（通信与信息系统专业论文）cdma通信系统rake接收技术的研究.pdf

摘要 摘要 论文题目：c d m a 通信系统r a k e 接收技术研究 作者简介：刘兵，男，1 9 8 0 年生，2 0 0 1 年师从孙桂玲副教授，于2 0 0 4 年6 月毕业于南丌大学通信与信息系统专业，并获硕士学位。 作为第三代移动通信系统的核心，码分多址技术能够实现更大的系统容量。 传统的码分多址系统利用瑞克接收机合并来自不同路径的信号能量，能够有效的 对抗无线信道的多径衰落：然而随着无线资源日益紧张，来自系统其他用户的多 址干扰严重影响了瑞克接收的效果，限制了系统容量的提高。如何抑制多址干扰， 提高系统容量，成为当前通信领域研究热点之一。本文在分析传统瑞克技术和多 用户检测技术的基础上，提出一种新的瑞克接收方法，它能够对抗多址干扰和远 近效应，有效提高接收性能。 本文首先分析了无线信道的衰落特性，建立了多径瑞利衰落信道的仿真模 型；然后在分析了码分多址链路结构与扩频序列特征的基础上，结合瑞克接收技 术分别给出了针对码分多址系统上、下行信道的瑞克接收机模型，并对其在不同 干扰下的性能进行了蒙特卡罗仿真。此后分析了多址干扰的特性，对各种应用于 上行链路性能改善的多用户检测技术进行了比较；在此基础上根据盲信号检测的 思想，提出了一种用于抑制多用户干扰的瑞克接收机构思；根据自适应信号处理 理论，用约束最小均方误差算法搜索子空间，获得最佳参数估计；从理论上给出 了详细的性能分析，并利用m a t l a b 平台进行了算法仿真。 关键词：码分多址瑞克接收机多用户检测 自适应信号处理盲信号检测 a b s t r a c t t i t l eo ft h et h e s i s ：r e s e a r c ho nr a k et e c h n i q u ei nc d m a c o m m u n i c a t i o n s i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：l i ub i n g ，w a sb o r ni n1 9 8 0 u n d e rt h e g u i d a n c eo fa s s o c i a t ep r o f e s s o r ，h ew a sa w a r d e dt h em a s t e r d e g r e e o f s c i e n c ea tn a n k a i u n i v e r s i t yi n 2 0 0 4 a b s t i 诅c t a st h e k e yt e c h n o l o g y i n3 g c o n m l u n i c a t i o n s ，c d m a ( c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) c a np r o v i d el a g e rs y s t e mc a p a b i l i t y r a k er e c e i v e r w h i c hi su s e dt r a d it i a n a l l yt oc o m b i n es i g n a l sc o m ef r o md i f f e r e n tr a d i 0 p a t h ，c a ne 1i m i n a t et h em u l t i - p a t hf a d i n ge f f i c i e n t l y w it ht h er a p i d i n c r e a s ei nw i r e l e s sc o n s u m p t i o n ，t h em 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 ) c a u s e db yo t h e rc d m au s e r sr e d u c e dt h ep e r f o r m a n c eo fr a k er e c e i v e r s e r i o u s l y h o wt oe l i m i n a t em mb e c o m e st h ek e yp r o b l e mt ob es o l v e di n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt o d a y t h i sa r t i e l ep r o v i d e san e wm e t h o dt od e s i g n r a k e r e c e i v e r ，b y w