3G移动通信中CDMA通信系统仿真
《能力拓展训练》任务书学生姓名：专业班级：
指导教师：工作单位：信息工程学院
题目: 3G移动通信中CDMA通信系统仿真
课程设计目的：
1.仿真验证AWGN信道下单用户直接序列扩频系统的BER性能；
2.仿真验证平坦瑞利信道下单用户直接序列扩频系统的BER性能；
3.观察存在干扰用户时的系统性能变化；
4.提高正确地撰写论文的基本能力。
课程设计内容和要求
1.确定用户数目、信道特征以及调制方式
2.扩频序列可以是随机产生，可以是m序列，也可以是Gold码，长度自选
3.信道必须做2种，AWGN与平坦瑞利信道
4.用MATLAB进行仿真，统计BER或SER随信噪比的关系，绘出曲线初始条件：
1.Matlab软件和计算机；
时间安排：
序号训练内容所用时间
1 布置任务0．5天
2 项目设计实践4天
3 答辩0．5天
合计5天
指导教师签名： 2011年月日
系主任（或责任教师）签名： 2011年月日
目录
摘要................................................................ I Abstract........................................................... I I 1.方案论证. (1)
1.1信道对比 (1)
1.1.1加性高斯白噪声信道（AWGN channl） (1)
1.1.2瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel） (1)
1.2多用户干扰设置 (1)
2.基于matlab的CDMA仿真 (3)
2.1 AWGN信道中BPSK调制系统 (3)
2.1.1 仿真概述及原理 (3)
2.1.2仿真过程及计算 (3)
2.1.3 实验程序 (4)
2.1.4 仿真结果 (6)
2.2 平坦瑞利衰落信道中bpsk扩频系统 (6)
2.2.1 实验程序分析 (6)
2.2.2 ssbpskflat 函数 (7)
2.2.3 仿真结果 (9)
3.仿真结果分析 (10)
3.1 AWGN信道中BPSK调制系统结果分析 (10)
3.2平坦瑞利衰落信道中bpsk扩频系统 (10)
4.心得体会 (11)
5.参考文献 (12)
摘要
现今世界主要的3G标准：WCDMA、 CDMA2000 、TD-SCDMA,除去双工方式和技术上的区别，它们都是基于CDMA码分多址技术的通信系统。自美国高通公司将CDMA码分多址技术应用于IS-95系统后，CDMA以其抗干扰能力强、宽带传输，抗衰落能力强、系统容量大、系统容量的配置灵活、建网成本低等诸多优点，迅速获得了各界的认可，成为了第三代通信系统的主要技术。本文主要通过matlab 软件来仿真CDMA通信系统，从而说明其通信方面的主要特点和优点。
关键词：3G、码分多址、抗干扰能力
Abstract
Nowadays, there are three main 3G standards ,WCDMA,CDMA and TD-SCDMA, in the world. Except for the differences on the duplex mode and technology, they are all based on the Code Division Multiple Access technology. Since QUALCOMM Incorporated applied the CDMA technology into the IS-95 Communication System, it has become the dominant technology in 3G relying on lots of advantages such as: strong ability of anti-interference, broadband transmission , strong ability of anti-fading, large system capacity, low cost of setting up net and so on. This article aims at explaining the characteristics and advantages of the CDMA technology in communication through the simulation of CDMA communication system by MATLAB.
