（通信与信息系统专业论文）考虑qos的vsfofcdm系统参数优化方案研究.pdf

南京邮电学院坝b 学位论文 捅芟 摘要 c d m a 多址方案具有频谱效率较高、抗多径干扰能力强的优点，但多址干 扰是其固有的缺陷。o f d m 可以有效对抗频率选择性衰落，适合高速数据传送， 但对载波同步要求很高。多载波c d m a 方案综合了两者的优点，系统可满足高 速率与大容量的要求。近年来基于m c - c d m a 和o f d m 的可变扩频因子正交频 率码分复用( v s f o f c d m ) 方案被提出，它根握小区结构和无线信道状况灵活 地调整扩频因子( s f ) ，能满足第四代移动通信系统1 0 0 m b p s 下行速率的要求。 第四代( 4 g ) 移动通信系统的目标之一是承载高速多媒体业务。实时( r t ) 与非实时( n r t ) 多媒体业务所需的服务质量( q o s ) 不同，要求系统具有灵活 可变的物理层与链路层方案。使用时- 频域联合扩频( 二维扩频) 、混合自动重传请 求( h a r q ) 、自适应编码调制( a m c ) 技术的v s f o f c d m 系统可根据q o s 要求和信道传播条件自动选择如下参数：数据调制方式、信道编码方案、：维扩 频因子、码分复用数等。这些参数对系统最终性能都有影响，因此参数的联合选 择方案非常重要。 本文用m a t l a b6 5 仿真了二维扩频的可变扩频因子一证交频率码分复嗣 系统，考察了调制与编码方案( m c s ) 和二维扩频因子的组合，选择了几组联 合参数，根据不同小区结构与q o s 要求进行自适应调整以优化系统性能。仿真 结果显示这几组联合参数可使系统在1 0 0 m b p s 的速率下达到较好性能。 南京邮电学院顺b 学位论文 a b s t r a c t c d m as c h e m eh a st h ea d v a n t a g e so fh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c ya n ds t r o n g a n t i m u l t i p a t hi n t e r f e r ea b i l i t y h o w e v e r ，i ts u f f e r sf r o mm u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e o f d mc o n f r o n t sf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n ge f f e c t i v e l y , w h i l ei tr e q u i r e sv e r yh i g h p r e c i s i o no fc a r r i e r s y n c h r o n i z a t i o n ，m u l t i c a r r i e rc d m ac o m b i n e st h es t r o n g p o i n t s o fb o t hd s c d m aa n do f d m ，a n di tm e e t st h e r e q u i r e m e n t o fb o t h h i g h t r a n s m i s s i o nr a t ea n dh i g hc a p a c i t y v a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r o r t h o g o n a lf r e q u e n c y a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( v s f o f c d m ) s c h e m eh a sb e e np r o p o s e di nr e c e n t y e a r s i t sa b l et of l e x i b l ya d j u s ts p r e a d i n gf a c t o r s ( s f ) a c c o r d i n gt oc e l lc o n f i g u r a t i o n a n dr a d i oc h a n n e lc o n d i t i o n s ，a n di ti ss u i t a b l ef o rt h ed o w n l i n kt r a n s m i s s i o no f 10 0 m b p sf o rt h ef o u r t hg e n e r a t i o n ( 4 g ) m o b l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m o n eo b j e c to f4 gi st oa c c o m m o d a t eh i g hs p e e dm u l t i m e d i as e r v i c e sr e a l t i m e ( r 1 、) a n dn