硕士论文-WCDMA系统HSUPA中的GRAKE接收机技术研究.pdf

西安电子科技大学 硕士学位论文 wcdma系统hsupa中的grake接收机技术研究 姓名：李磊 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：白宝明 20090101 摘要 为了提高w c d m a 上行链路的数据传输速率和系统容量，3 g p pr 6 版本中引 入了h s u p a 无线接入技术。在h s u p a 技术中为了达到物理层上行峰值比特速率， 采用极小的扩频因子进行物理信道扩频。由于扩频增益太小，扰码的部分自相关 特性不理想，造成多径干扰不能被有效抑制，所以传统的r a k e 接收机的性能不 能满足3 g p p 的要求。针对h s u p a 技术中上行链路的低扩频增益情况，本文在 r 9 9 技术采用的传统r a k e 接收机算法基础上提出了一种新型的g r a k e 接收机， 它能有效地白化色噪声，消除多径干扰以及其他用户的干扰所带来的影响。 本文主要讨论研究了h s u p a 技术中g r a k e 接收机的基本原理和算法。首先， 根据无线信道的多径传播特性，给出了上行接收机的系统模型，对合并系数进行 了详细的探讨，分析证明了g r a k e 技术的干扰抑制原理。其次，研究分析g r a k e 接收机的信号处理算法，给出了接收机的整体设计框图，并对多径搜索、噪声径 位置选择和信道估计三大关键技术进行了详细探讨。深入分析了多径搜索和噪声 径位置选择的工程实现算法，推导了在w c d m a 上行链路中信道估计与信道补偿 算法和实现公式。最后，给出了在m a t l a b6 5 平台搭建的仿真链框图和仿真步 骤。仿真比较g 凡u 江接收机中的信号处理算法的性能，得出合理的结论。 关键字：h s u p ag r a k e 接收机多径搜索噪声径选择信道估计 a b s t r a c t h s u p ai san e wk i n do fr a d i oa c c e s st e c h n o l o g yi n3 g p pr e l e a s e6 ，f o rt h e p u r p o s eo fi m p r o v i n gt h eu p l i n kb i tr a t ea n ds y s t e mc a p a c i t yi nw c d m a i no r d e rt o r e a c ht h eu p l i n kp e a kb i tr a t ei np h y s i c a ll a y e r , e x t r e m e l yl o ws p r e a d i n gf a c t o ri s a p p l i e di nh s u p a m u l t i - p a t hi n t e r f e r e n c ec a l ln o tb es u p p r e s s e de f f e c t i v e l yb e c a u s eo f l o ws p r e a d i n gg a i na n dw e a kp a r t i a la u t o c o r r e l a t i o no fs c r a m b l i n gc o d e t h u s ，t h e p e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a lr a k er e c e i v e rc a l ln o tm e e tt h er e q u i r e m e n to f3 g p p f o r t h ec o n d i t i o no fl o ws p r e a d i n gg a i na p p l y i n gi nh s u p a u p l i n kt e c h n o l o g y , an e wt y p e o fg r a k er e c e i v e ri si n t r o d u c e db a s e do nt r a d i t i o n a lr a k er e c e i v e ro fw c d m a r 9 9 i tc a l lw h i t e nc o l o r e dn o i s ee f f e c t i v e l ga n de l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c eb r o u g h tb y b o t hm u l t i - p a t ha n dm u l t i u s e r t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n da l g o r i t h m sf o rt h eu p l i n kg r a k er e c e i v e ri