移动通信第6章.ppt

1、第6章CDMA数字蜂窝移动通信系统为6.1引言6.2 CDMA空中接口协议层6.3 CDMA前向信道6.4 CDMA反向信道6.5功率控制6.6 RAKE接收器6.7 CDMA系统的容量6.8 CDMA注册6.9 CDMA切换过程CDMA是码分多址的缩写，是基于扩频通信技术发展的新的成熟无线通信技术。 CDMA技术的原理基于扩频技术，并利用带宽远大于信号带宽的高速伪随机码对具有待传输的恒定信号带宽的信息数据进行调制，对原始数据信号的带宽进行扩展并进行载波调制以便进行发送。 接收端使用完全相同的伪随机码，与接收到的频带信号进行相关处理，将宽带信号转换为原信息数据的窄带信号、即解扩而实现信息通信。

2、 6.1.1 CDMA技术标准化、CDMA技术标准化经过了几个阶段。 IS-95是首次发布的cdmaOne系列标准，也是被全球广泛使用的第一个CDMA标准，该标准支持8K编码语音服务。 此后，分别出版13K语音编码器的TSB74标准，支持1.9 GHz的CDMA PCS系统的STD-008标准，其中13K编码语音服务质量非常接近有线电话的语音质量。 随着移动通信对数据业务需求的增加，1998年2月，美国高通公司宣布将使用IS-95B标准作为基于CDMA的平台。 IS-95B提高了CDMA系统的性能，增加了用户移动通信设备的数据流量，并支持64 kb/s的数据服务。 然后，cdma2000成为从

3、窄带CDMA系统转换到第三代系统的标准。 cdma2000在标准研究的前期，提出了1x和3x的发展战略，随后的研究显示，1x和1x的强化技术标志着未来的发展方向。 6.1.2我国CDMA系统可占有的频率我国无线委员会分配给蜂窝移动通信系统的频率如表2-1 (参照第2章)所示。 如从该表可知，中国联通的CDMA使用频带的上行频率是825835 MHz，下行频率是870880 MHz，占有10 MHz的带宽。 6.1.3 CDMA系统的特点，1 .系统容量大2 .软容量大3 .通话质量更好4 .移动站辅助软切换，软切换的主要优点是(1)无缝切换，从而保持通话的连续性。 (2)减少遗漏的可能性。 (

4、3)处于切换区域内的移动台的发送功率降低。 然而，同时，软切换引起(1)硬件装置(即，通道卡)的相应增加的某些缺点。 (2)降低了正向容量。 但是，由于CDMA系统的前向容量大于反向容量，因此即使适量减少前向容量，也不会导致系统总容量的降低。 5 .不同的CDMA载波可以在相邻小区中使用，因为具有频率校正图像的简单用户可以利用不同的串行码区分，因此网络校正图像灵活并且易于扩展。 6、低网络构建成本的CDMA网络范围宽，系统容量高，需要的基站少，降低了网络构建成本。 7 .“绿色手机”普通手机(GSM和模拟手机)的功率通常控制在600毫瓦以下，CDMA系统的发射功率最高为200毫瓦，普通通话功率

5、控制在零几毫瓦，其辐射作用可以忽略，不影响人体健康。 手机的发信电力的降低，延长了手机的通话时间，意味着电池、电话机的寿命长，起到了环境保护的作用，被称为“绿色手机”。 8 .机密性强，呼叫不被窃听CDMA信号的加扰方式提供高机密性，窃听呼叫必须找到代码地址。 但是，因为CDMA码地址是伪随机码，并且有4.4兆种可能的排列，所以解密密码或者窃听通话内容是非常困难的。 9、多种形式的分集是对应多路径衰落的好方法，有时间分集、频率分集、空间分集三种主要的分集方式。 CDMA系统综合采用上述几种分集方式，大大改善了性能。 总结各种分集方式，(1)时分集合采用码元交织、检错、纠错编码等方法。(2)频率

6、分集本身是1.25 MHz宽带的信号，发挥频率分集的作用。 (3)空分复合基站使用两个接收天线，基站和移动站都采用Rake接收机技术，软切换也用作空分复合。 10 .由于CDMA的功率控制CDMA系统的容量主要受系统内的移动站的相互干扰限制，所以如果各移动站的信号到达基站时达到所需的最小信噪比，则系统容量将达到最大值。 CDMA功率控制的目的是保持高质量的通信，同时避免对占用同一信道的其他用户造成不必要的干扰。 CDMA系统的功率控制不仅能够直接提高容量，而且还能够降低克服噪声和干扰所需的发射功率。 这意味着相同功率的CDMA移动站可以比模拟或TDMA移动站更宽的范围操作。 CDMA系统已引入