o n e r e a l t i m e ( n r t ) s e r v i e c e sh a v ed i f f e r e n td e m a n d sf o rq u a l i t yo f s e r v i e c ( q o s ) ，w h i c ha p p e a l st o f l e x i b l ep h y s i c a ll a y e ra n dl i n k l a y e rs c h e m e v s f o f c d mw i t ht i m e d i m e n s i o n - f r e n q u e n c y d i m e n s i o n s p r e a d i n g ( t w o d i m e n s i o n a ls p r e a d i n g ) ，h y b r i da u t or e t r a n s m i s s i o nq u e s t ( h a r q ) a n da d a p t i v e m o u d u l a t i o na n dc o d i n gt e c h n i q u e si sa b l et oc h o o s es u c hp a r a m e t e r sa d a p t i v e l y a c c o r d i n gt oq o sa n dc h a m a e lt r a n s m i s s i o nc o n d i t o n s ：d a t am o d u l a t i o nm e t h o d s ， c h a n n e lc o d i n gs c h e m e ，t w od i m e n s i o n a l s p r e a d i n gf a c t o r s ，n u m b e ro f c o d e m u l t i p l e x i n g ，a n ds oo n e a c ho ft h e s ep a r a m e t e r sh a se f f e c t o nf i n a ls y s t e m p e r f o r m a n c e ，s ot h eo p t i m i z a t i o no ft h e s ep a r a m e t e r si sv i t a l t h i sa r t i c l es i m u l a t e sv s f o f c d ms y s t e mw i t hm a t l a b6 5 ，a n de v a l u a t e s t h ec o m b i n e de f f e c to fm o d u l a t i o na n dc h a n n e lc o d i n gs c h e m e ( m c s ) a n dt w o d i m e n s i o n a ls p r e a d i n gf a c t o r s s e v e r a lp r a m e t e rs e t sa r ec h o s e nt oo p t i m i z es y s t e m p e r f o r m a n c e t h es e t sa r ea d a p t i v e l ys e l e c t e da c c o r d i n gt od i f f e r e n tc e l lc o n f i g u r a t i o n a n dq o sr e q u i r e m e n t ss i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es c h e m ec a na c h i e v eg o o d s y s t e mp e r f o r m a n c ea tt r a n s m i s s i o nr a t en e a r1 0 0 m b p s 南京邮电学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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 含为获得南京邮电学院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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 孟盘日期： 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 锻权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名：日期： 南京邮】u 学院f _ ：l j ! l j 学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信的发展 从1 8 9 7 年无线电通信被发明到现在，无线通信已经走过1 0 8 个年头，并从 2 0 世纪7 0 年代起进入蓬勃发展的时期【1 】。