（信号与信息处理专业论文）tdscdma系统中联合检测算法的研究.pdf

t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t y t h em a s t e r sd e g r e e 掣鞘心炒7 1v 17 异n 5 9 。 o ft e c h n u l 6 vi 石f r e s e a r c ho fj o i n td e t e c t i o nf o r t d - - sc d m a s y s t e m b y z h a n gg u o q i a n g s u p e r v i s o r m a s h e x i a n g j a n 2 0 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论义是本人在导师指导f 进行的研究：l 作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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 墨盗墨墨盘鲎 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。 学位论文作者签名：3 长j 习弓善签字日期：2 0 l q 年 3 月穸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津理工大鲎有关保留、使用学位论文 的规定。特授权天盗理工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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) ：联阁j 至 导师签名： j 月7 日 签字日期：2 矿矿- t3 月7 日 摘要 t d s c d m a 作为由中国自主提出的第三代移动通信网络标准，它是以t d d 和c d m a 技 术为基础，充分结合了智能天线、联合检测、功率控制等先进技术+ ，具有极高的频谱利 用率与频谱灵活性。联合检测技术作为t d - s c d m a 系统的关键技术之一，它能够抑制或 完全消除多址干扰、多径干扰以及信号在传输过程中产生的噪声影响，同时还能够简化 功率控制，降低功率控制精度，消除远近效应为系统带来的消极影响。因而，联合检测 技术的研究对于改善系统性能、提高系统容量有着关键的作用。 本文首先介绍t d s c d m a 系统的网络结构以及其物理信道结构、时隙结构等。同 时结合t d s c d m a 系统的信道特点建立了系统上行链路的离散传输模型，并对系统矩阵 的生成进行推导。接着推导了几种线性联合检测算法的基本原理，并对解相关匹配滤波 器( d m f ) 法、迫零线性块均衡器( z f b l e ) 法、最小均方误差线性块均衡器( m m s e - - b l e ) 法三种线性联合检测算法的复杂度及性能进行比较。由于联合检测算法中涉及 到系统矩阵的求逆运算，其计算量十分巨大，因而寻求一种快速的系统矩阵求逆算法对 于提高联合检测性能至关重要。 基于此，本文提出了两种基于改进矩阵求逆算法的联合检测技术：近似c h o l e s k y 分解系统矩阵求逆算法，该算法只需要对系统矩阵左上角的一个或两个矩阵块做 c h o l e s k y 分解，即可得出系统矩阵的近似c h o l e s k y 分解逆矩阵。以及b l o c kf f t 系统 矩阵求逆算法，该算法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，从而获得系统矩阵的逆矩阵，很大程度上降低了运算量。计算机仿真表 明，基于这两种改进求逆算法的联合检测算法，能够有效地消除t d s c d m a 系统中的多 址干扰和多径干扰，在与原算法的误码率基本保持一致的前提下，可以极大的降低运算 复杂度。 关键词：联合检测多址干扰多径干扰误码率 a b s t r a c t t d s c d m a ，a sp r o p o s e db yc h i n a so w nt 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 n n e t w o r ks t a n d a r d s ，i ti sb a s e do nt d da n dc d m at e c h n o l o g y , f u l l yi n t e g r a t e ds m a r ta n t e n n a ，j o i n t d e t e c t i o n ，p o w e rc o n t r o la n do t h e ra d v a n c e dt e c h n o l o g i e s ，w i c hh a sav e r yh i g hf r e q u e n c ys