摘要 r d s c d m a 是中國通信史上第一個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國際通信標準，同 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 一起被國際電信聯(lián)盟( r r u ) 接納成為第三代移動通信( 3 g ) 技術(shù)的三種主流標準。t d s c d m a 采用不需配對頻率的1 d d ( 時分雙工) 工作 方式，以及f d m a 仰m c d m a 相結(jié)合的多址接入方式。t d s c d m a 系統(tǒng)還采 用了智能天線、聯(lián)合檢測、同步c d m a 、低碼片速率、接力切換、自適應(yīng)功率控 制及軟件無線電等諸多先進技術(shù)。與其它3 g 系統(tǒng)相比，在頻譜靈活性、頻譜利 用率、適用環(huán)境及設(shè)備成本上具有優(yōu)勢。作為本文重點分析的聯(lián)合檢測技術(shù)，通 過把所有干擾用戶當作有用信號處理，利用用戶信號中的已知信息消除或減弱多 址干擾、多徑干擾和遠近效應(yīng)，從而提高系統(tǒng)容量。 本文首先介紹t d s c d m a 系統(tǒng)的物理信道的基本格式與調(diào)制方式，同時結(jié) 合t d s c d m a 系統(tǒng)的特點建立了系統(tǒng)的離散傳輸模型及其矩陣表示，并且分別 根據(jù)系統(tǒng)的發(fā)送端，接收端以及信道建立了信號模型，特別介紹了系統(tǒng)矩陣的構(gòu) 造。本文還對聯(lián)合檢測的基本原理以及幾種聯(lián)合檢測算法進行了闡述和分析比較。 最后，利用m a t u 圓軟件仿真平臺，重點針對迫零線性塊均衡( z f b l e ) 和最 小均方誤差線性塊均衡( m m s e - b l e ) 算法，在瑞利衰落信道模型下進行了仿真分 析比較，驗證了在不同參數(shù)設(shè)置下兩種算法的性能差別，以及用戶數(shù)增多對算法 性能惡化的影響等。 關(guān)鍵詞：t d s c d m a 聯(lián)合檢測迫零線性塊均衡最小均方誤差線性塊均衡 a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o n si nc 陸越h a sb e e nd e v e l o p e df b rm o r et h 鋤o n eh u n d l - e dv e a r s a c c e p t e db vm t 鋤a b o n a lt b l e 伽u n i o n 笛o n eo ft h e 也r e em 面o rs t a l l d 舡d sf o r m o b i l eo m n m 衄n i c a t i o i 塢t e c h n o l o g yo ft h et h i r dg 豇砒i o nw i t hw c d m aa n d c d m a 2 0 0 0 7 r d s c d m ai so l l r 丘r s ti n t 鋤a t i a lc o m m l l n i c a t i o n ss t a n d a r dw i n l i n d 印d e n ti n t c l l e c t u a lp m p 鯽【yr i g h t s ) - s c d m aa d o p t sw o r k i n gm a 盯o f t d d r c q u 塒n gn om a t c h i n g 丘明u c y ，鋤dm 1 1 1 6 p l ea c c 銘sc o m b i n g1 i mf d m 氣t d m a a n dc d m a b e s i d 鶴，i tm a k 髂l 培eo f 鋤a r ta n t a m a j o i i l td e t e c h o 皿跚l c h l o n o u s c d m l a wc h i pr a t e ，r e l a y 列巾鼬g ，a d a p 6 v ep o w e rc o n 們l ，s o f t w a r en d i oa n d m a n yo 血e ra d v a n c e dt e c h i l o l o g i 鼯i a s p e c t so fs p e c l mn e ) 【i b i l i 白js p e c l l l l m u 6 1 i z a d o nr a t e ，e n v i r o 衄e n ta 山刪o n 鋤de q u i p m e n tc o s t ，i th a ss o m ed i s t i n c t a d v a n t a g e so v c ro 血盯3 gg ) 啞e i n s t h ep a p e rp u t s 鋤p h 船i so nt h ea n a l y s i so f j o i n t d e t e c 丘o n b v 仃七a 1 = i i l ga l lt h ei n t c 疊貍dd i e n t sa st h eu s e 缸ls i 四a la n dm a k i n gs o m e p r o c 船s ，u s i n 衛(wèi)t h er c c o 趴i z o di n f o 皿a d o n 慨“即ts i 辨a l st oe l i m i n a t eo rr e d u c et h e m u ma c c c s si n t e b r e n c e ，m 1 1 1 t i p a 山i n t n f 打即a n dn e a r f 缸e f r c c t s ，t h es y s t e m c a p a c i t yi si m p r o v e d a tt h ev e r yb e g i 曲i n g t h ep 卵e ri n 訂o d u 嘲1 1 l eb 勰i cf o 皿a t 柚dm o d u l a t i o n m 鋤c ro fm ep h y s i c a lc h 鋤c 1i nt d c d m 八強dt h e nd i s c r e t c 仃a n 鋤i s s i o nm o d c l 鋤dm