（交通信息工程及控制专业论文）基于广义正交序列的DSCDMA系统及其性能分析.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第v i 页 摘要 在码分多址( c d m a ) 系统中，扩频序列自相关和互相关特性的好坏在很 大程度上决定了系统自干扰( s i ) 、多址接入干扰( m a d 和邻区干扰( a c i ) 的大小，从而直接影响着系统性能优劣和容量大小。本文研究了零相关区( z c z ) 或广义正交( g o ) 序列在直接序列码分多址( d s c d m a ) 系统中的应用并给 出了系统性能分析结果，包括h a d a m a r dw a l s h ( w h ) 序列集、广义正交序列 集与松散同步( l s ) 序列集相关特性分析，采用广义正交序列的单小区与多小 区同步c d m a ( s c d m a ) 系统模型与性能分析，以及广义正交序列在准同步 c d m a ( q s c d m a ) 系统中的应用等问题。 本文首先给出了系统性能分析中常用的扩频序列集相关性定义，包括在特 定位移处的互相关特性、周期( 互) 相关均方特性、非周期( 互) 相关均方特 性等；通过对w h 序列集、g o 序列集和l s 序列集构造方法的分析，得到了 其相关特性的分析结果。基于这些结果，探讨了如何从w h 序列集和广义正交 区z - 1 的g o 序列集中，分别按照周期互相关均方特性最优和非周期相关均方 特性最优的准则选择性能较好的序列子集；同时讨论了将广义正交序列截短来 获得准正交( q o ) 序列集和广义准正交序列集( g q o ) 的方法，并给出了这 一类序列相关特性的数值计算结果。 然后，本文探讨了广义正交序列在单小区s c d m a 系统中的应用。在加性 自高斯噪声( a w g n ) 信道条件下，以序列集周期相关均方特性理论界为基础， 对序列个数大于系统扩频因子的s - c d m a 系统干扰组成进行了分析，并基于截 短w h 序列提出了两种高容量低干扰s - c d m a 系统模型，给出了分析和仿真 结果。此外，本文还对多径传输条件下采用g o 序列扩频的单小区s - c d m a 系 统性能进行了理论分析，给出了瑞利、莱斯衰落信道条件下s i r 表达式以及误 码性能数值计算和仿真结果。 接着，本文提出了一种两级扩频方案并探讨了广义正交序列在多小区 c d m a 蜂窝系统下行链路中的应用。论文分别给出了基于l s 序列和两级扩频 多小区s - c d m a 系统模型。数值计算及仿真结果表明，由于本小区多径干扰受 到抑制，系统性能显著提高。 最后，本文研究了广义正交序列在a w g n 信道条件下q s c d m a 系统中 的应用。作者将g o 序列用于高阶调制q s c d m a 系统，获得了采用m p s k 调 第v i i 页 西南交通大学博士研究生学位论文 制和m - q a m 调制时系统最大允许时延限制条件以及s i r 表达式。同时，将截 短的g o 序列、l s 序列用于q s c d m a 系统以适当提高系统容量。本文还提出 t - - 种基于两级扩频方案q s - c d m a 系统模型。理论分析与仿真结果均表明， 与现有系统相比，文中提出的q s c d m a 系统能够提供更好的误码性能和更高 的系统容量。 关键词：移动通信；扩频序列；广义正交序列：同步c d m a ：准同步c d m a 西南交通大学博士研究生学位论文第v i i i 页 a b s t t a c t i nc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e - a c c e s s ( c d m a ) s y s t e m s ，t h ea u t o - a n dc r o s s c o r r e l a t i o np r o p e r t i e so ft h es p r e a d i n gs e q u e n c e se m p l o y e d p l a ya ni m p o r t a n tr o l e o nt h el e v e lo ft h es e l f - i n t e r f e r e n c e 【s i ) ，m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a da n d a d j a c e n tc e l li n t e r f e r e n c e ( a c i ) ，a n dt h e r e f o r ed i r e c t l yi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c e a n dc a p a c i t yo ft h es y s t e m s i nt h i st h e s i s ，t h ez e r oc o r r e l a t i o nz o n e ( z c z ) o r g e n e r a l i z e do r t h o g o n a l ( g o ) s e q u e n c e