CDMA - 快速指南

CDMA - 简介

什么是CDMA？

码分多址( CDMA )是一种用于移动通信的数字蜂窝技术。CDMA 是 cdmaOne、CDMA2000 和 WCDMA 等接入方法的基础。CDMA 蜂窝系统被认为优于 FDMA 和 TDMA，这就是 CDMA 在构建高效、稳健和安全的无线电通信系统方面发挥着关键作用的原因。

一个简单的类比

我们通过一个简单的类比来理解CDMA的概念。假设我们有几个学生聚集在教室里，他们想同时互相交谈。如果每个人同时开始说话，就听不到任何声音。他们要么必须轮流说话，要么使用不同的语言进行交流。

第二种选择与 CDMA 非常相似——使用相同语言的学生可以互相理解，而其他语言则被视为噪音并被拒绝。类似地，在无线电CDMA中，每组用户都被赋予一个共享代码。许多代码占用相同的信道，但只有与特定代码关联的那些用户才能通信。

CDMA的显着特点

基于扩频技术的 CDMA 具有以下显着特征 -

在 CDMA 中，每个信道都使用完整的可用频谱。
各个对话均使用伪随机数字序列进行编码，然后使用较宽的频率范围进行传输。
CDMA 始终为语音和数据通信提供更好的容量，允许更多用户在任何给定时间进行连接。
CDMA 是构建 3G 技术的通用平台。对于 3G，CDMA 使用 1x EV-DO 和 EV-DV。

第三代标准

CDMA2000采用频分双工多载波(FDD-MC)模式。这里，多载波意味着 N × 1.25 MHz 信道覆盖在 N 个现有 IS-95 载波上或部署在未占用的频谱上。CDMA2000 包括 -

1x — 使用 1.2288 Mcps 的传播速率。
3x — 使用 3 × 1.2288 Mcps 或 3.6864 Mcps 的传播速率。
1xEV-DO（1x Evolution – 数据优化）— 使用 1.2288 Mcps 的传播速率，针对数据进行了优化。
WCDMA/FDD-DS — 宽带 CDMA (WCDMA) 频分双工直接序列扩频 (FDD-DS) 模式。它有一个 5 MHz 通道。WCDMA 每个信道使用单载波，并采用 3.84 Mcps 的扩展速率。

CDMA 发展小组 (CDG)

CDMA 发展集团 (CDG) 成立于 1993 年 12 月，是一个国际公司联盟。它共同引领先进无线电信系统的发展和发展。

CDG 由服务提供商、基础设施制造商、设备供应商、测试设备供应商、应用程序开发商和内容提供商组成。其成员共同定义了CDMA2000和4G互补系统开发的技术要求。此外，与其他新兴无线技术的互操作性旨在提高无线产品和服务对全球消费者和企业的可用性。

IMT-2000系统

CDMA - 频道

CDMA信道可大致分为前向信道和反向信道。本章介绍了这些通道的功能。

前向通道

前向信道是通信或移动台到小区下行链路路径的方向。它包括以下渠道 -

导频信道- 导频信道是参考信道。它使用移动站获取时间并作为相干解调的相位参考。它由每个基站在每个活动 CDMA 频率上连续传输。并且，每个移动站连续跟踪该信号。
同步信道- 同步信道携带单个重复消息，向移动站提供有关时间和系统配置的信息。同样，移动台可以通过与短码同步来获得准确的系统时间。
寻呼信道- 寻呼信道的主要目标是向移动台发送寻呼，即来电通知。基站使用这些寻呼来传输系统开销信息和移动站特定消息。
前向业务信道- 前向业务信道是代码信道。它用于将呼叫（通常是语音和信令流量）分配给各个用户。

反向通道

反向信道是移动台到小区的通信方向或上行链路路径。它由以下渠道组成 -

接入信道- 移动台使用接入信道与基站建立通信或应答寻呼信道消息。接入信道用于短信令消息交换，例如呼叫、寻呼响应和注册。
反向业务信道- 反向业务信道由各个用户在实际呼叫中使用，将业务从单个移动站传输到一个或多个基站。

CDMA - 多址接入方式

允许在 FDD 或 TDD 模式下操作，以便根据不同区域的频率分配有效地使用可用频谱。

频分双工

一种双工方法，上行链路和下行链路传输使用两个单独的频带 -

上行链路- 1920 MHz 至 1980 MHz
下行链路- 2110 MHz 至 2170 MHz
带宽- 每个载波位于 5 MHz 宽带的中心

通道分离

标称值为 5 MHz，可调节。

通道光栅

200 kHz（中心频率必须是 200 kHz 的倍数）。

Tx-Rx 频率分离

标称值为 190 MHz。该值可以是固定的，也可以是可变的（最小值为 134.8 MHz，最大值为 245.2 MHz）。

通道数

载波频率由 UTRA 绝对射频信道号 (UARFCN) 指定。该数字由网络（针对上行链路和下行链路）在 BCCH 逻辑信道上发送，并由 Nu = 5 *（上行链路频率 MHz）和 ND = 5 *（下行链路频率 MHz）定义。

时分双工

时分双工是一种通过使用同步时间间隔在相同频率上承载上行链路和下行链路传输的技术。尽管 3GPP 正在研究低码片速率解决方案（1.28 Mcps），但该运营商使用 5 MHz 频段。TDD 的可用频段为 1900-1920 MHz 和 2010-2025 MHz。

