CDMA通信原理-20080716-B-10.ppt

2008 07 无线案例培训部 CDMA通信原理 前言 本课程主要介绍了CDMA发展状况 基本通信原理 相关技术及技术特点 空中接口 CDMA编号计划等 参考资料 通过本课程学习 您可以 了解CDMA发展概况及特点 掌握CDMA基本通信原理及相关技术 了解CDMA关键技术 掌握CDMA空中接口 了解CDMA编号计划 学习目标 第一章CDMA概述第二章CDMA通信原理第三章CDMA关键技术第四章CDMA空中接口第五章CDMA编号计划 移动通信发展历程 1G 1980s AMPSTACSNMSOthers 2G 1992 2000 CDMAIS95GSMTDMAPDC 2 5G 2000 2004 CDMA20001xGPRSEGPRSWCDMATDMA 3G 2004 至今 EVDORev 0EVDORev ATD SCDMAHSDPAHSUPAWimax 语音业务 语音业务 宽带业务 数据业务 模拟技术 数字技术 多址技术 FDMA FDD TDMA CDMA 同一时间同一频段上根据不同的扩频码进行区分用户 不同的用户占用不同的频段 CDMA技术优势 系统容量大 易于向3G平滑演进和过渡 反向兼容IS95系统 更高的频谱效率 语音质量好 更高的保密性 手机发射功率小 省电 BSC MSC HLR VLR PDSN HA AAA Internet PLMN PSTN CDMA网络结构 分组域 电路域 BTS BTS BTS M2000 接入网 ANAAA CDMA发展历程 更高的频谱效率和网络容量 更高的分组数据速率 更丰富的业务类型 平滑向3G过渡 华为CDMA市场现状 截止2007年底 华为CDMA已部署全球超过1 2亿网络容量 全球部署近26万载频 共获得65个EV DO商用部署合同 60个CDMA软交换合同 华为2007年CDMA新增市场合同份额达到了44 8 居业界第一 进入众多领先运营商 如中国联通 美国Leap 印度Reliance 印度TATA 委内瑞拉Movilnet 印尼Telkom 印尼Bakrie 俄罗斯Skylink 巴基斯坦PTCL 孟加拉PBTL 尼日利亚Starcomms等 服务全球100个国家的240个运营商 居CDMA供应商第一 华为CDMA市场现状 本章小节 CDMA基本概念 CDMA发展历程 华为CDMA现状如何 第一章CDMA概述第二章CDMA通信原理第三章CDMA关键技术第四章CDMA空中接口第五章CDMA编号计划 CDMA通信模型 信源解码 信源编码 信道编码交织 信道解码解交织 加扰 解扰 扩频 解扩 调制 解调 射频发射 射频接收 bit symbol symbol chip bit symbol symbol chip 发射端 接收端 常用基本概念 比特 Bit 符号 Symbol 码片 Chip 输入的含有信息的数据称为比特 经过信道编码和交织后的数据成为符号 经过最终扩频得到的数据成为码片 处理增益最终扩频速率和比特速率的的比 在IS95A系统中 处理增益为128 1 2288Mcps 9 6kbps 128 也就是10 lg128 21dB 前向 下行 从BTS到MS反向 上行 从MS到BTS 信源编 解码 BTS 用户与手机交互的信号为原始语音 MS与BTS交互的信号为调制后的无线信号 信源编码过程就是要将原始语音信号转化为可以在CDMA系统中处理的电信号 即含有信息的比特 bit 信源解码过程就是将CDMA系统中处理的电信号恢复为原始语音信号的一个过程 信源编码的目的是为了提高数据传输的有效性 信源编 解码 CDMA系统中的QCELP可变速率声码器 它的主要原理是提取人说话时声音的一些特征参数 然后将这些特征参数传送到对方 然后对方根据双方的约定用这些参数将声音还原 可变速率声码器的意思是声码器可以根据人说话声音的大小和快慢改变编码速率 信道编 解码 信道编 解码就是在传送的信息比特中加入冗余的数据来改善通信链路性能 以使信号具有检错和纠错能力 信道编码的目的是为了提高数据传输的可靠性 CDMA2000系统中有两种信道编码 卷积码和Turbo码 卷积码 信道编码的基本思想就是根据码序列的相关性来检测和纠正传输过程中产生的差错 信道编 解码 Turbo码 Turbo码特点 对输入的信息序列进行两次编码 译码时可相互交换信息 交织器的引入使得信息比特不仅受邻近校验比特的保护 而且受距离很远的校验比特的保护 Turbo码性能明显优于卷积码 但时延也明显高于卷积码 主要用于对时延要求不高的大数据包传输 交织 交织的目的 在传输前 将帧中的符号顺序打乱 将传输过程中产生的连续误码离散化 以便在信道解码时纠错 使信道具有一定的抗衰落能力 交织 待传输数据 交织后数据 解交织 加扰 M序列 加扰目的 将所要发送的数据利用M 序列进行加扰 以实现用户信息加密 M 序列 包含移位寄存器和掩码两部分 输出序列的周期是2N 1bits