（控制理论与控制工程专业论文）基于wcdma的多用户检测算法的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，宽带移动通信获得了长足的发展。第三代移动通信( 3 g ) 是建立 在i t u i m t - - 2 0 0 0 基础上的宽带移动通信系统，具有很好的网络兼容性而且能 够实现全球范围内多个不同系统间的漫游。目前国际电联接受的3 g 标准主要有 以下三种：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 与t d s c d m a ，c d m a 是第三代移动通信系 统的技术基础。w c d m a 为欧洲e t s i ( 欧洲3 g 标准化组织) 提出的宽带c d m a 技术，也是建立在窄带c d m a 的基础之上的。c d m a 是干扰受限系统，它的容 量和性能受到多址干扰的限制，多用户检测算法可以大幅度地降低多径多址干 扰，从整体上来降低各个用户的误码性能，因此在w c d m a 系统中采用多用户 检测算法，可以有效的提高系统的性能指标。 本文根据传统c d m a 扩频通信的数学模型，从理论上分析说明采用多用户 检测算法的必要性，并对多用户检测算法如何改善系统性能进行理论分析和验 证。验证的方法是：在f d d 模式下的w c d m a 系统的物理层的接收端中加入多 用户检测算法，采用m a t l a b 工具对系统性能进行仿真，根据误码率大小的比 较来验证算法对系统性能的提高。f d d 模式下的w c d m a 物理层链路的相关协议包 括上行物理信道的帧结构、编码与复用、上行链路的扩频与调制。在仿真中， 根据w c d m a 上行链路协议对单个用户和单个信道的w c d m a 系统的发射和接 收部分进行模拟仿真，并获取其误码率，同时以单个用户和单个信道的仿真为 基础，采用多用户检测算法进行w c d m a 的多用户和多信道的性能仿真。仿真 结果显示：与传统的接收机相比，采用多用户检测算法后，系统的误码率大大 降低，系统的性能有了很大的改善。 另外，本文所搭建的仿真平台通过简单的修改同样也适用于w c d m a 系统 的其他仿真，如w c d m a 下行链路的仿真、智能天线、编码设计、功率控制等 对系统性能改善的技术，并对后续的研究具有重要的参考价值。 关键词：第三代移动通信，w c d m a ，多用户检测算法，仿真平台 武汉理工大学硕士学位论文 a b s i a c t i nr e c e n ty e a r s t h eb r o a d b a n dm o b i l e sh a v eg a i n e dt h er a p i dp r o g r e s s t h et l l i r d g e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ni sab r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e r nb u i l t a b o v et h eb a s i so f u l m t - 2 0 0 0w h i c hh a sv e r yg o o dn e t w o r kc o m p a t i b l ea n dc a n r o a mb e t w e e nd i f i e r e n ts y s t e m si nt h ew h o l ew o r l dr a n g e c u r r e n t l y , t h et h i r d g e n e r a t i o ns t a n d a r d st h a ti n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o nh a sa c c e p t e da r e m a i n l yt h r e ek i r i d st h ef o l l o w i n gs t a n d a r d s ：w c d m a , c d m a 2 0 0 0a n dt d s c d m a , w h i c hb a s eo nt h et e c h n o l o g yo fc d m a w c d m ab r o u g h tf o r w a r db ye u r o p ee t s i ( t h et h i r dg e n e r a t i o no fe u r o p es t a n d a r d i z e so r g a n i z a t i o n ) 。