7、功率控制，其显着优点在于可降低平均传送功率而不是峰值功率。 具体地，因为CDMA一般具有良好传输条件，所以发送功率低，但是如果遇到衰落，则发送功率通过功率控制而自动增加以抵抗衰落。 11 .在语音激活的典型的全双工双向呼叫中，每个呼叫的占空比小于35%。 在FDMA和TDMA系统中，在通话停止时对信道进行重新分配有一定的延迟，因此难以利用语音激活因素。 CDMA减少了当不说话时传输率并减少了对其他用户的干扰，这是CDMA系统中的语音激活技术。 CDMA的容量与受到的总干扰功率直接相关，可以将容量增加2倍左右。6.2 CDMA空中接口协议层、图61cdma空中接口层结构、6.3 CDMA前向信道

8、、图62cdma前向信道结构、6.3.1前向业务信道、图63cdma前向信道结构。 通常，对应于速率1和速率2，分别有2种声码器。 运行在9.6 kb/s数据流上的8 kb/s声码器和运行在14.4 kb/s数据流上的13.3 kb/s声码器。 费率1包括四种费率： 9600、4800、2400和1200 b/s。 速率2包括四种速率： 14400、7200、3600和1800 b/s。 如果速率2是可选的，则移动站应当支持速率1。 沟道结构在速率1和速率2上不同。 两个声码器都可以进行语音性能的检测和系统中受到的干扰的降低。 另外，由图6-5率1的前向/反向业务信道帧结构、图6-6率2的前向

9、/反向业务信道帧结构以及声码器获得的信息是每帧20 ms。 速率1声码器的全速(9600 b/s )输出速率为8.6 kb/s，每20 ms编码为172 bit。 帧质量指示f (循环冗馀编码校验，CRC )与编码尾部比特t (8比特)被加在音频编码器输出的信息比特之后。 框架质量显示有两个目的。 一个是接收机在校正了所有172个信息比特的CRC之后，可以确定帧是否发生了错误。 第二，有助于确定接收帧的数据速率。 9600 b/s帧是每20 ms传输192比特(172 12 8 )而生成的。 这里，12比特是帧质量指示，8比特是尾比特。 在每秒4800 b/s帧发生相似的过程。 2400 b/

10、s和1200 b/s帧没有由帧质量指示的比特字段，因为这些帧相对较强，大部分发射的信息是背景噪声。 2、卷积编码，图6-7 k=9，1/2比率的卷积编码，3 .码重复码重复器在卷积编码之后，根据需要重复数据，生成速率1为19.2 kb/s，而速率2为28.8 kb/s的速率。 如果速率为1，则输入为19.2 kb/s；符号不重复；如果输入为9.6 kb/s，则每个符号显示两次；如果输入为4.8 kb/s，则每个符号显示四次，依此类推。 符号重复可提高接收器的可靠性，从而为无线信道衰落提供额外措施。 所述重复符号低于全速率符号的功率水平。 由于所有码元的总功率相同，所以每个码元的功率减少。 导频

11、信道没有这个过程。对于同步信道，相应的经卷积编码的符号应该在块交织之前重复一次(按符号顺序地重发)。 寻呼信道是与前向业务信道上的码元相同的重复。 4 .符号提取此符号提取过程仅对两帧的速率起作用。 IS-95决定对两种速率使用相同的块交织器。 这意味着块交织器的输入符号率相同。 CDMA通过每六个输入删除2来将28.8 kb/s的数据流改变为19.2 kb/s。 5 .块交织是用于承受瑞利衰落的影响。 瑞利衰落是频率选择性衰落，它引起大块数据的连续错误，使得接收机难以正确接收。 交织信息的顺序在接收端恢复交织后的突发错误后设为随机错误，使用纠错编码技术纠正随机错误相对容易。 前向业务信道的块

12、交织器每20 ms接收384调制比特。 这些比特被输入到2416个矩阵。 扰频信息被交织并输出到下一步骤(数据扰频码)。 同步信道、寻呼信道和前向业务信道在重复之后进行块交织。 而且，同步信道的交织宽度是26.666 ms，如果符号速率是4800符号/秒，则等于128个调制幅度，交织器阵列为16行8列。 前向业务信道与寻呼信道的交织宽度为20 ms，当调制码元速率为19 200 s/s (码元/秒)时，交织等于384个调制码元(即，包含在一帧中的调制码元的数目)的宽度所有三个通道的符号都按列写入阵列，交错后按行读出。 此外，图6-8的前向业务信道交织过程示意图，6 .数据加扰码数据加扰码为了提

