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cdma2000 1x 物理层技术

cdma2000 1x 物理层技术. 陈泽强 chenzq@bupt.edu.cn. 内 容. cdma2000 标准 cdma2000 物理层关键特性 cdma2000 物理信道 cdma2000 无线传输技术. cdma 标准的演进. cdma2000. 基于 ANSI-41 的 CDMA 网络 (IS95A, IS95B). cdma2000 标准. IS-2000-1: Introduction to cdma2000 Standards for Spread Spectrum Systems

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cdma2000 1x 物理层技术

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  1. cdma2000 1x物理层技术 陈泽强 chenzq@bupt.edu.cn

  2. 内 容 • cdma2000标准 • cdma2000物理层关键特性 • cdma2000物理信道 • cdma2000无线传输技术

  3. cdma标准的演进 cdma2000 基于 ANSI-41的CDMA网络 (IS95A, IS95B)

  4. cdma2000标准 • IS-2000-1: Introduction to cdma2000 Standards for Spread Spectrum Systems • IS-2000-2: Physical Layer Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems • IS-2000-3: Medium Access Control (MAC) Standards for cdma2000 Spread Spectrum Systems • IS-2000-4: Signaling Link Access Control (LAC) Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems • IS-2000-5: Upper Layer (Layer 3) Signaling Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems • IS-2000-6: Analog Signaling Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems

  5. 内 容 • cdma2000标准 • cdma2000物理层关键特性 • cdma2000物理信道 • cdma2000无线传输技术

  6. cdma2000物理层关键特性 • 多种RF信道带宽 • 快速前向链路功率控制 • 前向链路发射分集 • Turbo码技术 • 反向链路相干解调 • 增强的信道结构 • 灵活的帧长 • 多选择的长交织器

  7. 几个基本概念 • 扩频速率(Spreading Rate, SR) • SR1: 前向和反向cdma信道在单载波上都是采用码片速率为1.2288Mcps的直接序列扩谱 • SR3: 前向信道有3个载波，每个载波的码片速率为1.2288Mcps，反向信道在单载波上采用码片速率为3.6864Mcps的直接序列扩谱 • 无线配置(Radio Configuration, RC) • RC是指一系列前向或反向业务信道的工作模式，每种RC支持一套数据速率，其差别在于物理信道的各种参数，包括调制特性和扩谱速率等 • 无线传输技术(Radio Transmission Technology, 1xRTT)

  8. 1.25 MHz 多种RF信道带宽 0 1 MHz 2 MHz 3 MHz 4 MHz 5 MHz • RF信道带宽可为 Nx1.25MHz，其中，N =1,3,5,9或12 • IS-2000的Release A版本仅支持前两种带宽(1.25 MHz和3.75 MHz) • cdma2000 1x采用单载波

  9. 快速前向链路功率控制 • 移动台在检测了前向链路的Eb/N0后送出功率控制比特 • 功率控制比特与反向导频信道复用 • 功率控制比特不进行编码，避免编码，成帧和解码等造成的时延 • 功率控制速率是固定的800次/秒 功率控制比特 前向链路功率控制

  10. 3 载波 f1 f2 f3 1.25 MHz A f1 B f1 两天线发射模式 A f1 B f2 C f3 三天线发射模式 前向链路的发射分集 • 多载波发射分集(MCTD) 对于MC方式，不同的天线采用 不同的载波 • 正交发射分集(OTD) 对于DS方式，可以通过分离数 据流，采用正交序列扩展两个 数据流来完成

  11. Turbo码技术 • Turbo编码技术由C. Berrou等在1993年提出 • Turbo码能接近香农极限的纠错性能 • 在较高数据速率时，Turbo码比传统的卷积码，对Eb/N0的要求低 • Turbo码适合于数据块大于360bits/frame (>19.2kbps)

