CDMA蜂窩移動(dòng)通信.ppt

1、CDMA蜂窩移動(dòng)通信,袁超偉 陳德榮 馮志勇 編著,第章 概述 第章 CDMA技術(shù)基礎(chǔ) 第章 CDMA碼序列 第章 CDMA通信原理 第章 窄帶CDMA通信系統(tǒng) 第章 IS-95 CDMA呼叫處理 第章 IS-95 CDMA中信令的應(yīng)用 第章 IS-95 CDMA 系統(tǒng)中的軟切換和功率控制 第章 寬帶CDMA蜂窩移動(dòng)通信簡(jiǎn)介,目錄,1.1 蜂窩網(wǎng)通信概論 1.1.1 移動(dòng)通信的發(fā)展歷史 1.1.2 我國(guó)移動(dòng)通信的發(fā)展?fàn)顩r 1.1.3 蜂窩技術(shù) 1.1.4 蜂窩網(wǎng)移動(dòng)通信概論 1.2 多址接入技術(shù) 1.3 CDMA的過去、現(xiàn)在和將來,第一章 概述,1.1蜂窩網(wǎng)通信概論,1.1.1移動(dòng)通信的發(fā)展歷

2、史,移動(dòng)通信的發(fā)展，大致經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段: 第一階段是從世紀(jì)20年代至40年代，為早期發(fā)展階段; 第二階段是從世紀(jì)40年代中期到60年代中期; 第三階段是從世紀(jì)60年代中期至70年代中期，這時(shí)出現(xiàn) 并推廣自動(dòng)交換式的三級(jí)結(jié)構(gòu); 第四階段是從世紀(jì)70年代中期到80年代末，主要是解決 用戶增加而頻道有限的問題; 第五階段是從世紀(jì)80年代中期開始至今。這是數(shù)字移動(dòng) 通信系統(tǒng)的發(fā)展和成熟時(shí)期。,以AMPS和TACS為代表的第一代蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)是模擬系統(tǒng)。模擬蜂窩網(wǎng) 雖然取得了很大成功，但也暴露了一些問題，主要表現(xiàn)如下：,1 現(xiàn)有的模擬式蜂窩系統(tǒng)體制混雜，不能實(shí)現(xiàn)國(guó)際漫游。 2 模擬蜂窩網(wǎng)不能提供數(shù)據(jù)

3、業(yè)務(wù)。 3 模擬系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格高、手機(jī)體積大、電池充電后有效工作時(shí)間短， 給用戶帶來不便。 4 模擬系統(tǒng)網(wǎng)用戶容量受到限制，在人口密度很大的城市，系統(tǒng)擴(kuò)容 困難。,為了克服第一代蜂窩系統(tǒng)的局限性，以滿足移動(dòng)通信網(wǎng)發(fā)展的需要，北美、歐洲 和日本自世紀(jì)80年代中期起相繼為第二蜂窩系統(tǒng)制定了三種不同的標(biāo)準(zhǔn)，即 北美的IS、歐洲的GSM和日本的JDC。,表1-2 幾種典型的模擬蜂窩狀移動(dòng)電話系統(tǒng),1.1.2 我國(guó)移動(dòng)通信的發(fā)展?fàn)顩r,1987年我國(guó)第一個(gè)模擬網(wǎng)在廣東珠江三角洲開通，采用的體制 為TACS。隨后北京、秦皇島、上海相繼組建模擬移動(dòng)電話系統(tǒng)， 年增長(zhǎng)率一直超過100%；1994年11月開始組建G

4、SM數(shù)字網(wǎng)；1998 年模擬用戶開始下降；2001年7月關(guān)閉模擬網(wǎng)；到2001年11月底， 移動(dòng)用戶約達(dá)到1.4億戶，其中中國(guó)聯(lián)通用戶約達(dá)4000萬。,表1-5 中國(guó)蜂窩移動(dòng)用戶發(fā)展情況。（單位：萬）,表1.6中國(guó)蜂窩移動(dòng)電話用戶預(yù)測(cè)結(jié)果（單位：萬）,圖1.1 數(shù)字移動(dòng)通信的演進(jìn)過程,1.1.3 蜂窩技術(shù),蜂窩的概念在處理覆蓋區(qū)問題上與大區(qū)制是不同的。它放棄了中心廣播的方法，而將整個(gè)服務(wù)區(qū)劃分為許多較小的區(qū)域，用許多小功率的發(fā)射機(jī)來覆蓋每個(gè)小的區(qū)域，這樣的區(qū)域稱為蜂窩小區(qū)（cell），許多小區(qū)就可以覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)了。從理論上講，我們可以給每個(gè)小區(qū)分配不同的頻率，但這樣需要大量的頻率資源，并且頻

5、譜利用率很低，為了減小對(duì)頻率資源的需求和提高頻譜利用率，我們需將相同的頻率在相隔一定距離的小區(qū)中重復(fù)使用，只要使用相同頻率的小區(qū)之間干擾足夠小即可。, 鏈狀網(wǎng),鏈狀網(wǎng)主要用于覆蓋公路、鐵路、海岸等，如圖1-2所示。,圖1-2 鏈狀網(wǎng),基站天線若用全向輻射，覆蓋區(qū)形狀是圓形的。鏈狀網(wǎng)宜采用有向天線，使每個(gè)小區(qū)是扁圓形。鏈狀網(wǎng)可進(jìn)行頻率再用。若以采用不同信道的兩個(gè)小區(qū)組成一個(gè)區(qū)群，如圖-（）所示，稱為二頻組。若以采用不同信道的三個(gè)小區(qū)組成一個(gè)區(qū)群，如圖-（）所示，稱為三頻組。若以采用不同信道的四個(gè)小區(qū)組成一個(gè)區(qū)群，如圖-（）所示，稱為四頻組。從造價(jià)和頻率資源的利用而言，當(dāng)然二頻組最好；但從抗同頻道

6、干擾方面而言，二頻組最差，還應(yīng)考慮多頻組。設(shè)n頻組的鏈狀網(wǎng)如圖1-3所示,圖1-3 鏈狀網(wǎng)的同頻道干擾,每個(gè)小區(qū)的半徑為r，相鄰小區(qū)的交疊寬度為a，第n+1區(qū)與第1區(qū)為同頻道小區(qū)。據(jù)此，可以算出信號(hào)傳輸距離 和同頻道干擾傳輸距離 之比。,表1-7 同頻道干擾,蜂窩網(wǎng),a. 無線小區(qū)的形成,全向小區(qū)輻射的覆蓋區(qū)是個(gè)圓形。為了不留空隙地覆蓋整個(gè)平面的服務(wù)區(qū)，一個(gè)個(gè)圓形輻射區(qū)之間一定含有很多的交疊。在考慮了交疊之后，實(shí)際上每個(gè)輻射區(qū)的有效覆蓋區(qū)是一個(gè)多邊形。小區(qū)形狀如圖1-4所示。,圖1-4 小區(qū)的形狀,可以證明，要用正多邊形無空隙、無重疊地覆蓋一個(gè)平面區(qū)域，可取的形狀只有這三種。那么這三種形狀小區(qū)

7、的鄰區(qū)距離、小區(qū)面積、交疊區(qū)寬度和交疊區(qū)面積如表1-8所示。,表1-8 三種形狀小區(qū)的比較,b. 區(qū)群的組成,單位無線區(qū)群的構(gòu)成應(yīng)滿足以下兩個(gè)條件：一是單位無線區(qū)群之間彼此鄰接；二是相鄰單位無線區(qū)群的同頻小區(qū)中心間隔距離是一樣的。滿足以上兩個(gè)條件的關(guān)系式如下：,中N為構(gòu)成單位無線區(qū)群的正六邊形的數(shù)目，簡(jiǎn)稱區(qū)群數(shù)。及b均為非負(fù)整數(shù)，但、b不能同時(shí)為零。,c. 同頻（信道）小區(qū)的距離,設(shè)小區(qū)的輻射半徑（即六邊形外接圓的半徑）為R,則從圖1-5可以算出同信道小區(qū)中心之間的距離為：,圖1-5 面狀覆蓋,d. 中心激勵(lì)與頂點(diǎn)激勵(lì),在每個(gè)小區(qū)中，基站可放在小區(qū)的中央，用全向天線形成圓形覆蓋區(qū)，這就是所謂的

