第章CDMA蜂窝移动通信系统.ppt
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1、第9章 CDMA蜂窝移动通信系统,9.1 扩展频谱通信的基本概念 9.2 系统综述 9.3 CDMA数字蜂窝移动通信系统 9.4 CDMA正向信道 9.5 CDMA反向信道 9.6 CDMA系统的功率控制 9.7 CDMA系统信道切换、位置登记和呼叫处理 习题,9.1 扩展频谱通信的基本概念,9.1.1 扩频通信的含义 扩展频谱(SS, Spread Spectrum)通信简称扩频通信。 扩频通信的定义简单表述如下: 扩频通信技术是一种信息传输方式, 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所需的带宽。 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。 这一定义其
2、实包含了以下三方面意思:,(1) 信号的频谱被展宽了。 众所周知, 传输任何信息都需要一定的频带, 称为信息带宽或基带信号频带宽度。 (2) 采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。 (3) 在接收端用相关解调(或相干解调)来解扩。,9.1.2 扩频通信的理论基础 1. 仙农公式的隐含意义 长期以来, 人们总是想方设法使信号所占频谱尽量窄, 以充分提高十分宝贵的频率资源的利用率。 为什么要用宽频带信号来传输窄带信息呢? 简单的回答就是主要为了通信的安全可靠。 这一点可以用信息论和抗干扰理论的基本观点加以说明。 顺便指出, 扩频通信技术可用来实现码分多址方式, 并为数字化通信(包括数字化移动通信
3、)增添一种新的多址方式。,仙农(Shannon)在其信息论中得出了带宽与信噪比互换的关系式, 即仙农公式:,(9 - 1),式中, C为信道容量, 单位为b/s; B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。,2. 差错概率公式 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:,(9 - 2),(9 - 3),信号功率S为,(9 - 4),已调(或已扩频)信号的带宽为B, 则噪声功率为,(9 - 5),将式(9 - 3)(9 - 5)代入式(9 - 2), 可得,(9 - 6),9.1.3 处理增益和抗干扰容限 扩频通信
4、系统由于在发端扩展了信号频谱, 在收端解扩后恢复了所传信息, 这一处理过程带来了信噪比上的好处, 即接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比大有改善, 从而提高了系统的抗干扰能力。 因此, 可以用系统输出信噪比与输入信噪比二者之比来表征扩频系统的抗干扰能力。 理论分析表明, 各种扩频系统的抗干扰能力大体上都与扩频信号带宽B与信息带宽Bm之比成正比。 工程上常以分贝(dB)表示, 即,(9 - 7),仅仅知道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7 dB), 并需扣除系统内部信噪比的损耗
5、, 因此需引入抗干扰容限Mj, 其定义如下: Mj=Gp-(S/N)o+Ls (9 - 8) 式中, (S/N)o为输出端的信噪比, Ls为系统损耗。,9.1.4 直接序列扩频(DS) 1. 直扩的原理 所谓直接序列扩频(DS-SS), 就是直接用具有高速率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。 而接收端, 用相同的扩频码序列进行解扩, 把展宽的扩频信号还原成原始信息。 图9 - 1 示出了直扩通信系统原理及有关波形或相位关系。,图 9 - 1 直扩通信系统原理 (a) 直扩通信系统原理; (b) 有关波形和相位关系,图 9 - 1 直扩通信系统原理 (a) 直扩通信系统原理; (b) 有关波形