  12. 反向链路相干解调 • IS-95反向链路没有采用相干解调技术 • cdma2000反向链路采用反向链路导频进行初始捕获，定时跟踪，相干解调，功率控制

  13. 灵活的帧长(交织器深度) • 交织器深度是交织时延，交织器存储量以及需要的Eb/No的折中 • cdma2000支持5ms, 10ms, 20 ms, 40ms, and 80ms的帧长 • 采用短的帧长，可以减少端到端的时延 • 采用长的帧长，可以减少信息头开销所占的比例，并且有用信道的平均，可以减少需要的Eb/No

  14. 内 容 • cdma2000标准 • cdma2000物理层关键特性 • cdma2000物理信道 • cdma2000无线传输技术

  15. cdma2000逻辑信道 逻辑信道命名约定

  16. cdma2000物理信道(1)

  17. cdma2000物理信道(2)

  18. 前向链路(FL)物理信道

  19. 前向链路物理信道概况(1)

  20. 前向链路物理信道概况(2) • 前向链路物理信道由适当的Walsh函数或准正交函数(Quasi-Orthogonal Function, 简称QOF)进行扩谱 • Walsh函数用于RC1或2；Walsh函数或QOF用于RC3到9。cdma2000采用了变长的Walsh码，对于SR1，最长可为128;对于SR3，最长可为256 • 如果BS在前向CDMA信道上发送了F-CCCH，则它必须还在此CDMA信道上发送F-BCCH

  21. RC SR 最大数据速率（Kbps） 前向纠错编码（FEC）速率（帧长） FEC方式 允许发送分集（TD） 调制方式 1* 2* 1 1 9,600 14,400 1/2 1/2 卷积码 卷积码 否 否 BPSK BPSK 3 4 5 1 1 1 153,600 307,200 230,400 1/4 1/2 1/4 卷积/Turbo码 卷积/Turbo码 卷积/Turbo码 是 是 是 QPSK QPSK QPSK 6 7 8 9 3 3 3 3 307,200 614,400 460,800 1,036,800 1/6 1/3 1/4(20ms)或1/3(5ms) 1/2(20ms)或1/3(5ms) 卷积/Turbo码 卷积/Turbo码 卷积/Turbo码 卷积/Turbo码 是 是 是 是 QPSK QPSK QPSK QPSK * RC1和RC2分别对应TIA/EIA-95-B中的速率集（Rate Set）1和2（后向兼容）。 前向链路物理信道概况(3) 前向链路业务信道RC

  22. 前向链路物理信道概况(4) 扩谱速率SR1下前向CDMA信道的信道类型

  23. 前向链路导频信道(1) • FL导频信道包括 • F-PICH, 前向导频信道 • F-TDPICH, 发送分集导频信道 • F-APICH, 辅助导频信道 • F-ATDPICH, 辅助发送分集导频信道 • BS在FL CDMA信道上使用了发送分集方式，则它必须发送相应的F-TDPICH • BS在FL上应用了智能天线或波束赋形，则可以在一个CDMA信道上产生一个或多个辅助导频(F-APICH)，用来提高容量或满足覆盖上的特殊要求(如定向发射)。当使用了F-APICH的CDMA信道采用了分集发送方式时，BS应发送相应的F-ATDPICH

  24. 前向链路导频信道(2) • F-PICH占用了Walsh函数W064对应的码分信道。码分信道W64kN(N>64, k满足064kN, 且k为整数)不能再被使用 • 使用F-TDPICH，它将占用码分信道W16128，并且发射功率小于或等于相应的F-PICH • 使用了F-APICH，它将占用码分信道WnN，其中N512, 且1nN-1，N和n的值由BS指定 • F-APICH和F-ATDPICH联合使用，则F-APICH占用码分信道WnN，F-ATDPICH占用码分信道Wn+N/2N，其中N512, 且1nN/2-1，N和n的值由BS指定

  25. 前向链路同步信道 • FL同步信道F-SYNC是经过编码、交织、扩谱和调制的信号 • MS通过对它的解调可以获得长码状态、系统定时信息和其它一些基本的系统配置参数 • BS当前使用的协议的版本号 • BS所支持的最小的协议版本号 • 网络和系统标识 • 频率配置 • 系统是否支持SR1或SR3 • 发送开销(overhead)信息的信道的配置情况 • F-SYNC占用了W3264对应的码分信道

