CDMA蜂窝移动通信仿真

CDMA蜂窝移动通信仿真分析摘要CDMA是在无线通讯上使用的技术，允许所有使用者同时使用全部频带，且把其他使用者发出讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞问题，CDMA系统是基于码分技术和多址技术的通信系统。CDMA技术的标准化，推进了这项技术在世界范围的应用，是移动通信技术的发展方向。CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求，本设计选取CDMA蜂窝移动通信系统部分内容进行仿真与分析，首先，学习相应的理论知识并熟悉接入信道实现过程，其次对MATLAB软件中的SIMULINK部分及其内部的CDMA模块用法和参数设置进行熟悉，然后运用MATLAB对接入信道部分进行设计并分析、仿真与验证。目的是通过毕业设计工作熟悉现代无线通信系统的基本构成和工作原理，重点掌握卷积编码等相关编码技术，并将这些技术应用实际系统设计，提高对CDMA蜂窝移动通信系统知识的深刻认识。关键字CDMA系统蜂窝MATLAB仿真分析编码引言随着社会、经济的发展，移动通信得到越来越广泛的应用，移动通信技术的发展日新月异。CDMA作为一种抗干扰的通信手段，很早就在军事通信中得到应用。随着通信系统的复杂性不断增加，传统的设计方法已经不能适应发展的需要，因而要通过仿真，来降低系统失败的可能性，优化系统的整体性能，因此仿真是通信技术研究中不可缺少的方法。而通信系统仿真是一个螺旋式上升的过程，在这个过程中可能需要对原来的仿真模型进行若干次的修改，才能实现最初的设计目标。本课题的一些基础理论已经在移动通信以及通信原理相关课程中学习到，扩频通信技术、码分多址技术和同步技术是CDMA的关键技术。通过对CDMA系统的研究，更进一步了解CDMA系统扩频通信的过程，加深了对CDMA扩频通信技术和码分多址技术的理解。同时，借助理论上和仿真实验方面得出的结论我们可以进一步深入理解CDMA技术何以发展如此快速。第一章课题的背景及研究意义和目的1.1课题的背景CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)是由美国的Qualcomm公司开发的一种技术，直译为码分多址，是在扩频通信的基础上发展起来的。它利用相互正交的不同编码分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络。它会将原信号频谱带宽扩展，即所谓的扩频。CDMA通信系统采用的是直接序列扩频方式[1]，用一个码序列去调制原始数据信息，调制后的信息就能以高速传输。CDMA技术的标准化经历了如下几个阶段(如图1-1所示)IS-95AIS-99，IS-657IS-95BIS-95HDR，CDMA20001XCDMA20003XCDMA20IS-95图1-1DMA技术标准化经历中国CDMA的发展并不迟，也有长期军用研究的技术积累。1993年国家863计划已开展CDMA蜂窝技术研究。1994年首先在天津建技术试验网。1998年具有14万容量的长城CDMA商用试验网在北京、广州、上海、西安建成，并开始小部分商用。同时联通也在广东、北京、天津、上海等地建CDMA商用试验网。经过几年的发展，各地的CDMA网已经初具规模，发展速度之快令世人瞩目[2]。在网络建设的同时，我国在CDMA标准制定和实施方面也有了很大的发展。在1999年4月成立了中国无线通信标准研究组CWTS，其主要目的是加强我国的标准制订工作。我国目前采用的CDMA标准主要是向美国标准靠拢，同时结合我国的实际情况。如空中接口在美国的标准中注重CDMA与AMPS双模兼容，而在我国则没有这种需求，因此其频率、基本频道的设置及IMSI等方面都需要进行修改；在A接口上，美国的标准兼容了多种制式，而在我国只需要其中的CDMA一种；同样网络接口IS-41系列标准也需要进行必要的修改。