p e c t r u m u t i l i z a t i o na n ds p e c t r u mf l e x i b i l i t y t h i ss t u d yf o c u so nj o i n td e t e c t i o nt e c h n o l o g ya so n eo ft h e k e yt e c h n o l o g i e so ft h et d - s c d m as y s t e m ，i tc a ni n h i b i to rc o m p l e t e l ye l i m i n a t et h em u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e ，m u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ea n ds i g n a lt r a n s m i s s i o nn o i s eg e n e r a t e di nt h ep r o c e s s ，i ta l s o c a ns i m p l i f yp o w e rc o n t r o l ，r e d u c et h ep o w e rc o n t r o lp r e c i s i o n ，e l i m i n a t et h en e g a t i v ee f f e c t so fn e a r - f a r e f f e c tf o rt h es y s t e m t h u s ，t h ej o i n td e t e c t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c hh a v eak e yr o l ef o ri m p r o v i n gs 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 y t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h et d s c d m as y s t e m sn e t w o r ks t r u c t u r ea n di t sp h y s i c a lc h a n n e l s t r u c t u r e ，a n ds l o ts t r u c t u r e c o n s i d e rt h et d - s c d m as y s t e m sc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c so fu p l i n kt o e s t a b l i s has y s t e mo fd i s c r e t et r a n s m i s s i o nm o d e l ，a n dt og e n e r a t et h es y s t e mm a t r i x i n t r o d u c t i o nan u m b e r o f l i n e a r j o i n td e t e c t i o na l g o r i t h m sb a s i cp r i n c i p l e ，a n dc o m p a r i s o nd m f , z f b l e ，m m s e - - b l et h r e e k i n d so ft h ep r i n c i p l eo fl i n e a rj o i n td e t e c t i o na l g o r i t h ma n dp e r f o r m a n c e j o i n td e t e c t i o na l g o r i t h m ， h o w e v e r , t h eb o t t l e n e c ki st h ei n v e r s es y s t e mm a t r i xc o m p u t a t i o ni sh u g e ，l o o k i n gf o raf a s ts y s t e mm a t r i x i n v e r s i o na l g o r i t h mi se s s e n t i a lf o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f j o i n td e t e c t i o n b a s e do nt h i s ，t h i sp a p e rp r e s e n t st w oi m p r o v e dm a t r i xi n v e r s i o na l g o r i t h m s ：a p p r o x i m a t