RA000103 CDMA通信原理ISSUE4.0.ppt

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1、RA000103 CDMA通信原理,无线课程开发室,课程内容,第一章 移动通信发展简介第二章 CDMA原理第三章 CDMA关键技术第四章 IS95A/B技术第五章 CDMA 1X技术,移动通信发展历程,3G三种制式的比较,CDMA的发展历程,课程内容,第一章 移动通信发展简介第二章 CDMA原理第三章 CDMA关键技术第四章 IS95A/B技术第五章 CDMA 1X技术,第二章 CDMA原理,第一节 相关概念第二节 码分多址原理第三节 CDMA中的有关技术,扩频通信,扩频通信：指将信号扩展至一很宽频带后进行传送的通信系统。扩频通信系统有多种实现方法，CDMA系统采用直接序列调制的方式实现扩频。

2、直接序列调制见下图，将原始信号编码和一比特率远大于它的扩频序列想乘（求异或）之后去调制载波得到扩频信号，此种扩频方式称为直接序列调制。,扩频与解扩,扩频序列,扩频信号,解扩后信号,原始信号编码,扩频序列,相关性和正交,相关性：指两个信号的相似程度。相关性使用相关系数来衡量，当两个信号完全相同时的相关系数为1，当两个信号的相关系数为0时称两个信号正交。对于离散的数字序列相关系数定义为：假设有两个等长的二进制数字编码序列：x（x1，x2，x3，xi，xn）和y（y1，y2，y3，yi，yn）则x和y相关系数为：,如果两个二进制数字编码序列相关系数为0，称两者为正交序列。多个两两正交的二进制数字编码

3、序列构成的码组称为正交码组。,正交序列,序列2,判决电路输出,序列1,序列1序列2,正交码组,8阶正交码组举例：-1-1-1-1-1-1-1-1-1 1-1 1-1 1-1 1-1-1 1 1-1-1 1 1-1 1 1-1-1 1 1-1-1-1-1-1 1 1 1 1-1 1-1 1 1-1 1-1-1-1 1 1 1 1-1-1-1 1 1-1 1-1-1 1,第二章 CDMA原理,第一节 相关概念第二节 码分多址原理第三节 CDMA中的有关技术,正交序列扩频,原始信号编码1,扩频序列1,扩频信号1,混合扩频信号1+2,原始信号编码2,扩频序列2,扩频信号2,解扩与信号分离1,扩频序列1

4、,解扩后的数据,混合扩频信号1+2,判决电路输出,解扩与信号分离2,扩频序列2,解扩后的数据,混合扩频信号1+2,判决电路输出,扩频码扩频,CDMA过程中的频谱变化,窄带原始信号,P(),宽带信号,噪声/其他用户信号,宽带混合信号,P(),P(),P(),扩频码解扩,P(),P(),积分/滤波,窄带原始信号,宽带+窄带混合信号,第二章 CDMA原理,第一节 相关概念第二节 码分多址原理第三节 CDMA相关技术,系统框图,射频接收,解调,解扩,解扰,译码解交织,信源译码,常用名词,比特（bit）、符号（Symbol）与码片（Chip）纯信息数据称为比特（bit）在经过卷积编码器、符号重复与交织后

5、的数据被称为符号（symbol）经过最终扩频后得到的数据被称为码片（chip）处理增益（Processing Gain）理解为最终扩频速率与信息速率的比；在IS-95中处理增益为128，即21dB前向（Forward）：从基站到移动台反向（Reverse）：从移动台到基站,CDMA相关技术信源编码,高效声码器：QCELP 8KQCELP 13KEVRC 8K特点：相对于PCM编码小得多带宽，支持话音激活。典型的双工通话中，通话的占空比小于35%,不通话的时候降低发射速率，有效提高系统容量。,量化,采样,编码,编码器,滤波器,编码器,清/浊音判定,编码器,基音分析,缓冲,语音,语音,PCM编码器

6、,声码器,编码输出,编码输出,CDMA相关技术信道编码,信道编码采用卷积码（语音）或者TURBO（数据）码。约束长度：移位寄存器数+1。编码效率：输入bit数/输出bit数。,11011000,10000010,11101110,1110100010101100,CDMA相关技术交织,交织,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,?,4,5,6,7,8,1,2,?,4,5,6,7,8,1,2,?,4,5,6,7,8,1,2,?,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,

