cdma基本原理及关键技术PPT课件.ppt

CDMA基础原理 CDMA移动通信系统简介 1 码分多址CDMA技术具有许多明显的优势 抗干扰能力强 特别是抗窄带干扰能力 由于扩频通信利用扩展频谱技术 通过对干扰信号频谱能量加以扩散 对有用信号频谱能量压缩集中 因此在输出端就得到了信噪比的增益 扩展频谱通信系统扩展的频谱越宽 处理增益就越高 可检性低 LPI LowProbabilityofIntercept 不容易被侦破 由于扩频信号在很宽的频带上被扩展了 单位频带内的功率就很小 即信号的功率谱密度很低 所以应用扩频码序列扩展频谱的直接序列扩频系统 可在信道噪声和热噪声的背景下 在很低的信号功率谱上进行通信 信号既然被湮没在噪声里 敌方就很不容易发现有信号的存在 2 码分多址CDMA技术具有许多明显的优势 可抗多径干扰 话音激活持续期的利用 人类讲话的特征对扩频CDMA方式有利 人类话音作用周期为35 余下的时间为空闲 在FDMA或TDMA系统中使用话音激活是很困难的 这是因为在话音中断期间重新指定信道要有时延 在扩频CDMA中所有用户共用一个无线信道 当用户分配的信道不在讲话时 该信道内的所有其它用户会由于干扰减少而得益 因此利用话音作用周期的特点可降低相互干扰65 增大其实际容量约2倍 只有扩频CDMA技术受益于此现象 3 码分多址CDMA技术具有许多明显的优势 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 具有测距能力软容量 CDMA宽带通信系统是干扰受限的系统 用户数的增加只引起系统性能的逐步变坏 在CDMA系统中 当系统容量达到饱和时 可以让通信质量变差作为代价来增加少量的用户 且当相邻两小区负荷一轻一重时 负荷重的小区通过减少导频发射功率 则本小区的边缘用户由于导频强度不足而切换到相邻小区 使负荷分担 即相当于增加了容量 4 CDMA2000技术的演进 图1 1CDMA2000技术的发展历程 5 CDMA2000技术的演进IS 95 IS 95是cdmaOne系列中最先发布的标准 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 以及1 9GHz的CDMAPCS系统的STD 008标准 其中13kbps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可提升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 其后 cdma2000成为窄带CDMA系统向第三代系统过渡的标准cdmaOne 即IS 95A和IS 95B 以语音业务为主 属于第二代移动通信 6 CDMA2000技术的演进 随着信息时代的来临 数据业务向多样性 大容量性和非对称性方向发展 1x数据业务能力有限 不能满足未来发展的需求 为了满足日益增长的数据业务国内第一个开通cdma2000 1x移动通信系统 第一个成功研制出cdma2000 1xEV DO移动通信系统cdma20001X 可支持语音业务 也支持数据业务 其最高数据速率可达153 6kbps 属于第三代移动通信 7 CDMA2000技术的演进 cdma20001xEV DO cdma2000HRPD 又称HDR 1xEV DO 是一种专为移动数据应用而进行了优化的无线传送技术 它能在1 25MHz的带宽内提供高达2 4Mbps的峰值速率 具有非常高的频谱利用率 同时它又与cdma2000cdma20001x后向兼容 射频系统 链路预算与1x系统完全一致 运营商可以非常轻松地从现有地1x网络进行升级 该技术已经在2001年通过3GPP2的标准化 正式被认定为一种3G技术cdma20001xEV DO 为1X的第一阶段增强版 支持数据业务 其最高速率在前向高达2 4Mbps 8 CDMA2000技术的演进 cdma20001xEV DV cdma20001xEV DV是cdma2000的另一种扩展 