从7 0 年代末_ 丌始出现以蜂窝状接入 网为标志的现代移动通信系统，目前商用系统己发展到第三代。 1 1 1 第一代移动通信系统 1 9 7 8 年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂 窝状移动通信网，大大提高了系统容量。日本于1 9 7 9 年推出8 0 0 m h z 汽车电话 系统( h a m t s ) ，在东京、大胶、神户等地投入商用。西德于1 9 8 4 年完成c 网， 频段为4 5 0 m h z 。英国在1 9 8 5 年开发出全地址通信系统( t a c s ) ，首先在伦敦投 入使用以后覆盖了全国，频段为9 0 0 m h z 。法国开发出4 5 0 系统。加拿大推出 4 5 0 m h z 移动电话系统m t s 。瑞典等北欧四国于1 9 8 0 年开发出n m t 4 5 0 移动 通信网，并投入使用，频段为4 5 0 m h z 。 第一代移动通信系统为模拟方式的频分复用系统。随着用户数量增加，以往 的大区制所能提供的容量很快饱和，这就必须探索新体制。在这方面最重要的突 破是贝尔试验室在7 0 年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即所谓小区制，由于 实现了频率再用，大大提高了系统容量。可以说蜂窝概念真正解决了公用移动 通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。 1 1 2 第二代移动通信系统 模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率 低，移动设备复杂，费用较贵，业务种类受限制以及通话易被窃听等，最主要的 问题是其容量己不能满足日益增长的移动用户需求。解决这些问题的方法是歼发 新一代数字蜂窝移动通信系统。数字无线传输的频谱利用率高，可大大提高系统 南京i n i b 学院t u q ：b 学位论文第一章绪论 容量。早在7 0 年代末期，当模拟蜂窝系统还处于开发阶段时，一些发达国家就 着手数字蜂窝移动通信系统的研究。到8 0 年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字 移动通信网( g s m ) ，又称全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o r n m u n i c a t i o n s ) 。随后，美国制定了窄带码分多址访问( c d m a ) i s 9 5 规 范，日本制定了个人数据蜂窝( p d c ) 规范。泛欧网g s m 已于1 9 9 1 年7 月开 始投入商用，预计1 9 9 5 年将覆盖欧洲主要城市、机场和公路。考虑了与i s d n 标准的一致，因此在服务上相当于一个移动的i s d n ( 综合业务数字网) ，它能够 支持多种服务。g s m 也定义了对移动环境中的智能网( i n ) 支持，如虚拟家庭 环境以及许多高级的数据服务等。 第二代移动通信系统为数字方式的时分复用系统( g s m ，p d c ) 或窄带码分 复用系统( i s 一9 5 ) 。第二代无线通信标准都定义了一个独立的能够为移动终端用 户提供线路交换移动电活服务的系统，并与i s d n 等兼容。除了话音服务外，这 些系统还支持些补充业务和低速率的数据服务。当前，我国使用的两种制式 g s m 与i s 9 5 正向第三代演变，试图进行平滑过渡，出现了所谓“2 5 g ”的技 术。g s m 中已经集成分组无线服务( g p r s ) ，其理论支持速率为3 9 4 k b p s ；e d g e ( g s m 演进的增强型数据速率) 技术也开始运用，它用8 p s k 调制代替了传统 g s m 的g m s k 调制，将信息速率与系统容量扩大为原先3 倍 2 。i s 一9 5 发展出 c d m a1 x 技术，将传输速率提高刘1 5 3 k b p s 。 1 1 3 第三代移动通信系统 第三代移动通信，即国际电信联盟( i t u ) 定义的i m t 一2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n - - 2 0 0 0 ) ，俗称3 g 。国际电信联盟i t u 早在1 9 8 5 年就 提出了第三代移动通信系统的概念，最初命名为f p l m t s ( 未来公共陆地移动通 信系统) ，后在1 9 9 6 年更名为i m t - 2 0 0 0 。1 9 9 9 年底i t ut g 8 1 最后一次会议 巴，通过了i 卜1 t - 2 0 0 0 的无线接口技术规范，它分为c d m a 和t d m a 两大类 共五种技术，其中主流技术为以下三种c d m a 技术： 1 ) i m t - 2 0 0 0c d m a d s ( i m t - 2 0 0 0 直接扩频c d m a ) ，即w c d m a 。它是 在一个宽达5 m 的频带内直接对信号进行扩频； 2 ) i m t 2 0 0 0c d m a m c ( i m t - 2 0 0 0 多载波c d m a ) ，即c d m a 2 0 0 0 。