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Cdma2000扩频 网优部交流赵东亮2002 10 17 1 说明 Cdma codedivisionmultipleaccess 的含义是 码分多址 而IS 95A和cdma2000中用到的扩频码字有三种 walsh码 短PN码 长PN码 所以 了解这三种码在cdma系统中如何应用 就等于掌握了cdma系统物理层的精髓 本文档围绕这三种码字 阐述它们在cdma系统中的应用 注 短PN码也称之为导频PN码 PN PseudoNoise 伪随机噪声PN码包括长PN码和短PN码 2 主要内容提要 Walsh码Walsh码的相关理论反向 64阶正交调制或正交扩频 cdma2000新增的 前向 正交扩频长PN码长码的相关理论反向 直接序列扩频前向 扰码短PN码短PN码的相关理论反向 四相扩频 0偏置 前向 四相扩频 3 概述 cdma采用三种序列来扩频 调制 以获得唯一的 健壮的信道 这三种序列为 Walsh码 短PN码和长PN码 长码前向 用于对业务信道进行扰码反向 作为MS的标识 用作直接扩频序列 每个用户占用PN长码的一个相位 短码前向 用作基站 扇区 标识 进行四相扩频 不同的短码相位对应于不同的基站 扇区 其相位至少相差为64个比特 即PN码片 故最多有215 64 512个不同的相位可用反向 也用于四相扩频 但是因为在反向信道上不需要标志属于哪个基站 所以所有的移动台使用同一相位的短码 其相位偏置都为0Walsh码 前向 用作正交扩频反向 用作正交调制或正交扩频 2000新增的 4 信道的区分 前向信道通过以下的东西来区分 1 CDMA频率2 分配给扇区的唯一的短PN码偏置3 分配给用户的唯一的walsh码反向信道通过以下的东西来区分 1 CDMA频率2 分配给每个移动台的唯一的长PN码偏置 5 walsh码 长码 短码的应用顺序及作用 前向 1 长码扰码 导频信道 同步信道没有经过长码扰码 2 walsh码正交扩频3 短码四相扩频反向 1 walsh码64阶正交调制2 长码直接序列扩频 模2相加 3 短码四相扩频 0偏移 6 MS如何从BS获取这三种码字 1 从MS的初始化说起获取短PN码相位获取长PN码相位系统状态转移图初始化状态的四个子状态 7 扫描所有导频 使rakefinger锁定于最强的导频PN相位 然后用32号walsh码对同步信道进行解调 读取同步信道消息 从而获得长PN码相位和准确的短PN码相位 MS如何从BS获取这三种码字 2 8 MS如何从BS获取这三种码字 3 短PN码的获得 1 初始短PN码的获取 当MS能够解调导频信道后 它就获得了BS的导频PN码 即短PN码 的相位信息 2 在此之后 短PN码的变化由层三信令消息通知MS长PN码的获得 1 初始长PN码的获取 因为同步信道只经过了短PN码的调制 所以当MS捕获到导频信道之后 就可以解调同步信道 MS通过对它的解调可以获得长码状态 系统定时信息以及其它一些基本的系统配置参数 2 在此之后 长PN码的变化由层三信令来完成Walsh码的获得 BS通过ChannelAssignmentMessage和ExtendedChannelAssignmentMessage通知MS 其中 ExtendedChannelAssignmentMessage是cdma2000新增的 准正交函数QOF由它来通知MS这两个层三消息比较庞大 请参照标准 ChannelAssignmentMessage 层3标准realeasec第1054 1065页 ExtendedChannelAssignmentMessage 层3标准realeasec第1118 1177页 9 Walsh码 Walsh码可以通过以下的过程产生 这里N为2的幂 代表的取反 WnN表示N阶N NWalsh矩阵地第n 1行 IS 95A的walsh码长为64 而cdma2000SR1的码长为128 10 64阶walsh码片 表202164阶正交符号集符号内的walsh码片 11 Walsh码 反向信道上的应用 1 当移动台工作在R ACH或使用RC1 RC2的R TCH上时 MS采用64阶正交调制 后向兼容IS 95 2 当MS工作在R PCH R EACH R CCCH ReverseAcknowledgementChannel ReverseChannelQualityIndicatorChannel或使用RC3 RC6配置的R TCH时 MS采用正交扩频 cdma2000新增的 