ec h o l e s k y d e c o m p o s i t i o no ft h es y s t e mm a t r i xi n v e r s i o na l g o r i t h m t h ea l g o r i t h mr e q u i r e so n l yt h eu p p e rl e f tc o m e r o ft h es y s t e mm a t r i xo fo n eo rt w ob l o c k st od oc h o l e s k ym a t r i xd e c o m p o s i t i o nc a l lb ed e r i v e ds y s t e m m a t r i xo ft h ea 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 no ft h ei n v e r s em a t r i x a sw e l la st h eb l o c kf f ts y s t e m m a t r i xi n v e r s i o na l g o r i t h m ，w h i c hc a r d e do u tt h ef i r s tb l o c ko ft h es y s t e mm a t r i xe x p a n s i o n ，8 0a st om e e t t h er i g h tb l o c k sl o o p ，t h r o u g ht h es o l v i n go fe q u a t i o n si nt h ef r e q u e n c yd o m a i ni no r d e rt oo b t a i nt h e s y s t e mm a t r i xo ft h ei n v e r s em a t r i x ，l a r g e l yr e d u c e st h ec o m p u t i n gv o l u m e c o m p u t e rs i m u l a t i o ns h o w s t h a t ，b a s e do nt h e s et w ok i n d so fi n v e r s i o na l g o r i t h m st oi m p r o v et h ej o i n td e t e c t i o na l g o r i t h mc a n e f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h et d - s c d m as y s t e mw i t hm u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c ea n dm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e ， t h eo r i g i n a la l g o r i t h mw i t ht h eb i te r r o rr a t er e m a i n e dt h es a m ep r e m i s e ，c a ng r e a t l yr e d u c et h ec o m p u t i n g c o m p l e x i t y k e yw o r d s ：j o i n td e t e c t i o n m a ii s ib e r 目录 第一章绪论l 1 1 第三代移动通信系统的标准1 1 2 联合检测技术的研究意义2 1 3 联合检测技术的发展历程及研究现状3 1 4 本文的结构安排一5 第二章t d - s c d m a 系统简介6 2 1t d - s c d m a 的系统结构6 2 2t d - s c d m a 的物理信道8 2 2 1 帧结构8 2 2 2 时隙结构。l o 2 2 3 物理信道分类1 1 2 3t d - s c d m a 上行链路信道的空间数学模型1 1 2 3 1t d s c d m a 系统离散信道数学模型l l 2 3 2t d s c d m a 系统数学模型的矩阵表示1 3 2 4 本章小节18 第三章联合检测算法的研究2 0 3 1 联合检测算法概述2 0 3 2 线性联合检测算法2 0 3 2 1 线性联合检测器的结构2 0 3 2 2 线性联合检测算法及其性能比较2 1 3 3 非线性联合检测算法2 6 3 3 1 迫零数据块判决反馈均衡器( z f - - b d f e ) 2 6 3 3 2 最小均方误差数据块判决反馈均衡器( m m s e - - b d f e ) 4 2 】2 7 3 4 联合检测算法中改进的系统矩阵求逆算法研究2 7 3 4 1 基于近似c h o l e s k y 分解系统矩阵求逆运算的联合检测算法2 8 3 4 