（信号与信息处理专业论文）tdscdma系统中基于训练序列的信道估计算法研究.pdf

、 p ； 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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：亟：旦垫主日期：旌l q = l = l 殳 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： e l 期： 2 2 垒= ! = f 皇 日期：塑f 垒：互：盥 ， 参 规 业 在 技 这 信道估计算法对整个t d s c d m a 系统的性能有极为重要的意义。 本文研究了t d s c d m a 系统中基于训练序列的信道估计算法。 首先，在背景介绍中对移动通信的发展历程、第三代移动通信系统、 t d s c d m a 系统、信道估计算法的研究意义和研究现状以及移动通 信信道的特性和传播模型进行了概述。然后，介绍了t d s c d m a 系 统的信道以及物理层结构，重点介绍了训练序列及其相关性。然后， 通过理论推导，给出了t d s c d m a 系统中基于训练序列的信道估计 的系统模型。在此基础上，介绍了t d s c d m a 系统中最基本的s t e i n c r 信道估计和几种常用的门限后处理信道估计算法，并指出了各种算法 的优点和存在的缺陷。针对之前算法无法解决的噪声引起的幅度增大 的问题，提出了一种改进的门限后处理算法，对信道估计出来的冲激 响应进行了功率修正。之后，在t d s c d m a 链路仿真平台上对各种 算法进行了仿真，并对各种算法的性能做了比较和分析。仿真结果表 明，与之前算法相比，本文所提出的改进算法对系统性能有一定的改 善。最后，对全文做了概括性的总结，并对今后所要研究的工作做了 展望。 关键词：t d s c d m a 信道估计训练序列s t e i n c r 估计门限后处理 ，j r e s e a r c h0 l nc h a n 小i e le s t n 订a t i o n b a s e do nt r a i n i n gs e q u e n c e 玳t d s c d 【as y s t e m a bs t r a c t t d s c d m ap r o p o s e db yc h i n ai so n eo ft h e3 gs t a n d a r d sw i t h i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s i ta d o p t st i m ed i v i s i o nd u p l e x m o d e i tc a nb ea l l o c a t e db a n d w i d t hf l e x i b l ea n dc a na d j u s tt i m es l o tb a s e o nd i f f e r e n ts e r v i c et y p e sf o ru p l i n ka n dd o w n l i n kw h i c hi n c r e a s e s b a n d w i d t he f f i c i e n c y i te x p l o i t sm a n yk e yt e c h n o l o g i e ss u c ha ss m a r t a n t e n n a ，j o i n td e t e c t i o na n du p l i n ks y n c h r o n i z a t i o nt oc o m b a t i n t e r f e r e n c ei nt h ec h a n n e la n di r e p r o v e st h es y s t e m p e r f o r m a n c e e f f e c t i v e l y h o w e v e r , t h e s ek e yt e c h n o l o g i e sn e e de x a c tc h a n n e li m p u l s e r e s p o n s e t h e r e f o r e ，a ne x a c ta n dq u i c ka l g o r i t h mf o rc h a n n e le s t i m a t i o n i sv e r yi m p o r t a n tf o rp e r f o r m a n c eo ft d s c d m a s y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o n m a i n l y r e s e a r