（信号与信息处理专业论文）cdma2000系统rake接收机性能仿真与信道建模.pdf

c d m a 2 0 0 0 系统r a k e 接收机陛能仿翼和信道建摸 摘要 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2 l 世纪对人类的生活和社会发展将产生重大影响的科学技 术领域之一。 本文在第一章中简单回顾了一下移动通信的发展历史由此弓i 出 了第三代移动通信系统的三大主要标准w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - - s c d m a ，并对三大标准作了比较，在本章末尾介绍了论文的结构 和本人所作的工作。第二章章针对电波传播特性对信号所处的实际传 播环境作了介绍。无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制 约。发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，无线信道的建模历来 就是移动无线系统设计中的难点，本文作者根据自己所作课题情况给 出了系统仿真常用的r a y l e i g h 衰落信道的两种模型：c l a r k e 和j a k e s 模型。接下来的一章对c d m a 2 0 0 0 系统进行了介绍，包括它的由来、 特征和主要特点。第四章则是在详细介绍c d m a 2 0 0 0 物理信道结构、 调制方式的基础上论述了r a k e 接收机的原理并给出了结构框圈，最 后给出了在不同信道类型、信噪比和信道估值方法的r a k e 接收机接 收误码率的仿真结果并对其进行分析。 关键词移动通信c d m a 2 0 0 0 多径衰落r a k e 接收机信道估计 皇型型鎏王一一 ! ! 竺坚! ! ! 垂望垦些! 垄坚塑璧堂堕塞塑堕望堡堡 r a k er e c e i v e r1 nc d m a 2 0 0 0 s y s t e ma n d c h a n n e lm o d e l d 、丁g a b s t r a c t f i r s t l y , t h i sp a p e rd e p i c t st h eh i s t o r ya n dp r o g r e s so ft h et e r r e s t r i a l m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a n d e m p h a s i z e s o nt h e3 m o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ( i m t - 2 0 0 0 ) ，i n c l u d i n gi t s d e r i v a t i o n ，a i m sa n d c h a r a c t e r s ，a n dt h e nc o m p a r a t i v e l ya n a l y s e st h et h r e em a i ns t a n d a r d s w c d 【a 。c d m a 2 0 0 0a n dt d ，s c d n r a k er e c e i v e r t e c h n i q u e s a r eu s e dt od e c r e a s et h e a c t u a l p r o m u l g a t i o n e n v i r o n m e n te f f e c t so ne l e c t r i c w a v e s o ，b e f o r e i n t r o d u c i n gt h ep r i n c i p l e so ft h er a k er e c e i v e r , w ed i s c u s s e dt h er a d i o c h a n n e lc h a r a c t e r s ，i n c l u d i n gp r o m u l g a t i o nm o d e l ，p a t hf a d i n g ，s h a d o w f a d i n ga n dt h em u l t i - p a t hf a d i n g i nm o s tc a s ef a d i n gc h a n n e l sa c c o r d