（通信与信息系统专业论文）基于fpga的cdma基站基带系统的建模与设计.pdf

华北电力人学硕十学位论文 摘要 移动通信是目前通信技术中发展最快的领域之一，c d m a 技术凭借其良好的抗 噪性、保密性和低功率等优势成为第三代移动通信的关键技术。目前大规模可编程 逻辑器件f p g a 为c d m a 移动通信系统的设计提供了新的技术手段。本文在深入分 析c d m a 通信系统的原理和特点的基础上，提出了c d m a 基站基带系统的总体设计方 案，论述了c d m a 基站基带系统前向链路和反向链路中各个信号处理模块的工作原理， 对c r c 编码模块、卷积编码模块、块交织器、p n 码生成器、w a l s h 码发生器、基带 成形滤波器、q p s k 调制器、p n 码捕获与跟踪模块、v i t e r b i 译码器等c d m a 基站基带 系统的各个模块进行了基于f p g a 的建模和设计，取得了一些有价值的阶段性成果。 这些对c d m a 移动通信系统进行深入探索、研究和设计，具有一定的学术意义和应用 价值。 关键字：f p g a ，移动通信，c d m a ，基站，基带，建模 a b s i r a c 。r m o b i l ec o m m u n i c a t i o ni so n eo ft h em o s tr a p i dd e v e l o p m e n tf i e l d s i nt h e c o m m u n i c a t i o n s c d m ab e c o m e st h ek e yt e c h n o l o g yi nt 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 mb yr i g h to fi t sg o o da n t i n o i s ep e r f o r m a n c e ，s e c u r i t ya n dl o w p o w e r a tp r e s e n t ，l a r g e - s c a l ep r o g r a m m a b l el o g i c a ld e v i c e sf p g ap r o v i d e st h en e w t e c h n i c a lm e t h o df o rt h ed e s i g no 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 b a s e do n c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ec d m ap r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c ，a no v e r a l lp r o je c t d e s i g no fc d m ab a s es t a t i o nb a s e b a n ds y s t e mi sp r e s e n t e di nt h ep a p e r t h ew o r k p r i n c i p l eo fe a c hs i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l ef o rf o r w a r da n dr e v e r s el i n ki nt h ec d m a b a s es t a t i o nb a s e b a n ds y s t e mi sd i s c u s s e d t h em o d u l e so fc d m ab a s es t a t i o n b a s e b a n ds y s t e ma r ed e s i g n e db a s e do nf p g a ，s u c ha sc r c e n c o d e lc o n v o l u t i o n a l c o d ee n c o d e r , b l o c ki n t e r l e a v e r , p nc o d eg e n e r a t o r , w a l s hc o d eg e n e r a t o r , b a s e b a n d s h a p i n gf i l t e r , q p s km o d u l a t o r , t h ea c q u i s i t i o na n dt r a c k i n gm o d u l eo fp nc o d ea n d v i t e r b id e c o d e r s o m ev a l u a b l es t a g ea c h i e v e m e n t sh a v eb e e no b t a i n e d t h e s eh a v e c e r t a i na c a d e m i cs i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u et ot