（通信与信息系统专业论文）广义正交扩频序列理论及其在多速率qscdma系统中的应用研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 在码分多址( c d m a ) 系统中，扩频序列的自相关和互相关特性( 包括周 期非周期相关特性及周期非周期部分相关特性) 的好坏在很大程度上决定了 系统白干扰( s i ) 、多址接入干扰( m a i ) 和邻区干扰( a c i ) 的大小，从而直 接影响着系统性能优劣和容量大小。扩频序列理论包含扩频序列理论界与扩频 序列设计两个主要研究方面。本文研究了零相关区( z c z ) 或广义正交( g o ) 序列的周期部分相关理论界及非周期部分相关理论界，构造了几类具有较好相 关特性的广义正交扩频序列，提出了相应的多速率准同步c d m a ( q s c d m a ) 系统模型，探讨了新型扩频序列在多速率q s c d m a 系统中的性能。 基于广义正交直接扩频序列的概念，通过将“权重向量法与低相关区 ( l c z ) z c z 的理论结合在一起，论文分析了广义正交单位复根序列的周期 非周期部分相关理论界，推导出了序列长度、序列数目、最大周期月 周期部分 自相关边峰值和最大周期非周期部分互相关值等参数所满足的一些新的数学 不等式。并将其推广到了常规单位复根序列的周期非周期部分相关理论界。论 文研究表明，已有的关于广义正交序列的t a n g f a n 界、p e n g f a n 界及关于常规 序列的p a t e r s o n 界、s a r w a t e 界、w e l c h 界等都是新结果的特殊情况。 基于z 互补码，构造出具有z c z 的正交可变扩频因子( o v s f ) 码，称为 o v s f z c z 码，同时构造出可与正交相移键控( q p s k ) 调制技术结合应用的 广义z 互补对码，称为g p z 码。并对o v s f z c z 码和g p z 码的相关特性进行 了分析。此外，本文还研究了一种将g p z 码与不同的c h i p 波形相结合而构造 的新的广义正交扩频序列波形( 即g p z c h i p 波形) ，同时讨论了g p z c h i p 波 形的相关特性。 提出了两种多速率单小区q s c d m a 系统模型，一种基于二进制相移键控 ( b p s k ) 调制技术，利用可变扩频因子序列实现多速率；另一种基于q p s k 调制技术，利用多码技术实现多速率。探讨了o v s f z c z 码在第一种多速率 q s c d m a 系统中的应用，数值计算结果表明，与采用o v s f 码和z c z 序列的 系统相比，由于多径干扰受到抑制，系统性能显著提高。同时探讨了g p z c h i p 波形在第二种多速率q s c d m a 系统中的应用，数值计算结果表明，与采用串 联w h m 序列与矩形波形的系统相比，由于多径干扰受到抑制，系统性能显著 提高。 基于g l s 序列，构造出具有与z c z 相似相关特性的广义正交序列称为g o s 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 序列，分析了其相关特性。此外，本文还研究了一种将g l s 序列与不同的c h i p 波形相结合而构造的新的广义正交序列波形称为g l s c h i p 波形，并对其相关 特性进行了分析。g o s 序列与g l s c h i p 波形均可应用于多速率多小区 q s c d m a 系统。 论文还提出了两种多速率多小区q s c d m a 系统模型。通过将g o s 序列 与g l s c h i p 波形应用于多速率多小区q s c d m a 系统模型，论文分析了该多 速率多小区q s c d m a 系统中的干扰及b e r 性能。数值计算结果表明，与采 用g l s 序列( 波形) 的系统相比，由于小区间干扰及多径干扰均受能到抑制， 这两种扩频序列( 波形) 在系统中的应用均能提供更高的系统容量。 关键字：广义正交，部分相关，o v s f z c z 码，g p z c h i p 波形，g l s c h i p 波 形，多速率q s c d m a 系统 西南交通大学博士研究生学位论文第1 ll 页 a b s t r a c t i n c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 化d m a ) s y s t e m s ，t h ea u t o c o r r e l a t i o na n d c r o s s - c o r r e l a t i o n ( i n c l u d i n gp e “o d i c a p e r i o d i cc o r r e l a t i o na n dp e r i o d i c a p e r i o d i c p a r t i a lc o r r e l a t i o n ) p r o p e r t i e s o ft h e s p r e a d i n gs e q u e n c e se m p l o y e dp l a y a n i m p o r t a n tr o l eo nt h el e v e lo ft h es e l f - i n t e r f e r e n c e ( s i ) ，m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) a n da d ja c e n t c e l l i n t e r f e r e n c e ( a c i ) ，t h e r e f o r ed i r e