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论文题目：t d - s c d m a 基站增强型联合检测算法研究 专业：通信与信息系统 硕士生：姚菁野 ( 签名) 盘盔野 指导教师：王安义 ( 签名) ：丢 茏芝 摘要 目前，国内外对多用户检测技术的研究主要针对单一小区的情况。但实际的c d m a 通信系统却是由多个小区通过复用完全相同的频谱来实现的，邻小区强干扰将严重影响 系统性能。然而对于在多小区环境下的多用户检测算法的研究，目前国际上仅有少量论 文涉及，针对t d - s c d m a 系统的资料则更少。 论文针对现有联合检测技术存在的问题，重点研究了t d s c d m a 系统上行链路抑 制邻小区干扰的增强型联合检测算法。首先分析了t d - s c d m a 系统的物理层结构，并 推导了t d s c d m a 系统离散信道数学模型和数据检测结构模型，研究对比了 t d s c d m a 系统三种线形联合检测算法，并进行了仿真分析。 通过对单小区多用户检测算法在多小区环境中的局限性研究和对t d s c d m a 系统 小区之间的干扰进行分析，确定了本文的具体研究思路即结合空域滤波的联合检测算法 和基于时域扩展的联合检测算法。 在结合空域滤波的联合检测算法部分，首先分析了引入智能天线后的空时联合检测 算法性能并加以仿真分析。在此基础上研究了基于来波方向信息的增强型信道估计和相 应的联合检测算法，仿真结果验证了算法的有效性。为抑制方向性的邻小区干扰，研究 了干扰白相关矩阵的特性，并将其引入联合检测算法进行干扰的空域滤波，仿真验证了 该算法抑制邻小区干扰的有效性。同时作为该算法实现的前提，对两种干扰空间相关矩 阵的测量估计算法进行了研究对比，得出了一种性能较好、稳定性较为可靠的方法。 在基于时域扩展的联合检测算法部分，首先研究了基于时域扩展的多小区联合检测 算法，在对一种现有的上行链路检测方案分析的基础上，分别从信道估计和联合检测两 个部分对原方案进行了改进，提出了一种改进的时域扩展联合检测方案，仿真结果表明， 改进方案不仅提高了多小区环境下信道估计的准确性，而且能更有效的消除小区内部和 小区之间的干扰，进一步提高了系统的性能。 关键词：t d - s c d m a 系统；联合检测；智能天线；临小区干扰抑制 研究类型：理论研究 s u b j e c t ：r e s e a r c h o nt h ee n h a n c e dj o i n td e t e c t i o na l g o r i t h m si nn o d e b o ft i x s c d m a s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：y a oj i n g y e i n s t r u c t o r ：w a n ga n y i a b s t r a c t n o w a d a y s ，m o s td o m e s t i c a n df o r e i g ni n s t i t u t es t u d yo nm u do n l yd i s c u s st h em a ia n d i s ii nt h es i n g l ec e l l ，a n dg a i n e dg r e a ta c h i e v e m e n t h o w e v e rt h e r eo n l yh a sf e wp a p e r ss t u d y o nm u di nc e l l u i s rm o b i l er a d i os y s t e ma n dl e s so nt d - s c d m a f o c u so nt h ep r o b l e me x s i t i n g , t h ep a p e rp u tt h ee m p h a s e so nu p - l i n ke n h a n c e dj o i n t d e t e c t i o no f t d - s c d m a t h ep a p e rd e r i v a t et h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fd i s c r e t ec h a n n e la n d d a t ed e t t e c t i o l lc o m 聊e dt h et h r e el i n e r j o i n td e t e c t i o n , a n ds i m u l a t i o na n a l y s i si sd o n e t h r o u g ht h es t u d yo nt h ec o n v e n t i o n a lj o i n t d e t e c t i o ni nm u l t ic e l l sa n