畢業(yè)論文：第三代移動通信系統(tǒng)wcdma在systemview上的設(shè)計與仿真

1、畢業(yè)論文：第三代移動通信系統(tǒng)wcdma在systemview上的設(shè)計與仿真畢業(yè)論文：第三代移動通信系統(tǒng)wcdma在systemview上的設(shè)計與仿真畢業(yè)論文：第三代移動通信系統(tǒng)wcdma在systemview上的設(shè)計與仿真:2013-7-18 19:58:44畢業(yè)論文：第三代移動通信系統(tǒng)wcdma在systemview上的設(shè)計與仿真摘要 第三代移動通信系統(tǒng)（也稱3g）是移動通信市場經(jīng)歷了第一代模擬技術(shù)的移動通信業(yè)務(wù)的引入，在第二代數(shù)字移動通信市場的蓬勃發(fā)展中被引入日程的，而wcdma（寬帶碼分多址）則已成為第三代移動通信系統(tǒng)的主流技術(shù)之一。wcdma主要起源于歐洲和日本的早期第三代無線研究活動

2、，其中g(shù)sm的巨大成功對第三代系統(tǒng)在歐洲的標準化產(chǎn)生了重大的影響。本文通過system view對wcdma通信系統(tǒng)進行仿真，wcdma系統(tǒng)的system view的系統(tǒng)仿真主要包括電路交換承載業(yè)務(wù)dtch上行鏈路仿真、基帶頻分雙工寬帶cdma上行鏈路的仿真與分析、導(dǎo)頻符號相干檢測過程的仿真。本文先簡單介紹了wcdma 的起源、面臨的市場機遇和業(yè)務(wù)情況，以及其技術(shù)特征和實際通信系統(tǒng)所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)。本文通過借助system view仿真軟件，重點進行wcdma系統(tǒng)上行鏈路的仿真分析。通過對上行鏈路的信道編碼、復(fù)用、擴頻輸出，以及接受端的解碼、解擴，加深了對wcdma系統(tǒng)的認識與理解。關(guān)鍵詞:

3、 wcdma 編碼 擴頻 仿真 system view abstract wcdma (wideband code-division multiple access) develops after the first generation of analog technique communication system and the second generation of digital technique communication system. the wcdma mainly originates europe and japan in early days the third g

4、eneration wireless research activity. the huge success of the gsm produced important influence in standardize of europe to the third generation system .wcdma (wideband code-division multiple access) has become one of the leading techniques of the third generation of wireless communication systems (3

5、g). this text introduced wcdma origins first and in brief, the market opportunity ,the face of business circumstance, technique characteristic ,the important techniques in the actual communication system .this text recurs to the simulation software-system view , especially simulates and analyses the

6、 uplink system .it especial analyses the code composite、spread spectrum and decoding of the transport channel .then we can know and comprehend the wcdma system profoundly.key words: wcdma coding spread spectrum simulation system view目錄引 言4第一部分 第三代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展和wcdma簡介5 1.1第三代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展51.2 wcdma系統(tǒng)概述61.3

7、wcdma面臨的機遇和未來的展望8第二部分 wcdma 系統(tǒng)的原理及主要技術(shù)簡介92.1wcdma系統(tǒng)結(jié)構(gòu)92.2wcdma關(guān)鍵技術(shù)12第三部分 system view 軟件的簡介173.1 system view 仿真系統(tǒng)的特點173.2 system view 的操作183.3 system view專業(yè)擴展庫3gpp：fdd庫簡介18第四部分 wcdma系統(tǒng)在system view上的仿真設(shè)計及分析204.1傳輸信道編碼和復(fù)用204.2 仿真設(shè)計21 第五部分 結(jié)論36參考文獻37致謝 38翻譯 39統(tǒng)一的移動通信系統(tǒng)wcdma-fdd被寄予厚望。最后，移動通信技術(shù)日新月異，第二代通信系

8、統(tǒng)的標準化和產(chǎn)業(yè)化工作已經(jīng)完成了很久，其主要目的當(dāng)時也僅僅是為了解決語音通信的需求。近年來，隨著cdma等無線通信技術(shù)的日益成熟，以及無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展，需要對原來無線通信技術(shù)體制進行相應(yīng)的更新，提高頻譜資源的利用效率，提高運營商的成本收益。1.3.2 wcdma未來展望 3g的市場開發(fā)需要業(yè)務(wù)的牽引，不同于二代系統(tǒng)主要是為了解決人們隨時隨地話音通信的需求，3g能夠具有支持不同媒體業(yè)務(wù)的能力，如何開發(fā)這些能力是3g業(yè)務(wù)開發(fā)的一個重要課題。為了提供市場前期牽引的能力，wcdma規(guī)范注重了業(yè)務(wù)能力的開發(fā)。wcdma預(yù)期提供的業(yè)務(wù)是非常豐富的?？梢酝ㄟ^wcdma終端，享受普通、寬帶話音，多媒體業(yè)

