第7章 is-95數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)

1、1,第7章 IS-95數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng),2,引言,IS-95是由美國(guó)高通公司研發(fā)的第一個(gè)基于CDMA數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)。 IS全稱為Interim Standard，即暫時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。也叫TIA-EIA-95。TIA電信工業(yè)協(xié)會(huì)（Telecommunications Industry Association）；EIA電子工業(yè)協(xié)會(huì)（Electronic Industries Association） 。 IS-95是TIA基于CDMA

2、技術(shù)2G移動(dòng)通信的空中接口標(biāo)準(zhǔn)分配的編號(hào)，它也常作為整個(gè)系統(tǒng)名稱使用。 CDG（CDMA Development Group ）為該技術(shù)申請(qǐng)了cdmaOne的商標(biāo)。cdmaOne 是IS-95的第一個(gè)品牌。,3,一、擴(kuò)頻通信,IS-95以擴(kuò)頻碼分多址與數(shù)字蜂窩技術(shù)相結(jié)合，CDMA系統(tǒng)與TDMA有很多不同之處，也很有特點(diǎn)。擴(kuò)頻通信是其基礎(chǔ)。一、擴(kuò)頻通信 是一種信息傳輸方式，在發(fā)送端采用擴(kuò)頻碼調(diào)制，使信號(hào)所占頻帶遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所傳

3、信息所需帶寬，在接收端采用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行解擴(kuò)，恢復(fù)原始信息。,4,擴(kuò)頻通信,1、理論基礎(chǔ) FDMA、TDMA系統(tǒng)總是想辦法使信號(hào)所占頻譜盡量窄，以充分提高頻譜利用率，但考慮到通信安全可靠，可采用寬帶來(lái)傳輸窄帶信息。香農(nóng)公式 C=Blog2（1+S/N） C—傳輸速率 B—信號(hào)頻帶 S/N—信噪比 在C不變的條件下，頻帶B和信噪比S/N是可以相互轉(zhuǎn)換的，甚至信號(hào)被噪聲淹沒(méi)時(shí)，只要有足夠的寬帶，也

4、能可靠通信，這就是擴(kuò)頻通信使用寬帶的原因。,5,擴(kuò)頻通信,2、處理增益 G= 10lgB/Bm B-擴(kuò)頻信號(hào)帶寬 Bm-信號(hào)帶寬 表示信噪比改善程度，是擴(kuò)頻系統(tǒng)一個(gè)重要指標(biāo)。3、抗干擾容限 通信系統(tǒng)要正常工作，需保證輸出端有一定的SNR，抗干擾能力有限，引入抗干擾容限。 M=G-（Ls+SNR） Ls-系統(tǒng)內(nèi)部損耗例：G=30dB，SNR=10dB，Ls=2dB，M=18dB 表明干擾功率

5、超過(guò)信號(hào)功率18dB時(shí)，系統(tǒng)就不用正常工作，極限18dB。,6,擴(kuò)頻通信,4、直接序列擴(kuò)頻,c(t)=m(t)×p(t),p(t):1101001,采用雙極性不歸零碼,m(t):10,7,擴(kuò)頻通信,,,,,,,,,,,,,,,,1101001,10,8,擴(kuò)頻通信,5、偽隨機(jī)序列（PN） 在信息傳輸中，各種信號(hào)之間差異性越大越好，任意兩個(gè)信號(hào)才能區(qū)分，相互不容易發(fā)生干擾導(dǎo)致誤判。 理想的信號(hào)是類似白噪聲的隨機(jī)信號(hào)

6、，因?yàn)槿魏螘r(shí)間上不同的兩段白噪聲都不一樣，若代表二種信號(hào)，差別就最大。 真正的隨機(jī)信號(hào)是不能重復(fù)再現(xiàn)的，所以只能用一種周期性的碼序列來(lái)逼近它的性能，故稱偽隨機(jī)碼PN。 PN在擴(kuò)頻系統(tǒng)或CDMA系統(tǒng)中起著十分重要的作用，這類碼序列的重要特性是它具有近似白噪聲的性能。,9,擴(kuò)頻通信,碼片序列的正交關(guān)系： 令向量 S 表示用戶 S 的碼片向量，令 T 表示其他任何用戶的碼片向量。 兩個(gè)不同用戶的碼片序列正交，就是

