（信息与通信工程专业论文）tdscdma系统中联合检测和智能天线技术的应用研究.pdf

摘要 摘要 t d s c d m a 综合了t d d 和c d m a 的技术优势，采用智能天线、联合检测和 上行同步等多种技术，是目前三个主流标准中频谱利用率最高的标准。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。 针对t d s c d m a 标准中的联合检测和智能天线这两项关键技术，本文进行了 深入和系统的理论分析和研究，并完成了联合检测算法的d s p 实现。 文章在引言中简要介绍了t d s c d m a 标准和系统的主要特点，并分析了联合 检测和智能天线技术的发展和研究现状。随后文章分析了移动通信无线信道的特 性和仿真方法，构建了基于功率延迟轮廓的抽头延迟线( t d l ) 信道模型，并将 该模型应用到t d s c d m a 系统智能天线的空时信道模型中。在参考了 3 g p p 3 g p p 2 建议的m i m o 信道模型的基础上，完成了空时信道t d l 模型抽头系 数的设置，该模型包含了空时信道的基本特征和主要参数，确保了模型的正确性 和继承性。 文章构建了t d s c d m a 系统上行链路的连续时间传播模型，并给出了离散时 间传播模型的矩阵表示，重点分析了联合检测的核心系统矩阵的构建过程。 在分析了系统矩阵结构特点的基础上，详细介绍了基于c h o l e s k y 分解求逆运算和 基于块循环矩阵的傅里叶运算的联合检测算法，并对两种准则的运算复杂度进行 了分析。给出了联合检测算法在两种测试环境，不同用户数和不同天线配置下的 性能仿真结果，通过仿真来解释各种因素对联合检测性能的影响。 文章介绍了t d s c d m a 系统中的智能天线技术，分析了三种下行波束赋形算 法，给出了基于最大发送信噪比准则下的系统下行链路模型，并对准则进行了详 细的理论分析和仿真。在仿真结果上对引入智能天线后的系统性能进行了分析和 总结，进一步揭示了t d s c d m a 系统中智能天线技术的优势和应用前景。 文章给出了联合检测算法的硬件实现流程并在f r e e s c a l e 公司的m s c 8 1 4 4 a d s 上进行了验证，d s p 定点仿真结果验证了算法的工程可实现性。对联合检测算法 的核心部分叫h o i e s k y 分解，本章也对其d s p 实现进行了详细的说明。文章最 后对全文进行了简要的总结并给出了t d s c d m a 系统的研究展望。 关键词：t d s c d m a ，联合检测，智能天线，下行波束赋形 a b s t r a c t a b s t r a c t t d s c d m a ，w h i c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g eo ft h et i m ed i v i s i o nd u p l e x ( t d d ) w i t hc d m a ，m a k e su s eo fm a n ya d v a n c e dt e c h n i q u e s ，s u c ha ss m a r ta n t e n n a ，j o i n t d e t e c t i o n ，u p l i n ks y n c h r o n i z a t i o na n ds oo n t d - s c d m ai st h em o s te f f i c i e n ti nu s i n g t h es p e c t r u mi nt h et h r e em a i ns t a n d a r d s t h e r ei st h em o s ti m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o r r e s e a r c h i n gt d - s c d m as y s t e mn o w a i m i n ga tt h ek e yt e c h n o l o g y j o i n td e t e c t i o na n ds m a r ta n t e n n a - o ft d - s c d m a s t a n d a r d ，t h i sd i s s e r t a t i o nd o e sad e e p l ya n ds y s t e m i ct h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dr e s e a r c h a n dt h i sd i s s e r t a t i o na c c o m p l i s h e st h ea r i t h m e t i c sd s pr e a l i z a t i o no fb a s es t a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o n b r i e f l y i n t r o d u c e st h es t a n d a r da n dt h em a i nc h a r a c t e r so f t d - s c d m ai nf o r e w o r d ，a n da n a l y s e st h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u so fj o i n t d e t e c