CDMA 快速指南

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CDMA 簡介

什麼是 CDMA？

分碼多重進接 (Code Division Multiple Access, CDMA) 是一種用於行動通訊的數字蜂窩技術。CDMA 是 cdmaOne、CDMA2000 和 WCDMA 等接入方法的基礎。CDMA 蜂窩系統被認為優於 FDMA 和 TDMA，這就是為什麼 CDMA 在構建高效、可靠和安全的無線通訊系統中發揮著關鍵作用的原因。

一個簡單的比喻

讓我們做一個簡單的比喻來理解 CDMA 的概念。假設在一個教室裡有一些學生想要同時互相交談。如果每個人都同時開始說話，什麼也聽不見。他們要麼輪流說話，要麼使用不同的語言進行交流。

第二個選項與 CDMA 非常相似——說同一種語言的學生可以互相理解，而其他語言則被視為噪聲並被忽略。類似地，在無線電 CDMA 中，每組使用者都會分配一個共享碼。許多碼佔用相同的通道，但只有與特定碼關聯的使用者才能進行通訊。

CDMA 的顯著特點

基於擴頻技術的 CDMA 具有以下顯著特點：

• 在 CDMA 中，每個通道都使用全部可用頻譜。

• 個別對話使用偽隨機數字序列進行編碼，然後使用寬頻範圍進行傳輸。

• CDMA 一致地為語音和資料通訊提供更好的容量，允許更多使用者在任何給定時間連線。

• CDMA 是構建 3G 技術的通用平臺。對於 3G，CDMA 使用 1x EV-DO 和 EV-DV。

第三代標準

CDMA2000 使用頻分雙工-多載波 (FDD-MC) 模式。這裡，多載波意味著 N × 1.25 MHz 通道疊加在 N 個現有的 IS-95 載波上，或者部署在未佔用的頻譜上。CDMA2000 包括：

• 1x — 使用 1.2288 Mcps 的擴頻速率。

• 3x — 使用 3 × 1.2288 Mcps 或 3.6864 Mcps 的擴頻速率。

• 1xEV-DO (1x Evolution – Data Optimized) — 使用 1.2288 Mcps 的擴頻速率，針對資料進行了最佳化。

• WCDMA/FDD-DS — 寬頻 CDMA (WCDMA) 頻分雙工-直接序列擴頻 (FDD-DS) 模式。這具有單個 5 MHz 通道。WCDMA 每個通道使用單個載波，並採用 3.84 Mcps 的擴頻速率。

CDMA 開發組 (CDG)

CDMA 開發組 (CDG) 成立於 1993 年 12 月，是一個國際公司聯盟。它共同努力，引領先進無線電信系統的增長和發展。

CDG 由服務提供商、基礎設施製造商、裝置供應商、測試裝置供應商、應用程式開發商和內容提供商組成。其成員共同定義了 CDMA2000 和 4G 互補系統開發的技術要求。此外，與其他新興無線技術的互操作性旨在增加全球消費者和企業對無線產品和服務的可用性。

IMT-2000 系統

CDMA 通道

CDMA 通道可大致分為前向通道和反向通道。本章解釋了這些通道的功能。

前向通道

前向通道是通訊方向或移動到小區的下行鏈路路徑。它包括以下通道：

• 導頻通道 - 導頻通道是一個參考通道。它用於移動臺獲取時間並作為相干解調的相位參考。它由每個基站在每個活動 CDMA 頻率上連續傳輸。並且，每個移動臺連續跟蹤此訊號。

• 同步通道 - 同步通道攜帶單個重複訊息，該訊息向移動臺提供有關時間和系統配置的資訊。同樣，移動臺可以透過與短碼同步來獲得精確的系統時間。

• 尋呼通道 - 尋呼通道的主要目標是傳送尋呼，即向移動臺傳送來電通知。基站使用這些尋呼來傳輸系統開銷資訊和移動臺特定訊息。

• 前向業務通道 - 前向業務通道是碼通道。它用於將呼叫（通常是語音和信令業務）分配給單個使用者。

反向通道

反向通道是移動到小區的通訊方向或上行鏈路路徑。它由以下通道組成：

• 接入通道 - 移動臺使用接入通道與基站建立通訊或應答尋呼通道訊息。接入通道用於簡訊令訊息交換，例如呼叫、對尋呼的響應和註冊。

• 反向業務通道 - 反向業務通道由單個使用者在其實際呼叫中使用，以將業務從單個移動臺傳輸到一個或多個基站。

CDMA 多址接入方法

允許在 FDD 或 TDD 模式下執行，以便根據不同區域的頻率分配有效利用可用頻譜。

頻分雙工

一種雙工方法，其中上行鏈路和下行鏈路傳輸使用兩個獨立的頻帶：

• 上行鏈路 - 1920 MHz 至 1980 MHz

• 下行鏈路 - 2110 MHz 至 2170 MHz

• 頻寬 - 每個載波位於 5 MHz 寬頻的中心

通道分離

可調整的 5 MHz 標稱值。

通道柵格

200 kHz（中心頻率必須是 200 kHz 的倍數）。

收發頻率分離

標稱值為 190 MHz。此值可以是固定的或可變的（最小值為 134.8 MHz，最大值為 245.2 MHz）。

通道編號

載波頻率由 UTRA 絕對射頻通道編號 (UARFCN) 指定。此編號由網路（對於上行鏈路和下行鏈路）在 BCCH 邏輯通道上傳輸，並由 Nu = 5 * (上行鏈路頻率 MHz) 和 ND = 5 * (下行鏈路頻率 MHz) 定義。

時分雙工

時分雙工是一種透過使用同步時間間隔在同一頻率上傳輸上行鏈路和下行鏈路傳輸的技術。載波使用 5 MHz 頻寬，儘管 3GPP 正在研究低晶片速率解決方案 (1.28 Mcps)。TDD 的可用頻帶將為 1900–1920 MHz 和 2010 – 2025 MHz。

