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CDMA中兴网优网规资料14
CPO_T04_C2CDMA关键技术
课程目标:
●掌握无线通信基础知识;掌握CDMA扩频通信原理及关键技术
●掌握网络规划流程、原理及各种工具的使用并能够完成相应的网络拓扑结构设计
●学习后台无线参数的含义,网优数据的分析和多载频网络的优化以及数据业务优化的相关内容
●学习软件使用,能够完成路测并对数据进行分析,提出优化方案并实施
参考资料:
●《CDMA网规网优培训手册》
●《网优方法之路测分析法》
《CDMA网络规划与优化》
目录
第1章CDMA关键技术1
1.1功率控制1
1.1.1功率控制概述1
1.1.21x中的前向快速功率控制3
1.1.31x中的RC1和RC2的前向功率控制6
1.1.4反向功率控制8
1.2分集接收16
1.2.1时间分集17
1.2.2频率分集17
1.2.3空间分集18
1.2.4RAKE接收机19
1.3软切换21
1.3.1软切换21
1.3.2更软切换25
第一章CDMA关键技术
一.1功率控制
一.1.1功率控制概述
CDMA的功率控制包括前向功率控制、反向功率控制。
如果小区中的所有用户均以相同功率发射,则靠近基站的移动台到达基站的信号强,远离基站的移动台到达基站的信号弱,导致强信号掩盖弱信号,这就是移动通信中的“远近效应”问题。
因为CDMA是一个自干扰系统,所有用户共同使用同一频率,所以“远近效应”问题更加突出。
CDMA系统中某个用户信号的功率较强,对该用户被正确接受是有利的,但却会增加对共享的频带内其它的用户的干扰,甚至淹没有用信号,结果使其它用户通信质量劣化,导致系统容量下降。
为了克服远近效应,必须根据通信距离的不同,实时地调整发射机所需的功率,这就是“功率控制”。
CDMA系统的容量主要受限于系统内移动台的相互干扰,所以如果每个移动台的信号到达基站时都达到最小所需的信噪比,系统容量将会达到最大值。
CDMA功率控制的目的就是既维持高质量通信,又不对占用同一信道的其它用户产生不应有的干扰。
因此,在CDMA系统的反向链路中引入了功率控制,通过调整用户发射机功率,使信号到达基站接收机的功率相同,且刚刚达到信干比要求的门限值,同时满足通信质量要求。
通过调整,各用户不论在基站覆盖区的什么位置和经过何种传播环境,都能保证各个用户信号到达基站接收机时具有相同的功率。
在实际系统中,由于用户的移动性,使用户信号的传播环境随时变化,致使每时每刻到达基站时所经历的传播路径、信号强度、时延、相移都随机变化,接受信号的功率在期望值附近起伏变化。
J.Viterbi在经过对大量基站接受信号的统计分析后,得出非精确功率控制下基站接收信号的信噪比呈对数正态分布。
反向功率控制包括三部分:
开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制。
CDMA系统的每一个移动台都一直在计算从基站到移动台的路径损耗,当移动台接收到从基站来的信号很强时,表明要么离基站很近,要么有一个特别好的传播路径,这时移动台可降低它的发送功率,而基站依然可以正常接收;相反,当移动台接收到的信号很弱时,它就增加发送功率,以抵消衰耗,这就是开环功率控制。
开环功率控制简单、直接,不需在移动台和基站之间交换控制信息,同时控制速度快并节省开销。
但CDMA系统中,前向和反向传输使用的频率不同IS-2000规定的频差为45MHz),频差远远超过信道的相干带宽,因而不能认为前向信道上衰落特性等于反向信道上衰落特性,这是开环功率控制的局限之处。
为了克服前向和反向链路上不相关的瑞利衰落,可以由基站检测来自移动台信号的信噪比,并把它与一个门限值比较,根据比较结果在下行信道上向移动台发送功率上升或功率下降的指令,移动台根据收到的指令来调节其发射功率,这就是闭环功率控制。