9、務(wù)，可視電話和視頻會議電話；移動網(wǎng)絡(luò)上的internet應(yīng)用也更為普遍，e-mail、www瀏覽、電子商務(wù)、電子賀卡等業(yè)務(wù)與移動網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。移動辦公類業(yè)務(wù)也是一個發(fā)展方向：intranet接入、企業(yè)vpn等將大力普及。信息、教育類業(yè)務(wù)將有很好的應(yīng)用前景，股票信息、交通信息、氣象信息、位置服務(wù)（lcs）、網(wǎng)上教室、網(wǎng)上游戲等移動應(yīng)用更將極大的豐富人們的生活。 imt-2000提出了solsa、vhe等新的特色業(yè)務(wù)，使得業(yè)務(wù)提供更加靈活和個性化。r99中可通過mexe，sat，camel等現(xiàn)有技術(shù)來體現(xiàn)vhe的業(yè)務(wù)平臺概念。wcdma支持多呼叫，即能夠向終端提供同時進行多個cs呼叫或ps會話的能力

10、。wcdma提供豐富的切換能力（同頻、異頻和不同系統(tǒng)間切換）以保證移動網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)連續(xù)性問題。業(yè)務(wù)ip化、分組化、多媒體化、個性化、生成簡單化是總的發(fā)展趨勢。在未來的業(yè)務(wù)生成體系中，移動網(wǎng)絡(luò)運營者、業(yè)務(wù)提供者（isp）和內(nèi)容提供者（icp）將進行緊密的分工合作。特別重要的是，未來的網(wǎng)絡(luò)將提供開放的業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)（osa），移動運營者可以自己或者和其他機構(gòu)合作在網(wǎng)絡(luò)提供的開放業(yè)務(wù)平臺上開發(fā)出各種各樣的靈活業(yè)務(wù)，從而滿足移動用戶的更高要求。第二部分 wcdma 系統(tǒng)的原理及主要技術(shù)簡介2.1wcdma系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1.1 wcdma 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) umts universal mobile telecomm

11、unications system ，通用移動通信系統(tǒng)是采用wcdma空中接口技術(shù)的第三代移動通信系統(tǒng)，通常也把umts系統(tǒng)稱為wcdma通信系統(tǒng)。umts系統(tǒng)采用了與第二代移動通信系統(tǒng)類似的結(jié)構(gòu)，包括無線接入網(wǎng)絡(luò)（radio access network ran）和核心網(wǎng)絡(luò)（corenetwork cn）。其中無線接入網(wǎng)絡(luò)處理所有與無線有關(guān)的功能，而cn處理umts系統(tǒng)內(nèi)所有的話音呼叫和數(shù)據(jù)連接，并實現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)的交換和路由功能。cn從邏輯上分為電路交換域（circuit switched domain ，cs）和分組交換域（packet switched domain，ps）。 utran

12、 、cn與用戶設(shè)備（user equipment ue ）一起構(gòu)成了整個umts系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示 圖2-1 umts 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ue是用戶終端設(shè)備，它主要包括射頻處理單元基帶處理單元、協(xié)議棧模塊以及應(yīng)用層軟件模塊等。ue通過uu接口與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，為用戶提供電路域和分組域內(nèi)的各種業(yè)務(wù)功能，包括普通話音、數(shù)據(jù)通信、移動多媒體、internet應(yīng)用（如email 、www瀏覽、ftp等）。utran （umts terrestrial radio access network），即umts陸地?zé)o線接入網(wǎng)，是wcdma系統(tǒng)的主要部分。包括基站node b 和無線網(wǎng)絡(luò)控制器rn

13、c 兩部分。 node b node b是wcdma系統(tǒng)的基站（即無線收發(fā)信機），包括無線收發(fā)信機和基帶處理部件。通過標準的iub接口和rnc互連，主要完成uu接口物理層協(xié)議的處理。它的主要功能是信道編碼、擴頻、調(diào)制發(fā)射及解擴、解調(diào)、信道解碼，還包括基帶信號和射頻信號的相互轉(zhuǎn)換等功能。 rnc radio network controller rnc是無線網(wǎng)絡(luò)控制器，主要完成連接建立和斷開、切換、宏分集合并、無線資源管理控制等功能。 cn ，即核心網(wǎng)絡(luò)，負責(zé)與其他網(wǎng)絡(luò)的連接和對ue的通信和管理。 在release99里，utran是采用atm的組網(wǎng)方式，在release5里，utran的組網(wǎng)方

