CDMA-基本原理

CDMA(码分多址)CodeDivisionMultipleAccess利用不同的编码序列识别不同用户，即使用不同的信号波形区分不同的用户CDMA的基础扩频通信技术多址技术CDMA基本原理—基本概念扩频通信技术扩频通信的基本概念扩频通信的理论基础数字信号扩频原理扩频的实现方法CDMA基本原理—扩频通信扩频通信SS:SpreadSpectrum，指扩展频谱的通信扩频通信定义扩频通信技术是一种信息传输方式；发端采用扩频码调制,使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽收端采用与发端相同的扩频码进行相关解调和解扩，恢复所传信息数据。扩频通信的基本概念扩频调制扩频解调窄带信号宽带扩频信号窄带信号已调扩频信号解扩信号发送信息的频谱被展宽发送的信息通过扩频，将信号能量扩展到很宽的频带上，使扩频通信的信号带宽与信息带宽之比则高达l00~1000,属于宽带通信；扩频方法：扩频码序列调制数字脉冲信号宽度越窄,其频谱就越宽。如果很窄的脉冲序列被所传信息调制,则可产生很宽频带的信号；该窄脉冲序列称为扩频信号，即扩频码序列；接收端相关解调解扩接收端则用与发送端完全相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解扩,恢复所传信息。扩频通信定义的三个概念问题的提出：在传统的通信系统中,我们总是想方设法使信号所占频谱尽量窄，以充分提高十分宝贵的频率资源的利用率。那么为什么还要用宽频带信号来传输窄带信息呢?扩频通信理论基础问题的回答：为了通信的安全可靠，提高抗干扰能力和系统容量。扩频通信的理论基础为信息论和抗干扰理论；利用扩频实现码分多址方式。在传统的TDMA和FDMA之外又提供了一种新的多址方式。扩频通信是以信息论的仙农(Shanon)公式理论发展起来的一种通信方式；仙农公式：C=Blog2(1+S/N)•C为信道容量,单位为b/s；B为传输的信号频带宽度，单位为Hz；S为信号平均功率,N为噪声平均功率；仙农公式反映的重要结论：•频带B和信噪比可以互换；•增加信号的频带宽度,可在较低的信噪比的条件下以任意小的差错概率来传输信息；•采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱的方法可以换取信噪比上的好处。扩频通信理论基础信息传输差错概率的公式Pef（E/n0）Pe是信号能量E与噪声功率谱密度n0之比的函数信号的传输差错概率是输入信号的信噪比和信号带宽与信息带宽之比二者乘积的函数再次说明看出信噪比和带宽是可以互换的。同样说明了通过增加带宽可换取信噪比的好处。扩频通信理论基础swwseBBNSfBNBSfnEfP//0数字信号的波形与频谱幅度为+1，持续时间为Tb的数字矩形脉冲R(t)经Fourier变换后的频谱为是sinx/x类型的函数数字信号扩频原理第1零点位于1/Tb，表示该信号的能量集中在第1零点内。它所占的频带宽度与Tb的大小相关，当脉冲越宽，其频谱带宽越窄。幅度为+1和-1，持续时间为Tb的周期性脉冲R(t)，其频谱包络的形状与单矩形脉冲完全一样;第1零点处的频率正好为该周期性脉冲的传输速率1/Tb数字信号扩频原理扩展周期性脉冲的频谱方法将频谱的1/Tb第1零点向无限远推，即增大1/Tb的值；减小数字脉冲的持续时间，缩小Tb的值。减小Tb值等价于提高数字信号的传输速率1/Tb，扩展了信号的频谱。数字信号扩频原理数字信号扩频过程高速数字码序C（t）对用户低速信息数据调制•低速信息数据的脉冲持续时间为Tb，其时间长度是TC的N倍。Tb=N·TC•高速码序C（t）乘上信息数据d（t），最后得到的信号y（t）频谱与高速码序的频谱相同，起到频谱扩展的作用。