1、1,第7章 IS-95數字蜂窩移動通信系統(tǒng),2,引言,IS-95是由美國高通公司研發(fā)的第一個基于CDMA數字蜂窩標準。 IS全稱為Interim Standard，即暫時標準。也叫TIA-EIA-95。TIA電信工業(yè)協(xié)會（Telecommunications Industry Association）；EIA電子工業(yè)協(xié)會（Electronic Industries Association） 。 IS-95是TIA基于CDMA

2、技術2G移動通信的空中接口標準分配的編號，它也常作為整個系統(tǒng)名稱使用。 CDG（CDMA Development Group ）為該技術申請了cdmaOne的商標。cdmaOne 是IS-95的第一個品牌。,3,一、擴頻通信,IS-95以擴頻碼分多址與數字蜂窩技術相結合，CDMA系統(tǒng)與TDMA有很多不同之處，也很有特點。擴頻通信是其基礎。一、擴頻通信 是一種信息傳輸方式，在發(fā)送端采用擴頻碼調制，使信號所占頻帶遠遠大于所傳

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

4、能可靠通信，這就是擴頻通信使用寬帶的原因。,5,擴頻通信,2、處理增益 G= 10lgB/Bm B-擴頻信號帶寬 Bm-信號帶寬 表示信噪比改善程度，是擴頻系統(tǒng)一個重要指標。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)內部損耗例：G=30dB，SNR=10dB，Ls=2dB，M=18dB 表明干擾功率

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

6、，因為任何時間上不同的兩段白噪聲都不一樣，若代表二種信號，差別就最大。 真正的隨機信號是不能重復再現的，所以只能用一種周期性的碼序列來逼近它的性能，故稱偽隨機碼PN。 PN在擴頻系統(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,擴頻通信,碼片序列的正交關系： 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,擴頻通信,例：共有4個用戶進行碼分多址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)數據1； B站發(fā)數據0； C站保持沉默；問信道里的信號是什么?,(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1),接收端怎樣還原呢?,只須計算四個常規(guī)內積： （–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、網絡結構與接口,二、網絡結構與接口 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： 上行824MHz-849MHz 下行869MHz-894MHz 頻道間隔1.25MHz 雙工間隔45MHz 調制方式QPSK 信道速率1.2288Mbps 語音速率8kbps,12,三、CDMA系統(tǒng)的特點,三、CDMA

11、系統(tǒng)的特點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)允許同時通話的用戶數超過信道數，使系統(tǒng)容量與用戶數之間存在一種“軟”關系，在業(yè)務高峰期間，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量，適當增加用戶數目，等負荷減輕時，通話質量再恢復正常。 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)域大小是動態(tài)的。當相鄰小區(qū)負載一輕一重時，負載重的小區(qū)通過減少導頻信道的發(fā)射功率，使本小區(qū)的邊緣用戶切換到相鄰小區(qū)，使負荷分擔，也相當于增加了容量。,13,CDMA系統(tǒng)的特點,3、軟切換 只有同頻時才能進行的切換，先通后斷，可保證通信暢通，過區(qū)切換只需要改變碼型，不需變換頻率。相對而言，切換控制和操作簡單。無縫切換，可保證通話連續(xù)性，減小掉話概率。4、頻率規(guī)劃簡單 頻帶和時間共享。FDMA需要復雜的頻率計劃管理，

13、區(qū)群、頻率分配，花費保護頻帶，TDMA需要信道均衡，時隙計劃管理和花費保護時間。CDMA用戶按碼區(qū)分，相同的頻段可以在相鄰的小區(qū)內使用，網絡規(guī)劃靈活，擴展簡單。,14,CDMA系統(tǒng)的特點,5、保密性好 擴頻通信就是為了抗干擾和加強保密性而設計的，最早用于軍事通信，系統(tǒng)采用PN擴展頻譜調制，給信號帶來了偽裝。不知所用PN碼，難以解擴，即使知道PN碼，CDMA信號還有長碼加擾方式，提供高度保密性，要竊聽必須找到長碼地址，有4萬億種可

14、能性，困難可以想像。6、抗衰落性能好 移動信道最嚴重的衰落是多徑干擾，分集接收是對抗多徑衰落的有效方法，采用Rake接收機，能獨立跟蹤各個不同路徑，將接收到的不同路徑信號相疊加，變害為利。,15,CDMA系統(tǒng)的特點,7、建網成本低 系統(tǒng)容量大，所需基站少，降低成本。8、手機環(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)必須進行精確功率控制，目的是即維持通話質量又對其他用戶產生的干擾盡量小，功率控制的好壞，直接影響系統(tǒng)的容量。10、產生多址干擾 系統(tǒng)用戶間是靠擴頻碼互相關特性加以區(qū)分的，互相關不可能為零，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，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量（容量）和通信質量，IS-95用Walsh（沃爾什）函數來實現擴頻，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作為信道地址碼，有64種長度為64位的等長沃爾什碼。,IS-95系統(tǒng)一個頻點有多少個信道？,17,地址碼,2、用戶地址碼 上行鏈路，由移動臺產

17、生，用于區(qū)分不同的用戶，下行鏈路中，由基站產生擾碼，主要用于數據加擾。CDMA系統(tǒng)中，為了容納足夠多的用戶需要足夠多的地址碼。 為了保證足夠數量，目前的方法是利用局部相關特性代替?zhèn)坞S機碼的周期性自相關和互相關特性，即利用一個超長的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。用局部相關替代法，是犧牲質量換取足夠的數量，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生的周期最長的一種序列，也是

