基于第三代移动通信中的M序列的研究论文Word下载.docx
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2.1.1理论基础12
2.2直接序列扩频通信系统16
2.2.1系统结构17
2.2.2信号分析18
2.2.3处理增益和干扰容限20
2.3直接序列扩频通信系统的伪随机序列21
2.3.1m序列21
2.3.2Gold序列25
2.4本章小结26
第三章m序列性质的分析与研究27
3.2m序列的性质29
3.2.1m序列的定义29
3.2.2m序列的自相关特性30
3.2.3m序列优选对30
3.3产生m序列的方法31
2.3.1寻求本原多项式的方法31
3.3.2m序列个数35
3.3.3由硬件产生m序列35
3.3.4由MATLAB软件仿真m序列37
第四章m序列设计方案38
4.1m序列设计的常规方法38
4.2m序列的性质40
第五章通信系统中的干扰与抗干扰44
5.1通信系统中的干扰44
5.2通信系统中的抗干扰46
总结50
参考文献51
致谢53
第一章绪论
1.1引言
当前移动通信的发展正处于一个关键时期,新的业务和技术正不断涌现,客户的需求也在不断增长。
同时,因特网迅速发展成为真正的超级信息高速公路。
无线业务也在激增,很多企业开始利用数据联网和电信为客户服务。
同时,电信,视频电话,语音信箱,无线寻呼,蜂窝电话,便携式计算机使得专业人士可以随时随地进行工作。
移动和个人通信是新世纪创新和发展的重要驱动力。
目前,移动通信发展已经过了两代,第一代是模拟蜂窝移动通信网,时间跨度是上世纪70年代中期至80年代中期。
其主要特点是采用频分复用(FDMA)模拟制式,语音信号为模拟调制。
其典型代表为美国的MAPS系统(先进移动电话系统)和改进型系统TACS(总接入通信系统)等。
第二代是以GMS和IS一95为代表的数字蜂窝移动通信系统,从上世纪80年代中期开始,至今仍在高速发展中。
模拟蜂窝网虽然取得了很大成功,但其频谱利用率低,业务种类受限,通话易被窃听,难以满足移动通信的发展。
到了80年代中期,欧洲推出了泛欧数字移动通信网(GSM)的体系。
随后,美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。
第二代移动通信系统以传输话音和低速数据业务为目的,又称为窄带数字通信系统,其典型代表是美国的DAMPS系统、IS一95和欧洲的GSM系统。
由于第二代移动通信是以传输话音和低速数据业务为目的。
从19%年开始,为解决中速数据传输问题,又出现了2.5代的移动通信系统,如GPRS和IS一95B。
由于网络的发展,数据和多媒体通信发展迅猛,所以第三代移动通信的目标是宽带通信,也就是扩频通信.
目前第三代移动通信系统主要有代D以、dcmaZ000和TD一SDCM三种技术体制。
WCDMA一宽带码分多址,采用了码分多址技术和扩频技术,技术体制的核心网是基于GSM/GPRS网络的演进,保持与GSM/GPRS网络的兼容性。
信号带宽SMHZ,码片速率3.84MPcs,调制采用上行BPKS和下行QPSK调制方式。
Cmda200O技术体制是基于IS一95标准基础上提出的第三代移动通信系统(3G)标准。
信号带宽为Nx1.25MHz(N=1,3,6,9,12),码片速率为Nx1.2288Meps。
调制也采用上行即SK和下行QPSK调制方式。
TD一SCMDA标准是由中国无线通信标准组织CwTS提出,目前己经融合到3G即关于CWDMA一TDD的相关规范中。
TD一SCMDA采用的关键技术有智能天线十联合检测、多时隙DCMA十DS一CDMA、同步DCMA、信道编译码和交织、接力切换等。
由此可见第三代移动通信系统的三种技术体制无一例外的均采用了扩频通信技术。
表1.1第三代移动通信的三种主要技术体制
扩频通信技术从40年代末期开始发展以来,从军事领域发展到商用民用,以其独有的技术优势,一直保持着强大的生命力。
尤其是第三代移动通信的三大标准均采用了扩频通信技术,所以,扩频通信技术在未来的移动通信领域必将发挥更加重要的作用。
而在扩频通信技术的研究中,伪随机序列的研究又是其重要组成部分。
1.2扩频通信与扩频序列
扩展频谱通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号,送入信道中传输,接收时再利用相应手段将其压缩,从而获取传输信息的通信系统,也就是说在传输同样信息时所需的射频带宽,远比我们已熟知的各种调制方式要求的带宽要宽得多。
扩频带宽至少是信息带宽的几十倍甚至几万倍。
信息已不再是决定调制信号带宽的重要因素,其调制信号的带宽主要由扩频函数来决定。
扩频通信是一种应用广泛的通信手段,它具有抗干扰能力强、安全性高、抗衰落及抗多径性能好等优点.
