CDMA信道編碼及結(jié)構(gòu)解析

1、北京市電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院 王玨【概述】本文以cdma的兩個(gè)主要技術(shù)碼分技術(shù)和多址技術(shù)為基礎(chǔ)，圖文并茂的介紹了cdma(is95和20001x)技術(shù)體制的信道編碼和信道結(jié)構(gòu)。信道編碼技術(shù)包括沃爾什碼（walshcode）、長(zhǎng)短pn碼（偽隨機(jī)噪聲序列）。信道結(jié)構(gòu)包括is-95和20001x體制中的前反向信道結(jié)構(gòu)，以及它們間的異同。 【關(guān)鍵詞】cdma、碼分多址、擴(kuò)頻增益（spreadspectrumgain）、信道編碼（codingchannel）、沃爾什碼（walsh code）、偽隨機(jī)噪聲序列（pn碼）、長(zhǎng)pn碼、短pn碼、碼分調(diào)制、前向信道（forward channel）、反向信道（rever

2、se channel）。 【正文】 隨著亞太地區(qū)等新興市場(chǎng)的潛力被大力開發(fā)，cdma進(jìn)入了高速發(fā)展期，在2002年一年中，全球共增用戶數(shù)3400多萬。截至2004年2月，中國(guó)聯(lián)通在cdma用戶已達(dá)2000萬用戶，成為全球第二大cdma移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商。 cdma技術(shù)體制上的優(yōu)勢(shì)使其成為移動(dòng)數(shù)據(jù)通信的首選，即將到來的第三代移動(dòng)通信（3g）技術(shù)都是基于cdma技術(shù)體制的。cdma，即碼分多址包含兩個(gè)基本技術(shù)：一個(gè)是碼分技術(shù)，其基礎(chǔ)是擴(kuò)頻通信；另一個(gè)是多址技術(shù)。將這兩個(gè)基本技術(shù)結(jié)合在一起，并吸收其他一些關(guān)鍵技術(shù)，形成了今天碼分多址移動(dòng)通信系統(tǒng)的技術(shù)支撐。本文將從這兩個(gè)主要技術(shù)入手介紹cdma信道編碼及

3、前反向信道結(jié)構(gòu)。 1擴(kuò)頻增益 擴(kuò)頻調(diào)制是一種無線通信技術(shù)。他所用的傳送頻帶比任何用戶的信息頻帶和數(shù)據(jù)速率都大許多倍。用w表示傳送帶寬（單位為hz），用r表示數(shù)據(jù)速率（單位為bit/s），w/r被稱為擴(kuò)展系數(shù)或處理增益。w/r的值一般可以在一百到一百萬的范圍（20db60db）。 1.1仙農(nóng)容量公式（shannonscapacityequation） c=blog21 + 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(hào)噪聲功率比。 1.2cdma擴(kuò)頻增益?zhèn)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)通常壓縮信號(hào)速率至盡可能小的帶寬信道進(jìn)行傳送，cdma系統(tǒng)則采用寬帶信道傳送信號(hào)，以獲

4、得處理增益，提高信道容量，如圖1所示。根據(jù)仙農(nóng)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(fā)雙方通信的可靠性。 cdma擴(kuò)頻增益: 當(dāng)一個(gè)用戶以9600bps速率進(jìn)行語音通信時(shí)，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(dāng)用戶數(shù)增加一倍，信道處理增益下降3db，當(dāng)用戶數(shù)達(dá)到32個(gè)時(shí)，信噪比接近底線，達(dá)到單扇區(qū)容量極限。實(shí)際上，cdma系統(tǒng)對(duì)單載波單扇區(qū)通話的用戶數(shù)進(jìn)行了限制，以確保系統(tǒng)處理增益可以保持在理想的水平。 發(fā)信者把需傳送的低速數(shù)據(jù)與一組快速擴(kuò)頻序列合成后通過發(fā)射機(jī)發(fā)射出去，接收

