CDMA系統(tǒng)性能分析與仿真畢業(yè)論文

CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 1 論 文 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 - - 摘 要 CDMA 數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)由于其具有良好的通信性能，已成為近年來(lái)國(guó)際上研究的熱點(diǎn)之一。擴(kuò)展頻譜通信是具有廣闊發(fā)展前景的通信方式之一 ，并廣泛應(yīng)用于軍事通信和民用通信中。 碼分多址接入 CDMA(Code Division Multiple Access)方式以頻譜利用率高、抗多經(jīng)、抗干擾、軟容量、低功率、軟切換、宏分集、頻率規(guī)劃簡(jiǎn)單以及用戶接入方便等其它多址技術(shù)不可比擬的優(yōu)越性被認(rèn)為是未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的理想接入技術(shù)之一。 能夠提供大的系統(tǒng)容量是 CDMA 通信技術(shù)一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)， CDMA 系統(tǒng)的容量是干擾受限的，降低干擾可以直接增加其系統(tǒng)容量，這可以通過(guò)提高擴(kuò)頻增益實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，通過(guò)一些其它技術(shù)如功率控制、語(yǔ)音激活、抗多徑衰落等也可以增強(qiáng)其系統(tǒng)容量 。 本文首先全面分析了 CDMA 通信技術(shù)的各項(xiàng)性能指標(biāo)；然后研究了決定和影響其系統(tǒng)容量的各個(gè)參數(shù)，以及系統(tǒng)容量的各種增強(qiáng)技術(shù)；最后結(jié)合仿真圖形加以分析說(shuō)明，用實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證了理論分析的正確性。 關(guān)鍵詞： 移動(dòng)通信， CDMA，系統(tǒng)容量 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 2 ABSTRCT CDMA digital cellular mobile system has remarkable communication performance. It has been one of the hottest research topics in recent years. Spread Spectrum communication became one of the communication ways with wide developing prospect, and has being applied to military communication and civil communication extensively. CDMA (Code Division Multiple Access ) is one of the promising technology for future mobile communication system because of its several feature with which other multiple access technology can not compare: higher efficiency of frequency allocation, robust ani-multipath effect, macro diversity mitigating interference, soft capacity low power, soft handoff simple frequency design, easy access, and so on. One of the projecting advantage of CDMA is which can provide a large capacity of system. Its capacity is limited by the interference of system. If we can reduce the interference by raise the multiple of spreading frequency band, there will be a rise of the capacity. Of course, there are still any other ways to increase the capacity, such as controlling efficiency, activating voice , decline interference of multiple channels. In this paper, we analyze all the functions of CDMA system at first. Then we study the parameters which can decide or affect capacity of the system, and the technology which can increase it. Finally, we use the result of experiment graphs to verify the theory, and illustrate its true. KEY WORDS: the mobile communication, CDMA, capacity of system CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 3 目錄 摘 要 . 1 ABSTRCT. 2 目錄 . 3 前 言 . 4 第一章 移動(dòng)通信的歷史、現(xiàn)在和將來(lái) . 6 1.1 移動(dòng)通信的歷史 . 6 1.2 移動(dòng)通信的現(xiàn)在 . 7 1.2.1 GSM簡(jiǎn)介 . 7 1.2.2 GSM系統(tǒng)的主要技術(shù) . 7 1.3 移動(dòng)通信的未來(lái) . 8 1.3.1 CDMA簡(jiǎn)介 . 8 1.3.2 CDMA的原理 . 9 第二章 CDMA的系統(tǒng)性能分析 . 12 2.1CDMA 系統(tǒng)概述 . 12 2.2 CDMA 系統(tǒng)模型 . 12 2.3 CDMA 系統(tǒng)平均 信噪比和平均誤碼率 . 14 2.4 CDMA 系統(tǒng)抗干擾能力 . 15 2.4.1 抗平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的干擾 . 15 2.4.2 抗單頻干擾 . 16 2.5 CDMA 系統(tǒng)抗多徑干擾能力 . 17 2.6 CDMA 系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn) . 18 第三章 CDMA的系統(tǒng)容量分析 . 21 3.1 CDMA 系統(tǒng)容量 . 21 3.1.1 系統(tǒng)容量的推導(dǎo) . 21 3.1.2 對(duì)系統(tǒng)容量產(chǎn)生影響的幾個(gè)因素 . 22 3.1.3 多用戶檢測(cè)技術(shù)對(duì)容量的提高 . 26 3.2 CDMA 系統(tǒng)容量與 TDMA 系統(tǒng)容量的比較 . 27 3.2.1 主要的增強(qiáng)技術(shù) . 27 3.2.2 系統(tǒng)容量的比較 . 28 第四章 仿真結(jié)果分析 . 30 4.1 驗(yàn)證系統(tǒng)允許誤碼率對(duì)容量的影響 . 30 4.2 驗(yàn)證擴(kuò)頻碼長(zhǎng) N 對(duì)容量的 影響 . 32 4.3 驗(yàn)證語(yǔ)音激活率 對(duì)容量的影響 . 34 4. 4 驗(yàn)證功率誤差對(duì)容量的影響 . 35 4.5 驗(yàn) 證多用戶檢測(cè)技術(shù)對(duì)容量的影響 . 36 第 5章 全文總結(jié) . 37 參考文獻(xiàn) . 38 結(jié) 束 語(yǔ) . 39 致謝 . 40 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 4 前 言 80 年代末，全球范圍從模擬向數(shù)字蜂窩技術(shù)的突然轉(zhuǎn)變，使歐洲的 GSM 數(shù)字技術(shù)受益匪淺，并迅速推廣到近 100 個(gè)國(guó)家，占據(jù)了幾乎是無(wú)可爭(zhēng)議的市場(chǎng)領(lǐng)先地位。然而，更具突發(fā)性的是 CDMA 技術(shù)在蜂窩移動(dòng)通信中的應(yīng)用。 CDMA最初應(yīng)用于軍事抗干擾通信，而后由 Qualcomm 公司更新成為商用蜂窩電信技術(shù)，但當(dāng)時(shí)業(yè)界對(duì) CDMA 是否適合商用還疑慮重重。近幾年來(lái)，經(jīng)過(guò)電信界廣泛的研討、 論證，特別是在韓國(guó)政府的積極倡導(dǎo)和推動(dòng)下， CDMA 移動(dòng)通信系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展。在韓國(guó)， CDMA 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)僅一年多便發(fā)展到 400 萬(wàn)用戶，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行正常，語(yǔ)音清晰，充分證明了 CDMA 技術(shù)是成熟的。系統(tǒng)容量和話音質(zhì)量較目前其他蜂窩系統(tǒng) (GSM、 TDMA、 PDC、 TACS、 AMPS)而言，具有顯著的優(yōu)越性。 我國(guó)個(gè)人移動(dòng)通信現(xiàn)在主要使用的是 GSM 系統(tǒng)，它以 TDMA（ 時(shí)分多址）為主要技術(shù)， CDMA 將作為下一世紀(jì)的無(wú)線接入技術(shù)，而 WCDMA 將成為目前各種第二代移動(dòng)系統(tǒng) (GSM、 IS-95、 PDC 等 )的交匯點(diǎn)，發(fā)展成第三代 系統(tǒng)。但未來(lái)的統(tǒng)一將要經(jīng)過(guò)一個(gè)艱苦的過(guò)程， CDMA 技術(shù)將在未來(lái)的通信中起越來(lái)越重要的作用。