（通信与信息系统专业论文）多业务dscdma系统的性能及分集技术研究.pdf

摘要 中文摘要 ( 未来信息社会中，图象，话音，数据相结合的多媒体业务和高速数据业务 量越来越占主要地位，如何有效地传输这种多媒体数据，已经成为移动通信中 的研究热点之一。扩频技术由于具有抗多径，软容量和时分多址与频分多址更 大的容量和优势，而受到各国研究者的重视矿本文基于移动通信传输多媒体业 务的需要，研究了多业务直扩系统，及用分集技术来提高系统性能。其主要内 容和创新之处下： 1 讨论了移动通信系统中的信道模型及信号特征与信道的关系。讨论了我 们计算直扩系统容量需要用的大尺度衰落的场强预测模型，及可以用分集技术 对抗的小尺度衰落模型。憾结和讨论了广泛运用于移动通信的分集技术，以及 相关与非相关信道的最佳接收机的关系。文 2 研究g s c 的结构以及其输入端信号的统计分布，为我们后面研究多速 率扩频系统分集合并的g s c 接收机作一些必要的数学准备。 3 研究和总结了单速率扩频系统用高斯近似的分析方法。由于在用户小时 其误差大，改进高斯法可以提高精度，但需要更多的计算时间，少用户时直扩 系统的工程计算法能够获得与改进高斯法相似的精度，但需要的运算量大为减 少。 4 研究了单速率直扩系统在n a k a g a m i 信道下的性能，作者从理论上分析 了任意扩频波形下的系统性能，推导了多址及多径干扰，并给出了数值结果。 5 提出并研究了多速率r a k e 接收机直扩系统，推导出了在多速率情况 下干扰与扩频码的离散非周期自相关与互相关函数的关系，得出了干扰的解析 式，最后得出了系统在n a k a g a m i 下的误码率公式，并给出了数值结果。 6 研究了多业务直扩系统的g s c 接收机的性能，多业务系统与单业务系 统相比，不仅包括了单业务系统相同的干扰，而且包括了高速数据与低速数据 间的干扰，这不但增加了干扰，降低了系统的性能，而且对于采用何种功率控 制也是一个较难的问题。( 作者从理论上得到了g s c 接收机的误码率公式，并给 出了数值结果。这些结果表明，用分集技术( g s c ) 可以大大提高系统性能。牛 7 研究和总结了多小区单业务和多业务直扩系统的容量。给出了语音，数 据用户与系统容量的关系，语音与数据激活因子与容量的关系等。 ( 这些内容与创新点，能够为传输高速无线数据的移动通信系统提供设计依 据与参考。十 关键词扩频系统? 多小区? 多业务n a k a g a m i 信道? 分集技术、g s c 接收机 摘要 a b s t r a c t t h e v i d e o s ，v o i c e s ，d a t ac o m b i n e dt r a f f i ca n dh i g hs p e e dd a t aa r eb e c o m i n gm o r e a n dm o r e p r e d o m i n e n ti nt h ef u t u r e ，a n dh o w t oe f f i c i e n t l yt r a n s f e rt h i sm u l t i m e d i u m i n t e g r a t e d r d a t ai so n e o ft h er e s e a r c h e r si n t e r e s t i n gf i e l d t h ec d m a s y s t e m w h i c h h a ss t r i k i n ga d v a n t a g e so f a n t i m u l t i p a t hf a d i n g ，s o f tc a p a c i t i e sa n dl a r g ec a p a c i t i e s o v e rf d m aa n dt d m as y s t e m s ，h a sb e e nf o c u s e db ya l lo ft h ec o u n t r i e s t h e c d m as y s t e mt h a tw o u l db eu s e dt ot r a n s f e rt h em u l t i - t r a f f i ca n di m p r o v et h e p e r f o n n a n c e w i t h d i v e r s i t y i se x t e n s i v e l ys t u d i e df o rt h em u l t i m e d i aa n dh i g hs p e e d d a t ad e v e l o p m e n ti nt h ep a p e r t h em a i nc o n t e n t sa n dn e wi d e a si n c l u d e ： t h e d i v e r s i t yt e c h n o l o g i e s t h a tw i d e l yu s e di nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r