CDMA蜂窝移动通信仿真.doc

CDMA蜂窝移动通信仿真分析摘要 CDMA是在无线通讯上使用的技术，允许所有使用者同时使用全部频带，且把其他使用者发出讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞问题，CDMA系统是基于码分技术和多址技术的通信系统。CDMA技术的标准化，推进了这项技术在世界范围的应用，是移动通信技术的发展方向。 CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求，本设计选取CDMA蜂窝移动通信系统部分内容进行仿真与分析，首先，学习相应的理论知识并熟悉接入信道实现过程，其次对MATLAB软件中的SIMULINK部分及其内部的CDMA模块用法和参数设置进行熟悉，然后运用MATLAB对接入信道部分进行设计并分析、仿真与验证。目的是通过毕业设计工作熟悉现代无线通信系统的基本构成和工作原理，重点掌握卷积编码等相关编码技术，并将这些技术应用实际系统设计，提高对CDMA蜂窝移动通信系统知识的深刻认识。关键字 CDMA系统 蜂窝 MATLAB 仿真分析 编码引 言随着社会、经济的发展，移动通信得到越来越广泛的应用，移动通信技术的发展日新月异。CDMA作为一种抗干扰的通信手段，很早就在军事通信中得到应用。随着通信系统的复杂性不断增加，传统的设计方法已经不能适应发展的需要，因而要通过仿真，来降低系统失败的可能性，优化系统的整体性能，因此仿真是通信技术研究中不可缺少的方法。而通信系统仿真是一个螺旋式上升的过程，在这个过程中可能需要对原来的仿真模型进行若干次的修改，才能实现最初的设计目标。本课题的一些基础理论已经在移动通信以及通信原理相关课程中学习到，扩频通信技术、码分多址技术和同步技术是CDMA的关键技术。通过对CDMA系统的研究，更进一步了解CDMA系统扩频通信的过程，加深了对CDMA扩频通信技术和码分多址技术的理解。同时，借助理论上和仿真实验方面得出的结论我们可以进一步深入理解CDMA技术何以发展如此快速。第一章课题的背景及研究意义和目的1.1 课题的背景CDMA(Code Division Multiple Access)是由美国的Qualcomm公司开发的一种技术，直译为码分多址，是在扩频通信的基础上发展起来的。它利用相互正交的不同编码分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络。它会将原信号频谱带宽扩展，即所谓的扩频。CDMA通信系统采用的是直接序列扩频方式1，用一个码序列去调制原始数据信息，调制后的信息就能以高速传输。CDMA技术的标准化经历了如下几个阶段(如图1-1所示)IS-95AIS-99，IS-657IS-95BIS-95HDR，IS-95CCDMA2000 1X RTTCDMA2000 3X RTTCDMA2000IS-95图1-1 DMA技术标准化经历中国CDMA的发展并不迟，也有长期军用研究的技术积累。1993年国家863计划已开展CDMA蜂窝技术研究。1994年首先在天津建技术试验网。1998年具有14万容量的长城CDMA商用试验网在北京、广州、上海、西安建成，并开始小部分商用。同时联通也在广东、北京、天津、上海等地建CDMA商用试验网。经过几年的发展，各地的CDMA网已经初具规模，发展速度之快令世人瞩目2。在网络建设的同时，我国在CDMA标准制定和实施方面也有了很大的发展。在1999年4月成立了中国无线通信标准研究组CWTS，其主要目的是加强我国的标准制订工作。我国目前采用的CDMA标准主要是向美国标准靠拢，同时结合我国的实际情况。如空中接口在美国的标准中注重CDMA与AMPS双模兼容，而在我国则没有这种需求，因此其频率、基本频道的设置及IMSI等方面都需要进行修改；在A接口上，美国的标准兼容了多种制式，而在我国只需要其中的CDMA一种；同样网络接口IS-41系列标准也需要进行必要的修改。在吸收和引进国外各项标准的同时，我国也正在积极开发满足我国电信网络的CDMA标准，并且已经向国际电信联盟递交了第三代移动通信技术规范TD-CDMA标准，该标准在1999年11月结束的有关世界第三代移动通信标准制订会上被最终确定为第三代移动通信技术规范的系列标准之一。这是中国提出的电信技术标准第一次被国际电信联盟所采用，同时也证明了我国的通信技术水平已逐渐与世界同步，我们的民族产业也日益引起世界的瞩目。 1.2 课题研究的意义码分多址以扩频为基础，传输信息的信号带宽远大于信息带宽。给每个用户分配一个唯一的扩频码，通过该扩频码的不同来识别用户。由于CDMA手机发射功率小，且采用先进的软切换技术，不会出现掉线现象。使用CDMA网络，运营商的投资相对减少，这就为CDMA手机资费的下调预留了空间。