WCDMA培训教材：CDMA基本原理

0 CDMA原理 1 无线传输技术和CDMA原理CDMA无线资源管理原理不同体制的3G技术3G无线接入网络形态 CDMA原理 无线传输技术和CDMA原理CDMA无线资源管理原理不同体制的3G技术3G无线接入网络形态 2 无线传输技术和CDMA原理 无线传输环境无线传输技术和多址技术CDMA原理和RAKE接收技术分集技术智能天线技术多用户检测技术 无线传输环境无线传输技术和多址技术CDMA原理和RAKE接收技术分集技术智能天线技术多用户检测技术 3 多径环境 4 衰落 发射数据 接收数据 5 移动信道的多径特征 电磁传播 反射 散射和绕射无线环境中的信号衰减分成三部分 幅度衰减较大的路径损耗伴随中等幅度衰减的具有对数正态分布特性的慢变化成分 大尺度变化衰减幅度较小的快变化成分 小尺度衰落两类典型小尺度衰落包络分布的描述方法瑞利分布 非视距传播 莱斯分布 视距传播 6 移动信道的表征 时延表征平均时延 均值 时延拓展 标准差 信道相关带宽 1 时延拓展频谱多普勒扩展 运动引起信道变化 快 慢衰落 信道相干时间 1 多普勒频率多径特性 信道带宽 平坦衰落和频率选择性衰落宽带码分多址是频率选择性慢衰落信道测试信道的方法衰落的概率分布电平通过率 衰落快慢 信道衰落的深度衰落持续时间 交织深度 7 无线信道模型 接收信号 发射信号 8 无线信道建模方法 信道模型幅度分布 瑞利 莱斯分布多普勒谱分布 经典谱 平坦谱信道模拟滤波法谐波叠加谐波分解 9 典型无线移动信道的分类 静态信道 static 户内信道户外到户内人行道信道车载信道移动信道 moving 生死信道 birth death 10 无线传输技术和CDMA原理 无线传输环境无线传输技术和多址技术CDMA原理和RAKE接收技术分集技术智能天线技术多用户检测技术 11 无线通信中的几个概念和区别 多址技术时分多址 频分多址和码分多址双工技术时分双工与频分双工窄带系统与宽带系统单个信道的带宽与所期望信道的相干带宽一致一个信道的发射带宽大于这个信道的相干带宽宽带系统通常能够带来频率分集的优势 12 频分多址 FDMA FDMA信道每次只能传递一个电话如果一个FDMA信道没有使用 并且处于空闲状态 它不能被其他用户使用以增加共享容量在分配成语音信道后 基站和移动台就会同时地连续不断地发射FDMA通常是窄带系统符号时间比平均时延扩展大很多 故平均时延扩展造成的符号间干扰低 无需均衡FDMA比TDMA简单 同步和组帧比特少 系统开销小FDMA需要精确的RF滤波器 需要双工器 单天线 非线性效应 许多信道共享一个天线 功率放大器的非线性会产生交调频率 IM 产生额外的RF辐射 13 时分多址 TDMA 多个用户共享一个载波频率 分享不同时隙TDMA系统的数据传递是不连续的 是分组发射 可以关闭不连续发送 可以利用空闲时隙监听其他基站 实现切换处理即使使用FDD也无需双工器需要自适应均衡 需要保护时隙分组发射需要额外的系统开销 如保护数据同步按照不同的用户提供不同的带宽TDMA的效率是指发射的数据中信息所占的百分比 14 扩频多址 SSMA 跳频码分多址 FH CDMA 使用窄带FM或FSK 使用能量效率高的恒包络调制 用廉价的接收机实现FHMA的非相干检测具有安全性 使用纠错编码和多径技术来防止碰撞的影响直接扩频码分多址 DS CDMA 多用户共享同一频率CDMA是软容量限制 当用户数目增加时 对所有用户而言 系统性能下降 相应当用户数目减少时 系统性能提高CDMA中信道数据速率小于信道的时延扩展 故可以使用RAKE接收技术利用宏空间分集 多个基站同时监听 实现软切换 不切换频率 自干扰系统 多址干扰 远近效应跳时码分多址 TH CDMA 15 多址技术图示 传统多址技术 码分多址技术 16 混合扩频技术 HSST 混合FDMA CDMA FCDMA 优点是无需连续带宽 如MC CDMA在cdma2000中采用混合直扩 跳频多址 DS FHMA 