8、“中心激勵(lì)”方式，如圖1-6（a）所示。也可以將基站設(shè)計(jì)在每個(gè)小區(qū)六邊形的三個(gè)頂點(diǎn)上，每個(gè)基站采用三副120扇形天線共同覆蓋，這就是所謂的“頂點(diǎn)激勵(lì)”，如圖1-6（b）所示。,圖1-6 激勵(lì)與頻率復(fù)用,采用定向天線后，所接收的同頻干擾功率下降，因而可以減少系統(tǒng)的同道干擾。另外，在不同地點(diǎn)采用多副定向天線可以消除小區(qū)內(nèi)障礙物的陰影區(qū)。若要用定向天線，建議采用43復(fù)用方式，即N=4，每個(gè)基站3個(gè)120扇區(qū)或60三葉草形小區(qū)。見圖1-6 （c）、（d）、（e）、（f）。,e. 小區(qū)的分裂,在整個(gè)服務(wù)區(qū)中每個(gè)區(qū)的大小可以是相同的，但這只能適應(yīng)用戶密度均勻的情況。在用戶密度高的市中心區(qū)可使小區(qū)的面積小一

9、些，在用戶密度低的市郊區(qū)可使小區(qū)的面積大一些。小區(qū)一般分為巨區(qū)、宏區(qū)、微區(qū)、微微區(qū)幾類。具體指標(biāo)及大體關(guān)系分別見表1-9和圖1-7所示。,表1-9 小區(qū)分類,圖1-7 小區(qū)分類圖示,當(dāng)一個(gè)特定小區(qū)的話務(wù)量增加時(shí)，小區(qū)可以被分裂為更小的小區(qū)。通過小區(qū)數(shù)的增加來增加信道的再用數(shù)，這樣來增加用戶容量，如圖1-8所示。,圖1-8 小區(qū)分裂,f. 切換,切換是使移動(dòng)臺(tái)的一個(gè)呼叫進(jìn)程在小區(qū)之間移動(dòng)時(shí)能夠繼續(xù)的過程。切換可以基于接收的信號(hào)強(qiáng)度或信干比（SIR），或基于網(wǎng)絡(luò)資源管理的需要。切換過程可能涉及終端的注冊(cè)和鑒權(quán)。切換可以分為硬切換和軟切換。 軟切換是當(dāng)移動(dòng)終端的通信被連到另一個(gè)目標(biāo)的無線端口時(shí)，不需

10、要中斷與當(dāng)前服務(wù)的無線端口的通信。在軟切換中，移動(dòng)終端可以同時(shí)與兩個(gè)無線端口通信。 硬切換是移動(dòng)終端被連到相鄰的無線系統(tǒng)、不同的頻率分配或不同的空中接口特性和技術(shù)。硬切換在空中接口是先斷后通的過程。,1.1.4 蜂窩網(wǎng)移動(dòng)通信概論,系統(tǒng)結(jié)構(gòu),蜂窩系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1-9所示。,圖1-9 蜂窩系統(tǒng)形狀,由圖可見，蜂窩網(wǎng)移動(dòng)通信系統(tǒng)本身由三大部分組成，即移動(dòng)交換中（MSC）或移動(dòng)電話交換局（MTSO）、基站（BS）和移動(dòng)（MS）。,蜂窩網(wǎng)的功能與特征,蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)的主要功能： （）移動(dòng)功能 蜂窩網(wǎng)移動(dòng)通信系統(tǒng)的服務(wù)由基本服務(wù)及操作、維護(hù)和管理服務(wù)成。（）服務(wù)資源功能 傳輸和同步 功率控制 采用小

11、區(qū)制信道再用技術(shù)，提高頻率使用效率。 設(shè)備通用性較強(qiáng)，接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范統(tǒng)一。 （）業(yè)務(wù)功能 業(yè)務(wù)分為基本業(yè)務(wù)和補(bǔ)充業(yè)務(wù)。,蜂窩網(wǎng)通信的主要特征,頻率再用是蜂窩系統(tǒng)的重要概念，也是蜂窩系統(tǒng)的顯著特征。為了實(shí)現(xiàn)頻率再用，除了正確的頻率配置外，在小區(qū)內(nèi)應(yīng)限制基站的發(fā)射功率。 蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)的另一重要特征是過境切換（或越區(qū)切換）。將服務(wù)區(qū)域劃分成小區(qū)所帶來的一個(gè)很自然的問題是并非所有的移動(dòng)中通話都能在單個(gè)小區(qū)內(nèi)完成。 蜂窩系統(tǒng)的第三個(gè)特征是小區(qū)分裂。用小區(qū)分裂的方式可增加系統(tǒng)的容量。一般來說，小區(qū)半徑越小，基站數(shù)量越多，系統(tǒng)的容量也就越大。,從模擬蜂窩網(wǎng)到數(shù)字蜂窩網(wǎng),模擬蜂窩網(wǎng)存在的主要缺陷為頻譜利用率低；

12、體制過多，不易于國(guó)際漫游；保密性差，易被竊聽；移動(dòng)設(shè)備成本高，體積大；不安全，容易被盜號(hào)碼；所能提供的業(yè)務(wù)種類受限；網(wǎng)絡(luò)管理存在問題等。數(shù)字蜂窩系統(tǒng)能夠解決這些問題，數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)可以歸納如下：（1） 頻譜利用率較高，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量。 （2） 能提供多種業(yè)務(wù)服務(wù)。 （3） 保密性好。 （4） 抗衰落能力強(qiáng)。 （5） 網(wǎng)絡(luò)管理與控制更有效。 今后十多年將是數(shù)字網(wǎng)（尤其是CDMA數(shù)字網(wǎng)）大發(fā)展的時(shí)期，其體制與技術(shù)對(duì)未來移動(dòng)通信系統(tǒng)將產(chǎn)生重大影響。,1.2 多址接入技術(shù),任何空中接口設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)都是如何選擇在用戶之間分享公共傳輸媒體，即多址接入方案。第一代蜂窩系統(tǒng)AMPS以及第二代

13、IS-54和IS-95標(biāo)準(zhǔn)代表了三類典型的多址（MA）技術(shù)方式，即 FDMA、TDMA、CDMA。基本的多址接入方案如圖1-10所示。,圖1-10 多址接入方案,1.3 CDMA的過去、現(xiàn)在和將來,擴(kuò)頻技術(shù)起源于軍用和航空系統(tǒng)。抵消人為干擾技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)證明擴(kuò)頻技術(shù)適用于蜂窩應(yīng)用中色散信道的通信。,CDMA時(shí)代可以劃分為三個(gè)階段： （1）先鋒CDMA時(shí)代； （2）窄帶CDMA時(shí)代； （3）寬帶CDMA時(shí)代。,2.1CDMA技術(shù)基本原理 2.1.1引言 2.1.2碼分多址技術(shù)基本原理 2.2 擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 2.2.1 概述 2.2.2 擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 2.3 卷積編碼 2.4 塊交織 2.5 數(shù)字

14、信號(hào)調(diào)制 2.5.1 數(shù)字信號(hào)的表示 2.5.2 數(shù)字信號(hào)傳輸質(zhì)量指標(biāo) 2.5.3 調(diào)制技術(shù),第章CDMA技術(shù)基礎(chǔ),2.6 數(shù)據(jù)擾碼 2.7 鑒權(quán)和加密 2.7.1 鑒權(quán)過程 2.7.2 共用保密數(shù)據(jù) 2.7.3 參數(shù)更新 2.7.4 話音保密,第章CDMA技術(shù)基礎(chǔ),2.1CDMA技術(shù)基本原理,2.1.1引言,所謂無線多址通信是指在一個(gè)通信網(wǎng)內(nèi)各個(gè)通信臺(tái)、站共用一個(gè)指定的射頻頻道，進(jìn)行相互間的多邊通信，也稱該通信網(wǎng)為各用戶間的多元連接。 實(shí)現(xiàn)多址連接的理論基礎(chǔ)是信號(hào)分割技術(shù)。 在發(fā)送端，信號(hào)設(shè)計(jì)的任務(wù)是使信號(hào)按某種參量相互正交或準(zhǔn)正交。一個(gè)無線電信號(hào)可以用若干參數(shù)來表征，其中最基本的是信號(hào)的射