这是 南京| | 【i j u 学院颐e 学位论文第一章绪论 美国提出的技术，由多个1 2 5 m 的窄带直接扩频系统组成的一个宽带系统。 以上两种技术都属于频分双i ( f d d ) 模式； 3 ) i m t - 2 0 0 0c d m at d d ( i m t - 2 0 0 0 时分双工c d m a ) ：目前包括 t d - s c d m a 和u t r at d d ，其中t d s c d m a 是我国提出的技术。 第三代移动通信系统的目标与特征为： 夺与固定网络各种业务的相互兼容； 夺高服务质量； 审高的频谱效率； 夺具有全球漫游能力： 夺支持高速多媒体业务( 高速移动环境：1 4 4 k b p s ，室外步行环境：3 8 4 k b p s 室内环境：2 m b p s ) 。 1 24 g 移动通信介绍 随着i m t - 2 0 0 0 系统开始商用，各国丌始研制更高性能的移动通信系统，统 称为b e y o n di m t - 2 0 0 0 系统，或b 3 0 系统。日本等国则明确提出了第四代移动 通信系统的概念，即4 0 。4 g 系统掘推测将于2 0 0 7 年进行频谱规划，并进一步 制定标准，有望于2 0 1 2 年投入商用。 1 2 13 g 系统的缺陷 随着无线通信技术的飞速发展，我们日益感受到随时随互连互通带来的便 利，但人们的要求也越来越高，单纯的话音通信己不能满足消费者的需求，未来 对数据与多媒体业务的要求将急剧提高。因此按此需求看来，3 g 系统仍存在两 大缺陷： 1 ) 仍不满足多媒体通信要求 高速数据传输和视频等多媒体通信等业务被认为是未来移动通信系统的必 备功能。i m t 2 0 0 0 系统已逐渐开始商用，但其2 m b p s 的传输速率与尚未全i p 化 的核心网并不能满足移动多媒体通信的需要。此外针对未来的大量数据业务，3 g 系统的比特成本也显得过于高昂 3 。 南京邮f 也学院坝上学位论文第一奄绪论 2 ) 接入网结构无法承载更高速率业务 传统蜂窝通信系统简化的层次示意如图1 1 14 1 所示。蜂窝系统使用小区分裂 的方法来扩容，即通过增加基站( 3 g 中称为n o d e b ) 数量把现有小区划分为若 干更小的小区。 目目盛目宣目叠目叠 目自叠 图1 1 蜂窝系统层次结构示意图 由于频带资源有限，传统蜂窝系统采用频率复用技术，带来小区间干扰：此 外c d m a 蜂窝系统由于地址码问互相关性i 理想，属于白干扰系统。小区半径 缩小，干扰随之增强，严重制约系统容量。同时基站密度将急剧加大，若小区半 径减为原先的1 ，2 ，所需基站数是原来的4 倍，导致切换频率大大增加，系统复 杂度和成本呈指数级上升 5 。 目前3 g 系统仍然采用蜂窝结构，能达到2 m b p s 的传输速率和较大系统容量， 实现无缝覆盖。4 g 系统的殴计速率高达1 0 0 m b p s 以上，预计用户数量也比3 g 系统高了一个数量级，因此4 g 无线接入网若沿用传统蜂窝结构，很难以合理的 比特成本同时满足高速大容量与高覆盖率的要求。 1 2 24 g 移动通信系统的目标与需求 第四代移动通信系统的概念在9 0 年代末被提出。设想中4 g 移动通信系统 必须具备以下能力 6 1 ： 1 ) 支持全i p 高速分组数据传输，数据速率1 0 0 m b p s 或更高； 2 ) 支持高的终端移动性，移动速度高达每小时几百公里； 3 ) 支持高的传输质量数据业务的误码率低于1 0 4 ： 4 ) 提供高的频谱利用率和功率效率，发射功率降低1 0 d b 以上； 4 南京邮f 乜学院顺十学位论文 第一章绪论 5 ) 能够有效地支持在用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度等方面大 动态范围的变化。 6 ) 以较低比特成本( 远低于3 g ) 同时实现高速大容量和高覆盖性。 1 2 34 g 关键技术 为满足以上的需求，来柬b e y o n d3 g 移动通信系统必须在网络结构、系统理 沦及：x j 键技术等力面具有全新的面貌，具体为 6 】： 1 ) 在嘲络结构方僦，将采用全ip 、分布式、自组织和多朕的无线r 带个 人通俄新体制和新模式，以对抗2g 以包波传输特性的挑战，并适应 来柬移动通佶以数据业务为主的需求： 2 1在窄。 l 接口方面，将采用分伽式的按入方式，多天线技术其有至关照 婴的作用，而多天线环境卜r 多输入多输h l ( mim0 ) 无线通信系统的 删沦将突破传统的无线通信系统理论，成为未来移动垮尢线通信系统理 沦的核心； 3 ) 征传输体制方面，传统的单载波时分多址利码分多址技术难以龇接推广 到_ r 一带传输，必须采用多载波并行传输体制，而高度灵活的多载波传输 乃粱的设计是b e y o n d3 g 移动通信系统设计的关键之一；如：i i 交频分 荻用( o f d m ) 、多载波c d m a ( m c c d m a ) 。 4 1 在编码与调削技术方面，将采用新型的自适应编码i 1 1 4 制( a m c ) 技术， 而包括其在内的、高效的自适应链路技术则是beyond 3g 移动 通信的另一类关键技术。 