第6章IS-95移动通信系统.ppt

第六章IS 95移动通信系统 目录 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 基于IS 95标准的系统概述 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 1 2 3 IS 95标准发展历程 CDMA技术的地位 发展历程 cdmaOne IS 95A IS 95B 发展历程 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1 1977年 库铂 R G Cooper 和内特尔顿 Nettleton 首先提出利用扩频技术实现CDMA的方案 使蜂窝移动通信系统的频谱效率提高由于当时的数字无线技术和移动通信的市场均未成熟 因此没有能够投入实用 CDMA一直没有得到重视 还有一个原因是采用CDMA的蜂窝系统必须有精确高速的功率控制 这在当时的技术条件下实现起来很困难 与其他多址方式相比 CDMA有较强的抗干扰和抗多径衰落能力 而且CDMA系统的频率规划简单 可以采用软切换 话音激活等技术 20世纪80年代中期 许多国家都在探索蜂窝移动通信系统从模拟蜂窝系统向数字蜂窝系统转变的方法 1988年9月 美国蜂窝通信工业协会 CTIA 提出下一代蜂窝网的用户性能需求 发展历程2 CDMA蜂窝系统最早由美国Qualcomm 高通 公司开发1992年 美国电信工业协会 TIA 开始准备CDMA系统的标准化 1993年将Qualcomm提出的CDMA系统确定为一个暂定的标准 即为IS 95标准 IS是InterimStandard的缩写 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 CDMADevelopmentGroup 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 95CDMA系统N CDMA 窄带CDMA 系统 IS 95A IS 95A UserPerformanceRequirement 01 02 03 产生过程 关键技术 用户性能需求 UPR 1 系统容量至少是AMPS的10倍 2 通信质量等于或者优于AMPS系统 3 能够充分引入新业务 4 具有话音和数据保密能力 5 易于过渡并和现有的模拟系统兼容 6 采用开放的网络结构 IS 95A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Qualcomm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 关键技术 功率控制软切换多种形式的分集技术 IS 95B IS 95B IS 95B的产生 IS 95B的特点 IS 95B的产生 需求较高速率数据业务新标准 IS 95B的特点1 内容IS 95A TSB 74 ANSIJ STD 008 同时增加了一些新的功能和算法 并取消了标准中的模拟部分 IS 95B支持800MHz 1900MHz频段 支持速率集1和速率集2 IS 95B除了支持话音业务 还可以提供中高速的数据业务 对于速率集1 IS 95B可以提供的最高数据速率为76 8Kbps 对于速率集2 IS 95B可以提供的最高数据速率为115 2Kbps IS 95B的特点2 核心思想在不改变IS 95A物理层的前提下 通过自适应信道捆绑技术来提供高速数据业务 它在基本信道 FCH ForwardFundementalCHannel 的基础上 可以再提供1到7个辅助编码信道 SupplementalCodeChannel SCCH 给同一用户用于数据业务 因此 对于一个激活的数据用户 总有一个基本信道可供使用 当需要更高的数据传输速率时 该用户最多可以被指配8个码分信道 新算法新的软切换算法增加了动态门限由于种种原因 IS 95B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869 894MHz传输频段25MHz反向链路824 849MHz双工收发频差45MHz 0类频段CDMA信道编号及相应频率 0类频段CDMA信道编号N与中心频率的关系 IS 95对信道号码的规定 只规定了这两个CDMA载波的中心频率 其他的中心频率可以由运营商自行选择决定 在数字传输模式工作时 移动台可以按照预定的或要求的网络标志来安排其频率配置 如果移动台预定的或要求的网络标志没有被认出 它就开始向一个频率指配在 基本CDMA频道 上的基站进行捕获和同步 