h et h o r o u g he x p l o r a t i o n ，t h e r e s e a r c ha n dt h ed e s i g no ft h ec 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 l ic h a n g c h u n ( c o m m u i n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o r ：l i a n gg u a n g s h e n g k e yw o r d s ：f p g a ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，c d m a ，b a s es t a t i o n ，b a s e b a n d ，m o d u l i n g 华北电力人学硕十学位论文 摘要 移动通信是目前通信技术中发展最快的领域之一，c d m a 技术凭借其良好的抗 噪性、保密性和低功率等优势成为第三代移动通信的关键技术。目前大规模可编程 逻辑器件f p g a 为c d m a 移动通信系统的设计提供了新的技术手段。本文在深入分 析c d m a 通信系统的原理和特点的基础上，提出了c d m a 基站基带系统的总体设计方 案，论述了c d m a 基站基带系统前向链路和反向链路中各个信号处理模块的工作原理， 对c r c 编码模块、卷积编码模块、块交织器、p n 码生成器、w a l s h 码发生器、基带 成形滤波器、q p s k 调制器、p n 码捕获与跟踪模块、v i t e r b i 译码器等c d m a 基站基带 系统的各个模块进行了基于f p g a 的建模和设计，取得了一些有价值的阶段性成果。 这些对c d m a 移动通信系统进行深入探索、研究和设计，具有一定的学术意义和应用 价值。 关键字：f p g a ，移动通信，c d m a ，基站，基带，建模 a b s i r a c 。r m o b i l ec o m m u n i c a t i o ni so n eo ft h em o s tr a p i dd e v e l o p m e n tf i e l d s i nt h e c o m m u n i c a t i o n s c d m ab e c o m e st h ek e yt e c h n o l o g yi nt 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 mb yr i g h to fi t sg o o da n t i n o i s ep e r f o r m a n c e ，s e c u r i t ya n dl o w p o w e r a tp r e s e n t ，l a r g e - s c a l ep r o g r a m m a b l el o g i c a ld e v i c e sf p g ap r o v i d e st h en e w t e c h n i c a lm e t h o df o rt h ed e s i g no 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 b a s e do n c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ec d m ap r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c ，a no v e r a l lp r o je c t d e s i g no fc d m ab a s es t a t i o nb a s e b a n ds y s t e mi sp r e s e n t e di nt h ep a p e r t h ew o r k p r i n c i p l eo fe a c hs i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l ef o rf o r w a r da n dr e v e r s el i n ki nt h ec d m a b a s es t a t i o nb a s e b a n ds y s t e mi sd i s c u s s e d t h em o d u l e so fc d m ab a s es t a t i o n b a s e b a n ds y s t e ma r ed e s i g n e db a s e do nf p g a ，s u c ha sc r c e n c o d e lc o n v o l u t i o n a l c o d ee n c o d e r , b l o c ki n t e r l e a v e r , p nc o d eg e n e r a t o r , w a l s hc o d eg e n e r a t o r , b a s e b a n d s h a p i n gf i l t e r , q p s km o d u l a t o r , t h ea c q u i s i t i o na n dt r a c k i n gm o d u l eo fp nc o d ea n d v i t e r b id e c o d e r s o m ev a l u a b l es t a g ea c h i e v e m e n t sh a v eb e e no b t a i n e d t h e s eh a v e c e r t a i na c a d e m i cs i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u et ot h et h o r o u g he x p l o r a t i o n ，t h e r e s e a r c ha n dt h ed e s i g no ft h ec 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 l ic h a n g c h u n ( c o m m u i n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o r ：l i a n gg u a n g s h e n g k e yw o r d s ：f p g a ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，c d m a ，b a s es t a t i o n ，b a s e b a n d ，m o d u l i n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于f p g a 的c d m a 基站基带系统 的建模与设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他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了谢意。 f 力 学位论文作者签名：燮壹日 期：2 q q 墨生! 旦 目 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：2 q q 昼生! 旦! ! 自日期：2 q q 墨生! 旦f 虫 华北电力大学硕士学位论文 1 。1 选题背景和意义 第一章概述 移动通信是指通信双方或至少其中一方在运动状态中进行信息传递的通信方式。随 着社会的发展，移动通信成为当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之一，对 人类生活和社会发展产生了重大影响。 移动通信技术经历了从模拟调制到数字调制的发展过程。第一代采用频分多址 ( f d m a ) 模拟调制方式，其主要代表有美国的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l e p h o n es e r v i c e ) 、 欧洲的t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 等，这种系统的主要缺点是频谱 利用率低、信令干扰话音业务。第二代蜂窝移动系统采用时分多址( t d m a ) 和码分多址 ( c d m a ) 的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大 为改善。t d m a 的典型代表是欧洲的g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 系统，其主要缺点是：l 、系统容量仍不理想；2 、和f d m a 方式一样，t d m a 方式的越区 切换性能仍不完善。第三代蜂窝移动系统是一种宽带的码分多址技术，采用f t c d m a 混合的调制方式。c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术是第三代移动通信系 统的核心技术，是一种以扩频通信为基础的调制和多址连接技术。扩频通信技术是在信 号发送端用一高速伪随机码与数字信号相乘。由于伪随机码的码速率比数字信号的码速 率大的多，因而扩展了信号传输带宽。在接收端，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。i s 一9 5 c d m a 系统以其频率的规划简单、系统容量大、 频率复用系数高、抗干扰能力强、通信质量好、软容量等特点显示出巨大的发展潜力， 立即在全世界范围内掀起一股研究c d m a 技术的热潮。c d m a 技术是当前无线电通信，尤 其是移动通信的主流技术，不论是在中国已经建设的i s 一9 5 规范的中国联通c d m a 网、 各大移动通信运营商正试验和建设第三代( 3 g ) 系统，还是大设备提供商已经在开发的 三代以后( b e y o n g3 g ，也称4 g ) 更宽带宽的移动通信系统，c d m a 技术都是主要选择。 