6、和相位关系,在发送端输入信息码元m(t), 它是二进制数据, 图中为0、 1两个码元, 其码元宽度为Tb , 加入扩频调制器, 图中为一个模2加法器, 扩频码为一个伪随机码(PN码), 记作p(t), 伪码的波形如图9 - 1(b)中第(2)个波形, 其码元宽度为Tb , 且取Tb =16Tp。 通常在DS系统中, 伪码的速率Rp远远大于信码速率Rm, 即RpRm, 就是说, 伪码的宽度Tp远远小于信码的宽度, 即TpTb, 这样才能展宽频谱。 模2加法器运算规则可用下式表示: c(t)=m(t)p(t) (9 - 9),扩频处理增益也可用下式表示:,(9 - 10),经过扩频信号, 还要进行
7、载频调制, 以便在信道上有效地传输。 图中采用二相相移键控方式。 调相器可由环形调制器完成, 即将c(t)与载频Acos1t相乘, 输出为s1(t); 即,s1(t)=c(t)Acos1t (9 - 11),式中,,, 当二进制序列为0码,, 当二进制序列为1码,因此, 经过扩频和相位调制后的信号s1(t)为,(9 - 12),2. 接收端工作原理 假设发射的信号经过信道传输, 不出现差错, 经过接收机前端电路(包括输入电路、 高频放大器等), 输出仍为s1(t)。 这里不考虑信道衰减等问题, 因为对PSK调制信号而言, 重要的是相位问题, 这样的假定对分析工作原理是不受影响的。 相关器完成相
8、干解调和解扩。 接收机中的本振信号频率与载频相差为一个固定的中频。,所谓相关器或相关检测的概念, 可以用一个简单的比喻“用相片去对照找人”来说明。 如果你想在一群人中寻找某个不相识的人, 最简单且有效的方法是用相片对照去找, 只要这一群人当中, 存在这一个人, 自然就会找到。 同理, 当你想检测出所需要的有用信号, 有效的方法是在接收端产生一个相同的信号, 然后用它与接收到的信号对比, 求其相似性, 或者说进行相关运算, 其中相关性最大的, 就可能是你所要的有用信号。,综上所述, 扩频通信的主要特性有: 抗干扰能力强; 隐蔽性好; 可以实现码分多址; 抗衰落、 抗多径干扰。,9.2 系统综述,
9、9.2.1 总体要求与标准 1. 对系统的要求 由于移动通信的迅速发展, 在20世纪80年代中期, 不少国家都在探索蜂窝网通信系统如何从模拟蜂窝系统向数字蜂窝系统转变的办法。 美国蜂窝通信工业协会(CTIA)于1988年9月发表了“用户的性能要求(UPR)”文件, 制订了对下一代蜂窝网的技术要求。,IS-54标准虽是按上述要求制订的, 考虑到实现技术的困难, 需要分阶段达到CTIA提出的要求, 即当前为全速率传输, 每个载波为3个信道(即TDMA一帧为3个时隙)。 以后发展为半速率传输, 每个载波为6个信道, 频道间隔为30 kHz。 因此即使到半速率工作阶段, 其容量要求仍达不到CTIA的要
10、求。,2. CDMA蜂窝网的崛起 在大量蜂窝移动通信工业部门的支持下, 美国圣地亚哥Qualcomm公司设计、 开发并试验了CDMA蜂窝网, 于1991年12月作了现场试验并取得了一致好评。 当时进行了5个基站、 70个移动台参加组网的试验。,1991年12月5日, 现场试验报告证明: CDMA理论上分析的优越性, 在实际通信条件下是存在的, 并有实际测试数据证明了系统容量和性能改善了许多; CDMA蜂窝网的关键技术已基本过关, 可向实用化方向发展; CDMA双模式公共空中接口方案是可行的; 基站和移动台的专用集成电路是可靠的, 便于向工业化方向发展。,3. IS-95标准 IS-95公共空中
11、接口是美国TIA于1993年公布的双模式(CDMAAMPS)的标准, 简称QCDMA标准, 主要包括下列几部分。 1) 频段 下行: 869894 MHz(基站发射); 824849 MHz(基站接收); 上行: 824849 MHz(移动台发射); 869894 MHz(移动台接收)。,2) 信道数 每一载频: 64(码分信道); 每一小区可分为3个扇形区, 可共用一个载频; 每一网络分为9个载频, 其中收、 发各占12.5 MHz, 共占25 MHz频段。 3) 射频带宽 第一频道: 21.77 MHz; 其它频道: 21.23 MHz。,4) 调制方式 基站: QPSK; 移动台: OQ
12、PSK。 5) 扩频方式 DS(直接序列扩频)。 6) 语音编码 可变速率CELP, 最大速率为8 kb/s, 最大数据速率为9.6 kbs。 每帧时间为20 ms。,7) 信道编码 卷积编码: 下行码率R=1/2, 约束长度K=9; 上行码率R=1/3,约束长度K=9。 交织编码: 交织间距 20 ms。 PN码: 码片的速率为 1.2288 Mc/s; 基站识别码为m序列, 周期为215-1; 64个正交沃尔什函数组成64个码分信道。,8) 导频、 同步信道 它们供移动台作载频和时间同步时使用。 9) 多径利用 多径利用采用RAKE接收方式, 移动台为3个, 基站为4个(指3条路径、 4条
