（通信与信息系统专业论文）wocdma通信系统多用户检测技术的研究.pdf

摘要 论文题目：w o c d m a 通信系统多用户检测技术的研究 学科专业：通信与信息系统 研究生：吴婷 指导教师：柯熙政教授 摘要 签名 签名： 无线光码分多址( w o c d m a ) 是将码分多址( c d m a ) 技术与无线光通信技术相结合的 - 4 0 0 通信方式，其主要优点表现在如下几个方面：允许多个用户随机地接入同一信道； 可构成真f “透明”的全光通信网络：具有良好的安全性；允许可变速率或多速率 传输，并可同时提供多种业务支持；具有优良的抗干扰能力，并能够充分地利用无线光 的可用带宽。因此，w o c d m a 技术具有很强的技术优势和，“阔的应用自仃景。 目自 fw o c d m a 技术存在的主要问题有以下三个方面：现有的w o c d m a 地址码 的码容量比较小：信道编码的选取；多用户检测的问题。 本文研究了w o c d m a 技术常用的四种地址码，分别为素数码、扩展素数码、修正 素数码、最佳等重光币交码，对其特性进行了仿真，得到了各自的自相关和互相关值。深 入研究了素数码、扩展素数码、修f 素数码以及最佳等重光币交码的构造方法，探讨了不 完全优化光正交码的构造，利用m a t l a b 仿真得到各种码字，就其码字性能进行比较， 形成明了有序的理论系统。 在对一维素数码和最佳等重光正交码研究的基础上，结合素数扩时跳频和光f 交跳频 技术，得n - - 维m p c o o c 组合码，对其码字结构和码字性能进行了分析研究。 分析了多址干扰的成因，研究了最佳检测、传统检测、解相关检测。针对室内无线光 信道的特点建立了高斯信道模型：采用解相关检测技术，使用不同扩频序列，对室内无线 光信道进行了研究，利用m a t l a b 进行了模拟仿真，验证了解相关检测的效果。 对三种媒质接入控制协议( m a c ) 进行了研究，分别是纯a l o h a 、分隙a l o h a 和分隙a l o h a c d m a ；分析了不同协议下w o c d m a 接入网的网络吞吐量。利用 m a t l a b 得到仿真曲线，对吞吐性能进行比较。 关键词：无线光通信，w o c d m a ，多用户检测，解相关检测，媒质接入控制协议， 网络吞吐量 本课题来源丁陕两省臼然科学基金( 2 0 0 7 f 1 2 ) 、陕两省教育厅白然科学基金( 0 7 j k 3 3 2 ) 、国防重点实 验窒基金( 9 1 4 0 c 3 6 0 1 0 1 0 7 0 1 ) 和，“尔省交通厅科研计划( 2 0 0 7 2 6 ) i t i t l e ：t h er e s e a r c ho fm u l t i u s e rd e t e c t i o n t e c h n o l o g yi nw o c d m a c o m m u n i c a t i o ns y s t e m m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e = t i n gw u s u p e r v i s o r = p r o f x i z h e n gk e a b s t r a c t s i g n a t u r e s i g n a t u r e w i r e l e s so p t i c a lc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ( w o c d m a ) i sac o m m u n i c a t i o nm o d e w 1 1 i c hi n t r o d u c e st h ec o d e d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) t e c h n o l o g yi n t ow i r e l e s so p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m b e s i d e sp r o v i d i n ga s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n sa c c e s s ，w o c d m a s y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s ： m u l t i - u s e r sa r ep e r m i t t e dt oa c c e s st ot h es a m ec h a n n e l s t o c h a s t i c a ll y ； i tc a nb ec o n s t r u c t e df o rar e a ls h e e ra l l o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ： h i g hs e c u r i t ya g a i n s ti n t e r c e p t i o n ； c a p a b i l i t yi n f o r m i n gv a r i a b l eb i tr a t en e t w o r k sa n d m u f t i 。