第14讲第二代移动通信系统(三)IS95系统现代移动通信(新版教材课件).ppt

1、/1171/64/1172/64n问题问题1 1：常规突发中的训练序列有何作用？为何将训练比特在：常规突发中的训练序列有何作用？为何将训练比特在帧中间位置？帧中间位置？n问题问题2 2：GPRSGPRS是如何组成的？是如何组成的？GPRSGPRS有何特点？有何特点？本次课要回答的问题：本次课要回答的问题：IS-95 CDMAIS-95 CDMA的无线信道是如何构成的？的无线信道是如何构成的？物理信道与逻辑信道是如何关联的？物理信道与逻辑信道是如何关联的？IS-95 CDMAIS-95 CDMA前向和反向前向和反向信道的组成及功能模块信道的组成及功能模块的作用、系统控制功能及基本原理。的作用、系

2、统控制功能及基本原理。重点：重点：PN码在码在IS-95 CDMA中的用法及作用中的用法及作用；IS-95 CDMA系统的功率控制原理。系统的功率控制原理。难点：难点：功率控制原理。功率控制原理。/1173/64/1174/64/1175/64（Interim Standard 95）/1176/64/1177/64IS-99IS-99：为：为IS-95IS-95提供无线数据链接协议提供无线数据链接协议l IS-657IS-657：专门为：专门为IS-95IS-95提供直接接入提供直接接入Internet标标l 协议。支持所有的协议。支持所有的TCP/IP/PPPTCP/IP/PPP协议。协议

3、。l IS-95B IS-95B：为：为IS-95IS-95成为宽带系统而写。成为宽带系统而写。l IS-95C IS-95C：于：于19991999年开展制订，完全兼容年开展制订，完全兼容IS-95AIS-95A、B B/1178/64/1179/64/11710/64运营频段运营频段 824 849MHz（反向）；（反向）；869 894MHz（前向）（前向）双工方式双工方式 FDD，间隔，间隔45MHz载波间隔载波间隔 1.25 MHz信道速率信道速率 1.2288kbps接入方式接入方式 CDMA 调制方式调制方式 /4-QPSK分集分集 RAKE(移动台移动台2-3指，基站指，基站3

4、指指)接收，天线分集接收，天线分集信道编码信道编码 卷积码，卷积码，K=9,R=1/3(反向反向)；K=9,R=1/2(前向）前向）话音编码话音编码 QCELP可变速率编码器可变速率编码器数据速率数据速率 9.6，4.8，2.4，1.2kbps正交扩频：正交扩频：64进制进制WLASH码码PN序列周期：序列周期：242-1 chips and 215 chips/11711/64l一个频道含有一个频道含有64个物理信道个物理信道发射机CDMA频道号CDMA频率（MHz）移动台基站1777N0.03825N 10131023N1777N10131023N0.03827N 0.03(1023)82

5、5N 0.03(1023)827N 其中频道号其中频道号1 1666666，占，占20MHz20MHz，其中，其中1 1333333属系统属系统A A，334334666666属系统属系统B B。系统。系统A A、B B分别为两个不同的经营部门，各自组成蜂窝分别为两个不同的经营部门，各自组成蜂窝网。网。A A和和B B是基本的频道。此外，又外加是基本的频道。此外，又外加5MHz5MHz频带作为频带作为A A系统和系统和B B系统的扩展，其频道号分别为系统的扩展，其频道号分别为667667777777和和99199110231023。/11712/64基站MS导频信道导频信道 同步信道同步信道寻

6、呼信道寻呼信道正向业务信道正向业务信道反向业务信道反向业务信道接入信道接入信道前向前向CDMA信道信道反向反向CDMA信道信道l各种逻辑信道由不同的码序列来区分各种逻辑信道由不同的码序列来区分/11713/64 前向信道的类型：前向信道的类型：1个导频信道、个导频信道、1个同步信道、个同步信道、7个寻呼信道和个寻呼信道和63个前向业务信道。个前向业务信道。l导频信道导频信道：发送导频信号供移动台识别并引导移动台入网：发送导频信号供移动台识别并引导移动台入网l同步信道同步信道：发送同步信息供移动台建立与系统的定时和同步：发送同步信息供移动台建立与系统的定时和同步l寻呼信道寻呼信道：发送有关寻呼、

