移动通信系统：第七章第三代移动通信系统及其增强技术

1、第七章 第三代移动通信及其增强技术第七章内容7.1 概述7.2 IS-95系统的无线链路7.3 IS-95 CDMA系统的同步与定时7.4 CDMA系统的功率控制7.5 CDMA系统的软切换技术7.6 第三代移动通信系统第七章 IS-95及其增强移动通信系统七月 2227.1 概述1990年9月，Qualcomm公司公开了其第一版的CDMA“公用空中接口”规范。经过不断的修改，于1995年被TIA采纳，定为IS-95A标准IS-95（Interim Standard 95） 。1998开始，在第三代移动通信系统中广泛采用CDMA技术（cdma2000、WCDMA、TD-SCDMA）七月 22第

2、七章 IS-95及其增强移动通信系统3CDMA蜂窝系统的基本概念基本概念CDMA基于扩频技术，每个用户有各自的特征码CDMA技术包含两层含义 扩频：信息带宽的扩展 码分：用户、信道和基站都依靠码识别码分的含义(IS-95) 基站的识别 信道的识别 用户的识别七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统4CDMA蜂窝系统的频谱带宽决定CDMA蜂窝系统频谱带宽的因素：频谱资源 / 系统容量/ 多径分离/ 扩频增益 陆地移动通信系统多径时延 约为 1usChip周期 1MHz系统带宽1.25MHz扩频码片速率1.2288MChip/s七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统5IS-95

3、CDMA技术的发展七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统6标准数据速率IS-95A14.4kb/sIS-95B64kb/sCDMA2000-1X144kb/sCDMA2000-3X2Mb/sIS-95 CDMA主要技术指标(1)IS 95 CDMA工作频段上行（移动台发/基站收）： 825849MHz下行（移动台收/基站发）： 870894MHz双工间隔：45MHzIS 95 CDMA PCS工作频段上行（移动台发/基站收）：18501910MHz下行（移动台收/基站发）：19301990MHz双工间隔：80MHz载频间隔： 1.25MHz双工方式： FDD多址方式： CDMA扩频码

4、速率： 1.2288Mc/s七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统7IS-95 CDMA主要技术指标(2)调制方式： 前向QPSK，反向OQPSK语音编码方式：变速率QCELP码信道编码方式：卷积码（k = 9，正向信道码率R = 1/2， 反向信道码率R = 1/3）数据帧长： 20ms扩频解调门限： 7dB（Pe=10-4）小区结构： 1200三扇区构成功率控制范围：正向：6dB 反向：80dB功率控制精度：正向：0.5dB 反向：1dB分集接收： 基站4路RAKE接收 移动台3路RAKE接收七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统8第七章内容7.1 概述7.2 IS-9

5、5系统的无线链路7.3 IS-95 CDMA系统的同步与定时7.4 CDMA系统的功率控制7.5 CDMA系统的软切换技术7.6 第三代移动通信系统第七章 IS-95及其增强移动通信系统七月 2297.2 IS-95系统的无线链路7.2.1 IS-95系统的下行链路下行链路的序列码下行链路的物理信道与逻辑信道7.2.2 IS-95系统的上行链路上行链路的序列码上行链路的物理信道与逻辑信道七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统107.2.1 IS-95系统的下行链路 下行链路的构成11BS发MS收Walsh码，扩频，区分信道短码，基站同步，区分基站长码，加扰，区分用户下行链路的序列码基

6、站的识别短码：不同相移的PN序列，码元周期为215。信道的识别Walsh码：正交的Walsh函数，完全正交的64阶Walsh码；用户的识别长码：周期足够长的PN序列，码元周期为242-1。七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统12Walsh码(1)区分信道，实现码分多址功能采用64个正交的Walsh函数对信道扩频，每一Walsh序列为一物理信道，信道数记为W0-W63扩频码片速率1.2288Mcps。13Walsh码在同步时是完全正交的。Walsh码(2)Walsh码的特点：同步时，Walsh码是完全正交码（自相关函数为1，互相关函数为0）；非同步情形下，Walsh码的自相关特性和互

