（通信与信息系统专业论文）基于scdmatdd方式的无绳通信系统研究.pdf

基于s c d m a r d d 方式的无绳通信系统研究一一摘要 摘要 i 移动通信网络从开始实用到现在近二十年的时间，其发展速度非常惊 人隧漕移动业务的激增，以及计算机和数据终端的广泛应用，非话音业务 迅速增加，使得人们一直非常重视移动通信系统的研究和开发，目标是建立 一种频谱利用率高、通信容量大和服务能力强的新型移动通信系统。 本论文对基于s c d m a t d d 技术的无绳通信系统进行了研究，针对当 前实际情况，提出了一些设想和建议主要有以下几个方面： 1 、针对频谱利用率问题，提出了在低速移动系统中采用星型1 6 q a m 调制方式( 将来可采用更高频谱利用率的6 4 q a m ) ，使频谱利用率达到 3 b i t s s h z 2 、针对移动通信系统中的干扰问题，提出了利用空分和跳频接入，充 分利用现有先进技术解决存在的问题 3 、针对多种业务并存的问题，提出利用多种不同信道格式传输不同业 务需求的解决方案 4 、对系统包格式和控制信令进行了必要的说明。 5 、对系统硬件结构作了详细的讨论 6 、对系统采用的跳频序列的产生作了详细的说明，并对跳频频率合成 器进行了理论和实验研究一7 论文主要分为五部分： 1 、相关理论介绍，包括扩频理论、c d m a 及其关键技术、1 6 q a m 调制解调以及现有的无绳通信系统标准等 2 、系统设计方案：包括系统设计目标、结构、协议栈，并对系统接口、 业务类型、采用的先进技术以及基本性能指标进行了说明 3 、 系统规范：主要定义了系统的射频和基带两方面的基本规范在射 频部分，定义了物理信道和逻辑信道，对频谱进行了分配，对发射功率及其 它性能指标作了说明和定义；在基带部分，对连接类型、传输速率、包格式 及部分信令作了定义和说明 4 、 系统硬件结构：主要对系统的硬件框架进行描述，对其进行分解， 使之模块化，便于将来具体设计应用 山东大学硕士学位论文 5 、 对系统的关键部分一一跳频序列和频率佥点! 墨进行了较为详细的 理论和实验研究，给出了实现方式。 本论文完成了s c d m a t d d 无绳通信系统的先期设计工作，对系统的 基本协议和基本结构作了说明和描述，提出了下一步研究的重点本文对无 绳通信及移动通信系统提供了一种新的发展思路 主题词：无绳通信s c d m ，a t d d 跳频规范 v x a b s t r a c t i t si u s tm o r et h a nt w e n t yy e a r sf r o mi t sb i r t ho f t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s b u ti t sd e v e l o p m e n ti sw o n d e r f u l w i t ht h ep r o l i f e r a t i n go f t h em o b i l e s e r v i c e s ，t h ew i d ea p p l i c a t i o no f c o m p u t e r s a n dd a t a t e r m i n a l s ，n o n - p h o n i c s e r v i c e s a r ei n c r e a s m gr a p i d l y s oi t sa t t a c h e di m p o r t a n c et or e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，a i m e d t oe s t a b l i s han c wm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i t hh i g h - s p e c t r u m - u t i l i z a t i o n , h e a v yc a p a c i t ya n dp o w e r - s e r v i c e i nt h i sp a p e r , ad i g 砌c o r d l e s s t e l e p h o n e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nt h e s c d m a t d dt e c h n o l o g yw a sr e s e a r c h e d a i m e d a tt h e p r a c t i c a l i t y , s o m e s u g g e s t i o n sa n dp l a n w e r e b r o u g h t f o r w a r d t h e r ea r es i xm a i n p o i n t s i nt h e p a p e r 1 a i m e da tt h eq u e s t i o no f t h es p e c t r u m - 删o n , as t a r1 6 q a m w a s g i v