c h e so na l g o r i t h mf o rc h a n n e l e s t i m a t i o nb a s e do nt r a i n i n gs e q u e n c ei nt d s c d m a s y s t e m f i r s t l y , t h e d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eh i s t o r yo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h et h i r d g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ， t d s c d m a s y s t e m ， s i g n i f i c a n c eo fc h a n n e le s t i m a t i o n ，t h ep r o g r e s so fr e s e a r c hf o rc h a n n e l e s t i m a t i o ni nr e c e n ty e a r s ，t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dm o d e lo fm o b i l e c o m m u n i c a t i o nc h a n n e li nr e s e a r c hb a c k g r o u n d t h e n 。t h ed i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e st h ec h a n n e la n dp h y s i c a l l a y e rs t r u c t u r eo ft d s c d m a s y s t e m ，e s p e c i a l l yt r a i n i n gs e q u e n c ea n di t sc o r r e l a t i v i t y a n dt h e n ， a c c o r d i n gt ot h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h es y s t e m m o d e lo fc h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do nt r a i n i n gs e q u e n c ei nt d s c d m a s y s t e m o nt h i sb a s i s ，t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eb a s i cc h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h mk n o w na ss t e i n e rc h a n n e le s t i m a t i o na n ds e v e r a l o t h e rc o m m o na l g o r i t h m sf o ra d d i t i o n a lp r o c e s s i n gw i t ht h r e s h o l d a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g ef o re a c ha l g o r i t h ma r ea l s os h o w n b e c a u s e t h ec o n v e n t i o n a lc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sc a i l ts o l v et h ep r o b l e m o fa m p l i t u d ei n c r e a s e dc a s e db yn o i s e , t h ed i s s e r t a t i o n p r o p o s ea l l i m p r o v e da l g o r i t h m sf o ra d d i t i o n a lp r o c e s s i n gw i t ht h r e s h o l dt oa d j u s t t h ea m p l i t u d eo fc h a n n e li m p u l s er e s p o n s e a n dt h e n 。