CDMA2000反向业务信道的MATLAB仿真与实现[1].doc

本科毕业设计 题目：CDMA2000反向业务信道仿真及关键技术的研究 性质：科 研 专业：电子信息工程 日期： 摘 要移动通信是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之一，也是21世纪对人类的生活和社会发展将有重大影响的科学技术领域之一。cdma2000无线传输技术（RTT）是采用CDMA技术实现3G无线通信系统的一种宽带、扩频无线接口。cdma2000技术在IS-95技术基础上采用了一系列新技术，大大提高了系统性能。cdma2000采用的新技术包括多种射频信道带宽、前向链路的快速功率控制、Turbo编码、反向导频、反向链路相干解调和传输分集发射等。cdma2000可支持144kbit/s的传输速率，在核心网络引入分组交换技术，以支持未来的移动IP业务。cdma2000具有通信容量大；容量的软特性；减小多径衰落；链路传输速率快；平滑的软切换和有效的宏分集；低信号功率谱密度等技术特点。我所做的即是在本次仿真中应用MATLAB软件对其中物理层反向业务电路建模和仿真，根据cdma2000标准，详细的研究和描述了cdma2000的系统理论，性能特点和物理层反向传输电路的基本处理过程，并通过在实验室的软件仿真完成预定的功能，实现数据帧的物理层传输。关键词cdma2000；通信仿真；反向传输电路；MATLABAbstractNowadays the mobile communication technology is one of the most active and expanded communication fields and one of the most effective technology fields which influence human beings living and society development for 21 centuries. cdma2000 Radio Transmission Technique (RTT) is a kind of Broad Band and spread radio access which adopt the CDMA technique to implement the 3G radio communication systems. cdma2000 technologies have adopted a series of new technology on IS-95 technologies, have raised the system performance consumedly. cdma2000 adopt new technologies include multiple Radio Frequency channel bandwidths, forward fast power control, Turbo yard, reverse pilot, reverse concerning with demodulation and diversity transmission etc. cdma2000 can obtain 144bit/s transport velocity, has group-changing mode in the core network for future mobile IP operation. cdma2000 has great communication capacity, soft characteristic of system capacity, smaller path decline, faster transmission rate, low density of power spectrum of signal and smooth soft switching and effective macro diversity etc. According to cdma2000 standard, in this emulation what I do is, modeling and simulation of reverse traffic circuit with the application MATLAB software, detailed research and describing of system theories of cdma2000, performance characteristics and basic handling procedure of reverse traffic circuit. Through the software simulation in the laboratory, I can finish the scheduled function and carry out the physical layer transmission