（通信与信息系统专业论文）扩频无线数字平台的研究与实现.pdf

埙士奄位j 隆文”，i ? 羹篓鬈j i 黧i i 嚣。蟊j 鞲等警鞭琴匿蓼萋黪警警! 受。j 藏要 摘要 随着科技的发展，未来通信的概念应该是“在任何时间， 任何地方都可以获得任何形式的信息”，通信系统要求能够提 供各种不同的业务。以及适应各种不同的运营环境。另一方 面，基于直接序列扩频的码分多址是未来移动通信中具有竞争 力的无线选址接入体制。二者相结合必然要求未来的通信系统 具有高度的灵活性、强大的处理能力以及可以接受的价格，雨 目前数字信号处理技术的发展表明，d s p 解_ 决方案正日益成为未 来通信系统的首选方案。 本文以欧洲先进通信研究( r a c e ) 计划提出的码分测试平 台( c o d i t ) 模型为基础，从理论上分析了基于c d m a 的第三代 移动通信系统的设计基础，并经过适当的简化，设计实现了由 数字信号处理芯片和可编程逻辑器件构成的扩频无线数字平 台， 本文首先结合所选题目分析了当前移动通信的发展状况以 及第三代移动通信系统的目标和要求，并结合c o d i t 平台的概 念，简要分析了c d m a 为基础的方案的优势；然后v l c o d i t 系, 统为范例较详细地分析了以c d m a 为基础的第三代移动通信系统 的设计思想。接下来详细介绍了我们设计实现的扩频无线数字 平台的硬件和软件构成，硬件部分主要包括各功能模块的具体 实现、关键部分的电路连接、时序分析等；软件部分主要介绍 了与d | ! p 有关的一些具有代表性的程序模块。最后总结了全文的 工作并结合目前的研究对第三代移动通信系统的发展和c d m a 方案在其中的应用作了讨论和展望。 关键词：第三代移动通信码分多址码分测试平台 数字信号处理 赧士毋佳论文 一j i 。+ _ 霉：一毒0 。a b s t r a c t 众1 3 s 工r a 耄，i i w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h ec o n c e p to f f u t u r ec o m m u n i c a t i o n sw i l lb et h a to n ec a r la c h i e v e a n y f o r m i n f o r m a t i o na ta n y t i m ea n di na n y w h e r e 1 1 1 ef u t u r ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ss h o u l dh a v eg r e a t l ye x p a n d e dr a n g es e r v i c ec a p a b i l i t i e sa n d c o v e rav e r yw i d er a n g eo fo p e r a t i n ge n v i r o n m e n t s ，o nt h eo t h e r h a n d c d n i as c h e m eb a s e d0 nd i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u mi sa c o m p e t i t i v eo n ei nt h e f u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e f u t u r ec o m m u n i c a t o rw i t ht h et w or e q u e s t sa b o v em u s th a v eh i 曲 f l e x i b i l i t y ，s t r o n gp r o c e s s i n gc a p a b i l i t ya n da c c e p t a b l ec o s t i no r d e r t os a r i s f yt h er e q u i r e m e n t s ，t h ed s ps o l u t i o nw i l li n c r e a s i n g l yb e t h e b e s tm 眈h o d + i nt h i sp a p e r ，b a s e d0 1 3 t h ec o d i tm o d e li n t r o d u c e db yr a c e ， ac d m a b a s e dt h i r d g e n e r a t i o nm o b i l er a d i os y s t e md e s i g ns c h e m e i s a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h e c o d i tm o d e li s s i m p l i f i e d a n da s p r e a ds p e c t r u m w i r e l e s sd i g i t