扩频通信论文
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② 扩频通信论文
我查到了篇相关的文献，如下
[1] 方双华,李书军. 浅谈无线扩频通信技术[J]. 农村电气化, 2001,(07) .
[2] 张恺. 无线扩频通信在电力通信系统中的应用[J]. 农村电气化, 2002,(03)
[3] 赵廷靖. 无线通信中的扩频技术[J]. 宜春学院学报, 2003,(04) .
[4] 邵定蓉,李署坚. 扩频通信技术[J]. 无线电工程, 2001,(S1) .
[5] 奚宁. 无线扩频技术及频谱资源利用[J]. 通讯世界, 2000,(03) .
[6] 富璇,王彤. 扩频通信技术及其在远动信号传输中的应用[J]. 沈阳电力高等专科学校学报, 1999,(01) .
[7] 王淑君,柳铎. 浅谈扩频通信技术及其应用[J]. 山东电子, 2004,(01) .
[8] 李燕,孟令彪. 无线扩频通信技术述略[J]. 商场现代化, 2004,(15) .
[9] 张云. 无线扩频技术在变电站自动化中的应用[J]. 四川电力技术, 1998,(06) .
[10] 陈一力. 无线扩频通信技术[J]. 内蒙古电力技术, 1997,(01) .
[11] 汪涛. 无线扩频通信技术在机场供配电系统中的应用[J]. 电力系统自动化, 2002,(14)
[12] 肖保军, 鲁改凤. 无线扩频通信系统在郑州矿区的应用与分析[J]. 山西建筑, 2004,(18)
[13] 周斌生, 宋庆烁. 无线扩频在江南县级配电自动化中的应用[J]. 南昌水专学报, 2003,(04)
[14] 刘文贵, 刘振名, 孙桂莲. 我校计算机中心供配电系统的设计与施工[J]. 河北工程技术高等专科学校学报, 2000,(01)
[15] 李程. 扩频通信在配电自动化中的应用[J]. 大众用电, 2006,(03)
这15篇文献，前几篇是原理，后几篇是应用。
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③ 扩频通信的论文翻译
1997被定义802.11无线LAN (WLAN)标准的IEEE，意欲允许工作站的
无线连接与他们的“基地” LAN。 原始的标准瞄准了
工作站和LAN由同一个体拥有的案件，实际上提供一个
无线引伸给存在，架线的LAN
，当这种WLAN应用在市场，它开始
为一个新应用也使用，提供宽频无线通入的技术上时代表一个增长的
适当位置(BWA)对公共网络。 我们仍然连接工作站到“基地”
LAN，但这次“基地” LAN由服务提供者(ISP、ITSP、ILEC， CLEC)拥有
，而工作站由订户拥有。这白皮书解释用于WLAN和BWA应用的FHSS和DSSS无线电
每一个的技术并且好处和缺点的原则
他们。
执行摘要
WLANs也许使用光学或无线电技术被实施为信号的传输
通过空气，并且两个在IEEE 802.11标准被定义，批准在6月
26,1997日。 当原始的标准被定义的率的1 Mbps和2仅Mbps，最新
改进，增加了率的5.5 Mbps和11 Mbps时，也是。
WLANs通认作为扩展视谱模块化的无线电技术
和有它的起源在军事。 在扩展视谱技术之中的好处，
你可能提及固有对干涉的传输保密、抵抗从其他
无线电源，对多重通道和退色的作用的多余、抵抗等等。结果，
扩展视谱系统可能共存与其他无线电系统，不用由他们的
存在被打扰和，无需干扰他们的活动。
这典雅的行为的直接作用是扩展视谱系统也许
被管理，不用对执照的需要，并且做扩展视谱模块化是
选上的技术为无执照WLAN和BWA操作。
然而，如上所述，扩展视谱技术有许多其他好处，
做他们一个优秀选择为系统的操作在被准许的带，也是。
有基本上扩展视谱模块化技术的二个类型：
频跳(FHSS)和直接顺序(DSSS)
。
这白皮书在通信系统提出这二“比较他们的表现的
竞争的”技术相对几个参量关键的重要：
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⑥ 求《基于MATLAB扩频通信抗干扰仿真研究》相关资料
基于MATLAB 的扩频通信系统仿真研究
范伟 翟传润 战兴群
（上海交通大学电子信息与电气工程学院，200030，上海）
摘要 本文阐述了扩展频谱通信技术的理论基础和实现方法，利用MATLAB 提供的可视化
工具Simulink 建立了扩频通信系统仿真模型，详细讲述了各模块的设计，并指出了仿真建模
中要注意的问题。在给定仿真条件下，运行了仿真程序，得到了预期的仿真结果。同时，利
用建立的仿真系统，研究了扩频增益与输出端信噪比的关系，结果表明，在相同误码率下，
增大扩频增益，可以提高系统输出端的信噪比，从而提高通信系统的抗干扰能力。
关键词 扩频通信, 信噪比， 误码率， 扩频增益
中图分类号：TN914.42 文献标识码：A
Simulation of the Spread Spectrum Communication System
Based on MATLAB
FAN Wei, ZHAI Chuan-run, ZHAN Xing-qun
(School of Electronic, Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, 200030, Shanghai)
Abstract: The theory base and realizing methods of the spread spectrum communication
technology was presented in this study. The simulation model of the spread spectrum
communication system was built by using SIMULINK, which is provided by MATLAB. In
addition, each mole of the simulation model was introced in detail，and pointed out the
problems that must be pay attention to in the system simulation. On the basis of the designed
simulation conditions, the simulation program was run and the anticipant results were gained.
