异步DSCDMA系统扩频序列分析.docx
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异步DSCDMA系统扩频序列分析
文章编号：
1005-
6122（2011）05-0089-04异步DS-CDMA系统扩频序列分析*
官伯然
胡寅力
（杭州电子科技大学天线与微波技术研究所，杭州310018）
摘
要：
在无法获得稳定的全网同步特殊情况下，异步DS-
CDMA系统是一种维持通信网络畅通的有效途径。
该文首先分析了异步DS-CDMA多用户系统下多用户干扰（MAI）产生机理以及对系统性能带来的影响，在仿真环境下建立了异步DS-CDMA多用户系统模型，然后对三种扩频序列的相关特性进行仿真分析。
比较分析了不同接入时延误差和不同失步用户数两种情况下，系统使用不同扩频序列时在AWGN信道下的误码率特性。
分析表明，混沌序列是更加满足异步DS-CDMA系统的扩频序列，论文结果对可靠通信系统研究具有参考价值。
关键词：
异步，码分多址，多用户干扰，系统仿真
AnalysisofSpreadingSequencesinAsynchronousDS-CDMASystem
GUANBo-ran，HUYin-li
（InstituteofAntennaandMicrowaveTechnology，HangzhouDianziUniversity，HangzhouZhejiang310018，China）Abstract：
Incaseofthattheentirenetworksynchronizationisoutofcontrol，theasynchronousDS-CDMAsystemis
oneoftheeffectiveapproachestomaintaincommunicationnetworkworks．ThecausefromMAIanditsinfluencetothesystemperformanceinasynchronoussystemhasbeenstudiedinthispaper．Thecorrelationpropertiesofthreekindsofspreadingse-quencehavebeenanalyzedunderthesimulationenvironmentofmulti-userasynchronousDS-CDMAsystem．TheperformanceofcodeerrorrateinAWGNchannelusingdifferentspreadingsequenceshasbeencomparedandanalyzedinthesituationswithdifferentaccessdelayanddifferentnumberofasynchronoususers．AnalysisshowsthatLogisticsequenceismoresuit-ableforasynchronousDS-CDMAsystem．Theresultsofthispapercouldbeofthereferenceforthereliablecommunicationsystemdevelopment．
Keywords：
asynchronous，DS-CDMA，MAI，performancesimulation
引言
码分多址（CDMA）是一种频谱利用率高和抗干
扰能力强的一点多址通信方式，但CDMA用户间的多址干扰（MAI）限制了它在同步方案外的领域应用。
同步直接序列扩频通信（DS-CDMA）系统要求所有用户信号的地址码在接收端保持同步关系，各用户依赖正交的扩频码在相同的频段上同时接入基
站进行多址通信，理论上可有效消除MAI。
然而在失去外部辅助手段（卫星授时、
导频信号引导、中心基站控制等）的条件下实现系统同步是十分困难
的。
当失去授时同步时，
系统的载体终端只能依靠备用的高稳晶体钟维持同步系统工作，但是高稳晶
体钟的频率稳定性误差引起的接入时基误差使节点
间不能保持严格的同步关系。
对于ʃ10ppm频率稳定度的晶体钟，
会使点对点的一次接入产生大约10ms的误差，对于一般扩频通信的码率来说，相当于约有10个码片的同步误差，
这对于同步系统来说是不能接受的。
而在异步CDMA系统中每个发射
端与接收端各有不同的时序基准点，这样使得系统实现同步比较容易，尤其对移动通信网络接入功能的实现比较容易。
但是异步CDMA系统中各用户接入的不同步性会使得MAI严重恶化。
在异步CDMA通信系统
中，