a lp l a t f o r mb a s e do nd s pa n df p g ai s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d a tf i r s t ，t h es c e n a l j o o ft h e d e v e l o p m e n t o ft h em o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h er e q u i r e m e n to ft h et l l i r d g e n e r a t i o n s y s t e m a l ei n 仃o d u c e d t h e a d v a n t a g eo fc d m a - b a s e ds y s t e m i sa l s o i n t r o d u c e d l a t e r ，b a s e do n t h ec o d i t c o n c e p t ，a c d m a - b a s e dt h i r d g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e md e s i g n s c h e m ei s i n t r o d u c e di nb r i e fi ns u c c e s s i o n ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n o ft h e p l a t f o r m a l e p r e s e n t e d i n d e t a i l f i n a l l y , w e o u t l o o kt h e a p p l i c a t i o no f d s p i nf u t u r ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s k e y w o r d s ：t h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，c d m a ， c o d i t ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 2 硕士学位论文第一幸绪论 翦一章绪濂 随着科技的发展，未来通信的概念应该是“在任何时间，任 何地方都可以获得任何形式的信息”。通信系统要求能够提供各 种不同的业务，以及适应各种不同的运营环境”l6 - 9 1 0 计算机现 在正在成为人们日常生活、学习和工作中不可缺少的工具，便携 式计算机的迅猛发展使得人们对移动数据业务的要求迅速增长。 因特网的普及使交互式的多媒体“数据”业务( 将话音、文本、 图形、图像等业务综合在一起) 在未来的通信系统中占有重要的 地位。要实现在任何时候、任何地点通过一个移动终端提供多样 化的移动业务，未来的通信系统必须具有高度的灵活性、强大的 处理能力以及可以接受的价格。而目前数字信号处理( 三) 彬阳f s i g n a lp ，d c b 婚m g d 妒) 技术的发展表明，d s p 解决方案正日 益成为未来通信系统的首选方案”“”1 “”1 。另一方面，基于直接 序列扩频的码分多址( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e 爿c c b 嚣c 踟倒) 是未来移动通信中具有竞争力的无线选址接入体制，它可以提供 令人关注的特性，如高灵活性、高( 软) 容量、易频率规划和抗 干扰等9 5 ”。本文的主要内容就是结合v a _ e 的趋势， c o d i t 为模型，对无线扩频数字平台进行了理论的探讨和初步的实验研 究。在本章中，我们结合题目分析了当前移动通信的发展现状以 及第三代移动通信系统的目标和要求，并简单分析了c d m a 为 基础的方案的优势和不足。 1 - 1 背景 目前的无线通信系统有很多种，各个系统都是针对一种或几 种特定的业务设计的1 。例如现有的陆地移动通信系统( 无论是 以a m p s ，t a c s 等为代表的第一代模拟系统，还是以g 跗、i s 一5 4 以及i s - 9 5 等为代表的第二代数字系统) 主要是为语音业务设计 第1 页 硕士学位论文 摹一幸绪论 的。尽管这些网络也有传输数据的能力，但远远无法满足现代社 会的要求。 此外还有寻呼、无绳电话、移动数据、无线局域网等网络提 供的服务，它们与已经投入和正在计划运营的移动卫星业务，分 别工作于不同的无线网络，使得移动用户在设备的选择上十分复 杂，用户无法用一个终端来实现多种业务。现在虽然已经有工作 在多模式、多频段的移动终端能够将上面提到的部分业务联系起 来但尚不能达到在任何时候、任何地点通过一个移动终端提供 多样化的移动业务”。 计算机现在正在成为人们日常生活、学习和工作中不可缺少 的工具，便携式计算机的迅猛发展使得人们对移动数据业务的要 求迅速增长。