c t l y i n f l u e n c et h e p e r f o r m a n c ea n dc a p a c i t yo ft h ec d m as y s t e m s t h et h e o r e t i cb o u n d sa n dt h e d e s i g no fs p r e a d i n gs e q u e n c e sa r et w om a i ni s s u e si nt h et h e o r yo fs p r e a d i n g s e q u e n c e s i nt h i st h e s i s ，t h ep e r i o d i ca n da p e r i o d i cp a r t i a lc o r r e l a t i o nt h e o r e t i c b o u n d so ft h ez e r oc o r r e l a t i o nz o n e ( z c z ) o rg e n e r a l i z e do r t h o g o n a l ( g o ) s e q u e n c e a r ei n v e s t i g a t e da n ds o m eg os e q u e n c e sw i t hg o o dc o r r e l a t i o np r o p e r t i e sa r e c o n s t r u c t e d b a s e do nt h ec o n s t r u c t e ds e q u e n c e s ，s o m em u l t i r a t eq u a s i s y n c h r o n o u s c d m a ( q s - c d m a ) s y s t e mm o d e l sa r ep r o p o s e d ，a n dt h e i ri n t e r f e r e n c e sa n d p e r f o r m a n c e sa r ea n a l y z e d b a s e do nt h ec o n c e p to ft h eg os p r e a d i n gs e q u e n c e s ，c o m b i n i n g “w e i g h tv e c t o r m e t h o d ”a n dt h ec o n c e p to ft h el o w z e r oc o r r e l a t i o nz o n e ( l c z z c z ) t h et h e o r e t i c b o u n d so np e r i o d i c a p e r i o d i c p a r t i a l c o r r e l a t i o no fg oc o m p l e xr o o t so fu n i t y s e q u e n c e sa r ei n v e s t i g a t e d t h em a t h e m a t i ci n e q u a l i t i e sb a s e do ns o m ep a r a m e t e r s s u c ha ss e q u e n c el e n g t h ，t h en u m b e ro fs e q u e n c e s ，m a x i m a lp e r i o d i c a p e r i o d i c p a r t i a l a u t o c o r r e l a t i o ns i d e l o b ea n dm a x i m a l p e r i o d i c a p e r i o d i cp a r t i a l c r o s s c o r r e l a t i o na r ed e r i v e d t h eb o u n d sa r et h e ng e n e r a l i z e dt ot h o s eo fn o r m a l c o m p l e xr o o t so fu n i t ys e q u e n c e s i th a sb e e np r o v e dt h a tt h en e wb o u n d si n c l u d e t h ee x i s t i n gb o u n d so ng os e q u e n c e s ，s u c ha st a n g - f a nb o u n d sa n dp e n g - f a n b o u n d s ，a n dt h ee x i s t i n gb o u n d so nn o r m a ls e q u e n c e ss u c ha sp a t e r s o nb o u n d s ， s a r w a t eb o u n d sa n dw e l c hb o u n d s ，a ss p e c i a lc a s e s b a s e do nz c o m p l e m e n t a r yc o d e s t h e0 v s f z c zc o d e sw h i c hn o to n l yh a v e o r t h o g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o rp r o p e r t yb u ta l s oh a v ez c zp r o p e r t y a r e c o n s t r u c t e