（通信与信息系统专业论文）wcdma系统中辅公共控制物理信道多天线技术的仿真实现.pdf

原创性声明 删删川洲川 y 18 3 2119iilj 1 3 i i i i i i 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，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 包含任何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 究作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。 论文作者签名：筮盥日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：筮咀导师签名： 期。 _ 山东大学硕士学位论文 目录 中文摘要一1 符号说明- 5 缩略语简表。 第一章绪论- 9 1 1 移动通信的发展历程。_ 9 1 2 多天线通信系统的研究背景- 1 2 1 3 多天线系统国内外的研究现状- 1 3 1 4 论文主要工作和贡献- 1 6 1 5 论文结构和内容安排_ 1 6 第二章m i m o 系统技术概述_ 1 7 2 1 概述一18 2 2m i m o 通信系统基本原理与数学模型- 18 2 3m i m o 通信系统的容量一- 2 1 2 4 本章小结。_ 2 4 第三章无线信道模型与仿真分析一_ 2 6 3 1a w g n 模型上7 3 2 多径信道传播特性分析_ 2 7 3 2 1 时延扩展频率选择性衰落- 2 8 3 2 2 多普勒扩展时间选择性衰落。3 1 3 2 3 衰落信道的类型_ 3 2 3 3s i s o 信道的构建_ 3 5 3 4m i m o 信道的构建- 3 7 3 5 本章小结- 3 8 第四章s - c c p c h 信道模型与计算机仿真_ 3 9 4 1 传输信道与物理信道的映射关系_ 4 0 4 2 发射端_ 4 l 4 2 1 信道编码与传输信道复用模块一l 4 2 2 扩频与扰码模块_ 5 0 4 2 3 成形滤波调制模块- 5 1 山东大学硕士学位论文 4 - 3 接收端- 5 2 4 3 1 信道估计r a k e 接收模块- 5 2 4 3 2 信道解码与传输信道解复用模块- 5 3 第五章m i m o 模块的仿真实现_ 5 5 5 1 加入m i m o 模块的s c c p c h 信道仿真模型_ 5 5 5 2m i m o 发送模块- 5 6 5 2 1 模块结构- 5 6 5 2 2s t t d 编码_ 5 6 5 3m i m o 接收模块- 5 7 5 3 1 模块结构。- 5 7 5 3 2s 1 m 解码_ 5 8 5 3 3 信道估计。_ 6 0 5 3 4r a k e 合并与最大似然判决- 6 2 第六章s - c c p c h 信道m i m o 系统仿真实现与性能分析_ 6 3 6 1 信道编码的作用分析- 6 3 6 2m i m o 与s i s o 误码率性能比较_ 6 4 6 3 不同信道环境的误码率性能比较6 4 6 4 不同多普勒频偏条件下m i m o 和s i s o 性能比较_ 6 6 6 5m i m o 系统信道增益验证。6 8 6 6 本章小结_ 6 9 第七章总结与展望- 7 0 参考文献_ 7 1 致谢一7 5 攻读学位期间发表的学术论文一7 6 学位论文评阅及答辩情况表- 7 7 h 山东大学硕士学位论文 t a b l eo fco n t e n t s s y m b o ls t a t e m e n t 5 l 二i s to f a b b r e v i a t i o n s 6 c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 9 1 1d e v e l o p m e n to fw i e l e s sc o m m u n i c a t i o i l s 一9 1 2m a i np r o b l e m sa n ds o l u t i o n s 1 2 1 3r e s e a r c hs t a t u s 13 1 4r e s e a r c hc o n t e n t sa n dm a i nc o n t r i b u t i o n s 1 5 1 5d i s s e r t a t i o no u t l i n e 1 6 c h a p t e r2m u l t i p l ea n t e n n a st e c h n i q u e i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s 18 2 1m u l t i p l ea n t e n n a st e c h n i q u e 18 2 2t h ep r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fm i m oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 18 2 3c a p a c i t yo f m i m os y s t e m s 2 1 2 4c o n c l u s i o n 2 4 c h a p t e r3t h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dm o d e l i n go f w i r e l e s sc h a n n e l 2 5 3 1t h em o d e lo f a d d i t i v e 、l l i t cg a u s s i a nn o i s ec h a n n e l 2 6 3 2c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so f m u l t i p a t hc h a n n e lt r a n s m i s s i o n 2 7 3 2 1d e l a ys p r e a d f r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n g 2 7 3 2 2d o p p l e rs p 】? e i 【j - - - - - - - - - 血e s e l e c t i v ef a d i n g 3 0 3 2 3f a d i n gc h a n n e lc l a s s i f i c a t i o n 31 3 3s i s oc h a n n e lm o d e l i n g 3 4 3 4m i m oc h a n n e lm o d e l i n g ：；6 3 5c o n c l u s i o n 3 7 c h a p t e r4s c c p c hc h a n n e lm o d e la n ds i m u l a t i o n 3 8 4 1t h em a p p i n go f t r a n s m