CDMA移动通信系统RF优化培训讲义 第一讲 CDMA原理.ppt

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1、CDMA移动通信系统RF优化培训讲义第一讲: CDMA原理,培训教师：王嘉华,2,内 容,CDMA基础原理IS-95系统基本结构CDMA前向信道CDMA后向信道CDMA中的关键技术,3,CDMA基础原理,4,什么是CDMA?,是800 MHz 和1900 MHz PCS 运营商的选择满足CTIA Users Performance Requirements大容量独特的编码方案提供保密通信,CDMA 能够提供优异的话音质量,5,什么是多址技术 ?,由于在电话和无线通信系统初期，运营商力图在一条电路上同时提供尽可能多的业务。媒介的类型 - 举例:双绞线同轴电缆光纤空中接口(无线信号)多址技术的优点

2、增加容量:为更多用户提供服务减少资金投入降低每用户的费用管理方便,Each pair of屗 users enjoys a dedicated, private circuit through the transmission medium, unaware that the other users exist.,Multiple Access: 多个独立的用户对一个传输媒介的同时、私有的使用,6,多址技术,物理传输媒介是一个公共资源, 可以根据建立在不同使用技术的不同标准细分为单独的信道.这里列出了三种主要的多址技术:FDMA Frequency Division Multiple Acce

3、ss每个用户使用一个不同的频率一个信道是一个频率TDMA Time Division Multiple Access每个用户使用一个时间上的一个不同窗口(时隙) (“time slot”)一个信道是在一个指定频率上的一个指定的时隙CDMA Code Division Multiple Access每个用户在所有的时间内使用相同的频率,通过不同的code patterns区分一个信道是一个唯一的 (一套) code pattern(s),信道:在传输媒介上为每个用户单独分配的,专用的一个通道,7,CDMA特点和优势,8,CDMA 10 MHz8个CDMA载波每载波、每扇区20个话音信道每小区3个

4、扇区频率复用系数=1支持有效话音信道数=8 * 20 * 3 = 480,CDMA与GSM的小区容量对比：,GSM 10 MHz50个GSM载波(10MHz/200KHz)每载波8个时隙(包括控制信道和业务信道)每小区3个扇区频率复用系数(通常)=4可配置的站型为S444支持有效话音信道数=48 * 8 * /4 = 96-87,去除BCCH&SDCCH,在相同频谱利用度的情况下，CDMA的容量是GSM的5.5倍,容量大,9,CDMA 8K EVRC,话音质量高,10,CDMA小区覆盖随负载的变化而变化在无负载的情况下，小区半径是标准GSM的3倍在每扇区20信道的负载条件下，半径是标准GSM的

5、2倍 GSM小区在加载的情况下，覆盖保持不变,与GSM相比：,在反向链路预算上，CDMA比GSM高5dB,反向链路预算比较,在相同覆盖条件下，基站数量大大减少，节省投资,覆盖大,11,CDMA： N=1 频率复用,GSM： N=4频率复用,2,3,4,4,4,3,2,4,3,CELL1,CELL1,CELL1,2,工程设计简单，扩容方便,频率规划简单,12,其它无线系统小区/扇区切换采用硬切换切换是先中断再接续容易产生掉话,CDMA小区/扇区切换采用软/更软切换切换是先接续再中断服务质量高，有效减低掉话,CellSiteA,HANDOFF,CellSiteB,MAKE,AMPSGSM,BREA

6、K,CellSiteA,CellSiteB,CellSiteA,CellSiteB,CDMA,中断,减低掉话，提高服务质量,减少由于切换产生的掉话,13,术语定义,CDMA信道 或 CDMA 载波 或 CDMA 载频由两个1.25 MHz带宽构成的双工信道, 一个用来从基站到移动台的通信 (称作前向链路 或下行链路) ;一个用来从移动台到基站的通信 (称为 反向链路 或上行链路)在800M蜂窝系统中, 双工间隔为 45 MHz 在1900 MHz PCS中,双工间隔为 80 MHzCDMA Forward Channel (前向信道)1.25 MHz Forward LinkCDMA Reve