a 塒c e so ft l l es v s t e ma r c 囂t a b l i s h c dc o m b i n i n 窖鰣t hf e a t u r 齬o ft d c d m a s i 2 皿a lm o d e l sa r ec o n 咖c t e dr e s p 硎v c l y 縱o r d i n gt ot h er e c e i v e ra n da c c e p t e r t h e s 仃u c t l l r eo f 也es y s t e mm 砌c e si si n 訂o d u c e dw i t hp 州c l l l a rc o n c e m b a s i cp r i n c i p l e o f o i n td e t e c t i o na n dt h o s ej o i n td e t c c t i o na l g o r i m m sa r ea l s od e s c r i b e d ，c o m p a r e da n d 觚a l y z c di nt h ep 印盯f i n a l l 弘b yu s i i l gm a t l a bs o 腳a r e 幽u l a t i o np l a t f 砷咀，t l l e p a p e rp u t s鋤p h a s i so ns i m i l l a d o n齟a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fz f b l ea d m m s e b l ea l g 嘶缸si nr e y l e i g h伽i n gc h 鋤c lm o d e l m 韶玎w h n e ， t h e p e r f o 肋如c cd i f f b 咖c 鼯o ft l l et 、v oa l g 嘶t b m sw i t hd i 丘抽tp a 衄積sa r et e s t e d t h e i n 血u e n o ft h ei n c r e a s i n gd i e n t so nt h ed e t e r i o 訓(xùn)o no ft h ea l 鰣t h mp e r f b 珊趾c ei s a l s o 講o v e d k e y w o r d ：t d c d m j o i n td e t 咖瑪z f b l e ，m m s e b l e 創(chuàng)新性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文 中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技 大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本 研究所做的任何貢獻均己在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 本人簽名：瞧雖墊日期竺! ! ：! ：三： 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研 究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。本人保 證畢業(yè)離校后，發(fā)表論文或使用論文工作成果時署名單位仍然為西安電子科技 大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)?？梢怨?論文的全部或部分內(nèi)容可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。 ( 保密的論文在解密后遵守此規(guī)定) 本學(xué)位論文屬于保密，在一年解密后適用本授權(quán)書。 本人簽名： 導(dǎo)師簽名： 壬楠 日期 加彰、如 第一章緒論 第一章緒論 1 1 第三代移動通信技術(shù)發(fā)展史 近年來，蜂窩移動通信系統(tǒng)正以空前的速度迅猛發(fā)展。目前以g s m 和i s 9 5 c d m a 為代表的第二代移動通信系統(tǒng)已經(jīng)遍布全球，但這兩個網(wǎng)絡(luò)之間難以實現(xiàn) 漫游，不能滿足全球通信的需求。同時，以窄帶技術(shù)為核心的第二代移動通信系 統(tǒng)已經(jīng)無法滿足用戶對高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。因此，以寬帶、多媒體業(yè)務(wù)為核心 的第三代移動通信系統(tǒng)就應(yīng)運而生。第三代移動通信系統(tǒng)( 3 g ) ，也稱i m t 2 0 0 0 ， 是正在全力開發(fā)的系統(tǒng)，其最基本的特征是智能信號處理技術(shù)，智能信號處理單 元將成為基本功能模塊，支持話音和多媒體數(shù)據(jù)通信，它可以提供前兩代產(chǎn)品不 能提供的各種寬帶信息業(yè)務(wù)，例如高速數(shù)據(jù)、慢速圖像與電視圖像等。第三代移 動通信系統(tǒng)將在近幾年內(nèi)推向市場。i t u 所定義的d “t 2 0 0 0 系統(tǒng)需要具有一下三 個特征： 1 1 全球化一i m t 2 0 0 0 是一個全球性的系統(tǒng)，各個地區(qū)多種系統(tǒng)組成一個m r r 2 0 0 0 家族，各個系統(tǒng)在設(shè)計上具有高度的互通性，使用共同的頻段和全球統(tǒng)一標準， 能提供全球無縫漫游： 2 ) 綜合化一能夠提供多種業(yè)務(wù)，特別能夠支持多媒體業(yè)務(wù)和i n t e m e t 業(yè)務(wù)，并有能力 容納新型的業(yè)務(wù)； 3 ) 個人化一用戶使用全球唯一的個人號碼；系統(tǒng)能夠提供足夠的容量、高保密性、高 服務(wù)質(zhì)量。 為了能夠在未來的全球化標準競賽中取得領(lǐng)先地位，各個地區(qū)、國家、公司 及標準化組織紛紛提出自己的技術(shù)標準。通過一年半的評估和融合，1 9 9 9 年1 1 月5 日i t u 在赫爾辛基舉行的t g 8 ，1 第1 8 次會議上，通過了文件i t u r m 1 4 5 7 ，確認了5 種第三代移動通信無線傳輸技術(shù)，其中三種主流技術(shù)是w c d m 九c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 。 