15、頻頻率、信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間、信號(hào)出現(xiàn)的空間、信號(hào)的碼型、信號(hào)的波形等。按照這些參量的分割，可以實(shí)現(xiàn)的多址連接有頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）、碼分多址（CDMA）等。由這些基本的多址方式還可以派生出多種組合多址方式。 目前，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中所采用的多址方式主要有三種：頻分多址、時(shí)分多址和碼分多址。,1頻分多址,頻分多址是發(fā)送端對(duì)所發(fā)信號(hào)的頻率參量進(jìn)行正交分割，形成許多互不重疊的頻帶。在接收端利用頻率的正交性，通過頻率選擇（濾波），從混合信號(hào)中選出相應(yīng)的信號(hào)。 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，頻分多址是把通信系統(tǒng)的總頻段劃分成若干個(gè)等間隔的互不重疊的頻道分配給不同的用戶使用。為了

16、實(shí)現(xiàn)雙工通信，收發(fā)使用不同的頻率（稱之為頻分雙工）。收發(fā)頻率之間要有一定的頻率間隔，以防同一部電臺(tái)的發(fā)射機(jī)對(duì)接收機(jī)的干擾。這樣，在頻分多址中，每個(gè)用戶在通信時(shí)要用一對(duì)頻率（稱之為一個(gè)信道）。圖2-1是信道劃分示意圖。,圖2-1 FDMA信道劃分示意圖,圖2-2為頻分多址系統(tǒng)的工作示意圖。由圖可見，系統(tǒng)的基站必須同時(shí)發(fā)射和接收多個(gè)不同頻率的信號(hào)。任意兩個(gè)移動(dòng)用戶之間進(jìn)行通信時(shí)都必須經(jīng)過基站中轉(zhuǎn)，因而要占用兩個(gè)信道（4個(gè)頻道）才能實(shí)現(xiàn)雙工通信。不過，移動(dòng)臺(tái)在通信時(shí)所占用的信道并不是固定指配的，通常是在通信建立階段由系統(tǒng)控制中心臨時(shí)分配的，通信結(jié)束的移動(dòng)臺(tái)將退出占用的信道，這些信道又可以重新分配給其

17、他移動(dòng)用戶使用。,圖2-2 FDMA系統(tǒng)工作示意圖,2時(shí)分多址,時(shí)分多址是發(fā)送端對(duì)所發(fā)送信號(hào)的時(shí)間參量進(jìn)行正交分割，形成許多互不重疊的時(shí)隙。在接收端利用時(shí)間的正交性，通過時(shí)間選擇（選通門）從混合信號(hào)中選出相應(yīng)的信號(hào)。,時(shí)分多址是把時(shí)間分割成周期性幀，每一幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙，然后根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使移動(dòng)臺(tái)在每幀中按指定的時(shí)隙向基站發(fā)送信號(hào)，基站可以分別在各個(gè)時(shí)隙中接收到移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)而不混淆。同時(shí)，基站發(fā)向多個(gè)移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)都按規(guī)定在預(yù)定的時(shí)隙中發(fā)射，各移動(dòng)臺(tái)在指定的時(shí)隙中接收，從合路的信號(hào)中提取發(fā)給它的信號(hào)。圖2-3是時(shí)分多址移動(dòng)通信系統(tǒng)工作示意圖，其中（a）是由基站向移動(dòng)臺(tái)傳輸；（b）是

18、由移動(dòng)臺(tái)向基站傳輸。,圖2-3 TDMA系統(tǒng)工作示意圖,FDMA與TDMA都是區(qū)分與識(shí)別動(dòng)態(tài)用戶地址的多址技術(shù)。,與固定式通信中的信號(hào)復(fù)用技術(shù)相同，實(shí)質(zhì)上都是屬于信號(hào)正交劃分與設(shè)計(jì)技術(shù)。不同點(diǎn)是信號(hào)復(fù)用目的在于區(qū)分多路，而多址技術(shù)目的是區(qū)分多個(gè)動(dòng)態(tài)地址。,正交信號(hào)的正交劃分與設(shè)計(jì)，具體是通過信號(hào)的正交參量（i=12，n）的劃分來實(shí)現(xiàn)的。,（1）在發(fā)送端：設(shè)計(jì)一組相互正交的信號(hào)參量,或,其中： 為第i個(gè)用戶地址的信號(hào)； 為第i個(gè)用戶信號(hào) 的正交參量； 為第i個(gè)用戶地址的保護(hù)區(qū)。,（2） 在接收端：設(shè)計(jì)一個(gè)正交信號(hào)識(shí)別器，如圖2-4所示。,圖2-4 正交信號(hào)識(shí)別器原理,典型范例：,（1） 當(dāng)時(shí)，

19、稱為頻分多址，如圖2-5所示。,（2）當(dāng)時(shí)， 稱為時(shí)分多址TDMA，如圖2-6所示。,圖2-5 頻分多址原理圖,圖2-6 時(shí)分多址原理圖,3碼分多址,碼分多址（CDMA）有兩種主要形式：直擴(kuò)碼分（DSCDMA）與時(shí)頻編碼或跳頻，前者多用于民用，后者多用于軍事。 對(duì)于直擴(kuò)碼分多址DSCDMA形成如圖2-8所示。,圖2-8 直擴(kuò)碼分多址原理圖,關(guān)于時(shí)頻編碼或稱跳頻如圖2-9所示。,圖2-9 時(shí)頻編碼擴(kuò)頻多址原理圖,本書僅介紹直擴(kuò)碼分多址（DSCDMA），簡(jiǎn)稱碼分多址（CDMA）。 碼分多址是各發(fā)送端用各不相同的、相互（準(zhǔn)）正交的地址碼調(diào)制其所發(fā)送的信號(hào)。在接收端利用碼型的（準(zhǔn)）正交性，通過地址識(shí)別

20、（相關(guān)檢測(cè)）從混合信號(hào)中選出相應(yīng)的信號(hào)。 碼分多址的特點(diǎn)是： （1）網(wǎng)內(nèi)所有用戶使用同一載波，占用相同的帶寬； （2）各個(gè)用戶可以同時(shí)發(fā)送或接收信號(hào)。,2.1.2碼分多址技術(shù)基本原理,在碼分多址通信系統(tǒng)中，利用自相關(guān)性很強(qiáng)而互相關(guān)值為0或很小的周期性碼序列作為地址碼，與用戶信息數(shù)據(jù)相乘（或模2加），經(jīng)過相應(yīng)的信道傳輸后，在接收端以本地產(chǎn)生的已知地址碼為參考，根據(jù)相關(guān)性的差異對(duì)收到的所有信號(hào)進(jìn)行鑒別，從中將地址碼與本地地址碼一致的信號(hào)選出，把不一致的信號(hào)除掉（稱之為相關(guān)檢測(cè)）。其基本工作原理簡(jiǎn)要敘述如下。 圖2-10是碼分多址收發(fā)系統(tǒng)示意圖。,圖2-10 碼分多址收發(fā)系統(tǒng)原理圖,實(shí)際上，碼分多址

21、移動(dòng)通信系統(tǒng)并不是這樣簡(jiǎn)單，而是要復(fù)雜得多。 第一，要達(dá)到多路多用戶的目的就要有足夠多的地址碼，而這些地址碼又要有良好的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性。這是“碼分”的基礎(chǔ)。 第二，在碼分多址通信系統(tǒng)中的各接收端，必須產(chǎn)生本地地址碼（簡(jiǎn)稱本地碼），該本地碼不但在碼型結(jié)構(gòu)與對(duì)端發(fā)來的地址碼一致，而且在相位上也要完全同步。用本地碼對(duì)收到的全部信號(hào)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，從中選出所需要的信號(hào)。這是碼分多址最主要的環(huán)節(jié)。 第三，由碼分多址通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，即網(wǎng)內(nèi)所有用戶使用同一載波，各個(gè)用戶可以同時(shí)發(fā)送或接收信號(hào)。這樣，在接收機(jī)的輸入信號(hào)干擾比將遠(yuǎn)小于1（負(fù)若干dB），這是傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)方式無能為力的。為了把各用戶之間的相

