发信人: fft (快速傅立叶变换), 信区: CRC
标  题: CDMA个人通信的关键技术和实验系统
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年10月17日20:25:57 星期四), 站内信件

CDMA个人通信的关键技术和实验系统

朱近康

  CDMA作为走向21世纪的个人通信的最重要技术之一，被全世界普遍关注和积极研
究开发。本文就已完成的CDMA个人通信的关键技术和实验系统进行介绍，着重讨论
有自己特色和技术创新的CDMA个人通信系统的总体设计、扩频编码、定时同步与扩
频相关处理、RAKE接收、信号功率控制、系统软件设计等关键技术，并给出了证实
关键技术可行性和实用性的实验系统。最后，简要说明进一步的研究开发。

1  前  言

——个人通信的多址通信技术直接影响个人通信的频谱利用率、系统容量、小区结
构、业务能力、设备复杂度和成本，特别是与系统容量大小密切相关。在常见的多
址通信技术中，CDMA（码分多址）通信技术能实现更大的系统容量，并且有抗干扰
、软切换、同频利用、接入方便等优点，CDMA个人通信将成为今后个人通信的主流
和发展方向。

——根据不同的应用环境和使用要求，可构成各种各样的CDMA系统，最典型的是
IS-95 CDMA蜂窝移动通信系统。IS-95涉及的CDMA技术集中体现了近20年来扩频通
信技术的研究开发成果。在此基础上，许多国家、公司和制造商都在研究开发不同
频段的CDMA个人通信系统，使CDMA方式在个人通信和移动通信中的应用日臻成熟。


——国家“863”高技术计划在“八五”期间把通信主题列入信息领域高技术计划
中。个人通信作为通信主题的一个专项，把CDMA个人通信关键技术和系统的研究，
作为“八五”期间个人通信高技术研究的重大课题，完成了参考IS-95标准、具有
创新技术、能演示CDMA个人通信关键技术的实验系统，以推动我国CDMA技术研究和
CDMA个人移动通信的发展，为“九五”期间研制中国的CDMA个人通信实用系统打下
了良好基础。中国科学技术大学联合东南大学、电子科技大学从事这项研究，分两
个阶段进行：第一阶段是1994年度，完成CDMA个人通信关键技术研究。主要成果有
China-CDMA个人通信系统的总体设计，系统定时同步与扩频相关处理技术、扩频编
码信号的设计，系统软件设计技术和编程（以上由中国科学技术大学完成),抗多径
衰落的RAKE接以技术(东南大学完成),信号功率测量与控制技术（电子科技大学完
成)。第二阶段是1995年度，完成能演示CDMA个人通信关键技术的实验系统，包括
1个兼有网络中心基本功能的基站控制器、2个基站、3个实验移动台。在参照
IS-95标准的基础上，对CDMA多路同步正交合成、64-ary扩频调制解调、RAKE接收
、功率控制、软切换软件设计等技术方面作出了有中国自己特色的创新，实现了基
站和移动台的双向语音、数据和信令的无线电通信，具有很好的实用前景。

2  CDMA个人通信的关键技术

——（1）CDMA个人通信系统的总体设计

——“863”个人通信高技术的研究，并不是为我国个人通信系统制定标准，而是
提供技术研究成果。因此，CDMA个人通信系统总体设计着眼于提出符合中国国情的
系统方案、技术参数和技术规范建议。中国人多，但人口密度相差很大；中国经济
在迅速发展，但发展快慢相差很大，沿海快内地慢，城市快农村慢；中国移动通信
市场极大，但对通信形态、通信功能的要求却因经济能力而相差很大；中国不断深
化改革开放，欢迎国际上大企业、大公司在中国搞合资、独资发展通信技术和通信
产品，但中国自己的通信技术和通信产品要与之竞争，实力相差很大；中国政府大
力支持通信技术研究和通信产业发展，但把有大量资金支持，企业和消费者的眼光
更多的看到国外。面对这些国情，要求我们的系统总体设计既要以国际标准和先进
系统作为参考，又要适合中国的不同地区、不同层面和不同市场。蜂窝移动通信是
公众通信，是个人通信的主流，其系统结构如图1(a)所示；无线用户环安装灵活、
成本低，适合中国的广大地区，其系统结构如图1(b)所示；单位、部门由专用通信
和单位的用户交换机是中国通信应用的特有形态，图1(c)是适合这种应用的系统结
构。因此我们提出了满足图1三种系统结构的CDMA个人通信系统的总体设计。其空
间接口、无线通信部分都参考IS-95技术标准，而与交换机的接口，提出3种不同的
技术规范，以适应蜂窝移动通信、无线用户环、无线用户终端的不同应用要求。这
样才能有更大的应用前景，有更多的系统支持，有更大的技术市场。同时，有更大
的经济效益和社会效益。



