CDMA信道编码及结构解析

北京市电信计划设计院王珏

【概述】本文以cdma两个关键技术——码分技术和多址技术为基础,图文并茂介绍了cdma(IS95和1x)技术信道编码和信道结构。信道编码技术包含沃尔什码（WalshCode）、长短PN码（伪随机噪声序列）。信道结构包含IS-95和1x中前反向信道结构,和它们间异同。

【关键词】cdma、码分多址、扩频增益（SpreadSpectrumGain）、信道编码（CodingChannel）、沃尔什码（WalshCode）、伪随机噪声序列（PN码）、长PN码、短PN码、码分调制、前向信道（ForwardChannel）、反向信道（ReverseChannel）。

【正文】

共增用户数3400 多万。截至2月, 中国联通在CDMA用户已达万用户, 成为全球第二大 伴随亚太地域等新兴市场潜力被大力开发,CDMA 进入了高速发展期,在一年中, 全球
cdma 技术上优势使其成为移动数据通信首选,立即到来第三代移动通信（3G）技
术全部是基于cdma技术。 cdma,即码分多址包含两个基础技术:一个是码分技术,
其基础是扩频通信;另一个是多址技术。将这两个基础技术结合在一起,并吸收其它部分
关键技术,形成了今天码分多址移动通信系统技术支撑。本文将从这两个关键技术入手介
绍cdma信道编码及前反向信道结构。

1扩频增益

扩频调制是一个无线通信技术。她所用传送频带比任何用户信息频带和数据速率全部大很多倍。用W表示传送带宽（单位为Hz）,用R 表示数据速率（单位为bit/s）,W/R 被称为扩展系数或处理增益。W/R 值通常能够在一百到一百万范围（20db—60db）

1.1仙农容量公式（Shannon’scapacityequation）

C=Blog2[1+ S/N]

其中:B为传送带宽（单位为Hz）;

C为信道容量（单位为bit/s）;

S/N为信号噪声功率比。

1.2CDMA扩频增益

传统通信系统通常压缩信号速率至尽可能小带宽信道进行传送,cdma 系统则采取宽带

信道传送信号,以取得处理增益,提升信道容量,图1所表示。依据仙农公式,增加信道带

宽能够换取更高信道容量或是更低信噪比,以提升收发双方通信可靠性。

cdma扩频增益:

当一个用户以9600bps速率进行语音通信时, cdma信道带宽是1,228,800hz, 处理增益

为1,228,800hz/9600= 128 = 21 db。以此推算, 每当用户数增加一倍,信道处理增益下

降3db,当用户数达成32个时,信噪比靠近底线,达成单扇区容量极限。实际上,cdma 系统

对单载波单扇区通话用户数进行了,以确保系统处理增益能够保持在理想水平。

发信者把需传送低速数据和一组快速扩频序列合成后经过发射机发射出去,接收者从

空中借口截取信息流后,用同一快速扩频序列进行解扩频,从而得到原始信息。

2cdma信道编码

cdma系统经过码片（chip）来传输信号（signal）,通常每一比特信息要占用多个码

片。全部用户共用cdma信道资源,每个用户拥有自己唯一码型以区分于其它用户,用户使

用自己码型（codepattern）和一长组码片进行合成处理,从中恢复出传给自己信息,而其

它用户信息则被丢弃,确保了多用户通信安全性。

2.1cdma 扩频序列

列很轻易在收发双方间生成和合成,而不会花费过多处理资源,图2。

沃尔什序列广泛应用于cdma系统中。沃尔什函数是相互正交（MutualOrthogonality）,以确保用户信号也是相互正交。所以对于前向链路,cdma 系统是一个正交扩频系统,沃尔什序列能够消除或抑制多址干扰（MAI）。理论上,假如在多址信道中信号是相互正交,那么多址干扰能够降低至零。然而实际上因为多径信号和来自其它小区信号和所需信号是不一样时,共信道干扰不会为零。异步抵达延迟和衰减多径信号和同时抵达原始信号不是完全正交,这些信号就带来了干扰。来自其它小区信号也不是同时或正交,这也会造成干扰发生。

沃尔什序列在前向链路中用于复用目标,用来区分信道;在反向链路中,沃尔什码仅用作正交调制码。

阶沃尔什码池如表1:

cdma系统中,伪随机序列（PN）用于数据加扰和扩谱调制。在传送数据之前,把数据序列转化成“随机”,类似于噪声形式,从而实现数据加扰。接收机再用PN码把被加扰序列恢复成原始数据序列。

