（电路与系统专业论文）cdma移动通信系统提高可靠性的部分关键技术分析研究.pdf

湖南大学学位论文 摘要 移动通信的发展经历了第一代的模拟蜂窝移动通信系统、第二代采用数字技 术的g s m 和窄带c d m a 系统以及正在逐步推出的第三代移动通信系统。第三 代移动通信系统采用宽带c d m a 技术，其主要目标是实现任何人可以在任何时 间、任何地点进行任何方式的通信。 然而c d m a 移动通信系统的信道为无线信道，它是自然界中的一种较为恶 劣的通信介质。在信息的传输过程中，存在着多址干扰、高斯噪声、多径效应、 远近效应及多普勒效应等诸多不利因素。这些不利因素极大地影响了c d m a 移 动通系统的传输可靠性，限制了系统容量。 c d m a 移动通信系统作为一种干扰受限系统，任何能提高系统抗干扰性能， 即可靠性的技术都能提高系统容量，c d m a 系统采用的关键技术都是围绕着在 保证可靠性的前提下提高系统容量。本文针对移动通信中存在的各种干扰，对第 三代移动通信系统采用的一系列改善移动通信的抗干扰性能，提高可靠性的部分 关键技术进行了探讨，并对其可靠性进行了深入分析。这些技术包括：主要用于 抗白噪声的信道编码技术，特别是t u r b o 码技术：主要用于抗多径干扰的r a k e 接收技术；主要用于抗多址干扰的多用户检测技术；主要用于抗远近效应的功率 控制技校术。最后本文提出综合上述多种技术的提高可靠性的一种方法一采用功 率控制的时一空多用户检测器。 关键词：码分多址、可靠性、多用户检测、分集接收、t u r b o 码、功率控制 湖南人学学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a sb e e nt h r o r i g ht h es i m u l a n t m o b i l ec e l l a rs y s t e mo ft h ef i r s tg e n e r a t i o n ，t h eg s ma n dn a r r o w b a n dc d m ao ft h e s e c o n dg e n e r a t i o nw h i c hu s i n gd i g i t a lt e c h n o l o g ya n dt h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h et h i r d g e n e r a t i o nm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m u t i l i z e sw i d e - b a n dc d m aa si t sm u l t i p l ea c c e s s i ta i m sa tt h a tw h o e v e rc a l l c o m m u n i c a t ei nw h a t e v e rw a yw h e n e v e ri ti sa n dw h e r e v e rh ei s b e i n gw i r e l e s sc h a n n e l ，t h ec h a n n e lo fc d m as y s t e mi sv e r yt e r r i b l em e d i a lo f t h en a t u r e i nt h ec o u r s eo ft r a n s f e r r i n gi n f o r m a t i o n ，t h e r ea r es e v e r a ld i s a d v a n t a g e s a st i m e s e l e c t i v ef a d m f r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g ，n e a r f a re f f e c t ，m u l t i p l ea c c e s s i n t e r f e r e n c e ，w h i t eg a u s s i a nn o i s ea n ds oo n ，w h i c ha f f e c tt h er e l i a b i l i t yo f c d m a s y s t e ma n dl o w e rt h ec a p a c i t yo fc d m as y s t e m b e c a u s et h ec d m a s y s t e mi sai n t e r f e r e n c e l