第14讲第二代移动通信系统(三)IS95系统现代移动通信(新版教材课件).ppt

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1、第二代移动通信系统The 2nd Generation Mobile Communication System（1）,问题1：常规突发中的训练序列有何作用？为何将训练比特在帧中间位置？问题2：GPRS是如何组成的？GPRS有何特点？本次课要回答的问题：IS-95 CDMA的无线信道是如何构成的？物理信道与逻辑信道是如何关联的？IS-95 CDMA前向和反向信道的组成及功能模块的作用、系统控制功能及基本原理。重点：PN码在IS-95 CDMA中的用法及作用；IS-95 CDMA系统的功率控制原理。难点：功率控制原理。,内容回顾与提示,内容提要（Contents）,IS-95系统An Overvi

2、ew on IS-95 System IS-95系统的空中接口 The Air-interface of IS-95 System IS-95系统的定时与同步 The Timing&Synchronization of IS-95 SystemIS-95系统的功率控制 The Power Controlling of IS-95 System,内容提要（Contents）,IS-95系统An Overview on IS-95 System IS-95系统的空中接口 The Air-interface of IS-95 System IS-95系统的定时与同步 The Timing&Synch

3、ronization of IS-95 SystemIS-95系统的功率控制 The Power Controlling of IS-95 System,关于IS-95系统,IS-95系统的技术基础 基于扩频通信技术（军转民）是一种支持蜂窝组网的多用户扩频通信技术码分多址（CDMA）技术 与传统扩频技术比，功率控制是它成功的关键 何谓“IS-95”IS-95是美国TIA给基于CDMA第二代数字移动通信系统的标准代号，即（Interim Standard 95）。IS-95的地位 是第一个CDMA蜂窝移动通信系统规范 它的CDMA技术框架是后来CDMA蜂窝系统的基础,IS-95系统的诞生,产生背

4、景 数字蜂窝移动通信技术开发兴起（1980年代中后期）冷战结束，技术“军转民”成为可能 技术推手高通公司：主要发明者美国TIA：标准化组织韩国政府：“第一个吃螃蟹者”主要里程碑 1991年高通在西雅图的试验；1993年被TIA确定为IS-95标准 1993年4月韩国购买生产许可并很快成功建网 1994年3月中国开始试验，1998年11月试运营网开通,IS-95系统的标准系列,IS-95的一些后续标准 IS-99：为IS-95提供无线数据链接协议 IS-657：专门为IS-95提供直接接入Internet标 协议。支持所有的TCP/IP/PPP协议。IS-95B：为IS-95成为宽带系统而写。I

5、S-95C：于1999年开展制订，完全兼容IS-95A、B,IS-95系统的特点,窄带蜂窝移动通信系统 900MHz频段，信道带宽1.25MHz 频率复用率高 模拟FDMA：1/7，18dB带外抑制；数字TDMA：1/3，9dB带外抑制；CDMA：约2/3（理论值1），各小区/扇区可同一频率 软切换 软容量 自干扰系统 功率控制很关键 可向3G平滑过渡（实事结果，非必然）,内容提要（Contents）,IS-95系统An Overview on IS-95 System IS-95系统的空中接口 The Air-interface of IS-95 System IS-95系统的定时与同步 T

6、he Timing&Synchronization of IS-95 SystemIS-95系统的功率控制 The Power Controlling of IS-95 System,IS-95空口参数,运营频段 824 849MHz（反向）；869 894MHz（前向）双工方式 FDD，间隔45MHz载波间隔 1.25 MHz信道速率 1.2288kbps接入方式 CDMA 调制方式/4-QPSK分集 RAKE(移动台2-3指，基站3指)接收，天线分集信道编码 卷积码，K=9,R=1/3(反向)；K=9,R=1/2(前向）话音编码 QCELP可变速率编码器数据速率 9.6，4.8，2.4，1

