（通信与信息系统专业论文）cdma20001x移动台rake接收机研究及其asic实现.pdf

东南大学硕士论文 摘要 摘要 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。 本文首先介绍了c d m a 2 0 0 0 1 x 标准的演进历史和技术特点，讨论了扩频通信的原 理和c d m a 通信系统中地址码的自相关和互相关性能，并深入介绍了c d m a 2 0 0 0 各前 向物理信道的结构和作用。 其次，本文分析了无线移动信道的特点，给出了无线移动信道的数学模型和模型的 实现方法。以此模型为基础，讨论了移动台接收机的理论和设计方案，分析了 c d m a 2 0 0 0 系统中采取的多种抗衰落技术，包括r a k e 接收、信道交织、发射分集、功 率控制技术等。其中对信道交织和功率控制技术进行了仿真，并依据仿真结果确定了相 应的硬件实现方案。 通过对c d m a 移动通信系统和传统r a k e 接收机特点的分析，本文讨论了多用户检 测的理论和性能并在此基础上提出了导频信道干扰抵消的原理。经过对该方案深入的分 析和仿真实验，本文证明了该方案不但实现简单而且能够有效地改善系统性能，提高系 统容量。 最后，本文介绍了c d m a 2 0 0 0 1 x 移动台的a s i c 实现，讨论了a s i c 的设计流程 和方法，并结合该芯片的实际设计过程，分析了a s i c 设计中应注意的可测试性、功耗 分析和低功耗设计等问题。 【关键词】c d m a 2 0 0 0r a k e 接收机功率控制多用户检测导频干扰抵消a s i c 设计 东南大学移动通信国家重点实验室第l 页 奎堕盔兰堡圭笙苎 翌茎 a b s t r a c t c d m a 2 0 0 0i so b eo ft h em o s tp r o m i s i n gs t a n d a r d so f3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m b e c a u s e i ti n h e r i t sm o s to fk e yt e c h n i q u ef r o mt h a to f1 s 一9 5 ，i td o e sw e l li nk e e p i n g c o m p a t i b l ew i t ht h e2 g m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m c d m a 2 0 0 0a l s oa d o p t sm a n yn e w m e a s u r e st h a ta r ec o n d u c i v et ot h ei m p l e m e n t i n go fm u l t i m e d i as e r v i c e s i nc o n c l u s i o n ， c d m a 2 0 0 0h a sg o o d p e r f o r m a n c e i ne c o n o m i ca n d t e c h n o l o g i c a ls i d e i nt h ef i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh i s t o r ya n dc h a r a c t e ro fc d m a 2 0 0 0 1 x ，d i s c u s s e s t h ep r i n c i p l eo fs p r e a d - s p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n ds t u d i e st h ec r o s s - c o r r e l a t i o n a n da u t o - c o r r e l a t i o np e r f o r m a n c eo fa d d r e s sc o d e su s e di nc d m a s y s t e m t h e s t r u c t u r ea n d f u n c t i o no fc d m a 2 0 0 0f o r w a r dl i n kp h y s i c a lc h a n n e l si sa l s od e p i c t e di nd e t a i l s e c o n d l nt h i sp a p e rd e d u c e st h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fm o b i l er a d i oc h a n n e la n dt h e n d i s c u s s e ss o m ek e yt o p i c so fc d m a 2 0 0 0m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e