（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统中单载波均衡的研究和实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 - 一i 摘要 t d - s c d m a 是我国独立提出的国际三大3 g 标准之一。自从被国际电信联盟确认 以来，t d - s c d m a 标准不断得到改进和发展。随着智能终端的快速发展，人们对电信 业务的需求已经不再是简单的语音通信。对包括多媒体在内的数据业务的需求与日俱 增。t d s c d m a 在r 5 和r 6 版本中分别引入了h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e t a c c e s s ) 和h s u p a ( h i g hs p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s ) 。经过几年的发展，在l t e 尚未 大规模建设的情况下，h s p a 成为了极富竞争力的标准技术。 本文首先简单介绍了无线信道的特点，以及一些联合检测和信道估计的算法。在 此基础之上，本文研究了单载波均衡系统和频域均衡d s c d m a 系统，在这两个系统 的仿真过程中采用了8 0 2 1 6 推荐的帧结构和无线信道。接收端收到系统的信号以后， 利用本地的u w ( u n i q u ew o r d ) 和帧结构中的u w 进行信道估计，进而得到频域均衡系 数。通过对这两个系统中均衡前后信号的分析以及链路仿真的结果来看，线性频域均 衡可以有效对抗无限信道对信号带来的影响。 本文还在t s 2 5 2 2 2 和t s 2 5 2 2 3 标准的基础上，搭建了t d s c d m ah s d p a 链路 级仿真平台。本文假设发送端和接收端信号是同步的，结合t d s c d m a 系统的特点， 选择t d - s c d m a 帧结构中的中缀码来做信道估计。频域均衡算法和前面两个系统中采 用的算法一致。通过链路级系统的仿真，验证系统性能的提升。 此外，针对工程应用的需要，本论文中还研究了t d s c d m a 线性频域均衡的工程 实现方法。在完成仿真以后，根据定点算法进行d s p 实现，测试d s p 运行的结果，并 于与m a t l a b 浮点仿真的结果进行比对。结果表明，无论是从系统性能的提升还是实 现的复杂度来讲，均可以满足实际系统的需求。 关键词：信道估计；s c f d e ；t d s c d m a ；h s d p a ；d s p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t d s c d m as t a n d a r di so n eo ft h r e ei n t e r n a t i o n a l3 gs t a n d a r d s w h i c hi sr a i s e db yc h i n a i n d e p e n d e n t l y s i n c et h es t a n d a r dh a sb e e na c c e p t e db yt h ei 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 n u n i o n ( 1 1 u ) ，i th a sg o tc o n t i n u o u si m p r o v e m e n ta n dd e v e l o p m e n ts of a r w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fs m a r tt e r m i n a l s ，t h ed e m a n df o rt e l e c o m m u n i c a t i o n ss e r v i c ei sn ol o n g c rt h e s i m p l ev o i c ec o m m u n i c a t i o n ，b u tt h ei n c r e a s i n gd e m a n df o rh i g hr a t ed a t as e r v i c e s h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) a n dh s u p a ( h i g hs p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s ) w e r ei n t r o d u c e dt ot d s c d m ai nr 5a n dr 6v e r s i o n s a f t e rs e v e r a ly e a r s d e v e l o p m e n t a l t h o u g hl 陋i ss t i l l n o ti n l a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o n ；h s p ah a sb e c o m et h eh i g h l y c o m