1 1 1 第三代移動通信主流標準 1 1 】 w c d m a 最初主要有e r i c s s o n 、n o k i a 公司為代表的歐洲通信廠商提出。這 些公司都在第二代移動通信技術(shù)和市場占盡了先機，并希望能夠在第三代依然保 持世界領(lǐng)先的地位。日本由于在第二代移動通信時代沒有采用全球主流的技術(shù)標 準，而是自己獨立制訂開發(fā)，很大程度上制約了日本的設(shè)備廠商在世界范圍內(nèi)的 t d - s c d i l a 系統(tǒng)聯(lián)合檢測技術(shù)及其算法實現(xiàn)的研究 作為，所以日本希望借第三代的契機，能夠進入國際市場。以n t t d o c o m o 為主 的各個公司提出的技術(shù)與歐洲的w c d m a 比較相似，二者相融合，成為現(xiàn)在的 w c d m a 系統(tǒng)。w c d m a 主要采用了帶寬為5 m h z 的寬帶c d m a 技術(shù)、上下行 快速功率控制、下行發(fā)射分集、基站間可以異步操作等技術(shù)特點。 c d m a 2 0 0 0 是在i s 9 5 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上由o l l a l c 0 衄、l u 啪t 、m o t o r o l a 和n o r t e l 等公司一起提出的，c d m a 2 0 0 0 技術(shù)的選擇和設(shè)計最大限度地考慮和i s 9 5 系統(tǒng) 的后向兼容，很多基本參數(shù)和特性都是相同的。并在無線接口進行了增強，如： ( 1 ) 提供反向?qū)ьl信道，使反向相干解調(diào)成為可能。在i s 9 5 系統(tǒng)中，反向 鏈路沒有導(dǎo)頻信道，這使得基站接收機中的同步和信道估計比較困難； ( 2 ) 前向鏈路可采用發(fā)射分集方式，提高了信道的抗衰落能力： ( 3 ) 增加了前向快速功控，提高了前向信道的容量。在i s 9 5 系統(tǒng)中，前向 鏈路只支持慢速功控； ( 4 ) 業(yè)務(wù)信道可采用比卷積碼更高效的t u r b o 碼，使容量進一步提高； ( 5 ) 引入了快速尋呼信道，減少了移動臺功耗，提高了移動臺的待機時間。 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 都是采用f d d 模式的技術(shù)，而t d d 技術(shù)由于本身固 有的特點突破了f d d 技術(shù)的很多限制，如：上下行工作于同一頻段，不需要大段 的連續(xù)對稱頻段，在頻率資源日趨緊張的今天，這一點尤顯重要；這樣，基站端 的發(fā)射機可以根據(jù)在上行鏈路獲得的信號來估計下行鏈路的多徑信道的特性，便 于使用智能天線等先進技術(shù)；同時能夠簡單方便地適應(yīng)于3 g 傳輸上下行非對稱 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需要，提高系統(tǒng)頻譜利用率；這些優(yōu)勢都是f d d 系統(tǒng)難以實現(xiàn)的。因 此，隨著技術(shù)的發(fā)展，國際上對使用t d d 的c d m a 技術(shù)日益關(guān)注。 t d s c d m a 也就是在這種環(huán)境下誕生的，它綜合t d d 和c d m a 的所有技術(shù) 優(yōu)勢，具有靈活的空中接口，并采用了智能天線、聯(lián)合檢測等先進技術(shù)，使得 t d s c d m a 具有一定的技術(shù)先進性，并且在三個標準中具有較高的頻譜效率。隨 著對大范圍覆蓋和高速移動等問題的逐步解決，t d s c d m a 將成為可以用最經(jīng)濟 的成本獲得令人滿意的3 g 解決方案。 1 1 2t d s c d m a 系統(tǒng)的特點及關(guān)鍵技術(shù)【兒6 j t d s c d m a 第三代移動通信標準是信息產(chǎn)業(yè)部電信科學(xué)技術(shù)研究院( 現(xiàn)大唐 移動通信設(shè)備有限公司) 提出的具有一定特色的第三代移動通信標準。該標準文 件由我國無線通信標準組( c w t s ) 于1 9 9 8 年6 月代表我國提交到r r u ( 國際電 信聯(lián)盟) 和相關(guān)國際標準組織。 t d s c d m a 標準公開之后，在國際上引起強烈的反響，得到西門子等許多著 名公司的重視和支持。1 9 9 9 年1 1 月在芬蘭赫爾辛基召開的國際電信聯(lián)盟會議上， 第一章緒論 t d s c d m a 被列入玎u 建議i t u rm 1 4 5 7 ，成為丌u 認可的第三代移動通信 i u t 主流技術(shù)之一。2 0 0 0 年5 月世界無線電行政大會正式接納t d s c d m a 為第 三代移動通信國際標準。從而使t d s c d m a 與歐洲、日本提出的w c d m a 、美 國提出的c d m a 2 0 0 0 并列為三大主流標準之一。標志著我國在移動通信技術(shù)方面 進入世界先進行列。圖1 1 表示了t d s c d m a 標準的發(fā)展歷程。 1 9 9 8 6 3 01 9 9 9 年1 2 月t d _ s 嗍開2 0 0 1 年3 月t d _ s c 嗍2 0 0 2 年1 0 月中國政府 1 d 刪 提交到i n l 始與丌1 c 仰嘟p p 融合 寫入3 g p pr 4 系歹蛀覽范方m d 分配】5 舢乜頻率 1 9 9 9 年1 1 月僻s c 珊 2 0 0 睥5 月被 寫n 卜ri l l 4 5 7聰正式并醐 圖1 1t d s c d m a 標準發(fā)展歷程 t d s c d m a 系統(tǒng)全面滿足m i t - 2 0 0 0 的基本要求。采用不需配對頻率的t d d ( 時分雙工) 工作方式，以及f d m a ，m m a c d m a 相結(jié)合的多址接入方式。同 時使用1 2 8 m 印s 的低碼片速率，擴頻帶寬為1 6 m h z 。 