MAI是信道噪声主要来源，成为限制异步CDMA系统用户容量的瓶颈。
第27卷第5期2011年10月
微波学报
JOURNALOFMICROWAVES
Vol．27No．5
Oct．2011
*收稿日期：
2011-01-08；修回日期：
2011-04-10基金项目：
国家自然科学基金（60673143）；浙江省科技计划（2006C21020）
在DS-CDMA通信系统中，通过扩频码序列对
信号的调制实现频谱扩展，
依靠扩频序列生成不同的正交地址码实现信道复用。
多址干扰的强弱及接
收机对序列的同步捕获和跟踪性能，
将直接影响系统多址性能
［1-3］
。
因此，本文利用仿真环境模拟了多用户异步DS-CDMA系统，分别采用不同扩频码序列对系统进行性能仿真，比较了各种扩频码序列在不同的接入时延误差和不同的失步用户数下异步
DS-CDMA系统的误码性能。
所得结果有助于对不同扩频码序列在异步DS-CDMA系统中作用的深入认识及作为相关系统实现方案的参考。
1异步DS-
CDMA系统类似CDMA经典文献［
4］的分析，CDMA的系统模型如图1所示。
考虑CDMA系统中某一小区，设小区中同时工作的用户数为K个，各个用户的信息数据为bk（t），每个用户分配一个唯一的扩频码ak（t）。
对于异步CDMA，假定各用户时延在0t内
随机分布，图1中其余符号说明参见文献［
4］
。
图1
异步DS-
CDMA多用户系统模型在异步码分多址通信系统中，扩频码序列的互相关函数值和自相关函数旁瓣将引起多址干扰（MAI）和符号间串扰（ISI），系统抗多址干扰和符号间串扰的性能取决于扩频序列的自相关函数和互相
关函数。
本文首先给出在异步DS-CDMA系统的多用户干扰特性，从而得出扩频序列性能判据准则
。
图2异步DS-
CDMA系统的多用户干扰异步DS-CDMA系统的多用户干扰原理如图2所示，第u个用户和第v个用户之间会出现相位差Δt。
Pursley在文献［
4］中给出了异步DS-CDMA系统接收端信噪比的表达式：
SNRu=（6N3
）
－1
∑K
v=1，v≠u
［rv，u
］+N0
2{
}
E－1/2
（1）
其中，
N为扩频增益（即扩频码码长），K为用户数，下标u表示研究对象是用户u，rv，u是用户v对用户
u的多用户干扰，描述了当一个新用户进入系统时，系统性能降低的程度。
rv，u=
∑N－1
l=1－N
［2Cv，v（l）·Cu，u（l）
+Cv，u（l）·Cv，u（l+1）］
（2）
式中，Cv，u（l）为序列的互相关函数。
对于扩频序列的互相关函数有
［3］
：
Rcc（m）=limN→ɕ1N∑N－1
v=0
xvyv+m－珋x·珋y
（3）
人们一般用相关函数最大值来描述系统性能，但是最大值标准只能表示系统在最坏情况下的性
能。
很多情况下，系统的平均性能更为重要，特别是在扩频比较大、
用户数较多时，系统的平均性能更真实地表现系统的状况。
一般用相关函数旁瓣均方值描述相关函数的平均性能
［5］，表达式如下：
δcc=12M+1∑M
m=－M
［Rcc（m）］2
（4）
由此可以看出，扩频序列相关函数的峰值影响异步DS-CDMA系统的最坏性能，而Rcc（m）函数均值则
影响平均性能，二者应该同时考虑。
由此，可以得到以下异步DS-CDMA系统扩频序列的性能准则：
1）自相关函数峰值准则；
2）自相关平均干扰准则；
3）互相关函数峰值准则；4）互相关平均干扰准则。
2扩频码序列性能分析
由上一节分析得出，序列的相关性能对系统的用
户容量有直接影响。
不同的扩频序列相关函数不同，本文对Gold序列、
Walsh序列以及Logistic序列的自相关和互相关性能进行仿真，
对比分析它们的特点。
Gold序列是由m序列优选对组合而成，改进了
m序列较差互相关特性并且其地址数远远大于m序
列的地址数，
在工程上得到了较为广泛的应用。
取n=5，特征多项式为43和51的m序列优选对产生Gold序列，任取其中两条Gold序列作自相关和互相关特性分析。
从图3可以看出，在零点处（同步时），自相关函数值为1，互相关函数值为0；而在非零点处（不同步时），Gold序列的自相关和互相关函数都是三值函数，函数值为0．2381，
－0．0309，－0．2896。
0
9微波学报2011年10月
图3
Gold序列相关函数归一化特性
Walsh函数序列是完备的正交函数序列，由于其在同步时具有理想的正交互相关特性，广泛的用于扩频通信。
对32阶的Walsh序列的自相关和互相关特性仿真，结果如图4所示。
同步时，
Walsh序列自相关函数值为1，互相关函数值为0。
