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论文题目：t d - s c d m a 系统中下行联合检测算法的研究 专业：通信与信息系统 硕士生：胡波英 指导教师：曾召华 摘要 ( 签名) 越邀蕉 ( 签名 第三代移动通信三大主流标准之一的t d - s c d m a 系统中存在着严重的多径干扰、 多址干扰和码问干扰，主要采用联合检测这项关键技术来有效消除。为更好地展开联合 检测方面的论述，在给出t d - s c d m a 系统简介、物理层帧结构及时隙结构后介绍了系 统对用户数据的基带处理过程。接着，详细阐述了无线信道的特征和各种干扰，主要讨 论了多径传播产生的时延扩展、多普勒扩展、角度扩展、多址干扰、码间干扰，给出 t d s c d m a 系统的无线信道模型，创造性地提出t d s c d m a 系统下行多小区联合检测 算法模型。 本文还详细阐述了联合检测原理，其中分析了在具体的不同准则下的多种次最佳线 性联合检测算法和非线性干扰抵消算法的原理及其详细推导，重点介绍了联合检测中的 核心内容即系统矩阵的构造原理及系统矩阵从单用户到多用户、从单天线到多天线的逐 步扩展过程，并简单提到了信道估计算法。 为了更好地体现联合检测算法的抗干扰性能，本文提出了在移动台端也同时进行下 行联合检测，对下行联合检测算法的探究是本文的核心，首先提出了单小区单天线下行 联合检测算法，对门限值进行优化仿真分析，还对算法进行性能仿真，接着又讨论单小 区采用智能天线时的下行联合检测算法，对最优门限值进行了后处理并分析原因。 本文最后扩展到多小区下行联合检测算法，针对t d s c d m a 系统中同频相邻小区 信号间的相互干扰，提出能够同时纳入邻近小区用户强干扰的多小区联合检测算法，并 采用多小区迭代式串行干扰抵消的增强型信道估计算法。对提出的算法进行了性能仿真， 证实了下行多小区联合检测算法的增益和有效性。 关键词：t d - s c d m a ；下行联合检测；最优门限；串行干扰抵消 研究类型：理论研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho fd o w n l i n kj o i n td e t e c t i o na l g o r i t h mi n s p e c i a l t y lc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m elh u b o - y i n g i n s h c t o r ：z e n gz h a o - h u a a b s t r a c t 玎) s c d m a , 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 , w h i c hi n c l u d e sm u c h 训俩i n t e r f e r e n c e 、m u l t i - a c c e s sh a e r f e r e n c e ( m a i ) a n d h a ( r a - s y m b o li n m - t 雠n c e ( i s l ) , w h i c ha d e p r e s s e d0 1 1al a 增es c a l eb yj o i n td e t c 蜘o n a l g o r i t h m a r e ri n t r o d u c i n gt h eo u t l i n eo ft d - s c d m as y s t e m 、p l i y s i 硎盘m 始s 口u c t u r e 、 t i m e s l o t s m l c t u r e , i ti n t r o d u c e s t h e b a s e b a n d - m a n i p u l a t i o np r o c e s s o fl l s e 稿 i n f o r m a t i o n t h e n ，i te x p a t i f l t e st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ew i r e l e s sc h a n n e la n dm u l t i f o r m i n t e r f e r e n c e , a n dm a i n l yd i s c u s s e sd e l a ys p r e a d 、d o p p l e rs p r e a d 、a n g l es p r e a d 、m a ia n d i s i , w h i c hd u et om u l t i - p a t h ( r a n s m i s s i o n rb r i n g sf o r w a r dt h em o d e lo f w i r e l e s sc h a n n e li n 1 1 皿s c d m as y s t e m a n dc r e a t e st h em o d e