d g e n e r a l i z e dp a i r w i s ez c o m p l e m e n t a r y ( g p z ) c o d e sw h i c hc a nb e c o m b i n e dw i t hq u a d r a t i cp h a s es h i f tk e y i n g ( q p s k ) a r ec o n s t r u c t e d t h ec o r r e l a t i o n p r o p e r t i e s o fo v s f z c zc o d e sa n dg p zc o d e sa r e i n v e s t i g a t e d i nd e t a i l f u r t h e r m o r e ，ac o n s t r u c t i o no fg os i g n a t u r ew a v e f o r m sc a l l e d g p z c h i p w a v e f o r m sa r ep r o p o s e db a s e do ng p zc o d e sa n dd i f f e r e n tw a v e f o l - m s ，a n dt h e p r o p e r t i e so fg p z c h i pw a v e f o r n l sa r ed i s c u s s e da sw e l l t w om u l t i r a t es i n g l ec e l lq s c d m a s y s t e mm o d e l sa r ep r o p o s e d o n ei sb a s e do n t h eb i n a r yp h a s e ds h i f tk e y i n g ( b p s k ) m o d u l a t i o na n dv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r 第1 v 页西南交通大学博士研究生学位论文 s p r e a d i n gt e c h n i q u e ；t h e o t h e ri sb a s e do nq p s km o d u l a t i o na n dm u l t i c o d e t e c h n i q u e t h eo v s f - z c zc o d e sa r ea p p l i e d t ot h ef i r s tm u l t i r a t eq s c d m a s y s t e mm o d e la n dt h ec o r r e s p o n d i n gb i te r r o rr a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mp e r f o r m a n c e c a nb e i m p r o v e d s i g n i f i c a n t l yc o m p a r e dt ot h o s es y s t e m se m p l o y i n go v s fc o d e so rz c zs e q u e n c e s ， d u et ot h ef a c tt h a tt h em u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ec a nb er e d u c e dd r a m a t i c a l l y t h e g p z - c h i pw a v e f o r m sa r ea p p l i e di n t ot h es e c o n dm u l t i r a t eq s - - c d m as y s t e m m o d e la n dt h eb e rp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e p e r f o r m a n c ec a nb ei m p r o v e dv e r ym u c hc o m p a r e dt ot h o s eo fs y s t e me m p l o y i n g t h ec o n c a t e n a t e dw h ms e q u e n c e sw i t hr e c t a n g u l a rc h i pw a v e f o r m ，d u et ot h ef a c t t h a tt h em u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ec a nb es i g n i f i c a n t l yr e d u c e do re v e ne l i m i n a t e d b a s e do ng e n e r a l i z e d l o o s e l ys y n c h r o n o u s ( g l s ) s e q u e n c es e t s ，t h eg o s s e q u e n c es e t sw h o s ec o r r e l a t i o np r o p e r t i e sa r es i m i l a rt ot h o s eo fg l ss e q u e n c es e t s a r ec o n s t r u c t e d f u r t h e r m o r e ，g ls c h i