（通信与信息系统专业论文）铁路无线通信中的扩频实验系统.pdf

北方交通人学坝i + 论文 摘要 摘要 l 随着通信、控制与计算机的紧密结合，移动通信取得了迅猛 发展。然而，我国铁路无线通信系统仍是模拟式系统，而且存在 多种制式，从而导致系统容量受限、业务单一、易受干扰、信息 安全性差等问题。j 夕 本文首先介绍了我国铁路无线通信系统现状和高速铁路对通 信的要求：接着从铁路移动通信入手，结合铁路运行环境分析了 铁路移动通信信道的基本特性，论述了多径衰落对数字传输的影 响。然后，简单介绍了采用直扩码分多址( d s c d m a ) 系统的 优点。由于d s c d m a 是干扰受限系统，多径干扰和多址干扰是 限制系统容量的主要因素。本文从概念上介绍了d s c d m a 系统 的抗多径和抗多址干扰技术。 根据在铁路无线通信中应用扩频技术的思想，本文介绍了分 别以单片机( a t 8 9 c 5 2 ) 、数字信号处理器( t m s 3 2 0 f 2 0 6 ) 为处理器， 结合以s t e l 2 0 0 0 a 为核心的扩频模块设计的点对点扩频实验系 统。虽后，对组建基于d s c d m a 的铁路综合移动通信系统提出 了几点建议。 汁九 【关键词】扩频通信码分多址、罄；扰声址干扰巧共潋忍；叛变冬 【关键词】扩频通信码分多址侈径干扰侈址干扰匀笑谴忍：弘掣：t ： 可编程逻辑器件数字信号处理器 北方交通人学硕l ：论义a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n t e g r a t i o no fc o m m u n i c a t i o n ，c o n t r o la n dc o m p u t e r ， m o b i l ec o m m u n i c a t i o n g r o w sr a p i d l y h o w e v e r ， w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m si no u rr a i l w a yd e p a r t m e n ta r es t i l l a n a l o g s y s t e m s i tc a u s em a n yd i s a d v a n t a g e ss u c ha sl i m i t e dc a p a c i t y ，s i n g l e s e r v i c e ，l o wa n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y ，l o ws a f e t y ，a n ds oo n f i r s t l y ，t h es t a t eo fn a t i o n a lr m l w a yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d t h er e q u i r e m e n t so f h i g h - s p e e dr a i l w a ya r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y ，b a s e do nt h er a i l w a ym o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，i t sb a s i c f e a t u r e sa r ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h er a i l w a ye n v i r o n m e n t s t h e e f f e c t so fm u l t i p a t ha n df a d i n go nd i g i t a lt r a n s m i s s i o na r ed i s c u s s e d t h e n ，t h ea d v a n t a g e so fu s i n gd i r e c ts e q u e n c e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ( d s c d m a ) s y s t e ma r ed e s c r i b e d s i n c ed s c d m as y s t e mi s i n t e r f e r e n c e l i m i t e d m u l t i p a t h i n t c r f e r e n c ea n dm u l t i p l ea c c e s s i n t e r f e r e n c e ( m a i ) a r et h em a i nf a c t o ro fl i m i t i n gt h es y s t e mc a p a c i t y t h es u p p r e s s i o nt e c h n i q u e so fm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ea n dm a ia r e p r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h ei d e ao fa p p l y i n gs p r e a ds p e c t r u mt e c h n i q u ei n r a i l w a y w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h es p r e a ds p e c t r u mw i r e l e s s e x p e d m e n ts y s t e m i si n t r o d u c e di ud e t n l 。