（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统中信道估计技术研究及dsp实现.pdf

摘要 摘要 t d s c d m a 综合了t d d 和c d m a 的技术优势，采用了很多先进的关键技术 如智能天线、联合检测等，而这些关键技术的性能在很大程度上依赖于信道估计 的精确性。研究t d s c d m a 系统中的上行信道估计方法对t d s c d m a 整个系统 实现具有重要的意义。 一， 针对t d s c d m a 标准中的信道估计技术，本文进行了深入和系统的理论分析 和研究，并完成了信道估计算法的d s p 实现。 文章在绪论中简要介绍了第三代移动通信和t d s c d m a 标准的主要特点，并 分析了信道估计技术的研究意义和发展现状。随后文章分析了移动通信无线信道 的特性和仿真方法，构建了无线信道仿真模型，并将该模型应用到t d s c d m a 系 统空时信道模型中。完成了衰落信道t d l 模型抽头系数的设置，该模型包含了空 时信道的基本特征和主要参数，确保了模型的正确性和继承性。 文章介绍并研究了无线通信系统中的信道估计技术，简要说明了信道估计技 术的种类划分，以及信道估计技术的多种估计方法及其优缺点。 文章介绍了t d s c d m a 系统中的信道估计技术，建立了t d s c d m a 系统上 行链路离散时间传播模型，介绍了t d s c d m a 系统上行链路信道估计算法的原 理，给出几种基于s t e i n e r 估计器的改进方法，并且就几种阈值处理改进算法的性 能进行了仿真和比较。 文章对t d s c d m a 上行链路信道估计技术进行性能仿真，介绍了发送端用户 数据生成过程，建立和模拟了多径瑞利衰落信道模型，对信道仿真结果进行了分 析。 文章给出了信道估计算法的硬件实现流程并在多核d s p 上进行了验证，介绍 了测试环境及测试参数，分析了d s p 定点仿真结果以及系统资源占用率，结果说 明了算法的工程可实现性。 文章最后对全文进行了简要的总结并给出了进一步研究的展望。 关键词：t d s c d m a ，信道估计，b s t e i n e r 估计器，多核d s p a b s t r a c t a b s t r a c t t d s c d m a ，w h i c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g eo ft h et i m ed i v i s i o nd u p l e x ( t d d ) w i t hc d m a ，m a k e su s eo fm a n ya d v a n c e dt e c h n i q u e s ，s u c ha ss m a r ta n t e n n a , j o i n t d e t e c t i o na n ds oo n b u t ，t h e s ek e yt e c h n o l o g i e sp e r f o r m a n c er e l yo nt h ea c c u r a c yo f c h a n n e le s t i m a t i o n i ti sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c ht h ec h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n o l o g y f o r t h er e a l i z i n gt h ew h o l et d s c d m as y s t e m a i m i n ga t t h ec h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n o l o g yo ft d - s c d m as t a n d a r d ，t h i s d i s s e r t a t i o nd o e sad e e p l ya n ds y s t e m i ct h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dr e s e a r c h a n dt h i s d i s s e r t a t i o na c c o m p l i s h e st h ea r i t h m e t i c sd s pr e a l i z a t i o no fb a s es t a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nb r i e f l yi n t r o d u c e st h em a i nc h a r a c t e r so ft h