《3G移动通信理论及应用》课件第7章

第7章CDMA2000关键技术7.1信道估计与多径分集接收技术7.2高效的信道编译码技术7.3功率控制技术7.4宏分集与软切换

7.1信道估计与多径分集接收技术

7.1.1信道估计技术

信道估计技术与其他通信信道相比,移动通信信道是最为复杂的一种。多径衰落和复杂恶劣的电波环境是移动通信信道的特征,这是由运动中进行无线通信这一方式本身所决

定的。为了有效克服衰落带来的不利影响,必须采用各种抗衰落技术,包括分集接收技术、均衡技术和纠错编码技术等。在CDMA2000系统中,所传输的信号是宽带信号,其带宽远大于移动信道的相干带宽,因而可以采用具有良好自相关特性的扩频信号,在时间上分辨出较细微的多径分量。

对分辨出的多径信号分别进行加权调整,使合成之后的信号得以增强,从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负面影响。相应地把最佳接收机称为Bake接收机,它是CDMA2000系统中实现多径分集接收的核心部件。为了实现相干形式的Bake接收,在CDMA2000系统的上行链路和下行链路中均采用了连续的公共导频信道进行信道估计(在Is95系统中,上行链路中没有导频信道,这使得基站接收机中的同步和信道估计变得困难,通常采用差分相干或非相干接收方案),使得接收机能够在确知已发数据的条件下,估计出衰落信道中时变参数的幅度和相位信息,从而实现相干方式的最大比合并,以获得合并增益。7.1.2多径分集接收技术

在频带较窄的调制系统中,若采用模拟的FM调制的第一代蜂窝电话系统,则多径的存在导致严重的衰落。在CDMA调制系统中,不同的路径可以各自独立接收,从而显著地降低多径衰落的严重性。但多径衰落并没有完全消除,因为有时仍会出现解调器无法独立处理的多路径,这种情况导致某些衰落现象。分集接收是减少衰落的好方法。它充分利用传输中的多径信号能量,把时域、空域、频域中分散的能量收集起来,以改善传输的可靠性。

1.时间分集

由于移动台的运动,接收信号会产生多普勒频移,在多径环境,这种频移形成多普勒频展。多普勒频展的倒数定义为相干时间,信号衰落发生在传输波形的特定时间上,称为时间选择性衰落。它对数字信号的误码性有明显影响。

若对其振幅进行顺序采样,那么,在时间上间隔足够远(大于相干时间)的两个样点是不相关的,因此可以采用时间分集来减少其影响。即将给定的信号在时间上相隔一定的间隔重复传输N次,只要时间间隔大于相干时间就可以得到N条独立的分集支路。

从通信原理分析可以知道,在时域上时间间隔Δt应该大于时间域相关区间ΔT,即其中B

为多普勒频移的扩散区间,它与移动台的运动速度成正比。可见,时间分集对处于静止状态的移动台是无用的。时间分集与空间分集相比,其优点是减少了接收天线数目,缺点是要占用更多的时隙资源,从而降低了传输效率。

2.频率分集

该技术是将待发送的信息分别调制在不同的载波上发送到信道。由于衰落具有频率选择性,当两个频率间隔大于相关带宽时,即其中L

为接收信号时延功率谱的带宽,衰落是不相关的。市区与郊区的相关带宽一般分别为50kHz和250kHz左右,而CDMA系统的信号带宽为1.23MHz,所以可以实现频率分集。例如,在城市中,800~900MHz频段,典型的时延扩散值为5μs,这时有即要求频率分集的载波间隔要大于200kHz。频率分集与空间分集相比,其优点是少了接收天线与相应设备的数目;缺点是占用更多的频谱资源,并且在发送端有可能需要采用多部发射机。

3.空间分集

在基站间隔一定距离设定几副天线,独立地接收、发射信号,可以保证每个信号之间的衰落独立,采用选择性合并技术从中选出信号的一个输出,减少衰落的影响。这是利用不同地点(空间)收到的信号衰落的独立性,实现抗衰落。

空间分集的基本结构为:发射端一副天线发送,接收端N部天线接收。

接收天线之间的距离为d,根据通信原理,d即为相关区间ΔR,它应该满足分集天线数N越大,分集效果越好。但是不分集与分集差异较大,属于质变。分集增益正比于分集的数量N,其改善是有限的,且改善程度随分集数量N的增加而逐步减少,称为量变。工程上要在性能与复杂性之间作一个折中,一般取N=2~4。空间分集还有两类变化形式:

(1)极化分集:利用在同一地点两个极化方向相互正交的天线发出的信号,可以呈现出不相关的衰落特性,以获得分集效果。即在发送端天线上安装水平与垂直极化天线,就可以把得到的两路衰落特性不相关的信号进行极化分集。其优点是:结构紧凑、节省空间;缺点是:由于发射功率要分配到两副天线上,因此有3dB损失。

(2)角度分集:利用地形、地貌和建筑物等接收环境的不同,到达接收端的不同路径信号不相关的特性,以获得分集效果。这样在接收端可采用方向性天线,分别指向不同的方向。而每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。

空间分集中,由于接收端有N副天线,若N副天线尺寸、增益相同,则空间分集除了可获得抗衰落的分集增益以外,还可以获得每副天线3dB的设备增益。 7.2高效的信道编译码技术

CDMA2000采用了循环冗余校验、卷积、块交织、Turbo码和扰码技术。在CDMA2000系统中,由于传输信道的容量远大于单个用户的信息量,所以特别适于采用高冗余度

的前向纠错编码技术。其上行链路和下行链路中均采用了比IS95系统中码率更低的卷积编码,同时采用交织技术将突发错误分散成随机错误,两者配合使用,从而更加有效地对抗移动信道中的多径衰落。目前,Turbo码用于CDMA2000系统的主要困难体现在以下几个方面:

(1)由于交织长度的限制,无法用于速率较低、时延要求较高的数据(包括语音)传输。

(2)基于软输出MAP的译码算法所需的计算量和存储量较大,而基于软输出Viterbi的译码算法所需的迭代次数往往难以保证。

(3)Turbo码在衰落信道下的性能还有待于进一步研究。

7.3功率控制技术

CDMA20001x中,每个载频的带宽是1.25MHz,所有小区中的所有用户使用相同的载频通信,由于频率统一,每个用户对于其他的用户来说是一个干扰。系统通过一种长度为215-1的伪随机码(一种PN码,又称为短码)来区分不同小区,通过walsh码来区分不同的信道,通过一种长度为242-1的PN码(又称为长码)来区分来自不同终端的信道。长码、短码和walsh码都是扩频码,它们具有随机特性,但却被有规律地产生,因此称之为伪随机码。伪随机码的正交特性和自相关特性接近高斯噪声的特性,因此被扩频通信系统所广泛使用。以1x系统为例,与反向功率控制相类似,前向功率控制也采用前向闭环功率控制和前向外环功率控制方式。此外,还引入了前向快速功率控制概念。

前向功率控制包括三部分:前向闭环功率控制、前向外环功率控制和前向快速功率控制。

(1)前向闭环功率控制:闭环功率控制把前向业务信道接收信号的Eb/Nt(Eb是平均比特能量;Nt指的是总的噪声,包括白噪声、来自其他小区的干扰)与相应的外环功率控制设置值相比较,来判定在反向功率控制子信道上发送给基站的功率控制比特的值。

(2)前向外环功率控制:前向外环功率控制实现点在移动台,基站需要做的工作就是把外环控制的门限值在寻呼消息中发给移动台,其中包括FCH和SCH的外环上下限和初始门限。

外环功率控制根据指配的前向业务信道要达到的目标误帧率(FER)所需的Eb/Nt来估算门限设置值。该设置值或者通过闭环间接通知基站进行功率控制,或者在前向业务信道没有闭环的情况下通过消息通知基站根据设置值的差异来控制发射功率水平。

(3)前向快速功率控制:在前向外环功率控制“使能”的情况下,前向外环功率控制和前向闭环功率控制共同起作用,达到前向快速功率控制的目标。

前向快速功率控制虽然发生作用的点在基站侧,但是进行功率控制的外环参数和功率控制比特都是移动台检测前向链路的信号质量得出输出结果,并把最后的结果通过反向导频信道上的功率控制子信道传给基站。

7.4宏分集与软切换

7.4.1宏分集

宏分集(macrodiversity)是指移动台同时与两个或两个以上的基站保持联系,从而增强接收信号质量。它利用两个或两个以上的不同基站或扇区的天线接收经独立衰落路径的两个或多个慢衰落对数信号。