在一个载频同时支持语音和高速分组数据业务 其语音容量和数据容量较1x和1xEVDO都高 目前它是所有3G标准中 在单位带宽之内所支持数据速率最高的一种cdma20001xEV DV 为1X的第二阶段增强版 支持语音及数据业务 其最高数据速率可达4Mbp或更高 9 CDMA2000技术的演进 无线标准演进过程 CDMA标准是具有前向 后向兼容性的标准系列 下一代移动终端可以漫游到上一代网络中 只是不能使用新标准定义的新特性 上一代移动终端可以漫游到下一代网络中 只是不能使用新标准定义的新特性 10 CDMA2000技术的演进 IMT 2000中无线接口标准主要有三个 一个是由欧洲提出的WCDMA一个是以美国为主提出的CDMA2000第三个是由中国提出的TD SCDMA注 所有这一切正开始了扩频通信研究 应用和发展的新阶段 11 CDMA2000技术的演进 扩频通信与扩频序列 12 CDMA2000技术的演进 扩频通信与扩频序列 实现CDMA的一种最常用的方式就是采用扩频通信 而扩展频谱通信技术的核心就是扩频序列扩展频谱的方式不同 直接序列 DS 扩频 跳频 FH 跳时 TH 线性调频 Chirp 以及上述几种方式的组合CDMA是靠扩频序列来区分不同用户 因此 扩频序列的性能就决定了系统的主要干扰 13 CDMA2000技术的演进 扩频通信与扩频序列 在实际的CDMA系统中 通常采用两级扩频来提高系统的灵活性 第一级为信道化 Channelization 它通过将用户数据与信道化序列相乘来实现同一蜂窝小区内所有用户波形的正交性 通常每个蜂窝小区都采用同一个正交序列集作为信道化扩频序列 如在IS 95和CDMA2000系统的前向信道中使用Walsh序列 而WCDMA系统中采用正交可变扩频因子 OrthogonalVariableSpreadingactor OVSF 序列 14 CDMA2000技术的演进 扩频通信与扩频序列 第二级为扰码 Scrambling 它通过乘以一个长的伪随机序列来实现不同蜂窝小区的用户之间的随机性 扰码序列则因蜂窝系统的小区间的同步方式不同而异 对于小区间同步方式 每个小区的扰乱序列采用同一伪随机序列的不同相位 对于小区间异步方式 每个小区的扰乱序列要采用不同的伪随机序列注 小区间同步是指各基站之间的同步方式 而小区内同步是指基站与移动用户之间的同步 15 CDMA2000技术的演进 扩频通信与扩频序列 如在IS 95和CDMA2000系统采用小区间同步方式 利用全球定位系统 GPS 使基站之间严格同步 扰乱序列采用同一m 序列的不同相位 能以较小的复杂程度实现基站的快速搜索 而WCDMA系统采用小区间异步方式 扰乱序列采用Gold序列 对于小区间异步方式的系统 由于不需要基站之间的精确同步 摆脱了美国GPS系统的控制 使系统适用于室内和室外环境 但小区搜索也不可避免的变得复杂了 在WCDMA系统中 通过将扰码序列分组 利用快速小区搜索算法来进行小区搜索 16 CDMA2000技术的演进 扩频通信与扩频序列 17 CDMA2000技术的演进 CDMA20001X信道 18 CDMA2000技术的演进 cdma20001X的主要技术特点 cdma20001X提供反向导频信道 从而使反向信道也可以做到相干解调 与IS 95系统反向信道所采用的非相关解调技术相比可以提高3dB增益 相应的反向链路容量提高1倍cdma20001X采用前向快速功率控制技术 可以进行前向快速闭环功率控制 与IS 95系统前向信道只能进行较慢速的功率控制相比 大大提高了前向信道的容量 并且减少基站的耗电 19 CDMA2000技术的演进 cdma20001X的主要技术特点 cdma20001X引入了快速寻呼信道 极大地减少了移动台的电源消耗 提高了移动台的待机时间 支持cdma20001X的移动台待机时间是IS 95移动台待机时间的5倍以上cdma20001X前向信道还可以采用发射分集 OTD和STS 提高信道的抗衰落能力 改善前向信道的信号质量 