（通信与信息系统专业论文）多径衰落环境下新型ccccdma系统仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第i 页 摘要 f 本文主要研究一种新型的基于完全互补码的c d m a 系统，即c c c c d m a 系统。在本系统中，利用完全互补码处处为零的互相关特性和自相关的旁瓣为 零的特性，可有效消除系统的多址干扰，提高系统的容量。由于采用了特殊的 偏移栈扩频调制方式，可提高数据发送速率，改善带宽效率。通过调整偏移栈 偏移的大小，可简化多媒体服务的速率匹配算法，特别适用于i p 网络中上行 链路和下行链路非对称业务的传送 论文首先介绍了完全互补码的相关特性及与其它扩频序列的比较，阐述了 完全互补码的产生原理，并完成了码字生成软件。接下来，对基于完全互补码 的基带c d m a 系统上行链路和下行链路发送与接收模型进行了讨论，分析了该 系统下行链路在a w g n 信道中的系统性能，并对该系统上行链路和下行链路在 a w g n 信道中进行了仿真。然后，重点描述了基于完全互补码c d i v l a 系统接收机， 利用两组匹配滤波器，分别实现多径信道脉冲估计和用户多径信号检测。基于 相关多径衰落信道模型，论文分别在简单多径衰落信道，r i c i a n 衰落信道以及 r a y l e i g h 衰落信道中对该系统进行了仿真，得到了相关误码率性能。此外，论 文还研究了c d b l a 系统的同步方法。i 仿真实现了完全互补码的捕获和跟踪同步， 系统的载波同步和帧同步。最后，总结了基于完全互补码c d m a 系统的优点及 存在问题，讨论了本设计中所完成的工作，并对未来的工作进行了展望妓 关键讯c d 义完全互丰隅心沁h 浦遍r a y l e 垤h 信遍同誉 西南交通大学硕士研究生学位论文第i i 页 a b s 仃a c t t h i st h e s i s m a i n l yi n v e s t i g a t e s an o v e lc d m a s y s t e mb a s e do no r t h o g o n a l c o m p l e t ec o m p l e m e n t a r yc o d e s ( c c c ) i e c c c c d m as y s t e m t h ec o r eo ft h e p r o p o s e dn e wc d m as y s t e mi s t h eu s eo fo r t h o g o n a lc o m p l e t ec o m p l e m e n t a r y c o d e s ，w h o s ea u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o ni sz e r of o ra l le v e na n do d ds h i f t se x c e p t 也e z e r os h i ra n d ，w h o s ec r o s s c o r r e l a t i o nf u n c t i o ni sz e r of o ra l lp o s s i b l es h i f t s t h e n e wc d m as y s t e mo f f e r sm a i f r e e o p e r a t i o n i nb o t h u p - a n dd o w n l i n k t r a n s m i s s i o n s ，w h i c hc a ns i g n i f i c a n t l ye n h a n c et h es y s t e mc a p a c i t y i ti sp a r t i c u l a r y s u i t e dt om u l t i r a t es i g n a lt r a n s m i s s i o nd u et ot h eu s eo fa no f f s e ts t a c k e ds p r e a d i n g m o d u l a t i o ns c h e m e ，w h i c h s i m p l i f i e s t h e r a t e m a t c h i n ga l g o r i t h m r e l e v a n tt o m u l t i m e d i as e r v i c e sa n df a c i l i t a t e s a s y m m e t r i c t r a f f i ci n u p a n d d o w n l i n k t r a n s m i s s i o n sf o ri p b a s e da p p l i c a t i o n s f i r s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ec o r r e l a t i o np r o p e r t i e so fc o m p l e t ec o m p l e m e n t a r y c o d e sa n dc o m p a