CDMA通信原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第章,CDMA,通信原理,4.1 CDMA,基本原理,4.2 CDMA,蜂窝网的关键技术,4.3,码分系统容量,4.1 CDMA,基本原理,4.1.1,多址技术的基本概念,1.,目的,:,由于移动用户在不断地随机运动，建立它们之间的通信，首先必须引入区分和识别动态用户地址的多址技术。,2.,原理,:,与固定式通信中的信号复用技术相同，两者实质上都是属于信号正交划分与设计技术。,3.,三种多址方式,:FDMA,TDMA,CDMA,4.CDMA,通信的基本原理,:CDMA,通信与传统的通信系统相比较，发端多了扩频调制，收端多了扩频解调。,4.1.2 CDMA,系统的正向链路,在,CDMA,移动通信系统中，基站和移动台之间的通信即空中接口尤为关键，其中基站发往移动台的信号线路称为正向链路（下行连路或前向链路）。同理，由移动台发往基站的信号线路，称为反向链路（上行链路）。,为了简要地说明,CDMA,空中接口的通信原理，我们仅以,3,个移动用户为例。图,4-2,给出了正向链路组成方框图。,4.1.3 CDMA,系统的反向链路,在码分多址系统中，由移动台发往基站的无线线路，称为反向链路，也称为上行链路。由图,4-10,可见，在基站接收天线上信号,Z(t,),为：,图,4-10,简化的,CDMA,系统反向链路组成方框图,4.2 CDMA,蜂窝网的关键技术,4.2.1,功率控制,CDMA,蜂窝移动通信系统中，所有用户使用相同的频带同时发送信息，如果各移动台以相同功率发射信号，则信号到达基站时，因为传输路程的不同，基站接收到的靠近基站的用户发送的信号比在小区边缘用户发射的信号强度大，因此远端的用户信号被近端的用户信号湮没，这就是所谓的,“,远近效应,”,。,通常，路径损耗的总动态范围在,80dB,范围内,功率控制的,目的,：为了获得高质量和高的容量，所有的信号不管离基站的远近，到达基站的信号功率都应该相同，使每个用户到达基站的功率相同。,开环功控,:,指的是移动台,(,或基站,),根据的前向,(,或 反向,),链路接收到的信号功率大小来调整移动台,(,或基站,),的发射功率。,开环功控建立在上行与下行链路具有一致的信道衰落情况之上。,闭环功控,:,一般是指基站,(,和移动台,),根据前向,(,或反向,),链路上接收到的移动台,(,或基站,),信号，来产生功率控制指令，然后通过前向,(,或反向,),链路传送给移动台,(,或基站,),，移动台,(,或基站,),根据功率控制指令来调整发射功率。,对于频分双工模式,CDMA,系统面言，其上行链路与下行链路相应的频率间隔为,45Mh,，远大于信道的带宽，上行链路与下行链路的衰落是不相关的，采用开环功控难以达到所要求的控制精度：,通常认为，在频分双工模式的系统中，,开环功控,的作用是调整移动台初始接人时的发射功率，同时对弥补由于路径损耗而造成衰减的,慢变化,起到一定的作用。为了提高功率控制精度，克服较为快速的,瑞利衰落,，必须采用,闭环功控,。,反向功控,是分布式功控，控制各,MS,的发射功率，使得基站到移动台的功率信号基本相当，,Pa=,Pb,=Pc,优：各用户间干扰小，克服远近效应。,容量大，干扰小。,反向开环功率控制,反向链路开环功率控制是移动台的基本功能。,动态范围：,85dB,响应时间短：几,US,存在问题：一开始大功率，不必要的干扰增加。,解决方法：接入尝试,优：简单易行,控制速度快,节省开销,对付慢衰弱有效,缺：多径效应,(2),反向闭环功率控制,解决多径，是由基站协助移动台，,动态范围：,48dB,反向链路闭环功率控制包括两部分,内环功率控制和外环功率控制。,反向外环功率控制的过程为,：基站通过测量误帧 率并定时地根据目标误帧率来调节设置点,c,I,，来维持恒定的目标误帧率。