7、向量 S 和T 的規(guī)格化內(nèi)積(inner product)都是0,例：S 為(–1–1–1 +1 +1–1 +1 +1 )， T 為(–1–1 +1–1 +1 +1 +1–1 )。是否正交？,10,擴(kuò)頻通信,例：共有4個(gè)用戶進(jìn)行碼分多址CDM通信。碼片序列分別為：A：（－1 －1 －1 ＋1 ＋1 －1 ＋1 ＋1 ）B：（－1 －1 ＋1 －1 ＋1 ＋1 ＋1 －1 ）C：（－1 ＋1 －1 ＋1 ＋1 ＋1 －1 －

8、1 ）D：（－1 ＋1 －1 －1 －1 －1 ＋1 －1 ）A、D站發(fā)數(shù)據(jù)1； B站發(fā)數(shù)據(jù)0； C站保持沉默；問(wèn)信道里的信號(hào)是什么?,(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1),接收端怎樣還原呢?,只須計(jì)算四個(gè)常規(guī)內(nèi)積： （–1 +1 –3 +1 –1 –3 +1 +1）·（–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1）/ 8 = +1 （–1 +1 –3 +1 –1 –3 +1 +1）·（–1

9、 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1）/ 8 = –1 （–1 +1 –3 +1 –1 –3 +1 +1）·（–1 +1 –1 +1 +1 +1 –1 –1）/ 8 = 0 （–1 +1 –3 +1 –1 –3 +1 +1）·（–1 +1 –1 –1 –1 –1 +1 –1）/ 8 = +1,A和D發(fā)送了比特1，B發(fā)送了比特0，C保持沉默。,11,二、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與接口,二、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與接口 與GSM相似

10、，也有MS、BTS、BSC、MSC、HLR、VLR、OMC、AUC、EIR、SMSC等。 主要接口：Um、Abit、AUm接口主要參數(shù)： 上行824MHz-849MHz 下行869MHz-894MHz 頻道間隔1.25MHz 雙工間隔45MHz 調(diào)制方式QPSK 信道速率1.2288Mbps 語(yǔ)音速率8kbps,12,三、CDMA系統(tǒng)的特點(diǎn),三、CDMA

11、系統(tǒng)的特點(diǎn)1、系統(tǒng)容量大 TDMA、FDMA是帶寬受限系統(tǒng)，而CDMA是干擾受限系統(tǒng)，容量是FDMA/TACS的10倍，是TDMA/GSM的4-5倍。2、軟容量 系統(tǒng)允許同時(shí)通話的用戶數(shù)超過(guò)信道數(shù)，使系統(tǒng)容量與用戶數(shù)之間存在一種“軟”關(guān)系，在業(yè)務(wù)高峰期間，可在一定程度上稍微降低誤碼率性能，即稍微降低用戶通話質(zhì)量，適當(dāng)增加用戶數(shù)目，等負(fù)荷減輕時(shí)，通話質(zhì)量再恢復(fù)正常。 軟容量的另一種形式是小區(qū)呼吸功能，是指各小區(qū)

12、覆蓋區(qū)域大小是動(dòng)態(tài)的。當(dāng)相鄰小區(qū)負(fù)載一輕一重時(shí)，負(fù)載重的小區(qū)通過(guò)減少導(dǎo)頻信道的發(fā)射功率，使本小區(qū)的邊緣用戶切換到相鄰小區(qū)，使負(fù)荷分擔(dān)，也相當(dāng)于增加了容量。,13,CDMA系統(tǒng)的特點(diǎn),3、軟切換 只有同頻時(shí)才能進(jìn)行的切換，先通后斷，可保證通信暢通，過(guò)區(qū)切換只需要改變碼型，不需變換頻率。相對(duì)而言，切換控制和操作簡(jiǎn)單。無(wú)縫切換，可保證通話連續(xù)性，減小掉話概率。4、頻率規(guī)劃簡(jiǎn)單 頻帶和時(shí)間共享。FDMA需要復(fù)雜的頻率計(jì)劃管理，

