（通信与信息系统专业论文）多媒体扩频传输中关键技术研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 扩频通信技术是一种优良的体制，多媒体传输是信息发展的要求，在第三代移动 通信系统中将实现多媒体扩频通信。由于各种媒体传输的速率是不同的，与传统的移 动通信系统相比较，差别主要有数据速率不同。误码率大小要求不同，时延要求不同 等。传统移动通信系统所提供的数据速率一般只有几k b p s ，而移动多媒体通信所要 求的数据速率范围为几m b p s 甚至几十m b p s ，在同一扩频系统内传输多媒体的扩频 比也不一样，就要采用不同长度的伪码，而且伪码之间必须保证正交性或准正交性。 伪码的长度，数量和正交性都是很重要的关键技术，同时也必须考虑在信道等变化时 保证通信质量。 本文首先分析了第三代移动通信中( 以w c d m a 为例) 实现多媒体扩频的方式， 多速率传输技术是3 g 研究的重点，w c d m a 中多速率传输可采用变处理增益传输 ( o v s f c d m a ) 方案及多码( m c c d m a ) 传输方案。本文在比较了这两种传输方案 的基础上，讨论了变处理增益方案传输中高速率和低速率用户之间的相互关系。 w c d m a 的信道扩频采用了长度可变的正交码序列。即o v s f 码用作扩频码。它为 w c d i a 提供高度灵活的业务起了非常重要的作用。在w c d m 系统，0 v s f 码保证了不同 物理信道之间的正交性。上行链路中扩频因子变化范围为4 - 2 5 6 。下行链路中，扩频 因子的变化范围是4 5 1 2 。o v s f 码作为种无线资源，需要合理分配。本文重点研究 了扩频码( o v s f ) 在w c d m a 下行链路中的分配策略，提出了基于优先级考虑的分 配策略，并进行了仿真。 最后对多媒体传输中的关键技术速率和功率的自适应技术进行了性能分析、比较 和数值仿真，结果显示速率的自适应技术在某些性能方面要优于功率自适应技术。 关键词：多媒体、扩频、正交可变扩频因子码、速率自适应、功率自适应 童坚笠芏塑堡塑! 差壁垫查婴壅 a b s t r a c t s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n i sa ne x c e l l e n ts y s t e m t h et r a n s m i s s i o no f m u l t i m e d i a w i l lb en e c e s s a r yi nt h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h em u l t i m e d i as p r e a d s p e c t r u mt r a n s m i s s i o nw i l lb er e a l i z e di n t h em i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h em o b i l em u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n s y s t e m n e e dt os u p p o r tt h et r a n s m i s s i o no f h i g h s p e e dd a t aa n dv a r i a b l es p e e dd a t ac o m p a r e dw i t ht h eo r d i n a r ys p r e a ds p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n t h ed a t ar a t er a n g e sf r o ms e v e r a lk b p st oh u n d r e dk b p sf o rw i d eu pt o 2 m b p s i no r d e rt oa s s u r ed i f f e r e n td a t ar a t et ot r a n s m i s s i o ni nt h es a m es p r e a ds p e c t r u m b a n d w i d t h ，w en e e dt o u s ed i f f e r e n tl e n g t h sa n do r t h o g o n a lp nc o d e s t h el e n g t h s ， n u m b e r sa n d o r t h o g o n a l i t yo f t h e p nc o d e sa r ei m p o r t a n t t e c h n o l o g i e s i nt h et h e s i sw e a n a l y z et h em e t h o d so fs p r e a ds p e c t r u mt r a n s m i s s i o no fw c d m a t w o m u l t i r a t et r a