第8章_cdma蜂窝移动通信系统课件

第8章 CDMA蜂窝移动通信系统 本章提示 CDMA蜂窝移动通信系统是建立在扩频 码分多址技术之上的，因而具有抗人为干 扰、抗窄带干扰、抗衰落、抗多径时延扩 展和大的系统容量等一系列优越的性能， 对移动通信的发展产生了巨大和深远的影 响。 本章提示 CDMA系统是一个同频自干扰系统，任 何使干扰减少的措施，都是对系统容量的 贡献。 精确功率控制技术是IS-95 CDMA系统能 够运行的基本保证。没有功率控制， CDMA系统是不可能实现的。 本章提示 在TDMA系统中，DTX和扇区化技术增强 了系统的抗干扰能力，与系统容量扩大无 关。在CDMA系统中的话音激活、扇区化 和扩频处理增益是CDMA系统容量扩大的 基本技术。 多址干扰是CDMA系统实现大的系统容 量的主要问题，需要使用新的多用户检测 技术。多用户检测是3G技术，不在本教材 范围内。 本章提示 IS-95 CDMA系统的前向信道是相干解调 ，反向信道是非相干解调，这是CDMA系 统实现大的系统容量的又一瓶颈。3G将解 决这一问题。 软切换、软容量是CDMA系统独有的技 术，TDMA系统是不可能有的。 第8章 CDMA蜂窝移动通信系统 8.1 IS-95 CDMA系统概述 8.2 IS-95 CDMA数字蜂窝移动通信系统 8.3 IS-95 CDMA系统的无线链路 8.4 IS-95 CDMA系统的同步与定时 8.5 IS-95 CDMA 系统的功率控制 8.6 CDMA系统的软切换技术及其漫游 *8.7 cdma2000-1x 概述 8.1 IS-95 CDMA系统概述 8.1.1 双模系统和技术标准 8.1.2 IS-95 CDMA与蜂窝结构的关系 8.1.3 采用扩频CDMA技术带来的好处和存 在的问题 8.1.1 双模系统和技术标准 1对系统的要求 新一代蜂窝系统的移动台既能工作于新系 统，也能工作于模拟蜂窝网系统（AMPS系 统），这就是双模式移动台的概念。 1对系统的要求 双模式移动台既能以模拟调频方式工作， 又能以新系统的方式工作，或者说双模式 移动台无论在模拟蜂窝系统中还是在某一 种数字蜂窝系统中，均能向其他用户发起 呼叫和接收呼叫，两种蜂窝系统也能向双 模式移动台发起呼叫和接收呼叫，而且这 种呼叫无论在定点上还是在移动漫游过程 中都是自动完成的。 1对系统的要求 目前，在美国存在两种双模式移动台：一 种是时分多址（TDMA）数字系统和模拟调 频系统（AMPS）的兼用，其标准为IS-54 ，其系统简称为D-AMPS；另一种是码分多 址 （CDMA）数字系统和模拟调频系统的 兼用，其主要标准是IS-95。 2CDMA蜂窝网的崛起 CDMA蜂窝网通信系统是20世纪90年代崛 起的，并且已经进入实用化、商业化。 不难预计，CDMA通信系统未来的发展规 模和速度必将越来越大和越来越快。 3IS-95标准 IS-95公共空中接口是美国TIA于1993年公 布的双模式（CDMA/AMPS）的标准，简 称Q-CDMA标准，主要包括下列几部分。 3IS-95标准 （1）频段 下行：869MHz894MHz（基站发射）， 824MHz849MHz（基站接收）； 上行：824 MHz849MHz（移动台发射） ，869MHz894MHz（移动台接收）。 3IS-95标准 （2）信道数 每一载频：64（码分信道）； 每一小区可分为3个扇形区，可共用一个载 频； 每一网络分为9个载频，其中收、发各占 12.5MHz，共占25MHz频段。 3IS-95标准 （3）射频带宽 第一频道：2 1.77MHz； 其他频道：2 1.23MHz。 （4）调制方式 基站：QPSK； 移动台：OQPSK。 3IS-95标准 （5）扩频方式 DS（直接序列扩频）。 （6）语音编码 可变速率CELP，最大速率为8kbit/s，最大 数据速率为9.6kbit/s。每帧时间为20ms。 