CN109217968B - 一种基于相移键控技术的采用cdma技术的近距离无线网络 - Google Patents

Abstract

一种基于相移键控技术的采用CDMA技术的近距离无线网络，在准同步CDMA通信系统中，以零相关区序列作为扩频地址码，实现抗多址干扰性能优越的准同步CDMA系统，准同步的延迟控制在1个比特位以内，系统中采用2进制的相移键控BPSK为调制解调方式；零相关序列在零延时附近的零相关窗口之内具有理想的相关特性，能够将无线通信系统的多址干扰降至最低，甚至完全消除。本发明通信网络具有很强的鲁棒性和抗衰落能力，系统实现简单，成本比3G移动网络的CDMA技术低廉很多，利于实现。

Description

一种基于相移键控技术的采用CDMA技术的近距离无线网络

技术领域

本发明属于通信技术领域，设计了一种近距离无线网络的实现方法，为一种基于相移键控技术的采用CDMA技术的近距离无线网络。

技术背景

应用领域多样化需求的不断增长对通信网络的性能提出了更高的要求。未来近距离距离无线通信网络将提供更为泛在(Ubiquitous)的无线连接，要求通信系统在任何复杂的通信环境下不仅具有稳定的不中断的信号传输能力，同时也能在多址接入、实时访问、频谱效率、传输速率、可靠性等方面有更突出的表现。包括视频通信在内的高速率大容量的多媒体业务的增长使得传输速率越来越高，信号所占用的带宽也越来越宽，多径效应引起的频率选择性衰落对宽带信号的影响愈发明显，从而产生严重的码间干扰。此外，多径效应在水晶振荡器的频率偏差以及高速移动环境下的多普勒频移等条件影响下使传输信号发生时间选择性衰落。然而现有的主流近距离无线通信技术Wi-FI，Zigbee，Bluetooth和UWB等很难达到上述要求。

采用码分多址(CDMA)的3G移动网络具有很好的抗干扰及抗衰落性能。如果能将CDMA 技术应用于近距离通信，将能很好的满足上述通信的要求，所以把无线网络用3G技术进行改造成为当前的研究热点之一，然而其难点在于直接把3G技术应用在无线网络领域的成本过高。

采用零相关(ZcZ)序列的CDMA网络具有实现简单，采用准同步的传输控制方式，使得网络成本大大降低。本发明将探讨将其应用于近距离无线通信网络的实现方法。

发明内容

本发明目的是：提供一种低成本的基于相移键控的采用CDMA技术的采用正交检波技术的近距离无线网络，在多址接入、实时访问、频谱效率、传输速率、可靠性等方面有更突出的表现。

本发明的技术方案为：一种基于相移键控技术的采用CDMA技术的近距离无线网络，在准同步CDMA通信系统中，发送端对信号进行调制，再经扩频后，由无线信道传输至接收端，接收端利用扩频序列进行解调，检波后得到发送的数据，其中，以零相关区序列作为扩频地址码，实现抗多址干扰性能优越的准同步CDMA系统，准同步的延迟控制在1个比特位以内，系统中采用2进制的相移键控BPSK为调制解调方式；零相关序列在零延时附近的零相关窗口之内具有理想的相关特性，能够将无线通信系统的多址干扰降至最低，甚至完全消除。

作为优选方式，检波采用正交相干解调技术，即IQ检波。

进一步的，零相关区序列具体如下：

设A是一组长度为n的二进制序列：

序列a^k和a^m在τ时间内的相关函数为，

如果自/互相关函数满足以下条件：

则A就可以定义为零相关序列，并可表示为A(N,M,Z)，零相关序列的长度M和用户数k 取决于近距离无线网络的用户数，当网络用户数越多时对应的k和M取值越大。

进一步的，接收端的调制和检波具体为：

里用户k的接收机把接收到的信号r(t)进行I相和Q相的信号分离解调处理如公式(4)、 (5)所示：

这里φ_k＝2πf_cτ_k+θ_k，以用户j作为样本信号进行考虑，此时接收机接收到信号经用户j 做对应的序列进行解扩之后对应的I相和Q相信号分比为(6)和(7)所示，

