（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统中基于信道估计的联合检测技术研究.pdf

太原理工大学硕十研究生学位论文 t d s c d m a 系统中基于信道估计的 联合检测技术研究 摘要 t d - s c d m a 结合了t d d 模式和c d m a 技术的特点，是第三代移动通 信的三大主流标准之一。t d s c d m a 系统是干扰受限系统，系统主要干扰 包括多径干扰、小区内多用户干扰和小区间干扰。这些干扰破坏了各信道 的正交性，降低了系统的频率利用率。作为t d s c d m a 系统的关键技术之 一的联合检测技术把所有干扰用户当作有用信号处理，充分利用了用户信 号的扩频码、幅度、定时、延迟等信息，大幅度降低了多径与多址干扰。 本文主要研究t d - s c d m a 系统中基于阵列天线的联合检测技术。本文的主 要工作概括如下： 一、对联合检测算法进行了详细的数学推导，针对阵列天线的情况介 绍了联合检测算法的关键部分系统矩阵的构成。通过仿真对联合检测 算法中三种线性算法的性能进行了比较，给出了系统矩阵的结构。 二、对t d s c d m a 系统中的信道估计算法进行了研究。论述了 t d s c d m a 系统中基于训练序列的信道估计方法，描述了t d s c d m a 系 统的信道估计数学模型，并介绍了t d - s c d m a 系统中训练序列的构成，给 出了信道估计仿真模型框图，并从数学角度对信道估计方法进行了推导。 同时结合联合检测技术对基于训练序列的信道估计方法进行了仿真，结果 表明：基于训练序列的信道估计算法已接近真实值，并达到了通话标准。 太原理工大学硕士研究生学位论文 三、从数学角度对联合检测算法进行了改进，针对联合检测算法复杂 度高的缺点，将重点放在分析块f f t 变换的快速算法上，并对该算法进行 了改进。选择联合检测算法中的迫零线性块均衡算法( z f b l e ) 作为仿真 算法，研究不同天线配置，不同用户配置以及不同移动速度环境对联合检 测性能的影响，以及采用块f f t 算法来简化联合检测算法。大量的仿真表 明：改进后的快速算法，比未改进的z f b l e 具有更好的误码率性能，运 算效率高，所需运算数量级小于o ( n 2 ) ，存储量比传统算法成倍下降。 关键词：t d s c d m a ，联合检测，信道估计，块f f t 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo nj o i n td e t e c t i o na l g o r i t h m b a s e do nc h a n n e le s t i m a t i o n i nt d s c d m as y s t e m 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 sa l lt h ea d v a n t a g eo f t h et d da n dc d m a ，i s o n eo ft h et h r e em a i ns t a n d a r d so ft h i r d - g e n e r a t i o nm o b i l er a d i os y s t e m t d s c d m ai sa ni n t e r f e r e l i m i t e r s y s t e m h e r e i n c l u d e s m u l t i - p a t h i n t e r f e r e n c e ，m u l t i - u s e ri n t e r f e r e n c eo fi n t r a e e l la n di n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e ， t h o s ed e s t r o yt h eo r t h o g o n a l i t yo fe a c hc h a n n e lw h i c hr e d u c e st h eu t i l i t yo f f r e q u e n c e s p e c t r u mi nt d - s c d m as y s t e m a sak e yt e c h n i q u eo ft d - s c d m a ， j o i n td e t e c t i o nt a k e sa l li n t e r f e r e ru s e r sa su s e f u ls i g n a l sw h i c hc a nn l a k ef u l l u s eo ft h es p r e a dc o d e ，r a n g e ，t i m i n ga n dd e l a yo fa l lu s e r s i nt h i sp a p e rw e w o r ko v e rt h ej o i n td e t e c t i o nt e c h n o l o g yi nt d s c d m aw h i c hi sb a s e do i l a r r a