r a t e n e t w o r k s ； h i g hc a p a c i t ya g a i n s t i n t e r c e p t i o n ，s u p p r e s s i o no fn a r r o wb a n d d i s t u r b a n c e s 。i t i m p l i e sag r e a tc h a l l e n g ef o rt h ed e v e l o p m e n to ff u t u r ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s ，e s p e c i a l l ya l lo p t i c a ln e t w o r k s 1h e r ea r et h r e ep r o b l e m si nw o c d m a t e c h n o l o g y o n ep r o b l e mi st h ec o d ec a p a c i t vi s s m a l l t h es e c o n dp r o b l e mi sw h i c hs c h e m es e l e c t e df r o ma m o n gt h ec h a n n e lc o d e s t h et h i r d p x o b l e mi sa b o u tm u f t i u s e rd e t e c t i 0 1 1 t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h es t u d yo ff o u rd i f f e r e n tc o m l n o na d d r e s sc o d e s ，s u c ha sp r i m e c o d e ，e x t e n dp r i m ec o d e ，m o d i f yp r i m ec o d e ，o p t i m a lo p t i c a lo n h o g o n a lc o d e ，t h ec h a r a c t e “s t i c o f e a c hc o d eb ee m u l a t e da n d g e tt h es e l f - c o r r e l a t i o na n dt h e i n t e r p e n e t r a t i o n t h e c o n s t r u c t i o n so ft h ep r i m ec o d e ，t h eo p t i m a l o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d ea n dt h ei n c o m p l e t e o p t i m i z e do p t i c a lo r t h o g o n a lc o d eh a v eb e e np r e s e n t e d a l lk i n d so fc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s e c o d e sh a v eb e e n e m u l a t e dt h r o u g hm a t l a b w i t ht h es u p p o i t i n goft h et e c h n o l o g yo ff r e q u e n c yh o p p i n gp r i m ec o d ea n df r e q u e n c y o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e x v eg e tl h em p c o o cc o d e ，a n ds t u d yt h ec o n s t r u c t i o na n dt h e c h a r a c t e r i s t i co ft h i sc o d e t h er e a s o n so ft h em u l t i a d d r e s sd i s t u r b a n c ew e r ea n a l y z e d b e s td e t e c t i o n t r a d i t i o n a l d e t e c t i o na n dd e c o r r e l a t i o nd e t e c t i o nh a v e b e e n s t u d i e d t h eg a u s s i s i g n a lm o d e lw a