（信号与信息处理专业论文）联合检测技术在tdscdma系统中的应用研究.pdf

摘要 摘要 t d s c d m a 作为第三代移动通信系统的三大主流标准之一，是我国自己提出的 具有自主知识产权的3 g 标准，是我国移动通信史上的重大突破，标志着我国在移 动通信技术领域已进入世界先进行列。相对于w c d m a 及c d m a 2 0 0 0 ，由于采用 了t d d 双工方式、智能天线、联合检测、低码片速率、上行同步等先进技术， t d 。s c d m a 具有更高的频谱利用率和更低的成本。 联合检测作为t d s c d m a 的一项关键技术，它能够有效地对抗多址干扰 ( m 越) ，符号间干扰( i s i ) ，传播路径损耗以及远近效应，从而显著改善系统性能， 提高系统容量，减弱对功率控制的要求。 本文首先介绍了第三代移动通信系统的发展及应用，对三大主流标准 ( t d s c d m a , w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ) 进行了技术比较，分析了本课题的研究现状 及意义。接着介绍了t d s c d m a 系统的物理信道结构及系统的扩频与调制，并结 合t d s c d m a 系统的特点介绍了系统的传播模型，给出了离散时间传播模型的数 学表达式及矩阵表示。同时在介绍联合检测系统模型及系统矩阵构造的基础上，详 细阐述和分析了迫零分块线性均衡( z f b l e ) ，最小均方误差分块线性均衡 ( m m s e b l e ) ，迫零分块判决反馈均衡( 四b d f e ) 及最小均方误差分块判决反 馈均衡( m m s e b d f e ) 的基本原理。由于联合检测涉及到高维矩阵的求逆，而 c h o l e s k y 分解是矩阵求逆最直接的方法，但是其计算复杂度高，基于此本文利用系 统自相关矩阵的块t o e p l i t z 结构，采用近似c h o l e s k y 分解法，降低了计算复杂度。 另一方面，t o e p l i t z 矩阵与循环矩阵相似，即循环矩阵是特殊的t o e p l i t z 矩阵，本文 根据系统矩阵的块循环特性，将其扩展为块循环方阵，并利用块f f t 实现了矩阵的 快速求逆，进一步减少计算量。此外，本文利用用户训练序列所构成的信道矩阵的 循环特性，基于n 叮给出了两种改进的快速信道估计算法。最后，本文利用m a t l a b 仿真平台，重点对z f b l e ，m m s e b l e ，近似c h o l e s k y 分解法，块f f r 法及信道 估计进行了性能仿真，并分析了各个算法的复杂度。 关键- v - - t d s c d m a ，联合检测，信道估计，c h o l e s k y 分解，块f f r a b s t r a c t a b s t r a c t t d s c d m a , a so n eo ft h r e em a i ns t a n d a r d s o ft h e t h i r d - g e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m , i sp r o p o s e db yo u rc o u n t r ya n dh a si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t s 1 1 1 ee s t a b l i s h m e n to ft d - s c d m ai s am a j o rb r e a k t h r o u g hi no u r c o u n t r y sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sh i s t o r y t h ef o r m u l a t i n go ft d - s c d m as t a n d a r d i n d i c a t e st h a to u rc o u n t r yh a se n t e r e di n t ot h ea d v a n c e dw o r l dr a n ko ft h em o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yf i e l d d u et oe m p l o y i n gt d d d u p l e xm o d e ，s m a r ta n t e n n a s ， j o i n td e t e c t i o n , t h el o wc h i pr a t e ，u p l i n ks y n c h r o n i z a t i o na n do t h e ra d v a n c e dt e c h n o l o g i e s ， t d - s c d m ah a sh i g h e rf r e q u e n c ys p e c t r u me f f i c i e n c ya n dl o w e rc o s t st h a nw c