（通信与信息系统专业论文）3g演进系统的上行多址及随机接入技术研究.pdf

摘要 摘要 通信中的链路分成上行和下行链路，3 g 提案中的下行链路技术己趋成熟，而 急需解决的是上行链路问题，由于上行移动用户端不可能做得很大，因此不能采 用下行链路的o f d m 传输方式。未来移动通信系统终端业务是面向i p 的优化原则， 因此终端和基站间的同步和非同步的转化是比较频繁的，所以有必要研究随机接 入问题，高效且节省时频资源的随机接入设计与过程对系统而言非常重要。因此， 研究上行多址和随机接入对未来通信的发展有着十分重要的意义。 本文就是针对上行多址和随机按入的一些问题展开研究，目的在于对比目前 最流行的两种单载波传输方式；提出有效的随机接入方法。对上行多址的研究主 要是对比两种多址方式的性能，由于它们对载波频偏都很敏感，因此，本文对载 波频偏进行了重点研究，最后提出了解决单载波传输方式中载波频偏的方法；在 研究随机接入问题时，主要通过提出新的接入方案，然后仿真验证新方案的性能。 从仿真的结果可以看出，上行多址使用d f t - s o f d m 可以得到更好的性能；而随 机接入中的分组接入的思想，有利于提高随机接入的用户数，异步随机接入中使 用暗含的方式以及同步接入中使用i d m a 方式传送信息，可以有效提高系统的性 能。 本文的研究内容和主要结论如下： 首先介绍了对上行多址方式及随机接入的研究现状以及与它们的发展，总结 了需要进一步解决的问题，指出了本文研究的方向。 第二章到第四章分析对比了上行链路中的两种多址方式，在第二章中，对上 行链路中的i f d m a 多址方式进行了介绍，对比了系统中分别使用时三种不同的均 衡方式时的性能，用公式证明了各个用户问的正交关系，最后研究了用户数对系 统性能的影响。第三章介绍了上行多址的另一种实现方式：d f r - s o f d m ，详细介 绍了该方式中的收发系统，然后研究了不同的调制方式对该系统性能的影响。第 四章主要对是对第二章和第三章中提出的两种多址方式的对比：实现的复杂度、 p a p r 、带宽利用率等，由于i f d m a 与d f t - s o f d m 都是利用用户的信号在频域 中正交这一特性来区分不同的用户，所以频偏会对系统造成严重的影响，这里对 摘要 其影响进行了仿真，同时给出了在接收端进行频偏估计的方法，最后研究了用于 做频偏估计的c p 的长度对系统性能的影响。 第五章主要具体分析了随机接入问题，这里又可以分成两个小部分：同步随 机接入和非同步随机接入。由于同步和异步随机接入都会使用到前导序列，因此 这一部分首先介绍了前导序列的设计方法，接下来就介绍了同步随机接入，提出 了分组接入的思想，并在不同的带宽条件和不同的信道下进行了仿真，然后提出 了在同步随机接入中引入i d m a 的思想，以实现在同步随机接入中传送信息。第 五章的另一部分主要讲如何实现异步随机接入，首先介绍了异步随机接入的特性， 前导序列长度的计算，然后提出了基于c c s k 的异步随机接入信息传送方法，第 一种基于c c s k 的传送方法，主要利用了通过不同的循环移位的数目来代表不同 的控制信息，不同的用户采用不同的c c s k 信号；而第二种方法与第一种方法的 区别在于接收端，这种方法不是一个个去解出用户的信息，而是对所有的用户的 解调进行联合解调，这更适合于上行链路，同时也符合未来通信的发展趋势。 最后一章对全文进行了总结，归纳了本文的主要贡献，提出了下一步的研究 方向。 关键词：上行链路，均衡，频偏估计，随机接入，c c s k a b s t r a c t a b s t r a c t t h el i n ko fc o m m u n i c a t i o nc a nb ed i v i d e da s u p l i n ka n dd o w n - l i n k t h e d o w n - l i n ki sf i x e do n t h em o s ti m p o r t a n tt h i n gi st of i g u r eo u tt h eu p - l i n kn o w d e v i c e t h a tu s e db yu s e ri sn o ts ob i ga n dt h eu p l i n kc a nn o tu s eo f d ma st r a n s f o r mm e t h o d a st h eb u s i n e s sa tt h eu s f f fp a r tc u r r e n tt oo p t i m i z et oi p s o ，t h es t a t eo fs y n c h r o n i z e a n dn o n - s y n c h r o n i z ec o n v e dt oe a c hi sv e r yo f t e n s o ，i ti s i m p o r t a n tt os t u