7、6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,?,4,5,6,7,8,1,2,?,4,5,6,7,8,1,2,?,4,5,6,7,8,1,2,?,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,解交织,传送,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,?,?,?,?,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,?,不经过交织直接传送,：因受到干扰无法正确恢复的Bit,CDMA相关技术扩频和Walsh码,前向信道：采用Walsh码扩频区

8、分信道。反向信道：IS95A/B和CDMA2000的RC1、RC2中，Walsh码用于正交调制。CDMA2000的其他RC用Walsh码区分信道类型。区分信道：编码器输出数据的每1个比特与一个2n阶Walsh码相乘（1符号变换到2n个码片）。正交调制：编码器输出数据每6个比特变换为一个64阶Walsh码（6符号变换到64个码片）。,CDMA相关技术m序列,m序列是最长线形反馈寄存器序列的简称。m序列重要性质：输出序列Ck和C（k+t）模2相加后的序列仍然是序列Ck的一个时延序列不同相位的m序列的相关值近似为0（-1/m）输出序列周期为2n-1（没有全0状态，n为寄存器个数）CDMA中的m序列发

9、生器见下图：,移位寄存器序列,掩模寄存器,输出,m序列发生器由两部分组成：移位寄存器序列和掩模寄存器。可以证明图中输出端得到的仍是m序列，只不过相对于直接输出的m序列有一定相移，掩模寄存器取值不同相移也不同。,CDMA相关技术短码、长码,CDMA系统中使用了两种m序列，其中一个周期为215称为短码，另一个周期为242称为长码（增加了全0状态）。前向信道CDMA用不同相位（也就是所谓的PN偏置）的短码区分扇区（基站）使所有Walsh码在各扇区（基站）复用CDMA系统规定短码最小偏移单位为64个bit（CDMA系统称为码片chip），因此共有512个PN偏置（215/64=512）同一扇区（基站）

10、所有CDMA信道短码相同相邻扇区（基站）的CDMA信道短码偏置不同长码作用：前向信道扰码反向信道用不同相位识别移动台,CDMA相关技术调制方式,IS95A/B前向采用QPSK调制,反向采用OQPSK调制；CDMA2000前向采用QPSK调制，反向采用HPSK调制。,OQPSK或HPSK,QPSK,课程内容,第一章 移动通信发展简介第二章 CDMA原理第三章 CDMA关键技术第四章 IS95A/B技术第五章 CDMA 1X技术,第三章 CDMA关键技术,第一节 功率控制技术第二节 RAKE接收机与软切换技术,远近效应,A,B,P(),P(),P(),P(),移动台A由于距离基站较近信号衰减较小,

11、移动台B由于距离基站较远信号衰减较大,P(),解扩,A的发射功率,B的发射功率,基站接收功率,A：成功分离,B：无法分离,CDMA关键技术功率控制1,P(),P(),P(),P(),P(),解扩,移动台A降低发射功率,A,B,A的发射功率,B的发射功率,基站接收到移动台A、B的功率基本相等,A：成功分离,B：成功分离,干扰受限,解扩,P(),P(),P(),P(),P(),P(),P(),P(),P(),P(),P(),（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,（1）,（2）,（3）,（4）,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,解扩,基站接收总功率,基站接收总功率,CDMA关键技术功率控制2

12、,解扩,P(),（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,P(),（1）,P(),（2）,P(),（3）,P(),（4）,P(),（5）,基站接收总功率,功率控制原则,从前4张胶片可以看出：CDMA系统存在远近效应，必须采取措施克服。CDMA是自干扰系统，限制CDMA系统容量的因素是系统总干扰。CDMA2000系统采用功率控制的方法克服远近效应并提高系统容量CDMA2000系统功率控制原则达到系统要求信号质量的条件下，发射功率最小基站从各个移动台接收到的功率相同,功率控制类型,反向（控制对象：移动台）开环功率控制。闭环功率控制（速率：800Hz）前向（控制对象：基站，只有闭环功率控制）消息报告方

