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2.5 CDMA个人通信系统关键技术

发布时间: 2005-10-25  来源:
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个人通信的多址通信技术直接影响个人通信的频谱利用率、系统容量、小区结构、业务能力、设备复杂度和成本,特别是与系统容量大小密切相关。在常见的多址通信技术中,CDMA(码分多址)通信技术能实现更大的系统容量,并且有抗干扰、软切换、同频利用、接入方便等优点,CDMA个人通信将成为今后个人通信的主流和发展方向。

      根据不同的应用环境和使用要求,可构成各种各样的CDMA系统,最典型的是IS-95 CDMA蜂窝移动通信系统。IS-95涉及的CDMA技术集中体现了近20年来扩频通信技术的研究开发成果。在此基础上,许多国家、公司和制造商都在研究开发不同频段的CDMA个人通信系统,使CDMA方式在个人通信和移动通信中的应用日臻成熟。

1.CDMA个人通信系统的总体设计

       CDMA个人通信系统的空中接口、无线通信部分都参考IS-95技术标准,而与交换机的接口,应有3种不同的技术规范,以适应蜂窝移动通信、无线用户环、无线用户终端的不同应用要求。这样才能有更大的应用前景,有更多的系统支持,有更大的技术市场。同时,有更大的经济效益和社会效益。

    在CDMA个人通信系统的总体设计中,有许多基本参数是必须考虑的。

 

① 工作频带

      国际上通行的800MHz~900MHz频段、1.8GHz~1.9GHz频段、2.2GHz~2.4GHz频段,都可考虑在CDMA个人通信系统中使用。由于这些频段的大气传播特性、城市传播特性的不同,80MHz~900 MHz频段适合应用于工作小区较大的蜂窝移动通信系统。1.8GHz~1.9GHz频段不如800MHz~900 MHz理想,但仍有较好的传播特性,比较适合较小区、微小区的个人通信系统。我们建议CDMA个人通信系统使用1800MHz~1825MHz(前向),1875MHz~1900MHz(反向)。2.2GHz~2.4GHz频段的传播特性比较适合于给定小区,在CDMA无线用户终端系统中应用。

② 信号功率和小区半径

    信号功率按用户移动台的天线发射功率设计,伴随相应的工作小区半径。信号功率和小区半径设计为以下3种:信号功率(最大)为1W,小区半径(最大)为10km~15km;信号功率(最大)为500mW,小区半径(最大)为5km~8km;信号功率(最大)为100mW,小区半径(最大)为2km~3km。

    移动台可以根据系统结构和工作环境作不同的信号功率和小区半径选择,而不改变其它工作状态。

③ 信道配置

    参照IS-95标准,用户移动台设有CDMA的入网信道和业务信道,实际是一个CDMA物理信道采用不同扩频码的应用形态,对我们提出的3种系统结构的任何一种都是适用的。但前向信道(基站发往移动台)的配置却可以根据系统结构不同作适当变动。我们的建议是:对公众服务的蜂窝移动通信系统,应设有CDMA的导引信道、同步信道、寻呼信道和业务信道。而CDMA无线用户环,可对使用的扩频码稍加处理,仅用导引信道、寻呼信道和业务信道。而无线用户终端系统,可只设同步信道和业务信道。

④ 系统定时

      IS-95标准的系统定时是采用GPS装入基站系统完成的,这是一个很好的办法。我们还建议在某些应用环境中,由移动交换中心提供高精度定时信号,在移动交换中心到基站有线连接传播时延准确给定的情况下,可以获得相当满意的系统定时性能。

 

2.扩频编码的设计

      CDMA个人通信系统的扩频编码采用3层结构。底层是正交扩频编码,码长64,提供CDMA信道,不同的正交码作为不同的信道。但是,整个通信系统都使用这一组正交扩频码。第2层是基站码,也是扩频编码,码长为215-1,不同的基站使用具有不同相位状态的扩频码。第3层是移动用户码,一个用户一个,各不相同,它是由相当长的扩频码(240-1~242-1)加上移动用户自身代码复合而成的。这3层编码中,对通信特性影响最大的是底层正交扩频编码的选取。

       IS-95标准给出的是Walsh正交码,它生成容易,应用方便,但其自相关特性极不理想,有相当大的自相关旁瓣,且分布不均匀,直接用于扩频通信中是不利的。我们研究提出的正交Gold序列,同样有Walsh码的完全正交特性,同时具有相当好的自相关特性,自相关旁瓣小,分布集中,利于扩频通信的同步捕捉和跟踪稳定。因此,我们建议使用正交Gold序列,并且已在技术研究和系统开发中实现,能够随时给出瞬时相位状态。