d yt h e r a c hp r o b l e m h o wt os a v et h e $ o t f f c eo ff r e q u e n c ya n dt i m ea r et h ep o i n t so ft h e d e s i g no fr a c ha n d t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s o ，t h es t u d yo ft h eu p 1 i n kt r a n s f o r m m e t h o da n dr a c hi sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e rj u s tf o c u s e s0 1 1t h ep r o b l e m so ft h eu p - l i n km u l t i a c c e s sa n dr a c h t h e p u r p o s ei st oc o n s t r a c tt w op o p u l a ru p - l i n km u l t i - a c c e s s e sa n dt op r o p o s es o m en e w m e t h o d so ft h er a c h t h em e t h o do fs t u d yt h em u l t i - a c c e s si s t oc o n t r a c tt h e i r c h a r a c t e r s f r e q u e n c yo f f s e ti ss t u d i e df o rt h et w ok i n do fa c c e s sa r es e n c e n t i v et ot h e f r e q u e n c yo f f s e t t os o l v et h ef r e q u e n c yo f f s e tp r o b l e m ，am e t h o di sp r o p o s e d n e w m e t h o di sp o i n t e do u tw h e n w es t u d i e dt h ep r o b l e mo ft h er a c h t h e n ，w es i m u l a t e t h ep e r f o r m a n c e f o r mt h eo u t c o m e so ft h es i m u l a t i o n ，w ek n o wd f t - s o f d mh a sa 9 0 0 dp e r f o r m a n c e t h ep a c k a g ea c c e s s ，i d m au s e di nr a c ha n dak i n dc c s k m e t h o da r ep r o p o s e da n ds i m u l a t e d a tt h eb e g i n i n g , t h em e a n i n ga n dt h es t a t e si nq u oi sb e e ni n t r o d u c e d p r o b l e m s n e e dt ob es o l v e di ss u m m e d u pa n dt h ed i r e c t i o ni sp o i n to u t t w om e t h o do ft h et r a n s f o r mh a v e b e e ni n c l u d e di nc h a p t e rt w ot of o u r i nt h e c h a p t e rt w o ，o n eo ft h et r a n s f o r mm e t h o d sn a m e di f d m ai si n t r o d u c e d t h l e 2 ： e q u a l i z e r sh a v eb e e nu s e di ni f d m ar e s p e c t i v e l ya n ds i m u l a t i o n ss h o wt h ec h a r a c t e ro f t h e m a tl a s t ，t h en u m b e ro fu s e r si m p a c ti si n v e s t i g a t e d a n o t h e rt r a n s f o r mm e t h o d n a m e dd f t - s o f d mi si n t r o d u c e di nc h a p t e rt h r e e a st h ec h a p t e rt