Ch8(码分多址移动通信系统).ppt

1、1,移 动 通 信Mobile Communications,华南农业大学 胡洁,2,CDMA概述,CDMA 系统,继 GSM后的第二代主流蜂窝移动通信系统 采用码分多址（Code Division Multiple Access）技术,3,频分多址（FDMA）技术,多址技术,含义：每个用户占用一个频率 用户识别：频道号 特点： 以频率复用为基础，以频带划分各种小区 以频道区分用户地址，一个频道传输一路模拟/数字话路 对功控的要求不严 是频率受限和干扰受限系统 基站由多部不同载波频率的发射机同时工作 应用：第一代模拟/第二代数字蜂窝移动通信系统,4,时分多址（TDMA）技术,含义：每个用户占用

2、一个时隙 用户识别：时隙 特点： 以时间复用为基础，小区内以时隙区分用户 每个时隙传输一路数字信号，软件对时隙动态配置 系统要求严格的系统定时同步 对功控的要求不严 是时隙受限和干扰受限系统 TDD模式下，上下行信道信息可以共享 应用：GSM系统,多址技术,5,码分多址（CDMA）技术,含义：每个用户使用一个码型，频率/时间共享 用户识别：码型（GOLD码、Walsh码等等） 特点： 每个基站只需一个射频系统 每个用户共享时间和频率 是一个多址干扰受限系统 需要严格的功率控制 需要定时同步 软容量、软切换，系统容量大 抗衰落、抗多径能力强 应用：IS-95 CDMA系统、cdma2000系统、

3、WCDMA系统,多址技术,6,三种多址方式,多址技术,7, CDMA蜂窝系统与模拟蜂窝系统或TDMA数字蜂窝系统相比具有更大的通信容量。 “软”容量。 “软切换”。 话音激活技术。 具有扩频通信系统所固有的优点，如抗干扰、抗多径衰落和具有保密性等。,8.1.1 码分多址的特征,8,在模拟频分和数字时分的移动通信中, 每个小区的信道数是固定的。当没有空闲信道时, 移动用户既不能再呼叫也不能接收其他用户的呼叫。 在码分多址CDMA系统中,多用户是靠码型来区分的, 只要接收机在允许最小信噪比条件下, 增加一个用户或几个用户只使信噪比有所下降, 不会因没有信道而不能通话.这种小区信道数可扩容的现象称软

4、容量。 系统软容量的另一种形式是小区呼吸功能：指各个小区的覆盖区域大小是动态的。,软容量,8.1.1 码分多址的特征,9,软容量小区呼吸,8.1.1 码分多址的特征,10,8.1.1 码分多址的特征,概念：“先通后断”，移动台开始与一个新的基站通信时， 并不中断与前一个基站 之间的通信 特性：软切换发生在具有相同频率分配的CDMA信道之间， 不会中断话音,不会出现硬切换时的“乒乓”效应,软切换技术,11,8.1.1 码分多址的特征,扩频通信:指系统占用的频带宽度远大于要传输的原始信号的带宽(或信息比特率)。 适用于码分多址蜂窝通信系统的扩频技术是直接序列扩频(DS)或简称直扩。 PG=W/B

5、: 通常PG1，它是信号频谱的扩展倍数，也等于扩频系统抑制噪声的处理增益。 扩频原理：以频带换取信噪比 香农理论：C=W log2 (1+S/N),DS-CDMA系统,扩频技术,12,CDMA系统的自干扰 多址干扰 扩频码之间的互相关性不为零 干扰受限 干扰对系统的容量的直接影响 反向链路上的“远近效应” - 基站远处的用户的信号会被近处用户的信号淹没 移动台位于相邻小区交界处时，收到服务基站的有用信号很低，还会收到相邻小区基站的较强干扰。 无线信道的衰落 慢衰落 地形起伏、大型建筑物以及树林等的阻挡 快衰落 多径传播以及多普勒频移的存在,CDMA干扰来源,8.1.2 CDMA蜂窝通信系统的多

