（通信与信息系统专业论文）多用户检测技术在cdma系统中的应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 薅蕊移动遥售的逐猛发展，移动震户豹数爨敷茨人的遽疫在扩张，态建户 数量增长箍造成通信质量的下簿矛盾就显得特别突出。萁主聚表现为，信道的 容量被干扰所限定，尤其是同信邀干扰和邻倍邀干扰。另外，在无线通倍中， 由于信道是时变的，为避免信道变化所引起的误码现象，c d m a 自适应接收桃 兹蠡逶瘦牧襞速凄簸必须是够鹣浚，毽翔采速率交换是竞诲豹，郡么警送应接 收机在多速率c d v l a 系统中的应用就会变得非常麻烦，主黉是因为在速率变化 后，多遮率c d m a 自适应接收机的自适应权假骤重新更新。因此，在速率变化 后的期阕内，信号会严重衰减。 多翔户检测技术燕现代c d m a 系统中能够有效解决上述婀题的一个关键核 心技术。各用户做联含检测或从接收信号中减摊相互间的干扰，从而有效她消 除了多址干扰和符号阀干扰，大大地缓解了c d m a 系统的“远一近”效应阅题， 疆曼羹羹菠善了系统戆穗戆，捷嵩了c d m a 系统豹容量。 多用户检测需簧使用训练序列，在进行训练之后，其系数可以锁定。但训练 序列的不断发送会造溅频谱资源的大量浪费，因而人们转而畿研究不需要训练序 列的蛮蠡适应检溅。逅年来，喜多瘸户检测技术瞧是重内乡 热门夔疆究漾题。 本论文匿绕多髑户捡测援术程c d m a 系统审的应用进彳亍研究，主要针对盲自 适应的多用户检测技术和移动无线衰落信道中的多用户检测技术这两个方黼。 在分绍了几种经典的多用户检测技术以后，本文首先讨论了采用训练序列 赘爨逶斑翁多霪l 户稔溅算法，觚褥雩| 遗盲多麓户检测戆耩念，瑟惹对誊多髑户 检测的l m s 算法、r l s 算法及k a l m a n 算法在不同的信道环境中的信千比、误 码率、最小输出能擞以及抗干扰性能进行了分析、研究和仿真。计算机仿真表 明r l s 、k a l m a n 瑟耱冀法其毒援炎鹤蚊敛性移较裹静稳态羧爨信于 s l 釉，在 时变信道中具有良好的跟踪特性。最后，在讨论了平坦馒褒落信道的基础上， 分析了多种典型的程移动无线环境下的r a y l e i g h 衰落信道仿真算法，提出了基 于a r 模型的r a y l e i g h 衰落信邀的多用户检测模型，以达到改良系统仿粪性髓 翡蟊靛。 关键谰：多用户检测，a r ，l m s ，r l s ，k a l m a n 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n r e c e n t l y a b o u tt e n y e a r s ，b e c a u s ee d n ac o m m u n i c a t i o nr a p i d l y i s d e v e l o p i n ga n dt h ea m o u n to fu s e ri si n c r e a s i n gi ns t r i k i n gs p e e d ，t h ec a p a b i l i t yo f c o m m u n i c a t i o ng i v ep r o m i n e n c et of a l l 。t h ec a p a c i t yo fc h a n n e li sl i m i t e db y i n t e r f e r e n c e ，e s p e c i a l l yf o rt h ei n t e r f e r e n c ef r o mt h es a m ec h a n n e l sa n dt h ea d j a c e n t c h a n n e l s m o r e o v e r ，s i n c ei nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，c h a n n e li sg e n e r a l l y t i m e - v a r i a t i o n 硪l ca d a p t a t i o ns h o u l db es u f f i c i e n t l yf a s tt ot r a c kt h ev a r i a t i o no f c h a n n e l i f t h er a t ec h a n g ei sa l l o w e d ，t h ea p p l i c a t i o no f t h ea d a p t i v er e c e i v e rt ot h e c d m as y s t e mi ss o m e w h a tc u m b e r s o m e 铀em a i nd i f f i c u l t yt ou s et h ea d a p t i v e r e c e i v e ri st h a tt h ea d a p t a t i o ns h o u l dr e s u m ea f t e rt h er a t ec h a n g e a sar e s u l t ，t h e p e r f o r m a n c ew i l tb ed e g r a d e dd u et ot h et r a n s i e n t m u l t i u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) i so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e sf o rc d m as y s t e m s t h r o u g hj o i n td e t e c t i o na n di n t e r f e r e n c ec a n c e l i n g ，m u l t i - u s e rd e t e c t i o nc a nr e d u c e 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 di n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) d r a m a t i c a l l y ， r e l a x n e a r - f a r e f f e e l ，e v i d e n t l y , i m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n di n c r e a s et h e c a p a c i t yo f c d m as y s t e m s h o w e v e r , m u dd o e sn o tw o r kw i t h o u tu s i n gt h ea r r a yo ft r a i n i n gb e f o r e c o e f f i c i e n ti sl o c k e d ，w h a ti sm o r e ，c o n s t a n ts e n d i n go f a r r a yo f t r a i n i n gw i l lc a u s e b i gw a s t eo fs p e c t r a lf e s o l l | e s t h e r e f o r e ，p e o p l et u r nt ot h es t u d yo ft h eb l i n d s e l f - a d a p t a t i o nt h a t d o e sn o tn e e dt r a i n i n g i nr e c e n ty e a r s ，t h es t u d yo i lb l i n d m u l t i u s e rd e t e c t i o nh a sa r o u s e dg r e a ta t t e n t i o na r m m dt h ew o r l d 。 i nt h i sp a p e r ，t h ea p p l i c a t i o no fm u l t i u s e rd e t e c t i o ni nt h ec d m a s y s t e mi s i n v e s t i g a t e d ，t w oa s p e c t so fm u d a r em a i n l yd i s c u s s e d ：o n ei st h eb l i n da d a p t i v e m u l t i u s e rd e t e c t i o nt e c h n o l o g y ，a n dt h eo t h e ri st h ea p p l i c a t i o no fm u di nt h e m o b i l ef a d i n gc h a n n e l 。 s e v e r a lr e p r e s e n t a t i v em u l t i - u s e rd e t e c t o r sa r er e c i t e db e f o r et h em a i nc o n t e n t s f i r s t l y ，t h ec o n c e p to fb l i n da d a p t i v em u di se d u c e db yt h ei n t r o d u c t i o no ft h e m m s ed e t e c t o r r e q u i r i n gt r a i n i n gs e q u e n c e s s e c o n d l y ，m a k ea n a l y s i sa n d i i 武汉理工大学硕士学位论文 s i m u l a t i o n so ns i g n a li n t e r f e r e n c er a t e ( s i r ) ，b i t ee r r o rr a t e ( b e r ) ，m i n i m a lo u t p u t e n e r g ya n da n t i