y（t）=di（t）Ci（t）扩频调制（乘法器）扩频解调（乘法器）Tbdi(t)TCCi(t)y(t)TCCi(t)di(t)数字信号扩频原理接收的信号为：yr（t）=di（t）·Ci（t）解扩输出信号dr（t）=yr（t）·Ci（t）=di（t）·Ci（t）·Ci（t）=di（t）数字信号扩频原理扩频解调器利用本地地址码的相关性作解扩处理,有用信号频谱被恢复为窄带谱;窄带干扰信号则在解扩过程中被扩展成为宽带谱。解调后有用信号为窄带谱,无用信号和干扰为宽带谱,可以借助于解调后滤波器去除带外的无用信号,带内的信噪比就可以大大提高,起到了抑制干扰和无用信号的目的。扩频抗干扰原理扩频增益扩频系统的抗干扰性能Bw/Bs定义：GP=Bw/Bs•扩频系统的处理增益，反映了扩频系统信噪比的改善程度。抗干扰容限M=Gp–[L+(S/N0)o]•物理意义：正常通信条件下，系统能承受的干扰高出信号的分贝数；•CDMA数字蜂窝移动通信系统正常工作的最低信噪比要求为7dB。扩频增益与抗干扰容限DS-SS：直接序列扩频发端直接用高速码序列去扩展输入信息的带宽FH：跳频用扩频码序列去进行频移键控调制,使载波频率不断地跳变；发端信息码序列与扩频码序列组合构造的不同码字控制频率合成器，使其输出频率根据码字的改变而改变,形成了频率的跳变。TH：跳时用一定码序列进行选择的多时片时移键控；时间轴分为多个时片，哪个时片发射信号由扩频码序列进行控制。由于发送信号采用的时片很窄，也就展宽了信号的频谱。扩频的实现方法CDMA多址方式tftftf码FDMATDMACDMACDMA多址方式的特征不同的高速扩频码作为不同用户的地址码序列地址码相互正交CDMA信号在频率、时间和空间上重叠具有抗干扰和抗多径衰落的能力系统容量大不需要复杂的频率分配和管理软容量和小区呼吸功能软切换无需均衡器安全、保密设备简单存在多址干扰和远近效应码分多址通信系统的特点地址码选择功率控制软切换分集技术智能天线多用户检测CDMA关键技术地址码选择功率控制软切换分集技术智能天线多用户检测CDMA关键技术基本概念地址码技术影响系统抗多址干扰/抗多径衰落能力CDMA数字移动通信系统使用地址码进行扩频地址码要求：•扩频后的信号具有良好的随机特性和相关性能；•地址码序列具有随机信号的特性，即具有白噪声的性能；伪随机序列PN（PseudoNoise）•近似随机序列或噪声的一种周期性序列•接收端必须使用与发端相同的编码序列作为地址码•真正的随机序列或噪声是不可能重复产生的地址码技术伪随机码的特点尖锐的自相关特性和较好的互相关特性同一码组内的各码占据的频带宽且相等互相关值不是处处为零伪随机码家族m序列Golden序列M序列R-S码复合码等伪随机序列PNm序列：最长线性反馈移位寄存器序列。m序列组成：n级移位寄存器、适当的抽头反馈和模2加法器；N级移位寄存器产生的最大长度的码序列：P=2n–1位n级移位寄存器：2n–1个状态（除去全零状态）生成多项式Gn(x)=C0X0+C1X1+C2X2+…+CnXnm序列概念D1D2D3DnP=2n–1010T0010T1101T2110T3111T4011T5001T6100T7010m序列举例生成多项式：G3(x)=1+X2+X3输出序列：0111001长度和重复周期：P=23-1=7码的平衡性好一个周期内“1”和“0”的个数大体相同（1比0多1个）m序列与其移位后的序列模2加所得的序列仍为m序列，但相位不同•举例：0111001向左移两位再模2加所得序列仍为m序列，相位移了一位m序列特性011100111001011011100长度为k的游程占总游程的1/2k（1kn-2）一个m序列的周期为：P=2n–1，在该周期内共有2n–1个游程•长度为1的（单个“0”或单个“1”）游程占总游程的1/2•长度为2（00或11）的游程占总游程的1/2•长度为3（000或111）的游程占总游程的1/8•两个游程例外：–（n–1）个连“0”的游程–n个连“1”的游程m序列特性自相关性表征信号与其自身延迟后二者的相似性•二者在时间上不完全重叠0，乘积的积分为0；•二者在时间上完全重叠=0，自相关函数值为一常数。