CDMA基本原理

CDMA原理无线传输技术和CDMA原理CDMA无线资源管理原理不同体制的3G技术3G无线接入网络形态CDMA原理无线传输技术和CDMA原理CDMA无线资源管理原理不同体制的3G技术3G无线接入网络形态无线传输技术和CDMA原理无线传输环境无线传输技术和多址技术CDMA原理和RAKE接收技术分集技术智能天线技术多用户检测技术无线传输环境无线传输技术和多址技术CDMA原理和RAKE接收技术分集技术智能天线技术多用户检测技术多径环境时间接收信号强度发射信号衰落发射数据-40-35-30-25-20-15-10-50dB接收数据移动信道的多径特征•电磁传播－反射、散射和绕射•无线环境中的信号衰减分成三部分：–幅度衰减较大的路径损耗–伴随中等幅度衰减的具有对数正态分布特性的慢变化成分－大尺度变化–衰减幅度较小的快变化成分－小尺度衰落•两类典型小尺度衰落包络分布的描述方法–瑞利分布（非视距传播）–莱斯分布（视距传播）移动信道的表征•时延表征–平均时延（均值）–时延拓展（标准差），信道相关带宽＝1/时延拓展•频谱–多普勒扩展，运动引起信道变化（快、慢衰落），信道相干时间＝1/多普勒频率–多径特性（信道带宽），平坦衰落和频率选择性衰落–宽带码分多址是频率选择性慢衰落信道•测试信道的方法–衰落的概率分布–电平通过率－衰落快慢，信道衰落的深度–衰落持续时间（交织深度）无线信道模型高斯噪声信道模拟当前径权重接收信号发射信号信道模拟当前径权重信道模拟当前径权重信道模拟当前径权重无线信道建模方法•信道模型–幅度分布，瑞利、莱斯分布–多普勒谱分布，经典谱、平坦谱•信道模拟–滤波法–谐波叠加–谐波分解典型无线移动信道的分类•静态信道（static）•户内信道•户外到户内人行道信道•车载信道•移动信道（moving）•生死信道（birth-death）无线传输技术和CDMA原理无线传输环境无线传输技术和多址技术CDMA原理和RAKE接收技术分集技术智能天线技术多用户检测技术无线通信中的几个概念和区别•多址技术–时分多址，频分多址和码分多址•双工技术–时分双工与频分双工•窄带系统与宽带系统–单个信道的带宽与所期望信道的相干带宽一致–一个信道的发射带宽大于这个信道的相干带宽–宽带系统通常能够带来频率分集的优势频分多址（FDMA）•FDMA信道每次只能传递一个电话如果一个FDMA信道没有使用，并且处于空闲状态，它不能被其他用户使用以增加共享容量•在分配成语音信道后，基站和移动台就会同时地连续不断地发射•FDMA通常是窄带系统•符号时间比平均时延扩展大很多，故平均时延扩展造成的符号间干扰低，无需均衡•FDMA比TDMA简单，同步和组帧比特少，系统开销小•FDMA需要精确的RF滤波器，需要双工器（单天线）•非线性效应：许多信道共享一个天线，功率放大器的非线性会产生交调频率（IM），产生额外的RF辐射时分多址（TDMA）•多个用户共享一个载波频率，分享不同时隙•TDMA系统的数据传递是不连续的，是分组发射，可以关闭•不连续发送，可以利用空闲时隙监听其他基站，实现切换处理•即使使用FDD也无需双工器•需要自适应均衡；需要保护时隙•分组发射需要额外的系统开销，如保护数据同步•按照不同的用户提供不同的带宽•TDMA的效率是指发射的数据中信息所占的百分比•功率控制频率为2Hz或更低•质量控制通过频率规划来实现扩频多址（SSMA）•跳频码分多址（FH－CDMA）–使用窄带FM或FSK，使用能量效率高的恒包络调制，用廉价的接收机实现FHMA的非相干检测–具有安全性；使用纠错编码和多径技术来防止碰撞的影响•直接扩频码分多址（DS－CDMA）–多用户共享同一频率–CDMA是软容量限制，当用户数目增加时，对所有用户而言，系统性能下降；相应当用户数目减少时，系统性能提高–CDMA中信道数据速率小于信道的时延扩展，故可以使用RAKE接收技术–利用宏空间分集，多个基站同时监听，实现软切换，不切换频率；自