第三代移動通信CDMA2000仿真實驗設計分析

1、第三代移動通信CDMA2000的仿真實驗設計分析摘要CDMA是在無線通訊上使用的技術(shù)，允許所有使用者同時使用全部頻帶，且把其他使用者發(fā)出訊號視為雜訊，完全不必考慮到訊號碰撞問題，CDMA系統(tǒng)是基于碼分技術(shù)和多址技術(shù)的通信系統(tǒng)。CDMA技術(shù)的標準化，推進了這項技術(shù)在世界范圍的應用，是移動通信技術(shù)的發(fā)展方向。 CDMA技術(shù)的出現(xiàn)源自于人類對更高質(zhì)量無線通信的需求，本設計選取CDMA移動通信系統(tǒng)部分內(nèi)容進行仿真與分析，首先，學習相應的理論知識并熟悉接入信道實現(xiàn)過程，其次對MATLAB軟件中的SIMULINK部分及其內(nèi)部的CDMA模塊用法和參數(shù)設置進行熟悉，然后運用MATLAB對接入信道部分進行設計并

2、分析、仿真與驗證。目的是通過熟悉現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理，以提高對CDMA移動通信系統(tǒng)知識的深刻認識。關(guān)鍵字 CDMA系統(tǒng) MATLAB 仿真分析 引言隨著社會、經(jīng)濟的發(fā)展，移動通信得到越來越廣泛的應用，移動通信技術(shù)的發(fā)展日新月異。CDMA作為一種抗干擾的通信手段，很早就在軍事通信中得到應用。隨著通信系統(tǒng)的復雜性不斷增加，傳統(tǒng)的設計方法已經(jīng)不能適應發(fā)展的需要，因而要通過仿真，來降低系統(tǒng)失敗的可能性，優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能，因此仿真是通信技術(shù)研究中不可缺少的方法。而通信系統(tǒng)仿真是一個螺旋式上升的過程，在這個過程中可能需要對原來的仿真模型進行若干次的修改，才能實現(xiàn)最初的設計目標。本課題的一

3、些基礎(chǔ)理論已經(jīng)在移動通信以及通信原理相關(guān)課程中學習到，擴頻通信技術(shù)、碼分多址技術(shù)和同步技術(shù)是CDMA的關(guān)鍵技術(shù)。通過對CDMA系統(tǒng)的研究，更進一步了解CDMA系統(tǒng)擴頻通信的過程，加深了對CDMA擴頻通信技術(shù)和碼分多址技術(shù)的理解。同時，借助理論上和仿真實驗方面得出的結(jié)論我們可以進一步深入理解CDMA技術(shù)何以發(fā)展如此快速。2第一章課題的背景及研究意義和目的1.1 課題的背景CDMA(Code Division Multiple Access)是由美國的Qualcomm公司開發(fā)的一種技術(shù)，直譯為碼分多址，是在擴頻通信的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它利用相互正交的不同編碼分配給不同用戶調(diào)制信號，實現(xiàn)多用戶同時使

4、用同一頻率接入系統(tǒng)和網(wǎng)絡。它會將原信號頻譜帶寬擴展，即所謂的擴頻。CDMA通信系統(tǒng)采用的是直接序列擴頻方式1，用一個碼序列去調(diào)制原始數(shù)據(jù)信息，調(diào)制后的信息就能以高速傳輸。CDMA技術(shù)的標準化經(jīng)歷了如下幾個階段(如圖1-1所示)IS-95AIS-99，IS-657IS-95BIS-95HDR，IS-95CCDMA2000 1X RTTCDMA2000 3X RTTCDMA2000IS-95圖1-1 DMA技術(shù)標準化經(jīng)歷中國CDMA的發(fā)展并不遲，也有長期軍用研究的技術(shù)積累。1993年國家863計劃已開展CDMA技術(shù)研究。1994年首先在天津建技術(shù)試驗網(wǎng)。1998年具有14萬容量的長城CDMA商用試