e a c ha l g o r i t h mi s s i m u l a t e do nt h ep l a t f o r mo fl i n k 1 e v e ls i m u l a t i o nf o rt d s c d m a t h e p e r f o r m a n c ef o re a c ha l g o r i t h mi sc o m p a r e da n da n a l y z e db yt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e do t h e ra l g o r i t h m ， t h ei m p r o v e da l g o r i t h mp r o p o s e db yt h i sd i s s e r t a t i o nc a ni m p r o v et h e s y s t e mp e r f o r m a n c et oac e r t a i ne x t e n t i nt h ee n d ，as u m m a r yt ot h e w h o l ed i s s e r t a t i o na n d p r o s p e c t sf o rf u t u r ew o r ki ss h o w n k e yw o r d s ：t d - s c d m ac h a n n e le s t i m a t i o n t r a i n i n gs e q u e n c e s t e i n e re s t i m a t i o na d d i t i o n a lp r o c e s s i n gw i t ht h r e s h o l d j 冬 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 现代移动通信的发展历程l 1 1 2 第三代移动通信概述2 1 1 3t d s c d m a 系统概述4 1 2 信道估计的研究意义及研究现状7 1 2 1 信道估计的研究意义7 1 2 2 信道估计的研究现状8 1 3 本文的主要内容及章节安排9 第二章移动通信信道lo 2 1 移动通信信道概述1o 2 2 电磁波传播特性1o 2 2 1 直射波1 0 2 2 2 反射波1 l 2 2 3 绕射波1 1 2 2 4 散射波1 2 2 3 移动信道的传输特性一1 2 2 3 1 加性噪声1 2 2 3 2 传播损耗1 2 2 4 移动信道的信道模型1 5 第三章t d s c d m a 系统中基于训练序列的信道估计1 7 3 1t d s c d m a 的信道概述1 7 3 1 1 逻辑信道1 7 3 1 2 传输信道1 8 3 1 3 物理信道l8 3 2t d s c d m a 的物理层结构。1 9 3 2 1t d 。s c d m a 的物理信道1 9 3 2 2t d s c d m a 的帧结构2 0 3 2 3t d s c d m a 的时隙结构2 1 3 3 用训练序列进行信道估计的可行性分析。2 3 3 4t d s c d m a 训练序列的相关性分析2 4 3 5 基于训练序列的信道估计的系统模型2 6 3 6s t e i n e r 信道估计算法3 0 3 7 理想信道估计算法3 3 3 8 理想时延降噪信道估计算法3 4 3 9 门限后处理信道估计算法3 4 3 9 1 硬门限判决信道估计3 5 3 9 2 软门限判决信道估计3 5 3 1o 改进的门限后处理信道估计算法3 8 第四章t d s c d m a 信道估计算法仿真4 0 4 1 信道估计的仿真平台概述4 0 4 1 1m a t l a b 信道估计仿真平台4 0 4 1 2l i n u x 下的t d s c d m a 链路仿真平台4 1 4 2 信道估计的仿真条件4 2 4 3 仿真结果与性能分析4 3 4 3 1 信道冲激响应4 3 4 3 2 归一化均方误差4 7 4 3 3 信道解码前的误码率5 4 4 3 4 误块率5 5 第五章总结与展望5 7 5 1 论文工作总结5 7 5 2 今后工作展望5 8 参考文献5 9 致谢6 2 攻读学位期间发表的学术论文目录6 3 i i 二| 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 现代移动通信的发展历程 现代无线通信的历史最早可以追溯到1 9 世纪6 0 年代英国物理学家 j c m a x w e l l 提出的电磁辐射理论和麦克斯韦方程组。在此理论基础上，1 9 世纪 8 0 年代，德国物理学家h r h e r t z 通过电磁波辐射实验，论证了电磁波和电磁能 量是可以控制发射的。1 9 世纪9 0 年代，意大利的g m m a r c o n i 和俄国的 a c p o p o v 分别试验成功了无线电报，发明了无线电接收机。