圖1 2 表示t d s c d m a 的多址方式結(jié)構(gòu)?？梢钥闯觯琲 s c d m a 方式采用 了t d m a 技術(shù)，有利于傳輸非對稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 圖1 21 d s c d m a 多址方式結(jié)構(gòu)示意圖 另外，t d s c d m a 系統(tǒng)還采用了智能天線、聯(lián)合檢測、同步c d m a 、接力切 換及自適應(yīng)功率控制等諸多先進技術(shù)，所以與其它3 g 系統(tǒng)相比具有較為明顯的 優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在： ( 1 ) 頻譜靈活性和支持蜂窩網(wǎng)的能力 t d s c d m a 采用t d d 方式，僅需要1 6 m h z ( 單載波) 的最小帶寬。因此 頻率安排靈活，不需要成對的頻率，可以使用任何零碎的頻段，能較好地解決當 t d s c d 姒系統(tǒng)聯(lián)合檢測技術(shù)及其算法實現(xiàn)的研究 前頻率資源緊張的矛盾；若帶寬為5 z 則支持3 個載波，在一個地區(qū)可組成蜂 窩網(wǎng)，支持移動業(yè)務(wù)。 ( 2 ) 高頻譜利用率 t d s c d m a 頻譜利用率高，抗干擾能力強，系統(tǒng)容量大，適用于人口密集的 大、中城市傳輸對稱與非對稱業(yè)務(wù)。尤其適合于移動h l o 唧e t 業(yè)務(wù)( 它將是第三 代移動通信的主要業(yè)務(wù)) ： ( 3 1 適用于多種使用環(huán)境 t d c d m a 系統(tǒng)全面滿足i t u 的要求，適用于多種環(huán)境。 “) 設(shè)備成本低 設(shè)備成本低，系統(tǒng)性能價格比高。具有我國自主的知識產(chǎn)權(quán)，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、 系統(tǒng)設(shè)計、工程建設(shè)以及為國內(nèi)運營商提供長期技術(shù)支持和技術(shù)服務(wù)等方面帶來 方便，可大大節(jié)省系統(tǒng)建設(shè)投資和運營成本。 t d s c d m a 的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在基帶部分，如智能天線技術(shù)、聯(lián)合檢測技 術(shù)、同步技術(shù)、動態(tài)信道分配技術(shù)、接力切換技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、功率控制技 術(shù)、軟件無線電技術(shù)、信道估計與補償技術(shù)等。這里僅簡要介紹其中的幾種關(guān)鍵 技術(shù)。 1 ) 智能天線技術(shù) 智能天線( s m a r t a n t 鋤a ，s a ) 利用信號傳輸?shù)目臻g特性和數(shù)字信號處理技術(shù)， 通過先進的算法處理，對基站的接收和發(fā)射波束進行波束成形和賦形，從而達到 降低干擾、增加容量、擴大覆蓋、改善通信質(zhì)量、降低發(fā)射功率和提高無線數(shù)據(jù) 傳輸速率的目的。智能天線通常包括多波束智能天線和自適應(yīng)智能天線。多波束 智能天線采取準動態(tài)預(yù)多波束切換方式，利用多個不同固定指向的波束覆蓋整個 用戶區(qū)，隨著用戶在小區(qū)中的移動，基站選擇其中最合適的波束，從而增強接收 信號的強度。自適應(yīng)智能天線采取全自適應(yīng)陣列自動跟蹤方式，通過不同自適應(yīng) 調(diào)整各個天線單元的加權(quán)值，達到形成若干自適應(yīng)波束，同時自動跟蹤若干個用 戶的目的，能夠?qū)Ξ斍暗膫鬏敪h(huán)境進行最大可能匹配。在第三代移動通信系統(tǒng)中， t d s c d m a 是應(yīng)用智能天線技術(shù)的典型范例。t d s c d m a 系統(tǒng)采用t d d 方式，使 上下射頻信道完全對稱，可同時解決諸如天線上下行波束賦形、抗多徑干擾和抗 多址干擾等問題。該系統(tǒng)具有精確定位功能，可實現(xiàn)接力切換，減少信道資源浪 費。 2 1 聯(lián)合檢測技術(shù) 聯(lián)合檢測( j o i n td e t e c t i o n j d ) 技術(shù)是在多用戶檢測( m u l d u s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 技術(shù)基礎(chǔ)上提出的。該技術(shù)是減弱或消除多址干擾、多徑干擾和遠近效應(yīng)的有效 手段，能夠簡化功率控制，降低功率控制精度，彌補正交擴頻碼互相關(guān)不理想所 帶來的消極影響，從而改善系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)容量、增大小區(qū)覆蓋范圍。 第一章緒論 聯(lián)合檢測技術(shù)己被納入到第三代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)體系中。我國向國際電 信聯(lián)盟( i n j ) 提交的t d s c d m a 第一次提出以智能天線為核心技術(shù)的c d m a 通信 系統(tǒng)，同時采用聯(lián)合檢測技術(shù)，實現(xiàn)了智能天線和聯(lián)合檢測技術(shù)的有機結(jié)合。將 智能天線和聯(lián)合檢測技術(shù)結(jié)合起來，利用s a 的定向接收和分集增益來降低系統(tǒng)干 擾和改善信道環(huán)境，可提高信道估計性能，并且可以簡化檢測器結(jié)構(gòu)，大大降低 檢測算法的復(fù)雜性。有關(guān)聯(lián)合檢測技術(shù)的算法原理將在后續(xù)章節(jié)中詳細介紹。 3 ) 接力切換技術(shù) 接力切換的設(shè)計思想是利用智能天線和上行同步等技術(shù)，在對u e 的距離和方 位進行定位的基礎(chǔ)上，根據(jù)u e 方位和距離信息作為輔助信息來判斷目前u e 是否 移動到了可進行切換的相鄰基站的臨近區(qū)域。