扩频技术在IS_95CDMA系统中的应用

收稿日期:20020722扩频技术在IS-95CDM A系统中的应用Appl ica tion of the Spread Spectru m Technology i n the IS-95CDM A System王智鹰W AN G Zhiying,贺　安H E A n(西安电子科技大学信息科学研究所　西安　710071)(Info r m ati on Science Institute,X idian U niversity,X i′an,710071,Ch ina)摘　要:首先简要介绍了IS-95CDM A系统的结构,在此基础上,以该系统中的前向信道为例,讨论了扩频技术在其中的应用。

关键词:IS-95CDM A;扩频技术 IS-95CDM A系统是一种实现移动话音和诸如移动传真和数据传输等许多新业务的数字蜂窝无线通信系统。

它最初的标准是T I A E I A(T elecomm un i cati on s Indu stry A ssociati on E lectron ic Indu stry A s2 sociati on)暂行标准(IS-95)及其基站和移动台的最小性能规范(分别为IS-97和IS-98)。

IS-95是美国Q ualcomm一种与模拟蜂窝系统AM PS(A dvanced M ob ile Phone System)相兼容的双模标准。

在设计CDM A系统时,考虑了AM PS的后向兼容性,即移动台既能以模拟调频方式工作,又能以扩频码分多址方式工作。

在IS-95CDM A系统中扩频技术(主要是直接序列扩频技术)得到了广泛的应用。

1　IS-95CDM A系统网络构成IS-95CDM A系统网络主要由移动台、基站系统和移动交换中心组成。

(1)移动台(M S,M ob ile Stati on)移动台包括手机和车载台,是用户终端接入无线信道的设备,通过空中无线接口为他的用户提供接入网络业务的能力。

每一M S都有一个唯一的32位移动台电子序号(ESN),它是移动终端的永久和专用标志符。

(2)基站系统(B SS,B ase Stati on System)基站系统是设于某一地点、服务于一个或几个蜂窝小区的全部无线设备的总称。

它是在一定的无线覆盖区域内,由移动交换中心控制与移动台进行通信的设备。

主要由基站控制台、基站收发信台和GPS接收机这3类功能实体完成。

基站控制台(B SC,B ase Stati on Con tro ller)　功能是对基站收发信台进行控制,一个B SC可以控制多个B TC。

基站收发信台(B T S,B ase T ran s m itter Stati on)　是覆盖一个小区的无线电收发信设备,由基站控制台控制。

GPS接收机　CDM A系统的软切换(移动台在与新的基站建立联系后再放弃与原基站的无线链路)需要基站相互之间同步工作,因此,每个基站还包括一个GPS接收机。

每一个基站具有一个唯一的导频偏置PN码一个在基站延迟了的随机序列。

该序列用于前向传输,使小区内的终端获取所需信号并排斥来自其它基站的信号。

导频PN码的偏置确保了接收到的来自一个小区的信号不会与来自相邻小区的信号相关。

(3)移动交换中心(M SC,M ob ile Service Sw itch2 ing Cen ter)移动交换中心是完成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,也是与其它移动交换中心或公用电话交换网(PSTN)之间的用户业务的自动接续设备。

2　扩频技术在IS-95CDM A系统无线传输中的应用IS-95CDM A系统的无线传输部分由前向链路和反相链路组成,如图1所示。

图1　IS-95CDM A系统无线传输部分组成78《现代电子技术》2002年第10期总第141期仿真与测试 扩频调制技术是IS-95CDM A系统的关键技术之一。

所谓扩频调制技术是指在系统中,每个用户分配有一个唯一的编码序列(即扩展码),用于对它所承载信息信号进行编码。

接收机事先知道用户的编码序列,可以在接收后对接收到的信号解码,从而恢复出原始数据,这是由于特定用户的编码信号和其他用户的编码信号之间的互相关性很小缘故。

编码信号的带宽比承载信息信号的带宽大得多,因此编码处理扩展了信号的带宽,这就是扩频调制,产生的信号称为扩频信号。

因为编码和带宽的不同,扩频信号同窄带信号相比有一些不同的性能,从通信的角度来讲,最有用的特性包括:多路复合接入能力、抗多径干扰能力、保密能力、抗干扰能力、抗阻塞(特别是窄带阻塞)能力和低拦截概率。

常用的扩频技术有:直接序列扩频　信息承载信号直接与一个高码片速率的扩展码相乘。

跳频扩频　载有信息承载信号的载波频率不是恒定的,而是周期性的变化,跳频图样由扩展码决定。

跳时扩频　信息承载信号不是连续传输,而是以短突发脉冲传输,突发脉冲时间由扩展码决定。

混合扩频　使用上述两种或多种扩频调制技术,以综合不同扩频调制技术的优点,并希望抑制其缺点。

在IS-95CDM A系统中的前向链路和反相链路中使用的是直接序列扩频技术。

IS-95CDM A系统的前向链路和反相链路尽管信道结构不尽相同,但直接序列扩频技术在二者中的应用在原理方面是一致的,下面将主要就其前向信道进行讨论。

前向信道是指由基站到移动台的传输信道,由一般控制信道(导频信道、寻呼信道和同步信道)和专业信道(业务信道)组成,其结构如图2所示。

(1)导频信道　导频信道发送全“0”序列,采用W alsh0(全0序列)进行扩频。

此信道持续在小区内广播,提供定时和相位信息,用于多径信号的快速捕获和信道估值,移动台使用导频信道进行连贯解调、信道获取、时延追踪、功率控制,并辅助切换。

(2)寻呼信道　一个CDM A信号带有7个寻呼信道,使用W alsh1到W alsh7扩频。

寻呼信道用于基站对移动台进行寻呼。

(3)同步信道　同步信道使用W alsh32(32个0后接32个1)扩频。

它向位于基站覆盖范围内的移动台提供用于获取精确的时间同步的数据,这些数据包括:由GPS获得的系统时钟、导频序列的偏置PN码和基站寻呼信道的速率(418kb s或916kb s)等,此信道还可向移动台提供系统信息。