cdma20001X前向信道采用了发射分集技术和前向快速功控后 前向信道的容量约为IS 95A系统的2倍 20 CDMA2000技术的演进 cdma20001X的主要技术特点 cdma20001X业务信道可以采用Turbo码 因为信道编码采用Turbo码时比采用卷积码时有2dB的增益 因此cdma20001X系统的容量还能提高到未采用Turbo码时的1 6倍 cdma20001X还定义了新的接入方式 可以减少呼叫建立时间 并减少移动台在接入过程中对其他用户的干扰 21 CDMA2000技术的演进 cdma20001X的主要技术特点 cdma20001X的分组业务 系统除了建立前向和反向基本业务信道之外 还需要建立相应的辅助码分信道 BTS MS 前反向基本业务信道 前反向辅助码分信道 大量分组数据业务153 6KBps 22 小结 本节主要介绍了蜂窝移动通信和CDMA通信系统发展概况 Cdma2000技术的演进过程及Cdma2000 1x的技术特点 着重介绍了扩频通信和扩频序列思考题目 1 简述无线通信的发展历程2 Cdma2000 1X技术特点 23 CDMA基本原理 CDMA关键技术及网络特征 24 CDMA工作原理 多址方式 频分方式 不同用户使用不同频带实现信号分割 时分方式 不同用户使用不同时隙实现信号分割 码分方式 所有用户使用同一频带在同一时间传送信号 其信号分割是利用不同用户信号地址码波形之间的正交性或准正交性来实现的 这种方式即称为码分多址方式 25 CDMA工作原理 多址方式 26 CDMA工作原理 扩频通信基本概念 扩频通信技术是一种信息传输方式 其信号所占有的频带宽度远大于所传信息所必需的最小带宽 频带的展宽是通过编码及调制的方法实现的 并与所传信息数据无关 在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据 注 信号的频谱被展宽了信号频谱的展宽是通过扩频码序列调制的方式实现的采用的扩频码序列与所传信息数据是无关的 27 CDMA工作原理 扩频通信基本概念 28 CDMA工作原理 扩频通信基本概念 信息论中的仙农 Shannon 公式描述如下 其中C 信道容量 比特 秒 N 噪声功率W 信道带宽 赫兹 S 信号功率注 在给定信号功率S和白噪声功率N的情况下 只要采用某种编码系统 我们就能以任意小的差错概率 以接近于C的传输信息的速率来传送信息 但同时此公式也指出 在保持信息传输速率C不变的条件下 我们可以用不同频带宽度W和信噪功率比S N来传输信息 29 CDMA工作原理 扩频通信基本概念 柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰性理论中得到如下关于信息传输差错概率的公式 注 对于传输一定带宽的信息来说 信噪比和带宽是可以互换的 30 CDMA工作原理 扩频通信基本概念 31 CDMA工作原理 扩频通信基本概念 处理增益 抗干扰容限 注 输出端的信噪比 系统损耗 注解 抗干扰容限MJ与扩频处理增益GP成正比 扩频处理增益提高后 抗干扰容限大大提高 甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信 通常的扩频设备总是将用户信息 待传输信息 的带宽扩展到数十倍 上百倍甚至千倍 以尽可能地提高处理增益 32 CDMA工作原理 特点 CDMA移动通信网是由扩频 多址接入 蜂窝组网和频率复用等几种技术结合而成 是频域 时域和码 能量 域三维信号处理的一种协同运作 因此它具有抗干扰性好 抗多径衰落 保密安全性高 同频率可在多个小区内重复使用 所要求的载干比 C I 小于1 容量和质量之间可做权衡取舍等属性 33 CDMA工作原理 特点 系统容量大 理论上CDMA移动网比模拟网大20倍 实际要比模拟网大10倍 比GSM要大4 5倍系统容量灵活配置 CDMA是一个自扰系统 所有移动用户都占用相同带宽和频率 如果能控制住用户的信号强度 在保持高质量通话的同时 我们就可以容纳更多的用户 