CDMA通信系统研究与仿真

第1章第三代移动通信系统概述1.1 论文选题背景随着通信技术的迅猛发展，第三代移动通信系统(3G)的研发己经成为了当今世界通信领域最炽热的课题之一。

第三代移动通信所采用的是数字语音和数据(Digital Voice and Data)技术，与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。

它能够实现全球普及和全球无缝漫游的高质量语音传输系统，全球统一标准，真正实现“任何人在任何地点、任何时间与任何人”都能顺利的通信。

1.2 3G系统功能概述第三代移动通信系统即IMT-200O，按其设计思想，是有能力解决第一、第二代移动通信系统的主要弊端的先进的移动通信系统，它的一个突出的特点就是使个人终端用户能在全球范围内任何时间、任何地点、与任何人、用任意的方式高质量的实现任何信息的移动通信传输。

可见，第三代移动通信十分重视个人在通信系统中的自主因素，突出了个人在通信系统中的主导地位，所以又称未来个人通信系统。

在3G系统所要实现的目标中，核心的问题是要高效地提供不同环境下的多媒体业务并实现包含水、陆、空的全球覆盖。

因此，它要求实现多种网络的综合:有线网与无线网的综合；移动网与无线网的综合；陆地网与卫星网的综合等，并且它要能适应多种业务环境，且与第二代移动通信系统兼容，以便于平滑过渡。

对于通信终端而言，它是对多种通信网的综合，因而需要实现多频多模式终端。

为了满足未来的业务需求，相对于现有的移动通信系统，3G系统应具有以下的功能:1.提供更大的通信容量和覆盖范围第三代移动通信系统提出的宽带CDMA可以使用更宽的信道或在小区中使用更多的载频，从而可以提供更大的小区容量。

由于带宽更大，还可改善频率分集效果，从而降低衰减，为用户提供更好的统计平均效果。

频带更宽还可以改善功率控制精度，进一步降低衰减的影响。

此外，第三代移动通信系统使用多项新技术(如智能天线、联合检测等)可以提高解调增益，增大系统覆盖范围，在保证用户质量的前提下，提供更大的信息容量。

2.具有可变高速数据率第三代通信系统无线接口具有不同的数据比特率。

在快速移动的环境下，最高数据率达144kbi/s;在室内环境下，最高数据率达2Mbi/s，在室外或室内步行的环境下，最高数据率达到384kbi/s。

这种数据率不仅可以支持普通话音，还可以支持多媒体数据，可满足具有不同通信要求的各种用户。

3.同时提供高速电路交换和分组业务服务虽然在窄带CDMA与GSM移动通信业务中，也能提供电路交换和分组业务，但两者却很难同时提供，而3G系统协议层设计可以很方便的解决这一问题。

每个中断均可以使用多种业务因而使用户在连接到局域网时还可接受话音业务，同时进行话音通信和收发数据。

4.具有高频谱的利用率目前，各国的蜂窝移动通信都有很大的发展，但系统容量仍满足不了需求，解决移动通信系统容量问题就成了当务之急，而解决系统容量的最有效的途径就是提高频谱的利用率。

相对于2G系统，3G系统的频谱利用率有了很大的提高。

除了以上所述之外，3G系统还有很多的优点，如提供更加可靠的信道编码，灵活的配置传输信道和逻辑信道，支持多种语音编码方案等。

[1]1.3 多址通信方式随着社会需求和科学技术的发展，无线通信正在向无线多址通信发展。

所谓无线多址通信是指在一个通信网内各个通信台、站共享一个指定的射频频道，进行相互间的多边通信，也称该通信网为各用户间的多元连接。

实现多址连接的理论基础是信号分割技术。

也就是在发送端进行恰当的信号设计，使各站所发射的信号有所差异。

在接收端有信号识别能力，能从混合信号中分离选择出相应的信号。

在发送端，信号设计的任务是使信号按某种参量相互正交或准正交。

一个无线电信号可以用若干参数来表征，其中最基本的是信号的射频频率、信号出现的时间、信号出现的空间、信号的码型、信号的波形等。

按照这些参量的分割，可以实现的多址连接有频分多址(FDMA)、时分多址 (TDMA)、码分多址(CDMA)、空分多址 (SDMA)等。

目前，在移动通信系统中所采用的多址方式主要有三种:频分多址、时分多址和码分多址。

1）频分多址 (FDMA)频分多址是发送端对所有信号的频率参量进行正交分割，形成许多互不重叠的频带。

在接收端利用频率的正交性，通过频率选择(滤波)，从混合信号中选出相应的信号。

在移动通信系统中，频分多址是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的互不重叠的频道分配给不同的用户使用。

这些频道互不重叠，其宽度能传输一路话音信息，而在相邻频道之间无明显的干扰。

为了实现双工通信，收发使用不同的频率(称之为频分双工)。

收发频率之间要有一定的频率间隔，以防同一部电台的发射机对接收机的干扰。

这样，在频分多址中，每个用户在通信时要用一对频率(称之为一个信道)。

2）时分多址 (TDMA)时分多址是发送端对所发送信号的时间参量进行正交分割，形成许多互不重叠的时隙。

在接收端利用时间的正交性，通过时间选择从混合信号中选出相应的信号。

时分多址是把时间分割成周期性帧，每一帧再分割成若干个时隙(无论帧或时隙都是互相不重叠的)，然后根据一定的时隙分配原则，使移动台在每帧中按指定的时隙向基站发送信号，基站可以分别在各个时隙中接收到移动台的信号而不混淆。

