（通信与信息系统专业论文）基于tdscdma网络的doa估计及应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 t d s c d m a 网络采用了上行同步和均匀圆阵( u c a ) 智能天线等新技 术，因此服务基站可以方便的获得移动用户信号的到达时间( t o a ) 和到达 角度( d o a ) 。借助这两个参数可以实现单基站的对移动台的定位，其中对 d o a 的精确估计是该定位技术中关键环节。但是，基于均匀线阵( u l a ) 的 m u s i c 和e s p r j t 等经典的d o a 估计算法不能直接应用于u c a ，如何把这 些的经典的d o a 估计算法应用于u c a 的阵列是一个重要的研究课题。 通过对d o a 估计技术的国内外研究现状、无线定位技术及t d s c d m a 网络自身特点的分析研究，本文将基于子空间的d o a 估计算法及其应用作 为主要研究课题。为了精确估计出用户信号的d o a ，本文首先深入研究了两 类基于子空间的算法堋7 s i c 和e s p r i t 算法，并提出了改进的意见。 m u s i c 算法不能分辨高度相关多径信号的d o a ，u l a 通过对阵列的空间平 滑实现对信号的解相关，但空间平滑技术不适用于u c a 。为此，本文通过预 处理技术把u c a 转换成虚拟均匀线阵，提出了模式空间的空间平滑算法来 对信号解相关；为了解决噪声造成的信号子空间的扰动问题，应用了两种总 体最小二乘e s p r j t 算法( t l s e s p r i t ) ；为把e s p r i t 算法应用于u c a ， 还引入了模式空间的e s p r i t 算法；通过建立恰当的数学模型，对上述各算 法在u 】二a 和u c a 上的性能进行了详细的仿真和对比分析。最后，在上述研 究的基础上，本文提出了将所研究的d o a 估计算法应用于t d s c d m a 的单 基站定位方案。通过建立合适的信道模型，对该方案的定位性能进行了详细 的m a t l a b 仿真，仿真结果验证了方案的可行性。 关键词：t d s c d m a ；到达角度；均匀圆阵；m u s i c ；e s p r i t 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s tr a c t t d s c d m an e t w o r ka d o p t st h en e wt e c h n i q u e so fu p l i n ks y n c h r o n i z a t i o n a n du n i f o r mc i r c u l a ra r r a y ( u c a ) s m a r ta n t e m l a ，s ot h es e r v i n gb a s es t a t i o nc a n o b t a i nt h et i m eo fa r r i v a l ( t o a ) a n dd i r e c t i o n o f - a r r i v a l ( d o a ) o fm o b i l e u s e r s s i g n a l sc o n v e n i e n t l y b a s e do nt h o s ep a r a m e t e r sw ec a l lo b t a i nt h em o b i l e u s e t s p o s i t i o nb yo n l yo n eb a s es t a t i o n a n dt h ep r e c i s ed o a e s t i m a t i o ni st h e c r u c i a lt e c h n i q u e h o w e v e r , t h o s ec l a s s i c a ld o ae s t i m a t i o na l g o r i t h m sb a s e do n u n i f o r ml i n e a ra r r a yc o l a ) ，s u c ha sm u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h m ( m u s i c ) a n de s t i m a t i o n o fs i g n a lp a r a m e t e r sv i ar o t a t i o n a li n v a r i a n c e t e c h n i q u ea l g o r i t h m ( e s p r i t ) c a n tb eu s e di nu c ad i r e c t l y , h o wt oa p p l yt h e s e c l a s s i c a la l g o r i t h m st ou c ai sai m p o r t a n tr e s e a r c hi t e n l b a s e do nt h ea n a l y s i st or e s e a r c hs t a t u so fd o ae s t