i m i t e ds y s t e m ，a l lt h et e c h n o l o g i e s t h a tc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fr e s i s t i n gi n t e r f e r e n c e ，t h a t st os a yr e l i a b i l i t yc a n a m p l i f yt h ei t sc a p a c i t y t h ek e yt e c h n o l o g i e su t i l i z e db yc d m as y s t e ma r e a l l a i m i n ga ti m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t y i nt h i sa r t i c l e ，w ed i s c u s ss e v e r a lk e yt e c h n o l o 西e s i nt h ec d m as y s t e mw h i c ho v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e sa b o v e t h e s ek e y t e c h n o l o g i e si n c l u d ec h a n n e l - c o d i n gw h i c ho v e r c o m ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ，r a k e r e c e i v e rw h i c hr e s i s tt i m e s e l e c t i v ea n df r e q u e n c y s e l e c t i v e f a d i n g ，m u l t i u s e r d e t e c t i o nw h i c ho v e m o m em u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ，a n dp o w e rc o n t r o lw h i c h o v e r c o m en e a r - f a re f f e c t t h e ya r ee f f e c t i v ei ni n c r e a s i n gt h ep e r f o r m a n c eo f r e s i s t i n g i n t e r f e r e n c eo fc d m am o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n dh e l pt o i m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo ft r a n s f e r r i n gi n f o r m a t i o n f i n a l l yt h ea n i d ep r o p o s e saa l g o r i t h mw h i c h c o m b i n es e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e st oi n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo fc d m a s y s t e m k e yw o r d s ：c d m a , r e l i a b i l i t y , m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，d i v e r s i t yr e c e i v i n g , t u r b o c o d e ，p o w e rc o n t r 0 1 1 i 湖南大学硕士学位论文 第一章c d m a 系统概述 1 1 宽带c d m a 的产生背景及优点 目前，移动通信的发展已经历了两代，正向第三代演进。第一代移动通信系 统以a m p s 、t a c s 等系统为代表的采用f d m a 方式的模拟蜂窝系统，由于容量 小，不能满足移动通信业务的发展需求，现已基本淘汰；第二代移动通信系统采 用t d m a 和c d m a 方式的窄带数字蜂窝系统，如g s m 、i s 一9 5 等，其容量和 功能都比模拟系统有了很大的提高1 1 】。