多址技术

理工大学学士学位论文

I

摘要

多址一直都是无线通信的关键技术之一，甚至是移动通信换代的一个重要标志，同时

对于卫星通信也很重要。多址技术有三种常见的信号空间划分方法，分别对应于时分多址

（TDMA）、频分多址（FDMA）和码分多址（CDMA）的技术研究。本课题主要是对TDMA、

FDMA、TDMA系统在移薄荷糖 动通信以及在卫星通信中的理论研究和基于MATLAB的

DS-CDMA系统仿真设计。

CDMA概念可以简单地解释为基于扩频通信的调制和多址接入方案。本文在仿真方面

阐述了直扩系统的扩展频谱通信技术的理论基础和CDMA通信系统的组成，使用了伪随机

序列码，并建立了直序扩频码分多址通信系统模型，并利用MATLAB提供的可视化工具

Simulink进行仿真分析。根据系统功能和指标要求，对扩频/解扩等模块进行了设计，并设

置了相对应的参数，最后给出系统仿真的整个框图。

关键词：直扩系统；CDMA；伪随机序列码；Simulink仿真

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II

Abstract

Multipleaccesshavealwaysbeenoneofthekeytechnologyofwirelesscommunication,

andevenmobilegenerationofanimportantsymbol,simultaneouslyforsatellitecommunication

leaccesstechnologyhavethreecommonsignalspacepartition

method,respectivelycorrespondingtothetimedivisionmultipleaccess(TDMA),frequency

divisionmultipleaccess(FDMA)andcodedivisionmultipleaccess(CDMA)technology

picismainlytotheTDMA,FDMA,TDMAsysteminmobilecommunication

andsatellitecommunicationsinthetheoreticalrearch，andDS-CDMAsystembadon

MATLABsimulation.

CDMAconceptcanbesimplyinterpretedasmodulationandmultipleaccessschemebad

tionaspectlaboratedthespreadspectrum

communicationtechnologyisprentedaboutthetheoreticalbasisinthispaperandthe

compositionoftheCDMAcommunication图尔战役 system,thedirectquencespreadspectrumcode

divisionmultipleaccesscommunicationsystemmodelwastablished,andbyusingthe

rdancewiththe

requirementsofsystemfunctionandindex,suchasspreadspectrum/solutionexpandmodulesfor

thedesign,andtthecorrespondingparameters,thewholeblockdiagramofsystemsimulation

isgiven.

Keywords:DSsystem;CDMA;Pudonoiquence;Simulinksimulation

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III

目录

1绪论...........................................................................................................................................1

1.1课题背景.............................................................................................................................1

1.2课题研究意义及现状.........................................................................................................2

1.3课题研究的主要内容.........................................................................................................4

2通信系统中的多址技术相关理论...........................................................................................5

2.1频分多址技术（FDMA）的概述.....................................................................................5

2.1.1频分多址技术的相关理论..........................................................................5

2.1.2频分多址技术的优缺点..............................................................................6

2.1.3频分多址技术的使用范围..........................................................................7

2.2时分多址技术（TDMA）的概述.....................................................................................7

2.2.1时分多址技术的相关理论（TDMA）.......................................................7

2.2.2时分多址技术的优缺点..............................................................................8

2.2.3时分多址技术的使用范围..........................................................................8

2.2.4应用于时分多址技术的GSM系统............................................................9

2.3码分多址技术（CDMA）的概述...................................................................................10

2.3.1码分多址技术的发展情况（CDMA）.....................................................10

2.3.2码分多址技术的相关理论（CDMA）.....................................................11

2.3.3扩频方式及扩频码....................................................................................11

2.3.4CDMA的抗远近效应...............................................................................14

2.3.5时分多址技术的优缺点............................................................................16

2.3.6频分强制删除文件 多址技术的使用范围........................................................................17

3MATLAB简介........................................................................................................................18

3.1MATLAB软件介绍........................................................................................................18

3.2MATLAB软件的组成....................................................................................................19

3.3MATLAB软件的优势和特点........................................................................................19

3.4SIMULINK软件介绍.....................................................................................................22

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IV

4DS-CDMA的仿真实现..........................................................................................................25

4.1CDMA通信系统仿真的参数设置................................................................................25

4.2CDMA通信系统设计仿真模型及原理........................................................................34

4.3CDMA仿真结果及结果分析.........................................................................................35

结论.............................................................................................................................................37

致谢...........................与人物有关的成语 ..................................................................................................................38

参考文献.......................................................................................................................................39

附录.............................................................................................................................................40

附录A英文原文....................................................................................................................40

附录B中文翻译....................................................................................................................47

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1

1绪论

1.1课题背景

多址通信技术在现代通信中起着重要的作用。多址技术是指把处于不同地点的多个

用户接入一个公共传输媒质，实现各用户之间通信的技术。在卫星通信、移动通信等通

信网络中，当多个用户通过一个公共信道与其他用户进行通信时，就必须采用某种多址

技术。多址连接通信系统实现多址通信的技术基础是信号的分割。所谓多址技术是指允

许两台或两台以上的发射机通过一个公共信道发送信号的技术。利用信号在频率或时间

上的正交性来对信号进行划分，从而进行多址传输。多址技术多用于无线通信。多址技

术又称为“多址连接”技术。根据多址连接的调制方式，在通信系统中应用广泛的多址技

术可分为3类：频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。

近几十年来，通信系统的规模和复杂度以前所未有的速度增长，使得对通信系统的

分析、设计要耗费更多的时间、人力和物力。现有的通信系统是十分复杂的，主要体现

在系统的构成复杂、系统内各模块之间的联系复杂、以及外部环境对系统的影响难于把

握。这使得系统分析、设计人员在对系统进行研究时，如果仅靠数学分析的方法，得出

的结论往往和实际相差较远有时还受限于现代数学发展水平，甚至无法进行数学分析。

在这种情况下可以有两种选择，一种是做出实际的系统，另一种采用计算机仿真的方法

来模拟这个系统。显然，前者是高风险、高代价、周期长。相比之下，计算机仿真所特

有的低风险、低代价、高速度的优点必将受到人们的重视。通信系统的计算机仿真是指

系统分析、设计人员根据通信系统组成模块的物理含义，建立数学模型，然后根据这些

模型来编制仿真程序，利用计算机再现系统的运行状态，以此来研究和分析系统特性。

通信系统的仿真程序主要任务是处理传递于系统内各模块之间的波形和分析仿真所得

的数据。系统分析人员需要对组成通信系统的各模块以及模块之间的关系有较深入的认

识。

随着社会节奏的加快，产品的更新速度越来越快，而且实际的通信系统功能结构相

当复杂，因此，在对原有的通信系统做出改进或建立一个新系统之前，通常需要对这个

系统进行建模和仿真，通过仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和

参数设置，然后再应用于实际系统中。目前，CDMA技术正逐渐大量被用于通信方面，

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2

这是技术发展、用户需求、市场竞争等各方面因素造成的。因此对CDMA的研究具有

一定的价值。

本设计主要是通过计算机仿真能更深入地了解CDMA系统的性能，为最终用硬件

实现性能更为优越的CDMA系统提供可行的方案。现今通信系统仿真工具种类繁多，

比较普遍应用的有MATLAB,SystemView,Simulink等，而MATLAB中的Simulink是最

具影响力、最有活力的软件之一，在科学运算、自动控制、通信仿真等领域有广泛应用。

利用MATLAB实现DS-CDMA系统的仿真，设计系统的主要模块和参数，是目前研究

的热点之一，同时它也代表了以后CDMA设计的发展方向。本课题正是基于以上现状

提出的。

1.2课题研究意义及现状

CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)是由Qualcomm,Inc.公司开发的一种技术，直

译为码分多址，是在扩频通信的基础上发展起来的。它利用相互正交(或者尽可能正交)

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。

它会将原信号频谱带宽扩展，即所谓的扩频(简单地说就是把频谱扩展)。CDMA通信系

统采用的是直接序列扩频方式，用一个码序列(高速)去调制原始数据信息(低速)，调制

后的信息就能以高速传输。

从90年代无线通信开始步人扩频通信和自适应通信的年代．扩频通信的热浪已经

波及短波、超微波、微波通信和卫星通信，码分多址(CDMA)已开始广泛用于未来的峰

窝通信、无绳通信和个人通信以及各种无线本地环路，发挥越来越大的作用。第一代蜂

窝系统以模拟的FDMA为代表结合SDMA，第二代以数字的TDMA和CDMA为代表，

结合了FDMA和SDMA。第三代蜂窝系统，就是国际电信联盟的ITU-R提出IMT-2000，

其主要特征是能承载带宽高速业务和更大的业务容量，主要是西欧和北美的，日本由于

第二代产品的竞争很不得力，因此也积极参加第三代蜂窝系统的竞争。

中国CDMA的发展并不迟，也有长期军用研究的技术积累。93年国家863计划已开

展CDMA蜂窝技术研究。94年Qualcomm首先在天津建技术试验网。1998年具有14万容

量的长城CDMA商用试验网在北京、广州、上海、西安建成，并开始小部分商用。同时

联通也在广东、北京、天津、上海等地建CDMA商用试验网。经过几年的发展，各地的

CDMA网已经初具规模，发展速度之快令世人瞩目。

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3

在网络建设的同时，我国在CDMA标准制定和实施方面也有了很大的发展。在1999

年4月成立了中国无线通信标准研究组CWTS，其主要目的是加强我国的标准制订工作。

我国目前采用的CDMA标准主要是向美国标准靠拢，同时结合我国的实际情况。如空中

接口在美国的标准中注重CDMA与AMPS双模兼容，而在我国则没有这种需求，因此其

频率、基本频道的设置及IMSI等方面都需要进行修改；在A接口上，美国的标准兼容了

多种制式，而在我国只需要其中的CDMA一种；同样网络接口IS-41系列标准也需要进行

必要的修改。在吸收和引进国外各项标准的同时，我国也正在积极开发满足我国电信网

络的CDMA标准，并且已经向国际电信联盟递交了第三代移动通信技术规范TD-CDMA

标准，该标准在1999年11月结束的有关世界第三代移动通信标准制订会上被最终确定为

第三代移动通信技术规范的系列标准之一。这是中国提出的电信技术标准第一次被国际

电信联盟所采用，同时也证明了我国的通信技术水平已逐渐与世界同步，我们的民族产

业也日益引起世界的瞩目。

随着通信系统的复杂性不断增加，传统的设计方法已经不能适应发展的需要，因而

要通过仿真，来降低系统失败的可能性，优化系统的整体性能，因此仿真是通信技术研

究中不可缺少的方法。而通信系统仿真是一个螺旋式上升的过程，在这个过程中可能需

要对原来的仿真模型进行若干次的修改，才能实现最初的设计目标。

在多址接入技术方面，第一代模拟蜂窝网采用频分多址(FDMA)方式，在20世纪

80年代初使用;80年代后期开发了时分多址(TDMA)体制;进入90年代以后，以GSM为

代表的TDMA数字蜂窝网在国内外获得了广泛应用。90年代后半期，在频分多址(FDMA)

