第四章 IS-95移动通信系统

•4.1概述•4.2无线信道•4.3信号处理过程•4.4系统控制过程第四章IS--95系统（书8.1--5）4.1概述•1988年美国Qualcomm（高通）公司提出将CDMA技术用于蜂窝移动电话。•1993年美国TIA（美国通信工业协会）接受CDMA技术为北美的标准，即：IS-95A。•1995年全球第一个商用IS-95A系统在香港建设。•1998年中国在北京、上海、西安开通CDMA网络。•2002年中国联通宣布在全国建设CDMA网络。•IS-95标准的全称是：双模宽带扩频蜂窝系统的移动台-基站兼容标准。又称为：CDMA-95，QCDMA。•IS-95标准是一个空中接口（CAI）标准，只提出信令协议和数据结构的特点与限制，包括波形及数据序列的规定。•所谓“双模”，是指该系统可以兼容模拟及数字的操作，从而容易实现模拟蜂窝系统和数字蜂窝系统之间的转换。•IS-95标准的系统及网络结构与GSM类似。IS-95蜂窝通信系统的关键技术和特点1.码分多址技术•在IS-95系统中采用了三重码域的划分，即：沃尔什码（扩频码），Wi(t)，i=1,2,…,64短PN码（m序列扰码），SPNj(t),j=1,2,….,512，周期26.66ms长PN码（m序列扰码），LPNk(t)，k=1,2,….，周期41.4天•这些码同时叠加在信息比特I(t)上，即：I(t)Wi(t)SPNj(t)LPNk(t)•利用码的正交性，可以在接收端恢复出信息比特。CDMA系统多址容量大•CDMA系统是干扰受限的系统。在实际系统中，各地址码之间不是完全正交，存在一定的互相关性，此互相关性导致的多址干扰是影响CDMA多址能力的决定性因素。•CDMA采用多种手段使得多址干扰足够小，从而使CDMA的多址能力比FDMA、TDMA更强，这些手段包括：选择有良好的自相关性、互相关性的地址码；采用信号处理的分集技术消除多址干扰；使用功率控制克服远—近效应，使得系统用户以最小功率通信。在蜂窝移动通信中，还采用语音激活技术、高效纠错码及CDMA扇形分区等技术，使整个CDMA通信系统的干扰减小，容量增大。CDMA系统软容量限制•由于FDMA、TDMA的容量由频率和时隙所决定的，容量是固定值，当同时工作的用户数超过系统容量时，必会出现阻塞。•CDMA蜂窝系统的全部用户共享一个无线信道，用户信号的区分只靠所用码型的不同，因此当蜂窝系统的负荷满载时，另外增加少数用户，只会引起话音质量的轻微下降(或者说信干比稍微降低)，而不会出现阻塞现象。•在业务高峰期间，可以稍微降低系统的误码性能，以适当增多系统的用户数目，即在短时间内提供稍多的可用信道数。这就是说CDMA蜂窝通信系统具有“软容量”特性，或者说“软过载”特性。•这也增加了系统运行的灵活性。CDMA系统具有扩频的优点•CDMA蜂窝系统以扩频技术为基站，因而它具有扩频通信系统所固有的优点，如抗干扰、抗多径衰落等。•CDMA具有天然的保密性。CDMA系统采用的扩频地址码一般是长周期码，接收时，需接收方的本地相关码与发端的扩频码同步，且两码必须完全相同，这就使CDMA系统比一般系统安全，窃听者必须要先破译和产生一个相关的本地码，这是十分困难的。•CDMA信号在空中传播时，由于扩展了频谱，使空中的信号功率谱密度低，这样造成的电磁污染小，对使用者人体和其它电子设备的影响小。有时人们称CDMA手机为“绿色手机”。2.瑞克（RAKE）技术•在移动通信中，多径传播往往会产生有害的多径干扰。但在扩频通信系统中可以对这些多径信号进行分离和合并，以改善系统的性能。具有这种功能的接收机称为RAKE接收机。•RAKE接收机包含多个相关器，每一相关器接收一个多径信号，多径信号被相关器解扩后，可按最大比组合在一起。因为接收到的多径信号的衰落是独立的，经分集后，系统的性能可得到改善，这也是CDMA系统的话音质量优于TDMA系统，通话时不易掉话的原因之一。