CDMA2000 基本原理

一、 CDMA 基本原理二、 CDMA 的逻辑信道三、关键技术 - 功率控制四、关键技术 - 软切换五、 RAKE 接收机与呼吸效应

多址技术扩频通信原理CDMA 码序列

多址技术使众多的用户共用公共的通信线路。为使信号多路化而实现多址的方法基本上有三种，它们分别采用频率、时间或代码分隔的多址连接方式，即人们通常所称的频分多址（ FDMA ）、时分多址（ TDMA ）和码分多址（ CDMA ）三种接入方式。

FDMA 是以不同的频率信道实现通信的， TDMA 是以不同的时隙实现通信的， CDMA 是以不同的代码序列实现通信的 .

FDMA ：每 30Khz 服务一个用户，可用频率资源的多少决定了同时可以服务用户的数目；

TDMA ：在 FDMA 的基础上，将每 30Khz 划分为7 个时间片段（时隙），每个用户占用一个时隙。可用频率和时隙的多少决定了可以同时服务的用户数目；

CDMA ：总共占用 1.23Mhz 带宽，所有用户共享该带宽。由于用户间同时占用同一个频点，因此发射台总的发射功率和用户间的相互干扰决定了网络可以同时服务用户的数目。

码分多址 码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址

方式，它不像 FDMA 、 TDMA 那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同时传输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间的相互干扰。其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混合后不会丢失原来的信息。有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。每个发射机都有自己唯一的代码（伪随机码），同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，接收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码（这个过程称为解扩）。

码分多址技术是 CDMA 系统关键技术之一。

码分多址 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—— 825+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。

码分多址

CDMA 是一个扩频系统 所谓扩展频谱通信，可定义如下：扩频通信技

术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息所必需的最小带宽；频带的带宽是通过编码及调制的方法实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。

扩频通信的基本原理

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： 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

CDMA 系统中三种编码分别是WALSH 码、 PN 短码、 PN 长码。

Walsh 码 在 CDMA2000 1X 中， Walsh 码用于进行前向扩频，区分扇区内

前向码分信道。 用 Walsh 码区分这些前向信道的方法是：每个扇区有 64 个不同

的 Walsh 码，每一个 Walsh 码经过扩频后分配给一条信道，扩频速率是 1.2288Mcps 。在手机终端，接收到的信号应与所需信道的 Walsh 码相关。

前向信道包括导频、同步、寻呼、前向业务信道等。导频信道占用 Walsh 码 0 ，同步信道占用 Walsh 码 32 ，寻呼信道占用Walsh 码 1-7 （通常使用一条寻呼信道 Walsh 码 1 ），前向业务信道可以自由使用其余的 Walsh 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。

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 这个序列非常长 , 有数以亿计的不同使用方式 .

每一种使用方式构成一个数学码 , 用来识别一个特定的用户或一个特定的接入信道

三种扩频码的比较码序列 长度 应用位置 应用目的 主要特性

PN 长码 242 － 1 反向接入信道反向业务信道

标识移动台用户 具有尖锐的二值自相关特性

前向寻呼信道前向业务信道

用于数据扰码

PN 短码 215 － 1 所有前向信道 正交扩频，利于调制 平衡性

所有反向信道 正交扩频，利于调制，并且用于标识基站

Walsh 码 64 所有前向信道 正交扩频，前向信道化区分

正交性/32 前向补充信道128 前向快速寻呼信道16 反向基本信道 正交扩频，

反向信道化区分32 反向导频信道2 或 4 　 反向补充信道

前向信道（ FORWARD CHANNELS ） CDMA 前向共有 4 个逻辑信道，介绍如下： 导频（ PILOT ）信道 同步（ SYNC ）信道 寻呼（ PAGING ）信道 业务（ TRAFFIC ）信道

