CDMA 原理簡介

1. CDMA 原理簡介

2. outline • CDMA Introduction • CDMA Principles • CDMA Implement : IS-95 • CDMA Standard • CDMA vs. GSM • CDMA Reference • CDMA Appendixes

3. CDMA Introduction – The acronym • CDMA = Code Division Multiple Access 分碼多重存取式 • CDMA稱為展頻系統，頻展頻系統將傳輸資訊(通常是語音)所需的頻寬展開至非常寬的無線電波並由空中介面傳輸。藉由將無線電波展開至極寬頻，可讓同頻或是鄰頻使用者所造成的干擾減至最低 • CDMA藉由指定不同的手機使用不同代碼的方式，允許多個使用者在同一時間使用同一個頻道

4. CDMA Introduction – The History • 1985 ITU-FPLMTS(Future Public Land Mobile Telecommunications Systems) 成立 • 1991 Qualcomm 發表一套CDMA系統測試結果，是當時AMPS的十倍容量 • 1993 IS-95 標準正式製定 • 1994 FPLMTS 改名IMT-2000 • 1997 IS-95B 標準完成

5. CDMA Introduction – The development group • CDG : CDMA Development Group CDMA發展組織 • TIA : Telecommunication Industry Association 電信產業公會 • ETSI : European Telecommunication Standards Institute 歐洲電信標準協會 • Tl.Pl : Telecommunication Olanning Grolup 電信規劃組織

6. CDMA Introduction –架構圖

7. CDMA Principles – 一個好的比喻 1/3 • 在室內一群參加宴會的人們 - TDMA

8. CDMA Principles – 一個好的比喻 2/3 • 在室內一群參加宴會的人們 – FDMA

9. CDMA Principles – 一個好的比喻 3/3 • 在室內一群參加宴會的人們 - CDMA

10. CDMA Principles – TDMA FDMA CDMA 比較圖

11. CDMA Principles –關鍵技術 • Coded channels 編碼頻道 • Spread spectrum 展頻 • Power control 功率控制 • Soft Hand-Off 軟切換

12. CDMA Principles –關鍵技術 – Uplink 簡圖

13. CDMA Principles –關鍵技術 - Walsh Code • Orthogonal Code 正交碼 • 不同碼之間完全沒有相關 • 每個碼相加之後並不會干擾到另一個正交碼 • 或稱華氏碼(WC,Walsh Code) • CDMA使用64個正交的Walsh Code

14. CDMA Principles –關鍵技術 - PN Code 短碼 • PN 短碼長度 2^15=32768 位元 • CDMA指定512個PN偏移，也就是PN偏移碼有64個位元 512*64=32768。 • 手機由PN碼的偏移，來找到服務的基地台 • 用來分隔基地台和基地台的之間的區分 • 每個基地台和行動台都知道的標準

15. CDMA Principles –關鍵技術 - PN Code 長碼 • 長度 2^42=4400 billion(十億) • 用來將編碼過的資料展頻 12288 位元/秒 • 長碼由行動台的電子序號所罩遮 • 使用前，必先確定行動台和基地台已經同步 • 使用長碼PN產生器所產生

16. CDMA Principles –關鍵技術 – 頻道編碼 • Channel vs. Carrier FDMA : One carrier has one channel CDMA : One carrier has several channels • 一個載波頻率被分成64個華氏碼頻道 • 是以華氏碼來分，而不是以頻率或時間來分，所以任一個華氏碼頻道有全部的頻寬1.25MHz • 1.25 MHz 是IS-95的標準

17. CDMA Principles –正交編碼範例

18. CDMA Principles – DownLink CDMA Channel

19. CDMA Principles – UpLink CDMA Channel

20. CDMA Principles – 展頻技術 1/3 • 9.6 kb/s -> 1.2288 Mb/s – CDMA標準 • x(t) = data signal • c(t) = spreading signal • m(t) = message signal

