CDMA2000中的Walsh碼,M序列,PN Offset的經(jīng)典解析

1、I. 為什麼要擴頻（spreading）的的過程要同時使用Walsh碼以及m序列A. 基本概念1. 正交碼的作用a. 使用相同的頻率之下，達到多址接入的無線通訊技術b. 降低干擾c. 加密2. 先瞭解正交擴頻碼與擾碼的關係:a. 在CDMA系統(tǒng)中，整個擴頻（spreading）的的過程分為通道化（channlization）和加擾（screambling）兩步 一般將通道化（channlization）的碼稱正交擴頻碼 將加擾（screambling）的碼稱為擾碼，可以看成是具有正交功能（但是碼間不完全正交，互相視為高斯雜訊）3. 厘清一個重要概念，在CDMA系統(tǒng)中正交碼的分類a. 正交擴頻碼

2、(通道化碼) : Walsh碼(碼間完全正交)b. 擾碼（也是正交碼的一種）: 主擾碼: m序列使用不同相位(碼間不完全正交) 輔擾碼: m序列使用相同相位(碼間完全不正交)，其目的為對抗自然界的干擾,所以不做碼間的正交PS:有很多資料都簡稱為擾碼，因為常會造成混淆，因此在此做個特別的分類。c. 因為正交擴頻碼的資源是有限的，必然會遇到使用相同的正交擴頻碼但由不同發(fā)射機發(fā)射出來的信號，擾碼就是為了進一步區(qū)分不同社區(qū)的發(fā)射機發(fā)射出的信號 擾碼最主要的目的之一就是干擾隨機化 例如在下行，使用了良好的擾碼後，其他社區(qū)來的信號可以近似看作是高斯雜訊 高斯雜訊是最好的雜訊 亦即碼間不為完全正交，即會互相

3、干擾，但是碼間互相視為高斯雜訊4. 正交擴頻碼與擾碼的主要差別:a. 正交擴頻碼的正交性優(yōu)於擾碼 正交擴頻碼主要用途為區(qū)分通道b. 擾碼干套的能力優(yōu)于正交擴頻碼 擾碼的用途為主要用途為抗干擾i. 主擾碼以正交性區(qū)分加擾后的信號（可視為對抗其他使用擾碼的訊號的碼間干擾，也就是使得加擾后的訊號近似高斯雜訊）ii. 輔擾碼用來擴展通道碼的空間(自然界的干擾)c. 另一個次要的功能為加密d. 在CDMA中，m序列用作輔擾碼或主擾碼(使用不同相位達到正交);而Walsh碼只用作正交擴頻(利用碼間的完全正交性達成正交)5. 通道化（channlization）就是所謂的正交化，而再CDMA系統(tǒng)中，擴頻的原

4、因之一就是為了正交化，也因此有”正交擴頻”這一個名詞B. 使得正交效果好的碼必須要有三個條件:1. 互相關特性強，各個碼之間儘量正交。(可視為正交性)2. 自相關特性強，信號延遲不影響接收，以對抗多徑效應。(可視為抗擾能力 )3. 數(shù)量多，以提供眾多用戶使用4. Walsh碼第b、c點不滿足，m序列第a點不滿足，第c點部分滿足，所以在CDMA系統(tǒng)中同時使用m序列和Walsh碼II. CDMA系統(tǒng)使用了兩種m序列，即短碼和長碼，其作用如下所示。A. 短碼：短碼是以15個寄存器實做的，週期為215-1。1. 在CDMA系統(tǒng)的中，短碼用於對前向通道（從基站指向手機方向）使得不同小區(qū)間的訊號彼此正交化

