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1、第1章 绪 论1.1 CDMA系统的发展历程 自从20世纪70年代末出现蜂窝通信以来，世界各地的移动通信业得到了迅猛发展，蜂窝通信的技术本身也有了长足的进步，移动通信网络已经从模拟蜂窝网发展到了数字蜂窝网。D.H.Ring在1947年提出蜂窝概念，在20世纪60年代对此进行了系统的实验，60年代末，70年代初开始出现了第一个蜂窝电话系统。蜂窝的意思是将一个大区域划分为几个小区，相邻的小区使用不同的频率进行传输，以避免互相干扰。在70年代末，半导体技术的发展和微处理器的出现，解决了困扰移动通信的终端小型化和系统设计等关键问题，进一步推动了蜂窝移动通信系统的发展。但是随着用户数量的急剧增加，传统的
2、大区制移动通信系统很快就达到饱和状态，无法满足服务要求。针对这种情况，贝尔实验室提出了小区制的蜂窝式移动通信系统的解决方案，1978年开发了先进移动电话系统AMPS(Advance Mobile Phone Service)，欧洲推出了全地址通信系统TACS(Total Access Communication System)，日本的电报和电话系统（NAMTS）,北欧移动电话系统（NMTS）和原联邦德国的（NETZ-C），然而以AMPS,TACS为代表的蜂窝式模拟移动通信系统，称为第一代移动通信系统，第一代模拟蜂窝网采用频分多址（FDMA）方式。自从1981年第一代的以FDMA技术为基础的模拟
3、移动通信系统建立和使用以来，蜂窝移动通信市场的发展和需求大大超过了乐观人士的原有预测。在短短几年里，模拟蜂窝系统就面临着阻塞概率高，呼叫中断率增高，蜂窝系统的干扰增大，蜂窝系统迫切需要增容的压力。并且由于模拟蜂窝系统本身的缺陷（频谱效率低，保密性差等），系统的设计容量远远不能满足需求。因此20世纪80年代中期，不少国家都在探索蜂窝网通信系统如何从模拟向数字方向转变的方法。1988年9月，美国蜂窝通信工业协会（CTIA）发布了一个称为用户的性能要求（UPR）的文件，提出了对下一代蜂窝网的技术要求。20世纪90年代起，以TDMA技术的第二代数字蜂窝移动通信系统（GSM,DAMPS,JDC）相继投入
4、使用。第三代移动通信系统最初的研究工作开始于1985年，国际电信联盟无线通信委员会（ITU-R）成立临时工作组，提出了未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS）。第三代移动通信系统所要达到的目的就是实现全球无缝隙的移动漫游。第三代移动通信系统需要有更大的系统容量和更灵活的高速率，多速率数据传输的能力，除了话音和数据传输外，还能传送高达2Mbit/s的高质量的活动图像，真正实现“任何人，在任何地方，任何时间，与任何人”都能便利通信这个目标。由于CDMA通信技术有抗多径衰减，软容量，软切换，系统容量比GSM系统大等优势，第三代移动通信主要采用宽带CDMA技术。现在第三代移动通信系统的无线传输技术主要
5、由三种：欧洲和日本的WCDMA，北美提出的基于IS-95CDMA系统的cdma2000技术以及我国提出的具有自己知识产权的TD-SCDMA系统。这三种技术的比较见表1-1【1】表1-1 三种宽带CDMA技术比较方案内容WCDMAcdma2000TD-SCDMA信道带宽（MHz）5/10/201.25/5/10/201.6码片速率（Mc/s）3.843.68641.28基站间同步异步/同步同步（需GPS）异步/同步帧长（ms）102010（子帧长5）双工技术FDD/TDDFDDTDD多址方式DS-CDMADS-CDMA/MC-CDMATD-SCDMA语音编码固定速率可变速率固定速率多速率可变扩频
6、因子和多码RI检测；高速率业务忙检测；低速率业务可变扩频因子和多码RI检测；低速率业务，事先预定好，需高层信令参与可变扩频因子和多码RI检测；FEC编码卷积码R=1/2,1/3,约束长度k=9；RS码(数据)卷积码R=1/2,1/3,约束长度k=9；Turbo码（数据）卷积码R=1/41,约束长度k=9；RS码（数据）功率控制FDD:开环+快速闭环（1500bit/s）；TDD:开环+慢速闭环开环+慢速闭环（800bit/s）开环+慢速闭环（20bit/s）交织卷积码：帧内交织RS码：针间交织块交织卷积码：帧内交织RS码：针间交织扩频方式反向：OVSF（信道化）+Gold序列218（区分小区）