h i c hw ec a n s u p p r e s sm u l t i _ p a t h d e c li n ea n dm a i e f f i c i e n t l y f i r s t ，t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h ec h a r a c t e ro fm u l t ip a t hf a d i n g c h a n n e l ，a n dp r o v i d e sam o d e lf o rc h a n n e ls i m u l a t i o n t h e nam o d e l f o r c d m ar e v e r s ec h a n n e lr a k er e c e i v e ri si m p l e m e n t e da n db i te r r o rr a t ei s c a l c u l a t e d t h ea r t i c l ea l s oa n a l y s e st h ec h a r a c t e ro fm a i ，a n dc o m p a r e s s e v e r a lk i n d so fm u l t i u s e rd e t e c t i o nt e c h n i q u e o nb a s eo ft h i sw o r k ， am e t h o df o rr a k er e c e i v e rd e s i g ni sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ob l i n ds i g n a l d e t e c t i o nt h e o r y ，t h er e c e i v e rs e a r c hi ns u b s p a c ef o ro p t i m u mw e i g h t s c a l a r sb yu s i n gc o n s t r a i n e dl m s ( l e a s tm e a ns q u a r e ) m e t h o d t h ea r t i c l e d i s c u s s e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ea d a p t i r er e c e i v e ri nd e t a ila n dp r e s e n t s s i m u l a t i o nr e s u l t k e yw o r d s ：c d m a ，r a k er e c e i v e r ，m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，a d a p t i v es i g n a l p r o c e s s ，b l i n dd e t e c t i o n 第一章绪论 第一章绪论 l 。l 移动通信发展现状 近年来全球通信事业飞速发展，无线业务以每年4 0 的速度增长；通信业 务需求量越来越大，特别是第三代移动通信以及个人通信网络的出现，对一些通 信技术提出了更高的要求。 无线蜂窝移动系统的发展经历了四个阶段。第一代为模拟话音，开始于1 9 7 8 年，频段在4 5 0 h 4 9 0 0 眦z ：进入9 0 年代后，移动通信技术发展极为迅速，很 快进入第二代无线通信系统，其主要特征是数字话音，采用了多址方式，由时分 多址( t 口m a ) 、频分多址( f d t a a ) 甚至是码分多址( c d 淞) 混用，实现了全球漫 游；典型产品有欧洲的g s m ( 1 9 9 2 ) ，美国的d a m p s ( i s 一5 4 1 3 6 ) 以及i s 一 9 5 。 为了满足臼益增长的通信业务要求，9 7 年以来，以c d m a 技术为核心的第三 代移动通信系统( 3 g ) 成为国际通信领域热点。1 9 9 9 年l o 月i t u 在赫尔辛基举 行的会议确定了五种方案： i m t 一2 0 0 0c 1 3 龋ad s ( d i r e c ts p r e a d ) ，即欧洲和日本的u t r af d d ( w c d m a ) ： i m t 一2 0 0 0c d m am c ( m u l t i c a r r i e r ) ，即美国的c d 姒2 0 0 0 ： i m t 一2 0 0 0c d m at c ( t i m e c o d e ) ，即欧洲的u t r at d d 和中国的t d s c d m a ； i m t 一2 0 0 0t d m as c ( s i n g l e c a r t i e r ) ，即美国的u w c 一1 3 6 ： i m t 一2 0 0 0f d m a t d m af t ( f r e q u e n c yt i m e ) ，即欧洲的d e c t 。 