《移动通信新技术CDMA》.pptx

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移动通信新技术--CDMA第1章移动通信信道与移动用户第2章多址技术与扩频通信第3章IS-95码分多址系统第4章（3G）移动通信系统IMT-2000简介 吴老师：这章的内容因为在GSM课程里我们已经做了录象，所以这部分不需要重复讲授了。是否有不一样的地方？下一页<<第1章移动通信信道与移动用户 第2章多址技术与扩频通信多址技术的基本概念扩频通信的基本概念扩频通信的主要优缺点下一页>>上一页>> 2.1多址技术的基本概念目的原理实现方式典型范例上一页>>下一页>> --目的--由于移动用户在不断的随机移动，建立它们之间的通信，首先必须引入区分与识别动态用户地址的多址技术。下一页>>上一页>> --原理--上一页>>下一页>> --实现方式--正交信号的正交划分与设计，具体是通过信号的正交参量λi（i=1,2,…,n）的划分来实现的。（1）在发送端：设计一组相互正交的信号参量其中：:为第i个用户地址的信号；:为第i个用户信号的正交参量；:为第i个用户地址的保护区。下一页>>上一页>>（2.1）（2.2） --实现方式--（续）式（2.1）是理论上表达式;式（2.2）则是考虑到实际情况后的实际划分表达式。而且，正交参量应满足上一页>>下一页>>1当i=j时0当ij时λi·λj=（2.3） --实现方式--（续）（2）在接收端：设计一个正交信号识别器。如图2.1所示。图2.1正交信号识别器原理图下一页>>上一页>> --典型范例--当λi=ΔFi时，称为频分多址FDMA。如图2.2所示。图2.2频分多址原理图上一页>>下一页>> --典型范例--（续）在移动通信中，最典型的频分多址方式有：北美：800MHz的AMPS体制；欧洲与我国：900MHz的TACS体制。下一页>>上一页>> --典型范例--（续）当λi=ΔTi时，称为时分多址TDMA。如图2.3所示。图2.3时分多址原理图上一页>>下一页>> --典型范例--（续）在移动通信中，最典型的时分多址方式有：GSM900，它是欧洲与我国等采用的体制；D-AMPS，它是北美等采用的体制；PDC，它是日本采用的体制。下一页>>上一页>> --典型范例--（续）当λi=ci时，称为码分多址CDMA。它有两种主要形式：直扩码分DS-CDMA：多用于民用；时频编码、跳频等：多用于军事。对于直扩码分多址DS-CDMA形式如图2.4所示。图2.4直扩码分多址原理图上一页>>下一页>> --典型范例--（续）CDMA与FDMA，TDMA划分形式不一样频分FDMA与时分TDMA均属于一维多址划分；码分多址CDMA是属于时频二维域上的划分。CDMA的所有用户均占有同一整个频段ΔF与同一整个时隙ΔT，而划分不同地址的正交参量既不是频段也不是时隙，而是不同地址信号码组的自相关与互相关函数，具体实现将在后面介绍。下一页>>上一页>> --典型范例--（续）另一种码分形式为时频编码或称跳频，如图2.5所示。图2.5时频编码扩频多址原理图上一页>>下一页>> --典型范例--（续）在时频编码或跳频方式中，它将整个时域ΔT划分为若干个子时域ΔTi（i=1,2,…，n），同样又将整个频段ΔF划分为若干个子频段ΔFi（i=1,2,…，n）。然而每个用户在不同的时隙占用不同的频段即在时频二维的子区域内跳动，称为时频编码。或者可以看作按时间顺序在不同频段上跳动，称为跳频。下一页>>上一页>> 2.2扩频通信的基本概念扩频码分多址是数字移动通信中的一种多址接入方式，特别是在第三代移动通信中，它已成为最主要的多址接入方式。扩频通信确切地说称为扩谱通信更为恰当，因为被扩展的是信号频谱带宽，不过习惯上均称为扩频，它是一类宽带通信系统。它的主要特征是：扩频前的信息码元带宽远小于扩频后的扩频码序列（chip）的带宽。上一页>>下一页>> 2.2扩频通信的基本概念（续）窄带和宽带通信系统扩频通信的基本原理直扩式码分多址DS-CDMA跳频直扩系统的主要技术指标上一页>>下一页>>下一页>> --窄带和宽带通信系统--定义：设R为待传送信息码元速率，T为信息码元的持续时间，F为传送信号扩频码序列（chip）所占用的带宽。若R·T=F·T≈1时，即当R=F，或者F=2R时，称为一般窄带通信系统，在通常数字通信系统中，移频、移相均属窄带通信系统。若F>>R，即=10～106（10～60dB），则称该系统为宽带通信系统。宽带通信系统是窄带系统通过扩频方式来实现的。码分多址CDMA就是一类典型的扩频宽带通信系统。上一页>>下一页>> --扩频通信的基本原理--由通信原理与信息论中的著名Shannon公式C=FTlg（1+）（见图2.6）。公式中：F：限频带宽；T：限时时隙，一般在通信原理中取T=1；：为功率信噪比；C：信道容量。图2.6信道容量C的直观图示上一页>>下一页>> --扩频通信的基本原理--（续）这一公式指出一个限时（T）限频（F）限功率（S）的连续白色高斯信道。其信道容量可以形象的用3个主要信号参量所决定的体积来表示。上一页>>下一页>> --扩频通信的基本原理--（续）3个参量F、T与lg（1+）所构成体积，当容积C不变时，具有“可塑性”。即3个参量之间可以互换。这一辩证关系实质性的揭示，为众多新型通信体制的建立打开了创新之门。扩频通信就是其中最典型的一个实例。在移动通信中，信噪比是最主要的矛盾，为了提高信噪比，可以不惜一切手段。其中Shannon公式指出：可以采用频带F来换取信噪比，即当C不变时，增加频带F可以降低接收机接收的信噪门限值lg（1+）。这就是扩频通信的基本原理，即用频带换取信噪比。上一页>>下一页>> --直扩式码分多址DS-CDMA--下面以一个最简单的7位m序列为例，按照m序列定义：m=7=2n-1=23-1，即它可以由最简单的三级移位寄存器产生7位的m序列的伪随机码序列：1１１-1-11-1。其扩频前、后波形图如图2.7所示。图2.7扩频波形原理图上一页>>下一页>> --直扩式码分多址DS-CDMA--（续）在不考虑多径影响时，假如我们取此m序列七位码元的不同移位（向左移）构成7个不同用户的地址码，这时，信道假设为理想无多径信道，则有：C1=111-1-11-1C2=11-1-11-11C3=1-1-11-111C4=-1-11-1111C5=-11-1111-1C6=1-1111-1-1C7=-1111-1-11C8=111-1-11-1上一页>>下一页>> --直扩式码分多址DS-CDMA--（续）显然，移至八位以上就产生循环重复即c1=c8，c2=c9……。故该伪随机码周期为7。扩频后速率提高了七倍或者说频带增大了七倍，对于理想无多径信道扩频后，通过扩频码移位可提供7个不同用户，其有效性没有降低。上一页>>下一页>> --直扩式码分多址DS-CDMA--（续）这时可利用DS-CDMA的m序列自相关特性来区分与识别用户多址。上述七位m序列扩频码的自相关函数如图2.8所示。图2.8m=7=23-1序列的自相关函数图上一页>>下一页>> --直扩式码分多址DS-CDMA——（续）由上述相关函数图形可见只有当发端、收端是同一用户地址码时（即时间移位对齐时），自相关函数输出最大为7；当收、发不是同一用户地址码时（即时间移位错开一至六位时），其自相关函数输出均为-1。因此利用这一自相关特性可以实现在移动通信多址接入技术中，寻找属于自己用户的地址。这时，从抗干扰看，通过扩频码移位对齐后，七倍扩频码（chip）信号能量通过相关运算能集中到对齐位的某一个扩频码（chip）上，与扩频前相比，其抗干扰性增大七倍以上。上一页>>下一页>> --直扩式码分多址DS-CDMA--（续）DS-CDMA系统实现框图如图2.9所示。图2.9系统发、收端实现框图它与传统的通信系统相比较发端多了扩频调制；收端多了扩频解扩。上一页>>下一页>> --跳频--跳频是将待传送码元的载波分量随着时间顺序受一个伪随机序列控制而随机跳动。下面给出一个6个时隙7个载波跳频系统，如图2.10所示。图2.10跳频原理图上一页>>下一页>> --跳频--（续）跳频的具体实现方框图如图2.11所示。图2.11跳频、发、收端实现框图跳频体制，抗人为干扰能力强，保密，但实现较复杂。因此多用于军事通信中。另外还有其他类似的跳时、时频相调制以及各类混合体制等。上一页>>下一页>> --直扩系统的主要技术指标--处理增益G它表示扩频系统解扩后信噪比改善程度；另有两类等效定义：表示发送端码元扩展的倍数信号带宽扩展的倍数；它可用下列公式表示其中：RPN、R分别表示伪码速率和信息码速率；：FPN、B分别表示伪码带宽与信息码带宽。上一页>>下一页>> --直扩系统的主要技术指标--（续）干扰容限M它表示在正常工作的条件下，接收机输入端所能承受的干扰比信号高出的分贝数值：其中：Ls为实际传输路径损耗（dB）M值直观反映了扩频系统接收机所允许的干扰最大强度值（用分贝表示）。上一页>>下一页>> --直扩系统的主要技术指标--（续）例：某扩频系统若已知：G=21dB，Ls=5dB，10lg()out=6dB则有：M=21-5-6=10dB它说明该扩频系统最大承受干扰为10dB，即允许最大干扰比信号强10倍。上一页>>下一页>> 2.3扩频通信的主要优缺点主要优点主要缺点上一页>>下一页>> --主要优点--抗干扰能力强且G越大；抗干扰能力越强，抗白噪声、抗单频窄带干扰、抗人为干扰、抗跟踪干扰、抗宽带的等效白噪声的多址与多径干扰能力都很强。扩频系统抗干扰性强的物理解释：对于数字通信系统，则可见：误码率Pe与功率信噪比及信号基数FT成反比。且当Pe不变时，∝。所以当F·T=10～106时，在保证一定Pe时，可以实现在很低的值下进行通信，即允许很强的干扰。上一页>>下一页>> --主要优点--（续）保密性能强无论是直扩还是跳频，扩频后其频谱均为近似白噪声，因此具有良好的保密性能。同时对于数字化用户，还可以进一步进行数字式用户加密。低功率谱密度由于扩频属于宽带系统，频带越宽，功率谱密度就越低，因此它具有良好的隐蔽性能。且对其他通信系统及对人体的干扰与影响也小。上一页>>下一页>> --主要优点--（续）易于实现大容量多址通信时频二维地址划分使潜在地址数增大。抗干扰能力强与低功率密度对于干扰受限系统，将允许接纳更多的用户数。易于实现精确定时与测距因此被广泛用于雷达、导航、通信、测距等系统。适合于变参信道的无线通信扩频系统易于实现多种形式分集接收并提高抗干扰性。上一页>>下一页>> --主要缺点--占用信号频带宽扩频后的码序列（chip）带宽远大于扩频前的信息序列带宽。系统实现复杂。在时变信道中实现同步较为困难。目前受寻找地址码数量上的限制，实现大容量通信仍存在一定困难。上一页>>下一页>> 第3章IS-95码分多址系统IS-95CDMA体制简介IS-95中的RAKE接收技术IS-95中的功率控制IS-95中的切换技术IS-95中的网络结构上一页>>下一页>> 3.1IS-95CDMA体制简介美国QUALCOMM公司研制的IS-95CDMA体制是一类直扩码分多址（DS-CDMA）的蜂窝通信系统。也是世界上第一个民用的码分多址CDMA蜂窝通信系统。下面将简要介绍IS-95，主要介绍多址技术、可靠性（抗干扰性）、有效性（系统容量）。