无线链路的双工方法

在时分双工的情况下，前向链路频率与反向链路频率相同。在每个链路中，信号轮流连续传输——就像乒乓球比赛一样。

TDD系统示例

TDD 使用单一频段进行传输和接收。此外，它还通过为发送和接收操作分配交替时隙来共享频带。要传输的信息可以是语音、视频或位串行格式的计算机数据。每个时间间隔可以是1字节长或者可以是几个字节的一部分。

TDD 随着时间的推移交替发送和接收站数据。时隙的长度可以是可变的。由于高速数据的性质，通信双方不能意味着传输是间歇性的。看似同时的传输实际上是相互竞争的。数字转换成模拟语音，没有人能说它不是全双工。

在一些TDD系统中，替代时间间隔具有相同的持续时间或同时具有DL和UL；然而，系统不需要是 50/50 对称的。根据需要，系统可以是不对称的。

例如，在访问互联网时，下载速度通常高于上传速度。大多数设备工作在异步模式，下载速度高于上传速度。当下载速度高于上传速度时，上传所需的时隙较少。当时间间隔或持续时间的数量根据需要动态改变时，某些 TDD 格式提供动态带宽分配。

TDD 的真正优势在于它只是频谱的单个信道，并且不需要频带防护或信道分离，因为间隔是使用时隙进行的。缺点是TDD的成功实施需要计时系统。需要对发射器和接收器进行精确定时，以确保时间间隔不会重叠或相互干扰。

定时通常与 GPS Atomics钟标准的特定衍生同步。时隙之间也需要保护时间以避免重复。该时间通常等于通信信道上的发送-接收处理时间（发送-接收切换时间）和发送延迟（等待时间）。

频分双工

在频分双工 (FDD) 中，前向链路频率与反向链路频率不同。在每条链路中，信号连续并行传输。

FDD系统示例

FDD 需要两个对称的频谱段用于上行链路和下行链路信道。

在具有发射器和接收器的手机中，在如此接近的距离内同时工作，接收器必须尽可能多地过滤来自发射器的信号。更分离的光谱，最有效的过滤器。

FDD 使用大量频谱，通常是所需 TDD 频谱的两倍。此外，信道的发送和接收之间必须有足够的频谱分离。这些乐队一直在说——它不能被使用，它们是不必要的。考虑到频谱的稀缺性和成本，它们是真正的劣势。

使用FDD

FDD 广泛应用于不同的蜂窝电话系统。在某些系统中，869-894 MHz 频段用作从蜂窝基站塔到设备的下行链路 (DL) 频谱。并且，824-849 MHz 频段被用作小区站点手机的上行链路 (UL) 频谱。

FDD 也适用于传输和接收通道被指定为电缆频谱的不同部分的电缆，如有线电视系统。并且，过滤器用于保持通道分离。

FDD的缺点

FDD 的缺点是它不允许使用多天线、多输入输出 (MIMO) 和波束成形等特殊技术。这些技术是长期演进 (LTE) 4G 手机提高数据速率的新战略的重要组成部分。很难提供足够宽的带宽来覆盖两组天线频谱。需要电路复杂的动态调整。

多种访问方式

无线电信道是一个地理区域内的多个用户共享的通信介质。移动站相互竞争频率资源来传输其信息流。如果没有其他措施来控制多个用户的并发访问，则可能会发生冲突。由于冲突对于诸如移动电话之类的面向连接的通信来说是不希望出现的，因此需要根据请求为个人/移动用户站分配专用信道。

移动通信在所有用户上共享无线资源，必须进行通信以识别用户。在识别用户的同时，在一个接收站中接收多个发射站的无线电波（如下图所示），被称为“多址接入”（Multiple Access）。

FDMA - 技术

频分多址（FDMA）是最常见的模拟多址方法之一。频段被划分为带宽相等的通道，使得每次通话都在不同的频率上进行（如下图所示）。

频分多址概述

在FDMA方法中，在相邻信号频谱之间使用保护带以最小化通道之间的串扰。给一个人一个特定的频段，并通过在接收端识别每个频率来接收它。它常用于第一代模拟手机。

频分多址的优点

由于 FDMA 系统与平均延迟扩展相比使用低比特率（大符号时间），因此它具有以下优点 -

减少比特率信息并使用有效的数字代码增加容量。
它降低了成本并降低了符号间干扰（ISI）
均衡是没有必要的。
FDMA系统可以很容易地实现。可以配置系统以便可以容易地合并语音编码器和比特率降低方面的改进。
由于传输是连续的，因此同步和成帧所需的位数较少。

FDMA 的缺点

尽管 FDMA 具有多种优点，但它也有一些缺点，如下所示 -

它与模拟系统没有显着差异；容量的提高取决于信号干扰比的降低，或信噪比（SNR）。
每个通道的最大流量是固定的并且很小。
保护带导致容量浪费。
硬件意味着窄带滤波器，无法在VLSI中实现，因此增加了成本。

TDMA - 技术

时分多址（TDMA）是一种数字蜂窝电话通信技术。它方便许多用户共享同一频率而不会互相干扰。其技术将信号划分为不同的时隙，增加数据承载能力。

时分多址概述

时分多址 (TDMA) 是一项复杂的技术，因为它需要发送器和接收器之间的精确同步。TDMA 用于数字移动无线电系统。各个移动站循环地分配频率以专用于时间间隔。

在大多数情况下，一段时间间隔内的整个系统带宽不会分配给某个站。然而，系统的频率被划分为子带，并且TDMA用于每个子带内的多址接入。子频带称为载波频率。使用这种技术的移动系统被称为多载波系统。