t i o na n ds m a r ta n t e n n a s u b s e q u e n t l yt h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h ec h a r a c t e r sa n d s i m u l a t i o nm e t h o do fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sw i r e l e s sc h a n n e l at a p p e dd e l a yl i n e c h a n n e lm o d e li sb u i l tb a s e do np o w e rd e l a yp r o f i l ea n di su s e di ns p a c e - t i m ec h a n n e l m o d e lw i d e l ya d o p t e di ns m a r ta n t e n n a ss i m u l a t i o np l a t f o r mo ft h et d - s c d m a s y s t e m t h ec o e f f i c i e n t so ft h et d lm o d e la r ec o n f i g u r e da c c o r d i n gt ot h es u g g e s t i o n o f3 g p p sm u l t i i n m u l t i o u tc h a n n e lm o d e l t h en e w l yb u i l tt a p p e dd e l a yl i n em o d e l i n c l u d e st h eb a s i cc h a r a c t e r sa n dm a i np a r a m e t e r so fs p a c e t i m ec h a n n e l ，s ot h e c o r r e c t n e s sa n dc o n s i s t e n c yo ft h et d s c d m am o d e li se n s u r e d t h ed i s s e r t a t i o nb u i l d su pa nu p l i n k sc o n t i n u o u s - t i m ep r o p a g a t i o nm o d e lo ft h e t d - s c d m as y s t e ma n dg i v e so u tt h em a t r i xd e n o t a t i o no fd i s c r e t e - t i m ep r o p a g a t i o n m o d e l f o c u sa n a l y s i si sm a d eo nt h ec o n s t r u c t i o no fs y s t e mm a t r i xw h i c hi st h ek e r n e l o fj o i n td e t e c t i o n d e t a i l e di n t r o d u c t i o n sa r em a d eo nt h ej o i n td e t e c t i o n sa l g o r i t h m b a s e do nc h o l e s k yf a c t o r i z a t i o no p e r a t i o na n df a s tf o u r i e rt r a n s f o r m so p e r a t i o no f b l o c k c i r c u l a n tm a t r i x s i m u l a t i o nr e s u l t su n d e rd i f f e r e n tt e s te n v i r o n m e n t , n u m b e ro f u s e re q u i p m e n t sa n da n t e n n ac o n f i g u r ef o rj o i n td e t e c t i o na l g o r i t h m sa r ep r e s e n t e d t h es i m u l a t i o ne x p l a i n st h ev a r i o u sf a c t o r so nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ej o i n td e t e c t i o n f i n a l l y , ah a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o nf l o wo fj o i n td e t e c t i o na l g o r i t h mi sg i v e na n d f i x p o i n ts i m u l a t i o ni sd o n eo nf r e e s c a l e sd s ec o m p a r er e s u l t ss h o w st h ef e a s i b i l i t y i l a b s t r a c t o ft h ea l g o r i t h m t h eh e a r tp a r to