和时分多址(TDMA)数字蜂窝网的基础上，码分多址(CDMA)蜂窝网系统，包括窄带和宽

带两类系统，渐露头角。以美国Qualcomm(高通)公司为首的倡导者提出了在蜂窝移动

通信系统中采用CDMA技术的系统实现方案。他们通过理论分析和不断的现场实验，

证明这种蜂窝系统能全面满足CTIA(美国蜂窝通信工业协会)提出的标准。该系统不仅容

量大，而且具有软容量、软切换等突出的优点，被认为是移动通信环境下获得大容量和

高质量的一种灵活有利的技术。1998年以后，以IS-95为标准的CDMA商用系统已分

别在中国香港、韩国等地区和国家使用，用户反映良好。1999年11月5日在芬兰赫尔

辛基召开的工TUTG8/1第18次会议上，最终确定了3类(TDMA,CDMA-FDD(频分复

用),CDMA-TDD(时分复用))共5种技术作为第三代移动通信的基础，其中欧洲的

WCDMA(宽带码分多址)、美国的CDMA2000和中国的TD-SCDMA(时分-同步码分多

址)是3G的3个主流标准。在亚太和北美地区,CDMA技术商用化趋势体现得最明显。

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4

1995年之后,韩国、日本、新加坡、澳大利亚、泰国、印度、新西兰等许多国家和地区

纷纷建立了CDMA网。截止1999年12月底,亚太地区CDMA总用户已达到了2800万,

北美达到了1650万。在美国,十大蜂窝移动公司中有七家选用IS-95CDMA蜂窝网,占

使用总人口的70%。在GSM占统治地位的欧洲,CDMA也受到运营商的普遍关注。到

2001年4月底,CDMA网络已在全球35个国家和地区投入运营,用户总数达到9000

万户。韩国从1994年开始着手CDMA技术开发,1996年1月在世界上率先开始CDMA

移动电话商用服务;1997年开始开发IMT-2000试验系统,到2000年8月CDMA移动

电话用户突破1500万,市场占有率为58%;2000年9月成功开发CDMA20001X试验

系统;2000年10月在世界率先开始CDMA20001X商用服务。目前,韩国在CDMA的

运营上取得了成功,国内企业自行开发生产系统设备,从而带动了民族产业的发展,在世界

CDMA的舞台上占有一席之地。

1.3课题研究的主要内容

多址一直都是无线通信的关键技术之一，甚至是移动通信换代的一个重要标志，同

时对于卫星通信也很重要。因此，对多址技术进行研究具有理论意义和实际应用价值。

多址技术的选择应用在不同的应用领域往往有着不同的评价指标。多址技术有三种常见

的信号空间划分方法，分别对应于时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）和码分多

址（CDMA）的技术研究。

本课题主要是对TDMA、FDMA、TDMA系统在移动通信以及在卫星通信中的理

论研究和基于MATLAB的DS-CDMA系统仿真设计，包括：

1、首先对CDMA系统原理进行了研究，了解了系统的工作过程，为系统的设计奠

定基础。讨论CDMA通信系统的参数、系统结构和信号设计，重点掌握信道编码方法、

地址码选择、扩频码特征和功率控制等。

2、对CDMA的关键技术及性能特点进行详细的分析和讨论。

3、在上述研究工作的基础上，提出DS-CDMA的总体设计方案，包括从信源到信

宿的各模块设计，并详细地分析了整个系统的工作原理。

4、运用MATLAB动态SIMULINK模块进行仿真设计，通过仿真结果来验证和分

析DS-CDMA系统中各模块的性能。

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5

2通信系统中的多址技术相关理论

多址通信技术在现代通信中起着重要的作用。在卫星通信、移动通信等通信网络中，

当多个用户通过一个公共信道与其他用户进行通信时，就必须采用某种多址技术。多址

连接通信系统实现多址通信的技术基础是信号的分割。利用信号在频率或时间上的正交

性来对信号进行划分，从而进行多址传输。根据多址连接的调制方式，可将多址方式分

为频分多址、时分多址、码分多址及空分多址等方式。

2.1频分多址技术（FDMA）的概述

FDMA是使用较早也是现在使用较多的一种多址接人方式，它广泛应用在卫星通

信、移动通信、一点多址微波通信系统中。它把传输频带划分为若干个较窄的且互不重

叠的子频带，每个用户分配到一个固定子频带，按频带区分用户。信号调制到该子频带

内，各用户信号同时传送，接收时分别按频带提取，从而实现多址通信。

2.1.1频分多址技术的相关理论

频分多址技术的模型如图2.1的三维图所示。

图2.1频分多址技术的模型

在任何时间每一载频只传送一路电话。任何一个用户在每次通话中都可以分配到一

个可用的频道。由于FDMA的频道仅传送一路电话，因此，频道的带宽是比较窄的。

若两个信号f

1

(X)和f

2

(X)满足下面的关系式（2.1），则称f

1

(X)和f

2

(X)在（X

l

，X

2

）

区间正交；

（2.1）

若一组信号的自相关为1，互相关为0，则称这一组信号为正交信号组，或称为正

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交信号集合。回正交信号组表示如关系式（2.2），

（2.2）

在采用理想滤波分割各用户信号时，满足式（2.3）所示的正交分割条件。实际的滤

波器总达不到理想条件，各信号间总存在一定的相关性，总有一定的干扰，各频带之间

必须留有一定的保护间隔以减少各频带之间的串扰。FDMA有采用模拟调制的，也有采

用数字调制的，也可以由一组模拟信号用频分复用方式（FDM／FDMA）或一组数字信

号用时分复用方式占用一个较宽的频带（TDM／TDMA），调制到相应的子频带后传送

到同一地址。模拟信号数字化后占用带宽较大，若要缩小间隔，必须采用压缩编码技术

和先进的数字调制技术。总的说来，FDMA技术比较成熟，应用也比较广泛[1]。

（2.3）

2.1.2频分多址技术的优缺点

1、FDMA的主要优点

设备简单、技术成熟。使用简单，信号连续传输，满足模拟话音通信，容易实现且

成本较低。

2、FDMA的主要缺点

所有的FDMA系统，不论是模拟的还是数字的，都有一个严重的缺点，那就是为

了满足给定数量的用户的通信需求，需要相当多的共用设备。这是由于每载波单路所造

成的。多频道信号互调干扰严重，频率利用率低，容量小。同时频谱利用率较低，每个

用户（远端站）都要占用一定的频带，尤其在空中带宽资源有限的情况下，FDMA系统

组织多扇区基站会遇到困难。单纯采用FDMA作为多址接入方式已经很少见，实用系

统多采用TDMA方式或采用FDMA＋TDMA方式。

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2.1.3频分多址技术的使用范围

1、应用于移动通信

在传统的移动通信中，长期以来延用了FDMA方式。就应用最广的蜂窝区移动电

话而言，第1代系统是以FDMA多址和模拟调制为基础的，它的系统容量仅为带宽的

l0%左右，如AMPS系统等。第l代系统曾得到广泛应用，但由于通信容量小、话音质

量差和保密性差等问题的存在，难以继续发展。

2、应用于卫星通信

其是让不同的地球通信站占用不同频率的信道进行通信。因为各个用户使用着不同

频率的信道，所以相互没有干扰。

2.2时分多址技术（TDMA）的概述

TDMA也是非常成熟的通信技术，所谓TDMA就是一个信道由连续的周期性时隙

构成，不同信号被分配到不同的时隙里，系统中心站将用户数据按时隙排列（TDM）广

播发送，所有的TS都可接收到，根据地址信息取出送给自己的数据，下行发送使用一

个载频；所有TS共享上行载频，在中心站控制下，按分配给自己的时隙将数据突发到

中心站。

2.2.1时分多址技术的相关理论（TDMA）

由于TDMA的频谱利用率相对FDMA要高，在宽带无线接入领域中被广泛采用。

时分多址只传数字信息，信息需经压缩和缓冲存储的过程，在实际使用时常

FDMA/TDMA复分使用。

TDMA是在给定频带的最高数据传送速率的条件下，把传递时间划分为若干时间间

隙，即时隙，用户的收发各使用一个指定的时隙，以突发脉冲序列方式接收和发送信号。

多个用户依序分别占用时隙，在一个宽带的无线载波上以较高速率传递信息数据，接收

并解调后，各用户分别提取相应时隙的信息，按时间区分用户，从而实现多址通信。总

的码元速率是各路之和，还有一些位同步、帧同步等额外开销。图2.2所示为一帧8个

时隙的图例。现在的TDMA系统总是采用数字体制，每时隙可以是单个用户占用，也

可以是一组时分复用的用户占用。

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图2.2一帧八个时隙的图例图2.3时分多址的技术模型

图2.3所示为TDMA的三维图，式（2.4）给出了时域正交的表示式。各用户在同

一频带中传送，时间上互不重叠，符合时域的正交条件。在实际传输时，由于多径等各

种影响，可能破坏正交条件，形成码间串扰。

（2.4）

2.2.2时分多址技术的优缺点

1、TDMA的主要特点

整个系统要有精确的同步，要由基准站统一系统内各站的时钟，才能保证各站准确

地按时隙提取本站需要的信号。包括信号的传输、处理、交换等，必须要有一个统一的

时间基准。要解决上述问题，使用的方法是系统中的各个设备内部设置一个高精度时钟，

在通信开始时，进行一次时钟校正，只要时钟不发生明显漂移，系统都能准确定时。但

真正的情况不是这样，因为要使系统的时钟很精确，无论从技术还是价格方面考虑都不

适合。

2、TDMA的主要优点

TDMA系统同FDMA系统相比，其主要优点在于每一个信道为许多用户有效地使

用。TDMA同FDMA的主要区别在于每载波多路。所有TDMA系统都是时分多路复用

的，通常为8路、15路、30路或者更多。

3、TDMA的主要缺点

系统要求严格的系统定时同步，是时隙受限和干扰受限系统。

2.2.3时分多址技术的使用范围

1、应用于移动通信

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将TDMA方法用于移动通信的理由之一是：宽带传输可以缓和对无线频率稳定度