5、驗網(wǎng)在北京、廣州、上海、西安建成，并開始小部分商用。同時聯(lián)通也在廣東、北京、天津、上海等地建CDMA商用試驗網(wǎng)。經(jīng)過幾年的發(fā)展，各地的CDMA網(wǎng)已經(jīng)初具規(guī)模，發(fā)展速度之快令世人矚目2。在網(wǎng)絡建設的同時，我國在CDMA標準制定和實施方面也有了很大的發(fā)展。在1999年4月成立了中國無線通信標準研究組CWTS，其主要目的是加強我國的標準制訂工作。我國目前采用的CDMA標準主要是向美國標準靠攏，同時結(jié)合我國的實際情況。如空中接口在美國的標準中注重CDMA與AMPS雙模兼容，而在我國則沒有這種需求，因此其頻率、基本頻道的設置及IMSI等方面都需要進行修改；在A接口上，美國的標準兼容了多種制式，而在我國只

6、需要其中的CDMA一種；同樣網(wǎng)絡接口IS-41系列標準也需要進行必要的修改。在吸收和引進國外各項標準的同時，我國也正在積極開發(fā)滿足我國電信網(wǎng)絡的CDMA標準，并且已經(jīng)向國際電信聯(lián)盟遞交了第三代移動通信技術(shù)規(guī)范TD-CDMA標準，該標準在1999年11月結(jié)束的有關(guān)世界第三代移動通信標準制訂會上被最終確定為第三代移動通信技術(shù)規(guī)范的系列標準之一。這是中國提出的電信技術(shù)標準第一次被國際電信聯(lián)盟所采用，同時也證明了我國的通信技術(shù)水平已逐漸與世界同步，我們的民族產(chǎn)業(yè)也日益引起世界的矚目。 1.2 課題研究的意義碼分多址以擴頻為基礎(chǔ)，傳輸信息的信號帶寬遠大于信息帶寬。給每個用戶分配一個唯一的擴頻碼，通過該擴

7、頻碼的不同來識別用戶。由于CDMA手機發(fā)射功率小，且采用先進的軟切換技術(shù)，不會出現(xiàn)掉線現(xiàn)象。使用CDMA網(wǎng)絡，運營商的投資相對減少，這就為CDMA手機資費的下調(diào)預留了空間。另外，容量比模擬技術(shù)高10倍，超過GSM網(wǎng)絡約4倍。基于寬帶技術(shù)的CDMA使得移動通信中視頻應用成為可能2。另外，所有的第三代移動通信系統(tǒng)都采用了CDMA技術(shù)，對CDMA的研究具有一定的價值。如今通信行業(yè)的產(chǎn)品更新速度也越來越快，引入仿真軟件進行仿真已經(jīng)是必不可少。仿真既可利用仿真軟件，也可通過高級語言編程實現(xiàn)。利用軟件包，建模十分方便，可大大節(jié)省編程時間，甚至可省去編程過程。其中，MATLAB是最具影響力、最有活力的軟件之

8、一，在科學運算、自動控制、通信仿真等領(lǐng)域有著廣泛的應用3。因此由仿真軟件對CDMA移動通信技術(shù)進行仿真，不僅對理解CDMA有深刻的意義，更能加深CDMA在實際案例中的運用3。1.3 研究課題的目的直接序列擴頻和碼分多址技術(shù)是本論文的重點，因此本論文研究的重點在于應用MATLAB來設計實現(xiàn)CDMA系統(tǒng), 并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)多用戶信道的復用，具體講就是將信號進行擴頻、BPSK調(diào)制、加入白高斯噪聲、進行多路復用，送入信道并在接收端進行解擴和解調(diào)，還原出初始發(fā)送的數(shù)據(jù)。本文用基于Simulink模塊庫的MATLAB軟件對CDMA系統(tǒng)在移動通信中的應用進行仿真，建立了系統(tǒng)仿真模型，能夠方便、形象的描繪出C

9、DMA的工作原理和過程，通過結(jié)果分析了各個模塊的特性，并指出仿真建模中要注意的問題。結(jié)果證明了通信理論和整個系統(tǒng)設計的正確性，對進一步研究相關(guān)理論有著積極的作用和意義，能夠在模擬系統(tǒng)的過程中找出缺點和不足，并加以研究糾正，以便更好的應用到實際。第二章 仿真模型設計分析2.1 MATLAB及SIMILINK模塊庫介紹MATLAB是矩陣實驗室(Matrix Laboratory)之意，除具備卓越的數(shù)值計算能力外，還提供了專業(yè)水平的符號計算、文字處理、可視化建模仿真和實時控制等功能。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C、F

