CDMA 基本原理
CDMA
CDMA系简化框图 CDMA系统移动台简化框图
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CDMA系统原理 CDMA系统原理
图6-10 CDMA系统基站简化框图 CDMA系统基站简化框图
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CDMA系统原理 CDMA系统原理 CDMA系统的通信过程如下： CDMA系统的通信过程如下： （1）建立 链路 （2）通话
无线传输技术 开关多波束智能天线：结构较简单，整个区域 由数目确定的多个并行波束覆盖，每个波束的 指向和宽度是固定的，用户在小区内移动，基 站选择某个波束使接收信号最强。 自适应阵天线：采用多天线阵元结构形成全向 天线，系统采用数字信号处理技术识别用户信 号的到达方向，并在此方向形成天线主波束。 返回
CDMA系统原理 CDMA系统原理 技术关键：在码分多址通信系统中，各 收端必须传输本地地址码，该本地码的 码型结构与对端发码一致，且相位完全 同步。用本地码对所收全部信号进行相 关检测，从而选出所需的信号。
码分多址传输技术
例如：共有四个站进行码分复用通信，4个站的 码片序列为 A (-1 A：(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) B：(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1) C：(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1) D：(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1) 现收到码片序列S为(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)，判 断为那个站发的，发送的信号是什么。
通用分组无线业务
在GSM系统中，若采用电路交换，每条GSM信道 GSM系统中，若采用电路交换，每条GSM信道 只能提供9.6 kbit/s或14.4kbit/s的传输速率。若多 只能提供9.6 kbit/s或14.4kbit/s的传输速率。若多 条信道组合在一起（最多8 条信道组合在一起（最多8个时隙），虽可提供更 高速率，但只能被单一用户独占。 采用分组交换的GPRS可灵活运用无线信道，使其 采用分组交换的GPRS可灵活运用无线信道，使其 为多个GPRS数据用户所共用，提高了无线资源的 为多个GPRS数据用户所共用，提高了无线资源的 利用率。GPRS 最多可将8 利用率。GPRS 最多可将8个时隙组合在一起，可 提供高达171.2 kbit/s的带宽，可供多个用户同时 提供高达171.2 kbit/s的带宽，可供多个用户同时 共享。
CDMA基本原理
PN码的同步 资料仅供参考
2. 串行/并行同步原理如下图所示，其最差情况下的捕获时间Tacq： Tacq =[NTc/3Tc/2]NTc=2/3N2Tc
资料仅供参考
PN码的同步－跟踪阶段
码同步的第2阶段是跟踪，或称为精确同步。对PN码的精确同步 可以达到最大的处理增益，因为1/2个码片的相位差就会导致处理 增益损失50%； 粗同步后，本地产生的PN码pnr(t)与输入pn(t)的相位差<Tc/2。 DLL（Delay-Locked Loop）可完成精确同步，将相位差进一步缩 小。 DLL的结构见下页。
• 通过对两个优选对m序列作模2加得到的序列称为Gold序列，Gold序列之间 的自相关和互相关均匀而且有界；
m序列优选对 资料仅供参考
优选对：在一组m序列中挑出的两个m序列，两者的互相关满足下式：
n为奇数或n=2(mod4)时，
t(n) 2
Rab
(i)
1
n为偶数时， t (n)
t(n)12(n2)/2
n 3 4 5 67 Mn 2 0 3 2 6
8 9 10 11 12 13 14 15 16 023404320
资料仅供参考
m序列的互相关
