（信号与信息处理专业论文）wcdma系统rake接收机和多用户检测mud的设计和实现.pdf

北京邮电大学信息丁程学院 s 8 s 7 7 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：曼晓盔 日期：墨! 竺：! ：挫 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辫密后适用本授权书。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：兰选宣 日期：兰塑：! ：坐 导师签名：毒窦o 彤卜日期：显a 争手k 旷 北京邮电大学信息丁程学院 w c d m a 系统r a k e 接收机和多用户检测m u d 设计和实现 摘要 w c d m a 移动通信系统是第三代移动通信系统( i m t 一2 0 0 0 ) 中最富有 前景的技术标准之一。它采用了多项关键技术，如r a i ( e 接收，功率 控制，多用户检测，t u r b o 码等。与第二代移动通信系统相比，具有 更大的系统容量，更高的频谱利用率，可以灵活的满足用户对高速数 据业务以及业务多样化的需求。本文主要讨论了w c d m a 系统中r a k e 接收机和多用户检测技术的一种简单的设计和实现方法，并在我们的 软件仿真平台上给出了性能仿真结果。 移动信道的主要特征是由移动和多径传播所产生的多径衰落现 象，在数据高速传输时，必须采取抗多径衰落技术，才能实现有效传 输。r a k e 接收机就是一种有效的抗多径衰落的技术。论文中首先概 括移动信道的特点和数学模型，并结合w c d m a 的扩频信号特点，给出 了一种简单的r a k e 接收机设计和实现方法。 在c d m a 系统中，除了多径衰落信道的影响外，由于用户间所使 用的扩频码集一般并非严格正交，因而造成多个用户同时通信，必然 引起用户间的相互干扰一多址干扰。多用户检测是一种新型的抗多址 干扰技术，它是基于信息论中最佳信号检测理论，并通过严格理论分 析后提出的。论文中简单概述了最近几年多用户检测的几种常见算 法，并提出w c d m a 系统中两种非线性多用户检测算法一并行干扰抵消 和串行干扰抵消算法，的设计和实现方法。 3 北京邮电人学信息t 程学院 论文在最后介绍在我们的软件仿真平台上r a k e 接收机和多用户 检测算法的仿真结果。 关键词：第三代移动通信，r a k e 接收机，多用户检测，w c d m a r a k ea n dm u i j r l p l eu s e rd e t e c t i o nd e s i g h & i m p l e m e n 7 i a t i o ni nw c d t 坦a t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a b s t r a c t w c d m a s y s t e mi so n eo f t h em o s ta t t r a c t i v et e c h n i c a ls t a n d a r di n t h e3 r d g e n e r a t i o nm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( i m t - 2 0 0 0 ) ，a n d m a n yk e yt e c h n i q u ei sa d o p t e di nw c d m a ，f o re x a m p l e ，r a k er e c e i v e r , p o w e rc o n t r o l ，m u l t i p l eu s e r d e t e c t i o n ( m u d ) ，a n d t u r b oc o d e c o m p a r e dw i t ht h e2 r dm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i th a sl a r g e r s y s t e mc a p a c i t y , h i g h e rb a n d w i d t hu t i l i z i n ge f f i c i e n c y , p r o v i d eu s e r s h i g h e rs p e e ad a t as e r v i