第七章IS-95及其增强移动通信系统.ppt

第七章IS 95及其增强移动通信系统 程郁凡chengyf 通信抗干扰技术国家级重点实验室 第七章内容 7 1概述7 2IS 95系统的无线链路7 3IS 95CDMA系统的同步与定时7 4CDMA系统的功率控制7 5CDMA系统的软切换技术7 6第三代移动通信系统 第七章IS 95及其增强移动通信系统 2019年12月 2 7 1概述 1990年9月 Qualcomm公司公开了其第一版的CDMA 公用空中接口 规范 经过不断的修改 于1995年被TIA采纳 定为IS 95A标准IS 95 InterimStandard95 1998开始 在第三代移动通信系统中广泛采用CDMA技术 cdma2000 WCDMA TD SCDMA 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 3 CDMA蜂窝系统的基本概念 基本概念CDMA基于扩频技术 每个用户有各自的特征码CDMA技术包含两层含义扩频 信息带宽的扩展码分 用户 信道和基站都依靠码识别码分的含义 IS 95 基站的识别信道的识别用户的识别 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 4 CDMA蜂窝系统的频谱带宽 决定CDMA蜂窝系统频谱带宽的因素 频谱资源 系统容量 多径分离 扩频增益陆地移动通信系统多径时延约为1usChip周期1MHz系统带宽1 25MHz扩频码片速率1 2288MChip s 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 5 IS 95CDMA技术的发展 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 6 IS 95CDMA主要技术指标 1 IS95CDMA工作频段上行 移动台发 基站收 825 849MHz下行 移动台收 基站发 870 894MHz双工间隔 45MHzIS95CDMAPCS工作频段上行 移动台发 基站收 1850 1910MHz下行 移动台收 基站发 1930 1990MHz双工间隔 80MHz载频间隔 1 25MHz双工方式 FDD多址方式 CDMA扩频码速率 1 2288Mc s 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 7 IS 95CDMA主要技术指标 2 调制方式 前向QPSK 反向OQPSK语音编码方式 变速率QCELP码信道编码方式 卷积码 k 9 正向信道码率R 1 2 反向信道码率R 1 3 数据帧长 20ms扩频解调门限 7dB Pe 10 4 小区结构 1200三扇区构成功率控制范围 正向 6dB反向 80dB功率控制精度 正向 0 5dB反向 1dB分集接收 基站4路RAKE接收移动台3路RAKE接收 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 8 第七章内容 7 1概述7 2IS 95系统的无线链路7 3IS 95CDMA系统的同步与定时7 4CDMA系统的功率控制7 5CDMA系统的软切换技术7 6第三代移动通信系统 第七章IS 95及其增强移动通信系统 2019年12月 9 7 2IS 95系统的无线链路 7 2 1IS 95系统的下行链路下行链路的序列码下行链路的物理信道与逻辑信道7 2 2IS 95系统的上行链路上行链路的序列码上行链路的物理信道与逻辑信道 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 10 7 2 1IS 95系统的下行链路 下行链路的构成 11 BS发 MS收 Walsh码 扩频 区分信道 短码 基站同步 区分基站 长码 加扰 区分用户 下行链路的序列码 基站的识别 短码 不同相移的PN序列 码元周期为215 信道的识别 Walsh码 正交的Walsh函数 完全正交的64阶Walsh码 用户的识别 长码 周期足够长的PN序列 码元周期为242 1 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 12 Walsh码 1 区分信道 实现码分多址功能采用64个正交的Walsh函数对信道扩频 每一Walsh序列为一物理信道 信道数记为W0 W63扩频码片速率1 2288Mcps 13 Walsh码在同步时是完全正交的 Walsh码 