w h i c hw a sd e s i g n e d c o m b i n e dw i t hw i r e l e s ss p r e a ds p e c t r u mm o d u l ea n du s e ss i n g l e c h i p ( a t 8 9 c 5 2 ) a n dd s p ( t m s 3 2 0 f 2 0 6 ) a sp r o c e s s o rs e p a r a t e l y f i n a l l y s e v e r a ls u g g e s t i o n so fc o n s t r u c t i n gd s c d m ar a i l w a y i n t e g r a t e dm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r ep r e s e n t e d 【k e y w o r d s s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o d ，c d m a ， m u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e ，m a i ，p l d ，d s p 1 1 北方交通人学硕上论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国铁路移动通信概况 随着计算机和通信技术的发展，各种通信系统不断涌现，移 动通信系统的发展和建设也发生了翻天覆地的变化。自8 0 年代 推出的以蜂窝式移动通信系统为代表的各种移动通信系统，得到 了迅猛的发展。目前，第二代移动通信网络已经规模化，正在向 第三代移动通信系统发展。由于铁路运输生产的需要，各国铁路 部门都相继采用移动通信作为调车作业、维修、区间联络以及行 车指挥珀辱段。 铁路移动通信属于专用移动通信，其基本特点是移动范围只 限于铁路沿线的狭长地带和站场所在地的限定区域。由于铁路沿 线地形复杂，运行环境恶劣，再加上列车速度快，所以移动通信 的连续性和可靠性至关重要，尤其在传输调度指令时不能中断和 出错。铁路移动通信按用途分为包括无线列车调度电话、站内调 车电话、站场无线电话、无线扩音、列车接近告警、防护对讲电 话等供运输生产和施工作业使用的专用移动通信：包括无线寻 呼、无线对讲、集群移动电话等供管理部门使用的公务移动通信； 以及为旅客使用的公众移动通信等。 目前我国铁路无线列调设备已经普及，无线列调的装备率已 达到1 0 0 ，现正在进行将无线列调1 5 0 m h z 系统改造为4 5 0 m h z 系 统的工作；利用无线列调实现的车机联控，是铁路运输调度指挥 系统中不可缺少的安全保证。无线寻呼业务取得了很大的进展， 已经在1 6 0 多个城市建台，覆盖全国7 0 0 余个城镇。铁路集群移 动通信得到较快发展，目前主要采用的集群移动通信系统有诺基 哑系统、u n i d e n ( 友利电) 系统、e s a s 系统、m p t l 3 2 7 系统、c + t 系统等，现已有近3 0 个基站，3 0 0 多个信道，3 0 0 0 多个移动用 户。铁路车辆、工务、运输、公安等业务部门，普遍建立了常规 无线电系统，用于运输生产组织和维修作业的各个环节。铁路系 统中应用的无线通信设备数量在全国各行业部门中是最多的。 铁路移动通信的内容包括话音、传真、数据、文本及交互性 计算机信息，主要业务要求有以下几方面n 】【”： 北方交通大学硕士论文 鲭一章绪论 列车无线调度，主要是行车调度员和车站值班员对司机 的通信。调度员必须能够及时地与该区段的某个司机或数个司机 联络。 不同列车的司机、列车乘务员、保安人员、乘客等相互 联系或与地面工作人员的联系。 地面铁路维护、工程施工、安检、铁路公安等人员与站 台值班人员的联系。 地区和站场的调车、列检、客货运组织等生产指挥。 无线遥控，包括列车自动控制防护，铁路沿线各公路道 口和人行道口栏杆的控制等。 间接呼叫。由于同一车次号的列车在不同的时间可能由 不同的机车牵引，站台工作人员通常要求按列车车次号呼叫司 机，而不是按电话号码呼叫；另一方面，机车维护人员是按机车 号码来识别，因而需使用机车号码来问接呼日l 【为了满足铁路运输 生产过程中通信联络的需要，建立和发展铁路移动通信是铁路通 信建设中不可缺少的重要组成部分。随着铁路移动通信网络的不 断成熟，还可以为铁路乘客提供新的服务。 