移动通信中的码分多址技术

1 移动通信中的码分多址技术

20 世纪 70 年代末，第一代移动通信系统面世。从此以后，移动通信产业以惊人的速度迅猛发展。而19 世纪 70 年代末，国际上出现的蜂窝汽车电话标志着公众移动通信又开启了一个新的阶段。随着各种蜂窝系统在各国的应用，制式五花八门，不能兼容互通，于是开发人员开发了 GSM 数字蜂窝系统。 其中码分多址技术以其容量大、频谱利用率高等诸多优点，显示出强大的生命力，引起人们的广泛关注，成为第三代移动通信的核心技术。码分多址技术是当今通信界关注的大热点，是当前公认的一种国际标准技术。它为解决频率资源紧缺这一当前移动通信技术发展中最关键的问题提供了理想途径，为移动通信提供了质量最高,成本效益最好的方案。码分多址技术适用于各种移动通信，是当今最先进和最具市场潜力的通信技术，已被公认为是移动通信的发展方向。

一．多址技术简介 多址技术是指把处于不同地点的多个用户接入一个公共传输媒质，实现各用户之间通信的技术。多址技术多用于无线通信，又称为“多址连接”技术。多址技术分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）、空分多址(SDMA)。频分多址是以不同的频率信道实现通信的，如TACS模拟通信采用的是频分复用技术；时分多址是以不同时隙实现通信的，如GSM数字通信采用的是频分复用和时分复用相结合的多址技术；码分多址是以不同的代码序列来实现通信的，如CDMA采用码分多址技术；空分多址则是以不同方位信息实现多址通信的。

二．多址技术的特点 1．频分多址（FDMA）技术 频分多址技术是让不同的地球通信站占用不同频率的信道进行通信。各个用户使用着不同频率的信道，所以相互没有干扰。早期的移动通信就是采用这个技术。其特点为： 1) 以频道区分用户地址，一个频道可传输一路模拟或数字话路。 2) 技术成熟，易于模拟系统兼容，对信号功率控制要求不严格。 3) 频率规划复杂，在系统设计中需要严格的频率规划，是频率受限和干扰受限系统。 4) 基站复杂庞大，重复设置收发信设备，基站有多少条信道就需要多少部收发信机，设备多且容易产生信道间的互调干扰。 5) 越区切换复杂。在频分多址中，当话音信道被分配好以后，基站和移动台都是连续输出的，所以在发生越区切换时，必须把信道从一个频率切换到另一个频率，传输会发生瞬间中断。对于数据传输，这样的切换方式会引起数据丢失。 6) 总的来说，频分多址技术不适宜大容量系统使用。和其他多址方式相比，频分多址方式的系统容量要小于时分多址和码分多址。

2．时分多址（TDMA）技术 2

这种多址技术是让若干个地球站共同使用一个信道。但是占用的时间不同，所以相互之间不会干扰。显然，在相同信道数的情况下，采用时分多址要比频分多址能容纳更多的用户。现在的移动通信系统多数用这种多址技术。其特点为： 1) 频率利用率有所提高，系统容量增大。 2) 基站复杂性减少。时分多址系统的基站只需要一部发射机，可以避免像频分多址系统那样应多部不同的发射机同时工作而血产生的互调干扰，同时通过不同的时隙来发射和接受，因此不需要双工器。 3) 频率规划简单。TDMA系统不存在频率分配问题，对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理和分配容易而经济，便于动态分配信道。 4) 越区切换较简单。时分多址系统中移动台是不连续地突发式传输，即使传输数据也不会因越区切换而丢失。 5) 系统设备必须有精确的定时和同步，保证各移动台发送的信号不会在基站发生重叠和混淆，并且能准确地在指定的时隙中接收到基站发给它的信号。 6) 移动台较复杂。其功能增多，需要复杂的数字信号处理。需要自适应均衡。一方面每载频含有时隙多，则频率间隔宽，传输速率高；另一方面，由于数字传输带来了时间色散，时延扩展量增大，需要采用自适应均衡技术。

3．码分多址（CDMA）技术 这种多址技术也是多个地球站共同使用一个信道。但是每个地球站都被分配有一个独特的“码序列”，与所有别的“码序列”都不相同，所以各个用户相互之间也没有干扰。因为是靠不同的“码序列”来区分不同的地球站，所以叫做“码分多址”。采用码分多址技术可以比时分多址方式容纳更多的用户。这种技术比较复杂，但现在已经为不少移动通信系统所采用。在第三代移动通信系统中，也采用宽带码分多址技术。其特点为： 1）大容量 由于CDMA系统内各路信号之间几乎正交，而且采用频分复用、话音激活、三方向或多方向天线、软切换等多项技术，从理论分析上，CDMA移动网比模拟网大20倍，实际要比模拟网大10倍左右。这比TDMA系统在容量上大了很多。 2）软容量 在频分多址和时分多址系统中，当系统的用户数量达到最大的信道数后，此时若有新的呼叫，该用户服务就会被拒绝。在CDMA 系统中，用户的数量增加相当于背景噪声的增加，会造成话音质量下降，但对用户数量并无限制。体现软切换的另一种形式是小区之间可根据话音服务质量和干扰情况自动均衡。 3）采用多种分集技术 分集技术是指系统同时接收并有效利用两个或更多个输入信号，这些信号的衰落互不相关。系统分别解调这些信号然后将她们按一定原则合并，这样可以接收到更多有用的信号，克服信号衰落。 4）软切换 软切换只能在相同频率的信道间进行，所以TDMA和FDMA系统都不具备这个功能。软切换可以有效地提高切换成功率，大大减少由于切换造成的掉话。据统计，模拟系统和时分多址系统的掉话90%是发生在切换中的。除了有效减少掉话外，软切换还提供了分集的功能，从而大大增加了反向链路的容量。 5）保密性好 3