扩频系统的基本原理由如图1.1所示
图1.1扩频通信系统原理图
在发射端输入的信息,先经过信息调制形成数字信号,然后由扩频发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以扩展信号的频谱,扩展以后的信号调制到射频发射出去。
在收端接收到的宽带射频信号,变频至中频,然后由本地产生的与发射端相同的扩频码序列去解扩。
最后经信息解调,恢复成原始信息输出。
由此可见,一般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。
在发射端,第一次为信息调制,第二次为扩频调制,第三次为射频调制,在接收端相应的为信息解调,解扩和射频解调。
现有的扩频通信系统可以分为:
直接序列扩频通信系统(DS-SS),跳频扩频通信系统(FH-SS),跳时扩频通信系统(TH-SS)以及混合扩频通信系统(如FH/DS,DS/TH,FH/TH等)。
扩频序列的研究开始于二十世纪五十年代,早在1955年,Golomb和Zierler就发表了关于最大度线性移位寄存器序列(m序列)的结果。
具有良好伪随机特性和相关特性的扩频序列对扩频通信系统的性能具有决定性的作用。
序列的相关性是评价序列性能的一个重要指标,在直接扩频系统中,常用的相关函数有周期相关函数,非周期相关函数以及奇相关函数。
理想的扩频序列应该具有如下特性:
自相关的边峰值和互相关值均为零,还必须有尽可能大的序列复杂度、序列平衡性。
然而,具有理想特性的单码扩频序列经理论证明是不存在的。
近半个世纪以来,经过人们的不断努力,扩频序列的研究己经取得了很多成果,并设计出了许多具有优良特性的序列。
有许多专著已经对此进行了详细介绍。
扩频序列的最初应用是军事的电子对抗。
通常采用的扩频方案有两种:
一种是直接序列(Directsequence扩频技术;
另一种是跳频(FrequencyHopping)扩频技术。
扩频通信系统是靠扩频序列来区分不同用户的,所以,扩频序列的性能就决定了系统的抗干扰性能。
对扩频码通常提出下列要求:
1.易于产生;
2.具有随机性;
3.扩频码应具有尽可能长的周期,使干扰者难以从扩频码的一小段去重建整个码序列;
4.扩频码应具有双值自相关函数和良好的互相关特性,以有利于接收时的截获和跟踪,以及多用户应用。
根据Shannon信息论理论,用纯随机序列去扩展频谱是最理想的。
但是,在接收机中为了解扩应当有一个同发送端扩频码同步的副本。
因此,实际上,我们只能用伪随机或伪噪声(PN)序列作为扩频码。
伪随机序列具有貌似噪声的性质,但它又是有规律的,它应该是既容易产生,又可以加工复制的序列。
扩频码中应用最广的是m序列,又称最大长度序列。
其它的还有GoId,L序列(Legebdre序列)和霍尔序列(孪生素数序列)等。
在实际CDMA系统中,IS-95和CDMA2000系统的前向信道中使用Walsh序列,而WCDMA系统中采用正交可变扩频因子(OrthogonalVariableSpreadingFactor,OVSF)序列。
1.3国内外研究动态
目前对扩频通信伪随机序列的研究主要集中于二元伪随机序列,在CDMA系统中所使用的m序列,Gold序列等就是一种典型的二元伪随机序列。
m序列是一种狭义的伪随机序列,具有优良的自相关特性
但是,m序列的局限性在于其数量有限,如9级移位寄存器产生的m序列共有48个,而满足彼此互相关峰值较低(33)的优选对只有12个。
Gold序列是在m序列的基础上实现的,其数量远远超过m序列,但Gold序列具有不平衡性,使直接序列扩频(DS)系统漏载增大,将降低扩展频谱通信系统的保密、抗干扰和抗侦破等能力;
而构造平衡Gold码又有很大局限性。
Walsh码的自相关特性不好,旁瓣较大,其峰有时甚至和主峰一样高,这样不但不利于系统的同步,而且容易产生假同步。
其后,又相继提出了GL序列族,DBCH序列,高忠雄(Kasami)序列族等,均有一定的使用价值。
近年来,人们开始着眼于多相序列的研究,多相序列有着许多优点,首先,多相序列可能产生较多的地址码;
其次,在相同的传输速率条件下,占用的带宽是m序列或者Gold序列的1/N,提高了频带的利用率;
再次,多相序列的复杂度高且易于产生,且有较高的信噪比;
