CDMA接入信道原理与仿真分析

CDMA接入信道原理与仿真分析接入信道原理在CDMA系统无线链路中，各种逻辑信道都是由不同的码序列来区分的。因为任何一个通信网络除主要传输业务信息外，还必须传输有关控制信息。对于大容量系统一般采用集中控制方式，以便加快建立链路的过程。为此，CDMA蜂窝系统在基站到移动台的传输方向(前向)上设置了导频信道、同步信道、寻呼信道和正向业务信道，这些信道每路都经过适当的Wash函数正交扩展，然后以1.2288MC/S固定速率由正交相位导频PN序列扩展；在移动台至基站的传输方向(反向)上设置了接入信道和反向业务信道。反向信道上发送的所有数据都经过卷积编码、块交织、64阶正交调制和长码直接序列扩展再发送。因此可得接入信道的组成方框图如图2.2所示：码元接入信道比特(每帧88比特)4.4kbps4.8kbpsI信道序列1.2288MC/S4.8ks/s14.4ks/s28.8ks/s加编码器尾比特卷积编码器码元重复码元分组交织器64进制正交调制器调制码元(沃尔什子码)coswt基带滤波器十十D十S(t)基带滤波器长码产生器十Q信道序列十simwt1.2288Mc/s长码掩码图2.1接入信道组成方框图下面对反向信道数据经过的主要模块原理进行详细叙述。2.1卷积编码原理卷积码(convolutionalcode)是由伊利亚斯(P.Elias)发明的一种非分组码。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.rn)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kvn,但m相当大。特别地，当k二1时，信息序列不再分成小块，以便可以连续处理，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。＞v/n,但m相当大。特别地，当k二1时，信息序列不再分成小块，以便可以连续处理，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二k/n,编码器级数为m二K—2,其中K是码的约束长度。图2.1.1所示卷积码编码器的一般原理框图。编码器由三种主要元件构成，包括Nk级寄存器、n各模2加法器和一个旋转开关。每个模2加法器的输入端数目可以不同，它连接到一些移存器的输出端。模2加法器的输出端接到旋转开关上。将时间分成等间隔的时隙，在每个时隙中有K比特从左端进入移存器，并且移存器各级暂存的信息向右移K位。旋转开关每时隙旋转一周，输出n比特(nk)。l?kl?k每次输入k比特2?k?l?kNk级移存器1+2+n+n个模2加法器每输入k比特旋转2周编码输岀图2.1.1卷积编码器的一般原理框图接入信道和反向业务信道所传输的数据都要进行卷积编码，卷积编码的码率为1/3,约束长度为9,设卷积编码器的生成多项式为：gl(x)?I?x2?x3?x5?x6?x7?x8g2(x)?l?xl?x3?x4?x7?x81258g(x)?l?x?x?x?x3下面通过图2.12具体讨论该卷积编码过程：输入bib8b7b6b5b4b3b2blbO+++编码输出图2丄2(2,1,8)卷积编码原理框图设输入信息比特序列为?b0bl?b8?,则输入bi时，编码器输出3b即ci,di,ei,输入和输出对应的关系如下：ci=b8b7b6b5b3b2b0di-b8b7b4b3blb0ei二b8b5b2blb02.2交织技术原理直接扩频CDMA支持同时在数量很大的用户群体而不光是单个用户之间的数字通信服务。这将反映在如何利用额外的维数和冗余来提高性能。使用了两种处理技术：用于提高额外冗余的交织技术和用于前向纠错的编码技术。交织技术作为一项改善通信系统性能的方式，将数据按照一定的规则打乱，把原先聚集成片的误码分散，使得突发性错误转化为随机性错误，这样使得错误码字个数在纠错码的纠错范围内，接收端就可以用较短的码字进行纠错。纠错编码基本上都是用于无记忆信道的，即针对随机错误设计的,然而噪声、干扰等会引起突发错误（连续多个错误），单纯地靠纠错编码不能抵抗突发错误，所以在实际应用中往往要结合数据交织技术。在发送端加上数据交织器，在接收端加上去交织器，使信道中的突发错误分散开来，将原来属于突发差错的信道改成独立的随机差错信道,从而充分发挥纠错编码的作用，因此交织技术实际上是一种信道改造技术。交织常与重复或编码相结合，是一种防止突发错误的时间分集形式.