i s s i o nc h a n n e la n dp h y s i c a lc h a n n e l 3 9 4 2t r a n s m i t t i n gt e r m i n a l 4 0 4 2 1c h a n n e l c o d i n ga n dt r a n s m i s s i o nc h a n n e lm u l t i p l e x i n gm o d e l 4 0 4 2 2s p r e a ds p e c t r u ma n ds p r e a d i n gm o d e l 4 9 4 2 3f o r m i n gf i l t e ra n dm o d u l a t i o nm o d e l 5 0 4 3r e c e i v e r 一51 山东大学硕士学位论文 4 3 1c h a n n e le s t i m a t i o na n dr e c e i v i n gm o d m e 51 4 3 2c h a n n e ld e c o d i n ga n dt r a n s m i s s i o nc h a n n e l 5 2 c h a p t e r5t h es i m u l a t i o na n dr e a l i z a t i o no fm i m 0 m o d d e 5 4 5 1s c c p c hc h a n n e ls i m u l a t i o nw i t hn l i m om o d u l e 5 4 5 2m i m ot r a n s m i t t e rm o d u l e s 。5 5 5 2 1m o d u l ea r c h i t e c t u r e s 5 5 5 2 2s 1 y i dc o d i n g 5 5 5 3m i m o r e c e i v i n gm o d u l e 5 6 5 ：；1m o d u l ea r c h i t e c t u r e s 5 6 5 3 2s 7 】 t 】 ) d e c o d i n g 5 7 5 3 3c h a n n e le s t i m a t i o n ：；9 5 3 4r a k ec o m b i n i n ga n dm a x i m u ml i k e l i h o o dd e c i s i o n 6 1 c h a p t e r6 田1 ei m p l e m e n t a t i o no fp e r f o r m a n c eo fm u l t i a n t e n n at e c h n o n l o g yi n s 1 ：c p c hc h a n n e l 6 ：z 6 1a n a l y s i so f t h ee f f e c to f c h a n n e lc o d i n g 。6 2 6 2b e rp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fs i s oa n dm i m o s y e t e m 6 3 6 3t h eb e rp e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tc h a n n e le n v i r o n m e n t 6 3 6 4m i m oa n ds i s op e r f o r m a n c ec o m p a r i s o ni nd i f f e r e n td o p p l e rf r e q u e n c y c o n d i t i o l ：i 6 1 ； 6 5m i m o s y s t e mc h a n n e lg a i n 6 7 6 6c o n c l u s i o n 6 8 c h a p t e r7c o n c l u s i o n sa n df u t u r ew | o r k 6 9 r e f e r e n c e s 7 1 a c k n o w l e d g m e n t s 7 4 p u b l i c a t i o n sa n ds u b m i t t e dp a p e r s 7 5 r e v i e wo f t h ed e g r e e1 h e s i sa n dd e f e n s ef o r m 7 6 h 山东大学硕士学位论文 中文摘要 w c d m a 系统是3 g 主流标准之一，和第二代通信系统相比w c d m a 系统具 有更大的系统容量、更好的通信质量、更高的保密性能。w c d m a 系统可以将综 合宽带数字网的业务延伸到移动环境中，为用户提供包括语音、数据和移动宽带 多媒体业务在内的多种业务。为了满足这些无线通信业务和宽带数据业务的巨大 需求，无线通信系统对传输的最高速率和容量都提出了更高的要求，如何用有限 的无线频谱资源来满足日益增长的通信需求也就变成了一个重要的研究课题。为 此，我们必须寻求无线通信领域的革新技术以提高信息的传输速率，才能够解决 当前无线通信系统的问题。 在单天线链路系统中，不管采用何等先进的编码技术也仅仅可以使系统的容 量接近香农极限，这在实际中往往是远远不够的。m i m o 系统在发射端与接收端 均采用多天线单元，采用先进的调制方式和信号处理技术，利用无线信道的多径 传播，在不同的天线传输不同的数据流，可以在系统不增加带宽与发射功率的情 况下大幅度提高无线通信的质量与数据速率，是现代通信领域的重要技术突破。 m i m o 技术相对于传统的单天线系统，能够大大增加系统容量、提高系统频带利 用率、改善系统的性能，使得系统能够在有限的无线频带下传输更高速率的数据。 从而成为新一代高数据率、多数据类型无线通信系统的关键技术。m i m o 技术是 w c d m a 标准的可选项，h s d p a 作为w c d m a 的一种增强技术，便是采用m i m o 技术来提高系统容量与下行数据速率的。 由于在w c d m a 系统中数据传输信道在物理层中被映射到s c c p c h 信道， 所以本文基于w c d m a 系统中辅公共控制物理信道，重点讨论了在系统中应用 m i m o 技术的方案，并进行了计算机仿真。主要完成了以下工作： 1 对m i m o 系统的信道容量进行了理论分析讨论，对几种典型系统的信道容 量进行计算机仿真，比较了这几种系统之间信道容量的差异，仿真证明了理论的 正确，天线数目对信道容量的影响，然后分析了无线信道的特点，建立了多输入 多输出系统的信道模型。 2 完成对s - c c p c h 信道仿真系统中各功能模块的m a t l a b 实现。在基本的 i 山东大学硕士学位论文 s - c c p c h 信道仿真链路的基础上，增加s t t d 发送分集和接收分集，利用导频符 号进行信道估计，采用相干r a k e 接收，建立起双发射天线、双接收天线模型。 3 假设总发射功率相同的前提下，仿真比较了单发射天线、单接收天线和双 发射天线、双接收天线的误比特率性能，总结得出m i m o 系统的误码率性能远优 于s i s o 系统。