第7章 IS-95数字蜂窝移动通信系统.ppt

*,勤学 务实 开拓 创新,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,7,章,IS-95,数字蜂窝移动通信系统,1,引言,IS-95,是由美国高通公司研发的第一个基于,CDMA,数字蜂窝标准。,IS,全称为,Interim Standard,，即暂时标准。也叫,TIA-EIA-95,。,TIA,电信工业协会（,Telecommunications Industry Association,）；,EIA,电子工业协会（,Electronic Industries Association,）。,IS-95,是,TIA,基于,CDMA,技术,2G,移动通信的空中接口标准分配的编号，它也常作为整个系统名称使用。,CDG,（,CDMA Development Group,）为该技术申请了,cdmaOne,的商标。,cdmaOne,是,IS-95,的第一个品牌。,2,一、扩频通信,IS-95,以扩频码分多址与数字蜂窝技术相结合，,CDMA,系统与,TDMA,有很多不同之处，也很有特点。扩频通信是其基础。,一、扩频通信,是一种信息传输方式，在发送端采用扩频码调制，使信号所占频带远远大于所传信息所需带宽，在接收端采用相同的扩频码进行解扩，恢复原始信息。,3,扩频通信,1,、理论基础,FDMA,、,TDMA,系统总是想办法使信号所占频谱尽量窄，以充分提高频谱利用率，但考虑到通信安全可靠，可采用宽带来传输窄带信息。,香农公式,C=Blog2,（,1+S/N,）,C,传输速率,B,信号频带,S/N,信噪比,在,C,不变的条件下，频带,B,和信噪比,S/N,是可以相互转换的，甚至信号被噪声淹没时，只要有足够的宽带，也能可靠通信，这就是扩频通信使用宽带的原因。,4,扩频通信,2,、处理增益,G=10lgB/Bm B-,扩频信号带宽,Bm,-,信号带宽,表示信噪比改善程度，是扩频系统一个重要指标。,3,、抗干扰容限,通信系统要正常工作，需保证输出端有一定的,SNR,，抗干扰能力有限，引入抗干扰容限。,M=G-,（,Ls+SNR,）,Ls-,系统内部损耗,例：,G=30dB,，,SNR=10dB,，,Ls=2dB,，,M=18dB,表明干扰功率超过信号功率,18dB,时，系统就不用正常工作，极限,18dB,。,5,扩频通信,4,、直接序列扩频,PSK,放功,c(t,),s1(t),m(t,),PN,p(t,),载波,相关,解调,前置,s(t,),s1(t),输出,s2(t),PSK,载波,PN,c(t)=,m(t),p(t,),p(t):1101001,采用双极性不归零码,m(t):10,6,扩频通信,s(t,),p(t,),c(t),载波,s1(t),s2(t),m(t,),输出,1101001,10,7,扩频通信,5,、伪随机序列（,PN,）,在信息传输中，各种信号之间差异性越大越好，任意两个信号才能区分，相互不容易发生干扰导致误判。,理想的信号是类似白噪声的随机信号，因为任何时间上不同的两段白噪声都不一样，若代表二种信号，差别就最大。,真正的随机信号是不能重复再现的，所以只能用一种周期性的码序列来逼近它的性能，故称伪随机码,PN,。,PN,在扩频系统或,CDMA,系统中起着十分重要的作用，这类码序列的重要特性是它具有近似白噪声的性能。,8,扩频通信,码片序列的正交关系：,令向量,S,表示用户,S,的码片向量，令,T,表示其他任何用户的码片向量。,两个不同用户的码片序列正交，就是向量,S,和,T,的规格化内积,(inner product),都是,0,例：,S,为,(,1,1,1+1,+1,1+1,+1,),，,T,为,(,1,1+1,1+1,+1,+1,1),。是否正交？,9,扩频通信,例：共有,4,个用户进行码分多址,CDM,通信。码片序列分别为：,A,：,（,1,1,1,1,1,1,1,1,）,B,：,（,1,1,1,1,1,1,1,1,）,C,：,（,1,1,1,1,1,1,1,1,）,D,：,（,1,1,1,1,1,1,1,1,）,A,、,D,站发数据,1,；,B,站发数据,0,；,C,站保持沉默,；,问信道里的信号是什么,?,(-1+1-3+1-1-3+1,+1,),接收端怎样还原呢,?,只须计算四个常规内积：,（,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 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,发送了比特,1,，,B,发送了比特,0,，,C,保持沉默。