详解CDMA蜂窝移动通信1.ppt

CDMA蜂窝移动通信蜂窝移动通信袁超伟 陈德荣 冯志勇 编著n第章 概述n第章 CDMA技术基础n第章 CDMA码序列n第章 CDMA通信原理n第章 窄带CDMA通信系统n第章 IS-95 CDMA呼叫处理n第章 IS-95 CDMA中信令的应用n第章 IS-95 CDMA 系统中的软切换和功率控制n第章 宽带CDMA蜂窝移动通信简介目录1.1 蜂窝网通信概论 1.1.1 移动通信的发展历史 1.1.2 我国移动通信的发展状况 1.1.3 蜂窝技术 1.1.4 蜂窝网移动通信概论1.2 多址接入技术1.3 CDMA的过去、现在和将来第一章第一章 概述概述1.1蜂窝网通信概论1.1.1移动通信的发展历史移动通信的发展，大致经历了五个发展阶段:第一阶段是从世纪20年代至40年代，为早期发展阶段;第二阶段是从世纪40年代中期到60年代中期;第三阶段是从世纪60年代中期至70年代中期，这时出现并推广自动交换式的三级结构;第四阶段是从世纪70年代中期到80年代末，主要是解决用户增加而频道有限的问题;第五阶段是从世纪80年代中期开始至今。这是数字移动通信系统的发展和成熟时期。以AMPS和TACS为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题，主要表现如下：1 现有的模拟式蜂窝系统体制混杂，不能实现国际漫游。2 模拟蜂窝网不能提供数据业务。3 模拟系统设备价格高、手机体积大、电池充电后有效工作时间短，给用户带来不便。4 模拟系统网用户容量受到限制，在人口密度很大的城市，系统扩容 困难。为了克服第一代蜂窝系统的局限性，以满足移动通信网发展的需要，北美、欧洲和日本自世纪80年代中期起相继为第二蜂窝系统制定了三种不同的标准，即北美的IS、欧洲的GSM和日本的JDC。表1-2 几种典型的模拟蜂窝状移动电话系统年代体制名称国家或地区1979年HCMTS日本1981年NMT-450北欧1984年AMPS美国1985年TACS英国1986年NMT-900北欧1987年C-900德国1988年ETACS/AMPS美国，英国1991年GSM.8CH.TDMA欧洲1992年CADN.3CH.TDMA美国，日本1.1.2 我国移动通信的发展状况1987年我国第一个模拟网在广东珠江三角洲开通，采用的体制为TACS。随后北京、秦皇岛、上海相继组建模拟移动电话系统，年增长率一直超过100%；1994年11月开始组建GSM数字网；1998年模拟用户开始下降；2001年7月关闭模拟网；到2001年11月底，移动用户约达到1.4亿户，其中中国联通用户约达4000万。年份199419951996199719981999200020012002中国移动总用户数156.78362.94684.8113252357432485261410020037中国移动模拟用户数150.04347.27520.7640.3626.8459250中国移动数字用户数6.7415.67164.116831729.8782964001005012929.8中国联通GSM移动用户数31040141521182539305400中国联通CDMA移动用户数120701.2表1-5 中国蜂窝移动用户发展情况。（单位：万）年份200320042005中国移动总用户数230002800034000中国移动数字用户数150001830021200中国联通GSM移动用户数610063006400中国联通CDMA移动用户数190034005400表1.6中国蜂窝移动电话用户预测结果（单位：万）图1.1 数字移动通信的演进过程1.1.3 蜂窝技术 蜂窝的概念在处理覆盖区问题上与大区制是不同的。它放弃了中心广播的方法，而将整个服务区划分为许多较小的区域，用许多小功率的发射机来覆盖每个小的区域，这样的区域称为蜂窝小区（cell），许多小区就可以覆盖整个服务区了。从理论上讲，我们可以给每个小区分配不同的频率，但这样需要大量的频率资源，并且频谱利用率很低，为了减小对频率资源的需求和提高频谱利用率，我们需将相同的频率在相隔一定距离的小区中重复使用，只要使用相同频率的小区之间干扰足够小即可。链状网链状网主要用于覆盖公路、铁路、海岸等，如图1-2所示。