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摘要摘要 在d s - c d ma通信系统中, 多用户检测用于消除系统的多址干扰和码间串扰,是一种关键的接收技术。目前多用户检测的研究大概可以分成两个方向。一个是考虑在实际系统中与其它技术的结合运用,一般使用比较复杂的数学模型。例如把多用户检测和信道编码相结合是一个重要的方向。再如考虑邻小区干扰、多码率c d m a 、长码系统等。另一个方向侧重于新算法及性能的研究,一般只考虑简单的数学模型 ( 短码直扩模型) 和输入 ( 独立同分布的输入) ,注重于算法性能如误码率、稳定性、计算量等的改进。本文将注重后者。c d ma系统按信道模型的不同分为高斯白噪声信道和衰落信道、时变和时不变信道。本文针对多径衰落慢时变信道下c d ma系统多用户检测技术的理论进行研究。主要工作如下: 1 ,提出了一种新的基于输出最小均方误差准则的约束优化算法一l c mms e( l i n e a r l y c o n s t r a i n e d m m s e ) 算法。该算法的代价函数和约束条件都基于最小均方误差准则, 故能保证最优 mms e解落在约束条件约束的空间里。 本文证明了约束空间里最优解的唯一性,同时还给出了算法实现的迭代方法,并对迭代算法的收敛性进行了详细的理论分析。 2 . 盲多用户检测可以通过块处理算法和自适应算法来实现,自适应算法对于简化多用户检测的算法复杂度和跟踪信道的变化有着重要的意义。本文针对l c mms e算法提出了块处理算法和自适应算法。 和现有的算法相比, 在各种场合下,仿真结果均显示本文算法的性能明显优于现有算法。仿真结果还显示,本文提出的块处理算法可以在几次的迭代后收敛,自适应算法也可以在数百次迭代后收敛。 3 . 常模算法c m a ( c o n s t a n t m o d u l u s a l g o r i t h m ) 是一种重要的盲多用户检测算法。在多用户场合下同样需要约束检测器的搜索空间。本文对基于常模准则的多用户检测算法进行了研究,提出了一种新的约束方法,新的约束方法基于mms e准则。仿真结果显示本文算法性能优于现有的线性约束c ma算法。 4 . 直接基于最小误码率准则的多用户检测技术能取得很好的误码率性能。 但是现有的最小误码率代价函数是一个极不规则的非线性函数,存在很多局部极小点。约束条件的选取是一个难题。本文提出了一组新的约束条件,证明了在该约束条件的约束空间里误码率代价函数的最小点是唯一的。本文采用阻碍梯度算法实现了约束条件下基于最小误码率准则的多用检测算法。仿真结果显示本文算法收敛较快,误码率性能接近最小误码率底限。 5 .由于多用户检测器的最小误码率代价函数是一个极不规则的非线性函数,存在许多的局部极小点,本文尝试用遗传算法来解决这个全局最优问题。本文采华南理工大学博士学位论文用训练序列估计误码率函数作为目标函数,设计了一个遗传算法求解目标函数的最优解。仿真结果显示本文提出的算法有较快的收敛速度,其误码率性能明显优于 mms e检测器,接近理论上的最小误码率底限。关键词:码分多址,多用户检测, 约束最优,最小误码率。ab s t r a c tab s t r a c t mu l t i p l e a c c e s s i n t e r f e r e n c e ( ma i ) c a u s e d b y c o d e n o n - o r t h o g o n a l i t y a n di n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i s i ) d u e t o t h e t i m e d i s p e r s i o n o f w i r e l e s s c h a n n e l s a r e t h em a i n d i f f i c u l t i e s i n w i d e - b a n d c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ( c d ma ) s y s t e m s .mu l t i u s e r d e t e c t i o n ( mu d ) t h a t s u p p r e s s e s t h e ma i a s w e l l a s t h e i s i r e ma i n s a ni n t e r e s t i n g t o p i c i n t h e p a s t d e c a d e s . t h e c u r r e n t r e s e a r c h o f mu d f o c u s e s o n t w od i r e c t i o n s . o n e i s t o w a r d p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s . c o m m o n l y c o m p l i c a t e d mo d e l sr e g a r d i n g p r a c t i c a l i s s u e s a r e a p p l i e d ; s u c h a