r e sw i t ho t h e rt r a d i t i o n a ls e q u e n c e s t h e nt h ec o d eg e n e r a t i o n p r i n c i p l e i s d e s c r i b e d ，t o g e t h e rw i t ht h e s o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o n s e c o n d ，t h e t r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o nm o d e l so fb a s e d b a n dc d m a s y s t e mb a s e do nc o m p l e t e c o m p l e m e n t a r yc o d e si nu p - a n dd o w n l i n ka r cd i s c u s s e da n di t sp e r f o r m a n c ei n a w g nc h a n n e li sa n a l y z e da n de v a l u a t e dt h r o u g hs i m u l a t i o n t h i r d ar e c e i v e rf o r m u l t i p a t hs i g n a lr e c e p t i o ni si n v e s t i g a t e d ，w h i c hc o n s i s t so ft w om a t c h e df i l t e r s ： o n ef o rc h a n n e li m p u l s er e s p o n s ee s t i m a t i o na n dt h eo t h e rf o rd a t ad e t e c t i o n t h e p e r f o r m a n c eo fn e wc d m as y s t e mu n d e rs i m p l em u l t i p a t h r i c i a na n dr a y l e i g h f a d i n gc h a n n e l si se v a l u a t e du s i n gs i m u l a t i o n f o u r t h s y n c h m n i z a t i o nm e t h o d so f c d m as y s t e ma r e d i s c u s s e d a c q u i s i t i o n a n d t r a e k i n gs y n c h r o n i z a t i o n s o f c o m p l e t ec o m p l e m e n t a r y c o d e sa r es i m u l a t e d a n dc a r r i e ra n df r a m e s y n c h r o n i z a t i o n so fs y s t e ma r ea l s oi m p l e m e n t e d l 鹤f l y , v a r i o u sa s p c c t so ft h e p r o p o s e ds y s t e ma n dp o s s i b l ef u t u r ew o r k s a r ed i s c u s s e d t h et h e s i sa l s oa d d r e s s e s t e c h n i c a ll i m i t a t i o n so ft h en e wc d m aa r e h i t e c t u 代 k e y w o r d s ：c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，c o m p l e t ec o m p l e m e n t a r yc o d e ， r i c i a nc h a n n e l ，r a y l e i g hc h a n n e l ，s y n c h r o n i z a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 扩频技术与扩频码 第一章绪论 1 1 1 扩频码的主要性能以及对系统的影响 扩频通信系统的频谱扩展是借助于扩频序列而实现的。扩频序列的特性对 于扩频通信非常重要，对于扩频通信的性能具有决定性的重要作用。扩频序列 编码是扩频通信系统的核心内容之一。在扩频通信中，抗干扰、抗多径、抗截 获、保密、多址通信、实现同步等都与所采用的扩频序列密切相关 1 1 - 2 3 】。扩频 通信系统的关键技术之一是产生符合传输性能要求的扩频序列，对于它的一般 要求是： 具有较好的自相关和互相关特性，即自相关旁瓣和互相关系数要小，这样系 统具有较强的抗干扰能力； 在保证自相关和互相关特性条件下，要有足够的不同结构的码序列，以便实 现码分多址； 为保证信号和多址间的干扰具有近似白噪声特性，码序列要有一定的长度； 地址码的产生和捕获要容易，建立同步时间要短。 