13、區(qū)群、頻率分配，花費(fèi)保護(hù)頻帶，TDMA需要信道均衡，時(shí)隙計(jì)劃管理和花費(fèi)保護(hù)時(shí)間。CDMA用戶按碼區(qū)分，相同的頻段可以在相鄰的小區(qū)內(nèi)使用，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃靈活，擴(kuò)展簡(jiǎn)單。,14,CDMA系統(tǒng)的特點(diǎn),5、保密性好 擴(kuò)頻通信就是為了抗干擾和加強(qiáng)保密性而設(shè)計(jì)的，最早用于軍事通信，系統(tǒng)采用PN擴(kuò)展頻譜調(diào)制，給信號(hào)帶來(lái)了偽裝。不知所用PN碼，難以解擴(kuò)，即使知道PN碼，CDMA信號(hào)還有長(zhǎng)碼加擾方式，提供高度保密性，要竊聽(tīng)必須找到長(zhǎng)碼地址，有4萬(wàn)億種可

14、能性，困難可以想像。6、抗衰落性能好 移動(dòng)信道最嚴(yán)重的衰落是多徑干擾，分集接收是對(duì)抗多徑衰落的有效方法，采用Rake接收機(jī)，能獨(dú)立跟蹤各個(gè)不同路徑，將接收到的不同路徑信號(hào)相疊加，變害為利。,15,CDMA系統(tǒng)的特點(diǎn),7、建網(wǎng)成本低 系統(tǒng)容量大，所需基站少，降低成本。8、手機(jī)環(huán)保 GSM一般發(fā)射功率在600mW左右，CDMA是大約200mW，一般為幾mW，輻射很小，環(huán)保。9、需要功率控制 容量受限于干擾

15、，所以系統(tǒng)必須進(jìn)行精確功率控制，目的是即維持通話質(zhì)量又對(duì)其他用戶產(chǎn)生的干擾盡量小，功率控制的好壞，直接影響系統(tǒng)的容量。10、產(chǎn)生多址干擾 系統(tǒng)用戶間是靠擴(kuò)頻碼互相關(guān)特性加以區(qū)分的，互相關(guān)不可能為零，用戶間就存在干擾，稱多址干擾，是CDMA特有的。,CDMA系統(tǒng)有這么多優(yōu)點(diǎn)，為什么使用的人很少？,16,四、地址碼,四、地址碼 碼分多址，地址碼很重要，主要有三種：信道地址碼，基站地址碼，用戶地址碼1、信道地址碼

16、用于區(qū)分小區(qū)的不同信道，在3類地址碼中，是唯一具有擴(kuò)頻功能的序列，CDMA是干擾受限系統(tǒng)，用戶間的干擾主要取決于信道間的隔離，信道碼的選取直接決定用戶的數(shù)量（容量）和通信質(zhì)量，IS-95用Walsh（沃爾什）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻，其具有理想的正交隔離特性。IS-95系統(tǒng)采用64階的正交沃爾什函數(shù)作為信道地址碼，有64種長(zhǎng)度為64位的等長(zhǎng)沃爾什碼。,IS-95系統(tǒng)一個(gè)頻點(diǎn)有多少個(gè)信道？,17,地址碼,2、用戶地址碼 上行鏈路，由移動(dòng)臺(tái)產(chǎn)