基本CDMA频道号码在系统A是283 在系统B是384 如果基本CDMA频道的频率指配未起作用而没有选出预定的网络标志 移动台要试图捕获并同步到 辅助CDMA频道 的频率上 其频道号码在系统A是691 在系统B是777 规定的频率容差是 基站发送的载波频率要保持在指配频率的 5 10 8之内 移动台发送的载波频率要保持比基站发送的频率低45MHz 300Hz 基本信道的作用 AMPS与CDMA的带宽比较1 AMPS和CDMA的带宽相差很大 采用一个CDMA载频时频段占用情况 AMPS与CDMA的带宽比较2 采用两个CDMA载频时频段占用情况 前向链路1930 1990MHz传输频段25MHz反向链路1850 1910MHz双工收发频差45MHz PCS频段 1类频段 1类频段CDMA信道编号及相应的频率 1类频段CDMA信道编号N与中心频率的关系 1类频段CDMA信道编号及相应频率 1类频段CDMA信道编号N与中心频率的关系 IS 95系统时间1 IS 95系统中 所有基站 基站控制器 移动交换中心等都采用的一个公共的CDMA基准时间目的保证整个系统有条不紊的进行信息的传输 处理和交换 对系统各种设备进行管理 控制和操作基准基于全球定位系统 GPS GlobalPositioningSystem 提供的时间 并与国际协调时间 UTC UniversalCoordinateTime 保持同步 IS 95系统时间2 单位以帧为单位的CDMA系统时间t应是帧长 20ms 的整数倍s为系统时间定时与同步IS 95系统中 不同的基站信号通过短PN码的不同相位偏置来区分 而不同的移动台则通过长PN码的不同相位偏置来区分 因此 CDMA系统在工作时 需要使收发双方的定时同步 这是通过收发双方的长码和短码严格同步来实现的 定时与同步 基站的时间基准 实现方式 基站的时间基准 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 定时同步的实现方式 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 IS 95前向链路 1 前向链路信道结构 2 前向链路基本操作 3 导频信道 4 同步信道 5 寻呼信道 6 前向业务信道 7 功率控制子信道 8 随路信道 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 前向链路信道结构 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 CDMA前向信道 1 23MHz 导频 信道 业务数据 移动台功率 控制子信道 同步 信道 寻呼 信道 1 寻呼 信道 7 业务 信道 1 业务 信道 N 业务 信道 24 业务 信道 25 业务 信道 55 W 0 W 32 W 1 W 7 W 8 W 31 W 33 W 63 表示码信道编号 7个 55个 IS 95前向链路信道处理过程 2 3 1 除导频信道 对输入数据都进行信道编码 块交织 4 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 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 处理过程2 处理过程3 前向链路基本操作 Concept 卷积编码 符号重复与块交织 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原理通过增加监督位 进行检错和纠错 以牺牲效率来换取可靠性参数在前向链路 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 IS 95前向链路的卷积编码器结构 r 1 2 k 9 IS 95前向链路的卷积编码器结构 符号重复与块交织 符号重复 块交织 卷积编码 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 输入序列01100011 交织器示例 假设要对8比特的数据进行交织 十进制读入顺序01234567 二进制000001010011100101110111 比特反转000100010110001101011111 十进制读出顺序04261537 输出序列00111001 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1 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 长度215个子码码速1 