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CDMA移动通信系统(rake)ppt

发布时间:2019-06-28 06:37 来源:未知 编辑:admin

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  用户m在正向业务信道的信息比特 卷积 交织器 A 沃尔什函数n 1.2288Mc/s 8.6kb/s 9.2 调制码元 帧质量 指示器 码元 r =1/2 码元 重复 加编码器 尾比特 k=9 4.0kb/s 2.0kb/s 0.8kb/s 4.4 2.0 0.8 (kb/s) 9.6 4.8 2.4 1.2 (kb/s) 19.2 9.6 4.8 2.4 (ks/s) 分频器 调制码元 19.2 ks/s 分频器 长码 产生器 复 接 800Hz 1.2288Mc/s 分组 交织器 功率控制比特800b/s 19.2 ks/s 19.2 ks/s 用户m的长码掩码 基带 滤波器 基带 滤波器 Σ S (t) sin ωct cos ωct I (t) Q (t) I Q I信道引导PN序列 1.2288 Mc/s Q信道引导PN序列 1.2288 Mc/s A 导频 信道 同步 信道 寻呼 信道 寻呼 信道 业务 信道 业务 信道 业务 信道 业务 信道 业务 信道 1 7 1 N 24 25 55 w0 w32 w1 w7 w8 w31 w33 w63 业务数据 控制 子信道 (a) 正向逻辑信道 导频 信道 (b) 反向逻辑信道 导频 信道 同步 信道 寻呼 信道 业务 信道 1 n 1 2 55 用户地址长码 本章小结 扩频的起源、用途; CDMA分集特征,对噪声抑制的原理; PN码与Walsh的概念、实现方法; 容量干扰受限的概念; 分集的实现方法; 基站、扇区、信道、用户地址码的区分; (0,1域) (-1,+1域) W08 0000,0000 -1-1-1-1,-1-1-1-1 W18 0101,0101 -1 1-1 1, -1 1-1 1 W28 0011,0011 -1-1 1 1, -1-1 1 1 W38 0110,0110 -1 1 1-1, -1 1 1-1 W48 0000,1111 -1-1-1-1, 1 1 1 1 W58 0101,1010 -1 1-1 1, 1-1 1-1 W68 0011,1100 -1-1 1 1, 1 1-1-1 W78 0110,1001 -1 1 1-1,1-1-1 1 波 形 hj 人有了知识,就会具备各种分析能力, 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书,广泛阅读, 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍,我们能丰富知识, 培养逻辑思维能力; 通过阅读文学作品,我们能提高文学鉴赏水平, 培养文学情趣; 通过阅读报刊,我们能增长见识,扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操, 给我们巨大的精神力量, 鼓舞我们前进。 * 5. 可变数据率传输(反向业务信道)。 为减小移动台功耗及对其它信道的多址干扰,反向业务信 道重复的码元经过随机的选择,实际只发送无重复的码元: 卷积纠码前速率 发送 9.6kb/s 4.8kb/s 2.4kb/s 1.2kb/s 全发送(∵无重复) 发一次(去掉一次重复) 发一次(去掉三次重复) 发一次(去掉七次重复) 10.4 CDMA蜂窝通信的关键技术和特点 10.4.1 自动功率控制 1. 远近效应及功率控制 MS2 MS1 BS PT2 PT1 d1 d2 RX框图。 远近效应。 功率控制。 RX框图 BPF 解调 D/A 解扩 s’ s” D s PN fc TX无功率控制:PT1=PT2=PT,则 PR1= PR2 PR1(dB)=PR2(dB)+40dB S’功率谱 fc f S”功率谱 C’ I’ S功率谱 C=PR2 I=PR1 解调器C’/I’小,Pe大,话音 质量差 远近效应:近地强信号对远 地弱信号产生严重多址干扰的 现象 TX有功率控制:PT1≠PT2,使PR1=PR2,且C/I刚好为 门限值。 