第四章 IS-95移动通信系统.ppt

4 1概述4 2无线信道4 3信号处理过程4 4系统控制过程 第四章IS 95系统 书8 1 5 4 1概述 1988年美国Qualcomm 高通 公司提出将CDMA技术用于蜂窝移动电话 1993年美国TIA 美国通信工业协会 接受CDMA技术为北美的标准 即 IS 95A 1995年全球第一个商用IS 95A系统在香港建设 1998年中国在北京 上海 西安开通CDMA网络 2002年中国联通宣布在全国建设CDMA网络 IS 95标准的全称是 双模宽带扩频蜂窝系统的移动台 基站兼容标准 又称为 CDMA 95 QCDMA IS 95标准是一个空中接口 CAI 标准 只提出信令协议和数据结构的特点与限制 包括波形及数据序列的规定 所谓 双模 是指该系统可以兼容模拟及数字的操作 从而容易实现模拟蜂窝系统和数字蜂窝系统之间的转换 IS 95标准的系统及网络结构与GSM类似 IS 95蜂窝通信系统的关键技术和特点1 码分多址技术 在IS 95系统中采用了三重码域的划分 即 沃尔什码 扩频码 Wi t i 1 2 64短PN码 m序列扰码 SPNj t j 1 2 512 周期26 66ms长PN码 m序列扰码 LPNk t k 1 2 周期41 4天这些码同时叠加在信息比特I t 上 即 I t Wi t SPNj t LPNk t 利用码的正交性 可以在接收端恢复出信息比特 CDMA系统多址容量大 CDMA系统是干扰受限的系统 在实际系统中 各地址码之间不是完全正交 存在一定的互相关性 此互相关性导致的多址干扰是影响CDMA多址能力的决定性因素 CDMA采用多种手段使得多址干扰足够小 从而使CDMA的多址能力比FDMA TDMA更强 这些手段包括 选择有良好的自相关性 互相关性的地址码 采用信号处理的分集技术消除多址干扰 使用功率控制克服远 近效应 使得系统用户以最小功率通信 在蜂窝移动通信中 还采用语音激活技术 高效纠错码及CDMA扇形分区等技术 使整个CDMA通信系统的干扰减小 容量增大 CDMA系统软容量限制 由于FDMA TDMA的容量由频率和时隙所决定的 容量是固定值 当同时工作的用户数超过系统容量时 必会出现阻塞 CDMA蜂窝系统的全部用户共享一个无线信道 用户信号的区分只靠所用码型的不同 因此当蜂窝系统的负荷满载时 另外增加少数用户 只会引起话音质量的轻微下降 或者说信干比稍微降低 而不会出现阻塞现象 在业务高峰期间 可以稍微降低系统的误码性能 以适当增多系统的用户数目 即在短时间内提供稍多的可用信道数 这就是说CDMA蜂窝通信系统具有 软容量 特性 或者说 软过载 特性 这也增加了系统运行的灵活性 CDMA系统具有扩频的优点 CDMA蜂窝系统以扩频技术为基站 因而它具有扩频通信系统所固有的优点 如抗干扰 抗多径衰落等 CDMA具有天然的保密性 CDMA系统采用的扩频地址码一般是长周期码 接收时 需接收方的本地相关码与发端的扩频码同步 且两码必须完全相同 这就使CDMA系统比一般系统安全 窃听者必须要先破译和产生一个相关的本地码 这是十分困难的 CDMA信号在空中传播时 由于扩展了频谱 使空中的信号功率谱密度低 这样造成的电磁污染小 对使用者人体和其它电子设备的影响小 有时人们称CDMA手机为 绿色手机 2 瑞克 RAKE 技术 在移动通信中 多径传播往往会产生有害的多径干扰 但在扩频通信系统中可以对这些多径信号进行分离和合并 以改善系统的性能 具有这种功能的接收机称为RAKE接收机 RAKE接收机包含多个相关器 每一相关器接收一个多径信号 多径信号被相关器解扩后 可按最大比组合在一起 因为接收到的多径信号的衰落是独立的 经分集后 系统的性能可得到改善 这也是CDMA系统的话音质量优于TDMA系统 通话时不易掉话的原因之一 IS 95系统中基站4路RAKE 移动台3路 RAKE的基本原理 CDMA系统中RAKE接收机的基本原理 假设有多条路径 路径具有不同的时延 t1 t2 t3 