5、，使前向通道帶上本社區(qū)的標記。 a. 不同的社區(qū)使用同一個m序列短碼但是其相位是不同的，從而互相區(qū)別開來 不同社區(qū)相位不同，就是所謂的PN_Offset不同 在前向通道（從基站指向手機方向）被當做主擾碼之用2. 反向通道(手機指向基站方向)用來當做輔擾碼，手機終端使用的相位都相同，並不需要使用特定的相位指明為那一個社區(qū)(對於此點筆者在學習的過程之中有一個難解的困惑，既然相位都相同，亦即訊號之間沒有區(qū)別那麼為什麼要多此一舉，還要在反向通道中使用此短碼? 對於此點筆者研讀了相關資料後做了以下的合理推測)a. 當作輔擾碼的目的為對抗自然界的干擾b. 因為手機指向基站的發(fā)射功率受限，為了增加通道的傳輸

6、品質而使用的機制c. 不將反向通道加上基站的標記對於軟交換將得到增益，因為手機的訊號可以同時由多個基站同時接收3. 簡言之，短碼的主要作用為在前向信到中用以區(qū)分社區(qū)（或者基站），也可將其看成是社區(qū)的ID4. 可能會出現(xiàn)PN_Offset複用的情況a. 因為只要做好社區(qū)（或者基站）的規(guī)劃就可以將PN_Offse複用的影響去除，所以才準許PN_Offset複用的情況發(fā)生B. 長碼：長碼是以42個寄存器實做的，週期為242-11. 在CDMA2000的前向通道（從基站指向手機方向）以及反向通道中（從手機指向基站方向）中，長碼使用遮罩而決定其相位，用以區(qū)分使用者終端2. 每個手機終端都有一個唯一的遮罩

7、，而遮罩的作用為決定偏移時間的相位，因此每個手機終端所使用的相位都不同3. 簡言之，長碼區(qū)分手機終端，也可將其看成是手機終端的ID，一個手機終端被分配於唯一的一個相位，手機中端之間不會出現(xiàn)重複的情況。III. 如何決定手機終端的長碼傳送的相位？A. 在同一個時間，各個移動臺的長碼狀態(tài)完全一致，在反向鏈路上，長碼發(fā)生器是完全一樣的，只是相位不一樣B. 相位就是靠不同的長碼遮罩來區(qū)分C. ESN（UIM_ID）用來唯一標識一個使用者，所以長碼遮罩是利用ESNPermuted來做的D. 運作方式1. 長碼是由移位暫存器不斷移位而產(chǎn)生的a. 長碼的位數(shù)與寄存器的位數(shù)N有如下關係：長碼的位數(shù)=(2N)1

8、。 b. 短碼則由15個寄存器不斷移位產(chǎn)生c. 長碼由42個寄存器不斷移位產(chǎn)生d. 列如：一個7位的PN碼1001011的產(chǎn)生過程如下圖所示e. 遮罩的作用是使PN碼產(chǎn)生偏移，7位PN碼的遮罩原理如下圖所示 使用掩碼后偏移成了0111001IV. Walsh 碼: 長度為64bits。1. 用Walsh 碼可以區(qū)分開不同的通道a. 前向通道（從基站指向手機方向）的正交擴頻提供不同的碼分通道。 b. 反向通道（從手機指向基站方向）僅用於64階正交擴頻。2. 簡言之，Walsh 碼區(qū)分社區(qū)內的通道3. 對於每個社區(qū)而言Walsh 碼是完全可以複用的a. 在前向通道（從基站指向手機方向）中使用m序列

9、短碼在有限的範圍內可以決定唯一的社區(qū)b. 反向通道（從手機指向基站方向）使用m序列長碼可以決定唯一的手機終端4. 因此每的社區(qū)可以使用的通道數(shù)都是相同的，每一個社區(qū)可以使用的信道總數(shù)由Walsh 碼的長度決定V. 厘清CDMA2000中所使用的m序列，Walsh的個數(shù)；A. CDMA2000系統(tǒng)當中，短m序列和長m序列都是各有一個，Walsh碼有64個B. 短m序列和長m序列都是偽隨機碼（PN）C. 偽隨機碼（PN）具有自相關特性1. 即同一PN碼的任何時偏（週期內）跟自身的相關性非常小。因此，我們利用同一PN碼的不同時偏來相互區(qū)分別2. 只有一個長碼發(fā)生器，這很容易理解a. 社區(qū)是同時服務多