ya r cr a k e r e c e i v e r 、i n t e f l e a v e r 、t r a n s m i td i v e r s i t ya n dp o w e rc o n t r o l p a r t i c u l a r l y , t h ed e s i g no f d e i n t e r l e a v e rm o d u l ea n dp o w e rc o n t r o lm o d u l ei sg i v e no u to nt h eb a s i so f c o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i o nr e s u l t s t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro fc d m as y s t e ma n dt r a d i t i o n a lr a k er e c e i v e r ，t h i s p a p e rd i s c u s s e st h ep r i n c i p l eo fm u d ( m u l t i p l eu s e rd e t e c t o r ) a n dp u t sf o r w a r dt h ec o n c e p t o fp i l o tc a n c e l l a t i o n b ym e a n so fs i m u l a t i o n ，t h i sp a p e rp r o v e st h a tp i l o tc a n c e l l a t i o ni s e a s y t or e a l i z ea n di tc a n g r e a t l yi m p r o v e t h ec a p a b i l i t yo fc d m a s y s t e m a tl a s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no fc d m a 2 0 0 0 1 xm o b i l es t a t i o n ，s h o w s t h ea s i cd e s i g nf l o wa n dd i s c u s s e ss e v e r a lp r o b l e m st h a ta r ec r u c i a lt ot h ea s i cd e s i g n t h e s ep r o b l e m si n c l u d ed f r ( d e s i g nf o rt e s t ) ，p o w e ra n a l y s i s 、k wp o w e r d e s i g na n d s o o n k e y w o r d s c d m a 2 0 0 0 r a k er e c e i v e rp o w e rc o n t r o lm u dp i l o tc a n c e l l a t i o n a s i c d e s i g n 东南大学移动通信国家重点实验室 第l i 页 学位论文独创性声明 本人声明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 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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。 签名：量垒近日期：2 0 0 3 3 够 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：丝壁：主导师签名： 日期： 东南大学硕士论文 第1 章绪论 第1 章绪论 移动通信能够提供灵活多样的业务，它有更大的潜力实现“任何时间，任何地点， 任何人”的通信方式。目前移动通信系统已经从第一代的模拟通信发展到了第二代的数 字通信，其容量获得了很大的提高。然而，随着用户数量的飞速增长和对业务数据速率 要求的不断提高，第三代移动通信系统已成为人们关注的热点。 1 1 移动通信系统概述 移动通信系统的发展历经了第一代的模拟通信系统，第二代的数字通信系统和未来 的第三代宽带多媒体移动通信系统。其中第一代移动通信网是以f d m a ( 频分多址) 技术为基础的模拟移动通信系统，它于七十年代末由美国贝尔实验室研制成功，简称 a m p s 。这种第一代的移动通信系统由于其频谱效率低、保密性差，在短短几年的时间 内，就面临着阻塞概率增高、呼叫中断率高、蜂窝系统干扰增大和蜂窝系统增容的压力。 1 9 9 2 年以t d m a 技术为基础的第二代数字蜂窝移动通信系统( g s m ，n a d c ，p h s ， c d m a i s 一9 5 等) 相继投入使用。相对于第一代系统，第二代系统频谱效率提高，系统 容量增大，保密性能好，标准化程度高。