2288Mcps 子码宽度为生成多项式 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 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短码序列2 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 将 0 1 映射至 1 1 调制过程中的星座图及相位转换关系右图所示 IS 95前向链路QPSK调制星座图及相位转移关系 基带滤波 经过PN短码扩频操作之后 I和Q支路数据脉冲被分别加至基带滤波器的输入端 以滤除高次谐波与带外噪声干扰 频率响应 冲击响应 基带滤波的频率响应 滤波器的归一化频率响应S 在通带内应限制在内 在阻带中应小于或等于 各个参数的取值为 基带滤波器频率响应限值 基带滤波的冲击响应 基带滤波器的冲击响应S t 应满足 和 是使均方误差最小的常数 常数Ts 203 45l ns 刚好是一个PN码片时间的四分之一 滤波器系数为h k 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扰码来源每64个码片的第一个码片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过程 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掩码的格式 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 长码掩码的格式 业务信道的掩码 寻呼信道的掩码 公共掩码使用了置乱后的电子序列号 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 寻呼掩码格式 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 1 设置 每个载频上的每小区或扇区配置一个 2 处理过程 3 发射功率 4 主要功能 5 信号构成 6 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 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 64chips 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 2288Mcps 每一码片宽0 8138us 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内可发送导频信号75次 PN短码的周期为26 66ms 75 26 66ms 2s 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 1设置 每载频上的每小区 扇区配置一个 2主要功能 3处理过程 4定时关系 同步信道的主要功能 为移动台提供同步信息如 当前系统时间 长码发生器状态 短码偏置值 前向寻呼信道数据速率 本地的时间偏置以及基站的系统ID和网络ID等 完全同步 同步信道发送的某个消息中包括长码发生器移位寄存器在指定系统时间的状态 移动台通过同步信道将该数据加载到长码发生器中并在适当时间启动发生器 便获得了完全同步 一旦同步完成 移动台一般就不再接收同步信号 改用为业务信道用户数过多 业务信道数量不够时 同步信道的处理过程 固定使用Walsh函数 数据速率为1 2kbps卷积编码后的符号速率为2 4ksps符号重复后的符号速率为4 8ksps交织后的符号速率为4 8ksps 交织时延为26 66ms与1 2288Mcps的Walsh码模2加进行四相调制 同步信道的定时关系 同步信道的定时关系以高帧为基础 帧长同步信道帧的帧长为26 66ms 含32bit 超帧由3个同步信道帧组成超帧长80ms 含96bit 高帧由25个超帧构成高帧长2s 寻呼信道 1 2 3 4 5 6 设置 主要功能 传输速率 时间划分 处理过程 监听 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 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 向覆盖区域内的移动台广播系统配置参数向尚未分配业务信道的移动台传送控制消息等 寻呼信道的主要功能1 通过寻呼信道 移动台可以获得许多消息 这些消息可以大致分为两类 第一类是公共开销信息 移动台可以根据这些消息发起接入 