n s m i s s i o ns c h e m e sa r ed i s c u s s e da n dc o m p a r e d a n di no v s f c d m a t r a n s m i s s i o ns c h e m e ，w ea n a l y z et h er e l a t i o n s h i po f h i g h v e l o c i t ya n d l o w v e l o c i t y u s e r s w c d m a u s eo v s fc o d ea sc h a n n c ls p r e a ds p e c t r u mc o d e ，o v s fp l a ya ni m p o r t a n t r o l ei nw c d m aw h i c ho f f e r sf l e x i b l et r a f f i c s i nt h eu pl i n ko fw c d m at h es p r e a df a c t o r r a n g e sf r o m4 - 2 5 6a n dr a n g e sf r o m4 - 5 1 2i nt h ed o w nl i n ko fw c d m a o v s fc o d ei s i m p o r t a n tr e s o u r c e ，w e n e e dt o a s s i g nt h e mr i g h t l y a n d e f f i c i e n t l y w es t u d y t h e a s s i g n m e n to fo v s f c o d ei nt h ed o w n l i n ko fw c d m a i no r d e rt oa s s u r et h er e a it i m e t r a f f i c ，t h ed y n a m i c a l l o c a t i o nm e t h o db a s e do i lp r i o r i t yi sp r o p o s e da n ds i m u l a t e d i nt h ee n dw ec o m p a r et h et w ok e yt e c h n o l o g i e so ft h em u l t i m e d i at r a n s m i s s i o n t h e c o n c l u s i o ni n d i c a t e st h e a d a p t i v e r a t e t e c h n o l o g i e s a r eb e t t e rt h a n a d a p t i v ep o w e r t e c h n o l o g i e so ns o m e i s s u e s k e y w o r d s ：m u l t i m e d i as p r e a ds p e c t r u m o v s f a d a p t i v er a t ea d a p t i v ep o w e r 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 通信作为人们在信息获取和交流中不可或缺的重要工具，已在当今信息化时代扮 演着越来越重要的角色。移动通信作为能够提供快速便捷，可靠的通信方式，是当 今通信领域中最为活跃和发展迅速的领域之一，也将成为本世纪对人类生活和社会发 展有重大影响的科学领域之一。移动通信的快速发展，将使人类不论何时、不论何地 都能与任何人交流任何信息的个人通信愿望成为现实。 1 1 论文研究的背景 移动通信系统的发展和应用目前从技术体制上可划分为三代移动通信系统。随着 技术的不断发展和社会进步需求，第四代移动通信系统，第五代移动通信系统等也将 会相应出现。 第一代移动通信系统：7 0 年代中期至8 0 年代中期，移动电话以模拟方式为主的 频分多址( f d m a ) 和模拟调制( f m ) 为代表的系统，如美国的a m p s ( a d v a n c e d m o b i l e p h o n es e r v i c e ) ，北欧的n m t ( n o r d i em o b i l et e l e p h o n e ) ，英国的t a c s ( t o t a l a c c e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 模拟蜂窝网。在十年间经历了前所未有和出人意料的发展。 第二代移动通信系统：8 0 年代初至9 0 年代初期，移动电话以数字时分多址 ( t d m a ) 和数字调制技术( g m s k ，n 4 q p s k ) 、语音编码( r p e l p t ，v s e l p ) 技术为代表的g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) ，d a m p s ( d i g i t a l a m p s ) 和工作在1 5 g h z 的p d c ( p e r s o n a ld i g i t a ic e l l u l a r ) 数字蜂窝系统。 