的要求。自20世纪80年代末起，以TDMA和数字调制为基础的第2代移动通信迅速

发展起来。第2代系统是以欧洲开发的泛欧数字蜂窝区移动电话系统为代表，又称GSM

系统。目前，GSM在我国也得到广泛应用，GSM数字移动电话用户已突破l000万户。

第2代系统的特点是在容量、质量、功能和功耗等方面比第1代系统有很大的改进，进

入20世纪99年代中期，又出现了可传送话音、数据等各种业务。

2、应用于卫星通信

TDMA用于卫星通信系统中的基本原理，是用不同时间间隙来区分地球站的地址，

在该系统中只允许各地球站在规定的时隙内发射信号，这些射频信号通过卫星转发器

时，在时间上是严格依次排列，互不重叠的。这种多址技术是让若干个地球站共同使用

一个信道。但是占用的时间不同，所以相互之间不会干扰。显然，在相同信道数的情况

下，采用时分多址要比频分多址能容纳更多的用户。

它有如下基本特点：

(1)任何时刻在卫星转发器中都只有一个载波工作。

(2)可以比FDMA方式更充分地利用转发器的输出功率。

(3)易于实现信道的按需分配。

(4)全网正常工作要靠网同步，技术和设备比较复杂。

2.2.4应用于时分多址技术的GSM系统

1、GSM的信道

在GSM系统规范中，对总的频谱划分成200kHz为单位的一个个频段，称为频段，

而对每一个频隙，允许8个用户使用，即从时分多址方式来看，每个时帧有8个时隙

（TimeSlot），每个时隙的长度为BP＝15/26＝0.577ms，而每一个时帧长度为15/268

＝4.615ms。所讲的时隙长度是GSM规范定义的，而移动台在无线路径上的传输的实际

情况是不同的。前面讲到的经交织加密后的数据块为114位，这些位加上其它一些信息

位元共组成156.25位，以脉冲串的形成调制到某一个频率上，并限定在一个时隙范围内

进行传输，这些脉冲串称为"Burst"（突发）。在常规Burst之间，即每个时隙之间要有

一定的保护间隔，即147位有用信息的前后有一段保护时间，取信号小于-59dB的部分

为保护时间，约30s。

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2、GSM的时帧结构

GSM的时帧结构有5个层次，分别是高帧、超帧、复帧、TDMA时帧和时隙，时

隙是构成物理信道的基本单元，8个时隙构成一个TDMA时帧。TDMA时帧构成复帧，

复帧是业务信道和控制信道进行组合的基本单元。由复帧构成超帧，超帧构成高帧，高

帧是TDMA帧编号的基本单元，即在高帧内对TDMA帧顺序进行编号。1高帧＝2048

个超帧＝2715648个TDMA帧，高帧的时长为3小时28分53秒760毫秒。高帧周期与

加密及跳频有关，每经过一个高帧时长会重新启动密码与跳频算法。1个超帧＝1326个

TDMA帧，超帧时长为6.12秒。复帧有两种结构，一种用于业务信道，其结构形式是

由26个TDMA帧构成的复帧；另一种用于控制信道，其结构为51个TDMA帧构成的

复帧。1个TDMA帧＝8个时隙，其时帧长度为4.615毫秒，1个时隙长度为0.577ms，

在时隙内传送数据脉冲串，称为突发（Burst），一个突发包含156.25位数据。

GSM系统的定时采用的是主从同步法。即系统所有的时钟均直接或间接从属于某

一个主时钟信息。主时钟有很高的精度，其时钟信息以广播的方式传送到系统的许多设

备，或以分层方式逐层传送给系统的其他设备。各设备收到上层的时钟信号后，提取出

定时信息，与上层时钟保持一致，这个过程又称之为时钟锁定。

2.3码分多址技术（CDMA）的概述

CDMA多址技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数

据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，

再经载波调制并发送出去。接收端由使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相

关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。

2.3.1码分多址技术的发展情况（CDMA）

自20世纪80年代开始，CDMA的技术取得了很大的进展，FDMA系统每载波只

传送一路电话，TDMA系统可传送几路或几十路电话，而CDMA系统则可传送几百路

电话。信道的带宽一般可达到1～10MHz。

CDMA技术起源于美国。近几年，美国进一步将CDMA方式在移动通信中实用化，

新的CDMA制式也将用于蜂窝区移动通信，有人称其为2．5代蜂窝区移动通信。CDMA

技术的应用带动了一系列新的通信技术的发展。从上述对几种多址连接技术的比较分析

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11

来看，每种连接技术都有其不同的特点及技术优势，其中CDMA技术以它独特的优点

成为实现移动通信、无线多媒体通信、无线传输等的理想技术。在实际运用中，选择哪

种多址方式，则应根据具体情况作出具体决定。

2.3.2码分多址技术的相关理论（CDMA）

CDMA多址技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数

据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，

再经载波调制并发送出去。接收端由使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相

关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。扩频信号是

用扩频码序列填充到所需传送的数据中形成的信号。频带展宽的倍数称为扩频系数，用

分贝表示称为扩频增益。每个用户具有特定的地址码（相当于扩频中的PN码），利用

地址码相互之间的正交性（或准正交性）完成信道分离的任务。不同用户使用不同的码

序列，它们占用相同频带，接收机虽然能收到，但不能解出，这样可实现互不干扰的多

址通信。它以不同的互相正交的码序列区分用户，故称为“码分多址”。

CDMA多址技术是给每一个信号分配一个伪随机二进制序列进行扩频，不同信号的

能量被分配到不同的伪随机序列里，中心站使用正交的PN码作为信道标志，与不同TS

通信使用同一频率，但不同的PN码扩频来实现；每个TS都可以同时收到中心站发给

所有TS的信号，中心站要同时接收来自各TS的同一频率不同PN码的信号[2]。

2.3.3扩频方式及扩频码

1、目前应用最多的扩频方式有两类

（1）直接扩频方式码分多址（DS/CDMA）

直接用扩频码作为地址码调制信号，调制方式通常用PSK。众所周知，DS/CDMA

在现在的第二代移动通信中已经得到了成功应用,而且它还是第三代移动通信的核心技

术，在IMT－2000的众多标准中，大部分都采用了DS/CDMA。此外，在军事通信和卫

星通信中，DS/CDMA也都受到了青睐。从原理上来说，DS/CDMA是通过将携带信息

的窄带信号与高速地址码信号相乘而获得的宽带扩频信号。收端需要用与发端同步的相

同地址码信号去控制输入变频器的载频相位即可实现解扩。

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DS/CDMA系统具有抗窄带干扰、抗多径衰落和保密性好的优点。此外，关于

DS/CDMA的优点还可以罗列很多：许多用户可以共享频率资源，无须复杂的频率分配

和管理；具有“软容量”特性，即在一定限度内的用户数增加，只会使得信噪比下降，而

不会终止通信，也就是说DS/CDMA没有绝对的容量限制。当然，DS/CDMA也存在一

些问题，如多址干扰问题，这是由于不同地址码之间的非完全正交性而造成的，通信过

程中不同用户的发射信号会相互干扰。多址干扰是DS/CDMA系统中相当严重的一个问

题，这还需要人们通过对地址码选择的进一步研究来解决。此外，在DS/CDMA系统中

还存在“远近效应”，就是说离基站近的强信号用户会对远离基站的弱信号用户的通信形

成干扰，本质上说这还是由于地址码的非完全正交性所致，但现阶段人们已通过在移动

通信系统中引入“自动功率控制”技术削弱了远近效应的影响[3]。

（2）跳频扩频方式码分多址（FH/CDMA）

属于间接型，用MFSK调制。通常用地址码控制特制的频率合成器，产生频率在较

大范围内按一定规律周期性跳动的本振信号，与高速的信息码混频后输出。

跳频码分多址（FH/CDMA）在民用通信中并不多见，但在军事抗干扰通信中则是

一种常见的通信方式。FH/CDMA的基本原理是优选一组正交跳频码（地址码/扩频码），

为每个用户分配一个唯一的跳频码，并用该跳频码控制信号载频在一组分布较宽的跳频

集中进行跳变。

2、扩频码

（1）扩频码的相关理论

在码分多址通信中，所用扩频码也就是地址码，应符合式（2.5）确定的正交条件。

（2.5）

有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。互正交

的码序列数取决于码的位数和扩频码的类型。一般而言，位数越多，正交码序列数越多，

但带宽也展得越宽。例如用511位扩频码，带宽就要扩展511倍。至于序列数有多少，

取决于扩频码的性质。

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地址码应当具有尖锐的自相关特性，保证信号经过地址码解扩后具有较高的信噪