N为寄存器个数 当掩码不同时 输出的移位寄存器序列相位不同 如图 N 3 则输出序列的周期为23 1 7 输出的序列是以7bits为周期的序列 1110010 1110010 根据掩码的不同 输出的移位寄存器相位会发生改变 例如 当掩码为110时 输出的序列为 0111001 当掩码为010时 输出的序列为 0010111 加扰 长码 长码 是周期为242 1的M 序列 速率为1 2288Mcps CDMA网络使用同一长码 同一用户在前向和反向使用同一长码偏置 也就是同一个长码掩码 长码功能 加扰前向CDMA信道 在反向 与MS提供的掩码 ESN 共同形成用户标识码 来区分出不同的MS 扩频 解扩频 信道中的白噪声 信道中的突发干扰 扩频前信号 扩频后信号 解扩后信号 解扩前信号 白噪声 突发干扰 S f f S f f S f f S f f 扩频 解扩频 扩频通信的特点 抗干扰能力强 特别是抗窄带干扰能力 可检性抵 LPI LowProbabilityofIntercept 不容易被侦破 具有多址能力 易于实现码分多址 CDMA 技术 可抗多径干扰 可抗频率选择性衰落 频谱利用率高 容量大 可有效利用纠错技术 正交波形编码技术 话音激活技术等 具有测距能力 技术复杂 扩频 解扩频 不相关定义 如果两个二进制序列的异或结果具有相同个数的0和1 那么 这两个序列不相关 正交函数具有0相关性 即不相关 扩频后的发送数据 异或运算 1 0 0 1 1 0110 1001 0110 0110 1001 1001 用户输入信息 正交扩频序列 1 正交函数 1 1 1 1 0110 0110 0110 0110 扩频 解扩频 接收的数据 1001 0110 0110 1001 1001 0110 0110 0110 0110 0110 1111 0000 0000 1111 1111 相关扩频序列 1 接收的数据 1001 0110 0110 1001 1001 0101 0101 0101 0101 0101 1100 0011 0011 1100 1100 不相关扩频序列 2 解扩频结果 解扩频结果 扩频 解扩频 Walsh码是一种正交扩频码 不同的Walsh码之间全部都是正交的 Wim代表阶数为m的Walsh矩阵中的第i行 WALSHCODES 64 ChipSequence 00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101012001100110011001100110011001100110011001100110011001100110011001130110011001100110011001100110011001100110011001100110011001100110400001111000011110000111100001111000011110000111100001111000011115010110100101101001011010010110100101101001011010010110100101101060011110000111100001111000011110000111100001111000011110000111100701101001011010010110100101101001011010010110100101101001011010018000000001111111100000000111111110000000011111111000000001111111190101010110101010010101011010101001010101101010100101010110101010100011001111001100001100111100110000110011110011000011001111001100110110011010011001011001101001100101100110100110010110011010011001120000111111110000000011111111000000001111111100000000111111110000130101101010100101010110101010010101011010101001010101101010100101140011110011000011001111001100001100111100110000110011110011000011150110100110010110011010011001011001101001100101100110100110010110160000000000000000111111111111111100000000000000001111111111111111170101010101010101101010101010101001010101010101011010101010