ya n t e n n a t h em a i nw o r k s o f t h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h ed e t a i l e dm a t h e m a t i c si n f e r e n c eo ft h ej o i n td e t e c t i o na l g o r i t h mi s g i v e n ，a n dt h ek e yo fj o i n td e t e c t i o na l g o r i t h m - - - s y s t e mm a t r i xi si n t r o d u c e d a n a l y z et h r e ek i n d so fl i n e a rj o i n td e t e c t i o na l g o r i t h m , d e s c r i b et h e i rp r i n c i p l e a n dc o m p a r et h ep e r f o r m a n c eo ft h e m a tl a s t , g i v et h e s y s t e mm a t r i x i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s p e c t i v e l y 2 i n v e s t i g a t e dt h ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi nt d - s c d m as y s t e m ， e s p e c i a l l ye l a b o r a t e dt h ec h a n n e le s t i m a t i o nw h i c hb a s e do nt r a i n i n gs e q u e n c e t h ec o n s t r u c to ft r a i n i n g s e q u e n c e i nt d s c d m ai sd e s c r i b e da n dt h e s i m u l a t i o nm o d e lo fc h a n n e le s t i m m i o ni s g i v e n s i m u l t a n e o u s l y t h e p e r f o r m a n c eo fc h a n n e le s t i m a t ea l g o r i t h mw h i c hu s e st r a i n i n gs e q u e n c ei s s i m u l a t e dw i t hj o i n td e t e c t i o na l g o d t h m t h er e s u l t ss h o w nt h a t ：t h e c o n c l u s i o n so fc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mw h i c hb a s e do nt r a i n i n gs e q u e n c e i sv e r yc l o s et ot h er e a l i t yv a l u e ，a n da c h i e v e st h ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d 3 d u et oh i g hc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo fj o i n td e t e c t i o na l g o r i t h m ，w e i n t r o d u c eb l o c kf o u r i e ra l g o r i t h ma n de x p l a i ni t sp r i n c i p l ea n dt h ea p p l i c a t i o n i nt d s c d m as y s t e mi nd e t a i l s e l e c tz f b l ea st h es i m u l a t ea l g o r i t h m , s i m u l a t ej o i n td e t e c t i o na l g o r i t h mp e r f o r m a n c ei nd i f f e r e n to c c a s i o n s s u c ha s v a r y i n ga n t e n n an u m b e r , u s e rn u m b e ra n dt r a v e l i n gs p e e d c o m b i n i n gt h e o r y a n a l y s e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ed r a ws o m ec o n c l u s i