i sa l s ob a s i c a l l yb u i l t a b o v en a r r o wb e l to fc d m a s i n c ec d m ai sa ni n t e r r u p t e da n dr e s t r i c t e ds y s t e m ， i t sc a p a c i t i e sa n dt h ef u n c t i o na r er e s t r i c t e db ym u l t i n l ea d d r e s s e si n t e r r u p t , w h i l e m u l t i - u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h mc a nr e d u c em u c ht h ei n t e r r n p t so fm u l t i p l ea d d r e s s e s a n dm u l t i p l ep a t h s ，w h i c hc a l le n t k e l yr e d u c ee v e r yu s e r se r r o rc o d ef u n c t i o n t h e r e f o r e , a d o p t i n gm u l t i u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h mi nw c d m as y s t e mc a l lb e e f f e c t i v ei m p r o v i n gt h es y s t e m a t i cf u n c t i o n si n d e x t h ep a l e e ra n a l y s e st h en e c e s s i t yo fa d o p t i n gm u l t i u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h m t h e o r e t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h et r a d i t i o n a lm a t h e m a t i em o d e lo fc d m ae x p a n d i n g f r e q u e n c ys p e c t n l i nc o m m u n i c a t i o n ，t h e nc a r r y i n go u tt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d v e r i f y i n gt oh o wm u l t i - u s e rd e t e c ta l g o r i t h mi m p r o v es y s t e mf u n c t i o n t h ev e r i f y i n g m e t h o di st h a ta d d i n gm u l t i - u s e rd e t e c ta l g o r i t h mt ot h er e c e i v e ro fw c d m a s p h y s i c a ll a y e rw h i c hi su n d e rt h ef r e q u e n c yd i v i s i o ud u p l e xp a t t e r na n dv e r i f y i n g t h ei m p r o v e m e n to ft h ea l g o r i t h mt os y s t e mf u n c t i o na c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o uo f e r r o rc o d er a t eb yu s i n gt h et o o lo fm a na bt os i m u l a t es y s t e mf u n c t i o n t h e p r o t o c o lo fp h y s i c a ll a y e ru n d e rf r e q u e n c yd i v i s i o ud u p l e xp a t t e r nu s i n gi np h y s i c a l l a y e ro fw c d m as y s t e mi n c l u d e sf r a m es t r u c t u r e ，c o d i n gi nu p l i n kp h y s i c a lr o u t e 。 m u l t i p l e x s p r e a d i n g , a n dm o d u l a t ei nu p l i n k d u r i n gs i m u l a t i o n ，a d o p t sm f a b t os i m u l a t et h eu p l i n ko fs i n g l eu s e ra n dr o u t ew c d m al a u n c h i n ga n dr e c e i v i n g s y s t e mb ys i m u l a t i n ge m u l a t i o na c c o r d i n gt ow c d m au p l i n kp r o t o c o la n da c q u i r e s e r r o rc o d er a t e ，m e a n w h i l e ，a d o p t sm u l t i - u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h mt