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m c c d m a 系统仿真及其接收端检测技术研究 a b s t r a c t w i t ht 1 1 er a p i dd e v e l o p m e n to ft l l em o b i l ec o m m u l l i c a t i o n t e c 枷q u e s ，t h et o u 曲b a r r i e r so f c d m aa r e 蓼a d u a l l yo b v i o u s a 皿dt h e c o m b i n a t i o nw i t l lo f d mt e c h n i q u ec o n c e n l t a t e st h ea d v a n t a g e so f c d m aa i l do f d m ，s oi tc a l ls u p p o r th i g hd a t ar a t et m s m i s s i o ni nt h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e r 矗r s ti n t r o d u c e st h eb a s i cp 血1 c i p l e so fo f d m c d m a t e c h n i q u ea n dt h r e et y p e so fn e wm u l t i p l ea c c e s ss c h 锄e sb a s e dt h i s t e c h n i q u e a n e rp e r f o n n a n c ea i l “y s i s ，w ec a n c l u d et h a tm c c d m ai s ac o m p e t i t i v es c h e m e k c h a p t e r2 ，w ed e s i 辨t h es y s t e mm o d e lo fm c c d m aa n di t s s i m u i a t i o nn o wu s i n gm a t l a b ，i n t r o d u c ei t st r a n s m i t t e r ， w i r e i e s s c h 枷e 1a n dr e c e i v e r ，a n dt l l e na n a l y z ei t sk e yt e c l l i l i q u e s i i lc h a p t e r3 ，w ef b c u sm ed e t e c t i o nt e c h n i q u e si nt h er e c e i v e li t c a l lb ec l a s s i f i e da ss i n g l e u s e rd e t e c t i o na n dm u l t i u s e rd e t e c t i o n w e i n d 印e n d e n 1 yb u i l dt 1 1 em a t h 锄a t i c sm o d e l s ；d os y s t e ms i m u l a t i o na 工1 d t h e o r e t i cp e r f o m l a n c ea n a l y s i s a l s o ，t h i sp a p 盯a d o p t s 脚。一c l a s s d e t e c t i o nt om o d i f vm m s es c h e m e n 锄e dm m s e p i cs c h e m e a n e r c a r e f i l l l ys y s t e ms i m u l a t i o na i l dp e r f o m l a n c ea 1 1 a l y s i s ，w ec o r l c l u d et h a t t h ep e r f o r m a l l c eo f 廿1 em m s er e c e i v e ri si m p r o v e dn o t a b l y k e yw o r d ：m c - c d m as i n g l e u s e rd e t e c t i o n d e cm m s e m m s e - p i c 第页共6 8 页 m c c d m a 系统仿真及其接收端检测技术研究 第一章绪论 1 1 移动通信的发展 所谓移动通信就是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间 的通信，移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、飞机等在 移动状态中的物体。 