34 CDMA工作原理 特点 通话质量好 CDMA系统话音质量很高 声码器可以动态地调整数据传输速率 并根据适当的门限值选择不同的电平级发射 同时门限值根据背景噪声的改变而改变 这样即使在背景噪声较大的情况下 也可以得到较好的通话质量CDMA系统采用软切换技术 在越区时 先连接再断开 完全克服了硬切换容易掉话的缺点 35 CDMA工作原理 特点 频率规划简单 用户按不同的序列码区分 所以相同CDMA载波可在相邻的小区内使用网络规划灵活 扩展简单采用功率控制和可变速率声码器 手机电池使用寿命延长 36 小结 主要介绍了移动通信系统的常用多址方式 FDMA TDMA CDMA Cdma移动通信网的特点以及扩频通信原理 思考题 1 简述FDMA TDMA CDMA的区别 2 扩频通信基带处理流程 37 CDMA工作原理 Pn序列WalshM序列 m序列 38 CDMA工作原理 Pn序列 4级移位寄存器 设初态为 x1 1 x2 1 x3 1 x4 1则移位寄存器状态转移图如下 39 CDMA工作原理 m序列 共16个状态 0000为死态 共有15个状态构成以15为周期的循环中 每个状态在一个周期中只出现1次 在CDMA2000 1X系统中使用的m序列有两种 一种是短码 码长为2 15 另外一种是长码 码长为2 42 40 CDMA工作原理 Pn序列 伪随机序列 具有类似噪声序列的性质 是一种貌似随机但实际上有规律的周期性二进制序列 M序列 一种重要的二进制的伪随机序列 最长线性反馈移位寄存器序列 的简称 具体定义如下 如果r级线性移位寄存器输出序列的周期是P 2r 1 则该序列称为m序列 m序列发生器由 移位寄存器 反馈抽头 模2加法器组成 41 CDMA工作原理 m序列 正交 为了实现选址通信 要求信号之间必须正交或准正交保证信号间不受干扰 所谓正交 来自数学 两条直线相互垂直称为正交 自相关 自相关函数表征一个信号延迟一段时间后 与自身信号的相似性 CDMA用码序列 要求自相关性好 这样能充分保证接收端的判别和解调 互相关 两个不同信号的相似性 用互相关函数来表征 在CDMA中不同用户应选用互相关性小的信号作为地址码 42 CDMA工作原理 Walsh函数 Walsh函数是一种非正弦波的完备正交函数系统 可用哈达玛矩阵H通过递推关系构成 由于它仅有可能的取值是 1和 1 或0和1 比较适合于用来表达和处理数字信号 Walsh函数具有理想的互相关特性 在Walsh函数中 两两之间的互相关函数为 0 亦即它们之间是正交的 43 CDMA工作原理 序列IS95 44 CDMA工作原理 序列IS 2000 45 小结 CDMA通信系统中的三种码序列的作用 位寄存器工作原理Walsh序列m序列性质思考题 简述Walsh序列和长码及短码序列在CDMA2000 1X中作用 46 CDMA关键技术 信道结构 47 CDMA工作原理 信道结构 IS95系统中信道结构 48 CDMA工作原理 信道结构 前向信道 FORWARDCHANNELS 导频 PILOT 信道 供移动台识别基站并引导移动台入网同步 SYNC 信道寻呼 PAGING 信道 向移动台发送有关寻呼 指令以及业务信道指配信息同步 SYNC 信道 为移动台提供系统时间和帧同步信息业务 TRAFFIC 信道 承载信令 话音 低速的分组数据业务 电路数据业务或辅助业务 49 CDMA工作原理 信道结构 反向信道 REVERSECHANNELS 接入 ACCESS 信道业务 TRAFFIC 信道 50 CDMA工作原理 信道结构 51 CDMA工作原理 信道结构 52 CDMA工作原理 信道结构 53 CDMA工作原理 信道结构QPSK 54 CDMA工作原理 信道结构 55 CDMA工作原理 信道结构 56 CDMA工作原理 cdma20001xRTT 57 CDMA工作原理 信道结构 F Pilot WalshCode0 前向导频信道 功能等同于IS 95A中的前向导频信道 用于使移动台进行同步相干解调 