CDMA系统上行链路接入链路设计与仿真.doc
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1、成都理工大学工程技术学院毕业论文 摘要随着现代通信的发展,在任一时间、任一地点能与任一对象进行各种信息交流已成为现代通信理所当然的目标,促使移动通信技术发展异常迅速并日渐成熟。CDMA(Code Division Multiple Access)技术是当今通信领域主流的通信技术,最典型的是IS-95 CDMA蜂窝移动通信系统。同时CDMA码分多址技术作为第二代蜂窝移动通信系统主要的数字通信技术之一,已成为第三代移动通信的关键技术。 本文首先介绍了通信系统仿真的开发背景及其优缺点;然后给出了CDMA系统的关键技术、通信原理、信道结构及其上行链路相关知识;最后在给出CDMA上行链路系统模型的基础上
2、,基于MATLAB/Simulink工具箱对各功能模块进行建模与仿真研究,利用广泛应用的仿真工具MATLAB,对CDMA系统上行链路业务信道的工作过程进行仿真设计,并通过仿真结果分析了系统的误码率和信噪比之间的关系。 关键词:CDMA,上行链路业务信道,仿真,IS-95标准,MATLAB- I -CDMA系统上行链路接入链路设计与仿真AbstractWith the development of modern communications, people exchange of information at any time, any place and any objects become
3、the goal of modern communication undoubtedly, push the mobile communication technology developed quickly and more mature. CDMA (Code Division Multiple Access) technology is the mainstream communications technology nowadays in this field. The most typical is the IS-95 CDMA cellular mobile communicati
4、on systems. At the same time, as the major technology of second generation of CDMA cellular mobile communication system has become the key third-generation mobile communications. This paper will describes the development background of communication system simulation technology, and discuss its advan
5、tages and disadvantages firstly. Second, list the knowledge of key technologies of CDMA system uplink, communication theory, and channel structure. Finally, based CDMA uplink system model and the MATLAB / Simulink toolbox to model and research the various functional modules. Using the common simulat
6、ion tool -MATLAB, simulate the work process of CDMA system uplink traffic channel, and use the results of Simulation to analyze the relationship between SNR(Signal to Noise Ratio) with BER(Bit Error Rate). Key words : CDMA,Uplink Traffic Channel,simulation,Standard IS-95,MATLAB 目录摘要IAbstractI目录II前言1
7、1 CDMA系统原理及其仿真相关技术简介31.1 CDMA系统概述31.2 CDMA的关键技术31.2.1 功率控制技术31.2.2 软切换技术41.2.3 分集与Rake接收技术41.2.4 软件无线电技术61.2.5 多用户检测技术71.3 CDMA系统的通信原理81.4 CDMA信道结构91.4.1 CDMA前向链路信道91.4.2 反向链路信道101.5 IS-95上行链路业务信道102 MATLAB对系统上行链路的方针122.1 设计流程与方法122.2 重点模块设计132.2.1 信源信号132.2.2 卷积编码与译码142.2.3 符号重复142.2.4 块交织152.2.5 6