fj o i n td e t e c t i o na l g o r i t h m - c h o l e s k yf a c t o r i z a t i o ni s a n a l y z e da n dc o m m e n t a t e di nd e t a i l ab r i e f l yc o n c l u s i o ni sm a d et ot h ed i s s e r t a t i o na n d f i g u r es o m ed i r e c t i o n sa n di d e a sf o rt h i sr e s e a r c h k e y w o r d s ：t d s c d m a ，j o i n td e t e c t i o n ，s m a r ta n t e n n a , d o w n l i n kb e a mf o r m i n g i i i 图表目录 图表目录 图1 1t d s c d m a 系统的多址方式和帧结构3 图2 - 1 信号所经历的衰落类型1 0 图2 2s u z u k i 信道仿真模型1 l 图2 3g a n s 信道仿真模型l1 图2 4 平坦衰落信道仿真模型1 4 图2 5 频率选择性衰落信道模型1 4 图2 6 抽头系数加权积分过程示意图1 6 图2 7 散射多径信道的抽头延时线模型1 6 图2 8 抽头增益的产生过程1 7 图2 9 离散多径信道的抽头延时线模型l8 图2 1 0 离散多径信道均匀抽头增益产生过程1 8 图2 一l l 多径信道的瑞利衰落过程。1 9 图2 1 2 波前到达阵列天线时各阵元之间的相位延迟。2 0 图2 1 3 均匀线阵与圆阵的平面示意图。2 l 图2 1 4 入射角的功率谱分布示意图2 3 图2 1 5 阵元接收信号幅度统计特性与瑞利分布的比较。2 4 图3 1 多址接入系统的连续时间传播模型2 6 图3 2 采用离散输入输出的c d m a 系统连续时间传播模型2 8 图3 3 调整后的系统矩阵3 3 图3 4 不同扩频因子的调整过程3 3 图3 5 不同扩频因子调整后的系统矩阵3 4 图3 - 6 多接收天线下系统矩阵的构建3 5 图3 7 基于c h o l e s k y 分解算法的联合检测3 7 图3 8 系统矩阵a 构建的方阵结构3 7 图3 - 9 近似c h o l e s k y 分解示意图3 8 图3 一1 0 块循环对角矩阵的构建示意图4 l 图3 一1 1 经过k r o n e c k e r 处理的f o u r i e r 矩阵4l 图3 1 2 对角矩阵结构示意图4 2 v i 图表目录 图3 1 3 不同用户数目下三种算法的运算复杂度4 3 图3 1 4t d s c d m a 系统上行链路的仿真框图4 4 图3 15 发送端信号处理框图。4 5 图3 1 6 数据符号的扩频和加扰4 5 图3 1 7 步行条件下信号衰落曲线4 8 图3 18 高速条件下信号衰落曲线4 8 图3 1 9 实际信道冲激响应与估计信道冲激响应一4 8 图3 2 0 处理后的信道冲激响应4 9 图3 2l 上行链路发送模块框图4 9 图3 2 2c a s e l 和c a s e 3 条件下信道估计处理前后系统误码率5 0 图3 2 3c a s e i 和c a s e 3 条件下三种运算的系统误码率5 0 图3 2 4c a s e l ，单天线，不同用户配置下联合检测仿真结果。5 l 图3 2 5c a s e l ，8 用户，不同天线配置下联合检测仿真结果5 2 图3 2 68 用户，不同环境下联合检测仿真结果5 2 图4 1 采用智能天线技术的t d s c d m a 系统的结构框图5 3 图4 2 基于最大径准则的用户波束图5 6 图4 3 最大发送信噪比算法原理图5 7 图4 - 4 基于最大发送信噪比准则的用户方向图6 l 图4 5 基于最大接收功率准则的用户方向图6 2 图4 - 6 用户不同入射角度间隔下的方向图6 2 图5 1m s c 8l4 4 结构图6 4 图5 2t d s c d m an o d e b 基站联合检测算法模块图6 5 图5 3 联合检测模块函数软件结构图显示6 7 图5 4c h o l e s k y 分解流程图6 9 图5 - 5d s p 与m a t l a b 运算c h o l e s k y 分解得到的误差7 0 图5 - 6d s p 仿真与m a t l a b 仿真对比结果7 l 表2 1 多径时散参数典型值10 表2 2t d s c d m a 链路多径传播参数2 0 表3 一lt d s c d m a 系统联合检测性能仿真参数表4 4 表3 2i t u 多径信道参数4 6 表5 1 联合检测模块函数参数及函数描述6 6 v i i 缩略词表 缩略词表 英文缩写英文全称中文注释 3 g p p3 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 c t sa 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 ds e r v i c e s 先进通信技术和业务 a d s a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n ts y s t e m应用设备系统 a g ua d d r e s sg e n e r a t i o nu n i t 地址产生单元 a l ua r i t h m e t i ca n dl o g i cu