扫描相邻基站 进行切换等等 第二类是针对特定移动台的消息 移动台解调同步信道之后 就可以解调寻呼信道了 寻呼信道的主要功能2 寻呼信道的主要功能3 寻呼信道的主要功能4 分为9 6kbps或4 8kbps两种使用哪一种速率由系统规划决定 由同步信道广播出去 在给定的系统中所有寻呼信道的速率相同 寻呼信道的传输速率 帧长20ms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0 2047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 6ksps符号重复重复一次 符号速率为19 2ksps交织器交织矩阵为24 16 384个码元 交织时延为一帧时间 20ms 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 为了保证能及时获取系统发来的消息 移动台需要保持对寻呼信道的监听 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 0 2047 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 非时隙监听模式 前向业务信道 功能传输业务信息传送随路信令信息结构用户的业务数据功率控制子信道各种数据速率的发射符号能量前向业务信道的帧长为20ms 数据传输速率在帧间是可变的 不同数据速率的发送能量不同处理过程 由于码字重复的原因 较低的数据率的调制码元可以用较低能量发送 卷积编码符号重复交织数据加扰Walsh码扩频 前向业务信道的处理过程 QPSK调制后送往射频发送 卷积编码 添加 帧质量指示 是指加入循环冗余校验码 CRC cyclicredundancycheck 接收端根据它判断此帧是否错误 进而判断信道质量 尾比特用于消除当前一帧对下一帧的影响 符号重复交织 符号重复对不同数据率符号重复的次数不同 以保证输入交织器的数据速率恒定 交织速率19 2ksps交织矩阵24 16 384个码元 交织时延一帧的时间 20ms 数据加扰 与寻呼信道加扰的过程相同 但长码掩码的格式与寻呼信道不同 通过64 1的分频器将长码序列的速率变成19 2ksps 保证同输入的调制符号速率一样 经过24 1的分频器 将19 2ksps变换成800Hz 用于控制插入功率比特的节奏和位置 扩频调制调整 扩频加沃尔什码进行扩频 同时将当前信道与其他前向信道区分开来i为除去0 32和寻呼信道占用的沃尔什码之外的码 i在一个小区的一个载频中是唯一的 调制数据流送入四相调制器发送出去 增益调整进行基带滤波之前 需要对不同的数据速率进行增益调整 设置包含在前向业务信道中主要功能传送功率控制信息比特 0 和 1 分别指示移动台增大功率和减少功率 功率控制组 PCG 将20ms的前向业务帧分成16个 每组传送1bit 0 或 1 实际操作 功率控制子信道 1 25ms的组 功率控制比特打孔功率控制比特的插入位置 功率控制子信道的实际操作 功率控制比特打孔1 功率控制子信道结构将20ms的业务帧分成16个功率控制组 编号0 15 将1 25ms的功率控制组分为24个符号位置 编号0 23 在实际操作时 功率控制子信道是通过替换业务信道符号而插入前向信道的 功率控制比特打孔2 功率控制比特打孔在每个PCG的24个符号位置中 只利用前面16个可能的起始位置之一作为功率控制比特 其起始位置编号分别为0 15 一个功率控制比特的长度相当于前向业务信道的2个调制符号 104 67 s 每个功率控制比特取代2个连续的前向业务信道调制符号 每个功控比特的发送能量不小于Eb 功率控制比特打孔图示 功率控制比特的插入位置 功率控制比特起始位置的确定功率控制组的位置 功率控制比特起始位置的确定 用于扰码的长码比特的后四位长码每隔64个码片抽取一个 也即每1 25ms 1个功率控制组 抽取24个码片 24 1 25e 3 19 2ksps 编号为23 22 21 20的4个扰码符号位的十进制数值 决定了功率控制比特的起始位置 功率控制比特的插入位置图示 功率控制比特的插入位置 功率控制组的位置 在前向业务信道上发送功率控制比特的功率控制组 是在相应反向信道上估算信号强度的功率控制组之后的第二个功率控制组 随路信道 随路信道是业务信道中伴生的子信道 业务信道所传信息的类型主要业务话音业务辅助业务相同数据速率的其他业务必要的随路信令随路信道的种类根据每帧内所传信息的不同组合方式 可以将业务信道划分为多种随路信道 主要业务 PrimaryTraffic 信道主要业务与随路信令 