CDMA无线网络原理

CDMA无线网络原理 Page2 目录 一 CDMA2000二 CDMAEVDO三 CDMA与WCDMA的比较 Page3 一 CDMA2000 CDMA2000标准回顾 网络结构CDMA2000通信模型CDMA2000空口关键技术CDMA2000空口信道介绍 Page4 1x single1 25MHzcarrierHRPD HighRatePacketDataEV DO DataOnlyDV Data Voice 基本的语音业务 增强的语音业务 153 6kbps 307 2kbps 综合语音数据业务3 1M 1 8bps 下行2 4Mbps上行153 6kbps 下行3 1Mbps上行1 8Mbps EV DO DORev A DO Rev 0Enhancement HRPDphaseI phaseII CDMA标准回顾 高通05年宣布放弃EV DV芯片开发 2000 2006 2004 Page5 IS 95A IS 95B IS 95A价值定位 提供基本语音业务和14 4Kbps电路型数据业务IS 95A技术特点码分多址 直接序列扩频开环 闭环功率控制Rake接收技术软切换 更软切换标准发布 1995年正式发布 全球得到广泛应用的第一个CDMA标准全球应用情况 90年代在全球得到广泛应用 IS 95B价值定位 提供更高速率的电路型数据业务IS 95B技术特点完全兼容IS 95A增加增补码分信道 单用户最多使用8个码分信道 1FCH 7SCCH 最大数据速率可达76 8 115 2Kbps标准发布 1998年正式发布全球应用情况 由于90年代末期3G技术的逐渐发展 IS 95B未得到广泛应用 Page6 CDMA20001xRel 0 Rel A SS7 接入网 电路域核心网 BTS BSC PCF MSC HLR PDSN FA Internet AAA HA 分组域核心网 CDMA20001XRel 0价值定位 更高的比特率和更好的频谱效率技术特点核心网引入分组域网络增加反向导频信道前向快速功控技术引入Tubro编码 比卷集码具有2dB的增益快速寻呼信道提高终端待机时间增加SCH信道 单用户数据速率达到153 6Kbps后向兼容IS 95A B标准发布 2000年初发布 CDMA20001XRel A价值定位 更高的分组数据速率技术特点支持语音和数据的并发业务更高的单用户数据传输速率 达到307 2Kbps后向兼容Release0 IS 95A B标准发布 2000年7月发布 Page7 CDMA20001X网络结构 MS 移动台BTS 基站BSC 基站控制器MSC 移动交换中心HLR 归属位置寄存器VLR 拜访位置寄存器PCF 分组数据控制功能PDSN 分组数据服务节点HA 家乡代理FA 外地代理SCP 业务控制点Radius 远程认证拨入用户业务 Abis A1 信令 A2 业务 A11 信令 A10 业务 A3 信令 业务 A7 信令 CDMA2000系统结构与接口 Page8 接口小结 Um接口MS与BTS间接口 承载信令和业务Abis接口BSC与BTS间的接口 承载信令和业务A1接口承载MSC BSC间信令A2接口承载MSC BSC间业务A3 A7接口源BSC和目标BSC之间的信令 业务接口A8接口承载BSC PCF间的业务A9接口承载BSC PCF间的信令A10接口承载PCF PDSN间的业务A11接口承载PCF PDSN间的信令 Page9 一 CDMA2000 CDMA2000标准回顾 网络结构CDMA2000通信模型CDMA2000空口关键技术CDMA2000空口信道介绍 Page10 CDMA通信模型 Interleaving 信源编码 信道编码交织 加扰 扩频 调制 射频发射 语音信号的数模转换 对信息进行编码 达到纠错和抗干扰的目的 对信号进行加扰 加入用于识别用户的信息 将窄带信号拓宽 将数字信号调制成模拟信号 将模拟信号加到载波上进行发射 Page11 信源编码 话音编码器8KQCELP13KQCELPEVRC特点支持语音激活 全速率 半速率 1 4速率 1 8速率 在典型的双工通话中 通话的占空比小于35 不通话的时候降低发射速率 有效提高系统容量 延长MS待机时间 Page12 信道编码 无线环境复杂 信道编码用于纠错 信道编码采用卷积码或者TURBO码 