避免远近效应 不适用软切换 Bluetooth采用 时分CDMA TCDMA 在每一小区内仅分配给一个用户一个特定的时隙 避免远近效应时分跳频 TDFH 在一个新的TDMA帧开始时跳到一个新的频率 GSM 17 扩频多址种类 18 简单的扩频通信发射接收机框图 1 19 简单的扩频通信发射接收机框图 2 DS CDMA信号发射 接收机 20 各种多址的不同接收方式 频分多址 符号持续时间长 无符号间干扰 直接判决时分多址 有符号间干扰 无法区分多径 用滤波器进行符号间均衡自适应均衡器 系数可以调整每个时隙有导频用以训练系数直扩码分多址宽带系统 可以区分多径多径接收机 RAKE 多径分集 21 CDMA在无线信道中传输的优势 总结 采用RAKE接收机 有效利用了信道相干时间形成的时间分集效应 宽带传输系统 利用了信道的频率分集效果码字的多址传输 利用了多用户分集的效果信号在信道中传输功率低 降低了干扰 提高了保密性扩频因子灵活变换 又助于多媒体等多速率并发业务的传输频谱效率高 优于以往的AMPS和GSM支持软切换和更软切换支持新技术的应用 如多用户检测 22 无线传输技术和CDMA原理 无线传输环境无线传输技术和多址技术CDMA原理和RAKE接收技术分集技术智能天线技术多用户检测技术 23 码字的自相关和互相关 不同用户采用不同的扩频码字x1 t x2 t 其自相关特性决定了多径干扰特性其互相关特性决定了多址干扰特性自相关函数R 互相关函数V 24 CDMA的码生成技术 随机序列 贝努利序列 0和1个数各一半1或者0连续个数的概率 连续一个为1 2 连续两个为1 4 连续三个为1 8 移位序列和原序列有一半相同 另一半不同m序列由移位寄存器生成是最大长度的线性移位寄存器序列 周期是2n 1 n为移位寄存器长度 其自相关函数只有一个最大值 延迟为零处 其他均为 1 单值性符合贝努利序列性质 25 Gold序列 Gold序列由两个优选的m序列异或而成自相关函数有多值 没有m序列好比m序列多得多由于Gold序列具有良好的自相关性质 用于码分多址中区分基站和用户良好的自相关性质决定了其分段序列之间互相关很小 可以用于区分用户 进行多址 26 Gold序列生成 Gold序列的随机性好 符合伪随机序列的特性0和1发生的相对频率各为1 2 连续出现0或1的概率小 用于加扰 27 Gold序列 28 Gold序列的自相关函数 自相关函数近似 函数 减轻多径干扰分段后各段的互相关近似为零 减轻多址干扰 29 OVSF Walsh OVSF码的互相关为零 相互完全正交 Walsh与OVSF码一样 30 扩频因子与业务速率 符号速率 扩频因子 码片速率如WCDMA 码片速率 3 84MHz 扩频因子 4 则符号速率 960Kbps cdma2000 1x 码片速率 1 2288MHz 扩频因子 64 则符号速率 19 2Kbps 符号速率 业务速率 校验码 信道编码 重复或打孔率如WCDMA 业务速率 384Kbps 信道编码 1 3Turbo码 符号速率 960Kbps cdma2000 1x 业务速率9 6Kbps 信道编码 1 3卷积码 符号速率 19 2Kbps 31 不同的扩频调制方式 直接扩频 DS SS 通过将伪噪声序列与基带脉冲数据相乘来扩展基带数据 其伪噪声序列由伪噪声生成器产生误码率受限于多址干扰和远近效应的影响用功率控制来克服远近效应 受限于功率检测的精度跳频扩频 FH SS 数据以发射机的载波频率跳变的方式发送到表面上随机的信道中每个信道上 在发射机再次调频之前 数据用传统的窄带调制方式发送一些小的突发无远近效应的影响 因为多个用户不会同时使用同一频率 Bluetooth技术 快 慢调频 32 直接扩频调制技术 扩频波形由扰码序列和OVSF叠加产生扩频通信适合于无线通信环境有抗干扰能力 每个用户唯一的扰码序列或者唯一的OVSF码 抗多址干扰所有用户 基站都使用相同的频率 可以简化频率规划工作良好的抗多径干扰特性 