2 0 世纪初， g m m a r c o n i 实现了横跨大西洋的无线电通信，证实了电磁波携带信息的能力， 使无线电达到实用阶段。但是真正的移动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代， 大致经历了六个发展阶段。 第一阶段从2 0 世纪2 0 年代至4 0 年代，是现代移动通信的起步阶段。在这 期间，在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察 局使用的车载无线电系统。3 0 年代初，移动发射机开始出现，并广泛应用到第 二次世界大战各国武装部队中。 第二阶段从4 0 年代中期至6 0 年代初期，移动通信系统从专用移动网过渡到 公用移动网。在此期间，公用移动通信系统开始建立。贝尔系统在圣路易斯城建 立了被称为“城市系统”的世界上第一个公用汽车电话网。随后，西德、法国、英 国等几个国家先后研制开发了公用移动电话系统。 第三阶段从6 0 年代中期至7 0 年代中期，是移动通信系统改进与完善的阶段。 在此期间，美国推出了使用1 5 0 m h z 和4 5 0 m h z 频段的改进型移动电话系统 ( 1 m t s ) ，采用大区制、中小容量，实现了自动选频和自动接入到公用电话网。 第四阶段从7 0 年代中期至8 0 年代中期，是模拟移动通信系统发展的阶段。 在此期间，美国b e l l 实验室提出了蜂窝系统的概念，进而发展了小区制大容量 系统，第一代移动通信系统( 1 g ) 也随之出现。其中最具有代表性的是北美的 先进移动电话系统( a m p s ) 和欧洲的全地址通信系统( t a c s ) 两大系统。另外还有 日本的汽车电话系统( h a m t s ) 及北欧的北欧移动电话系统( n m t ) 等。 第一代移动通信系统( 1 g ) 以模拟式蜂窝移动通信网为主要特征。采用了 北京邮电大学硕士研究生学位论文 模拟调制技术和频分多址( f d m a ) 技术，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现载 频再用。但同时也存在频谱利用率低、系统容量有限、通话质量差、保密性差、 设备成本高等诸多弊端。 第五阶段从8 0 年代中期至2 0 世纪末，是数字移动通信系统发展和成熟阶段。 在此期间，数字式蜂窝移动通信系统被提出并正式走向商用，第二代移动通信系 统( 2 g ) 也随之出现。其中最具有代表性的是欧洲的时分多址( 1 d m a ) g s m 系统和北美的码分多址( c d m a ) i s 9 5 系统。另外还有日本的p d c 系统等。 第二代移动通信系统( 2 g ) 以数字式蜂窝移动通信网为主要特征。采用 t d m a ( g s m 系统) 和c d m a ( i s 9 5 系统) 方式实现对用户的动态寻址功能， 并以数字式蜂窝网络结构和频率( 相位) 规划实现载频( 相位) 再用。2 g 系统 提供数字化的话音业务及低速数据业务，与1 g 相比，提高了话音质量和保密性 能，并可进行省内、省际自动漫游。但缺点是无法进行全球漫游，并且也无法提 供高速率的数据业务。 第六阶段从2 0 世纪末开始至今，是以多媒体业务为主要特征的第三代移动 通信系统( 3 g ) 的提出和发展阶段。其中最具有代表性的是北美的c d m a 2 0 0 0 、 欧洲与日本的w c d m a 以及我国提出的t d s c d m a 三大系统。另外还有欧洲 的d e c t 和北美的u m c 1 3 6 等。 为了使2 g 与3 g 更好的衔接，提出了介于2 g 与3 g 之间的2 5 g 移动通信 技术，主要包括g p r s 、e d g e 、c d m a2 0 0 01 x 等，基于电路交换或分组交换， 提供了比2 g 更为先进的数据业务。 随着移动通信技术的不断发展，移动通信最终将实现使任何人在任何时间、 任何地点与任何人进行任何种类的信息交换。 1 1 2 第三代移动通信概述 第三代移动通信系统( 3 g ) 也叫“未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) ， 后来由国际电信联盟( n u ) 正式命名为i m t - 2 0 0 0 。名称的含义是3 g 系统工作 在2 0 0 0 m h z 频段，提供2 0 0 0 k b i t s 的业务速率，并计划在2 0 0 0 年左右正式投入 商用。第三代移动通信系统是一个全球无缝覆盖、全球漫游，包括卫星移动通信、 陆地移动通信和无绳电话等蜂窝移动通信的系统。它可以向用户提供各种宽带信 息业务，如高速数据、慢速图像及电视图像等，传输速率达2 m b i t s ，带宽达2 m h z 以上。第三代移动通信系统可以实现移动性、交互性和分布式三大业务，是一个 通过微微小区，到微小区，到宏小区，直到“随时随地连接的全球性卫星网络。 