移動(dòng)擴(kuò)頻技術(shù)的研究

1、移動(dòng)擴(kuò)頻技術(shù)的研究移動(dòng)擴(kuò)頻技術(shù)研究姓 名 學(xué) 院 專業(yè) 、班級(jí) 摘要擴(kuò)頻通信，是一種優(yōu)良的信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬。擴(kuò)頻通信可以克服無(wú)線頻道擁擠及頻道資源緊張的問(wèn)題，能夠提供更高的保密技術(shù)，并且具有的抗干擾性強(qiáng)、誤碼率低、可以實(shí)現(xiàn)碼分多址（CDMA）等特性。這些特性使得擴(kuò)頻通信得以在移動(dòng)通信系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)（2G）中的GSM系統(tǒng)采用基帶、慢速跳頻，減少同頻道干擾和頻率選擇性衰落。而碼分多址（CDMA）技術(shù)在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）中的運(yùn)用則大大提高頻帶的利用率。由于在擴(kuò)頻通信中存在擴(kuò)頻碼序列的擴(kuò)頻調(diào)制，充分利用各種不同碼型的擴(kuò)頻碼序

2、列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，在接收端利用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)，則在分配給不同用戶碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶的信號(hào)。本文首先分析了擴(kuò)頻通信應(yīng)用在移動(dòng)通信系統(tǒng)的可能性，分別以GSM系統(tǒng)慢速跳頻技術(shù)及3G CDMA碼分多址技術(shù)為例分析其實(shí)現(xiàn)方式。GSM系統(tǒng)所應(yīng)用的跳頻擴(kuò)頻方式，主要分為基帶跳頻與射頻跳頻兩種。本文分析了跳頻技術(shù)的原理及實(shí)現(xiàn)方式，并分析了GSM中運(yùn)用跳頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。寬帶CDMA技術(shù)是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)區(qū)別于第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。本文分析了WCDMA系統(tǒng)的信道組成及擴(kuò)頻方式，并給出了WCDMA的信道擴(kuò)頻實(shí)現(xiàn)方案。關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻通信、移動(dòng)通信、跳頻、碼分多址目錄第一章 緒論

3、 11.1 研究背景 11.2 擴(kuò)頻通信技術(shù)原理 2第二章 跳頻技術(shù)在GSM中的應(yīng)用 42.1 跳頻技術(shù)基本原理 42.2 跳頻技術(shù)在GSM中的實(shí)現(xiàn) 42.3 優(yōu)點(diǎn)分析 5第三章 寬帶碼分多址技術(shù) 63.1 WCDMA物理信道 63.2 WCDMA擴(kuò)頻方式 73.3 上行物理信道的擴(kuò)頻與調(diào)制 83.4 下行物理信道的擴(kuò)頻與調(diào)制 8參考文獻(xiàn) 910第一章 緒論移動(dòng)通信作為溝通移動(dòng)用戶與固定點(diǎn)或移動(dòng)用戶之間的通信方式，已成為日常生活中不可或缺的通信方式。但隨著移動(dòng)通信的普及，無(wú)線信道變得非常擁擠，頻道資源日漸緊張，而相互之間的干擾也越來(lái)越嚴(yán)重。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中使用擴(kuò)頻通信技術(shù)有助于克服這些問(wèn)題。且

4、由于其具有高保密性，對(duì)于保護(hù)通信信息安全有積極作用。1.1研究背景移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用目前可劃分成為四代移動(dòng)通信系統(tǒng)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和社會(huì)需求提高，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)也即將面世。第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)是以模擬方式為主的頻分多址（FDMA）和模擬調(diào)制（FM）為代表的系統(tǒng)。第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)采用信道數(shù)字復(fù)用、數(shù)字調(diào)制和比特率話音編碼技術(shù)，克服了第一代模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)存在的頻譜利用率低、話音質(zhì)量不高以及缺少必要的通信安全功能等缺陷。經(jīng)過(guò)十幾年的演變，GSM已成為目前應(yīng)用最廣的移動(dòng)通信制式。在GSM中主要采用慢速跳頻，每秒跳頻217次，傳輸頻率在一個(gè)突發(fā)脈沖傳輸期間保持一定。隨著社會(huì)的發(fā)展，人