RAKE接收机利用多径分量同时由于宽带信号的频率选择性衰落 反映在时域上 多径干扰导致传输延迟的PN信号和原PN序列的互相关性减弱 导致延迟信号对接收机的影响减弱 33 窄带系统 大衰落 发射信号 接收到的衰落信号 频率 频率 强度 强度 大衰落 发射信号 接收到的衰落信号 频率 频率 强度 强度 宽带系统 频率选择性衰落 34 直接扩频CDMA的多址方法 利用OVSF码和扰码来进行减少多址干扰下行是不同的用户采用不同的正交扩频码字 OVSF或Walsh码字 互相关为零 但多径时延拓展会影响互相关性 破坏正交性下行同时用不同的复扰码来区分基站上行是不同的用户采用自相关和互相关性都较好的复扰码序列作为扰码来降低多址干扰 同时也加大数据的随机性复扰码的作用是加大随机性 降低峰值因子WCDMA中采用了先进的复扰码序列集合 有效降低了小区内多址干扰 同时减轻了小区间的干扰 而无需精确的网络同步 35 CDMA扩频技术 36 RAKE接收技术有效地克服多径干扰 提高接收性能 RAKE接收原理 接收机 单径接收电路 单径接收电路 单径接收电路 搜索器 计算信号强度与时延 合并 合并后的信号 t t s t s t 37 RAKE接收机射频和中频结构 Rx滤波器 IF去混迭滤波器 数字下变频器 基带处理器 下变频器 数据I O I Q IF和平滑滤波器 DAC 数字上变频器 I Q 上变频器 本振 Tx滤波器 本振 功放 RFAGC RFAGC 38 RAKE接收机基带 39 匹配滤波器 搜索器 结构 本地的扩频码和扰码 串行输入的采样数据 40 多径搜索器性能 在AWGN CASE1 CASE2信道下性能比3GPP建议好0 4dB 在CASE3信道下满足3GPP要求 41 信道估计 1理想信道估计2基于连续导频信号的信道估计方法相关器3使用判决反馈技术的间断导频条件的信道估计方法 42 信道估计性能 性能优于3GPP要求 43 信道编码 WCDMA采用高性能的信道编码 提高系统性能编解码极大地降低了工作点的信噪比 是无线传输中的常用手段Turbo码能够使传输信号的信噪比接近Shannon极限 44 Turbo码 45 时分业务复用 同一连接的多个业务在个DPDCH上复用复用可以发生在内部或者外部编码之前或之后 46 码分业务复用 分离物理信道 每个业务的质量独立可控多码传输 增加终端的复杂性和功放要求 47 多码传输 多码技术易于实现高速率数据传输 48 无线传输技术和CDMA原理 无线传输环境无线传输技术和多址技术CDMA原理和RAKE接收技术分集技术智能天线技术多用户检测技术 49 分集技术 是通过自然界无线传播环境中的独立 或至少高度不相关 多径信号来实现的相对投资低廉克服小尺度衰落 由移动台附近物体的复杂反射引起 可以采用双天线接收分集克服大尺度衰落 由于周围环境地段和地物的差别而导致的阴影区引起 可以选择一个所发信号不在阴影区的基站 位置选择发射分集最大比值合并发射分集技术还用来提高无线通信中单用户的峰值吞吐率 50 实用空间分集技术 选择分集反馈分集接收分集发射分集最大比值合并等增益合并 51 其他分集 极化分集 利用水平分量和垂直分量的不相关性频率分集 跳频技术时间分集 以超过信道相干时间的时间间隔重复发射信号 RAKE接收机 认为 一个码片时间 信道的相关时间 52 发射分集技术提高系统下行容量 适应非对称业务的需求 发射分集 OTD方式 原理 53 无线传输技术和CDMA原理 无线传输环境无线传输技术和多址技术CDMA原理和RAKE接收技术分集技术智能天线技术多用户检测技术 54 智能天线 智能天线技术提高系统覆盖范围 降低发射功率 55 智能天线的小区配置 全向小区 三扇区小区 智能天线小区 56 智能天线的优点 高速率用户带来很大的干扰 动态调整的智能天线阵列的波束跟踪高速率用户 起到空间隔离 消除干扰的作用 动态调整的智能天线阵列的性能优于固定的多波束天线增加系统容量增加覆盖范围 改善建筑物中和高速运动时的信号接收质量提高信号接收质量 