（通信与信息系统专业论文）wcdmacdma2000+1x系统中的复扰码和调制技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 模拟蜂窝系统通常被称为第一代移动通信系统( 1 g ) ，现在使用的数字系统都是第二 代移动通信系统( 2 g ) ，例如g s m ( 全球移动通信系统) 、p d c ( 个人蜂窝数字系统) 、i s 9 5 。 第二代移动通信系统已经能够满足人们话音通信无线化的需求，因此第三代移动通信系统 ( 3 g ) 应主要面向无线因特网和多媒体业务。现有的主流3 g 标准有w c d m a 、c 地 n a 2 0 0 0 l x 、t d s c d m a 以及新加入的w m i a x ，其中前三个标准是基于c d m a 方式的。 w c d m a c d m a 2 0 0 0l x 系统相比于i s 9 5 或者g s m 系统，在上下行链路中都不约而同 地增加了复扰码技术，并且上行链路都采用新的调制方式一h p s k 调制，因此有必要研究 引入复扰码调制后对系统性能的影响。结合c d m a 系统的特点，论文得到以下的初步结 论：首先，发现并证明了下行链路复扰码技术会引入准正交地址码干扰，这个在i s 9 5 系 统中是不存在的，针对这个问题，论文提出两种改进方案；并对这三个方案的星座图、峰 均比、小区容量以及解码误码率进行比较分析，证明s a c 方案是最优的下行扰码调制方式。 其次，还解释了影响峰均比的因素。最后，对于上行链路中的h p s k 调制技术，分别通过 理论推导分析和仿真实验，得到上行链路的星座图和峰均比等，从而分析上行链路采用 i - i p s k 调制的优劣性。 关键词：复扰码，小区容量，准正交地址码干扰，峰均比，混合移相调制 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a n a l o gc e l l u l a rs y s t e m sa r ec o m m o i l l yr e f e r r e dt oa st h ef i r s tg e n e r a t i o ns y s t e m s ( 1g ) t h c d i g i t a ls y s t e m sc u r r e n t l yi nu ，s u c ha sg 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 ) ， p d c ( p e r s o n a ld i g i t a lc e l l u l a r ) a n di s - 9 5 ，a r et h es e c o n dg e n e r a t i o ns y s t e m s ( 2 g ) a st h e s e s y s t e m sh a v ee n a b l e dv o i c ec o m m u n i c a t i o n st og ow i r e l e s s ，t h et h i r dg e n e r a t i o ns y s t e m s ( 3 g ) s h o u l db ed e s i g n e df o rw i r e l e s si n t e r a c ta n dm u l t i m e d i at r a f f i c t h e r ea r ef o u r3 gm a i n s t a n d a r d s ：w c d m a , c d m a 2 0 0 0ix ，t d - s c d m a , a sw e l la sw i m a x , t h ef i r s tt h r e eo fw h i c h a r eb a s e do nc d m am o d e c o m p a r i n gt oi s - 9 5a n dg s m , t h et e c h n i q u eo fc o m p l e xs c r a m b l ec o d e ( c s c ) h a sb e e n e m p l o y e db o t hi nt h eu p l i n k d o w n l i n ko fw c d m a a n dc d m a 2 0 0 0i x i ti sn e c e s s a r yt om s e a r c h t h e i m p a c ta r e re m p l o y i n gc s c c o m b i n i n g 、i it h ef e a t u r eo fc d m a , t h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d ：j f i 咄i ti sf o u n da n dp r o v e dt h a tc s cw o u l di n t r o d u c e q u a s i - o r t h o g o n a la d & e 豁c o d ei n t e r f e r e n c e ( q o a c i ) i nd o w n l i n k , w h i c hd o e s n