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摘要 时偏m c c d m a 系统的信道估计及信号检测 专业：通信与信息系统 博士生：吴海锋 指导教师：戴宪华教授 摘要 本论文研究了时偏f r o , t i m i n go f f s e t ) 条件下的多载波码分多址 t m c c d m a , m u i t i c a r r i e rc o d e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 系统的信道估计及信号检 测，主要内容可以分为两部份： 第一，时偏m c c d m a 系统的信道估计 时偏会引入非对齐干扰和相位干扰，它们会严重影响信道估计性能。本文提 出了一种时偏m c - - c d m a 上行链路的信道估计方案，它能有效消除时偏给信道 估计带来的干扰，准确地在时偏系统中估计信道。该方案包括时偏m c c d m a 上行链路的导频信道估计方法和盲的信道估计方法，其中，导频的方法利用了导 频信息估计信道，盲方法用扩频码代替导频码实现盲估计。由于扩频码对接收端 是已知的，因此盲方法无需插入导频，从而提高了通信效率。另外，为了消除盲 方法在一个m c c d m a 块中多个符号估计信道的模糊差异，还提出了两种平滑 算法：相除平滑和优化平滑。其中，相除平滑的计算复杂度小于优化平滑，而优 化平滑的性能优于相除平滑。在计算机仿真实验中，我们将传统的信道估计方法， 新的导频信道估计方法和新的盲信道估计方法做了对比，结果显示，新的导频方 法和盲方法，消除了时偏对信道估计的干扰，避免了传统估计方法在时偏系统下 估计性能的下降，其估计性能接近于在时间同步下采用传统方法估计信道的性 能。 第二，时偏m c c d m a 系统的信号检测 在信道估计的基础上，我们还研究了在时偏m c c d m a 系统中检测信号的 问题。当时偏较小时，时偏引入的非对齐干扰也较小，它可以被归入到加性噪声 摘要 中，这几乎不降低信号检测的性能。当时偏增大，由时偏引入的非对齐干扰也相 应增大，它会降低信号解调的性能，本论文提出判决重建技术来消除时偏引入的 非对齐干扰。判决重建技术首先对估计出的符号进行判决，用判决得到的符号重 建一个新的信号；然后，用重建的信号去替代原接收信号中被非对齐干扰所污染 的部份；最后，对新被替代的信号进行检测，反复迭代多次就能有效消除非对齐 干扰。计算机仿真结果显示，在时偏的m c - c d m a 上行链路中，用判决重建技 术可以有效改善检测信号的性能，改善后的误码率性能可以接近同步系统下检测 信号的性能。 关键词：信道估计，m c - c d m a ，时偏 a b s t r a c t c h a n n e le s t i m a t i o na n ds i g n a ld e m o d u l a t o nf o r m c c d m a s y s t e m sw i t ht i m i n go f f s e t m a j o r ： c o m m u n i c a t i o n s & i n f o r m a t i o ns y s t e m s n a m e ：w u h a i f e n g s u p e r v i s o r p r o f e s s o rd a ix i a n h u a a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，w ei n v e s t i g a t ec h a n n e le s t i m a t i o na n ds i g n a ld e t e c t i o nf o rt h eu p l i n k o f m u l t i c a r r i e rc o d e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s sf m c c d m a ) s y s t e m sw i mt i m i n go f f s e t ( 1 0 ) t h ew o r ko f t h i sp a p e ri n v o l v e st w op r o c e d u r e s f i r s t , an e wp i l o t - a i d e dc h a n n e le s t i m a t o ra n dan e wb l i n dc h a n n e le s t i m a t o r 批 p r o p o s e d , r e s p e c t i v e l y w h e nt oe x i s t s i nt h eu p l i n ko ft h es y s t e m , t h eu s e r s t r a n s m i t t e ds i g n a l sw i l lb er n i s a l i g n e di nt i m ew i t hb a s es t a t i o n ( b s ) s y m b o lc l o c k