i m a t i o nt e c h n i q u e s w i r e l e s sl o c a t i o nt e c h n i q u e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et d - s c d m an e t w o r k s u b s p a c e - b a s e dd o ae s t i m a t i o na n di t sa p p l i c a t i o na r cd e t e r m i n e dt ob et h em a i n r e s e a r c hi t e r ni nt 1 1 i st h e s i s i no r d e rt oe s t i m a t et h eu s e r s s i g n a ld o a p r e c i s e l y , f i r s t l yt h i st h e s i sp a y sm o r ea t t e n t i o n t ot h er e s e a r c ho ft w ok i n d s o f s u b s p a c e b a s e da l g o r i t h m sk n o w na sm u s i ca n de s p r i t ，b e s i d e s s e v e r a l i m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n st ot h e s ea l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d a sm u s i ca l g o r i t h m c a n t d i s t i n g u i s h t h ed o ao f h i g h l y c o r r e l a t e d m u l t i p a t hs i g n a l s ，s p a t i a l s m o o t h i n gi s u s e dt od e c o r r e l a t et h es i g n a l si nt h eu l a b u tt h es p a t i a l s m o o t h i n gt e c h n i q u e sd o n tf i tt h eu c a i no r d e rt oa p p l ys p a t i a ls m o o t h i n g t e c h n i q u e st ou c 4 。腑c o n v e r tt h ea r r a ym a n i f o l df r o mu c a t ov i r t u a l 删b y p r e t r e a t m e n tt e c h n i q u e s a n dp r o p o s et h em o d e s p a c es sm u s l ca l g o r i t h m w h i c hc a nd e - c o r r e l a t et h ec o r r e l a t e ds i g n a l si nu c a f o rs o l v i n gt h ef l u c t u a t i o n o fs i g n a ls u b s p a c ec a u s e db yn o i s e t w ok i n d so ft l s - e s p r i ta r ep r o p o s e d i n o r d e rt oa p p l yt h o s ee s p r i ta l g o r i t h m st ou c a t h em o d e - s p a c ea l g o r i t h m so f u c aa r ci n t r o d u c e d b a s e do np r o p e rm a t h e m a t i cm o d e l t h ep e r f o r m a n c eo f t h o s ea l g o r i t h m si ss i m u l a t e da n dc o m p a r e di nd e t a i l f i n a l l y , b a s e do na b o v e r e s e a r c h t h ep r o j e c to fa p p l y i n gt h ed o ae s t i m a t i o nt ot d - s c d m al o c a t i o n s y s t e m si sp r o p o s e d b a s e do ut h ef o u n d a t i o no fp r o p e rc h a n n e lm o d e l 。t h e l o c a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ep r o j e c ti ss i m u l a t e db ym a t l a bi nd e t a i l 。