da n a l y s i s i n t e r f e r e n c es u c ha si n t e rc e l li n t e r f e 咖c oo ft d - s c d m as y s t e m , w ed e t e r m i n e dt h em a i n c o n t e n to f t h et h e s i s i nt h ep a r to fc o m b i n i n gs p a t i a lf i l t e rj o i n td e t e c t i o na l g o r i t h m s ，t h ep a p e ra n a l y s i st h e a p p r o a c hw h i c hc o m b i n e sj o i md e t c c t i 伽a n ds p a t i a lf i l t e r , a n ds i m u l a t i o na n a l y s i si sd o n e b a s eo nt h ea n a l y s i s , p a p e rs t u d y0 1 1t h ee n h a n c e dc h a n n e le s t i m a t ew h i c hb a s eo nt h ed o a o ft h ec h a n n e la n da c c o r d i n g l yj o i n td e t e c t i o n , s i m u l a t i o na n a l y s i si sd o n et o o i no r d e rt o e l i m 妣t h ei n t e rc e l li n t e l f e r e n c 它，t h ep a p e ra n a l y s i st h ea u t o c o r r e l a t i o nm a t r i xo f i n t e r f e r e n c e ，a n du s ei ti nt h ej o i n td e t e c t i o n , a tt h es a m et i m e ，w es t u d yo nt h em e t h o dt h a t h o wt oe s t i m a t et h es p a t i a la u t o c o n e l a t i o nm a t r i xo fi n t e r f e r e n c e ，a n dg a i na b e t t e rm e t h o d w h i c hc 孤b ea p p l i e dw i t hh i g hp e r f o r m a n c e i nt h ep a r to ft i m ed o m a i ne x t e n dj o i n td e t e c t i o na l g o r i t h m s , t h ep a p e ra n a l y s i st h ek i n d o f j o i n td e t o c t i o nw h i c hb a s eo nt i m ed o m a i ne x t e n d , o nt h eb a s i co fe x i s t i n gf i l e sa n a l y s i s , t h ep a p e rp r o p o s et h ei m p r o v e m e n to fc h a n n e le s t i m a t ea n dj o i n td e t e c 虹o nr e s p e c t i v e l y , s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w e dt h a tt h ei m p r o v e m e n tm e t h o da l ee f f e c t i v ef o ri n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n , e s p e c i a l l yf o r a c l e n h a n c e dt h ep 四如旺n 粕c eo f s y s t e mf 呲t h e r m o r e 。 k e y w o r d s ：t d - s c d m a j ds m a r ta n t e n n a i n t e r - c e l lu l t e t f e r e n c ec a n c e l l a t i o n 妻料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：古略绅日期：枷7 f 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名措色舌肾 指导教师签名： 炒 鹕年占月日 1 绪论 1 1 研究的背景与意义 1 绪论 1 9 8 5 年，国际电信联盟( i n j ) 成立了i t u - rt g s l 工作组，开始研究第三代移动通 信系统( 3 g ) ，当时称为未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) 。