14、式同時支持atm組網(wǎng)和ip組網(wǎng)兩種方式。2.1.2 wcdma 系統(tǒng)接口wcdma 系統(tǒng)的接口主要包括uu接口，iu接口，iur接口和iub接口。如圖2-1所示； uu接口 uu接口是wcdma 的空中接口。ue通過uu接口接入到utran。它是umts系統(tǒng)中最主要的開放接口。 iu接口 iu接口是rnc 與cn 的接口，iu 接口是一個開放的標準接口，在iu 接口上承載的是ranap 協(xié)議。 iur接口 iur接口是rnc 之間的接口，主要用于ue 在不同的rnc 之間進行軟切換時，ue 所有的數(shù)據(jù)通過iur 接口從srnc 傳到drnc ，在iur 接口上承載的是rnsap 協(xié)議。iur

15、是開放的標準接口，iur 接口可以通過rnc 之間的直接物理連接或通過傳輸網(wǎng)連接。 iub 接口 iub 接口是node b 與rnc之間的接口，在iub接口承載的是nbap協(xié)議。iub接口也是一個開放的標準接口。在下行鏈路rnc通過iub接口把傳輸信道的數(shù)據(jù)流傳輸?shù)絥ode b, node b通過信道編碼 、擴頻、加擾、調(diào)制等過程，然后通過uu接口發(fā)送到ue 。在上行鏈路ue通過uu接口把數(shù)據(jù)發(fā)送到node b ，node b經(jīng)過多用戶檢測，rake接收，解擴信道解碼等處理，通過iub接口把傳輸信道的數(shù)據(jù)流傳輸?shù)絩nc ，rnc再把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絚n。2.1.3 wcdma的主要技術(shù)特征和發(fā)展

16、wcdma 系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，碼片速率高，有效地利用了頻率選擇性分集和空間的接收和發(fā)射分集，可以解決多徑問題和衰落問題，采用turbo信道編解碼，提供較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，fdd 制式能夠提供廣域的全覆蓋，下行基站區(qū)分采用獨有的小區(qū)搜索方法，無需基站間嚴格同步。采用連續(xù)導(dǎo)頻技術(shù)，能夠支持高速移動終端。下面是wcdma 系統(tǒng)的主要技術(shù)特點：基站同步方式：支持異步和同步的基站運行方式，靈活組網(wǎng)信號帶寬：5mhz；碼片速率：3.84mcps發(fā)射分集方式：tstd（時間切換發(fā)射分集）、sttd（時空編碼發(fā)射分集）信道編碼：卷積碼和turbo碼，支持2m速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)調(diào)制方式：上行：bpsk；下行：qpsk

17、功率控制：上下行閉環(huán)功率控制，外環(huán)功率控制解調(diào)方式：導(dǎo)頻輔助的相干解調(diào)語音編碼：amr，與gsm兼容核心網(wǎng)絡(luò)基于gsm/gprs網(wǎng)絡(luò)的演進，并保持與gsm/gprs網(wǎng)絡(luò)的兼容性map技術(shù)和gprs隧道技術(shù)是wcdma體制的移動性管理機制的核心，保持與gprs網(wǎng)絡(luò)的兼容性支持軟切換和更軟切換基站無需嚴格同步，組網(wǎng)方便wcdma-fdd的優(yōu)勢在于，碼片速率高，有效地利用了頻率選擇性分集和空間的接收和發(fā)射分集，可以解決多徑問題和衰落問題，采用turbo信道編解碼，提供較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，fdd制式能夠提供廣域的全覆蓋，下行基站區(qū)分采用獨有的小區(qū)搜索方法，無需基站間嚴格同步。采用連續(xù)導(dǎo)頻技術(shù)，能夠支持