21. CDMA Principles – 展頻技術 2/3

22. CDMA Principles – 展頻技術 3/3 • 隱蔽性好 : 由於展頻信號在很寬的頻帶上被展寬了，單位頻寬內的功率就很小。 • 安全性高 : 雙方必須先同步其PN Code才可解碼。 • 減少干擾 : 因使用正交編碼，所以無同頻干擾，並且可以增加用戶的容量。

23. CDMA Principles – 關鍵技術 – 功率控制 • CDMA對功率的依賴 • 確保所有行動台送到基地台的功率相同 • 每一行動台的功率被控制在可接受的最低限度 • 功率正規化的動作幫助提高系統容量

24. CDMA Principles – 關鍵技術 – 軟切換 • 先與新的基地台接續好後再中斷原基地台的通訊

25. CDMA Principles –基地台容量 • 在CDMA系統中，用戶數的增加相當於背景雜訊的增加，造成話音質量的下降。但對用戶數並無限制，操作者可在容量和話音質量之間折衷考慮。 • SNR(訊號雜訊比)=處理增益-10*log信號數目 • 處理增益 = 10*log (展頻後頻寬/訊號頻寬) 處理增益 = 10*log (1228800/9600) = 21 dB • 在Qualcomm的系統中，SNR必須大於7～8dB，所以通道容量大約是二十個相同強度的信號。

26. CDMA Principles –細胞結構 GSM Cell CDMA Cell

27. CDMA Implement : IS-95800 MHz 的CDMA • 維持一個上下鏈分開為45MHz頻段的頻率，移動台傳送的頻率是824-849MHz，基地台傳送的頻率是869-894MHz。

28. CDMA Implement : IS-95 1900 MHz 的CDMA • 維持一個上下鏈分開為80MHz頻段的頻率，移動台傳送的頻率是1850-1909MHz，基地台傳送的頻率是1930-1989MHz。

29. CDMA Implement : IS-95 CDMA 重要縮語 • FTC = Forward Traffic Channel 順向話務頻道 cell -> mobile • PC = Pilot Channel 領航頻道 cell -> mobile • SC = Sync Channel 同步頻道 cell -> mobile • PgC = Paging Channel 呼叫頻道 cell -> mobile • RTC = Reverse Traffic Channel 逆向話務頻道 mobile -> cell • AC = Access Channel 存取頻道 mobile -> cell

30. CDMA Implement : IS-95行動台狀態

31. CDMA Implement : IS-95初始化 • 得到系統資訊 • 開機時執行 • 行動台藉由調整PN短碼來找目前環境最強的領航頻道 • 一旦找到了，行動台切換到華氏碼1，即切換到同步頻道 • 利用同步頻道與基地台做時間同步

32. CDMA Implement : IS-95閒置 • 監視目前CDMA頻道的品質 • 必要時進入睡眠狀態節省電力

33. CDMA Implement : IS-95 存取狀態 • 行動台送出訊息回應基地台送出的引導訊息，註冊訊息和撥接電話 • 行動台藉由增加存取訊號的功率來嘗試存取系統 • 行動台監視PgC頻道 • 當接收到PgC的回應表示獲得系統的存取允許

34. CDMA Implement : IS-95 通訊狀態 • 當行動台和基地台之間開始傳送使用者資訊時，稱為通訊狀態 • 得到指派的話務頻道 • 切換到指派的話務頻道 • 行動台發話

35. CDMA Implement : IS-95 行動台發話的步驟 • 在AC向系統送出存取訊息 • 進入認證 • 基地台在FTC指定WC給行動台 • 行動台在RTC指定PN長碼給行動台 • 切換至指派的話務頻道 • 調整行動台組態 • 開始通話