i n t h i ss c e n a r i o ，t h et oi n f f o d u c o st h em i s a l i g n e di n t e r f e r e n e ew h i c hw i l ld e g r a d et h e c h a n n e le s t i m a t i o n t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h e s et w oe s t i m a t o r si st h a tt h e y 啪 c a n c e lt i m i n go f f s e tf r o ) e f f e c t so nt h ec h a n n e le s t i m a t i o n , a n dt h u sw o r kw e l li n s y s t e m sw i t ht o i na d d i t i o n , t h ep i d p o s e db l i n de s t i m a t o re x p l o i t st h ek n o w l e d g eo f t h es p r e a d i n gs e q u e n c e st oa t t a i nb l i n de s t i m a t i o na n dd o e sn o tr e q u i r eal o n gd a t a r e c o r d h e n e e t h eb l i n de s t i m a t o r 咖e s t i m a t ec h a n n e l so v e rs i n g l es y m b o ld u r a t i o n i nc o m p u t e rs i m u l a t i o n s ，w ec o m p a r e dt h ep r o p o s e de s t i m a t o r si nt h i sp a p e rw i t h s y n c h r o n i z e dc h a n n e le s t i m a t o r t h er e s u l t si n d i c a t et h a t , t h ee s t i m a t o r si nt h i sp a p e r c a i ic a n c e lt oe f f e c t so nc h a n n e le s t i m a t i o na n dw o r kw e l li nm c - c d m as y s t e m s w i t l lt o i ns i m u l a t i o n s ，w ea l s oc o m p a r et h ep | o p o s e db l i n de s t i m a t o rw i t ht h e s i l b s p a e ec h a n n e le s t i m a t o r , w h i c hi n d i c a t e st h a tt h ee s t i m a t o rc a l la c h i e v et h es a l n e 1 1 1 m s e p e r f o r l n a n c eo v e rs i n g l es y m b o ld u r a t i o na st h es u b s p a c ee s t i m a t o rc a nd oo v e r d e c a d e so f s y m b o ld u r a t i o n s e c o n d , i no r d e rt of u r t h e ra n a l y z et h en o we s t i m a t i o n , w oa l s os t u d yt h ep r o b l e m o fu s i n gt h ee s t i m a t e dc h a n n e lt od e t e c tt h et r a n s m i t t e ds y m b 0 1 w h e nt h et oi sn o t l a r g e , t h et r a n s m i t t e ds y m b o lc a nb ed e t e c t e dw e l l h o w e v e r , w h e nt h et o i sl a r g e , t h em i s a l i g n e di n t e r f e r e n c ei n t r o d u c e db yt ow i l ld e g r a d et h es y m b o ld e t e c t i o na n d t h u sd e c r e a s et h es y m b o le l l - o rr a t e ( s e r ) p e r f o r m a n c e i i it h i st h e s i s ，w op r o