許多電信業(yè)的專家認(rèn)為， CDMA 擴(kuò)頻技術(shù)將在 21 世紀(jì)最初幾年內(nèi)使其他所有技術(shù)黯然失色。它將取代模擬的 AMPS，并超過(guò) GSM 等其他技術(shù)。這種高效的新型通信模式將隨同其寬帶衍生技術(shù) WCDMA 快速發(fā)展，滿足用戶對(duì)個(gè)人通信系統(tǒng) (即 PCS)的要求，并成為全球無(wú)線本地環(huán)路的必然選擇。本文研究的主要問(wèn)題就是 CDMA 的容量分析。 第一章首先概略的介紹了移動(dòng)通信的歷史，現(xiàn)在和將來(lái)，同時(shí)介紹了移動(dòng)通信的主要技術(shù)，并相應(yīng)的介紹了 TDMA 的 原理，為以后與 CDMA 比較分析打下基礎(chǔ)。第二章全面的分析了 CDMA 通信技術(shù)的各項(xiàng)性能，展示了 CDMA 在系統(tǒng)平均誤碼率、抗干擾能力、抗多徑干擾能力等各方面的優(yōu)勢(shì)，并在對(duì)其整體把握的基礎(chǔ)上引出了第三章內(nèi)容 CDMA 的容量分析，這是全文的理論核心部分。這里首先推導(dǎo)出容量的表達(dá)式，然后從 擴(kuò)頻增益 G、信噪比（誤碼率）、擴(kuò)頻編碼的性能、語(yǔ)音激活率、功率誤差和多用戶檢測(cè)技術(shù)等諸方面分析了系統(tǒng)容量的變化情況，并通過(guò)與 TDMA 系統(tǒng)的比較全面展現(xiàn)了 CDMA 系統(tǒng)強(qiáng)大的用戶容量。 在理論分析之后，為了驗(yàn)證理論的正確性，更直觀的說(shuō)明問(wèn) 題，本文又在MATLAB 下實(shí)現(xiàn)了 CDMA 系統(tǒng)仿真，繪制圖形，并針對(duì)各個(gè)圖形加以理論說(shuō)明，用仿真得到的客觀結(jié)果來(lái)驗(yàn)證理論分析的正確性。這樣，全方位、多角度的分析CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 5 問(wèn)題，達(dá)到了理論聯(lián)系實(shí)際的效果。這種方法不僅適用于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，也適用于將來(lái)的學(xué)習(xí)和工作，是解決工程問(wèn)題的普遍性思路。 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 6 第一章 移動(dòng)通信的歷史、現(xiàn)在和將來(lái) 移動(dòng)通信從產(chǎn)生到現(xiàn)在的歷史并不長(zhǎng)，然而移動(dòng)通信的發(fā)展速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的預(yù)料，尤其是最近十幾年來(lái)，隨著微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)和軟件工程的發(fā)展，移動(dòng)通信設(shè)備的質(zhì)量、 使用方面和可靠性等方面都達(dá)到了日新月異的境地。 1.1 移動(dòng)通信的歷史 隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)通信的需求日益迫切，對(duì)通信的要求也越來(lái)越高。理想的目標(biāo)是能在任何時(shí)候、在任何地方、與任何人都能及時(shí)溝通聯(lián)系、交流信息。顯然，沒(méi)有移動(dòng)通信，這種愿望是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。 顧名思義，移動(dòng)通信是指通信雙方至少有一方在移動(dòng)中 (或者臨時(shí)停留在某一非預(yù)定的位置上 )進(jìn)行信息傳輸和交換，這包括移動(dòng)體 (車輛、船舶、飛機(jī)或行人 )和移動(dòng)體之間的通信，移動(dòng)體和固定點(diǎn) (固定無(wú)線電臺(tái)或有線用戶 )之間的通信。 移動(dòng)通信是當(dāng)今通信領(lǐng)域內(nèi)最為活躍和發(fā)展最 為迅速的領(lǐng)域之一，也是將在21 世紀(jì)對(duì)人類的生活和社會(huì)發(fā)展有重大影響的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一。簡(jiǎn)要地回顧一下移動(dòng)通信的發(fā)展歷史，可以看到現(xiàn)代移動(dòng)通信飛躍發(fā)展的歷程。 第一階段：從二十世紀(jì) 20 年代至 40 年代初，移動(dòng)通信有了初步的發(fā)展，主要使用對(duì)象是船舶、飛機(jī)、汽車等專用移動(dòng)通信以及運(yùn)用在軍事通信中。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)，移動(dòng)通信的設(shè)備又大又笨重，效果也很差。 第二階段：到了 40 年代中至 60 年代末，移動(dòng)通信有了進(jìn)一步的發(fā)展，專用移動(dòng)無(wú)線電話系統(tǒng)大量涌現(xiàn)，廣泛用于公安、消防、出租汽車、新聞等方面。移動(dòng)通信的設(shè)備有了很大改善，通 信效率大大提高。這時(shí)，移動(dòng)通信逐步走進(jìn)了公眾的日常生活，人們已經(jīng)看到了個(gè)人化移動(dòng)通信的曙光。 第三階段：到了 70 年代至 80 年代，集成電路技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)和微處理器的快速發(fā)展，以及由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室推出的蜂窩系統(tǒng)的概念及其理論在實(shí)際中的應(yīng)用，使得美國(guó)、日本等國(guó)家紛紛研制出陸地移動(dòng)電話系統(tǒng)。可以說(shuō)，這時(shí)的移動(dòng)通信系統(tǒng)真正地進(jìn)入了個(gè)人領(lǐng)域。這個(gè)時(shí)期的系統(tǒng)的主要技術(shù)是模擬調(diào)頻、頻分多址，故稱之為蜂窩式模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)，或稱為第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。 第四階段： 90 年代至今，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，通信領(lǐng)域面向數(shù)字化、綜合化、 寬帶化的方向發(fā)展。以數(shù)字傳輸、時(shí)分多址為主體技術(shù)的第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)已成為現(xiàn)在個(gè)人通信的主流。作為 寬帶多媒體蜂窩系統(tǒng) 的 第三代移動(dòng)通信 也浮CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 7 出水面，并以其強(qiáng)大的功能成為未來(lái)個(gè)人通信的方展方向。這將在下面介紹。 1.2 移動(dòng)通信的現(xiàn)在 誠(chéng)如前文所述，現(xiàn)階段個(gè)人通信廣泛使用屬于第二代移動(dòng) 通信的 GSM 系統(tǒng)。下面簡(jiǎn)要介紹一下 GSM 系統(tǒng)。 1.2.1 GSM簡(jiǎn)介 蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)從開(kāi)始使用到現(xiàn)在還不到 20 年的時(shí)間，其發(fā)展速度之快十分驚人。在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家或地區(qū)，因?yàn)橐苿?dòng)通信業(yè)務(wù)的激增，使人們很早就預(yù)感到模擬蜂窩網(wǎng) 面臨 著容量不足的壓力，需要尋求一種通信容量更大的新型蜂窩系統(tǒng)；而且由于當(dāng)前計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)終端的應(yīng)用日益廣泛，非話通信業(yè)務(wù)的需求迅速增多，從而使模擬蜂窩網(wǎng)適應(yīng)不了移動(dòng)通信業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。在這種情況下，出現(xiàn)了以 GSM 為代表的時(shí)分多址數(shù)字蜂窩網(wǎng)。 GSM 的歷史可以追溯到 1982 年，當(dāng)時(shí)，北歐四國(guó)向歐洲郵電行政大會(huì)CEPT(Conference Europe of Post and Telecommunications)提交了一份建議書(shū)，要求制定 900 MHz 頻段的歐洲公共電信業(yè)務(wù)規(guī)范，建立全歐統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)移動(dòng)通信系統(tǒng)， 以解決歐洲各國(guó)由于采用多種不同模擬蜂窩系統(tǒng)造成的互不兼容無(wú)法提供漫游服務(wù)的問(wèn)題。同年成立了歐洲移動(dòng)通信特別小組，簡(jiǎn)稱 GSM (Group special Mobile)。在 1982 年 198s 年期間，討論焦點(diǎn)是制定模擬蜂窩網(wǎng)還是數(shù)字蜂窩網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，直到 1985 年才決定為制定數(shù)字蜂窩網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。 1986 年，在巴黎對(duì)歐洲各國(guó)經(jīng)大量研究和實(shí)驗(yàn)后所提出的八個(gè)數(shù)字蜂窩系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。 1987年 5 月， GSM 成員國(guó)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和論證比較，選定窄帶 TDMA 方案。 