CDMA通信原理.ppt

1、第四章：碼分多址通信原理，4.1碼分多址基本原理，4.2碼分多址蜂窩網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)，4.3碼分多址系統(tǒng)容量，4.1碼分多址基本原理，4.1.1多址技術(shù)的基本概念，1。目的：由于移動用戶不斷地隨機移動，為了在他們之間建立通信，必須首先引入?yún)^(qū)分和識別動態(tài)用戶地址的多址技術(shù)。2.原理：與固定通信中的信號復用技術(shù)相同，兩者在本質(zhì)上都屬于正交信號分割和設(shè)計技術(shù)。3.三種多址接入模式的基本原理。CDMA 4。與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，碼分多址通信在發(fā)射端有更多的擴頻調(diào)制，在接收端有更多的擴頻解調(diào)。4.1.2碼分多址系統(tǒng)的前向鏈路。在碼分多址移動通信系統(tǒng)中，基站和移動臺之間的通信，即空中接口，尤其重要，從基站發(fā)送到

2、移動臺的信號線稱為前向鏈路(下行鏈路或前向鏈路)。類似地，從移動站到基站的信號線被稱為反向鏈路(上行鏈路)。為了簡要說明碼分多址空中接口的通信原理，我們僅舉三個移動用戶為例。圖4-2顯示了前向鏈路組成的框圖。4.1.3碼分多址系統(tǒng)的反向鏈路，在碼分多址系統(tǒng)中，從移動站到基站的無線電線路稱為反向鏈路，也稱為上行鏈路。從圖4-10可以看出，基站接收天線上的信號Z(t)是：圖4-10是碼分多址系統(tǒng)反向鏈路組成的簡化框圖，4.2.1功率控制是4.2碼分多址蜂窩網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，在碼分多址蜂窩移動通信系統(tǒng)中，所有用戶同時使用同一頻帶發(fā)送信息。如果每個移動臺以相同的功率發(fā)送信號，當信號到達基站時，由于傳輸路

3、徑不同，基站接收到的基站附近用戶發(fā)送的信號比小區(qū)邊緣用戶發(fā)送的信號強，所以遠端用戶信號被近端用戶信號抵消，這稱為“遠近效應(yīng)”。通常，路徑損耗的總動態(tài)范圍在80dB的范圍內(nèi)。功率控制的目的是，為了獲得高質(zhì)量和高容量，所有信號到基站的功率應(yīng)該相同，而不管它們到基站的距離如何，從而每個用戶到基站的功率是相同的。開環(huán)功率控制：意味著移動站(或基站)根據(jù)前向(或反向)鏈路接收的信號功率調(diào)整移動站(或基站)的發(fā)射功率。開環(huán)功率控制基于上行鏈路和下行鏈路之間一致的信道衰落。閉環(huán)功率控制：通常意味著基站(和移動站)根據(jù)在前向(或反向)鏈路上接收的移動站(或基站)信號生成功率控制命令，然后通過前向(或反向)鏈路

4、將其發(fā)送到移動站(或基站)，并且移動站(或基站)根據(jù)功率控制命令調(diào)整傳輸功率。對于頻分雙工模式的碼分多址系統(tǒng)，上行鏈路和下行鏈路之間對應(yīng)的頻率間隔是45Mh，這比信道的帶寬大得多。上行鏈路和下行鏈路的衰落無關(guān)，因此采用開環(huán)功率控制很難達到所需的控制精度。一般來說，在頻分雙工模式系統(tǒng)中，開環(huán)功率控制的功能是在移動臺開始接人時調(diào)整發(fā)射功率，同時可以彌補路徑損耗造成的衰減變化緩慢。為了提高功率控制的精度，克服快瑞利衰落，必須采用閉環(huán)功率控制。反向功率控制是分布式功率控制，它控制每個移動臺的發(fā)射功率，使得從基站到移動臺的功率信號基本相等。Pa=Pb=Pc非常好：用戶之間的干擾很小，并且克服了遠近效應(yīng)。