12 Walsh码 反向信道上的应用 64阶正交调制 后向兼容IS 95 应用场合 当移动台工作在R ACH或使用RC1 RC2的R TCH上 原理 使用64阶的正交调制方法 每6个重复码符号 c0 c1 c2 c3 c4 c5 被调制成64个调制符号当中的一个 这64个调制符号通过Walsh函数产生 并且相互正交 分别标号为0 63 调制的过程如下 按照以下公式来确定索引 取值范围为0 63 再根据得到的索引确定所使用的调制符号 调制符号索引 c0 2c1 4c2 8c3 16c4 32c5其中 6个重复码符号 c0 c1 c2 c3 c4 c5 按到达时间先后排列 c0代表这6个重复符号中最先到达的比特 最低位 而c5代表这6个重复符号中的最迟到达的比特 最高位 例如 如果一组码符号为010011 即c5 0 c4 1 c3 0 c2 0 c1 1 c0 1 调制符号索引 1 2 0 0 16 0 19 即此组符号使用第19号walsh码调制 这64个调制符号如下页所列 表中的64 64矩阵可以通过以下的过程来产生 这里N为2的幂 HN代表HN的取反 传送一个调制符号 64位 需要1 4800秒 208 333us 所以传送1 64个调制符号 我们称之为1个Walsh码片 所需的时间 1 4800 64 秒 1 307200秒 3 255us 13 Walsh码 反向信道上的应用 2 正交扩频 walsh码在反向信道上用于正交扩频 这种应用是cdma2000新增的 扩频示意 解扩示意 数据流 0100001011数据流 0001111110扩频码 0101110101解扩码 0101110101模2加 0001111110模2加 0100001011应用场合 MS工作在R PCH R EACH R CCCH ReverseAcknowledgementChannel ReverseChannelQualityIndicatorChannel或使用RC3 RC6配置的R TCH 14 Walsh码 前向信道上的应用 正交扩频扩频示意 解扩示意 数据流 0100001011数据流 0001111110扩频码 0101110101解扩码 0101110101模2加 0001111110模2加 0100001011 15 长PN码 长码的周期为242 1比特 即PN码片 且满足以下特征多项式定义的线性递推公式 P x X42 X35 X33 X31 X27 X26 X25 X22 X21 X19 X18 X17 X16 X10 X7 X6 X5 X3 X1 1长码是由42个移位寄存器组成的序列发生器产生的 该序列再由一个42位的掩码来赋予不同的相位 如下页图 1 所示 整个cdma系统中所用到的长码序列只有一个 只是初始相位不同 cdma系统通过不同的掩码给每个信道分配一个不同的初始相位 长码序列所用的掩码与信道类型有关 见下页图 2 具体来说 对于接入信道 掩码为 M41至M33置为 110001111 M32至M28被置为所选的接入信道号 M27至M25置为改移动台目前所属寻呼信道的信道号 范围是1 7 M24至M9置为目前基站的BASE ID M8至M0置为前向CDMA信道的PILOT PN值 16 长PN码 图 1 长码发生器 图 2 长码掩码格式 17 长码掩码 对于反向业务信道 掩码可选用下面二者之一 公共长码掩码与私有长码掩码 公共长码掩码如下 M41至M32置为 1100011000 M31至M0置为移动台的电子序列号 ESN 比特的重新排列 扰乱 具体排列方式如下 ESN E31 E30 E29 E28 E27 E26 E2 E1 E0 排列后的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 由于同一地区移动台的ESN是连续排列的 所以这样重新排列后可防止由于顺序ESN长码掩码而导致的高度相关性 私有长码掩码属于加密算法 18 长码掩码 IS 95A和cdma2000都使用两种长码 公共长码 publiclongcode 专用长码 privatelongcode 与它们相对应的分别有公共长码掩码 publiclongcodemask 专用长码掩码 privatelongcodemask Cdma系统的话音保密性 voiceprivacy 是通过专用长码扩频来实现的所有的呼叫在开始时都使用公共长码掩码 移动台可以以下方法来请求话音保密 在呼叫建立过程中 发送originationmessage或pageresponsemessage PM 