7、rse Channel (反向信道)the 1.25 MHz Reverse LinkCDMA Code Channel (CDMA码信道)在前向信道或反向信道中的每个独立的二进制流l码信道通过数学的码进行区分前向信道中的码信道: Pilot, Sync, Paging and Forward Traffic channels后向信道中的码信道: Access and Reverse Traffic channels,14,CDMA: Using a New Dimension,所有的CDMA用户同时占用同样的频率, 频率和时间在这里不用作区分的标准CDMA 系统使用“码”区分信道CDMA干扰

8、主要来自附近的用户 每个用户是喧闹的人群中一个较小的声音, 叠加了一个独特的可恢复的的码所有用户的发射功率都必须严格控制, 使这些信号到达基站时具有相同的信号强度.,Figure of Merit: Ec/Io, Eb/No(energy per chip bit /interference noise spectral density)CDMA: Ec/Io -17 to -2 dBCDMA: Eb/No +6 dB,15,CDMA 是一个扩频系统,通常使用的技术力图把信号压缩在尽可能小的带宽内直接序列扩频系统使用快速的扩展序列与输入数据混合扩展序列在接收端独立再生, 并与接收的宽带信号一起

9、恢复原始数据去扩展会带来实质上的增益, 增益与频谱扩展的倍数成比例CDMA系统使用一个较大的带宽, 从而有较大的处理增益, 从而提高了容量.,16,扩频系统原理示意(1),17,扩频系统原理示意(2),18,扩频系统原理示意(3),19,可以恢复的运算,任意的数据比特流都可以与一个扩频序列叠加在接收端, 如果可以获得原始的扩频序列,并且正确同步, 接收到信号可以被解扩在解扩后, 原始的数据流可以被完整无缺的恢复,20,通过 CDMA “运送 和接收”,无论在运送,接收或CDMA系统中, 封装非常重要货物被放置在嵌套的容器内, 进行保护和编址运送时按照一定的顺序打包, 接收时要按照相反的顺序“去

10、包装”在CDMA系统内,容器是扩频码,21,CDMA的嵌套扩展序列,CDMA 联合使用了三种不同的扩频序列形成了独特的,强壮的信道扩频序列在发送端和接收端都容易产生扩展序列在发送端依次扩展, 在接收端依相反的顺序解扩, 就可以恢复原始的数据流,22,CDMA的简单模型,d0(t),C0(t),dm-1(t),Cm-1(t),C0(t),d0(t),(Tb=nTc),23,CDMA的简单示例发送端,d0(t),t,t,t,W1(t),d3(t),t,t,t,c1(t),s1(t),s0(t),t,Tb,Tc,s(t)=s0(t)+ s1(t),24,CDMA的简单示例接收端,b0(t)=s(t)

11、c0(t),t,t,t,c0(t),s(t),b1(t)=s(t)c1(t),t,t,c1(t),s(t),t,Tb,Tb,+1,-1,-1,+1,25,我们需要多少个扩频码 (1) -区分前向码信道,一个调节到特定频率的移动台,接收某一基站的某一小区的前向信道信号这个前向信道携带了最大可有64个“前向码信道”组成的复合信号这些码信道中有一部分是“业务信道”,其他是使CDMA系统正常运作需要的 开销信道一个由64个数学码组成的码集被用来区分64个可能的前向码信道, 这64个码信道可能包含在一个前向CDMA信道中码集中的数学码被称为 “Walsh Codes”,26,我们需要多少个扩频码 (2)

12、 -区分各个基站,一个移动台周围可能有若干个基站, 所有这些基站使用相同的频率发射每个基站的每个扇区都发射最多由64个码信道组成的CDMA前向信道一个移动台必须能够区分不同基站的不同扇区, 而且只监听一组码信道两个二进制数字序列, 称为 I and Q Short PN Sequences (or Short PN Codes) , 被用作定义不同基站扇区的识别在一个CDMA系统中, 这两个有 Short PN Sequences 可以512种不同的方式使用, 每一种构成了一个数学码, 用来识别特定基站的特定扇区,27,我们需要多少个扩频码 (3) -区分反向码信道,CDMA系统必须能够唯一地

