（通信与信息系统专业论文）基于ads的cdma2000抗衰落技术仿真研究.pdf

中文摘要 移动通信是通信领域最为活跃和发展最为迅速的领域之一，对下一代无线通 信关键技术的研究是现在通信领域研究的热点，其中一个重要的研究内容就是抗 衰落技术。c d m a 2 0 0 0 是第三代移动通信系统的主要技术标准之一，其关键技术 以i s 一9 5 为基础，保持了与第二代移动通信系统良好的兼容性，同时又采用了多 项新技术，支持从话音分组数据到多媒体业务，具有较高的综合经济技术性能， 并具有很强的抗衰落能力。 本文首先回顾了移动通信的发展历史，简要介绍了移动通信的发展现状，并 对三大标准作了比较；接下来对c d m a 2 0 0 0 系统进行了介绍，包括它的由来、 特征和主要特点。在此基础上比较详细地介绍了c d m a 2 0 0 0 的前向链路、反向 链路结构，包括扩频方式、组帧结构等，为本论文后面的c d m a 2 0 0 0 库的设计、 开发以及系统仿真提供了仿真依据和仿真参数。然后本论文重点研究了 c d m a 2 0 0 0 的抗衰落技术。本文的主要工作有：介绍了仿真平台的建立和一些 模块的具体实现方法，依照c d m a 2 0 0 0 标准和移动通信典型信道特征搭建了 c d m a 2 0 0 0 前向链路并实现了仿真。分别对采用o t d 技术、d s 技术的系统仿 真结果作了分析和比较。仿真结果表明，在相同信道条件下，采用的o t d 技术 的系统具有更好的抗衰落能力。论文最后对多载波调制系统进行了仿真研究，结 果表明多载波调制能提高系统抗多径干扰的能力。 关键词： a d sc d m a 2 0 0 0 抗衰落技术系统仿真 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m o b i l et c l c c o m m t m i c a t i o n sh a sb e c o m eo n eo ft h ef a s t e s tg r o w i n g f i e l d s n l em a j o n t yo fr e c e n tr e s e a r c hh a sb e e nl o o k i n gt o w a r d st h en e x tg e n e r a t i o n i nm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s o n eo ft h e s ea r e a so fr e s e a r c hh a sb e e nf a d i n g m i t i g a t i o nt e c h n i q u e s ，s u p p o r tf r o ms p e e c ht r a n s m i s s i o nt om u l t i m e d i as e r v i c e t h e r e i sa l s oh i 曲d a t at r a n s m i s s i o na n ds t r o n gf a d i n gc h a n n e lf u n c t i o n s c d m a 2 0 0 0i so n e o f t h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i c a ls t a n d a r d si n3 gc d m a 2 0 0 0h a sb e e nf o u n d e do nt h e s t a n d a r d so fi s 9 5b u tm o d i f i e da n de n h a n c e dt oi n c l u d en e wa n di m p r o v e d t e c h n i q u e s t h i sp a p e rc o n c e r n st h eh i s t o r yo f t h ed e v e l o p m e n ti nm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s ，t h e c u r r e n ts t a n d a r d sw h i c hh a v eb e e ni n t r o d u c e di n t oi t ，ac o m p a r i s o no ft h e3m a i n s t a n d a r d sa n dp r i n c i p a l l yi n t r o d u c e st h ec d m a 2 0 0 0s y s t e m ；i t sd i s t i n c t i v eq u a l i t i e s a n dp r o p e r t i e sa n dp o s s i b i l i t i e sf o ri t sf u t u r ed e v e l o p m e n t t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e s i nd e t a i lt h ef o r w a r da n