同时，基站发向多个移动台的信号都按规定在预定的时隙中发射，各移动台在指定的时隙中接收，从合路的信号中提取发给它的信号。

3）码分多址(CDMA)码分多址是各发送端用各不相同的、相互正交的地址码调制其所发送的信号。

在接收端利用码型的正交性，通过地址识别(相关检测)从混合信号中选出相应的信号。

码分多址的特点是:(l)网内所有用户使用同一载波，占用相同的带宽;(2)各个用户可以同时发送或接收信号。

码分多址通信系统各用户发射的信号共同使用整个频带，发射时间又是任意的，所以各用户的发射信号在时间上、频率上都可相互重叠。

因此，采用传统的滤波器或选通门是不能分离信号的，对某用户发送的信号，只有与其相匹配的接收机通过相关检测才可能正确接收。

[2]第2章 CDMA原理与仿真2.1 CDMA技术基础原理在CDMA中，所有用户使用相同的频率和相同的时间在同一地区通信，不同用户信号依靠地址码不同区分。

对数据信号进行再一次调制属于扩展频谱调制（简称为扩频调制），在CDMA蜂窝移动通信系统中采用直接序列（DS）扩频调制。

DS扩频通信发信机和接收机。

多址通信的关键是接收端能在许多个多址信号中把接收信号正确分离出来。

对于码分多址信号，每一个信号都是一个扩谱信号，不同用户的信号有不同的地址码，即采用不同的扩谱码进行扩谱调制。

对地址码的要求是自相关性能和互相关性能好，且不同地址码的数量要足够多。

伪随机序列（或称PN码）具有类似于噪声序列的性质，是一种貌似随机但实际上是有规律的周期性二进制序列。

在采用码分多址方式的通信技术中，地址码都是从伪随机序列中选取的，但是不同的用途选用不同的伪随机序列。

在所有的伪随机序列中，m序列是最重要、最基本的伪随机序列，在定时严格的系统中，我们采用m序列作为地址码，利用它的不同相位来区分不同的用户，目前的CDMA系统就是采用这种方法。

在CDMA系统中，用到两个m序列，一个长度是215-1，一个长度是242-1，各自的用处不同。

在前向信道中，长度为242-1的m序列被用作对业务信道进行扰码（注意不是被用作扩频，在前向信道中使用正交的Walsh函数进行扩频）。

长度为215-1的m序列被用于对前向信道进行正交调制，不同的基站采用不同相位的m序列进行调制，其相位差至少为64个码片，这样最多可有512个不同的相位可用。

在反向CDMA信道中，长度为242-1的m序列被用作直接扩频，每个用户被分配一个m 序列的相位，这个相位是由用户的ESN计算出来的，这些相位是随机分别且不会重复的，这些用户的反向信道之间基本是正交的。

长度为215-1的PN码也被用于对反向业务信道进行正交调制，但因为在反向因为信道上不需要标识属于哪个基站，所以对于所有移动台而言都使用同一相位的m序列，其相位偏置是0。

[3]2.2 CDMA 系统的主要优点CDMA 系统采用码分多址的技术及扩频通信的原理，使得可以在系统中使用多种先进的信号处理技术，为系统带来许多优点。

以下介绍了CDMA 无线通信系统的几个显着特点。

一、大容量根据理论计算及现场试验表明，CDMA 系统的信道容量是模拟系统的10~20倍，是TDMA系统的4倍。

CDMA 系统的高容量很大一部分因素是因为它的频率复用系数远远超过其它制式的蜂窝系统，同时CDMA 使用了话音激活和扇区化，快速功率控制等。

按照香农定理，各种多址方式（FDMA 、TDMA 和CDMA ）都应有相同的容量。

但这种考虑有几种欠缺。

一是假设所有的用户在同一时间内连续不断地传送消息，这对话音通信来说是不符合实际的；二是没有考虑在地理上重新分配频率的问题；三是没有考虑信号传输中的多径衰落。

决定CDMA 数字蜂窝系统容量的主要参数是：处理增益、Eb/No 、话音负载周期、频率复用效率和基站天线扇区数。

若不考虑蜂窝系统的特点，只考虑一般扩频通信系统，接收信号的载干比定义为载波功率与干扰功率的比值，可以写成：)()(b o b o b b R W I E W I E R I C == （2.1）其中：Eb ：信息的比特能量；Rb ：信息的比特率；Io ：干扰的功率谱密度； W ：总频段宽度（这里也是CDMA 信号所占的频谱宽度，即扩频宽度）；Eb/Io ：类似与通常所说的归一化信噪比，其取值决定于系统对误比特率或话音质量的要求，并与系统的调制方式和编码方案有关；W/Rb ：系统的处理增益。

若N 个用户共享一个无线信道，显然，每一个用户的信号都受到其它N-1个用户信号的干扰。

假定到达一个接收机的信号强度和各干扰强度都相等，则载干比为： 11-=N I C (2.2)或)()(1o b b I E R W N =- (2.3)若N>>1，于是 )()(o b b I E R W N = (2.4)结果说明，在误比特率一定的条件下，所需要的归一化信噪比越小，系统可以同时容纳的用户数越多。

应该注意这里的假定条件，所谓到达接收机的信号强度和各个干扰强度都一样，对单一小区（没有邻近小区的干扰）而言，在前向传输时，不加功率控制即可满足；但是在反向传输时，各个移动台向基站发送的信号必须进行理想的功率控制才能满足。

其次，应根据CDMA 蜂窝通信系统的特征对这里得到的公式进行修正。

1）话音激活期的影响在典型的全双工通话中，每次通话中话音存在时间一般为40%。

如果在话音停顿时停止信号发射，对CDMA 系统而言，减少了对其它用户的干扰，使系统的容量提高到原来的1/0.35=2.86倍。