nw c d m a r 6a l ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r b a s e do l lt h em u l t i - p a t ht r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f r a d i oc h a n n e l ，t h es y s t e mm o d e lo fu p l i n kg r a k er e c e i v e ri sg i v e n ，a n dt h ec o m b i n i n g o fc o e f f i c i e n ti sd i s c u s s e di nd e t a i l t h i sp a p e ra l s oi l l u s t r a t e sh o wt h eg r a k e t e c h n o l o g yr e s t r a i n si n t e r f e r e n c e t h e n ，t h ed e m o d u l a t i o na l g o r i t h mf o rt h eu p l i n k g r a k er e c e i v e rh a sb e e na n a l y z e d t h ew h o l ed e s i g n e db l u e p r i n to fg k a k er e c e i v e r i sg i v e n ，a n dt h r e et e c h n o l o g i e sm u l t i - p a t hd e t e c t i o n 、n o i s e f i n g e rs e l e c t i o na n dc h a n n e l e s t i m a t i o na r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h ei m p l e m e n t a t i o no fm u l t i - p a t hd e t e c t i o na n d n o i s e - f i n g e rs e l e c t i o na l g o r i t h mh a sb e e ns t u d i e dw e l l ，a n dt h ef o r m u l a sf o rt h ec h a n n e l e s t i m a t i o na n dc h a n n e lc o m p e n s a t i o ni nw c d m a u p l i n ka r ed e r i v e d i nt h ee n d , t h e s i m u l a t i o nc h a i no nm a t l a b6 5p l a t f o r ma n ds i m u l a t i o ns t e p sa r ee n u m e r a t e d t h e p e r f o r m a n c eo fd e m o d u l a t i o na l g o r i t h mi ng r a k e r e c e i v e ri ss i m u l a t e da n dc o m p a r e d ， a n ds o m er e a s o n a b l ec o n c l u s i o n sa r el i s t e d k e y w o r d ：h s u p a g r a k er e c e i v e r m u l t i p a t hd e t e c t i o n n o i s e - f i n g e rs e l e c t i o n c h a n n e le s t i m a t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果i 也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：兰睦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名辱磊 导师签名：去皇堕；业牲 期 期 日 日 第一章绪论 第一章绪论 第三代移动通信系统( 简称3 g ) 是基于g s m c d m a 等2 g 系统演进的移动 通信系统，主要采用w c d m a 、t d s c d m a 和c d m a 2 0 0 0 三大标准。其中， w c d m a 已成为最为广泛关注和研究的标准，其标准规范在3 g p p ( t h e3 t h g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 中制定。 