7、前向：OVSF（信道化）+Gold序列241（区分小区）反向：Walsh（信道化）+PN序列215（区分小区）前向：Walsh（信道化）+PN序列241-1（区分小区）反向：OVSF（信道化）+Gold序列218（区分小区）前向：OVSF（信道化）+Gold序列241区分小区）调制方式数据调制：QPSK/BPSK扩频调制：QPSK数据调制：QPSK/BPSK扩频调制：OQPSK数据调制：QPSK/16QAM扩频调制：DQPSK相干解调反向：专用导频信道（TDM）前向：专用导频信道反向：公共导频信道前向：专用导频信道前反响向均采用专用导频信道支持的核心网络协议MAP（GSM）IS-41(CDMA
8、)MAP(GSM)表1-2 移动通信系统的比较多方比较第一代移动通信系统（1G）第二代移动通信系统（2G）第三代移动通信系统（3G）发展时间20世纪60年代末，70年代初20世纪80年代到90年代20世纪90年代代表系统美国AMPS欧洲TACS欧洲和世界各地普遍应用的GSM北美 IS-136日本 JDC和PDC欧洲和日本 WCDMA北美 cdma2000中国 TD-SCDMA多址接入技术FDMATDMAWCDMA:DS-SCDMAcdma2000：DS-CDMA/MC-CDMATD-SCDMA：TD-SCDMA优点提供较好的话音质量和系统容量频谱利用率提高；系统容量增大；保密性能好；标准化程度
9、高高质量业务；能支持面向电路和面向分组业务，工作在各种类型的地区；更高的频谱效率；网络结构可配置成不同形式；具有高级的移动性管理缺点频谱效率低；网络容量有限；保密性差；体制混杂；不能国际漫游；不能提供ISDN业务；设备成本高；手机体积大没有形成全球统一的标准系统；无法实现全球漫游；话音服务只能传递简短消；通信容量不足多径衰减；时延展宽；多址干扰；远近效应；体制问题1.2 CDMA通信技术发展的状况1.2.1 国内技术发展状况2001年，中国联通以空前的速度在短短半年多的时间里建成了覆盖全国的CDMA网络，成为世界通信史上的壮举。2002年启动的二期工程继续加大了网络覆盖的范围，全国所有的县、东
10、部和中部地区所有的乡镇、西部地区部分乡镇都已实现覆盖；在大中城市、主要旅游区以及交通干线等地方的室内也全面实现覆盖，全网升级为CDMA1X网，网络容量超过3500万户。围绕打造移动通信精品网络，中国联通目前正在抓紧网络建设，通过实施三期工程，继续扩大网络容量，改善网络覆盖，优化网络质量。目前在山东、浙江等省，CDMA网络质量已经可以与GSM网络相媲美，形成了旗鼓相当的竞争局面。中国联通在CDMA网络建设中，特别是系统设备、终端设备以及相关设备的采购中，优先扶持国内制造业。截止到目前，已经取得了丰硕的成果。其中，中兴通讯就是国内制造企业的佼佼者2。1.2.2 国外技术发展状况国外3G发展经历了从
11、朦胧、观望到大力发展的艰难道路。美国的设备创新、日本周到细致的服务、法国政策的支持等都为本国的3G发展奠定了坚实的基础，引领世界3G潮流。美国市场调查公司comScore2008年9月发布的统计结果表明，2007年6月至2008年6月的一年间，美国3G手机用户数量猛增80%，达到6420万，占移动通信用户总数的28.4%，而西欧诸国拥有3G设备的用户比例只有28.3%。目前在3G渗透率上仍超过美国的只有意大利和西班牙两个欧洲国家。基于美国移动通信市场消费习惯和特点，高速数据传输业务已经成为运营商追求的目标，运营商逐渐加大了对3G网络及未来无线宽带网络建设的投资。主要的3G移动运营商Verizo
