第5章IS-95CDMA到cdma2000的发展及技术应用.ppt

移动通信技术(第2版),第5章IS-95CDMA到cdma2000的发展及技术应用,第5章IS-95CDMA到cdma2000的发展及技术应用,内容IS-95CDMA网络结构及基本原理IS-95CDMA的无线接口及关键技术IMT2000的系统组成CDMA2000的网络演进CDMA2000的无线接口及关键技术,第5章IS-95CDMA到cdma2000的发展及技术应用,重点码分多址技术、扩频通信基本原理IS-95CDMA与CDMA2000的关键技术及信道结构难点码分多址技术基本原理IS-95CDMA与CDMA2000的关键技术及无线链路信道结构目的和要求掌握3G的标准及相关基本概念掌握码分多址技术与扩频通信基本原理理解IS-95CDMA与CDMA2000的关键技术及信道结构,第5章IS-95CDMA(CMS),CDMA系统组成及网络结构码分多址技术基本原理CDMA和扩频通信系统的结合CDMA中地址码和扩频码的选择上、下行链路工作原理CDMA中的关键技术无线接口CMS的移动功能结构,模拟系统的缺点设备体制混杂制式混杂业务种类单一频率利用率低容量小安全性、保密性差手机体积大，电池充电后有效工作时间短,5.1CDMA系统组成及网络结构,典型的数字蜂窝移动通信网络结构系统组成网络子系统NSS（或交换子系统SS）MSCHLR、VLR、AUC、EIR基站子系统（BSS）BSCBTS操作维护子系统（OSS）移动台子系统（MS）,5.1CDMA系统组成及网络结构,1.网络子系统NSS,功能：系统交换（MSC）用户数据管理（HLR）移动性管理（VLR）安全性管理（AC）移动设备管理（EIR）,MSC：电话交换功能-核心功能呼叫建立，路由选择，控制、终止呼叫交换区内切换业务提供，费用信息信令及网络接口类型：普通MSC网关MSC（GMSC）-选路汇接MSC（TMSC）-汇接,1.网络子系统NSS,HLR：存所有被管理用户的数据-静态数据库功能：用户数据管理存储信息：用户信息（入网、业务）位置信息（LAI）号码：MDN（GSM中为MSISDN）、IMSIVLR：临时存储进入被控区域的移动用户的信息-动态数据库功能：移动性管理用户离开时，信息即被删除,1.网络子系统NSS,EIR：存移动设备的ESN功能：防止非法设备入网使用比较白、灰、黑名单移动设备管理AC：存鉴权信息和加密密钥等用于安全方面的信息功能：安全性管理注：HLR/ACMSC/VLR,1.网络子系统NSS,组成：无线信号收发（BTS）无线资源管理（BSC）BSC：功能：各种接口管理，无线资源和无线参数管理如：切换定位、时间确定；功率控制；时间提前量确定BTS：功能：提供与MS的接口及无线链路由BSC控制并服务于某小区的无线收发设备，完成信道转接，与MS间无线传输及相关控制,2.基站子系统BSS,功能：操作控制、维护管理主要管理项目及功能单元：移动用户管理-HLR计费管理-MSC、GMSC移动设备管理-EIR移动网络管理-OMCOMC：网络监视、操作无线规划交换系统管理性能管理,3.操作维护子系统OSS,MS：提供用户接入系统的接口用户设备：手机、车载台、MTMS=ME+UIM(GSM中为SIM)移动台必须插入UIM才能正常呼叫在紧急呼叫时可不插UIM如：119、120、110、122、112,4.移动台MS,5.2码分多址技术基本原理,码分多址用相互正交的编码区分不同的用户、基站、信道,1.码分多址方式,发端：地址调制收端：地址解调（地址码：与发端完全相同）利用码型的正交性,2.码分多址技术基本原理,假设系统有4个用户，地址码分别为：W1=1，1，1，1，W2=1，-1，1，-1，W3=1，1，-1，-1，W4=1，-1，-1，1；在某一时刻的用户信息为：d1=1，d2=-1，d3=1，d4=-1,2.