w i t h r a y l e i g hf a d i n gm o d e l ，w h i c hm e a n st h ea m p l i t u d es u b m i tt o r a y l e i g hd i s t r i b u t i o n ，a n dp h a s e i s u n i f o r m l y d i s t r i b u t i o n t h e n a c c o r d i n gt o 18 a n a l y s e sr e s u l t s ，w er e a l i z e dc o m p u t e rs i m u l a t i o no f r a y l e i g h e h a n n e lw i t ht w om o d e l s ，c l a r k ea n dj a k e s n e x t ，i nt h e4 4p a r a g r a p hw ed e s c r i b e dt h ep h y s i c a ll a y e ri nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h ec d m a 2 0 0 0s t a n d a r d i ti n c l u d e ss o m ea s p e c t s ：p h y s i c a l c h a n n e lt y p ea n d s t r u c t u r e ，s p r e a d i n ga n dm o d u l a t i o nm o d e a n d t h e nw e p r o p o s e d s o m e w a y s t oe s t i m a t et h ec h a n n e l f i n a l l y , t h i sp a p e rd i s p l a y e dt h er a k er e c e i v e rb e r w i t hd i f f e r e n t s n ra n dc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d ，a n dt h e na n a l y z e dt h es i m u l a t i o n r e s u l t s k e yw o r d sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n m u l t i - p a t hf a d i n g c d m a 2 0 0 0 r a k er e c e i v e rc h a n n e le g i m a t i o n 硕士论文 ys 8 s 7 5 c d m a 2 0 0 0 系统r a k e 接收机性能仿真和信道建模 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加咀标注和致谢中所罗列的内容以外，沦文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：3 童堂日期：趁! 竺墨j 兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 本人签名：j 垄垦日期：趔生! f 垒 导师签名：；柔d 啦日期：盆盘缸华衅 硼士论义 c d m a 2 0 0 0 系统r a k e 接收机陆能仿真和信道建模 1 1 移动通信的发展历史 第一章绪论 自从1 8 9 7 年马克尼的实验证明了运动中的无线通信的可应用性，人们就开 始了对未来的移动通信孜孜不倦的追求。 第二次世界大战期间战争的需求使得通信技术的及其制造业有了长足的发 展。从1 9 4 6 年贝尔实验室的世界上第一个公用汽车电话网到到七十年代后期美 国的的改进型移动电话系统( i m t s ) ，完成了从专用网到公用网的改进，但是由 于容量小，终端设备过于庞大是一个很大的困扰。随着大规模集成电路技术和计 算机技术的迅猛发展，并针对大区制的弱点，美国的贝尔实验室提出了小区制的 蜂窝式移动通信系统的解决方案 i i 。在1 9 7 8 年开发了a m p s ( a d v a n c em o b i l e p h o n es e r v i c e ) 系统，到8 0 年代中期，欧洲和日本也建立了自己的蜂窝移动通 信网，被称为第一代蜂窝移动通信系统。