1、第二章 CDMA技術及現代 通信系統組成 3G通信概述 第三代移動通信系統IMT2000的目標 多媒體能力多媒體能力 個人化使用個人化使用 智能化功能智能化功能 多速率和高級業務多速率和高級業務(2Mb/s) 固定網的質量固定網的質量 更簡單的蜂窩結構更簡單的蜂窩結構 容易進行信道規劃和管理容易進行信道規劃和管理 大容量大容量:60路話路話/小區小區/MHz 低的發射功率低的發射功率 室外室外300mw,室內室內20mW 頻率頻率 18902030MHz，21102250MHz 最高傳輸速率最高傳輸速率 高速運動：高速運動：144kb/s 步行速度：步行速度：384kb/s 室內環境：室內環境

2、：2Mb/s 第三代移動通信系統IMT2000的基本參數 北美北美 歐洲歐洲 IS-95AIS-95BIS-95C cdma2000 GSM TDMA GSM+ GPRS,HSCSD GSM+ EDGE WCDMA 普通分組數據業務普通分組數據業務高速電路交換數據高速電路交換數據GSM增強數據率增強數據率 第三代移動通信系統IMT2000的演進 第三代移動通信系統IMT2000的構成 無線接入網絡 移動臺 移動臺 移動臺 基臺 基臺 基臺 無線網絡 控制器 無線網絡 控制器 核心網絡 寬帶 （移動） 綜合業務 交換中心 和VLR 歸屬位置 寄存器 (HLR) 其它網絡： PSTN，ISDN，

3、B-ISDN，IP-Net . IU IUR 導頻輔助相干解調和RAKE接收 變速率傳輸 高效Turbo-Code 具有應用智能天線的潛力 具有應用多用戶檢測的能力 第三代移動通信系統IMT2000的技術特點 4G/B3G移動通信概述 3G的目標的目標 室外步行：室外步行：384Kbps 城區車速：城區車速：144Kbps 頻譜效率頻譜效率64 Block. Enc Long PN code gen. Short PN code gen. 28.8 ksps 307.2 ksps 1.2288 Mcps 1.2288 Mcps RF W = 1.25 MHz ESN address mask

4、Data Codingspreading Spreading (randomisation) (1)數據速率。接入信道用4800bps的固定速率。反向業務信道 用960048002400和1200bps的可變速率。兩種信道的數據 中都要加入編碼器尾比特用于把卷積編碼器復位到規定的 狀態。此外，在反向業務信道上傳送9600和4800bps數據時， 也要加質量指示比特(CRC)校驗比特。 (2)卷積編碼。接入信道和反向業務信道所傳輸的數據都要進 行卷積編碼，卷積碼的碼率為1/3，約束長度為9。 (3)碼元重復。反向業務信道的碼元重復辦法和正向業務信道 一樣，從而使得各種速率的數據都變換成每秒288

5、00碼元。與 下行鏈路的不同在于，這里雖然進行碼元重復，但不會產生 每個碼元的多次發送。它只發送其中的一個碼元，而其它的 重復碼元將全部被刪除。在接入信道上，因為數據速率固定 為4800bps，因而每一碼元只重復1次，而且兩個重復碼元部 要發送。 (4)分組交織。分組交織的跨度為20ms。交織器組成的陣列是 32行X18列(即576個單元)。 可變數據速率傳輸可變數據速率傳輸 為減小移動臺的功耗和減小它對CDMA信道產生的干擾，對 交織器輸出的碼元，用一時間濾波器(選通門電路)進行選通， 只允許所需的碼元輸出，而刪除其它重復的碼元。 傳輸的占空比隨速率而變，當速率是9600bps，選通門允許交

6、 織器輸出的所有碼元進行傳輸，占空比為l；當數據率是 4800bps 時，占空比為l/2；依此類推。在選通過程中把20ms 的幀分成1 6個等長段，即 功率控制段，每段1.25ms， 編號為015。根據一定的 規律，使某些功率段被連 通，而某些功率控制段被 斷開。這種選通要保證進 入交織器的重復碼元只發 送其中一個接入信道， 兩個重復碼元都要傳輸 通過選通門允許發送的碼元以猝發的方式工作。它在一幀中 占用哪一位置進行傳輸是受一PN碼控制的這一過程稱為數 據的猝發隨機化，猝發位置根據前一幀中倒數第二功率控制 段內的最末14個PN碼比特進行計算，這14個碼比特表示為 b0b13，圖例中它們取值為0