os i m u l a t e c a p a c i t i e so fm u l t i - u s e ra n dm u l t i - r o u t eb a s e do nt h es i m u l a t i o no fs i n g l eu s e ra n d r o u t e t h er e s u l to fs i m u l a t i o nd e m o n s t r a t e st i t a ta f t e ra d o p t i n gm u l t i u s e rd e t e c t i o n a l g o r i t h m ，t h ee r r o rc o d er a t eo fs y s t e mr e d u c em u c h ，w h i c hh a sv e r yb i gr i s et o s y s t e m a t i cf u n c t i o n t h es i m u l a t i n gp l a t f o r mt h ep a p e rd e s i g n e dc a l lb ea l s oa p p l i e dt ot h eo t h e r s i m u l a t i o n so fw c d m as y s t c mb ys i n g l em o d i f i e s s u c ha st h ed o w n l i n kw c d m a s i m u l a t i o n ，i n t e l l i g e n ta n t e n n a , c o d ed e s i g n ，p o w e rc o n t r o la n ds oo n , w h i c hi m p r o v e s y s t e mf u n c t i o na n dh a v ei m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u et ol a t t e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：t h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , w c d m a , m u l t i - u s e r d e t e c t i o na l g o r i t h m ，s i m u l a t i n gp l a t f o r m i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题的题目及来源 第1 章绪论 课题的题目：基于w c d m a 的多用户检测技术研究 课题的来源：自动化实验室 1 1 2 课题研究的背景 第三代移动通信( 3 g ) 是建立在r r u i m t 一2 0 0 0 建议基础上的、工作在2 g h z 频段的宽带移动通信系统，具有很好的网络兼容性而且能够实现全球范围内多 个不同系统间的漫游。目前国际电联接受的3 g 标准主要有以下三种：w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 与t d s c d m a 。c d m a 是c 0 d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( 码分多址) 的缩写，是第三代移动通信系统的技术基础。c d m a 系统以其频率规划简单、 系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换 等特点显示出巨大的发展潜力。 第三代移动通信区别于现有的第一代和第二代移动通信系统，其主要特点 概括为： ( 1 ) 全球普及和全球无缝漫游的系统。第二代移动通信系统一般为区域或 国家标准，而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统， 它将使用共同的频段和全球统一的标准。 ( 2 ) 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持i n t e r n c t 业务。现有的移动 通信系统主要以提供话音业务为主，随着发展一般也仅能提供1 0 0 2 0 0 k b i t s 的数据业务，g s m 演进到最高阶段的速率能力为3 8 4 k b i t s 。第三代移动通信 的业务能力将比第二代有明显的改进，它能支持从话音分组数据到多媒体业务； 能根据需要，提供带宽。i t u 规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中， 必须满足在以下三个环境的三种要求，即： 快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b i t s 。 室内环境，最高速率达2 m b i t s 。 武汉理工大学硕士学位论文 室外到室内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b i t s 。 ( 3 ) 便于过渡、演进。