CDMA系统采用伪随机码作为地址码，加上独特的扰码方式，在防止串话、盗用等方面使得CDMA网通保密性更好。 6）话音质量提高 CDMA系统采用可变速率声码器，可动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而改变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。

4．空分多址（SDMA）技术 是利用空间分割来构成不同信道的技术。举例来说，在一个卫星上使用多个天线，各个天线的波束分别射向地球表面的不同区域。这样，地面上不同区域的地球站即使在同一时间使用相同的频率进行通信，也不会彼此形成干扰。

空分多址是一种信道增容的方式，可以实现频率的重复使用，有利于充分利用频率资源。空分多址还可以与其它多址方式相互兼容，从而实现组合的多址技术 。 三．码分多址简介

CDMA是指一种扩频多址数字式通信技术，通过独特的代码序列建立信道，可用于二代和三代无线通信中的任何一种协议。CDMA是一种多路方式，多路信号只占用一条信道，极大提高带宽使用率。其系统是基于码分技术和多址技术的通信系统，系统为每个用户分配各自特定地址码。地址码之间具有相互准正交性，在时间、空间和频率上都可以重叠。将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的伪随机码进行调制，使原有的数据信号的带宽被扩展，接收端进行相反的过程，进行解扩，增强了抗干扰的能力。CDMA系统属于自干扰系统，只接收地址码一样的部分。由于有无数种地址编码，因此很难出现重复，增强了保密性。CDMA作为一种先进的有广阔发展前景的多址接入方式，目前已成为世界许多国家研究开发的热点。 下面介绍码分多址中的几种关键技术，这些技术在第三代移动通信中得到了广泛应用。 1.功率控制技术 在蜂窝无线通信系统中，传输信号的强度随传输距离变大而成指数衰落。不同的移动台到基站的距离可能相差很多，发射功率相同的条件下，则基站收到来自距它较近的移动台的信号比来自小区边缘处移动台的信号要强，在这种情况下，远处用户的信号会被近处用户的信号淹没而不能被基站正确解调，这种现象称为“远近效应”。为克服这种“远近效应”，有必要对发射端的发射功率水平进行控制。 1）功率控制的目标 ㈠克服无线信道的慢衰落对信号的影响 ㈡防止功率攀比上升，降低系统总的干扰水平 ㈢在满足通信质量要求的条件下尽量减少发射功率 2）功率控制的准则 ㈠基于路径损耗的功率控制 ㈡基于质量的功率控制 4

3）功率控制的的分类 在CDMA系统中，功率控制可分为前向功率控制和反向功率控制。其中反向功率控制又包括反向开环和反向闭环功率控制，闭环功率控制又分为内环功率控制和外环功率控制。 4）影响功率控制的主要因素 ㈠控制速度 功率控制速度即控制周期的倒数。功控速度越快，则能跟踪补偿更快的衰落。但是功控周期越短，在此期间测量到的信干比涨落越大，造成发射功率起伏增大，影响控制稳定性。同时，缩短信号测量会降低信号质量均值间的相关性，因此要求降低控制延时，否则无法对信道作出正确估计。 ㈡控制时延 实际系统中功率控制总存在延时，而无线移动系统的信道是一个时变的信道，时变的信道参数具有复杂的相关特性。因此功率控制实际上是一种预测控制。时延越长，信道参数相关性，预测的精确性就越差，预测的精确性就越低。因此功率控制算法必须考虑实际时延的影响，否则控制性能难以保证。 ㈢信道估计与预测 由于功率控制是典型的预测控制，需要对信道参数作精确的预测和估计，因此高效的功率控制需要准确的信道估计和预测参数。 ㈣误帧率与信号信噪比关系 实际系统中，用户业务质量是通过误帧率来反映的，而误帧率受信号信噪比、多径状况、移动台速度、编码调制技术等共同作用。在功率控制中，分别采用误帧率和信噪比作为外环和内环功率控制的判决指标，如何确定误帧率和信号信噪比在各种条件下的变化关系影响到功率算法的稳定性和确定性。 2.软切换技术 1）切换的基本原理 当移动台从一个基站的覆盖范围移动到另一个基站的覆盖范围，通过切换移动台能保持通信的不中断。在一次呼叫的持续时间内，基站定期地对移动台的信号进行能够监制，当发现异常情况时，基站立即向移动交换中心或者基站控制器报告。收到警报后MSC或BSC将会搜索一个新的小区或新的信道。当搜索到合适的小区或信道时， MSC或BSC就会触发一个切换，否则移动台会继续利用原来的信道进行。如果切换完成，移动台原来使用的信道就会被释放掉。 2）软切换 所谓软切换是指移动台需要切换时，先与新的基站接通后再与原来的基站切断联系，而不是先切断原来与原来基站的联系再与新的基站接通。即软切换采用先通后断的切换方式，切换过程中移动台可能同时占用两条或更多条的信道。 软切换由移动交换中心完成的，来自不同基站的信号被送至选择器，由选择器选择最好的一条路，进行话音编码。软切换允许移动台在通话过程中同时与多个基站保持通信，所以软切换提供了宏分集的作用，提了接收信号的质量。 3.多用户检测技术 传统CDMA系统存在用户间干扰和远近效应问题，并不是CDMA系统本身固有的缺点。只要改变传统CDMA的单用户检测方式，对各用户信号做联合检测或者从接收信号中去除多址干扰，就能消除单用户检测的缺点，改善系统性能，提高系统的容量。多用户检测就是利用干扰的结构化信息，极大的降低码间干扰，实现多用户信号共存情况下信息解调技术。 1）多用户检测的基本原理 在多用户检测中,背景噪声是随机的，完全不可预测的；而多址干扰与背景噪声相比，