無線鏈路的雙工方法

對於時分雙工，前向鏈路頻率與反向鏈路頻率相同。在每個鏈路中，訊號輪流連續傳輸——就像乒乓球遊戲一樣。

TDD 系統示例

TDD 使用單個頻帶進行傳送和接收。此外，它透過分配交替時隙進行傳送和接收操作來共享頻帶。要傳輸的資訊可以是按位序列格式的語音、影片或計算機資料。每個時間間隔可以為 1 位元組長，也可能是幾字節的一部分。

TDD 隨時間交替傳輸和接收站資料。時隙長度可變。由於高速資料的特性，通訊雙方不能意味著傳輸是間歇的。看似同時的傳輸實際上是在相互競爭。數字轉換為模擬語音，沒有人可以說它不是全雙工的。

在某些 TDD 系統中，交替的時間間隔持續時間相同或同時具有 DL 和 UL；但是，系統不需要對稱 50/50。系統可以根據需要是非對稱的。

例如，在訪問網際網路時，下載速度通常高於上傳速度。大多數裝置在非同步模式下工作，其中下載速度高於上傳速度。當下載速度高於上傳速度時，上傳所需的時隙較少。一些 TDD 格式提供動態頻寬分配，其中時間間隔的數量或持續時間可以根據需要動態更改。

TDD 的真正優勢在於它只有一個頻譜通道，不需要帶隙或通道分離，因為間隔是使用時隙進行的。缺點是 TDD 的成功實施需要一個定時系統。需要向發射機和接收機提供精確的定時，以確保時間間隔不會重疊或相互干擾。

定時通常與 GPS 原子鐘標準的特定衍生物同步。時隙之間還需要保護時間以避免重複。這段時間通常等於傳輸接收處理時間（傳輸接收切換時間）和通訊通道上的傳輸延遲（延遲）。

頻分雙工

在頻分雙工 (FDD) 中，前向鏈路頻率與反向鏈路頻率不同。在每個鏈路中，訊號並行連續傳輸。

FDD 系統示例

FDD 需要頻譜的兩個對稱段用於上行鏈路和下行鏈路通道。

在具有發射機和接收機的手機中，由於同時在如此接近的距離內工作，接收機必須儘可能過濾掉來自發射機的訊號。頻譜分離越多，濾波器越有效。

頻分雙工(FDD) 使用大量的頻譜，通常是所需時分雙工(TDD) 頻譜的兩倍。此外，通道收發之間必須有足夠的頻譜隔離。這些頻段總是被認為是無法使用的，多餘的。鑑於頻譜的稀缺性和成本，這些都是真正的缺點。

FDD 的應用

FDD 廣泛應用於不同的蜂窩電話系統。在某些系統中，869-894 MHz 頻段用作從基站塔到裝置的下行鏈路 (DL) 頻譜。而 824-849 MHz 頻段用作手機在基站處的上行鏈路 (UL) 頻譜。

FDD 也適用於電纜，其中收發通道被分配到電纜頻譜的不同部分，就像在有線電視系統中一樣。並且，使用濾波器來保持通道的分離。

FDD 的缺點

FDD 的缺點是它不允許使用諸如多天線、多輸入多輸出 (MIMO) 和波束成形之類的特殊技術。這些技術是新一代長期演進 (LTE) 4G 手機提高資料速率的重要組成部分。很難製造出足夠寬的頻寬來覆蓋兩組天線的頻譜。需要複雜的電路動態調整。

多址接入方法

無線通道是由地理區域內的多個使用者共享的通訊介質。移動臺為了傳輸資訊流而相互競爭頻率資源。如果沒有其他措施來控制多個使用者的併發訪問，則可能會發生衝突。由於衝突對於諸如行動電話之類的面向連線的通訊是不希望的，因此需要根據請求為個人/移動使用者站分配專用通道。

行動通訊共享所有使用者的無線資源，必須進行使用者識別。在識別使用者的過程中，它被稱為“多址接入”（Multiple Access），即在接收站接收多個發射站的無線電波（如下圖所示）。

FDMA - 技術

分頻多重進接 (FDMA) 是最常見的模擬多址接入方法之一。頻帶被劃分為等頻寬的通道，以便每次通話都在不同的頻率上進行（如下所示）。

FDMA 概述

在 FDMA 方法中，相鄰訊號頻譜之間使用保護頻帶以最大限度地減少通道間的串擾。特定的頻帶分配給一個人，接收端透過識別每個頻率來接收。它常用於第一代模擬手機。

FDMA 的優點

由於 FDMA 系統與平均時延擴充套件相比使用低位元率（大的符號時間），因此它具有以下優點：

• 降低位元率資訊，使用高效的數字碼提高容量。

• 降低成本並降低符號間干擾 (ISI)。

• 不需要均衡。

• FDMA 系統易於實現。可以配置系統，以便可以輕鬆地整合語音編碼器和位元率降低方面的改進。

• 由於傳輸是連續的，因此同步和幀同步所需的位元數較少。

FDMA 的缺點

儘管 FDMA 提供了一些優點，但它也有一些缺點，如下所示：

• 它與模擬系統沒有顯著差異；容量的提高取決於信幹比的降低或信噪比 (SNR)。

• 每個通道的最大傳輸速率是固定的且較小。

• 保護頻帶導致容量浪費。

• 硬體意味著窄帶濾波器，這在 VLSI 中無法實現，因此增加了成本。

TDMA - 技術

分時多重進接 (TDMA) 是一種數字蜂窩電話通訊技術。它使許多使用者能夠共享相同的頻率而不會發生干擾。它的技術將訊號分成不同的時隙，並增加資料承載能力。

TDMA 概述

分時多重進接 (TDMA) 是一項複雜的技術，因為它需要發射機和接收機之間精確的同步。TDMA 用於數字移動無線電系統。各個移動臺迴圈分配一個頻率供其在一個時間間隔內獨佔使用。

在大多數情況下，不會將整個系統頻寬分配給一個臺站一段時間。但是，系統的頻率被分成子頻帶，並且在每個子頻帶中使用 TDMA 進行多址接入。子頻帶被稱為**載波頻率**。使用這種技術的移動系統被稱為**多載波系統**。

