移动通信系统CDMA技术

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业引言20 世纪 70 年代末第一代移动通信系统面世以来，移动通信产业一直以惊人的速度迅猛发展。其中码分多址移动通信以其容量大、频谱利用率高等诸多优点，显示出强大的生命力，引起人们的广泛关注，成为第三代移动通信的核心技术。CDMA 是当今通信界关注的大热点。CDMA 是当前公认的一种国际标准技术。它具有频谱利用率极高和通信质量好等一系列显著优点。CDMA 为解决频率资源非常紧缺这一当前移动通信技术发展中最关键的问题提供了理想途径，为移动通信提供了质量最高,成本效益最好的方

2、案，成为最受设备制造商青睐的一种通信方式。CDMA 适用于各种移动通信，已被公认为是移动通信的发展方向。CDMA 不仅是当今最先进和最具市场潜力的通信技术，而且是一种跨世纪的技术。第一章 绪 论1.1移动通信的发展史移动通信的发展相继起步于海、路、空的研究领域，大体经历了三个阶段。从初期的军事移动通信阶段，发展到民用专业移动通信阶段， 19 世纪 70 年代末国际上出现的蜂窝汽车电话标志着公众移动通信新阶段的到来，历经 10 年才日益成熟起来。从此，移动通信的制造业和运营业进入了空前发展的阶段。80年代，随着各种蜂窝系统在各国的应用，制式也五花八门，不能兼容互通，适应不了欧洲共同体的发展需求，

3、于是开发了 GSM 数字蜂窝系统。美国从扩容和兼容的观点开发了可采用 TDMA 技术的 D-AMPS数字蜂窝系统。为进一步扩大容量，采用 CDMA 技术的数字蜂窝系统得以问世。1.2移动通信的发展现状近 20 年来，移动通信在微电子技术基础上与计算机技术密切结合，正在产生革命性飞跃，各种新技术层出不穷，一代又一代的新系统不断涌现，短短 20 年间，第一代移动通信已经得到广泛应用，第二代移动通信系统正日益普及，并且已经第一代模拟系统，第三代移动通信系统（ IMT-2000 ）即将进入大规模商用化阶段。总之，移动通信技术正在以前所未有的速度向前迈进，预计到 2010 年，在所有通信设备中移动通信设

4、备将居于首位1。1.3 码分多址 CDMA 概要自从 1981 年，第一代的以 FDMA 技术为基础的模拟移动通信系统建立以来，蜂窝移动通信市场的发展和需求大大超过了任何人士的预测，在短短几年时间内，模拟蜂窝系统面临着阻塞率高，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加容量的压力。但由于蜂窝系统本身的缺陷（例如，频谱效率低，保密性能差等），系统的设计容量远远不能满足要求。紧接着， 1992 年以 TDMA 技术为基础的第二代数字蜂窝系统相继投入使用。TDMA 蜂窝系统较 FDMA 蜂窝系统有很多优势：频谱效率提高，系统容量增大，保密性好，标准化程度提高等等。但是在美国，已批准的

5、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，尤其在容量上， TDMA 系统还相差得很远。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 CDMA 技术的系统实现方案2。他们通过理论分析和不断的现场实验，证明 CDMA 具有许多 TDMA 技术所没有的独特属性，并认为 CDMA 是移动通信是移动同系年环境下获得大容量和高质量的一种灵活有利的技术，它既能解决近期模拟系统容量不足的问题，也是通往个人通信的长远解决方法。1993年 Qualcomm 公司提出的 CDMA 技术正式成为技术标准（IS-95标准）

6、，并且以IS-95 为标准的 CDMA 商用系统分别在香港、韩国等地区和国家投入使用，取得了良好的用户反映。目前世界上许多大公司都投巨资进行 CDMA 系统的研究，开发和生产。第二章 扩频通信与 CDMA 技术2.1扩频通信原理扩频通信码分多址是数字移动通信中的一种多址接入方式，特别是在第三代移动通信中，它已成为最主要的多址接入方式。确切的说称为扩谱通信更为恰当，因为被扩展的是信号频谱带宽，不过习惯上称为扩频，它是一类带通通信系统。它的主要特征是扩频前的信息码元远小雨扩频后的扩频码序列的带宽。 2.1.1 扩频谱通信的基本概念扩频（Spread spectrum,SS）的精确定义为3-4：用来

7、传输信息的信号带宽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，扩频谱通是把所要传输的信号带宽扩展到很宽的频带中进行传输。扩频通信的理论基础是山农（C.E.Shannon）于1948年发表的A Mathematical Theory of Communication一文，即著名的信息论，山农信息论中有关的理论容量公式为5： (2-1)式（2-1）也被成为山农定理，其中C为信道容量,单位为bps,W为信道带宽,S/N为信噪比(dB)。式（2-1）给出了在给顶信噪比S/N和没有误码的情况下信道的理论容量C与

8、该信道带宽W的关系。从这个公式还可以的出一个重要的结论：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。扩频通信系统正式利用这一理论，将信道带宽扩展许多倍以换取信噪比的好处，增强了系统的抗干扰能力。一个典型的扩频通信系统框图如图2.1所示。由图2.1可以看出，扩频通信系统主要由原始信息，信源编译码，信道编译码(差错控制)，载波调制与解调，扩频调制与解扩和信道六大部分组成。信源编码的目的是去掉信息的冗余度，压缩信源的数码率，提高信道的传输效率。信道编码（差错控制）的目的是增加信息在信道传输中的冗余度，使其具有检错或纠错能力，提高信道传输质量。调制部分