基站在此信道发送导频信号供移动台识别基站并引导移动台入网F Sync WalshCode32 前向同步信道 功能等同于IS 95A中的前向同步信道 用于为移动台提供系统时间和帧同步信息 基站在此信道发送同步信息提供移动台建立与系统的定时和同步 58 CDMA工作原理 信道结构 PAGING WalshCode1 WalshCode7 前向寻呼信道 功能与IS 95A中的前向寻呼信道相同 基站在此信道向移动台发送有关寻呼 指令以及业务信道指配信息F QPCH 前向快速寻呼信道 只能工作在RC3以上 用来快速指示移动台在哪一个时隙上接收F PCH或F CCCH上的控制消息 由于移动台可以不用长时间监视F PCH或F CCCH时隙 可以较大幅度的节省移动台电能 59 CDMA工作原理 信道结构 F FCH 前向基本信道 属于业务信道的一种 用于当移动台进入到业务信道状态后 承载信令 话音 低速的分组数据业务 电路数据业务或辅助业务F SCH 前向补充信道 属于业务信道的一种 只能工作在RC3以上 用于当移动台进入到业务信道状态后 承载高速的分组数据业务 14 4kbps及以上 60 CDMA工作原理 信道结构 R Pilot 反向导频信道 只能工作在RC3以上 用于辅助基站检测移动台所发射的数据R ACH 反向接入信道 功能与IS 95A中的反向接入信道相同R FCH 反向基本信道 属于业务信道的一种 用于当移动台进入到业务信道状态后 承载信令 话音 低速的分组数据业务 电路数据业务或辅助业务 61 CDMA工作原理 信道结构 R SCH 反向补充信道 属于业务信道的一种 只能工作在RC3以上 用于当移动台进入到业务信道状态后 承载高速的分组数据业务 14 4kbps及以上 62 小结 前反向信道种类思考前反向信道的种类 63 CDMA关键技术 功率控制 64 CDMA工作原理 关键技术 功率控制技术软切换技术分集技术 65 CDMA工作原理 功率控制技术 1 远近效应 如果小区中的所有用户均以相同功率发射 则靠近基站的移动台到达基站的信号强 远离基站的移动台到达基站的信号弱 导致强信号掩盖弱信号2 CDMA系统的容量主要受限于系统内移动台的相互干扰 所以如果每个移动台的信号到达基站时都达到最小所需的信噪比 系统容量将会达到最大值 66 CDMA工作原理 功率控制技术 反向功率控制包括三部分 开环功率控制 闭环功率控制和外环功率控制 反向开环功率控制 移动台都一直在计算从基站到移动台的路径损耗 当移动台接收到从基站来的信号很强时 表明要么离基站很近 要么有一个特别好的传播路径 这时移动台可降低它的发送功率 而基站依然可以正常接收 相反 当移动台接收到的信号很弱时 它就增加发送功率 以抵消衰耗注意 前向和反向传输使用的频率不同 频差远远超过信道的相干带宽不能认为前向信道上衰落特性等于反向信道上衰落特性 67 反向开环功率控制 68 CDMA工作原理 功率控制技术 反向闭环功率控制 为了克服前向和反向链路上不相关的瑞利衰落 可以由基站检测来自移动台信号的信噪比 并把它与一个门限值 信噪比 比较 根据比较结果在下行信道上向移动台发送功率上升或功率下降的指令 移动台根据收到的指令来调节其发射功率注 实现闭环功率控制的关键是产生 传输 处理和执行功率控制指令的速度要快 以尽量跟踪上行链路的瑞利衰落 69 反向闭环功率控制 70 反向闭环功率控制 71 CDMA工作原理 功率控制技术 反向外环功率控制 在闭环功率控制中 信噪比的门限值也不是一直恒定的 而是在外环功率控制下动态变化的 所谓外环功率控制实际上是一种发生在基站内或基站与移动交换中心之间的一种功率控制过程 它以直接影响话音质量的误帧率作为判决依据 及时地作出上调或下调信噪比门限的指令 72 反向外环功率控制 73 CDMA工作原理 功率控制技术 前向功率控制 快速功率控制原理 外环功率控制 闭环功率控制注 对于前向链路 当移动台向小区边缘移动时 移动台受到邻区基站的干扰会明显增加 当移动台向基站方向移动时 移动台受到本区的多径干扰会增加 