时间分集扩频通信技术课件.ppt

第4章 抗衰落和链路性能增强技术,4.1概述4.2分集技术4.3 信道编码技术 4.4 均衡技术,4.2 分集技术,4.2.1 分集技术原理 1.什么是分集 所谓分集接收，是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立(携带同一信息)的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。,图 4-1 选择式分集合并示意图,分集有两重含义：一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并(包括选择与组合)以降低衰落的影响。,2.分集方式 在移动通信系统中可能用到两类分集方式：一类称为“宏分集”；另一类称为“微分集”。“宏分集”主要用于蜂窝通信系统中，也称为“多基站”分集。这是一种减小慢衰落影响的分集技术，其作法是把多个基站设置在不同的地理位置上(如蜂窝小区的对角上)和在不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信(可以选用其中信号最好的一个基站进行通信)。显然，只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰落(基站天线的架设可以防止这种情况发生)，这种办法就能保持通信不会中断。,“微分集”是一种减小快衰落影响的分集技术，在各种无线通信系统中都经常使用。理论和实践都表明，在空间、频率、极化、场分量、角度及时间等方面分离的无线信号，都呈现互相独立的衰落特性。据此，微分集又可分为下列三种。,(1)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，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响。时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。此外，时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。,(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)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。为此，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，,3.合并方式 接收端收到M(M2)个分集信号后，如何利用这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。一般均使用线性合并器，把输入的M个独立衰落信号相加后合并输出。假设M个输入信号电压为r1(t)，r2(t),，rM(t)，则合并器输出电压r(t)为,(4-4),式中，ak为第k个信号的加权系数。,选择不同的加权系数，就可构成不同的合并方式。常用的有以下三种方式：(1)选择式合并。(2)最大比值合并。(3)等增益合并,图 4-2 二重分集选择式合并,图 4-2 为二重分集选择式合并的示意图。两个支路的中频信号分别经过解调，然后作信噪比比较，选择其中有较高信噪比的支路接到接收机的共用部分。选择式合并又称开关式相加。这种方式方法简单，实现容易。但由于未被选择的支路信号弃之不用，因此抗衰落不如后述两种方式。,(2)最大比值合并。最大比值合并是一种最佳合并方式，其方框图如图 4-3 所示。,图 4-3 最大比值合并方式,(3)等增益合并。等增益合并无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加的，其方框图如图 4-4所示。等增益合并方式实现比较简单，其性能接近于最大比值合并。,4.2.2 分集合并性能的分析与比较 众所周知，在通信系统中信噪比是一项很重要的性能指标。在模拟通信系统中，信噪比决定了话音质量；在数字通信系统中，信噪比(或载噪比)决定了误码率。分集合并的性能系指合并前、后信噪比的改善程度。为便于比较三种合并方式，假设它们都满足下列三个条件：,(1)每一支路的噪声均为加性噪声且与信号不相关，噪声均值为零，具有恒定均方根值；(2)信号幅度的衰落速率远低于信号的最低调制频(3)各支路信号的衰落互不相关，彼此独立。,综上所述，最大比值合并时各支路加权系数与本路信号幅度成正比，而与本路的噪声功率成反比，合并后可获得最大信噪比输出。