9、是为使经信道编码后的符号能在适当的频段传输，如微波频段，短波频段等。扩频调制和解扩是为了某种目的而进行的信号频谱展宽和还原技术。与传统通信系统相比较，该系统多了扩频和解扩两个部分，经过扩频，在信道中传输的是一个宽带的低谱密度的信号。图2.1 典型的扩频通信系统模型2.1.2 扩频通信系统的分类 扩频通信系统按扩频方式的不同，分为一下四种类型：直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum.DS-SS）跳频扩频(Frequency Hopping Spread Spectrum.FH-SS)跳时扩频(Time Hopping Spread Spectrum.TH-S

10、S)混合方式（以上三种基本方式的不同组合）直接序列扩频系统就是用比信息速率高很多倍的伪随机噪声码(PN)与信号相乘来达到扩展信号的带宽。跳频是使原信号随机的用不同载波传输发送，跳时是使用伪随机码序列来开通或关断发射机，即信号的发射时刻和持续时间是随机的。下面我们就来详细介绍一下这几种扩频方式：直接序列DS-CDMA中调制的信息承载信号（数据信号）被一个数字化的、离散时间、离散数字化的信号直接调制。数据信号可以是一个模拟信号，也可以是一个数字信号。当数据信号是数字信号时，数据调制经常被省略，数据信号直接与编码信号相乘相乘后的信号调制到载波信号上。正是由于这种直接相乘的方法，直接序列CDMA才因此

11、得名。图2.2是DS-SS发射机框图。二进制数据信号调制到一个射频载波上。调制后的载波再由编码信号调制，编码信号包含了许多的称为“码片”比特，其值可以是+1或-1。为了获得预定的信号扩展，编码信号的码片速率必须远远高于信息信号的码片速率。为了实现扩展调制，可以使用多种调制技术，但一般使用相移键控技术（PSK）如二进制相移键控（BPSK）。如果忽略数据调制，并使用进行编码调制，我们可以得到如图2.3所示。 图2.2 DS-SS发射机框图图2.3 DS-SS发射机的调整框图从发射机产生的DS-SS信号如图2.4所示。编码信号速率称为码片速率，当指编码信号时，一个码片表示一个信号。在图中，每个信息符

12、号使用10个码片传输，因此处理增益等于10。信号传输后，接收机使用本地生成的编码序列，对SS信号进行去扩展。为了实现去扩展操作，接收机不仅必须了解用于扩展信号的编码序列，而且必须使接收信号和本地生成编码保持同步。此同步必须在接收开始时完成，并一直保持到整个信号接收完毕。编码同步/追踪块完成了此操作。在去扩展之后，得到了数据调制信号，在经过解调后，即可恢复原始数据。如图2.5所示。图2.4 SS信号的产生图2.5 DS-SS信号接收机直接扩频序列具有很强的干扰能力，所以最初在军事通信中得到了应用，现在也开始民用和商用。从CDMA技术来讲，其最主要的优点是多路接入能力、抗多径衰落能力、抗窄带干扰能

13、力和很重要的保密性能（LPI）。跳频在跳频CDMA中，调制信号的载波频率不是一个恒值，而是周期性地变化。在时间周期中，载波频率不变，但在每个时间周期后，载波频率跳到另一个（也可能是相同的）频率上。跳频模式有扩频码决定。载波可用的频率集合称为跳集合。FH-SS和DS-SS在频率占用上有很大不同，当一个DS-SS系统传输时占用整个频段，而FH-SS系统传输时仅占用整个频段的一小部分，并且频段的位置随时间而改变。FH-CDMA系统的框图如图2.6所示，数据信号是基带调制的。使用一个由编码信号控制的快速频率合成器，将其载波频率转换成传输率。接收机方执行相反的过程。使用本地的编码序列，在接收到的编码信转

14、换成基带信号。在调制后，数据被恢复。同步/追踪电路确保本地生成载波跳动，和接收到的载波跳动模式同步，以便正确的进行去扩展。 图2.6 一个FH-CDMA发射机和接收机的框图跳时在跳时CDMA中，数据信号在时隙上使用快速突发脉冲栓书，使用的时隙由分配给用户的编码决定。时间轴分为帧，每个帧分成M个时隙，在每个帧中，用户在M个时隙的一个时隙上传输自己的信号，使用M个时隙的哪一个时隙依赖于分配给用户的编码信号。因为一个用户在一个时隙上传输所有的信息数据，而不是在所有的M个时隙上，因此需要的频率贷款增加M倍。TD-CDMA系统框图如图2.7所示。 图2.7 TH-CDMA发射机和接收机的框图2.1.3

15、扩频通信系统的应用扩频通信技术的主要特点概括如下：抗干扰能力强，特别是抗窄带干扰能力。具有多址能力，易于实现码分多址技术具有抗频率选择性衰落、抗多径干扰能力保密性好，不易被侦破频谱利用率高，容量大自20世纪40年代后，特别是80年代以来，扩频技术被广泛用于各种军事系统中，由于其性能独特，在移动通信、卫星通信、无线本地环路中也获得了广泛的应用。最近的二十几年扩频技术得到越来越广泛的使用。比如美国的全球定位系统(GPS)虽然设备简单，但定位精度高，可以在全球使用。通信数据转发卫星系统(TDESS)、码分多址(CDMA)卫星通信系统，特别是NASA和军用卫星通信系统几乎都使用了扩频技术。FH系统，如

16、多种跳频电台，（SINCGARS(30-80Mhz)。跳时-跳频混合型如JTIDS系统(Joint Tactical Information Distribution System)。我们正式把扩频技术作为国家主要项目进行研究是在70年代初。以后在卫星通信，数据传输，定位，授时系统中都有使用。今后，在卫星通信，移动通信系统，定位系统等领域将会得到进一步广泛使用。2.2 CDMA的基本原理2.2.1 CDMA定义码分多址6(CDMA)方式是一种先进的有广阔发展前景的多址接入方式。目前已成为世界许多国家研究开发的热点。在CDMA中，分配给每一个用户一个唯一的编码序列（扩展码），用于对它的承载信息信