Keywords: 3G standards ,strong ability of anti-interference, Code Division Multiple Access
1.方案论证
1.1信道对比
由于通信系统中存在两种信道模型，我们需要仿真出这些模型。
1.1.1加性高斯白噪声信道（AWGN channl）
加性高斯白噪声AWGN(AdditiveWhiteGaussionNoise)是最基本的噪声与干扰模型。它的幅度分布服从高斯分布，而功率谱密度是均匀分布的，它意味着除了加性高斯白噪声外，r(t)与s(t)没有任何失真。即H(f)失真的。
1.1.2瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）
瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）是一种无线电信号传播环境的统计模型。这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，即“衰落”，并且其包络服从瑞利分布。这一信道模型能够描述由电离层和对流层反射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境。瑞利衰落只适用于从发射机到接收机不存在直射信号（LoS，Line of Sight）的情况，否则应使用莱斯衰落信道作为信道模型。
1.2多用户干扰设置
在传统的CDMA接收机中各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰落环境下。由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交。因而造成多个用户之间的相互干扰并限制系统容量的提高。这就需要使用多用户检测技术。多用户检测的基本思想就是把所有用户的信号都当作有用信号而不是干扰信号来处理。这样就可以充分利用各用户信号的用户码、幅度、定时和延迟等信息，从而大幅度地降低多径多址干扰。如何把多用户干扰
报销算法的复杂度降低到可接受的程度则是多用户检测技术能否实用的关键。
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。
这里，为了实验的方便，我们只设置一个干扰用户。
2.基于matlab的CDMA仿真
2.1 AWGN信道中BPSK调制系统
2.1.1 仿真概述及原理
在数字领域进行的最多的仿真任务是进行调制解调器的误比特率测试，在相同的条件下进行比较的话，接收器的误比特率性能是一个十分重要的指标。误比特率的测试需要一个发送器、一个接收器和一条信道。首先需要产生一个长的随机比特序列作为发送器的输入，发送器将这些比特调制成某种形式的信号以便传送到仿真信道，我们在传输信道上加上一定的可调制噪声，这些噪声信号会变成接收器的输入，接收器解调信号然后恢复比特序列，最后比较接收到的比特和传送的比特并计算错误。
误比特率性能常能描述成二维图像。纵坐标是归一化的信噪比，即每个比特的能量除以噪声的单边功率谱密度，单位为分贝。横坐标为误比特率，没有量纲。
2.1.2仿真过程及计算
1．运行发生器：通过发送器将伪随机序列变成数字化的调制信号。
2.设定信噪比：假定SNR为m dB,则Eb/N0=10,用MATLAB假设SNR单位为分贝。
3.确定Eb
4.计算N0
5.计算噪声的方差σn
6.产生噪声：因为噪声具有零均值，所以其功率和方差相等。我们产生一个和信号长度相同的噪声向量，且该向量方差为σn。
7.加上噪声，运行接收器
8.确定时间延迟
9.产生误差向量
10.统计错误比特：误差向量“err”中的每一个非零元素对应着一个错误的比特。
11.最后计算误比特率BER：每运行一次误比特率仿真，就需要传输和接收固定数量的比特，然后确定接收到的比特中有多少错误的。使用MATLAB计算BER: ber=te/length(tx)。
2.1.3 实验程序
程序分析：
做1000次试验，每次选取100个二进制信号，扩频增益Q为15，调用pn 序列形成函数pn_m.m产生15为pn序列，然后调用kron函数求得信号与pn序列的乘积，从而求得发送扩频信号s，然后产生噪声，进而获得接收信号yy，接着将yy的每15个点组成一个向量ym并存入矩阵Y_M中，这样，Y_M中每一行就是接收到的加噪后的扩频信号，然后将每一行乘以pn序列（即扩频码）进行解扩，得到未扩频的信号。最后计算误比特率，并和理论值进行比较。
程序：ssbpskAWGN 函数：
%main file1：ssbpskAWGN.m
N_Trials=1000;
N_number=100;
N_snr=10;;
Q=15;
E_M=[ ];
for trials=1:N_Trials
trials
noise=randn(1,Q*N_number)+j.*randn(1,Q*N_number);
s10=round(rand(1,N_number)); %message
ss=s10*2-1; %0-->-1, 1-->1
%pn01=round(rand(1,Q));