e n i nt h es y s t e m , a n d t h e 印e c 仉m 卜u t i l 汤垃o n c a n u p t o3 b i t s s h z 2 a i m e da tt h en o i s ei nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，t h es p a c ea n d f r e q u e n c yh o p p i n g w e r e g i v e n i nt h i sa c c e s ss y s t e m 3 b e c a u s et h e r ea r em a n yk i n d so f s e r v i e e si nas y s t e m , a r e s o l v i n g t h a t u s e sk i n d so fc h a n n e l st ow a n s l a t ed i f f e r e n ts 朗呐。胬w a sb r o u g h t f o r w a r d 4 t h ef o r m a to fp a c k e t sa n dt h ec o n t r o l s i g n a l i n g 、 f 口_ ee x p l a i n s n e c e s s a r i l y 5 t h ef i a m e w o r ko f t h e s y s t e m w a sd e t a i ld k s c t m e d 6 d e r a i lr e s e a r c ha b o u tt h es e q u e n c eo ft h ef r e q u e n c yh o p p i n gs y s t e m 2 基于s c d m a t d d 方式的无绳通信系统研究一一摘要 w a s 百v e r lt om ef r e q u e n c y - h o p p i n gs y n t h e s i z e r , t h et h e o r e t i c a n d l a b o r a t o r i a lr e s e a r c h e sw e r ed o n e t h e p a p e r i n c l u d ef i v em a i n p a r t s ： 1 t h ei n t r o d u c t i o no fc o r r e l a t i v et h e o r y , i n c l u d et h es p r e a ds p e c u - u m t h e o r y ，t h ec d m a a n di t sk e y t e _ x ：h n o b g i e s ，s 瞰1 6 q a mm o d u l a t o r a n dd e m o d u l a t o r , t h ec o r d l e s s t e l e p h o n e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s p r o t o c o l smb e i n 吕a n d s oo n 2 n l es c h e m eo f t h es y s t e m d e s i g n , i n c l u d e t h ea i mo f t h e s y s t e md e s i g n , t h e 矗a n q e w o r ka n d p r o t o c o lo f t h es y s t e m , t h ei n t e r f a c e s ，t h e a d v a n c e d t e c h n o l o g i e sa d o p t e d a n dt h eb a s i cp e d b 册a n c e s ，e c c 3 n l e s p e c i f i c a t i o no f m es y s t e m , m a i n l y d e f i n e st h eb a s i cs p e c i f i c a t i o n o ft h er a d i oa n dt h eb a s e - b a n & i nt h er a d i os p e c i f i c a t i o n , w ed e f i n e d t h e p h y s i c a la n d t h el o g i c a lc h a n n e l s ，a s s i g n e dt h es p e c t r u m , d e f i n e do r e x p l a i n e dt h et r a n s l a t ep o w e r a n do t h e r p e r f o r a t i o n s i nt h eb a s e b a n d s p e c i f i c a t i o n , t h e l i n k