由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相 当规模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成， 并应与固定网兼容。 ( 4 ) 高频谱效率、高服务质量、低成本、高保密性。目前i m t - 2 0 0 0 无线 传输技术( r t t ) 提案有1 6 个之多，其中地面系统r t t 提案有1 0 个，移动卫 星系统的r t t 提案有6 个。从市场基础及总体系统特征看，地面系统以欧洲 u t r a ( w c d m a t d c d m a ) 及美国c d m a 2 0 0 0 这两个提案最具竞争力，我 国的r 订提案是t d s c d m a 。 w c d m a 为欧洲e t s i ( 欧洲3 g 标准化组织) 提出的宽带c d m a 技术，它 与日本a r i b ( 日本3 g 标准化组织) 提出的宽带c d m a 技术基本相同，双方的 标准化组织经过进一步的融合形成了欧日统一的第三代移动通信无线接口建议 w c d m a 。1 9 9 8 年欧洲的i r l aw c d m a 与日本的w - c d m a 融合为现在的 w c d m a 系统，并成立3 g p p 组织，因此w c d m a 也成为影响范围最大的标准。 w c d m a 是建立在窄带c d m a 的基础之上的，其技术特点主要有： ( 1 ) 可适应多种速率的传输，灵活地提供多种业务。 ( 2 ) 信号带宽：5 m h z ；码片速率：3 8 4 m c p s 。 ( 3 ) 是一个异步系统，b t s 之间无需同步，组网方便。 ( 4 ) 优化的分组数据传输方式。 ( 5 ) 支持不同载频之间的切换。 ( 6 ) 上、下行快速功率控制。 ( 7 ) 反向采用倒频辅助的相干检测( 提高方向解调增益，提高功率控制准确 性) 。 ( 8 ) 充分考虑了信号设计对e m c 的影响。 ( 9 ) 核心网络基于g s m g p r s 网络的演进，并保持与g s m g p r s 网络的兼 容性。 ( 1 0 ) 支持多种新技术：多用户检测、智能天线、时空码等。 第三代移动通信系统与前两代系统相比具有更大的容量、更好的通信质量、 更高的频带利用率，这些特点使得它能为高速和低速移动用户提供话音、数据、 会议电视及多媒体等多种业务，而且用户能在全球范围内无缝漫游。3 g 系统确 实给人们展示了一个美好的通信前景，但这些美好前景的实现要以克服3 g 系统 2 武汉理工大学硕士学位论文 所面临的技术难题为前提，这些难题有的是蜂窝移动通信所固有的，有的是3 g 系统所特有的。 为了解决3 g 系统所必须面对的主要问题，各国学者进行了广泛而深入的研 究，发展并创新了许多关键技术，这些技术有的已被3 g 系统采用，有的还在进 一步研究之中。第三代移动通信系统的关键技术包括以下几种技术，用于提高 系统的容量和性能。 ( 1 ) 高效信道编译码技术 扩频技术虽然可以克服多径衰落并提供高质量的传输信道，但却存在频谱 效率非常低的缺点，因此3 g 系统必须采用信道编码技术以进一步改善通信的质 量。现在用以克服衰落效应主要采用的技术是前向信道纠错编码和交织技术。 编码和交织都极大地依赖于信道的特征和业务的需求，不仅对于业务信道和控 制信道采用不同的编码和交织技术，而且对于同一信道的不同业务也采用不同 的编码和交织技术。 ( 2 ) 多址技术 3 g 系统中的多址技术包括c d m a 系统中地址码和各种多址协议两方面的 研究。由于3 g 系统采用码分多址技术，对扩频码的选择也就变得很重要。i s 9 5 系统中采用了6 4 位w a l s h 函数作为扩频码，前向信道的性能可以得到保证但反 向信道性能还不尽如人意。目前，人们对正交扩频因子码( o v s f ) 进行了广泛 研究，希望彻底解决其生成方法、可用数目和复用等问题；同时对c d m a p r m a 多址协议也给予了极大关注，被视作传统分组预约多址( p r m a ) 协议的扩展。 ( 3 ) 功率控制技术 功率控制技术是解决远近效应的有效方法。在c d m a 系统中，用户共用相 同的频带，且各用户的扩频码之间存在着非理想的相关特性，用户发射功率的 大小将直接影响系统的总容量，因此功率控制技术成为c d m a 系统中的最为重 要的核心技术之一。在上行链路为了克服宽带c d m a 系统的远近效应需要动态 范围达8 0 d b 的功率控制，在下行链路中为了实现快速和自适应的功控算法，多 采用插入动控子信道实现前向的闭环动控。 ( 4 ) 智能天线技术 智能天线也叫自适应阵列天线，它由天线阵、波束形成网络、波未形成算 法三部分组成。它通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相 位，从而调节天线阵列的方向图形状，达到增强所需信号抑制干扰信号的目的。 武汉理工大学硕士学位论文 智能天线技术适宜于t d d 方式的c d m a 系统，能够在较大程度上抑制多用户 干扰并提高系统容量，但是由于存在多径效应，每个天线均需一个r a k e 接收机， 从而使基带处理单元复杂度明显提高。 ( 5 ) 切换技术 由于移动通信系统采用蜂窝结构，移动台在跨越空间划分的小区时必然要 进行越区切换：即完成移动台到基站的空中接口的转移以及基站到网入口和网 入口到交换中心的相应的转移，在第一和第二代移动通信系统中都采用迫使通 信容易中断的越区硬切换方式。