在以下示例中，频带已由三个用户共享。每个用户都被分配了明确的时隙来发送和接收数据。在此示例中，用户“B”在用户“A”之后发送，用户“C”在其后发送。这样，峰值功率就成为问题，并且由于突发通信而变得更大。

频分多址和时分多址

这是一个多载波TDMA 系统。25 MHz 频率范围可容纳每 kHz 124 个单链（载频 200）带宽；每个频道都包含 8 个 TDMA 通话频道。因此，分配给移动站的时隙和频率序列就是TDMA系统的物理信道。在每个时隙中，移动站发送数据分组。

分配给移动站时隙的时间段也决定了载波频率上的TDMA信道的数量。时隙周期组合在所谓的 TDMA 帧中。在载波频率上传输的 TDMA 信号通常比 FDMA 信号需要更多的带宽。由于多次使用，毛数据率应该更高。

时分多址的优点

以下列出了 TDMA 的一些显着优势 -

允许灵活的速率（即可以为用户分配多个时隙，例如，每个时间间隔转换32Kbps，每帧为用户分配两个64Kbps时隙）。
可以承受阵风或可变比特率流量。分配给用户的时隙数量可以逐帧改变(例如，帧1中的2个时隙、帧2中的3个时隙、帧3中的1个时隙、槽口4的帧0等)。
宽带系统不需要保护带。
宽带系统不需要窄带滤波器。

TDMA 的缺点

TDMA 的缺点如下：

宽带系统的高数据速率需要复杂的均衡。
由于突发模式，需要大量额外比特来进行同步和监控。
每个时隙都需要调用时间来适应时间不准确的情况（由于时钟不稳定）。
以高比特率运行的电子设备会增加能耗。
需要复杂的信号处理来在短时隙内进行同步。

CDMA - 技术

码分多址 (CDMA) 是一种多路复用，有助于各种信号占用单个传输信道。它优化了可用带宽的使用。该技术通常用于超高频 (UHF) 蜂窝电话系统，频段范围在 800 MHz 到 1.9 GHz 之间。

CDMA概述

码分多址系统与时间和频率复用系统有很大不同。在该系统中，用户可以在整个持续时间内访问整个带宽。基本原理是用不同的CDMA码来区分不同的用户。

通常使用的技术是直接序列扩频调制(DS-CDMA)、跳频或混合CDMA检测(JDCDMA)。这里，生成的信号在很宽的带宽上延伸。称为扩展码的代码用于执行此操作。使用一组彼此正交的代码，可以在存在具有不同正交代码的许多其他信号的情况下选择具有给定代码的信号。

CDMA 是如何工作的？

CDMA 通过使用两个 PN 代码处理每个语音数据包，在 1.2288 MHz 信道中允许最多 61 个并发用户。有 64 个沃尔什码可用于区分调用和理论限制。操作限制和质量问题会将最大呼叫数量降低到略低于此值。

事实上，具有不同扩频码的许多不同“信号”基带可以调制在同一载波上，以允许支持许多不同的用户。使用不同的正交码，信号之间的干扰最小。相反，当从多个移动站接收到信号时，基站能够隔离每个移动站，因为它们具有不同的正交扩频码。

下图显示了CDMA系统的技术细节。在传播过程中，我们混合了所有用户的信号，但这样您就可以使用与发送接收方时使用的代码相同的代码。您只能取出每个用户的信号。

CDMA容量

决定 CDMA 容量的因素是 -

处理增益
信噪比
语音活动因子
频率复用效率

CDMA的容量是软的，CDMA在每个频率上都有所有用户，并且用户通过代码分隔。这意味着 CDMA 在存在噪声和干扰的情况下运行。

此外，相邻小区使用相同的频率，这意味着不会重复使用。所以，CDMA容量的计算应该是非常简单的。小区内无码道，乘以无小区。但事情并没有那么简单。虽然不可用的码道有64个，但可能无法一次性使用，因为CDMA频率是相同的。

集中方法

CDMA 中使用的频段为 824 MHz 至 894 MHz（间隔 50 MHz + 20 MHz）。
频率信道分为码信道。
1.25 MHz的FDMA信道被划分为64个代码信道。

处理增益

CDMA 是一种扩频技术。每个数据位都由一个代码序列扩展。这意味着每比特的能量也增加了。这意味着我们从中获益。

P（增益）= 10log（W/R）

W 是传播率

R 是数据速率

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

这是增益因子和实际数据传播速率。平均而言，典型的传输条件需要 7 dB 的信噪比才能获得足够的语音质量。

换算成比率后，信号必须比噪声强五倍。

实际处理增益=P(增益)-SNR

= 21 – 7 = 14dB

CDMA使用可变速率编码器

语音活动系数 0.4 被视为 = -4dB。

因此，CDMA具有100%的频率复用。在周围小区使用相同频率会导致一些额外的干扰。

在 CDMA 频率下，复用效率为 0.67（70% 有效）= -1.73dB

CDMA的优点

CDMA具有软能力。代码数量越多，用户数量就越多。它具有以下优点 -

CDMA 需要严格的功率控制，因为它会受到远近效应的影响。换句话说，靠近基站的用户以相同的功率发射信号将会淹没后者的信号。所有信号在接收器处必须具有或多或少相等的功率
Rake 接收器可用于改善信号接收。可以收集信号（多路径信号）的时间延迟版本（一个码片或更高版本）并用于在位级别做出决策。
可以采用灵活的转移方式。移动基站无需更换运营商即可切换。两个基站接收移动设备信号并且移动设备接收来自两个基站的信号。
传输突发 - 减少干扰。