第三代移动通信的基本特征如下： 2 j 北京邮电大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 提供全球无缝覆盖和漫游； ( 2 ) 话音质量和安全性可以比拟固定通信网络； ( 3 ) 频谱利用率高，系统容量大； ( 4 ) 提供话音、数据和多媒体业务； ( 5 ) 按需分配带宽，支持大范围、可变速率的信息传输； ( 6 ) 能与固定网络互连，无线接口的类型尽量少，具有高度兼容性； ( 7 ) 一个共用的基础设施，可支持同一地方的多个公共的和专用的运营商； ( 8 ) 移动终端体积小、重量轻、价格低并具有真正的全球漫游功能； ( 9 ) 能够兼容2 g 系统的网络设备，实现平滑过渡 1 9 9 2 年r r u 在w a r c - 9 2 大会上确定了i m t 2 0 0 0 的核心频段，总共划分出 2 3 0 m h z 带宽，1 8 8 5 2 0 2 5 m h z 作为上行频段，2 1 1 0 - 2 2 0 0 m h z 作为下行频段。 2 0 0 0 年w r c 2 0 0 0 大会上又为i m t 2 0 0 0 分配了8 0 6 9 6 9 m h z ，1 7 1 p 1 8 8 5 m h z 和2 5 0 0 - - 2 6 9 0 m h z 三个频段作为扩展频谱。 1 9 9 9 年1 1 月在国际电联芬兰会议上确定了第三代移动通信无线接口技术规 范，并在2 0 0 0 年5 月举行的r r u r 全会上正式通过，该规范包括码分多址 ( c d m a ) 和时分多址( t d m a ) 两大类共五种技术：c d m a d s ( 对应w c d m a ) 、 c d m a m s ( 对应c d m a 2 0 0 0 ) 、c d m a t d d ( 对应t d s c d m a 和u t i 认t d d ) 、 t d m as c ( 对应u w c - 1 3 6 ) 和f d m a t d m a ( 对应e p d e c t ) 。其中，前三种 技术是目前国际上最具代表性的技术，它又分成频分双工( f d d ) 和时分双工 ( t d d ) 两种方式。 w c d m a 最早由欧洲e t s i 和日本a r i b 提出，其核心网基于演进的 g s m g p r s 网络技术。具有以下技术特点： ( 1 ) 空中接口采用直接序列扩频( d s ) 的宽带c d m a ，在单个载波上采用 c d m a 多址方式，单载波带宽为5 m h z ； ( 2 ) 采用可变长度的扩频码，扩频码长度为4 1 5 2 ，码片速率为3 8 4 m c h i p s ； ( 3 ) 上下行采用不同的载波传输，需要分配间隔较远的成对频带； ( 4 ) 基站支持同步和异步模式，多个用户不必同步到达基站。 w c d m a 技术目前已得到欧洲、北美、亚太地区的各个g s m 运营商以及日 本、韩国的多数运营商的广泛支持，是第三代移动通信中最具竞争力的技术之一。 c d m a 2 0 0 0 由北美最早提出，其核心网采用演进的i s 9 5c d m a 核心网 ( a n s i - 4 1 ) ，与现有的t i a e i a 9 5 b 标准向后兼容，可以使现有的c d m a 运 营商在i s - 9 5 b 系统的基础上平滑过渡到3 g 。具有以下技术特点： ( 1 ) 支持单载波和多载波c d m a 多址方式：单载波( c d m a2 0 0 01 x ) 采 用直接序列扩频的c d m a 技术，单载波带宽为1 2 5 m h z ； 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 采用可变长度的扩频码，扩频码长度为4 - 5 1 2 ，单载波码片速率为 1 2 2 8 8 m c h i p s ，3 载波码片速率为3 6 8 6 4 m e h i p s ； ( 3 ) 上下行采用不同的载波传输，需要分配间隔较远的成对频带； ( 4 ) 与i s 9 5 的兼容性好，支持从现有的i s 9 5 b 系统的平滑演进； ( 5 ) 基站间需要采用g p s 同步。 c d m a 技术得到i s 9 5c d m a 运营商的支持，主要分布在北美和亚太地区。 其无线单载波c d m a 2 0 0 0l x 采用与i s 9 5 相同的带宽，容量提高了一倍，第一 阶段支持1 4 4 k b p s 业务速率，第二阶段支持6 1 4 k b p s ，3 g p p 2 已完成这部分的标 准化工作。目前增强型单载波c d m a 2 0 0 0i xe v 在技术发展中较受重视，极具 商用潜力。 t d s c d m a 是我国提出的第三代移动通信标准，其核心网基于演进的 g s m g p r s 网络技术。