tN 以及不同的衰落因子a1 a2 a3 aN RAKE接收机设计成三个支路对应三条路径的多径分量 对每一支路 接收信号分别与一个对应时延 t的扩频码相关 信号经解扩后加权再组合 从而达到分集接收的目的 对多径参数的检测与测量是由 搜索接收机 完成的 采用的是确定哪些径存在并对它们处理的方法 PN码片速率为1 2288MHz 最小可分辨多径间隔为 1 2288 106 1 814 10 9 0 814 s 在呼叫进行中 搜索接收机可以监测多径信号的强度并实现分集合并 3 话音激活与可变速率声码器 在典型的全双工通信中 每次通话的占空比小于35 CDMA系统在通话的停顿期间 降低信号传输速率 从而减轻对其它用户的干扰 这即是CDMA系统中的话音激活技术 由于CDMA系统的容量与所受干扰功率有关 降低用户间的干扰 则可增加系统容量 可变速率声码器的一个重要特点是使用适当的门限值来决定所需速率 门限值随背景噪声电平的变化而变化 从而提高了话音的质量 同时在低速率工作时又降低了信道间的干扰 提高了系统的容量 在8kbs码激励线性预测 QCELP 声码器中 采用了4种码率的传输速率 即8 4 2 1kb s 可以9 6kb s 4 8kb s 2 4kb s 1 2kb s的信道速率分别传输 根据话音信号激活程度 声码器设了三个门限来变换声码器速率 三个门限由前一帧话音自相关函数和前一帧噪声电平决定 每帧更新一次 20ms 若话音帧自相关函数 大于三个门限 选择全速率 9 6kbs 大于二个门限 选择半速率 4 8kbs 仅大于一个门限 选择1 4速率 2 4kbs 小于所有三个门限 选择1 8速率 1 2kbs 当不讲话时 用1 2kbs速率 只传背景噪声 在IS 95CDMA系统中 采用了8kbs和13kbs的变速率声码器技术 4 软切换技术 GSM和AMPS系统采用 先中断再连接 的硬切换方式进行越区切换 手机识别目标BTS扇区并向BSC报告 在与BTS2建立连接之前 先断开与BTS1的连接 CDMA采用 先连接再中断 的软切换方式进行越区切换 手机识别目标BTS扇区并向BSC报告 同时连接多达6个扇区 在与BTS2建立连接之后 再断开与BTS1的连接 在CDMA系统中 其相邻小区工作频率采用同一频率 只是扩频地址码不一样 这样用户越区切换不需改变频率 而只改变地址码 当移动台越区时 能够同时连接到两个或多个小区 在老的连接中断之前 新的连接已经建立 这就减少了呼叫中断的概率 改善了切换时的话音质量 软切换的机理是 当移动台在工作时 特别在运动的状态下 移动台对邻近基站发出的同一工作频率的导频信号不断地进行测量 而且把检测到的导频信号根据强弱进行分类 登录 并动态进行调整 根据通信环境的变化 作出可靠的切换判决 同时 把测量结果通知基站 作为切换的判决依据 软切换技术主要涉及导频搜索技术 导频强度的测量技术 切换过程中的导频变换技术 软切换的好处 改善话音质量 通过功率控制降低小区间干扰 降低掉话率 增加容量和覆盖范围 5 统一的时间基准 利用 全球定位系统 GPS 的时标 IS 95系统的每个基站要有一个与GPS时间信号保持同步的时钟 GPS计时的开始时间是 1980年6月6日0时0分0秒 各基站都配有GPS接收机 利用PN码和此时间进行校准 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 如果另一条多径分量变成了最先到达并用于解调的多径分量 则移动台的时间基准要跟踪到这个新的多径分量 4 2无线信道一 无线信道参数 FDMA CDMA FDD多址方式上行 移动台发 基站收 824 849MHz 下行 基站发 移动台收 869 894MHz 频段宽度为25MHz 收 发频率间隔为45MHz 载频间隔是1 25MHz 系统分为20对载频 扩频地址码64个 总共有20 64 1280个物理信道 扩频地址码速率 1 2288Mb s调制方式 前向QPSK 反向OQPSK已调信号带宽1 