lo f d o w n l i n kj da l g o r i t h mj n1 1 ) s c d m as y s t e m t h e n , i te x p o u n d st h ep r i n c i p l eo f j da l g o r i t h md e t a i l e d l y w h e r e a st a l k sa b o u tm u l t i f o l d h y p o - o p t i m 且ll i n e a ra n dn o a l i n e a tj da l g o r i t h m , a n da n a t o m i z e st h ef o r m a t i o np r i n c i p l eo f t h es y s t e m - m a t r i xa n dt h ee x t e n s i o n 弘o 鹳o ft h es y s t e m - m a t r i xf r o ms i n g l e - u s e rt o m u l t i - u s e f 、在o ms i n g l e - a n t e n n at om - r a y - a n t e n n a , w h i c ha r et h ee m p h a s e so fj d a l g o r i t h m ，a n dm e n t i o n sc h a n n e le t r i m 蚯o na l g o r ! i t h m i no r d e rt oi n c a r n a t et h ea n t i - i n t e r f e r e n c ef u n c t i o no fj da l g o r i t h m , ic o n c e i v et h a t m o b i l es t a t i o n ( m s ) a d o p t sj dt e c h n o l o g y t h er e s e a r c hi n t od o w n l i n kj da l g o r i t h mi st h e e m p h a s i so f t h i st h e s i s s i n g l e - c e l ls i n g l a - a n t e a n ad o w n l i n kj da l g o r i t h mi sb r o u g h tf o r w a r d f i r s t l y ，o p t i m i g a d o no ft h et l n e s h o l dv a l u ea n ds i m u l a t i o na n a l y s i st ot h ea l g o r i t h ma r c d e p l o y e d , w h e r e a r e r ，t h i st h e s i s d i s c u s s e s s i n g l e - c e l ls m a r t - a n t e - a n a ( s a ) d o w n l i n kj d a l g o r i t h m ，t b e ，p o s t - p r o c e s s i n go ft h eo p t i m a lt h r e s h o l dv a l u e 、m m l y s i so f t h el 伐i s o na l e c a r r i e do u t i nt h ee n d , t h i st h e s i sd i s c u s s e sm u l t i - c e l ld o w n l i n kj da l g o r i t h m i na l l u s i o nt ot h e m u t u a li n t r a - s i g n a li n t e r f e r e n c eo fc o - f r e q u e yc o n t i g u o u sc e l l si nt ds y s t e m , t h i sp a p e r c r e a t e san e wm u l t i - c e l ld o w n l i n kj da l g o r i t h m , w h i c hc a nd e a lw i t hi n t e r f e r e n c eo f a d j a c e n tc e l l s b e s i d e s ，i t e r a t i v e s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n ( s i c ) m u l t i - c e l l c h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h mi sa l s oa d o p t e d f h l a n y , s i m u l a t i o na n