这两种干扰将影响信号的接收 使通信质量下降 甚至无法建链 因此 在CDMA系统的前向链路中引入了功率控制 通过调整业务信道的基站发射机功率 使前向业务信道的发射功率在满足移动台解调最小需求信噪比的情况下尽可能小 通过调整 即能维持基站同位于小区边缘的移动台之间的通信 又能在较好的通信传输特性时最大限度地降低前向发射功率 减少对相邻小区的干扰 增加前向链路的相对容量 74 CDMA工作原理 功率控制 前向快速功率控制虽然发生作用的点是在基站侧 但是进行功率控制的外环参数和功率控制比特都是移动台检测前向链路的信号质量得出输出结果 并把最后的结果通过反向导频信道上的功率控制子信道传给基站前向快速功率控制就是实现合理分配前向业务信道功率 在保证通讯质量的前提下 使其对相邻基站 扇区产生的干扰最小 75 CDMA工作原理 前向快速功率控制 76 CDMA工作原理 前向外环功率控制 前向外环功率控制实现点在移动台 基站需要做的工作就是把外环控制的门限值在寻呼消息中发给移动台 其中包括FCH和SCH的外环上下限和初始门限外环功率控制根据指配的前向业务信道要达到的目标误帧率 FER 所需的Eb Nt来估算门限设置值 该设置值或者通过闭环间接通知基站进行功率控制 或者在前向业务信道没有闭环的情况下通过消息通知基站根据设置值的差异来控制发射功率水平 77 CDMA工作原理 前向闭环功率控制 前向快速功率控制的实现点虽然在信道板 指示各前向信道的功率 但计算却在移动台侧来进行 在RC3 RC6的反向信道中增加了反向导频信道 前向快速功率控制的基石也在这里 因为实现前向快速功率控制的功控比特是由反向导频上的反向功控子信道发送给基站的 前向闭环功率控制把前向业务信道接收信号的Eb Nt与相应的外环功率控制设置值相比较来判定在反向功率控制子信道上发送给基站的功率控制比特的值 78 CDMA工作原理 前向功率控制实现 在反向导频信道上每1 25ms PCG 包含1536 N个PN码片 其中N扩展速率 SpreadingRate 数 扩展速率为1时 N 1 扩展速率为3时N 3 移动台必须在反向导频信道每个PCG中的前1152 N个PN码片发送导频信号 并在接下来的384 N个PN码片发送反向功率控制子信道 79 CDMA工作原理 反向功率控制子信道的结构 80 小结 讲述C网功率控制几个方面简述IS95与IS2000在功率控制方面的区别 81 CDMA关键技术 分集接收 82 CDMA工作原理 分集接收 什么是分集接收 分集接收是指接收端对它收到的多个衰落特性相互独立 携带同一个信息数据流 的信号进行特定的处理 以降低信号电平起伏的办法 分集的两点含义 一是分散传输 使接收端能获得多个统计独立的 携带同一信息流的衰落信号 二是集中合并处理 接收机把收到的多个独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响 分集接收是减少衰落的好方法 它是充分利用传输中的多径信号能量 以改善传输的可靠性 了在接收端得到几乎相互独立的不同路径 可以通过空域 时域 频域的不同角度 不同方法与措施来实现 其中最基本的分集接收有三种类型 时间分集 空间分集 频率分集 83 CDMA工作原理 时间分集 由于移动台的运动 接收信号会产生多普勒频移 在多径环境 这种频移形成多普勒频展 多普勒频展的倒数定义为相干时间 它表示时变信道对信号衰落节拍 这种衰落发生在传输波形的特定时间上 称为时间选择性衰落给定的信号在时间上相隔一定的间隔重复传输N次 只要时间间隔大于相干时间就可以得到N条独立的分集支路 指同一信号在不同的时间 区间多次重发 只要各次发送的时间间隔足够大 则各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的 接收机将重复收到的同一信号进行合并 就能减小衰落的影响 84 CDMA工作原理 时间分集 在时域上时间间隔 t应该大于时间域相关区间 T B为多普勒频移的扩散区间 