（信号与信息处理专业论文）基于ε近似算法的tdscdma联合检测技术研究.pdf

南京邮电大学砜士研究生学位论文 摘要 t d s c d m a 系统的干扰主要包括小区内干扰和小区间干扰，它们不仅限制符号的传输速 率而且还会导致远近效应，从而抑制系统性能的提高。而联合检测技术能够有效地减弱或 消除多址干扰、多径干扰和远近效应，从而改善系统的性能。其核心思想是利用时域均衡 技术，将来自其它用户的干扰当作有用信号来处理，充分利用用户信号的扩频码、幅度、 定时和延迟等信息，从而大幅度地降低多址干扰。 本论文在前期阶段所做的准备工作包括：介绍t d s c d m a 系统物理信道的层次结构， 尤其帧结构和突发结构的设计；介绍用户发送端和基站接收端的信号框图，上行链路的联 合检测模型及信道估计方法；介绍三种线性联合检测算法并进行比较；简要地介绍块傅里 叶变换的原理及其在t d s c d m a 中的应用。 本论文的主要研究工作包括两部分： 第一部分提出了基于# 近似算法的联合检测，其思想是把该系统的联合检测问题转化 为带约束条件的二次规划问题，通过二次规划问题的s 近似算法迸行检测。在性能仿真和 结果分析部分，我们首先对多径衰落信道进行仿真，为联合检测算法的仿真奠定基础：其 次针对不同的参数对本文提出的算法进行性能仿真和结果分析，最后把本文提出的算法与 基于块傅里叶变换的算法从性能和计算复杂度两方面加以比较。仿真结果表明：本文提出 的联合检测算法不仅能够有效地消除多址干扰，而且具有较低的计算复杂度。 第二部分分析了s i m o 系统的辨识问题，讨论了用最小二乘方法给出的估计参数的统 计特性，并从统计学的角度证明了估计参数是否具有无偏性以及相合性等性质。 关键词：t d s c d m a ，多址干扰，联合检测，s 近似算法，系统辨识 查塞墅曼查鲎堡主竺塞生兰堡丝奎 垫里 a b s t r a c t s y s t e mi n t e r f e r e n c em o s t l yc o n s i s t so fi n t e r c e l la n di n t r a e e l li n t e r f e r e n c e i nt h et d s c d m as y s t e m t h e yn o to n l yr e s t r i c tt h et r a n s m i s s i o no fs y m b o l sb u t a l s or e s u l ti nn e a r f a re f f e c t j o i n td e t e c t i o ne m p l o y se q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e ， r e g a r d st h ei n t e r f e r e n c eo fo t h e ru s e r sa su s e f u ls i g n a l s ，t a k e sf u l la d v a n t a g e o 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 llu s e r s a c c o r d i n g l y ，i tc a nr e d u c e o re l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c ea n di m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rp r e s e n t st h es t r u c t u r eo fp h y s i c a lc h a n n e le s p e c i a l l yt h ed e s i g n o ff r a m ea n db u r s ts t r u c t u r e ，t h es i g n a lm o d e l so ft r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r ，t h e m o d e lo fj o i n td e t e c t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o ni nd e t a i l i ta l s oi l l u m i n a t e s t h r e ek i n d so f1i n e a rj o i n td e t e c t i o na l g o r i t h m sa n dc o m p a r e st h e i rp e r f o r m a n c e l a s t ，i tb r i e f l ye x p l a i n st h ep r i n c i p l ea n da p p li c a t i o ni nt d s c d l a as y s t e m + t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e wa l g o r i t h mb a s e do n p a p p r o x i m a t i o na l g o r i t h m ，i t f o r m u l a t e st h ep r o b l e mo fj o i n td e t e c t i o ni n t oaq u a d r a t i co p t i m i z a t i o np r o b l e m w i t hs o m ec o n s t r a i n t s e f f i c i e n ts a p p r o x i m a t i o na l g o r i t h m sa r ea p p l i e dt o e s t i m a t et h et r a