第二代数字移动通信系统采用信道数字复用、数字调制和低比特率话音编码技 术，克服了第一代模拟移动通信系统存在的频谱利用率低、话音质量不高、缺少必要 的通信安全功能及提供的业务受到限制等缺点。随着数字信号处理理论的发展和超大 规模集成技术的应用，通过理论分析和现场试验，认为码分多址( c d m a ) 在移动通 信环境下，在获得大容量和高质量方面是一种具有竞争性的体制。在8 0 年代末出现 了研制数字移动通信系统，如q u a l c o m m 公司的窄带扩频方案q - c d m a 、i n t e ld i g i t a l 公司的宽带扩频方案b c d m a 和c y l i n k 公司的码分方案s - c d m a 。 随着社会的发展，技术的进步，人们希望移动通信系统能和固定网一样提供将 话音、图像、数据等综合在一起的的交互式多媒体业务，这是第二代通信系统所不能 达到的。因此，人们的目光开始向第三代移动通信转移。 事实上，国际电联( i t u ) 早在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信系统的概念， 当时称为未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，1 9 9 5 年，又更名为国际移动电信 2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) 。i m t - 2 0 0 0 支持的网络被称为第三代移动通信系统，简称3 g ，它 将支持速率高达2 m b i t s 的业务，而且业务种类将涉及话音、数据、图像以及多媒体 等业务。它的主要特性有： ( 1 ) 全球化。全球普及和全球无缝漫游的系统：第二代移动通信系统一股为区域 多媒体扩频传输中关键技术研究 或国家标准，而第三代移动通信将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统。 ( 2 ) 多媒体传输。提供高质量的多媒体业务，如话音、可变速率数据、活动视频 和高清晰图像与多种业务，实现多种信息一体化。 ( 3 ) 综合化。能将现有的寻呼，蜂窝卫星移动通信系统综合在同一系统中，以提 供多种业务。 ( 4 ) 智能化 ( 5 ) 个人化 总之，全球漫游和多媒体传输是第三代移动通信系统所追求的主要目标，真正实 现“任何人，在任何地点、任何时间与任何人”都能便利地通信。 无线传输技术是第三代移动通信系统的重要组成部分，目前，国际上最具竞争力 的i m t - 2 0 0 0 无线传输技术主要有两种：w c d m a 技术和基于i s - 9 5 c d m a 的c d m a 2 0 0 0 。 另外，我国也提出了具有自己知识产权的t d s c d m a 系统。但不论是哪一种技术，宽 带扩频码分多址是第三代移动通信的基础 1 。 码分多址( c d m a ) 是一种扩频通信技术。码分多址采用宽带传输，功率谱密度低， 允许许多用户同时在同一宽带信道传输信息。c d m a 实现多址接续的方式是使用一组 正交( 准正交) 的p n 序列经相关处理实现多用户区分，达到通信的目的。c o m a 技术 有许多独特的优点： l 抗多径衰落 由于宽带传输，抗多径衰落性能强。它的信号频带大于信道的相干带宽，多径分 量可以分离，可采用多径分集接收技术，从而有效的减少了多径衰落对系统性能所造 成的恶化。 2 软容量 在频分和时分多址中，系统的容量是设计规定好的。在码分多址中，系统容量的 确定决定于允许的信噪比。因此，增加用户只是减少信噪比，降低通信质量，不会遭 到拒绝。c d m a 系统的容量是干扰受限的，有效的抑制多址干扰，将会使系统容量得 到显著的增加。 3 软切换 在c d m a 系统中，移动台的漫游可以通过软切换实现，软切换能够保证切换过程中 的连续性，减少数据丢失的概率。这一特点尤其适合移动多媒体通信。 4 弹性小区 在c d m a 系统中，功率控制技术和软切换技术的采用，导致不同基站的蜂窝小区边 界是动态可变的，当某一小区的负荷较重时，可以通过改变系统的门限信噪比，使部 分移动台切换到邻边的负荷较轻小区。 5 保密性和抗干扰性能 由于低功率谱传输和按地址码选取信息抗干扰性能和保密性强。 6 低功耗 南京航空航犬大学硕士学位论文 这是由c d m a 系统的功率控制技术所决定的，低功耗可以极大的延长电池的使用寿 命，减小移动台的体积。 扩频通信技术是一种优良的体制，多媒体传输是信息发展的要求，在第三代移动 通信中将实现多媒体扩频通信。由于各媒体传输的速率是不同的，在同一扩频系统内 传输多媒体的扩频比也不一样。与普通的扩频通信系统相比，必然面临许多新的技术。 同时由于移动通信信道的复杂性，无限资源的有限性对多媒体传输技术提出了更高的 要求。因此，移动多媒体传输是移动通信网络中的个巨大挑战，对它的关键技术研 究具有重大理论和实际意义，各国的学者正在对此进行广泛和深入的研究。 1 2 多媒体通信特点 1 2 1 媒体和多媒体 多媒体是英文m u l t i m e d i a 的译文，其核心词是媒体。