3 g 系统将在使用相同载波频率的小区间实现软 切换，即只需相应改变扩频码，移动用户在越区时就可以与两个小区的基站同 时接通，做到”先接通再断开”的交换功能，从而大大改善了切换时的通话质量， 这种软切换具体的实现方法和步骤仍持研究，并且在使用硬切换以实现不同载 波的小区间的切换仍有许多需要解决的问题。 ( 6 ) 多用户检测技术 c d m a 是干扰受限系统，它的容量和性能受到多址干扰的限制，接收机设 计是个重要的问题，有效的抑制多用户干扰，可以显著的提高系统的容量和性 能。在传统的c d m a 接收机中各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰落 环境下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用 户之间的相互干扰并限制系统容量的提高。传统的检测器将多用户干扰作为加 性噪声处理，将匹配滤波器的输出直接送到判决设备中得到各用户的检测信号。 由于多址干扰不同于白噪声，即多址干扰不是随机的，而是具有一定的结构特 性的，多用户检测的基本思想就是把所有用户的信号都当作有用信号而不是干 扰信号来处理，这样就可以充分利用各用户信号的用户码、幅度、定时和延迟 等信息，从而大幅度地降低多径多址干扰，从整体上降低各个用户的误码性能。 如何把多用户检测算法的复杂度降到可接受的程度则是多用户检测技术能否实 用的关键。 其它比较重要的技术还有软件无线电信道结构以及上层协议信令等。软件 无线电是对无线传输系统的革命，其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用a d 和d a 转换器，在通用的硬件平台上尽可能通过软件来定义无线电的功能。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 课题研究的目的和意义 从信息论角度来看，c d m a 系统是一个多入多出( m i m o ) 的系统，采用 传统的单入单出( s i s o ) 检测方式，如匹配滤波器，没有充分利用多用户间的 有用信息，而是把多址干扰当作高斯白噪声，因此大大减低了系统容量。多用 户检测的基本思想就是把所有用户的信号都当作有用信号而不是干扰信号来处 理，这样就可以充分利用各用户信号的用户码、幅度、定时和延迟等信息，从 而大幅度地降低多径多址干扰。近年来各种算法不断涌现，而算法复杂度能否 降低以及是否容易用器件使用是目前多用户检测技术能否应用到实际当中的主 要考虑因素。 采用多用户检测技术可以有效的解决远近效应问题、降低系统对功率控制 的要求，因此可以有效的利用频谱资源，显著增加系统容量。第三代通信系统 中采用多用户检测技术的优点主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 提高系统的容量，增加用户数。用户数的增加意味着更高的频谱效率。 ( 2 ) 降低用户设备( u e ) 的发射功率，提高u e 的待机及通话时间，另外 一方面，降低了射频部分的成本及故障率。 ( 3 ) 减小射频辐射对用户心理和生理的影响。 ( 4 ) 增加通信距离，增大基站的覆盖面积，降低了基站的综合成本。 1 2 课题研究的研究现状 1 9 7 9 年i cs c h n e i d e r 提出多用户检测( m u l t i p l eu s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 的概念 以来，经过2 0 余年的发展，特别是1 9 8 6 年v e r d u 提出最佳多用户检测算法以后， 多用户检测技术成为无线通信领域最重要的学术研究热点之一。c d m a 系统中 多用户检测的定义：联合考虑同时占用某个信道的所有用户或某些用户，消除 或减弱其它用户对任一用户的影响，并同时检测出所有这些用户或某些用户的 信息的一种信号检测方法。多用户检测有时又称联合检测( j o i n td e t e c t i o n ) 。 经过2 0 余年的发展，对抑制多址干扰的多用户检测方法已研究的十分广泛 和具体。根据上面多用户检测的定义，在不同的准则下，多用户检测具有不同 的分类方法。按性能的不同，多用户检测可分为最优多用户检测法及准最优多 用户检测法。从结构上看，多用户检测又分为线性多用户检测及非线性多用户 5 武汉理工大学硕士学位论文 检测方法。 ( 1 ) 基站中的多用户检测方法 基站( b a s es t a t i o n ，或n o d eb ) 中多用户检测方法。由于基站知道所有用 户的特征码( s i g n a t u r es e q u e n c e ) ，考虑到算法复杂度之后，基站中的多址干扰抑 制方法一般选择针对多用户的多用户检测方法，其方法主要有以下几种： 最优多用户检测算法 最优多用户检测法，即最大似然序列估计( m l s e ) 方法，1 9 8 6 年由v e r d u 提出。该算法的复杂度随着用户数成指数增加，从目前器件的可实现性来看， 当用户数大于9 时，是不可行的。最优多用户检测法为我们提供了性能改善的 极限值。 线性准最优多用户检测法 由于最优多用户检测法的复杂度太高，1 9 8 9 年以后的研究均侧重于准最优 多用户检测法。准最优多用户检测可分为线性及非线性两大类。所谓线性或非 线性，即是判断算法的输出是否是输入的线性变换。线性多用户检测算法主要 包括去相关法( d e c o r r e l a t o r ) 和最小均方估计法( m m s e ) 。 非线性准最优多用户检测法 由于线性多用户检测算法复杂度高，收敛慢，从可实现性角度考虑的研究 方向主要集中于非线性多用户检测方法。非线性多用户检测方法主要有多级型、 判决反馈型、神经网络等几种方法。 ( 2 ) 用户设备中的多用户检测方法 。 对于用户设备( u s e re q u i p m e b t ，u e ，又称移动终端：m o b i l es t a t i o n , m s ) 来说，用户设备一般采用自适应技术来抑制多址干扰。自适应式多用户检测方 法也可划分为两大类：线性及非线性。类似于基站中的多用户检测方法，用户 设备中的自适应非线性多用户检测方法包含有判决反馈、神经网络方法。 从目前发表的文献来看，日本学者侧重于研究多级干扰抵消检测，美国学 者侧重自适应线性多用户检测的研究，同时，近年来各种技术的结合问题引起 了人们广泛的注意。与多用户检测结合的技术主要有：空时二维信号处理技术、 多用户检测和多载波调制结合技术、多用户检测和信道编译码结合技术、多用 户检测和功率控制结合技术。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本课题研究的内容 本文根据w c d m a 移动通信的信道特点和数学模型，对多用户检测算法进 行研究。针对传统c d m a 数学模型的缺陷，理论分析采用多用户检测技术的必 要性，并对多用户检测算法做理论分析，然后结合w c d m a 物理层的上行链路 特点采用m a t a l a b 对多用户检测算法进行计算机仿真。在仿真中，根据 w c d m a 上行链路协议对单个用户和单个信道的w c d m a 系统的发射和接收部 分进行模拟仿真，并获取其误码率，同时以单个用户和单个信道的仿真为基础， 采用多用户检测算法进行w c d m a 的多用户和多信道的性能仿真，并根据仿真 结果中误码率的比较来证明：采用多用户检测算法后，系统的性能有着显著的 提高。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章传统c d m a 系统模型与性能分析 2 1c d m a 通信系统的原理 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 通信是利用相互正交( 或尽可能正 交) 的不同编码分配给不同用户的调制信号，从而实现多用户同时使用同一频 率接入系统和网络的通信，即码分多址通信。由于利用相互正交( 或尽可能正 交) 的编码去调制信号，会将原信号的信号频谱带宽扩展，因此，对这种调制 方式的通信，又称为扩展频谱通信，也即扩频通信。 2 1 1 扩频通信原理 从利用电磁波来看，扩频通信是与一般现有的常规通信方式完全不相同的。 扩频通信用伪随机码把基带信号( 信息数据窄带信号) 的频谱进行扩展，形成 相当带宽的低功率谱密度信号发射。使用不同的伪随机码，不同通信用户可在 同频段、同一时间工作，互不影响或影响极小。接收端使用相关处理方法，把 要接收的宽带扩频信号，恢复成基带信号。这些特征使得扩频通信信号不易受 干扰，也不容易于扰他人，信号隐蔽，有较好的过负荷能力，能和其他的通信 方式混合使用。直接系列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p e e ds p e c t r u m ) 是目前c d m a 通信系统用得最多也是最典型的一种扩频通信。在直接系列扩频通信网中，其 它用户的信号是一种宽带干扰。相关处理前，信号频谱是很宽的，经相关处理 后，有用信息被解扩，其功率谱集中于信息带宽内，而宽带干扰通过相关器， 其功率谱密度基本不变，由于解扩后必然连接窄带滤波器，保证信号能顺利通 过，对信号频带之外的各种干扰起到很大的抑制作用，从而提高了输出的信噪 比。 2 1 2 直接系列扩频通信系统 直接序列扩频通信系统的基本结构如图2 1 2 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 2 i 直接序列扩频通信系统 信息数据d 。( f ) 是信息经编码处理后的数字信号，是宽度为t 的幅值为+ 1 或 1 的矩形波信号。首先经过扩频编码( 又称扩频系列) 进行调制。扩频编码是 码长为n ，码元宽度为死、以+ 1 或1 表示的矩形波信号用l o ) ，扩频编码周期 等于信息数据的比特宽度( 脉宽) t ，t = n t c ，这样，信息数据正好对扩频编码 作周期调制。这种调制是信息数据为+ 1 ，扩频编码极性不变；信息数据为1 ，扩 频编码倒相。经信息数据调制的扩频编码，再调制频率为。的载波，形成射频 信号发射。c d m a 通信模型的发射信号为为：”1 r ( t ) 。罗彳d k ( t ) p n k ( t ) e x p ( j ( o 口o t + 9 ) ) ( 2 1 ) 笥 式中，a 为发射信号的幅度值；珊。、妒分别为载波频率和相位。信息数据 的频谱带宽为b 。，扩频编码的频谱带宽为口：。