e3 r dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n d t h et d s c d m as y s t e mi nf o r e w o r d ，a n da n a l y s e st h e r e s e a r c hv a l u e sa n dn o w ss i t u a t i o no fc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n o l o g y s u b s e q u e n t l yt h i s d i s s e r t a t i o na n a l y s e st h ec h a r a c t e r sa n ds i m u l a t i o nm e t h o do fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s w i r e l e s sc h a n n e l at a p p e dd e l a yl i n ec h a n n e lm o d e li sb u i l ta n di su s e di ns p a c e - t i m e c h a n n e lm o d e lw i d e l ya d o p t e di ns i m u l a t i o np l a t f o r mo ft h et d - s c d m as y s t e m t h e c o e f f i c i e n t so ft h et d lm o d e la r ec o n f i g u r e da c c o r d i n gt ot h es u g g e s t i o no f3 g p p s m u l t i - i n m u l t i o u tc h a n n e lm o d e l t h en e w l yb u i l tt a p p e dd e l a yl i n em o d e li n c l u d e s t h eb a s i cc h a r a c t e r sa n dm a i np a r a m e t e r so fs p a c e t i m ec h a n n e l ，s ot h ec o r r e c t n e s sa n d c o n s i s t e n c yo ft h et d s c d m a m o d e li se n s u r e d t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sc h a n n e le s t i m a t i o n t e c h n o l o g y i nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i tb r i e f l yd e s c r i b e st h et y p e so ft h ec h a n n e le s t i m a t i o n t e c h n o l o g y i ti n t r o d u c e st w ok i n d so ft h ec h a n n e le s t i m a t i o na r i t h m e t i ca n da n a l y s e s b o t l lo ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e m t h i sd i s s e r t a t i o ns e t su pat d s c d m a u p l i n ks y s t e md i s c r e t et i m et r a n s m i tm o d l e a n di ti n t u d u c e st h eb s t e i n e rc h a n n e le s t i m a t i o na r i t h m e t i ca n di t si m p r o v e da r i t h m e t i c o ft d s c d m a s y s t e m f i n a l l y , t h i sd i s s e r t a t i o ns i m u l a t e st h et r a n s m i t t e r , t h ew i r e l e s sc h a n n e la n dt h e c h a n n e le s t i m a t i o nm o d u l e so ft d s c d m au p l i n kb a s e b a n