第7章 移动通信技术

第7章CDMA数字蜂窝移动通信7.1CDMA系统的基本原理7.1.1扩频通信原理7.1.2扩频通信主要特点7.1.3CDMA码序列7.1.4CDMA的基本原理7.2CDMA通信系统的传输方式7.2.1逻辑信道7.2.2CDMA正向传输信道的构成7.2.3CDMA反向传输信道的构成7.2.4正向传输信道和反向传输信道的比较7.1CDMA系统的基本原理CDMA移动通信系统与传统的FDMA和TDMA移动通信系统相比，具有抗干扰性好、抗多径衰落性好、保密性高、容量大、频率资源利用率高等特点。基于扩频技术的码分多址接入是CDMA移动通信系统的技术基础，它可以通过给不同的用户分配各自特定的地址码序列，将处于相同时隙和频率的用户信号分离开来，采用共享信道方式传输信息。在接收端，系统利用与发送端完全一致的本地地址码对接收信号进行相关检测，提取需要的用户信号，而将其他适用不同码型的信号视为带宽干扰而从中剔除掉。在存在着各种干扰和多径衰落的无线信道环境中，扩频信号的宽带特性使得系统的性能得到明显的改善。7.1.1扩频通信原理1.扩频通信是近年发展非常迅速的一种技术,它与光纤通信、卫星通信,一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。它不仅在军事通信中发挥出了不可取代的优势,而且广泛地渗透到了社会的各个领域,如通信、遥测、监控、报警和导航等。2.定义所谓扩频通信,即扩展频谱通信(SpreadSpectrumCommunication),是一种把信息的频谱展宽之后再进行传输的技术。频谱的展宽是通过使待传送的信息数据被数据传输速率高许多倍的伪随机码序列(也称扩频序列)的调制来实现的,与所传信息数据无关。在接收端则采用相同的扩频码进行相关同步接收、解扩,将宽带信号恢复成原来的窄带信号,从而获得原有数据信息。扩频通信与CDMA的关系是:CDMA只能由扩频技术来实现,而扩频通信并不意味着CDMA。定义包含三方面的含义:1)信号的频谱被展宽了2)采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱3)3.实现条件由上述定义可知,扩频技术必须满足两个基本要求:(1)所传信号的带宽必须远大于原有信息所需的最小带宽;(2)所产生的射频信号的带宽与原有信息无关。4.工作原理扩频通信的一般工作原理如图3-2所示。图中,在发送端输入的信息先经过信息调制形成数字信号,然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再经过射频调制,调制到较高频率上再发送出去。在接收端收到的宽带射频信号经过射频解调,恢复到中频,然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调,即恢复出原始信息。由此可见,—般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。一次调制为信息调制,二次调制为扩频调制,三次调制为射频调制,以及相应的信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统比较,扩频通信多了扩频调制和解扩两个部分。扩频通信工作原理信息调制信息扩频调制扩频码发生器射频调制射频发生器信息解调信息扩频解调本地扩频码发生器射频解调本地射频发生器6.特点1)隐蔽性好,对各种窄带通信系统的干扰很小2)频谱利用率高,易于重复使用频率3)抗干扰性强,误码率低4)可以实现码分多址5)易于数字化,3.3.3处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要的性能指标。1.处理增益处理增益Gp,也称扩频增益(SpreadingGain),指的是频带扩展后的信号带宽W与频谱扩展前的信息带宽ΔF之比,即FWGp在扩频通信系统中,接收端要进行扩频解调,其实质只是提取出被伪随机编码相关处理后的带宽为ΔF的原始信息,而排除掉了宽频带W中的外部干扰、噪音和其他用户的通信影响。因此,处理增益Gp与抗干扰性能密切相关,它反映了扩频通信系统信噪比的改善程度。工程上常以分贝(dB)表示,Gp＝10lg(W／ΔF)除了系统信噪比改善程度之外,扩频系统的其他一些性能也大都与Gp有关。