te x i s t i n i s - 9 5s y s t e m t w oa m e l i o r a t e ds c h e m ea l eg i v e nf o rt h ed o w n l i n k , a f t e ra n a l y s i n gt h e c o n s t e l l a t i o n 、p a r 、c e l lc a p a c i 哆，i ti sf o u n dt h a ts a ci st h eo p t i m a ls c h e m e s e c o n d , i ti sf o u n d a n dp r o v e dt h ef a c t o r se f f e c tp a r a c c o r d i n gt oa c a d e m i ca n a l y z ea n ds i m u l a t i o nr e s p e c t i v e l y , i t g a i n st h ec o n s t e l l a t i o na n dp a rf o rt h eh p s km o d u l a t i o ni nu p l i n k , a n dt h e na n a l y s e st h e p e r f o r m a n c ef o re m p l o y i n gh p s km o d u l a t i o n k e y w o r d s ：c s c ( c o m p l e xs c r a m b l ec o d e ) ，c e l lc a p a c i t y , q o a c i ( q u a s i - o r t h o g o n a la d d r e s s c o d ei n t e r f e r e n c e ) ，p a r ( p e a k - t o a v e r a g er a t i o ) ，h p s k ( h y b r i dp h a s es h i f tk e y i n g ) 1 1 南京邮电大学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 不包含其它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了谢意。 研究生签名：还叠】 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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) 授权南京邮电大学研究生部办理。 黝繇啦嗍单 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 信息化是当今世界发展的重要主题。2 0 世纪8 0 年代以来，信息产业一直是发展最快 的产业。信息化，尤其是信息基础设施的建设，已经成为各国综合国力的象征。在各种信 息技术中，信息的传输即通信起着支撑作用。由于人类社会对通信的需求越来越多，世界 各国都在致力于现代通信技术的研究与开发以及现代通信网的建设。移动通信是当前发展 最快、应用最广和最前沿的通信领域之一，它对人类生活及社会发展产生了重大影响。今 天，无线通信已经发展到大规模商用并逐渐成为人们日常生活不可缺少的重要通信方式之 一。现代移动通信在过去短短十几年中经历了从模拟制式到数字制式、从单纯提供语音业 务到全面提供高速高质量数据传输业务的快速发展历程。 1 1 论文背景 蜂窝移动通信的发展经历了第一代模拟系统和第二代数字移动系统，目前正在向第三 代宽带数字系统方向发展。 第一代蜂窝移动通信系统出现于2 0 世纪8 0 年代早期，采用频分多址和模拟技术，典 型的系统有美国的a m p s 、英国的t a c s 、前西德的c - 4 5 0 等。模拟系统的缺点主要有频 谱利用率低、抗干扰能力差、系统保密性差等，但由于模拟技术十分成熟，因而在发展初 期也得到了较为广泛的应用。模拟蜂窝技术由于不适合未来多媒体通信业务的需求，必将 在日益激烈的市场竞争中被逐步淘汰。 第二代移动通信系统出现于2 0 世纪九十年代，采用数字调制方式和先进的呼叫处理 技术，充分应用了大规模集成技术和低速语音编码技术的最新成就。典型系统如欧洲的 g s m 、d c s l 8 0 0 、美国的i s 5 4 ，以及基于直接序列扩频技术的窄带c d m a 系统i s 9 5 等。 第二代移动通信系统主要是为了支持语音和低速率的数据业务而设计的。但随着人们对通 信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通信网将很难满足新的业务需 求。为了适应新的市场需求，人们的目光开始向第三代移动通信系统转移。 第三代移动通信系统最早于1 9 8 5 年由国际电信联盟( i ，r u ) 提出，当时称为未来公 众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，1 9 9 6 年更名为国际移动通信2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) m 。