在下面的示例中，三個使用者共享頻帶。每個使用者都被分配確定的**時隙**來發送和接收資料。在這個例子中，使用者**‘B’**在使用者**‘A’**之後傳送，使用者**‘C’**隨後傳送。這樣，峰值功率成為一個問題，並且透過突發通訊變得更大。

FDMA 和 TDMA

這是一個多載波 TDMA 系統。25 MHz 頻率範圍包含 124 個單鏈路（載波頻率 200），每個頻寬為 kHz；每個頻率通道包含 8 個 TDMA 對話通道。因此，分配給移動臺的時隙和頻率序列是 TDMA 系統的物理通道。在每個時隙中，移動臺傳輸一個數據包。

分配給移動臺的時隙週期也決定了載波頻率上的 TDMA 通道數量。時隙週期組合在一個所謂的 TDMA 幀中。在載波頻率上傳輸的 TDMA 訊號通常比 FDMA 訊號需要更大的頻寬。由於使用了多個時隙，總資料速率應該更高。

TDMA 的優點

以下是 TDMA 的一些顯著優點：

• 允許靈活的速率（例如，可以為使用者分配多個時隙，例如，每個時間間隔翻譯 32Kbps，為使用者分配每個幀兩個 64 Kbps 時隙）。

• 可以承受陣風或可變位元率流量。分配給使用者的時隙數量可以逐幀更改（例如，幀 1 中的兩個時隙，幀 2 中的三個時隙，幀 3 中的一個時隙，幀 0 中的四個時隙等）。

• 寬頻系統不需要保護頻帶。

• 寬頻系統不需要窄帶濾波器。

TDMA 的缺點

TDMA 的缺點如下：

• 寬頻系統的高資料速率需要複雜的均衡。

• 由於突發模式，需要大量額外的位元進行同步和監控。

• 每個時隙都需要呼叫時間來適應時間不準確性（由於時鐘不穩定）。

• 以高位元率執行的電子裝置會增加能耗。

• 需要複雜的訊號處理才能在短時隙內同步。

CDMA 技術

分碼多重進接 (CDMA) 是一種多路複用技術，它使各種訊號能夠佔據單個傳輸通道。它優化了可用頻寬的使用。該技術通常用於超高頻 (UHF) 蜂窩電話系統，頻段範圍在 800 MHz 和 1.9 GHz 之間。

CDMA 概述

分碼多重進接系統與時間和頻率多路複用非常不同。在這個系統中，使用者可以訪問整個頻寬的整個持續時間。基本原理是使用不同的 CDMA 碼來區分不同的使用者。

常用的技術是直接序列擴頻調製 (DS-CDMA)、跳頻或混合 CDMA 檢測 (JDCDMA)。在這裡，生成一個擴充套件到寬頻寬的訊號。一個稱為**擴頻碼**的碼用於執行此操作。使用一組彼此正交的碼，可以在存在許多其他具有不同正交碼的訊號的情況下選擇具有給定碼的訊號。

CDMA 如何工作？

CDMA 透過使用兩個 PN 碼處理每個語音資料包，允許在 1.2288 MHz 通道中最多有 61 個併發使用者。有 64 個沃爾什碼可用於區分通話和理論限制。操作限制和質量問題會使最大通話數略低於此值。

事實上，許多不同的具有不同擴頻碼的基帶“訊號”可以調製在相同的載波上，以允許支援許多不同的使用者。使用不同的正交碼，訊號之間的干擾最小。相反，當從多個移動臺接收訊號時，基站能夠隔離每個訊號，因為它們具有不同的正交擴頻碼。

下圖顯示了 CDMA 系統的技術細節。在傳播過程中，我們將所有使用者的訊號混合在一起，但是透過使用與傳送時使用的相同的碼進行接收，您可以只取出每個使用者的訊號。

CDMA 容量

決定 CDMA 容量的因素是：

• 處理增益
• 信噪比
• 語音活動因子
• 頻率複用效率

CDMA 的容量是軟的，CDMA 在每個頻率上都有所有使用者，並且使用者透過碼來區分。這意味著 CDMA 在存在噪聲和干擾的情況下執行。

此外，相鄰小區使用相同的頻率，這意味著沒有複用。因此，CDMA 容量計算應該非常簡單。小區中沒有碼通道，乘以小區數。但並非如此簡單。雖然可用的碼通道有 64 個，但可能無法一次使用一個，因為 CDMA 的頻率是相同的。

集中式方法

• CDMA 使用的頻段是 824 MHz 到 894 MHz（50 MHz + 20 MHz 分隔）。
• 頻率通道被分成碼通道。
• 1.25 MHz 的 FDMA 通道被分成 64 個碼通道。

處理增益

CDMA 是一種擴頻技術。每個資料位都由一個碼序列擴充套件。這意味著每位能量也會增加。這意味著我們獲得了這種增益。

P（增益）= 10log（W/R）

W 是擴頻率

R 是資料速率

對於 CDMA P（增益）= 10 log（1228800/9600）= 21dB

這是一個增益因子和實際資料傳播速率。平均而言，典型的傳輸條件需要 7 dB 的信噪比才能獲得足夠的語音質量。

轉換成比率，訊號必須比噪聲強五倍。

實際處理增益 = P（增益） - SNR

= 21 – 7 = 14dB

CDMA 使用可變速率編碼器

語音活動因子為 0.4，考慮為 -4dB。

因此，CDMA 具有 100% 的頻率複用。在周圍小區使用相同的頻率會導致一些額外的干擾。

在CDMA頻率中，頻率複用效率為0.67（70%效率）= -1.73dB

CDMA的優點

CDMA具有軟容量。碼字數量越多，使用者數量越多。它具有以下優點：

• CDMA需要嚴格的功率控制，因為它會受到近遠效應的影響。換句話說，靠近基站並以相同功率傳輸的使用者會淹沒較遠使用者的訊號。所有訊號在接收端必須具有大致相同的功率。