dr e v e r c ec h a n n e ls t r u c t u r e sa n ds p r e a ds p e c t r u mt e c h n i q u e s t h ep a p e ri sm a i n l yar e v i e wo ft h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n so ft h ed i f f e r e n t c d m a 2 0 0 0t e c h n i q u e s t ob e g i nw i t h ，t h em i e r o c h i pd e s i g na n dc o n d i t i o n so ft h e s i m u l a t i o na r ed i s c u s s e d t h e f o l l o w i n g s t i m u l a t i o n sa r ea l s o d i s c u s s e d ；t h e c d m a 2 0 0 0f o r w a r dc h a n n e ls y s t e m ，t h eo t da n dd st e c h n i q u e s t h es i m u l a t i o n r e s u l t sc l e a r l ys h o wt h a tw i t h i nf a d i n gm i t i g a t i o nt e c h n i q u e s ，o t dt e c h n i q u e s p r o m i s eb e t t e rr e s u l t s t h ep a p e rc o n c l u d e sw i t had i s c u s s i o no nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s a n dc o n c l u s i o n so ft h er e s e a r c hi n t om c ( m u l t i c a r r i e r ) t e c h n i q u e sw h i c hs h o wa h i g h e rp e r f o r m a n c eu n d e rm u l t i - p a t hf a d i n g k e y w o r d s ：a d s ，c d m a 2 0 0 0 ，f a d i n gm i t i g a t i o nt e c h n i q u e s ，s y s t e ms i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘茎或其他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。 学位论文作者签名 签字日期： 年劬万日碰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘生盘茎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签 签字日期：船 ， 池h 导师躲7 定希荐 签字日期：力，1 ) 6 年月j ) ，日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 移动通信系统的发展 第一章绪论 现代移动通信技术发展始于上世纪7 0 年代，从模拟调制到数字调制技术， 大致经历了三代i “。 第一代是采用频分多址( f d m a ) 的模拟系统，工作频段为4 0 0 8 0 0 m h z 。相 对于以前的移动通信系统，最重要的突破是贝尔实验室在七十年代提出的蜂窝组 网的概念。这种系统的主要缺点是频谱利用率低、信令干扰话音业务、通信容量 小、保密性差、设备复杂、成本高、不能提供非话音业务，且各国的设备标准不 统一。典型的系统有：t a c s ，a m p s 。 第二代蜂窝系统是采用时分多址t d m a 和码分多址c d m a 的数字系统，提 高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善。t d m a 方式 的主要缺点是：系统容量仍不理想；和f d m a 方式一样，t d m a 方式的越区切 换性能仍不完善。为了克服f d m a 和t d m a 两种多址方式的缺点，北美推出了 i s 一9 5 c d m a 数字移动通信系统。i s 9 5 c d m a 系统以其频率规划简单、系统容 量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量等特点显示出巨大 的发展潜力，立即在全世界范围内掀起一股研究c d m a 技术的热潮。 第三代移动通信( 简称3 g ) 建立在i t u i m t 2 0 0 0 建议基础上，是工作在2 g h z 频段的宽带移动通信系统( 在国际电信联盟中，称第三代网络为国际移动通信 2 0 0 0 ，即i m t - 2 0 0 0 ；在欧洲称其为个人移动通信系统u m t s ) 。