n s m i t t e ds i g n a l s d u r i n gt h es i m u l a t i o n ，f i r s t l y t h es i m u l a t i o n s o fm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e ll a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h ej o i n td e t e c t i o n s e c o n d l y ， a i m i n ga td i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e na n da n a l y z e d f i n a l l y ，t w oa l g o r i t h m sa r ec o m p a r e d s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h en e wa l g o r i t h m p o s s e s s e ss t r o n gc a p a b il i t yo fs u p p r e s s i n gi n t e r f e r e n c ea n dl o w e rc o m p u t a t i o n s ， t h i sp a p e ra l s oc o n s i d e r st h ei d e n t i f c a t i o np r o b l e mi nas i n os y s t e ma n d d i s c u s s e st h es t a t i s t i c a lp r o p e r t i e so ft h ee s t i m a t e dp a r a m e t e r sg i v e nb yt h el e a s t s q u a r em e t h o d i ta l s op r o v e sw h e t h e rt h ee s t i m a t i o ni su n b i a s e da n dc o n s i s t e n t f r o mt h es t a t i s t i c sp o i n to fv i e w k e yw o r d s t d s c d m a m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ， j o i n td e t e c t i o n ，s a p p r o x i m a t i o n a l g o r i t h m ，s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n i i 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向： 现代通信中的智能信号处理技术 作者：2 0 0 3 级研究生闫利超指导教卿唐加山 题日：基于8 近似算法的t d s c d m a 联合检测技术研究 英文题目：s t u d yo ft h ej o i n td e t e c t i o no ft d s c d m au s i n gt h e 一a p p r o x i m a t i o na l g o r i t h m 圭题词：t d s c d m a 多址干扰联合检测8 近似算法 系统辨识 k e y w o r d s ：t d s c d m am u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e j o i n td e t e c t i o n 8 一a p p r o x i m a t i o na l g o r i t h m s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n 曼星l ! ! ! ! 里查堂婴主型塞兰竺堡堡塞 堕堕塑 缩略语 缩略语 3 g p p a w g n b s c c d m a d o a d s c d ? v i a f d d f d m a f f t f p l m t s i m t - 2 0 0 0 i s i i t u j d m a i m c c d m a m b a m i m 0 m l s d m m s e m m s e b d f e m m s e b l e m u d o v s f 英文全称 中文翻译 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o j e c t第三代合作伙伴计划 a d d i t i v e w h i t e g a u s s i a n n o i s e 加性高斯白噪声 b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r 基站控制器 c 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 d i r e c t i o no f a r r i v a l 波达方向 d i r e c ts e q u e n c ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 直接序列码分多址 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 f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s 频分多址 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 快速傅里叶变换 