t y p e s ，t r a n s l a t er a t e s ，p a c k e t f o m a a t sa n ds o m eo f t h e s i g n a l i n g w e r ed e 丘n e d 4 刀，eh a r d w a r ef i a m e w o r ko f s y s t e m , r m 2 n l yd e s c r i b e dt h eh a r d w a r e f i a m e d e c o m p o u n d e d a n dm o d u l a r i z e dt h ef r a m e , c o n v e n i e n tf o rt h e d e t a i ld e s i g ni nt h ef u t u r e 5 t 0m e k e yp a r to f t h es y s t e m - - - - f r e q u e n c yh o p p i n gs e q u e n c 圮a n d t h e f r e q u e n c ys y n t h c s i z e r , ad e t a i lt h e o r e t i c a la n d l a b o r a t o r i a tr e s e a r c hw a s d o n e ，a n dg a v e t h er e a l i z a b l em e t h o d w eh a v ec o m p e t e dt h ep r e - d e s i g no f t h ed i g i t a lc o r d l e s st e l e p h o n es y s t e mi n t h i sp a p e r , 1 h eb a s i cp r o t o c o la n df a m eo ft h es y s t e mw e r ed e s c r i b e d , a n dt h e r e s e a r c hk e y s t o n e si nt h ef u t u r ew e r er a i s e d 1 1 1 i sp a p e rg i v e san e w w a yo f t h e d e v e l o p m e n t o f t h em o b i l e d i s t a l c o r d l e s s t e l e p h o n es y s t e r r s k e yw o r d ：c o r c u e s sc o m m u n i c a t i o n s c d m a i d d f r e q u e n c y - h o p p i n gs p e c i f i c a t i o n 基于s c d m a t d d 方式的无绳通信系统研究一一符号说明 4 符号说明 s c d m a ：( s p a c e c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 空间及码分多址 t d d ：( t i m e d i v i s i o nd u p l e x ) 时分双工 。 q h m ：( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 正交振幅调制 c t ( c o r d l e s st e l e p h o n e ) p 无绳电话 f h ：( f r e n q u e n c eh o p p i n g ) 跳频 7 基于s c d m a 厂r d d 方式的无绳通信系统研究一一第一章绪论 第一章绪论 现代社会已步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起 着支撑作用由于人类社会生活对通信的要求越来越高，世界各国都在致 力于现代通信技术的开发以及现代综合通信网的建设 自从二十世纪九十年代以来，移动通信尤其是数字移动通信 得到了极大的发展。在我国，随着人民生活水平的日益提高，通 信事业也得到高速发展据统计，目前我国移动通信的用户已经 超过了8 0 0 0 万 作为移动通信的一个部分，低功耗系统一直是世界各国研究 的热点之一近年来，随着微蜂窝( m i c r o c e l l ) 和微微蜂窝 ( p i c o c e l l ) 的出现，以及人们对低电磁辐射的要求，低功耗系 统引起了人们的极大关注各国也越来越重视低功耗系统的研 究、开发和应用 目前已投入运营或已制定标准的低功率系统有：欧洲的 c t 2 、d e c t 、d c t 9 0 0 ；日本的p h s ；b e l l c o r e 的u d p c 以及美 国一些企业开发的i s m 频段的无绳电话系统，另外还有最新推 出的b l u e t o o t h 从根本上讲，它们都属于数字无绳通信系统的 范畴本文在对上述各种系统分析的基础上，提出了一种新的无 绳通信系统的解决方案，它能够提供当今所需的各种接入需要， 并在一定程度上满足未来的需求 第一节无绳通信系统的发展过程及现状 一、无绳通信的发展过程 早在7 0 年代末，大量的北美标准的无绳电话进入美国，这 种设备即c t 0 在英国，由于该标准应用的频段已作它用，因而 英国又制定了适应本国的国家标准u k c t i c t 0 和u k c t i 采 用的是模拟技术，由于通话质量，保密性等许多问题，限制了它 山东大学硕士学位论文 的进一步发展。 