《3G移動通信理論及應用》課件第7章

第7章CDMA2000關鍵技術7.1信道估計與多徑分集接收技術7.2高效的信道編譯碼技術7.3功率控制技術7.4宏分集與軟切換

7.1信道估計與多徑分集接收技術

7.1.1信道估計技術

信道估計技術與其他通信信道相比,移動通信信道是最為復雜的一種。多徑衰落和復雜惡劣的電波環(huán)境是移動通信信道的特征,這是由運動中進行無線通信這一方式本身所決

定的。為了有效克服衰落帶來的不利影響,必須采用各種抗衰落技術,包括分集接收技術、均衡技術和糾錯編碼技術等。在CDMA2000系統(tǒng)中,所傳輸?shù)男盘柺菍拵盘?其帶寬遠大于移動信道的相干帶寬,因而可以采用具有良好自相關特性的擴頻信號,在時間上分辨出較細微的多徑分量。

對分辨出的多徑信號分別進行加權調整,使合成之后的信號得以增強,從而可在較大程度上降低多徑衰落信道所造成的負面影響。相應地把最佳接收機稱為Bake接收機,它是CDMA2000系統(tǒng)中實現(xiàn)多徑分集接收的核心部件。為了實現(xiàn)相干形式的Bake接收,在CDMA2000系統(tǒng)的上行鏈路和下行鏈路中均采用了連續(xù)的公共導頻信道進行信道估計(在Is95系統(tǒng)中,上行鏈路中沒有導頻信道,這使得基站接收機中的同步和信道估計變得困難,通常采用差分相干或非相干接收方案),使得接收機能夠在確知已發(fā)數(shù)據(jù)的條件下,估計出衰落信道中時變參數(shù)的幅度和相位信息,從而實現(xiàn)相干方式的最大比合并,以獲得合并增益。7.1.2多徑分集接收技術

在頻帶較窄的調制系統(tǒng)中,若采用模擬的FM調制的第一代蜂窩電話系統(tǒng),則多徑的存在導致嚴重的衰落。在CDMA調制系統(tǒng)中,不同的路徑可以各自獨立接收,從而顯著地降低多徑衰落的嚴重性。但多徑衰落并沒有完全消除,因為有時仍會出現(xiàn)解調器無法獨立處理的多路徑,這種情況導致某些衰落現(xiàn)象。分集接收是減少衰落的好方法。它充分利用傳輸中的多徑信號能量,把時域、空域、頻域中分散的能量收集起來,以改善傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1.時間分集

由于移動臺的運動,接收信號會產生多普勒頻移,在多徑環(huán)境,這種頻移形成多普勒頻展。多普勒頻展的倒數(shù)定義為相干時間,信號衰落發(fā)生在傳輸波形的特定時間上,稱為時間選擇性衰落。它對數(shù)字信號的誤碼性有明顯影響。

若對其振幅進行順序采樣,那么,在時間上間隔足夠遠(大于相干時間)的兩個樣點是不相關的,因此可以采用時間分集來減少其影響。即將給定的信號在時間上相隔一定的間隔重復傳輸N次,只要時間間隔大于相干時間就可以得到N條獨立的分集支路。

從通信原理分析可以知道,在時域上時間間隔Δt應該大于時間域相關區(qū)間ΔT,即其中B

為多普勒頻移的擴散區(qū)間,它與移動臺的運動速度成正比。可見,時間分集對處于靜止狀態(tài)的移動臺是無用的。時間分集與空間分集相比,其優(yōu)點是減少了接收天線數(shù)目,缺點是要占用更多的時隙資源,從而降低了傳輸效率。

2.頻率分集

該技術是將待發(fā)送的信息分別調制在不同的載波上發(fā)送到信道。由于衰落具有頻率選擇性,當兩個頻率間隔大于相關帶寬時,即其中L

為接收信號時延功率譜的帶寬,衰落是不相關的。市區(qū)與郊區(qū)的相關帶寬一般分別為50kHz和250kHz左右,而CDMA系統(tǒng)的信號帶寬為1.23MHz,所以可以實現(xiàn)頻率分集。例如,在城市中,800~900MHz頻段,典型的時延擴散值為5μs,這時有即要求頻率分集的載波間隔要大于200kHz。頻率分集與空間分集相比,其優(yōu)點是少了接收天線與相應設備的數(shù)目;缺點是占用更多的頻譜資源,并且在發(fā)送端有可能需要采用多部發(fā)射機。

3.空間分集

在基站間隔一定距離設定幾副天線,獨立地接收、發(fā)射信號,可以保證每個信號之間的衰落獨立,采用選擇性合并技術從中選出信號的一個輸出,減少衰落的影響。這是利用不同地點(空間)收到的信號衰落的獨立性,實現(xiàn)抗衰落。

空間分集的基本結構為:發(fā)射端一副天線發(fā)送,接收端N部天線接收。

接收天線之間的距離為d,根據(jù)通信原理,d即為相關區(qū)間ΔR,它應該滿足分集天線數(shù)N越大,分集效果越好。但是不分集與分集差異較大,屬于質變。分集增益正比于分集的數(shù)量N,其改善是有限的,且改善程度隨分集數(shù)量N的增加而逐步減少,稱為量變。工程上要在性能與復雜性之間作一個折中,一般取N=2~4?？臻g分集還有兩類變化形式:

(1)極化分集:利用在同一地點兩個極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號,可以呈現(xiàn)出不相關的衰落特性,以獲得分集效果。即在發(fā)送端天線上安裝水平與垂直極化天線,就可以把得到的兩路衰落特性不相關的信號進行極化分集。其優(yōu)點是:結構緊湊、節(jié)省空間;缺點是:由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上,因此有3dB損失。

(2)角度分集:利用地形、地貌和建筑物等接收環(huán)境的不同,到達接收端的不同路徑信號不相關的特性,以獲得分集效果。這樣在接收端可采用方向性天線,分別指向不同的方向。而每個方向性天線接收到的多徑信號是不相關的。

空間分集中,由于接收端有N副天線,若N副天線尺寸、增益相同,則空間分集除了可獲得抗衰落的分集增益以外,還可以獲得每副天線3dB的設備增益。 7.2高效的信道編譯碼技術

CDMA2000采用了循環(huán)冗余校驗、卷積、塊交織、Turbo碼和擾碼技術。在CDMA2000系統(tǒng)中,由于傳輸信道的容量遠大于單個用戶的信息量,所以特別適于采用高冗余度

的前向糾錯編碼技術。其上行鏈路和下行鏈路中均采用了比IS95系統(tǒng)中碼率更低的卷積編碼,同時采用交織技術將突發(fā)錯誤分散成隨機錯誤,兩者配合使用,從而更加有效地對抗移動信道中的多徑衰落。目前,Turbo碼用于CDMA2000系統(tǒng)的主要困難體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)由于交織長度的限制,無法用于速率較低、時延要求較高的數(shù)據(jù)(包括語音)傳輸。

(2)基于軟輸出MAP的譯碼算法所需的計算量和存儲量較大,而基于軟輸出Viterbi的譯碼算法所需的迭代次數(shù)往往難以保證。

(3)Turbo碼在衰落信道下的性能還有待于進一步研究。

7.3功率控制技術

CDMA20001x中,每個載頻的帶寬是1.25MHz,所有小區(qū)中的所有用戶使用相同的載頻通信,由于頻率統(tǒng)一,每個用戶對于其他的用戶來說是一個干擾。系統(tǒng)通過一種長度為215-1的偽隨機碼(一種PN碼,又稱為短碼)來區(qū)分不同小區(qū),通過walsh碼來區(qū)分不同的信道,通過一種長度為242-1的PN碼(又稱為長碼)來區(qū)分來自不同終端的信道。長碼、短碼和walsh碼都是擴頻碼,它們具有隨機特性,但卻被有規(guī)律地產生,因此稱之為偽隨機碼。偽隨機碼的正交特性和自相關特性接近高斯噪聲的特性,因此被擴頻通信系統(tǒng)所廣泛使用。以1x系統(tǒng)為例,與反向功率控制相類似,前向功率控制也采用前向閉環(huán)功率控制和前向外環(huán)功率控制方式。此外,還引入了前向快速功率控制概念。

前向功率控制包括三部分:前向閉環(huán)功率控制、前向外環(huán)功率控制和前向快速功率控制。

(1)前向閉環(huán)功率控制:閉環(huán)功率控制把前向業(yè)務信道接收信號的Eb/Nt(Eb是平均比特能量;Nt指的是總的噪聲,包括白噪聲、來自其他小區(qū)的干擾)與相應的外環(huán)功率控制設置值相比較,來判定在反向功率控制子信道上發(fā)送給基站的功率控制比特的值。

(2)前向外環(huán)功率控制:前向外環(huán)功率控制實現(xiàn)點在移動臺,基站需要做的工作就是把外環(huán)控制的門限值在尋呼消息中發(fā)給移動臺,其中包括FCH和SCH的外環(huán)上下限和初始門限。

外環(huán)功率控制根據(jù)指配的前向業(yè)務信道要達到的目標誤幀率(FER)所需的Eb/Nt來估算門限設置值。該設置值或者通過閉環(huán)間接通知基站進行功率控制,或者在前向業(yè)務信道沒有閉環(huán)的情況下通過消息通知基站根據(jù)設置值的差異來控制發(fā)射功率水平。

(3)前向快速功率控制:在前向外環(huán)功率控制“使能”的情況下,前向外環(huán)功率控制和前向閉環(huán)功率控制共同起作用,達到前向快速功率控制的目標。

前向快速功率控制雖然發(fā)生作用的點在基站側,但是進行功率控制的外環(huán)參數(shù)和功率控制比特都是移動臺檢測前向鏈路的信號質量得出輸出結果,并把最后的結果通過反向導頻信道上的功率控制子信道傳給基站。

7.4宏分集與軟切換

7.4.1宏分集

宏分集(macrodiversity)是指移動臺同時與兩個或兩個以上的基站保持聯(lián)系,從而增強接收信號質量。它利用兩個或兩個以上的不同基站或扇區(qū)的天線接收經獨立衰落路徑的兩個或多個慢衰落對數(shù)信號。