2 Walsh码的特点 同步时 Walsh码是完全正交码 自相关函数为1 互相关函数为0 非同步情形下 Walsh码的自相关特性和互相关特性很差 Walsh码序列的功率谱分布彼此不均匀Walsh码不能单独承担扩频任务 通常采用Walsh码与其它序列的结合 区分信道只能用于下行 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 14 短码 1 作用 区分基站 分配给每一基站同一个短序 的不同时间偏移提供对Walsh码数据的加扰 使各蜂窝小区能重用所有Walsh码 时间偏移使移动台能识别使用相同频率的相邻蜂窝小区 15 BS发 短码 短码 2 m序列采用215 1的m序列 32768 为不同基站发出的信号赋予不同的特征 并用于移动台同步所有基站的引导PN序列有相同的产生结构 但是不同BS具有不同的相位偏移量 16 按64个码为间隔 形成32768 64 512个不同的时间偏置 在全系统时钟同步的情况下 移动台根据时间偏置可识别与同步基站速率 1 2288Mcps正交引导PN序列生成多项式 长码 17 BS发 长码 长码在下行寻呼信道和业务信道中作扰码 用于数据加扰和用户保密 并识别用户 采用 周期为242 1的m序列 长码速率为1 2288Mcps 64分频 64抽1 后为19 2kcps 不同信道利用不同的掩码得到不同相位的长码 下行链路的物理信道和逻辑信道 下行链路的物理信道每个载频在一个小区内以64个正交Walsh码区分信道 可提供64个码分信道 速率 1 2288Mcps寻呼信道 同步信道必要时都可改为业务信道 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 18 下行链路的逻辑信道分配与码分物理信道的关系 下行链路物理信道和逻辑信道的映射 下行逻辑信道下行业务信道下行控制信道 导频信道 同步信道 寻呼信道 19 码域正交复用 导频信道 1 W0全0 不含数据 含引导PN码序列相位偏移量和频率基准信息 一直不断发送 电平高于其它信道约20dB 便于MS获取基站的定时 进行信道估计 相干解调 切换等 20 导频信道 2 导频信道连续周期地发送未经调制的短码 基站利用导频PN序列的时间偏置来标识每个CDMA前向信道 零偏置导频PN序列 它们的开始位置被定义为连续输出15个 0 的时刻 零偏置序列必须在偶数秒起始传输 偏置系数 共512个 编号从0到511 64chip间隔 偏置时间 偏置系数 64 chip 其它PN引导序列的偏置指数规定了它和0偏置引导PN序列偏离的时间值 21 导频信道 3 例如 当偏置系数是15时相应的偏置时间是15 64 960个chip已知chip宽度为1 1 2288 0 8138 s故偏置时间为960 1 2288 781 25 s该PN序列要从每一偶数秒之后781 25 s开始帧长 为一个序列周期 215 1 2288 106 26 67ms2秒有75个周期 2 215 1 2288 106 75相邻基站的导频PN序列偏置指数间隔应大一些 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 22 导频信道 4 导频信道的作用用于移动台获取基站的定时 识别基站 提取相干载波以进行相干解调 一旦移动台捕获到导频信道 即可认为移动台与其它前向信道也达到同步通过对导频信号中多径信号的检测 实现RAKE接收机中的信道估计 通过比较相邻基站导频信号的强度 决定何时需越区切换 通过对导频信号强度的检测 决定开环功率控制的初始值 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 23 同步信道 24 传输同步信息和其它信息如系统时间 导频偏置 使移动台知道正在接入的是哪个基站 还有寻呼信道速率 242 1长码的状态等信息 扩频处理增益 10 log10 1 2288Mcps 4 8kbps 24dB 寻呼信道 25 传送系统信息 入网参数 基站寻呼移动台寻呼信道数据以扰码加密 加扰 业务信道 1 26 加扰 业务信道 2 业务信道用于传输用户信息和少量的信令信息 传输8 6kbps 4kbps 2kbps 800bps的不同速率的数据 帧长为20ms嵌入功率控制子信道 用于传输功率控制信息 嵌入随路信道 传输少量的信令信息 例如越区切换信息 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 27 7 2IS 