s t h e t u r b o m u l t i u s e r d e t e c t i o n , w h i c hc o n s i d e r s c h a n n e l d e c o d i n g a n d m u l t i u s e r d e t e c t i o n j o i n t l y . t h e o t h e r d i r e c t i o nf o c u s e s o n n e w a l g o r i t h m d e v e l o p m e n t a n d p e r f o r m a n c e a n a l y s i s . c o m m o n l y s i m p l es y s t e m m o d e l s , f o r i n s t a n t a b a s e b a n d s y s t e m w i t h s h o r t s p r e a d i n g c o d e , a r e a p p l i e d .r e s e a r c h e s i n t h i s d i r e c t i o n g e n e r a l l y a s s u m e t h e u s e r s e q u e n c e s h a v e i d e n t i c a li n d e p e n d e n t d i s t r i b u t i o n a n d f o c u s o n i m p r o v e m e n t i n b e r , s t a b i l i t y a n dc o m p u t a t i o n . o u r r e s e a r c h e s f o c u s o n t h e l a t t e r . a c c o r d i n g t o d i f f e r e n t c h a n n e lm o d e l s , c d ma s y s t e m s c a n b e d i v i d e d i n t o a d d i t i v e w h i t e g a u s s i a n n o i s e ( a wg n )c h a n n e l a n d d i s p e r s i v e c h a n n e l , t i m e - v a r i a n t a n d t i m e - i n v a r i a n t c h a n n e l . i n t h i s p a p e r ,w e m a i n l y s t u d y m u l t i u s e r d e t e c t i o n i n s l o w t i m e - v a r i a n t d i s p e r s i v e c h a n n e l s . t h ec o n t r i b u t i o n s a r e i n f i v e f o l d s 1 . c o n s t r a i n e d o p t i m i z a t i o n ( c o ) b a s e d m e t h o d s p l a y a n i m p o r t a n t r o l e i n mu d .a c o m e t h o d g e n e r a l l y i n c l u d e s a c o s t f u n c t i o n a n d a c o n s t r a i n t t o c o n f i n e t h es e a r c h i n g s p a c e . i n t h i s t h e s i s , a n e w a l g o r i t h m b a s e d o n l i n e a r l y c o n s t r a i n e d ( l c )mms e c r i t e r i o n i s p r o p o s e d . . t h e k e y n o v e l t y i s t h a t t h e c o s t f u n c t i o n a n d t h ec o n s t r a i n t a r e d e v e l o p e d b a s e d o n t h e s a m e c r i t e r i o n , w h i c h g u a r a n t e e s t h a t t h ed e s i r e d o p t i m u m c a n b e l o c a t e d i n t h e c o n f i n e d s e a r c h i n g s p a c e . a n i t e r a t i v ei m p l e m e n t a t i o n i s p r o p o s e d a n d i t s c o n v e r g e n c e i s a l s o d i s c u s s e d . 