概述
加擾就是就是用一個偽隨機碼序列對擴頻碼進行相乘,對信號進行加密。上行鏈路物理信道加擾的作用是區分用戶,下行鏈路加擾可以區分小區和信道。
UMTS中,碼字一共有二種類型的套用,第一種稱為信道化碼(Channelization code,簡寫為CH),第二種稱為擾碼(Scrambling code,簡寫為SC)。由於在上下行鏈路中處理方式的不同,導致二種類型碼字的作用各不一樣。在下行鏈路(基站→移動台方向)上,基站向本小區傳送信息時,基站首先將各種用戶信息分別與各自的CH進行相乘運算,之後將信號疊加,再與擾碼進行相乘運算,之後在空中接口上發射。移動台側先做解擾,然後再解出自己的有用信息。用戶信息和CH進行相乘運算時,CH就是擴頻序列,通過選擇CH的正交性,來區分用戶信息。所以CH無論在上行還是下行鏈路上,它最基本的作用就是直接擴頻(Spreading),所以CH就是擴頻碼。經過擴頻後的速率都是3.84Mchip/s,再進行擾碼加密過程,擾碼的速率也是恆定的3.84Mchip/s。
CH除了作為擴頻碼外,還可以作為物理信道的ID。在UMTS中,單個用戶的業務類型,可以根據需要分配多個物理信道,理論上2M速率的實現是通過同時占用多個物理信道來實現的,而用戶正是通過識別不同的CH來獲得物理信道的服務,所以CH是用來區分在下行鏈路上的多個物理信道的。空中接口資源在分配時,相當於分配給用戶的就是多個CH。而這種分配是由RNC來完成的動態分配。作為擾碼,移動台必須首先進行解擾,然後才能獲得自己的有用信息,所以擾碼的作用相當於小區的ID。對移動台來說,由於工作在相同頻率,所以可以收到來自不同小區的無線信號,是一個自干擾系統,但通過擾碼,移動台只需要對駐紮小區進行解碼,因為有用信息只有在本小區的專用信道上傳送。在下行鏈路上,移動台首先要區分本小區和非本小區的信號,這個區分過程就是通過解本小區擾碼來實現的。所以系統中每小區對應一個擾碼。需要強調的是cell、sector和BTS概念的不同。對於BTS來說,可以是全向站、三扇區或六扇區定向站等,如果基站在發射方向是全向發射,從邏輯角度來說,基站的管理是一個小區(cell),1BTS=1cell,基站分配一個擾碼;如果基站在發射方向是三扇區定向發射,每個扇區(sector)就是一個小區(cell),故一個BTS需要3個擾碼。所以cell的概念是OMCR上的概念,邏輯上是執行相關算法的最小單位,而sector的構成是從射頻角度上講的。
在UMTS中,一個全向的BTS,可以理解為在下行鏈路上是全向發射,而上行方向則是3扇區定向接受的,採用3付天線,在發射方向三扇區發射相同的信號,相當於全向發射,而接受端是定向接受。對於相鄰小區的擾碼在分配時碼字的互相關性要低,正交性要好。但從網路角度來說,如果二個基站處於同時發射,到達移動台後,由於所處位置不同,在接受來自二個小區的信號時,由於傳播時延,信號的相位會有所偏差,形成干擾。也就是在同步條件下,完全正交的特性,由於傳播時延而遭到破壞。
WCDMA 中利用信道碼和擾碼來減少多用戶間干擾。此外,WCDMA 中上行用擾碼區分同一小區不同的用戶,用信道化碼區分物理數據信道和控制信道;下行用信道化碼區分同一小區中不同的用戶,而用擾碼區別不同的小區 。
實現
CDMA系統中,偽隨機序列(PN)用於數據的加擾和擴譜調製。在傳送數據之前,把數據序列轉化成“隨機的”,類似於噪聲的形式,從而實現數據加擾。接收機再用PN碼把被加擾的序列恢復成原始數據序列。
需要指出的是,如果傳送數據序列經過完全隨機性的加擾,接收機就無法恢復原始序列。換句話說,如果接收機知道如何恢復原始數據,傳送的數據序列就不可能完全隨機化。因此,在實際cdma系統中使用的是一個足夠隨機的序列,一方面這個隨機序列對非目標接收機是不可識別的,另一方面目標接收機能夠識別並且很容易同步的產生這個隨機序列。所以把這種序列成為偽隨機序列(PN)。CDMA中用到的PN序列可以分為長PN碼(長碼)和短PN碼(短碼),長PN碼可用於區分不同的用戶,短PN碼用於區分不同的基站。具體實現如下:
長PN碼:
不同的移動台都有一個長碼生成器。其中長碼狀態暫存器(LCSR)保持與系統時間的同步,掩碼暫存器(MR)存有隻有用戶可識別的碼型。長碼狀態暫存器(LCSR)每個脈衝周期轉變一次狀態。狀態暫存器(LCSR)和掩碼暫存器(MR)合併至加和暫存器(SUMMER),SUMMER暫存器的數字單元在每個時鐘周期內進行模2和計算,逐比特生成長碼。生成的移位長碼的是由用戶唯一的偏制(User's Offset)碼型所決定的,加擾後其他用戶將無法解調此用戶信息。
CDMA系統中的短PN碼由15階移位暫存器產生的m序列,並且每個周期在PN序列的特定位置插入一個碼片,從而加長了一個碼片。所以修正後的短PN碼周期是普通序列長度為32767再加一個碼片,也就是32768個碼片。不同基站用不同時間偏置進行區分。每個偏置是64碼片的整數倍,總共有32768/64=512個可能的偏置。可用於識別512個基站,在1.2288Mcps的速率上,序列每26.66ms重複一次,即每兩秒75次。
PN偽隨機碼前向用於區分不同基站(m序列)和加擾(長碼),反向用於區分不同用戶和反向物理信道(長碼)。
套用
加擾廣泛套用在數字通信中,主要有以下四種用途:
1. 為了原始信號避免連‘0’、‘1’,從而方便同步。
2. 加密,在PHS、GSM、WCDMA乃至LTE,通信加密都是通過加擾實現的。
3. 擴頻,在CDMA技術中,加擾用於將原始信號擴頻。
4. 區分,在CDMA技術中,擾碼用於區分不同的設備。
為了實現以上的要求,加擾採用的擾碼是偽隨機噪聲序列PN。
與加密的區別
加擾就是改變標準電視信號的特性,在傳送端按規定處理,而加密就是在加解擾系統的傳送端將信息用密碼方式處理後傳送。
術語“加擾”與“加密”,都是對數據流進行密碼處理,但這是兩個不同的概念,應以區別。
加擾(Scrambling),就是改變標準電視信號的特性,以防止非授權者接收到清晰的圖像和伴音。這種改變應在加解擾系統控制下,在傳送端按規定處理。
加密(Encryption),就是在加解擾系統的傳送端,將“與解擾相關的信息”用密碼方式處理後傳送,以防止非授權者直接利用該信息進行解擾 。