左图中互相关值不满足优选对条件，因此不是优选对； 右图中互相关值满足上页优选对条件，因此是优选对。
资料仅供参考
Gold序列的产生
码长2n-1，移位1码片即产生一个Gold码，因此一对优选对m序列的移位模 2加可以产生2n-1个Gold码，加上这两个m序列自身，总共可以产生2n+1个 Gold码
资料仅供参考
Walsh序列和m序列的频谱特性
CDMA通信的基本原理功率控制
CDMA通信的基本原理功率控制CDMA通信与传统的通信系统像比较,发端多了扩频调制,收端多了扩频解调CDMA通信在发端将待传入的话音,通过A/D转换将模拟语音转变成了二进制数据信息,通过高速率的伪随机扩频调制,从原理上讲,两者相乘,扩展到一个很宽的频带,因而在信道中传输信号的带宽远大于信息带宽。
在接受端，接受机不仅接受到有用的信号，同时还接受到各种干扰信号和噪声。
利用本地产生的伪随机序列进行相关解扩。
本地伪码与接受到的扩频信号中伪码一致，通过相关运算可还原成原始窄带信号，顺利通过窄道滤波器，恢复原始数据，再通过数/模(D/A)转换，恢复原始语音。
接收机接收到的干扰和噪声，由于和本地伪随机序列不相关，经过接收扩解，将干扰和噪声频谱大大扩展，频谱功率密度大大下降，落入窄带滤波器的干扰和噪声分量大大下降，因此在窄带滤波器输出端的信噪比或信干比得到极大改善，其改善程度就是扩频的处理增益。
CDMA蜂窝网的关键技术--功率控制CDMA蜂窝移动通信系统中，所以的用户使用相同的频带发送信息,如果各移动台以相同的功率发射信号,则信号到达基站时,因为传输路程不同,基站接受到到的靠近基站的用户发送的信号比在小区边缘用户发射的信号强度大,因此远端的用户信号被近端的用户信号湮没,这时间所谓的"远近效应"。
通常，路径损耗的总动态范围在80dB的范围内。
为了获得高质量和高的容量，所有的信号不管离基站的远近，到达基站的信号功率都应该相同，这就是功率控制的目的：使每个用户到达基站的功率相同。
从不同的角度考虑有不同的功率控制方法。
比如若从通信的正向、反向链路角度来考虑,一般可以分为反向功率控制和正向功率控制；若从实现功控的方式则可划分为集中式功率控制和分布式控制；还可以从功率控制环路的类型来划分，有可分为开环功控、闭环功控(外环功控和内环功控)。
1.反向功控CDMA系统的通信质量和容量主要受限于收到干扰功率的大小。
CDMA概述及原理
Ａ。采用ＩＳ－９５规范的ＣＤＭＡ系统统称为ＣＤＭＡＯｎｅ。对 应ＣＤＭＡ２０００技术的演进过程，ＣＤＭＡ各阶段系统的描述如 表３－１－２所示。
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３.１ 移动通信发展史及ＣＤＭＡ标准
• ５.为什么需要３Ｇ • 随着时代的进步，人们对移动通信提出了更高的要求。 • ２Ｇ系统虽然可以比较好地提供移动语音通信，但是对于用户不断增
室，即著名的先进移动电话系统ＡＭＰＳ。其后，北欧（丹麦、挪威 、瑞典、芬兰）和英国相继研制和开发了类似的ＮＭＴＳ（Ｎｏｒｄ ｉｃＭｏｂｉｌｅＴｅｌｅｐｈｏｎｅＳｙｓｔｅｍ）和ＴＡＣＳ（ ＴｏｔａｌＡｃｃｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ ）移动通信系统。中国在１９８７年开始使用模拟制式蜂窝电话通信 。１９８７年１１月，第一个移动电话局在广州开通。 • 仅仅几年后，采用模拟制式的第一代蜂窝移动通信系统就暴露出了容 量不足、业务形式单一及语音质量不高等严重弊端，这就促使了对第 二代蜂窝移动通信系统的研发。
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３.２ ＣＤＭＡ的基本原理
• ２.扩频与解扩频过程 • 扩频通信技术是一种信息传输方式：在发送端采用扩频码调制，使信
移动通信原理-CDMA基本原理
C：信道容量，单位b/s
B：信号频带宽度，单位Hz
S：信号平均功率，单位W N：噪声平均功率，单位W
结论：在信道容量C不变的情况下，信号频带宽度B与信噪比S/N 完全可以互相交换，即可以通过增大传输系统的带宽以在较低信 噪比的条件下获得比较满意的传输质量