要 求在第三代移动通信系统中添加宽带数据业务，以支持视频、互联网接入以及其他更高速 率的业务，要求能满足：( 1 ) 高速接入：支持例如快速互联网络接入或者多媒体类型应用 l 堕室塑皇奎堂堡主堡壅生堂垡丝奎墨二兰堑丝 的宽带业务；( 2 ) 灵活性：支持引入新业务，能够为用户运营商带来好处；( 3 ) 兼容性： 提供与现有无线网络最佳的演变途径；( 4 ) 速率要求：在移动条件下，提供1 4 4 k b i t s 的传 输速率，以3 8 4 k b i t s 为最佳，在固定条件下，提供2 m b i t s 的传输速率。 尽管目前第三代移动通信系统的标准和规范已达成协议，并开始商用。但也应该看到 第三代移动通信系统尚有很多需要改进的地方。如缺乏全球统一标准；所采用的语音交换 架构仍承袭了第二代的电路交换，而不是纯球方式；流媒体( 视频) 的应用不尽如人意等。 所以有理由认为第三代移动通信系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶段。 另一方面，宽带多媒体服务( 包括音频、视频和因特网) 将成为未来移动通信中的主流业 务，这给无线传输技术和系统结构带来了新的要求和很大的挑战。因为目前的移动通信系 统( 包括3 g ) 不能支持高数据速率( 大于2 0 m b i t s ) 、提供大范围服务( 8 k b i t s 2 0 m b i t s ) 以及满足各种q o s ( 服务质量) 要求。因此，人们应该更多的注意研究三代以 后( b e y o n d3 g ) 的移动通信系统，使其可以容纳庞大的用户数、改善现有通信品质以及 达到高速数据传输的要求。若从技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以c d m a 为 核心技术，三代以后的移动通信系统则以正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 最受瞩目。特别是有不少专家学者针对o f d m 技术在移动通信中 的应用，提出相关的理论基础，例如无线本地环路( w l l ) 、数字音频广播( d a b ) 以及 数字视频广播( d v b ) 等，都将在未来采用o f d m 技术。为了支持具有各种q o s 要求的 多媒体服务，使得频率使用率因子达到1 ，b e y o n d3 g 系统的多址方案必须非常灵活和有 效。为此，把o f d m 和多址技术( 例如c d m a 或者) m a ) 相结合的各种方式也获得广 泛研究。 无论对于已有的还是未来将出现的无线移动通信系统，研究如何为更多的用户更好地 支持更高速率的业务都是十分重要的课题。因此，研究新的通信体制或者改进现有的扩频 通信体制，不仅具有深刻的理论意义，同时还具有很高的实用价值。 1 2 本文的主要研究工作 本文主要研究w c d m a c d m a 2 0 0 0 系统下行链路复扰码q p s k 调制和上行链路复扰码 h p s k 调制对系统性能的影响。结合c d m a 系统自身的特点，即下行链路用户在时域和频 域上是共享系统资源的，着重研究多用户情况下下行链路复扰码q p s k 调制后星座图、峰 均比、解码误码率以及小区容量，由于复扰码会引入准正交地址码干扰，所以给出两种避 免准正交地址码干扰的改进方案；而上行链路对于每一用户可以享有多个码道，这个有别 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 于i s 9 5 等2 g 系统，重点研究多码道情况下复扰码h p s k 调制后的星座图、峰均比等。 1 3 论文的结构 本文共有六章。第一章主要介绍论文的背景以及主要研究内容；第二章介绍了移动无 线信道的特性和3 g 各个标准的比较；第三章主要针对c d m a 的技术特点进行阐述，重点 介绍了c d m a 2 0 0 0l x 系统上下行信道的结构；第四章主要研究下行链路的复扰码技术和 q p s k 调制，针对复扰码引入的准正交地址码干扰，研究3 g 系统下行容量、峰均比、星 座图以及误码率等；第五章则研究上行链路的复扰码技术和h p s k 调制，重点是研究星座 图和峰均比；最后一章是本文的总结，指出了本文的主要工作和贡献以及需要进一步研究 和验证的地方。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动无线信道的特性和分集技术 第二章移动无线信道的特性和分集技术 2 1 移动无线信道的特性 在移动无线通信系统中，无线电信号无论是在前向连接( d o w n l i n k ) ，还是在反向连 接( u p l i n k ) 的传播，都会受到物理信道的影响。由于无线信道的复杂性，会产生多径效 应。 移动通信中的信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会受到各种衰减损 失，主要分为以下三种： ( 1 ) 自由空间的路径损失：也称传输损失，它是指电波在自由空间传播所产生的损失， 主要由平方律扩展、水气的吸收、地表反射等引起。它反映的是大尺度区间( 数百或数千 米) 内接收信号强度随发射到接收距离而变化的特性； ( 2 ) 阴影衰落：由于传输环境中的地形起伏、建筑物和其它障碍物对电波的阻塞或遮 蔽而引起的衰落。