p e t i t i v et e c h n o l o g y st h e s i sf i r s tb r i e f l yd e s c r i b e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc h a n n e l a sw c l la ss o m e t e c h n i q u e ss u c ha sj o i n td e t e c t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o n b a s e do nt h ea l g o r i t h m s ，r e s e a r c h w a sc o n d u c t e do nt h es i n g l ec a r r i e re q u a l i z a t i o ns y s t e ma n dd s - c d m aw i t l lf r e q u e n c y d o m a i ne q u a l i z a t i o n f r a m es t r u c t u r ea n dt h ew i r e l e s sc h a r m e la r er e c o m m e n d e db yt h e s t a n d a r d8 0 2 16w e r ea p p l i e di nt h es i m u l a t i o n o n c et h es i g n a lh a sb c c nr e c e i v e d t h el o c a l 。u w ( u n i q u ew b r d ) a n du w i nt h ef l a m es t r u c t u r ew e r eu t i l i z e df o rc h a n n e le s t i m a t i o n ，a n d t h e nt h e f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o nc o e f f i c i e n t c a l lb cd e t e r m i n e d b yt h e s et w o s y s t e m s b e f o r ea n da f t e re q u a l i z a t i o ns i g n a la n a l y s i sa n dt h er e s u l to fs i m u l a t i o n , t h e l i n e a r 仃e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o ni sp r e t t ye f f e c t i v et oa g a i n s tt h ei m p a c to ft h e w i r e l e s sc h a n n e ls i g n a l i n t h et h e s i s 。t h et d s c d m ah s d p as i m u l a t i o np l a t f o r mi sc o n s t r u c t e db a s e do n t s 2 5 2 2 2a n dt s 2 5 2 2 3d o c u m e n t s n l ep l a t f o r ma s s u m e ss i g n a l sa res y n c h r o n i z e d ， c o m b i n e d 、 ，i mt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et d s c d m as y s t e m ，t h em i d a m b l ec o d ei nt h e t d s c d m af r a m es t r u c t u r ew a su s e df o rc h a n n e le s t i m a t i o n t h ea l g o r i t h mu s e di nt h e i j r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o ni s a c c o r d a n c e 、析mt h ea l g o r i t h m sf o r t h e p r e v i o u st w o s y s t e m s b yt h es i m u l a t i o n ，i m p r o v e m e n to fs y s t e mp e r f o r m a n c ec a nb ev e r i f i e d b e s i d e st h em a t e r i a l sm e n t i o n e da b o v e ，t h i st h e s i sd i ds o m er e s e a r c ho nt h e p r a c t i c a l i m p l e m e n t a t i o no fl i n e a r 