13、识别每一个可能与基站通信的移动台在市场上有数量众多的移动台一个称为 Long PN Sequence (or Long PN Code) 的二进制数字序列被用来唯一地石碑每一个可能的反向码信道这个序列非常长, 有数以亿计的不同使用方式. 每一种使用方式构成一个数学码, 用来识别一个特定的用户(被称为 User Long Code)或一个特定的接入信道 (在本课程后面会作解释).,28,Walsh Codes 属性,64个 “魔法”序列, 每一个长度为 64 chips 一个 chip是一个二进制数字(0或1)每一个Walsh Code都正交与其他 Walsh Codes这意味着能够通过一个“滤

14、波”的过程, 从一个与其他Walsh codes混合的信号中识别中, 因此能够抽取一个特定的Walsh codes.两个同样长度的二进制串是正交的, 如果他们两个异或的结果具有相同数量的“0”和“1”,WALSH CODES # - 64-Chip Sequence - 0 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 1 0101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101 2 0011001100110011001100110011

15、001100110011001100110011001100110011 3 0110011001100110011001100110011001100110011001100110011001100110 4 0000111100001111000011110000111100001111000011110000111100001111 5 0101101001011010010110100101101001011010010110100101101001011010 6 001111000011110000111100001111000011110000111100001111000011

16、1100 7 0110100101101001011010010110100101101001011010010110100101101001 8 0000000011111111000000001111111100000000111111110000000011111111 9 010101011010101001010101101010100101010110101010010101011010101010 001100111100110000110011110011000011001111001100001100111100110011 0110011010011001011001101

17、00110010110011010011001011001101001100112 000011111111000000001111111100000000111111110000000011111111000013 010110101010010101011010101001010101101010100101010110101010010114 001111001100001100111100110000110011110011000011001111001100001115 011010011001011001101001100101100110100110010110011010011

18、001011016 000000000000000011111111111111110000000000000000111111111111111117 010101010101010110101010101010100101010101010101101010101010101018 001100110011001111001100110011000011001100110011110011001100110019 011001100110011010011001100110010110011001100110100110011001100120 0000111100001111111100

19、00111100000000111100001111111100001111000021 010110100101101010100101101001010101101001011010101001011010010122 001111000011110011000011110000110011110000111100110000111100001123 011010010110100110010110100101100110100101101001100101101001011024 000000001111111111111111000000000000000011111111111111

20、110000000025 010101011010101010101010010101010101010110101010101010100101010126 001100111100110011001100001100110011001111001100110011000011001127 011001101001100110011001011001100110011010011001100110010110011028 000011111111000011110000000011110000111111110000111100000000111129 0101101010100101101

21、00101010110100101101010100101101001010101101030 001111001100001111000011001111000011110011000011110000110011110031 011010011001011010010110011010010110100110010110100101100110100132 000000000000000000000000000000001111111111111111111111111111111133 010101010101010101010101010101011010101010101010101

22、010101010101034 001100110011001100110011001100111100110011001100110011001100110035 011001100110011001100110011001101001100110011001100110011001100136 000011110000111100001111000011111111000011110000111100001111000037 010110100101101001011010010110101010010110100101101001011010010138 0011110000111100

23、00111100001111001100001111000011110000111100001139 011010010110100101101001011010011001011010010110100101101001011040 000000001111111100000000111111111111111100000000111111110000000041 010101011010101001010101101010101010101001010101101010100101010142 001100111100110000110011110011001100110000110011

24、110011000011001143 011001101001100101100110100110011001100101100110100110010110011044 000011111111000000001111111100001111000000001111111100000000111145 010110101010010101011010101001011010010101011010101001010101101046 001111001100001100111100110000111100001100111100110000110011110047 0110100110010

25、11001101001100101101001011001101001100101100110100148 000000000000000011111111111111111111111111111111000000000000000049 010101010101010110101010101010101010101010101010010101010101010150 001100110011001111001100110011001100110011001100001100110011001151 011001100110011010011001100110011001100110011

26、001011001100110011052 000011110000111111110000111100001111000011110000000011110000111153 010110100101101010100101101001011010010110100101010110100101101054 001111000011110011000011110000111100001111000011001111000011110055 011010010110100110010110100101101001011010010110011010010110100156 0000000011