另外，容量比模拟技术高10倍，超过GSM网络约4倍。基于宽带技术的CDMA使得移动通信中视频应用成为可能2。另外，所有的第三代移动通信系统都采用了CDMA技术，对CDMA的研究具有一定的价值。如今通信行业的产品更新速度也越来越快，引入仿真软件进行仿真已经是必不可少。仿真既可利用仿真软件，也可通过高级语言编程实现。利用软件包，建模十分方便，可大大节省编程时间，甚至可省去编程过程。其中，MATLAB是最具影响力、最有活力的软件之一，在科学运算、自动控制、通信仿真等领域有着广泛的应用3。因此理由仿真软件对CDMA蜂窝移动通信技术进行仿真，不仅对理解CDMA有深刻的意义，更能加深CDMA在实际案例中的运用3。1.3 研究课题的目的直接序列扩频和码分多址技术是本论文的重点，因此本论文研究的重点在于应用MATLAB来设计实现CDMA系统, 并在此基础上实现多用户信道的复用，具体讲就是将信号进行扩频、BPSK调制、加入白高斯噪声、进行多路复用，送入信道并在接收端进行解扩和解调，还原出初始发送的数据。本文用基于Simulink模块库的MATLAB软件对CDMA系统在蜂窝移动通信中的应用进行仿真，建立了系统仿真模型，能够方便、形象的描绘出CDMA的工作原理和过程，通过结果分析了各个模块的特性，并指出仿真建模中要注意的问题。结果证明了通信理论和整个系统设计的正确性，对进一步研究相关理论有着积极的作用和意义，能够在模拟系统的过程中找出缺点和不足，并加以研究纠正，以便更好的应用到实际。第二章 CDMA系统相关理论2.1 通信系统模型通信领域的人都知道，通信的目的是传递消息中的信息，例如，符号、文字、语音、数据、图象等都是消息。人们接收消息，关心的是消息中包含的有效内容，即信息。消息必须转换为电信号才能在通信系统中传输，所以，信号是传输消息的手段，是载体。各种不同的消息可以分成两类：离散消息和连续消息。代表消息的电信号，按其代表消息的参量的取值方式不同，可以分为模拟信号和数字信号4。代表数字信号一个取值的波形称为一个码元。和上述信号的分类相对应，通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。数字通信系统有多种，例如数字电话系统、高速计算机并行数据处理传输系统等。点对点的数字通信系统模型，一般可用图2-1所示信源编码器调制器信道解调器译码器信宿噪声源图2-1: PtoP数字通信系统模型根据图可以分析出如下七点：1、信源是将消息转换为原始电信号；2、编码器包括信源编码和信道编码，实现两个功能，一是除去信源中的多余信息，提高传输效率，一是当信源发出模拟信号时，将其转换成数字信号，提高传输的可靠性；3、调制器是将基带信号变换成适合具体信道传输的信号；4、信道是传送物理信号的设施；5、噪声源是整个系统受噪声干扰的集中反映。6、信宿是将恢复的信号转换为原始消息；7、解调和译码分别与编码和调制对应，实现反变换。数字通信具有抗干扰能力强、保密性好、灵活性高、便于集成和微型化等优点，但都以占据更多系统带宽为代价，并且对同步要求高，系统设备比较复杂。通信方式从模拟向数字通信发展是通信技术发展的总趋势。如果将基带信号直接在信道中传输，易受高频电磁波干扰，而且整个信道只传输一种信号，信道利用率低。为了充分利用信道，将多路信号组合成群信号，在一条信道上同时传输,即所谓的信道复用。根据合并与区分各信号的方法不同，主要有三种复用方式，即频分复用、时分复用和码分复用5。码分复用是用一组包含互相正交的码字的码组携带多路信号，即CDM。考虑如何解决众多用户高效共享给定频谱资源的问题时就涉及到多址方式，常规的有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)等。2.2 CDMA系统主要技术理论2.2.1、卷积编码现代数字通信系统常常设计成以非常高的速率传输。卷积码已应用于很多个同系统，例如，不仅在CDMA移动通信系统种应用卷积编码译码，而且在空间和卫星也应用。为了防止系统出错,经常会使用卷积码。信息数据序列划分成许多长度为k的小块，每段小块被编码长度为n的码字符号。卷积码(n,k,m)由k个输入、具有m阶存储的n个输出线性时序电路实现。通常，n和k是较小的整数，且kI时S=1。其他的方法可以减小BI时的最小间隔而增加BI时的最小间隔。IS-95就用了这样的技术。除非仔细观察考虑读出的方法，否则一般最小间隔都是减少的。IS-95系统交织一帧之内的数据，除了同步信道之外，其他信道都是20毫秒，同步信道的一帧周期上26.66毫秒。因此，所有的IS-95的交织器在块数据上操作。严格地说，并没有用块交织，但是交织的类型设计要依赖于信道和原始数据率。例如，反向链路通过矩阵之中以非传统的方法读出各行数据以改变最小间隔特性。