c e ，a n ds a t i s f yu s e r sw i t ht h en e e d so fv a r i e t yo f s e r v i c e i nt h i sp a p e r , if o c u so nt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d o f r a k ea n dm u di nw c d m a ，a n da l s og i v et h es i m u l a t i o nr e s u l ti no u r s i m u l a t i o n p l a t f o r m t h em o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o nc h a n n e li sc h a r a c t e r e dw i t ht h e 北京邮电大学信息_ t 程学院 s e v e r e f a d i n g d i s t o r t i o ni n d u c e d b ym o b i l i t y a n d m u l t i p a t h ，t h u s m e a s u r e sm u s tb et a k e nt oa l l e v i a t eo re l i m i n a t et h ee f f e c t so f m u l t i - p a t h w h e ni n h i g hs p e e d d a t at r a n s m i s s i o n r a k ei so n eo ft h ee f f i c i e n t t e c h n i q u et oa n t i m u l t i p a t h h e r ew e s u m m a r i z et h ec h a r a c t e r so fm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l ，a l s o t h ec h a n n e l m o d e l ，t oe x p l a i n t h e p r i n c i p l eo f r a k e t h e nig i v et h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o di n w c d m a s y s t e m i nt h ec d m a s y s t e m , o t h e rt h a nf a d i n gd i s t o r t i o n o fm u l t i - p a t h ， m u l t i - a d d r e s si n t e r f e r e n c ei sa l s oas e v e r ef a c t o rt oa f f e c tt h ep e r f o r m a n c e o ft h er e c e i v e r , w h i c hi si n d u c e d b y t h e n o n o r t h o g o n a l i t y i nt h es e to ft h e u s e r s s p r e a d i n gc o d e s m u l t i p l e u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) i san e w t e c h n i q u e t oa l l e v i a t eo re l i m i n a t em u l t i - a d d r e s si n t e r f e r e n c e ，a n di s b a s e do nt h e o p t i m i z e ds i g n a l d e t e c t i o n t h e o r y i i n t r o d u c es e v e r a l a r i t h m e t i co fm u d b r i e f l ys t u d i e di nt h e s ey e a r s ，a n da l s ot h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o