CDMA无线网络优化技能考评教材第一部分.doc

1 80 CDMA 无线网络优化技能考评培训无线网络优化技能考评培训 教材教材 第一部分第一部分 CDMA 基础知识基础知识 1 80 目目 录录 第第 1 章章 CDMA 技术原理技术原理 1 1 1 CDMA 技术的发展 1 1 1 1 主要移动通信系统介绍 1 1 1 2 第三代移动通信系统简介 2 1 2 多址技术 1 1 2 1 频分多址 1 1 2 2 时分多址 2 1 2 3 码分多址 2 1 3 扩频通信原理 3 1 3 1 扩频通信基本概念 3 1 3 2 扩频通信的基本原理 3 1 3 3 扩频通信的理论基础 4 1 4 CDMA 码序列 5 1 4 1 Walsh 码 6 1 4 2 PN 短码 7 1 4 3 PN 长码 9 1 4 4 三种扩频码的比较 9 1 5 CDMA 关键技术 10 1 5 1 功率控制 10 1 5 2 软切换 14 1 5 3 RAKE 接收机工作原理 20 1 5 4 CDMA 呼吸效应 21 第第 2 章章 CDMA 的信道的信道 24 2 1 IS 95 信道 24 2 1 1 反向 CDMA 信道 24 2 1 2 前向 CDMA 信道 26 2 2 CDMA2000 1x 的新特性 29 2 2 1 CDMA2000 1x 信道 30 第第 3 章章 CDMA 空中信令流程空中信令流程 33 3 1 与信令流程有关的几个概念 33 3 1 1 IMSI 33 3 1 2 ESN 34 3 1 3 登记 34 3 1 4 导频信号集 34 3 2 移动台状态变迁流程 34 3 3 CDMA 基本信令流程 39 3 3 1 语音业务起呼 39 3 3 2 语音业务被呼 40 2 80 3 3 3 位置登记的流程 41 3 3 4 短消息的流程 42 3 3 5 切换流程 44 3 3 6 语音业务释放 47 3 3 7 数据业务起呼 48 第第 4 章章 CDMA 空口技术规范 协议空口技术规范 协议 50 4 1 协议架构 50 4 2 空中接口层次结构 51 4 2 1 物理层描述 51 4 2 2 MAC 层描述 52 4 2 3 LAC 层描述 52 4 2 4 层 3 描述 53 4 3 A 接口协议层次 53 4 3 1 A 接口协议层次结构 53 4 3 2 内部接口层次结构 54 第第 5 章章 CDMA 2000 1X EV DO 原理原理 55 5 1 1X EV DO 系统概述 55 5 1 1 CDMA2000 技术标准的演进 55 5 1 2 1X EV DO 与 IS 95 1X 网络的兼容性 55 5 1 3 从 CDMA2000 1X 向 1X EV DO 演进 56 5 2 1X EV DO 协议与物理层技术 56 5 2 1 1X EV DO 网络参考模型 56 5 2 2 1X EV DO 空中接口协议模型 58 5 2 3 1X EV DO 前向信道 60 5 2 4 1X EV DO 反向信道 61 5 3 1X EV DO 空中接口关键技术 63 5 3 1 前向时分复用 64 5 3 2 前向自适应调制和编码技术 64 5 3 3 前向 HARQ 65 5 3 4 前向链路调度算法 65 5 3 5 前向快速扇区选择和切换 66 5 3 6 速率控制 67 5 4 1X EV DO Rev A 67 5 4 1 1X EV DO Rev A 技术改进 67 5 4 2 物理层新增功能 68 5 5 CDMA2000 1X EV DO 数据业务流程 72 5 5 1 AT 始呼流程 73 5 5 2 AT 发起的呼叫激活流程 75 1 80 第第 1 章章 CDMA 技术原理技术原理 1 1 CDMA 技术的发展技术的发展 移动通信系指通信双方或至少一方是处于移动中进行信息交流的通信 20 年代开始 在军事及某些特殊领域使用 40 年代才逐步向民用扩展 最近十年间才是移动通信真正 迅猛发展的时期 而且由于其许多的优点 前景十分广阔 第一代 1980 年出现 为模拟话音通信系统 如 AMPS TACS NMT NTT 等系 统 第二代 1980 年末出现 传递话音和低速数据 为窄带数字通信系统 如 GSM P DC D AMPS CDMA IS95 等 第二代半 1996 年出现 用于解决中速数据传递的数字通信系统 如 GPRS IS95B 等 第三代 用于传递高速数据 以支持多媒体应用 如 WCDMA CDMA2000 TD S CDMA 等 1 1 1 主要移动通信系统介绍主要移动通信系统介绍 AMPS 先进的移动电话系统 AMPS 使用模拟蜂窝传输的 800MHz 频带 AMPS 在北美 南美和部分环太平洋国家广泛使用 TACS 全接入通信系统 TACS 使用 900MHz 频带 有两种版本的 TACS ETACS 欧 洲 和 NTACS 日本 英国 日本和部分亚洲国家广泛使用该标准 GSM 全球移动通信系统 GSM 使用 900MHz 频带 使用 1800MHz 频带的叫 DCS 180 0 GSM 发源于欧洲 它是作为全球数字蜂窝通信的 TDMA 标准而设计的 GSM 支持 6 4kbit s 的数据 可与 ISDN 互连 GSM 采用 FDD 双工方式 TDMA 多址方式 每载频支 持 8 信道 