7、0101101100100。數據猝發隨機比 算法如下： 數據率為9600bps時所用的功率控制段為：0,1,2，,15。 數據率為4800bps時所用的功率控制段為：b0,2+b1,4+b2, 6+b3, 8+b4,10+b5,12+b6,14+b7 數據率為2400bps時所用的功率控制段為:b0(如b8=0)或2+b1 (如b8=1), 4+b2 (如b9=0)或6+b3 (如b9=1), 8+b4 (如b10=0)或10+b5 (如b10=1), 12+b6 (如b11=0)或14+b7 (如b11=1) 數據單為1200bps時，所用的功率控制段為：b0(如b8=0和b12=0) 或2

8、+b1 (如b8=1和b12=0)或4+b2 (如b9=0和b12=1)或6+b3 (如b9=1 和b12=1), 8+b4 (如b10=0和b13=0)或10+b5 (如b10=1和b13=0), 12+b6 (如b11=0和b13=1)或14+b7 (如b11=1和b13=1) 反向鏈路詳細框圖反向鏈路詳細框圖 R=1/3卷積編 碼和重復 塊交 織器 To RF 9600,4800,2400,1200 bps 28.8 ksps 307.2 ksps 1.2288 Mcps Q Short Code I Short Code 6-64編碼 28.8 ksps 1.2288 Mcps 1/2

9、 chip delay 長PN編碼發 生器 ESN based Mask (42 bits) 基于ESN的掩碼（42位） 1.2288 Mcps X4擴展數據編碼X擴展（隨機） 鑿孔 抽取 正交多進制調制正交多進制調制 在反向CDMA信道中，把交織器輸出的碼元每6個作為一 組用26=64進制沃爾什函數之一(稱調制碼元)進行傳輸，調 制碼元的傳輸速率為28800/6=4800bps。調制碼元時間寬度為 1/4800=208.333us每一調制碼元含64個子碼，因此沃爾什函 數的子碼速率為64X 4800307.2 kbps。相應的子碼寬度為 3.255us。 注意：正向CDMA信道和反向CDMA

10、信道都使用64進制的沃 爾汁函數，但二看的應用目的不同，前者是為了區分信道， 而后者是對數據進行正交碼多進制調制，以提高通信質量。 因為在反向CDMA信道中，不可能像正向CDMA信道那樣提 供共享的導頻信道因而，這種作法在衰落信道中難以提供 精確導頻的場合是很必要的。 調制符號可根據下列調制符號指數進行選擇，即調制符號 指數(MSI)為： MSI：c0+2c1+4c2+8c3+16c4+32c5 式中c代表輸入碼元第i位的碼元值，0i 5。例如輸入碼元 為110100，可得 MSIl+2+8=11 直接序列擴展直接序列擴展 在反向業務信道和接入信道傳輸的信號都要用長碼進行擴展。 前者是數據猝發

11、隨機化產生器輸出的碼流與長碼模2相加，后 者是64進制正變調制器輸出碼流和長碼模2相加， 長碼的周期是242-1個子碼。長碼的各個PN子碼是用一42位的 掩碼和序列產生器的24位狀態矢量進行模2內乘而產生的。 用于長碼產生器的掩碼根據移動臺用來傳輸的信道類型而變。 當在接入信道傳輸時，掩碼如下：M41-M33要置成“11000111”， M32-M28要置成選用的接入信道號碼， M27-M25要置成對應的尋 呼信道號碼(范圍是17)， M24-M9要置成當前的基站標志。M8- M0要置成當前CDMA信道的引導PN偏置。 當在反向業務信道傳輸時，移動臺要用到兩個掩碼中的一個： 一個是公開俺碼；另

12、一個是私用掩碼。這兩個掩碼都是該移 動臺所獨有的。公開掩碼如下： M41-M32要置成 “1100011000”， M31-M0要置成置成移動臺的電子序列號碼 (ESN)為了防止和連號ESN相對應的長碼之間出現過大的相 關值移動臺的ESN要進行置換，置換規則如下： 置換后 私用掩碼適用于用戶保密通信。 反向鏈路的射頻框圖反向鏈路的射頻框圖 1.2288 Msps Q Short Code I Short Code 1.2288 Mcps 1.2288 Mcps cos(wct) sin(wct) HPA I 1/2 chip delay Q FIR Filter FIR Filter 使用1/

13、2碼片延時可避免180度相變 當經過一個非線性放大器（如移動PA）后，OQPSK的頻譜再生比 QPSK小 射頻功率放大器 反向鏈路總結反向鏈路總結 1/3率的卷積編碼+6/64率的塊編碼效果相當于1/32率卷積碼。 用Walsh函數完成塊編碼 每6個數據位選擇64個Walsh函數之一（每個長64碼元） 可進行非相關檢測（例如Wn或+Wn對應同樣的6位數據序列） 長PN實現x4擴展至最終的1.25MHz帶寬。 每42天重復一次 每個手機機都有特定的相位（偏移） 短PN編碼是隨機的（但不擴展） 每26.6667毫秒重復一次 IS-95編碼編碼 地址碼的選擇地址碼的選擇 1、對CDMA系統的影響：