6、址干扰和功率控制,13,1. CDMA蜂窝通信系统的多址干扰 蜂窝通信系统无论是采用何种多址方式都会存在各种各样的外部干扰和系统本身产生的特定干扰。FDMA与TDMA蜂窝系统的共道干扰和CDMA蜂窝系统的多址干扰都是系统本身存在的内部干扰。 对于各种干扰来说, 对蜂窝系统的容量起主要制约作用的是系统本身存在的自我干扰。,8.1.2 CDMA蜂窝通信系统的多址干扰和功率控制,14,图 8-2 CDMA蜂窝系统的多址干扰,反向多址干扰,正向多址干扰,8.1.2 CDMA蜂窝通信系统的多址干扰和功率控制,15,8.1.2 CDMA蜂窝通信系统的多址干扰和功率控制,意义：减小干扰，增加系统容量，CDM

7、A系统是个干扰受限系统 减小远近效应，提高QoS 对抗阴影效应，消除慢衰落 提高电池使用寿命 准则：在接收端收到的有用信号功率相等 上行：各个移动台到达基站的信号功率相等 下行：各个移动台从基站接收到的有用信号相等 分类： 从通信链路角度看：反向功率控制、前向功率控制 从控制方式看：开环功率控制、闭环功率控制,2. CDMA蜂窝通信系统的功率控制,16,下行链路功率控制 前向开环功率控制：由移动台检测接收功率，估算正向信道传输损耗, 从而向基站发出请求，使基站改变业务信道发送功率大小。 前向闭环功率控制：移动台和BS同时参与，移动台发出增加功率的请求，由基站进行检测，将各移动台的误帧率与一个给

8、定的阈值进行比较，决定是增加还是减小各下行链路的发射功率。 上行链路功率控制 反向开环功率控制:移动台根据其接收的总功率，对自己发射功率作出粗略估计，完成开环功率控制。 反向闭环功率控制: 移动台和BS同时参与，移动台根据前向业务信道中功率控制比特来决定增加或减小发射功率。,8.1.2 CDMA蜂窝通信系统的多址干扰和功率控制,17,前向功率控制：前向功控不是重点,可以降低基站的平均发 射功率，减小相邻小区之间的干扰。 调节步长：0.5dB 调节范围：46dB 反向功率控制：是系统功控的重点，为了补偿阴影、拐弯等 效应。 若终端到达BS的信号功率太低，则会发生误码； 若终端端到达BS的信号功率

9、太高，则会增大干扰。 调节范围：32dB,8.1.2 CDMA蜂窝通信系统的多址干扰和功率控制,18,优点 简单易行，不需要在基站和移动台之间交互信息，控制速度快。 对于降低慢衰落的影响比较有效。 缺点 - 处理快衰落时精度不够 原因 在频分双工的CDMA系统中，前反向链路频段相差45MHz以上，远远大于信号相关带宽，因此前反向链路的快衰落是完全独立和不相关的，会导致在某些时刻出现较大误差。,开环功率控制的优缺点,8.1.2 CDMA蜂窝通信系统的多址干扰和功率控制,19,8.1.5 IS-95 CDMA蜂窝通信系统的时间基准,CDMA蜂窝系统利用“全球定位系统”(GPS)的时标， GPS的时

10、间和“世界协调时间”(UTC)是同步的，二者之差是秒的整倍数。 各基站都配有GPS接收机，保持系统中各基站有统一的时间基准，称为CDMA系统的公共时间基准。移动台通常利用最先到达并用于解调的多径信号分量建立基准。,20,8.1.6 IS-95 CDMA蜂窝系统的话音编码,IS-95 CDMA蜂窝系统开发的声码器采用码激励线性预测(CELP)编码算法。其基本速率是 8 kb/s，但是可随输入话音消息的特征而动态地分为四种，即 8、 4、 2、 1 kb/s， 可以 9.6, 4.8, 2.4, 1.2 kb/s的信道速率分别传输。 发送端的编码器对输入的话音取样，产生编码的话音分组(packet

