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CDMA2000反向业务信道的MATLAB仿线]

归档日期:07-06       文本归类:反向信道      文章编辑:爱尚语录

  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 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线 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;MATLAB

  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 [1] 。 根据 ITU 的预测,从 2001~2007 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 [ 2 ] 。 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。

  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)[ 3 ] 。 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 RC1~RC9 九种情况, 反向信道 (RL) 则可分为 RC1~ RC6 六种无线 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 RC3~RC5 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。

  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。 本次仿线 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。

  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。

  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 [ 4 ] 。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。

  cdma2000 可工作在多个频段下,其中北美频段的反向信道采用 824~ 849MHZ,前向信道采用 869~894MHz,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 b /N 0 ,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 [ 5 ] 。

  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。

  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 前向导频信道 发送分集导频信道 辅助导频信道 辅助发送分集导频信道 同步信道 寻呼信道 广播信道 快速寻呼信道 公共功率控制信道 公共指配信道 前向公共控制信道 前向专业控制信道 前向基本信道 前向补充码分信道(仅 RC1 和 RC2) 前向补充信道(仅 RC3~RC5) 最大数目 1 1 未指定 未指定 1 7 未指定 3 未指定 未指定 未指定 1/每个前向业务信道 1/每个前向业务信道 7/每个前向业务信道 2/每个前向业务信道

  表 2-2 反向 cdma2000 信道结构 信道的类型 反向导频信道 接入信道 增强接入信道 反向公共控制信道 最大数目 1 1 1 1

  反向专用控制信道 反向基本信道 反向补充码分信道(RC1 和 RC2) 反向补充信道(RC3 和 RC4)

  本 次 实 验仿 线x 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。

  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。

  信息比特 加帧质量 指示位 符号 删除 符号 重复 每帧加 8 个 编码器尾比特 卷积编码器或 Turbo 编码器

  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。

  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。

  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 2 42 -1 的伪随机序列,与长度为 215 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。 下图即为总体仿线 总体仿线 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 线x 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。

  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 [11] 。 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)= x16 ? x15 ? x14 ? x11 ? x 6 ? x 5 ? x 2 ? x ? 1 (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)= x12 ? x11 ? x10 ? x 9 ? x 8 ? x 4 ? x ? 1 (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)= x10 ? x 9 ? x 8 ? x 7 ? x 6 ? x 4 ? x 3 ? x ? 1 (3-3)

  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:

  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。本次仿线,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 [14 ] 。 编码速率为 1/4 的卷积码的生成函数为 g 0 ? 765(八进制) 、 g1 ? 671 (八进制) 、 g 2 ? 513 (八进制) 、 g 3 ? 473 (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 g 0 ? 753 (八进制) 、g1 ? 561 (八 进制) ,编码器结构如图 3-6。

  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。

  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:

  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:

  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 RC3~6 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 Ai 读 出数据(即在第 i 个时刻读取交织器中的第 Ai 个数据) ,其中 m Ai = 2 (i mod j ) ? BROm (?i / j ?) , I=0,1,2,??,N-1, (4-7) BROm ( y) 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 表示成三位二进制数为 110, 首尾翻转之后得到的二进制序列 011, 它对应于整数 3,因此, BRO3 (6) ? 3 。在上述计算过程中,m 和 J 是由交织 器长度决定的参数,它与交织器长度的对应关系如工程要求。 在本次仿真中,系统由信号重复(Repeat)模块、信号抽取(Puncture) 模块和矩阵交织器(Matrix Interleaver)构成。其内部结构如图 4-11:

  cdma2000 信号交织器根据输入的数据帧长度得到交织器长度, 然后得

  到对应的矩阵交织器的行和列的参数。 cdma2000 交织器模块的参数设置方式与前面介绍的 CRC 编码模块以 及卷积器模块相同,只需设置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 4 个参数。 cdma2000 交织器模块将根据这 4 个参数 的设置情况自动设置信号重复、信号抽取和信号交织参数,完成数据帧的 交织过程。数据帧经过交织后的波形为图 4-12:

  解交织的建模与交织正好相反,基站接收机按照抽取比例每隔一定的 符号添加一个 0,然后是对信号进行去重复。如图 4-13 解交织由去重复模 块(Derepeat) 、零插入模块(Insert Zero)和矩阵解交织器(Matrix Deinterleaver)构成。

  在前面创建的各个模块都有一些相同的参数,如无线配置方式、数据 帧长度等。当这些模块处于同一个仿真模型中时,它们的参数设置应该相 同。如果更改了其中某个模块的某个参数,其他模块相应参数的数值也得 相应得改变。为此,我们设置一个初始化模块,对整个仿真模型中相同参 数得数值提供一个统一得平台。 cdma2000 移动台初始化模块是一个空的子系统,里面没有任何的模 块,也没有输入输出端口。其功能是使得仿真模型在初始化的过程中自动 创建 4 个工作区变量 (mRC, mFrameDuration, mBitRate 和 mFrameLength) ,