从8 0 年代起，就有英国的几家公司开始独立开发第二代无 绳电话( c t 2 ) ，并在1 9 8 7 年发表了b s 6 8 3 3 文件，规定了无绳 电话设备的详细的技术标准。在1 9 8 9 年又制定了c t 2 的公共空 中接口 在进行c t 2 的标准化的同时，人们也认识到c t 2 存在一些 不足，因而考虑只是将c t 2 作为一种过度性的标准，并于1 9 8 5 年开始着手制定泛欧洲数字无绳电话( d e c t ) 标准。1 9 9 0 年， 欧洲邮电委员会( c e p t ) 完成了d e c t 标准的基本框架1 9 9 2 年欧洲电信标准化委员会( e t s i ) 正式公布了d e c t 的空中接 口标准及有关测试的标准 与c t 2 相比，d e c t 具有更大的灵活性，它涵盖着非常广 泛的应用领域从家用、商用系统到公用无绳电话、无线本地环 应用等等，d e c t 都提供了优良的解决方案。基于d e c t 技术的 e p - - d e c t 技术已经被列为第三代移动通信i 玎t 技术侯选方案。 在欧洲进行无绳电话标准化的同时，日本、美国也分别制定 了各自的无绳电话标准p h s 和p a c s 其中p h s 系统由于政府 的因素，在日本和韩国获得了广泛的应用在我国，从去年开始 批准在部分城市中发展无线市话，其中首选的就是p h s 系统 我国的电信设备厂商，如中兴通信股份有限公司也具有生产无绳 市话设备的能力 1 9 9 9 年7 月，欧、美国、日本等国的一些重要的通信设备 供应商联合推出了b l u e t o o t h 通信技术，b l u e t o o t h 是新一代的低 功耗系统，由于其对现有的多种通信技术的支持，其发展前景非 常诱人 二、现状 在历史上，c t 0 和u k c t i 曾因其便利性而获得广泛的应用。 但随着科技的发展，在发达国家它逐步退出了市场，但在我国等 许多发展中国家仍然有一定的市场c t 2 在欧洲曾获得较快的发 展和一定的应用，但随着新技术的出现及c t 2 系统本身所固有 基于s c d m a t d d 方式的无绳通信系统研究一一第一章绪论 的缺陷，以及d e c t 等技术的出现，使得它很快退出了市场目 前，d e c t 作为“无绳办公室”的主流技术在欧洲已经广泛应用。 而且有很多国家和地区决定采用d e c t 系统。 对于p h s 系统，由于其低廉的价格和方便的使用获得了广 泛的应用当然，这与政府的支持同样是密不可分的在美国， 由于技术的发展，人们已逐步开始关注以c d m a 技术为核心的 新一代无绳电话系统，并已有公司推出了基于c d m a 技术的无 绳电话系统 三、无线技术未来的发展方向 随着社会的进步与科技的发展，人们对各种业务的需求日益 增加迄今为止，各国电信业务的7 0 9 0 的业务量仍然为电 话但随着i n t e r n e t 的高速发展，各种高速业务的增长非常迅速， 同时人们对各种各样的信息服务也表现出极大的兴趣。按照美国 贝尔通信研究所的调查结果显示，近期用户的主要宽带业务有以 下几类： 1 、点播电视( v 0 d ) 或准点播皂视( n v o d ) ； 2 、交互式图像游戏或图像业务； 3 、远程教育； 4 、多媒体库； 5 、 事务业务如这类业务允许用户参与交互式事务，诸 如银行、购物、要求服务、预购机票等。 就现在的各种无线通信系统而言，其数据率仅在几到几十 k b p s ( b l u e t o o t h 可以支持接近1 m b p s 的高速异步数据传输，但 由于其规定的发射功率等原因，其传输距离比较近，仅在1 0 0 米 以内) ，不可能进行高速数据的传输未来的无线通信体系将不 再是单一的通信体系，它必须支持多种多样的业务，其中包括高 速数据传输 第二节前期工作和本文所探讨的问题 山东大学硕士学位论文 在本系统设计之前，作者对模拟无绳电话系统进行了详尽的学习和研 究，并提出了自己的设计方案。在数字系统方面，作者对c t 2 、b l u e t o o t h 系统进行了较为详细的研究，对d e c t 、p h s 、p a c s 系统也有一定的了 解。另外，作者对现代通信中的最新技术也作了大量的研究，了解并基本 掌握了c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 、t d - s c d m a 等第三代移动通信技术，以 及新一代互连网协议i p v 6 的基本内容。本文的很多观点和建议就是在上 述通信系统的基础上提出的。 结合上面所介绍的多种数字无绳电话系统的原理、结构和标准，并结 合当前通信网的具体情况，作者在本文中提出了一种新颖的数字无绳通信 系统。该系统将计算机网络、数据通信和语音通信结合在一起，实现了“三 网合一”。