CDMA2000中的Walsh码M序列PNOffset的经典解析

1、i. 為什麼要擴頻（spreading）的的過程要同時使用walsh碼以及m序列a. 基本概念1. 正交碼的作用a. 使用相同的頻率之下，達到多址接入的無線通訊技術b. 降低干擾c. 加密2. 先瞭解正交擴頻碼與擾碼的關係:a. 在cdma系統中，整個擴頻（spreading）的的過程分為通道化（channlization）和加擾（screambling）兩步l 一般將通道化（channlization）的碼稱正交擴頻碼l 將加擾（screambling）的碼稱為擾碼，可以看成是具有正交功能（但是碼間不完全正交，互相視為高斯雜訊）3. 厘清一個重要概念，在cdma系統中正交碼的分類a. 正交擴

2、頻碼(通道化碼) : walsh碼(碼間完全正交)b. 擾碼（也是正交碼的一種）:l 主擾碼: m序列使用不同相位(碼間不完全正交)l 輔擾碼: m序列使用相同相位(碼間完全不正交)，其目的 為對抗自然界的干擾,所以不做碼間的正交ps:有很多資料都簡稱為擾碼，因為常會造成混淆，因此在此做個特別的分類。c. 因為正交擴頻碼的資源是有限的，必然會遇到使用相同的正交擴頻碼但由不同發射機發射出來的信號，擾碼就是為了進一步區分不同社區的發射機發射出的信號l 擾碼最主要的目的之一就是干擾隨機化l 例如在下行，使用了良好的擾碼後，其他社區來的信號可以近似看作是高斯雜訊l 高斯雜訊是最好的雜訊l 亦即碼間不為

3、完全正交，即會互相干擾，但是碼間互相視為高斯雜訊4. 正交擴頻碼與擾碼的主要差別:a. 正交擴頻碼的正交性優於擾碼l 正交擴頻碼主要用途為區分通道b. 擾碼干擾的能力優於正交擴頻碼l 擾碼的用途為主要用途為抗干擾i. 主擾碼以正交性區分加擾後的信號(可視為對抗其他使用擾碼的訊號的碼間干擾，也就是使得加擾後的訊號近似高斯雜訊)ii. 輔擾碼用來擴展通道碼的空間(自然界的干擾)l 另一個次要的功能為加密c. 在cdma中，m序列用作輔擾碼或主擾碼(使用不同相位達到正交);而walsh碼只用作正交擴頻(利用碼間的完全正交性達成正交)5. 通道化（channlization）就是所謂的正交化，而再cd

4、ma系統中，擴頻的原因之一就是為了正交化，也因此有”正交擴頻”這一個名詞b. 使得正交效果好的碼必須要有三個條件:1. 互相關特性強，各個碼之間儘量正交。(可視為正交性)2. 自相關特性強，信號延遲不影響接收，以對抗多徑效應。(可視為抗擾能力 )3. 數量多，以提供眾多用戶使用4. walsh碼第b、c點不滿足，m序列第a點不滿足，第c點部分滿足，所以在cdma系統中同時使用m序列和walsh碼ii. cdma系統使用了兩種m序列，即短碼和長碼，其作用如下所示。a. 短碼：短碼是以15個寄存器實做的，週期為215-1。1. 在cdma系統的中，短碼用於對前向通道（從基站指向手機方向）使得不同小

5、區間的訊號彼此正交化，使前向通道帶上本社區的標記。a. 不同的社區使用同一個m序列短碼但是其相位是不同的，從而互相區別開來l 不同社區相位不同，就是所謂的pn_offset不同l 在前向通道（從基站指向手機方向）被當做主擾碼之用2. 反向通道(手機指向基站方向)用來當做輔擾碼，手機終端使用的相位都相同，並不需要使用特定的相位指明為那一個社區(對於此點筆者在學習的過程之中有一個難解的困惑，既然相位都相同，亦即訊號之間沒有區別那麼為什麼要多此一舉，還要在反向通道中使用此短碼? 對於此點筆者研讀了相關資料後做了以下的合理推測)a. 當作輔擾碼的目的為對抗自然界的干擾b. 因為手機指向基站的發射功率受

6、限，為了增加通道的傳輸品質而使用的機制c. 不將反向通道加上基站的標記對於軟交換將得到增益，因為手機的訊號可以同時由多個基站同時接收3. 簡言之，短碼的主要作用為在前向信到中用以區分社區（或者基站），也可將其看成是社區的id4. 可能會出現pn_offset複用的情況a. 因為只要做好社區（或者基站）的規劃就可以將pn_offse複用的影響去除，所以才准許pn_offset複用的情況發生b. 長碼：長碼是以42個寄存器實做的，週期為242-11. 在cdma2000的前向通道（從基站指向手機方向）以及反向通道中（從手機指向基站方向）中，長碼使用遮罩而決定其相位，用以區分使用者終端2. 每個手機