必备条件,足够多的地址码，地址码必须正交或准正交收端地址码与发端地址码完全一致(包括码型和相位)码分多址必须和扩频通信相结合，提高系统的抗干扰能力,5.3CDMA和扩频通信系统的结合,直接序列扩频通信系统跳频扩频通信系统,5.3.1直接序列扩频通信系统,简称直扩系统DS，又称伪噪声扩频系统发端：用伪码与信息直接相乘实现扩频,直扩系统与CDMA的结合,方式一,方式二,5.3.2跳频扩频通信系统,FH系统的抗干扰原理,5.4CDMA中地址码和扩频码的选择,地址码和扩频码的重要性理想编码的特性Walsh码m序列Gold序列IS-95CDMA中地址码的应用,地址码和扩频码的重要性,地址码和扩频码的生成及特性对系统的性能具有决定性的作用系统的多址能力；抗干扰、抗噪声、抗截获能力及多径保护和抗衰落能力；信息数据的保密；捕获与同步的实现,理想编码的特性,理想的地址码和扩频码应具有的特性有足够多的地址码有尖锐的自相关性有处处为零的互相关性不同码元数平衡相等尽可能大的复杂度,实际作用的地址码与扩频码理想的地址码和扩频码不存在Walsh码是正交码，具有良好的自相关性和处处为零的互相关性，但由于码组内各码所占频谱带宽不同等原因，不能作扩频码使用常作扩频码的是伪随机序列真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生用一种周期性的脉冲信号近似随机噪声的性能PN具有类似白噪声的特性被用作扩频码PN准正交会使系统性能受到一定的影响常用的PN：m序列和Gold序列,5.4.1Walsh码,正交码-常用作信道地址码产生-哈德码矩阵（walsh函数）哈德码矩阵为2n2n方阵2n为walsh码的阶数：表示有2n个2n位的walsh码,5.4.2m序列,m序列伪随机码概念m序列是最长线性移位寄存器序列m序列是一个伪随机序列，按一定规律周期性变化，具有随机噪声类似的特性周期是P=2n-1，n是移位寄存器级数产生例：n=3（3级移位寄存器）构成,特性随机性m序列和其移位后的序列模二加所得仍为m序列，只是相位不同m序列发生器中移位寄存器的各种状态除全“0”外，在一个周期中只出现一次相关性：自相关性互相关性,5.4.3Gold序列,概念：m序列的组合码，具有类似m序列优选对的相关性。Gold序列构造简单，数量大（m序列优选对特性好，但数量少）Gold序列产生m序列优选对逐位模二加得到改变一个m序列的相位，可得到新的Gold序列,5.4.4S-95CDMA中地址码的应用,用户地址码长m序列截段码，码长42位数量242-1根据码的不同相位区分用户基站地址码中长m序列截段码，码长15位数量215-1根据码的不同相位区分基站信道地址码64阶walsh码（64个64位的walsh码）前向信道（下行）：64个反向信道（上行）：64个,前向信道导频信道W0（全“0”）：1个寻呼信道W1W7：7个同步信道W32：1个业务信道：55个反向信道接入信道：最多32个，最少0个业务信道：最少32个，最多64个,5.4.5直接序列扩频通信系统的同步,载波同步位同步帧同步伪码同步-CDMA中特有,5.5上、下行链路工作原理,无线信道下行链路（前向：BTS发往MS）上行链路（反向：MS发往BTS）,5.5.1下行链路,以3个移动用户同时通信(接收)为例,z1,z2,z3,BTS发往用户A的信息：,BTS发往用户B的信息：,BTS发往用户C的信息：,BTS合路后的输出信号：,用户A接收射频解调后信号处理：,5.5.2上行链路,以3个移动用户同时通信(发射)为例,5.6CDMA中的关键技术,功率控制技术分集技术调制与扩频语音编码越区切换,5.6.1功率控制技术,反向链路的功率控制反向开环功率控制反向闭环功率控制前向链路的功率控制功率控制的应用,功控原因,CDMA系统是一个自干扰系统，通信质量和容量受限于收到干扰功率的大小。在CDMA中解决远近效应，同时避免对其他用户的过大干扰，必须严格功率控制主要执行对MS的功率控制,CDMA系统中的功率控制：,反向开环功率控制,概念前提条件：假设上下行传输损耗相同概念：MS接收并测量BTS发来的信号的强度，估计下行传输损耗，MS根据估计值自行调整其发射功率。完全自主的功率控制开环功控响应时间常选为：2030ms反映太慢：开机或遇到阴影、拐弯效应时，起不到作用反映太快：会由于前向链路的快衰落而浪费功率开环功控的动态范围：至少32dB,开环功率控制的方法及过程刚进入接入信道（闭环功控未激活）时，MS计算平均输出功率，发射第一个试探序列。其后的试探序列不断增加发射功率，增加步长为PWRSTEP，直到收到BTS发回一个响应或序列结束。当MS收到一个功率控制比特，表示系统进入闭环功控开环功控的特点简单，易实现控制速度快，且节省开销,反向闭环功率控制,概念：由BTS检测MS的信号强度或信噪比，测得结果与预定值比较后，产生功率调整指令，并通知MS，MS收到后调整其发射功率到所需值。