Moreover, the relationship between the spread spectrum gain and the fan-out error rate was also
studied by use of the simulation system. The results showed that on the base of the same error rate,
if the spread spectrum gain was enlarged, the Signal-to-Noise of the system fan-out would be
enhanced and the anti-jamming capability of the communication system would also be enhanced.
Keywords: spread spectrum communication, Signal-to-Noise, error rate, spread spectrum gain
1 引言
扩展频谱通信（简称扩频通信）与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三
大高技术通信传输方式，它是指发送的信息被展宽到一个很宽的频带上，在接收端通过相关
接收，将信号恢复到信息带宽的一种系统。采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱
的方法可以换取信噪比上的好处，即接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比有很大改善，
从而提高了系统的抗干扰能力。本文根据扩频通信的原理，利用MATALB提供的可视化仿真工
具Simulink建立了扩频通信系统仿真模型，研究了扩频通信的特性和扩频增益与输出端信噪
比的关系，目的是为以扩频通信为基础的现代通信的研究和设计提供依据。
2 扩展频谱通信技术
2.1 理论基础
扩频通信的基本理论是根据信息论中的Shannon 公式，即
log (1 / ) 2 C = B + S N (1)
式中：C为系统的信道容量（bit/s）；B为系统信道带宽（Hz）；S为信号的平均功率；N为噪
声功率。
Shannon公式表明了一个系统信道无误差地传输信息的能力跟存在于信道中的信噪比
（S/N）以及用于传输信息的系统信道带宽（B）之间的关系。该公式说明了两个最重要的概
念：一个是在一定的信道容量的条件下，可以用减少发送信号功率、增加信道带宽的办法达
到提高信道容量的要求；一个是可以采用减少带宽而增加信号功率的办法来达到。
扩频增益是扩频通信的重要参数，它反应了扩频通信系统抗干扰能力的强弱，其定义为
接收机相关器输出信噪比和接收机相关器输入信噪比之比，即
d
s
d
s
i i B
B
R
R
S N
S N
G = = =
/
/ 0 0 (2)
式中，Si和S0分别为接收机相关器输入、输出端信号功率；Ni和N0分别为相关器的输入、输出
端干扰功率；Rs为伪随机码的信息速率，Rd为基带信号的信息速率；Bs为频谱扩展后的信号带
宽，Bd频谱扩展前的信号带宽。
2.2 实现方法
扩频通信与一般的通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了
扩频解调的过程，扩频通信按其工作方式不同主要分为直接序列扩频系统、跳频扩频系统、
跳时扩频系统、线性调频系统和混合调频系统。现以直接序列扩频系统为例说明扩频通信的
实现方法。图1为直接序列扩频系统的原理框图。
图1 直接序列扩频系统原理图
由直扩序列扩频系统原理图可以看出，在发射端，信源输出的信号与伪随机码产生器产
生的伪随机码进行模2加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列
去调制载波，这样得到已扩频调制的射频信号。在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频
后，用与发射端同步的伪随机序列对扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息
序列的频带，然后进行解调，恢复出所传输的信息。
3 系统仿真模型的建立
3.1 Simulik 简介
MATLAB 最初是Mathworks 公司推出的一种数学应用软件，经过多年的发展，开发了包括
通信系统在内的多个工具箱，从而成为目前科学研究和工程应用最流行的软件包之一。
Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成
环境，广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。它包
括一个复杂的由接受器、信号源、线性和非线性组件以及连接件组成的模块库，用户也可以
根据需要定制或者创建自己的模块。Simulink 的主要特点在于使用户可以通过简单的鼠标操
作和拷贝等命令建立起直观的系统框图模型，用户可以很随意地改变模型中的参数，并可以
马上看到改变参数后的结果，从而达到方便、快捷地建模和仿真的目的。
3.2 模型建立及主要模块设计
基于MATLAB /Simulink 所建立的扩频通信系统的仿真模型,能够反映扩频通信系统的
动态工作过程,可进行波形观察、频谱分析和性能分析等，同时能根据研究和设计的需要扩
展仿真模型，实现以扩频通信为基础的现代通信的模拟仿真，为系统的研究和设计提供强有
力的平台。图2 为基于MATLAB/Simulink 的扩频通信系统仿真模型。
图2 系统仿真模型
信源：随机整数发生器（Random Integer generator）作为仿真系统的信源，随机整数发
生器产生二进制随机信号，采样时间、初始状态可自由设置，从而满足扩频通信系统所需信
接 收
高放混频解扩 解调
本振PN 码 同步
信 源 扩频调制
PN 码 振荡器
发 射
源的要求。
扩频与解扩：PN 序列生成器模块（PN Sequence Generator）作为伪随机码产生器，扩
频过程通过信息码与PN 码进行双极性变换后相乘加以实现。解扩过程与扩频过程相同，即
将接收的信号用PN 码进行第二次扩频处理。
调制与解调：使用二相相移键控PSK 方式进行调制、解调。调制由正弦载波与双极性扩
频码直接相乘实现，采用相干解调法进行解调。
信道：传输信道为加性高斯白噪声信道。在加性高斯白噪声信道模块中，可进行信号功
率和信噪比的设置。
误码计算：误码计算由误码仪实现，误码仪在通信系统中的主要任务是评估传输系统的
误码率，它具有两个输入端口：第一个端口（Tx）接收发送方的输入信号，第二个端口(Rx)
接收接收方的输入信号。
3.3 几点说明
在Simulink中，没有单独实现统计的计数器模块，需要自行创建，计数模型的设计如图
3。在计数模型中，用与信源和伪随机码同频的脉冲模块分别实现码元同步和切普同步，利
用加法器的累加功能，实现每个码元的相关峰值统计。
图3 计数模型实现框图
在扩频通信建模中，扩频与解扩使用的PN 码以及调制和解调所使用的载波必须保持同
步，因此要注意伪随机码模块和载波模块的参数设置。
在误码率计算中，接收到的信号，由于经过扩频解扩、调制解调、相关统计等处理，会
存在一个延迟，在误码仪模块的对话框中要设置一个合适的延迟。
4 仿真结果分析
4.1 仿真系统运行情况分析
在给出下列仿真的条件下，观察仿真运行情况。信息速率20b/s，幅度为1；伪随机序
列采用10 级，传输速率为200b/s 的m 序列；载波频率10KHz；信号功率为1W，信噪比30dB；
仿真时间设为2s。在这样的仿真条件下，理论上可获得10 倍的扩频增益。图4 是系统扩频
解扩的仿真结果。上图为信源，中图为扩频码，下图为信宿。从图4 可见，信源和信宿相同，
误码率为0，基于MATLAB/Simulink 所设计的仿真系统满足扩频通信系统的软件仿真要求。
图4 系统扩频解扩的仿真结果
4.2 扩频增益与输出端信噪比的关系
设置信息速率和伪随机序列传输速率，在扩频增益10 和50 的情况下，不断改变信噪比
的大小，从而得到扩频增益、误码率和信噪比的关系如图5。从图5 可以看到，在相同误码
率下，扩频增益越大，输出端信噪比越大，并且随着系统要求的提高，增大扩频增益，输出
端信噪比会得到更大的好处。
图5 不同扩频增益下误码率仿真曲线
5 结论
扩频通信以其较强的抗干扰、抗衰落、抗多径性能而成为第三代通信的核心技术，本文
阐述了扩频通信的理论基础和实现方法，利用MATLAB 提供的可视化工具箱Simulink 建立了
扩频通信系统仿真模型，详细讲述了各模块的设计，并给出了仿真建模中需注意的问题。在
给定仿真条件下，运行了仿真系统，验证了所建仿真模型的正确性。通过仿真研究了扩频增
益和输出端信噪比的关系，结果表明，在相同误码率下，增大扩频增益，可以提高系统输出
端的信噪比，从而提高系统的抗干扰能力。本文作者创新点：通过MATLAB/Simulink 建立的
仿真平台，研究了扩频增益与误码率、信噪比之间的关系，为以扩频通信为基础的卫星信号