e d i s c u s s e d ，a n dt h eo p t i m a lr e c e i v i n gt e c h n i q u e si n c o r r e l a t e d f a d i n g c h a n n e la n d i n d e p e n d e n tf a d i n g c h a n n e la r es t u d i e d t h eg a u s s i a na p p r o x i m a t i o nm e t h o du s e di ns i n g l et r a f f i cc d m as y s t e mi s i n t r o d u c e d ，a tt h es a m et i m et h ei m p r o v e dg a n s s i a nm e t h o d a l s od i s c u s s e df o rg r e a t e r a c c u r a c y ，w h e nt h ea c t i v eu s e rl o a di ss m a l l h o w e v e r ，t h ei m p r o v e dg a u s s i a nm e t h o d n e e d sm o r ec o m p l i c a t e dc a l c u l a t i o n s t h es i m p l i f i e dg a u s s i a na p p r o x i m a t i o nc a nb e o b t a i n e d ，w h i c hh a sa l m o s tt h es a m ei na c c u r a c yb u tm u c hl e s s c a l c u l a t i o n st h a n i m p r o v e d g a u s s i a na p p r o x i m a t i o nm e t h o d t h e s i n g l e t r a f f i cc d m as y s t e mi nn a k a g a m if a d i n gc h a n n e lw i t hr a k e r e c e i v e ri si n v e s t i g a t e de x t e n s i v e l y ac l o s e df o r mb e re x p r e s s i o ni so b t a i n e dw i t h a r b i t r a r yc h i pw a v e f o r m s a tm e a n t i m e ，t h e n u m e r i c a lr e s u l t sa l ep r e s e n t e d t h ec d m a s y s t e mw i t hg s c r e c e i v e ra n dm u l t i - t r a m ci sa n a l y z e d t h em u l t i - t r a f f i c s y s t e m i n c l u d e sn o to n l yt h e s i n g l es y s t e m i n t e r f e r e n c eb u ta l s ot h e i n t e r f e r e n c eb e t w e e nd a t aa n dv o i c e s ，w h i c hl i m i tt h ec a p a c i t i e so ft h es y s t e ma n d c a u s et h ec o m p l e x i t yo f t h ep o w e rc o n t r 0 1 t h es y s t e mp e r f o r m a n c ec a r lb ei m p r o v e d w i t hg s cr e c e i v e r t h em u l t i c e l lc d m a s y s t e mc a p a c i t y a n a l y s i si sd i s c u s s e di nt h ep a p e r t h e r e l a t e dc l o s ee x p r e s s i o n sa n dt h ep e r f o r m a n c ep l o t so fm u l t i c e l lc d m as y s t e m s c a p a c i t ya r ep r e s e n t e d ，w h i c hc l e a r l ys h o w t h er e l a t i o n s h i po ft h ec a p a c i t ya n dv o i c e u s e r s ，a n dd a t au s e r s ，a