pw a v e f o r m s an e wc o n s t r u c t i o no fg 0 w a v e f o r m s a r ei n v e s t i g a t e db a s e do ng l ss e q u e n c e sa n dd i f f e r e n tc h i pw a v e f o r m s t h ec o r r e l a t i o np r o p e r t i e so ft h eg l s c h i pw a v e f o r n l sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l b o t h t h eg o ss e q u e n c es e t sa n dt h eg l s c h i pw a v e f o r m sc a nb ea p p l i e dt ot h em u l t i r a t e m u l t i c e l lq s c d m as y s t e m s t w om u l t i r a t em u l t i c e l lq s c d m as y s t e mm o d e l sa r et h e np r o p o s e d w h e nt h e g o ss e q u e n c es e t sa n dg l s c h i pw a v e f o r m sa r ea p p l i e dt ot h e s es y s t e mm o d e l s ， t h e c o r r e s p o n d i n g i n t e r f e r e n c e sa n db e rp e r f o r m a n c e sa r e i n v e s t i g a t e d a n d a n a l y z e d t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a p a c i t yc a nb ei m p r o v e d c o m p a r e dw i t ht h a to ft h es y s t e m se m p l o y i n gg l ss e q u e n c e s ( w a v e f o r m s ) ，i ti s b e c a u s eb o t h o ft h ea c ia n dm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ec a nb er e d u c e dm u c ho r e 】i m i n a t e d k e y w o r d s ：g e n e r a l i z e do r t h o g o n a l i t y , p a r t i a lc o r r e l a t i o n ，o v s f z c zc o d e ， g p z - c h i pw a v e f o r m ，g l s - c h i pw a v e f o r m ，m u l t i r a t ec d m as y s t e m 西南交通大学博士研究生学位论文第1x 页 图表索引 图1 1d s c d m a 系统发射接收机图4 图3 1 具有z c z 相关特性的o v s f 码树结构4 0 图3 2g p z 码“l 的非周期自相关函数4 6 图3 3g p z 码u l 和沈的非周期互相关函数4 7 图3 4g p z 码“l 的周期自相关函数4 8 图3 5g p z 码u l 和“2 的周期互相关函数4 9 图4 1 系统模型i 的发射机与信道模型一5 6 图4 2o v s f 码树结构6 0 图4 3 具有三种速率的q s c d m a 系统的b e r 性能比较6 2 图4 4 系统模型i i 的发射机及信道模型6 3 图4 5 系统模型i i 的r a k e 接收机模型6 5 图4 - 6q s c d m a 系统b e r 性能比较6 9 图6 1多小区蜂窝环境8 2 图6 2 系统模型i i i 的发射机与信道模型8 2 图6 3 系统模型i i i 的b e r 性能8 8 图6 4 系统模型i v 的发射机与信道模型8 9 图6 5 系统模型i v 的r a k e 接收机模型8 9 图6 - 6 采用g l s c h i p 波形和串联w h m 序列集的系统b e r 性能9 4 表3 1o v s f 。z c z 码的参数4 2 表3 2g p c 码和g p z 码的参数比较4 9 表4 1 扩展码的分配方案6 1 表4 2 具有三种数据速率的q s c d m a 系统的平均m a i 值6 1 表4 3w t c 和p + 值6 8 第x 页西南交通大学博士研究生学位论文 表6 - 17 = 2 及4 时e 瞻】的取值8 7 西南交通大学博士研究生学位论文第xl 页 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：占错 日期：9 了年多月77 曰 指导教师签名： 日期：游厂月7 日 西南交通大学曲陶父逋大字 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工 作所取得成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集 体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作过贡献的个人和集体，均已 在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 对于广义正交单位复根扩频序列集，建立了其序列长度、序列数目、最大 周期非周期部分自相关边峰值和最大周期非周期部分互相关值等参数所 满足的一些数学不等式。