CDMA移动通信基本原理(培训教材1)

1,CDMA移动通信基本原理IS-95,2001年10月06日,京信通信系统,培训教材（一）,2,目录,三种多址通信方式介绍.3CDMA系统主要特点.12CDMA系统的关键技术.27CDMA网络规划39CDMA直放站的引入对搜索窗的影响47,3,三种多址通信方式,4,三种多址通信方式,1、FDMA频分多址2、TDMA时分多址3、CDMA码分多址,5,频分多址（FDMA）,在频分多址系统中，把可以使用的总频段划分为若干占用较小带宽的频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道，分配给一个用户。,6,时分多址（TDMA）,在时分多址系统中，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每一个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。,7,码分多址（CDMA）,在CDMA通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。从频域或时域来观察多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出使用预定码型的信号。其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。,8,DS扩频系统,（a）系统的发射端机,9,DS扩频系统,（b）系统的接收端机,10,三种多址技术频域、时域比较,11,我国CDMA工作频段,12,CDMA系统主要特点,13,CDMA系统主要特点,一、多种形式的分集六、低功率发射二、CDMA的功率控制七、可变速率声码器三、软容量八、保密四、大容量九、话音激活=0.4五、软切换十、低值和高冗余度的纠错编码,14,CDMA系统特点(一)多种分集形式,综合采用多种分集方式，大大降低多径衰落的影响。时间分集采用了符号交织，检错和纠错编码等方法。频率分集本身是1.25MHz宽带的信号，起到了频率分集的作用。空间分集基站使用两副接收天线，基站和移动台都采用了Rake接收机技术，较切换也起到了空间分集的作用。,15,CDMA系统特点(一)频率分集,16,CDMA系统特点(一)路径分集,17,CDMA系统特点(二)功率控制,2.1功率控制示意图2.2反向开环功率控制2.3闭环功率控制2.4下行链路低速功率控制,18,CDMA系统特点(二)功率控制,2.1功率控制示意图：,19,CDMA系统特点(二)功率控制,2.2反向开环功率控制,平均输出功率Tx(dBm)=-平均输入功率Rx(dBm)+偏置功率+参数偏置功率：-73dB(800MHz)控制参数：小区大小，基站有效发射功率(ERP)和基站接收机灵敏度，这些参数均在同步信道上传输。开环功率控制动态范围8dB,20,CDMA系统特点(二)功率控制,2.3闭环功率控制(高速功率控制),基站每1.25ms(等于6个调制符号)测量接收到的SIR4，与目标SIR相比较，决定是增加移动台功率还是降低移动台功率。闭环功率控制动态范围24dB,21,CDMA系统特点(二)功率控制,2.4下行链路低速功率控制,下行链路低速功率控制的目的：提高小区边缘的移动台的性能。基站依据路径损耗和干扰环境，控制一个给移动台的发射功率，称为下行链路低速功率控制。下行链路功率控制机制：基站周期性地降低发射到移动台的发射功率，移动台测量误帧率（FER），当FER超过定义值时，移动台要求基站对它的发射功率增加1%，每1520ms进行一次调整。下行链路低速功率控制调整的动态范围：6dB,22,CDMA系统特点(三)软容量,用户数和服务级别之间有着灵活的关系。例如运营商可在话务量高峰期将误帧率稍微提高，便可增加可用信道数。小区呼吸功能：各小区的覆盖功能是动态的，当相邻两小区负荷一轻一重时，负荷重的小区通过减小导频发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度不足，切换到邻小区。使负荷分担，即相当于增加了容量。这种功能用在切换时，在防止由于缺少信道导致通话中断方面特别重要。