  其中,数据帧处理模块是由 CRC 编码器模块、卷积编码器模块、信号 交织模块以及正交扩频模块组成。这些模块具有相同的参数,只需改变初 始化模块相应的参数数值即可实现工作区变量传递到这些模块中。 在仿真工程中为了更好的了解系统特性,在每个关键技术模块后都加 了示波器,来看信号的波形和译码结果,更加增进了对系统解码的过程。 如图 4-15 为数据经过 CRC 编码器、卷积编码器和信号交织器,经过加性 高斯白噪声信道, 然后到接收端解交织、 卷积译码器和 CRC 译码器模型框 图

  根据 cdma2000 1x 的反向信道的实际电路模型,数据帧需要经过 CRC 编码、卷积编码、信号重复、信号抽取、块交织然后数据帧调制,经过信 道后解调、解交织、去重复、卷积译码、CRC 译码的过程,实现整个的 cdma2000 业务信道的功能。本章分别对 CRC 编码与译码、卷积编码与译 码、 交织与解交织和初始化模块分节做了详细的介绍并附相应的输出波形, 以及译码后根据不同信噪比绘制误码率曲线,更好的了解系统特性,增进 了对系统解码的过程。

  cdma2000 反向信道数据帧进行调制之前进入正交扩频模块。 正交扩频 模块根据信道的类型选择一个相应的 Walsh 码对这个输入数据进行扩频, 这个 Walsh 码的码片速率等于 1.2288Mchip/s。 由于不同的信道使用不同的 Walsh 序列,因此移动台产生的不同信道的数据可以通过同一个物理信道 进行传输。 长度为 N 的 Walsh 码实际上是一个 N 阶 Hadamard 矩阵的一个行向量。 如果用 Wi 表示第 i 个长度为 N 的 Walsh 码,其中 i 是介于 0 和 N-1 之间的 整数,且 Walsh 码的元素是+1 或-1,Wi ?k ? 表示 Walsh 码序列 Wi 的第 k 个元 素, 则对于任意的 i, Wi ?0? =0。 对于任意两个长度为 N 的 Walsh 码 Wi 和 W j , 有:

  另外需要注意的一点是,Walsh 码生成器通过码序列中过零点的数目 来表示相同长度的各个码序列,这跟 Hadamard 码生成器的码序号是不同 的。对于长度为 N 的 Walsh 码 Wi ,它恰好有 i 个过零点 [ 6 ] 。 由于 Walsh 码序列的码片速率(1.2288Mchip/s)明显高于各个信道交 织后的数据传输速率,因此 cdma2000 正交扩频模块首先通过一个信号重 复模块(Repeat)把输入信号的数据传输速率提高到 1.2288Mchip/s,然后 通过极性转换器(Unipolar to Bipolar Converter)模块把二进制数据转换成 双极性信号,再与 Hadamard 序列生成器(Hadamard Code Generator)产生 的 Walsh 序列相乘,从而实现正交扩频。其框图如图 4-1:

  另外,不同类型的信道具有不同的相对发射功率,因此, cdma2000 正交扩频模块的第二个输入端口用于输入信号发射功率的相对增益(绝对 值) 。 数据帧经过正交扩频模块后,其波形如图 4-2:

  cdma2000 移动台正交扩频模块的输出信号是一个抽样信号序列, 信号 的传输速率等于码片速率(1.2288Mchip/s) 。不同信道的数据帧在通过各 自的正交扩频模块之后叠加在一起,可以在同一个物理信道上进行传输, 而接收端则可以通过这些信道使用的 Walsh 码把它们区分开来。

  在调制模块中应用到了 PN 序列,对移动台产生的两个正交扩频信号 进行扰码以识别不同的用户。 PN 序列产生器(PN Sequence Generator)用于产生一个伪随机序列。 PN 序列广泛应用于 CDMA 系统中, 用于对传输数据进行扰码和解扰操作, 以及用于直接序列扩频。PN 序列采用移位寄存器来产生 PN 码,PN 序列 生成器中共有 r 个寄存器,每个寄存器都以相同的抽样频率更新寄存器的

  15 级移位寄存器的 m 序列周期为 2 15 -1,插入一个全“0”状态后,形 成的序列周期则为 2 15 。

  长 PN 码的周期为 2 42 -1 个码片,速率也为 1.2288Mchip/s,它与掩码 共同形成用户的识别码。长码的初始相位的不同构成不同的码型。长 PN 码 的 序 列 特 征 多 项 式 为 P Q (x)=x 42 +x 35 +x 33 +x 31 +x 27 +x 26 +x 25 +x 22 +x 21 +x 19 +x 18 +x 17 +x 16 +x 15 + x 10 +x 7 +x 6 +x 5 +x 3 +x+1 (4-4) 在 cdma2000 移动台 PN 信号生成器模块中,长码生成器(Long Code Generator)模块产生一个长度为 2 42 ? 1 的长码序列,序列的码片速率等于 1.2288Mchip/s。同时,I 支路 PN 序列生成(I branch PN)模块和 Q 支路 PN 序列生成(Q branch PN)模块分别产生一个长度为 215 的短码序列,它 们与长码序列进行变换之后得到了两个输出 PN 序列,如图 4-4。 另外,长码产生器中的 42bit 掩码可以是公共掩码,也可以是私有掩 码,前者通过移动台的设备序列号(ESN,Equipment Serial Number)计算 得到,后者则通过加密过程得到,并且这个掩码的前面两位等于 01。在这 里我们采用私有掩码方式,其中私有掩码的后面 40bit 通过一个随机过程 来模拟产生 [ 7 ] 。 长码生成模块的输出信号是一个单极性信号序列,因此还需要通过一 个极性转换器(Unipolar to Bipolar Converter)模块才能够得到双极性信号 序列。 长码序列与 I 支路 PN 序列生成模块产生的短码序列相乘就得到了 cdma2000 移动台 PN 信号生成器模块 I 支路的输出信号, 而 Q 支路还需要 实施一些更加复杂的变换。它通过单位时延模块(Unit Delay)把长码生成