反向外环功率控制是为了适应无线信道的衰耗变化动态调整反向闭环功控中的信噪比门限。,反向内环功率控制的过程,为：基站测量接收到的信号,c,I,将该值与设置点相比较，通过发送功率控制命令来增大或减小功率，以便接收到的信号,c,I,接近于设置点,。,2.,正向功控,正向功控是调整基站向移动台发射的功率，是集中式功率控制。,其,目的,是对路径哀落小的移动台分配相对较小的前向发射功率，而对那些较远的和解调信噪比较低的移动台分配较大的前向发射功率，基站通过移动台对前向解调误帧率的反馈报告来决定针对该移动台的前向链路功率的增大或减小。,适应于：,基站采用同步,CDMA,，且选用完全正交扩频码，理想情况下，基站发射给每个移动台的扩频信号完全正交，则移动台间的干扰就不存在。,多小区,正向功率控制方法与反向功率控制相类似也是由开环功控和闭环功控两部分组成。,正向功率控制与反向功率控制区别：,一对多，多对一,正向有导频信号。,调整阶距：,速率,4.2.2,信道衰落与分集接收,分集接收技术用于减少衰落的影响，其作用是在不增加发射机功率或信道带宽的情况下提高系统的可靠性。,分集原理：一分散传输,二集中处理,分集的类型,(1),宏分集,:,宏分集用于减少由于,阴影效应,而引起的大范围衰落，宏分集也称为“,多基站,”分集。,(2),微分集,:,微分集在同一地点使用两个或多个天线，是一种减小,快衰落,影响的分集技术。微分集又可分为下列,7,种：,空间分集,频率分集,极化分集,场分量分集,角度分集,时间分集,路径分集,(3),隐分集,:,隐分集主要指把分集作用隐蔽于传输信号之中。,(1),空间分集。,空间分集的依据在于快衰落的空间独立性，即在任意两个不同的位置上接收同一个信号，只要两个位置的,距离,大到一定程度，则两处所收信号的衰落是不相关的。,空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为,d,的天线，,间隔距离,d,与工作波长、地物及天线高度有关，,在移动信道中，通常取：,市区,d=0.5,郊区,d=0.8,(2),频率分集。由于,频率间隔,大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集。根据相关带宽的定义，即,(3),极化分集。由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，因而发送端和接收端可,以用两个位置很近但为不同,极化的天线,分别发送和接收信号，以获得分集效果。,(4),场分量分集。由电磁场理论可知，电磁波的,E,场和,H,场载有相同的消息，而反射机,理是不同的。,适合低频段,。,(5),角度分集。角度分集的作法是使电波通过几个不同路径，并以不同角度到达接收端，而接收端利用多个,方向性,尖锐的接收天线能分离出不同方向来的信号分量；,适合较高频段,(6),时间分集。快衰落除了具有空间和频率独立性之外，还具有时间独立性，即同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大,适合运动的移动台，,(7),路径分集,Rake,接收机组成：相关器、合并器,原理：,过程：相关器估算出各路信号的强度和伪码相位，找出最强的信号，使本地码的三个发生器的输出码相位和对应的信号的伪码同步。经解扩合并后译码。,好处：,结论：,Rake,接收把多径变害为利。,相关器多，增益好，但设备复杂度高。,IS-95,基站,4,个相关器,移动台,3,个相关器,（,3,）隐分集,2.,基本的合并方法,（）选择式合并,:,选择式合并又称为开关式相加。,以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。由上式可见，在选择式合并器中，加权系数只有一项为,1,，其余均为,0,。