n i t 算术逻辑单元 k 鼬q ra d d i t i v e 、枷i t eg a u s s i a nn o i s e 加性高斯白噪声 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址 c i rc h a n n e li m p u l s er e s p o n s e 信道冲激响应 d m f d e c o r r e l a t i n gm a t c h e df i l t e r 解相关匹配滤波器 d o ad i r e c t i o no f a r r i v a i 到达方向 f d d f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x 频分双工 g p g u a r dp e r i o d 保护间隔 i ci n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n 干扰抵消 i d e 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 集成开发环境 i s i i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e 符号间干扰 i t ui n t e m a t i o n a it e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n 国际电信联盟 j dj o i n td e t e c t i o n 联合检测 l o s l i g h to fs i g h t直射信号 m a im u l t ia c c e s si n t e r f e r e n c e 多址干扰 m i m om u l t ii nm u l t io u t 多入多出 m m s e b d f e m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r 最小均方误差判决反馈 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 块均衡 m m s e - b l e m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r 最小均方误差线性 b l o c kl i n e a re q u a li z e r 块均衡 m m u m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t内存管理单元 v i l l 缩略词表 m s i n rm a x i m u ms 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 m s n rm 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 dm u l t i u s e rd e t e c t i o n 多用户检测 o v s f o r t h o g o n a iv 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 a sp o w e ra z i m u t hs p e c t r u m 方位角功率谱 p d p p o w e rd e l a yp r o f i l e s 功率延迟轮廓 p h sp 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 a c er 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 ne u r o p e 欧洲先进通信技术研究 r n c 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 c m s p a c ec h a n n e lm o d e l 空间信道模型 s i s o s i n g l ei ns i n g l eo u t 单入单出 t d dt i m ed i v i s i o nd u p l e x 时分双工 t d l t a p p e dd e l a yl i n e 抽头延时线 t i m ed i v i s i o n t d s c d m a 时分一同步码分多址 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 u c au n i f o r mc i r c l ea r r a y 均匀圆阵 u eu s e re q u i p m e n t用户设备 u l au n i f o r ml i n e a ra r r a y 均匀直线阵 v l e sv 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 、d m aw i d e b a n dc d m a宽带码分多址 w l lw i r e l e s sl o c a ll o o p 无线本地环路 z f b d f ez 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 ke q u a l i z a t i o n 追零判决反馈块均衡 z f b l e 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 