无 线 维 护 中 心
扩频通信的理论基础
1． 信息数据经过常规的数据调制，变成窄带信号（假定带宽为B1）。 2． 窄带信号经扩频编码发生器产生的伪随机编码（PN 码：Pseudo Noise Code） 扩频调制，形成功率谱密度极低的宽带扩频信号（假定带宽为B2，B2 远 大于B1）。窄带信号以PN 码所规定的规律分散到宽带上后，被发射出去。
无 线 维 护 中 心
扩频通信的理论基础
3． 在信号传输过程中会产生一些干扰噪声（窄带噪声、宽带噪声）。 4． 在接收端，宽带信号经与发射时相同的伪随机编码扩频解调，恢复成常规 的窄带信号。即依照PN 码的规律从宽带中提取与发射对应的成份积分起 来，形成普通的窄带信号。再用常规的通信处理方式将窄带信号解调成信 息数据。干扰噪声则被解扩成跟信号不相关的宽带信号。
CDMA基本原理
码ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ多址
CDMA网络的中心频点计算方法： 下行——870+0.03*N ； （N是载频号，例如283） 上行——833+0.03*N； 码分多址的理解： 一个房间（频段1.23Mhz）中有多人（手机MS）在交谈，每组 人之间使用不同的语言（码分），因此相互之间交谈不受影响。 基于这个模型，可以推测到CDMA的几个特点： 自干扰：如果有人说话声音过大，势必影响其他人的交流 码分：不同组之间使用不同的语言保证互不干扰，或者，使用同 样语言的两组人之间间隔足够远
扩频通信的理论基础
在扩频通信中采用宽频带的信号来传送信息，主要是为了通信的安全可靠， 这可用信息论和抗干扰理论的基本观点来解释。
信息论中的仙农（Shannon）公式描述如下： 仙农（Shannon） 仙农 其中 C------信道容量（比特/秒） N-----噪声功率 W----信道带宽（赫兹） S---------信号功率
PN短码 PN短码 区分不同扇区或小区 伪随机序列 215 = 32,768 unit (period 26.67ms)，PN码的生成 取得是相位偏置。每64位生成一个PN，共有512个可 用PN。不同PN之间相位不同，属于近似正交。 用于前向及反向物理信道扩频
PN长码 PN长码 用于反向逻辑信道区分不同用户 伪随机序列 2^42-1 unit 在前向链路上对业务及寻呼信道进行扰码
频分多址
频分，有时也称之为信道化，就是把整个可分配的频谱划分成许 多单个无线电信道（发射和接收载频对），每个信道可以传输一 路话音或控制信息。在系统的控制下，任何一个用户都可以接入 这些信道中的任何一个。 模拟蜂窝系统是FDMA结构的一个典型例子，数字蜂窝系统中也 同样可以采用FDMA，比如GSM和CDMA系统也采用了FDMA。
CDMA知识要点1（CDMA基本原理）
CDMA知识要点1（CDMA基本原理）CDMA知识要点⼀、⽆线传播理论： (2)1. UHF（ultra high frequence）超⾼频300~3000MHZ (2)2. 慢衰落与快衰落的概念 (2)3. 对抗衰落，基站采取的措施是采⽤时间分集、空间分集（极化分集）和频率分集的办法(2)4. 绕射损耗和穿透损耗 (2)5.常见的⼏种传播模型： (2)6.CW测试的概念： (2)⼆、天线理论： (2)1.天线分类 (2)2.天线的性能指标 (3)3.dBd 和 dBi的区别，以及dBm的概念 (3)4. 波束宽度 (3)5.天线选型 (3)6. 天线下倾⾓与覆盖距离的计算公式 (3)三、CDMA基本原理： (5)1. CDMA （code division multiply access）码分多址接⼊。