PrimaryandSignalingTraffic 信道主要业务与辅助业务 PrimaryandSecondaryTraffic 信道随路信道的传送方式 随路信道的传送方式 空白与突发当没有主要业务传送时 移动台用只传信令的方式发送信令 此时信令占用整个帧进行传输 如果没有信令需要发送 只发送无业务信道数据 NullTrafficChannelData 减弱与突发当有主要业务传送时 主要业务与信令共享一个帧 可按MM TT TM来选择应用 见随路信道结构表 随路信道结构 注 对于辅助业务 是可选的 MM 1表示含有信令信息 TT 0表示主要业务 否则为辅助业务 可见 随路信道只是9 6kbps业务信道中伴生的子信道 IS 95反向链路 反向链路 又称上行链路 指由移动台发往基站的无线通信链路 反向链路信道结构反向链路基本操作反向接入信道反向业务信道 反向链路信道结构 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物理信道与逻辑信道的映射反向链路处理过程 反向链路信道结构 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 a 接入信道处理反向链路信道结构 反向业务信道处理 b 反向业务信道处理反向链路信道结构 OQPSK调制 c OQPSK调制图反向链路信道结构 反向链路基本操作 Concept 卷积编码 符号重复与块交织 基带滤波 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 IS 95反向链路的卷积编码器 r 1 3 K 9编码器的生成函数 符号重复与块交织 符号重复块交织 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 8ksps 每20ms含576个编码符号 矩阵32 18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 速率变化过程使用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 交织器输出的符号速率28 8ksps正交调制之后的符号速率28 8 6 4 8ksps一个符号的持续时间208 33 s64阶正交调制后输出码片速率28 8 64 6 307 2kcps 因为输出的每个调制符号包括64个码片 64阶正交调制的速率变化 64阶正交调制的过程 分组输入的一组6位二进制符号为 c0c1c2c3c4c5 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 反向链路接入信道掩码格式 反向链路信号的扩频 反向链路信号在经过64阶正交调制后 要用PN长码进行扩频 PN长码方法与前向链路的不同 反向链路信号的PN长码 长度速率1 2288Mcps相位由掩码确定 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OQPSK调制的星座和相位转移图 反向链路OQPSK调制 反向链路OQPSK调制 OQPSK调制的星座和相位转移 相位转移没有过零点 只能发生0 的变化 与QPSK相比 其相位跳变小 信号的包络的起伏更小 更有利于提高移动终端的功率放大器效率 反向链路OQPSK调制星座与相位转移图 变速率数据传输 目的减小移动台的功耗和降低它对其他用户的干扰 增加系统容量 方法在反向链路业务信道中 对64阶正交调制器的输出符号 用一个数据突发随机化器 DataBurstRandomizer 进行选通 只允许所需的符号输出 而删除其他重复的符号 使进入多次重传过程的每个码符号只被选通一次 工作过程 将20ms的帧分为16个功率控制组 编号为0 15 数据突发随机化器的时隙长1 25ms 等于功率控制组的长度 发送方式通过选通门允许传输的符号是以突发的方式发送的 位置控制长PN码数据突发随机化器根据前一帧中倒数第二功率控制组内的最后14个比特的内容来确定突发的位置 变速率数据传输的工作过程 反向链路可变速率传输示例 反向链路可变速率传输示例 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 信息类型工作过程 接入尝试 反向接入信道的工作过程 接入尝试 移动台在接入过程中 接入信道的信号采用 接入尝试 的方法发送 原因接入信道使用随机接入协议 允许多个用户以竞争的方式占用 分类接入探测序列结束的判断准则参数含义 接入尝试分类 请求接入尝试用于移动台起呼应答接入尝试用于应答基站的寻呼对于应答接入尝试 