d m a a n dc d n l 也0 0 0 j 0 i n td e t e c t i o n , a so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ft d s c d m a , c a n e f f e c t i v e l yc o m b a t m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a r ) ，i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) ，p r o p a g a t i o np a t hl o s s a sw e l la sn e a r - f a re f f e c t s t h u sj o i n td e t e c t i o nc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v es y s t e m p e r f o r m a n c e ，i n c r e a s es y s t e mc a p a c i t ya n dr e d u c et h er e q u i r e m e n t so f p o w e rc o n t r 0 1 f i r s t l y , t h ep a p e rh a si n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h et h i r d g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s n 圯t e c h n i c a lc o m p a r i s o no ft h e t h r e e m a i n s t r e a ms t a n d a r d s ( t d - s c d m a , w c d m a , c d m a 2 0 0 0 ) h a sa l s ob e e nc a r r i e do u t a n dt h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o na n ds i g n i f i c a n c eo ft h ei s s u eh a sb e e na n a l y z e d t h e n t h ep h y s i c a lc h a n n e ls t r u c t u r ea n ds p r e a ds p e c t r u ma n dm o d u l a t i o no ft d s c d m a s y s t e mh a v eb e e ni n t r o d u c e d c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft d s c d m as y s t e m , t h ep r o p a g a t i o nm o d e lo ft h es y s t e mh a sb e e np r e s e n t e da n dt h em a t h e m a t i c a le q u a t i o n a n dm a t r i xe x p r e s s i o no ft h ed i s c r e t e t i m ep r o p a g a t i o ns y s t e mm o d e lh a sb e e ng i v e n a t t h es a m et i m e ，o nt h eb a s i so fi n t r o d u c i n gt h es y s t e mm o d e lo fj o i n td e t e c t i o na n dt h e c o n s t r u c t i o no fs y s t e mm a t r i x ，t h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h e z e r o f o r c i n gb l o c kl i n e a r e q u a l i z e r ( z f - b l e ) ，m i n i n l u n lm e a l ls q u a r ee r r o rb l o c kl i n e a re q u a l i z e r ( m m s e b l e ) ， z e r o f o r c i n gb l o c kd e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r ( z f - b d f e ) a n dm i n i m u mm o a ns q u a r e e r r o rb l o c kd e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r ( m m s e b d