CDMA 基本原理

CDMA 码分多址 CodeDivisionMultipleAccess利用不同的编码序列识别不同用户 即使用不同的信号波形区分不同的用户CDMA的基础扩频通信技术多址技术 CDMA基本原理 基本概念 扩频通信技术扩频通信的基本概念扩频通信的理论基础数字信号扩频原理扩频的实现方法 CDMA基本原理 扩频通信 扩频通信SS SpreadSpectrum 指扩展频谱的通信扩频通信定义扩频通信技术是一种信息传输方式 发端采用扩频码调制 使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽收端采用与发端相同的扩频码进行相关解调和解扩 恢复所传信息数据 扩频通信的基本概念 发送信息的频谱被展宽发送的信息通过扩频 将信号能量扩展到很宽的频带上 使扩频通信的信号带宽与信息带宽之比则高达l00 1000 属于宽带通信 扩频方法 扩频码序列调制数字脉冲信号宽度越窄 其频谱就越宽 如果很窄的脉冲序列被所传信息调制 则可产生很宽频带的信号 该窄脉冲序列称为扩频信号 即扩频码序列 接收端相关解调解扩接收端则用与发送端完全相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解扩 恢复所传信息 扩频通信定义的三个概念 问题的提出 在传统的通信系统中 我们总是想方设法使信号所占频谱尽量窄 以充分提高十分宝贵的频率资源的利用率 那么为什么还要用宽频带信号来传输窄带信息呢 扩频通信理论基础 问题的回答 为了通信的安全可靠 提高抗干扰能力和系统容量 扩频通信的理论基础为信息论和抗干扰理论 利用扩频实现码分多址方式 在传统的TDMA和FDMA之外又提供了一种新的多址方式 扩频通信是以信息论的仙农 Shanon 公式理论发展起来的一种通信方式 仙农公式 C Blog2 1 S N C为信道容量 单位为b s B为传输的信号频带宽度 单位为Hz S为信号平均功率 N为噪声平均功率 仙农公式反映的重要结论 频带B和信噪比可以互换 增加信号的频带宽度 可在较低的信噪比的条件下以任意小的差错概率来传输信息 采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱的方法可以换取信噪比上的好处 扩频通信理论基础 信息传输差错概率的公式Pe f E n0 Pe是信号能量E与噪声功率谱密度n0之比的函数信号的传输差错概率是输入信号的信噪比和信号带宽与信息带宽之比二者乘积的函数再次说明看出信噪比和带宽是可以互换的 同样说明了通过增加带宽可换取信噪比的好处 扩频通信理论基础 数字信号的波形与频谱幅度为 1 持续时间为Tb的数字矩形脉冲R t 经Fourier变换后的频谱为是sinx x类型的函数 数字信号扩频原理 第1零点位于1 Tb 表示该信号的能量集中在第1零点内 它所占的频带宽度与Tb的大小相关 当脉冲越宽 其频谱带宽越窄 幅度为 1和 1 持续时间为Tb的周期性脉冲R t 其频谱包络的形状与单矩形脉冲完全一样 第1零点处的频率正好为该周期性脉冲的传输速率1 Tb 数字信号扩频原理 扩展周期性脉冲的频谱方法将频谱的1 Tb第1零点向无限远推 即增大1 Tb的值 减小数字脉冲的持续时间 缩小Tb的值 减小Tb值等价于提高数字信号的传输速率1 Tb 扩展了信号的频谱 数字信号扩频原理 数字信号扩频过程高速数字码序C t 对用户低速信息数据调制低速信息数据的脉冲持续时间为Tb 其时间长度是TC的N倍 Tb N TC高速码序C t 乘上信息数据d t 最后得到的信号y t 频谱与高速码序的频谱相同 起到频谱扩展的作用 y t di t Ci t 数字信号扩频原理 接收的信号为 yr t di t Ci t 解扩输出信号dr t yr t Ci t di t Ci t Ci t di t 数字信号扩频原理 扩频解调器利用本地地址码的相关性作解扩处理 有用信号频谱被恢复为窄带谱 窄带干扰信号则在解扩过程中被扩展成为宽带谱 解调后有用信号为窄带谱 无用信号和干扰为宽带谱 可以借助于解调后滤波器去除带外的无用信号 带内的信噪比就可以大大提高 起到了抑制干扰和无用信号的目的 