p o s e d e c i s i o n - a i d e dr e c o n s t r u c t i o n ( d a r ) t e c h n i q u et oi m p r o v et h es e rp e r f o r m a n c e t h e t e c h n i q u em i t i g a t e st h ei n t e r f e r e n c eb ym a k i n gt h es y m b o ld e c i s i o ni nt h ef r e q u e n c y d o m a i na n dt h e nc o n v e r t i n gt h es y m b o lb a c kt ot h et i m ed o m a i n s i m u l a d o i lr e s u l t s s h o wt h a td a r c 雒i m p r o v et h es e rp e r f o r m a n c e f o rm c - c d m a s y s t e m sw i t ht o k e yw o r d s ：c h a n n e le s t i m a t i o n , m c - c d m a , t i m i n g o f f s e t - i v 引言 选题目的及意义 引言 在新一代的通信系统中，随着系统中用户数的不断增长，通信速率的不断提 高，一些传统的通信技术的缺点逐渐暴露出来，特别是在严重的多径干扰下，高 速率的传输将变得非常困难，而正交频分复用系统( 0 f d m ) 的出现则带来了一 种新的高效的多载波调制解调技术，它将所传输的数据流分解成若干个比特流， 使得每一个子数据流有低得多的比特传输速率，从而增强了抵御码间干扰和信道 衰落的能力【l 】。o f d m 能将频率选择性衰落信道转换为平坦性衰落信道，因此 在接收端可以用低复杂度的均衡器来解决无线通信中的码问干扰问题【2 】。 m c - c d m a 是将o f d m 和c d m a 技术相结合的一种系统，它综合了这两种 技术的优点，不仅可以避免数据在高速传输中的频率选择性衰落，而且抗干扰能 力强，用户容量大，因此它很可能成为下一代通信系统的关键技术之一【3 】。但 是，将m c - c d m a 系统真正投入到实用中还存在很多问题，比如一个重要的问 题就是时偏的问题。时偏是由接收端和发射端的符号定时不一致所产生的，它在 高通信速率的移动系统中会经常出现，而m c c d m a 系统对时偏又非常敏感， 因为时偏会带来符号间的干扰和用户间的干扰【4 卅，当这些干扰存在时，载波的 正交性和用户问的正交性被破坏，它会影响到系统的性能，特别会影响到信道估 计的性能 6 ，7 】。 信道估计在通信系统中一直是很重要的一部分，它是信号解调，检测和均衡 的基础【8 】。因此，不准确的信道信息将会导致不准确的信号检测。但是，在带 有时偏的m c c d m a 系统中，时偏由于带来了符号间干扰和用户间干扰，因此 会影响估计信道的准确性，最终影响信号的检测，导致系统的性能下降 6 - 8 。 为了避免时偏影响信道估计的准确性，一般传统的信道估计方法都是假定系 统已同步，时偏已消除【9 1 4 】。然而，时偏普偏存在于高通信速率的移动系统中， 即使是很细小的时偏也会严重影响信道估计的性能，而细小的偏差在有些系统中 却又不一定能被检测出来，为了消除时偏，系统不仅要经过粗同步，还要经过代 中山大学博t 学位论文；时偏m c _ c d 姒系统的信道估计及信号检测 价更为昂贵的细同步。特别地，在上行链路中，接收信号是各个用户信号的叠加 【l 】，每个用户的时偏都有可能不同，采用一些时偏估计方案【5 ，1 5 1 7 】即使将每个 用户的时偏估计出后，仅在基站的接收端调整定时也不能使所有用户达到同步， 调整基站的定时可能会在消除某个用户时偏的同时让其他已经同步用户又产生 新的时偏。因此，在上行链路中消除时偏是较为复杂的，比如文献【5 】提出的方 法是用一个反向信道将估计出的时偏信息传回给每个用户的发射端，让用户到发 射端去重新调整定时。由此看来，在带有时偏的上行链路中，若用传统的方法去 估计信道，我们还需要先增加一个复杂的同步过程。 从以上分析可知，为了避免系统增加一个复杂的同步过程，就迫使信道估计 必须在一个存在时偏的系统中进行。本文的目的就是研究一种能在时偏的 m c - c d m a 上行链路中估计信道的方案，这种估计信道的方案无需系统先同步， 它可以在接收端就消除时偏给信道估计带来的干扰，从而准确地估计信道。换句 话说，这种方案可以工作在时偏系统中，它可以避免复杂的同步过程。 此外，在信道估计的基础上，本文还讨论了在时偏的m c c d m a 系统中检 测信号的问题。信道估计是信号检测、均衡和解调的基础 8 】，信道估计是为了 更好地检测发射的信号，因此信号估计的优劣将直接影响信号检测，而信号检测 的好坏又可以评判估计的信道是否有效。 当系统存在时偏时，时偏引入了非对齐干扰，时偏较小时，非对齐干扰较小， 而时偏增大时，非对齐干扰也相应增加。当非对齐干扰增加到比噪声还要大时， 它就会影响信号的检测。