  26. 前向链路寻呼信道 • FL寻呼信道F-PCH是经过编码、交织、扰码、扩谱和调制的信号 • MS可以通过它获得系统参数、接入参数、邻区列表等系统配置参数，这些属于公共开销信息 • F-PCH是和IS-95兼容的信道，在cdma2000中，它的功能可以被F-BCCH、F-QPCH和F-CCCH取代并得到增强 • F-BCCH发送公共系统开销消息；F-QPCH和F-CCCH联合起来发送针对MS的专用消息，提高了寻呼的成功率，同时降低了MS的功耗 • F-PCH可占用W164到W764对应的连续7个码分信道，但基本的F-PCH占用W164

  27. 前向链路同步信道,寻呼信道结构 *实线画出的部分是同步信道与寻呼信道共有的，虚线部分则是同步信道没有而寻呼信道有的。它们的符号重复和块交织的参数也有所差别

  28. 前向链路广播控制信道 • FL广播控制信道F-BCCH是经过编码、交织、扰码、扩谱和调制的信号 • BS用它来发送系统开销信息(例如原来在F-PCH上发送的开销信息)，以及需要广播的消息(例如短消息) • F-BCCH的发送速率最高可达19200bps，它可以工作在非连续方式，断续的基本单位为广播控制信道时隙 • F-BCCH工作在较低的数据速率时，可以以较低的功率发射，而MS则通过对重复的信息进行合并来获得时间分集的增益 • FEC编码R=1/2,占用码分信道Wn64 ; FEC编码R=1/4,占用码分信道Wn32

  29. 前向链路公共指配信道 • FL公共指配信道F-CACH专门用来发送对RL信道快速响应的指配信息，提供对RL上随机接入分组传输的支持 • F-CACH在预留接入模式中控制R-CCCH和相关的F-CPCCH子信道，并且在功率受控接入模式下提供快速的证实，此外还有拥塞控制的功能 • BS也可以不用F-CACH，而是选择F-BCCH来通知MS • F-CACH的发送速率固定为9600bps，帧长5ms；它可以在BS的控制下工作在非连续方式，断续的基本单位为帧 • FEC编码R=1/2,占用码分信道Wn128 ; FEC编码R=1/4,占用码分信道Wn64 • 在同一导频PN偏置下它的长码掩码最多有8种，因为CACH长码掩码中的CACH信道号占3个bit

  30. 前向链路公共控制信道 • FL公共控制信道F-CCCH是经过编码、交织、扰码、扩谱和调制的信号。BS用它来发送给指定MS的消息 • F-CCCH具有可变的发送速率：9600、19200、或38400bps；帧长为20、10、或5ms • FEC编码R=1/2，占用码分信道WnN，N=32, 64, 和128(分别对应38400, 19200, 和9600bps)，1nN-1，n的值由BS指定 • FEC编码R=1/4，占用码分信道WnN，N=16,32,和64(分别对应38400, 19200, 和9600bps)，1nN-1，n的值由BS指定

  31. 前向链路广播控制信道,公共指配信道,公共控制信道结构前向链路广播控制信道,公共指配信道,公共控制信道结构 * 实线是图题所列信道均有的部分，而第一个虚线框（加帧质量指示位）只有公共控制信道的结构没有，而第二个虚线框（序列重复）仅广播信道的结构有。它们的帧质量指示比特的位数，卷积编码器和块交织器的参数都有差别

  32. 前向链路快速寻呼信道(1) • FL快速寻呼信道F-QPCH是未编码的、扩谱的开关键控(OOK)调制的信号 • BS用它来通知在覆盖范围内的, 工作于时隙模式的, 且处于空闲状态的MS,是否应该在下一个F-CCCH或F-PCH的时隙上接收F-CCCH或F-PCH • 使用F-QPCH, 使MS不必长时间的监听F-PCH, 从而达到延长MS待机时间的目的 • 使用F-QPCH，它将依次占用码分信道W80128 ,W48128和W112128