17、号进行编码。接收机知道用户的编码序列，可以在接收后对接收的信号进行解码并恢复出原始数据，特定用户的编码信号和其他用户的编码信号之间的互相关性很小。因为编码信号的带宽比承载信息信号的带宽大得多，因此编码处理扩展了信号的带宽，这就是扩频调制。传输信号的频带扩展使CDMA具有多路复合接入能力多个用户可以在同一时间传输一个扩频信号，接收机仍能区分不同的用户。这是因为每个用户有一个唯一的编码，并且编码之间有足够低的互相关性。依据它们之间的低互相关性就可以从接收的信号中提取出特定的用户信号，而其它的扩频信号仍然还保留在大的频段上进行扩展。图2.8 扩频多路复合接入的原理2.2.2 CDMA的几种关键技术在

18、这里我们仅就CDMA系统性能改善和提高简单介绍它的几种关键技术，这些技术包括功率控制、软切换和多用户检测，这些技术在第三代移动通信中得到了广泛应用。1.功率控制技术 在蜂窝无线通信系统中，传输信号的强度随传输距离变大而成指数衰落。不同的移动台到基站的距离可能相差100倍，假定移动台具有相同的发射功率，则基站收到来自距它较近的移动台的信号比来自小区边缘处移动台的信号要强，可能会相差80dB，在这种情况下，远处用户的信号会被近处用户的信号淹没而不能被基站正确解调，这种现象称为“远近效应”。为克服这种“远近效应”，有必要对发射端的发射功率水平进行控制。1）功率控制的目标克服无线信道的慢衰落对信号的影

19、响防止功率攀比上升，降低系统总的干扰水平在满足通信质量要求的条件下尽量减少发射功率2）功率控制的准则所有带宽CDMA建议均采用开环和快速闭环功率控制方法。根据功率控制准则，可以有几种不同的算法。最典型的准则为：基于路径损耗的功率控制基于质量的功率控制3）功率控制的的分类在CDMA系统中，功率控制可分为前向功率控制和反向功率控制。其中反向功率控制又包括反向开环和反向闭环功率控制，闭环功率控制又分为内环功率控制和外环功率控制。4）影响功率控制的主要因素 控制速度 功率控制速度即控制周期的倒数。功控速度越快，则能跟踪补偿更快的衰落。但是功控周期越短，在此期间测量到的信干比涨落越大，造成发射功率起伏增

20、大，影响控制稳定性。同时，缩短信号测量会降低信号质量均值间的相关性，因此要求降低控制延时，否则无法对信道作出正确估计。 控制时延实际系统中功率控制总存在延时，而无线移动系统的信道是一个时变的信道，时变的信道参数具有复杂的相关特性。因此功率控制实际上是一种预测控制。时延越长，信道参数相关性，预测的精确性就越差，预测的精确性就越低。因此功率控制算法必须考虑实际时延的影响，否则控制性能难以保证。 信道估计与预测由于功率控制是典型的预测控制，需要对信道参数作精确的预测和估计，因此高效的功率控制需要准确的信道估计和预测参数。 误帧率与信号信噪比关系 实际系统中，用户业务质量是通过误帧率来反映的，而误帧率

21、受信号信噪比、多径状况、移动台速度、编码调制技术等共同作用。在功率控制中，分别采用误帧率和信噪比作为外环和内环功率控制的判决指标，如何确定误帧率和信号信噪比在各种条件下的变化关系影响到功率算法的稳定性和确定性。5）CDMA系统中的功率控制最先应用功率控制技术的CDMA系统是基于IS-95协议的cdma One系统。在设计时认为反向容量是系统容量的瓶颈，因此重点考虑了反向功率控制，该系统采用双向功率控制，反向链路采用开环加闭环的功率控制方式。反向功率控制的目标是使所有信号，不管远近，以同样的平均功率到达基站，从而克服“远近效应”。另外，CDMA系统是干扰受限系统，为减小多址干扰（MUI），提高系

22、统容量，应在保证每个用户服务质量的前提下，以尽可能小的功率发射。反向功率控制速度达到每秒800次。前向链路采用基于测量报告的前向功率控制，由移动台在反向业务信道上上报误帧率等信息，基站据此进行判决控制。这种方法控制速度慢，每秒只有1或2次功率控制动作，而且反馈信息占用业务信道资源，对业务有影响。在IS-95系统中，反向功率控制结构没有变化，但前向采用擦除指示位（EIB）功率控制，即移动终端检测接收到的每个20ms向前帧的帧质量，利用一条反向专用信道中的EIB向基站反馈帧质量信息，EIB为“1”代表坏帧，为“0”代表好帧。基站根据指示，按照一定的算法准则该用户的向前信道的发射功率。2.软切换技术

23、1）切换的基本原理 当移动台从一个基站的覆盖范围移动到另一个基站的覆盖范围，通过切换移动台能保持通信的不中断（当移动台处于通话状态时，即使越区也不需要进行切换）。在一次呼叫的持续时间内，基站定期地对移动台的信号进行能够监制，当发现异常情况时，基站立即向移动交换中心（MSC）或者基站控制器(BSC)报告。收到警报后MSC或BSC将会搜索一个新的小区或新的信道。当搜索到合适的小区或信道时， MSC或BSC就会触发一个切换，否则移动台会继续利用原来的信道进行。如果切换完成，移动台原来使用的信道就会被释放掉。2）软切换所谓软切换是指移动台需要切换时，先与新的基站接通后再与原来的基站切断联系，而不是先切