ds y s t e m ，a n dr e a l i z e st h e c h a n n e le s t i m a t i o nm o d u l eo nt l l em u l t i c o r ed s et h er e s u l t ss h o w st h ef e a s i b i l i t yo f i l a b s t r a c t t h ea l g o r i t h m k e y w o r d s ：t d s c d m a ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，b s t e i n e r , m u l t i c o r ed s p n i 图目录 图目录 图1 1t d s c d m a 多址方式结构示意图一4 图2 1 小尺度和大尺度衰落11 图2 2 小尺度衰落类型14 图2 3 信号所经历的衰落类型：1 5 图2 _ 4 平坦衰落信道仿真模型16 图2 5 频率选择性衰落信道模型1 7 图2 6 抽头系数加权积分过程示意图2 0 图2 7 散射多径信道的抽头延时线模型2 0 图2 8 抽头增益的产生过程2 l 图2 - 9f d s c d m a 上行信道模型。2 3 图3 。1s v d 低阶信道估计器。2 8 图3 2t d s c d m a 的物理信号格式2 9 图3 3t d s c d m a 子帧结构3 0 图3 _ 4 子帧对称分配与不对称分配3l 图3 5t d s c d m a 系统突发结构3 2 图3 - 6 由基本m i d a m b l e 码派生出的各用户的m i d a m b l e 码3 3 图3 7 最大功率径的x 作为阈值3 8 图3 _ 8 所有径平均功率的q 2 为阈值3 9 图3 - 9 噪声功率的r 2 倍作为阈值：3 9 图4 一l 系统仿真链路4 1 图4 - 2 发送端信号处理框图4 3 图4 3 数据符号的扩频和加扰4 3 图4 _ 4 频率选择性衰落信道原理方框图一4 4 图4 - 5z h e n g & x i a o 模型衰落信号包络4 5 图4 6z h c n g & x i a o 模型概率密度直方图4 6 图4 7z h e n g & x i a o 模型自相关函数4 6 图4 8z h e n g & x i a o 模型功率密度谱线4 7 图4 9 理想信道估计4 8 i 图目录 图4 1 0 实际信道估计4 8 图4 1 l 阂值后处理信道估计4 9 图4 一1 2 首用户理想信道估计4 9 图4 1 3 首用户实际信道估计5 0 图4 一1 4 首用户阈值后处理信道估计；5 0 图4 1 5 信道响应均方误差与信噪比的关系5 l 图5 18 1 4 4 系统结构框图5 2 图5 2s c 3 4 0 0 内核子系统结构框图5 3 图5 - 3c o d e w a r r i o r 开发界面5 4 图5 4m s c 8 1 4 4 a d s 板及下载线5 4 图5 5t d s c d m a 上行链路信道估计算法框图5 5 图5 - 6 信道估计及联合检测模块软件结构图5 7 图5 7 系统测试框图5 8 图5 8 输入测试数据5 9 图5 - 9 信道估计冲击响应6 0 图5 1 0c a s e l 、c a s e 3 情况下基带系统误码率6 0 图5 1 ld s p 与m a t l a b 仿真误码率结果比较6 l v 1 1 1 表目录 表目录 表1 1 三种主流标准的主要技术性能比较 表1 - 2t d s c d m a 系统的无线接口参数 表2 1 多径时散参数典型值 表4 1 多径衰落传播环境 表4 2 系统主要配置参数 表4 3 信道仿真参数及结果 表5 1 信道估计模块函数描述 表5 2 测试关键参数设置 表5 3 内存消耗情况 表5 4m s c 8 1 4 4 多核资源占用情况 i x 3 4 9 2 2 5 6 8 1 2 一 一 一 4 4 4 5 5 6 6 缩略词表 英文缩写 3 g p p a d s a w g n b e r + c d m a c i r d w p t s f d d f f t g p i c l d e i t u j d m 魄l n o d e b o v s f q p s k 缩略词表 英文全称中文注释 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t 第3 代合作项目 a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n ts y s t e m应用设备系统 a d d i t i v e 砌i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e 加性高斯白噪声 误比特率 