表1 1 对这几种主要无线标准进行了比较。然 而，第一代和第二代移动通信系统都是针对话音和低速率数据业务设计的，为满足用户 对高速率多媒体业务的需求，先后提出了多种第三代移动通信系统的方案。第三代移动 通信系统以码分多址技术为基础，可以提供高达2 1 v l b i f f s 的数据链路，具有频率规划简 单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量等优点。 表1 1几种无线标准特征 无线标准 a m p sg s mn a d c c d m a ( i s 一9 5 ) t x ( m h z )8 2 4 8 4 98 8 0 9 1 58 2 4 8 4 98 2 4 8 4 9 r x ( m h z )8 6 9 8 9 4 9 3 5 9 6 08 6 9 8 9 48 6 9 8 9 4 多址接入方式 f d m af t d m af t d m af c d 雎a 信道间隔 3 0 k2 0 0 k3 0 k1 2 5 m 调制方式f m g m s k 4 q p s kq p s k 比特速率 n a1 3 k b i t s8 k b i t s1 8 k b i t s 用户数4 7 5 61 4 22 2 4 东南大学移动通信国家重点实验室第1 页 东南大学硕士论文 第1 章绪论 1 2c d m a 2 0 0 0 技术标准简介 1 2 1 第三代移动通信系统 第三代移动通信系统的概念是由国际电联( i t u ) 在1 9 8 5 年提出的，该系统的全 称是国际移动电信系统，简称i m t - 2 0 0 0 。t m t - 2 0 0 0 的目标是要建立全球性的综合个人 通信网，将包括卫星在内的所有通信网络融合为一体，提供高速率多媒体业务并实现网 络的全球无缝覆盖。在这一系统中，无线传输技术( r t t ) 是一个重要组成部分，因为 它决定了整个系统业务承载能力和性能。无线传输技术主要包括多址技术，调制技术， 信道编码，双工技术，物理信道结构与复用，帧结构，r f 信道参数等。 i m t - 2 0 0 0 对其无线传输技术提出了以下要求： 全球普及和全球无缝漫游的系统。 具有支持多媒体业务的能力，特别是i n t e r n e t 业务。 现有移动通信系统主要以提供话音业务为主，随着发展也仅能够提供1 0 0 2 0 0 k b i t s 的数据业务，g s m 系统演进到最高阶段的数据能力为3 8 4 k b i f f s 。踟t 2 0 0 0 要求能支持 从话音分组数据到多媒体业务，应能根据需要提供带宽。i t u 规定的第三代移动通信无 线传输技术的最低要求中，必须满足以下三个环境中的三种要求： 1 快速移动环境，最高速率1 4 4k b i t s 。 2 室内环境，最高速率2 0 4 8k b i t s 。 3 室外或室内步行环境，最高速率3 8 4k b i t s 。 便于过渡演进。由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当的规模，所以 要能在第二代网络的基础上逐渐演进而成。 高频谱效率，高服务质量，低成本，高保密性。 针对i m t 一2 0 0 0 的要求，相应提案有1 6 种之多，其中以建立在c d m a i s 一9 5 上的 c d m a 2 0 0 0 和以g s m 网络为基础的w c d m a 这两个提案最具竞争力。表1 2 比较了c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 在无线传输技术上的主要异同： 表1 2c d m a 2 0 0 0 与w c d m a 的比较 无线传输技术 c d m a 2 0 0 0w c d m a 双工方式f d df d d t d d 调制方式q p s kq p s k 信道带宽 1 2 5 5 1 0 2 0 m h z5 1 0 2 0 m h z 码片速率n x l 2 2 8 8 m c p sn = i ，3 ，6 ，9 ，1 2 nx3 8 4 m c p s n = i ，2 ，4 东南_ 人学移动通信国家重点实验室第2 页 东南大学硕士论文第1 章绪论 多址方式 d s c d m ad 8 一c d m a 帧长5 m s 2 0 m s1 0 m s 2 0 m s 前向导频公共连续导频码对业务码时分复用的导频码 f d d ：开环和1 6 k 的快速闭环 功控开环和8 0 0 h z 的快速闭环 t d d ：开环和慢速闭环 基站间同步同步( g p s )异步同步( 可选) 发送分集0 t d ，8 t ss t t d 开环，闭环 可变长w a l s h 序列区分信道；可变长正交序列区分信道： 下行链路扩频长3 2 7 6 8 的m 序列区分小区 g o l d 序列区分不同小区与用户 可变长正交序列区分信道；可变长正交序列区分信道； 长3 2 7 6 8 的m 序列区分i ，q 路；g o l d 序列2 4 1 ( 不同用户以序列 上行链路扩频 2 “4 2 一lm 序列区分用户 区分，i q 路以不同相位区分) 1 2 2 c d m a 2 0 0 0 移动通信系统 c d m a 蜂窝网最初由美国圣地亚哥q u a l c o m m 公司设计开发，并于九十年代初进行 了组网实验。