24、断原来与原来基站的联系再与新的基站接通。即软切换采用先通后断的切换方式，切换过程中移动台可能同时占用两条或更多条的信道。软切换有MSC完成的，来自不同基站的信号被送至选择器，由选择器选择最好的一条路，进行话音编码。软切换允许移动台在通话过程中同时与多个基站保持通信，所以软切换提供了宏分集的作用，提了接收信号的质量。CDMA系统使用了软切换技术，这个是FDMA和TDMA系统所不具备的。软切换可以有效地提高切换的可靠性，大大的减少切换过程中掉话的概率。3.多用户检测技术传统CDMA系统存在用户间干扰和远近效应问题，并不是CDMA系统本身固有的缺点。只要改变传统CDMA的单用户检测方式，对各用户信号

25、做联合检测或者从接收信号中去除多址干扰（MAI），就能消除单用户检测的缺点，改善系统性能，提高系统的容量。多用户检测（MUD）就是利用干扰的结构化信息，极大的降低系统的MAI和码间干扰ISI，实现多用户信号共存情况下信息解调技术。1）多用户检测的基本原理在多用户检测中,背景噪声是随机的，完全不可预测的；而多址干扰与背景噪声相比，不同于普通的高斯白噪声，具有一定的可预测性。从信息论的角度而言，MAI是携带有不同用户扩频码之间的相关信息的信号，具有一定的估计精度。因此如果将这一部分信息作为噪声处理或丢弃掉，势必会影响整个系统的容量或在相同条件下降低系统误码的性能。鉴于多址干扰的这一重要特性，在检测

26、过程中可以把所有用户的信号都当作有用信号，考虑到其他用户的信息在一定程度上是可预知的，因而可综合利用包括干扰用户在内的信息及信号处理手段，充分利用CDMA用户特征波形的内在结构信息，对接收信号进行联合处理，最大可能地一直甚至消除多址干扰，从而达到更准确检测目标用户的信号、改善接收系统性能的目的。这就是多用户检测的基本原理。一个典型的多用户检测系统模型如图2.9所示。图2.9 典型多用户检测系统模型2）多用户检测技术的性能量度误码率（BER）误码率是多用户检测器最为重要的性能评价指标，在多用户检测中，我们最关心的性能指标是在高信噪比范围内的误码率（BER）。假设在加性高斯白噪声信道中某单独用户的

27、信息码元波形能量为，背景白噪声功率谱密度为，则单用户误码率为：在CDMA系统中，干扰用户的存在会使误码率增大，因此要达到与单用户情况相同的误码率，就需要比单用户情况下更大的信号能量。在多用户系统中期望用户的误码率为： 式中定义为用户的有效能量，即在同一高斯白噪声信道中用户为达到与无干扰用户时相同的误码率所需要的能量。2.2.3 多址技术的分类与比较蜂窝通信向用户提供的资源包括频率、时间、空间和编码方式等。蜂窝移动通信系统是以不同的通信资源（可以看作是抽象的信道）来区分通信对象的，一个信道只能容纳一个通信对象进行通话，许多同时通话的对象，互相以信道来区分，这就是多址的概念。多址方式是许多用户地址

28、共同使用同一媒体相互通信的一种方式。通常这些用户多位于不同的地方，并可能处于运动状态。例如多个卫星通信地球站使用同一卫星转发器相互通信或许多移动用户台(站)通过基站相互通信等均属于多址通信方式。由于使用共同的传输媒体，各用户间可能会产生相互干扰，称为多址干扰。为了消除或减少多址干扰不同用户的信号必须具有某种特征，以便接收机能够将不同用户信号区分开。这一过程称作信号分割。通常采用的信号分割方式就是多址技术，主要有三种：频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)。当以传输信号载波频率的不同划分来建立多址接入时，称为频分多址方式；当以传输信号存在时间的不同划分来建立多址接入时，

29、称为时分多址方式；当以传输信号码型的不同划分来建立多址接入时，称为码分多址方式。1.频分多址（FDMA）的特点以频道区分用户地址，一个频道可传输一路模拟或数字话路。技术成熟，易于模拟系统兼容，对信号功率控制要求不严格。 频率规划复杂，在系统设计中需要严格的频率规划，是频率受限和干扰受限系统。基站复杂庞大，重复设置收发信设备，基站有多少条信道就需要多少部收发信机，设备多且容易产生信道间的互调干扰。越区切换复杂。在频分多址中，当话音信道被分配好以后，基站和移动台都是连续输出的，所以在发生越区切换时，必须把信道从一个频率切换到另一个频率，传输会发生瞬间中断。对于数据传输，这样的切换方式会引起数据丢失

30、。不适宜大容量系统使用。和其他多址方式相比，频分多址方式的系统容量要小于时分多址和码分多址。2.时分多址（TDMA）的特点频率利用率有所提高，系统容量增大。基站复杂性减少。时分多址系统的基站只需要一部发射机，可以避免像FDMA系统那样应多部不同的发射机同时工作而血产生的互调干扰，同时通过不同的时隙来发射和接受，因此不需要双工器。频率规划简单。TDMA系统不存在频率分配问题，对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理和分配容易而经济，便于动态分配信道。越区切换简单（和FDMA相比较而言）。时分多址系统中移动台是不连续地突发式传输，即使传输数据也不会因越区切换而丢失。系统设备必须有精确的定时和同步，保