1 9 9 6 年，r r u 将3 g 由原 先的f p i m t s 正式命名为i m t - 2 0 0 0 ，同时继承并进一步加强了其研究内容。在i m t - 2 0 0 0 的标准体系中，w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - s c d m a 是最具优势的三个主流标准。 t d - s c d m a 1 h z j l 3 j ( t n n ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，时分同 步码分多址) 是由中国无线通信标准化组织( c w t s ) 制定的3 g 无线通信标准，是由我国 信息产业部电信科学技术研究院( c a t t ) 和s i e m e n s 合作开发的，是f d m a 、t d m a 和 c d m a 这三种基本传输模式的灵活结合，具有系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力 强等特点。 进入2 0 0 7 年，中国电信产业酝酿着巨大变化：“牌照未发，奥运十城市展开全面建 网”、“总投资超过2 5 0 亿元的t d s c d m a 规模招标正式启动”，这些均预示着中国3 g 局面正向明朗化发展，而t d s c d m a 这一3 g 中国标准，也将不再仅仅停留于“对技术、 标准的研究、探讨和测试”，进而转入商用化实战阶段。 多用户联合检测理论及其相关技术做为t d - s c d m a 系统一个首选的数据检测技术 在近十多年来得到了通信及信号处理领域科学家和工程师们的极大关注，也取得了大量 重要的研究成果联合检i g t 4 j ( j o i n td e t e c t i o n ，j d ) 技术是在多用户检测( m u l t i u s e r d e t e c t i o n ，m u d ) 技术基础上提出的。该技术是减弱或消除多址干扰、多径干扰和远近 效应的有效手段，能够简化功率控制，降低功率控制精度，弥补正交扩频码互相关性不 理想所带来的消极影响，从而改善系统性能、提高系统容量、增大小区覆盖范围。联合 检测( 或多用户检测) 目前仍然是移动通信研究的一大热点，而且，有关的研究工作还将 继续得到深入和扩展，并不断地进行下去。原因主要有三方面： ( 1 ) 多用户通信及多用户检测本身是通信中的一个基本问题，具有重要的理论和应 用意义，针对各种通信应用及其发展，需要对有关的理论和技术进行深入的研究； ( 2 ) 算法性能与实现代价的折衷；各种算法的复杂度及所需的先验信息是不同的， 直接影响到实现的代价和系统的性能；各种系统应用也对多用户联合检测算法提出不同 的需求和限制条件；实际应用需要给出针对系统设计需求的各种检测方案和实现算法； ( 3 ) 与其它技术的关系与结合是多用户联合检测研究和发展的重要方向，比如，与 智能天线、无线资源管理、多址接入和链路控制协议、信道编码等技术的结合，等等。 本论文针对1 1 ) _ s c d m a 标准，对其上行链路在多小区环境中的联合检测算法如何 西安科技大学硕士学位论文 i 簟三一 2 1 绪论 厶，= 且一；最小均方误差多用户检测器( m m s em u d 9m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) ，其 算子为厶。= ( 置+ 盯2 a _ 2 ) 1 。有关的算法可以进一步发展成为自适应的或盲的多用户检 测算法 非线性多用户检测器：目前所研究的非线性m u d 主要是相减式干扰抵消 ( s u b t r a c t i v ei n t e r f e r e l l o ec a n c e l l a t i o n ) m u d 。另外，以最大似然序列估计( m l s d 为准则的 最佳m u d 就是非线性的m u d ，还有一些其他方案如神经网络( n e u m l n e t w o r k ) m u d 等， 采用的也是非线性方法。相减式干扰抵消m u d 主要有下面三种类型。 串行( s u c c e s s i v e ) 干扰抵消( s i c ) ，适用于多用户不等功率时的情况。 并行( p a r a l l e l ) 干扰抵消p i cm u d ，在等功率情况下，p i cm u d 比s i cm u d 性能好， 而在不等功率的情况下，还是s i cm u d 性能好。 