CDMA移动通信系统反向信道的仿真建模研究

1、第22卷第5期文章编号:1006-9348(2005)05-0086-04计算机仿真2005年5月CDMA移动通信系统反向信道的仿真建模研究韩谷静,殷小贡(武汉大学电气工程学院,湖北武汉430072)摘要:随着现代通信技术的快速发展,移动通信系统的研究和开发成为热点,并不断有着新的突破。该文在Matlab6.5/Simulink环境下成功地建立了IS-95标准N-CDMA移动通信系统反向业务信道的模型,解决了模型创建中串并转换、并串转换、数据帧格式转换等几个关键问题,在此基础上进行了系统模型仿真,获得标准的调制信号,并对信号的频谱及其通过高斯信道的误码率进行了研究分析,给出研究结果,为实际系统

2、的设计提供了有效的依据。关键词:移动通信系统;反向业务信道;系统建模;仿真中图分类号:TP391.9文献标识码:BSimulationandModelingofChannelofCDMAMobileGu-(CollegeE,WuhanHubei430072,China)moderncommunicationtechnology,theresearchandexploitationofmobile,andcontinuouslygetsnewbreakthrough.Thisarticlediscussesthemodelofthere2versetrafficofN-CDMAwhichissu

3、ccessfullyconstructedunderMatlab6.5/Simulink.Ithassettledsomeimportantproblemsinmodeling,suchasserialtoparallelconversion,paralleltoserialconversion,dataframeformatconversionandsoon.ItalsosimulatesthesystemmodelandgetsthemodulatedsignalswhosespectrumhasbeenobservedanderrorratesthroughAWGNhavebeenres

4、earched.Resultsprovidereferenceforpracticalsystemdesign.KEYWORDS:Mobilecommunicationsystem;Reversetrafficchannel;Systemmodeling;simulation1引言CDMA移动通信系统以其巨大的系统容量,良好的抗衰业务信道向基站传输话音、数据和信令信息。反向业务信道支持可变速率的信息传送:9600b/s,4800b/s,2400b/s,1200b/落、抗过载和保密性能,以及独特的软切换技术等GSM移动通信系统所无可比拟的优越性和发展潜能迅速为人们所认同。本文在Matlab6.5

5、/Simulink环境下对NCDMA系统反向业务信道进行建模与仿真,通过调制信号的产生过程,探讨通信系统仿真模型的建立,并给出仿真结果,为实际系统的设计提供依据。2N-CDMA移动通信系统反向业务信道组成1993年7月美国Qualcomm公司开发的CDMA蜂窝体制被采纳为北美数字蜂窝移动通信标准,定名为IS-95,即N-CDMA。图1反向业务信道的电路框图在N-CDMA蜂窝系统的无线通信中,移动台利用反向s,信号帧长为20ms,数据速率也可逐帧选择。信道的电路框图如图11所示:收稿日期:2004-06-28按照通用数字通信系统模型,在CDMA反向业务信道电路框图中,帧质量指示器,加编码尾比特器

6、,卷积编码器,码86元重复及分组交织器属于信道编码部分,环节正交调制器到发送信号s(t)的产生属于调制部分。各环节功能和原理如下:在反向业务信道中,每个数据帧首先经过一个CRC编码器,即帧质量指示器,产生长度不等的CRC校验位(12bit或8bit)。之后,加编码尾比特器在每帧数据尾部加入编码器尾乘而产生的。用于长码产生器的掩码根据移动台用来传输的信道类型而定,当在反向业务信道传输时移动台要用到两个掩码中的一个:一个是公开掩码,另一个是私用掩码,这两个掩码都是该移动台特有的。最后,对信号进行四相扩展。四相扩展所用到的序列称为引导PN序列。引导PN序列有两个:I支路PN序列和Q支路PN序列。经过