2.2.3、扩频码CDMA是以扩频通信为基础的，扩频是用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种传输方式，频带的扩展由独立于信息的扩频码(一般是伪随机码Pseudo Noise，PN码)实现，与所传数据无关，在接收端用同步接收实现解扩和数据恢复。扩频通信的理论基础为香农定理1 (2-16)公式中，C为信道容量，单位为bps，表示通信信道所允许的极限传输速率；B为信道带宽，表示要付出的代价；S/N为信噪比，单位dB，表示周围的环境或物理特性。由式(2-1)可得出重要结论：对于给定的信息传输速率，可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输。扩频通信系统利用这一理论，将信道带宽扩展许多倍以换取信噪比上的好处，增强了系统的抗干扰能力。扩频通信的重要参数扩频增益反映了由频谱扩展对抗干扰性的强弱。定义为： (2-17)式（2-2）中，Si和So分别为输入、输出信号功率；Ni和No分别为输入、输出干扰功率；为随机码的信息速率，为基带信号的信息速率。常用的扩频方式有跳频、直接序列扩频以及复合式扩频等。直接序列扩频(DS)，是直接利用具有高码率的扩频码序列在发送端扩展信号的频谱，而在接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息，是一种数字调制方法。直扩系统的原理框图如图2-2所示：扩频调制伪码发生器载波发生器解调伪码发生器同步解扩高放混频本振信源图2-2：直扩(DS)系统结构图具体说，就是将信源与一定的PN码进行模二加。例如，在发送端将1用1100010011代替，而将0用0011001011代替，这个过程就实现了扩频。而在接收端只要把收到的序列11000100110恢复成1，0011001011恢复成0，这就是解扩。这样信源速率就被提高了10倍，同时也使处理增益达到10db以上，从而有效地提高了整机信噪比。在所有的PN序列中，m序列是最重要、最基本的一种伪随机序列。二进制的m序列，即最长线性移位寄存器序列，有优良的自相关特性。“伪”的意思是说这种码是周期性的序列。最为简单的一种m序列产生原理图如图2-3所示D1D2D31.2288Mb/s图2-3：PN码生成器图中D1、D2、D3为其延迟寄存器，其中D2、D3参与了电路的反馈。在实际中，寄存器还会增多，反馈的参与量也会不断的增多，整个PN序列的状态数也就不断地增多4。由m序列的自相关性可得PN码有2317种，这里举出其中两种m11001011，m2=0101110的状态图如图2-4、2-5所示000100010101110001011111图2-4 m1状态转换图000100001010101110111011图2-5 m2状态转换图000100110111011001010101m序列中缓冲器的个数往往几十甚至上百。这样生成r位的m序列，其状态是种，将是相当复杂的状态系统。IS-95系统中，调制器在同相支路(I)以及支路(Q)引入了两个互为准正交的PN短码序列，其码速率固定为1.2288Mcps。其生成多项式分别为I支路： （2-18）Q支路： （2-19）按照上式产生的m序列周期长度为，其平衡性较好。不同的基站使用相同的PN序列，但采用不同的偏置来识别。解扩过程中主要处理的就是同步问题。同步系统的作用就是要实现本地产生的PN码与接收到的信号中的PN码同步，即频率上相同、相位上一致。同步过程一般说来包含两个阶段： (1) 接收机在开始并不知道对方是否发送了信号，因此需要有一个搜捕过程，即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获有用信号。这一阶段也称为起始同步，也就是要把对方发来的信号与本地信号在相位之差纳入同步保持范围内，即在PN码一个时片内。 (2) 一旦完成这一阶段后，则进入跟踪过程，即继续保持同步，不因外界影响而失去同步。也就是说，无论由于何种因素两端的频率和相位发生偏移，同步系统能加以调整，使收发信号仍然保持同步。接收到的信号经宽带滤波器后，在乘法器中与本地PN码进行相关运算。此时搜捕器件，调整压控钟源，调整PN码发生器产生的本地脉序列伪重复频率和相位，以搜捕有用信号。一旦捕获到有用信号后，则起动跟踪器件，由其调整压控钟源，使本地PN码发生器与外来信号保持同步。如果由于采种原因引起失步，则重新开始新的一轮搜捕和跟踪过程1。码分多址系统利用码序列正交性和准正交性来区分不同用户，在同频、同时的条件下，各个接收机根据不同信号码型之间的差异分离出所需信号。由于是用地址码区分用户，用户的信号对频率、时间和空间没有限制，在这些方面它们可以重叠。