13、式：周期报告、门限报告（慢速功率控制用于IS95A/B）EIB方式（速率：50Hz，只用于IS95B的速率集2）快速功率控制（速率：800Hz，用于CDMA2000系统）,反向开环功率控制,移动台所需发射功率受以下因素影响移动台与基站距离小区负荷信道环境移动台根据所接收的前向信道功率，直接确定发射功率,发射功率,接收功率,反向闭环功率控制,内环,外环,插入功率控制比特,设定目标Eb/Nt,测量反向信道的Eb/Nt,测量FER值,功率控制比特,20ms前向业务信道帧,1.25ms,内环功率控制基站测量反向信道的Eb/Nt和目标Eb/Nt进行比较，大于则指令移动台降低发射功率，否则增加发射功率。调

14、节速率为800Hz（1650）外环功率控制BSC统计误帧率，设定所需的目标Eb/Nt,第三章 CDMA关键技术,第一节 功率控制技术第二节 RAKE接收机与软切换技术,无线信道的多径环境,各路多径信号,合成后信号,0,90,0,90,矢量合成,CDMA关键技术RAKE接收机,RAKE接收机能有效的克服多径衰落，提高接收性能。,前置接收机,各单径合并,单径接收电路,单径接收电路,单径接收电路,输出,各路单径信号的分离和时延调整,90,0,CDMA关键技术软切换/更软切换,所谓软切换就是移动台可以同时和几个基站或扇区保持通信联系。软切换时移动台同时和几个基站保持通信联系，各基站的信号由RAKE接收

15、机分离合并。反向信道的合并在BSC。更软切换实际上是软切换的特殊形式，指移动台同时和一个基站的不同扇区保持通信联系。此时，反向信道的合并在基站。,课程内容,第一章 移动通信发展简介第二章 CDMA原理第三章 CDMA关键技术第四章 IS95A/B技术第五章 CDMA 1X技术,第四章 IS95 A/B技术,第一节 IS95A技术第二节 IS95B技术,IS95A信道,前向 导频信道 同步信道 寻呼信道 业务信道（含功率控制子信道）反向 接入信道 业务信道,导频信道作用,导频信道作用：帮助手机捕获系统多径搜索提供相位参考，帮助RAKE接收机进行时延估计，作相干解调切换时手机测量导频信道，进行导频

16、强度比较,同步信道,同步信道提供导频偏置PILOT_PN系统时间SYS_TIME长码状态LC_STATE寻呼信道速率P_RAT同步信道速率固定为1200bps同步信道帧长80/3ms，3帧组成一超帧为80ms,寻呼信道,BTS在寻呼信道上广播：系统参数消息接入参数消息邻区列表CDMA信道列表BTS通过寻呼信道寻呼手机指配业务信道寻呼信道帧长20ms,移动台初始化过程,(1)寻找CDMA频点，捕获导频信道，实现短码同步(2)接收同步信道消息，获取LC_STATE,SYS_TIME P_RAT等系统信息(3)定时改变，实现长码同步(4)守候在基本寻呼信道，接收系统消息(5)可进行登记、始呼或被呼,

17、第四章 IS95 A/B技术,第一节 IS95A技术第二节 IS95B技术,IS95B的变化,增加速率集2：14.4k、7.2k、3.6k与1.8kbps，增加EIB方式的前向功率控制增加增补码分信道以提高数据传输能力。单个用户可最多使用8个码分信道（1 FCH+7 SCCH），最大数据传输速率可达 76.8（速率集1）/115.2kbps（速率集2）软切换相对门限接入过程中的切换移动台辅助的硬切换BSS间的软切换,IS-95B功率控制类型,反向功率控制开环功率控制闭环功率控制前向功率控制消息报告方式：周期报告、门限报告EIB方式（Erasure Indicator Bit）EIB用于速率集2

18、。MS在反向业务信道向BS发送EIB。其中，如果收到的是一坏帧，则置EIB=1；收到的是一好帧，则置EIB=0。功率控制速率：50Hz。,移动台辅助的硬切换,课程内容,第一章 移动通信发展简介第二章 CDMA原理第三章 CDMA关键技术第四章 IS95A/B技术第五章 CDMA 1X技术,第五章 CDMA 1X 技术,第一节 CDMA 1X技术特点第二节 CDMA 1X前向信道介绍第三节 CDMA 1X反向信道介绍,CDMA 1X概述,CDMA 1X空口协议模型,CDMA 1X技术特点变长Walsh码,根据所需信道速率和类型，灵活选择不同长度的Walsh码。,CDMA 1X技术特点多种发射模式