11、)传输到接收端，接收端的解码器把收到的话音分组解码，再恢复成话音样点。,21,8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量,首先考虑一般扩频通信系统的通信容量。载干比为,式中，Eb是消息的一比特能量；Rb是信息的比特率；I0是干扰的功率谱密度；W是总频段宽度(即扩频带宽);(Eb/I0）类似于通常所谓的归一化信噪比(Eb/N0)，其取值决定于系统对误码率或话音质量的要求，并与系统的调制方式和编码方案有关;(W/Rb)是系统的扩频因子，即系统的处理增益。,22,n个用户共用一个无线频道，每一用户的信号都受到其他n-1个用户的信号干扰。若到达一接收机的信号强度和各个干扰强度都一样，则载干比为,或,通常n

12、1, 故C/I1/n，即,(8-4),(8-2),8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量,(8-3),23,1. 话音激活期的影响 利用话音激活技术，使通信中的用户有话音才发射信号，没有话音就停止发射信号，那么任一用户在话音发生停顿时，所有其他通信中的用户都会因为背景干扰减小而受益。话音停顿可以使背景干扰减小65%，能提高系统容量到 1/0.35=2.86 倍。 ,令话音的占空比为d, 则式(8-4)变成,(8-5),8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量,24,2. 扇区的作用 用 120的定向天线把小区分成三个扇区， 可以把背景干扰减少到原值的 1/3, 因而可以提高容量3倍。 令G为扇区

13、数，式(8-5)变成,(8-6),8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量,25,3. 邻近小区的干扰,(1) 正向传输。,图 8- 3CDMA系统中移动台受干扰的情况,8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量,26,在三个小区的交界处(图中x处): 来自本基站的有用信号功率为ar -4 来自本基站的干扰信号功率为a(n-1)r-4； 来自紧邻 2 个基站(图中)的干扰信号功率为 2anr-4; 来自较远3个基站(图中)的干扰信号功率为 3an(2r)-4; 来自更远 6 个基站(图中)的干扰信号功率为 6an(2.63r)-4,8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量,(8-7),27,通常发射机

14、的最大功率是根据最大通信距离进行计算的。这里，基站的发射功率必须保证移动台在小区交界处可以正常工作。但是，当移动台靠近基站时，如果基站仍然发射同样强的功率，则除去增大背景干扰处并无好处。 令基站发给每一个用户i的功率Pi根据移动台和基站的距离ri进行调整。距离越大，功率越大；反之，则越小。,(8-8),8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量,28,上式一般选择=2 比较合适。 令移动台处于小区边缘(ri=r)所需的信号功率Pm，式(8-8)可写为,(8-9),最后计算得到加功率控制后基站发送的总功率为:,而不加功率控制时,基站发送的总功率为: 所以增加功率控制能把基站发射的总功率降低一半.,8

15、.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量,29,不考虑邻近小区的干扰时，一个小区允许同时工作的用户数约为n=1/(C/I), 在考虑邻近小区的干扰并且采用功率控制时，这种用户数降低为n=0.6/(C/I), 即后者是前者乘以0.6。这结果说明CDMA蜂窝系统和其它蜂窝系统类似，也存在一种信道再用效率F=0.6。由此可把式(8-6)写成,采用功率控制后，式(8-7)可以写为：,(8-14),(8-13),8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量,30,(2) 反向传输。设各小区中的移动台均能自动调整其发射功率，使任一移动台无论处于小区内的任何位置上，其信号功率在到达基站时，都能保持在某一额定值即载干比