• 可以使用RAKE接收機來改善訊號接收。可以收集訊號的延遲版本（一個或多個碼片延遲）（多徑訊號），並用於在位元級別進行決策。

• 可以使用靈活的切換。移動基站可以在不改變運營商的情況下切換。兩個基站接收移動訊號，移動裝置接收來自兩個基站的訊號。

• 傳輸突發——減少干擾。

CDMA的缺點

使用CDMA的缺點如下：

• 必須仔細選擇碼長。較長的碼長會引起延遲或干擾。

• 需要時間同步。

• 軟切換增加了無線資源的使用，並可能降低容量。

• 由於基站接收和傳送的功率總和需要持續嚴格的功率控制，這可能導致多次切換。

CDMA 網路

CDMA網路是用於規範CDMA技術的系統。它包括從基站、發射天線、接收天線到移動交換中心的所有方面和功能。

CDMA網路概述

基站是CDMA網路的重要組成部分。一個基站覆蓋一個小地理區域，稱為小區。小區可以是全向的或扇區的。每個基站都具有一個發射天線和兩個接收天線（每個小區）。每個小區使用兩個接收天線是為了實現空間分集。在許多應用中，它是一個BSC（基站控制器），它控制多個基站。

由於行動電話資料的速率為13kbps或8kbps，是非ISDN的，但作為移動交換中心（MSC）的交換機通常切換到64kbps。因此，在交換之前，需要將這些移動資料速率轉換為64kbps。這是透過一個稱為轉碼器的元件實現的。轉碼器可以是一個單獨的元件，也可以位於每個基站或MSC中。

所有基站都連線到MSC，即移動交換中心。MSC是管理網路內以及與外部世界呼叫的建立、連線、維護和處置的實體。

MSC還擁有一個名為HLR/AC的資料庫，即歸屬位置暫存器/鑑權中心。HLR是資料庫，維護所有網路使用者的資料庫。鑑權中心（AC）是HLR安全的一部分，它使用某些演算法來檢查行動電話。

MSC連線到外部世界，即固定線路網路。MSC還可以連線到其他多個MSC。

CDMA標識

網路標識：

• SID（系統標識）
• NID（網路標識）

移動臺標識：

• ESN（電子序列號）
• 置換ESN
• IMSI（國際移動使用者識別碼）
• IMSI_S
• IMSI_11_12
• 終端類別標誌

系統和網路標識

基站屬於蜂窩系統和網路。網路是系統的子集。系統安裝有稱為系統標識（CIS）的標識。接收系統的網路稱為網路標識（NID）。它是一個唯一標識的網路對（SID，NID）。移動臺具有一對或多對歸屬（非漫遊）網路對（SID，NID）的列表。

SID

系統標識指示器（SID）是一個15位的值，儲存在移動臺中。它用於確定移動臺的歸屬系統。系統標識指示器的位分配如下所示。

國際程式碼 (INTL) (位 14 和 13) 的分佈也顯示在表中。位 12-0 由 FCC 為美國以外的國家/地區的每個美國系統分配。位分配將由當地監管機構進行。

NID

NID 的範圍為 0-65535 個保留值。SID 中的值為 65535 表示 SID 對錶示移動臺將整個 SID 視為歸屬網路。

系統和網路

移動臺具有一對或多對歸屬（非漫遊）網路對（SID，NID）的列表。當基站廣播的（SID，NID）對與移動臺的非漫遊（SID，NID）對之一不匹配時，移動臺處於漫遊狀態。

移動臺是外國NID漫遊者：

• 如果移動臺正在漫遊，並且移動臺的（SID，NID）列表中有一些（SID，NID）對與SID相對應。

• 如果移動臺正在漫遊，並且移動臺的（SID，NID）列表中有一些（SID，NID）對沒有匹配的SID（表示移動臺具有漫遊的外國SID客戶）。

電子序列號 (ESN)

ESN是一個32位的二進位制數，唯一地標識CDMA蜂窩系統中的移動臺。它應該在工廠設定，並且不能輕易地在現場更改。更改ESN需要特殊的裝置，通常使用者無法獲得。ESN的位分配如下所示：

提供ESN的電路必須隔離，以防止任何人接觸和篡改。試圖更改ESN電路應使移動臺無法工作。在初始驗收簽發時，必須為製造商分配製造商程式碼（MFR）在32位序列號的8個最高有效位（位31-24）中。位23-18保留（初始為零）。而且，每個製造商只分配17位為0。當製造商幾乎用盡位17-0中序列號的所有可能組合時，製造商可以向FCC提交通知。FCC將在保留塊（位23至）中分配下一個連續的二進位制數。

置換ESN

CDMA是一種擴頻技術，允許多個使用者在同一小區中甚至在同一頻率上訪問系統。因此，它在反向鏈路（即從MS到基站的資訊）上區分使用者。它使用對所有CDMA蜂窩系統中的移動臺唯一的碼字來擴散資訊。此碼字包含ESN作為元素，但它不使用與ESN相同的格式，而是使用交換後的ESN。

如果在一個小區中有兩個相同品牌的移動裝置並且具有連續的序列號，那麼對於基站的接收器來說，連線它們就變得困難。因此，為了避免與連續ESN對應的長碼之間存在強相關性，我們使用置換ESN。

國際移動使用者識別碼 (IMSI)

移動臺透過國際移動使用者識別碼 (IMSI) 來識別。IMSI由最多10到15位數字組成。IMSI的前三位是移動裝置的國家程式碼（MCC），其餘數字是國家NMSI移動臺標識。NMSI由行動網路程式碼 (MNC) 和移動臺標識號 (MSIN) 組成。

• MCC：移動國家程式碼
• MNC：行動網路程式碼
• MSIN：移動臺標識
• NMSI：國家移動臺標識

長度為15位的IMSI稱為0類IMSI（NMSI長度為12位）。長度小於15位的IMSI稱為1類IMSI（NMSI長度小於12位）。對於CDMA操作，相同的IMSI可以在多個移動臺中註冊。各個系統可能會或可能不允許這些功能。這些功能的管理是基站和系統運營商的功能。