所谓媒体是指信息传递和 存储的最基本的技术和手段，即信息的载体。由于信息被人们感觉加以表示，使之显 现实现存储或传输的载体各有不同，按照国际电联电信标准部建议的内容，媒体可分 为五类：感觉媒体：如声音，图像，动画，文本等。表示媒体如声音编码，图像编码， 文本编码等。显现媒体如显示器，打印机等输出媒体及键盘，鼠标等输出媒体。存储 媒体如硬盘，光盘等。传输媒体如电缆，无线电链路，光纤等。如果媒体携带的信息 种类只有一种，如只有图像，则这种媒体称为单媒体。如果媒体携带的信息不只一种， 而是图像，文字，声音的综合，则称为多媒体。它是充分利用了人的各种感官，来达 到最有效最生动地进行信息交流的目的。目前在技术上能够处理的信息种类主要包 括：声像图文四种。 1 2 2 多媒体通信 多媒体通信是指在一次呼叫过程中能同时提供多种媒体信息声音，图像。文 字，语音的通信方式。和单一媒体的通信方式相比较，利用多媒体通信，用户可以图 文并茂地交流信息，分布在不同地点的多媒体信息，还可以步调一致地作为一个完整 的信息呈现在用户面前，而且用户对通信全过程具有完备的交互控制能力。这就是多 媒体通信的分布性，同步性和交互性等特点。多媒体通信的业务类型主要有会话型： 你与朋友通话可以看到形象；你与国外的合作伙伴进行谈判，可以看到对方提供的样 品。电子信函型：你可以在任何时间向远方的朋友发出( 或接收) 集声像图文一体的 电子邮件。检索型：可以从不同地点的多媒体数据库中检索到所需的信息。要实现如 此诱人的多媒体通信，需要解决许多重大技术问题。首先是通信网的问题，必须能灵 活的传输交换具有不同传输速率，不同传输要求的多媒体信息。其次要解决多媒体信 息的压缩问题，信号的频带压缩到一定的范围。还要研制至少可以存储显示处理两种 多媒体扩频传输中关键技术研究 以上多媒体信息的多媒体终端设备等。 1 2 3 多媒体通信的服务质量 服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 是一种抽象概念，用于况明通信服务的“良 好”程度。由于不同的应用对通信网络性能的要求不同，对通信网络所提供的服务质 量期望值也不同，这种期望值可以用统一的q o s 概念来描述，在不同的应用系统中， q o s 参数级的定义方法可能是不同的。例如，可以使用网络性能参数来定义q o s ，即 q o s = 吞吐量，误码率，延迟) ，对连续多媒体传输来说，端到端延迟和延迟抖动是两 个关键的参数。多媒体应用，特别是交互式多媒体应用对延迟有严格的限制，不能超 过人所能容忍的程度；否则，将会严重的影响服务质量。表1 1 给出几种多媒体对象 所需的q o s 。 总之，一个良好的多媒体通信系统必须具有q o s 支持能力，最大限度的满足用户 的q o s 要求。 表1 1 多媒体通信的q o s 最大延迟最大延迟平均吞吐可接受的 ( s )抖动( m s )量( m b s )误码率 语音0 2 5 l o0 0 6 4 1 0 2 活动图像 0 2 51 01 0 01 0 吨 静止图像 l2 - 1 01 0 q 数据文件 l2 - 1 0 0o 实时数据 0 0 0 1 - 1 1 00 1 2 4 第三代移动通信系统的q o s 分类 在带宽资源一定的情况下，传输延迟和误码率特性是一对矛盾此消彼长的特性： 如果要求较低的传输延迟，就必然会以牺牲误码率特性为代价：如果要求较低的误码 率，就必然会带来较长的传输延迟。因此，根据各种业务对传输延迟和误码率特性要 求的不同，3 g 定义了以下4 种不同的q o s 类别： 会话类( c o n v e r s a t i o n a lc l a s s ) ： 流类( s t r e a m i n gc l a s s ) ： 交互类( i n t e r a c t i r ec l a s s ) ： 后台类( b a c k g r o u n dc l a s s ) ： 不同q o s 类别之间最显著的区别是对传输延迟的敏感性，会话类是最敏感的，而后台 4 南京航空航天大学硕士学位论文 类是最不敏感的。 会话类和流类主要用于传输实时业务流，它们之间的主要区别在于对传输延迟的 敏感性。会话类实时业务，如视频电话，是对传输延迟最敏感的应用，这些业务数据 流应当作为会话类来承载。 交互类和后台类主要用于w w w ，e - m a i l ，t e l n e t ，f t p 等应用。由于这两类业务的延 迟要求比较宽松，因此与会话类和流类相比，可以通过信道编码和重传机制获得较低 的误码率。交互类和后台类的主要区别是交互类用于交互式通信，而后台类则主要用 于后台业务通信。在调度过程中，交互类业务比后台类业务有更高的优先级，只有当 交互类应用不是用传输资源时才允许后台类应用使用这些资源，这一点在带宽相对比 较窄的无线环境中是非常重要的 5 。 1 3 多媒体扩频传输的关键技术研究 多媒体传输中，过窄的带宽不适应要求。而带宽过宽，速率过高，技术上存在较 大困难。较适中的处理带宽是5 m h z 和i o m h z ，最大不超过2 0 m h z ，能满足多媒体业务的 要求。与i s 一9 5 扩频带宽为1 2 5 m 的窄带c d m a 相比，宽带w c d 眦具有更宽的频带， 在宽频带上使用码分多址技术，频谱效率更高，系统容量更大，更能体现扩频通信的 优越性。