矗e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o no ft h et d s c d m at om e e tt h e d e m a n d so fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s a f t e rt h es i m u l a t i o n ，d s pi m p l e m e n t a t i o nw a s i m p l e m e n t e da c c o r d i n gt ot h ef i x e d p o i n ta l g o r i t h m ，a n dt h er e s u l t so ft h ed s po p e r a t i o n w a se x a m i n e d ，t h e nc o m p a r i s o nb e t w e e n 脚l a b f l o a t i n g - p o i n ts i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h e d s p o p e r a t i o n r e s u l t sa r e p e r f o r m e d a c c o r d i n g t o c o m p a r i s o n ，t h ep r a c t i c a l i m p l e m e n t a t i o no fl i n e a rf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o no ft h e1 d s c d m am e e t st h e r e q u i r e m e n t so fp r a c t i c a ls y s t e mr e g a r d l e s st h ec o m p l e x i t yo ft h es y s t e mr e a l i z a t i o na n d i m p r o v e m e n to fi t sp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：c h a n n e le s t i m a t i o n ；s c f d e ；t d s c d m a ；h s d p a ；d s p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 移动通信发展史 第1 章绪论 早在1 8 9 7 年，古列尔莫马可尼在英吉利海峡第一次证明了无线电可以提供连续的 消息传输，在此以后的1 0 0 多年里，移动通信技术得到了极大的发展。新的无线通信 方式和服务被人类广泛应用于生活的各个领域中。在过去的十年时间里，不管是无线 通信技术还是与之相关的芯片、电路、射频等理论制造技术都取得了突破性的进展。 新一代大规模集成电路等新技术极大地促进了移动通信的发展，使得移动设备体积小 巧，价格低廉，功能更加可靠。数字交换技术使得大规模移动通信网络更加可靠和稳 定。在未来的十年中，无线通信将会继续以更快的速度向前发展【1 1 。 2 0 世纪5 0 年代和2 0 世纪6 0 年代，人们提出了自动信道中继技术并且在i m t s ( i m p r o v e dm o b i l et e l e p h o n es e r v i c e ) 中使用了这一技术。然而，i m t s 很快就达到了 饱和状态i z j 。就在这时，以a t & tb e l l 实验室和一些其他的通信公司在理论上提出了一 种新的通信系统，这就是后来被人们所熟知的蜂窝无线网络电话技术。但一直到2 0 世 纪7 0 年代才出现了能够实现的蜂窝无线通信技术。蜂窝的概念就是将覆盖区域划分成 若干个小的单元，相邻两个单元的使用不同的频域，从而提高频带利用率。这样，有 限的资源得到了有效的复用，从而为移动通信大规模的使用提供了可能【3 1 。 2 0 世纪7 0 年代末，出现的微处理器技术。这项技术的出现是电子电气工程迎来了 快速的发展。蜂窝系统复杂度和服务能力的提高正是得益于微处理器的发展。1 9 7 9 年， 日本电话电报公司( n t t ) 部署了世界上第一个蜂窝移动通信系统，1 9 8 3 年，a m e r i t e c h 公司在美国伊利诺伊州的芝加哥部署了美国第一个蜂窝电话系统a m p s ，欧洲全接入 系统( e t a c s ) 也于1 9 8 5 年部署完成1 4 】。 2 0 世纪9 0 年代，第二代数字移动通信系统相继推出，1 9 9 0 年，g s m 首次在9 0 0 m 频段上用于欧洲的蜂窝电话服纠5 1 。基于码分多址( c d m a ) 的蜂窝系统也由q u a l c o m m 开发，并由电信工业协会( t i a ) 标准化为i s 9 5 。 1 2 移动通信发展现状 2 0 世纪9 0 年代以来，蜂窝移动通信迎来了飞速发展的时期，第二代移动通信系统 遍布全球，最具代表性的当属i s - 9 5 c d m a 和g s m 系统，但是这两个系统都有一定的 局限，特别是由于这两种系统之间无法实现跨系统漫游。