CDMA关键技术V1.0

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简单的CDMA发射接收机框图 发射接收机框图 简单的
数数 宽基数基
PN码
载载码码
r(t) 宽基数基 数解
载载码码
码码同同/同同
PN码
DS－CDMA信号发射/接收机
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码分多址（ 码分多址（CDMA） ）
• 跳频（FH－CDMA）
– 数据以特定的规律在载波频率上跳变 – 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 – 无远近效应的一些，因为多个用户不会同时使用同一频率 （Bluetooth技术、快、慢调频） – 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；
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信道估计
Chn code PC symbols Correlator Chn code De-spinner DMUX Pilot symbols LPF
Correlator For Uplink Correlator
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功率控制
• 多址干扰－远近效应 多址干扰－ • 决定了 －CDMA系统的容量； 决定了DS－ 系统的容量； 系统的容量 • 功率控制的目标：所有的信号到达基站的功率相同（上 功率控制的目标：所有的信号到达基站的功率相同（ 行）； • 功率控制可以补偿衰落； 功率控制可以补偿衰落； • 有三种功率控制原理：开环、闭环和外环 有三种功率控制原理：开环、
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CDMA种类 种类
frequency
DS
FH
TH time
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码分多址（ 码分多址（CDMA） ）
• 直接序列扩频（DS－CDMA） 直接序列扩频（ － ）
– – – – – – 多用户共享同一频率； 多用户共享同一频率； 通过将伪噪声序列与用户数据相乘来扩展频带 自干扰系统－多址干扰；远近效应； 自干扰系统－多址干扰；远近效应； 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， 用功率控制来克服远近效应，受限于功率测量的精度 CDMA是软容量限制，当用户数目增加时，对所有用户而言， 是软容量限制， 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； 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 中信道数据速率小于信道的时延扩展， 中信道数据速率小于信道的时延扩展 RAKE接收技术； 接收技术； 接收技术 – 软切换 宏分集； 软切换/宏分集 宏分集；
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频分多址（ 频分多址（FDMA） ）
• 不同的用户使用不同的频率 • 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； 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； • 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 符号时间比平均时延扩展大很多， 扰低，无需均衡； 扰低，无需均衡； • FDMA同步和组帧比特少，系统开销小 同步和组帧比特少， 同步和组帧比特少 • FDMA需要精确的 滤波器，需要双工器（单天线）； 需要精确的RF滤波器 需要双工器（单天线）； 需要精确的 滤波器， • 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 非线性效应：许多信道共享一个天线， 交调频率（ ），产生额外的RF辐射 ），产生额外的 交调频率（IM），产生额外的 辐射 • FDMA通常是窄带系统； 通常是窄带系统； 通常是窄带系统
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快速功率控制技术
• 减小多址干扰，保证网络容量 减小多址干扰， • 延长电池使用时间
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软切换
• CDMA系统小区的频率一致，软切换时，移动台同时与多个基站相 连接； • 在上行链路，二个或多个基站可以接收同样的信号，在下行链路移 动台可以相干地合并来自不同基站的信号，宏分集； • 由于新基站发射额外的信号给移动台，而由于RAKE 的Finger数目 有限，移动台不能合并所有的能量。在下行链路， 软切换增加了对 系统的干扰； • 软切换的增益决定于宏分集增益和由于增加的干扰引起的性能损失
Turbo Interleaver
Constituent Encoder 2
X'
n0
Y'0
n1
Y'1
d
Control Clocked once for each of the Nturbo data bit periods with the switch up; then, not clocked for the three Constituent Encoder 1 tail bit periods; then, clocked once for each of the three Constituent Encoder 2 tail bit periods with the switch down.
Symbol Puncture and Repetition (Nturbo + 6)/R Code Symbols (Output)
Control Clocked once for each of the Nturbo data bit periods with the switch up; then, clocked once for each of the three Constituent Encoder 1 tail bit periods with the switch down; then, not clocked for the three Constituent Encoder 2 tail bit periods.
