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【题记】

尽管即便已经多次接触CDMA,但实际上,对于CDMA依然存在很多不了解!不信的话,请判断以下几种说法的对错:

1.CDMA系统只需要采用一种地址码

2.Walsh码是CDMA系统不可缺少的

3. LTE摒弃了CDMA

如果你的答案是“对”,那么你就需要重新认识一下CDMA。我们就从了解CDMA的含义开始。

CDMA的涵义

大家皆知,CDMA是缩写,代表码分多址技术,即利用码来区分不同的信号。CDMA技术在通信领域非常流行,被广泛应用于不同的领域,包括军事上的雷达、军民两用的GPS以及民用的移动通信。

接下来,我们分别了解码分多址术语中每个字的含义。

何谓?CDMA中的码和我们熟知的密码、校验码相似,表现为一串二进制序列。CDMA中的码更像条形码,等于一种波形的数字描述方式。因此码不仅只具备数学方面的意义,还在物理方面有作用。

何谓?要理解分,首先要明了合。合即复用,也就是多个信号共用一个物理资源,而分则是解复用,接收端把混合的多种信号分辨开,挑选出需要的信号。就如同《三国演义》中所谈到的“天下大势,分分合合”,通信技术的发展也是如此。分分合合历来是通信技术的核心。

何谓多址?即多个地址。这些地址分为设备地址和信道地址,类似于外部地址和内部地址。在复用技术中,信号都具备各自独一无二的地址,信号与地址之间是一一对应的关系,多址成为实际实施复用技术的基础。

何谓码分呢?不同的码的形式各异(时域上的波形不相同)并且它们的能量分布也不同(频率不同),因此即便混合在一起,仍然可以被区分开来。就如同人的气质各异,而这些可区分的码通常被称为“地址码”。

何谓码分多址呢?即利用地址码来区分不同的信号。

详细介绍了CDMA的含义后,我们继续讨论关键问题。

为何可以进行码分?

码分多址即利用地址码来区分不同的信号,那么这里所说的区分代表着什么?为何地址码可以进行区分?地址码是如何进行区分的呢?让我们带着这些问题前行。

地址码的区分包含两层含义:分辨以及分离。

分辨码即从多个码中找到某一特定地址码;分离码即从多个码中分离出某一特定地址码。这就像从人群中找到一个人,然后把这个人请出来。分辨码是分离码的基础,而分离码更多时候则是我们所追求的。

地址码为何可以区分呢?实际上,分辨一个地址码和分辨一位人或物品类似,是依靠识别这些特征解决问题。只要码有所不同(也就是时域或频域上的波形不同),就可以进行区分,显然,码之间的差异越大,越容易进行分辨。

地址码为何可以分离呢?地址码是一种信号,在技术上需要通过信号正交来分离。所谓信号的正交,原意即表示信号之间垂直。一种信号只有极满地分离,可以说信号是正交的。正交信号有两种常见的方式:频率正交和时间正交。在任意时刻,不同的信号要么工作在不同的频率,要么工作在不同的时间,隔离开,从而实现正交,同时能够分离开不同的信号。这正是GSM系统的典型例子。

然而地址码的正交完全不同,不同的码同时且在统一频率混合在一起,不可能简单地分离。因而,地址码是如何实现正交 、进而分离的,一直是一直是许多人所困扰的重要问题。

原来,以往我们所理解的频率、时间上的正交被称为简单的正交或者称为功率正交。而地址码的正交则非常复杂,解释起来并不容易。

那地址码到底是如何通过正交来分离的呢?实际上,码的正交是通过能量正交来实现的,也就是不同码的能量在频域上的分布是不同的,因此可以分离。相当于我们前面所说的气质差异之于人们的认知,各不同,从而能够独一无二。码质各异,从而实现正交

功率正交类似于使用三棱镜分解白光,或者利用滤波器将混合的信号分开;但是能量正交则是面试萃取的化学实验,需要加入辅助信号,最后得到特定信号的能量信息。

顺带一提,能量正交并不是CDMA技术的专利,OFDM技术的本质也是能量正交。

如何实现地址码的区分?

