CDMA系统性能分析与仿真

摘 要
　　CDMA数字蜂窝移动通信系统由于其具有良好的通信性能，已成为近年来国际上研究的热点之一。扩展频谱通信是具有广阔发展前景的通信方式之一，并广泛应用于军事通信和民用通信中。
　　码分多址接入CDMA(Code Division Multiple Access)方式以频谱利用率高、抗多经、抗干扰、软容量、低功率、软切换、宏分集、频率规划简单以及用户接入方便等其它多址技术不可比拟的优越性被认为是未来移动通信系统的理想接入技术之一。
　　能够提供大的系统容量是CDMA通信技术一个突出优点，CDMA系统的容量是干扰受限的，降低干扰可以直接增加其系统容量，这可以通过提高扩频增益实现。当然，通过一些其它技术如功率控制、语音激活、抗多径衰落等也可以增强其系统容量。
　　本文首先全面分析了CDMA通信技术的各项性能指标；然后研究了决定和影响其系统容量的各个参数，以及系统容量的各种增强技术；最后结合仿真图形加以分析说明，用实验结果论证了理论分析的正确性。

关键词： 移动通信，CDMA，系统容量
              
ABSTRCT
　　CDMA digital cellular mobile system has remarkable communication performance. It has been one of the hottest research topics in recent years. Spread Spectrum communication became one of the communication ways with wide developing prospect, and has being applied to military communication and civil communication extensively.
　　CDMA (Code Division Multiple Access ) is one of the promising technology for future mobile communication system because of its several feature with which other multiple access technology can not compare: higher efficiency of frequency allocation, robust ani-multipath effect, macro diversity mitigating interference, soft capacity low power, soft handoff simple frequency design, easy access, and so on.
   One of the projecting advantage of CDMA is which can provide a large capacity of system. It's capacity is limited by the interference of system. If we can reduce the interference by raise the multiple of spreading frequency band, there will be a rise of the capacity. Of course, there are still any other ways to increase the capacity, such as controlling efficiency, activating voice , decline interference of multiple channels.
　　 In this paper, we analyze all the functions of CDMA system at first. Then we study the parameters which can decide or affect capacity of the system, and the technology which can increase it. Finally, we use the result of experiment-graphs to verify the theory, and illustrate it's true.
　　
　　KEY WORDS: the mobile communication, CDMA, capacity of system
 
前 言
　　80年代末，全球范围从模拟向数字蜂窝技术的突然转变，使欧洲的GSM数字技术受益匪浅，并迅速推广到近100个国家，占据了几乎是无可争议的市场领先地位。然而，更具突发性的是CDMA技术在蜂窝移动通信中的应用。CDMA最初应用于军事抗干扰通信，而后由Qualcomm公司更新成为商用蜂窝电信技术，但当时业界对CDMA是否适合商用还疑虑重重。近几年来，经过电信界广泛的研讨、论证，特别是在韩国政府的积极倡导和推动下，CDMA移动通信系统得到了迅猛的发展。在韩国，CDMA网络运营仅一年多便发展到400万用户，网络运行正常，语音清晰，充分证明了CDMA技术是成熟的。系统容量和话音质量较目前其他蜂窝系统(GSM、TDMA、PDC、TACS、AMPS)而言，具有显著的优越性。
　　我国个人移动通信现在主要使用的是GSM系统，它以TDMA（时分多址）为主要技术，CDMA将作为下一世纪的无线接入技术，而WCDMA将成为目前各种第二代移动系统(GSM、IS-95、PDC等)的交汇点，发展成第三代系统。但未来的统一将要经过一个艰苦的过程，CDMA技术将在未来的通信中起越来越重要的作用。许多电信业的专家认为，CDMA扩频技术将在21世纪最初几年内使其他所有技术黯然失色。它将取代模拟的AMPS，并超过GSM等其他技术。这种高效的新型通信模式将随同其宽带衍生技术--WCDMA快速发展，满足用户对个人通信系统(即PCS)的要求，并成为全球无线本地环路的必然选择。本文研究的主要问题就是CDMA的容量分析。
　　第一章首先概略的介绍了移动通信的历史，现在和将来，同时介绍了移动通信的主要技术，并相应的介绍了TDMA的原理，为以后与CDMA比较分析打下基础。第二章全面的分析了CDMA通信技术的各项性能，展示了CDMA在系统平均误码率、抗干扰能力、抗多径干扰能力等各方面的优势，并在对其整体把握的基础上引出了第三章内容CDMA的容量分析，这是全文的理论核心部分。这里首先推导出容量的表达式，然后从扩频增益G、信噪比（误码率）、扩频编码的性能、语音激活率、功率误差和多用户检测技术等诸方面分析了系统容量的变化情况，并通过与TDMA系统的比较全面展现了CDMA系统强大的用户容量。
　　在理论分析之后，为了验证理论的正确性，更直观的说明问题，本文又在MATLAB下实现了CDMA系统仿真，绘制图形，并针对各个图形加以理论说明，用仿真得到的客观结果来验证理论分析的正确性。这样，全方位、多角度的分析问题，达到了理论联系实际的效果。这种方法不仅适用于本次毕业设计，也适用于将来的学习和工作，是解决工程问题的普遍性思路。