上一页>>下一页>> 3.1IS-95CDMA体制简介扩频码分多址的技术实现采用多种手段提高可靠性（抗干扰性）利用基站的GPS实现下行同步码分增加系统容量的主要手段上一页>>下一页>> 图3.1CDMA系统的信道示意图3.1IS-95CDMA体制简介（续）上一页>>下一页>>下一页>> 图3.2N-CDMA系统正向信道分配图3.1IS-95CDMA体制简介（续）上一页>>下一页>>下一页>> 图3.3N-CDMA系统反向信道分配图3.1IS-95CDMA体制简介（续）上一页>>下一页>> 图3.4正向CDMA信道结构3.1IS-95CDMA体制简介（续）上一页>>下一页>> 图3.5反向CDMA信道结构3.1IS-95CDMA体制简介（续）上一页>>下一页>> 图3.6发信方向基带信号处理结构3.1IS-95CDMA体制简介（续）上一页>>下一页>> --扩频码分多址的技术实现--采用三种类型正交（准正交）码以区分三个不同层次的地址：用户地址码信道地址码基站地址码上一页>>下一页>> --扩频码分多址的技术实现—--用户地址码（1）为了容纳更多的用户，地址码的数量是主要矛盾。（2）用户地址码是由移动台产生的，主要用于上行（反向）信道中。（3）地址码结构：为了保证数量，因此选用：超长m=242-1序列为基础；在整个IS-95中超长m=242-1序列的结构是唯一不变的；不同移动台用户随机分配一个延迟初相，并再与该移动台电子序号ESN作掩码模二加形成不同相位的地址码；延迟相位初相与作掩码用的移动台ESN是一一相对应的。上一页>>下一页>> --扩频码分多址的技术实现—--用户地址码（续）（4）掩码有三大类型：上行业务信道公用长码掩码；接入信道掩码；专用长码保密算法掩码（上、下行）。（5）上行业务信道公用长码掩码格式如下：41位32位31位置换前：ESN=（E31E30E29…E2E1E0）；置换后：ESN=（E0E31E22E13E4…E18E9）。置换目的在于置乱以防止连续ESN间大的相关性。1100011000置换后的电子序号ESN上一页>>下一页>> --扩频码分多址的技术实现—--用户地址码（续）（6）接入信道的掩码格式如下：41位333228272524980ACN为接入信道号（28至32号）；PCN为该移动台目前所属寻呼信道号（25至27号）；BASE-ID为目前基站的识别码（9至24号）；PILOT-PN为前向（下行）CDMA信道的导频偏置（0至8号）。（7）超长码m=242-1序列发生器结构如图3.7所示。图3.7超长码m=242-1序列发生器结构11000111ACNPCNBASE～IDPILOT～PN上一页>>下一页>> --扩频码分多址的技术实现—--用户地址码（续）（8）特点：用超长码的64位局部自相关特性代替64位伪码PN序列的自相关、互相关特性。（9）上述超长码的生成多项式为：F（x）=x42+x35+x33+x31+x27+x26+x25+x22+x21+x19+x18+x17+x16+x10+x7+x6+x5+x3+x2+x+1且在整个IS-95系统中，上述多项式是唯一的。（10）下行中，将m=242-1序列速率为12288Mbit/s作64分频后，再对块交织后的信息码流进行扰码。由m序列性质，分频后m序列与原m序列等价。上一页>>下一页>> --扩频码分多址的技术实现—--信道地址码（1）同步时，采用完全正交的64位Walsh码，它由基站产生并在下行中实现。（2）基站64个信道分配如下：1个导频信道，采用全0的W0；1个同步信道，采用0，1相间的W32；7个寻呼信道，采用W1至W7；55个业务信道，采用W8至W31，W33至W63。上一页>>下一页>> （3）为了进一步克服变参信道传输中由于同步的微小偏移可带来对Walsh码互相关特性的迅速恶化的影响，下行链路在walsh扩频后，再加基站掩码，它等效于采用Walsh-PN复合码扩频；并可大大改善同步对互相关性能恶化的影响。上一页>>下一页>>--扩频码分多址的技术实现—--信道地址码 （1）目的是为了尽量减少基站间多用户的干扰，它由基站中产生，并在下行（正向）信道中实现。（2）利用m=215-1，并补充一个0构成15位全0码，形成周期为215的PN序列，并分别使用零偏置的I路Q路正交导频PN序列。（3）基站地址码的特征多项式为：同相（I）序列：FI（x）=x15+x13+x9+x8+x7+x5+1正交（Q）序列：FQ（x）=x15+x12+x11+x10+x6+x5+x4+x3+1上一页>>下一页>>--扩频码分多址的技术实现—--基地地址码 （4）为了有效防止多径干扰，每个基站间至少相差64位，因此共计可产生基站：n=215/64=32768/64=512个。当多于512个基站时，可以再用频分进行复组合（另外的1.25MHz频段）或使用导频相位规划。（5）零偏置具体定义如下：上一页>>下一页>>--扩频码分多址的技术实现—--基地地址码 --采用多种手段提高可靠性（抗干扰性）--CDMA信道中的主要类型白噪声多径干扰多址干扰克服干扰的主要手段抵抗白噪声干扰抗多径干扰抗多址干扰与“远近”效应上一页>>下一页>> 白噪声：主要来自设备的无源与有源器件的高斯（正态）白噪声干扰。多径干扰：由于传播的开放性与地理环境的复杂性而引起的多条路径间干扰所形成的噪声干扰。上一页>>下一页>> 多址干扰在CDMA中特别突出，其原因是由于在CDMA中小区内、外共同使用同一时隙、同一频段；且由于用户地址码正交性（互相关特性）不理想而带来的多用户干扰。其强度分配约为：本小区约占60%小区外第一相临层：66%=36%第二层的外约占4%上一页>>下一页>> 抵抗白噪声干扰采用直扩码分（DS-CDMA）通信体制；采用抗干扰性强调制、解调方式：QPSK（OQPSK）采用抗干扰（白噪声）性强的信道编译码，比如采用（2,1,8）、（3,1,8）卷积码以及相应的Viterhi译码。克服干扰的主要手段上一页>>下一页>> 抗多径干扰利用精确功控技术抗阴影效应带来的对数正态分布的慢衰落；利用基站的空间分集抗空间选择性（即平滑瑞利）快衰落；利用RAKE接收机实现扩频码分宽带系统的带内分集，抗频率选择性快衰落；利用信道交织编码，将时域上长突发性深衰落交织为独立差错或短突发性差错，再利用纠错码加以纠正，以实现抗时间选择性衰落。上一页>>下一页>>克服干扰的主要手段 抗多址干扰与“远近”效应在移动通信中，由于用户的随机移动，动态用户与基站间距离随机可变，往往会出现离基站近的用户的强信号压制离基站远的用户弱信号的现象，又称这类以强压弱的现象为“远近”效应。克服多址干扰与“远近”效应的方法有：在同一小区内，下行同步码分选用理想互相关的正交码组，上行异步码分，选用在正交性上坚韧性好的正交码组。码型选定后，主要靠精确的功率控制技术。另外，智能天线与多用户检测技术能进一步抗多址干扰与“远近”效应。上一页>>下一页>>克服干扰的主要手段 图3.8采用多种手段提高可靠性（抗干扰性）上一页>>下一页>> --利用基站的GPS实现下行同步码分--采用GPS实现各基站间的同步，每个基站配套一部GPS接收机采用GPS实现下行（基→移）同步码分利用导频信道，传送导频，以保证载波相位同步，实现相干检测。利用同步信道，传送同步信号，以实现各码组间的同步。由于车载台，手持机体积有限，无法附加一套GPS接收机，因而上行信道无法实现同步码分，故上行为异步码分。上一页>>下一页>> --增加系统容量的主要手段--容量即有效性是通信系统的数量指标，遗憾的是容量计算非常复杂，这里仅从一些基本概念出发来探讨：压缩信源码率提高有效性小区用户容量Ks功控误差对小区容量的影响上一页>>下一页>> 采用高质量低码率的话音混合编码技术：在IS-95中采用二种速率话音编码8kb/s与13kb/s它比通常64kb/sPCM，速率分别压缩了K1=64/8=8（倍）、K2=64/13≈5（倍）采用话音激活技术：利用约占3/8的空隙，引入系统增益约为G=2.67dB压缩信源码率提高有效性上一页>>下一页>> 用Ks来表示采用IS-95后小区中等能量用户的总数。下面引用Viterbi本人分析思路与结果。（1）IS-95是一个信噪比受限系统，且上、下行容量不相等，上行是瓶颈；系统背景噪声为白噪声且可忽略；具有理想功率控制（即所有移动台到达基站时功率是一样的）；所有多径干扰、多用户干扰化为等效宽带白噪声。小区用户容量Ks上一页>>下一页>> （2）Ks初步定量分析这时，每个用户解调器中干扰功率为N则有：N=（Ks-1）Ps其中Ps为每用户信号功率而：N/F=N0为噪声密度（单位频带内）Ps/R=Eb为每比特信号能量，而R为信息速率则有：Ks-1=N/Ps=N0F/REb=（F/R）/（Eb/Nb）即Ks≈（F/R）/（Eb/N0）=（F/B）/（Eb/N0）=G/（Eb/N0）其中B为信息码元带宽，F为扩频码元带宽。上一页>>下一页>> （3）结论与分析由以上分析得：Ks∝G（扩频处理增益），即增大带宽增大扩频比，可以提高小区容量；Ks∝（信噪比门限值）即改善系统抗干扰性能，降低信噪比门限值，也可以提高小区容量，同时这一结论也指出IS-95实质上是一个信噪比受限系统。上一页>>下一页>> （1）前面分析中认为功控特性理想即每个用户信号功率Ps相等；（2）现可设若有一个用户信号功率为其它用户平均功率的（1+n）倍；（3）这时，修改后的方程为N=（Ks-1）Ps+nPs∴Ks=N/Ps+1-n可见随着n的增大，Ks将同步下降（4）进一步计算机仿真指出，信号功率1dB起伏，将使小区容量损失2.3dB。功控误差对小区容量的影响上一页>>下一页>> 3.2IS-95中的RAKE接收技术基本原理IS-95中基站RAKE接收机实现方框图（基带）上一页>>下一页>> 3.2.1基本原理传播的多径效应有效利用时延功率谱Rake接收用信号矢量的直观表示上一页>>下一页>> --传播的多径效应--引入接收信号时延功率谱的扩散它有两种类型：连续时延功率谱：繁华市区、密集建筑物反射引起。图3.9连续型时延功率谱离散型时延功率谱：非繁华区建筑物较分散时。图3.10离散型时延功率谱上一页>>下一页>> --有效利用时延功率谱--利用宽带信号扩频技术的相关理论将集中或分散的时延功率谱的扩散分量集中起来加以利用。图3.11有效利用时延功率谱上一页>>下一页>> --Rake接收用信号矢量的直观表示--从信号矢量图上可形象表示为：（1）无RAKE接收图3.12多径信号的矢量合成图上一页>>下一页>> --Rake接收用信号矢量的直观表示--（2）有RAKE接收图3.13利用Rake接收（相干检测）后合成矢量图上一页>>下一页>> 图3.14IS-95中基站RAKE接收机实现方框图3.2.2IS-95中基站RAKE接收机实现方框图（基带）上一页>>下一页>> 伪码（PN）解扩采用复相关解调反向（上行）链路是非相干解调，它通过平方相加处理，必须有PNI与PNQ分量；本地载波PN码必须产生PNI与PNQ分量；复相关过程实现电路如下：图3.15数据解调器框图采用长短码一次性解扩上一页>>下一页>> --累加器--累加器采用4位累加器反向信道中一个WALSH码片（CHIP）包含四个PN码的码片；它将相继4个PN码的码片进行累加；输入是四位1.2288Mbps码流；输出是307.2Kbps码流；上一页>>下一页>> --64进制WALSH函数解调器--解调器是将64个数据与64阶WALSH符号分别作相关；上述相关过程用类似与FFT的蝶形块速算法即快速哈达变换取代（FHT）以八阶FHT为例：图3.168阶FHT流程图上一页>>下一页>> --64进制WALSH函数解调器--（续）其中每个蝶形运算为：图3.17蝶形运算本系统中进行64阶FHT运算则有：4log264=384次加减运算代替了原来多次相乘、相加过程。