降低掉话率 提高语音质量减少发射功率 延长移动台电池寿命提高系统设计时的灵活性 57 空分多址 使用定向波束天线服务不同用户自适应天线系统 58 无线传输技术和CDMA原理 无线传输环境无线传输技术和多址技术CDMA原理和RAKE接收技术分集技术智能天线技术多用户检测技术 59 多用户检测原理 60 多用户检测 当前的CDMA接收机基于RAKE原理 将其他用户的干扰视为噪声基于RAKE的CDMA系统的容量受干扰的限制最优接收机是联合检测所有的信号 并将其他用户的干扰从期望的信号中减去 信号的相干特性是已知的 干扰是确定的 多用户检测 MUD 称为联合检测和干扰对消 降低了多址干扰 从而提高系统的容量多用户检测可以消除远近效应问题最优的多用户检测相当复杂 实际中用次优的多用户和干扰对消接收机次优的接收分为二类 线性检测器 采用线性变换去除多址干扰 分为 解相关器 线性最小均方误差检测器 LMMSE 干扰对消器 估计多址干扰 然后从接收的信号中减去 分为 并行干扰抵消和串行干扰抵消 61 多用户检测 串行干扰对消 62 多用户检测 并行干扰对消 多用户检测技术降低多址干扰 提高系统容量 干扰消除后的干净信号 多次迭代式干扰消除器 接收 重建信号1 接收 重建信号2 接收信号 接收 解码信号1 接收 解码信号2 减去干扰 干扰消除后的干净信号 63 无线传输技术和CDMA原理CDMA无线资源管理原理不同体制的3G技术3G无线接入网络形态 CDMA原理 64 无线资源管理目的 CDMA是自干扰系统 提高单个用户的发射功率能改善其服务质量 但对其他用户的干扰也相应增加 65 无线资源管理策略的主要内容 功率控制负载控制AMR控制 小区切换信道分配 66 每个用户对于其他用户都相当于干扰 远近效应严重影响系统容量 采用功控技术减少了用户间的相互干扰 提高了系统整体容量 远近效应 67 前向功率控制 小区发射功率 上报功率控制比特 手机发射信号 功率控制命令 反向功率控制 克服远近效应和多径衰落减小多址干扰 保证网络容量延长电池使用时间 功率控制 68 功率控制效果 决定了DS CDMA系统的容量 多址干扰 远近效应功率控制的目标 所有的信号到达基站的功率相同 上行 减少对其他基站的干扰 下行 功率控制可以补偿衰落有三种功率控制原理 开环 闭环和外环开环 从信道中测量干扰条件 并调整发射功率 以达到期望的误帧率 误块率 闭环 测量信噪比 并向移动台发送指令调整它的发射功率外环 测量误帧率 误块率 调整目标信噪比 69 负载控制 小区呼吸是负载控制的主要手段 负载控制的主要目的是将某些 热点小区 的负载分担到周围负载较轻的小区中 提高系统容量的利用率 70 AMR控制 AMR语音的变化范围 4 75Kbps 12 2Kbps 12 2Kbps兼容GSM语音编码 通过动态调整AMR语音的速率 保证了在相同系统容量情况下 尽可能的保证UE的通话质量 71 AMR语音编解码 64Kbps 律PCM语音编码转化为AMR编码降低UE功耗 减少干扰TrFO TranscoderFreeOperation 提高网络传输效率和语音质量 72 AMR编解码协商 73 切换类型 WCDMA系统支持多种切换技术 74 切换过程和效果 当邻近小区的强度超过本小区信号强度一个给定的门限时 移动台执行切换 硬切换 FDMA TDMA CDMA系统小区的频率一致 软切换时 移动台同时与多个基站相连接软切换是为了降低对其他小区的干扰 并通过宏分集来改善性能当邻近小区的信号强度超过一个门限 但仍然低于当前小区基站的强度时 则进入软切换状态在上行链路 二个或多个基站可以接收同样的信号 在下行链路移动台可以相干地合并来自不同基站的信号 即宏分集由于新基站发射额外的信号给移动台 而由于RAKE的Finger数目有限 移动台不能合并所有的能量 在下行链路 软切换增加了对系统的干扰软切换的增益决定于宏分集增益和由于增加的干扰引起的性能损失 75 软切换 