移动通信原理第4次课课堂练习和Ovsf码

3.3CDMA中的地址码在移动通信中2G的IS-95和3G的CDMA2000、WCDMA均采用码分多址，因此本节重点讨论CDMA中的地址码，并侧重从应用角度介绍。在讨论之前先了解一些相关的基本概念。扩频通信，也就是扩展频率通信。它是在发送端用一个伪随机编码系列将待传输的基带信号频谱扩展几十、几百、几千甚至几万倍，使其变为宽频信号后送入信道中传输。在接收端利用解扩技术恢复基带信号，达到抑制噪声和干扰的目的。•典型扩频通信系统方框图如下。信源产生的信号经过信源编码、线路编码和信道编码之后，将继续进行扩频、加扰和调制。•信源是发出信号的人或设备。信宿是接收信号的人或设备。•在发送支路，信源编码将信源发出的模拟信号数字化；线路编码将数字信号中的连续1和0加以改造，使1和0的出现概率与信源无关，各接近50%；信道编码是在数字信号中加入纠错、路由和同步等信令信号。•扩频就是用n位扩频码代替基带数字序列中的一位“0”和“1”，相对基带数字码速(bit/s)，扩频后的码片速率(chip/s)将提高到n倍，频谱大大扩展，产生的扩频增益将提高系统的抗干扰能力。扩频码也是信道地址码，它还具有理想的正交信道隔离特性，提高了通信质量和系统容量。•加扰就是在数字传输序列中加入用户地址码、基站和扇区地址码。它们的作用是区别不同的用户、不同的基站和扇区，不担负扩频任务，但可以在数字传输序列中起到平衡0/1数量的人为干扰作用，故一般叫做扰码。•载波调制就是通过频谱搬移，使信号能够在适当的射频频段内发射出去。•无线信道就是射频传输的自由空间。•接收支路各模块的作用与发送支路的相反。正交码组•如果两个码组的互相关函数值为0，两码组正交。表明一个码组中不包含另一个码组的任何信息。•例，求码组a=0000与码组b=0101的互相关函数值。先用+1(D)和-1(D)分别替换两个码组中的0(B)和1(B)，然后逐位相乘后对积求和，得到•a=0000=+1+1+1+1•╳）b=0101=+1-1+1-1•+1-1+1-1•a和b两个码组的相关函数值为：•Cab=(1/4)╳(+1-1+1-1)=0•相关函数值Ca,b=0，说明a与b正交。对a和b两个码组采用逐位模二加求和，再用-1(D)和+1(D)分别替换所求和的0(B)和1(B)，也可以得到相同的结果。3.3.1地址码分类与设计要求•CDMA的地址码可以划分为三类：1、用户地址码，用于区分不同移动用户。2、信道地址码，不仅用于区分小区(或扇区)内的不同信道，还担负着扩频的任务。信道地址码可分为：单业务、单速率信道地址码，主要用于2G移动通信IS-95；多业务、多速率信道地址码，主要用于3G移动通信WCDMA和CDMA2000。3、基站地址码，在移动蜂窝网中用于区分不同的小区(或扇区)。83.3.2信道地址码•数学上有限元素的正交函数系有很多，比如离散付氏级数、离散余弦函数、Hadamard函数、Walsh函数等等，它们都可用作产生信道地址码。1、IS-95系统的信道地址码•在IS-95中选用了码长n=26=64位的正交Walsh码作为单业务、单速率信道地址码。即采用64种长度为64位的等长Walsh码作为信道地址码。•Walsh码有多种构造方法，IS-95采用的是最常见的Hadamard编号法。P.41给出的IS-95标准的“64阶Walsh函数”表，就是按Hadamard函数序列编号列出的。按照0(B)→1(D)、1(B)→-1(D)将二进制0/1码序列转换成实数值序列后，计算任意两个Wsldh码对应位乘积之和都等于0(D)。这个结果说明不同编号的walsh码之间具有良好的正交性。92、WCDMA系统的信道地址码•我们知道，不同多媒体业务的数据速率是不一样的，WCDMA系统规定扩频后的信道(码片)速率必须统一为3.84Mcps。因此，WCDMA采用了具有不同扩频比且相互正交的正交可变扩展因子OVSF码作为多媒体信道地址码。•OVSF码是一组长短不一的信道地址码，对低速率数据扩频时采用扩频比大，码组长的OVSF码；对高速率数据扩频时采用扩频比小，码组短的OVSF码。在WCDMA中，最短的码组为4位，最长的码组为256位。虽然码组长短不一致，长、短码组间却保持正交性，避免不同速率业务信道之间产生相互干扰。10•OVSF码的构造如图所示，码树的根节点是按2r规律增长的，其中，r=0,1,2…。类似Huffman码的树形结构。•在码树中选定某一码组为扩频码后，以其为根点的码组就不能再被选作扩频码了。