因此,处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。一般来讲,处理增益值越大,系统性能越好。2.抗干扰容限抗干扰容限是指扩频通信系统在正常工作条件下可以接收的最小信噪比,即它反映的是系统对于噪声的容忍情况,其定义Mj=Gp-［(S/N)out+Ls］其中,Mj为抗干扰容限;Gp为处理增益；(S/N)out为信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比；Ls为接收系统的工作损耗。例如,一个扩频系统的处理增益为35dB。要求误码率小于10-5的信息数据解调的最小的输出信噪比(S/N)out＜10dB,系统工作损耗Ls为3dB,Mj＝35-(10+3)＝22dB这说明,该系统能够在干扰输入功率电平比扩频信号功率电平高22dB的范围内正常工作,也就是说,该系统能够在负信噪声比(-22dB)的条件下,把信号从噪声的淹没中提取出来。由此可见,扩频通信系统的抗干扰能力有多强。1.直接序列扩频(DSSS或DS,DirectSequenceSpreadSpectrum)所谓直接序列扩频,就是在发端直接用具有高码率的扩频码序列对信息比特流进行调制,从而扩展信号的频谱,在收端,用与发端相同的扩频码序列进行相关解扩,把展宽的扩频信号恢复成原始信息。2.频率跳变(FH,FrequencyHopping)技术所谓跳频,简单来讲,就是用一定的码序列进行选择的多频率频移键控。具体来讲,跳频就是给载波分配一个固定的宽频段并且把这个宽频段分成若干个频率间隙(称为频道或频隙),然后用扩频码序列去进行频移键控调制,使载波频率在这个固定的频段中不断地发生跳变。由于这个跳变的频段范围远大于要传送信息所占的频谱宽度,故跳频技术也属于扩频。7.1.2扩频通信主要特点（1）提高了无线频谱利用率。在窄带通信中，主要依靠波道划分来防止信道之间发生干扰。扩频通信发送功率极低（1～650mW），采用了相关接收技术，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率。（2）抗干扰性强，误码率低。扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，而收端又采用相关检测的办法来解扩，把有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。这祥，对于各种干扰信号，因其在收端的非相关性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成分，信噪比很高，因此抗干扰性强。在目前商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作于负信噪比条件下的通信方式。（3）隐蔽性好。由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率很小，信号湮没在噪声里，一般不容易被发现，而想进一步检测信号的参数（如伪随机编码序列）就更加困难，因此说其隐蔽性好。另外，由于扩频信号具有很低的功率谱密度，它对目前使用的各种窄带通信系统的干扰很小。（4）抗多径干扰。扩频通信中利用扩频码的自相关特性，在接收端从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或把多个路径来的同一码序列的波形相加合成，这相当于梳状滤波器的作用。（5）能精确地定时和测距。电磁波在空间的传播速度是固定不变的光速。在扩频通信中如果扩展频谱很宽，则要采用的扩频码速率很高，每个码片占用的时间就很短。当发射出去的扩频信号在被测物体反射回来后，在接收端解调出扩频码序列，然后比较收发两个码序列相位之差，就可以精确测出扩频信号往返的时间差，从而算出二者之间的距离。（6）适合数字语音和数据传输，以及开展多种通信业务。扩频通信一般都采用数字通信、码分多址技术，适用于计算机网络，适合于数据和图像传输。（7）安装简便，易于维护。扩频通信设备是高度集成，采用了现代电子科技的尖端技术，因此，十分可靠、小巧，大量运用后成本低，安装便捷，易于推广应用。