n da c t i v i t yf a c t o r s a l lt h er e s u l t sd i s c u s s e di nt h ep a p e rc o u l db eu s e f u l a n dv a l u a b l ef u rt h e p r a c t i c a ls y s t e md e s i g n 摘要 k e y w o r d sc d m am u l t i c e l lm u l t i - t r a f f i c d i v e r s i t yg s c r a k em u l t i - p a t h f a d i n g 附件三 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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名： 术水云 日期：多9 哆年1 月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：丝导师签名 衣彼 日期：驴哆年，月6 日 目录 本文中采用的符号 明如下： 符号 p p l e d f h s u ) h ( t ) r ( o ( ) p ( r ) ，f ( ) a ( t ) b ( o c ( ) 口2 ，n o r ( ) 主要符号表 除了在文中出现具体说明意义外，全文通用的主要符号说 说明 功率：误码率；概率。 路损。 电场强度；比特能量；求数学期望。 距离。 频率。 天线高度，建筑物高度。 信号频谱。 信道的等效低通响应。 接收信号波形。 相关函数，特征函数。 概率密度函数。 扩频码波形。 数据波形。 离散非周期自相关函数，离散非周期互相关函数 方差。 相关函数。 第一章绪论 1 1 研究背景 第章绪论 移动通信是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之 一，也是将在2 1 世纪对人类的生活和社会的发展有重大影响的科 学技术领域之一。 简要地回顾下移动通信的发展历史，可以看到现代移动通信 飞跃发展的历程。19 46 年a t t 推出了第一个移动电话系统，采 用的是f m 调制方式，12 0 k h z 带宽传输一路话音。60 年代中期， be 1 1 s y s t e m 推出了i m t s ，采用f m 调制，25 3 0 k h z 带宽传 输路话音。6 0 年代末，70 年代初开始出现了第一个蜂窝电话系 统。7 0 年代末，由于半导体技术的发展和微处理器的出现，使蜂 窝系统可以实现的复杂度大大提高，从而进一步推动了蜂窝移动通 信的迅速发展。在这期间，美国推出了a m p s 系统，欧洲推出了 t a c s 系统等向用户提供商业服务的模拟系统。 8 0 年代初蜂窝移动通信系统已开始了真正的运营实验，实现 了真正意义上的蜂窝移动通信功能；在此基础上，9 0 年代初，各 国有相继推出了今天称为第二代数字移动通信系统的d a m ps ， g s m ，c d m a 系统。9 0 年代中期以后，随着计算机技术的飞速发 展和迅速普及，对移动通信业务功能又有了更高的要求，世界上许 多国家相继开始研究第三带，乃至第四代移动通信系统。 第一代移动通信系统是以频分多址( f d m a ) 和模拟调制 ( f m ) 为特征的，如北美洲的a m p s 、欧洲的n m t 和t a c s 。 第二代移动通信系统是以时分多址( t d m a ) 、码分多址 ( c d m a ) 和数字调制为特征的，如欧洲的g s m 、p c s l8 0 0 ，北 美洲的t i a e i a 一13 6 和i s 95 ，目本的p d c 。 从历史的角度来看，第一，第二代蜂窝移动通信系统是针对话 音和低速率数据业务的系统。而未来的信息社会，图象，话音，数 据相结合的多媒体业务和高速率数据业务将成为必不可少的服务内 容，它的业务量将有可能远远超过传统的话音业务的业务量。所以 目前的第一，第二代移动通信系统不仅远远不能满足未来用户对数 据业务的需求，而且随着用户量的迅猛增加，现有的系统也远远不 电子科技大学博士学位论文：多业务d s c d m a 系统的性能及分集技术研究，林云 能满足用户容量的发展需求，这样，便应运而生的产生了第三代移 动通信的概念。第三代移动通信的概念最初是由国际电信联盟 ( 1 t u ) 于1985 年提出，后正式命名为j m t 2 0 0 0 。经过多年的 研究与酝酿，于1997 年进入实质性的技术选择与标准融合，于 199 9 年11 月举行的i t u rt g 8 赫尔辛基会议上最终确定了第三 代移动通信的无线接口标准，并于20 0 0 年5 月举行的i t u r 20 0 0 年全会上最终得到批准通过，被正式命名为i m t 2 0 0 0 无线 接口技术规范。此规范包括码分多址和时分多址两大类共五种技 术，其中c d m a 技术为公认的主流技术，它包括频分双工 ( f d d ) 和时分双工( t d d ) 两种。