扩频抗干扰原理 扩频增益扩频系统的抗干扰性能 Bw Bs定义 GP Bw Bs扩频系统的处理增益 反映了扩频系统信噪比的改善程度 抗干扰容限M Gp L S N0 o 物理意义 正常通信条件下 系统能承受的干扰高出信号的分贝数 CDMA数字蜂窝移动通信系统正常工作的最低信噪比要求为7dB 扩频增益与抗干扰容限 DS SS 直接序列扩频发端直接用高速码序列去扩展输入信息的带宽FH 跳频用扩频码序列去进行频移键控调制 使载波频率不断地跳变 发端信息码序列与扩频码序列组合构造的不同码字控制频率合成器 使其输出频率根据码字的改变而改变 形成了频率的跳变 TH 跳时用一定码序列进行选择的多时片时移键控 时间轴分为多个时片 哪个时片发射信号由扩频码序列进行控制 由于发送信号采用的时片很窄 也就展宽了信号的频谱 扩频的实现方法 CDMA多址方式 FDMATDMACDMA CDMA多址方式的特征不同的高速扩频码作为不同用户的地址码序列地址码相互正交CDMA信号在频率 时间和空间上重叠 具有抗干扰和抗多径衰落的能力系统容量大不需要复杂的频率分配和管理软容量和小区呼吸功能软切换无需均衡器安全 保密设备简单存在多址干扰和远近效应 码分多址通信系统的特点 地址码选择功率控制软切换分集技术智能天线多用户检测 CDMA关键技术 地址码选择功率控制软切换分集技术智能天线多用户检测 CDMA关键技术 基本概念地址码技术影响系统抗多址干扰 抗多径衰落能力CDMA数字移动通信系统使用地址码进行扩频地址码要求 扩频后的信号具有良好的随机特性和相关性能 地址码序列具有随机信号的特性 即具有白噪声的性能 伪随机序列PN PseudoNoise 近似随机序列或噪声的一种周期性序列接收端必须使用与发端相同的编码序列作为地址码真正的随机序列或噪声是不可能重复产生的 地址码技术 伪随机码的特点尖锐的自相关特性和较好的互相关特性同一码组内的各码占据的频带宽且相等互相关值不是处处为零伪随机码家族m序列Golden序列M序列R S码复合码等 伪随机序列PN m序列 最长线性反馈移位寄存器序列 m序列组成 n级移位寄存器 适当的抽头反馈和模2加法器 N级移位寄存器产生的最大长度的码序列 P 2n 1位n级移位寄存器 2n 1个状态 除去全零状态 生成多项式Gn x C0X0 C1X1 C2X2 CnXn m序列概念 T0010T1101T2110T3111T4011T5001T6100T7010 m序列举例 生成多项式 G3 x 1 X2 X3 输出序列 0111001长度和重复周期 P 23 1 7 码的平衡性好一个周期内 1 和 0 的个数大体相同 1比0多1个 m序列与其移位后的序列模2加所得的序列仍为m序列 但相位不同举例 0111001向左移两位再模2加所得序列仍为m序列 相位移了一位 m序列特性 长度为k的游程占总游程的1 2k 1 k n 2 一个m序列的周期为 P 2n 1 在该周期内共有2n 1个游程长度为1的 单个 0 或单个 1 游程占总游程的1 2长度为2 00或11 的游程占总游程的1 2长度为3 000或111 的游程占总游程的1 8两个游程例外 n 1 个连 0 的游程n个连 1 的游程 m序列特性 自相关性表征信号与其自身延迟 后二者的相似性二者在时间上不完全重叠 0 乘积的积分为0 二者在时间上完全重叠 0 自相关函数值为一常数 m序列具有近似理想的自相关性 m序列特性 m序列的自相关性考察某个m序列与其后移 位的序列的相似性A 0的个数 相对应码元相同的数目 D 1的个数 相对应码元不同的数目 P A D 序列周期长度 m序列特性 互相关性表征两个不同信号的相似性两个不同的信号序列的互相关值越接近0 两个序列的差别越大 即相关性越弱 两个信号的互相关值等于0时 两个信号完全正交不同m序列的互相关值不等于0 且呈现多值性 m序列特性 不同相位的m序列产生 不同相位的m序列产生 一种m序列的复合码将周期相等 并经过优选的两个m序列进行模2加组合形成新的序列 2n 1个Gold序列两个m序列共有2n 1不同的相对位移两个产生Gold序列的m序列优选对WCDMA使用Gold序列作为扰码 上行25阶 下行18阶 Gold序列 