南京郵i 乜人學(xué)頌i j 研究生學(xué)位論義摘要 摘要 我國無線通信標(biāo)準(zhǔn)化組織( c w t s ) 提出的t d s c d m a 標(biāo)準(zhǔn)使用了時分雙工( t d d ) 和 智能天線( s a ) 技術(shù)，與w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 ，w i m a x 一起成為第三代移動通信系統(tǒng)的 四大主流標(biāo)準(zhǔn)。智能天線技術(shù)作為t d s c d m a 標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)，是目前移動通信領(lǐng)域的一 個研究熱點。 但是，t d s c d m a 智能天線波束形成理論中存在的三個錯誤觀點，即一副s a 可以在 一個載波上同時實現(xiàn)多個c d m a 碼道不同方向的定向發(fā)信；可以把上行收基帶信號加權(quán)直 接用在下行實現(xiàn)發(fā)信波束形成；s a 的上下行信噪比增益基本相等。 基于此，本文對t d s c d m a 系統(tǒng)中的智能天線上下行處理過程進行了詳細的分析，進 行了以下工作： 1 介紹t t d s c d m a 系統(tǒng)的技術(shù)特點，及其物理信道基本幀結(jié)構(gòu)。簡要地介紹了智 能天線的基本原理； 2 研究7 t d s c d m a 中使用的信道估計和d o a 估計聯(lián)合算法的可行性，并給出了一 種簡單的基于鑒相法的d o a 估計的實現(xiàn)方法； 3 給出了基于相控陣?yán)碚摰南滦胁ㄊ纬傻姆治瞿Ｐ?，根?jù)該模型證明了上行賦形 權(quán)值和下行賦形權(quán)值的不可互易性，并指出了下行波束賦形在物理實現(xiàn)上的不可行性； 4 證明- 2 s a 的上下行信噪比增益不相等，并指出了相關(guān)文獻的錯誤結(jié)論。 關(guān)鍵詞：智能天線、d o a 、t d s c d m a 、波束形成 南京郵電大學(xué)碩：b 研究生學(xué)位論文 a b s t r a c t a b s t r a c t n o wm o r ea n dm o r ec o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r sp a ya t t e n t i o nt o t d - s c d m a t h a tw a s l o d g e db y c w t s ，b e c a u s et d da n ds aa l e a p p l i e d i nt d s c d m a t d - s c d m a ，w c d m a ，c d m a 2 0 0 0a n dw i m a xh a v eb e e nt h em o s tp o p u l a rs t a n d a r d so f3 g s m a r ta n t e n n ai so n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n i q u e si nt d s c d m a s y s t e m ，a n di sa l s oaf o c u so f m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o nf i e l d h o w e v e r , t h e r ea r et h r e ew r o n gs t a n d p o i n t si nr e c e n ts m a r ta n t e n n aa p p l i c a t i o nt h e o r y , t h e r e a r e ( 1 ) u s i n go n l yo n es ac a nf o r m i n gm u t i - d i r e c t i o n a lr a d i a t i o nb e a m so no n ec a r r i e ri n c d m a s y s t e m s ( 2 ) t h ed o w n l i n kb e a mf o r m i n gw e i g h t e dv a l u ec a nb eu s e db yt h eu p l i n kb e a m f o r m i n g ( 3 ) t h es n rg a i no ft h eu p l i n ka n dd o w n l i n ka r et h es a r n e w ed e t a i l e da n a l y s et h eu p l i n ka n dd o w n l i n kp r o c e s so fs m a r ta n t e n n a si nt h es y s t e mo f t d s c d m a t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 ab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt d - s c d m a s y s t e mi sp r e s e n t e da n dt h ep r i n c i p l eo fs m a r t a n t e n n a 2 r e s e a r c ho nt h ef e a s i b i l i t ys t u d yf o r j o i n ta l g o r i t h mo ft h ec h a n n e le s t i m a t i o na n dd o a e m i m m i o ni nt h et d - s c d m as y s t e m ，a n dw ep r e s e n tas i m p l ei m p l e m e n t a t i o no fd o a e s t i m a t i o nb a s e do np h a s ed e m o d u l a t i