第三代数字蜂窝移动系统的三大候选方案是北美的c o m a 2 0 0 0 系统、欧洲的w c d m a 系统 和我国的t d s c d m a 系统，这表明c d m a 技术已成为第三代移动通信系统的核心技术瞳1 。 随着移动蜂窝通信系统的蓬勃发展，移动通信的测试仪市场也在不断增长，在移动 终端的研发测试过程中，国外各大公司已经研发出了针对g s m 和c d m a 移动终端测试的 模拟基站的测试设备，如罗得施瓦茨的c m u 2 0 0g s m 移动终端基站测试仪和安捷伦的 e 5 5 1 5 ；针对c d m a 移动终端的测试设备如安捷伦的e 8 2 8 5 a 。这些基站测试设备几乎都被 各大外国公司所垄断而且价格昂贵，国产的测试仪却寥寥无几。本课题将针对c d m a 移 动终端的测试设备c d m a 基站基带系统进行探索、研究和设计，基于可编程逻辑器件进 l 华北电力大学硕士学位论文 行基站基带系统的建模和设计。 2 0 世纪7 0 年代初出现的可编程逻辑器件主要是可编程只读存储器( p r o m ) 和可编 程逻辑阵列( p l a ) 。7 0 年代末出现了可编程阵列逻辑( p a l 一一p r o g r a m m a b l ea r r a y l o g i c ) 器件。8 0 年代初期，美国l a t t i c e 公司推出了一种新型的p l d 器件，称为通用 阵列逻辑( g a l 一- - - g e n e r i ca r r a yl o g i c ) 。随着技术的进步，生产工艺的不断改进， 器件规模不断扩大，逻辑功能不断增强，各种可编程逻辑器件不断涌现，如p r o m 、e p r o m 、 e 2 p r o m 等。最初把在e p r o m 基础上出现的高密度可编程逻辑器件称为e p l d 或 c p l d ，而现在把一般超过某一集成度的p l d 器件都称为c p l d 。2 0 世纪8 0 年代中期， 美国x i l i n x 公司首先推出了现场可编程门阵列器件( f p o a ) ，它采用逻辑单元阵列结构 和静态随机存取存储器工艺，设计灵活、集成度高、可无限次反复编程，并可现场模拟 调试验证。9 0 年代初，l a t t i c e 公司又推出了在系统可编程大规模集成电路( i s p l s i ) 。 f p g a 是特殊的a s i c 芯片，除具有a s i c 的特点之外，还具有以下优点【3 】： 随着v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ，超大规模集成电路) 3 - 艺的不断提高，单一芯片内 部可以容纳上百万个晶体管，f p g a 芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数己达到上 百万门，所能实现的功能也越来越强，同时也可实现系统集成。 f p g a 芯片在出厂前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和费 用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功 能设计。所以，f p g a 的资金投入小，节省了许多潜在的花费。 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可 以实现不同的功能。所以，用f p g a 试制样片，能以最快的速度占领市场。f p g a 软件 包中有各种输入工具、仿真工具、版图设计工具和编程器等，电路设计人员在很短的时 间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真直至最后芯片的制作。当电路有少量改动 时，更能显示出f p g a 的优势。电路设计人员使用f p g a 进行电路设计时，不需要具备 专门的i c ( 集成电路) 深层次的知识，f p g a 软件易学易用，可以使设计人员更能集中 精力进行电路设计，快速将产品推向市场。 在这种背景下，以“基于f p g a 的c d m a 基站基带系统的建模与设计 作为论文选题， 对c d m a 移动通信系统进行深入探索、研究和设计，具有重要的学术意义和应用价值。 1 2 国内外c d m a 发展现状 c d m a 通信技术起源于扩展频谱通信，最早应用于军事通信，随后又应用于卫星通信 系统。近年来，随着通信技术的高速发展，c d m a 技术受到特别重视，广泛应用于第三代 移动通信系统中，成为当前无线电通信尤其是移动通信的主流技术。1 9 8 9 年，q u a l c o m m 公司等引入c d m a 技术以革新蜂窝移动通信。1 9 9 3 年7 月，美国公布了由q u a l c o m m 提出并 获t i a e i a 通过的i s 一9 5 标准，成为“双模式宽带扩频系统的移动台基站兼容标准 。 2 华北电力大学硕士学位论文 i s - 9 5 标准定义的c d m a 系统是具有双模式运行能力的窄带蜂窝移动通信系统，1 9 9 5 年， q - c d m a 系统投入商用。1 9 9 5 年1 1 月，世界上第一个c d m a 系统在香港开通使用。