从而大大简化运算过程。上一页>>下一页>> --路径分集合并--路径合并过程即为多径分集合并过程；将4个路径的符号能量对应相加；合并按最大比合并（最佳）即：其中为噪声功率，为支路信号强度。实现框图如下：图3.18分集路径合并原理框图上一页>>下一页>> 3.3IS-95中的功率控制IS-95中功率控制的必要性与功控方案IS-95中功率控制的必要性IS-95中功率控制方案前向（下行）功率控制反向（上行）功率控制开环功率控制粗估闭环功率控制反向功控（QUALCOMM公司的具体实现方案）闭环功控调节步骤反向功率控制比特的传输上一页>>下一页>> 3.3.1IS-95中功率控制的必要性与功控方案必要性IS-95是一类采用码分多址CDMA实现移动通信的系统。IS-95从实验室走向商用化，主要归功于功率控制技术，它可以抵抗和减少IS-95中多种类型干扰，提高IS-95中的系统容量。上一页>>下一页>> IS-95中功率控制的必要性具体表现在：功率控制可以有效的克服由于电波传播的“阴影”效应而产生的慢衰落。功率控制可以有效的克服由于用户随机移动性引起的“远近”效应和“角落”效应。它是减少多址干扰的主要手段之一，这类多址干扰在码分多址CDMA中尤为严重。这是由于同时通信的各用户共用同一频段和同一时隙而引起的。由于CDMA是信噪比受限系统，降低干扰可以增加信噪比，提高小区内的用户容量。上一页>>下一页>> IS-95中功率控制方案（1）前向功率控制IS-95中前向（下行）链路优于反向（上行）链路，即前向同步码分优于反向异步码分；前向功控在系统中是非重点，它可以采用较简单的慢速率闭环功控方案。上一页>>下一页>> （2）反向（上行）功率控制反向功控是IS-95系统中功控的重点；反向功控由粗控、精控与外环控制三部分组成；粗控：由移动台完成的开环功率控制实现粗控功能；精控：由移动台与基站相配合共同完成闭环功率修正的精控过程。采用精控是由于在IS-95中采用频率双向双工的FDD体制；这时前向、反向传输频段相差45MHz，远远大于相关带宽，因而前、反向的衰落是独立的，仅仅采用单向的开环是实现不了精确功率控制的。外环控制：确定闭环精控中的门限阈值。上一页>>下一页>>IS-95中功率控制方案 3.3.2前向（下行）功率控制功控依据（即误差源的提取）：各移动台的误帧率。功控方式：慢速闭环功率控制调节步长：一般为0.5dB（12%），当负荷接近容量时，步长降为6%。调节范围：±4～±6dB。功控信息执行信道上行通过反向业务信道的“功率测量报告信息”段进行。下行起始功控指令是通过寻呼信道上“系统参数信息”段或前向（下行）业务信道上的“功控参数信息”段传递。上一页>>下一页>> --前向（下行）功率控制（续）--功控调节算法具体算法在IS-95中无明确定义，而高通（QUAICOMM）公司有专利。前向总功率分配如下：导频信道占20%；同步信道占3%；每个寻呼信道占6%；剩下来的功率分配给各业务信道。为了克服“角落”效应，基站必须控制发射给每个不同用户的功率，称它为前向功控。上一页>>下一页>> --前向（下行）功率控制（续）--功控调节算法（续）基站根据接入到的各移动台的误帧率，控制给各移动台的发射功率，即根据各移动台的误帧率与一个给定的阈值进行比较以决定是增加还是减小各个对应前向信道的功率。除了按照一定周期接收的误帧率以外，各移动台当接收到的坏帧数超过一定阈值时，也会自动向基站汇报，经基站判断后，亦可决定是增加还是减少其前向功率。上一页>>下一页>> 3.3.3反向（上行）功率控制开环功率控制粗估闭环功率控制反向功控（QUALCOMM公司的具体实现方案）闭环功控调节步骤反向功率控制比特的传输上一页>>下一页>> 开环功率控制粗估各移动台测量其总接收功率（未解调前）并对发射电平作粗略估计。为了补偿传播中产生的“阴影”效应、“远近”效应，需要有较大的动态变化范围：±32dB。这一过程完全由移动台独立完成。具体实现是由移动台按照在一定含义下计算平均输出功率，发射开环探测序列，并以一定功率递增值（步长±0.5dB）增加发射功率，一直到接收到一个响应时才停止。上一页>>下一页>> 闭环功率控制必要性：IS-95中前向、反向双工频率间隔为45MHz，它远远大于信号的相关带宽，使前向与反向衰落特性不相关，这使开环粗控根本无法完成精控的任务。在IS-95中仅定义了以下两点：控制比特的含义：“0”表示增加，“1”表示减少；控制比特率：1bit/1.25ms=800bit/s，然而1.25ms=闭环功率控制范围：±24dB。上一页>>下一页>> 反向功控（QUALCOMM公司的具体实现方案）QUALCOMM公司的功控方案原理如图3.19所示：图3.19QUALCOMM功控方案原理框图上一页>>下一页>> 闭环功控调节步骤（1）基站测量移动台发射信号功率P1在伪码（PN码）解扩和快速哈达码变换以后进行；功率值按照一个功率控制组1.25ms进行平均；对每个接收到的Walsh符号作功率测量，取64个解调值中的最大值，然后将每个功控组中6个Walsh符号的最大值相加并取其平均。（2）哈达码变换器另一端送至用户数据译码器，产生用户数据与译码差错度量值。上一页>>下一页>> 闭环功控调节步骤（续）（3）速率判定根据用户数据与译码差错确定移动台的发送速率。（4）根据判定的帧速率由外环功控处理器计算预定接收功率的P0值。（5）比较P0与P1值：若P1＞P0，发出减小指令“1”；若P1＜P0，发出增加指令“0”。上一页>>下一页>> （6）再将功率调整指令插入到经过扰码后的前向业务数据中。（7）移动台接收前向业务数据，并从中提取功率调整指令。（8）根据功率调整指令，调整其发射功率。（9）反向功率控制比特要产生两个功率控制组的时延。上一页>>下一页>>闭环功控调节步骤（续） 反向功率控制比特的传输反向功控比特传输的原理示意图如图3.20所示：图3.20反向功控比特传输示意图上一页>>下一页>>下一页>> --反向功率控制比特的传输（续）假设基站通过反向信道第5个功控组测得移动台的信号强度。基站利用插入技术在相应的前向业务信道中插入功率控制的800bit/s信息。若计入传输与处理时延，功率控制比特要滞后2.5ms以上。上一页>>下一页>> --反向功率控制比特的传输（续）功率控制比特的插入位置有16种可能的选择，其中每个位置对应一个功率控制组1.25ms中的24个调制比特（0～23）中的前16位（0～15）中的某一个位置开始。上述原理图中，对应关系如下：20位21位22位23位（20）（21）（22）（23）1101用十进制表示为：1+2+0+8=11它表示功控比特起始位置为下一个功控组中的第11比特开始，占两个比特。每个功控比特要替换前向业务信道中扰码后的两位连续已调信号比特（不加密），其中有一半使原信息比特产生错误，其误码率为1/1600。上一页>>下一页>> 3.4IS-95中的切换技术概述切换方案分类IS-95中切换的特点IS-95中切换类型IS-95中切换的具体实现上一页>>下一页>> 3.4.1概述必要性性能指标引起切换的主要因素切换准则上一页>>下一页>> --必要性--蜂窝小区组网是增加移动业务需求的有效措施。切换可以在下列区间实现：小区内的扇区之间；蜂窝小区之间；不同频率的小区群之间；“无缝隙”通信必要手段和关键技术。上一页>>下一页>> --性能指标--话音质量；切换次数：通话期内发生切换的次数；切换时延：由于切换引入的时延；切换阻塞概率“切换请示被阻塞的概率；切换掉话概率切换失败，造成通话中断的概率；测试表明，无线信道90%掉话是由于切换引起的；上一页>>下一页>> --性能指标--续呼叫阻塞概率小区内新呼叫被阻塞的概率；不必要切换概率当信道仍能满足通信质量要求时，发生切换的概率；上述指标间很多是相互约束的，不可能同时达到最小。实际上只能选取其合理的折中值。上一页>>下一页>> --引起切换的主要因素--移动台位于小区边界，信号强度恶化到门限值以下；移动台在小区中进入阴影区，信号强度恶化到门限值以下；移动交换中心MSC发现在某些小区中业务用户过于拥挤，而另一些相邻小区比较空闲，为了平衡业务量；显然前两者，切换由移动台发起，后者，切换是由MSC发起。上一页>>下一页>> --切换准则--接收信号强度指示（RSSI）；载波信号、干扰比（C/I）；误码率（BER、Pe）；上一页>>下一页>> 3.4.2切换方案分类主要可划分为三大类型：网络控制切换移动台控制切换由移动台与网络共同控制切换上一页>>下一页>> --网络控制切换--主要用于模拟式第一代移动通信：AMPS、TACS、NMT等；移动台完全处于被动；由基站检测移动台线路质量（RSSI）当接收信号低于门限值时，向MSC发出切换请求；MSC指令周围基站检测该移动台并将测量结果汇总至MSC；上一页>>下一页>> --网络控制切换--（续）由MSC根据汇总结果，选择被切换基站；只允许在小区间切换，每次切换需要数秒钟主要缺点：相邻小区基站对移动台监测不是连续的经常进行，影响检测精度；为减轻网络信令负担，监测结果亦不能连续发送，影响切换性能。上一页>>下一页>> --移动台控制切换--欧洲DECT系统采用本方案；切换过程控制更为分散；移动台于基站均参加监测接收信号强度（RSSI）和通信质量（BER）；切换最终判断移动台完成；它既允许小区间，也允许小区内切换；每次切换时间大约为100ms。上一页>>下一页>> --由移动台与网络共同控制切换--网络为主、移动台为辅；第二代的GSM与IS-95采用本方案：GSM中切换控制比较分散；IS-95的软切换中，导频信号强度测量、比较均由移动台完成，最后决策由MSC完成并由基站下达切换指示；移动台、基站均参与测量、接收RSSI与BER；既允许小区内也允许小区间切换；每次切换时间大约1秒钟。上一页>>下一页>> --由移动台与网络共同控制切换（续）--图3.21IS-95中切换管理权限示意图上一页>>下一页>> 3.4.3IS-95中切换的特点模拟的FDMA切换、数字式TDMA切换是在不同频率之间进行；上述两类切换均可概括为“先断后切”二状态硬切换；图3.22“先断后切”示意图缺点：出现暂时中断，并可能出现“乒乓”效应。上一页>>下一页>> 3.4.3IS-95中切换的特点（续）IS-95中，一般切换是在不同地址码（扇区基站）间进行的。利用RAKE接收机，每个移动台可同时对两个以上基站保持通信；这类切换可概括为“先切后断”三状态无缝隙通信，极大的改善了切换性能。图3.23“先切后断”示意图上一页>>下一页>> 3.4.4IS-95中切换类型IS-95中切换可划分为四种类型：同一小区间，不同扇区间的更软切换不同小区间的软切换不同BSC的小区间硬切换双模拟体制间的硬切换上一页>>下一页>> --同一小区间，不同扇区间的更软切换--在同一BSC控制区，同一个BTS内的不同扇区间的切换；具有同一载波频率，不同扇区地址码；具有多状态切换如图3.24（先切后断）。图3.24扇区间切换示意图上一页>>下一页>> --不同小区间的软切换--在同一个BSC控制下的各个BTS之间的切换具有同一载波频率，不同基站地址码三状态无缝隙切换（先切后断）图3.25三状态无缝隙切换示意图上一页>>下一页>> --不同BSC的小区间硬切换--在两个不同BSC或同一BSC不同载波频率的BTS间切换；具有不同载波频率；二状态有中断的硬切换。