CDMA-扩展频谱通信技术

扩展频谱通信技术(CDMA)浙江大学信电系余官定[e-mail]主要内容CDMA概括及理论基础常见的扩频序列Rake接收技术CDMA系统中的若干关键技术功率控制软切换多用户检测技术CDMA的历史扩展频谱通信(SpreadSpectrumCommunications)，简称扩频通信，其出现是通信技术的一次重大突破。扩频通信最早始于军事通信，是随着在军事通信中的应用而发展起来的。Shannon在1949年提出了CDMA的理论基础1991年Qualcomm发布了一套CDMA系统测试结果，是当时AMPS容量的10倍1993年IS-95标准制定1997年IS-95B标准完成CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA成了3G的三个主要标准CDMA技术既是一种调制技术，也是一种多址接入技术CDMA技术概括扩频通信技术采用远大于传输数据信息所需最小带宽的传输频带来传送信号，该技术可以用于克服多径干扰、多址干扰和人为非AWGN干扰。这种调制、解调技术所要求的信号设计准则不是尽可能地节省带宽，而是克服干扰。扩展频谱通信方式具有如下二个特征：发射信号所占的带宽远大于信息比特率，并且与信息比特率无关。在发送端信号频带的展宽是通过采用扩谱序列信号来实现的。这个扩谱序列信号与所传输的数据信息无关。在接收端利用与发送端相同的扩谱序列信号来恢复数据。扩频通信的优点易于同频使用，提高了无线频谱利用率。抗干扰能力强，误码率低。保密性好。可以实现码分多址通信。抗多径衰落能力。能够精确定时和测距。CDMA理论基础CDMA基本原理在室内参加宴会的一群人－TDMAPeoplePerson1Person1ABCT1T2T3TDMA示意圖CDMA基本原理在室内参加宴会的一群人－FDMAABCFDMA示意圖CDMA基本原理在室内参加宴会的一群人－CDMAPeoplePerson1Person1ABC英文日文中文CDMA示意圖CDMA分类CDMA分类时域扩频直接序列扩频(DS:DirectSequence)：直接使用高码率的双极性或者多极性的扩频码序列在发送端对要传输的低速数据进行扩频调制，在接收端用相同的扩频码序列进行解扩跳时(TH:TimeHopping)：采用扩频序列控制系统发射信号的有无和持续时间，使发射信号在时间轴上跳变。CDMA分类频域扩频跳频(FH:FrequencyHopping)：同跳时类似，指采用扩频序列控制系统发射信号的频率，使其按照一定的规律在给定的频段内周期跳变。多载波扩频(MC:MultipleCarrier)：在频域中使用给定的扩展码将原始数据流在不同子载波上进行扩展。线性调频：简称Chirp方式，指控制发射信号的频率在一个周期内作线性变化。CDMA分类混合扩频以上几种扩频方式中的两种或多种结合起来，构成混合扩频体制，如FH/DS,TH/DS,FH/TH等。混合扩频比单一的扩频具有更优良的性能。二维扩频：同时在时域及频域进行连续扩频的扩频方式同时获得时间分集和频率分集效果直接序列扩频直接序列扩频发送端直接序列扩频接收端直接序列扩频扩频因子：处理增益：处理增益=扩频增益主要内容CDMA概括及理论基础常见的扩频序列Rake接收技术CDMA系统中的若干关键技术功率控制软切换多用户检测技术扩频序列扩频序列(PN序列)扩频系统中的重要概念类似噪声的二进制随机序列“0”和“1”的个数基本相同自相关性好互相关性小移位相关性小扩频序列101(),0,1,,1NcmmkmkcckNN离散序列的周期自相关函数为()ck101(),0,1,,1NccmmkmkcckNN离散序列的周期互相关函数定义为()cck扩频序列扩频序列－m序列m序列具有很好的随机特性平衡特性游程特性延位相加特性1nb2nbnrb1g2g1rgrgnb1122nnnrnrbgbgbgb1riniigb扩频序列－m序列1、平衡特性在m序列的一个周期中“0”的个数比“1”的个数少1，为，“1”的个数为，所以(1)/2N(1)/2NPr(0)(1)/2NNPr(1)(1)/2NN，扩频序列－m序列2、游程特性把一个周期长度为的m序列首尾相接成一个圈，其中连续出现一串“1”（或“0”）称为“1”（或“0”）的游程。