2288MHz 语音编码方式 8k或13k变速率QCELP码信道编码方式 卷积码 k 9 正向Rb 1 2 反向Rb 1 3 数据帧长 20ms扩频解调门限 7dB Pe 10 4 分集接收 基站4路RAKE接收移动台3路RAKE接收 二 逻辑信道1 前向逻辑信道 W0为导频信道 用于移动台获取基站的定时和提取相干载波以进行相干解调 通过对导频信号中多径信号的检测 实现RAKE接收机中的信号估计 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 W1 W7为寻呼信道 定时发送系统信息 入网参数 基站寻呼移动台 在呼叫接续阶段传输寻呼移动台的信息 移动台通常在建立同步后 接着就选择一个寻呼信道 也可以由基站指定 来监听系统发出的寻呼信息和其它指令 在需要时 寻呼信道可以改作业务信道使用 直至全部用完 W32为同步信道 用来传送同步信息 如系统时间 导频偏置 寻呼信道速率 242 1长码的状态等 供移动台进行同步捕获 根据时间信息确定基站引导PN码的相位 实现移动台的接收解调 在同步期间 移动台利用此同步信息进行同步调整 一旦同步完成 它通常不再使用同步信道 但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 所有业务信道均被占用而不敷应用时 此同步信道也可临时改作业务信道使用 W8 W63 除W32外 为业务信道 55个 用来传送语音编码数据及其它业务数据 也可以插入必要的随路信令 如 功率控制 越区切换等信令 2 反向逻辑信道 当移动台没有使用业务信道时 接入信道提供运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短信息 接入信道和正向传输中的寻呼信道相对应 以相应传送指令 应答和其它有关的信息 接入信道是一种分时隙的随机接入信道 允许多个用户同时抢占同一接入信道 每个寻呼信道所支撑的接入信道数最多可达32个 业务信道和前向逻辑信道相同 用来传送语音编码数据及其它业务数据 也可以插入必要的随路信令 如 功率控制 越区切换等信令 业务信道的最大信道数为64 反向逻辑信道中没有导频信道 所以基站在接收反向链路信号时 不能采用同步相干解调方式 4 3信号处理过程一 前向信道 1 控制信道 导频信道的输入为全0码 采用码片速率是1 2288Mb sW0沃尔什函数进行扩频 然后进行QPSK调制 在基站工作时间内连续发送 同步信道的输入速率为1 2kb s 经过1 2卷积编码 1 2重复 速率变成4 8kb s 经过深度为26 66ms的交织 在4800bps时 有128个调制符号 交织阵列为16行 8列 采用码片速率是1 2288Mb s沃尔什函数进行扩频 然后进行QPSK调制 寻呼信道的输入速率为9 6及4 8kb s 先经过1 2卷积编码 速率为4 8kb s时 各码元要重复一次 每码元连续出现2次 使各种信息速率均变换为相同的调制码元速率 即9 6kb s 交织深度为20ms 当19 2Kbps速率时为384个符号宽 阵列24行 16列 采用码片速率是1 2288Mc s沃尔什函数进行扩频 然后进行QPSK调制 由于寻呼信道携带了众多的用户信息 为了安全和保密 需要对它进行人为的扰乱 IS 95采用的是242 1的长PN码m序列 经过64次分频得到19 2kb s的伪随机序列 对数据进行加扰 称为数据掩蔽 2 业务信道 前向链路的业务信道用于基站向移动台传送业务信息及必要的随路信令 业务信息主要是变速率语音编码的数据 共有四种速率 8 6 4 0 2 0 0 8kb s 组帧后 加帧质量指示比特 CRC检验比特 并加编码器尾比特后 每帧加8bit 数据变为9 6 4 8 2 4 1 2kb s 经过1 2卷积编码 速率提高一倍 只要数据率低于9600b s 在分组交织之前都要重复 速率为4800b s时 各码元要重复一次 每码元连续出现2次 