  模块的输出信号延时一个码片后与 Q 支路的 PN 序列生成模块的短码序列 相乘,然后通过一个 Q 支路信号变换(Conversion)模块,产生的输出信 号再与 cdma2000 移动台 PN 信号生成器 I 支路相乘, 从而得到 Q 支路的输 出信号。Q 支路信号变换模块通过一个名为 MS_SFUN_Qconvert 的 M 文 件 S-函数对 Q 支路信号进行变换,根据协议要求,输入信号首先以 1/2 的 比例抽取, 这个抽取信号再乘以一个长度为 2、 下标为 1 的 Walsh 序列 (即 正负交替的序列) ,其效果相当于在某个时刻直接把输入信号当作输出信 号,而在下一时刻则输出前一时刻输出信号的相反数,这个数据就是下一 个输出信号的数值 [ 8 ] 。

  在 cdma2000 移动台短 PN 序列生成模块中,PN 序列(PN Sequence) 生成器产生一个长度为 215 ? 1 的 PN 序列帧,然后通过零插入模块(Insert Zero)在其中插入一个 0,使得帧长度变成 215 ,同时每个序列的头部等于 一个 1 后面跟着 15 个 0。 最后, 短 PN 序列生成模块通过缓冲去除 (Unbuffer) 模块,把帧格式的 PN 序列转换成抽样序列。如图 4-5 为短 PN 序列生成模 块框图。

  空中接口的反向链路连接移动台到基站。在反向链路中,移动台终端 的成本、待机时长、通话时长等都是很重要的指标,这些都与移动终端的 调制特性有关。 cdma2000 通信系统反向链路,为提高系统的性能和适应多 种业务的需要而增加了导频信道、反向补充信道等不同类型的信道,从而 对移动台提出了更高的要求。在 cdma2000 反向链路中采用了混合相移键 控 ( HPSK ) 的 调 制 方 式 。 有 效 的 降 低 了 调 制 信 号 的 峰 均 值 比 (Peak-to-Average Radio,PAR) ,减少了信号过零率,降低了移动台系统 对功率放大器的要求。HPSK 使用固定的重复函数进行复扰码得到加扰信 号。该函数对于 I 支路采用 W 0 ={1,1},对 Q 支路采用 W 1 ={1,-1}。对于连 续的两个码片,信号的相位变化为+π /2 或-π /2。这样,就避免了连续码 片出现过零点的情况。 如图 4-7 所示为 cdma2000 中反向链路调制结构框图。反向补充信道、 反向专用控制信道、反向基本信道等分别进行正交扩频,再相加,分别得 到 I 和 Q 支路的信号。 长码序列分别与两个扰码序列 PN I 和 PN Q 相乘得到 的信号与 I 和 Q 支路的信号相乘进行加扰,其中,PN I 分别对 I 和 Q 支路 的信号进行加扰,这种加扰不会影响信号的跳变。PN Q 的信号与长码序列 相乘得到的信号经过 1/2 抽取与 Q 支路 Walsh 函数(W 1 ={1,-1})相乘,

  再去进行加扰。这样,HPSK 调制在偶数码片时间从 HPSK 的四个相位进 行选择,在奇数码片时间在前一个码片相位的基础上改变+π /2 或-π /2, 使得信号过零的概率降低到原来的 1/8。

  cdma2000 移动台调制模块采用的是 PN 信号生成器的 I 支路和 Q 支路 PN 序列对反向信道数据进行扰码,然后把信号调制到载波频率 f c 上形成 射频输出信号。其框图如图 4-8。 在 cdma2000 移动台调制模块中采用基带信号来表示调制后的射频信 号,以节约仿线 基站调制模块的内部结构如图所示其中 5 个端口分别表示反向补充信道 2(SCH2) 、反向导频信道(PCH) 、反向专 用控制信道(DCCH) 、反向基本信道(FCH)以及反向补充信道 1/公共控 制信道/增强接入信道(DCH1/CCCH/EACH)的输入信号。 在 cdma2000 移动台调制模块中, 前 3 个输入信号之和成为 I 支路调制 数据,后两个输入信号之和则成为 Q 支路调制数据,这两个支路的信号分