7.1.3CDMA码序列m序列m序列是目前CDMA系统中采用的最基本的PN序列。它是最长线性反馈移位寄存器序列的简称。顾名思义,m序列发生器是由移位寄存器、线性反馈抽头和模2加法器组成的。而且,m序列是其相应组成器件所能生成的最长的码序列。若移位寄存器为n级,则其周期P=2n-1。图7-1三级移位寄存器构成的码序列发生器图7-2移位寄存器的状态转移图m序列的自相关函数图7-4m序列的自相关系数(4)m序列自相关函数的简单计算方法为DADAR)(其中，A表示“0”的位数，D表示“1”的位数。令P=A+D=2n-1，则,1,1)(pRτ=0τ=±1,±2,…,±(p-1)Gold码m序列虽然性能优良,但同样长度的m序列个数不多,且序列之间的互相关性不够好。R·Gold提出了一种基于m序列的PN码序列,称为Gold码序列。在介绍Gold码序列发生器之前,先给出优选对的概念。如果有两个m序列,它们的互相关函数的绝对值有界,且满足以下条件:,12,12)(2121nnRn为奇数n为偶数(不是4的倍数)则我们称这一对m序列为优选对。如果把两个m序列发生器产生的优选对序列作模2加运算,生成的新的码序列即为Gold序列。图3-26(a)中所示为Gold码发生器的原理结构图。图3-26(b)中为两个5级m序列优选对构成的Gold码发生器。这两个m序列虽然码长相同,但模2加后生成的并不是m序列,也不具备m序列的性质。图7-6m序列优选对构成的Gold码发生器(a)Gold码发生器的原理结构图；(b)5级m序列优选对构成的Gold码发生器码发生器1时钟源码发生器2码1码2)21(3码码码(a)(b)1234512345Gold码序列的性质主要有以下三点:(1)Gold码序列具有三值自相关特性,其旁瓣的极大值满足上式所表示的优选对的条件。(2)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。因为总共有2n-1个不同的相对位移,加上原来的两个m序列本身,所以,两个n级移位寄存器可以产生2n＋1个Gold序列。因此,Gold序列的序列数比m序列数多得多。(3)同类Gold序列互相关特性满足优选对条件,其旁瓣的最大值不超过上式的计算值。在表3-3中列出了m序列和Gold序列互相关函数旁瓣的最大值。从表中可以明显看出,Gold序列的互相关峰值和主瓣与旁瓣之比都比m序列小得多。这一特性在实现码分多址时非常有用。7.1.4CDMA的基本原理IS-95CDMA移动通信系统的基本网络结构如图7-7所示。从图中可以看出，CDMA通信系统主要由3部分组成：移动台（MS）基站子系统（BSS）移动交换系统（MSS）图7-7CDMA移动通信系统的基本网络结构CDMA移动通信系统的关键技术RAKE接收功率控制软切换频率间切换多用户信号检测RAKE接收移动通信信道是一种多径衰落信道，发射机发出的扩频信号，在传输过程中受到不同障碍物的反射和折射，到达接收机时每个波束具有不同的延迟，形成多径信号。如果不同路径信号的延迟超过一个伪码的码片的时延，则在接收端可将不同的波束区别开来。将这些不同波束分别经过不同的延迟线，对齐以及合并在一起，则可达到变害为利，把原来是干扰的信号变成有用信号组合在一起。功率控制功率控制分为：反向功率控制前向功率控制反向开环功率控制指移动台（或基站）根据接收到的前向（或反向）链路信号功率大小来调整自己的发射功率。反向闭环功率控制建在开环功率控制的基础之上，对开环功率控制进行校正。前向功率控制用来调整基站对每个移动台的发射功率，对信道衰落小和解调信噪比较高的移动台分配相对较小的前向发射功率，而对那些衰落较大和解调信噪比低的移动台分配较大的前向发射功率，使信号到达移动台接收机时，信号电平刚刚达到保证通信质量的最小信噪比门限。软切换移动台在越区切换过程中，先连通新的基站，再切断与旧基站的联系，这种切换过程称为称为软切换（SoftHandoff）。图7-8软切换示意图频率间切换3GCDMA系统中，在一个小区中有多个载波频率。例如，在热点小区中，其频率数要多于相邻小区。同时在多层小区结构中，微小区有不同的频率而不同于重叠在一起的宏小区，因此，存在不同频率之间的切换。有效的处理过程可以采用压缩模式或双接收机对另一频率进行测量。多用户信号检测多用户信号检测与干扰消除技术则提供了一种