移动通信窄带走向宽带的必然趋势和宽带码分多址具有的优势来看，无线多 媒体通信使用宽带码分多址技术是必然的选择。宽带码分多址有许多关键技术： 1 c d m a 的扩频编码，是c d t a 的基本课题。在宽带c d m a 的系统中，要灵活方便的提 供不同的传输速率，彼此相差几十倍甚至上百倍，使用不同的扩频码长是解决的一种 方式。如何构造不同码长的正交码，如何进行分配都是要研究的课题。文献 1 2 卜 1 9 等对此进行了一些阐述，但是真正效率高、实际有用的算法还有待进一步研究。 2 宽带c d m a 的多媒体业务服务，要实现灵活提供不同数据速率的要求，往往把数据 调制和扩频调制结合在一起，称为复合调制方式。复合调制有许多方法，多载波，多时 隙，多码及q a mc d m a 等，文献 9 1 0 对多码调制的性能进行了研究，文献 3 2 提出 了变速率q a m 调制方式并对此进行了性能分析。这些方式的优劣有待进一步研究比 较。 3 调制解调技术：q p s k ，o q p s k ，1 6 q a m 等调制方式具有较高的频谱效率，而格码调制 ( t c m ) 将编码和调制相结合，效果更好，但实现很复杂。目前在i m t 一2 0 0 0 中没有实 用化。当前国内正在探讨将t u r b o 码和t c m 结合起来，以利用两种技术的优点。 4 功率控制技术：在c d m a 系统中，功率控制对抗远近效应，对保证系统容量至关重 要。传统的窄带d s - c d m a 系统仅支持话音和少量的低速数据业务，为了克服远近效应 采用功率控制技术使用户到达基站时的功率相等。但在多媒体c d m a 系统中，一个用 户可以有多种业务，不同的业务有不同的传输速率和不同的传输质量( q o s ) 要求，如 一 一童燮堡芝塑堡垫! 叁壁垫查塑至 果仍使各用户到达基站时的功率都相等。则会导致一些业务发送功率利用率不高，导 致系统容量下降。为了提高系统容量和资源利用率，人们提出了适用于多媒体c d m a 系统的各种功率分配和控制算法，如非线性算法 2 7 2 8 ，新的功率控制函数 2 9 等。 5 速率自适应技术：在移动无线电环境中存在多径衰落和时延。对于宽带传输信 号，将会产生频率选择性衰落，另一方面，移动通信所需要的频率资源是非常有限的， 尤其对于移动多媒体系统而言。多媒体传输中，我们可以利用媒体的o o s 的不同，通 过预测信道特性的变化，自适应的调整数据速率，调制方法，主动克服衰落，增大系 统容量，提高频谱效率。目前这方面的研究国内开展还较少，大多数集中在定性的分 析中。所以本文作了些定量的分析。 1 4 论文的研究内容及结构安排 本文首先研究了第三代移动通信中实现多媒体扩频传输的方式，以w c d m a 为例， 讨论分析了扩频码的使用及其性能。并对多速率传输的技术变扩频处理增益和多码传 输的性能进行了分析。接着对正交可变扩频因子码( o v s f ) 的分配策略进行了讨论和 比较，在此基础上提出了基于优先级考虑的o v s f 码分配镱略并进行了仿真。最后对 速率自适应技术的性能进行了分析，并和功率的自适应技术做了比较，结果表明，速 率自适应技术在某些性能方面要优于功率自适应技术。 全文共分为五章： 第一章为绪论部分，介绍了课题研究的背景，多媒体通信的特点，多媒体扩频传输的 关键技术及国内外研究的概况，论文研究内容及布局结构。 第二章详细分析了第三代移动通信( w c d m a ) 实现多媒体扩频的方式及扩频码的特点。 第三章主要对d s c o m a 系统中多速率传输技术进行了分析，比较了变扩频处理增益及 多码传输方案的性能，并讨论了变处理增益方案中高速率用户和低速率用户的相互关 系和影响。 第四章主要对正交可交扩频因子码( o v s f ) 的分配策略进行了研究，在讨论了o v s f 码 的一些分配策略的基础上，提出了一种基于优先级考虑的分配算法并进行了仿真。 仿真结果表明对于优先级别高的业务能有效降低阻塞率，提高系统的容量。 第五章在多媒体的传输中，由于各业务o o s 的不弼。跟单纯的语音传输相比较，可 以采取更为主动积极有效的措施抗信道衰落，自适应调整数据速率，提高系统的容量。 本章着重分析了速率的自适应技术在衰落信道下的性能，并氧功率的包适应技术进行 了比较。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章w c d m a 的扩频调制 2 1 概述 扩频通信是一种优良的通信体制，是通信领域中的一个重要发展方向。由于它具 有抗干扰能力强，信号隐蔽，保密，测距和易于组网等一系列独特的优点，引起了人 们极大的关注，这使扩频技术的研究取得了迅速的发展。随着信息业务的不断发展， 多媒体传输是必然的趋势，在第三代移动通信中将实现多媒体的扩频通信。由于各种 媒体传输的速度是不一样的，在同一扩频系统中传输的扩频比也不一样，即扩频增益 不同，就要采用不同长度的伪码，而且伪码之间还要保持正交性或准正交性。本章主 要对第三代移动通信( w c d m a ) 的扩频方式进行了分析，与窄带( i s 9 5 c d m a ) 作了比较。由于扩频码是码分多址系统中很重要的技术，本章还对扩频码g o l d 码和 m 序列的多址性能进行了仿真验证及比较。 