上述方案中，最主要，最有希望获得广泛应用的是i m t 一2 0 0 0c d m ad s ( w c d m r 直扩方式) 和i m t 一2 0 0 0c d m am c ( c d r a 2 0 0 0 多载波方式) 。 3 g 主要采用t 8 2 。2 g h z 频带，使用智能网技术进行移动性管理和业务控 制，能集成蜂窝系统、无绳系统、卫星系统等多种无线网络环境，提供广泛的移 动电信服务。扶长远来说指的是实现“任何入( w h o e v e r ) 在任何地方( w h e r e v e r ) 任何时间( w h e n e v e r ) 可以同任何对方( w h o m e v e r ) 进行任何形式( w h a t e v e r ) 的通信”。 新兴的未来移动通信系统又称4 g 或者后3 g 移动系统，它与第三代移动通信 系统都是为未来无线通信服务，将多媒体包括语音、数据、影像等大量信息透过 筇一章绪论 宽频的信道传送出去。后3 g 系统希望能够实现2 m b it s 得数据传输能力，在不 同固定和无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务。对i m t - - 2 0 0 0 以后的 第四代移动通信技术作为新的研究课题在i t u i t 第八研究组会议上进行了讨 论。一些新的技术，如多用户检测( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ) 、软件无线电 ( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i 0 ) 、智能天线( s m a r t a n t e n n a ) 、电磁兼容( m a g n a t i e c o m p a t i b i l j t y ) 等将会得到逐步的推广和应片j 。各大国际通信公司如n j ”r 、 n o r k i a 、s i e m e n s 等等，在各种场合提出了各自的后3 g 或4 g 移动通信概念。在 4 g 空中接口技术方面，o f d m 、m c - - c d m a 、l a g - - c d m a 等接入方式中将采用何种方 式作为下一代主要接口技术标准，这不仅仅取决于技术的发展，很大程度上也取 决于市场、政治、经济等诸多因素。图1 l 表示了无线通信系统的演进过程： 爹一黔 噬箩摩鸯眵黔 剖1 1 无线通信系统演进 1 2 研究背景及意义 由于g s m 和i s - 1 3 6 的广泛应用，到目前为止，t d m a 仍然还是无线通信领 域最主要的多址方式。但是e d m a 己经被采纳成为i m t 一2 0 0 0 的建议，所以它有望 在2 0 1 0 年之内取代t d m a 的地位。中国的c d m a 网络建设和技术发展极为迅速， 不仅在国内，而且在世界上也已经走入了一个史无前例的阶段。 在蜂窝无线通信中，由于无线信号的传播路径是复杂的多径传播，引起传播 信号的时间扩展、多普勒频率扩展以及角度扩展，从而使基站接收信号时产生频 率选择性衰落和时间选择性衰落，从而引进码间干扰( i s i ) 。c d m a 系统特点之 一是使用r a k e 接收机，由于c d m a 码片之间的正交性，它可以收集不同多径分量 的信号能量加以合并，有效地消除多径干扰，可以说c d m a 系统具有与生俱来的 抗多径性能。但是，由于c d m a 是一个多输入多输出( m i m o ) 系统，所有的c d m a 用户可能占用同一时间和同一频带，唯一的区别是每个用户拥有自己独特的相互 正交的扩频码。传统的单用户检测器只是借助各自的扩频码进行解扩，把其他用 2 第一葶绪论 户的信息当作噪声加以处理，而丢掉了干扰用户的特定信息。由于大量多址干扰 ( m a i ) 的存在使c d m a 系统的接收受到干扰限制，r a k e 接收的效果不尽理想， 火大降低了c d m a 系统容量。 因此c d m a 系统中采用多用户检测( m u l t i - u s e rd e t e c t i o n ) 技术受到了，。 泛关注。多用户检测器通过联合检测所有多用户的信号，特别是利用信号的空域 特征进行空时c d m a 多用户检测，可以更好的改善系统性能，提高系统容量。