2 基于块循环矩阵傅罩叶运算的联合检测算法3 l 3 4 3 计算复杂度比较3 5 3 5 本章小节3 5 第四章计算机仿真与分析3 6 4 1 系统仿真的数学模型与参数3 6 4 2 用户端仿真实现3 7 4 3 数据接收端的仿真流程3 9 4 4 仿真环境和仿真条件4 0 4 5 仿真结果分析与比较4 1 4 6 本章小结4 5 第五章总结与展望4 6 5 1 论文工作总结一4 6 5 2 下一步研究展望4 6 参考文献4 7 发表论文和科研情况说明5 0 致谢5 1 第章绪论 第一章绪论 i m t - 2 0 0 0 也就是第三代移动移动通信系统【2 】，它的含义包括：( 1 ) 该系统将于2 0 0 0 年左右投入使用，( 2 ) 该系统的工作频率为2 0 0 0 m h z 频带，( 3 ) 该系统的传输速率最 高可达到2 0 0 0 k b i t s 。智能信号处理技术作为i m t - 2 0 0 0 系统的基本特征之一，它能够支 持多媒体数据通信和语音通信，且可以提供包括动态图像，视频会议与高速数据在内的 多种宽带信息业务。 国际电信组织联盟( i t u ) 也指出了i m t - 2 0 0 0 将要实现的主要目标，包括移动通信 网络全球化，通信个人化，和业务综合化。具体内容有： ( 1 ) 全球漫游。用户能够在整个系统和全球无缝漫游。 ( 2 ) 适应于多种环境。i m t - 2 0 0 0 应该适应于多层小区结构，如微微小区、微小区、 宏小区等，同时将地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起。 ( 3 ) 可提供多种业务。比如高质量的语音数据、可变速率的移动数据和高分辨率 的图像数据等。 ( 4 ) 比较高的频谱利用率，比较大的系统容量。因而系统必需要配有极强的多用 户管理能力、和优秀的检测算法。 ( 5 ) 系统设计必须保持在全球范围内的高度统一。在i m t - 2 0 0 0 各标准之间的通信 以及i m t 2 0 0 0 与固定电话网络之间的通信能够相互兼容。 由于许多国家和公司为了各自的经济利益和政治利益，都想成为3 g 网络的全球化 标准的领导者，所以纷纷提出了由自己主导的技术标准。在这种情况下i t u 于1 9 9 9 年 1 1 月5 日在赫尔辛基召开了t g 8 1 第1 8 次会议并最终确认了5 种3 g 移动通信技术， 其中主流技术为：由欧洲提出的w c d m a 、由美国提出的c d m a2 0 0 0 、和由我国自主 研发提出的t d s c d m a t 蛐j 。 1 1 第三代移动通信系统的标准 w c d m a 技术【7 】：由c d m a 技术演变而来，w c d m a 采用直接序列扩频码分多址 ( d s c d m a ) 、频分双工( f d d ) 方式。w c d m a 主要包括如下技术特点：能够适应 多种速率的数据传输和提供多种业务，是一个b t s 之间无需任何同步的异步系统，拥 有优化的分组数据传输方式，不| 一j 载频之i 、h j 可进行随意切换，具有上、下行快速功率控 制功能。为提高反向解调增益和功率控制的准确性采用反向导频辅助的相干检测。 c d m a2 0 0 0 技术蝉j ：由北美的m o t o r o l a ，n o r t e l ，l u c e n t ，q u a l c o m m 公司和韩国 s a m s u n g 等公司共同遵循i s 一9 5 的蓝图，提h 了c d m a 2 0 0 0 的概念。它依然采用了i s 9 5 的主要技术以及设计思路，如2 0 m s 长度的帧长，保留i s 9 5 的功率控制技术和软切换 技术，需要g p s 同步等。同时也进行了一些改进，主要包括：前向发送分集和反向信 第章绪论 道相干接收，全部速率采用c r c 方式。 t d s c d m a 技术【9 】：由中困自主研发提出的t d s c d m a 技术，其主要技术来源于 直接序列扩频的码分多址技术( d s c d m a ) ，另外包括时分双工，智能天线，联合检测， 接力切换，动态行道分配等关键技术的应用也极大的提高了t d s c d m a 系统的系统容 量和传输速率，使其在与w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 的竞争中有着明显的优势。它的传输 带宽为1 6 m h z ，码片速率为1 2 8 m c s 。t d s c d m a 因为采用了时分刃j s e ( t d d ) 技术， 所以其前向和反向链路使用了相同的无线频率的同步时问间隔，自i 向和反向链路的信息 能够在物理信道的不同时隙间相互发送，从而提高了系统频谱利用率。t d d 技术有着 如下特点：其上行下行使用同个频率，不需要成对的频率，因而t d d 适用于上下行数 据不对称的业务，特别是i p 型的数据业务。t d d 上下行使用同一频率的特性，使其更 利于使用像智能天线、联合检测等新技术，从而提高系统性能、降低成本。