基于SystemView的CDMA反向接入信道仿真实现

杨 翊

(浙江科技学院信息与电子工程学院,杭州310023)

CDMA是一种以扩频通信为基础的调制和多址连接技术。扩频通信技术在信号发送端用一高速伪随机码与数字信号相乘。由于伪随机码的码速率比数字信号的码速率大得多,因而扩展了信号传输带宽。在接收端,用相同的伪随机序列与接收信号相乘,进行相关运算,将扩频信号解扩。CDMA采用了诸如功率控制、分集接收、软切换、可变速率声码器、RAKE接收等一系列的关键技术,因此它具有抗干扰性好,抗多径衰落,保密安全性高,同频率可在多个小区内重复使用,所要求的载干比(C/I)小于1,容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使CDMA相对于其他系统具有一定的系统优势。

在码分多址数字蜂窝移动通信系统中,移动台与基站之间采用码分多址的方式进行连接。码分多址完全区别于传统的信号调制方式,信号在频率、时间、空间上互相重叠。CDMA信道可分为前向信道和反向信道。

本文介绍了CDMA反向接入信道,分析了信道的基本特点和性能参数,给出采用SystemView软件仿真反向接入信道链路的方法和仿真结果。

1 反向CDMA信道

反向CDMA信道由反向接入信道和反向业务信道组成。这些信道采用直接序列扩频的CDMA技术分享同一CDMA频率分配。图1显示了在反向CDMA信道上基站收到的所有信号。在这一反向CDMA信道上,基站和移动台使用不同的长码掩码来区分每个接入信道和反向业务信道。当长码掩码输入长码发生器时,会产生唯一的用户长码序列,其长度为242-1。对于接入信道,不同基站或同一基站的不同接入信道使用不同的长码掩码,而同一基站的同一接入信道用户所用的接入信道长码掩码是一致的。进入业务信道以后,不同的用户使用不同的长码掩码,也就是不同的用户具有不同的相位偏置。一个基站可采用频分复用方式使用多个CDMA信道[1-3]。

图1 基站接收反向逻辑CDMA信道Fig.1 CDMA reverse link access channel

图2显示了反向CDMA信道的整个结构。反向CDMA信道的数据传送以20 ms为一帧。所有数据在发送之前均经过卷积编码、块交织、64阶正交调制、直接序列扩频及基带滤波。接入信道与业务信道调制的区别在于:接入信道调制不经过最初的“增加帧指示比特”和“数据突发随机化”这两个步骤,也就是说,反向接入信道中没有增加CRC校验比特,而且接入信道的速率是固定的,而不像反向业务信道那样可以选择不同的速率发送。

反向CDMA信道的调制包括反向业务信道调制和接入信道调制。反向业务信道有2种速率编码系统,称为速率集1(8 kbit/s编码)和速率集2(13 kbit/s编码)。速率集1支持9 600,4 800,2 400,1 200 bit/s的可变数据速率,速率集2支持14 400,7 200,3 600,1 800 bit/s的可变数据速率。在这里主要介绍速率集1的CDMA信道结构。

从图2可以看出,接入信道的信源编码为4 400 bit/s,即88 bit/帧(1帧=20 ms,1 s=50帧,4 400/50=88 bit),每帧增加8个编码尾比特后为96 bit/帧,则码速率为96×50=4 800 bit/s。这样反向接入信道的数据帧就由4 800 bit/s的固定速率发送。

2 反向接入信道的SystemView仿真

2.1 接入信道时间安排及与寻呼信道的关系

图2 CDM A反向接入信道结构Fig.2 Structure of CDMA reverse link access channel

移动台在接入信道上发送信息的速率固定为4 800 bit/s,接入信道的帧长度为20 ms。仅当系统时间为20 ms的整数倍时,接入信道帧才能开始。一个寻呼信道最多可对应32个反向CDMA,标号从0至31。对于每个寻呼信道,至少应有一个反向接入信道与之对应,每个接入信道都应与一个寻呼信道相关联[5-7]。

2.2 接入信道帧结构

反向CDMA接入信道帧由88个信息比特和8个编码尾比特构成,没有CRC校验比特。数据速率固定在4 800 bit/s,见图3。

图3 反向接入信道帧结构Fig.3 Frame structure of CDMA reverse link access channel

为了增强接入信道的可靠性,每个经卷积编码出来的码符号是被重复一次再进行发射的。当移动台刚进入接入信道时,首先发送一个接入信道前缀,它的帧由96个全0组成,也是以4 800 bit/s的速率发射。发射接入信道前缀是为了帮助基站捕获移动台的接入信道消息。