图3.26二状态有中断的硬切换示意图先断后切，出现中断上一页>>下一页>> --双模拟体制间的硬切换--CDMA→AMPS（或TACS）之间不同体制间的切换；具有同一频段但载波不一样；二状态先断后切硬切换；出现中断；出现在两个不同的MSC之间。上一页>>下一页>> 3.4.5IS-95中切换的具体实现实现切换的准则：导频信号强度，它被定义为导频信号能量与总信号能量的比值；可区分导频的数量频率不相同的小区群数；它等于整个码分体制可能使用的频段被系统带宽1.25MHz相除，所得之商。在同一小区群内，频率相同但相位偏移不同，它共有：215/64=32768/64=512个，供不同扇区或基站使用。IS-95是以网络为主、移动台为辅的切换上一页>>下一页>> 3.4.5IS-95中切换的具体实现（续）将具有相同频率，不同相位偏移量的不同基站（或扇区）构成一个导频组集合，它可划分为以下四种类型：运行导频集合，移动台正常运行的基站导频集合；侯选导频集合：目前不在运行导频集内，但已有足够导频强度的基站所对应的导频；相邻导频集合：不在上述两类集合中，但能作为切换侯选基站所对应的导频；剩余导频集合：不包含在上述三类集合中，系统所剩下其它基站的导频；移动台针对上述四类导频集合，规定了相应的搜索窗口，即伪码相位的偏移范围。上一页>>下一页>> 3.4.5IS-95中切换的具体实现（续）导频强度变化与软切换过程每个MS通过RAKE接收机，允许同时与两个以上小区保持通信；它接收到导频强度变化如下列图形所示：图3.27导频强度变化示意图上一页>>下一页>> 导频强度变化与软切换过程移动台除与基站A建立通信外还同时监测相邻小区，基站B与C的导频信号强度变化；当t=t1时，基站B导频强度超过检测门限值T-ADD，它立即通知MS由MSC指令基站B与MS建立通信；t＞t1，MS同时与基站A，B建立通信，构成软切换区内二重多经分集。当t=t2时，基站A导频信号强度低于导频丢掉的限值T-DROP，并经过一个由信号富裕量引入的时间富裕量ΔT后，即t=t3时完成切换。3.4.5IS-95中切换的具体实现（续）上一页>>下一页>> 3.4.5IS-95中切换的具体实现（续）IS-95的切换过程IS-95的切换过程实际上就是导频集合的不断更新的过程。它可以用下列图形表示：图3.28导频集合的更新过程示意图上一页>>下一页>> IS-95的切换过程本图形具体解释如下：当t=t1，导频强度超过T-ADD，MS向BTS发送导频强度测量信息，并将其导频由相邻集转入候选集t=t2，BTS发送切换命令信息；t=t3，MS将导频转入运行集合，并发送切换完成信息；t=t4，导频强度下降至T-DROP以下，MS启动切换终止计时器；t=t5，终止计量器到时，MS发送导频强度测量信息；t=t6，BTS发送切换命令；t=t7，MS将导频转入相邻集，发送切换完成。3.4.5IS-95中切换的具体实现（续）上一页>>下一页>> 3.5IS-95的网络结构功能实体空中（UM）接口（IS-95A）上一页>>下一页>> 3.5.1功能实体图3.29IS-95的网络结构图上一页>>下一页>> 3.5.1功能实体--（续）移动台（MS）用户端接入无线信道的设备，含车载台与手机。基站（BS）设于某一地点、服务于一个或几个蜂窝小区全部无线设备的总称。含BTS和BSC。移动交换中心（MSC）对位于它所服务的区域中的移动台进行控制、交换的功能实体，也是与其它MSC、公用交换网间传送用户话务的自动接续设备。上一页>>下一页>> --功能实体--（续）归属位置寄存器（HLR）为记录而指定用户身份给它的一种位置登记器。登记内容为用户信息、服务项目信息、当前位置批准有效时间段等。HLR可以与MSC合设，也可以分设，合设时C接口变为内部接口。拜访位置寄存器（VLR）它是MSC作为检索信息用的位置登记器，比如处理发、收一个拜访用户的呼叫信息。VLR可以与MSC合设也可以分设，合设时B接口变为内部接口。上一页>>下一页>> --功能实体--（续）设备识别寄存器（EIR）用于记录用户设备身份的寄存器，EIR可与MSC合设也可分设，合设时F接口为内部接口，建网初期可暂不设置EIR。鉴权中心（AC）是一个管理与移协台相关的监权信息的功能实体，它可以与HLR合设，也可以分设，合设时H接口为内部接口。消息中心（MC）存贮和转送短消息的实体。上一页>>下一页>> --功能实体--（续）短消息实体（SME）合成和分解短消息的实体，它可以位于MSC、HLR或MS内。A接口：BS与MSC之间接口，简记为BS/MSCEIA/TIAIS-634（MOTOROLA）ULTRA（AT&T）QA（QualCOMM）B接口：MSC/VLR一般为内部接口。C/D接口：MSC/HLR、HLR/VLR、EIA/TIAIS-41C上一页>>下一页>> --功能实体--（续）Ai接口：MSC/PSTN，优先选用NO.7信令Di接口：MSC/ISDN，有待进一步研究E/G接口：MSC/MSC、VLR/VLR、EIA/TIAIS-41CF接口：MSC/EIR，待定H接口：HLR/AC，待定P接口：MSC/MCM接口：MC/MC、MC/SEN、SEM/SEM、EIA/TIAIS-41CN接口：HLR/MC、EIA/TIAIS-41CEIA/TIAIS-41C上一页>>下一页>> 3.5.2空中（Um）接口（IS-95A）CDMA空中接口层结构如图3.30。图3.30协议分层图上一页>>下一页>> 3.5.2空中（Um）接口（IS-95A）（续）第一层：数字无线信道的物理层完成传输的相关功能。基带调制、解调；信源、信道编码、译码；组帧、拆帧；射频调制、解调；复用子层介于第一、二层之间允许用户数据与信令共享数字无线信道上一页>>下一页>> 空中（Um）接口（IS-95A）--（续）第二层：本层协议目标是在基站与移动台间可靠传输第三层信令协议。消息重发；各种信道统计；复制检测。第三层：本层协议是关于呼叫处理与控制。呼叫建立；切换；功率控制；移动台锁定。上一页>>下一页>> 第4章第三代（3G）移动通信系统IMT-2000简介蜂窝式移动通信的发展过程第三代移动通信无线接口规范2G向3G过渡cdma2000系统简介WCDMA系统简介3G物理层主要关键技术简介第三代（3G）移动通信（IMT-2000）的网络上一页>>下一页>> 4.1蜂窝式移动通信的发展过程IMT-2000的由来IMT-2000目标与基本要求跨区标准化组织3GPP与3GPP2第三代（3G）使用的频段十种IMT-2000无线传输（地面）技术方案业务目标上一页>>下一页>> 图4.1蜂窝式移动通信的发展过程上一页>>下一页>> --IMT-2000的由来--1985年提出FPLMTS即FuturePublicLandMobileTelecommunicationsSystem，1996年正式更名为IMT-2000。IMT-2000即InternationalMobileTelecommunications工作在2000MHz频段；在2000年左右商用；1992年世界无线电大会在2GHz频段上分配了230MHz频段给当时FPLMTS和卫星业务即18852025MHz和21102200MHz；其中：19802010MHz和21702200MHz仅供卫星使用。上一页>>下一页>> --IMT-2000目标与基本要求--全球同一频段、统一标准、无缝隙覆盖、全球漫游提供多媒体业务；车速环境：144Kb/s；步行环境：384Kb/s；室内环境：2Mb/s；高服务质量；高频谱利用效率；易于从第二代过渡、演变；袖珍手机，价格低；高保密性能。上一页>>下一页>> --跨区标准化组织第三代伙伴计划3GPP与3GPP2--3GPP由欧洲ETSI，日本ARIB、TTC，韩国TTA和美国TI组成；宗旨是制定以GSM为核心网，UTRA（UniversalTerrestrialRadioAccess）为无线接口的标准，于1998年12月正式成立；3GPP2由美国ANSI（TIA），日本ARIB、TTC，韩国TTA等组成；宗旨是制定以ANSI/IS-41为核心网cdma2000、UMC-136为无线接口的标，于1999年1月正式成立；上一页>>下一页>> --第三代使用的频段--图4.2核心频段上一页>>下一页>> --第三代使用的频段（续）--图4.3WRC2000频谱图上一页>>下一页>> --十种IMT-2000无线传输（地面）技术方案--表4-1十种IMT-2000无线传输（地面）技术方案序号提交方案双工方式应用环境提交者1J：W-CDMAFDD.TDD所有环境日本：ABIB2ETSI-UTRA-UMTSFDD.TDD所有环境欧洲：ETSI3UMTSFDD所有环境美国：TIA4WIMSW-CDMAFDD所有环境美国：TIPI5WCDMA/NAFDD所有环境韩国：TTA6TD-SCDMAFDD所有环境中国：CATT7CDMA2000FDD.TDD所有环境美国：TIA8GlobalCDMAIFDD所有环境韩国：TTA9UWCC-136FDD所有环境美国：TIA10EP-DECTTDD室内、室外到室内欧洲：ETSIDECT计划上一页>>下一页>> --业务目标--图4.4业务目标示意图上一页>>下一页>>下一页>> 4.2第三代移动通信无线接口规范IMT-2000无线接口规范IMT-2000无线接口ITU提出的IMT-2000无线接口参数要求上一页>>下一页>> --IMT-2000无线接口规范--ITU-R/TG8-1组于1999年10月25日至11月5日在赫尔辛基召开，通过建议草案“IMT-2000无线接口规范”为下列五项：IMT-2000CDMADS：含UTRA/WCDMA和cdma2000IMT-2000CDMAMC：cdma2000MCIMT-2000CDMATDD：含TD-SCDMA和UTRATDDIMT-2000TDMASC：UMC136IMT-2000TDMAMC：DECT上一页>>下一页>> --IMT-2000无线接口--图4.5IMT-2000无线接口示意图上一页>>下一页>> --ITU提出的IMT-2000无线接口参数要求--表4-2ITU提出的IMT-2000无线接口参数要求环境室内办公室室外到室内和步行车辆内容比特率BER比特率BER比特率BER典型的话音低时延8-16-32kbps≤10-3话音激活50%8-16-32kbps≤10-3话音激活50%8-16-32kbps≤10-3话音激活50%电路交换、短时延数据64-144-384-512-1024-2048kbps≤10-664-144kbps最大384kbps≤10-664-144kbps≤10-6电路交换、长时延数据64-144-384-512-1024-2048kbps≤10-664-144kbps最大384kbps≤10-64-144kbps≤10-6分组数据64-144-384-512-1024-2048kbps≤10-6泊松到达64-144kbps最大384kbps≤10-6泊松到达64-144kbps≤10-6泊松到达上一页>>下一页>> 4.32G向3G过渡移动通信的特点、技术指标及目标2G向3G网络演进移动数据与移动因特网的演进上一页>>下一页>> --移动通信的特点、技术指标及目标--移动通信的五大特点传播的开放性：信道的时变性：用户的移动性：移动与一般无线的主要区别业务的多媒性：3G（含2.5G）与1G，2G主要区别多个用户之间的干扰：移动网特别是CDMA与固定网主要区别，多址、多用户干扰…无线与有线的主要区别上一页>>下一页>> --移动通信的特点、技术指标及目标（续）--三大技术指标信源的有效性：数量指标信道的可靠性：质量指标用户安全保密性：安全指标移动通信的主要目标在五大特点的基础上分析三大指标，解决特点与指标间的匹配与优化。