主要数学符号 主要数学符号 论文中所用到的主要数学符号列表如下： 符号类别 变量 矢量 矩阵 矢量转置 矩阵转置 共轭转置 卷积运算 矩阵的元素 k r o n e c k e r 乘积运算 矩阵元素块 实例 口 a a a ra 7 a h a l ，j o a ( ：，七) a ( k ，：) a ( m ：n ，k ：，) 字体和说明 小写斜体 小写粗体 大写粗体 ( ) r ( ) 矩阵a 的第i 行，第列的元素 矩阵a 的所有行，第k 列的元素 矩阵a 的第k 行，所有列的元素 矩阵a 的第m 行至第n 行，第k 列至第，列的元素 x 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已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：垒疆： 一 日期： 砂g 年3 月2 弓e l 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： 彩赁 导师签名： e l 期：莎年y 月钐日 第一章引言 1 1 研究背景和意义 第一章引言 第三代移动通信系统，简称3 g ，国际电联( i t u ) 原来将其定义为“未来全 球陆地移动通信系统”，即国际移动通信系统( i m t 2 0 0 0 ) 。针对目前第二代移动 通信具有多个标准，且多个标准之间不能漫游的情况，国际电联曾希望在第三代 移动通信中能有一个全球统一的标准，但是由于美国、欧洲和亚洲都各自有自己 不能放弃的经济利益和政治意义，而使得这一愿望无法达成，所以在第三代移动 通信标准上只能提出一个i m t 2 0 0 0 的协议家族概念。在i m t 2 0 0 0 的协议家族内共 有三种主流标准：代表欧洲利益的w c d m a 、代表美国利益的c d m a 2 0 0 0 以及由 中国自主提出的t d s c d m a 标准。 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统接收机数据检测采用的是r a k e 检测技术，属于 单用户检测，阵列天线与r a k e 技术结合的新型的空时二维r a k e 接收机也是一 大研究热点，此时阵列天线下接收机结构是空时分开的。t d s c d m a 系统采用联 合检测技术，属于多用户检测，可以很好地抗远近效应。联合检测的性能分析一 直是十分困难的问题，空时多用户联合检测系统的分析将变得更加复杂，因智能 天线下t d s c d m a 系统空时多用户联合检测的结构更加灵活多样。 t d - s c d m a 系统下行链路空间处理在基站完成，时间处理在移动台完成，两 者共同决定下行链路的性能。对于频分复用( f d d ) 系统，上下时空信道特征不 同，上行时空信道特征不能直接应用于下行形成发射波束，可利用上下行信道的 共有特征如信号方向( d o a ) 进行下行波束形成，而一般c d m a 系统的用户数大 于阵元数，且由于陆地无线传输的角度扩展，用于d o a 估计的信号子空间方法在 实际中很难应用。对于时分复用( t d d ) 系统，上下行时空信道特征对称，上行 时空信道特征能直接应用于下行形成发射波束，从这点来说t d s c d m a 系统可以 更灵活的使用智能天线技术。多用户联合检测是t d s c d m a 系统一个首选的数据 检测技术。因此迫切需要研究有效的智能天线下的移动台联合检测方烈i 】【2 i 。 系统性能的提高不仅与多址接收方法，接收机的信号处理算法，信道估计方 法，阵列天线结构有关，还有用户位置，用户空间分离程度，信道传输环境有关。 自适应阵列信号处理技术与发射机和接收机的结构结合才是有效的方式，这就要 电子科技大学硕士学位论文 求结合具体的通信体制，小区的无线传输模型，智能天线的实现方案等加以研究。 t d s c d m a 方式下智能天线系统并没有成熟的研究体系和研究方法，这使我们在 和其他国际大公司讨论问题时，常常处于被动的局势。目前中国已经有了自己的 第三代移动通信标准t d s c d m a ，正在向实际商用快速前进，这就更需要提出较 成熟的理论支持，建立一套较健全的仿真体系和仿真方法，对t d s c d m a 系统的 建设和优化给出具体的建议和指导。在这个时刻研究t d s c d m a 系统的联合检测 和智能天线的处理技术问题，有着技术上的必要性和时间上的紧迫性1 3 儿4 j 。 1 2t d s c d m a 标准简介 t d s c d m a 系统的物理信道采用四层结构：超帧、无线帧、子帧和时隙。一 个超帧长7 2 0 m s ，由7 2 个无线帧组成。一个无线帧长1 0 m s ，为了实现快速功率控 制和定时提前校准以及对一些新技术的支持( 智能天线) ，将一个1 0 m s 的帧分成 两个结构完全相同的子帧，每个子帧的时长为5 m s 。每个子帧由7 个常规时隙和3 个特殊时隙组成。在7 个常规时隙中，时隙0 总是固定地用作下行时隙来发送系 统广播信息，而时隙i 总是固定地用作上行时隙。其它的常规时隙可以根据需要 灵活地配置成上行或下行，以实现不对称业务的传输。对于一个子帧，常规时隙 具有完全相同的时隙结构。对于每个主时隙，它具有前后两个数据部分，一个居 中的训练序列( m i d a m b l e ) 和一个1 6 码片长的保护间隔( g p ) 。数据区中的数据 比特先用q p s k 调制为数据符号( s y m b 0 1 ) ，然后再采用正交可扩频因子( o v s f ) 码对数据符号进行扩频。