（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统中sajd的算法实现.pdf

分类号t n 9 2 9 5 3 3 密级 重庆邮电大学硕士学位论文 论文题目t d s c d m a 系统中s a + j d 的算法实现 英文题目t h er e a l i z a t i o no fs m a r ta n t e n n a + j o i n t d e t e c t i o na l g o r i t h m si nt d s c d m a s y s t e m 硕士研究生奎拯 指导教师鲑丝溘蒸撞 学科专业通篮曼篮息系统 论文提交日期2 壁q 2 笙量目论文答辩日期2 q q 2 生亟且 论文评阅入张德臣教授重庆邮电太堂 金盛波熬撞重鏖墨茎瞳 答辩委员会主席张德民教授 2 0 0 7 年4月2 0日 重庆邮电人学硕十论文 摘要 摘要 近年来随着移动通信技术的飞速发展，人们对移动通信系统的容量、频带利用率、 抗干扰能力等性能的要求越来越高。c d m a 系统以其固有的抗干扰性、隐蔽性和软容量 等特点，已成为第三代移动通信系统的主流多址方式。但是c d m a 系统性能受限于无 线信道的多径衰落，多址干扰( m a i ) 和码间干扰( i s i ) ，如何消除这些影响成为提高 无线通信系统性能的主要课题。除了f d m a 、t d m a 和c d m a 外，空分多址接入( s d m a ) 也被作为重要的无线通信中多址接入方案之一。s d m a 通过采用波束形成技术在空间上 将用户分开，它可以同时用于所有其他多址接入方案，可以充分利用空间信号和时间信 号处理技术的优势在空间域和时间域联合处理接收信号，有效抵抗i s i 、减少m a i 、增 加多径分集增益以及提高天线阵列增益，达到的效果是单个天线的单时间处理方法无法 实现的。因此，空时处理技术已成为当前移动通信技术领域的研究热点之一。 本文结合普天信息技术研究院基带部t d - s c d m an o d e b 2 5 研发项目，研究了 t d - s c d m a 系统中s a + j d 的实现方法。基于t d s c d m a 上行信号模型，分析了各种 多用户检测算法，找出适合t d s c d m a 系统特点的迫零线性块均衡算法( z f b l e ) ， 并分析了z f - b l e 算法的优缺点。信道估计的不准确导致z f b l e 算法计算误差偏大是 z f b l e 算法的主要缺点，针对这一问题，对z f b l e 联合检测算法进行了模块分割， 给出了每个模块实现的具体方法，提出了信道估计后处理模块，并在该模块中考虑了信 道估计算法本身引入的噪声恶化系数，采用了自适应噪声门限。从仿真结果可以看到， 信道估计后处理模块在很大程度上能够减小信道估计误差对z f b l e 算法的影响。最后， 本文还分析了t d - s c d m a 不同码组的m i d a m b l e 码相关性对z f b l e 联合检测算法中信 道估计的影响。针对传统码组分配原则忽视了m i d a m b l e 相关性的问题，对t d s c d m a 组网选码方法提出了改进，改进后的码组分配方式降低了临小区m i d a m b l c 对本小区信 道估计的干扰。 关键词：t d - s c d m a ，智能天线，多用户检测，z f - b l e 算法，信道估计 重庆邮电人学硕十论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h em o b i l ec o m m u n i e a t i o n ，m o r eb a n d w i d t ha n dr a d i or e s o u r c e s a r en e e d e d ，c a u s e db yt h ei n c r e a s eo ft h eu s e r s s e r v i c e s c d m at e c h n i q u ei sa d o p t e db y3 “ g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a sm a i n l ym u l t i a c c e s st e c h n i q u ed u et oi t s i n h e r e n ta n t i - j a m m i n g ，s e c u r i t ya n df l e x i b l ec a p a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c s b u tt h ec h a n n e l s m u l t i - p a t hd i v e r s i t y , m a ia n di s i ，o f t e ni n f l u e n c ec d m as y s t e m sp e r f o r m a n c e h o wt o e l i m i n a t et h e s ei n t e r f e r e n c e si st h em a i ns u b j e c to fi m p r o