【学习课件】第八章码分多址(CDMA)移动通信系统

1、第八章 码分多址(CDMA)移动通信系统1精选课件学习重点与要求本章主要介绍以IS95CDMA为代表的2G移动通信系统，重点介绍其物理层协议，如蜂窝结构、前向与反向链路、扩频与调制方法、信道功能、数据帧结构、功率控制和切换等2精选课件要求掌握IS95CDMA的蜂窝结构、扩频调制方案、信道组成、功率控制方案等。了解IS95CDMA系统的软切换流程。了解IS95CDMA的网络结构和协议框架。了解CDMA1X的基本概念。3精选课件第八章 码分多址(CDMA)移动通信系统8.1概述8.2 无线链路8.3 IS-95 CDMA系统的同步与定时8.4 CDMA系统的功率控制8.5 CDMA的软切换技术及其

2、漫游8.6 系统接口和信令协议4精选课件8.1概述CDMA基本概念JapanEnglishChinese?JapanEnglishChinese5精选课件8.1概述CDMA实现用同一PN序列的不同相移来区分基站。Station AStation BStation C0001101100101110010111006精选课件8.1概述IS-95 CDMA技术的发展Qualcomm公司发明，叫IS-95CDMA、Q-CDMA、N-CDMA、cdmaOne。与美国的AMPS模拟方式兼容。1993年，北美电信工业联合会把CDMA系统的公共空中接口IS-95定为数字蜂窝移动通信标准。 1995年开始商用

3、，Qualcomm公司（高通公司）具有几乎所有知识产权。现为仅次于GSM发展最快的系统，全球现己近一亿用户，二十多个国家采用。南韩最早引进CDMA技术与系统（1996年）。中国在九十年代中期开始研究CDMA技术1998年具有14万容量的长城CDMA商用试验网在北京、广州、上海、西安建成，并开始小部份商用。其后转入联通。7精选课件8.1 IS-95概述IS-95 CDMA技术的发展表8.1 cdma One的演进之路标准容量（GSM相比）数据速率可用性IS-95A314.4kb/s目前IS-95B364kb/s目前MC-1X6144kb/s2001年MC-3X62Mb/s将来8精选课件8.1 I

4、S-95概述相关标准（1）IS-95 空中接口，IS-95A、 IS-95BIS-96 CDMA话音业务选择标准IS-97 CDMA基站最低性能测试标准IS-98 CDMA/AMPS双模移动台最低性能测试标准IS-99 CDMA数据业务选择标准IS-125 CDMA话音业务选择最低性能测试标准IS-126 移动台环回业务选择标准IS-127 CDMA话音编码EVRC标准9精选课件8.1 IS-95概述相关标准（2）IS-634 A接口IS-41 无线网络IS-637 短消息IS-53 补充业务IS-52 编号计划IS-93 Ai、Di接口IS-771 无线智能网IS-707 数据业务10精选课

5、件8.1 IS-95概述关键技术IS-95采用以下关键技术：直接序列扩频技术；功率控制技术；Rake分集接收技术；移动台辅助的软切换；话音激活与可变速率声码器技术；11精选课件8.1概述IS-95 CDMA主要技术指标（1） IS 95 CDMA工作频段上行（移动台发/基站收）：870894MHz下行（移动台收/基站发）：825849MHz收发间隔45MHzIS 95 CDMA PCS工作频段上行（移动台发/基站收）：18501910MHz下行（移动台收/基站发）：19301990MHz收发间隔80MHz载频间隔1.25MHz12精选课件8.1 IS-95概述IS-95 CDMA主要技术指标（

6、2） 双工方式： FDD 收发间隔 45MHz 多址方式： CDMA 扩频码速率： 1.2288Mc/s调制方式： 前向QPSK，反向OQPSK语音编码方式：变速率QCELP码信道编码方式： 卷积码k=9， 正向 Rb=1/2，反向Rb=1/3数据帧长： 20ms13精选课件8.1 IS-95概述IS-95 CDMA主要技术指标（3）扩频解调门限：7dB（Pe=10-4）基站逻辑信道数：大于30/每载波小区结构：1200三扇区构成功率控制范围：正向：6dB 反向：80dB功率控制精度：正向：0.5dB 反向：1dB分集接收： 基站4路RAKE接收 移动台3路RAKE接收14精选课件8.1 IS