a l y s i st ot h em u l t i - c e l l d o w n l i n kj da l g o r i t h mi sc a r r i e do u ta n di ts h o w st h a tt h en e wm u l t i - c e l ld o w n l i n kj d a l g o r i t h mi se f f e c t u a l k e y w o r d s ：t d s c d m a d o w n l i n kj o i md e t e c t i o n o p t i m a lt h r e s h o l dv a l u e s i c 西姿错技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料与莸一同工作的同志对本研究所 傲的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名：胡艘葵日期：w r 口7 观砷 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学学校有权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本人允许论文被查阅和借阅学校可以将本学 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同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名： 指导教师繇肾b 罕 扣矿午月f 巧日 1 绪论 1 1 联合检测技术的概况及现状 l 绪论 移动通信的移动性和完全开放性在给用户带来便利的同时也引入了各种干扰和噪 声，而t d s c d m a 系统中的主要干扰为多径干扰、多址干扰、码间干扰、远近效应， 针对这几种主要干扰，t d - s c d m a 系统采用了联合检测这种关键技术来有效克服甚至 完全消除。 联合检测( j o i n td e t e c t i o n ，j d ) 技术是在多用户检测( m u l t i - u s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 技术基础上提出的，各种多用户检测技术对于抗接收信号的多址干扰m a i 都能收到较 好的效果，但由于多径传播，用户信号还存在着码间干扰i s i ，而联合检测技术正是可 以同时消除这两种干扰的有效关键技术，联合检测技术的核心就是利用均衡技术，将来 自其他用户的i s i 也当作m a i 而一并消除之。 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不理想所带来的消极影响，从而改善移 动通信系统性能、提高系统容量、增大小区覆盖范围。联合检测技术己被纳入第三代移 动通信系统的关键技术体系中。 并且，t d - s c d m a 提出了将智能天线( s a ) 和联合检测技术有机结合，利用智能 天线的分集增益和波束赋形来降低系统干扰和改善信道环境，可提高信道估计性能，并 且可以简化检测器结构，大大降低检测算法的复杂性。 现有的实现联合检测的算法有很多种，但主要是基于迫零( z f ) 和最小均方误差 ( m m s e ) 这两个优化准则的均衡技术发展而来的。目前还提出了在不同适用环境下的 算法，最初提出的是最佳检测算法，虽然最佳检测器理论上可以获得最小的误码率，提 供最佳的检测性能，但是，这种检测器并不适合实际应用，因为这种检测器要知道期望 用户和干扰用户的几乎所有信息，这在很多场合是不切实际的，而且算法的复杂性为 d ( 2 ) “，和用户数成指数关系，计算量太大，根本无法实时实现。紧接着提出了各种 计算比较简单的次最佳线性联合检测算法，主要有线性检测、干扰抵消检测、非线性类 概率检测、各种半盲检测和盲检测算法以及自适应算法，线性检测包括解相关检测、追 零检测( z f ) 、最小均方误差检测( m m s e ) ，干扰抵消检测包括串行干扰抵消( s i c ) 和并行干扰抵消( p i c ) ，非线性类概率检测包括序列检测、分组检测、基于神经网络的 检测，各种检测算法的分析以及性能比较在参考文献【2 】中有所涉及，这里不再累述，总 而言之，其中每种算法都有其优缺点和优越性的差别，每种算法都有其最佳的适用范围， 需要在检测算法性能、复杂度、收敛速度、适应实际环境等多个要素综合起来折衷考虑 西安科技大学硕士学位论文 并选取合适的算法应用到实际情况中。 在应用到具体实际系统中时，第三代移动通信系统t d s c d m a 中基站端选用的是 迫零分块线性检测器( z f b l e ) 当然这些算法现在主要还是用在小区基站端，由于基站本身就知道许多系统资源的 分配情况，并且其处理能力要比移动台强得多，所以在基站端应用联合检测技术还是非 常方便且容易实现的，在t d s c d m a 系统中，基站端早已采用了联合检测技术来一并 消除m a i 和i s i ，且各种上行算法都已经比较成熟。 