CDMA扩展频谱通信技术

扩展频谱通信技术(CDMA)浙江大学信电系余官定主要内容CDMA概括及理论基础常见的扩频序列Rake接收技术CDMA系统中的若干关键技术功率控制软切换多用户检测技术CDMA的历史扩展频谱通信(SpreadSpectrumCommunications)，简称扩频通信，其出现是通信技术的一次重大突破。扩频通信最早始于军事通信，是随着在军事通信中的应用而发展起来的。Shannon在1949年提出了CDMA的理论基础1991年Qualcomm发布了一套CDMA系统测试结果，是当时AMPS容量的10倍1993年IS-95标准制定1997年IS-95B标准完成CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA成了3G的三个主要标准CDMA技术既是一种调制技术，也是一种多址接入技术CDMA技术概括扩频通信技术采用远大于传输数据信息所需最小带宽的传输频带来传送信号，该技术可以用于克服多径干扰、多址干扰和人为非AWGN干扰。这种调制、解调技术所要求的信号设计准则不是尽可能地节省带宽，而是克服干扰。扩展频谱通信方式具有如下二个特征：发射信号所占的带宽远大于信息比特率，并且与信息比特率无关。在发送端信号频带的展宽是通过采用扩谱序列信号来实现的。这个扩谱序列信号与所传输的数据信息无关。在接收端利用与发送端相同的扩谱序列信号来恢复数据。扩频通信的优点易于同频使用，提高了无线频谱利用率。抗干扰能力强，误码率低。保密性好。可以实现码分多址通信。抗多径衰落能力。能够精确定时和测距。CDMA理论基础CDMA基本原理在室内参加宴会的一群人－TDMACDMA基本原理在室内参加宴会的一群人－FDMACDMA基本原理在室内参加宴会的一群人－CDMACDMA分类CDMA分类时域扩频直接序列扩频(DS:DirectSequence)：直接使用高码率的双极性或者多极性的扩频码序列在发送端对要传输的低速数据进行扩频调制，在接收端用相同的扩频码序列进行解扩跳时(TH:TimeHopping)：采用扩频序列控制系统发射信号的有无和持续时间，使发射信号在时间轴上跳变。CDMA分类频域扩频跳频(FH:FrequencyHopping)：同跳时类似，指采用扩频序列控制系统发射信号的频率，使其按照一定的规律在给定的频段内周期跳变。多载波扩频(MC:MultipleCarrier)：在频域中使用给定的扩展码将原始数据流在不同子载波上进行扩展。线性调频：简称Chirp方式，指控制发射信号的频率在一个周期内作线性变化。CDMA分类混合扩频以上几种扩频方式中的两种或多种结合起来，构成混合扩频体制，如FH/DS,TH/DS,FH/TH等。混合扩频比单一的扩频具有更优良的性能。二维扩频：同时在时域及频域进行连续扩频的扩频方式同时获得时间分集和频率分集效果直接序列扩频直接序列扩频发送端直接序列扩频接收端直接序列扩频扩频因子：处理增益：处理增益=扩频增益主要内容CDMA概括及理论基础常见的扩频序列Rake接收技术CDMA系统中的若干关键技术功率控制软切换多用户检测技术扩频序列扩频序列(PN序列)扩频系统中的重要概念类似噪声的二进制随机序列“0”和“1”的个数基本相同自相关性好互相关性小移位相关性小扩频序列

离散序列的周期自相关函数为

离散序列的周期互相关函数定义为扩频序床列扩频序列棉－m序列m序列具典有很好戒的随机弹特性平衡特性游程特册性延位相加钞特性扩频序遭列－m序列1、平衡特性

在m序列的一个周期中“0”的个数比“1”的个数少1，为，“1”的个数为，所以，扩频序太列－m序列2、游程特性

把一个周期长度为的m序列首尾相接成一个圈，其中连续出现一串“1”（或“0”）称为“1”（或“0”）的游程。串的长度称为游程长度。对于m序列来说，一个周期内共有个游程，其中“0”的游程和“1”的游程各占一半；长度为r的游程只有一个，是“1”的游程；长度为（r-1）的游程也只有一个，是“0”的游程；长度为k（k<r-1）的“0”游程和“1”的游程个数相等，为个。3、延位相加特性

m序列与它的移位序列相加后仍然是的一个移位序列。扩频序吴列－m序列m序列波形或伪随机波形的自相关函数

NTcTc1.01/N扩频序摩列－m序列m序列的拿缺点是塞互相关肌特性差假，以及势序列数温少；扩频序弄列－m序列Wel章ch寒Bou降nd已经证明任意M个周期为N的二进序列之间的互相关最大峰值满足：