s c o n s t r u c t e da c c o r d i n gt ot i mi n d o o rw i r e l e s s o p t i c a ls i g n a lc h a n n e l t os t u d yt h ew i r e l e s s o p t i c a ls i g n a lc h a n n e lb yu s i n gd e c o r r e l a t i o nd e t e c t i o na n dd i f f e r e n ts p r e a ds p e c t r u m s e q u e n c e i a b s t r a c t g o o de f f e c t sh a v eb e e ns h o wb ye m u l a t i n gt h r o u g hm a t l a b t h r e ed i f f e r e n tm e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o lh a v eb e e nd i s c u s s e d ，s u c ha s p u r ea l o h a ，s a l o h aa n ds a l o h a c d m a a n a l y z i n gt h en e t w o r kt h r o u g h p u to ft h e w o c d m aa c c e s sn e t w o r ki nd i f f e r e n tp r o t o c o lh a sa l s oa n a l y z e d f i n a l l y ，t h ec u r v eh a sb e e n g o tt h r o u g hm a t l a b a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e s et h r o u g h p u t sc o m p a r e dw i t he a c ho t h e r k e yw o r d s ：w i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，w o c d m a ，m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，d e c o r r e l a t i o n d e t e c t i o n ，m a c ，t h r o u g h p u t i i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 如g 年弓月 1 日 学位论文使用授权声明 本人嬲在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， l 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名： 导师签名一窟年弓月 1 日 前言 1 前言 1 1 概述 随着信息时代的发展，通信日益向高速率、大容量、长距离方向发展，光通信正是适 应这种发展方向应运而生。自二十世纪六十年代第一台激光器问世以来，经过近三十多年 的发展，光通信不断采用新技术，新方式，不仅给光通信领域，也给整个通信领域带来了 革命。为信息产业向前迈进奠定了坚实的技术基础。 像其它通信方式一样，光通信也可以分为有线和无线两种。有线光通信，即我们所熟 知的光纤通信，其技术己成熟，目前已发展到以频分复用增加速率和使用光放大器增加中 继距离为标志的第四代光纤通信系统。而第五代光纤通信系统正在研究和发展中，这种系 统是基于一个基本概念光孤子。相对光纤通信发展的日新月异，无线光通信的发展则 显得相对滞后。 自由空间是无线光传播的理想媒质，不受环境、气候、地形等外部条件的影响，在该 信道进行的无线光通信具有很广泛的应用前景。大气层中的无线光通信，由于受到气候等 因素的干扰，对光通信产生较大的影响。无线光通信系统的技术实现比光纤通信系统更为 复杂，因此发展缓慢，实用化难度更大。但我们应该看到无线光通信具有光纤通信所没有 的优点，如具有灵活性好，也可以由卫星和地面、卫星与卫星之间传输，接收天线小等。 因此可以作为光纤通信或其它通信方式的补充或替代。但是无线光通信系统的产品化，需 要更高的技术要求。目前很多国家正在开展这方面的研究，并有实用化的产品面世。 在通信的多址方式中，目前存在三种多址方式：当以传输信号的载波频率的不同划分 来建立多址接入时，称为频分多址方式( f d m a ) ；当以传输信号存在的时间不同划分来 建立多址接入时，称为时分多址方式( t d m a ) ；当以传输信号的码型不同划分来建立多 址接入时，称为码分多址方式( c d m a ) 。