S’功率谱 fc S”功率谱 C’ I’ fc S功率谱 C=PR2 I=PR1 fc 解调器C’/I’大,Pe小, 线). 上行(MS—〉BS):BS收到任何位置MS发来的信号工率都 相等,且刚好达到C/I门限。 (2). 下行(BS—〉MS):任何位置移动台收到BS发来信号刚好 达到C/I门限。 3. 上行(MS—〉BS)功率控制方法。 ①. 方法 MS检测来自BS的下行信号强度及质量,作为BS收到的上行 信号强度与质量的估值,来调整上行信号发射功率。 步长/调整速率:±0.5dB/ms ②. 特点 简单 对阴影效应引起的慢衰落有效 对多径效应引起的快衰落无效(∵上/下行 Δf=4.5MHz ∴快衰落独立) (2)闭环功率。 ①. 方法 BS检测来自MS的信号强度和质量,发指令给MS调整发射 功率。 ②. 特点 对快衰落也有效 (3). 实际控制方案:开环、闭环结合,功率控制快速、精确。 粗控:开环功率控制 精控:闭环功率控制 4. 下行(BS—〉MS)功率控制方法 慢速闭环功率控制(以帧长20ms为单位) 步长±0.5dB 调节范围±6dB 下行功率控制基本未用(控制速率及动态范围小)的原因: 10.4.2 RAKE接收机 1. 原理 RAKE接收机利用PN码锐尖的自相关特性,用多个并行相关器接受多径信号,再合并成一路信号,实现多径分集,降低误码率,提高话音质量: 不同路径信号传输时延不同:0、Δ2、Δ3、… ΔN 每个相关器本地PN码时间偏置与对应路径信号的对齐 设计PN码子码周期TP小于各路径传输时延差,即各路径PN码时 间偏置大于TP,则相互正交,可分别解调出各自路径的数据 例:IS-95中PN码速率Rp=1.2288MC/s,则最小可分开的多径时延差为Tp=1/Rp=0.814us 时间上对齐后合并 2. IS-95系统RAKE接收机并行相关接收机个数 BS: 四个 MS:三个 基带数据 3. 实际接收机框图(移动台) 混频 搜索 接收机 相关 接收机 相关 接收机 相关 接收机 控制器 分集合并 fL IF 搜索接收机对来自基站导频信号的多径分量扫描,找出 3个最强多径分量及对应的PN码延时Δ1、Δ2、 Δ3送控制 器。 控制器产生相应延时的PN码送相关接收机,去解调这3个 最强的多径分量,实现多径分集。 10.4.3 越区切换 FDMA及TDMA(实际是TDMA/FDMA混合多址)蜂窝系统中通话移动台的越区切换都是硬切换: 切换载频到新的小区,则与原小区通信立刻中断。 IS-95的CDMA蜂窝系统支持三种切换: (1). 同一载频的软切换。 (2). 不同载频的硬切换。 (3). CDMA与AMPS的切换。 移动台辅助软切换 (1). 各基站及移动台使用相同频道 (2). 各基站下行信号由基站地址码(不同时间偏置的短PN码) 及逻辑信道码(不同号码的64阶Walsh序列)区分。 (3). 各移动台上行信号由用户地址码区分(由移动电子序号 ESN决定时间偏置的长PN码),而短PN码都是0偏置。 (4). 移动台接收机中的搜索接收机对周围各基的导频信号进 行扫描,检测信号强度。如果其它基站导频信号比当前基站 导频信号强,移动台将启动越区切换:通过原基站向MSC报 告测量结果,发出切换申请。 (5). MSC给移动台分配分属于二个基站的二条逻辑信道,移 动台与二个基站同时通信。 (6). 移动台RAKE接收机内3个相关接收机分成二组,分别接 收二个基站的下行信号,再分集合并。 (7). 二个基站同时接受移动台上行信号,送MSC分集合并。 (8). 移动台与新基站建立可靠通信后,才释放原基站逻辑信 道,完成切换。 这种切换过程中保持与二个(最多三个)基站通信的方式称为 软切换。是DS-CDMA蜂窝系统特有的。 软切换的优点: (1). 切换可靠,不易发生掉话及反复切换的“乒乓”现象。 (2). 切换过程中,双向传输都有二重或三重空间分集(二个或三 个基站),线. 不同载频的硬切换 (1). 切换发生在不同载频的交界处 (2). 切换过程及特点同FDMA及TDMA/FDMA的硬切换 3. CDMA系统与AMP系统的切换 (1). IS-95标准的移动台是双模式的,工作方式可在这二个系统 间切换。 (2). 软件无线电:中频以下数字化,切换运行软件。