14、（1）系統容量（2）抗干擾能力（3）接入和切 換速度等。 2、對地址碼的要求 （1）能提供足夠數量的相關函數特性尖銳的 碼系列，保證信號經過地址碼解擴后具有高的 信噪比。 （2）能提供接近白噪聲特性，同時編碼方案 簡單，保證具有較快的同步建立速度。 用于信道分離用于數據的塊編碼Walsh Codes 沃爾什碼沃爾什碼 用于基站或扇區分離對I和Q信道進行擾碼 短代碼短代碼 最大長度 +1位 長度= 215 = 32,768碼 片 對用戶數據等隨機化用于用戶分離 長代碼長代碼 來自客戶來自客戶ESN長度長度= 2421 前向鏈路前向鏈路反向鏈路反向鏈路 IS-95中使用的編碼中使用的編碼 短代碼短

15、代碼 I和Q信道采用兩種短代碼。 短代碼為最長線性移位寄存器序列，帶一個附加位； 長度 = 215 = 32,678 chips。 短代碼的偏移或相位用于區分小區及扇區。 所有基站小區都發送一個導頻，該導頻為未調制的I 和Q短代碼，可用于手機切換時識別扇區。 有512個可用的偏移。 IS-95IS-95中使用的中使用的PNPN序列序列 長代碼長代碼 長代碼為最長線性移位寄存器序列。 周期為(242 1) 個碼片（碼片速率為1.2288 Mcps ），即41 天重復一次。 長代碼的相位用來表示手機的ESN。 在反向鏈路中，長代碼用來區分每個移動設備，即手機；同 時提供x4的頻譜擴展。 在前向鏈路

16、中，代長碼提供下列功能 對用戶數據隨機化； 對功率控制的比特位隨機化。 IS-95中的中的Walsh碼碼 在IS95中，使用64位Walsh碼作為正交 碼。 在前向鏈路中：在每個扇區內，每一信 道通過專用的正交Walsh碼來區別信道。 在反向鏈路中：用Walsh碼作分組碼對數 據進行調制。 功率控制功率控制 功率控制要求功率控制要求 保證足夠的Eb/N0 :通過功率控制，使整個手機的發射功 率保證接收機所接收的信號至少達到最小Eb/N0 需求值。 保持一個不高于需求值的發射功率的要求，使得給其他 用戶的干擾達到最小。 在CDMA系統中實現嚴格的功率控制，是CDMA系統的 一大技術特點。CDMA

17、系統是一個干擾受限的系統，如 果每個移動臺的發射功率受控，使得它的信號以所要求 的最小的信號干擾比到達基站，那么這個系統的容量就 會達到最大。功率控制的目的，就是要保證每個用戶的 接收和發射，在保證信息正確接收的條件下，有剛剛足 夠的能量。 正向功率控制主要目的是使小區內所有 移動臺接收良好，增加小區容量，并減 少對鄰區的干擾。正向功率控制一般只 需要小動態范圍、慢速率的控制。 反向功率控制主要目的是克服遠近效應， 使小區內移動臺間干擾最小，保證基站 能同時接收穩定數量的移動臺信號，提 高系統容量。反向功率控制一般要求動 態范圍大、控制速度快、控制精度高， 反向功率控制一般又分為反向開環控制

18、與反向閉環控制。 功率控制分類功率控制分類 反向鏈路開環功率控制 為手機提供到達BTS所需的傳輸功率估值 反向鏈路閉環功率控制 基于在BTS接收到的Eb/No，和在BSC接收到的FER 通過由BTS每1.25毫秒向手機發送1dB指令來完成 要注意到抗衰落的問題 前向鏈路功率控制 根據來自手機的FER報告對每個前向信道進行功率調整（50赫茲） 不如反向鏈路關鍵，因為所有的信道（一個扇區）是在一個公共的 集合信道中并一起衰減。 反向鏈路閉環功率控制反向鏈路閉環功率控制 需要的Eb/No隨速度、相異性和環境（通常為4到9dB） 的變化而變化 功率控制最終由FER（質量）推動 BS-RX Eb/No