o n s ：w i t h o u tr e d u c i n g t h ep e r f o r m a n c eo ft d - s c d m as y s t e m ，t h ei m p r o v e ra l g o r i t h mh a sh i g h e r o p e r a t i o ne f f i c i e n c y , t h eo r d e ro fm a g n i t u d el e s st h a n o ( n 2 ) ，a n dt h es t o r a g e d e s c e n d sw i t l lt i m e st h a nt r a d i t i o na l g o r i t h m k e yw o r d s ：t d - s c d m a ，j o i n td e t e c t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，b l o c k - f f t i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 、 席 论文作者签名：圣益日期：鲨z 立竺堕生论文作者签名：臣望 日期：鲨2 壁竺竺! ：竺： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容l 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 日期：竺z 圣! 里! ：塑： 导师签名：啦b i l l ： 导师签名： 型盐! ：立 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 本章简要介绍了移动通信近年来的发展状况，概括了本文的研究背景和目的，同时 对本文的主要研究工作进行总结，最后叙述了文章的结构安排。 1 1 移动通信近年来的发展状况 1 1 1 第三代移动通信标准的发展 近年来，蜂窝移动通信系统正以空前的速度迅猛发展。目前以g s m 和i s 9 5c d m a 为代表的第二代移动通信系统已经遍布全球，但这两个网络之间难以实现漫游，不能满 足全球通信的需求。同时，以窄带技术为核心的第二代移动通信系统已经无法满足用户 对高速数据业务的需求。因此，以宽带、多媒体业务为核心的第三代移动通信系统就应 运而生。 第三代移动通信系统( 3 g ) ，也称i m t - 2 0 0 0 ，是正在全力开发的系统，其最基本的 特征是智能信号处理技术，智能信号处理单元将成为基本功能模块，支持话音和多媒体 数据通信，它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务，例如高速数据、慢速 图像与电视图像等。 国际电信联盟( i t u ) 所定义的i m t - 2 0 0 0 系统需要具有以下三个特征【l i ： 1 ) 全球化 i m t - 2 0 0 0 是一个全球化的系统，各个地区多种系统组成一个i m t - 2 0 0 0 家族。适应 多种环境、多种技术、同一频率、同一标准，各个系统在设计上具有高度的互通性，能 提供全球无缝漫游；， 2 ) 综合化 能够提供多种业务，如话音、宽带数据、压缩视频、宽带多媒体业务，特别能够支 持多媒体业务和i n t o n e t 业务，提供高质量服务，并有能力容纳新型的业务，以适应信 息化社会的需求； 3 ) 个人化 用户使用全球唯一的个人号码，并能提供足够的容量、高保密性、高服务质量。 太原理工大学硕士研究生学位论文 为了能够在未来的全球化标准竞赛中取得领先地位，各个地区、国家、公司及标准 化组织纷纷提出自己的技术标准。通过一年的评估和融合，1 9 9 9 年1 1 月5 日i t u 在赫 尔辛基举行的t g 8 i ( 未来陆地移动通信系统) 第1 8 次会议上，通过了文件i t u r m 1 4 5 7 ，确认了5 种第三代移动通信无线传输技术。其中三种主流技术是w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。 1 1 2 三大主流标准的技术比较 第三代移动通信系统是能够满足国际电联提出的i m t - 2 0 0 0 系统标准的新一代移动 通信系统，要求具有很好的网络兼容性，能够实现全球范围内多个不同系统间的漫游， 不仅要为移动用户提供话音及低速率数据业务，而且还要提供广泛的多媒体业务。i t u 已对i m t - 2 0 0 0 的测试环境提出了具体标准，给出了表征i m t - 2 0 0 0 系统最低限度的参 数，包括支持的数据速率范围、误码率标准、单向的时延标准、激活因子和业务量模型。 根据删的标难，世界各大电信公司联盟均已提出了自己的第三代移动通信系统方案。 主要有以日本d o c o m o 公司为首提出的w c d ma 、美同朗讯和摩托罗拉等公司提出的 c d m a 2 0 0 0 、欧洲西门子和阿尔卡特等公司提出的t d c d m a 以及我国提出的拥有自主 知识产权的t d - s c d m a 。总体来说，虽然这些方案不甚相同，但是全世界在第三代移 动通信系统中采用宽带码分多址( c d m a ) 技术方面已经达成共识。 