1 9 9 6 年韩 国用自己的c d m a 系统开展大规模商用，头1 2 个月发展了1 5 0 万用户。1 9 9 8 年全球c d m a 用 户己达5 0 0 多万，1 9 9 9 年c d m a 在日本和美国形成增长的高峰期，全球的增长率高达2 5 0 ， 用户己达2 0 0 0 万。由于c o m a 体制具有较强的抗干扰能力，具有抗多径延迟扩展的能力， 以及可提高蜂窝系统的通信容量等优点，目前，c d m a 已发展成为一种领先的数字无线通 信标准，在移动和固定无线应用方面给全世界运营商提供了一种高效和极具经济诱惑力 的选择，也成为在第二代移动通信中占有极大市场份额的g s m 移动通信系统的强有力的 竞争对手。 我国目前采用的c d m a 标准主要参照了美国标准并结合了我国的实际情况，如美国标 准中对空中接口注重c d m a 与a m p s 双模兼容，在我国则没有这种需求，因此其频率、基本 频道的设置及i m s i 等方面都需要进行修改；在空中接口上，美国的标准兼容了多种制式， 而在我国只需要其中的c d m a 一种；同样，网络接口i s - 4 1 系列标准也需要进行必要的修 改。我国c d m a 的发展并不晚，也有长期军用研究的技术积累。1 9 9 3 年国家8 6 3 计划己开 展c o m a 蜂窝技术研究。1 9 9 4 年高通( q u a l c o m m ) 公司首先在天津建技术试验网。1 9 9 8 年具 有1 4 万容量的长城c d m a 商用试验网在北京、广州、上海、西安建成，并开始小部份商用。 联通也计划在广东、北京、天津、上海等地建c d m a 商用试验网。中国联通c d m a 网一期工 程总投资2 4 0 亿人民币，采用i s - 9 5 a 增强型技术标准，网络规模为1 5 1 5 万户覆盖全国3 1 个省市的3 3 0 个本地网，除了开通基本通话业务和各种附加功能外，还开通了移动智能 网和短消息网等增值业务。截至2 0 0 7 年1 2 月3 1 日，中国联通c d m a 用户数已达4 1 0 9 7 万， c d m a 用户净增数在2 0 0 7 年为4 6 0 4 万户。在全球为数不多的c d m a 运营商中，中国联通目 前是仅次于美国第二大移动运营商v e r i z o nw i r e l e s s ( 旗下客户超过6 2 0 0 万) 的全球第二 大c o m a 运营商。从业务角度来看，c o m a 系统从服务的角度出发，为用户提供了更加丰富 多样且应用灵活方便的业务，按照c d m a 的规范，交换子系统应能向用户提供用户终端业 务、承载业务、补充业务等三大类业务。用户终端业务是在用户终端协议互通的基础上 提供终端间信息传递能力的业务，该业务包括电话业务、紧急呼叫业务、短消息业务和 语音邮箱业务等。承载业务提供了在两个网络终端接口间的信息传递能力，移动终端控 制无线信道使信息流成为终端设备能接收的信息，移动终端作为p l m n ( 公众陆地移动电 话网) 一部分通过无线接口与p l m n 内的其他实体互通。如今，我国的第二代移动通信市 场g s m 占有较大市场份额，但中国联通所运营的c d m a 业务的发展已逐渐显示出其技术及 业务的优势。在今后较长一段时间里，中国的移动通信市场可能还是会以g s m 和c d m a 两 者同时并存的形式存在，直至向第三代移动通信演进。 中国设备制造企业在c d m a 开发上起步也比较早。国内不少有实力的企业如中兴通 讯、华为、大唐、东信、首信等在c i ) m a 上投入了巨额资金进行研发。中国共有8 家企业 华北电力大学硕士学位论文 与美国q u a l c o m m 公司签订了研发协议，致力于c d m a 基站系统与手机的研制。目前，国内 己有几家企业推出了c o m a 系统。 1 3 论文的主要工作 本文对i s - 9 5 c d m a 基站基带系统中的各个信号处理模块进行深入的理论分析和研 究，结合标准对c d m a 基站基带系统的各个模块逐一进行建模、设计和仿真。 论文的主要工作：( 1 ) c d m a 前向链路中信道的卷积编码、码元重复、分组交织、正 交调制、长码扩频、基带成形滤波等基带信息发射处理模块的建模和设计。( 2 ) c d m a 反向链路基站接收过程中的p n 码捕获与跟踪、信道译码等信号处理模块的建模和设计。 这也是本文的重点和难点。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章c d m a 移动通信系统原理和基站基带系统总体设计 本章主要分析了c d m a 移动通信系统的结构、特点及空中接口标准，给出了c d m a 基 站基带系统模块的总体设计方案，介绍了硬件描述语言v e r i l o gh d l 、a l t e r a 公司 c y c l o n e 系列f p g a 器件和q u a r t u si i6 0 系统设计平台。 2 1c d m a 移动通信系统原理 2 1 1c d m a 通信系统的原理结构和特点 圆圆圆圃一圆圆圃 图2 1c d m a 系统的基本原理图 c d m a 系统的基本原理如图2 - 1 所示。