3 g p p 规定了w c d m a 两种不同制式的空中接口：w c d m a f d d ( 频分双工) 和w c d m a t d d ( 时分双工) 。其中，w c d m a f d d 在世界范围内已被广泛的商 用。因此，本文所研究的课题将基于w c d m a f d d 。 1 1w c d m a 技术概括 w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 采用d s c d m a ( 直接序列 码分多址) 技术，将用户数据和利用c d m a 扩频码得到的伪随机序列即码片序列 相乘，从而将用户信息扩展到较宽的带宽上。扩频因子可以根据传输速率来选定。 w c d m a 采用1 0 m s 帧长，码片速率为3 8 4 m c h i p s 。其3 8 4 m c h i p s 的码片速率， 要求上下行链路分别使用5 m h z 的载波带宽，实际的载波间距根据干扰的不同在 4 4 m h z 5 m h z 之间变化，变化步长为2 0 0 k h z 。对于人口密集地带可选用多个载波 覆盖。其1 0 m s 帧长允许用户的数据速率可变，虽然在l o m s 内用户比特率不变，但 l o r e s 帧之间用户的数据容量可变。 此外，w c d m a 在上下行链路均利用导频符号来进行相干检测，扩大了覆盖范 围。w c d m a 空中接口包括先进的r a k e 接收机，它利用了多用户检测和自适应智 能天线技术，这些手段是提高系统覆盖和容量的较好方案。w c d m a 允许不同q o s 要求的业务进行复用。w c d m a 系统允许与g s m 网络共存和协同工作，支持系统 间的切换。 w c d m a 制式的主要技术特点l l 】： ( 1 ) w c d m a 是一个宽带直接序列扩频码分多址系统，采用了可变扩频因子 和多码传输，支持最高速率达2 m b i t s ，采用h s d p a 技术下行速率理论上最高可 一达1 0 1 4 m b p s ，平均可提供1 - 3 m b p s 下行速率。 ( 2 ) 码片速率3 8 4 m c h i p s ，载波带宽大约5 m h z 。w c d m a 所固有的较宽的 载波带宽使其能支持高的用户数据速率，并且也具有某些性能方面的优势，例如 可以采用增强的多径分集能力。 ( 3 ) w c d m a 支持各种可变的用户数据速率。在每个1 0 m s 的无线帧内，用 w c d m a 系统h s u p a 中的g r a k e 接收机技术研究 户数据速率是固定的，但是无线帧之间的用户速率是可变的。这种快速的无线容 量分配田网络层来控制的，以达到分组数据业务的最佳吞吐量。 ( 4 ) w c d m a 基站支持异步方式，与i s 一9 5 系统不同，不需要使用一个全局 时间参考量比如g p s 。这样室内小区和微小区基站的布站就变得简单了组网 也更加灵活。 ( 5 ) w c d m a 在上行链路和下行连路中采用基于导频符号或公共导频的相干 检测。 ( 6 ) w c d m a 系统中采用上下行快速闭环功率控制，功控时间间隔最短以一 个时隙为单位，即1 5 0 0 次秒( 1 5 k h z ) ，能更快响应信道的变化，最大化系统容 量。 本文研究的课题是w c d m a 网络上行基站接收机部分，因此下面给出u t r a n ( u m t s t e r r e s 仃i a l r a d i o a c c e s s n e t w o r k ) 网络结构如图1 _ 1 所示口j 。 图l1 l v f r a n 结构 u t r a n 通过i u 接口与核心网( c o r e n e t w o r k ) 相连，u t r a n 包含一个或多 个无线网络子系统( r n s ) ，每个r n s 都是u t r a n 内的一个子网，它包含一个无 线网络控制器( r n c ) ，一个或者多个基站。r n c 通过l u r 接口彼此互连，k n c 与 n o d e b 之间通过i n b 接口相连。移动终端( u e ) 与u t r a 3 q 之间通过空中接口u u 口相连。r n c 是负责控制u t r a n 无线资源的网元，n o d e b 的主要功能是进行空 中接口物理层处理，如信道编码和交织、速率匹配、扩频等，它也执行一些基本 的无线资源管理工作，例直口内环功率控制。 1 2w c d m a 发展现状 w c d m a 主要起源于欧洲和日本的早期第三代无线研究活动，g s m 的巨大成 功对第三代系统在欧洲的标准化产生了重大影响，欧洲于1 9 8 8 年开展r a c e ( 欧 一卑一 第一章绪论 洲先进通信技术的研究) 第一期项目并一直延续到1 9 9 2 年6 月。1 9 9 2 1 9 9 5 年 间欧洲开始了r a c e 第二期项目。a c t s ( 先进通信技术和业务) 建立于1 9 9 5 年 底为u m t s ( 通用移动通信系统) 建议了f r a m e s ( 未来无线宽带多址接入系 统) 方案：日本于1 9 9 3 年在a i k i b 中建立研究委员会进行3 g 的研究和开发，并 通过评估将c d m a 技术作为3 g 的主要选择。