并且随着信噪比的增大，本次仿真实现的m i m o 系统信道增益可 以逼近于其理论值。 论文最后总结了该研究领域亟待解决的一些问题和下一步的研究重点，同时 对该领域的发展趋势进行了展望。 2 关键词：w c d m a ；s c c p c h ；m i m o ；s t t d ：j a k e s 模型 i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w c d m as y s t e mi so n eo f3 gs t a n d a r d s ，a n dt h i ss y s t e mh a sl a r g e rs y s t e m c a p a c i t y , b e t t e rc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y , h i g h e rs e c u r i t yp r o p e r t y , a n dt h eb u s i n e s so f b r o a d b a n di n t e g r a t e ds e r v i c e sd i 西t a ln e tc a l lb ee x t e n d e di n t om o b i l ee n v i r o n m e n t s w c d m as y s t e m 锄p r o v i d e su s e r si n c l u d i n gv o i c e ，d a t a , m o b i l eb r o a d b a n d m u l t i m e d i as e r v i c e s ，e t c i no r d e rt os a t i s f yt h ew i r e l e s sb r o a d b a n dd a t as e r v i c eb u s i n e s s a n dt h e l a r g e d e m a n df o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m _ , t h eh i g h e s tr a t eo f t r a n s m i s s i o na n dc a p a c i t ya r ep u tf o r w a r dt om e e th i g h e rr e q u e s t h o wt ou s et h er a d i o s p e c t r u mr e s o u r c e st om e e tt h ei n c r e a s i n gd e m a n do fc o m m u n i c a t i o nb e c o m e sa l l i m p o r t a n t r e s e a r c ht o p i c t h e r e f o r e , w em u s ts e e kw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g i c a l i n n o v a t i o nt o i m p r o v et h ei n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o nr a t e ，t h u s ，t h e p r o b l e mo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc o u l db es o l v e d i nas i n g l ea n t e n n al i n ks y s t e m , n om a t t e rh o wa d v a n c e de n c o d i n gt e c h n o l o g y a d o p t e d , o n l yc a nm a k es y s t e mc a p a c i t yt os h a n n o nl i m i t , w h i c hi np r a c t i c ei so f t e nn o t e n o u g h u n d e rt h es i t u a t i o no ft h eq u a l i t yo fw i r e l e s sd o u b l e dw i t hd a t ar a t eo fm o d e m c o m m u n i c a t i o n s ，t h a ti sa l li m p o r t a n tt e c h n o l o g i c a lb r e a k t h r o u g hw h i c hu s eo fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n , m u l t i p a t ht oe s t a b l i s hp a r a l l e lt r a n s m i s s i o nc h a n n e l i nc o m p a r i s o n 谢也t h et r a d i t i o n a ls i n g l ea n t e n n as y s t e m ，t h ec a p a c i t yo ft h es y s t e mc a nb ei m p r o v e d , u t i l i z a t i o nr a t eo ft h es y s t e mf r e q u e n c yb a n dc a l lb ei m p r o v e db yu s i n gm u l t i i n p u t m u l t i o u t p u t ( m i 】v i o ) t e c h n o l o g y t h u s ，t h es y s t e mc o u l dt r a n s m i th i g h e rr a t eo fd a t a u n d e rf i n i t er a d i ob a n d t h i sb e c o m e san e wg e n e r a t i o no fh i g hr a t eo fd a t a , d a t at y p e s a n dk e yt e c h n o l o g i e so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m m u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g yi sas t a n d a r do p t i o n s ，h s d p aa sa ne n h a n c e dw c d m at e c h n o l o g y i sa d o p t e dt oi m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t