31、证各移动台发送的信号不会在基站发生重叠和混淆，并且能准确地在指定的时隙中接收到基站发给它的信号。同步技术是TDMA系统正常工作的重要保证，也是其比较复杂的技术难题。移动台较复杂。其功能增多，需要复杂的数字信号处理。需要自适应均衡。一方面每载频含有时隙多，则频率间隔宽，传输速率高；另一方面，由于数字传输带来了时间色散，时延扩展量增大，需要采用自适应均衡技术。目前广泛使用的第二代移动通信系统中，TDMA在频谱效率上约是模拟系统的3倍，容量有限，在话音质量上也很难达到有线电话水平。此外，TDMA系统无软切换功能，因而容易掉话，影响服务质量。TDMA并不是现代蜂窝移动通信的最佳无线接入，而CDMA技术

32、完全适合现代移动通信网所需求的大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等。3.码分多址（CDMA）的特点与频分多址和时分多址系统相比，码分多址系统具有很多优点，这些优点一方面是由于扩频系统，另一方面是因为CDMA采用了关键技术（如功率控制、软切换等）。其主要优点有：1）大容量由于CDMA系统内各路信号之间几乎正交，而且采用频分复用、话音激活、三方向或多方向天线、软切换等多项技术，从理论分析上，CDMA移动网比模拟网大20倍，实际要比模拟网大10倍左右。这比TDMA系统在容量上大了很多。2）软容量在FDMA和TDMA系统中，当系统的用户数量达到最大的信道数后，此时若有新的呼叫，该用户服务就会被

33、拒绝。在CDMA系统中，用户的数量增加相当于背景噪声的增加，会造成话音质量下降，但对用户数量并无限制。体现软切换的另一种形式是小区之间可根据话音服务质量和干扰情况自动均衡。3）采用多种分集技术分集技术是指系统同时接收并有效利用两个或更多个输入信号，这些信号的衰落互不相关。系统分别解调这些信号然后将她们按一定原则合并，这样可以接收到更多有用的信号，克服信号衰落。4）软切换软切换只能在相同频率的信道间进行，所以TDMA和FDMA系统都不具备这个功能。软切换可以有效地提高切换成功率，大大减少由于切换造成的掉话。据统计，模拟系统和时分多址系统的掉话90%是发生在切换中的。除了有效减少掉话外，软切换还提

34、供了分集的功能，从而大大增加了反向链路的容量。5）保密性好CDMA系统采用伪随机码作为地址码，加上独特的扰码方式，在防止串话、盗用等方面使得CDMA网通保密性更好。6）话音质量提高CDMA系统采用可变速率声码器，可动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而改变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。第三章 CDMA无线移动信道由发射机到接收机之间的无线链路称为无线信道，发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的视距传播到各种复杂的由各种各样障碍物，如建筑物、山脉、街道和其它的物体而引起的反射、折射、散射和绕射传播，这对

35、无线信号的传播产生了重要的影响。所以说，无线信道是影响无线通信系统性能的一个重要因素。3.1 无线信道的特点在无线传播过程当中，电磁波一般是经过反射、折射、散射和绕射传播路径到达接收机的。在接收机端观察到的信号是经过不同的传播路径到达的所有信号的叠加，每个电波不仅幅度衰减和相位偏移不同，而且到达时间也不同，因此在接收机处接收到的信号呈现出移动通信所特有的衰落特性。在移动通信中，散射体的运动和移动台的运动是一致的。如果移动台与附近的散射体始终保持静止，则所接收到的信号包络保持不变；如果二者存在相对运动，则接收到信号包络有起伏变化。信号强度随距离不断变化即信号产生了的衰落，分为慢衰落和快衰落。1.

36、慢衰落接收信号强度的中值出现缓慢变化，称为慢衰落。变化的原因主要有两个：一是地区位置的改变；二是气象条件的变化。后一原因引起的变化较小，通常可被忽略。电波在传播路径上遇到障碍物会产生电磁场的阴影区，手机通过不同的阴影区会引起中值变化，因此这种衰落也叫阴影衰落。慢衰落信号变化幅度取决于障碍物状况、工作频率、变化速率、障碍物和移动台移动速度。慢衰落信号强度近似服从正态分布。2.快衰落接收信号强度出现快速、大幅度的周期性变化，称为多径快衰落。快衰落的衰落幅度变化与地形有关，可达10dB-30dB,衰落速度与移动台移动速度有关。在没有直达路径的情况下（当多径数较多时，各路径信号幅度差异很小），快衰落服

37、从瑞利（Rayleigh)分布；在直达路径的情况下（在各径信号当中有一径信号强度明显高于其他各径），快衰落服从莱斯（Rice）分布。无线信道的多径性导致快衰落效应的产生。主要效应有:经过短距离或短时间传播后信号强度的急剧变化；在不同多径信号上，存在时变的多普勒频移引起的随机频率调制；多径传播时引起的扩展(回音)等。影响快衰落的因素有多径传播、移动台的运动速度、环境物体的移动速度信号和传输带宽等。下面我们就来详细介绍一下产生快衰落的原因。3.2产生快衰落的原因多径效应和多普勒频移 1. 多径效应由移动体周围的局部散射体引起的多径传播效应称为多径效应，表现为快衰落。信号由发射端到接收端的路径并非一

38、条，经历不同的传播损耗和衰落，各径信号均不相同。从空间角度来看，沿移动台移动方向，接收信号的幅度随着距离变动而衰落，幅度的变化反映了地形起伏所引起的衰落和空间扩散的损耗。从时域角度来看。各个路径的长度不同，因而信号到达的时间就不同，即如果从基站发送一个脉冲信号，则接收信号中不仅包含该脉冲，还包括它的各个时延信号。2. 多普勒频移在多径条件下，由移动体的运动速度和方向引起的信号频谱展宽称为多普勒效应。多普勒效应引起的附加频移称为频多普勒移。3.3 快衰落的分类快衰落可分为以下三类：时间选择性衰落、频率选择性衰落和空间选择性衰落。所谓选择性，是指在不同的空间、不同的频率、不同的时间，其衰落特性是不

