CDMA原理——特点

　　CDMA具有抗多径干扰、抗窄带干扰、抗认为干扰、抗多径延迟扩展的能力。同时有提高蜂窝系统的通信容量和便于模拟与数字体制的共存与过渡等优点。与TDMA技术形成强劲的竞争力。

　　与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比(C/I)小于1，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使CDMA比其它系统有非常重要的优势。

　　系统容量大理论上CDMA移动网比模拟网大20倍。实际要比模拟网大10倍，比GSM要大4-5倍。

　　CDMA原理——基本单元及原理

　　发射机发出的扩频信号，在传输过程中受到不同建筑物、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。这就是RAKE接收机的基本原理。

　　在DS-CDMA系统中，不同用户发射的信号由于距基站的距离不同，到达时的功率也不同。距离近的信号功率大，距离远的功率小，相互形成干扰。这种现象称为远近效应。DS-CDMA系统要求所有用户到达基站接收机信号的平均功率要相等才能正常解扩，功率控制就是为解决这一问题。它调整各个用户发射机的功率，使其到达基站接收机的平均功率相等。功率控制的原理有两种类型：开环控制与闭环控制。开环控制主要是用户根据测量到的帧差错概率来调整发射功率，而闭环功率控制则由基站根据收到移动台发来的信号测量其信干比(SIR)发出指令，调整移动台发射机的功率。对于下行链路的功率控制主要是用来减少对邻小区的干扰。

　　3G CDMA系统中在一个小区中有多个载波频率。例如在热点小区中，其频率数要多于相邻小区。同时在多层小区结构中，微小区有不同的频率而不同于重叠在一起的宏小区，因此，存在不同频率之间的切换。有效的处理过程可以采用压缩模式或双接收机对另一频率进行测量。

　　移动台如果与两个基站同时连接时进行的切换称为软切换。在CDMA系统中软切换可以减少对于其它小区的干扰，并通过宏分集还可以改善性能。更软切换则指的是一个小区内不同扇区问的软切换。软切换的原理如下：移动台在上行链路中发射的信号被两个基站所接收，经解调后转发到基站控制器(BSC)，下行链路的信号也同时经过两个基站再传送到移动台。移动台可以将收到的两路信号合并，起到宏分集的作用。因为处理过程是先通后断，故称为软切换，而一般的硬切换则是先断后通。

　　目前的CDMA接收机都是基于RAKE接收机原理，它将其他用户的信号作为干扰来对待。在理想接收机中，如将所有用户信号都检测出来，则可把其他用户信号从总信号中减掉，则保存有用信号。在DS-CDMA系统采用RAKE接收机时其容量是干扰受限的系统。多用户信号检测，或称为联合检测与干扰消除技术则提供了一种有效地减少多址干扰的方法，从而增加了系统的容量。同时，它也能改善远近效应，通过首先扣除近距离大信号干扰而达到。由于最佳多用户检测十分复杂，而在实际上很难实现。目前研究得最多的还是次最佳多用户信号检测器。

　　总结：CDMA有抗多径干扰、抗窄带干扰、抗认为干扰、抗多径延迟扩展的能力。CDMA的扩频通信系统所固有的，以及CDMA的软切换和功率控制都是CDMA独有的特点。

　　在中国进入城镇化水平高速发展的时期，城市作为人口密集、经济要素积聚地区，灾害的监测预警处于十分突出的位置。城市防汛测报系统可为防汛决策部门提供基础支撑，确保城市人民生命财产安全，而系统数据传输的准确性与实时性尤为重要。文中通过GPRS/CDMA通信组网在上海市某大型城市防汛测报项目的实际应用，介绍了GPRS/CDMA通信组网在城市防汛领域的创新应用。