一、w c d m a 技术 w c d m a 系统嘲的关键技术是建立在窄带c d m a 技术的基础上的，但从技术改进 的角度来看在原有的基础之上又前进了一步，w c d m a 的技术特点有： 1 ) 可适应多种速率的传输，灵活的提供多种业务； 2 ) 是一个异步系统，各b t s 之间不需要同步； 3 ) 优化的分组数据传输方式； 4 ) 支持不同载频之间的交换； 5 ) 上、下行快速功率控制； 6 ) 反向采用导频辅助的相干检测( 提供反向解调增益，提高功率控制准确性) ； 二、e d m a 2 0 0 0 技术 c d m a 2 0 0 0 技术是北美的朗讯( l u c e n t ) ，摩托罗拉( m o t o r o l a ) ，高通( q u a l c o m m ) 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 等公司提出的基于i s 9 5 的候选系统。它沿用了i s 9 5 的主要技术和基本技术思路，如 帧长2 0 m s ，采用了i s 9 5 软切换和功率控制技术，需要全球定位系统( g p s ，g l o b a l p o s i t i o ns y s t e m ) 同步等。c d m a 2 0 0 0 技术的选择和设计最大限度的考虑了和i s 9 5 系统 的向后兼容，很多基本参数和特性都是相同的，但也做了如下实质性的改进。 1 ) 提供反向导频信道，使反向相干解调称为可能。在i s 9 5 系统中，反向链路没有导 频信道，这使得基站接收机中的同步和信道估计比较困难； 2 ) 前向链路可采用发射分集方式，提高信道的抗衰落能力； 3 ) 增加了前向快速功率控制，提高了前向信道的容量。在1 s 9 5 系统中，前向链路只 支持慢速功率控制； 4 ) 业务信道可采用比卷积码更高效率的t u r b o 码，使容量进一步提高；： 5 ) 引入了快速寻呼信道，减少了移动台功耗，增加了移动台的待机时间。 三、t d - s c d m a 技术 ， + tt d s c d m a 是世界上第一个采用时分双工( t d d ) 方式和智能天线技术的公众陆 地移动通信系统，也是唯一采用同步c d m a ( s c d m a ) 技术和低码片速率( l c r ) 的 ； 第三代移动通信系统。同时采用了联合检测、软件无线电、接力切换等一系列高新技术。 至今为止，其他公众陆地移动通信系统中都没有使用这些技术，t d - s c d m a 系统可以 采用这些技术并能保证它们很好的工作。 截至且前，国内t d s c d m a 的产业链已基本建成，其中包括了4 家系统厂商和4 家芯片厂商，共有近2 0 款终端接受测试。随着手机芯片的不断推出，t d s c d m a 终端 已于2 0 0 5 年第二季度实现了群体突破，由1 2 家厂商生产的2 0 多款终端手机及数据卡 已经面市，而这些终端在基本语音和业务方面都有不俗表现。 2 0 0 6 年2 月开始的t d s c d m a 实验分为网络建设、测试验证和专业用户友好用户 发放三个环节，目前已进入实验的最后阶段。实验大幅度提升了设备性能和稳定性，其 中智能天线、功率控制等t d s c d m a 关键技术和网络性能已经进行了全面的验证，而 在t d s c d m a 能否同域组网等业内关注的热点，也已通过实验得到肯定。2 0 0 6 年1 2 月1 0 目共有5 大城市参与了放号测试，其中保定建有1 0 0 个基站，青岛和厦门则各有 近1 5 0 个基站，而这3 个城市也是全城覆盖，至于北京和上海，则分别拥有约2 0 个基 站 4 1 。 当前最为迫切的任务是进行宽带c d m a 通信系统的关键技术的研究工作，努力形 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 成自己的专利技术，提高中国电信业的独立性和与外国电信厂商竞争的能力。宽带 c d m a 通信系统的关键技术包括抗干扰( 多用户检测) ，抗多径衰落( 天线分集和r a k e 接收) 和抗远近效应( 功率控制) 等，而它们之间又是相辅相成、互相补充的，均为当 前研究的热点。 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 都是采用f d d 模式的，而t d d 模式本身固有的特点突破了 f d d 技术的很多限制，t d d 系统在满足i m t - 2 0 0 0 要求的前提下，同时具有以下优点： 1 ) t d d 可以使用任何频率，不需要成对的频率。频率利用率高； 2 ) 适用于上下行不对称业务传输，特别适合于i p 数据型业务； 3 ) t d d 上下行工作于同一频率，对称的电波特性使之便于使用诸如智能天线等新技 术，达到提高性能，降低成本的目的； 4 ) 设备成本低，可能比f d d 系统低2 0 5 0 。 t d d 系统的主要缺陷在于移动终端的速率和覆盖距离： 1 ) 采用多时隙不连续传输方式，抗快衰落和多普勒效应( d o p p l e r ) 能力比f d d 差： 2 ) t d d 系统平均功率与峰值功率之比随时隙数增加而增加，考虑到耗能和成 本因素，用户终端的发射功率不可能很大，因此通信距离小，而f d d 的小区半径相 对较大。 