CDMA 技術

RAKE接收機

由於寬頻無線通道的反射，可能包含許多原始傳輸訊號的副本（多徑），這些副本具有不同的幅度、相位和延遲。如果訊號分量在彼此的碼片週期內到達，則可以使用RAKE接收機來調整和組合這些訊號。RAKE接收機利用多徑分集的原理。下圖顯示了RAKE接收機的方案。

RAKE接收機處理多個多徑訊號分量。相關器輸出被組合以實現更好的可靠性和通訊效能。基於單個相關的位元判決可能會產生較大的位元錯誤率，因為多徑分量由相關器處理的事實可能會被褪色損壞。如果相關器的輸出被衰落破壞，則另一個可能不會被破壞，並且可以透過加權過程來減少損壞的訊號。

沃爾什碼

沃爾什碼最常用於CDMA應用中的正交碼。這些碼對應於稱為阿達瑪矩陣的特殊方陣的行。對於長度為N的沃爾什碼集，它由n行組成，形成一個n × n的沃爾什碼方陣。

IS-95系統使用64個沃爾什函式矩陣64。該矩陣的第一行包含一個全為零的字串，其後每一行包含0和1的不同組合。每一行都是正交的，並且對二進位制位具有相同的表示。當與CDMA系統一起實現時，每個移動使用者使用矩陣中64個行序列中的一個作為擴頻碼。並且，它在所有其他使用者之間提供零互相關。該矩陣遞迴定義如下：

其中n是2的冪，表示矩陣W的不同維度。此外，n表示對該矩陣中所有位的邏輯非運算。三個矩陣W_2, W_4, 和W_8, 分別顯示維度為2、4和8的沃爾什函式。

64個沃爾什矩陣64的每一行對應於一個通道號。通道號0對映到沃爾什矩陣的第一行，即全為零的碼字。該通道也稱為導頻通道，用於形成和估計移動無線通道的衝激響應。

為了計算序列之間的互相關，我們需要將矩陣中的位轉換為±1值的反義詞。但是，同一CDMA通道上的所有使用者都可以使用公共長PN序列同步到一個碼片間隔的精度。它還可以用作資料加擾器。

• 沃爾什碼是一組具有良好自相關特性和較差互相關特性的擴頻碼。沃爾什碼是CDMA系統的基礎，用於開發CDMA中的各個通道。

• 對於IS-95，共有64個可用碼。

  • 碼`0`用作導頻，碼`32`用於同步。

  • 碼1到7用於控制通道，其餘碼可用於業務通道。如果不需要，碼2到7也可用於業務通道。

• 對於cdma2000，存在大量的沃爾什碼，其長度各不相同，以適應不同無線配置的不同資料速率和擴頻因子。

• 64個正交位元模式之一，速率為1.2288 Mcps。

• 沃爾什碼用於識別每次單獨傳輸的資料。在正向鏈路中，它們定義CDMA頻率內的正向碼通道。

• 在反向鏈路中，每個反向通道都使用所有64個碼來攜帶資訊。

請看下面的圖示。它顯示瞭如何使用沃爾什碼進行多路複用。

CDMA 擴頻

所有技術調製和解調都力求在加性高斯白噪聲通道中獲得更高的功率和/或頻寬效率。由於頻寬是一種有限的資源，所有調製方案的主要設計目標之一就是最大限度地減少傳輸所需的頻寬。另一方面，擴頻技術使用的傳輸頻寬比最小訊號所需的頻寬大一個數量級。

擴頻技術的優勢在於——許多使用者可以同時使用相同的頻寬而不會相互干擾。因此，當用戶數量較少時，擴頻技術並不經濟。

• 擴頻是一種無線通訊形式，其中傳輸訊號的頻率被故意改變，從而導致更高的頻寬。

• 夏農和哈特利通道容量定理中明顯體現了擴頻——

  C = B × log₂ (1 + S/N)

• 在給定方程式中，`C`是以位元每秒 (bps) 為單位的通道容量，它是理論誤位元速率 (BER) 的最大資料速率。'B'是以赫茲 (Hz) 為單位的所需通道頻寬，S/N是信噪比。

• 擴頻使用難以檢測、攔截或解調的寬頻、類噪聲訊號。此外，擴頻訊號比窄帶訊號更難以干擾。

• 由於擴頻訊號非常寬，因此它們以比窄帶發射機低得多的每赫茲瓦特為單位的光譜功率密度進行傳輸。擴頻訊號和窄帶訊號可以佔據相同的頻帶，幾乎沒有或沒有干擾。這種能力是當今人們對擴頻技術產生濃厚興趣的主要吸引力。

要點總結 −

• 傳輸訊號頻寬大於成功傳輸訊號所需的最小資訊頻寬。

• 通常採用資訊本身以外的其他函式來確定最終傳輸頻寬。

以下是兩種擴頻技術：

• 直接序列和
• 跳頻。

CDMA採用直接序列。

直接序列 (DS)

直接序列分碼多重進接 (DS-CDMA) 是一種透過不同的碼複用使用者的技術。在這種技術中，不同的使用者使用相同的頻寬。每個使用者都被分配一個自己的擴頻碼。這些碼集分為兩類：

• 正交碼和
• 非正交碼

沃爾什序列屬於第一類，即正交碼，而其他序列（例如PN、Gold和Kasami）是移位暫存器序列。

為使用者分配正交碼後，接收器中相關器的輸出將為零，除非是所需序列。在同步直接序列中，接收器接收與傳輸的碼序列相同的碼序列，因此使用者之間沒有時間偏移。

解調DS訊號 - 1

為了解調DS訊號，您需要知道傳輸時使用的碼。在這個例子中，透過將傳輸中使用的碼與接收訊號相乘，我們可以得到傳輸訊號。

在這個例子中，傳輸時使用了多個碼 (10,110,100) 到接收訊號。在這裡，我們使用二元加法（模2加法）進行了計算。透過將傳輸時使用的碼（稱為**反擴散**（解擴））相乘，可以進一步解調。在下圖中，可以看到在將資料傳輸到窄帶頻譜時，訊號的頻譜被擴散。