1988 年i8 個(gè)歐洲國(guó)家達(dá)成 GSM 諒解備忘錄，頒布了 GSM 標(biāo)準(zhǔn) ，即泛歐數(shù)字蜂窩網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)，它刨舌兩個(gè)并行的系統(tǒng)： GSM 900 和 DCS800。，這兩個(gè)系統(tǒng)功能相同，主要的差異是頻段不同。在 GSM 標(biāo)準(zhǔn)中，未對(duì)硬件作出規(guī)定，只對(duì)功能、接口等作了詳細(xì)規(guī)定，便于不同公司的產(chǎn)品可以互連互通。 1.2.2 GSM系統(tǒng)的主要技術(shù) GSM 的主要技術(shù)是采用 窄帶時(shí)分多址 TDMA。這里先介紹時(shí)分多路復(fù)用(TDM)的概念。 時(shí)分多路復(fù)用（ TDM）的存在基礎(chǔ)是在時(shí)域上信號(hào)持續(xù)時(shí)間很短，并沒(méi)有充滿一段發(fā)送時(shí)間，為節(jié)省傳送時(shí)隙、充分利用系統(tǒng)資源而采用的一種傳輸方法。它將一段傳輸時(shí)間分成若干小的時(shí)間 片，每一時(shí)間片由復(fù)用的一個(gè)信號(hào)占用，每CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 8 一瞬間只有一個(gè)信號(hào)占用信道，而一個(gè)時(shí)間段內(nèi)又有若干來(lái)自不同信源的信號(hào)。也就是說(shuō)，信號(hào)在時(shí)間段級(jí)是并行的，而在時(shí)間片級(jí)是串行的。從性質(zhì)上說(shuō)，其較適合用于數(shù)字信號(hào)的傳輸。 從上圖可知， 時(shí)分多路復(fù)用系統(tǒng)可支持多用戶通信，并且只要在時(shí)間片的劃分上留有足夠的間隙，用戶間就沒(méi)有串?dāng)_ 。這種技術(shù)用于 GSM 系統(tǒng)即常說(shuō)的 時(shí)分多址 TDMA。 以 TDMA 為核心傳輸方式的 GSM 系統(tǒng)雖然在過(guò)去和現(xiàn)在發(fā)揮了巨大的作用，但隨著用戶數(shù)的大幅度增長(zhǎng)，其系統(tǒng)容量漸漸無(wú)法滿足需要。而一種新的傳輸方式碼分多 址（ CDMA）進(jìn)入了人們的視野。 1.3 移動(dòng)通信的未來(lái) 移動(dòng)通信的未來(lái)永遠(yuǎn)屬于最新的技術(shù)，而 CDMA 無(wú)疑是當(dāng)今最具魅力的移動(dòng)通信技術(shù)，是移動(dòng)通信當(dāng)之無(wú)愧的發(fā)展方向。 1.3.1 CDMA簡(jiǎn)介 CDMA 的英文全稱是（ Code Division Multiple Access），中文含義是“碼分多址連接”。 CDMA 最初應(yīng)用于軍事抗干擾通信，后由高通公司更新成為商用蜂窩電信技術(shù)。 CDMA 技術(shù)不但可以滿足今天語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信的需要，而且可以快速、低成本地過(guò)渡到明天的系統(tǒng)。由于可以過(guò)濾背景噪聲、串線和干擾， CDMA較 其它技術(shù)相比，可以提供更好的聲音質(zhì)量和更清晰的呼叫；由于提高了語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，其掉線率也更少；由于可在同一空間傳輸更多數(shù)據(jù)，傳輸效率也大大提高； CDMA 還可使運(yùn)營(yíng)商建設(shè)更少的基站、從而降低了運(yùn)營(yíng)成本。不僅如此， CDMA 還增加通話的私密性、提高覆蓋率?，F(xiàn)在以美國(guó) Qualcomm公司為首推出的 IS-95CDMA 移動(dòng)通信系統(tǒng)和以 WCDMA、 CDMA2000 和TD-SCDMA 為主流的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，確立了 CDMA 通信技術(shù)在移動(dòng)通信發(fā)展方向上的穩(wěn)固地位，把擴(kuò)頻 CDMA 通信的研究、應(yīng)用和發(fā)展推CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 9 向了 新階段。 1.3.2 CDMA的原理 為了更好的理解整個(gè) CDMA 系統(tǒng)的原理，我們先繪出它的通信流程圖。 由上圖我們可以看出 CDMA（ Code Division Multiple Access）系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。信號(hào)先由信源發(fā)出，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)調(diào)制，再進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。擴(kuò)頻調(diào)制需要先產(chǎn)生一系列時(shí)域上的窄脈沖與時(shí)域上的寬幅信號(hào)相乘，得到一系列的窄幅信號(hào)，而這相當(dāng)于在頻域上將原信號(hào)拉寬，即所謂擴(kuò)頻通信。而后，擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)信道到達(dá)接收方，再由相同擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻解調(diào)，最后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)解調(diào)即得所需數(shù)據(jù)。 其中最關(guān)鍵也最具 特色的是信息數(shù)據(jù)的擴(kuò)頻編碼調(diào)制與解擴(kuò)。其中信息數(shù)據(jù)是經(jīng)編碼處理后的數(shù)字信號(hào)，是寬度為 T 的 1 或 1 值的矩形波信號(hào)。它先經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻編碼進(jìn)行調(diào)制，擴(kuò)頻編碼是碼長(zhǎng)為 N 、碼寬為cT、以 1 或 1 表示的矩形波信號(hào) )(tPN ，擴(kuò)頻編碼周期等于信息數(shù)據(jù)的脈寬 T (cNTT ) 。這樣 ，信息數(shù)據(jù)正好對(duì)擴(kuò)頻編碼調(diào)制。在這種調(diào)制中若信息數(shù)據(jù)為 1，擴(kuò)頻編碼極性不變；若信息數(shù)據(jù)為 1，擴(kuò)頻編碼倒相。擴(kuò)頻后的信息數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信道到達(dá)接收方，收方同步發(fā)生一個(gè)相同的 PN 編碼序列，與信息相乘，就得到了原序列，完成了解擴(kuò) 1。 通過(guò)這樣類似調(diào)制與解調(diào)的過(guò)程 CDMA 實(shí)現(xiàn)了信息的擴(kuò)頻與解擴(kuò)。 整個(gè)過(guò)程如下圖示： CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 10 如果定義數(shù)據(jù)帶寬為 1B ，擴(kuò)頻帶寬 2B ，則有如下關(guān)系： NBBG 12 (1.1) 這里 G 稱作 CDMA 系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益，是系統(tǒng)最重要的參數(shù)，決定和影響著系統(tǒng)的許多性能，這會(huì)在后續(xù)各章中體現(xiàn)。 通過(guò)整個(gè)鏈路的分析可見(jiàn)， CDMA 的通信是利用相互正交（或盡可能相互正交）的不同編碼分配給不同用戶調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)使用同一頻率接入系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的通信，即碼分多址通信。由于利用相互正交（或盡可能相互正交）的 編碼去調(diào)制信號(hào)，會(huì)將原信號(hào)的頻譜帶寬擴(kuò)展，因此，對(duì)這種調(diào)制方式的通信又叫擴(kuò)展頻譜通信。顯然，這種通信方式與一般常見(jiàn)的窄帶通信方式相反，是在擴(kuò)展頻譜后寬帶通信，再相關(guān)處理恢復(fù)成窄帶信號(hào)后解調(diào)數(shù)據(jù)，因此具有發(fā)送方的偽隨機(jī)編碼（擴(kuò)頻編碼）調(diào)制和接收方的偽隨機(jī)編碼相關(guān)處理兩大技術(shù)特點(diǎn)。也正是這兩大特點(diǎn)，使擴(kuò)展頻譜通信方式有許多優(yōu)點(diǎn)，如抗干擾、抗噪音、抗多徑衰落、能在低功率譜密度下工作、有保密性、可多址復(fù)用和任意選址等。 圖 1 3 信息數(shù)據(jù)的擴(kuò)頻編碼 調(diào)制與解調(diào) CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 11 小結(jié) ：本章回顧了移動(dòng)通信的歷史，并在介紹今天的 GSM 通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上展望了未來(lái)的 CDMA 通信技 術(shù)。重點(diǎn)介紹了 TDMA 與 CDMA 技術(shù)的原理。 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 12 第二章 CDMA的系統(tǒng)性能分析 本文研究 CDMA 的系統(tǒng)性能，主要目的是研究 CDMA 的容量，為了更好的完成這一目標(biāo)，有必要先從宏觀上把握 CDMA 系統(tǒng)的整體性能。 2.1CDMA系統(tǒng)概述 隨著社會(huì)的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，當(dāng)今世界已進(jìn)入信息時(shí)代。人們對(duì)通信的要求越來(lái)越高，這促進(jìn)了移動(dòng)通信的發(fā)展。 現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展始于本世紀(jì) 20 年代，代表是美國(guó)供警察用的車載無(wú)線電系統(tǒng)，它工作于 2MHz，不能與公眾網(wǎng)連接。 