速率为2400b s时 各码元要重复3次 每码元连续出现4次 速率为1200b s时 各码元要重复7次 每码元连续出现8次 这样 使各种信息速率均变换为相同的调制码元速率 即9 6kb s 交织深度为20ms 当19 2Kbps速率时为384个符号 阵列24行 16列 采用码片速率是1 2288Mc s沃尔什函数进行扩频 最后进行QPSK调制 和控制信道相同 为了安全和保密 也采用242 1的长PN码序列经过64次分频后 对数据进行加扰 此外 还加入了800b s的功率控制比特 3 调制及射频处理 来自不同控制信道及业务信道的基带信号A 经过电平控制 G 后相加 使各个信道的功率满足一定的分配关系 在进行QPSK调制前 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 由于PN序列的相关特性在时间偏移大于一个子码宽度时 其相关值就等于0或接近于0 因而移动台用相关检测法很容易把不同基站的信号区分开来 一个基站的PN序列在其所有配置的频率上 都采用相同的时间偏置 而在一个CDMA蜂窝系统中 时间偏置可以再用 I路及Q路分别被引导PN序列 短PN I码及短PN Q码 加权 短PN码以215 1的m序列为基础 当生成的m序列中出现14个 0 时 从中再插入一个 0 使序列14个 0 的游程变成15个 0 的游程 为周期等于215 32768 的修正m序列 码片速率是1 2288Mc s 引导PN序列利用不同的时间配置识别不同的基站及扇区 共有512个不同的配置 偏置系数共512个 编号从0到511 偏置时间等于偏置的系数乘以64 单位是PN序列子码数目 子码宽度为0 8138 s 例如 当偏置系数是15时 相应的偏置时间是15 64 960个子码 偏置时间为960 0 8138 781 25 s 0偏置引导PN序列必须在时间的偶数秒 以基站传输时间为基准 起始传输 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 偏置指数15时 引导PN序列的偏离时间为781 25 s 说明该PN序列要从每一偶数秒之后781 25 s开始 I路和Q路输出信道中的基带数字脉冲形状由基带滤波器决定 滤波器的设计要使发射的功率谱对邻近频率影响最小 二 反向信道 1 接入信道 接入信道的输入速率为4 4kb s 加入编码器尾比特后为4 8kb s 经过1 3卷积编码 k 9 1 2重复以后速率变成28 8kb s 再经过深度为20ms的交织 交织器组成的阵列是32行 18列 即576个单元 然后进行多进制扩频 提高系统的抗干扰能力和信息传输能力 例 DS扩频为二进制扩频 处理增益64倍 用2M个PN码进行多进制扩频 每个PN码代表M比特的信息 2M个PN码的最小码长为2M 则可将传输带宽减小M倍 而保持处理增益不变 此时 把交织器输出的码元每6个作为一组 用26 64进制的沃尔什函数进行调制 调制码元的传输速率为28800 6 4800b s 调制码元的时间宽度为1 4800 208 333 s 每一调制码元含64个子码 因此沃尔什函数的子码速率为64 4800 307 2kb s 相应的子码宽度为3 255 s 在反向链路中采用沃尔什函数不是为了区分逻辑信道 而是为了利用多进制扩频调制提高通信质量 最后用1 2288Mc s的长PN码 242 1m序列 进行扩频 再送往调制及射频单元 长码的相位改变 偏移 产生一个新的m序列 不同相位的m序列之间有良好的相关性 则产生了地址空间 构成逻辑信道和移动台的地址码 可用来区分不同的用户 并实现安全保密 2 业务信道 业务信道的组成和接入信道基本相同 主要区别是 变速率传输及帧质量指示 CRC检验比特 变速率语音编码的数据 共有四种速率 8 6 4 0 2 0 0 8kb s 加入帧质量指示比特及编码器尾比特以后 四种速率变成 9 6 4 8 2 4 1 2kb s 经过1 3卷积编码 k 9 速率分别提高到3倍 