12、n无线、Sprint-Nextel和Cingular无线等在3G网络建设方面都大有所为。日本3G产业非常成熟，据有关资料显示，在3G全球化的浪潮中，许多国家的3G运营仍在探索中，许多地区仍处于负盈利状态，而日本则做到了在3G产业上盈利。然而随着第四张3G牌照的发放，法国3G领域的竞争也将更加激烈，其业务发展也将进一步提速。1.3 移动通信未来发展趋势虽然3G移动通信系统基本满足人们对快速传输数据业务的需要，但许多专家学者已把目光投入下一代移动通信系统的研究中。下一代移动通信系统还没有统一的称谓，有的称为超IMT-2000,有的称为第四代移动通信系统（4G）。但是，现在人们通过研究对4G的基本需
13、求，技术支撑，网络体系等都有了一些明确的概念。1.3.1 超IMT-2000的研究进展对于IMT-2000以及超IMT-2000的研究，WP8F开展较早，并已取得了阶段性成果，其研究报告对IMT-2000系统的未来发展进行了描述：对于陆地IMT-2000系统，在2005年左右，其有用数据的峰值总速率将会达到30Mbit/s，而卫星IMT-2000系统将进一步发展，能够提供广播，组播等补充业务。IMT-2000 系统未来发展的关键特征是：系统能力能够稳定和连续不断的发展和增强，增强市场的稳定性，促使越来越多的业务得到应用。对于超IMT-2000系统，WP8F的研究认为，将有一种或多种新的无线接入
14、技术和接口引入，有用峰值速率在高移动状态下应接近于100Mbiet/s,在低移动速率状态下应接近于1Gbit/s。不同的无线接入系统将被无缝的连接到一个共同的灵活的核心网中。而接入网的结构应该是一个分层互补的整体，可以在任意时间，任意地点实现最优的接入。总之，超IMT-2000系统的能力将涵盖并远远超过IMT-2000系统及与其进行互连的无线接入系统能力。1.3.2 4G的研究发展（1）欧洲积极完善4G研究体系欧洲较为著名4G的研究工作包括欧盟第六框架的WINNER研究计划和WWRF组织。WINNER项目组对于4G移动和无线通信系统技术研究课题的目标是实现“随时随地的最优化接入”。WINNER
15、项目组已经把4G系统认定为一个综合的通信系统。WINNER项目组第一阶段已于2005年底完成，主要是就各种4G关键技术进行了广泛的调研，形成系统化的研究结论；目前正在进行的是第二阶段4G的系统设计和性能评估过程，形成完善的技术方案；2008年开始第三阶段，主要进行演示系统的开发和实验。世界无线研究论坛(WWRF)于2001年8月成立，由欧洲的4家移动设备生产商阿尔卡特、爱立信、诺基亚和西门子组成。该论坛以3G以后的发展为研究方向，预计4G技术将在2010年开始投入应用。（2）日本提前规划技术标准2001年5月，日本政府宣布，政府和主要的移动通信企业已为4G技术制定了基础发展计划，4G技术将于2
16、005年成形。同时日本总务省与NTTDoCoMo等日本移动通信业巨头在4G移动通信技术的基础性能要求方面达成共识。目前日本的4G研究是以mITF为主来进行的，近几年已经进行了很多项课题研究。到目前为止，mITF已经完成了4G技术的愿景（Vision）、系统要求和技术分析三个文档。目前正在进行的是系统和技术标准的制定，预计将在2007年底之前完成。以mITF的研究工作为基础，日本的企业也在进行着积极的研究，如NTTDoCoMo和KDDI等运营商都确定了4G的演进目标和发展思路。（3）韩国4G系统的技术规范略具雏形韩国的情报通信部（MIC）已经将4G列入政府的研究开发课题，并制定了中长期的发展计划
17、，分两个阶段进行4G的研发活动。第一阶段的研究是以韩国电子通信研究院ETRI为主导，从2002年1月开始启动，到2007年研发出4G移动通信的主要核心技术和试验系统。韩国信息通信部MIC于2003年9月成立了下一代移动通信委员会NGMC来专门进行4G通信系统方面的研究。目前，韩国的各大企业和研究机构在MIC计划的指导下，各自制定了自己的4G发展计划，并积极开展4G技术的试验。2006年8月，韩国三星电子公司对自己开发的4G移动通信技术进行了公开试验并取得预期效果，所展示的4G终端在移动环境下实现了静止时以1Gbit/s级的速度和移动时以100Mbit/s级的传输速度连续无停顿传输数据。（4）美