分别为i m t 一2 0 0 0c d m a d s 、i m t 20 0 0c d m am c 和i m t 2 0 00c d m at d ，简述如 ro 1 w c d m a 技术，或简称i m t 2 0 0 0c d m a d s ，是由欧洲和 日本最早提出的，其核心网基于演进的g s m 网络，空中接口采用 赢接扩频( d s ) 和宽带c d m a 。 2 c dr n a 2 0 0 0 技术，或称i m t 一20 0 0c d m am c ，是由北美最早 提出的另一种较具竞争力的第三代移动通信技术，其核心网络采用 演进方式的i s 95 c d m a 核心网络，能与现有的i s 95 c d m a 向 后兼容。 3 i m t 2 0 0 0c d m at d 为时分双工的c d m a 技术，它包括中 国提出的t d s c d m a 技术和欧洲提出的t d c d m a 两种方式。 第三代系统要求移动性高的比特率、可变业务需求：快速移动 环境下，数据速率达14 4 k b i t s ；室内到室外或步行条件下，数据 速率最高达到38 4 k b i t s ，室内环境下，数据速率最高达到 2 m b i t s 。为了克服第二代通信系统因技术上局限而无法提供宽带 移动通信业务，实现第三代通信系统有很多关键技术需要研究。包 括： 】初始同步技术与r a ke 多经分集技术。c d m a 通信系统的初始 同步包括p n 码同步、符号同步、帧同步和扰码同步等；移动通信 是在复杂的电波环境下进行的，如何减弱多径衰落现象是移动通信 的另一基本问题，如果信号带宽较大，我们可以把时间能够分辨出 的多经进行合并，从而减弱多经造成的影响，这种技术成为r a k e 分集接收技术。 第一章绪论 2 高效信道编译码技术。第三代移动通信的另外一项核心技术是 信道编码技术，在第三代移动通信的主要提案中，除了采用卷积码 技术外，还建议采用t u r b o 编码及r s 级联卷积码技术。 3 智能天线技术。智能天线技术用来对移动台发射的的多径电波 方向进行达角的估计并进行空间滤波，抑制其他移动台的干扰；以 及对基站发射的信号进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动 台的电波到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减小对其他 移动台的干扰。 4 多用户检测技术。在传统的c d m a 接收机中，个个用户接收是 相互独立进行的，在多经衰落的条件下，由于各用户之间所用的扩 频码通常难以保持正交，因而造成了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，通过测量各 个用户扩频码之间的非正交性，用求逆矩阵或迭代方法消除多用户 之间的干扰。 5 功率控制技术。在c d m a 系统中，由于用户共用相同的频带， 且各用户之间存在非理想的的相关特性，用户发射功率的大小将直 接影响系统容量，从而使得功率控制技术成为c d m a 系统中核心 技术之一。 虽然3 g ( 第三代移动通信系统) 较2 g 可以提供更大的容 量，更佳的通信质量，并支持多媒体应用，但是随着人们对3 g 技 术的研究的不断深入，3 g 技术在支持i p 多媒体业务，提高频谱利 用率以及资源优化等方面的局限也渐露端倪。因而，最近，人们已 经开始be y o n d3 g 移动通信系统的研究【2 】。人们现在普遍认 为，o f d m 技术由于具有良好的抗噪声性能和多址干扰能力，以 及频谱利用效率高的特点，将是be y 0 1 3 d3 g ( 4 g ) 的核心技术 【”，( 也有人认为t d m a 和c d m a 相结合的技术也将是较具竞 争力的空中接口技术【“6 】) 同时，4 g 应是适合于分组突发业务的 系统峰值传输速率应达到2 0 10 0 m b i t s 。除了上面3 g 使用的关 键技术、以及o f d m 技术外，4 g 中将还要用到：发送分集技术， 软件无线电技术，空时编码技术等。 从上面分析可以看到，由于移动通信信道是时变多经衰落信 道，给可靠的无线通信带来巨大的挑战，因而，在3 g 及4 g 系统 中都将采用r a k e 接收技术，同时，在4 g 中可能还将采用发射分 集技术。 屯子科技大学博士学位论文：多业务d s c d m a 系统的性能及分集技术研究，林云 早在提出3 g 之前，为了解决高速率和可变数据业务的传输方 法，人们已经开始研究了许多种c d m a 系统，如多载波系统【一。 “，多码系统【“j 。 研究多载波系统可能是因为能够使现在的窄带c d m a 能够比 较方便的过渡到宽带c d m a ，虽然提出的多载波系统不仅限于一 种，一般的分法是把它分为两种【4 】一种是正交频分复用和c d m a 的结合，在这种系统里，扩频码首先通过串并转换 然后，用每个c h i p 调制不同的载波。这意味着，载波数目等于处 理增益，每个载波不是传送一个扩频波形，而是传送一个窄带波 形，也就是说，最后的信号在频域里有p n 码的结构。