5、容量大，干擾小。反向開環(huán)功率控制反向鏈路開環(huán)功率控制是移動臺的基本功能。動態(tài)范圍：85分貝。響應(yīng)時間短：幾個美國軍艦存在問題：開始時功率高，不必要的干擾增加。解決方案：訪問嘗試，優(yōu)秀：簡單易行，控制速度快，節(jié)省開支，處理速度慢的弱點，有效的缺點：多路徑效應(yīng)(2)反向反向外環(huán)功率控制是在反向閉環(huán)功率控制中動態(tài)調(diào)整信噪比閾值，以適應(yīng)無線信道衰減的變化。反向內(nèi)環(huán)功率控制的過程是基站測量接收信號cI，將該值與設(shè)定值進行比較，并通過發(fā)送功率控制命令來增加或減少功率，使得接收信號cI接近設(shè)定值。前向功率控制前向功率控制是一種集中式功率控制，它調(diào)整從基站傳輸?shù)揭苿诱镜墓β?。其目的是將相對較小的前向發(fā)射功率分

6、配給路徑損耗較小的移動臺，并將較大的前向發(fā)射功率分配給那些距離較遠且解調(diào)信噪比較低的移動臺?；就ㄟ^移動站對前向解調(diào)誤幀率的反饋報告來決定移動站前向鏈路功率的增加或減少。適應(yīng)：基站采用同步碼分多址，選擇完全正交的擴頻碼。理想情況下，基站向每個移動站發(fā)送的擴頻信號是完全正交的，因此移動站之間沒有干擾。多小區(qū)前向功率控制方法類似于反向功率控制，由開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制組成。前向功率控制和反向功率控制的區(qū)別：一對多、多對一的前向?qū)ьl信號。調(diào)整步長：速率、4.2.2信道衰落和分集接收。分集接收技術(shù)用于減少衰落的影響，其功能是在不增加發(fā)射機功率或信道帶寬的情況下提高系統(tǒng)的可靠性。分集原理：一個分散傳

7、輸和兩個集中處理，分集類型(1)宏分集：宏分集用于減少陰影效應(yīng)引起的大規(guī)模衰落，也稱為“多基站”分集。(2)微分集：微分集在同一個地方使用兩個或多個天線，這是一種降低快衰落影響的分集技術(shù)。微分集可分為以下七種類型：空間分集、頻率分集、極化分集、場分量分集、角度分集、時間分集、路徑分集(3)隱藏分集：隱藏分集主要指傳輸信號中的隱藏分集。(1)空間多樣性?？臻g分集的基礎(chǔ)在于快速衰落的空間獨立性，也就是說，如果在任何兩個不同的位置接收到相同的信號，只要這兩個位置之間的距離在一定程度上很大，在這兩個位置接收到的信號的衰落就無關(guān)緊要。具有空間分集的接收機需要至少兩個天線，它們之間相隔距離d，這與工作波長

8、、地面物體和天線高度有關(guān)。在移動信道中，通常取如下值：市區(qū)d=0.5，郊區(qū)d=0.8，(2)頻率分集。因為頻率間隔大于相關(guān)帶寬的兩個信號的衰落可以被認為是不相關(guān)的，所以相同的信息可以用兩個以上不同的頻率來傳輸，以實現(xiàn)頻率分集。根據(jù)相關(guān)帶寬的定義，即(3)極化分集。由于兩種不同極化的電磁波具有獨立的衰落特性，發(fā)射機和接收機可以使用兩種不同極化的天線分別發(fā)送和接收信號，從而獲得分集效果。(4)場成分多樣性。根據(jù)電磁場理論，電磁波的電場和磁場傳遞相同的信息，但反射機制不同。適用于低頻帶。(5)角度多樣性。角度分集的方法是使無線電波通過幾個不同的路徑，以不同的角度到達接收端，接收端可以利用多個定向接收

9、天線從不同的方向分離信號分量；適用于更高的頻帶，(6)時間分集。除了空間和頻率無關(guān)性之外，快速衰落還具有時間無關(guān)性，也就是說，只要每次傳輸?shù)臅r間間隔足夠大以適應(yīng)移動站，相同的信號就在不同的時間間隔內(nèi)被重傳多次。(7)路徑分集瑞克接收機組成：相關(guān)器和組合器原理：過程：相關(guān)器估計每個信號的強度和偽碼相位，找出最強的信號，并使本地碼的三個發(fā)生器的輸出碼相位與相應(yīng)的偽碼同步選擇信噪比最高的支路信號作為組合器的輸出。從上面的公式可以看出，在選擇性組合器中，只有一個加權(quán)系數(shù)是1，其余的都是0。圖4-16是選擇性組合的示意圖。(2)等增益組合：等增益組合是各支路信號的等增益相加。(3)最大比值組合：經(jīng)相位調(diào)