o nm e t h o d 3 t h ea n a l y t i c a lm o d e lf o rd o w n l i n kb e a m - f o r m i n gb a s e do nt h et h e o r yo fp h a s ea r r a yi s g i v e n c e r t i f i c a t et h ew e i g h t e dv a l u e so ft h eu p l i n ka n dd o w n l i n kb e a mf o r m i n gd o n th a v et h e r e c i p r o c i t y p o i n to u tt h ei n f e a s i b i l i t yf o rt h ei m p l e m e n t i o no fd o w n l i n kb e a mf o r m i n g 4 c e r t i f i c a t et h es n r g a i no ft h eu p l i n ka n dd o w n l i n ka r en o tt h es a m e ，a n dp o i n to u tt h e e r r o ri ns o m er e f e r e n c e s k e y w o r d s ：s m a r ta n t e n n a s ，d o a ，t d s c d m a ，b e a mf o r m i n g 南京郵電大學(xué)學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(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(biāo)注和致謝的 地方外，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 含為獲得南京郵電大學(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已在論文中作了 明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名： 南京郵電大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 南京郵電大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留 本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其 他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一 致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布 ( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包括刊登) 授權(quán) 南京郵電大學(xué)研究生部辦理。 研究生簽名：啦導(dǎo)師簽名： 南京郵電大學(xué)碩上研究生學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 移動通信技術(shù)簡介 1 1 1 移動技術(shù)發(fā)展史 一i 第一代移動通信 k 一，。，。，：一! 第一章緒論 j 第二代移動通信 ； l i ：，。，。；，：。一，i 第三代移動通信 ； ； l 。一。，。，一。， 圖1 1 移動通信發(fā)展史 第一代移動通信系統(tǒng)的典型代表是美國a m p s 系統(tǒng)、改進型系統(tǒng)t a c s 、n m t 和n 1 v r ， a m p s ( 先進移動電話系統(tǒng)) 使用模擬蜂窩傳輸?shù)? 0 0 m h z 頻帶，在美洲和部分環(huán)太平洋國 家廣泛使用；t a c s ( 全向入網(wǎng)通信系統(tǒng)) 是8 0 年代歐洲的模擬移動通信的制式，也是我 國8 0 年代采用的模擬移動通信制式，使用9 0 0 m h z 頻帶。而北歐也于瑞典開通了n m t ( n o r d i c 移動電話) 系統(tǒng)，德國丌通c 一4 5 0 系統(tǒng)等。第一代移動通信系統(tǒng)為模擬制式，以 f d m a 技術(shù)為基礎(chǔ)。 第二代移動通信系統(tǒng)( 2 n dg e n e r a t i o n ，2 g ) 是以傳送語音和數(shù)據(jù)為主的數(shù)字通信系統(tǒng)， 典型的系統(tǒng)有g(shù) s m ( 采用t d m a 方式) 、d a m p s 、i s 9 5c d m a 和同本的j d c ( 現(xiàn)在改名為 p d c ) 等數(shù)字移動通信系統(tǒng)。2 g 除提供語音通信服務(wù)之外，也可提供低速數(shù)據(jù)服務(wù)和短消 息服務(wù)。 第三代移動通信系統(tǒng)( 3 r dg e n e r a t i o n ，3 g ) ，國際電聯(lián)也稱i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n si nt h ey e a r2 0 0 0 ) ，歐洲的電信業(yè)巨頭們則稱其為u m t s ( 通用移 l 南京郵電大學(xué)碩l 研究生學(xué)位論義第一章緒論 動通信系統(tǒng)) ，最初包括w c d m a 、t d s c d m a 和c d m a 2 0 0 0 三大標(biāo)準(zhǔn)。i t u 要求i m t - 2 0 0 0 r t t 必須滿足以下三種環(huán)境的要求。即：快速移動環(huán)境，最高速率達1 4 4 k b i t s ；室外到室 內(nèi)或步行環(huán)境，最高速率達3 8 4 k b i t s ：室內(nèi)環(huán)境，最高速率達2 m b i t s 1 】。2 0 0 7 年國際電 信聯(lián)盟( i t u ) 宣布w i m a x 技術(shù)正式成為3 g 標(biāo)準(zhǔn)。 