图1-2 链状网 基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的。链状网宜采用有向天线，使每个小区是扁圆形。链状网可进行频率再用。若以采用不同信道的两个小区组成一个区群，如图-（）所示，称为二频组。若以采用不同信道的三个小区组成一个区群，如图-（）所示，称为三频组。若以采用不同信道的四个小区组成一个区群，如图-（）所示，称为四频组。从造价和频率资源的利用而言，当然二频组最好；但从抗同频道干扰方面而言，二频组最差，还应考虑多频组。设n频组的链状网如图1-3所示图1-3 链状网的同频道干扰每个小区的半径为r，相邻小区的交叠宽度为a，第n+1区与第1区为同频道小区。据此，可以算出信号传输距离 和同频道干扰传输距离 之比。二频组三频组N频组r/(3r-2a)r/(5r-3a)r(2n-1)r-naI/Sa=0-19db-28db40lg1/(2n-1)a=r0db-12db40lg1/(n-1)表1-7 同频道干扰蜂窝网a.无线小区的形成全向小区辐射的覆盖区是个圆形。为了不留空隙地覆盖整个平面的服务区，一个个圆形辐射区之间一定含有很多的交叠。在考虑了交叠之后，实际上每个辐射区的有效覆盖区是一个多边形。小区形状如图1-4所示。图1-4 小区的形状可以证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面区域，可取的形状只有这三种。那么这三种形状小区的邻区距离、小区面积、交叠区宽度和交叠区面积如表1-8所示。小区形状正三角形正方形正六边形邻区距离小区面积交叠区宽度交叠区面积表1-8 三种形状小区的比较b.区群的组成单位无线区群的构成应满足以下两个条件：一是单位无线区群之间彼此邻接；二是相邻单位无线区群的同频小区中心间隔距离是一样的。满足以上两个条件的关系式如下：中N为构成单位无线区群的正六边形的数目，简称区群数。及b均为非负整数，但、b不能同时为零。c.同频（信道）小区的距离设小区的辐射半径（即六边形外接圆的半径）为R,则从图1-5可以算出同信道小区中心之间的距离为：图1-5 面状覆盖d.中心激励与顶点激励在每个小区中，基站可放在小区的中央，用全向天线形成圆形覆盖区，这就是所谓的“中心激励”方式，如图1-6（a）所示。也可以将基站设计在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用三副120扇形天线共同覆盖，这就是所谓的“顶点激励”，如图1-6（b）所示。图1-6 激励与频率复用采用定向天线后，所接收的同频干扰功率下降，因而可以减少系统的同道干扰。另外，在不同地点采用多副定向天线可以消除小区内障碍物的阴影区。若要用定向天线，建议采用43复用方式，即N=4，每个基站3个120扇区或60三叶草形小区。见图1-6（c）、（d）、（e）、（f）。e.小区的分裂在整个服务区中每个区的大小可以是相同的，但这只能适应用户密度均匀的情况。在用户密度高的市中心区可使小区的面积小一些，在用户密度低的市郊区可使小区的面积大一些。小区一般分为巨区、宏区、微区、微微区几类。具体指标及大体关系分别见表1-9和图1-7所示。蜂房类型巨区宏区微区蜂房半径(km)100500351终端速度(km/h)1500500100运行环境所有乡村郊区市区业务量密度低低到中中到高适用系统卫星蜂窝蜂窝/无绳表1-9 小区分类图1-7 小区分类图示当一个特定小区的话务量增加时，小区可以被分裂为更小的小区。通过小区数的增加来增加信道的再用数，这样来增加用户容量，如图1-8所示。图1-8 小区分裂f.切换 切换是使移动台的一个呼叫进程在小区之间移动时能够继续的过程。切换可以基于接收的信号强度或信干比（SIR），或基于网络资源管理的需要。切换过程可能涉及终端的注册和鉴权。切换可以分为硬切换和软切换。软切换是当移动终端的通信被连到另一个目标的无线端口时，不需要中断与当前服务的无线端口的通信。在软切换中，移动终端可以同时与两个无线端口通信。硬切换是移动终端被连到相邻的无线系统、不同的频率分配或不同的空中接口特性和技术。硬切换在空中接口是先断后通的过程。1.1.4 蜂窝网移动通信概论系统结构蜂窝系统的典型结构如图1-9所示。