例: A/D DSP D/A fL IF 切换运行软件 RX 混频 A/D DSP D/A fL IF 切换运行软件 RX: 混频 MS2 MS1 BS PR21 d1 d2 PR22 PR11 PR12 PT1 PT2 TX有功率控制:PT1≠PT2,使PR1=PR2,且C/I刚好为 门限值。 解调器C’/I’大,Pe小, 话音质量好 S’功率谱 fc S”功率谱 C’ fc S功率谱 C = PR2 fc I’ I = PR1 TX无功率控制:PT1=PT2=PT,则 PR1= 104 PR2 PR1(dB)=PR2(dB)+40dB f 解调器C’/I’小,Pe大,话音 质量差 远近效应:近地强信号对远 地弱信号产生严重多址干扰的 现象 fc S’功率谱 S”功率谱 C’ I’ fc S功率谱 C=PR2 I=PR1 fc 长PN码发生器 42 比特 长码掩码 & 模2加 长码 1 2 3 5 6 7 4 8 9 10 40 41 42 x x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x40 x41 x42 D1 D2 D3 & & & 与门:选通 M3 M2 M1 掩码 接入信道比特(每帧88比特) 加编码器 尾比特 kb/s 4.4 卷积 编码器 kb/s 4.8 码元 重复 ks/s 14.4 码元 码元 ks/s 28.8 分组 交织器 码元 ks/s 28.8 正交 调制器 (64进制) 调制码元(沃尔什子码) 4.8 ks/s (=307.2 kc/s) D 基带 滤波器 基带 滤波器 Σ s (t) sin ωct cos ωct I (t) Q (t) I Q 长码 产生器 长码掩蔽 PN子码 I信道序列 1.2288 Mc/s Q信道序列 1.2288 Mc/s 1/2 PN子码 延时=406.9ns 1.2288 Mc/s r=1/3 k=9 反向业务信道 信息比特 (每帧172, 80, 40或16比特) 加编码器 尾比特 卷积 编码器 码元 重复 码元 分组 交织器 码元 ks/s 28.8 正交 调制器 (64进制) 调制码元 4.8 ks/s D 基带 滤波器 基带 滤波器 Σ s (t) sin ωct cos ωct I (t) Q (t) I Q 长码 产生器 长码掩蔽 PN子码 I信道序列 1.2288 Mc/s Q信道序列 1.2288 Mc/s 1/2 PN子码 延时=406.9ns r=1/3 k=9 (307.2 kc/s) 数据猝发 随机化器 1.2288 Mc/s 帧数据率 码元 ks/s 28.8 帧质量 指示器 14.4 28.8 7.2 3.6 ks/s 4.8 9.6 2.4 1.2 kb/s 4.4 9.2 2.0 0.8 kb/s 4.0 8.6 2.0 0.8 kb/s (I,Q)=(1,0) Q信道 I信道 (0,0) (0,1) (1,1) 正向CDMA信道的信号相位 d (t) 扰码 PN (t) 加扰 扰码 PN (t) 去扰 [d (t)⊕PN (t)]⊕PN (t) = d (t) 信息比特(输入) c0 编码字符(输出) c1 g1 g0 沃尔什函数0 1.2288Mc/s A 导频信道信息比特 (全0) 同步信道信息比特 分组 交织器 A 沃尔什函数32 1.2288Mc/s 1.2kb/s 2.4ks/s 4.8ks/s 4.8ks/s 码元 调制码元 码元 重复 卷积 编码器 调制码元 r =1/2, k=9 寻呼信道比特 分组 交织器 A 沃尔什函数p 1.2288Mc/s 9.6kb/s 19.2kb/s 19.2ks/s 19.2ks/s 码元 调制码元 码元 重复 卷积 编码器 调制码元 4.8kb/s 9.6kb/s 分频器 长码 产生器 19.2kb/s 1.2288Mc/s 寻呼信道的长码掩蔽 F=频道再用效率(0.6) DS-CDMA所有小区使用相同频率, 周围小区用户也对本小区用户产生干扰, 为保持总干扰Io不变,要减少小区用户数, 理论分析得其值为0.6。 