上一页>>下一页>> --移动通信的特点、技术指标及目标（续）--三代移动通信的各自特色1G：主要是解决了移动用户间的有效通信，组成模拟式蜂窝网，从点对点间的通信演进成多个移动用户间多点对多点同时通信网络。2G：主要是解决了数字化问题，实现数字蜂窝网，并解决了用户认证、保密、增加数量、改善质量。3G：主要解决业务的多媒化，系统与网络的智能化，并向理想的个人通信目标过渡提供一种最佳实现策略。上一页>>下一页>> --2G向3G演进--演进要求核心网的连续性：在现有2G网络基础上通过设备改造或逐步引人新网络单元方式平滑演进到3G核心网；业务的连续性：演进后的网络在逐步加入新业务的同时仍能支持原有业务；终端的连续性：能做到多模多频段；并具有后向兼容的业务功能；无线接入网虽不相同，但必须能实现2G与3G不同系统间的切换和漫游。上一页>>下一页>> --2G向3G演进（续）--表4.32G向3G演进过程Cdma20001XEV-D0上一页>>下一页>> --移动数据与移动因特网的演进--图4.6移动数据与移动因特网上一页>>下一页>> 4.4cdma2000系统简介无线接口基本参数系统构成cdmaone向cdma2000过渡上一页>>下一页>> --4.4.1无线接口基本参数--多址方式：直接扩频或多载波扩频双工方式：FDD扩频速率：3.6864Mcps（=3*1.2288Mcps）、7.3728Mcps、14.7456Mcps载波带宽：5MHz、10MHz、20MHz扩频码周期（可变）：4-16-256帧长：20ms时隙长度（功控组）：2.25ms调制方式：下行：QPSK、上行：BPSK图4.7cdma2000的频带配置上一页>>下一页>> --4.4.2系统构成--图4.8cdma2000系统构成上一页>>下一页>> --4.4.3cdmaone向cdma2000过渡--cdmaone系统简介cdmaone至cdma2000业务的拓广cdmaone至cdma2000功能的扩充cdmaone至cdma2000性能的改善cdmaone至cdma2000网络协议的优化上一页>>下一页>> cdmaone系统简介cdmaone是以IS-95标准为核心的设备家族cdmaone是以IS-95、IS-95A、TSB74、STD-008、IS-95B，并正在向2.5Gcdma20001X发展；IS-95是cdmaone系列中最先发布的标准，而IS-95A则是第一个商用化标准。它是IS-95的改进版本；在IS-95A的基础上，为了能支持13kb/s的话音，又发布了TSB74标准；为了能支持1.9GPCS系统，又发布了STD-008标准；上一页>>下一页>> cdmaone系统简介（续）cdmaone是以IS-95标准为核心的设备家族为了能支持较高速率的数据通信，TIA于1999年又制定了IS-95B标准，它可将IS-95A中的低速率数据8kb/s（或9.6kb/s、14.4kb/s）提高到64kb/s（或76.8kb/s、115.2kb/s）；为了制定第三代（3G）标准，1999年TIA又发布了IS-2000标准，它包括cdma20001X和3X；1999年底3GPP2发布了ReleaseA,并于2000年6月发布了修订版；上一页>>下一页>> cdmaone系统简介（续）cdmaone是以IS-95标准为核心的设备家族在3GPP2发布ReleaseA以后，对cdma2000下一步的发展不明确，目前3GPP2在讨论1X的改进策略“1XEV”，即在1.25MHz带宽上引入一系列新技术。第一阶段：1XEV-DO（Dataonly），基于高通公司提出的HDR（HighDataRate），它仅支持数据峰值速率达2.4Mbps，平均速率为650Kbps,2002年商用；第二阶段：1XEV-DV（DataandVoice），它同时支持数据与话音，候选方案为摩托罗拉/诺基亚共同提出的1XTREME和朗讯/高通等公司提出的L3NQS两种。上一页>>下一页>> cdmaone系统简介（续）cdmaone/cdma2000中的A接口IOS2.X：IS-95A；IOS3.X：IS-95B；IOS4.X：IS-2000/cdma20001X；（基于SS7、ATM、IP）IOS5.X：IS-20000”cdma1X；（基于全IP）上一页>>下一页>> cdmaone系统简介（续）核心网IS-41B：基于SS7；IS-41C：基于SS7；IS-41D：基于SS7；ANSI-41E：增加E911-WIN（无线智能网）等业务。后续版本增加基于IP的传输方式，并逐步过渡至全IP。上一页>>下一页>> --cdmaone至cdma2000业务的拓广--从单一的话音业务话音与数据业务（CS）综合业务（CS、PS）多媒体业务（从CS、PS并举到全IP）。上一页>>下一页>> --cdmaone至cdma2000功能的扩充--Cdma2000信道功能的扩充有：支持IS-95A、IS-95B反向信道的基本功能；增加一个增强接入信道，可传送反向导频并增强接入，支持反向相干检测，支持快速分组业务；增加反向公共控制信道，可传送反向导频并传送反向公共控制信道；扩充反向业务信道的功能，除支持反向基本业务以外，增加辅助业务的补充码分信道、反向功控子信道、反向专用控制信道等，以支持多种速率，多种业务和多媒体业务的需要；上一页>>下一页>> --cdmaone至cdma2000功能的扩充（续）--图4.9扩充反向信道功能图上一页>>下一页>> --cdmaone至cdma2000功能的扩充（续）--Cdma2000信道功能的扩充有：对于cdma2000业务信道在基本信道的每种速率中均增加了帧检验，增加了辅助信道，最高速率可达306Kbps；业务信道功能的进一步扩充：从支持单一速率、单一业务、单一媒体逐步扩充到能支持多种速率、多种业务和多种媒体的需求；增加公共控制信道，以支持寻呼、短消息广播等业务；增加公共支配信道，以支持预留接入模式；增加快速寻呼信道，以支持快速分组业务；另外还增加公共控制信道，广播控制信道等，以进一步扩充支持的相应功能；上一页>>下一页>> --cdmaone至cdma2000功能的扩充（续）--图4.10cdma2000前向信道图4.11IS-95A反向信道图4.12IS-95B反向信道图4.13cdma2000反向信道上一页>>下一页>> --cdmaone至cdma2000性能的改善--反向链路的非相干解调（cdmaone系统）改善为相干调解（cdma2000系统）信道编码性能的改善：特别针对不同速率的数据采用了不同交织长度的turbo码，大大提高了数据传输的抗干扰性能；分集性能的改善采用发端分集技术；采用空时编码技术；采用智能天线技术；上一页>>下一页>> --cdmaone至cdma2000性能的改善（续）--功率控制性能的改善：与cdmaone不同的是cdma2000中的快速功率控制不仅用在反向链路，也用在前向链路中。仅以cdma20001X系统为例，其话音业务容量是IS-95的2倍，数据业务容量则是IS-95的10倍（仿真与现场测试结果）。上一页>>下一页>> --cdmaone至cdma2000网络协议的优化--cdma2000通用协议结构：图4.14cdma2000通用协议结构上一页>>下一页>> --cdmaone至cdma2000网络协议的优化（续）--物理层：它由一系列物理通道（前、反向）组成，主要完成各种物理通道的处理，包括编码、调制、扩散等。链路层：它由媒体接入控制MAC与链路接入控制LAC两个子层组成。MAC子层：主要完成在各逻辑信道上的多种业务的复用和QOS控制等功能。LAC子层：主要提供保证信令可靠传输的机制；上一页>>下一页>> --cdmaone至cdma2000网络协议的优化（续）--cdma2000通用协议结构高层：它集OSI中网络层、传输层、会话层、表示层和应用层为一体，主要负责各种务的呼叫信令处理、话音业务（含电路和分组型）和数据业务（含IP业务、电路和分组数据、短消息等）的处理和控制，另外还要完成IS-95二代的三层处理，以实现兼容。上一页>>下一页>> --cdmaone至cdma2000网络协议的优化（续）--cdma2000网络三层协议的功能扩展与优化从总体上看，cdmaone和cdma2000无论是呼叫处理、鉴权加密、移劝管理以及信令格式，为了满足后向兼容两者几乎是一致的；与cdmaone比较，cdma2000标准引入了用户平面和控制平面的结构，明晰了信令二层和三层间的接口关系，并在用户平面上定义了业务接入点SAP和相关的原语，归一化了通用协议的结构；上一页>>下一页>> --cdmaone至cdma2000网络协议的优化（续）--上一页>>下一页>> --cdmaone至cdma2000网络协议的优化（续）--cdma2000网络三层协议的功能扩展与优化在链路层可以分MAC子层与LAC子层两个部分。在MAC子层中包括传输数据业务的无线链路子层RLP和控制质量的复用与QOS控制子层两部分组成；在LAC子层中主要是保证系统的控制信令消息的正确传输；在高层中，涉及业务质量控制的很多，比如接纳控制、负荷控制、业务协商、业务应用中的重传控制（ARQ）其核心目标是保证不同速率、不同业务、不同媒体业务的服务质量。上一页>>下一页>> --cdmaone至cdma2000网络协议的优化（续）--LAC和MAC子层功能设计要求支持广泛的高层业务要求；为数据业务在更宽速率范围：1.2kb/s至2Mb/s提供高效率及时延服务；支持电路和分组交换数据业务的不同QoS传输能力；支持多种同时发生的多媒体业务——每种业务都有不同的QoS需求；上一页>>下一页>> --cdmaone至cdma2000网络协议的优化（续）--MAC子层提供了两点主要功能“尽力发送”（RestEffortDelivery）：由无线链路协议RLP尽力而为的保证传输的可靠性，是现在无线连路上能够适度可靠的传输；复用和QoS控制：通过协调由竞争业务产生的冲突请求以及为接入请求安排合适的优先级来确保实施协商好的QoS级别；上一页>>下一页>> --cdmaone至cdma2000网络协议的优化（续）--MAC子层分为控制与用户业务两大部分控制功能主要与MAC层中资源配置数据库设置有关，资源配置数据库是一种数据结构，它将cdma2000移动台所支持的各种多媒体业务操作模式的数据结构合并起来，以一种表格方式存在，它可被基站读写准确的控制移动台运作配置。用户业务功能主要针对数据业务，短数据突发以及信令等几种业务的实现，而数据业务的传递主要由无线链路协议RLP来完成，它是一种面向连接的基于否定应答数据发送协议，尽力而为的保证服务质量。短数据突发是由信令无线突发协议SRBP提交给复用子层。