sa r ea p p l i e d t o d i r e c t - s e q u e n c ec d m a ( d s - c d m a ) s y s t e m s ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gs y s t e mp e r f o r m a n c ea r ea n a l y s e d t o p i c so nt h ec o r r e l a t i o np r o p e r t ya n a l y s i so fh a d a m a r dw a l s h ( w r t ) s e q u e n c e s ， g o s e q u e n c e s ，a n dl o o s e l ys y n c h r o n o u s ( l s ) s e q u e n c e sa r ep e r f o r m e d ，a n dt h e s y s t e mm o d e l a n d p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fs i n g l e - c e l la n dm u l t i c e i ls y n c h r o n o u s c d m a ( s c d m a ) s y s t e m se m p l o y i n gg os e q u e n c e s ，a n dt h ea p p l i c a t i o n so fg o s e q u e n c e si nq u a s i s y n c h r o n o u sc d m a ( q s c d m a ) s y s t e m sa r ee l a b o r a t e d f i r s to f a l l ，t h ec o r r e l a t i o nd e f m i t i o n so f s p r e a d i n gs e q u e n c e s ，w h i c ha r eu s e d w i d e l y i nt h e s y s t e mp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，a r e p r o v i d e d ，i n c l u d i n g t h e c r o s s - c o r r e l a t i o np r o p e r t ya tas p e c i f i cs h i f t ，t h ep e r i o d i c ( c r o s s - ) c o r r e l a t i o nm e a n s q u a r ep r o p e r t ya n dt h ea p e r i o d i c ( c r o s s - ) m e a ns q u a r ec o r r e l a t i o np r o p e r t y t h e n b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec o n s t r u c t i o n so fw h ，g oa n dl ss e q u e n c e s ，t h e c o r r e s p o n d i n gc o r r e l a t i o np r o p e r t i e sa r ed e r i v e da n dm e t h o d so fs e l e c t i n gs u b s e t s w i t hg o o d p e r i o d i cm e a n - s q u a r ec r o s s c o r r e l a t i o np r o p e r t yo ra p e r i o d i cm e a n - s q u a r e c o r r e l a t i o np r o p e r t yf r o mt h ew hs e ta n dg o s e q u e n c es e tw h o s eg o z o n ez = ia r e i n v e s t i g a t e d f u r t h e r m o r e ，t h em e t h o d so f t r u n c a t i n g t h eg o s e q u e n c e s t oo b t a i nt h e q u a s i - o r t h o g o n a l ( q o ) s e tw h o s ef a m i l ys i z em i sl a r g e rt h a nt h el e n g t hla n dt h e q u a s i - g e n e r a l i z e d - o r t h o g o n a l ( q g o ) s e tw h o s es i z em i s l a r g e rt h a n 剧2 za r e d i s c u s s