1.7 CDMA系统的关键技术
1.7.1 功率控制
1）功率控制目的
（1）由于CDMA是干扰受限系统，通过控制降低干扰就可以增加信噪比，提高小区内的用户容量。
在CDMA系统中，由于所有的用户均使用相同的频段，用户间仅靠地址扩频码的互相关特性加以区分。如果用户间的互相关特性不为零，则用户间就存在着干扰，这种干扰称为多址干扰。CDMA系统是干扰受限系统，即干扰的大小直接影响着系统的容量。因此有效地克服和抑制多址干扰就成为CDMA系统中要解决的重要问题。
（2）功率控制可以有效地克服由于用户随机移动性引起的“远近”效应和“角落”效应。
由于各用户距基站的远近不同，在上行链路中，如果保持小区内所有用户的发射功率相同，那么，在基站接收到的各用户的功率将会不同，近距离用户的强信号将干扰远距离用户的弱信号，这将会产生所谓的“远近”效应。
在下行链路中，当移动台位于相邻小区的交界处，收到所属基站的有用信号功率很低，同时还会受到相邻小区基站较强的干扰，这就是所谓的“角落”效应。
（3）功率控制可以有效地克服由于电波传播的“阴影”效应而产生的慢衰落。
电波传播中，由于大型建筑物的阻挡，形成“阴影”效应产生慢衰落。
2）功率控制的分类
按照控制对象分为前向功控和反向功控。
（1）前向功控。前向功控是指下行链路的功率控制，受控对象是基站的发射功率，通过调整基站的发射功率，使所有的移动台收到的信号功率基本相等。前向功控可使基站平均发射功率最小，不仅能减小相邻小区的干扰，还可以克服“角落”效应。
如果基站采用同步CDMA，且选用完全正交扩频码，在理想情况下，基站发射给每一个移动台的扩频信号完全正交，则移动台间的干扰就不存在。因此，在单小区同步码分时，前向功控可以不予考虑，但是在实际的多径衰落信道中，理想同步是达不到的，特别是在多小区情况下，前向功控是有必要的，但是其作用远不如反向功控。
（2）反向功控。反向功控是指上行链路的功率控制，受控对象是移动台的发射功率，通过调整移动台的发射功率，使基站收到的所有移动台发送到基站的信号功率基本相等。
反向功控使各用户之间的干扰最小，并能达到克服“远近”效应的目的，反向功控使系统达到最大容量（这是由于CDMA是干扰受限系统，干扰小，容量就大）。
反向功控可使每个移动台的发射功率最合理，以节省能量，延长移动台电池的使用寿命。
3）反向功控的实现
（1）反向开环功率控制。开环功控是功率控制中的粗控制，根据接收到的信号功率，移动台对需要的发射功率做出粗略的初始判断。移动台的根据下行链路接收到的信号质量，估计信道的衰耗大小。当收到信号较强时，衰耗较小，表明移动台距离基站较近，移动台的发射功率可以较小；当收到信号较弱时，衰耗较大，表明移动台距离基站较远，移动台的发射功率可以较大。
开环功控的依据是建立在上下行链路的衰耗基本相等，然而，对于CDMA这样的FDD系统，上下行链路占用的频段要相差45MHz，远远大于信号的相关带宽。因此上行链路和下行链路的信号快衰落是完全独立和不相关的。但是对于决定“阴影”效应的功率慢衰落而言，这类信道的不对称性的影响相对小一些，功控主要是针对慢衰落的，所以开环功控在实际中仍在采用，但是它的控制精度受到信道不对称的影响，只能起到粗控制的作用。
（2）反向闭环功率控制。闭环功控一般是指基站根据在上行链路上收到的移动台信号的强弱，产生功率控制命令。再由基站通过前向链路将基站的功控命令传送到各个移动台，移动台根据此命令在开环选择发射功率的基础上，上升或下降一个固定的值，以保持基站接收到的SIR（信噪比）基本相等。
反向闭环功控正又分为内环和外环两部分。
①内环功控。内环功控是基站接收移动台的信号后，根据收到的SIR收与标准的SIR标进行比较，如果SIR收>SIR标向移动台发送“降低发射功率”的功率控制指令；否则发送“增加发射功率”的指令。
在实际的功率控制中，由于SIR的值不容易确定，所以都是根据接收到的移动台的误帧率FER来进行间接判定的，在每一帧信息中加入CRC（循环冗余校验码）校验的目的就是为了测量误帧率FER。
结论：内环功控根据外环功控获得的SIRtarget，与实际收到的SIR收比较，如果SIR收>SIRtarget=SIR标，则降低移动台的发射功率；反之则提高。
②外环功控。在内环功控中，提到了标准的信噪比SIR标，该值是如何获得的呢？该值就是通过外环功控获得的，此值为闭环功控的门限阈值。
前面提到，直接获得SIR是困难的，需要通过获得误帧率FER间接获得信噪比SIR。
为了保持FER的稳定，采用外环功控。通过比较测量到的FER和所使用的业务类型要求的FER（用FERtarget来表示），来改变内环功控的SIRtarget。这里所说的SIRtarget就是SIR标。即：SIRtarget=SIR标。
结论：外环功控通过测量收到的FER，并与实际业务类型需要的FER（用FERtarget来表示）进行比较，来获得内环功控的FERtarget。
闭环功控的主要优点是控制精度高，可以起到实际功控系统中的精控作用，所以是实际系统中常采用的主要精控手段如图1-12所示。
图1-12 反向闭环功率控制