w og o e s ，t h r e e e q u a l i z e r sh a v eb e e ns t u d i e dh e r ea n dd i f f e r e n tm o d u l a t i o nf o r m sh a v eb e e nl o o k e d c h a p t e rf o u ri sa no u t c o m eo fc o n t r a s to ft h ec h a p t e ro ft w oa n dc h a p t e rt h r e e h e r et h e i m p l e m e n tc o m p l e xo fi f d m aa n dd f f - s o f d mi ss t u d i e d t h e ni ti sp a p r a n dt h e n i l i a b s t r a c t i tc o m e st ot h eu t i l i z a t i o no ft h ee f f i c i e n c yo ft h eb a n d w i d t h b e c a u s eo fi f d m aa n d d f t - s o f d mu s et h e 仃e q u e n c yt o d i s t i n g u i s hu s c ls ot h e ya l es e n s r i v et o t h e f r e q u e n c yo f f s e t 皿em e t h o du s e dt os o l v et h i sp r o b l e mi sp o i n t e do u t t h ep o i n to ft h ec h a p t e rf i v ei st oa n a l y s i st h ep r o b l e mo fr a c h 1 kp r o b l e m so f r a c hc a l lb ea p a r ti n t ot w o k i n d s ：s y n c h r o n i z ea n dn o n - s y n c h r o n i z er a n d o m a c c & s t o s o l v et h ep r o b l e m si ns y n c h r o n i z e ，p a c k a g ea c c e s si sp u tf o r w a r d s i m u l m i o n sh a v e b e e nd o n ei nd i f f e r e n tc h a n n e l sa n db a n d w i d t h s n ec h a r a c t e r so f p r e a m b l eo f s y n c h r o n i z er a c hi si n t r o d n c e d n ei d e ao fi n c l u d et h ei d m at e c h n o l o g yi nt h e t r a n s f o r mo ft h em e s s a g ei nt h es y n c h r o n i z e di np o i n t so u t a n o t h e rp o i n tp a r to fc h a p t e rf i v ei n t r o d u c et h en o n - s y n c h r o n i z er a c h f i r s t , c h a r a c t e ro ft h en o n s y n c h r o n i z er a c hi si n t r o d u c e d t h en e x ti st h ec a l c u l a t i o no ft h e l e n g t ho ft h ep r e a m b l e a tl a s t ，t w ok i n do ft h em e t h o d so f 仃a n s f o r mt h em e s s a g ei n n o n s y n c h r o n i z er a c h i sp o i n t so u t n ef i r s tm e t h o du s e st h es h i f to ft h ec c s kt o r e p r e s e n tt h em e s s a g ea n dd i f f e r e n t i s c ru s cd i f f e r e n tc c s ks e q u e n c e t 五eo t h e r m e t h o di su s ec c s ka l s o b u ti ti sd i f f e r e n tt ot h ef