序列数目M很大

扩频序肃列－Gol外d序列m序列的缺脾点同样长度界的m序列个撕数不多序列之叮间的互阶相关性举并不都谱好Gol常d序列基于m序列的码疾序列优良的自狱相关和互耽相关特性序列数目响较多扩频序列留－Gol话d序列m序列优选趋对如果两个m序列的猫互相关教函数的坡绝对值和满足如各下条件案：则称这一株对m序列为优亩选对。两个m序列优选弟对的模二头相加产生萍的新码字抗序列为Gold序列。扩频序据列－Gol革d序列原理结静构图扩频序列挖－Gol石d序列DDDDDDDDDD扩频序兰列－Gol闹d序列Gold序列主要痕性质具有三值页自相关特踏性，旁瓣蹈的极大值守满足优选旦对的条件两个m序列优选唉对不同移箭位相加产魔生的新序往列都是Gol射d序列扩频序僵列－Wals保h序列Wal魔sh-胖Had撞ama改rd码(正交码)用于时间姨同步的系解统IS-9厅5使用64×6放4的Wal潜sh码TDS-坏CDMA使用16×1显6Wal价sh码移位相关怠性差扩频序列臭－Wals晕h序列Wals脾h序列的鲁产生主要内剑容CDMA概括及昆理论基炎础常见的扩提频序列Rak左e接收技柄术CDMA系统中摧的若干隶关键技盯术功率控鸭制软切换多用户至检测技率术Rake接收技术分集时间分逗集空间分集频率分名集RAKE接收不同富于传统的蚊空间、频饺率与时间炼分集技术轰，它是一院种典型的问利用信号铲统计与信拣号处理技社术将分集俱的作用隐守含在被传概输的信号很之中，因续此又称它桥为隐分集档或带内分冤集。Rake接收技宁术由于移动踢通信传播刘中多径引原起了接收越信号时延诸功率谱的跟扩散，其籍中最典型裳的有两类侵。连续型递时延功率面谱：它一得般出现在无繁华的市据区，由密第集建筑物杠反射而形谨成，如下条图所示。Rake接收技术离散型时赌延功率谱万：它一般仍出现在非拜繁华市区旷，非密紧编型建筑群许区，如下渡图所示。Rake接收技畏术在接收植端的多暴径传播孔信号可驴以用下醋列矢量通图表示右如下：馋假设有逆三条主亭要传播夸路径，Rake接收技术若采用蛙扩频信饱号设计望与RAK引E接收的信姨号处理后内，三条路响径信号矢蓄量图可改叉变成如下兆形式：Rake接收技庆术RAK呜E接收就排是设法押将上述洒被扩散偶的信号跃能量充哀分利用羞起来。坝其主要斧手段是唯扩频信境号设计救与RAK掘E接收的信坡号处理手珠段。在实彻际的移动旁通信中由绞于用户的浇随机移动扶性，接收靠到的多径鞋分量的数览量、大小(幅度)、时延(到达时趟间不同)、相位恰均为随箩机变量个，因此筹合成后征的合成算矢量亦伏为一个寨随机变捎量。但摄是如果梦能利用螺扩频信范号设计呈将各条碑路径信拦号加以畜分离，汁再利用RAK边E接收将丙被分离唤的各条塑路径信喇号相位稠校准、恰幅度加贸权，并壮将矢量庆和变成萄代数和吼。而加预以充分按利用。共当然，仿这一分沃离、处我理和利馅用的设输想，特舞别是对嫩于连续硬型时延同功率谱尸是受分唐辨率即辅扩频增础益和RAKE接收信号热处理方式鞭和能力所握限。Rake接收技术主要内容CDM另A概括及理孔论基础常见的扩郊频序列Rake接收技救术CDM群A系统中伴的若干壶关键技叼术功率控制软切换多用户检趟测技术多用户CDM蛛A中的多址变干扰MAI-歉Mult诉iple字Acc谣ess怎Inte阅rfer救ence任何一个赖用户的信向号包含了锋其它所有鸦用户的干砖扰信号MAI指得是用笨户之间的炉相互干扰MAI与系统的宣负载成正品比MAI包括Int辨ra-嫩cel回lM婶AI和Inte尺r-ce膝llM瓦AI多址干扰刷对CDMA系统的影至响传统CDM薄A系统中的尚信号检测北将于多址架干扰视为弯高斯噪声周来处理，意因而忽略棉多址干扰言的存在，汉这种方法顿会带来以推下两个方钓面的影响叉：系统容荣量受到雕限制：孙随着同苏时接入省系统用未户数目旬的增加蒙，多址梁干扰的脏影响也梢会逐渐技严重起挺来，导柄致系统疼误码率船的上升产生远近隙效应：远震离基站用率户的信号较被靠近基塑站用户的眼信号淹没谷。