图1-9 蜂窝系统形状由图可见，蜂窝网移动通信系统本身由三大部分组成，即移动交换中（MSC）或移动电话交换局（MTSO）、基站（BS）和移动（MS）。蜂窝网的功能与特征蜂窝网通信系统的主要功能：（）移动功能蜂窝网移动通信系统的服务由基本服务及操作、维护和管理服务成。（）服务资源功能传输和同步功率控制采用小区制信道再用技术，提高频率使用效率。设备通用性较强，接口标准规范统一。（）业务功能业务分为基本业务和补充业务。蜂窝网通信的主要特征 频率再用是蜂窝系统的重要概念，也是蜂窝系统的显著特征。为了实现频率再用，除了正确的频率配置外，在小区内应限制基站的发射功率。蜂窝移动系统的另一重要特征是过境切换（或越区切换）。将服务区域划分成小区所带来的一个很自然的问题是并非所有的移动中通话都能在单个小区内完成。蜂窝系统的第三个特征是小区分裂。用小区分裂的方式可增加系统的容量。一般来说，小区半径越小，基站数量越多，系统的容量也就越大。从模拟蜂窝网到数字蜂窝网模拟蜂窝网存在的主要缺陷为频谱利用率低；体制过多，不易于国际漫游；保密性差，易被窃听；移动设备成本高，体积大；不安全，容易被盗号码；所能提供的业务种类受限；网络管理存在问题等。数字蜂窝系统能够解决这些问题，数字蜂窝移动通信网的主要优点可以归纳如下：（1）频谱利用率较高，可进一步提高系统容量。（2）能提供多种业务服务。（3）保密性好。（4）抗衰落能力强。（5）网络管理与控制更有效。今后十多年将是数字网（尤其是CDMA数字网）大发展的时期，其体制与技术对未来移动通信系统将产生重大影响。1.2 多址接入技术任何空中接口设计的基础都是如何选择在用户之间分享公共传输媒体，即多址接入方案。第一代蜂窝系统AMPS以及第二代IS-54和IS-95标准代表了三类典型的多址（MA）技术方式，即 FDMA、TDMA、CDMA。基本的多址接入方案如图1-10所示。图1-10 多址接入方案1.3 CDMA的过去、现在和将来扩频技术起源于军用和航空系统。抵消人为干扰技术的发展已经证明扩频技术适用于蜂窝应用中色散信道的通信。CDMA时代可以划分为三个阶段：（1）先锋CDMA时代；（2）窄带CDMA时代；（3）宽带CDMA时代。2.1CDMA技术基本原理 2.1.1引言 2.1.2码分多址技术基本原理2.2 扩频通信系统 2.2.1 概述 2.2.2 扩频通信系统2.3 卷积编码2.4 块交织2.5 数字信号调制 2.5.1 数字信号的表示 2.5.2 数字信号传输质量指标 2.5.3 调制技术第章CDMA技术基础2.6 数据扰码2.7 鉴权和加密 2.7.1 鉴权过程 2.7.2 共用保密数据 2.7.3 参数更新 2.7.4 话音保密第章CDMA技术基础2.1CDMA技术基本原理2.1.1引言 所谓无线多址通信是指在一个通信网内各个通信台、站共用一个指定的射频频道，进行相互间的多边通信，也称该通信网为各用户间的多元连接。实现多址连接的理论基础是信号分割技术。在发送端，信号设计的任务是使信号按某种参量相互正交或准正交。一个无线电信号可以用若干参数来表征，其中最基本的是信号的射频频率、信号出现的时间、信号出现的空间、信号的码型、信号的波形等。按照这些参量的分割，可以实现的多址连接有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）、码分多址（CDMA）等。由这些基本的多址方式还可以派生出多种组合多址方式。目前，在移动通信系统中所采用的多址方式主要有三种：频分多址、时分多址和码分多址。1频分多址频分多址是发送端对所发信号的频率参量进行正交分割，形成许多互不重叠的频带。在接收端利用频率的正交性，通过频率选择（滤波），从混合信号中选出相应的信号。在移动通信系统中，频分多址是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的互不重叠的频道分配给不同的用户使用。为了实现双工通信，收发使用不同的频率（称之为频分双工）。收发频率之间要有一定的频率间隔，以防同一部电台的发射机对接收机的干扰。这样，在频分多址中，每个用户在通信时要用一对频率（称之为一个信道）。图2-1是信道划分示意图。图2-1 FDMA信道划分示意图图2-2为频分多址系统的工作示意图。