CDMA-扩展频谱通信技术课件

扩展频谱通信技术(CDMA)浙江大学信电系余官定yuguandingzju.edu主要内容nCDMA概括及理论基础n常见的扩频序列nRake接收技术nCDMA系统中的若干关键技术n功率控制n软切换n多用户检测技术CDMA的历史n扩展频谱通信(Spread Spectrum Communications)，简称扩频通信，其出现是通信技术的一次重大突破。n扩频通信最早始于军事通信，是随着在军事通信中的应用而发展起来的。nShannon在1949年提出了CDMA的理论基础n1991年Qualcomm发布了一套CDMA系统测试结果，是当时AMPS容量的10倍n1993年IS-95标准制定n2019年IS-95B标准完成nCDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA成了3G的三个主要标准nCDMA技术既是一种调制技术，也是一种多址接入技术CDMA技术概括n扩频通信技术采用远大于传输数据信息所需最小带宽的传输频带来传送信号，该技术可以用于克服多径干扰、多址干扰 和人为非 AWGN 干扰。这种调制、解调技术所要求的信号设计准则不是尽可能地节省带宽，而是克服干扰。n扩展频谱通信方式具有如下二个特征：n发射信号所占的带宽远大于信息比特率，并且与信息比特率无关。n在发送端信号频带的展宽是通过采用扩谱序列信号来实现的。这个扩谱序列信号与所传输的数据信息无关。在接收端利用与发送端相同的扩谱序列信号来恢复数据。扩频通信的优点n易于同频使用，提高了无线频谱利用率。n抗干扰能力强，误码率低。n保密性好。n可以实现码分多址通信。n抗多径衰落能力。n能够精确定时和测距。CDMA理论基础CDMA基本原理n在室内参加宴会的一群人TDMACDMA基本原理n在室内参加宴会的一群人FDMACDMA基本原理n在室内参加宴会的一群人CDMACDMA分类CDMA分类n时域扩频n直接序列扩频(DS:Direct Sequence)：直接使用高码率的双极性或者多极性的扩频码序列在发送端对要传输的低速数据进行扩频调制，在接收端用相同的扩频码序列进行解扩n跳时(TH:Time Hopping)：采用扩频序列控制系统发射信号的有无和持续时间，使发射信号在时间轴上跳变。CDMA分类n频域扩频n跳频(FH:Frequency Hopping)：同跳时类似，指采用扩频序列控制系统发射信号的频率，使其按照一定的规律在给定的频段内周期跳变。n多载波扩频(MC:Multiple Carrier)：在频域中使用给定的扩展码将原始数据流在不同子载波上进行扩展。n线性调频：简称Chirp方式，指控制发射信号的频率在一个周期内作线性变化。CDMA分类n混合扩频n以上几种扩频方式中的两种或多种结合起来，构成混合扩频体制，如FH/DS,TH/DS,FH/TH等。n混合扩频比单一的扩频具有更优良的性能。n二维扩频：同时在时域及频域进行连续扩频的扩频方式n同时获得时间分集和频率分集效果直接序列扩频直接序列扩频n发送端直接序列扩频n接收端直接序列扩频n扩频因子：n处理增益：n 处理增益=扩频增益 主要内容nCDMA概括及理论基础n常见的扩频序列nRake接收技术nCDMA系统中的若干关键技术n功率控制n软切换n多用户检测技术扩频序列n扩频序列(PN序列)n扩频系统中的重要概念n类似噪声的二进制随机序列n“0”和“1”的个数基本相同n自相关性好n互相关性小n移位相关性小扩频序列 离散序列的周期自相关函数 为 离散序列的周期互相关函数 定义为 扩频序列扩频序列m序列nm序列具有很好的随机特性n平衡特性n游程特性n延位相加特性扩频序列m序列1、平衡特性 在m序列的一个周期中“0”的个数比“1”的个数少1，为 ，“1”的个数为 ，所以，扩频序列m序列2、游程特性 把一个周期长度为 的m序列首尾相接成一个圈，其中连续出现一串“1”（或“0”）称为“1”（或“0”）的游程。