a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h ea p p l i c a b i l i t yo f t h ep r o j e c t k e y w o r d s ：t d s c d m a ；d o a ；u c a ：m u s i c ；e s p r i t 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 传统的无线定位技术( r a d i ol o c a t i o n ) 研究具有相当长的时间，可以追 溯到上个世纪的六十年代的自动车辆定位系统，到了八十年代中期，随着蜂 窝组网技术的完善和大容量系统的出现，蜂窝移动通信进入了快速的发展阶 段，移动用户大量的增加，从而使移动定位服务的重要性逐渐凸现出来。为 此，美国联邦通信委员会( f c c ) 于1 9 9 6 年公布了e 9 1 1 ( e m e r g e n c y c a l l 9 1 1 ) 定位需求【l 】，要求在2 0 0 1 年l o 月1 日前，各种无线蜂窝网络必须能对发出 e 9 1 1 紧急呼叫的移动台提供精度在1 2 5 m 内的定位服务，而且满足此定位精 度的时间概率应不低于6 7 ；在2 0 0 1 年以后，系统必须提供更高的定位精 度及三维位置信息。1 9 9 9 年1 2 月，f c c9 9 2 4 5 对e 9 1 1 需求进一步细化， 对网络设备和手机生产厂商、网络运营商等对定位技术在网络设备和手机中 的实施和支持提出了明确要求和日程安排【2 】。在定位精度要求方面规定：基 于蜂窝网络的定位方案( 不改动终端) ，要求在6 7 的概率下定位精度不低 于1 5 0 m ，9 5 的概率下定位精度不低于3 0 0 m ；基于移动台的定位方案( 可 以改动移动台) ，要求在6 7 的概率下定位精度不低于5 0 m ，9 5 的概率下定 位精度不低于1 5 0 m ，用来为呼叫者提供即时求援，这就是蜂窝移动通信系 统位置服务的开始。美国f c c 的这一规定明确了提供e 9 1 1 定位服务将是今 后各种蜂窝网络，特别是3 g 网络必备的基本功能。此外，欧洲和日本也在 计划作相应的要求。预计在不久的将来，我国也将出台类似的强制规定以满 足特殊情况下紧急事件处理的需要。由于政府的强制性要求和市场本身的驱 动，大大推动了通信网络无线定位技术的发展【3 】1 1 0 1 。 t d s c d m a 第三代移动通信标准是信息产业部电信科学技术研究院( 现 大唐移动通信设备有限公司) 在国家主管部门的支持下，根据多年的研究而 提出的具有一定特色的3 g 通信标准。t d s c d m a 标准公开之后，在国际上 引起强烈的反响，得到西门予等许多著名公司的重视和支持。1 9 9 9 年1 1 月 在芬兰赫尔辛基召开的国际电信联盟会议上，t d s c d m a 被列入i t u 建议 i t u rm 1 4 5 7 ，成为1 1 u 认可的第三代移动通信r t t 主流技术之一。2 0 0 0 年5 月世界无线电行政大会正式接纳t d s c d m a 为第三代移动通信国际标 准。从而使t d s c d m a 与欧洲、日本提出的w c d m a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 并列为三大主流标准之一。这是百年来中国电信史上的重大突破，标志着我 国在移动通信技术方面进入世界先进行列。 移动定位业务被全球的许多移动运营商和咨询机构视为是下一代移动 网络的杀手锏应用。3 g 时代的到来将会为这一“钱景看好”的无线增值业务提 供一个更加宽阔的发挥舞台。随着中国3 g 标准t d s c d m a 即将投入商用， 与其相关的定位业务有着广阔应用前景和巨大的市场潜力，本课题即是在此 背景下选择基于t d s c d m a 网络的无线定位技术作为研究方向。我们知道， t d s c d m a 网络采用了上行同步和智能天线等新技术，利用这些新技术可以 估计出移动台到达基站得的t o a 和d o a ，利用这两个参数我们就可以利用 单个服务基站对移动台进行高效的定位，也就是我们后面要研究的圆角定位 技术。在此技术中，d o a 对定位的精度有很大的影响。因此，对d o a 的估 计是一个重要的研究方向。 1 2d o a 估计的研究历史与现状 d o a 估计是空间谱估计的一个重要的应用，其主要目的是获取信源的位 置，也是通信、雷达、声纳等领域的重要任务之一。d o a 估计离不开对空域 阵列信号的处理，对空域阵列信号的处理技术的研究只有几十年的时间，但 是在理论上取得了丰硕的成果。 最初，人们是按照波束形成的技术思想展开对d o a 估计的研究的。早 在1 9 6 5 年，b a r t l e t t 基于波束形成思想提出了d o a 估计方法。1 9 6 8 年， s c h w e p p e 首先探讨了极大似然估计法m l m ，但是最著名的还是后来 c a p o n 提出的高精度的最小方差法( m v m ) i l l , 1 2 ，因为该方法对于高斯分 布的随机信源的估计可达到c r a m e r - r a o 界。