m序列具有近似理想的自相关性m序列特性000)()(lim)(2/2/常数dttftfRTTTam序列的自相关性考察某个m序列与其后移位的序列的相似性•A：0的个数（相对应码元相同的数目）；•D：1的个数（相对应码元不同的数目）；•P=A+D（序列周期长度）m序列特性0/101)(pPDADADARaRe()Re()11-1/PP位移比特0互相关性表征两个不同信号的相似性•两个不同的信号序列的互相关值越接近0，两个序列的差别越大，即相关性越弱。•两个信号的互相关值等于0时，两个信号完全正交不同m序列的互相关值不等于0，且呈现多值性m序列特性不正交正交00)()(lim)(2/2/dttgtfRTTTc不同相位的m序列产生a(n-4)a(n-1)a(n-2)a(n-3)m0m1m2m3a(n)Galois发生器:不同相位的m序列产生相位延迟掩码m0m1m2m300001110002110031110411115011161011701018101091101100110110011121001130100140010一种m序列的复合码将周期相等，并经过优选的两个m序列进行模2加组合形成新的序列；2n+1个Gold序列两个m序列共有2n–1不同的相对位移两个产生Gold序列的m序列优选对WCDMA使用Gold序列作为扰码（上行25阶，下行18阶）Gold序列码发生器1码发生器2时钟一种非正弦的完备正交函数系两种取值（-1、+1或0、1）沃尔什函数族中,两两之间的互相关函数为“0”，它们之间是完全正交的。沃尔什函数的产生哈达码矩阵H•+l和-l元素构成的正交方阵•H中任意两行或两列这些函数互相正交•一般关系式：Walsh（沃尔什）函数2NNNNNHHHHH1000111122HH或，8阶沃尔什函数波形Walsh0Walsh1Walsh2Walsh3Walsh4Walsh5Walsh6Walsh7tttttttt1-1地址码选择功率控制软切换分集技术智能天线多用户检测CDMA关键技术WCDMA功率控制功率控制原因：码分多址干扰•CDMA系统是一个自干扰系统。WCDMA采用宽带扩频技术，所有信号共享相同频谱；每个移动台的信号能量被分配在整个频带范围内，这样对其它移动台来说就成为宽带噪声。如为了提高某个用户的信号质量而提高发射功率，则可能带来其他用户的质量的降低。远近干扰•无线环境的阴影、多径衰落和远距离损耗影响，移动台在小区内的位置随机性，导致路径损耗大幅度变化；•使用CDMA技术的各小区采用相同频率，理论上各用户分配的地址码是正交的，实际很难做到，造成各信道间的干扰。从而不可避免地引起严重的“远近干扰”。WCDMA功率控制功率控制目的：在保证用户要求的QoS的前提下，最大程度地降低发射功率，减少系统干扰，增加系统容量。WCDMA功率控制功率控制的分类开环功率控制闭环功率控制•内环功率控制•外环功率控制前向功率控制反向功率控制WCDMA功率控制开环功率控制WCDMA随机接入信道PRACH是唯一只采用开环功率控制的；UE的发射功率估算：PRACH=Lperch+IBTS+常数PRACH：移动台初始发射功率（dBm）Lperch：路径损耗（dB），UE从广播信道上获知基站公共导频信道的发射功率，然后测量接收该导频信号强度，估计路径损耗；IBTS：BTS处的上行链路干扰信号功率（dBm），由广播信道获得；常数：接收所需的SIR和调整值，调整上下行的不平衡，由运营者决定。WCDMA功率控制闭环功率控制与快速功率控制对于WCDMA-FDD系统，上下行频段间隔较大