2 2 扩频码分多址通信 2 2 1 扩频通信的基本原理 扩频通信，是指用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种通信方式， 在移动通信系统中，带宽是一个非常有限的资源。因此，移动通信系统中所有调制和 解调技术的设计思想就是最小化传输带宽。而扩频技术使用的带宽比要求传输信号带 宽大很多。尽管这种方法对单个用户效率很低，但是，扩展频谱的优点是很多用户可 以在同一频带中通信，在存在多用户干扰的环境中，扩频系统有很高的频谱效率。 根据香农信息论，对于连续信道，如果信道带宽为b ，且受到加性高斯白噪声干 扰信道容量理论公式 c = b l o g ：( 1 + 务 公式中b 为带宽，n 为白噪声的平均功率，s 为信号的平均功率，s 腻是信噪比。 c 是信道可能传输的最大信息速率。 从上式可以看出，给定的信道容量可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输。当 c 不变时，增加带宽b 可以降低接收机接收的信噪比门限值s ，n 。这就是扩频通信的 基本原理，即用频带换取信噪比。 2 2 2 直扩式码分多址通信 扩频通信系统有直接序列扩频和跳频跳时，其中，直接序列扩频是最典型的扩频 通信系统j 它的实现框图如下所示： 多媒体扩频传输中关键技术研究 圈2 - 1 扩频通信系统模型 与传统的通信系统相比较，发端多了扩频调制，收端多了扩频解扩。在c d m a 通信中，它利用扩频序列区分用户。 d 直扩系统的主要技术指标( 1 ) 处理增益g = i - t c ，r c ，r 分别表示扩频速率和信 k 息速率。它反映了使用扩频技术的系统抗干扰性能和不使用扩频技术时同一系统性能 之间的差值。( 2 ) 干扰容限m ，= g 一【l ，+ ( s ) 。】，k 为实际传输的路径损耗。 m i 直接反映了扩频系统接收机所允许的干扰最大强度值。 2 2 3 扩频序列的特点 扩频通信系统的许多优异特性都与扩频码的设计有关，扩频序列应具有良好的伪 随机特性和相关特性。理想的扩频序列应具有如下特性：( 1 ) 尖锐的自相关特性；( 2 ) 有处处为零的互相关：( 3 ) 扩频序列中o ，1 的个数相等：( 4 ) 有足够多的扩频码； ( 5 ) 有尽可能大的复杂度。码序列最理想的相关特性应该是接近白噪声的特性，但 是真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的。我们只能产生一种周期性的脉冲 信号来近似白噪声的性能，故称为伪随机码或p n 码。伪随机序列满足三个特性：( 1 ) “0 ”的个数比“l ”的个数仅相差一位( 2 ) 符合游程特性，即长度为l 的游程占总游程 的1 2 ，长度为2 的游程占总游程的l 4 ，长度为3 的游程占总游程的l 8 ，以此类推， 此外，还有一个长为n 的“1 ”游程，长为n 1 的“0 ”游程。( 3 ) 具有尖锐的自相关 特性。在直接序列码分多址移动通信系统中最常用的扩频序列有以下几种： ( 1 ) m 序列 m 序列是最大长度线性反馈移位寄存器序列，它的生成可用移位寄存器序列发生 器的特征多项式来确定。由于m 序列容易产生、规律性强、有许多优良的性能，在 扩频通信中最早获得广泛的应用。在二进制移位寄存器发生器中，若r l 为级数则所 能产生的最大长度的码序列为2 “1 位。图2 2 为一简单的三级移位寄存器构成的m 序列发生器。图中d 1 、d 2 、d 3 为三级移位寄存器，o 为模二加法器。在时钟脉冲 的驱动下，三级移位寄存器的数据发生变化，d 3 的变化即输出序列。如移位寄存器 南京航空航天大学硕士学位论文 各级的初始状态为1 1 l 时，输出序列为1 1 1 0 0 1 0 ，日p 为m 序列。在输出周期为2 3 1 = 7 的码序列后d l 、d 2 、d 3 又回到1 1 1 状态。 图2 - 21 i 序列发生器 从这个例子可看出：i l l 序列的最大长度决定于移位寄存器的级数，码的结构决定 于反馈抽头的位置和数量。但是并不是任何抽头组合都能产生m 序列。理论分析指 出，产生的m 序列数由下式决定： 0 ( 2 ”一1 ) 月 其中o ( x ) 为欧拉数( 即包括1 在内的小于x 并与它互质的正整数的个数) 。例5 级移 位寄存器产生的3 l 位m 序列只有6 个。人们发现m 序列具有优良的二值自相关特性， 但两个相同长度的m 序列的互相关特性并不都很好。 此外，由很长的m 序列截成若干段较短的序列，例如长度p = 2 1 5 1 = 3 2 7 6 7 的m 序 列截为长度等于6 4 的序列段，可得到约5 1 2 种序列，这种序列段称为m 序列的截段 码或短截码。人们经计算统计分析，表明这种码也具有伪随机性。 ( 2 ) g o l d 序列 m 序列是特性很好的伪随机序列，但同样长度的m 序列个数不多，且序列之间的 互相关值并不都好。r g o l d 于1 9 6 7 年提出了一种基于m 序列的码序列，称为g o l d 码。这种序列有良好的自相关和互相关特性构造简单，产生的序列数多，因而获得 了广泛的应用。 如果有两个1 1 1 序列，它们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件： f n + l l ：k “m 为奇数 1 22 + 1 ，”为偶数 我们称这一对m 序列为优选对。