w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 均采用c d m a 多址方式。但是，c d m a 方式的主 要技術(shù)缺陷是上下行容量基本相等，根據(jù)因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求，下行容量應(yīng)遠大于上行容量 的5 倍以上，上行的寬帶設(shè)置只會造成頻譜資源的浪費。而且當(dāng)增加發(fā)信功率時，系統(tǒng)產(chǎn) 生的白干擾會加大，導(dǎo)致頻道容量基本不變，無法利用發(fā)信功率換取頻譜利用率。所以 c d m a 方式在小區(qū)內(nèi)的頻譜利用率很低。這也是導(dǎo)致停止執(zhí)行c d m a 2 0 0 03 x 標(biāo)準(zhǔn)，拋棄以 7 一一 一， c d m a 為主轉(zhuǎn)向以t d m a 為基本方式的e v - d o ( e v o l u t i o n d a t ao n l y ) 的主要原因。e v - d o j 號虧磊要一個磊三藤產(chǎn)而矗夏c d m a 2 0 0 0 3 x ”雍雨季酉豇百堿菱是茬下彳亍磊中采用方式需要一個獨立的下行頻道，與相比其突出的改變是在下行鏈路中采用 t t ，6 4t t ，1 6 t d m a 方式區(qū)分多個用戶，利用插入的前置一區(qū)分不同的用戶信道，并利用一在各用 戶占用時隙中構(gòu)成用戶碼分子信道。各用戶的擴頻系數(shù)( s f ) 由基站b s 據(jù)信號傳播衰落情 況決定，s f 8 0 - 2 。在l xe v - d o 之后提出的l xe v - d v 與l xe v - d o 的主要不同是可以用一 個載波同時傳輸語音、低速和高速信號，在傳輸語音與低速信號時使用與c d m a 2 0 0 0l x 相同 的無線配置，并將剩余的w a l s h 碼資源組成兩個t d m a 信道用于高速信號的傳輸。相應(yīng)的速 率可分為8 1 6 、1 5 8 4 、3 0 9 1 2 k b p s1 8 檔，選用1 5t u r b o 坌q 錯編碼，可選用q p s k 、8 p s k 、 1 6 q a m 調(diào)制方式。然而現(xiàn)在可以證明在多個c d m a 信道中不可能實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，1 x e v - d v 標(biāo)準(zhǔn)已被廢止。w c d m a 分為時分雙工( t d d ) 和頻分雙工( f d d ) 兩類t d d w c d m a l 一 一一_ 系統(tǒng)是國際公認(rèn)的步行移動通信系統(tǒng)，在國際上沒有應(yīng)用實例，屬于應(yīng)用價值極低，被擱 置的標(biāo)藩葡筧豇頑五而仄麗葛翩也不理想，基本沒有贏利。對于未投入使用的 t d s c d m a 系統(tǒng)，其許多內(nèi)容與t d d w c d m a 雷同，不同點是t d s c d m a 標(biāo)準(zhǔn)引入了作 為核心技術(shù)的智能天線，然而智能天線在c d m a 系統(tǒng)中的作用存在許多異議，因此對 t d s c d m a 系統(tǒng)的認(rèn)識還待繼續(xù)深入，有必要作更多的研究，使其能夠得到更好的應(yīng)用。 應(yīng)該認(rèn)識至1 3 g 標(biāo)準(zhǔn)有許多不合理的地方，還有必要加以研究，以便在應(yīng)用中予以修正。 1 1 2 移動通信特點 l移動通信必須利用無線電波進行信息傳輸。 移動通信的傳播媒質(zhì)允許通信中的用戶可以在一定范圍內(nèi)自由活動，其位置不受束 南京郵電大學(xué)碩j j 研究生學(xué)位論文 第一章緒論 縛，不過無線電波的傳播特性一般都比較差。首先，移動通信的運行環(huán)境十分復(fù)雜，電波 不僅會隨著傳播距離的增加而發(fā)生彌散損耗，并且會受到地形、地物的遮蔽而發(fā)生“陰影 效應(yīng)”，而且信號經(jīng)過多點反射，會從多條路徑到達接收地點，這種多徑信號的幅度、相 位和到達時間都不一樣，它們相互疊加會產(chǎn)生電平衰落和時延擴展：其次，移動通信常常 在快速移動中進行，這不僅會引起多普勒頻移，產(chǎn)生隨機調(diào)頻，而且會使得電波傳播特性 發(fā)生快速的隨機起伏，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。因此，必須根據(jù)移動通信信道的特征，對移動 通信系統(tǒng)進行合理的設(shè)計。 2 移動通信是在復(fù)雜的干擾環(huán)境中運行的。 在移動通信系統(tǒng)中，除去一些常見的外部干擾，如天電干擾、工業(yè)干擾和信道噪聲干 擾外，系統(tǒng)本身和不同系統(tǒng)之間，還會產(chǎn)生這樣獲那樣的干擾。因為在移動通信系統(tǒng)中， 常常有多個移動臺在同一區(qū)域內(nèi)通信，基站還會有多部收發(fā)信機在同一地點工作，這些無 線電臺之間會互相干擾。隨著移動通信網(wǎng)所采用的制式不同，所產(chǎn)生的干擾也會有所不同 ( 有的干擾在某一制式中容易產(chǎn)生，而在其他制式中不會發(fā)生) 。綜上所述，這些干擾有 鄰信道干擾、互調(diào)干擾、多址干擾、碼間干擾等等。因此，在移動通信系統(tǒng)中，如何抑制 和減少這些有害干擾的影響是至關(guān)重要的。 3 移動通信可以利用的頻譜資源非常有限，而移動通信業(yè)務(wù)量的需求卻與同俱增。 如何提高移動通信系統(tǒng)的通信容量，始終是移動通信發(fā)展中的焦點。為了解決這一矛 盾，一方面要開辟和啟用新的頻段；另一方面要研究各種新技術(shù)和新措施，以壓縮信號所 占的頻帶寬度和提高頻譜利用率?？梢哉f，移動通信無論是從模擬向數(shù)字過渡，還是再向 新一代發(fā)展，都離不開這些新技術(shù)和新措施的支撐。此外，有限頻譜的合理分配和嚴(yán)格管 理是有效利用頻譜資源的前提，這是各國頻譜管理機構(gòu)和組織的重要職責(zé)。 