10、ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多9。當前流行的MATLAB 6.1/Simulink 3.0包括擁有數(shù)百個內(nèi)部函數(shù)和幾十種工具包(Toolbox)。工具包又可以分為功能性工具包和學科工具包，功能工具包用來擴充MATLAB的符號計算、可視化建模仿真、文字處理及實時控制等功能10。學科工具包是專業(yè)性比較強的工具包，控制工具包、信號處理工具包、通信工具包等都屬于此類。這些工具箱都是由該領(lǐng)域?qū)W術(shù)水平很高的專家編寫，所以用戶無需編寫自己學科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進行高、精、尖的研究。開放性使MATLAB廣受用戶歡迎，除內(nèi)部函數(shù)外，所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件，用戶通

11、過對源程序的修改或加入自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包。SIMULINK是MATLAB軟件的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建而非語言的編程上。 SIMILINK模塊庫按功能進行分類，包括以下8類子庫： Continuous(連續(xù)模塊)Discrete(離散模塊)Function & Tables(函數(shù)和平臺模塊)Math(數(shù)學模塊)Nonlinear(非線性模塊)Signals & Systems(信號和系統(tǒng)模塊)Sinks(接收器模塊)So

12、urces(輸入源模塊)所謂模型化圖形輸入是指SIMULINK提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型，進而進行仿真與分析。 通信仿真是衡量通信系統(tǒng)性能的工。通信仿真可以分成離散時間仿真和連續(xù)仿真。在離散時間仿真中，仿真系統(tǒng)只對離散時間做出響應，而在連續(xù)仿真中，系統(tǒng)對輸入信號產(chǎn)生連續(xù)的輸出信號。離散時間仿真是對實際通信系統(tǒng)的一種簡化，它的仿真建模比較簡單，整個仿真過程需要花費的時間比連續(xù)仿真少，是通信仿真的主要形式10。在對通信系統(tǒng)實施仿真之前，首先需

13、要研究通信系統(tǒng)的特性，通過歸納和抽象建立通信系統(tǒng)的仿真模型（如圖2-1）。 當前系統(tǒng)仿真建模仿真實驗仿真分析結(jié)論分析改造后的系統(tǒng)圖2-1 通信系統(tǒng)仿真流程2.2 CDMA蜂窩移動通信仿真模型設計通信領(lǐng)域的人都知道，通信的目的是傳遞消息中的信息，例如，符號、文字、語音、數(shù)據(jù)、圖象等都是消息。人們接收消息，關(guān)心的是消息中包含的有效內(nèi)容，即信息。消息必須轉(zhuǎn)換為電信號才能在通信系統(tǒng)中傳輸，所以，信號是傳輸消息的手段，是載體。各種不同的消息可以分成兩類：離散消息和連續(xù)消息。代表消息的電信號，按其代表消息的參量的取值方式不同，可以分為模擬信號和數(shù)字信號4。代表數(shù)字信號一個取值的波形稱為一個碼元。和上述信號

14、的分類相對應，通信系統(tǒng)分成模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)有多種，例如數(shù)字電話系統(tǒng)、高速計算機并行數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)等。點對點的數(shù)字通信系統(tǒng)模型，一般可用圖2-2所示信源編碼器調(diào)制器信道解調(diào)器譯碼器信宿噪聲源圖2-2: PtoP數(shù)字通信系統(tǒng)模型根據(jù)圖可以分析出如下七點：1、信源是將消息轉(zhuǎn)換為原始電信號；2、編碼器包括信源編碼和信道編碼，實現(xiàn)兩個功能，一是除去信源中的多余信息，提高傳輸效率，一是當信源發(fā)出模擬信號時，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，提高傳輸?shù)目煽啃裕?、調(diào)制器是將基帶信號變換成適合具體信道傳輸?shù)男盘枺?、信道是傳送物理信號的設施；5、噪聲源是整個系統(tǒng)受噪聲干擾的集中反映。6、信宿是將恢

15、復的信號轉(zhuǎn)換為原始消息；7、解調(diào)和譯碼分別與編碼和調(diào)制對應，實現(xiàn)反變換。數(shù)字通信具有抗干擾能力強、保密性好、靈活性高、便于集成和微型化等優(yōu)點，但都以占據(jù)更多系統(tǒng)帶寬為代價，并且對同步要求高，系統(tǒng)設備比較復雜。通信方式從模擬向數(shù)字通信發(fā)展是通信技術(shù)發(fā)展的總趨勢。如果將基帶信號直接在信道中傳輸，易受高頻電磁波干擾，而且整個信道只傳輸一種信號，信道利用率低。為了充分利用信道，將多路信號組合成群信號，在一條信道上同時傳輸,即所謂的信道復用。根據(jù)合并與區(qū)分各信號的方法不同，主要有三種復用方式，即頻分復用、時分復用和碼分復用5。碼分復用是用一組包含互相正交的碼字的碼組攜帶多路信號，即CDM?？紤]如何解決眾

