（信息与通信工程专业论文）tdscdma系统联合检测算法研究及其多核dsp实现.pdf

摘要 摘要 t d s c d m a 系统采用了联合检测、智能天线和上行同步等先进技术，并综合 了t d d 和c d m a 的技术优势，在目前第三代移动通信三大标准中频谱效率最高， 现阶段对t d s c d m a 系统的研究，具有极其重要的意义。 t d s c d m a 系统是干扰受限系统，系统干扰包括多径干扰、小区内多用户干 扰和小区间的干扰。这些干扰破坏了各信道的正交性，降低了c d m a 系统的频率 利用率。而联合检测技术把所有用户干扰当作有用信号处理，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，其核心是 利用均衡技术，将来自其他用户的i s i 也当作m a i 而一并消除。基于此本文主要 研究t d s c d m a 系统中联合检测技术的算法以及多核d s p 的工程实现。 本文首先介绍t d s c d m a 系统的物理信道的基本格式，同时结合t d s c d m a 系统的特点建立了系统的离散传输模型及其矩阵表示。简要介绍了联合检测算法 的基本原理，分析了基于迫零准则和最小均方误差准则下的两种线性联合检测算 法的基本原理及两种算法的比较。联合检测技术的主要目的在于对用户的信号进 行正确估计，瓶颈在于系统矩阵的求逆运算量，寻找快速求逆的简便算法是关键 所在，本文详细推导了采用块傅立叶算法对系统矩阵求逆的实现过程，首先对系 统矩阵进行了块扩展，使之满足块右循环，通过在频域内求解方程组，一定程度 上降低了计算量。并对该算法进行了计算机仿真，验证了该算法的性能。 本文还研究了块傅立叶算法的多核d s p 工程实现方法。在完成定点仿真之后， 根据定点仿真方式实施d s p 实现，并完成多核d s p 的并行处理工作。最后测试了 多核d s p 实现的各项性能。最后，本文对全文进行了总结，并对t d s c d m a 系 统的联合检测技术作出了展望。 关键词：t d s c d m a 系统，联合检测，块傅立叶算法，多核d s p a b s t r a c t a b s t r a c t t d s c d m a s y s t e mu s e ss o m ea d v a n t a g et e c h n o l o g y , s u c ha st h ej o i n td e t e c t i o n ， s m a r ta n t e n n aa n du l s y n c l l r o n i z a t i o n ，a n di tc o m b i n e st h ea d v a n t a g eo ft d da n d c d m a s oi t i st h eb e s to n ei nf r e q u e n c yu s i n gf i e l d i t sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c h t d s c d m a s y s t e ma n dt h er e l a t i v et e c h n o l o g y ，n o w t d s c d m ai sa ni n t e r f e r e l i m i t e ds y s t e m h e r ei n c l u d e sm u l t i p l t hi n t e r f e r e n c e ， m u l t i u s e ri n t e r f e r e n c eo fi n t r a c e l la n di n t e r c e l li n t e r f e r e n c e t h o s ed e s t r o yt h e o r t h o g o n a l i t yo fe a c h c h a n n e lw h i c hr e d u c e st h eu t i l i t yo ff r e q u e n c y - s p e c t r u mi n t d sc d m a s y s t e m jd t a k e sa l lu s e ri n t e r f e r e a sa su s e f u ls i g n a l sw h i c hc a nm a k ef u l l u s eo ft h es p r e a dc o d e ，r a n g e ，t i m i n ga n dd e l a yo fa l lu s e r s t h u st h em u l t i p a t ha n d m u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) a r ed e p r e s s e do nal a r g es c a l e t h ec o r ei d e ao ft h i s t e c h n o l o g yi su s i n ge q u a l i z i n gt e c h n o l o g yt oc a n c e lt h ei n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c eo s i ) a n dt h ei v l a ia tt h es a m et i m e b a s e do nt h i s ，w