  别与 PN 信号产生器的 I 支路和 Q 支路 PN 序列执行乘法和加法运算,得 到两个支路的信号序列。这两个信号序列分别通过 FIR 滤波器( FIR Interpolation 1 和 FIR Interpolation 2)进行滤波,然后把它们组合成一个复 信号,乘以发射增益之后就形成了基带调制信号。

  cdma2000 协议对基带滤波器的频率响应进行了严格的限制, 根据这个 协议的规范,基带滤波器是一个低通滤波器,它的通频带范围是 0 ? f ? f p ,其中 f p =590kHz。在这个通频带范围内,滤波器的归一化频 率响应局限在 ? ? 1 , ? 1 =1.5dB。另外,滤波器的抑制频带范围是 f ? f s , f s = 740kHz 。基带滤波器在抑制频带内的频率衰减幅度应该达到 ? 2 = 40dB 以上 [ 9 ] 。 经过复扩频调制和基带滤波的信号波形为图 4-9:

  基站接收机接收到经由加性高斯白噪声信道传输的信号后,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。 假设 d I (t ) 和 dQ (t ) 是反向业务信道扰码之前两个支路的输出信号, 由此得到两个信号序列 s I (t ) 和 p I ` (t ) 和 pQ (t ) 是用于扰码的两个短码序列, sQ (t ) ,其中:

  这两个信号序列在基带滤波之后调制到载波频率上,形成射频输出信 (4-6)

  元抽样器和码元最后时刻过零判别器,来判断码元信号的极性,得到编码 符号序列。其中,由于连续积分器的积分时间从仿真开始到正的无穷大。 不能实现对一个码元时间的积分。所以我在积分模块中加入了一个时钟脉 冲信号并且使积分器上跳沿触发。从而实现在一个码元后,积分器被重新 置 0,使下一次积分继续,如图 4-11 为解调模块框图。 这样可以分离出 Q 路的业务信道的数据 DQT。因本此设计业务信道 的单一性, (即 d I 为 0)所以,恢复出来的就是经过编码和交织的信号序 列。如果 Q 支路中包含多个信道,还需要从中还原出每个信道的信号。要 利用 Walsh 函数的正交性可以从中分离开。 T n T n T n n ? 0 d I (t ) ? Wi (t )dt ? ? 0 d I (t ) ? Wi (t )dt ? ? 0 d 2 (t ) ? W j (t ) ? Wi (t )dt = T ? d1 (t ) (4-11)

  其中, “I tongbu”与“Q tongbu”输入端口是为了与发送端保持 PN 序 列同步的,这样解调与调制共用一个 PN 序列生成器。 调制与解调系统的模型框图如图 4-12 所示:

  信道是通信系统的基本环节之一。在通信系统中,发送端产生的数据 通过信源编码和信号调制转化成调制信号,然后进入信道。这些调制信号 通过信道到达接收端,在接收端通过与发送端相反的过程得到原始数据。 信道的传输质量影响着信号的接收和解调。这种影响表现在两方面,一是 产生噪声,二是减弱信号的强度和改变信号的形状。通信系统的设计目标 是使接收端能够毫无差别地再现发送端原始数据。因此,在设计通信系统

  的过程中,信道对传输信号的影响是一个不可或缺的环节。 在信号传输的过程中,它会不可避免地受到各种干扰,这些干扰统称 为“噪声” 。加性高斯白噪声是最常见的一种噪声,在无线信道中,信号还 会受到瑞利衰落和伦琴衰落的影响,这种影响表现为信号的一种快速衰落 的过程,它对无线信号的传输质量起着决定性的作用 [10 ] 。本次信道模型设 计是由加性高斯白噪声信道模块构成。其模块内部原理图如图 4-12。

  cdma2000 技术是当前第三代移动通信的核心技术, 对其物理模型的建 立和仿真有着十分重要的理论和工程意义。仿真是衡量系统性能的工具, 它通过仿真模型的仿真结果来推断原系统的性能,从而为新系统的建立或 原系统的改造提供可靠的参考。 通过仿真, 可以降低新系统失败的可能性, 消除系统中潜在的瓶颈,防止对系统中某些功能部位造成过量的负载,优 化系统的整体性能, 因此, 仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法。 本章介绍了 cdma2000 1x 反向信道调制与解调系统。其中反向信道数 据帧的调制过程比较复杂,包括信道的正交扩频, PN 序列的产生以及正 交调制。因为移动台可同时获得多种类型的反向信道,它们都在同一个物 理信道传输,占用相同的频率资源。cdma2000 1x 采用了正交 Walsh 序列 来实现信道的正交化,不同信道的数据采用不同的 Walsh 序列进行扩频。 PN 序列则用于扰码,来识别不同的用户。我将调制与解调模块结合起来, 通过绘制误码率曲线研究这部分的系统性能。