,图,4-16,选择式合并原理图,(2),等增益合并,:,等增益合并是各支路的信号等增益相加,(3),最大比值合并,:,在接收端由,M,个分集电路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相相加，再送入检测器进行检测。,图,4-17,给出三种合并方式平均信噪比的改善程度。,4.2.3,正交调制和正交扩频,由于,CDMA,移动通信系统采用了扩频技术，信道的传输速率达,1.2288Mb/s,，因此必须采用高效的调制方法，以提高频谱使用效率。,QPSK,调制，,o,QPSK,调制,采用,PN,序列进行正交扩频，使信号特性接近白噪声特性，从而能改善系统的信噪比。正交调制提高了频率利用率。,4.2.4,编码技术,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。,1,波形编码,波形编码是传统的语音编码方式，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。,2,参数编码,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。,3,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。,3,可变速率声码器,语音激活技术可提高容量约,3,倍,激活系数为,0.30.4,4.2.5,扇区划分技术,扇区划分技术是位于蜂窝小区中心的基站利用天线的定向特性把蜂窝小区分成不同的扇面如图,4-20,所示。,图,4-20,三种主要的无线区图形,自适应天线组成方框图如图,4-21,所示，其组成部分是在空间按一定规则排列的一组天线（天线阵）、方向图形成网络和自适应处理器,。,自适应阵的基本思想是依据相应的优化算法，调整权矢量,W,，从而使天线阵的性能达到最优。这里选择一个环形排列的,8,元阵为例，如图,4-22,所示，实现天线阵波束的自适应生成。,图,4-21,自适应天线组成方框图,图,4-22,自适应天线阵列,4.2.6,越区切换,1,更软切换,移动台由同一基站的一个扇区进入另一个具有同一载频的扇区时发生的过境切换。基站的,RAKE,接收机将来自两个扇区分集式天线的话音帧中最好的帧合并,为一个业务帧，更软切换由基站控制完成。,小区内切换,图,4-23,更软切换,2.,软切换,移动台从一个小区进入相同载频的另外一个小区时采用的过境切换。此时移动台与不同小区或三个扇区保持通信（如图,4-24,（,a,）、（,b,）所示）。软切换由移动交换中心（,MSC,）控制完成。图,4-24,（,c,）所示是两基站之间软切换的原理。,软切换的实现,1.,导频分类,在,CDMA,系统中，为实现系统捕获，系统采用了导频信道。导频信道可以通过引导,PN,序列偏移和频率分配来识别。移动台将能够接受的导频信号分为,4,类，以便于实现软切换操作。,1),有效导频集。,2),候选导频集。,3),邻近导频集。,4),剩余导频集。,3.,切换参数,4.,切换过程,当移动台进入某一基站服务区，然后又离开该基站时，移动台收到该基站的导频强度先由弱变强，接着又由强变弱，因而该导频信号可能由邻近导频集和候选导频集进入有效导频集，然后又返回邻近导频集，见图,8-2,。,图,8-2,切换门限举例,3.,软,/,更软切换,软,/,更软切换的原理如图,4-25,所示。,4.,硬切换,移动台穿越工作于不同载频的小区时发生的过境切换，即移动台先中断与原基站的联系，再与新基站取得联系。,图,4-25,软,/,更软切换,4.3,码分系统容量,4.3.1 CDMA,蜂窝通信系统的容量,蜂窝系统采用频率再用技术，使用相同频率的小区称为共道小区，共道小区之间存在的干扰称为共道干扰。,对于模拟频分和数字时分系统来说，系统容量的计算比较简单。