ew o r ko v e rt h ea p p l i c a t i o no fj di n t d s c d m a i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c et h eb a s i cf o r m a t i o n so ft h ep h y s i c a lc h a n n e lf i r s to fa 1 1 a n dm a k ead i s c r e t e t i m em o d e la n de x p r e s s i o nw i t hm a t r i xa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r o ft d s c d m a s y s t e m i ti n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fj da l g o r i t h mi ng e n e r a l ，a n dt a l k s a b o u tt h el i n e a rj da l g o r i t h mb a s e do nt h er u l eo fz e r o f o r c e s ( z f ) a n dm i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r ( m m s e ) i nd e t a i l a n dt h e nm a k eac o m p a r i n go ft h e s et w or u l e s t h ea i m o fj di st oe s t i m a t et h es i g n a lo fu s e r s a n dt h eb o t t l e n e c ki st h eh u g ec o m p l e x i t yo f c o m p u t i n gt h em a t r i xi n v e r s eo p e r a t i o n s oi t si m p o r t a n tt of i n das i m p l ea n de f f e c t i v e w a y t or e d u c et h ec o m p l e x i t y t h i sp a p e rd e d u c e sb l o c k - f f r a l g o r i t h mi np a r t i c u l a r w h i c hi so n eo ft h ef a s tm a t r i xi n v e r s em e t h o d s ，f i r s t l y ，h a n d l es y s t e mm a t r i xt ob l o c k i v a b s t r a ( 了丁 r i g h tc i r c u l a t i o nb yb l o c ke x t e n d t h e ns o l v et h es y s t e mm a t r i xi nr e q u e n c y 1 bs o m e e x t e n t ，i t r e d u c e st h e o p e r a t i nc o m p l e x i t y t h e n i tf i n i s h st h es i m u l a t i o no f b l o c k - f f ta l g o r i t h m ，v e r i f i e st h ep e r f o r m a n c eo fi t b e s i d e st h i s ，t h i s p a p e rs t u d y t h e p r o j e c ti m p l e m e n t a t i o n o fb l o c k f f t a l g o r i t h mu s i n gm u l t i c o r ed s ea f t e rt h ef i x p o i n t s i m u l a t i o n ，i ti m p l e m e n t st h e a l g o r i t h ma c c o r d i n gt o t h es i m u l a t i o na n df i n i s h e st h ep a r a l l e l o p e r a t i o no nt h e m u l t i - c o r ed s ps y s t e m a n dt h e n ，i tf i n i s h e st h et e s ta n dv e r i f i c a t i o no ft h em u l t i - c o r e d s p i m p l e m e n t a t i o ns y s t e m a tl a s t ，t h i sp a p e rm a k e ab r i e fc o n c l u s i o na n d e x p e c t a t i o n o ft h i ss t u d yf i e l d k e y w o r d s ：t d s c d m as y s t e m ，j o i n td e t e c t i o n ，b l o c kf f ta l g o r