7、.2kbps正交扩频：64进制WLASH码PN序列周期：242-1 chips and 215 chips,IS-95的频道设置一个频道含有64个物理信道,IS-95的无线信道,其中频道号1666，占20MHz，其中1333属系统A，334666属系统B。系统A、B分别为两个不同的经营部门，各自组成蜂窝网。A和B是基本的频道。此外，又外加5MHz频带作为A系统和B系统的扩展，其频道号分别为667777和9911023。,IS-95的逻辑信道各种逻辑信道由不同的码序列来区分,IS-95的无线信道,IS-95的无线信道,IS-95逻辑信道功能及其映射 前向信道的类型：1个导频信道、1个同步信道、7

8、个寻呼信道和63个前向业务信道。导频信道：发送导频信号供移动台识别并引导移动台入网同步信道：发送同步信息供移动台建立与系统的定时和同步寻呼信道：发送有关寻呼、指令及业务指配信息前向业务信道：传送用户业务信息；同时传送信令信息。,逻辑信道到物理信道的映射,IS-95的无线信道,IS-95逻辑信道功能及其映射前向信道的映射,IS-95的无线信道,IS-95逻辑信道功能及其映射后向信道的映射,IS-95的无线信道,前向物理信道,IS-95的无线信道,前向物理信道,IS-95的无线信道,前向物理信道业务信道调制参数,卷积编码与重复编码 卷积码:R=1/2,K=9,G0=753(octal),G1=56

9、1(octal);重复量:9600bps(Non),4800 bps(1),2400 bps(3),1200 bps(7).块交织 交织深度:20 ms 块;交织图案:24x16分组交织.长 PN 序列产生基本作用:数据扰码 生成多项式 生成:42比特掩码和42状态矢量的模-2内积,IS-95的无线信道,前向物理信道,IS-95的无线信道,前向物理信道模-2内乘产生长码示意图,长PN序列（续）两种掩码 基站 ESN公用 移动台 MIN专用 长码掩码结构如下：,IS-95的无线信道,前向物理信道,长PN 序列(续)电子序列号(ESN)是 置乱 ESN号是 数据扰码 1.2288MHz PN 作用

10、于(抽取器),其中 只保留每 64 PN 的第一个chip;抽取器的符号速率是 19.2 ksps.,Permuted,IS-95的无线信道,前向物理信道,IS-95的无线信道,前向物理信道基带信号处理（接入信道）,IS-95的无线信道,前向物理信道基带信号处理（业务信道）,IS-95的无线信道,前向物理信道业务信道调制参数,卷积编码与符号重复 卷积码:R=1/2,K=9,G0=557(octal),G1=663(octal),G2=771(octal);重复:9600bps(Non),4800 bps(1),2400 bps(3),1200 bps(7);重复后速率 28,800 bps.块

11、交织 交织深度:20 ms block;交织方式:分组交织 32x18.正交调制64进制正交调制;每1比特对应6个 Walsh 码片：Walsh 码片速率 307.2 kbps 28.8 kbps x(64 Walsh chips)/(6 code bits)=307.2 kbps.,IS-95的无线信道,后向物理信道,技术小结长码掩码接入信道掩码：和寻呼信道号对应公开和私用掩码；与用户号码对应直接序列扩频利用长码对正交调制后Walsh码元进行扩频子码速率为307.2kc/s，长码速率1.2288Mc/s四相调制（扩展）与前向信道所用的I、Q引导PN序列相同为交错四相相移键控（O-QPSK）,

12、IS-95的无线信道,后向物理信道,IS-95的无线信道,小区/扇区的识别通过道频PN序列偏置有512种,编号K从0到511偏置时间偏置的引导PN序列必须 在时间的偶数秒起传,IS-95的无线信道,小区/扇区的识别功能块解释四相调制：给基站一个特别识别码，并产生QPSK输出在同相支路（I）和正交支路（Q）引入以两个互为准正交的m序列为基础产生的I、Q序列。m序列的主要作用是给不同基站发出的信号赋予不同的特征，以便移动台识别，其生成多项式如下：基带滤波器的作用是将QPSK信号的功率谱限制在分配的带宽内。,IS-95的无线信道,小区/扇区的识别功能块解释四相调制：给基站一个特别识别码，并产生QPS