101010180011001100110011110011001100110000110011001100111100110011001100190110011001100110100110011001100101100110011001101001100110011001200000111100001111111100001111000000001111000011111111000011110000210101101001011010101001011010010101011010010110101010010110100101220011110000111100110000111100001100111100001111001100001111000011230110100101101001100101101001011001101001011010011001011010010110240000000011111111111111110000000000000000111111111111111100000000250101010110101010101010100101010101010101101010101010101001010101260011001111001100110011000011001100110011110011001100110000110011270110011010011001100110010110011001100110100110011001100101100110280000111111110000111100000000111100001111111100001111000000001111290101101010100101101001010101101001011010101001011010010101011010300011110011000011110000110011110000111100110000111100001100111100310110100110010110100101100110100101101001100101101001011001101001320000000000000000000000000000000011111111111111111111111111111111330101010101010101010101010101010110101010101010101010101010101010340011001100110011001100110011001111001100110011001100110011001100350110011001100110011001100110011010011001100110011001100110011001360000111100001111000011110000111111110000111100001111000011110000370101101001011010010110100101101010100101101001011010010110100101380011110000111100001111000011110011000011110000111100001111000011390110100101101001011010010110100110010110100101101001011010010110400000000011111111000000001111111111111111000000001111111100000000410101010110101010010101011010101010101010010101011010101001010101420011001111001100001100111100110011001100001100111100110000110011430110011010011001011001101001100110011001011001101001100101100110440000111111110000000011111111000011110000000011111111000000001111450101101010100101010110101010010110100101010110101010010101011010460011110011000011001111001100001111000011001111001100001100111100470110100110010110011010011001011010010110011010011001011001101001480000000000000000111111111111111111111111111111110000000000000000490101010101010101101010101010101010101010101010100