解調DS訊號 − 2

另一方面，如果您不知道傳輸時使用的碼，則將無法解調。在這裡，您嘗試使用不同的碼 (10101010) 進行解調，但失敗了。

即使檢視頻譜，它在傳輸期間也在擴散。當它透過帶通濾波器 (Band Path Filter) 時，只有這個小訊號保留下來，而這些訊號沒有被解調。

擴頻的特性

如下圖所示，擴頻訊號的功率密度可能低於噪聲密度。這是一個極好的特性，可以保護訊號並保持隱私。

透過擴散傳輸訊號的頻譜，可以降低其功率密度，使其低於噪聲的功率密度。這樣，就可以將訊號隱藏在噪聲中。如果您知道用於傳送訊號的碼，則可以對其進行解調。如果不知道碼，則即使在解調後，接收訊號也將隱藏在噪聲中。

DS-CDMA

CDMA使用DS碼。到目前為止，已經解釋了擴頻通訊的基本部分。從這裡開始，我們將解釋直接序列分碼多重進接 (DS-CDMA) 的工作原理。

擴頻訊號只能透過用於傳輸的碼進行解調。透過使用此方法，當接收訊號時，可以使用單獨的碼來識別每個使用者的傳輸訊號。在給定的示例中，使用者A的擴頻訊號在碼A處，使用者B的擴散訊號在碼B處。接收到的每個訊號都被混合。但是，透過反擴散器 (Despreadder)，它可以識別每個使用者的訊號。

DS-CDMA系統 - 正向鏈路

DS-CDMA系統 - 反向鏈路

擴頻碼

互相關

相關是一種測量給定訊號與所需碼匹配程度的方法。在CDMA技術中，每個使用者都被分配一個不同的碼，使用者分配或選擇的碼對於調製訊號非常重要，因為它與CDMA系統的效能有關。

當所需使用者訊號與其他使用者訊號之間有清晰的分離時，將獲得最佳效能。這種分離是透過將本地生成的所需訊號碼與其他接收訊號相關來實現的。如果訊號與使用者的碼匹配，則相關函式將很高，系統可以提取該訊號。如果使用者所需的碼與訊號沒有任何共同點，則相關應儘可能接近於零（從而消除訊號）；這也被稱為互相關。因此，存在**自相關**（自相關）和**互相關**（互相關）。

下圖顯示了自相關和碼的特性，其中顯示了擴頻碼“A”和擴頻碼“B”之間的相關性。在這個例子中，給出了擴頻碼“A (1010110001101001)”和擴頻碼“B (1010100111001001)”的計算相關性，在下面的例子中進行計算時，結果為6/16。

優選碼

CDMA使用優選碼。可以使用不同的碼，具體取決於CDMA系統的型別。系統有兩種型別：

• 同步系統和
• 非同步系統。

在同步系統中，可以使用正交碼（正交碼）。對於非同步系統，可以使用偽隨機碼（偽隨機噪聲）或Gold碼。

為了最大限度地減少DS-CDMA中的互擾，應選擇互相關較小的擴頻碼。

同步DS-CDMA

• 正交碼是合適的。（沃爾什碼等）

非同步DS-CDMA

• 偽隨機噪聲 (PN) 碼/最大序列
• Gold碼

同步DS-CDMA

同步CDMA系統在點對多點系統中實現。例如，行動電話中的正向鏈路（基站到移動站）。

同步系統用於一對多（點對多點）系統。例如，在給定的時間內，在移動通訊系統中，單個基站 (BTS) 可以與多個手機通訊（正向鏈路/下行鏈路）。

在這個系統中，所有使用者的傳輸訊號都可以同步通訊。意思是，這裡的“同步”是指可以傳送以對齊每個使用者訊號頂部的訊號。在這個系統中，可以使用正交碼，也可以減少互擾。對於正交碼，符號為互相關，即0。

非同步DS-CDMA

在非同步CDMA系統中，正交碼具有較差的互相關。

與基站的訊號不同，從移動站到基站的訊號變成了非同步系統。

在非同步系統中，互擾有所增加，但它使用其他碼，例如PN碼或Gold碼。

擴頻的優點

由於訊號分佈在很寬的頻帶上，因此功率譜密度變得非常低，因此其他通訊系統不會受到這種通訊的影響。但是，高斯噪聲會增加。下面列出了擴頻的一些主要優點：

• 可以解決多徑問題，因為可以生成大量的碼，從而允許大量的使用者。

• 在擴頻中，使用者沒有限制，而FDMA技術對使用者有限制。

• 安全性——如果不瞭解擴頻碼，幾乎不可能恢復傳輸的資料。

• 抗衰落性——由於使用了大頻寬系統；它不易受衰落的影響。

PN序列

DS-CDMA系統使用兩種型別的擴頻序列，即**PN序列**和**正交碼**。如上所述，PN序列由偽隨機噪聲發生器生成。它只是一個二進位制線性反饋移位暫存器，由異或門和移位暫存器組成。該PN發生器能夠為發射機和接收機建立相同的序列，**並保留噪聲隨機位元序列的理想特性**。

PN序列具有許多特性，例如具有幾乎相等數量的零和一，序列的移位版本之間的相關性非常低，以及與其他訊號（如干擾和噪聲）的互相關性非常低。但是，它能夠與其自身及其反向很好地相關。另一個重要方面是序列的自相關性，因為它決定了同步和鎖定接收訊號的擴頻碼的能力。這種方法有效地影響了多路干擾並提高了信噪比。M序列、Gold碼和Kasami序列是這類序列的例子。