它能提供更大 的系统容量、更高的通信质量，并能提供2 m b i t s 以上的数据业务，能满足人们 对多媒体通信的要求并能适应通信个人化的发展方向。c d m a 己经成为被广泛 接受的第三代移动通信系统的关键技术。 当然，3 g 系统本身也具有的局限性。比如，3 g 采用的是c d m a 技术，c d m a 本身是一个自干扰系统，所有的移动用户都占用相同的带宽和频率，因此在系统 容量有限的情况下，用户数越多，越难达到较高的通信速率，无法满足用户对高 速速率业务的要求。人们对业务的更高要求，促使世界通信界开始了后3 g ( 或 称为4 g ) 技术的研究。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 第三代移动通信的特点 与前两代相比，第三代移动通信技术有其自身的优势。第三代移动通信系统 的数据速率可从几k b p s 到2 m b p s ：高速移动时为1 4 4 k b p s ，慢速移动时为3 8 4 k b p s ， 静止时为2 m b p s 。第三代移动通信的主要特点是： 多媒体化：提供高质量的多媒体业务，如话音、可变速率数据、移动视频和 高清晰图像等多种业务，实现多种信息一体化。 全球性：公用频段，全球漫游，大市场。在设计上具有高度的通用性，该系 统中的业务以及它与固定网之间的业务可以兼容，拥有足够的系统容量和强 大的多种用户管理能力，能提供全球漫游，是一个覆盖全球的、具有高度智 能和个人服务特色的移动通信系统。 综合化：多环境灵活性，能把现存的寻呼、无绳、蜂窝( 宏蜂窝、微蜂窝、 微微蜂窝) 、卫星移动等通信系统综合在统一的系统中( 具有从小于5 0 m 的 微微小区到大于5 0 0 k m 的卫星小区) ，与不同网络互通，提供无缝漫游和业 务一致性，网络终端具有多样性。 平滑过渡和演进：与第二代系统的共存和互通，开放结构，易于引入新技术。 智能化：主要表现在优化网络结构方面( 引入智能网概念) 和收发信机的软 件无线电化。 个人化：用户可用唯一个人电信号码( p 订) 在任何终端上获取所需要的电信 业务，这就超越了传统的终端移动性。 3 g 系统有着更好的抗干扰能力，还使用了多用户检测，可消除来自其他用 户的干扰；提供多速率的业务，这意味着在高灵活性和高频谱效率的情况下可提 供不同服务质量的连接；支持频间无缝切换，从而支持层次小区结构；采用快速 功率控制；保持对新技术的开放性；支持智能天线阵技术，使系统性能得到许多 改善。在3 g 系统中还会采用其它许多新技术，使系统不断得到改进。 1 3 第三代移动通信系统关键技术 使第三代移动通信系统发生天翻地覆变化的当然是第三代移动通信中所采 用的多种高新技术，这些高新技术是第三代移动通信系统的精髓，也是制定第三 代移动通信系统标准的基础，了解这些技术就了解了第三代移动通信系统。下面 就介绍几项应用于第三代移动通信系统中的关键技术。 1 ) 初始同步与r a k e 多径分集接收技术 c d m a 通信系统接收机的初始同步包括p n 码同步、符号同步、帧同步和扰 天津大学硕士学位论文第一章绪论 码同步等。c d m a 2 0 0 0 系统采用与i s 9 s 系统相类似的初始同步技术，即通过对 导频信道的捕获建立p n 码同步和符号同步，通过同步信道的接收建立帧同步和 扰码同步。w c d m a 系统的初始同步则需要通过“三步捕获法”进行，即通过 对基本同步信道的捕获建立p n 码同步和符号同步，通过对辅助同步信道的不同 扩频码的非相干接收，确定扰码组号等，最后通过对可能的扰码进行穷举，建立 扰码同步。 移动通信是在复杂的电波环境下进行的，如何克服电波传播所造成的多径衰 落现象是移动通信的另一个基本问题。在c d m a 移动通信系统中，由于信号带 宽较宽，因而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号。对分辨出的多径信号分 别进行加权调整，使合成之后的信号得以增强，从而可在较大程度上降低多径衰 落信道造成的负面影响，这种技术称为r a k e 多径分集接收技术。为实现相干形 式的r a k e 接收，需发送未经调制的导频( p i l o t ) 信号，以使接收端能在确知己发数 据的条件下估计出多径信号的相位，并在此基础上实现相干方式的最大信噪比合 并。w c d m a 系统采用用户专用的导频信号，而e d m a 2 0 0 0 下行链路采用公共导 频信号，上行信道则采用用户专用的导频信道。 r a k e 多径分集技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区软切换 技术。当移动台处于越区切换状态时，参与越区切换的基站向移动台发送相同的 信息，移动台把来自不同基站的多径信号进行分集合并，从而改善移动台处于越 区切换时的接收信号质量，并保持越区切换时的数据不丢失，这种技术称为宏分 集和越区软切换。w c d m a 系统和c d m a 2 0 0 0 系统均支持宏分集及越区软切换功 能。 2 ) 高效信道编译码技术 第三代移动通信的另外一项技术是信道编译码技术。在第三代移动通信系统 主要提案中，除采用与i s 9 5c d m a 系统相类似的卷积编码技术和交织技术外， 还建议采用t u r b o 编码技术。