CDMA_OFDM調(diào)制及多模式通信

摘要: 描述了CDMA_OFDM 調(diào)制及多模式通信原理， 對(duì)其工作特點(diǎn)進(jìn)行了分析， 并就CDMA 和O FDM 兩種調(diào)制方式各自的工作原理和工作方式進(jìn)行了分析比較。 在此基礎(chǔ)上， 專門就CDMA 和OFDM 兩種調(diào)制方式的組合與實(shí)現(xiàn)和無(wú)線局域網(wǎng)及移動(dòng)網(wǎng)互連的多模式通信進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞: CDMA_OFDM；多模式通信；WLAN；移動(dòng)網(wǎng)
引　　言
CDMA (碼分多路) 和O FDM (正交頻分多路復(fù)用) 都曾經(jīng)是美國(guó)軍方在戰(zhàn)場(chǎng)上使用的通信技術(shù)， 從20 世紀(jì)90 年代初起， 開(kāi)始被引入民用領(lǐng)域并得到迅速而又長(zhǎng)足的發(fā)展。 其中最典型的代表有: 以CDMA 制式為基礎(chǔ)的第2 代以及第3 代(幾年后， 即將面市應(yīng)用) 的手機(jī); 而O FDM 已經(jīng)在無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN ) 上得到廣泛應(yīng)用， 并且在第4 代面向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)視頻高速通信的手機(jī)研究開(kāi)發(fā)中，O FDM 技術(shù)也成為最熱門的關(guān)鍵技術(shù)。
CDMA -OFDM 組合調(diào)制， 2001 年10 月臺(tái)灣東華大學(xué)的楊慶隆博士曾撰文提出并在理論上分析論述過(guò)， 但是他僅僅論述了多載波的CDMA ，沒(méi)有提到多模式的調(diào)制和通信; 在國(guó)際4G 手機(jī)的多次研究討論會(huì)上盡管也提出了O FDM 與CDMA 兼容的問(wèn)題， 但是未提出具體方案和設(shè)計(jì)思想。 文中所提出的， 是這2 種技術(shù)相結(jié)合的一種調(diào)制技術(shù)， 以及如何靈活實(shí)現(xiàn)多模式的兼容通信。討論這種新技術(shù)之前， 先分析一下CDMA 及OFDM 兩者各自的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)。

CDMA 與OFDM的特點(diǎn)和比較
CDMA 是基于PN 碼(偽隨機(jī)噪聲) 的擴(kuò)頻通信， 由于信號(hào)頻譜的擴(kuò)展， 因此在通信中， 信號(hào)的傳輸功率很小， 不易干擾別的設(shè)備， 而且不易被截獲， 具有良好的保密性， 同時(shí)由于擴(kuò)展了頻譜， 因此抗頻率選擇性衰落能力強(qiáng)， 抗多譜勒頻移能力強(qiáng)， 當(dāng)然， 由于PN 碼的尖銳自相關(guān)特性能消除多徑影響， 因而抗多徑干擾的能力強(qiáng)， 加上CDMA 又普遍采用了RA KE 分集接收技術(shù)， 更增強(qiáng)了抗多徑干擾和抗衰落能力。
CDMA 由于采用了同頻發(fā)射接收， 用PN 碼作地址碼實(shí)現(xiàn)多路通信， 因此在給定的帶寬下，CDMA 系統(tǒng)容量取決于PN 碼的設(shè)計(jì)及碼域范圍， 這也使得CDMA 難以適應(yīng)高速(> 10M bˆs)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)視頻通信。此外，直擴(kuò)(DS) 的CDMA 遠(yuǎn)近特性不好， 需要雙向多環(huán)的精密的功率控制。
OFDM 是采用正交頻分的多路技術(shù)， 由于它可直接用DFT 和IDFT (離散傅里葉正變換和反變換) 實(shí)現(xiàn)， 故易于用計(jì)算機(jī)處理信號(hào)。 而且， 又因?yàn)檫@N 個(gè)正交的子載波頻譜可以重疊，從而可大大提高頻率利用率，很適合高速率( > 10M bˆs) 的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)視頻通信。此時(shí),由于O FDM 是采用正交的N 個(gè)子載波調(diào)制。 因而抗頻率選擇性衰落能力強(qiáng)， 抗多徑衰落能力強(qiáng)，同時(shí)也具有相當(dāng)?shù)谋Ｃ苄阅堋?BR>OFDM 由于N 個(gè)子載波的正交要求嚴(yán)格， 因而對(duì)相偏移較敏感， 抗時(shí)間選擇性衰落及多普勒頻移能力較差， 需要對(duì)信源進(jìn)行編碼來(lái)解決上述難點(diǎn)， 此外由于OFDM 的合或波形對(duì)功放線性度要求較高， 因此前述的信源編碼要加上鈍化(白化) 處理。
加上信源編碼后的OFDM 又稱為C OFDM ，也可實(shí)現(xiàn)同頻(單頻) 通信網(wǎng)， 且是高速視頻(> 10M bˆs) 的單頻無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。 OFDM 的信道中傳輸?shù)男盘?hào)功率要求要大于CDMA。
CDMA 與OFDM 各有優(yōu)缺點(diǎn)， 兩者的比較主要在于以下幾點(diǎn): (1) 在給定的帶寬下，OFDM 的最大數(shù)據(jù)傳輸率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CDMA;(2) 在給定帶寬下， 在信道中以同樣的信號(hào)功率傳輸時(shí)， CDMA 的傳輸距離要遠(yuǎn)大于O FDM ， 換言之， 在相同的距離下，O FDM 的信號(hào)功率要求要大于CDMA; (3) 在抗干擾性方面， CDMA 要優(yōu)于O FDM ， 但CO FDM 則與CDMA 相近。由以上分析可知， 可將CDMA 與OFDM 技術(shù)相結(jié)合， 并且采用附加部件實(shí)現(xiàn)多模式切換。
CDMA _OFDM 調(diào)制及兼容多模式切換
原理框圖， 見(jiàn)圖1。