对于卷积码 约束长度 移位寄存器数 1 编码效率 输入bit数 输出bit数 卷积码编码器 Input bits Output symbols Page13 交织 数据的传送方向 1 2 8 7 3 6 4 5 1 2 8 7 3 6 4 5 1 2 8 7 3 6 4 5 1 2 8 7 3 6 4 5 1 2 8 7 3 6 4 5 1 2 8 7 3 6 4 5 1 2 8 7 3 6 4 5 1 2 8 7 3 6 4 5 1 2 8 7 3 6 4 5 1 2 8 7 3 6 4 5 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 7 7 7 7 7 7 7 7 6 6 6 6 6 6 6 6 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 1 2 8 7 3 6 4 5 1 2 8 7 3 6 4 5 5 5 5 5 5 5 5 5 8 8 8 8 8 8 8 8 interleaving 2 2 2 Page14 码分 码 业务信道在不同频段分配给不同用户如 TACS系统 AMPS系统 业务信道在不同时间分配给不同用户如 GSM 所有用户在同一时间 同一频段上 根据编码获得业务信道 用户1 用户2 用户3 时间 频率 FDMA Page15 Walsh码 不同的Walsh码之间是正交的 Walsh码是一种正交扩频码 Wim代表阶数为m的Walsh矩阵中的i行 Page16 在前向 每个符号都需要用Walsh码进行扩频 在前向 Walsh码用于区分出不同的用户 在反向 对IS95A B 每输入6个符号 输出一个Walsh函数 例如 如果输入的符号序列为110011 那么输出的符号序列为W5164 110011binary 51decimal 在反向 对于CDMA2000 Walsh函数用于区分信道类型 RC3 9 Walsh码 Page17 码分 扩频 解扩 扩频码 扩频信号 解扩后信号 原始信号编码 扩频码 Page18 加扰 M序列 包含两部分 移位寄存器序列掩码输出序列的周期是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 Page19 长码 长码是周期为242 1的M 序列长码的功能 加扰前向CDMA信道在反向 区分出不同的MS Page20 短码 1 短码为一周期215的M 序列2 每个扇区在短码中指配一个时间偏置 相位 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64 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 Page21 一 CDMA2000 CDMA2000标准回顾 网络结构CDMA2000通信模型CDMA2000空口关键技术功率控制 切换分集与Rake接收机CDMA2000空口信道介绍 Page22 为什么需要功率控制 CDMA2000系统是自干扰系统 每个用户的信号对其他用户来说都是干扰 限制CDMA2000系统容量的因素是总干扰 当达到以下条件 系统容量最大基站从各个移动台接收到的功率相同当在可接受的信号质量下 功率最小 Page23 功率控制方式 反向功率控制 开环功率控制闭环功率控制内环功率控制 800Hz外环功率控制前向功率控制 IS 95基于测量报告 门限 周期 慢速的功率控制IS 2000引入快速功率控制 Page24 反向开环功率控制 MS所需要的发射功率受以下因素制约 MS和BTS之间的距离小区负荷信道环境MS根据接收到的BTS功率来确定自己的发射功率 MS发射功率 Page25 反向闭环功率控制 BTS 功率控制比特 Eb Nt值 FER值 内环功率控制 外环功率控制 Eb Nt改变量 BSC BTS Page26 为什么需要切换 蜂窝通信的原理 软切换可以抗多径衰落 提高通信可靠性软切换时可以通过增加切换分支的方式降低发射功率 提供系统容量和MS待机时间 Page27 CDMA2000系统中切换的种类 软切换 在切换过程中 MS开始与新的BTS联系时 并不中断与原有的BTS的通信 软切换会带来更好的话音质量 实现无缝切换 减少掉话可能 更软切换 