村村通无线接入系统中的CDMA技术

引言 进入20世纪90年代以来，我国的电信产业获得了极为迅猛的发展，电话用户总数已达4.0489亿，网络具备了相当规模，电话普及率达到30%。但是我国70%是农村人口，农村电话用户仅为7556万，普及率仅为9.1%，尤其是西部地区，普及率更低，仅为3%。过去电信运营商发展的重点在城市，经过这些年的高速发展，城市的电话普及率已经高达75%，潜力挖掘殆尽，发展重点正转向通过各种新业务的提供来刺激消费，增加话务量，提高收入。与此相对应，在乡镇和农村却存在着巨大的市场有待开发，可以预见随着多运营商在城市地区竞争的加剧，乡镇和农村用户将是未来各方争夺的焦点。目前农话市场正处于启动阶段，预计今后几年将有一个增长的高峰期。此外，由于通信与社会经济发展的互动作用，也使得农村通信成为各界关注的焦点，将会对农话网的建设起到促进作用。 但是目前农村通信的发展也面临很多实际困难，农村用户分布零散，地形复杂，交通不便，采用传统的有线接入方式成本高、维护困难，同时农村整体消费水平低，ARPU值不高，因而，投入产出的矛盾也是解决农村通信最主要的问题。根据农村通信固有的特点，我们开发了新一代低成本RASYS农村无线接入解决方案。该系统工作在450MHz频段，属于低频（一般低于500MHz）频率特性。根据电磁理论，频率越低，电波视距损耗越小，绕射能力越强。有分析说明，采用CDMA450技术覆盖农村，其所需的基站数为高频（一般高于1500MHz）系统的1/6～1/8，建站数量少将使建网成本大幅降低，建设周期大幅缩短，同时也可大幅降低维护成本和难度。 v:* {behavior:url(#default#VML);} o:* {behavior:url(#default#VML);} w:* {behavior:url(#default#VML);} .shape {behavior:url(#default#VML);} 1? CDMA移动通信技术简介 1.1 多址通信简述 　　多址通信的理论基础是信号分割技术。按照信号的不同参量，多址通信可分为基本的频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。在有线通信中也可以用空分多址(SDMA)，它还可派生出多种组合方式，如TDMA/ FDMA、CDMA/ FDMA等。目前，移动通信系统中采用的多址方式主要有三种：频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)。下面对这三种方式进行说明。 　　1. 频分多址 　　频分多址(FDMA)是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道分配给不同的用户使用，这些频道互不交叠，其宽度应能保证传输一路话音信号，且相邻频道之间没有超出允许的串扰信号。FDMA制式的优点是技术比较成熟和易于与模拟系统兼容。缺点是系统中同时存在多个频率的信号,容易形成互调干扰，因此通信质量较差，保密性较差，系统容量小。在我国，中国移动公司已在大城市和主要地区停用模拟式蜂窝移动通信。 　　上述不同用户使用分配给它的不同频率并不是固定指配的，通常是在通信建立阶段由系统的控制中心临时分配的。在通信结束后，终端用户就退出他所占用的频道，这些频道将被重新分配给（包括它重新使用在内）别的用户使用。 　　2. 时分多址 　　时分多址(TDMA)是通信技术中基本的多址技术之一，在GSM移动通信系统中被采用。时分多址技术是把时间分割成周期性的帧(Frame)，每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在多路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。 　　TDMA与FDMA相比，具有通信信号质量高、保密较好、系统容量较大等优点，但它必须依靠精确的定时和同步来保证移动终端和基站间正常通信，技术比较复杂。 　　