18、国看好WLAN在4G中的作用到目前为止，北美地区在政府层面对4G还没有什么具体行动，主要是在IEEE中有一些相应的研究工作，主要集中在WiMax的802.16m标准上。按照IEEE802.16工作组的规划，IEEE将于2009年年底完成802.16m标准的制定。其目标是形成一个具有竞争性和突破性的宽带无线接入技术，符合ITURIMTAdvanced中对4G技术的要求，同时保持与现有移动WiMax标准的互用性。802.16m的传输速率目标为固定状态下达到1Gbit/s，移动状态下达到100Mbit/s，频谱利用率将最高达到10bit/s/Hz，并将提高广播、多媒体以及VoIP业务的性能。总的来说
19、，北美的通信厂商和欧洲部分通信厂商的观点是存在差异的，其大部分厂商认为4G应该从WiMAX开始演进，同时WLAN应该在4G中发挥更大的作用。此外，美国一些大的通信企业也正在进行相关的试验，积极为4G时代的到来做准备。（5）中国稳步推进4G发展2001年，国家“863”计划启动了面向B3G/4G的移动通信发展研究计划Future未来通用无线环境研究计划(简称Future计划)。其主要目标是面向未来10年无线通信领域的发展趋势与需求，重点突破新一代移动通信系统关键技术，逐步建立一个集大范围蜂窝移动通信、区域性宽带无线接入和短程无线连接为一体的通用无线电环境。我国已经启动4G研发有5年的时间了，国内
20、十余家大学、企业和研究所均参与其中。“Future计划”发展计划如下：2001年2003年为Future计划的第一阶段(关键技术攻关)；2003年2006年为第二阶段(系统和应用演示)；2006年2010年为第三阶段(外场试验和预商用)。2006年10月31日，4G外场试验系统在上海通过了现场验收，正式将Future计划带入了第三阶段。这是全球进行的首次关于4G技术的应用测试，也是目前为止全世界最大的4G实验系统：共包括6个节点，3个信道，6个终端，并引入了如IPv6核心网络、IPTV高清晰度业务与移动通信切换等技术。实验系统频点3.5GHz、带宽20MHz，采用协同分布式无线电蜂窝构架、混合
21、FDD/TDD双工方式、GMC/OFDM多址技术。Future计划在新一代移动通信无线组网、传输与多址等基础技术方面进行了一系列创新。并已申请了186项国际、国内发明专利，向3GPP和3GPP2和CCSA等国内外标准化组织提交了100余项标准化提案，一批核心技术已被国际标准化组织所采纳，带动了包括TD-SCDMA在内的3G演进技术的发展。Future计划实施的过程中，工作组先后与欧盟、韩国、日本等政府以及一批跨国公司与研究机构签署了双边合作协议，并已成为世界范围内推动新一代移动通信技术发展的重要组成部分。我国目前已决定，将在更多地区进行4G系统的测试工作，且要赶在2010年前对其进行商业化测试
22、13。第2章 扩频通信及CDMA通信的概述2.1 扩频通信概述CDMA通信是利用相互正交（或尽可能正交）的不同编码分配给不同用户调制信号实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络的通信，即码分多址通信。由于利用相互正交（或尽可能正交）的编码去调制信号，会将原信号的信号频谱带宽扩展，因此对于这种调制方式的通信，又称为扩展频谱通信（简称扩频通信）。2.1.1 扩频技术的理论基础扩频技术是把要发送的信号扩展到一个很宽的频带上，然后再发送出去，系统的射频带宽比原始信号的带宽宽得多，其理论基础是香农（Shannon）定理。Shannon定理指出：在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限传输速率（或称信道容量
23、）为： （2-1）式中：为信号带宽；为信号平均功率；为噪声功率；为信道容量。若白噪声的功率谱密度为，噪声功率,则信道容量为 （2-2）由上式可以看出为了提高信息的传输速率，可以从两种途径实现，既加大带宽或提高信噪比。换句话说，当信号的传输速率一定时，信号带宽和信噪比是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求；也可以通过增加信号功率，降低信号的带宽，这就为那些要求小的信号带宽的系统或对信号功率要求严格的系统找到了一个减小带宽或降低有效功率的途径14。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。扩频通信的工作原理如图2-1所示。信息调制扩频调制射频调