  33. 前向链路快速寻呼信道(2) • F-QPCH采用80ms为一个QPCH时隙，每个时隙又划分为 • 寻呼指示符(PI：Paging Indicators) • 配置改变指示符(CCI：Configuration Change Indicators) • 广播指示符(BI：Broadcast Indicators)

  34. 前向链路快速寻呼信道(3)

  35. 前向链路公共功率控制信道(1) • FL公共功率控制信道F-CPCCH的目的是对多个R-CCCH和R-EACH进行功控 • BS可以支持一个或多个F-CPCCH，每个F-CPCCH又分为多个功控子信道（每个子信道一个比特，相互间时分复用），每个功控子信道控制一个R-CCCH或R-EACH • 非发送分集的条件下使用F-CPCCH，它将占用码分信道Wn128，其中1n127，n的值由BS指定 • OTD或STS(Space Time Spreading)的方式下使用F-CPCCH，它将占用码分信道Wn64，其中1n63，n的值由BS指定

  36. 前向链路公共功率控制信道(2)

  37. 前向链路专用控制信道 • FL专用控制信道F-DCCH用来在通话（包括数据业务）过程中向特定的MS传送用户信息和信令信息。每个FL业务信道可以包括最多1个F-DCCH • F-DCCH的帧长为5或20ms。F-DCCH必须支持非连续的发送方式，断续的基本单位为帧 • F-DCCH上，允许附带一个FL功控子信道 • WALSH码配置 • RC3或5的F-DCCH，应占用码分信道Wn64，其中1n63，n的值由BS指定 • 配置为RC4的F-DCCH，应占用码分信道Wn128，其中1n127，n的值由BS指定 • 配置为RC6或8的F-DCCH，应占用码分信道Wn128，其中1n127，n的值由BS指定 • 配置为RC7或9的F-DCCH，应占用码分信道Wn256，其中1n255，n的值由BS指定

  38. 前向链路补充信道(1) • FL补充信道F-SCH用来在通话（可包括数据业务）过程中向特定的MS传送用户信息 • F-SCH只适用于RC3到9，每个FL业务信道可以包括最多2个F-SCH • F-SCH可以支持多种速率，当它工作在某一允许的RC下时，并且分配了单一的数据速率，则它固定在这个速率上工作；而如果分配了多个数据速率，F-SCH则能够以可变速率发送 • F-SCH的帧长为20、40、或80ms。BS可以支持F-SCH帧的非连续发送

  39. 前向链路补充信道(2) • F-SCH Walsh码配置 • 配置为RC3,4,或5的F-SCH，应占用码分信道WnN，其中N=4, 8, 16, 32, 64, 128, 128, 和128(分别对应最大的所分配QPSK符号速率: 307200, 153600, 76800, 38400, 19200, 9600, 4800, 和2400sps)，1nN-1，n的值由BS指定 。对于QPSK符号速率4800和2400sps，对每个QPSK符号Walsh函数分别发送2次和4次 • 配置为RC6,7,8,或9的F-SCH，应占用码分信道WnN，其中N=4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 256, 和256(分别对应最大的所分配QPSK符号速率: 921600, 460800, 230400, 115200, 57600, 28800, 14400, 7200,和3600sps)，1nN-1，n的值由BS指定。对于QPSK符号速率7200和3600sps,对每个QPSK符号Walsh函数分别发送2次和4次

  40. 前向链路补充码分信道 • FL补充码分信道F-SCCH用来在通话（可包括数据业务）过程中向特定的MS传送用户信息 • F-SCCH只适用于RC1和2。每个FL业务信道可以包括7个F-SCCH • F-SCCH在RC1和RC2时的帧长为20ms。在RC1下，F-SCCH的数据速率为9600bps；在RC2下，其数据速率为14400bps • 配置为RC1或2的F-SCCH，应占用码分信道Wn64，其中1n63，n的值由BS指定