(5)2.扩频通信的原理 (5)3.CDMA采⽤直序扩频频 (Direct Sequence Spread Spectrum) (5)4.⼏个常见概念 (5)5.系统框图 (6)6.三种码（短码、长码、WALSH码）： (7)四、CDMA信道： (7)1. IS-95中的前向信道和反向信道 (7)五、CDMA关键技术： (10)1. 功率控制技术 (10)2. Rake接收 (11)3.软切换/更软切换的概念 (11)六移动台⾏为 (12)1. 移动台初始化 (12)2.移动台空闲态 (12)3. 接⼊过程 (13)4. 掉话 (16)七、基站硬件 (17)1.系列基站 (17)⼋、切换算法： (18)1. CDMA切换的分类 (18)2. 导频集 (18)3. CDMA切换的主要参数 (18)4. 搜索窗⼝参数 (19)5. 切换算法可以分为以下的类型： (21)6 软切换动态门限 (21)7. 软切换过程 (22)⼋功率控制 (23)1. Radio Configuration简称为RC (23)2. 功控分类 (23)3. 反向功控 (24)4. 前向功控 (24)九负荷控制 (26)1. 前向负荷计算 (26)2. 反向负荷控制之准⼊算法描述 (28)⼗、系统消息 (29)1. 在CDMA系统中，⼏乎所有的呼叫流程由消息驱动 (29)2. 常见的消息 (29)3. 6种必选消息 (31)⼀、⽆线传播理论：1. UHF（ultra high frequence）超⾼频300~3000MHZ2. 慢衰落与快衰落的概念慢衰落：由障碍物阻挡造成阴影效应，接收信号强度下降，但该场强中值随地理改变变化缓慢，故称慢衰落。
CDMA移动通信基础
CDMA移动通信基础CDMA移动通信基础CDMA（ Division Multiple Access）是一种移动通信技术，是利用信道编码技术实现多用户使用同一频段的一种通信方式。
CDMA移动通信基础是了解CDMA技术的基本原理和核心技术的基础知识。
1. CDMA技术的原理CDMA技术的基本原理是将不同的用户数据按照一定的编码方式进行编码，然后通过扩频技术将编码后的数据发送到整个频段。
接收端通过解码和去除其他用户干扰的方式，将特定用户的数据还原出来。
CDMA技术主要包括信道编码、信道容量和干扰抑制三个方面。
1.1 信道编码CDMA技术通过采用码片作为信号的传输方式，将用户数据进行编码与解码过程。
码片是一种特殊的伪随机序列，能够使信息在传输过程中增加冗余度，提高信号的鲁棒性和抗干扰能力。
1.2 信道容量CDMA技术具有高信道容量的特点。
由于CDMA技术采用扩频技术，可以在同一频段内传输多个用户的数据，从而提高了频段的利用率。
CDMA技术的信道容量远高于传统的时分多路复用和频分多路复用技术。
1.3 干扰抑制CDMA技术可以通过编码和解码的过程对其他用户的信号进行抑制。
由于CDMA技术是将所有用户的信号混合传输，所以没有固定的时间、频率和位序来分离不同用户的信号。
其他用户的信号会被视为干扰信号，需要通过解码过程进行抑制。
2. CDMA系统的结构CDMA系统由基站、移动台和交换网三部分组成。
基站负责与移动台进行无线通信，传输和接收数据，以及与交换网连接进行调度管理。
移动台是用户使用的移动终端设备，在与基站建立通信连接后可以进行语音通话或数据传输。
交换网则负责处理和转发数据，实现移动通信的集中管理。
3. CDMA系统的优点和应用CDMA技术具有以下优点：抗干扰能力强，能有效抵抗同频干扰和多径干扰。
高带宽利用率，实现多用户使用同一频段。
通信质量稳定，支持高速数据传输和语音通话。
系统容量大，能够容纳大量用户通信。
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数字信号扩频原理
扩展周期性脉冲的频谱方法
将频谱的1/Tb第1零点向无限远推，即增大1/Tb的值； 减小数字脉冲的持续时间，缩小Tb的值。 减小Tb值等价于提高数字信号的传输速率1/Tb，扩展 了信号的频谱。
数字信号扩频原理
数字信号扩频过程
高速数字码序C（t）对用户低速信息数据调制 • 低速信息数据的脉冲持续时间为Tb，其时间长度 是TC的N倍。 Tb = N · TC • 高速码序C（t）乘上信息数据d（t），最后得到 的信号y（t）频谱与高速码序的频谱相同，起到 频谱扩展的作用。y（t）= di（t）Ci（t）
扩频通信的基本概念
扩频通信
SS: Spread Spectrum，指扩展频谱的通信
扩频通信定义
扩频通信技术是一种信息传输方式；
发端采用扩频码调制,使信号所占的频带宽度远大于所传信息必 须的带宽 收端采用与发端相同的扩频码进行相关解调和解扩，恢复所传信 息数据。
