码分多址CDMA基本原理课件.ppt

1、CDMA通信的基本原理CDMA通信的基本原理n简化的简化的CDMA系统系统话音数据9.6kbpsPN码1.22Mbps载频900MHz话音数据9.6kbps本地PN码1.22Mbps本地载频900MHzCDMA通信的基本原理nCDMA系统的下行链路系统的下行链路发往用户 A b1(t)c1(t)coscty1(t)发往用户 B b2(t)c2(t)y2(t)发往用户 C b3(t)c3(t)y3(t)cos(ct+1)z1y(t)c1(t-t1)0bT移动台 A b1(t)cos(ct+2)z2y(t)c2(t-t2)0bT移动台 B b2(t)cos(ct+3)z3y(t)c3(t-t3)0

2、bT移动台 C b3(t)输入扩频合路射频调制射频解调解扩比特检测输出CDMA通信的基本原理n假定b1(t)=“01100”,b2(t)=“00100”,b3(t)=“01001”n信息码元宽度为Tbn伪码为15位的m序列，码片宽度为Tcnc1(t),c2(t),c3(t)为同一个m序列（P=15），但起始位置不同n则：1112223333311()()()()()()()()()()()()()jjjjjy tb tc ty tb tc ty tb tc ty ty tb t c tCDMA通信的基本原理nc1(t),c2(t),c3(t)为同一个m序列（P=15），但起始位置不同1-11-

3、1c1(t)c2(t)1-1c3(t)CDMA通信的基本原理nc1(t),c2(t),c3(t)为同一个m序列（P=15），但起始位置不同1-11-1b1(t)c1(t)1-1y1(t)01100CDMA通信的基本原理nc1(t),c2(t),c3(t)为同一个m序列（P=15），但起始位置不同1-11-1b2(t)c2(t)1-1y2(t)00100CDMA通信的基本原理1-11-1b3(t)c3(t)1-1y3(t)00101CDMA通信的基本原理1-11-1y1(t)y2(t)1-1y3(t)13-3-1y(t)CDMA通信的基本原理n移动台接收信号n 由于移动台A、B、C处于不同的地方

4、，因此基站发送的合路信号到达不同移动台的传输损耗和传输时间都是不同的。n对于某个移动台而言，其接收机输入端是31()()()cos()iijijicijz tAc tt b ttt式中包含了所需的信号和其它用户的信号。传播时延及载波偏移通过同步电路（包括伪码同步）消除影响CDMA通信的基本原理n移动台A的接收过程1-1c1(t)y(t)c1(t)y(t)13-3-113-3-16-4-6212每隔Tb积分判决数据0 1 1 0 0CDMA通信的基本原理nCDMA系统的上行链路系统的上行链路移动台 A b1(t)c1(t)y1(t)移动台 B b2(t)c2(t)y2(t)移动台 C b3(t)

5、c3(t)y3(t)cos(ct+1)c1(t-t1)0bTb1(t)cos(ct+2)c2(t-t2)0bTb2(t)cos(ct+3)c3(t-t3)0bTb3(t)输入扩频射频调制射频解调解扩比特检测输出cos(ct+3)cos(ct+2)cos(ct+1)CDMA通信的基本原理nCDMA系统的上行链路n各移动台的伪码序列必须满足准正交的条件，可采用长周期序列的m序列，其起始位置不同n在基站接收天线上信号为：31()()()cos()()()()ijijiciiiiiiiiz tAc tt b tttn tAttn t为各个移动台至基站的传输损耗系数为各个移动台至基站的传输时间为各个载波

6、相位由变为由 引起为背景噪声CDMA通信的基本原理nCDMA系统的上行链路n在基站采取相干解调方式，i可消去的影响n在时间同步情况下，ti 的影响也可不考虑n推广到M个用户，在接收某一移动用户支路时，在基站接收机第i个支路解调器的输入端为：1()()()cos()()()cos()()iiiiiiciMjjjjjcjjj iz tAc tt b tttA c tt b tttn tM-1干扰CDMA通信的基本原理nCDMA系统的上行链路n相干解调后，上式第一项产生n再进行解扩，即可得有用的数据信息b1(t)n由于（M-1）干扰与噪声与ci(t)不相关，解扩中，将它们的谱密度大大降低，输出干扰和