它反映的是中尺度区间( 数百波长) 内信号电平中值的慢变化特性； ( 3 ) 多径衰落：由于无线电波在空间传播会存在反射、绕射以及衍射等，从而造成信 号可以经过多条路径到达接收端，每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同，因此在接 收端对多个信号分量叠加时，会造成同相增强、异相减弱的现象，这也称为短期衰落或 r a y l e i g h 衰落。它反映的是小尺度区间( 数个或数十波长) 内接收信号场强的瞬时值的快 速变化特性。 图2 1 清楚地说明了以上三种衰落。由于路径损失和衰落的影响，接收到的信号要比 发射的信号弱得多。多径衰落主要表现为两类特性：一是多径效应引起的时延扩展特性； 二是接收机移动引起的信道随机时变特性。下面介绍与这两类特性有关的参数。 要 塞 ( 西) 对数距离 图2 1 信号在移动无线信道中的传播特性 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动无线信道的特性和分集技术 2 2 多径衰落信道的特征参数田 2 2 1 时延扩展 在多径信道环境中，因为有许多障碍物( 如建筑物、树以及山丘等) ，发射信号将沿 几条路径进行传播。因此，发射信号将有多个副本到达接收机，由于物体的反射，它们的 幅度和时延都会发生变化。例如发射端发送一个窄脉冲，则接收端可以收到多个窄脉冲， 如图2 - 2 所示。这样就造成了信道的时间弥散性( t n n ed i s p e r s i o n ) ，把第一个窄脉冲和最 后一个窄脉冲的时间差称为时延扩展或多径扩展，即图2 - 2 中的t i n 。 圉日音t 图2 2 时变多径信道中的时延扩展 在数字通信系统中，时延扩展会带来符号间干扰( i s i ) 。这是因为延迟到达的多径信 号的符号会与后续到达的符号交叠起来。如果符号速率很高，这就会带来严重的错误，尤 其是在采用时分复用体制的系统。由于移动环境十分复杂，不同地理位置，不同时间所测 量到的时延扩展都可能是不同的，因此需要采用大量测量数据的统计平均值。表2 1 给出 了两种不同信道环境下的时延扩展值h 。 表2 1 不同信道环境下的时延扩展值 环境最大时延扩展最大到达路径差 室内4 0 i 妣0 0 n s1 2 州0 m 室外 i , u s - - 2 0 皤s 3 0 0 m 6 k m 2 2 2 相干带宽 时延扩展是由反射及散射传播路径引起的现象，而相干带宽是由时延扩展得出的一个 确定值。相干带宽是一定范围内的频率的统计测量值，是建立在信道是平坦( 即在该信道 s 日 号 一 嫦上工 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动无线信道的特性和分集技术 上，所有频谱分量均以几乎相同的增益及线性相位通过) 的基础上。换句话说，相干带宽 就是指特定频率范围，在该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性。定义相干带宽 为时延扩展的倒数，即 i 也= 彳 l m ( 2 - 1 ) 式中，乙表示时延扩展。如果b c w ，信道称为频率非选择性信道( f r e q u e n c y - n o n s e l e c t i v ec h a n n e l ) 。 2 2 3 多普勒扩展和相干时间 时延扩展和相干带宽是用于描述本地信道时间弥散性的两个参数。然而，它们并未提 供描述信道时变特性的信息。这种时变特性是由发射机和接收机之间的相对运动引起的。 当在发射机和接收机之间存在相对运动时，接收信号的频率将会发生偏移。当两者作相向 运动时，接收信号的频率将高于发射频率；当两者作相反运动时，接收信号的频率将低于 发射频率。所导致的频率偏移称为多普勒频移，可表示为 ，v c o s o ( 2 - 2 ) 。 五 其中，v 是发射机和接收机之间的相对速度，0 是电波入射方向与移动方向的夹角， 入是载波波长。厶= v i a 是的最大值，v 称为最大多普勒频移。 多普勒扩展饬是频谱展宽的测量值，是移动无线信道时间变化率的一种量度。相干时 间乙是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道频率弥散( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) 的时变特性。它被定义为多普勒扩展场的倒数，即 个 1 2 百 ( 2 3 ) 相干时间本质上就是信道处于较强相关状态下的时间差范围。如果 乃， 则信道称为慢衰落信道( s l o wf a d i n gc h a n n e l ) 。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动无线信道的特性和分集技术 2 3 移动通信中的分集接收 2 3 1 分集接收的基本原理 分集技术( d i v e r s i t yt e c h n i q u e s ) 是一项主要的抗衰落技术，它可以大大提高多径衰 落信道下的传输可靠性。在移动通信中，特别是数字式移动通信，分集技术具有更广泛的 应用。上面我们分析了移动通信的特点，即存在路径损耗、慢衰落和各类多径快衰落。其 中对传输可靠性影响最大的是快衰落。分集技术就是解决此问题的有效措施。 分集技术是研究如何充分利用传输的多径信号能量，以改善传输的可靠性。