移动通信网络及技术(孙海英)1-4章 (2)

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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 (2) 系统具有“软容量”特性。CDMA系统可以对系统容量进
行灵活配置。CDMA系统是一个自干扰系统,用户数和服务等级之 间有着很灵活的关系,用户数的增加相当于背景噪声的增加,会 造成语音质量的下降。如果能控制好用户的信号强度,在保持高 质量通话的同时,也可以容纳更多的用户。
缩写,它是在数字技术的分支—扩频通信技术上发展起来的一种 崭新而成熟的无线通信技术。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 移动通信技术自产生以来,其核心技术已经历了若干个
阶段。比如,从信号性质上看,经历了从模拟到数字的变化;按 调制方式分,历经调频、调幅、调相的变化;按多址连接方式分, 可分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。
信号恢复,抑制干扰; (2) 码序列周期性强,以使调制之后的信号更接近白噪声,
同时又可得到较高的处理增益(m序列周期p=2n-1,n 为移存器级数);
(3) 码序列要平衡,各游程应以一定比率出现,这样,白噪 声性更强;
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 (4) 满足上述条件的码字数量要多,以保证可提供一定
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 (3) 跳变时间(Time Hopping,TH)工作方式,或称跳时方式。
它把时间轴分成许多时间片,在哪个时间片发射信号由扩频码序 列决定,即让发射信号在时间轴上跳变,相当于用一定码序列进 行选择的多时间片的时移键控。这种工作方式允许在随机时分多 址通信中,发射机和接收机使用同一天线。实际中单独使用这种 方式的情况比较少。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 (3) 通话质量好。CDMA系统的声码器可以动态地调整数据传
输速率,并根据适当的门限值选择不同的发射电平级。 目前,CDMA系统普遍采用8 kb/s的可变速率声码器。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,即使在喧闹的环境下,也能得 到良好的语音质量。
密度上升。 (3) 相对于信息信号,脉冲干扰只经过了一次被模2加的调
制过程,其频谱被扩展,功率谱密度下降,从而使有用信息在噪 声干扰中被提取了出来。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统
图3-1-4 扩频通信中,频谱宽度与功率谱密度示意 31
第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 3. 扩频通信的特点 (1) 抗干扰性强,误码率低。如上所述,扩频通信系统由
直扩方式。直接用具有高码率的扩频码序列扩展发送信号的频谱, 在接收端用相同的扩频序列进行解扩,把展开的扩频信号恢复成 原始信号。这种方式实现扩频方便,是用得较多、较典型的一种。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 (2) 跳变频率(Frequency Hopping,FH)工作方式,或称跳
频方式。它实际上是用一定码序列进行选择的多频率移频键控技 术,用扩频码序列进行移频键控调制,使载波频率不断改变。简 单的移频键控只有两个频率,而扩频系统有多个、几十个,甚至 上千个频率。扩展频带由整个频率合成器生成的最小频率间隔和 频率间隔数目决定。跳频速度由信号种类、信息数据速率、纠错 方法等决定,一般有高速、中速、低速跳频之分。
两种途径实现,即加大带宽W或提高信噪比S/N。换句话说,当信 号的传输速率C一定时,信号带宽W和信噪比S/N是可以互换的, 即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求。当带宽增加到一定程 度后,允许信噪比进一步降低,有用信号功率接近噪声功率甚至 淹没在噪声之下也是可能的。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统
分宝贵,虽然从长波到微波都已得到开发利用,但仍然满足不了 社会的需求。为此,世界各地都设计了频谱管理机构,用户只能 使用申请获得的频率,依靠频道划分来防止信道之间发生干扰。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 (3) 抗多径干扰。在无线通信中,抗多径干扰问题一直是难
扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱,在接收端解扩 还原了信息,因此其大大提高了抗干扰容限。理论分析表明,各 种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例 有关。一般把扩频信号带宽W与信息带宽ΔF之比称为处理增益GP, 即
GP
W F
(3-1-2)
GP表明了扩频系统信噪比改善的程度。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 (4) 具有“软切换”功能。CDMA移动通信系统使用软切换和
更软切换。软切换就是当移动台越区离开原基站的覆盖区需要跟 一个新的基站建立连接时,“先连接再断开(make before break)”,先不中断与原基站的联系。MS在切换过程中与原小区 和新小区同时保持通话,以保证电话的畅通。软切换只能在具有 相同频率的CDMA信道间进行。
直接序列扩频作为最典型的扩频方式一,其频谱扩展和解扩 过程如图3-1-2和图3-1-3所示。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统
图3-1-2 信息的频谱扩展过程 27
第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统
图3-1-3 扩频信号的解扩过程 28
第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 (1) 在发端,信息码经码率较高的PN码调制以后,频谱被扩
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统
3.1.2 扩频技术 香农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结的信道容量公式,
即香农公式如下:
C
W
lb1
S N
(3-1-1)
式中:C表示信息的传输速率;S表示有用信号功率;W表示频 带宽度;N表示噪声功率。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 由香农公式可以看出:为了提高信息的传输速率C,可通过