证明了已有的关于广义正交序列的t a n g f a n 界、 p e n g f a n 界，关于常规序列的s a r w a t e 界、w e l c h 界、l e v e n s h t e i n 界只是本 文新理论界的特殊情况。并将该新界推广到常规单位复根扩频序列集的周 期和非周期部分相关函数理论界。( 第2 章) 2 构造了在扩频因子可变的情况下仍具有零相关区特性的o v s f z c z 码，分 析了o v s f z c z 码的相关特性，同时研究了o v s f z c z 码的构造码树，提 出了一种采用可变扩频因子方案实现多数据速率的多速率单小区 q s c d m a 系统模型，对系统干扰及b e r 性能进行了分析，分析及仿真结 果均表明，采用o v s f z c z 码的系统性能既优于采用o v s f 码的系统性能， 又优于采用零相关区序列的系统性能。( 第3 ，4 章) 3 构造了可与q p s k 调制方式结合应用并具有广义正交特性的g p z 码；基于 g p z 码，本文还设计了一种g p z c h i p 波形，它具有如下相关特性：不同 波形集的两个波形间的相关值在零时延附近为零；同一波形集内的两个波 形间的相关值取决于所选取的c h i p 波形集的相关参数。基于g p z c h i p 波 形，提出了一种采用多码方案实现多数据速率的多速率单小区q s c d m a 系统模型，对系统干扰及b e r 性能进行了分析，分析及仿真结果表明，采 用g p z c h i p 波形的系统性能优于采用串联w h m 序列集与矩形波形的系 统性能。( 第3 ，4 章) 4 构造了一类新型g o s 序列集，该序列集具有如下相关特性：不同序列集的 两个序列间的相关值在零时延附近除部分时延外均为零；同一序列集内不 同子序列集的两个序列间的相关值在零时延附近均为零；同一序列集内同 一子序列集的两个序列正交。提出了一种多速率多小区q s c d m a 系统模 型，分析了系统干扰及b e r 性能，分析和仿真结果均表明，采用g o s 序 列集的系统性能优于优于传统的采用串联w h m 序列集的系统性能。( 第 5 ，6 章) 5 基于已有的g l s 序列集，设计了一种g l s c h i p 波形集，该波形集具有如 下相关特性：不同波形集的两个波形间的相关值在零时延附近( 零时延除 外) 为零，零时延处的相关值有最大值限制；同一波形集内不同子波形集 的两个波形间的相关值在零时延附近为零；同一波形集内同一子波形集的 两个波形间的相关值取决于所选取的c h i p 波形集的相关参数。基于 g l s c h i p 波形集，提出了一种多速率多小区q s c d m a 系统模型，分析了 系统干扰及b e r 性能，分析和仿真结果均表明，采用g l s c h i p 波形集的 系统性能优于采用串联w h m 序列集与矩形波形的系统性能。( 第5 ，6 童) 学位做作者虢j 雪舻 日期：加口孚年 月 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 扩频通信与码分多址技术概述 扩展频谱通信( s s c ：s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) 简称为扩频通信。 扩频通信系统是指发送的信息被展宽到一个很宽的频带上，这一频带比要发送 的信息带宽宽得多，在接收端通过相干接收，将信号恢复到信息带宽的一种通 信系统。扩频通信具有以下特点：抗干扰能力强；可进行多址通信；安全保密 性好；抗衰落、抗多径能力强：数模兼容等【l ，2 1 。 扩频通信系统占用了很宽的频带，如果让许多用户共用这些频带，就可大 大提高频带的利用率。这种允许不同用户同时共享有限的无线频带的方式称为 多址接入( m a ：m u l t i p l ea c c e s s ) 技术。 基本的多址技术有三种，频分多址( f d m a ：f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 、时分多址( t d m a ：t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 和码分多址( c d m a ： c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 。 在f d m a 系统中，通信系统的总频段被划分为若干等间隔的频分信道，这 些信道分配给不同用户使用以实现多址通信 3 】。为了保证用户信号之间彼此正 交，各个频分信道占用频带应该互不重叠，因此频道之间通常需要插入保护频 带。1 9 7 6 年日本提出的“陆上移动电话系统( l m t s ) ”、1 9 7 9 年美国研制成功的 “先进移动电话业务( a m p s ) 以及1 9 8 3 年英国制定的“全接入通信系统 ( t a c s ) ”等均属于基于f d m a 多址技术制定的蜂窝移动通信标准，信道带宽 从2 5 k h z 3 0 k h z 。 在t d m a 系统中，各个用户使用频谱的时间是按照时隙分配的，在每个时 隙中只有一个用户允许发射或者接收”j 。为了保证用户信号之间彼此正交，需 要在数据时隙之间插入保护时隙。由于t d m a 系统更适合于数字信号的传输而 迅速显示出良好的应用前景，但t d m a 系统需要用户信号严格同步，故常与 f d m a 方式结合使用以降低同步设备的复杂度。