随着超大规模集成电路技术。低速话音 编码等技术的发展，数字技术得到了广泛的应用。以欧洲的g s m 、美国的i s 一 9 5 为代表的第二代数字蜂窝移动通信系统在世界范围内得到了广泛采用。随着 对移动通信服务业务要求和频率使用率要求的提高人们已经开始研究开发第三 代移动通信系统，其中有两个倍受关注的标准：基于g s m 的w c d m a 和基于 i s - - 9 5 的c d m a 2 0 0 0 。中国推出的t d s c d m a 也是第三代移动通信标准之一， 并且已经得到国际电信联盟( i t u ) 的认可。 111 第一代移动通信系统 8 0 年代，主要服务与话音业务的第一代移动通信系统开始用于商业，它的 接入方式采用频分复用( f d m a ) ，它有几个标准，其中包括美国的a m p s 标准， 英国的t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 标准，北欧四国的n m t 一 4 5 0 ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n e - - 4 5 0 ) 系统，日本的n t t ( n i p p o nt e l e p h o n ea n d t e l e g r a p h ) 标准【2 j 。其特点有： ( 1 ) 每信道占用一个载频，相邻载频之间隔应满足传输信号带宽的 要求。数字信号带宽较宽，而为了在有限频谱中增加信道数量，系统都 希望间隔越窄越好。现在的间隔均在3 0 k h z 以下，或者是2 5 k h z 。 ( 2 ) f d m a 方式，每信道只传送路信号，信号速率低，一般在 1 6 k b s 左右，远低于多径时延扩展所限定的l o o k b s ，所以在传输过程中 出现码间干扰引起的误码极小，这f d m a 的一个有点。 ( 3 ) 移动台结构比较简单，和模拟的很相似。 顽士论文 c d m a 2 9 0 9 系统r a k e 接收机性能仿真和信道建模 1 4 ) 基站设备复杂庞大、设备成本高，频分多址系统的基站有多少 信道，就需要多少部收发信机，同时需要用天线公用器，功率损耗大。 ( 5 ) 过区切换较为复杂和困难，因为颁分多址系统中，每个信道都 是连续传输的，所以在过区切换时，必须瞬时终端传输数十至数百毫秒， 以把通信从这频率切换到另一频率上去。对于话音瞬时中断问题不 大，对于数据传输则带来数据的丢失。 12 第二代移动通信系统 8 0 年代晚期，第二代移动通信系统应用于商业领域，它采用数字传输，接 入方式采用时分多址接入( t d m a ) 和码分多址接入( c d m a ) ，它除了提供话 音服务外，还提供低速率业务和短消息服务。第二代移动通信系统提供更高的频 谱利用率，更好的数据业务和更先进的漫游技术。全球通信系统g s m ，个人数 字蜂窝p d c ，美国码分多址系统i s 一9 5 都属于第二代移动通信系统。 夺t d m a 系统 时分多址( t d m a ) 是在一个带宽的无线载波上，按时间( 称为时隙) 划分 若干个时分信道，每一个用户占用一个时隙，只在这一指定时隙内收( 发) 信号， 故称为时分多址系统。g s m 是欧洲建立的数字蜂窝系统，是现今最为成熟的移 动通信系统，它采用时分多址接入，规则脉冲激励，线性预测编码( r p e l e p ) 和高斯最小频移键控( g s m k ) 调制方式。主要参数如下： 频段：前向链路9 3 5 9 6 0 m h z ，反向链路8 9 0 9 1 5 m k 带宽：2 5 m h z 载波间隔：2 0 0 k h z 信道分配：t d m a 每载波8 时隙，8 个全速率信道，1 6 个半速率信道 数据速率：1 6 k b p s 由于g s m 采用t d m a 多址接入方式，所以它的频率规划简单，不存在频 率分配问题，便于动态信道分配，不存在远近效应，也不需要高要求的功率控制， 移动台不需要双工装置。但t d m a 系统要求精确的定对和同步，以保证各移动 台发送的信号不会在基站发生重叠和混淆。 令c d m a 由i s 一9 5 标准定义的码分多址接入是利用各发送端用各不相同，互相( 准) 正交的地址码调制发送信号，在接收端利用码型的( 准) 正交性，通过地址识别 从混合信号中选出相应的信号。