　图2　IS-95CDM A系统前向信道结构(4)业务信道　业务信道可以接收来自可变比特速率话音编码器的包括校验位和尾比特的速率为9 600b s、4800b s、2400b s和1200b s的数据。

信号按帧在20m s的间隔内被处理。

传输的数据由约束长度为9、码速率为015的卷积码编码。

当速率低于19200b s时,发射机以因子1、2、4或8重复编码位,从而使得速率高于19200b s,这相当于在20m s的帧内传输384B。

块交织将每帧内比特序列改变,从而将一个有记忆的突发差错信道改造为基本上无记忆的随机独立差错信道,然后再用纠随机独立差错的纠错码来纠错。

基带序列由PN序列加扰,该PN序列由一长码产生器(长为242-1、速率为112288M b s的PN序列)和长码掩码(由M S的ESN决定的时间偏置)得到。

长码周期为:242-1112288M cp s=315×108s=4114days为了使长码速率与19200b s的基带速率匹配,一个抽取器从每64比特的长码序列中抽取一比特。

基带符号流通过与64位的W alsh序列相乘而得到扩展,使基带码片速率为112288M cp s。

一共有64种长为64的正交W alsh序列,每一个都指定给该信道的不同用户。

所有用户的来自基站的传输都是同步的,因此,任何用户接收机的传输也是同步的(同步CDM A)。

正交序列集的使用保证了它对蜂窝内来自88扩频技术在IS-95CDM A系统中的应用其他传输路径的信号的排斥。

I 、Q 调制器的I 、Q 支路使用相同的基带序列,但导频序列不同,其结构如图3所示。

图3　I 、Q 调制器结构导频序列为长为215ch i p 的短码。

每个基站具有一个偏置PN 码序列,且与世界协调时间(U CT )同步。

解调信号时,移动台将其接收机与指定基站同步,并利用指定给本地基站的偏置PN 码的值产生I 信道和Q 信道的导频序列。

由于序列的相关特性,接收到的具有不同偏置PN 码值的来自其它基站的信号,对移动台而言,相当于低电平的噪声。

一共有512种可能的偏置PN 码,偏置i 对应于延时64i ch i p ,因为序列的周期为215,共有215 26=29=512种可能的偏置。

CDM A 信号带宽为1123M H z ,使用相同频带的AM PS 信道带宽为30kH z ,因此,CDM A 信号的带宽相当于41个AM PS 信道带宽的和,如图4所示。

图4　CDM A 信号带宽与AM PS 信道带宽比较综上所述,在IS -95CDM A 系统的前向链路上,使用了3种扩频编码。

它们分别为:固定速率112288M ch i p s 的长度为64的W alsh 编码,它用于区分物理信道。

包含全0的W alsh 函数(W 0,W alsh 编码号码为0)用于导频信道;W 1～W 7用于寻呼信道(不用于寻呼信道编码时可以用于业务信道);W 32用于同步信道;W 8～W 31和W 33～W 63用于业务信道。

一对长度为16767(215-1)的M 序列长码用于四相扩频,一个用于I 信道,一个用于Q 信道。

四相扩频用于获得更好的干扰平均。

同时,由于导频信道的W alsh 函数为全0,此对M 序列也是导频码。

不同的小区和扇区用此码的不同相位来区分。

周期为242-1的长伪随机序列用于基带数据扰码(即对寻呼和业务信道上的信号加密),使数据速率从112288M ch i p s 降低到1912kb s 。

长伪随机噪声序列同样用于反相链路上分离用户。

长伪随机噪声序列由42B 掩码的模2序列发生器的42B 的状态向量。

3　结　语通过上面的讨论可以看到,在IS -95CDM A 系统中,广泛的使用了直接序列扩频技术。

该系统根据不同的信道需要选择了相应的扩频编码方式,从而实现了CDM A (码分多址)的接入。

由于扩频方式的引入,提高了系统的抗干扰能力和保密性能,易于实现大容量多址通信,允许更多的用户数,易于实现精确定时和测距,特别适合于变参信道的无线通信,易于实现多种形式的分集接收并提高抗干扰性。

由此可见,扩频技术在CDM A 系统中具有十分重要的作用,而随着对移动通信的日益增长的需求,CD 2M A 系统也将会更加广泛地投入运营。

参　考　文　献1　郭梯云,杨家玮,李建东1数字移动通信1北京:人民邮电出版社,20012　吴伟陵1移动通信中的关键技术1北京:北京邮电大学出版社,20003　T ero O janp era ,R am jee P rasad 1W ideband CDM Afo r T h ird Generati on M ob ile Comm un icati on s 1A rtech Hou se Pub lishers ,19984　常大年,王静,果明实1现代移动通信技术与组织1北京:北京邮电大学出版社,2002Abstract :Fo llow ing a b rief in troducti on of the structu re of IS -95CDM A system ,a discu ssi on ,based on the configu rati on of fo rw ard link of IS -95CDM A system ,of the app licati on s of the sp read spectrum techno logy in th is system is p resen ted 1Keywords :IS -95CDM A ;Sp read Spectrum98《现代电子技术》2002年第10期总第141期仿真与测试。