因为t d s c d m a 系统的t d d 模式可以利用上、下行信道的互易性( 或互惠性) ， 即基站对上行信道估计的信道参数可以用于智能天线的下行波束成形，这样相对于f d d 模式的系统，智能天线技术比较容易实现。这样，目前的d s p 技术可以较好的在 t d s c d m a 系统中采用智能天线技术。由此使得t d d 模式的缺点均可克服，例如接收 灵敏度低、仅支持半径较小的小区等。 t d s c d m a 系统的帧结构中专门设置了一个特殊时隙( u p p t s ) ，这样保证了上行 同步的很好实现。由于系统上行同步，大大降低了系统的干扰，解决了c d m a 系统上 行容量受限的难题。 t d s c d m a 综合了t d d 和c d m a 的所有技术优势，具有灵活的空中接口，并采 用了智能天线、联合检测等先进技术，具有相当高的技术先进性，并且在三个主流标准 中具有最高的频谱效率。随着大范围覆盖和高速移动等问题的逐步解决，t d s c d m a 将成为使用经济并能得到令人满意效果的第三代移动通信解决方案。 以上介绍了三大主流标准的技术比较，表1 i 【5 l 对w c d m a 、e d m a 2 0 0 0 和 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 t d s c d m a 三种主流标准的主要技术性能进行了比较，从表中可以看到，只有 t d s c d m a 使用了智能天线、联合检测和同步c d m a 等先进技术，所以在系统容量、 频谱利用率和抗干扰能力等方面具有突出的优势。 表1 - 1 三种主流标准的主要技术性能比较表 f i g 1 一im a i np e r f o r m a n c eo f t h et h r e et e c h n o l o g y s w c d m ac d m a 2 0 0 0 t d s c 日d a 载频间隔5 m h z1 2 5 m 明z1 6 m 呐z 码片速率3 8 4 m c s1 2 2 8 8 m c s1 2 8 m c ，s 帧长1 0 m s2 0 1 1 5 1 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 功率控制 快速功控：上、下行反向：8 0 0 h z o 一2 0 0 h z 1 5 0 0 h z 前向：慢速、快速功控 下行发射分类支持支持支持 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 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 1 2t d s c d m a 系统的关键技术及特点 1 2 1t d s c d m a 系统的关键技术 t d - s c d m a 作为c d m a t d d 技术的一种，具备c d m a t d d 的所有特点。如混合 多址方式，上下行链路特性的一致，时隙按上下行链路所需数据量进行动态分配等。 t d s c d m a 的特殊之处在于，除了具备c d m at d d 的所有特点外，还采用了诸 如同步c d m a ( s c d m a ) 、智能天线( s m a r ta n t e n n a ) 、联合检测( j o i n td e t e c t i o n ) 、 软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 和接力切换( b a t o nh a n d o v c r ) 等关键技术，这也是 t d s c d m a 提案被i t u 接受的重要原因。 一、同步c d m a ( s c d m a ) 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 同步c d m a 是指系统中的所有无线基站收、发同步，即要求来自不同位置、不同 距离的不同用户终端的上行信号能够同步到达基站。由于移动通信系统是工作在具有多 径多普勒效应等严重干扰的实际环境中，要实现理想的同步通常是不可能的。但如果能 够使各个上行信号在主径上到达同步，对改善系统性能、简化基站接收机设计( 特别是 对t d d 系统) 仍然具有明显的好处。t d s c d m a 系统中，同步c d m a 是通过帧结构 的设计和一个开环闭环的同步控制机制来实现的。由于各个用户终端的信号码片到达 基站解调器的输入端时是同步的，它充分应用了扩频码之间的正交性，大大降低了同一 射频信道中来自其他码道的m a i 影响，因而系统容量可以随之增加。 二、智能天线( s m a r t a n t e n n a ) 智能天线技术是t d s c d m a 核心技术中的关键1 6 】。在一定意义上，t d s c d m a 系统就是基于智能天线技术来设计的。 早期的基站采用全向天线，由于一个用户的信号对于其他用户相当于干扰，所以不 仅能量利用率不高，而且造成相互影响，于是就提出了自适应智能天线问题。 