f e ) h a v eb e e nd e s c r i b e da n d a n a l y z e di nd e t a i l s j o i n td e t e c t i o ni n v o l v e st h ei n v e r s eo fh i g h - d i m e n s i o n a lm a t r i x c h o l e s k yd e c o m p o s i t i o ni st h ed i r e c tw a yo ft h em a t r i xi n v e r s e , b u ti t sc o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t yi sv e r yh i g h b a s e do nt h i s ，a c c o r d i n gt ot h eb l o c kt o e p l i t zs t r u c t u r eo ft h e s y s t e mc o r r e l a t i o nm a t r i x ，u s i n ga p p r o x i m a t ec h o l e s k yd e c o m p o s i t i o nm e t h o dh a s r e d u c e dt h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y o nt h eo t h e rh a n d , t o e p l i t zm a t r i xi ss i m i l a rt o a b s t r a c t c i r c u l a n tm a t r i x ，t h a ti s ，c i r c u l a n tm a t r i xi sas p e c i a lt o e p l i t zm a t r i x a c c o r d i n gt ot h e b l o c kc y c l ec h a r a c t e r i s t i c so fs y s t e mm a t r i x ，s y s t e mm a t r i xh a sb e e ne x t e n d e dt ob l o c k c y c l es q u a r em a t r i x a f t e rt h a t , u s i n gb l o c k 同盯h a sa c h i e v e dt h er a p i di n v e r s i o no ft h e m a t r i x ，w h i c hh a sf u r t h e rr e d u c e dt h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y i na d d i t i o n , e x p l o i t i n g t h ec y c l ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h a n n e lm a t r i xf o r m e db yt h eu s e rt r a i n i n gs e q u e n c e ，t w o i m p r o v e dr a p i dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sb a s e do nf f t h a v eb e e ng i v e n f i n a l l y , i n t h ev i r t u eo fm a t l a bs i m u l a t i o np l a t f o r m , t h ep e r f o r m a n c eo fz f - b l e ，m m s e - b l e ， a p p r o x i m a t ec h o l e s k yd e c o m p o s i t i o nm e t h o d ，b l o c kh 叮a n dc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d h a v eb e e ns i m u l a t e d m o r e o v e r , t h ec o m p l e x i t yo f v a r i o u sa l g o r i t h m sh a sb e e na n a l y z e d k e y w o r d s ：t d s c d m a , j 0 硫d e t e c t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o n , c h o l e s k yd e c o m p o s i t i o n ， b l o c k f f t i i i 缩略词 a 口s n n g n c a ：r t c d m a c 己 d c a d s c d m a d t x