3. 码分多址 　　在码分多址(CDMA)通信系统中, 不同用户传输信息所用的信号不是依据频率不同或时隙不同来区分, 而是用各自不同的编码序列来区分。如果从频域或时域来观察, 多个CDMA信号是互相重叠的, 接收机用相关器可以在多个CDMA信号中检出其中使用预定码型的信号, 其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。 CDMA的基本技术之一是扩频，因此这一多址技术具有很强的保密性，并早在第二次世界大战期间就在军事通信和电子对抗中予以采用，60年代以后又在军用卫星通讯中采用。20世纪90年代第二代（2G）CDMA蜂窝移动通信系统问世，其较TDMA之优点已见端倪，在系统容量、通信质量和保密性方面均有优于TDMA之处，完全适合现代移动通信网大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等高性能要求，正受到越来越多的运营商和用户的青睐。ITU推出的IMT-2000（3G）标准及之后批准的几个3G标准均系采用CDMA多址方式。 1.2 CDMA技术的基本原理及特点 　　CDMA技术以不同的正交码序列区分不同的用户，所以称为"码分多址"技术。它是以扩频通信为基础的多址连接技术，即用一个带宽远大于数据信号带宽的高速伪随机序列 (PN码 )调制需传送的数据信号 (扩频 )，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。由接收机利用完全相同的伪随机PN码对接收的宽带信号作相关处理，把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号 (解扩 )，实现数据信息通信。接收机产生的相同的伪随机PN码必须与接受信号中包含的伪随机PN码完全同步。因此在发射信息信号前，要先产生一个专门的PN码序列 （该序列在受到干扰时，接收机仍有较高的识别率）用于同步，同步建立后开始通信。扩频通信具有隐密性、保密性、抗干扰等优点。 　　扩频通信中用的码常常采用m序列，这是因为它具有容易产生和自相关特性优良的优点。其归一化自相关函数只有1和－1/k两个值，k是m序列长度。所以，只有在收发端伪随机序列相位相同时才能恢复发送信号。码分多址技术就是利用了这一点。可以采用不同相位的相同m序列作为多址通信的地址码。由于m序列的自相关特性与长度有关，因此，作为地址码，其长度应尽可能长，以供更多用户使用，同时可以获得更高的处理增益和保密性，但是又不能太长，否则不仅产生电路复杂，也不利于快速捕获及跟踪。 　　在CDMA蜂窝系统中, 综合采用了三种码。一种是长度为215的PN码, 用于区分不同的基站信号, 不与基站保持同步, 但使用的PN码序列相位偏移不同。规定每个基站的PN码相位偏移只能是64的整数倍。另一种是长度为242－1的PN序列, 在前向信道它用于信号的保密, 在反相信道中它用于区分不同的移动台。这样长的码有利于信号的保密, 同时基站知道特定的移动台的长码及其相位, 因而不需要对它进行搜索、捕获。此外, CDMA蜂窝系统将前向物理信道划分为多个逻辑信道, 即一个导频信道、一个同步信道、7个寻呼信道和55个前向业务信道, 划分的方法是采用Walsh序列对信号进行调制。由于Walsh序列的正交性, 不同信道的信号是正交的, 同时区分了不同移动台用户。相邻基站可以使用相同的Walsh序列, 虽然可能不满足正交性, 但可以由PN短码提供区分。在反相链路, Walsh序列用于对信号进行正交码多进制调制, 以提高通信链路的质量。反向信道由PN码来区分, 不同用户的接入信道长码产生使用公用掩码, 反向业务信道的长码掩码与移动台有关。 　　CDMA蜂窝系统扩频码的频率规定为1.2288MHz，这个规定考虑了频谱资源的限制、系统容量、多径分离的需要和基带数据速率多个因素。决定CDMA数字蜂窝系统容量的主要因素是：系统的处理增益、信号比特能量与噪音功率谱密度比、话音占空比、频率重用率以及每小区的扇区数目。