话音信号或数据信号经信源编码、压缩后成为 数字信号，经过纠错编码、卷积编码和交织等相关处理后送入调制器，利用伪随机码发 生器产生的高速伪随机码将数字信号变成一个个的码片，使得信号的传输带宽远大于信 号本身的带宽以实现扩频通信。另一方面，为了使信号的传输与信道特性相匹配，必须 用载波发生器产生的载波去调制扩频信号，使其频率变为适合信道传输的射频频段，将 数字信号调制成模拟信号后通过放大器发射出去。在空中无线传输环境中，存在着噪声 ( 例如高斯自噪声) 干扰和多径衰落。接收端利用下变频器将射频信号还原成中频信号， 采用与发射端相同的信号处理技术再将信号还原成原始信号，从而达到数据通信传输的 目的。 按照c d m a 的规范，c d m a 系统应能向用户提供如下业务： ( 1 ) 电信业务 电话业务、紧急呼叫业务、短消息业务、语音信箱业务、传真业务、可视图文业务、 智能电报业务、交替话音与传真等。 ( 2 ) 数据业务 1 2 0 0 9 6 0 0 b i t s 非同步数据、1 2 0 0 9 6 0 0 b i t s 同步数据、1 2 0 0 9 6 0 0 b i t s 异步p a d 接入、交替语音与1 2 0 0 - 9 6 0 0 b it s 数据等。 ( 3 ) 其它业务 c d m a 系统还向用户提供各种附加业务，如：呼p q f i l j - 转、呼叫转移、呼叫等待、三 方通话、会议电话等。 与g s m 系统相比，基于码分多址的c d m a 系统具有许多独特的优点。c d m a 移动通信 网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成的含有频域、时域和 气 营 ， 量 华北电力大学硕士学位论文 码域三维信号处理的一种协作网，具有抗干扰性好、抗多径衰落、保密安全性高、同频 率可在多个小区内重复使用、所要求的载干比( c i ) 小于1 、容量和质量之间可做权衡 取舍等属性，从而使c d m a 比其它系统具有很多优势妇3 。 ( 1 ) 系统容量大 c d m a 系统能有效利用频谱的空中接口，可以在同样的带宽内支持很多用户。对于高 速移动应用，在分配给的i o m h z 频谱内，每扇区c d m a 的容量是4 8 倍g s m 的爱尔兰容 量。对于分配给的3 0 m h z 频谱中，每扇区c d m a 的容量是5 2 倍的g s m 的爱尔兰容量。 换句话说，一个占l o m t t z 频谱的c d m a 系统的爱尔兰容量相当于占3 0 m t t z 频谱的g s m 系 统的1 2 8 ，系统容量在理论上c d m a 移动网比模拟网大2 0 倍，实际要比模拟网大1 0 倍， 比g s m 要大4 5 倍。 话音激活：话音停顿时停止信号发射，对c d m a 系统而言，直接减少了对其他用户 的干扰，使系统容量提高。 扇区化：c d m a 小区如果实行n 通路扇区化，则可扩充容量n 倍，因此小区扇区化有 很好的容量扩充作用。 频率再用：在c d m a 系统中，若干小区的基站都工作在相同的频率上，若干小区移 动台也工作在相同的频率上。 ( 2 ) 通话质量好 c d m a 的话音编码采用码激励线性预测( c e l p ) 方式，声码器可以动态地调整数据传输 速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射，同时门限值根据背景噪声的改变而 改变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。另外c d m a 系 统采用软切换技术，“先连接再断开 ，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。频率规 划简单，用户按不同的序列码区分，所以不相同c d m a 载波可在相邻的小区内使用，网 络规划灵活，扩展简单。同时，c d m a 系统采用功率控制和可变速率声码器，手机电池使 用寿命延长。 ( 3 ) 系统容量具有软特性 c d m a 系统容量仅与系统运行时的内外干扰因素有关，且与服务质量之间存在着互换 关系，由此决定了c d m a 系统的软容量特性。当采取减小信噪比( 相当于降低服务质量) 、 压低邻区干扰、减小话音激活因子、提高功率控制精度、抑制多址干扰或降低数据速率 等措施时，均可使系统容量有所增加。 ( 4 ) 保密功能强 高保密性是扩频通信的固有优势。在不知道p n ( 伪随机码) 的情况下，不可能获取 传输的基带信号。p n 码长为2 4 2 一l 的n - c d m a ( 窄带c d m a ) 系统中，在不知道移动台识 别码的情况下，要破译如此长的p n 码而窃听几乎是不可能的。 ( 5 ) 覆盖范围大 6 华北电力大学硕士学位论文 由于c d m a 系统采用宽带传输，系统可以获得可观的宽带处理增益，同时系统也可 以采用功能较强的纠检错信道编码技术，使系统的灵敏度大大提高。这样就扩大了c d m a 单基站的有效覆盖范围j 在同样的服务区内，采用c d m a 体制的基站数目较f d m a 制式的 基站数目少。 ( 6 ) 系统规划简单 由于c d m a 系统的频率可以在每个扇区和每个小区中重复使用，所以大大简化了系 统的规划设计，从而降低了建网费用、节省了建网时间。