40 年代開(kāi)始建立了公用移動(dòng)通信系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)人工交換及與公眾網(wǎng)的連接，但容量較小。 60 年代，移動(dòng)通信實(shí)現(xiàn)了無(wú)線頻道的自動(dòng)選頻和與公眾電話網(wǎng)的撥號(hào)連接，并且開(kāi)拓了 150MHz和 450MHz 工作頻段，從而形成了移動(dòng)通信的無(wú)線傳輸、信道管理及移動(dòng)交換的基本技術(shù)。 70 年代出現(xiàn)了蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，它起源于美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功的先進(jìn)移動(dòng)電話系統(tǒng) AMPS。 80 年代，數(shù)字移動(dòng)通信開(kāi)始發(fā)展并成熟起來(lái)，歐洲首先推出了泛歐數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)在 1991 年 7 月開(kāi)始投入商用，后被許多國(guó)家采用。隨后，美國(guó)和日本也制定了各自的數(shù)字移 動(dòng)通信體制。美國(guó)于 1990 年 4 月批準(zhǔn)了數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn) IS-54，即 D-AMPS，又于 1993 年通過(guò)了 IS-95 碼分多址系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) 應(yīng)用需求推動(dòng)了技術(shù)的發(fā)展。從用戶角度講，人們要求蜂窩系統(tǒng)通話質(zhì)量高，話音清晰，通話連續(xù)，手機(jī)小巧，攜帶方便，電池壽命長(zhǎng)。從經(jīng)營(yíng)者角度講，要求系統(tǒng)容量高，建設(shè)與維護(hù)成本低，頻率規(guī)劃簡(jiǎn)單。 CDMA 系統(tǒng)在滿足用戶要求方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因而得到迅速發(fā)展，并成為第三代蜂窩系統(tǒng)的首選技術(shù)。 2.2 CDMA系統(tǒng)模型 首先繪出多用戶的通信系統(tǒng)流圖： CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 13 由于本文的主要目的是要研究 CDMA 的容量，故在這里就直接從多用戶系統(tǒng)開(kāi)始分析，而不再由單用戶著手。這樣雖然在開(kāi)始分析時(shí)有一些跨度，但對(duì)后續(xù)工作的幫助更直接、更大、更符合實(shí)際情況。 圖中，id為發(fā)送的信息數(shù)據(jù)，iPN為用戶擴(kuò)頻編碼， )(iif 為載波調(diào)制。則第 i 個(gè)用戶的發(fā)射信號(hào)為 )c o s ()()()(ioiiiii ttPNtdAtS (2-1) 該圖反應(yīng)的是 K 個(gè)用戶隨機(jī)發(fā)射，而接受其中第 1 個(gè)（包括第 K 個(gè)）用戶信號(hào)的過(guò)程。盡管想接受 1i 的通信用戶發(fā)送來(lái)的信息數(shù)據(jù) )(1 td ，但實(shí)際進(jìn)入接收機(jī)的信號(hào)除 i 1 發(fā)來(lái)的外，也有 其它 )1( K 個(gè)通信用戶發(fā)送來(lái)的信號(hào)。因此，接收機(jī)的輸入信號(hào)為 Kiiiiiii tnttPNtdAtU10 )()co s ()()()( (2-2) 要接受 i 1 的通信用戶發(fā)送來(lái)的信息數(shù)據(jù) )(1 td ，則接收機(jī)的本地載波頻率圖 2 1 多用戶 CDMA 通信系統(tǒng)模型 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 14 、相位 和擴(kuò)頻編碼 )(tPN 及碼相位 都應(yīng)和 i 1 的相應(yīng)量 0 、 1 、 )(1 tPN及 1 完全一致，即實(shí)現(xiàn)了同步。那么， T0 的積分器的輸出為（這里假定同步鎖定后， 1 =0, 1 0） 21)( VVtV (2-3) 111 TdAV (2-4) dttPNtPNtdAV iiiiiT iKi i co s)()()(022 (2-5) dtttPNtnT )co s (2)()(0 01 (2-6) 式中， 1V 是有用信號(hào)； 2V 是除所希望接受的 i 1 用戶以外的 )1( K 個(gè)用戶發(fā)來(lái)的信號(hào)，稱為多址干擾； 是系統(tǒng)的噪聲干擾。 )(tn 是在整個(gè)射頻帶寬內(nèi)均勻分布的雙邊功率譜密度 20N、具有零均值、方差為 )(2 TN高斯白噪聲 1。 2V 和 構(gòu)成了系統(tǒng)總的干擾，擴(kuò)頻技術(shù) 具有很強(qiáng)的抗干擾能力，在接受端經(jīng)過(guò)相干解調(diào)后，即可得到所要接收的信號(hào) 1V 。見(jiàn)后續(xù)各節(jié)所述。 2.3 CDMA系統(tǒng)平均信噪比和平均誤碼率 信噪比和誤碼率是數(shù)據(jù)通信最重要的性能指標(biāo)，他充分反映了數(shù)據(jù)通信的抗噪聲性能和傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這里對(duì)信噪比和誤碼率的分析采用上節(jié)的系統(tǒng)模型。經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的推導(dǎo) 1，得到系統(tǒng)的平均信噪比為 210231 ENNKSN Ri(2-7) 其中 TPEs為發(fā)送信號(hào)的比特能量，sP為信號(hào)功率。數(shù)字通信系統(tǒng)中可以根據(jù)信噪比利用誤差函數(shù) dyxerfc x ye 2/221)(和互補(bǔ)誤差函數(shù)dyxerfc x ye 2/221)( 直接寫(xiě)出誤碼率 這里 把 互補(bǔ)誤差函數(shù) )(xerfc 寫(xiě)為 )(xQ CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 15 002103)1(2112231NNKENEQENNKQP e (2-8) 從該式可以看出，當(dāng) 1K ，即只有單一用戶發(fā)射信號(hào)的情況下，平均誤碼率就變成了我們熟知的高斯信道中信息數(shù)據(jù)解調(diào)的誤碼率 0/2Q NEPe 。可 以看出，多址干擾的存在，是在非多址干擾情況下增加了一個(gè)惡化因子NK3 1， 這將導(dǎo)致系統(tǒng)的誤碼率性能下降，且隨著用戶數(shù)目 K 增大，問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重。因此，多址干擾是擴(kuò)頻碼分多址系統(tǒng)中的一種主要干擾源，為了降低多址干擾的影響，應(yīng)該選擇具有良好相關(guān)特性的擴(kuò)頻編碼。另一方面， 在給定的誤碼性能的要求下，為了使可同時(shí)工作的用戶數(shù)目盡可能多，即增加系統(tǒng)的容量，應(yīng)該想辦法降低擴(kuò)頻解調(diào)所需的信噪比，這時(shí)，將糾錯(cuò)技術(shù)應(yīng)用于擴(kuò)頻 CDMA 系統(tǒng)中，將會(huì)取得較好的效果。 2.4 CDMA系統(tǒng)抗干擾能力 CDMA 通信系統(tǒng)在無(wú)噪聲、無(wú)干擾情況下，能準(zhǔn)確解擴(kuò)、解調(diào)傳送的信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。實(shí)際上，任何傳輸信道都不是“干凈”的，總是存在有噪聲和干擾。因此，下面分析有噪聲、干擾下的通信性能，即擴(kuò)頻通信的抗干擾能力。 2.4.1 抗平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的干擾 在 CDMA 通信系統(tǒng)中，我們可認(rèn)為接收機(jī)接收信號(hào)為 Kiiiiiii tntJttPNtdAtU10 )()()co s ()()()( (2-9) )(tJ 為傳輸信道中的各種干擾， )(tn 為噪聲，現(xiàn)假設(shè) 0)( tJ ， )(tn 是獨(dú)立的、且具有零均值的帶限df（帶寬nB）的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，噪聲功率為nP。 經(jīng)一系列 的推導(dǎo)過(guò)程 2， 得到經(jīng)解擴(kuò)、解調(diào)后，輸出噪聲平均功率為 nnV BB P22 (2-10) 2B 是擴(kuò)頻帶寬， nB 是噪聲帶寬 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 16 1. nB 1B 時(shí)，這里 1B 為擴(kuò)展前信號(hào)帶寬。則 GPNPBBP nnnnV 22 (2-11) 由此可見(jiàn)， CDMA 通信系統(tǒng)接收機(jī)基帶濾波器輸出的噪聲干擾功率為原噪聲干擾功率的 N1 ，與擴(kuò)頻處理增益 G 成反比。 G 越大，對(duì)噪聲干擾的抑制能力越強(qiáng)。 這是可以由物理角度解釋的，擴(kuò)頻編碼 )(tPN 對(duì)噪聲 )(tn 在頻域上作卷積，實(shí)際上是擴(kuò)頻 編碼對(duì)基帶噪聲干擾作頻譜擴(kuò)展，擴(kuò)展后的噪聲功率譜密度自然明顯降低，為原譜密度的 N1 ，即能通過(guò)基帶濾波器輸出的噪聲功率也就僅為原噪聲功率的 N1 ，實(shí)現(xiàn)了對(duì)噪聲干擾的抑制。 2. 1BBn 時(shí)，比如1mBBn 用同樣的推導(dǎo)方式可得 GmPNmPBBP nnnnV 22 (2-12) 這同樣可由相應(yīng)的物理概念 解釋，由于基帶噪聲干擾帶寬大于 1B ，則在擴(kuò)頻編碼 )(tPN 對(duì)噪聲 )(tn 在頻域上作卷積時(shí)， 1B 外頻帶內(nèi)的噪聲仍混進(jìn)了 1B 內(nèi)，增加了干擾量。故系統(tǒng)對(duì)噪聲功率的抑制能力為擴(kuò)頻帶寬與噪聲帶寬之比nBB2。