5、們希望移動(dòng)通信能和固定網(wǎng)一樣提供語(yǔ)音、圖像等綜合交互式多媒體業(yè)務(wù)，這是二代通信系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到的，因而第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。無(wú)線傳輸技術(shù)是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要組成部分，目前，國(guó)際上最具競(jìng)爭(zhēng)力的IMT-X000無(wú)線傳輸技術(shù)主要有兩種:WCDMA技術(shù)和基于IS-95CDMA的CDMA2000。另外，我國(guó)也提出了具有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA系統(tǒng)。但不論是哪一種技術(shù)，寬帶擴(kuò)頻碼分多址是第三代移動(dòng)通信的基礎(chǔ)。碼分多址(CDMA)是一種擴(kuò)頻通信技術(shù)。碼分多址采用寬帶傳輸，功率譜密度低，允許許多用戶同時(shí)在同一寬帶信道傳輸信息。CDMA實(shí)現(xiàn)多址接續(xù)的方式是使用一組正交(準(zhǔn)正交)的PN序列經(jīng)相關(guān)處理

6、實(shí)現(xiàn)多用戶區(qū)分，達(dá)到通信的目的。CDMA技術(shù)有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：抗多徑衰落、軟容量、軟切換、保密性和抗干擾性能、低功耗等。在第三代移動(dòng)通信中將實(shí)現(xiàn)多媒體擴(kuò)頻通信。由于各媒體傳輸?shù)乃俾适遣煌?，在同一擴(kuò)頻系統(tǒng)內(nèi)傳輸多媒體的擴(kuò)頻比也不一樣。同時(shí)由于移動(dòng)通信信道的復(fù)雜性，無(wú)限資源的有限性對(duì)多媒體傳輸技術(shù)提出了更高的要求。1.2擴(kuò)頻通信技術(shù)原理擴(kuò)頻通信，也就是擴(kuò)展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)，它與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽(yù)為進(jìn)人信息時(shí)代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶

7、寬；頻帶的擴(kuò)展是通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的碼序列來(lái)完成，用編碼及調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；在接收端則用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。 擴(kuò)頻信號(hào)應(yīng)具有以下三個(gè)特征： (1)擴(kuò)頻信號(hào)是不可預(yù)測(cè)的偽隨機(jī)的寬帶信號(hào)； (2)傳輸帶寬遠(yuǎn)大于被傳送信息的原始帶寬；(3)接收機(jī)中必須有與寬帶載波同步的副本。 擴(kuò)頻通信基本理論是信息論中的Shannon公式，即 C=B·log2(1+SN)式中，C為系統(tǒng)的信道容量(bits)，B為信道帶寬，N為噪聲功率，S為信號(hào)功率。 Shannon公式表明了一個(gè)系統(tǒng)信道無(wú)誤差地傳輸信

8、息的能力與存在于信道中的信噪比(SN)，以及用于傳輸信息的系統(tǒng)信道帶寬B之間的關(guān)系。在給定的系統(tǒng)信道容量c不變的條件下，頻帶寬度B和信噪比SN是可以互換的。即可通過(guò)增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比SN情況下傳輸信息。擴(kuò)展頻譜換取降低對(duì)信噪比的要求，這正是擴(kuò)頻通信的重要特點(diǎn)，并由此為擴(kuò)頻通信的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 由于擴(kuò)頻通信擴(kuò)展了信號(hào)的頻譜范圍，在移動(dòng)通信應(yīng)用中，有許多其它通信技術(shù)難于替代的優(yōu)良性能：(1) 易于重復(fù)使用頻率，提高了無(wú)線頻譜利用率；(2)抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低； (3)隱蔽性好，對(duì)各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很??； (4)可以實(shí)現(xiàn)碼分多址； (5)

9、抗多徑干擾； (6)適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開(kāi)展多種通信業(yè)務(wù)。 擴(kuò)頻 通信系統(tǒng)基本工作原理如下：在發(fā)送端，信息先經(jīng)信息調(diào)制形成數(shù)字信號(hào)，然后，由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列調(diào)制數(shù)字信號(hào)，以擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，展寬后的信號(hào)再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。在接收端，收到的寬帶射頻信號(hào)變頻至中頻，然后，由本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)。再經(jīng)信息解調(diào)，恢復(fù)成原始信息輸出。第二章 跳頻技術(shù)在GSM中的應(yīng)用2.1跳頻技術(shù)基本原理所謂跳頻技術(shù)，是指用偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行頻移鍵控使載波頻率不斷跳變而擴(kuò)展頻譜的一種方法。其工作原理是指收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化