1 1 2 目前几种常用扩频码 在扩频c d m a 通信系统中使用的扩频码主要包括两大类：伪噪声( p n ) 码和正交非p n 码。目前2 g 和3 gc d m a 系统常用的p n 码主要有m 序列、 g o l d 码，k a s a m i 序列等【1 5 - 1 7 】。在c d m a 系统中，每一p n 码应当与同一频带 中的其它扩频信号不相关，因此要求有很小的互相关。另一方面，在零时延具 有零互相关的正交非p n 码可用于改善c d m a 系统的带宽效率1 2 7 2 引。正交码的 同相正交特性可用于区分不同的用户。此外，正交码也可用于形成正交调制符 号。二进制w a l s h 序列在零时延具有理想的正交性，可用于同步c d m a 系统 的前向链路【1 4 】。如果采用w a l s h 码的发射信号能保持理想同步，则可消除小区 内干扰，提高系统容量。为提供灵活的多速率数据服务，需要根据用户的要求， 在前向链路中给每一用户分配多个码信道。然而这种正交多码分配在移动台接 西南交通大学硕士研究生学位论文 第一2 页 收端需要多个r a k e 合并器，增加了接收机的复杂度。ea d a c h i 等2 9 1 提出了 一种可变长度正交码，这样可简化移动台的接收机，但仍比较复杂。此外，四 相或多相正交序列组也可在同步c d m a 系统中采用。除了同步问题外，在移 动通信环境中，多径传播导致不同的时延信号，从而破坏了w a l s h 或其它正交 码的正交性。因此，文献【2 1 】中提出了z c z ( z e r oc o r r e l a t i o nz o n e ) 概念，并 在互补对的基础了推导出了几类z c z 码。s u e h i r o 2 9 ，3 0 扩展了完全互补码的 概念，使其自相关函数除零偏移外处处为零，互相关对所有的偏移都为零，并 将完全互补码应用于现代c d m a 系统中。 1 2c d m a 系统的国内外研究现状 2 0 世纪9 0 年代初期以来，随着通信技术和微电子技术的飞速发展，以数 字蜂窝、无绳电话、寻呼、卫星通信为代表的第二代移动通信系统迅速发展， 以其令人瞩目的优越性逐渐取代模拟系统，在世界范围内得到普及和应用，并 已进入向第三代移动通信系统过度的阶段。而c d m a ( 码分多址) 技术，则成为 未来移动通信发展的主流技术“。1 ”。 1 2 1 c d m a 的基本概念 c d m a 技术是建立在正交编码、相关接收的理论基础上，运用扩频通信技 术解决无线通信的选址问题的技术。扩频通信是指系统将所需传输的信号用一 个带宽远大于信号带宽的高速伪随机编码信号去调制它，使原信息数据的带宽 大大扩展，再经载波调制后发射出去：接收端经解调后，使用与发送端完全相 同的伪随机码，与接收的宽带信号做相关处理，把宽带信号解扩为原始数据信 息。c d m a 系统利用自相关特性大而互相关特性小的码序列作为地址码，在信 道中许多用户的宽带信号相互叠加在一起同时进行宽带传输，同时还叠加有宽 带、窄带干扰及噪声，系统利用本地产生的地址码对接收到的信号及噪声进行 解调，凡是与本地产生的地址码不相关的宽带信号与宽带噪声仍保持带宽。解 扩信号经窄带滤波后，信噪比得到极大提高，可将所需的信号分离出来 2 羽。 一个c d m a 系统的基本构成如图1 1 所示。 在发射端各路用户数据流b l ( f ) ，b 2 ( f ) ，b 。( f ) 与各自的伪随机码 p a l 。，p 2 ，p ，相乘进行扩频。p 码必须与玩( f ) 同步，然后把扩频后的各 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 路基带信号相加，再去调制射频( r f ) 载 a c o s ( c o , f + 妒) ，变为宽带信号z ( f ) 发送出去。 z ( f ) = 【a i c i ( t ) b i ( t ) c o s ( t o 。h 妒)( 1 一1 ) i = 1 以第一路为例，在接收端，收到的信号中包括了本用户的有用信号6 。( f ) 和 表现为干扰的其它用户信号，用相干载波先对已调载波进行解调，获得如下信 号： a l b l ( f ) c i ( f ) + a j b ) c ) + n ( f ) ( 1 2 ) j = 2 其中n ( t ) 为噪声。 y t ( t ) a c o s ( o c t 十妒) 发射机 相关载波接收机 图1 1c d m a 通信系统 静静l 静嗜嗜l 咯 1 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第- 4 页 此信号再与本地产生的p n 。码( 与发送端的p n 。码完全相同) 相乘进行解 调，即解扩处理。设此p i 码与发端c 1 ( f ) 准确同步，则c 。( o c ，( f ) = 1 ，故解扩 后的信号k ( f ) 变为： k 。( f ) = a l b l ( f ) + a j b j ( f ) c ( ) c l ( f ) + n ( f ) j = 2 = a l b l ( f ) + 干扰+ n ( f )( 1 3 ) 如果干扰和噪声能够控制得足够低，则积分器输出的信号k ( f ) 为 ( f ) = e b ，如b 1 ( f ) = 逻辑“1 ” v o ( t ) = - e b ，如6 i ( f ) = 逻辑“0 ” 即k ( f ) = b 。