而若噪聲帶寬與擴(kuò)頻帶寬一樣非常寬時(shí)， CDMA 通信系統(tǒng)對(duì)噪聲功率不再有明顯的抑 制能力。因此， CDMA 通信系統(tǒng)對(duì)象熱噪聲這樣帶寬無(wú)限寬的干擾是無(wú)能為力的。 2.4.2 抗單頻干擾 現(xiàn)在忽略掉 )(tn ，假設(shè)只存在外界單頻干擾 )(tJ ，功率為jP。 )co s ()( jj tJtJ (2-13) 經(jīng)一系列復(fù)雜的推導(dǎo) 2，得到單頻干擾信號(hào)經(jīng)解擴(kuò)、解調(diào)后輸出信號(hào)功率為 GPNP jjV 2(2-14) CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 17 所以， CDMA 通信系統(tǒng)輸出的單頻干擾信號(hào)功率為原干擾信號(hào)功率的 N1 ,即對(duì)單頻干擾信號(hào)抑制 N 倍。 綜上所述， CDMA 通信系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗干擾能力，這種抗干擾能力與擴(kuò)頻增益 G （即擴(kuò)頻編碼碼長(zhǎng) N ）成正比。 2.5 CDMA系統(tǒng)抗多徑干擾能力 多徑干擾同上節(jié)討論的、 與發(fā)射信號(hào)獨(dú)立的、加性噪聲干擾不一樣，它是發(fā)射信號(hào)在傳播過(guò)程中，遇到各種反射體（如電離層、對(duì)流層、高山、高大建筑物或建筑群等）引起的反射或折射，形成對(duì)直接到達(dá)接受機(jī)的發(fā)射信號(hào)的干擾。 多徑干擾是幾乎所有的無(wú)線通信都面臨的突出問(wèn)題。由于反射或折射是多方向、多途徑的，多徑信號(hào)與直接到達(dá)接收機(jī)的發(fā)射信號(hào)不完全相關(guān)，這會(huì)使接收機(jī)的接收信號(hào)嚴(yán)重失真，造成通信系統(tǒng)解調(diào)輸出發(fā)生大量差錯(cuò)，以至不能通信。 比如下圖給出了兩條路徑到達(dá)接受點(diǎn)的多徑傳輸（假設(shè)兩條路徑信號(hào)強(qiáng)度相等）造成的誤差。其中一條經(jīng)的延時(shí)后到。 對(duì)于 CDMA 通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，多徑干擾又如何呢？ 若發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)為 )c o s ()()()( ttPNtAdtS (2-15) 圖 2-2 多徑傳輸 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 18 設(shè)多徑反射或折射的路徑有 k 條，記為 ki ,2,1 。各個(gè)路徑到達(dá)接收機(jī)的時(shí)延為i（ ki ,2,1 ），到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)幅值為iA（ ki ,2,1 ），那么，到達(dá)接收機(jī)的多徑干擾信號(hào)和噪聲之和為 )()co s ()()()(0tnttPNtdAtU iiiki i (2-16) 其中 0i 的信號(hào)是直接到達(dá)接收機(jī)的有用信號(hào)。經(jīng)過(guò)解擴(kuò)、解調(diào)并加以適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，基波濾波器（積分器）的輸出為 dttPNtPNdATdAtV iT iikii )(c os ()()()( 001000 dtttPNtnT )c o s (2)()(00 0 (2-17) 經(jīng)過(guò)一系列的分析，我們可發(fā)現(xiàn)其中的多徑干擾部分 與擴(kuò)頻碼長(zhǎng) N 成反比2，只要 N 足夠大（實(shí)際系統(tǒng)中 N 都很大），多徑干擾就會(huì)相當(dāng)小。 可見(jiàn)，對(duì)現(xiàn)在認(rèn)為常規(guī)通信難于對(duì)付的多徑干擾，采用 CDMA 通信技術(shù)有較好的抑止能力。 2.6 CDMA系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn) CDMA 系統(tǒng)采用碼分多址的技術(shù)及擴(kuò)頻通信的原理，使得可以在系統(tǒng)中使用多種先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，為系統(tǒng)帶來(lái)了許多優(yōu)點(diǎn)。 1大容量 根據(jù)上述理論計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明， CDMA 系統(tǒng)的信道 容量是模擬系統(tǒng)的 10 20 倍，是 TDMA 系統(tǒng)的 4 倍。 CDMA 系統(tǒng)的高容量很大一部分因素是由于它的頻率復(fù)用系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他制式的蜂窩系統(tǒng)，另外一個(gè)主要因素是它使用了話音激活和扇區(qū)化等技術(shù)。 2軟容量 在 FDMA、 TDMA 系統(tǒng)中，當(dāng)小區(qū)服務(wù)的用戶數(shù)達(dá)到最大信道數(shù)，已滿載的系統(tǒng)絕對(duì)無(wú)法再增添一個(gè)信號(hào)，此時(shí)若有新的呼叫，該用戶只能聽(tīng)到忙音。而在 CDMA 系統(tǒng)中，用戶數(shù)目和服務(wù)質(zhì)量之間可以相互折中，靈活確定。例如系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)者可以在話務(wù)量高峰期將誤幀率稍微提高，從而增加可用信道數(shù)。同時(shí)，當(dāng)相鄰小區(qū)的負(fù)荷較輕時(shí)， 本小區(qū)受到的干擾減少，容量就可適當(dāng)增加。 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 19 體現(xiàn)軟容量的另一種形式是小區(qū)呼吸功能。所謂小區(qū)呼吸功能就是指各個(gè)小區(qū)的覆蓋大小是動(dòng)態(tài)的，當(dāng)相鄰兩個(gè)小區(qū)負(fù)荷一輕一重時(shí)，負(fù)荷重的小區(qū)通過(guò)減小導(dǎo)頻發(fā)射功率，使本區(qū)的邊緣用戶由于導(dǎo)頻強(qiáng)度不夠，切換到相鄰小區(qū)，使負(fù)荷分擔(dān)，即相當(dāng)于增加了容量。 這項(xiàng)功能對(duì)切換也特別有用，可避免信道緊缺而導(dǎo)致呼叫中斷。在模擬系統(tǒng)和數(shù)字 TDMA 系統(tǒng)中，如果一條信道不能用，呼叫必須重新被分配到另一條信道，或者在切換時(shí)斷。但是在 CDMA 系統(tǒng)中，在一個(gè)呼叫結(jié)束前，可以接納另一個(gè)呼叫。 另外， CDMA 系統(tǒng)還可提供多級(jí)服務(wù)。讓高檔次的用戶得到更多的可用功率 (容量 )。高檔次用戶的切換可排在其他用戶前面。 3軟切換 所謂軟切換是指當(dāng)移動(dòng)臺(tái)需要切換時(shí)，先與新的基站連通再與原基站切斷聯(lián)系，而不是先切斷與原基站的聯(lián)系再與新的基站連通。軟切換只能在同一頻率的信道間進(jìn)行，因此，模擬系統(tǒng)、 TDMA 系統(tǒng)不具有這種功能。軟切換可以有效地提高切換的可靠性，大大減少切換造成的掉話，因?yàn)閾?jù)統(tǒng)計(jì)，模擬系統(tǒng)、TDMA 系統(tǒng)無(wú)線信道上的掉話 90%發(fā)生在切換中。同時(shí)，軟切換可以提供分集，從而保證通信的質(zhì)量。但是軟切換也相應(yīng)帶來(lái)了一些缺 點(diǎn)：導(dǎo)致硬件設(shè)備的增 加，降低了前向容量等。 4高的話音質(zhì)量和低發(fā)射功率 由于 CDMA 系統(tǒng)中采用有效的功率控制，強(qiáng)糾錯(cuò)能力的信道編碼，以及多種形式的分集技術(shù)，可以使基站和移動(dòng)臺(tái)以非常節(jié)約的功率發(fā)射信號(hào)，延長(zhǎng)手機(jī)電池使用時(shí)問(wèn)，同時(shí)獲得優(yōu)良的話音質(zhì)量。 5話音激活 典型的全雙工雙向通話中，每次通話的占空比小于 35，在 FDMA和 TDMA系統(tǒng)里，由于通話停等時(shí)重新分配信道存在一定時(shí)延，所以難以利用話音激活因素。 CDMA 系統(tǒng)因?yàn)槭褂昧丝勺兯俾事暣a器，在不講話時(shí)傳輸速率降低，減輕了對(duì)其他用戶的干擾，這即 是 CDMA 系統(tǒng)的話音激活技術(shù)。 6保密 CDMA 系統(tǒng)的信號(hào)擾碼方式提供了高度的保密性，使這種數(shù)字蜂窩系統(tǒng)在防止串話、盜用等方面具有其他系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。 CDMA 的數(shù)字話音信道還可將數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)或其他 標(biāo)準(zhǔn)的加密技術(shù)直接引入?？商峁┒嗉?jí)服務(wù)。如果用戶支付較高費(fèi)用，則可獲得更高檔次的 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 20 小結(jié) ：本章首先介紹了 CDMA 通信系統(tǒng)的整體模型，然后全面分析了其系統(tǒng)性能，包括誤碼率、抗干擾能力和抗多徑干擾等，另外還介紹了 CDMA 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，為下一章的容量分析打下了基礎(chǔ)。 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 21 第三章 CDMA的系統(tǒng)容量分析 自 90 年代初 CDMA 通信技術(shù)應(yīng)用到移動(dòng)通信系統(tǒng)中之后，發(fā)展十分迅速，近年針對(duì)無(wú)線通信，移動(dòng)通信的應(yīng)用要求，在可接受的通信質(zhì)量下以提高系統(tǒng)容量為中心，提出了增強(qiáng) CDMA 能力的新技術(shù)和新方法 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的中心任務(wù)是對(duì) CDMA 通信系統(tǒng)容量進(jìn)行分析。