5 ) 强天线与射频技术方丽，将采用新型的多天线幂1 3 阵列天线技术以致宽带 高线性度射频技术。 1 3 论文内容安排 本文着重阐述v s f o f c d m 系统的提出理由、原理、实现方式和联合参数 的选择。第一章首先介绍了现代移动通信的发展史，并引入4 g 的概念。第二章 介绍真接扩频序列c d m a ( d s c d m a ) 、o f d m 、和m c c d m a 技术。第三章 着重介绍v s f o f c d m 系统针对4 g 需求所采用的技术，包括接入网结构、系统 南京| | | i i 【b 学院坝上学位论义 第一章绪硷 结构及原理、二维扩频与可变扩频因子的概念、调制与编码方案的选择。第四章 根据第三章所阐述的原理与设想对系统仿真，以误码率性能为指标对各种系统参 数进行评估，并根据不同小区结构、信道条件和业务q o s 要求分别选取较优的 参数组，以优化整个系统的期望性能。 南京邮电学院坝士学位论文第二章c d m a 与多载波系统 第二章c d m a 与多载波系统 2 1d s - c d m a 介绍 2 1 1 直接序列扩频 直接序列扩频( d s ：d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 通信系统以直接扩频 方式构成扩展频谱通信系统，简称直扩( d s ) 系统，又称伪噪声( p n ： p s e u d o n o i s e ) 扩频系统。它直接用高速率伪随机码在发端去扩展信息数据的频 谱。在收端，用完全相同的伪随机码进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信 息。图2 1 为扩频通信系统构成 7 。 ，习 0 。 一 s k ( t ) - 一u c 。，jp al 二 b 。( t a 。( t ) 一 p a ：功率放大 l n a ：低噪声放大 图2 1扩频通信系统构成 图2 1 中，假设有n 个数字信源，信息为a k ( t ) ，k = l 2 ，n 。若不考虑传输 过程中的干扰和噪声，则有 n n s ( f ) = s 女( f ) = b ( ，) c 女( f ) ( 2 1 ) = l k ；i 南京邮电学院硕士学位论文 第= 章c d m a 与多载波系统 若要是第1 i 个接收机能从s ( t ) 中分离出第m 路数字信息b 。( t ) ，处理过程为 a c 。( r ) s u ) = c 。( f ) 啪) c 。u ) t = 】 = 钆( r ) c 。( f ) c 。( r ) ( 2 2 ) = 1 = 6 。，( f ) + b 。( r ) c 。( ，) c 。( f ) 其中c 。，( r ) 为本地p n 码，已经假设 当= m 当女m ( 2 - 3 ) 只有当p n 码码集 c k ( t ) ) ( k = 1 ，2 ，n ) 中各信号完全正交时，才能完全实现 b t ( ，) c 。，( f ) c 。( f ) = 6 。，( f ) ( 2 - 4 ) ( 2 4 ) 式的意义为，只有当n 个p n 码集完全正交时，其对应的n 路码分信 道是完全分割的，在接收b 。( t ) 时，其他( n 1 ) 路码分信号的干扰被完全去除了。 b 。( t ) 经信息解调后输出第m 各数字信息a 。( t ) 。 由于扩频码信号带宽大大宽于信息信号的带宽，在扩频过程中信号的频谱带 宽被扩展为射频带宽。射频带宽与信息带宽之比叫做扩频系统的处理增益g 。 gp=面bt(2-5) 其中b t 为射频带宽，b i 为信息信号带宽。g 。也等于信息符号宽度扩频码 片宽度。图2 2 为直接序列扩频信号示意图。 一f 习二二二二：f = 书：抒丹：r 门：只闩：r f 书：只闩：r ：同：闩：只f 一阳刀：( 阳 ：阳) ：f 数描信号 编码信号 数据信号编码信号 b p s k 调制信号 图2 2直接序列扩频信号示意 南京i | | j ；i = 学院硕【j 学位论文 第二章c d m a 与多载波系统 2 1 。2d s c d m a 系统组成元素 d s c d m a 系统基本组成元素有r a k e 接收机、功率控制、软切换、频率间 切换以及多用户检测 8 】。 1 ) r a k e 接收机 多径信道中，接收机会接收到原始信号不同时延的副本。如果信号到达的 时间差要大于一个码片周期，接收机可以将它们分解出来。r a k e 接收机内包括 多个相关器。经过相关器解扩之后，信号采用例如最大比合并发给你是组合起来。 由于多径信号所受到的衰落是独立的，则可以获得分集增益，使系统性能得到改 善。图3 3 给出了r a k e 接收机的原理图，其中存在3 个不同时延( t ，t 。，b ) 和不同衰减系数( a l ，b 2 ，c 3 ) 的多径成分，每一个对应不同的传播路径。由于移动环 境的变化，使得时延和衰减因子也会随之变化。因此，需要测量抽头延时线的分 布，在需要的时候可以用于重新分配r a k e 分支。 图2 3r a k e 接收机示意图 2 ) 功率控制 在d s c d m a 系统的上行链路中，要求功率控制是其最不利的因素。功率 控制问题是针对多址干扰而出现的。所有的d s c d m a 用户在同一时间内利用 相同的频段发送数据消息，因而会导致用户信号之间的相互干扰。