i t h m ； v 图目录 图目录 图2 - 1 物理信道结构1 0 图2 2t d s c d m a 子帧结构1 1 图2 3 主时隙结构1 2 图2 - 4 系统矩阵内部数据结构1 6 图2 5 单个阵元k 个用户情况下系统矩阵内部结构1 6 图2 - 6t d s c d m a 系统上行链路模型1 8 图3 - 1z f b l e 结构框图2 1 图3 2m m s e b l e 结构框图2 3 图3 3 系统矩阵t 扩展出来的块循环矩阵2 7 图4 1t d s c d m a 上行链路系统仿真结构框图2 9 图4 2 生成o v s f 码的码树一3 1 图4 3 联合检测算法中的数据处理3 2 图4 4 系统需要定点仿真的模块示意图3 3 图4 5 联合检测模块内部框图3 4 图4 6c a s e1 和c a s e2 信道情况下不同的误码率性能3 6 图4 7 单天线、不同用户数情况下误码率性能比较：3 7 图4 8 不同天线数情况下系统误码率性能比较3 8 图4 98 用户、单天线c a s e l 情况下浮点仿真与定点仿真误码率性能比较一3 8 图4 1 0 联合检测结合s y m b o lr a t e 编解码的定点仿真系统误码率性能3 9 图5 1 多核d s p 系统内部结构框图4 2 图5 2d s p 内存结构示意图4 3 图5 3d s p 系统结构图：一4 3 图5 4s c 3 4 0 0 内核子系统结构框图4 5 图5 54 0 b i t 数据结构示意图4 6 图5 6m s c 8 1 4 4 a d s 板以及对应u s b 下载线4 7 图5 7c o d e w a r r i o r 界面4 8 图5 8 联合检测d s p 实现模块划分5 0 图5 - 9 系统矩阵a 生成的数据计算流程框图5 1 图5 1 0 系统矩阵a 结构示意图5 2 图5 1 1 傅立叶转换矩阵数据形式5 3 图5 1 2 块对角矩阵生成模块内部数据计算流程框图5 4 图5 1 3c h o l e s k y 分解算法数据计算流程示意图5 5 图5 1 4 联合检测最终估计值计算模块个矩阵彤式示意图5 6 图5 1 5 多核d s p 实现的多核策略示意图5 9 图5 1 6c o d e w a r r i o r 软件中多核处理选择界面6 0 图5 1 7c o d e w a r r i o r 开发软件内部优化功能选择界面。6 2 图5 1 8c o d e w a r r i o r 软件内部p r o f i l i n g 工具界面6 3 v i i i 图目录 图6 - 1t d s c d m a 基带系统上行链路测试环境6 5 图6 2 联合检测算法的d s p 实现的误码率性能6 7 图6 - 3 完整基带接收系统d s p 实现的b e r 性能6 8 图6 4d s p 计算数据与m a t l a b 仿真数据性能对比6 8 图6 5c o d e w a r r i o r 软件中查看到的程序执行c y c l e s 数6 9 图6 - 6p r o f i l e r 工具中看到的c a c h e 命中情况7 l i x 表目录 表目录 表1 - 1 三种主流标准的主要技术性能比较表4 表3 1z f b l e 和m m s e b l e 算法复杂度比较表2 4 表4 1 系统仿真参数介绍3 0 表4 2t d s c d m a 信道多径模型3 0 表4 3q p s k 调制时比特与复数符号的映射关系3 1 表4 41 6 b i t 定标及数据范围3 5 表5 1 联合检测总函数形式5 0 表5 2 系统矩阵生成模块函数形式5 1 表5 3 对角矩阵生成模块函数形式5 2 表5 4c h o l e s k y 模块函数形式5 5 表5 5 联合检测最终估计值模块的函数形式5 8 表5 - 6 优化级别说明6 2 表6 1 系统仿真参数6 6 表6 2 多核d s p 内部各核m i p s 资源占用情况7 0 表6 3d s p 内存资源占用情况7 0 x 缩略词表 英文缩写 3 g p p a 哪 a d s a g u a l u a w g n c d m a c 乇 d m f d o a f d d g p i c i d e i s i i t u j d l o s 删 m i m 0 m m s e b d f e m m s e b l e m m u m s i n r 缩略词表 英文全称中文注释 3 r dg 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第3 代合作项目 a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n d s e r v i c e s a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t s y s t e m a d d r e s sg e n e r a t i o nu n i t a r i t h m e t i ca n dl o g i cu n i t a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e 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 e c o r r e l a t i n gm a t c h e df i l t e r d i r e c t i