它与移动台的运动速度成正比 注 时间分集与空间分集相比 其优点是减少了接收天线数目 缺点是要占用更多的时隙资源 从而降低了传输效率 间分集对处于静止状态的移动台是无用的 85 CDMA工作原理 频率分集 当两个信号频率间隔大于信道相关带宽时 接收到的此两种频率的衰落信号可以认为不相关 因此用两个以上不同的频率传输同一信息 以实现频率分集 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 CDMA系统的一个信道带宽为1 2288MHz 远远大于相关带宽的要求 所以码分多址的宽带传输本身就是频率分集 86 CDMA工作原理 频率分集 由于衰落具有频率选择性 当两个频率间隔大于相关带宽 它们受到的衰落是不相关的 也就是只要载波之间的间隔足够大载波间隔 f大于频率相关带宽 其中L为接收信号时延功率谱的带宽 市区与郊区的相关带宽一般分别为50kHz和250kHz左右 而CDMA系统的信号带宽为1 23MHz 所以可以实现频率分集 具体来讲 在城市中 800 900MHz频段 典型的时延扩散值为5 s 这时有 87 CDMA工作原理 频率分集 频率分集与空间分集相比 其优点时间少了接收天线与相应设备数目 缺点是占用更多的频谱资源 并且在发送端有可能需要采用多部发射机试题 举例说明现通信设备采用频率分集的例子 88 CDMA工作原理 空间分集 指在任意两个不同的位置上接收同一个信号 只要两个位置的距离大到一定程度 则两处所收信号的衰落是不相关的 空间分集既适用于基站也适用于移动台 利用不同地点 空间 收到的信号衰落的独立性 实现抗衰落 空间分集的基本结构为 发射端一副天线发送 收端N部天线接收 分集天线数N越大 分集效果越好 但是不分集差异与分集差异较大 属于质变 分集增益正比于分集的数量N 其改善是有限的 属于量变 且改善程度随分集数量N的增加而逐步减少 工程上要在性能与复杂性作一个择衷 一般取N 2 4 若N副天线尺寸 增益相同 则空间分集除了可获得抗衰落的分集增益以外 还可以获得每副天线3dB的设备增益 89 CDMA工作原理 空间分集 接收天线之间的距离为d 根据通信原理 d即为相关区间 R 它应该满足 其中 为波长 为天线扩散角 在城市中 扩散角度一般为 20o 则有 90 CDMA工作原理 空间分集 空间分集分为极化分集 角度分集极化分集 利用在同一地点两个极化方向相互正交的天线发出的信号 可以呈现出不相关的衰落特性进行分集接收 其优点是 结构紧凑 节省空间 缺点是 由于发射功率要分配到两副天线上 因此有3dB损失 角度分集 由于地形 地貌和建筑物等接收环境的不同 使到达接收端的不同路径信号可能来自不同的方向 这样在接收端可采用方向性天线 分别指向不同的方向 而每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的 91 CDMA工作原理 空间分集 CDMA系统采用了空间分集 也即路径分集 也就是采用几个独立天线或在不同场地分别发射和接收信号 以保证信号间的衰落独立 CDMA系统软切换功能也起到了空间分集的作用 在软切换过程中 因为各小区采用同一频带 移动台可以同时与几个小区进行通信 在反向信道 两个基站分别接收来自移动台的有用信号 再分别传给移动交换中心 由声码器 选择器判断出最好的信号进行接收 以保证基站最佳接收效果在前向信道 移动台同时接收来自两个不同基站的信号 也是一种形式的空间分集 92 CDMA工作原理 三种分极对比 时间分集与空间分集相比 优点是减少了接收天线数目 缺点是占用更多的时隙资源 从而降低了传输效率 频率分集与空间分集相比 优点是少了接收天线与相应设备数目 缺点是占用更多的频谱资源 并且在发送端有可能需要采用多部发射机 93 CDMA工作原理 多径Rake接收机 94 CDMA工作原理 Rake接收机 多径 95 CDMA工作原理 Rake接收机 RAKE接收机的基本原理 利用了空间分集技术发射机发出的扩频信号 在传输过程中受到不同建筑物 