39、同的。在实际移动通信环境中，这三种选择性衰落是都存在的。选择性衰落按产生的条件可划分为以下三类：第一类多径干扰：由快速移动用户附近物体的发射而形成的干扰信号，其特点是在频域上产生多普勒频移而引起的时间选择性衰落；第二类多径干扰：由远处山丘或高大建筑物反射而形成的干扰信号，其特点是在时域和空间角度上产生了扩散，从而引起相对应的频率选择性衰落和空间选择性衰落；第三类多径干扰有：由基站附近的建筑物和其它物体的反射而形成的干扰信号，起特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起空间选择性衰落。第四章 多载波DS-CDMA在移动信道中存在着三类（三维）扩散及其带来的但种选择性快衰落，人们想尽一切方法

40、予以克服，如专门为克服角度扩散而引起的空间选择性衰落的分集接受技术；专门为克服角度扩散而引起的时间选择性衰落的信道交织编码技术；以及专门为克服多径传播的的时延功率谱的扩散而引起的频率选择性衰落Rake接收技术。这一章，我们换一个思路，即采用多载波传输的方式来继续研究如何克服由于多径效应而引入的时延功率谱扩散而带来的频率选择性衰落，频率选择性衰落在高速的宽带移动通信系统，特别是第三代移动通信系统中显得尤为突出。4.1 多载波技术的基本原理多载波传输的概念出现于20世纪60年代。它将高速率的信息数据流经串/并变换，分割为若干路低速数据流，然后每路低速数据采用一个独立的载波调制并迭加在一起构成发送信

41、号。在接收端用同样数量的载波对信号进行相干接收，获得低速率信息数据后，再通过并/串交换得到原来的高速信号。这种思想早在1957年就已经使用，但那时采用模拟载波调制，1971年，Weinstein和Ebert提出使用IFFT/FFT可以完成正交频分复用(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，这大大促进了多载波技术的发展。由于信道中多径时延功率谱的扩散区间是由信道客观特性所决定的，然而决定系统传输性能的不是扩散区间的绝对值，而是扩散区间在被传送信息码元中所占的相对百分比。Rake接收是在不改变发送信息码元周期即不减低信息码元速率并承认有了

42、较严重的多径扩散的条件下，采用扩频码将传播的多径信号能量分离、校正，并加以收集利用，化害为利。从而设法消除多径干扰的影响。多载波技术与Rake接收技术的思路不同，他是将待发信息码元通过串/并交换，降低速率，增大信息码元周期，减少多径时延扩散，以削弱多径干扰对传输系统性能的影响。4.1.1多载波传输系统的原理 多载波调制7-10(MCM:Multicarrier Modulated)的基本原理是将要传输的数据流分解成若干个子数据流，每个子数据流具有低得多的数据传输比特速率，并且用这些数据流去并行调制若干个载波，然后合成输出。多载波传输系统原理框图如图10.1所示。 图2.9 多载波传输系统原理框

43、图多载波发送波形主要有三种频谱分布，如图4.2所示。第一种是传统的频分复用，它将整个频带划分为个互不重叠的子信道，如图4.2（a）所示，在接收端用匹配滤波器组对各子载波信道进行分离；第二种采用偏置QAM（SQAM）技术，在3dB 处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的，子带的正交性通过交错同相或正交子带的数据得到（即将数据偏移半个周期），如图4.2（b）所示；第三种即正交频分复用OFDM，各子载波有1/2重叠，但保持相互正交，在接收端通过相关解调技术分离出来，这使系统频谱效率提高近一倍，如图4.2（c）所示。 图4.2 MCM频谱图(a)传统的频分复用方式；（b）采用偏置QAM（SQAM）技术方式；

44、（c）正交频分复用OFDM方式4.1.2 多载波系统的主要优点多载波调制之所以越来越引起研究人员的兴趣，主要有两个原因：一是单载波系统接收机中，由于线性均衡所引起的噪声及干扰提高，当数据速率较高时，均衡器十分复杂；二是较长的信元周期对噪声和快衰落有更大的抵抗性。与单载波系统相比多载波的主要优点有：1.OFDM系统对脉冲干扰的抵抗力要比单载波系统大得多，这是因为OFDM信号的解调是在一个很多的符号周期内积分，从而使脉冲干扰的影响得以分散。提交CCITT的测试报告表明，能引起多载波系统发生错误脉冲噪声的门限电平比单载波系统约高11dB。2.抗多径传播与频率选择性衰落能力强，由于OFDM系统把信息分

45、散到许多个载波上，大大降低了各子载波的信号速率，从而能减弱多径传播的影响，若再通过采用保护隔离的方法，甚至可以完全消除符号码间干扰。3.采用动态比特分配技术使系统达到最大比特率。通过选取各子载波信道，每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。即要求各子信道功率分配应遵循信息论中的“注水原理”，亦即优质信道多传送，较差信道少传送，劣质信道不传送的原理。4.频谱效应比串行系统提高近一倍。4.1.3 多载波系统的主要缺点1. 多载波通信系统对符号定时和载波频率偏差比单载波系统敏感。2.多载波信号是多个单载波信号的迭加，因此其峰值功率与平均功率的比值大雨单载波系统，它对前端放大器的系统要

46、求较高。4.1.4 多载波系统的实际应用1.多载波系统已经成功地应用于接入网中的高速数字环路HDSL，非对称数字环路ADSL。2.数字音频广播DAB，欧洲标准就是采用OFDM技术。3.高清晰度电视HDTV的地面广播系统。4.高速移动通信领域，比如它是第三代移动通信准备采用的后备技术之一。4.2 多载波码分多址扩频码分多址已经成功地应用于第二代移动通信中，如IS-95，而且第三代移动通信的主要方案也都是基于码分多址CDMA，因此CDMA技术具有无可争辩的竞争力。但是的容量却受限于多址干扰与多径干扰，而多载波技术具有很强的抗多径干扰的能力。因此我们开始寻找将多载波应用于CDMA的技术途径。4.2.