24、制变频扩频解调信息解调信息信息扩频码发生器射频发生器本地射频发生器本地扩频码发生器图2-1扩频通信工作原理信源产生的信号经过第一次调制信息调制（如信源编码）成为一个数字信号，再进行第二次调制扩频调制，即用一扩频码将数字信号扩展到很宽的频带上，然后再进行第三次调制，把经扩频调制的信号搬移到射频上发送出去。在接收端，接收到发送的信号后，经混频后得到一中频信号，再用本地扩频码进行相关解调，恢复成窄带信号，然后进行解调，将数字信号还原出来。在接受的过程中，要求本地产生的扩频码与发送端的扩频码完全同步。2.1.2 扩频技术的分类扩频技术可分为以下几种：（1）直接序列扩频（DSSS，Direct Sequ
25、ence Spread Spectrum）（2）跳频（FH，Frequency Hopping）（3）跳时（TH，Time Hopping）（4）宽带线性调频（Chirp Modulation除了上面四种基本方式以外还有FH/DS，TH/DS，FH/TH等。直接序列扩频系统又称为直接序列调制系统或伪造声系统（PN系统），简称直扩系统。直扩系统是将要发送的信息用伪随机（PN）序列扩展到一个很宽的频带上，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信号。干扰信号好由于与伪随机序列不相关，在接收端被扩展，是落入信号频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了系统
26、的输出信噪比，达到抗干扰的目的。跳频系统的载频受一伪随机码的控制，不断地，随机地跳变，可看成载波按照一定规律变化的多频频移键控（MFSK）。跳时系统是用伪随机码去控制信号发送时刻及发送时间的长短。他和调频的差别在于一个控制的是频率，一个控制的是时间。宽带线性调频系统其发射脉冲信号的载频信息脉冲持续时间T内作线性变化，其瞬时频率随时间作线性变化。宽带线性调频信号不需要用伪随机码控制，由于这种线性调频信号占用的频带比信号带宽大得多，体现了频谱的扩展，从而也有处理增益。其处理增益为信号带宽与信息信号带宽之比。2.1.3 扩频技术的特点扩频通信具有如下特点：（1）抗干扰能力强由于利用了扩展频谱技术，将
27、信号扩展到很宽的频谱上，在接收端对扩频信号进行相关处理即带宽压缩，恢复成窄带信号。对于干扰信号而言，由于与扩频信号不相关。则被扩展到一个很宽的频带上，使之进入信号通带内的干扰功率大大降低，相应的增加了相关器输出端的信噪比，因而具有较强的抗干扰能力。扩频系统的抗干扰能力主要取决于系统的扩频增益，或称之为处理增益。（2）可进行多址通信扩频通信本身就是一种多址通信，不同码型的扩频码序列之间具有优良的自相关特性和互相关特性；可以利用不同用户之间的不同码型来区分用户的信号，频谱利用率高，容量大。（3）抗多径干扰多径问题是通信中，特别是移动通信中必须面对的，但又难以解决的问题，而扩频技术采用分集接收技术，
28、利用扩频码的自相关特性，从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，将其波形相加合成；采用梳状滤波器的方法。（4）安全保密扩频通信也是一种保密通信。扩频系统发射的信号谱密度很低，近似于噪声，有的系统可在-20-15dB信噪比的条件下工作，对方很难测出信号的参数，从而达到安全保密通信的目的。扩频通信还可以进行信息加密，如要截获和窃听扩频信号，则必须知道扩频系统用的伪随机码，密钥等参数，并与系统完全同步，这样就给对方设置了更多的障碍，从而起到了保护信息的作用。（5）数模兼容扩频系统既可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。（6）抗衰落由于扩频信号的频带很宽，当遇到衰落，如频率选择型衰落，它只影响到扩频信