串的长度称为游程长度。对于m序列来说，一个周期内共有 个游程，其中“0”的游程和“1”的游程各占一半；长度为r的游程只有一个，是“1”的游程；长度为（r-1）的游程也只有一个，是“0”的游程；长度为k（kr-1）的“0”游程和“1”的游程个数相等，为 个。3、延位相加特性、延位相加特性 m序列 与它的移位序列 相加后仍然是 的一个移位序列。扩频序列m序列m序列波形或伪随机波形 的自相关函数 NTcTc1.01/N扩频序列m序列m序列的缺点是互相关特性差，以及序列数少；扩频序列m序列nWelch Bound已经证明任意 M 个周期为 N 的二进序列之间的互相关最大峰值满足：序列数目 M 很大 扩频序列Gold序列nm序列的缺点n同样长度的m序列个数不多n序列之间的互相关性并不都好nGold序列n基于m序列的码序列n优良的自相关和互相关特性n序列数目较多扩频序列Gold序列nm序列优选对n如果两个m序列的互相关函数的绝对值满足如下条件：则称这一对m序列为优选对。n两个m序列优选对的模二相加产生的新码字序列为Gold序列。扩频序列Gold序列n原理结构图扩频序列Gold序列DDDDDDDDDD扩频序列Gold序列nGold序列主要性质n具有三值自相关特性，旁瓣的极大值满足优选对的条件n两个m序列优选对不同移位相加产生的新序列都是Gold序列扩频序列Walsh序列nWalsh-Hadamard码(正交码)n用于时间同步的系统nIS-95使用6464的Walsh码nTDS-CDMA使用1616Walsh码n移位相关性差扩频序列Walsh序列nWalsh序列的产生主要内容nCDMA概括及理论基础n常见的扩频序列nRake接收技术nCDMA系统中的若干关键技术n功率控制n软切换n多用户检测技术Rake接收技术n分集n时间分集n空间分集n频率分集nRAKE接收不同于传统的空间、频率与时间分集技术，它是一种典型的利用信号统计与信号处理技术将分集的作用隐含在被传输的信号之中，因此又称它为隐分集或带内分集。Rake接收技术n由于移动通信传播中多径引起了接收信号时延功率谱的扩散，其中最典型的有两类。连续型时延功率谱：它一般出现在繁华的市区，由密集建筑物反射而形成，如下图所示。Rake接收技术n离散型时延功率谱：它一般出现在非繁华市区，非密紧型建筑群区，如下图所示。Rake接收技术在接收端的多径传播信号可以用下列矢量图表示如下：假设有三条主要传播路径，Rake接收技术若采用扩频信号设计与RAKE接收的信号处理后，三条路径信号矢量图可改变成如下形式：Rake接收技术nRAKE接收就是设法将上述被扩散的信号能量充分利用起来。其主要手段是扩频信号设计与RAKE接收的信号处理手段。在实际的移动通信中由于用户的随机移动性，接收到的多径分量的数量、大小(幅度)、时延(到达时间不同)、相位均为随机变量，因此合成后的合成矢量亦为一个随机变量。但是如果能利用扩频信号设计将各条路径信号加以分离，再利用RAKE接收将被分离的各条路径信号相位校准、幅度加权，并将矢量和变成代数和。而加以充分利用。当然，这一分离、处理和利用的设想，特别是对于连续型时延功率谱是受分辨率即扩频增益和RAKE接收信号处理方式和能力所限。Rake接收技术主要内容nCDMA概括及理论基础n常见的扩频序列nRake接收技术nCDMA系统中的若干关键技术n功率控制n软切换n多用户检测技术多用户CDMA中的多址干扰nMAI-Multiple Access Interferencen任何一个用户的信号包含了其它所有用户的干扰信号nMAI指得是用户之间的相互干扰nMAI与系统的负载成正比nMAI包括Intra-cell MAI和Inter-cell MAI多址干扰对CDMA系统的影响 n传统CDMA系统中的信号检测将于多址干扰视为高斯噪声来处理，因而忽略多址干扰的存在，这种方法会带来以下两个方面的影响：n系统容量受到限制：随着同时接入系统用户数目的增加，多址干扰的影响也会逐渐严重起来，导致系统误码率的上升 n产生远近效应：远离基站用户的信号被靠近基站用户的信号淹没。