ym u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g ya n dt h ed e s c e n d i n go ft h ed a t ar a t e b e c a u s et h ed a t at r a n s m i s s i o nc h a n n e lw c d m a s y s t e mi nt h ep h y s i c a li sm a p p e d t 0s c c p c hc h a n n e l ，b a s e do nw c d m a s y s t e mi np u b l i cp h y s i c a lc h a n n e l ，a u x i l i a r y c o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e di nt h ea p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g y , a n dt h em u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) c o m p u t e rs i m u l a t i o ni sc a r r i e do u t t h em a i nj o bi sf o l l o w e d 嬲： m c h a n n e lc a p a c i t yf o rm i m os y s t e m st h e o r e t i c a l l yi s 锄a j ) r z e 也s e v e r a lt y p i c a l 3 。1。卜l i 山东大学硕士学1 立论文 s y s t e mc h a n n e lc a p a c i t yo fc o m p u t e ri ss i m u l a t e d i tc o m p a r e st h ed i f f e r e n c e sb e t w e e n c h a n n e lc a p a c i t y , t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h et h e o r yi sc o r r e c t , a n dt h en u m b e r o fa n t e n n ae 毹c t i n gt h ec h a n n e lc a p a c i t yi sa m a y z e d , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s s c h a n n e lm i m o s y s t e mc h a n n e lm o d e li se s t a b l i s h e d p a p e r so ns - c c p c hc h a n n e ls i m u l a t i o ns y s t e mi sc o m p l e t e di nt h ef u n c t i o n a l m o d u l e so f 悄t l a b i nt h eb a s i cs c c p c hc h a n n e ls i m u l a t i o nl i n k , s 1 兀d t r a n s m i s s i o nd i v e r s i t ya n dr e c e i v ed i v e r s i t yi si n c r e a s e d u s i n gp i l o tc h a n n e le s t i m a t i o n , u s e ss y m b o l sr a k er e c e i v e r , c o h e r e n td o u b l ea n t e n n a , d o u b l er e c e i v i n ga n t e n n a m o d e li se s t a b l i s h e d o nt h e c o n d i t i o no ft h es a m et o t a lp o w e ra s s u m p t i o np r e c o n d i t i o n , s i m u l a t i o n c o m p a r e ds i n g l ea n t e n n a , s i n g l er e c e i v i n ga n t e n n aa n dd o u b l ea n t e r m a , d o u b l er e c e i v i n g a n t e n n ab i te r r o rr a t e ( h e r ) r a t e ，w ec a no b t a i nt h a tm u l t i p l e - m p u tm u l t i p l e o u t p u t f m i m o ) s y s t e mb e rp e r f o r m a n c e i sf a rs u p e r i o rt os i s os y s t e m a n dw i t ht h e s i g n a l t o n o i s er a t i oi n c r e a s e s ，t h es i m u l a t i o nt h eg a i no fm i m os y s t e m s c h a n n e l a p p r o a c h e st h et h e o r e t i c a lv a l u e i nt h ee n d , s o m ep r o b l e m st ob es o l v e da n dt h ee m p h a s i sn e x ts t e pi nt h ef i e l da r e s u m m a r i z e d , a n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n d sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：w c d m a ；s - c c p c h ；m i m o ；s t t d ；j a k e sm o d e l 4 山东大学硕士学位论文 a “ a 一1 a t 眦 d e t ( a ) ，i a t r ( a ) i j a i i ： i 。 l o g ( a ) l o g 。