5、者從空中借口截取信息流后，用同一快速擴(kuò)頻序列進(jìn)行解擴(kuò)頻，從而得到原始信息。 2cdma信道編碼 cdma系統(tǒng)通過碼片（chip）來傳輸信號(hào)（signal），通常每一比特信息要占用幾個(gè)碼片。所有用戶共用cdma信道資源，每個(gè)用戶擁有自己唯一的碼型以區(qū)別于其他用戶，用戶使用自己的碼型（codepattern）與一長(zhǎng)組碼片進(jìn)行合成處理，從中恢復(fù)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(kuò)頻序列 cdma信道合成了三種不同的擴(kuò)頻序列以實(shí)現(xiàn)信息傳遞安全、穩(wěn)定和獨(dú)立行。擴(kuò)頻序列很容易在收發(fā)雙方間生成和合成，而不會(huì)耗費(fèi)過多的處理資源，如圖2。 2.1.1擴(kuò)頻序列a沃

6、爾什碼（walsh codes） 沃爾什序列廣泛的應(yīng)用于cdma系統(tǒng)中。沃爾什函數(shù)是相互正交（mutualorthogonality）的，以保證用戶信號(hào)也是互相正交的。因此對(duì)于前向鏈路，cdma系統(tǒng)是一個(gè)正交擴(kuò)頻系統(tǒng)，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(hào)是相互正交的，那么多址干擾可以減少至零。然而實(shí)際上由于多徑信號(hào)和來自其他小區(qū)的信號(hào)與所需信號(hào)是不同步的，共信道干擾不會(huì)為零。異步到達(dá)的延遲和衰減的多徑信號(hào)與同步到達(dá)的原始信號(hào)不是完全正交的，這些信號(hào)就帶來了干擾。來自其他小區(qū)的信號(hào)也不是同步或正交的，這也會(huì)導(dǎo)致干擾發(fā)生。 沃爾什序列在前向鏈路中用于復(fù)用目的，用

7、來區(qū)分信道；在反向鏈路中，沃爾什碼僅用作正交調(diào)制碼。 64階沃爾什碼池如表1： 2.1.2擴(kuò)頻序列b和c偽隨機(jī)序列（pn,pseudorandom noise） cdma系統(tǒng)中，偽隨機(jī)序列（pn）用于數(shù)據(jù)的加擾和擴(kuò)譜調(diào)制。在傳送數(shù)據(jù)之前，把數(shù)據(jù)序列轉(zhuǎn)化成“隨機(jī)的”，類似于噪聲的形式，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加擾。接收機(jī)再用pn碼把被加擾的序列恢復(fù)成原始數(shù)據(jù)序列。 需要指出的是，如果發(fā)送數(shù)據(jù)序列經(jīng)過完全隨機(jī)性的加擾，接收機(jī)就無法恢復(fù)原始序列。換句話說，如果接收機(jī)知道如何恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，發(fā)送的數(shù)據(jù)序列就不可能完全隨機(jī)化。因此，在實(shí)際cdma系統(tǒng)中使用的是一個(gè)足夠隨機(jī)的序列，一方面這個(gè)隨機(jī)序列對(duì)非目標(biāo)接收機(jī)是不可

8、識(shí)別的，另一方面目標(biāo)接收機(jī)能夠識(shí)別并且很容易同步的產(chǎn)生這個(gè)隨機(jī)序列。所以把這種序列成為偽隨機(jī)序列（pn）。 可以使用線性反饋移位寄存器（lfsr）生成這樣的二進(jìn)制序列，如圖3。 1、偽隨機(jī)序列特性： 1）自身的完全相關(guān) 2）移位近似正交 2、長(zhǎng)pn碼生成方式 pn碼的生成方式不同于沃爾什碼，需要更復(fù)雜的計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞的安全性。如下圖所示，不同的手機(jī)和基站信道單元都有一個(gè)長(zhǎng)碼生成器。其中長(zhǎng)碼狀態(tài)寄存器（lcsr）保持與系統(tǒng)時(shí)間的同步，掩碼寄存器（mr）存有只有用戶可識(shí)別的碼型。長(zhǎng)碼狀態(tài)寄存器（lcsr）每個(gè)脈沖周期轉(zhuǎn)變一次狀態(tài)。狀態(tài)寄存器（lcsr）和掩碼寄存器（mr）合并至加和寄存器（s