e d ，t o g e t h e r w i t ht h en u m e r i c a lr e s u l t so f t h ec o r r e l a t i o n p r o p e r t i e s t h e r e a f t e r , t h ea p p l i c a t i o n so fg o s e q u e n c e si ns i n g l e - c e l ls - c d m as y s t e m s a r ed i s c u s s e di n t h i st h e s i s i na d d i t i v ew h i t eg a u s s i o nn o i s e ( a w g n ) c h a n n e l ， i n t e r f e r e n c ec o m p o n e n t si ns - c d m a s y s t e m sa c c o m m o d a t i n gm o r eu s e r st h a nt h e s p r e a d i n g f a c t o ri s a n a l y z e d b a s e do nt h et h e o r e t i c a lb o u n do ft h e p e r i o d i c c o r r e l a t i o nm e a n s q u a r e p r o p e r t y t h e n t w o i n t e r f e r e n c e - s u p p r e s s e d s c d m a 第页西南交通大学博士研究生学位论文 s y s t e mm o d e l so fa u g m e n t e dc a p a c i t y a r ep r o p o s e d ，a l o n g 、i mt h ea n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t s m o r e o v e r t h ep e r f o r m a n c eo ft h es i n g l e - c e l ls - c d m as y s t e m e m p l o y i n gg os e q u e n c e su n d e rt h em u l t i - p a t hp r o p a g a t i o nc h a n n e li s a n a l y z e d ， r e s u l t i n ga n a l y t i c a ls i re x p r e s s i o n s ，t h en u m e r i c a la n ds i m u l a t i o ne r r o rr e s u l t s ，f o r r a y l e i g ha n dr i c ef a d i n gc h a n n e l sr e s p e c t i v e l y n e x t ，at w o - l e v e ls p r e a d i n g d e s p r e a d i n g s c h e m ei s p r o p o s e d ，a n d t h eg o s e q u e n c e s a r ea p p l i e dt ot h ef o r w a r dl i n ko fam u l t i c e l lc d m a s y s t e m i nt h i st h e s i s t w om u l t i - c e l ls - c d m a s y s t e mm o d e l sb a s e do nl ss e q u e n c e sa n dt w o - l e v e l s p r e a d i n gs c h e m er e s p e c t i v e l y a r ep r e s e n t e dh e r e ，a sw e l la st h en u m e r i c a la n d s i m u l a t i o nr e s u l t sw h i c hr e v e a lt h a t d u et ot h er e s t r i c t e di n t r a - c e l li n t e r f e r e n c e t h e s y s t e mp e r f o r m a n c e i si m p r o v e d d i s t i n c t l y i nt h ee n d ，t h ea p p l i c a t i o n so fg o s e q u e n c e st o t h eq s - c d m a s y s t e m si n a w g nc h a n n e la r ec o n s i d e r e di nt h i st h e s i s t h eg o s e q u e n c e sa r ea p p l i e dt ot h e h i g