但是业务种类主要限于话音和低速率数 据，不能满足未来用户对多媒体业务和i p 业务的需求。人类对2 1 世纪移动通信 的理想，就是实现任何人( w h o e v e r ) 在任何时f b ( w h e n e v e r ) 、任何地点( w h e r e v e r ) ， 能够向任何其他人( w h o m e v e r ) 传送任何信息( w h a t e v e r ) 。在这个系统中，每个人 都有自己的识别号码，跨越多个网络建立自己所需业务的通信连接，把“服务 到终端”推向“服务到个人”。同时为了满足人们不断增长的对于数据传输能力 和更好的频谱利用率的迫切要求，1 9 9 6 年国际电信联盟( i t u ) 将1 9 8 5 年提出的工 作在2 0 0 0 m h z 的频段、预期2 0 0 2 年商用的未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) 更名为i m t - - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 ) 标准，统称为3 g 标准，即第三代移动通信系统f 2 1 。i m t - 2 0 0 0 标准不但要满足多速率、多环境、多 业务的要求，还应能将现在的通信系统集成为统一的可替代的系统，因此它能实 现以下基本目标 提供全球无缝隙覆盖和漫游； 提供窄带和宽带多媒体业务： 适应多种运行环境，如陆地、航空等领域； 服务质量达到固定网络水平，收费合理； 系统管理和配置灵活，业务组织灵活： 高速率的数据通信能力； 移动终端轻便，成本低： 支持系统平滑升级和现有系统的演进，频谱利用率和信道效率高。 第三代移动通信系统普遍采用宽带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 ) 技术，它是1 9 9 5 年推出的一种新型数字蜂窝技术，利用数字传输方法，采用扩 频通信技术，将移动通信技术推向发展新阶段。 1 湖南大学硕士学位论史 c d m a 蜂窝系统与f d m a ( 频分多址连接) 和t d m a ( 时分多址连接) 系 统相比，具有以下突出优点f 4 】： 抗干扰性能好： 抗衰落能力强： 系统容量增大； 通信质量好； 频率利用率高； 多址能力强； 高度可靠的保密安全性； 手机功耗小。 1 2 第三代移动通信标准现状 第三代移动通信系统i m t - - 2 0 0 0 是国际电信联盟( r r u ) 在1 9 8 5 年提出的 工作在2 0 0 0 m h z 的频段、预期2 0 0 2 年商用的系统，当时称为陆地移动通信系统， 即f p l m t s ，1 9 9 6 年更名为i m t - - 2 0 0 0 。1 9 9 2 年世界无线电大会也为i m t - - 2 0 0 0 分配了2 3 0 m h z 的频段。从1 9 9 6 年开始第三代移动通信系统的研究逐渐成移动 通信的热点，各国对第三代移动通信的研究都进入了实质性的阶段。第三代移动 通信系统采用c d m a 技术，北美、欧洲和日本部向i t u 提出了自己的标准。我 国也积极参与了第三代移动通信技术的研究和标准的制订，并已向i t u 提交了 中国自己的标准t d s c d m a 。1 9 9 8 年1 0 月i t u 在赫尔辛基举行的会议确定了 五种方案【5 】： i m t - - 2 0 0 0c d m a d s ，即欧洲和f ：i 本的u t r a w - c d m a ； i m t - - 2 0 0 0c d m a m c ，即美国的c d m a 2 0 0 0m c ； i m t - - 2 0 0 0c d m a t d d ，即欧洲的u t r a t d d 和我国的t d s c d m a ； i m t - - 2 0 0 0c d m as c ，即美国的u w c 一1 3 6 ； i m t - - 2 0 0 0t d m am c ，即d e c t 。 其中前三种最具竞争力，被称为第三代移动通信三大标准。 从技术上比较，w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三种方案各有千秋 6 1 。 在利用c d m a 方面，w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统在小区复用系数、利用多 径能力、可变扩频增益、软切换及软容量等方面较好，而t d s c d m a 较差。 