使用 200kHz 的带宽 IS 54 北美数字蜂窝 IS 54 标准 使用 800MHz 频带 也叫 D AMPS IS 54 在两种北美 数字蜂窝标准中 是较早推出的一种 它指定使用 TDMA IS 95 北美数字蜂窝 IS 95 标准 使用 800MHz 频带或 1 9GHz 频带 IS 95 指定使用 C DMA CDMA 成为美国 PCS 网的首选技术 目前 54 的许可证持有者使用 CDMA CD MA One 是 IS 95 品牌名称 CDMA2000 无线通信标准也是以 IS 95 为基础演变的 2 80 1 1 2 第三代移动通信系统简介第三代移动通信系统简介 第三代移动通信系统能提供多种类型 高质量的多媒体业务 能实现全球无缝覆盖 具有全球漫游能力 可与固定网络相兼容 小型便携式终端在任何时候 任何地点可 以进行任何种类的通信 由于其诸多的优点 吸引了全世界各个运营商 生产厂家与广 大用户 1 IMT 2000 的历史的历史 第三代移动通信系统最早由国际电信联盟 ITU 1985 年提出 曾被称为未来公众未来公众 陆地移动通信系统陆地移动通信系统 FPLMTS Future Public Land Mobile Telecommunication System 后来考虑到该系统将于 2000 年左右进入商用市场 并且其工作的频段在 2000MHz 故 于 1996 年正式更名为 IMT 2000 International Mobile Telecommunication 2000 2 第三代移动通信系统的目标第三代移动通信系统的目标 1 能实现全球漫游 能实现全球漫游 用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游 且可以在不同速率 不同的运动状态下获得有质量保证的服务 2 能提供多种业务 能提供多种业务 提供话音 可变速率的数据 视频通话业务 特别是多媒体业务 3 能适应多种环境 能适应多种环境 可以综合现有的公众电话交换网 PSTN 综合业务数字网 无绳系统 地面移动通信系统 卫星通信系统等多种系统 提供无缝隙的覆盖 4 足够的系统容量 足够的系统容量 强大的多种用户管理能力 高保密性能和服务质量 为实现上述目标 对其无线传输技术 RTT Radio Transmission Technology 提 出了以下要求 1 高速传输以支持多媒体任务 室内环境至少 2Mbit s 室内外步行环境至少 384k bit s 室外车辆运动中至少 144kbit s 卫星移动环境至少 9 6kbit s 2 传输速率能够按需分配 3 上下行链路能适应不对称需求 第三代移动通信系统的引入是一个渐变演进的过程 并充分考虑向下兼容的原则 通信业务方面 将以第二代出现的各种业务为基础 逐步引入宽带及多媒体业务 通信 技术方面 网络技术和设施将与有线网的智能化 宽带化结合在一起 通过一种演变的 过程进入第三代 而无线传输技术将经历一场革命 为第三代移动通信新业务的提供奠 定基础 3 第三代移动通信的标准化的制定第三代移动通信的标准化的制定 第三代移动通信系统 IMT 2000 的标准化工作是在国际电信联盟的指导下有组织有步 骤地进行的 目前在 ITU 组织中负责第三代移动通信系统体制技术规范制定的工作组主 要包括如下三个 ITU R ITU T ICG ITU R 负责系统集成无线部分 解决频谱与法规问题 协调无线传输技术的评估活 3 80 动 IUT T 负责网络端的标准化工作 主要包括网络部分 信令与协议 编号与寻址 网 管及安全性等问题 ICG for IMT 2000 中间协调组 负责协调工作 使 ITU R 和 ITU T 之间能定期进 行交流 并协调在制定 IMT 2000 技术标准中出现的各种问题 4 IMT 2000 标准的频率制定标准的频率制定 1992 年负责全球无线频率管理和分配的 WARC 92 大会根据当时 CCIR 对未来陆地 移动通信需要频率的估算 确定在 2GHz 周围总共辟出 230MHz 频带作为第三代移动通 信系统的专用频率 1885 2025MHz 2110 2200MHz 作为 2000 年以后的全球性移动通信使用 其中卫 星通信使用的频段 1980 2010MHz 和 2170 2200MHz 最迟到 2005 年退出 1995 年 WRC 大会作出决议 对分配给移动卫星业务的频率又做了少量变动 为第 二大区增加了 2010 2025MHz 和 2160 2170MHz 频段 且要求退出频率的时间提前到 200 0 年 IMT 2000 将使用 1875 1975MHz 和 2110 2160MHz 两段频率 目前各国及国际组 织对移动通信频率的划分也各不相同 3G 频率划分如下图频率划分如下图 1 1 所示 所示 图 1 1 3G 频率划分 5 目前对目前对 3G 的研究的研究 目前 ITU 对 3G 的研究工作主要由 3GPP 和 3GPP2 来承担 3GPP 是以 WCDMA 为基础 集合了 Erission Nokia Simense 等欧洲公司以及日 本的 NTT 韩国的一些公司 共同研究 3G 的组织 3GPP2 是以 CDMA2000 为基础 集合了 Qualcomm Lucent 等美国公司及日本的 4 80 ARIB 韩国的一些公司 