但不同步时，相关特性性能急剧下降，结果显示，自相关函数旁瓣峰值达到0．76，旁瓣平均值为0．3701，严重影响码同步，互相关函数峰值达到0．384，平均值为0．106，容易形成严重的码间干扰
。
图4Walsh序列相关函数归一化特性
近年来，随着混沌理论的成熟，利用混沌系统的
类随机特性，人们提出了用混沌序列代替传统伪随
机码作为CDMA系统的扩频序列［6］
。
由于混沌序列对初始相位的极端敏感性，与传统序列相比，混沌序列最大的优势在于其多样性。
表1是序列长度为
63的Walsh序列、优选Gold序列与Logistic混沌序列相关特性分布情况的定量分析表。
表1
N=63时序列相关函数值归一化特性自相关旁瓣最大值Racm
自相关旁瓣均方值
δac互相关旁瓣最大值Rccm互相关旁瓣均方值
δccWalsh序列10．37040．25020．1264Gold优选序列0．26980．12100．26980．1244Logistic混沌序列
0．2698
0．1090
0．2698
0．1225
3多址性能分析
本文在仿真环境下模拟了一个小区内十个用户
的码元发送，
扩频，接收，解扩，判决的CDMA通信基本过程，
研究异步DS-CDMA多用户系统在多址干扰下的性能。
仿真流程图如图5所示
。
图5
基于Matlab-
Simulink的多用户系统仿真流程在多用户仿真系统中，考察系统分别在Walsh，
Gold，Logistic混沌映射序列（序列长度为63）作用下的抗多址干扰能。
不失一般性，首先考察10用户系统中第一个用户的误码率
。
图6不同接入误差时的性能（当失步用户数为1时）
对于三种不同的扩频序列，当只有一个失步用
1
9第27卷第5期官伯然等：
异步DS-
CDMA系统扩频序列分析
户数时，不同接入时延误差对DS-CDMA系统性能的影响如图6所示。
由图可以看出：
当失步用户接
入时延误差较小（小于0．2码片）时，采用Walsh码、
Gold序列以及Logistic混沌序列的系统性能相近，
二者均逼近同步系统性能；而当误差较大（大于2．5码片）时，采用Gold序列与采用Logistic混沌序列的系统性能远优于采用Walsh码的系统性能。
还可看出：
接入时延误差的增大对采用Gold序列以及Logistic混沌序列的DS-CDMA系统性能影响不大；而对于采用Walsh码的DS-CDMA系统，随着时延
误差的增大，其性能急剧下降；误差为2．5码片时CDMA系统的性能甚至可以和异步DS-CDMA系统相比拟。
从仿真结果图可以看出，单用户失步下异
步DS-CDMA系统用三种扩频码的误码率性能相差不大。
在异步多用户系统（各个用户接入时延随机）中，不同用户数量下系统误码率性能比较如图7所示
。
图7
不同用户数量下系统误码率性能仿真结果
仿真结果图说明，当SNR小于5dB时，
AWGN信道中的Gauss加性噪声对系统性能的影响占主导地位，所以采用混沌序列和Gold序列、
Walsh序列的系统的误码率基本相同。
但随着SNR的提高，多址干扰对系统性能的影响占据主导地位，由于混沌序列的互相关和自相关平均值都要小于Gold序列与Walsh序列，所以采用混沌序列的系统性能明显优于采用其他序列的系统。
由仿真结果图可以看出
随着系统用户数的增加，
Logistic混沌扩频序列的优势更加突出。
当用户数为10，
SNR在12dB左右时，采用Logistic序列的系统比采用Gold序列、Walsh序列的系统有10dB左右的增益优势。
4结论
根据上面分析，在多址干扰处于干扰主导地位
的异步DS-CDMA系统中，混沌序列由于其良好的相关性能，其误码率性能明显优于其他两种常规序
列。
所以Logistic混沌序列是一种比Gold序列、Walsh序列更满足异步DS-CDMA系统要求的扩频
序列。
参
考
文
献
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统性能分析［
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（1）：
60-63官伯然男，1955年生，山东人，博士生导师。
主要研究方
向：
电磁场数值分析、超导电子技术。
E-mail：
brguan@hdu．edu．cn
胡寅力男，1986年生，山东人，研究生。
主要从事扩频通
信技术的研究。
E-mail：
huyinli@msn．com
2
9微波学报2011年10月
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