符号在进入突发信道传送之前被改变顺序或进行交织•如果传送时发生突法错误，恢复原来顺序就可以在时间上分散错误•如果交织器设计良好,那么错误将会随机地分布，用编码技术容易纠正.交织是排列符号序列的过程。这种为获得时间分集的重排过程称为交织，可以考虑两种方法：块交织和卷积交织，其中最常见的类型是块交织。这种方式常在数据分块分帧的情况下使用，如IS-95系统.另一方面，卷积交织对连续少数据流来说是比较实用的类型。块交织很容易实现,而卷积交织有很好的性能。IS-95用了以类似块交织技术为基础的交织形式，将在下面进一步讨论。假定由一些4比特组成的消息分组，把4个相继分组中的第2个比特取出来，并让这4个第1比特组成一个新的4比特分组，称作第一帧，4个消息分组中的比特2〜4,也作同样处理，如图2丄3所示。然后依次传送第1比特组成的帧，第2比特组成的帧，??o在传输期间，帧2丢失，如果没有交织，那就会丢失某一整个消息分组,但采用了交织，仅每个消息分组的第2比特丢失，再利用信道编码,全部分组中的消息仍能得以恢复，这就是交织技术的基木原理。概括地说，交织就是把码字的b个比特分散到n个帧中，以改变比特间的邻近关系，因此n值越大，传输特性越好，但传输时延也越大，所以在实际使用中必须作折衷考虑。1x341x341x341x34帧2丢失后的消息分组11112222333344441234123412341234消息分组交织交织后的消息分组图2.1.3交织原理IS-95系统交织一帧之内的数据，除了同步信道之外，其他信道都是20毫秒，同步信道的一帧周期上26.66毫秒.因此，所有的IS-95的交织器在块数据上操作.严格地说，并没有用块交织,但是交织的类型设计要依赖于信道和原始数据率.例如，反向链路通过矩阵之中以非传统的方法读出各行数据以改变最小间隔特性.2.3正交调制原理沃尔什函数是正交的、归一化的和完备的。。正交”是指两个不同的函数相乘，并在给定区间上积分，其结果为0。•归一化”的意思是如果两个函数相同，那么它们乘积的积分为K最后，•完备”大致可理解为：在给定的区间内，可使用这个正交函数集中函数的线性组合来逼近任意给定的函数,在正交函数的个数趋于无限的条件下，均方误差在•均值意义上”趋近于0。2.3.1Walsh函数波形Walsh函数是一种非正弦的完备函数系，其连续波形如图所示。由于它仅有两个可能的取值：十1或-2,所以比较适合用来表示和处理数字信号。利用Walsh函数的正交性，可获得CDMA的地址码。若对图中的Walsh函数波形在8个等间隔采样，即得到离散Walsh函数，可用48的Walsh函数矩阵表示。采用负逻辑从上往下排列可得图所示函数对应的矩阵如式所示：2.3.2沃尔什函数的产生方法沃尔什函数的产生方法有多种，可以使用莱德马契函数,也可以使用哈达玛短阵，还可以利用沃尔什函数自身的对称特性。下面仅以用哈达玛矩阵产生方式来介绍。哈达码矩阵是一个方阵，方阵的每一个元素为十2或列与列之间是正交的。如果一个矩阵的第列的元素都是2,那么我们说这个矩阵是规范。可以使用0代替十1,而使用2代替-2,即使用逻辑值{0,2}来表示哈达码矩阵，那么2x2的2阶哈达码矩阵可以表示为:H??l1???00?2?1?1??01?????如果HN是一个NxN的哈达码矩阵，于是有：THNHN7NIN这里IN是一个NxN的单位。如果规定N21为哈达码矩阵的阶数，那么N可取值为12或4t（t为整数）•设Ha和Hb分别为a阶和b阶的哈达码矩阵，那么HaxHb^Hab的阶数为ab运算规则如下:如果Ha矩阵中一个元素为十1（或逻辑值0）,那么用Hb来代入，如果该元素为-1（或为逻辑值2）,则用-Hb（或Hb的补）代入。如果N为2的幕，并规定H1二［十1］二，于是H2N可以由下式求得：?HNH2N????HN_HN?—?HN??这里规定HN为HN取负（为其补值）。N?2t的哈达码矩阵可以由N二2阶的哈达码矩阵的规范形式连乘得到。如果N?2t,则所有的哈达玛矩阵的行序列和列序列都是沃尔什序列。然而，用沃尔什函数表示和哈达玛函数表示之间存在一些差别,即哈达玛函数的行序号和列序号都与符号改变（过零点）的次数没有关系，而沃尔什函数却具有这种关系。显然，由哈达玛函数生成的沃尔什函数不是按照符号改变的次数排序的，因而需要一种方法对这两种排序进行相互转换。2.4直接序列扩展反向CDMA信道中，反向业务信道和接人信道将由长码直接序列扩展，以提供有限的保密性。