h - o r d e r m o d u l a t i o n q s - c d m as y s t e m s ，a n df o rt h em p s ka n dm q a m m o d u l a t i o ns c h e m e ，t h em a x i m u ma l l o w a b l e t i m i n gd e l a y s ，t h es i re x p r e s s i o n sa n d t h eb i t e r r o r - r a t e 提壅了一种两级扩频方案；绘爨了基予l s 滓强和两缀扩频方案豹系绫模 型，可适用于多径传输条件下多小区c d m a 蜂窝通信系统下行链路；数值 计算及仿真结果显承，由于本小区多径干扰受到有效抑制，系统性能擞藩 捷裹。( 筹五章) 提出了将g o 序捌掰于高阶调制q s c d m a 系统的思路，获得了采用m p s k 调制和m - q a m 调制时系统最大允许时延限制条件以及s i r 表达式；分析 与仿嶷结果表明，采用高阶调制农g o 序列w 以在获得较好系统性能焱件 下缳程鞍褰熬系统褒量。( 第六肇) 第v 页西南交通大学博士研究生学位论文 提出了将截短的g o 序列、l s 序列用于a w g n 信道条件下q s c d m a 系 统的思路；结果表明，在保证较为满意系统性能的条件下可以适当提高系 统容量。( 第六章) 提出了三种基于两级扩频方案的a w g n 信道条件下q s c d m a 系统模型。 结果表明，与现有系统相比，本文提出的模型能够提供更好的误码性能和 更高的系统容量。( 第六章) 学位论文作者签名：茹爷翻 日期： 佃多年占月矿日 西南交通大学博士研究生学位论文 第1 页 第一章绪论 1 1 扩频通信与码分多址技术 1 1 1 常用多址技术 频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 是无线通信系统 中共享带宽的三种最主要的多址接入技术。 在f d m a 系统中，通信系统的总频段被划分为若干等间隔的频分信道，这 些信道分配给不同用户使用以实现多址通信【6 引。为了保证用户信号之间彼此正 交，各个频分信道占用频带应该互不重叠，因此频道之间通常需要插入保护频 带。1 9 7 6 年日本提出的”陆上移动电话系统( l m t s ) ”、1 9 7 9 年美国研制成功的” 先进移动电话业务( a m e s ) ”以及1 9 8 3 年英国制定的”全接入通信系统( t a c s ) ” 等均属于基于f d m a 多址技术制定的蜂窝移动通信标准，信道带宽从2 5 k h z 3 0 k h z 。 在t d m a 系统中，各个用户使用频谱的时间是按照时隙分配的，在每个时 隙中只有一个用户允许发射或者接收【6 8 】。为了保证用户信号之间彼此正交，需 要在数据时隙之间插入保护时隙。由于t d m a 系统更适合于数字信号的传输而 迅速显示出良好的应用前景，但t d m a 系统需要用户信号严格同步，故常与 f d m a 方式结合使用以降低同步设备的复杂度。8 0 年代中后期欧洲率先提出的 g s m 数字移动通信系统迅速商用；随后美国、日本也提出了自己的数字系统， 如i s - 1 3 6 、p d c ( 个人数字蜂窝) 等。这些标准都是以时分多址技术为基础的， 信道带宽从2 5 k h z 2 0 0 k h z 。 上述两种多址方式都属于窄带多址方式，与之相对应的是采用扩频通信技 术的c d m a 系统。如果保护频带或者保护时隙足够宽，则上述两种系统都可以 最多容纳个没有干扰的用户其中为总频带宽度与单个用户信号占据频带 宽度之比。对于f d m a 系统，单个用户信号带宽即为信道带宽：而对于t d m a 系统而言，由于若干个用户以时分方式共享一个频分信道，因此每个用户占据 的带宽应该为频分信道带宽除以共享该信道的用户个数。 在c d m a 系统中，信道的划分是通过特征地址码来实现的【6 7 】【7 0 1 9 8 1 ，因此 一个用户可以占用系统提供的所有频带和时隙进行通信，而通过分配的地址码 进行扩频实现多址传输。扩频技术起源于军用和航空系统，当时主要是利用 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 c d m a 系统良好的抗人为干扰特性；到7 0 年代末期扩频技术开始应用于蜂窝 移动通信系统和卫星通信系统。8 0 年代高通公司对直接序列码分多址 ( d s c d m a ) 技术的研究与应用推动了蜂窝扩频技术的标准化并最终促成了 窄带c d m a 系统i s 9 5 标准的制订。目前，第三代移动通信系统的标准化进程 已经基本完成，正在向商用化进军。3 g 系统采用了宽带d s c d m a 多址接入 技术，它的核心网是在g s m 系统的核心网和i s 9 5 的核心网的基础上发展而来 的，其空中接口和相应的2 g 系统向后兼容；它包括单载波频分双工，多载波 频分双工和时分双工三种模式。 