13、供安全性和机密性，仅用于寻呼信道和前向业务信道。 CDMA反向信道没有采用数据加扰码。 长码掩码与使用前向业务信道的移动站电子串扰ESN联合使用，其中长码掩码的周期大约为40天。 由于移动站在所发送的接入信息中包括电子串扰ESN，所以基站能够确定移动站的长码掩码。 如果在前向业务信道上使用加密程序，则移动站使用专用的长码掩码。 由于长码掩码提供安全性并且每隔40天重复，因此窃听者难以标识用户空中发送的特定信息。 长码掩码可根据特定移动站处的电子串扰ESN而变化，并且可提供附加的安全性。 7 .功率控制子信道前向业务信道上的功率控制子信道连续发射，以控制移动站的发射功率。 子信道每1.25 ms

14、发送比特(0或1 )，即发送速率为800 b/s。 0比特表示对移动台提高发送功率，1比特表示对移动台降低发送功率。 各功率控制位的增减功率大小为1 dB。 在CDMA中，由于“远近效应”的问题，要求高速电力控制。 如果从靠近基站的移动站发送的功率大于从位于小区边缘的移动站发送的功率，则靠近基站的移动站将复盖从远离基站的移动站发送的信号，这就是“透视效果”。 在CDMA中，通过使用高速功率控制子信道技术，能够避免“远近效应”的发生。 基站前向业务信道接收机可在1.25 ms的时间内评估移动站所接收的信号强度。 基站随后使用评估值来确定发送的功率控制位的值是0还是1，并且使用提取技术在相应的前向

15、业务信道上发送功率控制位。 在使用提取技术的情况下，两个符号长度的功率控制位被两个连续前向业务信道调制符号所替代，而不考虑其重要性。 该移动站完成从前向业务信道中分离功率控制子信道的操作，随后恢复被损坏的剩馀编码数据流。 该技术影响链路的质量，但仍在使用。 移动站不需要对帧头及帧信息进行解码，而能够迅速地对功率控制比特进行解码。 一旦恢复功率控制子信道，移动站就可以基于数据来调整RF输出功率。 与CDMA反向信道调制不同，在CDMA前向信道调制中，发送所有重复比特，但是在不同的速率中，发送功率不同，速率越低，功率越低。8 .用固定码片速率1.2288 Mc/s(Mchip/s )的沃尔什函数来

16、扩展在正交信道扩展CDMA的前向信道上传输的每个码分信道，CDMA前向信道中的每个码分信道使用相互正交的沃尔什函数。 使用沃尔什函数n进行扩频的码分信道被定义为第n个码分信道(n=063 )。 沃尔什函数以52.083 s (即，64/1.2288 Mc/s )为间隔重复。 由于调制是利用64个Walsh比特片段调制的，所以它等于前向业务信道调制符号的时间间隔。 对于图6-9的正交扩频/解扩、使用图6-10的错误Walsh码进行了正交解扩后的输出结果，在9 .四相扩频调制完成Walsh扩频后，数据被与基站特定的PN序列(称为短码)进行四相扩频。 这将为基站提供特定的标识符并生成QPSK输出。

17、在实践中，所有的移动站使用相同的PN序列，但是每个基站从512个可能的偏置中选择一个作为它自己的Walsh码，并将其发送到移动站。 由于各基站提供唯一的4相，所以移动站可以区分不同基站发送的信号。 当移动站被锁定为显式基站传输时，移动站可基于提供在逻辑信道中的不同Walsh码来区分由基站发送的不同逻辑信道，并且然后可基于基站使用的移动特定长度编码掩码来选择目标信息。 对基站来说，带宽利用比功率有效性更重要。 因此，CDMA前向信道调制采用QPSK调制。6.3.2前向广播信道、CDMA前向广播信道由一个导频信道、一个同步信道及七个寻呼信道构成。 经由适当的Walsh函数来对每一个码分信道进行正交

18、扩展。 导频信道规定使用沃尔什码W0，同步信道使用W32，寻呼信道使用w1w7。 Walsh码对每个信道进行正交扩展，以使得移动站能够区分不同的信道。 1 .导频信道导频信道不断地在CDMA前向信道上发射。 移动站利用导频信道来获得初始系统同步，并且完成来自基站的信号的时间、频率和相位的跟踪。 基站利用导频PN序列的时间偏移来识别每个CDMA前向信道。 由于CDMA方案的频率复用因子为“1”，因此相邻小区能够使用相同的频率。 因此，频率校正像素比较简单，在某种程度上相当于相邻小区的导频PN序列的时间偏置的校正像素。 由于可在一个系统中复用的码分数为512，因此导频信道是可用的并且由偏移指数(0511 )来区别。 另外，在CDMA蜂窝系统中，相同的时间偏移可以被重用。 但