设计提供依据。
参考文献：
1 曾兴雯，刘乃安，孙献璞。扩展频谱通信及其多址技术〔M〕。西安：西安电子科技大学
出版社，2004。
2 徐明远，邵玉斌。MATLAB 仿真在通信与电子工程中的应用[M]。西安：西安电子科技大
学出版社，2005。
3 李建新，刘乃安，刘继平。现代通信系统分析与仿真－MATALAB 通信工具箱〔M〕。西安：
西安电子科技大学出版社，2001。
4 徐明伟，李茜，汤伟。基于MATLAB 串口通信的数据采集系统的设计。微计算机信息，
2005，21(8-1)，89-90。
5 郭海燕，毕红军。MATLAB 在伪随机码的生成及仿真中的应用。计算机仿真，21(3)，2004.3。
基金项目：上海市科技攻关项目，项目编号：45115031。
作者简介：范伟（1973－），男，汉族，硕士研究生，主要研究方向为卫星导航、CDMA 扩频
通信。 E-mail: [email protected]
通信地址及邮编：上海市长宁区安顺路220 弄18 号402 室，200051。
翟传润(1972－)，男，汉族，博士，副教授，主要研究方向为卫星导航和测控技术。
战兴群(1970－)，男，汉族，博士，教授，主要研究方向为卫星导航和新型控制理论与应用。
Authors brief introctions:
Fai Wei, was born in 1973, male, the Han nationality, master student. His research subjects include
the satellite navigation and CDMA spread spectrum communication.
Zhai Chuan-run, was born in 1972, male, the Han nationality, Ph.D, associate professor. His
research subjects include satellite navigation and test control technique.
Zhan Xing-qun, was born in 1970, male, the Han nationality, Ph.D, professor. His research interests
include satellite navigation, new control theory and application.
⑦ 关于光纤通信专业的毕业论文！
码分多址蜂窝移动通信系统
CDMA技术的优点及问题及越区切换
由于CDMA技术本身所固有的许多特点,使它非常适合于数字蜂窝移动通信系统。它的优点主要表现在如下10个方面。
1.语音激活技术
统计结果表明,人们在通话过程中,只有35%的时间在讲话,另外65%的时间处于听对方讲话、话句间停顿或其他等待状态。在CDMA数字蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,当某一用户没有讲话时,该用户的发射机不发射或少发射功率,其他用户所受到的干扰都相应地减少。为此,在CDMA系统中,采用相应的编码技术,使用户的发射机所发射的功率随着用户语音编码的需求来作调整。当用户讲话时语音编码器输出速率高,发射机所发射的平均功率大;当用户不讲话时语音编码器输出速率很低,发射机所发射的平均功率很小,这就是语音激活技术。在蜂窝移动通信系统中,采用语音激活技术可以使各用户之间的干扰平均减少65%。也就是当系统容量较大时,采用语音激活技术可以使系统容量增加约3倍,但当系统容量较小时,系统容量的增加值要降低。在频分多址、时分多址和码分多址三种制式中,唯有码分多址可以方便而充分地利用语音激活技术。如果在频分多址和时分多址制式中采用语音激活技术,其系统容量将有不同程度的提高,但二者都必须增加比较复杂的功率控制系统,而且还要实现信道的动态分配,其结果必然带来时间延迟和系统复杂性的增加,而在CDMA系统中实现这种功能就相对简单得多。
2.扇区划分技术
扇区划分技术是位于蜂窝小区中心的基站利用天线的定向特性把蜂窝小区分成不同的扇面,如下图所示。常用的方式有
利用120°圆形覆盖的定向天线组成的三叶草形无线区(图(a));利用60°扇形覆盖的定向天线组成的三角形无线蜂窝区(图(b));利用120°扇形覆盖的定向天线组成的120°扇形无线蜂窝区(图(c))。