( t ) ，恢复了原来发送的信号。 ( 1 - 4 ) 由上可见，在接收过程中，系统内其它用户信号对有用信号而言都成为干 扰，如控制得不好就会明显影响积分器的输出信号，而不能正常恢复原来发送 的信号，这就是所谓的c d m a 是一种干扰受限的通信系统。在c d m a 系统中 必须动态地严格控制移动台( m s ) 和基站( b s ) 的功率。一方面要把功率控 制得尽量小，以容纳尽量多的用户；另一方面还要保持一定的水平，保证信道 达到可以接收的性能要求。在c d m a 系统中，任何消除干扰的方法都可提高 c d m a 系统的容量。 目前采用c d m a 技术的蜂窝移动通信系统主要有下面几种：基于i s 9 5 标 准的第二代蜂窝移动通信系统1 2 , 5 1 ；从i s 9 5 b 标准发展而来的，基于c d m a 2 0 0 0 标准的第三代蜂窝移动通信系统，它是由多个1 2 5 腻h z 的窄带直接扩频系统组 成的一个宽带系统4 5 6 1o 】；基于w c d m a ( f d d 和t d d ) 标准的第三代蜂窝 移动通信系统，它是在5 m h z 的频带内直接对信号进行扩频【4 删；最后是由中 国提出的基于t d - s c d m a 标准的t d dc d m a 系统m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第s 页 1 2 2 各种c d m a 蜂窝系统的比较 c d m a 是在9 0 年代初由美国q u a l c o m m 公司提出来的，i s 9 5 是最早的 c d m a 标准。 1 i s 9 5c d m a 系统的基本特点 i s 一9 5 是利用g p s 完成整个系统同步的同步系统。i s 9 5 支持的业务速率 是9 6 k b i t l s ，l1 5 2 k b i t i s ，扩频以后的码片速率是1 2 2 8 8 m c h 咖i s ，它的扩频 增益是1 2 8 。在i s - 9 5 中，每一个基站有6 4 个信道，基站和用户中的每一个信 道用6 4 个相互正交的6 4 位w a l s h 码中的一个表征。在前向和反向链路中扩频 过程是不同的。 前向链路中，已给定基站的每一个移动台被分配一个扩频码( w a l s h 码) ( 注：在i s 9 5 b 中一个用户可占用多个信道) ，所有的信号在加扰后再与一对 序列周期长度为2 ”的短码相乘，该序列用来区别各个基站，即每个基站只有 一个具有某一相移的短码与其对应。 反向链路中，首先进行正交调制：即每6 b i t 用一个6 4 位w a l s h 函数中的 一个进行映射，然后经过数据突发扰乱器，用周期长度为2 “一l 的长码中的一 段进行扩频，最后再与相位偏置为0 的一对短码序列相乘。这里的长码包含了 移动台的身份信息。 为了克服远近效应，i s 9 5 在反向链路加入了功率控制，使得在基站端每 个用户的接收功率相同。它的功率控制有开环和快速闭环功控。r a k e 接收机 是提高c d m a 系统性能的重要技术。在基站和移动台均有r a k e 接收机：基站 是4 个f i n g e r 的r a k e ，移动台是3 个f i n g e r 的r a k e 。另外，i s 9 5 还支持具有 宏分集作用的软切换技术。 2 c d m a 2 0 0 0 系统的基本特点 c d m a 2 0 0 0 系统是北美的l u c e n t ，m o t o r o l a ，n o r t e l ，q u a l c o m m 公司以及 韩国s a m s u n g 等公司联合提出来的，它是在i s 9 5 b 系统的基础上发展而来的， 因而在系统的许多方面，如同步方式、帧结构、扩频方式和码片速率等都与 i s 9 5 b 系统有许多相似之处。但为灵活支持多种业务，提供可靠的服务质量和 更高的系统容量，c d m a 2 0 0 0 系统也采用了许多新技术和性能更优异的信号处 理方式。 c d m a 2 0 0 0 系统的前向链路支持n x l 2 2 8 8 m c h i p i s ( 这里n = 1 ，3 ) 的码 片速率。n = 1 时的扩频速率与i s 9 5 b 的扩频速率相同。对n = 3 的情况，采 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 用多载波方式。多载波方式将要发送的调制符号分接到个相隔1 2 5 m h z 的载 波上，每个载波的扩频速率均为1 2 2 8 8 m c h i p s 。反向链路的扩频方式在n = 1 时与前向链路相似，但在n = 3 时采用码片速率为3 6 8 6 4 m c h i p s 的直接序列 扩频，而不使用多载波方式。在前向链路利用可变长度的w a l s h 序列区分不同 的信道，所有的信号在加扰后再与一对序列周期长度为2 ”的短码相乘，该序 列用来区别各个基站，即每个基站只有一个具有某一相移的短码与其对应。