7、PN序列扩展后,I、Q支路的信号再进行OQPSK调制,形成发射信号。比特(8个0),以实现把卷积编码器复位到规定的状态,在这里卷积编码器的码率为1/3,约束长度为9。反向业务信道为统一数据速率要进行码元重复,使得各种速率数据都变换成28800码元/秒,每帧576bit。这一变换由码元重复器完成。N-CDMA分组交织器采用矩阵交织。分组交织器组成的阵3仿真模块的创建及系统建模Matlab6.5/Simulink模型库提供了一个基于IS-95标准的CDMA系统功能模块集CDMAReferenceBlocket。但缺少某些关键模块,例如Simulink中并不具有单独实现串并转换和并串转换功能的模块;

8、而且还有些模块的输入信号限制为单一的速率,不便于多种数据速率的仿真。例如,IS-95ARevChConvolutionalEncoder288bit的数据输列是32行×18列(即576个单元),跨度为20ms。从码元重复环节输出的每帧576bit的数据按行输入到32行×18列的矩阵中,然后按列读出数据作为交织信号。IS-95规定了不同速率的数据每列读出的顺序。交织器输出的码元每6个作为一组,在正交调制器中,用2=64进制的沃尔什函数之一(成为调制码元)进行传输,码元的调制速率为28800/6=4800/s,调制码元的时间宽度为s,每一调制码元含64个子码,1/4800=20

9、8.333函数的子码速率为64×4800=307.2kc/s,s。3.255,只允许所需的码元输出,。通过选通门允许发。它在一帧中占用哪一位置进行传输是受PN码控制的,这一过程称为数据的猝发随机化。猝发位置根据前一帧中的倒数第二功率控制段内最末14个PN码比特进行计算。反向业务信道的信号在长码产生器要6入。因此,SCDMA系统反向业务,才能组。本文所建的反向业务信道,现以9600b/s数据率为例,分别介绍如下:3.1帧处理子系统3帧处理子系统如图2所示,由六个环节组成。研究中调用模型库中RandomIntegerGenerator模块产生的成帧随机信号(这里设置为172bit/帧,帧

10、长为20ms)作为信息数据,调用GeneralCRCGenerator模块,ZeroPad模块,ConvolutionalEn2coder模块,Repeat模块,以及IS-95ARevChInterleaver/Dein2terleaver模块依次实现帧质量指示,加编码尾比特,卷积编用周期为2-1的长码进行扩展。长码的各个PN子码是用一42位掩码和序列产生器生成的42位状态矢量进行模2内42码,码元重复和分组交织功能。图2帧处理子系统帧处理子系统中的IS-95ARevChInterleaver/Deinter2leaver模块和后面将要介绍的扩频编码子系统中的IS-95ARevChWalshM

11、odulationandSpreading模块均有一个常数输入扩频编码,IS-95标准给出的是Walsh正交码,它生成容易,应用方便;第二层是移动用户码,是由相当长的扩频码加上移动用户自身代码复合而成的,一个用户一个,各不相同;第三层是基站码,也是扩频编码,不同的基站使用具有不同相位状态的扩频码。在反向信道中,移动台进行四相扩展时也使用正向信道所用的基站码,即I与Q引导PN序列。对应于这三层编码,扩频编码子系统结构如图3。端Rate,输入常数设置为0,1,2,3时分别对应信号速率9600,4800,2400,1200b/s。3.2扩频编码子系统3,4,5成帧信号经过帧处理子系统后进入扩频编码子

12、系统。CDMA移动通信系统的扩频编码采用3层结构。底层是正交87图3图3中,调用模块IS-95ARevChWalshModulationSpreading完成底层和第二层的扩频编码,OQPSK调制,其中Q支路信号比I支路信号落后半个码片周期,以提高调制信号的整形和同步效果。扩频后的信号经过并串变换合成一路信号,进入模块OQPSKModulatorBaseband完成OQPSK调制。信号经过OQPSK调制发随机化。它对应图1,行64进制的,进行直接序列扩展并在长码的控制下,内部数据猝发随机化器对于成帧信号中某一功率段进行选通,选通的信号将被发送。在此之后,被选通的信号经过串并变换模块形成两条支路