d w p t s f d d f f t f p l m t s g p g s m 巧f r t - 2 0 0 0 兀u j i ) m a c 渊 m c t d m a m m s e b d f e n i m s e b l e d 缩略词 a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m s a d d i t i v e 删t eg u s s i a nn o i s e c h i n aa c a d e m yo ft e l e c o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e d y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o n d i r e c ts q u e n c e c d 【a d i s c o n t i n u o u st r a n s m i s s i o n d o w n l i n kp i l o t 陆n es 1 0 t f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f a s tf o u r i e rt r a n f o r m a t i o n f u t u r e p u b h cl a n dm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s g u a r dp e r i o d g 1 0 b a ls y s t e m f o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o i l s i n v e r s ef f t i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e p h o n y2 0 0 0 i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n j o i n td e t e c t i o n m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e m u l t i p l ec a r d e r - t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s m i n i m u m m e a n - s q u a r e e r r o r b l o c k d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r m i n i m u m m e a n - s q u a r e e r r o r b l o c k l i n e a re q u a l i z e r m u l t i p l eu s e rd e t e c t i o n i 高级移动电话系统 加性高斯白噪声 电信科学技术研究院 码分多址 信道冲激响应 动态信道分配 直扩序列码分多址 不连续发送 下行导频时隙 频分双工 快速傅里叶变换 未来公众陆地移动通信系 统 保护间隔 全球移动通信系统 快速傅里叶反变换 第三代国际移动电话系统 国际电信联盟 联合检测 媒体接入控制 多址干扰 多载波时分多址 最小均方误差分块判决反 馈均衡 最小均方误差分块线性均 衡 多用户检测 缩略词 仃 n t t o v s f q v s k r a c h r a n r l c i 嗽 s c t d m a s f s u d s y n c d l s y n c 几 田d m 魄 t d s c d m a t f c i t p c u e u p p t s f 仞0 a 啪 w ：僦 w c d m a w l l w n 匝 z f b d f e z f b l e n o r d i cm o b i l et e l e p h o n y n i p p o nt e l e g r a p h a n d t e l e p h o n e c o r p o r a t i o n o r t h o g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r q u a d r a t u r ep h a s es h i rk e y i n g r a n d o ma c c e s sc h a n n e l r a d i oa c c e s sn e t w o r k r a d i ol i n kc o n t r o l r a d i or e s o u r c ec o n t r o l s i n g l ec a r r i e r - t d m a s p r e a d i n gf a c t o r s i n g l eu s e r d e t e c t i o n s y n c h r o n o u sd o w n l i n k s