在 反向链路利用可变长度的正交序列区分不同的信道，利用长度为2 “一l 的长码 区分不同的用户。 3 w c d m a 系统的基本特点 w c d m a 为欧洲e t s i 提出的宽带c d m a 技术，它与日本a r i b 提出的宽 带c d m a 技术基本相同，双方标准化组织经过进一步的融合形成了统一的第 三代移动通信无线接口建议w c d m a 。与窄带c d m a 相比，w c d m a 系统在 以下方面有了很大的改变： a ) 为了适应不用业务的要求，采用了可变扩频因子( o v s f ) 的技术，扩 频因子为4 5 1 2 。 b ) 除了在窄带c d m a 中使用的卷积编码技术，还增加了用于高速率数据业 务传输的t u r b o 编码技术。 c ) w c d m a 允许一个用户同时发送多种业务，同时为了更充分地利用资 源，包括速率匹配在内的信道复用技术得到应用。 d ) w c d m a 采用同步，异步相结合的同步方式。 e ) 用复扰码来标识基站和用户：用户采用周期长度为2 ”一l 的g o l d 码， 基站是周期长度为2 ”一l 的g o l d 码。 f ) 在调制方式上也有很大不同：在窄带c d m a 系统中，前向采用q p s k ， 反向采用o q p s k 。w c d m a 系统中，前向仍旧采用q p s k ，反向使用h p s k ， 同时使用了复加扰技术。 g ) 支持多种新技术来提高系统性能：如智能天线、多用户检测等。 4 t d s c d m a 系统的基本特点 我国在1 9 9 7 年成功开发出基于s c d m a 技术的w l l 基础上，于1 9 9 8 年 6 月向u 提交了第三代r t t 建议t d - s a 孙i a ，并积极与欧洲的u t r at d d 进行融合，被列为i m t 2 0 0 0c d m at d d 的两种方案之一。它能够满足未来对 第三代移动通信系统的要求，在室内、室内，外环境下进行话音、传真及各种数 据业务。t d s c d m a 中使用了直接序列扩频的码分多址技术( d s c d m a ) ， 它的传输带宽为1 6 m h z ，码片速率为1 2 8 m c h i p i s 。t d - s c d m a 采用了时分 西南交通大学硕士研究生学位论文第- 7 - 页 双工( t d d ) 的方式，因而前向和反向链路可以使用相同的无线频率同步时间 间隔，前向和反向链路的信息在物理信道的不同时隙相互发送。t d d 能使用 各种频率资源，不需要成对的频率；t d d 适用于不对称的上下行数据，特别 适用于p 的数据业务；t d d 上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性使 之便于使用诸如智能天线等新技术，达到提高性能，降低成本的目的。 t d d 系统的主要缺点在于终端的移动速度和覆盖范围：( 1 ) 采用多时隙 不连续传输方式，抗快衰落和多普勒效应能力比连续传输的f d d 方式差。( 2 ) t d d 系统平均功率与峰值功率之比随时隙数增加而增加，考虑到耗能和成本 因素，用户终端的发射功率不可能很大，放通信距离( 小区半径) 较小，而 f d d 的小区半径相对较大。 1 3 本文的主要研究思路与内容安排 现代通信系统是一个十分复杂的工程系统，通信系统设计研究也是一项十 分复杂的技术。由于技术的复杂性，在现代通信技术中，越来越重视采用计算 机仿真技术来进行系统分析和设计。随着电子信息技术的发展，已经从仿真研 究和设计辅助工具，发展成为今天的软件无线屯技术，这就是通信系统的仿真 研究具有更重要和更实用的意义。 表1 - 1 仿真软件包特点对照表 公司软件运行模型价适用应用 名称名称环境库格范围事例 c a d e n c es p w b o n e su n i x大昂大型通信系统链路层、网l e o 一铱 贵络层及硬件设计层仿真系统 r s ta c o l a d ew i n d o w s大适无线通信系统链路层设亚卫载 中计仿真波排列 s y n o p s y s c o s s a p u n i x大昂大型通信系统链路层及 贵硬件设计层仿真 适模拟数字混合模式的小 e l a n i xs y s t e m v i e ww i n d o w s 由由 型通信系统链路层及硬件 设计层仿真 t e s o f tt e s l aw i n d o w s小便简单模型仿真 宜 表1 - 1 显示了目前国内外常用的几个通信系统仿真软件包的组成及各自特 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 一页 点。其中s p w 和a c o l a d e 软件包是目前较先进的通信系统仿真软件包，但 是价格昂贵。而s y e t e m v i e w 是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动 态系统分析平台。从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计及仿真，直 到一般系统的数学模型建立等各个领域，s y s t e m v i e w 在友好且功能齐全的窗 口环境下，为用户提供了一个精密的嵌入式分析工具，而且价格适中枷。 