10、整后，由接收端的m個分集電路根據(jù)合適的增益系數(shù)同相相加，然后送到檢測器進行檢測。圖4-17顯示了三種合并模式的平均信噪比的改善程度。4.2.3正交調(diào)制和正交擴頻，由于碼分多址移動通信系統(tǒng)采用擴頻技術(shù)，信道傳輸速率達到1.2288兆比特/秒，因此有必要采用高效的調(diào)制方法來提高頻譜利用率。QPSK調(diào)制和正交相移鍵控調(diào)制利用PN序列進行正交擴頻，使信號特性接近白噪聲特性，從而提高系統(tǒng)的信噪比。正交調(diào)制提高了頻率利用率。4.2.4編碼技術(shù)，數(shù)字通信必須使用編碼技術(shù)，包括信源編碼和信道編碼。語音編碼包括波形編碼、參數(shù)編碼(聲碼器)以及波形和參數(shù)的混合編碼。1波形編碼波形編碼是一種傳統(tǒng)的語音編碼方法，旨在

11、準確再現(xiàn)原始語音波形，并以波形的保真度，即自然度，作為其質(zhì)量的主要衡量標準。雙參數(shù)編碼參數(shù)編碼利用人類發(fā)聲機制，僅傳輸反映語音波形產(chǎn)生的主要變化參數(shù)，并根據(jù)發(fā)聲機制在接收端根據(jù)傳輸?shù)淖兓瘏?shù)人工合成語音。它的主要衡量標準是可理解性。3混合編碼混合編碼吸收了波形編碼和參數(shù)編碼的優(yōu)點，在參數(shù)編碼的基礎(chǔ)上增加了波形編碼的某些特性，在可懂度的基礎(chǔ)上達到了適當提高自然度的目的。3、可變速率聲碼器的語音激活技術(shù)可將容量增加約3倍。活化系數(shù)分別為0.30.4和4.2.5。扇區(qū)劃分技術(shù)是位于小區(qū)中心的基站利用天線的方向特性將小區(qū)劃分為不同的扇區(qū)，如圖4-20所示。圖4-20顯示了三種主要的無線區(qū)域模式。自適應(yīng)

12、天線的框圖如圖4-21所示。它的組成部分是一組按照一定規(guī)則排列在空間中的天線(天線陣列)，一個模式形成網(wǎng)絡(luò)和一個自適應(yīng)處理器。自適應(yīng)陣列的基本思想是根據(jù)相應(yīng)的優(yōu)化算法調(diào)整權(quán)向量w，從而達到陣列天線的最佳性能。這里，以環(huán)形8元陣列為例，如圖4-22所示，實現(xiàn)天線陣波束的自適應(yīng)生成。圖4-21自適應(yīng)天線組成框圖，圖4-22自適應(yīng)天線陣列，4.2.6切換，以及當較軟切換移動站從同一基站的一個扇區(qū)進入具有相同載波頻率的另一個扇區(qū)時的1次轉(zhuǎn)接切換。基站的瑞克接收機將來自兩個扇區(qū)分集天線的最佳語音幀組合成一個服務(wù)幀，并且由基站控制更軟的切換。小區(qū)內(nèi)切換，圖4-23，軟切換，2。當軟切換移動站從一個小區(qū)進入

13、具有相同載波頻率的另一個小區(qū)時的轉(zhuǎn)接切換。此時，移動站保持與不同小區(qū)或三個扇區(qū)的通信(如圖4-24(a)和(b)所示)。軟切換由移動交換中心控制。圖4-24(c)顯示了兩個基站之間軟切換的原理。實施軟切換1。導頻分類在碼分多址系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)系統(tǒng)捕獲，系統(tǒng)采用導頻信道。導頻信道可以通過導頻PN序列偏移和頻率分配來識別。移動臺將可接受的導頻信號分為四類，以實現(xiàn)軟切換操作。1)有效的導頻集。2)候選導頻集。3)相鄰的導頻集。4)剩余的導頻集。3。移交參數(shù)，4。切換過程當移動臺進入某個基站的服務(wù)區(qū)域后離開基站時，移動臺接收到基站的導頻強度由弱變強，再由強變?nèi)醯男盘?，因此導頻信號可能進入有效的切換過程