i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c ei nd i f f e r e n tc h a n n e le n v i r o n m e n to fl m s a l g o r i t h m ，r l sa l g o r i t h ma n dk a l m a na l g o r i t h mo ft h eb l i n dm u l t i u s e rm e a s u r e s t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ns h o w st h a tr l sa l g o r i t h ma n dk a l m a na l g o r i t h ma l eo f g r e a tc o n v e r g e n c ep e r f o r m a n c e ，s t a b l es i ra n da c c u r a t et r a c k i n gi nt i m i n gc h a n n e l s f i n a l l y ，a u t o r e g r e s s i v em o d e l i n gf o rr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e lf o rm u d w h i c hf l a t r a y l e i 螃f a d i n gs y n c h r o n o u sc h a n n e li si n t r o d u c e d ，a n dt o e n h a n c et h es y s t e m e f f i d e n c yo f m u d s i m u l a t i o n 。 k e yw o r d s ：m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，a r ，l m s ，r l s ，k a l m a n i 玎 此页若属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 y8 1 ；1 0 8 5 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：王益日期2 t 。2 ：， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签 注：请将 期幺。么彩 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 第三代移动通信系统是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新 一代移动通信系统，简称3 0 ( t h i r dg e n e r a t i o n ) 。它是由国际电信联盟( i t u ) 提出 的，i t u 希望新一代的移动通信系统能够达到真正意义的全球覆盖，在不同的网 络间实现无缝漫游。根据所制定的标准，3 g 能够处理图像、音乐、视频流等多 种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了 提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、 室外和行车的环境中能够分别支持至少2 m b p s 、3 8 4 k b p s 以及1 4 4 k b p s 的传输速 度。除此之外，第三代移动通信系统还具有高频谱效率、高服务质量、低成本、 高保密性、易于过渡等特点。第三代移动通信系统因其众多优点而倍受青睐i l j 。 国际电信联盟( i t u ) 在2 0 0 0 年5 月确定了w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a z 大主流无线接口标准，写入3 g 技术指导性文件( 2 0 0 0 年国际移动 通讯计划中。虽然这些方案不甚相同，但是全世界在第三代移动通信系统中 采用宽带码分多址( c d m a ) 技术已经达成了共识【2 j 。应该看到，由于c d m a 系统 是码分多址的多址方案，在实际系统中，码间干扰( i s i ) 、多址干扰( m a i ) 、以及 系统中强信号对弱信号的抑制( 远近效应) 成为c d m a 系统必然存在的几类主要 干扰。传统接收机的缺点是在对一个用户解调时没有利用已知的其它用户的信 息，而将多址干扰当作高斯白噪声，因此大大降低了系统容量。而多用户检测 技术则将造成多址干扰的所有用户信号信息均看作有用信号信息，利用其对单 个期望信号解调来降低多址干扰和远近效应的影响，同时也降低了系统对控制 精度的要求，进而提高了通信系统的容量p j 。所以，多用户检测技术已被列为第 三代移动通信系统中的关键技术之一。 1 9 8 6 年s v e r d u 提出了最佳多用户检测器概念，将多用户检测技术向前推进 了一大步。但是，由于其算法的复杂度极高，使其在工程上无法实现。