判决反馈( d f - d e c i s i o nf e e d b a c k ) m u d ，是一种结合线性与非线性方法的方案，首先 要进行线性变换，可以是z f 或m m s e ，然后进行判决反馈干扰抵消。 对c d m a 通信信号的处理方式也可以划分有两大类：一类是基于数据符号的连续 的流处理方式；另一类是基于数据块的不连续的分块处理方式。流处理的方式适合于对 连续信号( 如c d m a 2 0 0 0 , w c d m a - f d d 等) 的处理；而分块处理的方式适合于对时间分 块或突发信号( 如t d - s c d m a ，w c d m a - t d d 等) 的处理。从具体的处理方法而言，流 处理的方式比较容易与自适应滤波处理等方法结合，而分块处理的方式比较容易与矩阵 和迭代处理等方法结合。本文重点研究的联合检测算法就是基于数据块的不连续的分块 处理方式 1 3t d - s c d m a 系统联合检测技术研究现状 1 3 1 联合检测技术研究现状 联合检测技术是在多用户检测技术基础上提出的一种次优多用户检测技术，源于早 期用于字符问干扰( i s i ) 消除的信道均衡技术，首先由k l e i n 和b a i e r 提出用于多用户突发 传送系统中【7 l ，其核心就是利用均衡技术，将来自其他用户的i s i 也当作m a i 而一并消 除。 j u n g , 、b l a n z 、n a s s h a n 、s t e i l 、b a i e r 和k l e i n 对j d 接收机的具体实现算法和结构 进行了大量的研究嘲，分别提出了最小均方误差块线性均衡器结构( m m s e - b l e ) 和迫零 块线性均衡器( z f - b l e ) 。当利用判决反馈信息时，上述方案还可扩展为m m s e - b d f e 和z f - b d f e 早期提出的j d 技术并没有考虑多天线应用情形，e j u n g 和j b l a n z 等人将阵列天线 引入到这类联合检测器中网，提出了j d 与相干接收天线分集结合的算法与单天线的 j d 算法相比，此方法只是采用了矩阵矢量化的数据处理手段，简单地利用了天线分集 西安科技大学硕士学位论文 的功能改善j d 的性能。 随后，对于阵列天线给系统带来的好处有了进一步的研究i l 川。另外，除了己知扩频 码信息的多址干扰( m a d ，c d m a 移动通信系统还受到同频相邻小区的未知扩频码信息 干扰。联合检测技术理论上可以完全消除m a i 的影响，如何抑制相邻小区干扰成为另 一个研究方向1 0 1 4 1 i s e l 。 以上的数据检测技术是以信道已知为前提的，信道估计的准确性直接影响数据检测 的性能，因此信道估计是实现联合检测技术的一个重要部分。对于同步的时分双工 c d m a 系统，b s t e i n e r 等人提出低代价s t e i n e r 估计器信道估计方法【l l 】【l “，使得复杂的 线性卷积化成了简单的循环卷积，大大降低了计算量。和采用单天线情况相比，在达到 相同增益的情况下，阵列中的每个天线元素工作在更低的信噪比。这就意味着和单天线 情况相比，智能天线情况下得到的信道估计的性能更差。而且，干扰和噪声的存在，使 得信道响应的估计值和理想值相比，具有一定误差。因此，减小信道估计的误差，即减 弱或消除信道响应中的噪声，是迫切需要解决的闯题。 在t d s c d m a 标准被3 g p p 采纳后，国内各大学与研究机构对t d - s c d m a 系统及 联合检测技术也进行了大量研究1 3 1 1 1 4 】【1 5 1 6 1 m 。这些研究中，文献【1 3 】重点讨论线性联合 检测算法在实际系统性能，并给出了性能仿真结果。文献 1 6 1 q a 给出了一种简化计算 似”彳) 。的工程可实现方法，其方法移植到d s p 系统的测试结果表明，将接收天线从1 根增加到8 根，计算量仅增加为原来的3 2 倍。从而使得工程实现成为可能。 1 3 2 联合检测技术存在的问题 值得注意的是，上面描述的这些多用户检测方法都只是针对单一小区内部的多址干 扰而提出来的，目前，国内外对联合技术的研究主要集中于单一小区的情况，即仅仅讨 论单一小区内的m a i 和i s i ，并取得了显著的研究成果。事实上，实际的c d m a 通信系统 却不是只由一个小区组成，而是由多个小区通过复用完全相同的频谱来实现的。 对于小区制的c d m a 系统来说，用户受到的干扰来自三个方面： ( 1 ) 接收机收到的热噪声。 ( 2 ) 用户信号码间干扰( i s i ) 。 ( 3 ) 同频其它用户信号造成的干扰 同频其它用户信号造成的干扰可分为两部分：一种是小区内部干扰( m t r a e e n i n t e r f e t e n ) ，是指同小区内部其它用户信号造成的干扰，又称为多址干扰( m u l t i p l ea c 瞄 i n t e r f e r e n c e ) ，简称m a i g 另一种是小区间干扰( i n t e r c e l li n t e r f e r e n c e ) ，指的是同频临小区 信号造成的干扰，也简称a c i 也就是说，基站在解调第七个用户信号的时候，受到的同频干扰除了来自本小区内 部的用户外，还一定会受到相邻小区的用户干扰。