共同研究 3G 的组织 6 3G 的的 RTT 技术技术 IMT 2000 中最关键的是无线传输技术 RTT 为了确定 IMT 2000 RTT 的关键技术 ITU 对多种无线接入方案 卫星接入除外 进行了艰难的融合 以尽可能达到形成统 一的 RTT 标准的目的 但是 经过一年多的研究之后 ITU 发现要想获得不同 RTT 技术 间的完全融合是根本行不通的 因此 1999 年 11 月 ITU TG8 1 在芬兰举行的会议上通 过了 IMT 2000 无线接口技术规范 最终确定了 IMT 2000 可用的 5 种 RTT 技术 这 些技术覆盖了欧洲与日本的 WCDMA 美国的 cdma2000 和中国的 TD SCDMA WCDMA 是欧洲和日本提出的宽带 CDMA 标准 并且双方已经达成一致 彼此 间差异很小 其技术特点是 频分双工 可适应多种速率和多种业务 前向链路快速功 率控制 反向链路相干解调 支持不同载频间切换 基站之间无须同步 适用于高速环 境 CDMA2000 是北美基于 IS 95 系统演变而来的 其技术特点是 反向链路相干 接收 前向链路发送分集 基站之间由 GPS 同步 与 IS 95 兼容性好 技术成熟 风险 小 综合经济技术性能好 TD SCDMA 是中国第一次向 ITU 提出的拥有自主知识产权的提案 它基于 TD MA 和同步 CDMA 技术的标准 其技术特点是 时分双工 TDD 并结合了智能天线 和软件无线电等多种先进技术 7 CDMA2000 标准演进标准演进 CDMA2000 技术的完整演进过程如 1 2 所示 图 1 2 CDMA2000 技术的演进过程 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 语音编码 服务 13K 语音编码服务 其中 13K 语音编码服务质量已非常接近有线电话的语音质量 随着移动通信对数据业务需求的增长 1998 年 2 月 美国 Qualcomm 公司宣布 IS 95B 标 准用于 CDMA 基础平台 IS 95B 提升了 CDMA 系统性能 并增加了用户移动通信设备的数 据流量 提供对 64 kbit s 数据业务的支持 采用 IS 95 规范的 CDMA 系统统称为 CDMACDMA OneOne 5 80 对应 CDMA2000 技术的演进过程 CDMA 各阶段系统的描述如表所示 1 80 表 1 1 CDMA 系统演进 系统系统速率速率业务业务阶段阶段 CDMAOneCDMAOne IS 95IS 95A A IS 95BIS 95B 14 414 4 kbit skbit s 6464 kbit skbit s 语音语音 数据数据 2 2G G CDMA2000CDMA2000 1x1x153 6153 6 kbit skbit s 语音语音 数据数据 2 5G2 5G CDMA2000CDMA2000 1x1x EV DOEV DO 2 42 4 Mbit sMbit s 以上以上数据数据 3G3G CDMA2000CDMA2000 1x1x EV DVEV DV 4 4 M M bit sbit s 以上以上语音语音 数据数据 3G3G 1 2 多址技术多址技术 多址技术使众多的用户共用公共的通信线路 为使信号多路化而实现多址的方法基本上有三 种 它们分别采用频率 时间或代码分隔的多址连接方式 即人们通常所称的频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 和码分多址 CDMA 三种接入方式 0 用模型表示了这三种方法简单的 一个概念 t t f c c 信道1 信道3 信道2 信道N F FD DM MA A t t f c c 信道1 T TD DM MA A 信道3 信道2 信道N t t f c c C CD DM MA A 信道1 信道3 信道2 信道N 图 1 3 三种多址方式概念示意图 FDMA 是以不同的频率信道实现通信的 TDMA 是以不同的时隙实现通信的 CDMA 是以 不同的代码序列实现通信的 1 2 1 频分多址频分多址 频分 有时也称之为信道化 就是把整个可分配的频谱划分成许多单个无线电信道 发射和 接收载频对 每个信道可以传输一路话音或控制信息 在系统的控制下 任何一个用户都可以接 入这些信道中的任何一个 模拟蜂窝系统是 FDMA 结构的一个典型例子 数字蜂窝系统中也同样可以采用 FDMA 比如 GSM 和 CDMA 系统也采用了 FDMA 2 80 1 2 2 时分多址时分多址 时分多址是在一个带宽的无线载波上 按时间 或称为时隙 划分为若干时分信道 每一用 户占用一个时隙 只在这一指定的时隙内收 或发 信号 故称为时分多址 此多址方式在数字 蜂窝系统中采用 GSM 系统也采用了此种方式 TDMA 是一种较复杂的结构 最简单的情况是单路载频被划分成许多不同的时隙 每个时隙 传输一路突发式信息 TDMA 中关键部分为用户部分 每一个用户分配给一个时隙 在呼叫开始 时分配 用户与基站之间进行同步通信 并对时隙进行计数 当自己的时隙到来时 移动台就启 动接收和解调电路 对基站发来的突发式信息进行解码 同样 当用户要发送信息时 首先将信 息进行缓存 等到自己时隙的到来 在时隙开始后 再将信息以加倍的速率发射出去 然后又开始 积累下一次突发式传输 