——在CDMA个人通信系统的总体设计中，有许多基本参数是必须考虑的。本文就工
作频带、信号功率、小区半径、信道配置、系统定时等方面，根据3种系统结构的
不同应用，提出如下建议。

——①工作频带

——国际上通行的800MHz～900MHz频段、1.8GHz～1.9GHz频段、2.2GHz～2.4GHz频
段，都可考虑在CDMA个人通信系统中使用。由于这些频段的大气传播特性、城市传
播特性的不同，80MHz～900 MHz频段适合应用于工作小区较大的蜂窝移动通信系统
。1.8GHz～1.9GHz频段不如800MHz～900 MHz理想，但仍有较好的传播特性，比较
适合较小区、微小区的个人通信系统。我们建议CDMA个人通信系统使用1800MHz～
1825MHz(前向),1875MHz～1900MHz(反向)。2.2GHz～2.4GHz频段的传播特性比较适
合于给定小区，在CDMA无线用户终端系统中应用。

——②信号功率和小区半径

——信号功率按用户移动台的天线发射功率设计，伴随相应的工作小区半径。信号
功率和小区半径设计为以下3种：信号功率(最大)为1W,小区半径(最大)为10km～
15km；信号功率(最大)为500mW,小区半径(最大)为5km～8km；信号功率(最大）为
100mW，小区半径（最大）为2km～3km。

——移动台可以根据系统结构和工作环境作不同的信号功率和小区半径选择，而不
改变其它工作状态。

——③信道配置

——参照IS-95标准，用户移动台设有CDMA的入网信道和业务信道，实际是一个
CDMA物理信道采用不同扩频码的应用形态，对我们提出的3种系统结构的任何一种
都是适用的。但前向信道（基站发往移动台）的配置却可以根据系统结构不同作适
当变动。我们的建议是：对公众服务的蜂窝移动通信系统，应设有CDMA的导引信道
、同步信道、寻呼信道和业务信道。而CDMA无线用户环，可对使用的扩频码稍加处
理，仅用导引信道、寻呼信道和业务信道。而无线用户终端系统，可只设同步信道
和业务信道。

——④系统定时

——IS-95标准的系统定时是采用GPS装入基站系统完成的，这是一个很好的办法。
我们还建议在某些应用环境中，由移动交换中心提供高精度定时信号，在移动交换
中心到基站有线连接传播时延准确给定的情况下，可以获得相当满意的系统定时性
能。

——（2）扩频编码的设计

——CDMA个人通信系统的扩频编码采用3层结构，如图2所示。底层是正交扩频编码
，码长64，提供CDMA信道，不同的正交码作为不同的信道。但是，整个通信系统都
使用这一组正交扩频码。第2层是基站码，也是扩频编码，码长为215-1,不同的基
站使用具有不同相位状态的扩频码。第3层是移动用户码，一个用户一个，各不相
同，它是由相当长的扩频码（240-1～242-1）加上移动用户自身代码复合而成的。
这3层编码中，对通信特性影响最大的是底层正交扩频编码的选取。



——IS-95标准给出的是Walsh正交码，它生成容易，应用方便，但其自相关特性极
不理想，如图3(a)所示，有相当大的自相关旁瓣，且分布不均匀，直接用于扩频通
信中是不利的。我们研究提出的正交Gold序列，同样有Walsh码的完全正交特性，
同时具有相当好的自相关特性，如图3(b)所示，自相关旁瓣小，分布集中，利于扩
频通信的同步捕捉和跟踪稳定。因此，我们建议使用正交Gold序列，并且已在技术
研究和系统开发中实现，能够随时给出瞬时相位状态。