如果把两个m 序列发生器的优选对序列模二相 加，则产生一个新的码序列，即g o l d 码序列。g o l d 序列的主要性质有以下三点：g o l d 序列具有三值自相关特性；g o l d 序列的序列数比m 序列数多得多：同类g o l d 序列互 榻关特性满足优选对条件。此外，g o l d 序列的互相关峰值比m 序列小得多。这一特 多媒体扩频传输中关键技术研究 性在码分多址时非常有用。就平衡性来讲，g o l d 序列可分为平衡序列和非平衡序列。 平衡序列中1 的个数比0 的个数多一个，非平衡序列中1 的个数和0 的个数相差很多。 在直接序列扩频通信系统中码的平衡性对载波抑制度有密切的关系。码不平衡载漏增 大，破坏扩频系统保密抗干扰能力。因此在d s 系统中我们应选用平衡g o l d 码作 地址码，使调制信号频谱在载波处无分量。 在直接序列扩频小容量码分多址系统中，我们通常选较短周期的g o l d 码来实现， 主要考虑在快速捕获和互相关多址干扰方面的一个折衷。码长较短，其随机性差，码 字间的互相关最大值也大。欲实施大容量的c d m a 通信系统，其码长取值应大，目 前i s 9 5 c d m a 系统中，地址码长为2 15 1 ，互相关值很小。 g o l d 码的长度等于对应m 序列的长度。是奇数，其互相关不为0 ，属于准正交 码。若在同一优选对产生的g o l d 码末尾加一个o ，则构成的偶位g o l d 码相互正交，它 的互相关函数( 0 ) = 0 ，这种码称为正交g o l d 码。 ( 3 ) k a s a m i 序列 k a s a m i 于1 9 6 5 年提出了一种伪随机序列，人们称之为k a s a m i 序列。k a s a m i 序 列也是一种非常重要的二进制序列，这是因为它有非常低的互相关。k a s a m i 序列分 为小集k a s a m i 序列和大集k a s a m i 序列，小集k a s s a m i 序列的互相关最大值接近理论 下界( w e l c h 界) 。产生周期为n = 2 “1 ，个数为2 n a 的小k a s a m i 序列的过程类似于产生 g o l d 序列。但它的个数比g o l d 序列少。大集k a s a m i 序列互相关特性没有小集k a s a m i 序列优良，但它包含了小集k a s a m i 序列，g o l d 序列族。其序列的个数远比g o l d 序 列族多。如果在较高互相关要求的应用场合中，选用小集k a s a m i 序列将是非常合适 的，在要求有较多地址码的情况下，k a s a m i 序列比g o l d 序列可优先采用。 ( 4 ) m 序列 上述r f l 序列、g o l d 序列是线性最大长度反馈移位寄存器产生的，m 序列是n 级 非线性最大长度移位寄存器序列。m 序列中0 和1 的个数相等，同时m 序列数目随 n 增大而急剧增大。与m 序列相比，它的平衡性要好，在需要大量伪码序列的地方， m 序列还是十分诱人的。但是，由于m 序列不再具有移位相加特性，m 序列的自相 关函数远不及m 序列优良。同时，实现n 级m 序列比实现n 级i l l 序列在设备上要 复杂的多，对码长要求大的m 序列其实现的设备更复杂。 ( 5 ) 正交序列 在码分多址通信系统中众多的用户工作在同一时间同一频段内，各个用户分配 了一个独特的扩频码，各个用户所使用的扩频码集不可能保持严格正交，菲零的互相 关值将引起多址干扰( m a d 。多址干扰将使系统容量受到限制。如果序列间互相关 值越低，系统的多址干扰小，系统性能就越好。正交序列的互相关函数为零，我们称 之为第二类广义伪随机序列，沃尔什( w a l s h ) 序列是一类正交序列，也是一种重要 o 南京航空航天火学硕士学位论文 的扩频序列，已在通信领域得到了广泛应用。 w a l s h 序列可由哈达玛( h a d a m a r d ) 矩阵的行和列构成。哈达玛矩阵 h n 】可由下 面递归关系式生成： 叶陉一麓 其中n = l ，2 3 【h 。1 = 1 。 哈达玛矩阵，每一行看作一个二元序列，则n = 2 “阶矩阵【h 。】可得到一共n 个序 列，每个序列的长度仍为n ，所构成的正交序列中任意两个互相正交。这组正交序列 称为w a l s h 序列。在i s 9 5 c d m a 中。6 4 6 4 阵列的w a l s h 序列被应用在上下行链路 中。 2 2 4i n 序列和g o l d 码多址性能的比较 码分多址通信中，扩频序列的互相关性直接影响了系统的多址性能。作为扩频序 列应用，希望互相关值越小越好。在w c d m a 中，使用g o l d 码区分用户和小区，在 这里进行了仿真验证，比较了m 序列和g o l d 码的多址性能。仿真所用的扩频序列的 长度均为3 l 位，有4 个用户，在噪声和正弦干扰的条件下，期望用户的误码率如下 图2 - 3 所示。从中可看出，用户使用m 序列和使用g o l d 序列误码率相差很大，这充 分说明了g o l d 码的多址性能远远好于m 序列。 