TDMA 的一个变形是在一个单频信道上进行发射和接收 称之为时分双工的一个变形是在一个单频信道上进行发射和接收 称之为时分双工 TDD 其最简 单的结构就是利用两个时隙 一个发一个收 当移动台发射时基站接收 基站发射时移动台接收 交替进行 TDD 具有具有 TDMA 结构的许多优点 结构的许多优点 突发式传输 不需要天线的收发共用装置突发式传输 不需要天线的收发共用装置等等 它的主要优点是可以在单一载频上实现发射和接收 而不需要上行和下行两个载频 不需要频 率切换 因而可以降低成本 TDD 的主要缺点是满足不了大规模系统的容量要求 1 2 3 码分多址码分多址 码分多址码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式 它不像 FDMA TDM A 那样把用户的信息从频率和时间上进行分离 它可在一个信道上同时传输多个用户的信息 也 就是说 允许用户之间的相互干扰 其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码 编码后的信息 混合后不会丢失原来的信息 有多少个互为正交的码序列 就可以有多少个用户同时在一个载波 上通信 每个发射机都有自己唯一的代码 伪随机码 同时接收机也知道要接收的代码 用这个 代码作为信号的滤波器 接收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码 这个过程称 为解扩 CDMA 按照获得带宽信号所采取的调制方式分为直接序列扩频 直接序列扩频 DS 跳频 跳频 FH 和跳时 跳时 TH 如下图所示 DS FH TH 3 80 图 1 4 三种 CDMA 扩频方式概念示意图 1 3 扩频通信原理扩频通信原理 1 3 1 扩频通信基本概念扩频通信基本概念 所谓扩展频谱通信 可定义如下 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 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 此定义包括四四方面的内容 1 信号的频谱被展宽了信号的频谱被展宽了 2 信号频谱的展宽是通过扩频码序列调制的方式实现的 我们知道 在时间上有限的信号 其频谱是无限的 信号的频带宽度与其持续时间近似成反比 因此 如果用很窄的脉冲序列被所 传的信息调制 则可产生很宽的频带信号 这种很窄的脉冲码序列 其码速率是很高的 称为扩频 码序列 3 采用的扩频码序列与所传信息数据是无关的 也就是说它与一般的正弦波信号一样 丝 毫不影响信息传输的透明性 扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用 4 在接收端用相关解调来解扩收端用相关解调来解扩 1 3 2 扩频通信的基本原理扩频通信的基本原理 扩频通信的基本原理如图 1 5 所示 图 1 5 扩频通信基本原理 在发端输入的信息 比特率比特率 bit 先经过信息调制形成数字信号 符号率符号率 symbol 然后由扩频发 生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱频谱 码片率码片率 chip 展宽后的信号调制到射 频发送出去 在收端接收到的宽带射频信号 变频至中频 然后由本地产生的与发端相同的扩频 码序列去解扩 最后经信息解调 恢复成原始信息输出 由此可见 一般的扩频通信系统都要进 行三次调制和相应的解调 一次调制为信息调制 二次调制为扩频调制 三次调制为射频调制 以及相应的信息解调 解扩和射频解调 按照扩展频谱的方式不同 现有的扩频通信系统可分为 直接序列 直接序列 DS 扩频 扩频 跳频 跳频 FH 扩频 扩频 跳时 跳时 TH 扩频 扩频 线性调频 线性调频 Chirp 扩频 扩频 以及上 4 80 述几种方式的组合 1 3 3 扩频通信的理论基础扩频通信的理论基础 在扩频通信中采用宽频带的信号来传送信息 主要是为了通信的安全可靠 这可用信息论和 抗干扰理论的基本观点来解释 信息论中的仙农 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 此公式原意是说 此公式原意是说 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 换句话说 频带 W 和信噪比 S N 是可以互换的 如果增加频带宽度 就可以在较低 的信噪比的情况下用相同的信息率以任意小的差错概率来传输信息 甚至在信号被噪声湮没的情 况下 只要相应地增加信号带宽 也能保持可靠的通信 此公式指明了采用扩展频谱信号进行通信 的优越性 即用扩展频谱的方法以换取信噪比的增益 下图 1 6 显示出了扩频和解扩的全过程 图 1 6 扩频 解扩原理图 5 80 由此 我们可以看出 扩频通信具备以下优点 隐蔽性和保密性好隐蔽性和保密性好 多个用户可以同时占用相同频带 实现多址多个用户可以同时占用相同频带 实现多址 抗衰落 抗多径干扰抗衰落 抗多径干扰 抗干扰能力强抗干扰能力强 1 4 CDMA 码序列码序列 地址码和扩频码的设计是码分多址体制的关键技术之一 地址码和扩频码的设计是码分多址体制的关键技术之一 具有良好的相关特性和随机性的地 