29、号的一小部分，因而对整个信号的频谱影响不大14。2.1.4 扩频技术的指标处理增益和干扰容限是扩频系统的两个重要的抗干扰指标：（1）处理增益处理增益又称扩频增益，其定义为接受相关处理器输出与输入信噪比的比值。一般情况下，发送信息的带宽是不变的，要提高扩频系统的抗干扰能力，就应提高扩频系统的处理增益，也就是要提高扩频用的伪随机码的速率。但是当码速率增加到一定程度后处理增益会增加很少，技术难点会更高，付出代价会更昂贵。目前采用的话音调制多采用16kb/s或32kb/s的增量调制。（2）干扰容限所谓干扰容限，是指在保证系统正常工作的条件下，接收机能够承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数，即： （2-
30、3）式中：为系统内部损耗；为系统正常工作是要求的最小输出信噪比，即相关器的输出信噪比或解调器的输入信噪比；为系统的处理增益。干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能抵挡的极限干扰强度，即只有当干扰机的干扰功率超过容限后，才能对扩频系统形成干扰。因而干扰容限往往比处理增益能更加确切地反映系统的抗干扰能力。2.2 CDMA通信系统CDMA蜂窝移动通信系统是在频分多址模拟蜂窝网和时分多址数字蜂窝网的基础上发展起来的。这三类通信系统有继承性因素，因而有很多共同点，但三者又各有独特之处。从技术角度来看，CDMA蜂窝通信系统的技术最先进，也最复杂。可以说，在一定围内，它反映了现代通信技术的水平。2.2.1 C
31、DMA通信系统的原理CDMA通信，是利用相互正交（或尽可能正交）的不同编码分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入和网络的通信。在CDMA通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分的，而使用各不相同的编码来区分。如果从频域和时域来观察，多个CDMA信号是相互重叠的，或者说他们均占有相同的频段和时间，接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。由于利用相互正交（或尽可能正交）的编码去调制信号，会将原信号的信号频谱带宽扩展，因此又称这种方式的通信为扩展频谱通信。扩展频谱通信是将待传送的信息数据用伪随机编码调制，实现频谱扩展后再传输，接收
32、端则采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。在CDMA通信系统中，用户之间的信息传输也是由基站进行转发和控制的、为了实现双工通信，正向传输和反向传输除了传输业务信息以外，还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息，需要设置不同的信道。但是，CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传输何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分，类似的信道属于逻辑信道5。CDMA系统的每一个地址拥有唯一一个扩频码进行扩频调制，所有介入的地址共享同样的频谱，码的正交性使用户彼此区分，用户可同时间同频率工作。图2-2给出了三种多址技术的示意图：保护带频率信道1保护带频率信道2保护带频率信道3保护带频率信道
33、4时间 0 频率0保护时隙时隙一保护时隙时隙二保护时隙时隙三保护时隙时隙四时间频率0时间频率扩频码1扩频码2扩频码3扩频码4（a） FDMA （b） TDMA （c） CDMA 图2-2 FDMA，TDMA，CDMA的示意图再多用户情况下，每个用户都分配一个唯一的地址码，为了区分用户，这些地址码必须是正交的。有用信号的提取，正是由于有用信号和其他用户信号所分配的码存在正交性，经过相乘之后可以将其他信号屏蔽为零，而只提取有用信号的能量。CDMA通信系统中的各用户同时工作在同一载波，占用相同带宽，个用户之间必然相互干扰。为了降低干扰，CDMA必须通过扩频调制来完成，而扩频调制并不意味着就是CDMA