比，同时互相关性最小（相互正交），保证码序列之间干扰最小。为了克服多径衰落和

实现有效可靠的通信，地址码应当逼近白噪声的统计特性。

常用的地址码是伪随机码序列（PN码）。伪随机码序列具有类似于随机序列的基

本特性，是一种貌似随机但实际上是有规律的周期性二进制序列。在所有的伪随机序列

中，m序列是最重要、最基本的一种伪随机序列，它容易产生、规律性强、有很好的自

相关性和较好的互相关特性。Gold码序列是一种基于m序列的码序列，具有较优良的

自相关和互相关特性，产生的序列数多。Gold码的自相关性不如m序列，具有三值自

相关特性；互相关性比m序列要好，但还没有达到最佳。Walsh函数正交码是一种典型

的正交码，因为互相关特性很好，在IS-95系统中，每个前向码分信道用1.2288Mbit/s

比特率的64阶Walsh函数进行扩频，以使各前向码分信道间互相正交。

CDMA是码分多址通信系统，它主要使用到了两类码资源，Walsh码和PN码。（一

般的还会提到m序列，长码，短码，但是我个人认为这些码都可以划分到PN码中。因

为都是通过反馈移位寄存器产生的，所不同的是所使用的码长度不同。Walsh码前向用

于区分不同物理信道，反向用于扩频。PN伪随机码前向用于区分不同基站（m序列）

和加扰（长码），反向用于区分不同用户和反向物理信道（长码）。

（2）Walsh码

Walsh码来源于H矩阵，根据H矩阵中“＋1”和“－1”的交变次数重新排列就可以

得到Walsh矩阵，该矩阵中各行列之间是相互正交(MutualOrthogonal)的，可以保证使

用它扩频的信道也是互相正交的。对于CDMA前向链路，采用64阶Walsh序列扩频,每

个W序列用于一种前向物理信道(标准），实现码分多址功能。信道数记为W0-W63，

码片速率：1.2288Mc/S。沃尔什序列可以消除或抑制多址干扰(MAI)。理论上，如果在

多址信道中信号是相互正交的，那么多址干扰可以减少至零。然而实际上由于多径信号

和来自其他小区的信号与所需信号是不同步的，共信道干扰不会为零。异步到达的延迟

和衰减的多径信号与同步到达的原始信号不是完全正交的，这些信号就带来干扰。来自

其他小区的信号也不是同步或正交的，这也会导致干扰发生。在反向链路中，沃尔什码

序列仅用作扩频。

（3）伪随机序列PN(PudorandomNoi)

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CDMA系统中，伪随机序列(PN)用于数据的加扰和扩谱调制。在传送数据之前，把

数据序列转化成“随机的”，类似于噪声的形式，从而实现数据加扰。接收机再用PN码

把被加扰的序列恢复成原始数据序列。

需要指出的是，如果发送数据序列经过完全随机性的加扰，接收机就无法恢复原

始序列。换句话说，如果接收机知道如何恢复原始数据，发送文言文之的用法 的数据序列就不可能完全

随机化。因此，在实际cdma系统中使用的是一个足够随机的序列，一方面这个随机序

列对非目标接收机是不可识别的，另一方面目标接收机能够识别并且很容易同步的产生

这个随机序列。所以把这种序列成为伪随机序列(PN)。CDMA中用到的PN序列可以分

为长PN码（长码）和短PN码（短码），长PN码可用于区分不同的用户，短PN码用

于区分不同的基站。

2.3.4CDMA的抗远近效应

CDMA通信系统是干扰受限的系统，任何降低干扰和噪声的技术的采用都能提高系

统的容量和通信的质量。CDMA的抗远近效应即为提高通信的容量及通信的质量。

采用的抗远近效应的主要技术如下。

1、扩频码的选择

研究和设计具有互相关值低的伪随机码（如Walsh函数序列），在理想情况下，如

果伪码是正交的，则不存在多址干扰问题。但是，实际应用中系统通常是工作在异步状

态，设计在任何时延情况下都正交的扩频码是不可能的，只能是设计互相关值尽可能小

的扩频码序列。同时PN码之间正交特性良好；PN码要有足够长度，以提高扩频增益，

即干扰容限。

2、功率控制

CDMA技术的成功在很大程度上是依赖于功率控制技术的成功应用。功率控制是工

程中解决远近效应的简单有效的方法。通过对基站和移动台发射功率的限制和优化，使

得所有用户终端到达接收机具有相同的功率，从而使系统对远近效应有一定的抑制能

力。功率控制由前向链路功率控制和反向链路功率控制来共同完成。前向功率控制的目

的主要是通过在各个前向业务信道上合理的分配功率来确保各个用户的通信质量，同时

使前向链路容量达到最大。前向功率控制是在移动台的协助下完成的。移动台检测前向

传输的误帧率，并向基站报告该误帧率的统计结果。基站根据移动台报告的误帧率统计

结果，决定增大还是减小前向传输功率。反向功率控制是控制移动台的发射功率，它由

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开环功率控制和闭环功率控制两部分来共同控制移动台的发射功率。开环功率控制是移

动台根据它收到基站导频信号的强度，估计前向传输路径的损耗，从而确定发射功率的

大小。闭环功率控制是在移动台的协助下完成的。基站接收移动台的信号，并测量其信

噪比，然后将其与一门限作为比较，若收到的信噪比大于门限值，基站就在前向传输信

道上传输一个减小发射功率的命令；反之，就送出一个增加发射功率的命令。闭环功率

控制可以修正反向传输和前向传输路径增益的变化，消除开环功率控制的不准确性。

3、多用户检测

由于多址干扰具有很强的结构性，在用户间扩频码的互相关系数已知的条件下，完

全可以利用多址干扰的这些结构信息（扩频序列相关特性，信号幅度变化，信号同步特

征等），进一步消除它的负面影响，提高系统的性能。针对这一点，首先提出

多用户检测技术，它对每个用户信号的检测不是独立进行的，而是将输入信号经过一组

匹配滤波器后得到多个用户的充分估计量，共同应用于每个用户进行联合检测。这种多

用户检测可以为远近效应提供一个良好的解决途径。采用了多用户检测的接收机，功率

控制的要求可大大降低，同时，由于多用户检测中的干扰消除要求可大大降低，同时，

由于多用户检测中心的干扰消除特性，也降低了用户码序列间的互相性的要求。多用户

检测接收机的研究得到越来越多的研究人员重视。已经是CDMA研究领域的一个热点

问题。

多用户检测可分为线性检测和干扰消除两大类。线性多用户检测技术主要有：解相

关检测、最小均方误差检测、子空间斜投影检测和多项式扩展检测。在抗远近效应方面

常用的是解相关检测和最小均方误差检测。解相关检测器的基本思想是对匹配滤波器的

输出进行线性处理，其变换矩阵是互相关系数矩阵的逆矩阵。这种方法不用估计接收信

号的幅度，计算量小，但是解相关操作将加强斯白噪声，互相关系数矩阵的逆矩阵计算

量仍然很大。最小均方误差检测器的基本思想是计算经线性变换的接收数据和传统检测

器的输出间的均方差，最小的即为所求的线性变换。该检测器考虑了背景噪声的存在并

利用接收信号的功率值进行相关计算，在消除多址干扰和不增强背景噪声之间取得了一

个平衡点，但是它需要对信号的幅度进行估计，性能依赖于干扰用户的功率，在抗远近

效应方面的性能不如解相关检测器。

4、自适应干扰消除技术

多用户检测器在抑制多址干扰和远近效应方面有其优势的地方，但多用户检测器也

存在局限性。所有的多用户接收机需要准确知道除本用户之外的所有正在通话的用户的

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时延和地址码。此外，一些多用户接收机还需估计信号的功率或码的互相关值。因此，

人们的注意力转移到了自适应干扰消除技术上来。

自适应干扰消除技术只需知道所需恢复的用户的时延和地址码。采用的自适应干扰

消除技术是盲自适应多用户检测。该检测中代价函数基于输出能量最小原理。将均衡器

分为相互正交的两部分，其中一部分为用户的地址码，在迭代中不作变化。由于均衡器

的自适应部分不能总是满足正交性条件，需要经常用它的正交分量来代替。当接收码与

理想的地址码不一致时，必须引入剩余能量使输出能量最小。盲自适应多用户检测器在

采用与传统接收机相同的输入条件下，能有效地克服远近效应[4]。

2.3.5时分多址技术的优缺点

1、CDMA的主要优点

在CDMA系统中，由于带宽展宽带来了很多优点，因此有很好的发展前景，最重

要的是它的抗干扰能力强。

(1)非扩频的干扰信号进人接收机后，与本地扩频码相乘，干扰功率被分散到很宽

的频谱上，落在有效频带内的干扰功率只有很小一部分，影响大为减小。

(2)其他扩频码干扰进人时，只要不是同一个扩频系列，在经过相关接收以后，没

有输出或输出极小，影响也小。

(3)由于采用相关接收技术，只有主信号和本地扩频码同步解扩后有输出，延时后

的信号虽然属同样的扩频序列，相关后输出极小或没有输出，从而可以去除多径效应引

起的码间串扰，所以无需均衡器。

(4)扩频机制使信号带宽远大于相关带宽时，由于多径而产生的选择性快衰落的影

响大大减弱。

(5)抗干扰能力强，宽带传输，抗衰落能力强，即功率谱密度比较低，有利于信号

隐蔽。

(6)具有软容量特性。可以在话务量高峰期通过提高误帧率来增加可以用的道数。

当相邻小区的负荷一轻一重时，负荷重的小区可以通过减少导频的发射功率，使本小区

的边缘用户由于导频强度的不足而切换到相临小区，使负担分担。

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(7)兼容性好。由于CDMA的带宽很大，功率分布在广阔的频谱上，功率谱密度低，

