第8章CDMA技术基础2.ppt

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1、CDMA关键技术 CDMA系统容量,移动通信原理与系统,信息数据单位称为比特（bit） 经过卷积编码器、交织与符号重复后的数据被称为符号(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) 在IS-95中处理增益为1.2288M/9.6k = 128，即21dB,Building a CDMA Signal,Bits from Users Vocoder,Symbols,Chips,Forward Error Correction,Coding and Spreading,1、引言-CDMA常见术语,移动通信原理与系统,所有用户在通信过程

2、中都使用统一载波、占据相同的带宽，即共享同一个无线频道 任意一个用户的通信信号对其他用户的通信都是一个干扰（多址干扰）， 通话的用户数越多，相互间的干扰就越大，解调器输入端的信噪比就越低。 多址干扰大到一定程度时，系统将不能正常工作，同时通话的最大用户数量，即系统容量。 在保持系统性能一定的前提下，提高系统容量质量的办法是消除多址干扰，即关键技术,1、引言-CDMA关键技术,移动通信原理与系统,2、CDMA关键技术,2.1 功率控制 2.2 分集技术（RAKE接收） 2.3 编码与调制 2.4 扇区划分 2.5 越区切换,移动通信原理与系统,2.1 功率控制,1、远近效应 当基站同时接收两个距

3、离不同的移动台发来的信号时，由于两个移动台频率相同，则距基站近的移动台（它离基站的距离为 ）将对距基站远的移动台（它离基站的距离为 ） 当 信号产生严重干扰。,移动通信原理与系统,近端对远端干扰比 在同样地形、地物条件下，传输损耗近似与距离的四次反成正比，即有 则,2.1 功率控制,移动通信原理与系统,例 近端用户距离 远端用户距离 则 近端对远端干扰比,功率控制是CDMA的关键技术 区分反向功率控制和正向功率控制,2.1 功率控制,移动通信原理与系统,2、反向链路功率控制 每个移动台的发射功率控制到基站所需的信噪比的最小值。 联合采用开环及闭环功控,2.1 功率控制,移动通信原理与系统,A、

4、反向开环功控 移动台接收并测量基站发来的信号强度，并估计下行传输损耗，然后根据这种估计，自行调整其发射功率。 响应时间：毫秒级 控制动态范围：几十分贝； 优点： 简当易行，不需在移动台基站间交换控制信息，因而控制速度快而且节省开销； 对慢衰落比较有效,2.1 功率控制,移动通信原理与系统,根据总的接收到的信号功率，移动台对需要的发射功率作出粗略的初始判断,2.1 功率控制,移动通信原理与系统,B、反向闭环功控 基站检测来自移动台的信号强度或信噪比，根据测的结果与预定的标准值相比较，形成功率调整指令，通知移动台调整其发射功率。 调整阶距：1dB 调整范围：48dB 调整速率：每秒800次,2.1

5、 功率控制,移动通信原理与系统,B、反向闭环功控,补偿前向和反向路径之间的不对称 允许补偿快衰落的影响,2.1 功率控制,移动通信原理与系统,B、反向闭环功控 反向闭环功控包括内环功控和外环功控 内环功控：目的保持移动台尽可能的接近它的预定的信号强度或信噪比的标称值； 外环功控：为一个给定的移动台调整基站预定信号或信噪比的标准值，即标称功率,2.1 功率控制,移动通信原理与系统,B、反向闭环功控,给定值根据反向业务信道的FER调整(在基站控制器决定) 以50帧/秒(20ms/帧)的速率抽样 给定值每1-2秒调整一次,2.1 功率控制,移动通信原理与系统,C、反向功控的效果,2.1 功率控制,移

6、动通信原理与系统,3、正向链路功率控制 调整基站向移动台发射的功率，是集中式控制。 目标：任意移动台无论处于蜂窝小区的任何位置上，收到基站发来的信号电平都恰好达到信干比所要求的门限值。 A、开环 基站利用接入程序接收的移动台的功率估算出正向链路的传输损耗，并调节各业务信道的起始功率；,2.1 功率控制,移动通信原理与系统,B、 闭环 基站与移动台结合进行动态功率控制，即由移动台检测基站发来的信号强度，并不断地比较信号电平与干扰电平的比值。 如果此比值小于预定的门限值，移动台就向基站发出增加功率的请求，基站收到调整功率的请求后，按的调整阶距改变相应的发射功率。 调整阶距：0.5dB 调整范围：