在频分多址和时分多址制式中,在每个蜂窝小区中采用分扇区天线通常只能起到减少干扰的作用,不能增加系统容量。而在码分多址制式蜂窝移动通信系统中,利用120°扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分成三个扇区(如图(c)所示)时,平均处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之一,相应的各用户之间的多址干扰分量也减少为原来的三分之一左右,从而系统的容量将增加约3倍(实际上,由于相邻扇区之间有重叠,一般只能提高到2.55倍)。
3.高系统容量
由于码分数字蜂窝移动通信系统可以通过采用上述两种方法以及其他技术直接地或间接地提高系统容量,使码分系统的容量比模拟FDMA系统及数字GSM系统都要高出若干倍。理论分析表明,在相同的频率带宽下,对于宽带码分系统,每个蜂窝小区所能提供的信道数是模拟FDMA系统的20倍左右,是数字GSM系统的10倍左右;对于窄带码分系统来说,其系统容量的优势有所
降低,但也是模拟FDMA系统的10倍以上,是数字GSM系统的3倍以上。由此可以看出,在移动通信事业迅猛发展的今天,移动用户量日益猛增,而频率资源日趋紧张,采用码分数字蜂窝移动通信系统是势在必行。
4.软容量
在模拟频分系统和数字时分系统中,通信信道是以频带或时隙的不同来划分的,每个蜂窝小区提供的信道数一旦固定,很难改变。当没有空闲信道时,系统会出现忙音,移动用户不可能再呼叫其他用户或接收其他 用户的呼叫。当移动用户在越区切换时,也很容易出现通话中断现象。在码分系统中,信道划分是靠不同的码型来划分的,其标准的信道数是以一定的输入、输出信噪比为条件的,当系统中增加一个通话用户时,所有用户输入、输出信噪比都有所下降,但不会出现因没有信道而不能通话的现象。例如对一个标准信道数为40的扇区来说,当第41个用户呼叫时,对所有移动用户的影响是接收机的输入信噪比下降10lg(41/40)=0.1dB,即使再增加两个用户通信,比标准多三个,其影响是所有接收机的输入信噪比下降10lg[(40+3)/40]=2.3dB,这使该扇区内的移动用户信息数据的误码率有所升高,通话质量有所下降,但增加的三个用户都不会发生因无信道而出现忙音的现象。这对于解决通信高峰期时的通信阻塞问题和提高用户越区切换的成功率无疑是非常有益的。
5.软切换
当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,移动用户从一个基站的管辖范围移动到另一个基站的管辖范围,通信网的控制系统为了不中断用户的通信就要做一系列的调整,包括通信链路的转换,位置更新等,这个过程就叫越区切换。越区切换实现了小区(或扇区)间的信道转换,是保证一个正在处理或进行中的呼叫的不中断运行。
在模拟FDMA系统和数字TDMA系统中,移动用户在越区切换时,需要在另一个小区(或扇区)寻找空闲信道,当该区有空闲信道时才能切换。这时移动台的收、发频率等都要作相应的调整,称之为硬切换。这种切换过程是首先切断原通话通路,然后与新的基站接通新的通话链路。这种先断后通的切换方式势必引起通信的短暂间断。另外由于通信环境的影响,在两小区的交叠区域内,移动台接收到的两个基站发来的信号的强度有时会出现大小交替变化,从而导致越区切换的“乒乓”效应,用户会听到“咔嗒”声,对通信产生不利的影响。此外切换时间也较长。
在CDMA系统中,由于所有的小区(或扇区)都可以使用相同的频率,小区(或扇区)之间是以码型的不同来区分的。当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,不需要移动台的收、发频率切换,只需在码序列上作相应地调整,称之为软切换。软切换的优点在于首先与新的基站接通新的通话,然后切断原通话链路。这种先通后断的切换方式不会出现“乒乓”效应,并且切换时间也很短。另外由于CDMA系统有“软容量”的优点,越区切换的成功率要远大于模拟FDMA系统和数字TDMA系统,尤其是在通信的高峰期。
6.特有的分集形式
在CDMA系统中,由于采用了宽带传输,使它具有了特有的频率分集特性,即当信道具有选频特性时,对CDMA系统中信息传输影响较小。
CDMA系统有分离多径信号的能力,可以实现路径分集。由于移动通信环境的复杂和移动台的不断运动,接收到的信号往往是多个反射波的叠加,形成多径衰落。在模拟FDMA系统和数字TDMA系统中,为了解决多径衰落对通信带来的不利影响,采取了包括增加发射功率等一系列措施。在CDMA系统中,可以采用它特有的技术(如瑞克(RAKE)接收技术),将多径信号分离出来,