需要指出是,假如发送数据序列经过完全随机性加扰,接收机就无法恢复原始序列。换句话说,假如接收机知道怎样恢复原始数据,发送数据序列就不可能完全随机化。所以,在实际cdma系统中使用是一个足够随机序列,首先这个随机序列对非目标接收机是不可识别,其次目标接收机能够识别而且很轻易同时产生这个随机序列。所以把这种序列成为伪

能够使用线性反馈移位寄存器（LFSR）生成这么二进制序列,图3。

1、伪随机序列特征:

1）本身完全相关

2）移位近似正交

2、长PN码生成方法

PN 码生成方法不一样于沃尔什码,需要更复杂计算, 以实现信息传输安全性。以下图

所表示, 不一样手机和基站信道单元全部有一个长码生成器。其中长码状态寄存器（LCSR）

保持和系统时间同时,掩码寄存器（MR）存有只有用户可识别码型。长码状态寄存器（LCSR）每个脉冲周期转变一次状态。状态寄存器（LCSR）和掩码寄存器（MR）合并至加和寄存器（SUMMER）,SUMMER寄存器数字单元在每个时钟周期内进行模2和计算,逐比特生成长码。生成移位长码是由用户唯一偏制（User’sOffset）码型所决定,加扰后其它用户将无法解调此用户信息。图6。

通常在公共业务信道中,移动台用自己电子序列号（ESNs）和系统公共长掩码（PublicLongCodeMask）共同生成可识别长PN码偏置（Offset）。其中移动台ESN代码是区分于其它移动用户有效方法。经典情况下业务信道使用公共长掩码（PublicLong Code Mask）来生成长PN码偏置（Offset）,生成过程图7。

业务信道以外,移动台还经过接入信道（AccessChannel）向基站发送注册和呼叫建立消息。和公用业务信道相同,移动台也生成自己接入信道长掩码（ACLongCodeMask）,包含接入信道、基站ID、导频偏置等消息。 基站经过寻呼信道向周围移动台发送这些参数和消息。接入信道长码生成图8。

cdma 系统中短PN码由两组PN序列——I序列和Q序列正交生成。I序列和Q序列两组PN码是由15阶移位寄存器产生M序列,而且每个周期在PN序列特定位置插入一个码片,从而加长了一个码片。所以修正后短PN码周期是一般序列长度215-1=32767再加一个码片,也就是32768个码片。不一样基站用同向（I）和正交（Q）PN码序列不一样偏置θi进行区分。每个偏置是码片整数倍,
总共有32768/=512个可能偏置。在1.2288Mcps速率上,I 路和Q路序列每26.66ms反复一次,即每两秒75次。IS-95系统短PN码生成过程图9。

cdma1x系统短PN码生成过程图10。

3cdma前反向信道

3.1IS-95及cdma1x系统前方向信道组成

IS-95 前向信道, 图11:
短PN 码偏置用于区分基站扇区;

每个信道由用户唯一指定长码进行调制,达成数据加扰目标;

前向信道数量由沃尔什码、基站发射功率和物理信道单元数量共同决定,前向信道数

量取决于其中较小那组数量。

3.1.2IS-95cdma系统反向信道组成

IS-95反向信道,图12:

每个移动台生成自己唯一长PN码偏置;
每个移动台用0偏置短PN 码对信道进行QPSK调制;

移动台用自己唯一电子序列码（ESN）生成长PN码偏置,共能够产生232种偏置可能,

所以反向信道受限关键决定于信道信噪比（S/N）。

3.1.3cdma1x系统前向信道组成

-1x 前向信道, 图13:

不一样长度沃尔什码对信道进行调制,使信道满足不一样速率要求;

短PN码仍然用于区分不一样扇区;

每个信道仍然用用户唯一可识别长PN码进行加扰。

同IS-95一样,前向信道数量由沃尔什码、基站发射功率和物理信道单元数量共同决

定,前向信道数量取决于其中较小那组数量。

-1x 反向信道, 图14:
每个移动台有自己唯一长PN码;

移动台用沃尔什码区分反向信道;

移动台用0偏置短PN码对信道进行QPSK调制;

同IS-95一样,反向信道受限关键决定于信道信噪比（S/N）。

经过上述编码调制过程,cdma 系统前反向信道能够公用同一时隙统一频段,大大增加

系统资源利用率和系统容量,同时也为宽带移动数据通信奠定了良好基础。