•IS-95系统中基站4路RAKE，移动台3路.RAKE的基本原理CDMA系统中RAKE接收机的基本原理相关器1相关器2相关器3搜索器合并信道估计•假设有多条路径，路径具有不同的时延t1、t2、t3tN，以及不同的衰落因子a1、a2、a3aN。RAKE接收机设计成三个支路对应三条路径的多径分量。对每一支路，接收信号分别与一个对应时延t的扩频码相关，信号经解扩后加权再组合，从而达到分集接收的目的。•对多径参数的检测与测量是由“搜索接收机”完成的，采用的是确定哪些径存在并对它们处理的方法。•PN码片速率为1.2288MHz，最小可分辨多径间隔为(1.2288106)-1=81410-9=0.814s。•在呼叫进行中，搜索接收机可以监测多径信号的强度并实现分集合并。3.话音激活与可变速率声码器•在典型的全双工通信中，每次通话的占空比小于35%。CDMA系统在通话的停顿期间，降低信号传输速率，从而减轻对其它用户的干扰。这即是CDMA系统中的话音激活技术。由于CDMA系统的容量与所受干扰功率有关，降低用户间的干扰，则可增加系统容量。•可变速率声码器的一个重要特点是使用适当的门限值来决定所需速率，门限值随背景噪声电平的变化而变化，从而提高了话音的质量，同时在低速率工作时又降低了信道间的干扰，提高了系统的容量。•在8kbs码激励线性预测(QCELP)声码器中，采用了4种码率的传输速率，即8、4、2、1kb/s，可以9.6kb/s、4.8kb/s、2.4kb/s、1.2kb/s的信道速率分别传输。•根据话音信号激活程度，声码器设了三个门限来变换声码器速率，三个门限由前一帧话音自相关函数和前一帧噪声电平决定，每帧更新一次（20ms）。•若话音帧自相关函数：大于三个门限，选择全速率（9.6kbs）；大于二个门限，选择半速率（4.8kbs）；仅大于一个门限，选择1/4速率（2.4kbs）；小于所有三个门限，选择1/8速率（1.2kbs）；当不讲话时，用1.2kbs速率，只传背景噪声。•在IS-95CDMA系统中，采用了8kbs和13kbs的变速率声码器技术。4.软切换技术•GSM和AMPS系统采用“先中断再连接”的硬切换方式进行越区切换：手机识别目标BTS扇区并向BSC报告；在与BTS2建立连接之前，先断开与BTS1的连接。•CDMA采用“先连接再中断”的软切换方式进行越区切换：手机识别目标BTS扇区并向BSC报告；同时连接多达6个扇区；在与BTS2建立连接之后，再断开与BTS1的连接。•在CDMA系统中，其相邻小区工作频率采用同一频率，只是扩频地址码不一样。这样用户越区切换不需改变频率，而只改变地址码。当移动台越区时，能够同时连接到两个或多个小区；在老的连接中断之前，新的连接已经建立，这就减少了呼叫中断的概率，改善了切换时的话音质量。•软切换的机理是：当移动台在工作时，特别在运动的状态下，移动台对邻近基站发出的同一工作频率的导频信号不断地进行测量，而且把检测到的导频信号根据强弱进行分类、登录，并动态进行调整，根据通信环境的变化，作出可靠的切换判决，同时，把测量结果通知基站，作为切换的判决依据。•软切换技术主要涉及导频搜索技术，导频强度的测量技术，切换过程中的导频变换技术。•软切换的好处：改善话音质量；通过功率控制降低小区间干扰；降低掉话率；增加容量和覆盖范围5.统一的时间基准•利用“全球定位系统”(GPS)的时标。IS-95系统的每个基站要有一个与GPS时间信号保持同步的时钟。GPS计时的开始时间是：1980年6月6日0时0分0•各基站都配有GPS接收机，利用PN码和此时间进行校准。保持系统中各基站有统一的时间基准，称为CDMA系统的公共时间基准。•移动台通常利用最先到达并用于解调的多径信号分量建立基准。如果另一条多径分量变成了最先到达并用于解调的多径分量，则移动台的时间基准要跟踪到这个新的多径分量。4.2无线信道一.无线信道参数•FDMA/CDMA/FDD多址方式上行(移动台发、基站收)824-849MHz下行(基站发、移动台收)869-894MHz频段宽度为25MHz；收、发频率间隔为45MHz。