i r s to n ea tt h er e c e i v e r i tu s e sa l l u s e r sa st h ee l e m e n t so ft h ed e m o d u l a t i o no ft h em e s s a g e t h i si st h ec u r r e n to ft h e c o m m u n i c a t i o n t h es i x t hc h a p t e ri st oc o n c l u d et h ew o r ka n dt h em a i nc o n t r i b u t i o ni nt h i sp a p e r a n d p o i n to u tt h es t u d yd i r e x t i o ni nn e x t k e y w o r d ：u p l i n k ，e q u a l i z e r ，f r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o n ，r a c h ，c c s k i v 图目录 图1 - 1 0 f d m 发送端原理图 图1 - 2d f f - s o f d m 发送框图 图目录 图1 - 3i f d m a 用户信号在频域中的分布示意 图2 - 1i f d m a 的发送与接收结构图 图2 _ 2 不同用户载波频率子带占用 图 3 多用户的频域均衡算法 图2 _ 4 三种不同的均衡效果对比 图2 - 5 用户数分别为2 、4 、1 6 时的性能仿真。1 3 图3 - 1d f t - s o f d m 的发送与接收框图 图3 - 2 子载波映射方式：固定式( 左) 和分布式( 右) 1 6 1 7 图3 - 3 所示的帧格式1 8 图3 _ 4 不同的调制方式对d f f s o f d m 的影响 图4 - 1i f d m a 中的频偏估计性能 图p 2d f r - s o f d m 中的频偏估计性能 图4 _ 3c p 长度对i f d m a 中频偏估计的影响 图禾4 频偏估计的最佳长度 1 9 2 3 2 3 2 4 2 5 图4 - 5i f d m a 、d f f - s o f d m 及o f d m 在q p s k 调制方式下的p a p r 对比2 6 图$ - 1 l t e r a c h 发射框图 图5 - 2 自相关( 左) 及互相关( 右) 绝对值( 序列长度为7 3 ) 图5 - 3r a c h 接收检测框图 图铲4 接收信号与原发送信号的相关值 v 2 8 2 9 3 0 3 1 o j o 石 j 加 ：j 图目录 图5 - 5 接收信号与非发送信号的相关值 图5 - 6 接收信号与非发送信号的相关值 图弘7 接收信号与原发送信号的相关值 图5 - 8a w g n 信道( r a c h l 0 m ) 图5 - 9t u ( 3 l 【m ，i i ) 信道( r a c h l 0 m ) 图 1 0 不同r a c h 带宽下的性能对比 图争l l 不同符号数的性能比较 图5 1 2t d m f d m c d m 结合的随机接入方式 图5 1 3 r a c h 结构 图5 1 4 加窗接收结构 图5 1 5 使用i d m a 传输方式时的发送与接收结构图 图5 - 1 6b p s k 调制时，i d m a 与d f f - s o f d m 性能对比 图5 一1 7 不同调制方式时i d m a 与d f t - s o f d m 在传送信息时的性能对比4 3 图5 1 8 异步r a c h 周期结构 图5 - 1 9c c s k 传送信息的方式 图5 - 2 0 用c c s k 方式承载传输信息的发送框图 图争2 1 基于c c s k 和c a z a c 混合调制的接收结构 4 4 4 6 4 7 4 8 图5 - 2 2c a z a c 在a w g n 信道下的检测性能( 一发两收，虚警l ) 5 0 图5 2 3 c c s k 在a w g n 信道下的检测性能( 一发两收，虚警1 ) 5 1 图5 - 2 4c a z a c 在t u 信道下的检测性能( 一发两收，虚警1 ) 图5 2 5c c s k 在t u 信道下的检测性能( 一发两收，虚警l ) 图5 2 6c a z a c 和c a z a c + c c s k 的性能比较( t u 一发两收， 图5 - 2 7c c s k 发射框图 图5 - 2 8 复数相加示意图 5 1 5 2 虚警1 ) 5 2 5 4 5 4 n 勉 必 船 舛 箱 卯 鲳 昌； 钇 图目录 图5 2 9c c s k 接收框图 图5 - 3 0 c c s k 序列与c a z a c 序列在不同能量比例下同步检测性能。