日本运营商n t td o c o m o 在1 9 9 6 年推出了一套w c d m a 的实验系统方案，并得到了当时世界上主要移动设备制造 商的支持。1 9 9 8 年1 2 月成立的3 g p p 极大地推动了w c d m a 技术的发展，加快 了w c d m a 的标准化进程，并最终使其成为r r u 批准的国际通信标准。 w c d m a 标准在发展中形成了r 9 9 、r 4 、r 5 、r 6 和r 7 等版本。其中r 9 9 、 r 4 和r 5 版本已分别于1 9 9 9 年1 2 月，2 0 0 1 年3 月和2 0 0 2 年3 月推出，r 6 版本 也于2 0 0 5 年1 2 月推出，r 7 版本在2 0 0 7 年8 月推出。如图12 示【3 j 。 h 喘”黼絮2 兰羔三 瞳豳隧：i 1 豳囊i 二l 睡而圃隧至二 图1 2w c d m a 标准的版本演连 r 9 9 版本比较成熟，核心网仍然沿用了g s mm a p 标准，充分考虑了对现有 g s m 网络的向下兼容及投资保护。相比r 9 9 版本，r 4 版本无线接入部分只改动 了一些接口协议的特性，相应功能得茔0 增强，网络结构没有改变。r 4 版本核心网 部分改变比较大：由t d m 的中心节点交换型结构演进为典型的a i m 分组语音分 布式体系结构：网络采用开放式结构，业务逻辑与底层承载相分离；u t r a n 与核 心网语音承载方式均有分组方式实现；语音采用统计复用方式传递，实现网络带 宽动态分配，避免t d m 扩容时需反复调配2 m b i f f s 电路的繁琐程序。 随着2 0 0 4 年全球w c d m a 市场大规模地启动，r 9 9 和r 4 版本的w c d m a 在数据传输速率上的不足逐渐显露了出来。通常情况下，单个w c d m a 用户的下 行传输速率仅达到3 8 4 k b i l j s ，和人们设想中的3 g 相差甚远。另一方面，近年来移 动数据业务快速发展也对移动网数据传输能力提出更高的要求。总之，单靠r 9 9 、 r 4 版本的w c d m a 已经不能满足用户的需求。此外，来自c d m a 2 0 0 0 制式的增 强型技术i x e v 的压力也是w c d m a 增强型技术发展的一个驱动力。h s d p a 和 h s u p a 正是在这种形势下应运而生的。r 5 版本是全m 的第一个版本，引入了口 传输作为a t m 外的第二种可选传输机制并在无线部分引入了h s d p a 的概念， 使下行链路可以支持高达1 0 m b i t s 的传输速率；另外，其核心网增加了i m s ( i f 多媒体子系统) r 6 版本在2 0 0 5 年1 2 月也已经正式分布，无线接入部分主要引入 w c d m a 系统h s u p a 率的g r a k e 接收机技术研宽 丁h s u p a ( 高速上行分组接入) 的技术。r 7 版本中主要引入正交频分复用( o f d m 和多入多出( m i m o ) 技术。 1 3h s u p a 技术背景和现状 为了更好的发展移动数据业务，3 g p p 对r 9 9 、r 4 版乖的空中接口技术作了改 进引入了r 5 版本( h s d p a ) 无线数据宽带业务。h s d p a 可以在不改变已有 w c d m a 网绍结构的情况下，把下行数据业务的峰值速率提高到1 44 m b i 眺同时 可斟把无线频谱中的系统数据吞吐量提高一倍以上【4 j ； 但是，在r 5 标准中，仪仅是对于下行链路的改进，而上行数据传输能力没有 得到提升，上行方向上的容量和服务质量仍然存在限制，导致w c d m a 网络难以 开展许多基于p 分组网提供的高运多媒体业务如上传图象，数据、需要快速相应 模式的网络游戏等业务。为此，3 g p p 在w c d m ar 6 版亦中引入了h s u p a ( h ：i 吐 s p e e d u p l i n k p a g e t a c c e s s ) 技术，旨在提升上行方向小区吞吐量和高速数据运率覆 盖，同时改善突发业务的服务质量，以提高无线资源利用率。 h s d p a 和h s u p a 并称为h s p a 是w c d m a 标准在下行方向和上行方向的 演进。标准的演进和系统商用化进程如图13 所示。同时还给出了h s p a 技术为 w c d m a 系统带来的传输速塞提升演进表p 】，如图1 4 所示。 _ 嗡7 二! h p j ，o ， i 面em 。1 】_ 雹：亘； 图13h s u p a 标准制定和商用进程 ，。一 m一，i石土 “一i 面r 百面二，一 曩二i 、圈i? _ 圈旺：i 二隧 d 哪五s 、竺! ! ，i ! 竺竺竺，t 竺! 堂，；! ：! ! ! 竺，! 