上式中Q为经过原扩频解扩的相关值，这里

即为l时刻用户j所发送的数据，它为1 或0，在此信号之前插入导频信号0，进行传输通过比较，导频信号的I相和Q相表示为：

公式(8)和(9)分别带入到(6)和(7)中，用户j在l时刻的I相和Q相信号分别可表示为：

由此可得公式(12)，通过数字化正交相干检波技术来对传送信号进行正确的解调：

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.与现有的近距离无线通信方式相比，在多址接入、实时访问、频谱效率、传输速率、可靠性等方面有更突出的表现。通信网络具有很强的鲁棒性。

2.采用ZCZ的CDMA通信网络，由于采用了准同步控制功能，不需要严格的时间同步，在延时控制区域1bit以内，具有良好的自相关性，并且互相关性为0。系统实现简单，成本比 3G移动网络的CDMA技术低廉很多，可以具体到应用实现。

3.采用频分复用技术和IQ检波技术，使得无线网络具有很强的抗衰落能力。

附图说明

图1为本发明无线通信网络的系统的结构示意图。

图2为正交相干解调原理图。

图3为通信环境图。

图4为通信时序图。

图5为案列中采用长度为8的ZCZ序列，扩频长度为10的BPSK用序列的各个阶段的形式变换图。

图6为高斯白噪声信道(AWGN)下系统的误码特性。

具体实施方式

本发明提出了一种基于相移键控技术(BPSK)的采用CDMA技术的近距离无线网络，具体如下。

在准同步CDMA通信系统中，系统基站与各移动用户之间不需要非常严格的同步，因而实现简单。针对该系统的特性，对所采用扩频地址码组的要求是在同步误差范围内具有理想的相关特性。因此，只需寻找一组在零时延附近具有理想相关特性的序列作扩频地址码，就能实现一个抗多址干扰性能优越的准同步CDMA系统，零相关区(ZCZ)序列正适应了这一需要。

所谓零相关区序列，即指在零时延附近存在一个特定长度的区域，在这个区域内序列具有理想的自相关特性和理想互相关特性。零相关序列作为准同步CDMA通信系统的主要扩频序列，扮演着重要的角色，直接影响系统性能的优劣。在本发明中，准同步的延迟控制在1个比特位以内，采用2进制的相移键控为调制解调方式(BPSK)。

图1为基于相移键控的采用CDMA技术的近距离无线网络系统结构图。零相关序列在零延时附近的一定区域内，即零相关窗口之内具有理想的相关特性，这样的扩频序列能够将 QS-CDMA系统的多址干扰降至最低，甚至完全消除。

本发明所采用的正交相干解调技术，即IQ检波，如图2所示。正交相干检波技术的优点就是使信号在不能被接收端正确恢复相位的时候，也能够正确的解调，节省硬件成本。

图3和图4分别为通信环境和通信时序图。某一个基地局的信号能够到达的范围为一个网络，在这个范围内有若干个节点(A、B、C、D、E、F)。其中，基地局内设有同步信号发射器，每间隔一定的时间间隔该发射器就发送同步控制信号一次，在基地局覆盖的范围内所有的节点都能够收到这样的同步控制信号，各个节点在该同步信号控制下收发信息。在基地局信号控制范围内的距离较远的节点之间(如节点B和节点D)也能够互相收发信息。

零相关区序列的实施如下：

设A是一组长度为n的二进制序列：

A＝{a¹,a²,...,a^M}

序列a^k和a^m在τ时间内的相关函数为，

S08:如果自/互相关函数满足以下条件：

则A就可以定义为零相关序列，并可表示为A(N,M,Z)。零相关序列的长度M和用户数k 取决于近距离无线网络的用户数，当网络用户数越多时对应的k和M取值越大。

接收端的解调检波如下所述：

里用户k的接收机把公式(3)接收到的信号r(t)进行I相和Q相的信号分离解调处理如公式(4)，(5)所示，

需要说明的是这里φ_k＝2πf_cτ_k+θ_k，不妨拿用户j作为样本信号进行考虑。此时接收机接收到信号经用户j做对应的序列进行解扩之后对应的I相和Q相信号分比为式(6)和(7)所示，