5 7 图5 - 3 1 采用与不采用干扰抵消方法c c s k 检测性能比较 图5 - 3 2 采用本文干扰消除方法后的检测性能仿真结果 5 8 5 8 表目录 表目录 表5 - 1 仿真条件。 表5 - 2r a c h 所需长度4 5 表5 - 3 实际计算结果4 6 表5 4 基本仿真假设5 6 x 缩略语对照表 缩略语对照表 a p o s t e r i o rp r o b a b i l i t y a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e c o n s t a n ta m p l i t u d ez e r oa u t oc o r r e l a t i o n c h i p b y - c h i p b e y o n dt h i r dg e n e r a t i o n c y c h cp r e f i x c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n t e rc h a n n e li n t e r f e r e n c e i n t e r l e a v e - d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o n n i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e m i n i m u mm e a ns q u r ee r r o r m a x i m a l r a t i oc o m b i n i n g m u l t i u s e rd e t e c t i o n o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p e a k - t o a v e r a g ep o w e r r a t i o s i g n a lt on o i s er a t i o t y p i c a lu r b a n z e r of o r c e x l 后验概率 加性高斯白噪声 恒定幅度零自相关 逐字符 第三代移动通信 循环前缀 码分多址 频分多址 快速傅立叶变换 信道间干扰 交织多址 快速傅立叶反变换 符号间干扰 最小均方误差 最大比合并 多用户检测 正交频分复用 峰值平均功率比 信噪比 典型城市环境 近零算法 肼 一 僦 粥 凹 一 田 衄 一 唧 研 一 眦 一 一 一 弧 阿 盟 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： 日期跏多年肛邸日 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) 签名： 导师签名：窭壅丑鱼 日期：加“年l 明耖e l 第一章引言 1 1 研究背景与意义 第一章引言 未来移动通信系统，要求能提供多种业务的多媒体服务。不断提高的数据传 送速率给无线接入系统提出了更高的数据传送要求，还有抗频率选择性衰落，抗 符号问干扰等问题。正交频分复用技术( o f d m ) ，通过将高速率数据分成几个并 行的低速率数据，然后对多个相互正交的载波进行调制，使其具有较好的抗频率 选择性衰落以及较高的频带利用率。但由于其自身的缺点峰均比较高，对发送 端，提出了很高的要求。针对此阀题，后来提出的单载波正交频分复用技术，在 保持o f d m 的主要优点的基础上，又较好的降低了峰均功率比问题。 交织频分多址( i f d m a ) 技术是u s o r g e r 在1 9 9 8 年提出的一种新扩频多址方案 “1 ，并在1 9 9 9 年由m s c h n e l l 进行了较为深入的研究伽。但真正将i f d m a 应用到 未来移动通信系统中，是2 0 0 5 年的3 g p p 提案中，在各大公司提出的关于3 g 长 期演迸技术( u 【e ) 框架中“，纷纷提出了单载波上行的多址方案，与多载波方案 如m c - c d m a ”相比，i f d m a 是一种基于频分多址( f i ) m a ) 的正交多址方案，以 避免多址干扰，另外，传输信号的构成不同，m c c d m a 用频域信号结构，而i f d m a 是基于时域的信号结构，多载波构成的信号导致大的峰均比问题( p a e r ) ，而 i f d m a 由于采用时域信号结构，所以其包络是恒包络的，因此它的峰均比与多载 波方案相比很小。由于i f d m a 方案能有效地获得频率分集，较小的多用户干扰及 较小的p a p r ，它的好处被人们所重新认识。在现有的3 g p p 提案中，只给出了发 送信号格式，没有对接收技术及系统性能做进一步的分析。当采用i f d m a 传输， 在设计接收机时，时间同步、频率同步及载波频率偏移对系统性能有着一定的影 响。接收机的复杂度是非常关键的问题，对这些问题的研究是将i f d m a 技术应用 在未来移动通信中的重要基础。 