y n c h r o n o u su p l i n k t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m ed i v i s i o n - s y n c h r o n o u sc d m a 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 t r a n s m i tp o w e rc o n t r o l u s e re u i p m e i l ：t u p l i n kp i l o tt i m es l o t u i l i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a t i oa c c e s s v o i c ea c t i v a t i o nd e t e c t i o n w 0 r i da d m i n i s t r a t i v er a d i oc o n f e r e n c e 、聃d e b a n dc d m a w i r e l e s sl o c a ll o o pc i r c u i t w h i t e n i n gm a t c h e df i l t e r z e r o - f o r c i n gb l o c kd e c i s i o nf e e d b a c k e q u a l i z e r z e r o - f o r c i n gb l o c kl i n e a re q u a l i z e r 北欧移动电话 日本电信电话株式会社 正交可变扩频因子 四相移键控 随机接入信道 无线接入网 无线链路控制 无线资源控制 单载波时分多址 扩频因子 单用户检测 下行同步码 上行同步码 时分多址 时分同步码分多址 传输格式组合指示 发射功率控制 用户终端 上行导频时隙 通用陆地无线接入 话音激活 世界无线电管理会议 宽带码分多址 无线本地环路 白化匹配滤波器 迫零分块判决反馈均衡 迫零分块线性均衡 第一章绪论 1 1 移动通信发展简述 第一章绪论 近2 0 年来，移动通信以惊人的速度迅速发展。当前，第三代移动通信系统在全 世界引起广泛的关注。t d s c d m a 第三代移动通信系统标准，是我国提出并得到国 际电信联盟( 删) 批准的主流标准。 现代无线通信起源于1 9 世纪h e r t z 的电磁波辐射试验，使人们认识到电磁波和 电磁能量是可以控制发射的。其后，m a r c o n i 的跨大西洋无线电通信证实了电波携 带信息的能力，m a x w e l l 的电磁波方程组也奠定了移动通信的理论基础，移动通信 综合利用了有线、无线的传输方式，为人们提供了一种方便快捷的通讯手段。现代 移动通信技术发展从2 0 世纪2 0 年代开始，到目前为止，移动通信经历了从第一代 模拟蜂窝移动通信系统，第二代数字移动通信系统，现在已发展到第三代移动通信 系统，并逐步需要发展新一代移动通信系统，即超三代( b 3 g ) 或第四代移动通信 系统。 第一代移动通信系统是蜂窝模拟系统，它的发展大致分为两个阶段。第一阶段： 2 0 世纪4 0 年代中期到7 0 年代中期，主要提供公用汽车电话业务，采用大区制，可 以较好地实现人工与公众电话网的桥接。第二阶段：从2 0 世纪7 0 年代中期到9 0 年代初期，主要解决用户增加而频道有限的情况下如何提高频谱利用率的问题。美 国最初提出了第一个蜂窝通信系统a m p s 系统。这也是世界上第一个具有现代 意义的、可能商用的、能够满足随时随地通信的大容量移动通信系统。随后，欧洲 各国和日本都开发了自己的蜂窝移动通信网络。具有代表性的有欧洲的t a c s 、北 欧的n m t 和日本的n ，r t 等。 由于第一代模拟系统所支持的业务( 主要是语音) 单一、频谱效率太低、保密 性差，设备成本高等缺点，最终被更先进的数字蜂窝移动通信系统即第二代( 2 g ) 所取代。8 0 年代中后期对欧洲各国提出的多种方案进行了现场实验比较，最后集中 为时分多址( t d m a ) 数字移动通信系统，即g s m 系统。g s m 系统以其先进的技 术和优越的性能在世界上得到广泛应用【l 】。 由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的应用，但随着人们 的物质生活水平的进一步提高，人们对移动通信业务多样化的要求与日剧增。社会 的巨大需求促使第三代移动通信的概念应运而生。 重庆邮电大学硕士论文 第三代移动通信系统( 也简称3 g ) 在1 9 8 5 年由删( 国际电信联盟) 提出， 当时称为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) 。1 9 9 5 年f p l m t s 由被正式更名 为国际移动电信2 0 0 0 系统。3 g 系统支持高速移动环境，提供语音、数据和多媒体 等多种业务( 最高速率可达2 m b i f f s ) ，能够实现高速数据传输和宽带多媒体业务， 基本满足个人通信的要求。 