据估计t d d 系统设备成本比f d d 系统要低2 0 - - 5 0 ，利于商业开发。 下表1 1 为w c d m a 、c d m a2 0 0 0 和t d s c d m a 三种主流通信标准的主要技术性 能1 3 儿4 j 的比较。从中可以看出t d s c d m a 使用了智能天线、联合检测和功率控制等先进 技术，因而有着比较高的系统容量、频谱利用率和抗干扰能力【i m l 4 j 。 表1 1 三种主流标准主要技术性能对比表 ?w c d m ac d m a2 0 0 0t d s c d m a 载频问隔5 m h z 1 2 5 m h z1 6 m h z 帧长 1 0 m s2 0 m s1 0 m s 码片速率 3 8 4 m c s1 2 2 8 8 m c s1 2 8 m c s 快速功控：反向：8 0 0 h z 功率控制上、下行1 5 0 0 h z前向：慢速功 l 2 0 0 h z 控 基站同步不需要需要需要 下行发射分支持支持支持 集 检测方式相干解调相干解调联合检测 频率| 、日j 切换支持支持支持 编码方式t u r b o 码、卷t u r b o 码、卷t u r b o 码、卷 积码积码积码 前向、反n 向导 d w p c h 、 信道估计公共导频 u p p c h 、 频 中缀码 1 2 联合检测技术的研究意义 t d s c d m a 系统是在码分多址( c d m a ) 的摹础上加入时分双工( t d d ) 【1 5 】【1 6 1 技术 第。章绪论 发展而来，有着诸多优良性能如容量大、保密性好、抗干扰能力强以及软越区切换等。然 而在实际的应用中，由于无线移动信道中存在的多径效应以及时变性等，使得产生了i s i ( 同一个用户数据之问的符号问干扰) ，m a i ( 不同用户数据之间的码| 、日j 干扰) 。i s l 干 扰对符号的传送速率有着抑制作用，而m a i 干扰使得产生远近效应，它们都导致系统 容量很难进一步的增加。因此，寻求一种能够减弱或完全消除这两种干扰的检测算法对 提高系统容量有着重要的意义，这也就成为当今对t d s c d m a 系统研究的重要方向。 i s i 和m a i 这两种干扰对用户符号之间的影响产生了下面的三种相关性：即同一用 户符号问存在的相关性；不同用户码之问存在的相关性；以及不同用户符号之间存在的 相关性。如果把这些相关性通过表达式表示出来，那么就是可以用一种检测算法将他们 消除或者减弱。 传统的检测技术【l 卜1 8 j 完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行 扩频码匹配处理，其接收端用一个和发送地址码( 波形) 相匹配的匹配滤波器( 相关器) 来实现信号分离，在相关器后直接解调判决。如果匹配滤波采用的是结合了信道响应的 相关波形，相当于是r a k e 接收机，实现了利用多径响应的作用。这种方法只有在理想 正交的情况下，才能完全消除多址干扰的影响，对于非理想正交的情况，必然会产生多 址干扰，从而引起误码率的提高。 联合检测技术是在传统检测技术的基础上，充分利用造成m a i 干扰的所有用户信 号及其多径的先验信息，把用户信号的分离当作一个统一的相互关联的联合检测过程来 完成，从而具有优良的抗干扰性能，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加 有效地利用上行链路频谱资源，显著地提高系统容量。 联合检测技术可以为t d s c d m a 系统带来了以下好处： 1 降低干扰。联合检测技术的使用可以降低甚至完全消除m a i 干扰。 2 扩大容量。联合检测技术充分利用了m a i 的所有用户信息，使得在相同r a wb e r 的前提下，所需的接收信号s n r 可以大大降低，这样就大大提高了接收机性能并增加 了系统容量。 3 削弱“远近效应”的影响。由于联合检测技术能完全消除m a i 干扰，因此产生的噪 声量将与干扰信号的接收功率无关，从而大大减少“远近效应”对信号接收的影响。 4 降低功控的要求。由于联合检测技术可以削弱“远近效应”的影响，从而降低对功 控模块的要求，简化功率控制系统的设计。通过检测，功率控制的复杂性可降低到类似 于g s m 的常规无线移动系统的水平。 本论文所关注的内容为联合检测技术。用户信号经过信道之后，信噪比会很小( 这 要根据信道的具体情况而定) ，这时可以采用智能天线( 自适应波束形成+ r a k e 接收 机) 或者联合检测技术来处理。众多学者的研究结果表明，在t d s c d m a 系统上行链 路中，联合检测技术足较好的选择。 1 3 联合检测技术的发展历程及研究现状 在早时期数据检测都是由传统接收机来进行的。它是由一组匹配滤波器构成，它存 第一章绪论 在的问题就是自身的扩频码只能够识别本用户的数据，而将其它用户对它的干扰数据全 部简单地当成噪声，忽略了用户之问存在的十h 天性。然而在实际中噪声是影响信号性能 中一种不可抗拒的凶素，一般都是通过提高信噪比术保证质量。