IS-95系统参数为 W=Rp=1.2288MHz(留保护带后占用带宽1.25MHz) Rb=9.6KHz W/Rb=128 Eb/Io=7dB=5 d=0.35(语音激活因子) G=2.55 F=0.6 系统容量 n = (W/Rb)/(Eb/Io)·(G·F)/d = 120 (ch/cell) 占用同相带宽W=1.25MHz,美国FDMA(AMPS)及 TDMA(D-AMPS)蜂窝系统容量: n(FDMA)=6(ch/cell) n(TDMA)=31.25(ch/cell) 三种系统容量关系: n(CDMA)=4n(TDMA)=20n(FDMA) 10.3 IS-95蜂窝系统的无线MHz(下行) 载波带宽 1.25MHz 信道数据速率 1.2288Mb/s 调制方式 QPSK(下行) OQPSK(上行) 语音编码 QCELP(可变速率码激励线性预测编码) 语音码速率(kb/s) 8.6、4.0、2.0、0.8 信道编码 CRC+卷积编码+交织 地址码 长PN序列 42阶m序列,码速率1.2288MC/s 短PN序列 15阶m序列,子码速率1.2288MC/s Walsh序列 64阶Walsh序列 IS-95无线 地址码及逻辑信道 IS-95采用全码分多址方式, 有三种地址码: 基站地址码、信道地址码和用户地址码。 它们复合在一起构成完整的地址码。 (1). 基站地址码(下行) 采用不同时间偏置的短PN码 短PN码为15阶m序列,在14个连0后插入1个0构成, 长度=215=512×64, 周期= 215/1.2288MC/S=2秒/75=26.67mS 从15个连0之后在CDMA系统偶数秒开始的 短PN码为0偏置序列 (2). 信道地址码 同一基站用64阶Walsh序列作为地址码构成下行逻辑 信道。 不同基站的相同序号逻辑信道不会发生同道干扰, 因为不同基站地址码正交。 (3) 用户地址码 由移动台电子序号(ESN)作掩码得到不同时间偏移的 长PN 码作为用户地址码 长PN码为42阶m序列。在41个连0之后开始的序列为0时 间偏置序列,与CDMA系统时钟的一个特殊时刻保持同步。 移动台电子序号(ESN)及用户地址码唯一标识移动用户。 不同移动台用户地址码相互正交。 也作为上行逻辑信道地址码。 (4) 由于基站地址码及用户地址码分别采用不同时间偏置的 长PN码及短PN码,所以全网必须严格同步。 这由所有基站都采用GPS来实现。 同一基站正/反向(下/上行)逻辑信道构成 正向逻辑信道(BS?MS) 导频信道:无信息调制的短PN码扩频信号,供移动台 提取定时及相干载波。 (2) 同步信道:传输同步信息,包括系统定时及基站短PN 码的偏置系数,移动台获取同步信息后就不再使用该信道 (3) 寻呼信道:寻呼移动台 (4) 业务信道:信息共有四种传输速率(9.6 4.8 2.4 1.3kb/s) 发音时传输速率提高;停顿时传输速率降低,有利于减小多 址干扰,提高系统容量。 业务信道也插入随路信令,用于功率控制和过区切换。 2. 反向逻辑信道(MS?BS) 接入信道:传送接入信令,与正向寻呼信道配合,完成 移动台的呼叫接续。 (2) 反向业务信道:与正向业务信道相对应。 -p64 10.3.2 正向传输 数据速率。 (1). 同步信道:1.2kb/s (2). 寻呼信道:9.6kb/s、4.8kb/s (3). 正向业务信道: 8.6kb/s—〉9.6kb/s 按帧(20ms)处理: [8.6kb/s x 20ms+(CRC)12b+(尾比特)8b]/20ms=9.6kb/s CRC校验(Cyclic Redundancy Check 循环冗余码校验) 循环线性分组码,具有纠、检错功能,指示帧数据质量 卷积编码尾比特:8bit全0,加在1帧数据尾部,以便完成 最后8位有效数据的卷积编码。 4.0kb/s—〉4.8kb/s 按帧处理: [4.0kb/s x 20ms+(CRC)8b+(尾比特)8b]/20ms=4.8kb/s 2.0kb/s—〉2.4kb/s 按帧处理: [2.0kb/s x 20ms+(尾比特)8b]/20ms=2.4kb/s 0.8kb/s—〉1.2kb/s 按帧处理: [0.8kb/s x 20ms+(尾比特)8b]/20ms=1.2kb/s 2. 卷积编码(纠错纠错) 码率r=1/2 约束长度=9的卷积编码。 码率(编码效率)r=1/2:每输入1位数据,输出2位编码 约束长度:1位编码与连续9位编码有关。 编码器初始状态为全0(上1帧的尾比特,8个0),每输入 1位数据比特,便输出2位编码符号(C0、C1)。 8位尾比特帮助已进入移存器的最后8位有效数据完成卷 积编码。 一帧内,码元数加倍,码符速率加倍。 