o no fa r r i v a l f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x g u a r dp e r i o d i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e 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 l i g h to fs i g h t m u l t ia c c e s si n t e r f e r e n c e m u l t ii nm u l t io u t m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r b 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 i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r b l o c kl i n e a re q u a l i z e r m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t 先进通信技术和业 务 应用设备系统 地址产生单元 算术逻辑单元 加性高斯白噪声 码分多址 信道冲激响应 解相关匹配滤波器 到达方向 频分双工 保护间隔 干扰抵消 集成开发环境 符号间干扰 国际电信联盟 联合检测 直射信号 多址干扰 多入多出 最小均方误差判决 反馈块均衡 最小均方误差线性 块均衡 内存管理单元 m a x i m u m s i g n a lt oi n t e r f e r e n c en o i s er a t i o最大信干噪比 x i 缩略词表 m s n r m u d 0 v s f p a s p d p p h s r a c e r n c s c m s i s 0 t d d t d l t d s c d m a u c a u e u l a v l e s w c d m a w l l z f b d f e z f b l e m a x i m u ms i g n a lt on o i s er a t i o最大信噪比 m u l t i u s e rd e t e c t i o n多用户检测 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正交可变扩频因子 p o w e ra z i m u t hs p e c t r u m方位角功率谱 p o w e rd e l a yp r o f i l e s功率延迟轮廓 p e r s o n a lh a n d y - - p h o n es y s t e m个人无绳电话系统 r e s e a r c hi n t oa d v a n c e dc o m m u n i c a t i o ni n欧洲先进通信技术 e u r o o e研究 r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r无线网络控制器 s p a c ec h a n n e lm o d e l 空间信道模型 s i n g l ei ns i n g l eo u t 单入单出 t i m ed i v i s i o nd u p l e x时分双工 t a p p e dd e l a y l i n e 抽头延时线 t i m ed i v i s i o n时分一同步码分多 s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 址 u n i f o r mc i r c l ea r r a y均匀圆阵 u s e re q u i p m e n t 用户设备 u n i f o r ml i n e a ra r r a y 均匀直线阵 v a r i a b l el e n g t he x e c u t i o ns e t变长执行集 w i d e b a n dc d m a 宽带码分多址 w i r e l e s sl o c a ll o o p无线本地环路 z e r of o r c i n g b l o c kd e c i s i o nf e e d b a c k迫零判决反馈块均 e q u a l i z a t i o n 衡 z e r of o r c i n g b l o c kl i n e a re q u a l i z e r迫零线性块均衡 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得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作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：么毂 7 日期：如降n 多p 第一章绪论 1 1移动通信发展简史 第一章绪论 现在所说的移动通信的概念是从蜂窝系统概念的提出开始的，而在此之前的 电报、电台和无线广播等通信方式，只能称为无线通信，而不是移动通信。因为 移动通信指的是一种通信业务，一种能被多数人使用的、通信双方在移动中都可 以进行信息交互的通信业务。 