101010101010101500011001100110011110011001100110011001100110011000011001100110011510110011001100110100110011001100110011001100110010110011001100110520000111100001111111100001111000011110000111100000000111100001111530101101001011010101001011010010110100101101001010101101001011010540011110000111100110000111100001111000011110000110011110000111100550110100101101001100101101001011010010110100101100110100101101001560000000011111111111111110000000011111111000000000000000011111111570101010110101010101010100101010110101010010101010101010110101010580011001111001100110011000011001111001100001100110011001111001100590110011010011001100110010110011010011001011001100110011010011001600000111111110000111100000000111111110000000011110000111111110000610101101010100101101001010101101010100101010110100101101010100101620011110011000011110000110011110011000011001111000011110011000011630110100110010110100101100110100110010110011010010110100110010110 扩频 解扩频 Walsh码功能 CDMA中的每个符号都需要用Walsh码进行扩频 在前向 用于区分不同的用户 在前 反向 用于区分信道类型 变长Walsh码 对于不同的信息速率 使用不同的长度的Walsh码 以确保最后的扩频码片速率为1 2288MChips kbps Walsh码阶数 调制 解调 将低频的模拟基带信号搬移到适于信道传输的高频段去发送 这种频谱搬移过程就称为调制 经调制后的信号称为已调信号 已调信号通过信道传输到接收端后 则需要将收到的已调信号再搬移到低频的原始基带频谱上 以恢复原始信号 这一搬移过程称为解调 调制 解调分类 最简单的调制 解调技术是从2ASK 2FSK 2PSK基础上发展起来的 在2ASK基础上 产生了正交幅度调制QAM 又称星座调制 在2FSK向多进制调制技术上发展 产生了MFSK 在2PSK在多进制的方向上发展 产生了QPSK OQPSK MPSK 以及DPSK等 调制 解调技术在CDMA中的应用 在CDMA中采用的各项调制技术包括BPSK QPSK OQPSK MPSK等 前向信道中 主要采用QPSK调制技术 反向信道中 采用OQPSK HPSK等调制技术 调制 解调 前向链路 在前向 BTS采用QPSK调制 并转换为模拟信号 混合之后经过射频发射 反向链路 在反向 移动台采用OQPSK调制 并转换为模拟信号 混合之后经过射频发射 短码 短码 PseudoNoise 是周期215的M 序列 速率为1 2288Mcps 短码功能 系统利用PN短码的时间偏置来区别 BTS 扇区 可允许所有Walsh码在各 BTS 扇区复用 系统规定PN码最小偏移值为64chips 共有512个时间偏置 215 64 512 同一 BTS 扇区内所有CDMA信道的短码相同 不同 BTS 扇区内的CDMA信道的短码时间偏置不同 Cell1 PN0 120 PN1 240 PN2 360 本章小节 参照数据通信模型 请描述CDMA系统中 数据处理的基本过程 信源编码的作用和类型 交织和加扰主要起什么作用 扩频 解扩频的过程和实现方法 调制的作用和方法有哪些 长码 短码和Walsh码的作用是什么 第一章CDMA概述第二章CDMA通信原理第三章CDMA关键技术第四章CDMA空中接口第五章CDMA编号计划 CDMA关键技术 功率控制 功率控制的必要性 解决远近效应问题 补偿衰落 提高通信质量 增加系统的容量 无功率控制 A B P P P 从A接收到功率 从B接收到功率 A的发射功率 B的发射功率 Totalreceive 功率控制 无线通信系统中的远近效应 有功率控制 A B P P P 从A接收到功率 从B接收到功率 A的发射功率 B的发射功率 Totalreceive P