本文提出一种判决重建技术来消除非对齐干扰，从而能 提高信号检测的性能。 本论文的创新点 本论文的主要工作是，先分析了时偏对m c - c d m a 系统的影响，然后提出了一 套针对带有时偏的m c c d m a 系统的信道估计方案，最后讨论了利用估计的信道恢 复信号的问题，在这些工作中主要有三个创新点： 1 提出一种时偏系统的信道估计方案 时偏会给系统引入符号间干扰和用户间干扰，它会严重影响信道估计的性 能。为了避免时偏给信道估计带来的影响，在估计信道之前需要先进行系统同步， 引言 因此传统的信道估计方法都是假定系统已同步，时偏被消除。然而，时偏却普偏 存在于高通信速率的通信系统中，即使很微小的时偏也会严重影响信道估计的性 能，因此消除时偏不仅要经过粗同步还要经过更为复杂的细同步。特别地，在上 行链路中，因为系统的接收信号有可能是各个用户带有不同时偏的信号的叠加， 仅仅调整接收端的定时也无法消除所有用户的时偏。在以上这些情况下，为了避 免同步过程，信道不得不在带有时偏的情况下进行估计。本论文提出了一种时偏 的m c - c d m a 上行链路的信道估计方案，它的创新点在于，能消除时偏对信道估计 带来的干扰，避免了传统估计方法在时偏系统下估计性能的下降，其估计性能接 近于在时间同步下采用传统方法估计信道的性能。 2 提出一种新的盲信道估计方法 本文提出了一种利用扩频序列实现盲估计的方法，由于扩频序列对发射方和 接收方都是已知的，它无需预先插入导频，因此这种方法提高了系统的通信效率。 本文的盲方法还能在一个块的多个符号中估计信道，采用平滑方法可以消除了不 同符号问估计信道的模糊差异。同一些统计型的盲方法相比，该盲方法仅在一个 接收符号周期内就能估计出信道，因此特别适合于无线移动系统中的时变信道。 相反，统计型的盲方法由于大多需要计算接收信号的相关矩阵和相关函数，因此 需要较多的接收符号，不适合时变信道。 3 提出了一种信号检测的判决重建技术 时偏引入了非对齐干扰，时偏较小时，非对齐干扰较小，而时偏增大时，非 对齐干扰也相应增加。当非对齐干扰增加到比噪声还要大时，它就会影响信号的 检测。本文提出一种判决重建技术来消除非对齐干扰，从而能更好地检测信号。 判决重建技术最早用在o f d i 系统中解决峰均比问题中 8 0 ，本文首次将判决重 建技术用在信号检测中，它首先对估计出的符号进行判决，用判决得到的符号重 建一个新的信号，接着将原接收信号被非对齐干扰所污染的地方，用重建信号相 应的部份去替代它，然后再进行估计，反复迭代多次就能有效消除非对齐干扰。 论文基本结构和内容 本论文主要研究了在带有时偏的m c - c d m a 上行链路中估计信道的方法，随后 讨论了在带有时偏的系统中，如何利用估计的信道恢复信号的问题。本论文的内 中山大学博士学位论文：时偏m c - c 1 ) m a 系统的信道估计及信号检测 容一共分为五个章节，其中第一章到第二章是论文的背景介绍，它的目的是引出 论文的主要工作，第三章到第四章是论文的主体，它们是本论文重点所要阐述的 内容，第五章是论文的结尾，它是对本论文的一个总结，下面我们将简单地介绍 各章的内容： 第一章是本文的绪论部份，它分为两个小节：第一节介绍了无线移动通信的 发展概况；第二节介绍了m c - c d m a 系统的基本原理，由于m c - c d g a 系统是一种将 o f d m 和c d m a 技术结合起来的系统，因此在本节的一开始还介绍了o f d m 和扩频 通信方面的技术。 第二章着重分析无线移动信道的传播特性以及无线信道的各种模型，并对 o f d m 系统和m c - c d m a 系统信道估计的国内外发展状况做了概述。 第三章是本论文主体内容之一。首先，我们讨论了同步的m c - c d m a 系统的信 道估计，这是时偏m c - c d m a 系统信道估计的基础；然后我们根据系统的模型，推 导了时偏对信道估计的影响；之后，我们分析了两种在时偏m c - c d m a 系统中的信 道估计方法：一个是导频的信道估计，另一个是盲的信道估计；最后，我们给出 了结论。 第四章是本论文的另一个主体内容，它介绍了在估计信道之后，如何利用估 计的信道检测信号的问题。本章先介绍在同步的m c c o m a 系统中检测信号，然后 以此为基础，介绍了时偏m c - c d m a 系统的信号检测，并针对大时偏检测信号的问 题，特别研究了判决重建技术。 第五章是本论文的最后一部分，是全文总结，它先介绍了本论文的主要工作， 然后列出主要结论，最后给出了进一步的工作。 论文中符号的表示 斜体字母 黑体字母 【】7 【】 【】“ 标量 矩阵或矢量 矩阵或矢量的转置 矩阵或矢量的共扼 矩阵或矢量的共扼转置 引言 矩阵的伪逆 数学期望 矩阵的迹 复数的模 向量范数 矩阵a 的第一行第m 列的元素 由矢量b 的第一个到第m 个元素构成的矢量 由矩阵a 的第一行到第m 行构成的矩阵 大小为n n 的单位矩阵 对角线上的元素是由矢量x 所构成的对角矩阵 由方阵a 对角线上的元素所构成的一个对角方阵 除方阵a 对角线上以外的元素所构成的一个方阵 j m m 懈 阿 州州 取蛳 k 莒莒一她 、 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 无线移动通信的发展概况 信息在现代社会中的作用已越来越大，在各种信息技术中，信息传输技术的 地位越来越突出。