若各路噪声功率相同，则加权系数仅随本路的信号振幅而变化，信噪比大的支路加权系数就大，信噪比小的支路加权系数就小。,图 4-8 三种合并方式的D(M)与M关系曲线,4.2 RAKE接收,所谓RAKE接收机，就是利用多个并行相关器检测多径信号，按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机。需要特别指出的是，一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理，而RAKE接收机采取变害为利的方法，即利用多径现象来增强信号。图 4-9示出了简化的RAKE接收机的组成。,图 4-9 简化的RAKE接收机组成,假设发端从Tx发出的信号经N条路径到达接收天线Rx。路径 1 距离最短，传输时延也最小，依次是第二条路径，第三条路径，时延时间最长的是第N条路径。通过电路测定各条路径的相对时延差，以第一条路径为基准时，第二条路径相对于第一条路径的相对时延差为2，第三条路径相对于第一条路径的相对时延差为3，第N条路径相对于第一条路径的相对时延差为N，且有NN-132(1=0)。,在图4-9中，由于各条路径加权系数为 1，因此为等增益合并方式。在实际系统中还可以采用最大比合并或最佳样点合并方式，利用多个并行相关器，获得各多径信号能量，即RAKE接收机利用多径信号，提高了通信质量。在实际系统中，由于每条多径信号都经受着不同的衰落，具有不同的振幅、相位和到达时间。由于相位的随机性，其最佳非相干接收机的结构由匹配滤波器和包络检波器组成。如图4-10所示，图中匹配滤波器用于对c1(t)cost匹配。,图4-10 最佳非相干接收机,如果r(t)中包括多条路径，则图4-10的输出如图4-11所示。图中每一个峰值对应一条多径。图中每个峰值的幅度的不同是由每条路径的传输损耗不同引起的。为了将这些多径信号进行有效的合并，可将每一条多径通过延迟的方法使它们在同一时刻达到最大，按最大比的方式合并，就可以得到最佳的输出信号。然后再进行判决恢复，发送数据。我们可采用横向滤波器来实现上述时延和最大比合并，如图4-12所示。,图4-11 最佳非相干接收机的输出波形,图4-12 实现最佳合并的横向滤波器,4.3 纠错编码技术,4.3.1 纠错编码的基本原理 首先用一个例子说明纠错编码的基本原理。现在我们考察由 3 位二进制数字构成的码组，它共有 23=8 种不同的可能组合，若将其全部用来表示天气，则可以表示 8 种不同的天气情况，如：000(晴)，001(云)，010(阴)，011(雨)，100(雪)，101(霜)，110(雾)，111(雹)。其中任一码组在传输中若发生一个或多个错码，则将变成另一信息码组。这时，接收端将无法发现错误。,若在上述 8 种码组中只准许使用 4 种来传送消息，譬如 000=晴 011=云 101=阴 110=雨(4-51),表 4-2 分组码例子(3,2),4.3.3 卷积码 数字化移动信道中传输过程会产生随机差错，也会出现成串的突发差错。讨论各种编码主要用来纠正随机差错，卷积码既能纠正随机差错也具有一定的纠正突发差错的能力。,1.卷积码 卷积码的监督元不仅与本组的信息元有关，而且还与前若干组的信息元有关。这种码的纠错能力强，不仅可纠正随机差错，而且可纠正突发差错。,卷积码的一般结构,由上图可以看到，n个输出比特不仅与当前的k个输入信息有关，还与前（N-1）k个信息有关。通常将N称为约束长度。常把卷积码记为：（n，k，N）其编码效率为k/n,卷积码的图形描述,描述卷积码的方法有两类：图解法和解析表示,图解法包括：树状图、状态图、网格图解析法包括：矩阵形式、生成多项式形式,（，）卷积码编码器,例如：输入序列1101110,1,2,M2,M1,输入,c2,c1,（，2）卷积码编码器,例如：输入序列101011,2.交织编码 交织编码主要用来纠正突发差错，即使突发差错分散成为随机差错而得到纠正。通常，交织编码与上述各种纠正随机差错的编码(如卷积码或其它分组码)结合使用，从而具有较强的既能纠正随机差错又能纠正突发差错的能力。交织编码不像分组码那样，它不增加监督元，亦即交织编码前后，码速率不变，因此不影响有效性。在移动信道中，数字信号传输常出现成串的突发差错，因此，数字化移动通信中经常使用交织编码技术。,交织的方法如下：一般在交织之前，先进行分组码编码，例如采用(7，3)分组码，其中信息位为 3 比特，监督位为 4 比特，每个码字为 7 比特。第一个码字为c11c12c13c14c15c16c17，第二个码字为 c21c22c27，第m个码字为cm1cm2 cm7。