干扰系统－多址干扰；远近效应•跳时码分多址（TH－CDMA）多址技术图示频率时间TDMA时间频率FDMA频率时间码字CDMA传统多址技术码分多址技术混合扩频技术（HSST）•混合FDMA/CDMA（FCDMA），优点是无需连续带宽，如MC－CDMA在cdma2000中采用•混合直扩/跳频多址（DS/FHMA），避免远近效应，不适用软切换（Bluetooth采用）•时分CDMA（TCDMA），在每一小区内仅分配给一个用户一个特定的时隙，避免远近效应•时分跳频（TDFH），在一个新的TDMA帧开始时跳到一个新的频率，GSM扩频多址种类frequencytimeDSFHTH简单的扩频通信发射接收机框图（1）码字产生数据数据解调码字产生数据TH-CDMA收发射机慢进快出数据调制快进慢出载波产生载波产生上变频频率合成码字产生数据数据解调码字产生频率合成数据基带调制下变频同步跟踪FH-CDMA收发射机简单的扩频通信发射接收机框图（2）宽带调制载波产生码字产生数据数据宽带调制载波产生码字同步/跟踪码字产生解扩DS－CDMA信号发射/接收机各种多址的不同接收方式•频分多址，符号持续时间长，无符号间干扰，直接判决•时分多址，有符号间干扰，无法区分多径，用滤波器进行符号间均衡–自适应均衡器，系数可以调整–每个时隙有导频用以训练系数•直扩码分多址–宽带系统，可以区分多径–多径接收机（RAKE），多径分集CDMA在无线信道中传输的优势－总结•采用RAKE接收机，有效利用了信道相干时间形成的时间分集效应；•宽带传输系统，利用了信道的频率分集效果•码字的多址传输，利用了多用户分集的效果•信号在信道中传输功率低，降低了干扰，提高了保密性•扩频因子灵活变换，又助于多媒体等多速率并发业务的传输•频谱效率高，优于以往的AMPS和GSM，频率复用系数WCDMA为1，GSM为1～18。•支持软切换和更软切换•支持新技术的应用，如多用户检测•WCDMA有下行发射分集，而GSM没有无线传输技术和CDMA原理无线传输环境无线传输技术和多址技术CDMA原理和RAKE接收技术分集技术智能天线技术多用户检测技术码字的自相关和互相关•不同用户采用不同的扩频码字x1(t)，x2(t)…–其自相关特性决定了多径干扰特性–其互相关特性决定了多址干扰特性•自相关函数–R(τ)=x1(t)，x1(t+τ)•互相关函数–V(τ)=x1(t)，x2(t+τ)CDMA的码生成技术•随机序列（贝努利序列）–0和1个数各一半–1或者0连续个数的概率，连续一个为1/2，连续两个为1/4，连续三个为1/8，…–移位序列和原序列有一半相同，另一半不同•m序列–由移位寄存器生成–是最大长度的线性移位寄存器序列，周期是2n-1（n为移位寄存器长度）–其自相关函数只有一个最大值（延迟为零处），其他均为-1，单值性–符合贝努利序列性质Gold序列•Gold序列–由两个优选的m序列异或而成–自相关函数有多值，没有m序列好–比m序列多得多•由于Gold序列具有良好的自相关性质，用于码分多址中区分基站和用户–良好的自相关性质决定了其分段序列之间互相关很小，可以用于区分用户，进行多址Gold序列生成clong,1,nclong,2,nMSBLSB•Gold序列的随机性好，符合伪随机序列的特性•0和1发生的相对频率各为1/2，连续出现0或1的概率小，用于加扰Gold序列00.20.40.60.811.2Gold序列的自相关函数00.20.40.60.811.2•自相关函数近似δ函数，减轻多径干扰•分段后各段的互相关近似为零，减轻多址干扰OVSF&WalshSF=1SF=2SF=4Cch,1,0=(1)Cch,2,0=(1,1)Cch,2,1=(1,-1)Cch,4,0=(1,1,1,1)Cch,4,1=(1,1,-1,-1)Cch,4,2=(1,-1,1,-1)Cch,4,3=(1,-1,-1,1)OVSF码的互相关为零，相互完全正交。