在吸收和引进国外各项标准的同时，我国也正在积极开发满足我国电信网络的CDMA标准，并且已经向国际电信联盟递交了第三代移动通信技术规范TD-CDMA标准，该标准在1999年11月结束的有关世界第三代移动通信标准制订会上被最终确定为第三代移动通信技术规范的系列标准之一。这是中国提出的电信技术标准第一次被国际电信联盟所采用，同时也证明了我国的通信技术水平已逐渐与世界同步，我们的民族产业也日益引起世界的瞩目。1.2课题研究的意义码分多址以扩频为基础，传输信息的信号带宽远大于信息带宽。给每个用户分配一个唯一的扩频码，通过该扩频码的不同来识别用户。由于CDMA手机发射功率小，且采用先进的软切换技术，不会出现掉线现象。使用CDMA网络，运营商的投资相对减少，这就为CDMA手机资费的下调预留了空间。另外，容量比模拟技术高10倍，超过GSM网络约4倍。基于宽带技术的CDMA使得移动通信中视频应用成为可能[2]。另外，所有的第三代移动通信系统都采用了CDMA技术，对CDMA的研究具有一定的价值。如今通信行业的产品更新速度也越来越快，引入仿真软件进行仿真已经是必不可少。仿真既可利用仿真软件，也可通过高级语言编程实现。利用软件包，建模十分方便，可大大节省编程时间，甚至可省去编程过程。其中，MATLAB是最具影响力、最有活力的软件之一，在科学运算、自动控制、通信仿真等领域有着广泛的应用[3]。因此理由仿真软件对CDMA蜂窝移动通信技术进行仿真，不仅对理解CDMA有深刻的意义，更能加深CDMA在实际案例中的运用[3]。1.3研究课题的目的直接序列扩频和码分多址技术是本论文的重点，因此本论文研究的重点在于应用MATLAB来设计实现CDMA系统,并在此基础上实现多用户信道的复用，具体讲就是将信号进行扩频、BPSK调制、加入白高斯噪声、进行多路复用，送入信道并在接收端进行解扩和解调，还原出初始发送的数据。本文用基于Simulink模块库的MATLAB软件对CDMA系统在蜂窝移动通信中的应用进行仿真，建立了系统仿真模型，能够方便、形象的描绘出CDMA的工作原理和过程，通过结果分析了各个模块的特性，并指出仿真建模中要注意的问题。结果证明了通信理论和整个系统设计的正确性，对进一步研究相关理论有着积极的作用和意义，能够在模拟系统的过程中找出缺点和不足，并加以研究纠正，以便更好的应用到实际。第二章CDMA系统相关理论2.1通信系统模型通信领域的人都知道，通信的目的是传递消息中的信息，例如，符号、文字、语音、数据、图象等都是消息。人们接收消息，关心的是消息中包含的有效内容，即信息。消息必须转换为电信号才能在通信系统中传输，所以，信号是传输消息的手段，是载体。各种不同的消息可以分成两类：离散消息和连续消息。代表消息的电信号，按其代表消息的参量的取值方式不同，可以分为模拟信号和数字信号[4]。代表数字信号一个取值的波形称为一个码元。和上述信号的分类相对应，通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。数字通信系统有多种，例如数字电话系统、高速计算机并行数据处理传输系统等。点对点的数字通信系统模型，一般可用图2-1所示信源编码器调制器信道解调器译码器信宿噪声源图2-1:PtoP数字通信系统模型根据图可以分析出如下七点：1、信源是将消息转换为原始电信号；2、编码器包括信源编码和信道编码，实现两个功能，一是除去信源中的多余信息，提高传输效率，一是当信源发出模拟信号时，将其转换成数字信号，提高传输的可靠性；3、调制器是将基带信号变换成适合具体信道传输的信号；4、信道是传送物理信号的设施；5、噪声源是整个系统受噪声干扰的集中反映。6、信宿是将恢复的信号转换为原始消息；7、解调和译码分别与编码和调制对应，实现反变换。数字通信具有抗干扰能力强、保密性好、灵活性高、便于集成和微型化等优点，但都以占据更多系统带宽为代价，并且对同步要求高，系统设备比较复杂。通信方式从模拟向数字通信发展是通信技术发展的总趋势。如果将基带信号直接在信道中传输，易受高频电磁波干扰，而且整个信道只传输一种信号，信道利用率低。