第一章 移动通信的历史、现在和将来
　　移动通信从产生到现在的历史并不长，然而移动通信的发展速度却远远超出人们的预料，尤其是最近十几年来，随着微电子技术，计算机和软件工程的发展，移动通信设备的质量、使用方面和可靠性等方面都达到了日新月异的境地。
1.1 移动通信的历史
　　随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高。理想的目标是能在任何时候、在任何地方、与任何人都能及时沟通联系、交流信息。显然，没有移动通信，这种愿望是无法实现的。
　　顾名思义，移动通信是指通信双方至少有一方在移动中(或者临时停留在某一非预定的位置上)进行信息传输和交换，这包括移动体(车辆、船舶、飞机或行人)和移动体之间的通信，移动体和固定点(固定无线电台或有线用户)之间的通信。
　　移动通信是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之一，也是将在21世纪对人类的生活和社会发展有重大影响的科学技术领域之一。简要地回顾一下移动通信的发展历史，可以看到现代移动通信飞跃发展的历程。
　　第一阶段：从二十世纪20年代至40年代初，移动通信有了初步的发展，主要使用对象是船舶、飞机、汽车等专用移动通信以及运用在军事通信中。限于当时的技术，移动通信的设备又大又笨重，效果也很差。
     第二阶段：到了40年代中至60年代末，移动通信有了进一步的发展，专用移动无线电话系统大量涌现，广泛用于公安、消防、出租汽车、新闻等方面。移动通信的设备有了很大改善，通信效率大大提高。这时，移动通信逐步走进了公众的日常生活，人们已经看到了个人化移动通信的曙光。
     第三阶段：到了70年代至80年代，集成电路技术、微型计算机和微处理器的快速发展，以及由美国贝尔实验室推出的蜂窝系统的概念及其理论在实际中的应用，使得美国、日本等国家纷纷研制出陆地移动电话系统。可以说，这时的移动通信系统真正地进入了个人领域。这个时期的系统的主要技术是模拟调频、频分多址，故称之为蜂窝式模拟移动通信系统，或称为第一代移动通信系统。
　　第四阶段：90年代至今，随着数字技术的发展，通信领域面向数字化、综合化、宽带化的方向发展。以数字传输、时分多址为主体技术的第二代移动通信系统已成为现在个人通信的主流。作为宽带多媒体蜂窝系统的第三代移动通信也浮出水面，并以其强大的功能成为未来个人通信的方展方向。这将在下面介绍。
1.2 移动通信的现在
     诚如前文所述，现阶段个人通信广泛使用属于第二代移动通信的GSM系统。下面简要介绍一下GSM系统。
1.2.1 GSM简介
　　蜂窝移动通信网从开始使用到现在还不到20年的时间，其发展速度之快十分惊人。在一些经济发达的国家或地区，因为移动通信业务的激增，使人们很早就预感到模拟蜂窝网 面临着容量不足的压力，需要寻求一种通信容量更大的新型蜂窝系统；而且由于当前计算机和数据终端的应用日益广泛，非话通信业务的需求迅速增多，从而使模拟蜂窝网适应不了移动通信业务发展的需要。在这种情况下，出现了以GSM为代表的时分多址数字蜂窝网。
　　GSM的历史可以追溯到1982年，当时，北欧四国向欧洲邮电行政大会CEPT(Conference Europe of Post and Telecommunications)提交了一份建议书，要求制定900 MHz频段的欧洲公共电信业务规范，建立全欧统～的蜂窝网移动通信系统，以解决欧洲各国由于采用多种不同模拟蜂窝系统造成的互不兼容无法提供漫游服务的问题。同年成立了欧洲移动通信特别小组，简称GSM (Group special Mobile)。在1982年～198s年期间，讨论焦点是制定模拟蜂窝网还是数字蜂窝网的标准问题，直到1985年才决定为制定数字蜂窝网标准。1986年，在巴黎对欧洲各国经大量研究和实验后所提出的八个数字蜂窝系统进行了现场试验。1987年5月，GSM成员国经现场测试和论证比较，选定窄带TDMA方案。1988年i8个欧洲国家达成GSM谅解备忘录，颁布了GSM标准，即泛欧数字蜂窝网通信标准，它刨舌两个并行的系统：GSM 900和DCS800。，这两个系统功能相同，主要的差异是频段不同。在GSM标准中，未对硬件作出规定，只对功能、接口等作了详细规定，便于不同公司的产品可以互连互通。
1.2.2 GSM系统的主要技术
　　GSM的主要技术是采用窄带时分多址TDMA。这里先介绍时分多路复用(TDM)的概念。
　　时分多路复用（TDM）的存在基础是在时域上信号持续时间很短，并没有充满一段发送时间，为节省传送时隙、充分利用系统资源而采用的一种传输方法。它将一段传输时间分成若干小的时间片，每一时间片由复用的一个信号占用，每一瞬间只有一个信号占用信道，而一个时间段内又有若干来自不同信源的信号。也就是说，信号在时间段级是并行的，而在时间片级是串行的。从性质上说，其较适合用于数字信号的传输。