7、終端都有一個唯一的遮罩，而遮罩的作用為決定偏移時間的相位，因此每個手機終端所使用的相位都不同3. 簡言之，長碼區分手機終端，也可將其看成是手機終端的id，一個手機終端被分配於唯一的一個相位，手機中端之間不會出現重複的情況。iii. 如何決定手機終端的長碼傳送的相位？a. 在同一個時間，各個移動台的長碼狀態完全一致，在反向鏈路上，長碼發生器是完全一樣的，只是相位不一樣b. 相位就是靠不同的長碼遮罩來區分c. esn（uim_id）用來唯一標識一個使用者，所以長碼遮罩是利用esn permuted來做的d. 運作方式1. 長碼是由移位暫存器不斷移位而產生的a. 長碼的位數與寄存器的位數n有如下關係

8、：長碼的位數=(2n)1。b. 長碼則由15個寄存器不斷移位產生c. 長碼由42個寄存器不斷移位產生d. 列如：一個7位的pn碼1001011的產生過程如下圖所示e. 遮罩的作用是使pn碼產生偏移，7位pn碼的遮罩原理如下圖所示iv. walsh 碼: 長度為64bits。1. 用walsh 碼可以區分開不同的通道a. 前向通道（從基站指向手機方向）的正交擴頻提供不同的碼分通道。b. 反向通道（從手機指向基站方向）僅用於64階正交擴頻。2. 簡言之，walsh 碼區分社區內的通道3. 對於每個社區而言walsh 碼是完全可以複用的a. 在前向通道（從基站指向手機方向）中使用m序列短碼在有限的範

9、圍內可以決定唯一的社區b. 反向通道（從手機指向基站方向）使用m序列長碼可以決定唯一的手機終端4. 因此每的社區可以使用的通道數都是相同的，每一個社區可以使用的信道總數由walsh 碼的長度決定v. 厘清cdma2000中所使用的m序列，walsh的個數；a. cdma2000系統當中，短m序列和長m序列都是各有一個，walsh碼有64個b. 短m序列和長m序列都是偽隨機碼（pn）c. 偽隨機碼（pn）具有自相關特性1. 即同一pn碼的任何時偏（週期內）跟自身的相關性非常小。因此，我們利用同一pn碼的不同時偏來相互區分別2. 只有一個長碼發生器，這很容易理解a. 社區是同時服務多個使用者，所以

10、不可能每個用戶都有不同的長碼發生器（社區在解調每個使用者時都需要改變發生器），也沒必要，只要不同的相位就能區分了（只需要移位就可以了），因為不同的相位的序列相關性很好。b. 這與前向的短pn碼是一樣的道理，前向的短pn碼不同的相位區分不同的社區c. 而對於移動台來說，捕獲時只需要移位，只要找到相關性最好的就說明已經正確d. walsh碼利用它們的互相關特性，因此pn碼只有一個，walsh碼有多個。1. 平時，我們所說共用512個pn碼（pn offset)，應該改為共用512個pn碼偏置，它們的間隔為64個碼片vi. pn offset的意義:a. cdma2000 系統中的m序列是前向通道（

11、從基站指向手機方向）使用的主擾碼1. 不同的磁區使用不同相位的短pn碼來區分，其週期是32768 chips，將短碼每隔64chips進行劃分，於是得到了512個不同相位的短碼，將這些短碼從0至511順序編號2. 將該編號稱為該短碼的pn相偏指數所在系統中可供使用的pn 偏指數資源0，1，2511共有512個3. 將短碼中出現15個0後的序列狀態定義為零相位短碼的起始狀態b. 所有cdma2000的基站磁區都在其前嚮導頻通道上不間斷地發送導頻信號，但開始發送的時刻不同1. 磁區開始發送導頻pn序列的時刻稱為導頻信號的相位2. 參照系統時間，從系統時間的零時刻開始算起，第2、4、62n-2、2n

12、、2n+2秒這些偶數秒的起始時刻開始發送pn定義為零偏置pn，即相當於連續輸出15個0的時刻3. 因此，假定某導頻pn的導頻相位偏置為n（取值0511的整數），則該磁區的導頻pn序列將在每個偶數秒起始後的第64n/1.2288us時刻開始發送，如果n=16，則發送時刻為16x64/1.2288=833.33us4. 而這512個pn offset值並不一定能全部被使用a. 需要根據網路的規模等實際情況確定了步長（pilot_inc）後才能最終確定可以使用的pn offset值b. 即工程上使用兩個導頻pn之間的最小相位差是64* p pilot_incc. 在一個cluster內，兩個cdma

13、社區的初始相位最小差值為pilot_inc *64 chips。1. 通常pilot_inc可以取342. 大家可以很容易算出在空間上兩個cdma社區發生相位混淆時，相應的基站的空間距離d. 此在cdma2000實際網路中，很少發生導頻相位模糊的情況1. 當然在一些特殊情況下，也會發生a. 比如存在同相位干擾基站直射路徑，存在鏡面反射情況環境b. 這些情況可通過適當的導頻規劃和優化措施例如調整搜索窗大小等等來規避e. 另一個重點為如何做好社區(磁區，基站)的pn offset規劃以及如何設定pilot_inc值也是非常重要的課題，我將於下一個專題文章中加以討論vii. wcdma跟cdma2000所使用的擴頻碼之比較a. wcdma使用了一種cdma2000沒有的碼，也就是同步碼b. wcdma與cdma2000一樣，也採用ovsf作為通道化碼，也就是可變階的walsh碼c. wcdma採用了gold碼作為擾碼，而不是m序列，主要是為了實現非同步網路viii. 結論:在cdm