冈而传统接收机效率很 低，而且对功率控制精度的要求很高。币是由于传统接收机不能够有效的消除或减弱多 址干扰( m a i ) ，多用户检测的概念被人们提了出来。从信号处理的角度来看，多用户 检测技术【7 】就是充分利用各种已知信息以及信号处理的方法，对接收到的信号进行处理， 从而达到抑制或完全消除多址干扰( m a i ) 的目的【j9 】f 2 川。 最早在七十年代木到八十年代初期，由v e r d u 提出的在高斯白噪声下c d m a 系统 的最优多用户检测方案，它的主要思想是以匹配滤波器加维特比算法来实现对c d m a 信号的最大似然序列检测，即m l s 检测，然后根据最大后验概率对用户接收到的信号进 行估计。从误码率的角度来看，最优检测器是最有效的抗远近效应的检测方法，理论上 能最佳的将信号检测出来，适用于受多径干扰影h 向的信道。然而这种检测算法的计算复 杂度随着用户数和传送的信息符号数呈指数幂级增加，而且最大似然序列检测器需要获 得接收信号的相位和幅度，这些都是通过估计来得到。因此虽然最优检测器有着最佳的检 测能力，但是当用户数量多的情况下其计算复杂度太高，不利于系统容量的扩张。在实 际的应用中很难实现，因而迫切需求一种次优检测方案来代替。 直到八十年代中后期，人们才逐渐转找到了更易于实现的次优多用户检测方案【2 。 1 9 8 9 年由r l u p a s 最早提出了在同步c d m a 系统中的线性多用户检测方案( m u l t i - u s e r d e t e c t i o n ，m u d ) ，其基本思想是用一线性算子作用于接收信号，来将用户信号从接收 信号中检测出来的方法。线性多用户检测器的实际上就是线性滤波器的设计。在经过近 十多年的研究以后，线性多用户检测方案如今已得到了长远的发展，从最初的线性解相 关检测器到迫零线性均衡器算法( z f ) ，到最小均方误差均衡器算法( m m s e ) 检测器 以及各种自适应算法【2 2 】【2 3 1 ，次优多用户检测【算法的发展极大的降低了多用户检测的计 算复杂度。 进入九十年代，随着t d s c d m a 的提出，1 9 9 2 年a k l e i n 等人将消除多址干扰和 多径干扰一并考虑，提出了能够同时将这两种干扰消除的联合检测( j d ) 技术。其主要 思想就是利用均衡技术，将多径干扰( i s i ) 也当作多址干扰( m a i ) 而一起消除。联合 检测技术实质上就是在多用户检测技术基础上发展出的一种次优多用户检测技术。该技 术能够有效的减弱或消除多址干扰、多径干扰和远近效应，同时还能够能够简化功率控 制，以及弥补弥补正交扩频码互相关性不理想时所引起消极影响，从而达到提高系统容 量、改善系统性能、扩大小区覆盖范围的目的。联合检测从本质上讲，就是利用所有和 多址干扰相关的先验信息，在一步之内将所有用户的信号全部分离出来。在理论上使用联 合检测技术，可以完全消除多址干扰的影响，能够很大程度地提高系统的容量和抗干扰能 力。 随着t d s c d m a 标准被3 g p p 所接收，各国大学以及学者都对t d s c d m a 系统及 联合检测技术作出了大量研究。研究集中在智能天线和联合检测配合使用的原理和总体 算法，重点研究了系统的可实现算法，给出了多h j 户在阵列天线接收信号时的数据模型， 以及实现联合检测的算法模型2 4 之7 1 ，着重分析了在使用智能大线时对联合检测模型进行 第一章绪论 优化和简化的可行性，并给出一些性能仿真结果。随着智能天线技术的提出，研究重点 也偏向了智能大线和联合检测的联合研究。 虽然联合检测技术存在诸如有效消除信号在传播过程中所产生的多址干扰、多径干 扰以及噪声向量，削弱远近效应，降低功率控制精度等众多优点。然而在检测过程中需 要对系统矩阵作多次求逆运算，当系统中用户数目增多时，系统矩阵维数增大，对其做 求逆运算复杂度极其高，极大的增加了处理器的负荷，从而降低了检测性能，不利于系 统容量的扩大。因而寻求一种快速简单的矩阵求逆算法，对于联合检测技术有着极其重 要的意义。也正是本文的研究重点。 1 4 本文的结构安排 本文在结构上主要分为五章： 第一章主要介绍了第三代移动通信的发展史，并对目前第三代移动通信的三大主流 标准主要技术作出比较，进而针对t d 。s c d m a 系统中关键技术之一，联合检测技术的 意义及发展现状做了介绍。 第二章主要介绍了t d s c d m a 系统的网络结构中的物理信道结构、以及时隙结构。 并接着讲述了t d s c d m a 上行链路的系统矩阵的数学模型，为下一章的联合检测算法 研究做出铺垫。 第三章详细讲述联合检测算法原理，并比较分析了几种线性联合检测算法的性能。 着重讨论了基于两种近似c h o l e s k y 分解法和b l o c kf f t 分解法矩阵求逆算法的线性联合 检测技术。 第四章利用m a t l a b 软件对系统性能进行仿真，在无线衰落信道下针对本文所提 的两种联合检测矩阵求逆算法性能进行了仿真分析，根据仿真结果，进而提出进一步改 进的意见。 