　　移动通信是20世纪经济、能源、交通运输与通信技术高速发展相结合的产物。移动通信的发展，经历了模拟移动通信和数字移动通信两大历程。而数字移动通信体系中，目前应用最多的是时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)两种技术。CDMA技术比起TDMA技术来说，投人商用较晚，但是却早已显示出强大的生命力。也有人认为，CDMA蜂窝移动通信代表着第三代移动通信技术。
　　本次论文在CDMA系统性能全面把握的基础上，对其系统容量进行了理论分析和仿真。首先在理论上给出了容量的表达式；然后分析了影响容量的几个因素，有扩频增益G（扩频码长N）、误码率、功率控制、语音激活率和扩频编码的性能等；最后定量的给出了多用户检测技术对系统容量的增益。当然，这些都通过第四章系统仿真的图形加以证明。这一部分可以说是论文的重点。
　　另一方面，本文还讨论了CDMA容量的增强技术，并通过与TDMA系统容量的比较充分展示了CDMA强大的系统容量。今天，移动通信飞速发展，个人用户数成几何级增长，老的技术已难以满足需要，仅此一点就可看出CDMA广阔的市场前景。发展CDMA通信系统无疑是时代的必然选择。
　　这次毕设，我的工作主要是理论上的分析配以相应的仿真，没有什么创新之处。但能学习到现今移动通信的前沿技术仍让我激动不已，更让我受益匪浅，毕竟我迈出了从经典理论到前沿技术的关键一步。

目录
摘 要 2
ABSTRCT 3
目录 4
前 言 5
第一章 移动通信的历史、现在和将来 7
1.1 移动通信的历史 7
1.2 移动通信的现在 8
1.2.1 GSM简介 8
1.2.2 GSM系统的主要技术 8
1.3 移动通信的未来 9
1.3.1 CDMA简介 9
1.3.2 CDMA的原理 10
第二章 CDMA的系统性能分析 13
2.1CDMA系统概述 13
2.2 CDMA系统模型 13
2.3 CDMA系统平均信噪比和平均误码率 15
2.4 CDMA系统抗干扰能力 16
2.4.1 抗平稳随机过程的干扰 16
2.4.2 抗单频干扰 17
2.5 CDMA系统抗多径干扰能力 18
2.6 CDMA系统的主要优点 19
第三章 CDMA的系统容量分析 22
3.1 CDMA系统容量 22
3.1.1 系统容量的推导 22
3.1.2 对系统容量产生影响的几个因素 23
3.1.3 多用户检测技术对容量的提高 27
3.2 CDMA系统容量与TDMA系统容量的比较 28
3.2.1 主要的增强技术 28
3.2.2 系统容量的比较 29
第四章 仿真结果分析 31
4.1 验证系统允许误码率对容量的影响 31
4.2 验证扩频码长N对容量的影响 33
4.3 验证语音激活率对容量的影响 35
4. 4 验证功率误差对容量的影响 36
4.5 验证多用户检测技术对容量的影响 37
第5章 全文总结 38
参考文献 39
结 束 语 40
致谢 41