CDMA的缺点

使用 CDMA 的缺点如下：

必须仔细选择代码长度。较大的代码长度可能会引起延迟或可能引起干扰。
需要时间同步。
逐渐转移会增加无线电资源的使用并可能减少容量。
由于从基站接收和发送的功率总和需要恒定的严格功率控制。这可能导致多次切换。

CDMA - 网络

CDMA 网络是旨在规范 CDMA 技术的系统。它包括从基站、发射天线、接收天线到移动交换中心的所有方面和功能。

CDMA网络概述

基站是 CDMA 网络的重要组成部分。基站覆盖一个称为小区的小地理区域。小区可以是全向的或扇形的。每个基站为每个小区配备一个发射天线和两个接收天线。为了空间分集的目的，每个小区使用两个接收天线。在许多应用中，它是BSC（基站控制器），控制多个基站。

由于手机数据速率不是13kbps就是8kbps，属于非ISDN，而作为移动交换中心(MSC)的交换机一般都切换到64kbps。因此，在切换之前，需要将该移动数据速率转换为64kbps。这是由一个成员完成的，这个成员就是代码转换器。代码转换器可以是单独的元件或者可以并置在每个基站或MSC中。

所有基站都连接到MSC ，即移动交换中心。MSC 是管理网络内以及与外界的呼叫的建立、连接、维护和处理的实体。

MSC还有一个称为HLR/AC的数据库，它是归属位置寄存器/认证中心。HLR是数据库，维护着所有网络用户的数据库。AC认证中心是HLR的安全部分，它通过一些算法来检查手机。

MSC连接到外界，即固定线路网络。MSC 还可以连接到其他几个 MSC。

CDMA身份

网络身份 -

SID（系统身份）
NID（网络身份）

移动站身份 -

ESN（电子序列号）
排列的 ESN
IMSI（国际移动站识别码）
IMSI_S
IMSI_11_12
车站等级标记

系统和网络身份

基站是蜂窝系统和网络的成员。网络是系统的子集。这些系统安装有称为识别系统(CIS) 的识别信息。系统接收的网络是网络标识（NID）。它是唯一标识的网络对（SID、NID）。移动站具有一个或多个本地（非漫游）对（SID、NID）的列表。

安全识别码

15比特的系统标识指示符(SID)被存储在移动站中。它用于确定移动台的主机系统。系统识别指示符的位分配如下所示。

表中还显示了国际代码 (INTL)（位 14 和 13）的分布。位 12-0 由 FCC 针对非美国国家/地区分配给每个美国系统。比特分配将由当地监管机构进行。

国家ID

NID 的保留值范围为 0-65535。SID中的值65535意味着NID对表示移动站将整个SID视为归属地。

系统和网络

移动站具有一个或多个本地（非漫游）对（SID、NID）的列表。当基站广播（SID、NID）对与非漫游移动站（SID、NID）对之一不匹配时，移动站正在漫游。

移动站是外国 NID 漫游者 -

如果移动站正在漫游并且移动站(SID，NID)列表中存在与SID对应的一些(SID，NID)对。
如果移动站正在漫游并且移动站（SID，NID）列表中存在一些（SID，NID）对没有可用的匹配SID（意味着移动站具有漫游客户外国SID）。

电子序列号 (ESN)

ESN是一个32位二进制数，在CDMA蜂窝系统中唯一标识移动台。它应该在工厂设置，并且不能在现场轻易更改。更改 ESN 需要特殊设备，订户通常无法使用。ESN的位分配如下所示：

提供ESN的电路必须隔离，使得任何人都无法接触和篡改。尝试改变 ESN 电路应该会使移动站无法工作。在发布初始验收时，制造商必须在 32 位序列号的 8 个最高有效位（第 31-24 位）中分配一个制造商代码 (MFR)。位 23-18 被保留（最初为零）。并且，每个制造商只将17位分配给0。当制造商已经使用了位17-0中序列号的几乎所有可能的组合时，制造商可以向FCC提交通知。FCC 将分配保留块中的下一个连续二进制数（位 23 至位）。

排列的 ESN

CDMA 是一种扩频技术，其中多个用户可以在同一小区的同一示例中访问系统，当然也可以使用相同的频率。因此，它区分反向链路上的用户（即从MS到基站的信息）。它使用所有 CDMA 蜂窝系统中移动站独有的代码来传播信息。此代码有一个元素是 ESN，但它没有使用相同格式的 ESN，而是使用交换的 ESN。

如果一个小区内有两个同一品牌的手机，且序列号连续，对于基站的接收器来说，连接起来就会很困难。因此，为了避免与连续ESN对应的长码之间的强相关性，我们使用置换的ESN。

国际移动站识别码 (IMSI)

移动台通过国际移动台识别码（IMSI）来识别。IMSI 最多由 10 到 15 位数字组成。IMSI 的前三位数字是移动台的国家代码 (MCC)，其余数字是国家 NMSI 移动台标识。NMSI 由移动网络代码 (MNC) 和移动站标识号 (SIDS) 组成。