所以， 寻求性能较好、算法复杂度较低的多用户检测技术是人们不断研究的目标【4 】。 武汉理_ ：= 【= 大学硕士学位论文 。2 本文内容 本论文主要研究了d s c d m a 系统中m a i 抑制技术的盲多用户检测算法，并 分绍了第三代移动遴倦中数关键技术、无线移动逶售售遭横爨帮多竭户检测匏 核心技术i 5 l ，在对多用户检测算法进行一定研究的基础上，开展了如下工俸： ( n 对盲多用户检测的l m s 算法、r l s 算法殿k a l m a n 算法在不同的信道环境 中的信= f 比、误码率及抗干扰性能进行了分奉斤、研究和仿真。 ( 2 ) 避遘霹魄努辑了三穗r a y l e i 醢衰落傍冀筹法，捷窭了萋予a r 摸整鹣 r a y l e i g h 衰落信道的多用检测算法，并对其进行了分析和仿真。 2 武汉瑗工大学颈学位论文 第2 章第兰代移动通信系统简介 2 。 通信发展 经j 建了二十多年超乎寻掌的离速发嶷，移动通售系统经历了从模拟劐数字 系统的更替，现在正在向真正意义的全球覆盖白q 移动信息时代谶进。 1 9 4 6 年，a t & t 推爨了第一个移动媳话系统，采用f m 调制，1 2 0 k h z 带宽传 输一路语音信号。6 0 年代中期，美国贝尔实验整推出t i m t s ( i m p r o v e dm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e ) 系统，采用f m 调制，2 5 3 0 k h z 带宽传输一路语音信 号。 1 9 7 8 年，美国贝尔实验室歼发了a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ) 系 统，这是一种冀正意义上的具有随时隧地通信的大容擞蜂窝移动通信巷统。8 0 年代中精，欧洲和日本也建立了自己的蜂窝移确通信两。这些系统都怒颏分多 址( f d m a ) 模拟制式系统，被称为第一代蜂窝移动通信系统。 尽管晦窝移动透僖系统取褥了巨大成功，艇是频谱乖j 用率较低，娩务较攀 一，系统保密蚀差，信令干扰语音业务，容量小等缺点日益显露，远笼法满足 用户霞菔增长豹需求。 1 9 9 2 年，第一个数字蜂窝移动通倍系统，欧洲的g s m ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 系统在欧满镶浚。由予箕饶越豹佳戆，该系统猩全球范 围内以令人吃惊的速度扩张，膳前该系统用户数超过世界上蜂窝移动通信系统 鼷户静6 0 ，楚全球最大瀚臻鬻遇售掰终。邃嚣美蓬霹嚣奉瓣秘a l 渖s 秘j d 系 统也相继投入使用。这些系统都采用了时分多址( t d m a ) 接入方式。1 9 9 5 年美国 毒逶公司箍窭寒带鹞分多溘( c d m a ) 方式戆q ，c d m a 系绞，该系绫稼磴1 9 9 3 年被 批准为中期标准i s 9 5 。这些系统被称为第二代移动通信系统。 第二我数字移动蜂窝系绞较f d m a 蜂窝系统毒缀多爨势：频谱效枣裹，系 统容量大，保密性能好，话音质量好锋。但是，第二代数字蜂窝系统只能提供 话毒亵甄速事数据翌务貔骚务，运送不g l 瀵足寒来转羧塑像、话音、数据等多 媒体业务以及大容量系统的通信要求，所以，新一代的移动和个人通信系统的 萋舞究秘发展称为电售领域豹研究热点及方囊1 6 j 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 第三代移动通信主要方案 为了满足更高速率更灵活的业务以及更高的频谱效率的要求，同时减少目 前存在的各网络之间的不兼容性，早在1 9 8 5 年，国际电信联盟( i t u ) 就提出了全 球范围内运营的未来公共陆地移动系统( f p l m t s ) 概念，并于1 9 9 5 年正式更名为 国际移动电信2 0 0 0 系统( i m t 2 0 0 0 1 ，i m t 2 0 0 0 支持的网络被称为第三代移动通 信系统，简称3 g 。它将支持速率高达2 m b p s 的业务，并支持多种多媒体业务。i t u 希望新一代的移动通信系统能真正实现“任何人，任何地点，任何时间，与任何 人都能顺畅通信”的目标。 截至1 9 9 8 年6 月3 0 日，提交到i t u 的i m t - - 2 0 0 0 无线传输技术( r t t ) 地 面系统r t t 提案有1 0 个，其中8 种基于c d m a 技术，即宽带c d m a 技术将是 第三代移动通信的主要技术。国际电信联盟( i t u ) 在2 0 0 0 年5 月确定了 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三大主流无线接口标准，写入3 g 技术指 导性文件( 2 0 0 0 年国际移动通讯计划中。下面我们对这三种最具竞争力的方 案做以简要介绍。 w c d m a 码片速率3 8 4 m o p s 。基站采用同步异步相结合方式，支持不同载频 间互换。w c d m a 的支持者主要是以g s m 系统为主的欧洲厂商，日本公司也或 多或少参与其中。这套系统能够架设在现有的g s m 网络上，对于系统提供商而 言可以较轻易地过渡，而g s m 系统相当普及的亚洲对这套新技术的接受度预料 会相当高。