14、4.當硬切換移動站跨越工作在不同載頻的小區(qū)時，即移動站首先中斷與原始基站的聯(lián)系，然后與新基站聯(lián)系時，發(fā)生轉(zhuǎn)接切換。圖4-25軟/更軟切換，4.3碼分系統(tǒng)的容量，4.3.1碼分多址蜂窩通信系統(tǒng)的容量。蜂窩系統(tǒng)采用頻率復用技術(shù)。使用相同頻率的小區(qū)稱為共信道小區(qū)，共信道小區(qū)之間的干擾稱為共信道干擾。對于模擬頻分和數(shù)字時分系統(tǒng)，系統(tǒng)容量的計算相對簡單。當確定蜂窩系統(tǒng)的總信道數(shù)M=W/B(W是射頻帶寬，B是信道間隔)和數(shù)M(小區(qū)頻率復用數(shù))時，每個小區(qū)的可用信道數(shù)的一般公式，即模擬頻分和數(shù)字時分蜂窩網(wǎng)絡(luò)移動通信系統(tǒng)的容量如下：碼分系統(tǒng)的容量首先考慮一般擴頻通信系統(tǒng)的通信容量(即蜂窩網(wǎng)絡(luò)的特性暫時不考慮)

15、。載波干擾比可以表示為n個用戶共享一個無線信道，每個用戶的信號受到其他n-1個用戶信號的干擾。如果接收機的信號強度和干擾強度相同，那么載波干擾比是(8-2)，(8-3)，通常是n1，所以C/I1/n是(8-4)。這個結(jié)果表明，歸一化的信號干擾比越小，系統(tǒng)可以同時容納的用戶數(shù)量就越大。2.碼分多址系統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)容量(1)利用語音激活技術(shù)提高系統(tǒng)容量人類對話的特點是不連續(xù)的，對話的活動周期(占空比)通常只有35%左右。當許多用戶共享一個無線信道時，如果語音激活技術(shù)被用于使通信中的用戶僅在他們有語音時才發(fā)送信號，并且在沒有語音時停止發(fā)送信號，則當任何用戶的語音停止時，通信中的所有其他用戶都將受益于背

16、景干擾的減少。也就是說，語音暫停可以減少65%的背景干擾，并將系統(tǒng)容量增加1/0.35=2.86倍。FDMA和時分多址系統(tǒng)都可以利用這種語音特性實現(xiàn)動態(tài)信道分配，從而獲得不同程度的容量提升。然而，要實現(xiàn)這一點，兩者都必須增加額外的控制開銷，而要實現(xiàn)動態(tài)信道分配，就不可避免地會帶來時間延遲，這對于碼分多址蜂窩系統(tǒng)來說很容易獲得這一好處。讓聲音的占空比為d，2。扇區(qū)的作用在碼分多址蜂窩系統(tǒng)中，利用定向天線進行分區(qū)可以明顯提高系統(tǒng)容量。例如，用120定向天線將小區(qū)分成三個扇區(qū)可以將背景干擾降低到原始值的1/3，從而將容量增加3倍。FDMA蜂窩系統(tǒng)和時分多址蜂窩系統(tǒng)也可以通過使用扇區(qū)劃分來減少同信道小區(qū)的同信道干擾，從而減少同信道復用距離并提高系統(tǒng)容量。然而，分成三個扇區(qū)的系統(tǒng)容量不能像碼分多址蜂窩系統(tǒng)那樣增加三倍。3。來自相鄰小區(qū)的干擾(1)前向傳輸。在一個小區(qū)內(nèi)，同一個基站不斷地向通信中的所有移動站發(fā)送信號。當任何移動站接收到有用的信號時，基站發(fā)送給所有其他用戶的信號都會干擾移動站。假設(shè)每個小區(qū)的基站同時向N個用戶發(fā)送功率相等的信號。在三個小區(qū)的交界處(圖中的X)，當碼分多址系統(tǒng)中的移動站受到干擾時，信道復用效率F=0.6。因此，(2)反向傳動。F=0.65，碼分多址系統(tǒng)中基站的干擾，模擬FDMA系統(tǒng)(