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毕业论文：第三代移动通信系统WCDMA在SystemView上的设计与仿真毕业论文：第三代移动通信系统WCDMA在SystemView上的设计与仿真毕业论文：第三代移动通信系统WCDMA在SystemView上的设计与仿真:2013-7-18 19:58:44毕业论文：第三代移动通信系统WCDMA在SystemView上的设计与仿真摘要 第三代移动通信系统（也称3G）是移动通信市场经历了第一代模拟技术的移动通信业务的引入，在第二代数字移动通信市场的蓬勃发展中被引入日程的，而WCDMA（宽带码分多址）则已成为第三代移动通信系统的主流技术之一。WCDMA主要起源于欧洲和日本的早期第三代无线研究活动，其中GSM的巨大成功对第三代系统在欧洲的标准化产生了重大的影响。本文通过System View对WCDMA通信系统进行仿真，WCDMA系统的System View的系统仿真主要包括电路交换承载业务DTCH上行链路仿真、基带频分双工宽带CDMA上行链路的仿真与分析、导频符号相干检测过程的仿真。本文先简单介绍了WCDMA 的起源、面临的市场机遇和业务情况，以及其技术特征和实际通信系统所涉及到的关键技术。本文通过借助System View仿真软件，重点进行WCDMA系统上行链路的仿真分析。通过对上行链路的信道编码、复用、扩频输出，以及接受端的解码、解扩，加深了对WCDMA系统的认识与理解。关键词: WCDMA 编码 扩频 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 generation 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 (3G). 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 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目录引 言4第一部分 第三代移动通信系统的发展和WCDMA简介5 1.1第三代移动通信系统的发展51.2 WCDMA系统概述61.3 WCDMA面临的机遇和未来的展望8第二部分 WCDMA 系统的原理及主要技术简介92.1WCDMA系统结构92.2WCDMA关键技术12第三部分 System View 软件的简介173.1 System View 仿真系统的特点173.2 System View 的操作183.3 System View专业扩展库3GPP：FDD库简介18第四部分 WCDMA系统在System View上的仿真设计及分析204.1传输信道编码和复用204.2 仿真设计21 第五部分 结论36参考文献37致谢 38翻译 39统一的移动通信系统WCDMA-FDD被寄予厚望。最后，移动通信技术日新月异，第二代通信系统的标准化和产业化工作已经完成了很久，其主要目的当时也仅仅是为了解决语音通信的需求。近年来，随着CDMA等无线通信技术的日益成熟，以及无线数据通信技术的发展，需要对原来无线通信技术体制进行相应的更新，提高频谱资源的利用效率，提高运营商的成本收益。1.3.2 WCDMA未来展望 3G的市场开发需要业务的牵引，不同于二代系统主要是为了解决人们随时随地话音通信的需求，3G能够具有支持不同媒体业务的能力，如何开发这些能力是3G业务开发的一个重要课题。为了提供市场前期牵引的能力，WCDMA规范注重了业务能力的开发。WCDMA预期提供的业务是非常丰富的。可以通过WCDMA终端，享受普通、宽带话音，多媒体业务，可视电话和视频会议电话；移动网络上的Internet应用也更为普遍，E-MAIL、WWW浏览、电子商务、电子贺卡等业务与移动网络相结合。移动办公类业务也是一个发展方向：Intranet接入、企业VPN等将大力普及。信息、教育类业务将有很好的应用前景，股票信息、交通信息、气象信息、位置服务（LCS）、网上教室、网上游戏等移动应用更将极大的丰富人们的生活。 IMT-2000提出了SoLSA、VHE等新的特色业务，使得业务提供更加灵活和个性化。R99中可通过MExE，SAT，CAMEL等现有技术来体现VHE的业务平台概念。WCDMA支持多呼叫，即能够向终端提供同时进行多个CS呼叫或PS会话的能力。WCDMA提供丰富的切换能力（同频、异频和不同系统间切换）以保证移动网络中的业务连续性问题。业务IP化、分组化、多媒体化、个性化、生成简单化是总的发展趋势。在未来的业务生成体系中，移动网络运营者、业务提供者（ISP）和内容提供者（ICP）将进行紧密的分工合作。