2 . b l i n d m u l t i u s e r d e t e c t i o n c a n b e i m p l e m e n t e d b y b a t c h a l g o r i t h m a n da d a p t i v e a l g o r i t h m. a d a p t i v e a l g o r i t h m i s m o r e f e a s i b l e t o t r a c e t h e c h a n n e l v a r i a t i o n .i n t h e t h e s i s w e a l s o p r o p o s e a b a t c h a l g o r i t h m a n d a n a d a p t i v e a l g o r i t h m f o r t h el c mms e d e t e c t o r . t h e i r p e r f o r m a n c e s a r e e v a l u a t e d b y c o m p u t e r s i m u l a t i o n s ,w h i c h s h o w t h e p r o p o s e d l c mms e d e t e c t o r o u t p e r f o r m s s o m e t y p i c a l e x i s t i n gd e t e c t o r s . 3 . c o n s t a n t mo d u l u s ( c m) i s a n i m p o r t a n t c r i t e r i o n i n mu d . s i n c e t h e c o s tf u n c t i o n s o f c m b a s e d a l g o r i t h ms a r e n o n c o n v e x a n d t h e r e e x i s t s l o c a l mi n i ma . i t i si ii鱼 s s e rt a ti o n s u b 画f l e d t o s o u t h c h i n a u n i v e r s i t y o f t e c h n o l o g yn e c e s s a r y t o c o n f i n e t h e s e a r c h i n g s p a c e . i n t h e t h e s i s w e s t u d y t h e c o n s t r a i n t s o fcm- b a s e d mu l t i u s e r d e t e c t i o n . a n e w c o n s t r a i n t b a s e d o n mms e c r i t e r i o n i sp r o p o s e d . s i m u l a t i o n s s h o w t h e p r o p o s e d a l g o r i t h m i s s u p e r i o r t o e x i s t i n g l i n e a r l yc o n s t r a i n e d c m b a s e d a l g o r i t h m 4 . mi n i m u m - b e r - b a s e d d e t e c t o r c a n a c h i e v e v e r y l o w b e r . h o w e v e r , t h e b e rc o s t f u n c t i o n i s h i g h l y n o n l i n e a r , s o c o n s t r a i n t s e l e c t i o n i s d i f f i c u l t . we p r o p o s e an e w s e t o f c o n s t r a i n t s a n d p r o v e t h a t u n d e r t h e s e n e w c o n s t r a i n t s , u n i q u e n e s s o fg l o b a l m i n i m u m c a n b e g u a r a n t e e d . a n e f f i c i e n t b a r r i e r c o n j u g a t e g r a d i e n t a l g o r i t h mi s a l s o d e v e l o p e d t o s o l v e t h e o p t i m i z a t i o n p r o b l e m . c o m p u t e r s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w t h a t t h e p e r f o r m a n c e o f t h e p r o p o s e d d e t e c t o r a p p r o a c h e s t o t h a t o f t h e o p t i m a lm i n i m u m b e r l i n e a r d e t e c t o r a n d i s s i g n i f i c a n t l y b e t t e r t h a n t h a t o f t h e mms ed e t e c t o r . 