,将每个码字按图 4-18 所示的顺序先存入存储器，即将码字顺序存入第 1 行，第 2 行，第 m 行(图中为第 1 排，第 2 排，第 m 排)，共排成m行，然后按列顺序读出并输出。这时的序列就变为 c11c21c31 cm1c12c22c32 cm2c13c23c33 cm3 c17c27c37 cm7,图 4-18 交织的方法,4.3.4 Turbo码 1.Turbo码编码原理 Turbo码的编码器可以有多种形式，如采用并行级联卷积码（pCCC）和串行级联卷积码(SCCC)等。一个采用并行级联卷积码（pCCC）的Turbo码编码原理框图如图4-19所示。,图4-19 Turbo码编码器框图,图中两个编码器分别称为Turbo码二维分量码，它可以很自然地推广到多维分量码。分量码既可以是卷积码，也可以是分组码，还可以是级联码；两个分量码既可以相同，也可以不同。原则上讲，分量码既可以是系统码，也可以是非系统码，但为了在接收端进行有效的迭代，一般选择递归系统卷积码（RSC）。,4.4 均衡技术,理论和实践证明，在数字通信系统中插入一种可调滤波器可以校正和补偿系统特性，减少码间干扰的影响。这种起补偿作用的滤波器称为均衡器。均衡器通常是用滤波器来实现的，使用滤波器来补偿失真的脉冲，判决器得到的解调输出样本，是经过均衡器修正过的或者清除了码间干扰之后的样本。,4.4.3 自适应均衡技术,自适应均衡器直接从传输的实际数字信号中根据某种算法不断调整增益，因而能适应信道的随机变化，使均衡器总是保持最佳的状态，从而有更好的失真补偿性能。,自适应均衡器一般包含两种工作模式训练模式和跟踪模式。,首先，发射机发射一个己知的定长的训练序列，以便接收机处的均衡器可以做出正确的设置。典型的训练序列是一个二进制伪随机信号或是一串预先指定的数据位，而紧跟在训练序列后被传送的是用户数据。而在接收数据时，均衡器的自适应算法就可以跟踪不断变化的信道，自适应均衡器将不断改变其滤波特性。为了能有效的消除码间干扰，均衡器需要周期性的做重复训练。在数字通信系统中用户数据是被分为若干段并被放在相应的时间段中传送的，每当收到新的时间段，均衡器将用同样的训练序列进行修正。,表4-3 GSM的训练序列,图4-36 GSM时隙结构,4.5 扩频通信,CDMA多址方式概念：各发送端用各不相同的、相互正交或准正交的地址码调制其所发送的信号，在接收端利用码型的正交性，通过地址识别（相关检测）从混合信号中选出相应信号的多址技术,4.5 扩频通信,CDMA多址方式特点：CDMA系统的许多用户使用同一频率、占用相同带宽，各个用户可同时发送或接收信号 CDMA通信容量大 CDMA系统的容量约是TDMA系统的46倍，FDMA系统的20倍左右CDMA系统中上下行链路均可采用功率控制技术 具有良好的抗干扰、抗衰落性能和保密性能,4.5 扩频通信,CDMA系统可采用“软切换”技术 CDMA系统的软容量特性可支持过载切换 CDMA系统中切换时只需改变码型，不用改变频率与时间，其管理与控制相对比较简单,发端：利用自相关性很强而互相关值为0或很小的周期性码序列作为地址码，与用户信息数据相乘（或模2加）进行地址调制后输出收端：以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性的差异对收到的信号进行相关检测，提取与本地地址码一致的信号,例：设系统有4个用户（即n=4），各用户的地址码分别为W1=1，1，1，1、W2=1，-1，1，-1、W3=1，1，-1，-1、W4=1，-1，-1，1；在某一时刻用户信息数据分别为d1=1、d2=-1、d3=1、d4=-1。经过地址调制后输出信号为S1S4；接收端用户2解调信号为J1J4,三个必备条件有足够多的地址码，地址码间有良好的自相关特性和互相关特性各接收端必须产生与发送端一致的本地地址码，且在相位上完全同步 网内所有用户使用同一载波、相同带宽，同时收发信号，使系统成为一个自干扰系统，为把各用户间的相互干扰降到最低，码分系统必须和扩频技术相结合，为接收端的信号分离作准备,扩频通信系统概念一种信息传输方式，其系统占用的频带宽度远大于要传输的原始信号的带宽（或信息比特率），且与原始信号带宽无关在发送端，频带的展宽是通过编码及调制（即扩频）来实现的；在接收端用与发送端完全相同的扩频码进行相关解调（即解扩）来恢复信息作用提高通信的抗干扰能力，即使系统在强干扰条件下也能安全可靠地通信,4.5 扩频通信,基本原理扩频：用一个带宽比信息带宽宽得多的伪随机码（PN码）对信息数据进行调制解扩：将接收到的扩展频谱信号与一个和发端PN完全相同的本地码相关检测收到的信号与本地PN相匹配时，信号恢复到其扩展前的原始带宽 不匹配的输入信号被扩展到本地码的带宽或更宽频带,扩频通信 原理框图,扩频通信 频谱变换,扩频通信系统的特点（1）抗干扰能力强。