对反向业务信道，直接序列（DS）扩展操作包含对数据脉冲随机发生器输岀数据和长码模2力口。数据脉冲随机发生器产生掩码符号0和1,随机地掩蔽由于码重复产生的冗余数据。掩码符号由帧数据率和长码的最后14比特位确定。对于接人信道，DS扩展操作包含64阶正交调制器输出和长码的模2加。设d(t)为Walsh码片调制的数据序列，Tb为数据比特时间间隔。Walsh调制的数据序列被长码c⑴的扩展则码片模2力口。每个c(t)脉冲称为码片，Tc表示码片时间间隔，TbMTco扩展PN码片序列速率固定在1.2288Mc/So由于6个编码符号由64个时间正交Walsh函数之一调制，调制符号发送速率固定在28.8/6=4.8ks/s。因此，每个Walsh码片由4个PN码片扩展，即1.2288?106/307.2?103?4o由1.2288Mc/s长码PN码片相乘的直接序列d⑴如图4.2所示。图2.4.12.5长码掩码产生原理长码提供了限的保密性。长码是242?1的PN序列，用于前向CDMA信道的扰码和反向CDMA信道的扩领。长码在前向业务信道和反问业务俏道惟一标识移动台。长码的特点是使用长码掩码来形成公用长码或私有长码。长码还用在相同CDMA信道上区分多重接人信道。当在当在接入信道上传输时，先进行长码直接序列扩展，然后发送。扩展操作包括64阶正交调制器输岀序列和长码的模2加，长码周期为242?1个码片，由码发生器的24221LFSR抽头多项式P(x)指定：P(x)?1?x1?x2?x3?x5?x6?x7?x10?x16?x17?x18?x19?x21好*_**********”*_*****35?x22??xx??xx??xx??xx??xx??xx??xx?x422.6短码产生原理正交扩频后的信号，都要进行四相调制。在同向支路(I)和正交支路(Q)引入两个正交的m序列，即丨信道引导PN序列和Q信道引导PN序列，序列周期长度为”*”，其构成是以下列多项式为基础的：对于相同丨序列：Pl(x)?l?x5?x7?x8?x9?xl3?xl5对于正交相位Q序列：+十林1215P(x)?l?x?x?x?x?x?x?x?xQ引导PN序列的主要作用是给不同基站发出的信号赋了不同的特征，便于移动台识别所需的基站。不同的基站虽然使用相同的PN序列，但个基站PN序列的自相关特性在时间偏移大于一个子码码元宽度后,其自相关系数值接近0,因而移动台用相关器很容易将不同基站的信号区分出来。通常一个基站的PN序列在其所有配置的频率上，都采用相同的时间偏置，而在一个CDMA蜂窝系统中，时间偏置也可以再用。第二章信道的仿真与分析3.1信道的总体仿真图根据系统接入信道的原理及原理框图，得出CDMA通信系统接入信道的总体仿真图如下：图3.1信道总体仿真图根据CDMA通信系统接入信道的组成方框图，大致可以将接入信道分成3个组成部分：1•帧处理子系统。帧处理子系统由加编码尾比特、卷积编码器及码元重复3个环节构成，研究中调用BernoulliBinaryGenerator产生成帧随机数据，调用GeneralCRCGenerator>ZeroPad>ConvolutionalEncoder以及Repeat模块依次实现加编码尾比特，卷积编码与码元重复。2•交织子系统。交织子系统用于实现码元的分组交织，研究中调用MatrixInterleave「、Bittolnteger>GeneralBlockDeinterleaver以及IntegertoBitConverter模块实现块交织。3•调制子系统。调制子系统主要由正交调制器、长码产生器、IQ信道序列等环节组成，研究中调用IS-95ARevChWalshModulator、IS-95ALongCodeGenerator>PNSequnceGenerator等模块依次实现了码元的正交调制、长码掩码的产生及IQ信道序列的产生。下面分别对这3个子系统进行仿真、分析与验证：3.2帧处理子系统在帧处理子系统中，调用BernoulliBinaryGenerator模块产生成帧随机信号，所产生的码序列服从贝努力概率分布，研究中，所需的码序列是基于帧格式输出的，所以这里将贝努力的输出设置为基于帧格式输出，根据原理,设置为88bit/帧,帧长为20mso接着调用GeneralCRCGenerator模块产生8位循环冗余检验(CRC)码，CRC码有两个作用：一是帧校验，指示该帧是否有错；二是指示传输速率。接着调用ZeroPad模块，在数据帧末端加入8个bit的0,用于对卷积编码器进行复位，同时使得数据速率达到所需的要求。