8、4阶正交调制器162.2.6 数据突发随即发生器182.2.7 PN码发生器202.2.8 信道202.2.9 接调解扩模块213 仿真结果与分析23结论24致谢25参考文献26- 26 -前言通信系统的计算机仿真,顾名思义,是涉及通信技术与计算机技术的一个学科。现代通信技术发展迅猛,新技术新标准不断涌现,在提高人们生活质量和生产效率的同时,也给广大的通信领域的技术人员增加了更高难度,提出了更高要求。特别是对于无线移动通信,系统复杂,环境恶劣,用传统的方法来设计和分析是很困难的。幸运的是,现代计算机技术的发展有过之而无不及,计算与信息处理能力极大提高,这就给用计算机软件仿真通信系统提供了可能。
9、通信系统的计算机仿真,就是利用计算机对实际电子通信系统的物理模型或数学模型进行试验,通过这样的模型试验来对一个实际系统的性能和工作状态进行分析和研究。当在实际电子通信系统中进行试验研究比较困难或者根本无法实现时,仿真技术就成为必然的选择。ITU(国际电信联盟)第三代通信系统的标准规定:技术文本与仿真结果必须同时提交,并且鼓励对其他公司提交的方案进行仿真验证。现代通信系统通常是复杂的大规模系统,在噪声和各种随机因素的影响下,很难通过解析方法求得系统的数学描述,即使有一些相对简单的问题,能够写出数学表达式来,但往往难以使用解析法得到解答。应用MATLAB等的计算机仿真可以绕过困难的甚至是不可能的数
10、学解析求解,能较轻易地获得问题的解。具有经济、安全、可靠、编程简易以及试验周期短等特点,在工程领域得到越来越广泛的应用。计算机仿真技术在实际应用中当然也存在一些问题。比如对实际系统建模的原理和方法不正确,建模过程中忽略了部分次要因素,仿真试验时间太短,运行次数太少,随机变量的概率分布的类型或参数选取不当,输出结果的统计误差和编码、算法对仿真结果影响等。本文旨在通过IS-95上行链路业务信道这样一个具体系统的仿真设计,探讨通信系统仿真的基本方法。具体介绍IS-95系统上行链路业务信道关键模块的原理,重点阐述了用MATLAB对IS-95上行链路业务信道的设计过程、设计思想和实现方法。仿真一方面用来
11、验证理论的正确性和在实际环境中的适用性,另一方面用于验证仿真模型自身的有效性和正确性。1 CDMA系统原理及其仿真相关技术简介1.1 CDMA系统概述随着现代通信的发展,在任一时间、任一地点能与任一对象进行各种信息交流已成为现代通信理所当然的目标,促使移动通信技术发展异常迅速并日渐成熟。20世纪80年代末90年代初Qualcomm公司开发出CDMA系统,由于该系统能有效的降低人为干扰、窄带干扰、多径干扰的影响,采用语音激活技术、各种分集技术、各小区间均使用同一频率无需频率管理和指配、实现软切换,大大增加了系统容量以及系统抗干扰能力,满足了日益激增的对移动通信非话业务的需求。最典型的是IS-95
12、 CDMA蜂窝移动通信系统。该系统是1993年7月美国TIA/EIA通过的基于CDMA的双模式移动通信系统标准,其信道位于800MHz的AMPS系统的频带内。1.2 CDMA的关键技术1.2.1 功率控制技术在CDMA系统中,由于所有用户均使用相同频段的无线信道和相同的时隙,用户间仅靠地址扩频码的不同,即靠它们之间的相关性加以区分。若用户的互相 关不为零,则用户间就存在着干扰,我们称这种干扰为多址干扰。同时由于CDMA为一干扰受限系统,即干扰的大小直接影响系统容量,因此有效地克制和抑制多址干扰就成为CDMA系统中最主要、最关键的问题。除了多址干扰本身直接的影响以外,在上行链路中,如果保持小区内
13、所有移动台的发射功率相同,由于小区内移动台用户的随机移动,使得移动台与基站间距离是不同的,离基站近的移动台的信号强,离基站远的移动台信号弱,将会产生以强压弱的现象,而设备的非线性就更会加速这一现象的产生,这就是所谓的“远近效应”。在下行链路中,当移动台位于相邻小区的交界处时,收到所属基站的有用信号功率很低,同时还会受到相邻小区基站较强的干扰,这就是所谓的“角效应”。除此之外,电波传播中由于大型建筑物的阻挡,形成“阴影”效应产生了慢衰落。这些现象将会导致系统容量下降和通信服务范围缩小等。解决这些问题的一个最有效的方法是采用功率控制技术。因此可以认为,功率控制技术是CDMA走向实用化的一项核心技术
14、。反响功率控制就是使所有的用户到达基站接收端的功率大致相等。1.2.2 软切换技术软切换是当移动台从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时不中断呼叫,移动台可以同时与多个基站连接。更软切换是一种蜂窝内的切换,发生在两扇区或三个扇区之间。这种类型的切换只发生在蜂窝内,而不涉及移动交换中心。CDMA移动通信系统使用软切换和更软切换,FDMA和TDMA移动通信系统使用硬切换。软切换的优点如下:(1)在有功率控制的CDMA系统中需要使用软切换,因为使用功率控制的系统希望在工作时动态地调整发射功率。功率控制与软切换紧密相关。一个原因是IS-95 CDMA标准同时使用功率控制和软切换作为降低干扰的机制。功率控制是IS
15、-95用于对抗远近问题的主要工具。功率控制要正确地工作的原因是用户希望在所有的时间与它接收到最强信号的基站相连接,否则,可能会发生正的功率控制反馈环路,使系统出现问题。软切换可以保证用户确实在所有的时间与它接收到最强信号的基站相连接(它也可能同时连接到其它基站)。(2)软切换减少/消除了硬切换中普遍存在的“乒乓”效应。(3)改善通话质量。1.2.3 分集与Rake接收技术分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量,以改善传输的可靠性。他也是一项研究利用信号的基本参量在时域、频域和空域中,如何分散开又如何收集起来的技术。它是一项主要的抗衰落技术,可以大大提高多径衰落信道下的传输可靠性。为了在