在c d m a 系统中，所有用户使用同载波，占 有相同带宽，无论从频域和时域来说，c d m a 信号是互相重叠的，他们的存在 顶士论文 c d m a 2 0 0 0 系统r a k e 接收机性自g 仿真和信道建模 所造成的干扰成为多址干扰。根据理论分析，c d m a 蜂窝移动通信系统与f d m a 系统和t d m a 系统相比具有更大的容量吼 113 第三代移动通信系统 第二代移动通信系统已经成为电信史上最辉煌的成功。坦移动通信市场经过 高速发展后也逐渐进入饱和，移动通信产业开始寻求新的突破。 首先从提供移动通信服务的基础一无线频谱资源来看，由于用户的急剧增 加，以目前第二代移动通信系统的频谱利用率，在某些人口密集地区，频谱资源 己趋耗尽。但用户数量还是在不断的增加，为了满足更多的人们对移动通信业务 的需求，我们必须寻找一种频谱利用率更高的技术。而目前已推出的第三代移动 通信系统就可以很好的满足这一要求。 其次从提供的业务上来看，第一、第二代蜂窝移动通信系统主要提供传统的 语音和低速率数据业务。但用户已经逐渐不再满足于这种单一的语音通信及低速 率的数据通信服务。因为随着人类通信需求的进一步提高，人们既需要有移动性、 个性化的移动通信服务，也希望享受互联网无国界、海量信息的魅力。所以目前 移动通信和互联网用户均以指数型增长速度不断增加，成为用户群扩大最快的市 场之一。两种通信方式已经在很大范围内培养起用户的消费习惯，并进一步产生 消费依赖，而且用户希望两种通信方式能够合二为一，以带来最大的便利，这也 是我们现在所提的移动互联网的概念。而第三代移动通信系统在很大程度上就是 为了朝着这一方向发展而推出的系统。因为它的主要业务已由语音转向以图像、 话音、数据相结合的多媒体业务和高速率数据业务。可以说，第三代移动通信系 统就是要构筑一张移动互联网。下面本文将对第三代移动通信系统作更为详细的 论述，由此引出本课题重点讨论的c d m a 2 0 0 0 系统。 第三代移动通信系统，简称3 g ，国际电联( i t u ) 原定义为“未来全球陆 地移动通信系统”( f p l m t s ) ，现称i m t - - 2 0 0 0 ，即国际移动通信系统。2 0 0 0 指的是计划使用2 0 0 0 m h z 的频段，大约在2 0 0 0 年前后实现，同时最大的数据传 输速率要求达到2 m b p s 。第三代移动通信系统是满足人们不论在何时、何地与任 何入( 或物) 进行任何信息通信的智能化的系统。 制定第三代移动通信标准，是国际电联很早就开始考虑的。因为标准是一个 产业发展的基础，只有在标准指定好后，才能实现产业的大发展。作为一稀产业 标准，必须保护已有的投资，因此第三代移动通信标准必须向下兼容第二代移动 通信标准，并能实现第二代移动通信系统向第三代移动通信系统的平滑过渡。而 目前的第二代移动通信系统标准主要是以t d m a 为基础的g s m 系统和以i s 一 9 5 为代表的第二代窄带c d m a 移动通信系统及其增强的c d m a o n e 。因此对第三 硕士论文 c d m a 2 0 0 0 系境r a k e 接收机【生能仿真和信道建模 代移动通信标准，分别提出了基于g s m 过渡和基于窄带c d m a 过渡的w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 两种提案。中国提出的第三代移动通信系统标准t d - - s c d m a 在 2 0 0 0 年5 月被国际电联采纳，成为国际承认的3 g 系列标准之一。现分别介绍如 下： 1131 三种标准的比较分析 夺w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 w c d m a 是由欧、日提出的，以e r i c s s o n 、n o k i a 等公司及全球的g s m 运 营部门为代表。而c d m a 2 0 0 0 是由美、韩等国提出的，以q u a l c o m 、l u c e n t 等公 司及全球c d m a o n e ( i s - - 9 5 ) 运营部门为代表。下面就两种方案的主要差别进行 比较： 首先它们是由两种不同的第二代移动通信标准发展二来的，它 门在全球的实 现将分别如图2 一l 的两条发展路径所示。由图可以看出，由于w c d m a 是由基 于t d m a 的g s m 过渡到c d m a ，因此在平滑过渡上不如c d m a 2 0 0 0 ，这也是目 前g s m 面临的一个很大的问题。但是两种技术可以说各由特点，其主要差别可 见图1 1 图1 1 两种不同的3 g 演进方案 w c d m a 采用的直接扩频序列扩频技术，方案包括f d d 与t d d 两种工作 方式。