因特网的普及使交互式的多媒体“数据”业务( 将 话音、文本、图形、图像等业务综合在一起) 在未来的通信系统 中占有重要的地位。要实现上述业务的高质量传输，靠现有的无 线通信系统是难以达到的。 随着舔d 网络的商业化，人们要求移动通信具备固定网络的 高质量、宽带特点，蜂窝网将向综合业务数字网方向发展，信息 传输速率达到1 4 4 k b s ，甚至2 m b s 。这意味着即将到来的更为完 善的第三代移动通信的蜂窝网，必然要达到宽带化、多媒体和构 嫂f s d n 的目标。 1 - 2 第三代移动通信系统的目标和要求 第三代移动通信系统的要求是使用户能够用体积小、重量 轻、便于携带的终端在任何时候、任何地点进行人与人之间、人 机之间及机器和机器之间的通信。为了达到这些目标，在技术上 必须： 通过一系列的终端的无线接口的标准化，住终端在任何环 境下能够提供各种业务。 目前可以看到的一些第三代移动通信系统支持的业务有： 第2 页 硕士季位论文摹一章绪论 话音、遥测、寻呼、运动图形( 图象) 及多媒体业务等。 能够提供电路交换和分组交换。采用0 s 1 的分层模型。除 基本业务外，还应提供许多附加业务。支持面向连接的业务、无 连接的业务及广播业务。用户能够依靠传输环境和用户业务请求 改变其传输速率。 系统提供大容量。 便携终端。 终端可以工作在静止、缓慢移动和高速运动等状态。 支持不同的业务提供者。对于同一区域内共存的多个运营 者，无需进行频谱分裂。 无缝切换。 支持混合小区结构。 图1 1 第三代移动通信系统的运营环境 图1 1 描述了第三代移动通信系统的运营环境，从有很大容量 的室内微微区( p i c oc e l l ) 到微区( m i c r oc e l l ) 到很大覆盖范围 的宏区( m a c r oc e l l ) 及卫星。而所提供的业务也是从最简单的消 息到话音、多媒体，接入的终端从基本终端到个人数字助理终端 ( p d a ) 直到音频，视频终端。同时支持在不同区域及同一区域内 不同网络所有者之间的越区切换和漫游。 第3 页 硕士学往静文肇一幸噜论 1 - 3 c d m a 数字蜂窝移动通信现状及前景 移动通信系统按用途、频段、入网方式、割式等不同可有不 同的分类方法。如果按多址连接方式来分，可以分为频分多址 ( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 等，具体 选用哪一种多址通信技术影响到系统的频谱效率、系统容燕、小 区结构、设备复杂程度及成本等诸多因素。c d m a 由于具有容量 大、系统配置简单、保密佳好、发射功率小等优点，使其在移动 通信领域得到极为重要的应用。 c d m a 从多个方面表现出它无与伦比的优越往，最后集中体 现在容量和服务质量上： 系统容量可从两个方面送行考虑。是单令小区斡容量。 它是实现系统大容量的先决条件，并可通过采用更有效的 多址技术、编码技术及调制方案来实现。c d m a 系统与 g s m 等其它系统的最大不同在于其有对干扰的平均作用， 它能针对干扰的平均值而非最坏情况进行设计。c d m a 通 过减少自身干扰来增加系统容量的其它一些措施包括：功 率控制、可变速率编码、扇区划分、多径分集接收等。限 制小区容量的条件有可甩频谱以及共信遭干扰等因素，从 一些商用系统来看，c d m a 在单个小区容量上已经 t a m p s 和g m 织芜越。 对运营者来说，他们更关心网络容量，希望在一个更大的 区域内能支持尽可能多的用户，c d m a 在这方面具有相当的 灵活性，它可将一小区的容量减小以增加另一小区的容 量，即所谓的“呼吸”功能，同时还能在容量与话音质置 间进行折中i 以根据业务负载情况调整话音质燕，这同样 可以提高系统容量。 用户讲话对实际上是提供台勺一些突发信息，多年前贝尔实 验室的测量就表明自然讲话中只有3 5 - 4 0 的有效因子， c d m a 采用了先进的可变速率声码器，对于典型鸽通话情 第4 页 矩士学往论文蓄一幸砖论 况，平均数据速率比最高数据速率差不多可以下降两倍甚 至更多，通过c d m a 内在的干扰平均能力，此处功率的减小 可以增加系统容量，同时也尽量保持了合成后语音与原始 语音之间的一致，从实际效果来看，c d m a 中使用8 k b p s 编 码速率的语音音质已优于岛m 系统中使用1 3 2 k b p s 编码速率 的语音音质。 c d m a 可以采用多种分集方式大大降低了对衰落的敏感程 度，软切换技术又降低了掉话的可能性，有利于提供数据通 信业务。 c d m a 自e j 功率控制使其可以始终工作在最小功率发射状态， 由此而引起的好处包括更长的待机时间、更小的高频生物效 应等。 鉴权、数字格式、宽带信令等通话保护措施，可提供最大限 度的保密特性，保护用户的利益不被侵犯。 在基站及手机成本增加不多的情况下，由于容量的增加，分 配到每个用户的成本将会减少。 c d m a 双模式或三模式手机可在全国任何有同频段蜂窝系统 覆盖的地方使用，提高了它的使用价值。 到且前为止，c d m a 还存在如下不是： 技术上有待成熟，标准需进步完善。 需使用g 用憾号提供基站同步，使之更难集成到系统中，部 分失掉了国家主权。 不同载频之间不自 进行软切换。 