P 成功恢复用户A的信号 用户A的信号被淹没 解扩 功率控制 无线通信系统中的远近效应 功率控制 1 2 3 4 Totalreceive CDMA2000是自干扰系统 P P P P 5 前向功率控制 反向功率控制 开环功控 MS根据在1 23MHz上接收的总功率来调整自身的发射功率 内环功控 BTS根据测量反向信道Eb Nt值 与基站设定的Eb Nt门限值相比较 来告诉MS如何调整发射功率 外环功控 BSC根据BTS上报的FER测量值 来告诉BTS如何调整Eb Nt门限值 1 2 3 切换 必要性 BTS1 BTS2 我想使用BTS2信号 从BTS1移到BTS2覆盖区时 BTS1的信号越来越弱 BTS2的信号越来越强 MS需要使用更好的BTS信号来进行通讯 切换 分类 软切换 BTS1 BTS2 软切换分支在BSC进行合并 软切换 更软切换 更软切换 更软切换分支在BTS进行合并 导频集 具有相同的频率但有不同的PN的导频的集合 激活集 正在和手机保持通信的所有导频的集合 候选集 当前不在激活集中 但其对应的前向业务信道已有足够强度可以被成功解调的所有导频的集合 相邻集 当前不在激活集或候选集中但是有可能进入候选集的导频的集合 剩余集 其它导频的集合 导频集 导频集 相邻集 相邻集 剩余集 激活集 候选集 T ADD 是从相邻集加入候选集的门限 T DROP 是从激活集中删除一个导频的门限 time 导频强度 导频信号 相对门限 P0 候选集导频 P1 P2 激活集中导频 T ADD 进入激活集门限 T COMP 导频比较门限 t0 当P0 T ADD时发送导频强度测量消息 t1 当P0 P1 T COMP 0 5dB时 发送导频强度测量消息 t2 当P0 P2 T COMP 0 5dB时 发送导频强度测量消息 time 软切换过程 T ADD T DROP Pilot1 Pilotstrength Pilot2 T TDROP 相邻集 候选集 激活集 相邻集 TIME 1 2 3 4 5 6 激活集 Pilot2 Pilot1 分集技术 发射信号 S t t 分集技术是同时接收衰落互不相关的两个或更多个输入信号后 系统分别解调这些信号然后将他们相加 这样系统可以接收到更多有用信号 克服衰落 分集技术是一项主要的抗衰落技术 可以大大提高多径衰落下的传输可靠性 分集技术分类 按照在移动通信中的应用可分为 接收分集和发射分集 按照分集的不同角度 不同方法和措施可分为 空间分集 时间分集和频率分集 另外分集有分为显分集和隐分集 其中空间分集 时间分集和频率分集都是采用的多套设备在不同空间 不同计划方向 不同频率接收合并信号 称为显分集 另外 我们也可以利用信号设计技术将分集作用隐含在被传输的信号中 我们称为隐分集 隐分集最典型并且常用的技术就是Rake接收机技术 分集技术 分集技术 时间分集 是利用基站和移动台的RAKE接收机来完成的 对于一个信道带宽为1 23MHz的CDMA系统 当来自两个不同路径信号的时延为1us时 也即这两条路径相差大约300m时 RAKE接收机就可以将它们分别提取出来而不混淆 频率分集 根据衰落的频率选择性 当两个频率间隔大于信道带宽相关带宽时 接收到的此两种频率的衰落信号不相关 市区的相关带宽一般为50kHz左右 郊区的相关带宽一般为250kHz左右 而CDMA的一个信道带宽为1 23MKz 无论在市区还是郊区都远远大于相关带宽的要求 所以CDMA的宽带传输本身就是频率分集 空间分集 即用几个独立天线或在不同场地分别发射和接收信号 以保证各信号之间的衰落独立 1 2 3 Rake接收机 BTS和MS通过使用Rake接收机有效克服多径衰落 提高接收性能 MS采用了Rake接收机技术 可以同时和多个BTS实现通讯 以实现软切换 发射分集 CDMA2000系统通过多种发射分集技术 可以提高MS的接收性能 OTD OrthogonalTransmitDiversity 通过分离数据流 采用正交序列扩展两个数据流来完成 STS SpaceTimeSpreading 在多天线上发射所有前向信道 以互补的Walsh码或伪随机码扩频 本章小节 功率功控分类有哪些 切换技术有哪些实现方法 分集技术有哪些 在CDMA系统中是如何实现的 第一章CDMA概述第二章CDMA通信原理第三章CDMA关键技术第四章CDMA空中接口第五章CDMA编号计划 CDMA2000前向物理信道 CDMA2000前向信道分为公共和专用信道两大类 前向导频信道 F PICH 导频信道传送全0信息 用Walsh0码扩展 直接用PN短码进行调制 BTS连续发射导频信道导频信道的作用 帮助手机捕获系统 多径搜索 提供相位参考 帮助手机进行信道估计 作相干解调 切换时手机测量导频信道 进行导频强度比较 导频信道调制过程 W064扩频 PN调制 前向同步信道 F SYNC 同步信道固定使用Walsh32码进行扩频 直接用PN短码进行调制 同步信道速率固定为1200bps 