由图可见，系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号。任意两个移动用户之间进行通信时都必须经过基站中转，因而要占用两个信道（4个频道）才能实现双工通信。不过，移动台在通信时所占用的信道并不是固定指配的，通常是在通信建立阶段由系统控制中心临时分配的，通信结束的移动台将退出占用的信道，这些信道又可以重新分配给其他移动用户使用。图2-2 FDMA系统工作示意图2时分多址 时分多址是发送端对所发送信号的时间参量进行正交分割，形成许多互不重叠的时隙。在接收端利用时间的正交性，通过时间选择（选通门）从混合信号中选出相应的信号。时分多址是把时间分割成周期性帧，每一帧再分割成若干个时隙，然后根据一定的时隙分配原则，使移动台在每帧中按指定的时隙向基站发送信号，基站可以分别在各个时隙中接收到移动台的信号而不混淆。同时，基站发向多个移动台的信号都按规定在预定的时隙中发射，各移动台在指定的时隙中接收，从合路的信号中提取发给它的信号。图2-3是时分多址移动通信系统工作示意图，其中（a）是由基站向移动台传输；（b）是由移动台向基站传输。图2-3 TDMA系统工作示意图FDMA与TDMA都是区分与识别动态用户地址的多址技术。与固定式通信中的信号复用技术相同，实质上都是属于信号正交划分与设计技术。不同点是信号复用目的在于区分多路，而多址技术目的是区分多个动态地址。正交信号的正交划分与设计，具体是通过信号的正交参量（i=12，n）的划分来实现的。（1）在发送端：设计一组相互正交的信号参量或其中：为第i个用户地址的信号；为第i个用户信号 的正交参量；为第i个用户地址的保护区。（2）在接收端：设计一个正交信号识别器，如图2-4所示。图2-4 正交信号识别器原理典型范例：（1）当时，称为频分多址，如图2-5所示。（2）当时，称为时分多址TDMA，如图2-6所示。图2-5 频分多址原理图图2-6 时分多址原理图3码分多址码分多址（CDMA）有两种主要形式：直扩码分（DSCDMA）与时频编码或跳频，前者多用于民用，后者多用于军事。对于直扩码分多址DSCDMA形成如图2-8所示。图2-8 直扩码分多址原理图关于时频编码或称跳频如图2-9所示。图2-9 时频编码扩频多址原理图本书仅介绍直扩码分多址（DSCDMA），简称码分多址（CDMA）。码分多址是各发送端用各不相同的、相互（准）正交的地址码调制其所发送的信号。在接收端利用码型的（准）正交性，通过地址识别（相关检测）从混合信号中选出相应的信号。码分多址的特点是：（1）网内所有用户使用同一载波，占用相同的带宽；（2）各个用户可以同时发送或接收信号。2.1.2码分多址技术基本原理在码分多址通信系统中，利用自相关性很强而互相关值为0或很小的周期性码序列作为地址码，与用户信息数据相乘（或模2加），经过相应的信道传输后，在接收端以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性的差异对收到的所有信号进行鉴别，从中将地址码与本地地址码一致的信号选出，把不一致的信号除掉（称之为相关检测）。其基本工作原理简要叙述如下。图2-10是码分多址收发系统示意图。图2-10 码分多址收发系统原理图实际上，码分多址移动通信系统并不是这样简单，而是要复杂得多。第一，要达到多路多用户的目的就要有足够多的地址码，而这些地址码又要有良好的自相关特性和互相关特性。这是“码分”的基础。第二，在码分多址通信系统中的各接收端，必须产生本地地址码（简称本地码），该本地码不但在码型结构与对端发来的地址码一致，而且在相位上也要完全同步。用本地码对收到的全部信号进行相关检测，从中选出所需要的信号。这是码分多址最主要的环节。第三，由码分多址通信系统的特点，即网内所有用户使用同一载波，各个用户可以同时发送或接收信号。这样，在接收机的输入信号干扰比将远小于1（负若干dB），这是传统的调制解调方式无能为力的。为了把各用户之间的相互干扰降到最低限度，并且使各个用户的信号占用相同的带宽，码分系统必须与扩展频谱（简称扩频）技术相结合，使在信道传输的信号所占频带极大地展宽（一般达百倍以上），为接收端分离信号完成实际性的准备。2.2 扩频通信系统2.2.1 概述基本概念扩展频谱（简称扩频）通信技术是一种信息传输方式，是码分多址的基础，是数字移动通信中的一种多址接入方式。