10、的通信方式。從通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式來(lái)說(shuō)，跳頻是一種用碼序列進(jìn)行多頻頻移鍵控的通信方式，也是一種碼控載頻跳變的通信系統(tǒng)。從時(shí)域上來(lái)看，跳頻信號(hào)是一個(gè)多頻率的頻移鍵控信號(hào);從頻域上來(lái)看，跳頻信號(hào)的頻譜是一個(gè)在很寬頻帶上以不等間隔隨機(jī)跳變的。跳頻通信系統(tǒng)如圖所示，在跳頻通信系統(tǒng)的發(fā)送端，采用偽隨機(jī)碼作為跳頻序列控制載波頻率的變化，形成跳頻信號(hào);在接收端，頻率合成器受同樣跳頻序列控制，并在同步電路控制下保持與發(fā)送端一致的頻率變化規(guī)律，將接收到的跳頻信號(hào)變頻為固定的中頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)解跳。跳頻通信系統(tǒng)中，收發(fā)雙方的跳頻圖案是事先約定好的，雙方頻率同步地按照預(yù)定跳頻圖案跳變。2.2跳頻技術(shù)在GSM中的實(shí)現(xiàn) 目前

11、廣泛采用的GSM系統(tǒng)采用基帶、慢速跳頻，它的基本原理是在幀單元和載頻單元之間加入了一個(gè)以時(shí)隙為基礎(chǔ)的交換單元，把某個(gè)時(shí)隙的信號(hào)切換到相應(yīng)的無(wú)線頻率上來(lái)實(shí)現(xiàn)跳頻，之所以采用慢速跳頻，其原因是在GSM系統(tǒng)中要求在整個(gè)突發(fā)脈沖期間傳輸頻隙保持不變。GSM引入跳頻有兩個(gè)主要的原因：其一是頻率分集，其二是干擾分集。跳頻可以避免或至少可以明顯降低同頻道干擾和頻率選擇性衰落效應(yīng)。對(duì)于移動(dòng)端處于靜止或慢速移動(dòng)情況下，跳頻能獲得好的抗衰落效果。跳頻的頻率數(shù)越多，抗干擾的增益越大，通常要求跳頻數(shù)不少于3個(gè)，而跳頻數(shù)達(dá)到4個(gè)以上時(shí)才可獲得明顯的跳頻增益。在規(guī)劃設(shè)計(jì)無(wú)線網(wǎng)時(shí)，只要可用頻帶能擴(kuò)展到8MHz,就可考慮跳頻

12、并取跳頻增益2至3dB。 與直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)一樣、跳頻系統(tǒng)也有較強(qiáng)的杭干擾能力。對(duì)于單頻干擾和窄帶干擾，跳頻系統(tǒng)雖然不能像直擴(kuò)系統(tǒng)那樣把單頻干擾和直擴(kuò)干擾信號(hào)的頻譜擴(kuò)展，并靠中頻濾波器抑制通帶外的頻譜分量，但跳頻系統(tǒng)減少了單頻干擾和窄帶干擾進(jìn)入接收機(jī)的概率。跳頻系統(tǒng)對(duì)于強(qiáng)干擾產(chǎn)生的阻塞現(xiàn)象和近基站的遠(yuǎn)近效應(yīng)有較強(qiáng)的抵抗能力。根據(jù)GSM規(guī)范，基站無(wú)線信道的跳頻以每個(gè)物理信道為基礎(chǔ)，因此對(duì)于移動(dòng)臺(tái)（MS）來(lái)說(shuō)，只需要在每個(gè)幀的相應(yīng)時(shí)隙跳變一次即可。對(duì)基站子系統(tǒng)（BSS）來(lái)說(shuō)，每個(gè)基站中的載頻（TRX）要同時(shí)與多個(gè)MS通信，每個(gè)TRX要根據(jù)通信使用的物理信道，在其每個(gè)時(shí)隙上按照不同的跳頻方案進(jìn)行跳變

