系統能夠實現軟切換，通過改變基站的覆蓋范圍來調整各個基站下面的用戶容量，CDMA系統通過呼吸功能，實現相鄰基站之間的容量均衡，降低各個基站內部的用戶干擾，從整個系統考慮是增加了容量。
6 軟切換
　　切換是指將一個正在進行的呼叫從一個小區轉移到另一個小區的過程。切換是用于無線傳播、業務分配、激活操作維護、設備故障等原因而產生。CDMA系統中的切換有兩類：硬切換和軟切換。
　　硬切換（Hard Handoff）
　　硬切換是指在切換的過程中，業務信道有瞬時的中斷的切換過程。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，在中斷與舊的小區的聯系之前，先用相同頻率建立與新的小區的聯系。手機在兩個或多個基站的覆蓋邊緣區域進行切換時，手機同時接收多個基站（大多數情況下是兩個）的信號，幾個基站也同時接收該手機的信號，直到滿足一定的條件后手機才切斷同原來基站的聯系。如果兩個基站之間采用的是不同頻率，則這時發生的切換是硬切換。軟切換包括以下四種情況：
　　1）同一基站的兩個扇區之間；（這種切換也稱為更軟切換（Softer Handoff））。
　　2）不同基站的兩個小區之間；
　　3）不同基站的小區和扇區之間的三方切換；
　　4）不同基站控制器之間；
　　軟切換的實現
　　能夠實現軟切換的原因在于：1、CDMA系統可以實現相鄰小區的同頻復用；2、手機和基站對于每個信道都采用多個RAKE接收機，可以同時接收多路信號，在軟切換過程中各個基站的信號對于手機來講相當于是多徑信號，手機接收到這些信號相當于是一種空間分集。
　　導頻 ：指導頻信道
　　導頻集合：指所有具有相同頻率但不同 PN碼相位的導頻集。
　　有效導頻集：與正在聯系的基站相對應的導頻集合。
　　候選導頻集：當前不在有效導頻集里，但是已有足夠的強度表明與該導頻相對應的基站的前向業務信道可以被成功解調的導頻集合。
　　相鄰導頻集：當前不在有效導頻集或候選導頻集里但又根據某種算法被認為很快就可以進入候選導頻集里的導頻集合。
　　剩余導頻集：不被包括在相鄰導頻集。候選導頻集和有效導頻集里的所有其它導頻的導頻集合。軟切換過程如圖4所示：
　　a、當導頻強度達到T_ADD，移動臺發送一個導頻強度測量消息，并將該導頻轉到候選導頻集合；
　　b、基站發送一個切換指示消息；
　　c、移動臺將此導頻轉到有效導頻集并發送一個切換完成消息；
　　d、當導頻強度掉到T_DROP 以下時，移動臺啟動切換去掉定時器；
　　e、切換去掉定時器到期，移動臺發送一個導頻強度測量消息；
　　f、基站發送一個切換指示消息；
　　g、移動臺把導頻從有效導頻集移到相鄰導頻集并發送切換完成消息。
7 地址碼的選擇
　　地址碼選擇的要求：所選的地址碼應能提供足夠數量的相關函數特性尖銳的碼系列，保證信號經過地址碼解擴后具有較高的信噪比。地址碼提供的碼序列應接近白噪聲特性，同時編碼方案簡單，保證具有較快的同步建立速度。
　　偽隨機序列
　　偽隨機序列（PN碼）具有類似噪聲序列的性質，是一種貌似隨機但實際上是有規律的周期性二進制序列。CDMA系統中采用 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，實現快速捕獲。實現過程如下：
　　a、在相關解調過程中，先設置一較低門限，然后相關解調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，再作相關解調。
　　b、如果超過門限了，在該相位再做更長一段PN碼的相關解調，以判定該相位是否有有用信號。
　　c、每次移PN 碼的半個比特的長度。
　　PN 碼在CDMA中的應用
　　在前向信道中，長度為242-1的 m序列被用作對業務信道進行擾碼（注意不是用作擴頻，在前向信道中是使用正交的Walsh函數進行擴頻）。長度為215-1的 m序列被用作對前向信道進行正交調制，不同的基站使用不同相位的 m序列進行調制，其相位差至少為64個比特，這樣，最多有512 個不同的相位可用。
　　在反向信道中，長度為242-1的 m序列被用作直接進行擴頻，每個用戶被分配一個 m序列的相位，這個相位是由用戶的ESN （移動臺的電子序號）計算出來，這些 m序列的相位是隨機分布且不會重復的。長度為215-1的PN 碼也被用作對反向業務信道進行正交調制，其相位偏置為0 。
8 分集技術
　　分集技術是指系統同時接收衰落互不相關的兩個或更多個輸入信號后，系統分別解調這些信號然后將他們相加，這樣系統可以接收到更多有用信號，克服衰落。
　　移動通信信道是一種多徑衰落信道，發射的信號要經過直射、反射、散射等多條傳播途徑才能達到接收端，而且隨著移動臺的移動，各條傳播路徑上的信號幅度、時延及相位隨時隨地發生變化，所以接收到的信號的電平是起伏、不穩定的，這些多徑信號相互疊加就會形成衰落。疊加后的信號幅度變化符合瑞利分布，又稱瑞利衰落。瑞利衰落隨時間急劇變化時，稱為“快衰落”?？焖ヂ鋰乐厮ヂ渖疃冗_到20~30dB。瑞利衰落的中值場強只產生比較平緩的變化，稱為“慢衰落”，且服從對數正態分布。分集技術是克服疊加衰落的一個有效分發。由于具有頻率、時間、空間的選擇性，因此分集技術包括頻率分集、時間分集、空間分集。
　　減弱慢衰落采用空間分集，即用幾個獨立天線或在不同場地分別發射和接收信號，以保證各信號之間的衰落獨立。根據衰落的頻率選擇性，當兩個頻率間隔大于信道帶寬相關帶寬時，接收到的此兩種頻率的衰落信號不相關，市區的相關帶寬一般為50kHz左右，郊區的相關帶寬一般為250kHz左右。而CDMA的一個信道帶寬為1.23MKz，無論在市區還是郊區都遠遠大于相關帶寬的要求，所以CDMA的寬帶傳輸本身就是頻率分集。時間分集是利用基站和移動臺的RAKE接收機來完成的。對于一個信道帶寬為1.23MHz的CDMA系統，當來自兩個不同路徑信號的時延為1us時，也即這兩條路徑相差大約300m時，RAKE接收機就可以將它們分別提取出來而不混淆。