为了取得高的系统处理增益，从而获得高的系统容量, 扩频码速率应尽可能的高。通常陆地移动通信环境的多径延迟为1～100μs, 为了扩充发挥扩频码分多址技术, 实现多径分离的作用, 要求扩频码序列的持续时间应小于1μs，也就是扩频码速率应大于1MHz。选择1.2288MHz的另一个原因是，这个速率可以被基带数据速率9.6kbit/s整除，且除数为2的幂指数（128＝27）。 　　CDMA与FDMA(频分多址)和TDMA(时分多址)相比, 主要具有以下独特的优点： 　　(1) 系统容量大, 接通率高。理论上在使用相同频率资源的情况下, CDMA移动网系统容量比模拟网大20倍, 实际使用中比模拟网大10倍, 比GSM大四五倍。已开通的CDMA系统运行证明，其频谱利用率为模拟系统的10倍左右，为GSM系统的3倍左右。 　　(2) 系统容量的配置灵活（软容量）。FDMA(频分多址)和TDMA(时分多址)都存在固定信道分配而使系统容量受限的缺点, 而CDMA (码分多址 )为宽带传输, 可有效地避免带宽限制。虽然 , 用户数的增加相当于背景噪声的增加, 会造成话音质量的下降, 但对用户数量并无限制, 操作者可在容量和话音质量之间折衷考虑。同频率可在多个小区内重复使用。当同时通信站点减少时, 通信质量会自动提高, 多小区之间可根据话务量和干扰情况自动均衡。这一特点与CDMA的机理有关。CDMA是一个自扰系统, 所有移动用户都占用相同带宽和频率, 我们可以不断地增加用户直到整个背景噪音限制住我们。如果能控制住用户的信号强度, 在保持高质量通话的同时, 我们就可以容纳更多的用户。 　　(3) 软切换。所谓软切换是指当移动台需要切换时，先与新的基站连通再与原基站切断联系，而不是先切断与原基站的联系再与新的基站连通。软切换只能在同一频率的信道间进行，因此，模拟系统、TDMA系统不具有这种功能。软切换可以有效地提高切换的可靠性，大大减少切换造成的掉话，因为据统计，模拟系统、TDMA系统无线信道上的掉话90％发生在切换中。同时，软切换可以提供分集，从而保证通信的质量。但是软切换也相应带来了一些缺点：导致硬件设备的增加，降低了前向容量等。 　　(4) 通话语音质量高，系统性能质量更佳。CDMA系统的声码器可以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。另外，CDMA系统采用软切换技术，使"掉话"，的现象明显减少。 　　(5) 频率规划简单，建网成本低。在CDMA系统中，用户按不同的、惟一的、特定的伪随机序列码区分，所以不相同的CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。此外，由于CDMA技术的特点，CDMA网络覆盖范围大，系统容量高，频率利用率高，因而一定的频带内能容纳更多的用户。在覆盖面积相同的条件下，CDMA系统要比GSM系统少建 80%以上的基站，从而使建网成本大幅度下降。 　　(6) 无线发射功率小。由于CDMA系统采用非常精确的功率控制技术和可变速率声码器，因此，基站设备和手机以及将来的便携式的个人通信器只需很小的发射功率就可以进行正常的通信。通常CDMA手机发射功率仅为 0.6ｍＷ，和其他制式的手机的发射功率相差近百倍。这意味着手机电池使用寿命延长，可以使用更小的电池，而且，也大大减少手机无线电波对人体的危害。 　　(7) 话音激活。典型的全双工双向通话中，每次通话的占空比小于35％，在FDMA和TDMA系统中，由于通话停等时重新分配信道存在一定的时延，所以难以利用话音激活因素。CDMA系统因为使用了可变速率声码器，在不讲话时传输速率降低，减轻了对其他用户的干扰，这既是CDMA系统的话音激活技术。 　　(8) 保密。CDMA系统的信号扰码方式提供了高度的保密性，使这种数字蜂窝系统在防止串话、盗用等方面具有其他系统不可比拟的优点。CDMA的数字话音信道还可以将数据加密标准或其他标准的加密技术直接引入。