t u r b o 编码器采用两个并行相连的系统递归卷积编 码器，并辅之以一个交织器，两个卷积编码器的输出经并串转换以及凿孔操作后 输出。相应地，t u r b o 解码器由首尾相接、中间由交织器和解交织器隔离的两个 以迭代方式工作的软判输出卷积解码器构成。虽然目前尚未得到严格的t u r b o 编 码理论分析结果，但从计算机仿真结果看，在交织器长度大于1 0 0 0 、软判输出 卷积解码采用标准的最大后验概率( m a p ) 算法的条件下，其性能比约束长度为9 的卷积码提高1 至2 5 d b 。 目前t u r b o 码用于第三代移动通信系统的主要困难体现在以下几个方面：由 于交织长度的限制，无法用于速率较低、时延要求较高的数据( 包括语音) 传输； 基于m a p 的软输出解码算法所需计算量和存储量较大；t u r b o 编码在衰落信道 天津大学硕士学位论文第一章绪论 下的性能还有待于进一步研究。 3 ) 智能天线技术 智能天线包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进 行到达角估计，并进行空间滤波，抑制其他移动台的干扰：二是对基站发送信号 进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台， 从而降低发射功率，减少对其他移动台的干扰。智能天线技术用于t d d 方式的 c d m a 系统是比较合适的，能够起到在较大程度上抑制多用户干扰，从而提高 系统容量的作用。其困难在于由于存在多径效应，每个天线均需一个r a k e 接收 机，从而使基带处理单元复杂度明显提高。 4 ) 多用户检测技术 在传统的c d m a 接收机中，各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰 落环境下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用 户之间的相互干扰，并限制系统容量的提高。解决此问题的一个有效方法是使用 多用户检测技术，通过测量各个用户扩频码之间的非正交性，用矩阵求逆方法或 迭代方法消除多用户之间的相互干扰。 从理论上讲，使用多用户检测技术能够在很大程度上改善系统容量，但一个 较为困难的问题是对于基站接收端的等效干扰用户等于正在通话的移动用户乘 以基站端可观测到的多径数。这意味着在实际系统中等效干扰用户将多达数百 个，这样即使采用与干扰用户数成线性关系的多用户抵消算法仍使得硬件实现显 得过于复杂。如何把多用户干扰抵消算法的复杂度降低到可接收的程度，是多用 户检测技术能否实用的关键。 5 ) 功率控制技术 在c d m a 系统中，由于用户使用相同的频带，且各用户的扩频码之问存在 着非理想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使得 功率控制技术成为c d m a 系统中的最为重要的核心技术之一。常见的c d m a 功 率控制技术可以分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制三种类型。开 环功率控制的基本原理是：根据用户接收功率与发射功率之积为常数的原则，先 行测量接收功率的大小，并由此确定发射功率的大小。开环功率控制用于确定用 户的初始发射功率，或用户接收功率发生突变时的发射功率调节。开环功率控制 未考虑上、下行信道电波功率的不对称性，因而其精确性难以得到保证。闭环功 率控制可以较好地解决此问题，通过对接收功率的测量值及信干比门限值的对 比，确定功率比特信息，然后通过信道把功率控制比特信息传送到发射端，并据 此调节发射功率的大小。外环功率控制技术则是通过对接收误帧率的计算，确定 闭环功率控制所需的信干比门限。外环功率控制通常需要采用变步长方法，以加 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 快上述信干比的调节速度。在w c d m a 和e d m a 2 0 0 0 系统中，上行信道采用了开 环、闭环和外环功率控制技术，下行信道则采用了闭环和外环功率控制技术。 1 4 第三代移动通信的标准介绍乜1 在1 9 9 9 年底i t ut g 8 1 最后一次会议上通过了i m t 2 0 0 0 的无线接口技术 规范，这标志着第三代技术的格局已最终确定，它分为c d m a 和t d m a 两大类 共五种技术，其中主流技术为以下三种c d m a 技术。 1 ) i m t - 2 0 0 0 cd m a d s ( i m t - 2 0 0 0 直接扩频c d m a ) ，即w c d m a 。它是 在一个宽达5 m 的频带直接对信号进行扩频。 2 ) i m t 2 0 0 0 cd m a m c ( i m t 2 0 0 0 多载波c d m a ) ，即c d m a 2 0 0 0 。这是 美国提出的技术，多个1 2 5 m 的窄带直接扩频系统组成的一个宽带系统。 3 ) i m t 2 0 0 0c d m a t d d ( i m t 2 0 0 0 时分双工c d m a ) ，目前包括u t r a t d d 和t d s c d m a ，其中t d s c d m a 是中国提出的技术。 