• 偽隨機噪聲 (PN) 序列是由二進位制數（例如 ±1）組成的序列，它看起來是隨機的；但實際上，它是完全確定的。

• PN序列用於兩種型別的PN擴頻技術：

  • 直接序列擴頻 (DS-SS) 和

  • 跳頻擴頻 (FH-SS)。

• 如果“u”使用PSK調製PN序列，則會產生DS-SS。

• 如果“u”使用FSK調製PN序列，則會產生FH-SS。

跳頻技術

跳頻是一種擴頻技術，其傳播透過在寬頻上跳頻進行。跳頻的精確順序由使用偽隨機碼序列生成的跳頻表確定。

跳頻速率是速度資訊的函式。頻率的順序由接收機選擇，並由偽隨機噪聲序列決定。雖然跳頻訊號頻譜的傳輸與直接序列訊號的傳輸大相徑庭，但足以說明資料分佈在一個大於所需承載訊號頻寬的訊號帶上。在這兩種情況下，產生的訊號都會表現為噪聲，接收機使用與傳輸中使用的類似技術來恢復原始訊號。

CDMA 衰落

在無線通訊中，衰落是指影響特定傳播介質的訊號衰減的偏差。失真可能會隨時間、地理位置或無線電頻率而變化，這通常被建模為一個隨機過程。衰落通道是指經歷衰落的通訊通道。

多徑衰落

在無線系統中，衰落可能是由於多徑引起的，稱為多徑衰落，也可能是由於影響波傳播的障礙物引起的陰影，稱為陰影衰落。本章將討論多徑衰落如何影響CDMA中訊號的接收。

CDMA系統中的衰落

CDMA系統使用快速晶片速率來擴頻。它具有高時間解析度，因此它可以分別接收來自每條路徑的不同訊號。RAKE接收機透過將所有訊號相加來防止訊號退化。

由於CDMA具有高時間解析度，不同的路徑會延遲CDMA訊號，這些訊號是可以區分的。因此，可以透過調整它們的相位和路徑延遲來將所有路徑的能量相加。這是RAKE接收機的原理。透過使用RAKE接收機，可以改善由於衰落引起的接收訊號損耗。它可以確保穩定的通訊環境。

在CDMA系統中，多徑傳播透過使用RAKE接收機來提高訊號質量。

CDMA 近遠效應問題

近遠效應是嚴重影響行動通訊的主要問題之一。在CDMA系統中，互干擾將決定每個使用者的信噪比的大部分。

近遠效應如何影響通訊？

下圖顯示了近遠效應如何影響通訊。

如圖所示，使用者A遠離接收機，使用者B靠近接收機，則期望訊號功率和干擾訊號功率之間將存在很大差異。期望訊號功率將遠高於干擾訊號功率，因此使用者A的信噪比將較小，使用者A的通訊質量將嚴重下降。

CDMA 功率控制

在CDMA中，由於所有移動裝置都在同一頻率上發射，網路的內部干擾在決定網路容量方面起著關鍵作用。此外，必須控制每個移動發射機的功率以限制干擾。

功率控制對於解決近遠效應至關重要。減輕近遠效應的主要思想是實現所有移動裝置到基站的接收功率水平相同。每個接收功率必須至少達到一定水平，以便鏈路滿足系統的要求，例如Eb/N0。為了在基站接收相同的功率水平，靠近基站的移動裝置應比遠離移動基站的移動裝置發射更低的功率。

在下圖中，有兩個移動小區A和B。A更靠近基站，B遠離基站。Pr是所需系統性能的最小訊號電平。因此，移動裝置B應發射更多功率以實現與基站相同的Pr（PB>PA）。如果沒有功率控制，換句話說，來自兩個移動小區的發射功率相同，則從A接收到的訊號比從移動小區B接收到的訊號強得多。

當所有移動臺以相同的功率（MS）發射訊號時，基站接收到的電平彼此不同，這取決於BS和MS之間的距離。

由於衰落，接收電平會快速波動。為了在BS處保持接收電平，必須在CDMA系統中採用合適的功率控制技術。

我們需要控制每個使用者的發射功率。這種控制稱為發射功率控制（功率控制）。控制發射功率有兩種方法。第一種是開環控制，第二種是閉環控制。

反向鏈路功率控制

除了上面描述的近遠效應外，另一個迫切的問題是在移動裝置首次建立連線時確定其發射功率。在移動裝置未與基站接觸之前，它不知道系統中的干擾量。如果它試圖發射高功率以確保聯絡，那麼它可能會引入過多的干擾。另一方面，如果移動裝置發射較低的功率（以免干擾其他移動連線），則功率可能無法滿足所需的E_b/N₀。

如IS-95標準中所述，移動裝置當它想要進入系統時，會發送一個稱為接入的訊號。

在CDMA中，每個使用者的發射功率由功率控制分配，以實現相同的功率（Pr），該功率由基站/BTS透過低功率的接入探測接收。移動裝置傳送其第一個接入探測，然後等待基站的響應。如果它沒有收到響應，則會以更高的功率傳送第二個接入探測。

重複此過程，直到基站響應。如果基站響應的訊號強度高，則移動裝置將連線到更靠近移動小區且發射功率低的基站。類似地，如果訊號較弱，移動裝置知道路徑損耗較大，併發射高功率。

上述過程稱為開環功率控制，因為它僅由移動裝置本身控制。開環功率控制從第一個移動設備嘗試與基站通訊時開始。

這種功率控制用於補償緩慢變化的陰影效應。但是，由於前後鏈路在不同的頻率上，因此估計的發射功率由於到基站前方的路徑損耗而無法提供精確的功率控制解決方案。對於快速瑞利衰落通道，這種功率控制會失敗或速度太慢。

閉環控制的功率用於補償快速的瑞利衰落。這次，移動裝置的發射功率由基站控制。為此，基站持續監控反向鏈路訊號質量。如果連線質量低，它會告訴移動裝置增加其功率；如果連線質量很高，移動基站控制器會降低其功率。

前向鏈路功率控制

與反向鏈路功率控制類似，前向鏈路功率控制對於將前向鏈路質量保持在指定水平也是必要的。這次，移動裝置監控前向鏈路質量，並指示基站開啟或關閉。這種功率控制對近遠效應沒有影響。當所有訊號到達移動裝置時，它們以相同的功率級別混合在一起。簡而言之，前向鏈路中不存在近遠效應。