第五章为本文总结及下一步的研究工作展望。 第一二章t d - s c d m a 系统简介 第二章t d - s c d m a 系统简介 2 1t d - s c d m a 的系统结构 在3 g p p 的体系框架下，经过融合完善后，由于双工方式的差别，t d s c d m a 的 所有技术特点和优势得以在空中接口的物理层体现。物理层技术的不同是t d s c d m a 与w c d m a 的主要差别。在核心网方面，t d s c d m a 与w c d m a 采用完全相同的标 准规范，包括核心网与无线接入网之间采用相同的i u 接口；在空接口高层协议栈上， t d s c d m a 与w c d m a 二者也完全相同。这些共同之处保证了两个系统之问的无缝漫 游，切换，业务支持的一致性，q o s 的保证等，也保证了t d s c d m a 与w c d m a 在标 准技术的后续发展上保持相当的一致性【9 】。 t d s c d m a 系统结构完全遵循3 g p p 指定的u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u n c a t i o ns y s t e m ) 网络结构可以分为u m t s 地面无线接入网( u t r a n ，u m t s t e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 和核心网( c n ，c o r en e t w o r k ) 。按照现有3 g p p 的 t d s c d m al c r 标准，其核心网以及业务平台与w c d m a 是相同的。3 g p p 核心网络 从r e l 9 9 到目前的r e l 7 都有不同的变化，但是基本上大硬件构架没有发生根本性变化， 图2 1 描绘了t d s c d m a 网络的总体架构。 第二章t d s c d m a 系统简介 1r n c 无线接入控制 图2 1t d - s c d m a 网络的总体架构 无线网络控制器( i c ) 是具有对一个或多个n o d eb 进行无线资源资源控制和管 理的功能实体，它通过i u 接口与电路域( m s c ) ，分组域( s g s n ) 以及广播域( 1 3 c ) 相连，在逻辑上，对应g s m 网络中的基站控制器( b s c ) 。r n c 可以分成3 类。控制 n o d eb 的r n c 称为该n o d eb 的控制r n c ( c r n c ) ，c r n c 控制r n c 管理整个小区 的资源；服务r n c ( s r n c ) 负责启动终止用户数据的传输，控制和c n 的i u 连接以 及通过无线接口协议和u e 进行信令交换；漂移r n c ( d r n c ) 控制u e 使用的小区资 源，可以进行宏分集合并、分裂【l o 】。 2n o d eb 基站 n o d eb 是为一个或多个小区服务的无线收发信设备，通过标准的i u b 接口和r n c 互连，主要完成u u 接口物理层协议的处理。它主要功能是扩频、调制、信道编码及解 第：章t d s c d m a 系统简介 扩解调、信道解码，还包括基带信号和射频信号的相+ 珏转换等功能。同时它还完成一些 如内环功率控制等的无线资源管理功能。它在逻辑上对应于g s m 网络中基站( b t s ) 。 3s g s n 服务g p r s 支持节点( s g s n ) 是t d s c d m a 核心网p s 域功能节点，它通过i u p s 接e l 与r n c 相连，通过g n g p 接口与g g s n 相连，通过g r 接口与h l r a u c 相连，通 过g s 接口与m s c v l r ，通过g e 接口与s c p 相连，通过g d 接口与 s m c g m s c s m c i w m s c 相连，通过g a 接口与c g 相连，通过g n g p 接口与s g s n 相连，s g s n 的主要功能是提供p s 域的路由转发，移动性管理，会话管理，鉴权和加 密等功能。 4g g s n g p r s 网关支持节点( g g s n ) 是t d s c d m a 核心网p s 域功能节点，通过g n g p 接口与s g s n 相连，通过g i 接口与外部数据网络相连。g g s n 提供数据包在t d s c d m a 移动网和外部数据网之间的路由和封装。g g s n 的主要功能是同外部i p 分组网络的接 口。g g s n 需要提供终端接入外部分组网络的关口功能。从外部网的观点来看，g g s n 就好像是可寻址t d s c d m a 移动网络中所有用户i p 的路由器，需要同外部网络交换路 由信息。 