IMSI ≤15位
中冶集团	微软网络	MSIN
	NMSI

MCC：移动国家/地区代码
MNC：移动网络代码
MSIN：移动站识别
NMSI：国家移动站身份

长度为 15 位的 IMSI 称为 0 类 IMSI（NMSI 长度为 12 位）。长度小于15位的IMSI称为1类IMSI（NMSI长度小于12位）。对于CDMA操作，相同的IMSI可以在多个移动站中注册。各个系统可能允许也可能不允许这些功能。这些功能的管理是基站和系统运营商的职能。

CDMA - 技术

耙式接收器

由于宽带挑战的反映，无线电信道可以由许多副本（多路径）组成，信号最初以不同的幅度、相位和延迟传输。如果信号分量在彼此的码片周期内到达，则可以使用瑞克接收器来调整和组合。Rake 接收器通过多条路径使用分集原理。下图显示了 Rake 接收器方案。

Rake 接收器处理多个多径信号分量。相关器输出相结合以实现更好的可靠性和通信性能。由于相关器可能因变色而被损坏，所以基于单一相关的比特判决会产生较大的误码率，因为多径分量经过处理。如果一个相关器的输出因衰落而损坏，则另一个相关器的输出不会被损坏，并且可以通过加权过程来减少损坏的信号。

沃尔什码

沃尔什码最常用于 CDMA 应用的正交码。这些代码对应于称为哈达玛矩阵的特殊方阵的行。对于一组长度为N的沃尔什码，由n行组成一个n×n沃尔什码的方阵。

IS-95系统使用64沃尔什函数矩阵64。该矩阵的第一行包含一串全零，随后的每一行包含位0和1的不同组合。每行对于二进制位都是正交且相等的表示。当用CDMA系统实现时，每个移动用户使用矩阵中的64个行序列之一作为扩频码。并且，它在所有其他用户之间提供零互相关。该矩阵递归定义如下 -

其中n为2的幂，表示矩阵W的不同维度。进一步地，n表示对该矩阵中的所有位进行逻辑非运算。三个矩阵 W _2、 W ₄和 W ₈分别显示维度 2、4 和 8 的沃尔什函数。

64沃尔什矩阵64的每一行对应于一个通道号。通道号0映射到沃尔什矩阵的第一行，它是全零的代码。该信道也称为导频信道，用于形成和估计移动无线电信道的脉冲响应。

为了计算序列之间的互相关，我们需要将比特转换成矩阵以形成±1值的对立。然而，同一 CDMA 信道上的所有用户可以使用公共长 PN 序列以一个码片间隔的精度进行同步。它还具有数据扰频器的功能。

沃尔什码是一组具有良好自相关特性和较差互相关特性的扩频码。沃尔什码是 CDMA 系统的支柱，用于开发 CDMA 中的各个信道。
对于 IS-95，有 64 个可用代码。
- 代码“0”用作导频，代码“32”用于同步。
- 代码1到7用于控制信道，其余代码可用于业务信道。如果不需要，代码 2 至 7 也可用于业务信道。
对于 cdma2000，存在多种沃尔什码，其长度各不相同，以适应不同无线电配置的不同数据速率和扩频因子。
64 个正交位模式之一的速率为 1.2288 Mcps。
沃尔什码用于识别每次单独传输的数据。在前向链路中，它们定义了 CDMA 频率内的前向代码信道。
在反向链路中，每个反向信道使用所有 64 个代码来承载信息。

看看下面的插图。它显示了如何使用沃尔什码进行多路复用。

CDMA - 扩频

所有技术调制和解调都力求在白高斯加性平稳噪声信道中获得更大的功率和/或带宽效率。由于带宽是有限的资源，因此所有调制方案的主要设计目标之一是最小化传输所需的带宽。另一方面，扩频技术使用的传输带宽比最小信号所需的带宽大一个数量级。

扩频技术的优点是——许多用户可以同时使用相同的带宽而不会互相干扰。因此，当用户数量较少时，扩频并不经济。

扩频是无线通信的一种形式，其中传输信号的频率被故意改变，从而产生更高的带宽。
扩频在香农和哈特利通道容量定理中很明显 -

C = B × log ₂ (1 + 信噪比)
在给定的等式中，“C”是以每秒位数 (bps) 为单位的通道容量，它是理论误码率 ( BER ) 的最大数据速率。“B”是所需的通道带宽（以 Hz 为单位），S/N 是信噪功率比。
扩频使用难以检测、拦截或解调的宽带类噪声信号。此外，扩频信号比窄带信号更难堵塞（干扰）。
由于扩频信号非常宽，因此与窄带发射机相比，它们的发射频谱功率密度（以瓦特/赫兹为单位）要低得多。扩频和窄带信号可以占用相同的频带，几乎没有干扰。这种能力是当今所有对扩频感兴趣的人的主要吸引力。

要记住的要点-

传输的信号带宽大于成功传输信号所需的最小信息带宽。
通常采用除信息本身之外的某些函数来确定最终的传输带宽。

以下是两种类型的扩频技术 -

直接序列和
跳频。

CDMA采用直接序列。

直接序列 (DS)

直接序列码分多址（DS-CDMA）是一种通过不同代码复用用户的技术。在该技术中，不同的用户使用相同的带宽。每个用户都被分配一个自己的扩展码。这些代码集分为两类 -