针对正交频分复用技术中存在的问题，提出的单载波正交频分复用技术，在 保持o f d m 的主要优点基础上，又较好的降低了峰均功率比问题。发送端的主要 模型为：在初始信号生成之后先经过一个h 呵模块，把时域信号变为频域，在频 域内分配子载波，再经过一个i f f f 后重新变为时域基带信号，加循环前缀模数变 电子科技大学硕士学位论文 换后经上变频后由天线发射。这样看来d f t s o f d m 即变为单载波调制方式，很 好的解决了o f d m 中的峰均功率比的问题。对于时间，频率同步敏感问题，可以 直接采用o f d m 中相应的解决方案。 由于未来移动通信系统终端业务是面向璎的优化原则，所以终端和基站间的 同步和非同步的转化是比较频繁的，所以本文另一个主要研究问题是随机接入。 高效且节省时频资源的随机接入结构设计和过程对系统是非常重要的，随机接入 不仅要提供同步定时的功能，还要提供传递接入信令的功能，所以这里需要对随 机接入中的前导( p r e a m b l e ) 和信息( m e s s a g e ) 部分进行研究。 1 2 现状与发展 1 2 1 上行多址与随机接入的现状 上行不同于下行链路，下行链路可以使用o f d m 传输方式，其发送端的实现 框图如图1 - 1 所示： 用 户 数 据 一 图1 1o f d m 发送端原理图 o f d m 可以看成是多载波系统，其中存在峰均比较高等问题，较高的峰均比会带 来许多问题，比如增加模数转换器和数模转换器的复杂度，降低r f 功率放大器 的有效性。因此，在3 g 上行链路中不适宜使用o f d m 传输方式。而如果在o f d m 系统中，做i f f t 变换前，先做一次f f t 变换，然后将不同的用户对应的映射到不 同的频点上，实现原理图如图1 2 所示。 2 第一章引言 f o r + 盔 i f l 予 -= 毒 拊 鲁 拦星座_ -m 点 载 -n 点 加保 并 图映f f t 波 护间 富 i f f 转 射 变蓣 映 变换隔 转 射 换 换 e- 瓜l = 耋 图1 - 2d f f - s o f d m 发送框图 经过一次f f t 和i f f t 变换后的信号相当于单载波信号，因此它的蜂均比会比 o f d m 系统中的峰均比低，所以这种传输方式比o f d m 更适合于应用到上行链路 中。作为单载波的时域实现方式，上行链路中的另一方案是采用1 f d m a 方式，在 发送数据时，先对原始信号进行压缩后重复，然后对不同的用户进行相应的调制 将用户信号搬移到相应位置，加上c p ( 保护间隔) 后再发送出去。在频域上， 可以看到各个用户数据经压缩重复后再调制得到的效果。如图1 3 所示： 茎t 户 第 一 个 用 户 图1 - 3i f d m a 用户信号在频域中的分布示意 移动终端申请入网时，移动终端向基站发送入网请求信息，然后获得上行链 路的时间同步并且能够接入网络，这就是同步接入的过程。现有的3 gl t e 中基于 同步的随机接入方式中存在t d m 、f d m 、c d m 和t d m f d m 几种前导接入方式， 如何进行更有效的随机接入还是一个有待研究的闻题；对于接入中的信息的传送， 主要是s a m s u n g 公司提出了利用r a c h 中的同相分量来传送前导而利用其正交分 量来传送信息，这种方法与采用时分方式传送前导和信息的方法相比，具有更好 的覆盖范围、更灵活的给前导和信息分配功率和更好的信道估计性能等优势。 1 2 2 上行多址与随机接入的发展 在上行多址的选择中，目前更流行的选择是采用d f f - s o f d m 跳频固定分配 3 域频 第k 个用户 口i 电子科技大学硕士学位论文 的方式，与分布式的d f t - s o f d m 不同，跳频固定分配方式是给每个用户分配频 段时，采用跳频的方式，但是每个用户的数据在频域上还是和原来的固定式相同。 对于随机接入，现有的l t e 上行同步随机接入方式中存在t d m 、f d m 、c d m 和 t d m f d m 几种接入方式。由于终端和基站间的同步和非同步的转化比较频繁，所 以有必要研究同步与异步随机接入问题。更加高效且节省时频资源的随机接入对 系统是非常重要的，随机接入不仅要提供同步定时的功能，还要提供传递接入信 令的功能，如何进行高效的用户信息的传送须做进一步的研究。 1 3 论文的内容安排 本文的第一章首先介绍了3 g 上行链路的传输方式以及随机接入方法的发展 趋势，指出了具体研究上行链路中的传输方式和随机接入的意义，介绍了目前3 g 上行链路的传输方式和随机接入的研究状况，最后介绍了本文的主要研究工作和 内容安排。 第二章主要介绍了i f d m a 传输方式的结构，推导了用户间的正交性公式，仿 真分析了三种均衡方法在i f d m a 中的使用性能，同时分析了用户数对系统的影 响。 第三章主要介绍了d f t - s o f d m 传输方式的结构，仿真了m m s e 、m r c 、z f 三种均衡方式在系统中的性能，仿真分析了不同的调制方式对系统性能的影响。 