一种非正弦的完备正交函数系两种取值 1 1或0 1 沃尔什函数族中 两两之间的互相关函数为 0 它们之间是完全正交的 沃尔什函数的产生哈达码矩阵H l和 l元素构成的正交方阵H中任意两行或两列这些函数互相正交一般关系式 Walsh 沃尔什 函数 8阶沃尔什函数波形 地址码选择功率控制软切换分集技术智能天线多用户检测 CDMA关键技术 WCDMA功率控制 功率控制原因 码分多址干扰CDMA系统是一个自干扰系统 WCDMA采用宽带扩频技术 所有信号共享相同频谱 每个移动台的信号能量被分配在整个频带范围内 这样对其它移动台来说就成为宽带噪声 如为了提高某个用户的信号质量而提高发射功率 则可能带来其他用户的质量的降低 远近干扰无线环境的阴影 多径衰落和远距离损耗影响 移动台在小区内的位置随机性 导致路径损耗大幅度变化 使用CDMA技术的各小区采用相同频率 理论上各用户分配的地址码是正交的 实际很难做到 造成各信道间的干扰 从而不可避免地引起严重的 远近干扰 WCDMA功率控制 功率控制目的 在保证用户要求的QoS的前提下 最大程度地降低发射功率 减少系统干扰 增加系统容量 WCDMA功率控制 功率控制的分类开环功率控制闭环功率控制内环功率控制外环功率控制前向功率控制反向功率控制 WCDMA功率控制 开环功率控制WCDMA随机接入信道PRACH是唯一只采用开环功率控制的 UE的发射功率估算 PRACH Lperch IBTS 常数PRACH 移动台初始发射功率 dBm Lperch 路径损耗 dB UE从广播信道上获知基站公共导频信道的发射功率 然后测量接收该导频信号强度 估计路径损耗 IBTS BTS处的上行链路干扰信号功率 dBm 由广播信道获得 常数 接收所需的SIR和调整值 调整上下行的不平衡 由运营者决定 WCDMA功率控制 闭环功率控制与快速功率控制对于WCDMA FDD系统 上下行频段间隔较大 上下行的快衰落情况完全不相关 开环功率控制根据下行信号所得的路径损耗的估计对于上行情况来说是很不准确的 解决上下行链路估计差错问题的方法就是引入快速闭环功率控制 闭环功率控制就是对通信期间的上下行链路进行快速功率调整 以便链路质量收敛于目标SIR 在GSM系统 手机每480ms上报一次测量报告 功控的最快频度不超过每秒2次 GSM只能通过系统跳频对抗快衰落 WCDMA采用快速功控 功控速度为1 5KHz 高于快衰落 从而保证了慢速运动时的移动台接收质量 WCDMA功率控制 内环功率控制上行内环功率控制调整UE的发射功率 使基站接收到的上行链路的SIR保持在一个给定的目标值SIR附近 而SIR则是由外环功率控制分别调整 基站对上行链路进行测量得到信噪比估计值SIRest 然后根据以下规则产生TPC命令 SIRest SIRtarget TPC命令为 0 要求降低发射功率SIRest SIRtarget TPC命令为 1 要求增加发射功率 WCDMA功率控制 外环功率控制外环功率控制是通过动态调整内环功率控制的SIRtarget值 使通信质量始终满足BER或FER值要求 无线信道的复杂性 仅根据SIR值进行功控并不能真正反映链路质量 不同性质的用户所需的SIR也不同 如静止用户 低速用户 移动速率3km h 和高速用户 移动速率50km h 在保证相同的FER的基础上 对SIR的要求也不同 FER BLER BER决定了最终的通信质量 因此有必要根据实际的FER BLER值动态调整SIR目标值 外环功率控制算法 FER测量 FER目标值 提高SIRtarge一个规定的步长FER测量 FER目标值 降低SIRtarge一个规定的步长 WCDMA功率控制 地址码选择功率控制软切换分集技术智能天线多用户检测 CDMA关键技术 切换概念定义 指将一个正在进行的呼叫从一个小区转移到另一个小区的过程 即呼叫通信时的服务小区改变过程 切换分类按MS与网络之间连接建立释放的情况 划分切换类型 硬切换 硬切换过程中业务信道有瞬时中断的现象软切换 软切换过程中当移动基站开始与一个新基站联系时 并不立即中断与原基站之间的通信 更软切换 一个基站内小区间的软切换 WCDMA软切换 软切换概念相同频率的CDMA信道间的切换 