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址 c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e 信道冲激响应 d o w n l i n kp i o l tt i m es l o t 下行导频时隙 f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x g u a r dp e r i o d i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n 频分双工 快速傅里叶变换 保护间隔 干扰抵消 集成开发环境 i 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 nu n i o n 国际电信联盟 j o i n td e t e c t i o n m u l t ia c c e s sl m e r f e r e n c e n o d e b a 联合检测 多址干扰 基站 正交可变扩频因子 q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g四相相移键控 x 缩略词表 s f s n r t d s c d m a u p p t s w c d m a z f b l e s p r e a d i n gf a c t o r 扩频因子 s i g n a lt on o i s er a t i o 信号噪声比 t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s u p l i n kp i l o tt i m es l o t 时分一同步码分多址 上行导频时隙 w i d e b a n dc d m a 宽带码分多址 z e r of o r c i n g - b l o c kl i n e a re q u a l i z e r 迫零线性块均衡 x 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名： 弛控日期：加哆年f 月 e l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位 论文的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 繇掘萨导师虢彰弦 日期：卅年稠日 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 1 1 1 移动通信系统的发展历程 现代移动通信 h 1 2 一般以1 9 世纪赫兹( h e r t z ) 的电磁波辐射试验作为起源，但 是移动通信技术真正开始发展则应该从2 0 世纪2 0 年代作为开始，其典型的代表 是美国底特律警察局使用的专用移动通信( 车载) 系统，该系统工作于2 m h z 。到 目前为止，普遍认为移动通信经历了三代的发展。第一代( 1 g ) 移动通信系统采 用模拟信道作为传输方式，所支持的业务仅限于话音业务，以北美的a m p s 和欧 洲的t a c s 为典型代表。由于v l s i 的实现和数字信号处理技术的快速发展，第二 代( 2 g ) 数字移动通信系统于九十年代初开始出现，这一代的技术完成了从模拟 系统向数字系统的转变，其频谱利用率更高，同时提供了包括话音业务在内的多 项低速数据传输业务、以及比第一代系统更先进的漫游服务。2 g 系统主要包括欧 洲的g s m 和美国的i s 一9 5 。随着2 g 系统的不断改善，新的系统能够提供更为先进 的数据业务，如基于电路交换或分组交换、数据率为1 0 0 2 0 0 k b p s 的数据业务，这 些演变的系统一般被称为2 5 代( 2 5 g ) 系统，它们包括了h s c s d 、g p r s 、e d g e 、 i s 9 5 b 等。目前，在许多国家，2 g 和2 5 g 系统是主要的移动通信系统。 人们最早从1 9 8 5 年开始研究第三代( 3 g ) 移动通信系统，其目的是希望移动 通信系统和固定网一样，能够将话音、图像、数据等业务综合在一起，提供交互 式宽带多媒体业务，并且具有高频谱效率和更好的传输质量，支持分组交换业务 和非对称传输模式，实现全球普及和全球无缝漫游。国际电信联盟( i t u ) 于1 9 9 6 年底在i t u r t g 8 i z 颁布了3 g 的名称为i m t 一2 0 0 0 以及确定了其基本框架，这标 志着3 g 系统的标准化。2 0 0 1 年4 月，欧洲的w c d m a 、美国的c d m a 2 0 0 0 和中国 的t d s c d m a 正式被i t u 确立为3 g 的世界三大标准。2 0 0 7 年1 0 月，无线宽带 技术w i m a x 也正式成为了3 g 的标准之一。