窄带信号 扩频调制 已调扩频信号 扩频解调 窄带信号
问题的回答：
为了通信的安全可靠，提高抗干扰能力和系统容量。扩频 通信的理论基础为信息论和抗干扰理论； 利用扩频实现码分多址方式。在传统的TDMA和FDMA之 外又提供了一种新的多址方式。
扩频通信理论基础
扩频通信是以信息论的仙农(Shanon)公式理论发展起来 的一种通信方式；
仙农公式： C = B log2 (1+ S/N) • C为信道容量, 单位为b/s；B为传输的信号频带宽度，单位为Hz； S为信号平均功率, N为噪声平均功率；
地址码选择
功率控制
软切换
分集技术
S S Bw N Pe f E / n0 f / f B B N B w s s
信号的传输差错概率是输入信号的信噪比和信号带宽与信息带 宽之比二者乘积的函数 再次说明看出信噪比和带宽是可以互换的。 同样说明了通过增加带宽可换取信噪比的好处。
软容量和小区呼吸功能
软切换 无需均衡器
安全、保密
设备简单 存在多址干扰和远近效应
CDMA关键技术
地址码选择
功率控制
软切换
分集技术
智能天线
多用户检测
CDMA关键技术
地址码选择
功率控制
软切换
分集技术
智能天线
多用户检测
地址码技术
基本概念
地址码技术影响系统抗多址干扰/抗多径衰落能力 CDMA数字移动通信系统使用地址码进行扩频 地址码要求：
Walsh（沃尔什）函数
一种非正弦的完备正交函数系
两种取值（-1、+1或0、1） 沃尔什函数族中,两两之间的互相关函数为“0”，它们之间 是完全正交的。
沃尔什函数的产生
哈达码矩阵H
1 1 0 0 • +l和 -l元素构成的正交方阵 H 2 ，或H 2 0 1 1 1
扩频的实现方法
DS-SS：直接序列扩频
发端直接用高速码序列去扩展输入信息的带宽
FH：跳频
用扩频码序列去进行频移键控调制,使载波频率不断地跳变；
发端信息码序列与扩频码序列组合构造的不同码字控制频率合成器，
使其输出频率根据码字的改变而改变,形成了频率的跳变。
TH：跳时
用一定码序列进行选择的多时片时移键控； 时间轴分为多个时片，哪个时片发射信号由扩频码序列进行控制。 由于发送信号采用的时片很窄，也就展宽了信号的频谱。
m 序列特性
m序列的自相关性
考察某个m序列与其后移位的序列的相似性
1 A D A D Ra ( ) A D P 1 / p
0 0
• A：0的个数（相对应码元相同的数目）； • D：1的个数（相对应码元不同的数目）； • P = A + D（序列周期长度）
扩频抗干扰原理
扩频解调器利用本地地址码的相关性作解扩处理,有用信号频谱被恢复为窄带谱; 窄带干扰信号则在解扩过程中被扩展成为宽带谱。解调后有用信号为窄带谱,无 用信号和干扰为宽带谱,可以借助于解调后滤波器去除带外的无用信号,带内的 信噪比就可以大大提高,起到了抑制干扰和无用信号的目的。
扩频增益与抗干扰容限
仙农公式反映的重要结论：
• 频带B和信噪比可以互换； • 增加信号的频带宽度, 可在较低的信噪比的条件下以任意小的差错 概率来传输信息； • 采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱的方法可以换取 信噪比上的好处。
扩频通信理论基础
信息传输差错概率的公式
Pe f（E / n0） Pe是信号能量E与噪声功率谱密度n0之比的函数
m 序列特性
码的平衡性好
一个周期内“1”和“0”的个数大体相同（1比0多1个）
m序列与其移位后的序列模2加所得的序列仍为m序列， 但相位不同 • 举例：0111001向左移两位再模2加所得序列仍为m 序列，相位移了一位
0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0
该窄脉冲序列称为扩频信号，即扩频码序列；
接收端相关解调解扩
接收端则用与发送端完全相同的扩频码序列与收到的扩频信号进
行相关解扩,恢复所传信息。
扩频通信信系统中, 我们总是想方设法使信号所占频谱尽 量窄，以充分提高十分宝贵的频率资源的利用率。那么为什 么还要用宽频带信号来传输窄带信息呢?