竺竺 圉14 w c d m a 传输递率的演进 h s u p a 中采用的三个关键技术包括：n o d e b 控制的- = 行调度混合自动请求 重传( h a r q ) ，更短的t ”。使用这些技术将使得系统有以下性能的提升f 6 ： ( 1 ) 5 0 7 0 的上行窖置增益： ( 2 ) 数据呼叫时延减少2 0 5 5 ： ( 3 ) 用于上行平均数据呼叫的运塞可提高太概5 0 。 第一章绪论 1 4 本课题研究的主要内容 在w c d m a 系统中，h s u p a 技术采用极小的扩频因子进行上行物理信道扩 频，由于扰码的部分自相关特性不理想，如果采用w c d m ar 9 9 技术中传统r a k e 接收机将不能满足系统性能的要求。因此，本文主要围绕w c d m a 基站基带处理 系统的研发中对这一问题的提出，讨论分析了适用于w c d m ar 6 的g r a k e 先进 接收机的基本原理和解调算法。 本文的主要研究内容和章节安排如下： 第一章概述了w c d m a 的技术特征和发展现状，同时引出了上行链路的改进 技术h s u p a ，简要介绍了当前h s u p a 的发展进程。 第二章介绍了w c d m a 物理层信道，主要对w c d m ar 9 9 和r 6 中的上行物 理信道模型和物理信道帧结构进行了简要描述。 第三章详细探讨了w c d m ah s u p a 技术中采用的g r a k e 接收机的技术原理 和基本算法。首先介绍了g r a k e 技术的系统模型，给出合并系数的估计算法； 分析证明g r a k e 技术的干扰抑制原理；给出了一种简单且易于实现的噪声径选 择算法；最后仿真分析证明了g r a k e 接收机相比传统r a k e 接收机确实带来很 大的性能增益，也得出了当f i n g e r 数为多径数的两倍时就足以接近性能增益上限的 结论。 第四章给出了g r a k e 接收机的结构框图和算法框图，并且在m a t l a b6 5 平台搭建了整个h s u p a 的浮点链路，给出了详细的链路设计框图、链路仿真步骤 和仿真参数的设定；深入分析了g r a k e 接收机的三大关键技术的算法实现：多 径搜索、噪声径的位置选择和信道估计，包括相关算法的公式推导和实现过程。 最后，在m a t l a b 平台进行了算法仿真验证，得到了合理的结论。 第二章物理层信道概述 第二章物理层信道概述 要研究h s u p a 上行接收机算法，就必须要首先了解w c d m a 物理层信道， 包括h s u p a 上行物理专用信道和r 9 9 上行专用物理信道的结构。h s u p a 技术在 r 9 9 的基础上新增了两条物理信道e - d p c c h 和e _ d p d c h 。本章主要介绍了3 g p p r 9 9 和h s l v p a 的数据信道和控制信道的扩频加扰调制和复用模型，并介绍物理层 信道的帧结构和各个信息字段。深入的理解物理层信道结构，是设计和仿真上行 先进接收机的基础和前提。 2 1h s u p a 上行物理专用信道概述 2 1 1h s u p a 上行物理层模型 图2 】是包含了e - d c h 、d c h 和h s - d s c h 传输信道的上行物理层模型【8 一- i i i i 图2 l u e 侧的上行物理层模型 上行物理信道包括r 9 9 的专用物理信道d p c c h 、d p d c h ，h s d p a 增加的 h s - d p c c h ，h s u 队新增的e d p c c h 和e d p d c h 信道，码分复用结构如下吼 w c d m a 系统h s u p a 中的g r a k e 接收机技术研究 图2 2 上行专用物理信道码分复用 如图2 2 所示，e d p d c h e d p c c h 信道和d p c c h 、d p d c h 、h s d p c c h 信道 正交码分复用。此外，协议规定最大的同时传输的上行专用物理信道个数配置如 下： 表2 1 上行专用物理信道配置 c o n f i g u r a t i o n # d p c c hd p d c hh s d p c c he d p d c he d p c c h 1161 2111 2 l 31141 从表2 1 可见，d p c c h 信道在任何时候是一直存在的，因此可以利用d p c c h 的导频符号( p i l o t ) 来做e d p d c h 的信道估计。 e d p d c h 的信道个数受限于d p d c h 的信道个数，且它承载的符号速率是由 n o d eb 的调度功能实体决定。当u e 处于良好的信道质量时，比如靠近基站天线并 且基站接收天线的总噪声抬升不会影响已经处于连接状态的u e 的上行d p c c h 信 道质量，那么可以采用低扩频增益( 例如s f 为2 或者4 ) 和多码传输来使得e d p d c h 信道上可以达到最大符号速率。当无线信道呈频率选择性衰落特征时，在h s u p a 接收机处引起信号失真的主要因素是多径干扰。 