扩频通信绪论.ppt

CDMA扩频通信原理 主讲 侯春燕 2 有关本课程的几个问题 教材及参考书 扩频通信 田日才 清华大学出版社 2007年 扩频通信原理 曾一凡 李晖 机械工业出版社 2005年 有关本课程的几个问题 为什么选本课程 2010年 3G移动通信业务已经迅速展开 CDMA技术是第三代移动通信系统的技术基础 是高校通信专业学生需要熟悉并掌握的通信技术 工作或进一步深造的需要 3 有关本课程的几个问题 如何听课 认真记笔记 没有课后作业 掌握课堂习题很关键 4 教学目标 教学目标 以CDMA为主线 从通信体质和应用系统两方面介绍CDMA扩频通信原理 教学重点 扩频通信中的基本概念 伪随机码产生及性质 典型的CDMA移动通信系统的基本原理 关键技术及系统结构 教学要求 强调基本概念 基本原理 内容新 范围广 以现有的 正在发展的和未来发展的技术为主 5 教学内容 第一章 扩频通信的理论基础第二章 扩频系统的性能分析第三章 伪随机编码理论第四章 扩频信号的产生与调制技术第五章 扩频信号的解扩和解调第六章 扩频码的同步捕获第七章 扩频码的同步跟踪 6 1 1移动通信发展概述1 2CDMA技术1 3移动通信发展趋势移动通信 MobileCommunication 移动体之间的通信 或是移动体与固定体之间的通信 动中通 7 绪论 8 移动通信发展概述 现代移动通信技术的发展历史可以追溯到20世纪20年代 到目前为止 大致经历了以下五个发展阶段 第一阶段从20世纪20年代至40年代 为现代移动通信的起步阶段 在此期间 主要完成了通信实验和电波传播试验工作 在短波频段 3 30MHz 上实现了小容量专用移动通信系统 其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统 这种系统话音质量差 自动化程度低 仅限于专用 不能与公众网相连 9 移动通信发展概述 第二阶段是从20世纪40年代中期至60年代初期 在此期间 各种公用移动通信系统相继建立 首先是1946年 美国贝尔系统在圣路易斯城建立的称为 城市系统 的公用汽车电话网 这是世界上第一个公用移动通信系统 继而 西德 法国 英国等国也陆续研制出了公用移动电话系统 这一阶段的特点是开始从专用移动网向公用移动网过渡 自动化程度有所提高 特点 大区制 人工方式进行电话连接 用户少 系统容量小 频谱利用率低 设备中采用的是电子管 10 移动通信发展概述 第三阶段是从20世纪60年代中期至70年代中期 这一阶段是移动通信系统改进和完善的阶段 在此期间 各国陆续推出了改进的移动通信系统 其代表是美国的改进型移动电话系统 IMTS 特点 大区制 能自动选取频道并连接到公用电话网 实现了用户的全自动拨号 晶体管代替了电子管 工作频段向高频段发展 用户容量增加到中等容量 这一阶段的特点是使用了新频段 采用大区制 实现了系统的中小容量 自动化程度进一步提高 11 移动通信发展概述 第四阶段是从20世纪70年代中期至80年代初期 在此期间 由于微电子技术及计算机技术的长足发展和移动用户数量的急剧增加 促使移动通信得到了蓬勃发展 移动通信大发展的原因1 微电子技术2 移动通信新体制3 微处理器 计算机技术 移动通信发展概述 1978年底 美国贝尔实验室研制成功了先进移动电话系统 AMPS 建成了模拟蜂窝移动通信网 特点 蜂窝状小区 用户容量提高 频段向更高频段发展 采取集中控制交换 提高了信道利用率 语音质量接近市话标准 大规模集成电路应用 12 13 移动通信发展概述 第五阶段是从20世纪80年代中期到现在 这是数字移动通信发展和成熟的时期 在此期间 用户数量急剧增加 频率资源相对紧缺 第一代模拟蜂窝移动通信系统的缺陷日益暴露出来 针对这些问题 新一代的数字蜂窝移动通信系统被开发出来并得以广泛应用 14 移动通信发展概述 事实上 早在20世纪70年代末期 