1 2 第三代移动通信系统标准的发展 1 2 1 第三代移动通信的应用 第三代移动通信系统能够很好地支持大量的不同业务，并可以方便地引入新的 业务。各种不同的业务分别具有不同的业务特性，需要占用不同的带宽。从语音到 动态视频，所需的带宽差别很大，从图1 1 可以看出第三代移动通信系统所支持的 窄带到宽带的不同业务及其所需的信息速率的范耐2 1 。 球 爿 ：呈 毯 掣 螺 蛹 妲 赠 臀 搀 g 拣 1 0 k b i t s1 0 0 b i t sl i m b i t s2 1 栅a i t s 图1 1 第三代移动通信系统能够提供的各种业务及其所需的信息速率范围 1 2 2 第三代移动通信的标准化过程 1 9 9 5 年，以电信科学技术研究院李世鹤博士、陈卫博士等为首的科研人员对基于 s c d m a 的无线本地环路( w l l ) 系统进行研制。直到1 9 9 8 年6 月底，由电信科学 技术研究院代表我国向r i u 正式提交了t d s c d m a 标准草案。 2 第一章绪论 1 9 9 8 年1 1 月n u 通过了t d s c d m a 成为n u 的3 g 系统标准之一。在信息 产业部的领导下，并通过各研究人员的努力，终于在1 9 9 9 年1 1 月，t d s c d m a 被 写入i t u - r m 1 4 5 7 中，并于1 9 9 9 年1 2 月开始与u t r a t d d ( 也称为宽带1 i ) d ) 在3 g p p 体系融合，最终在2 0 0 0 年5 月伊斯坦布尔w a r c 会议上，t d s c d m a 正 式成为国际第三代移动通信系统标准。 为了在未来的全球化标准中占据一席之位，各个地区、国家、公司及标准化组 织纷纷提出了自己的技术标准，到截止日期1 9 9 8 年6 月3 0 日，i t u 共收到1 6 项建 议，针对地面移动通信的就有1 0 项之多。其中欧洲提出的w c d m a 和北美提出的 c d m a 2 0 0 0 最为大家看好。我国电信科学技术研究院( c a t t ) 代表中国提出的 t d s c d m a 技术由于得到了中国政府和产业界的支持，加之中国巨大的市场潜力， 也格外引人瞩目。表1 1 列出了1 0 种i m t - 2 0 0 0 地面无线传输技术提案。 表1 1i m t - 2 0 0 0 地面无线传输技术的1 0 种提案2 1 注：o f d d , 频分双工，d ：时分双工 1 9 9 9 年1 1 月5 日u 在赫尔辛基举行的t g 8 1 第1 8 次会议上，通过了输出 文件i t u - rm 1 4 5 7 ，确认了5 种第三代移动通信无线传输技术。其中有两种t d m a 技术：s c t d m a ( u m c 1 3 6 ) 、m c t d m a ( e p d e c t ) ；三种c d m a 技术： m c c d m a ( c d m a 2 0 0 0m c ) 、d s c d m a ( 包括u t r a w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 d s ) 、t d dc d m a ( 包括t d s c d m a 和u t r at d d ) 。 r r u rm 1 4 5 7 的通过标志着第三代移动通信标准的基本定型。我国提出的 t d s c d m a 建议标准与欧洲、日本提出的w c d m a 和美国提出的c d m a 2 0 0 0 标准 列入该建议【2 1 。 3 重庆邮电大学硕士论文 1 2 - 3 三大主流标准的技术比较 w c d m a 是建立在窄带c d m a 的基础之上，有如下主要特点： 可适应多种速率的传输，灵活地提供多种业务； 支持异步同步的基站运行方式，组网灵活方便； 上行为b p s k 调制，下行为q p s k ，解调采用导频辅助的相干解调： 上下行快速、高效的功率控制大大减少了系统的多址干扰，降低传输功率； 支持扇区及小区软切换，载频间硬切换； c d m a 2 0 0 0 是基于i s 9 5 的候选系统，它沿用了i s 9 5 的主要技术和基本思路， 但也做了一些改进。如： 前向发射分集，反向链路相干解调； 多种信道带宽，可以更加有效地利用无线资源； 增加了快速前向功率控制，辅助导频信道： 业务信道可采用比卷积码更高效的t u r b o 码，可选择较长的交织器； w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 均采用f d d 模式，而t d d 模式本身固有的特点突破 了f d d 技术的很多限制，如上下行公用一个载波，不需要足够宽的频带间隔。 而t d s c d m a 由于t d d 模式和同步c d m a 技术的采用，使得业务支持比较 灵活，并采用了智能天线【3 4 1 、联合检测5 1 等先进技术，减少了多用户干扰，提高了 频谱利用率。 表1 2 对w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三种主流标准的主要技术特点 进行了比较。其中仅有t d s c d m a 使用了智能天线、联合检测和同步c d m a 等先 进技术，所以在系统容量、频谱利用率和抗干扰能力等方面具有较突出的优势。 