最后,在传输速率不是很高时,多相编码可以减轻多径衰减的程度。
所以,目前对多相序列的研究,是伪随机序列研究中
的重要分支。
多相序列有着许多种构造方法,其中一类很有名的多相序列一FZC(Frank-Zadoff-Chu)序列有着良好的相关特性,并且对序列的长度没有限制,其序列长度等于相位数。
但当扩频序列较长时,在工程上难以实现的缺点。
另一种四相序列的构造方法是由NaokiSuehiro提出的,它以弗兰克(Frank)和海米勒(Heimiller)给出的FH序列为基础。
FH序列具有良好的相关特性,它的周期自相关函数主峰值为N2,周期自相关函数的副峰值为。
。
在此基础上可以构造长度为p=N2,的多相序列,FH用矩阵表示如下:
(1.1)
其中
FH序列的非周期自相关函数R(l)具有如下特性:
(1)l为N的整数倍时,副峰值为零。
(2)l=1(modN)时,副峰为1。
(3)相对于主峰,副峰具有对称性。
(4)在时间轴上,具有分段对称性。
阳序列的非周期自相关函数的主副峰比的渐近值为
,这比同样长度的二元序列高10个分贝。
FH序列的倍序列的周期,非周期的自、互相关函数的旁瓣的最大值不大于FH序列的非周期互相关旁瓣的最大值,其上限是
随着多相序列相位数的增加,满足工程要求的序列组中的序列数会迅速增加。
按照NaokiSuehiro所提出的多相序列构造方法构造六相序列时,序列中最大互相关函数为12时的rM.rr为0.33(rM.rr为M.rr与循环自相关函数主峰值16的比值),此时序列组中可以作为独立地址码的序列数最多达到13。
因此,当多相序列长度达到当前实际应用的二元序列的长度时,其独立地址码的数量要远多于二元序列的独立地址码的数量。
2004年NakotoNakamura与NaokiSuehiro共同提出了一种新的ZCZ序列的构造方法与过去的构造方法相比,由这种构造方法构造出的四相序列具有更长的零相关域,这种序列更适合准同步码分多址(AS-CDMA)系统。
1.4第三代移动通信的技术与发展
第三代移动通信技术(3G即3rdGeneration),相对于第一代模拟手机(1G)和第二代GSM、CDMA等数字手机(2G)而言,第一代模拟手机只能进行语音通话;
第二代数字手机增加接收数据功能(如接受电子邮件或网页);
第三代手机的主要特征是:
语音和数据的传输速率提升;
将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合,并能处理图像、音乐、视频流等多媒体形式,提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务;
最高目标是使个人终端用户能在任何时间、任何地点、与任何人实现高质量地信息传递,又被称为未来个人通信系统。
ITU(国际电联)1996年将3G由原来的FPLMTS正式命名为IMT-2000,含义是3G统一使用2000MHz频段、最高数据传输速率2000kbit/s,于2000年使用;
分为陆地网和卫星网,包括寻呼、无绳系统、蜂窝系统、移动卫星通信系统等功能。
3G标准分为核心网标准和无线接口标准。
目前,核心网标准的基础是基于MAP的GSM网络和基于IS-41的CDMA网络,向支持IP的分组平台方向发展。
在无线接口标准方面,ITU1998年向其所属成员征集无线传输技术(RTT:
RodioTransmissiaTechnology)提案,要求:
(1)能实现全球漫游:
用户可在整个系统甚至全球范围内漫游,且可在不同的速率、运动状态下获得有质量保证的服务;
(2)能提供多种服:
提供话音、可变速率的数据、活动视频会话业务,特别是多媒体业务。
(3)能适应多种环境:
可以综合现有的公众电话交换网(PSTN)、综合数字业务网、无绳系统、地面移动通信系统、卫星通信系统,提供无缝隙的覆盖。
(4)足够的系统容量,强大的多种用户管理能力,高保密性能和服务质量。
为实现上述目标,对于RTT提出以下要求:
①高速传输以支持多媒体任务:
室内环境至少2Mbit/s;
室内外步行环境至少384kbit/s;
室外车辆运送中至少144kbit/s;
卫星移动环境至少9.6kbit/s。
②传输速率能够按需分配。