13、,即I支路和Q支路。I、Q支路信号被模块IS-95AShortCodeGenerator产生的引导PN序列扩展,即进行CDMA移动后,发送信号形成。在上述扩频编码子系统的建模中,本文解决的关键问题有以下四点:1)Simulink中没有单独实现串并转换和并串转换功能的模块。因此,对于扩频编码子系统中的串并变换和并串变换环节,必须自行创建模块。串并变换模块及并串变换模块的设计分别如图4、图5所示。通信系统的第三层扩频编码。至此,信号的整个扩频编码过图4串并变换模块及内部结构图5并串变换模块及内部结构在串并变换模块中,用PulseGenerator模块产生方波时钟信号,由于整个系统是一个数字系统,P

14、ulseGenerator模块的Pulsetype参数必须设置为Samplebased,在Samplebased模式下,参数Sampletime需要设置成1÷(50×384×64),即需要设置成输入信号的比特周期。在并串变换模块中,与串并变换模块一样,Pulsetype参数也必须设置为Samplebased,但在Samplebased模式下,参数Sampletime需要设置成1÷(50×384×64×2),即需要设置成输入信号的比特周期的一半。模块中,UnitDelay延迟单元的Sampletime参数设置必须与PulseG

15、enerator模块一致。2)IS-95ARevChWalshModulationandSpreading模块和IS-95AShortCodeGenerator模块生成的信号是双极性的1,88-1比特。由于整个系统是针对信源产生的单极性信号0,1利用产生的调制信号,可以让它通过各种不同的信道,进行误码分析。仿真中,让调制信号经过AWGNChannel(高斯信道)并进行解调,AWGNChannel的信噪比依次取0dB、1dB、10dB。OQPSK调制和解调模块的SamplesperSymbol进行变换,系统中各模块如OQPSK均规定单极性输入;而且双极性信号进行模2运算的结果会出现0,1,2三种

16、信号值,无法进行信号恢复。所以在建立的系统模型中,多处用到BipolartoUnipolarConvertor模块完成双极性到单极性信号的参数依次设置为1,2,4。在上述情况下仿真,得到如图7所示的误码曲线。值得注意的是,仿真中,当OQPSK调制信号经过高斯信道并进行了OQPSK解调后,解调信号将比发射信号延迟2个bit的时间。可以发现,SamplesperSymbol设置越高,误码率急剧降低,当其设置为4,信道信噪比为5dB时误码率就几乎为0,但是考虑到实际系统中对调制信号的采样频率过高会带来设备性能、成本等一系列负面效应,取Sam2plesperSymbol为2,就可以达到令人满意的效果。

17、变换。3)系统中,I支路和Q支路信号由引导PN序列进行扩展时,其模2加环节是利用LogicalDataOperator模块中的异或功能XOR实现的,但是经过该模块后信号数据的类型转换成布尔Boolean类型,不为后续Product模块接受,故需要添加DataTypeConversion模块进行数据类型的恢复。4)在通信系统仿真中,常常遇到组帧的信号流。信号帧是不能在普通示波器中观察的,只能在矢量示波器中被观察,但矢量示波器中显示的信号波形不是方波而是三角波,且它只能在仿真过程中动态地一帧一帧的显示波形,而不能像普通示波器那样观察任意时间段的信号波形。为了能更好的观察信号,在模型中使用Buffe

18、r模块将组帧信号的帧格式解除,形成比特流。在扩频编码子系统中,Buffer,Buffer1,Buffer2均是用作此目的。除此之外,Buffer的比特流以规定的维数矢量格式输出,维比特向量,Buffer34对上述模型进行动态仿真,可以实时观察到系统各个环节的信号波形及频谱,对系统的性能质量作出评估,为实际系统的设计提供依据。图6是得到的调制信号的频谱图:参考文献:1樊昌信,等.通信原理(第四版)M.北京:国防工业出版社,2000.162-164,301-303.2郭梯云,等.移动通信M.西安:西安电子科技大学出版社,2001.293-298.3邓华,等.MATLAB通信仿真及应用实例详解M.北京:人民图7OOPSK调制经高斯信道的误码率邮电出版社,2003.207-211,224-228,314-318.4胡钢,等.基于MATLAB的远程数据传输系统的仿真研究