22、互干擾降到最低限度，并且使各個(gè)用戶的信號(hào)占用相同的帶寬，碼分系統(tǒng)必須與擴(kuò)展頻譜（簡(jiǎn)稱擴(kuò)頻）技術(shù)相結(jié)合，使在信道傳輸?shù)男盘?hào)所占頻帶極大地展寬（一般達(dá)百倍以上），為接收端分離信號(hào)完成實(shí)際性的準(zhǔn)備。,2.2 擴(kuò)頻通信系統(tǒng),2.2.1 概述,基本概念,擴(kuò)展頻譜（簡(jiǎn)稱擴(kuò)頻）通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，是碼分多址的基礎(chǔ)，是數(shù)字移動(dòng)通信中的一種多址接入方式。特別是在第三代移動(dòng)通信中，它已成為最主要的多址接入方式。,擴(kuò)展頻譜（SS：Spread Spectrum）通信簡(jiǎn)稱擴(kuò)頻通信。在發(fā)端，采用擴(kuò)頻碼調(diào)制，使信號(hào)所占的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的帶寬；在收端，采用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)來解擴(kuò)以恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)

23、,擴(kuò)頻通信系統(tǒng)用100倍以上的信號(hào)帶寬來傳輸信息，最主要的目的是為了提高通信的抗干擾能力，即在強(qiáng)干擾條件下保證安全可靠地通信。我們將在下面用信息論和抗干擾理論來加以說明，并且在后面分析CDMA蜂窩系統(tǒng)通信容量時(shí)將證明，CDMA蜂窩系統(tǒng)的容量將是GSM系統(tǒng)的4倍，是模擬蜂窩系統(tǒng)的20倍。 圖2-12所示為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本組成框圖。,圖2-12 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)基本組成框圖,擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ),擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)來源于信息論和抗干擾理論。仙（Shannon）在其信息論中得出帶寬與信噪比互換的關(guān)系式，即仙農(nóng)公式：,式中，C為信道容量，單位為bit/s；W為信號(hào)頻帶寬度，單位為Hz；S為信號(hào)平均功率，單

24、位為W；N為噪聲平均功率，單位為W。,采用擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行通信的優(yōu)越性在于用擴(kuò)展頻譜的方法可以降低接收機(jī)接收的信噪比門限值。 柯捷爾尼可夫在其潛在抗干擾性理論中得到如下關(guān)于信息傳輸差錯(cuò)概率的公式： ,式中，Pe為差錯(cuò)概率，E為信號(hào)能量，n0為噪聲功率譜密度，f為某一函數(shù)。設(shè)信息持續(xù)時(shí)間為T，或數(shù)字信息的碼元寬度為T，則信息帶寬B為：,信號(hào)功率S為：,已調(diào)（或已擴(kuò)頻）信號(hào)的帶寬為W，則噪聲功率為：,上面公式指出，差錯(cuò)概率Pe是輸入信號(hào)與噪聲功率之比（S/N）和信號(hào)帶寬與信息帶寬比（W/B）二者乘積的函數(shù)，信噪比與帶寬是可以互換的。它同樣指出了用增加帶寬的方法可以換取信噪比上的好處這一客觀規(guī)律。 綜上

25、所述，擴(kuò)頻通信就是將信息信號(hào)的頻譜擴(kuò)展100倍以上，甚至1000倍以上，然后再進(jìn)行傳輸，因而提高了通信的抗干擾能力，即在強(qiáng)干擾條件下保證可靠安全地通信。這就是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)。,由此可得：,處理增益和抗干擾容限,理論分析表明，各種擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能都大體上與擴(kuò)頻信號(hào)的帶寬與所傳送信息帶寬之比成正比。我們把擴(kuò)頻信號(hào)帶寬W與信息帶寬B之比稱為處理增益G。,它表示了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)信噪比改善的程度，是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的一個(gè)重要的性能指標(biāo)。,僅僅知道了擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益，還不能充分說明系統(tǒng)在干擾環(huán)境下的工作性能。因?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)要正常工作，還需要保證輸出端有一定的信噪比（如CDMA蜂窩移動(dòng)通信系

26、統(tǒng)為7dB，GSM系統(tǒng)為10dB，TACS系統(tǒng)為17dB），并需扣除系統(tǒng)內(nèi)部信噪比的損耗，因此需引入抗干擾容限Mj干擾容限是在保證系統(tǒng)正常工作的條件下，接收機(jī)輸入端能承受的干擾信號(hào)比有用信號(hào)高出的分貝（dB）數(shù)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：,式中Mj為干擾容限，Gp為處理增益Ls為系統(tǒng)損耗，(S/N)0為接收機(jī)輸出信噪比。 干擾容限直接反映了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)接收機(jī)允許的極限干擾強(qiáng)度，它往往能比處理增益更確切地表達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力。,例1,某擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的處理增益Gp=33dB，系統(tǒng)損耗Ls=3dB，接收機(jī)的輸出信噪比 ，則該系統(tǒng)的干擾容限Mj=20dB。這表明該系統(tǒng)最大能承受20dB（100倍）的干擾，即當(dāng)干

27、擾信號(hào)功率超過有用信號(hào)功率20dB時(shí)，該系統(tǒng)不能正常工作；而二者之差不大于20dB時(shí)，系統(tǒng)仍能正常工作，即信號(hào)在一定的噪聲（或干擾）湮沒下也能正常通信。,例2,某擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的處理增益Gp=30dB，系統(tǒng)損耗Ls=2dB，接收機(jī)的輸出信噪比 ，則該系統(tǒng)的干擾容限Mj=18dB。這表明干擾信號(hào)功率超過有用信號(hào)功率18dB時(shí)，該系統(tǒng)不能正常工作，而二者之差不大于18dB時(shí)，系統(tǒng)仍能正常工作，即信號(hào)在一定的噪聲（或干擾）湮沒下也能正常通信。,擴(kuò)頻通信的特點(diǎn),）抗干擾能力強(qiáng) ）保密性好 ）可以實(shí)現(xiàn)碼分多址 ）抗衰落、抗多徑干擾 ）能精確地定時(shí)和測(cè)距,擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的種類,（）直接序列（DS）系統(tǒng) （）跳

28、頻（FH）系統(tǒng) （）脈沖線性調(diào)頻（Chirp）系統(tǒng) （）跳時(shí)（TH）系統(tǒng) 此外還有上述四種系統(tǒng)組合的混合系統(tǒng)。實(shí)際的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)以前三種為主流，主要用于軍事通信，而在民用上一般只用前兩種，即直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)和跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。,2.2.2 擴(kuò)頻通信系統(tǒng),擴(kuò)頻通信的一般原理如圖2-14所示。,由圖2-14可見，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)與普通數(shù)字通信系統(tǒng)相比較，就是多了擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)部分。,圖2-14 擴(kuò)頻通信原理方框圖,直接序列擴(kuò)頻,直接序列擴(kuò)頻（Direct Sequence Spread Spectrum）通信系統(tǒng)是以直接擴(kuò)頻方式構(gòu)成的擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)，通常簡(jiǎn)稱直擴(kuò)（DS）系統(tǒng)，又稱偽噪聲（PN：

29、PseudoNoise）擴(kuò)頻系統(tǒng)。 圖2-15為直擴(kuò)系統(tǒng)各點(diǎn)波形和頻譜圖。,圖2-15 直擴(kuò)系統(tǒng)各點(diǎn)波形和頻譜圖,碼分多址直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng),碼分多址通信系統(tǒng)中的各個(gè)用戶同時(shí)工作于同一載波，占用相同的帶寬，這樣，各用戶之間必然相互干擾。為了把干擾降低到最低限度，碼分多址必須與擴(kuò)頻技術(shù)結(jié)合起來使用。在民用移動(dòng)通信中，碼分多址主要與直接序列擴(kuò)頻技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成碼分多址直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有下列兩種方式：,第一種系統(tǒng)構(gòu)成的簡(jiǎn)單框圖（如圖2-16所示）。 第二種碼分直擴(kuò)系統(tǒng)構(gòu)成的簡(jiǎn)單框圖(如圖2-17所示)。,圖2-16 碼分直擴(kuò)系統(tǒng)（一）,圖2-17 碼分直擴(kuò)系統(tǒng)（二）,跳頻擴(kuò)頻通信系