19、(est.) MS + - Filter 濾波器 FER target (1%) FER Eb/No設定點 1 dB /1.25ms 反向鏈路功率控制子信道 前向鏈路功率控制前向鏈路功率控制 正向鏈路功率控制比較緩慢（50赫茲）。兩個觸 發器用于正向鏈路功率控制 周期的報告 門限的報告 BS-TXMS FER target (1%) TCH Gain Start Errored Frame Count TCH Gain Min TCH Gain Max FPC Algorithm Gain TCH Modulation 話音激活與可變速率聲碼器技術話音激活與可變速率聲碼器技術 在典型的全雙工通

20、信中，每次通話的占 空比小于35%。CDMA系統在通話的停 頓期間，降低信號傳輸速率，從而減輕 對其它用戶的干擾。這即是CDMA系統 中的話音激活技術。由于CDMA系統的 容量與所受干擾功率有關，降低用戶間 的干擾，則可增加系統容量。 目前CDMA系統普遍采用可變速率聲碼 器，可變速率聲碼器的一個重要特點是 使用適當的門限值來決定所需速率，門 限值隨背景噪聲電平的變化而變化，從 而提高了話音的質量，同時在低速率工 作時又降低了信道間的干擾，提高了系 統的容量。 在IS-95 CDMA系統中，采用了8kbs和13kbs的 變速率聲碼器技術。在8kbs聲碼器中，采用了 4種碼率的傳輸速率，根據話音

21、信號激活程度， 聲碼器自動選擇傳輸速率。 設了三個門限來變換聲碼器速率，三個門限由 前一幀話音自相關函數和前一幀噪聲電平決定， 每幀更新一次（20ms）。 聲碼器采用了QCELP編碼（Q碼激勵線性預測） 如若話音幀自相關函數： 三個門限，選擇全速率（9.6kbs） 大于二個門限，選擇半速率（4.8kbs） 僅大于一個門限，選擇1/4速率（2.4kbs） 所有三個門限，選擇1/8速率（1.2kbs）； 當不講話時，用1.2kbs速率，只傳背景噪聲。 RAKE分集接收技術分集接收技術 在移動通信中，多徑傳播往往會產生有 害的多徑干擾。但在擴頻通信系統中卻 可以對這些多徑信號進行分離和合并， 實現多

22、徑分離，以改善系統的性能。具 有這種功能的接收機稱為RAKE接收機。 1958年Price和Green提出一種解決多徑的方法： 利用偽PN碼的特征，時移序列與原序列相關性 小，因看似相關接收機圖像耙子（RAKE）， 而稱為RAKE接收機。 RAKE接收機包含多個相關器，每一相關器接 收一個多徑信號，多徑信號被相關器解擴后， 可按最大比組合在一起。因為接收到的多徑信 號的衰落是獨立的，經分集后，系統的性能可 得到改善，這也是CDMA系統的話音質量優于 TDMA系統，通話時不易掉話的原因之一。 CDMA系統中基站4路RAKE，移動臺3路 RAKE的基本原理圖 RAKE接收機的基本原理圖 相關器 1

23、 相關器 2 相關器 3 搜索器 合并 信道估計 圖中假設有多條路徑，路徑具有不同的 時延t1、t2、t3tN，以及不同的衰 落因子a1、a2、a3 aN。RAKE接收機設 計成三個支路對應三條路徑的多徑分量。 對每一支路，接收信號分別與一個對應 時延t的擴頻碼相關，信號經解擴后加 權再組合，從而達到分集接收的目的。 相關時延小于的多徑分量不能被分解。 1.2288Mcps的PN碼片允許以0.814s的時 間間隔分解多徑成分。 越區切換越區切換 CDMA切換切換 GSM和AMPS系統采用“先中斷再連接”的方式進行切換 手機識別目標BTS扇區并向BSC報告 在與BTS2建立連接之前，先斷開與BT

24、S1的連接 CDMA采用“先連接再中斷”的方式進行切換 手機識別目標BTS扇區并向BSC報告 同時連接多達6個扇區 被稱為“軟切換” 軟切換技術是CDMA系統獨有的技術。 軟切換的機理是：當移動臺在工作時，特別在 運動的狀態下，移動臺對鄰近基站發出的同一 工作頻率的導頻信號不斷地進行測量，而且把 檢測到的導頻信號根據強弱進行分類、登錄， 并動態進行調整，根據通信環境的變化，作出 可靠的切換判決，同時，把測量結果通知基站， 作為切換的判決依據。 軟切換技術主要涉及導頻搜索技術，導頻強度 的測量技術，切換過程中的導頻變換技術。 軟切換的好處軟切換的好處 改善話音質量 通過功率控制降低小區間干擾 降