34、。2.2.2 CDMA通信系统的特点CDMA通信系统通常具有以下一些特点：（1）CDMA系统的许多用户共享同一频率。（2）通信容量大。理论上讲，信道容量完全由信道特性决定，但实际的系统很难达到理想情况，因而不同的多址方式可能有不同的信道容量。CDMA是干扰限制性系统，任何干扰的减少都直接转化为系统容量的提高。因此，一些能降低干扰功率的技术，如话音激活技术等，可以自然地用于提高系统容量。（3）容量的软特性。TDCDMA系统中同时可接入的用户数量是固定的，无法再多接入任何一个用户，而DS-CDMA系统中，多增加一个用户只会使通信质量略有下降，不会出现硬阻塞现象。（4）可以减小多径衰落。如果频谱带宽
35、比信道的带宽大，那么固有的频率分集将具有减少小尺度衰落的作用。（5）平滑的软切换和有效的宏分集。DS-CDMA系统中所有小区使用相同的频率，这不仅简化了频率规划，也是越区切换得以完成。每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送相同的信号，移动台的分集接收机能同时接受并合并这些信号，此时处于宏分集状态。当某一基站的信号强于当前基站信号且稳定后，移动台才切换到该基站的控制上去，这种切换可以在通信的过程中平滑完成，称为软切换。（6）低信号功率谱密度。在DS-CDMA系统中，信号功率被扩展到比自身频带宽度百倍以上的频带范围内，因而其功率谱密度大大降低。由此可得到两方面好处：其一
36、，具有较强的抗窄带干扰能力；其二，对窄带系统的干扰很小，有可能与其他系统共用频段，使有限的频谱资源得到更充分的使用由此可见，CDMA系统以其独有的技术特点和优势，将在未来的移动通信中能发挥主导作用，其发展前景非常广阔。2.3 伪随机序列在CDMA通信系统中的应用具有良好的伪随机特性的CDMA编码对于CDMA通信和它的应用是非常重要的，在CDMA通信系统中，抗干扰，抗截获，信息数据隐蔽和保密，抗多径干扰和抗衰落，多址通信，实现同步于捕捉等都与CDMA编码的设计密切相关。这些编码被称之为扩频编码。能满足上述要求的扩频编码应具有如下理想特性：（1） 有尖锐的自相关特性（2） 有处处为零的互相关值（3
37、） 有尽可能大的复杂度（4） 有足够多的编码（5） 不同码元数平衡相等然而，上述理想特性是目前任何编码所不能达到的，我们将把具有尖锐自相关和几乎为零的互相关特性的码称作序列，因此扩频码也称扩频序列。基本符合扩频序列理想特性的伪随机编码，最简单，最常用的是m序列。因为其具有尖锐的自相关特性，有较小的互相关值，码元平衡。但是序列数目不多，序列复杂度不大。1976年R.Gold提出了新的一类序列：Gold序列，它的自相关旁瓣值和互相关值与m序列的互相关值一样，序列数目大大增加，序列复杂度也略有改善，是又一重要的扩频序列5。第3章 m序列3.1 伪随机序列的相关概念具有良好的伪随机特性和相关特性的CD
38、MA编码对于CDMA通信和它的应用是非常重要的，在CDMA通信系统中，抗干扰，抗截获，信息数据隐蔽和保密，抗多经干扰和抗衰落，多址通信，实现同步与捕捉等都是与CDMA编码的设计密切相关的。这些编码称为扩频编码。能满足上述要求的扩频编码应具有如下理想特性：（1） 有尖锐的自相关特性；（2） 有处处为零的互相关值；（3） 不同码元数平衡相等；（4） 有足够多的编码；（5） 有尽可能大的复杂度；然而，上述理想特性是目前任何编码所不能达到的。基本符合扩频序列理想特性的是伪随机序列（或伪随机码），最简单最常用的是m序列。m序列有尖锐的自相关特性，有较小的互相关值，码元平衡。但序列数目不多，序列复杂度不大
39、。3.1.1 移位寄存器序列目前，几乎所有的扩频序列都用移位寄存器来产生，因为他能用简单的硬件来产生极长的序列。移位寄存器产生的序列，有线性反馈结构，非线性反馈结构和非线性前馈结构方式。二进制序列一般可由移位寄存器产生，故由移位寄存器产生的序列就称之为移位寄存器序列。移位寄存器序列产生器的结构如图3-1，这种结构称为简单型移位寄存器（SSRG,Simple Shift Register Generator）。SSRG中每位寄存器的状态在一个时钟周期到来时向右移一位，第一位的状态由各寄存器的状态反馈经过模2相加后的状态来确定。由于移位寄存的级数是有限的，则其状态也是有限的，因而产生的序列是周期的