前者工作在覆盖面积较大的范围内，提供中、低速业务；后者主要侧重在 业务繁重的小范围内，提供高至2 m b p s 的业务。因为其t d d 工作方式就是u t r a t d d ，目前正处于和t d - - s c d m a 整合的过程中，所以下面仅是就w c d m a 的 f d d 方式进行的讨论。w c d m a 系统中采用导频符号相干t l m z l e 接收机技术， 4 硕士论文 c d m a 2 0 0 0 系统r a k e 接收机睦能仿真和信道建模 解决了反向信道容量受限问题。每个无线帧长度为1 0 r e s ，分成1 6 个时隙，每个 时隙的前部插入全“l ”或全0 的导频符号进行信道参数估计。这种方法在其 他系统的调制中也有采用的，但w c d m a 系统将从导频符号得到的衰落信道的 振幅和相位信息作为r a k e 接收机最大比值合并的加权系数，取得很好的效果。 与c d m a 2 0 0 0 不同，w c d m a 系统不采用g p s 精确定时方式，不同基站间可不 同步。优点是摆脱了美国g p s 系统的控制，可采用较为目由的信道管理方式， 缺点是要快速实现小区搜索。白适应阵列天线可以增加系统容量。干扰消除技术 实际上是多用户检测技术的一种方式，采用2 至3 级干扰消除器，容量可增加 3 0 。w c d m a 正努力采用这两种新技术，尤其是在t d d 模式下。同时，w c d m a 采用精确功率控制，即采用基于s i r ( 信干比) 的开环加闻环的功率控制方式， 在业务信道帧中插入功率控制比特，插入速率16 k b p s ，比c d m a 2 0 0 0 的功控速 率增加一倍，可跟踪一般的快衰落过程l 7 l 。 而c d m a 2 0 0 0 ，采用的是多载波扩频。它在扇区内采用连续导频信道广播， 能提供独立于传输速率的功控、定时和相位纠正，能以较小的复杂程度提供基站 的快速捕获和临近基站的快速搜索。与i s 一9 5 相同的短码结构加上w a l s h 函数 使信道之间正交，高速( 8 0 0 b p s ) 前向链路功控使前向链路平均发射功率最小化。 调制方式采取多载波和直扩方式。这两种方式有相同的信息传输和实现复杂度。 多载波c d m a 链路在5 m h z 带宽内有三个1 2 5 m h z c d m a 载波，1 0 m h z 带宽n 内有1 0 个1 2 5 m h z 载波。多载波c d m a 前向链路信号与i s 一9 5 前向链路信号 正交，编码后的信息符号同时在多个c d m a 载波上传送，由此带来的频域分集 等效于将信号扩展到整个频带。导频信号在i s 一9 5 与多载波业务信道重叠时可 共享，在相同频段允许前向链路容量在i s - - 9 5 和宽带用户之间动态共享，继续 支持低成本低功耗的i s 一9 5 手机用于语音和低速率数据业务【8 j 。 里圭兰兰一一 ! ! 竺堡! ! ! 墨垄翌! ! 堡些垫壁堂堕墨塑堕堕垄堡 表l 1w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 技术参数对比 撑c 蝴c d m a 2 0 0 0 切片速率 3 。8 f ) v f c b i l d s )3 德酗_ ( 1 2 2 8 9 x 3 ) x n ( m c h i p y s ) 基蛄向同步无椎g p s 的异步方式蒋谧助g p s 的严格葡步方式 f 抒键跨导额码对业务码时分复罔的导壤码公弗遵埃豹导籁码 蜮k 短橱长1 0 m s长械长2 0 m s 谮暂鳙码 固定建举端玛可楚逮宰墒码 功率控雠速攫 1 6 扶1 杪9 0 0 次移 潞与m c摹蕺渡克带d s多靛镀t m e ) d g 最小带宽 s h t 鳗z 3 x l m l - l z 下= f 亍链路可壹长正交序，c 送分不剜组道) 可爱长w a l s l a 序刊l g 分萃嗣信遵! m 亭辫，x 2 1 气小医阻序列的不囡$ 扩撅 m 謦稠t 区分不同小嚣与用户) 植区分i q 龉 ；工不蔺枣刊毽分) 上行链黯 霹突长芷交序搠嚣分不同蓿道】可壹长正交序判医分不同信道) 日o l d 岸列( 不稠用产l ；序列嚣 ( 1 搏剐2 1 气馐分1 、q 路 扩顿 分，l q 路娃羊同相证莲箭) 句球拜2 越一l ( 区箭不弼用产) 令i d s c d m a t d - - s c d m a 与其它标准最大的不同也是其最大的优势所在就是它采用了时分 双工( t d d ) 的工作模式，而不是在其他标准内普遍采用的频分双工( f d d ) 模 式。