然 而最优多用户检测器的复杂程度与用户数目成指数关系，在用户稍微增多时便难 以实现，大多数研究都是着眼于准最优多用户检测器。著名的多用户检测算法有 解相关接收机和最小均方误差( m m s e ) 接收机结构。它们在差错概率和容量上提 供了较好的性能，但是复杂度也随之线性增加。多用户检测中最优希望的是盲多 用户榆测算法，它能够减少干扰，而且不需要在数据流中插入训练序列就可以恢 复数据比特。 人们希望能够融合r a k e 接收技术与多用户检测技术，在有效利用各个多径 能量信号的同时，有效消除多址干扰。 1 3 论文研究工作和内容安排 前面提到，传统的r a k e 接收机把多用户干扰当作白噪声进行处理，忽略了 m a i 的相关性；这是传统r a k e 接收机性能无法消除m a i 的原因所在。本文着眼 于m a i 的相关性，提出一种基于r a k e 结构的自适应干扰抵消接收器的构思。 本文首先由无线信道特征入手，构造无线信道模型；然后通过分析c d m a 系 统射频信号和r a k e 接收技术，并结合自适应信号处理方法，提出一种基于r a k e 结构的低复杂度自适应接收机构思，以约束l m s 算法对接收信号进行解相关，在 有效合并来自特定用户信号的不同多径分量同时，又可以有效消除多用户干扰。 所有的仿真工作以m a t l a b 为平台，结合m 文件和s i m u l i n k 进行系统性能仿 真。 第一章光线信道特征2 j 模型仿真 第二章无线信道特征与模型仿真 移动通信中，地理条件、反射、折射、散射、移动台的移动，周围环境变化 的影响，使无线信道的特征随着时l 、日j 变化，造成信号的衰落，严重影响了通信系 统的质量。对于c d i a 系统而言，多径传播和时延扩展造成符号问干扰，是影响 系统性能的一大因素。必须用合适的模型模拟信道，准确估计出信道参数，并采 取合适的对抗衰落和时延扩展的措施。 2 1 无线信道的衰落类型 无线电波的传输与光波类似，在非理想的自由空间中传输时，由于受大气分 子和周围环境的影响，以及移动台的随机移动，除了直射波以外，还会形成多径 反射波、绕射波和散射波等多径传输，并对接收点信号产生三类不同的效应和三 类不同的损耗。 1 三种不同效应 ( 1 ) 阴影效应；它是由于大型建筑物和其他物体阻挡而形成的传播接收域上 的半盲区。 ( 2 ) 远近效应；它是由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距 离也在随机变化，这导致基站接收信号强弱变化，加剧了通信系统的非 线性特征，往往出现强者越强，弱者越弱或者以强压弱的现象，这种效 应被称为远近效应。 ( 3 ) 多普勒效应；它是由于接收的移动用户高速运动而引起的传播频率的扩 散，其扩散程度与用户速度成正比。 2 三种不同损耗 ( 1 ) 路径传播损耗；它是指电波在空间传播所产生的损耗，反应了传播在宏 大范围空间距离上接收信号电平平均值的变化趋势。平均传播损耗是独 立并且缓慢变化的，定义为接收和发送功率比。在蜂窝环境中，路径损 耗可以近似为： = 暑= 毋盛学) “ t ， 4 第二章无线t i 馗特1 ：l f _ 与模型仿真 其中：p r 、p i 是接收和发送功率： g ，、g 。是接收和发送天线的功率增益； d 是发送和接收天线之间的距离； ，和h ，是接收和发送天线高度； a 为路释损耗指数，实际环境中它在2 和5 之间变化。 ( 2 ) 慢衰落损耗；它是由于电波受到建筑物或者山丘的阻挡，由阴影效应而 产生，反映中等范围内数百波k 量级内接收电平损耗。因为变化率较慢， 也被称为陧衰落。慢衰落信号的包络是由快衰落信号的局部平均决定 的，实验研究表明接收功率的局部平均近似对数分布，可以表示为： f s = 1 0 y , o( 2 2 ) 其中：f 足高斯分弗随即变量，表水为n ( u ，口j ) ； u 是局部平均： uf 是依赣阴影程度，在4 1 2 d b 范荆内变化的标准差。 ( 3 ) 快衰落损耗：主要是由于多径传播造成的衰落，反映微小范围内接收电 平均值变化。多径衰落一般遵从瑞利( j ! a y l e j g h ) 分布或者莱斯 ( r ic i a n ) 分布。由于其衰落变化率比较快也称为快衰落。快衰落又 可以划分为频率选择性衰落、空间选择性衰落和时间选择性衰落。 2 。2 多径衰落信道的特征和数学描述 如上所述，衰落信道特性由大范围的路径损耗( 公里数量级) 、中范围的阴 学效应和小范围的多径干扰共同决定：其中对系统件能影响最大的因素是由于多 径传输而引起的陕衰落。目前绝大多数接收方法的研究都是为了对抗快衰落。 多径传播是无线墒信中的固有现象，发射机发出的电波在传播过程中遇到不 同的反射体、散射体，从而形成了多条传播路径每条路径的信号都受到幅度衰 落和时延，这样，接收机接收到的信号是受到不同幅度衰落和时延的多径分量的 矢量叠加。 