  仿真实验是针对仿真模型的测试。在仿真实验过程中,通常需要多次 改变仿真模型输入信号的数值,以观察 cdma2000 对不同输入信号的反应, 以及仿真系统在这个仿真过程中表现的性能。本次仿真,使用的是仿线s。 在仿真模型中,我们要设置各个模块的参数,以实现仿真的全过程。 我们要设置不同的系统参数,以观察 cdma2000 1x 系统在不同的无线配置 和传播速率下表现的不同的系统特性和传输方式。最后,选择比较有代表 性的帧格式,来进行仿真和分析。 在前述信道波形中,其无线 个码元,帧 持续时间为 20ms,最高数据传输速率为 9600bit/s。这些参数在初始化模块 中设置,并且由系统对所有的封装子系统进行自动赋值。 仿真参数设置完毕,可以进行系统的实际仿真。其仿真时间是相对时 间,根据系统的复杂程度还进行步长的调整,而不是线 仿线x 是以码分多址技术来实现系统方案,经过理论分析和不 断的现场实验, 证明 CDMA 是移动通信环境下获得大容量和高质量的一种 灵活有效的方法,并且解决了频带资源有限问题和移动台低功率等不可比 拟的优点。码分多址的技术基础为扩展频谱通信技术。其原理是通过伪随 机序列将数据帧的频谱扩展, 根据香农公式, 将使数据传输速率大大提高, 从而实现第三代移动通信对高速率数据传输和多媒体业务开展的要求。 为了更好、更加形象的说明频谱扩展的原理,我在仿真模型中加入了 FFT 基带频谱示波器对频谱扩展的过程有了形象和直观的了解。增进了对 cdma2000 1x 频谱扩展的理解和整个系统关键技术的把握。了解到 cdma2000 1x 是第三代移动通信中的核心技术之一。其每个用户占有带宽 为 GSM 系统的几十倍以上, 所以, cdma2000 1x 比 GPRS 有更快的 Internet 接入速度。 在数据帧为经过频谱扩展之前, 其带宽小于 2kHz。 其频谱由基带频谱 示波器看出。如图 5-1 所示:

  数据帧经过 Walsh 函数和 PN 码序列后直接扩频后,扩频后信号的带 宽增加 N=R pn / R i 倍,PN 序列码彼此之间相互正交,可以区分多个用户。 扩频后信号频带很宽,部分信号频率出现衰落,不会对信号整体造成很大 影响。由于 R pn =1.2288Mchip/s, R i =9600bit/s,N=128。这时由于功率总 能量一定,信号类似于高斯白噪声信号。湮没在背景噪声中,具有良好的 保密性。扩频后信号的频谱如图 5-2 所示。

  由于数据帧频谱扩频后带宽很宽,而 cdma2000 1x 信道的信道带宽为 1.23MHz,为了不影响其他信道的工作性能,要对数据帧信号进行基带滤 波。经过滤波后基带信号的带宽为 590kHz。阻带衰减在 40db 以上。示波 器性能由基带频谱示波器可以看出,如图 5-3 所示。

  误码率是衡量一个通信系统优劣的重要指标之一。如何有效的降低系 统的误码率,保证数据正确无误的到达接收端用户,是移动通信中的关键 问题。 因为移动通信中的无线传播信道的不确定性和电波的多径传播特性, 移动通信的误码率要远远高于有线通信。如何采用各种编码技术和接收技 术来降低误码率,成为 cdma2000 1x 系统研究的前沿问题。提出了多种理 论和实际工程解决方案来实现提高数据高速传输和误码率之间的平衡问 题。本次仿真实验采用了 CRC、卷积、块交织、HPSK 等技术来降低误码 率。其 CRC 编码、卷积码来实现对数据帧的纠捡错功能,交织技术降低数 字信号出现突发错误的可能, 其独特的 PN 码可以抗同频干扰和宽频干扰。 在本次仿真试验中,由于时间有限,cdma2000 1x 反向信道调制与解 调模型的误码率偏高,此问题急待解决。如果时间允许,可以对仿真模型 加以进一步的改进,从而实现误码率符合工程实际的要求,比特误码率小 于 0.5%。 我的实验设计模型中采用的是相干解调的理论算法, 对多径衰落 来说,不能实现很好的接收和判决。在 cdma2000 1x 的工程实际中,采用 Rake 接收机来实现对多径衰落信号的接收。Rake 接收机在发送和接收装 置之间的多径上尽可能多地收集在传播过程中变得分散的信号能量,从而 减少多径衰落的影响。 信号解调后经过低通滤波器,滤除不必要的噪声和干 扰,然后送入 Rake 接收机。Rake 接收机由若干个多径和一个合成器组成, 由于接收到的信号是一些由初始信号经过不同的延迟衰减产生的复信号, 而每个 Rake 多径仅针对其中一路信号进行解调,故通过合成多个 Rake 多 径的输出,将得到具有比单路接收(非 Rake 接收)时高得多的信噪比的输出

  信号 [15] 。 仿真中编码与译码部分的仿真结果符合要求,误码率低于 0.5%。 在仿真试验中,还可将多路复用功能与扩频相结合,以更完善的对系 统进行仿真。由于时间有限,在本次仿真实验中未能对其加以改进。 cdma2000 1x 采用同步信号来实现时间的同步,这对误码率的降低有着重 要的理论和工程意义。cdma2000 1x 能实现高速语音传输和较低的误码率, 有着非常重要的商业价值。