下图中的参数PD 0 接入尝试 接入探测序列 移动台在接入尝试期间发送多个接入探测序列 最多15个 每个接入探测序列又是由功率逐渐增加的多个接入探测 最多16个 所组成 每个接入探测中传送的消息相同 接入探测序列 接入尝试结束的判断准则 接入探测序列的次数达到最大移动台收到基站发来的对接入消息的响应 接入尝试涉及的参数含义 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 IS 95中的功率控制技术 功率控制概述 功率控制分类 反向链路功率控制 前向链路功率控制 功率控制概述 功率控制 PowerControl 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输出功率的限制 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 功率控制的目的 对接收信号的能量或信噪比进行评估的基础上 适时补偿无线信道的衰落 来不断调整发射信号的功率 从而保证一定的通信质量 又降低对其他用户的干扰 保证系统容量 当用户的发射功率刚好能够满足所需信噪比的最小值时 系统的容量达到最大值 使接收端的误帧率 FER 接近一个更高目标值 输出功率的限制 限制移动台发射机的输出功率 使系统的总功率电平保持最小 移动台发射机平均输出功率应小于 50dBm 1 23MHz 111dBm Hz 移动台发射机背景噪声应小于 60dBm 1 23MHz或 54dBm 1 23MHz要求输出信号功率的时间响应特性快速上升 保持平稳及快速下降 保证可靠传输 输出信号功率的时间响应 输出信号功率的时间响应 变速率数据传输方式时 输出功率的时间响应要求 图中1 25ms为用于变速率传输的一个功率控制组 时隙 的时间 输出信号功率的时间响应 在一个功率控制组时间内功率波动应小于3dB功率电平应比背景噪声高出20dB功率上升或下降的时间应小于6 s 功率控制分类 从通信链 路的角度 从功控环 路的角度 分类 前向功率控制 闭环功率控制 反向功率控制 开环功率控制 反向功率控制 功能调整移动台的发射功率 使信号到达基站接收机时 信号电平刚刚达到保证通信质量的最小信噪比门限 作用克服远近效应 降低干扰 保证系统容量 将移动台的发射功率调整至最合理的电平 从而延长电池的寿命 反向链路质量反向链路必须采用大动态范围的功率控制方法 快速补偿迅速变化的信道条件由于用户的移动性 不同的移动台到基站的距离不同 这导致不同用户之间的路径损耗差别很大 不同用户的信号所经历的无线信道环境有很大的不同 前向功率控制 功能调整基站对每个移动台的发射功率 使信号到达移动台接收机时 信号电平刚刚达到保证通信质量的最小信噪比门限 对信道衰落较小和解调信噪比较高的移动台分配相对较小的前向发射功率 对信道衰落较大和解调信噪比较低的移动台分配相对较大的前向发射功率 作用降低基站的平均发射功率 减小相邻小区之间的干扰 前向链路质量 前向链路质量 前向链路的质量远好于反向链路 对功控的要求相对较低 前向链路所有信道同步发射 而且对于某个移动台来说 前向链路的所有信道所经历的无线环境是相同的 在前向链路的解调中 干扰主要是相邻小区的干扰和多径引入的干扰 在理想情况下 移动台解调时 本小区内其它用户的干扰可以通过Walsh码的正交性完全除去 由于多径的影响 使得Walsh码的正交性受到影响 移动台可利用基站的导频信道进行相干解调 开环功率控制 功能移动台 或基站 根据接收到的前向 或反向 链路信号功率大小来调整自己的发射功率 作用补偿信道中的平均路径损耗及慢衰落 所以动态范围较大 前提条件假设前向和反向链路的衰落情况一致 方法优缺点 以反向链路为例 移动台接收并测量前向链路的信号强度 并估计前向链路的传播损耗 然后根据这种估计 调整其发射功率 接收信号较强时 表明信道环境较好 将降低发射功率 接收信号较弱时 表明信道环境较差 将增加发射功率 开环功率控制的方法 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 前反向链路所占的频段相差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 建立在开环功率控制的基础上 对开环功控进行校正 方法优缺点分类 闭环功率控制 以反向链路为例 基站根据反向链路上移动台的信号强弱 产生功控指令 并通过前向链路将功控指令发送给移动台 然后移动台根据此命令 在开环功控所选择发射功率的基础上 快速校正发射功率 如此形成了控制环路 闭环功率控制的方法 