另一个典型 的多载波系统是多个窄带c d m a 系统的并联，在这种系统中整个 宽带c d m a 的带宽被划分成m 个带宽互不相交的窄带c d m a ， 并分配m 个不同的载波给m 个窄带c d m a 。每个用户被分配给一 个不同的扩频码和用户数据相乘以后，用来调制m 个载波，接收 机采用相关接收机，并把不同的载波信号合并起来。由于多载波系 统整个带宽被分成m 个相等的频带，因而其扩频码的速率将是单 载波的1 m ，因而多载波系统与单载波系统相比，多载波系统需用 并行的，低速的信号处理，而单载波系统需用高速的串行的r a k e 接收机。从本质上说，这种类型的多载波系统的设计是把单载波的 道路分集( r a k e ) 变成了多载波系统的频率分集。研究已经表明 【”，只要整个带宽大于信道的相干带宽，多载波系统与单载波系统 一样，能够减轻多径对系统性能的影响。而且，由于与第二代 c d m a 共存，当其干扰( 部分带宽干扰) 较小时，多载波系统与 宽带的单载波系统一样，而当其干扰较大时，多载波系统的性能优 于宽带单载波。而且，我们可以采用把m 个载波进行编码后在发 射的方案6 1 ，把m 个载波通过1 m 卷积编码而不用重复码，可以 发现它一样具有抗多径干扰和部分带宽干扰的能力。除了对瑞利衰 落更敏感外( 与单载波宽带系统相比) 。这是因为宽带单载波系统 的能量分布在多个独立的衰落路径上，而编码后的多载波通过了一 个平坦的瑞利衰落信道。 多载波c d m a 系统如何传输可变速率的业务，有人已经提出 用速率兼容的删信卷积码【j j ( r a t e - c o n a p a t i b ie p u n c t ur e d c o n v 0 1 u t io n a lc o d e ) ，这种码的高速码可以通过删除低速码的一 些冗余比特来实现，发送端采用同一个编码结构，对不同的码采用 4 第一章绪论 不同删除矩阵，从而得到不同速率的码，而收端采用同一维特比译 码器译码，可以大大地简化编译码器的设各。 多码系统的研究可能主要是因为在给定带宽的情况下，传输 高速数据的需要，另外，多码系统能够进行可变速率的传输，这也 适应了多媒体通信的需求。有人提出将不同的业务( 1k b s 2 m b s ) 综合起来，在扩频前将源速率调到一个新的速率，称为基 本速率i l “，这样源速率低于基本速率的业务以基本速率传输，相 应地降低其激活因子，源速率高于基本速率地业务被分成并行地基 本业务传输。给每个基本速率分配一个正交码，然后，将并行的数 据相加，与长p n 码相乘用载波调制后发送出去，这种系统与被称 为正交多码c d m a 系统基本一致，除了要将不同的业务变成基本 速率业务。由于这种正交多码c d m a 系统采用了沃尔函数作为正 交码，其功率放大器输出的信号幅度变化很大，因而，其难以用在 高效率的高频功率放大器中正因为如此，有人提出用沃尔什函数把 信息源编成常振幅码，并且得出了几种速率的码【”】，而且，通过 计算机仿真得出了其性能，为了提高系统性能，多码系统也采用 ra ke 接收机。多码系统的一种变形是：如果想在增加数据速率时 保持扩频带宽不变，这意味着较高的数据速率有较低的处理增益， 而且随着数据速率的提高，处理增益越来越低，这会降低系统性 能，因为，低的处理增益至少要影响接收机的分集性能。这样的系 统被称为可变处理增益系统。由于同时发送多个波形，而且，每种 波形都要受到多径的干扰，因而，增加了系统的干扰，所以采用何 种功率控制方法来减少系统内部干扰，以及系统容量与不同业务景 有何种关系，r a k e 接收机对系统性能的改善程度，是这种系统需 要解决的问题| l 。 正是这样，本文将研究将来可能商用的在衰落信道下多业务 ( 多速率) 多码扩频系统性能分析与容量，这种系统，采用分集接 收的方法，其分析将变得很复杂，要理解其方法，必须对衰落信道 有深刻的理解，因此，本文作者详细地讨论了衰落信道有关问题； 多小区由于受到相邻小区的干扰，如果采用单小区的分析方法将不 能得出有意义的结果，因此，作者采用了不同于单小区的分析方 法，重点研究了本小区，及其它小区的干扰计算问题，最后得到了 蜂窝小区系统的容量。单速率在扩频系统r a k e 接收机在 na k a g a m i 衰落信道下的性能也是一个比较难的问题【1 4 叫因此，本 电子科技大学博士学位论文：多业务d s c d m a 系统的性能及分集技术研究，林云 文详细地分析了na k a ga l $ 1 i 衰落信道下的ra k e 接收机。在衰落信 道分析时，我们都是假设干扰为关于衰落因子函数自高斯噪声，然 后通过求出衰落因子函数的概率密度函数，最后通过平均的方法得 到系统的误码率；同时，在移动通信中也可能存在白高斯噪声信 道，因此，对白高斯噪声信道扩频系统的研究既有必要，而且也是 后面衰落信道分析的基础，所以本文也研究了白高斯噪声信道下的 扩频系统；由于通话用户数目较多时，把多址干扰近似为高斯噪声 比较精确，而通话用户数目较少时，把多址干扰近似为高斯分布误 差较大，因而，本文分别研究了这两种情况。 