光通信毕业论文

码分多址蜂窝移动通信系统CDMA技术的优点及问题及越区切换由于CDMA技术本身所固有的许多特点,使它非常适合于数字蜂窝移动通信系统。它的优点主要表现在如下10个方面。1.语音激活技术 统计结果表明,人们在通话过程中,只有35%的时间在讲话,另外65%的时间处于听对方讲话、话句间停顿或其他等待状态。在CDMA数字蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,当某一用户没有讲话时,该用户的发射机不发射或少发射功率,其他用户所受到的干扰都相应地减少。为此,在CDMA系统中,采用相应的编码技术,使用户的发射机所发射的功率随着用户语音编码的需求来作调整。当用户讲话时语音编码器输出速率高,发射机所发射的平均功率大;当用户不讲话时语音编码器输出速率很低,发射机所发射的平均功率很小,这就是语音激活技术。在蜂窝移动通信系统中,采用语音激活技术可以使各用户之间的干扰平均减少65%。也就是当系统容量较大时,采用语音激活技术可以使系统容量增加约3倍,但当系统容量较小时,系统容量的增加值要降低。在频分多址、时分多址和码分多址三种制式中,唯有码分多址可以方便而充分地利用语音激活技术。如果在频分多址和时分多址制式中采用语音激活技术,其系统容量将有不同程度的提高,但二者都必须增加比较复杂的功率控制系统,而且还要实现信道的动态分配,其结果必然带来时间延迟和系统复杂性的增加,而在CDMA系统中实现这种功能就相对简单得多。 2.扇区划分技术 扇区划分技术是位于蜂窝小区中心的基站利用天线的定向特性把蜂窝小区分成不同的扇面,如下图所示。常用的方式有利用120°圆形覆盖的定向天线组成的三叶草形无线区(图(a));利用60°扇形覆盖的定向天线组成的三角形无线蜂窝区(图(b));利用120°扇形覆盖的定向天线组成的120°扇形无线蜂窝区(图(c))。 在频分多址和时分多址制式中,在每个蜂窝小区中采用分扇区天线通常只能起到减少干扰的作用,不能增加系统容量。而在码分多址制式蜂窝移动通信系统中,利用120°扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分成三个扇区(如图(c)所示)时,平均处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之一,相应的各用户之间的多址干扰分量也减少为原来的三分之一左右,从而系统的容量将增加约3倍(实际上,由于相邻扇区之间有重叠,一般只能提高到2.55倍)。3.高系统容量 由于码分数字蜂窝移动通信系统可以通过采用上述两种方法以及其他技术直接地或间接地提高系统容量,使码分系统的容量比模拟FDMA系统及数字GSM系统都要高出若干倍。理论分析表明,在相同的频率带宽下,对于宽带码分系统,每个蜂窝小区所能提供的信道数是模拟FDMA系统的20倍左右,是数字GSM系统的10倍左右;对于窄带码分系统来说,其系统容量的优势有所降低,但也是模拟FDMA系统的10倍以上,是数字GSM系统的3倍以上。由此可以看出,在移动通信事业迅猛发展的今天,移动用户量日益猛增,而频率资源日趋紧张,采用码分数字蜂窝移动通信系统是势在必行。4.软容量 在模拟频分系统和数字时分系统中,通信信道是以频带或时隙的不同来划分的,每个蜂窝小区提供的信道数一旦固定,很难改变。当没有空闲信道时,系统会出现忙音,移动用户不可能再呼叫其他用户或接收其他 用户的呼叫。当移动用户在越区切换时,也很容易出现通话中断现象。在码分系统中,信道划分是靠不同的码型来划分的,其标准的信道数是以一定的输入、输出信噪比为条件的,当系统中增加一个通话用户时,所有用户输入、输出信噪比都有所下降,但不会出现因没有信道而不能通话的现象。例如对一个标准信道数为40的扇区来说,当第41个用户呼叫时,对所有移动用户的影响是接收机的输入信噪比下降10lg(41/40)=0.1dB,即使再增加两个用户通信,比标准多三个,其影响是所有接收机的输入信噪比下降10lg[(40+3)/40]=2.3dB,这使该扇区内的移动用户信息数据的误码率有所升高,通话质量有所下降,但增加的三个用户都不会发生因无信道而出现忙音的现象。