nm e t h o do fp 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 ( p i c ) a n d s e r i a li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( s i c ) i n o h i p l a t f o r m o fw c d m a f i n a l l y , i nm yp a p e r , ig i v em y s i m u l a t i o nr e s u l to fr a k ea n dm u d p e r f o r m a n c eb a s e do no u rd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o ni n o u rs i m u l a t i o n p l a t f o r m k e yw o r d s ：t h et h i r dm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n ，r a k e ，m u d ， w c d m a 北京邮l 乜大学信息工程学院 第一章绪论 第一节第三代移动通信技术概述 目前应用的第二代数字蜂窝移动通信系统，以g s m ，i s - 9 5 为代表，只能提 供话音和低速率数据业务服务，远远不能满足未来用户对高速数据业务以及业务 多样化的需求，而且随着用户数量的迅猛增加，现有的系统也将远远不能满足用 户容量的发展需要。所以新一代的移动和个人通信系统( 即第三代移动通信系统 和个人通信系统) 的研究和发展已经成为电信领域的一个新的热点。 第三代移动通信系统i m t 一2 0 0 0 是国际电信联盟( i t u ) 在1 9 8 5 年提出的， 当时称为陆地移动通信系统，即f p l m t s ，1 9 9 6 年正式更名为i m t 一2 0 0 0 。第三代 移动通信系统( 3 g ) ，相比第二代移动通信系统，需要有更大的系统容量，更高 的频谱利用率和更灵活的高速率、多速率数据传输能力，将能支持速率高达 2 m b i t s 的业务。 第三代移动通信系统在业务能力上应该具有以下特征： 1 ) 能提供满足多种业务需求的全球覆盖； 2 ) 能提供与i n t e r n e t 兼容的多媒体业务和高速率数据业务； 3 ) 其提供的服务质量接近于现有电信固定网络所提供的服务质量： 4 ) 完善的信息安全机制： 5 ) 与现有系统相比更高的频谱利用率。 针对第三代移动通信系统，很多国家的电信公司和标准化组织提出了多种方 案。在已经提交给i t u 的十种候选方案中，以w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 两种方案最有 前途。以欧洲和日本为代表提出的w c d m a 方案的主要特征是：核心网络采用m a p 协议，基站间异步传输，采用直接序列扩频方式，码片速率为3 8 4 m c p s ，下行 链路中的公共导频采用连续的导频信道，专用导频信道采用非连续的导频符号方 式。考虑到对i s 一9 5 系统的兼容，以北美为代表提出的c d m a 2 0 0 0 方案要比其它 方案更加复杂，除i s 一9 5 标准的内容外，它还具有以下主要特征：核心网络采用 i s 一4 l 协议，基站采用g p s 同步，码片速率为3 6 8 6 i _ i c p s ，是i s 一9 5 系统码片速 率的三倍，支持直扩、和多载波两种扩频方式，下行链路采用公共导频信道，在 上行链路中每个专用信道都配有连续的导频信道。 另外我国也提出了具有自己知识产权的t d s c d m a 系统。t d s c d 姒系统综合 了时分多址、同步码分多址技术作为其主要的多址技术，其中智能天线的采用大 大降低了相邻信道的干扰，有助于克服多径衰落，并且降低了对手持机发射功率 北京邮电大学信息工程学院 的要求。该系统采用了t d d 的双工模式，这是为了更好的利用智能天线和降低射 频电路的复杂性，而且由于采用t d d 双工模式，特别适用于上下行不对称业务。 t d - - s c d m a 系统由于采用同步码分多址方式，在上行链路使来自每个用户终端的 c d m a 信号的码片在到达无线基站的解调器输入端是同步的，从而大大降低了同 一射频信道中来自其它码道的多址干扰。 