上式中Q为经过原扩频解扩的相关值，这里

即为l时刻用户j所发送的数据，它为1 或0，那么求出

的取值即可判断出发送信号的值，但是由于接收端在恢复载波相位是可能是载波相位在0～π之间偏移这样就是发生的数字信号发生颠倒，所以在此信号之前插入导频信号0，进行传输通过比较，导频信号和传送信号即可克服这样的缺点。导频信号的I相和Q相可表示，

公式(8)和(9)分别带入到式(6)和(7)中，用户j在l时刻的I相和Q相信号分别可表示为，

由此可得公式(12)，这样一来就可以通过数字化正交相干检波技术来对传送信号进行正确的解调。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图5所示，k和M的取值根据用户数决定，简单起见，实施案例以网络中最大有4个用户进行通信为例，ZCZ序列采用长度为8的ZCZ序列，也就是k＝4,M＝8，扩频序列长度为10，因为前后各增加了一位延迟码。

通过计算机仿真，我们得出了图6的误码特性，在高斯白噪声AWGN信道下，同时通信用户数为1和为4时，系统的误码特性几乎相同，也就是说用户系统的误码率特性并不因为用户的增加而发生较大的改变，验证了零相关序列具有较好的互相关性。在信噪比为0dB的情况下，系统的误码率较高，这是由于此时信号的平均功率与加性噪音的平均功率之比为1:1 的缘故；在信噪比为10dB的情况下，系统的误码率大大降低，这是由于此时信号的平均功率与加性噪音的平均功率之比为10:1，噪音的干扰相对于信号变弱，所以系统性能得到改善。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (2)

1.一种基于相移键控技术的采用CDMA技术的近距离无线网络，其特征是在准同步CDMA通信系统中，发送端对信号进行调制，再经扩频后，由无线信道传输至接收端，接收端利用扩频序列进行解调，检波后得到发送的数据，其中，以零相关区序列作为扩频地址码，实现抗多址干扰性能优越的准同步CDMA系统，准同步的延迟控制在1个比特位以内，系统中采用2进制的相移键控BPSK为调制解调方式；零相关序列在零延时附近的零相关窗口之内具有理想的相关特性，能够将无线通信系统的多址干扰降至最低，甚至完全消除；

其特征是零相关区序列具体如下：

设A是一组长度为N的二进制序列：

A＝{a¹,a²,...,a^k,...,a^M}

a^k＝(a_o ^k,a₁ ^k,...,a_i ^k,...,a_N-1 ^k),a_i ^k∈{1,-1} (1)

序列a^k和a^m在τ时间内的相关函数为，

如果自/互相关函数满足以下条件：

则A就可以定义为零相关序列，并可表示为A(N,M,Z)，零相关序列的长度M和用户数k取决于近距离无线网络的用户数，当网络用户数越多时对应的k和M取值越大；

用户k的接收机把接收到的信号r(t)进行I相和Q相的信号分离解调处理如公式(4)、(5)所示：

这里φ_k＝2πf_cτ_k+θ_k，以用户j作为样本信号进行考虑，此时接收机接收到信号经用户j做对应的序列进行解扩之后对应的I相和Q相信号分比为(6)和(7)所示，

上式中Q为经过原扩频解扩的相关值，这里

即为l时刻用户j所发送的数据，它为1或0，在此信号之前插入导频信号0，进行传输通过比较，导频信号的I相和Q相表示为：

公式(8)和(9)分别带入到(6)和(7)中，用户j在l时刻的I相和Q相信号分别可表示为：

由此可得公式(12)，通过数字化正交相干检波技术来对传送信号进行正确的解调：

2.根据权利要求1所述的一种基于相移键控技术的采用CDMA技术的近距离无线网络，其特征是检波采用正交相干解调技术，即IQ检波。

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