圖1a) 中圖的3 個(gè)開(kāi)關(guān)和圖1 b) 中的4 個(gè)電子切換開(kāi)關(guān)， 由切換控制部分的硬軟件控制， 負(fù)責(zé)CDMA_OFDM 方式及兩個(gè)主兼容方式(CDMA及WLAN 的OFDM 方式) 的切換。 其中圖1 b) 中開(kāi)關(guān)④是控制在CDMA 方式時(shí)用PN 碼控制本振進(jìn)行直接下變頻解擴(kuò)。 而DS_CDMA 的解調(diào)是指解擴(kuò)后對(duì)Q PSK 中頻信號(hào)的解調(diào)。
由于本方案考慮兼容模式涵蓋頻率范圍較寬，所以可變本振目前暫定范圍為900MHz～ 6GHz,上限包含了802.11a 的WLAN 頻帶，下限則包含了CDMA 95， CDMA 1x，CDMA 2000 和802.11b 的頻帶，可變本振考慮為晶片組加多級(jí)分頻輸出相結(jié)合，這樣又靈活，費(fèi)用又低。至于高頻寬帶放大及高頻功放，以微波功率芯片的上限頻率及功率選取為合適，這樣又可兼容較低頻率和小功率輸出需求。
802.11a 與802.11b 不兼容， 不僅傳輸頻率不同， 而且編碼方式也不同， 為了可兼容接入這兩個(gè)WLAN 中的任意一個(gè)， 除了上面已說(shuō)明了的可變頻率范圍已包含在內(nèi)之外， 兩種編碼方式均要有。
圖1 的原理框圖中沒(méi)有畫(huà)出OFDM 的調(diào)制所需要的數(shù)據(jù)信源編碼， 本圖是隱含在OFDM的方框中。 至于在CDMA -OFDM 方式時(shí)， 是否將信源編碼切換在CDMA 之前完成， 筆者認(rèn)為這不是關(guān)鍵問(wèn)題， 因?yàn)楫?dāng)CDMA -OFDM 方式時(shí)， 數(shù)據(jù)信息已經(jīng)由PN 碼擴(kuò)展，相當(dāng)于已作了純化(白化) 處理，這種處理本身就是一種信源編碼。所以，如何處理信源編碼問(wèn)題，最好是在進(jìn)一步的驗(yàn)證測(cè)試中評(píng)價(jià)。
CDMA 1x 和CDMA 2000 的碼片速率不同， 但它們都滿足向下兼容的要求( 兼容CDMA 95) ， 故選取這一部分的芯片和組件時(shí)， 應(yīng)以選用高一層的標(biāo)準(zhǔn)并滿足向下兼容為適宜。
圖1 因?yàn)槭窃�理框圖， 故高頻部分的呼叫及信號(hào)檢測(cè)部分沒(méi)有展開(kāi)畫(huà)， 而是隱含其中。 切換的原則是哪種模式的信號(hào)最強(qiáng)(以WLAN 為例)就切換到哪種模式， 當(dāng)然若WLAN 信號(hào)不能滿足通信要求時(shí)則自動(dòng)切換到CDMA ， 而在同等信號(hào)強(qiáng)度下， 優(yōu)先考慮切換到WLAN。 盡量利用WLAN 的高速數(shù)據(jù)傳輸信道， 同時(shí)在WLAN 達(dá)不到的區(qū)域則切換到CDMA 1x (或CDMA 2000)移動(dòng)網(wǎng)。 以實(shí)現(xiàn)在快速移動(dòng)的載體上(如長(zhǎng)途汽車和火車上) 不間斷的連續(xù)上網(wǎng)， 至于飛機(jī)上和船舶上的連網(wǎng)， 已有企業(yè)提供了衛(wèi)星連網(wǎng)服務(wù)就不在本文考慮的范圍之內(nèi)了。
工作原理　