of the data frame.Keywordscdma2000;communication system simulation; reverse transmission channel；MATLAB目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 cdma2000技术简介21.3 课题内容31.4 本章小结4第2章 cdma2000 1x系统概述52.1 码分多址（CDMA）技术52.2 cdma2000 1x系统功能62.3 cdma2000 1x物理信道72.4 cdma2000 1x反向信道结构及总体仿真模型102.4.1 cdma2000 1x反向信道结构102.4.2 MATLAB介绍102.4.3 总体仿真方案112.5 本章小结12第3章 cdma2000 1x反向信道编码与译码53.1 CRC编码器与译码器53.2 卷积编码器与译码器73.3 信号交织器与解交织103.4 初始化模块113.5 本章小结14第4章 cdma2000 1x反向信道调制与解调54.1 正交扩频信号53.2 信号调制154.2.1 PN信号生成器154.2.2 信号调制模块184.2.3 信号的解调模块214.2.4 信道模型的实现234.3 本章小结24第5章 运行仿真及调试分析355.1 设置仿真参数355.2 仿真分析355.3 本章小结38结 论39参考文献40中文译文：41外文原文：48致谢55毕业设计（论文）成绩评定表56第1章 绪论1.1 课题背景移动通信是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之一，也是21世纪对人类的生活和社会发展将有重大影响的科学技术领域之一。移动通信涉及的范围很广，凡是固定点与移动体，或者移动体之间通过无线电波进行实时的直接的通信联系，都属于移动通信范畴。自从1981年第一代以频分多址（FDMA，Frequency Division Multiple Access）技术为基础的模拟移动通信系统（AMPS、TACS、NMT等）建立使用以来，在短短几年时间内，模拟蜂窝系统就面临着阻塞概率增高、呼叫中断率增高、蜂窝系统的干扰增大、蜂窝系统迫切需要增容的压力。紧接着，1992年以时分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）技术为基础的第二代数字蜂窝移动通信系统（GSM、DAMPS、JDC等）相继投入使用。TDMA蜂窝系统较FDMA蜂窝系统有许多优势：频谱效率提高，系统容量增大，保密性能好，标准化程度提高等等。但是在美国，已批准的TDMA标准并没有完全满足美国CTIA（蜂窝通信工业协会）对下一代数字蜂窝技术所设想的要求。在这种情况下，以美国Qualcomm公司为首的倡导者，提出了在蜂窝移动通信系统中采用码分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）技术的系统实现方案。并在1993年Qualcomm公司提出的CDMA技术正式成为技术标准（IS-95标准），并且以IS-95标准的CDMA商用系统已分别在美国、香港和南韩等国家和地区投入使用，取得了良好的用户反映。根据ITU的预测，从20012007年，世界上的移动数据用户将超过移动话音用户。移动通信的应用领域也将从单纯的人与人之间的信息交互发展为包括人与机器之间的信息交互和机器与机器之间的信息交互手段。第四代移动通信标准（亦有称后三代移动通信标准）正在业界萌动，可以实现相互兼容移动通信技术。4G将提供以太网的接入速度（如每秒钟10MB）并且通过在一部手机中把3G和WiMax技术结合在一起提供集成无线局域网和广域网的服务。但是，正在开发之中的WiMax标准不能在电话不掉线的情况下把电话从一个基站转接到另一个基站，而且WiMax的覆盖面不如3G的覆盖面广，因此需要把这两种技术结合起来，创造一个在无线局域网和广域网之间的一个结合点。虽然4G技术正在标准化，但是3G仍是移动通信的前沿问题。IS-2000在2000年3月以正式通过，但是还没有大范围的商业化。各国国家对3G采取了十分谨慎的态度。因为cdma2000 1x虽然已经实现了2Mbit/s的传输速率，但是由于相应的多媒体产品的开发不足，手机终端产品的成本较高，移动通信的收费较高等实际商业化问题，cdma2000还没有大规模的投入商业化。在我们国家，中国联通是在发展GSM网络后突然转向IS-95网络的，系统设备投入较大，在电信市场的占有份额还很小，虽然有着系统稳定和终端辐射小的优点，但是由于移动资费较高，用户还没有达到很高的市场份额。cdma2000 1x已经在北京、上海、广州、成都、杭州、南昌、海口投入试运营，中国联通在积极的探索过程中。cdma2000 1x系统是系统最成熟、商业化最快的技术，cdma2000前沿研究最为成熟、迄今吞吐量最高的无线通信技术标准。从基站到核心网全网兼容的演进路线，维护了运营商的利益。如果大范围的使用该技术，会降低运行成本。