( 口) e x p ( ) e 【】 m a x ( - ) 日( ) ，( ) 符号说明 矩阵a 的共轭转置 矩阵a 的逆 矩阵a 的伪逆 矩阵a 的第行亍第j 列的元素 矩阵a 的行列式 矩阵a 的迹 向量a 的2 范数，| j a | | = a a 矩阵a 的2 范数，i a i i ：= k ( a 片a ) m x m 维单位矩阵 a 的自然对数 以c 为底的a 的对数 指数运算 求数学期望 取最大值运算 随机变量的熵 随机变量各分量的互信息 5 山东大学硕士学位论文 6 缩略语简表 3 g p p3 mg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t 第三代伙伴合作计划 a w g n a 口s b c h b e r b s c d m a c p c h c r c d c h d p c h d s c h d t x f a c h f d d f d m a g p r s g s m h s d p a i m t - 2 0 0 0 i m t s i p d c i t u m a c a d d i t i v ew h i t eg a u s sn o i s e加性高斯白噪声 高级5 5 h 5 5 h 移动电话系 a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m b r o a d c a s tc h a n n e l b i te r r o rr a t e b a s es t a t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 统。 广播信道 误码率 基站 码分多址 公共分组信道 c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k 循环冗余校验 d e d i c a t e dc h a n n e l专用信道 专用物理信道 d o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l下行共享信道 f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x 不连续传输 前向接入信道 频分双工 f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 频分多址 g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e通用分组无线业务 9 1 0 b a ls y s t e mf o rm o b i l e 全球移动系统 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高速下行链路分组接入 i n t e m a t i o n a lm o b i l e国际移动 t e l e e o ms y s t e m 2 0 0 0 电话系统2 0 0 0 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 改进型移动电话系统 i pd a t a c a s tp 数据播发 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 m e d i aa c c e s sc o n t r o l媒体接入控制 山东大学硕士学位论文 删 m l 心 m b m s m i m o m i s o 删s e m s o f d m o s i o v s f p c h p s c h q o s q p s k r a c h s c c p c h s c h s f s i s o s s c h s t t d r a c h t a c s t d d t d 队 t f m u l t i p l e a c o ：e s si n t e r f e r e n c e m a x i m u map o s t e r i o r i 多址干扰 最大后验概率 m u l t i m e d i ab r o a d c a s tm u l t i c a s ts e r v i c e多媒体广播与组播业务 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t m i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r m o b i l es t a 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 o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e e t i o n o r t h o g o n a lv a r i a b l e s p r e a d i n gf a c t o r ( c o d e s ) p a g i n gc h a n n e l p r i m a r ys y n c h r o n i s a t i o nc h a n n e l q u a l i t yo fs e r v i c e q u a t e r n a r yp h a s es h i f tk e y i n g r a n d o ma c c e s sc h a n n e l s e c o n d a r yc o m m o n c o n t r o lp h y s i c a lc h a n n e l s y n c h r o n i s a t i o nc h a n n e l s p r e a d i n gf a c t o r s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s e c o n d a r ys y n c h r o n i s a t i o nc h a n n e l s p a c et u n et r a n s m i td i v e r s i t y r a n d o ma c c e s sc h a n n e l t o t a l a c c e s s c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c o e s s t r a n s p o r tf o r m a t 多输入多输出 多输入单输出 最小均方误差 移动台 正交频分复用 开放系统互联 正交可变扩频因子( 码) 寻呼信道 主同步信道 服务质量 正交相位调制 随机接入信道 辅助公共控制物理信道 同步信道 扩频因子 单输入单输出 辅助同步信道 空时发射分集 随机接入信道 全接入移动通信系统 时分双工 时分多址 传输格式 7 illll卜ii -rr-t1 1 山东大学硕士学位论文 8 t f c i t f i t i c h t s t d r n u m t s t r a n s p o r tf o r m a tc o m b i n a t i o ni n d i c a t o r t r a n s p o r tf o r m a ti n d i c a t o r t r a n s p o r tc h a n n e l l a n es w i t c h e dt r a n s m i td i v e r s i t y t r a n s p o r tt u n ei n t e r v a l 传输格式组合指示 传输格式指示