30、統(tǒng),跳頻（FH：Frequency Hopping）通信是指用一定碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控。即通信使用的載波頻率受一組快速變化的偽隨機(jī)碼控制而隨機(jī)的跳變。這種載波變化的規(guī)律，通常叫做“跳頻圖案”。跳頻實(shí)際上是一種復(fù)雜的頻移鍵控，是一種用偽隨機(jī)碼進(jìn)行多頻頻移鍵控的通信方式。 最簡(jiǎn)單的頻移鍵控只有兩個(gè)頻率1和2，分別代表空號(hào)和傳號(hào)，稱之為二元頻移鍵控（2FSK），如圖2-18所示。,圖2-18 二元頻移鍵控的波形,跳頻也是一種擴(kuò)頻技術(shù)，跳頻系統(tǒng)的載波頻率在很寬頻率范圍內(nèi)按預(yù)定的圖案（碼序列）進(jìn)行跳變。跳頻系統(tǒng)的組成方框圖如圖2-19所示。,圖2-19 跳頻系統(tǒng)組成方框圖,圖2-20可見，從時(shí)

31、域上看，跳頻信號(hào)是一個(gè)多頻率的頻移鍵控信號(hào)；從頻域上看，跳頻信號(hào)的頻譜是一個(gè)在很寬頻帶上隨機(jī)跳變的不等間隔的頻率信道。圖中載波頻率跳變次序是：f5f4 f7 f0 f6 f3 f1。如果從時(shí)間頻率域來看，跳頻信號(hào)是一個(gè)時(shí)頻矩陣，每個(gè)頻率持續(xù)時(shí)間為Tc秒。,圖2-20 跳頻系統(tǒng)的信號(hào)波形示意圖,跳頻分慢跳頻和快跳頻。慢跳頻是指跳頻速率低于信息比特速率，即連續(xù)幾個(gè)信息比特跳頻一次；快跳頻是指跳頻速率高于信息比特速率，即每個(gè)信息比特跳頻一次以上。也有人把每秒幾十跳的跳頻稱為慢速跳頻，每秒幾百跳的跳頻稱為中速跳頻，每秒幾千跳的跳頻稱為快速跳頻。跳頻速率應(yīng)根據(jù)使用要求來決定。一般來說，跳頻速率越高，跳頻

32、系統(tǒng)的抗干擾性能就越好，但相應(yīng)的設(shè)備復(fù)雜性和成本也越高。,跳時(shí)擴(kuò)頻通信系統(tǒng),與跳頻相似，跳時(shí)（TH：Time Hopping）是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變?？梢园烟鴷r(shí)理解為：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時(shí)片的時(shí)移鍵控。由于采用了窄得很多的時(shí)片去發(fā)送信號(hào)，相對(duì)來說，信號(hào)的頻譜也就展寬了。,圖2-22 跳時(shí)系統(tǒng)的信號(hào)波形示意圖,2.3 卷積編碼,現(xiàn)代數(shù)字通信常常設(shè)計(jì)成高速率傳輸，數(shù)字化移動(dòng)信道中傳輸過程會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)差錯(cuò)，也會(huì)出現(xiàn)成串的突發(fā)差錯(cuò)。卷積碼既能糾正隨機(jī)差錯(cuò)也具有一定的糾正突發(fā)差錯(cuò)的能力。,卷積碼是分組的，但它的監(jiān)督元不僅與本組的信息元有關(guān)，還與前若干組的信息有關(guān)。這種碼的糾錯(cuò)能力強(qiáng)，不僅可糾正隨

33、機(jī)差錯(cuò)，而且可糾正突發(fā)差錯(cuò)。卷積碼根據(jù)需要，有不同的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的糾錯(cuò)能力，但都有類似的編碼規(guī)律。,圖2-23為（3，1，3）卷積編碼器，它由三個(gè)移位寄存器（D）和兩個(gè)模2加法器組成。每輸入一個(gè)信息元mj，就得到兩個(gè)監(jiān)督元Pj1、Pj2，順次輸出為mj、Pj1、Pj2，碼長(zhǎng)為3，其中信息元只占1位，構(gòu)成卷積碼的一個(gè)分組（即1個(gè)碼字），稱作（3，1，3）卷積碼。由圖可知，監(jiān)督元Pj1，Pj2不僅與本組輸入的信息元mj有關(guān)，還與前幾組的信息元已存入到寄存器的mj-1，mj-2和mj-3有關(guān)。 由圖2-23可知，其關(guān)系式為：,上式稱作該卷積的碼監(jiān)督方程。,圖2-23 （3，1，3）卷積編碼器,圖2-2

34、4示出的（2，1，1）卷積碼的編碼器和譯碼器，它可在4比特范圍內(nèi)糾正一個(gè)差錯(cuò)。 圖2-24（a）為編碼器，每輸入一個(gè)信息元（mj），編碼器輸出為mj、Pj，其中Pj為： 式中mj-1為mj之前的信息元。,圖2-24 （2，1，1）卷積碼（k=2）,假定輸入信息元序列為100（1為先輸入），經(jīng)過編碼輸出為110100（其中1為最先輸出）。下面具體分析它的編碼過程。 編碼開始前，先對(duì)移位寄存器進(jìn)行復(fù)位（即置0）。當(dāng)輸入第1個(gè)信息元“1”，輸出為1，由于Pj=10 =1，輸出開關(guān)接到Pj，輸出又為1。輸出端開關(guān)速率是信息元速率的兩倍，即每輸入一個(gè)信息元，開關(guān)同步的轉(zhuǎn)換一次。因此，上述過程可完成： 輸

35、入mj=1，Pj=10=1，所以輸出為11； 輸入mj+1=0，Pj+1=mj+1mj=01=1，所以輸出為 01； 輸入mj+2=0，Pj+2=mj2mj+1=00=0，所以輸出為00。 可見，輸入信息100，經(jīng)該卷積編碼后，輸出序列為110100。,卷積碼（n，k，m）由k個(gè)輸入、具有m階存儲(chǔ)的n個(gè)輸出線性時(shí)序電路實(shí)現(xiàn)。通常，n和k是較小的整數(shù)，且kn，但m相當(dāng)大。 卷積碼（n，k，m）指定的碼率為R=k/n，編碼器級(jí)數(shù)為m=M1。其中M是碼的約束長(zhǎng)度。編碼器存儲(chǔ)階數(shù)等于數(shù)據(jù)序列時(shí)延。m級(jí)n維生成序列集通?？梢园慈缦路绞矫枋觯?其中i=1，2，k表示輸入端數(shù)，j=1，2，n表示模2加法器數(shù)

36、（輸出端）。 上面的方程也可以以多項(xiàng)式形式表達(dá)：,窄帶CDMA正向信道使用碼率R=1/2，約束長(zhǎng)度為9的(2，1，8)卷積碼。該卷積碼的 生成序列為：,由于碼率為1/2，所以每次編碼器輸入一比特，編碼器輸出就產(chǎn)生兩位編碼符號(hào)。,初始化后第一個(gè)輸入符號(hào) 是由生成序列 編碼的符號(hào)，第二個(gè)輸出符號(hào) 是由生成序列 編碼的序號(hào)。如圖2-25所示，卷積編碼包含連續(xù)時(shí)延數(shù)據(jù)序列選定抽頭的模2加。,圖2-25 24位輸入的（2，1，8）,2.4 塊交織,交織是排列符號(hào)序列的過程，這種為獲得時(shí)間分集的重排過程稱為交織，可以用兩種方法考慮：塊交織和卷積交織。 塊交織是根據(jù)順序重排過程，可以如下考慮：交織后的輸出符

37、號(hào)（長(zhǎng)度是卷積編碼器編碼符號(hào)的i倍）可以通過交織獲得。實(shí)現(xiàn)方法是通過將j個(gè)編碼符號(hào)安排成i行矩陣，然后按列（或行）發(fā)送符號(hào)，如圖2-27所示。如果卷積碼能糾正隨機(jī)錯(cuò)誤，那么交織器能糾正小于或等于j長(zhǎng)度的突發(fā)錯(cuò)誤。,圖2-27 塊交織器的數(shù)據(jù)重排過程,2.5 數(shù)字信號(hào)調(diào)制,2.5.1 數(shù)字信號(hào)的表示,數(shù)字信號(hào)采用二進(jìn)制，其幅度取值分別用“1”或“0”（或“1”、“1”）表示。由0，1表示成為單極性碼，邏輯運(yùn)算由模2加實(shí)現(xiàn)，也叫做邏輯異或。其規(guī)則是：,由+1，1表示成為雙極性碼，即“0”用+1表示，“1”用1表示，邏輯運(yùn)算由乘法實(shí)現(xiàn)。其規(guī)則是:,2.5.2 數(shù)字信號(hào)傳輸質(zhì)量指標(biāo),在數(shù)字通信系統(tǒng)中，