信息速率 b/s=bit/s,符号速率s/s=symbol/s 3. 码元重复 卷积编码送分组交织前,要码元重复: (1). 同步信道重复1次,速率加倍成为4.8ks/s (2). 寻呼信道及正向业务信道 4. 分组交织。 (1). 同步信道 交织跨度26.666ms,交织块码符数=4.8ks/s x 26.666ms=128s 交织矩阵:8行 x 16列 (2). 寻呼信道及正向业务信道 交织跨度20ms,交织块码符数=19.2ks/s x 20ms=384s 交织矩阵:24行 x 16列 5. 数据掩蔽(加扰)。 (1). 用于寻呼信道和正向业务信道,对信息加扰(扰乱、加密) (2). 扰码 由用户地址长PN码1/ 64抽样得到 码速率1.2288MC/S÷ 64=19.2KS/S (3). 加扰与去扰 发端用扰码与调制码符模2加实现加扰,收端用同样的扰码进行去扰。 6. 功率控制子信道。 正向业务信道的调制码符以800b/s的平均速率对调制码符进行 凿孔(重写),插入功率控制比特,去控制移动台的功率。 7. 正交扩展(逻辑信道地址码扩频)。 64阶Walsh序列组有64个正交序列,每个序列有64个子码元, 记为Wi,i=0,1,2…63。它们互相正交,作为逻辑信道地址码, 将对应信道的调制码符进行扩频。 子码速率1.2288MC/S。 每个调制码符对应的子码序列周期:Ts/64Tp=Rp/64Rs (1). 同步信道。 W32 1.2288MC/S ÷(64x4.8KS/S)=4个W序列周期/调制码符 (2). 寻呼信道和正向业务信道。 Wi, i≠0、32 1.2288MC/S ÷19.2KS/S=1个W序列周期/调制码符 (3). 导频信道。 信号比特为全0,Wo为全0,扩展后为全0。 8. 四相扩展。 各逻辑信道信号分别进行四相扩展,线性叠加后发射出去。 (1). 数据同时送同相/正交支路(I/Q支路),无串/并变换。 (2). I/Q支路分别用引导PN序列(短PN序列)—PNI/PNQ扩展(扩频) PNI与PNQ是互相正交的15阶m序列(生成多项式不同), 在14个连0后插入1个0,长度= =512x64,子码速率 1.2288MC/S,码序列周期= /1.2288MC/S=2秒/75=26.67ms 从15连0之后在GPS偶数秒开始的PNI/PNQ为0偏置PNI/PNQ。 (3). 基站下行信号地址码为复合地址码=Wi 短PN码 (4). 引导PN码的作用。 ①. 基站地址码 ②. 引导帮助W序列 扩频:各信道W序列扩频带宽不一致,再用短PN序列扩频 使各信道带宽一致。 同步:W序列自相关特性很差(相关峰不尖锐,且一序列 周期内有多个相关峰),收端只能通过短PN码同步,来达到W 序列同步。 (5). QPSK(正交BPSK,即四相PSK)载波调制。 二路载波正交的BPSK相加或成为QPSK,载波相位关系如图 (6). 为什么四相扩展两支路传送相同数据? ①. 从信息传输角度看,等价于二相扩展(只用1个支路) ②. 四相扩展属于分集发送,收端将二路正交信号(PN码正交且载波正交)分别检测后合并,因而具有以下优点: a. 减小码间窜扰及多址干扰 b. 可采用非相干解调(只用在无导频信道的反向传输)。 10.3.3 反向传输 1.数据速率、卷积编码、码元重复、分组交织、帧质量指示 (CRC编码):与正向传输类似。 2. 正交多进制调制。 (1). 方法 交织器输出码元每6个分为一组,有64种数值,用64位阶 W序列之一(称为调制符号)进行传输。 调制符号速率=28.8KS/S÷6=4.8KS/S 子码速率=4.8KS/S x 64=307.2KC/S (2). 优点 具有纠检错能力:64阶Wi相互正交,即Wi/Wj对应子码位 相同/不相同的各有32个,码距32,可纠正32/2=16位以下的子 码误码。 补偿上行信号非相干解调带来的误码率的增加。 3. 长PN码扩展。 (1). 42阶m序列,长度 -1,子码速率1.2288MC/S。码序列周 期=( -1) ÷1.2288MC/S≈41天 (2). 不同时间偏置的长PN码相互正交,兼作用户地址码及 逻辑信道地址码。 (3). 由掩码设置不同时间偏置的长PN码。 例:由掩码设置不同时间偏置的3阶m序列。 