这对于解决通信高峰期时的通信阻塞问题和提高用户越区切换的成功率无疑是非常有益的。5.软切换 当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,移动用户从一个基站的管辖范围移动到另一个基站的管辖范围,通信网的控制系统为了不中断用户的通信就要做一系列的调整,包括通信链路的转换,位置更新等,这个过程就叫越区切换。越区切换实现了小区(或扇区)间的信道转换,是保证一个正在处理或进行中的呼叫的不中断运行。 在模拟FDMA系统和数字TDMA系统中,移动用户在越区切换时,需要在另一个小区(或扇区)寻找空闲信道,当该区有空闲信道时才能切换。这时移动台的收、发频率等都要作相应的调整,称之为硬切换。这种切换过程是首先切断原通话通路,然后与新的基站接通新的通话链路。这种先断后通的切换方式势必引起通信的短暂间断。另外由于通信环境的影响,在两小区的交叠区域内,移动台接收到的两个基站发来的信号的强度有时会出现大小交替变化,从而导致越区切换的“乒乓”效应,用户会听到“咔嗒”声,对通信产生不利的影响。此外切换时间也较长。 在CDMA系统中,由于所有的小区(或扇区)都可以使用相同的频率,小区(或扇区)之间是以码型的不同来区分的。当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,不需要移动台的收、发频率切换,只需在码序列上作相应地调整,称之为软切换。软切换的优点在于首先与新的基站接通新的通话,然后切断原通话链路。这种先通后断的切换方式不会出现“乒乓”效应,并且切换时间也很短。另外由于CDMA系统有“软容量”的优点,越区切换的成功率要远大于模拟FDMA系统和数字TDMA系统,尤其是在通信的高峰期。6.特有的分集形式 在CDMA系统中,由于采用了宽带传输,使它具有了特有的频率分集特性,即当信道具有选频特性时,对CDMA系统中信息传输影响较小。 CDMA系统有分离多径信号的能力,可以实现路径分集。由于移动通信环境的复杂和移动台的不断运动,接收到的信号往往是多个反射波的叠加,形成多径衰落。在模拟FDMA系统和数字TDMA系统中,为了解决多径衰落对通信带来的不利影响,采取了包括增加发射功率等一系列措施。在CDMA系统中,可以采用它特有的技术(如瑞克(RAKE)接收技术),将多径信号分离出来, 分别接收,这样不但克服了多径衰落对通信带来的不利影响,还等效增加了接收有用信号的功率(或者说等效增加了发射信号的功率)。由于这种特有的分集形式以及其他措施,使CDMA系统的发射功率相对很低。 除了这种特有的分集形式外,CDMA系统还采用其他分集技术,如空间分集、时间分集等,使CDMA系统的性能更加提高。7.与窄带系统(模拟系统)共存 当码分系统与窄带系统(例如模拟FDMA系统)工作于同一频段时,由于在CDMA系统中采用了宽带传输方式,并且发射功率较低,平均落到每个窄带系统中的带宽内的干扰信号功率很小。尤其是宽带CDMA系统,其对窄带系统的影响可以忽略不计,窄带系统对CDMA系统的影响可以等效为“人为干扰”,由于CDMA系统特有的抗干扰能力,把这个干扰降低到了最低限度。 这个干扰的存在只使得CDMA系统的容量降低,但不妨碍CDMA系统的正常工作。CDMA系统的带宽越宽,两个系统共存时相互间的影响越小,反之则越大。这给CDMA系统与模拟窄带系统双模式共存以及由模拟移动通信系统向数字移动通信系统平滑过渡提供了可能性。8.良好的保密能力 码分数字移动通信系统的体制本身就决定了它具有良好的保密能力。首先在CDMA数字移动通信系统中必须采用扩频技术,使它所发射的信号频谱被扩展的很宽,从而使发射的信号完全隐蔽在噪声、干扰之中,不易被发现和接收,因此也就实现了保密通信。其次在通信过程中,各移动用户所使用的地址码各不相同,在接收端只有完全相同(包括码型和相位)的用户才能接收到相应的发送数据,对非相关的用户来说是一种背景噪声,所以CDMA系统可以防止有意或无意的窃取,具有很好的保密性能。9.