CDMA中的远近效应n在上行链路中，如果小区中所有用户均以相同的功率发射，由于无线信道的衰落及移动台与基站(BS)间距离不同，BS 接收到的离BS近的MS的信号功率要比接收到的离BS远的MS的信号功率强，这样，就会对远离基站的MS造成很大的影响，使其性能下降，甚至不能正常工作，这种现象称为“远近效应”。n解决办法n功率控制多址干扰的抑制方法n扩频码的设计n提高码之间的互相关性n功率控制n缓解多址干扰，但不能从本质上消除多址干扰n前向纠错编码 n空间滤波技术n智能天线 n多用户检测技术n利用多址干扰中包含的用户间的互相关信息来估计干扰和降低、消除干扰的影响CDMA中的功率控制n开环功率控制n开环功率控制是移动台根据接收到的基站导频信号强度，来衡量移动台与基站之间的传播损耗，从而确定发射功率的大小，使移动台的发射功率控制在一个范围内。n估计误差会造成开环功率控制的性能严重下降CDMA中的功率控制n闭环(内环)功率控制n基站每隔一段时间(通常是1.25ms)测量收到的移动台信号，得到SIR的估计值，将此估计值与设定的门限值相比较n估计值大于门限值，基站发出降低功率指令n估计值小于门限值，基站发出提高功率指令n基站通过测量接收信号的SIR，不间断地向每个移动台提供反馈信号，形成控制环路，控制移动台的发射功率CDMA中的功率控制n外环功率控制n基站根据接收到的反向业务信道的误帧率(FER)的变化调整内环功率控制的门限n当实际接收的FER高于目标值时，基站就提高内环门限，反之，基站就降低内环门限n内环和外环功率控制的关系n内环功率控制的SIR门限定义了承载业务的质量需求n外环功率控制是通过调整SIR门限维持相应质量需求下的通信质量CDMA中的切换n硬切换n“先断后接”n往往发生频率的变化n传统的FDMA系统大多采用硬切换n切换过程中容易产生掉话CDMA中的切换n软切换n“先接后断”n用户在切换过程中至少能保持一个连接n在切换过程中同时有两个连接n宏分集n选择性合并n往往适用于同频蜂窝系统，在切换过程中频率不发生变化。CDMA中的切换n更软切换n软切换的一个特殊情况n发生在一个BS内的切换n扇区间的切换n信道发生切换n获得宏分集n可使用最大比合并技术多用户检测技术n不论是多径干扰还是多址干扰，其本质上并不是纯粹无用的白噪声，而是有强烈结构性的伪随机序列信号，而且各用户间与各条路径间的相关函数都是已知的。因此从理论上看，完全有可能利用这些伪随机序列的已知结构信息和统计信息，比如相关性，来进一步消除这些干扰所带来的负面影响，以达到提高系统性能的目的。多用户检测技术n多用户检测的主要优点n1、它是消除或减弱CDMA中多址干扰的有效手段，也是消除或减弱CDMA中多径干扰的有效手段。n2、能够消除或减弱CDMA中远近效应，简化CDMA系统中的功率控制，降低功率控制的精度要求。n3、弥补CDMA中由于正交扩频码互相关性不理想所带来的一系列消极影响，改善CDMA系统性能，提高系统容量、扩大小区覆盖范围。n多用户检测的主要缺点n大大增加CDMA系统的设备复杂度，增加CDMA 系统的处理时延，特别是对于采用自适应算法，以及对于扩频码较长的系统更是如此。n不能用于下行链路多用户检测技术n线性多用户检测线性多用户检测n解相关检测器nMMSE检测器 n多项式展开(PE)检测器n干扰抵消多用户检测器干扰抵消多用户检测器n串行干扰抵消(SIC)检测器n并行干扰抵消(PIC)检测器n迫零判决反馈(ZF-DF)检测器思考题nCDMA系统对扩频序列设计的要求。n常用的扩频序列有哪些？分别有什么特点？nRake接收机的原理。nCDMA远近效应，以及消除远近效应的方法。n开环、闭环(内环)和外环功率控制的基本原理。n硬切换，软切换，更软切换的定义。END