由于无线传播 的限制，来自基站附近的终端的信号要大于来自位于小区边缘的终端的信号。因 此，远距离用户的信号有可能会被近距离用户的信号所覆盖，这就是远近效应。 为了获得理想的系统容量，则要求无论终端的距离如何，它们都应该以相同的平 均功率达到基站。该问题的一个解决方案是功率控制，试图保证每一个用户都具 有恒定的接收信号功率。因此在判断d s c d m a 系统容量时，发射机功率控制 9 南京邮电学院硕士学位论文第二章c d m a 与多载波系统 ( t p c ) 性能是一个很重要的因素。 与上行链路相反，在下行链路中所有信号都经过相同的信道传播，这样移 动台接收机可以接收到等功率的信号。因此，不需要功率控制来克服远近效应。 然而功率控制被用来减小对其他小区的干扰，对抗来自其他小区的干扰。 除了用于对抗干扰用户的信号之外，功率控制还可以被利用来提高 d s c d m a 系统对抗衰落的能力。如果能够准确地预测信道的衰落，功率控制 还可以将衰落信道变为a w g n 信道，从而完全消除由衰落带来的影响。 目前存在有两种功率控制原理：丌环与闭环。开环功率控制从信道中测量 干扰，并且据此做出调整。然而由于上、下行链路中的衰落是不相关的，所以开 环功率控制只能在平均程度上完成功率控制。因此需要采用闭环功率控制。闭环 功率控制测量信噪比，并且向另一端的发射机发送命令，以调整传输功率。 3 1 软切换 在软切换中，一个移动台同时与多个基站保持连接。c d m a 中可以采用软 切换，以减小对其他小区的干扰，从而提高系统性能。更软切换是小区内扇区之 问的软切换。 采用f d m a 和t d m a 的蜂窝系统中的相邻小区采用不同的频率( 即使用 相同频率的小区之间要保持一定的距离) 。这就是频率复用的概念。由于具备处 理增益，在c d m a 中不需要这种空间的间隔，即频率复用系数可以为1 。通常 当邻近小区的信号强于目前本小区的内的信号，并且超过一定的门限后，移动台 进行切换，这叫做硬切换。由于c d m a 系统中邻近小区与所给定小区内采用相 同的频率，所以这种方法会引起过多的干扰进入到邻近小区内，造成系统容量的 下降。为了避免这种干扰，则要求当新小区的信号强度超过当前小区信号强度时， 应该立即实施从当前小区到新小区的切换。然而这在实际情况中非常难以实现。 切换装置总是允许移动台连接到具有最大信号功率的小区( 即路径损耗最小) 。 由于在软切换中移动台同时可以与两个或多个基站保持连接，其传输功率可阱受 具备最强的信号的小区的控制。当邻近小区的信号强度超过门限值，但仍然低于 当前基站的信号强度时，移动台进入到软切换状态。 幸运的是，c d m a 系统的信号结构非常适用于实施软切换。这是因为在上 行链路中由于复用系数为1 ，所以两个或多个基站可以接收到相同的信号。并 南京邮t 乜学院硕士学位论文第二章c d m a 与多载波系统 且在下行链路中，由于移动台把来自多个基站的信号视为附加的多径成分，所以 移动台可以把各个信号相干组合起来。这样就会提供一种附加的增益，叫做宏分 集( 即由一个或多个附加信号所引起的分集增益) 。单独的导频信道通常被用于 信号强度测量，以供切换使用。 然而在下行链路中，由于基站向移动台发送附加信号，多次软切换会对系 统产生更多的干扰。但由于r a k e 接收机有限的接收分支个数，移动台不太可 能捕获到基站所发射的所有功率。这样，下行链路中的软切换所获得的好处要取 决于宏分集增益由于增加的干扰而带来的性能损耗。上行链路中，两个基站接收 到移动台信号，而且在解调之后，把信号传送到基站控制器( b s c ) 。在下行链 路中，相同的信息通过两个基站被发送，移动台从两个基沾接收到信号，并把它 们看作是独立的信号，而且组合在一起。 4 ) 频率间切换 三代c d m a 网路在每个小区内包含有多个载波频率，在热点小区内包 含的频率个数要多于邻近小区。而且在分层小区结构中，微小区与覆盖其上的宏 小区的频率是不同的。因此，在不同的频率之间需要切换。二代c d m a 系统中 采用的盲切换并不能导致产生足够好的话音质量。相反，移动台在维持与当前载 波频率的连接的同时，还必须要测量信号强度，以及其他载波的质量。由于 c d m a 的传输是连续的，所以不存在空闲时隙用于频率问的切换。因此，提出 压缩模式与双工接收机用于频率之间的切换。在压缩模式中，通过发送数据帧来 得到测量罟寸隙。双工接收机可以在不影响当前频率接收结果的前提下，对其他频 率进行测量。 5 ) 多用户检测 目前的c d m a 接收机采用r a k e 接收机原理，把其他用户的信号视为干 扰。然而在最佳接收机当中，所有信号会被联合检测出来，或从期望信号中把它 们减去。这一点可以由信号之间已知的相关特性得到保证( 即干扰不是随机的) 。 采用r a k e 接收机的直接序列扩频c d m a 系统的容量是受干扰限制的。在实际 系统中，这就意味着当有新用户或干扰进入到网络中时，其他用户的服务质量会 有下降。网络越能抗拒干扰，其也就能够为更多的用户提供服务。 由于最佳多用户检测十分复杂，而且在实际中不太可能对任意数量的用户 南京邮电学院硕士学位论文 第二章c d m a 与多载波系统 实施，因此开发出若干种次优多用户和干扰消除接收机。