数字蜂窝移动通信系统_1课件

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1、CDMA数字蜂窝移动通信系统,6.1 引言 6.2 CDMA空中接口协议层 6.3 CDMA前向信道 6.4 CDMA反向信道 6.5 功率控制 6.6 RAKE接收机 6.7 CDMA 系统的容量 6.8 CDMA登记 6.9 CDMA切换过程,6.1 引 言,CDMA是码分多址的英文缩写（Code Division Multiple Access），它是在扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全

2、相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号，即解扩，以实现信息通信。,6.1.1 CDMA技术的标准化,CDMA技术的标准化经历了几个阶段。IS-95是cdmaOne系列标准中最先发布的标准，是真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准，这一标准支持8K编码话音服务。其后, 又分别出版了13K话音编码器的TSB74标准，它支持1.9 GHz的CDMA PCS系统的STD-008标准，其中13K编码话音服务质量已非常接近有线电话的话音质量。随着移动通信对数据业务需求的增长，1998年2月，美国高通公司宣布将IS-95B标准用于CDMA基础平台上。IS-95B

3、可提高CDMA系统性能，并增加用户移动通信设备的数据流量，提供对64 kb/s数据业务的支持。其后，cdma2000成为窄带CDMA系统向第三代系统过渡的标准。cdma2000在标准研究的前期，提出了1x和3x的发展策略，随后的研究表明，1x和1x增强型技术代表了未来发展方向。,6.1.2 我国CDMA系统可以占用的频率我国无线电委员会分配给蜂窝移动通信系统的频率如表2-1(见第2章)所示。 我们从该表可以看出，目前中国联通CDMA使用频段是上行频率为825835 MHz，下行频率为870880 MHz，占用10 MHz带宽。,6.1.3 CDMA系统的特点,1. 系统容量大 2. 软容量 3

4、. 通话质量更佳 4. 移动台辅助软切换,软切换的主要优点是： （1） 无缝切换， 可保持通话的连续性。 （2） 减少掉话可能性。 （3） 处于切换区域的移动台发射功率降低。,但同时， 软切换也相应带来了一些缺点， 主要有： （1） 导致硬件设备（即信道卡）的增加。 （2） 降低了前向容量。 但由于CDMA系统前向容量大于反向容量，所以适量减少前向容量不会导致整个系统容量的降低。,5. 频率规划简单用户按不同的序列码区分，所以不同的CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活， 扩展简单。6. 建网成本低CDMA网络覆盖范围大， 系统容量高， 所需基站少， 降低了建网成本。,7. “绿色手机

5、”普通的手机（GSM和模拟手机）功率一般能控制在600毫瓦以下， CDMA系统发射功率最高只有200毫瓦， 普通通话功率可控制在零点几毫瓦，其辐射作用可以忽略不计， 对人体健康没有不良影响。手机发射功率的降低，将延长手机的通话时间，意味着电池、 话机的寿命长了，对环境起到了保护作用，故称之为“绿色手机”。,8 . 保密性强， 通话不会被窃听CDMA信号的扰频方式提供了高度的保密性，要窃听通话，必须要找到码址。但CDMA码址是个伪随机码，而且共有4.4万亿种可能的排列，因此，要破解密码或窃听通话内容实在是太困难了。,9. 多种形式的分集分集是对付多径衰落很好的办法，有三种主要分集方式： 时间分集

6、、 频率分集和空间分集。CDMA系统综合采用了上述几种分集方式，使性能大为改善。各种分集方式归纳如下： （1）时间分集采用了符号交织、检错和纠错编码等方法。 （2） 频率分集本身是1.25 MHz宽带的信号， 起到了频率分集的作用。 （3） 空间分集基站使用两副接收天线，基站和移动台都采用了Rake接收机技术，软切换也起到了空间分集的作用。,10. CDMA的功率控制CDMA系统的容量主要受限于系统内移动台的相互干扰， 所以， 如果每个移动台的信号到达基站时都达到最小所需的信噪比，系统容量将会达到最大值。 CDMA功率控制的目的就是既维持高质量通信，又不对占用同一信道的其他用户产生不应有的干扰

