移动通信第八章码分多址(CDMA)数字蜂窝网(一).ppt

第8章码分多址 CDMA 移动通信系统 一 8 1概述 一 简介 3G 2G CDMAone 2 75G CDMA是码分多址的英文缩写 CodeDivisionMultipleAccess 它是在扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术 CDMA技术的原理是基于扩频技术 即将需传送的具有一定信号带宽信息数据 用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制 使原数据信号的带宽被扩展 再经载波调制并发送出去 接收端使用完全相同的伪随机码 与接收的带宽信号作相关处理 把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号 即解扩 以实现信息通信 CDMA移动通信系统的发展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 美国高通公司 Qualcom 更新成为商用蜂窝电信技术 1995年 第一个CDMA商用系统运行之后 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 在中国 1999年4月 国务院批准中国联通统一负责中国CDMA网络的建设 经营和管理 2000年9月 国家发展计划委员会 信息产业部下发了 关于启动CDMA移动通信网络建设有关事项的通知 中国联通CDMA网络建设计划正式启动 中国联通CDMA网络建设的基本思路是 以增强型IS 95A系统为基础 用一年时间迅速建成覆盖全国300个以上重要城市和地区 网络规模达1500万户左右的CDMA网络 该网络能够支持国际漫游 UIM卡方式 机卡分离 具备基本的智能网业务 如预付费业务 支持移动互连网和数据服务的接入方法 并可在升级软件和仅更换信道板方式下向cdma2000 1X系统演进 在以增强型IS 95A系统实现网络规模覆盖的同时 选择部分重要城市建设cdma2000 1X系统商用试验网 及时开展适应144kbit s速率的各种新业务 配合各种CDMA新型手机 使CDMA网络一推出就是覆盖广阔 网络质量良好 手机精美 业务新颖的精品网络 可以提供提供的业务 除基本的业务外 还提供基于移动数据和短消息的无线上网 移动秘书 电子商务 移动购物 财经 黄页 交通信息 移动办公自动化系统 可视电话 定位服务 娱乐信息广播 点播 网上下载音乐 图片传递和基于移动智能网的缩位拨号 内部广播 移动会议系统等新业务 CDMA和GSM的比较 CDMA是移动通信技术的发展方向 在2G阶段 CDMA增强型IS 95A与GSM技术体制基本处于同一体制 在2 5G阶段 cdma2000 1 xRTT 无线传输技术 与通用无线分组技术GPRS相比 在传输速率及承载业务上更先进 在从2 5G到3G的过渡阶段 cdma2000 1 x向cdma2000 3 x过渡比GPRS向WCDMA过渡更为平滑 8 1 1码分多址的特征在CDMA通信系统中 不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分的 而是用各不相同的编码序列来区分的 换句话说 是靠信号的不同波形来区分的 如果从频域或时域来观察 多个CDMA信号是互相重叠的 接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号 在CDMA蜂窝通信系统中 用户之间的信息传输也是由基站进行转发和控制的 为了实现双工通信 正向传输和反向传输可以使用不同的频率 即通常所谓的频分双工 FDD 也可以使用不同的时帧 即通常所谓的时分双工 TDD 码分多址蜂窝通信系统的特征如下 1 根据理论分析 CDMA蜂窝系统与模拟蜂窝系统或TDMA数字蜂窝系统相比具有更大的通信容量 这个问题将在下面介绍 2 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 3 CDMA蜂窝系统具有 软切换 功能 即在过区切换的起始阶段 由原小区的基站与新小区的基站同时为过区的移动台服务 直到该移动台与新基站之间建立起可靠的通信链路后 原基站才中断它和该移动台的联系 CDMA蜂窝系统的软切换功能既可以保证过区切换的可靠性 防止切换错误时反复要求切换 又可以使通信中的用户不易察觉 4 