f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l e 未来公共陆地 t e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m移动通信系统 i 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 n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 国际移动通信2 0 0 0 i n t e r s y m b o li n t e r f e f e n c e 符号间干扰 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国际电信联盟 j o i n td e t e c t i o n联合检测 m u l t i p l ea c c e s si m e r f e r e n c e 多址干扰 m u l t i c a r r i e rc o d ed i v i s i o nm u r i p l ea c c e s s 多载波码分多址 m e t h o do f e q u a la r e a s等面积法 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 多输入多输出 m a x i m u m 1 i k e l i h o o ds e q u e n c ed e t e c t i o n最大似然序列检测 m i n i m u mm e a n s q u a r e e r r o r最小均方误差 m i n i m u mm e a n s q u a r e e r r o rb l o c k最小均方误差 d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r 判决反馈块均衡器 m i n i m u mm e a n s q u a r e e r r o rb l o c k 最小均方误差 l i n e a re q u a l i z e r 线性块均衡器 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 工f 交可变扩频因子 堕塞业皇查竺堡! ：堕壅兰堂笪丝兰羔i ! ! ! l p i c p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n 并行干扰抵消 q p s k s d m a s i c s i m o t d d t d m a t d s c d m a u e w m f z f b d f e z f b l e q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g s p m i md i v i s i o nm u k i p l ea c c e s s s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n s i n g l ei n p u tm u l t i p t eo u t p u t t i m ed i v i s i o nd u p l e x 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 u s e re q u i p m e n 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 ke 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 v i 四相相移键控 空分多址 串行干扰抵消 单输入多输出 时分双工 时分多址 时分同步码分多址 移动终端 白化匹配滤波器 迫零判决反馈块均衡器 迫零线性块均衡器 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 第三代移动通信系统的发展现状 1 1 1 第三代移动通信系统的发展 移动通信系统经历了第一代模拟移动通信系统，第二代数字移动通信系统，目前正在 向第三代移动通信系统过渡和发展。 第一代移动通信系统是模拟系统，主要建立在频分多址( f d m a ：f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 和蜂窝频率复用的理论基础上。该系统采用f d m a 技术，模拟语音调制。 由于模拟调制的频谱利用率和抗干扰能力较低、保密性差、提供的业务比较单一，远远不 能满足用户的需求。因此，走向数字化是移动通信发展的必然，于是人们提出了第二代移 动通信系统。 第二代移动通信系统是以数字调制和时分多址( t d m a ：t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 或码分多址( c d m a ：c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 为主的数字蜂窝系统。 与第一代移动通信系统相比，它具有较高的保密性和频谱利用率、容量大、能提供较丰富 的业务等优点。但是，这两代通信系统主要提供传统的语音和低速数据业务， 随着移动多媒体和高速数据业务的迅速发展，要满足用户的业务需求，迫切需要设计新的 网络来提供更宽的工作频带，支持更加灵活的业务( 如高速率数据、多媒体及对称或非对 称业务等) ，并使终端能在不同网络间进行无缝漫游口“。于是第三代移动通信系统在上述 要求下就应运而生。 