16、接收端得到几乎相互独立的不同路径,可以通过空域、频域和时域的不同角度、不同的方法与措施来加以实现。因此CDMA系统的分集主要有三种:时间分集、频域分集、空间分集。CDMA系统中的卷积编码、块交织、纠错编码技术和rake接收,可以用来实现时间分集。CDMA系统作为一个宽带系统本身就可以实现频率分集。CDMA系统的分集发射和分集接收就是空间分集,而CDMA系统特有的软切换也可以看成是一种空间分集。发射机的扩频信号,在传输过程中受到不同建筑物、山岗等各种障碍物的反射和折射,到达接收机时每个波束具有不同的延时,形成多径信号。如果不同路径信号的延时超过一个伪码的码片时延,则在接收端可将不同的波束区分开来
17、。将这些不同波束分别经过不同的延迟线,对齐后合并在一起,把原来的干扰信号变成有用信号,这就是rake接收机的基本原理。Rake接收可以认为是一种时间分集技术。如图2.1所示,rake接收机一般由搜索器(searcher)、解调器(finger)、合并器(combiner)3个模块组成。搜索器完成路径搜索,主要原理是利用码的自相关及互相关特性;解调器完成信号的解扩、解调,解调器的个数决定了解调的路径数。IS-95系统基站侧一个rake接收机由4个finger组成,1x系统由6个finger组成,终端由3个finger组成;合并器完成多个解调器输出信号的合并处理,通用的合并算法有选择式相加合并,等
18、增益合并,最大比合并3种。合并后的信号输出到译码单元,进行信道译码处理。 图1.1 IS-95中基站Rake接收总体框图1.2.4 软件无线电技术 目前软件无线电尚没有确切的定义,不过人们普遍认为,软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元通过一个通用硬件平台(比如用总线方式连接),再通过软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种开放式的结构。 可见,实现它,数字化硬件平台是基础,软件可编程、可重复使用是核心,实现多波段、多体制、多制式通用式接收才是目的。为了延长先进通信设备的使用寿命,可以彻底解决不同波段、不同制式、不同体制通信设备的互联互通,软件无线电是最佳的解决方案。软件定义的无线
19、电(SDR)虽然也基本上实现了软件无线电的基本功能:硬件数字化、软件可编程、设备可重复配置性,但是SDR的流水线结构严重影响了设备可配置功能和设备的可扩展性。影响可扩展性和影响开放式结构的主要问题可归结为流水线式的总线结构。很自然的想法是能否抛弃传统的流水线的总线结构,代替它的是引入网络式结构的虚拟无线电(VSR)。1.2.5 多用户检测技术在CDMA系统中,由于多个用户的随机接入,所使用的扩频码集一般并非严格正交,非零互相关系数会引起各用户间的相互干扰,即多址干扰(MAI),在异步传输信道以及多径传播环境中多址干扰将更加严重。在CDMA系统中,随着同时接入系统用户数的增加,多址干扰的功率也在
20、增加,致使误码性能下降,系统的容量将受到限制。多址干扰可以通过选择相关性好的扩频码,结合功率控制、纠错编码等进行抑制。目前商用的CDMA系统中,主要采用功率控制技术处理多址干扰问题,减小彼此间的影响,提高系统容量。但功率控制的方法并没有从接收信号中真正去除多址干扰,只能缓解这种矛盾,不能从根本上解决问题。另一方面,由于信号在移动通信信道中呈现瑞利衰落,功率控制系统无法补偿由于快衰落引起的信号功率变化。特别是当终端速度很快时,功率控制技术会失效。多用户检测是引用信息论并通过严格的理论分析后提出的一种新型抗多址技术,而且通过多用户检测可以实现一箭三雕的作用,既可以抗多址干扰,又可以抵抗远近效应和多
21、径干扰。多用户检测认为多址干扰与白噪声具有互不相同的统计特性,是可估计、可再生、可去除的。它通过挖掘有关干扰用户的信息来消除多址干扰,进而提高信号检测的稳定性,不再像传统检测器那样忽略系统中其他用户存在。基于上述,充分利用扩频码的一致结构和统计信息,在信息论最佳信号检测理论的指导下,对多个用户的匹配滤波接收的基础上,进行多用户联合检测,并充分利用已知伪码结构与统计信息,设法消除其他所有用户对有用用户干扰的方案,理论上是完全可行的。CDMA系统中多用户检测的定义是:综合考虑同时占用某个信道的所有用户或某些用户,消除或减弱其他用户对任一用户的影响,并同时检测出所有这些用户或某些用户信息的一种检测方
22、法。多用户检测技术的主要用途是提高带宽效率,获得系统容量和覆盖的改进。多用户检测通过消除小区内干扰来提高上行链路的带宽效率,因此增加了系统容量。实际的容量增加值取决于算法的有效性、无线环境和系统负载。如果上行链路的容量超过了下行链路,可以降低上行链路的处理增益,将节约出的带 宽用于下行链路,从而提高整个系统的频带利用率。除了提高带宽的效率以及改进容量,多用户检测技术可以降低多址干扰,缓解“远近效应”问题,有些检测算法是专门消除“远近效应”的。多用户检测技术可以缓解功率控制的负担。多用户检测技术减少了上行链路中多址干扰功率,这意味着降低了对终端发射功率的要求,节省出的发射功率可以用于增大小区的覆
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