当蜂窝系统的总频道数,M=W/B,（,W,是无线频率带宽，,B,为信道间隔）和区群小区数,m,（小区频率复用数）确定后，每一小区的可用信道数，即模拟频分和数字时分蜂窝网移动通信系统容量的一般公式为：,码分系统的容量,首先考虑一般扩频通信系统,(,即暂不考虑蜂窝网络的特点,),的通信容量。载干比可以表示为,n,个用户共用一个无线频道，每一用户的信号都受到其他,n,-1,个用户的信号干扰。若到达一接收机的信号强度和各个干扰强度都一样，则载干比为,(8-2),(8-3),通常,n,1,故,C,/,I,1/,n,，,即,(8-4),这一结果表明：在误码率一定的条件下，,所需归一化信干比越小，系统可以同时,容纳的用户数越大。,2.,码分系统蜂窝网容量,（,1,）采用话音激活技术提高系统容量,人类对话的特征是不连续的，对话的激活期,(,占空比,d),通常只有,35%,左右。当许多用户共享一个无线频道时，如果利用话音激活技术，使通信中的用户有话音才发射信号，没有话音就停止发射信号，那么任一用户在话音发生停顿时，所有其他通信中的用户都会因,为背景干扰减小而受益。,这就是说，话音停顿可以使背景干扰减小,65%,，能提高系统容量到,1/0.35=2.86,倍。,FDMA,和,TDMA,两种系统都能利用这种话音特性，实现信道的动态分配，以获得不同程度的容量提高。不过要做到这一点，二者都必须增加额外的控制开销，而且要实现信道的动态分配，还必然会带来时间延迟，而,CDMA,蜂窝系统获得这种好处是非常容易的。,令话音的占空比为,d,2.,扇区的作用,在,CDMA,蜂窝系统中，采用有向天线进行分区能明显地提高系统容量。比如，用,120,的定向天线把小区分成三个扇区，可以把背景干扰减小到原值的,1/3,因而可以提高容量,3,倍。,FDMA,蜂窝系统和,TDMA,蜂窝系统利用扇形分区同样可以减小来自共道小区的共道干扰，从而减小共道再用距离，以提高系统容量，但是达不到像,CDMA,蜂窝系统那样，分成三个扇区系统容量就会增大,3,倍的效果。,3.,邻近小区的干扰,(1),正向传输。在一个小区内部，同一基站不断地向所有通信中的移动台发送信号。任,一移动台在接收有用信号时，基站发给所有其他用户的信号都要对这个移动台形成干扰。,假设各小区的基站都同时向,n,个用户发送功率相等的信号，在三个小区的交界处,(,图中,x,处,),CDMA,系统中移动台受干扰的情况,信道再用效率,F=0.6,。由此可,(2),反向传输。,F=0.65,CDMA,系统中基站受干扰的情况,模拟,FDMA,系统,(AMPS),频道间隔：,25 kHz,信道数目：,1.25,10,6,/(25,10,3,)=50,每区群小区数：,7,通信容量：,50/7=7.1,4.3.2CDMA,与,FDMA,、,TDMA,蜂窝通信系统容量的比较,现有的比较方式主要有以下两种：,1.,总频带宽度,1.25MHz,TDMA,系统：,频道间隔：,200 kHz,每载频时隙数：,8,信道数目：,8,1.25,10,6,/(200,10,3,)=50,每区群小区数：,3,通信容量：,50/3=16.7,CDMA,系统 有效频段宽度：,1.2288 MHz,语音编码速率：,9.6kb/s,比特能量与噪声密度比：,6dB,语音占空比：,0.35,扇形分区数：,2.55,信道复用效率：,0.6,通信容量：,141,三种体制的比较结果可以写成：,2.,总频带宽度,1.775MHz,三种体制的比较结果可以写成：,4.3.3 CDMA,软容量的比较,在模拟频分系统和数字时分系统中，通信信道是以频带或时隙的不同来划分的，当没有空闲信道时，移动用户不可能再呼叫到其他用户或接收其他用户的呼叫。当移动用户需要越区切换时，也很容易出现通话中断现象。,在码分系统中，信道划分是靠不同码型来划分的。而系统的容量标准是以一定的输入、输出信噪比为条件来确定的，即保证信号功率与干扰功率的比值大于或等于某一门限值，使信道能提供可以接收的话音质量时蜂窝系统允许通信用户数。,码分系统具有软容量，提高用户的越区成功率。,