其中前两种属于频分双i ( f d d ) 模式，后一种属于时分双工( t d d ) 模式。 1 54 g 的定义及其技术要求 第四代移动通信技术尚在研究中。目前业界对4 g 的定义从不同的角度给出 了很多种提法，以下是普遍认可的一种解释：4 g 的概念可称为广带接入和分布 网络，具有非对称的和超过2 m b i t s 的数据传输能力。它包括广带无线固定接入、 广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络( 基于地面和卫星系统) 。 其广带无线局域网( w l a n ) 能与b i s d n 和a t m 兼容，实现广带多媒体通信，形 成综合广带通信n o b c n ) ，还能提供信息之外的定位定时、数据采集、远程控制 等综合功能。此外，4 g 将是多功能集成的宽带移动通信系统，也是宽带接入i p 系统。其主要技术要求如下【3 】： 1 ) 数据速率：上行速率3 0 m b i t s 、下行速率1 0 0 m b i t s 。终端移动速率从步行提 高到车速甚至更高： 2 ) 频谱宽度：带宽达到1 2 1 7 g h z ； 3 ) 频带：5 g h z ： 4 ) 发射功率比现有移动通信系统降f k 1 0 1 0 0 倍，能够较好地解决电磁干扰问题； 5 ) 支持更为丰富的移动通信业务，包括高分辨率实时图像业务、会议电视虚拟 现实业务等，使用户在任何地方可以获得任何所需的信息服务，且服务质量 得到保证。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 6 本文研究的重点 本文主要研究c d m a 2 0 0 0 的多种抗衰落技术，包括分集、扩频等技术。首 先介绍了移动中通信抗衰落技术的原理与分类，然后重点讨论了分集技术中的 o t d 技术与扩频技术，接着在a d s 中搭建了仿真模型，对误码率和功率进行了 深入细致的分析。 本文通过对分集技术的研究发现，其性能与天线数目有关，多天线系统容量 远大于单天线系统，且当接收端天线数目大于或等于发端天线数目时，系统容量 至少随发端天线数目呈线性增长。由于在发送分集中，信号在时间域和频率域内 没有冗余，这样发送分集不会降低频谱利用率，因而有利于高速数据传输。由于 采用了多天线，在空间域引入了冗余，并且两个天线发送的信号到达移动台不相 关，这样使得传输的性能得到了提高。分集方案有开环分集和闭环分集两种，为 了减少f d d ( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ) 对发送分集恶化的影响，本设计采用闭环 控制的方式实现发送分集。 扩频技术就是将原始信号的频谱扩展1 0 0 1 0 0 0 倍再传输，从而提高了通信 的抗干扰能力，使之在强干扰情况下( 甚至在信号被噪声淹没的情况下) 仍可保 持可靠的通信。本论文在a d s 平台上设计并搭建了d s 系统，通过仿真研究和 验证了扩频通信系统的主要特性。 6 天津大学硕士学位论文 第二章c d m a 2 0 0 0 系统介绍 第二章c d m a 2 0 0 0 系统介绍 2 1c d m a 2 0 0 0 标准演进过程 e d m a 2 0 0 0 ，b l l c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s2 0 0 0 ，是美国向i t u 提出的第三 代移动通信空中接口标准的建议，是i s 9 5 标准向第三代演进的技术体制方案， 是一种宽带c d m a 技术。c d m a 2 0 0 0 标准由3 g p p 2 组织制订。 c d m a 技术标准发展经历的阶段： 第一阶段是从最初的2 gc d m ai s 9 5 a 标准演进到2 5 g 的c d m ai s 一9 5 b 标 准： 第二阶段是融合i s 9 5 c d m a 标准的c d m a o n e 系统，这一标准提供对6 4 k b p s 数据业务的支持，其编码语音服务质量已非常接近有线电话的语音质量； 第三阶段是窄带c d m a o n e 向第三代c d m a 2 0 0 0 过渡。e d m a 2 0 0 0 的第一阶段也 称为c d m a 2 0 0 0 一l x ，原意是指c d m a 2 0 0 0 的第一阶段( 速率高于i s 一9 5 ，低于2 m b i t s ) ， 可支持3 0 8 k b i t s 的数据传输，网络部分引入分组交换，可支持移动i p 业务。它使 拥有现有i s 9 5 系统的通信公司能将其整体系统容量增加一倍，并可将数据速率 增加到高达6 1 4 k b i t s 。2 0 0 0 一l x 标准之后，就出现两个分支：一个是c d m a 2 0 0 0 标准定义的3 x ，即将3 个c d m a 载频捆绑以提供更高速数据；另一个分支是l xe v ， 包括l xe v d o ( 也称为h 砌) d ) 和l xe v d v 。 e d m a 2 0 0 0 3 x 与c d m a 2 0 0 0 i x 的主要区别是前向c d m a 信道采用3 载波方式， 而c d m a 2 0 0 0 i x 用单载波方式。因此它的优势在于能提供更高的数据速率，但占 用频谱资源也较宽1 2 j 。 