与软切换类似 发生在同一BTS的不同扇区之间 硬切换 在切换过程中 MS与新的BTS联系前 先中断与原BTS的通信 再与新BTS建立联系 硬切换过程中有短暂的中断 容易掉话 Page28 软 更软切换 软切换时分支在BSC进行合并更软切换时分支在BTS进行合并 Page29 导频集 激活集 候选集 相邻集 剩余集 正在和手机保持通信的所有导频的集合 当前不在有效集中 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集合 当前不在有效集或候选集中但是有可能进入候选集的导频集合 其它导频集合 具有相同的频率但有不同的PN短码相位的导频集合 Page30 T ADD T DROP T TDROP 三个与导频探测有关的参数 T ADDT COMPT DROP一个定时器参数 T TDROP Page31 软切换相对门限 PilotP1 PilotP2 PilotP0 t0 T COMP 0 5dB t1 t2 T ADD 导频强度 P0 候选集中的导频P1 P2 激活集中的导频 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 Page32 导频集之间的相互转换 T ADD T DROP Pilot1 导频强度 Pilot2 T TDROP T TDROP 相邻集 候选集 激活集 候选集 相邻集 TIME 1 2 3 4 5 6 7 8 Page33 为什么需要分集技术 抗多径衰落抗频率选择性衰落抗干扰 Page34 分集技术的种类 时间分集 采用符号交织 检错纠错编码等方法 频率分集 通过将信号能量在宽频带中扩展实现的 CDMA将信号扩展到整个1 23MHz上 空间分集 在BTS采用双接收天线 在手机和BTS采用RAKE接收 合并不同传输延时的信号 软切换的时候 MS和多个BTS同时联系 从中选出最好的帧 Page35 RAKE接收技术 S t 发射信号 接收技术无线环境 多径效应 Page36 一 CDMA2000 CDMA2000标准回顾 网络结构CDMA2000通信模型CDMA2000空口关键技术功率控制 切换分集与Rake接收机CDMA2000空口信道介绍 Page37 CDMA2000空口物理信道 前向信道 导频信道 F PICH 同步信道 F SynCH 寻呼信道 F PCH 业务信道 F TCH 含功率控制子信道 前向补充信道 F SCH 反向信道 接入信道 R ACH 业务信道 R TCH 反向补充信道 R SCH 反向导频信道 R PICH Page38 导频信道 F PICH 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 Page39 同步信道 F SynCH 同步信道的作用 手机通过同步信道获得与系统的同步同步信道提供导频偏置PILOT PN系统时间SYS TIME长码状态LC STATE寻呼信道速率P RAT Page40 寻呼信道 F PCH BTS在寻呼信道上广播 系统参数消息接入参数消息邻区列表CDMA信道列表BTS通过寻呼信道 寻呼手机指配业务信道W1 W7用于寻呼信道扩频 Page41 前反向业务信道 F R TCH 用于在前向和反向传送BTS的数据和信令 Page42 前反向补充信道 F R SCH F SCH用于高速数据的传送 而F FCH用于低速率数据的传送当数据业务呼叫建立的时候 首先分配给MS的是F FCH 如果数据速率超过9 6K 那么系统将会分配F SCH给MS Page43 反向接入信道 R ACH MS在反向传送数据和信令响应寻呼位置更新 Page44 反向导频信道 R PICH 反向导频信道的功能 初始捕获跟踪反向相干解调功率控制测量利用反向导频信道 基站能进行相干解调 提高了接收性能 增大了反向信道容量 Page45 目录 一 CDMA2000二 CDMAEVDO三 CDMA与WCDMA的比较 Page46 二 CDMAEVDO EVDORel 0EVDO的几个关键技术EVDORev A及其改进CDMA的传输探讨 Page47 CDMAEV DO网络架构 参考标准 Uminterface C S0024 0V4 0Ainterface A S0008 0V2 0 AT 1xEV DO终端AN 