CDMA蜂窝系统可以充分利用人类对话的不连续特性来实现话音激活技术 以提高系统的通信容量 这个问题在下面还要介绍 5 CDMA蜂窝系统以扩频技术为基础 因而它具有扩频通信系统所固有的优点 如抗干扰 抗多径衰落和具有保密性等 8 1 2CDMA蜂窝通信系统的多址干扰和功率控制1 CDMA蜂窝通信系统的多址干扰蜂窝通信系统无论采用何种多址方式 都会存在各种各样的外部干扰和系统本身产生的特定干扰 FDMA与TDMA蜂窝系统的共道干扰和CDMA蜂窝系统的多址干扰都是系统本身存在的内部干扰 CDMA蜂窝系统的多址干扰分两种情况 一是基站在接收某一移动台的信号时 会受到本小区和邻近小区其他移动台所发信号的干扰 二是移动台在接收所属基站发来的信号时 会受到所属基站和邻近基站向其他移动台所发信号的干扰 图8 1是两种多址干扰的示意图 其中 图 a 是基站对移动台产生的正向多址干扰 图 b 是移动台对基站产生的反向多址干扰 图8 1CDMA蜂窝系统的多址干扰 2 CDMA蜂窝通信系统的功率控制CDMA蜂窝系统的 远近效应 是一个非常突出的问题 它主要发生在反向传输链路上 移动台在小区内的位置是随机分布的 而且是经常变化的 同一部移动台可能有时处于小区边缘 有时靠近基站 如果移动台的发射机功率按照最大通信距离设计 则当移动台驶近基站时 必然会有过量而又有害的功率辐射 1 反向功率控制 反向功率控制也称上行链路功率控制 其主要要求是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 2 正向功率控制 正向功率控制也称下行链路功率控制 其要求是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 8 1 3IS 95CDMA蜂窝系统的工作频率双模CDMA蜂窝系统使用美国联邦通信委员会 FCC 分配给蜂窝通信系统使用的频段 移动台向基站的传输频段是824 849MHz 基站向移动台的传输频段是869 894MHz 允许CDMA蜂窝系统占用的频段如表8 1 略 所示 在CDMA蜂窝通信系统中 为了实现双工通信 正向传输和反向传输可以使用不同的频率 即通常所谓的频分双工 FDD 也可以使用不同的时帧 即通常所谓的时分双工 TDD 8 1 4IS 95CDMA蜂窝通信系统的时间基准在数字蜂窝通信系统中 全网必须具有统一的时间标准 这种统一而精确的时间基准对CDMA蜂窝系统来说尤为重要 CDMA蜂窝系统利用 全球定位系统 GPS 的时标 GPS的时间和 世界协调时间 UTC 是同步的 二者之差是秒的整倍数 各基站都配有GPS接收机 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时间基准 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 8 1 5IS 95CDMA蜂窝系统的话音编码IS 95CDMA蜂窝系统开发的声码器采用码激励线性预测 CELP 编码算法 也称为QCELP算法 其基本速率是8kb s 但是可随输入话音消息的特征而动态地分为四种 即8 4 2 1kb s 可以9 6 4 8 2 4 1 2kb s的信道速率分别传输 发送端的编码器对输入的话音取样 产生编码的话音分组 Packet 传输到接收端 接收端的解码器把收到的话音分组解码 再恢复成话音样点 经过推算 反向传输和正向传输的信道再用效率大致一样 也就是说 作为通信容量的估算公式 8 14 既可用于正向传输 也可用于反向传输 8 2CDMA蜂窝通信系统的通信容量 几种蜂窝通信系统的通信容量的比较如下 模拟FDMA系统总频段宽度 1 25MHz AMPS 频道间隔 30kHz信道数目 1 25 106 30 103 41 7每区群小区数 7通信容量 41 7 7 6TDMA系统总频段宽度 1 25MHz 频道间隔 30kHz每载频时隙数 3信道数目 3 1 25 106 30 103 125每区群小区数 4通信容量 125 4 31 25CDMA系统总频段宽度 1 25MHz扇形分区数 3通信容量 120 以n表示通信容量 三种系统的比较结果可以写成 23 n CDMA 20n FDMA 4n TDMA 8 19 8 3IS 95CDMA蜂窝系统的无线传输 8 3 1信道组成在CDMA蜂窝系统中 除去要传输业务信息外 还必须传输各种必需的控制信息 为此 CDMA蜂窝系统在基站到移动台的传输方向上设置了导频信道 同步信道 