这两个系统都是以窄带技术 为核心的，它们除了无法难满足人类全球通信的需求之外，也远远无法满足人类对高 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 速数据业务的需求。 第三代移动通信系统( 3 g ) ，也称为i m t - 2 0 0 0 ，于1 9 8 5 年由国际电信联盟( i t u ) 提出，当时被称为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) 。3 g 技术标准化工作的主要 目标是制定一个通用的网络架构来支持现有和将来的服务。按照当时的设想，第三代 移动通信系统应该具有以下几个特点【6 】l 。7 】 ( 1 ) 可在全球范围内使用，各个系统具有高度的互通性，可与固定网络系统互联， 接口类型尽可能少，具有高度的兼容性，能提供全球无缝漫游。 ( 2 ) 能够提供多种业务，特别是能够支持包括因特网和视频会议、高速视频通信 和非对称数据传输在内的分组和电路交换业务。 ( 3 ) 用户使用一个号码即可实现高容量、高保密和高质量的服务。 目前，全球主流的3 g 标准有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a ，其中w c d m a 是由欧洲和日本提出的，c d m a 2 0 0 0 是由美国为代表的北美提出的，而t d s c d m a 是 我国独立提出的。由于w c d m a 技术是由g s m 升级而来，因此g s m 的运营商大部分 会采用w c d m a 作为其3 g 标准，使用美国c d m a o n e 的美国韩国运营商则遵循i s 9 5 升级到c d m a 2 0 0 0 ，国际电信联盟( i t u ) 分别为3 g 的f d d 和t d d 划分了独立的频 段。相比较w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a 独自享有i t u 为t d d 模式所分配 的频段，并且在智能天线和无线频谱资源利用率上的有自己独特技术优势。 1 - 3 第三代移动通信技术简介 1 3 1 三大主流技术的比较 ( 1 ) w c d m a 技术 w c d m a ( w i d e b a n dc d m a ，宽带码分多址) 是由g s m 系统发展而来的3 g 标准， 其主要的支持者是以g s m 系统为主的欧洲厂商，包括欧美的e r i c s s o n 、n o k i a 、l u c e n t 以及日本的n t t 、f u j i t s u 、s h a r p 等。正是由于w c d m a 是在g s m 的系统上发展而 来，因此原本g s m 的运营商可以非常方便快捷的过度到w c d m a 。因此对整个亚洲 来说，w c d m a 的运营也具有相当大的市场优势。 从技术上来讲，w c d m a 系统采用了宽带c d m a 技术，上下行快速功控，下行发 射分集，不同载频间的切换，反向采用导频辅助的相干检测，基站之间可以异步操作。 ( 2 ) c d m a 2 0 0 0 c d m a 2 0 0 0 是在i s 9 5 系统基础上由美国q u a l c o m m 为主导，m o t o r o l a ，l u c e n t 和韩国s a m s u n g 参与提出的。c d m a 2 0 0 0 是三个3 g 标准中技术成熟最早的。它最大 限度得考虑了与i s 9 5 的向后兼容性。它提供反向导频信道，使得反向解调成为可能， 前向链路采用发射分集提高信道的抗干扰能力，业务信道采用了t u r b o 编码，进入了 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 快速寻呼信道，增加移动台的待机时间。 ( 3 ) t d s c d m a t d - s c d m a ( 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 ) 标准采用了智能天线、同步 c d m a 、软件无线电、联合检测和接力切换等国际先进技术，虽然t d s c d m a 起步较 晚，与另外两个标准相比优势不大，但由于今年中国移动通信市场异常活跃，潜力巨 大，因此世界各大设备终端厂商对此标准都很重视。w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 都属于 f d d 模式，属于t d d 模式的t d s c d m a 不需要成对的频率，频率利用率高，适应于 上下不对称业务传输，特别适合口数据业务，与其他标准相比较，成本较低。 表l - l i 。7 j 对w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三种主流标准技术进行了比较。 其中t i ) 一s c d m a 使用了智能天线、联合检测等技术，所以在容量和抗干扰性方面有自 己突出的优势。 表1 1 三种主流3 g 通信系统标准主要技术性能 w c d m ac d m l a 2 0 0 0t d - s c d m a 载码间隔 5 m h z1 2 5 m h z 1 6 m h z 码片速率 3 8 4 m c h i p s s1 2 8 m c h i p s s1 2 8 m c h i p s s 帧长 1 0 m s2 0 m s 1 0 m s ( 分成两个子帧) 基站同步不需要需要需要 快速功控：反向：8 0 0 h z ，前向： 功率控制o 2 0 0 i - l z 上、下行1 5 0 0 h z慢速快速功控 下行发射分集支持支持支持 频率间切换支持，可用压缩模式测量支持支持，可用压缩模式测量 检测方式相干解调相干解调联合检测 信道估计 公共导频 前向、反向导频 d w p c h 、u p p c h 、中缀码 编码方式卷积码、t u r b o 码卷积码、t u r b o 码卷积码、t u r b o 码 智能天线不支持不支持支持 1 3 2t d s c d m a 系统的关键技术 t d s c d m a 系统的关键技术主要体现在基带，例如动态信道分配技术、智能天线、 联合检测、同步、接力切换、功率控制、软件无线电、信道估计与补偿技术等。这里 简要介绍几种关键的技术。 ( 1 ) 动态信道分配 动态信道分配( d c a ，d y n a r m cc h a n n e la s s i g n m e n t ) 的引入是基于t d s c d m a ， 采用了多种多址接入方式，c d m a 、t d m a 、f d m a 以及空分多址( s d m a ， s p a c e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 智能天线的效果。w c d m a 中没有采用t d s c d m a 系统中 这么多多址方式，并且其扩频增益也比较大，因此不需要动态信道分配来提高系统链 路质量。动态信道分配的原理是当同一个小区或者相邻小区用户之间发生干扰时，可 以将其中一方移至干扰小的其他无线单元( 不同载波或者不同时隙) ，达到减少相百干 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 扰的目的。动态信道分配包括两方面的内容，分别是快速动态信道分配和慢速动态信 道分配。动态信道分配可以使信道重用距离变小，减小信道之间的多址干扰，这样， 有限的无线资源可以得到有效的应用，进而提高系统容量，以满足包括多媒体在内的 不对称业务的需求需求。 ( 2 ) 智能天线 任何一种无线通信系统都有三种方式来提高频带利用率的，分别是频分复用、时 分复用和空分复用。t d s c d m a 系统采用智能天线( s a ，s m a r t a n t e n n a ) 就是来解决 无线资源中的空分复用问题。具体来说，智能天线采取的是空分多址技术( s c d m a ) ， 它主要是利用无线信号的接受过程中，把信号根据频率、传输方向、时隙、码道等这 些特性来进行区分处理，使得无线信道资源的利用最大化，提高系统容量。 ( 3 ) 联合检测技术 t d s c d m a 采用码分多址技术，它具有抗干扰能力强，系统容量大，保密性高等 特性，从工程的角度来讲，一般而言扩频码都不是严格正交的，因此多个用户之间的 信号干扰必然存在，我们称之为多址干扰( m a i ，m u l t i p l e a d d r e s si n t e r f e r e n c e ) 。整个 系统的容量除了要受限于多址干扰的存在，还要受到“远近效应 的影响。 联合检测( j d ，j o i n td e t e c t i o n ) 技术是在多用户检测( m u d ，m u l t i u s e rd e t e c t i o n ) 技术基础上提出来的。联合检测充分利用m a i ，把所有用户信号当作有用信号来看待， 而不像传统的c d m a 系统，是把m a i 当作热噪声一样的干扰，联合检测可以有效提 升系统容量，降低用户设备( u e ) 发射功率，克服“远近效应 等。但是联合检测技 术也有自己的不足，比如由于算法对噪声有扩散作用，对白噪声抵抗性较弱，抗多址 能力不强，在训练码较短的情况下干扰较大。 ( 4 ) 上行同步技术 在3 g p p 中，w c d m a 和t d s c d m a 都采用时分复用方式进行无线传输，但二者 在同步方式上采取了不同的实现形式，t d s c d m a 采用了上行同步技术。具体来说， 基站利用终端发出的同步信号来判断信号的子帧位置，使得信号完全同步，使得扩频 码在解扩时最大可能的正交，减小非同步发送码字与码道不正交带来的非正交化信号 干扰，使得系统的频谱利用率和容量得到提高。 ( 5 ) 接力切换 接力切换是t d s c d m a 系统中的核心技术之一，通过t d s c d m a 系统中的同步 技术和智能天线技术，确定u e 的位置和运动的方向，通过这些辅助的信息可以判断 u e 是否进入切换区域的边缘。一旦u e 移动到切换小区，基站便可以得到r n g 发送 的关于切换准备的指令，可以达到有效快捷切换的目的嘲。接力切换是介于软切换和硬 切换的一种新型的切换方式，它克服了软切换浪费资源的缺点【纠。接力切换除了具有软 切换的功能之外，而且可以在两个不同载频的基站之间进行切换，甚至可以实现在不 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 同系统基站之间进行切换，整个切换过程总均不会丢失数据信息。 