同时，要积极扩展新的业务，吸引潜在的客户和运营商，比如开展彩铃业务、手机电视业务、全球定位业务都是很好的典范；要广泛的宣传此项技术，加大广告宣传的力度，使客户对其优点进行全方面的了解；还有进行技术革新，增加系统的稳定性和传输数据的快速实时性。关于未来移动通信的发展，可以基本肯定，移动通信网络将向IP化的大方向演进。在此过程中，在移动网络上的业务将逐步呈现分组化特征，而网络结构将逐步实现以IP方式为核心的模式。1.2 cdma2000技术简介1995年美国电信工业协会（TIA，Telecommunications Industry Association）正式颁布的窄带cdma(N-cdma)标准IS-95A，并且在1998年发布了IS-95B。IS-95B能够实现更高的数据传输速率。cdma2000由IS-95（Interim Standard-95）移动通信系统演进而来，它在室内环境中能够达到的最高速率为2Mbit/s,步行环境下能够达到384kbit/s,车载环境下则能够达到144kbit/s。cdma2000 1x是cdma2000的第一阶段, 它与IS-95一样占用1.25MHz带宽，最高理论速率能够达到2Mbit/s，可支持308kbit/s的数据业务。它在核心网络部分引入了分组交换技术，可支持移动IP业务。为进一步加强cdma2000 1x的竞争力，3G标准化组织3GPP2（3rd Generation Partnership Project2）从2000年开始在cdma2000 1x基础上制定增强技术，即cdma2000 1x EV技术（EV即Evolution）。目前cdma2000 1x EV的发展分为两个阶段，第一阶段称为cdma2000 1X EV-DO（DO表示Data Only），第二阶段则称为cdma2000 1X EV-DV（DV表示Data and Voice）。由于cdma2000 1x系统的空中信道承载能力优于GPRS，而且还能够有效的提高系统容量，因此cdma2000 1x的用户将获得更快的互联网接入速度。同时，cdma2000 1x系统完全兼容cdmaOne，因此cdma2000 1x用户可以在没有升级的cdmaOne网络中拨打电话，而cdmaOne用户也可以在升级后的网络中进行无缝漫游。cdma2000 1x对IS-95A和IS-95B系统具有后向兼容能力，支持重迭蜂窝网结构，在越区切换期间共享公共信道，并且支持IS-95A和IS-95B系统的信令标准及其话音业务。同时，cdma2000 1x大大增强了系统的性能和容量，这得益于如下一些关键技术的应用：前向快速功率控制；前向快速寻呼信道；前向链路发送分集技术；反向相干解调；Turbo码技术；灵活的帧长；增强的媒体接入控制功能。cdma2000物理信道的无线配置RC（Radio Configuration），RC指一系列前向或反向业务信道的工作模式，每种RC支持一套数据速率，其差别在于物理信道的各种参数，包括调制特性和扩频速率（SR）等。其中，扩频速率（SR）指的是前向或反向CDMA信道上的PN码片速率。SR有两种：一种为SR1，也通常记作“1X”或“1x”，它的前向和反向CDMA信道在单载波上都采用码片速率为1.2288Mcps的直接序列（DS，Direct Sequence）扩频。另一种为SR3，也通常记作“3X”或“3x”，它的前向CDMA信道有3个载波，每个载波上都采用1.2288Mcps的DS扩频，总称多载波（MC）方式；反向信道在单载波上采用码片速率为3.6864Mcps的DS扩频。前向信道（FL ）可分为RC1RC9九种情况，反向信道（RL）则可分为RC1RC6六种无线配置。配置为RC1、RC2的业务信道中，信息比特经过编码调制后得到调制符号速率是固定的19.2ksymbol/s,而RC3RC5的业务信道中，信息比特经过编码调制后得到的调制符号速率从19.2ksymbol/s到614.4ksymbol/s不等，所以基带数据扰码的生成方式也就复杂一些。1.3 课题内容我对cdma2000技术和反向传输电路进行了深入的学习、分析和研究。根据cdma2000的标准，因为cdma2000的关键技术为支持多种类型的数据，数据帧的长度从16bit到6120bit，帧长可以是5ms也可以是20ms、40ms或80ms。本次设计根据cdma2000系统特点，将仿真模型设计为多数率反向物理链路仿真模型。可以实现不同的无线配置方式、数据帧长度、数据帧传输速率和数据帧周期的参数变化，完成各种情况下的数据帧在物理层的传输过程，使系统有了更好的工程意义，更加贴近实际的物理过程。对现实系统的模拟和改进都有重要的理论意义。本次仿真主要针对cdma2000反向物理电路在RC3和RC4无线配置方式下，应用MATLAB中的Simulink模块库实现对系统特性的建模和仿真。整个仿真过程严格按照cdma2000标准中的工程要求，进行全面的仿真，包括数据帧的产生，经过移动传播信道和数据帧的恢复的过程，并对仿真结果进行了分析。1.4 本章小结本章针对所要研究的cdma2000 1x反向业务信道的仿真，先就本课题的研究背景做了简要的介绍。