这次组网实验证明了c d m a 理论分析上的优越性在实际通信环境中的存 在并产生了第一个c d m a 标准i s 一9 5 。c d m a 2 0 0 0 即是从这一标准演化而来。 1 2 2 1 c d m a 2 0 0 0 标准的发展 在i s 一9 5 标准的基础上，c m d a 蜂窝通信系统经历了如下发展过程： 空中接口： t i a e i a b s 一9 51 9 9 3 8 t i a e i a h s 9 5 一a1 9 9 5 5 t i a e i a i s 9 5 一b1 9 9 9 - 3 t i a ，e w i s 一2 0 0 0r e l e a s e01 9 9 9 t 8 t i a e i a i s 一2 0 0 0r e l e a s ea2 0 0 0 3 测试标准： t w e i a ，i s 一9 7 ，i s 一9 81 9 9 4 1 2 t i a e i a i s 一9 7 i s 一9 8 一a1 9 9 6 7 t i a 厄i a i s 一9 7 ，i s 9 8 一b1 9 9 8 5 t i a e i a i s 一9 7 i s 一9 8 c1 9 9 9 5 其中，i s 一9 5 一a 是第一个真正获得大规模商用的标准，而i s 一9 5 一b 与i s 9 5 a 的主要 区别在于可以捆绑多个信道，支持最多达8 个前向或反向数据通道，每一码道速率为 东南大学移动通信国家重点实验室 第3 页 东南大学硕士论文第1 章绪论 9 6 k b p s ( r s l ) 或1 44 k b p s ( r s 2 ) 。所以i s 一9 5 b 在不改变i s 一9 5 a 物理层的情况下通过自适 应信道捆绑技术提供9 6 k b p s 一7 6 8 k b p s ( r s l ) 或1 4 4 k b p s - 1 1 5 2 k b p s 的数据速率。同时 i s 一9 5 一b 还支持p a c a 、t m s i 、增强型服务协商等新业务。当不使用辅助业务信道时 i s 9 5 一b 与i s 9 5 a 是基本相同的，可以共存于同个载波中。通常，将i s 一9 5 ，i s 9 5 一a ， 工s 一9 5 一b 系列统称为c d m a o n e 系统，将后来的2 0 0 0 系列成为c d m a 2 0 0 0 系统。目 前的c d m a 2 0 0 0 a 也称为c d m a 2 0 0 0 1 x 系统，而将来会使用的多载波技术的c d m a 系统被称为c d m a 2 0 0 0 一3 x 系统。对c d m a 2 0 0 0 系统来说，从2 g 向3 g 过渡，可以采用 逐步替换的方式：即压缩2 g 系统的一个载波，转换为3 g 载波，开始向用户提供中高速 率的业务。由于i s 一9 5 的用户仍然可以工作在3 g 载波中，所以2 g 载波中的用户数并没 有增加，也不会因此增加呼损。随着3 g 系统中的用户数量增加，可以逐步减少2 g 系统 使用的载波，增加3 g 系统的载波。通过这种方式，可以很好地解决网络升级的问题， 保护了已有设备的投资。 1 2 2 2 c d m a 2 0 0 0 1 x 系统简介 图1 1 为c d m a 通信系统的示意图，相对于c d m a o n e ，c d m a 2 0 0 0 1 x 在无 线接口功能上有了很大的增强，它主要有下列改进： 前向信道： 1 增加了辅助信道，其最高速率达3 0 6 k b i t ，s 。对于在c d m a 2 0 0 0 1 x 的分组业务，系 统除了建立前向基本业务信道之外，还建立相应的辅助码分信道，如果前向需要很多的 分组数据传输量，基站通过发送辅助信道指配消息建立相应的前向辅助码分信道，使数 据在消息指定的时间段内通过前向辅助码分信道发送给移动台。可见，辅助信道的设立 对c d m a 2 0 0 0 更灵活地支持分组业务起到了很大作用。 2 引入快速寻呼信道。在c d m a 2 0 0 0 1 x 中引入了快速寻呼信道，极大地减少了移动 台的电源消耗，提高了移动台的待机时间。支持c d m a 2 0 0 0 1 x 的移动台的待机时间是 i s 一9 5 移动台待机时问的1 5 倍或更多。 3 基本信道的每种速率均增加了帧校验。 4 增加了前向信道闭环和外环功率控制。c d m a 2 0 0 0 - 1 x 采用了前向快速功控技术， 从而可以进行前向快速闭环功控。较i s 一9 5 系统前向信道只能进行较慢速的外环功率控 制相比，大大提高了前向信道的容量，并且减少了基站耗电。 5 c d m a 2 0 0 0 1 x 前向信道可以采用传输分集发射技术。c d m a 2 0 0 0 1 x 前向信道可 以采用传输分集发射技术，即正交发送分集( o h ) 和选择发送分集( s t s ) 技术，提 高了信道的抗衰落能力，改善了前向信道的信号质量。 