1 9 7 3 年，p i s a r e n k o 开创了高 精度特征结构法d 3 ，同时也为d o a 估计问题指明了研究方向。后来产生两 种最具影响的算法是：1 9 7 9 年s c h m i d t 的m u s i c 算法【1 4 ，1 5 1 ( 多重信号分类 法) 和1 9 8 5 年p a u l r a j ，r o y & k a i l a t h 的e s p r i t 算法【1 6 川( 借助旋转不变 技术参数估计法) 。特征结构法不但计算简单，而且其分辨率有可能达到瑞利 极限。在此之后，人们以m u s i c 和e s p i u t 为基础，提出了许多算法，如 特征向量法、最小范数法【1 8 1 、r o o t - m u s i c t l 9 1 、t l s e s p r i t 2 0 】等。在移动 通信环境中，由于反射物( 如建筑物、山谷、车辆等) 的影响，会引起多径传 播，从而导致相干源的存在。1 9 8 5 年t j s h a h 提出了空间平滑( s p a t i a l s m o o t h i n g ) 技术【2 l i ，它已成为一种传统的相干源d o a 估计技术被广泛采用， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 但它属于降维处理技术，是以牺牲有效阵列孔径来实现信号源去相干的。第 二类为时间平滑方法【2 2 2 4 】，时问平滑方法是最近提出的一种十分有效解决多 径问题的新方法。 最近十多年谱估计朝着误差估计与稳健算法的方向发展，其中利用信号 时域信息提高阵列性能的研究成为热点。主要体现在以下几个方面：基于高 阶统计量和循环平稳特性的阵列处理：利用多普勒信息提高阵列信号处理的 性能等。主要方法有：c h m g 和n i k i a s 的论文四阶累积量e s p r i t 方法【2 5 】； g a r d n e r 提出的c y c l i c - m u s i c 2 6 1 ；p o r a t 和f d c d l a n d e r 的类m u s i c 方法 【2 刀；x u & k a i l a t h 的谱相关子空间拟合( s c s s f ) 方法 2 8 1 ，该方法适用于窄带 和宽带信号方向估计；g i a n n a k i s 提出了高阶循环累积量方法【2 9 j ，不仅适合 宽带而且可以处理相干信号，同时文中给出了高阶循环累积量的阵列孔径扩 展方法等，这些研究提出很多高分辨率的d o a 估计方法。 同时一些著名的机构和大学也对阵列天线和阵列信号的处理进行了深 入的实用性研究。美国a r r a y c o m m 公司和中国邮电电信科学研究院信威公 司研制出应用于无线本地环路( w l l ) 智能天线系统。a r r a y c o m m 产品采用可 变阵元配置，有1 2 元和4 元环形自适应阵列可供不同环境选用。在日本进 行的现场实验表明，在p h s 基站采用该技术可以使系统容量提高四倍。信 威公司智能天线采用八阵元环形自适应阵列，射频工作于1 7 8 5 m h z 至 1 8 0 5 m h z ，采用t d d 双工方式，收发间隔1 0 m s ，接收机灵敏度最大可提 高9 d b 。在国内一些大学和研究结构，如清华大学、西安交大、中国科技大 学、西安电子科技大学、北方交通大学、北京邮电大学、西南交通大学、电 信科学技术研究院等相继开展了智能天线的理论研究。一些大的电信设备生 产企业如大唐电信、华为、中兴科技等也投入了很多的人力物力进行研发： 国家“八六三”、国家自然科学基金、博士点基金等也相应支持有关单位进行 理论与技术平台的研究。 从检索到的这些国内外最新研究资料和实际应用情况来看，对d o a 估 计算法的理论研究和应用已经取得了很大的成就。e 9 1 1 定位需求出台后， 基于t o a 和t d o a 等定位技术受到了很大的关注，并取得了很大的成果； 但是对基于d o a 的定位的研究成果和应用并不多，这是因为，对d o a 的精 确估计需要自适应的阵列天线，但是像g s m 、c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 等网 络均没有采用智能天线技术，无法精确获取d o a 。即将商用的t d s c d m a 网络采用的是8 阵元的u c a 智能天线，本文选择基于t d s c d m a 网络的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 d o a 估计及其应用作为研究课题，具有一定的现实意义。 1 3 本论文的主要研究内容 国产的1 1 ) s c d m a 网络是一个上行同步系统，而且采用了8 阵元的 u c a 智能天线，可以采用基于t o a d o a 参数的实现高效的单个服务基站完 成定位。因此，本文研究的主要内容是d o a 估计的子空间算法研究和基于 d o a 的定位技术的研究：从理论上推导了相关的d o a 估计的子空间算法一 - - m u s i c 和e s p r i t 算法；介绍了t d s c d m a 系统与定位相关的技术，最 后对其进行了计算机仿真和性能分析等。