開(kāi)機(jī)后， 高頻呼叫及信號(hào)檢測(cè)部分按照WLAN 網(wǎng)及CDMA 移動(dòng)網(wǎng)的順序(依次為802.11a，802.11b， CDMA 2000ˆCDMA 1x(CDMA 2000 目前還在實(shí)驗(yàn)階段) ) 搜尋和檢測(cè)在當(dāng)前位置可連接的網(wǎng)絡(luò) ， 并按照上面所描述的原則切換連接到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。 在通信傳輸過(guò)程中， 信號(hào)檢測(cè)部分依然同步檢測(cè)信號(hào)， 以決策在已連接網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)減弱時(shí)執(zhí)行跨區(qū)或跨網(wǎng)的自動(dòng)切換。 連接移動(dòng)網(wǎng)的跨區(qū)切換是軟切換， 而連接WLAN 的跨網(wǎng)切換是硬軟結(jié)合的切換。 在圖1 中的切換控制部分存有切換順序表和控制表， 用程序控制自動(dòng)切換跳轉(zhuǎn)。 至于與各種無(wú)線網(wǎng)連接時(shí)相關(guān)協(xié)議的執(zhí)行， 則由與圖1 相連的多模式通控制單元(MCCU ) 來(lái)完成， 就不在本文中討論了。
CDMA -OFDM 的調(diào)制方式集合了CDMA和O FDM 各自優(yōu)點(diǎn)， 由于CDMA 是擴(kuò)頻編碼， 如上面已描述的，本身就是一種信源編碼， 因而降低了OFDM 對(duì)功放輸出功率和線性度的要求， 即同樣的功率下，可傳輸更遠(yuǎn)的距離，而OFDM是正交多子載波調(diào)制并允許子載波頻譜混疊， 因而具有更高的頻率利用率， 能適應(yīng)高速數(shù)據(jù)傳輸， 所以在CDMA 與OFDM 調(diào)制相結(jié)合的情況下， 可大大提高基于CDMA 的數(shù)據(jù)傳輸率。 此外通過(guò)切換又易于與原有的CDMA 網(wǎng)和WLAN 網(wǎng)無(wú)縫連接且向下兼容。 所以對(duì)未來(lái)4G 手機(jī)的一些指標(biāo)要求，CDMA -O FDM 是一個(gè)具有一定優(yōu)勢(shì)的備選方案， (因?yàn)?G 手機(jī)既要求達(dá)到OFDM 的高速( > 20M bˆs ) ， 又要求與原CDAM 2000 和CDMA 1x， SM -GPRS 向下兼容)。此外在WLAN的發(fā)展上，又要求擴(kuò)展通信距離， 并做到與WLAN 網(wǎng)的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)兼容互通， 本文所描述的方案也具有一定優(yōu)勢(shì)。

結(jié)束語(yǔ)
文中所述的方案主要以移動(dòng)上網(wǎng)終端為主考慮的， 當(dāng)然在多模式基站的設(shè)計(jì)上這個(gè)方案也具有一定的優(yōu)勢(shì)， 尤其是在對(duì)移動(dòng)基站的設(shè)計(jì)上更有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)于服務(wù)質(zhì)量(QoS) 的問(wèn)題， 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的QoS 是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題， 本文主要是就無(wú)線終端的調(diào)制技術(shù)考慮為主干的， 因此， 關(guān)于Q sS 的問(wèn)題不在文中敘述。 但是文中所提供的方案能實(shí)現(xiàn)與手機(jī)網(wǎng)和WLAN 的無(wú)縫連接和自動(dòng)切換， 至少對(duì)提高QsS 是有益的。


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