系统的接收端必须有完全一致的本地地址码，用来对接收的信号进行相关检测，这样其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调7。2.3 CDMA业务信道简介 CDMA在移动蜂窝通信中的含义是指每个用户使用一个码型，频率/时间共享，系统根据码型来进行用户识别，其特点是每个基站只需一个射频系统，每个码传输一路数字信号，每个用户共享时间和频率。图2-6表示了下行链路业务信道发送部分，图2-7表示下行链路业务信道接收部分，本图主要表示扩频和调制模块。调制扩频数据编码与交织图2-6 下行链路业务信道的发送部分框图数据解调解扩反交织与译码数字滤波器 图2-7 下行链路业务信道的的接收部分框图CDMA移动蜂窝通信是一个多址干扰受限系统，需要严格的功率控制，需要定时同步，拥有软容量、软切换功能，系统容量大，抗衰落，抗多径能力强。2.4 CDMA系统的实际应用对于在实际生活中应用的CDMA系统，是一个相当复杂的系统，但就发送方和接收方来对CDMA进行划分，它至少含有上行和下行的链路。其中由移动台发向基站的无线线路，称为上行链路；由基站发向移动台的无线线路，称为下行链路7。 信道是通信系统的基本环节之一。信道时变是指信道参数随时间变化，它对信号传输的影响是使输入信号的频率弥散。若输入信号是单频信号，经过时变信道后的输出不再是单频信号，而是一个窄带的信号，带宽大小视时变因素的快慢而定。信道时变造成接收信号的强度随时间变化的现象，称为衰落8。根据信道中占据主导地位的噪声的特点，信道可以分成加性高斯白噪声信道、二进制对称信道、多径瑞利衰落信道和伦琴衰落信道等。CDMA个人通信系统的空中接口、无线通信部分都参考IS-95技术标准，而与交换机的接口，应有3种不同的技术规范，以适应蜂窝移动通信、无线用户环、无线用户终端的不同应用要求。这样才能有更大的应用前景，有更多的系统支持，有更大的技术市场。同时，有更大的经济效益和社会效益。 在CDMA个人通信系统的总体设计中，有许多基本参数是必须考虑的： 1、工作频带：国际上通行的800MHz900MHz频段、1.8GHz1.9GHz频段、2.2GHz2.4GHz频段，都可考虑在CDMA个人通信系统中使用。由于这些频段的大气传播特性、城市传播特性的不同，80MHz900 MHz频段适合应用于工作小区较大的蜂窝移动通信系统。1.8GHz1.9GHz频段不如800MHz900 MHz理想，但仍有较好的传播特性，比较适合较小区、微小区的个人通信系统。建议CDMA个人通信系统使用1800MHz1825MHz(前向),1875MHz1900MHz(反向)，2.2GHz2.4GHz频段的传播特性比较适合于给定小区在CDMA无线用户终端系统中应用。 2、信号功率和小区半径：信号功率按用户移动台的天线发射功率设计，伴随相应的工作小区半径。信号功率和小区半径设计为以下3种：信号功率(最大)为1W,小区半径(最大)为10km15km；信号功率(最大)为500mW,小区半径(最大)为5km8km；信号功率(最大）为100mW，小区半径（最大）为2km3km。 移动台可以根据系统结构和工作环境作不同的信号功率和小区半径选择，而不改变其它工作状态。 3、信道配置：参照IS-95标准，用户移动台设有CDMA的入网信道和业务信道，实际是一个CDMA物理信道采用不同扩频码的应用形态，对我们提出的3种系统结构的任何一种都是适用的。但前向信道的配置却可以根据系统结构不同作适当变动。我们的建议是：对公众服务的蜂窝移动通信系统，应设有CDMA的导引信道、同步信道、寻呼信道和业务信道。而CDMA无线用户环，可对使用的扩频码稍加处理，仅用导引信道、寻呼信道和业务信道。而无线用户终端系统，可只设同步信道和业务信道。 4、系统定时：IS-95标准的系统定时是采用GPS装入基站系统完成的，这是一个很好的办法。我们还建议在某些应用环境中，由移动交换中心提供高精度定时信号，在移动交换中心到基站有线连接传播时延准确给定的情况下，可以获得相当满意的系统定时性能。 第三章仿真模型设计3.1 MATLAB及SIMILINK模块库介绍MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory)之意，除具备卓越的数值计算能力外，还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C、FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多9。当前流行的MATLAB 6.1/Simulink 3.0包括拥有数百个内部函数和几十种工具包(Toolbox)。