第七章 时分多址.ppt

1、码分多址CDMA移动通信系统,IS-95系统,IS-95标准概述 IS-95前向链路 IS-95反向链路 IS-95中的功率控制技术 IS-95中的软切换技术,IS-95标准概述,IS-95标准发展历程 IS-95系统频段 IS-95系统时间,IS-95标准发展历程,CDMA技术的地位 发展历程 cdmaOne IS-95 A IS-95 B,CDMA技术的地位,基于CDMA的IS-95标准是第二代移动通信系统中的两大技术标准体制之一 在第三代移动通信系统的主流标准中，全部基于CDMA技术,发展历程,CDMA蜂窝系统最早由美国Qualcomm（高通）公司开发 1993年由美国电信工业协会形成标

2、准IS-95标准 经过不断修改，形成了IS-95A、IS-95B等一系列标准 1994年成立了CDMA发展组织（CDG: CDMA Development Group） 20世纪90年代末，在美国、香港、韩国多地投入商用,cdmaOne,基于IS-95的一系列标准和产品的统称 如IS-95、IS-95A、TSB-74、J-STD-008以及IS-95B 又被称为 IS-95 CDMA系统 N-CDMA（窄带CDMA）系统,IS-95 A,用户性能需求（UPR） IS-95 A的产生过程 关键技术,IS-95 A 的产生过程,IS-95A是CDMA标准系列中第一个投入商用的标准 1989年,Qu

3、alcomm公司提出了CDMA蜂窝移动通信系统的实现方案 1993年,美国电信工业协会（TIA） 将CDMA系统确定为一个暂定标准IS-95标准 1995年,形成了一个修订版本IS-95A，并投入商用,宽带传输 频率分集 Rake接收机 时间分集 克服衰落 多天线收发信号 空间分集,IS-95 A关键技术,功率控制 软切换 多种形式的分集技术,IS-95 B,IS-95 B的产生,IS-95 B的特点,IS-95 B的产生,需求 较高速率数据业务 新标准,IS-95 B 的特点,内容 IS-95A +TSB-74+ANSI J-STD-008 核心思想 在不改变IS-95A物理层的前提下，通过

4、自适应信道捆绑技术来提供高速数据业务 新算法 新的软切换算法增加了动态门限 由于种种原因，IS-95 B未能大规模商用,IS-95系统频段,IS-95兼容AMPS系统，二者具有相同的工作频段。 IS-95采用频分双工（FDD）的通信方式 IS-95中，CDMA的载波频带中心频率采用AMPS的信道编号来描述 分类,蜂窝频段（0类频段）,前向链路 869894MHz 传输频段 25MHz 反向链路 824849MHz 双工收发频差 45MHz,前向链路 19301990MHz 传输频段 25MHz 反向链路 18501910MHz 双工收发频差45MHz,PCS频段（1类频段）,IS-95系统时间

5、,定时同步的实现方式,各个基站配有GPS接收机，保证各个基站有统一的时间基准。 小区内所有移动台均以基站的时间基准作为自己的时间基准，从而保证全网的同步。 基站的时间基准驱动导频信道的PN序列、帧、以及Walsh函数的定时。 通过收发双方的长码和短码严格同步来实现 不同的基站信号通过短PN码的不同相位偏置来区分 不同的移动台则通过长PN码的不同相位偏置来区分,导频信道,同步信道,寻呼信道,前向业务信道,反向业务信道,接入信道,IS-95无线传输,信道组成,IS-95无线传输,CDMA 前向信道/下行链路,导频 信道,同步 信道,寻呼 信道,寻呼 信道,业务 信道,业务 信道,业务 信道,业务

6、信道,业务 数据,功率控制 子信道,W0,W32,W1,W7,W8,W9,W62,W63,1,2,54,55,CDMA后向信道/上行链路,接入 信道,接入 信道,1,n,业务 信道,1,业务 信道,2,业务 信道,55,用户地址长码,业务数据,前向链路信道结构,前向链路（又称下行链路）指由基站发往移动台 的无线通信链路。 不同信号的区分 同一载频下最多可有64个同时传输的信道，在PN序列上采用正交的Walsh码进行区分。 来自不同基站的前向链路信号则通过PN短码的不同偏置来区分。 物理信道 64阶的Walsh函数生成64个正交码分物理信道，即 ,逻辑信道,IS-95前向链路信道结构,特殊情况