移动通信的概念最早出现在2 0 世纪4 0 年代，无线电台在第二 次世界大战中的广泛应用丌创了移动通信的第一步。到7 0 年代， 美国贝尔实验室最早提出蜂窝的概念，解决了频率复用的问题，8 0 年代，美国为了满足用户增长的需求，提出了建立在小区制的第一 个蜂窝通信系统a m p s ( a d v a n c em o b i l ep h o n es e r v i c e ) 系统。 随后，欧洲各国和日本都开发了自己的蜂窝移动通信网络，具有代 表性的有欧洲的t a c s ( t o t a l a c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 系统、 北欧的讧t ( n o r d i c m o b i l et e l e p h o n cs y s t e m ) 系统和日本的m r r ( n i p p o nt e l e g r a p ha n dt e l e p h o n e ) 系统等。 第一代模拟系统主要建立在频分多址接入和蜂窝频率复用的理 论基础上，在商业上取得了巨大的成功，但随着技术和时间的发展， 问题也逐渐暴露出来：所支持的业务单一( 主要是话音) 、频谱效 率太低、保密性差等。特别是在欧洲，一个国家有一个自己的标准 和体制，无法解决跨国家的漫游闯题。模拟移动通信系统经过l o 余年的发展后，终于在2 0 世纪9 0 年代初逐步被更先进的数字蜂窝 移动通信系统所代替。 推动第二代移动通信发展的主要动力是欧洲，欧洲国家比较小， 要解决标准和制式的统一才可能解决跨国家漫i 6 芋。在8 0 年代中、 第】更共6 8 页 m c - c d m a 系统仿真及其接收端检测技术研究 后期，欧洲对诸多解决方案的现场实验比较，最后集中为时分多址 ( t d m a ) 的数字移动通信系统，即g s m ( g l o b a ls y s t e m wm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 系统。由于其技术上的先进性和优越的性能已经 成为目前世界上最大的蜂窝移动通信网络。 g s m 系列主要有g s m 9 0 0 、d c s l 8 0 0 和p c s l 9 0 0 三部分，三 者之间的主要区别是工作频段的差异，其特性可归结为：频谱效率 高；系统容量大；更高的话音质量；通过鉴权，加密和t m s i 号码 的使用达到安全的目的；与i s d n 、p s t n 等具有互连科操作性；可 以在s i m 卡基础上实现漫游。g s m 空中接口的基本原则包括：每载 波8 个时隙，2 0 0 k h z 载波带宽，慢跳频。 与欧洲相比较，美国在第二代数字蜂窝移动系统方面的起步要 迟一些。1 9 8 8 年，美国制定了基于t d m a 技术的i s 5 4 i s 1 3 6 标 准，i s 1 3 6 是一种模拟数字双模标准，可以兼容a m p s 。9 0 年代 初，美国q u a l c o m m 公司提出c d m a 技术，并在1 9 9 3 年由t i a 完 成标准化成为i s 一9 5 标准。这也是3 g 标准中c d m a 2 0 0 0 技术的雏 形。 c d m a 技术有其固有的很多优点，如比f d m a 及t d m a 系统高 得多的容量( 频谱效率 、良好的话音质量及保密性等等，使其在 移动通信领域备受瞩目。i s 一9 5 技术也在北美和韩国等地得到了大规 模商用。但是，由于起步较晚及在网络和高层信令方面考虑不足， 市场份额还是远低于已经非常成熟的g s m 网络。 目前使用的第二代数字移动通信系统可以提供话音及低速数据 业务，能够基本满足人们信息交流的需要。但是随着通信技术的飞 速发展和用户需求的提高，特别是移动多媒体和高速数据业务的迅 速发展，迫切需要设计和建设一种新的网络以提供更宽的工作频 第2 页共6 8 页 m c c d m a 系统仿真及其接收端检测技术研究 带、支持更加灵活的多种类业务( 高速率数据、多媒体及对称或非 对称业务等) ，并使移动终端能够在不同的网络间进行漫游。由于 市场的驱动促使第三代移动通信系统( 3 g ) 的概念应运而生。 第三代移动通信系统( 3 坩g e n e r a t i o n ，3 g ) ，国际电联也称 肼t 2 0 0 0 ( h l t e m a t i o n a l m o b i l et e l e c o m m u 伍c a t i o n i n 廿1 ey e a r 2 0 0 0 ) ， 欧洲的电信巨头们则称其为u m t s ( 通用移动通信系统) 。它能够将 语音通信和多媒体通信相结合，其可能的增值服务将包括图像、音 乐、网页浏览、视频会议以及其他一些信息服务。与2 g 相比，3 g 将支持更多的用户，实现更高的传输速率( 最高可达2 m b p s ) ；在同 一个连接中可以同时支持具有不同q o s 要求的业务：可以满足不同 业务的时延要求。 