分别接收,这样不但克服了多径衰落对通信带来的不利影响,还等效增加了接收有用信号的功率(或者说等效增加了发射信号的功率)。由于这种特有的分集形式以及其他措施,使CDMA系统的发射功率相对很低。
除了这种特有的分集形式外,CDMA系统还采用其他分集技术,如空间分集、时间分集等,使CDMA系统的性能更加提高。
7.与窄带系统(模拟系统)共存
当码分系统与窄带系统(例如模拟FDMA系统)工作于同一频段时,由于在CDMA系统中采用了宽带传输方式,并且发射功率较低,平均落到每个窄带系统中的带宽内的干扰信号功率很小。尤其是宽带CDMA系统,其对窄带系统的影响可以忽略不计,窄带系统对CDMA系统的影响可以等效为“人为干扰”,由于CDMA系统特有的抗干扰能力,把这个干扰降低到了最低限度。
这个干扰的存在只使得CDMA系统的容量降低,但不妨碍CDMA系统的正常工作。CDMA系统的带宽越宽,两个系统共存时相互间的影响越小,反之则越大。这给CDMA系统与模拟窄带系统双模式共存以及由模拟移动通信系统向数字移动通信系统平滑过渡提供了可能性。
8.良好的保密能力
码分数字移动通信系统的体制本身就决定了它具有良好的保密能力。首先在CDMA数字移动通信系统中必须采用扩频技术,使它所发射的信号频谱被扩展的很宽,从而使发射的信号完全隐蔽在噪声、干扰之中,不易被发现和接收,因此也就实现了保密通信。其次在通信过程中,各移动用户所使用的地址码各不相同,在接收端只有完全相同(包括码型和相位)的用户才能接收到相应的发送数据,对非相关的用户来说是一种背景噪声,所以CDMA系统可以防止有意或无意的窃取,具有很好的保密性能。
9.发射功率低、移动台的电池使用寿命长
由于在码分数字移动通信系统中,可以采用许多特有的技术来提高系统的性能,所要求的发射功率大大降低,从而对电池的体积减小和使用寿命增长都是非常有益的,对移动台整机的体积减小和成本的降低也是有利的。
10.频率分配和管理简单
在模拟频分多址和数字时分多址移动通信制式中,频率分配和管理是一项比较复杂的技术,而动态频率分配就更加复杂。在码分数字移动通信体制中,所有移动用户可以只用一个频率,不需要动态分配,其频率分配和管理都很简单。
以上是码分数字移动通信系统的主要优点,但同时它也存在需要人们攻克的难点。在CDMA数字移动通信系统中,突出的问题是远近效应。所谓远近效应是指距接收机近的用户对距离远的用户的干扰。
在CDMA数字移动通信系统中,由于在同一蜂窝的各用户使用的是同一频率,共享一个无线频道。由于路途衰耗的原因,距基站近的移动台所发射信号有可能完全淹没距离远(例如处于蜂窝区边缘)移动台所发送来的信号,如果不采取有力的措施,这将使基站无法正常接收远距离移动台所发送来的信号。而在模拟频分多址和数字时分多址移动通信系统中,由于各信道使用不同频率或时隙,且各信道之间有相应的保护带宽或保护时间,故远近效应问题不太突出。
当前,在CDMA系统中为解决这个问题所采取的措施主要有两种:第一种是信号处理方法,在接收端用信号处理的方法,依次逐个抵消掉较强信号,直到能解调出所需信号为止,但由于这种方法运算量很大及当前器件的运算速度等问题,还不能实际使用;当移动台距基站近时,其发射功率减小,当距离远时,发射功率增大,从而保证在基站所收到的每个移动台的信号功率相等,消除远近效应的影响,使系统处于最佳运行状态。功率控制技术已在实际当中采用,它是CDMA数字移动通信系统中的最关键技术之一。功率控制技术很复杂,其所控制的范围和精度直接影响到整个系统的性能,如偏差过大,不仅系统容量迅速下降,而且通信质量也将急剧下降。
码分数字蜂窝移动通信网的网路结构如下图所示。
它是一个抽象的平面图,其实现将随着功能实体在各个物理单元中的分布情况不同而有所改变。各部分的作用和功能如下:
1.移动台(MS)
其包括手机和车台等,是用户端终接无线信道的设备;通过空中无线接口Um,给用户提供接入网路业务的能力。
2.基站(BS)
其设于某一地点,是服务于一个或几个蜂窝小区的全部无线设备的总称。它是在一定无线覆盖区域内,由移动交换中心(MSC)控制,与移动台通信的设备。
3.移动交换中心(MSC)
是完成对位于它所服务的区域中的移动台进行控制、交换的功能实体,也是与其他MSC或其他公用交换网之间的用户业务的自动接续设备。
4.归属位置寄存器(HLR)
是为了记录的目的而指定用户身份给它的一种位置登记器。登记的内容是用户的信息(例如ESN、DN、IMSI(MSI)、服务项目信息、当前位置、批准有效的时间段等)。
5.拜访位置寄存器(VLR)
是MSC检索信息用的位置寄存器。例如处理发至或来自一个拜访用户的呼叫信息——用户号码、向用户提供本地用户的服务等参数。