在CDMA系统中,采用宏分集可大大改善反向信道质量,拓展小区覆盖范围并增加反向用户容量。从某种意义上,CDMA系统的软切换过程属于宏分集。宏分集一般存在于CDMA网基站的扇区服务交叠区内。在基站与终端之间提供了一些分组交换连接,这些连接包括实际业务信道和单独的控制信道。在信号传输中,终端采用了IQ调制,在该调制中,业务和控制信道被复用以便以不同的支路被发送,并且终端可同时与一个以上的基站通信。为了在分组交换连接中能实现宏分集,在终端与仅一个基站之间还保持实际业务信道连接,而在终端与一个以上基站之间同时保持控制信道连接。7.4.2软切换

1.导频集

与待机切换类似,切换中也有导频集的概念,终端将所有需要检测的导频信号根据导频PN序列的偏置归为以下4类:

(1)有效集:当前前向业务信道对应的导频集合。

(2)候选集:不在有效集中,但终端检测到其强度足以供业务正常使用的导频集合。

(3)邻区集:由基站的邻区列表消息所指定的导频的集合。

(4)剩余集:未列入以上三种集合的所有导频的集合。在搜索导频时,终端按照有效集以及候选集、邻区集和剩余集的顺序测量导频信号的强度。假设有效集以及候选集中有PN1、PN2

和PN3,邻区集中有PN11、PN12、PN13

和PN14,剩余集中有PN'、……,则终端测量导频信号的顺序如下:可见,剩余集中的导频被搜索的机会远远小于有效集以及候选集中的导频。

2.搜索窗

除了导频的搜索次数外,搜索范围也是搜索导频时需要考虑的因素。终端在与基站通信时存在延时。如图7－1所示,终端与基站1有t1

的信号延时,与基站2有t2

的信号延时。图7－1基站之间的延时差别假定终端与基站1同步,如果终端与基站1的距离小于与基站2的距离,必然t1<t2。对终端而言,基站2的导频信号会比终端参考时间滞后t2-t1

出现;而如果终端与基站1的距离大于与基站2的距离,必然有t1>t2,对终端而言,基站2的导频信号会比终端参考时间提前t1-t2

出现。

因此在检测导频强度时,终端必须在一个范围内搜索才不会漏掉各个集合中的导频信号。终端使用了搜索窗口来捕获导频,也就是对于某个导频序列偏置,终端会提前和滞后一段码片时间来搜索导频。图7－2搜索窗口与导频信号搜索窗口的尺寸越大,搜索的速度就越慢;但是搜索窗口的尺寸过小,会导致延时差别大的导频不能被搜索到。对于每种导频集,基站定义了各自的搜索窗口的尺寸供终端使用。

•SRCH_WIN_A:有效集和候选集导频信号搜索窗口的尺寸;

•SRCH_WIN_N:邻区集导频信号搜索窗口的尺寸;

•SRCH_WIN_R:剩余集导频信号搜索窗口的尺寸;

SRCH_WIN_A尺寸应该根据预测的传播环境进行设定,该尺寸要足够大,大到能捕获目标基站的所有导频信号的多径部分,同时又应该足够小,从而使搜索窗的性能最

佳化。

SRCH_WIN_N尺寸通常设得比SRCH_WIN_A尺寸大,其大小可参照当前基站和邻区基站的物理距离来设定,一般要超过最大信号延时的2倍。

SRCH_WIN_R尺寸一般设得和SRCH_WIN_N一样大。如果不需要使用剩余集,可以把SRCH_WIN_R设得很小。

3.参数

•T_ADD:基站将此值设置为移动台对导频信号监测的门限。当移动台发现邻区集或剩余集中某个基站的导频信号强度超过T_ADD时,移动台发送一个导频强度测量消息

(PSMM),并将该导频转向候选集。

•T_DROP:基站将此值设置为移动台对导频信号下降监测的门限。当移动台发现有效集或候选集中的某个基站的导频信号强度小于T_DROP时,就启动该基站对应的切换计时器。

•T_TDROP:基站将此值设置为移动台导频信号下降监测定时器的预置定时值。如果有效集中的导频强度降到T_DROP以下,则移动台启动T_TDROP计时器;如果计时器超时,则这个导频从有效集退回到邻区集。如果超时前导频强度又回到T_DROP以上,则计时器自动被删除。

•T_COMP:基站将此值设置为有效集与候选集导频信号强度的比较门限。当移动台发现候选集中某个基站的导频信号的强度超