7、相关特性很差；Walsh码序列的功率谱分布彼此不均匀Walsh码不能单独承担扩频任务，通常采用Walsh码与其它序列的结合。 区分信道只能用于下行七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统14短码(1)作用：区分基站：分配给每一基站同一个短序的不同时间偏移提供对Walsh码数据的加扰，使各蜂窝小区能重用所有Walsh码。时间偏移使移动台能识别使用相同频率的相邻蜂窝小区15BS发短码短码(2)m序列采用215-1的m序列（32768） 为不同基站发出的信号赋予不同的特征，并用于移动台同步所有基站的引导PN序列有相同的产生结构，但是不同BS具有不同的相位偏移量16按64个码为间隔，形成327

8、68/64=512个不同的时间偏置，在全系统时钟同步的情况下，移动台根据时间偏置可识别与同步基站速率：1.2288Mcps正交引导PN序列生成多项式：长码17BS发长码长码在下行寻呼信道和业务信道中作扰码，用于数据加扰和用户保密，并识别用户。采用：周期为242-1的m序列。长码速率为1.2288Mcps，64分频（64抽1）后为19.2kcps。不同信道利用不同的掩码得到不同相位的长码。下行链路的物理信道和逻辑信道下行链路的物理信道每个载频在一个小区内以64个正交Walsh码区分信道。可提供64个码分信道。速率：1.2288Mcps寻呼信道、同步信道必要时都可改为业务信道。七月 22第七章 I

9、S-95及其增强移动通信系统18逻辑信道信道个数物理信道逻辑信道信道个数物理信道导频信道1W0寻呼信道17W17同步信道1W32下行业务信道55W8W31，W33W63下行链路的逻辑信道分配与码分物理信道的关系下行链路物理信道和逻辑信道的映射下行逻辑信道下行业务信道下行控制信道：导频信道、同步信道、寻呼信道19码域正交复用导频信道(1)W0全0，不含数据，含引导PN码序列相位偏移量和频率基准信息，一直不断发送。电平高于其它信道约20dB。便于MS获取基站的定时，进行信道估计、相干解调、切换等。20 W0为全0导频信道(2)导频信道连续周期地发送未经调制的短码；基站利用导频PN序列的时间偏置来标

10、识每个CDMA前向信道。零偏置导频PN序列：它们的开始位置被定义为连续输出15个“0”的时刻。零偏置序列必须在偶数秒起始传输。偏置系数：共512 个，编号从 0 到 511(64chip间隔)偏置时间： = 偏置系数64（chip）其它PN引导序列的偏置指数规定了它和0 偏置引导PN序列偏离的时间值。21导频信道(3)例如：当偏置系数是 15 时相应的偏置时间是1564=960个chip已知chip宽度为 1/1.2288 0.8138s 故偏置时间为 960/1.2288 = 781.25s该PN序列要从每一偶数秒之后 781.25s开始帧长：为一个序列周期，215/(1.2288106)

11、26.67ms2秒有75个周期： 2 / 215/(1.2288106) = 75相邻基站的导频PN序列偏置指数间隔应大一些。七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统22导频信道(4)导频信道的作用用于移动台获取基站的定时，识别基站，提取相干载波以进行相干解调；一旦移动台捕获到导频信道，即可认为移动台与其它前向信道也达到同步通过对导频信号中多径信号的检测，实现RAKE接收机中的信道估计；通过比较相邻基站导频信号的强度，决定何时需越区切换；通过对导频信号强度的检测，决定开环功率控制的初始值。七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统23同步信道24传输同步信息和其它信息如系统时间、

12、导频偏置，使移动台知道正在接入的是哪个基站。还有寻呼信道速率，242-1长码的状态等信息。扩频处理增益：10*log10(1.2288Mcps/4.8kbps)=24dB 扩频增益256寻呼信道25传送系统信息，入网参数，基站寻呼移动台寻呼信道数据以扰码加密 加扰扩频增益64业务信道(1)26 加扰扩频增益64功率控制信令业务信道(2)业务信道用于传输用户信息和少量的信令信息。 传输8.6kbps、4kbps、2kbps、800bps的不同速率的数据。 帧长为20ms嵌入功率控制子信道，用于传输功率控制信息。嵌入随路信道，传输少量的信令信息，例如越区切换信息。 七月 22第七章 IS-95及其