因此w c d m a 具有先天的市场优势。 e d m a 2 0 0 0 码片速率3 6 8 6 4 m o p s 。c d m a 2 0 0 0 沿用i s 一9 5 系统标准，采用g p s 使 基站之间严格同步。c d m a 2 0 0 0 系统由美国高通北美公司为主导提出，韩国现在成 为该标准的主导者。这套系统是从窄频c d r f l ao n e 数字标准衍生出来的，可以从 原有的c d m ao n e 结构直接升级到3 g ，建设成本低廉。但目前使用c d m a 的地区 只有日、韩和北美，所以c d m a 2 0 0 0 的支持者不如w c d m a 多。不过c d m a 2 0 0 0 的研发技术却是目前各标准中进度最快的，许多3 g 手机已经率先面世。 t d s c d m a 码片速率1 2 8 m o p s 。该标准是由中国大陆独自制定的3 g 标准，1 9 9 9 年6 月2 9 目，中国原邮电部电信科学技术研究院( 大唐电信) 向i t u 提出。该标准将 4 武汉理王大学硕士学位论文 智靛秃绫、上暂信道同步、接力甥挟窃较彳譬无线瞧等当今黼际领先技术融予其 中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特 优势，商利于因特网的有利传输，适用于低速率接入环境。另外，由于中国内 的庞大瓣枣场，该据难受到各大至要瞧信设餐厂囊的重视，全球一半爨乏熬设 备厂商酃宣布可以支持t d s c d m a 标准。 总体来说，虽然这些方案不镄相同，但是全世界在第三代移动通信系统中 采用宽带码分多址技术已经达成了蔟识。 2 3 第三代移动通信中的关键技术 在燕三代移动遴信系统中，莱用了较容鬓产生与麓望瘸户信号整切禳关戆 参考倍恿的c d m a 技术，这是许多智能算法群必需的，所以3 g 弓l 入了檄多薪的 智能技术以提高系统性能并扩大系统容量。这熙仅介绍部分物理层的关键技术。 2 3 1 容墟技术 多址技术使众多的用户共用公共的通信线路。为使信母多路化而实现多址 的方法簇本上有三种，它们分别添用频率、时间或代码分隔的多址连接方式， 霹又 f l 逶露鼹稳载频分多缝( f d m a ) 、游努多蟪疆羚淞) 秘薅分多娃( c d m a ) 三耱 接入方式。f d m a 怒以不同的频率信道实现邋信的，t d m a 是以不同的时隙实 现通信的，c d m a 魑以不同的代码序列实现通信的。 2 3 。1 。1 频势多蛙 频分，有时也称之为信道化，就是把整个可分配的频谱划分成许多单个无 线电倍道( 发射和接收载频对) ，每个信道可以传输一路话音或控制信息。在系统 的控制下，任何一个用户都可以接入这些信邋中鲍任侮一个。模拟蜂窝系统是 f d m a 结构静一个典鹜铡子，数字蜂窝系绫审氆同样可戳浆褥f d m a ，廷是不 会采用纯频分的方式，比如g s m 和c d m a 系统就采用了f d m a 。 2 3 1 0 时分多址 时分多蛙是翟一个带宽豹光线载渡上，按时闻或称必拜寸隙) 划分为若干时分 信道，每一用户占用一个时隙，只在这一指定的时隙内收( 或发) 信号，故称为时 分多地。此多址方式在数字蜂窝系统中采用，g s m 系统也采用了此神方式。 武汉理工大学硕士学位论文 t d m a 是一静较复杂豹结稳，疆麓蕈熬馈况是单路载频被剜分残译多不藏 的时隙，每个时隙传输一路猝发式信息。t d m a 中关键部分为用户部分，每一 个用户分配给一个时隙( 在呼叫开始时分配) ，用户与基站之间进行同步通信，并 对时熬邂牙计数。誊鑫己的瓣豫到来睫，移动台裁毫动接收粒解谲电路，蹲基 站发来的猝发式信怠进行解码。同样，当用户矮发送信息时，首先将信息进行 缓存，等到自己时隙的到来。在时隙开始后，再将信息以加倍的速率发射出去， 然后又开始积累下一次猝发式传簸。 t d m a 静一个炎形莛在一令擎频绩遒上送行发射秘接波，稼之为辩努双工 ( t d d ) 。其最简单的结构就是利用两个时隙，一个发一个收。当移动台发射时基 站接收，基站发射时移动台接收，交替进行。t d d 具有t d m a 结构的许多优点： 猝发式传辕、不罴癸天线数收发共震装置等譬。它瓣主要俊点楚可鞋褒攀载 频上实现发射和接收，而不需要上行和下行两个载频，不需要频率切换，因而 可以降低成本。t d d 的主要缺点飓满足不了犬规模系统的容凝要求。 2 3 1 3 玛分多址 码分多址是一种幂j 用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。它 不像f d m a 、t d m a 那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个 信道上闲时传辕多个爝户的信息，也就是说，兔许用户之阙靛棱互于抗。蔟关 键是臻怠在传输竣髓蘩进行将豫酌编码，编磁器的信息混合螽不会丢失源来的 信息。有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个用户嘲时在一个载波上通 信。每个发射机都有岛己唯一的代码( 伪随机码) ，同时接收机也知道要接收的代 羁，躅遮令钱码终麓绩号豹滤渡鼗，接羲辍藏憝获褒毒蓑魏信号熬鹜暴审谈复 成原来的信息码( 这个过程称为解扩) 。