尖锐的自相关特性和较好的互相关特性 同一码组内的各码占据的频带宽且相等 互相关值不是处处为零
伪随机码家族
m序列 Golden序列 M序列 R-S码 复合码等
m 序列概念
m序列：最长线性反馈移位寄存器序列。 m序列组成：n 级移位寄存器、适当的抽头反馈和模2加 法器； N 级移位寄存器产生的最大长度的码序列：P = 2n – 1位 n级移位寄存器： 2n – 1个状态（除去全零状态） 生成多项式 Gn(x) = C0X0 + C1X1 + C2X2 + … + CnXn
CDMA基本原理—基本概念
CDMA (码分多址)
Code Division Multiple Access 利用不同的编码序列识别不同用户，即使用不同的 信号波形区分不同的用户
CDMA的基础
扩频通信技术 多址技术
CDMA基本原理—扩频通信
扩频通信技术
扩频通信的基本概念 扩频通信的理论基础 数字信号扩频原理 扩频的实现方法
• 扩频后的信号具有良好的随机特性和相关性能；
• 地址码序列具有随机信号的特性，即具有白噪声的性能；
伪随机序列PN（Pseudo Noise）
• 近似随机序列或噪声的一种周期性序列
• 接收端必须使用与发端相同的编码序列作为地址码 • 真正的随机序列或噪声是不可能重复产生的
伪随机序列 PN
伪随机码的特点
Gold 序列
一种m序列的复合码
将周期相等，并经过优选的两个m序列进行模2加组合形成新的 序列；
码发生器 1
时钟
码发生器 2
2n + 1个Gold序列
两个m序列共有2n – 1不同的相对位移 两个产生Gold序列的m序列优选对
WCDMA使用Gold序列作为扰码（上行25阶，下行18阶）
1 Re() 1 Re()
位移比特
- 1/P
0
P
m 序列特性
互相关性
表征两个不同信号的相似性
Rc ( ) lim
0 f ( t ) g ( t ) dt T 0 T / 2
T /2
正交 不正交
• 两个不同的信号序列的互相关值越接近0，两个序列的差
P = 2n – 1
D1
D2
D3
Dn
m 序列举例
0
1
0
T0
0
1
0
T1
T2 T3 T4 T5 T6 T7
1
1 1 0 0 1 0
0
1 1 1 0 0 1
1
0 1 1 1 0 0
生成多项式： G3(x) = 1 + X2 + X3
输出序列：0 1 1 1 0 0 1 长度和重复周期：P = 23 - 1 = 7
扩频增益
扩频系统的抗干扰性能 Bw / Bs 定义：GP=Bw / Bs • 扩频系统的处理增益，反映了扩频系统信噪比的改善 程度。
抗干扰容限
M = Gp – [L + (S / N0)o] • 物理意义：正常通信条件下，系统能承受的干扰高出 信号的分贝数； • CDMA数字蜂窝移动通信系统正常工作的最低信噪比 要求为7 dB。
CDMA 多址方式
t t t 码
f
f
f
FDMA
TDMA
CDMA
CDMA多址方式的特征
不同的高速扩频码作为不同用户的地址码序列 地址码相互正交 CDMA信号在频率、时间和空间上重叠
码分多址通信系统的特点
具有抗干扰和抗多径衰落的能力 系统容量大 不需要复杂的频率分配和管理
• H中任意两行或两列这些函数互相正交 • 一般关系式：