表1 2 三种主流第三代移动通信系统标准主要技术性能比较 2 1 4 第一章绪论 1 3t d s c d m a 系统的主要特点 t d s c d m a 第三代移动通信标准是信息产业部电信科学技术研究院在国家主 管部门的支持下，根据多年的研究而提出的具有一定特色的第三代移动通信系统标 准。t d s c d m a 与其他第三代移动通信系统标准相比具有较为明显的优势，主要体 现在：频谱灵活性和支持蜂窝网的能力；频谱利用率高；适用于多种使用环境；设 备成本低。 t d s c d m a 第三代移动通信系统的主要技术特点为：t d d ( 时分双工) 模式、上 行同步、接力切换、智能天线、软件无线电技术、联合检测等。正是由于这些技术 特点才使得它成为第三代移动通信系统的主流标准。下面具体介绍这些技术的特点。 及其作用。 t d d 模式 ， 时分双工t d d 模式是t d s c d m a 与f d d 系统的根本区别。工作在t d d 模式 下的t d s c d m a 系统在同一载波上进行上、下行链路传输，而不需要像f d d 系统 所必须的上、下行对称频谱。除了充分利用频率资源以外，t d d 模式的优势还在于 系统可以根据不同的业务类型来灵活调整上、下行转换点，支持非对称及对称业务 【l 】 o 上行同步 上行同步是指在上行链路各终端发出的信号在基站解调器处完全同步，它通过 软件及物理层设计来实现，这样可以使正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交， 相互间不会产生多址干扰，克服了异步c d m a 多址技术由于每个移动终端发射的 码道信号到达基站的时间不同，造成码道非正交所带来的干扰问题，提高 了t d s c d m a 系统的容量和频谱利用率，还可以简化硬件电路，降低成本【l 】。 接力切换 接力切换技术是t d s c d m a 系统所特有的，当用户终端从一个小区或扇区移 动到另一个小区或扇区时，利用智能天线或上行同步等技术对u e 的距离和方位进 行定位，以此作为切换的辅助信息，如果u e 进入切换区，则r n c 通知另一基站做 好切换的准备，从而达到快速，可靠和高效切换的目的。接力切换相对于软切换， 占用系统资源少，提高了系统容量；相对于硬切换，业务中断时间短，掉话率低。 5 重庆邮电大学硕士论文 动态信道分配 t d s c d m a 所采用的动态信道分配技术可以实现在时域、空域和码域对无线资 源的灵活配置。采用动态信道分配技术使得t d s c d m a 系统能够较好地避免干扰， 使信道重用距离最小化，从而高效率地利用有限地无线资源，提高系统容量。此外， 通过使用时域地动态信道分配，可以灵活分配时隙资源，动态地调整上、下行时隙 的个数，从而灵活地支持对称和非对称的业务【l j 。 智能天线 t d d 的工作模式，上行的无线传播是对称的，上行信道估计可直接用于下行， 子帧时间较短，这些都有利于智能天线的应用。智能天线系统由一组天线阵及相连 的收发机和先进的数字信号处理算法构成。在发送端，智能天线根据接收到达的信 号在天线阵上产生的相位差，提取出终端的位置信息，有效地产生多波束赋形，每 个波束指向一个特定终端并自动地跟踪终端移动，从而有效地减少了同信道干扰， 提高了下行容量。空间波束赋形的结果使得在保持小区覆盖不变的情况下，极大地 降低总的射频发射功率，一方面改善了空间电磁环境，另一方面也降低了无线基站 的成本。在接收端，智能天线通过空间选择分集，可大大提高接收灵敏度，减少不 同位置同信道用户的干扰，有效合并多径分量，抵消多径衰落，提高上行容量【l 】。 软件无线电 软件无线电技术能够解决多制式系统的“互通性”，减少技术演进过程中的投 资浪费。它能够尽可能以软件( 算法) 实现射频硬件部分的功能，使得多种通信制 式的设备共享硬件平台，节省投资：技术演进时只需要进行软件升级，新制式、新 技术网络建设速度大大加快【l l 。 联合检测 联合检测技术即“多用户干扰”抑制技术，是消除和减轻多用户干扰的主要技术， 它把所有用户的信号都当作有用信号处理，这样可以充分利用用户信号的扩频码、 幅度、定时、延迟等信息，从而大幅度降低多径多址干扰。与智能天线技术相结合， 联合检测技术可以获得更加理想的效果。 1 4 课题研究现状及意义 t d s c d m a 系统是干扰受限系统，其干扰主要来源于用户之间的多址干扰 ( m 越) 。现有的c d m a 系统中，所采用的抗干扰技术主要有：r a k e 接收、快速 功率控制、软切换、话音激活( d ) 、不连续发射( d t x ) 以及分集接收技术。 上述措施均是针对某一用户进行信号检测而将其他的用户作为噪声处理，即单用户 6 第一章绪论 检测( s u d ) ，其结果导致了信噪比恶化，系统性能和容量不理想。为了进一步提高 c d m a 系统容量，人们探索将其他用户的信息联合加以利用，也就是多个用户同时 检测的技术，即多用户检测( m i d ) 。它能够利用多址干扰的先验信息而将所有用 户信号的分离看作一个统一的过程，从而具有较好的抗干扰能力，可以更加有效地 利用反向链路频谱资源，显著提高系统容量。