2 1 世纪，移动通信技术和市场飞速发展。在新技术、市场需求的共同作用 下，未来移动通信技术将呈现以下几大趋势：1 ) 网络业务数据化、分组化， 移动互联网逐步形成；2 ) 网络技术数字化、宽带化：3 ) 网络设备智能化、小 型化；4 ) 应用于更高的频段，有效利用频率：5 ) 移动网络的综合化、全球化； 6 ) 高速率、高质量、低费用、大容量。这是未来移动通信技术发展的方向和 目标。未来移动通信技术的主要指标：1 数据速率从2 m b s 提高到1 0 0 m b s ， 移动速率从步行到车速以上。2 支持高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。 3 对全速移动用户能够提供1 5 0 m b s 高质量影像等多媒体业务。 基于完全互补码的c d m a 系统，利用完全互补码处处为零的互相关特性和 自相关的旁瓣为零的特性，可有效消除系统的多址干扰，提高系统的容薰，满 足未来市场的需要。同时利用偏移栈扩频调制方式，可提高数据发送速率，并 且通过调整偏移栈偏移的大小，可简化多媒体服务的速率匹配算法，特别适用 于i p 网络中上行链路和下行链路非对称业务的传送。”1 。采用完全互补码的 c d m a 系统的扩频效率”1 ( 扩频效率定义为一个码片能传送的数据比特数) 远大 于传统的c d m a 系统。根据目前移动通信用户的增长趋势，无线电频谱将越来 越拥挤，因此必须提高频率的有效利用程度。基于完全互补码的c d m a 系统由 于采用特殊的扩频调制方式，从而可提供高的带宽效率。因此，基于完全互补 码的c d m a 系统在未来的宽带移动通信有着巨大的应用潜力。 本文主要内容安排如下：首先介绍了完全互补码的特性及与其它扩频序列 的比较，完全互补码的产生原理及码生成软件。接下来，研究了基于完全互补 码的基带c d m a 系统的发送和接收模型，分析了该系统在a w g n 信道中性能，采 用匹配滤波器的接收机结构对该系统在上行链路和下行链路的a w g n 信道中系 统性能进行了仿真。研究了基于完全互补码c d l 4 a 系统接收端在多径衰落信道 的实现方法，利用两组匹配滤波器，分别实现多径信道脉冲估计和多径信号检 测。编程实现了简单多径衰落信道模型，并对该系统分别在简单多径衰落信道， r i c i a n 衰落信道以及r a y l e i g h 衰落信道中进行仿真，得到不同的误码率性能。 然后主要实现了完全互补码的捕获和跟踪同步，以及系统的载波同步和帧同 步。最后总结了基于完全互补码c d m a 系统的优点及存在问题，讨论了本设计 中所完成的工作，并对未来的工作进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 一页 第二章完全互补码及其生成 2 1 完全互补码的相关特性 在本文提出的新的c d m a 系统中关键就是使用正交完全互补码。首先 t u r y n 。”讨论了一类二进制序列，它的元素是+ 1 或一1 。它的自相关函数除0 偏 移外，对所有偶偏移均为0 。这些序列称为偶偏移正交序列。g o l a y 和t u r y n 。” 研究了对二进制序列，它的自相关函数除了0 偏移外所有的偏移均为0 。这 对序列称为互补对。后来s u e h i r o ”“”3 又扩展了偶偏移正交序列的概念，称为 偏移互正交序列，并提出了完全互补码族的产生方法。对于完全互补码，它的 自相关函数除0 偏移外，所有的偶和奇偏移均为o ；任一对互补序列的互相关 函数对所有的偏移均为0 。从而使我们可以把完全互补码应用于现代的c d m a 系统。本文研究的c d m a 系统所用的完全互补码( c o m p l e r ec o m p l e m e n t a r yc o d e ， 简称c c c ) 与传统的c d m a 码( g o l d 码，m 序列，w a l s h 码等) 相比有很多不同。 表2 - 1l = 4 和l = 1 6 的完全互补码序列集 首先，完全互补码的正交性是基于一组多个元素码，而传统的c d m a 码只 使用唯的码。换句话说，在建议的新c d m a 系统中每个用户分配一组多个元 素码作为自己的特征码，有可能通过不同的信道发射，同时到达接收端的相关 西南交通大学硕士研究生学位论文第i o - f f 器，产生自相关的峰值，从而恢复原始数据。例如长度为l = 4 的元素码组成 的完全互补码，如表2 - 1 所示( 其中列出了两组完全互补码：一个l = 4 ，另 一个= 1 6 ) 在本例中总共有四个元素码( a o ，a i ，b o 和b 1 ) ，每个用户使用其中 的两个元素码( a o ，a l 或风，b 。) ，因此只能支持两个用户。基于完全互补码的 c d m a 系统的上行链路和下行链路如图2 - 1 和2 2 所述。表2 2 表示了不同完全 互补码，每个完全互补码的元素码的长度( l ) 不同。 图2 - 1 在m a i - a w g n 信道用户1 上行链路信号的接收解扩 袭2 2 不问l 的完全互补弼一览袭 其次，完全互补码的处理增益等于一组元素码的总长度。