再经过重复 速率统一变成28 8kb s 这里与前向信道不同的地方是重复的码元不是重复发送多次 相反 除去发送其中的一个码元外 其余的重复码元将全部被删除 交织深度为20ms 交织器组成的阵列是32行 18列 即576个单元 与接入信道同样采用64进制的沃尔什函数进行多进制扩频 可变数据率传输 为了减少移动台的功耗和减小它对CDMA信道产生的干扰 对交织器输出的码元 用一时间滤波器进行选通 只允许所需码元输出 而删除其它重复的码元 传输的占空比随传输速率而变 当数据率是9600b s时 选通门允许交织器输出的所有码元进行传输 即占空比为1 当数据率是4800b s时 选通门只允许1 2码元进行传输 即占空比为1 2 依此类推 这种选通要保证进入交织器的重复码元只发送其中一个 最后用1 2288Mc s的长PN码 242 1m序列 进行扩频 并区分不同的用户 实现安全保密 再送往调制及射频单元 3 调制及射频处理 来自接入信道及业务信道的基带信号 经过相加后送往调制器 和前向链路相同 在进行四相调制前 I路及Q路分别被短PN I码及短PN Q码加权 短PN码采用周期等于215 32768 的修正m序列 码片速率是1 2288Mc s 短PN码起到扰码的功能 I路和Q路输出信道中的基带数字脉冲形状由基带滤波器决定 滤波器的设计要使发射的功率谱对邻近频率影响最小 OQPSK调制 Q支路比I支路延迟半个码元 从而相位变化只有90 无180 频谱效率较高 4 4系统控制过程一登记注册 为了便于通信进行控制和管理 CDMA蜂窝系统划分为三个层次 系统 网络 和 区域 网络 是 系统 的子集 区域 是 系统 和 网络 的组成部分 由一组基站组成 系统用 系统标志 SID 区分 网络用 网络标志 NID 区分 区域用 区域号 区分 属于一个系统的网络 由 系统 网络 标志 SID NID 来区分 属于一个系统中某个网络的区域 用 区域号 加上 系统 网络 标志 SID NID 来区分 系统i包含三个网络 其标志号分别为t u v 在这个系统中的基站可以分别处于三个网络 SID i NID t 或 SID i NID u 或 SID i NID v 之中 也可以不处于这三个网络之中 以 SID i NID 0 表示 系统与网络的示意图简例 基站和移动台都保存一张供移动台注册用的 区域表格 当移动台进入一个新区 区域表格中没有它的登记注册 则移动台要进行以区域为基础的注册 注册的内容包括区域号与系统 网络标志 SID NID 每次注册成功 基站和移动台都要更新其存储的区域表格 移动台为区域表格的每一次注册都提供一个计时器 根据计时的值可以比较表格中的各次注册的寿命 一旦发现区域表格中注册的数目超过了允许保存的数目 则可根据计时器的值把最早的即寿命最长的注册删掉 保证剩下的注册数目不超过允许的数目 允许移动台注册的最大数目由基站控制 移动台在其区域表格中至少能进行7次注册 为了实现在系统之间以及网络之间漫游 移动台要专门建立一种 系统 网络表格 移动台可在这种表格中存储4次注册 每次注册都包括系统 网络标志 SID NID 这种注册有两种类型 一是原籍注册 二是访问注册 如果要存储的标志 SID NID 与原籍的标志 SID NID 不符 则说明移动台是漫游者 漫游有两种形式 其一是要注册的标志 SID NID 和原籍标志 SID NID 中的SID相同 则移动台是网络之间的漫游者 或称外来NID漫游者 其二是要注册的标志 SID NID 和原籍标志 SID NID 中的SID不同 则移动台是系统之间的漫游者 或称外来SID漫游者 移动台的原籍注册可以不限于一个网络或系统 比如移动台的原籍标志 SID NID 是 2 3 2 0 3 1 若它进入一个新的基站覆盖区 基站的标志 SID NID 是 2 3 由于 2 3 在移动台的原籍表格中 可判断移动台不是漫游者 如果新基站的标志 SID NID 是 2 7 这时SID 2在移动台的原籍表格中 