载频间隔是1.25MHz，系统分为20对载频。扩频地址码64个，总共有20×64=1280个物理信道。•扩频地址码速率：1.2288Mb/s调制方式：前向QPSK，反向OQPSK已调信号带宽1.2288MHz•语音编码方式：8k或13k变速率QCELP码•信道编码方式：卷积码（k=9,正向Rb=1/2，反向Rb=1/3）•数据帧长：20ms•扩频解调门限：7dB(Pe=10-4)•分集接收：基站4路RAKE接收移动台3路RAKE接收二.逻辑信道1.前向逻辑信道CDMA前向信道（基站发，移动台收，1.2288MHz）W0W1W7W8W31W32W33W63业务数据随路信令导频寻呼寻呼业务业务同步•W0为导频信道，用于移动台获取基站的定时和提取相干载波以进行相干解调：通过对导频信号中多径信号的检测，实现RAKE接收机中的信号估计；通过比较相邻基站导频信号的强度，决定何时需越区切换；通过对导频信号强度的检测，决定开环功率控制的初始值。•W1-W7为寻呼信道，定时发送系统信息，入网参数，基站寻呼移动台，在呼叫接续阶段传输寻呼移动台的信息。移动台通常在建立同步后，接着就选择一个寻呼信道(也可以由基站指定)来监听系统发出的寻呼信息和其它指令。在需要时，寻呼信道可以改作业务信道使用，直至全部用完。•W32为同步信道，用来传送同步信息，如系统时间，导频偏置，寻呼信道速率，242-1长码的状态等，供移动台进行同步捕获，根据时间信息确定基站引导PN码的相位，实现移动台的接收解调。在同步期间，移动台利用此同步信息进行同步调整。一旦同步完成，它通常不再使用同步信道，但当设备关机后重新开机时，还需要重新进行同步。当通信业务量很多,所有业务信道均被占用而不敷应用时，此同步信道也可临时改作业务信道使用。•W8-W63（除W32外）为业务信道（55个），用来传送语音编码数据及其它业务数据，也可以插入必要的随路信令，如：功率控制、越区切换等信令。2.反向逻辑信道CDMA反向信道（移动台发，基站收，1.2288MHz）1n1m接入信道接入信道业务信道业务信道使用长PN码区分•当移动台没有使用业务信道时，接入信道提供运动台到基站的传输通路，在其中发起呼叫、对寻呼进行响应以及传送登记注册等短信息。接入信道和正向传输中的寻呼信道相对应，以相应传送指令、应答和其它有关的信息。接入信道是一种分时隙的随机接入信道，允许多个用户同时抢占同一接入信道。每个寻呼信道所支撑的接入信道数最多可达32个。•业务信道和前向逻辑信道相同，用来传送语音编码数据及其它业务数据，也可以插入必要的随路信令，如：功率控制、越区切换等信令。业务信道的最大信道数为64。•反向逻辑信道中没有导频信道，所以基站在接收反向链路信号时，不能采用同步相干解调方式。4-3信号处理过程一.前向信道•1.控制信道＋＋＋＋卷积码卷积码重复重复交织交织分频长码产生导频信道比特寻呼信道比特同步信道比特寻呼信道长码模板W01.2288Mc/sW321.2288Mc/sWP1.2288Mc/s全0码1.2kb/s2.4kb/s4.8kb/s4.8kb/s9.6kb/s4.8kb/s19.2kb/s9.6kb/s19.2kb/s19.2kb/s1.2288Mc/s19.2kb/sAAAR=1/2R=1/2•导频信道的输入为全0码，采用码片速率是1.2288Mb/sW0沃尔什函数进行扩频，然后进行QPSK调制。在基站工作时间内连续发送。＋导频信道比特W01.2288Mb/s全0码A•同步信道的输入速率为1.2kb/s，经过1/2卷积编码、1:2重复，速率变成4.8kb/s，经过深度为26.66ms的交织，在4800bps时,有128个调制符号，交织阵列为16行×8列。•采用码片速率是1.2288Mb/s沃尔什函数进行扩频，然后进行QPSK调制。＋卷积码重复交织同步信道比特W321.2288Mc/s1.2kb/