第二节第三代移动通信系统中的关键技术 在关于3 g 的几个标准中，为满足未来对高速业务和多业务的支持，提高频 谱利用率，在它们各自系统中普遍应用了移动通信中各种新的关键技术：r a k e 接收，t u r b o 码，多用户检测，功率控制，智能天线等。r a k e 接收采用分集技术 具有良好抗多径的性能：t u r o b o 码可以获得接近s h a n n o n 极限的性能，在第三 代移动通信中，普遍应用在非实时的数据通信业务中；多用户检测技术可以消除 多址干扰，并可一定程度上抑止“远一近”效应的影响；功率控制，是目前工程 中抗“远一近”效应的主要手段：智能天线技术可以消除部分多址干扰带来的影 响，提高系统频谱利用率。 1 r a k e 接收 对宽带c d m a 系统，无线信道的环境是一个频率选择性的慢衰落信道，由于 宽带c d m a 系统中所用信号带宽远大于信道的相关带宽，所以能够通过r a k e 接收 分辨出多径分量，然后将这些多路分离信号的能量按一定规则合并起来，使接收 的有用信号能量最大，从而提高接收端的信噪功率比，可有效的抗多径衰落，大 大提高多径衰落信道下的传输可靠性。关于r a k e 接收后面有详细介绍。 2 t u r b o 码 t u r b o 码巧妙地将级联概念和伪随机结合起来，采用循环迭代的方法，可以 获得接近s h a n n o n 极限的性能，是种性能优异的编码方案。t u r b o 码的优异性 能在高斯随机信道和瑞利信道下表现同样出色，这使得其在广泛的应用领域，目 前己在深空通信中应用，未来的移动通信，广播传输，以及数据存储中都可能会 被广泛应用。在t u r b o 码出现后，己进行了许多的理论和实验研究。但是由于 t u r b o 码的构造特点，使得理论研究迄今尚不完善。第三代的3 g p p 选用t u r b o 码作为各类非实时业务高速数据的纠错编码。同时，在短帧的情况下，由于t u r b o 码在工程实现上的改进，使其在实时话音业务中的应用前景也逐步看好。 3 多用户检测 在c d m a 系统中，随着同对接入系统用户数的增加，多址干扰成为系统中最 主要的于扰。多用户检测是一种新型的抗多址干扰技术，它是基于信息论中晟佳 北京邮电大学信息工程学院 信号检测理论，并通过严格理论分析后提出的，即可以抗多址干扰，也可以有效 抵抗远近效应和多径干扰。后面有专门章节介绍多用户检测技术。 4 功率控制 由于在移动通信中，上行存在“远近效应”问题，使多址干扰影响更加严重 和复杂，为了克服这一现象，工程上采用功率控制技术，实现对不同远、近用户 到达基站接收端的功率或信噪比平衡一致。在下行链路功率控制是为了减小邻近 小区间的干扰。 5 智能天线 智能天线技术是利用信号传输的空间特性，达到抑止干扰，提取信号的目的。 智能天线技术主要是利用信号与干扰的来波方向的不同，即信号与干扰的空间入 射角来区分信号与干扰，根据信号的来波方向，自适应地调整其方向图，可实现 空间滤波的作用，减少或抵消干扰信号、提高期望信号增益，从而增加移动通信 系统容量，提高频谱利用率，降低信号的发射功率。虽然目前对智能天线技术的 研究尚未达到实用化阶段，但是在目前各国提交的关于第三代的标准中，都建议 将采用智能天线技术。 第三节本论文所作的工作 我们依据3 6 p p 中关于w c d 姒和3 g p p 2 中关于c d m a 2 0 0 0 的物理层相关协议， 建立了“w c d m a c d m a 2 0 0 0 物理链路层仿真平台”，用于软件仿真实现第三代移动 通信中各种关键技术，并基于该系统下的仿真结果进行性能分析。我主要负责调 制和接收部分( r a k e 和多用户检测) 的软件仿真功能实现。论文将主要针对移 动通信关键技术中的r a k e 接收和多用户检测作一定性能上的分析，并在最后给 出系统性能仿真结果。 论文主体将结构包括以下四部分：第二章阐述移动通信信道的特征，以及 r a k e 接收机的基本原理，第三章介绍了多用户检测技术的发展情况，第四部分 给出了r a k e 接收和多用户检测在w c d m a 仿真平台中的实现，最后部分我们在 仿真结果的基础上进行性能分析。 北京邮电大学信息工程学院 第二章无线信道特征和r a k e 接收机基本原理 第一节引言 电波的传播特性是研究任何无线通信系统首先要遇到的问题，在无线移动通 信系统中，电波传播的方式主要是直射波、折射波、散射波以及它们的合成波。 但在具体不同信道环境中，电磁波主要的传播特性是不同的。