38、衡量數(shù)字信號(hào)傳輸質(zhì)量的主要性能指標(biāo)是傳輸速率和差錯(cuò)率，下面分別予以說明。,） 傳輸速率 第一種表示方法為碼元速率RB，指單位時(shí)間（即1s）內(nèi)傳輸數(shù)字信號(hào)波形的數(shù)目（即碼元的個(gè)數(shù)），單位是波特（Baud）。 第二種表示方法為信息速率Rb，即每秒鐘傳送的信息量，其單位是比特/秒（b/s）。 ） 差錯(cuò)率 1. 誤碼率Pe 2. 誤比特率Pb 數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)幕疽笫窍Ｍ麄鬏斔俾矢叨`碼率低，但兩者往往是矛盾的：如提高速率會(huì)使誤碼率升高；利用糾錯(cuò)碼可降低誤碼率，但又會(huì)使信息傳輸速率下降。,2.5.3 調(diào)制技術(shù),1調(diào)制、解調(diào)的主要功能和要求 （1） 頻譜搬移 （2） 抗干擾，即功率有效性 （3） 提高系

39、統(tǒng)有效性，即頻譜有效 2基本原理 由于基帶信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，所以相應(yīng)地有三種基本調(diào)制方式，即振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）和移相鍵控（PSK）。其他各種數(shù)字信號(hào)調(diào)制方式，如相對(duì)移相（DPSK）、正交移相（QPSK）和偏置移相（OQPSK）等都是PSK的改型；而高斯型最小頻移鍵控（GMSK）是FSK的改型。,3. 數(shù)字式調(diào)制、解調(diào)的分類,（1） 振幅鍵控（ASK）,基于2ASK由二進(jìn)制向多進(jìn)制方向發(fā)展，產(chǎn)生了正交幅度調(diào)制QAM、MQAM（又稱為星座調(diào)制）。這種調(diào)制方式改變無線電載波信號(hào)的振幅。,（2） 移頻鍵控（FSK）,基于2FSK向多進(jìn)制方向發(fā)展，產(chǎn)生了MFSK調(diào)制。這種調(diào)制方式改變無

40、線電載波的頻率。,（4） QPSK調(diào)制,MPSK調(diào)制中最常用的就是4PSK，又稱QPSK。 其調(diào)制組成及其波形如圖2-30所示。,圖2-30 QPSK調(diào)制器及其波形,（5）QPSK解調(diào),QPSK信號(hào)解調(diào)方法可分為相干解調(diào)和差分解調(diào)兩類。圖2-31給出了QPSK相干解調(diào)器的組成方框圖。采用非相干解調(diào)方式，可省去載波同步。圖2-32為非相干接收機(jī)框圖。,圖2-31 QPSK相干解調(diào)器,圖2-32 非相干接收機(jī)框圖,目前，數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)主要有兩大類： （1） 一類是以GSM為代表的，采用非線性的連續(xù)相位調(diào)制CPM中的高斯濾波的最小頻移鍵控GMSK。 （2） 另一類屬于移相鍵控PSK，它包

41、括IS95中以及MT2000中采用的BPSK、QPSK、OQPSK、平衡四相擴(kuò)頻調(diào)制BQM以及復(fù)數(shù)四相擴(kuò)頻調(diào)制CQM等。 （3） 國(guó)際上，1986年以前線性高功率尚未取得突破性進(jìn)展，數(shù)字調(diào)制技術(shù)幾乎都集中在研究和實(shí)現(xiàn)連續(xù)相位調(diào)制CPM上，特別是MSK和GMSK很受歡迎。1987年以后由于實(shí)用性線性高功 放取得實(shí)質(zhì)上的進(jìn)展，并走向商業(yè)化，人們才開始將眼光向?qū)崿F(xiàn)技術(shù)簡(jiǎn)單的QPSK系列。,4目前數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù),2.6 數(shù)據(jù)擾碼,數(shù)據(jù)擾碼也稱數(shù)據(jù)掩蔽，其目的是為了數(shù)據(jù)的安全。正向業(yè)務(wù)信道數(shù)據(jù)擾碼原理與尋呼信道信號(hào)擾碼相同。 圖2-33是顯示了數(shù)據(jù)擾碼機(jī)制。,圖2-33 數(shù)據(jù)擾碼機(jī)制,2.7

42、 鑒權(quán)和加密,在鑒權(quán)過程中，MS和BS之間進(jìn)行信息交換從而確認(rèn)MS 的身份。只有證明了MS和BS擁有同樣的共用保密數(shù)據(jù)（SSD），鑒權(quán)過程才算成功地完成了。例如，在CDMA鑒權(quán)協(xié)議中，移動(dòng)臺(tái)和基站互相都有匹配的加密認(rèn)證符（即相同的SSD），實(shí)際上是由認(rèn)證算法產(chǎn)生和發(fā)布的符號(hào)的短消息摘要。,2.7.1 鑒權(quán)過程,MS使用處于工作狀態(tài)的IMSI（IMSI_O）進(jìn)行鑒權(quán)，同時(shí)BS使用與MS最后一次登記相關(guān)的IMSI。,如圖2-34所示，SSD分為兩部分：SSD_A和SSD_B。SSD_A用來支持鑒權(quán)過程，而SSD_B用來支持話音保密和信令消息加密。,圖2-34 SSD的劃分,1. MS登記鑒權(quán) 當(dāng)A

43、UTH設(shè)定為01時(shí)（標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別模式），完成下列鑒權(quán)過程，而且移動(dòng)臺(tái)通過接入信道發(fā)送登記消息嘗試進(jìn)行登記。 2. 唯一性查詢響應(yīng)過程 唯一性查詢響應(yīng)過程由BS發(fā)起，并且能夠在尋呼和接入信道或正向和反向業(yè)務(wù)信道中完成。 MS始呼鑒權(quán) MS終止鑒權(quán) MS數(shù)據(jù)子幀的鑒權(quán) TMSI分配的鑒權(quán),2.7.2 共用保密數(shù)據(jù),空中接口過程已經(jīng)定義為在MS中更新SSD。新的SSD在HLR/AUC中產(chǎn)生，并且SSD更新過程是由HLR/AC發(fā)起的包括下列MSCBS消息的交換： SSD更新請(qǐng)求消息 基站查詢指令消息 基站查詢響應(yīng)消息 SSD更新響應(yīng)消息,如圖2-40所示，SSD更新過程的呼叫流程為：,圖2-40 SSD更

44、新呼叫流程成功實(shí)例,SSD更新的消息流程圖如圖2-42所示。,圖2-42 SSD更新消息流程,2.7.3 參數(shù)更新,當(dāng)MSC需要指示MS更新呼叫歷史記錄次數(shù)（COUNT）的時(shí)候，執(zhí)行參數(shù)更新過程。該過程應(yīng)該在給呼叫方始發(fā)或被叫方分配業(yè)務(wù)信道之后，在盡可能早的時(shí)間內(nèi)完成該過程。 MSC給BS發(fā)送一個(gè)參數(shù)更新請(qǐng)求消息，并且開始啟動(dòng)定時(shí)器T3280。BS在接收到該消息之后，給MS發(fā)送參數(shù)更新指令，指示MS更新它的數(shù)值。當(dāng)MS接收到該指令后增加它的呼叫歷史記錄數(shù)值，并立即給MSC發(fā)送參數(shù)更新確認(rèn)消息。MSC在接收到該消息之后，增加它的數(shù)值并停止計(jì)時(shí)器T3280的工作。,2.7.4 話音保密,空中接口能

45、夠?qū)崿F(xiàn)BS和MS之間的話音保密。,下面的呼叫流程描述了在呼叫建立中調(diào)用話音保密的過程，如圖2-43所示:,圖2-43 保密模式過程,（1）在呼叫過程中的任意時(shí)刻，接收到分配完成消息之后，MSC就可以向BS發(fā)送保密模式指令消息，該消息規(guī)定了提供給業(yè)務(wù)信息的保密性，然后MSC啟動(dòng)計(jì)時(shí)器T3280。 （2）在獲得業(yè)務(wù)信道之后，當(dāng)BS給MS發(fā)送話音保密請(qǐng)求指令時(shí)就能建立話音保密。 （3）MS完成需要的保密模式過程，并且使用話音保密響應(yīng)指令對(duì)BS進(jìn)行確認(rèn)。 （4）BS給MSC回復(fù)保密模式完成消息指明已經(jīng)成功接收了保密模式指令消息。MSC在接收到保密模式完成消息之后使計(jì)時(shí)器T3280停止工作。,第章 碼序