智能天线波束赋形的基本原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排 列和激励，利用波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使用数字信号处理方法使天 线主瓣自适应的指向移动台方向，从而达到提高信号载干比，降低发射功率的目的。在 t d s c d m a 系统的上行链路中，通过基带数字信号处理器，对各个天线链路上接收到 的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。 由于t d d 系统的上、下行链路工作在相同的频点，时间间隔很小，电波传播特性 是对称的，故可以将上行波束赋形的结果直接使用于下行波束赋形，使得天线阵辐射方 向图主瓣自适应地指向用户终端的来波方向( d o a ) 。在t d s c d m a 系统中，智能天 线在上行链路中作用，从而使小区内与小区间的多址干扰最小化，同时利用多天线获得 分集增益；它在下行链路中的作用是抑制小区内与小区间的多址干扰。同时智能天线提 高了移动台的接收灵敏度，在保证移动台相同接收性能的条件下降低了基站的发射功 率，从而可以通过使用较低额定输出功率的功率放大器来降低基站设备成本。 智能天线技术的采用，极大地降低了多址干扰、提高了系统容量、提高恶劣接收灵 敏度、降低了发射功率和降低了无线基站的成本。 三、联合检测技术( j o i n td e t e c t i o n ) 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 联合检测技术是t d s c d m a 系统中的另一项重要技术。联合检测通过对已知的训 练序列( m i d a m b l e ) 进行信道估计，对多码道信号联合处理，去除多址干扰和码间串扰。 在基站处，由于信号从移动台多径到达基站，因此上行同步技术只能保证主径在一定范 围内的同步。联合检测技术把同一时隙中多个用户的信号及多径信号一起处理，精确的 检测出各个用户的信号。在移动台处，基站智能天线的波束成形虽然极大的降低了多用 户干扰的强度，但是多用户干扰依然存在，尤其是当用户的位置非常靠近时，多用户干 扰问题仍然很严重，联合检测技术能很好的解决多用户干扰问题。 四、软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 软件无线电是近几年来提出的一种实现无线通信的新概念和体制，是指建立在高速 a d 变换器和高性能数字信号处理器( d s p ) 的硬件平台上，用软件来实现无线通信系 统设备中的基带处理，甚至中频信号的处理功能。诸如：话音压缩编码、信道编解码、 射频m o d e m 、基带m o d e m 、信令处理、同步检测与控制、天线波束赋形、功率控 制等功能都是用软件来实现。软件无线电是近几年来发展起来的技术，它把许多以前需 要硬件实现的功能用软件来实现。由于软件修改较硬件容易，使得设计和测试都非常方 便，可以降低产品开发周期和成本，不同系统间的兼容性也易于实现。所以这一技术成 为t d s c d m a 系统的关键技术之一。 五、接力切换( b a t o nh a n d o v e r ) 移动通信系统采用蜂窝结构，在跨越空间划分小区时，必须进行越区切换，即完成 移动台到基站的空中接口转换，以及基站到网入口和网入口到交换中心的响应转移。由 于t d s c d m a 系统中智能天线的使用，系统可得到移动台所在的大致方位和距离，所 以t d s c d m a 系统的基站( b s ) 和基站控制器( b s c ) 可采用接力切换方式，根据用 户方位和距离信息，判断手机用户是否移动到应该切换到另一基站的临近区域。如果进 入切换区，便可通过基站控制器通知另一基站做好切换准备，达到接力切换的目的。 b s c 实时获得移动终端的位置信息，并告知移动终端周围同频基站，移动终端同时与 两个基站建立联系，切换由b s c 判定发起，使移动终端由一个小区切换至另一小区。 t d - s c d m a 系统既支持频率内切换，也支持频率间切换，具有较高的准确度和较短的 切换时间，它可动态分配整个网络的容量，也可实现不同系统间的切换，大大提高了系 统容量。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 t d s c d m a 系统除了采用同步c d m a ( s c d m a ) 、智能天线( s m a r ta n t e n n a ) 、 联合检测( j o i n t d e t e c t i o n ) 、软件无线电( s o f t w a r e r a d i o ) 和接力切换( b a t o n h a n d o v e r ) 等关键技术，低码片速率也是其特点之一。 t d s c d m a 系统码片速率( c h i p r a t e ) 采用的是1 2 8 m c h i p s ，为u t r a t d d 码片 速率的1 3 ，这有利于和u t r a t d d 系统的兼容。更容易在硬件上实现，可大大降低成 本。另外，t d s c d m a 的单个载频占用1 6 m h z 的带宽，较之5 m h z 的u t r a t d d 和 u t r af d d ，由于占用的带宽窄，在频谱安排上有着更大的灵活性。