其基本技术特征就是在t d d 模式下，采用在周期性熏复的时间帧里传输基 本的t d m a 突发脉冲( b u r s t ) 的工作模式( 和g s m 相同) ，通过周期性地切换 传输方向，在同载波上交替地进行上下行链路传输。采用t d d 模式，可以有 两大优势。一是不需要成对地频率，并可以充分利用零碎频段的优势，所以它的 频谱利用率是最高的。二是可以通过灵活的分配不同的时隙数给上下行链路以实 现第三代移动通信所要求的两类通信业务：对称的电路交换业务，如速率为8 k b p s 的语音业务和速率高达3 8 4 k b p s 的多媒体业务：非对称的分组交换业务，如速率 达2 m b p s 的因特网业务。而且尤其适合不对称的数据业务而不像采用f d d 模式 在传输非对称业务时会造成频率资源的浪费。同时t d d 上下行工作于同一频率， 对称的电波传播特性使之便于使用诸如智能天线等新技术，达到提高性能、降低 成本的目的。而且t d d 系统设备成本较低，将可能比f d d 系统低2 0 5 0 。 所以在技术上t d - - s c d m a 具有相当大的优势 9 - 1 1 1 。 现在t d - - s c d m a 正在3 g p p 组织内与u t r a t d d 进行整合，且它们在核 心网上的标准与w c m d a 基本上是一样的，也是由目前g s m 的m a p 核心网过 硕士论义 c d m 以0 0 0 系统r a k e 接收机性能仿真和信道建模 渡= 来。所以我们可以把两者结合起来看他们的具体技术参数，如表l 一2 所示 表1 2 两种t d d 标准物理层参数和特性比较 项目u t r a t d d下d s c d m a 嚣连 占用带宽5 m h zl 6 h z 坶载渡码片逮率3 9 4 m 印$ 1 2 ：g m c p $ 扩踬方式 d s s f = l ，2 越，甜1 6d s 。s f l ，2 川耵1 6 蟪剁方式q p s kq p s k 恕税玛：r * i 2 ，i 3卷积码r 叫，l 门 值道端瓣 r n r b o 羁t u r b o 羁 蹙鳅lb ，2 0 4 0 8 0 m s 1 0 ，2 0 t 4 0 ，8 0 m s 超鞍7 2 0 m s 。 越帻7 2 0 m s 蛙始椅 无线帧1 0 m s无线赖| 0 m s 子馈 无s w 凳发结构 m i d a m h l em 醯l 盈由k 时睬数 1 5了 j ：行嗣步 r ( g c h i p )l 膛c 呦 智能天线 田难基于蓍麓无线 鞋量l 母封裱话音信遘羲 3 1 6 嗣时工侔 辱羹被爨供的话罾薅道数 7 x 8 ；5 63 x 1 6 = 4 8对辣业务 1 0 e r l 瑚h z 壤潜刺用率【使角话音激橱技零可藏 2 5 e r l 。愚重l i z 对称话膏监j 堪掘如 骞量：每对磙总持辘逮奉 2 2 0 叫b p s2 8 1 被p ， 被掘业务 每麓竣摄供的息持输建枣 3 3 1m ，一1 孵i 他 攮誊翘甩翠0 。6 6 2 m i 删m h zl 2 3 z m b p 棚d z 不对称教爨业 其它琦匏蜘o d m a t 挺供 箍供 d c a 。a 乳m1 7 1 x 等等 移动互联网正在日新月异地演绎着移动通信个人化、移动性和互联网无国 界、海量信息相结合的魅力。它的出现必将深刻改变人类的生活、工作、休闲方 式，成为人类不可或缺的工具，给通信行业带来无限商机。移动性、个人化与无 国界、海量信息相结合的本质特点，使移动互联网天然的成为人们通信需求的最 终承载网络。这种潜在的巨大的消费需求必将使移动互联网市场成为万众瞩目的 焦点。通过手机购物、娱乐、收发电子邮件、传递图片、获取实时股市信息等， 将给人类提供实现“无论何时何地，都在近在咫尺”通信梦想的工具，最终促使 7 硕士论文 c d m a 2 0 0 0 系统r a k e 接收机i 生能仿真和信道建模 并实现移动互联网市场的繁荣i ：4 j 【5 】【6 】。 12 本人所作工作及全文的结构 本人自0 2 年1 1 月进入第三代移动通信系统物理层链路层仿真项目组，负责 c d m a 2 0 0 0 系统r a k e 接收机模块的实现，同时在信道建模方面做过一些工作。故 本文将围绕这两个方面进行阐述，各章内容安排如下： 第一章介绍移动通信系统的发展历史，并分析比较了第三代移动通信的 第二章论述了c d m a 2 0 0 0 系统组成和主要特征。 