16、多用戶高效共享給定頻譜資源的問題時就涉及到多址方式，常規(guī)的有頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)等。 根據(jù)前面的理論知識，現(xiàn)在就CDMA移動通信仿真模型進行設計，其仿真框圖如圖2-3：信源卷積編碼交織編碼加擾碼擴頻調(diào)制AWGN信道解調(diào)解擴信宿解卷積解交織去擾碼圖2-3：CDMA 通信系統(tǒng)的仿真框圖 通信仿真是衡量通信系統(tǒng)性能的工具9。通信仿真可以分成離散時間仿真和連續(xù)仿真。在離散時間仿真中，仿真系統(tǒng)只對離散時間做出響應，而在連續(xù)仿真中，系統(tǒng)對輸入信號產(chǎn)生連續(xù)的輸出信號。離散時間仿真是對實際通信系統(tǒng)的一種簡化，它的仿真建模比較簡單，整個仿真過程需要花費的時間比連續(xù)仿真

17、少，是通信仿真的主要形式。在對通信系統(tǒng)實施仿真之前，首先需要研究通信系統(tǒng)的特性，通過歸納和抽象建立通信系統(tǒng)的仿真模型。圖3-3所示是關(guān)于通信系統(tǒng)仿真流程的一個示意圖。當前系統(tǒng)仿真建模仿真實驗仿真分析結(jié)論分析改造后的系統(tǒng)圖2-4 通信系統(tǒng)仿真流程根據(jù)上面介紹的理論，及每個模塊的設計，整個CDMA系統(tǒng)仿真框圖如圖2-5所示圖2-5 CDMA系統(tǒng)仿真框圖2.2.1、 信源（Data Source）模塊 設計中，信源采用二進制貝努利序列產(chǎn)生器(Bernoulli Binary Generator)產(chǎn)生二進制序列。模塊如圖2-6所示，參數(shù)設置如圖2-7所示。圖2-6 二進制貝努利序列產(chǎn)生器圖2-7 二進

18、制貝努利序列產(chǎn)生器參數(shù)設置2.2.2、編碼（Encoding）模塊如圖2-8 圖2-8：編碼模塊示意圖2.2.3、發(fā)射（Transmitter）模塊如圖2-9圖2-9：發(fā)射模塊示意圖2.2.4、信道（Channel Model）模塊 如圖2-10圖2-10：信道模塊示意圖本設計采用加性高斯白噪聲信道進行分析。加性高斯白噪聲信道(AWGN Channel)是最簡單的一種噪聲，它表現(xiàn)為信號圍繞平均值的一種隨機波動過程。加性高斯白噪聲信道的均值為0，方差表現(xiàn)為噪聲功率的大小。一般情況下，噪聲功率越大，信號的波動幅度越大，接收端接收到的信號的誤比特率就越高。2.2.5、接收（Receiver）模塊如圖

19、2-11圖2-11：接收模塊示意圖在無線信道中存在著多徑傳播的現(xiàn)象，針對這種多徑導致的時間擴散可以使用Rake接收機對多徑信號加以利用。2.2.6、譯碼（Decoding）模塊如圖2-12圖2-12：譯碼模塊示意圖2.2.7、誤碼率統(tǒng)計（BER Results）模塊 輸入信號經(jīng)過一定延遲，與輸出信號進入一個誤碼率統(tǒng)計模塊,如圖2-13圖2-13：誤碼率統(tǒng)計模塊示意圖 根據(jù)以上各個模塊以及相關(guān)參數(shù)進行仿真，其中CDMA2000移動通信仿真初始化參數(shù)設置如圖2-14：圖2-14：初始化參數(shù)第三章 仿真結(jié)果分析3.1發(fā)送端的信號頻譜圖3-1：發(fā)送端的信號頻譜可以看出，系統(tǒng)產(chǎn)生的基帶調(diào)制信號的頻譜與協(xié)議規(guī)范要求是一致的，它在抑制頻譜范圍內(nèi)的衰減幅度達40db。3.2經(jīng)過信道后的信道頻