25、低掉話率 增加容量和覆蓋范圍 CDMA系統的一個重要優點是軟切換， 可以實現無縫通信。 軟切換的過程是先連后斷。 切換過程中，移動臺輔助（測量導頻信 號強度）、基站引導完成。 軟切換是宏分集的一種實現形式，可以 提高系統性能和容量。 現代通信系統技術體制現代通信系統技術體制 考慮原則考慮原則 l 有效性有效性：在給定的頻率、功率和空間條件下實 現最大的傳輸容量。 l 可靠性可靠性：在給定的信道衰落和干擾條件下實現 最好的業務質量。 l 靈活性靈活性：為固定及移動用戶提供最靈活的無線 接入手段。 l 實用性實用性：成本、體積、重量、耗電等。 關于有效性關于有效性 l 信源編碼技術信源編碼技術：

26、采用有 效的信源編碼技術，在 保證原始消息質量的條 件下，盡可能壓縮傳輸 所需的比特率。 l 調制技術調制技術： 采用高效率 的調制技術（包括頻譜 成形技術），盡可能壓 縮傳輸給定比特率所需 的帶寬。 l 蜂窩技術蜂窩技術：控制發射機 的功率，在通信區域內 劃分出許多蜂窩狀小區， 從而提高無線頻譜的利 用率。 l 智能天線技術智能天線技術：利用天 線的自動定向或扇區劃 分，在通信區域內形成 許多定向的小區，從而 提高無線頻譜利用率。 關于可靠性關于可靠性 l 冗余度技術冗余度技術 糾錯編碼，比特上 的冗余度； 擴頻與跳頻，頻率 上的冗余度； 電平儲備，功率上 的冗余度； 備份切換，設備上 的冗

27、余度。 l 抵銷技術抵銷技術 均衡，用頻域或時 域的方法校正信道的 傳遞函數； 分集，用多重頻率、 時間或天線接收的信 號抵銷多徑效應； 多用戶檢測； 自適應干擾抵銷。 關于靈活性關于靈活性 無線多路無線多路 l 無線多路是無線通信靈 活性的表現之一。 l 無線多路一般遵循多路 電話的標準，如：PDH的 基群、二次群等，SDH的 STM-1等。采用TDM體制。 l 無線通信還能提供靈活 的旁路業務。 無線多址無線多址 l 無線多址接入是無線通 信靈活性的表現之二。 l 采用FDMA、TDMA、CDMA、 SDMA等多址接入技術。 l 既能固定接入，也能移 動接入。 l 在蜂窩移動系統中，越 區

28、和漫游技術的重要性。 關于實用性關于實用性 便攜性便攜性 l 便于攜帶，是無線通信 作為個人通信物理層基 礎的重要特點。 l 為了滿足便攜性，對個 人便攜終端（如：手機） 的體積、重量、功耗都 提出了很高的要求。 l 為解決此問題需要綜合 的技術。 經濟性經濟性 l 隨著個人通信的發展，無 線通信已從傳統的投資類 產品轉化為市場巨大的消 費類產品。 l 在市場競爭的推動下，無 線通信產品的成本價格必 須大幅度下降。 l 降低成本的關鍵：采用系 統集成技術和批量生產技 術。 技術規范技術規范 概述概述 l 現代通信技術規范的重要性 無線頻譜的合理使用 無線系統的干擾協調 無線用戶的入網接口 無線

29、設備的跨域漫游 l 現代通信技術規范的核心 無線傳輸技術（空中接口技術） 無線入網技術 標準系列標準系列 l 國際電聯的標準：CCIR、CCITT、ITU l 世界各國的地區性標準 歐洲標準 北美標準 日本標準 l 我國標準 國家標準 部門標準 無線法規無線法規 l 由信息產業部無線電管理局（原國家無委會）制定無線 電法規，作為國家行政法規頒布。 l 各種無線產品必須符合無線法規制定的入網標準。 l 各種無線產品的研制、生產、引進、使用都必須向主管 部門（各級無委會）申報，特別是無線發射機。 l 各項無線通信工程的設計、施工和運營都必須向主管部 門（各級無委會）申報，特別是使用頻率。 l 違反國家無線法規的行為都屬于違法行為。 頻譜規劃頻譜規劃 l 無線頻譜的使用由無線電管理局統一規劃，并實行許 可證制度。 l 頻譜規劃種類：廣播電視、射電天文、雷達定位、民 用通信、軍用通信等。 l 民用通信舉例：微波通信、衛星通信、移動通信、無 線尋呼、無繩電話、無線數據等。 l 頻譜規劃中允許不同業務共享某個頻段，但在技術上 和管理上要做好協調。 數字微波技術規范數字微波技術規范 l工作頻段：2GHz，4GHz，6GHz，8GHz，11GHz等