18、高速移動終端。相比第二代的移動通信制式，wcdma具有：更大的系統(tǒng)容量、更優(yōu)的話音質(zhì)量、更高的頻譜效率、更快的數(shù)據(jù)速率、更強的抗衰落能力、更好的抗多徑性、能夠應(yīng)用于高達500km/h的移動終端的技術(shù)優(yōu)勢，而且能夠從gsm系統(tǒng)進行平滑過渡，保證運營商的投資，為3g運營提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。2.1.4 wcdma體制的演進我們可以總結(jié)wcdma體制的演進方法是：release 99提供了第三代全網(wǎng)解決方案，標準已經(jīng)成熟，具備蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)基礎(chǔ)、基本功能和擴展條件：全新的無線接入網(wǎng)絡(luò)utran結(jié)合cs和ps域的核心網(wǎng)絡(luò)增強型的gsm核心網(wǎng)絡(luò)geranrelease 4和release 5進一步增

19、加新的業(yè)務(wù)，優(yōu)化技術(shù)體制和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是release 99協(xié)議的補充和完善，保證了wcdma體制的延續(xù)性：全ip網(wǎng)絡(luò)新的無線接入方法hsdpa增強智能網(wǎng)絡(luò)和安全。2.2wcdma關(guān)鍵技術(shù)wcdma產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)包括射頻和基帶處理技術(shù)，具體包括射頻、中頻數(shù)字化處理，rake接收機、信道編解碼、功率控制等關(guān)鍵技術(shù)和多用戶檢測、智能天線等增強技術(shù)。2.2.1射頻和中頻射頻部分是傳統(tǒng)的模擬結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)射頻和中頻信號轉(zhuǎn)換。射頻上行通道部分主要包括自動增益控制（rf agc），接收濾波器（rx濾波器）和下變頻器。射頻的下行通道部分主要包括二次上變頻，寬帶線性功放和射頻發(fā)射濾波器。中頻部分主要包括上行的去混

20、迭濾波器、下變頻器、adc和下行的中頻平滑濾波器，上變頻器和dac。與gsm信號和第一代信號不同，wcdma的信號帶寬為達到5mhz的寬帶信號。寬帶信號的射頻功放的線性和效率是普遍存在的矛盾。2.2.2 rake接收機智能天線抑制干擾的能力在多數(shù)情況下受天線陣元個數(shù)的限制，且當(dāng)感興趣信號存在多個非相關(guān)多徑時，陣列只保留其中的一路信號，而把零陷對準其它信號，這樣，陣列能夠減小由非相關(guān)多徑帶來的干擾，但未能發(fā)揮路徑分集的優(yōu)勢，因而是次最優(yōu)的。為此，聯(lián)合時域和空域處理的接收技術(shù)成為研究的熱點?？諘rrake接收機首先對存在角度擴展的多個路徑分量進行波束成型，以降低doa可分辨的其它用戶信號產(chǎn)生的多址干

21、擾或期望信號的非相關(guān)多徑分量，然后將經(jīng)過空間濾波后的信號送入rake合并器，以充分利用延遲可分辨的期望信號的多個路徑的能量?？臻g波束形成旨在衰減干擾信號，而時間多徑合并旨在利用有用信號。與時域和空域一維干擾抑制不同的是，空時二維干擾抑制不再使用強迫置零條件，而是考慮噪聲的存在，使用優(yōu)化準則?？諘r處理有名的優(yōu)化準則有兩個，一個是空時最小均方誤差準則，另外一個是空時最大似然準則（習(xí)慣上稱作最大似然序列估計mlse準則）。2.2.3 wcdma的信道編碼方案wcdma的信道編碼方案包括以下幾部分：糾錯編碼/譯碼（包括速度適配），交織/解交織，傳輸信道映射至/分離出物理信道。另外，某些業(yè)務(wù)的組合可能要

22、求不同層次上的業(yè)務(wù)復(fù)用，也會在信道編譯碼器的設(shè)計上有所體現(xiàn)。信道編碼方案已不僅僅是糾錯的選擇、編譯碼算法和交織算法的問題。它還涉及與高層消息的通信，從高層獲得業(yè)務(wù)質(zhì)量指示、業(yè)務(wù)復(fù)用方式等信息，以實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)中不同編碼和復(fù)用方案，以最高的效率提供多種業(yè)務(wù)的組合。為了適應(yīng)多種速率的傳輸，信道編碼方案中還增加了速率適配功能，wcdma給出了一種速率適配算法，目的是把業(yè)務(wù)速率適配為標準速率集中的一種速率。當(dāng)然，決定信道編碼性能最基本的問題還是它的差錯控制方案。wcdma的提議中，它建議了三種前向信道糾錯碼，它們分別是：卷積碼、turbo碼以及業(yè)務(wù)專用編碼。卷積碼沿用了第二代的技術(shù)，約束長度為9，常用碼