当c d m a 与g s m ：y c - j 争夺第二代数字蜂窝系统的市场分额搞得 热火朝天时，第三代数字蜂窝通信系统已被提上议事日程，如果 沈现在g s m 在：市场占有率上还占优势的话大势看来第三代数字 蜂窝移动通信系统会更青睐基于c d m a 技术的系统。 下一代增强型的c d m a 系统主要将在保持甚前嚣- 鲐优秀音质 的基础上提供宽带服务，从而提供无线多媒体传输能力，如高速 数据传输、视频会议、因特网接入等。具体实现起来可有多载 第5 页 h 士学位论文摹一幸绪论 波、宽载波方式等，其中一些需考虑的因素有容量、翻下魏奋、 多径衰落影响、信道正交性、系统复杂程度及效率等。 其它已经或正在采取的措施包括使用基于a t m 技术的交换 机、用高速d s p 技术实现软件无线电、研制高动态范围的线性功 放，在手机中实现双模、双频段、双谐振天线、多模软件调试解 调、处理器中置入j a v a 语言内核以增加网络安全及智能化程度 等。 1 - 4 本文的主要内容和结构安排 本文内容紧密结合科研实际情况，并考虑了国内外的相关 研究情况以及各种条件的限制。对以c d m a 为基础的第三代移动 通信系统的设计思想做了理论上的分析。并结合c o d i t 的概念， 对该模型进行适当的简化，完成了直扩无线平台的设计和实验工 作，本文在结构上安排如下： 第一章为本绪论，结合所选题目分析了当前移动通信的发 展现状以及第三代移动通信的目标和要求，著对c d m a 数字蜂窝 移动通信现状及前景做了分析。 第二章主要结合c o d t t 澳 试平台从理论上分析了以c d m a 为 基础的第三代移动通信系统设计时的一些基本考虑。2 l 为系 统概述，分析了其系统结构，包括多速率无线接口、可变速率传 输的概念以及逻辑信道和物理信道的划分。2 - 2 详细分析了系 统的传输方案，主要内容包括语音和数据的编码、交织、复用、 扩频、调制等一系列的过程，2 - 3 为码分测试平台描述，介绍 t c o d i i i n 试平台功能和平台工作原理。 第三章为本文的重点，结合c d m a 在第三代移动通信系统中 的应用研究，对c o d i t t ( 奠型进行了简化，建立了一套以d s p 为核 心的扩频通信实验系统。3 - 1 介绍了试验系统的组成原理及功 能结构，包括d s p 芯片的选择、芯片的结构和特点。3 2 详细介 绍r 实验系统的软硬件设计。硬件部分主要包括各功能模块的具 第6 页 j 置士学位论文鼍一幸谙论 体实现、关键部分的电路连接、对序分析等：软件部分丰妥介鲻 了与d 印有关的一些具有代表性的程序模块。3 - 3 分析了试验系 统的不足之处。并对其进一步的完善提出了设想。 第四章总结了全文，并结合目前的研究，对第三代移动通信 系统的发展和c d m a 方式在其中的应用作了展望和进一步的讨 论。 第7 页 埙士学位论文 ，参二章基于c d m a 曲摹王代穆嘞适健量钝谩钟j i 宪 貉三誊基子固斛埝触嚣曼稳圆勃鸯露 暴翁键爱阉院 第三代蜂窝移动通信与第一、二代蜂窝移动通信相比，主 要有下述特点： 在多种电信终端和混合蜂窝小区环境下支持多种电信业 务： 高效灵活的无线电频谱资源管理 支持系统更高层次的技术更新； 满足不同用户对电信质量的要求，尤其对长途话音质量 提出核心指标要求。 从技术上看，空中接口体制的选择是通向第三代蜂窝移动 通信的主要里程碑。欧洲先进通信研究开发组织r a c e 把t d m a 和c d m a 作为空中接入的技术标准，而北美和日本瞄准c d m a 。 可以说，c d m a 是未来移动通信中具有竞争力的无线选址接入体 制。它可以提供令人关注的特性，如高灵活性、高又软容量、 易频率规划、抗干扰等。 为了评估c d m a 为基础的通信系统性能，可以采用理论分 析、系统仿真和样机测试三种方法。理论分丰厅可以绘出系统的 理论性能极限，但其结论是在一定假设和简化前提下推导出来 的；系统仿真往往是既困难又费时，丽真正评估系统性能。有 必要研制样机进行现场试验，可是研制完整通信系统后再进行 评估又不可能。这样，就有必要研制实时码分测试平台c o d i t ( c o d e d i v i s i o nt e s t b e d ) 来用于c d m a 通信系统的评估。c o d i t 主要用于在c d m a 基础上开发先进系统概念和评估c d m a 系统性 能及特性5 ”。 c o d z r - 司z 提供”j ： 实时速率为1 4 4 k b s ，误码率为l 口6 的i s d n2 b + d 数据： 第8 页 埙士学位话文 摹二幸t 4 - a m “峙：摹王代碍动噩佳l 统坂计j i 宽 力 可变速率长途质量话音； 支持可变比特速率业务； 支持混合小区( 宏区、微区、微微区) 蜂窝结构通信能 2 - 1 系统概述 2 - 1 1 开放的多速率无线接口概念 第三代移动通信系统的无线接口应具有适应多种业务的能 力，这些业务的信息速率可以从几k b s 一直至l j 2 m b s 。第三代系 统要有多种运营环境，考虑频率积无线资源的管理问题，很踢 显仅使用单一的射频信道带宽是很难满足要求的。