例如对于l = 4 和 l = 1 6 的完全互补码，它们的处理增益分别等于4 2 = 8 和1 6 4 = 6 4 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第一1 1 页 图2 - 2 在m a i - a w g n 信道用尸1f 行链路信号的接收 第三，任意两个码之间的互相关和除0 偏移以外的自相关均为0 。设 a o = ( + + + - ) ，a l = ( + 一+ + ) 和b o = ( + + _ + ) ，b i = ( + 一一) 是c cc o d e s 的两组 码，分给c d m a 系统的两个用户，用a 和b 表示。设a o o a o 和a i o a 。分别表 示a o 和a , 计算自相关函数的移位和叠加，同理b o 圆b o 和b 。o e 分别表示 b 。和e 计算自相关函数的移位和叠加则氐固a + a i = ( 0 ，0 ，0 ，8 ，0 ，0 ，o ) ， b 。o b o + b 1 b i = ( o ，0 ，0 , 8 ，0 ，0 ，0 ) 。同样我们可以获得a 和曰的互相关函数 a 固b o + a l o b l = ( o ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，o ) 或者o 厶+ 蜀 a i = ( 0 ，o ，0 ，0 ，0 ，0 ，o ) 。 2 2 其它常用序列的相关特性 目前在直接序列码分多址通信系统中常用的扩频序列有以下几种： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 一页 1 m 序列 m 序列是最大长度线性反馈移位寄存器序列1 1 4 1 。m 序列有以下特性：( 1 ) 在每一周期中，1 和0 的数目大致相等；( 2 ) 每一序列周期中，连续出现l 或 0 的码元长称为游程h ，码元个数为k ( 正整数) 的游程有“2 个；( 3 ) 序列 的周期自相关函数是二值的，可用下式表示： 匙c 力= 多? ；叉：菇； 占 c z ， 其中，| 是扩频序列长。m 序列与它不同的移位后的序列之间的相关值几乎为 零。但周期为n = 2 4 1 的任意两个m 序列a 、b 互相关值的下限为： 眦( f ) i 2 “”v 2 1 ( 2 2 ) 由上式可知，任意两个m 序列的互相关值比较大。但是，如果a 、b 的互 相关函数满足下列条件： 障。( f ) | - 专【2 。5 ( n + 1 ) r 1 】，z 为奇数 ( 2 3 ) 专【2 “瓢2 ) + l 】n 为偶数，n 不是4 的整数倍 则a 、b 序列之间的互相关是三值的，为 - f ( 阼) ，一1 ，f ( h ) 一2 ，其中， f ( 九) = l 十2 m “”1 。此时称这一对m 序列a 、b 为m 序列优选对。 2 g o l d 序列 n l 序列是特性很好的伪随机序列，它的优选对的互相关值已接近w e l c h 给 出的相关特性下限】。但是，优选对的数目很少。扩频通信的目的是让多个用 户同时互不干扰地在相同的带宽内工作，这就需要有大量的相关特性好的码 字，而i n 序列不能满足此要求。但g o l d 序列可以提供大量的码字，周期为 n = 2 “一i 的g o l d 序列数为+ 2 。它不是最大序列，因此，其自相关函数不 是二值的。g o l d 序列彼此的最大自相关旁瓣和最大互相关相等，都是三值的。 g o l d 序列的序列数多，相关值低，但平衡性不一致【l ”。 3 k a s a r n i 序列 k a s a m i 序列是一种非常重要的二进制序列，这是因为它有非常低的互相 关【1 4 】。k a s a r n i 序列有小k a s a m i 序列、大k a s a m i 序列，但码的数目越大，最 大互相关值也就越大。小k a s a m i 序列是最佳的。大k a s a m i 序列包含了g o l d 序列和小k a s a m i 序列。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 4 正交码和可变长度正交码 正交函数用来提高扩频系统的带宽效率，有很多不同的序列可以用来产生 正交集”。在c d m a 系统中用w a l s h 序列。w a l s h 函数是从h a d a m a r d 矩阵映 射来的，h a d a m a r d 矩阵可由下列的叠代产生，每一行代表了w m s h 函数。 日。= 的，日：= 瞄： ，日。= 第三代移动通信系统需要提供不同速率的多媒体业务，就要求多速率业务 的传输物理层能提供多种扩频因子的扩频序列。可采用基于修正h a d a m a r d 变 换方法来获得变长正交码。正交可变扩频因子( 0 s v f ) 码可以保证用户的不同物 理信道之间正交，o s v f 可用如图2 3 所示的码树定义。 s f = ls f = 2s f 譬4 图2 - 3 产生o v s f 的码树 2 3 完全互补码的实现 2 3 1 构造方法 设包含l 个复数元素的序列s = ( ，j ，屯) ，其中i s 小：1 ( j = l ，l ) 设序列s 偏移i 的的非周期自相关函数p ( s ；f ) 为： p ( s ；f ) = 亡再叩k 江o 1 小1 ( 2 - 5 2 - 5 ) o - 1() tl s j $ j + f i = - - 1 ，- l + i 4 1，j 坠 h h 。