5m s c 厂、，l r m s c v l r 是t d s c d m a 核心网c s 域功能节点，它通过i u c s 接口与r n c 连接， 通过p s t n i s d n 接口与外部网络( p s t n i s d n ) 等相连，通过c d 接口与h l r a u c 相连，通过e 接口与其他m s c v l rg m s c 或s m c 相连。m s c v l r 的主要功能是提 供c s 域的呼叫控制，移动性管理，鉴权和加密等功能。 6g m s c 和h l r g m s c 是t d s c d m a 移动网c s 域与外部网络之间的网关节点，通过p s t n i s d n 接口与外部网络连接。它的主要功能是充当移动网和固定网之间的移动关口局，完成 p s t n 用户呼叫移动用户是呼入呼叫的路由功能，承担路由分析，网间接续，网问结算 等重要功能。 归属位置寄存器( h l r ) 是t d s c d m a 核心网c s 域和p s 域共有的功能节点通过 c 接口与m s c v l r 或g m s c 相连，通过g r 接口与s g s n 相连，通过g c 接口与g g s n 相连。其主要功能是提供用户的签约信息存放，新业务支持，增强的鉴权等功能。 2 2t o - s o d m a 的物理信道 2 2 1 帧结构 t d s c d m a 总计有1 0 个时隙，分成4 种类型，他们分别为d w p t s ，u p p t s ，g p 特 第一二章t d - s c d m a 系统简介 殊时隙和t s 0 t s 6 常规时隙。其中d w p t s 和u p p t s 不承载用，- 数据，分别作用上行 同步和下行同步；g p 用作上行同步建立过程中的传播时延保护，t s 0 t s 6 用于承载用 户数据或控制信息。t d s c d m a 的每个子帧长度为1 0 m s 。一个1 0 m s 的i 帧分成两个结 构完全梢同的子帧，每个子帧的长度为5 m s 。每一个子帧分成了长度为6 7 8 u s 的7 个常 规时隙和3 个特殊时隙，如图2 2 所示。在n 频点技术中，辅频点的t s 0 ，d w p t s ，u p p t s 时隙是不能使用的，也就是在这些时隙上的发送功率为0 ，从而减少辅频点对主频点的 干扰。 1 j1 烈j - 3 i v v v 0 0 1 , i s ，7 - 转换点 瑚。 俐t s ，t i t s 2t s 3t lt s 4l l t s 5it s 6j 图2 2t d - s c d m a 的时隙结构 常规时隙用作传输用户数据或控制信息。在这7 个常规时隙中t s 0 的第一个码道和 第二个码道总是固定地用作下行时隙来发送系统广播信息，而t s l 总是固定地用作上行 时隙来进行随机接入。其他的常规时隙可以根据需要灵活地配置长上行或下行以实现不 对称业务的传输。如分组数据，用作上行链路的时隙和用作下行链路的时隙之间由一个 转换点分开。每个5 m s 的子帧有两个转换点，第一个转换点固定在t s 0 结束处，而第 二个转换点则取决于小区上下行时隙的配置。 t d s c d m a 的帧结构采用分成4 层管理：系统帧，无线帧，子帧和时隙码。系统 使用时隙和扩频码来在时域和码域上区分不同的用户信号。图2 3 给出了t d - s c d m a 的物理信道结构。 无线帧可以连续的分配，也就是将每一帧的相应时隙都分配给物理信道；也可以是 不连续的分配，即将部分无线帧中的相应时隙分配给该物理信道。 第：章t d s c d m a 系统简介 2 2 2 时隙结构 见线帧( 1 0 m s ) 转换点 图2 3t i ) s c d m a 物理信道帧结构 1 d w p t s d w p t s 时隙，用于下行同步和小区搜索，该时隙由9 6 c h i p 组成，其中3 2 c h i p 用于 保护，6 4 c h i p 用于同步，时长7 5 u s ，承载3 2 组不同的s y n c 码，该码用于区分不同的 基站。基站一全向或扇区传输d w p t s 信号，该信号不进行波束赋性。终端只有通过 d w p t s 时隙同步到基站以后，终端才有可能接收来自基站的寻呼消息。网络规划和优 化过程中，d w p t s 时隙是一个非常关键的时隙。如果不能正确解析d w p t s 时隙，将导 致终端不能进行任何的信令和业务过程。确定一个区域是否有信号覆盖，首先考虑的是 d w p t s 信号的覆盖。 2 g p 时隙 g p 时隙为保护时隙，长度为9 6 c h i p ，时长为7 5 u s 。用于下行到上行转换的保护， 在小区搜索时，确保d w p t s 可靠接收，防止提前发送的随即接入信道对d w p t s 信号 的干扰。也就是，在随机接入时，确保u p p t s 可以提前发射，防止干扰下行工作确定 基本的基站覆盖半径。 由于该时隙在上下行同步码字间有9 6 c h i p 保护带，对应的距离变化是： l = 9 6 ( 2 1 2 8 1 0 6 ) 3 1 0 8m = 1 1 2 5 k m 。也就是说当终端在距离n o d eb 11 2 5 k m 以内时，不会由于初始定时信息的缺