2 0 0 6 年1 月2 0 日，t d - s c d m a 正式被信息产业部确定为为中国3 g 通信行业标 准，2 0 0 7 年3 月2 0 日，国内各大设备商都受到了中国移动的t d s c d m a 的招标书， 开始在十个城市试点网络建设，标志着t d s c d m a 正式进入商用阶段。与w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统相比，t d - s c d m a 发展起步较晚。随着市场对高速数据服务需求 的日益增长，3 g p p 在r e l e a s e5 和r e l e a s e6 版本中进入了增强型技术：高速下行分组 接入( h s d p a ：h i 曲s p e e dd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术和高速上行分组接入 ( h s u ，a ：h i g hs p e e dd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 。无论是单载波的h s d p a 还是多载波 的h s d p a ，在原理上都是相同的。2 0 0 5 年l o 月，大唐移动t d s c d m a 系统率先实 现了h s d p a 。在市场对高速数据服务需求日益增高，中国还为完全普及3 g 服务的情 况下，对单载波均衡( s c - f d e ) 技术的研究，以及将其运用于h s d p a ，对中国来说 有着巨大的理论和实际意义。 1 3 3 单载波均衡技术简介及研究现状分析 对于移动通信系统，随着数据传输速率的提高，无线信道的多径效应会变得非常 明显，从而造成严重的码间干扰，严重影响系统传输性能。克服码间干扰的技术也主 要集中在频域时域的均衡技术、联合检测、o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 等技术。 从现有的传输技术来看，单载波技术无论从研究上还是应用上都已经非常成熟。 人们对于单载波均衡系统的研究最早是在时域进行的，但是考虑到时域均衡系统的复 杂性，人们开始把目光投向频域，并且取得了很大的成绩。单载波技术最早是在2 0 世 纪7 0 ，8 0 年代提出来的l lo 】i 】，但受制于当时的时频转换运算和数字技术的发展，一直 到9 0 年代后期，人们才把更多的目光投向了数字频域均衡。1 9 9 4 年前后，s a d 等人在 文献【1 2 j i l 3 】【1 4 】中指出，当采用循环前缀和f f t 处理后，单载波均衡( s c f d e ) 系统可 以得到和o f d m 系统相当的系统性能，其复杂度也与o f d m 系统相当。但是单载波均 衡系统的信号峰均比远低于o f d m 系统，同时单载波均衡系统对定时的偏差以及频偏 较o f d m 不敏感。国内对于单载波均衡系统的研究主要是做一些性能方面的分析和一 些系统设计过程中出现的问题提出解决的方案。将单载波均衡系统和编码相结合提高 系统的抗干扰能力【1 5 】，利用m i m o 技术来提高系统的性能【1 6 1 7 】也是国内研究的方向之 一。2 0 0 3 年，s c f d e 、o f d m 和o f d m a 三种物理传输方案被写进了8 0 2 1 6 a 协议。 从此，国内外对于s c f d e 的研究越来越多。文献【1 8 19 】也对单载波系统的结构和性能 进行了研究，提出在帧结构中加入特殊码字( u w ：u n i q u ew o r d ) 进行信道估计。【2 0 1 1 2 1 1 1 2 1 三篇文献都对均衡算法进行了研究，并提出了三种反馈算法分别是基于混合域判决反 馈、噪声预测域判决反馈和块迭代域判决反馈。来自日本的a d a c h i 教授和他的团队在 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 i i i i _ l d s c d m a 系统中使用单载波均衡技术提出了多种解决方案。在文献i 列中，作者采用 t u r b o 编译码的d s - c d m a 系统与m c c d m a 、o f d m 以及高阶调制做了分析和比较。 经过研究发现了结合多天线分级的均衡技术在单载波多载波系统中的仿真性能 【2 4 】【2 5 】【2 6 1 。在文献 z r j + ，在d s c d m a 系统中使用了c h i p 交织，发现其有效的提高了系 统性能，并且在采用t u r b o 编码和天线分集的单载波系统中中也有良好的表现。出此 以外， 献1 2 5 1 2 9 1 3 0 】【3 l 】中，深入研究了o v e r l a pf d e 技术和干扰消除技术，得到了相应 的方针结果，再次证明在不加入循环前缀的基础上也能很好的提高系统的性能。a d a c h i 教授对均衡性能有关键性影响的信道估计技术也做了很多研究，提出了基于s n r 估计 的m m s e 频域信道估计技术、检测反馈信道估计技术等【3 2 】【3 3 】【3 4 1 。 目前国内外对f d e 技术应用于t d s c d m a 系统当中的也有一些研究【3 l 3 2 】【3 5 1 ，对 t d s c d m a 信号检测技术主要集中在联合检测技术和单用户检测【3 6 1 。 