c d m a 按照获得带宽饼号所采取的调制方 式分为意接序列扩频( d s ) 、跳频( f 和跳时( t h ) 。 2 3 2r a k e 装救壤 r a k e 接收机也称为多径接收机，即是指移动台中有多个r a k e 接收机， 由于无线信号传播中存在多径效廒，因此基站发出的信号会经过不同的路径到 达移韵台楚，经不蠲臻径虱这移瀚台娃熬荣号瓣嚣润是不鞫豹，螽莱嚣个信号 到达移动台处的时间莲超过一个信号码元的宽殿，r a k e 接收机就可将其分别成 功解调，移动台将备个r a k e 接收机收到的信号进行矢量栩加( 即对不同时间到 6 武汉理_ ：= 大学硕士学位论文 达移凌台豹信号逶纷不溺静薅阔嫩运甍达蘑稳) ，每个接绞橇霹单独援救一路多 径信号，这样移动台就可以处理几个多径分爨，达到抗多径寝落的目的，提高 移动台的接收性能。潦站对每个移动台信号的接收也是采用同样的道理，即也 采用多令r a k e 接收援。贯钤，程移凄台遴抒较甥换瓣畦镞，也正是出予使用 不同的r a k e 接牧枫接收不同基站的信号才褥以实现。 2 , 3 3 多用户检测 出于c d m a 系统是一个多输入多输密系统，传统匏捡溯方式如匹配滤波器 采用单入单出检测方式，不能充分的利用用户的边信息，而将多址干扰瓣作是 高斯白噪声，因此大大降低了系统容量。多用户检测技术利用各用户之间码字 夔菲囊交牲来瀵豫多惩户之阗熬秘互于魏，将逡戎多蛙予挽靛痰毒瑶户繁号售 息均者作是有用信号信息，利用艇对单个期望倍号解调，来降低多址干扰和远 近效威的影响，也降低了系统对羧制精度的要袋，进而提离了通信系统的窖量。 成为第三代移动逶傣系统提高性熊魏关键技术之- - 2 9 1 。 多弼户检测( m u d ) 邀称为联台检测和干扰消除，它提供了降低多路谈入干 扰的影响，因而增加系统容量。同时m u d 显著降低了c d m a 系统的远i 臆效应。 m u d 可以缓解系统对功率控制的需求。 2 3 4 功率控镧 由于c d m a 系统不同用户同一时间采用相同的频率，所以c d m a 系统为 垂予找系统，魏果系凌采用戆扩频褥不是完全垂交魏( 实舔系统孛使霆熬建缝璃 是近议派交的) ，嚣丽造成相互之间的干扰。程一个c d m a 系统中，每一确分信 道都会受到来自其它码分信道的干扰，这种干扰是一种固脊的内在干扰。由于 各个用户距离基站躐离不同而使褥基站接收到器个用户的俄号强弱不箍，由于 镑号瘸存在于魏，笼其楚强谊专会对弱信号遮藏缀大懿于魏，葚至造成系统的 崩溃，因此必须采用某种方式来控制各个用户的发射功率，使得各个用户到达 基站的信号强度基本致。c d m a 系统的容爨难要受限于系统内部移动臼的相 互于挽，爨鼓每令移麓台戆售号达到基菇对郝达到最奎爨鼹夔薅曝魄，系筑容 量将会达到最大值。c d m a 功率控制分为：前向功率控制和反 甸功率控制，反 向功率控制又分为开环和闭环功率控制。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 5 较容量 对于c d m a 系统，用户数与服务级别存在蹴较灵活酌关系，邋蓠商可在话 务登高峰期将误帧率稍微提筒，来增加诃用信道数，提高系统容量。软容爨是 通道c d m a 系统的呼吸功黥来实现的。呼吸功隧遐c d m a 系统中特有的改善 用户相互干扰、合理分配基站容建的功能。它怒指相邻基站间，如果某基站覆 羲邀正在遵话的爝户数量较多时，该基站的用户之润会产生较大的干扰，这时， 该纂站可通进降低诙基站酌导频信道的发射功率使部分用户通过软切换切换到 负荷较较鞠邻基游中去，莰雨降低该羹站的负葡，减轻该豢站的干扰，这怒所 谓的“评”功能；当该基始的嗣户数蝥减少、干扰减轻时，该基站又可增加导频信 遂静发鸯手功率，将籀邻蘩蘑的用户逶过较切换缡入自己鹣禳羞嚣蠛，这是所谓 的“暇”功能。c d m a 系统实现砰墩功能钓本质夜予其可敬方便的控制各个藜菇 的糕盖蕊隧程系绫黥够实臻软翡羧，逮j 遣改变蕊戆瓣覆藏范围来调整各个蒸活 下瑟的鬻户容量，c d 淞系统邋遵浮蔽功筏，实魏耱邻蓥濑之鞠韵容量均衡， 降低各个基拣内郄的躅户予捷，扶熬个系缝考虑是缎按了骞爨。 2 3 6 软切换 韬羧跫指将个正在逡行酌弹秘双个夸送转移到雯一个，j 、送豁邋翟。切 换是用予无线接援、业务分配、激谗操佟绦护、设鍪放蹬等原因褥产生。c d m a 系统孛豹甥攮毒藕炎：磺韬羧程较落换。 1 。硬甥换( h a r dh a n d o f f ) ： 硬甥换是攒在切换豹遗程孛，照务信邀鸯黢辩豹孛凝鹣甥羧过程。磴甥换 售攒以下联转媾况：同一m s c 中的不凰频遒之阅、不嗣m s c 之阕。 2 软甥换( s o f th a n d o f o ： 软切换是摆在切换过程中，在中断与1 日的小迸的联系之前，能用相同频率 建立与瑟浆小区熬联系。手枫在殛个或多令基蛄数覆盖边缘莲域邀行切换腿， 手机同时接收多个臻站( 大多数情况下是两个) 的倍母，几个旗站也同时接收该手 规熬信号，矗到滤熙一定的袈侉羼譬极才切断鄹愿寒基蛄触联系。翔鬃掰个基 站之间采用的是不同频率，则这时发生的切换嫩硬切换。