如图1 2 所示 1 绪论 图1 2 上行链路小区间干扰示意图 因此联合检测技术在实际组网应用时会遇到以下问题： ( 1 ) 在多小区环境中，邻小区大量的强干扰将严重影响联合检测对本小区用户数据 的检测，使得系统性能恶化，现有的单小区联合检测算法对此无能为力。 ( 2 ) 邻小区大量的强干扰同样会严重影响信道估计的性能从而影响联合检测算法的 性能。 当前的联合检测对系统容量的提高是有限的，其原因就是联合检测只消除或减弱小 区内的干扰，而将小区外的干扰看成噪声。按、，i t e r b i 推得的公式，本小区干扰因子如定 为l ，区外干扰因子为二理想情况下由多用户检测带来的容量增益为口t ，若厂为0 5 5 ， 则增益容量为2 8 ，这是目前所能达到的上界。 然而对于在多小区环境下的多用户检测算法的研究，目前国际上仅有少量论文涉 及，针对1 1 ) s c d m a 系统的资料则更少，要想突破这些因素的限制进一步提高系统性能， 必须研究能抑制小区间干扰的增强型联合检测算法和与之相应的信道估计方法。 1 4 课题的主要研究内容及章节安排 针对现有联合检测技术所存在的问题，课题的工作重点放在了t d - s c d m a 系统上 行链路的相邻小区干扰抑制增强型联合检测算法研究上，内容涵盖上行链路的信道估计 和数据检测算法全文的具体章节与内容安捧如下： 第一章绪论对文章的研究背景做了介绍，说明了课题研究在实际应用中的意义， 接着对传统多用户检测算法作了简要介绍，对于t d - s c d m a 特有的数据检测技术一联 合检测算法的研究现状进行阐述，并指出了联合检测技术在实际组网应用时所遇到的问 题与局限，最后给出了文章的具体内容安捧。 第二章t d s c d m a 系统与数据检测模型。首先对1 i ) - s c d m a 系统的物理层结构 与关键技术进行简要的介绍，对其上行链路的离散数学模型进行建模，推导了联合检测 5 西安科技大擘硕士学位论文 的关键部分一系统矩阵的构成。对三种线形联合检测算法进行了研究与比较，并对实现 联合检测的前提条件信道冲击响应的估计算法进行了分析。最后在不同参数条件下对 三种联合检测算法的性能和信道估计对联合检测性能的影响进行了计算机仿真与分析。 第三章多用户检测的局限性与小区间干扰分析。首先对单小区多用户检测的局限性 进行了研究，包括对理想功率控制条件下的单小区与多小区的系统容量分析和单小区多 用户检测在多小区系统条件下的局限性分析，从而指出了在多小区环境下研究对临小区 干扰抑制的必要性第二部分主要研究在相同时隙分配时的t d - s c d m a 系统多个小区 之间的干扰特性，通过一系列的分析为进一步对小区间干扰进行抑制的联合检测算法研 究做好准备工作。 第四章结合空域滤波的增强型联合检测算法研究。重点研究和探讨结合空域滤波的 联合检测算法，即如何联合使用智能天线和联合检测算法进一步提升系统性能。首先给 出了智能天线方向信道模型，并对结合智能天线的联合检测算法结构和性能进行了理论 与仿真分析，验证了智能天线技术的引入可极大提高系统性能。接着对能进一步提高系 统性能的基于来波方向信道空间信息的联合检测算法进行了研究，并对此进行了仿真验 证。最后是本章的重点，在研究干扰信号自相关矩阵的基础上，将其引入到联合检测算 法中，通过利用方向性干扰的空间特性实现对相邻小区干扰信号的空域滤波从而提高系 统性能。而要利用这种算法的前提条件是获得干扰的空间相关矩阵，论文对两种测量估 计方法进行了对比研究，得出了一种较为适合实际应用的方式并进行了仿真验证。 第五章基于时域扩展的增强型联合检测算法研究。研究了从时域扩展的角度对临小 区强干扰进行抑制的扩展联合检测算法，分析了扩展联合检测算法的原理与模型，然后 对一种基于多小区扩展联合检测算法的上行链路检测方案进行了研究，分析了这种方案 的欠考虑之处：首先其使用的单小区信道估计算法在多小区环境下将受到临小区强干扰 的影响，从而影响该方案的整体性能，对此，研究了一种新型的多小区联合信道估计算 法，并利用此多小区联合信道估计算法对原有方案进行改进；然后针对线形扩展联合检 测算法会随系统负载的增加而产生平台效应这一缺陷，提出用混合线形与非线性方式的 联合检测算法进行了改进，最后将改进算法应用到上行链路检测方案中，进行了计算机 仿真，结果表明，改进方案比原方案有较大的性能提升 最后对本文工作进行了总结，并对下一步的研究工作进行展望。 6 2t d - s c d m a 系统与数据检测模型 2t d s c d m a 系统与数据检测模型 本章作为论文研究的基础，首先介绍了t d - s c d m a 系统的物理层结构和关键技术， 随后推导了系统的离散数学模型和数学模型1 9 1 嗍【2 1 1 的矩阵表示，接着对本文要研究的 重点一1 d s c d m a 系统的三种线性联合检测算法【1 争矧和信道估计方法【1 1 1 2 1 5 1 进行了 分析与研究，最后在2 5 节在不同参数条件下进行了三种算法性能和信道估计方法对检 测算法性能影响的仿真实验。 