 

3.定时同步与扩频相关处理

    定时同步有两个含义,一是系统定时,又叫全局定时,如前所述。可采用GPS或移动交换中心时间标准定时。在全局定时的诸多作用中,保证成功进行软切换是其重要作用之一。由于定时精度要求不低于20 ns,用GPS也不是很容易实现的。其处理复杂度不比使用移动交换中心时间标准定时简便多少,还受制于人。

    另一是移动台与基站(或系统)的定时同步。移动台要准确置移动用户码相位,要实现软切换要求的、可同时与2个基站通话。移动台同步定时不准是不行的。这个定时同步采用扩频相关处理、帧同步和扩频信号相位传送相结合的办法实现。

    扩频相关处理是CDMA通信的核心和关键,现在多采用数字相关处理,而具体怎么实现却大有文章。常见的有数字匹配相关处理和序列相关积分处理两种。数字匹配相关处理要预置好扩频接收的整数据周期的编码数据,与输入信号作逐位匹配相关处理,比较适合给定通信扩频码的情况。而CDMA个人通信系统采用3层编码结构,用户码、基站码、CDMA信道的正交码都不同,要随时动态分配和自动转换,因此采用序列相关积分处理技术来实现扩频数字相关处理。

     在参照IS-95标准的CDMA个人通信系统研究中,最困难的是反向信道(移动台到基站)的64-ary扩频调制的解调处理。移动台向基站发送信息,按6bit数据来选取64个正交扩频码中的一个码传送,6bit数据不同,选取出的扩频码也不同。这就要求基站的接收端在作扩频解调时,对64个正交码同时作相关处理,相应发送来有正交码的才有相关输出,其余63个没有输出。这种方法有较高的信息传输速率,有更好的信息数据调制特性,即Eb/N。大。Eb/N。大,CDMA通信的多址能力就强,系统容量就高。因此,64-ary扩频技术被视为IS-95的重要技术特征。通常,对64个正交码,扩频增益为256,每个扩频码元8点取样,作实时相关处理,共有217=131 072个样点,对QPSK调制信号,每个样点要作4次乘法、6次加法(或减法),共要作1 310 720次运算。如果1次运算用0.1μs,则要131ms左右;1次运算用0.01μs(时钟至少要100MHz),则要13ms左右。而实际系统最多只能提供200μs的运算时间,否则就不能实时。

4.RAKE接收

    在移动通信中,由于城市建筑物和地形地貌的影响,电波传播必然会出现不同路径和时延,使接收信号出现起伏和衰落,采用分集合并接收技术是十分有效的抗多径衰落的方法。CDMA个人通信系统采用时间分集和空间分集两种RAKE接收方法。基站使用有一定间隔的两组天线,分别接收来自不同方向的信号,独立处理,最后合并解调。移动台采用时间分集RAKE接收,让接收信号通过相关延迟为D的逐次延迟相关器,延迟间隔D为扩频码码元宽或大于码元宽,不同的延迟相关输出结果对应不同路径的信号,选其最大输出的前几个作合并,实现RAKE接收。

 

5.信号功率控制CDMA个人通信系统

     由于采用扩频序列相关处理,有明显的多址干扰存在,即远近效应随之产生,必须采用信号功率控制技术,使每个移动台发射到达本小区基站的信号功率彼此一致,实现稳定、可靠接收。常见的有开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制。

 

6 系统软件设计

      CDMA个人通信的系统软件除各模块的底层软件(操作运行软件)外,主要是第2层、第3层软件,它处理呼叫过程、监视过程、登记过程、切换过程、鉴权过程、保密过程、功率控制过程和认定过程。其中呼叫处理是主控过程,其它过程贯穿其中,为其服务。本项研究重点完成了移动台、基站的呼叫处理过程,鉴权和保密处理过程,登记和漫游处理过程,切换处理过程的软件设计、编程、调试和网络运行。并对软切换处理方法提出了改进建议,它与IS-95标准接口信号一致,但实现处理技术与之不同。

  改进软切换处理方法目的是减少从一个小区到另一个小区稳定工作的切换次数和切换延迟时间。本方法根据发生切换概率、MS与BS的通信概率、切换的平均时间、差值门限为主要参数建立软切换数学模型;对相邻小区基站间接收数据段不按均匀等分面按非线性划分;接收信号的平均处理使用信干比参数;并充分利用基站的广播特性和有关参数,实现稳定可靠的软切换过程。


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