本文中t d s c d m ah s d p a 系统中使用了单载波均衡技术( s c f d e ) ，对已有的 线性均衡技术进行升入的研究，并结合t d s c d m ah s d p a 架构在不改变t d s c d m a 系统帧结构和系统空口的情况下进行系统分析和仿真。并运用d s p 芯片实现了线性均 衡器。 1 4 本文主要研究内容和章节安排 1 - 4 - 1 论文的主要研究内容 ( 1 ) 本文以m a t l a b 为仿真软件，在协议标准的基础上，搭建t d s c d m a 链路级 仿真平台，包括信道编码、调制、扩频加扰等处理模块，信道采用i m t - 2 0 0 0 协议推荐 信道，在接受端出了与发送端相反的处理模块以外还添加了频域均衡模块，增强系统 性能。 ( 2 ) 本文介绍了单载波技术及频域均衡d s c d m a 系统，对均衡器算法展开了的介绍 和分析。通过仿真得到频域均衡d s c d m a 系统的性能。 ( 3 ) 本文在t d s c d m a 系统的接收端采用了常用的几种线性均衡，并通过链路级系 统仿真，分析系统的性能。 ( 4 ) 本文最重要的工作是在刑s 3 2 0 c 6 4 x + t md s p 芯片上实现t d s c d m a 系统的频 域均衡，并且将d s p 芯片运算的结果和m a t l a b 仿真进行比对。 1 4 2 论文的章节安排 本文的内容安排如下： 第一章主要介绍了通信发展史以及论文的研究背景和发展现状，给出了本文需要 研究的出发点和目标。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 _ _ 1 i i i i _ - 第二章简单介绍了联合检测的基本原理和算法，同时对影响检测性能的信道估计 也做了一些介绍。 第三章详细介绍了d s c d m a 均衡的相关内容，包括单载波技术和均衡技术。在 简单介绍单载波系统结构和均衡器分类及其算法后，对单载波均衡系统和d s - c d m a 均衡系统进行了性能仿真。 在第四章中，详细介绍了t d s c d m ah s d p a 系统，包括信道编码、调制、扩频 加扰等过程，在信道估计方面，利用t d s c d m a 协议中规定的中缀码进行，在接收端 采用了均衡系统之后进行与发送端相反的操作过程。 文章的第五章分别对基于t d s c d m ah s d p a 系统的均衡系统进行了仿真和d s p 实现。通过对d s p 结果和m a t l a b 仿真结果的比较，验证系统在性能提升方面的可 行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章联合检测与信道估计 与其他的移动通信系统一样，c d m a 系统也要遇到多径衰落、多普勒频移等诸多 问题，多径效应带来的信道干扰严重影响着信号的传输质量。因此必须采取有效的技 术措施来弥补或者减少多径效应对其带来的影响。在第二代c d m a 系统中，接收机通 常把多址干扰( m a i ，m u l t i p l ea d d r e s si n t e r f e r e n c e ) 当作噪声来处理，而在第三代通 信系统( 3 g ) 中，系统可以通过所有和m a i 相关的先验信息将用户信息分离出来，消 除多址干扰和码间干扰，系统容量得到极大的提升。通过二些理论分析，该检测也可 以很大程度上消除远近效应。 目前而言，复杂度较低的联合检测算法主要有以下几种：迫零线性均衡( z f b l e ， z e r of o r c i n gb l o c kl i n e a re q u a l i z a t i o n ) 和最小均方误差线性均衡( m m s e b l e ， m i n i m u mm e a ns q u a r eb l o c kl i n e a re q u a l i z a t i o n ) 。 对于联合检测算法的实现，信道估计直接影响到联合检测算法的的准确性。从某 种角度上来说信道估计的好坏直接影响这系统的性能和容量。在t d s c d m a 系统中， 帧结构中的中缀码( m c ，m i d a m b l ec o d e ) 可以用来实现信道估计。 2 1 无线信道特性分析 2 1 1 大尺度衰落 无线信道的衰落作用使得发送端的数据在经过无线信道以后功率变小。发送端和 接收端之间的距离以及他们之间任何障碍物都能造成信号功率的衰减。无线信道的衰 减作用主要体现在以下几点： ( 1 ) 路径损耗：当发射机与接收机在距离较大的范围内移动变化时，接受到信号 的功率与传输距离的，次方成反比。刀为路径损耗指数，由传输的环境所决定，比如在 自由空间电传播时，刀的取值为2 。 ( 2 ) 阴影衰落：阴影衰落主要是由发射机和接收机之间的地形轮廓所造成的，他 们之间的任何障碍物都会对信号产生反射和折射作用，从而降低接收端信号的平均功 率，阴影衰落的统计特性通常符合对数正态分布【3 7 1 。 路径损耗和阴影衰落在一起反应了无线信道在长距离移动传输造成的信号平均功 率减小，这种衰落随着信号的传输距离的增大而缓慢变化，因此也称之为慢衰落。 2 1 2 小尺度衰落和多径效应 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 小尺度衰落是指无线电信号在较短的时间和空间上传播后，信号的幅度、相位、 频率会引起快速的变化，以至于大尺度衰落可以忽略不计。