4 移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多種多樣，網(wǎng)絡(luò)管理和控制必須有效。 根據(jù)通信地區(qū)的不同需要，移動通信網(wǎng)絡(luò)可以組成帶狀( 如鐵路公路沿線) 、面狀( 如 覆蓋某一城市或地區(qū)) 或立體狀( 如地面通信設(shè)施與中、低軌道衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的綜合系統(tǒng)) 等?？梢詥尉W(wǎng)運行，也可以多網(wǎng)并行并實現(xiàn)互聯(lián)互通。為此，移動通信網(wǎng)絡(luò)必須具備很強 的管理和控制功能，諸如用戶的登記和定位、通信( 呼叫) 鏈路的建立和拆除、信道的分 配和管理、通信的計費與鑒權(quán)、安全與保密管理以及用戶過境切換和漫游的控制等。 5 、移動通信設(shè)備必須適合在移動環(huán)境中使用。 移動通信對終端的主要要求是體積小、重量輕、耗電低、操作簡單和攜帶方便。車載 臺和機載臺除要求操作簡單和維修方便外，還應(yīng)保證在振動、沖擊、高低溫變化等惡劣環(huán) 3 南京郵電大學(xué)頎一l 研究生學(xué)位論文 第一章緒論 境中正常工作。 1 2 智能天線的發(fā)展史與現(xiàn)狀 無線移動通信中的智能天線的核一t l , 思想是，利用陣列天線的技術(shù)產(chǎn)生多個高增益的波 束動態(tài)的跟蹤u e ，同時又在接收模式下，又能不受波束以外的信號干擾。其實每個形成的 波束形成了一個獨立信道，而在這個信道了頻率和正交碼都可以實現(xiàn)復(fù)用。可以想象，理 想的智能天線能夠可以每個波束對應(yīng)一個終端，從而實現(xiàn)空分多址( s d m a ) 。 智能天線的技術(shù)核心是自適應(yīng)天線波束賦形技術(shù)，它結(jié)合了自適應(yīng)技術(shù)的優(yōu)點，利用 天線陣列對波束的匯成和指向的控制，產(chǎn)生多個獨立的波束，可以自適應(yīng)地調(diào)整其方向圖 以跟蹤信號的變化。接收時，每個陣元的輸入被自適應(yīng)的加權(quán)調(diào)整，并與其他的信號相加， 以達到從混合的接收信號中解調(diào)出期望得到的信號并抑制干擾信號的目的，它對干擾方向 調(diào)零，以減少甚至抵消干擾信號。發(fā)射時，根據(jù)從接收信號中獲知的u e 信號方位圖，通過 自適應(yīng)的調(diào)整每個輻射陣元輸出的幅度和相位，使得它們的輸出在空間迭加，產(chǎn)生指向目 標(biāo)u e 的賦形波束。 智能天線最早應(yīng)用于雷達和聲納系統(tǒng)，主要用來完成空間濾波和定位，由根據(jù)一定幾 何規(guī)律排列的天線陣元組成。 在其發(fā)展過程中，其標(biāo)志性研究成果主要有：一九六五年h o w e l l s 提出了自適應(yīng)陷波旁 瓣對消器：一九六七年w i d r o w 提出的最小均方( l m s ) 自適應(yīng)算法用于自適應(yīng)天線陣列； 一九六九年c a p o n 提出恒定增益指向最小方差波束形成器；一九七六年a p p l e b a u m 發(fā)展了使 信干噪比( s i n r ) 最大化的反饋控制算法；一九七九年s c h m i d t 提出了多重信號分類 ( m u s i c ) 算法，代表超分辨譜估計方法的誕生；一九八六年r o y 等人提出了估計信號參 數(shù)的旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)( e s p r i t ) 。一九九o 年以來，針對蜂窩移動通信體制及其信道，很多 學(xué)者對智能天線的性能、算法和實現(xiàn)進行了大量研究工作，其中包括s w a l e s 等$ 1 1 l i b e r t i 等 對采用智能天線后蜂窩通信系統(tǒng)性能改善的研究，e r t e l 等綜述了陣列天線通信系統(tǒng)信道模 型的研究，a g e e 提出最小二乘恒模算法，r o n g 等提出了適用于c d m a 系統(tǒng)的多目標(biāo)最小二 乘恒模算法，t a n a k a 等研究了智能天線與r a k e 結(jié)合的處理方法。一九九八年左右，a t & t b e l l 實驗室學(xué)者將m i m o 技術(shù)應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)，是無線移動通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的 重大突破p j 。 9 0 年代中期，各國丌始考慮將智能天線技術(shù)應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)。美 a r r a y c o m 公司 4 南京郵電大學(xué)顧j ：研究生學(xué)位論文 第一章緒論 在時分多址的p h s 系統(tǒng)中實現(xiàn)了智能天線；1 9 9 7 年，由我國信息產(chǎn)業(yè)部電信科學(xué)技術(shù)研究 院控股的北京信威通信技術(shù)公司丌發(fā)成功了使用智能天線技術(shù)的s c d m a 無線用戶壞路系 統(tǒng)。另外，在國內(nèi)外也開始有眾多大學(xué)和研究機構(gòu)廣泛地丌展對智能天線的波束賦形算法 和實現(xiàn)方案的研究。 1 3t d s c d m a 標(biāo)準(zhǔn)的提出和發(fā)展歷程 t d s c d m a 第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)是信息產(chǎn)業(yè)部電信科學(xué)技術(shù)研究院( 現(xiàn)大唐電信集團) 在國家主管部門的支持下，根據(jù)多年的研究而提出的具有一定特色的第三代移動通信系統(tǒng) 標(biāo)準(zhǔn)。從i t u 在全球征求i m t 一2 0 0 0 無線傳輸方案丌始，我國就積極參與第三代移動通信標(biāo) 準(zhǔn)的研究和制定。