当模拟蜂窝系统还处于开发阶段之时 一些发达国家就已着手数字蜂窝移动通信系统的研究 最典型的数字蜂窝移动通信系统是欧洲基于时分多址 TDMA 技术的全球通移动通信系统 GSM 另外还有北美的D AMPS IS 54 和日本的PDC等 这一阶段的特点是用户数量急剧增加 频率资源日益紧缺 新体制 新技术 新业务层出不穷 15 移动通信发展概述 基于TDMA技术的GSM D AMPS和PDC系统都属于第二代数字蜂窝移动通信系统 2G 在2G发展期间 一方面 移动通信用户数目突飞猛进 通信产业日益成为各国经济发展的支柱 另一方面 2G移动通信系统及相应的移动通信技术面临诸多问题 比如 网络利用空间日益狭小 收益增幅减缓 话音业务和低速数据业务不能满足用户需求 急需开发各种新型业务来吸引用户 网络漫游只限于国内及部分区域等 16 移动通信发展概述 针对以上问题 码分多址 CDMA 蜂窝移动通信系统日益成为关注的焦点 事实上 当数字蜂窝网刚刚进入实用阶段之时 美国Qualcomm公司就已推出了新的移动通信系统 CDMA CDMA系统采用了扩频通信技术 大幅度地提高了频率利用率 具有容量大 覆盖范围广 手机功耗小 话音质量高的突出优点 将移动通信技术推向新的发展阶段 扩频通信技术 传输信息所用信号带宽远大于信息本身带宽 17 移动通信发展概述 3G 18 移动通信发展概述 3G 第三代移动通信的提出 IMT 2000是第三代移动通信系统 3G 的统称 第三代移动通信系统最早由国际电信联盟 ITU 1985年提出 考虑到该系统将于2000年左右进入商用市场 工作的频段在2000MHz 且最高业务速率为2000Kbps 故于1996年正式更名为IMT 2000 InternationalMobileTelecommunication 2000 第三代移动通信系统是一种能提供多种类型 高质量多媒体业务 能实现全球无缝覆盖 具有全球漫游能力 与固定网络相兼容 并以小型便携式终端在任何时候 任何地点进行任何种类通信的通信系统 19 移动通信发展概述 3G 3G主流标准WCDMA由标准化组织3GPP所制定 CDMA2000体制是基于IS 95的标准基础上提出的3G标准 目前其标准化工作由3GPP2来完成 TD SCDMA标准由中国无线通信标准组织CWTS提出 目前已经融合到3GPP关于WCDMA TDD的相关规范中 20 移动通信发展概述 3G标准的发展趋势 21 移动通信发展概述 3G IMT 2000的目标全球统一频段 统一标准 全球无缝覆盖高效的频谱效率高服务质量 高保密性能易于2G系统演进过渡提供多媒体业务车速环境 144kbps步行环境 384kbps室内环境 2048kbps 22 移动通信发展概述 3G 网络技术程控交换 NGN无线传输技术 RTT 帧结构 信号格式 调制 双工 多址 扩频 纠错 等等 是保证信号正确传输的技术RTT是技术进步最快为特征无线传输技术确定了一代移动通信的基础1G 程控交换 模拟技术 FDMA 模拟话音2G 程控交换 数字技术 TDMA CDMA 数字话音3G 程控交换 IP NGN 数字信号处理技术 CDMA 移动多媒体4G 23 移动通信发展概述 3G 2G和3G的区别业务 从以话音为主发展到以数据为主 容量 在同等用户数量下3G系统容量要比2G系统高5倍以上 数据速率 从2 5G的大约100kbps逐渐增加 从384kbps 2Mbps 10Mbps 100Mbps 复杂度 3G数字信号处理比2G GSM 复杂10倍以上 导致芯片复杂 如GSM手机芯片为30MHz的CPU 30MIPS的处理器 而3G手机芯片为150MHz的CPU 500MIPS的处理器 要大大增加复杂度又不大增成本完全依靠微电子技术的进展 成本 3G设备价格 系统应当低于GSM 终端相当 CDMA技术 多址方式 多址接入方式 解决在无线通信环境的电波覆盖区内 