然后调用ConvolutionalEncoder对码元序列进行卷积编码，为了使块交织模块输入的数据为576个符号，在这里调用Repeat模块对码元进行重复，使得输出满足要求。各模块详细设置如下：图3.2.1Bernoulli模块设置Bernoulli模块设置说明：(DProbabilityofazero：0.5表示模块以0.5的概率输出1,,0.5的概率输出0o(2)Sampletime：表示抽样时间，20/1000表示的是20毫秒，因为输出序列帧长为20ms;80是指每帧中含有80个比特数据，对于4800bit/s的速率而言，应该每帧的比特数为96个，由于后面的CRC产生器和ZeroPad分别产生了8个冗余循环码和8个尾比特0码，所以这里设置为80。综上所得这里每个比特的抽样时间为20/1000/80S.⑶Frame-basedoutputs：将输岀数据设置为基于帧结构的方式,由于研究所需的数据输入必须基于帧数据结构的，所以这里选择Frame-basedoutputs的选项。(4)Samplesperframe：由于每帧的数据是80比特，所以这里将抽样次数设置为80o图3.2.2CRC模块设置CRC模块设置说明：Generatorpolynomial：对丁■反向信道的HalfRate(半速率，也即为4800bit/s)而言，GeneratalCRCGenerator的生成多项式为：3478g(x)?l?x?x?x?x?x所以将Generatorpolynomial设置为：［110110011］o图323ZeroPad模块设置ZeroPad模块设置说明：Padsignalat：由于研究是在数据的末尾插入8位尾比特0,用于对卷积编码器进行复位，且使输出数据达到所需的速率要求，所以这里设置为EndoPadalong：由于我们在CRC的输出为［88x1］的比特数据，也即一列的数据，所以，为了在同一的数据后面添加8个0数据，我们在这里就将Padalong设置为：ColumnsSpecifiednumberofoutputrows：对于4800bit/s的速率而言,应该每帧的比特数为96个，所以这里设置为96。图3.2.4卷积编码模块设置卷积编码模块设置说明：Trellisstructure：该项指的示卷积编码器的生成多项式。9是指卷积编码器的约束长度，也即在卷积编码器中使用了8个移位寄存器;［557663711］是指卷积编码器的生成多项式，该多项式可以说明：这个卷积编码器有一个输入端，有三个输出端，也即，在卷积编码器利有三个模2判决电路。三个模2判决器与9个移位寄存器的关系分别V”表示与移位相应的寄存器相关，9”表示不相关。图3.2.5Repeat模块设置Repeat模块设置说明：(DRepeatitioncount：由于块交织器的输入端输入的数据每帧大小是576个符号，而重复模块前的数据是每帧288个符号，所以，我们在这个地方将重复设置为2次。(2)Frame-basedmode：由于输出的数据时基于帧结构的，所以这里将Frame-basedmode设置为Maitaininputframerate。综上所述可得帧处理子系统的仿真图如下：图3.2.6帧处理子系统仿真图其中，使用Buffer模块的作用是把Bernoulli模块、CRC模块、ZeroPad模块输岀的基丁帧结构的数据转换成每次输出一位数据，使得输出的数据可以用示波器来进行观察。Delay模块的作用是用来显示卷积编码模块、Repeat模块输出的前20位数据，用来验证卷积编码。由图所示的仿真图，可得示波器输出的波形如下图所示：图3.2.7示波器输出波形图由波形图可知，第二个波形相对于第一个波形而言，增加的比特为：20011210刚好8位比特，与理论中的在帧数据后面加入8位CRC冗余循环编码相符，验证了CRC冗余循环编码的正确性；第三个波形相对于第一个波形而言，增加的比特为00000000刚好8位比特，与理论中加入8位尾比特相符。Delay模块输出的数据如下图所示：图3.2.8卷积编码器和重复模块输出数据ZeroPad模块输出数据序列：***-**好*”*-*****0001卷积编码器输出数据序列:***-********-*****1111Repeat模块输出数据序列：*片*一ick'k'k'k'k'k'k取前6位数据进行分析验证，根据卷积编码的原理，结合图2.1.2可得，当输入bi第一位为2时，输岀为111,输入第二位1时，输出100,输入第三位2时，输出002,输入第四位1时，输岀为输入第五位0时，输出为101,输入第六位1时，输出为001。