1时请求使用 在业务信道状态时 发送Longcodetransitionrequestmessage如果没有鉴权 AUTH 00 或MS无法鉴权 则不允许转变到使用专用长码掩码不论转到使用专用长码掩码还是公共长码掩码 都可以通过以下方法来完成 BS在f dsch上发送longcodetransitionrequestorder MS对它的响应见下一页 MS在r dsch上发送longcodetransitionrequestorder BS对它的响应见下两页 BS发送Extendedhandoffdirectionmessage Generalhandoffdirectionmessage或Universalhandoffdirectionmessage 利用它们里面的PRIVATE LCM比特进行控制 该bit为1时 使用PrivateLongcode 19 长码掩码类型的转变 MS端 当移动台收到一个LongCodeTransitionRequestOrder时 分两种情况来处理 1 该消息请求转换到privatelongcodea MS可以产生privatelongcode 并且MS接受该请求时 MS将在T56秒内发送一个LongCodeTransitionResponseOrder ORDQ 00000011 当该消息中的explicitactiontime到来时 MS应把当前正在使用的公共长码保存起来 并且开始使用privatelongcode MS应在F TCH和R TCH上同时使用该Privatelongcode b MS不能产生privatelongcode 或者MS不接受该请求时 MS将在T56秒内发送一个LongCodeTransitionResponseOrder ORDQ 00000010 2 该消息请求转换到publiclongcodea MS可以产生privatelongcode 并且MS接受该请求时 MS将在T56秒内发送一个LongCodeTransitionResponseOrder ORDQ 00000010 当该消息中的explicitactiontime到来时 MS应使用之前保存起来的公共长码 MS应在F TCH和R TCH上同时使用该Privatelongcode b MS不能产生privatelongcode 或者MS不接受该请求时 MS将在T56秒内发送一个LongCodeTransitionResponseOrder ORDQ 00000011 注 有关explicitactiontime的介绍见最后两页 20 长码掩码类型的转变 BS端 如果MS在Originationmessage或PageResponseMessage中请求话音保密 PM 1时请求使用 BS有可能发送一个LongCodeTransitionRequestOrder ORDQ 00000001 请求转换到Privatelongcode BS对LongCodeTransitionRequestOrder的处理 如果LongCodeTransitionRequestOrder请求转换到Privatelongcodea BS接受该请求时 BS将发送一个LongCodeTransitionRequestOrder ORDQ 00000001 b BS不接受该请求时 BS将发送一个LongCodeTransitionRequestOrder ORDQ 00000000 如果LongCodeTransitionRequestOrder请求转换到Publiclongcodea BS接受该请求时 BS将发送一个LongCodeTransitionRequestOrder ORDQ 00000000 b BS不接受该请求时 BS将发送一个LongCodeTransitionRequestOrder ORDQ 00000001 BS对LongCodeTransitionResponseOrder的处理 如果LongCodeTransitionResponseOrder表明MS接受这次长码转换的请求 Public Private或Private Public 并且该请求消息由BS发送给MS BS将在exlicitactiontime到来的时候开始使用所请求的长码 这个explicitactiontime由BS在LongCodeTransitionRequstOrder中指定 BS将在F TCH和R TCH上同时使用该请求的长码 21 长PN码 在反向信道的应用 直接序列扩频反向业务信道在数据随机化之后被长码直接序列扩频 