47、1 采用正交多载波的扩频系统1.多载波与扩频码分CDMA结合的必要性扩频码分CDMA的容量是一个干扰（或信噪比）受限系统，其容量主要受限于移动信道的主要干扰：多径干扰和多址干扰。多载波是克服多径干扰最为有效的手段。在移动通信中需要支持多个用户，码分多址CDMA是支持多用户通信的有效手段，同时采用多载波又可达到较理想的频率分集的效果。同时由于移动用户随机分布在小区内，各自具有完全不同的信道条件，因此很难找到合适的信道分配方法来保证每一个用户业务性能，即使能找到，数目也很有限。因而，为了在移动通信中使用多载波技术，采用码分CDMA来支持多用户就几乎成为唯一的选择。2.多载波技术与扩展频谱技术的结合

48、在直接序列扩频系统（DS-SS）中，信息是在许多码片（时间切谱Chip）上用同一载波频率进行发送的，接收端对时间切谱进行分集合并。在多载波扩频系统（MC-SS）中，信息是同时调制在不同载波频率分量上，它相当于不同的频率切谱上，接收端对频率切谱进行分集合并。显然，直扩系统DS-SS与多载波扩频系统MC-SS之间有时间-频率对偶关系。在扩频系统中除了DS-SS以外，还有两类“时间-频率”对偶关系的跳时（TH）和跳频（FH）系统，它们与DS-SS及MC-SS共同构成一个完整的扩频体系结构。MC-SS，DS-SS,TH,FH之间关系如图4.3所示。图中：DS-SS与MC-SS为干扰平均型扩频方式； T

49、H与FH为干扰躲避型扩频方式； DS-SS与TH对应时域内单频点的两类扩频； MC-SS与FH为对应时域内单频点的两类扩频方式。图4.3 扩频系统的完整体系结构4.2.2 多载波与CDMA的结合方式与分类自1993年起，陆续出现讨论将多载波与想结合方法的研究，这些方法大致可以划分为两大类：频域扩频和时域扩频。频域扩频通常叫做Multicarrier CDMA，时域扩频有两种不同的构成方法：Multicarrier DS-CDMA和Multitone CDMA。1. Multicarrier CDMA1993年9月，在日本举行的PIMPC93会议上，分别由美国与德国一批学者提出一种最早的多载波C

50、DMA（MC-CDMA）方案。美国方案提出采用相关接收和可变增益活动，德国方案提出采用最大似然检测技术。这种MC-CDMA的发送框图如4.4所示。在此方案中，每个信息符号先经扩频，扩频后的每个码片调制到一个子载波上，若伪码PN的长度为N，则调制到N个子载波上，显然内它是在频域进行扩频。 图4.4 MC-CDMA发射框图和功率谱图图中调制方式采用BPSK，为扩频增益，为子载波数，表示第个用户的扩频码。这里，我们假设子载波数和扩频增益相等即。MC-CDMA将DS-CDMA频谱迭加，提高了一个CDMA载波上传输数据的速率。由于MC-CDMA上的每个子载波的频谱幅度随机变化，使得频谱密度均匀分布，抗干

51、扰性能很好。将相同数据符号在许多窄带正交载波上传送，每个载波上不进行扩频，解决了ICI问题。 2. Multicarrier DS-CDMA1993年10月在加拿大召开的PIMPC93会议上，由加拿大学者提出的MC-DS-CDMA方案，其发送方框图传输信号的功率谱图如图4.5所示。图4.5 MC-DS-CDMA发射框图和功率谱图图中调制方式采用BPSK,为扩频增益，为子载波数，表示第个用户的扩频码。出入信息比特数先经串/并变换，并行的每路竟相同的短扩频码扩频，再调制到不同的子载波上，相邻的子带有1/2的重叠，且保持正交的关系。由于扩频后带宽限制在一个子带内，因此一般选择较短的扩频码。多载波DS

52、-CDMA是在时域进行信号的叠加，频谱分布形态与MC-CDMA相同。由于多载波DS-CDMA进行了串/并转换，降低了码速率，所以不仅抑制了ICI,而且解决了ISI问题。3. Multitone CDMA1993年10月在荷兰举行的车载通信学术会议上由比利时学者提出MT-CDMA方案，发送方框图传输信号的功率谱图如图4.6所示。输入数据流先串/并变换，调制到不同子载波上，以形成OFDM信号，此时子载波之间有1/2重叠，且满足正交性，OFDM的符号周期为。再经过长的扩频码扩频，则扩频后每个子载波的带宽扩展为。而相邻子载波间隔仍保持以前的，因此子载波间有更多的重叠，这时子载波之间已不再保证正交。MT

53、-CDMA方案使用与子载波数目成正比的更长的扩频码，因此与通常的（单载波）DS-CDMA方案相比，该系统能容纳更多的用户。图4.6 MT-CDMA发射框图和功率谱图图中调制方式采用BPSK，为扩频增益，为载波数目，表示第个用户的扩频码。与MC-CDMA和多载波DS-CDMA相比，MT-CDMA的频谱分布不均匀，各个子载波在同一个物理信道中心部分的频谱叠加的成分最多，导致了部分的抗干扰能力下降。4.3 本人研究的多载波DS CDMA系统此次毕业设计课题为“多载波DS CDMA检测算法的研究”。主要分析系统在Rayleign衰落信道下的性能，并同单载波CDMA Rake系统进行比较。与单载波DS