导频（ Pilot ）信道使用 Walsh0 发送，主要有以下功能：

为手机捕获系统提供参考； 为手机解调其他信道提供相位参考，相干解调； 区分扇区和基站 每个载波扇区只有一个导频信道

同步（ Sync ）信道使用 Walsh32 发送，主要有以下功能：

由于 PN 是近似时正交的。因此各个扇区必须时钟同步 才能有效区分。

为手机提供系统时钟同步，即提供时间信息； 提供 Sid 、 Nid 、 PN 、系统时间、长码状态 提供寻呼信道速率 每个载扇只有一个同步信道

寻呼信道使用 Walsh1-7 发送，寻呼信道最多可以有 7 个，最少 1 个，可以随需要配置：

发送关键系统信息参数

发送针对特定手机的消息，例如寻呼某个手机

前向业务信道是用于呼叫中，基站向移动台发送用户信息和信令信息。

反向信道（ REVERSE CHANNELS ）：

接入（ ACCESS ）信道

业务 (TRAFFIC) 信道

移动台使用反向接入信道的功能包括： 发起同基站的通信 响应基站发来的寻呼信道消息 进行系统注册 在没有业务时接入系统和对系统进行实时情况的回应

反向业务信道是用来在建立呼叫期间传输用户信息和信令信息。

关键技术 - 功率控制 功率控制在 CDMA 中的目的 明确 CDMA 中采用的不同类型的功率控制机制 - 反向开环功率控制 - 反向闭环功率控制 - 反向外环功率控制 - 前向业务信道功率控制

• CDMA 是一种基于用户数量的干扰受限系统。要保证每个用户能够顺利通话，就必须对每个用户通话功率的大小进行限制。

功率控制的目的？ 保证话音质量（ FER ）：保证每部手机的通话正常，也

就是说确保可接受的服务质量理想情况； 降低干扰：降低对其他用户的干扰； 减小功率消耗使每部手机尽可能低功率发射，节省功率。

• CDMA 是一种基于用户数量的干扰受限系统。要保证每个用户能够顺利通话，就必须对每个用户通话功率的大小进行限制。

功率控制的目的？ 保证话音质量（ FER ）：保证每部手机的通话正常，也

就是说确保可接受的服务质量理想情况； 降低干扰：降低对其他用户的干扰； 减小功率消耗使每部手机尽可能低功率发射，节省功率。

CDMA的功率控制包括前向功率控制和反向功率控制。前向功率控制： 95功率控制和 1x快速功率控制

前向功率控制受控对象是基站的发射功率，移动台起辅助作用。

反向功率控制：开环功控、闭环功率控制和外环功率控制

反向功率控制受控对象是移动台的发射功率，基站起辅助作用。

CDMA的功率控制包括前向功率控制和反向功率控制。前向功率控制： 95功率控制和 1x快速功率控制

前向功率控制受控对象是基站的发射功率，移动台起辅助作用。

反向功率控制：开环功控、闭环功率控制和外环功率控制

反向功率控制受控对象是移动台的发射功率，基站起辅助作用。

CDMA 的前向信道功率要分配给前向导频信道、同步信道、寻呼信道和各个业务信道。基站需要调整分配给每一个信道的功率，使处于不同传播环境下的各个移动台都得到足够的信号能量。前向功率控制的目的就是实现合理分配前向业务信道功率，在保证通讯质量的前提下，使其对相邻基站 /扇区产生的干扰最小，也就是使前向信道的发射功率在满足移动台解调最小需求信噪比的情况下尽可能小。前向功控的原理如下图所示：

• 前向功控的原理图

• 移动台通过 Power Measurement Report Message 上报当前信道的质量状况：上报周期内的坏帧数，总帧数。 BSC据此计算出当前的 FER ，与目标 FER 相比，以此来控制基站进行前向功率调整。

1X 中的前向快速功率控制 前向快速功率控制就是实现合理分配前向业务信道

功率，在保证通讯质量的前提下，使其对相邻基站 /扇区产生的干扰最小，也就是使前向信道的发射功率在满足移动台解调最小需求信噪比的情况下尽可能小。通过调整，既能维持基站与位于小区边缘的移动台之间的通信，又能在较好的通信传输特性时最大限度地降低前向发射功率，减少对相邻小区的干扰，增加前向链路的相对容量。