D1 D2 D3 与门:选通 M3 M2 M1 掩码 M1 M2 M3 001 010 011 100 101 110 111 D1 D2 D3 m 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 D1、D2、D3是顺次延时一子码周期的m序列 由掩码选通其中的1、2、3个模2加得不同时间偏置的m序列 m序列与其时间偏置m序列模2加仍为该m序列(时间偏置不同) 不同时间偏置m序列正交 长PN码发生器 (4). 掩码格式 移动台有二个独有的掩码:公开掩码、私用掩码。 移动台电子序号(ESN):全球唯一,由生产厂家固化在移 动台内。 ESN置换规则: ESN=(E31、E30、E29…E2、E1、E0) 置换后 ESN=(E0、E31、E22…E27、E18、E9) ESN置换目的 防止连号ESN(销售在同一地区)对应的长码时间偏移相近。 相关值过大。 4. 四相扩展。 (1). 基本原理同正向信道。 (2). 有以下二点区别: ①. 移动台固定使用0偏置短PN码 ②. Q支路延迟半个子码周期,成为偏移四相移相键控0QPS (Offset QPSK) 信号相位:OQPSK QPSK OQPSK优点:I支路和Q支路子码数据一次只能变一个,相位 只能发生90度改变,消除了QPSK的180度相位变化,包络变 化相对恒定,对功放线性度要求放宽(包络不恒定的调制信号 经过非线性功放,频谱会展宽)。 (3). 四相扩展的优点 ①. 四相扩展两支路传送相同的数据,从信息传输角度看, 等价于二相扩展(只用一个支路)。 ②. 四相扩展属于分集发送,收端将二路正交信号分别检测 后合并,因而具有以下优点: a. 减小码间窜扰及多址干扰 b. 可采用非相干解调(反向传输无导频信道,基站无法 提取相干载频)。 ∵r(t)=d(t)·cosw0t+d(t)·sinw0t ∴rc(t)=d(t)·cosθ+d(t)·sinθ rs(t)=-d(t)·sinθ+d(t)cosθ ∴ ∑ LPF LPF r(t) 合并 ,非相干载波 正交载波调制的非相干解调(IS-95比这复杂) 第10章 码分多址(CDMA)移动通信系统 引言 10.1 DS-CDMA基本原理 10.2 DS-CDMA蜂窝通信系统的容量 10.3 IS-95蜂窝系统的无线 CDMA蜂窝通信的关键技术 习题 引言:蜂窝通信系统发展历程 1.第一代模拟蜂窝系统(1G) (1). AMPS(美):1978年,美国贝尔实验室研制,1983年投入 商用,50多个国家采用。 (2). TACS(英):1983年,在AMPS基础上开发,1985年投入商 用,20多个国家采用。 (3). 其它 2. 第二代窄带数字蜂窝系统(2G) (1). GSM(欧洲):1988年,欧洲邮电行政大会(CEPT)下属欧洲 移动通信特别小组颁布泛欧数字移动通信网(GSM)标准, 1991年投入商用,成为当前全球用户最多的系统。 (2). 1988年,美国蜂窝电信工业协会(CTIA)发布了 用户性能需 求(UPR)文件, 提出对第二代蜂窝通信系统的要求,主要有: ? 系统容量至少是AMPS的10倍; ? 通信质量等于或优于AMPS; ? 与模拟AMPS兼容(双模),等。 有关组织及公司依此研发了以下系统: ①. D-AMPS(IS-54标准,TDMA技术): 1989年,美国工业协会 (TIA)制定标准, 1991年投入商用。 但目前容量为AMPS的3~6倍。达不到UPR的要求。 ②.N-CDMA(IS-95标准,DS-CDMA技术): ? 1993年,美国Qualcomm公司开发的DS-CDMA蜂窝系 统被采纳为北美数字蜂窝标准(IS-95),正式投入商用。 ? 能全面满足、甚至超过UPR的要求, 故有人称之为2.5G蜂窝系统。 3 . 第三代宽带数字蜂窝系统(3G) 全球提出10种标准, 主要是宽带DS-CDMA系统: ①. WCDMA(欧); ②. cdma2000(美); ③. TD-SCDMA(中):时分双工(TDD)、空分(S)/直扩码分多址 (DS-CDMA)。 IS-95(N-CDMA)属于2G,但它是3G、4G的基础,是本章 研究内容。 10.1 DS-CDMA基本原理 地址码 同步 D1 解调 采样 载波 同步 时钟 同步 相关检测 扩频 信码D1 (Rb) 地址码C1 (Rp=PRb) 载波 fC … … S(t) S’(t) 解扩 DN CN fC fC C1 调制 调制 C1…CN为正交码序列 10.1. DS-CDMA基本原理 10.1.1. 