13、增强移动通信系统277.2 IS-95系统的无线链路7.2.1 IS-95系统的下行链路下行链路的序列码下行链路的物理信道与逻辑信道7.2.2 IS-95系统的上行链路上行链路的序列码上行链路的物理信道与逻辑信道七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统287.2.2 IS-95系统的上行链路 上行链路的构成29MS发BS收Walsh码：只用于多进制扩频短码：基站同步，加扰长码：扩频，区分信道上行链路的序列码信道与用户的识别长码：周期足够长的PN序列，码元周期为242-1。通过不同的掩码给每个信道分配一个不同的初相, 从而构成逻辑信道和移动台的地址码，实现上行链路的码分多址功能多进制扩频

14、Walsh码：64阶Walsh码正交多进制扩频调制正交调制与加扰短码：零偏置I、Q正交PN序列，码元周期为215。七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统30Walsh码(1)完成多进制扩频提高系统的抗干扰能力和信息传输能力采用64阶Walsh函数正交扩频多进制扩频的概念利用M=2k个长度为P的正交扩频序列，每个序列代表k比特的信息。在k=1时，即传统的DS扩频(二进制扩频 )IS-95 上行链路中，采用了与下行链路相同的Walsh函数，此时M为26=64。每6个码元作为一个调制符号。每个调制符号对应一个长度为64chip的Walsh码共有26=64 个调制符号31Walsh码(2)例

15、如：信息速率为28.8kbps ，处理增益64倍基带矩形脉冲随机序列带宽二进制比特流基带带宽为Rb多进制符号流基带带宽为Rs二进制扩频多进制扩频在相同信源速率和扩频带宽的条件下，多进制扩频比二进制扩频具有更高的处理增益。321843.2kbps信码28.8kbpsPN码（64位）307.2kbps信码28.8kbpsPN码（64位）664多进制映射Walsh码(3)664多进制映射关系七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统33例如：输入信息：101100, 100011输出对应的Walsh码序列：W44，W35Walsh码(4)多进制扩频举例：以8进制扩频为例， 信源：101001七

16、月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统34信源按8进制分组，101, 001, 2).1015 1).0011 由信源，从对应的Walsh函数中找到对应的Walsh码得到输出： 01011010，01010101，短码35MS发短码用于基站同步、系统加扰、正交调制采用与下行链路相同的引导PN码正交调制，相位偏移为0。m序列，采用215-1的m序列（补零后变为215），速率：1.2288Mcps生成多项式同下行链路短码长码(1)36长码区分信道和用户长码扩频采用了242-1的PN码（m序列）以完成信道的扩频调制4bit扩频：307.2kbps4 = 1.2288Mcps长码由42个移位寄

17、存器组成的m序列发生器产生。该序列再由一个42比特掩码被赋予不同的相位。通过不同的掩码给每个信道分配一个不同的初相, 从而构成逻辑信道和移动台的地址码。MS发长码长码(2)生成多项式与下行链路的一样37使用分配的长码掩码42比特上行链路的物理信道和逻辑信道上行链路的物理信道上行链路的码分物理信道是用周期为242-1的不同相位偏移量的长PN序列（长码）构成的。速率：1.2288Mcps。不同的42位掩码用于不同的接入信道与业务信道。为什么不用Walsh码区分反向物理信道？正向：所有Walsh码从基站同时到达某个移动台反向：各移动台到基站的信号不能同时到达基站，Walsh码不正交。七月 22第七章

18、 IS-95及其增强移动通信系统38上行链路物理信道和逻辑信道的映射39上行逻辑信道反向接入信道：最多32个，最少0个。反向业务信道：最多64个，最少32个。帧长：20ms反向接入信道向基站进行登记、发起呼叫、响应寻呼信息40 664映射扩频增益：4延迟1/2码片，约406.9ns，OQPSK反向业务信道在呼叫建立期间传输用户信息与信令信息41 664映射扩频增益：4小结：IS-95系统逻辑信道七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统42小结：IS-95系统上下行链路特性43下行链路上行链路编码1/2码率，约束长度91/3码率，约束长度9码符号重复发送所有重复符号门控符号重复调制解调Q