d s c d m a 多址技术之所以在蜂窝移动通信、卫星通信等领域取得越来越 广泛的应用，主要是由于以下两个原因：一是在f d m a 和t d m a 系统中，信 道个数一定，因此系统容量受到信道个数的限制，如果所有信道均被占用，则 其它用户不能接入；与之相反，在c d m a 系统中，系统容量受到系统中干扰的 限制，这样当有更多用户需要接入时，可以通过降低用户的质量指标来实现， 即可以提供软容量，这一点在实现切换时显得尤为重要。第二个更重要的原因 是c d m a 系统可以提供更高的系统容量，这是因为c d m a 系统中的小区复用 因子为1 ，也就是说同一频率的信道可以在相邻小区使用，这样与t d m a 及 f d m a 系统相比。尽管c d m a 系统单小区容量并不占优势，但从整个蜂窝系 统的容量而言，c d m a 系统的容量要远远大于其它两种多址系统。当然c d m a 系统还具有其它优势，比如容易实现软切换，可以对抗多径信道，通话质量高 等，这里就不一一赘述了。 除了上面讨论的三种多址技术外。还有正交频分复用( o f d m ) 和空分多 址( s d m a ) 等多址技术。然而从目前蜂窝通信和卫星通信的发展状况看， d s c d m a 技术取得了最广泛的用途。 1 1 2d s c d m a 系统模型 这里我们给出一个简化的采用二进制相位键控( b p s k ) 调制的d s c d m a 系统模型如图1 1 所示。信息速率为r b ( b i t s ) 的数字信号经过与扩频信号相乘后 将频谱展宽到r , ( c h i p s ) ，然后调制到载频上进行发送；在接收端，接收到的信 号首先进行b p s k 解调，随后经过滤波器再进入相关解调器，与本地解扩序列 相乘后在比特周期间隔( 耻1 r b ) 内积分，输出即为每个比特的判决变量，注意 本地解扩序列应该是与发射机的扩频序列同步的。 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 基带： r f 扩频序列 ： 正弦载波 ， 。湘 t 波 图1 - 1d s - c d m a 系统发射接收机简化框图 从图l - 1 可以看出，当本地解扩序列与接收到的信号采用的扩频序列相同 且完全同步时，则相关解扩器的输出为最大值：如果解扩序列与接收到的信号 所用序列相同但不同步，则相关解扩器输出的大小取决于该序列的自相关特性； 如果解扩序列与扩频序列不同，则解扩器输出的大小由两个序列的互相关特性 决定。这样如果为不同用户分配不同扩频序列，可以看出判决变量中包含的干 扰成分的大小取决于序列的自相关和互相关特性的好坏，因此采用不同的扩频 序列将对系统性能的好坏带来直接的影响。正是由于这个原因，论文重点在于 讨论自相关及互相关具有广义正交性的序列特性及其在c d m a 系统中的应用。 d s - c d m a 系统中采用的关键技术除了上述扩频序列的选择外，还包括语 音激活技术 6 7 1 、功率控制技术【9 4 1 1 9 扪、智能天线、多用户检测【8 6 】【朔、各种形式 的分集接收等等。总的来说，适用于c d m a 系统能够提高系统性能和容量的技 术在本文所提出系统中都可以进一步带来系统增益。 1 2c d m a 系统分类 1 2 1 同步、准同步与异步c d m a 系统 与f d m a 、t d m a 等多址接入方式不同的是，对于c d m a 系统而言，信 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 道之间的同步方式直接决定了系统扩频地址码的选取和系统性能的优劣。通常 根据到达接收端的多用户信号相对时延的大小，可以将c d m a 系统分为同步 ( s - c d m a ) 【6 6 】、准同步( q s c d m a ) 【1o 】和异步( a - c d m a ) 【”】三种类型。 在s - c d m a 系统中，所有用户信号的比特数据到达接收端是精确同步的。 s - c d m a 首先是在无线本地环路上得到应用，由于用户位置及传输路径固定， 很容易实现用户信号间的同步，从而大大提高系统容量。对于蜂窝或卫星通信 的下行链路面言，如果不考虑多径效应，来自同一波束或基站的多用户信号由 于传输路径相同，到达接收机时是自然同步的。而对于来自不同发射机经过不 同路径传输的信号。如果需要同步，则要求采用闭环定时控制等方法来实现。 在a c d m a 系统中，各个用户随机接入，用户相对时延在整个比特周期 内随机分布。这样各个发射机之间不需要同步，使得设备简化，成本降低。其 存在的缺陷是用户信号问的多址干扰比较大从而造成误码性能较s - c d m a 差，容量受到系统中干扰的限制。 所谓q s c d m a 系统是指到达接收端的用户信号之间存在相对时延，但其 最大值限制在一定范围之内。尽管对c d m a 系统的研究开始得比较早，但主要 集中在a - c d m a 和s - c d m a 系统上。q s - c d m a 系统是近十年内提出来的， 越来越受到学者的注意，其原因在于它一方面继承了s - c d m a 系统优良的系统 性能，另外一方面又不需要精确的用户间同步，降低了同步设备的复杂度。 由于最早提出的q s c d m a 系统的主要是采用传统的正交序列，因此通常 假定q s - c d m a 系统的最大相对时延在1 个码片之内。