e d m a 2 0 0 0 一i xe v 是在e d m a 2 0 0 0 i x 基础上进一步提高速率的增强体制，采用 高速率数据技术，能在1 2 5 m h z ( 与c d m a 2 0 0 0 一l x 带宽一样) 内提供2 m b i t s 以上 的数据业务，是c d m a 2 0 0 0 i x 的边缘技术。e v d o 采用单独的载波支持数据业务， 可以在1 2 5 m h z 的标准载波频段内，同时提供话音和高速分组数据业务，最高速 率可达3 ! m b i t s 。l xe v d v 与i xe v d o 的主要不同是可以用一个载波同时传输 语音、低速和高速信号，在传输语音与低速信号时采用与c d m a 2 0 0 0 - l x 相同的无 线配置，并将剩余的w a l s h 码资源组成两个t d m a 信道用于高速信号的传输，能 够提供混合高速数据和话音业务。 目前，c d m a 2 0 0 0 1 xe v d o 发布了两个版本，e l j r e l e a s eo 版本和r e l e a s ea 版 天津大学硕士学位论文 第二章c d m a 2 0 0 0 系统介绍 本。两个版本在功能特点和信道结构方面相差很大，其中r e l e a s ea 版本对r e l e a s e 0 版本的不足做了改进。另外c d m a 2 0 0 0 1 xe v d o 增加了b c m c s 业务，l xe v d v 系统提供混合高速数据和话音业务。l xe v d v 与c d m a 2 0 0 0 系列标准完全后向 兼容，与a n s i 4 1 核心网标准也兼容。l xe v d v 对应有c d m a 2 0 0 0r e l e a s ec 和 r e l e a s ed 两套标准，r e l e a s ec 主要改进和增强了c d m a 2 0 0 0 1 x 的前向链路，前 向最高峰值速率为3 1 m b s 。在此基础上，r e l e a s ed 改进和增强了反向链路，使 反向最高峰值速率达到1 8 m b s 。图2 1 给出了c d m a 2 0 0 0 标准演进过程的框图。 2 2i s 2 0 0 0 标准概况 图2 - 1c d m a 2 0 0 0 标准演进过程图 i s 2 0 0 0 指的是采用c d m a 2 0 0 0 技术的空间接口标准或规范，它定义了移动台 和基站子系统之间的接口。i s 2 0 0 0 协议标准分为三层，分别为高层、链路层和 物理层。c d m a 2 0 0 0 的物理层处于i s 2 0 0 0 协议体系结构的最底层，它通过各种物 理信道，完成高层信息与空中无线信号间的相互转换，几乎c d m a , 2 0 0 0 所有的特 点和优点都通过它来保证并体现，它是这种无线通信系统的基础。 c d m a 2 0 0 0 室内最高数据速率为2 m b i t s 以上，步行环境时为3 8 4 k b i t s ，车载环 境时为1 4 4 k b i t s 以上，这是标准的性能的基本要求。 i s 2 0 0 0 的体系结构如图2 2 所示1 4 】。 天律大学硕士学位论文 第二章c d m a 2 0 0 0 系统介绍 厂 话制塘 l赣舞 ，艄一幻、ji f - 髓彳。 高屉 脖。 锭，音 i = = j 1 3p d i “c l 螬仙 ”p 眦 了屡 l | ， 厂 困上“专f l r - c s c b 臣f i r - , 口匦勇 蛾 鬯 l t c ，r i t c h 子蜃 一 复用爱q o s 于屋 l t，tt，t ， ttt 慰，与中，。 l c l l 9 午毒啷对鼍# ”卜# 卞 物愿蒜 _ 耪堙屉( 辗埘谭$ i ) i 2 3c d m a 2 0 0 0 的物理层 图2 - 2i s 2 0 0 0 的体系结构 2 3 1c d m a 2 0 0 0 物理层的主要特性 如第一章所述，c d m a 2 0 0 0 是在c d m a o n e 基础上的进一步发展，它对现有 c d m a o n e 系统具有后向兼容性，因此c d m a 2 0 0 0 无线接口保持了许多c d m a o n e 空中接口的特征。当然，为了支持高速数据业务，又有新的特征。c d m a 2 0 0 0 所 支持的一些空中接e l 的特征如下： 1 ) 多种r f 信道带宽 r f 信道带宽可为n x l 2 5 m h z ，其中n = i 、3 、5 、9 或1 2 。但i s - 2 0 0 0 的 天津大学硕士学位论文第二章c d m a 2 0 0 0 系统介绍 现有版本仅支持前两种带宽( 1 2 5 m h z ，3 7 5 m h z ) 。 2 ) 两种扩展技术一多载波( m c ) 和直接扩展( d s ) 编码和交织后的调制符号的速率为n x l 2 5 m h z ( n = 1 ，3 ，5 ，9 或1 2 ) 。在m c 方式中，调制符号可多路分解到n 个1 2 5 m h z 的载波上，每个载波的码片速率 仅为1 2 2 8 8 m c h i p s 。在d s 方式中，调制符号都在一个载波上调制，当然，这个 载波的带宽为n x l 2 5 m h z 。