这是扩频通信的基本特点，是所有通信方式无法比拟的。（2）宽带传输，抗衰落能力强。（3）由于采用宽带传输，在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多，因此信号好象隐蔽在噪声中；即功率话密度比较低，有利于信号隐蔽。单位频带内的功率很小，淹没在噪声里，非法用户很难检测出信号。（4）利用扩频码的相关性来获取用户的信息，抗截获的能力强。,（5）可利用扩频码的优良的自相关和互相关特性实现码分多址，提高频率利用（6）抗多径干扰。接收端用相关技术从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或把多径信号合成，变害为利，提高接收信噪比（7）利用电磁波的传播特性和伪随机码的相关性，可以比较正确地测出两个物体间的距离,扩频通信的种类直接序列(DS)系统：用一高速伪随机序列与信息数据相乘，由于伪随机序列的带宽远大于信息带宽，扩展发射信号的频谱 跳频(FH)系统：在一伪随机序列的控制下，发射频率在一组预先指定的频率上按规定顺序离散地跳变，扩展发射信号的频谱 脉冲线性调频(Chirp)系统：系统载频在一给定的脉冲间隔内线性扫过一个宽频带，扩展发射信号频谱跳时(TH)系统：与跳频系统类似，区别在于该系统是用一伪随机序列控制发射时间和发射时间的长短 混合系统,1.直接序列扩频方式,直扩系统方框图和扩频信号传输图,跳变频率扩频方式,直接序列扩频通信系统DSSS即直扩系统DS、伪噪声扩频系统,码分多址与直扩系统两种结合形式第一种：发端：先地址调制，再扩频收端：先解扩，再地址解调,第二种：发端：直接PN调制，地址调制同时扩频收端：解扩同时作地址解调,比较：第一种：采用了完全正交的地址码组，各用户间的相互影响可以完全消除，提高了系统的性能，但整个系统很复杂，尤其是同步系统 第二种：去掉单独的地址码组，用不同的PN序列代替，整个系统相对简单，但由于PN不完全正交，而是准正交，各用户间的相互影响不能完全消除，整个系统的性能将受一定的影响,跳频扩频通信系统原理载波频率受一组快速变化的PN控制而随机跳变,跳频扩频系统 信号波形,抗干扰能力跳频系统是靠中频滤波器抑制带外的频谱分量，减少单频干扰和窄带干扰进入接收机的概率，提高系统的抗干扰性能直接序列扩频系统是通过展宽单频干扰和窄带干扰的频谱，降低干扰信号在单位频带的功率，来实现抗干扰性能的提高,地址码和扩频码的生成及特性对系统的性能具有决定性的作用系统的多址能力；抗干扰、抗噪声、抗截获能力及多径保护和抗衰落能力；信息数据的保密；捕获与同步的实现,理想的地址码和扩频码应具有的特性有足够多的地址码有尖锐的自相关性有处处为零的互相关性不同码元数平衡相等尽可能大的复杂度,实际作用的地址码与扩频码理想的地址码和扩频码不存在Walsh码是正交码，具有良好的自相关性和处处为零的互相关性，但由于码组内各码所占频谱带宽不同等原因，不能作扩频码使用常作扩频码的是伪随机序列真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生 用一种周期性的脉冲信号近似随机噪声的性能PN具有类似白噪声的特性被用作扩频码PN准正交会使系统性能受到一定的影响 常用的PN：m序列和Gold序列,m序列伪随机码m序列是最长线性移位寄存器序列m序列是一个伪随机序列，按一定规律周期性变化，具有随机噪声类似的特性 周期是P=2n-1，n是移位寄存器级数,产生改变反馈电路，可得到新的m序列 最后一级必须参加反馈例：三级移位寄存器构成m序列发生器,m序列产生器,特性随机性m序列一个周期内“1”和“0”的码元数大致相等（“1”比“0”只多一个）一个周期为P=2n-1的m序列，共有2n-1个游程长度为1的游程占1/2，长度为2的游程占1/4，长度为3的游程占1/8，长度为k(1kn-2)的游程占1/2k，只有一个包含(n-1)个“0”的游程，也只有一个包含(n-1)个“1”的游程,自相关性 当=0时，自相关函数R()出现峰值1当偏离0时，相关函数曲线很快下降当1P-1时，相关函数值为-1/P当=P时，又出现峰值1 可以用有无自相关函数值来识别信号，并检测自相关函数值为1的码序列,互相关性：同一周期的m序列组，两两m序列对的互相关特性差别很大m序列和其移位后的序列逐位模2加，所得的序列仍是m序列，只是相位不同 