19、,CDMA2000 1X前向支持多种发射模式TD（Transmit Diversity发射分集）OTD（Orthogonal Transmit Diversity）通过分离数据流，采用正交序列扩展两个数据流来完成STS（Space Time Spreading）在多天线上发射所有前向信道以互补的Walsh码或伪随机码扩频Non-TD,CDMA 1X技术特点功率控制,IS-95系统在前向信道中应用慢速功率控制技术，在反向信道中应用快速功率控制技术。CDMA1X在前向信道也应用了快速功率控制技术。在移动台通话过程中，移动台测量接收到的业务信道的Eb/Nt，并与门限值进行比较，然后根据比较结果，向基

20、站发出升高或降低发射功率的指令，以维持接收到的全速率业务信道的Eb/Nt不变。,CDMA 1X技术特点功率控制,第五章 CDMA 1X 技术,第一节 CDMA 1X技术特点第二节 CDMA 1X前向信道介绍第三节 CDMA 1X反向信道介绍,CDMA1X前向信道类型,CDMA1X前向信道类型,前向信道类型公用信道,前向信道类型广播控制信道,特点：基站用它来发送系统开销信息（例如原来在F-PCH上发送的开销信息），以及需要广播的消息（例如短消息）。F-BCCH可以工作在非连续方式。当F-BCCH工作在较低的数据速率时，可以重复多次发射，从而降低每次的发射功率。作用：F-BCCH重复发射，移动台通

21、过对重复信息进行合并来获得时间分集的增益，使基站可以把发射功率降低，从而提高前向信道的总体容量。,前向信道类型快速寻呼信道,特点：快速寻呼信道F-QPCH采用了OOK调制方式，移动台对它解调可以非常简单迅速。另外，它采用80ms为一个QPCH时隙，每个时隙又划分成了寻呼指示符,配置改变指示符和广播指示符来通知移动台是否需要在下一个F-CCCH或F-PCH的时隙上接收寻呼消息、广播消息、系统配置参数作用：使移动台解调迅速，并且不必长时间地连续监听F-PCH，从而达到延长MS待机时间的目的。,前向信道类型导频信道,公共导频信道F-PICH 系统向所有的用户提供连续导频信息 提供信道增益和相位估计

22、检测多径信号 小区捕获和切换 发射分集导频信道F-TDPICH 支持发射分集，与F-PICH配合 辅助导频信道F-APICH、F-ATDPICH 波束成形 支持智能天线的应用,前向信道类型业务信道,基本业务信道F-FCH 5ms和20ms帧，20ms用于语音业务，5ms帧用于控制信令的快速传送 灵活的可变速率数据传输 补充业务信道F-SCH 用于高速的数据传输 由基站规定数据传输速率，因此不需要速率检测 支持多个补充信道的组合来完成不同的业务 支持高速电路数据传输和分组数据传输 独立设置FER，可以灵活的根据业务要求和资源使用情况进行控制 支持突发数据模式,前向信道类型专用信道,专用控制信道F

23、-DCCHF-DCCH用于在呼叫过程中传送用户特定的信令信息 每个前向业务信道可以有一个F-DCCH 支持5ms帧 支持非连续传输,前向无线配置(Radio Configuration),无线配置：简称为RC,是指一系列前向或者反向信道的工作模式，每种RC支持一套数据速率，其差别在于物理信道的各种参数，包括调制特性和扩频速率。扩频速率:可以理解为码片速率，1代表:1*1.2288Mchip/s.,第五章 CDMA 1X 技术,第一节 CDMA 1X技术特点第二节 CDMA 1X前向信道介绍第三节 CDMA 1X反向信道介绍,CDMA 1X反向信道类型,CDMA 1X反向信道类型,反向信道类型导频信道,反向信道类型,RC1RC2:IS-95A/BRC3RC4:CDMA2000 1XRC5RC6:CDMA2000 3X,反向无线配置(Radio Configuration),RC组合规则,