但是，阅读许多文献和资料后发现，几乎没有接触到关于下行算法在t d s c d m a 系统中的具体探究和应用方面的论述，虽然目前已经提出了许多种看起来比较适用于移 动台端的半盲和盲检测算法，但是需要注意的是，这些半盲和盲检测算法的复杂度都很 大，而移动台的处理能力以及所引起的时延是经不起这种复杂算法的，所以那些看似符 合移动台情况的各种半盲和盲算法实际上是很难在移动台端得到现实应用的，目前还没 有看到下行联合检测算法在移动台端得到真正的应用，可以说对t d - s c d m a 系统中下 行联合检测算法的探究和开发性研究是非常有意义的。 1 2 本课题的研究意义 在完全理解联合检测算法原理的基础上，本文主要进行了在t d - s c d m a 系统中移 动台同时采用联合检测算法来提高移动台的接收性能的研究，此研究工作立足于实际的 t d - s c d m a 系统，并且考虑到了实际的应用情况，所以不是一味地只是追求算法性能 的优越，而是同时考虑了现实系统的应用。 本课题的研究对于目前还没有成熟理论支持的情况下是非常有必要也是非常有意 义的，对于具体探究t d s c d m a 系统的下行联合检测算法，从目前的角度来说是比较 薄弱的，也可以说只是在探索和研发阶段。所以做这方面的研究对于联合检测技术的应 用领域的进一步扩展是至关重要的，也能够让人们对t d - s c d m a 系统有更高的认可度 和信赖度，因为如果移动台应用了联合检测技术，那其接收性能的提高是会被人们所直 观感知的，人们是移动台的使用者，他们对网络的接触就是通过移动台，一旦移动台性 能的优越性被人们认可后，t d s c d m a 系统也将深入人心，这将会为t d s c d m a 系统 的广泛推广起到推波助澜的作用。 我们知道，第三代移动通信标准中，只有t d s c d m a 系统才是典型的t d d 时分双 工方式，并且还采用了时分接入方式，这是t d - s c d m a 系统的最大特点，而且 t d s c d m a 系统采用的扩频码最大为1 6 ，比w c d m a 系统要小得多，短扩频码易于各 种算法尤其是联合检测算法的实现，也正是短扩频码才让在移动台端试图同时采用联合 检测算法的设想能够实现，并且联合检测技术和智能天线技术的结合可以充分发挥出 t d s c d m a 系统的优势所在。由于w c d m a 系统的扩频码很长，而移动台的处理能力 2 1 绪论 较低，所以在w c d m a 系统中几乎无法实现移动台的下行联合检测技术，这样就能充 分体现t d - s c d m a 系统的竞争力和优势所在，也再次突显了联合检测技术对消除干扰 所起到的关键性作用。 1 3 本课题的主要工作及研究方法 本课题的主要工作在于研究移动台端也同时进行下行联合检测以提高终端的接收 性能。目前在移动台端广泛应用的只是匹配滤波接收或能够消除多经干扰的r a k e 接 收，对其他用户对移动台的干扰还有其他小区对它的干扰都无能为力，只是将它们简单 地视为噪声，本课题的工作就是要使移动台也能利用干扰的某些统计信息来一并消除它 们。 我们知道，联合检测算法中的核心是系统矩阵的生成，同样地，下行算法的难点也 在于重构出系统矩阵t ，系统矩阵t 是由各个用户的扩频码以及无线信道冲激响应共同 决定的，本文就是从如何在移动台端重构系统矩阵入手展开分析的，并且对产生的新问 题采用尽可能简单易实现的方法来解决，由浅入深，从单天线扩展到阵列天线，从单小 区算法扩展到多小区算法，一步步深入研究。 移动台要实现下行联合检测的关键在于设法获取到参与算法的用户总数和其他用 户的扩频扰码信息，总体思路是在不怎么增加实现复杂度和尽可能少地占用系统资源的 情况下来有效获取所需信息，并且对算法进行了不同情况下的扩展分析，在更加复杂的 条件和环境下，还需要考虑对算法本身的改进，使得算法能够真正适应现实的系统和现 实的环境而仍然保持较高的性能。除了考虑算法本身性能外，下行算法中干扰消除的复 杂度需要降低到可接受并可用硬件来实现的程度，这是下行联合检测技术能否实用的关 键，也是联合检测技术在移动台端能否被采用并成功实现的关键。 1 4 本课题的内容安排 本文介绍了t d - s c d m a 系统对数据的基带处理过程，为阐述联合检测算法作好铺 垫，在详细介绍无线信道特征及各种干扰的产生机理后提出了无线信道模型，并且创造 性地建立起下行联合检测算法的总体模型，对基本的联合检测算法作出阐述，接着提出 了单小区下行联合检测算法，最后扩展到研究多小区下行联合检测算法，并采用多小区 迭代式串行干扰抵消的增强型信道估计算法，并对下行联合检测算法性能和门限值的优 化进行了仿真分析。 全文各章具体内容安排如下： 第二章介绍了t d s c d m a 系统概况、物理层帧结构及时隙结构，还阐述了系统对 用户数据的基带处理过程，为阐述联合检测算法打好基础。 第三章详细阐述了无线信道的特征和各种干扰，给出t d - s c d m a 系统的无线信道 3 西安科技大学硕士学位论文 模型，创造性地提出t d - s c d m a 系统下行多小区联合检测算法总体模型。 第四章对联合检测算法原理进行了详细阐述，详细介绍了几种联合检测算法，同时 阐述了联合检测算法的关键部分一系统矩阵的构成。 