16、的门限值。 反向功率控制只考虑本移动台的传播损耗。即移动台i的发射功率(Pi)与距离(ri)的关系应该是,用式(8- 9)相同的表示方法，可得,8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量,31,如果功率控制很完善，而且只考虑本小区中移动台的干扰，则基站接收某一信号的载干比也是(C/I)=1/(n-1)1/n。实际上，应该考虑来自邻近小区中移动台的干扰。,8.2 CDMA蜂窝通信系统的通信容量,32,可以把来自一个邻近小区中所有移动台的干扰等效成由其基站发射来的干扰， 因而小区y的基站收到的载干比为,1, 2, 3是分别对应于环路,的比例常数。 由此可得信道再用效率（大约是 0.65 ）：,8.2

17、CDMA蜂窝通信系统的通信容量,33,8.3 CDMA蜂窝系统的无线传输,8.3.1 信道组成,图 8-6 CDMA蜂窝系统的信道示意图,34,图 8-7 CDMA蜂窝系统的逻辑信道示意图,8.3.1 信道组成,35,CDMA Channels,36,1. 导频信道 传输由基站连续发送的导频信号。导频信号是一种无调制的直接序列扩频信号，令移动台可迅速而精确地捕获信道的定时信息，并提取相干载波进行信号的解调。移动台通过对周围不同基站的导频信号进行检测和比较，可以决定什么时候需要进行过境切换。 导频信道功率比其他信道高20dB，主要用于码片集同步 。,8.3.1 信道组成,37,导频集合,不同基站

18、导频的区分：当基站的导频信道使用同一个频率时，则它们只能由PN序列的不同相位来区分。 类型,8.3.1 信道组成,38,2. 同步信道 主要传输同步信息，使用第32个walsh序列进行正交调制。在同步期间，利用同步信道来获得初始时间同步, 使移动台确知接入的是哪个基站，同时为MS提供系统时间，系统和网络的ID（SID和NID）。当设备关机后重新开机时，还需要重新进行同步。当通信业务量很多时, 同步信道也可临时改作业务信道使用。 同步信道主要用于帧同步。,8.3.1 信道组成,39,3. 寻呼信道 在呼叫接续阶段传输寻呼移动台的信息，使用第1-7个walsh序列进行正交调制。 移动台通常在建立同

19、步后，接着就选择一个寻呼信道来监听系统发出的寻呼信息和其它指令。寻呼信道发送系统参数消息： BS类型、BS的经度和纬度、功率控制门限等；发送接入参数消息：接入信道数量、起始接入功率需求、接入试探次数、鉴权信息等。在需要时，寻呼信道可以改作业务信道使用。,8.3.1 信道组成,40,4. 正向业务信道 共有四种传输速率(9 600、4 800、2 400、1 200 b/s)。 业务速率可以逐帧(20 ms)改变，以动态地适应通信者的话音特征。比如，发音时传输速率提高，停顿时传输速率降低。这样做，有利于减少CDMA系统的多址干扰， 以提高系统容量。在业务信道中，还要插入其它的控制信息，如链路功率

20、控制和过区切换指令等。,8.3.1 信道组成,41,5. 接入信道 当移动台没有使用业务信道时，接入信道提供移动台到基站的传输通路，在其中发起呼叫、对寻呼进行响应以及传送登记注册等信息。接入信道和正向传输中的寻呼信道相对应，允许多个用户同时抢占同一接入信道。 MS从与寻呼信道相关的接入信道集内随机地选择一个接入信道。每个寻呼信道所支撑的接入信道数最多可达 32 个。当需要时, 接入信道可以变为反向业务信道, 用于传输用户业务数据信息。,8.3.1 信道组成,IS-95前向链路信道处理过程,1,2,3,流程,除导频信道外，其 余信道均对输入的 数据都进行信道编 码（采用编码速率 为1/2、约束长

21、度 为9的卷积编码）, 块交织；,再用相应的Walsh 码扩展频谱,然后再经过QPSK正 交调制后发送出去。,8.3.2 正向传输,43,前向链路导频信道调制,导频信道,8.3.2 正向传输,44,Walsh码32 1.2288Mcps,8.3.2 正向传输,同步信道 信息比特,8.3.2 正向传输,正向链路业务信道,46,8.3.2 正向传输,47,1. 数据速率 同步信道的数据速率为 1 200 b/s，寻呼信道为 9 600 或 4 800 b/s，正向业务信道为9 600、4 800、2 400、1 200 b/s 2. 卷积编码 数据在传输之前都要进行卷积编码，卷积码的码率为 1/2