7、指令及业务指配信息：发送有关寻呼、指令及业务指配信息l前向业务信道前向业务信道：传送用户业务信息；同时传送信令信息。：传送用户业务信息；同时传送信令信息。逻辑信道信道个数物理信道逻辑信道信道个数物理信道导频信道导频信道1W0寻呼信道寻呼信道17W1 W7同步信道同步信道1W32前向业务前向业务信道信道55W8 W31W33 W63/11714/64l前向信道的映射前向信道的映射/11715/64l后向信道的映射后向信道的映射/11716/64 导频信道信息比特导频信道信息比特（全（全 0）卷积卷积 编码器编码器 沃尔什函数沃尔什函数 0 1.2288Mc/s 码元码元 重复重复 分组分组 交织

8、器交织器 同步信道同步信道 信息比特信息比特 码元码元 沃尔什函数沃尔什函数 32 1.2288Mc/s 调制码元调制码元 调制码元调制码元 1.2kb/s 2.4ks/s 4.8ks/s 4.8ks/s R=1/2 K=9 卷积卷积 编码器编码器 码元码元 重复重复 分组分组 交织器交织器 寻呼信道寻呼信道 比特比特 码元码元 沃尔什函数沃尔什函数 p 1.2288Mc/s 调制码元调制码元 调制码元调制码元 9.6kb/s 4.8 kb/s 19.2ks/s 9.6ks/s 19.2ks/s 19.2ks/s 分频器分频器 1.2288Mc/s 长码发生器长码发生器 寻呼信道的寻呼信道的

9、长码掩长码掩码码 19.2ks/s A A A 前向信道的组成框图/11717/64 R=1/2 K=9 帧质量帧质量检测器检测器 加编码加编码尾比特尾比特 卷积卷积 编码器编码器 用户用户 m在在正向业务正向业务信道的信信道的信道比特道比特 码元码元 沃尔什函数沃尔什函数 n 1.2288Mc/s 8.6kb/s 4.0 kb/s 2.0 kb/s 0.8 kb/s 9.2kb/s 4.4kb/s 2.0kb/s 0.8kb/s 9.6kb/s 4.8kb/s 2.4kb/s 1.2kb/s 分频器分频器 1.2288Mc/s 长码发生器长码发生器 用户的长码掩用户的长码掩码码 调制码元调制

10、码元 19.2ks/s 9.6ks/s 4.8ks/s 2.4ks/s 码元码元 重复重复 分组分组 交织器交织器 19.2ks/s 调制码元调制码元 19.2ks/s 复复接接 重重复复 功率控制比特功率控制比特 800b/s 分频器分频器 19.2ks/s I 信道引导短码信道引导短码 1.2288Mc/s Q信道引导短码信道引导短码 1.2288Mc/s 基带滤波器基带滤波器 基带滤波器基带滤波器 cosct sinct I（t）Q（t）I Q S（t）A A 前向信道组成框图/11718/64Parameter Data Rate User Data Rate 9600 4800 24

11、00 1200 Coding Rate 1/2 1/2 1/2 1/2 User Data Repetition Period 1 2 4 8 Baseband Coded Data Rate 19,200 19,200 19,200 19,200 PN Chips/Coded Data Bit 64 64 64 64 PN Chip Rate(Mcps)1.2288 1.2288 1.2288 1.2288 PN Chips/Bit 128 256 512 1024 /11719/64l 卷积编码与重复编码卷积编码与重复编码 卷积码卷积码:R=1/2,K=9,G0=753(octal),G1

12、=561(octal);重复量重复量:9600bps(Non),4800 bps(1),2400 bps(3),1200 bps(7).l 块交织块交织 交织深度交织深度:20 ms 块块;交织图案交织图案:24x16分组交织分组交织.l 长长 PN 序列产生序列产生基本作用基本作用:数据扰码数据扰码 生成多项式生成多项式 生成生成:42比特掩码和比特掩码和42状态矢量的模状态矢量的模-2内积内积1819212225262731333542)(xxxxxxxxxxxxP1123567101617xxxxxxxxx/11720/64l模模-2内乘产生长码示意图内乘产生长码示意图/11721/64

13、l 长长PN序列（续）序列（续）两种掩码两种掩码 基站基站 ESN公用公用 移动台移动台 MIN专用专用 长码掩码结构如下：长码掩码结构如下：1100011000置换置换ESN01公共掩码长码公共掩码长码专用掩码长码专用掩码长码M41M0M41M0/11722/64l 长长PN 序列序列 (续续)电子序列号电子序列号(ESN)是是 置乱置乱 ESN号是号是l 数据扰码数据扰码 1.2288MHz PN 作用于作用于(抽取器),其中其中 只保留每只保留每 64 PN 的第一个的第一个chip;抽取器的符号速率是抽取器的符号速率是 19.2 ksps.),.,(01232728293031EEEE