2 1t d - s c d m a 物理层结构与关键技术 2 1 1t d - s c d m a 技术概况与物理层综述 t d - s c d m a 系统使用t d d 双工方式、f d m a t d m a c d m a ，采用短扰码( 1 6 ) 和 短扩频因子( s f - l l o 、在信道编码和交织方面，使用和3 g p p 完全相同的技术。表2 1 t l l 描述了3 g 中三种标准技术的不同之处。 表2 13 g 中三种标准的差异性比较 同时t d s c d m a 系统使用时隙和扩频码在时间域和码域上区分不同用户信号，这 在某种意义上有些t d m a 的成分。在一个时隙的用户组内共有x 个用户，每个用户使 用不同的扩频序列。图2 1 清楚地表示了t d - s c d m a 的f d m a 仰m a ，c d m a ，s d m a 的有效结合 7 西安科技大学硕士学位论文 d 叮s u 申t s 图2 1t d - s c d m a 系统的多址、双工方式 在介绍t d - s c d m a 上行链路的信号模型之前，先简述由t d - s c d m a 物理信道帧 结构【l l 【3 】1 1 川及其主要特点，t d - s c d m a 系统物理信道的帧结构和业务时隙的突发结构可 由图2 2 、图2 3 和图2 4 表示。 一 ， r a d i on - 0 0 m o d 椰 a 阳删 图2 2 物理信道格式 涮曲噶赫t 豳十 千 千 0 i 图2 jt d - s c d m a 系统物理信道的子帧结构 图2 - 41 i m 蛇d 嘱俄系统物理信道业务时隙的突发结构 l 2t d - s c d m a 系统与数据检测模型 图2 5d w p t s 的突发结构 图2 6u p p t s 突发结构 由t d - s c d m a 相关技术规范可知，其帧长为1 0 m s ，被分为2 个5m s 的子帧，每 个子帧又被分为7 个各持续期为6 7 5 i t s 的主时隙和3 个特殊时隙：d w p t s ( 下行导引) 如图2 5 ，o p ( 保护周期) 和u p p t s ( 上行导引) 如图2 6 。 并且在t d s c d m a 系统中，所有用户的m i d a m b l e 码均由一个根据小区序号指定 的单基本m i d a m b l e 码( c e l ls p e c if i e 如g l eb a s i cm i d a m b l ec o d e ) 通过一定方式产生；特定 的产生方式可以使用快速信道估计方法，具体方法将在2 4 节阐述。 t d - s c d m a 所采用的信道化码是一种正交可变扩频因子( o v s f ) 码，这可以保证在 同一个时隙上不同扩频因子的扩频码是正交的。o v s f 码的作用是用来区分同一时隙中 的不同用户。其定义可以采用码树的方式来定义，如图2 7 所示。 信道化码的选择通过扩频系数和信道化码的序号来确定 q = 1q - 2 q = 4 图2 7o v s f 码树 在t d - s c d m a 系统中扰码用来区分基站，和信道化码一起形成扩频码，可以准确 区分u e 所处的小区和采用的信道化码在t d - s c d m a 系统中共有码长为1 6 的扰码 1 2 8 个，分为3 2 组每组4 个，扰码与基本中间码一一对应 t d s c d m a 与其它3 g 标准一样，均采用宽带c d m a 的多址接入技术，扩频调制 包括扩频和加扰两步，需要说明的是，训练序列部分是不经过扩频和加扰过程的。 对于系统中用到的s y n c - d l 、s y n c - u l 、基本中间码、扰码和码组之间的对应关 9 西安科技大学硕士学位论文 系1 研详见表2 2 。 表2 2 码序列的对应关系 c o d ew s o c b 协dc o d e s g r o u p ：s y n c 一0 l s y n c - u l s c r a m b l i n gc o d e b a s i cm i d a m b l ec o d e d i di di d g c o u p l 0 0 700 1 1 22 33 g r o u p 2 18 1 544 55 66 77 g r o u p 3 2 3 12 4 8 2 5 5 i 1 2 4 l 1 2 4 i1 2 5l 1 2 5 l 1 2 6 l 1 2 6 l 1 2 7 i 1 2 7 2 1 2t d - s c d m a 关键技术简介 t d - s c d m a 系统中特有的关键技术基本包括： ( 1 ) t d d 技术 ( 2 ) 智能天线技术 ( 3 】联合检测技术 ( 4 ) 上行同步技术 ( 5 ) 接力切换技术 ( 6 ) 无线资源管理技术 ( 7 ) t d d b 3 g 技术 对于本文的研究范围，主要是联合检测技术，智能天线技术的研究。