发射功率低、移动台的电池使用寿命长 由于在码分数字移动通信系统中,可以采用许多特有的技术来提高系统的性能,所要求的发射功率大大降低,从而对电池的体积减小和使用寿命增长都是非常有益的,对移动台整机的体积减小和成本的降低也是有利的。10.频率分配和管理简单 在模拟频分多址和数字时分多址移动通信制式中,频率分配和管理是一项比较复杂的技术,而动态频率分配就更加复杂。在码分数字移动通信体制中,所有移动用户可以只用一个频率,不需要动态分配,其频率分配和管理都很简单。 以上是码分数字移动通信系统的主要优点,但同时它也存在需要人们攻克的难点。在CDMA数字移动通信系统中,突出的问题是远近效应。所谓远近效应是指距接收机近的用户对距离远的用户的干扰。 在CDMA数字移动通信系统中,由于在同一蜂窝的各用户使用的是同一频率,共享一个无线频道。由于路途衰耗的原因,距基站近的移动台所发射信号有可能完全淹没距离远(例如处于蜂窝区边缘)移动台所发送来的信号,如果不采取有力的措施,这将使基站无法正常接收远距离移动台所发送来的信号。而在模拟频分多址和数字时分多址移动通信系统中,由于各信道使用不同频率或时隙,且各信道之间有相应的保护带宽或保护时间,故远近效应问题不太突出。 当前,在CDMA系统中为解决这个问题所采取的措施主要有两种:第一种是信号处理方法,在接收端用信号处理的方法,依次逐个抵消掉较强信号,直到能解调出所需信号为止,但由于这种方法运算量很大及当前器件的运算速度等问题,还不能实际使用;当移动台距基站近时,其发射功率减小,当距离远时,发射功率增大,从而保证在基站所收到的每个移动台的信号功率相等,消除远近效应的影响,使系统处于最佳运行状态。功率控制技术已在实际当中采用,它是CDMA数字移动通信系统中的最关键技术之一。功率控制技术很复杂,其所控制的范围和精度直接影响到整个系统的性能,如偏差过大,不仅系统容量迅速下降,而且通信质量也将急剧下降。码分数字蜂窝移动通信网的网路结构如下图所示。 它是一个抽象的平面图,其实现将随着功能实体在各个物理单元中的分布情况不同而有所改变。各部分的作用和功能如下:1.移动台(MS) 其包括手机和车台等,是用户端终接无线信道的设备;通过空中无线接口Um,给用户提供接入网路业务的能力。2.基站(BS) 其设于某一地点,是服务于一个或几个蜂窝小区的全部无线设备的总称。它是在一定无线覆盖区域内,由移动交换中心(MSC)控制,与移动台通信的设备。3.移动交换中心(MSC) 是完成对位于它所服务的区域中的移动台进行控制、交换的功能实体,也是与其他MSC或其他公用交换网之间的用户业务的自动接续设备。4.归属位置寄存器(HLR) 是为了记录的目的而指定用户身份给它的一种位置登记器。登记的内容是用户的信息(例如ESN、DN、IMSI(MSI)、服务项目信息、当前位置、批准有效的时间段等)。5.拜访位置寄存器(VLR) 是MSC检索信息用的位置寄存器。例如处理发至或来自一个拜访用户的呼叫信息——用户号码、向用户提供本地用户的服务等参数。6.设备识别寄存器(EIR) 是为了记录的目的而分配用户设备身份给它的寄存器;用于对移动设备的识别、监视、闭锁等。7.鉴权中心(AC) 是一个管理与移动台相关的鉴权信息的功能实体。8.消息中心(MC) 是一个存储和转送短消息的实体。9.短消息实体(SME) 是合成和分解短消息的实体。有时HLR、VLR、EIR及AC位于MSC之中,SMC位于MSC、HLR或MC之中。 码分数字蜂窝移动通信网不是公共交换电话网(PSTN)的简单延伸,它是与PSTN、PSPDN、ISDN等并行的业务网。由于移动用户大范围的移动,该网在管理上应相对的独立。 通信系统的通信容量可以用不同的表征方法进行度量。对于点对点的通信系统而言,系统的通信容量可以用信道效率来度量,即用在给定的频率带宽中所能提供的最大信道数目进行衡量。一般地说,在给定的频率带宽中所能提供的信道数目越大,系统的通信容量也越大。在蜂窝移动通信系统中,系统的容量有多种衡量方法,如用每小区可用信道数(ch/cell)、每小区每兆赫兹可用 信道数(ch/cell/MHz)、每小区爱尔兰数(Erl/cell)、每平方公里用户数(用户数/km)以及每平方公里每小时通话次数(通话次数h/km)等进行度量。