功率控制的影響

透過發射功率控制，使用者可以獲得穩定的通訊環境，而不管位置如何。遠離基站的使用者傳送的發射功率高於靠近基站的使用者。此外，透過這種發射功率控制，可以減輕衰落的影響。這意味著由於衰落引起的接收功率變化可以透過發射功率控制來抑制。

• 功率控制能夠補償衰落波動。
• 來自所有MS的接收功率被控制為相等。
• 功率控制減輕了近遠效應。

CDMA 頻率分配

CDMA的主要容量優勢在於它在每個小區的每個扇區中重複使用相同的分配頻率。在IS-136和模擬蜂窩系統中，存在7個小區重複因子，3個扇區。這意味著每個扇區只有21個通道中的一個可用。CDMA設計為在每個小區的每個扇區中共享相同的頻率。對於每個使用cdma2000編碼而不是IS-95的使用者，系統效率更高。

在FDMA或TDMA中，無線資源的分配是為了避免相鄰小區之間的干擾−

• 相鄰小區不能使用相同的（相同的）頻段（或時隙）。
• 左圖顯示了具有七個頻段的簡單小區分配。

在實際情況下，由於複雜的無線電傳播和不規則的小區分配，難以適當地分配頻率（或時隙）。

相反，在CDMA系統中，由於所有使用者共享相同的頻率，因此頻率的安排不是問題。這是CDMA技術的最大優勢。

在CDMA中，所有小區都可以使用相同的無線資源，因為CDMA通道同時使用相同的頻率。

• CDMA中不需要頻率分配。
• 從這個意義上說，CDMA蜂窩系統易於設計。

CDMA 切換

每當蜂窩使用者從一個基站切換到另一個基站時，網路會自動切換到另一個相應的基站並保持覆蓋責任。這種行為稱為“切換”或“移交”。

而在FDMA和TDMA系統中，它使用不同的頻率與該區域的基站通訊。這意味著，將發生從一個頻率到另一個頻率的頻率切換，並且在切換過程中，將會有短暫的通訊中斷，這稱為“硬切換”或“硬移交”。

硬切換

在FDMA或TDMA蜂窩系統中，在切換時刻中斷當前通訊後，可以建立新的通訊。在切換頻率或時隙時，MS和BS之間的通訊中斷。

軟切換

蜂窩系統跟蹤移動臺以保持其通訊鏈路。當移動臺移至相鄰小區時，通訊鏈路將從當前小區切換到相鄰小區。

當移動裝置進入新區域（從一個基站到另一個基站）時，移動裝置透過向第一個基站傳送驅動器強度訊息來發送第二個足夠功率的導頻。基站通知MTSO，然後MTSO請求第二個基站的新沃爾什碼分配。

• 第一個基站控制新的漸進傳輸沃爾什碼分配，然後MTSO將陸地鏈路傳送到第二個基站。移動裝置由兩個基站供電，MTSO每20毫秒選擇最佳質量狀態。

• 第一個BS使移動臺的功率降低，移動臺傳送導頻強度訊息，然後第一個BS傳輸停止並釋放通道。並且，業務通道繼續在第二個基站上進行。

• 在CDMA蜂窩系統中，即使在進行切換時，通訊也不會中斷，因為不需要切換頻率或時隙。

注意 − Walsh序列是正交碼的一部分，而其他序列，如PN、Gold和Kasami序列是移位暫存器序列。如果為使用者分配正交碼，則接收器中相關器的輸出將為零，除了期望序列外，而同步直接序列接收器接收的是與傳送的相同的碼序列，因此使用者之間沒有時間偏移。

CDMA 干擾

CDMA訊號會受到除CDMA使用者以外的高干擾訊號的影響。這兩種干擾形式——來自同一微小區中其他使用者的干擾以及來自相鄰小區的干擾。總干擾還包括背景噪聲和其他雜散訊號。

CDMA基於使用擴頻調製來編碼訊號以進行傳輸和檢索。

噪聲源

在擴頻技術中，無線電訊號分佈在單個1.23 MHz寬的頻帶上。每個使用者都分配有PN碼。對對應於PN碼的訊號進行解碼和處理。不包含程式碼匹配的訊號被視為噪聲並被忽略。

訊號處理：接收

CDMA以編碼的窄帶訊號開始；利用PN碼將其擴充套件到1.23 MHz的頻寬。

接收訊號後，對其進行濾波和處理以恢復所需訊號。相關器消除了干擾源，因為它們與所需訊號處理不相關。使用這種方法，許多CDMA呼叫可以同時佔用相同的頻譜。

幀錯誤率

傳輸錯誤的數量，以幀錯誤率 (FER) 來衡量。它隨著呼叫數量的增加而增加。為了克服這個問題，微小區和移動站點可以增加功率，直到移動站點或微小區站點能夠進一步提高功率以將FER降低到可接受的量。此事件為特定微小區的呼叫提供了一個軟限制，並且取決於：

• 自然發生的噪聲底限和人為干擾。
• 此微小區呼叫的干擾。
• 其他小區呼叫的干擾。

每個Walsh碼的功率

功率控制位在呼叫處理過程中用於保持每個活動業務通道的相對功率，並向上或向下調節功率以保持移動裝置在通道上可接受的FER測量值。此功率以數字增益單位表示。

在傳送路徑中可以看到以下操作：

• 來自PSU2（5ESS交換機中的分組交換單元2）的低位元率數字語音分組在微小區中由Walsh碼擴充套件。

• RF傳送載波頻率由擴充套件訊號調製。

• 傳輸直接序列擴頻訊號。

在接收路徑中可以看到以下操作：

• 接收直接序列擴頻訊號。

• 使用RF接收載波頻率解調訊號。

• 使用相同的Walsh碼對訊號進行解擴。

• 位元檢測器將解碼後的訊號恢復到原始語音模式的合理表示。