与卷积编码输出数据序列相比较可知，卷积编码理论与仿真结果相吻合。Repeat模块输出数据与卷积编码器输岀数据序列相比较可知，每个比特重复一次，也即输岀的数据时正确的，达到了所需的要求。3.3块交织子系统在IS-95CDMA通信系统中，采用的交织技术为块交织，交织的跨度为20毫秒，交织器组成的阵列式32行*28列(即576个单元)。仿真中，调用MatrixInterleaver模块将输入的［576*1］数据转换为［32*18］的矩阵。并调用BittoIntergerConverter模块将输入的数据按行转换为十进制的整数，作用是对交织的过程进行验证。调用GeneralBlockInterleave「模块将输入信号按照所需的顺序进行置换，实现信号交织的过程。最后调用IntegertoBitConverter将十进制整数转换成二进制的格式输出。各模块详细设置及原理解释如下:图3.3.1Matrix模块设置Matrix模块设置说明：Numberofrows:交织器组成的阵列式32行*28列，所以这里将行数设置为32Numberofcolumns：交织器组成的阵列式32行*28列,所以这里将列数设置为18图3.3.2BittoIntergerConverter模块设置BittoIntergerConverter设置说明：Numberofbitsinterger：为了将每行的18位比特转换成一个整数，所以这里的参数设置为18。图3.3.3GeneralBlockInterleave「模块设置GeneralBlockInterleaver模块设置说明：Elements：该参数是指交织模块的输岀顺序，这里设置为［1:1:32］是指按1-32行的顺序依次输出。图3.3.4IntegertoBitConverter模块设置IntegertoBitConverter模块设置说明：Numberofbitsperinteger：为了对BittoIntergerConverter输出的数据进行还原，所以这里设置为28,即将每个整数转换为18位二进制比特。综上所述，可得交织子系统模块的仿真图如下所示：图3.3.5交织子系统仿真图其中ToWorkspace模块是为了将数据输出到Matlab的workspace窗口，用于验证交织的过程。下而对Repeat模块输出取前108位数据进行分析验证：Repeat模块输出即simout4输出前108位数据按[32*18]排列为:***_***★★*”*_*****00 ***—********_*****2.1 ★*★-★***★***_*****QQ 片**_★***★★**_*****QQ★片*片*****00★片*一**片**片**_*片**片[]MatrixInterleave「模块即simout5输岀的前208位数据按[32*18]排列为: *片*一*******片一******片★一*****片*片一*片**片片**一********—★***★***—********_*****片**一********一********一七*******■********一*****0002对于矩阵交织器其作用是把输入的数据按行写入矩阵中，然后按列顺序输出数据。比较simout4与simout5的数据，可知simout5输出的数据是simout4的数据按列输出的排列，即simout输出数据为simout4的转置，理论与仿真结果想吻合。BittoIntergerConverter模块即simout6输出的前6位数据为：'k'kit'k'ky*****仝*****, *****?'k'kic'kifo由丁BittoIntergerConverter模块的作用是将每行的比特数转换成一个整数，对于第一行数据”*-********-”***00,我们将其转换为十进制的数据为*****,第2-6行转换成十进制为*************************f ! 1 •o*************************f ! 1 •据可以发现，数据是完全吻合的。GeneralBlockInterleaver模块即simout7输岀数据为：*片**片,七****,ic-k'k'k'k, *****$ *****©由于GeneralBlockInterleaver模块的作用是把输