它也是一 项研究利用信号的基本参量在时域、频域和空域中如何分散开又如何收集起来的技术。在 采用分集技术的系统中，系统同时发送或者接收两个或多个信号，这些信号载有相同的信 源信息，而且他们所遭受的衰落是互不相关的。在接收端，系统分别解调这些信号，并按 一定的准则进行合并，从而大大降低衰落信道的影响。 为了在接收端得到互不相关的不同路径信号，可以通过空域、频域和时域等不同方法 来加以实现。其中最基本的分集技术有： ( 1 ) 空间分集：空间分集的依据在于快衰落的空间独立性，即在任意两个不同的位置 上接收同一信号，只要两个位置的距离大到一定程度( 通常1 0 个波长以上) ，则两处所收 到信号的衰落是不相关的； ( 2 ) 频率分集：由于频率间隔大于相干带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相 关的，因此可以用两个以上的不同的频率传输同一信息，以实现频率分集； ( 3 ) 时间分集：对于一个随机衰落信号，当采样时间间隔大于信道相干时间时，两个 采样点间的衰落是互不相关的，利用这一特性可以构成时间分集； ( 4 ) 多径分集：在宽带c d m a 系统中，由于传输信号带宽远大于信道的相干带宽， 通过相关器可以分辨出不同的时延多径，从而实现多径分集。它是宽带c d m a 移动通信 系统的一种特殊分集方式； ( 5 ) 其它常用的分集技术还包括角度分集和极化分集等。此外，联合运用交织和编解 码技术同样能够使码字中的码元所遭受的衰落互不相关，可以认为是一种隐分集技术。 2 3 2 分集合并技术 分集技术是将要传输的信号在发射端和接收端之间建立多个彼此互不相关的通路来 7 童室墼皇奎兰塑主婴茎竺兰垡丝苎蔓三兰鳌垫歪垡堕望竺堑丝塑坌墨垫查 发送或接收信号，而合并技术是将这多个互不相关的信号进行某种形式的分离、修正、加 权与求和。假设分集系统提供m 个互不相关的信号，一般均使用线性合并器，把这m 个 独立衰落信号相加后合并输出。 假设m 个输入信号电压为r l ( o ，r 2 ( t ) ，r l n ( t ) ，则合并器输出电压蚺为 ， r ( t ) = a t r t ( t ) + a 2 r 2 ( t ) + + o ) = a k r k ( t ) ( 2 - 4 ) 式中，q 为第k 个信号的加权系数。 选择不同的加权系数，就可构成不同的合并方式。常用的有以下三种方式： ( 1 ) 选择式合并：选择式合并是检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那 一个支路的信号作为合并器的输出。由上式可见，在选择式合并器中，加权系数只有一项 为l ，其余为0 ： ( 2 ) 最大比值合并：最大比值合并是一种最佳合并方式，每一信号的加权系数与该信道 的信噪比成正比，该方法能够得到最高的合并信噪比； ( 3 ) 等增益合并：等增益合并无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加的，该合并 方式实现比较简单，其性能接近于最大比值合并。 2 3 3w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 中的发送分集 2 3 3 1 发送分集的历史和分类 1 9 9 4 年，a v i t e r b i 最先提出将延迟发送应用于室内c d m a 系统，这样做的目的是将原 先频率非选择性信道变成了等效的频率选择性信道。而更一般的情况是w i t t n e b e n 提出的发 送端经过一组f i r 滤波器来等效延迟的方案。在接收端根据不同的系统采用不同的接收机 结构，比如在t d m a 系统中，往往采用自适应均衡或m l s e 估计；在c d m a 系统中，采用r a k e 接收机。还有另一种方法：把一个扩频周期的信息分成几段，按不同的方向发送。然而， 这种方法的接收机太复杂，难以实现。之后又出现了联合信道编码和多天线分集的空时编 码方案，并越来越受到特别的重视。在2 0 0 1 年的3 g p p 提案中，发送分集作为下行链路重要 的传输分集技术，并将a l a m o u f i 的两天线方案( s 1 田) 列为两种开环发送分集模式之一。 2 3 3 2w c d m a 和c d m a 2 0 0 0l x 中的发送分集 第三代移动通信系统要求提供高质量的话音和高速率的数据业务，要克服的主要困难 仍然是无线信道的时变多径衰落特性。发送分集是减轻无线信道边衰落的一种，属于空间 分集的技术，它可提高链路性能及系统容量。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动无线信道的特性和分集技术 第三代移动通信系统标准w c d m a 和c d m a 2 0 0 0i x 都将发送分集( t r a n s m i td i v e r s i t y , 简称t x d ) 作为下行链路重要的传输分集技术。但是所有发送分集方案对基站都是可选的， 而对于移动终端则是强制支持的。 lw c d m a 中的发送分集【2 0 】【2 1 】 开环模式是指发射端发送训练序列，接收端使用最大似然译码来获得信道信息，提案 中有两种：空时发送分集( s t t d ) 和时域切换发送分集( t s t d ) 。 