IS95 前向功率控制

• 基站缓慢地降低到每个移动台的功率• 随着 FER( 在移动台测定 ) 的增加，移动台要求增加前向业务信道

的功率，发送功率测量报告消息

• 基站缓慢地降低到每个移动台的功率• 随着 FER( 在移动台测定 ) 的增加，移动台要求增加前向业务信道

的功率，发送功率测量报告消息

移动台 BTS BSC

Adjust Fwd.Power

前向链路功率控制

FER

在 CDMA 系统的反向链路中引入了功率控制，通过调整用户发射机功率，使各用户不论在基站覆盖区的什么位置和经过何种传播环境，都能保证各个用户信号到达基站接收机时具有相同的功率。在实际系统中，由于用户的移动性，使用户信号的传播环境随时变化，致使每时每刻到达基站时所经历的传播路径、信号强度、时延、相移都随机变化，接收信号的功率在期望值附近起伏变化。

反向功率控制包括三部分：开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制。

反向开环功控CDMA 系统的每一个移动台都一直在计算从基站到移动台的路径损耗，当移动台接收到从基站来的信号很强时，表明要么离基站很近，要么有一个特别好的传播路径，这时移动台可降低它的发送功率，而基站依然可以正常接收；相反，当移动台接收到的信号很弱时，它就增加发送功率，以抵消衰耗，这就是开环功率控制。开环功率控制简单、直接，不需在移动台和基站之间交换控制信息，同时控制速度快并节省开销。

反向开环功控

移动台 BTS

反向开环功率控制

反向闭环功控反向闭环功控正又分为内环和外环两部分，内环指基站接收移动台的信号后，将其强度与一门限（下面称为“闭环门限”）相比，如果高于该门限，向移动台发送“降低发射功率”的功率控制指令；否则发送“增加发射功率”的指令。外环的作用是对内环门限进行调整，这种调整是根据基站所接收到的反向业务信道的指令指标（误帧率）的变化来进行的。

反向闭环功控移动台 BTS

Signal StrengthMeasurement

门限值

or反向闭环功率控制

• 补偿前向和反向路径之间的不对称• 由发往移动台的提升功率 (0) 和降低功率 (1) 指令组成， 根据在基站测得的

信号强度并与以特定门限值 (给定值 )相比较确定发送 0 或 1

• 每条指令要求移动台增加或减少发射功率 1dB

• 每秒发射 800 次，始终以全功率发射• 允许补偿快衰落的影响

• 补偿前向和反向路径之间的不对称• 由发往移动台的提升功率 (0) 和降低功率 (1) 指令组成， 根据在基站测得的

信号强度并与以特定门限值 (给定值 )相比较确定发送 0 或 1

• 每条指令要求移动台增加或减少发射功率 1dB

• 每秒发射 800 次，始终以全功率发射• 允许补偿快衰落的影响

反向外环功控

FER

移动台 BTS BSC

反向外环 功率控制

Signal StrengthMeasurement

门限值

or反向闭环功率控制

• 反向链路差错控制的渐进形式• 给定值根据反向业务信道的 FER 调整 (在基站控制器决定 )• 以 50 帧 /秒 (20ms/ 帧 )的速率抽样• 给定值每 1-2 秒调整一次

• 反向链路差错控制的渐进形式• 给定值根据反向业务信道的 FER 调整 (在基站控制器决定 )• 以 50 帧 /秒 (20ms/ 帧 )的速率抽样• 给定值每 1-2 秒调整一次

所有类型的功率控制共同工作，移动台的功率消耗降低到最小，并增加了系统的整体容量。

所有类型的功率控制共同工作，移动台的功率消耗降低到最小，并增加了系统的整体容量。

FER FER

移动台 BTS BSC

Signal StrengthMeasurement

门限值 t

orAdjust Fwd.