1xEV DOAccessNetworkANAAA AccessNetworkAAA 接入网设备 核心网设备 EV DO网络结构只涉及分组域 与电路域核心网无关 Page48 EV DO与1X有本质差异 空口技术不同 EV DO与1X采用完全不同的空口技术EV DO前向采用时分多址技术 1X前向采用码分多址技术EV DO前向采用速率控制技术 1X前向采用功率控制技术 即EV DO前向没有功率控制 总是以最大功率发射 1X前向链路结构 DO前向链路结构 Page49 EV DO与1X有本质差异 频点和业务定位不同 EV DO需要独立载频 配置不同频点EV DO业务定位不同EV DO主要提供高速无线分组数据业务1X主要提供话音业务 Page50 EV DO两种组网方式 升级混合组网方式 原有1X设备需宽带平台设计 基站支持Do升级能力升级后系统整体性能下降 1x Do的网络优化调整相互影响需要中断现网1X业务 独立组网方式 不涉及现网1X设备改动 不影响现网业务网络结构清晰和升级混合组网方式成本相当新基站引入新技术 节约成本 平滑演进需要新增机柜需要解决配套问题 Page51 DO的物理信道 Page52 DO的物理信道 前向 导频MAC RA DRC RPC业务控制 1 导频信道用于系统捕获 相干解调和链路质量的检测 2 RA子信道用于传送系统的反向负载指示 RPC子信道用于传送反向业务信道的功率控制信息 DRCLock子信道用于传送系统是否正确接收DRC信道的指示信息 3 控制信道用于传送系统控制信息 4 业务信道用于传送物理层数据分组 Page53 时分复用为主的前向信道 Data400chips MAC64chips MAC64chips Data400chips Pilot96chips Data400chips MAC64chips MAC64chips Data400chips Pilot96chips 半时隙 1024chips 半时隙 1024chips 时隙 5 3mslength Frame 80 3mslength MAC64chips MAC64chips Pilot96chips MAC64chips MAC64chips Pilot96chips Null Null Null Null 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 激活时隙 空闲时隙 Page54 单用户业务数据传送原则 某个时隙的所有前向功率为某个用户所独占 前向数据速率根据用户当前的SNR动态调整 使用速率控制代替前向功控 AP在任何时刻以最大功率发射前向数据 SNR好的用户可以得到极高的数据传送速度 数据吞吐量由于这种全功率模式得到了最大化 前向信道特点 Page55 DO的导频信道和数据 MAC信道时分复用 在每个时隙导频有固定的位置和长度 导频信道的发射功率略高于其他信道 不连续导频的优点 由于导频发射时其他信道是 沉默 的 便于AT精确判断当前的SNR 所有导频同时发射 其他扇区的导频不会影响当前扇区的数据传送 DO导频信道特点 Pilot96chips Pilot96chips Page56 业务信道和控制信道 业务信道和控制信道采用时分复用的方式共用数据信道 共用方法见右图示意 业务信道传送业务数据 控制信道传送信令和系统消息 控制信道消息发送有两种方式同步方式 消息每256个时隙发送一次 非同步方式 可在任何时隙中发射 同步方式消息中包含 同步系统消息 CDMA系统时间 小区的PN偏移等参数 快速配置消息 扇区号 接入配置参数等 扇区参数消息 基站位置 时间 邻区列表等参数 寻呼消息 非同步方式消息中包含 其他所有信令 ControlChannel Datastream ControlChannel TrafficChannel TrafficData ControlChannel TrafficChannel ControlData Page57 MAC信道 RA DRCLock RPC RPC RA MAC信道包含3个子信道 反向功率控制信道和DRCLock信道时分复用一个前向Walsh码道 复用关系见下图 这些码道分配给某个用户 系统将这些Walsh码序号称为MACIndex 反向功率控制信道发送功率控制信息控制AT的反向功率 