近年来随着零相关区 ( z c z ：z e mc o r r e l a t i o l lz o l l e ) 或广义正交( g o ：g e n e r a l i z e do r t h o g o n a l ) 序列研 究的逐渐深入，所谓广义准同步c d m a ( g e n e r a l i z e dq s c d i i a ) 系统模型被 提出，在这一类系统中最大相对时延可以超过一个码片的限制而达到几个码片。 从提交给i t u 卫星r t t 候选方案来看，多址技术以c d m a 为主，且下行 信道均采用s - c d m a 而上行信道大多采用a - c d m a 。值得注意的是欧洲航空 局在其提交的s w - c t d m a 建议中上行信道采用s - c d m a 而下行信道采用了 q s c d m a ，这是q s - c d m a 第一次出现在标准建议中，这标志q s c d m a 的 研究进入了实用性的阶段。 目前采用c d m a 方案的蜂窝通信标准的同步方式仍以s - c d m a 和 a c d m a 为主。在i s 一9 5 系统中，下行信道采用同步方式，各个基站之间通过 g p s 进行时钟同步，而上行信道采用非相干异步方式；e d m a 2 0 0 0 的下行信道与 i s 一9 5 类似，上行信道采用相干异步方式：在w c d m a 标准的下行信道中，尽 管来自同一基站的信号自然同步，然而基站与基站之间采用异步方式，上行信 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 道则采用相干异步方式。在这几种c d m a 系统中，上行信道容量均小于下行信 道，其原因在于s - c d m a 从性能上要优于a - c d m a 。在t d - s c d m a 标准中， 上行、下行信道均采用s - c d m a 方式，这样来自各个用户的信号到达接收机时 完全同步，用户信号之间没有干扰，解决了上行信道干扰受限的问题，使上、 下行信道容量均衡，其付出的代价是较为复杂的同步设备。 近年来在蜂窝移动通信系统中，q s - c d m a 系统的研究得到越来越多的重 视。在蜂窝移动通信的上行信道中，如果在微蜂窝或者室内的环境下，由于传 输时延较小，用户间相对时延很容易保持在几个码片之内；即使传输时延较大， 通过简化的同步设备也可以将信号同步到一定范围之内，此时可以认为系统采 用了q s c d m a 方式。 对于蜂窝移动通信系统的下行链路，从上述蜂窝通信系统标准中可以看出， 同一基站发送信号t l 然同步，尽管这种同步会受到多径传输的破坏：而基站与 基站之间通常采用同步( i s 9 5 ，c d m a 2 0 0 0 ) 或异步( w c d m a ) 两种方式。其 实这里将同步方式改称为准同步方式可能更加适当，这是因为尽管i s 9 5 或 e d m a 2 0 0 0 发射机的时钟是严格同步的，到达同一移动台来自不同基站的信号却 由于传输路径不同而并不同步，但其相对时延限制在一定范围之内。 在t d l a s 标准的上行信道中，由于采用了具有“零干扰窗”特性的扩频 序列，因此只需要将信号同步到零干扰窗之内就可以有效抑制用户信号之间的 干扰，可以看作为一种q s c d m a 系统1 6 ”。 1 2 20 - c d m a 与p n - c d m a 系统 众所周知，在c d m a 系统中，所有用户共享相同的频带和时隙，通过给每 个用户分配特定的扩频地址码来实现多址传输。根据采用的扩频序列的类型， 现有的c d m a 系统可以分为两大类：正交c d m a ( o c d m a ) 系统和伪随机 c d m a ( p n 卜c d m a ) 系统。 o - c d m a 系统通常采用正交或者具有广义正交性质的序列作为扩频序列， 且通常假定系统同步模型为同步或者准同步的。 传统的正交扩频序列，如w | a l s h 序列和正交可变扩频因子( o r t h o g o n a l v a r i a b l es p r e a d i n g f a c t o r , o v s f ) 序列可以用于同步的o c d m a 系统中，因为所 有用户的信号同时到达接收机，扩频序列的正交性可以完全消除用户间的干扰。 然而对于q s c d m a 系统而言，由于用户信号之间存在相对时延，因此用 户地址码之间的正交性受到破坏，系统中存在多址接入干扰。对于准同步的 o - c d m a 系统存在的正交性破坏问题，主要有两种解决思路：一种是将相对时 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 环境中，由于传输时延小，如果数据速率较低且处理增益适当，保持单个码片 内的同步是可行的。另外在多载波c d m a 通信系统中，由于每个载波带宽较窄， 码片周期较长，因此也可以减小时延的码片数。在这种保持码片级同步的 o c d m a 系统中，传统的正交序列仍然可以采用，只是干扰的大小取决于相对 时延的大小、扩频序列在位移1 个码片处的相关函数以及波形滤波烈1 】【7 2 】【7 3 1 的 设计等。另外一种思路是采用具有广义正交特性的扩频序列2 】【3 】【1 9 】【2 0 】【3 5 】 3 们。