CDMA理论基础知识1.ppt
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1、 CDMA理论基础知识理论基础知识-概述概述 移动通信的发展与CDMA技术的出现移动通信的发展与CDMA技术的出现CDMA与GSM同属于2代数字移动通信系统。GSM是欧洲标准,全球都有应用,中国称为全球通,向3G演进的方向是WCDMACDMA是北美标准,主要在北美洲。南美洲、亚洲。澳洲也有运营商。向3G演进的方向是CDMA2000三种3G制式的比较现在总共有现在总共有3中中3G制式存在制式存在三种3G制式的比较(1)三种3G制式的比较(2)CDMA2000技术的发展演进CDMA2000 1X概述CDMA2000 1X概述码片速率:1.2288 McpsIS-95A/B是其子集,RC1/RC2反
2、向导频,反向采用相干解调前向发射分集:OTD、STS前向快速功率控制,速率800Hz支持快速寻呼信道,终端待机时间更长帧长可变:5ms、20ms、40ms、80ms信道编码增加Turbo码物理层支持速率最大可达307.2kbps话音用户容量是IS-95A/B的1.52倍,数据业务吞吐能力提高3倍以上CDMA2000 1X带来的技术优势系统吞吐量提高前向快速功率控制前向发射分集OTD、STS导频辅助相干解调约(3dB)Turbo编码的引入更强的搞干扰性改进的前向纠错(中/高速数据传输采用Turbo Code)频谱利用率提高Walsh码资源加倍HPSK、QPSK调制CDMA2000 1X带来的技术
3、优势支持高速SCH,单个信道的峰值速率高达307.2kbps更多的信道类型使高层信令控制更加完善终端待机时间更长快速寻呼信道前向兼容射频部分基带处理部分(RC)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CCDDMMAAodeivisionultipleccessCDMA 能够提供优异的话音质量能够提供优异的话音质量什么是多址技术?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
4、)多址技术的优点增加容量: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TransmissionMediumEach 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、私有的使用多个独立的用户对一个传输媒介的同时、私有的使用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
5、术:FDMA Frequency Division Multiple Access每个用户使用一个不同的频率一个信道是一个频率频率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)FrequencyTimePowerFrequencyTimePowerFrequ
6、encyTimePowerFDMATDMACDMA信道信道:在传输媒介上为每个用户单独分配的,专用的一个通道CDMA特点和优势技术技术特点特点容量大CDMA 10 MHz8个个CDMA载波载波每载波、每扇区每载波、每扇区20个话音信道个话音信道每小区每小区3个扇区个扇区频率复用系数频率复用系数=1支持有效话音信道数支持有效话音信道数=8*20*3 =480CDMACDMA与与GSMGSM的小区容量对比的小区容量对比GSM 10 MHz50个个GSM载波载波(10MHz/200KHz)每载波每载波8个时隙个时隙(包括控制信道和业务包括控制信道和业务信道信道)每小区每小区3个扇区个扇区频率复用系数
7、频率复用系数(通常通常)=4可配置的站型为可配置的站型为S444支持有效话音信道数支持有效话音信道数=48*8*/4 =96-87去除去除BCCH&SDCCH在相同频谱利用度的情况下,在相同频谱利用度的情况下,CDMA的的容量是容量是GSM的的5.5倍倍话音质量高CDMA 8K EVRC12345Excellent GoodFairPoorBad服务质量高服务质量高A-to-DCONVERTER64kbpsVOCODER20ms SampleCodebookPitchFilterFormantFilterCoded ResultFeedbackLoop64kb/s PCMExisting GS
8、MCDMA 8kb/sCDMA 13kb/sGSM EFR 覆盖大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2倍 GSM小区在加载的情况下,覆盖保持不变在反向链路预算上,在反向链路预算上,CDMA比比GSM高高5dB反向链路预算比较反向链路预算比较在相同覆盖条件下,在相同覆盖条件下,基站数量大大减少,节省投资基站数量大大减少,节省投资频率规划简单11111411111111CDMA:N=1 频率复用频率复用GSM:N=4频率复用频率复用234443243CELL1CELL1CELL12工程设计简单,扩容方便
9、工程设计简单,扩容方便减少由于切换产生的掉话其它无线系统其它无线系统小区小区/扇区切换采用硬切换扇区切换采用硬切换-切换是先中断再接续切换是先中断再接续-容易产生掉话容易产生掉话CDMA小区小区/扇区切换采用软扇区切换采用软/更软切换更软切换-切换是先接续再中断切换是先接续再中断-服务质量高,有效减低掉话服务质量高,有效减低掉话CellSiteAHANDOFFCellSiteBMAKEAMPSGSMBREAKCellSiteACellSiteBCellSiteACellSiteBCDMA中断中断减低掉话,提高服务质量减低掉话,提高服务质量术语定义CDMA信道信道 或或 CDMA 载波载波 或或
10、 CDMA 载频载频由两个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(称作前向链前向链路路 或下行链路下行链路);一个用来从移动台到基站的通信(称为 反向链路反向链路 或上行链路上行链路)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(前向信道前向信道)1.25 MHz Forward LinkCDMA Reverse Channel(反向信道反向信道)the 1.25 MHz Reverse LinkCDMA Code Channel(CDMA码信道码信道)在前向信道或反向信
11、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 channels45 or 80 MHzCDMA CHANNELCDMAReverseChannel 1.25 MHzCDMAForwardChannel 1.25 MHz术语定义比特(比特(bitbit)、符号()、符号(SymbolSymbol)与码片()与码片(ChipChip)纯信息数据称为比特(纯信息数据称为比特(bitbit)在经过卷积编码器、符号