固定使用26 2 3ms帧 手机通过同步信道获得与系统的同步 同步信道提供信息包括 导频偏置PILOT PN系统时间SYS TIME长码状态LC STATE寻呼信道速率P RAT系统标识SID网络标识NID 前向寻呼信道 F PCH BTS通过寻呼信道寻呼手机和指配业务信道 寻呼信道固定使用Walsh码W1 W7作为扩频码 速率为9600bps或4800bps 寻呼信道帧长为20ms BTS在寻呼信道上发送 系统参数消息接入参数消息邻区列表CDMA信道列表 寻呼信道调制过程 前向基本业务信道 F FCH 前向基本业务信道帧分5ms和20ms帧 20ms帧用于在前向传送BTS的语音业务 5ms帧用于控制信令的快速传送 前向基本业务信道调制过程 其他前向信道 CDMA2000反向物理信道 CDMA2000反向信道分为公共和专用信道两大类 反向接入信道 R ACH 4 8ksps 307 2kbps 正交扩频 28 8kbps Codesymbol 14 4kbps 4 0kbps 4 8kbps 增加帧质量控制比特 每帧增加8bit编码尾比特 接入信道信息比特 28 8kbps 数据突发随机化 长码生成器 长码掩码 重复的符号流 反向接入信道用于MS在反向接入系统和响应寻呼 Q I信道PN序列1 2288Mcps Q信道PN序列1 2288Mcps 基带滤波 基带滤波 I t Q t X X QPSK调制 Sin 2pfct Cos 2pfct 1 2PN码片时延 406 9ns Walsh码 反向接入信道调制过程 80bits frame 反向业务信道 R FCH 反向业务信道用于MS在反向传送数据和信令 其他反向信道 移动台初始化过程 遍历所有PN 捕获信号最强的导频信道 寻找CDMA频点 实现短码同步 接收同步信道消息 获取LC STATE SYS TIME P RAT等系统信息 守候在基本寻呼信道 接收系统消息 在接入信道进行登记 发起始呼或响应被叫 BTS 移动台 CDMA频率分配 frequency Carrier 1CHNO 201 Carrier 2CHNO 242 Carrier 0CHNO 160 Carrier 3CHNO 120 450M 800M 1900M CDMA所说的频点是以一个AMPS频点为中心频点的1 25M的一个频段 也就是一个CDMA载波 保护频带仅在CDMA载波和非CDMA载波相邻时需要考虑 在相邻CDMA载波上不需要考虑 例如CDMA在800M常用频点有201 242 283 每个载波仅需要间隔41个AMPS频点即可 800M频段每个AMPS频点间隔为30k CDMA频率分配 波段0 扩频速率1 频率计算公式前向 F 870 N 0 03 反向 F 825 N 0 03N CDMA信道号 频点 CDMA频率分配 波段1 扩频速率1 计算公式 前向 F 1930 N 0 05 反向 F 1850 N 0 05 N CDMA信道号 频点 CDMA频率分配 计算公式 前向 F 460 N 1 0 025 反向 F 450 N 1 0 025 N CDMA信道号 频点 波段5 扩频速率1 无线配置 无线配置 RadioConfiguration 是指一系列前向或者反向信道的工作模式 每种RC支持一套数据速率 其差别在于物理信道的各种参数 包括调制特性和扩频速率 前向无线配置 无线配置 反向无线配置 扩频速率 可以理解为码片速率 1代表1 1 2288Mcps RC组合规律 RC1 RC2 RC3 RC4 RC5 RC1 RC2 RC3 RC4 RC5 RC3 RC4 RC4 RC3 F FCH R DCCH SCH F DCCH SCH R FCH RC1和RC2兼容IS95A B对于CDMA20001X 前向RC RC1 RC5反向RC RC1 RC4组合规律 前向RC1 反向RC1前向RC2 反向RC2前向RC3或RC4 反向RC3前向RC5 反向RC4 本章小节 CDMA系统前 反向基本信道有哪些 CDMA2000初始化过程是怎样的 CDMA频段有哪些 RC概念及CDMA常用的RC组合规律 第一章CDMA概述第二章CDMA通信原理第三章CDMA关键技术第四章CDMA空中接口第五章CDMA编号计划 覆盖区定义 CDMA编号 MDN MobileDirectoryNumber 移动号码薄号码 为本网移动用户作被叫时 主叫用户所需拨的号码 1 MDN 用户和终端号码 例 8613310002000 例 460090123456789 IMSI InternationalMobileSubscriberIdentity 国际移动用户识别码 是在CDMA数字公用陆地蜂窝移动通信网中唯一地识别一个移动用户的号码 2 IMSI ESN ElectronicSerialNumber 电子序列号 电子序列号是唯一地识别一个移动台设备的号码 ESN一般用8位16进制的数字表示 3 ESN 用户和终端号码