址码和扩频码对码分多址通信是非常重要的 对系统的性能具有决定的作用 它直接关系到系统 的多址能力 关系到抗干扰 抗噪声 抗截获抗干扰 抗噪声 抗截获的能力及多径保护和抗衰落径保护和抗衰落的能力 关系到信息数 据的隐蔽和保密 关系到捕获与同步系统的实现 在 CDMA 中需要采用地址码来区分不同的地址 其中主要有以下四种不同类型 1 用户地址 用户地址 用于区分不同移动用户 2 多速率多速率 多媒体多媒体 业务地址 业务地址 用于多媒体业务中区分不同速率类型的业务 3 信道地址 信道地址 用于区分每个小区或每个扇区内的不同信道 4 基站地址 基站地址 用于区分不同基站或扇区 其中 1 2 多用于反向信道 以移动台为主 3 4 多用于正向信道 以基站为主 1 4 1 Walsh 码码 Walsh 码 又称为码 又称为 Walsh 函数 函数 有着良好的良好的互相关互相关和较好的较好的自相关自相关特性 由于在 CDMA 中采用了 Walsh 正交码 下面我们介绍 Walsh 码的生成与性质 Walsh 码是正 交扩频码 根据 Walsh 函数集而产生 Walsh 函数是一类取值介于 1 与 1 的二元正交函数系 它 有多种等价定义方法 最常用的是 Hadamard 编号法 Walsh 函数集是完备的非正弦型正交函数集 常用作用户的地址码 正交函数的产生过程如下图 1 7 所示 图 1 7 Walsh 函数产生过程 Walsh 码的功能如下 码的功能如下 在 CDMA2000 1X 中 Walsh 码用于进行前向扩频 区分扇区内前向码分信道 反向做正交码用于进行前向扩频 区分扇区内前向码分信道 反向做正交 6 80 调制调制 Walsh 码在前向信道中的应用如图 1 8 所示 图 1 8 中 Walsh 码在 CDMA 中的应用基站 在相同频率下同时发送几条信道 一个扇区下的所有手机都将收到包含所有信道的复合信号 并 且必须识别需要解调的信道 用用 Walsh 码区分这些前向信道的方法是 每个扇区有码区分这些前向信道的方法是 每个扇区有 64 个不同的个不同的 Walsh 码码 每个 Walsh 码 是 64Chips 每一个 Walsh 码经过扩频后分配给一条信道 扩频速率是 1 2288Mcps 在手机终端 接收到的信号应与所需信道的 Walsh 码相关 图 1 8 Walsh 码前向信道区分图 基站在相同频率下同时发送几条信道 一个扇区下的所有手机都将收到包含所有信道的复合 信号 并且必须识别需要解调的信道 用 Walsh 码区分这些前向信道的方法是 每个扇区有 64 个 不同的 Walsh 码 每个 Walsh 码是 64Chips 每一个 Walsh 码经过扩频后分配给一条信道 扩频 速率是 1 2288Mcps 在手机终端 接收到的信号应与所需信道的 Walsh 码相关 前向信道包括前向信道包括导频 同步 寻呼 前向业务导频 同步 寻呼 前向业务信道信道等 导频信道占用 Walsh 码 0 同步信道占 用 Walsh 码 32 寻呼信道占用 Walsh 码 1 7 通常使用一条寻呼信道 Walsh 码 1 前向业务信道 可以自由使用其余的 Walsh 码 1 4 2 PN 短码短码 1 PN 短码的产生过程如下 短码的产生过程如下 伪随机序列伪随机序列 PN 码码 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 制序列制序列 如果知道当前 PN 码的状态和产生公式 则可推出以后 PN 码的状态 PN 码的生成过程 原理如图 1 9 所示 7 80 图 1 9 PN 码生成过程 图中输入为 001 输出为一个不断重复 1001011 这 7 位数的序列 PN码最初的多项式是由模码最初的多项式是由模2加算法产生 其状态公式由移位寄存器和异或门组成 长度取决加算法产生 其状态公式由移位寄存器和异或门组成 长度取决 于所用寄存器的长度 长度为于所用寄存器的长度 长度为2n 1 属于属于m序列序列 PN短码序列由提供32767chips的15比特寄存器 产生 215 1 比特0加在序列的最后一位使其成为32768chips PN短码序列与Walsh码的速率相 同 每26 67毫秒重复一次 这32768 chips的序列被划分为512种不同的偏移 称为偏移序号 每个偏移为每个偏移为64chips 每个PN短码序列的偏移均与同序列其它偏移正交 2 PN 短码序列具有以下特性 短码序列具有以下特性 PN短码序列可以看作具有短码序列可以看作具有I和和Q两种不同成分序列的二维二进制矢量两种不同成分序列的二维二进制矢量 每一个的长度为32 768chip 每一个每一个PN短码序列均与它自身相关 即与时间偏置为零的短码序列相关短码序列均与它自身相关 即与时间偏置为零的短码序列相关 一个零偏置短码序列与它自身的任何非零偏置的短码序列正交一个零偏置短码序列与它自身的任何非零偏置的短码序列正交 实际中以实际中以64chips偏移做为一个偏移序号偏移做为一个偏移序号 PN OFFSET INDEX 即可用的即可用的PN码是码是0 51 1 PN 短码序列主要特性如图 1 10 所示 8 80 图 1 10 PN 短码序列主要特性 3 PN 短码的功能有 短码的功能有 如果 MS 同时收到两个基站的信号 每个基站都发送一系列前向编码信道 MS 如何区分这 