串的长度称为游程长度。(21)r对于m序列来说，一个周期内共有个游程，其中“0”的游程和“1”的游程各占一半；长度为r的游程只有一个，是“1”的游程；长度为（r-1）的游程也只有一个，是“0”的游程；长度为k（kr-1）的“0”游程和“1”的游程个数相等，为个。12r22rk3、延位相加特性m序列与它的移位序列相加后仍然是的一个移位序列。{}nb{}lnTb{}nb扩频序列－m序列m序列波形或伪随机波形的自相关函数()ct1111()12cccccTTNNRNTTNNTcTc1.01/N()cR扩频序列－m序列m序列的缺点是互相关特性差，以及序列数少；扩频序列－m序列WelchBound已经证明任意M个周期为N的二进序列之间的互相关最大峰值满足：'max11ccMMN'max1ccN序列数目M很大扩频序列－Gold序列m序列的缺点同样长度的m序列个数不多序列之间的互相关性并不都好Gold序列基于m序列的码序列优良的自相关和互相关特性序列数目较多扩频序列－Gold序列m序列优选对如果两个m序列的互相关函数的绝对值满足如下条件：则称这一对m序列为优选对。两个m序列优选对的模二相加产生的新码字序列为Gold序列。扩频序列－Gold序列原理结构图扩频序列－Gold序列DDDDDDDDDD251()1gDDD23452()1gDDDDD扩频序列－Gold序列Gold序列主要性质具有三值自相关特性，旁瓣的极大值满足优选对的条件两个m序列优选对不同移位相加产生的新序列都是Gold序列扩频序列－Walsh序列Walsh-Hadamard码(正交码)用于时间同步的系统IS-95使用64×64的Walsh码TDS-CDMA使用16×16Walsh码移位相关性差扩频序列－Walsh序列Walsh序列的产生主要内容CDMA概括及理论基础常见的扩频序列Rake接收技术CDMA系统中的若干关键技术功率控制软切换多用户检测技术Rake接收技术分集时间分集空间分集频率分集RAKE接收不同于传统的空间、频率与时间分集技术，它是一种典型的利用信号统计与信号处理技术将分集的作用隐含在被传输的信号之中，因此又称它为隐分集或带内分集。Rake接收技术由于移动通信传播中多径引起了接收信号时延功率谱的扩散，其中最典型的有两类。连续型时延功率谱：它一般出现在繁华的市区，由密集建筑物反射而形成，如下图所示。()PRake接收技术离散型时延功率谱：它一般出现在非繁华市区，非密紧型建筑群区，如下图所示。()PRake接收技术在接收端的多径传播信号可以用下列矢量图表示如下：假设有三条主要传播路径，第1径第2径第3径接收的合成矢量Rake接收技术若采用扩频信号设计与RAKE接收的信号处理后，三条路径信号矢量图可改变成如下形式：第1径第2径第3径Rake接收后合成矢量代数和Rake接收技术RAKE接收就是设法将上述被扩散的信号能量充分利用起来。其主要手段是扩频信号设计与RAKE接收的信号处理手段。在实际的移动通信中由于用户的随机移动性，接收到的多径分量的数量、大小(幅度)、时延(到达时间不同)、相位均为随机变量，因此合成后的合成矢量亦为一个随机变量。但是如果能利用扩频信号设计将各条路径信号加以分离，再利用RAKE接收将被分离的各条路径信号相位校准、幅度加权，并将矢量和变成代数和。