我们将在2 3 节对联合检测算法作详细说明与比较，第4 章涉及到对结合智能天线的联合检测算法的 研究 2 2 ) s c d i m a 系统离散信道模型与矩阵表示 2 2 1t d - s c d m a 系统离散信道数学模型， 对一个离散输入输出的c d m a 系统，设系统共有k 个用户接入，当系统采用线性 调制时，某个用户所发送的信号可表示为： l o 2t d s c d m a 系统与数据检测模型 ( f ) = 砰艺管g c t 一断一1 ) q + q t c n - i q - i ( 2 1 ) m ；艺岛 r 一1 ，瓦 式中，v = q 1 ) q + q ，当v n q 时，s = o ；钟表示用户发送的数据符 号，为用户发送的符号数，q 为扩频系数，c 为码片持续时间( 瓦= 7 8 1 3 m a ) ，( r ) 为发送端码片冲激响应，毋为第k 个用户的扩频码片值。设接收端等效信道滤波器冲 激响应为( f ) ，旷( f ，f ) 为空中信道特性的冲激响应。考虑用户一个数据符号持续时间 较短，可近似将时变信道的冲激响应i i ( ( f ，r ) 在一个数据符号持续时间内看成是恒定的， 即可以用j j l 耻( f ) 代替而( t ( l r ) 基于这一假设的特性，定义等效信道冲激响应例如下： 姥= g f ( f ) 球” ) ( 力 ( 2 2 ) 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) 得各用户在接收端的等效信号表达式为： 。唧i ( f ) = 蝶。一1 ，瓦) ( 2 3 ) 如果将实际的c d m a 系统看成是一个时间受限的因果系统，则对”( f ) 在一l 皿 时刻处抽样时，可得到有限个非零样值： 屯= k “ ，一l 地) w = 1 ，2 矿( 2 4 ) 式中矽为k ( f ) 有效窗长，它表征了a ) m a 移动通信系统的信道多径时延扩展特性。 根据抽样定理，如果( f ) 的带宽不大于抽样频率l ，瓦，则( f ) 可完全由丸恢复出 来。根据式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 并利用卷积互易定理嗍，对于单个用户七来说，其接收信号的样点 值可由式( 2 5 ) 给出： ) _ 艺影 n 刊= s ，”硝”， ( 2 5 ) 式中，当w w 时，彤“。= o ；则由式c 5 ) 得到c d m a 系统离散时间传播 数学模型： rr 弓： 荟n k k n q 椰。1 l 0其他 乏2 2t d s c d m a 系统数学模型的矩阵表示 下面推导式( 2 6 ) 的矩阵和向量表达式。根据式( 2 1 ) 和式( 2 5 ) 并利用卷积互易定理有： t l 西安科技大学硕士学位论文 = 碰”管卜舻州刊 ：d? ( 2 7 ) r 、 7 = 砰c 耻o 肛。酵 令，= i - 仍- 1 坦，将式( 2 7 ) 中第二个求和号用一个统一符号舛”表示，则有： 酽k 艺管彤“，叫= 一i 。h ，( k ( 2 8 ) 9 - 1 w - i 在式( 2 8 ) 中，当， q + 形一l 时，酽= o 。将式( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) e ( k ) - - - - j n f f i l 6 耻j 删+ 1 n q + 吁1 ( 2 9 ) l 0其他 对于式( 2 9 ) ，定义如下的矩阵c 耻和向量日( c 们f f i ( c u m ) ec ( 9 “- 1 炒1 = 1 ，2 ，q + w - 1w = l ，2 ，形 ( 2 1 0 ) = 舻b 其i - 他w 批q g ， 日耻= 耐“，谬，磷) 7e ，“ ( 2 1 2 ) 则由式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 2 ) 得到第k 个用户的等效合并信道冲激响应向量6 件 护= ”= 耐n ，磷，曳w - l ”，ec ( m 1 m ( 2 1 3 ) 对于式( 2 1 1 ) 的矩阵经过( 2 1 2 ) 限制后的矩阵变为右边的矩阵： 锡椰岛哪幽邶 式( 2 1 4 ) 的矩阵代入式( 2 1 3 ) 中得 铲o 毋， ； 甾 ； 0 甾 i0 oo 0 舀” 谬 ； 嗒 ( 2 1 4 ) 彬谚；钐； 移掣；啦；留毋；搿； 2t d s c d m a 系统与数据检测模型 碍” 蟛 ； 磷 q 啊 岛 + c l 吃 c 3 啊+ 吃哇+ c a i c 口啊+ 。乒i 吃+ + * + 1 + + 白k ( 2 1 5 ) 由式( 2 1 5 ) 可以验证我们用式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 定义扩频码和信道冲激响应卷积的得到 的合并信道冲激向量6 ( 的正确性。 