v i n gt h ec o m m u n i c a t i o n p e r f o r m a n c e e x c e p tf d m a ，t d m aa n dc d m a ，s d m aa r ea l s oa p p l i e df o rm u l t i - a c c e s s s e h e r a e s d m au s e sb e a m f o r m i n gt e c h n i q u et os p l i tu s e r si ns p a c ea n dt h i st e c h n i q u ec o u l d a l s ob eu s e di no t h e rm u l t i - a c c e s ss c h e m e u n i t i n gs i g n a l ss p a c ed o m a i na n dt i m ed o m a i n w i l lf u l l yu s ea d v a n t a g e so fb e t hs p a c es i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dt i m es i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i nt h i sw a y , t h ei n f l u e n c eo fi s ia n dm a ic a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e d a n da l s ot h eg a i n si ns p a t i a ld i v e r s i t yr e c e i v i n ga n da r r a y - a n t e n n ac a nb el a r g e l yi m p r o v e d , w h i c hc a n n o tb ea c h i e v e db yu s i n go n l yo ma n t e n n af o rt i m ep r o c e s s i n g s ou n i t i n gs i g n a l s s p a c ed o m a i na n dt i m ed o m a i nt op r o c e s ss i g n a li st h ec u r r e n t l yr e s e a r c h i n gh o t s p o t b a s e do nt h ec p i tt d - s c d m an o d e b 2 5p r o j e c t ，t h i sp a p e rs t u d i e st h er e a l i z a t i o no f s ap l u sj da l g o r i t h m si nt d - s c d m as y s t e m u s i n gu p l i n ks i g n a lm o d e lo ft d - s c d m at o a n a l y s ek i n d so fm u da l g o r i t h m s f i n d sm o r es u i t a b l ez f b l ea l g o r i t h mf o rt d - s c d m a s y s t e ma n da n a l y s et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fz f b l ea l g o r i t h m i n a c c u r a t e e s t i m a t i n go fc h a n n e li m p u l s el c s p o l l s ec o u 雠st h ei n c r e a s i n ge r r o l 怎o fz f - b l ea l g o r i t h m s r e s u l t a i m m e da tt h i sp o i n t ，t h ep a p e rm o d u l a r i z e st h ez f - b l ea l g o r i t h m , g i v e st h e r e a l i z a t i o no fe a c hm o d e la n dp r o p o s e st h eb e h i n dp r o c e s s i n gm o d e lo fc h a n n e li m p u l s e r e s p o n s ee s t i m a t i o n i nt h i sm o d e lc o n s i d e r i n gt h en o i s ew o r s g nc o e f f i c i e n tw h i c hc o u s e db y t h ec h a n n e li m p u l s er e s p o n s ee s t i m a t i o na l g o r i t h mi t s e l fa