3IS-95标准 （7）信道编码 卷积编码：下行码率R =，约束长度K = 9； 上行码串R =，约束长度K = 9。 交织编码：交织间距20ms。 PN码：码片的速率为1.2288Mc/s；基站识 别码为m序列，周期为215 1；用户识别 码242 1。 64个正交沃尔什函数组成64个码分信道。 3IS-95标准 （8）导频、同步信道 它们供移动台做载频和时间同步时使用。 （9）多径利用 多径利用采用RAKE接收方式，移动台为3 个，基站为4个（指3条路径、4条路径）。 8.1.2 IS-95 CDMA与蜂窝结构的关系 在FDMA（频分多址）和TDMA（时分多址 ）系统中，频率复用与蜂窝区群的结构具 有紧密关系。 1DS-CDMA蜂窝系统的频谱带宽 N-CDMA蜂窝系统频谱带宽的确定，是基 于如下考虑：频谱资源的限制；系统容量 ；多径分离；扩频处理增益。 1DS-CDMA蜂窝系统的频谱带宽 对于FDMA模拟蜂窝系统，其频谱效率主要 取决于频率复用的蜂窝区群结构。一般需 采用7小区（3扇区）的区群结构才能满足 载干比(C/I)大于或等于18dB的要求，其频 率复用效率为1/7。 1DS-CDMA蜂窝系统的频谱带宽 在TDMA数字蜂窝系统中，一般需采用3小 区（3扇区）的区群结构，满足载干比等于 9dB的要求，其频率复用效率为1/3。 1DS-CDMA蜂窝系统的频谱带宽 对于CDMA数字蜂窝系统来说，频率复用 的效率取决于相邻近小区用户的多用户干 扰，考虑这些干扰后，其频率复用效率约 为2/3，相当于l.5小区的区群结构。 2CDMA与蜂窝小区和扇区的关系 在FDMA和TDMA蜂窝系统中，系统内的小 区和扇区都是靠频率来划分的。 每个小区或扇区都有它自己的频点。 CDMA蜂窝系统每个载频占用的频段为 1.25MHz带宽，不同的DS-CDMA蜂窝系统 可采用不同的载频区分。 同一个DS-CDMA蜂窝系统的某一个载频， 则是采用码分选择站址的，即对不同的小 区和扇区基站分配不同的码型。 2CDMA与蜂窝小区和扇区的关系 在IS-95 CDMA系统中，这些不同的码型是 由一个PN码序列生成的，PN序列周期为 215 = 32768个码片（chip），并将此周期 序列每隔64码片移位序列作为一个码，共 可得到 32768/64= 512个码。 2CDMA与蜂窝小区和扇区的关系 在1.25MHz带宽的CDMA蜂窝系统中，可 区分多达512个基站（或扇区站）。 在一个小区（或扇区）内，基站（BS）与 移动台（MS）之间的信道，是在PN序列上 再采用正交序列进行码分的信道。 2CDMA与蜂窝小区和扇区的关系 一般将基站到移动台方向的链路称做前向 链路（Forward Link），将移动台到基站 方向的链路称做反向链路（Reverse Link ）。前向链路和反向链路均是由码分物理 信道构成的。 利用码分物理信道可以传送不同功能的信 息。依据所传送的信息功能不同而分类的 信道，称为逻辑信道。 8.1.3 采用扩频CDMA技术带来的好处和 存在的问题 1带来的好处 数字蜂窝移动通信系统采用扩频CDMA技 术将带来下列好处：多种形式的分集（时 间分集、空间分集、频率分集），低的发 射功率，保密性强，软切换，大容量，语 音激活，频率重用及扇区化，低的信噪比 或载干比 ；软容量。 2存在的问题 多址干扰的实质原因是由于多个用户要求 同时通信，而又不能完全将他们彼此隔开 而引起的干扰。 CDMA系统为一干扰受限系统，即干扰的 大小直接影响系统容量。 2存在的问题 除了多址干扰本身直接的影响外，在上行 链路中，如果保持小区内所有移动台的发 射功率相同，由于小区内移动台用户的随 机移动，使得移动台与基站间距离是不同 的，接近基站的移动台信号强，远离基站 的移动台信号弱，因而会产生以强压弱现 象，而设备的非线性就更会加速这一现象 的产生，这就是“远近效应”。 