时域切换发送分集是应用于下行同步信道( s c h ) 的一种发送分集方案。同步信道是用 来进行小区搜索的下行信号，由主同步信道( p s c ) 和次同步信道( s s c ) 组成。 闭环模式是指通过收发端之间的反馈来获得信道信息，w c d m a 中基站端根据所接收 到的上行d p c c h ( 专用物理控制信道) 中的f b i ( 反馈信息) 来调整两根天线发射信号的相位 和幅度，从而使得移动端接收信号功率最大化。 2c d m a 2 0 0 0l x 中的发送分集【1 9 】 c d m a 2 0 0 0l x 协议支持前向信道发送分集。对于直扩( d s ) 模式，采用正交发射分集 ( 0 1 d ) ；对于多载波( m c ) 模式，则把每个载波分配到个独立的发送天线上。 在c d m a 2 0 0 0l x 下行链路中，有两条信道专门用于前向发射分集，即：发射分集导频信 道和辅助发射分集导频信道。c d m a 2 0 0 0l x 系统中具体采用的发射分集技术有两种：o t d 方式( o r t h o g o n a lt r a n s m i td i v e r s i t y ，正交发射分集) 和s t d 方式( s p a c et u n es p r e a d ，空 时扩展分集) 。在o t d 方式下，两根天线上发送的信号采用相互正交的w a l s h 码加以隔离； 在s t d 方式下，两根天线上发送的信号采用不同的空时编码方案，以实现信号的隔离。 对于多载波发送分集，多载波前向链路把编码比特切成多个数据流，每个数据流分配 给一个载波，然后由不同的天线发送出去，通常n 个载波可以在m 个天线上发送，其中 1 m n 。 2 43 g 简介 2 4 i3 g 标准简介 表2 2 给出了数字移动通信的发展进程。 表2 - 2 三种标准的比较 2 g 2 5 g2 7 5 g3 g g s mg p r se d g ew c d m a 上下行：l o k b p sm e d u p + r e c c )( g m s k - - - 8 p s k ) 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动无线信道的特性和分集技术 标称：1 7 2标称：4 7 5 上行：1 0 - 2 0 k b p s 下行：3 0 4 0 k b p s c d m a ( i s - 9 5 ) c d m a 2 0 0 0l xc d m a 2 0 0 01 xt d s c d m a 上下行：1 0 k b p s( t i e d u p + r e c c ) e v d o ( 中国) 标称：1 5 3 6 e v d v 上行：3 0 - 4 0k b p s ( c d m a - - t d m a , d a m 口s 下行：7 0 - 8 0k b p s q p s k , 8 p s k , 16 q a 上下行：1 0 k b p s峋 标称 2 m b p s 平均：6 0 0 k b p s 小灵通( p a s ) c d m a 2 0 0 03 x 上下行：3 2 k b p s k b p s 1 4 4 ( 车速) r 1 0 k a n 3 8 4 ( 步行 ) r 5 0 0 m 2 0 4 8 ( 静止) r 3 8 4 k b p s ) 带宽为 1 2 3 m h z 的载波，它的基本参数见表2 - 4 ，上行链路的足要求较低。突出的改变是在下行 链路中采用t d m a ( 时分多址) 方式区分多个用户，各用户的s f 由基站b s 据信号传播 衰落情况决定，s f , 8 0 2 。 表2 4l x e v - d o 下行链路数据信道主要参数 r ( k b p s )墨黜 调制方式 3 8 4 - 3 0 7 4 1 5 q p s k 6 1 4 41 3 q p s k 9 2 1 6 l 3 8 p s k 2 4 5 7 6 1 3 1 6 q a m l xe v - d v 与i xe v - d o 的主要不同是可以用一个载波同时传输语音、低r 和高见信 号，在传输语音、低民时使用与e d m a 2 0 0 0l x 相同的无线配置，并将剩余的w a l s h 码资源 组成两个t d m a 信道用于高r 信号的传输。相应的r 可分为8 1 6 、1 5 8 4 3 0 9 1 2 k b p s1 8 l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动无线信道的特性和分集技术 档，选用1 5t u r b o 纠错编码，可选用q p s k 、8 p s k 、1 6 q a m 调制方式。w c d m ar 5 中 给出的h s d p a ( 高速下行分组接入) 与l xe v - d v 有类似的机制。 表2 5 移动通信系统发功率和占用带宽等指标的比较 f d d w c d m at d s c d m ae d m a 2 0 0 0 1 xg s m 小灵通 频段( g h z ) 22 0 8 ，1 8o 9 ，1 8 2 基站发功率( w ) 2 02 02 02 5 3 2 0o 5 移动台发功率( w )2 2 0 0 1 0 2o 0 2 2 0o 0 1 覆盖半径( 蛔) 0 0 1 1 20 1 1 2o 5 5 0o 5 3 5o 3 分配带宽( 眦)1 2 0 + 6 0 1 5 5 2 01 0 0 1 5 移动通信系统占用的频段和带宽是系统占用频谱资源效率的重要指标。