而接入信道在经过正交调制后就被长码直接序列扩频 对于反向业务信道 该扩频操作就是数据突发随机数发生器输出的数据流域长码模2相加 对于接入信道 该扩频操作就是64阶正交调制器输出的数据流长码模2相加 22 长PN码 在前向信道的应用 扰码扰码只适合于F PCH和F TCH IS 95 反向cdma信道没有扰码 扰码过程 从块交织器输出的19200bps调制符号与一个随机序列进行模2相加 该随机序列是由长码的美64个比特片取出的第一个比特组成 由于长码的速率是1 2288Mhz 所以扰码随机序列的速率 1 2288 106 64 19200bps 正好与交织器的输出速率相等 23 短PN码 IS 95A定义了一对二进制序列 分别称为I QPN序列 周期为215码片 分别基于下列特征多项式 PI x X15 X13 X9 X8 X7 X5 1 对同相 I 序列 PQ x X15 X12 X11 X10 X6 X5 X4 X3 1 对正交 Q 序列 基于以上多项式的最大长度线性反馈移位寄存器序列 i n 和 q n 的周期为215 1 可以从以下线性递推公式导出 i n i n 15 i n 10 i n 8 i n 7 i n 6 i n 2 基于特征多项式PI x q n q n 15 q n 12 q n 11 q n 10 q n 9 q n 5 q n 4 q n 3 基于特征多项式PQ x 其中i n 和q n 是二进制值 0 和 1 和是指模2和 为了获得I和Q导引信号PN序列 周期为215 在14个连 0 输出之后 这在每个周期仅出现一次 在 i n 和 q n 中要插入一个零 因此 导引信号序列中将存在连续15个零的输出而不是14个零 短PN序列每26 666ms重复一次 215 1228800秒 即每2秒重复75次 Cdma2000与cdmaone所用的PN码的不同体现在SR3地DS方式上 它所用的短码周期为220 1 速率为3 6864Mchip s I Q支路的序列特征多项式相同 都为 P x X20 X9 X5 X3 1 I Q序列的差别在于起始位置不同 I序列的起始码片是连续19个0后的1 Q序列的起始位置则比I序列延迟219个码片 24 短PN码 在IS 95 cdma2000系统中 短PN码 即导频PN码 分为以下几类 活动导频集候选导频集相邻导频集剩余导频集这些导频集的维护过程请参考IS 95 cdma2000的切换机制 25 短PN码 经I Q路PN序列扩频的数据将按照以下的规律映射 前向和反向都一样 0 11 1 CDMA频道I和Q映射 26 短PN码 在反向信道的应用 四相扩频 OQPSK 注 四相扩频有的书也译成正交调制 采用0偏置的I和Q正交导频序列调制 在反向信道中 短码用于四相扩频 但是因为在反向信道上不需要标志属于哪个基站 所以所有的移动台使用同一相位的短码 其相位偏置为0 反向信道调制由于增加了1 2PN码 正好为一个bit的宽度 因为之前用1 2288M的长PN码直序扩频 然后经串并转换 码宽展宽一倍 所以延迟1 2PN码正好为1个bit 的时延 这样相位变化最大为90度 不会发生180度的相位突变 这就是OQPSK 27 短PN码 在前向信道的应用 四相扩频 QPSK cdma2000的可能不同 待研究 短码在前向信道中用作基站 扇区 标识 进行四相扩频 不同的短码相位对应于不同的基站 扇区 其相位至少相差为64个比特 即PN码片 故最多有215 64 512个不同的相位可用 不同的时间偏置用不同的偏置系数 偏置系数共512个 编号K从0到511 参见下图 通常 规定序列中出现15个0后 后续的64各子码为偏置系数K 0 同理 K 1表示后续的64个子码 直到K 511 是码序列中最末的64个子码 它包含序列周期中唯一的15个连0偏置时间 tK 等于偏置系数乘64个子码宽度时间 即tK K 64 1 1 2288 s例如 当偏置系数为15时 相应的偏置时间为 tK 15 64 1 1 2288 s 781 25 s偏置的导频PN序列必须在时间的偶数秒 以基站传输为基准 起始传输 其它导频PN序列的偏置系数规定了它了零偏置 K 0 导频PN序列的偏置时间差 如上所述 偏置系数为15时 导频序列的偏离时间为781 25 s 说明该PN序列要从标准时间每一偶数秒之后781 25 s才开始导频PN序列的周期是32768 1228800 26 666ms 即每两秒75个PN序列周期 28 短PN码 在前向信道的应用 前向的四相扩频与反向的类似 只是没有在反向信道调制时