由 于序列间的相关函数在零时延附近存在零值区域，因此用户信号之间的相对时 延只要能够落到广义正交区之内，则不存在多址接入干扰。这样对相对时延的 要求大大降低，只要能够控制在几个码片之内( 即广义q s c d m a 系统) 就可 以消除干扰，获得优良的系统性能。 由此可以看出，对于o c d m a 系统而言，由于多址接入引起的干扰可以 由扩频地址码优良的相关特性来抑制，因此对于系统容量的限制主要来自于序 列集中序列个数的多少。尤其具有广义正交特性的序列，如果其长度一定，广 义正交区越长则序列个数越少。 在p n - c d m a 系统中，通常采用p n 序列作为扩频序列且通常假定系统中 用户的接入是异步的。在p n 系统中，尽管由于p n 序列个数较多而使得系统 容量没有一个固定的限制，然而由p n 序列的非正交性所引起的多址接入干扰 将使系统的实际容量受到限制。特别在准同步c d m a 系统中，由于时延只在有 限范围内随机分布，p n - c d m a 系统的性能远远低于o c d m a 系统。 但o - c d m a 及p n c d m a 系统的划分并非绝对的。比如，i s 9 5 、w c d m a 等系统的下行信道采用级联的正交p n 码，这样来自同一基站同一路径的信号 同步到达，可以看成是o c d m a 系统：而来自干扰路径及其它小区的信号存 在时延，其干扰大小由p n 码决定，又体现出p n - c d m a 系统的特点。在本文 中，由于这一类c d m a 系统的容量也是干扰受限的，因此我们把它们归于 p n - c d m a 系统的范畴。 作为特例，采用p n 码扩频的系统，也可以用于q s c d m a 系统中。比如 可以利用m 序列的良好自相关特性，将不同相位的m 序列作为用户地址码， 只要用户信号的相对时延不超过m 序列之间的相对相移，则用户之间的干扰受 到有效抑制。由于此时系统容量受限于相移m 序列的个数，因此我们将其纳入 o c d m a 系统的范畴。 因此在本文中，我们区分o c d m a 及p n c d m a 这两类系统将不以扩频 序列的类型为标准。我们根据系统容量是序列个数受限还是干扰受限来进行划 西南交通大学博士研究生学位论文 第7 页 分，这将有利于对采用多种扩频地址码的c d m a 系统的分类。 1 2 3 单级扩频与两级扩频c d m a 系统 、 根据扩频器的结构，我们可以将c d m a 系统分为单级及两级扩频系统。 本文将目前通用的扩频方案均称为单级扩频系统，即比特数据经过一次速 率提升后达到系统码片速率。与此相对应，单级扩频系统中的扩频码可能会包 含两层、三层甚至更多层。例如i s 9 5 下行信道，利用w a l s h 序列将速率提升 到1 2 2 8 8 m c h i p s ，随后用m 序列作为扰码来进行随机化处理。这样可以认为 扩频码包括w a l s h 和1 1 1 _ 序列两层，但速率的提升只进行了一次。同样道理，在 w c d m a 系统的上行信道中，扩频码可以包括o v s f u 6 序列。k a s a m i 序列和 g o l d 7 4 7 5 】序列三层，但真正的扩频是一次完成的。 在目前通用的单级扩频方案的基础上，作者提出了两级扩频的方案。所谓 两级扩频是指比特数据要经过两次速率提升才达到系统码片速率。与采用两层 扩频码的单级扩频系统相比，不论信号之间相对时延的大小如何，两级扩频系 统中两级扩频序列的相关特性同时影响系统的干扰构成：而在单级扩频系统中， 如果信号之间完全同步，系统性能取决于正交码，而若信号之间存在时延，系 统干扰大小则与正交码无关而取决于扰码。 1 3c d m a 扩频序列应用方案国内外研究现状 1 3 1 采用单层序列扩频的单级c d m a 系统 上文对于d s c d m a 系统的分类中将扩频过程中只提升一次码片速率的扩 频方式称为单级扩频。单级扩频系统是目前广泛采用的扩频方式，也是c d m a 系统扩频序列应用研究工作最集中的领域。这里我们首先讨论采用单层序列扩 频的单级c d m a 系统，包括： 采用p n 序列扩频的a c d m a 系统 在将c d m a 技术广泛用于蜂窝移动通信系统之前，大量的研究工作是针 对采用伪随机序列扩频的a c d m a 系统的。在这一类系统中，利用伪随机序 列来将用户问的干扰随机化，从而实现多址接入，包括系统的性能分析【他】 1 4 1 6 4 1 、 伪随机序列的相关特性分析【14 】及多用户检测技术等吲【8 6 1 。 采用正交序列扩频s c d m a 系统 尽管将c d m a 技术用于蜂窝移动通信系统后带来了系统容量的提高，但 实际上这种提高是由于c d m a 系统中小区复用因子为l 带来的，仅就单个小区 而言，a c d m a 的频谱效率明显低于t d m a 和f d m a 。为了超过文献 6 4 】中 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 所给出的容量估计，特殊的信号处理技术【8 6 】被用来减少同一个小区内的终端间 的干扰，这些技术致力于消除由于扩频序列的非零互相关特性所带来的干扰。 