6 0 年代中期b e l ls y s t e m 推出了i m t s ( i m p r o v e dm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s e r v i c e ) ，采用f m 调制，2 5 3 0 k h z 带宽传输一路话音。6 0 年代末，7 0 年代初开 始第一个蜂窝( c e l l u l a r ) 电话系统，c e l l u l a r 的意思是将一个大区域划分为几个小区 ( c e l l 、) ，相邻的c e l l 不使用相同的频率，以免干扰。蜂窝概念提出后，有限的无线 资源才可以通过复用的形式向大众提供服务，移动通信这种业务才具备了出现的 可能【1 1 。 7 0 年代末，由于微处理器的出现，使系统的复杂度提高。美国推出了a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) ，欧洲推出了t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 等。8 0 年代初开始了运营实验，实验真正意义上的蜂窝移动通信，也即是 现在所指的第一代移动通信系统，其采用模拟的技术。 9 0 年代初，相继推出了第二代数字移动通信系统，欧洲的g s m 系统和窄带 c d m a 的i s 9 5 标准。9 0 年代中期以后，开始研究第三代移动通信系统i m t 2 0 0 0 。 i m t 2 0 0 0 是一个标准家族系列，其主流标准采用宽带c d m a 技术。而现在第四代 移动通信标准也开始了研究【2 l 。 1 2移动通信发展现状 二十世纪九十年代以来，蜂窝移动通信系统进入了飞速发展的时期。目前以 g s m 和i s 9 5c d m a 为代表的第二代移动通信系统早已遍布全球，但这两个网络 之问难以实现漫游，不能满足全球通信的需求。同时，以窄带技术为核心的第二 代移动通信系统已经无法满足用户对高速数据业务的需求。因此，以宽带、多媒 体业务为核心的第三代移动通信系统就应运而生。 电子科技人学硕士学位论文 第三代移动通信系统( 3 g ) ，也称i m t - 2 0 0 0 ，是正在全力开发的系统，其最基 本的特征是智能信号处理技术，智能信号处理单元将成为基本功能模块，支持话 音和多媒体数据通信，它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务，例 如高速数据、慢速图像与电视图像等【引。如w c d m a 的传输速率在用户静止时最 大为2 m b p s 、在用户高速移动时最大支持1 4 4 k b p s ，所占频带宽度5 m h z 左右。 第三代移动通信系统将在近几年内推向市场。 i t u 所定义的i m t - 2 0 0 0 系统需要具有一下三个特征【3 j ： 1 ) 全球化i m t 2 0 0 0 是一个全球性的系统，各个地区多种系统组成一个 i m t - 2 0 0 0 家族，各个系统在设计上具有高度的互通性，使用共同的频段和全球统 一标准，能提供全球无缝漫游； 2 ) 综合化能够提供多种业务，特别能够支持多媒体业务和i n t e m e t 业务， 并有能力容纳新型的业务； 3 ) 个人化用户使用全球唯一的个人号码；系统能够提供足够的答量、高保 密性、高服务质量。 为了能够在未来的全球化标准竞赛中取得领先地位，各个地区、国家、公司 及标准化组织纷纷提出自己的技术标准。通过一年半的评估和融合，1 9 9 9 年1 1 月 5 日i t u 在赫尔辛基举行的t g 8 1 第1 8 次会议上，通过了文件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【3 j 。其中三种主流技术是w c d m a ， c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。 1 3第三代移动通信技术简介 1 3 1三大主流技术的比较 1 ) w c d m a 技术 w c d m a 的关键技术是建立在窄带c d m a 技术的基础上的，但从技术改进 的角度来看在原有的基础之上又前进了一步。w c d m a 的技术特点【4 】有： 可适应多种速率的传输，灵活的提供多种业务； 是一个异步系统，各b t s 之间不需要同步； 优化的分组数据传输方式； 支持不同载频之间的交换； 上、下行快速功率控制； 2 第一章绪论 反向采用导频辅助的相干检测( 提高反向解调增益，提高功率控制准确 性) ； 2 ) c d m a 2 0 0 0 技术 c d m a 2 0 0 0 是北美的l u c e n t ，m o t o r o l a ，o u a l c o m m 等公司提出的基于i s 9 5 的 候选系统。它沿用的i s 9 5 的主要技术和基本技术思路，如帧长2 0 m s ，采用i s 一9 5 的软切换和功率控制技术，需要g p s 同步等。但也做了一些实质性的改进1 4 j ： 提供反向导频信道，使反向相干解调成为可能。在i s 9 5 系统中，反向链 路没有导频信道，这使得基站接收机中的同步和信道估计比较困难； 前向链路可采用发射分集方式，提高信道的抗衰落能力； 增加了前向快速功率控制，提高了前向信道的容量。在i s 9 5 系统中，前 向链路只支持慢速功率控制； 业务信道可采用比卷积码更高效率的t u r b o 码，使容量进一步提高； 引入了快速寻呼信道，减少了移动台功耗，增加了移动台的待机时间。 