6 c d m a 2 0 0 0 1 x 在前向链路中采用波束成型天线和自适应天线时，提供前向辅助导 东南火学移动通信国家重点实验室 第4 页 查堕盔兰堡主兰苎 茎! 兰丝垒一 频。自适应天线的使用可以改善链路质量，扩大覆盖范围或增加支持的数据率。前向公 共导频在整个扇区中广播，为移动台提供小区识别、相位和定时参考。当扇区进一步分 为多个窄的点波束时，需要辅助导频和数据通过同样的路径，以提供信道参数估计。辅 助导频信道通过w a l s h 或准正交函数码分复用。 反向信道： 1 增加了反向导频信道。c d m a 2 0 0 0 1 x 增加了反向导频信道，从而使反向信道也可 以做到相干解调，它比i s 一9 5 系统反向信道所采用的非相关解调技术可以提高3 d b 增益， 相应地反向链路容量提高了1 倍，同时也有利于基站搜索、跟踪和测量。 2 使用独立的正交信道区分导频、数据信道和专用控制信道。使用独立的正交信道区 分导频、数据信道和专用控制信道，可以灵活调节信道的相对电平。此外，反向链路对 所有数据速率提供连续波形，包括连续导频和连续数据信道波形。连续波形减少了干扰， 在低速率时增加覆盖范围。同时允许进行整帧交织，充分发挥交织的时间分集作用。 3 增加了反向辅助信道。 另外，在c d m a 2 0 0 0 1 x 中，业务信道可以采用t u b r o 码，因为信道编码采用t u b r o 码比采用卷积码具有l d b 以上的增益。 c d m a 2 0 0 0 1 x 可以支持1 4 4k b i t s 速率以上的数据业务而且增加了辅助信道， 可以对一个用户同时承载多个数据流和多种业务。从网络系统的仿真结果看，如果用于 传送语音业务，c d m a 2 0 0 0 1 x 系统的总容量约是i s 一9 5 系统的2 倍；如果传送数据业 图1 1c d m a 通信系统示意图 东南大学移动通信国家重点实验室第5 页 东南大学项士论文第1 章绪论 1 3 本文主要内容 目前我国正在对第三代移动通信展开积极的研究，其中东南大学移动通信国家重点 实验室承担了国家“c d m a 2 0 0 0 1 x 移动台子系统的研究与开发”课题并在课题研究中 积累了较丰富的经验。为将科研成果转化为具有自主知识产权的产品从而推动我国第三 代移动通信系统的研究，我们的目标是设计c d m a 2 0 0 0 1 x 基带处理a s i c 芯片。作为该 课题的一部分，本文主要对扩频通信系统中的r a k e 接收技术、多用户检测技术和 a s i c 芯片的设计方法进行了较深入的探讨。 第二章介绍了扩频通信系统的概念，分析了其抗噪声性能并深入讨论了p n 码、 w a l s h 码和q o f 码的特点及其正交性。该章的最后详细介绍 c d m a 2 0 0 0 的前向链路 结构和功能。 第三章分析了移动无线信道的特点，给出y c d m a 系统的信道模型和信道模型的仿真 实现方法，在此基础上研究了c d m a 2 0 0 0 系统中采用的多种抗衰落技术，包括发射分集 技术、r a k e 接收技术、信道交织技术和功率控制技术等。 第四章首先介绍了c d m a 系统的多用户检测技术，然后深入分析了c i ) m a 系统导频干 扰抵消的原理和设计方案并给出了仿真结果。 第五章主要讨论了a s i c 的设计理论，给出了a s i c 设计流程并针对c d m a 2 0 0 0 基带 处理芯片重点介绍了可测试性设计( d f t ) 、功耗分析( p o w e ra n a l y s i s ) 、低功耗设 计等的概念和方法。 东南大学移动通信国家重点实验室 第6 页 东南大学硕士论文第2 章c d m a 前向链路 第2 章c d m a 前向链路 任何一种通信系统都是围绕着通信传输的数量与质量的三种指标：有效性，可靠性 和安全性进行不断的优化。c d m a 2 0 0 0 的空中接口采用了许多独特的新技术，具有抗 干扰能力强，抗多径衰落，系统容量高等优点。 2 1 直接序列扩频通信系统 2 1 1多址技术 在移动通信系统中，由于多用户存在并且各移动用户在不断的随机移动，要建立它 们之间的通信，就必需有能够识别和区分动态用户的机制，这就是所谓的多址技术。多 址技术实际上是一种信号正交划分与设计技术，其基本实现方式有频分多址( f d m a ) 、时分多址( ) m a ) 和码分多址( c d m a ) 等。如图2 1 所示，f d m a 和t d m a 都 是f _ t 二维平面上的一维划分，其中f d m a 是频率的划分，即以频率分隔来区分用户。 f d m a 的典型系统有北美8 0 0 m h z 的a m p s 和欧洲的9 0 0 m h zt a c s 体制。t d m a 是 时域的划分，即为不同的用户分配不同的时隙，其典型系统有获得广泛使用的g s m 9 0 0 等。 图2 1f d m a 与t d m a 码分多址包括两种主要形式：直接序列扩频( d s c d m a ) 和时频编码。