三种复用方式的示意图如图1 - 1 所示： f d m a tc d m a tt d m at 图1 - 1 三种常见的复用方式 f i g 1 1t h et h r e eu n i v e r s a lm u l t i p l e x i n gm o d e s 频分多址系统是频率资源的复用，时分多址系统是时隙资源的复用，码分多址系统是 码型资源的复用。由于频分多址系统是以频道来分离用户地址的，所以它是频道受限和干 扰受限的系统，时分多址系统是以时隙来分离的，所以它是时隙受限的系统，但一般来说， 它只是干扰受限系统。c d m a 技术是现行t d m a ，f d m a ，c d m a 三种方式中优越性最 西安理工大学硕士学位论文 显著的种。在c d m a 通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时 隙不同来区分，而是用各个不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波型来区分。 1 2 w o c d m a 的基本原理 典型的w o c d m a 简化系统结构如图1 2 所示： 数据1 _ 数编 光光 数 据码据 呻 - i 解呻检啼 恢调调 栏 码 测 制制 1 日 复 下 。 激光器 数据27 - - 道 - 数据2 数据k 7 - 数据k 数据1 图卜2w o c d m a 系统的结构图 f i g 1 - 2t h eb l o c kd i a g r a mo fw o c d m as y s t e m 在发送端，用户的数据通过调制器调制到光波中，形成光信号；该光信号进入编码器 进行光域编码，即在光域对输入序列进行扩频处理后，每个数据源分配的光码分多址系统 的码型不同，代表该数据源的地址码；经过信道以广播形式向所有用户发送。在接收端， 接收机将收到的信号与本地地址码进行相关运算。如果进入解码器的光脉冲序列与该地址 码相匹配，则在输出端得到此脉冲序列的自相关峰值；如果不匹配，则得到不同序列之间 的互相关值。并利用特定的检测设备对解码后的光信号进行检测判决，以恢复出传送的数 据，最终实现用户间的通信。 图1 3 2 1 给出二维无线光码分多址通信系统的原理框图。在发射端，每个发射用户的 数字信号首先经脉冲位置调制器调制后送入铌酸锂调制器，将脉冲位置调制格式的电信号 调制为光脉冲信号，然后将这些光脉冲信号送入光纤布拉格光栅编码器进行编码，得到携 带地址码信息的扩展光脉冲序列。最后将n 路扩展的光脉冲序列合为一路，由发射天线 送入大气信道。 2 ( a ) 发射系统 ( a ) t h et r a n s m i t t i n gs y s t e m 前言 ( b ) 接收系统 ( b ) t h er e c e i v i n gs y s t e m 图1 - 3 二维光码分多址系统原理框图n 1 f i g 1 - 3t h eb l o c kd i a g r a mo f2 d - w o c d m a s y s t e m l 在接收端，首先将接收天线接收到的光脉冲信号耦合到单模光纤，然后均分为n 路。 对于每一路信号，经光解码器解码后恢复出编码前的光脉冲信号，最后经雪崩光电二极管 探测器探测和脉冲位置解调器解调，恢复出有用信号 2 1 。 1 3 w o c d m a 的优点 无线光通信是光通信的一项重要技术，它是以光波传送各种信息，光波通过空间媒质 完成信息传送。随着信息社会的需求以及光电元器件技术的发展和商品化，采用无线光通 信是国内外目前十分关注和研究的热点之一。尤其在适应城市的快速发展要求，信息的多 样化、高速化，并逐渐走向家庭、个人的今天，采用无线光通信是信息产业必不可少的手 段，它具有以下的优点： 1 、发射光束窄，方向性好，光通信具有极好的保密性和极强的抗干扰能力。 2 、天线尺寸小，由于光波波长短，在相同的条件下，光天线尺寸要比微波毫米波通 信天线尺寸小很多。 3 、功耗小，体积小，重量轻，架设使用方便灵活。 4 、信息容量大。 5 、自由空间对光波是一种优良的传输介质，广播在自由空间中传输损耗小，传输同 样速率与信息的装备，光通信的性价比很高。很适合于卫星与卫星，室内无线局域网，不 便铺设光缆的地方使用。 因此，从以上优点及信道容量，使用方便灵活性看，无线光通信有着广阔的应用前景。 w o c d m a 的研究课题的目的就是把无线光和c d m a 结合起来，实现“强一强”联合， 开拓无线光和c d m a 应用的新领域。 1 4 国内外的相关研究 o c d m a 技术的研究可以追溯到上个世纪7 0 年代末，但由于相关光器件的发展水平 使得o c d m a 的前景并不明了，用于地址码的编解码器、超短时间光门限器件、超短脉 冲光源以及宽光谱光源一直是制约o c d m a 进一步发展的关键。随着w d m 的发展，光 器件有了极大的发展，比如具有高速调制性能的宽光谱光源、高速光开关、f b g ( 光纤布 3 西安理工大学硕士学位论文 拉格光栅) 、a w g ( 阵列波导光栅) 等都有了极大的发展，上个世纪9 0 年代中后期以来， o c d m a 技术逐渐成为光通信研究的热点。美国和日本等发达国家走在了o c d m a 技术 的研究前沿。国内外对o c d m a 技术的研究绝大多数是基于光纤信道，而基于无线信道 的相对很少。