5 . b e c a u s e t h e b e r f u n c t i o n i s h i g h l y n o n l i n e a r , a s p e c i a l l y d e s i g n e d g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i s u s e d t o s o l v e t h i s o p t i m i z a t i o n p r o b l e m . s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o wt h a t t h e a l g o r i t h m h a s h i g h c o n v e r g e n c e s p e e d a n d i t s p e r f o r m a n c e a p p r o a c h e s t h ee x a c t m i n i m u m b i t - e r r o r - r a t e , w h e r e a s e x i s t i n g g r a d i e n t d e s c e n d a n t m e t h o d m a yc a p t u r e a l o c a l mi n i mu m.k e y wo r d s : c d ma , mu l t i u s e r d e t e c t i o n , c o n s t r a i n e d o p t i m i z a t i o n , mi n i m u mbi t - e r r o r - r a t e .n 华南理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以 标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均己 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作 者 签 名 : 熊 、尚呻 日 期 : 吟年 月 2 3 日学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并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。本人授权华南理工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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口, 在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密p。 ( 请在以上相应方框内打 “ i/ )作 者 签 名 : * , 1 *19 呻导 师 签 “ : 羊 尚日 期:a l o 啤 月z 3 日日 期: 7 1 0 0 , 年 。 月二 犷日第一章 绪 论第一章 绪 论1 . 1移动通信系统发展历程 无论在中国,还是在世界范围内,移动通信的迅猛发展都大大超乎了人们的预料,移动通信可以说己经成为电信技术、业务和市场的主导力量。 所谓移动通信,是指通信双方或者至少有一方是在运动中进行信息交换。例如,固定点与移动体 ( 汽车、轮船、飞机)之间、移动体与移动体之间、人与人或人与移动体之间的通信,都属于移动通信。移动通信可分为陆地、水上和航空移动通信三大类,其中陆地通信涉及的技术领域面广,技术新颖和难度高,网络能力也最强,其发展趋势代表着整个移动通信未来的方向。陆地移动通信主要有蜂窝移动通信、无绳电话、无线寻呼、集群移动通信、无中心选址通信、卫星移动通信等,本论文主要针对蜂窝移动通信系统,但所讨论的技术也可用于其他移动通信系统。陆地蜂窝移动通信具有下列特点【, 月 : 1 . 传输信道必须使用无线电传播; z电波传播特性复杂 ( 时变的多径传播环境,以及传播损耗、慢衰落、快衰 落、时间选择性衰落、频率选择性衰落、空间选择性衰落等) ; 3 . 干扰严重 ( 远近效应、 小区内干扰、 小区间干扰、同道干扰、 码间串扰等) ; 4 . 组网方式灵活多样 ( 大区制,宏小区,微小区,微微小区) ; 5 . 设备要求更为苛刻 ( 稳定性、成本、功能、体积、功耗等) ; 6 . 用户量大而频谱资源有限。 这些特点也使陆地蜂窝移动通信系统受到严重挑战,目前己提出一系列的技术来解决遇到的困难,其中包括先进的多址技术。 自从 8 0年代初,第一代模拟制式的蜂窝移动通信系统投入运营以来,全球的移动通信产业进入了一个崭新的时代,市场规模有了巨大的增长,到1 9 9 1 年,全球的用户超过 1 千万。 9 0 年代以g s m和c d ma为代表的第二代蜂窝移动通信系统很快就以其技术上的优势成为市场上的主导产品。