另外，移动台运动时会产生多普勒频移，造成信道的时变特性；矢量叠加的 结果是在某些时刻多径信号破坏性叠加，使信号强度受弱：而另一些时刻，多径 信号相加，使信号强度增加。这样接收信号强度随着时间而变化称为多径衰 第二章无线信道特瓶与模型仿真 落。多径传播及多普勒频移见图2 1 图2 一l由于多径传输引起的衰落和干扰 2 2 1 时延扩展和相干带宽 时延扩展用于表征信道各径相对时延的大小，它可以解释为：在信道输入端 加个冲击，接收端接受到第一个冲击响应后，经过多长时间还能接收到对于该 冲击的响应。时延扩展用l 来表示。 相干带宽的概念由时延扩展引出，它的物理意义是：信道对多大频率范围内 的信号是“平坦”的，即信道以几乎相同的增益和线性相位允许此频率范围内的 信号通过。相于带宽鼠与对延扩展乏的关系为： 口。l ( 2 3 ) 。 7 - 设信号发送周期为z ，带宽为占。，则有： 当e 坑，瓦 t 时，发送信号在信道中受频率选择性衰落。 平坦衰落使信号受到乘性失真：而当信号带宽大于相干带宽时，信号产生频 率选择性衰落，接收端接收到的信号是发送信号的多个幅度受到衰减、相位受到 延迟的响应。这给系统引入了符号间干扰( i s i ) 。g s m 系统需要通过均衡器来消 除i s i ，对于c d m a 系统来说，由于扩频码良好的自相关性，可以认为如果两个 分径的相对延时大于个码片宽度，那么在c d m a 接收机看来便是不相关的。这 也是r a k e 接收机的基本原理。所以，c d m a 系统具有与生俱来的抗多径的优点和 第二章无线情道特征与模型仿真 能力。 2 2 2 多普勒展宽和相干时问 多普勒频移是由于移动台与基站间的相对运动引起的在接收信号上频移的 改变a 多普勒频移 与移动台的运动速度、运动方向、以及接收机多径波形的 入射角有如下关系： 凡= c o s8 ( 2 4 ) 其中：v 为移动台的移动速度； 丑为无线电波波长： 护为移动台运动方向与移动台到基站波达之间的角度。 多普勒展宽和相干时间7 ：_ 被用来描述信道时变特性。多普勒展宽被定义 为一个频率范围，在此范围内接收的多普勒谱有非零值。当发送频率为五的正 弦信号时，接收信号谱在正一兀到工+ 兀范围内存在非零分量。相干时间是多普 勒展宽的时域表示，它与多普勒展宽的关系是： rz 二( 2 5 ) b d 它的物理意义是信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值。 当l 正，只 0 ；删) - 击2 ，( 叩)盯 。 丌 这样的信道被称为r a y l e i g h 衰落信道。 2 2 4 多径衰落信道的仿真 1 r a y l e i g h 信道的仿真模型 w c j a k e s 提出一种用于仿真均匀介质散射环境中，非频率选择性衰落信 道的模型( 图2 4 ) 。 。 口k f n 幽2 4j a k e s 模型 包络为r a y l e i g h 分布的复随机过程可以看作若干个平面波的叠加，各个平 面波具有不同的多普勒频移，频率的取值范围由移动台移动速度决定。这些平面 波的到达角是随机的，满足均匀分布。 三( f ) ：_ ( f ) 一豇。( f ) = 宝p 。e x pj ( 珊。fc o s 爿。+ 。) ( 2 1 3 ) n = t 根据中心极限定理，可以证明 x a t ) = 压c o sa c o s m 。h2 c o s 曰。c o s 。t ”= 1 ，( f ) = 丁s i n ac o s 日，+ 2 s i n 占。c o s 口t 其中：p o 表示第n 条散射路径的衰减； a 。是第n 条路径的到达角： 以是经过衰落路径后的附加相移 角频率酊。为最大多普勒频移； 1 0 ( 2 1 4 ) f 2 1 5 ) 第二审无线信道特征0 模型仿真 其他角频率q = c o s ( 2 n n n ) 分布在o 到酊。之间： a 为常数，通常取z 4 ： 相角口。= 删k ，n = - 1 k ，k - ( n 21 ) 2 。 这里的n 是谐波阶数，一般说来，n 取值越大，信道仿真的效果越精确。实 验证明，在仿真中n 取3 0 即可初步达到产生r a y l e i g h 衰落数据的要求。根据 ( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 式设计的优化后的j a k e s 模型，其中用来产生谐波的振荡器数目 仅为原来的四分之一。 j a k e s 模型的优点在于它的物理意义明确，在仿真中能够充分体现各信道中 参数选择对衰落特性产生的影响。