在模拟系统和数字TDMA系统中，如一时缺少信道，通话必须等待信道出现空闲，否则会造成时切换的中断。然而在CDMA系统中，通过稍微降低用户通话质量，可以保证通话的继续进行，等到目标小区负荷减轻时，通话质量再恢复正常。,23,CDMA系统特点(四)大容量,决定CDMA数字蜂窝系统容量的基本参数有：处理增益、Eb/No、通话占空比、频率复用效率、小区扇区数。1、处理增益：处理增益越大，系统抗干扰越好、容量越大，为21dB；2、Eb/No：目前CDMA系统中要求的Eb/No为6dB；3、通话占空比：通话占空比是一个统计数字，小于35%，CDMA系统采用话音激活技术，而其它系统没有，仅此就比其它系统增加容量约1倍；4、频率复用效率：在CDMA中，由于它的宽带信道在每个小区中都能复用，所以频率复用效率几乎为1，而其它窄带系统一般为1/7；5、小区扇区数：在CDMA中，由于不同的扇区也可以使用相同频率，所以小区容量将随着扇区数的增大而增大。一般对于一个三扇区小区来说，容量比全向小区增大2.5倍左右。,24,CDMA系统特点(四)大容量,CDMA数字蜂窝系统容量的计算：1、处理增益：Eb/No确定的容量：N=处理增益：10log(W/Rb)=10log(1.2288MHz/9.6MHz)=21dBEb/No=6dBN=128/4=322、话音激活通话占空比为35%，提高容量1/0.35=2.86倍（实际2倍左右）；3、频率复用效率：理想值为1，实际F=0.6；4、扇区化：2.5倍（三扇区）；一个频道容量：3220.62.5=96,25,CDMA系统特点(五)软切换,软切换：CDMA系统各小区可使用相同的频率，从现有小区到领近小区的切换是无间切换。在软切换中移动台是同时连接到多个基站上通信，它的功率控制由它接收到的最强信号的小区决定。当邻近小区的信号强度超过一个确定的数值，但仍低于现有基站的信号强度时，移动台进入软切换状态。,26,CDMA系统特点(五)软切换,27,CDMA系统的关键技术,28,CDMA系统的关键技术,一、功率控制二、分集技术三、软切换四、可变速率声码器五、Rake接收六、自适应天线,29,CDMA系统的关键技术,前向链路多径/基站分集,30,CDMA系统的关键技术,反向链路多径/天线分集,31,CDMA系统的关键技术RAKE接收机,RAKE接收机包含多个相关器，每个相关器接收一个多路信号。在相关器进行去扩展后，信号进行合成。因为接收的多路信号是衰落独立的，因此进行分集可以提高接收性能。,32,CDMA系统的关键技术RAKE接收机框图,延时估计：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。,33,CDMA系统中的软切换切换程序,测量阶段：由移动台完成下行链路的测量，包括信号质量、本小区和相邻小区的信号强度。由基站完成上行链路信号质量测量。决策阶段：将测量结果与预先定义的门限值进行比较，并决定是否应当启动切换。执行阶段：移动台进入软切换状态，增加或释放一个新的基站，或者完成频率间的切换。,34,CDMA导频集合,邻域导频集合候选导频集合激活导频集合剩余导频集合,35,CDMA系统中的软切换切换消息(1),切换消息图：,36,CDMA系统中的软切换切换消息(2),(1)导频强度超过T-ADD，移动台发送一个PSMM，并且将导频转向候选导频集合。(2)基站给移动台发送HDM，其中该移动台将导频增加到激活集合中。(3)移动台接收HDM并且得到一个新的业务信道。导频进入激活集合，同时移动台给基站发送HCM。(4)导频强度降低到T-DROP值以下，移动台启动软切换结束记时器。(5)切换结束记时器终止，移动台给基站发送PSMM。(6)基站给移动台发送一个不具有相关导频的HDM。(7)移动台接收到HDM，导频进入邻域集合并且移动台给基站发送HCM。(8)移动台接收一个不包括导频的NLUM。导频进入剩余集合。,IS-95中的切换消息是：PSMM：导频强度消息HDM：切换指示消息HCM：切换完成消息NLUM：邻域列表消息,上图注解：,37,CDMA系统中的软切换切换参数,38,CDMA系统中的软切换上行链路高负载的切换,移动台当前连接到BTS1，但是要切换到BTS2，因为LOS连接，其路径损耗衰减达到最低。