13、。跳頻可分為快速跳頻和慢速跳頻。在GSM中主要采用慢速跳頻，其特點(diǎn)是在一個(gè)完整的突發(fā)脈沖期間頻率保持不變，而在兩個(gè)相鄰的突發(fā)脈沖之間改變信道使用的頻率。慢和快是針對(duì)每秒跳頻次數(shù)和調(diào)制速率而言的。GSM系統(tǒng)使用的跳頻技術(shù)，每秒跳頻217次，傳輸頻率在一個(gè)突發(fā)脈沖傳輸期間保持一定。因?yàn)镚SM網(wǎng)絡(luò)中每秒跳頻次數(shù)小于調(diào)制速率，故稱為慢跳頻。GSM中的跳頻方式可分為基帶跳頻和射頻跳頻兩種：a.基帶跳頻。每一個(gè)發(fā)射機(jī)僅能操作在某一個(gè)固定頻率，可跳頻的頻率數(shù)目等于每一小區(qū)內(nèi)所配置的發(fā)射機(jī)數(shù)目，所有跳頻頻率就在這些發(fā)射機(jī)上進(jìn)行切換。b.射頻跳頻。每一個(gè)發(fā)射機(jī)可以容許多個(gè)頻率操作，可跳頻的頻率數(shù)目依據(jù)偽隨機(jī)序列

14、指定，與小區(qū)所配置的發(fā)射機(jī)數(shù)量無(wú)關(guān)。射頻跳頻系統(tǒng)必須采用寬帶混合合成器，但當(dāng)一個(gè)小區(qū)中射頻發(fā)射機(jī)數(shù)量大于4個(gè)時(shí)，使用寬帶混合合成器會(huì)導(dǎo)致較高的功率損耗，縮小了覆蓋半徑。2.3 優(yōu)點(diǎn)分析GSM采用跳頻技術(shù)主要有以下優(yōu)點(diǎn):a.跳頻可起到頻率分集的作用。跳頻是要保證同一個(gè)信息使用幾個(gè)頻率發(fā)送，從而提高無(wú)線信號(hào)抗衰減的能力。不同頻率信號(hào)的衰落特性不同，并且當(dāng)頻率差別增大時(shí)，衰落特性更加獨(dú)立。對(duì)于相距足夠遠(yuǎn)的頻率，可將它們看作完全獨(dú)立。通過(guò)跳頻，可使攜帶同一部分信息的所有突發(fā)脈沖不會(huì)被瑞利衰落以同一方式破壞。用戶在靜止或速度較慢的情況下，跳頻技術(shù)能提供6.5dB的跳頻增益。b.跳頻可起到干擾源分集作用。

15、在話務(wù)量密集的地方，網(wǎng)絡(luò)容量將受到由于頻率復(fù)用產(chǎn)生的干擾的限制。C/I值載干比會(huì)在通話期間出現(xiàn)較大起伏。由于高密度的頻率復(fù)用，同頻和鄰頻干擾現(xiàn)象比較普遍。如果不采用跳頻，當(dāng)某個(gè)頻點(diǎn)被干擾時(shí)，MS占用此頻點(diǎn)就會(huì)造成通話質(zhì)量很差，使用戶難以忍受。如果使用跳頻，此干擾情況會(huì)被該載頻的其他呼叫所共享，雖然干擾情況沒(méi)有得到改善，但干擾段被分?jǐn)偟礁鞔瓮ㄔ捴?，而不是集中在一次呼叫過(guò)程中。第三章 寬帶碼分多址技術(shù)寬帶碼分多址(WCDMA)是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)發(fā)展中的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)DD(頻分雙工)是WCDMA的主要制式，因其使用的頻帶約為5MHz故稱為寬帶CDMA系統(tǒng)。它和窄帶CDMA系統(tǒng)均為直接序列

16、擴(kuò)頻系統(tǒng)(DSSS )。值的注意的是，寬帶和窄帶CDMA系統(tǒng)目前沒(méi)有統(tǒng)一的界定，可以用擴(kuò)頻后的碼片速率或帶寬來(lái)區(qū)分。一般來(lái)講，寬帶CDMA的信道會(huì)表現(xiàn)出比窄帶更嚴(yán)重的頻率選擇性衰落，且由于它采用了相干解調(diào)技術(shù)，總體性能要優(yōu)于窄帶CDMA系統(tǒng)。3.1 WCDMA物理信道 WCDMA系統(tǒng)中的物理信道定義為一個(gè)特定的載頻、擾碼、信道化碼、時(shí)間長(zhǎng)度和一個(gè)上行相對(duì)相位(O或/2)組合。時(shí)間長(zhǎng)度以整數(shù)個(gè)碼片來(lái)標(biāo)識(shí)。協(xié)議中規(guī)定的碼片組合有以下幾種:無(wú)線幀，一個(gè)無(wú)線幀包含15個(gè)時(shí)隙，38400個(gè)碼片;時(shí)隙，一個(gè)時(shí)隙包含2560個(gè)碼片，使用不同的擴(kuò)頻因子，一個(gè)時(shí)隙可以傳不同數(shù)目的比特。 上行物理信道分為專用上行