2存在的问题 在下行链路中，当移动台位于相邻小区的 交界处时，受到所属基站的有用信号功率 很低，同时还会受到相邻小区基站较强的 干扰，这就是“角效应”。 除此之外，电波传播中由于大型建筑物的 阻挡形成“阴影效应”产生慢衰落。这些现 象将会导致系统容量下降和实际通信服务 范围缩小等。 2存在的问题 多址干扰、远近效应都是码分多址移动通 信中最为重要的问题。 3扩频CDMA数字蜂窝系统的关键技术 扩频CDMA数字蜂窝系统的关键技术有： 功率控制技术，多径信号的分离与合并技 术，多用户干扰分离技术，同步技术，PN 地址码的选择，软切换技术，分集接收技 术，语音编码技术。 8.2 IS-95 CDMA数字蜂窝移动通信系统 8.2.1 CDMA系统网络结构与组成 8.2.2 CDMA系统接口与信令协议 8.2.1 CDMA系统网络结构与组成 图8-1 CDMA数字蜂窝移动通信系统的网络 结构 1网络子系统 网络子系统处于市话网与基站控制器之间 ，它主要由移动交换中心（MSC），或称 为移动电话交换局（MTSO）组成。此外， 还有本地用户位置寄存器（HLR）、访问 用户位置寄存器（VLR）、操作管理中心 （OMC）以及鉴权中心（图中未画）等设 备。 1网络子系统 移动交换中心（MSC）是蜂窝通信网络的 核心，其主要功能是对位于本MSC控制区 域内的移动用户进行通信控制和管理。 1网络子系统 图8-2 移动交换中心（MSC）结构 1网络子系统 移动交换中心（MSC）的其他功能与GSM 的移动交换中心的功能是类同的，主要有 ：信道的管理和分配；呼叫的处理和控制 ；过区切换与漫游的控制；用户位置信息 的登记与管理；用户号码和移动设备号码 的登记与管理；服务类型的控制；对用户 实施鉴权；为系统连接别的MSC和为其他 公用通信网络，如公用交换电信网（PSTN ）、综合业务数字网（ISDN），提供链路 接口。 2基站子系统 基站子系统（BSS）包括基站控制器（ BSC）和基站收发设备（BTS）。每个基 站的有效覆盖范围为无线小区，简称小区 。 小区可分为全向小区（采用全向天线）和 扇形小区（采用定向天线），常用的小区 分为3个扇形区，分别用、 和 表示。 一个基站控制器（BSC）可以控制多个基 站，每个基站含有多部收发信机。 2基站子系统 图8-3 基站控制器结构简化图 2基站子系统 图8-4 单个扇区的设备组成方框图 3移动台 IS-95标准规定的双模式移动台，必须与原 有的模拟蜂窝系统（AMPS）兼用，以便使 CDMA系统的移动台也能用于所有的现有 蜂窝系统的覆盖区，从而有利于发展 CDMA蜂窝系统。这一点非常有价值，也 利于从模拟蜂窝平滑地过渡到数字蜂窝网 。 3移动台 图8-5 双模式移动台方框图 8.2.2 CDMA系统接口与信令协议 1系统接口 CDMA系统有如下主要接口（见图8-6）。 MS与BSS间的接口Um MSC与EIR间的接口F BSS与MSC间的接口A VLR与VLR间的接口G MSC与VLR间的接口B HLR与AUC间的接口H 1系统接口 MSC与HLR间的接口C MSC与PSTN间的接口Ai VLR与HLR间的接口D MSC与PSPDN间的接口Pi MSC与MSC间的接口E MSC与ISDN间的接口Di 1系统接口 图中MC为短报文中心，是存储和转发短报 文的实体。短报文实体（SME）是合成和 分解短报文的实体。它们之间的接口为M。 1系统接口 图8-6 CDMA系统的接口 2空中接口的信令协议 在CDMA系统中，最重要的是空中接口（ Um）标准，图8-7中定义了各层的结构关 系。 2空中接口的信令协议 图8-7 Um接口信令层结构 3A接口的信令协议 A接口是BSS和MSC之间的接口，此接口 中把BSS看做一体。A接口支持向CDMA用 户提供的业务，同时允许在PLMN内分配无 线资源及对这些资源的操作和维护。 A接口内容包括： 物理和电气参数； 信道结构； 网络操作程序； 对操作和维护信息的支持。 3A接口的信令协议 A接口分层定义如下。 