由于信息传输的这一突出地位，世界各国都致力于现代信息传 输技术的研究和开发，而信息传输技术通常就是我们所说的通信技术。移动通信 是通信技术中相当重要的一部分，移动通信实际指的就是通信双方至少有一方在 运动状态中进行信息传输，通常说的移动通信不仅通信双方的位置是变动的，而 且它们的信道是无线的，即我们说的无线通信 1 8 。因此，从这个角度来说，移 动通信中的信道不仅具有无线信道的特性而且应该是时变的。 现代移动通信是一门复杂的高新技术，不但集中了无线通信和有线通信的最 新技术成就，而且集中了网络技术和计算机技术的许多成果。目前，移动通信已 从模拟通信发展到了数字移动通信阶段，并且正朝个人通信这一更高级阶段发 展。未来移动通信的目标是，能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠 的通信服务。 人类采用无线方式进行通信的历史可以追溯到1 9 世纪末。1 8 6 4 年，英国物 理学家麦克斯韦创造性地总结了人们已有的电磁学知识，预言了电磁波的存在。 1 8 8 7 年德国物理学家赫兹用实验产生了电磁波，证明了麦克斯韦的预言。1 8 9 7 年，意大利科学家马克尼和俄国军官波波夫首次使用无线电波进行信息传输并获 得成功。1 9 0 1 年马克尼实现了从英国到纽芬兰的跨大西洋无线电信号接收，这 是一次超过2 7 0 0 公里的远距离通信，充分显示了无线通信的巨大发展潜力。在 随后一个多世纪里，伴随着计算机技术和大规模集成电路技术的发展，无线移动 通信的理论和技术不断取得进步 1 9 。 l1 1 第一代无线移动通信系统( 1 g ) 第一代商用无线通信系统出现于二十世纪八十年代初，主要是模拟蜂窝系 统，主要采用的是模拟技术和频分多址( f d m a ，f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i - a c c e s s ) 技术。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区 中山大学博t 学位论文：时偏m c - c d m a 系统的信道估计及信号检测 域性的移动通信系统。第一代移动通信有多种制式，表卜1 列出了各国所使用的 第一代模拟蜂窝电话系统的主要参数，我国主要采用的是全接入通信系统 ( t a c s ，t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 。第一代移动通信有很多不足之处， 比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据 业务、不能提供自动漫游等。 表i - i 第一代模拟蜂窝电话系统的主要参数 1 9 系统名称 单向频带( m h z )反向频带( k h z ) 信道间隔使用地区 a m p s8 肄8 4 98 6 9 - 8 9 43 0美国、澳大利亚 懈8 9 0 - 9 1 59 3 5 9 6 02 5欧洲 e _ t a c s8 7 2 - 9 0 59 1 7 - 9 5 0 2 5 英国 删肾4 5 0 4 5 3 4 5 7 54 6 4 6 7 52 5欧洲 m 盯9 0 08 9 沪9 1 59 3 8 - 9 6 01 2 5欧洲 c - 4 5 04 5 0 - 4 5 5 7 4 4 6 0 一4 6 5 7 41 0 德国、葡萄牙 蹦t s4 5 0 - 4 5 54 睁4 6 52 5意大利 1 9 2 5 _ 1 9 9 52 0 0 5 2 0 7 5 2 1 5 5 2 3 32 0 7 。5 2 1 5 5 鼢d 0 ( 砒0 01 2 5法国 1 6 5 2 一l 鹄41 6 9 8 - 1 7 3 4 1 4 8 4 1 84 2 4 8 - 4 2 8 9 2 5 9 4 08 7 0 r 8 8 52 5 6 2 5 n t t9 1 5 9 1 8 58 睁8 6 3 56 2 5日本 9 2 2 9 2 58 6 7 8 7 06 2 6 9 1 5 - 9 2 58 6 0 一8 7 02 5 1 2 5 f 1 懈m a c s8 9 8 9 0 18 4 3 - 8 4 62 5 1 2 5日本 9 1 8 5 _ 9 2 28 6 3 5 8 6 71 2 5 1 1 2 第二代无线移动通信系统( 2 g ) 随着数字通信技术的发展和用户对高质量无线通信的追求，从二十世纪八十 年代末开始，无线通信系统发展到了以数字通信技术为代表的第二代( 2 g ) 无线通 信系统。数字蜂窝系统就是第二代无线通信系统，最早的数字蜂窝网络是欧洲的 全球移动通信系统( g s m ) ，除此之外，第二代数字蜂窝网络还包括美国的i s 一5 4 第1 章绪论 系统，i s 一9 5 系统和日本的j d c 系统，如表1 - 2 。我国移动通信主要是g s m 体制， 比如中国移动的1 3 5 到1 3 9 手机，中国联通的1 3 0 到1 3 2 都是g s m 手机。