2.3 反向CDMA信道的调制参数

反向CDMA信道调制的过程包括:加编码器尾比特、卷积编码、码符号重复、块交织、64阶正交调制、长码扩频、OQPSK调制、基带滤波等[1]。

反向信道4 800 bit/s帧的传输工作周期为50%,由于传输工作周期与数据率成比例的变化,因此实际突发的传输率固定在28 800码符号/s。由于每6个码符号被调制成一个调制符号用于传输,所以调制符号传输率为28 800/6=4 800调制符号/s,调制符号又由64阶Walsh函数中的一个进行调制,每个调制符号具有64个Walsh比特片,因此Walsh比特片速率为固定的4 800×64=307.2 kchip/s。又由于每一个Walsh比特片被扩为4个PN比特片,所以扩频PN序列的速率为1.228 8 Mchip/s。

对于反向接入信道,除加入8个编码尾部比特后数据速率固定在4 800 bit/s外,其他数值均和反向业务信道相同。每个码符号重复一次,传输工作周期为100%。表1定义了接入信道上信号速率及其关系。

2.4 SystemView仿真实现

SystemView是一个信号级的系统仿真软件,是由美国ELANIX公司设计和开发的,主要用于从数字信号处理、滤波器设计,到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。SystemView应用于Windows窗口环境下,以模块化和交互式为界面,为用户提供了一个嵌入式的分析引擎。在研究中,利用SystemView构建了一个CDMA反向接入信道的链路级系统仿真[3]。

在一个CDMA频道中,最多可有32个接入信道,最少是0;每个接入信道用不同的接入信道长伪随机码序列加以识别。反向接入信道是一个随机接入信道,供网内移动台随机占用。移动台在此信道发起呼叫及传送应答信息。

移动台通过接入信道向基站进行登记、发起呼叫、响应基站发来的呼叫等。接入信道的数据速率是4 800 bit/s。

反向接入信道以固定的4.8 kbit/s速率传输,码符号只重传1次。2个重复的码符号均被发送。主要模块说明如下:

数据速率——反向接入信道以固定的4.8 kbit/s速率传输。

卷积编码——反向接入信道要进行卷积编码,码率为1/3,约束长度为9。卷积编译码的作用是为了纠错,尤其是可以纠突发错误。

码元重复——在接入信道时,数据速率固定为4 800 bit/s,因而每一码元只重复1次,而2个重复的码元都要发送。

分组交织——所有码元重复之后都要进行分组交织。分组交织的跨度为20 ms。交织器组成的阵列是32行×18列(即576单元)。输入码元(包括重复单元)按顺序逐列从左到右写入交织器的32×18矩阵,直到填满。

正交调制——在反向CDMA信道中,把交织器输出的码元每6个作为一组,用64进制的Walsh码(称为调制码元)进行传输。调制码元的传输速率为28 800/6=4 800 bit/s,每一调制码元含64个子码,因此Walsh码的子码速率=64×4 800=307.2 kbit/s,相应的子码宽度为3.255μs。

直接序列调制——接入信道是64进制正交调制器输出的码流和长码模2加。

四相调制——用I/Q伪随机序列进行调制。

依据反向接入信道链路框图和SystemView所提供的IS-95库得出仿真电路如图4所示[3]。

图4所示仿真电路的部分功能参数见表2。

表1 接入信道调制参数Table 1 Modulation parameter of reverse link access channel

3 仿真结果

图4 反向接入信道仿真电路图Fig.4 Simulation circuit of CDMA reverse link access channel

表2 仿真电路的部分功能参数Table2 Parameters of some simulation circuit

图标0产生的系统输入信源的帧结构为88 bit/s,即数据率为88 bit/20 ms=4.4 kbit/s。经帧质量检验器图标1加入编码器尾比特后,每帧附加供译码用的8位尾比特,则数据率变成(88+8)bit/20 ms=4.8 kbit/s,再经过编码率为1/3的卷积编码器图标2,码速率变成4.8×3=14.4 ks/s,经过码元重复器图标3,使之加倍,码速率为14.4 ks/s×2=28.8 ks/s。经过交织器图标4,速率保持不变,交织后的码流每6个为一组,在Walsh函数调制器被其被64元Walsh函数调制,即每6位符号换成1位持续时间的Walsh函数序列。调制器输出的序列被由方波脉冲发生器图标9,所产生码率为1.228 8 Mbit/s的长码PN序列(242-1)所掩盖。然后经过I,Q支路(图标11,14)分别被码速率为1.228 8 Mbit/s的短码PN序列215扩展。由基带滤波器图标19,20完成基带滤波。I,Q两路信号分别经过增益控制后,由图标21,QPSK调制并合成数据,经过数据保持后,由观察窗进行观察结果。图5的输出结果与图6的SyemView自带的CDMA反向信道模型AccessCH输出信号基本吻合,在对应的时间上,信号幅度差值很小,因此可以证明仿真的反向接入信道结构是正确的。

4 结 语

利用SystemView对IS-95标准的CDMA反向接入信道进行了仿真,通过各种模块组合,展示了反向接入信道的结构,具有良好的示范性;同时也证明了可以采用SystemView软件对CDMA实际系统进行模拟,这对进一步理论研究及实践教学都具有一定的实际意义。

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