如果u e 進入切換區(qū)，則r n c 通知該 基站做好切換的準備，從而達到快速、可靠和高效切換的目的。1 d s c d m a 的獨 特之處是使用了智能天線獲得用戶終端的方位( d o a ) ，采用同步c d m a 技術(shù)獲得用 戶終端與基站間的距離。若將這兩個信息予以綜合，基站就可以確定用戶終端的 具體位置，從而為接力切換奠定了基礎(chǔ)。接力切換不丟失信息、不中斷通信，節(jié) 約了信道資源。在接力切換的過程中，同頻小區(qū)之間的兩個小區(qū)的基站都將接收 同一個終端的信號，并對其定位，將確定可能切換區(qū)域的定位結(jié)果向基站控制器 報告，完成向目標基站的切換，克服了“軟切換”浪費信道資源的缺點。接力切換不 僅具有上述的“軟切換”功能，而且可以在不同載波頻率的t d s c d m a 基站之間使 用，甚至能夠在t d s c d m a 系統(tǒng)與其它移動通信系統(tǒng)( 如g s m ，c d m a j s 9 5 等) 的基 站之間，實現(xiàn)不丟失信息、不中斷通信的理想的越區(qū)切換。在一般情況一下，“接 力切換”與“軟切換”相比較，能夠使系統(tǒng)容量增加一倍以上。 4 1 上行同步技術(shù) 同步c d m a 或上行同步，是降低多址干擾，簡化接收機的一項重要技術(shù)。 t d s c d m a 系統(tǒng)中，上行鏈路和下行鏈路一樣都采用正交擴頻碼。移動臺動態(tài)地 調(diào)整發(fā)往基站的發(fā)射時間，使上行信號主徑到達基站時保持同步，保證了上行信 號的不相關(guān)，降低了碼間干擾。這樣，系統(tǒng)的容量由于碼間干擾的降低大大提高， 同時基站接收機的復(fù)雜度也大為降低。上行同步技術(shù)( s y n c h r o n i z a t i o n ) 是 t d s c d m a 系統(tǒng)中重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。它的應(yīng)用能最大程度地降低干擾，從而 提高系統(tǒng)的容量。除了以上介紹的幾種關(guān)鍵技術(shù)外，在t d s c d m a 系統(tǒng)中使用的 關(guān)鍵技術(shù)還包括動態(tài)信道分配、軟件無線電等，這里就不一一介紹了。 1 2 項目來源及研究意義 本文題目為“t d s c d m a 系統(tǒng)聯(lián)合檢測技術(shù)及其算法實現(xiàn)的研究”，是為研究 聯(lián)合檢測技術(shù)在t d s c d m a 系統(tǒng)中的應(yīng)用而擬定的科研題目。 6 t d s c d i i a 系統(tǒng)聯(lián)合檢測技術(shù)及其算法實現(xiàn)的研究 作為t d s c d m a 系統(tǒng)的一個重要組成部分，聯(lián)合檢測技術(shù)在改善系統(tǒng)性能 的同時還將對降低無線網(wǎng)絡(luò)成本起到很大的作用，這主要體現(xiàn)在以下幾個方面。 第一，由于聯(lián)合檢測技術(shù)可以降低干擾，因而提高了系統(tǒng)的容量。特別是對于容 量受限的系統(tǒng)來講，將減少基站設(shè)備的個數(shù)，因而大大降低整個網(wǎng)絡(luò)的成本。第 二，聯(lián)合檢測技術(shù)可以削弱“遠近效應(yīng)”的影響，從而降低對功控的復(fù)雜度。這種 復(fù)雜度的降低從某種程度上也可以減少對該模塊的投入，從而降低整個網(wǎng)絡(luò)的成 本?？傊?，聯(lián)合檢測技術(shù)的優(yōu)越性在于它充分利用了所有和mai 相關(guān)的先驗信 息，通過與其它先進技術(shù)如智能天線技術(shù)相結(jié)合，達到相輔相成的效果。它不僅 提高了頻率的利用率，改善了系統(tǒng)性能，同時還降低了網(wǎng)絡(luò)成本，必將能給運營 商帶來極佳的經(jīng)濟效益。 1 3 本文主要內(nèi)容安排 本文主要分為六個章節(jié)。 第一章主要闡述了第三代移動通信的發(fā)展史，介紹了目前第三代移動通信的 三大主流標準，重點對t d s c d m a 系統(tǒng)的發(fā)展、現(xiàn)狀以及關(guān)鍵技術(shù)做了介紹； 第二章對1 d s c d m a 系統(tǒng)物理信道結(jié)構(gòu)，包括幀結(jié)構(gòu)、突發(fā)結(jié)構(gòu)、訓(xùn)練序 列等做了介紹，另外還闡述了數(shù)據(jù)調(diào)制和擴頻調(diào)制的規(guī)則； 第三章首先對t d s c d m a 上行鏈路進行數(shù)學(xué)建模，給出了數(shù)據(jù)傳輸模型以 及發(fā)送端和接收端的信號模型，同時也給出了信道估計的數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)矩陣的 構(gòu)造方法；其次，對聯(lián)合檢測技術(shù)做了相關(guān)介紹，包括線形聯(lián)合檢測器的結(jié)構(gòu)， 列舉了幾種線性聯(lián)合檢測算法，并對幾種算法進行了比較分析； 第四章對t d s c d m a 系統(tǒng)聯(lián)合檢測的算法進行了仿真，給出了仿真參數(shù)以 及仿真流程圖； 第五章針對不同信道模型、不同算法、不同用戶數(shù)等條件下的仿真結(jié)果進行 比較分析； 第六章對全文進行總結(jié)并提出展望。 第二章t d s c d 齟a 系統(tǒng)物理層 第二章t d s c d m a 系統(tǒng)物理層 2 1 概述 物理層向高層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，這些服務(wù)的接入是通過傳輸信道來實現(xiàn)的。 