山岗等各种障碍物的反射和折射 到达接收机时每个波束具有不同的延迟 形成多径信号 不同路径信号的延迟超过一个伪码的码片的时延 则在接收端可将不同的波束区别开来 将这些不同波束分别经过不同的延迟线 对齐以及合并在一起 则可达到变害为利 把原来是干扰的信号变成有用信号组合在一起 96 CDMA工作原理 Rake接收机 RAKE接收机由搜索器 Searcher 解调器 Finger 合并器 Combiner 3个模块组成 解调器 调制 多径分离 搜索器 合并器 97 CDMA工作原理 Rake接收机 RAKE接收机由搜索器 Searcher 解调器 Finger 合并器 Combiner 3个模块组成 搜索器完成路径搜索 主要原理是利用码的自相关及互相关特性解调器完成信号的解扩 解调 解调器的个数决定了解调的路径数合并器完成多个解调器输出的信号的合并处理 通用的合并算法有选择式相加合并 等增益合并 最大比合并3种通常CDMA基站系统一个RAKE接收机由4个Finger组成 移动台由3个Finger组成 合并后的信号输出到译码单元 进行信道译码处理 98 CDMA工作原理 Rake接收机 解调 合并 99 CDMA工作原理 Rake接收机 带DLL的相关器是一个具有迟早门锁相环的解调相关器 迟早门和解调相关器分别相差 1 2 或1 4 个码片 迟早门的相关结果相减可以用于调整码相位 延迟环路的性能取决于环路带宽 由于信道中快速衰落和噪声的影响 实际接收的各径的相位与原来发射信号的相位有很大的变化 因此在合并以前要按照信道估计的结果进行相位的旋转发射信号中是否携带有连续导频 可以分别采用基于连续导频的相位预测和基于判决反馈技术的相位预测方法 信道估计方法 100 CDMA工作原理 Rake接收机 基于连续导频信号的信道估计方法 使用判决反馈技术的间断导频条件的信道估计方法 101 CDMA工作原理 Rake接收机 延迟估计的作用是通过匹配滤波器获取不同时间延迟位置上的信号能量分布 识别具有较大能量的多径位置 并将它们的时间量分配到RAKE接收机的不同接收径上 匹配滤波器的测量精度可以达到1 4 1 2码片 而RAKE接收机的不同接收径的间隔是一个码片 实际实现中 如果延迟估计的更新速度很快 比如几十ms一次 就可以无须迟早门的锁相环 这些多径信号相互间的延时超过了一个码片的长度 那么它们将被CDMA接收机看作是非相关的噪声 而不再需要均衡了 102 CDMA工作原理 Rake接收机 匹配滤波器的基本结构 103 CDMA工作原理 Rake接收机 延迟估计的主要部件是匹配滤波器 匹配滤波器的功能是用输入的数据和不同相位的本地码字进行相关 取得不同码字相位的相关能量 当串行输入的采样数据和本地的扩频码和扰码的相位一致时 其相关能力最大 在滤波器输出端有一个最大值 根据相关能量 延迟估计器就可以得到多径的到达时间量 如果这些多径信号相互间的延时超过了一个码片的长度 那么它们将被CDMA接收机看作是非相关的噪声 而不再需要均衡了 104 CDMA工作原理 切换 105 CDMA工作原理 切换 软切换 除载频相同之外 声码器 帧偏置也保持不变 不同MSC 不同BTS相同载频之间 硬切换即在移动台由A蜂窝小区向B蜂窝小区移动时 先断掉与A小区基站的通讯链路 再试图接入B蜂窝小区 半软切唤实际上是同一BSC内的硬切换 原则上同一BSC内的切换应当是软切换 更软切换 但是由于资源的占用情况 无充足的无线资源如载频和帧偏置 只有声码器保持不变 因而称为半软切换 106 CDMA工作原理 软切换 分类 1 同一BTS内不同扇区相同载频之间的切换 也就是通常说的更软切换 softerhandoff 2 同一BSC内不同BTS之间相同载频的切换 3 同一MSC内 不同BSC的之间相同载频的切换 特点 1 软切换就是当移动台需要跟一个新的基站通信时 并不先中断与原基站的联系 软切换只能在相同频率的CDMA信道间进行 2 它在两个基站覆盖区的交界处起到了业务信道的分集作用 这样可大大减少由于切