对于式( 2 9 ) ，定义如下矩阵和向量d ( i ) ： a = ( 4 j ) c 心“- 1 耳”f = l 2 ， ，q + 形一l 井= 1 2 ，n ( 2 1 6 ) 矿= 静k 卜姜姐椰1 叫乃 d 啪= 耐“，秽，带) 7ec “( 2 1 8 ) 则由式( 2 9 ) 、( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 得到基站接收用户七的信号向量： 酽= 4 御d 隹= 搿“，学，椎甲- i ) 7 c ( 岬州 ( 2 1 9 ) 对公式( 2 1 6 ) ，( 2 1 7 ) 迸一步描述如下： 一o = 6 f - ) 口 6 ：，d ，o 蝴。 o o o 0 ： o 舛” 蝣。 佗2 0 ) 对式( 2 2 0 ) 的矩阵进一步用图2 8 表示，图2 8 为单天线单用户下的系统矩阵，由前 面的推导知图2 8 中每列中的深色部分都是相同的，都有q + 矿一1 个元素组成，其 它元素都为0 。深色部分扩的元素即是由式( 2 - 1 5 ) 能j 每一项组成当信道冲激响应矢量 的径数多于一条时，图2 8 相邻两个符号的重叠部分即为符号间的干扰部分 1 ， o。：o眷够；够 一 ； 一 o毋攀；够o；o 带够；够o；o rillll刮l，【 驰 o；o r：嗡： 妒矽；妒；峨；一 峰二二： 鹊娼；铲矿；牲； 矽；妒；吼；一 西安科技大学硕士学位论文 令 j 霞占 l + w 一1 熟 1 f li!、圈 朋+ 彤 j 图2 8 矩阵a r k ) 的结构 再根据式( 2 6 ) ，( 2 1 9 ) ，得到基站单天线接收的总信号为： r e f ( e 1 ，吒，口讲- 1 ) r = 巧”+ n e c 心柙- 1 m k - i a = 似n ，4 i 舢，4 ( f ) ec 坳- 1 娜， d = 似，d ( 2 ) r ，d ( k ) r ) 7 c “ 则有： 根据矩阵分块定理将上式展开： f = a d + 矗 f = a d + 矗= a 0 ) 1 ) 彳( 2 ) d 2 ) ( ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 式中，露= ( 啊，吃，哆幢一i ) 7 ec ( 胁n 柚为噪声向量，a 为系统矩阵，式( 2 2 4 ) 就是 t d s c d m a 系统单天线多用户多址接入的矩阵矢量表达式。其物理意义是用户j 的数 据矢量d ( 通过合并信道冲激响应为的信道传播，到达接收机后与其他足一1 各个用 户的信号叠加，然后加上噪声矢量露，就组成了基站接收机接收到的总信号矢量f 。 接下来我们进一步推导t d s c d m a 系统阵列接收情况下的信号模型。 对于每个接收天线来说，可以得到： 一= ( 啊+ ( 2 2 5 ) 其中 u = ( 西u ，妒，p ；巩。) r ( 2 2 6 ) 1 4 q 一不表 圈豳豳圈 4 酣 2t d s c d m a 系统与数据检测模型 舻) - ( 铲，沓，甚，。) 7 ( 2 2 7 ) d = ( 砰，研”，西“，遥”，d ! 舢，d ；l “，刃，d 护，群) r ( 2 2 8 ) 我们可以把各个天线上的参量和表达式合成兄个阵元的总的表示： f = ( 一妒，f ( 2 圹，f 矿，f 局r ) r c 崛+ 甲一1 m( 2 2 9 ) 露= ( 矗( 1 ) r ，一( 2 ) r ，一乞妒，露r ) r c 毛斗甲q w( 2 - 3 0 ) a = 口1 ) r ，彳( 2 矿，a f ，a k o ) r ) ，c 毛h 矿_ 1 拜埘( 2 3 1 ) 由上述的表示，可以得到与单天线同样形式的接收信号表达式： f = a d + 一 ( 2 3 2 ) 下面给出一个更为直观的多天线k 用户t d - s c d m a 系统离散传输模型如图2 9 ： 图2 9 多天线k 用户t d - s c d m a 系统离散传输模型 永i 西安科技大学硕士学位论文 2 3t d s c d m a 系统的联合检测算法 2 3 1 缌i 生联合检测算法 线性联合检测算法包括白化匹配滤波器算法( w m f ) ，迫零算法( z v 3 ，最小均方差算 法( m m s e ) 。 ( 1 ) 白化匹配滤波器( w m r ) 法： w m f 法用公式和结构图说明如下； 乏删，= _ ”1 e = ( l - 1 棚8 l - 1 e = ( l - 1 棚l - 1 a d + ( l - 1 a ) z - 1 一 ( 2 3 3 ) 图2 1 0 白化匹配滤波器结构框图 其中矩阵足是噪声向量露的协方差矩阵，满足共轭对称且正定的条件，所以可以对 它进行c h o l e s k y 分解如下： 墨= e ( n n 8 ) = 膨 ， ( 2 3 4 ) 其中，工是一个下三角矩阵；首先考虑结构图中的第一个模块，它的协方差为； 墨f i = e ( 工- 1 一x f l 矗) ” = f 1 朋8 陋1 ) ” = j ( 2 3 5 ) 式中的j 为单位阵 可见，预先白化匹配滤波器输出