7、-95概述地址码的选择码分：用户、信道和基站均依靠多址码识别。针对不同的多址码需求，分别使用不同类型的码组。基站的识别：不同相移的PN序列，码元周期为215。信道的识别：正交的Walsh函数，完全正交的64阶Walsh码；用户的识别：周期足够长的PN序列，码元周期为242-1。15精选课件8.1概述IS95 CDMA系统特点CDMA系统的特点：多种分集技术，良好的抗干扰、抗衰落性能；低发射功率，严格的功率控制；系统容量大，多址能力强；软切换；软容量保密性好；组网方便、建网经济；16精选课件特点1良好的抗干扰、抗衰落性能多径传输问题是移动通信、特别是城市移动通信影响通信质量的重要问题。在扩频通信

8、中，由于多径传播中的多条路径可以利用扩频码进行分离，并通过分集合并取得分集增益，使通信质量得到较大的改善。在CDMA系统中采用多种分集方式，大大地改善了信号传输的性能：时间分集符号交织和纠错编码；空间（路径）分集基站采用多副接收天线，基站和移动台采用多径Rake接收机。17精选课件特点2严格的功率控制为了实现大容量、高质量和其它优点，CDMA采用了严格的功率控制。 反向（移动台至基站方向）功率控制的目的，是使小区内工作的每个移动台发射机在基站接收机产生额定的接收信号功率，不管移动台的位置及传播损耗如何，每个移动台的信号在小区基站均以相同电平被接收，使得每个移动台仅以“刚刚足够”的功率发射信号。

9、正向（基站至移动台方向）功率控制的目的是降低靠近基站用户的信号功率，尽量减少对其它小区的干扰，让多余的功率可以分配给环境更困难或远离移动台和误码高的用户。同时，由于CDMA采用功率控制，减小了平均发射功率。功率控制技术不但能减少相互干扰，还使CDMA电话发射功率消耗低，从而使通话时间更长，电池体积更小。18精选课件特点3系统容量大，多址能力强（1）CDMA技术多址能力决定于地址码间的多址干扰的大小。在实际的CDMA系统中，各地址码之间不是完全正交，它们之间存在一定的互相关性，此互相关性导致的多址干扰是影响CDMA多址能力的决定性因素。CDMA采用多种手段使得多址干扰足够小，从而使CDMA的多址

10、能力比FDMA、TDMA更强：选择有良好的自相关性、互相关性的地址码；采用信号处理的方法消除多址干扰；使用功率控制克服远近效应；采用语音激活技术、高效纠错码及CDMA扇形分区等技术，使整个CDMA通信系统的容量增大。19精选课件特点3系统容量大，多址能力强（2）根据W. C. Y. Lee的分析、比较，认为以频谱资源带宽1.25MHz为基础条件，采用话音激活技术和分扇区技术，当扇区数为3时，CDMA系统每小区内容量比AMPS/FDMA模拟系统大20倍，比DMPS/TDMA数字系统大4倍。实际IS-95 CDMA蜂窝系统的容量可达到模拟系统的10倍，达到现有TDMA系统的23倍。20精选课件特点

11、4软切换在CDMA系统中，其相邻小区工作频率采用同一频率，只是扩频地址码不一样。这样用户越区切换不需改变频率，而只改变地址码，这使切换方便容易，这种切换称为软切换。在CDMA系统中，当移动台越区时，能够同时连接到两个或多个小区；在老的连接中断之前，新的连接已经建立，这就减少了呼叫中断的概率，改善了切换时的话音质量。 “硬切换”呼叫常在切换过程中断，软切换明显优于TDMA、FDMA系统在切换时需变换工作频率的“硬切换”。21精选课件特点5软容量由于FDMA、TDMA的容量是由频率和时隙所决定的，因此容量是固定值，当同时工作的用户数超过系统容量时，必会出现阻塞。而CDMA虽然在一定的信干比下也有一