次优接收机主要分为两 种：线性检测器和干扰消除。线性检测器在匹配滤波器的输出中采用线性变换， 试图消除多址干扰。线性检测器的实例包括有解相关器和线性最小均方误差 ( l m m s e ) 检测器。在干扰消除中，首先估计多址干扰，然后从接收信号中减 去该干扰。干扰消除的实例包括有并行干扰消除( p i c ) 和串行干扰消除( s i c ) 。 2 1 3d s c d m a 的优缺点 1 )优点 有效消除窄带干扰。用扩频码对窄带信号进行扩频，可以把窄带信号功 率分配到很宽的频谱范围之内，因此相应减少了信息带宽之内的干扰信 号功率。在接收机内，s s 信号被解扩，二干扰信号被扩频，使其看起来 相当于背景干扰噪声。示意图如图3 4 。 信号 干扰 滤波 带宽 g 目 目霉戳目一豳瓣搿麓翳戳鞠麓髓罄燃 图2 4 扩频消除干扰示意图 多址能力较强。多个用户同时发送扩频信号，只要每个用户配有唯一扩 频码，而且该扩频码互相关性很小，接收机就仍然能区分用户。 保密性较好。被发送信号能且只能被其扩频码的接收机所解扩，从而得 到数据信息。 扩频码生成简单。可以通过简单的相乘实现。 只用一个载频，频率同步相对于多载波系统比较简单。 用户间不必采取同步技术。 2 )缺点 1 2 南京邮电学院硕l 学位论文 第二章c d m a 与多载波系统 本地扩频码与接收信号之i 、白j 同步比较困难。同步必须保持在部分码片时 间之问。 收发端扩频码间同步要求很高。 功率控制不易。距离基站比较近的用户功率远大于距离远的用户，造成 近距用户对远距用户的干扰甚至信号淹没。这种效应称为远近效应，可 以通过功率控制算法解决，但实际证明功率控制比较困难。 多址干扰限制系统容量。蜂窝系统中，因为扩频码间互相关性不理想( 扩 频码间不正交) ，当用户数较多时，多址干扰成为主要干扰，限制系统 容量并降低每个用户的信干比。 2 2o f d m 原理【9 】 2 2 1 绪论 近些年来，以正交频分复用( o f d m ) 为代表的多载波传输技术受到了人们的 广泛关注。o f d m 就是实现多载波调制的一种技术，它的基本思想是：把高速 数据流分散到多个正交的子载波上传输，从而便子载波上的符号速率大幅度降 低，符号持续时间大大加长。它具有克服多径衰落、频谱利用率高、抵抗窄带干 扰等优点。o f d m 是多载波传输方案的实现方式之一，在许多文献中，o f d m 也被称为离散多音( d m t ) i j 稚0 。o f d m 利用逆快速傅立叶变换( i f f t ) 乖1 快速傅立 叶变换( f f t ) 来分别实现调制和解调，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载 波传输方案。 o f d m 技术的应用可以追溯到本世纪六十年代，主要用于军用高频通信系 统，但当时o f d m 系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到7 0 年 代，人们提出了采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构， 使得o f d m 技术更趋于实用化。八十年代，人们研究如何将o f d m 技术应用于 高速m o d e m e 进入九十年代以来，o f d m 技术的研究深入到无线调频信道上 的宽带数据传输。由于数字信号处理( d s p ) 技术的飞速发展，o f d m 技术有着 南京邮l 乜学院硕上学位论文 第二苹c d m a 与多载波系统 更为广阔的应用前景。今天，o f d m 已经广泛用于数字音视频广播( 如d a b 和 d v b ) 、高速无线局域网系统( 如h i p e r l a n 2 、i e e e8 0 2 1 l a ) 、以及高比特率数 字用户线( 如a d s l 、v d s l ) 。目前，o f d m 技术已被考虑用在基于i e e e8 0 2 1 6 标准的无线城域网、基于i e e e8 0 2 1 5 标准的个人信息网以及未来的下一代无线 蜂窝移动通信系统。 o f d m 技术得到广泛应用的主要原因在于 1 0 ： 1 1o f d m 可以有效地对抗多径传播所造成的符号间干扰，其实现复杂度比采用 均衡器的单载波系统小很多。 2 ) 在变化相对较慢的信道上，o f d m 系统可以根据每个予载波的信噪比来优化 分配每个子载波上传送的信息比特，从而大大提高系统传输信息的容量。 3 ) o f d m 系统可以有效对抗窄带干扰，因为这种干扰仅仅影响o f d m 系统的 一小部分子载波。 4 ) o f d m 系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同 的传输速率，已满足非对称性业务的需求。 5 ) o f d m 易于和其他多种接入方法使用，构成o f d m a 系统，使得多个用户可 以同时利用o f d m 技术进行信息的传输。 与传统的单载波传输系统相比，o f d m 的主要缺点在于： 1 ) o f d m 对于载波频率偏移和定时误差的敏感程度比单载波系统要高。因此在 高速移动环境中性能不佳。 2 ) o f d m 系统中的信号存在较高的峰值平均功率比( p a r ) 使得它对功率放大器 的线性要求很高。 