但 SID NID 为 2 7 不在移动台的原籍表格中 故移动台是外来NID网络漫游者 如果基站的标志 SID NID 是 4 0 则SID 4不在移动台的原籍表格中 故移动台是外来SID系统漫游者 二越区切换 同一CDMA信道的导频分类四类 1 激活组 与分配给移动台的正向业务信道结合的导频 2 候补组 未列入激活组 但有足够的强度能成为激活组 3 邻近组 未列入激活组与候补组 可作切换的备用导频 4 剩余组 未列入激活组 候补组与邻近组的导频 当移动台驶向一基站 然后又离开该基站时 移动台收到该基站的导频强度先由弱变强 接着又由强变弱 因而该导频信号可能由邻近组和候补组进入激活组 然后又返回邻近组 在此期间 移动台和基站之间的信息交换如下 1 导频强度超过门限 上 移动台向基站发送一导频强度测量消息 并把导频转换到候补组 2 基站向移动台发送一切换引导消息 3 移动台把导频转换到激活组 并向基站发送一切换完成消息 4 导频强度降低到门限 下 之下 移动台起动一 切换下降计时器 5 切换下降计时器终止 移动台向基站发送一导频测量消息 6 基站向移动台发送一切换消息 7 移动台把导频从激活组转移到邻近组 并向基站发送一切换完成消息 CDMA通信系统的软切换不改变频率 可减小通信中断的概率 更重要的是在切换的过程中移动台开始和一个新基站通信时 并不中断和原来基站的通信 因而当移动台靠近两个小区的交界处 尽管两个基站发来的信号会起伏变化 但这对移动台的通信没有破坏作用 只有当移动台在新的小区建立起稳定通信之后 原来的小区基站才中断其通信控制 所以说 CDMA系统的软切换是 先切换后中断 软切换为在CDMA通信系统中实现分集接收提供了条件 当移动台处于两个 或三个 小区的交界处进行软切换时 会有两个 或三个 基站同时向它发送相同的信息 移动台搜索并解调这些信号 即可按一定的方式 比如最大比值合并方式 进行分集合并 这样可以明显地提高正向业务信道的抗衰落能力 在软切换的过程中 可能有两个 或三个 基站同时收到一个移动台发出的信号 这些基站对所收信号进行解调并进行质量估计 然后送入移动交换中心 MSC 这些来自不同基站而内容相同的信息由MSC用一选择分集合并器 逐帧挑选质量最高的比特 作为输出信息 从而实现了反向业务信道的分集接收 三移动台呼叫1 移动台初始化状态 移动台接通电源后就进入 初始化状态 在此状态下 移动台首先要判定它要在模拟系统中工作还是要在CDMA系统中工作 如果是CDMA系统中工作 它就不断地检测周围各基站发来的导频信号和同步信号 各基站使用相同的引导PN序列 但其偏置各不相同 移动台只要改变其本地PN序列的偏置 就能很容易地测出周围有哪些基站在发送导频信号 移动台比较这些导频信号的强度 即可判断出自己目前处于哪个小区之中 因为一般情况下 最强的信号是距离最近的基站发送的 2移动台空闲状态 移动台在完成同步和定时后 即由初始化状态进入 空闲状态 在此状态中 移动台可接收外来的呼叫 可进行向外的呼叫和登记注册的处理 还能置定所需的码信道和数据率 移动台的工作模式有两种 一种是时隙工作模式 另一种是非时隙工作模式 如果是后者 移动台要一直监听寻呼信道 如果是前者 移动台只需在其指配的时隙中监听寻呼信道 其它时间可以关掉接收机 有利于节电 3系统接入状态 如果移动台要发起呼叫 或者要进行注册登记 或者收到一种需要认可或应答的寻呼信息时 移动台即进入 系统接入状态 并在接入信道上向基站发送有关的信息 这些信息可分为两类 一类属于应答信息 被动发送 一类属于请求信息 主动发送 为了防止移动台一开始就使用过大的功率 增大不必要的干扰 这里用到一种 接入尝试 程序 它实质上是一种功率逐步增大的过程 所谓一次接入尝试是指传送一信息直到收到该信息的认可的整个过程 一次接入尝试包括多次 接入探测 一次接入尝试的多次接入探测都传送同一信息 把一次接入尝试包括多次探测分成一个或多个 接入探测序列 同一个接入探测序列所含多个接入探测都在同一接入信道