具有以下技术特点： ( 1 ) 在单载波上采用t d m a 和c d m a 两种多址方式的结合，单载波带宽 为1 6 m h z ； ( 2 ) 采用可变长度的扩频码，扩频码长度为1 1 6 ，码片速率为1 2 8 m c h i p s ； ( 3 ) 上下行采用相同的载波传输，无需分配成对的频带； ( 4 ) 不仅基站间需要同步，多用户在空中接口也要求同步到达基站。 t d s c d m a 作为f d d 方式的一种补充，具有一定的发展潜力。 1 1 3t d s c d m a 系统概述 t d s c d m a ( 时分双工同步码分多址接入) 是由我国提出的第三代移动通 信技术标准的t d dc d m a 技术规范，在2 0 0 0 年的i t u 全会上正式成为国际3 g 标准，是i m t - 2 0 0 0 标准中t d d 方式的低码片速率( l c r ) 解决方案。 t d s c d m a 采用时分双工( t d d ) 模式，上行链路和下行链路在同一载波 的不同时隙上，每个载波只占用1 6 m h z 带宽，采用低码片速率，码片速率为 1 2 8 m c h i p s 。与w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 相比，t d s c d m a 具有以下几种优势： ( i ) 不需要给分配成对的频谱，能灵活分配各种频率资源，特别是f d d 无 法使用的不对称频率资源。在频率资源极度紧张的今天，t d d 模式将受到越来 越多的重视； ( 2 ) 可以根据上、下行的业务量来自适应的分配上、下行时隙的个数，非 常适合传输上、下行不对称且传输速率不同的数据业务，如不对称的m 分组数 据业务，从而避免频率资源的浪费，提高频谱利用率。在以数据业务为主的第三 代移动通信中，这种优势表现的尤为明显； 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 可以在带宽为1 6 m h z 的单载波上提供4 8 路语音业务和最高2 m b i t s 的数据业务，频谱利用率高，每个基站支持的用户较多，系统建网和服务费用较 低； ( 4 ) 上行链路和下行链路位于同一载波上，使用相同的频率，电波传播特 性也相同，便于使用智能天线等高新技术，降低发射功率，减少多址干扰，提高 系统容量； ( 5 ) 通过使用多个低功率的功放代替大功率的功放，节省了大量的射频成 本，通过使用射频拉远单元，降低了天馈成本，从而使基站设备的成本降低。 为了提高系统性能，实现大容量、抗干扰等目标，与w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 相比，t d s c d m a 采用了更多的高新技术，主要有智能天线、联合检测、上行 同步、接力切换、动态信道分配、软件无线电等。 ( 1 ) 智能天线技术 智能天线技术采用自适应天线波束赋形技术，结合自适应技术的优点，利用 天线阵列对波束的汇成和指向进行控制，产生多个独立的波束，然后自适应地调 整其方向图来跟踪信号的变化，从而实现天线和传播环境与用户和基站之间的最 佳匹配。通过这种技术，使无线资源在时域、频域和码域的基础上又扩展加入了 空域，实现了空分复用。 使用智能天线技术，能够以较低的代价换得天线覆盖范围、系统容量、业务 质量、抗阻塞性能和抗掉话性能的提高，并且还能消除干扰、降低系统成本。 ( 2 ) 联合检测技术 联合检测技术是多用户检测技术的一种，它综合考虑了接收到的多址干扰 ( m a i ) 和多径干扰( i s i ) ，利用信道估计和智能天线的结果，在一步之内将所 有用户的信号分开，将有用信号提取出来。 使用联合检测技术可以抑制多址干扰和多径干扰，抑制远近效应，降低功率 控制要求，使得网络规划更为简单，网络覆盖及用户接入的稳定性也得到近一步 提高。另外，还能方便后续的扩容，并降低扩容成本。 ( 3 ) 上行同步技术 上行同步技术是指在同一小区中，来自同一时隙不同距离的用户终端发送的 上行信号能同步到达基站解调器。该同步通过软件及物理层设计实现，从而使正 交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互之间不产生多址干扰。 使用上行同步技术可以提高系统容量、降低码道间的干扰、降低基站接收机 的复杂度、简化硬件、降低成本。另外还可以进行距离估算，使系统能更有效的 进行波束赋形和切换。 ( 4 ) 接力切换技术 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文 接力切换技术是介于硬切换和软切换之间的一种新的切换技术，它同时具有 软切换的高成功率和硬切换的高信道利用率。它使用上行预同步技术，在切换测 量期间，提前获取切换后的上行信道的发送时间和功率信息，在切换过程中，使 u e 从源小区接收下行数据，向目标小区发送上行数据，即使上行和下行链路先 后转移到目标小区。 