这些表征方法从不同的角度对系统的容量进行衡量,它们之间是有联系的,在一定的条件下可以互相转换。考虑到信道的分配涉及到频率复用和由此而产生的同频干扰问题,一般认为用每小区可用信道数(ch/cell)或每小区每兆赫兹限制CDMA数字蜂窝移动通信系统容量的原因是由于系统中存在多址干扰,即同时通信的移动用户之间的相互干扰。在某个蜂窝小区内,如果有N个用户同时通信,系统必须能提供N个或N个以上的(逻辑)信道。同时通信的用户数N越大,多址干扰越强。N的最大值就是系统容量,即在保证接收所需信号功率与干扰功率的比值大于或等于某一门限值的条件下,该小区同时通信的最大用户数。 首先考虑一般码分通信系统(即暂不考虑蜂窝移动通信系统的特点)的容量。若N个用户同时通信,每个用户的信号都受到其他N-1个用户信号的干扰。假定系统的功率控制是理想的,即到达接收机的所有N个信号强度都一样,则理论分析表明,此时系统容量为式中W是CDMA系统所占的有效频谱宽度;Rb是信息数据的速率;Eb是信息数据的一比特能量;N0是干扰(噪声)的功率谱密度(单位赫兹的干扰功率);W/Rb是CDMA系统的扩频增益。当CDMA系统所占的频谱宽度W一定时,它随着信息速率Rb的降低而增大。Eb/N0是比特能量与噪声密度比,其比值取决于系统对误码率或话音质量的要求,并与系统的调制方式和编码方案有关。 例如:N-CDMA系统所占的有效频谱宽度W=1.2288MHz,话音编码速率Rb=8.6kbit/s,若比特能量与噪声密度比Eb/N0=7dB,则N=29.5;若Eb/N0=6dB,则N=37。 结果说明:在满足一定通信要求的前提下,比特能量与噪声密度比Eb/N0越小,系统的容量越大。但在上面的结果中,没有考虑CDMA蜂窝系统的特点,还应该根据其特点对系统容量公式进行修正。1.采用语音激活技术提高系统容量 统计结果表明,对话的激活期(占空比)d=0.35。也就是,人们在通话过程中平均只有35%的时间在讲话, 另外65%的时间处于听对方讲话、话句间停顿或其他等待状态。在CDMA数字蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,如果采用语音激活技术,使通信中的用户有语音时才发射信号,没有讲话时,该用户的发射机就停止发射功率,那么任一用户话音发生停顿时,其他用户所受到的干扰都会相应地平均减少65%,从而系统容量可以提高到1/d=2.86倍。为此,CDMA数字蜂窝移动通信系统的计算公式变成式中d是语音占空比(d=0.35)。2.利用扇区划分提高系统容量 在码分多址制式蜂窝移动通信系统中,利用120°扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分成3个扇区时,处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之一,相应的各用户之间的多址 干扰分量也减少为原来的约三分之一,从而系统的容量将增加约3倍(实际上,由于相邻天线覆盖区之间有重叠,一般能提高到G=2.55倍左右)。为此,CDMA数字蜂窝移动通信系统的计算公式变为式中G是扇形分区系数(G=2.55)。3.邻近蜂窝小区的干扰对系统容量的影响 根据码分多址蜂窝移动通信系统的特点,在CDMA蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,即若干个小区内的基站和移动台都工作在相同的频率上。因此,任一小区的移动台都会受到相邻小区基站的干扰,任一小区的基站也都会受到相邻小区移动台的干扰。这些干扰的存在必然会影响系统的容量。其中任一小区的移动台对 相邻小区基站(反向信道)的总干扰量和任一小区的基站对相邻小区移动台(正向信道)的总干扰量是不同的,对系统容量的影响也有所差别,下面分别加以简要说明。(1)正向信道(由基站到移动台) 在一个蜂窝小区内,基站不断地向所有通信中的移动台发送信号,移动台在接收它自己所需的信号同时,也接收到基站发给所有其他移动台的信号,而这些信号对它所需的信号将形成干扰。