目前，3 g 系统正处于大规模商用化 的前期阶段。 随着固网的发展，移动通信的未来发展方向则是与互联网的密切结合，其未 来的竞争焦点是数据业务。按照长远的规划来看，现有的3 g 和3 5 g 技术并不适 电子科技大学硕士学位论文 合成为最终的解决方案，另一方面由于面对宽带无线接入技术的竞争，特别是 i e e e 8 0 2 2 0 技术的发展，必须加快对3 g 后续技术的研究。目前，国际标准化组织 正在推动无线传输技术从2 m b p s 向着lo o m b p s ( e 3 g ) 和l0 0 0 m b p s ( b 3 g ) 的目标发 展。如今国际上对于4 g 的定义已经逐渐清晰起来。基本上可以确定， o f d m ，o f d m a 、m i m o 和智能天线等技术将成为4 g 的主流技术。同时也有很多 由3 g 技术发展而来的准4 g 标准，如e d m a 2 0 0 0 发展为a i e ；w c d m a 、t d s c d m a 分别发展为l t e ；移动w i m a x 也发展成为一项准4 g 技术。 总之，无论采用哪种技术，移动通信系统的总趋势依然是：数字化、宽带化、 综合化、智能化以及高容量和高可靠性，并要最终实现人类通信的最高目标，即 实现任何人( w h o e v e r ) 在任何时候- ( w h e n e v e r ) 、任何地点( w h e r e v e r ) 与任何 人( w h o e v e r ) 进行任何种类( w h a t e v e r ) 的信息交换p j 。 1 1 2 第三代移动通信系统介绍 相比现有的第二代移动通信系统【4 1 ，除了能提供话音业务之外，第三代移动通 信还可以提供便捷的网页浏览、收发电子邮件、使用可视电话、视频点播等多种 多媒体业务。对i m t - 2 0 0 0 而言，其关键特性和目标是提供全球无缝覆盖，同时提 供全球漫游业务。其目标主要包括以下几个重要的方面： ( 1 ) 全球漫游。用户不再被限制在一个地区或是一个网络中，而是可以处于 整个系统中和实现全球漫游，这意味着随时随地的个人通信的真正实现。 ( 2 ) 提供高质量的多媒体业务，包括高质量的话音、高分辨率的图像和可变 速率的数据等多种业务。 ( 3 ) 提供更大的系统容量、强大的多种用户管理能力、高保密性能和服务质 量。质量和保密功能对这一代移动通信技术将提出更高的要求。 ( 4 ) 多种环境适应性。采用多层小区结构，即微微蜂窝、微蜂窝、宏蜂窝， 将地面移动通信系统和卫星移动通信系统有效地结合在一起。 ( 5 ) 便于过渡、演进。由于第三代移动通信引入的时候，第二代已具有相当 规模的网络，所以第三代网络应能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进二乘，并 应与固定网兼容。 i m t 2 0 0 0 对无线传输技术提出了以下要求用以实现以上目标：1 ) 用以支持多 媒体业务的高速率数据传输：室内环境至少2 m b p s ，室外步行环境至少3 8 4 k b p s ， 室外车辆环境至少1 4 4 k b p s 。2 ) 按需分配传输速率。3 ) 能适应不对称业务需求的 2 第一章绪论 上下行链路。4 ) 小区结构简单和信道结构易于管理。5 ) 频率和无线资源的管理 更加灵活。 第三代移动通信系统中最有代表性的主流技术有三种，分别是w c d m a 技术、 c d r n a 2 0 0 0 技术和t d s c d m a 技术。这三种无线传输技术的具体技术参数比较如 表1 1 所示。 表1 1 三种主流标准的主要技术性能比较 w c d m ac d m a 2 0 0 0t d s c d m 人 载频间隔 5 m h z1 2 5 m h z1 6 m h z 码片速率 3 8 4 m c s1 2 2 8 8 m c s1 2 8 m c s 1 0 m s 帧长 1 0 m s2 0 m s ( 分两个子帧) 基站同步不需要需要典型方法g p s需要 快速功控：上、下行 反向：8 0 0 h z 功率控制 0 2 0 0 h z 1 5 0 0 h z 前向：慢速、快速功控 下行发射分集支持支持支持 频率间切换支持支持支持 检测方式相干解调相干解调 联合检测 d w p c h 、u p p c h 、 信道估计公共导频前向、反向导频 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 1 1 3t d s c d m a 系统特点及关键技术 t d s c d m a ( t i m 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 ) 技术 由中国提出，是基于时分双工模式的第三代移动通信技术。