具体安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了本课题的相关研究背景以及d o a 估计国内 外的研究现状。 第二章主要介绍了和t d s c d m a 网络定位相关的知识，主要包括 t d s c d m a 系统的帧结构、上行同步和智能天线等技术，还介绍了在蜂窝网 络中常用的基于d o a 定位方法以及定位误差的评价办法。这些理论知识为 后续章节对d o a 估计算法和单基站定位技术的研究打下了基础。 第三章介绍了高分辨率的d o a 估计子空间算法m u s i c 算法。首先 以均匀线阵( u l a ) 为模型推导了基本的m u s i c 算法，随后对阵列进行空 间平滑对多径信号解相关，使它能对相关多径信号的d o a 进行分辨；接着， 本文将基于u l a 的m u s i c 算法推广至u c a ，提出了基于模式平滑的m u s i c 算法，最后本文对上述算法做了计算机仿真和性能分析。 第四章研究了另外一种d o a 估计的子空间算法e s p r i t 算法，首先 以u l a 为模型推导了基本的e s p r i t 算法，然后提出了两种改进的e s p r i t 算法一基于平移的t l s e s p r i t 算法和基于奇异值分解的t l s e s p r i t 算 法；为把e s p r i t 算法应用于u c a 阵列，引入了模式空间的e s p r i t 算法； 最后对上述算法在u i a 和u c a 中的性能进行了仿真分析和比较。 第五章研究了可以在t d s c d m a 网络中实用的圆角定位技术，借助服 务基站的t o a 和d o a 参数可以实现单个基站完成对移动台的定位。本章通 过建立恰当的信道模型，把前面章节所研究的d o a 估计算法得到的d o a 的 值用于圆角定位方法中，仿真结果验证了该定位方案的可行性，同时也验证 了本文前面所研究的d o a 估计的算法的性能。 第六章为全文总结，对本文的研究成果进行了概括和总结，并指出了今 后的研究方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章t d - s c d m a 系统及无线定位技术简介 t d s c d m a 第三代移动通信标准是信息产业部电信科学技术研究院( 现 大唐移动通信设备有限公司) 在国家主管部门的支持下，根据多年的研究而 提出的具有一定特色的3 g 通信标准【3 7 1 。t d - s c d m a 与欧洲、日本提出的 w c d m a 、美国提出的e d m a 2 0 0 0 并列为三大主流标准之一，是中国百年通 信史上第一个具有完全自主知识产权的国际通信标准，在我国通信发展史上 具有里程碑的意义并将产生深远影响，是整个中国通信业的重大突破。 t d s c d m a 做为蜂窝网络的一种，常用的蜂窝网的定位技术同样也适用 于它。但是，由于t d s c d m a 网络采用了智能天线和上行同步等技术，使 得它可以采用其他网络所不同的定位方法。利用智能天线可以很方便的获得 移动台的d o a ，基于d o a 的定位方法都可以应用于t d s c d m a 网络；而 其特殊的时隙结构和上行同步技术又使获得t o a 参数变得相对容易，从而 可以利用d o a 和t o a 参数可以高效的实现单个基站对移动台的定位。 本章对t d s c d m a 网络及这些具有特色的技术做了简单的介绍，然后 介绍了常用的蜂窝网的基于d o a 的定位方法，为后续章节的深入研究打下 了理论基础。 2 1t d - s c d m a 系统简介 t d s c d m a 系统全面满足i m p 2 0 0 0 的基本要求【3 0 】7 】。采用不需配对 频率的t d d ( 时分双工) 工作方式，以及f d m a d a c d i m a 相结合的多 址接入方式。同时使用1 2 8 m s 的低码片速率，扩频带宽为1 6 m h z 。 t d s c d m a 系统还采用了智能天线、联合检测、同步c d m a 、接力切 换及自适应功率控制等诸多先进技术，与其它3 g 系统相比具有较为明显的 优势，d o a 和t o a 这些定位参数的获得是和t d s c d m a 系统紧密相关的， 所以对t d s c d m a 系统有一个初步的了解是必需的。本文限于篇幅，只介 绍了和定位相关的技术帧结构、训练序列、上行同步和智能天线等。 2 1 1 帧结构 t d s c d m a 系统的物理信道【3 0 】【3 7 1 采用四层结构：系统帧号、无线帧、 子帧和时隙码。时隙用于在时域和码域上区分不同用户信号，具有t d m a 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的特性。因此，物理信道是由频率、时隙、信道码和无线帧分配来定义的。 t d s c d m a 系统帧结构的设计考虑到对智能天线、上行同步等新技术的 支持。一个t d m a 帧长为1 0 m s ，分成两个5 m s 子帧。这两个子帧的结构完 全相同。 1 2 8 m e p s d w p t s ( 9 6 e h i p s ) ”r ，7 转换点 阂十i 十l 十 j 图2 1t d - s c d m a 子帧结构 如图2 1 所示，每一子帧分成长度为6 7 5 u s 的7 个常规时隙和3 个特殊 时隙。