36. CDMA Standard – IS-95 • IS-95 規格 : 資料傳輸率 9.6 kb/s Chip Rate 1.2288 Mchips/s 頻道寬度 1.25MHz

37. CDMA Standard – W-CDMA • W-CDMA = Wideband CDMA • 歐洲和日本共同提出 • 能夠架設在現有的GSM網路上 • Chip Rate = 4.096 Mchips/s 。

38. CDMA Standard – CDMA-2000 • CDMA開發組織（CDG，CDMA Development Group）所發展出來。 • CDMA-2000特別強調與IS-95的相容性。 • Chip Rate = 3.6864 Mchips/s ，正是IS-95 Chip Rate 1.2288 Mchips/s的三倍

39. CDMA vs. GSM 1/3 • 通訊品質，CDMA比GSM好。雖然兩者都是數位化系統，但因CDMA抗干擾特性，空中傳輸過程訊號損失少。 • 塞車、斷訊問題，CDMA比GSM來得少。CDMA的每一個基地台容量大約是GSM的三倍。 • 基地台涵蓋範圍，CDMA比GSM來得大。在涵蓋相同面積下，CDMA所需的基地台數比GSM所需的基地台數少。

40. CDMA vs. GSM 2/3 • 加值功能，相差不多。GSM系統可以提供的加值服務如語音、簡訊、數據、來話顯示、三方通話等，CDMA系統都能做得到。 • CDMA漫遊國比較少。目前使用CDMA系統的只有美、韓、日，不像GSM多達二百多個區域使用該項系統，就國際使用便利性來說，GSM比CDMA較能廣為使用。

41. CDMA vs. GSM 3/3 • ＣＤＭＡ系統的發射功率非常小，最大只有0.2mW瓦，正常通話時僅需0.1mW，即使與一隻普通燈泡相比，也僅相當於十萬分之一以下， 而GSM手機的最大發射功率為2W，也因此CDMA手機待機與通話時間較長。 註 : 無線市話的手機最大的發射功率為 0.2W。

42. CDMA Reference • http://www.cdg.org/ CDG網站 • http://www.3g-generation.com/index.htm 3G技術 • http://www.cdmaonline.com/ CDMA-Online

43. CDMA Appendixes - O-QPSK • Offset Quadrature Phase Shift Keying • Offset modulation was chosen in an effort to reduce the envelop modulation of the RF signal and reducing performance requirements on the power amplifiers in the subscriber station.

44. CDMA Appendixes - 跳頻展頻 1/2 • 跳頻展頻在同步且同時的情況下，發射與接收兩端以特定型式的窄頻電波來傳送訊號，為了避免在一特定頻段受其他雜訊干擾，收發兩端傳送資料經過一段極短的時間後，便同時切換到另一個頻段，由於不斷的切換頻段，因此較能減少在一個特定頻道受到的干擾，也不容易被竊聽。跳頻展頻所展開的訊號，可依特別設計來規避雜訊或重覆的頻道。

45. CDMA Appendixes - 跳頻展頻 2/2 • 跳頻訊號必須遵守FCC（Federal Communications Commission）的要求，使用75個以上的跳頻訊號，且跳頻至下一個頻率的最大時間間隔為400ms，在802.11中最大時間間隔通常定為250ms，也就是每秒跳頻4次。

46. CDMA Appendixes - 直序展頻 • 直序展頻是將原來1個位元的訊號，利用10個以上的位元空間來表示，使得原來高功率 、窄頻率的訊號，變成低功率、寬頻率。原先一個位元，展頻後用多少個位元來代表，這個數目稱為Spreading Ration，這個值越高 ，用能夠抵抗雜訊干擾，不過Spreading Ration越低，則可以增加使用人數。IEEE 802.11的標準的Spreading Ration為11。

47. CDMA Appendixes - 跳頻展頻 vs.直序展頻 • 跳頻展頻的優點在於成本較低 • 直序展頻傳輸距離較遠 • 跳頻展頻可用在低功率的短距離傳輸，如Bluetooth與HomeRF；應用在無線區域網路上，則多半用在倉儲、醫院等特定用途的場所。 • 直序展頻一般是用在辦公室 ，或者是利用指向性天線作為建築之間較長距離的傳輸之用。