由于铁路运用的各种无线通信系统是根据不同用途分别开发 的。如无线列调系统、站场无线通信系统等。在同一系统中，不 同地方使用的频段、工作制式也不一致。而且铁路上目前使用的 无线通信系统都是模拟式系统，信道少、占用频点多、通信质量 差、干扰严重、功能单一。同时，这些系统还具有如下缺点： 各系统问没有公共接口； 无法与固定网的数字化进程相适应，现有的无线通信系 统基本不具有数传功能，数据承载业务很难展开： 频谱利用率低：由于频率资源是有限的，而铁路系统的 频点尤为短缺，目前1 5 0 、4 5 0 、8 0 0 m h z 频点早已划分完毕。铁 路工务维修、电务维修和公安等部门，都分别建立有自己的一套 对讲系统( 一般覆盖半个到一个区间，多为同频单工) ，造成频 率资源的极大浪费，在大的枢纽地区( 北京和徐州等) ，已无频 点可供申请使用： 安全保密性能差：由于多是同频开放系统，无法解决通 北方交通人学坝i ：论文 第一章绪论 信保密问题：系统内不仅存在同频干扰，而且同一信道上还存在 阻塞问题。 1 2 高速铁路对通信的要求 随着高速铁路的发展，对铁路移动通信提出了更高的要求。 国外高速列车的运行速度一般都在3 0 0 k m h 左右，试验达到的最 高速率已经接近5 0 0 k m h 。我国从1 9 9 8 年开始对铁路列车进行提 速，目前开行的准高速列车时速达到1 4 0 1 6 0 k m h ，试验时速打 到了2 0 0 k m h 。到2 0 1 0 年，将开通达到高速铁路设计的最高时速 3 0 0 k m h 的高速列车。随着铁路列车运行速度的不断提高，对我 国铁路移动通信系统提出了新的要求口】： 要求移动通信系统在时速3 0 0 k m h 的条件下，无线数据 传输的实时性和高度可靠性； 移动通信不仅要满足铁路运输对通信的需求，还应能够 提供特别的通信服务； 系统应能够满足为工务、电力等部门提供移动通信服务， 提高综合运输能力； 通信建立时问( 1 秒以内) 和越区切换时间短( 小于 l o o m s ) ，抗衰落能力强。 随着调度行车指挥、列车控制等系统的发展，迫切要求在移 动的列车与地面基站、控制中心之间提供一个可靠、实时双向的 数据传输通道，以可靠地传输并处理列车车次号、尾部风压、位 置识别、速度监测、调度命令( 报文) 下达、机车状况监测，甚 至列车追踪定位、速度控制等数据。而铁路部门还没有一个完善 的、可靠的移动通信系统，唯一可以利用的就是无线列调。采用 调制解调器与无线列调电台相结合的方式，进行数据传输。但是 数据速率般比较低，一般小于1 9 2 k b i t s 。因此，现有的模拟 移动通信技术已经不能够满足铁路通信业务发展的需要，进行数 字移动通信技术、高速数据传输技术研究显得尤为重要。开发新 一代铁路移动无线通信系统已是当务之急，而且新的移动通信系 统必须能够满足高速列车运行的要求，同时也可以利用电信部门 公用电话不能完全覆盖的特点，发挥铁路移动通信的优势，发展 针对铁路旅客的通信服务。 北方交通大学坝i 龟文 第一章绪论 国际铁路联盟( u i c ) 对高速铁路无线电系统提出了具体要 求，并比较了可供选择的制式6 s m 和欧洲集群无线电t e t r a ，并 决定采用6 s m 制式( 6 s m r ) 。但是基于t d 姒的移动蜂窝通信系 统仍然存在许多问题： 现行的系统时延允许最高时速为2 5 0 k m ，超过该时速后， 由于多普勒频移和无线信道特性的快速变化，使得误码率迅速增 大； 铁路列车的运行环境比较复杂，般是在隧道、封闭的 高架、很深的路堑或沟壑、乡村地区。目前的公网设计很少考虑 高速铁路的这种特殊环境。因此，现有的公众蜂窝移动通信系统 不能保证良好的无线链路质量： 铁路既有通信设备及电气化铁道对高速铁路通信也有影 响： 高速列车的金属车皮及金属化的窗玻璃引起的法拉第屏 蔽问题，导致2 0 d b 的附加路径损耗，这也是旅客列车通信服务 所必须考虑的问题； 高速列车行车安全是关系到生命财产安全的大事，传送 高速铁路行车安全至关重要的列车遥测和列车控制信息的高速移 动通信系统，必须能够提高不间断地可靠而安全的通信服务。而 目前的公众移动通信系统并不能满足通信安全的要求； 现行的蜂窝系统主要是面向公众服务的电话通信系统， 不能满足高速铁路通信中的遥测数据传输及调度通信功能的要 求。 而扩频通信( 简称扩频) 采用伪随机码调制和相关处理，使扩 频通信具有抗干扰性强、抗多径干扰、抗衰落、可以实现码分多 址( c d 姒) 等优良特性。再加上码分多址系统的频谱利用率高、大 容量、话音质量高等优点，使得扩频码分多址技术非常适合在铁 路移动通信中应用，更能解决目前铁路移动通信中的干扰和频谱 紧缺等问题。因此，研究扩频码分多址通信技术在铁路移动通信 的应用已经十分必要。我们应该加快对于扩频码分多址技术在铁 路上应用的研究，以便于铁路移动通信摆脱落后的状况，为铁路 综合移动通信系统的建设打好基础。 苎查茎塑叁兰堡! 堡兰笙二里塑堡 1 3 论文主要内容 第一章首先介绍了铁路移动通信概况，并阐述了高速铁路对 通信的要求； 第二章通过介绍移动通信的传播特性，分析了移动通信条件 下的对数字传输的影响，并指出了铁路移动通信信道的特点； 第三章分析了采用扩频通信技术的优势，并简要介绍了扩频 通信中的抗干扰技术： 第四章是本文的重点，依据在铁路无线通信中采用扩频技术 的思想，作者先后以单片机( a t 8 9 c 5 、d s p ( t m s 3 2 0 f 2 0 6 ) 为处 理器，与以s t e l 2 0 0 0 a 为核心的扩频模块结合，设计并实现了一 个点对点扩频无线数传实验系统。