只有充分了解信道 的统计特性，才能清楚具体信道环境下的电波传播特性，从而设计出更加优化和 更加合理的通信系统。 实际上，移动信道已经成为许多理论分析和现场实测的课题，并己得出许多 有关其特性的结果。其中有些可给出精确的数学描述，另一些则给出统计模型。 然而，由于移动信道的复杂性，不可能用单一的数学模型来描述所有的移动环境。 本章的目的不在于推演繁杂的公式和讲解高深的理论，而在于给读者一个关于移 动信道清晰认识，希望对读者理解随后的r a k e 接收技术和多用户检测技术有所 帮助。 通过本章的介绍，首先对移动通信的信道特征作了简单概述，使读者对无线 信道有个感性认识，并结合无线移动通信信道的具体特征值给出了几种衰落模 型：频率选择性衰落，时间选择性衰落，快衰落，慢衰落，我们在宽带c d m a 移 动通信系统中遇到的就是频率选择性衰落信道。在本章第三节，我们通过一定理 论分析给出了一种简单的移动通信信道模型一频率选择性信道的抽头延时线模 型，为随后我们理解r a k e 接收技术的基本原理具有指导意义。 第二节移动通信信道的特征 在实际移动通信信道中主要存在以下特点： 1 多径传播 移动信道的主要特征是多径传播。传播过程中会遇到很多建筑物、树木和起 伏的地形，会引起能量的吸收和穿透以及电波的发射、散射及绕射等。在移动传 播环境中，至j 进移动天线的信号不是单一路径来的。而是许多路径来的众多反射 波的合成。由于各条传播路径上的信号幅度、时延和相位各不相同，在接收端这 些多径信号相互叠加后形成的信号电平幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰 落是有多径引起的，所以称为多径衰落。对模拟移动系统来讲，这种由于多径传 北京邮电大学信息工程学院 播引起的接收信号的幅度变换，是影响信号正确接收的重要因素。 2 时延扩展 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展，或称时延散布。当发送端发 送一个极窄的脉冲信号时，由于存在多条不同的传播路径，路径长度不一样，则 发射信号沿各个路径到达接收天线的时间就不一样，而且传播路径又随移动台的 变化而变化，因而移动台实际接收到的信号由许多不同时延的脉冲组成。各个脉 冲的可能是离散的，也可能是连成一片。这种由于多径效应引起的接收信号中脉 冲的宽度展宽现象，称为时延扩展。扩展的时间可以用第一个码元信号至最后一 个多径信号之间的时间来测量。对数字移动通信系统来说，时延扩展将引起码问 串扰，严重影响数字信号的传输质量。 显然，时延扩展与信道的电波传播环境密切相关，不同时间、地域和用户情 况的信道，其时延扩展量有着显著的差异。因此，我们有必要把时延扩展视为统 计变量，并考虑其统计参数。利用宽带伪噪声信号所测得的典型时延功率谱如图 2 - 1 所示，所谓的时延功率谱是不同时延的信号分量具有的平均功率谱所构成的 谱。 图中横坐标为时延t ( 即相对于第一径的时延差) ，纵坐标为相对功率密度。 3 图2 一l 时延功率谱 九( f ) 解释了当发射一脉冲信号对，接收端在时延f 处收到信号的平均功率。n 北京| | | | j 电大学信，下程学院 为最大多径时延差，其定义是时延曲线下降一3 0 d b 所对应的时延差。f 。为时延曲 线的数学期望。则是时延曲线的均方差。 若已知多径时延t 的分布为p ( r ) ，则有平均时延( 一阶矩) 为： = r 铲( f v f ( 2 1 ) 二阶中心矩( 方差) 为： 2 = r ( 1 - - i m ) 。p ( f ) d r ( 2 2 ) 定义多径时延扩展为，则有表达式 = r ( t - - r m ) 2 尸( r ) d r ) 巧 ( 2 3 ) 统计参量v 的物理意义在于它表征对延扩展对平均时延f 。的离散程度。 3 相关带宽 相关带宽是表征载波频率不同的信号其包络衰落的相关性。相关带宽毋决 定于多径时延的扩展v ，它反映了信道的时间散布。相关带宽的定义不是很严格 的，它决定于我们选定的相关系数的大小。当相关系数取0 5 时，相关带宽可有 如下的表达式： b ，“l ( 2 ，r a ) ( 2 - - 4 ) 相关带宽的物理意义在于：为保证信号顺利传输，信号的频谱应处在相关带宽之 内。若信号的带宽超过相关带宽，将有较大的失真，但接收端收到的信号的衰落 具有独立性，可应用分集接收技术。如果传输信号的带宽小于相关带宽，则该信 号可以无失真的传输。