它的实信号为： r ( t ) - 罗彳d k ( t ) p n k ( f ) c o s ( 甜扩+ 伊) ( 2 2 ) 符 ， 假设信号在传输过程中受到加性白噪声的干扰，这时接收信号的数学表达式为： s ( f ) 一罗4 d k ( t ) p n k ( t ) c o s ( a , o t + 妒) + n ( t ) ( 2 3 ) 筒 其中n ( o 是功率谱为。2 的自噪声。 假定射频滤波器是理想的滤波器，使射频信号无失真通过。该信号经接收 机的本地载波2 e x p ( 一j ( o ) t + 妒m 调制，再经本地扩频编码p 砸一r ) 做解扩处理 后，得到第k 个用户的接收信号为： i - - k n ，k ( f ) 一罗砌k ( t ) p n k ( t ) p n k ( t r ) e x p ( j ( w d + 垆”2 e x “一，( + 妒1 ) ) 箭 + n ( t ) p n k ( t - t ) 2 e x p ( - j + 妒) ( 2 4 ) 9 武汉理工大学硕士学位论文 这些信号送往基带滤波器，这个基带滤波器是带宽为b 。、传输函数为h r 窄带滤波器，它的输出是： v ( t ) 气亡h ( t 一口) 。o 灿 ( 2 5 ) 如果传输信道是没有噪声、没有干扰的理想信道，接收机经解扩、基带滤 波后的输出仅为： v ( f ) 一f h ( t 一4 ) a d ( a ) e n t p ：q f ) c o s 。一缈+ ( 伊一伊m 口 ( 2 6 ) 假设扩频码是理想的伪随机系列，即：p n i p n j - 0( i - j ) ，p n - , p n j = 1 ， 当c d m a 通信系统的接收机与发射机完全同步时，本地载波与输入载波的频率、 相位完全一致，即- 珊o ；妒。；妒o ，那么 v o ) - c h ( t a ) a d ( a ) p n z ( a ) p n k ( a r k l a ( 2 7 ) 式中，p n 。0 ) 为发射扩频编码，e n k ( a f ) 为接收机本地扩频编码；f 为本地扩 频编码与发射扩频编码之间的相位差。如果p n 。0 ) - p n k ) ，且跟踪同步f = o t 那么 v o ) - r i i l ( f 一口p d ( n ) 妇 ( 2 8 ) 信息数据d ( t ) 是脉宽为t ，+ 1 ，一1 随机出现的矩形波信号，它的付氏变化为： w ，- c 桫“他玎( 等等) ” 主要为【一f d , + ，d j 频带内的信号。基带滤波器是理想的，其频率特性为： h ( f ) ：厂e 一2 加伽，。 ( 2 1 0 ) 1 0 i ，卜，。 则d f f j 信号的全部频谱均可无失真地通过，仅时延卢，所以 y o ) 一j = 。i l ( f 一口) a a ( a ) d a = a d q 一卢) ( 2 1 1 ) 这样，就完全获得发射来的信息数据d ( 0 ，实现了数据的准备接收。 2 2 传统c d m a 系统的性能 c d m a 系统的重要性能指标包括信噪比、误码率、多址能力。信噪比和误 码率是c d m a 数据通信最重要的性能指标，它充分反映了数据通信的抗噪声能 力和传输数据的准确性( 正确概率) 。c d m a 通信技术采用对信息数据频带做扩 展的伪随机编码调制的方法，需要占用很宽的频带，传送的信息数据的带宽是 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 很窄的。如果c d m a 通信作为独立通信方式，使用很宽频带久传送很窄的一路 信息数据，则频带利用率( 或频谱利用率) 就非常低，这是通信所不希望的。 对于c d m a 通信来说，提高频带利用率，就必须提高c d m a 的多址通信能力， 或提高c d m a 通信的多用户信息数据传输能力。 2 2 1 信噪比和误码率 假设基带滤波器( 匹配滤波器) 是0 一t 的积分器和在t 时刻做门限判决， 载波信号和本地载波信号幅值都用2 p 来表示，p 是信号功率。a d w h a l e n 已 经证明o t 积分器在t 时刻判决，其结果与基带匹配滤波器在t 时刻的输出 是完全一样的。 c d m a 通信系统的发射信号为： s ( f ) - 4 2 p d ( t ) p n ( t ) c o s ( w # + 妒) ( 2 1 2 ) 忽略传输时延和衰减，其接收信号为： u ( t ) - s ( t ) + n i t ) 这里，n ( o 是0 均值、高斯白噪声，在c d m a 通信的整个频带上有2 的双边带 功率谱度。经解扩解调后的接收信号送往积分器输出为： v ( t ) - ( 2 p d ( t ) p n ( t ) c o s ( 6 0 d + 妒) 2 p p ( f f ) c o s ( m + 矿。) d t + fh ( f ) 万p n ( f o c o s ( o ；+ 妒) 出 ( 2 1 3 ) 在c d m a 通信系统的收发两端已完全同步锁定的情况下，有 - 0 7 0 ，p ( f f ) 一p l v ( t ) ，并且，在积分器0 一t 积分期间，a ( o 是不变的，要 么是+ 1 ，要么是1 ，仍用d 表示，那么式( 2 1 3 ) 就可改写为： 腓) 一刀d + = 行o ) p o ) ”0 0 s ( 耐+ q o c o s ( o j # + 伊渺 t cp d ( 1 + c o s ( 2 0 ) # + 却) 渺 = p t d ( 忽略。