在同步方面，c d m a 2 0 0 0 需要g p s 精确定时，小区需保持同步，因此系统对 定时的要求较高；而w c d m a 和t d s c d m a 则不需要小区的同步。 2 湖南大学硕士学位论文 在功率控制方面，c d m a 2 0 0 0 采用“开环+ 闭环功率控制方式”，w - c d m a 采用“开环+ 自适应闭环功率控制方式”，提高了功率速度，可抵消一般的快衰 落，而t d s c d m a 由于采用了联合检测技术，抗快衰落的能力较强。 在切换方面，w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 相似，扇区间和小区间采用软切换，载 频间采用硬切换：t d s c d m a 系统采用了接力切换技术，提高了切换效率。 在与原系统兼容方面，因为c d m a 2 0 0 0 系统的网络结构和软件均是从i s 一9 5 发展起来的，可平滑地向后兼容i s 9 5 ；t d s c d m a 系统具有与g s m 相同的帧 长和时隙长度，便于与g s m 系统实现兼容。而w c d m a 系统与第二代移动通信 系统不兼容，需要独立的基站和移动台予系统，需要较大的初期投资。 在应用方面，t d s c d m a 采用的是时分双工t d d 技术，使用特有的频段， 而w c d m a 和c d m a 2 0 0 采用的是频分双工f d d 技术。t d d 模式由于不需要成 对的频率所以t d s c d m a 能使用各种频率资源，特别适用于上、下行不对称速 率的数据业务。同时，考虑到t d d 系统用户终端的移动速率达1 2 0 k m h ，通信距 离一般不超过1 0 k m ，因此，t d d 适用于人口密集的城市和地区，而f d d 更适合 于大区制的移动需求1 7 j 。 1 3c d m a 的理论基础一扩频技术 c d m a 是一种以扩频通信为基础的调制和多址连接技术。扩频通信技术在 信号发端用一高速伪随机码与数字信号相乘，由于伪随机码的速率比数字信号的 速率大得多，因而扩展了信息传输带宽。在收端，用相同的伪随机序列与接收信 号相乘，进行相关运算，将扩频信号解扩口】。c d m a 蜂窝通信系统的原理示意图 如图1 1 所示： 扩频技术的理论基础来源于香农( s h a n n o n ) 信息论中的信道容量公式j ： c = w l 0 9 2 0 + p n ) ( 1 1 ) 以及柯捷尔尼可夫在潜在干扰性理论中的信息传输差概率公式： = r ( e n 0 ) = f ( 器 ( 1 z ) 式1 1 和式1 2 中c 为信道容量，p o 。概率，w 为信道带宽，a ，为信息带宽，p n 为信噪比【1 2 】。可见保持c 、p 0 。a ，不变，通过增加带宽w 可降低p n 要求， 从而提高通信系统的抗干扰能力，即可靠性。 3 湖南大学硕i ：学位论文 图1 1c d m a 基本原理图 在移动通信系统中，带宽是一个非常有限的资源。扩频技术使用的带宽比要 求的传输的信号带宽大很多，尽管这种方法对单用户来讲，带宽效率很低，但是， 扩频技术的优点在于很多用户可以在同一频带中通信，在存在多用户干扰的环境 中提高频带利用率例。 1 4 影响c d m a 移动通信系统可靠性的因素 第三代移动通信系统给人们展示了了美好的前景，但是这些前景的实现是以 克服其所面临的技术难题为前提条件的。在c d m a 移动通信系统的信息传输过 程中，存在着诸多影响其可靠陛的不利因素。下面将就移动通信信道下的电磁波 传播特点及c d m a 自身特性来分析各种影响可靠性的不利因素。 1 4 1 移动通信信道下的电磁波传播对信号接收的影响 移动通信信道是自然界较为恶劣的信道，它具有如下特点【1o 】： 传播的开放性； 接收点地理环境的复杂性与多样性； 通信用户的随机移动性。 由于地理环境的复杂性，接收到的电磁波信号主要由以下部分组成： 直射波； 多径反射波； 绕射波； 散射波。 上述移动通信电磁波传播上的主要特点将会对信号的接收产生不利影响。这 d 湖南大学硕士学位论文 些影响表现为： a 三类不同的损耗 路径传播损耗：指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了传播在宏观 大范围的空间距离上的接收信号电平平均值的变化。 慢衰落损耗：电波在传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴 影效应而造成的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均 值变化而产生的损耗，一般遵从对数正态分布，因其变化较慢故又称为 慢衰落。 