第三代移动通信系统由国际电信联盟( i t u ：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 ) 提 出，最初命名为来来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ：f u t u r ep u b l i 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 n ss y s t e m ) ，1 9 9 6 年更名为国际移动通信一2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ：i n t e r n a ti o n a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 ) ，即该系统的工作频率是2 0 0 0 m h z ，最高业务速率可 达2 0 0 0 k b b s ，预期在2 0 0 0 年左右得到商用。第三代移动通信系统的基本特征概括如下 【2 】： ( 1 ) 全球普及和全球无缝漫游系统：第二代移动通信系统一般为区域或国家标准， 而第三代移动通信系统是一个在全球范围内覆盖和使用的系统。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 ( 2 ) 支持多媒体( 特别是互联网) 业务：第三代移动通信系统的业务能力比第二代 系统有明显的改进，如能支持话音、高速率分组数据和多媒体业务。 ( 3 ) 便于过渡、演进：由于第二代移动通信系统的无线网络已具有相当规模，这样 第三代系统能在第二代网络的基础上逐步灵活演进而成，并应与固网兼容。 ( 4 ) 抗干扰能力强，保密性好，频谱效率高。 ( 5 ) 服务质量高和成本低。 为了满足上述基本特征，i t u 对i m t - 2 0 0 0 的无线传输技术提出如下要求”o 】： ( 1 ) 为支持高速率数据和多媒体业务，在各种条件下所应提供的业务速率为； 快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b i t s 。 室外到室内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b i t s 。 室内环境，最高速率达2 0 0 0 k b i t s 。 ( 2 ) 传输速率能够按需分配。 ( 3 ) 上、下行链路应适合于传输不对称业务。 由于第三代移动通信系统具有全球无缝漫游、支持多媒体和不对称业务、高频谱利用 率等优点因此人们对第三代移动通信系统的发展非常关注。为了能够拥有第三代移动通 信系统标准的知识产权，在技术方面占主导地位，许多国家和地区的电信设备制造商先后 提出了十多种技术标准。其标准的确定经过充分的协商和融合，最后确定了第三代移动通 信系统的三大主流标准即w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。 1 1 2 三大主流标准的比较 第三代移动通信系统的三大主流标准w c d g t a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。它们虽说都满足 i i d t 一2 0 0 0 的要求，但在一定程度上也存在着差别，下面我们主要从技术性能和频谱利用率 两方面进行比较。 ( 1 ) 技术性能比较 三大主流标准都采用了c ) m a 技术，但是它们采用不同的带宽和码片速率：此外，只有 t d - s c d m a 系统采用时分双工( t d d ：t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 模式，其它两种标准都采用频 分双工( f d d ：f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ) 模式。t d o 模式除了在终端移动速度和小区覆 盖半径方面略显不足之外，它本身具有突出的优势，如上、下行工作于同一频段，不需成 对的频率等。在频率资源日趋紧张的情况下，这点尤为重要。我们在参阅文献 2 0 ，2 1 ，2 9 的基础上归纳出三种主流标准的主要技术性能比较表，如表1 1 所示。 ， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 w c d m ac d m a 2 0 0 0i d s c d m a 载波间隔 5 m h z12 5 m h z1 6 m h z 码片速率38 4 m c s1 2 2 8 8 m e s 1 2 8 m d s 多址方式 d s c d m ad s - c d m a ，m c c d m af d m a + t d m a + c d m a 核心嘲 g s m - m a p a n s i 4 l g s m m a p 双工方式 f d df d d t d d 无线帧长 1 0 m s2 0 5 m s 1 0 m s ( 分为两个子帧) 前向：专用导频信道 前向：公用导频信道前向：专用导频倍遭 相干解调 反向：专用导频信道反向：专用导频信道反向：专用导频信道 检测方式相干解调相干解调 联合检测 扇区间与小区间采用软切换 扇区间与小区间采用软切换 接力切换， 切换 载频问采用硬切换载频间采用硬切换 载频间的切抉， 与g s m 间的切换 与1 s - 9 5 b 间的切换 与g s m 间的切换 内编码：卷积编码r = 、1 1 3 ， k = 9 卷积玛r = ，i 3 ，k = 9卷积码 r = ，i 3 ，k = 9 外编码：r s 码 f e c 编码 高速数据：t u r b o 码t u r b o 码 高速数据：t u r b o 码 前向：w a l s h ( 信道化) + 前向：w a l s h ( 情道化) + 前向：w a l s h ( 信道化) + 扩频 g o l d 序列2 ”一l ( 区分小区) m 序列2 ”一1 ( 区分小区) p n 序列( 区分小区) 反向：w a l s h ( 信道化) + 反向：w a l s h ( 信道化) _ 反向：w a l s h ( 信道化) + g o l d 序列2 一i ( 区分用户) m 序列24 i - - 1 ( 区分用户)p n 序列( 区分用户) 1 0 2 0 4 0 8 0 ( m s ) 5 2 0 4 0 8 0 ( m s ) 1 0 2 0 4 0 8 0 ( m s ) 交织周期 开环+ 闭环 开环+ 闭环( 8 0 0 h 幻开环+ 闭环( 2 0 0 h z ) 功率控制 步长i ，2 ，3 ( d b ) 步长1 ，0 5 02 5 ( d b )步长1 2 3 ( d b ) 智能天线 可选 可选基站8 个天线组成天线阵 基站间同步 异步、同步( 可选)同步( g p s ) 同步 表1 1三种主流标准的技术性能比较表 从上表可看出：在三种主流标准中只有t d s c d m a 使用接力切换、智能天线和联合 检测等先进技术，因此在频谱利用率、系统容量和抗下扰能力等方面都具有明显的优势。 ( 2 ) 频谱利用率比较 t d - s c d m a 系统在第三代移动通信系统标准中频谱利用率最高( 具体的频谱利用率比较 见表1 2 所示) ，主要归功于采用以下技术： t d d 模式；上、下行在同一载波上传输，可根据业务类型灵活地调整上、下行 南京邮电大学颂士研究生学位论文 第一章绪论 转换点，避免了上、下行数据量因不对称而造成的资源浪费例； 智能天线和联合检测：智能天线的应用提高天线增益和减少系统干扰，联合检 测消除多址干扰( m a i ：m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ) 和符号间干扰( 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 ) ，二者的结合可显著提高系统容量和频谱利用率 9 1 ； 上行同步技术：它使所有用户的伪随机码在到达基站时同步，采用此技术可使 每个码道在解扩时完全正交，从而消除多址干扰； 动态信道分配：能保持所需要的服务质量，减少干扰；同时，通过最小化重用 距离使系统容量达到最大化”。 w c d m a c d m a 2 0 0 0t d s c d m a 频率复用系数 l1 1 每载波带宽m h z 1 02 5 1 6 每载波同时 作信道数 6 02 04 8 频谱利用率( 话音) 68 3 0 最大数据传输速率 4 m b ，j2 ，5 拈，s2 m b ，j 频谱利用率( 数据) 0 4 1 2 5 1 0 数据通信的频谱利用率= 最大数据传输速率m h z 载波 表1 1 2三种3 g 主流标准频谱利用率的比较 1 1 3t d - s c d m a 关键技术 从上节三大主流标准的比较可看出：t d s c d k a 与其它两种标准相比，在技术性能、频 谱利用率和系统容量方面都具有一定的优势， 争实力，关键在于该系统采用许多先进技术。 1 1 3 1t d d 模式 因此在第三代移动通信系统中具有很强的竟 下面我们简单介绍几项关键技术。 t d - s c d m a 系统是我国拥有自主知识产权且是世界上首次采用t d d 模式的第三代移动通 信系统。在t d d 模式下，该系统采用在周期性重复的时间帧上传输基本t d m a 突发脉冲的 工作模式，通过周期性地转换传输方向，在同一个载波上交替地进行上、下行链路传输1 。 t d d 模式的优势体现在以下方面： ( 1 ) 能使用各种频率资源，不需成对的频率：适台于小对称的上、下行数据传输， 4 南枣坚壁堂硕士研究生学位论文 第章绪论 转换点，避免了上、下行数据量因不对称而造成的资源浪费； 智能天线和联合检测：智能天线的应用提高天线增益利减少系统干扰，联合检 测消除多址干扰( m a i ：m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ) 和符号间t 扰( 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 ) ，二者的结合可显著提高系统容量和频谱利用率i ； 上行同步技术：它使所有用户的伪随机码在到达基站时同步，采用此技术可使 每个码道在解扩时完全正交，从而消除多址干扰： 动态信道分配：能保持所需要的服务质量，减少干扰；同时，通过虽小化重用 距离使系统容量达到最大化”】。 w c d m a c d m a 2 0 0 0 t d - s c d m a 频率复用系数 ll 1 每载波带宽埘打 l o2 5 16 每载波同时上作信道数 6 02 04 8 频谱利用率( 话音) 683 0 最大数据传输速率4 腑s2 5 m b f2 m b 频谱利辟i 率( 数据j 04 1 2 5 1 0 数据通信的频谱利用率= 撮火数据传输速目w m i - t z 载波 表1 2三种3 g 主流标准频谱利用率的比较删 11 3t d - s c d m a 关键技术 从上节三大主流标准的比较可看出：t d s c d m a 与其它两种标准相比，在技术性能、频 谱利用率和系统容量方面都具有一定的优势， 争实力，关键在于该系统采用许多先进技术。 1 1 3 1t d d 模式 网此在第三代移动通信系统中具有很强的竟 下面我们简单介绍几项关键技术。 t d c 眦系统是我国拥有自主知识产权且是世界上首次采用t d d 模式的第三代移动通 信系统。在t d d 模式下，该系统采用在周期性晕复的时间帧上传输基奉t d m a 突发脉冲的 工作模式，通过周期性地转换传输方向，在同一个载波上交替地进行上、下行链路传输”。 t d d 模式的优势体现在以下方面： ( 1 ) 能使用各种频率资源，不需成对的频率：适合于1 i 对称的上、下行数据传输， ( 1 ) 能使用各种频率资源，不需成对的频率：适合于小对称的上、下行数据传输， 4 南京邮电大学 飒士研究生学位论文第一章绪论 尤其适合于i p 型的数据业务； ( 2 ) 上、下行工作于同一频率，对称的电波传播特性有利于采用智能天线技术，从 而达到提高性能，降低成本的目的； ( 3 ) t d d 系统设备成本较低，将可能比f d d 系统低2 0 一5 0 。 虽然t d d 模式具有上述优势，但也存在着不足之处。