第四章主要对i f d m a 与d f t - s o f d m 作了对比，主要对比了其实现的复杂度、 p a p r 、带宽利用率，由于二者对频偏都很敏感，所以这一章的重点在于提出了如 何在i f d m a 与d f i - s o f d m 中进行频偏估计的方法。 第五章是本文的另一重点部分，主要介绍并提出了一些应用于随机接入的新 的思想。首先对随机接入中使用到的前导序列进行了介绍，给出了计算在不同半 径小区中需要使用到的前导序列的长度；然后就随机接入中的同步接入问题，提 出了分组接入的思想，对于同步接入中如何传送信息，提出了将i d m a 应用于同 步接入中的信息传送；最后就异步随机接入，分别提出了两种应使用c c s k 进行 信息暗含的传输方法。 最后一章对全文进行了总结，并指出了继续进行的相关研究工作和未来可能 的研究方向。 4 第二章上行链路中的i f d m a 方案 2 1 概述 第二章上行链路中的i f d m a 方案 交织频分多址( i f d m a ) 技术是u s o r g e r 在1 9 9 8 年提出的一种新扩频多址方案 ，并在1 9 9 9 年由m s c h n e l l 进行了较为深入的研究1 2 1 。但真正将i f d m a 应用到 未来移动通信系统中，是2 0 0 5 年的3 g p p 提案中，在各大公司提出的关于3 g 长 期演进技术f u e ) 框架中【3 】【4 】，纷纷提出了单载波上行的多址方案，与多载波方案 如m c c d m a i s 相比，i f d m a 是一种基于频分多址( f o m a ) 的正交多址方案，以 避免多址干扰，另外，传输信号的构成不同，m c - c d m a 用频域信号结构，而1 f d m a 是基于时域的信号结构，频域信号导致大的峰均比问题( p a p r ) ，而i f d m a 由于采 用时域信号结构，所以其包络是恒包络的，因此它的峰均比与多载波方案相比很 小。由于i f d m a 方案能有效地获得频率分集，较小的多用户干扰及较小的p a p r ， 它的好处被人们所重新认识。在现有的3 g p p 提案中，只给出了发送信号格式，没 有对接收技术及系统性能做进一步的分析。当采用i f d m a 传输，在设计接收机时， 信道估计精度、时间同步、频率同步及载波频率偏移对系统性能有着一定的影响。 接收机的复杂度是非常关键的问题，对这些问题的研究是将i f d m a 技术运用在未 来移动通信中是重要基础。 2 2i f d m a 系统模型 i f d m a 的发送及接收结构框图如图2 1 所示： 5 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 1i f d m a 的发送与接收结构图 用户i 的传输的数据经过高速采样，按一定顺序交织后形成时域上的数据压缩与数 据重复，与m c - c d m a 传输端的保护间隔一样，增加保护间隔来消除传输过程中 由于多径时延迟引起的块间干扰，再经过不同的用户数据乘以不同的载波偏移量， 通过这个偏移量在接收端区分用户，这个过程称为调制，然后将调制后的数据传 输出去。接收端接收到数据后，先删除保护间隔，经过均衡，去解调与去重复后， 解调得到该用户的发送数据。 对于用户i 发送的q 个复数值符号d ；为一个传输块，q 。o ，q 一1 ，上行链 路同时传输的用户数为虬，f ；1 ，虬。传输符号的数据速率疋- 1 t | ，t s 为传 输符号周期。用矢量形式表示用户i 的传输数据为： d f f i d o o , 盔，d q 】 ( 2 一1 ) 保护间隔长度l 的选取，使得瓦f 一，其中，f 一是传输信道的最大延迟。 一个i f d m a 符号块的周期t 为姘q ，在重复与压缩时，块周期不变。从符号周 z ；j l 期t s 经过重复过程得到码片周期瓦，l + l a 。其中，l 为重复次数，厶为保 护间隔需要的重复次数。一个i f d m a 传输块用码片矢量可表示为： c 仰一 瞄。，d o ，如一，】 ( 2 2 ) 。1 h 1 z 矿一 玎f d m a 符号的维数：ta ( l + l a ) q ，它的每一个分量为： 6 第二章上行链路中的w d m a 方案 。壶化。，z i o ，“，丘一1 ( 2 - 3 ) 首先a q 码片掣， 1j o ，k q 一1 属于保护间隔，时间周期为瓦= 工a q 疋。 对于每一个码片乘以用户独立的载波相位矢量，得到发送数据矢量x 。相位分量 为： 酽一e x p - j o “ ， z o ，t 一1 ( 2 4 ) m ( 1 ) 。f 堡 其中：，通过乘以这个载波相位矢量后，使得不同用户占用 的载波频点是相互正交的，从而避免了多用户干扰。发送数据矢量x “为表示为； x ( o 一【c 5 f ，c i 8 一j 耐“，出，。，侣- 1 ) o “r ( 2 5 ) 传输信号带宽为：b = 。 