40、46。1 2 3 4 5 6输出移位时钟+图3-1 移位寄存器序列产生器 （mod2）1 2 3 4 . nX1 X2 X3 X4 . Xn+输出图3-2 反馈移位寄存器结构m序列是最长线性移位寄存器序列，是由移位寄存器加反馈后形成的，其结构如图3-2所示。图中（i=1，2，3，4，.，n）为移位寄存器中每位寄存器的状态；（i=1，2，3，4，.，n）为第i位寄存器的反馈系数。当=0时，表示无反馈，将反馈断开；当=1时，表示在反馈，将反馈线连接起来。在此结构中=1，不能为0，为0就不能构成周期性的序列，因为=0意味着无反馈，为静态移位寄存器。也不能为0，即第n位寄存器一定要参加反馈，否则，n级
41、的反馈移位寄存器将减化为n-1级的或更低反馈移位寄存器。不同的反馈逻辑，即（i=1，2，3，4，.，n）取不同值，将产生不同的移位寄存器序列。这个移位寄存器的反馈函数是： （3-1） 该序列与移位寄存器的阶数n，反馈函数和移位寄存器初始状态有关。移位寄存器序列有最大长度序列，非最大长度序列两类。如果一个移位寄存器是n阶移位寄存器，产生的序列长度为2n-1（周期），是最长的。能否产生最大长度序列取决于反馈函数，而生成非最大长度序列除与反馈函数有关外，还与初始状态密切相关。移位寄存器序列生成特性有：（1） 如果移位寄存器反馈函数的系数C1，C2，C3，.Cn中有奇数个不为0，则该移位寄存器序列不是
42、最大长度序列。（2） 如果序列|a|=a0，a1，a2.ak.，序列|b|=b0，b1，b2.bk.是由阶数n的一个线性移位寄存器生成的两个序列，那|a|+|b|序列也是该线性移位寄存器生成的另一个序列。（3）如果移位寄存器的反馈函数的系数Cn=1，其它系数有Ci不为0（一个到n-2个）它生成的最大长度序列与另一个Cn=1，Cn-1不为0的移位寄存器生成的最大长度序列，互为倒序序列（互反序列）。（4）如果一个最大长度序列与自身序列的循环相移序列相加，所得的序列也是该序列的另一个循环相移序列。3.1.2 序列的相关特性在扩频系统中，对伪随机序列而言，最关心的问题就是其相关特性，包括自然相关特性，
43、互相关特性及部分相关特性。设有两条长为N的序列a和b，序列中的元素分别为ai和bi，i=0，1，2，3，.N-1，则序列的自相关函数定义为 （3-2）由于a为周期性序列，故有aN+1=ai。其自相关函数定义为 （3-3）序列a和序列b的互相关函数定义为 （3-4） 互相关函数定义为 （3-5）若=0，则定义序列a与序列b正交。定义序列a的部分相关函数和部分相关系数分别为 PN （3-6） PN （3-7）式中t为某一常数。定义序列a与序列b的部分相关函数和部分相关系数分别为 PN （3-8） PN （3-9）3.2 m序列的生成及其相关特性3.2.1 m序列的生成m序列是最长线性移位寄存器序列
44、，它可以由反馈逻辑的递推关系求得。一个以二元有限域的元素an（n=0，1.）为系数的多项式 （3-10）称之为序列的生成多项式，简称序列多项式。由上式可以看出，序列an与生成多项式是一一对应的。对于一个反馈移位寄存器来说，反馈逻辑一旦确定，产生的序列就去定了。而序列多项式与特征多项式之间的关系为【4】 （3-11）由于与序列an一一对应，这样就找到了产生序列的方法，对进行长除，得到序列多项式，序列多项式的系数就是所求序列。下面我们给出产生m序列的条件：（1） n级移位寄存器产生的码，周期为N=2n-1，其特征多项式必然是不可约的，即不能再因式分解而产生最长序列。因此反馈抽头不能随便决定，否则将会长生短码。（2） 所有的次数n1的不可约多项式f（x）必然能除尽1+xn,因为。（3） 如果2n-1是一个素数，则所有n次不可约多项式产生的线性移位寄存器序列，一定是m序列，产生这个m序列的不可约多项式称为本原多项式。（4） 除了第n阶以外，如果还有偶数个抽头的反馈结构，则产生的序列就不是最长线性移位寄存器序列。由上面分析知道，当N=2n-1为素数时，由1+xn分解出的所有阶数为n的不可约多项式均为m序列的特征多项式。但当N=2n-1不为素数时，所分解的不可约多项式就不一定都成为m序列