CDMA技术的由来、演进、目前发展现状以及发展趋势。cdma2000现有的性能和节约成本的效率使它成为3G无线系统的最佳选择之一，针对这一课题的研究可以很好的学习和掌握移动通信在多址技术方面的知识，对将来相关领域的探讨有很重要的意义。接下来介绍了本次课程设计主要是研究cdma2000反向物理电路在RC3和RC4无线配置方式下，应用MATLAB的建模和仿真，来更好的学习cdma2000系统。第2章 cdma2000 1x系统概述2.1 码分多址（CDMA）技术码分多址包括两个基本技术：一个是码分技术，其基础是扩频技术；另一个是多址技术。将这两个基本技术结合在一起，并吸收其它一些关键技术，形成了今天码分多址移动通信系统的技术支撑。扩展频谱（简称扩频）通信技术是一种信息传输方式，是码分多址的基础。是数字移动通信中的一种多址接入方式。扩展频谱通信简称扩频通信。在发端，采用扩频码技术调制，使信号所占的频带宽度远大于所传输信息的必要的带宽；在收端，采用相同的扩频码调试进行相关解调来解扩以恢复所传数据。扩频技术是用100倍以上的信号带宽来传输信息，最主要的目的是为了提高通信的抗干扰能力，将在强干扰的情况下保证安全可靠的通信。扩频通信就是将信息信号的频谱扩展100倍以上，甚至1000倍以上，然后再进行传输，因而提高了通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全的通信，这是扩频通信的基本思想和理论根据。扩频通信的特点是抗干扰能力强，抑制干扰，提高输出信噪比、保密性好，直接序列扩频通信系统可以在信道噪声和热噪声的背景下，使信号湮没在噪声里。具有很低的被截获率。由于扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用正交和准正交的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利衰落信号时用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户以不同码型的情况下区分不同用户的信号，提取出有用信号，实现码分多址。多径效应产生快频率选择性衰落现象。由于扩频通信系统所传送的信号频谱已扩展很宽，频谱密度很低，如在传输中小部分频谱衰落时，不会造成信号的严重畸变,因此，扩频系统具有潜在的抗频率选择性的能力。直接序列扩频通信系统是以直接扩频系统的扩展频谱通信系统。直接用高速率伪随机码在发端去扩展数据的频谱；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号。码分多址是使用一组正交(或推正交)的码组通过相关处理来实现多个用户共享空间传输的频率资源和同时入网接续的功能。码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。CDMA系统的地址码相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠。系统的接收端必须有完全一致的本地地址码，用来对接收的信号进行相关检测。其他使用不同码型的信号，因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。2.2 cdma2000 1x系统功能cdma2000可工作在多个频段下，其中北美频段的反向信道采用824849MHZ，前向信道采用869894MHz，这些频段与AMPS以及IS-95系统的频段划分保持一致，从而允许运营商实现对网络的逐步升级。cdma2000 1x对IS-95A和IS-95B系统具有后向兼容能力，支持重迭蜂窝网结构，在越区切换期间共享公共信道，并且支持IS-95A和IS-95B系统的信令标准及其话音业务。同时，cdma2000 1x大大增强了系统的性能和容量，这得益于如下一些关键技术的应用：前向快速功率控制IS-95采用反向功率控制，基站以一定频率向移动台发出功率控制指令，通知移动台增加或降低当前发射功率，使得基站测量到各个移动台的接收功率大致相等，从而能够提高系统的容量。cdma2000在采用反向功率控制技术的同时还使用了前向功率控制技术，即移动台测量收到前向业务信道的信噪比E/N，并且把这个测量值与一个预先设定的门限值进行比较，然后根据比较结果向基站发出调整基站发射功率的指令。与反向功率控制类似，前向功率控制的最大速率可以达到800bit/s。前向快速寻呼信道在cdma2000中基站可以通过快速寻呼信道向移动台发出指令，决定移动台是处于监听寻呼信道还是处于低功耗状态的睡眠状态。这样移动台不必长时间连续监听信道，从而能够减少移动台的激活时间，节省移动台功耗。另外，通过前向快速寻呼信道，基站可以向移动台快速发出最近几分钟内的系统参数消息，促使移动台根据这个参数消息做出相应的处理。前向连路发送分集技术cdma2000采用直接扩频发送分集技术，它有2种工作方式，既正交发送分集与空时扩展分集。正交发射分集采用不同的正交Walsh码对两个数据流进行扩频，然后通过两个发射天线发射给移动台；空时扩展分集则使用空间两根分离的天线发射信号，这些信号使用相同的Walsh码。