CDMA 基本原理

1、cdma (碼分多址) code division multiple access 利用不同的編碼序列識別不同用戶，即使用不同的信號波形區(qū)分不同的用戶 cdma的基礎 擴頻通信技術 多址技術,cdma基本原理基本概念,擴頻通信技術 擴頻通信的基本概念 擴頻通信的理論基礎 數(shù)字信號擴頻原理 擴頻的實現(xiàn)方法,cdma基本原理擴頻通信,擴頻通信 ss: spread spectrum，指擴展頻譜的通信 擴頻通信定義 擴頻通信技術是一種信息傳輸方式； 發(fā)端采用擴頻碼調制,使信號所占的頻帶寬度遠大于所傳信息必須的帶寬 收端采用與發(fā)端相同的擴頻碼進行相關解調和解擴，恢復所傳信息數(shù)據,擴頻通信的基本概念,發(fā)

2、送信息的頻譜被展寬 發(fā)送的信息通過擴頻，將信號能量擴展到很寬的頻帶上，使擴頻通信的信號帶寬與信息帶寬之比則高達l001000, 屬于寬帶通信； 擴頻方法：擴頻碼序列調制 數(shù)字脈沖信號寬度越窄,其頻譜就越寬。如果很窄的脈沖序列被所傳信息調制, 則可產生很寬頻帶的信號； 該窄脈沖序列稱為擴頻信號，即擴頻碼序列； 接收端相關解調解擴 接收端則用與發(fā)送端完全相同的擴頻碼序列與收到的擴頻信號進行相關解擴,恢復所傳信息,擴頻通信定義的三個概念,問題的提出： 在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中, 我們總是想方設法使信號所占頻譜盡量窄，以充分提高十分寶貴的頻率資源的利用率。那么為什么還要用寬頻帶信號來傳輸窄帶信息呢,擴頻通信

3、理論基礎,問題的回答： 為了通信的安全可靠，提高抗干擾能力和系統(tǒng)容量。擴頻通信的理論基礎為信息論和抗干擾理論； 利用擴頻實現(xiàn)碼分多址方式。在傳統(tǒng)的tdma和fdma之外又提供了一種新的多址方式,擴頻通信是以信息論的仙農(shanon)公式理論發(fā)展起來的一種通信方式； 仙農公式： c = b log2 (1+ s/n) c為信道容量, 單位為b/s；b為傳輸?shù)男盘栴l帶寬度，單位為hz；s為信號平均功率, n為噪聲平均功率； 仙農公式反映的重要結論： 頻帶b和信噪比可以互換； 增加信號的頻帶寬度, 可在較低的信噪比的條件下以任意小的差錯概率來傳輸信息； 采用擴頻信號進行通信的優(yōu)越性在于用擴展頻譜的

4、方法可以換取信噪比上的好處,擴頻通信理論基礎,信息傳輸差錯概率的公式 pe f（e / n0） pe是信號能量e與噪聲功率譜密度n0之比的函數(shù) 信號的傳輸差錯概率是輸入信號的信噪比和信號帶寬與信息帶寬之比二者乘積的函數(shù) 再次說明看出信噪比和帶寬是可以互換的。 同樣說明了通過增加帶寬可換取信噪比的好處,擴頻通信理論基礎,數(shù)字信號的波形與頻譜 幅度為+1，持續(xù)時間為tb的數(shù)字矩形脈沖r(t) 經fourier變換后的頻譜為是sinx/x類型的函數(shù),數(shù)字信號擴頻原理,第1零點位于1/tb，表示該信號的能量集中在第1零點內。它所占的頻帶寬度與tb的大小相關，當脈沖越寬，其頻譜帶寬越窄,幅度為+1和-1

5、，持續(xù)時間為tb的周期性脈沖r(t)，其頻譜包絡的形狀與單矩形脈沖完全一樣; 第1零點處的頻率正好為該周期性脈沖的傳輸速率1/tb,數(shù)字信號擴頻原理,擴展周期性脈沖的頻譜方法 將頻譜的1/tb第1零點向無限遠推，即增大1/tb的值； 減小數(shù)字脈沖的持續(xù)時間，縮小tb的值。 減小tb值等價于提高數(shù)字信號的傳輸速率1/tb，擴展了信號的頻譜,數(shù)字信號擴頻原理,數(shù)字信號擴頻過程 高速數(shù)字碼序c（t）對用戶低速信息數(shù)據調制 低速信息數(shù)據的脈沖持續(xù)時間為tb，其時間長度是tc的n倍。 tb = n tc 高速碼序c（t）乘上信息數(shù)據d（t），最后得到的信號y（t）頻譜與高速碼序的頻譜相同，起到頻譜擴展的