主要体现在终端的移动速度和小 区覆盖半径两方面1 2 9 1 ：a ) t d d 模式的平均功率与峰值功率之比随时隙数增加而增加：b ) 该 模式采用多时隙不连续传输方式，抗快衰落和多谱勒效应能力比连续传输的f d d 模式差。 1 1 3 2 上行同步 上行同步是降低多址干扰，简化基站接收机的一项重要技术。所谓上行同步是指上行 链路各终端信号到达基站解调器时完全同步。由于移动通信环境中存在着干扰、多径和多 谱勒效应，要实现理想的上行同步是很困难的，而t d s c d m a 系统通过软件、帧结构设计 和同步控制可以实现精确的上行同步。 在t d s c d m a 系统中，终端的数据到达基站时保持同步是使用联合信道冲激响应的基 础，故上行同步的实现可以有效地定位信道冲激响应；上、下行链路都采用正交码扩频， 移动台根据基站的测量反馈消息动态地调整发往基站的发射时间，使上行信号到达基站时 保持同步，这样可使正交扩频码的各码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰， 从而大大提高系统容量。 1 1 3 3 智能天线 智能天线技术采用空分多址( s d m a ：s p a t i a ld i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 的概念，利用信 号在传输方向上的差别，将同频率、同时隙、同码道的信号区分开来，并与联合检测技术 相结合，最大限度地利用有限的信道资源m 】。其工作原理是让一组天线和对应的收发信机 按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使用数字信 号处理方法使天线主瓣自适应地指向移动台，就可达到提高信号载t - e v , ，降低发射功率的 目的t 2 6 1 。上述性能允许更为密集的频率复用，使频谱效率显著提高。 1 1 3 4 接力切换 接力切换不仅具有软切换较高的切换成功率和较小的上行干扰等优点，而且也具有硬 切换较高的资源利用率等优点：此外它还能动态分配整个基站网络的容量，从而避免频繁 切换，提高系统容量。因此，接力切换是t d s c d m a 系统中的一项关键技术，它是介于硬 切换取软切换之间的一种崭新的切换技术。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 在t d s c d m a 系统中，接力切换的基本原理是使用智能天线和上行同步技术分别获得 移动终端( u e ：u s e re q u i p m e n t ) 的波达方向( d o a ：d i r e c t i o no f a r r i v a l ) 和u e 与基站间的 距离信息。基站根据上述两个信息就可确定u e 的准确位置信息，并能判断目前u e 是否移 动到可进行切换的相邻基站的临近区域。若u e 进入切换区，则基站控制器( b s c ：b a s e s t a t i o nc o n t r o l l e r ) 通知基站做好切换准备，通过一个信令交换过程，从而达到快速、可靠 和高效切换的目的。具体的接力切换过程示意图如图1 1 所示。 铲缈缈 图1 1 接力切换过程示意图4 7 1 e 1 1 3 5 联合检测 联合检测是在多用户检测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、多径干扰和抗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， 从而改善系统性能、提高系统容量、增大小区覆盖范嗣。 在t d s c d 姒系统中，联合检测的高效性是由于它是一个时域和帧控的t d m a 方案，因 此，用户被分布到每个时隙中，最终使每时隙中并行用户数量很少，通过较低的计算量和 较低的信号处理要求就可被有效地检测到目标信号。也就是说，它的效率是基于t d m a 模 式和最小化每用户的m a i ，使在相同射频载波带宽上允许更高的用户业务量。即t o s c d r a 系统中联合检测的优势是通过最小化m a i ，分别允许每载波高业务负载因子和每兆赫兹的 高数据吞吐量【2 ”。 除上面介绍的五项关键技术外，该系统还采用了动态信道分配、软件无线电和低码片 速率等先进技术，这里不再一一介绍。若读者对它们感兴趣的话，可参阅文献 2 4 ，5 0 等 相关文献。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 2 联合检测的研究背景与研究现状 1 2 1 联合检测的研究背景 t d s c d m a 系统是我国自主提出并已得到i t u 及第三代合作伙伴计划( 3 g p p ：3 r d 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 ) 承认的第三代移动通信国际标准之一，具有抗干扰、容量大、 保密性好等优良性能，但该系统同其它c d v - a 系统一样，也是一个干扰受限系统。其主要 干扰是同频干扰，包括以下两部分： ( 1 ) 小区间干扰：指其它同频小区间信号造成的干扰，可通过合理的小区配置 来减小其影响。 ( 2 ) 小区内部干扰：是由无线信道的时变性和多径效应等因素而引起的。它包括： 同一用户数据之间存在的i s i ：i s i 限制符号的传输速率，通常通过信号波 形设计、匹配滤波和均衡技术来消除”3 1 。 不同用户数据间的i v d k l ：m a i 是由小区内部不同用户使用的扩频码非完全 正交而造成的用户数据间的干扰m 】。该干扰的存在会导致远近效应，通常 采用多用户检测( m u d ：m u l t i u s e rd e t e c t i o n ) 技术来降低或消除。 在上述同频干扰中，即使在最差的情况下，小区间干扰功率也不超过小区内部干扰功 率的6 0 m 】，由此可知：系统容量主要取决于小区内干扰的处理。 由于小区内部干扰的存在，使得用户信号之间可能存在三种相关性：同一用户符号间 的相关性。