13、K输出I、Q序列的长度215=32768chip（相当于26.66ms），在生成（2151）的m序列中，当出现14个连“0”时，向其中插入一个“0”，使序列14个“0”的游程变成15个“0”的游程。各基站使用相同的PN序列，但PN序列的起始位置不同，依据是m序列的自相关特性在时间偏移大于一个子码码元宽度后，其自相关系数值接近于零。扩频码：可以看成是Walsh和m序列级联形成的码组，这样既保持同步正交性能，又降低了非同步相关值。,IS-95的无线信道,传输帧结构同步数据信息帧结构寻呼/业务数据信息帧结构,高帧：含25个超帧，或75个PN帧（相当于75个PN周期），时长为2秒。超帧：相当于3个PN

14、周期，时长为80ms。PN帧：含128个同步符号（32768个码片），时长为26.66ms。同步符号：含256个码片（4个沃尔什序列），时长为208.38s。沃尔什序列：含64个码片。时长为52.0825s。码片（chip）：0.8137s。,高帧：含25个超帧，或75个PN帧（相当于75个PN周期），时长为2s。超帧：相当于4个业务帧，时长为80ms。业务帧：含384个寻呼/业务符号（24576个码片），时长为20ms。寻呼/业务符号：含64个码片（1个沃尔什序列）。时长为52.0825s沃尔什序列：含64个码片。码片（chip）：0.8137s。,IS-95的无线信道,传输帧结构,内容提要

15、（Contents）,IS-95系统An Overview on IS-95 System IS-95系统的空中接口 The Air-interface of IS-95 System IS-95系统的定时与同步 The Timing&Synchronization of IS-95 SystemIS-95系统的功率控制 The Power Controlling of IS-95 System,IS-95的定时与同步,IS-95定时与同步的含义 系统定时，也叫全局定时 基站与移动台间定时同步 系统定时 提供全系统统一定时基准 采用GPS定时：每基站设1GPS接收机 精度不低于20ns 定时同

16、步包括PN码同步、符号同步、帧同步和扰码同步等 通过对导频信道的捕获建立PN码同步和符号同步通过同步信道的接收建立帧同步和扰码同步 扩频序列的同步是扩频系统接收机所要完成的首要步骤扩频序列的同步可以通过捕获和跟踪二个阶段,IS-95的定时与同步,扩频序列捕获扩频序列的捕获是指接收机在开始接收扩频信号时调整和选择本地扩频序列的相位，使收发信机扩频序列的相位一致，所以捕获又叫扩频序列的初始同步或粗同步过程；多数的捕获方法都是用非相干检测；匹配滤波器方法是获得伪随机序列初始同步的最佳方案；匹配滤波器可以在中频实现，也可以在基带实现；匹配滤波器的实质是抽头延迟线加累加器，是一种并行捕获方案，捕获快；N

17、序列的捕获也可以采用基于滑动相关的串行捕获方案；串行捕获方案 捕获速度慢。,IS-95的定时与同步,定时跟踪完成扩频序列的捕获以后，本地序列相位同接收信号的相位通常还有1/2个码片误差；收发时钟的不稳定性，收发信机之间的相对运动以及传播路径时延变化等因素，已同步的本地序列相位会出现某种抖动偏差；还要进行扩频序列的跟踪。跟踪过程又叫细同步过程；跟踪环路不断校正本地序列发生的时钟相位，使本地序列的相位变化与接收信号相位变化保持一致，实现对接收信号的相位锁定；伪随机序列的定时跟踪通常可以采用基于延迟门定时误差检测器的延迟锁定环。,内容提要（Contents）,IS-95系统An Overview o

18、n IS-95 System IS-95系统的空中接口 The Air-interface of IS-95 System IS-95系统的定时与同步 The Timing&Synchronization of IS-95 SystemIS-95系统的功率控制 The Power Controlling of IS-95 System,为何需要功率控制,CDMA系统的干扰受限特点（根本原因）原因：扩频码得非理想相关特性；无线信道多经效应；蜂窝结构和大用户量；通过功控减少：符号间干扰（ICI）、用户间干扰（MAI）、邻小区干扰（ACI）；CDMA蜂窝系统容量主要受限于干扰。节省功耗通过功率控制减