19、PSK 相干解调OQPSK 非相干解调交织1帧，384个符号1帧，576个符号Walsh码区分信道多进制直扩长PN码加扰数据，抽样到符号速率区分信道和用户，不需改变速率短PN码区分基站，加扰，便于正交QPSK调制加扰，便于正交OQPSK调制信道化不同的Walsh码不同相位偏置的长PN码扩频Walsh码序列直扩Walsh码序列多进制直扩、长PN码直扩IS-95CDMA系统呼叫处理流程七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统44调谐到CDMA载波系统初始化状态移动台获取导频信道和同步信道业务信道状态移动台获取寻呼信道并且对寻呼信道进行监控移动台通过接入信道发送信息基站通过寻呼信道发送消息空

20、闲状态接入状态正向或反向业务信道的信息传输第七章内容7.1 概述7.2 IS-95系统的无线链路7.3 IS-95 CDMA系统的同步与定时7.4 CDMA系统的功率控制7.5 CDMA系统的软切换技术7.6 第三代移动通信系统第七章 IS-95及其增强移动通信系统七月 2245第七章内容7.1 概述7.2 IS-95系统的无线链路7.3 IS-95 CDMA系统的同步与定时7.4 CDMA系统的功率控制7.5 CDMA系统的软切换技术7.6 第三代移动通信系统第七章 IS-95及其增强移动通信系统七月 22467.4 CDMA系统的功率控制CDMA系统的容量主要受限于系统内移动台的相互干扰。

21、如果每个移动台的信号到达基站时都达到正常通信所需的最小信噪比，系统容量将会达到最大值单小区系统容量多小区系统容量47d ：话音占空比，0.35G 为扇形分区系数F 为信道复用效率，0.6功率控制功率控制的目的和要求功率控制的目的克服远近效应，使系统既能维持高质量通信，又不对占用同一信道的其他用户产生不应有的干扰。功率控制是CDMA系统的核心关键技术功率控制的要求当信道的传播条件突然改善时，功率控制应作出快速反应，以防止信号突然增强而对其它用户产生附加干扰。当传播条件突然变坏时，功率调整的速度可以相对慢一些。七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统48输出信号功率的时间响应输出信号功率的

22、时间响应（变速率传输一个功率控制组时间1.25ms）功率波动： 20dB功率上升/下降时间： 11-1QPSK映射0- 11-1符号重复(+ +)符号重复(+ -)增益A增益BWalsh n复PN码序列交织符号AB1b2b2s1s空时扩展分集七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统74空时扩展发送分集是另外一种开环发送分集方式。编码、交织符号采用多个Walsh码进行扩频，STS方式是空时码中空时块码的一种实现方式。数据分离b1b2w1w2b1 w1b2 w2b2 w1b1 w2bS1S2-CDMA2000 1x前向链路信道结构七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统75与IS-

23、95兼容，支持IS-95系统中的前向物理信道（F-PICH、F-SYNCH、F-PCH、F-FCH、F-SCCH）。 结构上的变化：采用复扩频方式，编码、扰码后的输出只送到复扩频部分的I支路，而向Q支路输入0。前向公共指配信道前向公共控制信道前向专用控制信道前向基本信道前向补充信道前向补充码分信道前向导频信道前向同步信道前向寻呼信道前向广播控制信道前向快速寻呼信道前向公共功率控制信道CDMA2000 1x反向链路信道结构七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统767反向补充码分信道R-SCCH2反向补充信道R-SCH1反向专用控制信道R-DCCH1反向基本信道R-FCH1反向导频信道R

24、-PICH反向链路专用物理信道（R-DPHCH）1反向增强接入信道R-EACH1反向公共控制信道R-CCCH1反向接入信道R-ACH反向链路公共物理信道（R-CPHCH）最大数目物理信道类型信道名称WCDMA技术特点七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统77多址接入方式DC-CDMA双工方式FDD/TDD基站同步异步方式码片速率3.84Mchip/s帧长10ms载波带宽5MHz多速率可变的扩频因子和多码检测使用导频符号或公共导频进行相干检测多用户检测、智能天线标准支持，应用时可选业务复用具有不同服务质量要求的业务复用到同一个连接中WCDMA标准七月 22第七章 IS-95及其增强移动