7、噪声降到很小。nTb/Tc越大，干扰降低越多1()()2iiiiiAc tt b tt练习n在CDMA系统上行链路中，请画出相关各点的波形。(1)发送端y1(t),y2(t),y3(t)(2)接收端针对其中一个用户的波形，并包括干扰项的波形。(3)b1(t)=“01100”,b2(t)=“00100”,b3(t)=“01001”(4)c1(t)=000011101100101 c2(t)=110110010100001 c3(t)=001010000111011RAKE接收机Path1Path2PathNtccosc1(t)c1(t-1)c1(t-N-1)TbHold untilTb+NHol

8、d untilTb+NHold untilTb+NTbTb+1Tb+N-1decideMultipath has been treated as causing delayed versions of the signal to add to the system noise when the differential delay exceeds the chip time.Substantial performance improvement can occur by detecting each additional path separately,thereby enabling the

9、 signals to be combinedz(t)例：两路RAKE接收机Downlink Multiuser with Two Equal Strength Pathst=0y(t)y(t-2tc)z(t)例：两路RAKE接收机Downlink Multiuser with Two Equal Strength Pathst=0z(t)c1(t)Tb2Tb3Tb4Tb5Tbt01100z(t)c1(t)01例：两路RAKE接收机Downlink Multiuser with Two Equal Strength Pathst=0z(t)c1(t-2Tc)Tb2Tb3Tb4Tb5Tbt011

10、00z(t)c1(t-2Tc)2Tc例：两路RAKE接收机Bit 1Bit 2Bit 3 Bit 4 Bit 5Path1 integrator output+4+4-8+8+12Path2 integrator output+8-8-12-4+12Sum of integrator outputs12-4-20+4+24Detected bit values01100发送的比特 0 1 1 0 0蜂窝系统的通信容量在蜂窝移动通信系统中，系统的容量有多种衡量方法，如：每小区可用信道数（ch/cell）每小区每兆赫兹可用信道数（ch/cell/MHz）每小区爱尔兰（Erl/cell）每平方公里用

11、户数（用户数/km2）每平方公里每小时通话次数（通话次数/h/km2）n这些表征方法从不同的角度对系统的容量进行衡量，它们之间是有联系的，在一定的条件下可以互相转换。n一般用每小区可用信道数（ch/cell）或每小区每兆赫兹可用信道数（ch/cell/MHz）对蜂窝移动通信系统的容量进行度量。蜂窝系统的通信容量n通信容量的设计依据是：n为保证规定的话音质量，系统接收端的信号功率与干扰功率的比值（C/I）必须大于一定门限值。n在模拟蜂窝系统中：（C/I）S=18dBn数字蜂窝系统中：（C/I）S=1012dBnFDMA和TDMA,由于区群之间实现频率再用，可将共道小区之间存在的同频干扰作为主要的

12、干扰。nCDMA系统中的主要干扰源是系统中存在的多址干扰。rD1D21 FDMA蜂窝系统的通信容量（265页）D共道小区以某一小区为中心可分成许多层：第一层6个半径为D第二层6个半径为D1第三层6个半径为D2来自第一层共道小区的干扰最强,可只考虑这6个共道小区所产生的干扰。小区半径为r，两个相邻共道小区的距离D=共道干扰抑制因子rNr213NrD31 FDMA蜂窝系统的通信容量假如传播损耗与传播距离的4次方成比例，接收到的信号功率与第i个共道小区的干扰功率可分别为：C=Ar-4 Ii=ADi-4A为比例常数 忽略背景噪声功率n0,061nICICii6144iiDrIC1 FDMA蜂窝系统的通