8 0 0 - 9 0 0 m h z 是优质车载移动通信频谱资源，应该用于小区覆盖半径较大，运动速度很快的车载移动通 信系统，2 g h z 频段用于覆盖半径小于3 0 0 米的步行移动通信系统。小灵通占用的带宽仅 为2 g 系统的1 5 ，却同样能覆盖全部城区，因此小灵通的频谱利用率应该是最高的。 移动台的发功率和覆盖半径的关系应该是在发语音数据的条件下。发3 g 要求的高速 数据时，发功率需成倍上升。c d m a 系统的主要优势是功率利用率较高，用较小的发功率 覆盖较大的小区半径，对人体健康和环境保护的影响较小。这也是3 g 系统最早都选择 c d m a 方式的初衷。 从表中可以看出，g s m 系统要求的发功率远远大于e d m a 2 0 0 0l x 系统，小灵通系统的 要求的发功率最小。由于2 g h z 频段原属微波频段，对人体健康的影响较大，在城市环境 中设立大功率基站时，环境电磁波辐射较大。小灵通系统的基站发功率才达0 5 w ，比较适 合城市环境的应用。 f d d w c d m a 和t d s c d m a 的移动台最大发功率均为2 w ，这么大的微波发功率似 乎不适合用于手机，在计算覆盖半径的无线链路预算中一般取手机发功率为2 1 d b m ( 0 1 2 6 w ) ，此时密集市区环境中f d d w c d m a 的覆盖半径约为5 6 0 米，t d s c d m a 约 为3 1 3 米。这说明它们的覆盖半径将接近小灵通的参数，将导致基站数和网络建设成本的 快速上升。对于在8 0 0 9 0 0 m h z 频段工作的e d m a 2 0 0 01 x 和g s m 系统而言，则不会出现 此类情况。 3 g 所取的频段为2 g h z ，具有视距传播特性，对人体健康的影响比2 g 的9 0 0 m h z 频 段大的多。而且2 g h z 频段的电波传播衰落在城区和郊区环境分别比9 0 0 m h z 频段大1 4 4 和9 5 d b ，只考虑这一点，2 g h z 频段的m s 发信功率约需分别增加至9 0 0 m h z 频段的2 7 5 倍和9 倍。也可以采用减小覆盖半径的方法以避免过大的发功率，但此时系统的建设成本 妻室坚皇奎堂堡主堡壅生兰篁堡壅兰三皇整垫垂垡笪壅箜笪丝塑坌叁茎查 上升。而且2 g h z 频段的电波穿透能力和绕射能力均较差，易产生覆盖盲区，即易掉话， 此时即使增加发信功率也无济于事。1 8 g h zg s m 系统和小灵通的应用情况也证明了这一 点。可以认为该频段并不是理想的移动通信频段。所以在f c c 的规定中将其定为个人通信 频段，其含义是适用于覆盖半径r 3 0 0 米的步行速度无线通信系统。 较理想的覆盖方法是用2 g h z 频段在人员稠密地区提供r l k m 的小区覆盖，为低速移 动用户提供无线接入。用9 0 0 m h z 频段提供l k m r 2 0 k m 的小区重叠覆盖，提供高速移动 用户业务。若采用双频手机还是有可能给用户提供满足3 g 要求的各种数据速率。 2 g h z 频段适用于步行或固定环境，用于无线局域网，小灵通之类的个人通信系统则 更为合适。小灵通系统利用有线电话网连接基站，基站结构简单，网络建设成本很低。只 占用1 5 m h z 无线频谱，频谱利用率极高，覆盖半径小，发功率也极小，符合绿色手机概 念。 2 5 本章小结 本章着重介绍无线通信信道的特性、参数以及分集技术，还有3 g 中各个标准的比较。 1 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章i s - 9 5 、c d m a2 0 0 0i x 和w c d m a 系统简介 第三章i s 9 5 、c d m a2 0 0 0i x 和w c d m a 系统简介 3 1c d m a 的技术基础闼 3 1 1 扩频通信的基本概念 扩频( s p r e a d i n gs p e c t r u m ，s s ) 的精确定义为：用来传输信息的信号带宽远远大于信息本 身带宽的一种传输方式，频带的扩展由独立于信息的扩频码来实现，与所传信息数据无关， 在接收端用同步接收实现解扩和数据恢复。简言之，扩频通信是把所要传输的信号带宽扩 展到很宽的频带中进行传输。 扩频通信的基础理论是香农的：am a t h e m a t i c a lt h e o r yo f c o m m u n i c a t i o n ) 一文，即著 名的信息论。香农信息论中有关信道的理论容量公式为： r c = 形l 0 9 2 ( 1 + 鼍) ( 3 一1 ) v 这个公式也称为香农公式，其中c 为信道容量，单位为b p s ；w 为信道带宽( 也被称 为系统带宽) ；s n 为信噪比。式中给出了在给定信噪比s n 和没有误码的情况下信道的理 论容量c 与该信道带宽w 的关系。从这个公式可以得到一个重要的结论：对于给定的信 息传输速率，可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输。换言之，信噪比和信道带宽可以 互换。