当然，为了获得较好的覆盖效 果，应尽量减少软切换发生概率，还要根据业务情况规划好小区。 ( 7 ) 发射功率小，对人体危害小 c d m a 系统的发射功率非常小，最大只有2 0 0 毫瓦，正常通话时仅需o 1 毫瓦，即使 与一只普通灯泡相比，也仅相当于十万分之一以下，因此移动电话功耗小，无线辐射能 量低。这样c d m a 手机就更省电，使用时间更长，同时对人体的危害也相应地减小。 ( 8 ) 抗干扰能力强、抗多径衰落能力强、抗多普勒效应能力强 c d m a 采用宽带传输，信号不可能使所有频率在同一地点、同一时刻均发生衰落，所 以宽带信号解扩后某一频率点发生的衰落对整个信号的影响很小，同时抗多普勒效应的 能力也强。 此外，c d m a 还具有频率复用率高、话音和数据传输质量高、多址能力强、能与传统 窄带系统共用频段、组网灵活、频带容易监控和易于扩展、支持多媒体业务等优点。 2 1 2c d m a 通信系统的接口标准 圈圈 圈 a 凹慧璺曼一 茵雷小 基站 移动交换中心 m s c 移动交换l 心m c 短渭思中心e i r 设备识别寄存器 h l r 拜访位置寄存器 s m e 短消息实体 b s 基站系统 v l r 归属位置寄存器f t s n 公用电话交换网i w f 互联功能 a c 鉴权中心m s 移动台 图2 - 2c d m a 网络参考模型 c d m a 网络参考模型如图2 - 2 所示，其中存在着几个重要接口乜- 引。 空中接口( u r n 接口) ：负责管理基站和移动台之间的信号互通。此接口遵守i s 一9 5 标准，根据中国实际情况，不考虑兼容a m p s 系统的部分。 7 华北电力大学硕士学位论文 a 接口：基站子系统与交换子系统的接口，主要提供移动台管理、基站管理、移动 性管理、接续管理等功能接口。 a b i s 接口：基站子系统中基站控制器与基站收发信机之间的接口，支持对b t s 无线 设备的控制。此接口没有统一标准，将参考有关设备制定自己的标准。 交换子系统内部功能实体之间的接口。 在c d m a 系统中，最重要的是空中接口标准。 2 1 2 1 空中接口标准分层 用户层( 基本业务) i 用户层( 辅助业务) j 第三层( 呼叫处理和控制) 第二层( 基本业务) i 第二层( 辅助业务) i第二层( 信令) 复用子层( 业务信道) 第二层( 链路寻 呼和接入信道) 物理层 图2 3 空中接口标准层次结构 空中接口标准1 的层次结构如图2 3 所示。 物理层为物理信道，完成编码、交织、调制和扩频功能。 链路层为数据传送业务提供协议支持和控制机制，并且将上层数据传送需求映射为 物理层规定的性能和特性，还能将逻辑和信令信道映射到由物理层的编码和调制功能支 持的编码信道。链路层( 第二层) 进一步细分为链路接入控制( l a c ) 子层和媒休接入 控制( m a c ) 子层。与o s i ( 开放系统互连) 第3 至7 层相对应的应用和上层协议使用 l a c 提供的服务。l a c 子层完成建立、保持和释放一个逻辑链路连接所必需的功能。m a c 子层提供控制功能，该功能可以管理由物理层( 例如在空中接口上用于信息通信的物理 编码信道) 提供的资源，还可以协调不同l a c 业务实体所需资源的使用。这种协调功能 ( 在b sm a c 功能直接控制下工作) 解决了在一个移动台的l a c 业务实体间争用的问题。 同样也解决了移动台之间争用的问题。m a c 子层同时还负责发送l a c 业务要求的服务质 量等级( q o s ) ( 例如保留空中接口资源或解决竞争的l a c 业务实体之间的优先权问题) 。 i s - 9 5c d m a 中，m a c 采用了无线链路协议( r l p ) ，该协议支持对等实体之间的高效 流式传输业务。r l p 具有透明和非透明两种工作方式。在非透明方式下，r l p 使用自动 请求重发( a r q ) 协议来重新发送物理层没有正确传送的数据部分。在这种方式下r l p 会 带来一个延迟。在透明方式下，r l p 将数据流中丢失的部分通知给接收端，透明r l p 不 会带来任何传输延迟，并且对r l p 上实现话音业务非常有用。 上层实体能够支持多个同时激活的、业务类型任意组合的会话，例如： 话音业务，包括音频电话、p s t n 接入、移动台到移动台的语音业务和i n t e r n e t 电话。 终端用户数据承载业务，包括分组数据、电路数据业务和短消息业务( s m s ) 。 华北电力大学硕士学位论文 控制移动台所有功能的信令业务。 2 1 2 2i s 一9 5 标准 1 9 9 3 年7 月，美国公布了由q u a l c o m m 公司提出并获t i a e i a 通过的i s 一9 5 标准。 i s - 9 5 标准订8 1 的全称是“双模宽带扩频蜂窝系统的移动台一基站兼容标准，这是一个 公共空中接口( c a i ) ，它没有完全规定一个系统怎样实现，而只是提出了信令协议和数 据结构的特点与限制。 