27、11111111111111000000001111111100000000000000001111111157 010101011010101010101010010101011010101001010101010101011010101058 001100111100110011001100001100111100110000110011001100111100110059 011001101001100110011001011001101001100101100110011001101001100160 000011111111000011110000000011111111000000

28、001111000011111111000061 010110101010010110100101010110101010010101011010010110101010010162 001111001100001111000011001111001100001100111100001111001100001163 0110100110010110100101100110100110010110011010010110100110010110,EXAMPLE:Correlation of Walsh Code #23 with Walsh Code #59#23 011010010110100

29、1100101101001011001101001011010011001011010010110#59 0110011010011001100110010110011010011001011001100110011010011001XOR 0000111111110000000011111111000011110000000011111111000000001111Correlation Results: 32 1s, 32 0s: Orthogonal!,29,Walsh码的特点：彼此完全正交长度为M的Walsh码组所包含的码的个数也为M， 不同的码按照它在矩阵中所在行的序号分别称为 W0

30、、W1、WM-1用长度为M的Walsh码做扩频码时，扩频因子应当 是M，这样接收端可以完全恢复发送端的波形。,Walsh码的特点,30,Walsh Codes的产生,31,Short PN Code,short PN code 包含两个 PN Sequences, I 和 Q, 每一个的长度为 32,768 chips 两个PN Sequences 的产生类似,但移位寄存器的生成多项式不同他们总在一起使用, 即用在QPSK的两相正交调制上,32,最大长度线性反馈移位寄存器序列,m序列的产生,生成多项式为本原多项式,伪随机码m序列,33,PN Sequences: 产生和属性,伪噪声序列 Pse

31、udoNoise (PN) sequences 是由移位寄存器产生的无反馈网络的移位寄存器: 形成序列的长度 =寄存器的个数带抽头的移位寄存器产生一个长度为2N-1 chips的序列, (N为移位寄存器的个数), 序列具有下列性质:这样的序列如果逐位比较, 是匹配的(明显地, 任何序列同它自己是匹配)这样序列同他们本身是近似正交的, 如果在时间上没有精确对准的话. False correlation is small,34,Sector/Cell 标识-PN OFFSET,35,CDMA “Short” and “Long” PN Codes,CDMA系统使用三个 PN code 序列: 两个

32、 “short” 和一个 “long”两个 short PN codes (称为“I” 和 “Q”) 被用来在前向链路中正交调制区分不同基站或小区这两个short codes由15位 PN code 发生器产生. 产生的字串的长度位 215 -1 bits , 系统在在最长连“0”后面插入一个“0”, 长度变为32768; 重复周期是 26.666. milliseconds (2 s重复 75次).long PN code 在前向链路中被用来扩展和数据扰码/随机化; 在反向链路中用来区分移动台.long code 是由 42-bit PN code 发生器产生. 产生的字串在没有插“0”之前

33、长度是 242 -1 (大约 4.4万亿) bits long; 它的循环周期大约 41 天, 10 小时, 12 分钟 和19.4 秒.这三个 CDMA PN codes 都同步于系统时间起点 (January 6, 1980 at 00:00:00 hours),36,前向码信道,PILOT: WALSH CODE 0导频信道是一个“信号灯”, 不包含任何数据信息. 它在系统捕获时作为时间参考, 在切换时作为测量的参考SYNC: WALSH CODE 32同步信道携带了系统标识信息和移动台在系统捕获期间需要使用的系统参数PAGING: WALSH CODES 1 up to 7可配置17个

34、寻呼信道,由容量需要决. 他们携带寻呼消息, 系统参数消息, 和呼叫建立命令TRAFFIC: any remaining WALSH codes业务信道是指配一个单独的用户用来传输呼叫数据. 所有剩余的Walsh code 都可用, 仅受限于由于噪音影响的总容量,37,前向信道的编码过程,A Forward Channel is identified by:its CDMA RF carrier Frequencythe unique Short Code PN Offset of the sectorthe unique Walsh Code of the user,38,反向码信道,反向码

35、信道有两种类型:业务信道(TRAFFIC CHANNELS) : 每个用户在呼叫过程中使用业务信道传送话音数据一个反向业务信道由一个用户特定的公共长码或保密长码定义市面上有数量众多的CDMA手机, 因此就有数量众多的反向业务信道接入信道(ACCESS CHANNELS): 未处在通话状态下的移动台使用接入信道传送registration requests, call setup requests, page responses, order responses, 和其他的信令消息一个接入信道由与用户无关的公共 长码掩模定义接入信道同寻呼信道是成对使用的. 一个寻呼信道最多可对应32接入信道,3