9、ummer）,summer寄存器的數(shù)字單元在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行模2和計(jì)算，逐比特生成長(zhǎng)碼。生成的移位長(zhǎng)碼的是由用戶唯一的偏制（usersoffset）碼型所決定的，加擾后其他用戶將無法解調(diào)此用戶信息。如圖6。 下面簡(jiǎn)要介紹一下在業(yè)務(wù)信道和介入信道中的長(zhǎng)pn碼是如何生成的。 通常在公共業(yè)務(wù)信道中，移動(dòng)臺(tái)用自己的電子序列號(hào)（esns）和系統(tǒng)公共長(zhǎng)掩碼（publiclongcodemask）共同生成可識(shí)別的長(zhǎng)pn碼偏置（offset）。其中移動(dòng)臺(tái)的esn代碼是區(qū)別于其他移動(dòng)用戶的有效方式。典型情況下業(yè)務(wù)信道使用公共長(zhǎng)掩碼（public long code mask）來生成長(zhǎng)pn碼偏置（offset）

10、，生成過程如圖7。 業(yè)務(wù)信道以外，移動(dòng)臺(tái)還通過接入信道（accesschannel）向基站發(fā)送注冊(cè)和呼叫建立消息。和公用業(yè)務(wù)信道相似，移動(dòng)臺(tái)也生成自己的接入信道長(zhǎng)掩碼（aclongcode mask），包括接入信道、基站id、導(dǎo)頻偏置等消息。基站通過尋呼信道向周圍移動(dòng)臺(tái)發(fā)送這些參數(shù)和消息。接入信道長(zhǎng)碼生成如圖8。 3、短pn碼生成方式 cdma系統(tǒng)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(chǎn)生的m序列，并且每個(gè)周期在pn序列的特定位置插入一個(gè)碼片，從而加長(zhǎng)了一個(gè)碼片。所以修正后的短pn碼周期是普通序列長(zhǎng)度215-1=32767再加一個(gè)碼片，

11、也就是32768個(gè)碼片。不同基站用同向（i）和正交（q）pn碼序列的不同偏置i進(jìn)行區(qū)分。每個(gè)偏置是64碼片的整數(shù)倍，總共有32768/64=512個(gè)可能的偏置。在1.2288mcps的速率上，i路和q路序列每26.66ms重復(fù)一次，即每?jī)擅?5次。is-95系統(tǒng)短pn碼生成過程如圖9。 cdma20001x系統(tǒng)短pn碼生成過程如圖10。 3cdma前反向信道 3.1is-95及cdma20001x系統(tǒng)前方向信道組成 3.1.1is-95cdma系統(tǒng)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(jìn)行區(qū)分； 短pn碼偏置用于區(qū)分基站扇區(qū)； 每個(gè)信道由用戶唯一指定的長(zhǎng)碼進(jìn)行調(diào)制，

12、達(dá)到數(shù)據(jù)加擾的目的； 前向信道的數(shù)量由沃爾什碼、基站發(fā)射功率和物理信道單元數(shù)量共同決定，前向信道數(shù)量取決于其中較小的那組數(shù)量。 3.1.2is-95cdma系統(tǒng)反向信道組成 is-95反向信道，如圖12: 每個(gè)移動(dòng)臺(tái)生成自己唯一的長(zhǎng)pn碼偏置； 以動(dòng)態(tài)用64階沃爾什碼流對(duì)發(fā)送信息進(jìn)行調(diào)制； 每個(gè)移動(dòng)臺(tái)用0偏置的短pn碼對(duì)信道進(jìn)行qpsk調(diào)制； 移動(dòng)臺(tái)用自己唯一的電子序列碼（esn）生成長(zhǎng)pn碼偏置，共可以產(chǎn)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(tǒng)前向信道組成 2000-1x前向信道，如圖13: 獨(dú)立的i、q數(shù)據(jù)調(diào)制； 不同長(zhǎng)度的沃爾什碼對(duì)信道進(jìn)行調(diào)制，使信道滿足不同的速率要求； 短pn碼仍然用于區(qū)分不同扇區(qū)； 每個(gè)信道仍然用用戶唯一可識(shí)別的長(zhǎng)pn碼進(jìn)行加擾。 同is-95一樣，前向信道的數(shù)量由沃爾什碼、基站發(fā)射功率和物理信道單元數(shù)量共同決定，前向信道數(shù)量取決于其中較小的那組數(shù)量。 3.1.4cdma20001x系統(tǒng)反向信道組成 2