但是随着移动通信用户的急剧增长,在某些大城市,宝贵的频谱资源已趋耗尽,寻找更高的频谱利用率己成为大势所趋。另外,与互联网更紧密的结合、多媒体业务的需要,宽带通信显得必不可少。在这种情况下,第三代移动通信系统应运而生【 s, 。同时,关于后 3 g技术的研究工作也在展开。华南理工大学博士学位论文1 . 1 . 1第一代移动通信系统 8 0年代初,世界上出现了第一个蜂窝移动通信系统一模拟蜂窝移动通信系统。习惯上把模拟蜂窝系统称为第一代移动电话,包括美国的 a mp s 、北欧的n mt 、英国的t a c s , 和日本的h c mt s等。 模拟蜂窝的主要特征【, , : 1提出了蜂窝状小区制式的网络结构; 2 . 采取频率复用和f d ma技术,提高了频谱利用率和系统容量; 3 . 实现越区切换、越局切换和自动漫游; 4 . 模拟蜂窝网的发展标志着移动通信的一次革命。 但是由于模拟蜂窝采用的多址技术为f d ma,频谱利用率难以进一步提高,远远不能满足移动通信业务量的剧增,特别是在经济发达和经贸活跃的国家和地区,加上保密性能差、难以开拓新业务等缺点,适应不了业务和容量的需求。1 . 1 . 2第二代移动通信系统 由于第一代模拟移动通信系统存在的缺陷和市场对移动通信容量的巨大需求, 第二代移动电话系统一数字蜂窝移动通信系统便应运而生, 包括欧洲的g s m,美国的d - a mp s 、日本的p d c和北美的i s - 9 5 c d ma , 等制式. 数字蜂窝通信系统比模拟蜂窝通信系统具有很多优点 , : 1 . 频谱利用率较高,容量为模拟系统数倍以上; 2 . 业务范围扩大,除提供语音外还可提供多种语音补充业务; 3 . 抗干扰强; 4 . 保密性好; 5容易实现国际漫游; 6 . 小型化,有利于向个人通信发展。 其中 i s - 9 5 c d ma采用码分多址的调制方式,不同于其他移动通信系统的t d ma和f d ma方式,故具有下列优点: 1频率利用率比f d ma和 t d ma高很多; 2 . 采用空间、时间和频率分集来消除瑞利衰落和多径效应; 3 . 支持软切换和更软切换,提供了一个完全无缝隙的通话切换。 虽然第二代数字移动通信系统较第一代模拟移动通信系统有很大的改进,但是也存在许多问题,没有统一的国际标准,频率利用率还不够高,不能提供高速数据业务,不能有效的支持i n t e r n e t 业务。第一章 绪 论1 . 1 . 3第三代移动通信系统 i mt - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a l mo b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n s - 2 0 0 0 ) 是由 i t u ( 国际电联) 提出的第三代移动通信系统,以前称为f p l mt s ( 未来公共陆地移动通信系统) 。 i mt - 2 0 0 0 的主要特征包括: 1频谱利用率高; 2提供全球无缝覆盖和漫游; 3提供多种业务,不仅提供窄带业务,也提供数据速率为2 mb / s 的多媒体 业务; 4 . 融合多种移动通信,包括蜂窝、无绳、卫星移动通信系统等; 5 . 服务质量达到固定网的水平,安全保密性提高,收费合理; 6 . 增加了智能网( i n ) 能力和 a t m 技术,不但可以快速引入各种业务并进行 有效的控制,还可以支持多媒体业务及灵活的无线承载能力; 7 . 系统起始配置小而简单,随后可平滑升级,并与i mt - 2 0 0 0以前的系统兼 容。 表 1 - 1 正式向i t u提交的候选 r t t方案, , t a b l e l 一 i r t t s c h e me s o f f i c i a l l y s u b mi t t e d t o i t u序 号提交组织候选r t t方案1日本 a r i bw - cdm a2欧洲 e s as w - cdma & s w- ctdma3i coi co- rtt4中国 c a t ttd- s cdm a5韩国 t t agl o b a l c dma i &i i , &s a t e l l i t e r t t6欧洲 e t s i - d e c tep- dect7欧洲 e t s i - u t r autra8美国 t i at r 4 5 . 3 ( u wc - 1 3 6 ) ,t r 4 5 . 5 ( c d ma2 0 0 0 )&t r 4 6 ( wi ms w- c dma)9美国t l p 1 - a t i sw cdm a/ na1 0i nm ars atho r i z o n s 考虑到移动通信不断增长的市场需求和稀有昂贵的频谱资源,选择合适的多址接入方式是影响频谱效率的关键问题。目前, c d ma成为第三代移动通信系统最有竞争力的多址接入方案。为在第三代移动通信系统中增强竞争力,各国都相应提出了自己的第三代移动通信标准, 其中以欧洲和日本提出的wc d ma 0 , 北美提出的 c d ma 2 0 0 0, 以及中国提出的t d - s c d ma , 为主流方案。各种候选无线传输技术( r t t , r a d i o t r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y ) 方案如表1 - 1 所示。