　　城市防汛测报系统是城市防汛决策指挥的重要依据，其任务是安全、迅速、准确地对城市雨情、水情等信息采集与传输，并进行实时水、雨情信息发布。系统应用传感器、通信、计算机等技术，在江河流域及沿海区域实现雨水情、水资源信息自动数据采集、传输、处理入库等，为防汛指挥和水资源调度提供信息。GPRS(General Packet Radio Service)通用分组无线服务技术、CDMA(Code Division Mulitiple Acess)码分多址无线通信技术作为两种高效、低成本的无线数据承载业务，已广泛应用于市政、电力、水利、环保等领域中的无线数据传输。本文拟通过GPRS/CDMA通信组网在上海市某大型城市防汛测报项目实际应用的基础上，介绍GPRS/CDMA通信组网在城市防汛领域的应用及创新。

　　1 项目概况

　　上海市某大型水情自动测报系统主要由水情采集系统、水情分中心、水情中心以及链接三个部分的网络组成。系统信息流程图如图1所示。系统按信息流分为三级，底层是水隋信息采集系统(各采集要素遥测站)，中间层是水情中心(市级)和12个水情分中心(区级)，顶层是市防汛办公室。水情中心和水情分中心均通过双信道，直接接收水情信息采集系统上报的数据，中心与分中心通过专网实现校准数据及缺失信息共享。

　　2 通信组网设计

　　依托城市发达的无线网络覆盖，本系统利用GPRS/CDMA通信网络永远在线、经济适用、传输速率快、组网简单及易于扩展等优点，进行水情测报系统组网。为避免网络运营商因素，且秉承节约通信费用的原则，由遥测站PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)控制，采用GPRS网络为主信道，CDMA网络为备用信道。遥测站主、备信道均长期值守，可随时响应中心站召测。

　　考虑水情中心与分中心工作异常可能造成水情数据无法正常接收，遥测站数据通信终端(Data Transfer Unit，DTU)均设计双发工作机制，即每时段报送数据均同时向水情中心及分中心发送，中心与分中心进行信息共享。系统通信流程图如图2所示。

　　3 传输机制设计

　　由于无线网络运行商仅限制，DTU长时间没有数据通信时，运行商网关将断开DTU与中心的连接，动态IP(Internet Protocol)由ISP(Int ernet Service Provider)服务商的服务器动态分配，如果长时间不通信，ISP服务器会回收IP，这将影响中心、分中心向遥测站的通信指令的正常传输。为解决这一问题，DTU各通道每30 s向目的IP地址发送心跳包(短格式握手数据包，流量耗费很小)，以保证DTU与目的地址通信链路不被中断。遇网络异常或延时，心跳包发送失败，DTU将尝试继续发送(5次)，5次心跳包发送均失败，DTU将重启通信异常通道。如全部通道心跳包均连续5次发送失败，DTU将断开链路，重新拨号登录网络。中心站与遥测站DTU的通信流程图如图3所示。

　　为防止中心或分中心某一通道未收到数据，利用GPRS/CDMA网络透明传输的特点，在中心站数据接收软件和遥测站之间设计了数据接收确认机制，即遥测站及中心站的通信握手。中心站数据接收软件在收到数据后会发送ACK(Acknowledgement)确认信息给遥测站，此确认含路由信息，遥测站通过路由信息判断此ACK为哪个中心站发出，以判断该中心站是否接收到数据。遥测站每次完成数据采集后启动GPRS主信道进行数据发送，两个目的地址的ACK如果全部收到，则此次通信流程结束。如果两个ACK或其中某个ACK未能正常接收，则启用CDMA备用信道进行数据发送，进行相同的ACK等待过程。如果仍未正常接收，将再次启用CDMA信道进行数据发送。遥测站及中心站的通信软件流程图如图4所示。

　　4 结语

　　本系统的遥测站采用GPRS、CDMA主备切换工作模式，通信组网同时考虑了冗余设计，可实现多个目的地址同时接收，通过数据异地接收与存储，从而避免了网络原因造成的数据缺失。在传输机制中心创新性地设计了中心站与遥测站之间的数据接收确认机制，数据传输畅通显著提高，增强了城市防汛测报系统的可靠性和稳定性。