第五章提出了单小区下行联合检测算法，分单天线和智能天线两种情况进行讨论， 解决了下行算法中的新问题，并对门限值进行优化处理，还对下行算法进行了性能仿真。 第六章扩展到多小区下行联合检测算法，创造性地提出了能够将邻小区强干扰也同 时纳入处理的下行多小区联合检测算法，其中采用多小区迭代式串行干扰抵消的增强型 信道估计算法，且进行了多小区联合检测算法的仿真分析。 最后对全文进行了总结，并且指出了下一步还需继续完善和解决的工作。 4 2 t d - s c d m a 系统简介 2t d s c d m a 系统简介 2 11 i ) - s c d m a 系统概况 t d s c d m a 是第三代移动通信的三大主流标准之一，它综合了t d d 和c d m a 的所用技术优势，在多址方式上它集c d m a 、t d m a 、f d m a 予一体，采用了联合检 测、智能天线、同步控制、功率控制、动态信道分配、可变扩频等先进技术，具有相当 高的技术先进性，是一种系统软容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强的移动通信技术， 并且在三个主流标准中具有最高的频谱效率。对单个用户来说是t d d 双工方式，即上 下行共享同一个频段，用户间是在时隙上得到隔离和区分的，这也是t d - s c d m a 系统 的最大特点所在。 t d - s c d m a 系统的基本参数： 多址接入方式：d s d m a 仰m a ，f d m a 码片速率：1 2 s m c p s ( 是w c d m a 的l ，3 ) 双工方式：t d d 载频宽度：1 6 m h z 扩频技术：o v s f ( o r t h o g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r ) 的直接序列扩频 调制方式：q p s k , 8 p s k 编码方式：1 2 1 3 的卷积编码，t u r b o 编码 2 2t d - s c d m a 系统帧结构 t d s c d m a 系统的物理信道采用四层结构：系统帧号、无线帧、子帧和时| ；5 c ，码， t d m a 无线帧周期为1 0 m s ，每个无线帧包含两个结构完全相同的5 m s 子帧，每个子帧 包含o 6 共七个业务时隙和三个特殊时隙，见下图： 10 r a j 图2 1t d - s c d m a 物理信道帧格式 5 西安科技大学硕士学位论文 一个子帧内上行和下行业务时隙总数为7 个，每个业务时隙的长度是8 6 4 个码片的 持续时间，且有两个上下行转换点( 下行到上行和上行到下行) 时隙0 总是分配给下 行链路，而时隙l 总是分配给上行链路，上行链路的时隙和下行链路的时隙间由第一个 转换点分开，在时隙2 到时隙6 中间还有一个上行到下行的转换点，这第二个转换点是 灵活可调节的，这样就可以灵活适应对称和不对称业务模式，当然，任何配置至少要有 一个时隙( 时隙# o ) 必须分配给下行，至少一个时隙( 时隙# 1 ) 必须分配给上行。 1 1 ) _ s c d m a 子帧结构如下图所示： d 椰 a i 出回 燃 十+00 图2 2t d - s c d m a 子帧结构 上图中，7 个业务时隙的结构完全相同，每一个业务时隙( 也叫突发) 都包括两个 数据块、一个长为1 4 4 c h i p s 的m i d a m b l e 码块和一个保护间隔，突发的每个数据域长为 3 5 2 c h i p s ，相应的符号数与扩频因子有关，扩频因子越大，符号速率越小，相应地，扩 频因子越小，符号速率就越大，一个数据块所含符号数- - - - 3 5 2 扩频因子。保护间隔长 1 6 c h i p s 。突发结构即时隙内的结构见下图： 图2 3t d - s c d m a 系统物理层突发结构， 突发的中间部分是长为1 4 4 c h i p s 的m i d a m b l e 码，在同- - j , 区同一时隙上的不同用 户所采用的m i d a m b l e 码由同一个长为1 2 8 c h i p s 的基本m i d a m b l e 码经循环移位而得。 整个网络系统总共有1 2 8 个基本m i d a m b l e 码，分成3 2 组，每组4 个，每个小区从中选 6 2t d s c d m a 系统简介 一作为该小区基本m i d a m b l e 码。m i d a m b l e 码部分不参与扩频加扰过程，m i d a m b l e 码 又称训练序列，主要用来标识不同的用户、估计信道冲激响应、同步保持，也是u e 端 下行联合检测过程的关键依据。而且，联合检测处理是以3 5 2 c h i p s 的数据块为单位进行 的，一个时隙内要进行两次分别针对单个数据块的联合检测处理。值得注意的是，信道 估计过程中需要对m i d a m b l e 码部分作干扰消除处理并得出信道冲激响应，而联合检测 技术是对数据部分的干扰消除，将各个用户间甚至不同小区间的数据尽量完全分开。 