华南理工大学博士学位论文1 . 1 . 3 . 1 w c d m a wc d ma系统的核心网是基于 g s m- ma p的,同时可通过网络扩展方式提供在基于a n s i - 4 1 的核心网上运行的能力。 wc d ma强调宽带技术,它的最小带宽为 5 mh z ,也可以取 1 0 , 2 0 mh z .使用宽带技术能够提高多径信号的分离度,从而更好地克服多径的影响。当扩频后的带宽分别为 0 . 9 6 mh z , 3 . 8 4 mh z 和 7 . 6 8 mh z 时,多径相关曲线逐渐出现多个尖峰。也就是说,频带越宽,相关曲线的分辨率就越高,即能更好地消除多径干扰 。 wc d m a采用直接序列码分多址 ( d i r e c t s e q u e n c e - c d m a , d s - c d ma ) 方式。其码片速率为3 . 8 4 mc h i p / s ,帧长为l o m s 。数据调制前向链路采用q p s k ,反向链路采用h p s k 。信道编码选用卷积码 r = 1 / 2 , 1 / 3 , k = 9 )和t u r b 。 码。功率控制在 f d d模式下采用开环+快速闭环 ( 1 5 0 0 h z ) , t d d模式下采用开环+慢速闭环,控制步长为 1 , 2 , 3 d 8可变。wc d ma中的基站不需要同步,各基站之间不需要全球定位系统 ( g l o b a l p o s i t i o n s y s t e m , g p s )作为外部同步源,组网比较方便。ma p 技术和g p r s隧道技术是wc d ma体制的移动性管理机制的核心,保持了与g p r s网络的兼容性。在反向信道上, wc d ma采用导频符号相干r a k e 接收的方式,解决了c d ma中反向信道容量受限的问题。wc d ma存在 自身的优势和不足: 首先,wc d ma使用与 g s m 相同的网络协议结构 ( 信令) ,这样 g s m 的运营公司完全没有必要重新构建一个网络,它可以将现有的 g s m 网络作为核心网络基础设施建立第三代无线接入。 其次, wc d ma的频谱利用率比较高,它采用分层小区结构、自适应天线和相干解调等技术,使网络容量大大增加。 再次,wc d ma业务灵活,它可以处理从 8 k b i t / s 到 2 mb i t / s 的混合业务,也可同时进行电路交换和分组交换,利用在单一终端上进行多个电路和分组交换连接,从而实现真正的多媒体业务,并保证较高的服务质量。 另外,wc d ma还具有快速业务接入、终端简单经济、无缝g s m/ u mt s 接入以及网络规划经济等特性。 但是wc d ma也存在一些不足, 它的异步方式会增加手机的复杂度, 降低容量,增加硬件和软件的复杂度以及延长设计周期。第一章绪 论1 . 1 , 3 . 2 o d m a 2 0 0 0 多载波方式是 c d ma 2 0 0 0的特色之一。在 c d ma 2 0 0 0中,扩频速率 ( s p r e a d i n g r a t e , 即前向或反向c d ma信道上的伪随机p n码片速率) 有两种:s ri 和 s r 3 。 1 . s r i 即 “ 1 x ,代表 c d ma 2 0 0 0 1 x。它的前向和反向c d ma信道在单载波上都采用码片速率为1 . 2 2 8 8 m c h i p / s 的直接序列 ( d s ) 扩频。 s r i 基本上是为了兼容 i s - 9 5以满足向3 g平滑过渡的需要。 2 . s r 3即 “ 3 x ,代表 c d ma 2 0 0 0 3 x。它的前向信道有三个载波,每个载波上都采用 1 . 2 2 8 8 m c h i p / s 的d s 扩频, 总称多载波 ( mc ) 方式; 而反向 信道在单载波上采用码片速率为3 . 6 8 6 4 m c h i p / s 的d s 扩频。 c d ma 2 0 0 0主要和基于 a n s i - 4 1的核心网相结合。它的信道带宽可取1 . 2 5 / 5 / 1 0 / 1 5 / 2 0 mh z , 码片速率为n x 1 . 2 2 8 8 mc h i p / s , n = 1 , 3 , 6 , 9 , 1 2 . c d ma 2 0 0 0的数据调制和wc d ma相同, 也为前向链路q p s k ,反向链路h p s k 。 信道编码选用卷积码 ( r = 1 / 2 , 1 / 3 , 1 / 4 , k = 9 )和t u r b o 码。功率控制采用开环+快速闭环 ( 8 0 0 h z ) a c d ma2 0 0 0各个基站需要同步, 因此 g p s系统必不可少。 c d ma 2 0 0 0也存在自身的优势和不足: 首先, c d ma 2 0 0 0 做到了对c d ma ( i s - 9 5 ) 系统的完全兼容,为技术的延续性带来了明显的好处,在成熟性和可靠性上都比较有保障。这一优点使它成为从第二代向第三代移动通信过渡最平滑的选择。 其次, s r i 和s r 3 既可独立配置,也可混合配置。频带配置方式灵活, 有利于实现非对称的数据业务。 再次,c d ma 2 0 0 0具有共用导频编码信道,这使它的运作开销比 wc d ma要低。