目的：使BTS对MS的开环功控作出迅速纠正，使MS保持最理想的发射功率。,功率控制子信道的结构和替代MS根据在前向业务信道上收到的有效功率控制比特调整其平均输出功率。功率控制比特连续发送，速率为1.25ms/bit（即800bit/s）“0”：指示增加功率“1”：指示减小功率每个功控比特使MS增加或减小功率1dB,替代-符号抽取技术每个功控比特替代两个调制符号在前向业务信道上传送。形成功率控制子信道,有效功控比特紧随MS发射时隙后的第二个1.25ms时隙内收到的功控比特有效。非连续发射中，发射机关掉时MS收到的功率比特忽略。软切换时，MS可能收到既有上调，又有下降的功控指令，执行下降指令。功控范围：24dB（在开环功控基础上）,前向功率控制,概念：BTS根据MS提供的测量结果，调整对每个MS的发射功率。目的：是使处于不同位置上的MS，收到BTS发为的信号电平都恰好到达信干比所要求的门限值。作用：可避免BTS向近距离的MS发过大信号功率；可减小MS进入传播条件恶劣或背景干扰过大区域而产生较大的误码率，导致通信质量下降。功控范围：6dB,功率控制的应用,例：,5.6.2分集技术,IS-95CDMA中分集技术的应用RAKE接收机,分集技术的作用：增强抗衰落能力含义：分散传输；集中合并处理依据：衰落特性相互独立（针对某一特征量）类型宏分集（减小慢衰落影响）：多基站分集（软切换时）微分集（减小快衰落影响）：空间分集（路径分集）；场分量分集；极化分集；频率分集；角度分集；时间分集合并（收端处理）选择式合并（最差）最大比值合并（最佳）等增益合并（其次）,（1）分集技术在IS-95CDMA中的应用,分集技术（微分集）时间分集频率分集空间(路径)分集合并技术：等增益合并,(2)RAKE接收机,概念利用多个并行相关器检测多径信号，按照一定准则合成一路信号供解调。一般分集技术把多径信号作为干扰RAKE接收机利用多径信号增强信号例：发端TX发出的信号经N条路径到达收端RX,5.6.3调制与扩频,以下行为例发端：先正交扩频，再正交调制收端：先解调，再解扩正交调制：QPSK调制,5.6.4语音编码,数字通信必用编码技术：信源编码和信道编码CDMA中的语音编码：QCELPQualcomm码激励线性预测编码发端：编码；收端：解码,QCELP,语音编码过程语音按8KHz抽样，分成20ms长的帧，每一帧含160个抽样，生成三参数子帧（线性预测编码滤波器参数、音调参数、码表参数）语音解码过程从数据流中解包得到接收的参数，根据这些参数重组语音信号速率可变,数据速率的选择依据：数据速率基于每一帧的能量与三个门限值比较确定方法：若R(0)大于所有三个门限-选速率1若R(0)仅大于其中两个门限-选速率1/2若R(0)仅大于其中一个门限-选速率1/4若R(0)小于所有三个门限-选速率1/8规则：数据速率每帧只许降一个级别当采用半速率技术时，最高只能选速率1/2每一帧速率确定前，三个门限先分别更新一次。,5.6.5越区切换,同一载频、同一MSC下的小区间的软切换同一载频在同一基站扇区间的更软切换不同载频或不同MSC下小区间的硬切换CDMA与AMPS系统间的切换（*美国：数、模系统间的切换）,软切换,专业术语导频：导频信道导频集合：具有相同频率但不同PN码相位的导频集。有效导频集候选导频集相邻导频集剩余导频集,软切换过程,当BTSb的导频强度达到TADD，MS在反向业务信道上发消息，将该导频纳入候选导频集BTSa在前向业务信道上发切换指示MS将BTSb导频转入有效导频集并发送一个切换完成消息当BTSa的导频强度低于TDROP时，MS启动切换去掉计时器切换去掉计时器到期，MS发导频强度测量报告给BTSa和BTSbBTSa和BTSb发切换指示消息MS将BTSa导频从有效导频集移到相邻导频集，并发送切换完成消息。,几点说明,更软切换由BTS完成，不通知MSC不同扇区的信号被视为多径信号切换可以组合出现同时既有软切换又有硬切换，优先执行软切换；也可能既有软切换，又有更软切换不同MSC上的BTS间只能执行硬切换多载频工作时，不同的BTS间采用硬切换,5.7无线接口,前向信道1个导频信道；7个寻呼信道；1个同步信道；55个前向业务信道反向信道最多32个，最少0个接入信道最多64个，最少32个反向业务信道,5.7.1前向信道信号处理过程,5.7.2反向信道信号处理过程,5.7.3呼叫处理