13、路径)。,9.2.2 CDMA与蜂窝结构的关系 1. CDMA蜂窝系统的信号带宽 窄带CDMA蜂窝系统频谱带宽的确定, 是基于如下考虑: 频谱资源的限制; 系统容量; 多径分离; 扩频处理增益。,2. 码分多址与蜂窝系统的小区和扇区 在FDMA和TDMA蜂窝系统中, 系统内的小区和扇区都是靠频率来划分的。 换句话说, 每个小区或扇区都有它自己的频道。 在扩频CDMA蜂窝系统之间是采用频分的, 即不同的CDMA蜂窝系统占用不同频段的1.25 MHz带宽。 而在一个扩频CDMA蜂窝系统之内, 则是采用码分多址的, 即对不同的小区和扇区基站分配不同的码型。,9.2.3 数字蜂窝移动系统采用扩频 CD
14、MA技术带来的好处和存在的问题 1. 带来的好处 数字蜂窝移动通信系统采用扩频 CDMA技术将带来下列好处: 多种形式的分集(时间分集、 空间分集、 频率分集); 低的发射功率; 保密性; 软切换; 大容量; 语音激活; 频率重用及扇区化; 低的信噪比(EbN)或载干比(CI); 软容量。,2. 存在的问题 在CDMA系统中, 由于所有用户均使用相同频段的无线信道和相同的时间, 用户间仅靠地址扩频码的不同, 即靠他们之间互相关特性加以区分。 若用户间的地址码互相关不为零, 则用户间就存在着干扰, 我们称这类干扰为多址干扰。,3. 扩频CDMA数字蜂窝系统的关键技术 扩频CDMA数字蜂窝系统的关
15、键技术有: 功率控制技术; 多径信号的分离与合并技术; 多用户干扰分离技术; 同步技术; PN地址码的选择; 软切换技术; 分集接收技术; 语音编码技术。,9.3 CDMA数字蜂窝移动通信系统,9.3.1 CDMA网络结构与组成 CDMA蜂窝通信系统的网络结构如图9 - 2所示, 它与TDMA蜂窝系统的网络相类似, 主要由网络子系统、 基站子系统和移动台3大部分组成。 图9 - 2中已表明了各部分之间以及与市话网(PSTN或ISDN)之间的接口关系。,图 9 - 2 CDMA蜂窝通信系统的网络结构,1. 网络子系统 网络子系统处于市话网与基站控制器之间, 它主要由移动交换中心(MSC),或称为
16、移动电话交换局(MTSO)组成。 此外, 还有本地用户位置寄存器(HLR)、 访问用户位置寄存器(VLR)、 操作管理中心(OMC)以及鉴权中心(图中未画)等设备。 移动交换中心(MSC)是蜂窝通信网络的核心, 其主要功能是对位于本MSC控制区域内的移动用户进行通信控制和管理。 MSC的结构如图9 - 3所示。,图 9 - 3 移动交换中心(MSC)结构,鉴权中心(AUC)的作用是可靠地识别用户的身份, 只允许有权用户接入网络并获得服务。 操作和管理(维护)中心(OMC)的任务是对全网进行监控和操作, 例如系统的自检、 报警与备用设备的激活, 系统的故障诊断与处理, 话务量的统计和计费数据的记
17、录与传递, 以及各种资料的收集、 分析与显示等。,2. 基站子系统 基站子系统(BSS)包括基站控制器(BSC)和基站收发设备(BTS)。 每个基站的有效覆盖范围即为无线小区, 简称小区。 小区可分为全向小区(采用全向天线)和扇形小区(采用定向天线), 常用的小区分为3个扇形区, 分别用、 和表示。一个基站控制器(BSC)可以控制多个基站, 每个基站含有多部收发信机。 图9 - 4为基站控制器(BSC)结构。,图 9 - 4 基站控制器结构简化图,基站控制器(BSC)通过网络接口分别连接移动交换中心和基站收发信机(BTS)群, 此外, 还与操作维护中心(OMC)连接。 基站控制器主要为大量的B
18、TS提供集中控制和管理, 如无线信道分配、 建立或拆除无线链路、 过境切换操作以及交换等功能。,由图9 - 4可见, 它主要包括代码转换器和移动性管理器。 移动性管理器负责呼叫建立、 拆除、 切换无线信道等, 这些工作由信道控制软件和MSC中的呼叫处理软件共同完成。 代码转换器主要包含代码转换器插件、 交换矩阵及网络接口单元。,图 9 - 4 基站控制器结构简化图,图 9 - 5 单个扇区的设备组成,基站控制器无论是与MSC还是与BTS之间, 其传输速率都很高, 达1.544 Mb/s。 基站子系统中, 数量最多的是收发信机(BTS)等设备, 图9 - 5示出了单个扇形小区的设备组成方框图。