Power

反向外环功率控制

反向闭环功率控制

前向功率控制

反向开环功率控制

软切换的相关概念CDMA 切换的分类软切换的实现原理

当手机从一个基站向另外一个基站移动时，为了保证通话的连续性，必须将呼叫链路从当前基站转移到目标基站上。这个过程叫“切换”。软切换的概念是，目标基站提前准备好必须的无线资源，并通过源基站通知手机。手机保持与源基站的连接不断，同时与新的基站建立连接。之后手机将同时与两个基站进行通信。只有当一个基站的信号强度低到门限值以下（ Tdrop ），系统才考虑丢弃该基站。

从原理可以知道，软切换的特点是先与目标侧建立连接，同时保持源侧连接不变。只有当一个导频强度低于门限值，才会考虑丢弃一个导频。软切换可以理解为“先切后断”，它是发生在相同载频之间的切换。

导频集 “ 导频信号”可用一个导频信号序列偏置和一个载频标明，

一个导频信号集的所有导频信号具有相同的 CDMA 载频。移动台搜索导频信号以探测现有的 CDMA 信道，并测量它们的强度，当移动台探测了一个导频信号具有足够的强度，但并不与任何分配给它的前向业务信道相联系时，它就发送一条导频信号强度测量消息至基站，基站分配一条前向业务信道给移动台，并指示移动台开始切换。业务状态下，相对于移动台来说，在某一载频下，所有不同偏置的导频信号被分类为如下集合：

导频集1. 有效集：所有与移动台的前向业务信道相联

系的导频信号。2. 候选集：当前不在有效导频信号集里，但是已经具有足够的强度，能被成功解调的导频信号。

3. 激活集：指与移动台建立连接的小区的集合。

软切换：所谓软切换就是当移动台需要跟一个新的基站通信时，并不先中断与原基站的联系。软切换是 CDMA移动通信系统所特有的，以往的系统所进行的都是硬切换，即先中断与原基站的联系，再在一指定时间内与新基站取得联系。软切换只能在相同频率的 CDMA 信道间进行，它在两个基站覆盖区的交界处起到了业务信道的分集作用。

软切换有以下几种方式： 同一 BTS内相同载频不同扇区之间的切换，也就是通常说

的更软切换（ softer handoff ）； 同一 BSC内不同 BTS 之间相同载频的切换； 同一 MSC内，不同 BSC 的之间相同载频的切换。

软切换的优点• FDMA 、 TDMA 系统中广泛采用硬切换技术，当硬

切换发生时，因为原基站与新基的载波频率不同，移动台必须在接收新基站的信号之前，中断与原基站的通信，往往由于在与原基站链路切断后，移动台不能立即得到与新基站之间的链路，会中断通信。另外，当硬切换区域面积狭窄时，会出现新基站与原基站之间来回切换的“乒乓效应”，影响业务信道的传输。在 CDMA 系统中提出的软切换技术，与硬切换技术相比，具有以下更好的优点：

软切换的优点1. 软切换发生时，移动台只有在取得了与新基站的链接之后，才会中断与原基站的联系，通信中断的概率大大降低。

2. 软切换进行过程中，移动台和基站均采用了分集接收的技术，有抵抗衰落的能力，不用过多增加移动台的发射功率；同时，基站宏分集接收保证在参与软切换的基站中，只需要有一个基站能正确接收移动台的信号就可以进行正常的通信，由于通过反向功率控制，可以使移动台的发射功率降至最小，这进一步降低移动台对其它用户的干扰，增加了系统反向容量。

3. 进入软切换区域的移动台即使不能立即得到与新基站通信的链路，也可以进入切换等待的排队队列，从而减少了系统的阻塞率。

软切换示意图：

更软切换：指发生在同一基站下不同扇区之间的切换。在基站收发机（ BTS ）侧，不同扇区天线的接收信号对基站来说就相当于不同的多径分量，由 RAKE 接收机进行合并后送至 BSC ，作为此基站的语音帧。而软切换是由 BSC完成的，将来自不同基站的信号都送至选择器，由选择器选择最好的一路，再进行话音编解码。

硬切换：当移动台从一个基站的覆盖范围移动到另外一个基站的覆盖范围，通过切换移动台保持与基站的通信。硬切换是在呼叫过程中，移动台先中断与原基站的通信，再与目标基站取得联系，发生在分配不同频率或者不同的帧偏置的 CDMA信道之间的切换。在呼叫过程中，根据候选导频强度测量报告和门限值的设置，基站可能指示移动台进行硬切换。