特别重要的是，未来的网络将提供开放的业务结构（OSA），移动运营者可以自己或者和其他机构合作在网络提供的开放业务平台上开发出各种各样的灵活业务，从而满足移动用户的更高要求。第二部分 WCDMA 系统的原理及主要技术简介2.1WCDMA系统结构2.1.1 WCDMA 的系统结构 UMTS Universal Mobile Telecommunications System ，通用移动通信系统是采用WCDMA空中接口技术的第三代移动通信系统，通常也把UMTS系统称为WCDMA通信系统。UMTS系统采用了与第二代移动通信系统类似的结构，包括无线接入网络（Radio Access Network RAN）和核心网络（CoreNetwork CN）。其中无线接入网络处理所有与无线有关的功能，而CN处理UMTS系统内所有的话音呼叫和数据连接，并实现与外部网络的交换和路由功能。CN从逻辑上分为电路交换域（Circuit Switched Domain ，CS）和分组交换域（Packet Switched Domain，PS）。 UTRAN 、CN与用户设备（User Equipment UE ）一起构成了整个UMTS系统，其系统结构如图2-1所示 图2-1 UMTS 系统结构图 UE是用户终端设备，它主要包括射频处理单元基带处理单元、协议栈模块以及应用层软件模块等。UE通过Uu接口与网络设备进行数据交互，为用户提供电路域和分组域内的各种业务功能，包括普通话音、数据通信、移动多媒体、Internet应用（如email 、WWW浏览、FTP等）。UTRAN （UMTS Terrestrial Radio Access Network），即UMTS陆地无线接入网，是WCDMA系统的主要部分。包括基站Node B 和无线网络控制器RNC 两部分。 Node B Node B是WCDMA系统的基站（即无线收发信机），包括无线收发信机和基带处理部件。通过标准的Iub接口和RNC互连，主要完成Uu接口物理层协议的处理。它的主要功能是信道编码、扩频、调制发射及解扩、解调、信道解码，还包括基带信号和射频信号的相互转换等功能。 RNC Radio Network Controller RNC是无线网络控制器，主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合并、无线资源管理控制等功能。 CN ，即核心网络，负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理。 在Release99里，UTRAN是采用ATM的组网方式，在Release5里，UTRAN的组网方式同时支持ATM组网和IP组网两种方式。2.1.2 WCDMA 系统接口WCDMA 系统的接口主要包括Uu接口，Iu接口，Iur接口和Iub接口。如图2-1所示； Uu接口 Uu接口是WCDMA 的空中接口。UE通过Uu接口接入到UTRAN。它是UMTS系统中最主要的开放接口。 Iu接口 Iu接口是RNC 与CN 的接口，Iu 接口是一个开放的标准接口，在Iu 接口上承载的是RANAP 协议。 Iur接口 Iur接口是RNC 之间的接口，主要用于UE 在不同的RNC 之间进行软切换时，UE 所有的数据通过Iur 接口从SRNC 传到DRNC ，在Iur 接口上承载的是RNSAP 协议。Iur 是开放的标准接口，Iur 接口可以通过RNC 之间的直接物理连接或通过传输网连接。 Iub 接口 Iub 接口是Node B 与RNC之间的接口，在Iub接口承载的是NBAP协议。Iub接口也是一个开放的标准接口。在下行链路RNC通过Iub接口把传输信道的数据流传输到Node B, Node B通过信道编码 、扩频、加扰、调制等过程，然后通过Uu接口发送到UE 。在上行链路UE通过Uu接口把数据发送到Node B ，Node B经过多用户检测，RAKE接收，解扩信道解码等处理，通过Iub接口把传输信道的数据流传输到RNC ，RNC再把数据传输到CN。2.1.3 WCDMA的主要技术特征和发展 WCDMA 系统的优势在于，码片速率高，有效地利用了频率选择性分集和空间的接收和发射分集，可以解决多径问题和衰落问题，采用Turbo信道编解码，提供较高的数据传输速率，FDD 制式能够提供广域的全覆盖，下行基站区分采用独有的小区搜索方法，无需基站间严格同步。采用连续导频技术，能够支持高速移动终端。