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 CDMA技术是目前处于领先地位的通信技术,它的出现源自于人 类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大战期间因战争的需 要而研究开发出CDMA技术,其思想初衷是防止敌方对己方通信的 干扰,在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信,后来由美国 Qualcomm公司更新为商用蜂窝电信技术。1995年,第一个CDMA商 用系统运行之后,CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了验 证,从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 由于扩频系统这一优良性能,其误码率很低,正常条件下可达 10-10,最差条件下也可达10-6,远高于普通的微波通信(如通常 所说的一点多址)的效果,完全能满足目前国内数据通信系统对 通信传输质量的要求。应该说,抗干扰性能强是扩频通信的最突 出的优点。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 (2) 易于同频使用,提高了无线频谱利用率。无线频谱十
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 体现软容量的另一种形式是小区呼吸功能。所谓小区呼吸功
能,是指各个小区的覆盖大小可动态变化。当相邻两个小区负荷 一轻一重时,负荷重的小区通过减小导频发射功率,使得本小区 的边缘用户由于导频强度不足而切换到邻小区(负荷轻的小区)。 这样,会使得负荷被分担,从而不会因负荷过重而增加呼损,相 当于增加了系统容量。
第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 第 3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 3.1 CDMA系统概述 3.2 IS-95 CDMA系统 3.3 IS-95 CDMA系统关键技术
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 3.1 CDMA系统概述
3.1.1 CDMA系统的发展及特点 CDMA是码分多址(Code Division Multiple Access)的英文
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 系统对原始信息进行编码、传送,接收端利用相关处理器对
接收信号与本地码型进行相关运算,解出基带信号(即原始信息) 后实现解扩,从而区分出不同用户的不同信息。微波无线扩频通 信的原理见图3-1-1。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统
图3-1-1 扩频通信原理 21
于在发送端扩展信号频谱,在接收端解扩还原信息,因此产生了 扩频增益,从而大大地提高了抗干扰容限。根据扩频增益不同, 甚至在负的信噪比条件下,也可以将信号从噪声的淹没中提取出 来,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。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 各种形式的人为干扰(如电子对抗中)或其他窄带或宽带(扩
展了。在收端,扩频信号经同样的PN码解调以后,信息码被恢复。 (2) 信息码经调制、扩频传输、解调然后恢复的过程,类似
于PN码进行了二次“模2加”的过程。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 (1) 待传信息的频谱被扩展了以后,能量被均匀地分布在
较宽的频带上,功率谱密度下降。 (2) 扩频信号解扩以后,宽带信号恢复成窄带信息,功率谱
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 1. 常用扩频码 目前常见的码型有以下三种:① m序列,即最长线性伪随
机系列;② Gold序列;③ Walsh函数正交码。 伪随机码有类似白噪声的性质,该码随机变化,但又有周期、
规律可循,因而可人为地加以产生和复制。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 伪随机码的特性如下: (1) 自相关性强,互相关性弱,在收端进行相关检测,能使
频)系统的干扰,只要波形、时间和码元稍有差异,解扩后仍然 保持其宽带性,而有用信号将被压缩。从图3-1-4可以看出,对 于脉冲干扰,由于在信号的接收过程中,它是一个被一次“模2 加”过程,可以看成是一个被扩频过程,其带宽将被扩展,而有 用信号却是一个被二次“模2加”过程,是一个解扩过程,其信 号被恢复(压缩)后,保证高于干扰。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 (5) 频率规划简单。用户按不同的序列码区分,因此不同
CDMA载波可在相邻的小区内使用,这样,网络规划灵活、扩展简 单。
(6) 保密性强,通话不易被窃听。CDMA信号的扩频方式提供 了高度的保密性,CDMA码是个伪随机码,而且共有4.4万亿种可 能的排列,因此,要破解密码或窃听通话内容是很困难的。
容量; (5) 要求捕获地址码的速度快,同步建立时间短,故设计时
对伪码周期进行折衷考虑; (6) 编码方案简单,尽可能降低复杂度。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 当选取上述任意一个序列后,如m序列,将其中可用的编码,
即正交码,两两组合,并划分为若干组,各组分别代表不同用户, 组内两个码型分别表示原始信息“1”和“0”。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 (4) 宽带线性调频(Chirp Modulation,CM)工作方式,或称
Chirp方式。若在发射的射频脉冲信号的一个周期内,载频的频 率作线性变化,则称为线性调频。该工作方式的频率在较宽的范 围内变化,所以称为宽带线性调频。这种方式过去用于雷达测距, 也可用于通信中克服多普勒效应的影响。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 (1) 系统容量大。理论上,CDMA蜂窝移动网比模拟蜂窝网容
量大20倍,实际容量要大10倍,比GSM大4~5倍。在CDMA系统中, 不同的扇区也可以使用相同频率,若小区使用120°定向天线, 干扰减为1/3,但整个系统所提供的容量可提高约3倍,并且小区 容量将随着扇区数的增大而增大。
第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统
系统的抗干扰容限MJ定义如下:
MJ
GP
S N
o
LS
(3-1-3)
式(3-1-3)中,(S/N)o为输出端的信噪比,LS为系统损耗。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 由此可见,抗干扰容限MJ与扩频处理增益GP成正比。扩频处
理增益提高后,抗干扰容限大大提高,甚至信号在一定的噪声淹ห้องสมุดไป่ตู้没下也能正常通信。通常的扩频设备总是将用户信息(待传输信 息)的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍,以尽可能地提高处 理增益。
第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 由图3-1-1可见,一般的无线扩频通信系统都要进行三次调
制: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。接收端有相应的变频、扩频解调和信息解调。
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第3 章 CDMA蜂窝移动通信系统 2. 扩频的工作方式 (1) 直接序列扩频(Direct Scquency,DS)工作方式,或称
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