2 3t d s c d m a 系统对用户数据的基带处理过程 在t d - s c d m a 系统中，用户要发送的信息首先经业务映射形成数据比特，业务映 射的过程具体包括c r c 校验、传输块的级连和分段、信道编码、无线帧长度均衡、第 一次交织、无线帧分割、速率匹配、传输信道的复用、物理信道分割、第二次交织、子 帧分割、物理信道映射这么多过程，这不是本文重点，不再展开说明；接着对物理信道 业务映射输出的比特进行数据调制，主要采用q p s k 调制方式( 室内数据采用8 p s k 调 制) ，即合并两个连续的二进制比特为一个复值数据符号，接下来对所得符号进行信道 化扩频，即每一个数据符号与长度为绞 l 2 ，4 , 8 ，1 6 的扩频码( 下行中幺只能取l 或 1 6 ) 直接相乘转换成码片级数据，上述的么值就是扩频因子( s f ) ，通过直接序列扩频大 大扩展了信号带宽，在接收端可以获得扩频增益，t d 系统采用的扩频码为可变速率正 交码( o v s f 码) ，这种码具有很好的自相关特性和很弱的互相关特性，它很好地区分 了同小区内各个不同的用户，允许使用不同的扩频因子混合在相同时隙的不同信道并尽 量保持相互间的正交性，正是扩频码将小区内的不同用户区分开。正是由于各码道正交 性的不理想和无线信道的影响，才出现了严重的多用户干扰( m a d 和码间干扰0 s i ) ， 而联合检测技术正是克服这两种主要干扰的重要手段。扩频后的操作是加扰，它将该小 区扰码作用于扩频后的码片数据，扰码是用来区分不同小区的，一个小区只使用一个扰 码，整个系统共有1 2 8 个扰码可以使用，分为3 2 组，小区从码组内4 个扰码中选择其 一作为本小区扰码。 用户信息经业务映射和扩频加扰形成c h i p 级数据，再加入用来区分小区内不同用户 的m i d a m b l e 码就形成了突发结构，但需要注意的是，其中的训练序列m i d a m b l e 码是不 经过扩频加扰操作的，它由标识小区的长为1 2 8 位的基本m i d a m b l e 码序列经移位形成， 而在系统资源分配时小区扰码和小区基本m i d a m b l e 码存在完全一对一的对应关系。在 上行链路中使用m i d a m b l e 码主要是用来区分同一小区的不同用户，在下行链路中 m i d a m b l e 码要么区分不同用户，要么对全小区所有用户都相同，这里假设下行中还是 能区分不同用户的。 在扩频加扰加上m i d a m b l e 码形成无线帧结构之后还需要进行脉冲成形滤波器的处 理，脉冲成形滤波器将数字化的信号转变成了模拟的有助于在空中传播的电磁波形式， 7 西安科技大学硕士学位论丈 t d s c d m a 系统中采用了滚降系数为o 2 2 的升余弦滚降滤波器。以上所述是系统对数 据的基带处理 接着就对基带处理后的数据进行中频调制和射频调制，将工作频带放在2 g h z 附近 的非对称频段上并经天线发射，信号经完全开放的无线空间环境传播出去，在复杂的无 线信道传播中引起大尺度衰落和小尺度衰落，小尺度衰落是指无线信号在经过短时间或 短距离传播后其幅度和相位快速衰落以致于大尺度路径损耗的影响可以忽略不计，我们 主要着重于克服小尺度衰落，小尺度衰落主要由多径传播、多普勒频移、信道的时变等 因素引起，无线信道的特征和模型将在下章详细阐述。 经无线信道传播的信号到达接收端时经过与发送端相反的逆过程并用相关的接收 方案进行数据恢复并判决接收。 综上所述，t d s c d m a 系统对用户数据的处理过程可表示如下： 图2 at d - s c d m a 系统对用户数据的基带处理过程 而本文重点阐述的联合检测算法其实是立足于发送端对信号的处理来抑制干扰的， 发送端对数据进行操作并无线信道而引入了干扰，那么在接收端就从发送端对信号的处 理过程及无线信道冲激响应入手来抑制其引入的干扰，可以这样理解，联合检测处理就 是从发送端对数据的操作和所经无线信道入手来有效抑制并消除接收信号前所加入的 各种干扰。实际上，联合检测算法中的核心即系统矩阵t 中包含了发送端对数据的扩频 加扰及经过无线信道的全过程，并且联合检测处理已经包含了对码片数据的解扩操作， 即联合检测算法带来的增益中已经包含了扩频增益。这样对联合检测算法就会有更加深 入的宏观上的理解。 8 3 无线时空信道特征及下行算法模型 3 无线时空信道特征及下行算法模型 与有线通信不同，由于无线信道的完全开放性和复杂特殊性，无线移动通信引入了 自身特有的难题，如有限的频谱资源造成通信容量受限、复杂的多径环境造成多径衰落 和信道的快时变，许多关键技术的提出其实都是为了应对由于信道的复杂而引入的某些 干扰和噪声，首先我们要对无线信道环境作出深刻认识和理解，只有充分认识无线信道 特征以及无线信道环境的现实复杂性，才能应对问题提出有效的解决办法。同时，移动 通信系统中的信号都具有丰富的时域特征，这是很容易理解的，而移动通信发展到现在。 一般情况下基站会采用阵列天线，阵列天线的引入又使信号具有了空域特征。 。 以信号处理的观点来看，通信信号和无线信道分别对应着信号处理中的信号和系 统。本章首先分析了无线信道的特征，并提出了t d s c d m a 系统下行联合检测算法总 体处理模型。 