第一层：采用数字传输，速率为2048kbit/s ，性能应符合国标GB781187。 第二层：基于中国No.7信令系统的MTP。 第三层：包括DTAP部分和BSMAP部分。 DTAP消息不透明传输，可以支持多种空中 接口，主要包括呼叫处理、无线资源管理 、移动性管理和地面电路管理。 3A接口的信令协议 图8-8 A接口信令协议参考模型 4MAP MAP（移动应用）协议是移动通信系统之 间操作的接口协议，它包括以MSC为中心 ，与其他系统模块的信令联系（例如，与 另一系统的MSC、VLR、HLR、AC）以及 各系统模块彼此的连接。 4MAP 在CDMA中，MAP采用北美EIA/TIA IS- 41C标准。 IS-41C标准支持AMPS、DAMPS、 NAMPS和CDMA系统之间的操作，主要有 以下6方面内容。 4MAP 功能概述。 系统间切换信息流程。 自动漫游信息流程。 操作、维护管理信息。 信令协议。 信令程序。 8.3 IS-95 CDMA系统的无线链路 8.3.1 前向信道 8.3.2 反向信道 8.3.1 前向信道 1前向链路的组成 前向链路中的逻辑信道由导频信道（Pilot Channel）、同步信道（Synchronizing Channel）、寻呼信道（Paging Channel ）和前向业务信道（Traffic Channel）等 组成。 1前向链路的组成 （1）导频信道 （2）同步信道 （3）寻呼信道 （4）前向业务信道 1前向链路的组成 1前向链路的组成 图8-9 前向码分物理信道和逻辑信道配置 2前向链路的结构 图8-10 前向CDMA逻辑信道结构 2前向链路的结构 （1）扩频和调制处理 导频信道 同步信道 寻呼信道 业务信道 2前向链路的结构 2前向链路的结构 （2）基带滤波 图8-11 基带滤波器频率响应 2前向链路的结构 （3）数据扰乱 图8-12 前向链路的数据扰乱 2前向链路的结构 （4）长码 长码周期为242 1个码片，速率为1.228 8Mc/s，它与掩码共同形成用户的识别码。 长PN码的序列特征多项式为 2前向链路的结构 图8-13 长码发生器的结构 2前向链路的结构 （5）掩码 掩码是一个42位的序列。 掩码与长PN码的42位状态矢量的模2内乘 生成长码序列。其结构如图8-13所示。 业务信道的掩码使用公共掩码或专用掩码 。 2前向链路的结构 专用掩码用于用户的保密通信，其格式由 TIA规定。 前向业务信道的公用掩码格式与反向链路 业务信道的公用掩码格式相同。 2前向链路的结构 图8-14 公共掩码和寻呼信道的掩码 2前向链路的结构 （6）卷积编码 在前向链路，同步信道、寻呼信道和前向 业务信道中的信息在传输前都要进行卷积 编码。其编码码率为，约束长度为9，卷积 码的生成函数为 lg0 = (111101011) lg1 = (101110001) 2前向链路的结构 图8-15 K = 9、r =1/2 的卷积码编码器 2前向链路的结构 （7）交织编码 在前向链路中，除导频信道外，所有的同 步信道、寻呼信道和方向业务信道的数据 流，经卷积编码和重传后，均需进行交织 编码（块交织）。块交织编码的目的是将 多径衰落引起的突发性误码变为随机性差 错。 2前向链路的结构 同步信道的交织算法是用16 8的矩阵表示 。业务和寻呼信道的交织算法是用24 16 的矩阵表示。 2前向链路的结构 （8）变速率声码器和变速率传输控制 在通话过程中，语音信号是有间断的。 在IS-95的CDMA系统中采用了可变速率的 声码器算法，语音信号处理的帧长是20ms ，每20ms的数据比特数可能是不一样的， 分为全速率、半速率、1/4速率和1/8速率等 。 2前向链路的结构 由于在传输过程中语音信号的数据速率是 变化的，这样就要求能够变速率数据传输 ；同时在低速率时，降低信号发射功率， 减少对其他用户的干扰，增加系统容量。 