为了减小电路板尺寸，增大系 统调试的灵活性，选用可编程器件进行外围电路设计。此系统与 计算机串口连接，可以完成两台计算机之间的透明数据传输。 箱五章提出了关于在铁路无线通信中发展综合移动通信系统 的几点建议。 北方交通人学硕士论文 第二章铁龉移动通信信道 第二章铁路移动通信信道 电波传播特性是研究任何无线通信系统首要遇到的问题。不 同频段的无线电波，其传播方式和特点是不相同的，与其它通信 信道相比，移动信道是最复杂的一种。对于工作在v h f 和u h f 频段的移动通信来说，电波传播的方式主要是空间波，及直射波、 折射波、散射波以及它们的合成波。对于铁路移动通信来说，其 运行环境是铁路沿线和站场地区，恶劣的信道特性是不可回避的 问题，衰落经常发生。而且对于数字移动通信系统来说，衰落将 使误比特率( b e r ) 大大增加，使得移动信道与非移动的点对点 无线信道的信号传输误比特率相比，增大了1 0 6 倍。 要在这样的传播条件下保持可以接收的传输质量，就必须采 用各种抗干扰技术措施( 分集、扩频、均衡、交织和纠错编码等) 来抵消衰落的不利影响。下面分析移动信道的传播特性。 2 1 多径传播和衰落 复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征，对于铁路移动通 信来说，恶劣的信道特性更是不可回避的问题。 移动信道的主要特征也是多径传播。传播过程中会遇到各种 建筑物、树木、植被以及起伏的地形，会引起能量的吸收和穿透 以及电波的反射、散射和绕射等。因此到达移动台天线的信号不 单是单一路径来的，而是由许多路径的众多的反射波合成的。由 于电波通过各个路径的距离不同，所以各条路径来的反射波到达 时问也不同，相位也不同，这些信号相互叠加，使得接收信号出 现了有时因叠加而增强，有时则减弱的现象，从而产生了衰落。 这种衰落是由于多径现象引起的，又称为多径衰落。实际移动环 境下，接收信号的幅度变化服从瑞利分布，因而多径衰落又称为 瑞利衰落。这种衰落的衰落速率较快，又称为快衰落。 阴影衰落是传播过程中受到地形起伏、建筑物及障碍物的遮 蔽等，而引起接收天线处场强中值的变化，从而引起的衰落。其 变化速率较为缓慢，衰落特性服从对数正态分布。这种衰落的衰 落速率较慢，又称慢衰落。阴影衰落的衰落速率与频率无关，主 要决定于传播环境。慢衰落相对于快衰落是宏观变化，是以较大 北万趸通人学坝f 论文 第二章铁路移动通信信道 的空问尺度来度量的。快衰落是微观变化，在较小的空间尺度内 信号幅度会发生急剧变化。 2 2 多径衰落对数字传输的影响 一般来说，模拟无线通信中主要考虑多径效应所引起接收信 号的幅度变化。而数字无线通信中主要考虑多径效应所引起的脉 冲信号的时延扩展。主要是因为时延扩展会引起码间串扰( i s i ) 从而严重影响数字信号的传输质量。 多径衰落严重影响信号的传输质量，并且是不可避免的，只 能采用抗衰落技术来减弱其影响。下面介绍快衰落的特性。 2 2 1 时延扩展 在多径传播下，接收信号会产生时延扩展。当发射端发射一 个极窄的脉冲到移动台时，由于存在着多条不同的路径，路径长 度不一样，对于不同的传输信道，接收信号中的各个时延脉冲可 能是离散的，呈现为一个咏冲序列，也可能联成一片。 若发射机发送一个窄脉冲信号，由于多径传播，移动台收到 的信号由许多不同时延的脉冲组成。 时延扩展可以理解为在一串接收脉冲中，最大传输时延和最 小传输时延的差值，记为，也就是脉冲展宽的时间。数字传输 中，由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其它码 元周期中，引起码问干扰( i s l ) 。为了避免码问干扰，应使码元 周期大于多径效应引起的时延扩展，或者说码元速率r 。小于时 延扩展的倒数。即：r 。 1 。 由于铁路移动传输环境十分复杂，实际上在不同的地域、地 点，甚至不同的时间，实际测量的时延差都不尽相同，因而要定 量地给出时延扩展的值，只能是大量实测数据的统计平均。 2 2 2 相关带宽 当信号通过移动信道时，会引起多径衰落。根据衰落与频率 的关系，衰落分为两种：频率选择性衰落和非频率选择性衰落。 频率选择性衰落是指信号电套分量的衰落状况与频率有关， 即传输信道对信号中不同频率成分有不同的随机响应。由于信号 中不同频率分量衰落不一致，所以衰落信号波形将产生失真。非 北方交通大学坝l 论文 第二章铁路移动通信信道 频率选择性衰落是指信号中个分量的衰落状况与频率无关，即信 号经传输后，各频率分量所遭受的衰落具有相关性，衰落信号的 波形不失真。 信道相关带宽是表征载波频率不同的信号其包络衰落的相关 性。当信号的带宽小于相关带宽时，发生非频率选择性衰落；当 信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落。 相关带宽b ，与时延扩展有关，定义为6 1 1 7 】。b ，= 1 ( 2 h a ) 它表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。