m序列发生器中的移位寄存器的各种状态，除全“0”外，其他状态在一个周期内只出现一次,Walsh码 是正交码 Walsh码可用哈德码矩阵表示为：例：,Gold序列Gold序列是m序列的组合码m序列优选对特性很好，数目很少Gold序列由优选对的m序列逐位模2加得到改变其中一个m序列的相位，可得到一个新的Gold序列Gold序列具有与m序列优选对类似的相关性，且构造简单，数量大,产生一对周期P=2n-1的m序列优选对ai、bi，ai与后移位的序列bi+(=0，1，P-1)逐位模2加所得的序列ai+bi+,周期P=2n-1的m序列优选对产生的Gold序列共有2n+1个 随着n的增加，Gold序列以2的n次幂增长 平衡的Gold序列:一个周期内“1”码元数比“0”仅多一个当n是奇数时，2n+1个Gold序列中有2n-1+1个平衡的Gold序列，约占50%当n是偶数（不是4个倍数）时，有2n-1+2n-2+1个平衡的Gold序列，约占75%,特性周期P=2n-1的m序列优选对产生的Gold序列具有与m序列优选对类同的相关性 自相关函数在=0时与m序列相同，具有尖锐的自相关峰；当1P-1时，最大旁瓣值不超过t(n)/P 同一对m序列优选对产生的Gold序列连同两个m序列中，任意两个序列的互相关特性都和m序列优选对一样,IS-95CDMA中地址码的应用用户地址码用长m序列的截段码，码长42位，数量为242-1根据码的不同相位区分不同的用户基站地址码用中长m序列的截段码或Gold码，码长15位，数量为215-1根据码的相位不同来区分,信道地址码用的是64阶walsh函数，前向信道和反向信道各64个前向信道：1个导频信道W0（全“0”）、7个寻呼信道W1W7、1个同步信道W32、55个业务信道导频信道只给出一个频率基准，W0只有强度，没有信息，是固定不变的同步信道一旦同步后可作业务信道用无寻呼、业务忙时，寻呼信道也可作业务信道用反向信道：接入信道最多有32个，最少为0业务信道最多为64个，最少为32个，信令随路传送,直接序列扩频通信系统的同步原理移动通信系统中存在的不确定因素收发信机间的距离引起的传播延迟产生的相位差收发信机时钟频率的相对不稳定引起的频差收发信机相对运动引起的多普勒频率偏移多径效应引起的频率和相位的变化等 扩频通信系统中的同步载波同步、位同步、帧同步伪码同步 伪码同步的作用实现本地PN与接收信号中的PN的同步，即频率上相同，相位上一致,同步过程第一阶段是捕获阶段搜索对方的发送信号，把对方发来的PN与本地PN在相位上纳入可保持同步的范围内(即在一个PN码元内)第二阶段是跟踪阶段收发两端PN的频率和相位发生较小偏移时，同步系统都能自动调整，使收、发双方的PN保持精确同步系统一般按照“载频捕获伪码捕获伪码跟踪载频跟踪”的顺序来建立同步,同步过程原理框图,4.5 IS-95CDMA通信原理,CDMA基本原理CDMA基本通信原理DS系统：发送端：待传话音通过A/D转换，将模拟话音转变成9.6kbit/s的二进制数据信息，通过1.2288Mc/s高速率的PN扩频调制，使信道中传输信号的带宽远远大于原始信号本身的带宽 接收端：接收机利用本地伪随机序列进行相关解扩，还原出原始窄带信号，通过窄带滤波器，恢复话音数据，再通过数/模（D/A）转换，恢复为原始话音,4.5 IS-95CDMA通信原理,码分多址通信系统主要由调制、扩频、解扩、解调等构成 为了保证相关检测，接收端除了实现载波同步外，还必须保证地址码的同步 地址码码型正交性要好，码的数量要多,4.5 IS-95CDMA通信原理,CDMA系统中上下行链路工作原理下行链路,4.5 IS-95CDMA通信原理,发送端：,4.5 IS-95CDMA通信原理,接收端：,4.5 IS-95CDMA通信原理,上行链路上行链路中各移动台发射的信号不用合路器合路，而是各自发往空中，在空中实现合路基站接收空中信号后通过地址码的相关检测，对信号分路并进行后续解调处理,4.5 IS-95CDMA通信原理,CDMA中的关键技术功率控制技术CDMA系统是一个自干扰系统，通信质量和容量主要受限于收到干扰功率的大小 MS信号功率太低，误比特率太大，无法保证通信质量MS信号功率太高，会对其它MS增加干扰，导致整个系统的通信质量恶化、容量减小CDMA蜂窝系统中，为了解决远近效应问题，同时避免对其它用户过大的干扰，必须采用严格的功率控制类型：反向开环功率控制、反向闭环功率控制、正向链路功率控制,4.5 IS-95CDMA通信原理,CDMA中功率控制示意图,4.5 