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功率控制与纠错编码的好处
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CDMA关键技术 关键技术
内 容
多用户检测 智能天线
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多用户检测
• 当前的CDMA接收机基于RAKE 原理，将其他用户的干扰视为噪声； • 基于RAKE 的CDMA系统的容量受干扰的限制； • 最优接收机是联合检测所有的信号，并将其他用户的干扰从期望的 信号中减去（信号的相干特性是已知的，干扰是确定的）； • 多用户检测（MUD）称为联合检测和干扰对消，降低了多址干扰， 从而提高系统的容量； • 多用户检测可以消除远近效应问题； • 最优的多用户检测相当复杂，实际中用次优的多用户和干扰对消接 收机； • 次优的接收分为二类：
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智能天线
全向小区
三扇区小区
智能天线小区
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智能天线的优点
• 增加系统容量 • 增加覆盖范围，改善建筑物中和高速运动时的信号接收 增加覆盖范围， 质量 • 提高信号接收质量，降低掉话率，提高语音质量 提高信号接收质量，降低掉话率， • 减少发射功率，延长移动台电池寿命 减少发射功率， • 提高系统设计时的灵活性
– 线性检测器：采用线性变换去除多址干扰，分为：解相关器、线性最 小均方误差检测器（LMMSE） – 干扰对消器：估计多址干扰，然后从接收的信号中减去。分为：并行 干扰对消和串行干扰对消
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干扰对消的原理
多次迭代式干扰对消 接收/ 解码信号 1 接收 信号 接收/重建信号 1 减去干扰 接收/重建信号 2 接收/ 解码信号 2
– 开环：从信道中测量干扰条件，并调整发射功率，以达到期望 开环：从信道中测量干扰条件，并调整发射功率， 的误帧率（误块率）； 的误帧率（误块率）； – 闭环： 测量信噪比，并向移动台发送指令调整它的发射功率； 闭环： 测量信噪比，并向移动台发送指令调整它的发射功率； – 外环：测量误帧率（误块率），调整目标信噪比 外环：测量误帧率（误块率），调整目标信噪比 ），
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时分多址（ 时分多址（TDMA） ）
• 多个用户共享一个载波频率； 多个用户共享一个载波频率； • TDMA系统的数据传递是不连续的，可以关闭； TDMA系统的数据传递是不连续的 可以关闭； 系统的数据传递是不连续的， • 不连续发送，可以利用空闲时隙监听其他基站，实现切换时的临近 不连续发送，可以利用空闲时隙监听其他基站， 小区测量； 小区测量； • 即使使用FDD也无需双工器； 即使使用FDD也无需双工器； FDD也无需双工器 • 需要自适应均衡，需要保护时隙； 需要自适应均衡，需要保护时隙； • 需要额外的系统开销，如保护数据同步 需要额外的系统开销， • 可以按照不同的用户提供不同的带宽
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混合扩频技术（ 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，不适合软切换（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
CDMA关键技术 关键技术
内 容
多址方式 CDMA关键技术 CDMA关键技术 CDMA增强技术 CDMA增强技术
2
多址方式
• 时分多址，频分多址和码分多址 时分多址，
frequency
frequency
tim e
tim e
频分多址
fre q u e n c y
时分多址
码 分 多 址
tim e code
干扰消 除后 的干净 信号 干扰消 除后 的干净 信号
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智能天线
• 高速率用户带来很大的干扰； 高速率用户带来很大的干扰； • 动态调整的智能天线阵列的波束跟踪高速率用户，起到 动态调整的智能天线阵列的波束跟踪高速率用户， 空间隔离、消除干扰的作用； 空间隔离、消除干扰的作用； • 动态调整的智能天线阵列的性能优于固定的多波束天线
Multi-path searcher
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RAKE接收机 接收机
• 接收机能够分辨和合并时延差大于码片速率的信号，得 接收机能够分辨和合并时延差大于码片速率的信号， 到信噪比最大的合并接收信道； 到信噪比最大的合并接收信道； • RAKE接收机由多个相关器组成，每个相关器接收一径； RAKE接收机由多个相关器组成 每个相关器接收一径； 接收机由多个相关器组成， • 多径合并 • 多径分集接收改善了系统的性能； 多径分集接收改善了系统的性能；
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卷积码
g0
c0
g1
c1
Information Bits (Input)
Code Symbols (Output)
g2
c2
g3
c3
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Turbo码 码
Constituent Encoder 1 X
n0
Y0
n1
Y1
Nturbo Information Bits (Input) d
• Turbo码能够使传输信号 码能够使传输信号 的信噪比接近Shannon极 的信噪比接近 极 限 • Turbo码在大数据包的情 码在大数据包的情 况下使用。 况下使用。
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空分多址
• 使用定向波束天线服务不同用户 • 自适应天线系统
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CDMA关键技术 关键技术
内 容
RAKE接收机 接收机 信道估计 功率控制 软切换/宏分集 软切换 宏分集 信道编码
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多径传播
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RAKE接收机结构（下行） 接收机结构（下行） 接收机结构
AFC Control
AGC Finger
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软切换与更软切换
•上行软切换在BS中进行多径 合并； •上行更软切换在BTS中进行 多径合并；
各自小区的接收能量
移动台合并功率
21源自文库
信道编码
• • • •
无纠错编解码BER<10-1或BER<10-2； 语音业务：采用卷积编码BER< 10-3; 数据业务：采用Turbo编码BER< 10-6; 编解码极大地降低了工作点的信噪比，是 无线传输中的常用手段； • Turbo码能够使传输信号的信噪比接近 Shannon极限
Channel Estimator
Σ
LP Chn code generator & path tracking RF/IF Carrier adjust Channel Estimator Finger A/D
Path Combiner
Symbol-rate processor
Σ
Chn code generator & path tracking
• 跳时（TH－CDMA）
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简单的CDMA发射接收机框图 发射接收机框图 简单的
数数 基基数基 上上上 数数 下上上 数数数数 同同同同 码码码码 上频频频 上频频频 码码码码
FH-CDMA收收收收
数数 数数 慢慢 快快 数数数基 数数数数 快慢 慢快
码码码码
载载码码
载载码码
码码码码
TH-CDMA收收收收