在对o c d m a 技术进行研究的初期，大部分研究都是基于时域编码的非相 干o c d m a 的实现，此类系统中，只能采用单极性地址码，双极性码不能直接采用。而 单极性码无论在容量上还是正交性上都不及双极性码。此外人们还提出了谱域编码的 o c d m a 通信系统。而在这类系统中，系统所容纳的用户数受可分辨波长的限制。因此， 人们又提出了将时域与频域结合的二维o c d m a 编码方案，可以大大改善系统的码容量 以及码字的相关特性。 用于抑制o c d m a 系统多用户干扰的技术主要有光限幅器技术( o p t i c a lh a r d l i m i t e r ) 和多用户检测技术。早在1 9 8 9 年，j a s a l e h i 已提出将光限幅器引入基于o o c ( o p t i c a l o r t h o g o n a lc o d e ，光正交码) 的o c d m a 系统t a l 1 9 9 6 年，t o h t s u k i 提出将光限幅器用 于抑制非相干时域o c d m a 系统中的多用户干扰n 1 。1 9 9 4 年，m b r a n d t p e a r c e 等人将多 用户检测技术( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，m u d ) “1 。用于抑制时域非相干o c d m a 系统的多 用户干扰，采用的是非线性的多级检测器。理论分析表明，与传统的相关检测器相比，多 级检测器能够容纳更多的并发用户数，而复杂度远远低于理论上的最佳多用户检测器。 1 9 9 5 年，l b n e l s o n 通过误码率性能及渐进效率两方面分析了解相关检测器对时域非相 干o c d m a 系统性能的改善，同样证明了多用户检测技术在抑制多用户干扰方面的有效 性“1 。国内对o c d m a 系统多用户检测技术的研究相对较少，电子科技大学此前研究了 解相关检测技术在w - o c d m a 系统中的应用，走在国内相关领域的研究前沿。1 9 9 3 年， j g z h a n g 等提出了将线性分组码引入o c d m a 系统，证明纠错码技术能够改善系统的误 码率性能n 1 ；此后，j y k i m ，c a r g o n ，t o h t s u k i 等。将t u r b o 码应用到o c d m a 系统 中，进一步改善系统性能8 。国内在这一领域的研究较少。 w o c d m a 技术研究文献始见于1 9 9 4 年。1 9 9 4 年，j m h e l m i r g h a n i 发表了基于光 正交码( o o c 码) 的室内红外o c d m a 性能分析研究成果1 ；k s a y o n o 等于2 0 0 1 年发 表了大气信道的o c d m a 演示实验系统的实验框图及实验数据，但并未给出系统性能的 理论分析 1 0 1o h t s u k i t 于2 0 0 2 发表了基于o o c 码的大气信道一维o c d m a 系统的性能 分析研究成果 1 t i 。 w o c d m a ( w i r e l e s so p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 系统主要应用在局域网、 接入网、全光网及其他共用信道结构系统中。由于l a n ( 室内无线局域网) 中业务特征 为突发性、低密度和非实时性，所以w o c d m a 技术比较适合l a n 。w o c d m a 技术在 l a n 中，主要采用环型或总线型拓扑结构，这就要求为每一个用户分配一个地址码，当 某一用户要向该用户发送数据时，需将自己的发送机的编码器结构进行更改以实现寻址， 这就要求采用易于实现寻址的码组和编码器。在局域网中，较大的用户数，较小的同时接 入用户数决定了地址码应选取码字空间大的码集( 如e q c 码或光正交码) ，而且必须采用 4 前言 闭环反馈功率控制机制，以抑制功率差异引起的附加干扰。误码控制措施( 纠错码) 对数据 业务显得很必要。 非相干w o c d m a 系统( 以下简称为w o c d m a 系统) 则采用了非相干的光信号处理和 无线光传输，人们更关心的是其多址能力和编解码过程的实现以及无线信道的信道编码和 多用户检测。因此，w o c d m a 系统在扩频码的选择和实现方法等方面都具有特殊性。基 于上述的原因，国内外的研究工作者在w o c d m a 系统的扩频码、编解码实现方法以及 无线信道的信道编码和多用户检测及w o c d m a 系统的性能分析等方面做了大量的研究 工作。 总的来说，w o c d m a 技术的研究还处于起步阶段，国外美国、加拿大、英国、韩国、 日本、新加坡和伊朗等国家的研究工作者较多。美国、加拿大和日本的研究工作者们进行 了一些相关的实验，高通和朗讯公司己经有实用的产品出售。在国内展开w o c d m a 技 术研究的主要集中在以下高校：北京邮电大学，电子科技大学，北京大学，深圳大学，上 海交大，苏州大学，长春邮电学院，解放军理工大学等。