2 1 2h s u p a 上行专用物理信道帧结构 h s a 中新增加了两类上行物理信道：e d p d c h 和e d p c c h 。 e - d p d c h 是用于承载h s u p a 增强的专用信道e - d c h 的数据信息，跟d c h 对应 的d p d c h 类似，每条无线链路可以有o 、1 或者多个e d p d c h 信道。e d p c c h 是 伴随e d p d c h 传输物理层的控制信息，一条无线链路最多只有一个e d p c c h 信 道。 如图2 3 所示，每个无线帧被分成5 个子帧，每个子帧长度是2 m s ，第一个子帧头 第二章物理层信道概述 9 从每个无线帧帧头开始吼 e o d p d c h 二二二二二二玉亟三二二二二二 t _ o 【= 2 5 6 0c h i p s 心m = 1 0 2 b i t s ( k - - 0 7 ) 1 0b i t s 一，一 、h 、。2 5 6 。c h i 9 i s l o t # 0 s l o t 们s l o t 舵s l o t 椭s l o t 撑1 4 图2 3e d p c c h 帧结构 e d p d c h 的时隙格式如下： 表2 2e d p d c h 时隙格式 s l o tf 0 m l a t 捎c h a n n e ib i ts fb i 吲f r a m eb i t s b i t s s l o t r a t e ( k b p s ) s u b f r a m e n d 出 01 52 5 61 5 03 0 1 0 13 01 2 83 0 06 02 0 26 06 46 0 01 2 04 0 3 1 2 0 3 2 1 2 0 02 4 08 0 42 4 01 62 4 0 04 8 01 6 0 54 8 084 8 0 09 6 03 2 0 69 6 0 4 9 6 0 01 9 2 06 4 0 71 9 2 021 9 2 0 03 8 4 01 2 8 0 e d p c c h 的时隙格式如下： 表2 3e d p c c h 时隙格式 s l o tf o m l a t 襻i c h a n n e ib i ts fb i t s b i t s b i t s s i o t r a t e ( k b p s ) f r a m es u b f r a m e n d a 协 0 1 52 5 6 1 5 03 0 1 0 e d p c c h 的时隙无论是2m s 还是1 0l “ n s 的t t i ，e d p c c h 都携带1 0 b i t 的 信息，包括e - t f c i ( 7b i t s ) 、r s n ( 2b i t s ) 和1 位h a p p y b i t 。 1 0 w c d m a 系统h s u p a 中的g r a k e 接收机技术研究 2 2r 9 9 上行专用物理信道概述 由于h s u p a 上行方向是在r 9 9 的基础上新增了两条物理信道e d p c c h 和 e d p d c h ，因此本小节介绍了3 g p pr 9 9 的上行专用物理数据信道( d p d c h ) 和 上行专用物理控制信道( d p c c h ) 的扩频加扰调制和复用模型，并介绍d p d c h 和d p c c h 的帧结构和各个信息字段。 2 2 1 上行专用物理信道模型 在3 g p pr 9 9 中有两种上行专用物理信道，上行专用物理数据信道( d p d c h ) 和上行专用物理控制信道( d p c c h ) 。 图2 4 描述了上行链路专用物理信道d p c c h 和d p d c h 的扩频，复用和加扰 模型。用于扩频的二进制d p c c h 和d p d c h 信道用实数序列表示，也就是说二 进制的“0 ”映射为实数+ 1 ，二进制的“1 ”映射为实数1 。d p c c h 信道通过信道 码c c 扩频到指定的码片速率，第n 个d p d c h 信道d p d c h n 通过信道码c 。扩频 到指定的码片速率，d p d c h 可以采用多码同时发射，最多支持6 路d p d c h 同时 传输，也就是1 咒6 一j 。 u 扎杰辰 ro 。2 “嘞 入 k 芝；广弋i 釜： d p d c h ， c 3i bd i - - -v ” j 厶- d p d c h j c j , 5ib d 书 - 建，羲 矿 ，ir 。b 。鬯 。，一：0 。穆 - d p d c i 屯ic d 4l8d j f 扛 d p d c i i 二c d 6l8d + - - - - - j ：， ：，j 图2 4 上行链路专用物理信道d p c c h 和d p d c h 扩频 扩频之后，实数值的扩频信号进行功率加权处理，对d p c c h 信道用增益因子 肚进行加权处理，对d p d c h 信道用增益因子夕d 进行加权处理。如图2 4 所示， d p c c h 信道映射到q 路传输，如果只有单路d p d c h 信道，映射到i 路传输。 