113.3.3用户地址码•用户地址码由移动台产生，主要用于上行(反向)信道，便于基站区分不同用户。下行信道中由基站产生的扰码主要用于数据加扰。1、用户地址码选取原则•在CDMA系统中，为了容纳和区分足够多的用户，必须要有足够多的相互正交的地址码，这就是选取用户地址码的原则。CDMA通过截取超长m序列或超长Gold序列中有限的一段作为用户的地址码，因此产生了足够多的地址码。但是，这种局部码组的自相关性和互相关性比较原来长周期完整码组的还是差一些。关于m序列码•m序列是一种伪随机序列，是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期可以足够长的伪噪声码(PN)序列。由于其优良的自相关特性、易于产生和复制，在扩频通信系统中得到广泛应用。•如下图所示，m序列码发生器由移位寄存器、反馈抽头和模二加法器组成。•反馈抽头的位置对m序列的结构有决定作用，抽头逻辑可用二元域上的n次生成（特征）多项式表示：f(x)=C0+C1x+C2x2+···+Cixi+···+Cnxn,ci∈{0,1}•其中，Ci=1表示第i级移位寄存器的输出与反馈网络连接，否则表示不连接；C0=1表示反馈网络的输出与第一级移位寄存器的输入连接，线性移位寄存器成为动态线性移位寄存器，否则就是静态线性移位寄存器。n是线性移位寄存器的级数，生成的m序列的长度是2n-1；Cn=1表示线性移位寄存器是非退化的，否则是退化的线性移位寄存器。•为了产生m序列码，需要首先确定生成多项式；•然后据此构造m序列线性移位寄存器的结构逻辑图；最后连接电路产生m序列码。•前述的三级移位寄存器的生成多项式为：f(x)=1+x2+x3•据此构造的m序列发生器输出的结果由一个七位右移移位寄存器7SR输出。•在一个重复周期里，7SR输出的m序列码是：•0100111、1010011、1101001、1110100、0111010、0011101、1001110。•m序列码长23-1=7位。在时钟脉冲的控制下，序列向右移位，溢出的右侧最低位移动到空出的左侧最高位，重复周期也是7位。152、IS-95的用户地址码•IS-95是全球第一个民用码分多址CDMA系统，它首先用42节移位寄存器产生一个周期为242-1=4,398,046,511,103位的超长周期m序列码，然后按照一定规律选取其中的有限位数作为用户地址码。3、CDMA20001X中的用户地址码•CDMA20001X是IS-95体制的延续和发展，其用户地址码与IS-95完全相同。4、WCDMA中的用户地址码•在WCDMA中的地址码为了绕过IS-95以m序列为基础产生扰码的知识产权争论，采用了Gold码。16•Gold码是R.Gold提出的一种伪随机序列，具有良好的自相关性和互相关性，而且易于实现，结构简单。在WCDMA系统中，主要利用Gold码作扰码，其良好的互相关性有利于作为移动终端和小区的地址。•R.Gold指出，在一些级数相同，结构不同的移位寄存器中，总可以找出两个移位寄存器，它们产生的一对m码序列互相关函数最小，这一对m码序列就是优选对。Gold序列由这两个码长相等的m序列优选对进行逐位模二加构成。•WCDMA中用户地址码分为两类：长码和短码。•长码由两个25节（阶）移位寄存器优选对的输出进行逐位模二加产生的Gold码截短而来，每次截38400码片组成一个帧，帧长10ms。它主要用于3G第一期，当基站使用Rake接收是采用。•短码从扩展的S(2)码族中选取，长度仅为256码片，主要用于3G第二期，当接收端选用多用户检测器时采用，暂不讨论。173.3.4基站地址码1.基站地址码选址原则•为了尽可能减少基站间的多用户干扰，基站地址码应满足正交性能，同时满足序列数量足够多。基站地址码主要用于上、下行信道区分不同的基站。2.在IS-95中采用两个较短的PN码,码长=215-1，分别对下行同相(I)与正交(Q)调制分量进行扩频。183.CDMA2000系统的基站地址码•CDMA2000-1X基站地址扰码与IS-95完全相同。CDMA2000-3X基站地址扰码不同于IS-95，它是由20节移位寄存器生成的m序列，其速率为3.6864Mchip/s。4.WCDMA系统的基站地址码•WCDMA系统的基站地址码主要用于区分基站或扇区，为了绕过IS-95的知识产权，也采用了Gold码。采用两个18阶移位寄存器优选对产生218-1=262143个扰码，但是实际上仅采用前面8192个。