4）前向功率控制的实现
CDMA系统的实际应用表明，系统的容量并不仅仅是取决于反向容量，往往还受限于前向链路的容量。这就对前向链路的功率控制提出了更高的要求。
前向功率控制就是实现合理分配前向业务信道功率，在保证通信质量的前提下，使其对相邻基站/扇区产生的干扰最小，也就是使前向信道的发射功率在满足移动台解调最小需求信噪比的情况下尽可能小。通过调整，既能维持基站与位于小区边缘的移动台之间的通信，又能在较好的通信传输特性时最大限度地降低前向发射功率，减少对相邻小区的干扰，增加前向链路的相对容量。
前向功率控制分为前向外环功率控制和前向闭环功率控制。在外环使能的情况下，两种功率控制机制共同起作用，达到前向快速功率控制的目标。前向快速功率控制虽然发生作用的点是在基站侧，但是进行功率控制的外环参数和功率控制比特都是移动台检测前向链路的信号质量得出输出结果，并把最后的结果通过反向导频信道上的功率控制子信道传给基站。原理图如图1-13所示。
图1-13 前向快速功率控制原理
1.7.2 软切换
当移动台从一个基站的覆盖范围移动到另外一个基站的覆盖范围，通过切换移动台保持与基站的通信。
在CDMA系统中，相邻小区用不同的码序列区分，频率配置可以完全相同。所以当移动台需要跟一个新的基站通信时，并不先中断与原基站的联系，而是先建立与新基站的连接，当确认原基站信号不能通信时再中断与其连接。这种先通新基站后断原基站，在切换进行的短时间内移动台与多基站同时保持联系的方式叫做软切换。
软切换是CDMA移动通信系统所特有的。GSM系统所进行的都是硬切换（因为其相邻小区用不同的频率区分），即先中断与原基站的联系，再在一指定时间内与新基站取得联系。
（1）软切换有以下几种方式
①同一BTS内相同载频不同扇区之间的切换，也就是通常说的更软切换；在基站收发机（BTS）侧，不同扇区天线的接收信号对基站来说就相当于不同的多径分量，由RAKE接收机进行合并后送至BSC，作为此基站的语音帧。而软切换是由BSC完成的，将来自不同基站的信号都送至选择器，由选择器选择最好的一路，再进行话音编解码。
②同一BSC内不同BTS之间相同载频的切换。
③同一MSC内，不同BSC之间相同载频的切换。
（2）软切换的优点。GSM系统所进行的都是硬切换，当硬切换发生时，因为原基站与新基站的载波频率不同，移动台必须在接收新基站的信号之前，中断与原基站的通信，往往由于在与原基站链路切断后，移动台不能立即得到与新基站之间的链路，因此会中断通信。另外，当硬切换区域面积狭窄时，会出现新基站与原基站之间来回切换的“乒乓效应”，影响业务信道的传输。在CDMA系统中提出的软切换技术，与硬切换技术相比，具有以下更好的优点。
①软切换发生时，移动台只有在取得了与新基站的链路之后，才会中断与原基站的联系，通信中断的概率大大降低。
②软切换进行过程中，移动台和基站均采用了分集接收的技术，有抵抗衰落的能力，不用过多增加移动台的发射功率；同时，基站宏分集接收保证在参与软切换的基站中，只需要有一个基站能正确接收移动台的信号就可以进行正常的通信，由于通过反向功率控制，可以使移动台的发射功率降至最小，这进一步降低移动台对其他用户的干扰，增加了系统反向容量。
③进入软切换区域的移动台即使不能立即得到与新基站通信的链路，也可以进入切换等待的排队队列，从而减少了系统的阻塞率。
软切换示意图如图1-14所示。
图1-14 软切换示意图
（3）在CDMA中也有硬切换。硬切换是在呼叫过程中，移动台先中断与原基站的通信，再与目标基站取得联系，发生在分配不同频率或者不同的帧偏置的CDMA信道之间的切换。在呼叫过程中，根据候选导频强度测量报告和门限值的设置，基站可能指示移动台进行硬切换。硬切换可以发生在相邻的基站集之间，不同的频率配置之间，或是不同的帧偏置之间。可以在同一个小区的不同载波之间，也可以在不同小区的不同载波之间。在CDMA系统中，有以下几种发生硬切换的情况。
①不同的频率间的硬切换；
②同一设备商、同一频率间的硬切换；
③不同设备商间的硬切换；
④不同的设备商，同一个频率上同一系统中的硬切换。
1.7.3 RAKE接收
如图1-15所示，RAKE接收机的基本原理是利用了空间分集技术。发射机发出的扩频信号，在传输过程中受到建筑物、山岗等各种障碍物的反射和折射，到达接收机时每个波束具有不同的延迟，形成多径信号。如果不同路径信号的延迟超过一个伪码的码片的时延，则在接收端可将不同的波束区别开来。将这些不同波束分别经过不同的延迟线，对齐以及合并在一起，则可达到变害为利，把原来是干扰的信号变成有用信号组合在一起。
图1-15 RAKE接收机原理示意图
RAKE接收机由搜索器、单径接收电路、合并器3个模块组成。
搜索器完成路径搜索，主要原理是利用码的自相关及互相关特性。
单径接收电路完成信号的解扩、解调。解调器的个数决定了解调的路径数，通常一个RAKE接收机由4个单径接收电路组成，移动台由3个单径接收电路组成。
合并器完成多个解调器输出的信号的合并处理，通用的合并算法有选择式相加合并、等增益合并、最大比合并3种。合并后的信号输出到译码单元，进行信道译码处理。