这样，每个主时隙可以由o v s f ( s f - - l 、2 、4 、8 、1 6 ) 分为l 一1 6 个码道。下行导频时隙由6 4 比特正交码组成，它是无线基站的导引信号， 也是下行同步的信号。保护时隙用于区分上、下行时隙，使距离较远的终端能实 现上行同步。上行导频时隙由1 2 8 比特正交码组成，它是用户终端的导引信号， 主要用于在随机接入或切换时，用户和基站之间初始同步的建立。训练序列用于 进行信道估计，由一个基本的m i d a m b l e 码进行循环移位产生，它不进行扩频和加 扰处理【1 1 1 2 3 j 4 j 。t d s c d m a 系统的多址方式和1 9 贞结构如图1 1 所示。 2 第一章引言 型 露 笺 盆 下行导频时隙i 保护时隙 i 上行导频时隙 ( d w p t s ) i ( g p ) i( u p p t s ) 9 6 码片l9 6 码片l1 6 0 码片 l 时隙0ll 时隙ii 时隙2i 时隙3l 时隙4i 时隙5l 时隙6l t s u b r r a m e 带宽li 时隙0ll 时隙1l 时隙2i 时隙3i 时隙4i 时隙5l 时隙6i l 时隙0ll 时隙lli b j y , 9 2 _ l 时隙3l 时隙4l 时隙5l 时隙6 卜 t d m a 特性 爱im i d a m b l ei 数据段l g p 据段lm i d a m b l el 数据段i g p i 奴姑敬l m l ( 1 a m d l e i 裂诮敬l l i i 码道p 丝里趱上j 堡垒翌苎止里型世上! _ 垒堡学 一 ” 五，o f 图1 1 t d s c d m a 系统的多址方式和帧结构 1 3t d s c d m a 系统的主要特点 t d s c d m a 系统是t d m a 和c d m a 两种基本传输模式的灵活结合。在3 g p p 内部也被称为低码片速率t d d 工作方式( 相对于3 8 4 m h z 的u t r at d d ) 。 t d s c d m a 系统特别适合于在城市人口密集区提供高密度大容量话音、数据和多 媒体业务。t d s c d m a 系统的主要特点如下【4 】： ， 1 3 1t d d 模式 t d s c d m a 系统采用t d d 模式，接收和传送是在同一频率信道，无需使用成 对的频段，用保护间隔来分离接收与发送信道。t d d 方案的优势在于系统可以根 据不同的业务类型来灵活地调整链路的上、下行转换点，从而提供最佳频谱利用 率和最佳的业务容量。 1 3 2 智能天线 因为t d s c d m a 系统的上、下行信道使用同一频段，上下行射频信道完全对 称，从而有利于智能天线的使用。在发送端，智能天线根据接收到的终端到达信 3 电子科技大学硕士学位论文 号在天线阵上产生的相位差，利用相应的数字信号处理算法提取出终端的位置信 息，根据终端的位置信息，有效地产生多个赋形波束，每个波束指向一个特定终 端并自动地跟踪终端移动，从而有效地减少同信道干扰，提高了下行容量。在接 收端，智能天线通过空间选择性分集，可以提高接收灵敏度，减少不同位置同信 道用户的干扰，有效合并多径分量，抵抗多径衰落，提高上行容量。 1 3 3 联合检测 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。这些干扰破坏了各个信道的正交性，降低了c d m a 系统的频 谱利用率。联合检测( j d ) 技术是在多用户检测( m u d ) 技术基础上提出的，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，降低功率控制精度，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、增大小区覆盖范围。将联合检测和智能天线技术 相结合，利用智能天线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。 1 3 4 上行同步 所谓上行同步就是上行链路各终端的信号在基站解调器完全同步，上行同步的 建立和保持是通过系统的帧结构来严格实现的。上行同步可以使得正交扩频码的 各个码道在解扩时完全正交，相互之间不会产生多址干扰，克服了一步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 带来的干扰问题，提高了t d c d m a 系统的容量和频谱利用率。 1 3 5 接力切换 接力切换的设计思想是利用智能天线和上行同步等技术，使用了智能天线获得 用户终端的方位，采用同步c d m a 技术获得用户终端与基站间的距离和方位信息， 根据u e 方位和距离信息来判断目前u e 是否移动到了可进行切换的相邻基站的临 近区域。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。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，确定可能切换区域的定位结果向基站控制器报告，完成向 4 第一章引言 目标基站的切换，克服了软切换浪费信道资源的缺点。在一般情况下，接力切换 与软切换相比较，接力切换能够使系统容量增加一倍以上。 1 3 6 软件无线电 在t d c d m a 系统中，软件无线电可用来实现智能天线、同步检测、载波恢复 和各种基带信号处理等功能，通过软件方式灵活完成硬件功能，并且具有良好的 灵活性和可编程性，很好的适应环境变化，便于系统升级，降低用户的设备费用。 