為提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，物理層需要完成以下功能嘲： 傳輸信道錯誤檢測和上報 傳輸信道的f e c ( f o 咖a r d 鋤rc o r r e c t i o n 前向糾錯) 編譯碼 傳輸信道和編碼組合傳輸信道的復(fù)用解復(fù)用 編碼組合傳輸信道到物理信道的映射 物理信道的調(diào)制擴頻和解調(diào)，解擴 頻率和時鐘( 碼片、比特、時隙和子幀) 同步 功率控制 物理信道的功率加權(quán)和合并 i 強處理 速率匹配 無線特性測量，包括f e r ( 劬m e 姍r r a t c 誤幀率) 、s 瓜、干擾功率，等 等 上行同步控制 上行和下行波束成形( 智能天線) u e 定位( 智能天線) t d s c d m a 的多址接入方案是直接序列擴頻碼分多址( d s c d m a ) ，碼片速率 為1 2 8 m 印s ，擴頻帶寬約為1 6 m h z ，采用不需配對頻率的t d d ( 時分雙工) 工作 方式。它的下行( 前向鏈路) 和上行( 反向鏈路) 的信息是在同一載頻的不同時 隙上進行傳送的。 在1 d s c d m a 系統(tǒng)中，其多址接入方式上除具有d s c d m a 特性外，還具 有t d m a 的特點。因此t d s c d m a 的接入方式也可以表示為t d m a c d m a 。 t d s c d m a 的基本物理信道特性由頻率、碼和時隙決定。其幀結(jié)構(gòu)將l o m s 的無線幀分成2 個5 m s 子幀，每個子幀中有7 個常規(guī)時隙和3 個特殊時隙。 信道的信息速率與符號速率有關(guān)，符號速率由1 2 8 m c p s 的碼速率和擴頻因子 所決定到上下行的擴頻因子在1 到1 6 之間，因此各自調(diào)制符號速率的變化范圍為 8 0 o k 符號秒1 2 8 m 符號秒。 t d _ s c d 姒系統(tǒng)聯(lián)合檢測技術(shù)及其算法實現(xiàn)的研究 2 2t d s c d m a 系統(tǒng)物理信道 2 2 1 物理信道的結(jié)構(gòu)【1 6 】 t d s c d m a 的物理信道采用四層結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)幀、無線幀、子幀和時隙碼。時 隙用于在時域和碼域上區(qū)分不同用戶信號，具有t d m a 的特性。圖2 1 給出了 物理信道的信號格式。 無線幀( 1 0 加s ) 幀# i幀群i + 1 子幀( 5 m s ) |、j。、，、lj。、_。 子幀# 2 i子幀# 2 i + 1 ! ! 竺? 7 ：，轉(zhuǎn)換點- - 瑚薷鞠刪 t s 2t s 3t s 4 t s 5 t s 6 d w p t sg u p p t s 轉(zhuǎn)抉點 ( 7 5 u s )( 7 5 u s ) ( 1 2 5 u s ) 注：時隙枷( t 間，6 弘第n 個業(yè)務(wù)時隙，8 6 4 個碼片長：d w p t s ：下行導(dǎo)頻時隙，個碼片長；u p p l s ：上行 導(dǎo)頻時隙，1 6 0 個碼片長；g p ：主保護時隙，9 6 個碼片長。 圖2 1t d s c d m a 的物理信道信號格式 i d d 模式下的物理信道是將一個突發(fā)在所分配的無線幀的特定時隙發(fā)射。無 線幀的分配可以是連續(xù)的，即每一幀的相應(yīng)時隙都分配給物理信道；也可以是不 連續(xù)的分配，即將部分無線幀中的相應(yīng)時隙分配給該物理信道。一個突發(fā)由數(shù)據(jù) 部分、訓(xùn)練序列( m i d 鋤b l e 碼) 部分和保護間隔組成。突發(fā)的持續(xù)時間是一個時隙。 第二章t d s c d l i a 系統(tǒng)物理層 發(fā)射機可以同時發(fā)射幾個突發(fā)，在這種情況下，幾個突發(fā)的數(shù)據(jù)部分必須使用不 同o v s f 的信道碼，但應(yīng)使用相同的擾碼。m i d 鋤b l e 碼部分必須使用同一個基本 m i d a m b l e 碼，但可使用不同偏移碼( m i d a m b l es h i f ) 。 突發(fā)的數(shù)據(jù)部分由信道碼和擾碼共同擴頻。信道碼是一個0 s f 碼，擴頻因 子可以取l ，2 ，4 ，8 或1 6 ，物理信道的數(shù)據(jù)速率取決于使用的0 v s f 碼所采用 的擴頻因子。 因此，物理信道是由頻率、時隙、信道碼和無線幀分配來定義的。小區(qū)使用 的擾碼和基本m i d a m b l e 碼是廣播的，而且可以是不變的。建立一個物理信道的同 時，也就給出了它的起始幀號。物理信道的持續(xù)時間可以無限長，也可以定義資 源分配的持續(xù)時間。 2 2 2 子幀結(jié)構(gòu)【1 1 】 1 2 8 m c p s d w p t s ( 9 6 c h i p s ) ，一一， r 轉(zhuǎn)換點 豳十 00 圖2 2t d s c d m a 子幀結(jié)構(gòu) t d s c d m a 系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計考慮到對智能天線、上行同步等新技術(shù)的支 持。一個無線幀長為1 0 m s ，分成兩個5 m s 子幀。這兩個子幀的結(jié)構(gòu)完全相同。 如圖2 2 所示，每一子幀又分成長度為6 7 5 璐的7 個常規(guī)時隙和3 個特殊時隙。 這三個特殊時隙分別為d w p t s ( 下行導(dǎo)頻時隙) 、g ( 保護時隙) 和u p p t s ( 上行導(dǎo)頻 時隙) 。在7 個常規(guī)時隙中，t s o 總是分配給下行鏈路，而t s l 總是分配給上行鏈 路。上行時隙和下行時隙之間由轉(zhuǎn)換點分開，在r d s c d m a 系統(tǒng)中，每個5 m s 的子幀有兩個轉(zhuǎn)換點( u l 到d l ，和d l 到u l ) 。通過靈活的配置上下行時隙的 個數(shù)，使t d s c d m a 適用于上下行對稱及非對稱的業(yè)務(wù)模式。圖2 - 3 分別給出了 對稱分配和不對稱分配的例子。 t d s c d i i a 系統(tǒng)聯(lián)合檢測技術(shù)及其算法實現(xiàn)的研究 ( d m j l 對稱分配) 轉(zhuǎn)換點 轉(zhuǎn)換點 ( d i i i ，不對稱分配) 圖2 3t d s c d m a 幀結(jié)構(gòu)示圖 下行導(dǎo)頻時隙( d 、p t s ) ：每個子幀中的d w p t s 是作為下行導(dǎo)頻和同步而設(shè)計 的。