快衰落损耗：它主要是由于多径传播而产生的衰落，反映微观小范围内 数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从瑞利 ( r a y l e i 曲) 分布或莱斯( r i c i a n ) 分布，其变化率比慢衰落快，它可分为 以下三类：空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落。 b 三种效应 阴影效应：由大型建筑物和其他物体对电波的阻挡而形成在传播接收区 域上半盲区。 远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站的距离在随机 地变化，若各移动用户发射功率一样，那么到达基站的信号强弱不同， 近处大功率信号对远处小功率信号产生很强的干扰，形成远近效应。 多普勒效应：它是由于接收移动用户处于高速运动状态导致传播频率扩 散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。 c 其它干扰 高斯白噪声。 时延扩展：它是信号经不同的路径产生的传播时延，当时延超过检测符 号宽度的1 0 时，将产生符号间的干扰，因而限制了移动通信数据速率。 多址干扰：具体码组设计中，码组间的自相关，特别是互相关性不理想 而造成多个用户的相互干扰。在实际的蜂窝系统中，小区内的用户间干 扰大约占总多址干扰的6 0 ，小区间的多址干扰占4 0 。在第三代移 动通信体制中，多址干扰是最主要的，因此，很多新技术都是针对克服 多址干扰来设计的1 。 1 5c d m a 移动通信系统提高可靠性的关键技术及本文的主要工作 本文讨论的主题是针对移动通信中存在的各种干扰，为改善其抗干扰性能 5 湖南大学硕士学位论文 提高系统可靠性，c d m a 系统采用的主要关键技术，这些技术包括1 2 】： 多载波调制；要信号调制方面，系统可采用自适应多进制调制方法，即 根据无线信道的衰落程度或其它参数动态变化，收发信机自适应地改变 调制的进制数。对于扩频通信，信号带宽在几十兆赫兹，而无线环境的 相干带宽般为几百千赫兹，是一个频率选择性信道，因此将带宽分为 n 个载波调制进行传输，这样，每个窄带信号是n 个平坦的非频率选择 性衰落信道，当修改载波数目而各路的传输速率不变时，也就改变了总 的传输速率，所以多载波调制可满足不同业务的需要，可以灵活实现多 媒体业务。 智能天线：它是通过基带数字信号处理器，为每个信道提供一条赋形的 发射波束，并始终跟踪用户，这样可降低发射功率，减少干扰同时赋形 波束可以克服多径传输的不利因素。 信道编码； 分集接收； 多用户检测： 功率控制。 这些技术的应用能有效的改善和提高c d m a 移动通信系统的可靠性及其容 量。 宽带c d m a 移动通信系统存在着诸多影响传输可靠性的不利因素，如信息传 输中的高斯白噪声、选择性衰落、远近效应和多址干扰等。c d m a 比时分多址 优越，可靠性更高，是因为它针对以上不利因素，采用了许多关键的新技术。 本文在第一章对c d m a 作简介的基础上从第二章起对其中部分与可靠性紧密相 关的关键技术展开研究，并对它们的性能进行分析。这些技术包括： 主要用于抗白噪声的信道编码技术，特别是t u r b o 码技术( 第二章) ； 主要用于抗多径干扰的r a k e 分集接收技术( 第三章) ； 主要用于抗多址干扰的多用户检测技术( 第四章1 ； 主要用于抗慢衰落和远近效应的功率控制技术( 第五章) ； 最后本文第六章提出一种综合上述多种技术的时一空多用户检测器。 6 湖南大学硕士学位论文 第二章信道编码及其纠错性能分析 对于第三代移动通信系统的研究开发，目前几乎所有大的电信公司和国家都 投入了大量的人力物力。第三代移动通信系统与第二代系统最重要的不同点之一 是要提供多种多样的数据业务支持，对其中的纠错编码体制提出了更高的要求。 各国的候选方案都围绕着i m t 一2 0 0 0 的要求来实施，普遍采用了卷积码、r s 编码、 t u r b o 码等f 1 3 】。由于卷积码和r s 码的技术已经很成熟，因此本文不对它进行探 讨，而主要对第三代移动通信系统中广泛采用的t u r b o 码进行分析。 2 1t u r b o 码的基本原理 香农( s h a n n o n ) 信息论告诉我 _ i 1 3 l ，在有噪声的信道上使用分组纠错编码 或卷积码等时，只有当分组长度或卷积编码的约束长度n 趋于无穷大时，纠错编 码的性能才能接近香农的理论极限。很久以来人们一直在寻找码率接近香农理论 值、误码率小、译码复杂度低的纠错码，并提出了许多构造该码的方法。