第四章 IS-95移动通信系统

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25 MHz；收、发频率间隔为 45 MHz。 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
CDMA系统具有扩频的优点 • CDMA 蜂窝系统以扩频技术为基础，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，且有三重处理。接收时，需接收方的本地相关码与 发端的扩频码同步，且必须完全相同，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。 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。 CDMA系统的话音 质量优于TDMA系 统，通话时不易掉 话。
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4-3 信号处理过程
一.前向信道
1.控制信道
• A.导频信道 输入为全0码，采用码片速率是1.2288Mb/s W0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。
W0 1.2288Mb/s
导频信道 全0 码 比特
＋
A
•
B.同步信道
输入速率为1.2 kb/s，经过1/2卷积编码、1:2重复，速率变成 4.8 kb/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。
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= 215 - 1序列扰码）， SPNj(t), j=1,2,….,512，周期26.66ms 长PN码（m= 242 - 1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系统中RAKE接收机的基本原理
假设有多条路径，路径具有不同的时延t1、t2tN， 以及不同的衰落因子a1、a2 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。 • IS-95系统中的RAKE， 相关器 1 基站4路， 移动台3路. 合并 相关器 2 • PN码片速率为1.2288MHz， 最小可分辨多径间隔为 相关器 3 6 -1 -9 (1.228810 ) =81410 =0.814s。 搜索器
第四章 IS--95系统
（书8.1--5） • 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
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。
• 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。 当通信业务量大, 所有业务信道均被占用 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。
信道估计
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。
• 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） W0 导频 W1 寻呼 W7 寻呼
• 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。
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。
W8
W31
W32 同步
W33
W63 业务
业务 业务数据 随路信令
•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；通 过对导频多径信号的检测，实现RAKE接收的信号估计；通过比较 相邻基站导频信号的强度，决定是否越区切换；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。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。
CDMA系统软容量限制 • 由于 FDMA、 TDMA 的容量由频率和时隙所决定，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。
1.2 kb/s 同步信道 比特 卷积码 R=1/2 2.4 kb/s 重复 4.8 kb/s 交织 4.8 kb/s W32 1.2288Mc/s
•在IS-95 CDMA系统中，采用了8kbs和13kbs的 变速率声码器技术。
• 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、 1 kb/s， 可以 9.6 kb/s 、 4.8 kb/s 、 2.4 kb/s 、 1.2 kb/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。
2.反向逻辑信道
CDMA反向信道 （移动台发，基站收， 1.2288MHz） 1 接入 信道 n 接入 信道 1 业务 信道 m 业务 信道
使用长PN码区分
•
反向接入信道提供移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。 • 反向业务信道和前向业务逻辑信道相同，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。 反向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。
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.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；在与BTS2建立连接之后，再断 开与BTS1的连接。 软切换的机理是：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。移动台在运动的工作状态下，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。在老的连接中断之前，新的连 接已经建立。 软切换涉及导频搜索、导频强度测量、切换过程的导频变换技术。 主要优点：改善话音质量；降低掉话率。