与此同时，我国政府也非常重视 w o c d m a 技术的研究工作，近年来已分别批准了多项8 6 3 计划和国家自然科学基金的资 助项目。 1 5 可见光通信技术 可见光通信技术是一项源于日本的技术。该技术最早是由日本的k e i o 大学的m a s a o n a k a g a w a 教授提出的，并于2 0 0 3 年成立了可见光通信协会( v i s i b l e l i g h t c o m m u n i c a t i o n s c o n s o r t i u m ，v l c c ) 。在2 0 0 4 年召开的c e a t e c 大会上，v l c c 会长m a s a on a k a g a w a 教授公布了这项技术，指出该技术可以创造一个全新的无线通信网络，在移动通信领域具 有极大的应用前景。由于室内可见光通信可以方便的将无绳电话、p d a 、笔汜本等便携 设备接入数据通信系统，因而该项技术也得到c y b e rs o l u t i o n s 实验室，邮政署的高级长途 通信实验室，n i p p o n 电报电话公司和s o n y 计算机科学实验室的大力支持，也使得该技 术得到了很大的发展”。 可见光通信( v i s i b l e l i g h t c o m m u n i c a t i o n ，v l c ) 是一种在白光l e d 技术上发展起来 的新兴的光无线通信技术。与传统的射频通信和其它光无线通信相比，可见光通信具有发 射功率高、无处不在、无电磁干扰、节约能源等优点，因而可见光通信技术具有极大的发 展前景，已引起人们的广泛关注和研究t 1 3 1 可见光通信的研究领域分为室外和室内两个 方面。目前的研究主要集中在室内无线光通信。可以预见随着白光l e d 技术的进一步发 展，并取代现有的照明设备，基于可见光通信的无线局域网将会成为下一代的室内无线通 信网络。一个集照明和通信于一体的无线通信网络，将会大大改善人们信息生活的质量。 因此，将w o c d m a 技术应用于室内可见光通信有着重要的意义和良好的发展前景。 5 西安理工大学硕士学位论文 1 6 本文研究的主要内容，目的及意义 1 6 1 课题研究的目的及意义 从w o c d m a 的原理可以看出，地址码是w o c d m a 系统的核心技术之一。性能良 好的地址码是w o c d m a 系统通信的前提。构造出的地址码应具有尽可能大的自相关峰 值和尽可能小的互相关均值和互相关方差，码长不能太长，可用序列尽可能多。课题的目 的在于通过对几种地址码的研究，分析其性能，进行码字的优选。 在w o c d m a 中，地址码并不是完全正交，因此，在多用户环境下w o c d m a 系统 会产生多址干扰；并且由于单极性码的码重比较小，w o c d m a 系统的多址干扰比较严重。 为了提高系统在多用户环境下的性能，必须采用多用户检测技术。 可以预见随着白光l e d 技术的进一步发展，并取代现有的照明设备，基于可见光通 信的无线局域网将会成为下一代的室内无线通信网络。一个集照明和通信于一体的无线通 信网络，将会大大改善人们信息生活的质量。课题将w o c d m a 的编码技术以及多用户 检测技术应用于室内无线光信道，为室内可见光通信提供了一种新的技术途径，具有重要 的意义和良好的发展前景。 在接入网中，媒质控制协议( m a c ) 至关重要，它直接影响到网络的性能( 吞吐量、 时延) 、带宽利用效率、终端设备的复杂度和成本。随机多址接入技术是一种通信协议， 它允许两个或者两个以上的用户同时使用同一个信道，随时都可以发射信号，而无须事先 在频率和时间上进行分配。正是由于没有在频率和时间上进行区分，所以在同一信道中两 个或者多个信号可能会发生“碰撞”。课题对不同的随机多址接入协议进行研究，得到相应 的网络吞吐量，对网络性能进行分析。 1 6 2 课题研究的主要内容 论文主要研究以下内容： 第一，w o c d m a 接入网的物理层： 对素数码、扩展素数码、修正素数码、光正交码、不完全优化光j 下交码等一维地址码 的特性、容量、构造方法、光编解码器和一维光码分复用系统误码性能进行分析研究； 根据构造时域扩频频域跳频二维组合码的方法，对二维o o c o o c 、二维m p c o o c 等 二维地址码的特性、容量、构造方法、光编解码器和二维光码分复用系统误码性能进行分 析研究；。 - 论述了多址干扰的成因，以及消除多址干扰的方法；根据信道的特点，对室内无线光 信道进行分析研究，建立信道模型；运用解相关的多用户检测技术对信道模型进行分析研 究；并借助计算机仿真，从实践上验证了方案的可行性和有效性。 第二，w o c d m a 接入网的链路层： 分析了接入控制协议纯a l o h a ，时隙a l o h a ；并在此基础上，论述了时隙 6 前言 a l o h a c d m a 接入协议的思想，根据该协议推导出网络吞吐量的数学模型；并借助计 算机仿真，分析了网络吞吐量性能。 