IS-95CDMA通信原理,反向开环功率控制前提条件：假设上、下行传输损耗相同MS接收并测量基站发来的信号强度，估计下行传输损耗，然后自行调整其发射功率 用于刚进入接入信道，闭环功率控制尚未激活时完全是MS自主进行的功率控制开环功率控制只是对发送电平的粗略估计，反应时间不应太快或太慢开环功率控制是为了补偿平均路径衰落的变化和阴影、拐弯等效应，它必须要有一个很大的动态范围，至少应达到32dB,4.5 IS-95CDMA通信原理,刚进入接入信道时(闭环校正尚未激活)，MS计算平均输出功率，以发射其第一个试探序列 其后的试探序列不断增加发射功率，增加的步长为PWR_STEP，直到收到BTS发回的一个响应或序列结束开环功率控制的优点是简单易行，不需在MS和BTS间交换控制信息，控制速度快，节省开销,4.5 IS-95CDMA通信原理,由基站检测MS的信号强度或信噪比，根据测得结果与预定值比较，产生功率调整指令，并通知MS调整其发射功率 目标：使基站对移动台的开环功率估计迅速作出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率；对开环的迅速纠正，解决了前向链路和反向链路间增益容许度和传输损耗不一样的问题 功率控制比特在前向业务信道中进行数据扰码后插到数据流中，在功率控制子信道上传送,4.5 IS-95CDMA通信原理,功率控制子信道的结构和替代,4.5 IS-95CDMA通信原理,紧随MS发射时隙后的第二个1.25ms时隙内收到的功率控制比特才有效在非连续发射过程中，发射机关掉时MS将忽略收到的功率控制比特软切换时，MS可能同时收到两个或两个以上的功率控制命令，如果既有上调又有下降的功控指令，则执行功率下降的指令 闭环调整范围：在开环功率控制的基础上调整24dB,正向功率控制基站根据MS提供的测量结果调整对每个MS的发射功率目的：使任一MS收到基站发来的信号电平都恰好到达信干比所要求的门限值基站通过MS发送的前向误帧率FER的报告决定增减小发射功率定期报告就是隔一定时间汇报一次门限报告就是当FER达到一定门限值时才报告前向功率控制的最大调整范围为6dB,功率控制的应用例：信道突然衰落时的功率控制响应,4.5 IS-95CDMA通信原理,信号的衰落与分集接收 分集分集接收：接收端对它收到的多个衰落特性互相独立（携带同一个信息数据流）的信号进行特定的处理 含义：一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息数据流的衰落信号二是集中合并处理，接收机把收到的多个独立的衰落信号进行合并，以降低衰落的影响,类型宏分集(多基站分集)：把多个基站设置在不同的地理位置上（如蜂窝小区的对角上）和不同方向上，同时和小区的一个移动台进行通信，移动台可以选用其中信号最好的一个基站进行通信 微分集：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,分集技术空间分集：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不相关 频率分集：频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落不相关,极化分集：两不同极化的电磁波具有独立的衰落特性极化分集是空间分集的一种特殊情况，二重分集情况下也要用两副天线，但仅仅是利用不同极化的电磁波所具有的不相关衰落特性，因而缩短了天线间的距离在极化分集中，由于射频功率分给两个不同的极化天线，因此发射功率要损失一半（3dB）,时间分集：同一信号在不同的时间、区间多次重发，各次发送的时间间隔足够大时，各次发送信号的衰落彼此独立,合并技术选择不同的加权系数可构成不同的合并方式选择式合并：检测所有分集支路的信号作为合并器的输出，加权系数只有一项为1，其余均为0开关式相加方法简单，易实现，抗衰落性相对较差例：二重分集选择式合并,最大比值合并：一种最佳合并方式 每一支路信号为rk，每一支路的加权系数ak与包络rk成正比，与噪声功率Nk成反比。