而加以充分利用。当然，这一分离、处理和利用的设想，特别是对于连续型时延功率谱是受分辨率即扩频增益和RAKE接收信号处理方式和能力所限。Rake接收技术主要内容CDMA概括及理论基础常见的扩频序列Rake接收技术CDMA系统中的若干关键技术功率控制软切换多用户检测技术多用户CDMA中的多址干扰MAI-MultipleAccessInterference任何一个用户的信号包含了其它所有用户的干扰信号MAI指得是用户之间的相互干扰MAI与系统的负载成正比MAI包括Intra-cellMAI和Inter-cellMAI多址干扰对CDMA系统的影响传统CDMA系统中的信号检测将于多址干扰视为高斯噪声来处理，因而忽略多址干扰的存在，这种方法会带来以下两个方面的影响：系统容量受到限制：随着同时接入系统用户数目的增加，多址干扰的影响也会逐渐严重起来，导致系统误码率的上升产生远近效应：远离基站用户的信号被靠近基站用户的信号淹没。CDMA中的远近效应在上行链路中，如果小区中所有用户均以相同的功率发射，由于无线信道的衰落及移动台与基站(BS)间距离不同，BS接收到的离BS近的MS的信号功率要比接收到的离BS远的MS的信号功率强，这样，就会对远离基站的MS造成很大的影响，使其性能下降，甚至不能正常工作，这种现象称为“远近效应”。解决办法功率控制多址干扰的抑制方法扩频码的设计提高码之间的互相关性功率控制缓解多址干扰，但不能从本质上消除多址干扰前向纠错编码空间滤波技术智能天线多用户检测技术利用多址干扰中包含的用户间的互相关信息来估计干扰和降低、消除干扰的影响CDMA中的功率控制开环功率控制开环功率控制是移动台根据接收到的基站导频信号强度，来衡量移动台与基站之间的传播损耗，从而确定发射功率的大小，使移动台的发射功率控制在一个范围内。估计误差会造成开环功率控制的性能严重下降CDMA中的功率控制闭环(内环)功率控制基站每隔一段时间(通常是1.25ms)测量收到的移动台信号，得到SIR的估计值，将此估计值与设定的门限值相比较估计值大于门限值，基站发出降低功率指令估计值小于门限值，基站发出提高功率指令基站通过测量接收信号的SIR，不间断地向每个移动台提供反馈信号，形成控制环路，控制移动台的发射功率CDMA中的功率控制外环功率控制基站根据接收到的反向业务信道的误帧率(FER)的变化调整内环功率控制的门限当实际接收的FER高于目标值时，基站就提高内环门限，反之，基站就降低内环门限内环和外环功率控制的关系内环功率控制的SIR门限定义了承载业务的质量需求外环功率控制是通过调整SIR门限维持相应质量需求下的通信质量CDMA中的切换硬切换“先断后接”往往发生频率的变化传统的FDMA系统大多采用硬切换切换过程中容易产生掉话CDMA中的切换软切换“先接后断”用户在切换过程中至少能保持一个连接在切换过程中同时有两个连接宏分集选择性合并往往适用于同频蜂窝系统，在切换过程中频率不发生变化。CDMA中的切换更软切换软切换的一个特殊情况发生在一个BS内的切换扇区间的切换信道发生切换获得宏分集可使用最大比合并技术多用户检测技术不论是多径干扰还是多址干扰，其本质上并不是纯粹无用的白噪声，而是有强烈结构性的伪随机序列信号，而且各用户间与各条路径间的相关函数都是已知的。因此从理论上看，完全有可能利用这些伪随机序列的已知结构信息和统计信息，比如相关性，来进一步消除这些干扰所带来的负面影响，以达到提高系统性能的目的。多用户检测技术多用户检测的主要优点1、它是消除或减弱CDMA中多址干扰的有效手段，也是消除或减弱CDMA中多径干扰的有效手段。2、能够消除或减弱CDMA中远近效应，简化CDMA系统中的功率控制，降低功率控制的精度要求。3、弥补CDMA中由于正交扩频码互相关性不理想所带来的一系列消