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对CDMA,我们多了一点了解

2018.11.01
尽管大家已经与CDMA打过不少交道,我想其实很多人还是不太懂CDMA!不信,请判断如下几个提法的对错:
1. 码分多址中的码就是扩频码2. CDMA系统必须采用两种地址码3. Walsh码是CDMA系统不可缺少的4. LTE抛弃了CDMA
如果答案是“对”,的确,你还需要重新认识一下CDMA。我们就从什么是CDMA开始。
 
什么是CDMA?
大家都知道,CDMA是缩写,代表码分多址的意思,也就是利用码来区分不同的信号。CDMA技术是通信技术中非常受欢迎的技术,广泛应用在不同的领域,比如军事上的雷达、军民两用的GPS以及民用的移动通信。接下来,我们逐一了解码分多址这个术语当中每个字和词的含义。什么是码呢?CDMA中的码很像我们很熟悉的密码、校验码,表现为一串二进制序列。但是,CDMA中的码更像条形码,还可以看成是波形的数字化描述方式。因此码不但有数学上的意义,还有物理上的意义。什么是分呢?要了解分,首先要知道合。所谓合,就是复用,也就是多个信号占用同一个物理资源,具体到移动通信系统,就是共享频带资源;所谓分,就是解复用,接收方将混合的多种信号区分开来,挑选出所需的信号。就像《三国演义》中提到“天下大势,分分合合”,通信大势,也是如此。分分合合一直是通信技术的主旋律。什么是多址呢?所谓多址,就是多个地址。这些地址分为两类:设备地址以及信道地址,可以理解为外部地址以及内部地址。在复用技术中,信号都有独一无二的地址,信号与地址之间有一一对应的关系,从而可以区分开来。因此,多址是实施复用技术的基础。什么是码分呢?不同的码的形态不同(时域上的波形不一样),其能量的分布也不一样(频谱不相同),因而即使混合在一起,还是可以被区分。就像人的气质不同,不会泯然众人矣。而这些可以区分的码俗称为“地址码”。什么是码分多址呢?就是利用地址码来区分不同的信号。
 
详细介绍了什么是CDMA后,我们来看非常关键的问题。
 
为什么能码分?
码分多址是利用地址码来区分不同的信号,那么在这里的区分意味着什么?为什么地址码可以区分?地址码是怎么区分的呢?带着这些问题,我们继续往下看。
 
地址码的区分包含两层含义:分辨以及分离。
分辨码就是从多个码中找到某个地址码;分离码就是从多个码中分离出某个地址码。这就像从人群中找到一个人,然后再把人请出来。分辨以及分离两个动作是紧密联系的,分辨码是分离码的基础,而分离码往往是我们要达到的目的。地址码为什么可以分辨呢?其实,分辨一个地址码与分辨一个人或者事物类似,也是按图索骥、对号入座。只要码不同(也就是时域上的波形或者频域上的频谱不同),就可以分辨,显然,码之间的差异越大,越容易分辨。地址码为什么可以分离呢?地址码是一种信号,而信号分离,在技术上是通过信号正交实现的。而所谓信号的正交,原意是信号之间是垂直的关系。通俗地理解正交,就是如果信号能从混合的信号中分离,那么信号就是正交的。正交才能分离。例如,我们知道油与水混合后,还是可以分离,因此油与水是正交的;而酒精与水混合后不能分离,那么就是非正交的。通常信号有两种正交的方式:频率正交或者时间正交。在任意一个时刻,不同的信号要么工作频率不同,要么工作的时间不同,彼此错开,这就实现了正交,从而可以分离出不同的信号。比如GSM系统就是一个典型的例子。但是地址码的正交完全是另外一回事,在任意一个时刻,不同的码同时、同频率混杂,无法简单地分离。因此,地址码是怎么实现正交,从而实现分离的,一直是困扰很多人的大问题。原来,前面我们理解的频率、时间上正交是简单的正交,称为功率正交。而地址码的正交不是基于功率正交,是一种复杂的正交,理解起来是有一些困难。那么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,也就是不同的码的能量在频域上的分布是不一样的,由此可以分离。相当于我们前面说的气质不同,从而卓然不群。码质不同,从而正交。功率正交类似于用三棱镜来分解白光,利用滤波器将混合的信号一一分开;能量正交类似于化学实验的萃取,需要添加辅助信号,最后获得指定信号的能量信息。
附带说一下,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。
 