23、率為1/3和1/2，譯碼一般為基于最大似然的viterbi算法。2.2.4功率控制 從保證無線鏈路可靠性的角度考慮,提高基站和終端的發(fā)射功率能夠改善用戶的服務(wù)質(zhì)量而從自干擾的角度考慮,由于wcdma采用了寬帶擴頻技術(shù),所有用戶共享相同的頻譜,每個用戶的信號能量被分配在整個頻帶范圍內(nèi),而各用戶的擴頻碼之間的正交性是非理想的,這樣一來,某個用戶對其他用戶來說就成為寬帶噪聲,發(fā)射功率的提高會導(dǎo)致其他用戶通信質(zhì)量的降低｡因此,在wcdma系統(tǒng)中功率的使用是矛盾的,發(fā)射功率的大小將直接影響到系統(tǒng)的總?cè)萘?#65377 此外,在wcdma系統(tǒng)中還受到遠近效應(yīng)､角效應(yīng)和路徑損耗的影響

24、｡上行鏈路中,由于各移動臺與基站的距離不同,基站接收到較近移動臺的信號衰減較小,接收到較遠移動臺的信號衰減較大,如果不采用功率控制,將導(dǎo)致強信號掩蓋弱信號,這種遠近效應(yīng)使得部分用戶無法正常通信｡在下行鏈路中,當(dāng)移動臺處于相鄰小區(qū)的交界處時,收到所屬基站的有用信號很小,同時還會受到相鄰小區(qū)基站的干擾,這就是角效應(yīng)｡無線電波在傳播中經(jīng)常會受到陰影效應(yīng)的影響,移動臺在小區(qū)內(nèi)的位置是隨機的,且經(jīng)常移動,所以路徑損耗會快速大幅度地變化,必須實時調(diào)整發(fā)射功率,才能保證所有用戶的通信質(zhì)量｡功率控制通過對基站和移動臺發(fā)射功率的限制和優(yōu)化,使得所有用戶終端的信號到

25、達接收機時具有相同的功率,可以克服遠近效應(yīng)和角效應(yīng),補償衰落,提高系統(tǒng)容量,因此,功率控制技術(shù)是wcdma系統(tǒng)中最為重要的關(guān)鍵技術(shù)之一｡ 功控參數(shù)的設(shè)置對功率控制的效果有著巨大的影響,為了提高系統(tǒng)的容量和服務(wù)質(zhì)量,精確的功率控制是必不可少的｡精確的功率控制能夠快速實時地跟蹤無線環(huán)境的變化,使得每個用戶發(fā)射的功率在滿足解調(diào)時所需eb/n0的基礎(chǔ)上盡可能地小,即它實現(xiàn)了每個移動臺在滿足通信質(zhì)量的同時能發(fā)射最小功率的目標｡在功率控制中需要考慮系統(tǒng)負載的變化､信道狀態(tài)的快速和慢速變化以及信道的衰落問題等｡為了做wcdma系統(tǒng)的規(guī)劃與優(yōu)化,下面

26、將討論wcdma的功率控制參數(shù)對系統(tǒng)設(shè)計的影響򟧌.2.5多用戶檢測技術(shù) 多用戶檢測技術(shù)(mud) 是通過取消小區(qū)間干擾來改進性能，增加系統(tǒng)容量。實際容量的增加取決于算法的有效性、無線環(huán)境和系統(tǒng)負載。除了系統(tǒng)的改進，還可以有效的緩解遠近效應(yīng)。由于信道的非正交性和不同用戶擴頻碼字的非正交性，導(dǎo)致用戶間存在相互干擾，多用戶檢測的作用就是去除多用戶之間的相互干擾。也就是根據(jù)多用戶檢測算法，在經(jīng)過非正交信道和非正交的擴頻碼字，重新定義用戶判決的分界線，在這種新的分界線上，可以達到更好的判決效果, 去除用戶之間的相互干擾。 多用戶檢測的主要優(yōu)點：它是消除或減弱cdma中多址干擾的有效手段，也是消除或減弱cdma中多徑衰落干擾的有效手段，并且能夠消除或減弱cdma中遠近效應(yīng)，簡化cdma系統(tǒng)中的功率控制，降低功率控制的精度要求，彌補cdma中由于正交擴頻互相關(guān)性不理想所帶來的一系列消極影響，改善cdma系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)容量、擴大小區(qū)覆蓋范圍。多用戶檢測的主要缺點：大大增加cdma系統(tǒng)的設(shè)備復(fù)雜度，增加cdma系統(tǒng)的處理時延，特別是對于采用自適應(yīng)算法，以及對于擴頻碼較長的系統(tǒng)更是如此。多用