使用前向链路发射分集技术可以减少基站的发射功率，增强信号的抗瑞利衰落性能，增大系统容量。反向相干解调在IS-95中，反向信道没有导频信号，数据是通过非相干解调得到的。cdma2000增加了反向导频信道，因此基站可以利用反向导频信道的扩频信号获得相干信号，实现相干解调。通过反向相干解调能够提高反向链路的性能，降低移动台的发射功率，提高系统容量。Turbo码Turbo码具有优异的纠错性能，适用于高速率传输中对译码时延要求不高的数据业务，并可降低对发射功率的要求，增加系统容量。在cdma2000 1x中，Turbo码仅用于前向补充信道和反向补充信道中。Turbo编码器由两个RSC编码器、交织器和删除器组成，其中每个RSC编码器产生两路校验位信号，这两个输出信号经删除复用后形成Turbo码。Turbo译码器则由两个软判决译码器、交织器和去交织器构成，经过输入信号交替译码、软判决多轮译码、过零判决后得到译码输出。灵活的帧长与IS-95不同，cdma2000 1x支持5ms帧、10ms帧、20ms帧、40ms帧、80ms帧以及160ms帧等多种帧长，不同类型信道可以使用不同的帧长。一般来说，较短的帧长度可以减少时延，但解调性能较差，而较大的帧长度则可以降低对发射功率要求，尤其适用于传输高速率的数据业务。增强的媒体接入控制功能cdma2000的媒体接入控制子层控制多种业务接入，保证多媒体的实现。媒体接入控制子层支持话音业务、分组数据业务和电路数据业务，并且支持不同的服务质量（Qos），与IS-95相比，可以满足更高传输速率和更多业务种类的要求。2.3 cdma2000 1x物理信道CDMA信道是指在给定的CDMA载频范围（即1.25或3.75MHz带宽的频谱内，其中心频率是由CDMA频道编号给定），基站与移动台之间所传递的物理信道的集合，包括基站到移动台之间的前向CDMA信道（F-CDMA-CH）和移动台到基站方向的反向CDMA信道（R-CDMA-CH）。基站或移动台所能发送和接受的信道集合取决于扩频速率（SR）和无线配置（RC）。前向CDMA信道（F-CDMA-CH）是指使用特定的导引PN偏移在CDMA载频频率上从基站到移动台所发送的物理（码）信道的集合。而反向CDMA信道（R-CDMA-CH）是指移动台到基站的物理（码）信道的集合。cdma2000系统的业务信道的结构和帧格式是很灵活的，为了限制原来与帧格式参数协商有关的信令负荷，cdma2000规定了前向业务信道和反向业务信道的各种传送格式的信令称为无线配置（RC）。各个无线配置定义了扩频速率（SR）、调制特性、编码比率、帧时长和数据速率等物理参数。前向速率为SR1的情况下，cdma2000信道类型有以下结构：表2-1前向cdma2000信道结构信道类型最大数目前向导频信道1发送分集导频信道1辅助导频信道未指定辅助发送分集导频信道未指定同步信道1寻呼信道7广播信道未指定快速寻呼信道3公共功率控制信道未指定公共指配信道未指定前向公共控制信道未指定前向专业控制信道1/每个前向业务信道前向基本信道1/每个前向业务信道前向补充码分信道(仅RC1和RC2)7/每个前向业务信道前向补充信道（仅RC3RC5）2/每个前向业务信道与之相对应的反向cdma2000信道结构如下:表2-2反向cdma2000信道结构信道的类型最大数目反向导频信道1接入信道1增强接入信道1反向公共控制信道1反向专用控制信道1反向基本信道1反向补充码分信道（RC1和RC2）7反向补充信道（RC3和RC4）2本次实验仿真将以cdma2000 1x反向业务信道为例来研究整个cdma2000 1x系统的物理信道,并严格按照有关标准进行仿真。由于多速率、多帧长是cdma2000 1x的关键技术之一。所以我们要重点讨论一下R-FCH的帧结构，以实现对其数据帧的正确产生和纠检错编码。现将R-FCH的帧结构总结见表2.3。表2-3 R-FCH帧结构无线配置传输速率bit/s每帧比特数总数保留位/标准位信息比特帧质量指示符编码尾比特196001920172128480096080882400480400812002401608214400288126712872001441125108360072155881800361216839600(5ms)480241681500(20ms)1920172128480096080882700540406849600481241681440028812671287200144112510836007215588180036121682.4 cdma2000 1x反向信道结构及总体仿真模型2.4.1 cdma2000 1x反向信道结构接入信道、配置为RC1，RC2的反向基本信道和反向补充码分信道的信道结构分别与IS-95中的接入信道、反向业务信道的信道结构相同。加保留位加帧质量指示位每帧加8个编码器尾比特卷积编码器或Turbo编码器符号重复符号删除块交织信息比特 调制符号图2-1 增强接入信道、反向公共控制信道、反向专用控制信道及RC3-4的反向基本信道和反向补充信道的编码信道的信道结构增强接入信道、反向公共控制信道、反向专用控制信道及RC3-4的反向基本信道和反向补充信道的编码信道的信道结构如图2-1所示，其中结构中的实线框是以上信道都有的部分。