另外，根据具体的应用情况，该系统可采用多种不同的应用方 式 基于本系统特定的应用环境，该系统采用高频谱利用率的 1 6 q a m 调制方式，并采用s c d m a j t d d 等先进技术来扩大系统 容量，简化系统安装及小区规划等 本文主要探讨了系统的原理、结构及标准等系统方面的问 题，对于硬件实现，本文仅就其中部分进行了实验在系统的标 准中，本文主要对系统射频规划、系统信道类型及传输速率、帧 格式及信令等内容进行了定义和描述，并提出了解决无绳通信系 统移动性问题的方法。在系统结构设计中，作者对系统进行了较 为详细的划分，对每部分完成的功能和实现方法提出了自己的见 解 基于s c d m a t d d 方式的无绳通信系统研究一一第二章 相关理论基础介绍 第二章相关理论基础介绍 在建立具体系统模型之前，有必要对系统所采用的技术以及 相关理论进行简要介绍。本章主要就扩频理论基本原理、c d m a 关键技术及现有无绳通信系统的标准进行了简单分析，为后续系 统的建立奠定理论基础。 第一节扩频基本理论 扩频技术的基本理论根据是信息论中的香农公式，可表示为： c = w l 0 9 2 ( 1 + s n ) ( 2 i i ) c 是信道容量，形是信道带宽，是噪声功率，s 是信号功率。 香农公式表明了一个信道无误差地传输信息的能力同存在于信道中的 信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系 令c 是希望具有的信道容量，即要求的信息，对上式进行变换，得 c w = 1 4 4 1 n 0 + s n ) ( 2 1 ：2 ) 由于0 s n i 。将上式按幂指数展开为 c 肌4 例一圭( 熹) 2 + ；( 舻矧4 + 矧5 。 对于干扰环境中的典型情况，s n i ，略去高次项得： c w = 1 4 4 8 n 又可变形为： s = 1 4 4 w c * w c( 2 1 3 ) 由上式可以看出，对任意给定的噪声信号比，只要增加用于传输信息的带 宽，理论上就可以增加在信道上无误差地传输的信息率只要将欲传输的 信息先用某种方式扩展其频谱，再把接受信号的频谱范围变换到原始信息 带宽，信噪比就可以大大提高 为了进一步阐述扩谱的概念，我们把一个d 维信号用 一个m 维信号空间的正交集来表示， 山东大学硕士学位论文 即s ，( ，) = m 氐。i ( ，) 1 j d，0 f r( 2 i 4 ) 式中。( f ) ，1 k m ) 是一个正交函数集， r 谚。，力c d = 屯= ：；i 乡 每一个信号的平均能量是r 丽= 善m 。t 2 = b 将这个d 维信号的能量均匀分布于肘维信号空间 的互相正交的m 个基本方向，且使每一个分量的平均 值为零。这样就有下列方程 西= ( e s m ) 8 “ 1 i d ，( 2 1 5 ) 下面再考察一个分布于m 维空间的干扰 川) = 以。( ，) 0 r t ( 2 i 6 ) 其中0 f t ，其总能量是f ，2 ( f ) d t = m ，；= e j 设干扰是均值为零的加性干扰这样接收信号可表示为 r ( f ) = s 0 ) + j ( f ) ( 2 1 7 ) 使接受信号同某个信号相关，第i 个相关器输出为 u ，= ir ( t ) s ，( t ) d t = ( j ：+ 以屯) ( 2 1 8 ) 信号和干扰相互独立，因此条件均值 e ( u ，s ) = s ：= b ( 2 1 9 ) - 1 已假设信号是d 维的，在每个分量能量相等的条件下 ( u ) t b d ( 2 1 1 0 ) 综合以上几式，求得条件方差是： l o 基于s c d m a t d d 方式的无绳通信系统研究一一箜三茎塑差堡堡垄兰! 尘塑 v a r ( u s f ) - 丽= e , e j m - ， 方差是： v a r ( u , ) = e e ，d m ( 2 1 1 i ) 接收机性能由信噪比衡量信噪比可由下式来计算 s n r = e 2 ( u ) f a r ( u ) = ( e s d ) 2 ( e s e d m ) = ( e s e j ) ( 肘d ) ( 2 1 12 ) 这一结果同干扰如何分配其能量无关即在约束条件 彳= 乞 ( 2 1 13 ) 下不管如何选择j 。，信噪比公式给出给出了经扩维处理 后信号相对于干扰的增益为( m d ) 。这一系数m d 就是 处理增益，它正好等于可能的信号空间维数( 这个信号 空间正是干扰试图占有的空间) 同传输信号实际需要的 维数之比 假设信号长度是丁，信号带宽是b d ，扩频后信号 带宽成为b 。，扩谱前后的信号维数可近似为2 b d 丁和 2 b 。t 。因此，处理增益是 q = 忍b o ( 2 1 1 4 ) 上式说明，扩频增益就是扩展带宽b 。和传送信息所需 的最小带宽之比。 第二节多址方式 在移动通信系统中，有许多用户要同时通过一个基站和其他用户进行 通信，因而必须对不同用户和基站发出的信号赋予不同的特征，使基站能 从众多的用户信号中区分出是哪一个用户发出的信号，而用户又能识别出 山东大学硕士学位论文 基站发出的信号中哪一个是发给自己的，解决这个问题的方法称为多址技 术。 