6.设备识别寄存器(EIR)
是为了记录的目的而分配用户设备身份给它的寄存器;用于对移动设备的识别、监视、闭锁等。
7.鉴权中心(AC)
是一个管理与移动台相关的鉴权信息的功能实体。
8.消息中心(MC)
是一个存储和转送短消息的实体。
9.短消息实体(SME)
是合成和分解短消息的实体。有时HLR、VLR、EIR及AC位于MSC之中,SMC位于MSC、HLR或MC之中。
码分数字蜂窝移动通信网不是公共交换电话网(PSTN)的简单延伸,它是与PSTN、PSPDN、ISDN等并行的业务网。由于移动用户大范围的移动,该网在管理上应相对的独立。
通信系统的通信容量可以用不同的表征方法进行度量。对于点对点的通信系统而言,系统的通信容量可以用信道效率来度量,即用在给定的频率带宽中所能提供的最大信道数目进行衡量。一般地说,在给定的频率带宽中所能提供的信道数目越大,系统的通信容量也越大。在蜂窝移动通信系统中,系统的容量有多种衡量方法,如用每小区可用信道数(ch/cell)、每小区每兆赫兹可用
信道数(ch/cell/MHz)、每小区爱尔兰数(Erl/cell)、每平方公里用户数(用户数/km)以及每平方公里每小时通话次数(通话次数h/km)等进行度量。这些表征方法从不同的角度对系统的容量进行衡量,它们之间是有联系的,在一定的条件下可以互相转换。考虑到信道的分配涉及到频率复用和由此而产生的同频干扰问题,一般认为用每小区可用信道数(ch/cell)或每小区每兆赫兹限制CDMA数字蜂窝移动通信系统容量的原因是由于系统中存在多址干扰,即同时通信的移动用户之间的相互干扰。在某个蜂窝小区内,如果有N个用户同时通信,系统必须能提供N个或N个以上的(逻辑)信道。同时通信的用户数N越大,多址干扰越强。N的最大值就是系统容量,即在保证接收所需信号功率与干扰功率的比值大于或等于某一门限值的条件下,该小区同时通信的最大用户数。
首先考虑一般码分通信系统(即暂不考虑蜂窝移动通信系统的特点)的容量。若N个用户同时通信,每个用户的信号都受到其他N-1个用户信号的干扰。假定系统的功率
控制是理想的,即到达接收机的所有N个信号强度都一样,则理论分析表明,此时系统容量为
式中W是CDMA系统所占的有效频谱宽度;Rb是信息数据的速率;Eb是信息数据的一比特能量;N0是干扰(噪声)的功率谱密度(单位赫兹的干扰功率);W/Rb是CDMA系统的扩频增益。当CDMA系统所占的频谱宽度W一定时,它随着信息速率Rb的降低而增大。Eb/N0是比特能量与噪声密度比,其比值取决于系统对误码率或话音质量的要求,并与系统的调制方式和编码方案有关。
例如:N-CDMA系统所占的有效频谱宽度W=1.2288MHz,话音编码速率Rb=8.6kbit/s,若比特能量与噪声密度比Eb/N0=7dB,则N=29.5;若Eb/N0=6dB,则N=37。
结果说明:在满足一定通信要求的前提下,比特能量与噪声密度比Eb/N0越小,系统的容量越大。但在上面的结果中,没有考虑CDMA蜂窝系统的特点,还应该根据其特点对系统容量公式进行修正。
1.采用语音激活技术提高系统容量
统计结果表明,对话的激活期(占空比)d=0.35。也就是,人们在通话过程中平均只有35%的时间在讲话,
另外65%的时间处于听对方讲话、话句间停顿或其他等待状态。在CDMA数字蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,如果采用语音激活技术,使通信中的用户有语音时才发射信号,没有讲话时,该用户的发射机就停止发射功率,那么任一用户话音发生停顿时,其他用户所受到的干扰都会相应地平均减少65%,从而系统容量可以提高到1/d=2.86倍。为此,CDMA数字蜂窝移动通信系统的计算公式变成
式中d是语音占空比(d=0.35)。
2.利用扇区划分提高系统容量
在码分多址制式蜂窝移动通信系统中,利用120°扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分成3个扇区时,处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之一,相应的各用户之间的多址
干扰分量也减少为原来的约三分之一,从而系统的容量将增加约3倍(实际上,由于相邻天线覆盖区之间有重叠,一般能提高到G=2.55倍左右)。为此,CDMA数字蜂窝移动通信系统的计算公式变为
式中G是扇形分区系数(G=2.55)。
3.邻近蜂窝小区的干扰对系统容量的影响