該時隙是由長為6 4 c h i p s 的s y n c - d l 序列和3 2 c h i p s 的保護間隔組成，其結(jié) 構(gòu)如圖2 4 所示。 1 1r g p ( 3 2 c h i p s )s y n c _ _ d l ( 6 4 c h i 嘲 圖2 4d w p t s 的突發(fā)結(jié)構(gòu) s y n cd l 是一組p n 碼，用于區(qū)分相鄰小區(qū)，系統(tǒng)中定義了3 2 個碼組，每 組對應(yīng)一個s y n c d l 序列，s y n c d lp n 碼集在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中可以復(fù)用。有關(guān)碼 組的內(nèi)容在后文介紹。d w p t s 的發(fā)射，要滿足覆蓋整個區(qū)域的要求，因此不采用 智能天線賦形。將d w p t s 放在單獨的時隙，一個是便于下行同步的迅速獲取， 再者，也可以減小對其他下行信號的干擾。 上行導(dǎo)頻時隙p t s ) ：每個子幀中的u p p t s 是為建立上行同步而設(shè)計的， 當u e 處于空中登記和隨機接入狀態(tài)時，它將首先發(fā)射u p p t s ，當?shù)玫骄W(wǎng)絡(luò)的應(yīng) 答后，發(fā)送r a c h 。這個時隙由長為1 2 8 c h i p s 的s y n cu l 序列和3 2 c h i p s 的保 護間隔組成，其結(jié)構(gòu)如圖2 5 所示。 圖2 5u p p t s 的突發(fā)結(jié)構(gòu) 第二章t d - s c d 姒系統(tǒng)物理層 s y n c - u l 是一組p n 碼，用于在接入過程中區(qū)分不同的u e 。 保護時隙( g p ) ，：即在n o d eb 側(cè)，由發(fā)射向接收轉(zhuǎn)換的保護間隔，時長為 7 5 l l s ( 9 6 c h i p s ) ，可用于確定基本的小區(qū)覆蓋半徑為1 1 公里。同時，較大的保護時 隙，可以防止上下行信號互相之間干擾，還可以允許終端在發(fā)出上行同步信號時 進行一些時間提前。 2 2 3 突發(fā)結(jié)構(gòu) 1 i 】 贊煞l 懶裟i紫箍 3 5 2c h i p s1 4 4c h i p s3 5 2c h i p s 品l 墮1 2 ， 圖2 6 突發(fā)結(jié)構(gòu)( g p 表示保護間隔，c p 表示碼片長度) 1 d s c d m a 采用的突發(fā)格式如圖2 6 所示，每個部分具體內(nèi)容如表2 1 所示。 突發(fā)由兩個長度分別為3 5 2 c h i p s 的數(shù)據(jù)塊、一個長為1 4 4 c b j p s 的m i d 鋤b l e 和一 個長為1 6 c h i p s 的保護間隔組成。數(shù)據(jù)塊的總長度為7 0 4 c h i p s ，所包含的符號數(shù)與 擴頻因子有關(guān)，對應(yīng)關(guān)系如表2 2 所示。 突發(fā)的數(shù)據(jù)部分由信道碼和擾碼共同擴頻。即將每一個數(shù)據(jù)符號轉(zhuǎn)換成一些 碼片，因而增加了信號帶寬，一個符號包含的碼片數(shù)稱為擴頻因子( s f ) 。擴頻因 子可取1 ，2 ，4 ，8 ，1 6 。 表2 1突發(fā)各個部分的內(nèi)容 碼片號區(qū)域長度區(qū)域長度區(qū)域長度區(qū)域內(nèi)容 ( c ( c h i p 數(shù)目) ( 符號數(shù)目)( “s ) o 3 5 13 5 2參見表2 2 2 7 5數(shù)據(jù) 3 5 2 4 9 5l “91 1 2 5m i 出i 出l e 4 9 6 8 4 73 5 2參見表2 2 2 7 5數(shù)據(jù) 8 4 8 8 6 3 1 61 1 2 5保護間隔 1 2 t d _ s c d 姒系統(tǒng)聯(lián)合檢測技術(shù)及其算法實現(xiàn)的研究 表2 2 突發(fā)中每個數(shù)據(jù)塊包含的符號數(shù) 擴頻因子( q ) 每個數(shù)據(jù)塊符號數(shù)( n ) 13 5 2 21 7 6 4 8 8 8 4 4 1 62 2 在t d s c d m a 系統(tǒng)中的突發(fā)結(jié)構(gòu)提供了傳送l 1 控制信令的可能。這里提到 的l 1 控制信令包括傳輸格式合成指示( t f c i ) ，t p c ，s s 。l 1 控制信令在相應(yīng)物 理信道的數(shù)據(jù)部分發(fā)送，即l 1 控制信令和數(shù)據(jù)比特具有相同的擴頻操作。l 1 控 制信令的位置如圖所示。 俄字第呻分羅碼宇第二部分刪鋤卸夕舊張咖 。黼符號 數(shù)據(jù)符號卜 m j d a r n b i e 數(shù)據(jù)符號l g 敦據(jù)符號、卜m i d a m b i e 二il ! l 1 1 時障x f 8 6 4c h i p s ) 7 r 時隙x ( 8 “c l l i 嘲 7 l 圖2 7 不發(fā)送s s ( 同步偏移) 和t p c ( 發(fā)射功率控制) 時的t f c i 的位置 圖2 8 發(fā)送s s ( 同步偏移) 和t p c ( 發(fā)射功率控制) 時的i 的位置 對于每個用戶，t f c i 信息將在每1 0 m s 無線幀里發(fā)送一次。編碼后的t f c i 符號在子幀內(nèi)和數(shù)據(jù)塊內(nèi)都是均勻分布的。t f c i 的發(fā)送是由高層信令配置的。 對于每個用戶，t p c 信息在每5 m s 子幀里發(fā)送一次，這使得t d s c d m a 系 統(tǒng)可以進行快速功率控制。 對于每個用戶，s s 信息在每5 m s 子幀里發(fā)送一次，s s 用于命令終端每m 幀 進行一次時序調(diào)整，調(diào)整步長為倒8 ) t c ，其中t c 為碼片周期，m 值和k 值由網(wǎng) 第二章t d s c d 】i l a 系統(tǒng)物理層 絡(luò)設(shè)置，并在小區(qū)中進行廣播。