13、信容量接收信号的载波与干扰功率之比为:C=Ar-4 Ii=ADi-41 FDMA蜂窝系统的通信容量令Di=D6144iiDrICSICDrIC461SICN 632NrD3因所以当蜂窝系统的总频道数M=W/B（W为频段宽度，B为频道间隔）和区群小区数N确定后，每一小区的可用频道数:2233SSWWMnNBBC IC I从上式可知：蜂窝系统可以分配给每个小区的信道数蜂窝系统可以分配给每个小区的信道数除了取决于总信道之外，还取决于要求的载干比。除了取决于总信道之外，还取决于要求的载干比。基站若采用定向天线把小区分成多扇区进行工作，可以减小系统中的共道干扰。提高系统的通信容量。1 FDMA蜂窝系统的

14、通信容量（265页）2 TDMA蜂窝系统的通信容量（267页）nTDMA系统的频道宽度为B，而每一频道包含m个时隙，信道总数为M=mW/BnGSM系统容量6325 1081000200 1010004250483MN信道总数时，每小区信道数（ch/cell）250每扇区信道数=32 TDMA蜂窝系统的通信容量n尽管TDMA系统在每一频道上可以分成m个时隙作为m个信道使用，但是不能由此而说其等效信道总数比FDMA系统的信道总数增大m倍。n因为话音编码速率确定后，传输一路话音所需要的频带也是确定的。TDMA系统在一个频道上用m个时隙传输m路话音，它所占用的频道宽度必然比FDMA系统传输一路话音所需

15、要的频道宽度大m倍。n从原理上说，在系统总频段相同的条件下，两系统的信道总数是一样的2 TDMA蜂窝系统的通信容量n如果二者要求的载干比相同,则二者的通信容量是一样的.n例如:n通信系统的总频段为96KHz,各路数字话音速率为16kb/s,传输一路话音需要的带宽为16KHz.n采用FDMA,可划分的总信道数为:96/16=6.n采用TDMA,每频道3个时隙,所需频道带宽为3*16=48KHz,只能96/48=2个频段,等效信道总数为2*3=6个.要提高数字蜂窝系统的通信容量，必须采用先进的技术：n采用先进的话音编码技术，降低话音编码的数据率n有效的进行差错保护，在话音质量要求相同的情况下，所需

16、的载干比值可以降低nTDMA蜂窝网络由于采用了移动台辅助切换技术，能明显加快移动台的过区切换速度，其小区半径可以减小，则单位面积的通信容量越大。2 TDMA蜂窝系统的通信容量3 CDMA蜂窝通信系统的通信容量（284页）一般扩频通信系统的通信容量：bbbbRWIEWIERIC/00Eb是信息的一比特能量，Rb是信息的比特率，I0是干扰的功率谱密度（每赫干扰功率），W是总频段宽度n个用户共用一个无线频道：（不加功率控制时）11nIC或01IERWnbb根据CDMA蜂窝系统的特征逐步修正其容量公式1话音激活期的影响令话音的占空比为ddIERWnbb102扇区的作用令扇区数为GdGIERWnbb03

17、邻近小区的干扰令信道再用效率为F dGFIERWnbb03 CDMA蜂窝通信系统的通信容量正向传输移动台位于三个小区的交界处nnnrAnrAnAnrrnAArIC3.03.3113.3163.26232144444若基站增加功率控制其发射的总功率可降低1/2nnnnnnIC6.0656.1163.22622322211443 CDMA蜂窝通信系统的通信容量0112223333332mnPPPm为移动台处于小区边缘所需的发送信号功率信道再用效率F=0.6信道再用效率F=0.3反向传输如果功率控制完善，只考虑本小区中移动台的干扰时，C/I=1/（n-1）1/n但邻近小区中移动台的干扰不可忽略3213213211812611118126111812611FnnnnnICF的值大约是0.65。所以反向传输和正向传输的信道再用效率大致一样3 CDMA蜂窝通信系统的通信容量几种蜂窝通信系统的通信容量的比较几种蜂窝通信系统的通信容量的比较模拟FDMATDMACDMA总频段宽度 1.25MHz1.25MHz1.25MHz频道间隔30kHz30kHz1.25MHz每载频时隙数3 信道数目41.7125每区群小区数74扇形分区数3通信容量（ch/cell）631.25120