《数字通信》六3G--CDMA移动通信系统(rake)2。0

码分多址(CDMA)移动通信系统王德胜[e-mail]华中科技大学电信学院《数字通信》第10章码分多址(CDMA)移动通信系统引言10.1DS-CDMA基本原理10.2DS-CDMA蜂窝通信系统的容量10.3IS-95蜂窝系统的无线传输10.4CDMA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。4(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。6Concept:CDMAPowerFrequencyTimeFDMAFrequencyPowerTimeFDMA/TDMAFrequencyCDMAPowerTimeEvolutionofmultipleaccesstechniques7InterferenceSourcesLong&ShortCodeSpreadingEncoding&InterleavingLong&ShortCodeCorrelatorDecode&DeinterleavingBasebandDataBasebandDataBackgroundNoiseExternalInterferenceOtherCellInterferenceOtherUserNoise384kbps1152kbps3.84mcps3.84mcps1152kbps384kbpsCDMATransmitterCDMAReceiver5MHzBWfc5MHzBWfc390kHzBW0390kHzBW05MHzBWfc5MHzBWfcfc-100dB/HzfcSpuriousSignalsConcept:CDMA3.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。10.1DS-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DNCNfCfCC10bTdt调制调制►C1…CN为正交码序列10SpreadspectrumsignalDS-CDMAtransmitterGenerationofaBPSK-modulatedSSsignal10.1.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-Noisesequence）.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τP(1)Tp0()iR-1(m序列)例：(2).常用正交码①Walsh(沃尔什)序列：在τ=0时刻严格正交(Ri,j(0)=0)，自相关不好。②m序列：τ任意值时都准正交(Ri,j(τ)Ri(0)=P)，自相关很好。③Gold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…t1－1…t1－1…Tt1－1…TtTpWalsh函数的定义►Wal（n，t）n表示序号2N阶Walsh函数定义为：NNNNNHHHHH2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，D1D2D3+CP3阶m序列CP1234567D11110010D20111001D31011100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+1-1-1m(t-TP)0101110-1+1-1+1+1+1-1m(t-2TP)0010111-1-1+1-1+1+1+1m(t-3TP)1001011+1-1-1+1-1+1+1m(t-4TP)1100101+1+1-1-1+1-1+1m(t-5TP)1110010+1+1+1-1-1+1-1m(t-6TP)0111001-1+1+1+1-1-1+13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0②.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/Tpρ(τ)-2-1012345678911-1/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-NoiseSequence)(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D1D2D3cpDn+n阶m序列C0=1C1C2Cn-1Cn=1X0=1X1X2Xn-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ƒ(x)=1+x2+x3阶次n反馈系数(八进制)313423545，67，756103，147，155……(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DNCNfCfCC10bTdt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)。10.2DS-CDMA蜂窝通信系统的容量(由多址干扰限定)信码d1Rb…信码dn/PNnPN1(Rp)fcIS1BPFSPN1B=2RbfcS’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)·cosωctSi=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/I12S功率谱I=W·Io=(n-1)·P≈n·PfIoS’功率谱f2RbIoEb/2S”功率谱fEb/2IoC’C’/I’=Eb/2Io2Rb•有功率控制各用户到达接收机信号强度相同•n1，n-1≈nC=P=RbEbW=RPI’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=Rpn=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话音质量，对IS-95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).各通话用户是连续发射；(3).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=话音占空比(0.35)。G=扇区系数(2.55)F=频道再用效率(0.6)话音占空比=0.35(1).对方讲话时我不讲：占空比=50%(2).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，将小区划分为3个扇区后，干扰降低3倍，小区用户可增加3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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