第二章物理层信道概述 加权处理后，i 路和q 路的实数值码流相加成为复数值的码流，复数值的信号 再通过复数值的。码进行加扰，扰码和无线帧对应，也就是说扰码的第一个码 片对应无线帧的开始。以上便是3 g p pr 9 9 整个上行专用物理信道模型。 2 2 2 上行专用物理信道帧结构 如图2 4 所示，d p d c h 和d p c c h 在每个无线帧内是i q 码复用的。本小节 详细介绍一下帧结构和字段含义。 图2 5 显示了上行专用物理信道的帧结构。每个帧长为1 0 m s ，分成1 5 个时隙， 每个时隙的长度为t s l o t = 2 5 6 0c h i p s ，对应于一个功率控制周期。 d p d c h l n 二= b i t s i t 岫一2 5 6 0c h i p s ，nd m = 1 0 “ 2 。b i t s ( k 卸6 ) p i l o tt f c i f b i i t p c n d i l o t b i t sln t f c i b i t s n f s lb i t s i n t r cb i t s 1 二二7 s l o t 蜘s l o t 群1s l o t 舵s l o t 躬s l o t 撑is l o t # 1 4 s u b f i a m e j 0s u b f r a m e 撑1s u b f r a m e 舵 s u b f r a m e 群3 s u b f r a m e # - 4 1r a d i o 嘶e ：t f = 1 0m s 图2 5 上行d p d c h d p c c h 的帧结构 上行d p d c h 用于传输专用传输信道( d c h ) 。如果采用多码传输在每个无线链 路中可以有o 个、1 个或几个上行d p d c h 。上行d p d c h 可采用的扩频因子为4 “ 2 5 6 。 上行d p c c h 用于传输物理层产生的控制信息。d p c c h 采用固定扩频因子为 2 5 6 ，一个d p c c h 时隙固定传输1 0 个比特符号数据。其中高层可以根据不同的承载 需要采用不同的时隙格式，如图2 1 0 所示，p i l o t 域传输协议规定的固定的比特图样， p i l o t 域的长度可是3 8 b i t ，是上行解调的重要的信息域，主要用于相干检测进行多 径搜索和跟踪，用于做上行s i r 估计，还有很重要的是利用导频做信道估计以进行 多径解调。t f c i 域的长度可是0 一- 4 b i t ，t f c i 域是发送d p d c h 信道的传输格式组合 指示，是用于对d p d c h 进行解调解码的重要字段，通过t f c i 域可以得到对应 d p d c h 帧采用的扩频因子s f ，上行d p d c h 将利用已经得到的s f 进行解扩处理， 解扩解扰后的数据要利用t f c i 进行传输层译码。当d p c c h 没有t f c i 域的时候，则 1 2 w c d m a 系统h s u p a 中的g r a k e 接收机技术研究 采用协议规定的固定的t f c i 。f b i 域长度为o l b i t ，用于传输反馈信息。t p c 字段 长度固定为2 b i t ，用于u e 传送下行功控指示，n o d eb 收到此字段后快速对下个下 行时隙的功率进行上升或者降低的调整。在每个层连接中有且仅有一个上行 d p c c h 。 第三章g r a k e 接收机原理与性能仿真 第三章g r a k e 接收机原理与性能仿真 3 1g ra k e 接收机概述 在w c d 姒系统中为了支持更高的传输速率，3 g p pr 6 引入了增强型上行专 用信道( e d p d c h ) ，允许采用扩频因子为2 的扩频码；同时为了进一步提高频谱 利用率，3 g p pr 7 在上行链路中引入了1 6 q a m 高阶调制技术。当扩频因子较小时， 扩频增益会变小，抗噪声的性能变差。同时由于多径的存在，扩频码之间的正交 性也会变差，加大了多径和多用户之间的干扰。而引入高阶调制，对误码性能也 有了更高的要求。这些都对高速分组业务的应用形成了挑战。 在r 9 9 中，当扩频因子较大时，可以认为信道中的干扰是近似白化的，传统 的r a k e 接收机可以近似得到最优的性能；但当扩频因子较小时，由于多径之间 的干扰和用户之间的干扰加大，噪声中的有色成份增大，此时传统的r a k e 接收 机技术很难对信道中的干扰进行充分的补偿，限制了高速分组业务的应用【l 们。 因此，在高速分组业务的需求下，我们研究了新型的g r a k e 接收机。g r a k e 接收机可以在不改变r a k e 接收机结构下【l 卜1 4 】，将接收端的色噪声变为白噪声， 有效地改进多径之间以及其他用户的干扰带来的影响，为实际系统中高速分组业 务的应用提供了保障。本章首先在理论上对g r a k e 算法进行了描述，然后利用 h s u p a 仿真链路，对r a k e 和g r a k e 两种接收处理技术进行性能仿真，为系统 实现提供参考和约束。 