正交码和
非正交码

Walsh 序列属于第一类，即正交码，而其他序列（即 PN、Gold 和 Kasami）是移位寄存器序列。

正交码被分配给用户，接收机中相关器的输出将为零，除了所需的序列。在同步直接序列中，接收器接收与发送的相同的代码序列，因此用户之间不存在时移。

解调 DS 信号 - 1

为了解调 DS 信号，您需要知道传输时使用的代码。在这个例子中，通过将传输中使用的代码与接收信号相乘，我们可以得到传输信号。

在此示例中，在向接收信号传输(10,110,100)时使用了多个代码。在这里，我们使用二加法（Modulo 2 Addition）进行计算。通过乘以传输时使用的代码来进一步解调，称为反向扩散（解扩）。从下图中可以看出，在数据传输到窄带（Narrow Band）频谱的过程中，信号的频谱发生了展频。

解调 DS 信号 − 2

另一方面，如果您不知道传输时使用的代码，则将无法解调。在这里，您尝试以不同的代码（10101010）和传输时间进行解调，但失败了。

即使查看频谱，它也会在传输过程中扩展。当它通过带通滤波器（Band Path Filter）时，只剩下这个小信号，并且这些信号不会被解调。

扩频的特点

如下图所示，扩频信号的功率密度可能低于噪声密度。这是一个很棒的功能，可以保护信号并维护隐私。

通过扩展传输信号的频谱，可以降低其功率密度，使其小于噪声的功率密度。这样，就可以将信号隐藏在噪声中。如果您知道用于发送信号的代码，则可以对其进行解调。如果代码未知，则即使在解调之后，接收到的信号仍将隐藏在噪声中。

DS-CDMA

DS码用于CDMA。至此，已经解释了扩频通信的基本部分。从这里，我们将解释直接序列码分多址 (DS-CDMA) 的工作原理。

扩频信号只能通过用于传输的代码来解调。利用这一点，每个用户的传输信号在接收到信号时可以通过单独的代码来识别。在给定的示例中，用户A在代码A处的扩频信号和用户B在代码B处的扩频信号。每个信号在接收时被混合。然而，通过逆扩散器（Despreadder），它识别每个用户的信号。

DS-CDMA 系统 - 前向链路

DS-CDMA 系统 - 反向链路

传播代码

互相关

相关性是一种测量给定信号与所需代码匹配程度的方法。在CDMA技术中，每个用户被分配不同的代码，用户分配或选择的代码对于调制信号非常重要，因为它关系到CDMA系统的性能。

当所需用户的信号与其他用户的信号之间存在明显分离时，将获得最佳性能。这种分离是通过将本地生成的所需信号代码与其他接收到的信号相关联来实现的。如果信号与用户的代码匹配，则相关函数将很高并且系统可以提取该信号。如果用户想要的代码与信号没有任何共同点，则相关性应尽可能接近于零（从而消除信号）；也称为互相关。所以，存在自相关（Self-Correlation）和互相关（Cross-Correlation）。

自相关和代码的特性如下图所示，其中显示了扩频码“A”和扩频码“B”之间的相关性。在这个例子中，给出了扩频码'A(1010110001101001)和扩频码'B'(1010100111001001)的计算相关性，在执行下面的例子中的计算时，结果达到了6/16。

首选代码

优选的代码用于CDMA。根据CDMA系统的类型，可以使用不同的代码。有两种类型的系统 -

同步（同步）系统和
异步（异步）系统。

在同步系统中，可以使用正交码（Orthogonal Code）。为此，在异步系统中，使用诸如伪随机码（Pseudo-random Noise）或Gold码。

为了使DS-CDMA中的相互干扰最小化，应选择互相关性较小的扩频码。

同步DS-CDMA

正交码是合适的。（沃尔什码等）

异步DS-CDMA

伪随机噪声 (PN) 代码/最大序列
黄金代码

同步DS-CDMA

同步CDMA系统是在点对多点系统中实现的。例如，手机中的前向链路（基站到移动站）。

同步系统用于一对多（Point to Multipoint）系统。例如，在给定时间，在移动通信系统中，单个基站(BTS)可以与多个蜂窝电话通信(前向链路/下行链路)。

在该系统中，所有用户的传输信号可以同步通信。意思是，“同步”在这一点上是一种意义，可以发送以对齐每个用户信号的顶部。在该系统中，可以使用正交码并且还可以减少相互干扰。而正交码，则是符号，比如互相关即0。

异步DS-CDMA

在异步CDMA系统中，正交码的互相关性较差。

与来自基站的信号不同，从移动站到基站的信号成为异步系统。

在异步系统中，相互干扰有所增加，但它使用其他编码，例如PN码或Gold码。

扩频的优点

由于信号分布在很宽的频带上，功率谱密度变得非常低，因此其他通信系统不会受到这种通信的影响。然而，高斯噪声增加。下面列出了扩频的一些主要优点 -

可以同意多路径，因为可以生成大量代码，允许大量用户。
扩频技术对用户没有限制，而FDMA技术对用户有限制。
安全性 - 在不知道扩频码的情况下，几乎不可能恢复传输的数据。
下降拒绝 - 当系统使用大带宽时；它不易变形。

PN序列

DS-CDMA系统使用两种类型的扩频序列，即PN序列和正交码。如上所述，PN序列是由伪随机噪声发生器生成的。它只是一个二进制线性反馈移位寄存器，由异或门和移位寄存器组成。该 PN 生成器能够为发射机和接收机创建相同的序列，并保留噪声随机性比特序列的所需属性。

PN 序列具有许多特征，例如具有几乎相等数量的 0 和 1、序列的移位版本之间的相关性非常低、以及与其他信号（例如干扰和噪声）的互相关性非常低。然而，它能够与其自身及其倒数很好地相关。另一个重要方面是序列的自相关性，因为它决定了同步和锁定接收信号的扩频码的能力。这种对抗有效地消除了多重干扰，提高了信噪比。M 序列、Gold 代码和 Kasami 序列是此类序列的示例。