12、个对应的容量限值，但由于CDMA是受干扰限制的系统，如果用户数超过了容量，只会使系统性能下降，而不会出现阻塞。这样，CDMA系统中某一局部区域的短期过载对性能影响不大，增加了系统运行的灵活性。22精选课件特点6保密性好CDMA具有天然的保密性。CDMA系统采用的扩频地址码一般是长周期码，接收时，需接收方的本地相关码与发端的扩频码同步，且两码必须完全相同，这就使CDMA系统比一般系统安全，窃听者必须要先破译和产生一个相关的本地码，这是十分困难的。23精选课件特点7组网方便、建网经济CDMA可以单频组网，组网方便。CDMA的基站覆盖面大，在同一地区，CDMA组网的小区数比GSM少三分之一， 成本下

13、降三分之一。24精选课件第八章 码分多址(CDMA)移动通信系统8.1概述8.2 无线链路8.3 IS-95 CDMA系统的同步与定时8.4 CDMA系统的功率控制8.5 CDMA的软切换技术及其漫游8.6 系统接口和信令协议25精选课件8.2 无线链路8.2.1 前向信道1、前向链路的组成2、前向链路的结构3、前向链路的帧结构8.2.2 反向信道1、反向链路的组成2、反向链路的结构3、反向链路的帧结构26精选课件8.2.1.1 前向链路的组成导频信道：基站在此信道发送导频信号（其信号功率比其他信道高20dB）供移动台识别基站并引导移动台入网。同步信道：基站在此信道发送同步信息供移动台建立与系

14、统的定时和同步。寻呼信道：基站在此信道寻呼移动台，发送有关寻呼、指令及业务信道指配信息。前向业务信道：供基站到移动台之间通信，用于传送用户业务数据；同时也传送信令信息（例如功率控制信令信息）。前向链路的区分64个相互正交的Walsh序列，记作W0，W1，W2，W63，可提供64个码分信道。27精选课件8.2.1.1 前向链路的组成前向码分物理信道和逻辑信道的关系 表8.1逻辑信道 信道个数 物理信道 导频信道 1 W0同步信道 1 W32寻呼信道 17 W1W7前向业务信道 55 W8W31，W33W63 28精选课件8.2.1.1 前向链路的组成前向码分物理信道和逻辑信道配置 29精选课件8

15、.2 无线链路8.2.1 前向信道1、前向链路的组成2、前向链路的结构3、前向链路的帧结构8.2.2 反向信道1、反向链路的组成2、反向链路的结构3、反向链路的帧结构30精选课件导频信道8.2.1.2 前向链路的结构31精选课件导频信道：W0全0，不含数据，含引导PN码序列相位偏移量和频率基准信息，一直不断发送。电平高于其它信道，一般为总能量的20%。用于移动台获取基站的定时和提取相干载波以进行相干解调；通过对导频信号中多径信号的检测，实现RAKE接收机中的信号估计；通过比较相邻基站导频信号的强度，决定何时需越区切换；通过对导频信号强度的检测，决定开环功率控制的初始值。8.2.1.2 前向链路

16、的结构32精选课件8.2.1.2 前向链路的结构同步信道33精选课件同步信道：数据率为1200bps，传输同步信息和其它信息。接入的是哪个基站。还有寻呼信道如系统时间，导频偏置，使移动台知道正确速率，242-1长码的状态等。最终码速率：4.8Kbps。8.2.1.2 前向链路的结构34精选课件寻呼信道8.2.1.2 前向链路的结构35精选课件寻呼信道：定时发送系统信息，入网参数，基站寻呼移动台，信道速率可有9600bps，4800bps两种。8.2.1.2 前向链路的结构36精选课件业务信道8.2.1.2 前向链路的结构37精选课件业务信道：用于传输用户信息和少量的随路信令信息。 传输8.6k