③上下行链路能适应不对称需求。
1.4.1第三代移动通信系统的组成
IMT-2000系统(见图1)主要有四个功能子系统,即核心网(CN)、无线接入网(RAN)、移动台(MT)、用户识别模块(UIM),分别对应于GSM系统的交换子系统(SSS)、基站子系统(BSS)、移动台(MS)、SIM卡。
ITU定义的4个标准接口为:
①网络与网络接口(NNI,指不同家族成员之间的标准接口,是保证互通和漫游的关键接口)。
②无线接入网与核心网之间的接口(RAN-CN,对应于GSM的A接口)。
③无线接口(UNI)。
④用户识别模块和移动台之间的接口(UIM-MT)。
图1.1IMT-2000功能模型及接口图
图2为无线接口的分层结构,其中:
(1)物理层(L1):
由下行物理信道和上行物理信道组成。
(2)链路层(L2):
由媒体接入层(MAC)子层和链路接入控制(LAC)子层组成。
MAC子层根据LAC子层不同业务实体的要求对物理层资源进行管理与控制,并负责提供LAC子层业务实体所需的QoS(服务质量)级别。
LAC子层与物理层相对独立的链路管理与控制,并负责提供MAC子层所不能提供的更高级别的QoS控制,可以通过ARQ等方式实现以满足来自更高层业务实体的传输可靠性。
(3)高层(L3):
它集OSI模型中的网络层、传输层、会话层、表达层、应用层为一体。
主要负责各种业务的呼叫信令处理,话音业务和数据业务的控制处理等。
1.4.2第三代移动通信的主要技术标准
图1.2无线接口的分层结构图
在ITU确认的无线接口标准的基础上,目前己经形成主要技术标准:
有基于FDD方式的WCDMA和CDMA2000、基于TDD方式的TD-SCDMA。
(1)WCDMA:
由3GPP1的WCDMA方案与3GPP2的CDMA2000方案的直接扩频(DS)部分融合而来,主要源于欧洲的ETSI和日本的ARIB标准化组织,主要倡导者有爱立信和诺基亚等公司。
它的核心网基于GSMMAP,通过网络扩展方式提供基于ANSI-41的运行能力。
WCDMA系统能同时支持电路交换业务(如PSTNISDN)和分组交换业务(如IP网)。
该系统使用灵活的无线协议,可在一个载波内同时支持话音、数据和多媒体业务,并通过透明或非透明传输支持实时、非实时业务。
(2)CDMA2000:
即3GPP2提交方案中的多载波(MC)方案,源于美国TIA(电话工业协会)的TR45.5标准由美国高盛公司提出。
CDMA2000是从CDMAOne发展而来,目的是为已有的CDMA运营商平滑升级到3G提供途径,核心是Lucent,Motorola,Nortel和Qualcomm联合提出的宽带CDMAOne技术。
主要特点是与现有的TIA/EIA-95-B标准向后兼容,并与IS-95B系统的频段实现共享或重叠,使运营商可在IS-95B系统的基础上平滑地过渡,保护已有投资。
CDMA2000的核心网基于ANSI-41,但经网络扩展方式;
也可提供基于GSM-MAP核心网上的运行能力。
(3)TD-SCDMA:
它是一种高性能和低成本的系统,是在TDD模式下,采用在周期重复的时间帧里传输基本的TDMA突发脉冲的工作模式(和GSM相同),通过周期性地切换传输方向,在同一载波上交替地进行上下行链路传输。
可以控制上下行的发送时间,发送时间段内不接受,接受时间段内不发送,且可灵活控制和改变发送和接受的时段长短比例。
其优势是上下行链路间的转折点可因业务的不同而认识调整。
对于因特网等非对等业务的数据传输,下行数据量远大于上行数据量,可增加下行的时段时间,缩短上行的时段时间,以达到高效传送非对等数据业务的目的,从而实现3G所要求的两类业务(对称的电路交换业务和非对称的分组交换业务)。
第二章直接序列扩频通信系统
本章是全文的理论基础,随着概念的深入逐步展开。
在诸多的扩频类型中,直接序列扩频通信系统是本文研究的重点,因此将详细讨论其组成及特点。
2.1扩频通信系统
扩展频谱通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带号,然后送入信道中传输,再利用相应手段将其解扩,从而获取传输信息的通信系统。
它在传输同样信息时所需的射频带宽,远比我们熟悉的各种调制方式要求的带宽要宽的多。