3 2g ra k e 技术原理 传统r a k e 接收机相当于高斯白噪声下的最佳匹配滤波器，它将干扰和噪声 统一看成白噪声，在a w g n 信道下可以获得最好的性能。但在第三代移动通信中， 由于信道带宽增大，使得时间色散信道中的多径识别粒度提高，导致更大的频率 选择性衰落，传统r a k e 技术远不再是最佳匹配滤波，接收机性能也明显下降。 对于频率选择性衰落信道，由于时间弥散特性：一方面，链路中传输信号的扩频 码难以保持完全正交，从而产生了m a i ( 多址干扰) ；另一方面，各多径的干扰信 号之间互相关联，使得干扰信号的频谱遭到扭曲而失真【1 5 1 。在这种情况下，g r a k e 接收技术正是针对干扰提出的，它优化了r a k e 接收机在色噪声情况下的性能， 其技术原理是将干扰看作有色噪声，利用各多径的干扰之间的相关性来抑制干扰， 达到白化有色噪声的效果，并可以通过增加接收端的多径数目来提高接收机的性 1 4 w c d m a 系统h s u p a 中的g r a k e 接收机技术研究 能。 g r a k e 接收机有着和传统r a k e 接收机相同的结构，不同之处在于g r a k e 接收机可能会有更多的多径数和不同的合并系数，其中合并系数是由最大似然比 准则得出的。将g r a k e 接收机用于h s u p a 引入1 6 q a m 以后的上行链路，可以 获得比r a k e 接收机更高的增益【1 6 】。 g r a k e 接收技术通过增加额外的多径( 称之为噪声径，即不含有信号能量的 多径) 的方法，由于噪声径的干扰与多径干扰间存在相关性，因此可以抵消部分 的多径干扰，从而提高接收信噪比。这在本章3 2 3 节和3 3 节会得到充分的理论 推导和仿真验证。噪声径的方法可用逆信道滤波原理来解释，噪声径的位置应该 在逆信道滤波器的抽头位置上。 3 2 1 系统模型 本节给出研究g r a k e 技术的系统模型，基带等价模型如图3 1 所示。 f 磊! 鼍卜吨壹 争 劳 ，二 ， ：舅j 莨 碍 j 霪i 。厶。一盔。幺逸。：l ：堪 图3 1 系统模型 假设有k 个用户信号，其中第0 个用户信号为期望信号，其它k 一1 个用户信 号为干扰信号。定义用户k 的第f 个数据符号为& ( f ) ，相应的扩频码为) 。那 么，用户k 的发送信号可以表示为： ( f ) = 瓦& ( f ) 以，( t - i t ) f = m 其中，乓为符号平均能量，t 为符号周期，信g - 幅r 变大小归一化为单位值， 即k ( f ) 1 2 = 1 。第k 个用户的第f 个数据符号的扩频码序列为 c “( ) ) ：，为扩频 因子，扩频码序列与码片脉冲成形序列p ( t 1 卷积得到： “r ) = 石1 缶n - i ( 加( r 一尼) 第三章g r a k e 接收机原理与性能仿真 互为码片周期，并且 o ，= o ，k j f 式( 3 - 3 ) 其中，c 七。，= & ，( o ) ，c k 。( 1 ) ，q ，( 一1 ) r ，& ，( ) 为二进制复随机序列，取值 为+ 1 互+ j x 2 。在上行各用户扰码不同，因此 q ，( j ) = c h k ( j ) 乖s c h k ，( ) 式( 3 - 4 ) 其中 c f i k ( j ) y ：为用户k 的信道化码， 跣，( 歹) ) 蒿为用户k 第i 符号对应的扰 码部分。在下行各用户扰码相同，因此 c k ，( ，) = ( ) 幸s c h ，( j ) 对于p ( f ) ：若是n y q u i s t 脉冲序列，则第k 个用户的符号能量为巨，且 k ，( f ) r d t = 1 ；若是非n y q u i s t 脉冲序列，则最为第k 个用户的平均符号能量， 且e j 二l 吼“f ) 1 2 出 = 1 。以上两种脉冲序列的能量都归一化为单位值，即 二) 降= ，。 假设多径信道的等价基带冲激响应为： g ( r ) = g f l ( r - r t ) 式( 3 6 其中，l 为多径数，g l 和q 分别为第z 条径的衰落系数和延迟。 则接收端信号表达式为： ，( f ) = g ，( 卜- 勺) + 劭矗( 卜乃) + ，z ( f ) 式( 3 7 其中，z ( f ) 为热噪声和小区间干扰，可假定为加性高斯白噪声，其单边功率谱 密度为n o 。如果用户处于软切换状态，则同时接收多个基站的信号，此时小区间 干扰微弱色化，接近白噪声。若要做精确的分析，可以在基带模型中区分基站， 如式( 3 8 ) 。 mk - il 。- i ，( f ) = g ：( r 一0 ) + 玎( r ) 其中f 表示基站索引，用户数、用户发送信号、多径数、多径参数均增加基站 索引标志。本文仅对分析单基站情况，多基站情况可在单基站基础上方便的扩展。 1 6w c d m a 系统h s u p a 中的g r a k e 接收机技术研究 如同传统r m z e 接收机一样，g r a k e 接收信号首先要经过r r c 滤波，消除码间 干扰，然后