扩频通信系统正是利用这一理论，将信道带宽扩展许多倍以换取信噪比上的好处， 增强了系统的抗干扰能力。关于香农公式在不同多址方式中的应用在下面第将会有比较详 细的解释。 3 1 2 扩频通信系统的分类 扩频通信系统按扩频方式的不同，可以分为以下的四种类型： 直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e e t r m n ，d s - s s ) 跳频扩频( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ，f h s s ) 跳时扩频( t i m eh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m , t h s s ) 混合扩频( 以上三种基本方式的不同组合) 在实际的码分多址系统中，直接序列扩频方式得到了广泛的认可和应用。图3 1 给出 扩频通信的原理图。 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章i s 9 5 、c d m a2 0 0 0i x 和w c d m a 系统简介 图3 - 1 扩频通信系统基本框图 3 1 3 扩频通信的重要参数 l 处理增益 通常在衡量扩频系统抗干扰能力的优劣时，引入“处理增益 这个概念，一般也称为 扩频增益，定义为接收机相关器输出信噪比和接收机相关器输入信噪比之比，即： g ：而s o n o ( 3 - 2 ) s iin i 式中，墨和s o 分别为接收机相干器的输入、输出信号功率，m 和o 分别为相干器的输入 和输出干扰功率。 假定系统中有k 个通信用户，分别用不同的p n 码来调制信息数据。设p 是接收的每 一用户的信号功率，系统的扩频带宽为w ，噪声的功率谱密度用o 表示，则接收端接收 到的有用信号功率谱密度为p w ，接收到其它干扰用户的干扰功率谱为1 ) p w ，那么该 通信用户的输入信噪比等于： s , 川= 面丽p 丽w 而= 面而p ( 3 3 ) 经接收机解调解扩后，该通信用户的信号将全部接收但信号带宽已变换到基带内，设 基带信号的信息速率为r ，此时有用信号的功率谱为p 恐，其它用户干扰噪声信号与用户 信号的地址码不相关，不能得到解调，因此它们的功率谱密度保持不变。则输出信噪比为： & 忙两篇酉= pw ( k 一1 ) 尸+ n o w 恐 ( 3 - 4 ) 由上述两个公式很容易得到扩频解调前后的扩频增益，即输出信噪比与输入信噪比之 比为： 1 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章i s - 9 5 、o d m a2 0 0 0i x 和w c d m a 系统简介 ( 3 - 5 ) 为了描述扩频系统在干扰环境下的工作性能，引入干扰容限的概念，干扰容限定义为： 鸩= g 一心+ 慨n o ) 】 ( 3 6 ) 其中，& o 为输出信噪比，厶为系统损耗，g 为扩频增益。干扰容限可以解释为： 当干扰功率超过信号功率鸠d b 时，系统就不能正常工作 3 2i s - 9 5 系统的特点 1 频段安排 美国的i s - 9 5 蜂窝业务系统带宽为1 2 5 m h z ，使用的p n 码速率为1 2 2 8 8 m c p s 。具体 的频率安排为：上行链路为8 2 4 m h z 8 4 9 m h z ；下行链路为8 6 9 m h z 8 9 锯压h z ；上行链路 和下行链路的频带间隔为4 5 m h z 。 2 信道数 每个系统带宽共有“个码分信道。 3 调制方式和扩频方式 下行链路采用q p s k 调制，上行链路采用o q p s k 调制，上下行链路均采用直接序列 扩频。 4 信道编码 信道编码采用卷积编码和维特比译码，下行链路卷积码的编码效率为1 2 ，上行链路 卷积码的编码效率为1 3 ，卷积码的约束长度为9 。 5 交织编码 除下行链路同步信道采取2 6 6 6 m s 交织编码长度外，其它信道的交织编码长度均为 2 0 m s 。 6 扩频码 扩频码的速率为1 2 2 8 8 m e p s ，即码片的码元宽度为0 8 1 3 8 # s 。基站识别码采用周期 为2 ”一1 的m 序列( 称为短码) ，用户识别码采用周期为2 4 2 1 的m 序列( 称为长码) 。下 行链路采用6 4 个正交的w a l s h 函数( w a l s h 码片的速率为1 2 2 8 8 m e p s ) 作为6 4 个信道的 地址码，上行链路利用w a l s h 码进行6 4 进制正交调制。 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章i s 9 5 、c d m a2 0 0 0t x 和w c d m a 系统简介 3 3c d m a 2 0 0 0l x 系统的特点闼 对于本文的主要研究内容一复扰码技术和调制方式，这些在c d m a 2 0 0 0l x 和w c d m a 系统中几乎是相同的，所以下面就以c d m a 2 0 0 0i x 为主来介绍。 c d m a 2 0 0 0l x 技术在i s 9 5 技术的基础上采用了一系列新技术，可以支持各种不同的数 据传输速率( 从9 6 k b p s 到2 m b p s ) ，业务包括电路交换和分组交换业务。c d m a 2