图2 5 和2 6 分别给出了n 取3 0 0 时，利用 m a t l a b 对j a k e s 模型仿真得到的车速分别为1 0 k m h 和1 0 0 k m h 时的r a y e i g h 衰落信道的包络。 图2 5 车速为1 0 k m h 时r a y l e i g h 衰落包络 图2 5 车速为1 0 k m h 时r a y l e i g h 衰落包络 第二章先线信道特 f ：。，模型仿真 f 自图中可以看出，两种情况下衰落包络类似；多普勒效应对衰落包络变化率 影响显著。接收移动台速度越快，快衰落越剧烈。因此，随着人们通信范围的不 断扩展，从陆地环境到高空飞行时的通信，对移动通信提出了越来越高的要求。 2 多径衰落信道模型及参数选择 在蜂窝移动系统中，覆盖区被划分为。个个的小区( c e l l ) ，每个c e l l 中的 用户都被分配一个特定的信道。信道的模型通常分为以下几种： ( 1 ) 宏小区( t h em a c r o c e l le n v i r o n m e n t ) 基站天线建设于高层建筑或者发射塔之上，覆盖半径大约数公里传播环境 主要由与地面接近的不规则的物体决定。宏小区信道分为城市、郊区、农村三种。 城市无线传播环境主要由高度密集的不舰则建筑物构成，典型的时延扩展为 3 “s ，而且无直线路径，因而快衰落表现为瑞利分布。 郊区传播环境相对开阔，强反射物少；测量结果表明，直达路径的概率比较 大，而阴影效应比较小。延时扩展通常不会超过l 1 5 s 。 农村环境中，很少有高层建筑或者散射体，因而阴影现象很少，延时扩展通 常在0 1 t o 3us 之问。这时典型的信道冲击响应只有一个峰点，通常难以分辨 多径效应。 ( 2 ) 微小区( t h em i c r o c e l le n v i r o n m e n t ) 基站天线通常低于屋顶，覆盖半径为几百米。此时多径传播分视线路径和非 视线路径。 视线方向上，信道脉冲响应主要由来自直达路径的强信号和墙面反射的弱信 号叠加形成，延时扩展通常小于1 ，5us ；在非视线方向上，脉冲响应信号主要 来自对面街道物体反射和多次折射，以众多多径信号形式叠加，其延时扩展不会 超过0 5 n s 。 ( 3 ) 室内小区( t h ep i c o c e l le n v i r o n m e n t ) 室内小区模型用于模拟室内收发模型，传播路径与微小区类似，延时扩展通 常在5 1 5 0 n s 之间。 对于本文要进行e b m a 系统仿真，最恰当的模型是宏小区的城市传播模型。 为了便于对各种通信协议、算法进行评估和比较，主要的电信组织如欧洲电 信标准化学会( e t s i ) 和国际电信联盟( i t u ) 都提出了针对各种典型环境的信 第一章无线倩道特征与模型仿真 道抽头延时线模型，给出了抽头数、相对时延和平均相对功率等，例如i t u r m ，1 2 2 5 5 建议等标准。本文仿真中采用c o s t - - 2 0 7 模型，它是典型的六径城市( t u ) 传播模型：下表列出了陔模型的参数： 表2 1 城市地区( 无山坡) ( t u ) 的参数 抽头号延迟【脚】功率【d b 】多普勒谱类型 io3c l a s s 2o 20c l a s s 30 6 2 g a u s s l 41 66g a u s s l 52 4 8g a u s s 2 65 0 1 0g a u s s 2 由前面1 2 1 1 ) 式，很容易得到单径接收信号的数学表达式 那么通过k 个多径接收到的信号可以表示为： k ，( f ) = j ( f f - ) 口t ( f ) l ：1 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 由于二。的包络r 服从r a y l e i g h ( 瑞利) 分布，相位口服从( - - r e ，万 内 的均匀分布，可以利用j a k e s 模型产生各径衰落数据，以对输入信号加权的方式 仿真数字信号在r a y l e i g h 信道中受到的衰落。来自不同分径的衰落数据需要经 过随机相位旋转，并根据传播模型进行功率加权，才能用于多径r a y e i g h 信道 的仿真。为了与信号抽样同步，需要对多径r a y l e i g h 衰落信道的冲击响应也以 0 1ps 为间隔进行抽样，由此得到针对每个基带信号抽样的失真因子。所以， 信道抽头延迟应该与系统抽样点相重合，才能进行系统方针，否则必须进行线性 插值，进行信道抽头延迟线的重建。c o s t 一2 0 7 模型中，信道抽头延迟时间恰为 为系统仿真抽样时间的整数倍，避免了信道抽头延迟的重建。 