i c 用户i 的发送数据矢量经过一个多径信道矢量，它的冲激响应矢量为； h l 陋扎硝，础r ，用户i 接收信号矢量可表示为： y o = h o z o + 席 ( 2 - 6 ) n 为加性高斯白噪声( a w g n ) 矢量，它是一个维数为( k + 岣的单边带功率密 度为n o 的a w g n 采样。( h 为佤+ 彪) t 维信道矩阵，表示为： h ( 0 。 磷0 0 0 磴硝0 0 00 硝艰。 0 0 0 础 ( 2 - 7 ) 接收信号矢量h o 维数为( k + m ) ，它的每一个分量定义为： 拶，f 。o ，t + 肘一1 。接收端的整个接收数据矢量可表示为： n _ m y ，。荟硝。薹磊啦碟， 2 3i f i ) m a 系统性能 l 一，丘- 1 ( 2 - 8 ) 对i f d m a 系统性能的分析，主要从探讨时间同步、频率同步以及载波频偏对 7 电子科技大学硕士学位论文 系统的影响着手。在具体的讨论i f d m a 系统的性能之前，首先看看不l 司的用尸 传输的数据间的正交性。 2 3 1 用户传输数据间的正交性 对公式( 2 - 5 ) 进行l c 快速傅立叶变换( f r o ，得到它的频域上的分布规律， 它的计算过程如下： 盏- 1一声咝龟d，3 咝芦咝 帮一口气= 毋口气p 气 = 壶擎e 一半+ 蓦让。歹掣。墨哪d ( o 半)5 壶嚯啦气+ 荟让。p 1 。磊哪。e 1 。上鼽一植掣”州掣p ) ( 2 - 9 ) 。壶荟印e 一( 1 + e 1 + + p 。乓) ；j 壶荟啦气矿眦) 删扣o ，小1 l o 舭 从公式( 2 9 ) 可看出，每个用户占用的载波频点是间隔为l - 1 的非连续频点， 并在传输数据的频点上偏移i 个子载波间隔，当用户数小等于重复倍数l 时，在频 域上所有用户的子载波间是相互正交的。其频谱占用示意图如图2 - 2 所示，图中给 出了重复因子为4 的4 个用户的频谱占用示意。 用户12 3 4 用户123 4 图2 - 2 不同用户载波频率子带占用 2 3 2 时间同步与频率同步 f 在i f d m a 系统中，由于采用了保护间隔，有效地消除了信道多径时延引起的 块间干扰，对时间同步的要求降低。但是，没有用户间干扰的前提是能做到各用 8 第二章上行链路中的i f d m a 方案 户间的载波频率与接收机的载波频率同步，没有载波频率偏移，但要做到对每一 个用户精确同步，是较困难的，因为每个上行链路用户的晶体振荡器都会有一定 程度的精度偏差，而基站接收机只有一个晶体振荡器去同步跟踪所有上行链路用 户。另一方面，在移动通信中，终端用户会有快速率移动，引起多谱勒频偏以及 信道时变性，也会破坏接收端频域子载波的正交性，从而带来用户间干扰。 2 - 3 3i f d m a 系统中的频域均衡 无线信道的多径特性导致小尺度衰落效应的产生。三个主要效应表现为n ”： ( 1 ) 经过短距或短时传播后信号强度的急速变化 ( 2 ) 在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移( d o p p l e rs h i f t ) 引起的随 机频率调制。 ( 3 ) 多径时延引起的扩展( 回音) 现实中的通信信道一般是多径的，这将会引起码间干扰( i s i ) ，在接收机内使 用均衡器，可以有效地对信道中的幅度和延迟进行补偿，同时由于无线信道具有 未知性和多变性，因而要求均衡器是自适应的。这里对常用的三种均衡方法： m m s e 、m r c 、z f 在i f d m a 系统中的性能做一个对比。 由于不同用户数据在频域上是相互正交的，因此，对接收数据删除保护间隔 后，对式( 2 8 ) 做i f f t 变换，可得到频域均衡算法。删除保护间隔后，接收采样数 据长度为j b q ，同时，将信道延迟长度延伸到，延伸部分的抽头系数为0 ，由式( 2 - 8 ) ， 如果只有单个接收用户，可得： 冉磊尤蟛= ( i ) h o 一l 磊- 1 言1l 酽- 1 i _ 堑】嘞q 睁 a 蔓j ( ) 日 弘 硒 由式( 2 6 ) ，在接收数据可由用户i 的发送数据的快速傅立叶变换与信道 的点f f r 变换的相乘，再作i f f r 变换得到。因此，可以采用频域均衡方式得 到发送数据，对式弘6 ) 做f f r 变换，得到： 9 电子科技大学硕士学位论文 通过对式( 2 1 1 ) 求i f f t 变换：，得到用户i 的发送数据估计值秽。 一蕊n 。l - 1 ” 望1l q 印岬弘，争一荟嘻荟桦，础，e ，户i 磊耋磷雕弘争 。 式 图2 - 3 多用户的频域均衡算法 在经过均衡后，得到的用户数据进行去重复与解调，得到发送数据块a ，由 第二章上行链路中的1 f d m a 方案 毋= 篡馏泓卅” ( 2 _ 1 4 ) 进行计算。 在接收端，频域均衡分别的使用了最小均方误差( m m s e ) 、最大比合并 ( m r c ) 、迫零( z f )