这三个特殊时隙分别为d w p t s ( 下行导频时隙) 、g ( 保护时隙) 和 u p p t s ( 上行导频时隙) 。在7 个常规时隙中，t s 0 总是分配给下行链路，而 t s l 总是分配给上行链路。上行时隙和下行时隙之间由转换点分开，在 t d s c d m a 系统中，每个5 m s 的子帧有两个转换点( u l 到d l ，和d l 到 u l ) 。通过灵活的配置上下行时隙的个数，使t d s c d m a 适用于上下行对 称及非对称的业务模式。 下行导频时隙( d w p t s ) ：每个子帧中的d w p t s 是作为下行导频和同步而 设计的。该时隙是由长为6 4 c h i p s 的s y n cd l 序列和3 2 c h i p s 的保护间隔组 成，其结构如图2 - 2 所示。 rr l ig p ( 3 2 曲s )s y n c - d “c h i p s ) l 图2 - 2 ：d w p t s 的突发结构 s y n cd l 是一组p n 码，用于区分相邻小区，系统中定义了3 2 个码组， 每组对应一个s y n c d l 序列，s y n c - d lp n 码集在蜂窝网络中可以复用。 有关码组的内容在后文介绍。d w p t s 的发射，要满足覆盖整个区域的要求， 因此不采用智能天线赋形。将d w p t s 放在单独的时隙，一个是便于下行同 步的迅速获取，再者，也可以减小对其他下行信号的干扰。 上行导频时隙( u p p t s ) ：每个子帧中的u p p t s 是为建立上行同步而设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 的，当u e 处于空中登记和随机接入状态时，它将首先发射u p p t s ，当得到 网络的应答后，发送r a c h 。这个时隙由长为1 2 8 c h i p s 的s y n c _ u l 序列和 3 2 c h i p s 的保护间隔组成，其结构如图2 - 3 所示。 图2 - 3 ：u p p t s 的突发结构 s y n cu l 是一组p n 码，用于在接入过程中区分不同的u e 。 保护时隙( g p ) ：即在n o d eb 侧，由发射向接收转换的保护间隔，时长为 7 5 u s ( 9 6 c h i p s ) ，可用于确定基本的小区覆盖半径为l l 公里。同时，较大的保 护时隙，可以防止上下行信号互相之间干扰，还可以允许终端在发出上行同 步信号时进行一些时间提前。 2 1 2 突发和训练序列 t d s c d m a 采用的突发格式如图2 - 4 所示，突发由两个长度分别为 3 5 2 c h i p s 的数据块、一个长为1 4 4 c h i p s 的m i d a r n b l e 和一个长为1 6 c h i p s 的保 护间隔组成。数据块的总长度为7 0 4 c h i p s ，所包含的符号数与扩频因子有关。 突发的数据部分由信道码和扰码共同扩频。信道码是一个o v s f 码，扩 频因子可以取l ，2 ，4 ，8 或1 6 ，物理信道的数据速率取决于使用的o v s f 码所采用的扩频因子，一个符号包含的码片数称为扩频因子( s f ) 。即将每一 个数据符号转换成一些码片，因而增加了信号带宽。 l 黼3 5 2c 符号h i p s i 1 1 v 4 4 i d a c h r d 嗨o l e i 黼3 5 2 符号c h i p s i 蚕i li 1 4 4 c h i p s ii 茹j 图2 _ 4突发结构 ( g p 表示保护问隔，c p 表示码片长度) 突发结构中的训练序列( m i d a m b l e 码) 【3 0 】【3 4 1 ，用于进行信道估计、测 量，如上行同步的保持以及功率测量等。在同一小区内，同一时隙内的不同 用户所采用的m i d a m b l e 码由一个基本的m i d a m b l e 码经循环移位后而产生。 t d s c d m a 系统中，基本m i d a m b l e 码长度为1 2 8 c h i p s ，个数为1 2 8 个， 分成3 2 组，每组4 个。本论文下面的仿真，所使用的数据信号均是使用第一 个基本m i a d a b l e 码经循环移位后产生的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 m i d a m b l e 的生成过程参考文献 3 0 】和附录1 。 2 1 3 上行同步 在c d m a 移动通信系统中，下行链路总是同步的。所以一般所说同步 c d m a 都是指上行同步【3 0 】 3 7 1 ，即要求来自不同距离的不同用户终端的上 行信号能同步到达基站。特别是对t d d 的系统，上行同步能够给系统带来 很大的好处。由于移动通信系统是工作在具有严重干扰、多径传播和多普勒 效应的实际环境中，要实现理想的同步是几乎不可能的。但是让每个上行信 号的主径达到同步，对改善系统性能、简化基站接收机的设计都有明显的好 处。另外，需要指出的是，我们这里讨论的同步是指的空中接口的同步，并 不包括网络之间的同步。 1 ) 上行同步的建立1 3 0 】 在u e 开机之后，它首先必须与小区建立下行同步，然后才能够开始建 立上行同步。 