上行突發(fā)中沒有s s 信息，但是s s 位置予以保留， 以備將來使用。 2 2 4 訓(xùn)練序列【1 6 】 突發(fā)結(jié)構(gòu)中的訓(xùn)練序列( m i d a m b i e 碼) ，用于進行信道估計、測量，如上行 同步的保持以及功率測量等。在同一小區(qū)內(nèi)，同一時隙內(nèi)的不同用戶所采用的 m i d 鋤b l e 碼由一個基本的m i d a m b l e 碼經(jīng)循環(huán)移位后而產(chǎn)生。 t d s c d m a 系統(tǒng)中，基本m i d a m b l e 碼長度為1 2 8 c h j p s ，個數(shù)為1 2 8 個，分 成3 2 組，每組4 個。m i d a m b l e 的生成過程如下： 對一特定的基本m i d a m b l e 碼，其二進制形式可以表示為一向量m ，： m ，= ( 碼，冊：，m ，) 式( 2 1 ) 向量m ，的長度為1 2 8 ，即p = 1 2 8 。因為采用了q p s k 調(diào)制方式，訓(xùn)練序列要變 換成復(fù)數(shù)形式，表示為向量里，： 坐，= 缸l ，絲2 ，絲，) 向量坐，的元素坐，根據(jù)公式( 4 3 ) 由向量m ，的元素m 。計算得到： 堡f = ( j ) 。m f f b ra l l f = 1 ，p 式( 2 2 ) 式( 2 3 ) 可見，根據(jù)上述公式，復(fù)數(shù)形式的基本m i d 鋤b l e 碼的元素翌，是實、虛相間的。 為得到所需要的訓(xùn)練序列，向量墜，周期擴展到 f = 三。+ ( 足一1 ) 形 在公式( 4 _ 4 ) 中：，k 1 - 1 4 4 ，相應(yīng)的k w 可以取為 k = - 2 ，4 ，6 ，8 ，1 0 ，1 2 ，1 4 ，1 6 ， 矽= 斟 注：b j 表示小于等于x 的最大整數(shù)。 所以可以得到一新的向量坐： 磐= k 。，翌，翌j _ ) = k 。，型：，盟k 叫。) ，) 式( 2 _ 4 ) 式( 2 5 ) 1 4 t d s c d l i a 系統(tǒng)聯(lián)合檢測技術(shù)及其算法實現(xiàn)的研究 向量坐的前p 個元素與向量墮，相同，其余的元素按下式重復(fù)： 翌，= 型f p f o r t h es u b s e tf = ( p + 1 ) ，f 呻式( 2 6 ) 對于用戶k ，其訓(xùn)練序列巫n 序列長l ?？梢愿鶕?jù)向量坐得到，可以表示為用戶 特定的向量： 墼“= 乜，絲，絲：) 式( 2 - 7 ) 用戶k ( k = 1 ，k ) 的l 。個向量元素塑；根據(jù)下式生成： 翌：“= 絲州x i 胛、i t hf = 1 ，上。a n d 七= l ，茁 式( 2 8 ) 根據(jù)公式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 生成的m i d a m b l e 序列是復(fù)值，它不再經(jīng)過擴頻和 加擾的處理。 2 3t d s c d m a 系統(tǒng)擴頻與調(diào)制1 6 】 2 3 1 數(shù)據(jù)調(diào)制 在t d s c d m a 系統(tǒng)中采用的數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)是q p s k ，對于2 mb i “s 的業(yè)務(wù)， 將使用8 p s k 調(diào)制方式。 在講符號映射前，先介紹一下符號速率只恥的定義，符號速率與使用的擴頻 因子和碼片速率相關(guān)，根據(jù)擴頻的定義，符號的持續(xù)時間 巧= 幺正 式( 2 9 ) 其中疋= = o 7 8 1 2 5p s ，為碼片速率的倒數(shù)，幺為擴頻因子 j 則符號速率e = 1 l = 厶幺。 如前所述，每個突發(fā)中有兩個數(shù)據(jù)塊的部分，用來承載數(shù)據(jù)，即： 查 ) = ( 生產(chǎn)n ，生字訂，生譬p ) t i = 1 ，2 ；k ；l ， 式( 2 1 0 ) 其中n k 為第k 個用戶每個數(shù)據(jù)塊包含的符號數(shù)，其值與擴頻因子q k 有關(guān)。 數(shù)據(jù)塊墮( 1 ) 在m i d a m b l e 之前發(fā)送，墮。2 在m i d a m b l e 之后發(fā)送。m 個數(shù)據(jù)符號 第二章t d s c d 姒系統(tǒng)物理層 中的每一個芝譬的持續(xù)時間為= q k 工。 對q p s k ，從兩個經(jīng)過編碼和交織后的數(shù)據(jù)比特中產(chǎn)生數(shù)據(jù)符號生乎n ： 姥 0 ，1 ) ，= 1 ，2 ；七= l ，k ；以= l ，坼；f = 1 ，2 然后根據(jù)相應(yīng)的的映射關(guān)系映射到復(fù)數(shù)符號。 對8 p s k 的情況，三個連續(xù)的比特位映射為一個復(fù)值數(shù)據(jù)符號。 突發(fā)都有兩個數(shù)據(jù)部分，定義的數(shù)據(jù)塊為： 一= 世p ，毋n ，配) ti = 1 ，2 ；k = 1 ，k 每一個用戶 式( 2 1 1 ) n k 是用尸k 的每個數(shù)據(jù)域的符號數(shù)它與擴頻凼于q k 有關(guān)。 數(shù)據(jù)塊墮( 。n 和墮( 。，在m i d 齜n b l e 的前后發(fā)送。上式中的每一個n k 數(shù)據(jù)符號 生；i ：1 ，2 ；k = 1 ，匙n _ 1 ，n k ；都按已經(jīng)給出的符號。= 級五。 采用的數(shù)據(jù)調(diào)制是8 p s k 這樣數(shù)據(jù)符號生竽d 將由三個連續(xù)物理信道映射 后的輸出數(shù)據(jù)比特組成。 2 3 2 脈沖成型濾波器 當矩形脈沖通過帶限信道時，脈沖會在時間上延伸，每個符號的脈沖將延伸 到相鄰符號的時間間隔內(nèi)，這會導(dǎo)致碼間串擾。移動通信系統(tǒng)要求占用帶寬小， 以提高頻譜利用率，同時減少調(diào)制帶寬而抑制帶外輻射，這樣移動通信信道是典 型的帶限信道。脈沖成型技術(shù)是達到上述目標的有效方法。 在發(fā)射端，每一個