两个基站的信号 使用 PN 短码序列即可达到这个目的 PN 短码用于前向信道的正交调制短码用于前向信道的正交调制 每个 载扇均使用 I Q 两种 PN 短码序列进行数字调制 我们可以通过网络规划将 PN 短码分配给不同短码分配给不同 的载扇的载扇 PN 短码序列也用于数字调制 前向链路为 QPSK 调制 反向链路为 O QPSK 调制 1 4 3 PN 长码长码 1 PN 长码的产生过程长码的产生过程 PN 长码序列由长码序列由 42 位反馈移位寄存器产生位反馈移位寄存器产生 产生原理如图 1 11 所示 图 1 11 PN 长码产生原理 这个序列需要41天10小时12分19 4秒循环一次 因此我们称之为PN长码 PN长码序列只有一长码序列只有一 个 为了对同一载扇下的反向信道 接入信道和反向业务信道 进行区分 个 为了对同一载扇下的反向信道 接入信道和反向业务信道 进行区分 PN长码序列应用偏移长码序列应用偏移 9 80 的方式的方式 每个寄存器产生的比特均经过掩码 不同的掩码产生不同的偏移 该序列是根据42位长 码寄存器的内容 32位的位的ESN及掩码生成的及掩码生成的 然后结果再经过一个异或门 输出的序列为 然后结果再经过一个异或门 输出的序列为PN长码长码 序列序列 PN长码序列的扩频速率为长码序列的扩频速率为1 2288 Mcps 2 PN 长码的功能长码的功能 PN 长码序列的主要功能用于反向信道长码序列的主要功能用于反向信道 当一个基站为几个用户服务时 因为所有的用户都在相同载频上 基站很难区分这些用户 PN 长码序列则用于在反向信道上用户的识别和区分长码序列则用于在反向信道上用户的识别和区分 在前向信道 PN 长码序列用于建立用户与前向业务信道和寻呼信道的连接 PN 长码序列只有一个 因此 PN 长码序列应用偏移的方式对同一载扇下的反向信道 接入信 道和反向业务信道 进行区分 每个寄存器产生的比特均经过掩码 不同的掩码产生不同的偏移 MS 用 ESN UIM 提供唯一的长码序列序列偏移 ESN UIM 只有 32 比特 而移位寄存器有 42 比特 因此我们给 ESM UIM 加上 10 比特的前缀 1100011000 PN 长码序列是根据 42 位长码 寄存器的内容 32 位的 ESN UIM 及掩码生成的 然后结果再经过一个异或门 输出的序列为最 终 PN 长码序列 在接入信道 接入信道掩码用于所有向基站发送消息的在接入信道 接入信道掩码用于所有向基站发送消息的 MS 1 4 4 三种扩频码的比较三种扩频码的比较 下面对 CDMA2000 1x 系统中的三种扩频码进行比较 具体说明如表 1 2 所示 表 1 2 三种扩频码比较 码序列码序列长度长度应用位置应用位置应用目的应用目的主要特性主要特性 反向接入信道 反向业务信道 标识移动台用户PNPN 长码长码 2 242 42 1 1 前向寻呼信道 前向业务信道 用于数据扰码 具有尖锐的二 值自相关特性 所有前向信道正交扩频 利于调制PNPN 短码短码 2 215 15 1 1 所有反向信道正交扩频 利于调制 并且用于标识基站 平衡性 6464 所有前向信道 4 8 16 324 8 16 32 前向补充信道 128128 前向快速寻呼信道 正交扩频 前向信道化区分 1616 反向基本信道 3232 反向导频信道 WalshWalsh 码码 2 2 或或 4 4 反向补充信道 正交扩频 反向信道化区分 正交性 10 80 1 5 CDMA 关键技术关键技术 1 5 1 功率控制功率控制 1 功率控制目的功率控制目的 CDMA 的功率控制包括前向功率控制 反向功率控制前向功率控制 反向功率控制 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 这就是移动通信中的 远近效应 问题 因为 CDMA 是一个自干扰系统 所有用户共同使用同一频率 所以 远近效应 问题更加突 出 CDMA 系统中某个用户信号的功率 包括前反向 较强 对该用户被正确接收是有利的 但 却会增加对共享的频带内其它的用户的干扰 甚至淹没其它用户的信号 结果使其它用户通信质 量劣化 导致系统容量下降 为了克服远近效应 必须根据通信距离的不同 实时地调整发射机为了克服远近效应 必须根据通信距离的不同 实时地调整发射机 所需的功率 这就是所需的功率 这就是 功率控制功率控制 远近效应 如下图所示 信号被离基站近的信号被离基站近的 手机信号手机信号 淹没淹没 无法通信无法通信 一个一个MS就能就能 阻塞整个小区阻塞整个小区 图 1 12 CDMA 远近效应 功率控制的原则如下 功率控制的原则如下 控制基站 移动台的发射功率控制基站 移动台的发射功率 首先保证信号经过复杂多变的无线空间传输后到达对方 接收机时 能满足正确解调所需的解调门限 在满足上一条的原则下 尽可能降低基站 移动台的发射功率在满足上一条的原则下 尽可能降低基站 移动台的发射功率 以降低用户之间的干扰 使网络性能达到最优 距离基站越近的移动台比距离基站越远的或者处于衰落区的移动台发射功率要小距离基站越近的移动台比距离基站越远的或者处于衰落区的移动台发射功率要小 2 前向功控前向功控 CDMA 的前向信道功率要分配给前向导频信道 同步信道 寻呼信道和各个业务信道的前向信道功率要分配给前向导频信道 同步信道 