  本章针对 cdma2000 1x 反向业务信道的仿真结果做了分析与总结。在 本次仿真实验中,根据 cdma2000 1x 系统特点,为了更加形象的说明频谱 扩展的原理, 在仿真模型中加入了 FFT 基带频谱示波器对频谱扩展的过程 有了形象和直观的了解;为了降低系统的误码率,保证数据正确无误的到 达接收端,采用了 CRC、卷积、块交织、HPSK 等技术来提高系统的信噪 比。并就本次实验误码率偏高提出解决办法,在接收端采用 Rake 接收机 将会实现更好的接收和判决。

  通过对 cdma2000 的反向传输电路进行分析、建模和仿真,我对第三 代移动通信技术尤其是 cdma2000 1x 系统有了深层次的学习和了解。并对 系统性能进行了初步的研究和分析。在移动通信迅猛发展的今天, 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。cdma2000 由 IS-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,步行情况下能够达到 384kbit/s,车载环境下则能 够达到 144kbit/s。同时,cdma2000 将在核心网络中采用分组交换技术,能 够支持 IP 业务。通过本次毕业设计我对 cdma2000 基本原理和关键技术有 了深入研究和分析,并且成功对 cdma20001x 反向基本信道进行了建立模 型和系统仿真,对理论学习和知识的实际应用有了积极的实践意义。 本次毕业设计我学习并掌握了 cdma2000 的关键技术,并对物理层的 传输技术进行了研究和分析;理解了 cdma2000 的码分多址技术的基础原 理和实际的应用,对扩频技术进行了初步的学习;掌握了 cdma2000 反向 业务信道的电路结构和工作流程,对数据帧的纠检错编码和解码技术进行 了深入学习;并且对无线传播信道有了首次接触和学习。 我在本次设计中,成功对 cdma2000 移动台发射机进行了建模和仿真, 获得了正确得系统参数和数据帧传输过程;对 CRC 编译码、卷积编译码、 交织器、正交扩频、频谱扩展等模块进行建模和子系统封装调试。在本次 毕业设计中,由于时间有限,仿真还存在着误码率偏高的不足,希望在今 后的学习和工作中, 有机会将其改进, 建立更高贴近实际系统的仿真模型。 本次仿真试验的顺利进行,使我学习和熟悉了 cdma2000 移动系统原 理和反向物理信道的结构,并掌握了 MATLAB 仿线x 移动通信系统. 北京: 机械工业出版社, 2003, 1~ 14 2 刘高峰.振翅欲飞的中国 3G.移动通信.2005, (9) :47~49 3 王海燕.3G 增强型技术最新进展.当代通信.2006(1) :98~99 4 郭梯云,邬国扬,李建东.移动通信(修订版) .西安:西安电子科技大 5 学出版社,2005,276~278 [美]Vijay K.Garg.第三代移动通信系统原理与工程设计 IS-95 CDMA 和 cdma2000. 于鹏, 白春霞, 刘睿 等译. 北京: 电子工业出版社, 2001, 282~309. 赵继德,马传龙,李应良.CDMA2000 系统反向信道的性能研究.电讯技 术.2005(4) :44~47 冯俊.PN 信号生成器的设计和仿线 邓华.MATLAB 通信仿真及应用实例详解.北京:人民邮电出版社,2003,

  扩频调制技术已经历了过去 40 多年来的演化。 扩频技术曾经广泛用于 抗干扰和多径场合以及测距和跟踪。扩频技术还被用于 CDMA,以支持在 大量群体用户之间同时进行数字通信的服务。 CDMA 概念可简单地解释成 基于扩频通信的调制和多址接入方案。 本文概要介绍了美国圣迭戈高通公司倡导的 CDMA 数字蜂窝系统。 在 很多参与其中的通信公司和设备制造商(AT&T,Motorola,North Telecom 和其他 ) 的协作下,基于多址接入方案的数字蜂窝应用也取得了进展, CDMA 系统作为候选标准(Is-95)完全符合蜂窝通信工业协会(CTIA)要求。 典型的数字蜂窝系统有 GSM(欧洲 1990 年提出的方案)、NATDMA(北 美 1990 年提出的 IS-54 方案)、PDC(日本 1990 年提出的标准方案)以及 CDMA(美国 1993 年提出的 IS-95 方案)。 1982 年 6 月,西欧提山了基于时分多址(TDMA)的 GSM 系统。GSM 能够扩展多样的电信网络 (例如 ISDN),并提供了对整个欧洲大陆的兼容 性。1992 年,第一个商用 GSM 系统在德国设计成功。GSM 基于频分多址 和时分多址的组合。 NA-TDMA 系统和 GSM 相似,惟一差别在于该系统中仅仅存在一个 公共无线接口。PDC(个人数字蜂窝)是日本提出的 TDMA 蜂窝系统,工作 在 800 MHz 和 1.5GHz。该系统在数字蜂窝网络之间提供了 9 个接口。 1.5GHzPDC 于 1994 年公开投入运营。 除了数字多址接入系统,还有 TDD 无绳电话系统,如 PHP,CT-2, DCT-900(或 CT-3)以及 DECT。TDD(时分双工)系统都是数字系统,但 只使用—个载波发送和接收信息。PHP(个人便携式电话)是支持 PCS(个人 通信服务)的 TDD 无线通信系统。PHP 可以用于住宅无绳电话、私有无线 PBX(专用分组交换机)、公众远程点和无线)是第二代无绳电话系统,在英国由 GPT 公司开发,是第一个用于无线移 动通信的 TDD 系统。CT-2 系统是一种最简单的 PCS 系统,具有不需要多 信道复用的控制结构。CT-2 系统不使用信道编码,取消了切换和寻呼,因 此只允许呼叫服务。呼叫半径通常小于 200 米,允许用户占用很大带宽。 DCT-900 或 CT-3(工作在 900MHz 的数字无绳电话)由瑞典爱立信公司在