3 1 无线信道环境 无线信道环境是极其复杂的，无线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有 极度的随机性和可变性，无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约，甚至移动 台的移动速度都对信号衰落产生影响。在众多因素中，无线电磁波信号通过自由空间无 线信道传播后的衰减和损耗被称为大尺度路径损耗，即随传播距离的不断增加而引起电 磁波强度的衰减；还有，电磁波在传播过程中受阻挡而经历了各种反射、绕射和散射， 经不同路径的多路信号在接收端相互叠加而引起强烈的多径损耗；再者，移动台在极小 范围内移动时，都会引起每条多径信号相位的快速变化，而接收信号是不同方向多径信 号的合成，由于每条路径相位变化的随机性，其合成信号变化范围将会很大，这就是由 于多普勒频移而产生的快速变化的衰落。 多径传播导致信号幅度、相位及时问的变化，使发射波到达接收机时形成在时间、 空间上相互区别的多个无线电波，这些不同多径成分具有的随机相位和幅度引起接收信 号的强度波动，导致小尺度衰落、信号失真等现象。由于多径衰落是导致信道快变的主 要原因，而且多径传输还会造成信号在不同维度( 如时间、频率、空间) 的扩展，使信号 发生衰落、产生失真、信号幅度及相位随时问快速变化，可以看出，多径衰落是影响接 收效果的主要原因，因此，下面将主要讨论多径衰落即快衰落。 多径的产生主要是由电磁波在完全开放的无线环境传播时发生反射、散射和绕射所 引起。多径传输会引起信号在时域、频域和空域的参数变化，包括时延扩展( d e h y s p r e a d ) 、多普勒扩展( d o p p l e rs p r e a d ) 和角度扩展( a n g l es p r e a d ) 。 9 西安科技大学硕士学位论文 3 1 1 时延扩展与相干带宽 不同路径的入射电波以不同传播方向到达接收端，各径具有不同的传播时延，接收 信号是许多具有随机分布的幅度、相位和入射角度的多径成分按向量合并，显而易见， 接收信号将产生深度的衰落和失真。也就是说，当同一信号经过不同的多条路径到达接 收机时，由于不同传播路径造成了各多径信号具有不同时延，到达接收端时有前有后， 在接收端时域上相互叠加合成接收信号，从而造成接收信号的波形展宽。因为信号波形 展宽是由信道时延引起的，且波形展宽也是从时域角度观察的，所以我们称之为时延扩 展。鉴于信道的复杂性和时变性，信号的多径时延是随机变化的，设随机变量多径时延 t 的概率密度函数为7 ，则有如下定义： f = i t r ( o a t( 3 1 ) ( 3 2 ) 其中f 表示多径时延的平均值，而a 用来表征时延扩展程度。 由于各不同路径时延不同，因此它们到达接收天线时的相位也各不相同。以两径信 号为例，如果这两条多径信号在接收端刚好反相，反相信号相互叠加的结果是相互抵消， 则我们无法接收到用户信号，更何况实际传播环境不止是两条路径，多条路径信号到达 接收端不可能都是同相，总会有信号因相位上的不理想同相而相互抵消或削弱，这就是 造成多径衰落的内在原因。 我们都知道，用于移动通信的无线电磁波信号的波长很短，t d - s c d m a 系统2 g 频 段信号波长只有1 5 厘米左右，只要一条多径长度变化半个波长，则足可以使用户信号 从不衰落变到深度衰落，而多径的长度随用户的移动或反射物的移动很容易变化且往往 变化很快，故我们又称多径衰落为快衰落。 实际上，多径衰落是多径信号相干叠加的结果。从时域角度来看，要保证用户信号 在其带宽内保持相同的衰落因子，即用户信号不发生畸变( 也称信号产生平衰落) ，则必 须使多径时延小到其对用户信号的包络影响可以忽略为止。从频域角度来看，为了使用 户信号经过信道后不发生畸变，必须使信道的频率响应在信号带宽的范围内保持近似相 等的幅频特性和线性相位特性。为了界定信号在信道中是否产生平衰落，定义信道频率 响应中保持近似相等的幅频特性和线性相位特性的最大宽度为信道的相干带宽毋，即相 干带宽为无线信道在两个频移处的频率响应保持强相关时的最大频率差。这里要特别指 出的是，相干带宽是用来表征信道特征的，是无线信道本身的一个非常重要的参数，与 使用的用户信号毫无关系。从上面的分析可以看出，无线信道相干带宽的大小和信号的 1 0 3 无线时空信道特征及下行算法模型 时延扩展直接相关，信道相干带宽越小，信号时延扩展越大；反之，信道相干带宽越大， 信号时延扩展越小。 相干带宽的精确定义在不同参考文献中常常是有差别的，相干带宽的典型定义 为： b e _ - 击 ( 3 3 ) 其中f 为接收信号时延扩展。 由相干带宽的定义可知，信号传输带宽小于信道的相干带宽，则信号的相关性很好， 信号在信道中产生平衰落，称这时的信道衰落特性是平坦的，信道也被称为平衰落信道； 如果信号传输带宽大于信道相干带宽，则信号的相关性变差，信号将会在经过信道后产 生失真，有的频率成分会产生衰落，有的则不然，故称信号产生频率选择性衰落，此时 的信道呈现频率选择性衰落，被称为频率选择性衰落信道。 3 1 2 多普勒扩展与相干时间 如前所述，移动台或反射物的位置改变和移动会导致每条多径信号相位的快速变 化，进而导致了信道特性的快速变化。