相关 带宽实际上是对移动信道传输具有一定带宽信号的能力的统计量 度，是移动信道的一个特性。对于数字移动通信来说，当码元速 率较低，信号带宽小于信道相关带宽时，信号通过信道传输后不 失真，无码间串扰，产生平坦衰落；反之，信号波形失真，造成 码问串扰，产生频率选择性衰落。实际应用中，常常以最大时延 的倒数规定相关带宽。 一般来说，窄带信号通过移动信道时将引起平坦衰落，而宽 带扩频信号将引起频率选择性衰落。 2 2 3 多普勒频移和随机调频 当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，囊沩 多普勒效应，这是任何波动过程都具有的特性。多普勒效应引起 的附加频移称为多普勒频移，用公式表示为： 厂d = v c o s q 这罩c l 是入射波与移动台运动方向的夹角，v 是移动台的运 动速度，九是波长。 式( 2 7 ) 可知，多普勒频移厶与移动台速度v 成正比，与波长 九成反比。当移动台向基站方向移动时，厂n 为j 下；若远离基站， 厶为负。厶= _ v 与入射角度无关，是厂d 的最大值，称为最大多 普勒频移。当列车速度达到3 0 0 k m h 时，若载波频率为9 0 0 m h z ， 则l = 2 2 2 h z 。 出于移动台的运动，接收信号会产生多普勒频移。在多径环 境，这种频移会成为多普勒频展。衰落信号中频率的这种随机变 化称为随机调频( r a n d o mf m ) 。 北方交通大学硕l ：论文 第二章铁路移动通信信道 若接收信号为n 条路径来的电波，其入射角都不尽相同，当 n 较大时，多普勒频移就成为占有一定宽度的多普勒频展。用玩 表示多普勒频展的宽度，将其倒数定义为相干时间： t 2 万1 p j 相干时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，这种衰落是 由于多普勒效应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段上， 换句话说，就是信道在时间上具有选择性。因而这种衰落又称为 时间选择性衰落，其速率就是。时间选择性衰落对数字信号的 误码性能有明显影响，为了减少其影响，要求码元速率远大于衰 落节拍的速率。实际应用公式为 5 1 ：r ：_ u 4 2 3 。 2 3 衰落信道类型 根据时延扩展、多普勒频展占。与信号带宽w 、信号持续时 间t 的相对关系，可将衰落信道分为： 平坦衰落信道： b 。 i t ， i w ；这种信道中，接 收信号遭受的瑞利衰落既非频率选择性的也非时问选择的。 频率选择性衰落信道：b 。 i w ；接收信号遭受 频率选择性衰落； 时间选择性衰落信道：b 。 i t ， i t ， l w ：接收信 号遭受频率选择性和时问选择性衰落。 2 4 高速铁路移动信道的特点 在高速铁路的传输环境下，铁路移动通信的基本特点是移动 范围只限于铁路沿线的狭长地带和站场所在的限定区域。由于这 种情况下，铁路无线电波传播特性虽然以直射路径为主，多径传 输影响较小，电波传播服从r i c e 分布，类似于单一正弦波在高斯 噪声环境下的接收情况，与瑞利环境相比差错率大大改善【3 】。因 此，通过合理布置基站，可以减弱列车高速运行时产生的多径快 衰落。 在高速铁路的环境下，其传输信道不仅具有上述一般移动信 北方交通人学坝l 论史 笫一章铁路移动通信信道 道的特点，而且由于还具有一些独特的地方，主要体现在以下几 个方面： 弱场强区和场强盲区的覆盖 高速列车经常通过隧道、路堑、深沟，这些环境下的衰耗是 很大的。比如在一般的隧道环境下，衰耗大约为7 8 d b k m t m 。当 然，衰耗值还与隧道的长度、截面积，土壤、岩石的电导率、磁 导率以及隧道内的车辆数有很大的关系，这些都是需要考虑的因 素。因此，一般的公众移动通信网是不能适合这样的特殊传输环 境的。而且这种传输环境下的无线覆盖区很不规则，传输质量经 常恶化，不能满足高速列车的运行安全和乘客的通话质量要求。 特殊的运行环境 高速列车的铁路线大多铺设在人口稀少的远郊区。在这种环 境下的无线链路质量与人口稠密的市区有着很大的差异，因此大 多数针对后者设计的通信体制在前者的环境下无法充分到达原设 计的传输质量要求。对于铁路线路必不可少地存在有隧道和路 堑，使得传统的网络设计无法适用。 列车速度的影响 般的移动通信系统在考虑移动台通信时的速度远远达不到 高速列车的运行速度。而随着列车的速度不断提高，接收信号的 多普勒频移线性增加，从而导致接收信号的快速衰落。在这种情 况下，使得无线信道质量急剧恶化，误码率大大增加。作为提高 接收机性能，降低由于多径效应所引起的高误码率的信道均衡， 在这种快衰落信道下将很难实现信道的预测和均衡。采用扩频技 术可以较好地解决多普勒效应问题。 北赢交通大学塾论文 第三章扩频多址系统的抗干扰技术 第三章扩频多址系统的抗干扰技术 由于铁路通信业务的发展，现有频带越来越拥挤，铁路移动 通信网的干扰问题日益突出，存在的干扰主要有： 多径干扰，由于信号经过不同的反射、折射路径到达接 收端与直接到达信号之间存在不同的时延而引起的干扰； 同频干扰，以无线列调c 制式最为突出； 其它随机干扰。 由于模拟通信系统单靠提高发射功率，不能有效地消除这些 干扰，使得无线列调系统无法提供可靠的数据通信信道。