而且它选用的 2 0 ms 帧长可以很好地满足 i mt - 2 0 0 0 性能和灵活性的要求,并在编码器延时和交织器深度两者间取得了最好的折衷。 另外, c d m a 2 0 0 0 支持先进的天线技术, 支持更高的数据速率, 支持其他系统提供的高级业务。 但是c d ma 2 0 0 0的多载波传输方式比起wc d ma的直扩模式,对频率资源的利用不够充分,而且它所处的频段与 i mt - 2 0 0 0 规定的频段也产生了矛盾 。1 . 1 . 3 . 3 t d - s c d m a t d - s c d ma采用d s - c d ma的方式, 并具有t d ma的特点, 即时隙用于在时间域和码域上区分不同用户的信号。t d - s c d ma每个无线帧的长度为 l o ms ,华南理工大学博士学位论文每个无线帧分成两个5 m s 子帧, 每一个子帧又分成长度为6 7 5 g s 的7 个常规时隙和3 个特殊时隙: d w p t s( 下行导频时隙) 、 g( 保护间隔) 和u p p t s( 上行导频时隙) 。t d - s c d ma 中的每个时隙为一个突发,它包括两个长度分别为3 5 2 c h i p s 的数据块、 一个长为1 4 4 c h i p s 的m i d a m b l e 码块和一个长为1 6 c h i p s 的保护间隔 ( g p ) ,数据块的总长度为 7 0 4 c h i p s , t d - s c d m a的扩频带宽约为1 . 6 m h z , 码片速率为1 . 2 8 m c h i p / s 。 它支持三种信道编码方式: 卷积编码, t u r b o编码和不编码。t d - s c d ma的功率控制在上行采用开环+闭环,下行仅用闭环,闭环的控制速率为0 2 0 0 次/ s ,步长可取 1 , 2 , 3 d b o t d - s c d ma的调制、交织和复接技术都与3 g p p 相同。 t d - s c d ma采用t d d( 时分双工)的工作方式,有以下好处: 1 . 不需要成对的频谱资源,这使频谱利用非常灵活; 2 . 上下行使用相同的频率,有利于使用智能天线等新技术; 3 . 支持不对称数据业务,根据上下行业务量自 适应调整上下行时隙宽度; 4 . 成本低,比f d d系统低2 0 %- 5 0 %,无收发隔离的要求。 t d d系统也有自身的缺陷, 首先它采用多时隙不连续传输方式, 抗快衰落和多普勒效应的能力比连续传输的f d d方式差;其次 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,考虑到耗电和成本因素,用户终端的发射功率不可能很大,所以通信距离较短,一般不超过 l o k ma 尽管如此,f d d的主流地位还是受到了挑战, t d d越来越引起人们的关注。t d- s c d ma作为最有潜力的t d d技术,其发展及推广是相当迅速的。与u t r at d d相比,t d - s c d ma主要有以下特色: 1 设计独立 t d - s c d ma系统是根据i mt - 2 0 0 0 的全部要求而设计的, 它本身就可以组成一个完整的蜂窝网络. u t r a t d d是wc d ma的t d d补充模式, 因此在设计中,为了尽可能与wc d ma保持一致,u t r a t d d宁愿牺牲部分特性。 2 .技术先进 t d - s c d ma采用最新的技术, 其中包括智能天线、 软件无线电、 上行同步等,它们不但能降低成本,还能提高性能。u t r a t d d没有采用这些技术。1 . 1 . 4后3 g 移动通信系统 过去的移动通信技术全球标准不能统一,比如第二代的 g s m, c d ma ,而第三代技术有 wc d ma, c d ma 2 0 0 0和 t d - s c d ma等,不同标准对用户使用造成一定的不便。 未来的后3 g ( 4 g ) 移动通信【 ,4 。 . , 要求实现全球的统一标准, 真正达到一部手机在全球的任何地点都能实现通信。第一章 绪 论 与今天的3 g移动通信服务相比,后3 g技术更为复杂,后 3 g技术在通信特点方面较 3 g移动通信技术相比,有许多超越之处: 1 . 后 3 g移动通信技术的信息传输速率比3 g移动通信技术的信息传输速率 高一个等级,一般认为下行速率将达到 1 0 0 mb i t / s ; 2 . 灵活性比3 g强得多。它能自适应地分配资源,能够处理变化的业务流, 信道条件不同的环境下,有很强的 自组织性和灵活性,支持下一代 i n t e r n e t ( i p v 6 ) ,而且是全i p 网络; 3 . 后 3 g移动通信技术将可让所有移动通信运营商的用户享受共同的后 3 g 服务: 4 . 该技术能根据网络动态和自行变化的信道条件,使低码和高码的用户能够 生存,这些方面都要比2 g. 3 g先进。 后3 g在业务、功能、频宽上均有别于3 g,它将会使所有无线服务联合在一起,能在任何地方接入互联网,包括卫星通信、定位定时、数据收集、远程控制等综合功能。所以后 3 g将会是多功能集成的宽带流动通信系统,是宽带接入i p的系统。1 . 