寻呼信道和正向业务信道 在移动台到基站的传输方向上设置了接入信道和反向业务信道 这些信道的示意图如图8 5所示 图8 5CDMA蜂窝系统的信道示意图 1 导频信道导频信道传输由基站连续发送的导频信号 导频信号是一种无调制的直接序列扩频信号 令移动台可迅速而精确地捕获信道的定时信息 并提取相干载波进行信号的解调 移动台通过对周围不同基站的导频信号进行检测和比较 可以决定什么时候需要进行过区切换 2 同步信道同步信道主要传输同步信息 还包括提供移动台选用的寻呼信道数据率 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 3 寻呼信道寻呼信道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他指令 在需要时 寻呼信道可以改作业务信道使用 直至全部用完 4 正向业务信道正向业务信道共有四种传输速率 9600 4800 2400 1200b s 业务速率可以逐帧 20ms 改变 以动态地适应通信者的话音特征 5 接入信道当移动台没有使用业务信道时 接入信道提供移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 以相互传送指令 应答和其他有关的信息 不过 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 每个寻呼信道所支持的接入信道数最多可达32个 6 反向业务信道与正向业务信道相对应 8 3 2正向传输CDMA信道综合使用频分和码分多址技术 所谓频分 是指把可供使用的频段分成若干个宽为1 25MHz的频道 它是传输扩频调制信号所需的最小带宽 在建网初始阶段 一个CDMA蜂窝服务区可以只占用一个这样的频道 以后随着通信业务量的增多 一个CDMA蜂窝服务区可以占用多个这样的频道 使各个基站以频分方式使用这些频道 所谓码分 是指用正交沃尔什函数来区分不同用途的信道 如导频信道 同步信道 寻呼信道 并用一对伪码的不同偏置进行四相调制来区分不同基站发出的信号 图8 6是正向CDMA信道的功能框图 在上面已经介绍过 正向CDMA信道包含1个导频信道 1个同步信道 必要时可以改作业务信道 7个寻呼信道 必要时可以改作业务信道 和55个 最多63个 正向业务信道 图8 6正向CDMA信道的功能框图 1 数据速率同步信道的数据速率为1200b s 寻呼信道为9600b s或4800b s 正向业务信道为9600 4800 2400 1200b s 2 卷积编码数据在传输之前都要进行卷积编码 卷积码的码率为1 2 约束长度为9 3 码元重复对于同步信道 经过卷积编码后的各个码元 在分组交织之前 都要重复一次 每码元连续出现2次 对于寻呼信道和正向业务信道 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 4 分组交织所有码元在重复之后都要进行分组交织 同步信道所用的交织跨度等于26 666ms 相当于码元速率为4800s s时的128个调制码元宽度 交织器组成的阵列是8行 16列 即128个单元 寻呼信道和正向业务信道所用的交织跨度等于20ms 这相当于码元速率为19200s s时的384个调制码元宽度 交织器组成的阵列是24行 16列 即384个单元 5 数据掩蔽数据掩蔽用于寻呼信道和正向业务信道 其作用是为通信提供保密 掩蔽器把交织器输出的码元流和按用户编址的PN序列进行模2相加 6 正交扩展为了使正向传输的各个信道之间具有正交性 在正向CDMA信道中传输的所有信号都要用六十四进制的沃尔什函数进行扩展 这种沃尔什函数的64 64矩阵可用以下的循环步骤产生 7 四相扩展在正交扩展之后 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 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 其他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 如上所述 偏置指数为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 引导PN序列有两个 I支路PN序列和Q支路PN序列 它们的长度均为215 32768 个子码 其构成是以下面的生成多项式为基础的 PI x x15 x13 x9 x8 x7 x5 1 PQ x x15 x12 x11 x10 x6 x5 x4 x3 1 8 21 引导PN序列的周期长度是32768 1228800 26 66ms 即每2秒有75个PN序列周期 信号经过基带滤波器之后 按照表8 2的相位关系进行四相调制 两个支路的合成信号具有图8 7所示的相位点和转换关系 显然 它和典型的四相相移键控 QPSK 具有相同的信号相量图 值得注意的是 这里的四相调制是由两个不同的PN序列直接对输入码元进行扩展而得到的 输入码元未经串 并变换 表8 2正向CDMA信号的 图8 7正向CDMA信道的信号相位点及其转换关系 8 信道参数表8 3 表8 4和表8 5分别是同步信道参数 寻呼信道参数和正向业务信道参数 表8 3同步信道参数 表8 4寻呼信道参数 表8 5正向业务信道参数 8 3 3反向传输反向CDMA信道由接入信道和反向业务信道组成 每个接入信道用不同码序列来区分 每个反向业务信道也用不同的码序列来区分 图8 8是反向CDMA信道的电路框图 图8 8反向CDMA信道的电路框图 1 数据速率接入信道用4800b s的固定速率 反向业务信道用9600 4800 2400和1200b s的可变速率 两种信道的数据中均要加入编码器尾比特 用于把卷积编码器复位到规定的状态 此外 在反向业务信道上传送9600b s和4800b s数据时 也要加质量指示比特 CRC校验比特 2 卷积编码接入信道和反向业务信道所传输的数据都要进行卷积编码 卷积码的码率为1 3 约束长度为9 3 码元重复反向业务信道的码元重复方法和正向业务信道一样 数据速率为9600b s时 码元不重复 数据速率为4800 2400和1200b s时 码元分别重复1次 3次和7次 每一码元连续出现2次 4次和8次 这样就使得各种速率的数据都变换成28800码元每秒 这里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 其余的重复码元全部被删除 在接入信道上 因为数据速率固定为4800b s 所以每一码元只重复1次 而且两个重复码元都要发送 4 分组交织所有码元在重复之后都要进行分组交织 分组交织的跨度为20ms 交织器组成的阵列是32行 18列 即576个单元 5 可变数据速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 而删除其他重复的码元 这种过程如图8 9所示 图8 9反向CDMA信道的可变数据率传输举例 由图可见 传输的占空比随传输速率而变 当数据速率是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 当数据速率是4800b s时 选通门只允许交织器输出的码元有1 2进行传输 即占空比为1 2 依此类推 在选通过程中 把20ms的帧分成16个等长的段 即功率控制段 每段1 25ms 编号从0至15 根据一定的规律 使某些功率段被连通 而某些功率控制段被断开 这种选通要保证进入交织器的重复码元只发送其中一个 不过 在接入信道中 两个重复的码元都要传输 见图8 10 图8 10接入信道传输结构 6 正交多进制调制在反向CDMA信道中 把交织器输出的码元每6个作为一组 用26 64进制的沃尔什函数之一 称调制码元 进行传输 沃尔什函数的构成见式 8 20 调制码元的传输速率为28800 6 4800s 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 2kc s 相应的子码宽度为3 255 s 7 直接序列扩展在反向业务信道和接入信道传输的信号都要用长码进行扩展 前者是数据猝发随机化产生器输出的码流与长码模2相加 后者是六十四进制正交调制器输出的码流和长码模2相加 参考图8 8 长码的周期是242 1个子码并满足以下特征多项式的线性递归关系 P x x42 x35 x33 x31 x27 x26 x25 x22 x21 x19 x18 x17 x16 x10 x7 x6 x5 x3 x2 x1 1 8 22 长码的各个PN子码是用一42位的掩码和序列产生器的42位状态矢量进行模2内乘而产生的 见图8 11 用于长码产生器的掩码根据移动台用来传输的信道类型而变 掩码的格式见图8 12 当在接入信道传输时 掩码为 M41到M33要置成 110001111 M32到M28要置成选用的接入信道号码 M27到M25要置成对应的寻呼信道号码 范围是1到7 M24到M9要置成当前的基站标志 