8 0 年代中后期欧洲率先提出的 g s m 数字移动通信系统迅速商用；随后美国、日本也提出了自己的数字系统， 如i s 13 6 、p d c ( 个人数字蜂窝) 等。这些标准都是以时分多址技术为基础的， 信道带宽从2 5 k h z - - 一2 0 0 k h z 。 上述两种多址方式都属于窄带多址方式，与之相对应的是采用扩频通信技 术的c d m a 系统。如果保护频带或者保护时隙足够宽，则上述两种系统都可以 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 最多容纳个没有干扰的用户，其中为总频带宽度与单个用户信号占据频带 宽度之比。对于f d m a 系统，单个用户信号带宽即为信道带宽；而对于t d m a 系统而言，由于若干个用户以时分方式共享一个频分信道，因此每个用户占据 的带宽应该为频分信道带宽除以共享该信道的用户个数。 在c d m a 系统中，信道的划分是通过特征地址码来实现的【4 。6 】，它给每个 用户分配一个扩频序列，这些序列将用户信号变换成宽带扩展频谱信号( 简称 扩频信号) 。扩频信号是一个伪随机序列，此码片速率比消息中的数据速率高 若干数量级。每一个用户都有自己的伪随机序列，并且与其他用户的伪随机序 列几乎是正交的。因此，每个用户可以占用系统提供的所有频带和时隙进行通 信，而通过分配的伪随机序列进行扩频和实现多址传输【4 ，6 。在接收端，信号经 接收机用相同的序列将宽带信号再变换成原来的带宽。其他用户的宽带信号仍 然是宽带信号。它所使用的伪随机序列称为直接扩频序列，简称为扩频序列 ( s p r e a d i n gs e q u e n c e ) ，或扩频码( s c ：s p r e a d i n gc o d e ) 。 除了f d m a 、t d m a 和c d m a 外，尚有正交频分多路( o f d m a ) ，一种 特殊的多载波系统；还有空分多址( s d m a ) ，它用波束形成技术，把空间划 分以获得多址能力【3 j 。 c d m a 通信系统与采用传统f d m a 、t d m a 等无线多址技术的通信系统 相比，具有抗干扰性强、抗多径、保密性好、软容量和软越区切换等一系列优 点【4 ，6 ，7 1 。 c d m a 技术在二十世纪4 0 年代开始用于军事通信，n 7 0 年代末期开始用 于蜂窝移动通信和卫星通信系统。8 0 年代q u a l c o m m 公司把直接序列码分多址 ( d s c d m a ) 技术用于蜂窝移动通信系统。1 9 9 3 年，美国电信工业协会t i a 确定的美国第二代蜂窝移动通信标准i s 9 5 采用了q u a l c o m m 公司制定的 c d m a 技术规范。l9 9 5 年，第一个c d m a 蜂窝移动通信系统在香港投入使用。 第三代( 3 g ) 移动通信系统采用了宽带d s c d m a 技术，它的核心网是在i s 9 5 核心网和g s m 核心网的基础上发展而来的。 根据到达接收端的多用户信号相对时延的大小，可以将c d m a 系统分为以 下三种类型：同步c d m a ( s c d m a ) 1 8 1 、准同步c d m a ( q s c d m a ) 9 - 1 2 、 异步c d m a ( a c d m a ) 4 1 。 在s c d m a 系统中，所有用户信号的比特数据到达接收端是精确同步的。 在a c d m a 系统中，各个用户随机接入，用户相对时延在整个比特周期内随 机分布。所以各个发射机之间不需要同步，使得设备简单，成本低。存在的缺 陷是用户间的多址干扰比较大，误码性能比s c d m a 差，容量受到系统干扰的 限制。q s c d m a 是近十年内提出的新技术，它是指到达接收端的用户信号之 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 间存在相对时延，但其最大值限制在一定的范围内f 9 】。q s c d m a 系统继承了 s c d m a 系统的优良性能，同时又不需要精确的用户间同步，降低了同步设备 的复杂性，因而越来越受到学者的重视，近年来成了通信领域的研究热点。 目前采用c d m a 方案的蜂窝移动通信标准的同步方式仍以s c d m a 和 a c d m a 为主。在i s 9 5 系统中，下行信道采用同步方式，上行信道采用非相 干异步方式。在c d m a 2 0 0 0 标准中，下行信道采用同步方式，上行信道采用相 干异步方式。在w c d m a 标准的下行信道中，来自同一基站的信号是同步的， 而不同基站之间采用异步方式，上行信道则采用相干异步方式。在t d s c d m a 标准中，下行信道和上行信道均采用s c d m a 方式。在t d l a s 标准中，上行 信道采用了q s c d m a 方式i l3 ，1 4 】。 在提交给i t u 的卫星r t t 候选方案中，多址技术以c d m a 为主，且下行 信道均采用s c d m a ，上行信道大多采用a c d m a 。在欧洲航空局提交的 s w - c t d m a 建议中，上行信道采用s - c d m a ，下行信道采用q s c d m a 。这是 q s c d m a 第一次出现在标准建议中，标志着q s c d m a 的研究进入到实用性 的阶段。 1 2 扩频序列概念、分类及其在c d m a 系统中的应用 c d m a 系统通常采取的扩频方式有两种【5 ，1 5 。7 】：一是直接序列扩频( d s ) 技术；另一种是跳频扩频( f h ) 技术。第三代移动通信系统一般采用前者，即 是d s c d m a 系统。图1 1 是一个简单的d s c d m a 系统。 