在IS-95的CDMA系统中，前向链路信号是 连续传输的，不同的数据速率控制发送不 同的功率。在每帧中，不同数据速率乘以 不同的功率因子。 3前向链路的帧结构 （1）寻呼信道 （2）同步信道 （3）导频信道 （4）业务信道 （5）功率控制子信道 （6）随路信道 3前向链路的帧结构 图8-16 功率控制子信道结构和功率控制比特 3前向链路的帧结构 图8-17 功率控制比特的插入位置 3前向链路的帧结构 3前向链路的帧结构 （7）前向业务信道消息结构 图8-18 前向业务信道消息结构 8.3.2 反向信道 1反向链路的组成 反向链路中的逻辑信道由反向接入信道和 反向业务信道等组成，如图8-19所示。 1反向链路的组成 图8-19 反向码分物理信道和逻辑信道配置 1反向链路的组成 接入信道是一个随机接入信道，网内移动 台可随机占用此信道发起呼叫及传送应答 信息。 反向业务信道（F-TCH），即供移动台到 基站之间通信，它与前向业务信道一样， 用于传送用户业务数据，同时也传送信令 信息，如功率控制信道。 2反向链路的结构 图 8-20 反向链路CDMA的信道结构 2反向链路的结构 图 8-20 反向链路CDMA的信道结构 2反向链路的结构 （1）反向链路CDMA信道 （2）反向链路信号 图8-21 反向链路CDMA信道结构图反向信道 正交调制原理 2反向链路的结构 （3）可变数据率传输 图8-22 反向CDMA信道可变数据串传输示意 图 2反向链路的结构 （4）反向链路的掩码图 8-23 接入信道的掩码 2反向链路的结构 （5）卷积编码 反向链路中的卷积编码使用在移动台到基站的反 向链路（业务信道和接入信道）中，数据在进行 交织之前将先进行卷积编码。 考虑到移动台的信号传播环境，采用码率为，约 束长度为9的卷积码，其生成函数为 lg0 = (101101l11) lg1 = (110110011) lg2 = (111001001) 2反向链路的结构 （6）交织编码 （7）反向接入试探 2反向链路的结构 图8-24 K = 9、r = 的卷积码编码器 2反向链路的结构 图8-25 接入探测 3反向链路的帧结构 （1）反向接入信道 （2）反向业务信道 3反向链路的帧结构 图8-26 反向接入信道数据传输示意图 8.4 IS-95 CDMA系统的同步与定时 在数字CDMA系统中，系统的同步与定时 是十分重要的。 除数字通信本身的同步定时外，CDMA系 统还需要建立同步。 每个基站的标准时基与CDMA系统的时钟 对准，它驱动导频信道的m序列、帧以及 Walsh函数的定时。当CDMA系统的外部时 钟丢失时，系统应能使基站发射定时误差 保持在容限之内。 8.4 IS-95 CDMA系统的同步与定时 CDMA系统的公共时钟基准是CDMA系统 时间，它是采用GPS（全球定位系统）时 间标尺，GPS时间标尺跟踪并同步于UTC （世界协调时间）。 CDMA系统时间是以帧为单位。若系统时 间为s（秒为单位），则以帧为单位的 CDMA系统时间t应是帧长（20ms）的整数 ，即t =s/0.02。 8.4 IS-95 CDMA系统的同步与定时 图8-27 数据传输信息帧结构示意图 1同步数据信息帧结构 高帧：含25个超帧，或75个PN帧（相当于 75个PN周期），时长为2s。 超帧：相当于3个PN周期，时长为80ms。 PN帧：含128个同步符号（32 768个码片 ），时长为26.66ms。 1同步数据信息帧结构 同步符号：含256个码片（4个WMsh序列 ），时长为208.338ps。 Walsh序列：含64个码片。时长 52.0825ms。 码片（Chip）：0.8137ms。 2寻呼/业务数据信息帧结构 高帧：含25个超帧，或75个PN帧（相当于 75个PN周期），时长为2s。 超帧；相当于4个业务帧，时长为80ms。 业务帧：含384个寻呼/业务符号（24 576 个码片），时长为20ms。 