M8到M0要置成当前CDMA信道的引导PN偏置 图8 11长码产生器 图8 12掩码格式 ESN的置换规则如下 ESN E31 E30 E29 E28 E27 E26 E2 E1 E0 置换后的ESN为ESN E0 E31 E22 E13 E4 E26 E17 E8 E30 E21 E12 E3 E25 E16 E7 E29 E20 E11 E2 E24 E15 E6 E28 E19 E10 E1 E23 E14 E5 E27 E18 E9 8 四相扩展反向CDMA信道四相扩展所用的序列就是前面正向CDMA信道所用的I与Q引导PN序列 如图8 8所示 经过PN序列扩展之后 Q支路的信号要经过一个延迟电路 把时间延迟1 2个子码宽度 409 901ns 再送入基带滤波器 信号经过基带滤波器之后 按照表8 2所示的相位关系进行四相调制 合成信号的相位点及其转换关系如图8 13所示 图8 13反向CDMA信道的信号相位点及其转换关系 9 信道参数表8 6和表8 7分别给出了反向业务信道参数和接入信道参数 表8 6反向业务信道参数 表8 7接入信道参数 8 5IS 95CDMA蜂窝系统的控制功能 8 5 1登记注册登记注册是移动台向基站报告其位置状态 身份标志和其他特征的过程 通过注册 基站可以知道移动台的位置 等级和通信能力 确定移动台在寻呼信道的哪个时隙中监听 并能有效地向移动台发起呼叫等 显然 注册是蜂窝通信系统在控制和操作中不可少的功能 IS 95CDMA系统支持以下几种类型的注册 1 开电源注册 移动台打开电源时要注册 移动台从其他服务系统 如模拟系统 切换过来时也要注册 为了防止电源因连续多次接通和断开而需多次注册 通常移动台在打开电源后要延迟20s才予以注册 2 断电源注册 移动台断开电源时要注册 但只有它在当前服务的系统中已经注册过后才能进行断电源注册 3 周期性注册 为了使移动台按一定的时间间隔进行周期性注册 移动台要设置一种计数器 计数器的最大值受基站控制 当计数值达到最大 或称计满 终止 时 移动台即进行一次注册 4 根据距离注册 如果当前的基站和上次注册的基站之间的距离超过了门限值 则移动台要进行注册 移动台根据两个基站的纬度和经度之差来计算它已经移动的距离 5 根据区域注册 为了便于对通信进行控制和管理 把蜂窝通信系统划分为三个层次 即系统 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 图8 31系统与网络的示意图 6 参数改变注册 当移动台修改其存储的某些参数时 要进行注册 7 受命注册 基站发送请求指令 指挥移动台进行注册 8 默认注册 当移动台成功地发送出一启动信息或寻呼应答信息时 基站能借此判断出移动台的位置 不涉及二者之间的任何注册信息的交换 这叫做默认注册 9 业务信道注册 一旦基站得到移动台已被分配到一业务信道的注册信息时 则基站通知移动台它已被注册 8 5 2切换基站和移动台支持三种切换方式 1 软切换 移动台开始与新的基站通信但不立即中断它和原来基站通信的一种切换方式 软切换只能在同一频率的CDMA信道中进行 软切换是CDMA蜂窝系统独有的切换功能 可有效地提高切换的可靠性 而且若移动台处于小区的边缘上 软切换能提供正向业务信道分集 也能提供反向业务信道的分集 从而保证通信的质量 说明见后 2 CDMA到CDMA的硬切换 当各基站使用不同频率或帧偏置时 基站引导移动台进行的一种切换方式 3 CDMA到模拟系统的切换 基站引导移动台由正向业务信道向模拟话音信道切换 同一CDMA信道的导频分为四类 1 激活组 和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 但具有足够的强度表明它与正向业务信道结合并能成功地被解调 3 邻近组 未列入激活组和候补组 但可作为切换的备用导频 4 剩余组 未列入上述 1 2 3 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 见图8 32 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 移动台启动 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 图8 32切换门限举例 下面概要地说明软切换的优点 1 在一般模拟蜂窝系统中 当基站发现某一移动台发来的信号强度低到门限以下时 表明移动台已接近