7、6dB 调整速率：每15-20ms一次,2.1 功率控制,移动通信原理与系统,3、正向链路功率控制,基站缓慢地降低到每个移动台的功率 随着FER(在移动台测定)的增加，移动台要求增加正向业务信道的功率，发送功率测量报告消息,2.1 功率控制,移动通信原理与系统,2.1 功率控制 2.2 分集技术（RAKE接收） 2.3 编码与调制 2.4 扇区划分 2.5 越区切换,2、CDMA关键技术,移动通信原理与系统,1、移动信道的特征 多径传播 快衰落 时延扩展 相关带宽 慢衰落 扩频技术，对抗多径干扰而言，只有在 范围内，扩频增益有抗多径能力， 而当 ，扩频增益对多径时散无济于事。,2.2 分集技术

8、,移动通信原理与系统,抗衰落的一种有效方式，其分集方式有：,2.2 分集技术,移动通信原理与系统,A、显分集 宏分集 减小慢衰落影响 微分集 减小快衰落影响 B、隐分集： 主要指把分集作用隐蔽于传输信号之中。 交织编码 扩频 C、合并方式： A、选择式合并 B、等增益合并 C、最大比值合并,2.2 分集技术,移动通信原理与系统,2、 CDMA中应用的分集技术 时间分集 采用符号交织，检错纠错编码等方法。 频率分集 将能量扩展到宽带中实现。IS-95将信号扩展到整个1.25M上。 空间分集 在基站采用双接收天线,2.2 分集技术,移动通信原理与系统,路径分集 在手机和基站采用RAKE接收，合并不

9、同传输延时的信号 宏分集： 软切换的时候，移动台和多个基站同时联系，从中选出最好的帧送给交换机,2.2 分集技术,移动通信原理与系统,3、RAKE接收 CDMA系统中，多径传播的每一条路径都是经同一地址码调制的载有相同信息的不同延时的信号。 由随机码的相关性知，当来自两条不同路径的信号的时延差超过一个码片宽度时，这两个信号可看作互不相关 RAKE接收对各条路径分别进行相关接收，提取出不同延时的相关峰，然后进行适当合并 克服了多径效应问题，等效增加了接收功率（或发射功率,2.2 分集技术,移动通信原理与系统,3、RAKE接收 一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理，而RAKE接收机采取变害为利，

10、即利用多径现象来增强信号。 RAKE接收部分主要由相关器、搜寻相关器和合并器组成。,2.2 分集技术,移动通信原理与系统,4、RAKE接收机,2.2 分集技术,移动通信原理与系统,4、RAKE接收 搜寻相关器搜索和估算各路信号的强度和伪随机码的相位（即相对时延）， 从到达的各路信号中找出最强的N路信号，并给出这N路信号中伪码的参考相位， 本地码的N个发生器的输出码相位分别与这N个对应路径信号中的伪码同步 经过各自解扩，N个相关器于 时刻，通过相加求和电路再经判决电路产生数据输出。,2.2 分集技术,移动通信原理与系统,4、RAKE接收 IS95中， 基站接收机 N=4 两个搜索相关器 共6个相

11、关器 移动台接收机 N=3 一个搜索相关器 共4个相关器,2.2 分集技术,移动通信原理与系统,2.1 功率控制 2.2 分集技术（RAKE接收） 2.3 编码与调制 2.4 扇区划分 2.5 越区切换,2、CDMA关键技术,移动通信原理与系统,1、正交调制与正交扩频 采用PN序列进行正交扩频，是信号特性接近白噪声特性，从而能改善系统的信噪比。 正交调制提高了频谱利用率 QPSK、OQPSK,2.3 编码与调制,移动通信原理与系统,2、编码 数字化通信必须使用编码技术，包括信源编码和信道编码。语音编码包括波形编码、参数编码（声码器）和波形与参数的混合编码。 A、波形编码 波形编码是传统的语音编

12、码方式，它以精确再现原来语音的波形为目的，并以波形的保真度即自然度为其质量的主要度量指标。,2.3 编码与调制,移动通信原理与系统,B、参数编码 参数编码利用人的发声机制，仅传送反映话音波形产生的主要变化参量，在接收端根据发声机制，由传送来的变化参量人工合成话音。它的主要度量指标在于可懂度。 C、混合编码 混合编码吸取了波形编码和参数编码两者的优点，以参量编码为基础并附加一定的波形编码的特征，实现在可懂度的基础上适当地改善自然度的目的。,2.3 编码与调制,移动通信原理与系统,D、可变速率编码 CDMA采用话音激活技术，在话音间隙期，根据不同的信噪比背景采用可变速率话音编码，提高系统容量 码分