2 cd ma技术 多址接入方式主要有三种:频分多址( f d ma ) 、时分多址( t d ma ) 和码分多址( c d ma ) o f d ma ,是在频域中一个相对窄带信道里,信号功率被集中起来传输,不同信号被分配到不同频率的信道里,发往和来自邻近信道的干扰用带通滤波器限制,这样在规定的窄带里只能通过有用信号的能量,而任何其它频率的信号被排斥在外。 模拟的f m蜂窝系统都采用了f d ma. t d ma, 就是一个信道 由一连串周期性的时隙组成,利用定时选通来限制邻近信道的干扰,从而只让在规定时隙中有用的信号能量通过。现在使用的 t d ma蜂窝系统实际上都是 f d ma和t d ma的组合,c d ma是近年来用于数字蜂窝移动通信系统的一种先进的无线扩频通信技术。码分多址扩频通信,就是将待传送的信息数据用伪随机码( p n码) 调制,实现频谱扩展后再传输,接收端则采用同样的p n码进行相关处理及调制,恢复原始信息数据。在扩频过程中,每一个信号被分配一个伪随机二进制序列进行扩频,不同信号的能量被分配到不同的伪随机序列里。扩频技术具有伪随机码调制和相关处理两大特点。正是这两大特点,使扩频通信有许多优良 特性,如抗干扰性强、抗多径干扰、可以实现码分多址等。 c d ma系统具有以下一些特点: 1 . 系统容量大。对于 f dma与t d ma,若小区的频点或时隙己分配完,则 小区就不能接收新的呼叫,即其容量有硬性限制。而 c d ma是干扰受限系华南理工大学博士学位论文 统,在指定的干扰电平下,即使用户数已达到限定数目,也允许增加个别用 户,这是以话音质量下降为代价的,也就是说业务提供者可以在容量与话音 质量之间进行平衡。 2 . 通信质量好。c d ma系统采用扩频技术,综合应用时间分集、频率分集、 空间分集、路径分集等多种分集手段克服多径效应,采用软切换消除用户在 小区边界或快速越区切换呼叫时产生的乒乓效应。软切换不同于 f d ma, t d ma中的硬切换,它是一个 “ 建立一 比较一 释放”的过程,当发生切换时, 同时会有两个甚至更多的基站对手机进行监测,系统中的基站控制器将逐帧 比较来自各个基站的有关这部手机的信号质量报告,并选用最好的一帧。软 切换使掉话现象明显减少, 从而大大改善了业务质量。另外, c d m a系统采 用 q c e l p编码等一系列技术,具有话音清晰、背景噪声小等优势,其性能 明显优于其他无线移动通信系统,语音质量可以与有线电话媲美。 3 . 手机功耗小。由于 c d ma系统有一套精确的功率控制方法,它能够迅速 调节手机的发射功率, 使手机功耗较低, 从而延长了电池的平均寿命。 f d ma 的最小功率为 5 mw、平均发射功率为7 9 4 m w、峰值功率为 3 w,而c d ma 的最小功率为2 . 3 m w、平均发射功率为5 m w、峰值功率为 l 0 0 m w e 4 , 可靠的保密安全性。 c d ma系统是一个保密通信系统, 若再加一定的加密 算法技术, 则它能大大提高通信保密性能。 另外, 我们还可以方便地在c d ma 系统中设置和改变主密钥、副密钥、扩频码表、标准加密算法等,使通信的 保密性更为可靠。 5 . 频谱规划相对简单。其它系统 ( 如模拟系统、g s m等)都需要规划频谱, 以使相邻蜂窝使用不同的频率,如果改变其中一个蜂窝的频率 ( 例如通过增 加一个蜂窝) ,将会波及整个系统。c d ma每个蜂窝的每个地区使用相同的 频率,因此提供商没有计划编制的烦恼。 在第二代移动通信系统中 i s - 9 5标准中己经采用了 c d ma作为多址接入方式,同时第三代移动通信系统所有标准都选择了 c d ma作为主要的空中接口方式。 c d ma通信系统中每个用户的标识是与其唯一对应的地址码,又称为扰码,以此来保证每个用户通信的独立性,但是由于扰码之间存在一定的相关性,导致用户之间存在相互干扰, 称为多址干扰( m a i , m u l t i - a c c e s s i n t e r f e r e n c e ) 。 无线信道的特性决定距离远的信号收到的功率衰减大,距离近的则衰减小,以致于不同移动台到达基站的功率不一。又因为多址干扰的不可避免,一个强功率的信号对于另一个弱功率的信号将产生很大的干扰,使得弱功率信号的信千比很低,误码率高。这种距离远与距离近的通信质量不一的现象就是远近效应问题。如何有效抑制ma i 和远近效应是第三代移动通信研究的关键问题t , 。 传统的多址干扰抑第一章 绪 论制办法是寻找相关特性较好的码字,而理论上己经证明任何异步码字都不能很好的抑制多址干扰,并且由于无线信道多径效应的存在,即使在同步情况下挑选的好码依然不能完全消除 ma i 。现在 3 g的 c d ma系统都选用了多用户检测,联合检测等相关技术来抑制 ma i 。为了克服远近效应,现在 3 g的 c d ma系统采用了快速功率控制等技术。1 . 3宽带 c d m a系统的关键技术1 . 3 . 1多用户检测 传统的 c d ma信号检测技术根据直接序列扩频理论对基带接收信号进行地址码相关计算,独立处理每个用户的信号,因此简称相关检测或单用户检测。它不具备抗远近效应的能力, 要求系统提供完善的功率控制机制。 多用户检测( mu d ,mu l t i u s e r d e t e c t i o n ) 是近十年来在相关检测的基础上发展起来的一种有效的抗干扰措施,它利用多址干扰的各种可知

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