7、当用户数过多，业务信道数目不够时，某几个寻呼信道可以临时用作业务信道； 极端情况下，7个寻呼信道和1个同步信道都可用作业务信道。,1个 1个 7个 55个,IS-95前向链路信道处理过程,除导频信道外，其余信道均对输入的数据进行信道编码（采用编码速率为1/2、约束长度为9的卷积编码）、块交织； 再用相应的Walsh码扩展频谱； 再经过QPSK正交调制后发送出去。 前向链路信号，是通过I支路和Q支路PN短码的偏置相位来识别。,处理过程1,IS-95 前向链路信道处理,处理过程2,IS-95 前向链路信道处理,IS-95 前向链路信道处理,处理过程3,前向链路基本操作,卷积编码 符号重复与块交织

8、扩频与调制 基带滤波 数据加扰 长码产生 变速率声码器和变速率传输控制,卷积编码,IS-95系统的前向和反向链路中都使用卷积编码器 参数 在前向链路，同步信道、寻呼信道、业务信道均使用相同的卷积编码器。 编码效率为1/2 速率提高一倍 约束长度为9 前后9个比特之间具有相关性,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）,符号重复,原因 在进行块交织之前，如果前向信道的数据速率低于额定数据传输速率，则还要对卷积编码器的输出符号进行重复，使得各种

9、符号速率变成相同的调制符号速率，以便进行统一的交织操作。 重复次数,n = 额定速率/当前速率,块交织,IS-95系统前向链路中，除导频信道外，所有的同步信道、寻呼信道和前向业务信道的数据流，在卷积编码后，都要进行交织编码（块交织）。 作用 对付突发性干扰，将突发性差错分散开来，变为随机差错。 方法 “比特反转” 符号位置变换为二进制数据,反转比特顺序,变回十进制 注意：位置按从0开始编号 交织器参数,假设要对8比特的数据进行交织 输入序列 0 1 1 0 0 0 1 1 十进制读入顺序 0 1 2 3 4 5 6 7 二进制 000 001 010 011 100 101 110 111 比

10、特反转 000 100 010 110 001 101 011 111 十进制读出顺序 0 4 2 6 1 5 3 7 输出序列 0 0 1 1 1 0 0 1,交织器示例,扩频与调制,前向链路的每个信道都用一个码片速率固定为1.2288Mcps的Walsh函数扩展频谱，以此保证前向链路的各个信道之间具有正交性。 然后输入到四相调制器，进行QPSK调制。,QPSK调制,PN短码序列 QPSK调制的实质,PN短码序列,同相支路以及正交支路引入了两个互为准正交的PN短码序列 码速 1.2288Mcps 生成多项式 序列周期 按照生成多项式产生的序列周期长度为215-1 当序列每个周期中出现14个连

11、“0”时，再插入一个“0”，从而周期长度为215（32768），而且序列中“0”和“1”的个数各占一半，使码的平衡性更好。 PN短码的偏置 PN短码可用的偏置共有512个，一个偏置为64个chip。 不同的基站使用相同的PN序列 各个基站间通过PN序列的不同的偏置来识别,QPSK调制的实质,IS-95系统分配给正交两路的数据是相同的，码片速率并未减半，实质为BPSK调制 一个信道的数据分别与两个不同的PN短码进行模2加，经过基带滤波成型后的I路和Q路信号使用同相载波和正交载波进行调制，相加后发送出去。,数据加扰,用于前向业务信道和寻呼信道,块交织器的输出端 目的 数据安全 实现方法 对交织器输

12、出数据和PN长码的抽样值进行模2加 速率 与被扰的符号序列速率相同 19.2ksps 扰码来源 寻呼信道的长码由寻呼信道掩码生成 前向业务信道的长码由用户长码掩码生成,前向链路的数据加扰过程,长码产生,周期 242-1 速率 1.2288Mcps 作用 前向链路寻呼信道和业务信道的数据加扰 反向链路中区分用户 特征多项式,长码发生器的结构,长码发生器是由42级移位寄存器、相应的反馈支路以及模2相加器组成。 为了保密起见，42级移位寄存器的各级输出与长码掩码（一个42位的序列）相乘，然后进行模2加，得到长码输出。,业务信道的掩码 寻呼信道的掩码,长码掩码的格式,公共掩码 使用了置换后的电子序列号