正交码序列 10.1.2. DS-CDMA工作原理 (1). 定义 设Ci,i = 1、2…N 是重复周期为T的一组码序列(一周内子码元数为P,子码周期为 TP = T / P )。若它们的互相关函数为0,即 则称为正交码序列组,可作为DS-CDMA系统的地址码。 10.1.1. 正交码序列 注:具有尖锐自相关峰的码序 列称之为 PN码 ( Pseudo-Noise sequence). 为便于收端实现地址码同步,它们应具有尖锐的自相关峰,即满足 τ P(1) Tp 0 -1 (m序列) 例: (2). 常用正交码 ① Walsh(沃尔什)序列: 在τ= 0时刻严格正交(Ri,j(0)=0),自相关不好。 ② m序列: τ任意值时都准正交(Ri,j(τ) Ri(0)= P) ,自相关很好。 ③ Gold序列: τ任意值时都准正交(Ri,j(τ) Ri(0)= P) ,自相关很好。 例:4阶Walsh序列组如下所示(一个序列周期) ∴ 码序列互相正交。 (0、1)域 (+1、-1)域 1 -1 … t 1 -1 … t 1 -1 … T t 1 -1 … T t Tp m序列:最大长度线性移位寄存器序列 例: 3阶m序列 3阶m序列的一个周期 m序列的性质: (1). 序列周期长度 ( n位移存器每位取值0,1值, D1 D2 D3 + CP 3阶m序列 CP 1 2 3 4 5 6 7 D1 1 1 1 0 0 1 0 D2 0 1 1 1 0 0 1 D3 1 0 1 1 1 0 0 各种组合有 种,但全0不会出现) (2). 归一化自相关函数---相关系数ρ(τ)=R(τ)/R(0) m(t) 1011100 +1-1+1+1+1-1-1 m(t-TP) 0101110 -1+1-1+1+1+1-1 m(t-2TP) 0010111 -1-1+1-1+1+1+1 m(t-3TP) 1001011 +1-1-1+1-1+1+1 m(t-4TP) 1100101 +1+1-1-1+1-1+1 m(t-5TP) 1110010 +1+1+1-1-1+1-1 m(t-6TP) 0111001 -1+1+1+1-1-1+1 3阶m序列及其时间偏移m序列 一个周期序列内有1个尖锐的自相关峰 另一个角度看问题:m(t)与m(t-τ), τTp, 互相关值很小, 准正交。 (2). 随机性 ①. 0,1码元数基本相等(1比0多1个):4个1,3个0 ②. 游程(连0或连1): 游程总数= L=2N-1 :23-1= 22 = 4 长度为1的游程数= L/21:2 长度为2的游程数= L/22:1 … 长度为K的游程数= L/2K,K≤ n-1 … τ/Tp ρ(τ) -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 -1/N=-1/7 长度为n-1的连0数=1 长度为n的连1数=1 (初始状态全1,开始输出n个1) 长度为n的连0不存在(初始状态全0,输出恒为0) (3). m序列等具有随机性及尖锐的自相关峰,与白噪声类似, 故称为伪噪声码(PN码:Pseudo-Noise Sequence) (4). m序列与其时间偏移序列模2加(相乘)为另一时间偏移的 该m序列。 例如3阶m序列: (5). 不同时间偏移(时间偏置τ, )的同一m序列之间准 正交,故可在同步组网的DS-CDMA系统中作地址码。 当 n很大时,正交性好(相关系数ρ=1/N=1/(2n-1), 可用的序列很多(N=2n-1)。 随机性: 波形0,1等概,随机变化 m序列发生器的一般构成 (1). 构成:将移位寄存器某些级(反馈系数Ci=1的级)模2加后反馈 至输入级,在时钟驱动下产生m序列。 (2). 生成多项式 D1 D2 D3 cp Dn + n阶m序列 C0=1 C1 C2 Cn-1 Cn=1 X0=1 X1 X2 Xn-1 例:3阶m序列,n=3, 反馈系数=13(八进制) =1×8+3=11D=1011B=C0C1C2C3 , 则,生成多项式 ?(x)=1+x2+x3 阶次n 反馈系数(八进制) 3 13 4 23 5 45,67,75 6 103,147,155 … … (3). 