实现闭环功率控制的关键是产生、传输、处理和执行功率控制指令的速度要快,以尽量跟踪上行链路的瑞利衰落。
在闭环功率控制中,信噪比的门限值也不是一直恒定的,而是在外环功率控制下动态变化的。
所谓外环功率控制实际上是一种发生在基站内或基站与移动交换中心之间的一种功率控制过程,它以直接影响话音质量的误帧率作为判决依据,及时地作出上调或下调信噪比门限的指令。
在实际系统中,反向功率控制是由上述三种功率控制共同完成的。
即首先对移动台发射功率作开环估计,然后由闭环功率控制和外环功率控制对开环估计作进一步修正,力图做到精确的功率控制。
前向功率控制包括两部分:
95功率控制和1X快速功率控制。
对于前向链路,当移动台向小区边缘移动时,移动台受到邻区基站的干扰会明显增加;当移动台向基站方向移动时,移动台受到本区的多径干扰会增加。
这两种干扰将影响信号的接收,使通信质量下降,甚至无法建链。
因此,在CDMA系统的前向链路中引入了功率控制,通过调整业务信道的基站发射机功率,使前向业务信道的发射功率在满足移动台解调最小需求信噪比的情况下尽可能小。
通过调整,即能维持基站同位于小区边缘的移动台之间的通信,又能在较好的通信传输特性时最大限度地降低前向发射功率,减少对相邻小区的干扰,增加前向链路的相对容量。
在1X系统的前向链路对RC1和RC2采用与95系统相同的功率控制;而对RC3~RC5采用IS-2000快速功率控制。
慢功率控制针对RC1和RC2的功率控制算法不同。
快速功率控制都可分为外环功率控制和闭环功率控制。
在外环和闭环功率控制使能的条件下,外环和闭环共同起作用来控制前向链路的发射功率;后面相关的章节会有详细的说明。
一.1.21x中的前向快速功率控制
一.1.2.1前向快速功率控制原理
CDMA系统的实际应用表明,系统的容量并不仅仅是取决于反向容量,往往还受限于前向链路的容量。
这就对前向链路的功率控制提出了更高的要求。
前向快速功率控制就是实现合理分配前向业务信道功率,在保证通讯质量的前提下,使其对相邻基站/扇区产生的干扰最小,也就是使前向信道的发射功率在满足移动台解调最小需求信噪比的情况下尽可能小。
通过调整,既能维持基站同位于小区边缘的移动台之间的通信,又能在较好的通信传输特性时最大限度地降低前向发射功率,减少对相邻小区的干扰,增加前向链路的相对容量。
前向快速功率控制分为前向外环功率控制和前向闭环功率控制。
在外环使能的情况下,两种功率控制机制共同起作用,达到前向快速功率控制的目标。
前向快速功率控制虽然发生作用的点是在基站侧,但是进行功率控制的外环参数和功率控制比特都是移动台检测前向链路的信号质量得出输出结果,并把最后的结果通过反向导频信道上的功率控制子信道传给基站。
原理图如下图1.11:
图1.11前向快速功率控制原理
一.1.2.2前向外环功率控制
前向外环功率控制实现点在移动台,基站需要做的工作就是把外环控制的门限值在寻呼消息中发给移动台,其中包括FCH和SCH的外环上下限和初始门限。
外环功率控制根据指配的前向业务信道要达到的目标误帧率FER)所需的Eb/Nt来估算门限设置值。
该设置值或者通过闭环间接通知基站进行功率控制,或者在前向业务信道没有闭环的情况下通过消息通知基站根据设置值的差异来控制发射功率水平。
一.1.2.3前向闭环功率控制
前向快速功率控制的实现点虽然在信道板,但计算却在移动台侧来进行,在RC3~RC6的反向信道中增加了反向导频信道,前向快速功率控制的基石也在这里;因为实现前向快速功率控制的功控比特是由反向导频上的反向功控子信道发送给基站的。
闭环功率控制把前向业务信道接收信号的Eb/Nt与相应的外环功率控制设置值相比较来判定在反向功率控制子信道上发送给基站的功率控制比特的值。
.
在反向导频信道上每1.25msPCG)包含1536*N个PN码片,其中N扩展速率SpreadingRate)数(扩展速率为1时,N=1;扩展速率为3时N=3)。
移动台必须在反向导频信道每个PCG中的前1152*N个PN码片发送导频信号,并在接下来的384*N个PN码片发送反向功率控制子信道。
对于FPC_MODEs=‘000’,‘001’,和‘010’,在反向功率控制子信道的每个384*N个PN码片重复发送移动台产生的前向功率控制比特。
对于FPC_MODEs=‘011’,‘100’,或‘101’,在反向功率控制子信道的每个384*N个PN码片重复发送移动台产生的删除指示比特(EIB)或是3GPP2C.S0002-A中的质量指示比特(QIB)。
对于FPC_MODEs=‘110’,在反向主功率控制子信道的每个384*N个PN码片重复发送移动台产生的前向功率控制比特,而在反向辅助控制子信道的每个384*N个PN码片重复发送移动台产生的删除指示比特(EIB)。
在反向导频信道上每个PCG发送的所有PN码片必须以相同的功率发射。
反向功率控制子信道的结构如图1.12说明。
图1.12反向功率控制子信道的结构
一.1.2.4软切换状态下的前向快速功率控制
图1.13软切换示意图
在软切换状态下,移动台与不同基站间的无线环境的差异,可能导致不同基站间的解调结果差别较大,虽然同一个移动台在反向功率控制子信道上向基站发送的前向功率控制比特是相同的,但是由于无线环境的差异,如图1.13中BTS_A和BTS_B解调出来的前向功率控制比特由于误码等原因,会相差比较大,结果导致不同基站的发射功率产生较大的差别。
但在软切换区,前向链路在移动台是通过合并的方式来处理接收信号的,只要有一条链路的信号质量得到保证,通话质量就可以保证,所以另外一条前向链路的功率可能造成系统容量的浪费。
所以在软切换区的快速功率控制,尤其是质量较差的一条链路的快速功率控制需要受到合理的控制。
在CDMA2000-1X阶段的RC3~RC5软切换过程中,可以实现快速功控与软切换过程中前向功控参数处理的协调融合,成为CDMA2000系统前向链路功率控制的重要的组成部分。
其实现的核心就是:
在RC3~RC5配置下的软切换过程中,针对参与软切换的所有基站的各个前向业务信道,在快速功控同时有效的前提条件下,BSC与参与软切换的各基站共同完成前向业务信道上发射功率之间的良好同步。
这里所说的同步实际上是尽量让链路较差的前向发射功率向信号较好的前向链路的发射功率靠拢,因为链路较好的前向发射功率必然也较低。
功率同步的方法多种多样,每帧同步的,也有多帧统计平均同步的,这里不再赘述,可以参见前向功率控制的设计文档。
一.1.31x中的RC1和RC2的前向功率控制
一.1.3.1RC1前向功率控制算法
RC1算法的核心思想可以用如下两条规则来描述:
规则一:
如果接收到功率测量报告,则增加发射功率
规则二:
如果没有接收到功率测量报告,则减小发射功率
在语音通信中,实际影响话音质量的是误帧率。
当误帧率较高时,人们主观上会觉得话音质量较差;而误帧率较低时,会觉得话音质量较好。
在基于IS-95的CDMA系统中,为了保证一定的话音质量,规定上下行链路的误帧率不得超过一个门限值,一般该门限值为1%。
这个比值可以通过确定增加功率的幅度与减小功率的幅度的比来实现。
依据这一点,一种理想参数设置就是:
如果通讯链路接收到功率测量报告,该信道发射功率增加1dB;如果接收不到功率测量报告,前向信道发射功率减小0.01dB。
通讯过程中,环境偶尔有突然恶化的情形,上述算法将以较大步长连续上调功率以抵抗快速深度衰落。
通讯环境好转后,算法将很缓慢地降低发射功率。
一.1.3.2RC2前向功率控制算法
IS-95A指出,对于速率集2,移动台将前向链路帧的好坏用EIB来表示,并将该值通过反向链路送给基站。
对于我们的集中式前向功率控制算法来说,控制器在BSC侧由反向层3数据获得EIB值,进行相应的前向功率控制。
算法的基本思想与8K声码器配置时的前向功率控制算法基本相同。
可以用如下两条规则来描述:
规则一:
如果接收的EIB等于1,则增加发射功率
规则二:
如果接收的EIB等于0,则减小发射功率
采用13K声码器,由于控制不再需要功率测量报告且每帧移动台都能提供EIB信息,从而使前向功率控制能够更快速的进行,从而我们可以加大前向功率控制的动态范围,一般为20dB左右。
由于算法的动态范围大,要求算法为变步长算法,且功率的上升步长与调整时刻的发射功率成反比关系。
为加快运算速度,上升步长与调整时刻的发射功率的关系取为如下非线性函数:
其中,
,
和
取值为0.5dB,3dB和1dB。
一.1.3.3切换状态下的RC1和RC2前向功率控制
CDMA系统中的切换主要有:
硬切换、软切换和更软切换。
硬切换发生在不同频率的小区之间,移动台先中断与原基站的联系,再与新基站取得联系。
基站给移动台发送功率控制参数消息,移动台依据该消息给基站发送功率测量报告,进行前向功率控制。
在分配前向信道时进行前向功率控制初始化。
功率控制算法的启动与建立一个新的空中链路时相同。
在软切换时,对于8K声码器RC1)的链路来说,SVM同时接收从2个或3个BTS传来的信息,经过最佳帧选择处理后,SVM将有无功率测量报告消息用一布尔量表示,并将其送给前向功率控制器。
经过前向功率控制器运算后,得到的前向业务信道增益发给参与软切换的各BTS。
对于13K声码器RC2)的前向链路来说,SVM同时接收从2个或3个BTS传来的EIB信息,经过最佳帧选择处理后,SVM将EIB的值送给前向功率控制器。
经过前向功率控制器运算后,得到的前向业务信道增益发给参与软切换的各BTS。
在更软切换时,前向功率控制器按软切换方式处理。
一.1.4反向功率控制
一.1.4.1反向功率控制简介
反向功率控制用来控制移动台的发射功率,以使移动台的发射信号在到达基站时满足一定的解调要求的前提下,发射功率尽量的降低,来满足小区反向容量的要求,因为不同的移动台反向信号是互相干扰的,理论上只有让进行相同业务的移动台到达基站的功率水平相一致,才能达到反向容量最大化的要求。
移动台的反向发射功率由移动台的开环估测加闭环控制共同作用得到,而没有闭环控制的情况下,比如接入信道的发射功率,就只有开环在起作用。
反向闭环功率控制又可分为反向外环和反向内环我们多数时候所说的反向闭环斗专指反向内环)。
一.1.4.2反向开环功率控制
首先,对应不同的反向信道计算开环控制输出功率的修正值不同。
具体地说,将针对反向接入信道、增强接入信道、反向通用控制信道和反向业务信道RC1、2和RC3~6也有所不同)采用不同的修正值如表1.11所示)。
表1.11开环功率控制offset_power值
接入信道的开环控制:
接入状态下,MS开环控制如下:
其中interferencecorrection=minmax-7-Ec/Io,0),7),如下图1.14所示。
该参数是根据所处位置接收导频的强度,引入的干扰校正因子,在IS95B中就已经增加了此校正因子。
显然,信噪比越低的地方,校正因子越大,从而增加此环境下的接入成功率。
图1.14接入信道开环功控干扰校正因子随接收导频强度的变化关系图
NOM_PWRs、INIT_PWRs同IS95A中的含义一致,前者用来补偿前反向链路的差异,后者提高接入的成功率。
工作在频带0、2、3、5、7、9时,置NOM_PWR_EXTs=0,工作在频带1、4、6、8时,如有必要将此范围定在[-24,-9]之间,设置NOM_PWR_EXTs=1,PWR_LVL、PWR_STEPs则是表示接入试探数和每个接入试探递增功率的大小的参数。
这些参数都可在寻呼信道接入参数消息上得到的,该消息的结构如IS95系统完全一致,在此不做赘述。
因此在基站后台数据库中应可根据当地具体情况进行设置。
反向业务信道RC1,RC2)的开环功率控制
RC1、RC2的反向基本信道初始发射功率为
其中InterferenceCorrection=MIN(MAX(–7-ECIO,0),7),ACC_CORRECTIONS是进入业务信道之前功率调整的累加值,1X阶段进入业务信道以前的信道是接入信道,则将其置为
NOM_PWRs-16*NOM_PWR_EXTs+INIT_PWRs+PWR_LVL*PWR_STEPs;
收到第一个功率控制比特后,平均输出功率为
其中NUM_RSCCH是发射ReverseSupplementalCodeChannel的数目,范围从0到7。
收到第一个功率控制比特后,移动台将不更新干扰校正因子。
其中参数RLGAIN_ADJ是设置业务信道相对接入信道或增强接入信道发射功率的调整值。
在PCH上通过扩展信道指派消息发送给MS的。
反向业务信道RC3,RC4)的开环功率控制
当反向业务信道采用RC3~RC4时,初始反向导频信道的发射功率为
其中InterferenceCorrection=MIN(MAX(IC_THRESHs-ECIO,0),7),波形如下图1.15
图1.15RC3、4业务信道开环功控干扰校正因子随接收导频强度的变化关系图
同样的道理,ACC_CORRECTIONS是进入业务信道之前功率调整的累加值,1X阶段不实现增强接入信道和反向公共控制信道,则ACC_CORRECTIONS置为NOM_PWRs–16×NOM_PWR_EXTs+INIT_PWRs+PWR_LVL*PWR_STEPs;
接到一个有效的功率控制比特后,
移动台将不更新干扰校正因子。
其中,IC_THRES为开始应用干扰校正的门限值水平,显然为负值。
一般在前向BCCH上的增强接入参数消息传送给MS的。
1X阶段不支持BCCH,故不能改变IC_THRES的值,但协议规定每次收到接入参数消息会将其置为—7。
一.1.4.3反向闭环功率控制
1.反向闭环原理,如图1.16所示
图1.16反向闭环功率控制示意图
2.反向外环功率控制
反向外环功率控制是反向功率控制中较有特色的一部分,它将影响话音质量的误帧率与反向闭环功率控制中的信噪比有机地结合起来,使功率控制的作用不仅体现在容量的增大上,而且在话音质量的改善方面也有直接的效果。
同样地,反向外环功率控制在标准中也没有明确的定义和描述,从这个意义上说,反向外环功率控制设计有着极大的灵活性。
在RC1、2是外环算法的实现位置放在软件S_SDM上。
在RC3~4时,如果有反向补充信道,此时外环算法的调整仍按基本信道的质量进行。
经过反向闭环控制,调整反向导频的发射功率,反向基本信道的功率也随之改变,从而实现将基本信道质量控制在目标值附近。
至于反向补充信道的质量,可以通过调整参数RLGAIN_SCH_PILOT修改反向补充信道相对导频信道功率的大小来实现。
软切换时,外环算法针对每个参与切换的基站都执行一个实例,新加入的链路外环算法都从初始状态开始执行。
3.反向闭环控制
反向闭环功率控制,也叫反向内环功率控制,离不开前向功率控制子信道。
前向功控子信道仅在前向基本信道或前向专用控制信道F-DCCH)上发射,发送的功控比特给移动台来进行反向闭环功率控制。
当移动台工作在非门限模式下,功控子信道以每1.25ms800Hz)发送一个比特的速率发送功控比特。
当移动台工作在门控模式下,门控模式分别为1/2和1/4对应的功控子信道以400或200bps的速率发送,详细内容请参见下图1.17,前向功率控制子信道在各种门控模式下的时隙模式。
一个20ms帧内的PCG从0到15编号。
当移动台工作在1/2反向导频信道门限模式下,前向功控子信道仅在偶数PCG处发送功控比特。
当移动台工作在1/4反向导频信道门限模式下,前向功控子信道仅在第1,5,9和13个PCG处发送功控比特。
当移动台使用门限模式而无线配置又是RC3~RC6的话,基站在移动台发射结束的后REV_PWR_CNTL_DELAY+1)×1.25ms开始在PCG中发送功控比特。
比特为‘0’指示移动台升高平均输出功率,比特‘1’指示移动台降低平均输出功率。
图1.17前向功率控制子信道在各种门限模式下的时隙模式
4.失锁状态下的反向闭环功率控制响应
由于反向数据突发随机化DBR)的存在,与那些没有发射功率的PCG相对应的功率控制比特将被忽略,当基站接收机的所有Finger处在失锁状态下,为了控制移动台的功率,即对所有帧速率维持升降功率控制比特一定的比例,必须弥补DBR的作用。
CSM5000中失锁状态下的反向闭环功率控制响应就是完成此功能的。
失锁状态下的反向闭环功率控制响应有四种选择,这由CHAN_ELEM_INFO2寄存器中2比特的PC_GAIN域来确定的。
PC_GAIN值
失锁功率控制响应
00
+0dB/sec增益
01
+25dB/sec增益
10
+50dB/sec增益
11
+100dB/sec增益
PC_GAIN=00对应+0dB/sec增益,设置每帧升降功率控制比特相等的数目,将导致MS的发射功率保持不变;
PC_GAIN=01,每第4帧的第8个下降功率控制比特用上升比特代替,这将导致每4帧得到+2dB的增益,即+25dB/sec增益;
PC_GAIN=10,每第2帧的第8个下降功率控制比特用上升比特代替,这将导致每2帧得到+2dB的增益,即+50dB/sec增益;
PC_GAIN=11,每帧的第8个下降功率控制比特用上升比特代替,这将导致每帧得到+2dB的增益,即+100dB/sec增益;
一.1.4.4软切换条件下的反向功率控制
在软切换状态下,移动交换中心BSC同时与多个BTS建立业务链路,BTS对这些链路分别进行解调,BSC中的声码器/选择器模块SVM将对这些帧进行优选。
根据每帧的帧质量标识和速率标识,SVM从中选择一个最佳解调状态帧,作为后续解编码帧。
此时,外环调整算法将根据经过选择器优选后的帧质量标识来实施。
显然,在BSC侧,选择后的帧误帧率远远小于各基站的误帧率。
因此,在业务信道总体误帧率仍保持1%的前提下,允许参与软切换的各个基站将误帧率降至低于1%的水平。
在不进行软切换时,FER由单个BTS的接收帧质量标识来决定;而软切换时,由BSC选择器输出端优选得出的帧质量标识来统计FER或决定目前的状态。
外环调整算法得出新的信噪比门限值,将送到各参与软切换的BTS具体说是相应的CHM)。
在各BTS中,实现闭环控制的过程同非软切换状态下的过程相同。
各BTS独立地向同一移动台发出功率调整命令,移动台尽量多地解调从不同基站来的信号,以便获得来自不同基站的功率控制比特,对这些功率控制比特求或也就是说,只有功控比特都为0时,移动台才升高发射功率),作为移动台最终的功率调整命令,以使发射功率尽可能地降低,减少对系统的干扰。
一.2分集接收
在频带较窄的调制系统中,如果采用模拟的FM调制的第一代蜂窝电话系统,多径的存在导致严重的衰落。
但在CDMA调制系统中,不同的路径可以各自独立接收,从而显著的降低多径衰落的严重性。
不过多径衰落并没有完全消除,因为有时仍会出现解调器无法独立处理的多路径,这种情况导致某些衰落现象。
分集接收是减少衰落的好方法。
它是充分利用传输中的多径信号能量,以改善传输的可靠性。
它也时把时域、空域、频域中分散的能量收集起来。
为了在接收端得到几乎相互独立的不同路径,可以通过空域、时域、频域的不同角度、不同方法与措施来实现。
其中最基本的分集接收有三种类型:
时间分集、空间分集、频率分集。
它们在CDMA中都有应用。
下面将分别进行介绍。
一.2.1时间分集
由于移动台的运动,接收信号会产生多普勒频移,在多径环境,这种频移形成多普勒频展。
多普勒频展的倒数定义为相
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