  1988 年开发,作为 CT-2 的升级版,有时又被称为 CT-3。英国和瑞典允许 使用 CT-2 和 DCT-900 系统,直到 DECT 的出现:DECT(数字欧洲无绳通 信)像 CT-2 和 DCT-900 一样被采用成为无绳电话欧洲标准,但它具有改进 的资源用于处理数据和语音传输。 CDMA 发展始于 1989 年早期,在 NA-TDMA 标准(IS-54)创立之后。 1989 年 11 月进行了 CDMA 可行性测试。 EIA 的 CDMA IS-95 中间标准在 1992 午 12 月发布。CDMA 系统可以使用 双模用户单元提供与模拟系统的兼容性, 但这里只限讨论 CDMA 的数字模 式。

  对 CDMA 蜂窝系统,服务区被划分为六边形蜂窝小区。每个小区包含 一个基站,在话音编码和解码之前,基站与 MTSO(移动电话交换局)连接。 每个小区中,在基站和小区内每个移动台之间存在两条由前向和反向 CDMA 信道组成的链路。前向 CDMA 信道是指从基站到小区内移动台的 前向链路。反问 CDMA 信道是指从移动台到基站的反向链路。 CDMA 重复使用小区无线电频率资源并高效地控制系统容量,因为 CDMA 系统天生具有出色的抗十扰能力。 前向 CDMA 信道包括一个或多个码道,这些码道在某一 CDMA 指定 频率传输,并使用特定的导频 PN 偏移。每个基站使用一个导频 PN 序列 的时间偏移(称为伪随机扩频序列)来标识每个前向 CDMA 信道。 CDMA 蜂 窝系统中,时间偏移可以重复使用。 前向 CDMA 信道上每个码道由适当的 Walsh 函数正交扩展, 以使得所 有码道之间正交, 再由导频 PN 序列正交对(即相互正交的相位)扩频, 以便 使用 QPSK(正交相移键控)调制波形传输。 反向 CDMA 信道由接入信道和反向业务信道组成。 接入信道用于短 信令消息交换,能提供呼叫来源、寻呼响应、指令和注册。反向业务信道 用于从单个移动台向单个或多个基站传输用户信令和业务。需要在反向 CDMA 信道传输的所有数据都经过卷积编码,以便纠错、块交织,从而防 止突发错误, 并引入接入冗余来提高系统性能, 经过 64 阶 Walsh 函数调制 来提供正交信道化,以及由长码进行直接序列扩频来获得发送之前有限的 加密。

  向业务信道。典型的前向 CDMA 信道包含了 64 路码道可供使用;在这 64 条码道中,前向 CDMA 链路包括 1 路导频信道、1 路同步信道、7 路寻呼 信道和 55 路前向业务信道。 导频信道用于传送导频信息, 由 CDMA 基站连续不断地发送一种不调 制的直接序列扩频信号。 移动台监视导频信道以捕获前向 CDMA 信道定时 并提供相关解调的相位参考。导频码道总是分配编号为 0( W0 )的码道。 编号为 32( W32 )的码道分配给同步信道,用于向移动台传送同步消息。 更重要的是,同步信道信号是经过编码、交织、扩频和调制的扩频信号, 被移动台用来获取初始时间同步。 寻呼信道信号也是经过编码、交织、扩频和调制的扩频信号。寻呼信 道供基站在呼叫建立阶段传输控制信息, 编号从 1 到 7 的连续码道( W1 ~ W7 ) 分配给寻呼信道。 前向业务信道用来在通话过程中基站向特定移动台发送用户语音编码 数据或其他业务数据和信令业务。在同一前向 CDMA 信道工作时,63 减 去同步信道数和寻呼信道数就得到最大前向业务信道数。 1)导频信道以 19.2kb/s 的速率发送全“0” 。 2)同步信道以固定速率 1200b/s 分帧传输。 3)寻呼信道支持 9600b/s,4800b/s 或 2400b/s 三种不同速率。 4)前向业务信道支持 9600b/s, 4800b/s, 2400b/s 或 1200b/s 四种变速率。 同步信道、寻呼信道和前向业务信道在发送之前都进行卷积编码以便 纠错,而导频信道不需要卷积编码。编码符号通常定义为纠错编码器的输 出。编码器输入信息比特,输出编码符号。每当信息速率低于 9600 b/s 时, 除了导频码道, 其它所有码道的编码符号在进行块交织之前都重复若干次。 对寻呼信道和前向业务信道而言,重复次数取决于每路信道的数据速 率。速率为 4.8kb/s 的编码符号要重复 1 次(每个符号连续出现 2 次) 。速 率为 2.4kb/s 的编码符号要重复 3 次(每个符号连续出现 4 次)。 速率为 1.2ks/s 的编码符号要重复 7 次(每个符号连续出现 8 次) 。这样,对于所有速率的 数据(9600b/s,4800b/s,2400b/s 或 1200b/s) ,符号重复将使得调制符号 速率统一为 19.2kb/s。对同步信道,编码信号重复一次(每个符号连续出 现 2 次) ,这样调制符号速率为 4800b/s。 同步信道、寻呼信道和前向业务信道重复后的所有符号进行块交织。 使用块交织的目的是防止数据在发送到多径衰落环境中后发生突发性错