上一页>>下一页>> 4.5WCDMA系统简介无线接口基本参数WCDMA系统的基本特征WCDMA总体结构WCDMA无线接口协议结构WCDMA物理信道结构WCDMA与cdma2000的主要区别上一页>>下一页>> 4.5.1无线接口基本参数多址方式：DS-CDMA双工方式：FDD/TDD扩频方式：可变扩频比（4-256）或多码码片速率：4.096Mcps（3.84）、8.192（7.68）、16.384（15.36）载波带宽：5MHz、10MHz、20MHz帧长：话音：10ms，数据：80ms时隙长度（功控组）：0.625ms调制方式：QPSK上一页>>下一页>> 4.5.2WCDMA系统的基本特征支持高数据率（384kbps、2Mbps）以及可变数据率的多媒体业务并保证其QoS；有效的分组接入；支持未来容量/覆盖增强技术，比如发送分集智能天线、空时编码、多用户检测等；支持在分层机构运行情况下的频内切换和对其它系统的频间切换，包括对GSM的切换；同时支持TDD与FDD。上一页>>下一页>> 4.5.3WCDMA总体结构图4.15WCDMA总体结构其中:UE：为用户装置；NodeB：为基站节点；RNC：无线网络控制；RNS：无线网络子系统上一页>>下一页>> 4.5.3WCDMA总体结构（续）WCDMA系统由核心网CN、无线接入网UTRAN和用户装置UE三大部分组成；核心网CN与无线接入网UTRAN之间的接口定义为Iu接口；无线接入网UTRAN与用户装置UE之间的接口定义为Uu；无线网络控制RNC与NodeB间接口为Iub；Uu和Iu接口协议分为两部分用户平面协议：实现无线接入承载业务的协议；控制平面协议：用于移动终端和网络间在不同方面（请求业务、控制不同传输资源、切换等）控制无线接入承载和连接，还包括非接入层的透明传输。上一页>>下一页>> --WCDMA总体结构--无线接入网UTRAN主要功能--系统接入控制功能：接入控制；拥塞控制；系统信息广播；无线信道加密与解密；移动性功能：切换；无线网络子系统RNS重定位；上一页>>下一页>> --WCDMA总体结构--无线接入网UTRAN主要功能（续）--无线资源管理和控制：无线资源的配置和操作；无线环境调查；宏分集控制；无线承载功能；无线协议功能；RF功控；RF功率设置；无线信道编码；无线信道译码；随机接入检测与处理；…………上一页>>下一页>> 4.5.4WCDMA无线接口协议结构图4.16WCDMA无线接口协议上一页>>下一页>> 4.5.5WCDMA物理信道结构前向信道反向信道上一页>>下一页>> --前向信道--图4.17前向WCDMA信道上一页>>下一页>> --前向信道（续）--控制平面：导频信道CPICH；同步信道SCH；广播信道BCH；寻呼信道PCH；前向接入信道FACH；业务（用户）平面：专用物理信道DPCH；物理共享信道DPSCH；上一页>>下一页>> --反向信道--图4.18反向WCDMA信道上一页>>下一页>> --反向信道（续）--控制平面：随机接入信道RACH；业务（用户）平面：公共分组信道CPCH；专用物理信道DPCH上一页>>下一页>> 4.5.6WCDMA与cdma2000的主要区别表4.4WCDMA与cdma2000的主要区别上一页>>下一页>> 4.6第三代（3G）移动通信物理层主要关键技术简介引言OVSF码（可变扩频比正交码）turbo码发端分集技术上一页>>下一页>> --4.6.1引言--3G中的主流方案WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA三者均属于码分多址（CDMA），它与2G中的IS-95CDMA同属码分多址，且实质上并无大的差异。因此在2G的IS-95中的主要关键技术在3G中都要采用，比如扩频、码分、Rake接收、功率控制，以及软切换等等。本节所要讨论的不是它们之间的共同点，而是不同点，即仅在第三代（3G）中采用的关键技术。上一页>>下一页>> --引言（续）--归纳起来这类关键技术可分为两类，一类是比较成熟，已正式应用，它主要包括后面将要介绍的满足多媒体不同速率业务用户之间正交性的OVSF（可变扩频比正交码）、保障非实时低误码率数据业务的信道编、译码：turbo码，另外还有进一步提高下行链路性能的发送端分集技术。另一类是正在研究并打算在三代二期中应用的多用户检测技术、智能天线技术，以及实时二维联合检测技术等。本节限于篇幅，仅打算介绍前者，即已应用的几项关键技术。上一页>>下一页>> --4.6.2OVSF码（可变扩频比正交码）--OVSF（OrthogonalVariableSpreadingFactor）在第三代移动通信中，业务已由单一速率的话音拓广为不同速率的话音、数据与图像的多媒体业务。这样在第三代中不同的业务信源给出的信息速率是不一样的，它是变速率的。然而信道传输带宽是固定的，比如WCDMA中为384Mbit/s，显然，在扩频过程中，不同业务，不同的信息速率要采用不同的扩频比，才能达到同一信道传送的码率为3.84Mbit/s。上一页>>下一页>> --OVSF码（可变扩频比正交码）（续）--同时由于在同一小区中，多个移动用户可以同时发送不同的多媒体业务，为了防止多个用户不同业务之间的干扰，我们必须设计一类适合于满足不同速率多媒体业务和不同扩频比的正交码，这就是OVSF码。下面，我们将重点介绍OVSF码的基本原理，并以简化的假设实例来进一步说明其设计方法、规律与性质。上一页>>下一页>> --OVSF码基本原理--为了更加直观的研究OVSF码，我们先引入“码树”的概念，即引用树形结构来研究码的性质。只要我们能将码的性质与直观的树形结构建立一一对应的关系，就能利用树图研究码的特性。为此，我们有如下对应关系：树结构码性质树根←→码字（组）起点树枝数←→码的进制数树节点←→码字或码字的一部分终止节点←→码字树节数←→码长非满树←→变长码满树←→等长码上一页>>下一页>> --OVSF码基本原理（续）--我们可以根据不同树形结构来研究不同的码组性质。比如二进制非满树可对应二进制变长码，二进制满树可对应等长码，还要进一步讨论三进制等长、变长码等等。如图4.19所示。图4.19树形编码原理图上一页>>下一页>> --OVSF码基本原理（续）--在信源编码中按图（a）的树形结构，可以构造最佳的变长编码哈夫曼（Huffman）码；按图（b）树形结构，可以构造等长的PCM编码。上一页>>下一页>> --OVSF码基本原理（续）--在信道多址接入码的设计中，可以将上述最佳变长哈夫曼码的原理移植到沃尔什（Walsh）扩频码中。为了保证可变扩频比的不同周期长度Walsh码的正交性，必须满足Huffman码在树图上的非延长特性，又称为异前置特性。树图上的非延长特性可解释如下：在树图中若从树根开始由左端向右端看，树图中某一节点的短Walsh码被采用作为扩频正交码以后，这个节点延长出去的所有树枝上的长Walsh码将不能再被采用作为扩频正交码，故称为非延长码。上一页>>下一页>> --OVSF码基本原理（续）--若在同一树图上换一个角度看，从树的右端向左端看，若树图中某一节点的长Walsh码被采用作为扩频正交码，则该节点以前的任何一个短节点上的短Walsh码均不能被采用作为扩频正交码。所以称它为异前置码。可见它与非延长码是同一含义，所不同的是解释角度不一样。这类码的可变扩频周期即可变扩频比是与被扩频的信息业务类型的速率相匹配的。速率越高，扩频周期越短，扩频比越小；反之，速率越低，扩频周期越长，扩频比越大。从相对应的树形结构上来看，它对应的是不等长的非满树。上一页>>下一页>>下一页>> --举一范例，进一步说明OVSF码的选用--若在同一小区内有下列3个不同的移动用户同时发送下列三类不同速率的业务，为了简化这里不考虑信道编码。（1）用户甲信息速率为：76.8kbit/s；用户乙信息速率为：153.6kbit/s；用户丙信息速率为：307.2kbit/s。（2）经扩频后3个用户扩展到同一个chip速率1.2288Mbit/s，试问为何分配不同周期长度即不同扩频比的Walsh正交码。（3）不同周期长度即不同扩频比的Walsh正交码设计的树形结构图如图4.20所示。图4.20OVSF码树形结构图上一页>>下一页>> --举一范例，进一步说明OVSF码的选用（续）--（4）　由上述树图结构可看出，当=1-11-1（4位）被采用作为速率307.2kbit/s的扩频码。即307.2kbit/s×4bit=1.2288Mbit/s，则其后面所有分支，即后面所有延长码等就不能再作为扩频码。（5）　同理，当=11-1-111-1-1（8位）被选作为速率153.6kbit/s的扩频码，即153.6kbit/s×8=1.2288Mbit/s，则其后面所有分支，等延长码亦不能再用作扩频码。（6）　继续下去，当选=1-1-111-1-111-1-111-1-11（16位）被作为速率76.8kbit/s的扩频码，即76.8kbit/s×16bit=1.2288Mbit/s，则其后面的所有分支所构成延长码亦不能再采用作为扩频码。上一页>>下一页>> --举一范例，进一步说明OVSF码的选用（续）--（7）　上述树图结构规则如下：树图中分支节点数按2n发展，其中：n=0,1,2,…；每个节点分两个分支（因为是二进制码），分支后的码组是分支前码组的一倍，分支后的码元长度亦为分支前码元长度的一倍；每节点分为上、下两个分支，在上、下分支的新码组中，前一半码元是重复前一分支的码元。而后一半在下分支中仍重复前一分支中的码元，上分支中则与前一分支码元反相。上一页>>下一页>> --举一范例，进一步说明OVSF码的选用（续）--（8）　按照上述非延长（或异前置）规律选取的码组是不等长的正交码组。即，，是正交的。其中：：1–11-11-11-11-11–11-11-1:11-1-1111-1-111-1-11-1-1：1-1-111-1-111-1-111-1-11三者间显然满足正交性：·=·=·=0。（9）从上述树图结构，可以看出下列结论成立：从左向右，非延长码正交，延长码不正交；从右向左，异前置码正交，前置码不正交。它与信源编码中的哈夫曼（Haffman）编码规律完全一致，所以OVSF码可以看作是从Huffman码移植过来的。上一页>>下一页>> 4.6.3Turbo码在移动通信中的应用1993年法国人Berrou等在ICC国际会议上提出了一种采用重复迭代（Turbo）译码方式的并行级联码，并采用软输入/输出译码器，可以获得接近Shannon极限的性能，至少在大的交织器和BER近似为10-5条件下，可以达到这种性能。Turbo码的优良性能，受到移动通信领域广泛的重视，特别是在第三代移动通信体制中，非实时的数据通信广泛采用Turbo码。本节将重点介绍它产生的背景、基本原理和在第三代中的应用三个部分。上一页>>下一页>> --产生背景—-Shannon信道编码定理由于Turbo码的性能已逼近理论上最优的Shannon的信道编码的极限，因此这里需首先简介Shannon信道编码定理。Shannon信道编码定理（1）1948年信息创始人C·E.Shannon从理论上证明了信道编码定理又称为Shannon第二编码定理。它指出只要在信道中实际传输速率R小于信道容量值C，就可以在该信道中实现几乎无差错的传输。（2）Shannon等人的证明中引用了三个基本条件：采用随机编译码方式；编译码的码长L→∞；译码采用最佳的最大后验译码。