这一点对于 高信息速率的业务来说尤其明显，因为即使对高信息速率使用 中等的扩频系数也会造成没有足够的射频信道带宽可以提供。 c d m a 系统要实现开放的灵活的无线接口，就不能采用单带 宽系统，而要使用具有多个射频信道带宽的系统。在c o d i t 平 台中，使用了异步直接序列( 脚) c d m a 技术，有三种不同的 切普速率，它们是：k l = l ，0 2 3 m c h i p s s ，f 5 1 1 5 m c h i p s s ，k ， 2 2 0 4 6 m c h i p s s ，速率。和r ：在平台中得到了实现。三种切普速 率对应于三个不同的射频信道带宽，分别是1 、5 和2 0 m h z ，可 以分别称为窄带、中带和宽带射频信道。物理层使用通用的传 输方案，如信道编码、交织、扩频等技术，将每一种信息比特 速率r 映射到上面三种切普速率的至少一种上。对于不同的业 务，传输方案中的参数( 如编码速率、交织深度、扩频因子、 发射功率等) 都是可以调整的。以适应不同业务类型的要求。 显然，根据不同的信息比特速率，编码和扩频因子k 氏， 也就是传输方案所能获得的编码和扩频增益是不同的。如果给 定了射频带宽，或者等效地说给定了最大切普速率那么信息 第9 页 硕士毋住论文摹二章基_ 亍c d m a 摹王代穆动噩f l i 毙镘计j l 究 比特的速率越高，系统所能体现的c d m a 的性能将越不明显。 多速率雎a ) 纠无线接m x c 应t - 多运营环境的情况，许多 独立的网络运营者将在同一地理区域共存，而又同时向不同的 用户群提供不同的电信业务。如图2 1 所示。四种不同的网络 z u m h z 图2 1 不同网络的频谱分配和使用 ( 频分复用系统) 的频谱分配和利用。每个网络运营者，根据 其业务类型及频谱需求，可以分配1 、5 或2 0 m h z 的不同频谱， 也可以是多个相同或不同的组合。一个中带或宽带( 5 或 2 0 m h z ) 的射频信道可以静态或动态地划分为多个窄带信道， 这就如图2 1 中的网络l 所示。在一定程度上，窄带、中带和宽带 射频信道甚至可以相互重叠，如网络1 和4 。 另一方面，低比特率的业务( 如话音) 可以在窄带或中带 信道中实现。两1 m t - l z 可以是只提供话音业务的移动电话系统的 第l o 页 硕士曩佳话文一一、”摹三章捌i g d “皤摹王代移嘞t 往重矗粳斟碍究 标准射频带宽，对于想提供较高业务级戳( 通过充分秘弼多径 分集) 的运营者来说，可以选择5 m h z 的射频带宽，它可咀充分 发挥c d m a 自身的优势，如单小区区群等。高速率业务( 6 4 k b s 以上) 要求射频信道使用5 或2 0 m h z 带宽。 网络运营者对无线资源的管理是依赖于所安排的带宽和该 频段的干扰估计，而不是像传统的，d 配4 和t d m a 系统中使用的 固定的频隙或时隙。比特速率和特定业务所要求的性能越高， 该连接所要使用的无线资源( 带宽乘以功率谱密度) 数量越 大，参见图2 ，l 。因为对于给定的频段，干扰估计并不是非常严 格，所以系统具有软容量，特别是对c d m a 系统。第三代c d m a 系统中软容量性能主要体现在相邻频段提供不同业务的情况。 2 - 1 2 可变速率传输原理 d s - c d m a 系统已经证明能够适合于支持可变速率业务，例 如语音，其频谱效率也较高。可变比特速率传输通常需要提供 指示瞬时符号速率的控制信息。 为了以固定的时间间隔传送控制信息，所有物理信道都采 用等长的帧格式，称作c d m a 帧。每帧携带整数位切普数瓤整数 位信息比特数，把每帧中的信息比特数定义为一个物理分组。 在c o d i t 实验系统中，帧长度为l o m s ，这种选择既考虑了足够 程度的数据速率的灵活性，同时又要使传输延迟保持在各种业 务所能接受的程度。 对应于上述的帧结构，在每一个c d m a 帧中，专门有一条物 理信道来传输比特率控制信息。携带数据和控制信息的物理信 道定义为物理数据信道( p d c h ) 和物理控制信道( p c c h ) 。 物理控制信道的扩频码和扩频因子在接收端是预先知道的。 可变速率传输可以用来减轻对其它用户的干扰。因为切普 速率是恒定的，信息比特速率低的可以获得较高的扩频系数， 第1 1 页 嘎士毋，位静文、摹二幸_ 舂亍c d m 粕蕾j e 代移动噩馆i 眈证什唧究 从而可以使用较低的发射功率。图2 2 所示就是一个最大速率为 1 6 k b s 数据流采用可变比特速率传输的例子。 1 6 k b s l l 口i 口| 图2 2 可变比特率传输 可变比特速率传输的原理也可以应用于面向连接的分组传 送。携带用户信息的业务信道在两个分组发送的间隔期间，连 接仍然可以通 r 7 _ p c c h n 道保持，以跟踪信道的变化和同步，完 成闭环功率控制以及检测信道连接私作出切换判决。 2 - 1 - 3 逻辑信道组成 在蜂窝移动通信系统中。无线接口上有多条逻辑信道与物 理信道相对应。