第：章c d m a 墟信系统r a k e 接收机 第三章c d f f 姨通信系统r a k e 接收机 3 1 c d m a 通信系统的理论分析 3 1 1c 躺通信系统 从传统上说，每种多址通信( f d m a 、t d m a 、s d m a ) 的用户会独占一定的资源， 如频带、时隙、空间域等，并且每种资源互不相交。通过这种方式，假设每个用 户所占的资源完全独立，多址信道便可以简化成为点到点的单一信道。而每个信 道容量只受到所占用时隙的限制、背景噪声的影响和阴影、多径效应造成的衰落。 c d w i a 是由香农的信息理论引出的- t e e 完全不同的多址方式，接受c d g a 服务 的用户共同使用系统的频带和时隙资源，每个用户所传送的功率被控制在达到最 低性能要求所保持的信噪比上。根据香农公式c = b l o g ：( i + 名) ，当信息传送速 率一定时，可以通过增加信道带宽来降低信道中的信噪比要求。 c d g a 系统给每个用户分配个单独的扩频码，并用它对用户信息进行编码。 不同用户扩频码之间的互相关性是很小的。接收机知道接受服务用户的扩频码， 据此对接收到的信号进行解扩，并恢复出该用户的原始数据。 c d r a 按照其扩频方式不同，可以分为直序列扩频( d s ) 、跳频扩频( f - t ) 、 时跳扩频( t h ) 、复合式扩频等等。在实际应用场合应用较多的是直扩方式，第 ：代移动通信中的i s - 9 5 ，第三代移动通信中的w c d m a ，其基本扩频方式都是 d s c ) m a 。直扩方式下发射和接收机的构成如图3 1 所示： 躅3 一ld s c d 触发送与接收枫结构 目前c d m a 系统研究的关键技术有： 1 r a k e 接收技术 d 第三章c d m a 通信系统r a k e 接收帆 c d m a 系统具有与生俱来的抗多径干扰能力。如果不同分径信号延迟超 过一个伪码码片间隔，则在接收端可以将不同的路径分f 。将这些不同路径 信号经过不同时延、对齐再加以合并则可达到变害为利。可以看出，多径信 号一i 仅不是不利因素，而是有效信号。在i s - 9 5 系统中，可利用的多径数 为3 4 条：在基站中使用4 叉指( f in g e r ) 的r a k e 接收机，在移动台中， 则使用3 叉指的r a k e 接收机。而在w c d m a 系统中，随着码片传输速率的增 加，可分辨的多径数为8 1 5 条。 2 功率控制技术 移动通信中，由于不同用户距离基站的距离不同，到达时的功率也不同。 各用户信号相互干扰，形成远近效应。c d m a 是一个干扰受限系统，要求所 有用户到达基站接收机的平均功率或者信干比( s i r ) 相等才能解扩。c 汕t a 系统又是一个自扰系统，所有用户占用相同的带宽和频率，远近效应特别突 出。功率控制就是为了克服远近效应，维护系统高质量通信。功率控制技术 是c d m a 系统的核心。 3 多用户检测技术 c d m a 系统中，由于各个用户扩频码并能不能完全正交，因而造成多个 用户发送信息之问的相互干扰，严重限制了系统容量提高。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，用矩阵求逆或者干扰抵消的方法 来消除多用户干扰。但是由于多用户检测从原理到实现都过于复杂，即使是 次优的多用户干扰抵消算法，其运算量仍于用户数目和基站可分辨多径数目 成正比，这导致了多用户检测技术还没能在硬件上加以实现。因此如何把多 用户检测复杂度降到可接收地步，是它能否实用的关键一 4 智能天线技术 智能天线技术实际上是雷达系统中自适应天线阵列在蜂窝移动系统中的 新用，由于其体积和构造的复杂性，只在基站中应用。它的主要作用一是估 计移动台发射的多径电波的到达角( d o a ) ，进行空间滤波，用以减少其他移 动台的干扰；二是对基站发送信号进行波束形成，使发送信号能够沿着接收 信号到达方向发送给用户，以减少基站对对其他用户的干扰。 智能天线技术可以有效提高系统容量，但是由于无线信道的多径效应， 在实现时每个天线都要和一个r a k e 接收机相配合，这太大增加了系统的复 杂度。 第三章c d m a 通信系统r a k e 接收机 3 1 2 c d m a 信道分析 i s - - 9 5 标准中，c d m a 系统信道包括从移动台到基站的反向( 上行) 信道和 从基站到移动台的前向( 卜n 行) 信道。 1 反向信道 反向信道是移动用户向基站发送信息的“多点对一点”型信道，由反向接入 信道和反向业务信道组成。反向接入信道用于短信令信息交换，提供呼叫发起、 寻呼响应、指令和注册；反向业务信道用于从单个移动台向单个或者多个基站传 输用户数据和信令业务。