上行软切换在RNC中进行多径合并 上行更软切换在NodeB中进行多径合并 下行的软切换都在UE中合并 移动台合并功率 各自小区的接收能量 76 软切换 更软切换 改善话音质量 控制手机干扰降低掉话率 提高容量与覆盖范围 77 直接重试 减少呼损 合理分布用户负载充分利用网络资源充分满足用户动态调整带宽需求 78 RNS迁移 核心网 核心网 源RNS 目标RNS 源RNS 目标RNS Iu Iu Iur RNS无线网络子系统 79 信道分配 3G业务速率变化大 传统信道分配方式利用率低3G采用统计复用的信道分配方式分配的信道带宽总与实际需求接近节约系统资源 提高系统容量 系统容量 传统信道配置 业务源速率 动态信道配置 80 CDMA原理 无线传输技术和CDMA原理CDMA无线资源管理原理不同体制的3G技术3G无线接入网络形态 81 不同时期 不同需求 82 不同需求 不同业务 83 不同业务 不同技术 AMPS TACS NMT 其它 GSM CDMA IS95 TDMA IS 136 PDC 第一代80年代 模拟 第二代90年代 数字 第三代 IMT 2000 UMTS WCDMA cdma 2000 需求驱动 需求驱动 模 拟 技 术 数 字 技 术 语 音 业 务 宽 带 业 务 TD SCDMA 3G为用户与运营商提供了完整的综合业务解决方案 84 3G 体制 WCDMA 核心网络 基于MAP和GPRS 无线传输技术 WCDMA FDD TDD TD SCDMA 核心网络 基于MAP 无线传输技术 TD SCDMA cdma2000 核心网络 基于ANSI41和MIP 无线传输技术 cdma2000 CDMA技术是3G的核心 3G的核心 CDMA技术 85 cdma2000技术体制 网络特点 86 IS 95的技术特点 基站用215长度的短扰码来区分 不同的基站用不同的相位 上行用非相干解调 采用Walsh调制 6 64符号变换 性能低于相干解调各个用户用242长度的长扰码区分 不同的用户采用不同的扰码下行快速功控比特在数据比特中打孔传输IS 95A支持语音业务 IS 95B开始支持数据业务 采用补充码分信道 是多码传输的方式 87 cdma2000RTT技术特点 88 cdma20001X技术特点 IS 95A B是cdma2000的子集码片速率1 2288Mcps扩频调制 前向QPSK 反向HPSK反向导频 相干解调快速前向和反向功率控制前向发射分集 OTD STS信道编码增加Turbo码可变帧长 5ms 10ms 20ms 40ms 80ms支持F QPCH 延长手机待机时间速率最大可达307 2kbps支持QoS协商支持多媒体业务支持8K 13KQCELP8kbpsEVRC信道容量是IS 95A B的2倍 89 cdma20001X候选增强技术 高通提出的HDR 支持最高速率为2 4Mbps的数据业务摩托罗拉和诺基亚公司联合提出的1XTREME中国提出的LAS CDMA目前3GPP2已经完成基于HDR的1X EV DO版本 正在根据摩托罗拉 朗讯和LAS CDMA的提案技术讨论1X EV DV版本 90 cdma20003X技术特点 码片速率3 1 2288Mcps 接入速率最大可达2Mbps 91 cdma2000过渡 1IS 95A B载频 cdma20001X载频 cdma2000兼容IS 95A B 增加SCH以支持分组业务 可以通过增加cdma20001XBSC和cdma2000BTS的方式平滑过渡 即业务可以平滑升级 但设备需增加 1IS 95A B载频 2cdma20001X载频 92 TD SCDMA发展历程 93 TD SCDMA技术体制 网络特点 94 TD SCDMA技术特点 95 WCDMA发展历程 96 WCDMA技术体制 网络特点 97 WCDMA基本内容 调制方式 上行 BPSK 下行 QPSK 语音编码 AMR 信道编码 卷积码和Turbo码 解调方式 导频辅助的相干