对窄带模拟系统的干扰小，因此两者可以共存。即兼容性好。

(8)COMA的频率利用率高，不需频率规划，这也是CDMA的特点之一[5]。

2、CDMA的主要缺点

（1）在小区的规划问题上，虽然CDMA无需频率规划，但它的小区规划却并非十

分容易。由于所有的基站都使用同一个频率，相互之间是存在干扰的，如果小区规划做

得不好，将直接影响话音质量和使系统容量打折扣，因而在进行站距、天线高度等方面

的设计时应当小心谨慎。

（2）其次，在标准的问题上，CDMA的标准并不十分完善。许多标准都仍在研究制

定之中。如A接口，目前各厂家有的提供IS一634版本0，有的支持IS－634版本。还

有的使用Is－634／TSB－80。因此对于系统运营商来说，选择统一的A接口是比较困

难的。

（3）由于功率控制的误差所导致的系统容量的减少。

2.3.6频分多址技术的使用范围

1、应用于移动通信

采用CDMA技术可以比时分多址方式容纳更多的用户。这种技术比较复杂，但现

在已经为不少移动通信系统所采用。在第三代移动通信系统中，也采用宽带码分多址技

术。

2、应用于卫星通信

这种多址技术也是多个地球站共同使用一个信道。但是每个地球站都被分配有一个

独特的“码序列”，与所有别的“码序列”都不相同，所以各个用户相互之间也没有干扰。

因为是靠不同的“码序列”来区分不同的地球站。

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3MATLAB简介

MATLAB语言是当今国际上科学界最具影响力、也是最有活力的软件。它起源于

矩阵运算，现已经发展成一种高度集成的计算机语言。它提供了强大的科学运算、灵活

的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功

能。MATLAB语言在各国高校与研究单位起着重大的作用。MATLAB是一种用于算法

开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。使用

MATLAB，可以较使用传统的编程语言更快地解决技术计算问题。

MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试

和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的

专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问

题。MATLAB提供了很多用于记录和分享工作成果的功能。可以将MATLAB代码与

其他语言和应用程序集成，来分发自己的MATLAB算法和应用。MATLAB对整个数

据分析过程提供支持，该过程从外部设备和数据库获取数据，通过对其进行预处理、可

视化和数值分析，最后到生成质量达到演示要求的输出[6]。

3.1MATLAB软件介绍

MATLAB最初是Mathworks公司推出的一种数学应用软件，经过多年的发展，开

发了包括通信系统在内的多个工具箱，从而成为目前科学研究和工程应用最流行的软件

包之一。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是实现动态系统建模、仿真

和分析的一个集成环境，广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理

的建模和仿真中。它包括一个复杂的由接受器、信号源、线性和非线性组件以及连接件

组成的模块库，用户也可以根据需要定制或者创建自己的模块。Simulink的主要特点在

于使用户可以通过简单的鼠标操作和拷贝等命令建立起直观的系统框图模型，用户可以

很随意地改变模型中的参数，并可以马上看到改变参数后的结果，从而达到方便、快捷

地建模和仿真的目的。

MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory)之意，除具备卓越的数值计算能力外，

还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB

的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学工程中常用的形式十分相似，故用

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MATLAB来解算问题要比用C、FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多[2]。

当前流行的MATLAB6.1/Simulink3.0包括拥有数百个内部函数和几十种工具包

(Toolbox)。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包，功能工具包用来扩充

MATLAB的符号计算、可视化建模仿真、文字处理及实时控制等功能。学科工具包是

专业性比较强的工具包，控制工具包、信号处理工具包、通信工具包等都属于此类。这

些工具箱都是由该领域学术水平很高的专家编写，所以用户无需编写自己学科范围内的

基础程序，而直接进行高、精、尖的研究。

开放性使MATLAB广受用户欢迎，除内部函数外，所有MATLAB主包文件和各

种工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新

的专用工具包[7]。

3.2MATLAB软件的组成

1、MATLAB是所有mathworks公司产品的基石，它提供了高级科学计算语言，是

进行数据分析算法开发的集成开发环境，具有数值计算，图形绘制，程序设计等功能。

2、MATLAB是可选择的工具，它包括MATLAB编译器，web服务器，数据工具

箱，报表生成器等，用来支持在MATLAB环境中对系统的实施与开发。

3.、工具箱是针对解决特定种类问题而特别制作的一系列MATLAB函数库，它只

有开放性和可扩展性，用户甚至可以加入自己的工具箱。

4.、Simulink是交互式动态系统建模，仿真和分析的图形环境，也是进行基于模型

的嵌入式系统开发的基础开发环境。它把模块图形界面和MATLAB主要数值、图形和

语言函数有效的组合起来，从而具有生动的建模能力。它对线性，非线性，连续，离散

系统均适用，可以针对控制系统，信号处理以及通信系统等进行建模，仿真，分析等工

作[8]。

3.3MATLAB软件的优势和特点

1、友好的工作平台和编程环境

MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其

中部分工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、

编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着

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MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更

加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB

提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了

比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的

错误及进行出错原因分析。

2、简单易用的程序语言

MATLAB一个高级的距阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入、

输出和面向对象编程特。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先

编写好一个较大的复杂的应用程序(M文件)后再一起运行。新版本的MATLAB语言是

基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加

简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人

员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学

研究及工程计算各个领域的重要原因。

3、强大的科学计算机数据处理能力

MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学

运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和

工程计算中的最新研究成果，而且经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用

它来代替底层编程语言，如C和C++。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的

编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如距

阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算

和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据

的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初

等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。

4、出色的图形处理功能

MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和距阵用图形表

现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图

象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个

图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能

（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所

没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样

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表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB

也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在

图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得

到满足。

5、应用广泛的模块集合工具箱

MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，他

们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方

法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应

用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分

方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI

控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时

快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，

都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。

6、实用的程序接口和发布平台

新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的

MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。允许用户编写可以和

MATLAB进行交互的C或C＋＋语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在

Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。

7、应用软件开发

在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数

嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对

起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5。

8、语言简洁紧凑库函数极其丰富

MATLAB程序书写形式自由，利用起丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，

压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数

的可靠性。可以说，用MATLAB进行科技开发是站在化妆品网购网站排行 专家的肩膀上。具有FORTRAN

和C等高级语言知识的读者可能已经注意到，如果用FORTRAN或C语言去编写程序，

尤其当涉及矩阵运算和画图时，编程会很麻烦。例如，如果用户想求解一个线性代数方

程，就得编写一个程序块读入数据，然后再使用一种求解线性方程的算法（例如追赶法）

编写一个程序块来求解方程，最后再输出计算结果。在求解过程中，最麻烦的要算第二

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部分。解线性方程的麻烦在于要对矩阵的元素作循环，选择稳定的算法以及代码的调试

不容易。即使有部分源代码，用户也会感到麻烦，且不能保证运算的稳定性。解线性方

程的程序用FORTRAN和C这样的高级语言编写，至少需要四百多行，调试这种几百行

的计算程序可以说很困难。

9、运算符丰富

由于MATLAB是用C语言编写的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算

符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。

10、程序的可移植性很好

基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。

11、MATLAB的图形功能强大

在MATLAB里，数据的可视化非常简单。MATLAB还具有较强的编辑图形界面的

能力。

12、MATLAB的缺点

由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，

所以速度较慢。据说，速度大概是相应c程序的80%左右。

13、功能强大的工具箱是MATLAB的另一特色

MATLAB包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核

心内部函数。其工具箱又分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要

用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互功能。

功能性工具箱用于多种学科。而学科性工具箱是专业性比较强的。

14、源程序的开放性

开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。除内部函数以外，所有MATLAB的

核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自

己的文件构成新的工具箱[9]。

3.4SIMULINK软件介绍

SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，

它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输

入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建而非语言的编程上。

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SIMILINK模块库按功能进行分类，包括以下8类子库：

Continuous(连续模块)

Discrete(离散模块)

Function&Tables(函数和平台模块)

Math(数学模块)

Nonlinear(非线性模块)

Signals&Systems(信号和系统模块)

Sinks(接收器模块)

Sources(输入源模块)

所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用

户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，

通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型(以.mdl

文件进行存取)，进而进行仿真与分析[10]。

另外，在世界范围内的模型化浪潮的背景下，Simulink恰恰体现了模块化设计和系

统级仿真的具体思想，使得建模仿真如同搭积木一样简单。Simulink对仿真的实现可以

应用于动力系统、信息控制、通信设计、金融财会及生物医学等各个领域的研究中。

Simulink实际上提供了一个系统级的建模与动态仿真的图形用户环境，并且凭借

MATLAB在科学计算上的天然优势，建立了从设计构思到最终要求的可视化桥梁，大

大弥补了传统设计和开发工具的不足。它可以使系统的输入变得相当容易且直观，同时

可以容易地改变输入信号的形式，对仿真算法和仿真参数的选择以及对输出结果的处理

上也更加灵活自由由于Simulink可以很方便地创建和维护一个完整的模型，评估不同

算法和结构并验证系统性能，另外Simulink还可以与MATLAB中的DSP工具箱、信号

处理工具箱以及通讯工具箱等联合使用，进而实现软硬件的接口，从而成为实用的控制

软件。SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、

离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在SIMULINK

环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它

为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一

样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵

活的优点。Simulink包含有SINKS（输入方式）、SOURCE（输入源）、LINEAR（线性

环节）、NONLINEAR（非线性环节）、CONNECTIONS（连接与接口）和EXTRA（其

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它环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块。用户也可以定制和创