22、， 约束长度为 9。 ,8.3.2 正向传输,IS-95前向链路的卷积编码器结构,该卷积编码器的生成函数为 g0 = (111101011) g1 = (101110001) 初始状态为全0， c0先输出，c1后输出。,（r=1/2、k=9）,8.3.2 正向传输,49,3. 码元重复 对于同步信道，经过卷积编码后的各个码元，在分组交织之前，都要重复一次(每码元连续出现 2 次)。对于寻呼信道和正向业务信道， 只要数据率低于 9 600 b/s, 在分组交织之前都要重复。速率为 4 800 b/s时，每码元连续出现 2 次，速率为2 400 b/s时，每码元连续出现 4 次，速率为 1 200

23、 b/s时，每码元连续出现 8 次。这样做，使各种信息速率均变换为相同的调制码元速率，即每秒 19 200 个调制码元。,8.3.2 正向传输,50,4. 分组交织 块交织把突发性错误变为随机性错误。 同步信道所用的交织阵列是 8 行16 列(即 128 个单元)。寻呼信道和正向业务信道所用的交织阵列是 24 行16 列(即 384 个单元)。,8.3.2 正向传输,51,5. 数据掩蔽（加扰） 数据掩蔽用于寻呼信道和正向业务信道，其作用是为通信提供保密。掩蔽器把交织器输出的码元流和按用户编址的PN序列进行模 2 相加。 这种PN序列是工作在时钟为1.2288 MHz的长码，每一抽样等于 1.

24、2288106/19200=64 个PN子码。长码经64码片/抽样的分频后，其速率变为 19200 b/s。,8.3.2 正向传输,52,6. 正交扩展 为了使正向传输的各个信道之间具有正交性，在正向CDMA信道中传输的所有信号都要用六十四进制的沃尔什函数进行扩展。 号码为 0 的沃尔什函数W0分配给导频信道，号码为32 的沃尔什函数W32分配给同步信道。号码为 17 的沃尔什函数W1W7分配给寻呼信道，其余沃尔什函数分配给正向业务信道。,8.3.2 正向传输,53,Walsh函数,构造：,特性： 是一类取值于1和1的二元正交函数系 多种等价定义，常用Hadamard矩阵法 两个Walsh函数

25、相乘仍为Walsh函数 函数集合是完备的 同步时正交，不同步时自相关和互相关性能不好,8.3.2 正向传输,54,Walsh函数的正交性,x,=,8.3.2 正向传输,55,7. 四相扩展 在正交扩展之后，各种信号都要进行四相扩展。四相扩展所用的序列称为引导PN序列。引导PN序列的作用是给不同基站发出的信号赋以不同的特征，便于移动台识别所需的基站。 不同的基站使用相同的PN序列， 但各自采用不同的时间偏置。每一次的偏移量为64个码片，所以基站的特征码字的个数为215/64=512。可以识别512个基站。,8.3.2 正向传输,56,引导PN序列的有两个：I支路PN序列和Q支路PN序列，它们的周期均为 215(32768)个子码。其构成是以下面的生成多项式为基础的。,8.3.2 正向传输,57,8.3.2 正向传输,58,表 8-4 寻呼信道参数,8. 信道参数,8.3.2 正向传输,59,8.3.2 正向传输,Walsh码和引导PN在下行信道的用途,60,反向业务信道调制,s（t）,4.8ks/s 307.2kcps,业务信道信息比特,242长码发生器,长码掩码,D,基带滤波,Q信道序列 1.2288Mcps,I信道序列 1.2288Mcps,sin（2fc t）,基带滤波,cos（2fc t）,I（t）,Q（t）,I,Q,延时1/2PN码片406.9ns,PN码片 1