在c o d i t 概念中，我们将其分为专用信道、通 甲甲l通尸控r 信道l 霉统控制乍道 ll d c c hb c hp c ha g c hr a c hp c hs c h l 丁il i fj llii p d c hp c c h 长码 长码短码短码短码 长码 长码2 4 l 一12 4 1 - l1 2 71 0 2 31 0 2 3 2 4k l2 1 - l 物理信道 t c h ：业务信道p i c h ：导频信道 s c h ：同步信道b c h ：广播信道 p c h ：寻呼信道a g c h 接入允许信道 p d c h ：物理数据信道p c c i t 物理控制信道 r a c h ：选址接入信道d c c h 专用控制信道 图2 ，3 逻辑信道结构 第1 2 页 疆士季硅谚雠：譬薄翰豢鬻昝；羞节日垂蛳节爹程觏擞谨l 漉毂计j i 宪 -_-_一roll i i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 用控制信道和系统控制信道三类，如图2 3 所示。这些逻辑信道 以及它们所对应的物理信道将在后面详细介绍。每条物理信道 可以用三个参数来表示：切普速率r 。射频信道( 载波e ) 以及 直接序列的扩频码。 专劈绔遘? 专用信道是在建立连接时唯一地分配给某个特 定的移动台与基站链路( 上行或下行) 的。专用信道又可分为 业务信道( t c h ) 和专用控制信道( d c c h ) 。 业务信道携带要通过无线接口传送的用户数据，例如：编 码的语音信号、图象或数据。在c o d i t 系统中比特速率为0 1 4 4 k b s ，并且可以每帧变化，具体可参看上- d , 节。 专用控制信道携带所有第二、三层的控制信息，在移动台 和基站间传递控毒q 信息( 连接控制、移动控制、无线链路控 制) 。c d m a 无线接口的可变速率传输能力使d “w 信道非常灵 活。例如在0 9 6 k b s 范围内，它就可以替代第二代系统中使用的 一系列不同快慢的控制信道。 遵胎励j 每迸? 广播信道( b c h ) 、寻呼信道( p c h ) 和 接入允许信道( a g c h ) 都属于通用控制信道，它们只应用与对 移动台的下行连接中。这些信道用来广播无线小区或网络的特 定信息、传递寻呼、接入允许等控制信息。使用可变的复帧结 构b c h 、p c h 、a g c h 可以灵活地复用或组合成物理的下行信 道，其扩频码采用每个基站独有的长用v 码。 在c o d i t 钡j 试平台中，还提出了一种方法，使用一条专门 的信道来作为4 g 凹。这条信道仅在移动台进行接入尝试时使 用，并且作为向移动台返回闭环功率控制信息使用。 上行链路中唯一的通用控制信道是接入信道( r a c h ) 。它 用来初始化移动台接入系统。移动台发送一个特定的朋凹信 号在传送冗彳( 疆信息时，快速闭环功率控制被激活。功率控制 命令是通j 蓝a g c h 传送的。在口c 中广播用于删c h 的短尸码 ( 长度为1 2 7 的g o m 码) 。短码可以使基站很容易、快速地与接 入信号建立同步。 第1 3 页 硕士学位论文摹二幸基于a 孙弛节置代移动通f t l 吨越钟碍宪 系纺拦彩7 等若二下行链路中有两条系统控制信道，它们 是：导频信道( p i c h ) 和同步信道( s c h ) 。它们完成基站检 测和识别、同步和移动台的信道估计。 p i c h ；i 暑在每个射频信道和使用的切普速率上广播的一条独 立的物理信道。它的特征参数是短用v 码( 对于r 。和k ：采用长度 为1 0 2 3 的g o l d 码) ，这个短码对于每个无线小区( 或基站) 是 不同的。它周期性地发送( 在r 一速率的c d m a 帧中每帧1 0 次， 在k ：中每帧5 0 次) ，不包含任何调制信息数据，以简化移动台 的导频检测、同步和信道估计。 由t - p i c h 的短码与c d m a 帧时钟不具有同步关系，所以需 要额外的同步信道( s c h ) 来进行同步。s c h 言道标志c d m a 帧 的边界，并且给出了相对t - b c h e p 使用的长码的时间标记。s c h 用专门的物理信道传输，使用短扩频码( 长度为1 0 2 3 ) ，该扩 频码是由各自的用嘲直接导出的。 2 - 1 4 物理信道 兀骝和d o 擅在每个l o m s 的c d m a 帧中的第二层时分复用， 然后映射到一个单独的物理信道中，该信道称为物理数据信道 ( p d c h ) 。每个物理数据信道与一个物理控制信道p c c h ) 一起完成功能，_ p c i w 主要携带物理层的控制信息，包括对应于 p d c h g g 贞的扩频系数以及有多少肋 w 帧复用的信息。对于下行 链路，p c c h , 电用来传送功率控制信息。 p c c h 言道经过编码后p a 4 k b s 的固定速率传输，并_ 与p d c h 帧同步( 同样的切普速率和射频载波) 。p d c h ：和p c c h 的区别 在于使用长码的不同相位。 2 - 2 通用传输方案 第1 4 页 疆士季佳格文一“i 薯鼍。尊专群c | 动毒_ i | ! l 睁邳移动通信重姆升崎竟 c o d i t 系统中考虑多速率c d m a 概念的基础是无线接口物理 层的通用传输方案。