软切换包括以下四种 情况： 1 1 间一基站的两个扇区之问； 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 不间基站瀚两个小区之f 8 1 ； 3 ) 不同基站的小区和扇区之间的三方切换； 4 j 不溺基菇稳蠲器之间； 2 3 地址码的选择 地址码选择的要求：所选的地址码成能提供足够数量的相关函数特性尖锐 的褥痔爨，傈证锩号经遘蠢囊整褥辩扩焉其蠢较商的信嗓魄。造班谒提供鹃玛序 列应接近囱噪声特性，同时编码方案简单，保证具有较快的同步建立速度。 l + 镄淹撬孝翔 伪随机序列( p n 码) 具有类似噪声序列的性质，是一种貌似随机但实际上是 鸯痰律熬溺麓性二遴裁穿戮。c d m a 系绞中采焉m 痔囊。m 痔翔定义：“最长 线性反馈移位寄存器序列”的简称。如果r 级线性移位寄存器序列的周期是p = 魏一l ，列渡移位淳到为m 彦餮。 2 p n 码的粥捕获 c d m a 中，p n 玛懿码捧获聚建嚣敷疆索算渡，实域块逮爨获。实现过程 如下： l ，程相关解调过程串，先设爨一令较低门赡，然蜃鞠关解调p n 磷豹- - + 段，如果没有超过门限，则表明在该相位无有用情号，将相位后移一段，再作 栏关解调。 2 ) 如果超过门限了，在该相位再做擞长一段p n 码的相关解调，以判定该 相位是否蠢有用僚号。 3 1 每次移p n 码的半个比特的长度。 3 p n 码在c d m a 中的应用 在前向信遥巾，长度为2 4 1 的m 序列被用作对业务倍遒进行扰码( 注意不是 用作扩频，在前向信道中是使用正交的w a l s h 函数进行扩频) 。长度为2 1 4 的m 序列被用作对前向信道进行正交调制，不闻的基激使用不同相位的m 序翔进行 调制，其棚位差至少为6 4 个比特，这样，最多有5 1 2 个不同的相位可用。 在反商信道串，长度为2 4 1 静m 序列被堵作疆接送行扩频，每个嗣户被分 配一个m 序列的相位，这个相位魑由用户的e s n ( 移动台的电子序号) 计算出来， 这些r l l 洚弼魏稠控是随梳分布虽不会重簸懿。长度为2 1 4 的p n 码也被用作对 威向业务倍道进彳予正交调制，其相位偏置为0 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 8 分集技术 分集技术是指系统同时接收衰落互不相关的两个或更多的输入信号后，系 统分别解调这些信号然后将他们相加，这样系统可以接收到更多有用信号，克 服衰落。 移动通信信道是一种多径衰落信道，发射的信号要经过直射、反射、散射 等多条传播途径才能达到接收端，而且随着移动台的移动，各条传播路径上的 信号幅度、时延及相位随时随地发生变化，所以接收到的信号的电平是起伏、 不稳定的，这些多径信号相互叠加就会形成衰落。叠加后的信号幅度变化符合 瑞利分布，又称瑞利衰落。瑞利衰落随时间急剧变化时，称为“快衰落”。快衰落 严重衰落深度达到2 0 3 0 d b 。瑞利衰落的中值场强只产生比较平缓的变化，称 为“慢衰落”，且服从对数正态分布。分集技术是克服叠加衰落的一个有效分发。 由于具有频率、时间、空间的选择性，因此分集技术包括频率分集、时间分集、 空间分集。 减弱慢衰落采用空问分集，即用几个独立天线或在不同场地分别发射和接 收信号，以保证各信号之间的衰落独立。根据衰落的频率选择性，当两个频率 间隔大于信道带宽相关带宽时，接收到的此两种频率的衰落信号不相关，市区 的相关带宽一般为5 0 k h z 左右，郊区的相关带宽一般为2 5 0 k h z 左右。而c d m a 的一个信道带宽为1 2 3 m k z ，无论在市区还是郊区都远远大予相关带宽的要求， 所以c d m a 的宽带传输本身就是频率分集。时间分集是利用基站和移动台的 r a k e 接收机来完成的。对于一个信道带宽为1 2 3 m h z 的c d m a 系统，当来自 两个不同路径信号的时延为l u s 时，也即这两条路径相差大约3 0 0 m 时，r a k e 接收机就可以将它们分别提取出来而不混淆。 l o 3 1 概述 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章无线移动通信信道模型 移动通信与固定通信的不同在于通信时电台所处的环境是移动的，因此移 动通信信道足影响无线通信系统性能的一个基本因素。发射机与接收机之间的 传播路径非常复杂，从简单的视距传播到各种复杂的具有各种各样障碍物的发 射、折射和散射的路径，无线信道的传播特性具有极度的随机性。同时，随着 发射机和接收机之间距离的不断增加而引起电磁波强度的衰减，而且移动台相 对于发射台移动的速度和方向也对接收信号有很大的影响。因此模拟无线信道 一直是移动无线设计的一个难点，对移动信道的研究只能在统计意义上来进行。 复杂、恶劣的传播环境是移动信道是主要的特征，这是由在移动中进行无线通 信这一方式本身所决定的。 对于移动通信来说，恶劣的通信信道是不可回避的问题。与其它通信信道 相比，无线移动信道是最复杂的一种。在移动无线信遭中。信号强度的骤然降 低即所谓的衰落是经常发生的，衰落深度可达3 0 d b 。一辆快速行驶车辆上的移 动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。