电子科技大学《移动通信原理》IS及其增强移

1、第七章 IS-95及其增强移动通信系统程郁凡通信抗干扰技术国家级重点实验室第七章内容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九月 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、W

2、CDMA、TD-SCDMA）九月 22第七章 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 用户的识别九月 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九月 22第七章 IS

3、-95及其增强移动通信系统5IS-95 CDMA技术的发展九月 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

4、方式： FDD多址方式： CDMA扩频码速率： 1.2288Mc/s九月 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接收九月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统

5、8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九月 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九月 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

6、站长码，加扰，区分用户下行链路的序列码基站的识别短码：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。九月 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

7、同步情形下，Walsh码的自相关特性和互相关特性很差；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九月 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

8、位偏移量16按64个码为间隔，形成32768/64=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

9、时都可改为业务信道。九月 22第七章 IS-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

10、短码；基站利用导频PN序列的时间偏置来标识每个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

11、列周期，215/(1.2288106) 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。九月 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。九月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统23同步信

12、道24传输同步信息和其它信息如系统时间、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

13、信息。 九月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统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九月 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

14、码，实现上行链路的码分多址功能多进制扩频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。九月 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=

15、64 个调制符号31Walsh码(2)例如：信息速率为28.8kbps ，处理增益64倍 (假设均采用MQAM调制)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多进制映射关系九月 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：101001九月 22

16、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个移位寄存器组成

17、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。九月 22第七章 IS-

18、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系统逻辑信道九月 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QPSK

19、相干解调OQPSK 非相干解跳交织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系统呼叫处理流程九月 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闲状态接

20、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九月 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九月 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。如果每个

21、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。九月 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时间响应

22、（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： 6us49功率控制的分类反向链路功率控制调整移动台向基站发射的功率使任一移动台无论处于什么位置上， 其信号在到达基站的接收机时，都具有相同的电平，而且刚刚达到信干比要求的门限前向链路功率控制调整基站向移动台发射的功率使任一移动台无论处于小区中的任何位置上，收到基站的信号电平都刚刚达到信干比所要求的门限值九月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统50反向链路功率控制开环功率控制IS-95采用开环与闭环功率控制相结合的方案。反向开环功率控制仅由移动台参与。MS测量接收到的导频信号的功率，利用下行链路损耗估计

23、上行链路损耗，根据链路损耗计算MS需要发射的功率。接收到信号强度越强，说明收发双发距离较近或者有非常好的传播路径，发射的功率就越小。方法简单，易于实现。开环功控只决定接入初期发射功率和切换后初期发射功率。FDD系统上下行链路衰落不相关，精度有限。动态范围：32dB九月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统51反向链路功率控制闭环功率控制目的消除开环功控中的上下行信道不一致所产生的功控误差，精确调节发射功率。闭环调节过程基站和移动台共同参与。基站根据目前所需信噪比与实际接收的信噪比之差随时命令移动台调整发射功率。MS根据基站发送功控指令并与开环估计相结合，调节发射功率。九月 22第七章 I

24、S-95及其增强移动通信系统52反向闭环功率控制(2)闭环功率控制过程初始发射功率由基站通过系统参数消息发送给移动台 由来自基站的功率控制比特控制功控比特0：增加发射功率1dB1：降低发射功率1dB闭环功控调节能力功率调节范围：在开环估计的基础上，闭环调整范围为24dB800次/秒九月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统53前向链路功率控制前向链路功率控制基站根据接收的每个移动台传送的信号质量信息来调节基站业务信道发射功率的过程。其目的是使所有移动台在保证通信质量的条件下，基站的发射功率为最小。因前向链路功率控制将影响众多的移动用户的通信，前向功率控制动态范围小：调节量：0.5dB动态

25、范围：标称功率的6dB调节速率：以帧（20ms）为单位。九月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统54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九月 22557.5 CDMA系统的软切换技术硬切换：载波频率不同的相邻小区间的切换切换过程中通信链路会发生中断硬切换包括载波频率与导频PN序列偏移的改变软切换：载波频率相同的相邻小区间的切换切换过程中通信链路不发生中断更软切换：发生在同一基站具有相同频率的不同扇区之

26、间的信道切换。这些切换可能是组合出现的。九月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统56IS-95的切换方式IS-95采用移动台辅助的越区切换移动台对不同基站的RSSI(Received Signal Strength Indication)进行测量后，定期将测量结果报告给基站网络评估测量参数，决定移动台是否切换。优点：网络参与切换管理，灵活性高。软切换的具体过程MS与原小区基站保持通信链路与一个/多个新小区基站建立通信链路与其中一个新小区基站保持通信链路，释放与原小区基站通信链路。九月 22第七章 IS-95及其增强移动通信系统57导频强度583)移动台将新基站由候选组转入激活组5)切换去掉计时器到期，移动台发送导频强度测量信息6) 基站发送切换指示消息7) 移动台把从计时到期的基站从激活组移到邻近组中，并发送切换完成消息。4)导频强