1 9 9 3 年b e r r o u 等人提出了t u r b oc o d e ，在加性高斯白噪声a w g n 信道中其性能接近 于香农容量极限，t u r b oc o d e 采用迭代、软输入，软输出的解码算法，在相同解 码复杂度下性能大大超过传统的卷积编码。经过几年的研究，t u r b o 码已经接近 实用化阶段，第三代移动通信系统“i m t 一2 0 0 0 无线接口技术规范”建议提案中 已经将t u r b o 码应用到系统中作为数据传输的编码方案 1 4 。 2 1 1t u r b o 码的编码 图2 1 描述的是一个标准t u r b o 码编码器。由图可以看出t u r b o 码由两个 码率均为1 2 的卷积码并行级联组成，总码率为1 3 。信息序列d k 经过子编码器 l 产生输出序列c ，( u 。v 。) ，信息位为u 。和冗余位为v n ：同时经过交织器乱序后 再进入子编码器2 产生输出序列c 2 ( u 。，v 0 ，其中信息位u 。为不发送位，而只发 送冗余位v 。于是，一个长为n 的信息序列，经过编码后长为3 n 【1 5 】。 t u r b o 码的子编码器可以采用各种编码方法，最常用的反馈系统卷积码( r s c ) ， 具有和前馈非系统码( n s c ) 相同的最小距离，并且进一步的研究表明 1 6 3 ，只有在 高信噪比、码率小于或等于2 3 时，n s c 码所表现出来的性能才略好于r s c 码， 而在其他情况下r s c 码的性能总是优于n s c 码。r s c 码经常用生成多项式的比值 ( g g b ) 来描述，舀表示检验多项式，岛表示反馈多项式。为简单起见，这个比值 7 湖南犬学硕士学位论文 通常以八进制形式给出。例如图3 4 所示为约束长度k = 3 的4 状态r s c 编码器【l ， 检验多项式为g , ( d ) = l - + - d 2 或( 5 ) 。，反馈多项式为g b ( d ) = i + d + d 2 或( 7 ) 。 叫1 母攀 1 一 【咱磁蒋更强 墅 图2 1t u r b o 码编码器 设计t u r b o 码时，在大信噪比的情况下应尽可能选择最小码重最大的码字： 而在小信噪比的情况下，选择最优码重分布的码字h ：选择最小码重最大的码字更 重要。山图2 2 所示编码器产生的t u r b o 码的码重，很大程度上依赖于如何合并 来自两个子编码器输出的码字。直觉上，应该尽量避免将两个低码重的码字进行 合并。这可以通过设计一个好的交织器来实现。交织器可以改变输出码码重的分 布，当然这是对r s c 而言：若是n s c ，交织器对它的码重分布不会产生任何影响。 图2 2r s c 卷积码k = 3 ，r - l 2 21 ，2 交织器的设计 t u r b o 码中交织器的主要作用是重置输入信息序列的比特顺序，使交织前后 的序列相关性减小。 好的交织器应能把低重量的输入序列中连续”1 ”的比特分散，当信息序列经 子编码器1 编码后得到的校验码重较低时，交织器应能使信息序列在交织后进入 8 湖南大学硕士学位论文 子编码器2 编码后输出的校验码有较高码重，从而保证总的编码输出码重量。通 常t u r b o 码的自由距离并不大，但进行交织器后，t u r b o 码与卷积码相比其重量 相近的码字数目要少，从而在一定条件下t u r b o 码的译码差错率比卷积码的差错 率低。几种常用交织器的设计方法如下i i 刮： ( 1 ) 分块交织器。这种交织器是按行顺序写入，按列顺序读出( i 型) ，或列 的倒序读出( i i 型) 。如对m 行1 3 列信息比特，其输入顺序是：d l ld 1 2 d l 。d 2 l d 2 2 d 2 。d 。id m 2 d ，i 型读出的顺序为：d l ld 2 l “ld 1 2d 2 2 d 。2 d 1 。 d 2 i l d 。，i i 型读出的顺序是：d m 。d m 1n d 1 d mn 1d m 1n 一1 d l 。1 d m ld i n - 1 1 - d 1 1 。 这种交织器并没有做到完全无序，但实际效果较好。但当出现一个矩形错误模式 时( 每个方向上错误大于山in 2 ) ，解码就会完全失败。 ( 2 ) 伪随机交织器。它反映的实际上是一种映射关系。其工作过程是：设 d k ( k = o ，1 ，n 一1 ) 是需要乱序的数据序列，以一维数组的形式存贮。以随机的 顺序将d 。一个一个地送入另一个数组，于是就得到了经过乱序的数组。为了乱 序数据序列，需要引入一个索引数组，存放o n l 之间的n 个随机数，分别对 应n 个随机地址，其间的每一个数据都必须出现且仅出现一次。整个交织过程示 于图2 3 。伪随机交织器的随机性取决于随机数的产生方式。 l 需要乱序的数据数组 d