然而在s - c d m a 系统中，假定信道没有多径时延并且系统精确同步，来自不同 用户的接收信号与系统时钟对齐，任何用户信号间都没有时间偏移，这样当采 用正交扩频序列时，由于序列之间的相互正交性，系统中将不存在用户间干扰， 可以得到很好的系统性能。 在s - c d m a 系统中，系统最多可以容纳个没有干扰的用户，其中为 系统扩频因子，即码片速率与符号速率的比值。由于是系统中可容纳的无干 扰用户的最大个数，如果希望可以继续增大用户数目，显然增加的用户会带来 额外的干扰，因此这一类系统应该属于干扰受限的c d m a 系统。为了使得 s c d m a 系统中用户数超过，文献【5 0 】中同时容纳t d m a 用户和c d m a 用 户：文献【5 l 】中同时为采用i n 序列扩频的用户和采用w a l s h 序列扩频的用户提 供通信；而文献 5 2 】中则将w a l s h 序列集与不同伪随机序列相乘以得到多组扩 频序列集。上述系统中。由于引入的干扰使得新增用户几乎不可用，因此必须 采用干扰扰消除器来使得用户个数突破的限制。 由于上述各种提高s - c d m a 系统容量的方法都引入了较大干扰，因此另外 一种思路是采用准正交码来增加可用序列的个数【7 8 1 【8 l 】【1 2 4 】。文献【7 8 】给出了利用 相关特性良好的二进制序列构造准正交序列的方法。 采用正交序列扩频的o s c d m a 系统 如前所述，最初o s c d m a 被提出用以描述具有一个码片之内同步误差的 c d m a 系统。由于存在同步误差，应该选用在同步误差范围内具有较小相关值 的正交扩频序列。文献 1 】中通过搜索确定s y l v e s t e r 型的w a l s hh a d a m a r d ( w h ) 矩阵可以使得一个码片位移情况下的w a l s h 序列互相关均方值最小：文献 1 0 】 中考虑了一个采用升余弦脉冲的带限的准同步c d m a 系统；而文献 6 中则讨 论了在无噪信道中，采用w h 序列集且满足无误码传输条件时所能允许的最大 用户信号间时延( 一个码片之内) 。 采用广义( 准) 正交序列扩频的广义q s c d m a 系统 q s c d m a 进一步被推广为具有几个码片间隔同步误差的系统【2 】【3 】【7 l 【8 】【9 1 ， 称为广义q s - c d m a 系统，在这类系统中，具有广义正交或者广义准正交1 2 4 1 特性的扩频序列有了用武之地。文献 2 】在g m w 序列的基础上构造了具有低相 关区互相关特性的序列，并在加性白高斯噪声( a d d e dw h i t eg a u s s i a nn o i s e ， a w g n ) 信道条件下，用高斯近似和特征函数法给出了数值结果，用“重要点采 样”法得到了仿真结果；文献【3 1 中给出了多径传输条件下采用这种序列作为扩 西南交通大学博士研究生学位论文 第9 页 顽酉两泵蕴硅琵评研爻丽冲设计并分析了在广义的q s c d m a 系统同步误 差范围内具有良好伪随机特性和小互相关值的最优p n 序列；文献 8 】中通过将 g o l d 序列进行分类，得到在准同步误差范围内低互相关函数的序列集；文献【9 】 中将从正交g o l d 序列生成的准同步( q u a s is y n c h r o n o u s ，q s ) 序列用于c d m a s - a l o h a 系统。 近年来，具有广义正交特性的扩频码设计取得了重要突破，f a n 等针对广 义q s c d m a 系统，提出了广义正交( g e n e r a l i z e do r t h o g o n a l ) 序列的概念，并在 非周期正交互补序列对基础上成功构造了g o 序列集( 对) 1 1 9 2 0 8 2 】【8 3 】。此外，还 有一些类似或等价的概念，如三进制的零相关窗松散正交( l o o s e l y s y n c h r o n o u s ，l s ) 序列等【8 4 】【”j 。 + 正交调制 通过正交调制可以将l 0 9 2 n 个信息比特映射为长度为的正交序列，而每 个用户正交调制后的个码片与其特征序列进行异或，这样是正交序列而非特 征序列扩展了信息信掣8 9 】f 9 0 】【9 1 1 1 9 2 】【16 】【7 1 。在i s 9 5 系统的上行链路，由于没有发 送导频信号，基站无法得到信道估计信息，因此采用了正交调制：用户的每6 个信息比特映射为一个调制符号，用6 4 阶w a l s h 函数中的一个进行调制，得到 的信号再与长度为2 4 2 1 的长码进行异到1 6 】：文献【1 7 确定了当使用正交或双 正交的w h 编码来扩展信号时的最优的特征序列集。 1 3 2 采用两层或多层序列扩频的单级c d m a 系统 大家知道，与f d m a 及t d m a 方式相比，c d m a 蜂窝系统容量的最大改 善在于它的小区复用因子为1 ，即不同的小区间可以使用相同的频率和时隙， 只需要为不同小区中的信道分配不同的扩频码。然而为了同时区分不同小区和 小区内的不同信道，仅采用单层序列是不够的。现有的多小区c d m a 蜂窝通信 系统采用了两层或者多层序列，本文中也将其称为级联序列。在i s 9 5 c d m a 2 0 0 0 等基站同步c d m a 蜂窝系统的下行链路中，每个用户的信号都要首