7 西安理工大学硕士学位论文 2 光地址码的构造与分析 与电c d m a 通信系统相似，w o c d m a 系统中的所有用户共同占用同一信道的相同 频段和时间，不同用户传输信息所用的信号靠不同的编码序列来区分，即每个用户都分配 一个伪随机序列。在发送端，根据对应的伪随机序列，用户的每个信息比特编码成一串信 号；在接收端，用相同的伪随机序列进行相关运算来正确解码。这些伪随机序列就叫做用 户的地址码。w o c d m a 系统的地址码不仅是w o c d m a 技术赖以存在的基础，而且还 决定了w o c d m a 系统可能达到的最佳性能，w o c d m a 的发展在某种意义上是编码技 术的发展。8 0 年代中期有人提出采用双极性的g o l d 码对用户数据进行电c d m a 编码， 光电转换后再进行光传输。这种编解码方式不可避免的受限于电子“瓶颈 问题，只能在 中低光通信中应用n 4 1 ；后来有人提出用光纤延迟线编码技术直接进行光编解码，由于在 光通信中常常采用i m d d ( 强度调制一直接检测) ，现在一些国家也在对相干系统作研究， 但由于相应的技术很难实现，所以在w o c d m a 中扩频码只能取值于单极性( o ，1 ) 域中。 在w o c d m a 通信系统中，码型设计的发展经历了素数码( p c ) 、光正交码( o o c ) 、 扩展素数码( e p c ) 、二次同余码( q c ) 、扩展二次同余码( e q c ) 和混合码( h c ) 等。 这些都是单极性码，通常应用于一维非相干系统中。此外二维系统的研究也日渐深入。 2 1 扩频序列的研究 扩频通信基本原理源于著名的香农( s h a n n o n ) 公式c = bl o g ，( 1 + si n ) ，公式中c 为信 道容量，b 为信道带宽，s 为功率信噪比( 信道输出信号功率及输出噪声功率的比值) 。 在移动通信中信噪比s 是最主要的矛盾，可以采用增加信道带宽口来换取信噪比，即 当c 不变时，增加带宽b 可以降低接收机接收的噪声门限值l o g ，( 1 + s n ) 一。这就是采用扩 频的原因。码分多址( c d m a ) 就是一类典型的扩频宽带通信系统。 扩频通信( 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 ) 是将待传送的信息数据被扩频序列 ( s p r e a d i n gs e q u e n c e 又称p s e u d on o i s ec o d e ，即p n 码) 编码调制，实现频谱扩展后再传输； 在接收端采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始数据。 反映扩频通信特征的重要参数是扩频增益g ( s p r e a d i n gg a i n ) 。g 定义为频谱扩展后 信号带宽厉与频谱扩展前信号带宽鼠之比。 g = b 2 b l ( 2 1 ) 在扩频通信中，接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽鼠的信 号成分，而排除掉扩展到夙中的多址干扰成分。扩频增益g 准确的反映了扩频通信的这 种能力。 扩频通信的原理如图2 - 1 5 1 所示，其中w 为带宽。 8 光地址码的构造与分析 广 一输入信号 l w ( 3 ) jl 扩频信号 il 一 ( 2 ) w j1 解调信号 i 。八八 。 一 ( z) ( 5 ) w 图2 - 1 扩频通信原理1 f i g 2 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fs p r e a df r e q u e n c y 1 5 1 扩频通信系统的简化模型如图2 2 所示1 5 1 。图2 2 中，发送端简化为调制和扩频， 接收端简化为解扩和解调，收发端两侧各有一个完全相同的伪随机码发生器，要求收发端 的p n 码精确j 步，系统的其他环节合并到信道之中。 图2 2 扩频通信的简化模型钉 f i g2 - 2t h eb l o c kd i a g r a mo fs p r e a df r e q u e n c y n 5 1 w o c d m a 系统中扩频序列与移动通信的c d m a 不同。在移动通信的c d m a 中，由 于工作于无线信道，扩频序列首先考虑的是安全性和保密性，然后才是正交性。而在 w o c d m a 中，却把扩频序列的正交性和容纳用户的能力作为主要考虑因素。 半导体激光器的相位波动呈复杂的布朗运动特性，使得w o c d m a 的光处理通常等 同于能量处理的方式，由于能量是非负的，所以到目前为止更多的考虑是采用一种单极性 的伪正交码作为扩频序列。 9 西安理工大学硕士学位论文 以经常被引用作为研究基础的光正交码为例，任何一组光正交码c 至少满足以下三个 基本特性： 码重特性磊z ，x ，5 矽，其中石= z 。，工t ，z ) ，缈为光正交码组c 的码重。 自相关特性荟_ t ”s 九，其中x = x 。，x t ，x 疗一t ) ，为c 中的任意一个光正交码， l 为码长，0 a 和a 1 的光f 交码。 