当系统采用正向功率 控制技术时,由于路径传播损耗的原因,位于靠近基站的移动台,受到本小区基站所发射的信号干扰比距离远的移动台要大,但受到相邻小区基站的干扰较小;位于小区边缘的移动台,受到本小区基站所发射的信号干扰比距离近的移动台要小,但受到相邻小区基站的干扰较大。移动台最不利的位置是处于3个小区交界的地方,如下图中的X点。 假设各小区中同时通信的用户数都是N,即各小区的基站同时向N个用户发送信号, 当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,移动用户从一个基站的管辖范围移动到另一个基站的管辖范围,通信网的控制系统为了不中断通信就要做一系列的调整,包括位置更新、转换通信链路等,这个过程就叫越区切换。 越区切换实现了小区(或扇区)间和频道间的信道转换,保证了一个正在处理或进行中的呼叫的不中断运行。切换是由于无线转播、业务分配、操作和维护激活、设备故障等原因而产生的。例如:(1)移动台移动至小区的边界,信号强度低到一定程度;(2)移动台在小区中进入信号强度缝隙中(阴影区),信号恶化到一定程度;(3)移动交换中心发现一些小区太拥挤,而另一些小区很闲时,可命令拥挤的小区的一些移动台提前切换,以调整各小区的负荷量等等。对越区切换的基本要求是:(1)高的切换成功率;(2)减少系统中不必要的切换;(3)使用优化的越区切换算法来控制各小区的业务量;(4)切换速度快,切换经历的时间短;(5)对话音质量的影响小等。 在CDMA系统中的越区切换有两类,即硬切换(Hard Handoff)和软切换(Soft Handoff)。 硬切换是指移动台在不同频道之间的切换, 这些切换需要移动台变更收发频率,即先切断原来的收发频率,再搜索、使用新的频道。 硬切换会造成通话暂短中断,切换时间较长时(大于200ms),将影响用户通话。 软切换是指移动台在相同的CDMA频道中的切换。软切换不需要移动台变更收发频率,只需要在伪随机码的相位上作一调整。CDMA系统的移动台中有多个RAKE (瑞克)接收机,可以同时接收几个基站发来的信号。当需要切换时,移动台除了与原服 务基站保持通话链路外,还与新的基站建立了通话链路。直到移动台接收到的原基站发来的信号低于一门限时才切断与原基站的通话链路。这种先通后断的软切换保证了通话不会中断。通常所说的软切换中还包含一种更软切换(Softer Handoff)。更软切换是指同一蜂窝小区内不同扇区之间的切换。在两扇区边界,基站和移动台通过分集技术可以同时在两个扇区传输信号。 在软切换过程中,由于移动台中有多个RAKE接收机,移动台开始与目标基站建立通信时,不中断与原服务基站的通信,此时移动台同时与两个基站建立了通话链路。当原服务基站的信号强度低到一门限值时,再切断与原服务基站的通信联系。由于移动台在软切换中不变更收发频率,所以软切换只能在具有相同CDMA频道的小区(或扇区)之间进行切换。 软切换是CDMA系统中特有的一个重要概念。在CDMA蜂窝移动通信系统中,具有相同CDMA频道的各小区使用同一频率,移动台在小区之间移动时不需要像频分或时分系统那样重新分配频率或时隙,这使得软切换成为可能。 在CDMA系统中,一般情况下每个移动台拥有三个以上RAKE接收机,即每个移动台中有多个解调器,这允许移动台同时与两个或多个小区保持通信。 移动台在与基站A通信时,连续监视相邻小区的导频信号强度,任何一个导频信号(如基站B)的强度超过一预定的门限时,立即报告系统。系统则命令基站B建立与移动台的通信,开始软切换。此时移动台同时接收到来自两个基站的通信信号,两路信号密切结合,彼此加强。在反向链路上,移动交换中心根据基站接收的信号强度确定哪个基站的接收信号更强,从而选择它。参考文献[1] 樊昌信，等.通信原理.北京：国防工业出版社[2] 郭梯云,邬国扬,李建东. 移动通信. 西安:西安电子科技大学出版社 [3] 啜钢 等.移动原理通信与系统[M].北京邮电大学出版社 [4] 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