17、生，用于區(qū)分不同的用戶，下行鏈路中，由基站產(chǎn)生擾碼，主要用于數(shù)據(jù)加擾。CDMA系統(tǒng)中，為了容納足夠多的用戶需要足夠多的地址碼。 為了保證足夠數(shù)量，目前的方法是利用局部相關(guān)特性代替?zhèn)坞S機(jī)碼的周期性自相關(guān)和互相關(guān)特性，即利用一個(gè)超長(zhǎng)的m序列，選取有限的一段序列，作為區(qū)分大量用戶的地址碼。用局部相關(guān)替代法，是犧牲質(zhì)量換取足夠的數(shù)量，工程上是可行的。 IS-95采用m序列，是由帶線性反饋的移位寄存器產(chǎn)生的周期最長(zhǎng)的一種序列，也是

18、一種偽隨機(jī)碼。它由42位移位寄存器產(chǎn)生，然后每個(gè)用戶按一定規(guī)律選取其中局部有限位作為用戶地址碼。,18,地址碼,3、基站地址碼 應(yīng)滿足正交特征,序列數(shù)量足夠多,用于上、下行信道,區(qū)分不同基站.IS-95采用兩個(gè)較短的PN碼, m=2E15-1=32767,分別給QPSK的I、Q二個(gè)調(diào)制分量使用。 系統(tǒng)中所有基站的PN序列是一樣的，差異在于起始位不同，各地址碼的初始相位是64的整數(shù)倍。最多提供地址數(shù)為N=512個(gè)/頻點(diǎn)。,

19、19,五、邏輯信道,五、邏輯信道1、分類,,正向,控制,業(yè)務(wù)：W8-31，W33-63傳送業(yè)務(wù)信息,,導(dǎo)頻：W0用于MS提取相干載波，電平檢測(cè)，越區(qū)切換。,同步：W32 同步信息，用于同步調(diào)整,尋呼：W1-7 發(fā)送尋呼信息。,,反向,控制-,業(yè)務(wù)： ≤64,接入：≤32 用于MS呼叫、尋呼響應(yīng)、注冊(cè)登記等。,IS-95各BS配有GPS接收機(jī)，利用GPS時(shí)間基準(zhǔn)，保證各基站有統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)，所有MS以BS時(shí)間為基準(zhǔn)，保證全網(wǎng)同步。CDMA

20、手機(jī)沒(méi)有時(shí)間設(shè)置功能，由系統(tǒng)傳送過(guò)來(lái)。,20,邏輯信道,2、正向信道流程 有導(dǎo)頻信息、同步信息、尋呼信息、業(yè)務(wù)信息四種。,21,邏輯信道,以業(yè)務(wù)信息道為例： ①CRC校驗(yàn)：QCELP語(yǔ)音編碼為可變速率8.0kbit/s、4.0kbit/s、2.0kbit/s、0.8kbit/s，其中0.08kbit/s為靜音，20ms為一幀，速率可變，其中只有速率最高的傳輸隨路信令，所以業(yè)務(wù)信息為8.6kbit/s、4.0kbit/s、2

21、.0kbit/s、0.8kbit/s，0.6kbit/s為隨路信令，其中8.6kbit/s用CRC12，4.0kbit/s用CRC8，2.0kbit/s、0.8kbit/s不用。 ②尾比特：卷積碼復(fù)位時(shí)用。 ③卷積（2，1，8）,22,邏輯信道,④重復(fù)：因?yàn)榻豢棄K384bit/ms，是針對(duì)19.2ks/s做的，所以要把低于19.2ks/s的速率信號(hào)重復(fù)到于19.2ks/s，重復(fù)1、3、7次。 ⑤交織：同步信道16

22、行8列，尋呼、業(yè)務(wù)信道24行16列。 ⑥長(zhǎng)碼產(chǎn)生器：由42級(jí)移位寄存器和相應(yīng)反饋支路組成。 ⑦功率控制：連續(xù)地在正向業(yè)務(wù)信道上發(fā)送，每1.25ms發(fā)1bit，用“0”或“1”比特表示增加或降低MS的輸出功率，正向信道的功率控制是根據(jù)對(duì)反向信道信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量和估算來(lái)確定。 ⑧QPSK：引導(dǎo)PN序列，即基站地址碼。,23,邏輯信道,3、反向信道流程與正向信道相似，只是相關(guān)參數(shù)不同。,24,六、IS-95的主要技術(shù)