上一页>>下一页>> --产生背景–--Shannon信道编码定理（续）（3）60年代后半期，Gallager和Forney分别给出下列误码率的指数界：对于分组码，Gallager在采用随机码及最佳最大后验译码前提下，给出下列指数界其中L１为分组码长，E1（R）＞0为可靠性函数；稍后，对于串接级联码Forney在采用准最佳的广义最小距离译码前提下，给出了类似的下列指数界：其中：L2为串接级联码码长，E２（R）为非随机级联码的可靠性函数；上一页>>下一页>> --产生背景—-Shannon信道编码定理（续）可见，只要当L1与L２→∞，则Pe→0，这说明构造足够长的编码，才是信道编码的发展方向；两者相比，E２（R）＜E１（R），所以L２＞L１。这说明随机编码效率要高于非随机编码，即使这样，级联的长码也是发展方向之一。上一页>>下一页>> --产生背景—--目前实际工程中实现的信道编码长期以来，由于译码的复杂度高，人们将构造信道编码的重点放在短码上，即寻找较简单可译码的短码结构，并使其具有尽可能大的最小距离，如分组码和卷积码等。1966年，Forney首先提出利用两个短码串接构成串行级联码。其典型形式是内码采用较简单的卷积码，外码则采用较复杂的RS码；其纠错能力亦为两者串联乘积，内码纠正组内（字节）随机独立差错，外码则纠正内码不能纠正的字节内、外随机与突发差错。上一页>>下一页>> --产生背景—-关于最佳译码对于数字通信，前面已指出，理论上最佳的译码准则是最小平均误码的准则，它可等效为最大后验概率准则，且在发送码元等概率条件下又可等效为最大似然准则，进一步对于二进制对称信道，还可等效为最小汉明距离准则。（1）就最大后验或最大似然准则而言，其译码复杂度一段为O（2k），O（2n-k），其中k为分组信息码元长度。可见要实现中等长度的最佳译码都相当复杂，几乎不可能。（2）从译码算法上看，到目前为止，工程上可用的最佳译码算法仅有约束长度较小（一般≤10）的维特比译码。上一页>>下一页>> --产生背景—--关于最佳译码（续）（3）准（次）最佳译码，它可大致分为两个方向：逐位软判决译码和逐字（组）软判决译码。（4）Turbo码采用的译码是1997年Babl等人提出的计算每位码元最大后验概率的迭代算法，又称为BCJR算法；（5）采用Forney串接级联方式，虽然可由短码串接成长码，但由于码型确知，构造规则确知，一旦码率R接近信道容量C，其渐近性能都很差。即→1时Pe↑↑，即其性能上仍存在着不可逾越的鸿沟。上一页>>下一页>> --产生背景—--级联码的软输出译码理论与实际证明，软判决译码要比硬判决大约改善2dB左右。所谓硬判决是指传统的两电平“0”，“1”判决在低信噪比时判决容易丢失有用信息；而软判决则是按m=2n的多电平判决。多电平数越多性能越好，但是实现设备也就越复杂，工程上只能取其折衷，即m=4或8即可。传统的级联码典型结构如图4.21所示。上一页>>下一页>> --产生背景—--级联码的软输出译码（续）图4.21级联码实现框图由图可见，译码时首先对内码、卷积码、译码可以实现软判决译码。称它为软判决维特比算法。上一页>>下一页>> --产生背景—--级联码的软输出译码（续）为了改进级联码译码性能，最好让级联码中的外码也实现软判决，但是其前提是内码必须软输出。BCJR逐位码元最大后验概率迭代算法可提供软输出译码算法，这样外码可以从传统的RS码改为软入/软出的卷积码，又称为SISO译码算法。再进一步若能将外码的软输出译码反馈至内码输入端，则使迭代译码成为可能，但是现有典型串接式反馈方式是难以实现。上一页>>下一页>> --产生背景—--级联码的软输出译码（续）难实现原因有二：由串接编码方程，对于外码：c１=f（x）；对于内码：c2＝g（c1），因此外译码输出关于符号x的信息并不能直接提供关于内码输入c２的软信息；简单反馈可能引入正反馈，使算法不收敛。为了克服以上两缺点，采用并行级联方式，并要求两层码均为系统码，而通过两层间充分交织处理后，去掉已用过的关于该符号本身部分，则可消除正反馈。上一页>>下一页>> --Turbo码编码、译码结构—--Turbo码的提出1993年在ICC国际会议上两位法国教授与一位缅甸籍博士生（C.Berrou,A.Glavieux和P.thitimajshlwa）共同提出。英文中前缀Turbo带有涡轮驱动，即反复迭代的含义。上一页>>下一页>> --Turbo码编、译码结构—--Turbo码编码原理Turbo码编码原理框图如图4.22所示。图4.22Turbo码编码器框图上一页>>下一页>> --Turbo码编、译码结构—--Turbo码编码原理（续）（1）图中编码器由下列三部分组成：直接输入部分；经过编码器Ⅰ，再经过开关单元后送入复接器；先经过交织器、编码器Ⅱ，再经开关单元送入复接器。上一页>>下一页>> --Turbo码编、译码结构—--Turbo码编码原理（续）（2）两个编码器分别称为Turbo码二维分量码，它可以很自然的推广到多维分量码。分量码既可以是卷积码，也可以是分组码，还可以是级联码；两个分量码既可以相同，也可以不同；原则上讲，分量码既可以是系统码，也可以是非系统码。前面已指出，为了有效的迭代，必须选系统码。上一页>>下一页>> --Turbo码编、译码结构—-Turbo码译码器结构Turbo码译码器结构如图4.23所示。图4.23Turbo码译码器框图上一页>>下一页>> --Turbo码编、译码结构—--Turbo码译码器结构（续）并行级联卷积码的反馈迭代结构类似于涡轮机原理（Turbo）故称为Turbo码。译码算法采用软入/软出（SISO）的BCJR迭代算法。Berrou指出，当分量码采用简单递归型卷积码，交织器大小为256×256时，计算机仿真结果表明：当Eb/No≥0.7dB，BER≤10-5，性能极其优良。上一页>>下一页>> --Turbo码编、译码结构—--结论分析经初步分析，其优良性能是由分量码设计、交织器设计、译码算法及其并联结构进行组合优化共同取得的。其主要特色（优点）为：发端交织器起到随机化码重分布的作用，使Turbo码最小重量尽可能大，即随机化编码的作用；收端交织器与相应的多次迭代译码起到随机译码的作用，同时对有突发错误的衰落信道起到将突发差错转化为随机独立差错的作用；级联编、译码起到利用短码构造长码的作用，再加上交织的随机性使级联也具有随机性，从而克服了固定式级联渐近性能差的缺点；并行级联结构与最优的多次迭代软输入/软输出的BCJR算法，大大的改善了译码的性能。上一页>>下一页>> --Turbo码编、译码结构—--结论分析（续）Turbo码的主要缺点有：译码设备很复杂，因此寻找在译码性能与复杂性上折衷的改进型算法是实用化的一项关键技术；译码时延太大，因此无法应用于实时的通信系统（比如话音）；在低误码率时产生地板效应，其主要原因是由于Turbo码的自由距离太小。上一页>>下一页>> Turbo码的应用Turbo码以其优异的性能，引起了理论界与实际工作者广泛的关注。这一节中将简要介绍Turbo码在第三代移动通信中的应用。第三代的3GPP中选用Turbo码作为各类非实时业务高速数据的纠错编码。同时，在短帧情况下，由于Turbo码在工程实现上的改进，使其在实时话音业务中的应用前景也逐步看好。Turbo码在3G系统中（WCDMA与cdma2000）结构可以参见3GPP的建议3GTS25、212等。下面将进一步介绍3GTS25、212中规定的Turbo码结构。上一页>>下一页>> --Turbo码的应用--Turbo码编码器数据业务的质量要求：其误码率BER应在10-3～10-6。Turbo码的编码器采用并行级联卷积码PCCC，并使用八状态编码器，其结构图如图4.24所示。并行级联卷积码PCCC的八状态编码器的传输函数为其中d（D）=1+D２+D３n（D）=1+D+D３PCCC的编码器中移位寄存器的初始值应全部为O。在无线帧的尾部，插入尾比特以清除编码器的状态。而尾比特由寄存器中反馈得到（用虚线表示）。图4.24八状态PCCC编码器结构图上一页>>下一页>> --Turbo码的应用—--Turbo码交织器Turbo码的性能不仅与交织器长度N有关，而且与交织方式有密切关系。3GPP标准中采用了一种称为母亲的伪随机交织器，且每帧之间的交织表不变。该交织器由三级组成：第一级中，输入的序列按行写入矩阵，第二级中，对每行作行内重排列；第三级在行间对行做重排列，然后按列读出。具体算法可参见3GTS25、212。上一页>>下一页>> --Turbo码的应用—--Turbo码译码Turbo码译码算法3GTS25、212中没有作明确规定。主要在迭代结构中，分量码译码的软输入软输出SISO算法的实现上有一定的灵活性。具体算法有log２MAP，MAX-log2MAP，SOVA等等，究竟采用哪一种，取决于实用中对译码质量、时延和器件复杂性三指标性能的折衷。现已开发出的实用化硬件中，以上各种不同的SISO算法都有。上一页>>下一页>> --Turbo码的应用—-Turbo码的速率适配3GPP标准中对于Turbo码的速率适配提出了新的规定。在上行中，Turbo码的速率适配的凿孔位置只能对Turbo码校验（监督）比特Y和Y′做凿孔，而对于信息比特X不做凿孔，因此在速率适配前有必要分割XYY′序列。其示意图如图4.25所示。图4.25Turbo码的速率适配示意图上一页>>下一页>> 4.6.4发端分集技术概况WCDMA建议中的发送分集cdma2000中的发送分集上一页>>下一页>> -概况由于在移动通信中存在着严重的多径衰落，它影响传输的可靠性，为了提高可靠性往往在接收端引入分集技术。正如前面介绍的空间分集以及多径隐分集的Rake接收技术。但是有些分集技术比如空间分集只适合于基站，而在移动台由于体积、价格以及电池容量等方面的限制，使得多重天线的空间分集几乎不可行。上一页>>下一页>> -概况（续）为了改善下行传输条件，能否利用线性系统的互易原理，将体积严重受限的移动台的接收端分集技术等效地搬至发送端来实现，这就是所谓的发送分集技术。可见实现发送分集从原理上看其首要条件是将移动信道看作是一个线性系统或至少是一个线性时变系统，互易原理才能得以应用。严格地说移动信道是一个很复杂的非线性系统，但是一般情况下均可以将它看作是一个近似的线性时变系统。比如第一章中我们就是按照这一思路来分析的。引用发送分集以及一些文献中曾研究过的在发送端实现的“预Rake”系统均基于这一原理。上一页>>下一页>> -概况（续）利用线性系统互易原理，接收端的天线分集可以等效地搬至发送端来实现，接收端的Rake接收也可以等效地搬至发送端用“预Rake”来实现。这一线性系统收、发互易等效原理在实现时，还要求收、发工作于同一频段，即工作于同一线性系统。然而实际上在移动通信中多半是采用频率双工双向FDD的收发工作于不同频段的方式，而不是采用时间双工双向TDD的收、发工作于同一频段的方式。上一页>>下一页>> -概况（续）对于实际的移动通信系统，第二代工作于900MHz的GSM和工作于800MHz的IS-95。其收、发频段均相差45MHz，远远大于前面分析的相关带宽200kHz。这就是说，收、发信道其多径衰落是完全独立的。对于第三代IMT2000，无论是WCDMA还是cdma2000。均工作于200MHz频段且收、发频段相差为90MHz，其衰落特性也完全是独立的。为了减少FDD对发送分集性能恶化的影响，一般建议采用闭环控制的方式实现发送分集。上一页>>下一页>> -概况（续）近几年来天线发送分集技术的研究相当活跃，也取得了一些令人瞩目的成果。