多址方式的基本类型有频分多址( f d m a ) 、时分多址 ( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 。在实际应用中，经常用到其 它一些多址方式，其中也包括这三种基本多址方式的混合多址方 式，比如时分频分多址( t d m a f d m a o ，码分频分多址 ( c d m a f d m a ) 等等。 频分多址( f d m a ) 频分多址是把通信系统的总频率划分成若干各等间隔的频道 分配给不同的用户使用。这些频道互不重叠，其宽度应能传输一 路数字话音信息，而且在相临频道之间无明显的串扰 在f d m a 系统中，任意两个移动用户之间进行通信都必须 经过基站的中转，因而必须同时占用4 个频道才能实现双工通 信。移动台在通信时占用的频道不是固定的，它通常是在通信建 立阶段由系统控制中心临时分配的，通信结束后，移动台将退出 它占用的频道，这些频道又可以重新给别的用户使用。 f d m a 的技术比较成熟，而且可以与以往的模拟制式兼容 但由于系统中同时存在多个频率的信号，容易形成互调干扰。 时分多址( t d m a ) 时分多址是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙， 然后根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙 向基站发送信号。在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各个时隙 接收到各移动台的信号而不混扰。同时，基站发向移动台的信号都按顺序 安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合 路的信号中把发给它的信号区分出来。 与f d m a 系统相比，t d m a 系统具有以下特点： t d m a 系统的基站只用一部发射机，可以避免f d m a 系统 因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调失真 t d m a 系统不存在频率分配问题，对时隙的管理和分配通常 比对频率的管理与分配简单而且经济； 基于s c d m a t d d 方式的无绳通信系统研究一一第二章相关理论基础介绍 移动台只在指定的时隙中接收基站发送给它的信息，因而在 一帧的其它时隙中，可以用来测量基站发送的信号强度，或检 测基站的控制信息等，这对加强通信网络的控制功能非常有利； t d m a 系统必须有精确的定时和同步，以保证各移动台发送 的信号不会在基站发生重叠或混淆，并且能准确地在指定的时隙 中接收基站发送给它的信号。同步技术是t d m a 系统正常工作 的重要保证。 码分多址( c d m a ) 码分多址是建立在扩频理论上的一种通信方式在c d m a 通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或 时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说， 靠信号的不同波形来区分 与f d m a 系统相同，在c d m a 通信系统中，用户之间的信息传输也 是由基站进行转发和控制的。但c d m a 系统既不分频道也不分时隙，无 论传送何种信息都靠不同的码型来区分类似的信道属于逻辑信道。这些 逻辑信道无论从频域或者从时域来看都是互相重叠的，或者说他们均占相 同的频段和时间 作为一种新的通信系统，码分多址主要有以下特点： l 、由于是宽带传输，抗多径衰落性能强； 2 、由于低功率谱密度传输和按地址码选取信息，抗干扰性能和保密性 强 3 、容量具有软性限制； 4 、软越区切换 多址方式下的用户容量 从理论上讲，频分、时分和码分多址都提供同样的容量它们只是把 信号空间按频率、时隙或正交码进行分割但由于技术的难易、成本的高 低，它们实现的容量是不同的 1 ，嬲址 、 频分多址是一种单路单载波结构它的技术比较简单，但是硬件结梅 支撑的结构，灵活性差它一般采用7 区制，频率重用效率为1 7 山东大学硕士学位论文 2 、蝴址 实际上采用的都是频分时分多址方式在同样的编码和调制下，时分 多址的容量与频分多址相似。大时分多址采用数字话音内插技术可以提高 容量约1 倍，这是频分多址所无法比拟的。 时分多址的频率重用效率也是1 ，7 。它的一个优点是对电路级技术进行 和大的改进，使其具有很大的灵活性。 3 、码分多址 码分多址系统容量分以下四各方面来讨论： 区的基本容量 码分多址是依靠不同的地址码来进行信号的复用和多址选用用户之 间的关系决定于地址码的相关性。在实际应用中，地址码的相关性不可能 是理想正交的，因而码分多址的容量基本上决定于多址干扰。由于用户数 量大，按大数定律可以认为多址干扰等于用户数乘以接收到的全部用户功 率平均值令c 为基站接收到的手机发出的平均功率，它等于兄邑，只是 传输码率，晟是每比特的能量；i 是干扰，它等于w n o ，其中矽是系统的 传输频带宽度，是干扰功率谱密度。于是有： ：堕 ( 2 2 1 ) ，唧。 