建用户自己的模块。

用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上

的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，

来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型

的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单

或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，

而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用。采用SCOPE模块和其它的画图模块，在

仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。除此之外，用户还可以在改变参数后来迅速观

看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处

理[11]。

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4DS-CDMA的仿真实现

4.1CDMA通信系统仿真的参数设置

1、模块名称BernoulliRandomIntegerGenerator

（本设计有三个信号源，同时设置参数不同，使用二进制贝努利序列产生器产生二

进制序列。参数设置如图4.1，图4.2，图4.3，模块如图4.4。）

图4.1第一个信号源的参数设置

图4.2第二个信号源的参数设置

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图4.3第二个信号源的参数设置

图4.4贝努利序列产生器模块

2、模块名称PNSequenceGenerator

（PN序列生成器。参数设置如图4.5，模块如图4.6。）

图4.5PN序列生成器的参数设置

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27

图4.6PN序列生成器模块

3、模块名称Relay

（由于设计的需要不同Relay1,2,3,4,5,9的设置参数是相同的；Relay6,7,8的设置参数

是相同的。参数设置如图4.7，图4.8，模块如图4.9。）

图4.7第一个Relay模块的参数设置

图4.8第二个Relay模块的参数设置

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28

图4.9Relay模块

4、模块名称Product

（本设计用了六个Product模块，用于将两个数进行积的运算。参数设置如图4.10，

模块如图4.11。）

图4.10Product模块的参数设置

图4.11Product模块

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29

5、模块名称Delay

（本设计应用了三种不同参数设置的Delay模块。参数设置如图4.12，图4.13，图

4.14，模块如图4.15。）

图4.12第一个Delay模块的参数设置

图4.13第二个Delay模块的参数设置

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30

图4.14第三个Delay模块的参数设置

图4.15Delay模块

6、模块名称GaussiannoiGenerator

（用于产生服从高斯分布的离散噪声信号。参数设置如图4.16，模块如图4.17。）

图4.16GaussiannoiGenerator模块的参数设置

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31

图4.17GaussiannoiGenerator模块

7、模块名称sum

（Sum模块，参数设置如图4.18，模块如图4.19。）

图4.18Sum模块的参数设置

图4.19Sum模块

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32

8、模块名称DigitalFilterDesign

（将有用的信号频率的成分选择出来，而阻止其他频率成分的信号或干扰。本设计

使用的是低通数字滤波器及有限脉冲响应FIR。参数设置如图4.20，模块如图4.21[12]。）

图4.20滤波器的参数设置

图4.21滤波器模块

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33

9、模块名称Scope

（用于显示波形。参数设置如图4.22，模块如图4.23。）

图4.22Scope模块的参数设置

图4.23Scope模块

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34

4.2CDMA通信系统设计仿真模型及原理

1、CDMA通信系统设计仿真模型如图4.24。

图4.24CDMA通信系统设计仿真模型

2、CDMA通信系统设计仿真原理（DS-CDMA）

如图4.24所示是直接扩频的码分多址通信系统的仿真模型。三个BernoulliRandom

IntegerGenerator(伯努利二进制随即信号发生器)表示三个不同用户发射各自的通信信息

（基带信号），设置参数见图4.1,4.2和4.3，sampletime为6e-6。PNSequenceGenerator(伪

随机序列发生器)产生用于直接扩频的正交码组。它产生的是m序列，见图4.5，sample

time为2e-7。m序列有很好的正交性（很强的自相关性和很弱的互相关性）。用延迟4

个码元及延迟7个码元的两个码组与原始的码组构成三个正交码组，他们分别对三个用

户信号进行直接扩频。扩频的操作是将基带信号与用于扩频的码组直接相乘。扩频后的

信号在Sum(相加器)中混合，并且加入高斯噪声信号，以此来模拟实际情况中的噪声干

扰。在接收端，信号优先进行解扩，应用了与发射端相同的码组进行解扩。因为码组有

很强的自相关性和很弱的互相关性，只是将受到相同码组扩频的信号提取出来。解扩的

操作与扩频的操作类似，将基带信号与用于解扩的码组直接相乘。解扩完成以后，用低

通数字滤波器出去解扩信号中少量的噪声信号，使得解扩后的信号更完整。由于信号在

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35

传输过程中有延时，在进行收发信号的波形比对时，用delay模块对原始信号延迟一个

数据码元宽度以补偿接收延时。最后用scope模块来进行波形的比对，观察结果并分析。

4.3CDMA仿真结果及结果分析

由于信号在传输过程中有延时，在进行收发信号的波形比对时，用delay模块对原

始信号延迟一个数据码元宽度以补偿接收延时。信号仿真比对结果如图4.25,图4.26,

图4.27。

图4.25第一个用户的信息发射与接收情况

图4.26第二个用户的信息发射与接收情况

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36

图4.27第三个用户的信息发射与接收情况

从4.25，图4.26和图4.27的波形图来看，波形结果基本符合CDMA的理论，用户

发送的波形通过PN码的扩频与解频之后，在接收端三中个用户接收的波形情况与发送

端的波形基本一致，达到了CDMA的仿真的要求，验证了CDMA的理论。

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37

结论

通过四个月的学习和研究，基于通信系统的多址技术研究以及基于MATLAB的

DS-CDMA各个模块的选择设计和系统仿真的处理和研究基本已经顺利完成。

通过对通信系统的多址技术研究，加深了对于多址技术的理解与认识，同时通过用

MATLAB对DS-CDMA系统的仿真调试、结果分析，让我熟悉了DS-CDMA的工作原

理并深刻的了解实际PN码扩频的产生和应用。通过仿真结果中的波形的直观的方式，

有助于实现对DS-CDMA系统规律的把握研究。通信系统的性能分析和仿真，随着通信

技术、信息技术和计算机技术的发展以及网络系统的大量应用，显得越来越重要。利用

通信仿真定量地进行通信的分析与评价，为设计和规划通信提供了重要的依据

经过设计，分析的结果基本能达到题目中的要求。即使如此，在我的毕业设计的整

个过程中，以上的结果已经令我受益匪浅了。综上所述，本人基本完成了毕业设计课题

所要求的内容，达到了预期的目的。

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38

致谢

大学生活随着毕业实习的结束也接近了尾声。在半年的时间里，从选题到设计再到

最终完成，经历了诸多环节。在这个过程中，我体会到了研究的意义，了解了做事情要

有持之以恒的心态。这些在我以后的人生中都会有着很大的启示，对我来说都是宝贵的

经验。

在本次毕业设计中，我的导师孟宪江老师对我的设计过程和论文提出了宝贵的意见

和辅导。他对于CDMA领域的认识和MATLAB的熟悉，对于所学知识的灵活运用，对

工作的认真负责的态度，对困难敢于克服的精神，都给了我很大的启示，支持我一直完

成了自己的毕业设计。他在技术上帮我答疑解惑，软件上提供帮助支持，学习中给我指

导和鼓励。我在这里表示衷心的感谢！在此我表达自己由衷的感谢，谢谢老师的关怀和

支持！还要感谢教过我的老师，他们教了我很多，在理论上给我打下了基础，是完成这

个毕业设计的坚实支柱。此外，我还要感谢帮助我的同学，他们的支持是我能够完成毕

业设计的力量源泉之一。

谢谢大家！

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39

参考文献

[1]王秉均.现代通信原理.人民邮电出版社.2006：45-48

[2]何世彪,谭晓衡.扩频技术及其实现.电子工业出版社.2007：43-52

[3]许丽艳.CDMA通信系统多址干扰的仿真研究.青岛大学学报.2005:34-56

[4]范伟,翟传润,战兴群.基于MATLAB的扩频通信系统仿真研究.2006：14-25

[5]王立宁．Matlab与通信仿真．人民邮电出版社.2000：50-55

[6]唐泽鹏．Matlab在通信中的仿真应用.人民邮电出版社．2001：42-45

[7]史学军,于舒娟.MATLAB软件在CDMA通信仿真中的应用.电子工业出版社.2003：

28-30

[8]张广森.CDMA通信系统的MATLAB仿真.人民邮电出版社.2002:29-32

[9]史学军,于舒娟.MATLAB软件在CDMA通信仿真中的应用.电子工业出版社2003：

16-32

[10]王华，李有军，刘建存．MATLAB电子仿真．国防教育出版社．2007：418-420

[11]杨华,吴楚.基于MATLAB的CDMA系统的仿真及性能分析.人民邮电出版社.

2003:15-23

[12]席在芳,邬书跃等.基于SIMULINK的现代通信系统仿真分析.清华大学出版社

2006:24-36

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40

附录

附录A英文原文

RESEARCHOFCELLULARWIRELESSCOMMUNATION

SYSTEM

Abstract

Cellularcommunicationsystemsallowalargenumberofmobileurstoamlesslyand

simultaneouslycommunicatetowirelessmodemsatfixedbastationsusingalimited

amountofradiofrequency(RF)ransmissionsreceivedatthebastations

fromeachmobilearetranslatedtobaband,ortoawidebandmicrowavelink,andrelayedto

mobileswitchingcenters(MSC),whichconnectthemobiletransmissionswiththePublic

SwitchedTelephoneNetwork(PSTN).Similarly,communicationsfromthePSTNarentto

thebastation,arsystemmployeither

frequencydivisionmultipleaccess(FDMA),timedivisionmultipleaccess(TDMA),code

divisionmultipleaccess(CDMA),orspatialdivisionmultipleaccess(SDMA).

1Introduction

Awidevarietyofwirelesscommunicationsystemshavebeendevelopedtoprovide

accesstothecommunicationsinfrastructureformobileorfixedursinamyriadofoperating

today’swirelesssystemsarebadonthecellularradioconcept.

Cellularcommunicationsystemsallowalargenumberofmobileurstoamlesslyand

simultaneouslycommunicatetowirelessmodemsatfixedbastationsusingalimited

amountofradiofrequency(RF)ransmissionsreceivedatthebastations

fromeachmobilearetranslatedtobaband,ortoawidebandmicrowavelink,andrelayedto

mobileswitchingcenters(MSC),whichconnectthemobiletransmissionswiththePublic

SwitchedTelephoneNetwork(PSTN).Similarly,communicationsfromthePSTNarentto

thebastation,arsystemmployeither

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41

frequencydivisionmultipleaccess(FDMA),timedivisionmultipleaccess(TDMA),code

divisionmultipleaccess(CDMA),orspatialdivisionmultipleaccess(SDMA).