优点部分降低了信道快衰落的影响 控制精度高 用于通信过程中发射功率的精细调整 缺点从功控指令的发出到执行 存在一定的时延 当时延上升时 功控的性能将严重下降 闭环功率控制的优缺点 以反向链路为例 闭环功率控制分类 外环功率控制目的 适应无线信道的变化 动态调整内环功控中的信噪比门限 使功率控制直接与通信质量相联系 而不仅仅是体现在对信噪比的改善上 反向链路功率控制 反向闭环功率控制 反向开环功率控制 反向开环功率控制 原因移动台在接入状态时 还没有分配到前向业务信道 包含功率控制比特 只能通过测量接收功率来估计发送功率 目的补偿平均路径损耗以及慢衰落方法测量接收到的前向链路总功率 结合已知的一些接入参数 采用一定算法计算得出接入时的发射功率大小 基本原则是使移动台的发射功率与接收功率成反比 动态范围至少应该达到 32dB的动态范围 计算公式 步骤1 刚进入接入状态时2 其后的接入探测不断增加发射功率 直至收到确认或者序列结束 3 移动台接收到确认之后 开始在反向业务信道上发送信号 4 移动台一旦从前向链路接收到功率控制比特 将开始进行闭环功率控制 反向开环功控的分步计算 其中 常数K取值为 73dBm NOM PWR用于告知移动台基站标称功率的变化信息 INIT PWR用于调整第一个接入探测的功率 步骤1的计算公式 刚进入接入状态时 移动台发射第一个接入探测 平均输出功率 dBm 平均输入功率 dBm K NOM PWR INIT PWR 其中 接入探测校正 PWR LVL PWR STEPPWR LVL是接入探测功率电平调整 单位为PWR STEPPWR STEP是连续的两个接入试探之间功率的增加量 步骤2的计算公式 其后的接入探测不断增加发射功率 直至收到确认或者序列结束 平均输出功率 dBm 平均输入功率 dBm K NOM PWR INIT PWR 接入探测校正 步骤3的计算公式 移动台接收到确认之后 开始在反向业务信道上发送信号 平均输出功率 dBm 平均输入功率 dBm K NOM PWR INIT PWR 接入探测校正之和 步骤4的计算公式 移动台一旦从前向链路接收到功率控制比特 将开始进行闭环功率控制 平均输出功率 dBm 平均输入功率 dBm K NOM PWR INIT PWR 接入探测校正之和 所有闭环功率控制校正之和 反向闭环功率控制 功能作用分类功率控制比特流程 基站根据测量到的反向信道的质量 来调整移动台的发射功率 如果测量到的反向信道质量低于门限 则命令移动台增加发射功率如果测量到的反向信道质量高于门限 则命令移动台降低发射功率 反向闭环功控的功能 反向功率控制的核心 通过基站 对移动台的开环功率估计进行迅速纠正 从而使移动台保持最理想的发射功率 对反向开环功率控制的不准确性进行弥补的一种有效手段 需要基站和移动台的共同参与 在开环功控的基础上 能提供士24dB的动态范围 反向闭环功控的作用 反向闭环功控的分类 外环功控通过动态调整内环功控中信噪比的目标值 来维持恒定的目标误帧率 以适应无线环境的变化 保证一定的通信质量 同时使用外环功控和内环功控 可以保证有足够的信号能量 使接收机能在容许的错误概率情况下解调信号将对其他用户的干扰降至最低 反向闭环功控图示 反向闭环功率控制 功率控制比特 功能移动台根据在前向业务信道上收到的有效功率控制比特来调整其平均输出功率 0 指示移动台增加平均输出功率1dB 1 指示移动台减少平均输出功率1dB发送功率控制子信道每1 25ms发送一个功率控制比特长度一个功率控制比特的长度等于前向业务信道两个调制符号的长度 基站测量所有移动台反向业务信道的Eb Nt 测量周期为1 25ms 一个功率控制组 基站将测量结果与Eb Nt目标值相比较 分别确定对各个移动台的功率控制比特的取值 基站在相应的前向业务信道上发送功率控制比特 比反向业务信道延迟2 1 25ms 移动台接收前向业务信道后 从中抽取功率控制比特 进而对反向业务信道的发射功率进行调整 注 其中包括 移动台禁用 的情况 反向闭环功控流程 移动台禁用 目的检测那些无法对功率控制作出响应并可能对其它用户造成严重干扰的移动台 操作由内环功控完成方法基站会计算连续发送功率降低指令的次数 如果数目超过了规定门限值 则给移动台发送一个重新开机之前进行锁定的指令消息 该消息使移动台处于禁用状态 直到用户关机并重新开机为止 反向闭环功控流程图 前向链路功率控制 目的在保证一定通信质量的前提下 尽量减少业务信道的发射功率 从而降低干扰 功能性能过程PMRM报告前向慢速功控 基站根据移动台提供的测量结果 前向链路误帧率的反馈报告 调整对每个移动台的发射功率 