特别是多用户检测技术具有抗远近效 应的能力，可以降低系统对功率控制的要求。 联合检测( 皿) 技术是在多用户检测技术基础上提出的，源于早期用于消除字 符间干扰( i s i ) 的信道均衡技术，首先由k l e i n 和b a i c r 提出用于多用户突发传送 系统中【6 】，其核心思想是利用所有用户的相关先验信息，在一步之内将所有用户的 信号分离出来，理论上巾可以完全消除m a i 的影响。在基站侧，可以把同时隙 中多个用户的信号及多径信号一起处理，能够精确地解调出各个用户的信号。在用 户侧，即使用户的位置非常靠近时，m a i 问题仍很严重。t d s c d m a 中的联合检 测的高效率归功于它是一个时域和帧控的c d m a 方案。因此，每载波的大量用户 被分配到每帧的每个传输方向的时隙中，使得每时隙中并行用户的数量很少，这样 便可以以较低的计算量检测到各个用户信号。 从最大似然序列检测，线性解相关检测，最小均方误差检测发展到采用均衡技 术的联合检测技术，能够简化功率控制，降低功率控制精度，弥补正交扩频码互相 关不理想带来的消极影响，从而改善系统性能、提高系统容量、增大小区覆盖范围。 t d s c d m a 被3 g p p 采纳后，国内各大学对t d s c d m a 系统及联合检测算法进行 了大量研究。研究了联合检测的算法模型，讨论了算法的可实现性。多数研究是关 于联合检测算法的理论及工程实现，研究发现算法实现涉及到的矩阵维数较大，算 法复杂度较高，因此近年来对降低联合检测算法复杂度的研究相对较多。 1 5 本文的主要研究内容 本文主要研究了t d s c d m a 系统中的联合检测算法，全文共分为六章，各章 的内容安排如下： 第一章为绪论，介绍了现代移动通信技术的发展，对3 g 的三大主流标准进行 了技术特点比较，分析了本课题的研究背景及国内外研究现状，并对论文的主要内 容做了具体安排和规划。 第二章介绍了t d s c d m a 系统物理层信道结构、系统帧结构、突发结构、训 练序列以及t d s c d m a 系统的调制与扩频。同时简单描述了t d s c d m a 系统的连 续及离散时间传播模型。 7 重庆邮电大学硕士论文 第三章为联合检测算法，详细介绍了联合检测的信道估计和系统模型，对线性 联合检测算法( z f b l e , m m s e b l e ) 及非线性联合检测算法( 即判决反馈算法， z f b d f e ，m m s e b d f e ) 的基本原理也做了仔细描述。 第四章分析了联合检测及信道估计在t d s c d m a 系统中的应用，讨论了基于 f f t 的两种快速信道估计算法，研究分析了基于近似c h o e s k y 及块f f t 的快速联合 检测算法。 第五章利用m a t l a b 对本文中的算法性能进行仿真，分析对比了各个算法的 复杂度。 第六章为论文的工作总结及未来的研究方向。 第二章t d s c d m a 系统物理层简介 2 1 概述 第二章t d s c d m a 系统物理层简介 t d s c d m a 系统的空中接口主要由物理层( l 1 ) 、数据链路层( l 2 ) 和网络层 ( l 3 ) 组成( 空中接口协议结构如图2 1 所示) 。 l 3 控 制 l 2 测 量 l l 图2 1 第三代移动系统空中接口协议结构 从图2 1 看出，空中接口的最底层是物理层，传输物理比特流。l 2 和l 3 均为 控制平面，包括媒质接入控制子层( m a c ) ，无线资源控制子层( 对配) 及无线链 路控制子层( ) 。物理层与r r c 之间存在控制信道，信道主要传递控制类和状 态类信息，物理层受r r c 的控制。r r c 处理用户终端( u e ) 和无线接入网( 黜蛾) 之间在l 3 控制面的信令。物理层与m a c 层并行存在多条传输信道，使用p h y 原 语来提供层间数据传输服务。m a c 子层负责处理来自r l c 和r r c 子层的数据流。 它对上层提供不确认传输模式的服务，至r l c 子层的接口是通过逻辑信道的业务接 入点实现的，它根据r r c 子层的要求指配无线资源向高层报告测量结果【2 j 。 2 2 物理信道 2 2 1 物理信道信号格式 t d s c d m a 系统的物理信道均采用四层结构：系统帧、无线帧、子帧和时隙 码。资源分配方案的不同，子帧或时隙码的配置结构也可能有所不同，且所有物理 信道的每个时隙间都需要有保护间隔。t d s c d m a 系统中的时隙用于在时域上区分 9 重庆邮电大学硕士论文 不同用户信号，这在某种意义上有些t d m a 的成分。c d m a 系统的时隙在码域上 区分不同信号。图2 2 给出了物理信道的信号格式【2 1 。 无线帧1 0 m s 卜 图2 2t d - s c d m a 的物理信道信号格式 t d d 模式下的物理信道是一个突发，无线帧在分配到的特定时隙中发射一个突 发。可以是连续的无线帧的分配，即每一帧的相应时隙都可以分配给某物理信道； 也可以是不连续的分配，即仅有部分无线帧中的相应时隙可以分配给该物理信道。 一个突发由两个数据部分、m i d a m b l e 部分和一个保护时隙组成。一个突发的持续时 间就是一个时隙。一个发射机可以同时发射几个突发，在这种情