在CDMA系統(tǒng)中,采用宏分集可大大改善反向信道質量,拓展小區(qū)覆蓋范圍并增加反向用戶容量。從某種意義上,CDMA系統(tǒng)的軟切換過程屬于宏分集。宏分集一般存在于CDMA網基站的扇區(qū)服務交疊區(qū)內。在基站與終端之間提供了一些分組交換連接,這些連接包括實際業(yè)務信道和單獨的控制信道。在信號傳輸中,終端采用了IQ調制,在該調制中,業(yè)務和控制信道被復用以便以不同的支路被發(fā)送,并且終端可同時與一個以上的基站通信。為了在分組交換連接中能實現(xiàn)宏分集,在終端與僅一個基站之間還保持實際業(yè)務信道連接,而在終端與一個以上基站之間同時保持控制信道連接。7.4.2軟切換

1.導頻集

與待機切換類似,切換中也有導頻集的概念,終端將所有需要檢測的導頻信號根據(jù)導頻PN序列的偏置歸為以下4類:

(1)有效集:當前前向業(yè)務信道對應的導頻集合。

(2)候選集:不在有效集中,但終端檢測到其強度足以供業(yè)務正常使用的導頻集合。

(3)鄰區(qū)集:由基站的鄰區(qū)列表消息所指定的導頻的集合。

(4)剩余集:未列入以上三種集合的所有導頻的集合。在搜索導頻時,終端按照有效集以及候選集、鄰區(qū)集和剩余集的順序測量導頻信號的強度。假設有效集以及候選集中有PN1、PN2

和PN3,鄰區(qū)集中有PN11、PN12、PN13

和PN14,剩余集中有PN'、……,則終端測量導頻信號的順序如下:可見,剩余集中的導頻被搜索的機會遠遠小于有效集以及候選集中的導頻。

2.搜索窗

除了導頻的搜索次數(shù)外,搜索范圍也是搜索導頻時需要考慮的因素。終端在與基站通信時存在延時。如圖7－1所示,終端與基站1有t1

的信號延時,與基站2有t2

的信號延時。圖7－1基站之間的延時差別假定終端與基站1同步,如果終端與基站1的距離小于與基站2的距離,必然t1<t2。對終端而言,基站2的導頻信號會比終端參考時間滯后t2-t1

出現(xiàn);而如果終端與基站1的距離大于與基站2的距離,必然有t1>t2,對終端而言,基站2的導頻信號會比終端參考時間提前t1-t2

出現(xiàn)。

因此在檢測導頻強度時,終端必須在一個范圍內搜索才不會漏掉各個集合中的導頻信號。終端使用了搜索窗口來捕獲導頻,也就是對于某個導頻序列偏置,終端會提前和滯后一段碼片時間來搜索導頻。圖7－2搜索窗口與導頻信號搜索窗口的尺寸越大,搜索的速度就越慢;但是搜索窗口的尺寸過小,會導致延時差別大的導頻不能被搜索到。對于每種導頻集,基站定義了各自的搜索窗口的尺寸供終端使用。

?SRCH_WIN_A:有效集和候選集導頻信號搜索窗口的尺寸;

?SRCH_WIN_N:鄰區(qū)集導頻信號搜索窗口的尺寸;

?SRCH_WIN_R:剩余集導頻信號搜索窗口的尺寸;

SRCH_WIN_A尺寸應該根據(jù)預測的傳播環(huán)境進行設定,該尺寸要足夠大,大到能捕獲目標基站的所有導頻信號的多徑部分,同時又應該足夠小,從而使搜索窗的性能最

佳化。

SRCH_WIN_N尺寸通常設得比SRCH_WIN_A尺寸大,其大小可參照當前基站和鄰區(qū)基站的物理距離來設定,一般要超過最大信號延時的2倍。

SRCH_WIN_R尺寸一般設得和SRCH_WIN_N一樣大。如果不需要使用剩余集,可以把SRCH_WIN_R設得很小。

3.參數(shù)

?T_ADD:基站將此值設置為移動臺對導頻信號監(jiān)測的門限。當移動臺發(fā)現(xiàn)鄰區(qū)集或剩余集中某個基站的導頻信號強度超過T_ADD時,移動臺發(fā)送一個導頻強度測量消息

(PSMM),并將該導頻轉向候選集。

?T_DROP:基站將此值設置為移動臺對導頻信號下降監(jiān)測的門限。當移動臺發(fā)現(xiàn)有效集或候選集中的某個基站的導頻信號強度小于T_DROP時,就啟動該基站對應的切換計時器。

?T_TDROP:基站將此值設置為移動臺導頻信號下降監(jiān)測定時器的預置定時值。如果有效集中的導頻強度降到T_DROP以下,則移動臺啟動T_TDROP計時器;如果計時器超時,則這個導頻從有效集退回到鄰區(qū)集。如果超時前導頻強度又回到T_DROP以上,則計時器自動被刪除。

?T_COMP:基站將此值設置為有效集與候選集導頻信號強度的比較門限。當移動臺發(fā)現(xiàn)候選集中某個基站的導頻信號的強度超