伪随机噪声（PN）序列是二进制数序列，例如±1，它看起来是随机的；但事实上，它是完全确定性的。
PN 序列用于两种类型的 PN 扩频技术 -
- 直接信号扩频 (DS-SS) 和
- 跳频扩频 (FH-SS)。
如果“u”使用 PSK 来调制 PN 序列，则会导致 DS-SS。
如果“u”使用 FSK 来调制 PN 序列，则会导致 FH-SS。

跳频技术

跳频是一种扩频，其中通过在宽带上跳跃频率来进行传播。中断发生的精确顺序由使用伪随机码序列生成的跳频表确定。

跳跃率是速度信息的函数。频率的顺序由接收器选择并由伪随机噪声序列决定。尽管跳频信号频谱的传输与直接序列信号的传输有很大不同，但值得注意的是，分布在信号频带上的数据比承载所需的数据要大。在这两种情况下，产生的信号将显示为噪声，并且接收器使用类似的技术，该技术用于在传输中恢复原始信号。

CDMA - 衰落

在无线通信中，衰落是指影响某种传播介质的信号衰减的偏差。变色可能会随着时间、地理位置或无线电频率的变化而变化，这通常被建模为随机过程。衰落信道是经历衰落的通信信道。

多径衰落

在无线系统中，衰落可能是由于多径造成的（称为多径衰落），也可能是由于影响波传播的障碍物的遮蔽（称为阴影衰落）造成的。在本章中，我们将讨论多径衰落如何影响 CDMA 中的信号接收。

CDMA系统中的衰落

CDMA系统使用信号快速码片速率来扩展频谱。它具有很高的时间分辨率，因此它分别从每个路径接收不同的信号。RAKE 接收器通过对所有信号求和来防止信号衰减。

由于CDMA具有较高的时间分辨率，不同路径对CDMA信号的延迟是可以区分的。因此，来自所有路径的能量可以通过调整它们的相位和路径延迟来求和。这就是RAKE接收机的原理。通过使用RAKE接收机，可以改善由于衰落导致的接收信号的损失。可以保证稳定的通讯环境。

在CDMA系统中，多径传播通过使用RAKE接收机来提高信号质量。

CDMA - 近远问题

远近问题是严重损害移动通信的主要问题之一。在CDMA系统中，相互干扰将决定每个用户的大部分SN比。

远近问题对沟通有何影响？

下图显示了远近问题如何影响通信。

如图所示，用户A距离接收器较远，用户B距离接收器较近，期望信号功率与干扰信号功率会有较大差异。期望信号功率将远高于干扰信号功率，因此用户A的信噪比将更小，用户A的通信质量将严重下降。

CDMA - 功率控制

在CDMA中，由于所有移动设备都以相同的频率进行传输，因此网络的内部干扰在确定网络容量方面起着至关重要的作用。此外，必须控制每个移动发射机的功率以限制干扰。

解决远近问题本质上需要功率控制。减少远近问题的主要思想是实现所有移动设备接收到基站的相同功率水平。每个接收功率必须至少为电平，以便使链路满足系统的要求，例如Eb/N0。为了在基站处接收相同的功率电平，离基站较近的移动设备应当比远离移动基站的移动设备发射更少的功率。

下图中，有两个移动小区A和B。A距离基站较近，B距离基站较远。Pr 是所需系统性能的最低信号电平。因此，移动台B应该发送更多的功率以达到与基站相同的Pr(PB>PA)。如果没有功率控制，换句话说，两个移动小区的发射功率相同，则从 A 接收的信号比从移动小区 B 接收的信号强得多。

当所有移动站以相同功率（MS）发送信号时，基站处的接收电平彼此不同，这取决于BS和MS之间的距离。

由于衰落，接收电平快速波动。为了维持BS的接收电平，CDMA系统中必须采用合适的功率控制技术。

我们需要控制每个用户的发射功率。这种控制称为发射功率控制（Control Power）。有两种方法可以控制发射功率。第一个是开环（Open Loop）控制，第二个是闭环（Closed Loop）控制。

反向链路功率控制

除了上述远近效应之外，眼前的问题是确定移动设备首次建立连接时的发射功率。在移动设备不与基站取得联系之前，它不知道系统中的干扰量。如果它尝试传输高功率以确保接触，则可能会引入过多的干扰。另一方面，如果移动设备发射较少的功率(不干扰其他移动设备连接)，则功率不能满足所要求的E _b /N _{0 。}

根据 IS-95 标准的规定，移动设备在想要进入系统时会发送一个称为access的信号。

在CDMA中，每个用户的发射功率由控制功率来分配，以达到基站/BTS用低功率接入探测接收到的相同功率(Pr)。移动设备发送其第一个接入探测，然后等待来自基站的响应。如果没有收到响应，则以更高的功率发送第二个接入探测。

重复该过程直到基站响应。如果基站应答的信号较高，则移动设备会与距离移动小区较近、发射功率较低的基站连接。类似地，如果信号较弱，移动设备就会知道路径损耗较大并发射高功率。

上述过程称为开环功率控制，因为它仅由移动设备本身控制。当第一个移动台尝试与基站通信时，开环功率控制开始。

该功率控制用于补偿慢变量阴影效应。然而，由于后链路和前链路处于不同的频率，由于到基站前端的路径损耗，估计的发射功率不能为功率控制提供准确的解。对于快速瑞利衰落信道，此功率控制失败或太慢。