25、通信系统78版本完成时间RANCNR991999年12月无线接口标准采用UTRA的3.84Mchip/s FDD和TDD模式，Iu系列接口采用ATM承载基于演进的GSM、MSC和GPRS、GSN，开放的业务架构R42001年3月TDD无线接口采用1.28Mchip/s的LCR模式，即TD-SCDMA 电路域的控制与业务分离R52002年3月基于IP的RAN结构，HSDPA支持10Mbit/s速率全IP网络结构WCDMA信道映射七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统79TD-SCDMA技术标准七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统80工作在TDD方式下，在CDMA的基础上，引

26、入了TDMA的性质，把一帧分成几个时隙，每个时隙可以用作上行或者下行，一个时隙内的用户用不同的码字来区分。TDD系统特别适用于上下行不对称，具有不同数据传输速率的业务；此外其上下行链路由于工作于同一频率，使之便于使用诸如智能天线等新技术，达到提高性能、降低成本的目的 TD-SCDMA标准主要参数七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统81多址技术时分CDMA信道带宽1.6MHz码片速率1.28Mcps双工方式TDD基站间同步方式同步话音编码AMR话音编码帧长10ms信道化码正交可变扩频因子（OVSF）码相干检测导频辅助的相干检测调制方式QPSK，高速率（2Mbps）采用8PSK功率控制

27、上行为开环功率控制下行为闭环功率控制（1.4KHz）信道编码卷积码和Turbo码TD-SCDMA技术特点(1)时分双工上下行链路共用一个频率非常适合承载这类不对称业务。发射机根据接收的信号，就能够知道无线信道的衰落情况。这在一定程度上降低了对功率控制的要求，TD-SCDMA系统上行链路上，可以只采用开环功率控制。TD-SCDMA系统的这个特点也给采用智能天线等关键技术带来了方便。上行同步上行链路各终端信号在基站解调器完全同步 同步CDMA的缺点是系统对同步的要求非常严格，上行的同步要求为1/8码片宽度，网络同步要求为5s。系统同步要求在基站有GPS接收机或公共的分布式时钟，增加了系统成本。 七

28、月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统82TD-SCDMA技术特点(2)七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统83采用智能天线自适应地对用户进行跟踪定位，使信号在有限的方向区域发送和接收充分利用了信号的发射功率，降低了传统天线带来的相互干扰，极大地改善无线系统的性能，增加CDMA系统容量，并改善小区覆盖。采用联合检测技术把所有用户的信号都当作有用信号处理，充分利用各用户信号的用户码、幅度、定时、延迟等信息从而大幅度降低多径多址干扰 ，提高频谱效率显著提高TD-SCDMA技术特点(3)采用动态信道分配（DCA）基站知道下行链路使用的时隙、码字和相应发射功率。如果移动台检测到干扰

29、情况已完全不同于已有的，移动台可以请求启动一个快速小区内切换程序跳到干扰低的时隙。上行链路是基于基站接收上行的干扰，分配最低干扰的时隙给移动台作发射信号用。采用接力切换根据用户的方位和距离信息，判断手机用户现在是否移动到应该切换给另一基站的临近区域。如果进入切换区，便可通过基站控制器通知另一基站做好切换准备，达到接力切换的目的。七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统84CDMA2000 1X EV-DO七月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统85cdma2000 1x EV-DO系统通过与话音业务不同的独立载波提供高速数据业务，其前向链路数据速率最高可达2.4Mbps，反向链路数据速率最高可达153.6Kbps。cdma2000 1x EV-DO的射频特性和IS-95以及cdma2000 1x的射频特性一致，包括：码片速率相同，链路预算相兼容，网络设备和终端设备的射频设计等也相同。1x EV-DO在前向链路上采用了多项与cdma 2000 1x差别较大的技术。 CDMA2000 1X EV-DO特点七月 2