pn=pn_m(15,1)./sqrt(15); %pn:1 by 15 matrix
%pn=(pn01.*2-1)./sqrt(Q);
s=kron(ss,pn); %s:1 by 1500 matrix
sgma=1;
Error_v=[ ];
for snr_db=0:1:N_snr
snr=10.^(snr_db./10);
N0=2*sgma.^2;
Eb=snr.*N0;
yy=sqrt(Eb)*s+noise;
Y_M=[ ];
for k=1:N_number
ym=yy(1,(k-1)*Q+1:k*Q); %Get yy's every 15 points
Y_M=[Y_M;ym]; %Y_M:100 by 15 matrix
end
ys=Y_M*pn.'; %ys:100 by 1 matrix
y=ys.';
y_real=real(y);
s_e=sign(y_real);
s_e10=(s_e+1)./2;
Error_snr=sum(abs(s10-s_e10));
Error_v=[Error_v,Error_snr./N_number];
end
E_M=[E_M;Error_v] ;
end
BER=mean(E_M);
BER_T=[ ];
for snr_db=0:1:N_snr
snr=10.^(snr_db./10);
BER_THEROY=Qfunct(sqrt(2.*snr));
BER_T=[BER_T,BER_THEROY];
end
lpa=1
i=0:1:N_snr;
semilogy(i,BER,'-r',i,BER_T ,'*g');
xlabel('E_b/N_0(dB)')
ylabel('BER')
legend('Simulated', 'Theoretic');
2.1.4 仿真结果
1234
5678910
10-6
10
-5
10
-4
10-3
10
-2
10
-1
E b /N 0(dB)
B E R
Simulated Theoretic
图1 AWGN 信道中bpsk 扩频系统BER 仿真结果与理论图形
2.2 平坦瑞利衰落信道中bpsk 扩频系统
2.2.1 实验程序分析
做1000次试验，每次试验产生100个二进制信号，扩频增益Q=8，
用户数
k_user
定义为
2
调用函数
rayleigh_init_med.m
和
rayleigh_fading.m 分别产生rayleigh 衰落相关参数（包括信道增益和多普勒频移）和rayleigh 衰落的包络。然后调用rand 函数产生pn 序列，然后将二进制信号与扩频码相乘，得到扩频信号，该程序中定义第二个用户为干扰用户，且其信噪比snr2_db=15，将瑞利衰落系数乘上扩频后的信号得到瑞利衰落信道中的信号矩阵，得到信号功率矩阵AM 之后，将AM 和得到的信号矩阵相乘，得到发送的信号，再加上高斯白噪声，得到接收端的
信号yspread，在接收端首先将yspread按每8个做一组存入矩阵DE_M中，再将DE_M矩阵乘以第一个用户的pn序列，得到解扩信号，再计算相应的误比特率，并和理论值进行比价。
2.2.2 ssbpskflat 函数
%main file2：ssbpskflat.m
global speed
Max_SNR=20;
ber_m=[];
N_trial=1000;
N=100;
Q=8;
k_user=2;
for trial=1:N_trial
trial% the channel
fs=20.*1e+6;
Ts=1./fs;
Fc=2.4*1e+9;
c=3*10.^8;
lambda=c./Fc;
speed=10; %km/h
fd=(speed./3.6)./lambda;
NN=25;
rayleigh_parameter=rayleigh_init_med(NN,lambda,Ts); %generate
rayleigh_parameter
Envelope_M=[];
for k=1:k_user
%fad=flat(N,fd,fs);
fad= rayleigh_fading(path,rayleigh_parameter,N); %generate rayleigh envelop
%rmsfad=sqrt(mean(abs(fad).^2));
envelope=kron(abs(fad),ones(1,Q)); %convert matrix dimensions
Envelope_M=[Envelope_M;envelope];
end
pn=(2.*round(rand(k_user,Q))-1)./sqrt(Q);
msg=round(rand(k_user,N)); % 1, 0 sequence msg01=msg(1,:);
ss=1-msg.*2 ; %0---1, 1-- -1
dataspread=[];
for k=1:k_user
dk=ss(k,:);
pnk=pn(k,:);
dataspread=[dataspread;kron(dk,pnk)];
end