CDM梯A中的远近猎效应在上行链稍路中，如坝果小区中旦所有用户控均以相同籍的功率发躲射，由于贪无线信道冠的衰落及邻移动台与熊基站(BS需)间距离柜不同，BS接收到讽的离BS近的MS的信号功池率要比接热收到的离BS远的MS的信号灾功率强使，这样船，就会汪对远离支基站的MS造成很工大的影慨响，使绣其性能套下降，霜甚至不押能正常炒工作，抬这种现舒象称为“远近效应”。解决办法功率控制多址干岂扰的抑朗制方法扩频码的若设计提高码之婆间的互相佩关性功率控免制缓解多址须干扰，但槐不能从本畏质上消除锐多址干扰前向纠询错编码空间滤波钩技术智能天熔线多用户检卵测技术利用多尿址干扰歇中包含坑的用户落间的互册相关信局息来估满计干扰缘瑞和降低周、消除雷干扰的税影响CDM舱A中的功率伟控制开环功升率控制开环功翻率控制劳是移动痰台根据诉接收到膏的基站痕导频信逝号强度拒，来衡尖量移动优台与基揉站之间溜的传播雾损耗，陈从而确芹定发射堵功率的够大小，劝使移动铲台的发义射功率俯控制在蓄一个范掘围内。估计误右差会造副成开环联功率控薄制的性例能严重物下降CDMA中的功率犹控制闭环(内环)功率控亩制基站每隔重一段时间(通常是1.2磁5ms徒)测量收到宫的移动台厘信号，得草到SIR的估计烛值，将俱此估计登值与设忠定的门倚限值相斥比较估计值命大于门积限值，滥基站发览出降低述功率指抛令估计值小己于门限值裳，基站发课出提高功摇率指令基站通过生测量接收浑信号的SIR，不间断荒地向每个耐移动台提劫供反馈信秘号，形成音控制环路坝，控制移件动台的发喷射功率CDM内A中的功率个控制外环功灰率控制基站根据盖接收到的剧反向业务疗信道的误怠帧率(FE龄R)的变化调挖整内环功怠率控制的真门限当实际接仰收的FER高于目标摆值时，基廉站就提高起内环门限朽，反之，继基站就降佛低内环门五限内环和外膏环功率控暮制的关系内环功袍率控制献的SIR门限定咽义了承循载业务军的质量锯需求外环功率漫控制是通沸过调整SIR门限维持揉相应质量混需求下的谦通信质量CDM元A中的切换硬切换“先断后经接”往往发生友频率的变售化传统的FDMA系统大多疑采用硬切件换切换过程足中容易产驳生掉话CDM办A中的切换软切换“先接后断”用户在至切换过锅程中至尽少能保蚀持一个怕连接在切换过恐程中同时惕有两个连吹接宏分集选择性合送并往往适贺用于同命频蜂窝磁系统，助在切换喘过程中终频率不捧发生变骄化。CDM脉A中的切末换更软切寄换软切换号的一个户特殊情肯况发生在尚一个BS内的切换扇区间京的切换信道发生戏切换获得宏物分集可使用及最大比遣合并技晚术多用户疗检测技比术不论是索多径干帮扰还是疫多址干下扰，其够本质上魂并不是干纯粹无哥用的白攻噪声，挡而是有岸强烈结杠构性的及伪随机算序列信杂号，而栗且各用驳户间与商各条路懂径间的贿相关函龟数都是刷已知的属。因此踏从理论堵上看，祥完全有云可能利鞋用这些哨伪随机免序列的知已知结遭构信息在和统计她信息，悔比如相承关性，括来进一忙步消除担这些干逢扰所带仰来的负散面影响满，以达孩到提高窜系统性其能的目仓的。多用户检辽测技术多用户戒检测的垂主要优脖点1、它是消型除或减弱CDMA中多址消干扰的捡有效手拖段，也昆是消除码或减弱CDMA中多径饶干扰的弃有效手键段。2、能够消僚除或减弱CDM侧A中远近的效应，干简化CDM婶A系统中的直功率控制牢，降低功牛率控制的留精度要求新。3、弥补CDM恋A中由于正道交扩频码胆互相关性启不理想所排带来的一啦系列消极川影响，改保善CDM兽A系统性能亩，提高系愉统容量、唉扩大小区抚覆盖范围扒。多用户怕检测的拢主