这种方案不是为特定的几种业务而优化选 择的固定方案，而是设计了一族方案，具有尽可能高的通用性 和一般性。这种性能可以由下面的一种通用传输方案的结构而 获得。在这种方案中，一些参数是固定的( 如基本的c d m a 帧长 为l o m s ) ，而另一些参数是可变的，可以用来控制和调整方案 的各部分( 如编码率、交织深度等) 。通过调整这些参数可以 满足特定业务的需求。 业务类型码时隙速率载频频率 扣曰交织日篇端肿曩h 讣 圈2 4 通用传输方案( 业务和控制信道) 图2 4 是一个用户信道的通用发送器( 上行或下行) 的框 图，它可以同时发送业务和控制信息。我们将这种用户信道定 义为专用信息信道( d i c h ) 。在图2 4 中，每一步信号处理的控 制参数都是可以调整的，配置单元就是用来调整这些参数和决 定各个部分的正确功能。当连接建立以后，系统的无线资源管 理者决定所需的切普速率和射频载波频率，以适合业务请求的 需要、无线网络的业务环境以及一定的小区特性( 环境、设备 限制等) 。根据业务质量监测和安排的切普速率，配置单元决 定物理层各信号处理部分的参数，从而为各个业务连接配置适 当的物理层。物理层的配置可以动态地改变，以适应传输和业 务条件的改变。下面逐项描述发送过程的各个处理部分。 2 - 2 - i 语音编码和交织 第1 5 页 礓士季往论文 。 摹二聿基于：a 燃酃移磐蕊信t 巍弧计j i f 宽 编码和交织方案的选择很大程度上依赖于业务需求和可能 的信道参数。不仅业务和控制信道所使用的编码和交织方案可 能不同，雨且业务信道中支持的不同业务的编码和交织方案也 可能不同。在语音通信和数据通信中，分别使用非等误差保护 ( u e p ) 和等误差保护( e e p ) 两种方案。 在语音传输中，语音编码器单元提供三种不同类型的比 特。这三类比特是按所需的不同保护级别而划分的，所以明：日支 术比较适合语音传输。有资料分析，对于比特误码率两优化的 编码率于匕，n o 并没有太大关系。考虑到同步、交织深度和多b 勒频移的影响，分析和仿真表明：比较好的编码率在1 2 到1 8 之 间这是平衡信道编码和扩频的结果。 u e p 技术是基于具有不同编码率的卷积码而研究的。编码 速率的选择是根据每种保护类型的级别而定的。最低的编码率 用于最高的保护级别，最高的编码率用于最低的保护级别。对 每一种语音数据率。由系统的配置单元选择一个固定系列的编 码。不同编码率的获得是由插入码率为1 3 的母码来得到的。 由于信道特性，可能会出现突发错误，所以要使用交织。 但是交织深度被限制在一个l o m s 的c d m a 帧内，这是由语音传 输的时延要求所限制的。为了能够逐帧译码，每个c d m a 帧后面 要加尾比特。译码过程由软判决维特比算法来实现。软判决输 出可以改善误码性能。 2 - 2 2 数据编码和交织 在数据传输的情况下，使用e e p 技术，并且采用了级联编码 方案，内部采用编码率为l 2 的卷积编码，外部则采用面向字节 的雕编码，可以获得l 铲的比特误码率甚至更低。内部和外部交 织深度总和为1 2 0 m s ，可以消除衰落的影响。内部的卷积编码的 译码也采用软判决技术。 第1 6 页 暖士学佳论式摹二幸基于g ) 硒摹，王代哥带值信l 惋谩计竹宽 信道编码的方法既可用于透明数据业务，也可用于菲透明 数据业务。透明业务仅依赖于编码的前向纠错能力，而非透叫 业务的无线链路协议要考虑流量控制、前向纠错和自动反馈重 发( a r q ) 。对于非透明业务，信道编码可以形成i 类混合舳q 方案，以利用瞄码错误检测能力。 2 - 2 - 3 时分复用 一定的逻辑信道可以一起映射到单一的物理信道，这种映 射关系由图2 4 中的复用器来完成。 在c o d i t 钡, j 试平台中，一帧内的复用可以有以下逻辑信道 的组合： t c h 语音+ d c c h 一删7 数据+ d c c h z c 聊语音+ t c h 数据+ d c c h 逻辑信道占c h 和p 凹中的数据通过复帧结构映射到一个物理信 道中。 2 - 2 - 4 帧生成 复用器生成两个信号：真正的信息比特流和控制信息，它 们分别通过肋c 日和尸c c 日传输。帧生成单元为每一条信号路径 安排其在c d m 4 帧中的正确时隙。控制信息在组帧以前先进行编 码。在下行链路中，还要插入闭环功率控制信息。 2 - 2 - 5 直接序列扩频 直接序列扩频是通用多速率c d m m 传输方案中的一个关键部 分。d s c d m a 系统中的扩频可以使用短周期扩频码同步完成， 第1 7 页 硕士学位论文 + 第二章基于c d m a g o 第三代移动通信系统设计碍宪 也可以用长周期p 撕马异步实现。同步扩频技术在数据符号长度 固定的情况下，可以设计出正交或近似正交的信号集，但这种 技术限制了扩频因子使用的灵活性，并且需要仔细的编码设 计，在系统内异步基站切换时也会造成问题。 另一方面，长删码异步直扩方案有许多满足第三代移动通 信需求的优势：可用码字的数量不受限制，多比特速率和可变 扩频因子的灵活性高，信道间和小区间对同步要求不是很严 格。 