控制速率小于600Hz DRCLock信道目的是控制用户的反向数据传送 如果AP无法解调某个AT的反向信道 AP会在DRCLock信道上发送指示符告知该AT RA信道实现反向负荷控制功能 RA DRCLock RPC DRCLock RA 重复DRCLockLength次 重复DRCLockLength次 Page58 MACIndex和数据信道前导 RA信道和RPC DRCLock组合信道为码分复用 使用64位Walsh码扩频 由于64位Walsh码序号为0 63 所以MACIndex的编号也是0 63 MACIndex和数据信道前导有一一对应关系 因此DO某个扇区的数据信道不能超过64个 MACIndex的分布见下表 Page59 反向RRI DRC和ACK信道 RRI信道和DRC信道组成反向MAC信道 RRI信道 AT向AP指示反向速率 DRC信道 AT向AP申请前向传送速率 DRC信道包含两种信息 DRCvalue和DRCcover DRCvalue向AP指示所须的前向速率 DRCcover在虚拟软切换中指示目标AP ACK信道 实现数据传输的应答 Page60 反向物理信道帧结构 DRC ACK Traffic Pilot AccessData Pilot Pilot AccessData 16Slots 26 67ms 1 67ms 1 67ms 16Slots 26 67ms 1 2Slot 16Slots 26 67ms 1 67ms RRI Pilot RRI Pilot Pilot RRI Pilot RRI 1 67ms 接入探针 Page61 反向以码分为主 反向功控方式和CDMA20001x相同 反向软 更软切换方式和CDMA20001x相同 反向业务帧长26 67 80 3 ms 最高速率153 6kbps 可选择速率 9 6 19 2 38 4 76 8 153 6kbps AP根据反向负荷通过前向RA信道调整AT的反向数据速率 反向速率参数集见下表 反向信道特点 Page62 二 CDMAEVDO EVDORel 0EVDO的几个关键技术EVDORev A及其改进CDMA的传输探讨 Page63 EVDO的几个关键技术 1 自适应编码2 HARQ3 多用户调度4 链路速率控制5 虚拟软切换 Page64 1 自适应编码基站根据手机在DRC上报的速率选择编码方式 2 HARQ传统的ARQ如停等 滑窗等协议都只对错帧丢弃重传 本身没有纠错能力 HARQ可保存错帧 并与重传帧合并译码 同时可采用递增冗余编码技术 在多时隙交织传送的模式下 可提前中止 缺点 Turbo编码译码复杂度高 多次重传会带来较大的处理延时 对实时业务造成一定影响 1 自适应编码基站根据手机在DRC上报的速率选择编码方式 2 HARQ传统的ARQ如停等 滑窗等协议都只对错帧丢弃重传 本身没有纠错能力 HARQ可保存错帧 并与重传帧合并译码 同时可采用递增冗余编码技术 在多时隙交织传送的模式下 可提前中止 Page65 3 多用户调度常用的调度方式 轮询 最大信噪比 DO 采用比例调度算法 调度函数 多用户调度 DRC 请求的速率 F 速率补偿函数 与吞吐量T有关 W 加权函数 与系统负载 数据缓存队列长度 业务延迟补偿等因素相关 服务类型 尽力而为 可靠传输 快速传输 常用的调度方式 轮询 最大信噪比 DO 增加比例调度算法 调度函数 第n个时隙 用户k的优先权函数 Page66 4 速率控制 前向链路速率控制 前向信道速率控制 终端导频估计 信道预测 预测下一时隙的信噪比 查表获得下一时隙的最大支持速率 发送DRC请求速率 注意DRC过高易重传 过低则浪费 Page67 反向信道速率控制 AT根据激活集中每个扇区RA信道中RAB ReverseActivityBit 值动态调整反向速率 反向速率调整原理 AT采用逻辑或运算合并所有RA信道的RAB 如果合并后的RAB 1 AT以概率qn降低速率到低一级速率级 如果合并后的RAB 0 AT以概率pn升高速率到高一级速率级 pn和qn称为转移概率参数 该参数总共8个 从系统消息中获得 速率转移过程见下图 RAB 0 RAB 1 Page68 AP1 AP4 Time t1 AP4的SNR更好 切换到AP4 虚拟软切换 AP4 由于DO前向采用时分复用方式 所以DO系统无法实现传统意义上的软切换 