  41. 前向链路基本信道(1) • FL基本信道F-FCH用来在通话（可包括数据业务）过程中向特定的MS传送用户信息和信令信息 • 每个FL业务信道可以包括最多1个F-FCH。F-FCH可以支持多种可变速率，工作于RC1或2时，它分别等价于IS-95A或IS-95B的业务信道 • F-FCH在RC1和RC2时的帧长为20ms；在RC3到9时的帧长为5或20ms。在某一RC下，F-FCH的数据速率和帧长可以按帧为单位进行选择，但调制符号的速率保持不变 • 在F-FCH上，允许附带一个FL功控子信道 • F-FCH的帧结构里，第一个比特为“保留/标志”比特，简称R/F比特。R/F比特用于RC2、5、8、和9

  42. 前向链路基本信道(2) • F-FCH Walsh码配置 • 配置为RC1或2的F-FCH，应占用码分信道Wn64，其中1n63， n的值由BS指定。 • 配置为RC3或5的F-FCH，应占用码分信道Wn64，其中1n63， n的值由BS指定。 • 配置为RC4的F-FCH，应占用码分信道Wn128，其中1n127， n的值由BS指定。 • 配置为RC6或8的F-FCH，应占用码分信道Wn128，其中1n127，n的值由BS指定。 • 配置为RC7或9的F-FCH，应占用码分信道Wn256，其中1n255，n的值由BS指定

  43. 前向链路业务信道结构(1) * 配置为RC1的前向业务信道的结构就是实线框连成的部分，实际上与IS-95的前向业务信道结构相同。而配置为RC2的前向业务信道的结构是实线框和虚线框合起来连成的部分。二者结构的差别仅在图中三个虚线框（加保留位、符号重复和符号穿刺）的有无，其余部分的参数都相同

  44. 前向链路业务信道结构(2) * RC3、4、5三种无线配置下的前向业务信道的结构差别仅在于RC5配置下的业务信道结构比其余两种情况下的业务信道结构要多加一个保留位（图3-3-7所示虚线框），其余的差别都表现在成帧部分的参数上

  45. 反向链路(RL)物理信道

  46. 反向链路物理信道概况(1)

  47. RC SR 最大数据速率（Kbps） 前向纠错编码（FEC）速率 FEC方式 允许发送分集（TD） 调制方式 1* 2* 1 1 9,600 14,400 1/3 1/2 卷积码 卷积码 否 否 64阶正交 64阶正交 3 4 1 1 153,600 (307,200) 230,400 1/4 (1/2) 1/4 卷积/Turbo码 卷积/Turbo码 是 是 BPSK+1导频 BPSK+1导频 5 6 3 3 153,600 (614,400) 460,800 (1,036,800) 1/4 (1/3) 1/4 (1/2) 卷积/Turbo码 卷积/Turbo码 是 是 BPSK+1导频 BPSK+1导频 * RC1和RC2分别对应TIA/EIA-95-B中的速率集（Rate Set）1和2（后向兼容）。 反向链路物理信道概况(2) 反向链路业务信道RC

  48. 反向链路物理信道概况(3) 扩谱速率SR1下前向CDMA信道的信道类型

  49. 反向链路物理信道概况(4) • 对于RL的RC而言，MS必须支持在RC1、3或5中的操作，这3种RC是最基本的RC。MS还可以支持在RC2、4或6中的操作。支持RC2的MS必须支持RC1；支持RC4的MS必须支持RC3；支持RC6的MS必须支持RC5 • MS不能在RL业务信道上使用RC1或2的同时使用RC3或4 • cdma2000的RL调制方式中新采用了和以前的M阶正交调制不同的方式，实际上采用的是和FL的结构相似的调制方式 • cdma2000的RL物理信道仍然用长码加以区分，公用RL信道的长码掩码由BS的系统参数确定，而每个用户的业务信道的长码掩码则由用户自己的身份信息来标识

  50. 反向链路导频信道(1) • RL导频信道R-PICH是未经调制的扩谱信号。BS利用它来帮助检测MS的发射，进行相干解调 • 当使用R-EACH, R-CCCH或RC3到6的RL业务信道时，应该发送R-PICH。当发送R-EACH前缀(preamble), R-CCCH前缀或RL业务信道前缀时，也应该发送R-PICH • 当MS的RL业务信道工作在RC3到6时，它应在R-PICH中插入一个反向功率控制子信道

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