cdma信道編碼及結構解析

2019-11-03 09:18:38

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北京市電信規劃設計院王玨

　　【概述】本文以cdma的兩個主要技術——碼分技術和多址技術為基礎，圖文并茂的介紹了cdma(IS95和20001x)技術體制的信道編碼和信道結構。信道編碼技術包括沃爾什碼（WalshCode）、長短PN碼（偽隨機噪聲序列）。信道結構包括IS-95和20001x體制中的前反向信道結構，以及它們間的異同。

　　【關鍵詞】cdma、碼分多址、擴頻增益（SPReadSpectrumGain）、信道編碼（CodingChannel）、沃爾什碼（Walsh Code）、偽隨機噪聲序列（PN碼）、長PN碼、短PN碼、碼分調制、前向信道（Forward Channel）、反向信道（Reverse Channel）。

　　【正文】

　　隨著亞太地區等新興市場的潛力被大力開發，CDMA進入了高速發展期，在2002年一年中，全球共增用戶數3400多萬。截至2004年2月，中國聯通在CDMA用戶已達2000萬用戶，成為全球第二大cdma移動通信運營商。

　　cdma技術體制上的優勢使其成為移動數據通信的首選，即將到來的第三代移動通信（3G）技術都是基于cdma技術體制的。cdma，即碼分多址包含兩個基本技術：一個是碼分技術，其基礎是擴頻通信；另一個是多址技術。將這兩個基本技術結合在一起，并吸收其他一些關鍵技術，形成了今天碼分多址移動通信系統的技術支撐。本文將從這兩個主要技術入手介紹cdma信道編碼及前反向信道結構。

　　1擴頻增益

　　擴頻調制是一種無線通信技術。他所用的傳送頻帶比任何用戶的信息頻帶和數據速率都大許多倍。用W表示傳送帶寬（單位為Hz），用R表示數據速率（單位為bit/s），W/R被稱為擴展系數或處理增益。W/R的值一般可以在一百到一百萬的范圍（20db—60db）。

　　1.1仙農容量公式（Shannon’scapacityequation）

　　C=Blog2[1 + S/N]

　　其中：B為傳送帶寬（單位為Hz）；

　　C為信道容量（單位為bit/s）；

　　S/N為信號噪聲功率比。

　　1.2CDMA擴頻增益

　　傳統通信系統通常壓縮信號速率至盡可能小的帶寬信道進行傳送，cdma系統則采用寬帶信道傳送信號，以獲得處理增益，提高信道容量，如圖1所示。根據仙農公式，增加信道帶寬可以換取更高的信道容量或者是更低的信噪比，以提高收發雙方通信的可靠性。

　　cdma擴頻增益:

　　當一個用戶以9600bps速率進行語音通信時，cdma的信道帶寬是1,228,800hz，處理增益為1,228,800hz/9600= 128 = 21 db。以此推算，每當用戶數增加一倍，信道處理增益下降3db，當用戶數達到32個時，信噪比接近底線，達到單扇區容量極限。實際上，cdma系統對單載波單扇區通話的用戶數進行了限制，以確保系統處理增益可以保持在理想的水平。

　　發信者把需傳送的低速數據與一組快速擴頻序列合成后通過發射機發射出去，接收者從空中借口截取信息流后，用同一快速擴頻序列進行解擴頻，從而得到原始信息。

　　2cdma信道編碼

　　cdma系統通過碼片（chip）來傳輸信號（signal），通常每一比特信息要占用幾個碼片。所有用戶共用cdma信道資源，每個用戶擁有自己唯一的碼型以區別于其他用戶，用戶使用自己的碼型（codepattern）與一長組碼片進行合成處理，從中恢復出傳給自己的信息，而其他用戶信息則被丟棄，保證了多用戶通信的安全性。

　　2.1cdma擴頻序列

　　cdma信道合成了三種不同的擴頻序列以實現信息傳遞安全、穩定和獨立行。擴頻序列很容易在收發雙方間生成和合成，而不會耗費過多的處理資源，如圖2。

　　2.1.1擴頻序列A—沃爾什碼（Walsh Codes）

　　沃爾什序列廣泛的應用于cdma系統中。沃爾什函數是相互正交（MutualOrthogonality）的，以保證用戶信號也是互相正交的。因此對于前向鏈路，cdma系統是一個正交擴頻系統，沃爾什序列可以消除或抑制多址干擾（MAI）。理論上，如果在多址信道中信號是相互正交的，那么多址干擾可以減少至零。然而實際上由于多徑信號和來自其他小區的信號與所需信號是不同步的，共信道干擾不會為零。異步到達的延遲和衰減的多徑信號與同步到達的原始信號不是完全正交的，這些信號就帶來了干擾。來自其他小區的信號也不是同步或正交的，這也會導致干擾發生。

　　沃爾什序列在前向鏈路中用于復用目的，用來區分信道；在反向鏈路中，沃爾什碼僅用作正交調制碼。

　　64階沃爾什碼池如表1：

　　2.1.2擴頻序列B和C—偽隨機序列（PN,Pseudorandom Noise）

　　cdma系統中，偽隨機序列（PN）用于數據的加擾和擴譜調制。在傳送數據之前，把數據序列轉化成“隨機的”，類似于噪聲的形式，從而實現數據加擾。接收機再用PN碼把被加擾的序列恢復成原始數據序列。