14、EEEEEESN,(31221308172641322310EEEEEEEEEEEEESN 192861524211202971625,EEEEEEEEEEEE),9182751423110EEEEEEEEPermuted/11723/64/11724/64/11725/64Parameter Data Rate User Data Rate 9600 4800 2400 1200 Coding Rate 1/3 1/3 1/3 1/3 TX Duty Cycle(%)100.0 50.0 25.0 12.5 Coded Data Rate(sps)28,800 28,800 28,800 2

15、8,800 Bit per Walsh Symbol 6 6 6 6 Walsh Symbol Rate 4800 4800 4800 4800 Walsh Symbol Rate(kcps)307.2 307.2 307.2 307.2 Walsh Symbol Duration(us)208.33 208.33 208.33 208.33 PN Chips/Code Symbol 42.67 42.67 42.67 42.67 PN Chips/Walsh Symbol 256 256 256 256 PN Chips/Walsh Symbol 4 4 4 4 PN Chip Rate(M

16、cps)1.2288 1.2288 1.2288 1.2288 /11726/64q 卷积编码与符号重复卷积编码与符号重复 卷积码卷积码:R=1/2,K=9,G0=557(octal),G1=663(octal),G2=771(octal);重复重复:9600bps(Non),4800 bps(1),2400 bps(3),1200 bps(7);重复后速率重复后速率 28,800 bps.q 块交织块交织 交织深度交织深度:20 ms block;交织方式交织方式:分组交织分组交织 32x18.q 正交调制正交调制64进制正交调制进制正交调制;每每1比特对应比特对应6个个 Walsh 码片：

17、码片：Walsh 码片速率码片速率 307.2 kbps 28.8 kbps x(64 Walsh chips)/(6 code bits)=307.2 kbps.5432103216842ccccccWalsh function number/11727/64l技术小结技术小结n长码掩码长码掩码n接入信道掩码：和寻呼信道号对应接入信道掩码：和寻呼信道号对应n公开和私用掩码；与用户号码对应公开和私用掩码；与用户号码对应n直接序列扩频直接序列扩频n利用长码对正交调制后利用长码对正交调制后Walsh码元进行扩频码元进行扩频n子码速率为子码速率为307.2kc/s，长码速率，长码速率1.2288Mc

18、/sn四相调制（扩展）四相调制（扩展）n与前向信道所用的与前向信道所用的I、Q引导引导PN序列相同序列相同n为交错四相相移键控（为交错四相相移键控（O-QPSK）/11728/64l通过道频通过道频PN序列偏置序列偏置有有512512种种,编号编号K K从从0 0到到511511偏置时间偏置时间偏置的引导偏置的引导PN序列必须序列必须 在时间的偶数秒起传在时间的偶数秒起传 164(s)1.2288KtK/11729/64l功能块解释功能块解释四相调制：给基站一个特别识别码，并产生四相调制：给基站一个特别识别码，并产生QPSKQPSK输出输出n在同相支路（在同相支路（I I）和正交支路（）和正交

19、支路（Q Q）引入以两个互为准正交）引入以两个互为准正交的的m m序列为基础产生的序列为基础产生的I I、Q Q序列。序列。nm m序列的主要作用是给不同基站发出的信号赋予不同的特征，序列的主要作用是给不同基站发出的信号赋予不同的特征，以便移动台识别，其生成多项式如下：以便移动台识别，其生成多项式如下：n基带滤波器的作用是将基带滤波器的作用是将QPSKQPSK信号的功率谱限制在分配的带信号的功率谱限制在分配的带宽内。宽内。15139875()1IP xxxxxxx151211106543()1QP xxxxxxxxx/11730/64l功能块解释功能块解释四相调制：给基站一个特别识别码，并产生

20、四相调制：给基站一个特别识别码，并产生QPSKQPSK输出输出nI I、Q Q序列的序列的长度长度215=32768chip（相当于（相当于26.66ms），在生成），在生成（2151）的）的m序列中，当出现序列中，当出现14个连个连“0”时，向其中插入一个时，向其中插入一个“0”，使序列，使序列14个个“0”的游程变成的游程变成15个个“0”的游程。的游程。n各基站使用相同的各基站使用相同的PN序列，但序列，但PN序列的起始位置不同，依据是序列的起始位置不同，依据是m序列的自相关特性在时间偏移大于一个子码码元宽度后，其自序列的自相关特性在时间偏移大于一个子码码元宽度后，其自相关系数值接近于零

21、。相关系数值接近于零。n扩频码：可以看成是扩频码：可以看成是Walsh和和m序列级联形成的码组，这样既保序列级联形成的码组，这样既保持同步正交性能，又降低了非同步相关值。持同步正交性能，又降低了非同步相关值。/11731/64l同步数据信息帧结构同步数据信息帧结构l寻呼寻呼/业务数据信息帧结构业务数据信息帧结构高帧：含25个超帧，或75个PN帧（相当于75个PN周期），时长为2秒。超帧：相当于3个PN周期，时长为80ms。PN帧：含128个同步符号（32768个码片），时长为26.66ms。同步符号：含256个码片（4个沃尔什序列），时长为208.38s。沃尔什序列：含64个码片。时长为52.