13、多址可方便而充分地利用话音激活检测技术。,2.3 编码与调制,移动通信原理与系统,D、可变速率编码 激活系数：实际传输话音的时间占整个通话时间的比例 0.30.4 码分多址是一个干扰受限系统，其容量与其用户产生的干扰密切相关。 系统中一个占用链路的用户在话音间隙对其他用户不造成干扰。 即背景噪声将降低，接收端的信干比能提高，或者表明系统还可以允许新的用户接入，增加系统容量。,2.3 编码与调制,移动通信原理与系统,D、可变速率编码 CDMA 使用可变速率输出的编码器 在说话时使用全速率 在停顿时使用低速率 可以提高系统的容量 在传输中声音听起来更自然 目的是提高系统容量,2.3 编码与调制,移

14、动通信原理与系统,2.1 功率控制 2.2 分集技术（RAKE接收） 2.3 编码与调制 2.4 扇区划分 2.5 越区切换,2、CDMA关键技术,移动通信原理与系统,利用天线的定向特性把蜂窝小区划分成不同的扇面 如：三叶草形无线区、三角形无线区、120扇形无线区 以及智能天线,2.4 扇区划分,移动通信原理与系统,2、智能天线 原理：天线以多个高增益的动态载波分别来跟踪多个动态用户，接收信号时，来自波束以外的信号被抑制；发送信号时，天线使对期望用户的发射功率最大,2.4 扇区划分,移动通信原理与系统,2、智能天线 通过自适应天线和高分辨阵列处理来实现 智能天线带来的好处： 增加系统容量、提高

15、频谱利用率、抵抗多径衰落 支持高速率数据、减少远近效应,2.4 扇区划分,移动通信原理与系统,2.1 功率控制 2.2 分集技术（RAKE接收） 2.3 编码与调制 2.4 扇区划分 2.5 越区切换,2、CDMA关键技术,移动通信原理与系统,1、CDMA系统中的切换 软切换：先通后断，更好的话音质量，实现无缝切换、减少掉话可能，且有利于增加反向容量 更软切换：同一基站的不同扇区之间。 硬切换：先断后通，硬切换过程中有短暂的中断，容易掉话。 不同频率间的切换 到其它系统的切换,2.5 越区切换,移动通信原理与系统,2、CDMA软切换,双方软切、 三方软切 可以同时包括与三个基站保持通信,移动台

16、合并从每个基站发送来的信号帧.,2.5 越区切换,移动通信原理与系统,3、CDMA更软切换 可能频繁发生 所有行为由基站管理 从两个扇区接收到的信号可以被合并并改善信号质量,2.5 越区切换,移动通信原理与系统,4、CDMA硬切换,切换的两个基站工作在不同的频率 切换的两个基站可以工作在相同的频率，但 从属于不同的MSC,2.5 越区切换,移动通信原理与系统,5、软切换的特点 软切换提高质量 改善话音质量 控制手机干扰 降低掉话率 改善小区覆盖 软切换需要手机协助完成 手机搜索强的导频信号 手机上报导频信号搜索情况 基站引导手机进行软切换,2.5 越区切换,CDMA关键技术 CDMA系统容量,

17、移动通信原理与系统,3、 CDMA系统容量,1、通信容量的概念 A、点对点通信系统 信道效率即给定的可用频段中所能提供的最大信道数目 B、蜂窝网 每个小区的可用信道数 每小区的爱尔兰数 每平方公里的爱尔兰数 每平方公里每小时的通话次数,移动通信原理与系统,2、FDMA蜂窝网通信容量 只考虑第一层共道小区 小区半径r，两个相邻共道小区间的距离 因而 共道再用因子,3、 CDMA系统容量,移动通信原理与系统,FDMA蜂窝网通信容量,（1）采用中心激励 载干比表示为 C信号功率； 背景噪声功率； 来自第i个小区的干扰功率 设传输损耗与传输距离的四次方成比例（忽略 ）,移动通信原理与系统,同频再用距离