95系统的无线链路 7 2 1IS 95系统的下行链路下行链路的序列码下行链路的物理信道与逻辑信道7 2 2IS 95系统的上行链路上行链路的序列码上行链路的物理信道与逻辑信道 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 28 7 2 2IS 95系统的上行链路 上行链路的构成 29 MS发 BS收 Walsh码 只用于多进制扩频 短码 基站同步 加扰 长码 扩频 区分信道 上行链路的序列码 信道与用户的识别 长码 周期足够长的PN序列 码元周期为242 1 通过不同的掩码给每个信道分配一个不同的初相 从而构成逻辑信道和移动台的地址码 实现上行链路的码分多址功能多进制扩频 Walsh码 64阶Walsh码正交多进制扩频调制正交调制与加扰 短码 零偏置I Q正交PN序列 码元周期为215 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 30 Walsh码 1 完成多进制扩频提高系统的抗干扰能力和信息传输能力采用64阶Walsh函数正交扩频多进制扩频的概念利用M 2k个长度为P的正交扩频序列 每个序列代表k比特的信息 在k 1时 即传统的DS扩频 二进制扩频 IS 95上行链路中 采用了与下行链路相同的Walsh函数 此时M为26 64 每6个码元作为一个调制符号 每个调制符号对应一个长度为64chip的Walsh码共有26 64个调制符号 31 Walsh码 2 例如 信息速率为28 8kbps 处理增益64倍基带矩形脉冲随机序列带宽二进制比特流基带带宽为Rb多进制符号流基带带宽为Rs二进制扩频多进制扩频在相同信源速率和扩频带宽的条件下 多进制扩频比二进制扩频具有更高的处理增益 32 Walsh码 3 6 64多进制映射关系 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 33 例如 输入信息 101100 100011 输出对应的Walsh码序列 W44 W35 Walsh码 4 多进制扩频举例 以8进制扩频为例 信源 101001 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 34 信源按8进制分组 101 001 2 101 5 1 001 1 由信源 从对应的Walsh函数中找到对应的Walsh码 得到输出 01011010 01010101 短码 35 MS发 短码 用于基站同步 系统加扰 正交调制采用与下行链路相同的引导PN码正交调制 相位偏移为0 m序列 采用215 1的m序列 补零后变为215 速率 1 2288Mcps生成多项式同下行链路 短码 长码 1 36 长码 区分信道和用户长码扩频采用了242 1的PN码 m序列 以完成信道的扩频调制4bit扩频 307 2kbps 4 1 2288Mcps长码由42个移位寄存器组成的m序列发生器产生 该序列再由一个42比特掩码被赋予不同的相位 通过不同的掩码给每个信道分配一个不同的初相 从而构成逻辑信道和移动台的地址码 MS发 长码 长码 2 生成多项式与下行链路的一样 37 使用分配的长码掩码42比特 上行链路的物理信道和逻辑信道 上行链路的物理信道上行链路的码分物理信道是用周期为242 1的不同相位偏移量的长PN序列 长码 构成的 速率 1 2288Mcps 不同的42位掩码用于不同的接入信道与业务信道 为什么不用Walsh码区分反向物理信道 正向 所有Walsh码从基站同时到达某个移动台反向 各移动台到基站的信号不能同时到达基站 Walsh码不正交 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 38 上行链路物理信道和逻辑信道的映射 39 上行逻辑信道反向接入信道 最多32个 最少0个 反向业务信道 最多64个 最少32个 帧长 20ms 反向接入信道 向基站进行登记 发起呼叫 响应寻呼信息 40 6 64映射 延迟1 2码片 约406 9ns OQPSK 反向业务信道 在呼叫建立期间传输用户信息与信令信息 41 6 64映射 小结 IS 95系统逻辑信道 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 42 小结 IS 95系统上下行链路特性 43 IS 95CDMA系统呼叫处理流程 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 