使用接力切换技术，可以减少切换时间，提高切换成功率，提高信道利用率、 降低切换掉话率。 ( 5 ) 动态信道分配技术 动态信道分配技术是由r n c 集中管理一定区域内几个小区的可用信道资 源，根据各个小区的网络性能参数、系统负荷情况和业务的q o s 参数等，在终 端接入和链路持续期间，对信道进行动态地分配和调整，把资源合理、高效地分 配到各个小区、各个用户，使系统资源利用率最大化和提高链路质量。 使用动态信道分配技术可以提高链路质量，提高接入率，降低掉话率，降低 干扰，提高系统容量。 ( 6 ) 软件无线电技术 软件无线电技术是用利用数字信号处理软件在通用芯片上实现专用芯片的 硬件功能的一种技术。它可以在同一硬件平台上利用软件处理基带信号，通过加 载不同的软件，实现不同的业务性能。 通过软件无线电技术，能够通过软件方式，灵活的完成硬件功能；可以代替 昂贵的硬件电路，实现复杂的功能；具有较好的灵活性和可编程性；能很好的适 应环境，不会老化；能够进行方便的系统升级，降低用户设备的开支。 当然，t d s c d m a 也存在以下一些不足： ( 1 ) 终端移动速度问题。t d s c d m a 采用多时隙不连续传输方式，对抗快 衰落和多普勒效应的能力比连续传输的w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 差。目前，i t u - r 对t d d 系统的要求是达到1 2 0 k m h ，而对f d d 系统则要求达到5 0 0 k m h 。 ( 2 ) 小区覆盖问题。t d s c d m a 信号的峰值功率与平均功率的比值随时隙 数的增加而增加，考虑到耗电和成本因素，用户终端发射功率不可能太大，故小 区覆盖范围较小。 ( 3 ) 基站的同步问题。t d s c d m a 系统为减少基站间的干扰，基站间必须 保持同步。一般需要采用g p s 接收机或通过用额外电缆分布公共时钟的方法来 实现，但这也同时增加了基础设施的成本。 ( 4 ) 干扰问题。t d d 系统中的干扰不同于f d d 系统，因为t d d 系统的同 步困难以及相关的干扰使之成为t d d 系统使用的主要问题。t d d 系统包括了多 种形式的干扰，如：t d d 蜂窝内的干扰、t d d 蜂窝间的干扰、不同运营商间的 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 干扰、t d d 和f d d 系统间的干扰、来自功率脉动的干扰等。 1 2 信道估计的研究意义及研究现状 1 2 。1 信道估计的研究意义 信号在移动信道中传输时会发生幅度衰落、相位畸变和时延扩展，要想在接 收端准确的解调出用户数据，就需要在接收端通过一种方法来实现对信道变化的 估计，这就是信道估计技术。信道估计技术的实质就是实时地提取无线移动信道 的时变参数。 由于复杂多样的地理传播环境、大量用户的无规则随机移动以及信号的多径 传播等因素，使移动信道变得非常复杂，信道特性也是时变的。另外，移动通信 系统中存在多种干扰，主要有共信道干扰、码间干扰、多址干扰、邻区干扰及自 噪声等，造成链路的性能变差，系统容量降低。为了对抗或减小这些干扰的影响， 采用了均衡、码匹配滤波、r a k e 接收、功率控制、信道编译码、智能天线、多 用户检测等技术。而这些技术大都以准确的信道估计技术为前提，它们的性能也 在很大程度上依赖于信道估计的精确性。根据有关研究，在中等信噪比的情况 ( 2 0 d b ) ，1 的信道估计误差就可以使信道容量下降大约1 3 ，而1 0 的信道估 计误差就可以使容量下降7 5 。因此对于一个移动通信系统，信道估计的精度是 至关重要的。高质量的信道估计是移动通信系统的有力保障。 在r a k e 接收技术中，接收机在匹配每条路径时，各路矢量信号的时延需 要从同步跟踪模块中获取。由于每条路径的时延各不相同，对信号幅度和相位的 影响也不相同，如果不采用信道估计技术，而将相关器或者匹配滤波器的输出直 接合并，那么其各项累加的结果可能不会使输出达到最大，甚至有可能导致输出 最小，导致无法利用相干解调方式恢复出原始的数据符号。通过信道估计技术可 以实时获得不同多径信道的复数加权因子的估计值，从而方便对解扩后的数据符 号值进行相位纠偏，提高r a k e 接收的性能。对于智能天线和自适应天线技术， 需要用信道估计技术对多径衰落信道在空间角度域上的扩散特性进行精确的估 计。对于均衡技术，由于移动衰落信道具有随机性和时变性，信道参数是随时间 发生变化的，必须通过信道估计技术自适应的跟踪信道参数，对均衡器的抽头系 数进行调整来同步跟踪信道变化，提高均衡器的均衡效果。 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文 可见，信道估计是许多抗干扰技术的基础，是移动通信系统的重要组成部分。 