其推進主要進程： 1 9 9 8 年1 1 月國際電聯(lián)第八組織在倫敦召開第1 5 次會議，確定要在日韓美歐中等1 0 項 方案中淘汰若干項。當(dāng)時國際電聯(lián)內(nèi)代表美國利益的c d m a 2 0 0 0 和代表歐洲利益的 w c d m a 正斗得激烈，對來自中國的t d s 也是排斥有加。原郵電部科技司司長周寰向信產(chǎn) 部領(lǐng)導(dǎo)求助，然后，中國信息產(chǎn)業(yè)部致函各外企駐中國機構(gòu)，提醒他們注意“對t d s 封殺可 能造成的后果”。在巨大的中國市場誘惑下，最年輕，實力最弱的t d s 得以保留。 1 9 9 9 年2 月中國的t d s c d m a 在3 g p p 中標(biāo)準(zhǔn)化。 2 0 0 0 年5 月在土耳其國際電聯(lián)全會上，中國大唐集團( 即前信產(chǎn)部科技研究院) 的 t d s 系統(tǒng)被投票采納為國際三大3 g 標(biāo)準(zhǔn)之一，與歐洲的w c d m a 和美國的c d m a 2 0 0 0 并 列。 2 0 0 1 年3 月3 g p p 第11 次全會正式接納由中國提出的t d s c d m a 第三代移動通信標(biāo) 準(zhǔn)全部技術(shù)方案。被3 g p p 接納，就標(biāo)志著t d s c d m a 已被全球電信運營商和設(shè)備制造商 所接受。 2 0 0 2 年1 0 月信息產(chǎn)業(yè)部通過【2 0 0 2 】4 7 9 號文件公布t d s c d m a 頻譜規(guī)劃，為 t d s c d m a 標(biāo)準(zhǔn)劃分了總計1 5 5 m h z ( 18 8 0 1 9 2 0 m h z 、2 0 1 0 2 0 2 5 m h z 及補充頻段 2 3 0 0 2 4 0 0 m h z 共計15 5 m h z 頻率) 的非對稱頻段?！? j 1 4 論文的主要工作和章節(jié)安排 本論文主要內(nèi)容安排如下： 第一章為緒論，介紹了移動通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r、智能天線系統(tǒng)的研究背景和發(fā)展?fàn)?5 南京郵電火學(xué)碩j ：研究生學(xué)位論文第一章緒論 況，闡述了t d 。s c d m a 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。 第二章介紹了t d s c d m a 系統(tǒng)獨特的物理層結(jié)構(gòu)和空中接口中的基本物理過程，并對 t d s c d m a 系統(tǒng)所采用的關(guān)鍵技術(shù)作了簡單分析。 第三章詳細分析了智能天線技術(shù)，主要內(nèi)容包括：智能天線的結(jié)構(gòu)；智能天線的信號 模型和智能天線的分類。 第四章研究t t d s c d m a 系統(tǒng)中智能天線的關(guān)鍵算法。 第五章研究了t d s c d m a 系統(tǒng)中智能天線的實現(xiàn)方式，分析了其具體應(yīng)用的可行性 第六章總結(jié)全文并提出了下一步工作的展望。 南京郵r b 人學(xué)顧一l - 1 i j - 究生學(xué)位論文 第二章t d s c d m a 的物理信道及物理層過程 第二章t d s c d m a 的物理信道及物理層過程1 5 i 一個物理信道是由頻率、時隙、信道碼、訓(xùn)練序列位移和無線幀分配等諸多參數(shù)來共 同定義的。建立一個物理信道的同時，也就給出了它的初始結(jié)構(gòu)。物理信道的持續(xù)時間可 以無限長，也可以是分配所定義的持續(xù)時間。而物理層過程則告訴我們u e 和基站是怎樣通 過物理信道交互的。所以研究t d s c d m a 的物理信道和物理過程對研究智能天線在t d 中 的使用是必要的 2 1t d s c d m a 的物理信道 2 1 1t d s c d m a 幀結(jié)構(gòu)分析 t d s c d m a 的幀結(jié)構(gòu)如下圖所示： 無線i 憤( 10 m s ) i 圖2 1t d s c d m a 幀結(jié)構(gòu) 3 g p p 定義的一個t d m a 幀長度為1 0 m s 。一個1 0 r e s 的幀分成兩個結(jié)構(gòu)完全相同的子幀， 每個子幀的時長為5 m s 。這是考慮到了智能天線技術(shù)的運用，智能天線每隔5 m s 進行一次波 束的賦形。下面是一些幀結(jié)構(gòu)的特點：子幀分成7 個常規(guī)時隙( t s 0 t s 6 ) ；每個時隙長度 為8 6 4 c h i p s ，占6 7 5 u s ) ；d w p t s ( 下行導(dǎo)頻時隙，長度為9 6 c h i p s ，占7 5 u s ) ；g p ( 保護間隔， 長度9 6 c h i p s ，7 5 u s ) ；u p p t s ( 上行導(dǎo)頻時隙，長度1 6 0 c h i p s ，1 2 5 u s ) 。子幀總長度；y - , j 6 4 0 0 c h i p s ， 占5 m s ，得到碼片速率為1 2 8 m c p s 。 南京郵電人學(xué)碩：l 研究生學(xué)位論文 第二章t d s c d m a 的物理信道及物理層過程 t s 0 總是固定地用作下行時隙來發(fā)送系統(tǒng)廣播信息，是廣播信道p c c p c h 獨自占甬麗 時隙。而t s l 總是固定地用作上行時隙。其它的常規(guī)時隙可以根據(jù)需要靈活地配置成上行 或下行以實現(xiàn)不對稱業(yè)務(wù)的傳輸，上下行的轉(zhuǎn)換由一個轉(zhuǎn)換點( s w i t c hp o i n t ) 分開。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 ) ，第一個轉(zhuǎn)換點固定在t s o 結(jié)束處，而第二 個轉(zhuǎn)換點則取決于小區(qū)上下行時隙的配置。 