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包，功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算、可视化建模仿真、文字处理及实时控制等功能10。学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包、信号处理工具包、通信工具包等都属于此类。这些工具箱都是由该领域学术水平很高的专家编写，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高、精、尖的研究。开放性使MATLAB广受用户欢迎，除内部函数外，所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建而非语言的编程上。 SIMILINK模块库按功能进行分类，包括以下8类子库： Continuous(连续模块)Discrete(离散模块)Function & Tables(函数和平台模块)Math(数学模块)Nonlinear(非线性模块)Signals & Systems(信号和系统模块)Sinks(接收器模块)Sources(输入源模块)所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析。 通信仿真是衡量通信系统性能的工。通信仿真可以分成离散时间仿真和连续仿真。在离散时间仿真中，仿真系统只对离散时间做出响应，而在连续仿真中，系统对输入信号产生连续的输出信号。离散时间仿真是对实际通信系统的一种简化，它的仿真建模比较简单，整个仿真过程需要花费的时间比连续仿真少，是通信仿真的主要形式10。在对通信系统实施仿真之前，首先需要研究通信系统的特性，通过归纳和抽象建立通信系统的仿真模型（如图3-1）。 当前系统仿真建模仿真实验仿真分析结论分析改造后的系统图3-1 通信系统仿真流程3.2 CDMA蜂窝移动通信仿真模型设计 根据上面几章的理论知识，现在就CDMA蜂窝移动通信仿真模型进行设计，其仿真框图如图3-2：信源卷积编码交织编码加扰码扩频调制AWGN信道解调解扩信宿解卷积解交织去扰码图3-2：CDMA 通信系统的仿真框图 通信仿真是衡量通信系统性能的工具9。通信仿真可以分成离散时间仿真和连续仿真。在离散时间仿真中，仿真系统只对离散时间做出响应，而在连续仿真中，系统对输入信号产生连续的输出信号。离散时间仿真是对实际通信系统的一种简化，它的仿真建模比较简单，整个仿真过程需要花费的时间比连续仿真少，是通信仿真的主要形式。在对通信系统实施仿真之前，首先需要研究通信系统的特性，通过归纳和抽象建立通信系统的仿真模型。图3-3所示是关于通信系统仿真流程的一个示意图。当前系统仿真建模仿真实验仿真分析结论分析改造后的系统图3-3 通信系统仿真流程根据上面介绍的理论，及每个模块的设计，整个CDMA系统仿真框图如图3-4所示图3-4 CDMA系统仿真框图3.2.1、 信源（Data Source）模块 设计中，信源采用二进制贝努利序列产生器(Bernoulli Binary Generator)产生二进制序列。模块如图3-5所示，参数设置如图3-6所示。图3-5 二进制贝努利序列产生器图3-6 二进制贝努利序列产生器参数设置3.2.2、编码（Encoding）模块如图3-7 图3-7：编码模块示意图3.2.3、发射（Transmitter）模块如图3-8图3-8：发送模块示意图3.2.4、信道（Channel Model）模块 如图3-9图3-9：信道模块示意图本设计采用加性高斯白噪声信道进行分析。加性高斯白噪声信道(AWGN Channel)是最简单的一种噪声，它表现为信号围绕平均值的一种随机波动过程。加性高斯白噪声信道的均值为0，方差表现为噪声功率的大小。一般情况下，噪声功率越大，信号的波动幅度越大，接收端接收到的信号的误比特率就越高。3.2.5、接收（Receiver）模块如图3-10图3-10：接收模块示意图在无线信道中存在着多径传播的现象，针对这种多径导致的时间扩散可以使用Rake接收机对多径信号加以利用。3.2.6、译码（Decoding）模块如图3-11图3-11：译码模块示意图3.2.7、误码率统计（BER Results）模块 输入信号经过一定延迟，与输出信号进入一个误码率统计模块,如图3-12图3-12：误码率统计模块示意图 根据以上各个模块以及相关参数进行仿真，其中CDMA2000蜂窝移动通信仿真初始化参数设置如图3-13：图3-13：初始化参数第四章 仿真结果及分析4.1发送端的信号频谱图4-1：发送端的信号频谱可以看出，系统产生的基带调制信号的频谱与协议规范要求是一致的，它在抑制频谱范围内的衰减幅度达40db。4.2经过信道后的信道频谱图4-2：经过信道后的信道频谱可以看出发射信号再