——（3）定时同步与扩频相关处理

——定时同步有两个含义，一是系统定时，又叫全局定时，如前所述。可采用GPS
或移动交换中心时间标准定时。在全局定时的诸多作用中，保证成功进行软切换是
其重要作用之一。由于定时精度要求不低于20 ns，用GPS也不是很容易实现的。其
处理复杂度不比使用移动交换中心时间标准定时简便多少，还受制于人。

——另一是移动台与基站(或系统)的定时同步。移动台要准确置移动用户码相位，
要实现软切换要求的、可同时与2个基站通话。移动台同步定时不准是不行的。这
个定时同步采用扩频相关处理、帧同步和扩频信号相位传送相结合的办法实现。

——扩频相关处理是CDMA通信的核心和关键，现在多采用数字相关处理，而具体怎
么实现却大有文章。常见的有数字匹配相关处理和序列相关积分处理两种。数字匹
配相关处理要预置好扩频接收的整数据周期的编码数据，与输入信号作逐位匹配相
关处理，比较适合给定通信扩频码的情况。而CDMA个人通信系统采用3层编码结构
，用户码、基站码、CDMA信道的正交码都不同，要随时动态分配和自动转换，因此
采用序列相关积分处理技术来实现扩频数字相关处理。我们利用FPGA可编程芯片，
实现了扩频数字相关处理，可由主控CPU控制管理进行不同用户、不同基站、不同
正交码的一体化综合相关解调，也利于今后做专用集成芯片。

——在参照IS-95标准的CDMA个人通信系统研究中，最困难的是反向信道(移动台到
基站)的64-ary扩频调制的解调处理。移动台向基站发送信息，按6bit数据来选取
64个正交扩频码中的一个码传送，6bit数据不同，选取出的扩频码也不同。这就要
求基站的接收端在作扩频解调时，对64个正交码同时作相关处理，相应发送来有正
交码的才有相关输出，其余63个没有输出。这种方法有较高的信息传输速率，有更
好的信息数据调制特性，即Eb/N。大。Eb/N。大，CDMA通信的多址能力就强，系统
容量就高。因此，64-ary扩频技术被视为IS-95的重要技术特征。通常，对64个正
交码，扩频增益为256,每个扩频码元8点取样，作实时相关处理，共有217=131 
072个样点，对QPSK调制信号，每个样点要作4次乘法、6次加法(或减法)，共要作1
 310 720次运算。如果1次运算用0.1μs，则要131ms左右；1次运算用0.01μs(时
钟至少要100MHz），则要13ms左右。而实际系统最多只能提供200μs的运算时间，
否则就不能实时。中国科学技术大学在此项研究中，提出了一种快速相关处理的方
法，用1片FPGA能实时处理64-ary扩频信号，同时完成捕捉、同步和数据解调。技
术模块测试和实验系统运行表明，我们提出并实现的方法是有效的、实用的。

——（4）RAKE接收

——在移动通信中，由于城市建筑物和地形地貌的影响，电波传播必然会出现不同
路径和时延，使接收信号出现起伏和衰落，采用分集合并接收技术是十分有效的抗
多径衰落的方法。CDMA个人通信系统采用时间分集和空间分集两种RAKE接收方法。
基站使用有一定间隔的两组天线，分别接收来自不同方向的信号，独立处理，最后
合并解调。移动台采用时间分集RAKE接收，让接收信号通过相关延迟为D的逐次延
迟相关器，延迟间隔D为扩频码码元宽或大于码元宽，不同的延迟相关输出结果对
应不同路径的信号，选其最大输出的前几个作合并，实现RAKE接收。我们的CDMA系
统扩频码速率为1.25MHz,多径的最小分辨力为0.8μs，也就是最小延迟间隔是0.8
μs。我们采用抽头延迟线，抽头12个信号分别作相关处理，3路选择合并，完成对
最大15μs时延的多径信号分集。东南大学按此办法用FPGA芯片实现了抗多径时延
扩展能力为10μs、抗多普勒及频偏容限为1.5kHz,3径选择最大比合并的RAKE接收
。并仿真分析了它的接收性能。