对于新 兴的铁路移动售票这样数据量大的数据业务，原有系统更无法满 足要求。现在我国铁路移动数据通信正处于起步阶段，因此应该 采用新的通信技术提供可靠的通信，以满足铁路无线数据业务迅 速发展的需要。 扩频通信方式包括直接序列扩频( 简称直扩，d s ) 、跳频、跳 时和线性调频。扩频技术的最大优点就是较强的抗干扰能力，但 是由于不同的扩频形式的抗干扰机理不同，因此各有长处和不 足。在移动通信中，较常用的使d s 、f h 和d s f h ，而且就抗干扰 而吉，跳频、跳时实质上仅能做到“避干扰”；只有直接序列扩 频，才能做到真正意义上的抗干扰。 码分多址( c d m a ) 就是每个信号被分配一个伪随机序列进行扩 频，不同的信号能量被分配到不同的伪随机序列中。在接收机里， 信号用相关器进行解扩，这种相关器只接收选定的二进制序列并 压缩其频谱，凡不符合浚用户二进制序列的信号带宽不被压缩， 所以只有有用信号的信息才被提取出来。所以，c d i a a 也称作扩频 多址。由于d s 直接序列扩展频谱方便，因此d s c d m a 在通信领 域得到广泛应用。为此我们主要讨论d s c d m a 的抗干扰技术。 由于d s c d 撇扩频系统采用宽带传输，系统具有抗阴影衰落、 抗多普勒效应、抗多径干扰能力；利用扩频码相关性获取所需信 息，使系统具有很强的防截获能力和抗干扰能力：采用低功率密 度传输，使系统具有良好的保密性。由此，在铁路移动通信中应 用d s c d 姒技术，可以很好地解决铁路通信的干扰和安全问题。 北方交通大学顺：i ：论文 第三章奇、频多址系统的抗十扰技术 而d s c d m a 系统的容量和通信质量主要受限于接收到的干扰 功率，干扰的减小将直接转化为容量的提高，通信质量也会改善。 这些干扰一部分来源于多径干扰，当多径干扰超过一定门限后， 通信系统的性能会急剧恶化。另一个制约c d m a 容量的重要因素 是多址干扰，它是系统内其它用户对某一用户的同信道干扰。要 进一步发挥d s c d m a 容量优势，就必须解决多径和多址干扰问题。 3 1 抗多径干扰技术 如第二章所述，多径效应是在衰落信道中传输数字信号的主 要损害，它不仅造成接收信号的选择性衰落，而且引起相邻符号 问干扰。多径干扰也是目前铁路移动通信中的主要干扰之一，当 来源于衰落信道中多径干扰超过一定门限后，通信系统的性能就 会急剧恶化。因此，必须研究d s c d m a 系统的抗多径干扰技术。 通常克服对多径引起的衰落主要采用分集接收技术，利用多 条传输相同信息且具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落 特性的信号路径，并在接收端对这些信号进行适当的合并，从而 大大降低多径衰落的影响，改善传输可靠性。采用这种方法，接 收机可对多个携有相同信息且衰落特性相互独立的接收信号在合 并处理之后进行判决。由于衰落具有频率、时间和空问的选择性， 因此分集技术包括频率分集、空间分集和时间分集。 根据衰落的频率选择性，当两个频率间隔大于信道相关带宽 时，接收到的两种频率的衰落信号不相关，市区的相关带宽一般 为5 0 k h z 左右，郊区的相关带宽一般为2 5 0 k h z 左右。而一般扩 频通信系统的信道带宽无论在市区还是在郊区都远远大于相关带 宽的要求，同时不可能所有的频率在同一时间、同一地点均发生 衰落，所以扩频通信系统本身就具有频率分集作用。 减弱慢衰落可采用空间分集，即用多个独立天线在不同地方 发射和接收信号，以保证各信号之间的衰落独立。在d s c d m a 软 切换中，两个小区同时向移动台发送信号，实际上采用了空间分 集技术，从而提高了移动台在小区边缘的通信质量。 由于d s 扩频技术采用宽带传输的特点，传输信号的带宽 w 1 t ( z 为信号周期) ，即t w l 。在大多数户外情况下，多径 延时限于l u s 内，平均延时小于2 0 0 n s ，因此要求w l 。对于传 北方交通大学硕士论文 第三章扩频多址系统的抗十扰技术 输带宽为w 的c d m 系统，当来自两个不同路径的信号时延超过1 w 时，这两个信号可以看作互不相关，因此可以分辨出这两个信号； 而窄频带系统分辨不出多径信号。 由此可知，只有采用宽带传输的d s c d m a 系统，可在时间上 分辨出较小的多径信号，通过合理的设计系统参数，来分离多径 和利用多径，从而在很大程度上降低衰落信道造成的负面影响， 改善系统性能。这种多径分离合并技术称为多径分集( r a k e ) 接收 技术，它具有分离多径信号和纠正各路径信号相位并进行合并的 功能。r a k e 接收机是直接利用从发射机到接收机之间自然形成的 多条支路，它是d s c d l a 系统的一种有效的抗多径干扰技术。 下面简单介绍r a k e 接收的几种方式。 ( 1 ) 检测后积分( p o s td e t e c t i o ni n t e g a t j o n ) r a k e 接收机 吨亟叶咂p 早匦 熙 图3 1 检测后积分接收 当积分区问可根据多径情况自适应改变时，称为自适应p d i 接收机。 ( 2 ) 以信道估值为基础的r a k e 接收机 用探测信号对多径的估值参数。) 