6、作用。y（t）= di（t）ci（t,數(shù)字信號擴頻原理,接收的信號為： yr（t）= di（t） c i（t） 解擴輸出信號 dr（t）= yr（t） c i（t） = di（t） c i（t） c i（t） = di（t,數(shù)字信號擴頻原理,擴頻解調器利用本地地址碼的相關性作解擴處理,有用信號頻譜被恢復為窄帶譜; 窄帶干擾信號則在解擴過程中被擴展成為寬帶譜。解調后有用信號為窄帶譜,無用信號和干擾為寬帶譜,可以借助于解調后濾波器去除帶外的無用信號,帶內的信噪比就可以大大提高,起到了抑制干擾和無用信號的目的,擴頻抗干擾原理,擴頻增益 擴頻系統(tǒng)的抗干擾性能 bw / bs 定義：gp=bw / bs

7、 擴頻系統(tǒng)的處理增益，反映了擴頻系統(tǒng)信噪比的改善程度。 抗干擾容限 m = gp l + (s / n0)o 物理意義：正常通信條件下，系統(tǒng)能承受的干擾高出信號的分貝數(shù)； cdma數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)正常工作的最低信噪比要求為7 db,擴頻增益與抗干擾容限,ds-ss：直接序列擴頻 發(fā)端直接用高速碼序列去擴展輸入信息的帶寬 fh：跳頻 用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調制,使載波頻率不斷地跳變； 發(fā)端信息碼序列與擴頻碼序列組合構造的不同碼字控制頻率合成器，使其輸出頻率根據碼字的改變而改變,形成了頻率的跳變。 th：跳時 用一定碼序列進行選擇的多時片時移鍵控； 時間軸分為多個時片，哪個時片發(fā)射信號由擴

8、頻碼序列進行控制。由于發(fā)送信號采用的時片很窄，也就展寬了信號的頻譜,擴頻的實現(xiàn)方法,cdma 多址方式,fdmatdmacdma,cdma多址方式的特征 不同的高速擴頻碼作為不同用戶的地址碼序列 地址碼相互正交 cdma信號在頻率、時間和空間上重疊,具有抗干擾和抗多徑衰落的能力 系統(tǒng)容量大 不需要復雜的頻率分配和管理 軟容量和小區(qū)呼吸功能 軟切換 無需均衡器 安全、保密 設備簡單 存在多址干擾和遠近效應,碼分多址通信系統(tǒng)的特點,地址碼選擇 功率控制 軟切換 分集技術 智能天線 多用戶檢測,cdma關鍵技術,地址碼選擇 功率控制 軟切換 分集技術 智能天線 多用戶檢測,cdma關鍵技術,基本概念

9、 地址碼技術影響系統(tǒng)抗多址干擾/抗多徑衰落能力 cdma數(shù)字移動通信系統(tǒng)使用地址碼進行擴頻 地址碼要求： 擴頻后的信號具有良好的隨機特性和相關性能； 地址碼序列具有隨機信號的特性，即具有白噪聲的性能； 偽隨機序列pn（pseudo noise） 近似隨機序列或噪聲的一種周期性序列 接收端必須使用與發(fā)端相同的編碼序列作為地址碼 真正的隨機序列或噪聲是不可能重復產生的,地址碼技術,偽隨機碼的特點 尖銳的自相關特性和較好的互相關特性 同一碼組內的各碼占據的頻帶寬且相等 互相關值不是處處為零 偽隨機碼家族 m序列 golden序列 m序列 r-s碼 復合碼等,偽隨機序列 pn,m序列：最長線性反饋移位