13、（ESN） ESN是设备制造商给移动台分配的32位设备序号 ESN的置换规则 专用掩码 用于用户的保密通信 格式由美国电子工业协会（TIA）规定,业务信道的掩码,公共掩码格式,寻呼信道的掩码,变速率声码器和变速率传输控制,可变速率的声码器算法 通话过程中，话音信号是有间断的（有效通话时间约40% ） 话音信号处理的帧长为20ms，每帧的比特数可能不同。 分为：全速率、半速率、1/4速率以及1/8速率。 变速率数据传输 在传输过程中语音信号的数据速率是变化的 在低速率时，可以降低信号发射功率，降低对其他用户的干扰，提高系统容量。 功率控制 不同的数据速率控制发送不同的功率。 各个帧之间的速率可以

14、不同，因此发射功率可以不同 在一帧内，所有符号的发射功率都是相同的,导频信道,设置 在每个载频上的每小区或扇区配置一个 处理过程 发射功率 主要功能 信号构成 时间周期,导频信道的处理过程,导频信道不携带任何用户信息，输入为全0 没有经过编码和交织 固定使用沃尔什函数0（ ）进行扩频 然后进行四相调制,导频信道的发射功率,导频信道通常占用较大功率 在前向链路上连续不间断发送 在基站的整个覆盖范围内有效,导频信道的主要功能,移动台通过导频信道捕获基站的有关信息，进行初始同步，并提取相位和载波信息，以便进行相干解调。 移动台可以对导频信号电平进行检测，以比较相邻基站的信号强度，并决定是否进行切换。

15、,导频信道的信号构成,输入全0，由正交的PN短码对构成。 所有基站导频信号使用相同的PN短码。 码长215（32768） 周期26.66ms 一个周期内容纳512个码长为64的Walsh函数序列 不同的基站通过不同的时间偏置来识别。 初始相位的偏置数目为512个，64 chips， 初始相位可用偏移指数表示，编号为从0到511。 时间偏移=导频PN序列偏移的码片数*码片宽度 导频PN序列偏移的码片数=相位偏移指数*64 其中，码片速率1.2288 Mcps，每一码片宽0.8138 us,导频信道的时间周期,导频信道的时间周期为2s。 每偶数秒的开始作为PN序列的零偏置定时。 每2s内可发送导频

16、信号75次（ PN短码的周期为26.66 ms， 7526.66 ms=2 s）。 导频信道的时间周期，恰好等于同步信道高帧的时间长度。因此，移动台捕获导频信道后，就可以与同步信道建立联系，并获取同步信息。,同步信道,设置 每载频上的每小区/扇区配置一个,同步信道的处理过程,固定使用Walsh函数W32，数据速率为1.2 kbps 卷积编码后的符号速率为2.4 ksps 符号重复后的符号速率为4.8 ksps 交织后的符号速率为4.8ksps，交织时延为26.66 ms 与1.2288 Mcps 的Walsh码模2加 进行四相调制,寻呼信道的设置,每载频上的每小区或扇区最多可配置7个 寻呼信道

17、。 根据配置不同，固定采用 到 之中的某些沃尔什码。 移动台在建立同步后，就在首选的寻呼信道 （或者基站指定的寻呼信道上）监听基站发来的信令。 当移动台收到基站分配业务信道的指令后，就转入该业务信道进行信息传输。,帧长 20 ms 半帧 10ms 超帧 80ms（ 4个寻呼信道帧） 时隙 80ms 寻呼信道将一个163.84s的时间段分为2048个时隙（从02047标记）。,寻呼信道的时间划分,以4.8kbps的信息速率为例,卷积编码 码速提高一倍，符号速率为9.6 ksps 符号重复 重复一次，符号速率为19.2 ksps 交织器 交织矩阵为2416（384个码元） 交织时延为一帧时间（20

