3.2 3G之母（多址 核心技术 CDMA)下在线视频

海蒂拉玛的发明是用一个序列去控制通信的频率

属于跳频技术 现在使用的CDMA

是直接序列扩频 其核心思想与跳频是一致的

CDMA就是用码code来区分用户的

所谓的码就是由1和-1构成的序列

例如1,1，-1，-1就是一个长度为4的扩频码

扩频的操作就是把用户数据符号

假设数据符号为x0

乘以以上的这个码

得到x0，x0，-xo,-x0

也就是说经过扩频之后

一个符号变成了4个符号

如果要保持用户的速率不变

就需要4倍的带宽

因此这个技术被称为直接序列扩频

那么为什么需要扩频呢

那么这里我们需要从著名的香农公式说起

香农公式清楚的告诉我们

若想传输速率c提高

那么带宽b 要么提高信噪比S/N

提高性噪比往往意味着提高发射功率和降低噪声

能做的工作有限

所以在无线通信中一想到提高峰值的速率

首先做的都是占用更多的带宽

那么空中接口采用什么多址技术

首要问题就是先把带宽增大

一个载波的带宽选定了

接下来就是空中接口最核心的问题

采用怎样的多址技术

多址技术实质就是怎样把空中接口的资源合理分配给用户

从而让更多的用户接入

或者是已经接入的用户达到更高的速率

如果所有用户在同一个频段

同一个时间进行通信

也没有什么问题

只要他们之间能够用不同的扩频码来区别就行了

扩频码不好找 他需要满足两个特点

一个是正交 正交指的是完全没有相关性

这是显而易见的

如果不同的扩频码之间不正交

那么用户之间就无法进行区分了

第2个特点是长度要可变

长度可变意味着速率可变

数学家Walsh 发明了这种序列的矩阵

不但正交 而且长度可变

这种码叫OVSF码 即正交扩频因子

对于GSM来说 它的带宽只有200 KHZ

但是WCDMA有5兆赫兹

窄带的特点是速率不高 而且要独占频带

而OVSF码 在CDMA技术中

有一个步骤 就是拿基带调制后的信号

与OVSF码相乘

得到了一个新的信号 称之为码片

OVSF码传输的速率远远高于基带信号的传输速率

所需要的频谱带宽同时也增加了

所以扩频就是通过信号生成

扩展了原有信号的频谱带宽

高通公司让CDMA成了三大3G标准空中接口的基础

也因此获誉“一流的企业做标准。”之称

扩频通信具有抗干扰和噪声能力强

发射功率小 可以淹没于噪声之中实现隐蔽

很难被发现和截取的特点

使它广泛应用于军事通信

在GSM中相邻的基站是不能采用相同的频点

但是CDMA是使用同一个频段

系统当中一般有多个用户 会产生干扰

多用户干扰在蜂窝通信中的

一个结果是远近效应

主要表现在上行

也就是手机到基站的方向

假设有两个CDMA用户同时向基站发送信号

但是他们一个离基站比较远

一个比较近 那么信道的衰落就会不同

如果距离相差一倍

则损耗相差10DB 也就是10倍

如果距离为4倍 则损耗相差20DB也就是100倍

在实际情况当中

用户离基站距离相差4倍是很常见的

如果两个用户的发射功率相同

则基站收到的信号强度就会差100倍之多

近段的用户就会强烈的干扰远端用户

导致远端用户无法通信

这就是远近效应 在CDMA当中

不同用户的信号在时间和频率上是重叠的

仅仅依靠码来区分

虽然不同用户的码是正交的

但是在多径信道下的正交性被破坏

形成了用户干扰 就形成了明显的远近效应

CDMA克服远近效应的方法是功率控制

功率控制的思想是在基站测量每个用户的接收功率

并设定一个控制目标

如果接收功率比设定目标大就通知终端降低发射功率

相反如果接收功率小于设定目标

则通知终端升高发射功率

在实际的信息系统中

我们采用专门的功率控制信令

一般来说在下行信号的每一帧会保留几个比特

用作功率控制信令

这样不管终端离基站有多远

基站的接收功率基本一致

避免了近端用户阻塞远端用户的现象

当用户和比较远的基站通信时

离他很近的基站信号对通话信号产生了强烈的干扰

结果信号质量变得很差

在CDMA之初 因为切换很慢

高通遇到了一些问题

后来想出了一个软切换的方法加以解决

当用户与基站1渐行渐远

走到基站2的范围

同时与基站的链路连接质量越来越差

已经低于设定标准的时候

用户的手机与基站的连接就会断开

会驻留到基站2的小区下面

这个过程叫做切换

由于用户的手机原本就和基站2有连接

整个通信过程没有中断

这个过程叫做软切换

这种方法降低了掉话的概率

同时利用了多条链路的资源

但同时和多个基站连接对资源也是一种消耗

这里感兴趣的同学或者

通信工程专业的同学可以扩展学习

<通信之道从微积分到5G>中的

14.2.1到14.2.4节的扩频增益 正交码

Rake接收机 CDMA的多用户模型

和自干扰特性这几节

以及第11章 AWGN高斯白噪声信道

在杨学志老师的书中

他认为Rake接收机才是CDMA的核心

Rake接收机 也就是匹配滤波器

OVSF码的正交由于只有在AWGN信道下才成立

在多径信道的条件下

正交性遭到了破坏

会出现多用户干扰

RAKE 接收机

假设只有一个用户

用扩频码发送一个符号x

让扩频信号通过一个多径信道

则接收信号中 对x的最优估计

还是用匹配滤波器

这个匹配滤波器叫做RAKE接收机

在CDMA中有非常重要的地位

我们来看一下瑞克接收机的这张图

这张图中每个延迟叫做一个finger

每个finger做一次相关Cor 和加权hn

然后累加起来 得到对信息符号的估计

送到星座解调器 这个框图可以是数字

也可以是模拟的

一般我们都采用数字的方法进行处理

如果系统中有多个用户发送多个符号

接收器的做法是

还是按照只有一个用户的方式

一个符号一个符号的去处理

这就造成了CDMA的自干扰的特性

由以上可以见得CDMA是一个自干扰的系统

为了克服这个缺点

CDMA采用功率控制

UFR和软切换等技术

在一定程度上弥补了这个缺点

但是无法从根本上克服

3G的两大主流标准WCDMA和CDMA2000

在设计之初就没有考虑多用户检测技术

导致该技术始终处于学术研究阶段

而后随着OFDM技术的商用化

采用多用户检测的CDMA系统

已经永远失去了上场的机会