46、列,3.1 地址碼的分類和設(shè)計(jì)要求 3.2 Walsh函數(shù)與Walsh正交碼 3.3 偽隨機(jī)碼（PN）的概念 3.3.1 定義 3.3.2 移位寄存器 3.4 m序列的性質(zhì) 3.4.1 均衡性 3.4.2 游程特性 3.4.3 移位相加特性 3.4.4 相關(guān)特性 3.4.5 長(zhǎng)m序列的截段碼,3.5 Gold（戈?duì)柕拢┬蛄?3.5.1 Gold碼的生成 3.5.2 Gold碼的性質(zhì) 3.5.3 正交Gold碼（偶位） 3.6 可變擴(kuò)頻比正交碼（OVSF碼） 3.6.1 OVSF碼基本原理 3.6.2 范例 3.7 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的同步原理,第章 碼序列,地址碼和擴(kuò)頻碼的設(shè)計(jì)是碼分多址體制

47、的關(guān)鍵技術(shù)之一。具有良好的相關(guān)特性和隨機(jī)性的地址碼和擴(kuò)頻碼對(duì)碼分多址通信是非常重要的，對(duì)系統(tǒng)的性能具有決定的作用；它直接關(guān)系到系統(tǒng)的多址能力，關(guān)系到抗干擾、抗噪聲、抗截獲的能力及多徑保護(hù)和抗衰落的能力，關(guān)系到信息數(shù)據(jù)的隱蔽和保密，關(guān)系到捕獲與同步系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。理想的地址碼和擴(kuò)頻碼主要應(yīng)具 有如下特性： （1） 有足夠多的地址碼； （2） 有尖銳的自相關(guān)特性； （3） 有處處為零的互相關(guān)特性； （4） 不同碼元數(shù)平衡相等； （5） 盡可能大的復(fù)雜度。,3.1 地址碼的分類和設(shè)計(jì)要求,1.CDMA中的地址碼類型 在CDMA中需要采用地址碼來區(qū)分不同的地址，其中主要有以下四種不同類型： （1） 用戶地

48、址：用于區(qū)分不同移動(dòng)用戶； （2） 多速率（多媒體）業(yè)務(wù)地址：用于多媒體業(yè)務(wù)中區(qū)分不同速率類型的業(yè)務(wù)； （3） 信道地址：用于區(qū)分每個(gè)小區(qū)或每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的不同信道； （4） 基站地址：用于區(qū)分不同基站或扇區(qū)。 其中：（1）、（2）多用于反向信道，以移動(dòng)臺(tái)為主；（3）、（4）多用于正向信道，以基站為主。,2.CDMA中的地址碼設(shè)計(jì)的基本要求 （1） 用戶地址 （2） 多速率業(yè)務(wù)地址 （3） 信道地址 （4） 基站地址 3.地址碼的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ,3.2 Walsh函數(shù)與Walsh正交碼,1.Walsh碼的生成 Walsh函數(shù)是一類取值為1與1的二元正交函數(shù)系。 Walsh函數(shù)有多種等價(jià)定義方法，最常

49、用的是哈德（Hadamard）編號(hào)法，IS-95中就是采用這種方法。 哈德碼矩陣H是由+1和1元素構(gòu)成的正交方陣。所謂正交方陣，是指它的任意兩行（或兩列）都是互相正交的。這時(shí)我們把行（或列）看作一個(gè)函數(shù)，任意兩行或兩列這些函數(shù)都是互相正交的。更具體地說，任意兩行（或兩列）的對(duì)應(yīng)位相乘之和等于零，或者說，它們的相同位（A）和不同位（D）是相等的，即互相關(guān)函數(shù)為零。,2.沃爾什函數(shù)的基本性質(zhì) （1）沃爾什函數(shù)最重要的性質(zhì)是正交性。 （2）除 以外，其他 （）函數(shù)在一個(gè)周期內(nèi)均值為0。 （3）兩個(gè)沃爾什函數(shù)相乘，乘積仍是沃爾什函數(shù)。 （4） 沃爾什函數(shù)集是完備的，即長(zhǎng)度為N的沃爾什函數(shù)（序列）有N個(gè)

50、(相互正交) （5） 沃爾什函數(shù)在完全同步時(shí)是完全正交的。 （6） 當(dāng)不同步時(shí)，其自相關(guān)與互相關(guān)特性均不理想，并隨同步誤差值增大，惡化亦十分明顯。 （7） 同長(zhǎng)度的不同編號(hào)的沃爾什函數(shù)的頻帶寬度是不一樣的，頻帶寬度決定于其最短游程的寬度（設(shè)為i），近似等于1/i 。 （8） 沃爾什函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)特性也不理想。,3.3 偽隨機(jī)碼（PN）的概念,3.3.1 定義,偽隨機(jī)碼又稱為偽隨機(jī)序列，它是具有類似于隨機(jī)序列基本特性的確定序列。隨機(jī)序列具有以下三個(gè)基本特性： （1）在序列中“0”和“1”出現(xiàn)的相對(duì)概率各為1/2。 （2）序列中連0或連1稱為游程，連0或連1的個(gè)數(shù)稱為游程的長(zhǎng)度。序列

51、中長(zhǎng)度為1的游程數(shù)占游程總數(shù)的1/2；長(zhǎng)度為2的游程數(shù)占游程總數(shù)的1/4；長(zhǎng)度為3的游程數(shù)占游程總數(shù)的1/8;長(zhǎng)度為n的游程數(shù)占游程總數(shù)的 （對(duì)于所有有限的n）。此性質(zhì)我們簡(jiǎn)稱為隨機(jī)序列的游程特性。 （3）如果將給定的隨機(jī)序列位移任何個(gè)元素，則所得序列和原序列的對(duì)應(yīng)元素有一半相同，一半不同。 如果確定序列近似滿足以上三個(gè)特性，則稱此確定序列為偽隨機(jī)序列（PN序列）。,3.3.2 移位寄存器,1. m序列的產(chǎn)生,移位寄存器用于產(chǎn)生各種碼序列，下面討論它的組成和工作原理。 圖3-1（a）為最簡(jiǎn)單的由三級(jí)移位寄存器構(gòu)成的碼序列發(fā)生器。D1、D2和D3的狀態(tài)Q1 、 Q2 、 Q3變化如圖3-1（b）

52、所示。如果改變一下反饋電路如圖3-1（c）所示，則該電路輸出周期為7的碼序列1110100（圖3-1（d）。,圖3-1 三級(jí)移位寄存器構(gòu)成的碼序列發(fā)生器,為了直觀地描述含有反饋的移位寄存器的狀態(tài)變化，可用狀態(tài)圖來表示。 如圖3-2所示的是三級(jí)移位寄存器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。,圖3-2 三級(jí)移位寄存器-m序列產(chǎn)生電路（一）狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,從圖3-3（b）和（c）可以看出，當(dāng)Q1Q2Q3狀態(tài)處于111時(shí)，該電路的輸出總是1；當(dāng)Q1Q2Q3狀態(tài)處于100時(shí)，該電路的輸出是00110。兩者都不是m序列。,圖3-3 非m序列產(chǎn)生電路,圖3-4中反饋輸出an與移位寄存器狀態(tài)an-1an-2a0的關(guān)系可用下式所示。 其

53、中系數(shù)僅取0或1，當(dāng)ck=0時(shí)，圖3-4中反饋連接斷開；當(dāng)ck=1時(shí)，反饋接通。,圖3-4 線性反饋移位寄存器序列發(fā)生器邏輯框圖,n=5的m序列發(fā)生器的電路原理圖，如圖3-5所示。,圖3-5 n=5,ci=45（八進(jìn)制），m序列發(fā)生器原理圖,根據(jù)圖3-5所示電路，假設(shè)一種移位寄存器的狀態(tài)，即可產(chǎn)生相應(yīng)的碼序列，其周期P為 。Ci=45時(shí)序列發(fā)生器各級(jí)變化狀態(tài)，初始狀態(tài)為00001。,2. m序列的計(jì)數(shù),對(duì)于不同的移位寄存器級(jí)數(shù)n，所能產(chǎn)生的m序列數(shù)（生成多項(xiàng)式個(gè)數(shù)）是一定的。一般來說，n越大，所能產(chǎn)生的m序列數(shù)越多，其數(shù)量由下式?jīng)Q定：,3.4 m序列的性質(zhì),3.4.1 均衡性,在一個(gè)周期中，序