软切换时 移动台在中断与旧小区的联系前 先用相同频率建立与新小区的联系 移动台可以同时与几个小区的基站进行通信 然后系统根据与各个基站通话的质量 选择误帧率低 信号质量好的信号传送给CN 软切换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 软切换与硬切换的区别 WCDMA软切换 WCDMA软切换处理方式 上下行采用不同的处理方式MS 最大比合成 MRC RNC 帧选择 软切换与更软切换的区别更软切换发生在同一个NodeB里 分集信号在NodeB做最大增益比合成 软切换发生在两个NodeB之间 分集信号由RNC做选择合并 硬切换类型包括同频 异频和异系统三种情况 FDD频间切换FDD TDD切换3G到2G的切换 WCDMA与GSM的切换 注意 同频之间不一定是软切换 不存在Iur接口的不同RNC之间小区的同频间切换也为硬切换 WCDMA软切换 IntraNodeBIntraNodeB IntraCell IntraNodeB InterCell InterNodeBInterNodeB IntraRNS InterNodeB InterRNSwithIur InterNodeB InterRNSwithoutIur InterURAN differentURANtypes InterCN sameURANtypes InterCN differentURANtypes InterCN differentCN URANtypes IntraCN UTRAN GSM GPRS WCDMA软切换 切换典型过程测量控制 测量报告 切换判决 切换执行 新的测量控制 测量控制阶段 网络通过发送测量控制消息告诉UE进行测量的参数 测量报告阶段 UE给网络发送测量报告消息 切换判断阶段 网络根据测量报告作出切换判断 切换执行阶段 UE和网络走信令流程 并根据信令消息作出响应动作 WCDMA越区切换过程 测量类型 六类内容 测量识别号 UTRAN修改或释放测量时以及在UE的测量报告中将要使用的参考号 测量命令建立 建立一个新的测量 修改 修改以前定义的测量 例如改变报告的准则 释放 停止测量 清除在UE中与该测量有关的所有信息 测量目标 UE的测量目标和对应的目标信息 WCDMA越区切换测量控制 测量数量 UE应测的数量 同时包括测量的过滤 报告量 UE应包括在报告中的数量 测量报告准则 测量报告的触发准则 如周期性的或时间触发 报告模式 指定UE是使用RLC的应答还是非应答数据传输模式发射测量报告 UTRAN发送的测量控制消息内容 UE测量类型频内测量 在与激活集频率相同的下行物理信道上进行测量 频间测量 在与激活集频率不同的下行物理信道上进行测量 系统间测量 在非UTRAN的另一个无线接入系统 如GSM的下行物理信道上进行的测量 业务量测量 上行链路业务量的测量 质量测量 质量参数 如下行链路传输分组差错率 测量 内部测量 UE发射功率和UE接收信号电平的测量 WCDMA软切换 软切换采用移动台辅助切换软切换是无缝切换软切换减小掉话或呼叫中断概率软切换移动台通过分集接收提高传输质量 减少发送功率软切换需要占用更多的信道资源软切换增加了设备的复杂性 软切换特点 导频 PILOT PN 基站发射用作为移动台起导引作用的信号 IS 95的导频集的概念 有效导频集 候选导频集 相邻导频集 剩余导频集 导频集 IS 95软切换实现 概念UE中将测量小区导频分成三类 ActiveSet 激活集 该导频集对应的小区正与UE进行通信 在UE处被同时解调和相关合并 在FDD模式 就是软切换和更软切换中与UE进行通信的小区 MonitoredSet 监视集 除了ActiveSet外 UE需要监测的邻区 DetectedSet 检测到集 UE监测到的所有小区 WCDMA导频集 WCDMA软切换实现 小区2的导频信号强度逐渐增强到 最好导频Ec I 报告门限 增加滞后门限 并维持 T时间 如此时有效集没有满 小区2被加入到有效集 该项动作也被称为无线链路的增加 小区3的信号强度逐渐增强并超过最早的小区1的信号强度 在小区3的导频 最好候选导频 强度Ec I 达到 最弱导频E