本文分析中，都假设扩频码为随机码( 除白高斯信道外) ， 这一方面是实际情况是相吻合的，如is95 系统；另一方面也是为 了简化分析。需要指出的是( 从我们后面的研究中也可以得到) ， 其中扩频码的设计对系统容量有至关重要的作用；对于非同步 c d m a 系统，扩频码的自相关函数和互相关函数，特别是部分自 相关和部分互相关函数一直是而且将来也必是研究者研究的一个课 题，因为系统得性能与容量直接与部分互相关函数和自相关函数相 关，虽然找到好的自相关函数和互相关函数是一个繁重的任务，而 且有人已经证明自相关函数的最大值和互相关函数的最大值相乘有 一个下界【2 ”。对于同步c d m a 系统有人已经提出了设计具有零自 相关互相关区域码的构造方法，这样就可大大提高系统容量。 1 2本文的创新之处与主要内容 论文的主要创新之处如下： 1 研究了多径时变衰落信道的传播特性与信号的最佳接收。特别 是对相关与非相关的多径信号的最佳合并技术研究表明：如果采用 相干接收，m r c ( m a x i m a lra t i oc o m b i n a t i o n ) 将是最佳接收 机，该最佳接收机的结构对于多径是否相关均适用，无需对信号进 行去相关处理。此外，在多径数目太多的情况下，考虑到接收机的 复杂性等原因，实际系统不能将多径完全合并，因此，我们研究了 多径信号按其强度分布选取其顺序统计量中几条最大的进行合并的 接收机系统( g e n e r a l i ze dse 1e c t i o i lc o m b i na t i o n ) 。同时，作 者研究了g s c 接收机接收端的信号的统计分布，这种研究方法对 任何信道均适用。 第章绪论 2 通过对na k a ga m i 信道的d s c d m ar a k e 接收机的分析， 作者推导了多径干扰的方差( 与文献22 1 假设多径方差不同) ，进 而得到了干扰与多径强度和扩频波形的关系，以及接收机的信噪比 与误码率公式，并得到了数值结果，绘出了有关的特性曲线。这些 结果可以用来指导系统的设计。 3 本文考虑到移动通信传输多媒体业务的需求，作者提出并研究 了多速率r a k e 接收机直扩系统，分析导出了在多速率情况下干 扰与扩频码的离散非周期自相关与互相关函数的关系，并获得了干 扰的解析式，最后得出了系统在n a ka g a m i 下的误码率公式，并给 出了数值结果和特性曲线。 4 作者提出并研究了多速率g s c 接收机直扩系统，推导出了干 扰与扩频码的连续时间部分互相关及离散非周期部分互相关函数的 关系，利用矩函数的方法和变量变换法把不独立的顺序统计量分布 变成独立的分布，推导出了其在瑞利与na k a g a m i 信道下的误码率 公式，并给出了数值结果和特性曲线。 5 作者研究了多速率g s c 接收机在n a k a g ar n i 信道下的性能， 利用不完全r 函数与超几何函数的关系推导出了系统的误码率公 式，并给出了数值结果和特性曲线。 6 作者研究了多小区多业务系统的容量，分析了干扰与激活因 子，干扰与码道等的关系，并给出了数值结果特性曲线。 本文的主要内容及其安排如下： 第二章总结了移动通信系统中的信道模型。内容涉及到大尺度衰落 的场强预测模型，及可以用分集技术对抗的小尺度衰落模 型，包括最近提出的n a k a g a m i 衰落的数学模型。 第三章主要探讨g s c 接收机端的信号的统计分布，为我们后面研 究多速率扩频系统分集合并的g s c 接收机作一些必要的数 学准备。 第四章总结了分集的一些基本方法和合并技术以及研究的最新情 况。分集技术作为抗衰落的主要技术在移动通信系统中得到 了广泛的应用，本章主要分析了最大合并比分集为最优接收 机，这为后面的扩频系统r a k e 接收机提供了理论依据；同 时，还分析了g s c 接收机的灵活结构，以及相关衰落信道 的一些结论。 电子科技大学1 尊士学位论文：多业务d s c d m a 系统的性能及分集技术研究，林云 第五章研究和总结了单速率系统的在高斯信道下的性能。由于对干 扰采用高斯近似时，对用户少时误差比较大，因而改进高斯 法克服了其缺点，但是其计算量太大。少用户的工程计算则 可以大大地简化计算量。 第六章研究单速率宜扩系统在一般的衰落信到下r a k e 接收机的 性能。这种方法在随机码的假设下，适用于任意的扩频波 形，并且可以推广到多速率系统。 第七章研究多业务，多速率直扩系统的用g s c 接收机的性能。在 方法上可以看作是第四、五、六章内容的扩展。g s c 接收 机在合并支路仅有一条时相当于选择式合并接收机，在合并 支路数和最大之路数相等时相当于最大合并比接收机。在业 务数s = 1 时，相当于单业务系统。 第八章研究多小区系统的容量。首先是单业务多小区直扩系统，再 推广到多业务多小区直扩系统，最后，给出了数值结果。 第二章无线衰落信道及其模型描述 第二章无线衰落信道及其模型描述 2 1 无线信道的衰落特点 电磁波在空中的传播机理是各式各样的，但是都可归纳为反 射，衍射，和散射。大部分的城市移动系统发射机和接收机都没有 直线距离，并且有引起严重衍射损耗的高大建筑物。