如何建立用户之间的无线信道的连接 数学基础 信号的正交分割原理 无线电信号可以表达为时间 频率和码型的函数c t 码型函数 s f t 时间和频率函数 24 1 2CDMA技术 多址方式 频分多址 FDMA 以传输信号的载波频率的不同划分来建立的多址接入方式 时分多址 TDMA 以传输信号存在的时间不同划分来建立的多址接入方式 码分多址 CDMA 以传输信号码型的不同划分来建立的多址接入方式 25 CDMA技术 多址方式 26 CDMA技术 CDMA多址技术的优点 CDMA多址技术原理基于扩频技术 将需要传送的具有一定带宽的信息数据 用一个带宽远大于信息带宽的高速伪随机码进行调制 再经载波调制发送出去 接收端使用完全相同的伪随机码与接收的宽带信号作相关处理 即解扩 以实现信息通信 CDMA允许所有使用者同时使用全部频带 1 2288Mhz 且把其他使用者发出讯号视为杂讯 完全不必考虑到讯号碰撞 collision 问题 27 CDMA技术 CDMA多址技术的优点 CDMA多址技术的优点手机定位 CDMA手机定位技术2011年已实现突破 只要手机信号覆盖区域都能实现GPS定位 系统容量大 理论上 在使用相同频率资源的情况下 CDMA移动网比模拟网容量大20倍 实际使用中比模拟网大10倍 比GSM要大4 5倍 系统容量的灵活配置 在CDMA系统中 用户数的增加相当于背景噪声的增加 造成话音质量的下降 但对用户数并无限制 操作者可在容量和话音质量直接折中考虑 28 CDMA技术 CDMA多址技术的优点 CDMA多址技术的优点通话质量更佳 TDMA的信道结构最多只能支持4kb的语音编码器 CDMA的结构可以支持13kb的语音编码器 CDMA系统的声码器可以动态地调整数据传输速率 并可根据适当的门限值选择不同的电平级发射 频率规划简单 用户按不同的序列码区分 所以相同的CDMA载波可在相邻的小区内使用 网络规划灵活 扩展简单 建网成本下降 CDMA系统有着容量大 工作频点较GSM低 因此 在CDMA规划中 CDMA的站间距一般较GSM稀疏 29 CDMA技术 CDMA多址技术的优点 CDMA多址技术的优点网络绿色环保 CDMA手机是GSM手机平均发射功率的2 125 可以降低电磁波辐射对人的伤害 因此CDMA手机更加绿色环保 低功率谱密度 由于CDMA的关键技术为扩频通信技术 所以它的功率谱被扩展的很宽 从而功率很低 有两大好处 防止其他信道的干扰 防止干扰其他信道 30 CDMA技术 CDMA多址技术的发展过程 第二次世界大战期间 因战争的需要而研究开发出CDMA技术 其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰 在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信 后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术 1995年 第一个CDMA商用系统 被称为IS 95A 被美国高通公司运行之后 CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验 从而在北美 南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用 全球许多国家和地区 包括中国大陆 中国香港 韩国 日本 美国都已建有CDMA商用网络 31 CDMA技术 CDMA多址技术的发展过程 在美国和日本 CDMA成为国内的主要移动通信技术 在美国 10个移动通信运营公司中有7家选用CDMA 到2006年4月 韩国有60 的人口成为CDMA用户 中国联通于2002年1月8日正式开通了CDMA网络并投入商用 2008年10月1日后转由中国电信经营 手机号段为133 153 189及刚刚放号的180号段 32 