特别是在第三代移动通信中，它已成为最主要的多址接入方式。扩展频谱（SS：Spread Spectrum）通信简称扩频通信。在发端，采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽；在收端，采用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所传信息数据扩频通信系统用100倍以上的信号带宽来传输信息，最主要的目的是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证安全可靠地通信。我们将在下面用信息论和抗干扰理论来加以说明，并且在后面分析CDMA蜂窝系统通信容量时将证明，CDMA蜂窝系统的容量将是GSM系统的4倍，是模拟蜂窝系统的20倍。图2-12所示为扩频通信系统的基本组成框图。图2-12 扩频通信系统基本组成框图扩频通信的理论基础扩频通信的理论基础来源于信息论和抗干扰理论。仙（Shannon）在其信息论中得出带宽与信噪比互换的关系式，即仙农公式：式中，C为信道容量，单位为bit/s；W为信号频带宽度，单位为Hz；S为信号平均功率，单位为W；N为噪声平均功率，单位为W。采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱的方法可以降低接收机接收的信噪比门限值。柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰性理论中得到如下关于信息传输差错概率的公式：式中，Pe为差错概率，E为信号能量，n0为噪声功率谱密度，f为某一函数。设信息持续时间为T，或数字信息的码元宽度为T，则信息带宽B为：信号功率S为：已调（或已扩频）信号的带宽为W，则噪声功率为：上面公式指出，差错概率Pe是输入信号与噪声功率之比（S/N）和信号带宽与信息带宽比（W/B）二者乘积的函数，信噪比与带宽是可以互换的。它同样指出了用增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处这一客观规律。综上所述，扩频通信就是将信息信号的频谱扩展100倍以上，甚至1000倍以上，然后再进行传输，因而提高了通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是扩频通信的基本思想和理论依据。由此可得：处理增益和抗干扰容限理论分析表明，各种扩频通信系统的抗干扰性能都大体上与扩频信号的带宽与所传送信息带宽之比成正比。我们把扩频信号带宽W与信息带宽B之比称为处理增益G。它表示了扩频通信系统信噪比改善的程度，是扩频通信系统的一个重要的性能指标。仅仅知道了扩频系统的处理增益，还不能充分说明系统在干扰环境下的工作性能。因为通信系统要正常工作，还需要保证输出端有一定的信噪比（如CDMA蜂窝移动通信系统为7dB，GSM系统为10dB，TACS系统为17dB），并需扣除系统内部信噪比的损耗，因此需引入抗干扰容限Mj干扰容限是在保证系统正常工作的条件下，接收机输入端能承受的干扰信号比有用信号高出的分贝（dB）数。其数学表达式为：式中Mj为干扰容限，Gp为处理增益Ls为系统损耗，(S/N)0为接收机输出信噪比。干扰容限直接反映了扩频通信系统接收机允许的极限干扰强度，它往往能比处理增益更确切地表达系统的抗干扰能力。例1某扩频通信系统的处理增益Gp=33dB，系统损耗Ls=3dB，接收机的输出信噪比 ，则该系统的干扰容限Mj=20dB。这表明该系统最大能承受20dB（100倍）的干扰，即当干扰信号功率超过有用信号功率20dB时，该系统不能正常工作；而二者之差不大于20dB时，系统仍能正常工作，即信号在一定的噪声（或干扰）湮没下也能正常通信。例2某扩频通信系统的处理增益Gp=30dB，系统损耗Ls=2dB，接收机的输出信噪比 ，则该系统的干扰容限Mj=18dB。这表明干扰信号功率超过有用信号功率18dB时，该系统不能正常工作，而二者之差不大于18dB时，系统仍能正常工作，即信号在一定的噪声（或干扰）湮没下也能正常通信。