17、物理信道和公共上行物理信道。依據(jù)所傳消息類型的不同，專用上行物理信道分為專用物理數(shù)據(jù)信道(DPDCH)和專用物理控制信道(DPCCH)兩種，DPDCH用于承載物理信道上的消息，每條無(wú)線鏈路可以有零、一個(gè)或多個(gè)上行DPDCH信道;DPCCH用于承載物理層產(chǎn)生的控制信息，包括導(dǎo)頻比特、傳輸功率控制(TPC)命令、反饋信息及可選的傳輸格式組合指示(TFCI )。每條無(wú)線鏈路上有且只有一條上行DPCCH信道。 下行物理信道分為專用下行物理信道和公共下行物理信道。專用下行物理信道只有一種，即DPCH。公共下行物理信道包括公共導(dǎo)頻信道(CPICH )，它是一個(gè)固定速率的公共下行物理信道，比特率為30kbi

18、t/s。公共導(dǎo)頻信道又分為主公共導(dǎo)頻信道(P-CPICH)和輔助公共導(dǎo)頻信道(S-CPICH )。每個(gè)小區(qū)有且僅有一個(gè)P-CPICH。主公共控制物理信道也是一個(gè)固定速率的公共下行物理信道，比特率為256kbit/s。輔助公共控制物理信道(S-CCPCH)包含TFCI的S-CCPCH和不包含TFCI的S-CCPCH。同步信道(SCH)是一個(gè)用于小區(qū)搜索的下行信道。物理下行共享信道PDSCH)用于攜帶下行共享傳輸信道(DSCH)。此外還有捕獲指示信道(RICH)和尋呼指示信道(PICH)等。3.2WCDMA擴(kuò)頻方式 WCDMA的擴(kuò)頻分為兩步:第一步稱為信道化操作:將每一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)轉(zhuǎn)換為若干個(gè)碼片，

19、大大提高了數(shù)字符號(hào)的速率，增加了信號(hào)帶寬。在接收端，用相同的高速數(shù)字序列符號(hào)與接收符號(hào)相乘，進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，再將擴(kuò)頻符號(hào)解擴(kuò)，即可得到原始的數(shù)據(jù)符號(hào)。用來(lái)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的數(shù)字化序列符號(hào)稱為信道化碼，在WCDMA系統(tǒng)中用OVSF碼(正交可變擴(kuò)頻因子碼)作為信道化碼，每個(gè)符號(hào)轉(zhuǎn)換后的碼片成為擴(kuò)頻因子。第二步是加擾操作:用一個(gè)偽隨機(jī)序列與信道化后的己擴(kuò)頻符號(hào)相乘，對(duì)信號(hào)進(jìn)行加密。擾碼的碼字速率與已擴(kuò)頻符號(hào)相同。因此不影響符號(hào)速率，但它可以是來(lái)自不同信號(hào)源的信號(hào)相互區(qū)別。上行鏈路上擾碼的作用是區(qū)分用戶，而下行鏈路上的擾碼則用于區(qū)分小區(qū)和信道，因此選定的擾碼之間必須具有良好的正交性。由于Gold碼良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，WCDMA系統(tǒng)采用Gold碼作為擾碼。經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻之后的信號(hào)還要進(jìn)行調(diào)制，對(duì)擴(kuò)頻產(chǎn)生的復(fù)數(shù)碼片序列進(jìn)行QPSK調(diào)制。調(diào)制后的碼片速率都是3.84Mchip/s。3.3上行物理信道的擴(kuò)頻與調(diào)制 上行鏈路專用物理信道可分為專用物理數(shù)據(jù)信道(DPDCH)和專用物理控制信道(DPCCH)，上行專用物理信道DPCCH包含了導(dǎo)頻符號(hào)，發(fā)送功率控制信息和速率指示信息。DPCCH和DPDCH使用不同的信道化碼進(jìn)行信道化處理，然后使用復(fù)擾碼進(jìn)行加擾。最后經(jīng)