但是在高比特率多媒体用户的上行链路会产生较高的干扰，因此连接到BTS2移动台所需的传输功率，实际上比BTS3高。因此，需要切换到BTS3。,39,CDMA网络规划,40,CDMA网络规划详细的网络规划,1、控制信道功率规划2、软切换参数规划3、频间切换规划4、重叠的网络覆盖分析5、无线网络测试,41,CDMA网络规划详细的网络规划,1、控制信道功率规划：控制信道包括：导频、同步寻呼、广播信道。公共导频信道：移动台使用导频信道进行连贯解调获得可靠的相位参考，导频信道的发射功率要高于业务信道。通常下行20%的功率专门用于导频信道发射。同频信道：占用下行功率的5%广播信道：高于业务信道3dB寻呼信道：与业务信道相同功率,42,CDMA网络规划详细的网络规划,2、导频污染：导频污染：是指有许多导频信号，但它们中没有一个能够使用移动台发起呼叫。通常表现为移动台接收功率好、E0/I0差，前向BER差（下行误码率高）。为了防止导频污染，网络规划必须创建一个存在主导频的小区规划。这可通过可调整的导频功率、下倾天线或增加特定扇区或小区的覆盖等来实现。,43,CDMA网络规划详细的网络规划,4.3PN偏移规划：在IS-95和CDMA2000中，不同基站和扇区的导频信号是通过相同导频伪噪声（PN）序列的不同相位偏移来区分的。PN混乱：如果两个基站之间的传播延时超出了导频信号的相位偏移，就会出现所谓的PN混乱（见左图）。PN混乱后果：可能因来自另一个基站的干扰太高，或切换到错误的目标小区上而引起掉话。对于在IS95中，码片速率为1.2288Mchip/s。PN偏移指数是64个码片，一个PN偏移指数对应15.6Km的传播距离。,1chip=0.813s=0.244m传播时间,44,CDMA微小区网络规划,一、拐角效应二、微小区/宏小区在同一频率上三、室内规划,45,拐角效应：当移动台沿着一个拐角移动时，移动台的接收信号电平发生。在拐角后面如果有一个新的基站，移动台接收到的信号强度就会上升得非常快。如果移动台不能足够快地获得新基站，那么增加的干扰就会导致掉话。另一方面，如果新基站不能调节移动台的功率，高的移动台发射功率会闭塞新小区内的所有用户。,CDMA微小区网络规划拐角效应,46,室内小区（微蜂窝）与室外小区（宏蜂窝）在同一频率：整个小区处于软切换状态。不能获得额外的容量。需要从宏小区到微小区的快速软切换。须细致规划室内分布功率，以防功率外泄室外。室内小区（微蜂窝）与室外小区（宏蜂窝）安排在不同频率：整个小区处于硬切换状态。可以额外增加容量。,CDMA网络规划室内规划,47,CDMA直放站的引入对搜索窗的影响,48,直放站对CDMA搜索窗的影响,使用直放站需要考虑的四个基本搜索窗接入信道搜索窗长度反向链路业务信道多径搜索窗长度活动导频集搜索窗长度邻域导频集搜索窗长度,49,接入信道搜索窗,接入信道必须能够搜索到覆盖区内所有最大路径传播时延的信号，能监测到覆盖区内所有移动台发出的呼叫。由于直放站的引入会增加最大路径传播时延，因此须增加接入信道搜索窗长度。接入信道搜索窗最大长度：512chip，相当62.4km。,50,最大路径传播时延（RTD）,接入导频搜索窗的最大长度为512chip,单边长度即为256chips,对应最大时延距离为62.4km(4.1chips/km)。,51,路径传播时延（举例）,引进直放站后的路径传播时延由三部分组成：,Dtotal=DB-R+DR+DR-m,接入信道搜索窗=DB-R+DR+DR-m2,52,激活导频集与业务信道多径搜索窗,搜索窗必须足够大，以至于能“看见”所有强的路径信号成份。如果搜索窗不够宽，强的多径信号成份可能会引起掉话。最大搜索窗长度：226chips(113chips),53,激活导频集与业务信道多径搜索窗,直放站的引入通常会增加有效时延扩散；会产生从移动台到BTS的额外多径；有效的额外多径可降低EBTS/I0要求，这是一个优点；必须增加激活导频集和反向业务信道多径搜索窗的长度。,54,激活导频集与业务信道多径时延差,搜索窗宽度SRCH-A：,2(DB-R+DR+DR-m)-DB-m,SRCH-A（单边）：113chip