在2 0 0 0 年5 月的i t u 全会上，t d s c d m a 正式成为国际标准，是i m t 一2 0 0 0 标准中对于t d d 方式的低 码片速率( l c r ，l o wc h i pr a t e ) 的解决方案，同时它也是3 g p p 标准的一个重要 组成部分p j 。 t d s c d m a 系统的载波带宽为1 6 m h z ，码片速率为1 2 8 m c h i p s ，最多能提 供2 m b p s 的传输速率。该系统由三大部分组成，即无线接入网、核心网和用户终 端设备，其中无线接入网的无线传输技术集中了t d s c d m a 技术的突出特点。 t d s c d m a 的多址方式结构如图l - l 所示，从图中可以看出，t d s c d m a 方式采 用了t d m a 技术，其特点是更利于传输非对称数据业务。 3 电子科技大学硕上学位论文 图i - lt 阻s c d m a 多址方式结构示意图 t d s c d m a 的基本特征和主要特点如下； ( 1 ) 采用t d d 方式该方式不需要配对频率，上下行链路的信息由同一载 频在不同的时间间隔上进行传送。 ( 2 ) 由于采用t d d 的双工方式，因此使用同一频率的上下行链路具有相似 的电波传播特性，这样方便采用智能天线等新技术，以提高系统性能、降低成本。 ( 3 ) 在t d d 模式下，传输方向可以周期性地进行转换，在同一个载波上交 替地进行上下行链路传输。这样，可以根据业务的不同而任意调整上下行转换点， 适用于不对称的上下行数据传输速率，尤其适合i p 分组型数据业务。 ( 4 ) t d s c d m a 是同步的c d m a 。在异步c d m a 技术中，由于每个移动 终端发射的码道信号到达基站的时间不同，会造成码道非正交所带来的干扰问题。 t d - - - s c d m a 不仅解决了这个问题，同时还提高了系统的容量和频谱利用率，又 可以简化硬件。 归纳系统的无线接口参数为如表1 - 2 所示。 表i - 2t n s c d m a 系统的无线接口参数 第一章绪论 无线帧长l o r e s ( 每个l o m s 的无线帧被分为2 个5 m s 的子帧) 信道编码卷积编码七1 b o 码 数据调制 q p s k 8 p s k 扩频调制 o y s f 语音编码8 k b s ( a m r ) 切换方式硬切挽软切换 接力切换 上行同步 精度达翻l 8 c h i p 相干检测上行下行：连续的公共导顿 功率控制开环拥闭环功率控翩。2 0 0 t 沈s 多速率力案多时隙：可变扩频和多码扩顿 3 g 系统对容量的要求尤其迫切，这种要求一方面是由于移动业务的普及和用 户数的增多带来对大容量的要求；另一方面是由于新的高速率业务的引入带来对 无线承载能力的挑战。t d s c d m a 相对于w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 采用了更多的新 技术用以实现大容量( 高频谱利用率) 、抗干扰等目标，主要有智能天线、同步 c d m a 技术、多用户联合检测、动态信道分配、软件无线电、接力切换等。这里 仅对其中的几种关键技术进行简要介绍。 1 ) 智能天线技术 智能天线是t d s c d m a 系统的核心技术之一。多天线阵及相连的相干收发信 机和先进的数字信号处理算法构成了智能天线系统，它采用空分多址( s d m a ) ，利 用信号在传输方向上的差别，把同频率、同时隙或同码道的信号区分开，最大限 度地利用了有限的信道资源。智能天线相当于是一个空间滤波器，在发射机端和 接收机端均将高增益天线波束对准对方，把天线波束零点对准干扰信号入射方向， 利用空间选择分集减小干扰，提高接收灵敏度。从而提高接收信号的信干比。 2 ) 联合检测技术 属于干扰受限系统的t d s c d m a 系统干扰包括多径干扰、小区多用户干扰和 小区间的干扰。由于以上干扰的存在，信道的正交性得到了破坏，c d m a 系统的 频谱利用率将会降低。“多用户干扰 抑制技术即联合检测技术，充分利用用户 信号的扩频码、幅度、定时、延迟等信息，把所有用户的信号都当作有用信号处 理，降低多址干扰，能减轻和消除多用户干扰。 3 ) 上行同步技术 t d s c d m a 系统是基于同步的c d m a 系统，它的一切基站的收、发均同步。 包括节点同步、传输信道同步、网络同步、初始化同步、无线接口同步、i u 接口 时间校准、上行同步等。由于下行链路通常都是同步的，需要解决的主要是上行 链路的同步。上行同步是指来自不同距离、不同位置的不同用户终端的上行信号 s 电子科技大学硕士学位论文 能够同步到达基站接收端。t d s c d m a 系统通过软件和物理层设计来实现上行链 路各终端发出的信号在基站解调器处的完全同步。可以避免多址干扰的产生。 4 ) 动态信道分配技术 信道资源在采用动态信道分配( d c a ) 的系统中被几种分配，不固定属于某一个 小区。信道资源分配依据小区业务负荷、信道通信质量等因素动态分配最佳信道 给新接入的业务。 