3 ) t d s c d m a 技术 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 都是采用的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，t d d 系统在满足i m t - 2 0 0 0 要求的前提下，同时具有 以下特点【6 j ： t d d 可以使用任何频率，不需要成对的频率，频率利用率高； 适用于上下行不对称业务传输，特别适合于i p 数据型业务； t d d 上下行工作于同一频率，对称的电波特性使之便于使用智能天线等 新技术，达到提高性能，降低成本的目的； 设备成本低，可能比f d d 系统低2 0 - - 5 0 。 t d d 系统的主要缺陷在于移动终端的速率和覆盖距离，主要原因是因为：( 1 ) 采用多时隙不连续传输方式，抗快衰落和d o p p l e r 效应能力比f d d 差；( 2 ) t d d 系 统平均功率与峰值功率之比随时隙数增加而增加，考虑到耗能和成本因素，用户 终端的发射功率不可能很大，因此通信距离小，而f d d 的小区半径相对较大。 t d s c d m a 综合了t d d 和c d m a 的所用技术优势，具有灵活的空中接口， 并采用了智能天线、联合检测等先进技术，具有相当高的技术先进性，并且在三 个主流标准中具有最高的频谱效率。随着大范围覆盖和高速移动等问题的逐步解 决，t d s c d m a 将成为使用经济并能得到令人满意效果的第三代移动通信解决方 3 电子科技大学硕士学位论文 案。 t d s c d m a 是中国标准化组织向国际电联提交的第三代移动通信无线接口标 准。它已被国际电联接收，并作为c d m a t d d 模式的一部分被写入国际规范。这 是中国通信史上一次重大的突破，也是中国移动通信领域发展的一个重要里程碑。 以上介绍了三大主流标准的技术比较，表1 - 1 对w c d m a 、t d s c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 三种主流标准的主要技术性能进行了比较，从表中可以看到，只有 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突出的优势【3 j 。 表1 1 三种主流标准的主要技术性能比较表 w c d m ac d m a 2 0 0 0t d s c d m a 载频间隔5 m h z 1 2 5 m h z1 6 m h z 码片速率3 8 4 m c s1 2 2 8 8 m c s1 2 8 m c s 帧长 1 0 m s2 0 m s1 0 m s ( 分两个子帧) 基站同步不需要需要典型方法g p s需要 功率控制快速功控：上、下反向：8 0 0 h z 0 2 0 0 h z 行1 5 0 0 h z前向：慢速、快速功控 下行发射分集支持支持支持 频率间切换支持支持支持 检测方式 相干解调 相干解调联合检测 信道估计公共导频前向、反向导频 d w p c h 、 u p p c h 、中缀码 编码方式卷积码、t u r b o 码卷积码、t u r b o 码卷积码、t u r b o 码 1 3 2t d s c d m a 的关键技术 t d s c d m a 的关键技术主要集中在基带部分，如智能天线技术、联合检测技 术、同步技术、动态信道分配技术、接力切换技术、无线网络技术、功率控制技 术、软件无线电技术、信道估计与补偿技术等。这里仅简要介绍其中的几种关键 4 第一章绪论 技术。 1 ) 智能天线技术 智能天线( s m a r ta n t e n n a ，s a ) 利用信号传输的空间特性和数字信号处理技 术，通过先进的算法处理，对基站的接收和发射波束进行波束成形和赋形，从而 达到降低干扰、增加容量、扩大覆盖、改善通信质量、降低发射功率和提高无线 数据传输速率的目的【引。智能天线通常包括多波束智能天线和自适应智能天线。多 波束智能天线采取准动态多波束切换方式，利用多个不同固定指向的波束覆盖整 个用户区，随着用户在小区中的移动，基站选择其中最合适的波束，从而增强接 收信号的强度。自适应智能天线采取全自适应阵列自动跟踪方式，通过不同自适 应调整各个天线单元的加权值，达到形成若干自适应波束，同时自动跟踪若干个 用户的目的，能够对当前的传输环境进行最大可能匹配【7 】。在第三代移动通信系统 中，t d s c d m a 是应用智能天线技术的典型范例。t d s c d m a 系统采用t d d 方 式，使上下射频信道完全对称，可同时解决诸如天线上下行波束赋形、抗多径干 扰和抗多址干扰等问题。该系统具有精确定位功能，可实现接力切换，减少信道 资源浪费。 2 1 联合检测技术 联合检测( j o i n td e t e c t i o n ，j d ) 技术是在多用户检测( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ， m u d ) 技术基础上提出来的。该技术是减弱或消除多址干扰、多径干扰和远近效 应的有效手段，能够简化功率控制难度，降低功率控制精度要求，弥补正交扩频 码互相关不理想所带来的消极影响，从而改善系统性能、提高系统容量、增大小 区覆盖范卧引。联合检测技术已被纳入第三代移动通信系统的关键技术体系中。我 国向国际电信联盟( n u ) 提交的t d s c d m a 第一次提出以智能天线为核心技术 的c d m a 通信系统，同时采用联合检测技术，实现了智能天线和联合检测技术的 有机结合。将智能天线和联合检测技术结合起来，利用s a 的定向接收和分集增益 来降低系统干扰和改善信道环境，可提高信道估计性能，并且可以简化检测器结 构，大大降低检测算法的复杂性。