在用户终端随机接入时，虽然可以接收到基站的d w p t s 信号，但是并 不知道与n o d eb 的距离，导致l i e 的上行发射不能同步到达n o d eb 。因此， 为了减小对常规时隙的干扰，上行信道的首次发送在u p p t s 这个特殊时隙进 行。s y n cu l 突发的发射时刻可通过对接收到的d w p t s 和或p c c p c h 的 功率估计来确定。n o d eb 通过在搜索窗内检测到的s y n cu l 序列，可估计 出接收功率和时间。然后n o d eb 向u e 发送反馈信息，给出l i e 下次发射的功 率以及时间调整值，以便建立上行同步。正常情况下，n o d e b 将在收到 s y n c u l 后的4 个子帧内对l i e 做出应答。如果l i e 在4 个子帧内没有收到 来自n o d eb 的应答，则认为同步请求发送失败。u e 将会随机延迟一段时间， 然后开始尝试同步发送。 上行同步通常用于系统的随机接入过程，当系统失去上行同步后，重新 建立同步的过程也要经过上述步骤。 2 ) 上行同步的保持【3 0 】 因为l i e 是移动的，它到n o d eb 的距离总是在变化的。所以在整个通信 过程中，n o d eb 必须不问断地检测其上行帧中m i d a m b l e 码的到达时刻，并 对u e 的发射时刻进行闭环控制，以保持可靠地同步。 上行同步的具体过程为：n o d eb 可以在同一个时隙通过测量每个l i e 的 m i d a m b l e 码来估计l y e 的发射功率和发射时间偏移，然后在下一个可用的下 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 行时隙中发射同步偏移( s s ) 命令和功率控制( p c ) 命令，以使u e 可以根据这些 命令分别适当调整它的a 时间和功率。从而保证了上行同步的稳定性，可以 在一个t d d 子帧检查一次上行同步。上行同步的调整步长是可配置和再设 置的，取值范围为1 8 l c h i p 。上行同步的更新有三种可能情况：增加一个 步长，减少一个步长，不变。 对于每个用户，s s 信息在每5 m s 子帧里发送一次，s s 用于命令终端每m 帧进行一次时序调整，调整步长为( 8 ) t c ，其中乃为码片周期，m 值和k 值 由网络设置，并在小区中进行广播。上行突发中没有s s 信息，但是s s 位置 予以保留，以备将来使用。 3 ) 同步精度的要求 如前所述，在t d s c d m a 系统中，同步调整的步长约为码片宽度的i 8 ， 即大约1 0 0n s 。在实际系统中所要求和可能达到的精度则将由基带信号的处 理能力和检测能力来确定，一般可能在1 8 至1 个码片的宽度。因为同步检 测和控制是每个子帧( 5m s ) 一次，一般来说，在此时间内u e 的移动范围 不会超过十几厘米，因而，这个同步精度已经足够，并不会限制和影响u e 的高速移动。 2 1 4 智能天线 智能天线【3 8 】使用一列低增益天线阵元，连接合并在网络上而组成的天线 阵，在通信过程中动态调整各个天线单元激励信号的相位和幅度，形成在空 间针对用户的波束，此波束会随用户移动而移动，始终跟随用户。由于这种 天线阵能根据通信需要形成所需的波束，且波束能自动跟踪用户和调节强弱， 所以称之为智能天线。智能天线具有如下优势： 对不同用户分别波束赋型，实现空分复用( s d m a ) ；波束赋型有效降低 小区间和小区内的干扰；通过波束赋型，集中能量，有效提高信号强度6 8 d b ；根据用户的来波方向，能提供方便经济的用户定位。 一般来说，构成阵列的阵列可按任意方式排列；但通常这些相似的共极 化、低增益阵元是按直线等距( u l a ) 、圆周等距( u c a ) 或平面等距排列的，并 且取向相同。由于t d s c d m a 系统采用的智能天线是8 - 阵元的均匀圆阵智 能天线，所以本文主要是研究基于u c a 的d o a 估计，但是涉及到的一些经 典的d o a 估计算法是基于均匀线阵的，所以本文先是研究基于u l a 的d o a 估计算法，然后把这些算法推广至u c a 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 为简化天线阵列的分析，我们作如下假设： 1 ) 阵元都是全向阵元，增益均相等，阵元间距足够小，不同阵元接收到 的信号幅值相同，且阵元间没有互耦合； 2 ) 阵元接受信号时会产生噪声，假设其噪声为加性高斯白噪声，不同阵 元噪声均为平稳随机过程，且相互独立； 3 ) 所有入射场都可以分解为一系列离散的平面波，即信号的数目有限； 4 ) 入射到阵列上的信号为窄带信号( 带宽小于载频) 入射至阵列的用户 信号与阵元噪声相互独立。 2 2 常用的基于d o a 的定位方法 蜂窝中有很多常用的定位法【2 】【3 】，像基于场强的定位法，基于t o a t d o a 的定位法，本文主要研究d o a 的估计，所以对于基于d o a 的定位法给予了 特别的研究。以下是几种常用的基于d o a 的定位法。 2 2 1t 0 k d o a 定位法 圆角定位法是利用t o a 和d q a 两个参数的一种定位方法，利用这种方 法可以实现利用单个基站进行定位。