采用t d s c d m a 系统能更有效的利用将来空置出的第二代频谱资料资源来展开第三代业务。因为g s m 频点间隔为2 0 0 k h z ，8 个连续的g s m 频点就可安排一个t d s c d m a 载波。 t d - s c d m a 系统设计的一个重要思想就是建立在g s m 网络基础上逐步向第三代系 统过渡，以减少风险和首期投资。而其它任何一种第三代系统，如w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 ， 都需要一步到位，建立一个崭新的网络，包括基站、基站控制器及核心网，其投资将是 巨大的。 1 2 2t d s c d m a 系统的特点 一、t d s c d m a 系统的优点 t d s c d m a 作为一种t d d 技术，与f d d 技术相比具有如下主要优点： 1 ) t d d 系统的上、下行链路工作在相同的频率上，用定时开关控制收发双工工作，因 此其射频设备比较简单，系统成本较低； 2 ) 上、下行链路的一致性使得t d d 系统更容易使用智能天线、联合检测等新技术； 3 ) 对频谱的安排和利用更加灵活； 4 ) 可以满码道工作，达到所谓的“w a l s h 极限”，在同等频带宽度下，小区容量高于f d d 系统； 5 ) t d d 系统可以根据业务需要灵活分配时隙和码道，更易于提供不对称业务及多速率 业务。 二、t d s c d m a 系统的缺点 t d s c d m a 系统也具有t d d 系统的一些固有缺点： 1 ) 扩频增益较低，使其抗噪声能力不如f d d 系统； 2 ) 多个时隙的使用对系统定时有较为严格的要求，时隙间的保护间隔也增大了系统的 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 开销； 3 ) 对高速移动用户的服务质量不如f d d 系统； 4 ) 信号为脉冲突发形式，发射信号的峰值比均值较大，导致带外辐射较高。 根据上述特点，1 1 s c d m a 系统将主要应用于大中城市以及城乡结合部。这些鲍 区人1 2 1 较为稠密，用户移动速度较低，需要大量小半径高容量的小区覆盖。对于数据业 务，特别是i n t e r n e t 业务等不对称业务的主要要求也将是这样的地区。t d s c d m a 系统 正好能满足这个要求，这是t d d 系统的优点所在。 未来几年内，在世界绝大部分地区对移动通信系统业务的要求还将主要集中在话音 方面，但预计数据业务的需求将快速增加。目前广泛使用的g s m 网络由于频率资源的 不足，难以满足如此巨大的用户需求量。而t d s c d m a 技术提供了一条向第三代移动 通信演进的路径。只需要在目前的g s m 网络中逐步使用t d s c d m a 无线基站扩容， 就可以在不增加很多投资的情况下提供更多的系统容量。更为重要的是，这也为第二代 系统向第三代系统的演进提供了新的思路。 蚤此外，由于在不对称数据业务方面的优势，t d - s c d m a 系统将i n t e r a e t 扩展到移动 领域方面占有先机。 0 以上优点加上t d s c d m a 系统的低价格特性，使得它在第二代网络向第三代网络 演进的过程中占有重要的地位。 ， 、 ； l3 联合检测算法的研究现状 联合检测( j d ，j o i n td e t e c t i o n ) 源于早期用于字符间干扰( i s i ) 消除的信道均衡技 术，首先由德国k a i s c r s l a u t e m 大学的a k l e i n 和b a i e r l 7 】提出用于多用户突发传送系统 中，其核心思想是将所有用户发送的数据字符视为单用户发送的数据序列。在接收检测 时，利用已知的用户扩频码和信道冲激响应( c i r ) 估值，将多址干扰( m a d 视为i s i 进行处理。与采用串行干扰抵消技术( s i c ) 或并行干扰抵消技术( p i c ) 的其它多用户 检测技术( m i i d ，m u l t i u s e r d e t e c t i o n ) 相比，j d 技术并不是把m a i 当作噪声消除， 而是尽可能的利用所有相关信息。 最初的数据检测是由传统接收机来完成的。它由一系列匹配滤波器组成，根据自身 的扩频码只能识别本用户的数据，而将其他用户对它的干扰全部简单的视为噪声，忽略 了用户之间的相关性。在实际应用中，噪声是影响信号性能的一种不可抗拒的因素，一 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 般靠提高信噪比来保证质量。因此传统接收机效率不算太高，而且要求严格的功率控制。 正因为传统接收机不能够有效的消除多址干扰，于是人们提出了多用户检测的概 念。从信号处理的角度定义，多用户检测技术就是综合利用各种信息以及信号处理的手 段，对接收信号进行处理，从而达到抑制和消除多址干扰的目的。 早在八十年代初期，v e r d u 提出了高斯白噪声环境中c d m a 系统的最优多用户检 铡方案以匹配滤波器加维特比算法来实现最大似然序列检测( m a x i n u ml i k e l y h o o d s e q u e n c ed e t e c t i o n ，m l s 检测) ，根据最大后验概率对接收到的信号进行估计。