10、寄存器序列。 m序列組成：n 級移位寄存器、適當?shù)某轭^反饋和模2加法器； n 級移位寄存器產生的最大長度的碼序列：p = 2n 1位 n級移位寄存器： 2n 1個狀態(tài)（除去全零狀態(tài)） 生成多項式 gn(x) = c0x0 + c1x1 + c2x2 + + cnxn,m 序列概念,t0 010 t1 101 t2 110 t3 111 t4 011 t5 001 t6 100 t7 010,m 序列舉例,生成多項式： g3(x) = 1 + x2 + x3,輸出序列：0 1 1 1 0 0 1 長度和重復周期：p = 23 - 1 = 7,碼的平衡性好 一個周期內“1”和“0”的個數(shù)大體相同（

11、1比0多1個） m序列與其移位后的序列模2加所得的序列仍為m序列，但相位不同 舉例：0111001向左移兩位再模2加所得序列仍為m序列，相位移了一位,m 序列特性,長度為k的游程占總游程的1/2k（1 k n-2） 一個m序列的周期為：p = 2n 1，在該周期內共有2n 1個游程 長度為1的（單個“0”或單個“1”）游程占總游程的1/2 長度為2（00或11）的游程占總游程的1/2 長度為3（000或111）的游程占總游程的1/8 兩個游程例外： （n 1）個連“0”的游程 n 個連“1”的游程,m 序列特性,自相關性 表征信號與其自身延遲 后二者的相似性 二者在時間上不完全重疊 0，乘積的

12、積分為0； 二者在時間上完全重疊 = 0，自相關函數(shù)值為一常數(shù)。 m序列具有近似理想的自相關性,m 序列特性,m序列的自相關性 考察某個m序列與其后移位的序列的相似性 a：0的個數(shù)（相對應碼元相同的數(shù)目）； d：1的個數(shù)（相對應碼元不同的數(shù)目）； p = a + d（序列周期長度,m 序列特性,互相關性 表征兩個不同信號的相似性 兩個不同的信號序列的互相關值越接近0，兩個序列的差別越大，即相關性越弱。 兩個信號的互相關值等于0時，兩個信號完全正交 不同m序列的互相關值不等于0，且呈現(xiàn)多值性,m 序列特性,不同相位的m序列產生,不同相位的 m 序列產生,一種m序列的復合碼 將周期相等，并經過優(yōu)選

13、的兩個m序列進行模2加組合形成新的序列； 2n + 1個gold序列 兩個m序列共有2n 1不同的相對位移 兩個產生gold序列的m序列優(yōu)選對 wcdma使用gold序列作為擾碼（上行25階，下行18階,gold 序列,一種非正弦的完備正交函數(shù)系 兩種取值（-1、+1或0、1） 沃爾什函數(shù)族中,兩兩之間的互相關函數(shù)為“0”，它們之間是完全正交的。 沃爾什函數(shù)的產生 哈達碼矩陣h +l和 -l元素構成的正交方陣 h中任意兩行或兩列這些函數(shù)互相正交 一般關系式,walsh（沃爾什）函數(shù),8階沃爾什函數(shù)波形,地址碼選擇 功率控制 軟切換 分集技術 智能天線 多用戶檢測,cdma關鍵技術,wcdma功

14、率控制,功率控制原因： 碼分多址干擾 cdma系統(tǒng)是一個自干擾系統(tǒng)。wcdma采用寬帶擴頻技術，所有信號共享相同頻譜；每個移動臺的信號能量被分配在整個頻帶范圍內，這樣對其它移動臺來說就成為寬帶噪聲。如為了提高某個用戶的信號質量而提高發(fā)射功率，則可能帶來其他用戶的質量的降低。 遠近干擾 無線環(huán)境的陰影、多徑衰落和遠距離損耗影響，移動臺在小區(qū)內的位置隨機性，導致路徑損耗大幅度變化； 使用cdma技術的各小區(qū)采用相同頻率，理論上各用戶分配的地址碼是正交的，實際很難做到，造成各信道間的干擾。從而不可避免地引起嚴重的“遠近干擾,wcdma功率控制,功率控制目的： 在保證用戶要求的qos的前提下，最大程度