它主要包括：理论上计算了多天线发送系统在衰落信道中的信道容量，得出多天线系统容量远大于单天线系统，且当收端天线数目大于或等于发端天线数目时，系统容量至少随发端天线数目呈线性增长。提出将天线发送分集与编码、调制有机结合起来，组成空时卷积码和分组码，以实现空间、频率时间分集的结合改善系统传输质量。关于空时码我们将在下一节中进一步讨论。提出某些只需在移动台作简单处理的天线发分集技术，并已被WCDMA建议采纳为开环发送分集技术。提出了基于部分信道状态信息反馈（PIF）的闭环发送分集思想，并进一步发展为WCDMA建议采纳的闭环分集技术。上一页>>下一页>> -WCDMA建议中的发送分集两种开环发送分集方案闭环发送分集WCDMA中闭环模式一WCDMA闭环控制模式二WCDMA中几种发送分集方式性能比较上一页>>下一页>> --两种开环发送分集方案--空时发送分集STTD除同步信道以外均可使用。STTD开环发送分集框图如图4.26所示。图4.26STTD发送分集原理框图上一页>>下一页>> --两种开环发送分集方案（续）--STTD编码方法如图4.27所示。图4.27STTD编码方法原理图上一页>>下一页>> --两种开环发送分集方案（续）--时间切换发送分集TSTD（同步信道SCH专用），根据时隙号的奇、偶，两个天线交替发送主同步码（PSC）和次同步码（SSC）。例如奇时隙时用第一个天线发送，偶时隙时则用第二个天线发送。TSTD的作用：可以大大提高用户端正确同步的概率和缩短同步搜索时间。TSTD的特点：可以很简单地实现与最大比值合并（MRC）相当的效果。上一页>>下一页>> --闭环发送分集--闭环发送分集基本原理如图4.28所示。图4.28闭环发送分集基本原理框图上一页>>下一页>> --闭环发送分集（续）--由专用物理控制信道DPCCH和专用物理数据信道共同组成专用物理信道，经扩频/扰码后进行加权处理，用户设备根据所接收的下行公共导频信道CPICH的某个时隙，来估计各发送天线的信道响应按照使：P=WTHTHW最大的原则来确定调整参量。其中W为加权矢量，H为天线信道响应。在WCDMA中闭环有两类模式模式一：所需计算的调整量只有相位可被量化为1bit模式二：既有相位又有幅度，用4bit表示，其中前3bit对应相位，后1bit对应幅度。在连续1或4个上行时隙中的专用物理控制信道DPCCH反馈信息域中传输。上一页>>下一页>> --WCDMA中闭环模式一在用户端，若对应的时隙号为奇，第二个天线的信道响应先旋转90°再计算；若时隙号为偶则不旋转。基站端则实际使用相邻的、且处于不同旋转集的两个时隙所对应的相位调整量，进行第二个天线的相位调整。当信道变化速率较低时本方案实际可起到2bit反馈控制的效果，而当信道变化速率较大时也有一定的平滑作用。上一页>>下一页>> --WCDMA中闭环模式二用户设备在计算调整权前不进行预旋转，基站也不作相应处理。为获最佳性能，用户端每一个时隙都从剩余组合中挑选最佳调整值，以确定当前时隙应该上传的控制bit，而非4个时隙算一次。基站端采用的也是连续调整，即在每个发送时隙调整而非4个时隙调整一次，为此基站实际使用的是4个与各个控制位相对应的最新接收比特。调整量既有相位又有幅度，其中相位3bit，有8种可能取值，幅度仅有1bit。上一页>>下一页>> --WCDMA中几种发送分集方式性能比较经过计算机仿真，可粗略看出：单天线、不分集性能最差。开环的STTD性能优于单天线，在多普勒频率较小时，不如闭环模式的性能。闭环的两种方案中，在多普勒频率较小时，模式二性能优于模式一。上一页>>下一页>> -cdma2000中的发送分集两种开环方式正交发送分集OTD：数据经串并变换被分配到两个天线上发送，两个天线使用不同的Walsh码。与单天线相比，Walsh码长度加倍，从而被占用的总Walsh码资源不变。时间切换发送分集TSTD：每一用户的数据某一瞬间只使用一个天线发送。对同一用户两个天线使用相同的Walsh码，长度和无分集时相同。用PN码控制两个天线间的发送切换，它是随机切换。上一页>>下一页>> -cdma2000中的发送分集（续）两种闭环方式选择式发送分集STD：移动台反馈天线选择信息，基站根据此选择某一信道条件好的天线进行发送。发送分集天线阵TXAA：与WCDMA闭环模式二相似，移动台反馈信道状态信息，基站进行发送权值调整，两个天线用相同Walsh码同时发送。上一页>>下一页>> 4.7第三代（3G）移动通信（IMT-2000）的网络3G网络演进步骤R99R4RA全IP网络上一页>>下一页>> --3G网络演进步骤--分为两步走第一步为过渡性方案：即在原有2G电路交换（CS）的网络平台的基础上迭加一个完全平行的新的分组交换（PS）的网络平台，实现电路和分组业务在逻辑上完全分离。3GPP提出的WCDMA过渡方案为R99，它是基于GSM/GPRS核心网；3GPP提出的TD-SCDMA过渡方案为R4，它也是基于GSM/GPRS核心网；3GPP2提出的cdma2000过渡方案为RA，它是基于IS-95核心网ANSI-41的MSC/PDSN。第二步为全IP实现方案，无论是3GPP的R5还是3GPP2的RB都选择为全IP的实现方案。上一页>>下一页>> --R99--1999年12月起至2000年12月每三个月更新一次版本，但是它们之间是互不兼容的，而2001年3月通过的最终版本则是后向完全兼容。基于GSM/GPRS核心网的R99,其示意图如图4.29所示。图4.293GPP中WCDMA的过渡方案R99上一页>>下一页>> --R99（续）--3G的R99与2GGSMPHASE2+标准相比，主要改动有：（1）无线接口由原2G的GSMTDMA方式，改变为3G的CDMA方式，可见，空中接口是完全不兼容的；支持CS与PS的两类业务传送；传送数据能力由原来GSM的9.6Kb/s提高至2Mb/s；实现了包含图像业务在内的多媒体业务传送；提高了频谱利用率。（2）对话音业务，引入了AMR话音编码技术，进一步提高了话音质量和系统容量；上一页>>下一页>> --R99（续）--3G的R99与2GGSMPHASE2+标准相比，主要改动有：（3）基站子系统引入了基于ATM的Iub、Iur和Iu接口：Iu又可分为Iucs与Iups，分别为RNC（原BSC）与MSC和SGSN之间的接口（即原有的A接口和Gb接口）。将原有不开放的Abis接口改变为开放的Iub接口；增加了在两个RNC之间的Iur接口。（4）核心网分为CS与PS两个域CS供电路型业务并负责其呼叫、控制和移动管理；PS供分组型业务以及与分组业务相关会话控制和移动性管理。上一页>>下一页>> --R99（续）--3G的R99与2GGSMPHASE2+标准相比，主要改动有：（5）R99是从2.5G的GSM/GPRS升级的。两者间的基本结构与实体相同，差别在于功能上有所加强。比如：在CS域R99增加了定位、号码可携带以及一些智能业务等；在PS域与GPRS相比，对一些具体接口协议、工作流程和业务功能作了部分改动；为了区别2.5G与3G，在3GR99中的各个主要功能块后都附加一个“E”字，它表示为原2.5G的GSM/GPRS相应功能块的改进型；通过引入BICC，实现了能同时在多个逻辑信道上传送一个用户的各种业务数据，使网络下层的承载与上层的业务数据相对独立。上一页>>下一页>> --R4--R4的由来3GPP原来将3G标准划分为R99与R00两个阶段；2000年9月，3GPP决定将R00版本为R4与R5两个阶段；R4阶段主要完成TD-SCDMA标准的制定，已2001年3月完成。上一页>>下一页>> --R4（续）--R4是基于R99，在其基础上增加的主要功能有：空中接口：TD-SCDMA；承载网络增加将MSC分成MSCServer和媒体网关两个部分；在无线接入网中引入IP作为传送承载；业务能力增强传真业务；电路域以及电路交换的多媒体业务；分组域对基于位置业务的支持其它支持1.8G频段；支持话音AMR编码技术。上一页>>下一页>> --RA--对应于3GPP的R99,3GPP2也推出对应的RA，如图4.30所示：图4.303GPP2中cdma2000过渡方案RA上一页>>下一页>> --RA（续）--RA基于2G中IS-95核心网ANSI-41的MSC/PDSN；实现了CS与PS业务逻辑上完全分离；它是cdmaone（IS-95系列）向cdma2000过渡的方案。上一页>>下一页>> --RA（续）--3G的RA与2G中IS-95核心网ANSI-41的MSC/PDSN相比较主要不同有：（1）空中接口：cdma2000cdma2000与cdmaone（IS-95系列）体制兼容；由cdmaone升级至cdma2000，话音业务不变而对数据业务BTS中频以上完全相同，而基带信号处理需更换，BSC稍复杂一些64Kb/s以下数据业务，可通过适配器转换成分组数据流，填入PCM码流，通过电路交换实现简单分组功能；大于64Kb/s，若基站已建在ATM平台基础上，仅需更换基站信道编译码即可，若基站仍采用电路交换，则需作较大改造。上一页>>下一页>> --RA（续）--3G的RA与2G中IS-95核心网ANSI-41的MSC/PDSN相比较主要不同有：（2）为支持分组业务（PS）在BSC部分增加了分组控制模块PCF，在核心网部分增加了数据业务节点PDSN。PCF与BSC之间设有A8、A9接口，它基于TCP/UDP/IP协议，用于分组业务及控制信息的传送，PCF可以设置于BSC内部，这时A8、A9为内部接口；PCF与PDSN之间设有A10、A11接口，它亦基于TCP/UDP/IP协议，用于分组业务及控制信息的传送；（3）在BSC与MSC之间设有A1、A2、A5接口，它是基于E1/MTP/SCCP，分别用于传送信令、话音和电路型数据；上一页>>下一页>> --RA（续）--3G的RA与2G中IS-95核心网ANSI-41的MSC/PDSN相比较主要不同有：（4）在BSC之间设有A3、A7接口，它基于E1/ATM/AAL或STM/ATM/AAL,分别用于信令、分组业务的传输以支持越区切换；（5）联结MSC/VLR和HLR/AC以及PDSN的接口仍为ANSI-41，它用于传送话音；（6）在一些物理实体的后面加“E”，表示功能上的增强，这些增强主要是针对分组型数据用户而言。上一页>>下一页>> --全IP网络--3GPP目前提出的WCDMA全IP网络为R5；3GPP2目前提出的cdma2000全IP网络为RB。其无线接口支持2Mb/s以上数据业务；3GPP2已完成cdma20001×EV-DO的HDR商用化，其峰值速率可达2.4Mb/s；目前3GPP2又还在制定cdma20001×EV-DV的研制工作，其峰值速率可达5Mb/s。3GPP也正在研制可支持10Mb/s的更高速下行分组接入系统HSDPA。上一页>>下一页>> --全IP网络（续）--全IP是指从结构IP化、协议IP化到业务IP化的全过程IP化。全IP化首先从核心网IP化开始：能提供基于IP的多媒体业务；多种媒体流（话音、数据、图像等）均在统一的IP核心网上传送与交换；IP作为承载技术，由核心网逐步延伸到无线接入网乃至无线控口上。实现承载、控制和业务分离，使网络更加灵活。上一页>> 谢谢观看/欢迎下载BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH