1、Cdma2000 扩频,网优部交流赵东亮 2002.10.17,1,说明,Cdma（code division multiple access）的含义是“码分多址”，而IS-95A和cdma2000中用到的扩频码字有三种：walsh码、短PN码、长PN码。所以，了解这三种码在cdma系统中如何应用，就等于掌握了cdma系统物理层的精髓。本文档围绕这三种码字，阐述它们在cdma系统中的应用。注：短PN码也称之为导频PN码。PN：Pseudo Noise，伪随机噪声PN码包括长PN码和短PN码,2,主要内容提要,Walsh码 Walsh码的相关理论 反向：64阶正交调制 或正交扩频（cdma200
2、0新增的） 前向：正交扩频长PN码 长码的相关理论 反向：直接序列扩频 前向：扰码短PN码 短PN码的相关理论 反向：四相扩频（0偏置） 前向：四相扩频,3,概述,cdma采用三种序列来扩频/调制,以获得唯一的、健壮的信道。这三种序列为：Walsh码、短PN码和长PN码。长码 前向：用于对业务信道进行扰码 反向：作为MS的标识,用作直接扩频序列,每个用户占用PN长码的一 个相位. 短码 前向：用作基站(扇区)标识,进行四相扩频,不同的短码相位对应于不同的基 站(扇区),其相位至少相差为64个比特(即PN码片),故最多有 215/64=512个不同的相位可用 反向：也用于四相扩频,但是因为在反向
3、信道上不需要标志属于哪个基站,所以所有的移动台使用同一相位的短码,其相位偏置都为0 Walsh码： 前向：用作正交扩频 反向：用作正交调制 或 正交扩频（2000新增的）,4,信道的区分,前向信道通过以下的东西来区分：1: CDMA频率2：分配给扇区的唯一的短PN码偏置3：分配给用户的唯一的walsh码反向信道通过以下的东西来区分：1：CDMA频率2：分配给每个移动台的唯一的长PN码偏置,5,walsh码、长码、短码的应用顺序及作用,前向：1：长码 扰码 (导频信道、同步信道没有经过长码扰码)2：walsh码 正交扩频3：短码 四相扩频反向：1：walsh码 64阶正交调制 2：长码 直接序列
4、扩频（模2相加）3：短码 四相扩频(0偏移),6,MS如何从BS获取这三种码字(1),从MS的初始化说起获取短PN码相位获取长PN码相位系统状态转移图 初始化状态的四个子状态,7,扫描所有导频，使rake finger锁定于最强的导频PN相位，然后用32号walsh码对同步信道进行解调，读取同步信道消息，从而获得长PN码相位和准确的短PN码相位,MS如何从BS获取这三种码字 (2),8,MS如何从BS获取这三种码字(3),短PN码的获得： 1.初始短PN码的获取：当MS能够解调导频信道后，它就获得了BS的导频PN码（即短PN码）的相位信息。2.在此之后，短PN码的变化由层三信令消息通知MS长P
5、N码的获得：1.初始长PN码的获取：因为同步信道只经过了短PN码的调制，所以当MS捕获到导频信道之后，就可以解调同步信道。MS通过对它的解调可以获得长码状态、系统定时信息以及其它一些基本的系统配置参数。2.在此之后，长PN码的变化由层三信令来完成Walsh码的获得：BS通过Channel Assignment Message和Extended Channel Assignment Message通知MS。其中， Extended Channel Assignment Message是cdma2000新增的，准正交函数QOF由它来通知MS这两个层三消息比较庞大，请参照标准： Channel As
6、signment Message (层3标准realease c第10541065页) Extended Channel Assignment Message (层3标准realease c第11181177页),9,Walsh码,Walsh码可以通过以下的过程产生：这里N为2的幂， 代表 的取反。WnN表示N阶NN Walsh矩阵地第n1行。 IS-95A的walsh码长为64，而cdma2000 SR1的码长为128,10,64阶walsh码片,表2021 64阶正交符号集符号内的walsh码片,11,Walsh码反向信道上的应用,1. 当移动台工作在 R-ACH或使用RC1/RC2的R-
7、TCH上时，MS采用64阶正交调制（后向兼容IS-95）2. 当MS工作在R-PCH、R-EACH、R-CCCH、Reverse Acknowledgement Channel、Reverse Channel Quality Indicator Channel 或使用RC3RC6配置的R-TCH时，MS采用正交扩频。（cdma2000 新增的）,12,Walsh码反向信道上的应用,64阶正交调制（后向兼容IS95）应用场合：当移动台工作在 R-ACH或使用RC1/RC2的R-TCH上。 原理:使用64阶的正交调制方法。每6个重复码符号（c0,c1,c2,c3,c4,c5）被调制成64个调制符号
8、当中的一个。这64个调制符号通过Walsh函数产生，并且相互正交，分别标号为063。调制的过程如下：按照以下公式来确定索引（取值范围为063），再根据得到的索引确定所使用的调制符号。调制符号索引c0 + 2c1 + 4c2 + 8c3 + 16c4 + 32c5 其中，6个重复码符号（c0,c1,c2,c3,c4,c5）按到达时间先后排列，c0代表这6个重复符号中最先到达的比特(最低位)，而c5代表这6个重复符号中的最迟到达的比特(最高位)。例如，如果一组码符号为010011，即c50, c4=1, c3=0, c2=0, c1=1, c0=1,调制符号索引120016019，即此组符号使用第
9、19号walsh码调制。这64个调制符号如下页所列。表中的6464矩阵可以通过以下的过程来产生：这里N为2的幂， HN代表HN的取反。传送一个调制符号（64位）需要1/4800秒208.333us，所以传送1/64个调制符号（我们称之为1个Walsh码片）所需的时间1/(4800*64)秒=1/307200秒3.255us。,13,Walsh码反向信道上的应用,2正交扩频（walsh码在反向信道上用于正交扩频，这种应用是cdma2000 新增的） 扩频示意： 解扩示意：数据流：0100001011 数据流：0001111110扩频码：0101110101 解扩码：0101110101模2加:
10、=0001111110 模2加: =0100001011应用场合：MS工作在R-PCH、R-EACH、R-CCCH、Reverse Acknowledgement Channel、Reverse Channel Quality Indicator Channel 或使用RC3RC6配置的R-TCH。,14,Walsh码前向信道上的应用,正交扩频扩频示意： 解扩示意：数据流：0100001011 数据流：0001111110扩频码：0101110101 解扩码：0101110101模2加: =0001111110 模2加: =0100001011,15,长PN码,长码的周期为2421比特(即PN
11、码片)，且满足以下特征多项式定义的线性递推公式：P(x)= X42+ X35+ X33+ X31+ X27+ X26+ X25+ X22+ X21+ X19+ X18+X17+ X16+ X10+ X7+ X6+ X5+ X3+ X1+1长码是由42个移位寄存器组成的序列发生器产生的，该序列再由一个42位的掩码来赋予不同的相位，如下页图(1)所示。整个cdma系统中所用到的长码序列只有一个，只是初始相位不同，cdma系统通过不同的掩码给每个信道分配一个不同的初始相位。长码序列所用的掩码与信道类型有关，见下页图(2)。具体来说，对于接入信道，掩码为：M41至M33置为“110001111”；M3
12、2至M28被置为所选的接入信道号；M27至M25置为改移动台目前所属寻呼信道的信道号(范围是17)；M24至M9置为目前基站的BASE_ID；M8至M0置为前向CDMA信道的PILOT_PN值。,16,长PN码,图（1）长码发生器,图（2）长码掩码格式,17,长码掩码,对于反向业务信道，掩码可选用下面二者之一：公共长码掩码与私有长码掩码。公共长码掩码如下：M41至M32置为“1100011000”；M31至M0置为移动台的电子序列号(ESN)比特的重新排列（扰乱），具体排列方式如下：ESN(E31,E30,E29,E28,E27,E26,E2,E1,E0)排列后的ESN=(E0,E31,E22
13、,E13,E4,E26,E17,E8,E30,E21,E12,E3,E25,E16,E7, E29,E20,E11,E2,E24,E15,E6,E28,E19,E10,E1,E23,E14,E5,E27,E 18,E9) 由于同一地区移动台的ESN是连续排列的，所以这样重新排列后可防止由于顺序ESN长码掩码而导致的高度相关性。 私有长码掩码属于加密算法。,18,长码掩码,IS-95A和cdma2000都使用两种长码： 公共长码（public long code） 专用长码（private long code） 与它们相对应的分别有 公共长码掩码（public long code mask） 专
14、用长码掩码（private long code mask）Cdma系统的话音保密性（voice privacy）是通过专用长码扩频来实现的所有的呼叫在开始时都使用公共长码掩码。移动台可以以下方法来请求话音保密： 在呼叫建立过程中： 发送origination message 或 page response message (PM=1时请求使用) 在业务信道状态时： 发送 Long code transition request message如果没有鉴权（AUTH=00或MS无法鉴权），则不允许转变到使用专用长码掩码不论转到使用专用长码掩码还是公共长码掩码，都可以通过以下方法来完成： BS在f
15、-dsch上发送long code transition request order (MS对它的响应见下一页) MS在r-dsch上发送long code transition request order (BS对它的响应见下两页) BS发送Extended handoff direction message、General handoff direction message 或Universal handoff direction message，利用它们里面的 PRIVATE_LCM 比特进行控制(该bit 为1时,使用Private Long code),19,长码掩码类型的转变(MS
16、端),当移动台收到一个 Long Code Transition Request Order 时,分两种情况来处理: 1该消息请求转换到private long codea：MS可以产生private long code，并且MS接受该请求时：MS将在T56秒内发送一个Long Code Transition Response Order（ORDQ00000011）。当该消息中的explicit action time到来时，MS应把当前正在使用的公共长码保存起来，并且开始使用private long code。MS应在F-TCH和R-TCH上同时使用该Private long code。b：
17、MS不能产生private long code，或者MS不接受该请求时：MS将在T56秒内发送一个Long Code Transition Response Order（ORDQ00000010）。2该消息请求转换到public long codea：MS可以产生private long code，并且MS接受该请求时：MS将在 T56秒内发送一个Long Code Transition Response Order（ORDQ00000010）。当该消息中的explicit action time到来时，MS应使用之前保存起来的公共长码。MS应在F-TCH和R-TCH上同时使用该Private
18、 long code。b：MS不能产生private long code，或者MS不接受该请求时：MS将在T56秒内发送一个Long Code Transition Response Order（ORDQ00000011）。 注：有关explicit action time的介绍见最后两页,20,长码掩码类型的转变(BS端),如果MS在Origination message 或 Page Response Message 中请求话音保密(PM=1时请求使用)，BS有可能发送一个Long Code Transition Request Order（ORDQ=00000001），请求转换到Priv
19、ate long code。BS对 Long Code Transition Request Order 的处理： 如果Long Code Transition Request Order请求转换到Private long codea：BS接受该请求时：BS将发送一个Long Code Transition Request Order（ORDQ=00000001）b：BS不接受该请求时：BS将发送一个Long Code Transition Request Order（ORDQ=00000000） 如果Long Code Transition Request Order请求转换到Public
20、long codea：BS接受该请求时：BS将发送一个Long Code Transition Request Order（ORDQ=00000000）b：BS不接受该请求时：BS将发送一个Long Code Transition Request Order（ORDQ=00000001）BS对 Long Code Transition Response Order的处理：如果Long Code Transition Response Order表明MS接受这次长码转换的请求（PublicPrivate或PrivatePublic，并且该请求消息由BS发送给MS），BS将在exlicit act
21、ion time到来的时候开始使用所请求的长码。这个explicit action time 由BS在Long Code Transition Requst Order中指定。BS将在F-TCH和R-TCH上同时使用该请求的长码。,21,长PN码在反向信道的应用,直接序列扩频 反向业务信道在数据随机化之后被长码直接序列扩频，而接入信道在经过正交调制后就被长码直接序列扩频。对于反向业务信道，该扩频操作就是数据突发随机数发生器输出的数据流域长码模2相加。对于接入信道，该扩频操作就是64阶正交调制器输出的数据流长码模2 相加,22,长PN码在前向信道的应用,扰码 扰码只适合于F-PCH和F-TCH(
22、IS-95)，反向cdma信道没有扰码。扰码过程：从块交织器输出的19200bps调制符号与一个随机序列进行模2相加。该随机序列是由长码的美64个比特片取出的第一个比特组成，由于长码的速率是1.2288Mhz，所以扰码随机序列的速率1.2288106/6419200bps，正好与交织器的输出速率相等。,23,短PN码,IS-95A定义了一对二进制序列，分别称为I、Q PN序列，周期为215码片，分别基于下列特征多项式：PI(x)X15X13X9X8X7X51 (对同相(I)序列)PQ(x)X15X12X11X10X6X5X4X31 (对正交(Q)序列) 基于以上多项式的最大长度线性反馈移位寄存
23、器序列，i(n)和q(n)的周期为 215-1，可以从以下线性递推公式导出： i(n)i(n-15)i(n-10)i(n-8)i(n-7)i(n-6)i(n-2) (基于特征多项式PI(x) q(n)=q(n-15) q(n-12) q(n-11) q(n-10) q(n-9) q(n-5) q(n-4) q(n-3) (基于特征多项式PQ(x)其中i(n)和q(n)是二进制值(“0”和“1”)，和是指模2和。为了获得I和Q导引信号 PN序列(周期为215)，在 14个连“0”输出之后(这在每个周期仅出现一次)，在i(n)和q(n)中要插入一个零。因此，导引信号序列中将存在连续15个零的输出而
24、不是14个零。短PN序列每 26.666ms重复一次(215/1228800秒)。即每2秒重复75次。Cdma2000与cdma one所用的PN码的不同体现在SR3地DS方式上，它所用的短码周期为220-1，速率为3.6864 Mchip/s, I、Q支路的序列特征多项式相同，都为：P(x)X20X9X5 X3 1 。I、Q序列的差别在于起始位置不同，I序列的起始码片是连续19个0后的1，Q序列的起始位置则比I序列延迟219个码片,24,短PN码,在IS-95/cdma2000系统中，短PN码（即导频PN码）分为以下几类： 活动导频集 候选导频集 相邻导频集 剩余导频集这些导频集的维护过程请
25、参考IS-95/cdma2000的切换机制,25,短PN码,经I、Q路PN序列扩频的数据将按照以下的规律映射（前向和反向都一样）： 0+1 1-1,CDMA频道I和Q映射,26,短PN码在反向信道的应用,四相扩频OQPSK （注：四相扩频有的书也译成正交调制） 采用0偏置的I和Q正交导频序列调制。在反向信道中,短码用于四相扩频,但是因为在反向信道上不需要标志属于哪个基站,所以所有的移动台使用同一相位的短码,其相位偏置为0。 反向信道调制由于增加了1/2PN码（正好为一个bit的宽度,因为之前用1.2288M的长PN码直序扩频，然后经串并转换，码宽展宽一倍，所以延迟1/2PN码正好为1个bit）
26、的时延，这样相位变化最大为90度，不会发生180度的相位突变，这就是OQPSK。,27,短PN码在前向信道的应用,四相扩频QPSK (cdma2000的可能不同，待研究) 短码在前向信道中用作基站(扇区)标识,进行四相扩频,不同的短码相位对应于不同的基站(扇区),其相位至少相差为64个比特(即PN码片),故最多有215/64=512个不同的相位可用。不同的时间偏置用不同的偏置系数,偏置系数共512个,编号K从0到511,参见下图。通常，规定序列中出现15个0后，后续的64各子码为偏置系数K0。同理，K1表示后续的64个子码，直到K511，是码序列中最末的64个子码，它包含序列周期中唯一的15个
27、连0偏置时间(tK)等于偏置系数乘64个子码宽度时间，即tKK64（1/1.2288）s例如，当偏置系数为15时，相应的偏置时间为：tK1564（1/1.2288）s781.25s偏置的导频PN序列必须在时间的偶数秒（以基站传输为基准）起始传输，其它导频PN序列的偏置系数规定了它了零偏置（K0）导频PN序列的偏置时间差。如上所述，偏置系数为15时，导频序列的偏离时间为781.25s，说明该PN序列要从标准时间每一偶数秒之后781.25s才开始导频PN序列的周期是32768/122880026.666ms，即每两秒75个PN序列周期。,28,短PN码在前向信道的应用,前向的四相扩频与反向的类似，
28、只是没有在反向信道调制时的1/2码片的延时。它们的 信号与相位关系如下图所示。可见前向cdma信道调制具有180度的相位突变，这就是 QPSK调制,29,使用RC2的 R-FCH 、R-SCCH 结构,30,使用RC2的 F-FCH 结构,31,Message Action Time,前向业务信道消息中，不包含USE_TIME字段或USE_TIME=0时，该消息具有implicit aciton time；消息有USE_TIME字段，且USE_TIME=1时，该消息有explicit action time，消息的执行时间由消息中的ACTION_TIME字段确定有explicit action
29、 time的消息，我们称之为pending messageimplicit：固有的，绝对的explicit：外在的pending：未决的,32,Message Action Time,Implicit action time消息的执行时间：除非另行指定，具有implicit action time的消息生效时间将不迟于含有该消息最后一个bit的帧结束之后的第一个80ms边界。explicit action time消息的执行时间：当系统时间（以80ms为单位）除以64的余数等于该消息中的ACTION_TIME字段的值时，具有explicit action time的消息（Power Up Fu
30、nction Message除外）将生效；而Power Up Function Message将在此之后，再经过ACTION_TIME_FRAME帧的时间才生效。在任何时间，BS和MS都必须支持两个pending message（不包括Service Option Control Order、Service Option Control Message或Power Up Function Message）BS要支持的Service Option Control Order、Service Option Contorl Message的数目在Service Option中指定。另外，BS必须支持一个Power Up Function Message。,