闭环控制的力量用于补偿快速瑞利变色。这次，移动设备的发射功率由基站控制。为此，基站持续监控反向链路信号质量。如果连接质量较低，它会告诉手机增加电量；如果连接质量非常高，移动基站控制器就会降低其功率。

前向链路功率控制

与反向链路功率控制类似，前向链路功率控制也需要将前向链路质量维持在指定水平。这次，移动设备监视前向链路质量并向基站指示打开或关闭。这种功率控制对于远近问题没有影响。当所有信号到达移动设备时，它们都会以相同的功率水平模糊在一起。总之，前向链路不存在远近问题。

功率控制的效果

通过发射功率控制，用户无论身在何处都可以获得恒定的通信环境。离基站较远的用户比离基站较近的用户发送更高的发射功率。另外通过这种发射功率控制，可以减少衰落的影响。这意味着可以通过发送功率控制来抑制由于衰落而导致的接收功率的变化。

功率控制能够补偿衰落波动。
来自所有MS的接收功率被控制为相等。
功率控制可以缓解远近问题。

CDMA - 频率分配

CDMA 的主要容量优势是它在每个小区的每个扇区中重复使用相同的分配频率。在 IS-136 和模拟蜂窝系统中，有七个小区重复因子，具有三个扇区。这意味着每 21 个信道中只有一个可供每个扇区使用。CDAM 被设计为在每个小区的每个扇区共享相同的频率。对于每个使用 cdma2000 编码而不是 IS-95 的用户来说，系统效率更高。

在 FDMA 或 TDMA 中，分配无线电资源以防止相邻小区之间发生干扰 -

相邻小区不能使用相同的频带（或时隙）。
左图显示了具有七个频段的简单小区分配。

在实际情况中，由于复杂的无线传播和不规则的小区分配，适当地分配频率(或时隙)并不容易。

在针对这种情况的CDMA系统中，由于所有用户共享相同的频率，所以频率的安排不是问题。这是CDMA技术的最大优势。

在CDMA中，所有小区可以使用相同的无线电资源，因为CDMA信道同时使用相同的频率。

CDMA 中的频率分配不是必需的。
从这个意义上说，CDMA蜂窝系统很容易设计。

CDMA - 切换

每当蜂窝用户通过一个基站到达另一个基站时，网络就会自动切换到另一个相应的基站并维持覆盖责任。这种Behave称为“交接”（Handoff）或“交接”（Handover）。

而在 FDMA 和 TDMA 系统中，它使用不同的频率与该区域的基站进行通信。这意味着，会出现从一个频率到另一个频率的频率切换，并且在切换过程中，会出现轻微的通信中断，这称为“硬切换”（Hard Handoff）或“硬切换”（Hard Handover）。

硬切换

在FDMA或TDMA蜂窝系统中，在切换时中断当前通信后可以建立新的通信。MS和BS之间的通信在频率或时隙切换时中断。

软切换

蜂窝系统跟踪移动站以维持其通信链路。当移动站前往相邻小区时，通信链路从当前小区切换到相邻小区。

当移动设备进入新区域（从一个基站到另一个基站）时，移动设备通过向第一个基站发送驾驶员强度消息，成为具有足够功率的第二个导频。基站通知MTSO，然后MTSO请求第二基站分配新的沃尔什码。

第一基站利用新的渐进传输沃尔什分配MTSO进行控制，然后将陆地链路发送到第二基站。移动设备由两个基站供电，MTSO 每 20 毫秒选择最佳质量状态。
第一个 BS 使移动站的功率变低，移动站发送导频强度消息，然后第一个 BS 传输停止并释放信道。并且，业务信道在第二基站上继续。
在CDMA蜂窝系统中，由于不需要切换频率或时隙，因此在切换时通信不会中断。

注- Walsh 序列是正交码的一部分，而其他序列（例如 PN、Gold 和 Kasami）是移位寄存器序列。如果将正交码分配给用户，则接收机中的相关器的输出将为零，除了所需的序列之外，而同步直接序列接收机接收与发送的相同的码序列，因此用户之间不存在时移。

CDMA - 干扰

CDMA 信号会受到除 CDMA 用户之外的高干扰信号的干扰。这有两种形式的干扰——来自同一小小区中其他用户的干扰和来自相邻小区的干扰。总干扰还包括背景噪声和其他杂散信号。

CDMA 基于使用扩频调制形式对信号进行编码以供传输和检索。

噪声源

在扩频技术中，无线电信号分布在单个 1.23 MHz 宽的频带上。每个订户都分配有 PN 代码。对应于PN码的信号被解码和处理。不包含代码匹配的信号被视为噪声并被忽略。

信号处理：接收

CDMA 以编码的窄带信号开始；通过使用 PN 码，该带宽可扩展至 1.23 MHz。

当接收到信号时，对其进行滤波和处理以恢复所需的信号。相关器消除了干扰源，因为它们与所需的信号处理不相关。使用这种方法，多个CDMA呼叫可以同时占用相同的频谱。

帧错误率

传输错误的数量，以帧错误率 (FER) 来衡量。它随着呼叫次数的增加而增加。为了克服这个问题，小蜂窝和移动站点可以增加功率，直到移动站点或小蜂窝站点可以进一步加电以将FER降低到可接受的量。此事件提供来自特定小蜂窝的软限制呼叫，并取决于 -

自然发生的本底噪声和人为干扰。
电话干扰