由于不同物体 之间的反射，电磁波到达同一物体将走过不同路径，这些不同的路 径的功率随着发射机到接收机的距离增加而减少，并且，在某一位 置相互作用，就形成了多径衰落。 在传统上，传播模型主要是用来预测在给定点接收信号的平 均强度，和在某一空间附近信号强度的变化。用来预测发射机和接 收机之间的均值信号强度的传播模型，能够估计发射机的覆盖范 围，这种模型我们称为大尺度衰落( 路径损耗模型) ，因为，它刻 划的是发射机和接收机之间的信号强度，( 距离为几百米至几千 米) 。 另一方面，用来刻划接收信号在很短的传播距离( 几个波 长) 或很短的时间迅速起伏变化的传播模型，我们称之为小尺度衰 落，简称衰落模型。当移动台走过很小一段距离时，接收到的瞬时 信号强度由于衰落可能变化很大，其原因是接收到的信号来源于不 同的方向，由于他们的相位是随机的，因而，其和可能变化很大。 范围可达3 4 个数量级( 30 d b 一4 0 d b ) ，这些内容，将在下一节 作介绍。当移动台背离基站走过的距离较大时，局部均值将慢慢地 减少。路径损耗模型正是用来预测局部均值的。图2 1 说明了快衰 落与路径损耗。从图可以看出，当移动台移动时，信号强度迅速衰 落，但是局部均值信号( 中间的粗线) 随距离变化却缓慢得多。 2 2大尺度衰落 正如前一节所述，大尺度衰落将随距离的增加而缓慢的减小， 但是，它不仅仅随距离的函数，还有传播环境有关。最简单的电磁 波传播问题是自由空间的电磁波衰落问题。所谓的自由空间，是 9 电子科技大学博士学位论文：多业务d s c d m a 系统的性能及分集技术研究，林云 指：均匀无耗的各向同性无限大空间，而且其中的电导率为零，相 对介电常数和相对磁导率为】的理想空间。 2 2 1 自由空间的传播模型 自由空间的传播模型主要用来预测发射机与接收机之间有直线 路径的接收信号的强度，卫星通信系统和微波视距传输可以认为是 自由空间的传播。正如大部分路径损耗传播模型，自由空间传播模 型预测接收信号的强度( 功率) 是发射机和接收机的距离幂次方的 函数。我们设发射机与接收机的距离是d ，根据天线的有关原理， 则接收功率为， 香 瓣 督 咖 j 坚 发射机与接收机之问的距离 图2 1 大尺度衰落与小尺度衰落的关系 只( d ) = 业( 4 z ) 2 d 2 l ( 2 1 ) 其中，只是发射功率，e ( d ) 是接收功率，它是发射机和接收机的距 离的函数。g 是发射天线增益，g ，是接收天线增益，上是与传播无 关损耗因子，它表示通信系统中的传输线损耗，滤波器损耗，天线 损耗等。如果工= 1 ，则系统无硬件损耗。五是波长，以米为单位。 兄：c r ，其中f 是载波频率，c 是光的传播速度。上式表明，在自 由空间中，接收到的信号功率按照发射机与接收机之间的距离平方 衰减。 第二章无线衰落信道及其模型描述 如果以d b 为单位，则自由空间的路径损耗可以表示为： 凡c 地) = 1 0 l o g 每一s ( 器 z ， 当不计发射和接收天线增益时，及在上式中令发射天线增益和接收 天线增益为1 。这时，路径损耗可以写为， m c 扭) = 1 0 l o g 导= - 1 0 1 0 9 翻 2 2 2 三种基本的传输机制 ( 2 3 ) 反射，衍射，散射是电波在空中传播的基本物理现象。路径损 耗可以从这三种现象中得到解释，瞬时衰落也可以从这三种现象中 得到解释。 反射，当电磁波投射到一个比起其波长大的多的物体上时，就 会产生反射。比如地球的表面，建筑物，和墙壁。 衍射，当发射机和接收机之间被一个尖行的不规则物体阻挡 时，障碍物将在空间包括在其后产生次波，传输到视距不能到达的 地方，这种想象称为衍射。 散射，当电磁波通过介质传输时，如果介质的数量相当大且其 比波长小，这样就会发生散射。散射波主要是由粗糙的表面，小障 碍物引起的。 2 2 3反射 当一无线电波在一介质中传播遇到另一中具有不同电特性的介 质时，则电磁波将部分发生反射，部分将继续传输。如果平面波投 射在理想介质上，则有部分能量将反射到第一中介质，部分能量将 在第二种介质中传播，将没有能量被损耗掉。如果第二种介质是理 想的导体，则所有的能量都将被反射到第一种介质而没有能量损 耗。反射波的电场强度与折射波的电场强度与入射波的关系可以通 过菲涅尔反射系数连续起来。反射系数是材料特性的函数，而且也 与入射角，入射波的频率，极化有关。 2 2 3 1介质反射 图2 2 表示一电磁波在介质上的反射，正如图所示，部分能量 以角度日反射回第一种介质，部分能量角度口，折射到第二种介质。 反射的性质与与电场的极化方向有关。由于任意的电场垂直于入射 屯子科技大学博士学位论文：多业务d s c d m a 系统的性能及分集技术研究，林云 面与平行入射面的电场，因而，只需研究图示的两种情况。图2 2 ( a ) 为电场矢量平行于入射面，图2 2 ( b ) 为电场矢量垂直于入射 面。图中的毛，“，盯，和s ：，胁，口：分别称为介质1 和介质2 的介电常 数，导磁率，导电率。当为理想无耗介质时，介电常数可以写为 s ：晶，其中。= 8 8 5 1 0 - 1 2 f m ，s ，为相对介电常数。如果是有耗 介质，它将吸收功率，其介电常数可以表示为， 其中一2 寺 r 。一e r ：堡! ! 