23、,六、IS-95的主要技術(shù)1、MS的Rake接收機(jī),①雙工器：收發(fā)共用天線。②RF接收/放大：包括高頻濾波器、混頻器、中頻濾波器、放大器。③RF解調(diào)：變成相位信息。,25,IS-95的主要技術(shù),④接收機(jī)：一個(gè)搜索導(dǎo)頻，接收導(dǎo)頻信道信息，其余也叫單路徑接收機(jī)，是三個(gè)并行相關(guān)器，分別接收三個(gè)路徑的同一信號(hào)進(jìn)行等增益合并，得到的信號(hào)已去除多徑效應(yīng)造成的影響，經(jīng)過(guò)去交織、維比特譯碼、CRC譯碼、得到8.0kbit/s-0.8kbit/s的

24、數(shù)據(jù)流。經(jīng)CELP譯碼恢復(fù)聲音信號(hào)。 Rake接收機(jī)是CDMA系統(tǒng)所特有，較好解決了移動(dòng)信道最嚴(yán)重的問(wèn)題，所以具有抗衰落性能好的特點(diǎn)。,26,IS-95的主要技術(shù),2、語(yǔ)音編碼 QCELP—碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼器，高通公司。該方案是可變速率的混合編碼，利用語(yǔ)音激活檢測(cè)技術(shù)，在語(yǔ)音激活期內(nèi)，可根據(jù)不同的信噪比分別選擇4種速率，使平均速率下降兩倍以上。 經(jīng)過(guò)內(nèi)部測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和MOS測(cè)試表明，其語(yǔ)音質(zhì)量比其他數(shù)字系統(tǒng)如

25、GSM要好，尤其在傳播條件惡劣的情況下，其改善更為明顯。 CELP運(yùn)用線性預(yù)測(cè)技術(shù)，簡(jiǎn)潔而有效地描述聲道特性，利用矢量量化技術(shù)，高效實(shí)現(xiàn)差值激勵(lì)，運(yùn)用分析綜合法準(zhǔn)確而符合聽(tīng)覺(jué)特性地搜索最佳激勵(lì)線性矢量。,27,IS-95的主要技術(shù),CELP的實(shí)現(xiàn)：,28,IS-95的主要技術(shù),①8kHz抽樣②160個(gè)樣值/20ms③生成三個(gè)參數(shù)子幀:LPC子幀、音調(diào)合成子幀、碼表子幀④濾波參數(shù)(LPC子幀) 20ms更新一次⑤音調(diào)參數(shù)(音調(diào)合成

26、子幀)不同速率更新不同⑥碼表參數(shù)(碼表子幀)不同速率更新不同⑦三參數(shù)不斷更新,按一定幀結(jié)構(gòu)排列。 數(shù)碼率選取原則：每一幀中信號(hào)能量與3個(gè)不同的門限比較，大于3個(gè)門限選擇速率1，大于2個(gè)門限選擇速率1/2，大于1個(gè)門限選擇速率1/4，小于3個(gè)門限選擇速率1/8，每次只允許變化一級(jí)。 CELP可用DSP實(shí)現(xiàn)，如IT公司的TMS320C50系列。,29,IS-95的主要技術(shù),3、功率控制 CDMA是干擾受限系統(tǒng)，“遠(yuǎn)近

27、效應(yīng)”影響很大，采取功率控制可減少互相干擾，增大容量，功率控制的精度決定容量。 功率控制可按上、下行鏈路來(lái)分類，方法有三種：開(kāi)環(huán)、閉環(huán)、外環(huán)。①開(kāi)環(huán)：MS或BS根據(jù)下行（上行）鏈路接收到的信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)信道衰落情況進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，若收到信號(hào)彈很強(qiáng)，表明MS和BS很近或路徑很好，可以降低發(fā)射功率，相反增加功率，簡(jiǎn)單易行，速度快，不需要在MS和BS之間交換信息。根據(jù)收決定發(fā)。但對(duì)于FDD系統(tǒng)，上下行鏈路的衰落是不相同的，開(kāi)環(huán)控制效果較