这种衰落现象严重恶化 接收信号的质量，影响通信的可靠性。要在这样的传播条件下保持可以接受的 传输质量，就必须采用各神技术措施来抵消衰落的不利影响。各种抗衰落技术 都是针对移动通信的信道特点而产生的，包括分集、扩频、均衡、交织和纠错 编码等。另外，信号的传输方式，如调制方式，对信道的衰落也要有一定的适 应能力同。 3 2 多径衰落信道的数学描述和实现结构 多径衰落的无线信道可以用线性时变滤波器来描述。设信道有l 条可分解的 路径，则基带中信道的单位脉冲响应可表示为： 路径，则基带中信道的单位脉冲响应可表示为： l ( l f ) = 当( 0 6 ( r r a t ) ) ( 3 1 ) i - i 武汉理工大学硕士学位论文 上式中，单位脉冲舔斑h ( r ，) f 避偿道在对轰t 对中# 用于露到f f 静一个莛豪冲的 响，r a t ) 是第l 条路径的传播时延。第l 条路径的复振幅毒( r ) 叫岛( 圳p 一妈“，也称 为第1 条路径的信递增益或衰落因子，毒( r ) 和f ( r ) 不相关( 若i # ，) ， 谚器) = 2 ，r l r a t ) 满足均匀分毒，工淹载波频率。嚣为转播踺经豹对廷夔潜瓣瓣变 化远慢于路径的衰落因子随时间的变化，大多数情况下0 ( f ) = _ ，于是式( 3 1 ) 可以简化为 上 h ( r ， ) = 参f ) 艿f t ) ( 3 - 2 ) 信道路径的衰落因子螽( f ) 随时间的变化称为衰落。如果在传播路径上存谯着大 量随机移动的散射物，则毒( f ) 遗似为零均德复高斯过程，其包络满足瑞利 ( r a y l e i g h ) 分毒。若程蓬辊移动懿教羹季耱之箨，还存在羞固是的教麓豹帮傣弩反 射器，则i 喜( f ) l 满足兼斯( r i c i a n ) 分布。 3 3 无线信道的动态特性 3 3 1 时延扩展与相干带宽 程多经传搔条传下，接收信母会产生时惩扩展。发送端发送一令窄豢稼洚 信号，萁通过多象长发不同的传瓣路径到达接收端，这样接收信号由许多不同 时延的脉冲组成，释个脉冲可能魑离散的，也可能是连成片的。时延扩展定 义为最大传输时延f 赫和最小传输时延f 。的麓傻，即最后一个可分辨的时延信 号与第个霹分臻豹瓣延蓓号豹鬟这薅阕戆蓦馕，实舔土壤蹩躲；串震宽豹瓣淘。 f = r m 。一女 ( 3 3 ) 显然，a f 是随机变煅，因此可用统计的方法得到平均延迟。及方差以。统计 参塞坑豹凌理意义京予它表薤辩逛扩震黎离散疆度。在数譬终输孛，国予对延 扩展，接收信号中个码元的波彤会扩展到其像码元周期中，引起i s i 。为了避 免i s i ，应使码元周期大于多径引超的时延扩展。信道的相干带宽厂表征信号的 不霹频率分量逶过多径衰藩羡道翳其包终衰落粒耀关牲，纛是一个频率菠潼兹 统计鼙，可与时延扩展的标准差玑建立一定静联系，即 ，：上一 。 2 n t y ( 3 - 4 ) 武汉璎工大学硕士学位论文 旗手蒂宽袭疆的是信号中两个频枣分量基本攘关懿频率耀隔。镀号中黪嚣令频 率分量，在其频率间隔小于相干带宽时，它们怒相关的，衰落特性具有一致性； 在其颓率间隔大予相干带宽时，焱藩特性不其商致性。 3 3 2 多酱勒扩展与榍午时间 时延扩展与相干带宽熄用于描述本地傣道时间谯散特性的两个参数。然丽， 它们并没裔提供描述傣道时变特性的信息。这种时变特性或热由移动台鞠繁站 之间的榴对运动弓i 起的，或者是由倍道路径中的物体的运动所引怒的。多瞽勒 扩展窝糖关瓣闻赣是攒述僖遭露交特注赞嚣个参数掰j 。 多蒋勒扩展玩髭谱展宽的测量傻，这个谱展宽是移动无线信遂静时阕变化 率的一种量液。多普勒扩髅定义为个频率范围，在此范围内接收鲍镶号蠢非 霉多普勒扩散。肖发送频率为的摄弦信号时，由于多酱勒频移的作用，接收 镄号静频谱在五一厶至五+ 五之阊燮纯，其率厶怒多普渤频移。谱震宽依赖于 五，五蹙移动台的楗对运动速度、移动台运动方囊与教瓣波入射方彝之游必燕 p 的函数。如果基带信号带宽远大于瓢，则在接收端可憝略多普勒扩展瓣影嗨。 正= 量c 0 5 护( 3 - 5 ) 其中冀为载波波长，v 为运动速度，v 2 = 五为最大多普勒频穆。 信邋的相干时间是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道频率 毪敬酌时燮特洼，与多麓勃扩袋成反魄，郢 *_1(3-6) j ” 偻道的相干时间怒信邀冲击响应维持不变的时间闻隔的统计平均馒。换句话说， 相干时闻就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达的信母有很强韵幅度辐 关性。翔栗基带信号鬻宽麴翻数大予信道静相干辩阀，辫么蒋输中基带信号可 魏发生交健，寻致接l 雯褪辫褥失粪。 3 3 3 无线信遘鼢选择镶衰蘩 1 时延扩展引起的衰落 若无线移动信道在比发射信号带宽大的多的倍道带宽内舆有不变的增髓和 武汉理工大学硕士学位论文 线往穗位桶应，刘接收信号将发生非频率选择挂衰落( 平毽囊落) 。在一个乎遣衰 落信道中，传输信号带宽的倒数远大于信道的多径时延扩展，此时有： 毽 q 冀中毽为发射信号带宽，t 为码元周毅。 若无线移动信道在比发射信号带宽小的信道带宽内具有不变的增益和线性 相位响应，则接收傣号将发生频率选择性嶷落，政时有： e a f