图中也有两个虚线框，第一个表示的过程是在数据帧中加入加保留位，这是仅RC4的反向业务信道有的部分，而第二个虚线框表示的删除则是除RC3的反向专用控制信道外的RC3、RC4反向业务信道都有的部分。2.4.2 MATLAB介绍MATLAB是一种功能强大的科学计算和工程仿真软件，它的交互式界面能够帮助用户快速地完成数值分析、矩阵运算、数字信号处理、仿真建模、系统控制和优化等功能。MATLAB语言采用与数学表达相同的形式，不需要传统的程序设计语言，因而不像其他高级语言那样难于掌握。一般来说，用户可以在极短的时间内掌握MATLAB的基础知识，并且能够初步的应用MATLAB解决简单的问题。由于MATLAB的这些特性，它已经成为科研工作和工程仿真中的高效助手。其中Simulink是MATLAB提供的用于对动态系统进行建模、仿真和分析的工具包。Simulink提供了专门用于显示输出信号的模块，可以在仿真过程中随时观察仿真结果。同时，通过Simulink的存储模块，仿真数据可以方便的以各种形式保存到工作区或文件中，供用户在仿真结束之后对数据进行分析和处理。另外，Simulink把具有特定功能的代码组织成模块的方式，并且这些模块可以组织成具有等级结构的子系统，因此具有内在的模块化设计要求。基于上述优点，Simulink称为一种通用的仿真建模工具，广泛应用于通信仿真、数字信号处理、模糊逻辑、神经网络、机械控制和虚拟现实等领域。S-函数是系统函数（System-functions）的简称。在很多情况下，Simulink模型库（Simulink Library）中的模块不能完全满足用户的要求，这时候需由用户自己来编写相应的代码。M文件虽然能够用来编写MATLAB函数代码，但是它不具备与Simulink的接口，因此难以与Simulink其他模块一起使用。S-函数则提供了函数代码与Simulink之间的接口，同时能够实现各种灵活的控制和计算功能。从这个意义上说，S-函数是对Simulink模块库功能的扩展。S-函数的代码既可以用MATLAB语言编写，也可以用其它的编程语言（如C、C+、Ada或Fortran等）编写。2.4.3 总体仿真方案总体的仿真方案是先由二进制贝努利序列产生器产生一个长度为mFrameLength的数据帧，数据帧的周期等于mFrameDuration毫秒。RC3和RC4支持多种类型得数据帧，这些数据帧得长度从16bit到6120bit，帧长可以是5ms，也可以是20ms,40ms,80ms。经过CRC编码器产生长度不等的CRC校验位（16bit、12bit、10bit、8bit或6bit），用于协助接收端来检查数据帧的好坏。不同的数据帧长度对应的不同的生成多项式，对其的选择由封装模块的初始化函数以及对应的入口参数完成。为了提高系统的纠错能力，cdma2000系统采用卷积编码器（低速率）或Turbo码编码器（高速率）完成数据帧编码过程。卷积编码器的约束长度为9，码率分别等于1/4、1/3和1/2。因此，数据帧在卷积编码后的长度分别增大到原来的4倍、3倍和2倍，通过足够的信息冗余度来提高信号的抗噪声性能，同时为了使卷积编码器在一帧数据完成编码之后内部状态能够自动复位，在每个数据帧的末尾添加8bit的编码器尾部（Encoder Tail Bits）。我们通常说的数据传输速率是在完成上述两个过程之后得到的数据帧传输速率，这其中包含了CRC编码产生的校验位和预留的8bit数据。数据帧通过卷积编码器之后，还需要根据数据传输速率决定是否对其实施信号重复，以及信号重复的倍数，从而把低速率的数据通过重复提高到较高的速率。对于特定长度的数据帧，还采取抽取（Puncturing）技术，以一定的比例去掉卷积编码信号中的某些数据。为了减少成串的突发差错的发生概率，数据帧要经过交织器。cdma2000的交织器有其固定的算法，使用模块库中的矩阵交织模块实现，同时把信号重复和信号抽取模块也放到此子系统中。经过交织之后就进入到正交扩频模块。选择不同的Walsh码对不同的信道扩频，码片速率为1.2288Mchip/s。扩频调制中的关键技术为PN序列码片速率为1.2288Mchip/s、长度为1的伪随机序列，与长度为的另外两个伪随机序列，对I路和Q路进行复扩频调制。经过基带滤波和加射频后，数据帧从移动台发射出去。基站接收器接收到经由加性高斯白噪声信道传输的反向信道的射频信号后，通过解调获得编码符号，然后再通过解交织，卷积译码和CRC译码等过程还原得到原始的数据帧，这个过程基本上就是移动台调制器的逆过程。最后通过错误率统计模块得到所仿真系统的性能。下图即为总体仿真模块框图：图2-2 总体仿真模块框图2.5 本章小结本章提供了cdma2000 1x系统特点及总体仿真方案。先介绍了CDMA码分多址技术。码分多址包含两个基本技术；一个是码分技术，其基础是扩频技术；另个是多址技术：将这两个基本技术结合在一起，并吸收其他一些关键技术，形成了今天码分多址移动通信系统的技术支撑。扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽，频带的展宽是通过编码及调制的方法来实现的，并与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。移动通信系统都有若干个基站和大量的移动台。基站要和许多移动台同时通信，因而基站通常是多路的，有多个信道，而每个移动台只供一个用户使用，是单路的。许多用户同时通话，以不同的通信资源相互分隔，防止相互干扰。同时，各用户信号通过在射频波道上的复用，从而建立各自的通信信道，以实现双边通信的连接称为多址接入。多址接入方式是移动通情网体制范畴，关系到系统容量、小区构成、频谱和信道利用效率以及系统复杂性。cdma2000 1x技术在IS95技术上采用了一系列新技术，大大地提高了系统的性能。cdma2000 1x采用的新技术包括反向导频、前向快速功控、Turbo码和传输分集发射（OTD和STS）等。反向导频信道使反向信道可以进行相干解调，它比IS-95系统反向信道所采用的非相关解调技术提高约3dB增益，相应地反向链路容量提高1倍；前向快速功控可以使前向信道也进行快速的闭环功率控制，较IS-95系统前向信道只能进行较慢速的功控相比，大大提高了前向信道的容量，并且节约了基站耗电；cdma2000 1x的前向信道还可以采用传输分集发射（OTD和STS），提高了信道的抗衰落能力，改善了前向信道的信号质量。介绍了cdma2000 1x的物理信道结构以及针对R-FCH的帧结构。因本次仿真采用MATLAB中的Simulink模块库，故对MATLAB和Simulink都做了简单介绍，给出了cdma2000 1x的反向物理信道的总体仿真方案。第3章 cdma2000 1x反向信道编码与译码cdma2000 1x反向业务信道数据帧在调制之前一般要由信源二进制贝努利序列产生器产生数据帧，再经过CRC编码，卷积编码，信号重复，信号抽取以及块交织等过程；基站接收机将信号解调后经过解交织，去重复，卷积译码和CRC译码。3.1 CRC编码器与译码器循环冗余码CRC（Cyclic redundancy check）是一种使用相当频繁的检错码。与分组码和卷积码不同的是，循环冗余码不具有纠错能力。当接收端检测到传输错误时，它并不去纠正这个传输错误，而是要求发送端重新发送这个信号序列。在循环冗余码的编码过程中，发送端对每个特定长度的信息序列计算得到一个循环冗余码，并且把这个循环冗余码附加到原来的信息序列的末尾一起发送出去。接收端接收到带有循环冗余码的信号后，从中分离出信息位序列和循环冗余码，然后根据接收到的信息位序列重新计算循环冗余码，如果这个重新计算得到的循环冗余码与分离出来的循环码不同，则接收信号序列存在着传输错误。这时接收端会要求发送端重新发送这个序列，通过这个过程实现对信号的纠错。在cdma2000 1x中，每个数据帧首先经过一个CRC编码器，产生长度不等的CRC校验位（16bit、12bit、10 bit、8 bit或6 bit）。这些CRC校验位又称为帧质量指示（FQI，Frame Quality Indicator），它们可以用于协助接收端检查数据帧的好坏。对于长度为16bit的CRC编码器，它的生成多项式为：g(x)= (3-1)它适用于RC3中长度等于24bit、360bit、744bit、1512bit、3048bit和6120bit的数据帧，以及RC4中长度等于24bit、552bit、1128bit、2280bit和4584bit的数据帧。对于长度为12bit的CRC编码器，它的生成多项式为：g(x)= (3-2)它适用于RC3中长度等于172bit的数据帧，以及RC4中长度等于267bit的数据帧。对于长度为10bit的CRC编码器，它的生成多项式为：g(x)= (3-3)它用于计算RC4中长度等于125bit的数据帧的帧质量指示。对于长度为8bit的CRC编码器，它的生成多项式为：g(x)= (3-4)它适用于RC3中长度等于80bit的数据帧以及RC4中长度等于55bit的数据帧。对于长度为6bit的CRC编码器，它的生成多项式为：g(x)= (3-5)它适用于RC3中长度等于16bit和40bit的数据帧，以及RC4中长度等于21bit的数据帧。另外，对于RC1和RC2，cdma2000 1x还使用了另外一种长度为6bit的CRC编码器，其生成多项式为g(x)= (3-6)需要注意的一点是，在对RC4中的长度为21bit、55bit、125bit以及267bit的数据帧实施CRC编码之前，cdma2000在这些数据帧之后添加一个1bit的填充位，使它们的长度分别变成22bit、56bit、126bit以及268bit。下面设计cdma2000移动台的CRC编码器，这个CRC编码器能够根据信道的无线设置自动选择相应的CRC编码器，并且在输入的数据帧后面添加特定长度的帧质量指示（FQI）。CRC编码器是由Simulink模块库中的零填充（Zero Pad）模块和通用的CRC编码器（General CRC Generator）模块构成。