图2 - 3 m 序列和g o l d 的多址性能比较 2 3 窄带c d m a 的扩频方式及特点 窄带c d m a 系统指的i s 9 5 c d m a 系统，i s 9 5 是目前商用的窄带c d m a 系统 多媒体扩频传输中关键技术研究 的空中接口信令标准。它最早是由高通公司提出来的。i s 9 5 采用频分弼a 2 1 2 ( f d d ) ， 移动台的发射频率是8 2 4 m h z 到8 4 8 m h z ，基站的发射频率是8 6 9 m h z 到8 9 3 m h z ，信 号的带宽是1 2 5 m h z 。i s 一9 5 支持的最高速率为9 6 k b s ，扩频后的码片速率为 1 2 2 8 8 m c s , 扩频增益为1 2 8 。在i s 9 5 中，每个基站有6 4 个信道，基站和用户中的每 个信道用6 4 个相互正交的6 4 位w a l s h 码中的一个表征。前向和反向链路中的扩频过 程是不同的。 前向链路中，一给定基站的每一个移动台均分配一w a l s h 码，所有信号在加扰后 再与一对序列周期长度为2 1 5 1 的短码相乘，该序列用以区别各基站，即每个基站只 有一个具有某相移的短码与其对应。前向链路中有导频信道，同步信道，寻呼信道 和业务信道四种。其中，导频信道功率最强，可作为其它信道的相位参考，完成前向 信道的相干解调。 反向链路中，只有反向接入信道和反向业务信道两种信道。由于反向链路中没有 公共导频信道，而且各用户信号到达基站的路径也不同。所以反向信号的处理与前向 有很大的不同。首先进行正交调制，即每6 b i t 用一个6 4 位w a l s h 函数中的一个进行 映射，然后经过数据突发扰乱器，用周期长度为2 4 2 _ 1 的长码中的一段进行扩频，最 后再与相位偏置为0 的一对短码序列相乘。这里的长码包含了移动台的身份信息。 为了克服远近效应，i s 一9 5 在反向链路中加入功率控制，使基站段每个用户的接收 功率相同。它的功率控制有开环功控和快速闭环功控两种。开环功控用于反向接入信 道。闭环功控的频率是8 0 0 h z ，定期在业务帧中插入功率控制比特组。如果没有快速 闭环功率控制，由衰落引起的快速功率变化将会降低系统中所有用户的性能。 2 4w c d m a 的扩频调制 w c d m a 是第三代移动通信( 3 g ) 发展中的一个重要标准，f d d ( 频分双工) 是 w c d m a 的主要制式，它使用的频带约为5 m h z ，称为宽带c d m a 系统。它和窄带 c d m a 系统均为直接序列扩频系统( d s s s ) 。值的注意的是，宽带和窄带c d m a 系 统目前没有统一的界定，可以用扩频后的码片速率或带宽来区分。一般来讲，宽带 c d m a 的信道会表现出比窄带更严重的频率选择性衰落，那么宽带c d m a 系统是否 因频率选择性衰落而导致性能恶化呢? 其实不然，因为宽带c d m a 系统具有较高的 传输速率，所以具有较好的径分辨能力。另外，由于它采用了相干解调技术，总体性 能要优于窄带c d m a 系统。 2 4 1w c d m a 的基本特点 它最基本的原理是将上行( 移动台至基站) 链路和下行( 基站至移动台) 链路划 分不同的频段进行通信，与窄带c d m a 相比，它具有如下的特点： 采用c d m a 技术作为系统的多址方式，为了适应不同业务的需求，采用可 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 变扩频因子( o v s f ) 技术，扩频因子为4 - 5 1 2 。 支持异步和同步的基站运行方式，便于灵活组网。 信道带宽为5 m h z ，码片速率为3 8 4 m c p s ，在全覆盖和移动的条件下，提供比 特率为1 4 4 k b i f f s 的业务，最佳的比特率为3 8 4 k b i f f s ，在有限覆盖的条件下， 能提供最高至2 m b i t s 的数据目标。 传输速率灵活多变，支持的业务种类很多，从低速的语音业务，到最高速率 为2 m b i t s 的数据业务，以及同时包含语音和数据的混合业务，并且支持不 同等级的服务质量( q o s ) 。 除了在窄带c d m a 中使用卷积编码技术外，还增加了用于高速率数据业务 传输的t u r b o 编码技术。 在调制方式上，窄带c d m a 系统前向采用q p s k 技术，反向采用o q p s k 技 术。w c d m a 采用了上下行q p s k 调制方式，并采用了两次扩频的方式，使 用正交可变扩频因子码，这种码字保证了下行链路不同用户信道或同一用户 不同业务信道的正交性。 功率控制技术的运用，在上下行都采用了闭环和开环功率控制技术，提高了 系统的容量。 支持硬切换和软切换，软切换的应用，体现了c d m a 技术的优越性，保证 了手机在小区交接处良好的性能。 核心网络基于g s m g p r s 网络的演进，并保持与g s m ，g p r s 网络的兼容性。 2 4 2w c d m a 物理信道 w c d m a 系统中的物理信道定义为一个特定的载频、扰码、信道化码、时间长 度和一个上行相对相位( o 或z r 2 ) 组合。时间长度以整数个码片来标识。协议中规 定的码片组合有以下几种：无线帧，一个无线帧包含1 5 个时隙，3 8 4 0 0 个码片；时 隙，一个