扩频通信的特点）抗干扰能力强）保密性好）可以实现码分多址）抗衰落、抗多径干扰）能精确地定时和测距扩频通信系统的种类（）直接序列（DS）系统（）跳频（FH）系统（）脉冲线性调频（Chirp）系统（）跳时（TH）系统 此外还有上述四种系统组合的混合系统。实际的扩频通信系统以前三种为主流，主要用于军事通信，而在民用上一般只用前两种，即直接序列扩频通信系统和跳频扩频通信系统。2.2.2 扩频通信系统扩频通信的一般原理如图2-14所示。由图2-14可见，扩频通信系统与普通数字通信系统相比较，就是多了扩频调制和解扩部分。图2-14 扩频通信原理方框图直接序列扩频直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）通信系统是以直接扩频方式构成的扩展频谱通信系统，通常简称直扩（DS）系统，又称伪噪声（PN：PseudoNoise）扩频系统。图2-15为直扩系统各点波形和频谱图。图2-15 直扩系统各点波形和频谱图码分多址直接序列扩频通信系统码分多址通信系统中的各个用户同时工作于同一载波，占用相同的带宽，这样，各用户之间必然相互干扰。为了把干扰降低到最低限度，码分多址必须与扩频技术结合起来使用。在民用移动通信中，码分多址主要与直接序列扩频技术相结合，构成码分多址直接序列扩频通信系统，该系统主要有下列两种方式：第一种系统构成的简单框图（如图2-16所示）。第二种码分直扩系统构成的简单框图(如图2-17所示)。图2-16 码分直扩系统（一）图2-17 码分直扩系统（二）跳频扩频通信系统跳频（FH：Frequency Hopping）通信是指用一定码序列进行选择的多频率频移键控。即通信使用的载波频率受一组快速变化的伪随机码控制而随机的跳变。这种载波变化的规律，通常叫做“跳频图案”。跳频实际上是一种复杂的频移键控，是一种用伪随机码进行多频频移键控的通信方式。最简单的频移键控只有两个频率1和2，分别代表空号和传号，称之为二元频移键控（2FSK），如图2-18所示。图2-18 二元频移键控的波形跳频也是一种扩频技术，跳频系统的载波频率在很宽频率范围内按预定的图案（码序列）进行跳变。跳频系统的组成方框图如图2-19所示。图2-19 跳频系统组成方框图图2-20可见，从时域上看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上随机跳变的不等间隔的频率信道。图中载波频率跳变次序是：f5f4 f7 f0 f6 f3 f1。如果从时间频率域来看，跳频信号是一个时频矩阵，每个频率持续时间为Tc秒。图2-20 跳频系统的信号波形示意图跳频分慢跳频和快跳频。慢跳频是指跳频速率低于信息比特速率，即连续几个信息比特跳频一次；快跳频是指跳频速率高于信息比特速率，即每个信息比特跳频一次以上。也有人把每秒几十跳的跳频称为慢速跳频，每秒几百跳的跳频称为中速跳频，每秒几千跳的跳频称为快速跳频。跳频速率应根据使用要求来决定。一般来说，跳频速率越高，跳频系统的抗干扰性能就越好，但相应的设备复杂性和成本也越高。跳时扩频通信系统与跳频相似，跳时（TH：Time Hopping）是使发射信号在时间轴上跳变。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采用了窄得很多的时片去发送信号，相对来说，信号的频谱也就展宽了。图2-22 跳时系统的信号波形示意图2.3 卷积编码现代数字通信常常设计成高速率传输，数字化移动信道中传输过程会产生随机差错，也会出现成串的突发差错。卷积码既能纠正随机差错也具有一定的纠正突发差错的能力。卷积码是分组的，但它的监督元不仅与本组的信息元有关，还与前若干组的信息有关。这种码的纠错能力强，不仅可纠正随机差错，而且可纠正突发差错。卷积码根据需要，有不同的结构及相应的纠错能力，但都有类似的编码规律。图2-23为（3，1，3）卷积编码器，它由三个移位寄存器（D）和两个模2加法器组成。每输入一个信息元mj，就得到两个监督元Pj1、Pj2，顺次输出为mj、Pj1、Pj2，码长为3，其中信息元只占1位，构成卷积码的一个分组（即1个码字），称作（3，1，3）卷积码。由图可知，监督元Pj1，Pj2不仅与本组输入的信息元mj有关，还与前几组的信息元已存入到寄存器的mj-1，mj-2和mj-3有关。由图2-23可知，其关系式为：上式称作该卷积的码监督方程。