　　需要指出的是，如果發送數據序列經過完全隨機性的加擾，接收機就無法恢復原始序列。換句話說，如果接收機知道如何恢復原始數據，發送的數據序列就不可能完全隨機化。因此，在實際cdma系統中使用的是一個足夠隨機的序列，一方面這個隨機序列對非目標接收機是不可識別的，另一方面目標接收機能夠識別并且很容易同步的產生這個隨機序列。所以把這種序列成為偽隨機序列（PN）。

　　可以使用線性反饋移位寄存器（LFSR）生成這樣的二進制序列，如圖3。

　　1、偽隨機序列特性：

　　 1）自身的完全相關

　　2）移位近似正交

　　2、長PN碼生成方式

　　PN碼的生成方式不同于沃爾什碼，需要更復雜的計算，以實現信息傳遞的安全性。如下圖所示，不同的手機和基站信道單元都有一個長碼生成器。其中長碼狀態寄存器（LCSR）保持與系統時間的同步，掩碼寄存器（MR）存有只有用戶可識別的碼型。長碼狀態寄存器（LCSR）每個脈沖周期轉變一次狀態。狀態寄存器（LCSR）和掩碼寄存器（MR）合并至加和寄存器（SUMMER）,SUMMER寄存器的數字單元在每個時鐘周期內進行模2和計算，逐比特生成長碼。生成的移位長碼的是由用戶唯一的偏制（User’sOffset）碼型所決定的，加擾后其他用戶將無法解調此用戶信息。如圖6。

　　下面簡要介紹一下在業務信道和介入信道中的長PN碼是如何生成的。

　　通常在公共業務信道中，移動臺用自己的電子序列號（ESNs）和系統公共長掩碼（PublicLongCodeMask）共同生成可識別的長PN碼偏置（Offset）。其中移動臺的ESN代碼是區別于其他移動用戶的有效方式。典型情況下業務信道使用公共長掩碼（Public Long Code Mask）來生成長PN碼偏置（Offset），生成過程如圖7。

　　業務信道以外，移動臺還通過接入信道（accessChannel）向基站發送注冊和呼叫建立消息。和公用業務信道相似，移動臺也生成自己的接入信道長掩碼（ACLongCode Mask），包括接入信道、基站ID、導頻偏置等消息。基站通過尋呼信道向周圍移動臺發送這些參數和消息。接入信道長碼生成如圖8。

　　3、短PN碼生成方式

　　cdma系統中的短PN碼由兩組PN序列——I序列和Q序列正交生成。I序列和Q序列的兩組PN碼是由15階移位寄存器產生的M序列，并且每個周期在PN序列的特定位置插入一個碼片，從而加長了一個碼片。所以修正后的短PN碼周期是普通序列長度215-1=32767再加一個碼片，也就是32768個碼片。不同基站用同向（I）和正交（Q）PN碼序列的不同偏置θi進行區分。每個偏置是64碼片的整數倍，總共有32768/64=512個可能的偏置。在1.2288Mcps的速率上，I路和Q路序列每26.66ms重復一次，即每兩秒75次。IS-95系統短PN碼生成過程如圖9。

　　cdma20001x系統短PN碼生成過程如圖10。

　　3cdma前反向信道

　　3.1IS-95及cdma20001x系統前方向信道組成

　　3.1.1IS-95cdma系統前向信道組成

　　IS-95前向信道，如圖11:

　　信道以不同的沃爾什碼進行區分；

　　短PN碼偏置用于區分基站扇區；

　　每個信道由用戶唯一指定的長碼進行調制，達到數據加擾的目的；

　　前向信道的數量由沃爾什碼、基站發射功率和物理信道單元數量共同決定，前向信道數量取決于其中較小的那組數量。

　　3.1.2IS-95cdma系統反向信道組成

　　IS-95反向信道，如圖12:

　　每個移動臺生成自己唯一的長PN碼偏置；

　　以動態用64階沃爾什碼流對發送信息進行調制；

　　每個移動臺用0偏置的短PN碼對信道進行QPSK調制；

　　移動臺用自己唯一的電子序列碼（ESN）生成長PN碼偏置，共可以產生232種偏置可能，因此反向信道的受限主要決定于信道的信噪比（S/N）。

　　3.1.3cdma20001x系統前向信道組成

　　2000-1x前向信道，如圖13:

　　獨立的I、Q數據調制；

　　不同長度的沃爾什碼對信道進行調制，使信道滿足不同的速率要求；

　　短PN碼仍然用于區分不同扇區；

　　每個信道仍然用用戶唯一可識別的長PN碼進行加擾。

　　同IS-95一樣，前向信道的數量由沃爾什碼、基站發射功率和物理信道單元數量共同決定，前向信道數量取決于其中較小的那組數量。

　　3.1.4cdma20001x系統反向信道組成

　　2000-1x反向信道，如圖14:

　　獨立的I、Q數據調制；

　　每個移動臺有自己唯一的長PN碼；

　　移動臺用沃爾什碼區分反向信道；

　　移動臺用0偏置的短PN碼對信道進行QPSK調制；

　　同IS-95一樣，反向信道的受限主要決定于信道的信噪比（S/N）。

　　經過上述的編碼調制過程，cdma系統前反向信道可以公用同一時隙的統一頻段，大大增加系統資源的利用率和系統容量，同時也為寬帶移動數據通信奠定了良好的基礎。

　　
----《通信世界》