,10,二、网络结构与接口,二、网络结构与接口,与,GSM,相似，也有,MS,、,BTS,、,BSC,、,MSC,、,HLR,、,VLR,、,OMC,、,AUC,、,EIR,、,SMSC,等。,主要接口：,Um,、,Abit,、,A,Um,接口主要参数：,上行,824MHz-849MHz,下行,869MHz-894MHz,频道间隔,1.25MHz,双工间隔,45MHz,调制方式,QPSK,信道速率,1.2288Mbps,语音速率,8kbps,11,三、,CDMA,系统的特点,三、,CDMA,系统的特点,1,、系统容量大,TDMA,、,FDMA,是带宽受限系统，而,CDMA,是干扰受限系统，容量是,FDMA/TACS,的,10,倍，是,TDMA/GSM,的,4-5,倍。,2,、软容量,系统允许同时通话的用户数超过信道数，使系统容量与用户数之间存在一种,“,软,”,关系，在业务高峰期间，可在一定程度上稍微降低误码率性能，即稍微降低用户通话质量，适当增加用户数目，等负荷减轻时，通话质量再恢复正常。,软容量的另一种形式是小区呼吸功能，是指各小区覆盖区域大小是动态的。当相邻小区负载一轻一重时，负载重的小区通过减少导频信道的发射功率，使本小区的边缘用户切换到相邻小区，使负荷分担，也相当于增加了容量。,12,CDMA,系统的特点,3,、软切换,只有同频时才能进行的切换，先通后断，可保证通信畅通，过区切换只需要改变码型，不需变换频率。相对而言，切换控制和操作简单。无缝切换，可保证通话连续性，减小掉话概率。,4,、频率规划简单,频带和时间共享。,FDMA,需要复杂的频率计划管理，区群、频率分配，花费保护频带，,TDMA,需要信道均衡，时隙计划管理和花费保护时间。,CDMA,用户按码区分，相同的频段可以在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。,13,CDMA,系统的特点,5,、保密性好,扩频通信就是为了抗干扰和加强保密性而设计的，最早用于军事通信，系统采用,PN,扩展频谱调制，给信号带来了伪装。不知所用,PN,码，难以解扩，即使知道,PN,码，,CDMA,信号还有长码加扰方式，提供高度保密性，要窃听必须找到长码地址，有,4,万亿种可能性，困难可以想像。,6,、抗衰落性能好,移动信道最严重的衰落是多径干扰，分集接收是对抗多径衰落的有效方法，采用,Rake,接收机，能独立跟踪各个不同路径，将接收到的不同路径信号相叠加，变害为利。,14,CDMA,系统的特点,7,、建网成本低,系统容量大，所需基站少，降低成本。,8,、手机环保,GSM,一般发射功率在,600mW,左右，,CDMA,是大约,200mW,，一般为几,mW,，辐射很小，环保。,9,、需要功率控制,容量受限于干扰，所以系统必须进行精确功率控制，目的是即维持通话质量又对其他用户产生的干扰尽量小，功率控制的好坏，直接影响系统的容量。,10,、产生多址干扰,系统用户间是靠扩频码互相关特性加以区分的，互相关不可能为零，用户间就存在干扰，称多址干扰，是,CDMA,特有的。,CDMA,系统有这么多优点，为什么使用的人很少？,15,四、地址码,四、地址码,码分多址，地址码很重要，主要有三种：信道地址码，基站地址码，用户地址码,1,、信道地址码,用于区分小区的不同信道，在,3,类地址码中，是唯一具有扩频功能的序列，,CDMA,是干扰受限系统，用户间的干扰主要取决于信道间的隔离，信道码的选取直接决定用户的数量（容量）和通信质量，,IS-95,用,Walsh,（沃尔什）函数来实现扩频，其具有理想的正交隔离特性。,IS-95,系统采用,64,阶的正交沃尔什函数作为信道地址码，有,64,种长度为,64,位的等长沃尔什码。,IS-95,系统一个频点有多少个信道？,16,地址码,2,、用户地址码,上行链路，由移动台产生，用于区分不同的用户，下行链路中，由基站产生扰码，主要用于数据加扰。,CDMA,系统中，为了容纳足够多的用户需要足够多的地址码。,为了保证足够数量，目前的方法是利用局部相关特性代替伪随机码的周期性自相关和互相关特性，即利用一个超长的,m,序列，选取有限的一段序列，作为区分大量用户的地址码。用局部相关替代法，是牺牲质量换取足够的数量，工程上是可行的。,IS-95,采用,m,序列，是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种序列，也是一种伪随机码。