根据码分多址蜂窝移动通信系统的特点,在CDMA蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,即若干个小区内的基站和移动台都工作在相同的频率上。因此,任一小区的移动台都会受到相邻小区基站的干扰,任一小区的基站也都会受到相邻小区移动台的干扰。这些干扰的存在必然会影响系统的容量。其中任一小区的移动台对
相邻小区基站(反向信道)的总干扰量和任一小区的基站对相邻小区移动台(正向信道)的总干扰量是不同的,对系统容量的影响也有所差别,下面分别加以简要说明。
(1)正向信道(由基站到移动台)
在一个蜂窝小区内,基站不断地向所有通信中的移动台发送信号,移动台在接收它自己所需的信号同时,也接收到基站发给所有其他移动台的信号,而这些信号对它所需的信号将形成干扰。当系统采用正向功率
控制技术时,由于路径传播损耗的原因,位于靠近基站的移动台,受到本小区基站所发射的信号干扰比距离远的移动台要大,但受到相邻小区基站的干扰较小;位于小区边缘的移动台,受到本小区基站所发射的信号干扰比距离近的移动台要小,但受到相邻小区基站的干扰较大。移动台最不利的位置是处于3个小区交界的地方,如下图中的X点。
假设各小区中同时通信的用户数都是N,即各小区的基站同时向N个用户发送信号,
当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,移动用户从一个基站的管辖范围移动到另一个基站的管辖范围,通信网的控制系统为了不中断通信就要做一系列的调整,包括位置更新、转换通信链路等,这个过程就叫越区切换。
越区切换实现了小区(或扇区)间和频道间的信道转换,保证了一个正在处理或进行中的呼叫的不中断运行。切换是由于无线转播、业务分配、操作和维护激活、设备故障等原因而产生的。例如:
(1)移动台移动至小区的边界,信号强度低到一定程度;
(2)移动台在小区中进入信号强度缝隙中(阴影区),信号恶化到一定程度;
(3)移动交换中心发现一些小区太拥挤,而另一些小区很闲时,可命令拥挤的小区的一些移动台提前切换,以调整各小区的负荷量等等。
对越区切换的基本要求是:
(1)高的切换成功率;
(2)减少系统中不必要的切换;
(3)使用优化的越区切换算法来控制各小区的业务量;
(4)切换速度快,切换经历的时间短;
(5)对话音质量的影响小等。
在CDMA系统中的越区切换有两类,即硬切换(Hard Handoff)和软切换(Soft Handoff)。
硬切换是指移动台在不同频道之间的切换, 这些切换需要移动台变更收发频率,即先切断原来的收发频率,再搜索、使用新的频道。
硬切换会造成通话暂短中断,切换时间较长时(大于200ms),将影响用户通话。
软切换是指移动台在相同的CDMA频道中的切换。软切换不需要移动台变更收发频率,只需要在伪随机码的相位上作一调整。CDMA系统的移动台中有多个RAKE (瑞克)接收机,可以同时接收几个基站发来的信号。当需要切换时,移动台除了与原服
务基站保持通话链路外,还与新的基站建立了通话链路。直到移动台接收到的原基站发来的信号低于一门限时才切断与原基站的通话链路。这种先通后断的软切换保证了通话不会中断。通常所说的软切换中还包含一种更软切换(Softer Handoff)。更软切换是指同一蜂窝小区内不同扇区之间的切换。在两扇区边界,基站和移动台通过分集技术可以同时在两个扇区传输信号。
在软切换过程中,由于移动台中有多个RAKE接收机,移动台开始与目标基站建立通信时,不中断与原服务基站的通信,此时移动台同时与两个基站建立了通话链路。当原服务基站的信号强度低到一门限值时,再切断与原服务基站的通信联系。由于移动台在软切换中不变更收发频率,所以软切换只能在具有相同CDMA频道的小区(或扇区)之间进行切换。
软切换是CDMA系统中特有的一个重要概念。在CDMA蜂窝移动通信系统中,具有相同CDMA频道的各小区使用同一频率,移动台在小区之间移动时不需要像频分或时分系统那样重新分配频率或时隙,这使得软切换成为可能。
在CDMA系统中,一般情况下每个移动台拥有三个以上RAKE接收机,即每个移动台中有多个解调器,这允许移动台同时与两个或多个小区保持通信。
移动台在与基站A通信时,连续监视相邻小区的导频信号强度,任何一个导频信号(如基站B)的强度超过一预定的门限时,立即报告系统。系统则命令基站B建立与移动台的通信,开始软切换。此时移动台同时接收到来自两个基站的通信信号,两路信号密切结合,彼此加强。
在反向链路上,移动交换中心根据基站接收的信号强度确定哪个基站的接收信号更强,从而选择它。
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