前向链路支持d s 和m c 两种方式，反间链路仅支 持d s 方式。 3 ) 前向链路的快速功率控制 移动台在检测了前向链路的e b n o 后送出功率控制比特； 功率控制信道与反向导频信道时分复用； 为了避免编码、成帧和解码造成的时延，功率控制比特不用编码； 发送功率控制比特的速率是固定的8 0 0 b p s 。 4 ) 前向链路的发射分集 多载波发射分集( m c t d ) ：对于m c 方式，不同的载波可映射到不同的天线。 正交发射分集( o t d ) ：对于d s 方式，可以通过分离数据流，采用正交序列 扩展两个数据流来完成。 5 1t u r b o 编码 对较高速率的信道，用t u r b o 编码比传统的卷积码要求的e b n o 更低。因此， t u r b o 编码用在高速率信道，卷积码用在公用信道和低速率信道中。 导频辅助 不仅在前向链路使用公共导频信道，反向链路中还为每个业务信道都配备了 一个导频信道，这有别于c d m a o n e 技术。 7 ) 反向链路相干解调 基站利用反向导频信号捕获移动台的发射，再用梳状接收机实现相干解调。 与i s 9 5 所采用的非相干解调相比，这样做可以改善反向链路的性能，降低移动 台的发射功率，提高系统容量。 8 ) 增强信道结构 9 ) 灵活的帧长 c d m a 2 0 0 0 支持5 m s 、1 0 m s 、2 0 m s 、4 0 m s 和8 0 m s 的帧。交织器的时间跨度 由时延、交织器内存的要求和e b n o 的要求权衡得到的。较短的帧长可以减少端 到端的时延，而对较长的帧而言，帧头占的比重小，要求的e b n o 也将减小。 1 0 ) 可选择的长交织器 天津大学硕士学位论文第二章c d m a 2 0 0 0 系统介绍 2 3 2c d m a 2 0 0 0 信道调制参数和技术 c d m a 2 0 0 0 物理层标准为了实现系统的兼容和从2 g 到3 g 演进的平滑过渡，在 信道调制参数和应用的无线链路技术上兼容了i s 9 5 标准的规定。同时为了实现 e d m a 2 0 0 0 所规定的高速无线数据等功能和业务，又增加了一些新的参数和技术， 主要包括差错控制技术、扩频技术、扩频调制技术、功率控制、射频滤波等差错 控制技术 5 1 。 l 、差错控制技术 c d m a 2 0 0 0 系统为了实现信息数据的可靠传输，针对不同的数据速率的业务 需求，综合采用了几种不同的差错控制技术，主要包括帧质量指示符 ( c y c l i c r e d u n d a n e yc o d e ，c r c 循环冗余编码) 、前向纠错编码( f e c ，包括卷 积码和1 w b o 码) 。 1 ) 帧质量指示符 一般情况下，数据帧都包含帧质量指示符，也即c r c ，由一帧的所有比特( 除 c r c 自身保留位和编码器尾比特外) 计算而得到，不同的信道以及不同的数据速 率一般采用比特数目不同的c r c 。c r c 对于接收端有两种作用：首先，通过检测 c r c 可以判决当前帧是否错误；其次，c r c 可以辅助确定当前的数据速率。 2 ) 前向纠错编码 c d m a 2 0 0 0 中前向链路和反向链路都采用卷积码或t u r b o 码来作为前向差错控 制编码。低信息比特率采用卷积码，大于或等于1 9 2 k b i f f s 的信息数据速率一般采 用t i l r b o 码。 曲卷积码 卷积码需要选择约束长度和编码速度。约束长度应尽可能大，以便获得良好 的性能，然而随着约束长度的增加，解码器的复杂性也增加了。现代超大规模集 成电路( v l s i ) 的实现已经获得约束长度为9 的卷积码，因此在c d m a 2 0 0 0 中使用的 所有卷积码的约束长度都为9 。 b 1t u r b o 码 c d m a 2 0 0 0 协议在高速率、对译码时延要求不高的数据链路中使用了t u r b o 码， 以利用其优异的纠错性能。t u r b o 码编码器对每帧的信息数据、帧质量指示符、 保留比特等进行编码，并加上编码尾比特。 在c d m a 2 0 0 0 前向链路中，除了f p i c h 和f c p c c h * f ，各信道的数据流都要 在卷积编码、符号重复及删除之后经过交织编码。在直接序列扩频( d s ，简称 直扩) 方式下，输入交织器的符号依次从地址o 写到n 1 ( n 为块交织器长度) ； 在多载波扩频( m c ) 方式下，交织器必须把输入的符号平均分为三块，每块大小 天津大学硕士学位论文 第二章c d m a 2 0 0 0 系统介绍 为n 3 ，这样输入到交织器的符号就依次从地址0 写到n 3 1 。 2 、扩频技术【6 1 c d m a 2 0 0 0 采用扩频技术分离信道，采用的扩频码可分为伪随机噪声( p n ) 码和 正交码。 ( 1 ) p n 码 c d m a 2 0 0 0 的s r i 下d s 方式及s r 3 下的m c 方式所用的p n 码与i s 9 5 的p n 码相 同。