了解了CDMA的码分原理后,接下来我们来了解如何实现地址码的区分。

地址码的区分需要经过三个步骤:分辨码、锁定码以及分离码。

分辨码即从混合有多个码的信号中找到某特定地址码。

锁定码即追踪特定码的变化,也即是与指定的地址码同步的过程。

分离码即同步后,从混合有多个地址码的信号中分离出某一特定地址码。

值得注意的是,实际系统根据需求,可能仅实现可分辨,比如雷达距离测量、GPS定位系统,而非一定要实现可分离。

最后我们来了解如何评估地址码的区分能力。

码的种类繁多,选择合适的码作为地址码时,需要评估码的区分能力。前面说了,区分包含两层含义:可分辨以及可分离。可分辨代表能够从混合有不同地址的多个信号中找到某一特定地址码;可分离代表能够从混合信号中分离出某一特定地址码。显然,后者的要求更高,并且需要前者的协助。

在衡量码的可分辨性时,我们通常采用自相关指标,这个指标越高,代表码的分辨性能越好,越容易进行匹配,越不容易被误判。

在衡量码的可分离性时,我们通常采用互相关指标,这个指标越高,代表码的可分离能力越好,越容易筛选出来,越不容易受干扰。

值得注意的是,自相关性与互相关性两个指标是相互独立的。

讲了这么多CDMA的内容,最后我们来看移动通信系统中的码是怎么构造的。

如何构造码?

  • 在移动通信系统中,常用的地址码有哪些呢?

目前没有一种地址码是两全其美,使得可分辨性以及可分离性都是最优的。地址码要么是可分辨性出类拔萃,要么是可分离性出类拔萃。

PN伪随机序列即可分辨性非常出色,只要码足够长,就可以很方便地进行匹配。常见的PN伪随机序列有m序列、M序列,用于cdma2000系统中,还有一些变种,比如Gold码,使用于WCDMA系统和LTE系统中。

正交码的可分离性也就是正交性非常出色,只要能同步,不同的正交码之间是完全没有干扰的,典型的正交码是Walsh码。

PN码是可分辨的地址码,正交码是可分离的地址码。

移动通信系统中同时需要分辨以及分离码,这样必须同时采用以上两种地址码,才能达到目的。通常,PN伪随机序列用于外部地址码,也是作为设备码;Walsh码用于内部地址码,也是作为信道码。

  • 地址码是如何生成的呢?

PN码很长,且数量庞大,好在生成的方式较为简单,通常使用移位寄存器即可即时生成。

而由于Walsh的长度有限,所以Walsh码采用波形发生的方式生成,也就是将Walsh序列的每个码的取值保存在存储器中,需要时再读取。

  • 地址码的数量有多大?

地址码的数量取决于地址码的类型。

Walsh码的数量与阶数有关,阶代表序列的长度,阶越多,码的种类就越多。由于Walsh码一般不会超过256,因此数量并不多。

而PN伪随机序列中m序列的数量则与序列的长度相关,通常取决于序列的长度。PN伪随机序列的数量一般上千,甚至还可能达到百万、千万种,实际使用时会截取其中的一部分。

LTE抛弃了CDMA吗?

这算是一个花絮,或者说是一则彩蛋,内容来源自《LTE教程:结构与实施》。

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许多人都听说过这样的说法:LTE是4G,采用了OFDM技术,摒弃了CDMA技术,比起基于CDMA技术的3G要更先进。并且进一步衍生出,说LTE系统为了避免由高通CDMA专利所形成的垄断才选择抛弃了CDMA技术。这些观点一针见血,是为人所津津乐道的观点,也是许多人认同的观点。

与大多数人所想的不同,实际上,LTE技术并没有抛弃CDMA技术,CDMA技术依然在LTE系统中扮演着至关重要的角色。那么究竟是怎么一回事呢?

为了解决这个问题,我先简单介绍一下CDMA技术。

CDMA,大家都知道它是码分多址的缩写,所以码在CDMA技术中扮演了举足轻重的角色。在CDMA系统中,使用了两种码,一种是正交码,又称为信道化码;另外一种是扩频码,是伪随机序列,又称为扰码。

在CDMA系统中,正交码用来携带信息,扰码用来让信息随机化。这两种码相辅相成,是CDMA系统的两个重要组成部分。前面提到LTE系统没有弃用CDMA技术,依然在LTE系统中发挥着重要作用,说的正是这两种码。

首先来看正交码,由于OFDM技术本身就是正交频分复用技术,因此在LTE系统中正交码应该不会得到所需的发展。但是事实上,在LTE系统中多个地方仍然采用了正交码,比如R9中的终端专用参考信号和下行的PHICH信道以及上行的PUCCH信道,这都是使用了Walsh码。

为什么LTE系统仍然采用了正交码呢?因为正交码在使用时非常便捷,尤其在小数据传输时,其系统开销更小。

再来看扰码。扰码在LTE系统中的地位更是不容置疑,几乎处处都发挥着主要作用。

扰码的主要应用用途是小区参考信号,这可是LTE系统中