不同用户码间的相关性和符号间的相关性。而这些相关性可用数学表达式表示 出来，换个角度来说即可寻找适当的方法来消除m a i 和i s i 。 最初的数据检测是由传统接收机来完成的。它由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。而在实际应用中，噪声是影响系统性能的一种不可抗拒的因素，通常靠 提高信噪比来保证质量。因此传统的接收机效率低，且要求严格的功率控制。 正因为传统的接收机不能够有效地消除m a i ，人们提出了m u d 的概念。其基本思想 是充分利用m a i 中包含的用户相关信息来降低和消除m a i 的影响。1 9 8 6 年v e r d u 在文献 3 6 中提出了最优多用户检测，以匹配滤波器加维特比算法来实现最大似然序列检测( m l s d ： m a x i m u m 1 i k e l i h o o ds e q u e n c ed e t e c t i o n ) ，它能有效地消除多址干扰和噪声，但维特比算法 的复杂度是用户数的指数幂级，因此，在实际应用中因复杂度高而不实用。于是后人提出 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 了容易实现的次优多用户检测。 根据对m a i 处理方法的不同，次优多用户检测分为干扰抵消( i c ：i n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n ) 和联合检测( j d ：j o i n td e t e c t i o n ) 两种。 i c 技术的基本思想是判决反馈，首先从总的接收信号中解调并判决出其中的部分数 据，然后根据这部分数据和用户扩频码重构出这部分数据对应的信号，再从总接收信号中 减去重构的信号，如此循环，直到预设的条件得到满足后停止”。按照处理方式，i c 技 术可分为串行干扰抵消d s l ( s i c ：s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) 和并行干扰抵消m 1 ( p i c ：p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) 。 1 9 9 2 年，德国k a i s e r s l a u t e r n 大学的a k l e i n 等人将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技术”。其核心思想是利用时域均衡技术，将来自其它用 户的m a i 也当作i s i 来处理，不像传统检测技术那样把m a i 当作噪声处理，而是最大限度 地利用其有用信息，从而最大限度地消除姒i ，且无需严格的功率控制措施。由于联合检 测技术具有在保证一定性能的条件下，能把计算复杂度降低到实际应用中可接受的程度， 且性能优于i c ，能同时消除淞i 和i s i 等优点，于是人们就联合检溅投术进行了大量的研 究。 1 2 2 联合检测的研究现状 1 9 9 2 年，a k l e i n 和p ，w b a l e r 提出了同时消除枞i 和i s i 的联合检测技术。1 9 9 3 年， 文献 1 2 将该技术首次应用于c d b i a 无线移动通信系统，提出了线性无偏估计，该技术能 消除i s i 是以牺牲信噪比为代价的。文献 2 5 提出了解相关检测器该检测器计算量很小， 但不能完全消除m a i 和i s i 在m a i 和i s i 很弱的情况下，它是一种最佳抗噪声方案。在此 基础上，文献 1 4 对联合检测接收机的具体实现算法和结构进行了大量研究，分别提出了 追零线性块均衡器( z f b l e ：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 ) 和最小均方误差线性块 均衡器( 论i s e b l e ：m i n i m u mm e a n s q u a r e - e r r o rb l o c kl i n e a re q u a l i z e r ) 。z f - b l e 能完全消 除i s i 和m a i ，但增强了噪声功率，因此在噪声功率很小的情况下，该算法是最佳抗干扰方 法：而) d m s e b l e 算法在消除m a i 和不增强背景噪声之问取了一个平衡点，但增加了复杂 度。于是利用判决反馈信息，上述两种方案可扩展为迫零判决反馈块均衡( z f b d f 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 ) 和最小均方判决反馈块均衡( i v i m s e b d f e ： m i n i m u mm e a n s 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 ) 。带判决反馈的均衡器汁算 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 置与不带判决反馈的均衡器差别不是很大，但性能有所提高。 t d s c d m a 系统是一个时域和帧控的t d m a 系统，特殊的帧结构有利于联合检测实现的 高效性。根据联合检测信号模型，可把联合检测问题转化为一个求最小二乘解的问题，为 了尽可能地降低复杂度，又不削弱联合检测的性能，充分利用系统矩阵特殊的结构即块 t e o p l i t z 结构，文献 1 6 ，3 l ，3 9 分别提出了近似的l e v i n s o n 算法、s c h u r 算法及c h o l e s k y 算法。由于t d s c d m a 系统所用的扩频码按照扩频因子周期性地重复，且信道冲激响应在 一个时隙内近似认为时不变，所以系统矩阵还具有块s y l v e s t e r 结构。利用此结构，文献 3 7 ，3 8 提出了一种基于块傅里叶变换的联合检测算法，将原来