然而，目前以t d m a ( 欧洲标准) 和窄带c d m a ( 北美标准) 为主要多址方式的第二代移动通信商用网络不会因为第三代的到 来而迅速消失，其间必将与第三代长期共存。在第三代标准的制定 中，从第二代向第三代的平滑过渡是对第三代移动通信的一个基本 要求。将多载波调制( m c m ) 与c d m a 相结合实现宽带化，既容 易与第二代兼容，又具有单载波( s c ) c c l m a 所不具有的优点。这 样，多载波c d m a ( m c c d m a ) 就应运而生了在3 g 的三大标 准中，c d m a 2 0 0 0 就采用了多载波c d m a 模式。 1 2c d m a ( 码分多址) 技术 码分多址( c d m a ：c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 通信，即 在发送端，将相互正交( 或尽可能正交) 的不同编码( 扩频码) 分配给 不同用户来调制信号，以实现多用户同时使用同一频率接入系统和 第3 页共6 8 页 m c c d m a 系统仿真及其接收端检测技术研究 网络，在接收端，检测器利用已经知道的用户扩频码对接收到的信 号进行解码，并恢复出原始数据。由于该用户扩频码与其他用户扩 频码的互相关性很小，所以检测过程可行。由于扩频码序列的带宽 远大于所承载信息的信号的带宽，编码过程扩展了信号的频谱，所 以也称为扩频调制，其所产生的信号也称为扩频信号。c d m a 通常也 用扩频多址( s s m a ) 来表征“。2 “。 由于扩频信号扩展了信号的频谱，所以c d m 具有一系列优 异的性能： 1 多址能力。如果多个用户同时发送扩频信号，只要每一个 用户配有唯一的扩频码，而且该扩频码的互相关性很小， 接收机就仍然能够把用户区分开来。 2 对抗多径干扰的能力。无线信道中，在发射机和接收机之 间不仅仅存在有一条路径，而是具有不同的幅值、相位、 时延以及到达角度的反射路径，在时域内得到了时间弥散 信号。扩频调制可以对抗这种多径干扰。 3 隐私性。被发送信号能够，而且也只能够被其扩频码的接 收机所解扩，从而得到数据信息。 4 干扰消除。用扩频码对窄带信号进行扩频，可以把窄带信 号功率分配到很宽的频谱范围之内，因此相应减少了信息 带宽内的干扰信号功率。在接收机内，s s 信号被解扩，而 干扰信号被扩频，使其看起来相当于背景干扰噪声。 5 被截获的低概率性。由于其功率谱密度比较低，扩频信号 很难被敌对方检测出来或者截获。 生成扩频信号的调制方案有多种，其中比较重要的几种有： 1 直接序列扩频，信息信号直接与高码片速率的扩频码信号 第4 页共6 8 页 m c c d m a 系统仿真及其接收端检测技术研究 图1 1b p s k 调制的d s c d m a 系统发送端 图1 2b p s k 调制的d s c d m a 系统接收端 1 3o f d m ( 正交频分复用) 技术 正交频分复用技术( o h ) m ：o n h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u n i p l e x i n g ) 的主要思想是：将原始信道划分为等间隔的多个正交 子信道，每个子信道使用不同的载波进行调制，在每个子信道上进 行窄带调制和传输。各个子载波之间的相互正交性，是0 f d m 和 传统f d m 技术的主要区别。 o f d m 技术的基本原理： 周期为t s 的初始数据信号经过串并转换为周期为n t s - t 的n 路数据流，依次调制在n 路正交子载波上，v 乃q ，q 为信道的 最大时延拓展。 第6 页共6 8 贞 m c c d m a 系统仿真及其接收端检测技术研究 r 一i 、 个o f d m 信号的包络：x ( f ) ；r e d 以( r 一r ) i = 0j 鼽屯黼一能艏廖，斗挲 一= l 一1 ， 。( f ) 是脉冲成形滤波器，则各载波间的频率间隔为彤， 拈，卜刮唧卜学卜 = r e 冲p ：z 料= f 麓川 o f d m 频谱及各子载波的正交性关系如图1 3 ，在每个子载波 的中心频率上不存在与其它子载波的互扰。 二 ， 基凇i 一一熔 一一。骶澎w 啷叼屯他农农歹7 9 一一 图1 3o f d m 频谱波形 假设 。0 ) 为矩形滤波器，扛。