7、。 CDMA系统的功率控制除可直接提高容量之外， 同时也降低了为克服噪声和干扰所需的发射功率。这就意味着同样功率的CDMA移动台与模拟或TDMA移动台相比可在更大范围内工作。 CDMA系统引入了功率控制，一个很大的好处是降低了平均发射功率而不是峰值功率。 这就是说， CDMA在一般情况下由于传输状况良好，发射功率较低； 但在遇到衰落时会通过功率控制自动提高发射功率， 以抵抗衰落。,11. 话音激活典型的全双工双向通话中，每次通话的占空比小于35%。在FDMA和TDMA系统里，由于通话停顿时重新分配信道存在一定时延，所以难以利用话音激活因素。CDMA在不讲话时传输速率降低，减轻了对其他用户的干扰

8、，这就是CDMA系统中的话音激活技术。而CDMA的容量又直接与所受总干扰功率有关， 这样就可以使容量增加一倍左右。,6.2 CDMA空中接口协议层,图6-1给出了CDMA空中接口层结构。CDMA信道包含反向CDMA信道(CDMA上行信道)和正向CDMA信道(CDMA下行信道)。 反向CDMA信道由接入信道和反向业务信道组成。 正向CDMA信道由寻呼信道和正向业务信道组成。所有信道的信令都使用基于比特同步的协议。 所有信道上的消息都有一个相同的层格式。 最高层的协议是由一则消息和填充物(Padding)组成的封装信息。 填充物是为了在某些信道上让消息适合帧的装配。 其中的一个例子是业务信道中空缺

9、突发(BlankandBurst)信令模式。如果消息小于一帧， 封装的是整一个帧， 填充比特从消息比特的结束至帧的结束。 下一层的格式可能将信息分装成长度区域、信息和CRC校验。,图6-1 CDMA空中接口层结构,6.3 CDMA前向信道,CDMA前向信道（也可称下行信道）由用于控制的广播信道和用于携带用户信息的业务信道组成。广播信道由导频信道、同步信道和寻呼信道组成。所有这些信道都在同一个1.23MHz的CDMA载波上。移动台能够根据分配给每个信道惟一的码分来区分逻辑信道。这个码分是经过正交扩频的Walsh码。每个码分信道都要经一个Walsh函数进行正交扩频，然后又由1.228Mc/s速率的

10、伪噪声系列扩频。在基站可按频分多路方式使用多个CDMA前向信道（1.23MHz）。图6-2给出了CDMA支持的不同前向信道。如图所示，CDMA前向信道可使用的码分信道最多为64个。,一种典型的配置是:1个导频信道,1个同步信道,7个寻呼信道(允许的最多值)和55个业务信道。但前向信道的码分信道配置并不是固定的,其中导频信道一定要有,其余的码分信道可根据情况配置。例如，可用业务信道取代寻呼信道和同步信道,成为1个导频信道,0个同步信道,0个寻呼信道和63个业务信道。这种情况发生在基站拥有两个以上的CDMA信道(即带宽大于2.5MHz),其中一个为CDMA基本信道(1.23MHz),所有移动台都先

11、集中在该基本信道上工作。此时,若基本CDMA业务信道忙,可由基站在基本CDMA信道的寻呼信道上发射信道指配消息将某移动台分配到另一个CDMA信道进行业务通信,该CDMA信道只需一个导频信道,而不再需要同步信道和寻呼信道。,图6-2 CDMA前向信道结构,6.3.1 前向业务信道,图6-3 CDMA前向信道结构,图6-4 速率1和速率2前向业务信道的产生,1. 语音编码CDMA声码器是可变速率声码器，可工作于全速率，1/2，1/4和1/8速率。 通常对应于速率1和速率2分别有两种声码器：工作于9.6 kb/s数据流的8 kb/s声码器和工作于14.4 kb/s数据流的13.3 kb/s声码器。