即ak=rk/Nk 例：,等增益合并：无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加实现简单，性能接近于最大比值合并例：,比较：在相同分集重数时，最大比值合并方式改善信噪比最多，其次是等增益合并方式，选择式合并所得到的信噪比改善量最少 在分集重数较少情况下(如M=2或3),等增益合并的信噪比改善接近最大比值合并,CDMA系统的分集、合并技术 分集技术频率分集：扩频技术时间分集：交织(隐分集)空间分集：RAKE接收机合并技术等增益合并：RAKE接收机,RAKE接收机利用多个并行相关器检测多径信号，按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机 RAKE接收机利用多径现象来增强信号,其他关键技术正交调制与正交扩频 发端：先正交扩频，再正交调制 收端：先正交解调，再解扩 正交调制：QPSK调制,话音编码技术Q码激励线性预测编码QCELP语音编码过程语音按8KHz抽样，分成20ms长的帧，每一帧含160个抽样，生成三参数子帧（线性预测编码滤波器参数、音调参数、码表参数）语音解码过程从数据流中解包得到接收的参数，根据这些参数重组语音信号速率可变,QCELP中数据速率的选择 基于每一帧的能量与三个门限的比较每一帧的能量是由自相关函数R(0)决定的，R(0)与三个门限值T1(Bi)、T2(Bi)和T3(Bi)比较，其中Bi表示背景噪声电平 R(0)大于所有三个门限，就选择速率1；如果R(0)仅大于两个门限，就选择速率1/2；如果R(0)只大于一个门限，就选择速率1/4；如果R(0)小于所有三个门限，选择速率1/8,数据速率每帧只允许下降一个级别 当CDMA使用半速率技术时，即使当前帧根据门限选择是速率1，而实际只能选择速率1/2 数字话音插空技术DSI：发端话音识别器检测是否有话音，决定是否分配信道与可变速率话音编码结合，获得通信容量的增加,越区切换技术切换类型同一载频的软切换同一载频同一基站扇区间更软切换不同载频间的硬切换,几个术语导频集合：具有相同频率不同PN码相位的导频集 有效导频集：与正在联系基站相对应的导频集合 候选导频集：当前不在有效导频集里，但已有足够的强度表明与该导频相对应基站的前向业务信道可以被成功解调的导频集合 相邻导频集：当前不在有效导频集或候选导频集里，但根据某种算法被认为很快可进入候选导频集的导频集合 剩余导频集：不被包括在相邻导频集、候选导频集和有效导频集里的所有其它导频的导频集合,4.5 IS-95CDMA通信原理,软切换过程,：当基站B的导频强度达到T_ADD，MS在反向业务信道上向基站A发送一个导频强度测量消息，并将该导频转到候选导频集：基站A在前向业务信道上发送一切换指示消息：MS将基站B的导频转到有效导频集并发送一个切换完成消息(随后，基站A与B同时为MS提供服务)：当基站A的导频强度掉到T_DROP以下，移动台启动切换去掉计时器：切换去掉计时器到期，MS发送一个导频强度测量消息给基站A、B：基站A、B发送一个切换指示消息：移动台把基站A的导频从有效导频移动到相邻导频集并发送切换完成消息（随后仅由基站B为MS提供服务）,在实际系统运行时，切换组合出现，可能同时既有软切换，又有更软切换 若处于三个基站交界处，可能发生三方软切换若其中某一相邻基站的相同载频已经达到满负荷，MSC就会让基站指示MS切换到相邻基站的另一载频上，执行硬切换若相邻基站恰巧处于不同MSC范围，即使是同一载频，也只能是进行硬切换 系统优先进行软切换,CDMA系统的体系结构,网络结构CDMA系统网络结构符合典型的数字蜂窝移动通信的网络结构,功能结构CDMA移动功能,功能结构服务资源功能 分组传输,3.3CDMA系统的体系结构,同步BTS与MS间的载波同步、伪码同步、时隙同频、帧同步等；所有BTS必须和BSC同步；BSC也必须与MX同步BTS和BSC是采用全球定位系统GPS实现的；BSC和MX同步采用E1发送二位帧同步实现；MS利用帧同步与BTS间实现同步,3.3CDMA系统的体系结构,信令任何两个实体间的互联根据国际标准的参考模式建立，应用CMS的协议运行良好每个功能实体有其自己的控制模块用于执行相关协议每个功能实体中的模块处理器利用快速邮件传输技术处理大量的话务所有执行管理功能的控制模块具有冗余处理器，以保证系统的可靠性,3.3CDMA系统的体系结构,服务控制功能呼叫控制 话音服务MS主叫,3.3CDMA系统的体系结构,MS主叫：MS发起呼叫时向BTS发送初始化信息，如果BTS具有有效信道，分配相应的Walsh码及与有效信道一致的帧位移，请求与BSC的连接。BSC分配一个选择器后，请示与MX的呼叫连接。MX要求对主叫MS的权限确认。根据从AUC中接收到的确认信息，MX接受呼叫并将MS连接到目的地 MS被叫：MX根据被叫MS的位置信息选择路径，将呼叫信息送达被叫所处位置的BSC，在BSC控制下进行广播呼叫。被叫MS收到呼叫信息应答后，BTS分配一个Walsh编码并为MS分配帧位移。BSC接收到BTS送来的MS的应答信号后，为呼叫分配一个选择器。