如何区分地址码?
了解了CDMA的码分原理后,接下来我们来了解如何来区分地址码。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。分辨码就是从混合有多个码的信号中找到某个指定的地址码。锁定码就是跟踪指定码的变化,也就是与指定的地址码同步的过程。分离码就是同步后,从混合有多个地址码的信号中分离出某个指定的地址码。值得注意的是,实际系统根据需要,可以只实现可分辨,比如雷达测距、GPS定位,而不是一定要做到可分离。最后我们来了解如何来评估地址码的区分能力。码的种类很多,选择合适的码作为地址码,就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。可分辨意味着可以从混合有不同地址的多个信号中找到某个地址码;可分离意味着可以从混合信号中分离出某个地址码。显然,后者的要求更高,而且需要前者的帮助。如何衡量码的可分辨性呢?衡量码的可分辨性采用自相关指标,该指标越高,代表码的分辨性能越好,越容易被匹配,越不容易被误判。如何衡量码的可分离性呢?衡量码的可分离性采用互相关指标,该指标越高,代表码的可分离能力越好,越容易筛选出来,越不容易被干扰。
 
值得注意的是,自相关性与互相关性两个指标是独立的。
 
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(又称伪噪声)的可分辨性非常好,只要码足够长,就可以很方便地匹配。常用的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,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好,只要能同步,不同的正交码之间就是正交的,完全没有干扰。典型的正交码是Walsh码。因此,PN码是易分辨的地址码,正交码是易分离的地址码。移动通信系统中同时需要分辨以及分离码,因此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,也就是作为设备码;Walsh码用于内部地址码,也就是作为信道码。
 
地址码是如何生成的呢?
PN码很长,数量又多,好在生成的方式简单,通常都用移位寄存器即时生成。由于Walsh的长度有限,Walsh码采用波形发生的方式生成,也就是把Walsh序列的每个码的取值保存在存储器中,需要时再读出来。
 
地址码的数量有多少?
地址码的数量与地址码的类型有关。Walsh码的数量与其阶数有关,阶代表序列的长度,多少阶就有多少种。由于Walsh码通常不超过256,因此数量不多。PN伪随机序列中m序列的数量与序列的长度相关,同样是有多长,就有多少种。PN伪随机序列的数量通常上千,百万、千万更是比比皆是,实际使用时会截取其中的一段。
 
LTE抛弃了CDMA吗?
这算是一个花絮,或者是一个彩蛋,内容来自《LTE教程:结构与实施》。
 
大家都听说过这样的说法:LTE是4G,采用了OFDM技术,抛弃了CDMA技术,比基于CDMA技术的3G要高大上。进而引申,说LTE之所以要抛弃CDMA技术,是为了避免高通CDMA专利的垄断。这些观点,言之凿凿,是很多人耳熟能详的观点,也是很多人认可的观点。
可是,与大家想象的不一样,其实LTE技术并没有抛弃CDMA技术,CDMA技术依然在LTE系统中发挥着作用。这是究竟怎么回事呢?
为了讲清这个问题,我先简单介绍一下CDMA技术。
 
CDMA,大家都知道是码分多址的缩写,因此码在CDMA技术中扮演了举足轻重的角色。CDMA技术中使用了两种码,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,正交码用来承载信息,扰码用来随机化信息。两种码相辅相成,是CDMA系统的左膀右臂。前面说CDMA技术没有离开LTE系统,依然在LTE系统中发挥着作用,说的就是这两种码。
 
首先看正交码,由于OFDM技术本身就是正交频分复用技术,因此正交码按说应该在LTE系统中无立足之地。然而,LTE系统在好几个地方还是采用了正交码,比如R9中的终端专用参考信号,就使用了Walsh码,而Walsh码就是正交码;除此之外,下行的PHICH信道以及上行的PUCCH信道,也离不开Walsh码。
 
为什么LTE系统还是采用了正交码呢?因为正交码使用起来很方便,尤其是小数据量场合,系统开销更小。
 
看完正交码,再看扰码。扰码在LTE系统中更是缺之不可,处处都发挥重要的作用。
 
扰码的第一个应用是小区参考信号,这可是LTE系统中最重要的信号。小区参考信号上发送的内容就是扰码,而且这个扰码就是WCDMA技术中使用的Gold码。Gold码的优点是数量多,还不需要同步。
 
扰码的第二个应用是同步信号以及上行的随机接入前导和解调参考信号,这三种信号对LTE系统来说也非常关键。这三种信号上发送的内容也是扰码,当然这个扰码是新一代的扰码,称为ZC序列,性能比Gold码更好。
 
扰码的第三个应用是普遍的应用,就是加扰其他的控制信道和业务信道上的内容。加扰的作用是让传送的内容噪声化,从而打散带给邻区和其他用户的干扰,提高系统的稳健性,加扰采用的还是Gold码。
 
说了LTE系统中这么多的码以及这些码的作用,不难看出在LTE系统中,CDMA技术照样留有一席之地,你还能说LTE系统抛弃了CDMA技术吗?

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