从误码 的角度而言，最优检测器具有最佳的抗远近效应的性能，理论上能够将信号最佳的检测 出来，适用于受i s l 影响的信道。不过这种最大似然检测方案决定了最优检测算法的计 算复杂度是用户数和传送的信息符号数的指数幂级，而且m l s 检测器需要知道接收信 号的幅度和相位，这需要通过估计来得到。因此，尽管最优检测器是最佳检测方案，对 系统容量具有巨大的提高，在实际系统中还是无法应用。 进入八十年代中后期，人们逐渐转向寻找易于实现的次优多用户检测器( m u l t i u s e r d e t e c t i o n ，m u d ) 。1 9 8 9 年r l u p a s 首先提出了同步c d m a 系统中的线性多用户检测 方案，即用线性算子作用于接收信号，从而达到对待检用户信号检测的目的。经过近十 多年的研究，线性多用户检测方案得到了极大发展，从最初的线性解相关检测器到迫零 ( z e r of o r c e ，z f ) ，m m s e ( m i n i n u mm e a ns q u a r ee r r o r ，m m s e ) 检测器以及各类自 适应算法，线性算法极大的降低了多用户检测技术的复杂度。 联合检测技术是在多用户检测技术基础上提出的次优多用户检测技术的其中一种， 属于线性多用户检测。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。从理论上讲，使用联合 检铡技术，可以完全抵消m a i 的影响，这将大大提高系统的抗干扰能力和容量。 j u n g 、b l a n z t 6 1 、n a s s h a n 、s t e i l 、b a i c r 和e m 1 7 1 相继对j d 接收机的具体实现算法 和结构进行了大量的研究，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，上述方案还可以扩展为 m m s e b d f e 和z f b d f e 。此外，还可利用多天线相干接收处理构成联合检测相 干接收天线分集方案( j d m ) ；基于阵列天线、利用d o a 信息时，还构成结合智 能天线技术( s a 技术) 的国接收机；采用t u r b o 编码也可进一步改善j d 接收机的性 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 能。 联合检测算法有多种分类8 1 方法，按照优化准则不同可分为基于迫零和最小均方误 差两类；按照是否采用判决反馈可以分为线性块均衡器( b l o c k l i n e a r e q u a l i z e r , b l e ) 和非线性的块判决反馈均衡器( b l o c kd e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r , b d f e ) 两类；按照 矩阵求逆所采用的不同快速算法可分为c h o l e s k y 、f f t 、s c h u r 等，如图1 - 1 所示。 图1 - 1 联合检测分类 f i g u r e 1 1 c l a s s i f i c a t i o no f j o i n td e t e c t i o n 1 4 本文的主要研究工作 本文详细论述了联合检测技术的基本原理，综合比较了三种线性联合检测算法的性 能和复杂度；对t d s c d m a 系统中的信道估计算法进行了较为细致的研究，并仿真了 其性能，为基于块f f t 算法改进后联合检测算法的仿真提供了良好的基础；选择z f b l e 算法作为仿真算法，研究不同天线配置，不同用户配置以及不同移动速度环境对联合检 测性能的影响，以及采用块f f t 算法来简化联合检测算法，证明了改进算法的正确性 和可行性。通过大量的仿真结果，得出一系列结论。 第一章主要阐述了第三代移动通信发展的现状，介绍了目前第三代移动通信中的三 大主流标准，对比了三者的主要技术性能，重点介绍了t d s c d m a 系统。详细介绍了 t d s c d m a 系统中的几项关键技术，并针对本文的主要研究对象联合检测算法， 详细介绍了其研究现状。 第二章作为其后各章节研究工作的基础，首先论述t d s c d m a 系统信道数学模型， 然后基于链路级仿真的且的建立一个可以验证i m t - 2 0 0 0 无线传输技术( r t t ) 链路性 能的仿真平台。 第三章具体研究了t d s c d m a 系统中基于训练序列的信道估计方法。首先给出了 t d s c d m a 系统的信道估计数学模型，介绍了t d s c d m a 系统中训练序列的构成， 太原理工大学硕士研究生学位论文 然后给出了信道估计仿真模型框图，最后通过仿真对基于训练序列的信道估计的方法迸 行了验证。仿真结果表明：基于训练序列的信道估计算法能够提高系统性能，并且方法 简单、易于实现。 第四章以第三章内容为基础，论述了多用户检测算法，着重分析了多用户检测中的 联合检测算法。对联合检测算法进行了详细的数学推导，同时介绍了联合检测算法的关 键部分系统矩阵的构成。通过仿真对联合检测算法中三种线性算法的性能进行比 较，并决定采用z f b l e 算法作为后续研究的重点。 第五章从数学