在f t 平 面上，它们如图2 2 所示。由图可见码分多址是属于f - t 二维域上的划分，其中d s c d m a 中所有用户均占有同一频段和整个时隙；而时频编码则是将整个时域和整个频域分别划 分成若干子域，每个用户在不同时隙占用不同的频段，即在时频二维区域内跳动。 图22 时频编码与d s c d m a 东南火学移动通信国家重点实验室 第7 页 东南大学硕士论文 第2 章c d m a 前向链路 f d m a 和t d m a 系统属于维数受限系统，当频道( f d m a ) 或时隙( t d m a ) 分配完之 后，不可能分配更多的资源，因此系统容量受维数限制。而c d m a 系统属于干扰受限 系统，只要干扰不影响信息的接收，就可以增加更多的用户直到所有用户的信号产生 的干扰造成信息不能正确接收。因此，通过控制系统中用户间的干扰，如功率控制，话 音激活的技术，可以提高c d m a 系统容量。 2 1 2扩频通信 著名的s h a n n o n 公式指出，信道容量由下式决定： c = b l g ( 1 + 万s ) ( 2 一1 ) 其中b 为信道带宽( h z ) ，s 为信号平均功率( w ) ，n 为噪声平均功率。此式说明了一个 重要的事实，即在给定的信道容量下，带宽与信噪比可以互换。因此，为了降低所需的 信噪比，可以用增加带宽的方法去实现，这就是扩频通信。扩频通信包括直接序列扩频 、跳频( f h ) 、跳时( t h ) 和混合扩频等形式。 扩频通信系统具有以下特点： 易于实现大容量多址通信：如上所述，时频二维地址划分方式使潜在地址数增大， 允许接纳更多的用户。 抗噪声能力强：对于数字通信系统可以近似认为， 只- ，( 争，( 筹卿- ，( 熹( f ，扣 c z - z ) 式中e 为信息码元能量，n o 为白噪声功率谱，t 为信息码元周期，f 为扩频信号带宽。 对于扩频通信系统，f 1 厂r ，所以在保证一定的p 。下，可以实现在很低的信噪比下通 信，反过来说，即扩频系统有很强的抗噪声能力。 保密性强：由于扩频通信系统扩频后其频谱具有近似白噪声的特性，因此具有良好 的保密性能。同时对于数字化用户，还可以进一步进行数字式用户加密。 功率谱密度低：由于扩频通信系统属于宽带系统，频带越宽，功率谱密度越低，因 而就有良好的隐蔽性能，且对其它通信系统及对人体的危害也小。 适合于变参信道的无线通信：扩频通信系统易于实现多种形式的分集接收提高抗干 扰能力。 2 1 _ 3 直接序列扩频通信 直接序列扩频通信信号由消息信号d ( t ) 与伪随机噪声序列相乘得到： 东南大学移动通信国家重点实验室第8 页 变宴查兰堡三! = 堡苎 兰! 皇竺里翌垒萱塑壁坠 g o ) = d ( f ) p n ( f ) ( 2 _ 3 ) 其中满足消息信号d ( t ) 的速率远远小于伪随机噪声序列的码片速率，因而相乘的结果是 消息信号被扩展到很宽的频谱上，这一频域变换关系如图2 3 所示。 图2 3扩频信号的频谱 在接收端，接收信号与发送端相同的p n 码相乘积分，这一过程称为解扩，由下式表示： r1t1 亭j ：r ( f ) 尸h ( r ) a t 2 亭j ： d ( f ) p ，l ( f ) + n ( t ) p n ( t ) d t 2 亭e d ( f ) + n ，( f ) ( 2 4 ) 式中n ( t ) 为干扰，e 为伪随机噪声序列在积分区间内的能量，t 为消息信号d ( f ) 的持续时 间。由式( 2 4 ) 可见，解扩在频域上对消息信号进行了与发送端相反的操作，即将消息信 号频谱还原，时域上则恢复了窄带上的原始调制信号。解扩后宽带噪声的能量取决于消 息信号的带宽，因而获得了信噪比的提升，对于窄带干扰( 带内干扰，单频干扰) ，由 于其与p 1 1 码不相关，实际被接收端p i l 码调制，频谱扩展从而降低了带内能量，所以 其影响被降低。图2 4 所示为直扩系统抗窄带干扰的原理： 图2 4直扩系统抗窄带干扰示意图 直扩系统的抗噪声性能可以由处理增益g 来衡量。处理增益0 定义为直扩系统解扩后 信噪比改善程度，其表达式如下： g 圳，g 湍= 1 0 1 9 c 孥 弦s ， 其中r p n 表示伪随机噪声序列的码片速率，r 为信息码元速率。 2 2 c d m a 2 0 0 0 的多址码 在c d m a 系统中需要用地址码来区分用户，其中用于上行链路的地址码包括用户 地址，多速率业务地址，用于下行链路的有信道地址和基站地址。这里我们将重点研究 下行链路的地址码设计。为了减少多址干扰，无论是信道地址码还是基站地址码，都必 东南火学移动通信国家重点实验室第9 页 东南大学硕士论文 第2 章c d m a 前向链路 须满足用户问或基站问正交性的要求，尤其是信道地址码，不但要求完全正交，还要能 够适应不同速率的业务。图2 5 为c d m a 2 0 0 0 下行链路的扩频方式( s p r e a d i n g r a t e1 ) ： 图2 5 c d m a 2 0 0 0 下行链路扩频方式( s p r e a d i n g r a t e l ) 因此基站发射的复数扩频信号可表示为： s ( f ) = r e l ( y ，一j y 口) f4 w a l f 4 ( p ，一j p 口) e 。