Wirelesscommunicationlinkxperiencehostilephysicalchannelcharacteristics,such

astime-va

addition,theperformanceofwirelesscellularsystemstendstobelimitedbyinterferencefrom

otherurs,andforthatreason,itisimportanttohaveaccuratetechniquesformodeling

omplexchannelconditionsaredifficulttodescribewithasimple

analyticalmodel,althoughveralmodelsdoprovideanalyticaltractabilitywithreasonable

r,evenwhenthechannelismodeledinan

analyticallyelegantmanner,inthevastmajorityofsituationsitisstilldifficultorimpossible

toconstructanalyticalsolutionsforlinkperformancewhenerrorcontrolcoding,equalization,

diversity,tionapproaches,

therefore,areusuallyrequiredwhenanalyzingtheperformanceofcellularcommunication

links.

Likewirelesslinks,thesystemperformanceofacellularradiosystemismosteffectively

modeledusingsimulation,duetothedifficultyinmodelingalargenumberofrandomevents

andomevents,suchasthelocationofurs,thenumberof

simultaneousursinthesystem,thepropagationconditions,interferenceandpowerlevel

tti培根随笔 ngsofeachur,andthetrafficdemandsofeachur,combinetogethertoimpactthe

rementioned

variablesarejustasmallsamplingofthemanykeyphysicalmechanismsthatdictatethe

inm

cellularradiosystem,therefore,referstotheentirepopulationofmobileursandba

stationsthroughoutthegeographicrvicearea,asoppodtoasinglelinkthatconnectsa

gnforaparticularsystem-level

performance,suchasthelikelihoodofaparticularurhavingacceptablervicethroughout

thesystem,itisnecessarytoconsiderthecomplexityofmultipleursthataresimultaneously

,simulationisneededtoconsiderthe

multi-ureffectsuponanyoftheindividuallinksbetweenthemobileandthebastation.

Thelinkperformanceisasmall-scalephenomenon,whichdealswiththeinstantaneous

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42

changesinthechanneloverasmalllocalarea,orsmalltimeduration,overwhichtheaverage

sumptionsarensibleinthedesignoferror

controlcodes,equalizers,andothercomponentsthatrvetomitigatethetransienteffects

r,inordertodeterminetheoverallsystemperformanceofa

largenumberofursspreadoverawidegeographicarea,itisnecessarytoincorporate

large-scaleeffectssuchasthestatisticalbehaviorofinterferenceandsignallevelxperienced

byindividualursoverlargedistances,whileignoringthetransientchannelcharacteristics.

Onemaythinkoflink-levelsimulationasbeingavernieradjustmentontheperformanceofa

communicationsystem,andthesystem-levelsimulationasbeingacoar,yetimportant,

approximationoftheoveralllevelofqualitythatanyurcouldexpectatanytime.

,rvealargenumberofurs)byallowing

themobilestationstoshare,orreuacommunicationchannelindifferentregionsofthe

lreuleadstoco-channelinterferenceamongurssharing

thesamechannel,whichisrecognizedasoneofthemajorlimitingfactorsofperformanceand

opriateunderstandingoftheeffectsofco-channel

interferenceonthecapacityandperformanceisthereforerequiredwhendeployingcellular

systems,orwhenanalyzinganddesigningsystemmethodologiesthatmitigatetheundesired

ffectsarestronglydependentonsystemaspectsof

thecommunicationsystem,suchasthenumberofurssharingthechannelandtheir

spects,morerelatedtothepropagationchannel,suchaspathloss,shadow

fading(orshadowing),andantennaradiationpatternsarealsoimportantinthecontextof

systemperformance,

chapter,wewilldiscusstheapplicationofsystem-levelsimulationintheanalysisofthe

performanceofacellularcommunicationsystemundertheeffectsofco-channelinterference.

Wewillanalyzeasimplemultiple-urcellularsystem,includingtheantennaandpropagation

ethesimplicityoftheexamplesystemconsideredinthis

chapter,theanalysisprentedcaneasilybeextendedtoincludeotherfeaturesofacellular

system.

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43

2CellularRadioSystem

System-LevelDescription：

Cellularsystemsprovidewirelesscoverageoverageographicrviceareabydividing

ilable

frequencyspectrumisalsodividedintoanumberofchannelswithagroupofchannels

ationslocatedineachcellareequippedwithwirelessmodems

requencychannelsudinthetransmission

directionfromthebastationtothemobilearereferredtoasforwardchannels,while

channelsudinthedirectionfromthemobiletothebastationarereferredtoasrever

frequencydivisionduplex(FDD)isud,theforwardandreverchannelsaresplitin

atively,whentimedivisionduplex(TDD)isud,theforwardandrever

channelsareonthesamefrequency,butudifferenttimeslotsfortransmission.

Figure2.1Basicarchitectureofacellularcommunicationssystem

quiresthat

co-channelcells(cellssharingthesamefrequency)aresufficientlyfarapartfromeachother

lreuisimplementedbycoveringthegeographic

rviceareawithclustersofNcells,asshowninFigure2-2,whereNisknownasthecluster

size.

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44

Figure2.2Cellclustering:Depictionofathree-cellreupattern

TheRFspectrumavailableforthegeographicrviceareaisassignedtoeachcluster,

nnelsmakeuptheentire

spectrumavailableforthervicearea,andifthedistributionofursisuniformoverthe

rvicearea,theneachcellisassignedM/lustersarereplicatedoverthe

rvicearea,thereuofchannelsleadstotiersofco-channelcells,andco-channel

interferencewillresultfromthepropagationofRFenergybetweenco-channelbastations

-channelinterferenceinacellularsystemoccurswhen,forexample,a

mobilesimultaneouslyreceivessignalsfromthebastationinitsowncell,aswellasfrom

instance,oneco-channel

forwardlink(bastationtomobiletransmission)isthedesiredsignal,andtheother

co-channelsignalsreceivedbythemobileformthetotalco-channelinterferenceatthe

erleveloftheco-channelinterferenceisclolyrelatedtotheparation

delthecellswithahexagonalshape,asinFigure

2-2,theminimumdistancebetweenthecenteroftwoco-channelcells,calledthereu

distanceND

,is

RDNN3

（2.1）

whereRisthemaximumradiusofthecell(thehexagonisinscribedwithintheradius).

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45

Therefore,wecanimmediatelyefromFigure2-2thatasmallclustersize(smallreu

distanceND

),leadstohighinterferenceamongco-channelcells.

Thelevelofco-channelinterferencereceivedwithinagivencellisalsodependentonthe

ionedbefore,co-channel

berof

co-channelcellsinagiventierdependsonthetierorderandthegeometryadoptedto

,thecoverageareaofanindividualbastation).Forthe

classichexagonalshape,theclostco-channelcellsarelocatedinthefirsttierandthereare

ondtierconsistsof12co-channelcells,thethird,18,andsoon.

Thetotalco-channelinterferenceis,therefore,thesumoftheco-channelinterferencesignals

r,co-channelcellsbelongingtothe

firsttierhaveastrongerinfluenceonthetotalinterference,sincetheyareclortothecell

wheretheinterferenceismeasured.

Co-channelinterferenceisrecognizedasoneofthemajorfactorsthatlimitsthecapacity

andlinkqualityofawirelesscommunicationssystemandplaysanimportantroleinthe

tradeoffbetweensystemcapacity(large-scalesystemissue)andlinkquality(small-scale

issue).Forexample,oneapproachforachievinghighcapacity(largenumberofurs),

withoutincreasingthebandwidthoftheRFspectrumallocatedtothesystem,istoreducethe

r,

reductionintheclustersizeincreasco-channelinterference,whichdegradesthelinkquality.

Thelevelofinterferencewithinacellularsystematanytimeisrandomandmustbe

simulatedbymodelingboththeRFpropagationenvironmentbetweencellsandtheposition

tion,thetrafficstatisticsofeachurandthetypeof

channelallocationschemeatthebastationsdeterminetheinstantaneousinterferencelevel

andthecapacityofthesystem.

Theeffectsofco-channelinterferencecanbeestimatedbythesignal-tointerferenceratio

(SIR)ofthecommunicationlink,definedastheratioofthepowerofthedesiredsignalS,to

thepowerofthetotalinterferencesignal,othpowerlevelsSandIarerandom

variablesduetoRFpropagationeffects,urmobilityandtrafficvariation,theSIRisalsoa

uently,theverityoftheeffectsofco-channelinterferenceon

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46

systemperformanceisfrequentlyanalyzedintermsofthesystemoutageprobability,defined

inthisparticularcaastheprobabilitythatSIRisbelowagiventhreshold0SIR

.Thisis

（2.2）

Whereistheprobabilitydensityfunction(pdf)edistinction

betweenthedefinitionofalinkoutageprobability,thatclassifiesanoutagebadona

particularbiterrorrate(BER)orEb/N0thresholdforacceptablevoiceperformance,andthe

systemoutageprobabilitythatconsidersaparticularSIRthresholdforacceptablemobile

performanceofatypicalur.

Analyticalapproachesforestimatingtheoutageprobabilityinacellularsystem,as

discusdinbefore,requiretractablemodelsfortheRFpropagationeffects,urmobility,and

trafficvariation,unately,itisverydifficult

touanalyticalmodelsfortheeffects,duetotheircomplexrelationshiptothereceived

ore,theestimationoftheoutageprobabilityinacellularsystemusually

reliesonsimulation,chapter,weprenta

simpleexampleofasimulationofacellularcommunicationsystem,withtheemphasisonthe

systemaspectsofthecommunicationsystem,includingmulti-urperformance,traffic

engineering,rtoconductasystem-levelsimulation,anumberof

ncludethechannel

model,theantennaradiationpattern,andtherelationshipbetweenEb/,theSIR)and

theacceptableperformance.