和 f t ，调整横向滤波器 加权抽头系数，这里加权抽头系数的增益正比于多径信号脉冲振 幅值。图3 2 中 a 。) 为横向滤波器的抽头增益，蛾) 为每条多径 对应的时延估计。 十r j 丽卜_ 订丽 - + 盯丽i _ l + “订一 u 蕊- 百帆 塑旦二一探测接收帆 一 譬。1 幽3 2 以信道估值为基础的多径接收 ( 3 ) 并行相关多径接收机 图3 3c 蹦 移动台中的并行相关r a k e 接收机 北方交通大学顽士论文 第三章扩频多址系统的抗干扰技术 目前c d m a 蜂窝系统中的时间分集是利用基站和移动台的并 行相关r a k e 接收机( 如图3 3 ) 来完成的。这种r a k e 接收机能独 立跟踪各个不同路径，将接收到的信号强度矢量相加，然后进行 解调，实现分集接收，充分利用多径信号能量，克服多径衰落。 由于对信道带宽为1 2 5 m h z ，当来自两个不同路径信号的时延为 l u s ( 两条路径相差为0 3 k m ) ，r a k e 接收机就可以将它们分离出 来而不相互混淆。 由于基站没有可利用的导频信号，因而无法得到不同路径的 相位信息，所以对于每个反向信道，基站采用四个并行相关器进 行非相干合并。每个相关器包括两个搜索单元和一个解调单元， 可同时解调四个多径信号，进行最大比合并，再采用数字判决恢 复信号。在三方软切换中，三个基站同时解调一个反向信道，最 多时相当于1 2 个解调器同时解调同一反向信道。 移动台利用三个相关器和一个搜索单元进行相干最大比合 并，移动台最多也只能同时解调三个多径信号进行矢量合并，通 过对导频信号进行估计，可以得到多径信号的相位、到达时刻和 强度。 除此r a k e 接收机之外，在d s c d m a 系统中还可以利用交织 和纠错编码技术实现时间分集，抵抗多径衰落。通过交织把衰落 造成的较长突发错误离散为随机错误，在利用前向纠错编码 ( f e c ) 纠j 下随机错误，从而达到纠正突发错误，抗衰落的目的。 交织深度越大，信号离散度越大，抗衰落能力越强。 综上所述，d s c i ) i a 系统可以综合利用频率分集、空问分集、 时间分集抵抗多径衰落的影响，提高系统通信性能。 3 2 抗多址干扰技术 在d s c d m a 系统中，来自同一系统中其它用户的信号对于某 一个用户而占是干扰信号，这种干扰称为多址干扰。 c d m a 系统在多用户时，所有的用户都以相同的功率来进行通 信，则远基站接收的信号较弱，近基站接收信号较强，强信号就 会淹没弱信号。这种现象称为“远近效应”。c d m a 的容量是干扰 受限的，多址干扰既抑制了c d m a 系统进一步提高容量，也是造 成远近效应的主要原因。减小多址干扰可以采用以下几种方法； 北方交通人学硕士论立 第三章扩频多址系统的抗十扰技术 功率控制技术： 在c d m a 系统中，功率控制可以说是所有关键技术的核心。 由于c d m a 系统是自干扰系统，所有用户使用相同的频率，所以 “远近效应”问题更加突出。c d m a 功率控制的目的是克服远近效 应，使系统既能维持高质量通信和最大的用户容量，尽可能减小 对同一信道的其它用户产生的多址干扰。 常见的功率控制技术有开环功率控制、闭环功率控制和外环 功率控制。开环功率控制不考虑上下行信道电波功率的不对称 性，只是按照接收和发射功率( d b ) 之和为常数的原则，调整移动 发射功率。如移动台接收功率较小，表明前向传输损耗较大，近 似认为反向传输损耗也较大，于是就增大移动台发射功率；反之 则减小移动台发射功率。其目的是使所有移动台发出的信号在到 达基站时都有相同的标称功率。其缺点是精确性难以保证。它能 够补偿平均路径衰落的变化和阴影、拐弯等效应。 闭环功率控制用来较好地解决控制精度问题，这种控制方法 基于基站所测试的功率来改变移动台的发射功率。通过对接收功 率的测量值及与信干比门限值的对比，确定功率控制比特信息， 然后通过信道把功率控制比特信息发送给发射端，对发射功率进 行调节，以保持最理想的发射功率。 外环功率控制“州是根据在基站测得的每个用户的差错概率来 对所需的最厶进行调整，通过计算接收的误帧率，确定并动态 调整闭环功率控制所需的信干比门限值，按照给定的误帧率( 如 1 ) 来调整f 常的功率。这主要是因为在话音通信中，实际影响 话音质量的是误帧率。外环功率控制通常要采用变步长调节方 法，加快对信干比门限的调节速度。如w c d m a 中功率调整步长可 变：0 2 5 4 d b 。 而前向链路的功率控制主要解决同频干扰问题。c d m a 的同频 干扰主要包括两个方面：一是不同小区使用同频率，因此用户 将同时接收到本小区和相邻小区的基站信号；二是同小区的不 同用户占用同频率，若基站将功率平均分配给每个用户，则靠 近基站的用户接收功率过高，不仅浪费而且会对其他用户_ 造成 太大的干扰：而处于小区边缘的用户接收功率过低，同时又接收 北方交通大学硕士论文 第三章扩频多址系统的抗干扰技术 到来自邻近小区基站的干扰信号，因而无法保证通信质量，所以 前向链路的功率控制一般采用功率分配的方式进行。 选择正交性好的地址码 d s c d m a 系统是干扰决定容量的系统，地址码正交性不理想 是产生多址干扰和远近干扰，导致系统容量减小的根本原因。地 址码的选择直接影响到c d m a 系统的容量、抗干扰能力、接入和 切换速度等性能。