18、ms） 数据加扰 保密起见 与相应Walsh码模2加 送入四相调制器,寻呼信道的处理过程,移动台对寻呼信道的监听,目的 未建立业务信道时，保证及时获取 系统发来的消息。 模式 时隙模式 非时隙模式,时隙监听模式,移动台只在某个特定的时间监听寻呼。 例如每隔16、32或64个时隙监听一次寻呼信道。 优点 节电 缺点 寻呼响应时延长 算法 根据国际移动用户识别码（IMSI）后三位 通过散列（Hash）算法 移动台确定应监听的时隙号（02047）。 基站确定在哪个寻呼信道的哪个时隙寻呼移动台。,没有建立专用信道的移动台需要监听对应寻呼信道上所有的时隙。 优点 寻呼响应的时延小 缺点 费电,非时隙监听

19、模式,IS-95反向链路,物理信道 由长度为242-1的PN长码构成 使用长码的不同相位偏置 来区分不同用户。 逻辑信道 接入信道 反向业务信道,反向链路的逻辑信道,每个移动台不能同时发送两个信道 反向链路没有导频信道，因此，基站接收反向链路的信号时，只能使用非相干解调。,物理信道与逻辑信道的映射,在反向链路上，长码PNA和PNT分别为接入 信道和反向业务信道提供码分物理信道。 PNAn和PNTm由不同的42位长码掩码确定。,反向链路处理过程,数据速率 接入信道 4.8kbps 反向业务信道 9.6、4.8、2.4、1.2kbps 帧长 20ms 主要处理过程 卷积编码（编码速率为1/3、约束

20、长度为9） 块交织 64阶正交调制 PN长码进行扩频 A端信号送入OQPSK（偏移四相相移键控）调制器,接入信道处理,反向业务信道处理,OQPSK调制,反向链路基本操作,卷积编码 符号重复与块交织 64阶正交调制 反向链路长码掩码 扩频与调制 变速率数据传输,卷积编码,反向链路中，接入信道和业务信道都要经过卷积编码。,r =1/3、K = 9 编码器的生成函数,符号重复,卷积编码后，要进行符号重复 与前向链路的区别 反向业务信道的重复符号并不是重复发送多次；而是只发其中一个，其余的重复符号全部被删除。 接入信道上，重复的两个符号则是都要发送。,符号重复之后，进行交织编码。 速率 28.8ksp

21、s（每20ms含576个编码符号） 矩阵 3218 时间跨度 20ms 过程 将数据流按矩阵的列写入，按行读出。,块交织,64阶正交调制,反向链路中，经过交织之后，进行64阶正交调制。 方法 （64，6）的Walsh编码 把输出的符号每6个作为一组，用64阶Walsh序列之一进行调制。 使用Walsh函数的目的 前向链路上，用来区分信道 反向链路上，用来进行正交码多进制调制，以提高反向链路的通信质量。,64阶正交调制的过程,分组 输入的一组6位二进制符号为（c0 c1 c2 c3 c4 c5 ） 其中，cj 是二进制符号（0，1）， ； c0 是6位码组中第一个输入的符号， c5 是码组中最后

22、一个输入的符号。 计算标号 所要选择的Walsh序列的标号（哈达玛矩阵的行号） 查表 从Walsh函数表中查到编号为i的Walsh序列作为输出。,反向接入信道和反向业务信道规定了不同的 掩码格式。 反向业务信道的掩码格式 公共掩码（与前向业务信道相同） 接入信道的掩码格式,反向链路长码掩码,接入信道 反向业务信道,反向链路信号的扩频方法,用Walsh码进行64阶正交调制，用相位不同 的长码序列区分信道或用户。 原因 反向链路用户之间的信号不容易同步，难以利用Walsh码的正交性； 反向链路区分众多的用户需要大量的码字资源。,反向链路扩频的不同,经过长码扩频后的信号被送入OQPSK调制器 I、Q

23、两路所用的PN短码都采用零偏置。 延迟的目的消除已调信号中相移为的现象,反向链路OQPSK调制,反向接入信道,功能 移动台利用接入信道发起呼叫或者对基站寻呼信道的寻呼信号作出响应。 信息类型,反向接入信道的工作过程,反向业务信道,功能 传输业务信息（话音），也可以用来传送辅助业务和信令信息。 工作过程,前向和反向业务信道的比较,功率控制概述,功率控制（Power Control） 功能 动态的调整发射机的发射功率 地位 CDMA系统的关键技术之一,功率控制的作用,干扰来源 功率控制的目的,干扰来源,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 前向链路上其他基站和本基站内其他用户的前向信号 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