SIR(x)p

SIR(x)p

dxp]SIRPr[SIRP)x

0SIR

0

SIR0outpage（

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附录B中文翻译

蜂窝无线通信系统的研究

摘要

蜂窝通信系统允许大量移动用户无缝地、同时地利用有限的射频（radiofrequency，

RF）频谱与固定基站中的无线调制解调器通信。基站接收每一个移动台发送来的射频信

号，并把他们转换到基带或者带宽微波链路，然后传送到移动交换中心（MSC），再由

移动交换中心连入公用交换电话网（PSTN）。同样的，通信信号也可以从PSTN传送到

基站，再从这里发送个移动台。蜂窝系统可以采用频分多址（FDMA）、时分多址

（TDMA）、码分多址（CDMA）或者空分多址（SDMA）中的任何一种技术。

1概述

人们开发出了许多无线通信系统，为不同的运行环境中的固定用户或移动用户提供

了接入到通信基础设施的手段。当今大多数无线通信系统都是基于蜂窝无线电概念之上

的。蜂窝通信系统允许大量移动用户无缝地、同时地利用有限的射频（radiofrequency，

RF）频谱与固定基站中的无线调制解调器通信。基站接收每一个移动台发送来的射频信

号，并把他们转换到基带或者带宽微波链路，然后传送到移动交换中心（MSC），再由

移动交换中心连入公用交换电话网（PSTN）。同样的，通信信号也可以从PSTN传送到

基站，再从这里发送个移动台。蜂窝系统可以采用频分多址（FDMA）、时分多址

（TDMA）、码分多址（CDMA）或者空分多址（SDMA）中的任何一种技术。

无线通信链路具有恶劣的物理信道特征，比如由于传播途径中有再大的障碍物，会

产生时变多径和阴影。此外，无线蜂窝系统的性能还会受限于来自其他用户的干扰，因

此，对干扰进行准确的建模就很重要。很难用简单的解析模型来描述复杂的信道条件，

虽然有集中模型确实易于解析求解并与信道实测数据比较相符，不过，即使建立了完美

的信道解析模型，再把差错控制编码、均衡器、分集及网络模型等因素都考虑再链路中

之后，要得出链路性能的解析在绝大多数情况下任然是很困难的甚至是不可能的。因此，

在分析蜂窝通信链路的性能时，常常需要进行仿真。

跟无线链路一样，对蜂窝无线系统的性能分析使用仿真建模时很有效的，这是由于

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48

在时间和空间上对大量的随机事件进行建模非常困难。这些随机事件包括用户的位置、

系统中同时通信的用户个数、传播条件、每个用户的干扰和功率级的设置（powerlevel

tting）、每个用户的话务量需求等，这些因素共同作用，对系统中的一个典型用户的总

的性能产生影响。前面提到的变量仅仅是任一时刻决定系统中的某个用户瞬态性能的许

多关键物理参数中的一小部分。蜂窝无线系统指的是，在地理上的服务区域内，移动用

户和基站的全体，而不是将一个用户连接到一个基站的单个链路。为了设计特定大的系

统级性能，比如某个用户在整个系统中得到满意服务的可能性，就得考虑在覆盖区域内

同时使用系统的多个用户所带来的复杂性。因此，需要仿真来考虑多个用户对基站和移

动台之间任何一条链路所产生的影响。

链路性能是一个小尺度现象，它处理的是小的局部区域内或者短的时间间隔内信道

的顺时变化，这种情况下可假设平均接收功率不变。在设计差错控制码、均衡器和其他

用来消除信道所产生的瞬时影响的部件时，这种假设时合理的。但是，在大量用户分布

在一个广阔的地理范围内时，为了确定整个系统的性能，有必要引入大尺度效应进行分

析，比如在大的距离范围内考虑单个用户受到的干扰和信号电平的统计行为时，忽略瞬

时信道特征。我们可以将链路级仿真看作通信系统性能的微调，而将系统级仿真看作时

整体质量水平粗略但很重要的近似，任何用户在任何时候都可预计达到这个水平。

通过让移动台在不同的服务区内共享或者复用通信信道，蜂窝系统能达到较高的容

量（比如，为大量的用户服务）。信道复用会导致公用同一信道的用户之间产生同频干

扰，这是影响蜂窝系统容量和性能的主要制约因素之一。因此，在设计一个蜂窝系统时，

或者在分析和设计消除同频干扰负面影响的系统方法时，需要正确理解同屏干扰对容量

和性能的影响。这些影响主要取决于通信系统的状况，如共享信道的用户数和他们的位

置。其他与传播信道条件关系更密切的方面，如路径损耗、阴影衰落（或叫阴影）、天

线辐射模式等对系统性能的影响也很重要，因为这些影响也岁特定用户的位置而改变。

本章我们将讨论在同频干扰情况下，包括一个典型系统中的天线和传播的影响。尽管本

章考虑的例子比较简单，但提出的分析方法可以容易地进行扩展，以包括蜂窝系统的其

他特征。

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2蜂窝无线系统

系统级描述：

如图2.1所示，通过把地理区域分成一个个称为小区的部分，蜂窝系统可以在这个

区域内提供无线覆盖。把可用的频谱也分成很多信道，每个小区分配一组信道，每个小

区中的基站都配备了可以同移动用户进行通信的无线调制解调器。从基站到移动台这个

发送方向使用的射频信道称为前向信道，而从移动台到基站这个发送方向使用的信道称

为反向信道。前向信道和反向信道共同构成了双工蜂窝信道。当使用频分双工

（FDD,frequencydivisionduplex）时，前向信道和反向信道使用不同的频率；当使用时

分双工时（TDD,timedivisionduplex）时，前向信道和反向信道占用相同的频率，但使

用不同的时隙进行传送。

图2.1蜂窝通信系统的基本结构

高容量的蜂窝系统在小区间进行频率复用，同频小区（共用相同频率的小区）之间

要离开足够的距离以减轻同频干扰。如图2.2所示，N个小区构成一个簇（cluster，又

叫“区群”），覆盖地理上的服务区，以实现信道复用，N是簇的大小。

把服务区内可用的无线频谱都分配给每一个簇，使同一个簇内的小区不共用相同的

信道。如果服务区内的可用频谱由M个信道构成，用户均匀分布在服务区内，则每个

小区可以分得M/N个信道。因为簇在服务区内复制，复用信道将导致同频小区的层状

结构（tier）。同频基站和移动台之间的射频能量传播，会引起同频干扰。例如，如果一

个移动台同时接收来自本地小区基站的信号和邻近层的同频小区基站产生的信号，就会

产生同频干扰。本例中，其中一个同频前向链路信号（基站到移动台的传输）是我们的

有用信号，移动台接收到的其他同频信号就构成了对接机的同频干扰，同频干扰的功率

级与同频小区之间的分隔距离密切相关。如果小区建模为如图2-2所示的六边形。两个

理工大学学士学位论文

50

同频小区中心之间的最小距离ND

（叫做复用距离）等于

RDNN3

（2.1）

式中R式小区的最大半径（这个六边形内接在半径为R的圆中）。因此，我们马上

可以从图2.2看出，小簇（小复用距离ND

）会引起同频小区间的大干扰。

图2.2小区簇：三小区复用模式的描述

在一个指定小区中接收到的同频干扰的电平，还取决于任一时刻活跃的同频小区的

数量。如前所述，在我们感兴趣的那个特定小区周围，同频小区组成一个个的层。在一

个给定层中，同频小区的数量取决于层的阶次和用来表示小区的几何形状（如一个基站

覆盖的面积）。对于典型的六边形，最近的同频小区在第一层，有六个同频小区，第二

层有12个，第三层有18个，以此类推。因此，总的同频干扰时从所有层的全部同频小

区发送出的同频干扰信号的总和。但是第一层的同频小区对总的干扰时从所有层的全部

同频小区发送出的同频干扰信号的总和。但是第一层的同频小区对总的干扰有较强的影

响，因为它们更靠近测量干扰的小区。

人们认识到同频干扰时制约无线通信系统的容量和链路质量的主要因素之一。在系

统容量（大尺度系统问题）和链路质量（小尺度系统问题）之间作折中时，它起到举足

轻重的作用。例如，在不增加分配给系统的无线频谱带宽的前提下，得到高容量（大量

的用户）的一种措施是，通过减小蜂窝系统簇的大小N，来缩短信道复用距离。然而，

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51

减少簇大小又增加了同频干扰，这会降低链路质量。

蜂窝系统中的干扰电平在任何时候都是随机的，必须通过对蜂窝之间的射频传播环

境和移动用户的位置进行建模才能仿真。另外，每个用户话务量的统计特性以及基站中

信道分配方案的类型决定了瞬时干扰电平和系统的容量。

同频干扰的影响可以用通信链路的信干比（SIR）来估计，这里信干比定义为有用

信号的功率S与总干扰信号的功率I之比。由于无线传播影响，用户移动性以及话务量

的变化，功率级S和I都是随机变量，SIR也是一个随机变量。因此，同频干扰对系统

性能产生影响的严重程度，通常用系统的中断概率来进行分析。在这个特定场合下，中

断概率定义为SIR低于给定阈值0SIR

的概率，即

（2.2）

其中是SIR的概率密度函数。要注意链路中断概率和系统中断概率之间的

区别，前者是根据可接受的声音性能所需的特定误比特率（BER）或者Eb/N0阈值，确

定是否为中断，而后者考虑的是一个典型用户可接受的移动性能所需的SIR阈值。

如前所述，用来估计蜂窝系统中断概率的解析方法，需要已知射频传播影响、用户

移动性和话务量变化等随机量的易于处理的模型，以求得的解析表达式。然而，

由于这些影响和接受信号电平间的复杂关系，很难对这些影响采用解析模型。因此，主

要靠仿真来估计蜂窝系统的中断概率，仿真还为分析提供了灵活性。本章我们给出了蜂

窝通信系统的简单仿真示例，着重考虑通信系统的一些系统方面的问题，包括多用户性

能、话务量工程和信道复用。为了进行系统级仿真，要考虑单个通信链路的许多方面，

包括信道模型、天线辐射模式，以及Eb/N0（如SIR）和可接受性能之间的关系。

SIR(x)p

dxp]SIRPr[SIRP)x

0SIR

0

SIR0outpage（

SIR(x)p