由于各种技术因素的制约，联合检测技术只能 在基站中实现，随着科学技术的不断进步和发展，基站和终端都将可能采用联合 检测算法以消除m a i 和i s i 这两种干扰。有关联合检测技术的算法原理将在后续 章节中详细介绍。 3 、) 接力切换技术 接力切换的设计思想是利用智能天线和上行同步等技术，在对u e 的距离和方 位进行定位的基础上，根据u e 方位和距离信息作为辅助信息来判断目前u e 是否 5 电子科技人学硕士学位论文 移动到了可进行切换的相邻基站的临近区域【3 】o 如果u e 进入切换区，则r n c 通 知该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。 t d s c d m a 的独特之处是使用了智能天线获得用户终端的方位( d o a ) ，采 用同步c d m a 技术获得用户终端与基站间的距离。若将这两个信息予以综合，基 站就可以确定用户终端的具体位置，从而为接力切换奠定了基础。接力切换不丢 失信息、不中断通信，节约了信道资源。在接力切换的过程中，同频小区之间的 两个小区的基站都将接收同一个终端的信号，并对其定位，将确定可能切换区域 的定位结果向基站控制器报告，完成向目标基站的切换，克服了“软切换”浪费 信道资源的缺点【5 j 。接力切换不仅具有上述的“软切换”功能，而且可以在不同载 波频率的t d s c d m a 基站之间使用，甚至能够在t d s c d m a 系统与其它移动通 信系统( 如g s m 、c d m a i s 9 5 等) 的基站之间，实现不丢失信息、不中断通信的 理想的越区切换。在一般情况下，“接力切换”与“软切换”相比较，能够使系统 容量增加一倍以上。 4 ) 上行同步技术 同步c d m a 或上行同步，是降低多址干扰，简化接收机的一项重要技术。 t d s c d m a 系统中，上行链路和下行链路一样都采用正交扩频码。移动台动态地 调整发往基站的发射时间，使上行信号主径到达基站时保持同步，保证了上行信 号的不相关，降低了码间干扰。这样，系统的容量由于码间干扰的降低大大提高， 同时基站接收机的复杂度也大为降低。上行同步技术( s y n c h r o n i z a t i o n ) 是 t d s c d m a 系统中重要的关键技术之一。它的应用能最大程度地降低干扰，从而 提高系统的容量。 1 3 3联合检测技术发展历程 最初的数据检测是由传统接收机来完成的。它由一系列匹配滤波器组成，根 据自身的扩频码只能识别本用户的数据，而将其它用户对它的干扰全部简单地视 为噪声，忽略了用户之间的相关性。在实际应用中，噪声是影响信号性能中一种 不可抗拒的因素，一般靠提高信噪比来保证质量。因此传统接收机效率不算太高， 而且要求更严格的功率控制。正因为传统接收机不能够有效的消除多址干扰，于 是人们提出了多用户检测的概念。从信号处理的角度定义，多用户检测技术就是 综合利用各种信息以及信号处理的手段，对接收信号进行处理，从而达到对多址 干扰抑制或消除的目的【引。 6 第一章绪论 早在八十年代初期，v e r d u 提出了高斯白噪声环境中c d m a 系统的最优多用 户检测方案以匹配滤波器加维特比算法来实现最大似然序列检澳q ( m a x i n u m l i k e l y h o o ds e q u e n c ed e t e c t i o n ，m l s 检测) ，根据最大后验概率对接收到的信号进 行估计。毫无疑问，从误码的角度而言，最优检测器具有最佳的抗远近效应的性 能，理论上能够将信号最佳的检测出来，适用于受i s i 影响的信道。不过这种最大 似然检测方案决定了最优检测算法的计算复杂度是用户数和传送的信息符号数的 指数幂级，而且m l s 检测器需要知道接收信号的幅度和相位，这要通过估计来得 到。因此尽管最优检测器是最佳检测方案，对系统容量有巨大的提高，其在实际 系统中还是无法应用1 4 j 。 进入八十年代中后期以后，人们逐渐转向寻找易于实现的次优多用户检测器 ( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 。1 9 8 9 年r l u p a s 首先提出了同步c d m a 系统中 的线性多用户检测方案，即用一线性算子作用于接收信号，从而达到对待检用户 信号检测的目的。线性多用户检测器的实质就是线性算子，也就是线性滤波器的 设计。经过近十多年的研究，线性多用户检测方案得到了极大发展，从最初的线 性解相关检测器到迫零( z e r of o r c e ，z f ) ，m m s e ( m i n i n u mm e a ns q u a r ee r r o r ， m m s e ) 检测器以及各类自适应算法，线性算法极大的降低了多用户检钡9 的计算 复杂度。 随着t d s c d m a 的提出，1 9 9 2 年德国k a i s e r s l a u t e m 大学的a k l e i n 等人将 消除m 越和i s i 一并考虑，提出了同时消除这两种干扰的联合检测技术。其核心 就是利用均衡技术，将来自其他用户的i s i 也当作m a i 而一并消除之。联合检测 技术是在多用户检测技术基础上提出的一种次优多用户检测技术。该技术是减弱 或消除多址干扰、多径干扰和远近效应的有效手段，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性不理想所带来的消极影响，从而改善系统 性能、提高系统