2 2 2o f d m 的基本原理 2 2 2 1o f d m 系统的调制和解调 o f d m 系统可以通过快速付利叶变换来实现调制和解调，每个o f d m 符号 是多个经过调制的子载波信号之和，其中每个子载波的调制方式可以选择相移键 控( p s k ) 或者正交幅度调$ 1 j ( q a m ) 。如果用n 表示予信道的个数，t 表示o f d m 1 4 南京邮【乜学院坝l 学位论义 第一蕈c d m a 多载波系统 符号的宽度，d 。( i = o ，1 ，n - 1 ) 是分配给每个于信道的数据符号，f c 是第0 个于载 波频率，则从t = t 。开始的o f d m 符号可以表示为： m ) 。r e 丢d ie x p j 2 姒+ 扣一川) 钽犁丁( 2 _ 6 ) s ( f ) = 0f t 八t ，t + t s 在很多文献中，经常采用；n t 所示的等效基带信号来描述o f d m 的输出信 号： n i j ( ) = d ，e x p ( j 2 r ci l ( 卜t s ) )f + 丁 ( 2 7 ) ，= 0 1 s ( f ) = 0t t s 八b 丁+ 其中式( 2 7 ) 的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实 际中可以分别与相应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号 和合成的o f d m 符号。图2 - 1 给出了o f d m 系统基本模型的框图，图中假定t 。= 0 。 l = c 七i t ， + ， d 。天 l j q p 曲 e ，2 n 1 7 “一，足 1 咆；p 井 ， 卜 图2 5o f d m 系统基本模型 在图2 6 中给出了一个o f d m 符号内包括4 个子载波的实例。其中所有的子 载波都具有相同的幅值和相位，但在实际应用中，根据数据符号的调制方式，每 个子载波的幅值和相位都可能是不同的。从图2 6 可以看到，每个子载波在一个 o f d m 符号周期内都包含整数倍的周期，而且各个相邻子载波之间相差1 个周 期。由图2 6 可以看出，各子载波信号之间满足正交性。这种正交性还可以从频 域角度理解。 l 一n + 南京邮电学院碗士学位论文 第二蕈c d m a 与多载波系统 o f d m 子载波 - j 一- s jj ；j ， j 卜j 镥。 、7i 霄? j 融_ 般旺i ! l 巍j仃曩川一! 憾j 、f n ， 一 ii ” 1 i 料 旷h ”j：! | | _ 川j l l卜：rf”一i 【叫j 、l je 一矗_ 。 + 渤 l1 j7 i ，。! ：! j 厂j 。| j i ：r j i_ “、，i ；_ 0 澎 234 时间 图2 6o f d m 符号内包括4 个子载波 图2 7 给出了o f d m 与传统f d m 的频谱比较图。从图中可以看出，在o f d m 每一子载波频率的最大值处，所有其他子信道的频谱值恰好为零。也就是说， o f d m 各子载波信号之间的正交性避免了子信道间干扰( i c l ) 的出现。o f d m 符 号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多个子信道之间不存在相互干扰，但这 出现在频域中。这样，o f d m 频谱效率相比传统f d m 提高了至少倍( 传统 f d m 通常还采用频率保护间隔) 。 图2 7o f d m 与f d m 频谱比较 接收端第k 路子载波信号的解调过程为：将接收信号与第k 路的解调载波 e x p ( 一j 2 石亍ko 一) ) 相乘，然后将得到的结果在。f 。m 符号的持续时间t 内进 行积分，即可获得相应的发送信号屯。 1 6 南京邮电半院坝l 学位论文 第一章c d m a j 多绒波系统 鼠= r 打e x p ( 2 万睾p t ”霎z 唧u 研季。一) 矽 = 莩眵r 刚2 万竽卜o ) d t 咄 p s ， 实际上，式( 2 7 ) 中定义的o f d m 复等效基带信号可以采用离散逆傅立叶变 换( i d f t ) 来实现。令式( 2 - 7 ) 中的t s = o ，t = k t n ( k = 0 ，1 ，n 1 ) ，则可以得到： 她) = n s ( k t ) = 篓d ，e x p ( 等) o k n 一1 ( 2 - 9 ) s ( 七) = ) = ，e x p ( 等) 一 式( 2 - 9 ) 中，s ( k ) 即为d 的i d f t 运算。在接收端，为了恢复出原始的数据符号 d ，可以对s ( k ) 进行d f t 变换，得到： 廿兰1s ( k ) e x 卧j 竽)o i n - 1 ( 2 1 0 ) 根据匕述分析可以看到，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 来 代替。通过n 点i d f t 运算，把频域数掘符号d i 变换为时域数据符号s f k ) ，经过 载波调制之后，发送到无线信道中。 在接收端，将接收信号进行相十解调，然后将基带信号进行n 点d f t 运算， 即可获得