对的复值o f d m 信号为 婶m 弘e 印p 爿t ， z ( r ) = 爿吒一印 伽罟 o f = r ou n d ( r a n d ( 1 ，m p s ) + t a n m a x ) ； m u l d a m 旷：m n d ( 1 ，m ps ) ； f e em a x c o m p o n c n t 】= m a x ( m u l t 认i r l p x m u l t i a n l p = m u l t i a r r l p f e e ；m u l d a r n p 2 是各路径的平均功率 f o rp a 血j d = 1 ：m p s f a d i n g = 弧n d n ( 1 ，n u m s y m b 0 1 ) + j + i a l l 血( 1 ，n u m sy i i 】_ b 0 1 ) ； f a d i 呼a b s ( f 8 d i 吲s q n ( m e 蛆( f a d i n g + c o n j ( 盘d i n g ) ”) ； g ( u s e m u m ，p a 日l ，：) = m u l t i a 【n p o a t i l i d ) + 矗d i n g ； f 她i n g = k r o i f a d i n g ，o n e s ( 1 n c + g l l d - f i n l e ) ) ；信道响应在个o f a m 符号内恒定 t a u = t a u s 0 打( u s e m u i r i ，p a m d ) ； s i g n a l ( u s e m 哪，t a u + 1 ：t 抽+ l e n g t l l ( 0 矗i 仃u i g n a l ) ) = s i g n a l ( u s e m u r n ，1 h + 1 ：t a u 十1 e 1 1 9 t h ( o 拙琏s i 印a 1 ) ) + m u l t i m n p o a 出i d ) 4 f i 地n g f d r r u i g n a l 多用户叠加 m c c d m a 系统仿真及其接收端检测技术研究 纛警# j 囊荨、 i 二： 啊、 j i ： 汰j jel 删副 f 宰：簟j ， 毽。 、 ：、 。岔螽菇 渔、 弋。 糕 、。j 、鬻 t 媸 j j 、h 1 0 4 b 毒、十 、： _ 、，； - 5 图4 - 5d e c 和m m s e 性能比较 图4 5 是上述同一仿真环境下，m c c d m a 系统接收端分别采 用d e c 和m m s e 多用户检测方法，所得到的系统误码率示意图。 由仿真结果可以看出，同等环境下，采用m m s e 多用户检测方法 所得到的系统性能明显优于d e c 多用户检测方法，尤其是当信噪 比增大，即系统噪声较大时，m m s e 的改善效果更佳明显。这主要 是由于d e c 检测器雾缝菲嚣嚣摧蜾釜鏊鲤鬻姜鐾雾黼翼篓鞋；霞 霖器囊雾瑟瑟醛雾豁喜冀浊瑟斐娶鬻受墨豁箱夔餮藏誉善嚣，鎏鬻 臻黧蓊囊嚣鞋鏊篓堑蠢墼荔f l _ _ s i 四a l ，9 0 1 d o d e s ，h ，j ，l c n c ，n o i s e f a c ) ； d a 诅2 = m m s e _ _ p i c ( f t s i 印a l ，g o l d o d e s ，h ，j ，l c ，n c n o i s e f a c ) ； 计算误码率 b l o c l 匹r r l = 0 ： f o ru s e m u i r l = 1 ：j er r l = 1 e n g d l ( 血d ( d a t a l ( u s e m 啪，1 ：n 卜= d a t 嘛( u s e m u m ，：) ) ) 坚曼：! 里坚垒墨竺笪塞墨苎堡坚堂丝型塾查里塞一 干扰又不增大背景噪声，误比特性能比解相关检测器要好，但它的 抗远近效应的性能比解相关要差，且它要必须估计各用户的接收功 率。 ：。! 糍i 瓣 二黧 、r 、k m s en + o j 。2 。西乏 。x 一。 o m s e 户o c 。 舂j * 营 l 二托一 嚣，d 3 强、 琵、 璧2 i 一! r ：。 i 萋； k ：基鞋邛 ： | i ，7 津 ? t ：篡：蠢募 ”681 021 4 1 6 ：n 伯；+ a i 轰毫0 ：，蔗嗪比，d 雕霉蓼矗j 誓乏菇毫j 图4 - 6m m s e 和m m s e p i c 性能比较 图4 6 是上述同一仿真环境下，m c c d | m a 系统接收端分别采 用m m s e 和m m s e p i c 多用户检测方法所得到的系统性能。由图 可见，相同信噪比条件下，即相同噪声条件下，采用m m s e p i c 多用户检测接收所得到的误比特率明显小于m m s e 检测接收方法。 