10、個使用者，所以不可能每個用戶都有不同的長碼發(fā)生器（社區(qū)在解調每個使用者時都需要改變發(fā)生器），也沒必要，只要不同的相位就能區(qū)分了（只需要移位就可以了），因為不同的相位的序列相關性很好。b. 這與前向的短PN碼是一樣的道理，前向的短PN碼不同的相位區(qū)分不同的社區(qū)c. 而對於移動臺來說，捕獲時只需要移位，只要找到相關性最好的就說明已經(jīng)正確D. Walsh碼利用它們的互相關特性，因此PN碼只有一個，WALSH碼有多個。1. 平時，我們所說共用512個PN碼（PN Offset)，應該改為共用512個PN碼偏置，它們的間隔為64個碼片VI. PN Offset的意義:A. CDMA2000 系統(tǒng)中的m序

11、列是前向通道（從基站指向手機方向）使用的主擾碼1. 不同的磁區(qū)使用不同相位的短PN碼來區(qū)分，其週期是32768 chips，將短碼每隔64chips進行劃分，於是得到了512個不同相位的短碼，將這些短碼從0至511順序編號2. 將該編號稱為該短碼的PN相偏指數(shù)所在系統(tǒng)中可供使用的PN 偏指數(shù)資源0，1，2511共有512個3. 將短碼中出現(xiàn)15個0後的序列狀態(tài)定義為零相位短碼的起始狀態(tài)B. 所有CDMA2000的基站磁區(qū)都在其前嚮導頻通道上不間斷地發(fā)送導頻信號，但開始發(fā)送的時刻不同1. 磁區(qū)開始發(fā)送導頻PN序列的時刻稱為導頻信號的相位2. 參照系統(tǒng)時間，從系統(tǒng)時間的零時刻開始算起，第2、4、6

12、2n-2、2n、2n+2秒這些偶數(shù)秒的起始時刻開始發(fā)送PN定義為零偏置PN，即相當於連續(xù)輸出15個0的時刻3. 因此，假定某導頻PN的導頻相位偏置為n（取值0511的整數(shù)），則4. 而這512個PN Offset值並不一定能全部被使用a. 需要根據(jù)網(wǎng)路的規(guī)模等實際情況確定了步長（Pilot_Inc）後才能最終確定可以使用的PN Offset值b. 即工程上使用兩個導頻PN之間的最小相位差是64* P Pilot_IncC. 在一個Cluster內，兩個CDMA社區(qū)的初始相位最小差值為Pilot_Inc *64chips。1. 通常Pilot_Inc可以取342. 大家可以很容易算出在空間上兩個

13、CDMA社區(qū)發(fā)生相位混淆時，相應的基站的空間距離D. 此在CDMA2000實際網(wǎng)路中，很少發(fā)生導頻相位模糊的情況1. 當然在一些特殊情況下，也會發(fā)生a. 比如存在同相位干擾基站直射路徑，存在鏡面反射情況環(huán)境b. 這些情況可通過適當?shù)膶ьl規(guī)劃和優(yōu)化措施例如調整搜索窗大小等等來規(guī)避E. 另一個重點為如何做好社區(qū)(磁區(qū)，基站)的PN Offset規(guī)劃以及如何設定Pilot_Inc值也是非常重要的課題，我將於下一個專題文章中加以討論 VII. WCDMA跟CDMA2000所使用的擴頻碼之比較A. WCDMA使用了一種CDMA2000沒有的碼，也就是同步碼B. WCDMA與CDMA2000一樣，也採用OVSF作為通道化碼，也就是可變階的Walsh碼C. WCDMA採用了Gold碼作為擾碼，而不是m序列，主要是為了實現(xiàn)非同步網(wǎng)路VIII. 結論:在CDMA系列