n du s i n gt h es e l f - a d a p t e dn o i s e t h r e s h o l d f r o mt h es i m u l a t i n gr e s u l t s , t h ei n f l u e n c eo fi n a c c u r a t ee s t i m a t i n go fc h a n n e l i m p u l s er e s p o n s et oz f b l ea l g o r i t h mi sr e d u c e d f i n a l l yt h i sp a p e ra n a l y z e st h ei n f l u e n c eo f t h eh i g hc o r r e l a t i o nb e t w e e nn e i g h b o rc e l l sm i d a m b l ec o d ea n dt h el o c a lc e l l sm i d a m b l e c o d ei nt d - s c d m as y s t e m f o r e u so nt h et r a d i t i o n a lc o d eg r o u pu s i n gp r i n c i p l e ，t h ep a p e r g i v e sa d v i c e so fc h o o s i n gc o d eg r o u pw h e nb u i l d i n gn e t w o r k t l l i sa n a l y z eh a si m p o r t a n t m e a n i n gt on e t w o r kl a y o u t , i n t e r f e r e n c er e d u c i n gi ns a n l ef r e q u e n c ya n db l i n dc h a n n e l e s t i m a t i o n k e yw o r d s ：t d s c d m a ，m u l t i u s e fd e t e c t i o n , s a ，m u d ，j d ，c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e h 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，也不包含为获得重废 酆电太堂或其他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。 学位论文作者签名： 夺彦卜 签字日期：硼年岁，月矽同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废整皇太堂有关保留、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。本人授权重废整皇太堂可以将学位论文的 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适用本授权书) 学位论文作者签名： 毒林 导师虢钒f 以 签字日期： 2 。衫年尹月纱日 签字日期：研岁- 月勿日 重庆邮电人学硕 。论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 第三代移动通信系统i m t - 2 0 0 0 u m t s ( 国际移动电信2 0 0 0 ，通用移动电信系统) 采 用2 0 0 0 m i - i z 频段，也称为f p l m t s ( 未来公共陆地移动通信系统) 。其优点是在全球 范围内具有设计的共同性、可与固定网络兼容、有极高的业务质量、具有全球漫游的功 能并拥有多媒体业务能力p 】。i t u ( 国际电信联盟) 对i m t - 2 0 0 0 无线传输技术( r t t ) 的要求是：室内数据传输速率不小于2 m b i t s ，室内室外的慢速移动场合的数据速率不 小于3 8 4 k b i t s ，室外车载环境不小于1 4 4 k b i t s 以及在卫星环境下不小于9 6 k b i t s 。根 据i m t - 2 0 0 0 的要求，截止1 9 9 8 年6 月底，各国提交给l t u 的第三代移动通信系统 的无线接口方案多达l o 种，经过多方的努力，将这些方案中类似的技术进行合并，到 1 9 9 9 年底，还存在5 种方案，即由欧洲和日本支持的w c d m a ，由美国提出的 c d m a 2 0 0 0 ，由中国和西门子等公司提出的采用t d m a 和c d m a 混合接入方式的 t d - s c d m a ，基于i s 1 3 6 的改进方案u w c 一1 3 6 ，欧洲数字无绳电话系统的改进方案 d e c t t 2 j 。3 g p p 是现阶段主要标准化组织，成立于1 9 9 8 年，主要致力于基于w c d m a 和t d s c d m a 核心网的标准化。3 g p p 成立后一个类似的标准化机构3 g p p 2 ，负责 c d m a 2 0 0 0 的标准化工作。