19、由于接收部分采用空间分集方式, 因此采用两副接收天线(Rx), 一副发射天线(Tx)。 顶端为滤波器和线性功率放大器, 即接收部分输入电路, 选取射频信号, 滤除带外干扰。 接收部分的前置低噪声放大器(LNA)也置于第1层中, 其主要作用是为了改善信噪比。,第2层是发射部分的功率放大器。 第4层是收发信机主机部分, 包括发射机中的扩频、 调制, 接收机中的解调、 解扩, 以及频率合成器、 发射机中的上变频、 接收机中的下变频等。 第3层是全球定位系统(GPS)接收机, 其作用就是起到系统定时作用。 最底层是数字机, 装有多块信道板。 每个用户占用一块信道板。 数字架中信道板以中频与收发信机架连
20、接。,数字架和收发信机架均受基站(小区)控制器控制。 它的功能是控制管理蜂窝系统小区的运行, 维护基站设备的硬件和软件的工作状况, 为建立呼叫、 接入、 信道分配等正常运行, 收集有关的统计信息, 监测设备故障、 分配定时信息等。 需要说明的是, 基站接收机除了上述进行空间分集之外, 还采用了多径分集, 用4个相关器进行相关接收, 简称4 RAKE接收机。,3. 移动台 IS95标准规定的双模式移动台, 必须与原有的模拟蜂窝系统(AMPS)兼用, 以便使CDMA系统的移动台也能用于所有的现有蜂窝系统的覆盖区, 从而有利于发展CDMA蜂窝系统。 这一点非常有价值, 也利于从模拟蜂窝平滑地过渡到数
21、字蜂窝网。 双模式移动台与原有模拟蜂窝移动台之间的差别是增加了数字信号处理部分, 如图9 - 6 所示。 图中, 着重画出了增加的部分。,图 9 - 6 双模式移动台方框图,图9 - 6示出了CDMA移动台收发信机中有关数字信号处理的内容。 发送时, 由送话器输出语音信号, 经编码输出PCM信号, 经声码器输出低速率语音数据, 经数据速率调节、 卷积编码、 交织、 扩频、 滤波后送至射频前端(含上变频、 功放、 滤波等), 馈至天线。 收、 发合用一副无线, 由天线共用器进行收、 发隔离, 收、 发频差为 45 MHz。,4. CDMA系统接口与信令协议 1) 系统接口 CDMA系统有如下主要
22、接口(参见图9 - 7): MS与BS间的接口Um BS与MSC间的接口A MSC与VLR间的接口B MSC与HLR间的接口C VLR与HLR间的接口D MSC与MSC间的接口E MSC与EIR间的接口F VLR与VLR间的接口G HLR与AUC间的接口H MSC与PSTN间的接口Ai MSC与PSPDN间的接口Pi MSC与ISDN间的接口Di,图 9 7 CDMA系统的接口,2) 信令协议 CDMA系统信令协议应包括各个接口间的信令协议。 这里, 仅介绍空中接口(Um)的信令协议。 CDMA系统中, 所有信道上的信令使用面向比特的同步协议。 所有信道上的报文使用同样的分层格式。 最高层的格
23、式是报文囊(Capsule), 它包括报文( Message)和填充物(Padding)。 次一层的格式是将报文分成报文长度、 报文体和CRC。,空中接口的信令协议结构被分作三层, 即物理层、 链路层和控制处理层。 图9 - 8示出CDMA系统信令协议的三层结构。 物理层、 复用子层、 信令2层、 寻呼及接入信道2层、 同步信道2层、 移动控制处理 3层是CDMA系统的基础。,图 9 - 8 CDMA系统信令协议的分层结构,9.3.2 系统参数与使用频段 1. CDMA系统的参数 频段: 824849 MHz(反向链路), 869894 MHz(前向链路); 双工方式: FDD; 载波间隔:
24、1.25 MHz; 信道速率: 1.2288 Mc/s; 接入方式: CDMA;,调制方式: /4-QPSK; 分集方式: RAKE、 交织、 天线分集; 信道编码: 卷积码, K=9, R=3(反向链路), K=9, R=2 (前向链路); 语音编码: QCELP可变速率声码器; 数据速率: 9.6 kb/s, 4.8 kb/s, 2.4 kb/s, 1.2 kb/s。,2. CDMA频道号码与相应频率值 由于数、 模兼用, 北美的AMPS和QCDMA系统都具有相同的工作频段。 其中, 移动台向基站的传输频段占25 MHz, 为 824849 MHz; 基站向移动台的传输频段也占25 MHz
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