2 巩l ( 2 6 ) l i j 可以看出c d m a 系统下行链路使用正交的w a l s h 序列区分信道，使得不同用户的 信号至少在没有多径干扰的情况能完全区分。为了提供所需的宽带频谱特性( 并非所有 的w a l s h 函数都产生宽带功率谱) ，特定小区内的所有信号用伪随机序列扩频。由于同 一小区内所有前向信道用户的信号被同步地进行扩频，所以它们之间仍保持了正交性。 2 2 1 基站地址码 2 2 1 1 伪随机序列的产生 c d m a 2 0 0 0 系统下行链路用于扩频的伪随机序列实际就是基站的地址码。 c d a m 2 0 0 0 s r l 的d s 方式及s r 3 的m c 方式下，其所采用的p n 码周期为3 2 7 6 8 ( 周 期为3 2 7 6 7 的m 序列插入一个全零状态) ，码片速率为1 2 2 8 8 m c h i p s ，三个p n 码周期 长8 0 m s 。i , q 两路的p n 码由不同的生成多项式生成，分别如下所示： 东南火学移动通信国家重点实验室 第1 0 页 东南大学硕士论文 第2 章c d m a 前向链路 一( 工) = 工5 + x 1 0 + 工8 + x 7 + 工6 十x 2 + 1 ( 2 7 ) f 口( 工) = x 1 5 + 工1 2 十x 1 1 + z l o + z 6 + z 5 + 工4 + x 3 + 1 ( 2 8 ) p n 码可以由移位寄存器产生【1 0 】，如图2 6 所示，移位寄存器按照f ( x ) f l c j y t 幂排列，如 果生成多项式对应系数为1 ，则设置相应的抽头。1 5 b i t 模板用于产生所需的p n 码偏移 量，该模板的值可以由计算机搜索得到。 图2 6 i , q 路p n 码的移位寄存器 2 2 1 2 p n 码序列的相关性 用于扩频的p n 码属于m = 1 5 的m 序列，m 序列有类似于白噪声的性质，其归一 化自相关函数为： fl ，f = 0 露( 7 ) 2 一! ，彳0 ( 2 - 9 ) l尸 式中p 为p n 码的周期。从它的归一化自相关函数可以看出，对于两个不同相位的m 序 列( z 0 ) ，当周期p 很大时，这两个序列几乎是正交的。作为基站的地址码，这种良 好的自相关和互相关性被用于区分相邻基站之间的信号和多径信号。然而由于p n 码的 周期长达3 2 7 6 8c h i p ，在实际使用中需要研究的是它的部分相关性。在统计意义上部分 相关的特性为：( m 为部分相关起始位置，p 为p nt l - q n n ，m 为积分长度) 东南大学移动通信国家重点实验室第11 页 。 ， 东南大学硕士论文 第2 章c d m a 前向链路 i1 ，t = 0 e n m ( r ；m ) ) = 一上，f o ( 2 - 1 0 ) 【p f0 ，t = 0 惭慨扣砌扣 ( 1 + ；) ( 吉一扣。 。u 由( 2 一i i ) 绘出如图2 7 所示的p n 码部分相关统计曲线。由图可见，随着相关长度的增加 p n 码的部分相关性能越好，在长度达到5 1 2 后，改善程度减缓。 2 2 2 信道地址码 图2 7p n 码部分相关性能 2 2 2 1w a l s h 函数 c d m a 系统下行链路使用正交的w a l s h 序列做为信道地址码，用以区分不同用户 的信号。w a l s h 函数是一种非正弦完备正交函数系，其取值仅可能为+ 1 或一l 。w a l s h 函 数可以由哈达玛矩阵递推而得，其与哈达玛矩对应关系为： ，“( i ) = 【阿2 ，h h 。 ( 2 1 2 ) 即m ，“( i ) 对应哈达玛矩阵第n + l 行的第i + 1 列。w a l s h 函数还具有以下性质： 1 正交性。若r 为非负整数，n l 、1 1 在0 至2 7 1 内取值，则w a l s h 函数的正交性表示 为： 篓吖吖砸) = 1 2 。r 彬m = n n 弘聊 东南大学移动通信国家重点实验室第1 2 页 东南大学硕士论文第2 章c d m a 前向链路 2 除w o 外，其它w a l s h 函数在一个周期内均值为零。 2 3 两个w a l s h 函数相乘仍然是w a l s h 函数，即对乘法具有封闭性。 4 w a l s h 函数集合具有完备性，即长度n = 2 。的w a l s h 序列可构成n = 2 相互正交序列。 5 w a l s h 函数在完全同步时是完全正交的。 6 不同步时其自相关和互相关特性均不理想，并且随同步误差增大恶化十分明显。 因此，用于扩频的伪随机序列对w a l s h 序列起到了扰频的作用，扰频后得到的是 w a l s h 码与p n 码的复合码，它克服了w a l s h 码和p n 码的各自缺点，改善了w a l s h 码的 自相关和互相关性能。图2 8 一图2 1 1 分别表示了p n 码对w a l s h 函数自相关和互相关性 能的改善( 图中积分长度为2 5 6 c h i p ) 。 