2 0 0 0 年，e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o r ，改 进数据率g s m 服务) 标准化工作也被转入3 g p p 。自从第一版的第三代标准( r e l e a s e 9 9 ) 完成以来，标准化的重点纵深发展到了一些基本标准。在w c d m a 中，高速分组 接入( h s p a ) 将把下行最大数据速率提高到1 0 m b i t s 。对于c d m a 2 0 0 0 ，改革重心在于 e d m al x 的提高，即在1 2 5 m h z 的带宽内提高比特率。其标准称为l x e v ，它包括两 个阶段：第一阶段只有数据，第二阶段既有语音又有数据。 t d - s c d m a 的标准也正在进一步的完善中，我国提出的t d s c d m a r t t 建议已经 成为i t u 和3 g p p 的国际标准。t d s c d m a 系统采用时分双工( t d d ) 、t d m a c d m a 多址方式工作，基于同步c d m a 、智能天线、联合检测( j d ) 、正交可变扩频系数、t u r b o 编码技术、接力切换、软件无线电等一系列高新技术，工作于2 0 1 0 m h z 到2 0 2 5 m h z 频 段，能向下兼容g s m 系统。其主要优势有：上下行对称，利于使用智能天线、多用户 检测、c d m a 等新技术；可高效率地满足不对称业务需要；简化硬件，可降低产品成本 和价格；便于利用不对称的频谱资源，频谱利用率大大提高【。 但是无论哪种标准都选用了c d m a 技术，因为与传统的f d m a 、t d m a 系统相 比，c d m a 系统具有频谱效率高、软容量、保密性好、易于无缝切换和宏分集等优点。 当然c d m a 系统也需要克服通信环境的种种影响【2 】： 重庆邮电人学硕士论文 第一章绪论 l 、多址干扰：在c d m a 系统中，由于多个用户的随机接入，用户地址码之间不 能保证正交性，从而引起多址干扰，多址干扰包括小区内干扰和邻小区干扰两种。 2 、衰落信道：无线电信号经过移动信道时会受到来自不同途径的衰落。般说来 这些衰落可以归纳为三类。一类是由于信号在自由空间传播引起的损耗和弥散，称为距 离衰落，幅度一般与d ( n = 2 4 ) 成正比，其中d 表示信号的传播距离。第二类是阴 影衰落，即慢衰落，主要是由于传播环境中的地形起伏、建筑物对电波遮蔽所引起的衰 落，衰落幅度一般服从对数正态分布。第三类是多径引起的快衰落“”，即多径衰落。由 于电波在传播过程中经过反射、折射及散射形成多径波，这些幅度、相位不同的信号在 天线接收端进行叠加，使得天线接收的每条径上的相位服从 0 ，2n ) 均匀分布。多径 衰落包括空间扩展、时间扩展和频率扩展三方面。由于存在多径传输，从不同方向传输 的信号因传播距离的差别而收到不同的延迟，造成时延扩展。多径时延扩展造成的码间 串扰( i s i ) 是c d m a 系统存在的最难解决的问题之一。 3 、远近效应：由于各用户发射功率不一致以及信道的影响，使得各用户在接收端 的接收功率不等，从而功率大的用户信号可能影响甚至淹没功率小的用户信号，致使其 接收性能急剧下降。 4 、有限的频谱资源：频率是特殊资源。在3 g 的核心工作频段上，f d d 方式共获 得6 0 m h z 的频率资源，而t d d 方式有5 5 m h z 。不可能无限制的向高端开发频率资 源。频率越高，经济代价越大，技术难度越高且这种增长是一种非线性增长关系，用几 十兆的频率资源支撑4 6 亿的移动用户，并且实现对高速、大容量数据的传输，是对现 代移动通信系统的严峻挑战。因此应该充分重视现有频段的频谱利用率。 为了抑制多址干扰、抗衰落、克服远近效应以保证业务质量，c d m a 系统可采用 的关键技术有智能天线、多用户检测、多载波调制、r a k e 接收、分集、功率控制等。 智能天线( s a ) 是阵列天线在移动通信中的应用，由于移动通信环境比雷达、声纳 等应用环境更加复杂，如目标数可能远大于阵元数，因此智能天线技术具有更深的内涵。 智能天线技术大致包括两个方面：空域滤波和波达方向( d o a ) 估计。空域滤波( 也称 波束形成) 的主要思想是利用信号、干扰和噪声在空间的分布运用线性滤波技术尽可能 地抑制干扰和噪声，以获得尽可能好的信号估计。在进行空域滤波前，一般需要估计信 号的波达方向，而所有用户多径径数往往大于阵列天线阵元数，因此当前d o a 估计技 术的研究焦点是超分辨估计算法。目前3 g 的标准中都允许在上行和下行链路中为每个 移动用户分配导频信道，使利用智能天线技术成为可能。 多用户检测是国际上最新发展起来的一项用以消除多址干扰的技术。在实际系统 中，多用户检测技术应用于基站，对上行用户信号进行联合检测。多用户联合检测充分 利用造成m a i 干扰的所有用户信号信息进行检测，从而有优良的抗干扰性能，解决了 远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用上行链路 2 重庆邮电人学硕十论文第一章绪论 频谱资源，显著提高系统容量。 多载波调制也叫正交频分复用( o f d m ) ，基本思想是把高速信息数据分割成若干 路低速率的数据流，然后将一组相应数量的载波进行调制、叠加发送出去，其中各子载 波的信号速率降低，从而削弱了多径信道对传播信号的影响。