短p n 码的周期为2 1 5 1 个码片，速率为1 2 2 8 8 m c h i p s ，用于正交相移键控 7 ( q p s k ) 的同相( i ) 、正交( q ) 支路的直接序列扩频，i 、q 支路的直接序列特征多项 式分别为： p 1 ( x ) = x 1 5 + x 1 3 + x 9 + x 8 + x 7 + x 5 + 1 ( 2 1 ) p o ( x ) = x 1 5 + x 1 2 + x l l + x 1 0 + x 6 + x 5 + x 4 + x 3 + 1 ( 2 2 ) 1 5 级移位寄存器的m 序列周期为2 ”- 1 ，插入一个全0 状态后，形成的序列 周期则为2 ”。 长p n 码的周期为2 4 2 1 个码片，速率也为1 2 2 8 8 m c b i p s ，它与掩码共同形成 用户的识别码。长码初始相位的不同构成了不同的码型。长p n 码序列特征多项 式为： p ( x 1 = x 4 2 + x 3 5 + x 3 3 + x 3 1 + x 2 7 + x 2 6 + x 2 5 + x 2 2 + x 2 1 + x 1 9 + x 1 8 + x 1 7 + x 1 6 + x 1 0 + x 7 + x 6 + x 5 + x 3 + x 1 + l ( 2 3 1 c d m a 2 0 0 0 与i s 一9 5 所用的p n 码的不同体现在s r 3 的d s 方式上，它所用的短码 周期是2 2 0 1 ，速率为3 6 8 6 4 m c h i p s ，i 、q 支路的直接序列特征多项式相同，都为： p i x ) = x 2 0 + x 9 + x s + x 3 + l ( 2 4 ) i 、q 序列的差别在于起始位置不同。i 序列的起始码片是连续1 9 + o ，之后的 “1 ”，q 序列的起始位置则比i 序列要延迟2 1 9 个码片。 ( 2 ) w a l s h 码 c d m a 2 0 0 0 标准中对于前向信道，除了f a p i c h 和f a ，) p l c h 外，在s r l 时码 分信道所能用的w a l s h 序列的最大长度为1 2 8 ，而s r 3 时为2 5 6 。 对于反向信道，在配置r c l 和r c 2 的反向业务信道中，正交w a l s h 函数被用来 调制信息符号，即每6 位输入的码字符号调制后变成输出一个6 4 码片的w a l s h 序 列。在其余的反向信道中，w a l s h 函数也被用来分离信道。 ( 3 ) 准正交函数( q o f ) q o f 由一个非零q o f 掩码和一个非零旋转使能w a l s h 函数相乘而得。用q o f 进行正交扩频的过程是：首先，由适当的w a l s h 函数与双极性符号的掩码相乘， 之后所得的序列分别与l 、q 支路的数据流相乘；然后，两条支路的数据流再与 w a l s h 经复映射后得到的序列相乘。复映射将0 映射为i ，而把1 影射为j ( j 时表示 天津大学硕士学位论文第二章c d m a 2 0 0 0 系统介绍 9 0 度相移的一个复数) 。 3 、调制技术 c d m a 2 0 0 0 中用到的数据调制方式有三种：正交“阶调制( 即是用6 个序列数 据符号，来选择一个长度为6 4 的w a l s h 函数) 、二进制相移键控( b p s k ) 和q p s k 。 其中，正交6 4 阶调制仅用在r - a c h 和配置为r c i 、r c 2 的r - f c h 中，而其余的反 向c d m a 信道都采用b p s k 调制。前向c d m a 信道中f p i c h 、f s y n c h 、f p c h 和配置为r c l 、r c 2 的业务信道采用b p s k 调制，其余的采用q p s k 调制。 4 、h p s k ( h y b r i dp h a s es h i f tk e y i n g ) ，即混合相移键控 在c d m a 2 0 0 0 的反向链路中用到了这种新扩频方式，这样移动台就能以不同 的功率电平发射多个码分信道，而且将使信号功率的峰值与平均值的比值达到最 小。这种方式在p n 序列的q 支路中提供一个码片的时延，并且以2 为因子进行抽 取，这样带来的r l 信号的峰值平均值有l d b 量级的减小。信号动态的减小，使得 所需的功率放大器动态范围冗余减小，故能更有效的使用，并且允许更小的设计。 5 、基带滤波 在扩频操作后，i 和q 脉冲输入到i 和q 基带滤波器，基带滤波器有如图2 - 3 所 示 7 1 的频率响应s ( f ) 。 滤波器的归一化频率响应在通带蜓f 瓦，即重发信号的间隔时间丁要大于信道相关时间 疋，以保证重发信号在时域上的独立性。在移动通信系统中，常采用交织编码技 术来达到时间分集的目的，其交织编码的深度应大于信道相关时间。 3 ) 频率分集：要求降各展，即频率分集信号的频率间隔要大于信道相关 天津大学硕士学位论文 第四章分集接收与扩频通信系统 带宽展，以保证个频率分集信号在频域上的独立性。在移动通信系统中，常采 用交织编码技术来达到时间分集的目的，其交织编码的深度应大于信道相关时 间。 4 ) 极化分集：可利用垂直水平极化的正交性来进行两路分集。 4 1 3 显分集的合并技术 1 信号合并准则【1 4 1 ( 1 ) 合并信号的表达式 设分集重数为三，则合并的信号可表示为 s ( f ) = t 1 5 1 ( f ) + k 2 8 2 ( t ) + + k l s , ( t ) ( 4 - 1 )