——(5)信号功率控制CDMA个人通信系统，由于采用扩频序列相关处理，有明显的
多址干扰存在，即远近效应随之产生，必须采用信号功率控制技术，使每个移动台
发射到达本小区基站的信号功率彼此一致，实现稳定、可靠接收。常见的有开环功
率控制、闭环功率控制和外环功率控制。参照IS-95标准，我们研究了开环功率控
制和闭环功率控制两种方法在CDMA个人通信系统中应用。电子科技大学对反向信道
(移动台发往基站)的开环、闭环功率控制技术作了深入研究，并做出了实验模块。
反向功率控制范围为60 dB,最大为80dB,控制精度为1dB。

——中国科学技术大学对前向信道(基站发往移动台)的信号功率控制和多路正交合
成提出了基带数字处理的实现方法，可独立开、闭环控制各路信号最终输出功率，
同时准确完成它们的正交合成。稍作改变也可应用于反向信道。

——（6）系统软件设计

——CDMA个人通信的系统软件除各模块的底层软件（操作运行软件）外，主要是第
2层、第3层软件，它处理呼叫过程、监视过程、登记过程、切换过程、鉴权过程、
保密过程、功率控制过程和认定过程。其中呼叫处理是主控过程，其它过程贯穿其
中，为其服务。本项研究重点完成了移动台、基站的呼叫处理过程，鉴权和保密处
理过程，登记和漫游处理过程，切换处理过程的软件设计、编程、调试和网络运行
。并对软切换处理方法提出了改进建议，它与IS-95标准接口信号一致，但实现处
理技术与之不同。

——改进软切换处理方法目的是减少从一个小区到另一个小区稳定工作的切换次数
和切换延迟时间。本方法根据发生切换概率、MS与BS的通信概率、切换的平均时间
、差值门限为主要参数建立软切换数学模型；对相邻小区基站间接收数据段不按均
匀等分面按非线性划分；接收信号的平均处理使用信干比参数；并充分利用基站的
广播特性和有关参数，实现稳定可靠的软切换过程。

3  CDMA个人通信实验系统

——CDMA个人通信实验系统如图4所示。基站控制器兼作网络中心功能，提供信令
和数据交换、定时、用户登记和鉴权、对基站和移动台进行控制和管理等功能。基
站（2个）与基站控制器有线联接，提供导引信道、同步信道、寻呼信道和业务信
道。同时接收入网信道和反向业务信道的信号。实验移动台3个，可装入手提密码
箱，提供语音和数据通信服务。实验工作频率为：前向信道817MHz±1.25MHz,反向
信道868MHz±1.25MHz,第1中频69.8304MHz,第2中频9.8304MHz，采用8bit/s的语音
编码速率，发射功率（最大）18dBmW。该实验系统于1996年4月12日在北京通过了
“863”通信主题专家组的验收，并参加了“863”高技术计划10周年成果展览。



——已经完成的CDMA个人通信实验系统，在基本功能方面充分反映了对CDMA个人通
信关键技术的掌握、突破和创新。实验系统充分反映了现代CDMA个人通信系统技术
特点：CDMA多路正交同步合成技术(即现在常说的S-CDMA)、M-ary扩频调制解调技
术、RAKE接收技术、功率控制技术、软切换技术。实验系统的运行证明了我们研究
的CDMA个人通信关键技术成果是有效的、实用的。

4  CDMA个人通信技术的新发展

——已经完成的CDMA个人通信技术和实验系统是基于语音通信的系统，同时兼顾低
速数据通信。随着社会信息化的发展和信息高速公路计划的实施，人们会越来越强
烈地希望能实现无线多媒体通信、移动多媒体通信、宽带高速无线通信。在“九五
”期间，我们在积极研究开发基于语音通信的CDMA个人通信实用系统的同时，将逐
渐把研究重点放在CDMA无线多媒体通信上，它的主要技术要点是：传送信息数据速
率达144kbit/s、384kbit/s、2Mbit/s甚至6Mbit/s；有语音、数据、图像多种业务
接口，统一个人用户编号，实现无线多媒体通信采用用户业务请求的可变数据速率
的CDMA调制解调方式，支持不同业务需求；兼容网络接口模，可实现ISDN和
Internet的无线接入。它的研究成功，将构成CDMA宽带高速个人通信系统，迎接
21世纪的到来！

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     乔峰一怔，回头过来，只见山坡旁一株花树之下，一上少女倚树而立，身穿淡红衫
子，嘴角边带着微笑，正是阿朱。

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