CDMA技术 CDMA多址技术的发展过程 CDMA技术的标准化经历了几个阶段 IS 95是cdmaONE系列标准中最先发布的标准 真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准是IS 95A 这一标准支持8K编码话音服务 其后又分别出版了13K话音编码器的TSB74标准 支持1 9GHz的CDMAPCS系统的STD 008标准 其中13K编码话音服务质量已非常接近有线电话的话音质量 随着移动通信对数据业务需求的增长 1998年2月 美国高通公司宣布将IS 95B标准用于CDMA基础平台上 IS 95B可提供CDMA系统性能 并增加用户移动通信设备的数据流量 提供对64kbps数据业务的支持 33 CDMA技术 CDMA多址技术的发展过程 其后 cdma2000成为窄带CDMA系统向第三代系统过渡的标准 目前 我国提出的TD SCDMA建议标准与欧洲 日本提出的W CDMA和美国提出的cdma2000标准成为世界三大主流标准 34 移动通信的发展趋势 第一代移动通信从发明蜂窝概念开始 通过频率复用增大了系统容量 实现了语音移动通信 第二代移动通信用数字技术取代模拟技术 增加了数据业务 第三代移动通信的频带利用率更高 每用户比特速率更大 并使移动通信与Internet进一步融合 为移动中的人们提供广泛的基于ip的多媒体业务 个人通信系统成为未来移动通信系统的大趋势 个人通信系统是一个要求任何人能在任何时间 任何地点与任何人进行各种通信的通信系统 35 移动通信的发展趋势 第4代移动通信系统 4G 称为广带接入和分布网络 可在任何地方宽带接入互联网 提供信息通信以外的定位定时 数据采集和远程控制等综合功能 比3G更接近于个人通信 36 移动通信的发展趋势 目前正在开发和研制中的4G通信将具有以下特征 通信速度更快 由于人们研究4G通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问Internet的速率 因此4G通信的特征莫过于它具有更快的无线通信速度 专家预估 第四代移动通信系统的速度可达到10 20Mbit s 最高可以达到100Mbit s 37 移动通信的发展趋势 网络频谱更宽 要想使4G通信达到100Mbit s的传输速度 通信运营商必须在3G通信网络的基础上对其进行大幅度的改造 以便使4G网络在通信带宽上比3G网络的带宽高出许多 据研究 每个4G信道将占有100MHz的频谱 相当于WCDMA3G网络的20倍 38 移动通信的发展趋势 多种业务的完整融合 个人通信 信息系统 广播 娱乐等业务无缝连接为一个整体 满足用户的各种需求 4G应能集成不同模式的无线通信 从无线局域网和蓝牙等室内网络 蜂窝信号 广播电视到卫星通信 移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准 各种业务应用 各种系统平台间的互联更便捷 安全 面向不同用户要求 更富有个性化 39 移动通信的发展趋势 智能性能更高 第四代移动通信的智能性更高 表现在4G通信的终端设备的设计和操作具有智能化 40 移动通信的发展趋势 兼容性能更平滑 要使4G通信尽快地被人们接受 还应该考虑到让更多的用户在投资最少的情况下轻易地过渡到4G通信 因此 从这个角度来看 4G通信系统应当具备全球漫游 接口开放 能跟多种网络互联 终端多样化以及能从2G 3G平稳过渡等特点 41 移动通信的发展趋势 实现更高质量的多媒体通信 4G通信提供的无线多媒体通信服务将包括语音 数据 影像等 大量信息透过宽频的信道传送出去 为此4G也称为 多媒体移动通信 42 移动通信的发展趋势 通信费用更加便宜 由于4G通信解决了与3G的兼容性问题 让更多的现有通信用户能轻易地升级到4G通信 因此4G通信部署起来就容易 迅速得多 同时在建设4G通信