22、0825s。码片（chip）：0.8137s。高帧：含25个超帧，或75个PN帧（相当于75个PN周期），时长为2s。超帧：相当于4个业务帧，时长为80ms。业务帧：含384个寻呼/业务符号（24576个码片），时长为20ms。寻呼/业务符号：含64个码片（1个沃尔什序列）。时长为52.0825s沃尔什序列：含64个码片。码片（chip）：0.8137s。/11732/64/11733/64/11734/64l 系统定时，也叫全局定时l 基站与移动台间定时同步l包括PN码同步、符号同步、帧同步和扰码同步等 l通过对导频信道的捕获建立PN码同步和符号同步l通过同步信道的接收建立帧同步和扰码同步

23、l扩频序列的同步是扩频系统接收机所要完成的首要步骤l扩频序列的同步可以通过捕获和跟踪二个阶段/11735/64l扩频序列的捕获是指接收机在开始接收扩频信号时调整和选择本地扩频序列的相位，使收发信机扩频序列的相位一致，所以捕获又叫扩频序列的初始同步或粗同步过程；l多数的捕获方法都是用非相干检测；l匹配滤波器方法是获得伪随机序列初始同步的最佳方案；l匹配滤波器可以在中频实现，也可以在基带实现；l匹配滤波器的实质是抽头延迟线加累加器，是一种并行捕获方案，捕获快；l N序列的捕获也可以采用基于滑动相关的串行捕获方案；l串行捕获方案 捕获速度慢。/11736/64l完成扩频序列的捕获以后，本地序列相位同

24、接收信号的相位通常还有1/2个码片误差；l收发时钟的不稳定性，收发信机之间的相对运动以及传播路径时延变化等因素，已同步的本地序列相位会出现某种抖动偏差；l还要进行扩频序列的跟踪。跟踪过程又叫细同步过程；l跟踪环路不断校正本地序列发生的时钟相位，使本地序列的相位变化与接收信号相位变化保持一致，实现对接收信号的相位锁定；l伪随机序列的定时跟踪通常可以采用基于延迟门定时误差检测器的延迟锁定环。/11737/64/11738/64 /11739/64q上世纪80年代中期IEEE文章：CDMA用于蜂窝系统不可行；q1989.2 高通（Qualcomm）造访李建业：CDMA蜂窝系统商用必须解决功率控制；q

25、1989.4 高通再访李建业：6个月内演示CDMA功控，太平洋电话公司将支付100万美元；q1993年高通基于功率控制、软切换等核心专利技术的IS-95标准通过，CDMA蜂窝系统商用；q目前，1400多项专利，专利费已成为高通公司的重要经济支柱。/11740/64q远近效应若若d d2 2/d/d1 1=100=100，则，则S S1 1/S/S2 2将达近将达近80dB!80dB!强抑弱！强抑弱！反向反向d2d1前向前向S1S2MS2MS2MS1MS1 远近远近效应效应只有采用功率控制才能很好地解决只有采用功率控制才能很好地解决CDMA蜂窝系统蜂窝系统面临的问题。面临的问题。这些问题包括：远

26、近效应；快衰落与阴影衰落；多址干扰/11741/64q 多径衰落多径衰落 快衰落与阴影衰落快衰落与阴影衰落 接收信号快速起伏！接收信号快速起伏！衰落速率：可达衰落速率：可达100次次/秒秒 （900MHz、60km/h时）时）衰落深度：可达衰落深度：可达30dB距离距离接收功率接收功率(dBm)慢衰落慢衰落快衰落快衰落/11742/64（a a）基站对移动台的正向多址干扰）基站对移动台的正向多址干扰（b b）移动台对基站的反向多址干扰）移动台对基站的反向多址干扰MS1MS1MS1MS1BS1BS1BS1BS1q 多址干扰多址干扰/11743/64q功率控制的目标：及时调整发射机的功率，使接收端