Walsh与OVSF码一样扩频因子与业务速率•符号速率×扩频因子＝码片速率–如WCDMA，码片速率＝3.84MHz，扩频因子＝4，则符号速率＝960Kbps；–cdma2000-1x，码片速率＝1.2288MHz，扩频因子＝64，则符号速率＝19.2Kbps；•符号速率＝（业务速率＋校验码）×信道编码×重复或打孔率–如WCDMA，业务速率＝384Kbps，信道编码＝1/3Turbo码，符号速率＝960Kbps；–cdma2000-1x，业务速率9.6Kbps，信道编码＝1/3卷积码，符号速率＝19.2Kbps；不同的扩频调制方式•直接扩频（DS－SS）–通过将伪噪声序列与基带脉冲数据相乘来扩展基带数据，其伪噪声序列由伪噪声生成器产生–误码率受限于多址干扰和远近效应的影响–用功率控制来克服远近效应，受限于功率检测的精度•跳频扩频（FH－SS)–数据以发射机的载波频率跳变的方式发送到表面上随机的信道中–每个信道上，在发射机再次调频之前，数据用传统的窄带调制方式发送一些小的突发–无远近效应的影响，因为多个用户不会同时使用同一频率（Bluetooth技术、快、慢调频）直接扩频调制技术•扩频波形由扰码序列和OVSF叠加产生•扩频通信适合于无线通信环境•有抗干扰能力，每个用户唯一的扰码序列或者唯一的OVSF码，抗多址干扰•所有用户、基站都使用相同的频率，可以简化频率规划工作•良好的抗多径干扰特性：–RAKE接收机利用多径分量–同时由于宽带信号的频率选择性衰落，反映在时域上，多径干扰导致传输延迟的PN信号和原PN序列的互相关性减弱，导致延迟信号对接收机的影响减弱窄带系统大衰落发射信号接收到的衰落信号频率频率强度强度大衰落发射信号接收到的衰落信号频率频率强度强度宽带系统频率选择性衰落直接扩频CDMA的多址方法•利用OVSF码和扰码来进行减少多址干扰–下行是不同的用户采用不同的正交扩频码字（OVSF或Walsh码字），互相关为零，但多径时延拓展会影响互相关性，破坏正交性–下行同时用不同的复扰码来区分基站–上行是不同的用户采用自相关和互相关性都较好的复扰码序列作为扰码来降低多址干扰，同时也加大数据的随机性–复扰码的作用是加大随机性，降低峰值因子•WCDMA中采用了先进的复扰码序列集合，有效降低了小区内多址干扰，同时减轻了小区间的干扰，而无需精确的网络同步CDMA宽带扩频技术有效地利用无线信道的频率选择性衰落扩频码扩频码信号合并CDMA扩频技术窄带信号fP(f)宽带信号P(f)f噪声P(f)f噪声+宽带信号P(f)f信号与噪声分离P(f)fRAKE接收技术有效地克服多径干扰，提高接收性能RAKE接收原理接收机单径接收电路单径接收电路单径接收电路搜索器计算信号强度与时延合并合并后的信号tts(t)s(t)RAKE接收机射频和中频结构双工器Rx滤波器IF去混迭滤波器ADC数字下变频器基带处理器下变频器数据I/OIQIF和平滑滤波器DAC数字上变频器IQ上变频器本振Tx滤波器本振功放RFAGCRFAGCRAKE接收机基带∑Q∑I合并相加I延迟估计带DLL的相关器相位旋转信道估计本地扩频码延迟均衡IQ第一径第二径第三径基带输入信号时间量（径位置）Q匹配滤波器（搜索器）结构本地的扩频码和扰码NN-1…0NN-1…0∑…串行输入的采样数据多径搜索器性能1.522.533.5高斯信道Eb/N00.00010.0010.010.11BLER理想多径搜索实际多径搜索3GPP要求67891011户内信道（CASE1）Eb/N0(dB)0.0010.010.11BLER理想多径搜索实际多径搜索3GPP要求45678户内到户外以及步行信道（CASE2）Eb/N0(dB)0.0010.010.11BLER理想多径搜索实际多径搜索3GPP要求33.544.555.5车载信道（CASE3）Eb/N0(dB)0.00010.0010.010.11BLER理想多径搜索实际多径搜索3GPP要求在AWGN、CASE1、CASE2信