在多速率j d 孓口m 纠系统中使用了两类扩频序列：短p 序列 用f f - p i c h 、s c h 和r a c h ，所有其它逻辑信道使用同一长则序 列的不同相位。 对于短嘴列，需要良好的自相关和互相关性能，以保证 快速捕获和最小的虚警概率。因为每个基站y c e p i c h , 口s c h e ? 使 用各自的p 序列，所以需要大量的可用码字族。一个码字族是 具有特定的自相关和互相关性能的一系歹4 p 码的集合。对嘴 列的另一个要求是所谓的平衡特性，即该p 序列中一个周期内 “1 ”的数目与0 的数目最多相差一个。这种平衡特性保证 了频谱的良好形状。最后，还需要考虑p 序列的硬件易实现 性，因为对于每一个移动台都要能产生一个码字族中的所有p 序列。 考虑不同类型的嘴列，包括著名的m 序列、g 。均芋列以及 k a s a m i 序列。这些璃周期都为2 屯l ，其中n 是整数。由于周期 为2 n 的p 序列比周期为2 n - l 的序列更适合系统时钟，所以扩展的 r n 序列及其线性组合也在研究之列。扩展的m 序列是由在对应的 m 序列的一个周期中插入一个额外的元素而构成的。扩展m 序列 的自相关性能与g o t d 码相似，而其线性组合的自相关和互相关 函数的峰值幅度都大于g d 嫡的两倍，这是不需要的。 因此，在用c h 和s c 打信道中，选择周期为1 0 2 3 的平衡g o l d 码，在r a c h 中，使用长度为1 2 7 的平衡g o i d 码。 长嘴列用于p c c h ，p d c h 、丑c 蜥叫g c 日信道中， 第1 8 页 珏士季位恪文摹二幸基于a 蝴摹三代移动通信毫统诅计埽霓 使用的序列是周期为2 “一1 的m 序列。生成多项式为f ( x ) = 1 + x + x 4 不同的物理信道由这个码的不同相位来区分。 2 - 2 - 6 其它 在通用传输方案中，除了上述的功能以外，还有调制、功 率控制以及信道组合、脉冲成型、频率变换等处理过程。 系统中使用的基本调制方式是q p s k 。数据符号通过同相支 路( ，) 和正交支路( q ) 与同一长扩频序列的不同相位相乘。 如果使用短扩频序列，则在调制器的屏口q 支路分别使用两个不 同的序列。在下行链路中使用具有相干检澳8 的q p s k ，在上行 链路中，p d c h 使用具有相干检测的偏移q p s k ，p c c h 使用差分 编码和差分相干检测。 功率控制在上行链路中采用开环和闭环联合使用，以保证 基站接收的移动台信号功率在一定的强度。开环功率控制主要 用于跟踪阴影效应和距离衰减，闭环功率控制跟踪多b 勒频移 造成的衰落。对于闭环功率控制，基站监测接收信号的强度， 并决定功率控制命令( 发送功率上升或下降) ，该命令通过下 行p c c h 信道传送给移动台。在c o d i t 系统中，功率控制信息的 速率设定为2 k b s 。 多条物理信道首先通过线性组合，然后再进行脉冲成型。 在c o d i t e p ，脉冲成型由升余弦奈奎斯特滤波器完成。在频率 变换和放大以后，信号馈送至天线。 2 - 3 码分测试平台描述 码分测试平台如图2 5 所示，由无线网络控制器。两个基 站，两个移动台构成。基站和无线网络控制器的接口服从g 7 0 3 标凇，射频接口可满足业务负荷的模拟，无线网络控制器主要 第1 9 页 埙士学位论文摹二幸基于c d m 舶摹王代移动通信l 悦证计竹宪 用于集中控制测试平台和接口，并支持移动台的话音和数据业 d t e l 遥测 黜。甲 i s d n h 应用 l 垫里l l 接口l 叫s p u | 兰叫移动台l 阿斗 r i i 一 1 一。 n j隔 圈 叮e 卜陲耳 c ll r n e 伺p s l _ j d t e ：数据终端设备 s p u ：话音处理单元 r n c e ：内装无线网络控制器 r n c c ：无线网络控制计算机 图2 5 测试平台原理框图 务。c o d i t 系统e f t _ 有可以改变参数的实时宽带多径无线信道 模拟器，它供系统仿真研究用。 2 - 3 1 测试平台功能 测试平台适用于t c p i p 协议为基础的数据通信环境，灵 活地提供一系列不同业务，并可演示一些功能。具体描述如 下： 话音业务，实时从0 4 至1 6 k b s 可变速率话音业务，通过 专用电话交换机( p b x ) 可以时延小于3 0 m s ，误码率小于l 盯3 地 连接到外部设备上；语音处理单元( s p u ) 完成话音编码、信道 编码和宏分集组合算法，s p 雌接到链路接e l 模块( l i m ) ，还 处理外部输入和输出呼叫。话音处理控制( s p c ) 承担话音控制 和在线或离线性能分析的数据存储等。 数据业务，速率为9 6 、6 4 和1 2 8 k b s ，误码率小于1 0 ，时 延小于3 0 0 m s ，通信模式分两类。其中透明模式用于载波测试 分组模式用于正常应用。 第2 0 页 j i 士学位论文摹二幸基于c d m 他摹三代移钟适信囊饨镬计j l 宽 同步话音和数据业务，用于1 2 9 k b t s 速率的多媒体混合话 音和数据业务。 越区切换，在测试平台模拟多种切换方式。 发射载频带宽，中等带宽