研究准确而快速的信道估计算法对提高移动通信系统的性能有着重要的意义。 1 2 2 信道估计的研究现状 到目前为止，国内外通信学者已对信道估计做了大量的研究，提出了很多实 用的算法。根据所采用的估计准则，可以分为最大似然( m l ) 估计、最小均方 误差( m m s e ) 估计、最小二乘( l s ) 估计、最大后验概率估计、贝叶斯估计、 线性最小均方误差估计等；根据算法是在时域实现还是在频域实现，可以分为时 域信道估计算法和频域信道估计算法；根据是否使用辅助信息又可以分为非盲信 道估计和盲信道估计。 非盲信道估计是利用训练序列或导频信号作为辅助信息来对信道进行估计 的方法。这种算法通过在发送端发送训练序列或导频信号，接收端根据接收到的 信号来估计训练序列或导频处的信道特征参数，然后根据估计出来的信道参数得 到信号部分的信道参数。在非时变信道中一般使用训练序列作为辅助信息，而在 时变信道中一般使用导频信号作为辅助信息。非亩信道估计的算法比较简单，实 现的复杂度低，估计速度快，并且估计误差较小，接收性能比较好。但是发送额 外的训练序列或导频信号，需要占用一定的信道带宽，从而降低了频谱利用率， 造成系统吞吐量降低和频率资源浪费。 盲信道估计无需知道信道的具体形式，也不用借助辅助信号，它仅利用发送 信号和接受信号的统计信息来估计信道的参数。这种算法不必发送训练序列或导 频信号，节约了信道资源，使系统容量增大，频谱利用率增高。但是该算法运算 量大，实现复杂，估计速度慢，灵活性差，并且还需要采用差分检测、循环不变 编码、预插入等方法来解决相位模糊的问题。 随着对信道估计算法研究的不断深入和对通信系统要求的不断提高，又在以 上述两种基本的信道估计算法的基础上提出了很多估计方法，如半盲信道估计和 基于序列叠加的信道估计等。半盲信道估计是在盲信道估计的基础上发展起来 的，是介于非盲信道估计和盲信道估计两者之间的一种信道估计算法。这种算法 在发送端只发送少量的训练序列或导频信号作为辅助信息，然后利用盲信道估计 算法来进行信道估计。基于序列叠加的信道估计通过在发送端把训练序列以较低 的功率叠加到信号序列上，然后在接收端利用训练序列的一些统计特性来估计信 道的冲击响应。这种算法不占用额外的信号带宽，结构简单，运算量小，并且信 道估计精度高。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 3 本文的主要内容及章节安排 本文主要研究t d s c d m a 系统中基于训练序列的信道估计算法。简单介绍 了t d - s c d m a 的物理层结构，分析了训练序列的相关性和用于信道估计的可行 性。给出了基于训练序列的信道估计的系统模型，并在此基础上介绍了多种传统 的信道估计算法。提出了一种改进的门限后处理信道估计算法，在传统门限后处 理算法的基础上增加了信号幅度修正的过程，对系统性能有一定的改善。 文章的章节安排如下： 第一章是绪论部分，介绍了论文的研究背景、信道估计的研究意义和研究现 状，概述了文章的内容和章节结构。 第二章是对移动通信信道的概述，主要介绍了电磁波的传播特性、移动信道 的传输特性，分析了信道中的噪声和损耗，给出了移动信道的信道模型。 第三章研究了基于训练序列的信道估计算法，是文章的核心部分。首先介绍 了t d s c d m a 的信道和物理层结构，分析了训练序列的相关性和用于信道估计 的可行性。然后通过理论推导，给出了基于训练序列的信道估计的系统模型。以 此系统模型为基础，介绍了几种传统的信道估计算法，包括s t e i n e r 信道估计算 法、理想信道估计算法、理想时延降噪信道估计算法以及几种常用的门限后处理 信道估计算法，同时介绍了各种算法的优点和存在的缺陷。最后，提出了一种改 进的门限后处理信道估计算法，对传统的门限后处理算法进行改进，增加了一个 步骤用于对信道冲激响应的幅度作修正。 第四章是对第三章中介绍的各种信道估计算法的仿真。介绍了使用的两个仿 真平台，给出了仿真条件。对各种算法的信道冲激响应、归一化均方误差、 r a w b e r 和b l e r 进行仿真，并对仿真结果作了性能分析。 第五章是对全文内容的总结与概括，并对今后的工作进行了展望。 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动通信信道 2 1 移动通信信道概述 通常意义上讲，信道是指通信系统中信息传输的通道。抽象的看，信道属于 一段频带，它可以让某些频率的信号顺利传输，又可以阻拦或限制某些频率的信 号传输。具体地看，信道属于一种信息传输的媒介，是一个载体。总之，信道是 任何一个通信系统必不可少的组成部分。 移动通信信道是一种非常复杂的动态信道。信号在空间中自由传播，受外界 信道条件的影响很大，如天气的变化、建筑物和移动物体的遮挡、反射和散射作 用以及移动台的运动造成的多普勒频移等，都会使移动信道的传输特性受到影 响，其信道参数是时变的。由于信号