扩频前的信息码元带宽远小于扩频后的扩频码序列的带宽,信息己不再是决定调制信号带宽的一个重要因素,其调制信号的带宽主要由扩频函数来决定。
一般常用的扩频函数是伪随机编码信号。
扩频系统比常规的通信系统具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径的能力,此外还具有信息隐蔽多址保密通信等优点。
下面是对它的定性的分析。
2.1.1理论基础
扩展频谱技术的理论基础可以用香农(C.E.Shannon)信道容量公式来描述
(2—1)
上式表明,在高斯信道中当传输系统的信号噪声功率比下降时,可以用增加系统传输带宽W的办法来保持信道容量C不变。
对于任意给定的信号噪声比,可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率。
可见,扩展频谱技术正是利用这一原理,用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的。
扩频通信系统的带宽比常规通信系统大几百倍至几千倍,所以在相同的信噪比条件下,具有较强的抗噪声干扰能力。
其次,香农又指出:
在高斯噪声的干扰下,在平均功率受限的信道上,实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。
这是因为高斯白噪声信号具有理想的自相关特性,其功率谱为:
(2—2)
其自相关函数为:
(2—3)
其中:
为时延,
白噪声的自相关函数具有}(r)函数的特点,说明它具有尖锐的自相关特性。
但是对于白噪声信号的产生、加工和复制至今存在着许多技术上的困难。
然而,有许多易于产生又便于加工和控制的伪随机噪声序列,它们的统计特性逼近于高斯白噪声信号的统计特性。
设某种伪随机序列周期为P,且码元都是一二元域{1,一1}上的元,假设一个周期为P,码元为x的伪随机序列X的归一化自相关函数为:
(2—4)
式中:
j=0,1,2,...,p-1。
当伪随机序列码长P取足够长或P趋于无穷时,上式可以简化为:
(2—5)
可以看到式(2-5)中当P足够长或趋于无穷时,该伪随机序列和白噪声信号
有类似的统计特性,也就是逼近于高斯信道要求的最佳信号形式。
可见用伪随机码扩展待传基带信号的扩展频谱通信系统,优于常规通信体制。
扩频通信的工作原理如图2-1所示:
图2-1扩频通信的工作原理
在发端输入的信息先经信息调制变成数字信号,然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。
展宽后的信号再调制到射频发送出去。
在接收端收到的宽带射频信号,变频至中频,然后由本地产生的与发端相同的扩频序列进行相关解扩,再经信息解调、恢复成原始信息输出。
2.1.2系统的主要特点
由于扩频通信能大大扩展信号的频谱,发送端用扩频码序列进行扩频调制,以及在接收端用相关解调技术,使其具有许多窄带通信难于替代的优良性能,能在民用后,迅速推广到各种公用和专用通信网络之中,主要有以下几项特点:
(1)易于重复使用频率,提高了无线频谱利用率
无线频谱十分宝贵,虽然从长波到微波都得到了开发利用,仍然满足不了社会的需求。
在窄带通信中,主要依靠波道划分来防止信道之间发生干扰。
为此,世界各国都设立了频率管理机构,用户只能使用申请获准的频率。
扩频通信发送功率极低(1-650mW),采用了相关接收技术,且可工作在信道噪声和热噪声背景中,易于在同一地区重复使用同一频率,也可与现今各种窄道通信共享同一频率资源。
所以,在美国及世界绝大多数国家,扩频通信不需申请频率,任何个人与单位可以无执照使用。
(2)抗干扰性强,误码率低
扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽,而收端又采用相关检测的办法来解扩,使有用宽带信息信号恢复成窄带信号,而把非所需信号扩展成宽带信号,然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。
这样,对于各种干扰信号,因其在收端的非相关性,解扩
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