寻呼/业务符号：含64个码片（1个Walsh序 列），时长52.0825s。 Walsh序列：含64个码片。 码片（Chip）：0.8137s。 3业务信息帧 （1）前向业务信道 （2）反向业务信道 3业务信息帧 图8-28 业务信道帧结构 8.5 IS-95 CDMA 系统的功率控制 CDMA功率控制的目的有两个： 一个是克服反向链路的远近效应； 另一个是在保证接收机的解调性能情况下 ，尽量降低发射功率，减少对其他用户的 干扰，增加系统容量。 功率控制分为前向功率控制和反向功率控 制。 8.5 IS-95 CDMA 系统的功率控制 8.5.1 输出功率的限制 8.5.2 开环功率控制 8.5.3 闭环功率控制 8.5.1 输出功率的限制 1最小控制的输出功率 移动台发射机平均输出功率应小于 50dBm/1.23MHz或 110dBm/Hz，移 动台发射机背景噪声应小于 60dBm/1.23MHz或 154dBm/Hz。 2输出信号功率的时间响应 图8-29 输出信号功率的时间响应 8.5.2 开环功率控制 1移动台的开环功率控制 移动台的开环功率控制是指移动台根据接 收的基站信号强度来调节移动台发射功率 的过程。 其目的是使所有移动台到达基站的信号功 率相等，以免因“远近效应”影响扩频 CDMA系统对码分信号的接收。 1移动台的开环功率控制 （1）功率控制的开环调节 （2）开环输出功率的估计 1移动台的开环功率控制 接入信道 接入信道移动台发射第一个探测信号的平 均输出功率为 平均输出功率dBm = 平均输入功率dBm 73 + 标称发射功率偏置dB + 初始发射功率dB 1移动台的开环功率控制 反向业务信道 反向业务信道的初始发射的平均功率为 平均输出功率dBm = 平均输入功率dBm 73 + 标称发射功率偏置dB + 初始发射功率dB + 试探校正功率和dB 1移动台的开环功率控制 反向业务信道初始发射后，移动台收到来自基站 的第一个功率控制比特时的平均输出功率为 平均输出功率dBm = 平均输入功率dBm 73 + 标称发射功率偏置dB + 初始发射功率dB + 试探校正功率和dB + 闭环功率控制校正功率和dB 2基站的开环功率控制 基站的开环功率控制（前向链路功率控制 ）是指基站根据接收的每个移动台传送的 信号质量信息来调节基站业务信道发射功 率的过程。 其目的是使所有移动台在保证通信质量的 条件下，基站的发射功率为最小。 8.5.3 闭环功率控制 1闭环功率控制的目的 为了能估算出瑞利衰落信道下的对移动台 发射功率的调节量，需要采用闭环功率控 制的方法。 2功率控制的闭环调节 闭环功率控制是指移动台根据基站发送的 功率控制指令（功率控制比特携带的信息 ）来调节移动台的发射功率的过程。 2功率控制的闭环调节 图8-30 CDMA系统中的功率控制示意图 3闭环功率控制的指标 （1）功率控制比特 （2）闭环功率控制调节能力 8.6 CDMA系统的软切换技术及其漫游 8.6.1 CDMA系统切换分类 8.6.2 CDMA系统的软切换过程 8.6.3 CDMA系统的漫游 8.6.1 CDMA系统切换分类 在CDMA系统中的信道切换可分为两大类 ：硬切换和软切换。 硬切换是指在载波频率支配不同的基站覆 盖小区之间的信道切换。 软切换是指在导频信道的载波频率相同时 小区之间的信道切换。 软切换还可细分为更软切换和软/更软切换 。 8.6.2 CDMA系统的软切换过程 软切换的具体过程包含三个阶段：移动台 与原小区基站保持通信链路；移动台与原 小区基站保持通信链路的同时，与新的目 标小区（一个或多个小区）的基站建立通 信链路；移动台只与其中的一个新小区基 站保持通信链路。 实现软切换的前提条件是移动台应能不断 地测量原基站和相邻基站导频信道的信号 强度，并把测量结果通知基站。 8.6.2 CDMA系统的软切换过程 图8-31 软切换过程 8.6.2 CDMA系统的软切换过程 对于某一个小区