下面是WCDMA 系统的主要技术特点：基站同步方式：支持异步和同步的基站运行方式，灵活组网信号带宽：5MHz；码片速率：3.84Mcps发射分集方式：TSTD（时间切换发射分集）、STTD（时空编码发射分集）信道编码：卷积码和Turbo码，支持2M速率的数据业务调制方式：上行：BPSK；下行：QPSK功率控制：上下行闭环功率控制，外环功率控制解调方式：导频辅助的相干解调语音编码：AMR，与GSM兼容核心网络基于GSM/GPRS网络的演进，并保持与GSM/GPRS网络的兼容性MAP技术和GPRS隧道技术是WCDMA体制的移动性管理机制的核心，保持与GPRS网络的兼容性支持软切换和更软切换基站无需严格同步，组网方便WCDMA-FDD的优势在于，码片速率高，有效地利用了频率选择性分集和空间的接收和发射分集，可以解决多径问题和衰落问题，采用Turbo信道编解码，提供较高的数据传输速率，FDD制式能够提供广域的全覆盖，下行基站区分采用独有的小区搜索方法，无需基站间严格同步。采用连续导频技术，能够支持高速移动终端。相比第二代的移动通信制式，WCDMA具有：更大的系统容量、更优的话音质量、更高的频谱效率、更快的数据速率、更强的抗衰落能力、更好的抗多径性、能够应用于高达500km/h的移动终端的技术优势，而且能够从GSM系统进行平滑过渡，保证运营商的投资，为3G运营提供了良好的技术基础。2.1.4 WCDMA体制的演进我们可以总结WCDMA体制的演进方法是：Release 99提供了第三代全网解决方案，标准已经成熟，具备蜂窝移动网络的实现基础、基本功能和扩展条件：全新的无线接入网络UTRAN结合CS和PS域的核心网络增强型的GSM核心网络GERANRelease 4和Release 5进一步增加新的业务，优化技术体制和网络结构，是Release 99协议的补充和完善，保证了WCDMA体制的延续性：全IP网络新的无线接入方法HSDPA增强智能网络和安全。2.2WCDMA关键技术WCDMA产业化的关键技术包括射频和基带处理技术，具体包括射频、中频数字化处理，RAKE接收机、信道编解码、功率控制等关键技术和多用户检测、智能天线等增强技术。2.2.1射频和中频射频部分是传统的模拟结构，实现射频和中频信号转换。射频上行通道部分主要包括自动增益控制（RF AGC），接收滤波器（Rx滤波器）和下变频器。射频的下行通道部分主要包括二次上变频，宽带线性功放和射频发射滤波器。中频部分主要包括上行的去混迭滤波器、下变频器、ADC和下行的中频平滑滤波器，上变频器和DAC。与GSM信号和第一代信号不同，WCDMA的信号带宽为达到5MHz的宽带信号。宽带信号的射频功放的线性和效率是普遍存在的矛盾。2.2.2 RAKE接收机智能天线抑制干扰的能力在多数情况下受天线阵元个数的限制，且当感兴趣信号存在多个非相关多径时，阵列只保留其中的一路信号，而把零陷对准其它信号，这样，阵列能够减小由非相关多径带来的干扰，但未能发挥路径分集的优势，因而是次最优的。为此，联合时域和空域处理的接收技术成为研究的热点。空时RAKE接收机首先对存在角度扩展的多个路径分量进行波束成型，以降低DOA可分辨的其它用户信号产生的多址干扰或期望信号的非相关多径分量，然后将经过空间滤波后的信号送入RAKE合并器，以充分利用延迟可分辨的期望信号的多个路径的能量。空间波束形成旨在衰减干扰信号，而时间多径合并旨在利用有用信号。与时域和空域一维干扰抑制不同的是，空时二维干扰抑制不再使用强迫置零条件，而是考虑噪声的存在，使用优化准则。空时处理有名的优化准则有两个，一个是空时最小均方误差准则，另外一个是空时最大似然准则（习惯上称作最大似然序列估计MLSE准则）。2.2.3 WCDMA的信道编码方案WCDMA的信道编码方案包括以下几部分：纠错编码/译码（包括速度适配），交织/解交织，传输信道映射至/分离出物理信道。另外，某些业务的组合可能要求不同层次上的业务复用，也会在信道编译码器的设计上有所体现。信道编码方案已不仅仅是纠错的选择、编译码算法和交织算法的问题。它还涉及与高层消息的通信，从高层获得业务质量指示、业务复用方式等信息，以实现不同业务中不同编码和复用方案，以最高的效率提供多种业务的组合。为了适应多种速率的传输，信道编码方案中还增加了速率适配功能，WCDMA给出了一种速率适配算法，目的是把业务速率适配为标准速率集中的一种速率。当然，决定信道编码性能最基本的问题还是它的差错控制方案。WCDMA的提议中，它建议了三种前向信道纠错码，它们分别是：卷积码、Turbo码以及业务专用编码。卷积码沿用了第二代的技术，约束长度为9，常用码率为1/3和1/2，译码一般为基于最大似然的Viterbi算法。