18、一種偽隨機碼。它由42位移位寄存器產生，然后每個用戶按一定規(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 應滿足正交特征,序列數量足夠多,用于上、下行信道,區(qū)分不同基站.IS-95采用兩個較短的PN碼, m=2E15-1=32767,分別給QPSK的I、Q二個調制分量使用。 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的整數倍。最多提供地址數為N=512個/頻點。,

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

20、手機沒有時間設置功能，由系統(tǒng)傳送過來。,20,邏輯信道,2、正向信道流程 有導頻信息、同步信息、尋呼信息、業(yè)務信息四種。,21,邏輯信道,以業(yè)務信息道為例： ①CRC校驗：QCELP語音編碼為可變速率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：卷積碼復位時用。 ③卷積（2，1，8）,22,邏輯信道,④重復：因為交織塊384bit/ms，是針對19.2ks/s做的，所以要把低于19.2ks/s的速率信號重復到于19.2ks/s，重復1、3、7次。 ⑤交織：同步信道16

22、行8列，尋呼、業(yè)務信道24行16列。 ⑥長碼產生器：由42級移位寄存器和相應反饋支路組成。 ⑦功率控制：連續(xù)地在正向業(yè)務信道上發(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對反向信道信號強度進行測量和估算來確定。 ⑧QPSK：引導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，只是相關參數不同。,24,六、IS-95的主要技術

23、,六、IS-95的主要技術1、MS的Rake接收機,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：變成相位信息。,25,IS-95的主要技術,④接收機：一個搜索導頻，接收導頻信道信息，其余也叫單路徑接收機，是三個并行相關器，分別接收三個路徑的同一信號進行等增益合并，得到的信號已去除多徑效應造成的影響，經過去交織、維比特譯碼、CRC譯碼、得到8.0kbit/s-0.8kbit/s的

24、數據流。經CELP譯碼恢復聲音信號。 Rake接收機是CDMA系統(tǒng)所特有，較好解決了移動信道最嚴重的問題，所以具有抗衰落性能好的特點。,26,IS-95的主要技術,2、語音編碼 QCELP—碼激勵線性預測編碼器，高通公司。該方案是可變速率的混合編碼，利用語音激活檢測技術，在語音激活期內，可根據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。 經過內部測試，現場測試和MOS測試表明，其語音質量比其他數字系統(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運用線性預測技術，簡潔而有效地描述聲道特性，利用矢量量化技術，高效實現差值激勵，運用分析綜合法準確而符合聽覺特性地搜索最佳激勵線性矢量。,27,IS-95的主要技術,CELP的實現：,28,IS-95的主要技術,①8kHz抽樣②160個樣值/20ms③生成三個參數子幀:LPC子幀、音調合成子幀、碼表子幀④濾波參數(LPC子幀) 20ms更新一次⑤音調參數(音調合成

26、子幀)不同速率更新不同⑥碼表參數(碼表子幀)不同速率更新不同⑦三參數不斷更新,按一定幀結構排列。 數碼率選取原則：每一幀中信號能量與3個不同的門限比較，大于3個門限選擇速率1，大于2個門限選擇速率1/2，大于1個門限選擇速率1/4，小于3個門限選擇速率1/8，每次只允許變化一級。 CELP可用DSP實現，如IT公司的TMS320C50系列。,29,IS-95的主要技術,3、功率控制 CDMA是干擾受限系統(tǒng)，“遠近

27、效應”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、下行鏈路來分類，方法有三種：開環(huán)、閉環(huán)、外環(huán)。①開環(huán)：MS或BS根據下行（上行）鏈路接收到的信號強度，對信道衰落情況進行實時估計，若收到信號彈很強，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，簡單易行，速度快，不需要在MS和BS之間交換信息。根據收決定發(fā)。但對于FDD系統(tǒng)，上下行鏈路的衰落是不相同的，開環(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,②閉環(huán)：MS和BS把收到的信號與信干比門限比較，以決定功率控制信息，好發(fā)給對方。MS和BS再根據收到的對方傳來的信息進行功率控制，其精度高，但復雜，比特開銷大。③外環(huán)：通過接收誤幀率的計算，來調整閉環(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，正向的干擾主要來自相鄰基站，所以不是控制重點。采用較簡單的慢速閉環(huán)功率控制。,為什么不一樣？,31,IS-95的主要技術,過程：基站為各業(yè)務信道分配一個起始標稱功率，周期性地降低，MS周期性地向基站報告幀質量。BS根據結果與閥值比較，來確定分配給該MS功率是增加還是減少。調節(jié)量通常為0.1dB，動態(tài)范圍±6dB，每20ms調節(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：開環(huán)、閉環(huán)和外環(huán)功率控制開環(huán)：假設上下行傳輸損耗相同，MS接收測量基站發(fā)來的信號強度，估計傳輸損耗，自動調節(jié)其發(fā)射功率，粗略控制。閉環(huán)：BS測量各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根據指令確定發(fā)射功率。調節(jié)量為0.5dB，動態(tài)范圍±24dB，每1.25ms調節(jié)一次。外環(huán)：在一定門限情況下，誤幀率較高，說明門限不合適，改變門限,32,IS-95的主要技術,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時是一樣的，只是數字化蜂窩能把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)，可以達到120信道/小區(qū)，實際只有65個左右，所以使用64階沃爾什函數。64信道/小區(qū)。,34,重點,1，CDMA系統(tǒng)的特點2，IS-95的地址碼3，IS-95的邏輯信道，和物理信道的映射關系4，IS-95用什么作時鐘同步5，IS-95