表2 1i s - 9 5 无线接口的主要技术参数 8 2 4 8 4 9 m h z ( 上行) 频段 8 6 9 - - - - 8 9 4 m h z ( 下行) 载波间隔 1 2 5 m h z 双工方式 f d d 多址技术 c d m a 帧长度 2 0 m s 数据速率 12 0 0 ，2 4 0 0 、4 8 0 0 ，9 6 0 0 bit s 码片速率1 2 2 8 8 m c p s 卷积码，r = l 2 ，k = 9 ( 下行) 信道编码 r = l 3 ，k = 9 ( 上行) q p s k ( 下行) 调制方式 o q p s k ( 上行) 信道数：6 4 ( 码分信道) 载频； 交织编码：交织间距2 0 m s 或2 0 6 6 7 m s ； 基站识别码为m 序列，周期为2 1 5 1 ； 用户地址码：超长m 序列，周期为2 4 2 一l ； 信道地址码：完全正交的6 4 位w a l s h 码。 2 1 2 3c d m a 2 0 0 0i x 标准 c d m a 2 0 0 0 瞳1 是基于窄带i s - 9 5 c d m a 的宽带c d m a 技术，而c d m a 2 0 0 0l x 则属于第三代 移动通信的初期阶段，在理论上c d m a 2 0 0 0l x 容量是i s - 9 5 系统的两倍，可支持 1 4 4 k b i t s 的传输速率，在c d r a 网络部分则将引入分组交换方式，以支持未来的移动。 c d m a 2 0 0 0 系统的信道编码采用k = 9 的卷积编码，这是因为卷积码的纠错能力强，不 仅能对随机差错纠错，还可以纠正突发差错。在c d m a 2 0 0 0 系统中，对卷积码的译码采 用维特比算法( v i t e r b ia l g o r i t h m ) ，它是一种最大似然译码方法。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 1 3c d m a 通信系统的空中链路 2 1 3 1 前向链路 c d m a 系统中基站到移动台之间的信道称为前向c d m a 信道，也叫下行链路旧1 。 信道包括一个导频信道、一个同步( s y n c ) 信道、最多7 个寻呼信道以及许多前向 业务信道( 如果多个运营者来运营，不需要对导频信道和同步信道进行复制) 。每一个 前向业务信道包括一个前向基本编码信道，还可以包含1 到7 个前向辅助编码信道。每 个信道的信息经过适当的w a i s h 函数调制，然后以固定码片速率1 2 2 8 8 m c p s 用p n 序列 正交对进行调制。导频信道的编码信道为o 。如果存在同步信道，则一般为编号3 2 的编 码信道。无论什么时候，寻呼信道总是依次安排在编号1 到编号7 ( 包含编号7 ) 的编 码信道，剩余的编码信道由前向业务信道使用。 如图2 - 4 所示的导频信道结构，导频信道是在前向c d m a 信道上基站不间断发射的 非调制的扩谱信号，其作用是使在基站覆盖区中的移动台进行同步，且可作为解调其他 信道时的相干相位参考。 导频信道：全零 w o ( 全零) 图2 - 4c d m a 导频信道结构 。秭耐谁一 q 信道p n 序列 图2 - 5c d m a 同步信道结构 同步信道结构如图2 - 5 所示，同步信道反复广播同步信道信息，传送重要的系统信 息，所有移动台都将解调这个信息。同步信道上的信号是经过编码、交织、扩频和正交 调制等步骤产生的。该信号使移动台获得初始同步时间。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 如图2 6 所示的寻呼信道用来向移动台发送控制信息。当一个移动台要接收呼叫的 时候，移动台将按照指定的寻呼信道接收来自基站的寻呼。该寻呼信道给移动台提供系 统信息和信令，另外在移动台接入信道的接入请求之后对消息进行确认。 用 向 信 图2 - 6c d m a 寻呼信道 图2 7c d m a 业务信道 如图2 - 7 所示的前向业务信道是用来在一个呼叫中向某一移动台发送用户信令信息 的。前向业务信道划分为不同的集合。r s l 有9 6 0 0 、4 8 0 0 、2 4 0 0 和1 2 0 0 b p s4 种速率。 r s 2 也有1 4 4 0 0 、7 2 0 0 、3 6 0 0 和1 8 0 0 b p s4 种速率。所有无线系统的前向业务信道都支 持r s l ，r s 2 在前向业务信道中作为任选项。当一个无线系统支持一个速率集合时，该 系统就支持集合中所有4 种速率。 2 1 3 2 反向链路 c d m a 系统中移动台到基站之间的信道称为反向c d m a 信道，也叫上行链路阳1 。 反向链路在蜂窝频段中与前向链路相隔4 5 m h z ，在p c s 频段中与前向链路相隔 8 0 m h z 。反向链路与前向链路一样使用相同的3 2 7 6 8 位码片编码。反向链路信道由接入 信道和反向业务信道组成。反向业务信道进一步分为一个基本编码信道和编号o 到7 的 辅助编码信道。其中有6 2 个业务信道和最多3 2 个接入信道。 华北电力大学硕士学位论文 移动台使用接入信道传递非业务信息，例如发起呼叫和对寻呼作出响应。接入速率 固定为4 8 0 0 b p s 。接入无线系统的所有移动台共享相同的频率分配。我们可以通过不同 的长代码序列对每一个接入信道进行识别，其中长代码序列包含一个接入号码、与接入 信道相