12、速率1包含四种速率：9600，4800，2400和1200 b/s。速率2包含四种速率：14400，7200，3600和1800 b/s。 当速率2是可选时，移动台不得不支持速率1。信道结构对于速率1和速率2是不同的。两种声码器都能进行语音性能检测和减少在系统中受到的干扰。,图6-5 速率1的前向/反向业务信道帧结构,图6-6 速率2的前向/反向业务信道帧结构,从声码器得到的信息为每帧20 ms。速率1声码器的全速（9600 b/s）输出速率为8.6 kb/s，每20 ms编码为172 bit。帧质量指示F（循环冗余码校验，CRC）与编码尾比特T(8 bit)加在声码器输出的信息比特之后。帧质

13、量指示有两个目的：一是允许接收机在所有172信息比特上计算了CRC后， 确定是否有帧发生错误；二是帮助确定接收帧的数据速率。9600 b/s帧是每20 ms有192比特（172+12+8）被传输产生的。其中，12 bit为帧质量指示，8 bit为尾比特。 同样的过程产生在4800 b/s帧上。2400 b/s和1200 b/s帧没有帧质量指示的比特字段，这是因为这些帧相对抗误码性能较强， 且发送的大多数信息是背景噪声。,2.卷积编码卷积编码通过提供纠错/检错能力为信息比特提供保护。同步信道、寻呼信道和前向业务信道在发送前应进行卷积编码。采用1/2比率，约束长度K为9的卷积编码器（见图67，图中

14、T为移位寄存器）。速率1和速率2的帧被送入1/2比率卷积编码器。一个1/2比率卷积编码器用两符号代替每一个输入比特。对于约束长度为9的卷积编码器，其延迟长度为8。,图6-7 K=9，1/2比率的卷积编码器,3. 符号重复符号重复器跟随在卷积编码之后，它根据需要重复数据，速率1产生19.2 kb/s，速率2产生28.8 kb/s的速率。对于速率1，如果输入是19.2 kb/s，符号不重复； 如果输入是9.6 kb/s，则每个符号出现两次；如果输入是4.8 kb/s，则每个符号出现四次; 以此类推。 符号重复为无线信道抵抗衰落提供附加的措施，可增加接收的可靠性。 重复符号比全速率符号的功率电平低。

15、由于所有符号总功率是一样的， 因此各符号功率减少了。 导频信道没有该过程。对于同步信道，每个经卷积编码后的符号， 在块交织前应重复一次（每个符号连续重发）。寻呼信道与前向业务信道的符号重复一样。,4. 符号抽取此符号抽取过程只作用于速率2帧。 IS-95决定对两种速率使用同样的块交织器，这意味着块交织器的输入符号速率是相同的。CDMA通过从每6输入中删除2实现把28.8 kb/s数据流变为19.2 kb/s。,5. 块交织交织是用来抗瑞利衰落影响的。瑞利衰落是频率选择性衰落，它引起大块数据连续出错，使接收机上很难正确接收。交织扰乱信息的顺序使交织后的突发错误在接收端还原后成为随机错误，随机错误

16、就比较容易通过使用纠错编码技术进行纠正。 前向业务信道的块交织器每20 ms接收384调制比特。这些比特被输入到2416的矩阵。交织扰乱信息，然后输出送到下一步骤（数据扰码）。 同步信道、 寻呼信道和前向业务信道在重复后进行块交织。,同步信道交织宽度为26.666 ms，在符号速率为4800符号/秒时，等于128个调制宽度，交织器阵列为16行8列。前向业务信道和寻呼信道交织宽度为20 ms， 在调制符号速率为19 200 s/s(符号/秒)时，等于384个调制符号（也就是一帧所含调制符的个数）的宽度，交织器阵列为24行16列，如图6-8所示。三种信道的符号都是按列写入阵列， 交织后按行读出。,图6-8 前向业务信道交织过程示意图,6. 数据扰码数据扰码只用于寻呼信道和前向业务信道，以提供安全性和保密性。 CDMA反向信道没有采用数据扰码。长码掩码与使用前向业务信道移动台的电子串号ESN联合使用，长码掩码的周期大约为40天。因为移动台在发送的接入信息中包含电子串号ESN，所以基站能决定移动台的长码掩码。如果加密程序被用在前向业务信道上，那么移动台使用专用的长码掩码。长码掩码提供安全保障并每40天重复一次，从而使偷听者很难确定用户空中发射的具体信息。长码掩码根据具体移动台的电子串号ESN而改变， 可提供额外的安全保障。,