寻呼信道和各个业务信道 基站 需要调整分配给每一个信道的功率 使处于不同传播环境下的各个移动台都得到足够的信号能量 11 80 前向功率控制的目的就是实现合理分配前向业务信道功率前向功率控制的目的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 也就是使前向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 前向功控的原理如下图所示 图 1 13 前向功控的原理图 移动台通过 Power Measurement Report Message 上报当前信道的质量状况 上报周期内的 坏帧数 总帧数 BSC 据此计算出当前的 FER 与目标 FER 相比 以此来控制基站进行前向功率 调整 3 1X1X 中的前向快速功率控制中的前向快速功率控制 CDMA 系统的实际应用表明 系统的容量并不仅仅是取决于反向容量 往往还受限于前向链 路的容量 这就对前向链路的功率控制提出了更高的要求 前向快速功率控制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 相邻基站相邻基站 扇区产生的干扰最小 也就是使前向信道的发射功率在满足移动台解调最小需求信噪比扇区产生的干扰最小 也就是使前向信道的发射功率在满足移动台解调最小需求信噪比 的情况下尽可能小的情况下尽可能小 通过调整 既能维持基站与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 前向快速功率控制分为前向快速功率控制分为前向外环前向外环功率控制功率控制和和前向闭环前向闭环功率控制功率控制 在外环使能的情况下 两种 功率控制机制共同起作用 达到前向快速功率控制的目标 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 原理图如下图 所示 12 80 图 1 14 前向快速功率控制原理 4 反向功控反向功控 在在 CDMA 系统的反向链路中引入了功率控制 通过调整用户发射机功率 使各用户不论在系统的反向链路中引入了功率控制 通过调整用户发射机功率 使各用户不论在 基站覆盖区的什么位置和经过何种传播环境 都能保证各个用户信号到达基站接收机时具有相同基站覆盖区的什么位置和经过何种传播环境 都能保证各个用户信号到达基站接收机时具有相同 的功率的功率 在实际系统中 由于用户的移动性 使用户信号的传播环境随时变化 致使每时每刻到 达基站时所经历的传播路径 信号强度 时延 相移都随机变化 接受信号的功率在期望值附近 起伏变化 反向功率控制包括三部分反向功率控制包括三部分 开环功率控制开环功率控制 闭环功率控制闭环功率控制和外环功率控制外环功率控制 在实际系统中 反向功率控制是由上述三种功率控制共同完成的在实际系统中 反向功率控制是由上述三种功率控制共同完成的 即首先对移动台发射功率 作开环估计 然后由闭环功率控制和外环功率控制对开环估计作进一步修正 力图做到精确的功 率控制 1 反向开环功控 反向开环功控 CDMA 系统的每一个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 这就是开环功率控制 开环功率控制简单 直接简单 直接 不需在移动台和基站之间交不需在移动台和基站之间交 换控制信息换控制信息 同时控制速度快并节省开销 反向开环功控的原理如下图所示 13 80 B 图 1 15 反向开环功控的原理图 2 反向闭环功控 反向闭环功控 反向闭环功控正又分为反向闭环功控正又分为内环内环和和外环外环两部分两部分 内环内环指基站接收移动台的信号后 将其强度与一指基站接收移动台的信号后 将其强度与一 门限 下面称为门限 下面称为 闭环门限闭环门限 相比 如果高于该门限 向移动台发送 相比 如果高于该门限 向移动台发送 降低发射功率降低发射功率 的功率控的功率控 制指令 否则发送制指令 否则发送 增加发射功率增加发射功率 的指令的指令 外环外环的作用是对内环门限进行调整 这种调整是根的作用是对内环门限进行调整 这种调整是根 据基站所接收到的反向业务信道的指令指标 误帧率 的变化来进行的据基站所接收到的反向业务信道的指令指标 误帧率 的变化来进行的 通常 FER 都有一定的目 标值 当实际接收的 FER 高于目标值时 基站就需要提高内环门限 以增加移动台的反向发射功 率 反之 当实际接收的 FER 低于目标值时 基站就适当降低内环门限 以降低移动台的反向发 射功率 最后 在基站和移动台的共同作用下 使基站能够在保证一定接收质量的前提下 让移 动台以尽可能低的功率发射信号 以减小对其它用户的干扰 提高容量 反向闭环功控原理如下 所示 图 1 16 反向闭环功控原理图 1 5 2 软切换软切换 1 导频集导频集 导频信号导频信号 可用一个导频信号序列偏置和一个载频标明 一个导频信号集的所有导频信号 具有相同的 CDMA 载频 移动台搜索导频信号以探测现有的 CDMA 信道 并测量它们的强度 当移动台探测了一个导频信号具有足够的强度 但并不与任何分配给它的前向业务信道相联系时 它就发送一条导频信号强度测量消息至基站 基站分配一条前向业务信道给移动台 并指示移 动台开始切换 业务状态下 相对于移动台来说 在某一载频下 所有不同偏置的导频信号被分 