它由,42,位移位寄存器产生，然后每个用户按一定规律选取其中局部有限位作为用户地址码。,17,地址码,3,、基站地址码,应满足正交特征,序列数量足够多,用于上、下行信道,区分不同基站,.IS-95,采用两个较短的,PN,码,m=2E15-1=32767,分别给,QPSK,的,I,、,Q,二个调制分量使用。,系统中所有基站的,PN,序列是一样的，差异在于起始位不同，各地址码的初始相位是,64,的整数倍。最多提供地址数为,N=512,个,/,频点。,18,五、逻辑信道,五、逻辑信道,1,、分类,正向,控制,业务：,W8-31,，,W33-63,传送业务信息,导频：,W0,用于,MS,提取相干载波，电平检测，越区切换。,同步：,W32,同步信息，用于同步调整,寻呼：,W1-7,发送寻呼信息。,反向,控制,-,业务：,64,接入：,32,用于,MS,呼叫、寻呼响应、注册登记等。,IS-95,各,BS,配有,GPS,接收机，利用,GPS,时间基准，保证各基站有统一时间基准，所有,MS,以,BS,时间,为基准，保证全网同步。,CDMA,手机没有时间设置功能，由系统传,送过来。,19,逻辑信道,2,、正向信道流程,有导频信息、同步信息、寻呼信息、业务信息四种。,20,逻辑信道,以业务信息道为例：,CRC,校验：,QCELP,语音编码为可变速率,8.0kbit/s,、,4.0kbit/s,、,2.0kbit/s,、,0.8kbit/s,，其中,0.08kbit/s,为静音，,20ms,为一帧，速率可变，其中只有速率最高的传输随路信令，所以业务信息为,8.6kbit/s,、,4.0kbit/s,、,2.0kbit/s,、,0.8kbit/s,，,0.6kbit/s,为随路信令，其中,8.6kbit/s,用,CRC12,，,4.0kbit/s,用,CRC8,，,2.0kbit/s,、,0.8kbit/s,不用。,尾比特：卷积码复位时用。,卷积（,2,，,1,，,8,）,21,逻辑信道,重复：因为交织块,384bit/ms,，是针对,19.2ks/s,做的，所以要把低于,19.2ks/s,的速率信号重复到于,19.2ks/s,，重复,1,、,3,、,7,次。,交织：同步信道,16,行,8,列，寻呼、业务信道,24,行,16,列。,长码产生器：由,42,级移位寄存器和相应反馈支路组成。,功率控制：连续地在正向业务信道上发送，每,1.25ms,发,1bit,，用,“,0,”,或,“,1,”,比特表示增加或降低,MS,的输出功率，正向信道的功率控制是根据对反向信道信号强度进行测量和估算来确定。,QPSK,：引导,PN,序列，即基站地址码。,22,逻辑信道,3,、反向信道流程,与正向信道相似，只是相关参数不同。,23,六、,IS-95,的主要技术,六、,IS-95,的主要技术,1,、,MS,的,Rake,接收机,双工器,RF,接收,/,放大,RF,解调,导频搜索,符号解调,符号解调,符号解调,信,号,合,并,去交织,维比特译码,CRC,校验,CELP,译码,受话器,双工器：收发共用天线。,RF,接收,/,放大：包括高频滤波器、混频器、中频滤波器、放大器。,RF,解调：变成相位信息。,24,IS-95,的主要技术,接收机：一个搜索导频，接收导频信道信息，其余也叫单路径接收机，是三个并行相关器，分别接收三个路径的同一信号进行等增益合并，得到的信号已去除多径效应造成的影响，经过去交织、维比特译码、,CRC,译码、得到,8.0kbit/s-0.8kbit/s,的数据流。经,CELP,译码恢复声音信号。,Rake,接收机是,CDMA,系统所特有，较好解决了移动信道最严重的问题，所以具有抗衰落性能好的特点。,25,IS-95,的主要技术,2,、语音编码,QCELP,码激励线性预测编码器，高通公司。该方案是可变速率的混合编码，利用语音激活检测技术，在语音激活期内，可根据不同的信噪比分别选择,4,种速率，使平均速率下降两倍以上。,经过内部测试，现场测试和,MOS,测试表明，其语音质量比其他数字系统如,GSM,要好，尤其在传播条件恶劣的情况下，其改善更为明显。,CELP,运用线性预测技术，简洁而有效地描述声道特性，利用矢量量化技术，高效实现差值激励，运用分析综合法准确而符合听觉特性地搜索最佳激励线性矢量。