目前常用的扩频码有m 序列、g o l d 序列等，m 序列具有优良的自相关特性，但互相关性不好，而且序列数目有 限；g o l d 序列具有优良的自相关和互相关特性，构造简单，产生 序列数多。所以，在窄带和宽带c d m a 系统中，m 序列、g o l d 序 列得到广泛应用。但是，它们的正交性能并没有达到最佳，为了 减小多址干扰，需要寻找正交性更好的扩频码。 小区扇区划分 目前，c d m a 系统利用定向天线( 1 2 0 。) 将高业务量的小区划分 成几个扇区，每个扇区的基站只接收来自确定方向的用户信号， 约为整个小区用户数的1 3 ，由此多址干扰也降为原来的l 3 ， 系统容量也得到相应的增加。在c d m a 系统中，根据系统的业务 量划分扇区，高业务量地区扇区密集划分，可以进一步提高系统 效率。 多用户检测技术； 目前商用的c d m a 通信系统中主要采用功率控制技术来处理 多址干扰问题。功率控制技术能够缓解多址干扰，但它不能根本 上解决多址干扰。功率控制技术也不是解决多址干扰的唯一技 术，除了它还有多用户检测技术。多用户检测是目前c d m a 技术 领域内的研究热点，其基本思想是：通过挖掘有关干扰用户的信 息( 信号到达时间、使用的扩频序列、信号幅度等) 来消除多址干 扰，进而提高信号检测的稳定性，减弱或消除干扰。应用多用户 检测技术可以提高系统用户容量，减轻系统对远近效应的敏感 性，简化功率控制系统的设计，甚至取消功率控制系统，降低系 统的复杂度。基于这种思想，目前提出了许多减小多址干扰的多 用户检测技术。 最佳多用户检测器 北方交通人学碳l 论义 第三章扩频多址系统的抗干扰技术 它由一组匹配滤波器和v i t e r b i 算法构成。在用户数为k 的 系统中，在接收端设置k 个匹配滤波器，随后用维特比检测方法 形成k 路接收器，得到以其它路为多址干扰的各路的最精确的检 测信息；其中对应本站特征序列的一路输出即为所需的检测结 果。这种方法的缺点在于计算复杂度随用户数的增长而呈指数增 加，且需要对相位和幅度进行估计。在实际系统中，用户数很大， 因而不能实用。 线性多用户检测器 常见的线性多用户检测器有解相关检测器，这种方法与最佳 多用户检测方法相似。但在接收端k 个匹配滤波器后的维特比算 法变成解相关法，算法中算出各路序列间的相关性，去掉这种相 关性，以消除多址干扰。此方法与其它干扰用户的信号功率无关， 这意味着这种检测器不会受到远近效应的影响。因此具有最佳的 抗远近效应，不需要估计接收信号幅度，仅要求定时信息。但是 由于把用户问的互相关转化成了相关输出噪声分量问的互相关， 造成噪声放大，实现难度大。 非线性多用户检测器 常见的非线性多用户检测算法有以下三类：多阶多用户检测 器、判决反馈检测与连续干扰消除。它们都是利用反馈方法来消 除多址干扰。这罩只介绍多阶多用户检测器。 在c d m a 系统中，解调时采用相关检测方法，因此解码特性 取决于p n 码的相关特性。p n 码具有良好的自相关性和较差的互 相关性，利用p n 码的相关特性可以抑制干扰，改善解调特性。 但在实际应用中，当用户数增多时，多址干扰会影响信号的相关 检测，引起系统性能下降。采用多级干扰抑制技术可有效地解决 这一问题。 多阶多用户信号检测器的出发点也是尽可能地选择使似然函 数取最大的序列作为其检测结果。但是它的检测方法与最佳多用 户信号检测器的不同，它不是同时对k 个用户的信息比特进行一 次检测，而是分成多阶来完成，每一阶( 级) 都是由上一阶( 级) 检测结果出发，通过分别对k 个用户信息比特作k 次单用户检测， 得到本阶( 级) 的检测结果，如图3 4 ( a ) ( b ) 所示。 北方交通大学颂l 论文 第三章扩频多址系统的抗干扰技术 锖2 阶 图3 4 ( a ) 帮3 阶 图3 4 ( b ) 假设用户数为m ，第i 个用户的传输信息为d i ( n ，扩频码为 c i ( f ) 。这时接收信号为： r o ) = 爿。d ，( f ) c ，o ) + a i d ( f k ( f ) ( 3 1 ) f = 2 当采用功率控制后，从所有用户来的接收信号电平相同，并 可表示为4 = 爿。式中第二项是干扰信号，其中c f ( f ) 已知而4 i d ，( f ) 未知，因此需要对其进行估值并不断重复以接近真值。 接收信号先进行相关运算，得到第一次估值如下： o ( f ) 2 专善7 ( f ) 础( f ) = 百l r ( f x z o ) ( 3 2 ) d m 。( f ) = 万l t 邑u 1 r ( f k 。( f ) 得到第i + m p 的估值后，用c i o ) 对它进行扩展，然后从接收 信号中减去其值，经过第一次对用户的干扰抑制运算后，第，个 用户的接收信号为： 北方交通人学颂j ：论文 塑兰里芏塑兰些墨丝塑垫垫垫查 ( 3 3 ) 0 ”( f ) = 0 ( f ) 一0 1 ) ( f ) c ，( r ) 这里( r ) = r o ) 。 对所有的其它用户进行同样的干扰抑制运算需要一个符号间 隔，第二次估值运算可在一个符号间隔后进行。第二次干扰抑制 运算可表示为： 0 ；2 ，( r ) 丙1t 刍f + t ，f ( ”( f k ( f ) ( 3 4 ) 第二次干扰抑制运算后，计算都z ( f ) 与妒0 1 的差值，并用