FER 移移动动台台BTS BSC 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 Signal Strength Measurement 门门限限值值 or 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 FER 移移动动台台BTS BSC 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 Signal Strength Measurement 门门限限值值 or 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 制 14 80 类为如下集合 有效导频信号集 有效导频信号集 所有与移动台的前向业务信道相联系的导频信号 候选导频信号集 候选导频信号集 当前不在有效导频信号集里 但是已经具有足够的强度 能被成功解调的 导频信号 相邻导频信号集 相邻导频信号集 由于强度不够 当前不在有效导频信号集或候选导频信号集内 但是可能 会成为有效集或候选集的导频信号 剩余导频信号集 剩余导频信号集 在当前 CDMA 载频上 当前系统里的所有可能的导频信号集合 PILOT I NCs 的整数倍 但不包括在相邻导频信号集 候选导频信号集和有效导频信号集里的导频信号 图 1 17 软切换的导频集 2 软软切换切换 1 软切换的概念 软切换的概念 所谓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所谓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 是CDMA移动通信系统所特有的 以往的系统所进行的都是硬切换 即先中断与原基站的联系 再在一指定时间内与新基站取得联系 软切换只能在相同频率的CDMA信道间进行 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 软切换软切换有以下几种方式 有以下几种方式 同一BTS内相同载频不同扇区之间的切换 也就是通常说的更软切换 softer handoff 同一BSC内不同BTS之间相同载频的切换 同一MSC内 不同BSC的之间相同载频的切换 2 软切换的优点 软切换的优点 FDMA TDMA 系统中广泛采用硬切换技术系统中广泛采用硬切换技术 当硬切换发生时 因为原基站与新基的载波频 率不同 移动台必须在接收新基站的信号之前 中断与原基站的通信 往往由于在与原基站链路 切断后 移动台不能立即得到与新基站之间的链路 会中断通信 另外 当硬切换区域面积狭窄 时 会出现新基站与原基站之间来回切换的 乒乓效应 影响业务信道的传输 在 CDMA 系统中 提出的软切换技术 与硬切换技术相比 具有以下更好的优点 与硬切换技术相比 具有以下更好的优点 软切换发生时 移动台只有在取得了与新基站的链接之后 才会中断与原基站的联系 通信软切换发生时 移动台只有在取得了与新基站的链接之后 才会中断与原基站的联系 通信 15 80 中断的概率大大降低 中断的概率大大降低 软切换进行过程中 移动台和基站均采用了分集接收的技术 有抵抗衰落的能力 不用过多软切换进行过程中 移动台和基站均采用了分集接收的技术 有抵抗衰落的能力 不用过多 增加移动台的发射功率 同时 基站宏分集接收保证在参与软切换的基站中 只需要有一个增加移动台的发射功率 同时 基站宏分集接收保证在参与软切换的基站中 只需要有一个 基站能正确接收移动台的信号就可以进行正常的通信 由于通过反向功率控制 可以使移动基站能正确接收移动台的信号就可以进行正常的通信 由于通过反向功率控制 可以使移动 台的发射功率降至最小 这进一步降低移动台对其它用户的干扰 增加了系统反向容量 台的发射功率降至最小 这进一步降低移动台对其它用户的干扰 增加了系统反向容量 进入软切换区域的移动台即使不能立即得到与新基站通信的链路 也可以进入切换等待的排进入软切换区域的移动台即使不能立即得到与新基站通信的链路 也可以进入切换等待的排 队队列 从而减少了系统的阻塞率队队列 从而减少了系统的阻塞率 软切换示意图如下图1 18所示 图 1 18 软切换示意图 3 更软切换 更软切换 更软切换是指发生在同一基站下不同扇区之间的切换更软切换是指发生在同一基站下不同扇区之间的切换 在基站收发机 BTS 侧 不同扇区 天线的接收信号对基站来说就相当于不同的多径分量 由 RAKE 接收机进行合并后送至 BSC 作 为此基站的语音帧 而软切换是由 BSC 完成的 将来自不同基站的信号都送至选择器 由选择器 选择最好的一路 再进行话音编解码 图 1 19 更软切换示意图 软切换和更软切换的区别如下图 1 20 所示 16 80 图 1 20 软切换与更软切换的区别 由图可以看出 软切换由 BSC 帧处理板进行选择合并 更软切换不同分支信号在 BTS 分集 合并 3 硬切换硬切换 当移动台从一个基站的覆盖范围移动到另外一个基站的覆盖范围 通过切换移动台保持与基 站的通信 硬切换硬切换是在呼叫过程中 移动台先中断与原基站的通信 再与目标基站取得联系 发是在呼叫过程中 移动台先中断与原基站的通信 再与目标基站取得联系 发 生在分配不同频率或者不同的帧偏置的生在