DO只支持虚拟切换 虚拟切换的是指 前向 AT在某个时刻只能从一个AP接受业务数据 反向 AT的反向数据被数个AP所接收 所有接收AT数据的AP组成虚拟切换反向激活集 当AT从虚拟切换反向激活集中某个AP接收前向数据时 监听同一集合中其他AP的导频和MAC信道 AT根据不同AP的不同SNR值选择SNR最好的一个接收前向数据 Page69 二 CDMAEVDO EVDORel 0EVDO的几个关键技术EVDORev A及其改进CDMA的传输探讨 Page70 EVDORev A系统增强 Page71 EV DORev A更好的满足3G业务需求 EV DORev A设计目的 无线高速数据下载 实时多媒体业务设计改进 前向3 1Mbps 反向1 8Mbps 空口吞吐量显著提升业务 信令时延明显减小 能很好的支持VT VoIP等QoS业务全兼容原有Rel 0系统 增强了和1x的互操作功能 EV DORel 0设计目的 无线高速数据下载存在不足 前向2 4Mbps 反向153 6Kpbs 空口吞吐量有待提高反向吞吐量不足 时延过高不能支持VT VoIP等业务与1x的互操作功能待加强 EV DORev A 量身定做的CDMA3G版本 Page72 系统关键性能的提升 1 系统容量提升2 业务时延降低3 与1X互操作增强4 端到端的QoS的实现 Page73 容量提升的方式 1 前向信道 前向大包支持多用户包支持2 反向信道 反向HybridARQ高阶调制方式 Page74 Rev A前向信道 前向大包支持 对5120大包的支持 提高了传输效率和容量 Page75 Rev A前向信道 多用户包支持 Rev A支持的PTT VOIP等业务的包都比较小 通过多用户包方式将多个用户的小包合并的方式 可以提高空口的利用率 增加系统容量 EVDO系统前向采用TDM方式 VOIP业务小包独立组包会影响其他用户的时延 多用户包同时发送多个用户的小包可以尽量减少这种影响 Page76 Rev A反向信道 反向HybridARQ 反向HybridARQ支持对反向的提前终止 适应不断变化的空口环境 在空口环境变好的情况下提高容量 Page77 Rev A反向信道 高负荷下能正常工作 1 Rev A的RAB可以支持每slot更新 相比Rel 0 16slot 对反向负荷控制更加细致 在很高负荷下也能正常工作 最大限度使用无线资源 2 反向T2P分配资源时 考虑了长期的平均系统负荷 降低了突发数据对反向系统稳定性的影响 Page78 系统关键性能的提升 1 系统容量提升2 业务时延降低3 与1X互操作增强4 端到端的QoS的实现 Page79 时延降低的方式 1 前向信道 CC支持快速寻呼多种包传输格式前向小包支持多用户包支持2 反向信道 AC支持短前导和两种较高的速率4子包传输结构和反向HybridARQDSC辅助虚拟软切换减少切换时延反向T2P减少EF业务时延 Page80 Rev A前向信道 CC支持快速寻呼 1 引入了Sub syncControlChannel SSCC 支持更短的寻呼周期 Page消息既可在SCC也可以在SSCC上传输 2 寻呼周期从EVDORel 0固定的5 12秒 变为动态可调且最低为4slot级别 对PTT等需要快速接通的业务提供了较好的支持 3 CC支持 128 4 1024 256 4 1024 512 4 1024 三种小包 传输时长减少到4slot Page81 Rev A前向信道 前向小包的支持 提供了对三种物理层小包 128 256 512 的支持 上层业务小包可以直接组成小包 在不利的空口环境下也能容易成功解码 保证时延要求较高的业务时延 Page82 反向HybirdARQ 1 Rev A将Rel 0原有的16 slots帧 分为4个4 slots子帧 按3个子帧交织的方式发送 2 该传输结构支持HybirdARQ 理论上极限情况 平均等待发送延时从Rel 0的8个slot减少到2个slot 传输延时从Rel 0的16个slot减少到4个slot Page83 Rev A前向信道 DSC辅助虚拟软切换 DSC辅助虚拟软切换 DSC提前通知AN该次切换的目标小区 实现make before break 降低切换时延 Page84 系统关键性能的提升 1 系统容量提升2 业务时延降低3