图2-23（3，1，3）卷积编码器图2-24示出的（2，1，1）卷积码的编码器和译码器，它可在4比特范围内纠正一个差错。图2-24（a）为编码器，每输入一个信息元（mj），编码器输出为mj、Pj，其中Pj为：式中mj-1为mj之前的信息元。图2-24（2，1，1）卷积码（k=2）假定输入信息元序列为100（1为先输入），经过编码输出为110100（其中1为最先输出）。下面具体分析它的编码过程。编码开始前，先对移位寄存器进行复位（即置0）。当输入第1个信息元“1”，输出为1，由于Pj=10=1，输出开关接到Pj，输出又为1。输出端开关速率是信息元速率的两倍，即每输入一个信息元，开关同步的转换一次。因此，上述过程可完成：输入mj=1，Pj=10=1，所以输出为11；输入mj+1=0，Pj+1=mj+1mj=01=1，所以输出为 01；输入mj+2=0，Pj+2=mj2mj+1=00=0，所以输出为00。可见，输入信息100，经该卷积编码后，输出序列为110100。卷积码（n，k，m）由k个输入、具有m阶存储的n个输出线性时序电路实现。通常，n和k是较小的整数，且kn，但m相当大。卷积码（n，k，m）指定的码率为R=k/n，编码器级数为m=M1。其中M是码的约束长度。编码器存储阶数等于数据序列时延。m级n维生成序列集通常可以按如下方式描述：其中i=1，2，k表示输入端数，j=1，2，n表示模2加法器数（输出端）。上面的方程也可以以多项式形式表达：窄带CDMA正向信道使用码率R=1/2，约束长度为9的(2，1，8)卷积码。该卷积码的生成序列为：由于码率为1/2，所以每次编码器输入一比特，编码器输出就产生两位编码符号。初始化后第一个输入符号 是由生成序列 编码的符号，第二个输出符号 是由生成序列 编码的序号。如图2-25所示，卷积编码包含连续时延数据序列选定抽头的模2加。图2-25 24位输入的（2，1，8）2.4 块交织交织是排列符号序列的过程，这种为获得时间分集的重排过程称为交织，可以用两种方法考虑：块交织和卷积交织。块交织是根据顺序重排过程，可以如下考虑：交织后的输出符号（长度是卷积编码器编码符号的i倍）可以通过交织获得。实现方法是通过将j个编码符号安排成i行矩阵，然后按列（或行）发送符号，如图2-27所示。如果卷积码能纠正随机错误，那么交织器能纠正小于或等于j长度的突发错误。图2-27 块交织器的数据重排过程2.5 数字信号调制2.5.1 数字信号的表示数字信号采用二进制，其幅度取值分别用“1”或“0”（或“1”、“1”）表示。由0，1表示成为单极性码，逻辑运算由模2加实现，也叫做逻辑异或。其规则是：由+1，1表示成为双极性码，即“0”用+1表示，“1”用1表示，逻辑运算由乘法实现。其规则是:2.5.2 数字信号传输质量指标在数字通信系统中，衡量数字信号传输质量的主要性能指标是传输速率和差错率，下面分别予以说明。）传输速率第一种表示方法为码元速率RB，指单位时间（即1s）内传输数字信号波形的数目（即码元的个数），单位是波特（Baud）。第二种表示方法为信息速率Rb，即每秒钟传送的信息量，其单位是比特/秒（b/s）。）差错率1.误码率Pe2.误比特率Pb数字信号传输的基本要求是希望传输速率高而误码率低，但两者往往是矛盾的：如提高速率会使误码率升高；利用纠错码可降低误码率，但又会使信息传输速率下降。2.5.3 调制技术1调制、解调的主要功能和要求（1）频谱搬移（2）抗干扰，即功率有效性（3）提高系统有效性，即频谱有效2基本原理由于基带信号是数字信号，所以相应地有三种基本调制方式，即振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK）。其他各种数字信号调制方式，如相对移相（DPSK）、正交移相（QPSK）和偏置移相（OQPSK）等都是PSK的改型；而高斯型最小频移键控（GMSK）是FSK的改型。3.数字式调制、解调的分类（1）振幅键控（ASK）基于2ASK由二进制向多进制方向发展，产生了正交幅度调制QAM、MQAM（又称为星座调制）。这种调制方式改变无线电载波信号的振幅。（2）移频键控（FSK）基于2FSK向多进制方向发展，产生了MFSK调制。这种调制方式改变无线电载波的频率。