呈生二翌l 墅鱼 电场在入射面 1 ”e 叩2s i n 8 , + 叩1s i n 0 r = 墨= r 2s i n 8 r - r ts i n t ) ,电场不在入射面 e j野2s i n o f r 1s i n o r 电场矢量在入射菌 电场矢量垂直千入射面 图2 2 ( a ) 电波在界面反射 图2 2 ( b ) 电波在界面反射 其中，叩f = 厮是波阻抗( i = l ，2 分别对应第一第二种介质 当第一种介质是自由空间时，这时反射系数为， 驴盖爝 卜筹s i n 篆鬻c o s8 j + s r 一 2 8 i ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 第二章无线衰落信道及其模型描述 2 2 3 2理想导体表面的反射 因为电磁场不能够穿过理想导体，因而当它投射在金属上时所 有的能量都将反射回去。按照电磁理论的边界条件，对于电场强度 在入射面内的情况，有 e ? = e ? e ，= e ， 同样，对于电场强度不在入射面内的情况，边界条件为 曰。= 只 e 。= 一e ， ( 2 9 ) ( 2 10 ) ( 2 11 ) ( 2 12 ) 对照上面的式( 2 5 ) 可见，对于金属，不论入射角如何，反射系 数均为， n = 1 ，一= 一1 2 2 4地面反射模型( 二线传播模型) ( 2 13 ) 在移动通信的环境中，在基站和移动台只有一条视距传播的情 况是很少见的，因而，用自由空间的传播模型，即式( 2 1 ) 来计 算场强在大多数的情况下是不准确的。如图2 3 的两线地面反射 模型是利用几何光学的原理，记考虑了发射机到接收机之间的直线 路径，有考虑发射机到接收机之间一条反射路径。这个模型可用来 计算基站具有较高的天线，在几公里处的场强中值；以及有视距的 城市微小区系统的场强中值。 t ( t r a n s m i t e r ) 毋。多吒| l 卜1 一 图2 3 ( a ) 二线模型原理图 堕兰型垫查堂堕主堂垡笙奎! 垒、业堑望! 丝望坚垒墨竺盟壁堡墨坌塞塾查塑茎二塑j 墨一 因而从上图可以看出，接收点的总的电场e 。，是视距场强e l o s 与 反射场强e 。之和。图中h ，是发射机的高度，h ，是接收机的高度a 如 果设丘是自由空间在距发射机d o 处的电场，于是对于d 卜d 。处的自 由空间场强可以表示为， 删，= 等c o s ( 啪一争 n d 。 心1 4 ， 其中j e ( d ，f ) j = 兰争代表在d 处的振幅。 我们设直射波到达接收机经过了距离d ，反射波到达接收机经过了 距离。因而直射波到达接收点的场强可以表示为， ，f ) = 竽c 。咄卫c ) 】 1 5 通过地面反射后，到达接收点的场强司以表不为 州，1 ) = r 等c 。咄一纠 1 6 如果我们认为地面是理想导体，并且口，很小时，总的场强可以求 得， 归等c o 扣一纠小学c o s h 一刽 川 现在我们只要求得了d 和d 之间的差值，便可求得总的场强n 利用 下图，我们可以求得其为： ，。一再了再一厩= 再百 ( 2 18h ) ；d ”一d = ( ，+ ，) 2 + d 2 一( ，一r ) 2 + d 2 、 如果发射机与接收机之间的间隔d 比h ，+ ，大得多时，上式可以近似 第二章无线衰落信道及其模型描述 t ( t r a n z m j t a r ) 淑跏。、 ，向可 ， , 卜_ r 一 ：一d 。盟 d r ) 图2 3 ( b ) 二线模型原理图 ( 2 i9 ) 求得之后，我们便可求得直射波和反射波的到达相位差和时间 差。 ”孕铲i a ( 2 2 0 ) 当d 比较大时，d 和d 。之间的距离差比较小，这时，可以认为直射 波和反射波的场强的振幅是相等的，它们仅有相位羞。 酬- 剥_ f 剥 如果我们计算在t = d 。c 时的场强，则有， c 如= 分竽c o s f uc 华，卜，等c o s ( 0 0 ， = 孕c o s 眠) 一丁e o d o 。单( 。目。一1 ) 口 断叫存格腑占的电场振幅佰为， ( 2 2 1 ) ( 22 2 ) 屯子科技大学博士学位论文：多业务d s c d m a 系统的性能及分集技术研究，林云 e r o r ( d ) i = j ( 竽 2 ( c o s 以, - - 1 ) 2 + ( ”甜s i n 2 0 a 学阿= z 学s i n c 争 当生2z 警比较小时，这时总的场强可以写为 ( 2 23 ) e j ) “丁2 e o d o _ 2 n h 矿, h 哮 ( 2 2 4 ) 其中k 为常数，因而，接收功率可以表示为， p ：只g ，g ，华 ( 2 25 ) 把二线模型与自由空间的传输相比较可见，这时接收功率按距离的 四次方减小，比自由空间迅速得多。 2 2 5 衍射 衍射能够使无线信号传输到障碍物之后，尽管随着阴影的加 深，电场迅速的减少，但是，衍射场强通常能够提供足够强的信 号。衍射现象可以用惠更斯原理来解释。惠更斯原理说的是：波前 的所有点都可以看作是产生二次波的点源，并且这些子波组合在一 起，在传播方向上产生一个新的波前。绕射是由二次