第二代 移动通信替代第一代移动通信系统完成了模拟技术向数字技术的转变，但由于第 二代采用不同的制式，移动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内 进行漫游，因而无法进行全球漫游。并且，由于第二代数字移动通信系统带宽有 限，限制了数据业务的应用，因而也无法实现高速率的业务，如移动的多媒体业 务。 表1 - 2 第二代数字蜂窝系统的主要参数 1 9 系统g s hi s 5 4j d ci s 9 5 使用地区欧洲亚洲美国日本美国亚洲 接入方法 t d 姒f d dt d n f d d1 _ d 姒f d d c d m a f v d 调制方法g m s kz 4 一d 妒铽- 4 一d q p s k娜k 硼k 8 1 p 8 2 6 8 4 0 - 8 5 6 9 3 5 - 9 6 08 6 明41 4 7 7 1 4 8 9 8 6 9 _ 8 9 4 频段( 删z ) 8 9 0 _ 9 1 58 2 4 8 4 9 1 4 2 9 1 4 4 18 2 4 _ 8 4 9 1 5 0 1 1 5 1 3 “5 3 - 1 4 6 5 载波间隔( k h z ) 2 0 0 3 02 51 2 5 0 承载信道数 833 可变 信道比特宰 2 7 0 8 3 3 4 8 64 21 2 2 8 8 ( k b i t s ) 语声编码速率 1 388 i - 8 ( 可变) ( k b i t s ) 帧长c m s )4 6 1 54 02 02 0 1 i 3 第三代无线移动通信系统( 3 g ) 与以模拟技术为代表的第一代和目前正在使用的第二代移动通信技术相比， 3 g 将有更宽的带宽，其传输速度最低为3 8 4 k ，最高为2 m ，带宽可达5 m h z 以上。 中山大学博t 学位论文：时偏m c - c d i i a 系统的信道估计及信号检涮 目前全球有三大标准，分别是欧洲提出的即d 姒、美国提出的c d k a 2 0 0 0 和我国 提出的t d s c d m a ，如表1 - 3 。3 g 不仅能传输话音，还能传输数据，从而提供快 捷、方便的无线应用，如无线接入i n t e r n e t 另外，3 g 还能够实现高速数据传 输和宽带多媒体服务，它能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来， 提高无线频率利用效率，提供包括卫星在内的全球覆盖并实现有线和无线以及不 同无线网络之闻业务的无缝连接，满足多媒体业务的要求，从而为用户提供更经 济、内容更丰富的无线通信服务。不过，第三代移动通信仍是基于地面、标准不 一的区域性通信系统，虽然第三代移动通信可以比现有传输率快上千倍，但是未 来仍无法满足多媒体的通信需求。 表1 - 33 g 系统主要参数对比 1 9 系统 c 碍执c 呲0 0 0t d _ s c d h a 载波问隔 5 姗z 1 2 5 删z1 6 埘z 码片速率3 8 4 m 码片秒1 2 2 8 8 1 1 码片秒i 2 删码片秒 帧长 l o m s 2 0 m sl o m s ( 两个了帧) 基站步不需要需要需要 前向：慢快速功控反 功率控制 快速功控：上下行1 5 0 0 h z o 一2 0 0 h z 向：8 0 0 h z 下行发射分集支持支持支持 支持，可用压缩模式进行支持，町用空f 4 时隙进行 频率间切换支持 测量测量 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 i ) w p c t t 、u p p c h ，中问码 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 i 1 4 第四代无线移动通信系统( 4 g ) 自二十世纪九十年代末推出3 g 移动通信的标准之后，各个国家和地区为了 在下一代无线通信系统的标准中占有一席之地，纷纷启动了新一代无线通信系统 的技术和标准化研究工作。有关新一代无线通信系统的名称目前尚不统一，这些 名称有4 g 、b e y o n d3 g 、b e y o n di m t 一2 0 0 0 等多种，在本论文中，我们将其统称 为4 g 无线移动通信。 4 g 的概念可称为广带( b a n d b o a r d ) 接入和分佰网络，具有超过2 m b p s 的非对 称数据传输能力，对全速移动用户能提供1 5 0 m b p s 的高质量的影像服务，并首次 实现三维图像的高质量传输。它包括广带无线固定接入、广带无线局域网( w l a n ) 、 第1 章绪论 移动广带系统和互操作的广播网络。4 g 标准比3 g 标准具有更多的功能。在不同 的固定无线平台和跨越不同频带的网络中，4 g 可提供无线服务，并在任何地方 宽带接入互联网( 包括卫星通信和平流层通信) ，提供信息通信以外的定位定时、 数据采集、远程控制等综合功能。同时，4 g 系统还是多功能集成的宽带移动通 信系统，是宽带接入i p 系统。相比3 g 而言，4 g 能提供更大的数据速率、更大 的容量，这是3 g 所无法比拟的。其次，4 g 是构建在现有网络基础上融合多种新 的无线技术的新一代的无线网络，不需要运营商完全重建一套系统，在成本方面 优势大于3 g 。