这主要是由于m m s e p i c 方法采用了两级检测思路，在第一级检 测输出的结果与单纯的m m s e 方法没有差别，所得到的性能也是 相同的，但在第二级检测中，对第一级的判决输出的信号恢复到了 原来的多载波复值信号，并从多用户的接收信号中减去了除目标用 户之外的其他用户的干扰，然后再进行m m s e c 频率分集的合并， m c c d m a 系统仿真及其接收端检测技术研究 最后判决输出，由于采用熬舔警青癌画蘸壁菇潮爱蕊翌壁嚣蒸礤 烈蓐粪器鞠菰霹蕊凌汛女】型蔓趔蒂； 蒜g 瑚霪q 鲞 e ( o f a r r l - s i g i l a l ，1 ，s i z e ( o 拙k s i g i l a l ，1 ) + s i z e ( o 陆h j i g n a l ，2 ) ) ； m c c d m a 系统仿真及其接收端检测技术研究 参考文献 1 、k f a z e la 1 1 ds k a i s e r ，m u n c a r r i e r 锄ds p r e a ds p e c 劬m s y s t e m 分，2 0 0 3 2 、s h i n s u k eh a r aa i l dr a m i e ep r a s a d ，o v e r y i e wo f m u 衔c a 谢e r c d m a ，i e e ec d r 衄u n i c a t i o nm a g a z i n e ，d e c e m b e r1 9 9 7 3 、k w a i l g c h e n gc h e i la n ds h a n t s u n gw u ，“ap r o g r a m m a b l e a r c i t e c t l l r ef o ro f d m c d m a ，i e e ec o m m u n i c a t i o nm a g a z i n e ， n o v e m b e r1 9 9 9 4 、s e 哂ov e r d u ，m u l t i u s e rd c t e c t i o n ”，1 9 9 8 5 、e r i cl a w r e y ，“t h es u i t a b i l i t yo fo f ) ma sam o d u l a t i o nt e c h n i q u e f o rw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n s ，w i t hac d m ac o m p a f i s o n ，o c t o b e r ， 1 9 9 7 6 、s t e f hk a i s e r m u i t i - c a 币c rc d m am o b i l er a d i os y s t e m a n a l y s i s a n do p t i m i z a t i o no f d e t e c t i o n d e c o d i n g ，a n dc l l a r u l e le s t i m a t i o n ”， m u n i c hg e m a n y j 删a r y ，1 9 9 8 7 、j e 债e yg a n d r e w sa n dt e r e s ah y m e n 岛“p e r f b 啪趴c eo f m u l t i c 枷e rc d m aw i 1s u c c e s s i v eh l t e r f b r e i l c ec a n c e l l a t i o ni na m u l t i p a t l lf a d i n gc h 锄e l ”，瑾e et ra n s a c t i o n so n c o m m i n i c a t i o n s ，v 0 1 5 2 ，n o 5 ，m a y2 0 0 4 8 、无线通信原理与应用1 1 1 e o d o r es r a p p 印o r t 著蔡涛李旭杜 振民译电子工业出版社1 9 9 9 年1 1 月第1 版 9 、通信信号处理张贤达保铮著国防工业出版社2 0 0 0 年1 2 月第1 版 第5 5 页共6 8 页 m c c d m a 系统仿真及菸接收端检测技术研究 展望”，电子学报1 9 9 9 年1 1 月 2 2 、李翠然，“m c c d m a 无线通信系统中的若干关键技术研究”，2 0 0 3 年9 月 2 3 、 o f d m 移动通信技术原理与应用，佟学俭，罗涛著，人民 邮电出版社，2 0 0 3 年 2 4 、c d m a 系统工程手册j h o n gs 锄l e el e o n a r de m i l l e r 著许 希斌周世东赵明李刚等译人民邮电出版社2 0 0 1 年2 月第1 版 2 5 、 宽带无线通信0 f d m 技术，王文博。郑侃著，人民邮电出 版社，2 0 0 3 年1 1 月 第5 7 页共韶页 m c c d m a 系统仿真及菸接收端检测技术研究 展望”，电子学报1 9 9 9 年；月 2 2 、李翠然，“m c c d 嚣l 无线通信系统中的若干关键技术研究”，2 n n 3 年9 月 2 3 、 o f d m 移动通信技术原理与应用，佟学俭，罗涛著，人民 邮电出版社，2 3 年 2 4 、c d m a 系统工程手册j 至i 霉s 锄l e el e o n a ；ie m i i i e r 著许 希斌周世东