  误。交织之后,前向 CDMA 信道的每路码道用一个 64 阶 Walsh 函数进行 正交扩频,再由导频 PN 序列正交对以 1.2288Mc/s 的速率扩频。正交扩频 的二进制数据(0 和 1)输人基带滤波器。基带滤波之后,前向 CDMA 信道 将相应的 BPSK(二进相移键控)的调制数据和载波结合,产生 QPSK(正交 相移键控)信号再发送。 数据扰码应用在寻呼信道和前向业务信道。 数据扰码在块交织器输出 端以 19.2kb/s 传输。数据扰码通过对交织器输出数据与用户号码对应的长 伪码进行模 2 加来完成。 长码是周期为 2 42 ? 1 的 PN 序列, 用于前向 CDMA 信道(即寻呼和前向业务信道)的扰码和反向 CDMA 信道(即接人和反向业 务信道)的扩频。 长码发生器的掩码是长为 42 比特的二进制数, 用以产生长码的惟一标 识。长码的每个 PN 码片由长码发生器内的 42 比特 LFSR(左移寄存器)和 一个 42 比特掩码的内积做模 2 运算而产生、长码工作在 1.2288 MHz 的 时钟速率,这和长码发生器的输出 PN 码片序列速率相等。请注意一个 PN 码片定义为 PN 序列的一个比特。如果长码以 64 比特(或码片)划分,那么 第一个 64 比特将以 19.2kb/s 速率用于数据扰码。分频器功能为,以每输 人 64( ? 1.2288? 106 / 192? 102 )比特输出 1 比特的速率减小长码的大小。 卷积码( n, k , m )由 k 位输入、n 位输出线性时序电路和 m 阶存储寄存器 实现。 寻呼信道上基站不插人功率控制子信道。但是功率控制子信道信号在 前向业务信道以 800 b/s 的速度(即每 1.25 毫秒 1 比特)连续发送功率控制信 息。功率控制比特 0 表不移动台必须增加平均输出功率控制级别,功率控 制比特 1 表示移动台必须减少平均输出功率控制级别。这样,针对在前向 业务信道收到的每个有效功率控制比特,移动台将调整其输出功率级别: 反向 CDMA 信道内接入信道和反向业务信道组成。在反向 CDMA 信 道发送的数据被封装成 20 毫秒帧。所有在反向 CDMA 信道上发送的数据 都进行卷积编码(用于纠正随机错误)、块交织(用于防止突发错误)、含有 64 位长码片的 64 阶 Walsh 码调制,并存发送之前用周期为 2 42 ? 1 的长码 直接序列扩展。 移动台在接入信道上发送数据时不使用数据脉冲随机发生器。但是在 反向业务信道,使用数据突发随机发生器产生掩码比特 0 和 1,用于对码 重复产生的冗余数据进行随机掩码。反向业务悟道和接入信道由长码直接

  序列扩展。扩展操作包含对数据突发随机发生器的输出流和长码进行模 2 加。直接序列扩展之后,反向业务信道和接入信道进行正交相位扩展,如 图 1.3 所示。请注意,由正交相位导频 PN 序列扩展的 Q 信道数据相对于 同相导频 PN 序列扩展的 I 信道数据,存在半个码片(406.9 纳秒)的延时。 帧长定义为系统基本定时间隔。对于接入信道、寻呼信道和前向/反向 业务信道,帧长为 20 毫秒。对同步信道,帧长为 26.666 毫秒。 帧质量指示器用于 9600b/s 和 4800b/s 速率的业务信道的 CRC 校验。 CRC(循环冗余码)是一类线性错误检测码,能查找多项式余数而产生奇偶 校验比持。帧质量指示器(CRC)支持接收机的两种功能。第一种是确定帧 的发送速率,第二种是确定帧是否出错。 编码器尾比特表示加在数据帧末尾的固定比特序列,用于将卷积码编 码器复位成已知状态。 无论是反向 CDMA 信道还是前向 CDMA 信。

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