12、重复与交织后的数据被称为符号在经过卷积编码器、符号重复与交织后的数据被称为符号(symbolsymbol)经过最终扩频后得到的数据被称为码片(经过最终扩频后得到的数据被称为码片(chipchip)处理增益(处理增益(Processing GainProcessing Gain)理解为最终扩频速率与信息速率的比;理解为最终扩频速率与信息速率的比;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“码码”区分信道CDMA干扰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
13、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 dBCDMA 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
14、而提高了容量.Spread Spectrum Payoff:Processing GainSpread SpectrumTRADITIONAL COMMUNICATIONS SYSTEMSlowInformationSentTXSlowInformationRecoveredRXNarrowbandSignalSPREAD-SPECTRUM SYSTEMFastSpreadingSequenceSlowInformationSentTXSlowInformationRecoveredRXFastSpreadingSequenceWideband Signal扩频系统原理示意(1)1.25 MH
15、z30 KHzPower is“Spread”Over a Larger Bandwidth扩频系统原理示意(2)许多码信道被单独扩展,然后加在一起,形成一个“复合信号复合信号复合信号复合信号”扩频系统原理示意(3)UNWANTED POWERFROM OTHER SOURCES使用使用“正确正确”的数学序列可以将的数学序列可以将任一个码信道从接收到的复合任一个码信道从接收到的复合信号中抽去出来信号中抽去出来.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ORIGINATI
16、NG SITEDESTINATIONSpreadingSequenceSpreadingSequenceInputData(Base Band)RecoveredData(Base Band)Spread Data Stream(Base Band+Spreading Sequence)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“去包装”在CDMA系统内,容器是扩频码FedExDataMailerFedExDataMailerShippingReceivingCDMA的嵌套
17、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SpreadingSequenceASpreadingSequenceBSpreadingSequenceCSpreadingSequenceCSpreadingSequenceBSpreadingSequenceAInputDataXRecoveredDataXX+AX+A+BX+A+B+CX+A+BX+ASpread-Spectrum Chip StreamsORIGINATING SITEDESTINATIONC
18、DMA的简单模型d0(t)C0(t)dm-1(t)Cm-1(t)C0(t)d0(t)(Tb=nTc)CDMA的简单示例发送端d0(t)tttW1(t)d3(t)tttc1(t)s1(t)s0(t)tT Tb bT Tc cs(t)=s0(t)+s1(t)CDMA的简单示例接收端b0(t)=s(t)c0(t)tttc0(t)s(t)b1(t)=s(t)c1(t)ttc1(t)s(t)tT Tb bT Tb b+1+1-1-1-1-1+1+1扩频与解扩(扩频与解扩(扩频与解扩(扩频与解扩(DS-CDMADS-CDMADS-CDMADS-CDMA)扩频解扩码片符号数据扩频码扩频信号=数据码字扩频码数
19、据=扩频信号码字1-11-11-11-11-1扩频与解扩(扩频与解扩(扩频与解扩(扩频与解扩(DS-CDMADS-CDMADS-CDMADS-CDMA)期望信号其他用户信号期望的扩频信号扩频码解扩后的数据其他扩频信号积分后的其他信号1-11-11-18-81-1 8-8解扩后的其他信号相关接收机的基本操作相关接收机的基本操作积分后的数据处理增益CDMA过程中的频谱变化扩频码扩频码扩频码扩频码信号合并信号合并窄带信号窄带信号fP(f)宽带信号宽带信号P(f)f噪声噪声P(f)f噪声噪声+宽带信号宽带信号P(f)f信号与噪声分离信号与噪声分离P(f)f相关性和正交相关性:指两个信号的相似程度。相关
20、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序列构成的码组称为正交码组。正交序列扩频正交序列扩频正交序列扩频正交序列扩频原始信号编码原始信号编码1扩频序列扩频序列1扩频信号扩频信号1混合扩频信号混合扩频信号1+2 原始信号编码原始信号编码2扩频序列扩频序列2扩频信号扩频信号2解扩与信号分离解扩与信
21、号分离1 1扩频序列扩频序列1解扩后的数据解扩后的数据 混合扩频信号混合扩频信号1+2判决电路输出判决电路输出解扩与信号分离解扩与信号分离2 2 扩频序列扩频序列2解扩后的数据解扩后的数据混合扩频信号混合扩频信号1+2判决电路输出判决电路输出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
22、信道中码集中的数学码被称为 “Walsh Codes”SyncPilotFW Traffic(for user#1)PagingFW Traffic(for user#2)FW Traffic(for user#3)我们需要多少个扩频码(2)-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C
23、DMA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ABUp to 64Code ChannelsUp to 64Code Channels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 L
24、ong Code)或一个特定的接入信道(在本课程后面会作解释).RV Trafficfrom M.S.#1837732008RV Trafficfrom M.S.#8764349209RV Trafficfrom M.S.#223663748System AccessAttempt by M.S.#4348769902(on access channel#1)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“滤波”的过程,从一个与其他Wals
25、h 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 0011001100110011001100110011001100110011001100110011
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