（通信与信息系统专业论文）低信干比环境中cdma的同步技术研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 中文摘要 f c d m a 技术在数字蜂窝和个人通信业务的关键领域中已经充分展示了 其高性能话音质量、系统可靠性、手机电池寿命等方面的优势。正如国际 电信联盟( i t u ) 所提交的建议显示的那样，第三代移动通信系统( 3 g ) 选择了c d m a 。n 步技术是c d m a 系统中的一项关键技术。只有当c d i v 必 接收机实现接收扩频序列与本地扩频序列的n 步，才能解出传输数据。，本 文首先对当前c d m a 技术的发展以及现状作了综述，然后简单的分析了同 步技术的重要性以及目前的研究重点。由于c d m a 系统是一个干扰受限系 统，干扰主要来自热噪声、码间干扰、多址干扰，使得同步技术的性能受 到很大影响。研究一种能够在低信干比环境中工作的同步技术具有实际意 义。 本文的第二章对当前扩频序列的相位同步技术的基本方法进行了分类 总结。f n 步技术一般分为两步：扩频码的相位捕获与扩频码的相位跟踪。 在扩频碣的相位捕获这一节主要阐述了捕获所采用的基本结构以及捕获门 限，而后总结相位跟踪目前常用的方法。y 在第三章，首先论述了由于多址 干扰对扩频码的相位捕获所带来的影响，然后针对多用户检测技术中抑制 多址干扰的方法，将多用户检测技术与扩频码相位捕获结构相结合，得到 一种新型的抗多址干扰扩频码相位捕获系统。并在此基础上分析了瑞利衰 落信道下这种新型捕获系统的性能，从理论上验证了这种新型捕获方法的 正确性。在第三章的第二部分，本文论述了一种最新差分相干扩频码相位 捕获系统，并且针对瑞利衰落信道对此捕获系统进行了理论分析，指出该 差分捕获系统的性能在瑞利衰落信道下受到移动台移动速度的限制，但在 移动台移动速度较慢的情况下捕获性能优于传统的非相干扩频码相位捕获 系统。 本文第四章对同步技术的第二步既扩频码的相位跟踪技术进行了分 析，并且根据差分相关技术的优点，对传统的扩频码相位跟踪技术进行了 改进。i 得到新的差分相干扩频码相位跟踪环，并且对这种新的扩频码相位 跟踪界和传统非相干与相干扩频码相位跟踪环从跟踪时间，抖动方差等参 数方面进行理论分析，指出这种新的差允相干扩频码相位跟踪环与传统非 相干和相干扩频码相位跟踪环的优势。， 第五章将第三章所论述的新型扩频码相位捕获技术应用到w c d m a 系 皇王型茎堑婴主兰竺丝窒 关键词：多用户检狮，多址罕扰，p n 码葙位捕获，p n 面目位跟踪 瑞利衰落，虚警概率，检测概率，差分相关 、。一7、? 、， 第环能。踪性比跟术对位技真相步 仿码同了频位 行扩相进干码术相频技非扩 获统的捕传出位与提相环所 码踪文频跟本扩位明 干相表相码都 。非n 果术的p 结技统干些步 传相这同 与分 ，码别差果频分了结扩 且出比的并给对统 ，还真传 中章仿于统五的优 皇三型垫查堂堡主堂垡丝苎 一一一 a b s t r a c t i nm o b i l er a d i oc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s ，m u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i d t oc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) s c h e m ed u et oi t so w nc a p a b i l i t i e s t o p r o v i d eh i g h e rf i d e l i t y ，r e l i a b i l i t y ，a n db a t t e r y o v e rc o n v e n t i o n a lr a d i o c o m m u n i c a t i o n ss c h e m e s t h em u l t i p l ea c c e s ss c h e m e sc d m ah a sb e e nc h o s e w i t hr e s p e c tt ot h ed e m a n d so nt h i r dg e n e r a t i o nm o b i l er a d i os y s t e m s c o d e s y n c h r o n i z a t i o ni s o n eo ft h ek e yt a s k si ne v e r ys p r e a ds p e c t r u mr e c e i v e r i f i tf a t l s ，n od a t ad e t e c t i o ni sp o s s i b l eb e c a u s et h ed e c i s i o nd e v i c er e c e i v e r si n p r a c t i c eo n l yn o i s e i nt h ei n i t i a lc h a p t e r ，t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fc d m a isi n t r o d u c e db r i e f l yf i r s t l y ；t h ei m p o r t a n c eo fc o d es y n c h r o n i z a t i o nisa ls o p r e s e n t e d t h ea c q u i s i t i o np e r f o r m a n c ec a nd e g r a d ed u et o s e v e r er e a s o n s ： n o i s e ，i n t e n t i o n a lo ru n i n t e n t i o n a lj a m m i n g ，d o p p l l e rs h i f t ，d a t am o d u l a t i o n ， f a d i n g ，m u l t i p a t hp r o p a g a t i o n a 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 ) s o m u c ha t t e n t i o ns h o u l db ep a i dt oc o d es y n c h r o n i z a t i o nf o rc d m a ，e s p e c i a l l y w 0 r ki nl o ws i r c o d e s y n c h r o n i z a t i o n i s p e r f o r m e d i nt w o s t e p s ， w h i c ha r ei n i t i a l s y n c h r o n i z a t i o n ，i e ，a c q u i s i t i o n ， a n df i n e s y n c h r o n i z a t i o n ， i e ，t r a c k i n g t h em e t h o d sd e t e r m i n i n gc o d es y n c h r o n i z a t i o na r ec l a s s i f i e da n ds u m m a r i z e d i nt h es e c o n dc h a p t e r i nt h et h i r dc h a p t e r ，t h ei m p a c to fc o d ea c q u i s i t i o no n t h e p e r f o r m a n c e o fm u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c eis e x p o u n d e df i r s t l y ，t h e n a c c o r d i n gt o t h et e c h n i q u eo fm u l t i p l eu s e rd e t e c t i o n ( m u d ) t h ec o m b i n g a r c h i t e c t u r eso fc o d e a c q u i s i t i o n a n d m u l t i p l e u s e rd e t e c t i o ni nr e a l i s t i c w i r e l e s sc h a n n e la r e e x p l a i n e d ，a n d t h e nw e g e t an e wc o d e a c q u i s i t i o n s y s t e m i nt h es e c o n dp a r t ，w ed e s c r i b ean o v e ld i f f e r e n t i a lc o h e r e n tc o d e a c q u i s i t i o ns y s t e mi nr a y l e i g hc h a n n e l ，b e c a u s em o s tt h e o r e t i c a lr e s u l t se x i t s f o rt h is s y s t e mi na w g nc h a n n e l t h ei m p a c to ft h i sd i f f e r e n t i a lc o h e r e n t c o d ea c q u i s i t i o ns y s t e mo nt h ep e r f o r m a n c eo fm o b i l ev e l o c i t yis s t u d i e d ，a n d d r a w sac o n c l u s i o nt h a tt h i s s y s t e m c a nd ob e t t e rt h a nc o n v e n t i o n a l n o c o h e r e n tc o d ea c q u i s i t i o nw h i l et h ev e l o c i t yi sl e s s i n t h ef o r t h c h a p t e r ，t h e s e c o n d s t e p o fc o d e s y n c h r o n i z a t i o n ，i e ， t r a c k i n ga r es t u d i e d w i t ha d v a n t a g eo fd i f f e r e n t i a lc o r r e l a t i n g ，t h ec h a p t e r 电子科技大学硕士学位论文 g i v e s an e wd i f f e r e n t i a lc o h e r e n tc o d e t r a c k i n gs y s t e m c o m p a r e t ot h e c o n v e n t i o n a ln o c o h e r e n t c o d e - t r a c k i n gl o o p ，t h ep e r f o r m a n c e o ft h ei l e w d i f f er e n t i a lc o h e r e n t c o d e - t r a c k i n gl o o p i se v a l u a t e df o rv a r i o u s d e s i g n p a r a m e t e ra n disc o n f i r m e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n s t h en o v e lc o d e s y 【l c h r o n i z a t i o n s c h e m ef o rw c d m ai ss t u d i e d b y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i v ee x p e r i m e n ti nc o n t r a s tw i t hc e n v e n t i o n a i c o d es y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d c h a r a c t e r i s t i cf u n c t i o n se m p l o y e da n dt h e r e s u l t so b t a i n e di nt h et h i r da n df o r t h c h a p t e r s a r eu s e dt o c o m p u t e rt h e p r o b a b i l i t y o f d e t e c t i o n ，p r o b a b i l i t y o ff a l s e a l a r m ，a n db e ro ft h e mi n w c d m a s y s t e m t h e s ed a t ai n d i c a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h en e wc o d e 8 y n c h r o n i z a t i o n s i s s u p e r i o r t ot h ec o n v e n t i o n a lc o d e s y n c h r o n i z a t i o n s s y s t e m s k e yw o r d s ：m u l t i p l eu s e r sd e t e c t i o n ，c o d ea c q u i s i t i o n ，c o d et r a c k i n g ， r a y l e i g hf a d i n g ，d i f f e r e n t i a lc o r r e l a t i n g ，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 ， p r o b a b i l i t yo fd e t e c t i o n ，p r o b a b i l i t yo ff a l s ea l a r m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：圣国! 坠 日期：2 。5 年j 月 ，5 t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：2 ，。3 年3 月d 日 电子科技大学硕士学位论文 图表目录 2 1 自相关函数曲线图， 2 - 2 顺序搜索法原理框图 2 3 串行双积分滑动相关捕捉系统 2 - 4 并行双积分滑动相关捕捉系统 2 5 序列相关捕捉系统 2 6 判决处理器结构图 2 7a a p 算法判决处理器结构 2 一g 基带数字匹配滤波器结构 2 - 9 并行的非相干匹配滤波器结构 2 10 扩频序列鉴相特性 2 1 1 扩频序列同步跟踪环 2 一1 2 非相干数字d l l 环 2 一l3t d l 框图 3 1 抗多址干扰捕获系统结构图 3 2 序列相关匹配滤 皮器捕获系统 3 3 i q 非相干相关器 3 4c d m a 非相干p n 码相关器 3 5 c d m a 差分相关单元一 4 一l 差分相干跟踪环结构图 4 2 非相干相位跟踪环结构图 4 - 3 跟踪环线性等效图 5 - l 用于上行链路的传输信道复用结构 5 2 上行d p d c h d p c c h 的帧结构 5 - 3 多条d p d c h 的扩频模型 5 4 上行扩频信号的调制 5 5 e b n o = 10 d br o c 曲线用户数= 9 5 6e 6 n 。= 10 d b 时的平均捕获时间曲线k = 2 5 7 差分捕获与传统方式捕获概率比较图 5 8 差分捕获与传统方式虚警概率比较图 5 9 差分相干与非相干跟踪抖动方差比较图 o，他h h”m加引”“巧叭铊鸲们舛卯船舛“卯 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图隰 电子科技大学硕士学位论文 图5 10 差分，非相干跟踪与准时解调误码率比较6 8 电子科技大学硕士学位论文 a w g n b e r b s c p d p c c h d p d c h d s c d m a f d d g s i c g s p i c i c i i c w i s i m a i m l m l s d m m s e m u d o v s f p i c p r a c h q p s k s f s n r s i s i c s i r t f c i 缩略语 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ( ；的性高斯白噪声) b i te r r o rr a t e ( 比特误码率1 b a s es t a t i o n ( 基站) c h i pp e r i o d ( 码片周期) d e d i c a t e dp h y s i c a lc o n t r o lc h a n n e l ( 专用物理控制信道) d e d i c a t e dp h y s i c a ld a t ac h a n n e l ( 专用物理数据信道) d i r e c t s e q u e n c ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( 直扩码分多址) f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ( 频分双工1 g r o u p w i s es u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( 分组串行干扰 抵消技术) g r o u p w i s es u c c e s s i v e & p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( 分 组串并行干扰抵消技术) i n t e r c h a n n e li n t e r f e r e n c e ( 信道间干扰1 i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nw e i g h t ( 干扰抵消权值) i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( 符号间干扰1 m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ( 多址干扰、 m a x i m u ml i k e l i h o o d ( 最大似然) m a x i m u m l i k e l i h o o ds e q u e n c ed e t e c t i o n ( 最大似然序列检测器) m i n i m u m m e a n s q u a r e de r r o r ( 最小均方误差) m u l t i p l eu s e rd e t e c t ( 多用户检测) o r t h o g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r ( j e 交可变扩频因子1 p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( 并行干扰抵消技术) p h y s i c a lr a n d o m a c c e s sc h a n n e l ( 物理随机接入信道) q u a t e r n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ( 四阶相移键控1 s p r e a d i n gf a c t o r ( 扩频因子、 s i g n a lt on o i s er a t i o ( 信号噪声比) s e l f 。i n t e r f e r e n c e ( 自干扰、 s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( 串行干扰抵消技术) s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o ( 信号干扰比1 t r a n s p o r tf o r m a tc o m b i n a t i o ni n d i c a t o r ( 传输格式组合指示1 皇三翌楚查塑堂垡望苎 t p c u m t s t r a n s m i tp o w e r c o n t r o l ( 发射功率控制) u n i v 。8 8 1m 。b i l e t e l e c 。m m u n i c a t i 。n s s y s t e m ( 通用移动电信系 统) u t r a n u n i v e r s a ! t e r r e s t r i a l r a d i 。a c c e s sn e t w 。r k ( 全球地面无线接入 网、 w c d m a w i d e b a n dc o d ed i v i s i 。nm u l t i p l e a c c e s s ( 宽带码分多址、 w m s a w e i g h t e d m u l t i p l e x e d s 1 。t a v e r a g i n g ( 加权多时隙平均) 7 电子科技大学硕士学位论文 1 1c d m a 技术发展 1 1 1c d m a 技术发展现状 第一章引言 近年来，蜂窝移动通信系统的发展经历了一个从模拟网到数字网，从 频分多址( f d m a ) 到时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 的过程。 从1 9 9 2 年开始，在美国出现了种全新的数字蜂窝移动通信系统一c d m a 系统。比较而言该系统有几大突出优点：一是系统抗干扰能力强；二是系 统容量增大。上述这些特点使得c d m a 蜂窝移动通信系统将在个人通信网 ( p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k 一简称p c n ) 中发挥巨大的作用。并且 正如欧洲电信标准协会( e t s i ) 、日本无线工业事业联合会( a r i b ) 、美国 电信业联合会( t i a ) 提交的建议所显示的那样，c d m a 技术以其独有的 特点和优势已被确认将作为第三代移动通信系统的核心技术，其前景非常 广阔【1 1 。 1 1 2 c d m a 系统主要特性阳 c d m a 系统的主要特性【3 】可概括如下： 系统容量。c d m a 系统的设计容量远远高于现有的模拟数字系统。 容量的增大源于采用了一种改进的编码增益调制方式、话音激活 性、三分扇区和同一频率在每个小区和所有扇区的复用 业务质量。c d m a 通过在衰落环境下提供强大的运行和软切换功 能，从而改善了业务质量。c d m a 利用多经衰落来提高通信和话 音质量，通过试用r a k e 接收机和其他改进的信号处理技术，每 个移动台选择几个最强的多经信号并把它们相干叠加产生一个增 强信号。因此，射频信号的多径衰落在c d m a 中反而成了优点， 而在窄带系统中衰落则会引起信号质量的严重下降。通过使用软 电子科技大学硕士学位论文 切换，c d m a 消除了用户在小区边界以及在两个小区之间快速的 越区切换呼叫时发生的乒乓效应。乒乓效应会导致切换噪声，增加 交换设备的负载，提高发生掉话的概率。c d m a 软切换，即在与 目标小区连接的同时保持与目前服务小区的连接，两者运行在同一 载频。这一过程保证了呼叫在小区间的平滑切换，而用户察觉不到 这种变化。与之相对应的是，许多模拟和其它数字( t d m a ) 系统 使用“先断后接”方式，需要改变频率，从而增加了切换噪声，提 高了掉话率 经济性。c d m a 是一种即经济又高效的技术，需要的小区数较少， 频率复用方案也不昂贵。c d m a 移动台的平均发射功率在6 - 7 m w ， 比目前一般f m 和t d m a 电话的平均发射功率低很多。发射功率 低意味着延长了电池平均寿命。 1 1 3 第三代移动通信系统 c d m a 业务提供者利用他们的平台进一步开拓增强业务潜力的时候即 将到来。业界已经有许多关于第三代数据业务能力的讨论，未来p c s 提供 者能以高接入速率与有线业务提供者竞争。p c s 业务提供者有望提供系 列不同种类的业务、例如因特网和企业网接入、多媒体应用、高速商务处 理、遥测业务等。c d m a 网络为运营者提供了一个向3 g 移动系统平滑过 渡的途径。 考虑到可利用频谱的限制，第三代移动系统的重点是从用户的角度实 现无缝业务的网络和无线传输设计的经济性。第三代移动系统使用户能无 缝接入到固定数据网，把它设想成未来固定数据网的无线延伸，是固定网 络基础设施的一个部分。 在欧洲，目前正深入研究的三种网络平台是：未来公众移动电话系统 ( f l p m t s ，目前称为i m t 一2 0 0 0 ) 、移动宽带系统( m b s ) 和无线局域网 ( w l a n ) 。i m t 一2 0 0 0 相对于第二代系统的一个主要不同是它的分层小区 结构，通过使用先进的传输技术和协议来支持大范围的多媒体宽带业务。 第二代系统主要使用单层小区结构，临近小区的频率复用方式为：单个小 区只管理它自己的无线区域和移动网内部的无线电路控制、包括业务管理 和切换处理。由于频谱的限制，也由于无线传输的灵活性，主要针对话音 和低速数据速率优化的限制，每个小区支持的业务量是固定的。业务量增 电子科技大学硕士学位论文 加将导致蜂窝系统重新配置，如小区分裂和分区。 i m t 2 0 0 0 多层小区结构的目的是解决这些问题，在覆盖范围很大的宏 小区结构上不连续地叠加上微小区和微微小区。同样地，在部署宏小区和 支持长途业务不经济的地区，可以使用全球卫星小区提供覆盖 由于微微小区的低移动性和小延迟扩展性能，与支持高移动性的低比 特率和低业务量相比，可以以较低的复杂性支持高比特率和高业务密度。 用户希望使用一种固定程序，以统一的方式选择业务，不管这些业务是固 定的还是移动的。智能卡允许用户在具有不同功能( 话音、多媒体、数据、 短消息) 的不同终端上登记，从而摆脱位置和接入方式的限制。 考虑到移动通信不断增长的市场需求和无线频谱是非常稀有和昂贵的 资源，选择一个多址接入方式的无线接口参数是事关频谱效率的关键问题。 在先进通信设备研究( r a c e ) 项目框架下进行了几种不同方式的比较评 估。一种可能的解决方案是使用c d m a t d m a f d m a 混合技术，综合每 种方法的优点，满足不同蜂窝p c s 配置在信道容量，业务负载和传输质量 上的不同要求。这样一个混合接入方法的缺点是复杂度高，而且很难实现 简单的低功率、低成本发射机的设计和多层小区有效灵活的管理。 正如欧洲电信标准协会( e t s i ) 、日本无线工业事业联合会( a r i b ) 、 美国电信业联合会( t i a ) 提交的建议所显示的那样，3 g 系统选择了c d m a ， 欧洲和日本提议的宽带c d m a ( w c d m a ) 避开了i s 一9 5 的专利问题( i p r ) 。 北美的c d m a 2 0 0 0 采用了基于i s 9 5 b 标准的c d m a 空中接口，提供有线电 路质量的话音业务和高速数据业务，移动用户速率微1 4 4 k b p s ，静止用户 速率为2 m b p s 。i s 9 5 的6 4 k b p s 数据能力可提供在移动环境下的高速因特 网接入。这是其它窄带数字技术做不到的。 使用宽带c d m a 技术在1 0 年内可达到1 1 4 k b p s 的移动速率和超过 1 5 m b p s 的固定峰值速率，而且提供这些业务不降低系统的话音传输质量， 也不需要另外的频谱。这对大多数频谱受限的运营者有很大影响，在一个 1 2 5 m h z 结构中容量翻倍并获得1 5 m b p s 数据速率看起来非常有吸引力。 1 1 4 第三代移动通信系统关键技术 初始同步与r a k e 多径分集接收技术。c d m a 通信系统接收机的初 始同步包括p n 码同步，符号同步、帧同步和扰码同步等。c d m a 2 0 0 0 系统采用与i s 一9 5 系统相类似的初始同步技术，即通过对导频信道 电子科技大学硕士学位论文 的捕获建立p n 码同步和符号同步，通过同步( s y n c ) 信道的接收建 立帧同步和扰码同步。w c d m a 系统的初始同步则需要通过“三步 捕获法”进行，即通过对基本同步信道的捕获建立p n 码同步和符 号同步，通过对辅助同步信道的不同扩频码的非相干接收，确定扰 码组号等，最后通过对可能的扰码进行穷举搜索，建立扰码同步。 移动通信是在复杂的电波环境下进行的，如何克服电波传播所造成 的多径衰落现象是移动通信的另一基本问题。在c d m a 移动通信 系统中，由于信号带宽较宽，因而在时间上可以分辨出比较细微的 多径信号。对分辨出的多径信号分别进行加权调整，使合成之后的 信号得以增强，从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负 面影响。这种技术称为r a k e 多径分集接收技术。为实现相干形式 的r a k e 接收，需发送未经调制的导频( p i l o t ) 信号，以使接收端能 在确知已发数据的条件下估计出多径信号的相位，并在此基础上实 现相干方式的最大信噪比合并。w c d m a 系统采用用户专用的导频 信号，而e d m a 2 0 0 0 下行链路采用公用导频信号，用户专用的导频 信号仅作为备选方案用于使用智能天线的系统，上行信道则采用用 户专用的导频信道。r a k e 多径分集技术的另外一种极为重要的体 现形式是宏分集及越区软切换技术。当移动台处于越区切换状态 时，参与越区切换的基站向该移动台发送相同的信息，移动台把来 自不同基站的多径信号进行分集合并，从而改善移动台处于越区切 换时的接收信号质量，并保持越区切换时的数据不丢失，这种技术 称为宏分集和越区软切换。w c d m a 系统和c d m a 2 0 0 0 系统均支持 宏分集和越区软切换功能 高效信道编译码技术第三代移动通信的另外一项核心技术是信 道编译码技术。在第三代移动通信系统主要提案中( 包括w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等) ，除采用与i s 一9 5c d m a 系统相类似的卷积编码 技术和交织技术之外，还建议采用t u r b o 编码技术及r s 卷积级联 码技术。 智能天线技术从本质上来说，智能天线技术是雷达系统自适应天 线阵在通信系统中的新应用。由于其体积及计算复杂性的限制，目 前仅适应于在基站系统中的应用。智能天线包括两个重要组成部 分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角( d o a ) 估 计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰。二是对基站发送信 电子科技大学硕士学位论文 号进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向 发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其它移动台的干扰。 多用户检测技术在传统的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。而使用多用户检测技术能够在极大程度上改善系 统容量。 功率控制技术在c d m a 系统中，由于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，从而使得功率控制技术成为c d m a 系统中的最为重要的核心技术之一。 1 2 c d m a 同步技术重要性和本文的研究意图 上一节我们看到c d m a 系统具有诸多优点，例如它的频率分配，软越 区切换，抗多径等等。而对于c d m a 移动通信系统来说p n 码的同步占有 举足轻重的地位。因为只有在接收机使本地p n 序列的相位与接收信号p n 序列的相位准确一致的情况下，才能解出接收信号所传输的数据信息。但 是扩频信号占用频带宽，同步较困难，所以在c d m a 中，首先要解决同步 问题。 一、同步不确定性的来源 扩频通信系统相对于同步来说存在码相位和载波频率两种不确定。必 需把本地载波频率控制到足够准确以便解调器能够很好的工作。在发射机 和接收机中采用精确频率源就可以去掉大部分码速率，相位和载波频率的 不确定性。此时，由于移动台运动而产生的多普勒效应将影响载波频率和 码速率。这是移动通信中频率不确定的主要来源，同时移动台的相对位置 变化将改变电波传输路径的长度，影响到达时的码相位。 二、同步的种类 一般的扩频系统同步包括：载波同步、位同步、序列同步三种。其中 比较重要的是扩频序列同步。扩频系统要求接收机中产生与接收信号同步 的p n 码序列用于解扩接收。一般来说，p n 码相位同步过程通常分为两步， 也就是捕获和跟踪过程。 同时，与其它通信系统相比，移动通信信道是最为复杂的一种。多径 电子科技大学硕士学位论文 衰落和复杂恶劣的电波传输环境是移动通信信道的特征。这是由运动中进 行无线通信这方式本身所决定的，在典型的城市环境中，一辆快速行驶 的车辆上移动台所接收到的无线电信号在一秒钟内的显著衰落可达数十 次，衰落深度可达2 0 3 0 d b 。这种衰落现象严重降低接收信号的质量，同 时对p n 码相位同步带来严重影响。 1 3 本文所做工作 1 3 1 适用于低信千比下p n 码相位同步技术研究 本文针对c d m a 移动通信系统中p n 码相位同步技术进行了研究。从 实际应用的角度出发，在对几种主要的p n 码相位同步算法进行分析的基 础上，研究了c d m a 系统低信干比下p n 码相位同步技术。论文的第二章， 描述了现有的几种主要p n 码相位捕获技术和p n 码相位跟踪技术。第三章 里，提出了一种利用c d m a 分组串并行干扰对消( g s p i c ) 多用户检测技 术和传统p n 码相位捕获技术相结合的新方法，用于在较低信千比下提高 p n 码捕获器的性能。同时，一般来说，在p n 码相位捕获阶段，收发信机 间往往存在频率误差，所以常采用非相干方式，即通过检测相关器输出的 相关值能量来控制捕获搜索。本文研究了一种用于p n 码相位捕获的差分 相干方法，通过仿真和理论测试，在一定环境下性能优于传统的非相干方 法。本文的第三章也将对这种方法进行详细的分析。第四章的内容是利用 差分相干方法提高传统p n 码相位跟踪器的性能。第五章在w c d m a ( f d d ) 系统模型下有关p n 码相位捕获和跟踪算法的性能仿真。 1 4 1 x 结 本章首先介绍了c d m a 移动通信系统的现状和发展历程。同时说明了 c d m a 移动通信系统的主要关键技术，以及研究这些技术在国民经济发展 中的意义。其次，分析了p n 码相位同步技术在c d m a 移动通信系统中的 重要性以及论文安排。 电子科技大学硕士学位论文 第二章p n 码相位同步技术 c d m a 系统通常用p n 码来区分用户。在接收端，系统根据相应的p n 码，将不同用户数据分别检测出来。在检测过程中，p n 码的同步就成为左 右检测性能的关键技术。根据不同p n 码之间良好的互相关性和码本身的 自相关性，可以建立起收发端同步，从而为进一步检测扩频信号提供可能 1 4 】。 2 1 现有p n 码相位捕获技术如 2 1 1 p n 码特点及相关原理 p n 序列，又称为伪随机序列，由于其良好的互相关性和自相关性能， 所以在c d m a 系统中作为地址码。不同的用户仅根据被调制的p n 码的不 同加以区分。相互间共享同一宽频资源。伪随机序列一般有以下要求 具有良好的伪随机性，该特性使接收端能够根据已知的p n 序列来 解调扩频信号。而无关的接收者则难以将信息检测出来 具有良好的自相关性，互相关和部分相关性能，即自相关值锋锐， 互相关和部分相关值接近于零，便于接收端准确的把信号检测出 来，并减少检测差错 随机序列数目足够多，保证有足够的地址码可以分配给不同用户 易于实现，设备简单，成本低 以m 序列为例，其自相关函数为 r ( f ) = ，一剑且 1 k 瓦 1 k 自相关函数曲线图如下 f f h 乙 电子科技大学硕士学位论文 j 一+ 入。 ，一 o 、+ 一“k 7 k t l 一 图2 1 自相关函数曲线图 2 1 2 p n 码相位捕获原理 根据p n 码的自相关性，使得接收端能够从本地序列和接收序列的相 关运算中获得不同的相关值。接收机开始接收发送来的扩频信号时，调整 和选择接收机的本地扩频序列相位。当本地序列和接收扩频信号序列的相 位误差在很小范围之类时，得到的相关值较尖锐。同时通过设定特定的相 关值门限，可以初步判断接收端是否达到了相位同步。这就是p n 码捕获 的基本原理。在实际系统中，都是通过类似的方法实现p n 码的同步。同 时对于p n 码的捕获，有三个基本要求。 捕获速度快，在低信噪比和低信干比及受深衰落影响时，也能够迅 速的实现捕获 抗干扰能力强，在受强干扰，噪声和深衰落情况下，错捕概率小， 失步概率小 电路简单，易于实现 为了满足这三个要求，人4 1 对捕获方法进行了大量的研究。从不同的 原理出发，得到的方法也不尽相同，目前的捕获方法可以分为 顺序搜索法或滑动相关法 v ，并行搜索法 串并行混合法 匹配滤波器法 新技术 电子科技大学硕士学位论文 衡量一个捕获系统性能的参数主要有三个：捕获时间，错捕概率和系 统硬件复杂度。在下面我们将对上述几种方法作简单的介绍。然后结合这 几个参数，对它们的特点做出分析。由于门限判决技术贯穿于捕获系统中， 所以我们也将对结合门限判决技术详细讨论捕获系统。 2 1 2 1 顺序搜索法( 滑动相关法) 顺序搜索法的原理是：不断改变本地序列的相位，并在该相位点上进 行相关检测，根据检测的结果判断当前相位是否达到同步。开始时随机或 固定设定本地序列的初始相位。进行相关运算和判决。如果不同步，则顺 序改变相位，再进行一次运算。依次改变本地序列相位，直到检测到同步 相位为止，顺序搜索原理的实现电路如下 接收信号 图2 - 2 顺序搜索法原理框图 顺序搜索法是当前研究得比较透彻的一种方法，它的优点是电路简单，易 于实现。但其缺点也很突出。当p n 码序列长度很长时，如果搜索的初始相 位和同步相位差得很远，要逐位移动实现捕获的时间会很长。根据文献结 果，如果简单按照原理图实现电路，则最大捕获时间为顺序搜索完所以相 位后的时间。很显然，在实际系统中。是不能接受如此长的捕获时间。 顺序搜索法的实际实现方案可分为单积分滑动相关法。串行双积分滑 动相关法和并行双积分滑动相关法。单积分滑动相关法就是顺序搜索法原 电子科技大学硕士学位论文 理的简单实现。 为了缩短捕获时间，可把单积分滑动相关处理改为双积分滑动相关处 理。具体又可分为串行双积分滑动相关系统和并行双积分滑动相关系统。 串行双积分系统原理如图2 3 电路 图2 3 串行双积分滑动相关捕捉系统 此系统把原单一积分器改为积分时间分别为，和死，的两个积分器。 第一个积分器提供一个捕捉到的扩频序列相位的估值。第二个积分器在此 基础上提供一个本地扩频序列是否进入同步的更准确的估值。其处理流程 是：先由第一积分器工作，根据设定的门限进行初步判断是否进入了同步。 如果超过门限，则第二积分器开始工作，不改变本地扩频序列相位进行积 分。它将提供更高的检测概率和更低的虚警概率。如果第二积分器输出大 于设定门限，则完成捕获，启动同步电路。如果小于门限，则输出信号改 变相位，重复上述相位搜索过程。实际上，这种方案把同步分为两步，即 初检过程和证实过程。和串行系统不同，并行系统的第一积分器( 积分时 间为，) 和第二积分器( 积分时间为：) 同时工作。同时输出积分门限 比较信号。当两个积分输出均大于各自设定的门限时，则完成p n 码的相 位捕获过程。然后启动同步跟踪电路工作。只要其中一个积分输出低于设 定门