19、少无谓功率消耗 减少电磁辐射根通过功率控制，减少基站和移动台无谓电磁辐射 改善时变信道传输质量根据信号强度探测，改变发送功率，保证无线链路质量,上世纪80年代中期IEEE文章：CDMA用于蜂窝系统不可行；1989.2 高通（Qualcomm）造访李建业：CDMA蜂窝系统商用必须解决功率控制；1989.4 高通再访李建业：6个月内演示CDMA功控，太平洋电话公司将支付100万美元；1993年高通基于功率控制、软切换等核心专利技术的IS-95标准通过，CDMA蜂窝系统商用；目前，1400多项专利，专利费已成为高通公司的重要经济支柱。,功率控制技术的诞生,功率控制技术的作用,远近效应,若d2/d1=

20、100，则S1/S2将达近80dB!强抑弱！,远近效应,只有采用功率控制才能很好地解决CDMA蜂窝系统面临的问题。这些问题包括：远近效应；快衰落与阴影衰落；多址干扰,多径衰落,快衰落与阴影衰落 接收信号快速起伏！衰落速率：可达100次/秒（900MHz、60km/h时）衰落深度：可达30dB,功率控制技术的作用,（a）基站对移动台的正向多址干扰,（b）移动台对基站的反向多址干扰,多址干扰,功率控制技术的作用,功率控制的目标,功率控制的目标：及时调整发射机的功率，使接收端接收的功率始终刚刚够用！多：多的部分是干扰；少：通信质量达不到,功率控制的实现,基本方法方法：开环法、闭环法、开环+闭环法 开

21、环功率控制测量接收信号强度，估算、调整自身的发射功率，以达到期望的通信质量。如手机接入时其发射功率：-平均输入功率-73+NOM_PWR+INIT_PWR+PWR_STEP,功率控制的实现,闭环功率控制目的是弥补开环功控的不足，消除快衰落的影响，实现精确控制，使各个移动台发送的功率始终正好满足解调要求。其实现框图如下,每1.25 ms调整一次，每次+或-1 dB功控比特（1bit）插入前向业务信道数据流在开环功控的基础上提供+/-24dB的闭环调整,功率控制的实现,对移动台发射功率的限制最小控制的输出功率 移动台发射机平均输出功率应小于-50dBm/1.23MHz，即-110dBm/Hz；移动

22、台发射机背景噪声应小于-60dBm/1.23MHz，即-120 dBm/Hz。输出信号功率的时间响应,功率控制的实现,IS-95功控原理框图,功率控制的实现,IS-95功控原理前向链路功率控制机制：通过响应移动台提供的测试来调整各用户链路信号的前向链路功率组成：开环功率控制闭环功率控制。其中开环功控是基站通过接入程序期所接收的移动台功率，估算出传输损耗来调整各业务信道的起始功率；闭环功控是基站和移动台相配合而动态地改变功率。调节量：大小通常约0.5dB，动态范围限制在动态功率6dB，速率低于反向链路功控的变化速率，每1520ms变更一次。,功率控制的实现,IS-95功控原理反向链路开环功率控制

23、机制：通过估算基站至移动台的路径损耗，来决定移动台的发射功率调节量：具有约85dB的动态范围，几个微秒的快速响应。反向链路闭环功率控制机制：基站对移动台的开环估算提供快速校正，确保移动台的最佳发射功率。调节量：移动台按预定量增加或降低发射功率，范围在开环估算值的 24dB内，每1.25ms调节1次。,内容回顾与课后思考,本次课堂内容回顾IS-95系统概况IS-95的空中接口：cdma扩频调制原理IS-95系统定时与同步IS-95的功率控制技术思考题为何说没有功率控制就没有cdma蜂窝移动通信系统？IS-95前反向链路各使用什么调制方式？两者有什么区别？功率控制有何作用？简述IS-95反向闭环功率控制的过程。,Thanks for Your Attention!,