1 4 联合检测技术的发展和研究现状 联合检测源于早期用于符号间干扰( i s i ) 消除的信道均衡技术，首先由k l e i n 和b a l e r 提出用于多用户突发传送系统中，其核心思想是将所有用户发送的数据字 符视为单用户发送的数据序列，在接收检测时，利用已知的用户扩频码和信道冲 激响应( c i r ) 估值，将码间干扰( m a i ) 视为i s i 进行处理。 1 9 8 4 年，v e r d u 以匹配滤波器加维特比算法来实现最大似然序列检测，它适 用于受符号干扰影响的信道。从误码的角度来看，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。最大似然检测方案也称最优检测 算法，其计算复杂度跟用户数目和传送的信息符号数成指数关系，而且需要知道 接收用户的幅度、相位、定时和扩频码特性等，这些都需要通过估计来得到。由 于最大似然序列检测器过于复杂不实用，人们都在寻找易于实现的次优多用户检 测。 1 9 8 6 年，k s s c h n e i d e r 和r k o h n o 等人提出了线性解相关检测器，它的基本 思想是首先计划各个用户信号之间基于扩展码的互相关矩阵并求取其逆，然后对 接收信号进行解相关计算，最后再对解相关信号进行判决。该方法不用估计接收 信号的幅度，比最大似然序列检测算法计算量小，但是解相关操作将增强加性高 斯白噪声( a w g n ) ，互相关逆矩阵的计算量仍然很大。 1 9 9 0 年，z x i e 等人提出了最小均方误差检测器，该算法考虑了噪声的存在， 并且利用接收信号的功率值进行相关计算，在消除多址干扰和不增强背景噪声之 间得到了一个均衡点。但是它需要对信号的幅度进行估计，性能依赖于干扰用户 的功率，因此在抗远近效应方面不如解相关检测器。 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 a i 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算法，利用均衡技术，将来自其它用户的 5 电子科技大学硕士学位论文 i s i 也当作m a i 而一并消除之。联合检测算法能够简化功率控制，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。 1 9 9 6 年，s m o s h a v i 等提出了多项式扩展检测器，其基本思想是利用相关矩阵 的多项式扩展对匹配滤波器的输出进行运算，然后再进行判决。多项式扩展检测 器通过选择合适的多项式系数来优化其性能，可近似解相关检测器和最小均方误 差检测器，计算复杂度较低，无需进行信号幅度估计，具有较简单的结构【4 】。 虽然多用户检测技术有它的局限性，但是它抗干扰的优越性是公认的。迄今 为止，多用户检测技术已经获得了长足的进步，成为c d m a 移动通信系统中抗干 扰的关键技术。 在t d s c d m a 标准被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 检测技术也进行了大量研究。研究了智能天线和联合检测联合使用的原理和总体 算法，重点讨论了系统的可实现算法，给出了多用户系统在阵列天线接收时的信 号模型和实现联合检测的算法模型，重点分析和论证了在使用智能天线的情况下， 对模型进行优化和简化的可行性并给出些性能仿真结果【5 j 。多数研究是关于联合 检测算法的理论或者工程实现，同时由于智能天线技术的引入，对智能天线和联 合检测的联合研究相对增多。 1 5 智能天线技术的发展和研究现状 最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信，用来完成空间 滤波和定位等。近年来，随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、 天线理论等方面的研究逐渐深入，现代数字信号处理技术发展迅速，数字信号处 理芯片处理能力不断提高，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，提高了 天线系统的可靠性与灵活程度，智能天线技术因此用于具有复杂电波传播环境的 移动通信。智能天线的发展主要包括下面三个阶段1 6 j ： 开关波束转换阶段：在天线端预先定义一些波瓣较窄的波束，根据信号的来 波方向实时确定发送和接收所使用的波束，达到将最大天线增益方向对准有效信 号，降低发送和接收过程中干扰的目的。这种方法位于扇区天线和智能天线之间， 实现运算较为简单，但是性能也比较有限。 自适应信号方向阶段：根据接收信号的最强到达方向，自适应地调整天线阵 列的参数，形成对准该方向的接收和发送天线方向图。这是动态自适应波束成形 6 第一章引言 的最初阶段，性能优于开关波束转换，同时算法也较为复杂，但是还未达到最优 的状态。 自适应最佳通信方式阶段：根据得到的通信情况的信息，实时地调整天线阵 列的参数，自适应地形成最大化有用信号、最小化干扰信号的天线特性，保持最 佳的射频通信方式。这是理想的智能天线的工作方式，能够很大程度地提高系统 无线频谱的利用率，但是其算法复杂，实时运算量大，同时还需要进一步探寻各 种实际情况下的最佳算法。 目前，对于智能天线的应用主要集中在第二阶段，并且由于移动通信的迅速 发展，使得智能天线技术的应用中受到广泛的重视。解决智能天线在实际应用中 的各种问题，以及寻求更加“智能”的自适应算法和实现方案是目前工作的重点 和主要内容。 目前，智能天线己成为移动通信领域的一个研究热点，许多大学、研究机构 和通信公司都竞相致力于智能天线的研究和开发 6 1 。美国m e t a w a v e 公司的 s p o t l i g h t g s m 波束切换智能天线和s p o