第三章论述了移动通信信道的特征、多径衰落并给出了两种信道仿真模 型c l a r k e 和j a k e s 模型。 第四章在详细论述c d m a 2 0 0 0 物理层结构祁调制方式的基础上给出了 r a k e 接收机原理、结构和在不同信噪比和不同差值算法情况下的 仿真结果分析。 1 3 本章小结 本章主要介绍了移动通信的发展历史和三代移动通信系统的各自特点，并对 这三种系统进行了比较分析，最后对本文的大致结构和内容作了交代。 砸士论文 c d m a 2 0 0 0 系统r a k e 接收蒯l 性能仿真和信道建模 第二章电波传播特征与信道模型 通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。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，到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、：l i 脉和 树叶等。无线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有极度的随机性，特 别难以分析。甚至移动台的速度都会对信号电平的衰落产生影响。无线信道的建 模历来是移动无线系统设计中的难点，这一问题的解决一般是利用统计方法，并 且根据对特定频带上的通信系统的测量值来进行“。 2 1 无线电波传播的基本特点以及衰落信道的初步分类 电磁波传播的机理是多种多样的，总体上可以归结为反射、绕射和散射。对 传播模型的研究集中于给定范围内平均接收场强的预测，和特定位置附近场强的 变化。当描述的是发射机和接收机之间的距离在长距离( 几百米或几千米) 上的 场强变化时成为大尺度传播模型。当移动台在极小范围内移动时，可能引起瞬时 接收场强的快速波动，这时卸为小尺度衰落。 2 1 1 自由空间的信道传播模型 自由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间完全无阻挡的视距路径时 的接收信号场强。卫星通信系统和微波视距无线链路是典型的自由空间传播。 在自由空间模型，发送和接收天线之间的区域没有任何物体吸收或者发射无 线频谱( r f ) 能量。而且，它假设在这一区域的大气也是完全单一的，不吸收 的介质。再者，地面也假设为离传播信号无穷远( 也就是说，反射系数可忽略) 。 在这样的理想自由空间模型中，发送和接收机之间的r f 能量衰减符合逆平方律。 接收功率可以用发送功率和一个衰落因子。( d ) 表示，这个因子被称为路径损耗 或者自由空间损耗。当接收天线是全向天线，这个因子可以表示为【l ： 三，( d ) ：( _ 4 m ) 2 l 上式中，表示d 发送和接收机之间的距离 播情况下，接受信号功率可以预估。 式( 2 一1 ) x 是传播信号的波长。在这种理想传 对大部分实际的信道，信号在大气中接近地表传播，自由空间传播模型对描 述信道特性和估计系统性能是不够的。在无线移动通信系统，信号从发送端到接 收端可能通过多个反射路径传播，这一现象被称作多径传输。结果可能引起接收 9 硕论文c d m a 2 0 0 0n 统r a k e 绩收机 生能仿翼捌信道建模 信号幅度，相位和到达角度的波动，术语上叫做多径衰减。另一方面，由于传播 媒体的物理变化引起的多径衰落，比如反射高频无线信号的电离层离子密度的变 化，也会引起信号传播的随机波动或者衰落。 2 1 2 实际信道传播模型 无线移动信道由基站天线、移动用户天线以及两付天线之间的传播路径构 成。其中传播路径可分为直射传播( l o s , j 1 7 e ) f 节肋) 和非直射传播 ( 胛伽屯圆。在基站与移动台之f 司一般不存在无阻挡的直射信号，此时接收到的 信号是发射信号经过若干次反射、折射或散射后的叠加。而在某些空旷地区或基 站天线较高时则可能存在直射传播路径。 由于高大建筑物或远处高山的存在，常常会导致发射信号经过不同的传播路 径到达接收端。这即是所谓的多径传播效应( m u l t i p a t hp r o p a g a t i o n ) 。各径信号通 过不同的路径到达接收端时，具有不同的时延和入射角( d o a ) ，这将导致接收信 号的时延扩展( d e l a ys p r e a d ) 和角度扩展似n g l es p r e a 由。 