同时这种技术的融合使4 g 有望成为一个真正的无缝连接的统一系 统，实现跨系统的全球漫游和业务的可携带性。 4 g 通信技术将以几项突破性技术为基础，由于利用了几项不同的技术，所 以无线频率的使用相比较于第二代和第三代系统要有效得多。据估计，这种有效 性可以让更多的人使用与以前相同数量的无线频谱，却能发挥更大的效用，而且 速度非常快。4 g 中将有可能会应用到的以下几项关键技术：o f d m 技术，定位技 术，切换技术，软件无线电技术和智能天线技术。本论文所研究的信道估计是在 m c c d m a 系统下完成的，而m c - c d m a 实际上是将o f d m 和c d 姒相结合的一种无线 移动通信技术，它不仅可以对抗数据在高速传输中的频率选择性衰落。而且抗干 扰能力强，用户容量大，因此将很有可能被运用到4 g 通信系统中。 1 2m c - - c d i i a 系统基本原理 无线信道往往存在多径效应，由于多径效应，到达接收机的信号是由一些通 过不同路径到达的信号叠加而成，这些信号的叠加造成接收信号的失真，特别是 高速数据传输时，路径的时延扩展大于传输数据周期，信号间的干扰更加严重。 因此，在复杂多变的无线信道中，需要设计出性能良好的能够抗多径干扰的无线 传输技术。o f d m 利用了多径效应在频域上的特性，使信道的频域均衡更易实现， 适合高速数据传输。它把数据流分解为若干个子数据流，再把这些子数据流分别 调制到若干个相互正交的子载波上。在这种多载波调制信道中，数据传输速率相 对较低，码元周期加长，只要保证时延扩展小于码元周期，就不会造成码问干扰， 因此这种方案可以有效对抗信道的多径效应。另外，c d i a 将窄带信号与扩频信号 相乘而扩展为宽带信号后进行发射，它能让很多的用户共享相同的频谱资源而不 中山大学博。仁学位论文；时偏m c - c i m 系统的信道估计及信号检测 会产生明显的干扰，因此在多用户情况下可以提高频谱效率，同时扩频技术还可 以对抗窄带干扰。 由于c 叫a 技术和0 f 蹦技术各有利弊，人们很自然地想到将二者结合起来，取 长补短，以求达到更好的通信传输效果。m c - c d k 就是将c o m a 和o f d m 技术相结合 的一种系统，它将o f d m 作为一种调制方法，而将c d 姒作为一种多址技术，这样的 系统不仅可以对抗高速传输中的多径效应，而且又可以提高系统的用户容量，它 将很有可能成为新一代无线通信系统的关键技术之一。 1 2 1 正交频分复用技术 1 2 1 。l 正交频分复甬原理 o f d m 技术最早起源于二十世纪五十年代 4 5 ，六十年代已经被应用到多种军 事系统 4 6 ，4 7 ，1 9 7 0 年1 月首次公开发表了有关o f d m 的专利，1 9 7 1 年w e i n s t e i n 和e b e r t 把d f t 应用到并行传输系统中 4 8 ，作为替代振荡器组完成多载波调制和 解调，从而大大简化了系统实现的复杂度。目前，o f d m 已经在数字音频广播 4 9 、 数字视频广播 5 0 、基于i e e e e 8 0 2 1 l 标准的无线局域网 5 1 以及基于现有铜双 绞线的非对称数字用户环路( a d s l ) 5 2 等标准中得到了广泛的应用。 图卜10 f 蹦通信系统框图 图卜l 给出y o f a u 通信系统的框图，在发送端，通过串并变换，将高速数 据流分割为多路相对低速的数据流，然后每路低速数据调制到不同的子载波并叠 加在一起构成多载波信号进行传输，其中子载波间隔经过特殊选择，允许相邻子 载波频谱有二分之一的交叠，此时各子载波满足相互正交条件，如图卜2 所示。 在接收端，利用子载波之间的正交性，用与发送端相应的多个子载波对接收信号 进行相干解调，得到各子载波携带的数据，然后通过并串变换恢复原始的高速数 据。 第1 章绪论 图l 吧0 f d i i 频谱示意图 o f 嗍系统中采用的调制解调器如图1 - 3 所示，与传统的单载波调制解调器 不同，这里采用多个正交子载波对发送端输入数据进行调制、对接收端信号进行 相干解调。 熹母 h n 。甚 妇 图1 30 f d i i 调制器( 左) 和解调器( 右) 设r 表示o f d m 符号的宽度，面a = o ，l ，n 1 ) 是分配给每个子信道的数据符 号，五是载波频率，则从t = 时刻开始的o f 嗍信号可以表示为 5 3 ： 印) = 叫；笺d 。：e x p ( j 幼c l 一气与”棚 ，f j t t a + ，1 ) j ( f ) = 叫j + ，2一半) ( 卜) ) ，f j + ，( 1 1 ) l j = 一_ ，2 j 其等效基带信号为： j ( f ) = d i “，2c x p u 扫睾( h ，) ) ，t s 蜀) 、功率谱密度比较低的 扩频信号，最后进行发射。对于多个通信用户，各用户使用不同的扩频码，可以 同时使用带宽为历的同频带。在接收端，首先使用与发送端相同的伪随机码 1 5 第1 章绪论 对接收信号进行相关解扩频，把宽带信号恢复为窄带信号，再经过数据解调恢复 原始信息数据西。 