图2 8 a u t oc o r r e l a t i o n o f w 蚪1 6 图2 9a u t oc o r r c l a t i o no f w 6 4 1 6 p n 图2 1 0c l o s sc o r r e l a t i o n o f w “1 6 。w 岔。 图2 1 lc r o s sc o r r e l a t i o no f w “t s & p n ，w 6 4 勰p n 2 2 2 2 可变扩频比正交码( o v s f 码) 在i s 一9 5 a 中，用户可以使用一条扩频比为6 4 的9 6 k b p s 或1 4 4 k b p s 速率的信道。 在i s 一9 5 b 中使用信道捆绑技术，用户可以使用8 条扩频比为6 4 的信道，总速率可达 7 6 8 k b p s 或1 1 5 2 k b p s 。在c d m a 2 0 0 0 中，业务已由单一速率的话音拓广为不同速率的 话音，数据与图像的多媒体业务。这样一来，不同信源给出的信息速率是不一样的，它 是变速率的。然而信道的传输带宽是固定的，因此在扩频过程中，不同的信息速率要采 用不同的扩频比才能达到相同的码片码率。为了防止多个用户不同业务之间的干扰，必 须设计一种满足不同速率不同扩频比的正交码，这就是可变扩频比正交码( 0 v s f 码) 。 0 v s f 码可由树状图表示，其结构如图2 1 2 所示。 东南大学移动通信国家重点实验室 第1 3 页 东南大学i 弼士论文 第2 章c d m a 前向链路 o v s f 码具有以下特点：在o v s f 码树图上，从左向右，非延长码正交，延长码不 正交；从右向左，异前置码正交，前置码不正交。因此，若树图中某一节点的w a l s h 码被采用为扩频正交码，往右看，该节点延长出去的所有树枝上的长w a l s h 码将不能再 被用作扩频码；往左看，该节点以前的任何一个节点上的短w a l s h 码也不能再被用作扩 频正交码。例如若某基站同时发送下列三类不同速率的业务，分别为7 6 8 k b i t s 、 1 5 3 6 k b i t s 和3 0 7 2 k b i t s 。因为码片速率为1 2 2 8 8 m c h i p s ，所以应当为速率3 0 7 2 k b i t s 的业务分配4 倍扩频比的w a l s h 码，为速率1 5 3 6 k b i t s 的业务分配8 倍扩频比的w a l s h 东南大学移动通信国家重点实验室第1 4 页 东南大学硕士论文 第2 章c d m a 前向链路 码和为速率7 6 8 k b i d s 的业务分配1 6 倍扩频比的w a l s h 码。由于p i l o t 信道使用w 6 4 0 ， p a g i n g 信道使用w 6 4 1 ，s y n c 信道使用w 2 5 6 3 2 ，因此w 4 0 和w 4 1 不能再用。根据上述原则 可分别选择w 4 3 ，w 8 2 和w 1 6 6 号w a l s h 码。可以验证( 扩展至相同长度后积分) ，选用 的各信道码之间满足互相正交的原则。从以上例子可以看出，在c d m a 系统中，o v s f 码是一种重要的资源。如果为低速率信道随机指配大的s f ，可能会排除掉大量小s f 的应用( 如上例中p a g i n g 信道限制了w 4 1 的使用) ，从而限制了其它用户的可用码道数。 相反的，对低速率用户按照最小化不可用小s f 码道数的原则指配码道，可能会得到更 好的结果。因此，为了支持尽可能多的用户，而复杂性又尽可能低，码道分配必须遵从 两条准则： 利用率。即需要的带宽和分配的带宽之比。利用率越高越好，可以节省o v s f 资源。 保留更多的小s f 码道的码道分配方案提供高利用率的可能性更大。 复杂性。获得带宽而使用的码道数越多，系统的复杂性越高。当有多种方法可以满 足第一条准则时，应采用需要码道数最小的原则分配码道。 2 2 2 3 准正交函数 c d m a 2 0 0 0 标准规定在r c l 和r c 2 中使用w a l s h 函数，在r c 3 9 中使用w a l s h 函数或准正交函数( q o f ) 。对于s r l 模式，w a l s h 最长可为1 2 8 ；对于s r 3 ，最长可 为2 5 6 ( 辅助导频信道和辅助发送分集导频信道例外) 。q o f ( q u a s i o r t h o g o n a lf u n n c t i o n s ) 函数由非零标志系数q o f s i g n 和非零旋转使能w a l s h r o t 与w a l s h 函数组合而成。q o f s i g n 与w a l s h r o t 被称为准正交函数的掩码函数，q o f 掩码经过0 1 ，l 一一l 映射，w a l s h 。 经过o l ，l i 映射。在复数扩频中q o f 掩码作用于w a l s h 函数，与w a l s h 函数相乘， 然后再与w a l s h 。相乘。为分析q o f 函数的作用，根据图2 5 将式( 2 6 ) 展开得到： 吣) _