（3）移相键控（PSK）基于2PSK向多进制方向发展，产生了QPSK、OQPSK、(/)QPSK、MPSK以及DPSK和DQPSK等。这种调制方式改变无线电载波的相位。（4）QPSK调制MPSK调制中最常用的就是4PSK，又称QPSK。其调制组成及其波形如图2-30所示。图2-30 QPSK调制器及其波形（5）QPSK解调QPSK信号解调方法可分为相干解调和差分解调两类。图2-31给出了QPSK相干解调器的组成方框图。采用非相干解调方式，可省去载波同步。图2-32为非相干接收机框图。图2-31 QPSK相干解调器图2-32 非相干接收机框图目前，数字移动通信系统的调制技术主要有两大类：（1）一类是以GSM为代表的，采用非线性的连续相位调制CPM中的高斯滤波的最小频移键控GMSK。（2）另一类属于移相键控PSK，它包括IS95中以及MT2000中采用的BPSK、QPSK、OQPSK、平衡四相扩频调制BQM以及复数四相扩频调制CQM等。（3）国际上，1986年以前线性高功率尚未取得突破性进展，数字调制技术几乎都集中在研究和实现连续相位调制CPM上，特别是MSK和GMSK很受欢迎。1987年以后由于实用性线性高功放取得实质上的进展，并走向商业化，人们才开始将眼光向实现技术简单的QPSK系列。4目前数字移动通信系统的调制技术2.6 数据扰码数据扰码也称数据掩蔽，其目的是为了数据的安全。正向业务信道数据扰码原理与寻呼信道信号扰码相同。图2-33是显示了数据扰码机制。图2-33 数据扰码机制2.7 鉴权和加密在鉴权过程中，MS和BS之间进行信息交换从而确认MS 的身份。只有证明了MS和BS拥有同样的共用保密数据（SSD），鉴权过程才算成功地完成了。例如，在CDMA鉴权协议中，移动台和基站互相都有匹配的加密认证符（即相同的SSD），实际上是由认证算法产生和发布的符号的短消息摘要。2.7.1 鉴权过程MS使用处于工作状态的IMSI（IMSI_O）进行鉴权，同时BS使用与MS最后一次登记相关的IMSI。如图2-34所示，SSD分为两部分：SSD_A和SSD_B。SSD_A用来支持鉴权过程，而SSD_B用来支持话音保密和信令消息加密。图2-34 SSD的划分1.MS登记鉴权 当AUTH设定为01时（标准识别模式），完成下列鉴权过程，而且移动台通过接入信道发送登记消息尝试进行登记。2.唯一性查询响应过程 唯一性查询响应过程由BS发起，并且能够在寻呼和接入信道或正向和反向业务信道中完成。3.MS始呼鉴权4.MS终止鉴权5.MS数据子帧的鉴权6.TMSI分配的鉴权 2.7.2 共用保密数据空中接口过程已经定义为在MS中更新SSD。新的SSD在HLR/AUC中产生，并且SSD更新过程是由HLR/AC发起的包括下列MSCBS消息的交换：SSD更新请求消息 基站查询指令消息 基站查询响应消息 SSD更新响应消息如图2-40所示，SSD更新过程的呼叫流程为：图2-40 SSD更新呼叫流程成功实例SSD更新的消息流程图如图2-42所示。图2-42 SSD更新消息流程2.7.3 参数更新当MSC需要指示MS更新呼叫历史记录次数（COUNT）的时候，执行参数更新过程。该过程应该在给呼叫方始发或被叫方分配业务信道之后，在尽可能早的时间内完成该过程。MSC给BS发送一个参数更新请求消息，并且开始启动定时器T3280。BS在接收到该消息之后，给MS发送参数更新指令，指示MS更新它的数值。当MS接收到该指令后增加它的呼叫历史记录数值，并立即给MSC发送参数更新确认消息。MSC在接收到该消息之后，增加它的数值并停止计时器T3280的工作。2.7.4 话音保密空中接口能够实现BS和MS之间的话音保密。下面的呼叫流程描述了在呼叫建立中调用话音保密的过程，如图2-43所示:图2-43 保密模式过程（1）在呼叫过程中的任意时刻，接收到分配完成消息之后，MSC就可以向BS发送保密模式指令消息，该消息规定了提供给业务信息的保密性，然后MSC启动计时器T3280。（2）在获得业务信道之后，当BS给MS发送话音保密请求指令时就能建立话音保密。（3）MS完成需要的保密模式过程，并且使用话音保密响应指令对BS进行确认。（4）BS给MSC回复保密模式完成消息指明已经成功接收了保密模式指令消息。MSC在接收到保密模式完成消息之后使计时器T3280停止工作。