本章先在理論上加以全面分析，然后通過(guò)與 TDMA 通信系統(tǒng)的容量比較，進(jìn)一步體會(huì) CDMA大容量的優(yōu)點(diǎn)。 3.1 CDMA系統(tǒng)容量 頻分多址（ FDMA）中，對(duì)信道資源（時(shí)間、頻率）都是采用分配的策略，系統(tǒng)所能提供的信道數(shù)完全由系統(tǒng)的 頻帶及信道間隔、每頻道分配的時(shí)隙數(shù)確定，是一個(gè)固定的數(shù)字。 時(shí)分多址（ TDMA）是在一個(gè)寬帶的無(wú)線載波上，把時(shí)間分成周期性的幀，每一幀再分割成若干時(shí)隙 (無(wú)論幀或時(shí)隙都是互不重疊的 )，每個(gè)時(shí)隙就是一個(gè)通信信道，分配給一個(gè)用戶。 碼分多址（ CDMA）是用給定的偽隨機(jī)編碼調(diào)制通信用戶數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)碼分多址。按編碼分配用戶，我們能構(gòu)成多少完全正交的編碼，最大用戶就是多少。它的答案與數(shù)學(xué)的編碼問(wèn)題有關(guān)，數(shù)學(xué)上不能提供在任何相位狀態(tài)下完全正交的編碼 (只要編碼長(zhǎng)大于 4)，只能給出彼此相關(guān)性小、即相互干擾小的編碼；或者在特定相 關(guān)時(shí)間區(qū)間實(shí)現(xiàn)正交的編碼。這樣，能同時(shí)分配多少編碼給用戶使用，就成了 CDMA 技術(shù)能實(shí)現(xiàn)多大系統(tǒng)容量的焦點(diǎn)。在 CDMA 中，所有用戶共享信道資源，系統(tǒng)容量是由多種因素決定的，如擴(kuò)頻處理增益 G、信噪比（誤碼率）、擴(kuò)頻編碼的性能及語(yǔ)音激活率等。下面我們先推導(dǎo)出系統(tǒng)容量的表達(dá)式，再分析各因素對(duì)系統(tǒng)容量的影響，最后討論多用戶檢測(cè)技術(shù)對(duì)容量的增益。 3.1.1 系統(tǒng)容量的推導(dǎo) 按照香農(nóng)定理，各種多址方式 (FDMA、 TDMA 和 CDMA)都應(yīng)有相同的容量。但這種考慮有幾種缺陷，一是假設(shè)所有用戶在同一時(shí)間區(qū)間內(nèi)連續(xù)不斷地傳送信息，這對(duì)話音通信來(lái)說(shuō)是不符合實(shí)際的；二是沒(méi)有考慮在地理上重新分配頻帶的問(wèn)題；第三沒(méi)有考慮信號(hào)傳輸中的多徑衰減。下面對(duì) CDMA 系統(tǒng)的容量進(jìn)行分析。 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 22 決定 CDMA 系統(tǒng)容量的主要參數(shù)是： 擴(kuò)頻增益 G 、 系統(tǒng)允許誤碼率、語(yǔ)音激活率、功率誤差等。 假設(shè)現(xiàn)有單小區(qū) CDMA 系統(tǒng)是一個(gè)只有語(yǔ)音業(yè)務(wù)的多用戶 CDMA 系統(tǒng)，且每個(gè)用戶的發(fā)送功率受到了嚴(yán)格的控制，從而基站所接收到的所有用戶的功率強(qiáng)度均為sP，于是每個(gè)用戶的接收機(jī)所面臨的干擾功率 I 為 2 WNPKI s 21 0 (3-1) 其中 W 為擴(kuò)頻帶寬；于是其干擾功率譜密度為 21 00 NW PKI s (3-2) 根據(jù)上式，我們得到系統(tǒng)的容量為 12 00 ss PWNPWIK (3-3) 或表示為 12 00 sb PWNIEGK (3-4) 其中bE是每比特信息的功率， G 是擴(kuò)頻增益；若以 R 表示信息速率，則有 REPbs (3-4) 對(duì)于多小區(qū) CDMA 系統(tǒng)，我們引入一個(gè)干擾因子 f ,表示其它小區(qū)中的多址干擾與本小區(qū)用戶造成的多址干擾之比，則有 11 12 00 fPWNPWIK ss(3-5) 若忽略信道高斯白噪聲的影響，則有 fP WIK s 10(3-6) 3.1.2 對(duì)系統(tǒng)容量產(chǎn)生影響的幾個(gè)因素 1. 擴(kuò)頻增益 G 在第二章中，我們分析了多用戶 CDMA 系統(tǒng)的信噪比和誤碼率。得到在有系統(tǒng)噪聲0N的情況下，平均信噪比為 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 23 210231 ENNKSN Ri(3-7) 平均誤碼率為 002103)1(2112231NNKENEQENNKQP e (3-8) 其中 K 為用戶數(shù)， N 為擴(kuò)頻碼長(zhǎng)（擴(kuò)頻增益 G ）， TPEs為發(fā)送信號(hào)的比特能量，sP為信號(hào)功率。 如前面誤碼率分析部分所述，當(dāng) 1K ，即只有單一用戶發(fā)射信號(hào)的情況下，平均誤碼率就變成了我們熟知的高斯信道中信息數(shù)據(jù)解調(diào)的誤碼率 0/2 NEQPe ?？梢钥闯?，多用戶的存在，是在非多址干擾情況下增加了一 個(gè)惡化因子NK3 1，這將導(dǎo)致系統(tǒng)的誤碼 率性能下降，且隨著用戶數(shù)目 K 增大而 更加嚴(yán)重。為了保證有足夠低的誤碼率，這個(gè)惡化因子不能太大。通常選為：10NK 。這就表明了擴(kuò)頻增益 G 對(duì)用戶數(shù)的影響，而且這種影響是十分重要的。 2. 系統(tǒng)允許誤碼率 在上一部分的分析中，我們清楚的看到誤碼率eP與用戶容量 K 之間的關(guān)系為： 002103)1(2112231NNKENEQENNKQP e (3-9) 由函數(shù)的性質(zhì)易知，eP與 K 成正比。也就是說(shuō)，系統(tǒng)允許的誤碼率越高，其可容納的用戶越多。換句話說(shuō)，一定情況下系統(tǒng)容量的提高是以犧牲系統(tǒng)通信的可靠性為代價(jià)的。顯然這兩者之間是一個(gè)互相抑制的關(guān)系，給定不同的誤碼率要求，就有相應(yīng)的用戶容量上限。 3. 擴(kuò)頻編碼的性能 在 CDMA 通信系統(tǒng)中，選用不同的擴(kuò)頻編碼，系統(tǒng)容量就會(huì)有相應(yīng)的變化。這是因?yàn)椴煌臄U(kuò)頻編碼具有不同的互相關(guān)性，我們常 采用的是 m 序列和由它CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 24 衍生出的 Gold 序列。 Gold 序列較 m 序列有更好的互相關(guān)性，這造成本地用戶擴(kuò)頻碼與其它用戶信息相乘帶來(lái)的干擾信息減少。在本地用戶信息和信道噪聲不變的前提下，這必然帶來(lái)信噪比的下降和誤碼率的提高，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的容量。如果使用具有更低互相關(guān)性的擴(kuò)頻編碼序列，容量數(shù) K 還會(huì)增加。 上面分析的是隨機(jī)多址的 CDMA 通信方式，這是最常用的。在這種通信方式中，用戶根據(jù)自己的需要，不受其它用戶工作狀態(tài)的約束，隨機(jī)的發(fā)射信號(hào)，即各用戶彼此之間工作狀態(tài)是完全隨機(jī)的 。這時(shí)，在用戶接收端擴(kuò)頻編碼與用戶信息位相乘必存在異步效應(yīng)。 CDMA 通信系統(tǒng)還有一種工作方式稱為同步多址，是用所有用戶根據(jù)某一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)參考，與其它用戶擴(kuò)頻編碼完全同步的發(fā)射信號(hào)。這種工作方式能有效的抑制異步效應(yīng)，達(dá)到同步接受，大大減少用戶間的干擾，提高系統(tǒng)信噪比，從而增大系統(tǒng)容量。當(dāng)用戶采用完全正交的擴(kuò)頻編碼，這種工作方式下的信噪比和誤碼率分別為： 02 NESNR i (3-10) 0/2 NEQP e (3-11) 這與單用戶通信的特性完全一樣，而與多址通信用戶數(shù)無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)，這時(shí)的系統(tǒng)容量（用戶數(shù)），完全由具有完備正交性的理想擴(kuò)頻編碼的數(shù)量決定，而與其它參數(shù)無(wú)關(guān)。那么容量分析這一具有現(xiàn)實(shí)物理意義的問(wèn)題，就完全蛻變?yōu)閷ふ揖哂型陚湔恍缘臄U(kuò)頻編碼的數(shù)學(xué)問(wèn)題。 但是具有完備正交性的擴(kuò)頻編碼的尋找是一項(xiàng)十分艱難的任務(wù)，而且實(shí)際的同步多址的 CDMA 通信系統(tǒng)的各用戶之間不可能實(shí)現(xiàn)完全的同步，這就表明多址干擾問(wèn)題不可 能完全消除。但只要同步偏差不大，多址干擾就不明顯，比起隨機(jī)多址的 CDMA 通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)優(yōu)越的多。 可見(jiàn)在 CDMA 通信系統(tǒng)中，擴(kuò)頻編碼的選擇對(duì)系統(tǒng)容量的影響也不容忽視，有時(shí)甚至是關(guān)鍵性的。 4. 語(yǔ)音激活率 所謂語(yǔ)音激活率，是指通信用戶有時(shí)發(fā)出信息有時(shí)停發(fā)這樣一個(gè)現(xiàn)象。反映到 CDMA 通信系統(tǒng)，就是用戶有時(shí)通話，有時(shí)不通話，通話時(shí)間占總時(shí)間的比率即為語(yǔ)音激活率。 語(yǔ)音激活率的大小對(duì) CDMA 通信系統(tǒng)的容量有不容忽視的影響。這是因?yàn)镃DMA 通信系統(tǒng)中各用戶發(fā)射信息均在一個(gè)擴(kuò)頻信道中，當(dāng)一個(gè)用戶不通話，即不在信道中發(fā)送 信號(hào)，或發(fā)送極微弱的信號(hào)，這樣盡管系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)都沒(méi)發(fā)生變化，但實(shí)際上卻為其它用戶騰出了空間，系統(tǒng)的容量也隨之增大。 