动态分配技术分为慢速动态信道分配和快速信道动态分配两种。根据小区内 业务不对称的变化，慢速动态分配将上下行时隙动态地划分，使之与不对称业务 相匹配，从而获得最佳的频谱效率。快速信道动态分配技术根据系统状态对已分 配的资源进行调整，为申请接入的用户分配满足要求的无线信道资源。 5 ) 接力切换技术 作为t d s c d m a 系统中特有的概念的接力切换技术基于同步c d m a 技术和 智能天线的结合技术，不同于硬切换和软切换。t d s c d m a 系统采用智能天线在 手机用户进行越区切换时大致定位用户的方位和距离根据这些方位和距离信息， 基站和基站控制器判断用户现在是否移动到应该切换给另一基站的邻近区域。当 进入切换区时，基站控制器可通知下一基站做好越区准备。切换过程中不中断通 信，不丢失信息，节约了信道资源。大大提高了系统容量。 1 2 信道估计技术的研究意义 移动通信的主要特点是无线信道环境具有很高的复杂度，在传播过程中，一 方面随传播距离的增加及地形物的遮蔽，无线电波会产生传播损耗；另一方面由 于反射、散射和绕射作用，到达接收机的信号往往是由来自多条路径信号的叠加 而组成的，这些多径信号的幅度、相位和到达时间都不相同，电平涨落和时延扩 展会由于多径信号的相互叠加而产生。信号在时域上的波形展宽会因为移动通信 信道的多径时延扩展而产生，并对后面一个或是几个数据信号的传输造成影响， 严重时将会导致数据信号不能在接收端正确地检测，这种干扰称为码间串扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。当码间串扰的情况严重时，即使没有额外的噪声，也会产 生误码。另外，扩频通信系统中，可能有多个码分信道在每信道帧的一个突发中 同时传输，由于空中信道畸变等原因，多址干扰会在不同的码分信道间形成。同 时邻区干扰会由于其他小区信号的存在而形成。 移动通信系统的干扰主要有码间干扰、多址干扰、邻区干扰及白噪声等。在 6 第一章绪论 消除码间干扰和多址干扰的方案中，多用户检测是主要组成手段。精确的信道冲 击响应是多用户检测需要的条件，因此要求对无线信道进行精确的信道估计。 此外，t d s c d m a 系统中如智能天线、联合检测等一些关键技术也需要精确 地对信道进行信道估计，很大程度上信道估计性能的好坏决定了这些技术的性能。 因此，可以说智能天线、联合检测等关键技术的关键是精确的信道估计，信 道估计的研究对t d s c d m a 系统具有重要意义。 1 3 主要内容及章节安排 本文主要研究t d s c d m a 上行链路基带系统中的信道估计方法并在多核d s p 上进行了实现。 在t d - s c d m a 系统中，由于一个时隙持续时间很短，因此，在该时隙内信道 可以认为是时不变的，而且在每个时隙中均包含一个训练序列，系统对训练序列 进行信道估计可应用与用户数据域，在本文中，除了讨论传统的信道估计技术外， 在对t d s c d m a 系统进行信道估计中采用了一种基于噪声功率为门限的阈值后 处理方法，使得信道估计结果更加接近理想信道估计。 全文具体章节安排如下： 第一章绪论部分介绍课题的研究背景、课题的研究意义以及论文的章节安排。 简要介绍了移动通信系统及t d s c d m a 系统的特点。 第二章主要介绍了移动无线信道的特性及其模型分析。首先分析了无线信道 传输特性，其次介绍了无线信道的仿真模型，给出了衰落信道的抽头延迟线模型 以及改进的j a k e s 仿真模型。最后介绍了t d s c d m a 上行链路信道模型。 第三章首先简要介绍了常用无线信道估计的原理及估计的基本方法。其次详 细描述了t d s c d m 系统中的信道估计原理及方法。给出了信道估计推理过程以 及阈值后处理方法，并对多种阈值后处理方法的性能进行了仿真比较。 第四章不仅仿真了无线信道模型，而且对t d - s c d m a 系统的信道估计方法及 其改进方法进行了计算机仿真。 第五章介绍了信道估计算法的实现环境以及算法的d s p 实现过程，最后给出 了t d s c d m a 基带上行链路系统的测试结果及分析。 第六章为全文总结及对未来研究工作的展望。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章移动无线信道及模型 2 1 移动无线信道概述 信道作为传输信号的媒介，是任何通信系统必不可少的组成部分。移动信道 与传统的固定式有线信道不同是在于它属于无线信道。同时由于它是移动的动态 信道，与一般具有可移动功能的无线接入的无线信道又有所区别。移动信道具有 时变的信道参数，由用户所在地点的客观环境条件所决定，是一个十分复杂的动 态信道。利用其进行通信，必须先掌握和分析信道实质及基本特性，然后才能给 出所存在问题的对应技术解决方案。