以业务信道为模型，图3 2 给出了c d m a 反向信道数据 扩频发送的流程： 副罾堰摊2 8 8k撼bitls捌f 剐f 刨酗叫r 96 k b i t l s2 88 k b i t t s 2 88 k b i l s 声t 图3 2c d 姒反向业务信道 如上图所示，反向信道所传输的用户数据需要经过卷积编码、块交织、6 4 阶正交调制和长码直接序列扩展，再由相互正交的同相扩频序列( p n i ) 和正交 扩频序列( p n q ) 进行调制后发送。 ( 1 ) 卷积编码 i s 一9 5 中，用户原始数据首先需要经过( 3 ，1 ，8 ) 卷积编码。编码器结构 如图3 3 所示： ( 倍 图3 3 反向信道卷积编码器 第三章c d m a 通信系统r a k e 接收机 卷积编码器的初始条件为全零，三个生成序列为： g ，“= ( 1 0 1 1 0 1 1 1 1 ) ， 9 1 2 = ( 1 1 0 1 1 0 0 1 1 ) ， g ：3 = ( 1 1 1 0 0 1 0 0 1 ) 。 上图中信息比特输入顺序为开始于帧序列的最左边比特的m s b ( 最高有效 位) ，截至于最右边位置的l s b ( 最低有效位) ；编码器输出符号( c 。，c 1 ，c ：) 按照下式计算： c o = d 8 + d 6 + d 5 + d 3 + d 2 + d 】+ d o ，由g ? 产生； 。1 = d 8 + d 7 + d s + d 4 + d i + d o ， c 2 = 氏+ d 7 + d 6 + d 3 + d o ， 如图3 3 所示，经过卷积编码后 由硝2 产生； 由g ”产生； 帧长变为原始数据的三倍，码速也变为 原始码速的三倍。反向业务信道支持数据率为9 6 k b i t s 、4 8k b i t s 、2 4 k b i t s 、1 ，2k b i t s 的话音数据传输，接入信道只支持4 8k b i t s 的数据传输。 ( 2 ) 符号重复 用户数据经过卷积编码之后，数据率变为2 8 8k b i t s 、1 4 4k b i t s 、7 2 k b i t s 或者3 6k b i t s 。对于速率不到2 8 8k b i t s 的数据传输，需要进行2 、 4 、8 次符号重复，才能够保证正交调制器输入码速为全速2 8 8k b i t s 。仿真中 选取初始码片速率为9 6 k b i t s ，以免去此步骤。 ( 3 ) 交织器 使用块交织器的目的不仅在于纠正多径环境下发送数据的突发性错误，还用 来获得额外冗余提高稳定性能。符号交织实际上也是隐分集的一种。移动台对所 有接入信道编码的符号进行交织，然后进行调制和发送。这里使用持续时间为 2 0 m s 的交织器，它是一个3 2 行，1 8 列的矩阵，i s 一9 5 中对交织与解交织的方 法有明确的规定。交织和解交织矩阵往往以表格的形式存贮于内存中，发送和接 收方通过查表的方法对数据进行操作。 ( 4 ) 6 4 阶正交调制 c d m a 反向接入信道和业务信道中，经过交织后的数据将由6 4 阶w a l s h 函数 进行调制，每个调制符号将是由w a l s h 函数产生的6 4 个相互正交的波形之一。 第三章c d m a 通信系统r a k e 接收机 w a l s h 函数以哈达码变换的方式产生：哈达码矩阵表示为h ，是由+ l 和一l 组成 的”h 阶正交矩阵，其中n 为2 的指数。它的特点是任何不同两行有n 2 个位置 对应值不同。矩阵第一行为全+ l ，其他行含有数目相等的+ i 和一1 ，各占n 2 。当 ”= 2 6 = 6 4 时，上述哈达码矩阵的每行便是6 4 阶正交w a l s h 函数。在m a t l a b 中， 可以通过快速哈达码变换实现： n = 2 “，州0 ；m = 0 时，h 1 = + 1 ； 删时= 瞄孙i 瞪瓦h 2 + 1 + 1 + 1一l + l + 1 + l 一1 + 1 + 1 + l一1 一l一1 一l + 1 叫z ：纠 在数字系统中，+ 1 表示0 ，一1 表示1 。由此我f f g p a 看到，不同行的w a l s h 序列是完全正交的。 6 4 阶w a t s h 函数的每个正交波形都可以用6 b i t 的二进制数表示，对应0 到 6 3 的行编号。这样，w a l s h 函数调制过程可以表示为： m s i = c d + 2 c l + 4 c 2 + 8 c ，+ 1 6 c 4 十3 2 c 5 这里m s f 是调制符号的指数：c ，代表从块交织器输出的6 个二进制编码符号。 每6 个编码符号和一个w a l s h 调制符号相对应。由于交织器输出码速为 2 8 8 k b i t s ，经过币交调制的符号速率为4 ，8 k s s 或者3 0 7 ，2 k c s