27、接收的功率始终刚刚够用！多：多的部分是干扰；多：多的部分是干扰；少：通信质量达不到少：通信质量达不到/11744/64q 基本方法基本方法l方法：开环法、闭环法、开环方法：开环法、闭环法、开环+闭环法闭环法q 开环功率控制开环功率控制l测量接收信号强度，估算、调整自身的发射功率，以达到期望的测量接收信号强度，估算、调整自身的发射功率，以达到期望的通信质量。通信质量。如手机接入时其发射功率：如手机接入时其发射功率：-平均输入功率平均输入功率-73+NOM_PWR+INIT_PWR+PWR_STEP时间时间接入试探接入试探PTx(dBm)/11745/64q 闭环功率控制闭环功率控制l目的是弥补开

28、环功控的不足，消除快衰落的影响，实现精确控制，使各目的是弥补开环功控的不足，消除快衰落的影响，实现精确控制，使各个移动台发送的功率始终个移动台发送的功率始终正好正好满足解调要求。其实现框图如下满足解调要求。其实现框图如下M MS S测测量量E Eb b/N N0 0V V/S SF FE ER R1 1%B BS SC C话话音音帧帧（5 50 0H Hz z）外外环环内内环环P PC C命命令令（8 80 00 0H Hz z）接接收收E Eb b/N N0 0设设定定所所需需E Eb b/N N0 0B BT TS SP PC C:功功率率控控制制每每1.25 1.25 msms调整一次，

29、每次调整一次，每次+或或-1 1 dBdB功控比特（功控比特（1bit1bit）插入前向业务信道数据流）插入前向业务信道数据流在开环功控的基础上提供在开环功控的基础上提供+/-24dB+/-24dB的闭环调整的闭环调整/11746/64q 对移动台发射功率的限制对移动台发射功率的限制l最小控制的输出功率最小控制的输出功率 移动台发射机平均输出功率应小于-50dBm/1.23MHz，即-110dBm/Hz；移动台发射机背景噪声应小于-60dBm/1.23MHz，即-120 dBm/Hz。l输出信号功率的时间响应输出信号功率的时间响应/11747/64q IS-95功控原理框图功控原理框图/117

30、48/64q IS-95功控原理功控原理l前向链路功率控制前向链路功率控制机制：通过响应移动台提供的测试来调整各用户链路信号机制：通过响应移动台提供的测试来调整各用户链路信号的前向链路功率的前向链路功率组成：开环功率控制闭环功率控制。其中开环功控是基组成：开环功率控制闭环功率控制。其中开环功控是基站通过接入程序期所接收的移动台功率，估算出传输损耗站通过接入程序期所接收的移动台功率，估算出传输损耗来调整各业务信道的起始功率；闭环功控是基站和移动台来调整各业务信道的起始功率；闭环功控是基站和移动台相配合而动态地改变功率。相配合而动态地改变功率。调节量：大小通常约调节量：大小通常约0.5dB，动态范

31、围限制在动态功率，动态范围限制在动态功率 6dB，速率低于反向链路功控的变化速率，每，速率低于反向链路功控的变化速率，每1520ms变更一次。变更一次。/11749/64q IS-95功控原理功控原理l反向链路开环功率控制反向链路开环功率控制n机制：通过估算基站至移动台的路径损耗，来决定移动机制：通过估算基站至移动台的路径损耗，来决定移动台的发射功率台的发射功率n调节量：具有约调节量：具有约85dB的动态范围，几个微秒的快速响的动态范围，几个微秒的快速响应。应。l反向链路闭环功率控制反向链路闭环功率控制n机制：基站对移动台的开环估算提供快速校正，确保移机制：基站对移动台的开环估算提供快速校正，

32、确保移动台的最佳发射功率。动台的最佳发射功率。n调节量：移动台按预定量增加或降低发射功率，范围在调节量：移动台按预定量增加或降低发射功率，范围在开环估算值的开环估算值的 24dB内，每内，每1.25ms调节调节1次。次。/11750/64q本次课堂内容回顾本次课堂内容回顾lIS-95IS-95系统概况系统概况lIS-95IS-95的空中接口：的空中接口：cdmacdma扩频调制原理扩频调制原理lIS-95IS-95系统定时与同步系统定时与同步lIS-95IS-95的功率控制技术的功率控制技术q思考题思考题l为何说没有功率控制就没有为何说没有功率控制就没有cdma蜂窝移动通信系统？蜂窝移动通信系统？lIS-95IS-95前反向链路各使用什么调制方式？两者有什么区前反向链路各使用什么调制方式？两者有什么区别？别？l功率控制有何作用？功率控制有何作用？l简述简述IS-95IS-95反向闭环功率控制的过程。反向闭环功率控制的过程。/11751/64