在移动无线通信系统中，前向链路( f o r w a r d l i n k ) 或下行链路( d o w n l i n k ) 是指由基站到移动台的无线连接；而反向链路( r e v e r s e l i n k ) 或上行链路( u p l i n k ) 则指由移动台到基站的无线连接。 与固定通信相异在于移动通信中电台所处的环境是移动的，因此，移动无线 通信系统性能的一个基本影响因素就是移动无线信道。发射机与接收机之间从简 单的视距传播到有各类障碍物的折射、散射和反射的各类复杂路径，具有极度随 机的信道传播特性。电磁波强度也随着发射机与接收机之间距离的增加而产生衰 减，而且以发射台为基准，移动台的相对速度和方向也将影响大接收信号。一直 以来，在移动无线设计中都很难完全模拟出无线信道，通常只能在统计意义上对 无线信道进行研究1 3 j 。 2 2 移动无线信道的特性 具有时变特点的移动无线信道，电磁波的传播一般可概括为折射、衍射、绕 射等基本方式。无线信道对传输信号的功率的作用一般可表示如下 6 1 ： 尸( d ) = l d l 1 s(d)r(d)(21) 其中，接收信号功率用尸表示，传输距离用d 表示，p 是d 的函数。信道对信号功 率的作用可归结为以下三类： ( 1 ) ldr ：表示自由空间传播损耗。i d i 表示移动台与基站的距离，矢量d 表 示距离的方向性，刀一般取值为3 或4 。自由空间传播损耗描述的是数百米或数千 8 第二章移动无线信道及模型 米的大尺度区间内接收信号强度的变化，是距离d 的函数，产生原因主要是地面反 射及折射。 ( 2 ) s r d 、：表示阴影衰落。是由于电磁波受到传播地形的起伏以及建筑物等 障碍物的屏蔽所引起衰落。主要表现信号在数百波长区间内的中值出现缓慢变化 的特征，衰落特性符合对数正态分布。 ( 3 ) r ( d ) ：表示多径衰落。由多径传输引起的多径衰落，主要表现在接收信 号场强的瞬时值在几个或数十个波长范围内出现快速变化的特征。表2 1 显示了 多径时延参数在工作频率为4 5 0 m h z 时测得的典型值【9 j 。 表2 1 多径时散参数典型值 参数市区郊区 平均时延r z s 1 5 2 5o 1 - - - 2 0 对应路径距离差m 4 5 0 7 5 03 0 6 0 0 时延扩展a l t s 1 0 - - - - 3 0 o 2 2 o 最大时延。p s 5 o 1 23 0 , - - - , 7 0 由于多径衰落不可避免，并且严重影响信号的传输质量，而自由空间传播损 耗阴影衰落主要影响是无限小区的覆盖范围，所以工程上只能采用抗衰落技术来 减少多径衰落的影响。 2 2 1 时延扩展与相干带宽 接收信号在多径传播条件下会产生时延扩, 屐t 3 j 。当一个窄带脉冲信号经发送端 发送后，经过长度不通的多条传播路径达到接收端，接收信号将会是由许多可能 离散也可能连续的不同时延的脉冲组成。最后一个可分辨的时延信号到达时间定 义为最大传输时延f 一，第一个可分辨的时延信号的到达时间定义为最小传输时延 f 血，它们的差值即脉冲的展宽时间则为时延扩展。 a r ：一 g m i m ( 2 2 ) f 是随机变量，平均延迟_ r 。及方差盯；可用统计的方法得到。时延扩展的离散程 度用统计参量仃，它表征。在数字信号传输过程中，经常会由于传输信号的时延扩 展而引起码间串扰( i s i ) ，所以必须使得码元周期大于多径时延扩展来避免引起码问 串扰的发生。 信号的不通频率分量经多径衰落信道后，其包络的相关性用信道的相干带宽 v 来表征。矽与时延扩展的标准差o r ，成反比关系，是一个频率范围的统计量。 9 电子科技大学硕士学位论文 矽= 击 q 书 如果信号中的两个频率分量的频率间隔小于a f ，则相关，其衰落特性具有一 致性；如果频率间隔大于，则不相关，衰落特性不具有一致性。 2 2 2 多普勒( d o p p l e r ) 扩展与相干时间 前面用时延扩展和相干带宽来描述信道的时间色散特性，下面用多普勒扩展 和相关时间来描述信道的时变特性1 3 1 。移动台和基站之间的相对运动，以及移动台 与信道之间的传播信道路径中的物体的相对运动都会引起信道的时变。 多普勒扩展用表示，可通过测量谱展宽得到。作为衡量无线信道时变变 化率的一个参数。接收信号在多普勒扩展定义的频率范围内有非零多普勒扩散。 由于多普勒频移的作用，当发送正弦信号频率为正时，接收信号频谱变化范围为 正一厶至正+ 厶。厶表示多普勒频移。厶计算公式如下： ，(2-4) 厶= c o s p 其中五为载波波长，1 ，为运动速度，p 为移动台运动方向与散射波入射方向之 间夹角，= 厶为最大d o p p l e r 频移。如果基带信号带宽远大于，则在接收端 可忽略多普勒扩展的影响。 多普勒扩展在时域用信道的相干时间表示，用于在时域描述信道频率色散 的时变特性，是信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值，与多普勒扩 展成反比，即 万1 ( 2 5 ) 因此，相干时间表示两个到达的信号在一段时间间隔内有