硬切换就是“先断后切”。

硬切换• 硬切换可以发生在相邻的基站集之间，不同的频

率配置之间，或是不同的帧偏置之间。可以在同一个小区的不同载波之间，也可以在不同小区的不同载波之间。

• 切换的两个基站工作在不同的频率

• 切换的两个基站可以工作在相同的频率，但 从属于不同的 MSC

• 切换的两个基站工作在不同的频率

• 切换的两个基站可以工作在相同的频率，但 从属于不同的 MSC

软切换流程图：

Tadd—— 决定手机是否把一个导频从 N集（邻区）提升到 C集（候选集），是否加入 A集（激活集）需要系统决定；现网一般值在 -12/-13左右

Tdrop—— 决定何时启动 TTdrop 定时器，一般值在 -14 - -16dB左右。

Tcomp—— 在 A集满的情况下决定是否要 ADD 一个新的导频；

TTDrop——超时后手机申请将一个导频放入 N集（邻区），需要系统决定；

软切换简要流程介绍如下： 手机检测到一个导频强度大于 TADD ，将其加入 C集 由于导频强度大于 TADD ，手机发送 PSMM消息 经过切换机制的判断， BSC 允许切换，发送 HDMI消息给

手机，手机将导频加入 A集 手机检测到 A集中导频强度小于 Tdrop ，启动 TTDrop 定时

器 TTDrop超时，手机发送 PSMM消息 系统判断允许切换，发送 HDM消息给手机，指示手机 Drop

该导频 手机 Drop 该导频到 Neighbor集并发送 HCM消息给 BSC

RAKE 接收机工作原理呼吸效应

由于多径信号具有不同的相位偏置，各个信号的叠加反而会造成信号的畸变和衰减。 Rake 接收机通过分别接收各个多径信号，将信号合并而得到最终有用信号。有效避免了多径的负面影响。

工作原理：发射机发出的扩频信号，在传输过程中受到不同建筑物、山岗等各种障碍物的反射和折射，到达接收机时每个波束具有不同的延迟，形成多径信号。如果不同路径信号的延迟超过一个伪码的码片的时延，则在接收端可将不同的波束区别开来。将这些不同波束分别经过不同的延迟线，对齐以及合并在一起，则可达到变害为利，把原来是干扰的信号变成有用信号组合在一起。这就是 RAKE 接收机的基本原理。也就是说，它是利用了空间分集技术。

呼吸效应的概念 在 CDMA 系统中，小区的容量和覆盖是通过系统干扰紧密

相连的。当小区内用户数增多，也就是小区容量增大时，小区基站端接收到的干扰将增大，这就意味着在小区边缘地区的用户即使以最大发射功率发射信号，也无法保证自身与基站间的传输 QoS 能够得到保证，于是这些用户将会切换到邻近小区，也就意味着本小区的半径即覆盖范围相对减小了。反之，当小区用户数目减少，也就是小区容量减小时，系统业务强度的降低使得基站接收的干扰功率水平降低，各用户将可以发射更小的功率来维持与基站的连接，结果导致在小区内可以容忍的最大路径损耗增大，等效于小区半径增加，覆盖范围增大。

以上所描述的小区面积随着小区内业务量的变化而动态变化的效应称之为“呼吸效应”。

呼吸效应的概念 我们也可以利用 CDMA 系统中常提及的“酒

会”的例子更加形象的来说明，在一个酒会上，来了很多客人，同时讲话的人数越多，就越难听清对方的声音。如果开始你还可以与在房间另一头的客人交谈，但是当房间里的噪声达到一定程度后，你就根本听不清对方的谈话了，这就意味着谈话区的半径缩小了。下图给出了呼吸效应与覆盖距离之间的关系。

呼吸效应的概念 CDMA 系统单基站的呼吸效应

呼吸效应的危害 “呼吸效应”最大的危害是可能由于小区的收缩而形成“覆盖漏洞”，即覆盖盲区，这在网络规划时是必须要注意到的问题。

由于 CDMA 是一个干扰受限的系统，新基站增加的同时会对周围基站带来干扰，周围基站的容量也就相应降低。因此， CDMA 网络中由于容量需求而增加新基站，并不能使网络容量像 GSM 网络一样线性增长，尤其是在城市密集区，基站间距本身就很小，这种现象也就更加严重。由此可以看出，“呼吸效应”增大了网络规划的复杂性。