44 调谐到CDMA载波 系统初始化状态 业务信道状态 空闲状态 接入状态 第七章内容 7 1概述7 2IS 95系统的无线链路7 3IS 95CDMA系统的同步与定时7 4CDMA系统的功率控制7 5CDMA系统的软切换技术7 6第三代移动通信系统 第七章IS 95及其增强移动通信系统 2019年12月 45 第七章内容 7 1概述7 2IS 95系统的无线链路7 3IS 95CDMA系统的同步与定时7 4CDMA系统的功率控制7 5CDMA系统的软切换技术7 6第三代移动通信系统 第七章IS 95及其增强移动通信系统 2019年12月 46 7 4CDMA系统的功率控制 CDMA系统的容量主要受限于系统内移动台的相互干扰 如果每个移动台的信号到达基站时都达到正常通信所需的最小信噪比 系统容量将会达到最大值单小区系统容量多小区系统容量 47 d 话音占空比 0 35G为扇形分区系数 F为信道复用效率 0 6 功率控制 功率控制的目的和要求 功率控制的目的克服远近效应 使系统既能维持高质量通信 又不对占用同一信道的其他用户产生不应有的干扰 功率控制是CDMA系统的核心关键技术功率控制的要求当信道的传播条件突然改善时 功率控制应作出快速反应 以防止信号突然增强而对其它用户产生附加干扰 当传播条件突然变坏时 功率调整的速度可以相对慢一些 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 48 输出信号功率的时间响应 输出信号功率的时间响应 变速率传输一个功率控制组时间1 25ms 功率波动 20dB功率上升 下降时间 6us 49 功率控制的分类 反向链路功率控制调整移动台向基站发射的功率使任一移动台无论处于什么位置上 其信号在到达基站的接收机时 都具有相同的电平 而且刚刚达到信干比要求的门限前向链路功率控制调整基站向移动台发射的功率使任一移动台无论处于小区中的任何位置上 收到基站的信号电平都刚刚达到信干比所要求的门限值 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 50 反向链路功率控制 开环功率控制 IS 95采用开环与闭环功率控制相结合的方案 反向开环功率控制仅由移动台参与 MS测量接收到的导频信号的功率 利用下行链路损耗估计上行链路损耗 根据链路损耗计算MS需要发射的功率 接收到信号强度越强 说明收发双发距离较近或者有非常好的传播路径 发射的功率就越小 方法简单 易于实现 开环功控只决定接入初期发射功率和切换后初期发射功率 FDD系统上下行链路衰落不相关 精度有限 动态范围 32dB 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 51 反向链路功率控制 闭环功率控制 目的消除开环功控中的上下行信道不一致所产生的功控误差 精确调节发射功率 闭环调节过程基站和移动台共同参与 基站根据目前所需信噪比与实际接收的信噪比之差随时命令移动台调整发射功率 MS根据基站发送功控指令并与开环估计相结合 调节发射功率 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 52 反向闭环功率控制 2 闭环功率控制过程初始发射功率由基站通过系统参数消息发送给移动台由来自基站的功率控制比特控制功控比特0 增加发射功率1dB1 降低发射功率1dB闭环功控调节能力功率调节范围 在开环估计的基础上 闭环调整范围为 24dB800次 秒 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 53 前向链路功率控制 前向链路功率控制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 因前向链路功率控制将影响众多的移动用户的通信 前向功率控制动态范围小 调节量 0 5dB动态范围 标称功率的 6dB调节速率 以帧 20ms 为单位 2019年12月 第七章IS 95及其增强移动通信系统 54 第七章内容 7 1概述7 2IS 95系统的无线链路7 3IS 95CDMA系统的同步与定时7 4CDMA系统的功率控制7 5CDMA系统的软切换技术7 6第三代移动通信系统 第七章IS 95及其增强移动通信系统 2019年12月 55 7 5CDMA系统的软切换技术 硬切换 载波频率不同的相邻小区间的切换切换过程中通信链路会发生中断硬切换包括载波频率与导频PN序列偏移的改变软切换 载波频率相同的相