,26,IS-95,的主要技术,CELP,的实现：,速率,8.0kbit/s,4.0kbit/s,2.0kbit/s,0.8kbit/s,LPC,子帧,每帧更新次数,1,1,1,1,更新取样值,160,160,160,160,比特数,40,20,10,10,音调,合成,子帧,每帧更新次数,4,2,1,0,更新取样值,40,80,160,0,比特数,10,10,10,0,码表,子帧,每帧更新次数,8,4,2,1,更新取样值,20,40,80,160,比特数,10,10,10,6,27,IS-95,的主要技术,8kHz,抽样,160,个样值,/20ms,生成三个参数子帧,:LPC,子帧、音调合成子帧、码表子帧滤波参数,(LPC,子帧,)20ms,更新一次音调参数,(,音调合成子帧,),不同速率更新不同码表参数,(,码表子帧,),不同速率更新不同三参数不断更新,按一定帧结构排列。,数码率选取原则：每一帧中信号能量与,3,个不同的门限比较，大于,3,个门限选择速率,1,，大于,2,个门限选择速率,1/2,，大于,1,个门限选择速率,1/4,，小于,3,个门限选择速率,1/8,，每次只允许变化一级。,CELP,可用,DSP,实现，如,IT,公司的,TMS320C50,系列。,28,IS-95,的主要技术,3,、功率控制,CDMA,是干扰受限系统，,“,远近效应,”,影响很大，采取功率控制可减少互相干扰，增大容量，功率控制的精度决定容量。,功率控制可按上、下行链路来分类，方法有三种：开环、闭环、外环。,开环：,MS,或,BS,根据下行（上行）链路接收到的信号强度，对信道衰落情况进行实时估计，若收到信号弹很强，表明,MS,和,BS,很近或路径很好，可以降低发射功率，相反增加功率，简单易行，速度快，不需要在,MS,和,BS,之间交换信息。根据收决定发。但对于,FDD,系统，上下行链路的衰落是不相同的，开环控制效果较差，只能起粗略控制作用，精确控制必须依靠闭环控制。,29,IS-95,的主要技术,闭环：,MS,和,BS,把收到的信号与信干比门限比较，以决定功率控制信息，好发给对方。,MS,和,BS,再根据收到的对方传来的信息进行功率控制，其精度高，但复杂，比特开销大。,外环：通过接收误帧率的计算，来调整闭环功率控制所需的门限。,IS-95,采用什么控制方式？,正向信道：慢速闭环功率控制,反向信道：开环、闭环和外环功率控制,正向信道采用同步码分多址，而反向信道采用异步码分多址。正向链路优于反向链路。另外，正向的干扰主要来自相邻基站，所以不是控制重点。采用较简单的慢速闭环功率控制。,为什么不一样？,30,IS-95,的主要技术,过程：基站为各业务信道分配一个起始标称功率，周期性地降低，,MS,周期性地向基站报告帧质量。,BS,根据结果与阀值比较，来确定分配给该,MS,功率是增加还是减少。调节量通常为,0.1dB,，动态范围,6dB,，每,20ms,调节一次。比反向,1.25ms,要慢得多，所以称慢速闭环功率控制。,反向信道：开环、闭环和外环功率控制,开环：假设上下行传输损耗相同，,MS,接收测量基站发来的信号强度，估计传输损耗，自动调节其发射功率，粗略控制。,闭环：,BS,测量各,MS,的信噪比与门限比较，在功率控制子信道上发升降功率指令，,MS,根据指令确定发射功率。调节量为,0.5dB,，动态范围,24dB,，每,1.25ms,调节一次。,外环：在一定门限情况下，误帧率较高，说明门限不合适，改变门限,31,IS-95,的主要技术,4,、越区切换,软切换：载波相同的小区间的切换。,硬切换：载波不同的小区间的切换。,系统切换：数字和模拟系统的切换。,32,七、系统容量比较,七、三种典型系统容量比较,为方便比较，系统带宽设为,1.25MHz,1,、,TACS,（,FDMA,）,频带宽度,1.25MHz,，间隔,25kHz,，,N=7,m=1.25MHz/,（,25kHz,7,）,=7.1,信道,/,小区,2,、,GSM,（,TDMA,）,频带宽度,1.25MHz,，间隔,200kHz,，,8,时隙，,N=4,m=1.25MHz,8/,（,200kHz,4,）,=12.5,信道,/,小区,GSM,和,TACS,不考虑,N,时是一样的，只是数字化蜂窝能把,N,做的更小而已。,3,、,IS-95,（,CDMA,）,干扰受限，理论上在功率控制理想状态，可以达到,120,信道,/,小区，实际只有,65,个左右，所以使用,64,阶沃尔什函数。,64,信道,/,小区。,33,重点,1,，,CDMA,系统的特点,2,，,IS-95,的地址码,3,，,IS-95,的逻辑信道，和物理信道的映射关系,4,，,IS-95,用什么作时钟同步,5,，,IS-95,采用的主要技术,6,正向信道流程,7,，,IS-95,语音编码,8,，,IS-95,的功率控制过程,9,，,GSM,和,IS-95,的差别,34,