l i | 柳 h 1j o 1 l o o o 1 l o l o 1 o o o o 西南交通大学硕士研究生学位论文第- 1 4 。页 其中j ；+ ，是s 川的复数共轭。偏移i 时序列最和s ：的非周期互相关函数 p ( s 。，s 2 ；f ) 为： p ( s l ，s 2 ；f ) = $ l $ 2 b 。i = o ，1 ，l 一1 j = f 1 ( 1 。d 一6 ) 1l u ， 黾j j ；小f f - - l ，- l + i 其中s i = ( ”，j l ，l ) ，s 2 = ( j 2 ”，j 2 ) 设a ，b ，d 是维正交矩阵，它们中每一个元素的绝对值均为1 。设 a l ，a ：。，a 。是正交矩阵a 的行，将矩阵a 和矩阵b 进行k r o n e c k e r 相乘，得 到长度为2 的序列c l ，c ：，c 。，如下： c t = ( 甄ta l ，魄：a ：，甄，a 。) c 2 = ( b u a j ，b u a 2 ，a )( 2 7 ) ： c = ( “l a i ，“2 a 2 ，扫m a ) 然后由序列c l ，c 2 ，c 。和正交矩阵d 可产生长度为2 的序列 毛( j = 1 , 2 ，n ) ，如下： e f2 ( cj l d ，c i 2 d 2 ，一，c f n d 州， c i ( u + 1 ) d i ，。j ( + 2 ) d 2 ，c f ( 2 s d 州 c l ( , - m + j ，l ，c i ( n = - i v + 2 ) d ，2 ，c i h = d 州) ( 2 8 ) 则容易得出组慨l 一，e 0 ) 是一个自互补码，n 个自互补码中的任两个满足互 互补码的特性。详细的码产生过程见文献 3 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第- 1 5 页 2 3 2 完全互补码的实现 图2 5 完全互补码的生成及相关运算仿真系统 本文中所设计的扩频码是自互补码中元素码个数为8 ，自互补码个数也为 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 8 ，元素码的长度为6 4 的完全互补码，生成框图如图2 - 4 所示。 基于s y s t e m v j e w 仿真平台，通过自编程实现了完全互补码的生成。完全 互补码的生成及相关运算的仿真系统如图2 5 所示，生成的波形如图2 6 所示。 由图2 6 可以看出完全互补码具有良好的自相关特性和互相关特性。 2 4 本章小结 ( e ) 两个完全互补码的互相关运算波形 图2 6 完全互补码波形及相关运算波形 本章概述了完全互补码的相关特性，并与传统的常用扩频序列进行了比 较。基于s y s t e m v i c w 仿真平台，实现了完全互补码的生成，并验证了完全互 补码的相关特性。可以看出，完全互补码具有良好的相关特性。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 第三章a w g n 信道t c c c c d m a 系统性能分析及 仿真 3 1 c c c c d m a 系统下行链路的发送和接收模型 随着移动通信技术和通信市场的发展，高数据率和可变数据率等多种范围 的业务( 如多媒体业务) 的需求越来越多，但由于传统的c d m a ( 如d s c d m a 和m a r y c d m a ) 技术，只是针对用户的传输数据率较低( 如话音) 的情况而设计 的。当用户的数据率很高时，例如，为2 m b i l s 时，为了保证必须的处理增益， 就需要增加码率，相应地增加带宽【7 月】。可是带宽的有限性不允许无限制增加， 所以如何在一定的带宽条件下，提高用户数据率以适宜高数据率和可变数据率 业务的需求，是c d m a 技术研究发展的方向，完全互补码c d m a 技术即是为 适应这一要求而提出的p j “j 。 对于以上问题已经提出了很多解决技术，如并行c d m a 技术。对于并行 c d m a 系统的研究人们已经提出了许多方法 3 4 3 7 】。例如正交多载波调制 ( o f d m ) c d m a 系统，多码c d m a 系统，等等。多载波可以在衰落信道进 行高用户数据率传输和有效地克服符号内干扰以及多径衰落等，但多载波 c d m a 系统对载波相位抖动很敏感。多码c d m a 系统克服了这一缺陷，但它 仍然受到多址干扰的影响。这里我们研究了一种基于完全互补码的c d m a 系 统，它充分了完全互补码除0 偏移外处处为0 的自相关性和处处为0 的互相关 性。通过后面分析和仿真可以看出这种c d m a 系统较一般的c d m a 系统能够 有效地提高带宽利用率，增加系统的多址用户数。 3 1 1 系统的下行链路发送模型 基于完全互补码的基带c d m a 系统的下行链路发送模型如图3 1 所示。 高数据率的用户数据首先进行串并转换成一组并行的低数据流数据，然 后对并行的低数据流的每一支的数据用完全互补码进行扩频调制，不同的支踌 采用完全互补码的循环移位进行扩频，若它们彼此之间保持同步，则序列之间 的干扰为0 。m 缎并行的数据流中每一分支变成了低速率数据，然后对