36、9,反向信道的编码过程,A Reverse Channel is identified by:its CDMA RF carrier Frequencythe unique Long Code PN Offset of the individual handset,40,小结: CDMA Channels-SUMMARY,这三种扩频码在前向和反向链路中使用的方式不同一个前向码信道由一个指配给用户的Walsh Code 和一个指配给扇区的特定PN offset 定义一个反向信道由一个使用长码序列的特定偏移定义,WALSH CODE: Individual UserSHORT PN OFFSET:

37、 Sector,LONG CODE OFFSET: individual handset,FORWARD CHANNELS,REVERSE CHANNELS,LONG CODE:DataScrambling,WALSH CODES:used as symbolsfor robustnessSHORT PN:used at 0 offsetfor tracking,41,频谱使用和系统容量:,每一种无线技术 (AMPS, NAMPS, D-AMPS, GSM, CDMA)使用与它们自身独特的信号特定相适应的调制技术无线系统的总业务容量主要取决于无线信号特点和射频设计(频率复用)无线信号的抗干扰能

38、力决定了可以容忍多少干扰, 因此也决定了使用相同频率的小区在空间上需要隔离的距离对于一个特定的S/N要求, 信号带宽决定了多少射频信号可以“赛”进运营商取得牌照的频谱范围,42,Eb/N0 和 S/N 之间的关系,43,CDMA系统的S/N 优点,44,在以前的无线系统中,需要得到信号必须具有足够的强度来克服干扰的影响AMPS, TDMA 和 GSM 依靠物理距离隔离来保证干扰幅度较小同信道用户被保持在安全距离以外, 通过仔细的频率规划相邻的用户和小区必须使用不同的频率来避免干扰,Figure of Merit: C/I(carrier/interference ratio)AMPS: +17

39、 dBTDMA: +14 to 17 dBGSM: +12 to 14 dB,其他无线系统: 降低干扰的措施,45,先喝杯茶吧.,十五分钟!,46,IS-95系统基本结构,47,其中:AC : 鉴权中心AIN: 智能网BC: 计费中心BSC: 基站控制器BTS: 基站收发信台HLR: 归属位置寄存器ISDN: 综合业务数字网IWF: 交互功能MSC: 移动交换中心OMC: 操作维护中心OMC-S: 交换操作维护中心OMC-R: 无线操作维护中心PSTN: 公用电话交换网PSPDN: 公用分组交换数据网PIWF: 分组交互功能SMC: 短消息中心VAN: 增值网VLR: 拜访位置寄存器VM: 语

40、音邮件,cdma网络结构,48,CDMA 前向信道,49,基本的扩展和接扩示例:Users Symbols Spread, Sent, Recovered,在BTS侧(发射):输入 A: 用户数据速率 19,200 symbols/second输入 B: Walsh Code #23 速率: 1.2288 Mcps输出: 扩展信号 MS侧(接收):输入 A: 接收的扩展信号输入 B: Walsh Code #23 速率: 1.2288 Mcps输出: 用户数据, 速率19,200 symbols/second 同,基站发出的数据一致,via air interface,50,CDMA: 码-隐

41、藏的“魔法”,这张图演示了CDMA信号产生和恢复的的基本技术. 在IS-95系统中实际使用的编码技术包含了另外的处理,这里为了简化起见 , 没有列出,51,前向业务信道: 产生,52,CDMA: 码-隐藏的“魔法”,这张图演示了CDMA信号产生和恢复的的基本技术. 在IS-95系统中实际使用的编码技术包含了另外的处理,这里为了简化起见 , 没有列出,53,Forward Traffic Channel Generation,54,可变速率的声码器 和多路技术(仅在业务信道中使用),声码器压缩话音,减小比特率CDMA 使用一个可变速率的声码器当通话时使用全速率当通话停止时使用低速率增加系统容量更