如图3-1所示：图3-1 CRC编码器在创建完cdma2000基站CRC编码器子系统后，可以把这个模块封装起来，并为这个封装子系统，创建了4个参数：Radio Configuration、Bit Rate、Frame Length以及Frame Duration，这些参数对应的内部变量名称分别为：xRC、xBitRate、xFrameLength和xFrameDuration，这些内部变量对应于封装子系统中参数的设置对话框的各个参数，并且可以用于封装子系统内部的各个模块中。并通过MS_FQI_Initialization.m实现对上述参数的相应赋值。CRC译码器的设计则同编码器相反，由Simulink模块库中的通用CRC检测器（General CRC Syndrome Detector）模块和零填充（Zero Pad）模块构成。CRC检测器首先从接受到的二进制序列中分离出信息序列和CRC，然后根据接收端的信息序列重新计算CRC。如果重新计算得到的CRC与接受到的CRC相等，则认为接受序列是正确的；否则，接受序列存在着传输错误。其Simulink建模图形如图3-2：图3-2 CRC译码器二进制贝努利序列产生器输出的波形为：图3-3 二进制贝努利序列产生器输出的波形经过CRC卷积编码后的，输出波形为图3-4：图3-4 CRC编码器输出波形3.2 卷积编码器与译码器cdma2000 1x中反向信道采用的是卷积码或Turbo码来作为前向差错控制编码。低速率信息比特采用卷积码，大于或等于19.2kbit/s的信息数据速率一般采用Turbo码。本次仿真为基本业务信道RC3和RC4，是低速率传输，采用的是卷积码。卷积码需要选择约束长度和编码速率。约束长度应尽可能的大，以便获得良好的性能。而随着约束长度的增加，解码器的复杂性也增加，现代的VLSI的实现已经可获得约束长度为9 的卷积码，因此，在cdma2000系统设计了3中类型的卷积编码器，他们的约束长度都等于9，编码速率分别等于1/4，1/3，1/2，编码速率是指卷积编码器的输入信号序列与输出信号序列长度的比值。编码速率为1/4的卷积码的生成函数为（八进制）、（八进制）、（八进制）、（八进制），编码器结构如图3-5。编码速率为1/2的卷积码生成函数为（八进制）、（八进制），编码器结构如图3-6。图3-5 r=1/4卷积编码器结构下面开始设计cdma2000移动台的卷积编码模块。在这个模块中，卷积模块使用的生成多项式取决于输入数据帧的无线配置类型以及数据帧的长度。同时，卷积编码器还在每帧输入数据的后面预先添加8个0，用于在每帧数据的编码结束后对各个寄存器进行复位。cdma2000移动台卷积编码器模块由一个零填充（Zero Pad）模块和一个卷积编码器（Convolutional Encoder）模块组成，这两个模块都是Simulink模块库中的自带模块。模块的组成如图3-7。图3-6 r=1/2卷积编码器结构图3-7 卷积编码器在cdma2000基站卷积编码器模块中零填充模块和卷积模块的参数设置情况，其中使用了2个封装子系统变量xPaddedFramLength和xTrellisStructure，它们分别表示添加编码器尾部后数据帧的长度以及卷积编码器的Trellis参数设置。最后，把这个子系统转换成一个封装子系统。同时创建4个封装子系统的内部变量xRC、xBitRate、xFrameLength和xFrameDuration，他们分别表示输入数据帧的无线配置、数据率、原始数据帧长度、以及数据帧周期（单位是ms）并用S-函数MS_Encoder_Initialization.m对其初始化。数据帧经过卷积编码器后波形为图3-8：图3-8 卷积编码器输出波形卷积译码器的建模则与编码器相反，由一个维特比译码器（Viterbi Decoder）模块和一个零填充（Zero Pad）模块组成，而初始化则是通过MS_FEncoder_Initialization.m函数来实现的。MATLAB中有两种类型的卷积译码器，即后验概率卷积译码器以及维特比译码器。后验概率卷积译码器通常用于构建Turbo译码器。而维特比译码器对卷积码编码器进行解码，还原出二进制信号序列。维特比译码器有3种判决类型：Unquantized（非量化）、Hard Decision（硬判决）和Soft Decision（软判决）。本次仿真实验采用的是硬判决。其建模图形如图4-10：图4-10 卷积译码器3.3 信号交织器与解交织块交织是一种基于分组的交织方法，它在一段时间内产生的交织信号与这段时间内的输入信号有关，它通过制定信号向量与输出信号向量下标之间的对应关系进行置换。MATLAB要求块交织器的输入信号和输出信号都是固定长度的向量。对于cdma2000中的RC36前反向信道数据帧，输入数据按照0,1,2,N-1的下标写入一个固定长度的交织器，然后按照交织顺序读出数据（即在第i个时刻读取交织器中的第个数据），其中，I0,1,2,N-1， (4-7) 表示与m bit整数y首尾翻转之后得到的二进制序列对应的整数。例如，6表示成三位