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 25 從定量的角度講，系統(tǒng)在本地用戶信號(hào)功率sP，信道噪聲0N不變的情況下，由于語(yǔ)音激活率的存在，多用戶間的干擾減少， 設(shè)多用戶間的干擾功率為： 11Ki si PxJ (3-12) 其中 K 為用戶數(shù)；除掉本地用戶共有 1K 個(gè)用戶為干擾信息；sP為一個(gè)干擾用戶帶來(lái)的干擾功率；ix是一個(gè)隨機(jī)變量，第 i 個(gè)用戶在語(yǔ)音檢測(cè)的控制下，ix依語(yǔ)音激活率 取值為 1，依概率 1 取值為 0。那么放到一個(gè)大樣本（多用戶 ）的情況下，可以認(rèn)為系統(tǒng)中任何時(shí)刻都只有 K 個(gè)用戶通話。于是式 (3-2)變?yōu)?21 00 NW PKI s (3-13) 那么系統(tǒng)的容量就為 1212 0000 sss PWNIPWNPWIK(3-14) 再參照式 (3-5)，則多小區(qū)系統(tǒng)容量為 11 12 00 fPWNPWIK ss(3-15) 可見(jiàn)， 與 K 成反比。所以， 減小將導(dǎo)致系統(tǒng)容量的增大。 5. 功率誤差 上述各分析結(jié)果，是在假定各通信用戶發(fā)射到接收機(jī)的信號(hào)功率均相等的情況下得出的。實(shí)際上各個(gè)用戶發(fā)送信號(hào)時(shí)距接收機(jī)遠(yuǎn)近不同，信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)由于所受衰減和干擾也各不相同，導(dǎo)致各信號(hào)接收功率的不同，基站接收到的強(qiáng)功率信號(hào)用戶對(duì)弱功率信號(hào)用戶造成很大的干擾，使弱 功率信號(hào)用戶的性能下降，甚至不能正常工作，此即為遠(yuǎn)近效應(yīng)。遠(yuǎn)近效應(yīng)會(huì)造成多址干擾增大，誤碼率上升 2，并最終導(dǎo)致系統(tǒng)容量的降低。 為消除遠(yuǎn)近效應(yīng)，可采用功率控制技術(shù)?，F(xiàn)今的功率控制技術(shù)主要集中在兩個(gè)方面，一個(gè)方面是平衡所有通信鏈路的信噪比，最大化發(fā)射機(jī)的功率，使系統(tǒng)達(dá)到最大所能達(dá)到的信噪比，當(dāng)系統(tǒng)中用戶數(shù)變化時(shí)，使所有通信鏈路的信噪比下降或提高，進(jìn)而達(dá)到提高容量的目的；另一方面的研究是調(diào)整發(fā)射功率，在各通信鏈路達(dá)到要求的信噪比時(shí)，最小化發(fā)射機(jī)的功率，以提高系統(tǒng)容量。 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 26 3.1.3 多用戶檢測(cè)技術(shù)對(duì)容量的提高 傳統(tǒng) CDMA 系統(tǒng)中存在著嚴(yán)重的多址干擾，并且由于多址干擾的存在大大地降低了 CDMA 系統(tǒng)的性能和減小了系統(tǒng)的容量，因此多址干擾的抑制和消除對(duì)改善系統(tǒng)性能和增大系統(tǒng)容量具有重大意義 。多用戶檢測(cè)技術(shù)是抑制或消除多址干擾的一種有效手段，它綜合利用各種信息及信號(hào)處理的手段，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，從而達(dá)到對(duì)多址干擾抑制或消除的目的。它可以解決在多用戶環(huán)境尤其是異步的多用戶環(huán)境中信息的可靠傳輸，及一個(gè)包含綜合業(yè)務(wù)的系統(tǒng)在給定信道中所能達(dá)到的最大容量等問(wèn)題。 現(xiàn)在廣泛采用的多用戶檢測(cè)技術(shù)是取逆陣進(jìn)行解相關(guān) 1，它的實(shí)現(xiàn) 并不是本文所要討論的問(wèn)題，這里省略。 對(duì)于采用理想的多用戶檢測(cè)的系統(tǒng)，由于小區(qū)內(nèi)用戶所造成的多址干擾都可以抑制，參照式 (3-5)我們得到多小區(qū) CDMA 系統(tǒng)的容量為 112 00 fPWNPWIKss(3-16) 忽略信道高斯白噪聲的影響，則有 fPWIKs 0 (3-17) 式 (3-5)、 (3-6)及 (3-16)、 (3-17)表明了對(duì)于一個(gè)多小區(qū) CDMA 系統(tǒng)若 采用理想的多用戶檢測(cè)技術(shù)則系統(tǒng)的容量可以增大 ff /1 倍。 若系統(tǒng)中不僅僅采用了多用戶檢測(cè)技術(shù)，而且還采用了理想的前向糾錯(cuò)碼，那么經(jīng)過(guò)一系列推導(dǎo)，得到多用戶檢測(cè)對(duì)系統(tǒng)容量的增益cG為 WRfPRNWNfKPKPGsssc /)1(2/2ln/12/1l o g002 (3-18) 若忽略信道高斯白噪聲的影響，則有 ffG c /11ln1 (3-19) 式 (3-19)表明對(duì)于采用編解碼的系統(tǒng)，多 用戶檢測(cè)技術(shù)的采用可以將系統(tǒng)的容量增大 ff 11ln)1( 倍。 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 27 3.2 CDMA系統(tǒng)容量與 TDMA系統(tǒng)容量的比較 TDMA 的基本通信方式是一個(gè)用戶分配一個(gè)時(shí)隙，一個(gè)時(shí)隙組作為一幀發(fā)射，一幀包含 N 個(gè)時(shí)隙，故最大容納用戶數(shù)為 NL 。理論上，它與信號(hào)功率、糾錯(cuò)能力、通信業(yè)務(wù)質(zhì)量完全無(wú)關(guān) ! 在基本通信方式上 CDMA與 TDMA比較，假定每個(gè)用戶有相同的數(shù)據(jù)速率，使用相同的即一個(gè)擴(kuò)頻碼長(zhǎng) N 就是一個(gè)時(shí)隙組的時(shí)隙數(shù)，那 TDMA 的最大能同時(shí)分配的用戶信道數(shù)： NL 。如果不采用各種可能的技術(shù)辦法來(lái)增大 CDMA的多用戶通信能力，那 CDMA 的最大能同時(shí)分配的用戶碼道數(shù)： NL ，%12 NL ( 1N ,輸出信噪比為 9dB 時(shí) )。因此，從基本通信方式看，不采用各種可能的技術(shù)辦法， TDMA 優(yōu)于 CDMA! 但從實(shí)際應(yīng)用方式看， TDMA 是不是真 正能優(yōu)于 CDMA?還要進(jìn)一步研究。 3.2.1 主要的增強(qiáng)技術(shù) 移動(dòng)通信系統(tǒng)的應(yīng)用特征是利用蜂窩結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全區(qū)覆蓋，針對(duì)城市復(fù)雜的電磁環(huán)境，提供大容量服務(wù)，高速移動(dòng)也能有效通信。 有限頻率資源的重復(fù)利用，是移動(dòng)通信蜂窩結(jié)構(gòu)的重要特征，也是提高頻譜利用率的有效手段。 CDMA 使用不同擴(kuò)頻編碼來(lái)區(qū)別用戶，所有用戶僅用一個(gè)頻率收發(fā)正常工作。這樣，移動(dòng)通信系統(tǒng)的所有蜂窩都重復(fù)使用同一頻率，頻率的重復(fù)利用率為 1。而 TDMA 盡管按時(shí)隙區(qū)分用戶，但在多用戶工作情況下，每個(gè)時(shí)隙都在工作，相鄰蜂窩小區(qū)問(wèn)不能使用同一頻率，至少要用 四個(gè)頻率供蜂窩小區(qū)間間隔使用，頻率的重復(fù)利用率為 1/4。 抗多徑衰落的接收技術(shù)，是城市高速移動(dòng)通信環(huán)境下的特定要求。 CDMA對(duì)多徑起伏衰落在一個(gè)擴(kuò)頻碼元時(shí)問(wèn)間隔內(nèi)，用相關(guān)接收技術(shù)可能化解；一個(gè)碼元外的多徑起伏，用分集接收，不僅能避免多徑干擾，還能提高信噪比。而 TDMA對(duì)一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的多徑起伏衰落，用自適應(yīng)均衡技術(shù)；但對(duì)一個(gè)時(shí)隙間隔外的多徑起伏衰落，處理辦法還沒(méi)有有效解決，會(huì)使信噪比降低。 語(yǔ)言通信中的話音激活技術(shù)，是 CDMA應(yīng)用到移動(dòng)通信時(shí)提出的新興技術(shù)，CDMA 可有效利用。話音無(wú)聲時(shí)， CDMA 不在使用的擴(kuò)頻 碼道上發(fā)送信號(hào)，或發(fā)送及其低弱的信號(hào)，幾乎不影響其他擴(kuò)頻碼道。這樣，就空出一個(gè)信道可供其他用戶使用。由于眾多用戶使用同一頻率，彼此隨機(jī)發(fā)聲說(shuō)話，盡管同時(shí)能使用的碼道數(shù)沒(méi)變，但能參與的話音通話用戶數(shù)增加，多用戶能力被提高。 TDMA理論上可以同樣使用這項(xiàng)技術(shù)，但實(shí)際上做不到。因?yàn)橛脩羰褂玫臅r(shí)隙是分配的，CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 28 不是占用的，話音的有聲和無(wú)聲的出現(xiàn)完全是隨機(jī)的，要隨機(jī)時(shí)隙分配，目前技術(shù)是很難做到的，不能用于增加用戶數(shù)。因此，使用話音激活技術(shù)， CDMA 移動(dòng)通信系統(tǒng)又比 TDMA 通信方式的用戶數(shù)至少能提高一倍以上。 數(shù)據(jù)通信中的糾錯(cuò)技術(shù)，是移動(dòng)通信應(yīng)用的數(shù)字技術(shù)之一。 TDMA 可用它來(lái)改善通信質(zhì)量，減輕多徑衰落的影響。而特別顯示出它的作用和效益是 CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中可用它來(lái)提高系統(tǒng)容量。應(yīng)用糾錯(cuò)技術(shù)， CDMA 可放寬對(duì)解調(diào)輸出信噪比的要求，也就是放寬 CDMA 多用戶干擾門限，從而有效利用來(lái)提高多用戶信道數(shù)。因此， CDMA 使用盡量大糾錯(cuò)能力的糾錯(cuò)技術(shù)，能明顯提高系統(tǒng)容量，對(duì)要求誤碼率不高的語(yǔ)音通信就更有效。 3.2.2 系統(tǒng)容量的比較 因此，利用現(xiàn)成可實(shí)現(xiàn)技術(shù)，移動(dòng)通信環(huán)境下的 CDMA 與 TDMA 的應(yīng)用能力的比較如下 表所示。 CDMA 幾乎可以利用其中的任何技術(shù)來(lái)增大系統(tǒng)容量，提高多用戶通信能力。而 TDMA 幾乎都不行。 現(xiàn)以語(yǔ)音通信業(yè)務(wù)為例，說(shuō)明 CDMA 和 TDMA 的頻譜利用率。 