当移动台或反射物以一定速度移动时，多径信号 的相位也以一定速度变化，单位时间内相位的变化即为频偏，多普勒频偏的大小反映多 径信号相位变化的快慢，由移动台与基站间的相对运动引起的接收信号频率的扩展和偏 移称为多普勒频偏，用厂d 来表示： 厶= c 叫力 ( 3 4 ) 其中y 为移动台的运动速度，五为无线电波波长，0 为电波传播方向和移动台运动 方向间的夹角，可见，多普勒频偏厶与移动台或反射物移动速度成正比，还和工作频 率、移动台运动方向与多径来波方向的夹角有关。因此，不同多径会有不同的多普勒频 偏。由于多普勒频偏的存在，如果发送端只发送单频信号，则在接收端收到的信号将不 再是一根谱线，而会在频率域产生弥散，这一现象被称为多普勒扩展。多普勒扩展是一 种由于多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，它的存在导致了信号的多径衰落特 征髓着时问的变化而变化，故又称为时间选择性衰落。多普勒扩展是无线信道的时间变 化率的一种量度，多普勒扩展可以用信道的相干时间来表征，相干时间就是保持信道的 衰落特性基本不变或信道的冲激响应保持强相关的最大时间间隔，也就是两个瞬时时间 的信道冲激响应保持强相关时的最大时间间隔。 时间选择性衰落用相干时间a t 描述，其典型定义为： 西安科技大学硕士学位论文 z 。上( 3 5 ) 厶一 厶。为最大频偏。由此可见，相干时间和多普勒扩展成近似反比关系，它也是信 道随时间变化快慢的测度。相干时间越小，多普勒频移现象越严重，频偏越大，信道变 化得越快；反之，相干时间越大，多普勒频偏越小，信道变化得越慢。在相干时间内可 以认为信道不发生变化，若信号的取样时间间隔小于相干时间，则信号的相关性很好， 信道对此信号呈现平坦的衰落特性；若信号取样时间间隔大于相干时间，信号的相关性 变差，信道将呈现时间选择性衰落特性。 3 1 3 角度扩展和相干距离 多径的存在使得多径信号到达接收端时以不同方向入射，多径的入射角度范围会比 单径大一些，这一现象被称为角度扩展。多径信号到达角度的展宽使接收信号的衰落情 况与接收天线的位置有关，被称为空间选择性衰落。为了描述空间选择性衰落并评估角 度扩展的大小，定义相干距离为使信道响应保持强相关的两个不同位置接收点阃的最大 距离，也就是两根天线上的信道响应保持强相关时的最大空间距离： a r ：辱( 3 6 ) ， 。 其中2 为波长，为接收天线端的扩散角度。 显然，角度扩展越大，相干距离置就越小，反之，角度扩展越小，相干距离a r 越 大。若接收端的阵列天线间距小于相干距离，阵列的接收信号之间的相关性很好，信道 的衰落特性平坦；着阵列天线间距大于相干距离，则阵列的接收信号之间的相关性变差， 信道呈空间选择性衰落特性，也就是说，阵列天线间距大于相干距离时两天线接收信号 问将不再有很好的相关性。 3 2t n s c d m a 系统的无线信道模型 考虑到以上各种信道影响，t d s c d m a 系统中运用的无线信道模型用数学公式可 以表示为： h k ( r ，力= 既j ( t ) 8 ( r - t k ) 8 ( d - 一k 弘口矾，+ 砸) ( 3 7 ) 其中，吃( f ，力表示第| 个用户的信道冲激响应，它是时延f 、到达角和多普勒 频偏的函数；参数三表示信道的总的多径数，是各多径标号，g k j ( f ) ， 、以、五 分别表示第k 个用户的第z 条多径的时变信号幅度、相对时延、到达角度、多普勒频偏， 刀【f ) 表示信道白噪声，参数只= 五颤叫2 表示第七个用户的第，条多径的平均功率， 通信标准中给出了各种环境下参数和各路径，的功率足j 和时延q j 值，见表3 1 。 1 2 3 无线时空信道特征及下行算法模型 表3 1 标准中各种环境下参数三和各个路径，的功率足j 和时延“的值 时变信号幅度g i j ( f ) 包含对数正态衰落f o ) 和瑞利衰落，7 ( f ) ，其中，对数正态衰落 反映传输损耗和阴影效应，瑞利衰落反映散射、反射、绕射等引起的多径传播而导致的 快衰落。时变信号幅度用公式可以表达为： g t ( r ) = 最f o ) 玎o )(38),l 到达角度以，服从以基站与第七个移动台的视距方向为中心的某种分布。 上述t d s c d m a 系统无线信道模型从宏观上看，它确实是时变的，而从微小时段 如一个子帧内看却可以认为是恒定不变的，正因为这样，我们在接收端进行信道估计和 联合检测处理才是有效的，假设无线信道模型在微小时段内也不能被看作是固定不变 的，则在接收端的信道估计就将是没有意义的。幸好，在一个子帧这么短的微小时间内， 无线信道特性基本保持恒定不变，我们对其的估计和联合检测处理才是有意义的。 在仿真平台中，为了处理方便，我们用长为w 的离散序列来表示信道冲激响应， 只要能够满足抽样定理的条件，则长为w 的离散序列中就可以完全准确地反映实际中 的信道冲激响应。 综上所述，时延扩展( 相干带宽) 、多普勒扩展( 相干时间) 及角度扩展( 相干距离) 分别 反映了信道的时域、频域和空域特征，是描述无线信道的重要参数。总之，移动通信系 统的无线信道特性是非常复杂的，而抑制甚至完全消除无线信道特征带来的负面影响则 是移动通信系统中的关键，我们研究移动通信系统性能时必须仔细研究此系统的信道特 征，这对于克服信道产生的各种干扰、提高系统的性能非常重要。 西安科技大学硕士学位论文 3 3 多址干扰和符号间干扰 随参信道( 各