17、bps、4kbps、2kbps、800bps的不同速率的数据。 组帧后，加帧质量指示比特（CRC检验比特），并加编码器尾比特后(每帧加8bit)数据变为9.6/4.8/2.4/1.2kbps业务信道中嵌入了功率控制子信道，用于传输功率控制信息。8.2.1.2 前向链路的结构38精选课件8.2 无线链路8.2.1 前向信道1、前向链路的组成2、前向链路的结构3、前向链路的帧结构8.2.2 反向信道1、反向链路的组成2、反向链路的结构3、反向链路的帧结构39精选课件8.2 无线链路8.2.1 前向信道1、前向链路的组成2、前向链路的结构3、前向链路的帧结构8.2.2 反向信道1、反向链路的组成2、

18、反向链路的结构3、反向链路的帧结构40精选课件8.2.2.1 反向链路的组成反向接入信道MS发起呼叫与传送应答响应传输速率：4.8kbps反向业务信道传输用户业务信息与功控等信令信息传输速率：9.6/4.8/2.4/1.2kbps41精选课件8.2.2.1 反向链路的组成反向CDMA信道(基站接收的1.23 MHz 信道)以长码进行编址与寻呼信道有关的接入信道业务信道1业务信道与寻呼信道有关的接入信道与寻呼信道有关的接入信道与寻呼信道有关的接入信道42精选课件8.2 无线链路8.2.1 前向信道1、前向链路的组成2、前向链路的结构3、前向链路的帧结构8.2.2 反向信道1、反向链路的组成2、反

19、向链路的结构3、反向链路的帧结构43精选课件8.2.2.2 反向链路的结构接入信道结构44精选课件业务信道结构8.2.2.2 反向链路的结构45精选课件第八章 码分多址(CDMA)移动通信系统8.1概述8.2 无线链路8.3 IS-95 CDMA系统的同步与定时8.4 CDMA系统的功率控制8.5 CDMA的软切换技术及其漫游8.6 系统接口和信令协议46精选课件8.3 IS_95 CDMA 同步与定时1、目的：基站时基对准CDMA系统时钟导频信道的PN序列、帧、Walsh函数定时2、要求：导引序列的发送：系统时钟的10us内基站CDMA信道相互定时误差：1us定时校正的改变率：101.725

20、ns或1/8chip每200ms导频PN与Walsh序列时间误差：50ns导频信道与前向信道的射频相位误差：0.05rad47精选课件8.3 IS_95 CDMA 同步与定时同步的重要性：任何数字通信系统都是离散信号的传输，要求收发两端信号在频率上相同和相位上一致，才能正确地解调出信息。一个相干扩频数字通信系统，接收端与发送端必须实现射频载频同步、 PN码码元、信息码元同步和序列同步。只有实现了这些同步，直扩系统才能正常的工作。48精选课件8.3 IS_95 CDMA 同步与定时为什么需要同步？一般说来，在发射机和接收机中采用精确的频率源，可以去掉大部分频率和相位的不确定性。但引起不确定性的因

21、素有以下一些： 收发信机的距离引起传播的延迟产生的相位差; 收发信机相对不稳定性引起的频差; 收发信机相对运动引起的多普勒频移；以及多径传播也会影响频率和相位的改变。因此，只靠提高频率源的稳定度是不够的，需要采取进一步提高同步速率和精度的方法。49精选课件8.3 IS_95 CDMA 同步与定时PN码同步的两个步骤：捕获过程（粗同步）：确定PN码的相位接收机在一开始并不知道对方是否发送了信号，因此，需要有一个搜捕过程，即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获有用信号。这一阶段也称为起始同步或粗同步，也就是粗调本地PN码的频率和相位，使本地PN码与接收PN码相位差小于一个码元宽度。 跟踪（精同步）：