15、地降低發(fā)射功率，減少系統(tǒng)干擾，增加系統(tǒng)容量,wcdma功率控制,功率控制的分類 開環(huán)功率控制 閉環(huán)功率控制 內環(huán)功率控制 外環(huán)功率控制 前向功率控制 反向功率控制,wcdma功率控制,開環(huán)功率控制 wcdma隨機接入信道prach 是唯一只采用開環(huán)功率控制的； ue的發(fā)射功率估算： prach = l perch + i bts + 常數(shù) prach：移動臺初始發(fā)射功率（ dbm ） l perch ：路徑損耗（db），ue從廣播信道上獲知基站公共導頻信道 的發(fā)射功率，然后測量接收該導頻信號強度，估計路徑損耗； i bts ：bts處的上行鏈路干擾信號功率（ dbm ），由廣播信道獲得； 常數(shù)

16、：接收所需的sir和調整值，調整上下行的不平衡，由運營者決定,wcdma功率控制,閉環(huán)功率控制與快速功率控制 對于wcdma-fdd系統(tǒng)，上下行頻段間隔較大，上下行的快衰落情況完全不相關； 開環(huán)功率控制根據下行信號所得的路徑損耗的估計對于上行情況來說是很不準確的； 解決上下行鏈路估計差錯問題的方法就是引入快速閉環(huán)功率控制。 閉環(huán)功率控制就是對通信期間的上下行鏈路進行快速功率調整，以便鏈路質量收斂于目標sir； 在gsm系統(tǒng)，手機每480ms上報一次測量報告，功控的最快頻度不超過每秒2次。gsm只能通過系統(tǒng)跳頻對抗快衰落； wcdma采用快速功控，功控速度為1.5khz，高于快衰落，從而保證了

17、慢速運動時的移動臺接收質量,wcdma功率控制,內環(huán)功率控制 上行內環(huán)功率控制調整ue的發(fā)射功率，使基站接收到的上行鏈路的sir保持在一個給定的目標值sir附近，而sir則是由外環(huán)功率控制分別調整 ； 基站對上行鏈路進行測量得到信噪比估計值sirest ，然后根據以下規(guī)則產生tpc命令 ： sirest sirtarget ：tpc命令為“0” 要求降低發(fā)射功率 sirest sirtarget ：tpc命令為“1” 要求增加發(fā)射功率,wcdma功率控制,外環(huán)功率控制 外環(huán)功率控制是通過動態(tài)調整內環(huán)功率控制的sirtarget值 ，使通信質量始終滿足ber或fer值要求； 無線信道的復雜性，僅

18、根據sir值進行功控并不能真正反映鏈路質量； 不同性質的用戶所需的sir也不同，如靜止用戶、低速用戶（移動速率3km/h）和高速用戶（移動速率50km/h）在保證相同的fer的基礎上，對sir的要求也不同； fer/bler/ber決定了最終的通信質量，因此有必要根據實際的fer/bler值動態(tài)調整sir目標值。 外環(huán)功率控制算法： fer測量fer目標值：提高sirtarge一個規(guī)定的步長 fer測量 fer目標值：降低sirtarge一個規(guī)定的步長,wcdma功率控制,地址碼選擇 功率控制 軟切換 分集技術 智能天線 多用戶檢測,cdma關鍵技術,切換概念 定義：指將一個正在進行的呼叫從一

19、個小區(qū)轉移到另一個小區(qū)的過程，即呼叫通信時的服務小區(qū)改變過程。 切換分類 按ms與網絡之間連接建立釋放的情況，劃分切換類型； 硬切換：硬切換過程中業(yè)務信道有瞬時中斷的現(xiàn)象 軟切換： 軟切換過程中當移動基站開始與一個新基站聯(lián)系時，并不立即中斷與原基站之間的通信。 更軟切換：一個基站內小區(qū)間的軟切換,wcdma軟切換,軟切換概念 相同頻率的cdma信道間的切換； 軟切換時，移動臺在中斷與舊小區(qū)的聯(lián)系前，先用相同頻率建立與新小區(qū)的聯(lián)系； 移動臺可以同時與幾個小區(qū)的基站進行通信，然后系統(tǒng)根據與各個基站通話的質量，選擇誤幀率低，信號質量好的信號傳送給cn。 軟切換在兩個基站覆蓋區(qū)的交界處起到了業(yè)務信道的