以上的高次项) ( 2 1 4 ) 式( 2 1 3 ) 中的第一项是有用信号，p t 为信息数据脉宽t 内的信号能量，d 是 信息数据的正、负状态，即发送来的信息数据；式( 2 1 3 ) 中的第二项为噪声， 在t 时刻积分器的噪声输出为： 仃) 一( n ( t ) p n ( t ) 历c o s ( w d + q o ) d t ( 2 1 5 ) 它的准确积分结果很难给出，但因n ( o 是与p 厅) 独立的零均值高斯白噪声， 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 rf 丁j 的统计特性能够获得。仃) 的均值为： e 【( z ) 】- 0 ( 2 1 6 ) 方差为： 盯- e ( r ) 旷一f o r n ( o 豫p n ( o ) r c o s ( o d t ( 2 1 7 ) 式中，尺。( 0 ) 是噪声自相关，对o 2 的双边功率谱密度的白噪声，有 r 。( 0 ) = n o 2 ，删是扩频编码的自相关，瑶 = 1 ；足。( 0 ) 是信号功率为p 的载波自相关，有r ( 0 ) = ej i 互歹c o s ( 埘+ 9 ) 1 2 l - p ( 妒在肌2 万区间均匀分布) 。 l j 那么，式( 2 1 7 ) 可简化为： 口如一j o f t n 2 0 p d t 一胛警 ( 2 1 8 ) 所以，t 时刻积分器输出的噪声信号n 仃) 是一个0 均值、方差为用。2 的 随机变量，也就是功率噪声为p t - n 。2 的随机变量，影响c d m a 的正确解调。 作为通信系统重要参量的信噪比，是有用信号功率与噪声功率之比。对随机变 量检测的场合，信噪比也是该随机变量的均值的平方与它的方差之比。因此， c d m a 通信系统的接收机对发送来的扩频信号做相关处理时，当与发送来的信 号扩频编码相位、载波频率和相位完全同步锁定的情况下，积分器输出的有用 信号功率为( 用d ) 2 - ( p r ) 2 ，这也是把v 厅，) 作为随机变量时，它的均值的平方。 积分器输出的噪声功率为刀o 2 ，即p 协的方差( 也就是n 仃， 的方差) 。 因此，c d m a 通信的( 输出) 信噪比为： 刚小而( p t 丽) 2 - 等 ( 2 1 9 ) 式中，p 为接收的有用信号功率( 在忽略传输衰减的情况下，就是发射信号功率) ； t 为信息数据码元宽度。p r - e 。为1 b i t 信息数据的信号能量。如果考虑信息数 据速率r d 一1 t ，则c d m a 通信的输出信噪比可写为： ( s k - 二n o 生r d ( 2 2 0 ) c d m a 通信系统的接收端解调输出的信噪比得到之后，可利用误差函数 e r f ( d 一7 导j 二e ，o 幼和互补误差函数咖 ) 一去f e 。，o 锄，这样c d m a 饿缸 通信的信息数据解调的误码率为： 即e ，c ( 届瓦) 嘶( 括】 汜2 t ) 武汉理工大学硕士学位论文 如果信道中，除零均值高斯白噪声之外，还存在窄带随机过程的干扰，那么干 扰信号功率为p 。，p 。是窄带随机干扰输入信号功率，此时，c d m a 通信系 统的输出信噪比是 ) 。一丽p ，其中，p 是信息数据有用信号输入功率。 由于信道和接收机中的高斯白噪声和通常自信道外部的窄带随机过程是相互独 立的，在这两种噪声干扰存在的情况下，c d m a 通信( 输出) 信噪比为： ( s ) 。- 面i ；! - 再i 芦i 王i 吾f ：1 千习万- i 臣1 有用信号功率有用信号功率 2 p t n p 那么，c d m a 通信的误码率为： p e - 叫c 2 2 2 多址能力 1 c d m a 通信技术是码分多址通信技术。所有用户同时发射，各用户使用各 自的扩频编码信号，这些扩频编码是正交的或接近正交，使各用户之间的扩频 编码彼此相互影响趋于零或很小，能在同一极宽的扩频带宽内，各用户同时互 不干扰地发送信号和接收信号，实现多址通信。 c d m a 通信有两种工作方式：一种是各用户根据自己的需要，不受其他用 户工作状态的约束，随机地发射信号，即各用户彼此之间工作状态( 发射状态) 是完全随机，成为随机多址的c d m a 通信方式( s s r a ：s e c t m mr a n d o m a c c e s s ) ， 这是最常用的，极易实现的多址通信方式；另一种是所有用户根据某一时间标 准参考，根据自己的需要，与其他用户扩频编码同步地发射信号，称为同步多 址的c d m a 通信方式( s s s a ：s p r e a ds p e c t r u ms y n c h r o n o u s a c c e s s ) 2 3 随机多址的c d m a 通信方式 武汉理工大学硕士学位论文 p nkc o s ( o j o t + 伊j 扩频调制 解扩解调 图2 3 1 随机多址的c d m a 通信系统模型 随机多址的c d m a 通信方式如图2 3 1 所示，同时工作的通信用户为1 ，2 ， 3 k ，共k 个，各自使用不同的扩频编码孙l ( i = 1 ，2 ，k ) ，发射的信息数据 分别是d ；o ) ( i = 1 ，_ ，2 k ) 其中，第i 个用户发射的信号为：” s i ( f ) - a j i ( f f i ) p i o f i ) c o s ( 一+ 妒i ) ( 2 2