22、维持PN码的相位粗同步后，进入跟踪过程，即继续保持同步，不因外界影响而失去同步。也就是说，无论由于何种因素使两端的频率和相位发生偏移，同步系统都能加以调整，使收发信号的频率和相位仍然保持精确同步。50精选课件第八章 码分多址(CDMA)移动通信系统8.1概述8.2 无线链路8.3 IS-95 CDMA系统的同步与定时8.4 CDMA系统的功率控制8.5 CDMA的软切换技术及其漫游8.6 系统接口和信令协议51精选课件CDMA系统的功率控制CDMA系统是自干扰系统，限制CDMA系统容量的因素是“干扰”；CDMA功率控制的目标：克服反向链路的远近效应；基站从各个移动台接收到的功率相同；保证接收机

23、的解调性能情况下，尽量降低发射功率，减小对其他用户的干扰。当达到以下条件，系统容量最大当在可接受的信号质量下，功率最小基站从各个移动台接收到的功率相同在CDMA系统中，功率控制是关键技术52精选课件 功率控制的原则是：当信道的传播条件突然改善时，功率控制应作出快速反应（例如几微秒），以防止信号突然增强而对其他用户产生附加干扰，相反，当传播条件突然变坏时，功率调整的速度可以相对慢一些。也就是说，宁愿单个用户的信号质量短时间恶化，也要防止许多用户因为单个用户的信号电平突然变大而增大背景干扰。功率控制53精选课件CDMA系统的功率控制类型功率控制反向功率控制前向功率控制开环功率控制闭环功率控制内环功

24、率控制外环功率控制 功率控制分为反向功率控制及正向功率控制两种，其中，反向功率控制尤其重要，因为，反向是依靠准正交码区分的，因此，用户之间存在相互间干扰，只有保证到达基站各用户间功率一致（防止远近效应），才能保证用户容量及质量。进行反向功率控制的以在移动台接收并测量基站发来的导频信号，根据导频信号强弱估计正确的传输损耗，并根据这种估计来调节移动台的反向发射功率。接收信号增强就降低其发射功率，接收信号减弱就增强其发射功率。54精选课件 反向开环功率控制是由移动台发起的工作 移动台所需发射功率受以下因素影响移动台与基站距离小区负荷信道环境 CDMA系统规定用一个常数来补偿路径损耗与小区负荷的影响，

25、这个常数可由基站调整 移动台根据接收前向信道的功率，直接确定发射功率反向开环功率控制是移动台根据在小区中所接收功率的变化，迅速调节移动台发射功率。其目的是试图使所有移动台发出的信号在到达基站时都有相同的标称功率。开环功率控制是为了补偿平均路径衰落的变化和阴影、拐弯等效应，它必须有一个很大的动态范围。IS95空中接口规定开环功率控制动态范围是32dB32dB。反向开环功率控制55精选课件内环功率控制基站测量Eb/Nt和设定的目标Eb/Nt进行比较，大于则指令移动台降低发射功率，否则增加发射功率。调节速率为 800Hz外环功率控制统计误帧率，测量接收到的能量并估计Eb/Nt将接收到的Eb/Nt与设

26、定门限进行比较产生功率控制命令反向闭环功率控制56精选课件移动台测量前向业务信道帧质量，周期方式或门限方式上报帧质量。基站根据上报的帧质量情况确定是否进行前向功率调节前向功率控制是一种慢速功率调节。前向功率控制57精选课件第八章 码分多址(CDMA)移动通信系统8.1概述8.2 无线链路8.3 IS-95 CDMA系统的同步与定时8.4 CDMA系统的功率控制8.5 CDMA的软切换技术及其漫游8.6 系统接口和信令协议58精选课件8.5 CDMA的软切换技术及其漫游8.5.1 CDMA切换分类8.5.2 CDMA的软切换过程8.5.3 CDMA的漫游59精选课件8.5.1 CDMA 切换分类硬切换：载波频率不同的相邻小区间的切换切换过程中通信链路会发生中断硬切换包括载波频率与导频PN序列偏移的转移软切换：载波频率相同的相邻小区间的切换切换过程中通信链路不发生中断软/更软切换更软切换是指在一个小区