2.2.4功率控制 从保证无线链路可靠性的角度考虑,提高基站和终端的发射功率能够改善用户的服务质量而从自干扰的角度考虑,由于WCDMA采用了宽带扩频技术,所有用户共享相同的频谱,每个用户的信号能量被分配在整个频带范围内,而各用户的扩频码之间的正交性是非理想的,这样一来,某个用户对其他用户来说就成为宽带噪声,发射功率的提高会导致其他用户通信质量的降低&#65377因此,在WCDMA系统中功率的使用是矛盾的,发射功率的大小将直接影响到系统的总容量&#65377 此外,在WCDMA系统中还受到远近效应&#65380角效应和路径损耗的影响&#65377上行链路中,由于各移动台与基站的距离不同,基站接收到较近移动台的信号衰减较小,接收到较远移动台的信号衰减较大,如果不采用功率控制,将导致强信号掩盖弱信号,这种远近效应使得部分用户无法正常通信&#65377在下行链路中,当移动台处于相邻小区的交界处时,收到所属基站的有用信号很小,同时还会受到相邻小区基站的干扰,这就是角效应&#65377无线电波在传播中经常会受到阴影效应的影响,移动台在小区内的位置是随机的,且经常移动,所以路径损耗会快速大幅度地变化,必须实时调整发射功率,才能保证所有用户的通信质量&#65377功率控制通过对基站和移动台发射功率的限制和优化,使得所有用户终端的信号到达接收机时具有相同的功率,可以克服远近效应和角效应,补偿衰落,提高系统容量,因此,功率控制技术是WCDMA系统中最为重要的关键技术之一&#65377 功控参数的设置对功率控制的效果有着巨大的影响,为了提高系统的容量和服务质量,精确的功率控制是必不可少的&#65377精确的功率控制能够快速实时地跟踪无线环境的变化,使得每个用户发射的功率在满足解调时所需Eb/N0的基础上尽可能地小,即它实现了每个移动台在满足通信质量的同时能发射最小功率的目标&#65377在功率控制中需要考虑系统负载的变化&#65380信道状态的快速和慢速变化以及信道的衰落问题等&#65377为了做WCDMA系统的规划与优化,下面将讨论WCDMA的功率控制参数对系统设计的影响&#653772.2.5多用户检测技术 多用户检测技术(MUD) 是通过取消小区间干扰来改进性能，增加系统容量。实际容量的增加取决于算法的有效性、无线环境和系统负载。除了系统的改进，还可以有效的缓解远近效应。由于信道的非正交性和不同用户扩频码字的非正交性，导致用户间存在相互干扰，多用户检测的作用就是去除多用户之间的相互干扰。也就是根据多用户检测算法，在经过非正交信道和非正交的扩频码字，重新定义用户判决的分界线，在这种新的分界线上，可以达到更好的判决效果, 去除用户之间的相互干扰。 多用户检测的主要优点：它是消除或减弱CDMA中多址干扰的有效手段，也是消除或减弱CDMA中多径衰落干扰的有效手段，并且能够消除或减弱CDMA中远近效应，简化CDMA系统中的功率控制，降低功率控制的精度要求，弥补CDMA中由于正交扩频互相关性不理想所带来的一系列消极影响，改善CDMA系统性能，提高系统容量、扩大小区覆盖范围。多用户检测的主要缺点：大大增加CDMA系统的设备复杂度，增加CDMA系统的处理时延，特别是对于采用自适应算法，以及对于扩频码较长的系统更是如此。多用户检测一般需要知道很多附加信息，如所有用户的扩频码、衰落信道的主要统计参量：幅度、相位、延时等，这对于时变信道，需要不停地对每个用户信道进行实时估计才能实现，一般而言是非常困难的，而且参量估计的精度将直接影响多用户检测器的性能好坏。 多用户检测的想法最早在1979 年由Schneider提出来。1983 年Kohno et.al.发表了基于干扰消除算法的接收器的研究成果。1984 年Sergio Verdu 提议和分析了最优多用户检测和最大序列检测器，认为多址干扰是具有一定结构的有效信息，理论上证明采用最大似然序列检测(MLSD)可以逼近单用户接收性能，并有效地克服了远近效应，大大提高了系统容量，从而开始了对多用户检测的广泛研究。 但是MLSD 结构是匹配滤波器加上Viterbi 算法，其复杂度为2k，K 为用户数，这在工程上基本无法实现。后来开始研究各种次优化的多用户检测器，它可以用合理的复杂性实现较优化的性能，即在保证一定性能的条件下能够将复杂度降到工程可以接受的程度。次优多用户检测方案，主要分为线性多用户检测和干扰消除多用户检测两个方面。线性多用户检测对传统检测器的输出进行解相关或其他的线性变换以利于接收判决，而干扰消除利用可靠已知信息对干扰进行估计，然后在原信号中减去估计干扰以利于接收判决。2.2.6 智能天线 智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(Direction of Arrinal)，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信，用来完成空间滤波和定位等。近年来，随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入，现代数字信号处理技术发展迅速，数字信号处理芯片处理能力不断提高，利用数字技术在基带形成天线