光地址码的构追与舟析 图2 1 3w _ 3 时码的容量随码长的变化曲线 f i g2 - 1 3 t h e g r a p ho f c a p a c i t ya c e o r d t h g t ol e n g t ho f c o d e w h e nw = 3 幽2 - 1 4 丑= 1 时码的容量随码重的变化曲线 f i g2 - 1 4 t h e g r a p ho f c a p a c i t ya c c o r d i n g t o w e i g h t o f c o d e w h e n 五= 相关系数 圈2 - 1 5l = 3 0 时码的容量随相戈系数的变化曲线 f i g2 - 1 4 t h eg r a p ho f c a p a e i t ya c c o r d i n g t oc o r r e l a t i o n m o d u l m w h e nl = 3 0 西安理工大学硕士学位论文 表2 4 部分a = 1 的最佳光正交码的容量 t a b l e2 - - 4s e v e r a lc a p a c i t yo fo p t i m a lo o c w h e na = 1 wl l c l wl i c l 33 0541 2 01 0 3 6 01 045 0 0 4 2 3 1 2 0 2 049 0 07 5 32 4 04 052 4 01 2 35 0 08 355 0 02 5 3 9 0 0 1 6 0 59 0 04 5 31 2 0 02 0 051 2 0 0 6 0 35 0 0 08 3 36 5 0 01 6 43 0269 0 03 0 46 0561 2 0 04 0 参考表2 - 4 ，通过大量的计算和结果比较，我们可以近似得出求解等重光正交码“3 1 钉 的简便方法，当给出码重，可以很快的求出近似的最大用户数，即： 用户数兰而1 面 ( 2 1 2 ) 表2 - 5 最佳容量o o c 的码重与用户数的关系表( l 为码长) t a b l e2 5r e l a t i o n a le x p r e s s i o no fw e i g h ta n du s e r 码重 2 3 4 567891 0 用户数 三l1 1 ，1 ， 1 ，1 ，1 ，1 ，1 ， l llll 一l l 近似值261 22 03 04 25 67 29 0 b 光正交码性能分析 光正交码根据参数不同，通常可分为以下三种：犯，w ，1 ) 等重的o o c ；不等重的 o o c ( w 不同) ；不等长的o o c ( l 不同) 。 自相关系数a 。( 任意一个码字自相关的最大侧峰值) ，主要影响收发双方获得同步的 难易程度；互相关系数a 。( 任意两个不同码字之间的互相天的最大值) ，它不仅影z i 刚ti - - t 司步 的难易程度，而且影响可同时使用的用户数的多少。a 。= a 。= 1 是白相关限和互相关限所 能达到的最小值，即用户数之间的干扰达到最小。 光地址码的构造与分析 码字容量：cs ( l 一1 ) w ( w 一1 ) 】 互相关的均值：肛：w 2 2 l ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 互相关的方差：62 ：w 2 ( 2 l w 2 1 4 l 2 ( 2 1 5 ) 误码率分析：假定所有用户之间传送信息是独立的，并且当用户数较大时，干扰可以 近似为高斯分布。当有k 个同时使用的用户时，则由其它k - 1 个用户引起的干扰为乜钉： 肛； 一1 ) u = 一1 ) w 2 2 l ( 2 1 6 ) 6 左。= 一1 ) 62 ； 一1 ) w 2 ( 2 l w 2 ) 4 l 2 ( 2 1 7 ) 则可得到比特差错概率为( 仅发生在发送信息比特0 而判决为1 的概率) 协1 ： p c2 i 1 两1 上”e x p 卜丢( 等) 2 】出 ( 2 1 8 ) 不等重光正交码和不等长光正交码可应用于传输速率灵活变化的多媒体网络，不同信 息( 音频流、视频流和一般数据) 需不同的传输速率，可以通过保持相同的扩展带宽而改变 扩频系数( 码长) 来实现。较长的码字对应于较低的比特率，较短的码字对应于较高的比特 率。 光正交码根据维数不同，可以分为一维地址码、二维地址码2 朝和三维地址码。一维 地址码也称单维地址码，上面讨论的都属于单维的情况。一维在时域进行编码；二维在时 域与波长域或者时域与空域进行编码；三维则是时域、波长域和空域的组合。引入多维地 址码的目的是可以解决一维地址码码集容量小的问题，可以在相同条件下大大提高码字容 量。与此同时，随着维数的增加，构造码字的难度也随之增加。 c 最佳等重光正交码的构造 在我们的构造方法中，要用到差分阵列。一个( w ，m ) 一d m 差分阵列是一个w m 矩 阵，表示为m 一( m 。，) ，其中，0sisw 一1 和0sj sm 一1 ，其每个元素的取值为集合z 。的 一个元素，使得对矩阵m 的任意两个不同行s 和t ，位于同一列的两个元素m 。，和 i n ，( 0sjsm 一1 ) 的所有差模m