由于卢c n - ) c ，是区的总用户数，所以有： n 一1 ：丝上：g 上( 2 2 2 ) r e n oe e n o 其中g = w r 为扩频增益。由于区内各手机于基站的距离不同，在基 站接收到的各手机发来的信号强度也不同。为减少多址干扰，必须对手机 的发射功率进行控制，使基站接收到的各手机的信号强度一致。上面公式 表示在理想功率控制下的容量。 频率重用效率 在码分多址系统中，频率重用是1 但考虑到临区干扰，重用效率会 小于1 事实上，上面公式中的，是本区和临区的手机共同产生的。假定 各区的手机数相同，等于它们相应由各区的基站进行功率控制。本区 的多址干扰可以近似为n c 。在相临第一层有6 个区的干扰这些区的 1 4 基于s c d m a t d d 方武的无绳通信系统研究一一第二章 相关理论基础介绍 各干扰一方面受本区的功率控制，一方面传播到被干扰区基站要有传输损 耗，与e d 一，成比例分析表明，第一层各区的干扰只是本区的1 1 2 。第二 层以上的区引起的干扰更小因此可以考虑本区干扰占6 4 左右，所以频 率重用效率约是2 1 3 。 扇区划分 如果区的基站采用定向天线，如典型的1 2 0 0 扇形天线阵，则由于天线 只接收区中l 3 方向的手机的信号，干扰也就减少为n c _ 2 3 在理论上可以 增加系统容量至3 倍。实际应用中，由于天线有旁瓣，可考虑容量增到2 5 5 倍 话音激活 在一个双工通信中，通话的占用周期一般小于3 5 。在码分多址系统 中，采用可变速率编码，在通话的不占用周期中，码率降低显然复用的 多址干扰功率就会减少，容量就可以提高估计话音激活技术可提高容量 一倍 考虑到各种因素，一般估计c d m a 系统的通信容量有可能达到f d m a 模拟系统的2 0 倍，达到数字t d m a f d m a 系统的4 倍 第三节c d m a 系统的关键技术 一，功率控制 虽然c d m a 技术能大大提高通信系统的容量，但采用c d m a 也存在 技术上的困难，其中功率控制技术是实现这种通信系统的主要技术难题之 一，如果功率控制离标准1 - 2 d b ，就会使容量下降3 0 功率控制又分为 反向功率控制和正向功率控制 i 、正向功率控制 对于c d m a 系统，每个基站对小曲内所有用户发射信号，因此每个 用户的接收信号包括所需信号和其它k - 1 个用户的多址干扰( 足为小区的 用户数) 对于单- b 区的情况，如果寝；站对每个用户的发射功率相同， 则无论用户在什么位置，其接收信号的s i r 都为1 ，( k - 1 ) 显然，单一小 区的c d m a 系统不需要正向功率控制对于c d m a 蜂窝系统，用户不仅 山东大学硕士学位论文 受到来自本小区基站的干扰，而且受到周围小区基站的干扰，特别是位于 小区边缘的用户受到很强的来自周围小区的干扰解决这个问题的有效方 法是正向功率控制。 、远近控制 如果能知道用户在小区内的位置，基站可以根据基站和用户之间的距 离确定发射信号的功率，即： 只* r ( 2 3 1 ) 其中矿是基站与第f 个用户之间的距离玎是一个常数，取成达到正 向链路的最大容量。 用远近控制方法实现的正向功率控制适用于非阴影衰落的环境，因为 此时功率衰减仅由距离决定对于存在阴影衰落的环境，仅用远近控制方 法无法解决 、控制 载波干扰比( c 仍控制是使每个用户的接收信号达到满足性能要求所需 的最小值为实现c , 每个用户必须向基站发送c a r 信息，基站决定是增 加还是减小对该用户的发射信号功率与远近控制方法相比，c a r 控制的 c i 弧噍a 系统有较大的容量，其原因在于c 玎控制方法能使基站发射的信号 总功率更接近于所需的最小值 、反向功率控制 反向功率控制是控制用户的发射信号功率以保证基站接收到的小区内 的所有用户信号功率相等反向功率控制可由开环和闭环功率控制来实 现 对于开环控制，每个用户测量接收的宽带导频信号，并估计传播路径 损耗路径损耗的估计用于调整用户的发射功率接t 嫦号的功率大小反 映了用户与基站之间的距离或传播路径的好坏由于存在阴影区域，用户 接收到的信号功率可能在瞬问发生较大的变化，因而开环功率控制要在大 范围内对发射信号的功率进行调整 由于信道中衰落等因素的影响，用户的发射功率也需要由基站发射的 基于s c d m a t d d 方式的无绳通信系统研究一一第二章相关理论基础介绍 功率调整命令来决定。每个基站解调器测量接收到的用户的信号强度，应 与相应的所需信号强度相比，然后在正向信道对该用户发送一个功率调整 命令，即闭环功率控制开环功率控制与闭环功率控制共同调整用户的发 皱信号功率。 二、分集接收 在频带较窄的调制系统中，多径的存在导致严重的衰落但在c d m a 系统中，不同的路径可以各自独立接收，从而显著降低多径衰落的严重性。 分集是减小衰落的好方法分集有下面三种类型： i 、时问分集一一符号交织、误码检测、纠错编码 由于移动台的运动，接收信号会产生多普勒频移在多径环境下，这 种频移形成多普勒频展多普勒频展的倒数定义为相干时间，它表示时变 信道对信号的衰落节拍这种衰落发生在传输波形的特定时间段上，称为 时间选择陛衰落它对数字信号的误码性有明显影响。 