c d m a 基于扩频通信，1 9 8 5 年由c o o p e r 和n e t t e t o n 首次提出 6 2 ：c d m a 给每 个用户分配不同的地址码，这种地址码是一码片速率远远高于信息符号速率的伪 随机码，在发送端，采用扩频技术，用各用户地址码对其信号频谱进行扩展，形 成宽带信号，并允许所有用户在同一时间占用同一信道，实现多址功能，而在接 收端，利用地址码的相关性，对接收信号进行相关处理，实现各用户信号的解扩 频，恢复各用户的原始发送数据。 1 2 2 ，2 扩频通信特点 由于采用了扩频技术，大大扩展了信号的频谱，扩频通信是一种宽带通信， 具有许多与窄带通信不同的特点： 1 ) 抗干扰能力强。这是扩频通信最突出的优点，扩频通信系统在发送端扩 展信号频谱，在接收端解扩还原信息，引入了扩频增益，大大地提高了系统的抗 干扰能力。通过选取适当的扩频增益，甚至在负的信噪比条件下，也可以将被噪 声淹没的信号提取出来。 2 ) 易于同频使用，提高了无线频谱利用率。无线频谱十分宝贵，虽然从长 波到微波都已得到开发利用，仍然潢足不了社会的需求。为此，世界各地都设有 频谱管理机构，用户必须通过申请，获得可以使用的频率。而对于扩频通信，其 发送信号功率谱极低，可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复 使用同一频率，也可以与现今各种窄带通信共享同一频率资源。 3 ) 可以利用多径效应提高系统性能。在无线通信中，多径干扰一直是很难 解决的问题。但在扩频通信中，利用扩频码之间的相关特性，在接收端对接收信 号进行相关处理可以从多径信号中提取分离出最强的有用信号，或者通过r a k e 接收机把多条路径携带的信息提取出来进行加权合并，从而变害为利，利用多径 效应提高系统的性能。 4 ) 可实现码分多址，提高系统容量。扩频通信中，利用扩频码之间优良的 自相关特性和互相关特性，在接收端采用相关检测技术可以分离不同用户的信 号，恢复各用户原始发送信息，从而实现码分多址，大大提高系统的容量。具体 来讲，c d b t a 系统的容量是相同条件下时分多址( t d j 4 a ) 的4 倍，f d 淞的2 0 倍e 6 3 。 中山大学博 学位论文：时偏i ( c - c f f i a 系统的信道估计及信号稳灏 5 ) 隐蔽性好。扩频信号在相对较宽的频带上被扩展后，单位频带内的功率 很小，即信号功率谱密度很低，信号被淹没在噪声里，不容易被发现，而截获扩 频信号就更加困难。 1 2 3i ( c - c d m a 技术 由于c d m a 技术具有抗干扰能力强、保密性好、系统容量高等特点，受到了广 泛的重视，已成功应用于第二代移动通信中( 如i s - 9 5 ) ，且第三代移动通信的 主要方案也都是基于c d m a 技术，因此，c d m a 技术具有无可争辩的竞争力。但是， 对于未来更高速率的数据传输要求，频率选择性衰落会引起严重的符号间于扰， c d m a 系统的性能将因此大幅度下降 6 4 ，这是c d m a 技术面临的最难以解决的问 题。另一方面，o f d m 技术对多径干扰和符号间干扰具有很强的抵抗力，c d m a 与o f d m 结合则有望解决c d 姒存在的频率选择性衰落问题。从1 9 9 3 年开始，很多学者提 出了将o f d m 和c d m a 相结合的技术方案 6 5 ，6 6 ，0 7 ，它结合了o f d m 和c d m a 的优点， 在高速率数据传输时，具有良好的抗符号间干扰能力。在发送端和接收端，利用 i f f t 和f f t 可以很容易产生和恢复这些多载波信号，降低了发射机和接收机的复 杂性，并且由于相邻子载波频谱允许二分之一的交叠，多载波c d m a 系统具有很高 的频谱利用率。对于已提出的多载波c o m a 方案，可以归为三类：m c c d m a 、 m c - d s - c d m a 和胛_ c 蹦a 6 8 ，6 9 在这里我们将重点介绍m c - c d m a 方案。 m c c d m a 是最早提出的一种多载波c d m a 方案。1 9 9 3 年9 月，在日本y o k o h a m a 举 行的p i m r c 会议上，美国的l i n n a r t z 、y e e 、f e t t w e i s 7 0 和德国的f a z e l 、p a p k e 7 1 各自独立提出了该方案：用户的数据符号在频域进行扩频。然后将扩频后的码片 调制到0 f d m 的不同子载波上。 1 ，2 3 1g c - - c d j 4 的发射枫模型 图l - 8 为m c c o m a 系统第“个用户的发射机模型，其中： 6 。，用户“的待发送数据分组，m 为分组长度 歇，w ，6 嚣一， ，串并变换后的厨路并行输出，醵为第m 路上数据码元 慨，醚】，醮。一。j ，城被复制为s f 路相同的数据，并行输出 c “= k ，c k ，c 一。j 1 ，用户口的扩频序列，长度为s f 船，甜，d ；一。 ，扩频后的个并行码片 第1 章绪论 图1 - 8g g - c l 舭发射机模型 对于第“个用户，待发送数据首先以长度m 进行分组，然后作串并变换，形 成j | l ，路并行输出，肘路数据分别进入肘个复制模块，每路均被复制为印路相同 数据，腰路并行数据分别