在t d s c d m a 网络中，采取了上行同 步技术，服务基站可以较准确的估计出移动台到达的t o a ，根据t o a 的值 可以计算出移动台与基站之间的距离，可以得到移动台处于以基站为圆心、 r 为半径的圆周上。再利用智能天线测量出移动台信号到达基站的波达角口， 则可以得到一条直线。求解圆与直线之间的交点就可以确定出移动台的位置 坐标，其几何解释如图2 5 所示。 图2 - 5 圆角定位示意图图2 - 6 双曲直线定位法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 该方法求解公式推导如下，设移动台坐标为( x ，y ) ，基站坐标为( x l ， y j ) ，移动台与基站之间距离为r ，夹角为0 。可以得到方程 r a c e ) 2 嚣( 2 1 ) 并一五( 2 1 ) 再二丁瓦弓了= ， 求解方程组( 2 1 ) 可以得 一，岳磊 y 2 y l ， ( 2 2 ) 求解结果( 2 2 ) 式存在模糊，可以根据服务小区或小区扇区信息去掉模糊解， 该方法的优点是只需要一个基站参与定位。t d s c d m a 网络采用上行同步技 术，是一种同步蜂窝通信系统，而且还采用先进的8 阵元均匀圆阵智能天线， 利用单个服务基站即可实现高效的移动台定位，但同时存在角度误差对定位 结果精度影响较大的问题。 2 2 2t d o a d o a 定位法 t d o a d o a 定位方法是通过测量移动台到两个基站之间的距离差，可以 得到移动台位于以两个基站为焦点的双曲线上，根据r 的正负可以确定移动 台在双曲线组的哪一支曲线上，再测量入射角度得到一条直线。通过确定交 点位置可以得到移动台位置坐标，其几何解释如图2 - 6 所示。 设移动台坐标( x y ) ，基站坐标( x i ，y i ) i = l ，2 ，距离差r 2 1 ，入射角度0 。 得到如下方程 t a n ( d 2 嚣x x ( 2 - 2 3 ) 一。( ) 瓜i f 而一厄i 再而= b 方程( 2 3 ) 求解也需要线性化处理，最少只需要2 个基站就可以完成定位计 算。当仅有两个基站参与定位时可以通过合理设定坐标系简化定位计算，也 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 就是简化方程( 2 3 ) 的求解。 图厶7 双曲线直线定位坐标系建立 图2 - 8 双曲线直线定位坐标系建立 若按图2 7 建立坐标系，则( 2 3 ) 式可以简化为 t a i l ( 鲈考( 2 _ 4 )工2 _ 4j ( 石一x 2 ) 2 + ( y - y 2 ) 2 一x 2 + y 2 = r 2 l 由方程( 2 - 4 ) 可以较为方便的解出移动台坐标为 y = 习蠢岽2 案2 东2 丽 若按图2 - 8 建立坐标系，定位结果计算可以进一步简化为 ) ，：7 ；笔兰丑一协( 力 。2 r 2 1 1 + t a n 2 ( 日) + 2 y 2r e ( o ) 2 2 3d o a 定位法 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 通过测量移动台发射信号到达基站的角度，可以确定移动台处于以通过 基站与法线之间夹角为0 的直线上。再寻找一条这样直线则可以确定移动台 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 处于两条直线交点的位置。 图2 - 9 所示为基于方位角定位方法的几何解释。 i i 图2 9a o a 定位不惹图 设移动台坐标( x ，y ) ，基站坐标( x i ，y i ) i _ 1 5 ， 角为院，i = 1 , 2 。则可以得到方程。 只：t a n 掣) ( f = 1 ，2 ) 求解方程( 2 7 ) 可得 阱日 移动台与基站之间夹 ula r c t a n ) 而一y l1 日2 【a r c t a n ( 谚j 三一戋j i以) 矗一nl ( 2 7 ) ( 2 8 ) 该方法也被称为基于d o a 定位方法，信号入射角度的获取可以采用空 间谱估计的方法，如多重信号分类法【1 4 1 ”l ( m u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i c a t i o n ， m u s i c ) ，旋转不变技术估计信号参数【1 6 】【1 7 】( e s t i m a t i n gs i g n a lp a r a m e t e r sv i a r o t a t i o n a li n v a r i a n c et e c h n i q u e s ，e s p r i t ) 等方法。但是要测量信号到达角度 接收需要使用阵列天线，同时由于通信链路上存在遮挡物，很难有直达波信 号到达，因此电波入射角度存在一定偏差，导致测量出的角度存在较大误差， 故此方法很少单独使用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 定位误差产生原因与定位精度评价指标 2 3 1 无线定位的误差产生的原因及解决方法 造成无线定位系统估测误差的解决主要原因是无线电波的多径传播、非 视距( n l o s , n o nl i n e