若对其振幅进行顺序采样，那么在时间上间隔足够大的两个样点是不 相关的因此可以采用时间分集来减小其影响即将给定的信号在时间间 隔上相隔一定的时间重复传送m 次，只要时间间隔大于相干时间，就可 以得到m 条独立的分集支路。 ，频率分集 由于衰落具有频率选择性，当两个频率间隔大于信道相关带宽，它们 受到的衰落是不相关的在c d m a 系统中，系统带宽远大于相关带宽 ( 5 0 2 5 0 k h z ) ，所以可以实现频率分集 、空阍分集_ 一双基站接收天线、多经r a k e 接l l j 。札，多基站( 软 切换) 在基站间隔一定距离设立几副天线，独立地接收和发射信号，可以保 证各信号之间的衰落独立，采用选择性合并技术从中选出信号的一个输 出，减小衰落的影响 对接收信号中可分辨的多径信号，采用r a k e 接收机，对每个路径分 配一个接收器，再将多路输出进行合并，可以提高信号质量 在软切换中，移动台与新的基站开始通信后，为了获得好的通信质量， 可以保持与原基站的联系，从两路信号中选择较好的一个。 山东大学硕士学位论文 三、软切换 c d m a 系统中的信道切换有以下类型： 软切换：当移动台从一个小区进入相同频率的另一个小区时采用的 切换方式； 更软切换：当移动台由同一基站的一个扇区进入另一个具有相同频 率的扇区时发生的切换方式； 硬切换：当移动台穿越工作于不同频率的小区时发生的切换方式。 c d m a 软切换会带来更好的话音质量，并且从某种程度上增加容量， 它是c d m a 系统的主要优越性能之一 四、r a k e 接i l j 机 在进行无线电通信时，多径传播往往会产生有害的多径干扰。但在扩 频通信系统中却可以对这些多径信号进行分离和合并，实现多径分集，以 改善系统性能。具有这种功能的接收机称为r a k e 接收机 因为c d m a 系统的前向信道与反向信道具有不同的特征，所以其 r a k e 接忧机的构成也不相同。 五，自适应天线 智能天线的基本思想是：天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多 个期望用户，接收信号来自窄波束之外的信号被抑制。发射信号时，使对 期望的用户发射的信号功率最大智能天线的基础是自适应天线和高分辨 阵列处理高分辨阵列处理的目的是获得空间信号的参数，而自适应天线 完成窄波束的形成 第四节双工方式 在移动i 毫信系统中，通信的双工方式有频分双工( f d d ) 和时分双工 ( t d d ) 之分 一、频分双工 基站及用户的收发设备在两个不同的频率上工作，而且这两个频率之 间要有足够的保护间隔如果基站在高频率发射和在低频率接收，则用户 必须在低频率发射和高频率接收。 基于s c d m a f f d d 方式的无绳通信系统研究一一第二章 相关理论基础介绍 第六章时分双工 基站及用户的收发设备均在同一频率上工作而且，同一部电台的发 射机和接收机只能用轮流工作的方法，才能实现双工通信。比如把帧中的 时隙分成两部分，前一部分由基站向用户发送( 用户接收) ；后一部分由 用户向基站发送( 基站接收) ，如此交替的转换，即可实现双工通信。 第五节正交振幅调创 在移动通信中，频谱效率一直是人们关注的焦点之一。随着微蜂窝和 微微蜂窝的出现，使得信道的特陛发生了很大变化，接收机和发射机之间 通常具有很强的直达分量过去在传统蜂窝中不能应用的、频谱利用效率 很高的正交振幅调制已经引起了人们的重视。 一，交振幅调制的原理 正交振幅调制的- e a 壹k 式为： y ( ，) = a 。c o s 耐+ 以s i n 科0 f t ( 2 5 1 ) 上式由两个互相正交的载波构成，每个载i 吏被一组离散的振幅“。 ，( 吼j 所调制，所以我们将这种调制方式称为正交振幅调制其中的丁为码元宽 度；r r t = l ，2 ，朋m 为a 。，b m 的电平数 q a m 的振幅a 。风可以表示成： 像啪e ( 2 5 2 ) 【吃= a 。 式中a 为固定振幅，( 矗，p m ) 由输入数据决定( 矗，p m ) 决定了已调q a m 信号在信号空间中的坐标点 根据q a m 的信号空间的分布形式，q a m 主要有两种形式：方型q a m 和星型q a m 由于方型q a m 在载波恢复和自动增益控制方面的问题， 不适用于移动通信领域，因而本文主要讨论星型q a m a ) 1 6 迸制星型q a m 1 6 进制星型q a m 的星座图如图2 5 1 所示 山东大学硕士学位论文 1 6 进制星型q a m 的每个码元由四个比特细戍，每个码元中的第一个 ，一_ _ 、 ， 每 ；|，。 !上 tt 、i、 、 77 一 ； 弋， 声 、一j一一7 星型 q a m 图2 5 11 6 q a m 星座 比特，通过差分的方式来改变q h m 相量的振幅当输入的该比特为“1 ” 时，则将当前码元的相量振幅改变到与前一个相量振幅不相同的振幅环 上。当输入的该比特为“0 ”时，则当前码元的相量振幅与前码元相同 每个码元的其余三个比特，通过格雷差分相位编码来改变信号的相位也 就是说，通过格雷编码来改变当前码元信号相量和前一个码元信号相量的 相位差。 在图2 5 1 中，内环上8 个相量的振幅为a ，外环上8 个相量的振幅为 么：。设在第缸1 个码元取样时刻，接收信号的振幅样值为互，相