d s c d m a 系统中，众多的用户工作在同一时间同一频段内，每个用户分 配了一个独特的扩频码或扩频序列。扩频序列是一种很窄的脉冲码序列，其码 速率很高。区分各个用户依靠各个扩频序列的自相关和互相关函数值，因此要 求扩频序列具有良好的自相关和互相关特性：另外，为实现同步、抗多径等要 求，扩频序列也应该具有优良的自相关特性【ls 悖】。 扩频序列按照相关特性分类，可分为正交序列、广义正交序列和伪随机序 列。正交序列集内所有序列间的互相关值在零位移处均为零，如传统的w a l s h 序列和正交可变扩频因子( o r t h o g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r ，o v s f ) ；广义正 交序列集内所有序列间的自相关旁瓣值和互相关值在零位移附近某区域内均为 零，如零相关区低相关区序列；伪随机序列集内所有序列间的相关值在整个周 期长度上呈不规律分布，如传统的m 序列。 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 基带 r f 扩频序列 ： 正弦载波 基带 一即- 严 判决变量 一幽丫 图1 1d s c d m a 系统发射接收机图 扩频序列按照包含的子码个数分类，可以分为多码和单码。多码即每个扩 频码由多个子码构成，如互补码；单码即子码个数为1 的扩频码，传统扩频码如 w a l s h ，p n 码等都属于单码范畴。 一般而言，c d m a 系统的干扰由四部分组成： 1 本地噪声； 2 码间干扰( i s i ) ； 3 多址干扰( m a i ) ，即小区内其他用户的干扰； 4 邻小区干扰( a c i ) ，邻小区间其他用户的干扰。 除了本地噪声外，其它三种干扰都可通过选择具有优良相关特性的扩频序 列予以降低甚至消除。序列集的相关特性越好，系统的干扰就越小。因此可以 选用具有优良相关特性的扩频序列，降低甚至消除后三种干扰，实现最大容量 的c d m a 系统。同时，扩频序列还被广泛应用于雷达、声纳、同步、信道估计 和均衡、通信保密、系统辩识、测试与测量、编码孔径成像等众多工程领域。 所以扩频序列设计涉及c d m a 通信系统核心问题，具有重要理论价值和广阔的 应用前景【1 8 之0 1 。扩频序列的研究包括扩频序列理论界的研究和扩频序列设计两 个方面。 扩频序列理论界的研究目的主要是寻找扩频序列集全部参数之间的约束关 系。扩频序列理论界对于扩频序列的设计具有重要的指导意义，它是判定扩频 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 序列性能优劣的标准。早期的理论界有w e l c h 界f 2 ，s a r w a t e 界 2 2 1 等。近期的 理论界有l e v e n s h t e i n 界【2 3 】，b o l a s 界等。 扩频序列的设计就是构造出满足d s c d m a 系统要求的扩频序列。有专家 认为，扩频通信技术的突破将依赖于扩频序列理论研究的突破。寻找性能优良 的扩频序列是通信界科技工作者的一项长期而艰巨的任务。 1 3 扩频序列研究现状、存在问题与目前趋势 扩频序列的研究始于二十世纪五十年代，开创性的工作是g o l o m b 2 5 】关于 m 序列特性的研究。目前扩频序列设计研究已经取得了丰硕的成果，m 序列【2 6 。、 w a l s h 序列【2 0 ，2 7 , 2 8 1 、o v s f 序列阻30 1 、g o l d 序列3 2 】等因其优良的相关性而 闻名。还有许多性能优良的序列，如g m w 序列【3 3 】、k a s a m i 序列【2 6 3 4 1 、互补 序列【2 0 ，3 0 , 3 5 瑚】、几乎最佳周期自相关序列【3 9 1 、零相关区序列( z c z 序列) 4 0 - 4 9 、 l a 序列隗5 、l s 序列等等。 理想情况下，c d m a 通信系统中使用的扩频序列集应具有如下相关特性： 1 每个扩频序列的自相关函数应该是一个冲激函数，即除零时延外，其值 应处处为零； 2 每对扩频序列的互相关函数值应该处处为零。 遗憾的是，已经证明具有这种理想相关特性的码集是不存在的。对于给定 的码周期与码字数目，一个码集最大自相关函数边峰值和最大互相关函数值不 可能同时为零，它们受到一些理论界的约束，j z l ：l w e l c h 界，s a r w a t e 界，l e v e n s h t e i n 界等。因为不存在理想扩频码，在实际系统中，只能选用具有良好相关特性的 扩频码，女i g o l d 码、k a s a m i 码等，所以多址干扰总是存在，并严重影响着系统 容量。 近年来，扩频码设计取得了重要突破，f a n 等人针对q s c d m a 系统，不 再要求扩频序列在整个周期内具有理想相关特性，只要求序列在同步误差范围 内具有理想相关特性，提出了零相关区( z e r oc o r r e l a t i o nz o n e ，简称z c z ) 及 低相关区( l o wc o r r e l a t i o nz o n e ，简称l c z ) 的概念【4 0 4 2 ，5 3 1 。z c z 扩频序列和 l c z 扩频序列统称为广义正交( g e n e r a l i z e do r t h o g o n a l i t y ，简称g o ) 直接扩 频序列。随着g o 扩频序列概念的引入，为扩频序列理论开辟了一个全新的研 究领域。 近几年来，关于g o 扩频序列的研究和采用g o 扩频序列的q s c d m a 系 统的研究异常活跃，大量的研究成果不断涌现出来，参见文献【4 0 舶，5 4 5 9 】等。 关于g o 扩频序列的理论界有t a n g f a n 界6 0 ，6 1 ) 【f