20、分集作用,軟切換,軟切換與硬切換的區(qū)別,wcdma軟切換,wcdma 軟切換處理方式,上下行采用不同的處理方式 ms：最大比合成（mrc） rnc：幀選擇,軟切換與更軟切換的區(qū)別 更軟切換發(fā)生在同一個node b里，分集信號在node b做最大增益比合成； 軟切換發(fā)生在兩個node b之間，分集信號由rnc做選擇合并。 硬切換類型 包括同頻、異頻和異系統(tǒng)三種情況； fdd頻間切換 fdd/tdd切換 3g到2g的切換（wcdma與gsm的切換） 注意：同頻之間不一定是軟切換。不存在iur接口的不同rnc之間小區(qū)的同頻間切換也為硬切換,wcdma軟切換,intra node b intra no

21、de b (intra cell) intra node b (inter cell) inter node b inter node b (intra rns) inter node b (inter rns with iur) inter node b (inter rns without iur) inter uran (different uran types) inter cn (same uran types) inter cn (different uran types) inter cn (different cn/uran types) intra cn (utran-gsm

22、/gprs,wcdma軟切換,切換典型過程 測量控制 測量報告 切換判決 切換執(zhí)行 新的測量控制； 測量控制階段：網絡通過發(fā)送測量控制消息告訴ue進行測量的參數(shù)； 測量報告階段：ue給網絡發(fā)送測量報告消息； 切換判斷階段：網絡根據測量報告作出切換判斷； 切換執(zhí)行階段：ue和網絡走信令流程，并根據信令消息作出響應動作,wcdma 越區(qū)切換過程,測量類型：六類內容； 測量識別號：utran修改或釋放測量時以及在ue的測量報告中將要使用的參考號； 測量命令 建立：建立一個新的測量； 修改：修改以前定義的測量，例如改變報告的準則； 釋放：停止測量，清除在ue中與該測量有關的所有信息。 測量目標：ue的

23、測量目標和對應的目標信息,wcdma 越區(qū)切換測量控制,測量數(shù)量：ue應測的數(shù)量，同時包括測量的過濾； 報告量：ue應包括在報告中的數(shù)量； 測量報告準則：測量報告的觸發(fā)準則，如周期性的或時間觸發(fā)； 報告模式：指定ue是使用rlc的應答還是非應答數(shù)據傳輸模式發(fā)射測量報告,utran發(fā)送的測量控制消息內容,ue 測量類型 頻內測量：在與激活集頻率相同的下行物理信道上進行測量； 頻間測量：在與激活集頻率不同的下行物理信道上進行測量； 系統(tǒng)間測量：在非utran的另一個無線接入系統(tǒng)，如gsm的下行物理信道上進行的測量； 業(yè)務量測量：上行鏈路業(yè)務量的測量； 質量測量：質量參數(shù)（如下行鏈路傳輸分組差錯率）

24、測量； 內部測量：ue發(fā)射功率和ue接收信號電平的測量,wcdma軟切換,軟切換采用移動臺輔助切換 軟切換是無縫切換 軟切換減小掉話或呼叫中斷概率 軟切換移動臺通過分集接收提高傳輸質量,減少發(fā)送功率 軟切換需要占用更多的信道資源 軟切換增加了設備的復雜性,軟切換特點,導頻（pilot_pn） 基站發(fā)射用作為移動臺起導引作用的信號,is-95的導頻集的概念,有效導頻集,候選導頻集,相鄰導頻集,剩余導頻集,導頻集,is-95 軟切換實現(xiàn),概念 ue中將測量小區(qū)導頻分成三類； active set （激活集） 該導頻集對應的小區(qū)正與ue進行通信，在ue處被同時解調和相關合并。在fdd模式，就是軟切換和更軟切換中與ue進行通信的小區(qū)。 monitored set （監(jiān)視集） 除了active set 外，ue需要監(jiān)測的鄰區(qū)。 detected set （檢測到集） ue監(jiān)測到的所有小區(qū),wcdma導頻集,wcdma軟切換實現(xiàn),小區(qū) 2 的導頻信號強度逐漸增強到 ( 最好導頻 ec/i。 ( 報告門限 增加滯后門限 ) ) 并維持 t 時間，如此時有效集沒有滿，小區(qū) 2 被加入到有效集。該項動作也被稱為無線鏈路的增加。 小區(qū) 3 的信號強度逐漸增強并超過最早的小區(qū)1的信號強度,在小區(qū)3的導頻（最好候選導頻）強度ec/i