TDMA 使用時(shí)隙分配方法，每個(gè)用戶一個(gè)時(shí)隙，考慮到信號(hào)的傳播延時(shí)、多徑時(shí)延和對(duì)方的處理時(shí)間，每個(gè)時(shí)隙要有一定的保護(hù)時(shí)間，按 1/0.1 計(jì)算，頻率的重復(fù)利用率為 1/4，則 TDMA 的頻譜利用能力為 N/(1.1 4) N 23.72%，其中 N 是相應(yīng)信號(hào)頻譜的理論最大用戶數(shù)。 CDMA 使用語(yǔ)音激活技術(shù)，至少能提高一倍容量，多徑接受和糾錯(cuò)處理又至少能提高一倍容量， 因此， CDMA 的頻譜利用能力至少為 2 2 N 12% N 48%，至少是 TDMA 系統(tǒng)容量的兩倍以上。 實(shí)際上可以在理論上證明 2，蜂窩移動(dòng)通信中具有功率控制的 CDMA 系統(tǒng)容量是 TDMA 方式的 4 倍?？梢?jiàn)， CDMA 系統(tǒng)的用戶容量大大優(yōu)于 TDMA，這是 CDMA 技術(shù)誘人前景的重要原因之一。 小結(jié) ：本章在上一章的基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析了 CDMA 系統(tǒng)的容量，先給出了容量表達(dá)式，再分析了幾個(gè)影響容量的因素及多用戶檢測(cè)對(duì)容量的增益，最后通過(guò)與 TDMA 系統(tǒng)容量的比較，展現(xiàn)了 CDMA 強(qiáng)大的系統(tǒng)容量。這一章是全文的重點(diǎn)。 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 29 表 3-1 移動(dòng)通信中的 CDMA 和 TDMA 能力比較 移動(dòng)通信技術(shù)特征 CDMA 應(yīng)用能力 TDMA 應(yīng)用能力 頻率重復(fù)利用 話音激活技術(shù) 糾錯(cuò)技術(shù) 抗多徑衰落 同步要求 鏈路時(shí)延 高（ r 1） 提高容量 用于提高容量 可（ REKA 接收） 可要，可不要 不敏感 可接受可要，可不要 低（ r 4） 待研究 用于改善質(zhì)量 不可 必須 敏感 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 30 第四章 仿真結(jié)果分析 仿真在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)的所有階段都能起到重要作用，從早期的概念設(shè)計(jì)到各個(gè)工程實(shí)現(xiàn)階段，以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。對(duì)于非線性的 多用戶檢測(cè)算法尤為重要，由于沒(méi)有系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述與分析工具，只有通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真對(duì)算法的性能進(jìn)行分析。 目前 MATLAB 已經(jīng)成為國(guó)際上最為流行的軟件之一，它除了傳統(tǒng)的交互式編程以外，還提供了豐富可靠的矩形運(yùn)算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、方便的Windows 編程等便利工具，出現(xiàn)了各種以 MATLAB 為基礎(chǔ)的實(shí)用工具箱，廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制、圖像信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)工程、語(yǔ)音處理、雷達(dá)工程、信號(hào)分析、時(shí)序分析與建模、優(yōu)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域 3。 在第三章理論分析之后，為了更直觀的說(shuō)明問(wèn)題，本文在 MATLAB 下實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的 仿真，繪制了圖形，并對(duì)各個(gè)圖形加以分析，用仿真得到的客觀結(jié)果來(lái)驗(yàn)證理論分析的正確性。 4.1 驗(yàn)證系統(tǒng)允許誤碼率對(duì)容量的影響 在 3.1.2 中，我們?nèi)娣治隽苏`碼率對(duì)系統(tǒng)容量的影響。理論分析表明系統(tǒng)允許的誤碼率越高，其可容納的用戶越多。 在 3.1.2 中，公式 (3-8)為 002103)1(2112231NNKENEQENNKQP e 將 )(3)1(211223100210 xQNNKENEQENNKQP e 得到在 MATLAB 程序中的誤碼率公式為： 221 xQPe(4-1) CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 31 那么在仿真中將驗(yàn)證這一點(diǎn)，分別在 5N 和 6N 的情況下繪制仿真圖進(jìn)行容量比較。 首先給出 5N 時(shí)的仿真圖形，這里取用戶數(shù) K 1， 3， 5 共繪出三條線。對(duì)仿真圖形加以分析：取相同的橫坐標(biāo)觀察，如信噪比 dBNPT 50 時(shí)， K 1的圖線對(duì)應(yīng)誤碼率 0055.0eP； K 3 的圖線對(duì)應(yīng)誤碼率 0132.0eP； K 5 的圖線對(duì)應(yīng)誤碼率 0393.0eP。這說(shuō)明，當(dāng)系統(tǒng)的最大允許誤碼率 0055.0eP時(shí)，系統(tǒng)允許最大用戶數(shù)為 K 1；當(dāng)系統(tǒng)最大允許誤碼率 0132.0eP時(shí)，系統(tǒng)允許最大用戶數(shù)為 K 3；當(dāng)系統(tǒng)的最大允許誤碼率 0393.0eP時(shí)，最大用戶數(shù)為 K 5。 然后分析 6N 時(shí)的仿真圖形，這里同樣取用戶數(shù) K 1， 3， 5 共繪三條線，得到圖 4-2。我們可以看到圖形的效果與 5N 時(shí)差不多。用同樣的分析方法得到的關(guān)系也相同。 于是我們得到結(jié)論：系統(tǒng)允許的誤碼率越高，系統(tǒng)容量越 大。 圖 4-1 系統(tǒng)允許誤碼率對(duì)容量的影響（ 5N ） CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 32 4.2 驗(yàn)證擴(kuò)頻碼長(zhǎng) N對(duì)容量的影響 在 3.1.2 中，我們?nèi)娣治隽藬U(kuò)頻增益 G (等于擴(kuò)頻碼長(zhǎng) N)對(duì)系統(tǒng)容量的影響。理論分析表明系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼長(zhǎng) N 越大，其允許的誤碼率就越高，由上一小節(jié)的結(jié)論知系統(tǒng)的容量也就越大。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，這里又將上組圖用另一種方式畫(huà)出。與上組圖不同的是，本組圖采用固定用戶數(shù) K 的方法，分別取 5K 和10K ，然后在一幅圖中畫(huà)出 5N 和 6N 兩條圖線。 仿真得到下面兩圖，現(xiàn)對(duì)其加以分析： 取相同的橫坐標(biāo)觀察，如在圖 4-3 中當(dāng)信噪比 dBNPT 50 時(shí)， 6N 的圖線對(duì)應(yīng)誤碼率 0067.0eP； 5N 的圖線對(duì)應(yīng)誤碼率 0132.0eP。這說(shuō)明，在系統(tǒng)容 量恒定的前提下，擴(kuò)頻碼長(zhǎng) 6N 帶來(lái)的系統(tǒng)誤碼率較 5N 的小。換句話說(shuō)，若維持系統(tǒng)容量不變而將擴(kuò)頻碼長(zhǎng)增大，則系統(tǒng)誤碼率將下降或者說(shuō)系統(tǒng)允許誤碼率將上升。由于系統(tǒng)允許誤碼率與系統(tǒng)容量成正比，上句話等同于若維持系統(tǒng)允許誤碼率不變，則擴(kuò)頻碼長(zhǎng)越大，容量越大。同樣的結(jié)論也可在圖 4-4 中得到。 于是我們得到結(jié)論：系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼長(zhǎng) N 越大，其容量越大。 圖 4-2 系統(tǒng)允許誤碼率對(duì)容量的影響（ 6N ） CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 33 圖 4-4 擴(kuò)頻碼長(zhǎng)對(duì)容量的影響（ 10K ） 圖 4 4 擴(kuò)頻碼長(zhǎng)對(duì)容量的影響（ K=10） 圖 4-3 擴(kuò)頻碼長(zhǎng)對(duì)容量的影響（ 5K ） CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 34 4.3 驗(yàn)證語(yǔ)音激活率 對(duì)容量的影響 在 3.1.2 中，我們分析了語(yǔ)音激活率 對(duì)系統(tǒng)容量帶來(lái)的影響。現(xiàn)在取容量 5K 和 50K 進(jìn)行仿真，觀察它們?cè)诓煌恼Z(yǔ)音激活率下系統(tǒng)容量的增益及其變化。 從圖中我們可得到以下三點(diǎn)結(jié)果 1. 無(wú)論是 5K 還是 50K 對(duì)應(yīng)的圖線，容量增益都是隨著語(yǔ)音激活率 的增大而減小； 2. 取 3.0 ，則 5K 對(duì)應(yīng) 87.2cG， 50K 對(duì)應(yīng) 30.3cG。而由式(3.3)、式 (3.14)可知，語(yǔ)音激活率 帶來(lái)的容量增益為 CCG c 11 (4-2 ) 其中sPWNIC )2( 00 為常量，那么帶入 3.0 計(jì)算得到的理論值與仿真值十分吻合； 3. 圖中 50K 的圖線一直在 5K 的圖線之上，這說(shuō)明相同的語(yǔ)音激活率對(duì)大容量系統(tǒng)的增益較小容量系統(tǒng)的增益大。 于是我們得到結(jié)論： 與 K 成反比， 減小將導(dǎo)致系統(tǒng)容量的增大，增益如圖 4-5 語(yǔ)音激活率對(duì)容量的增益 CDMA 系統(tǒng)性能分析與仿真 35 式 (4-2)表示。這完全符合 3.