此时的衰落被称为非频率选择性衰落，反之，传输信号将 产生波形失真和码间串扰，此时的衰落为频率选择性衰落。例如，某小区的最大 时延n = 2 5 , u s ，则其相关带宽b = 4 0 0 k j - z ，对2 5 k h z 的a m p s 窄带信号而言， 此时的衰落为非频率选择性衰落。而对宽带近乎5 m h z 的w c d m a 信号则是频率选 择性衰落。 4 多普勒频移 当移动台在运动中通信的时候，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效 应。多普勒效应引起的附加频移称为多普勒频移( d o p p l e rs h i f t ) ，可用下式表 示： ：! c o s a ( 2 5 ) 厶= i l z o 北京邮电大学信息工程学院 式中，口是入射波与移动台运动方向的夹角：v 是移动台的运动速度；z 是波长。 上式中，与入射角无关，是正的最大值厶，称为最大多普勒频移。例如对 i m t 2 0 0 0 系统，f 在2 0 0 0 m h z 左右，在2 0 0 k m h 时，将有约3 7 0 h z 的多普勒频移。 5 相关时间 信道的相干时间r 与信道的多普勒频移兀有关，两者成反比关系： 正= 1 五 ( 2 6 ) 相关时间是多普勒频移在时延的表示，用于在时域描述信道频率扩散的时变特 性。相关时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。 第二节信道分类 如上所述，移动信道中存在两类扩展：多径效应引起的在时间上的时延扩展 和多普勒效应引起的在频率上的多普勒频展正，这实际上是移动信道的电波 传播特性在时域和频域两个方面的表现。根据数字信号的码元周期，和信号的带 宽缈与时延扩展和多普勒频展五的关系将移动通信信道分为四种类型。当多 径的时延扩展引起时间色散以及频率选择性衰落时，多普勒频展就会引起频率色 散以及时间选择性衰落。 1 平坦衰落信道 当发送信号带宽小于移动无线信道的相关带宽时，信号通过信道传输后各频 率分量的变化具有一致性，成为非频率选择性衰落，称为平坦衰落。然而，由于 多径导致信道增益的起伏，使接收信号的强度会随时间变化。经历平坦衰落的条 件可概况如下： e 形且a t 且b w且疋t(2-9) 其中，r 是相干时间。 4 慢衰落 在慢衰落信道中，信道冲激响应变化率比发送的基带信号变化率低得多，因 此可假设在一个或若干个带宽倒数间隔内，信道均为静态信道。在频域中，这意 味着信道的多普勒扩展比基带信号带宽小的多。所以信号经历慢衰落的条件是： 厶 t ( 2 一1 0 ) 不同多径参数与信号经历的衰落类型之间的关系总结如图2 - 2 所示。在目前 关于i m t - 2 0 0 0 的几种宽带c d m 系统中带宽都达到3 5 m h z ，远大于信道的相干 带宽，码片速率也能达到3 8 4 m b i t s ，所以第三代移动通信系统环境下的无线 信道属于频率选择性慢衰落信道。 喜 写 号 鼙g 蜀 t 发送符号周期 北京邮电大学信息工程学院 耋忍 带 孽恳 宽 频率选频率选 择快衰择慢衰 落落 平坦快衰平坦慢衰 落 f 落 发送基带信号带宽 图2 2 信号所经历的衰落类型，其衰减是一下参数的函数 a ) 符号周期b ) 基带信号带宽 第三节移动信道模型 前面我们也提到了移动信道的环境非常复杂，不可能用单一的数学模型来描 述所有的移动环境，所以我们首先给出了多径衰落信道的统计特征。这里我们主 要是方便后面讨论直接给出结论，详细推导过程见参考文献。本论文由于是研究 在w c d m a 系统下的r a k e 接收技术实现，因此我们这里主要考虑w c d m a 系统中的 移动信道环境一频率选择性慢衰落信道，在本节最后我们给出了频率选择性信道 的抽头延时线模型。 2 3 1 多径衰落信道的统计特征 当基站与移动台之间小存在直射信号，i 司时假设各径传播信号统计独立，信 号的入射角在t o ，2 石) 内均匀分布时，由中心极限定理，可以得此时电磁波信号的 包络r 服从r a y l e i g h 分布。其概率密度函数的表达式如下： p ( r ) 2 7 re 寺 ( o r c 。) 其中，e ( 力= 詈盯为信号包络r 的均值a 此对信道称为瑞利衰落信道。 当移动用户与基台之间存在直射信号时，此时信道衰落遵从r i c i a n 分布。 其概率密度函数由下式给出： 刖。孝e 学，。譬) ( 晒 叻 北京邮电大学信息工程学院 其中，h 为直射信号的幅度。，。( z