1 2 8 m c h i p s d w p t s ( 9 6 c h i p s ) 轉(zhuǎn)換點 l t s l 十t s 2 傘t s 3 十 l l t s 0 1 t s 4 vt s 5 *1 s 6 圖2 2t d s c d m a 系統(tǒng)子幀結(jié)構(gòu) 2 1 2t d s c d m a 時隙結(jié)構(gòu)分析 時隙結(jié)構(gòu)也就是突發(fā)的結(jié)構(gòu)。t d s c d m a 系統(tǒng)共定義- j 4 種時隙類型，它們是d w p t s 、 u p p t s 、g p $ 1 t s 0 - t s 6 。其 d w p t s 和u p p t s 分別用作上行同步和下行同步，不承載用戶 數(shù)據(jù)，g p 用作上行同步建立過程中的傳播時延保護，t s 0 t s 6 用于承載用戶數(shù)據(jù)或控制信 息。 考慮到小區(qū)內(nèi)距離基站不同距離用戶接受d w p t s 和u p p t s 時間不同，而必須又要遵從上 下行的同步關(guān)系，因此采用g p 做為緩沖區(qū)，使不同的用戶有足夠的時間進行提前發(fā)送和接 收。當(dāng)然g p 的長度決定了小區(qū)的最大覆蓋距離。折合半徑1 1 2 5 k m 。對于大一些的小區(qū)， 提前u p p t s 將干擾臨近u e 的d w p t s 的接收，這是允許和可接受的。 下行導(dǎo)頻時隙( d w p t s ) 作用：下行導(dǎo)頻和下行同步。終端丌機時必須取得下行導(dǎo)頻信號。以便進行下行同步 并通過b c h 獲取小區(qū)信息進行稍后的上行同步過程。 每個子幀中的d w p t s 由n o d eb 以最大功率在全方向或在某一扇區(qū)上發(fā)射。這個時隙通 常是由長為6 4 c h i p s 的s y n c d ( 下行同步碼) l $ 1 3 2 c h i p s l 拘保護碼間隔組成，其結(jié)構(gòu)如圖 2 3 所示。 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章t d s c d m a 的物理信道及物理層過程 圖2 3d w p t s 時隙結(jié)構(gòu) 上行導(dǎo)頻時隙( u p p t s ) 作用：u p p t s 是為上行同步而設(shè)計的，當(dāng)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(dāng)?shù)玫骄W(wǎng)絡(luò)的應(yīng)答后，發(fā)送i 認(rèn)c h 。這個時隙通常由長為1 2 8 c h i p s i 拘 s y n c u l ( 上行同步碼) $ 1 ：1 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 ：s y n c u ， l g p 圖2 4u p p t s 時隙結(jié)構(gòu) 常規(guī)時隙 t s 0 - t s 6 共7 個常規(guī)時隙被用作用戶數(shù)據(jù)或控制信息的傳輸，它們具有完全相同的時隙 結(jié)構(gòu)。 圖2 5 常規(guī)時隙結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)域用于承載來自傳輸信道的用戶數(shù)據(jù)或高層控制信息，除此之外，在專用信道和 部分公共信道上，數(shù)據(jù)域的部分?jǐn)?shù)據(jù)符號還被用來承載物理層信令。 t f c i ( t r a n s p o r tf o r m a tc o m b i n a t i o ni n d i c a t o r ) 用于指示傳輸?shù)母袷剑瑢γ恳粋€ c c t r c h ，高層信令將指示所使用的t f c i 格式。對于每一個所分配的時隙是否承載t f c i 信 息也由高層分別告知。如果一個時隙包含t f c i 信息，它總是按高層分配信息的順序采用該 時隙的第一個信道碼進行擴頻。t f c i 是在各自相應(yīng)物理信道的數(shù)據(jù)部分發(fā)送，這就是說 t f c i $ 1 數(shù)據(jù)比特具有相同的擴頻過程。對于每個用戶，t f c i 信息將在每1 0 m s 無線幀罩發(fā) 送一次。 t p c ( t r a n s m i tp o w e rc o n t r 0 1 ) 用于功率控制，該控制信號每個子幀( 5 m s ) 發(fā)射一次。 這也意味著t d 的功控頻率是每秒2 0 0 次。每次調(diào)整步長為1 ，2 ，3 d b s s ( s y n c h r o n i z m i o ns h i f t ) 是t d s c d m a 系統(tǒng)中所特有的，用于實現(xiàn)上行同步，他也 9 南京郵電大學(xué)碩上研究生學(xué)位論文第二章t d s c d m a 的物理信道及物理層過程 是每隔一個子幀進行一次調(diào)整。如圖2 6 所示： 子幀# 2 n 子幀拌2 n + 1 第1 部分第2 部分 i 數(shù)據(jù) 卜f m i 眥 s s 隧： 數(shù)據(jù) ii c l 第3 部分 第4 部分 圖2 6t d s c d m a 物理層信令結(jié)構(gòu) m i d a m b l e 碼 整個系統(tǒng)有1 2 8 個長度為1 2 8 c h i p s 的基本m i d a m b l e 碼，分成3 2 個碼組，每組4 個。 一個小區(qū)采用哪組基本m i d a m b l e 碼由基站決定，當(dāng)建立起下行同步之后，移動臺就知 道所使用的m i d a m b l e 碼組。n o d eb 決定本小區(qū)將采用這4 個基本m i d a m b l e 中的哪一個。同 一時隙的不同用戶將使用不同的訓(xùn)練序列位移。 訓(xùn)練序列的作用：( 1 ) 上下行信道估計；( 2 ) 功率測量；( 3 ) 上行同步保持。原 則上，m i d a m b l e 的發(fā)射功率與同一個突發(fā)中的數(shù)據(jù)符號的發(fā)射功率相同。