对衰落小的移动台分配相对较小的前向发射功率对衰落比较大的移动台分配较大的前向发射功率从这个意义上说 前向功率控制采用的也是闭环的形式 前向链路功控的功能 前向链路的质量远好于反向链路 原因小区内各个信道之间是同步的移动台可以根据前向导频信道进行相干解调前向链路对功率控制动态范围的要求比较低 前向链路功控的性能 移动台采集前向信道的统计信息 然后通过功率测量报告消息 PMRM 把统计信息发送给基站控制器 BSC BSC计算出前向信道的误帧率 FER 如果实际FER超过目标FER 命令基站增加发射功率 如果实际FER低于目标FER 命令基站降低发射功率 注意 基站的发射功率有一定的动态范围 既避免发射功率过大 形成强干扰 也避免发射功率过低 降低通信质量 前向链路功控的过程 功率测量报告消息 PMRM 内容移动台测量的前向信道的帧数以及误帧的个数模式周期报告 隔一段时间发送一次PMRM门限报告 错误帧数达到一定门限时 发送PMRM存在方式根据运营商的具体要求来设定 同时存在只用一种两种都不用 前向慢速功控 原因移动台的PMRM报告发送周期较长基站控制器控制前向功率的周期较长优点很好地控制每个信道的发送功率 缺点不能适应信道环境的快速变化 过程 移动台的报告方式为门限方式 移动台接收到两个坏帧后 发送PMRM PowerMeasurementReportMessage 前向慢速功控的过程 IS 95前向慢速功率控制 IS 95中的软切换技术 切换概述导频集合导频的搜索与测量切换参数与消息IS 95系统中的软切换流程IS 95B系统中的软切换导频集的维护 切换概述 切换 Handoff HO 是指移动台在通信期间 由于位置发生改变 而改变与网络的连接关系的过程 也称越区切换 要求对用户来说是透明的处理频率适中分类过程 切换分类 根据切换发生时 移动台与原基站以及目标基站连接方式的不同 可以将切换分为硬切换软切换 硬切换 HardHandoff HHO 特点先断后通 在新链路建立前 先中断旧链路 在整个切换过程中移动台只能使用一个无线信道 存在短期通话中断 有掉话的可能 系统模拟系统和TDMA系统 如GSM系统 原因 采用不同频率的小区之间只能采用硬切换缺点失败率较高 乒乓效应 统计结果无线信道上90 的掉话是在切换过程中发生的 软切换 SoftHandoff SHO 软切换是指需要切换时 移动台先与目标基站建立通信链路 再切断与原基站之间的通信链路的切换方式 即先通后断 系统CDMA蜂窝移动通信系统所独有的切换方式原因 只有在使用相同频率的小区间才能进行优缺点基本过程更软切换地位 软切换的优点 提高切换成功率只有当移动台与新的基站建立起稳定的通信之后 原有的基站才会中断其通信控制 增加系统容量当移动台与多个基站进行通讯时 有的基站命令移动台增加发射功率 有的基站命令移动台降低发射功率 这时移动台优先考虑后者 从统计的角度上来看 降低了移动台整体的发射功率 从而降低了对其它用户的干扰 增加了系统容量 提高通信质量前向链路的分集合并 反向链路的分集接收 软切换的缺点 导致硬件设备的增加 占用更多的资源 当切换的触发机制设定不合理导致过于频繁的控制消息交互时 影响用户正在进行的呼叫质量 等等 但对CDMA系统来说 系统容量的瓶颈主要不在于硬件设备的资源 而是系统自身的干扰 移动台与原小区基站台保持通信链路 移动台与原小区基站台保持通信链路的同时 与新的目标小区 一个或多个小区 的基站台建立通信链路 软切换的基本过程 Play 移动台只与其中的一个新小区基站台保持通信链路 更软切换 SofterHandoff 软切换中还包括更软切换 与软切换的区别软切换通常指不同小区之间进行的软切换 更软切换是指在同一个小区的不同扇区之间进行的软切换 在软切换过程中 会同时占用两个基站的信道单元和WALSH码资源 通常在基站控制器 BSC 完成前向链路帧的复制和反向链路帧的选择 更软切换则不用占用新的信道单元 只需要在新扇区分配WALSH码 从基站送到BSC的只是一路话音信号 软切换是CDMA系统特有的关键技术之一 是系统重要的无线资源控制机制 也是网络优化的重点 软切换算法和相关参数的设置对系统容量和服务质量有重要影响 软切换用户的比例过低会降低宏分集增益 降低系统容量 软切换用户的比例过高则会占用过多的基站发射功率以及WALSH码等无线资源 降低系统容量 软切换的地位 切换过程 链路监视和测量监测的参数通常是接收到的信号强度 也可以是信噪比 误比特率等参数 由移动台完成对前向链路的测量由基站完成对反向链路的测量目标小区的确定和切换触发 切换决策 将测量结果与预先定义的门限值进行比较 确定切换的目标小区 决定是否启动切换过程 切换执行移动台增加一条新的无线链路或者释