42、自然的声音效果声音，信号，和用户第二部分的数据将混合在CDMA帧内,55,卷积编码器,56,速率 1/2， k=9 卷积编码器,通过编码器由信息比特产生的symbol与所有目前在所有在寄存器中的比特都相关每一个信息比特对产生的多个symbol都有影响通过这种方式的内部联系对侦察和纠正误码有帮助以为寄存器中正1的长度 叫做卷积编码器的“约束长度” (在上图中K=9 )寄存器的长度越长, 纠错性能越好在同等准确度的要求下，编码信号比非编码信号所需的功率小这里每输入一个比特产生两个信号(速率 1/2),57,“I”与“Q”复合,GainControl,GainControl,GainControl,

43、在同一个区域（小区或扇区）中的前向信道与相同的I 和 Q 序列结合为了把这小区与其他与其相邻的511个小区分开，这些I，Q序列有一个特定的偏移这样确保了移动台不会解码其它基站的拥有相同Walsh code 的信道I 与 Q 信号 与每个扇区的64个信道在模拟板中相互叠加产生每个扇区的复合“I”与复合“Q”开销信道（道频信道、同步信道和寻呼信道）对于复合信号的贡献是固定的。前向业务信道对于复合信号的贡献与移动台到基站距离有关系,PilotChannel,SyncChannel,PagingChannel(s),Forward Traffic Channel(s),+,+,+,+,Walshcod

44、e,Walshcode,Walshcode,Walshcode,+,+,+,+,+,+,+,+,“Q” PN Code,“I” PN Code,Composite “I”,GainControl,S,S,Composite “Q”,58,前向信道解调,IS-95A/J-STD-008 需要至少四个处理单元，他们可以独立的工作其中三个单元必须能够解调多路信息另一个单元必须作搜索器，它用来搜索和估计每一个导频信道的PN 序列的偏移,59,CdmaOne前向链路数据流方框图,导频“1”,W0,同步信道1200bit/s,卷积编码,交织,W31,4800bit/s,寻呼信道9.6kbit/s 4.8k

45、bit/s 2.4kbit/s,卷积编码,交织,Wi,19.2kbit/s,寻呼信道长码掩码,长码发生器,业务信道9.6kbit/s 4.8kbit/s 2.4kbit/s 1.2kbit/s,卷积编码,交织,Wj,用户k的长码掩码,长码发生器,功率控制比特,19.2kbit/s,复用,Q信道导频伪码,Q,I信道导频伪码,I,60,将Bits 转化为 Symbols,在20 毫秒的业务帧内的比特包括下面的一项或多项话音信息 (来自于声码器)信令消息第二部分业务信息当把前向纠错算法用于这些信息比特时， 0s和1s被称为 symbolsbit和symbol又复杂的多对多关系1个bit 的信息被分配

46、在多个symbol中1个symbol 承载的信息有来自于多个bit所有前向信道帧包含384个symbol所有后向信道帧包含576个symbol,61,将Symbol分布到Chip中,Symbol被变换成为特殊的64-chip模式用于传输这里有64个这样的模式称作“Walsh codes”在前向链路中，每个用户的symbol流（码信道）被分配使用这些模式中的一个每个0 symbol 被selected pattern （Walsh code ）替代每个1 symbol 被selected pattern的逻辑非替代在反向链路中，所有的64模式（而不是他们的逻辑非）被用于每一个码信道每6个symb

47、ol为一组，将其看作值域为0，63的二进制数，并用相应行的Walsh code替代,62,恢复过程,在恢复过程中, 首先用下面的方式恢复symbol在 前向信道 内，移动台用给他分配的与接收信号作相关运算（集成64个的功率），一个与被分配Walsh code 完全匹配的接收信号对应0 symbol ；一个与被分配Walsh code 完全不匹配的接收信号对应1；介于两者之间的，移动台将根据相关后的结果更接近于那一方，作相应的判断。 在 反向信道 内， BTS寻找与接收信号最匹配的Walsh code的行号，并用这6位2进制数作为被发送的6个 symbol 当在20ms帧内的所有symbol被恢复时，Viterbi解码器被用于推测与 这个symbol块最可能对应的bit块（帧）然后, 计算这一帧的CRC决定这个推测是否正确；如果不正确，这一帧将被抛弃（或“抹去”）,