傳輸時m i d a m b l e 碼不進行基帶處理和擴頻，直接與經(jīng)基帶處理和擴頻的數(shù)據(jù)一起發(fā)送，在信道解碼時它被 用作進行信道估計 2 1 3t d s c d m a 的擴頻與加擾 如圖2 7 中所示擴頻調(diào)制主要分為擴頻和加擾兩步。所謂擴頻就是用高于數(shù)據(jù)比特速率 的數(shù)字序列與信道數(shù)據(jù)相乘，相乘的結(jié)果擴展了信號的帶寬，將比特速率的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成 了具有碼片速率的數(shù)據(jù)流。擴頻處理通常也叫做信道化操作，所使用的數(shù)字序列稱為信道 化碼，這是一組長度可以不同但仍相互正交的碼組。擾碼與擴頻類似，也是用一個數(shù)字序 列與擴頻處理后的數(shù)據(jù)相乘。與擴頻不同的是，擾碼用的數(shù)字序列與擴頻后的信號序列具 有相同的碼片速率，所作的乘法運算是一種逐碼片相乘的運算。擾碼的目的是為了標(biāo)識數(shù) 據(jù)的小區(qū)屬性。 l o 南京郵電大學(xué)碩一f ：研究生學(xué)位論文第二章t d s c d m a 的物理信道及物理層過程 經(jīng)過信道 編碼和交一 織的用戶 數(shù)據(jù)流 1 支路 。人入 9 一v q p s k 錨u o v s f 碼 成幀 j 人入 ，o 7 y q 支路 圖2 7t o s c d m a 系統(tǒng)擴頻調(diào)制框圖( q p s k 調(diào)制) 2 1 4t d s c d m a 的碼資源 t d s c d m a 系統(tǒng)中有以f 碼的對應(yīng)關(guān)系： 小區(qū)有3 2 個s y n cd l 碼，小區(qū)有1 2 8 個m i d a m b l e 碼，分為3 2 組，每組4 個，組的編號 和s y n c _ d l 碼號對應(yīng)。知道- j s y n c _ d l 五s q 就可以確定下來m i d a m l b e l 拘碼組號，進而確定 使用了哪一個m i d a m b l e 碼，每個m i d a m b l e 碼與擾碼一一對應(yīng)，這樣整個小區(qū)使用的碼就可 以區(qū)分開來了。 擴頻碼 信道碼! 七= ( 旦防呈，。，害中的元素里壚；k = l ，k ；q = 1 ，q k ，可由v c ： 1 ，j ，1 ，- j ) 得 到。竺七為o v s f 碼( 正交可變長擴頻碼) ，它允許在同一個時隙中的信道采用不同的擴頻 因子并保持正交性。 擴頻碼! ( t 是由分配給第k 個用戶的長度為q k 的二進制碼a ：；：) = ( 口口r ，口墨) 產(chǎn)生。蘭籮 和堡筍的關(guān)系如下：筍= ( j ) 譬帶a ( q k ) 1 ，一1 ) ；q 2 1 ，q k 因此，c d m a 中的碼集( 中的元素，是實數(shù)、虛數(shù)交替取值的。 a 凌是一種f 交可變擴頻因子( o v s f ) 碼，保證在同一時隙上的不同擴頻因子的擴頻碼 保持詐交。o v s f 碼可以用碼樹的方法來定義，它的生成樹如圖所示。 南京郵 也人學(xué)頌 ：研究生學(xué)位論文 第二章t d s c d m a 的物理信道及物理層過程 q 2 1 q c = 2q = 4 圖2 8o v s f 碼樹形結(jié)構(gòu)圖 擾碼 一個數(shù)據(jù)符號經(jīng)過長為q k 的擴頻碼c 似擴頻后，還要經(jīng)過一個擾碼v - - ( v l ，v 2 ， v q m a x ) 進行加擾。加擾前可以通過級聯(lián)q m a x q k 個擴頻數(shù)據(jù)。而實現(xiàn)長度匹配可用的擾 碼共1 2 8 個擾碼，分成3 2 組，每組4 個，擾碼碼組由基站使用的s y n cd l 序列確定。1 6 位 長的擾碼v 為實數(shù)取值，具體格式可參見3 g p p t s2 5 2 2 3 。 s y n cd l 碼 在t d s c d m a 系統(tǒng)中，標(biāo)識小區(qū)的碼稱為同步碼s y n cd l ，在下行導(dǎo)頻時隙( d w p t s ) 發(fā)射。s y n cd l 用來區(qū)分相鄰小區(qū)以便于進行小區(qū)測量。與s y n cd l 有關(guān)的過程是下行 同步、碼識別和p c c p c h 交織時間的確定。每一子幀中的d w p t s 的設(shè)計目的既是為了下行 導(dǎo)頻，同時也是為了下行同步，基站將在小區(qū)的全方向或在固定波束方向以滿功率發(fā)送。 d w p t s 由長為6 4 c h i p s 的s y n cd l 和長為3 2 c h i p s 的g p 組成。 整個系統(tǒng)有3 2 組長度為6 4 的基本s y n cd l 碼，一個s y n cd l 唯一地標(biāo)識一個基站和 一個碼組，每個碼組包含4 個特定的擾碼，每個擾碼對應(yīng)一個特定的基本m i d a m b l e 碼。 為了產(chǎn)生長度為6 4 的復(fù)值s y n cd l 碼，需要使用基本二進制s y n cd l 碼 s = ( s l ，s 2 ，s 6 4 ) ，其元素與集合之間的關(guān)系由下式給出： s i = ( i ) i s is i 1 ，1 ) ，滓1 ，2 ，6 4 d w p t s 是一個q p s k 調(diào)制信號，所有d w p t s 的相位用來指示復(fù)幀中p c c p c h 上的b c h 的m i b 位置。s y n cd l 碼不需進行擾碼。 s y n cu l 碼 在t d s c d m a 系統(tǒng)中，隨機接入的特征信號稱為s y n cu l ，在上行導(dǎo)頻時隙發(fā)射。 南京郵電人學(xué)顧一1 ：d u 生學(xué)位論文第二二章t d s c d m a 的物理信道發(fā)物理層過程 與s y n cu l 有關(guān)的過程有上行同步的建立和初始波束成形測量。 