noise=randn(1,Q.*N)+j.*randn(1,Q.*N);
ber_v=[];
sgma=1;
for snr_db=1:2:Max_SNR
snr1=10.^(snr_db./10);
N0=sgma.^2.*2;
Eb1=snr1.*N0;
snr2_db=15;
snr2=10.^(snr2_db./10);
Eb2=snr2.*N0;
if k_user>=3
error('only no more than 2 users')
end
if k_user==1
AM=sqrt(Eb1);
else
AM=[sqrt(Eb1),sqrt(Eb2)];
end
sig_r=AM*(Envelope_M.*dataspread);
yspread=sig_r+sgma.*noise;
DE_M=[];
for kk=1:N
ykk=yspread(1,(kk-1).*Q+1:kk.*Q);
DE_M=[DE_M;ykk];
end
pn0=pn(1,:);
de_data=DE_M*pn0.';
y=sign(real(de_data.'));
y01=(1-y)./2; % 1, 0 sequence error=sum(abs( msg01- y01)); ber_snr=error./(N); ber_v=[ber_v,ber_snr]; end %for snr
ber_m=[ber_m;ber_v]; end %for trial ber=mean(ber_m);
ber_theory=[];
for snr_dB=1:2:Max_SNR;
snr=10.^(snr_dB./10); %from snr_db to snr_nondB ber_theory=[ber_theory,(1-sqrt(snr/(1+snr)))./2]; end
figure
i=1:2:Max_SNR;
semilogy(i,ber,'-r',i,ber_theory,'*b'); xlabel('E_b/N_0 (dB)') ylabel('BER')
legend('Monte Carlo', 'Theoretic')
2.2.3 仿真结果
2468
101214161820
10-3
10
-2
10
-1
10
E b /N 0 (dB)
B E R
Monte Carlo Theoretic
图2 平坦瑞利衰落信道中bpsk 扩频系统的BER 仿真结果和理论图形
3.仿真结果分析
3.1 AWGN信道中BPSK调制系统结果分析
由图1可知，在低信噪比情况下，BER的仿真结果与理论值完全吻合，当信噪比增大到9dB以上时，由于误码率大大减小，而程序中的取样点数和试验次数又没有相应增加，因此BER仿真值不能准确计算，从而未能在图1中显示出来。
3.2平坦瑞利衰落信道中bpsk扩频系统
观察图2可见仿真结果与理论值并不吻合，这是因为对第一个用户来说，不仅存在第二个用户的干扰，而且还存在瑞利衰落和加性白噪声的影响，虽然解扩之后第二个用户的干扰的影响可以基本被消除，但是加性白噪声的影响并未完全消除，这就使得误比特率比理论值大。另外，通过比较图1和图2可知，在相同的信噪比的情况下，AWGN信道中的BER比瑞利衰落信道中的BER小，因此bpsk扩频系统在AWGN信道中的性能比在瑞利衰落信道中的性能好。
4.心得体会
通过5天的基础强化训练，使我重新回顾了有关移动通信方面的知识，
3G移动通信技术这个课题涉及的知识面太广了，所以我只选取课堂上老师讲的比较多的CDMA技术来做研究。
我想，作为通信专业的学生，我再次看到了matlab的强大之处。它能让我们把具体的物理过程抽象到数学的矩阵计算，从而再回到问题之上。
当然，设计的过程，我也遇到了很多的困难。”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义，从一开始的不知从何下手，到后来的仿真程序的来源，我参考了很多的资料书，并且把刚刚学过的移动通信回顾了一遍。这个过程，正是强化训练要求我们去做的，温故而知新。培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
5.参考文献
[1]《通信原理（第6版）》樊昌信.著国防工业出版社. 2007
[2]《精通MATLAB 7》王正林, 刘明编著，北京-电子工业出版社 2006
[3]《MATLAB从入门到精通》周建兴著，人民邮电出版社 2008
[4] 《无线通信》 Andrea Gold.Smith著人民邮电出版社. 2007
[5] 《3G移动网WCDMA和Cdma2000》（美）M.R.Karim, Mohsen Sarraf 粟欣译 2007
[6]《3G移动通信系统概述》刘宝玲, 付长东, 张轶凡编著人民邮电出版社 2008
[7]《CDMA通信技术》朱近康著人民邮电出版社. 2007
本科生基础强化训练成绩评定表姓名性别
专业、班级学号
题目：3G移动通信中CDMA通信系统仿真
答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日