54、CDMA相比，多载波CDMA具有较长的码长，更容易得到序列同步，并减小了多址接入干扰(MAI)，在抗MAI方面具有明显优于单载波DS CDMA的性能。当载波数目增加时，每个码符号的码片数目同样增加，而且可以使用更长的扩展序列。因此对于给定带宽的系统可以使用更多的具有优良互相关性能的码序列。在系统带宽一定和子载波数（以下用M表示）相同的情况下，M=1的多载波系统与采用相同分集数的单载波Rake系统性能一致，并在接近实际的指数多径强度信道模型下性能优于单载波Rake系统。在支持的用户数较少时，M=1的多载波系统的性能好于M1的多载波系统；但在用户数较多时， M1的多载波系统表现出更好的性能。此外，

55、由于能用频率分集完全取代路径分集，多载波系统接收机结构更易实现。我们可以得出以下结论：由于多载波将同一路信号经多个子载波传输，可以有效的抵抗衰落，特别是频率选择性衰落，提高了系统性能。第五章 多载波DS-CDMA系统仿真本章我们首先对多载波DS-CDMA系统的相关接收技术进行仿真。我们采用了通信系统中常用的仿真方法Monte Carlo仿真：通过在发射端发送一帧帧的数据，并在接收端将发送的数据予以恢复。通过比较恢复的数据帧与发送帧，统计出算法比特数，并在发送大量帧的情况下，统计出系统的比特误码率。以此误码率，作为衡量系统性能的一个参数，来对系统进行评估。5.1系统模型在熟悉了多载波DS-CDM

56、A及多用户检测的原理和应用的基础上，我们来看一下多载波相关接收机的系统模型图（如图5.1）。从图中可见：整个仿真系统由数据发生器、扩频序列产生器、各子载波衰落因子产生器、AWGN发生器、扩频与分集合并模块、差错计数器等仿真模块组成。图5.1 多载波DS-CDMA系统相关接收机5.2 仿真实验依照上述仿真框图，我们对多载波DS-CDMA系统进行性能仿真。仿真系数选择如下：用户数K=6，扩频因子随机产生（扩频因子N=15），数据帧长度为128，子载波数分别M=2，M=3。图5.2 在加性白高斯噪声（AWGN）下子载波为2的系统性能图5.3 在加性白高斯噪声（AWGN）下子载波为3的系统性能图5.4

57、 在Rayleigh衰落信道下子载波为2的系统性能图5.5 在Rayleigh衰落信道下子载波为3的系统性能在AWGN和Rayleigh衰落信道下仿真结果分别如图5.2、5.3和5.4、5.5所示。它们分别是在这样的情况下得到：加性高斯白噪声下子载波数为2；加性高斯白噪声下子载波数为3；瑞利衰落信道下子载波数为2；瑞利衰落信道下子载波数为3。比较图5.2和5.4：二者的是在选用相同载波数的情况下的仿真图，前者是在加性高斯白噪声信道中，后者是在瑞利衰落信道中。从上图可以明显地看出来加性高斯白噪声信道的性能优于瑞利衰落信道。加性高斯白噪声是所有通信系统中都存在的一类可加性噪声，主要由通信设备的有源

58、、无源器件所产生，它遵从正态(高斯)分布且功率谱是平坦(白)的；瑞利衰落是随参信道的多径传播特性对信号传输的影响，多径传播引起的瑞利型衰落和频率选择性衰落是严重影响信号传输的两个因素，因此性能比较差。图5.3和5.5之间的区别也是这样。比较5.2和5.3：二者是在相同的信道中，选择的载波数不同。从上图可以明显的看出载波数越大，系统的性能越好，降低了误码率。载波数的选择直接影响到CDMA系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等性能。从图中还可以看出，随着信噪比的增加误码率会减小，这是因为减小了噪声的干扰。但是减小的不是特别明显，可见噪声对系统的干扰不是很大。第六章 回顾与展望6.1 回顾移动通信

59、是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅猛的领域之一，也是将在21世纪对人类的生活和社会发展有着重大影响的科学技术领域之一。简要地回顾一下移动通信的发展史，可以看到移动通信飞跃发展的历程。1946年，AT T推出第一个移动电话系统，采用的是FM调制方式，120kHz带宽传输一路话音信号。60年代中期，Bell System推出了IMTS（Improved Mobile Telecommunication），采用FM调制，25-30 kHz带宽传输一路话音。60年代末、70年代初，开始出现了答案一个蜂窝电话系统，蜂窝的意思是将一个大区域划分为几个小区，相邻的蜂窝区使用不同的频率进行传输，以免产生相互

60、干扰。70年代末，由于半导体技术的发展和微处理器的出现，使蜂窝系统可以实现的复杂度大大提高。从而进一步推动了蜂窝移动通信技术的迅速发展。80年代初蜂窝移动通信系统已经开始了真正的运营实验，实现了真正意义上的蜂窝移动通信功能。90年代初，各国又相继提出了今天称为第二代数字移动通信系统的DAMPS，GSM，IS-95，CDMA系统。90年代中期以后，随着移动通信系统技术的成熟和运营实践的成功，以及计算机技术的飞速飞速和迅速普及，对移动通信系统的业务功能又有了更高的要求，世界上许多国家相继开始可第三代移动通信系统。6.2 展望进如21世纪，我国移动通信仍将在一个相当长的时期内保持高速发展的势头，其作