在确认与MS连接后，BSC向MX发送应答信息，MX完成有效连接,3.3CDMA系统的体系结构,数据服务数据服务分两步提供：第一步MX与移动终端MT2连接，连接进程与话音通信的呼叫控制进程相同；第二步建立数据通信协议，MT0与MS相一致,3.3CDMA系统的体系结构,短消息服务利用控制信道及话务信道的信令信息传送短消息；利用话务信道传送话音和数据两种SMS短消息服务：蜂窝传播呼叫电话服务CPT和蜂窝信息电话服务CMT,3.3CDMA系统的体系结构,资源管理优化链路容量和服务质量 通过优先等级保存一些信道用于软切换 当MS通过目的小区的弱导频请求切换时，分配一个无优先级的信道 当MS通过目的小区的强导频请求切换时，分配一个有优先级的信道 切换信道的管理使频率切换在不能进行软切换时才执行,3.3CDMA系统的体系结构,服务管理功能OAM管理四种功能：程序下载、结构管理、故障管理、说明 基站的程序和结构信息由BSM转移到基站控制块系统故障、错误由故障管理检测、分离并恢复说明信息在HLR中存储并管理 OAM功能由操作系统中的数据基础和库函数实现 数据基础包含资源、移动性、操作状态、呼叫处理信息等库函数提供操作系统的系统程序基站上的OAM信息采集后由BSM和OMC管理,3.3CDMA系统的体系结构,小区边界管理用于优化系统性能和基站总容量，体现CDMA系统的软容量特性包括呼吸、扩张、收缩及业务负载消减 呼吸：在正常操作期间，用于平衡前向/反向链路的切换边界，使链路容量最大化 扩张：小区最初激活时，表明基站发送功率的逐渐增长 收缩：是扩张的反过程，即在小区被抵制时逐渐减小有效辐射功率业务负载消减：即“小区呼吸”，就是在相邻小区中通过调整小区半径来平衡用户业务负载,3.3CDMA系统的体系结构,业务负载消减,3.3CDMA系统的体系结构,性能测试 CMS测试链路的性能参数，CDMA系统分析工具收集并分析执行数据 两类特性参数：性能分析参数和业务分析参数业务分析参数：每单位间隔电话呼叫尝试和批准的次数、每单位间隔的切换次数及切换参数等性能分析参数：前向和反向链路的FER、触发错误率、BTS和MS的接收Eb/E0、功率控制特性参数、功率控制门限值和前向业务信道的传输增益等,3.3CDMA系统的体系结构,无线链路信道结构 前向信道前向链路用正交扩频形成码分信道正交序列：64阶Walsh序列，速率1.2288Mc/s与扩频序列相同64个正交码分信道分配：W0导频信道；W1W7寻呼信道；W32同步信道；其余为前向业务信道同步信道工作在1.2kbit/s寻呼信道工作在9.6kbit/s或4.8kbit/s前向业务信道工作速率：9.6kbit/s、4.8kbit/s、2.4kbit/s、1.2kbit/s,3.3CDMA系统的体系结构,前向信道信号的处理过程导频信道：无数据调制，为小区内的MS提供同步同步信道：卷积编码、码元重复、交织、Walsh码的正交调制寻呼信道：卷积编码、码元重复、交织、数据扰码、Walsh码的正交调制前向业务信道：卷积编码、码元重复、交织、数据扰码、功率控制子信道的复用、Walsh码的正交调制 各前向信道的信息用对应信道的Walsh码调制后，进入正交扩频和正交调制电路进行扩频和射频调制，然后由天线发射出去,3.3CDMA系统的体系结构,前向信道结构、对信号的处理过程,3.3CDMA系统的体系结构,反向信道反向CDMA信道由接入信道和反向业务信道组成 接入信道速率4.8kbit/s反向业务信道速率：9.6kbit/s、4.8kbit/s、2.4kbit/s、1.2kbit/s两种信道均要加入尾比特反向业务信道数据率为9.6kbit/s、4.8kbit/s时，还要加帧质量指示比特（CRC校验比特）,3.3CDMA系统的体系结构,反向信道的信号处理过程接入信道和反向业务信道所传数据都要进行卷积编码、码元重复，交织、Walsh码的正交调制不同用户的反向信道的信号用不同的长码进行数据扰码后，进入正交扩频和正交调制电路进行扩频和射频调制，然后由天线发射出去 反向业务信道中，交织后输出的码元用一个时间滤波器选通，只允许所需码元输出而删除其他重复码元 减小移动台的功耗，并减少对其他移动台的干扰,3.3CDMA系统的体系结构,反向信道结构、对信号的处理过程,3.3CDMA系统的体系结构,呼叫处理移动台的呼叫处理 四个状态的转变 MS初始化状态 先进行系统选择，扫描基本信道，不成功再扫描辅助信道 进入CDMA系统后，不断检测周围基站发来的导频信号，比较导频信号的强度，判断所处小区选择基站后，在同步信道上检出所需同步信息，把自己相应的时间参数调整，与基站同步,3.3CDMA系统的体系结构