每一子幀中的u p p t s 在隨機接入和切換過程中用于建立u e 和基站之間的初始同步，當(dāng) u e 處于空中登記和隨機接入狀態(tài)時，將發(fā)射u p p t s 。u p p t s 由長為1 2 8 c h i p s 的s y n cu l 和長為3 2 c h i p s 的g p 組成。 整個系統(tǒng)有2 5 6 個不同的基本s y n cu l ，分成3 2 組，每組8 個。前8 個為第一組，第9 個到第1 6 個為第二組，依此類推。碼組是由基站確定，因此，8 個s y n cu l 對基站和已下 行同步的u e 來說都是已知的。當(dāng)u e 要建立上行同步時，將從8 個已知的s y n cu l 中隨機 選擇1 個，并根據(jù)估計的定時和功率值在u p p t s 發(fā)射。 為了產(chǎn)生長度為1 2 8 的復(fù)值s y n cu l 碼，需要使用長度為1 2 8 的基本二進制s y n cu l 碼s = ( s l ，s 2 ，s 1 2 8 ) ，其元素與集合之| 日j 的關(guān)系由下式給出： s i = ( j ) i s is i 1 ，一1 ) ，i = l ，2 ，1 2 8 。 m i d a m b l e 碼 m i d a m b l e 碼又稱訓(xùn)練序列，在同一小區(qū)同一時隙上的不同用戶所采用的m i d a m b l e 碼由 同一個基本的m i d a m b l e 碼經(jīng)循環(huán)移位后而產(chǎn)生，整個系統(tǒng)有1 2 8 個長度為1 2 8 c h i p s 的基本 m i d a m b l e 碼，分成3 2 個碼組，每組4 個。 一個小區(qū)采用哪組基本m i d a m b l e 碼由基站決定，基站決定本小區(qū)將采用這4 個基本 m i d a m b l e 中的哪一個。一個載波上的所有業(yè)務(wù)時隙必須采用相同的基本m i d a m b l e 碼。而 且m i d a m b l e 的發(fā)射功率與同一個突發(fā)中的數(shù)據(jù)符號的發(fā)射功率相同。 2 1 5t d s c d m a 的物理信道分類 物理信道根據(jù)其承載的信息不同被分成了不同的類別，有的物理信道用于承載傳輸信 道的數(shù)據(jù)，而有些物理信道僅用于承載物理層自身的信息 1 專用物理信道 專用物理信道d p c h ( d e d i c a t e dp h y s i c a lc h a n n e l ) 用于承載來自專用傳輸信道d c h 的數(shù)據(jù)。物理層將根據(jù)需要把來自一條或多條d c h 的層2 數(shù)據(jù)組合在一條或多條編碼組合 傳輸信道c c t r c h ( c o d e dc o m p o s i t et r a n s p o r tc h a n n e l ) 內(nèi)，然后再根據(jù)所配置物理信道 的容量將c c t r c h 數(shù)據(jù)映射到物理信道的數(shù)據(jù)域。d p c h 可以位于頻帶內(nèi)的任意時隙和任意 允許的信道碼，信道的存在時間取決于承載業(yè)務(wù)類別和交織周期。一個u e 可以在同一時刻 被配置多條d p c h ，若u e 允許多時隙能力，這些物理信道還可以位于不同的時隙。物理層 南京郵電大學(xué)碩上研究生學(xué)位論文 第二章t d s c d m a 的物理信道及物理層過程 信令主要用于d p c h 。 對物理信道數(shù)據(jù)部分的擴頻包括兩步操作：一是信道碼擴頻，即將每一個數(shù)據(jù)符號轉(zhuǎn) 換成一些碼片( 擴頻因子，s f ) ，因而增加了信號的帶寬。第二步是加擾處理，即將擾碼 加到已被擴頻的信號。 下行物理信道采用的擴頻因子為1 6 ，多個并行的物理信道可用于支持更高的數(shù)據(jù)速 率，這些并行的物理信道可以采用不同的信道碼同時發(fā)射。下行物理信道也可以采用s f = i 的單碼道傳輸。 上行物理信道的擴頻因子可以從l - 1 6 之間選擇。對于多碼傳輸，u e 在每個時隙最多 可以同時使用兩個物理信道( 信道碼) ，這兩個物理信道采用不同的信道碼發(fā)射。 2 公共物理信道 根據(jù)所承載傳輸信道的類型，公共物理信道可劃分為一系列的控制信道和業(yè)務(wù)信道。 在3 g p p 的定義中，所有的公共物理信道都是單向的( 上行或下行) 。 ( 1 )主公共控制物理信道 主公共控制物理信道( p c c p c h ，p r i m a r yc o m m o nc o n t r o lp h y s i c a lc h a n n e l ) 僅用于 承載來自傳輸信道b c h 的數(shù)據(jù)，提供全小區(qū)覆蓋模式下的系統(tǒng)信息廣播，信道中沒有物理 層信令t f c i 、t p c 或s s 。為了滿足信息容量的要求，p - c c p c h 使用兩個碼分信道來承載b c h 數(shù)據(jù)( p c c p c h l 矛1 p c c p c h 2 ) 。u e 上電后將搜索并解碼該信道上的數(shù)據(jù)以獲取小區(qū)系統(tǒng) 信息。p c c p c h s 映射到時隙撐o ( t s 0 ) 的丌始兩個碼道( 也2 和c 船：) ，并采用擴頻因 子s f = 1 6 。 ( 2 )輔公共控制物理信道 輔公共控制物理信道( s - c c p c h ，s e c o n d a r yc o m m o nc o n t r o lp h y s i c a lc h a n n e l ) 用于 承載來自傳輸信道f a c h 和p c h 的數(shù)據(jù)。s - c c p c h 固定使用s f = 1 6 的擴頻因子，不使用物理 層信令s s 和t p c ，但可以使用t f c i ，s - c c p c h 所使用的碼和時隙在小區(qū)中廣播，信道的編 碼及交織周期為2 0 m s 。受容量限制，s - c c p c h 也使用兩個碼分信道( s - c c p c h l 和 s - c c p c h 2 ) 來構(gòu)成一個s c c p c h 信道對。該信道可位于任一個下行時隙，使用時隙中的 任意一