为了充分利用信道，将多路信号组合成群信号，在一条信道上同时传输,即所谓的信道复用。根据合并与区分各信号的方法不同，主要有三种复用方式，即频分复用、时分复用和码分复用[5]。码分复用是用一组包含互相正交的码字的码组携带多路信号，即CDM。考虑如何解决众多用户高效共享给定频谱资源的问题时就涉及到多址方式，常规的有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)等。2.2CDMA系统主要技术理论2.2.1、卷积编码现代数字通信系统常常设计成以非常高的速率传输。卷积码已应用于很多个同系统，例如，不仅在CDMA移动通信系统种应用卷积编码／译码，而且在空间和卫星也应用。为了防止系统出错,经常会使用卷积码。信息数据序列划分成许多长度为k的小块，每段小块被编码长度为n的码字符号。卷积码(n,k,m)由k个输入、具有m阶存储的n个输出线性时序电路实现。通常，n和k是较小的整数，且kn，但m相当大。特别地，当k=1时，信息序列不再分成小块，以便可以连续处理[6]，因此，卷积码的发展产生了很多有线和无线通信信道数字传输的实际应用。卷积码(n，k,m)指定的码率为：R=k/n,编码器级数为m=K—1，其中K是码的约束长度。编码器存储阶数等于数据序列时延。m级n维生成序列集通常可以按如下方式描述：（2-1）其中j＝1，2，…，k表示输入端数,j＝1，2，…，n表示模2加法器数(输出端)。也可以以多项式形式表达为：()()()(),0,1,(,,...,)jjjjiiiingggg（2-2）其中D是时延操作符，每一项D的幂对应于该项的单位时延数。每个生成序列直接由从编码器级到各自模2加法器的连接序列确定，1表示连接，0表示断开。每个生成序列包含m+1位二进制数。如果每次信息序列输入()()()()012(,,,...)iiiidddd编码器1比特，那么编码器输出序列()()()()012(,,,...)jjjjcccc可以通过合并()id(j)和g离散卷积得到，即：（2-3）（2-4）基站对前向CDMA信道如同步、寻呼和业务信道上发送的数据进行卷积编码。前向CDMA信道使用码率R=1/2、约束长度为9的(2,1,8)卷积码。该卷积码的生成序列为：（2-5）由于码率为1/2,所以每次编码器输入一位数据,编码器输出就产生两位编码符号。初始化后第一个输出符号(1)c是由生成序列(1)1g编码的符号，第二个输出符号(2)c是由生成序列(2)1g编码的符号。例如,以1.2kb/s速率传输的前向业务信道帧结构包含24比特(20ms)。这24比持由16位信息比特和8位编码器尾比特组成，如图2.2所示。最后8位编码尾比特全部设成0。如果信息序列表示成d=(1010100100000101)，相应的多项式为24713151dxxxxxx。由于16位信息比特后面有8位编码器比特，则前向业务信道帧表示为M=(101010010000010100000000)或者写成多项式形式:()(),0()mjjiigDgD()()()1,11,0,1,...,mkjijijlicdgl()()()1*,1,2,...,kjijicdgjn(1)1(2)1735()561()gg八进制（111101011）（二进制）八进制（101110001）（二进制）（2-6）由于m＝8，n＝2，因此该编码器包含一个具有2个模2加法器的8级移位寄存器和用于编码器连续输出的转向器。对图2.1的卷积编码器，两个生成序列分别为：(2-7)和(2-8)利用方程(2.4)，对于i=1和j=1，2，有:(2-9)(2)(1)(2)1,0gilicdg(2-10)利用生成序列(1)(2)(1)111,,0tggg(2)1,t和的和g8l编码器每个模2加法器的输出分别为：(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)123578cddddddd(2-11)(2)(2)(2)(2)(2)(2)1248cddddd(2-12)输出符号((1)(2),cc)连接成单