18、 ，则,设规定的载干比的门限值为,FDMA蜂窝网通信容量,移动通信原理与系统,又因为蜂窝系统的频段宽度为W，频道间隔为B 则系统总频道数 采用N小区制时，每小区的可用频道数,FDMA蜂窝网通信容量,移动通信原理与系统,（2）采用顶点激励 减小同频干扰，提高系统容量。 当3 顶点激励时，同频干扰将由原来的6个减小到2个 当6 顶点激励时，同频干扰将由原来的6个减小到1个,FDMA蜂窝网通信容量,移动通信原理与系统,TDMA通信容量 同样的计算公式 系统总信道数 其中，m每一频道包含的时隙数， 系统的频道宽度 等效信道宽度,TDMA蜂窝网通信容量,移动通信原理与系统,3种TDMA蜂窝系统容量比较,

19、TDMA蜂窝网通信容量,移动通信原理与系统,频道再用距离受所需载干比的限制。 限制CDMA蜂窝网通信容量的根本原因是系统中存在多址干扰 （1）扩频系统的容量 信息的一比特能量 信息的比特速率 干扰的功率谱密度 扩频带宽,CDMA蜂窝网通信容量,移动通信原理与系统,n个用户的扩频系统，有完善的功率控制时 通常 故,CDMA蜂窝网通信容量,移动通信原理与系统,（2）CDMA蜂窝网容量 A、话音激活期的影响 话音占空比d， B、扇区的影响 扇区个数为G,CDMA蜂窝网通信容量,移动通信原理与系统,C、邻近小区的影响 正向传输：当移动台处于3个小区交接的地方为最不利的位置 若无功率控制，基站发向个移动

20、台的功率相等 来自本基站的有用信号功率 来自本基站的干扰信号功率 来自紧邻2个基站的干扰信号功率 来自较远3个基站的干扰信号功率 来自更远6个基站的干扰信号功率,CDMA蜂窝网通信容量,移动通信原理与系统,载干比 如果不计邻近基站的干扰，分母只剩下第一项 可见由于邻近计占干扰的影响，载干比下降3.3倍。,CDMA蜂窝网通信容量,移动通信原理与系统,考虑功率控制 移动台处于小区边缘所需信号功率为 设各个小区内，移动台的数目较多，而且是均匀分布的,选,为一常数，与用户密度成比例,CDMA蜂窝网通信容量,移动通信原理与系统,基站发向全部用户的总功率 因为 所以,而基站未加功率控制时，发向全部用户的总

21、功率为 ，所以基站增加功率控制后能把其发射总功率减小一半。,CDMA蜂窝网通信容量,移动通信原理与系统,信道复用效率,CDMA蜂窝网容量为,CDMA蜂窝网通信容量,移动通信原理与系统,3种蜂窝网的通信容量比较,移动通信原理与系统,CDMA软容量特性,CDMA蜂窝系统中，信道是靠不同的码型来划分的。 容量即为接收机输入端干扰功率比信号功率恰好大 （干扰容限）时所允许的通信用户数。 软容量：当蜂窝系统的容量满载的情况下，另外增加少数用户加入系统工作，只会引起话音质量的轻微下降，而不会出现信道阻塞现象。,移动通信原理与系统,某小区额定容量50个用户，当有52个用户同时通话时，信干比的差异为 即信干比

22、只比原来下降,CDMA软容量特性,移动通信原理与系统,CDMA系统的基站在接入手机信号时有一个门限值 当一个基站的用户的量已经快要超出负荷时，基站会利用CDMA特有的功率控制技术将门限值提高 使得在 此基站边缘的用户就会因信号太小而被自动的软切换到另一个基站上 优势：保持原来基站的服务质量也可以保证手机用户的通话质量。,CDMA软容量特性,移动通信原理与系统,当相邻小区的负荷一重一轻时，负荷重的小区降低导频信道的发射功率，使本小区边缘的用户切换到临近小区，从而实现负荷分担，也相当于增加了系统容量。,小区呼吸,移动通信原理与系统,对CDMA系统进行类比，房间里不断有新的交谈者进入。 房间的大小： 单载波的容量； 交谈者之间的音量： 手机的发射功率； 音量控制： 功率控制； 交谈者的距离： 手机与基站的距离。,CDMA类比,移动通信原理与系统,总结CDMA关键技术,功率控制 反向开环、反向闭环、正向功控 RAKE接收 利用原本不利的多径信号 软切换 先通后断 软容量,