28、差，只能起粗略控制作用，精確控制必須依靠閉環(huán)控制。,30,IS-95的主要技術(shù),②閉環(huán)：MS和BS把收到的信號(hào)與信干比門限比較，以決定功率控制信息，好發(fā)給對(duì)方。MS和BS再根據(jù)收到的對(duì)方傳來(lái)的信息進(jìn)行功率控制，其精度高，但復(fù)雜，比特開(kāi)銷大。③外環(huán)：通過(guò)接收誤幀率的計(jì)算，來(lái)調(diào)整閉環(huán)功率控制所需的門限。IS-95采用什么控制方式？正向信道：慢速閉環(huán)功率控制反向信道：開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和外環(huán)功率控制 正向信道采用同步碼分多址，而反向信

29、道采用異步碼分多址。正向鏈路優(yōu)于反向鏈路。另外，正向的干擾主要來(lái)自相鄰基站，所以不是控制重點(diǎn)。采用較簡(jiǎn)單的慢速閉環(huán)功率控制。,為什么不一樣？,31,IS-95的主要技術(shù),過(guò)程：基站為各業(yè)務(wù)信道分配一個(gè)起始標(biāo)稱功率，周期性地降低，MS周期性地向基站報(bào)告幀質(zhì)量。BS根據(jù)結(jié)果與閥值比較，來(lái)確定分配給該MS功率是增加還是減少。調(diào)節(jié)量通常為0.1dB，動(dòng)態(tài)范圍±6dB，每20ms調(diào)節(jié)一次。比反向1.25ms要慢得多，所以稱慢速閉環(huán)功率控

30、制。反向信道：開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和外環(huán)功率控制開(kāi)環(huán)：假設(shè)上下行傳輸損耗相同，MS接收測(cè)量基站發(fā)來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度，估計(jì)傳輸損耗，自動(dòng)調(diào)節(jié)其發(fā)射功率，粗略控制。閉環(huán)：BS測(cè)量各MS的信噪比與門限比較，在功率控制子信道上發(fā)升降功率指令，MS根據(jù)指令確定發(fā)射功率。調(diào)節(jié)量為0.5dB，動(dòng)態(tài)范圍±24dB，每1.25ms調(diào)節(jié)一次。外環(huán)：在一定門限情況下，誤幀率較高，說(shuō)明門限不合適，改變門限,32,IS-95的主要技術(shù),4、越區(qū)切換軟切換：載

31、波相同的小區(qū)間的切換。硬切換：載波不同的小區(qū)間的切換。系統(tǒng)切換：數(shù)字和模擬系統(tǒng)的切換。,33,七、系統(tǒng)容量比較,七、三種典型系統(tǒng)容量比較 為方便比較，系統(tǒng)帶寬設(shè)為1.25MHz1、TACS（FDMA）頻帶寬度1.25MHz，間隔25kHz，N=7m=1.25MHz/（25kHz×7）=7.1信道/小區(qū)2、GSM（TDMA）頻帶寬度1.25MHz，間隔200kHz，8時(shí)隙，N=4m=1.25MHz

32、5;8/（200kHz×4）=12.5信道/小區(qū)GSM和TACS不考慮N時(shí)是一樣的，只是數(shù)字化蜂窩能把N做的更小而已。3、IS-95（CDMA）干擾受限，理論上在功率控制理想狀態(tài)，可以達(dá)到120信道/小區(qū)，實(shí)際只有65個(gè)左右，所以使用64階沃爾什函數(shù)。64信道/小區(qū)。,34,重點(diǎn),1，CDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)2，IS-95的地址碼3，IS-95的邏輯信道，和物理信道的映射關(guān)系4，IS-95用什么作時(shí)鐘同步5，IS-95