它主要是由于同信号在 传输过程中沿着多条路径传输，以微小的时间差造成信号之间的相互干扰。 ( 1 ) 多普勒频移 如图2 1 所示：移动台在端点为x 和】，长度为d 的路径上移动，速度为1 ， 图2 1 多普勒效应示意图 移动台收到来自s 发来的的信号，移动台在x 和y 两个端点受到无线电波的路径 差为，= d c o s o = v a t c o s o ，移动台从x 到】，所用的时间为a t 。由于移动距离远，x 和】，两点出的夹角秒相同，所以接受信号的相位差为 矽= 掣= 竽c o sp(2-1) 由此可以得到多普勒频移为： 乃= 石1 警= 署c 础 ( 2 2 ) 从式( 2 2 ) 中可以看出，速度对于多普勒频移的影响最为明显，移动速度与无线电 波入射角的夹角也会影响多普勒频移。 ( 2 ) 多径信道的冲击响应 在多径信道模型的基础上，通过考虑信道响应的时变性，无线信道可以表示为 卫 ( f ，f ) = a , ( t ) e x p ( j o ，( t ) ) f ( r 一0 ( f ) ) ( 2 3 ) 式( 2 - 3 ) 中，q ( f ) 、谚( ，) 和0 ( r ) 均为随机参数，分表表示为第i 条路径的复衰减因 子、相移和时延，n 为总的路径数。h b ( t ，f ) 随时间变化的特性如图2 - 2 所示。 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 图2 - 2 信道时变线性冲突响应模型 假设发射信号为x o ) ，则接收到的信号可以表示成： y ( t ) = ( f ，f ) 木x ( f ) + n ( t ) = 卜( t - f 溉( f ，f ) 出+ 刀( f ) n = q o ) e x p ( 口( f ) ) 万( f 一0 ( f ) ) + 刀( f ) r ( t i ) ) ( 2 - 4 ) 频域冲击响应可以表示成： h b ( t ，w ) = f h b ( t ，f ) 】= h ( t - f ) e x p ( - j & , - r ) d f ( 2 5 ) 2 2 联合检测 2 2 1 联合检测系统模型 这里先给出一个简单的一般信道模型，以便于理解一个有k 个用户的多址接入系 统的连续时间传递模型，如图2 3 所示： s 1 ( ，) s ( f ) s 量( ，) 图2 - 3 多址接入系统连续时间传递模型 p ( ，) 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 对于用户k 而言，接收机收到总的信号为p ( ，) ，可以表示为公式( 2 6 ) ： 足 p ( f ) = p 七( f ) + 刀( f ) k = l ( 2 6 ) 在式( 2 - 6 ) 中，力( f ) 表示高斯白噪声，k 发送的信号通过空1 2 1 到达接收机的信号可用 下式来表示： 在式( 2 7 ) 中，s 七( f ) 表示用户k 发出的信号，f m 戤表示由于多径效应造成的最大 延时，i z 七( f ，f ) 表示空间信道特性。在c d m a 系统中，e k ) 可以表示为： n q 哆似) - 以 勺似锟1 ) q - l 叼 n = l 宁= l = n w 喘州一h ( k h ( k ， q 。8 = 以似嘴州q w + 。w “剖 在式( 2 8 ) 中，用户发送的数据符号用以表示，用户发送的符号数用n 表示，码 片值为q ，q 为扩频增益。式( 2 8 ) 也可以表示成矩阵爿和向量d 的形式如下： p = a d + ，z( 2 9 ) 式( 2 9 ) 以矩阵和向量的形式表达了t d s c d m a 系统多址接入。联合检测就是 把用户发送的数据d 利用式( 2 9 ) 中的4 和e 估计出来。4 是由k 个用户的扩频序 列和信道的冲击响应所决定的，因此获得所有用户的扩频码和信道的冲击响应则是联 合检测的前提条件。为了给检测算法提供准确的信道估计，t d s c d m a 系统的帧结 构中专门规定了可用于信道估计的特殊序列中缀码( m c ，m i d a m b l ec o d e ) ，接 收端利用收到的中缀码和本地的中缀码获得信道响应。 2 2 2 联合检测算法 联合检测算法可以分为线性算法、非线性算法和判决反馈算法三种算法。非线性 算法主要有最大似然( m l s e ，m a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u e n c ee s t i m a t i o n ) 算法，该算 法复杂性比较高，在实际的通信系统中难以实现。判决反馈算法线性算法的一种扩展 、- 、7 - 2，k d 、- rr _ 膏 办 、- 、 f f - 。k s ，o = 、 f ， p 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 和延伸，包括迫零反馈均衡算法( z f - b d f e ) 和最小均方误差均衡算法( m m s e b d f e ) ， 但从可实现性方面来讲，也不适合于实际的通信系统。在t d s c d m a 系统中，我们一 般采用线性算法，其结构如图2 - 4 所示：