54、列中“1”的個(gè)數(shù)比“0”的個(gè)數(shù)多1個(gè)。級(jí)移位寄存器有 個(gè)狀態(tài)，這些狀態(tài)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)有一半為偶數(shù)（即末位數(shù)為0）另一半為奇數(shù)（即末位數(shù)為）。序列一個(gè)周期歷經(jīng) 狀態(tài)，少一個(gè)全0狀態(tài)（屬于偶數(shù)狀態(tài)），因此在一個(gè)周期中“1”的個(gè)數(shù)比“0”的個(gè)數(shù)多一個(gè)。,3.4.2 游程特性,一個(gè)周期中長(zhǎng)度為1的游程數(shù)占游程總數(shù)的1/2；長(zhǎng)度為2的游程數(shù)占游程總數(shù)的1/4；長(zhǎng)度為k的游程數(shù)占游程總數(shù)的 ，其中 。,3.4.3 移位相加特性,一個(gè)序列與其循環(huán)移位逐位比較，相同碼的位數(shù)與不同碼的位 數(shù)相差1位。,3.4.4 相關(guān)特性,碼序列的相關(guān)性 （1）相關(guān)性概念 在信息傳輸中各種符號(hào)之間的差異性越大越好，這樣任意兩個(gè)

55、信號(hào)不容易混淆，也就是說相互之間不容易發(fā)生干擾、不會(huì)發(fā)生誤判。,圖3-6為隨機(jī)噪聲的自相關(guān)示意圖。,圖3-6 隨機(jī)噪聲的自相關(guān)示意圖,（2） 碼序列的相關(guān)性,采用二進(jìn)制的碼序列，長(zhǎng)度（周期）為P的碼序列x的自相關(guān)函數(shù)為：,2. m序列的相關(guān)性,m序列是一種隨機(jī)序列，具有隨機(jī)性，其自相關(guān)函數(shù)具有二值特性，但互相關(guān)函數(shù)是多值的。,（1） m序列的自相關(guān)函數(shù),對(duì)于周期為P的兩個(gè)雙極性m序列bn與bn+t，自相關(guān)函數(shù)的 數(shù)學(xué)表達(dá)式為：,由圖3-7可知，m序列的自相關(guān)系數(shù)在處出現(xiàn)峰值1；當(dāng)偏離0時(shí)，相關(guān)函數(shù)曲線很快下降；當(dāng)時(shí)，相關(guān)函數(shù)值為；當(dāng)時(shí)，又出現(xiàn)峰值1；如此周而復(fù)始。,圖3-7 m序列的自相關(guān)系數(shù)

56、,（2） m序列的互相關(guān)函數(shù),兩個(gè)碼序列的互相關(guān)函數(shù)是兩個(gè)不同碼序列一致程度（相似性）的度量，它是位移量的函數(shù)。 對(duì)于周期為P的兩個(gè)雙極性m序列bn與Cn+t，互相關(guān)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：,畫出周期為P=31的兩個(gè)m序列的互相關(guān)函數(shù)曲線，如圖3-8所示。圖中實(shí)線為互相關(guān)函數(shù) ，顯然它是一個(gè)多值函數(shù)，有正有負(fù)。圖中虛線示出了自相關(guān)函數(shù)，其最大值為31，而互相關(guān)函數(shù)最大值的絕對(duì)值為9。 像圖3-8給出的一樣，m序列對(duì)的互相關(guān)函數(shù)值只取三個(gè)值的m序列對(duì)被稱作m序列優(yōu)選對(duì)。這三個(gè)值稱為理想三值。,圖3-8 兩個(gè)m序列(p=31)互相關(guān)函數(shù)與自相關(guān)函數(shù)曲線,3. 碼序列的相關(guān)函數(shù)旁瓣值特性,對(duì)于周期為P的

57、m序列，它的相關(guān)函數(shù)為（），相關(guān)函數(shù)旁瓣值特性定義如下：,（1） 最大旁瓣值：,m序列的自相關(guān)函數(shù)特性最理想，其主峰與旁瓣之比等于碼長(zhǎng)P。,（2） 絕對(duì)值的平均值：,3.4.5 長(zhǎng)m序列的截段碼,m序列截段碼自相關(guān)函數(shù)的主副峰值比為：,自相關(guān)函數(shù)主峰與其他相關(guān)函數(shù)的最大旁瓣之比為：,3.5 Gold（戈?duì)柕拢┬蛄?3.5.1 Gold碼的生成,Gold碼是m序列的復(fù)合碼，是由R.Gold在1967年提出的，它是由兩個(gè)碼長(zhǎng)相等、碼片時(shí)鐘速率相同的m序列優(yōu)選對(duì)移位模2加構(gòu)成。,Gold序列產(chǎn)生電路的一般模式如圖3-9所示。,圖3-9 Gold序列產(chǎn)生電路模型,3.5.2 Gold碼的性質(zhì),Gold

58、的數(shù)量 周期 的m序列優(yōu)選對(duì)生成的Gold序列，由于其中一個(gè)m序列不同的移位都可以產(chǎn)生新的Gold序列，共有 個(gè)不同的相對(duì)移位，加上原來兩個(gè)m序列，總共有 個(gè)Gold序列。因此，Gold序列比m序列數(shù)多得多。 Gold序列的相關(guān)特性 對(duì)于周期為 的m序列優(yōu)選對(duì)生成的Gold序列具有與m序列優(yōu)選對(duì)類似的自相關(guān)和互相關(guān)特性。,3.5.3 正交Gold碼（偶位）,Gold碼的長(zhǎng)度等于對(duì)應(yīng)的m序列的長(zhǎng)度，是奇數(shù)，因此其互相關(guān)不為0，它屬于準(zhǔn)正交碼?？梢宰C明，若在同一優(yōu)選對(duì)產(chǎn)生的Gold碼末尾加一個(gè)0，則構(gòu)成的偶位Gold碼相互正交，即其 互相關(guān)函數(shù)Rc=0，這種碼稱為正交Gold碼或偶位Gold碼。,

59、3.6 可變擴(kuò)頻比正交碼（OVSF碼）,3.6.1 OVSF碼基本原理,為了更加直觀地研究OVSF碼，我們先引入“碼樹”的概念，即引用樹形結(jié)構(gòu)來研究碼的性質(zhì)。我們可以根據(jù)不同的樹形結(jié)構(gòu)研究不同的碼組性質(zhì)，例如圖3-10所示二進(jìn)制非滿樹可對(duì)應(yīng)二進(jìn)制變長(zhǎng)碼。,圖3-10 二進(jìn)制非滿樹,3.6.2 范例,設(shè)用戶甲信息速率為76.8kb/s；用戶乙信息速率為15.6kb/s；用戶丙信息速率為307.2kb/s。經(jīng)擴(kuò)頻后3個(gè)用戶擴(kuò)展到同一個(gè)碼片速率1.2288Mb/s。不同周期長(zhǎng)度即不同擴(kuò)頻比的Walsh正交設(shè)計(jì)的樹形結(jié)構(gòu)圖如圖3-11所示。,圖3-11 OVSF碼樹形結(jié)構(gòu)圖,3.7 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的同步原理,同步技術(shù)是擴(kuò)頻通信的關(guān)鍵技術(shù)。在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，在發(fā)端利用偽隨機(jī)碼（PN碼）對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，在收端首先是利用本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼（本地碼）解除接收到的擴(kuò)頻信號(hào)的頻譜擴(kuò)展（解擴(kuò)），然后才能進(jìn)行信息解調(diào)。,影響同步不確定性的因素有如下幾點(diǎn)： （1） 收發(fā)信機(jī)間的距離引起傳播的延遲產(chǎn)生的相位差； （2） 收發(fā)信機(jī)時(shí)鐘頻率的相對(duì)不穩(wěn)定性引起的頻差； （3） 收發(fā)信機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移； （4） 多徑效應(yīng)引起的頻率和相