已找到的部分m序列 10.1.2. DS-CDMA工作原理 地址码 同步 DK 解调 采样 载波 同步 时钟 同步 相关检测 扩频 信码D1 (Rb) 地址码C1 (Rp=KRb) 载波 fC … … S(t) S’(t) 解扩 DN CN fC fC C1 调制 调制 设:系统有关参数如下 (1).N个用户信码为d1、d、…、dN,信码速率Rb(单位:b/s, 比特/秒)、周期Tb=1/Rb。 (2).采用包含N个码序列的正交码组c1、c2、…、cN作为地址码, 子码速率Rp(单位:c/s,码片/秒或子码/秒)、周期Tp=1/Rp。 地址码序列每周期包含P个子码元,序列周期 (3).设置信码周期Tb为子码序列周期T的整数倍 , K为整数 则 上式表明,信息码与地址码相乘后占据的频谱宽度扩展了KP倍。 则,由N个正交地址码在一对双工载频上构成N个逻辑信道, 可供N对用户同时通信: 由上式可见,发端先扩频调制再载波调制或先载波调制 再扩频调制得到,二者是等效的。 与此对应,收端也有二种等效的解调方案。 图中所示系统,发端先扩频调制再载波调制,收端先载波 解调再扩频解调。 下面分析其工作原理。 , 2PSK调制 收端用户1从发端N个用户发射在空中,在时域及频域 完全混叠的DS-CDMA信号中,接收到发端用户1的信码, 而且不存在多址干扰(其它地址码用户的干扰)。 10.2 DS-CDMA蜂窝通信系统的容量(由多址干扰限定) 信码d1 Rb … 信码dn / PNn PN1 (Rp) fc I S1 BPF S PN1 B=2Rb fc S’ 解扩 S” 解调 d1 … 实际接收端是首先解扩(输入信号与地址码相乘,再由BPF 滤波输出解扩后的窄带信号),然后再载波解调。由于无对 地址码的相关检测处理(输入信号与地址码相乘再积分),因 而存在多址干扰,从而限制了系统的容量。 设:S1=d1(t)·PN1(t)·cosωct Si=di(t)·PNi(t)·cosωct … 式中,PN地址码为不同时间偏移的同一m序列,互相正交。 则收端各点信号功率谱如下图: C、I、Io、Rb、Eb、 W、n、C/I 1 2 S功率谱 I=W·Io=(n-1)·P≈n·P f Io S’功率谱 f 2Rb Io Eb/2 S”功率谱 f Eb/2 Io C’ C’/I’=Eb/2Io 2Rb 有功率控制各 用户到达接收机 信号强度相同 n1,n-1≈n C=P=RbEb W=RP I’ C=有用信号功率 I =其他用户干扰(多址干扰)信号功率 Io=多址干扰功率谱密度 Rb=数据码速率(b/s) Eb=数据每bit能量 W=扩频信号带宽。 发端扩频数据要经过RP/2带宽低通成型滤波器 (无码间串扰)后再进行2PSK调制,则W=Rp n= 一个小区内同时工作最大用户数, 即最大可用逻辑信道数—小区容量(ch/cell) C/I=Rb·Eb/WI0=(Eb/I0)/(W/Rb) W/Rb=Rp/Rb 为扩频因子。 是有/无扩频系统射频信号带宽之比。(如果没有扩频, 信码要经过Rb/2带宽低通成形滤波器后再进行2PSK调制, 则射频带宽为Rb。) Eb/Io=归一化信干比。 为解扩后信干比 Eb/2Io 的2倍。 决定了2PSK解调输出数据误码率或线系统实测表明应取 Eb/Io=7dB=5(4级话音)。 可得 C/I=RbEb/WIo=(Eb/Io)/(Rp/Rb) 又有 C/I=P/nP=1/n 则得小区容量 n=(Rp/Rb)/(Eb/Io) 上式推导只考虑了: (1). 本小区用户的多址干扰; (2). 各通线). 小区未分扇区 按实际情况修正后小区容量为 n=(Rp/Rb)/(Eb/Io)·(G·F)/d 式中, d=线) F=频道再用效率(0.6) 线). 对方讲线). 我讲话时有字间、话间、甚至更长时间停顿: 占空比=70% ×50%=0.35 无话音时停止发射,则干扰降低到原来的0.35, 小区用户可增加1/0.35,而总干扰WIo不变,即Io 不变,则Eb/Io不变,话音质量不变。 G=扇区系数(2.55) 基站采用120o定向天线倍,而总干扰Io不变。 由于扇区之间有15%的重叠,所以实际应用应取 G=3 (1-0.15)=3×0.85=2.55 *

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