另外，移动用户的运动以及大气的扰动，即信道的时变特性，将使接收信号 产生多普勒扩展( d o p p l e r s p r e a 西。其结果将导致接收信号在频域的扩展，同时改 变了信号电平的变化率。 归纳起来，由于地理环境的复杂性与多样性，用户移动的随机陛和多径传播 现象等因素的存在，使得移动通信系统的信道变得十分复杂。人们通过理论分析 和长期实际观测，建立了基站与移动台之间的无线信道的统计模型。该模型认为， 电波传播的损耗主要由以下三部分构成：路径损耗，阴影效应和多径衰落。本文 重点介绍多径衰落。 公式( 2 2 ) 给出了上述模型的表达式。 p ( d ( f ) ) = l l d 0 ) | | s ( d ( r ) ) r ( j o ) ) 式( 2 2 ) 其中d ( f ) 为某时刻用户天线与基站天线之间的距离矢量。忪( f ) 表示自由空间 的传播损耗，该类损耗是由于电波传播的弥散特性造成的，其中的典型值为3 4 ， 它反映了公里量级的空间距离内，接收电平均值的变化趋势。则s ( d ( f ) ) 表示阴 影效应，它是由位于电波传播路径上的障碍物的阻挡而产生的损耗。它反映了数 百波长内接收电平均值的变化趋势，此时信号的均值遵从对数正态分布 ( l o g n o t m a td i s t r i b u t i o n ) 。最后一项r ( c t q ) ) ，代表多径传播雨产生的衰落，它反 映了数十波长内，接收电平的均值的变化趋势，此时信号的均值遵从r a y l e i g h 1 0 硕士论文 c d m a 2 0 0 0 系统r a k e 接收机性能仿真和信道建模 或r i c i a n 分布1 。 从系统设计的角度考虑，传播损耗和阴影衰落影响基台的覆盖范围，但总是 可以通过合理的系统设计消除其影响，如功控。而多径衰落则直接影响信号的质 量，必须加以有效的抗多径措施，来削弱多径衰落对信号质量的不利影响。 213 小范围衰落的分类 对位于特定发送和接收机之间，由于大范围衰落产生的路径损耗进行统 计描述所需要的参数为： 参考距离d 。 路径损耗指数n x 的标准差a 。 但是对小范围衰落，根据其参数关系以及处理域的不同，可以分为几种 不同的信道模型。这里我们只是简单介绍和分类，以期有一个总体的了解。 2131 频率选择性衰落和非频率选择。眭衰落 在衰落信道中，根据时域扩展特性，可以用最大额外时延乙和符号时间c 的 关系区分两种传播模型分类：频率选择性衰落和非频率选择性衰落。 t ，信 道是频率选择性衰落，此时接收到的多径信号分量符号扩展超过符号的持续时 间。当l w 或者l f 。但是，接收信号的强度因为信道在不 同时间具有不同的增益特性而不同，此时的信道通常为窄带信道，也可称作幅 度变化信道，由于深度衰落，信号的幅度变化范围可以达到2 0 - - 3 0 d b 。平坦衰 落信道特性可用图2 5 表示。 当信道具有等增益和线性相位特性的带宽小于传输信号的带宽时，此时信道 对接收信号产生频率选择型衰落，信道的时延扩展大于信号的码元宽度，信号中 不同频率的分量有不同的增益和相位。当各条多径的时延差与传输码元间隔相当 时，接收端的接收信号里含有前面几个码元的信号，即信道中引入了码间干扰 f i s i ) ，尽管在接收端信号的能量可能很大，但其中有相当部分的能量属于码间干 扰，用信道参数描述则为兀 c 。对频率选择型信道的分析和模型建 立比平坦型信道困难得多，必须对每条多径信道进行建模，此时的信道又称宽带 信道，信道时域、频域特性可用图2 1 表示。 图2 一l a 平坦衰落图2 1 b 选择性衰落 j ln 、l jo r c t f 、n f 、 介入，。阪炎班发 州n 硕上论文c d m a 2 0 0 0 系统r a k e 接嘘帆性能仿真和信道建模 2413 非时间选择性衰落和时间选择性衰落非频率选择陛衰落j 与传输的基带信号变化速率相比，信道可以分为快衰落信道和慢衰落信道。 在快衰落信道中，信道的冲击响应在一个码元的时间内就发生了很大的变化，即 信道的相关时间小于信号的码元时间，这就导致了信号的时间选择型衰落，也称 频率扩散，同样也导致了信号的失真。随着多普勒频移的增加，信号的失真更加 严重。用信道参数描述则为瓦 厂。 信道是否为快衰落或慢衰落，与信道是否为平坦型衰落或频率选择型衰落 无关。例如，平坦型衰落信道的冲击响应为冲击函数，当这个冲击函数的幅度不 随时间而变化时，成为平坦型慢衰落信道，当这个冲击函数的幅度随时间而快速 变化时，成为平坦型快衰落信道。在频率选择型快衰落信道中，每条多径分量的 幅度和相位的变化速率比传输