当前多载波调制的主要研 究焦点是同步问题和如何降低信号峰均比的问题。 r a k e 接收的基本思想是利用扩频信号带宽远大于信息比特带宽的性质，分离多径 信号后进行解扩、合并，因此能够有效地克服多径衰落。 为了克服远近效应，一般采用功率控制，基本思想是根据接收信号的测量参数调整 各用户的发射功率，达到用户接收信号功率相等。但是功率控制一般只能克服慢衰落， 对快衰落的抑制效果不明显。 分集技术主要包括空域分集、时域分集、频域分集、宏分集等。其中智能天线属于 空域分集，多载波调制属于频域分集，r a k e 接收机属于时域分集。 简而言之，s a 能够有效地抑制多址干扰，o f d m 和r a k e 接收机具有很好的抗 多径衰落效果，功率控制能够克服远近效应。但是智能天线只能部分地抑制多址干扰， 当用户比较密集或者用户很多时，多址干扰仍然严重地影响系统性能，这时就需要利用 多用户联合检测来解决多址干扰的影响，而s a + j d 性能好坏的关键就是j d 的信道估计 是否准确。， 1 2t d 。s c d m a 系统中空时处理技术概述 空域滤波与多用户检测的结合是两种技术发展的必然。一方面，由于传统空间波束 形成器只能执行空域滤波，当不同用户的来波方向空间接近甚至重叠时，导致波束形成 性能下降。另一方面，蜂窝c d m a 移动通信系统是干扰受限系统，远近效应和多址干 扰( m m ) 制约着蜂窝c d m a 系统容量。r a k e 接收机只能处理时延扩展大于一个码片 宽度的多径信号；利用功控技术也只能改善慢衰落信道下的系统性能。而天线阵列提供 的空间维度增加了可分辨的多径数目，空域滤波可在一定程度上抵抗远近效应和抑制快 衰落。因此，大量的文献对结合空域滤波和多用户检测的方法进行了讨论 1 2 1 智能天线概述 智能天线是一种基于自适应天线原理的移动通信新技术。其特点是能够以较低的代 价换得天线覆盖范围、系统容量、频谱利用率、业务质量等性能的提高。智能天线可以 分为切换波束系统和自适应天线系统两大类1 6 1 切换波束天线采用多个波束覆盖整个用 ) 户区，每个波束的指向固定，波束宽度随天线阵元数目的确定而确定，系统根据用户在 小区中的位置选取相应的波束使接收的信号最佳。自适应天线是一种控制反馈系统， 重庆邮电人学硕 ：论文第一章绪论 它根据一定的准则，采用基于数字信号处理技术的自适应算法形成天线阵列的加权向 量，通过对接收到的信号进行加权合并，在有用信号方向上形成主波束，而在干扰方向 上形成零陷，从而提高信号的输出信噪比。通常，智能天线指的是自适应天线，本文所 研究的就是自适应天线系统。 t d s c d m a 系统采用智能天线技术具有以下优势f 4 l ： 1 ) 采用t d d i 作方式，上下信道对称，可以直接将上行估计出的智能天线加权值 直接用于下行波束赋形； 2 ) t d s c d m a 系统将一个1 0 m s 帧分成两个5 m s 子帧，缩短了上下行之间的转化时 间，可以减少高速移动的用户直接利用上行波束赋形权值进行下行波束赋形所 带来的误差； 3 ) 采用低的码片速率有利于d s p 处理； 4 ) 采用同步c d m a 技术和严格的功率控制技术，简化了基站的智能天线算法，提 高了智能天线算法的可靠性。 1 2 2 多用户检测概述 c d m a 系统的干扰受限特征与其他多址方式比较而言尤为突出，其干扰主要来源于 多址干扰( m a d 。在现有c d m a 系统( i s 9 5 ) 中，r 所采用的抗干扰技术主要有：r a k e 接收、快速功率控制、软切换、话音激活( v a d ) 、不连续发射( d t x ) 以及分集接收 等技术。上述措施均是针对某一用户进行信号检测而将其他的用户作为噪声加以处理， 即单用户检测( s u d ) ，其结果导致了信噪比恶化，系统性能和容量不如人意。有结果 显示，实际应用c d m a 技术的i s - 9 5 系统容量只能达到可用码道资源数的l ，3 左右，甚 至可能下降到与采用f d m a t d m a 技术的g s m 相同的境地。为了进一步提高c d m a 系统容量，人们探索将其他用户的信息联合加以利用，也就是多个用户同时检测的技术， 即多用户检测( m u d ) ，来降低或消除多址干扰( m a i ) ，以改善系统性能，提高系统容 量1 4 】。 多用户检测( m u d ) 包括联合检测( j d ) 和干扰消除( i c ) 联合检测( m ) 的性 能优于干扰抵消( i c ) i t 0 , 但j d 的复杂度高于l c ，因此，一般基站采用j d 较好，而 终端采用i c 更合适。 。 干扰抵消技术的基本思想是判决反馈，首先从总的接收信号中解调兵判决出其中的 部分数据，然后根据这部分数据和用户扩频码重构出这部分数据对应的信号，再从总接 收信号中减去( 抵消) 重构的信号，如此循环，直到预先设定的条件得到满足后停止。 i c 技术并没有完全利用多用户信息，在判断信号的时候，其他没有被抵消的信号仍然被 看做噪声来处理，但与单用户检测相比，确实有进步。按照处理方法不同，i c 技术分为 4 重庆邮电大学硕十论文 第一章绪论 串行干扰抵消和并行干扰抵消。 串行干扰抵消指的是先检测出某个用户的信号，然后将这个用户的影响消除，依次 逐个消除每个用户的影响，直至所有用户的信号均被检测出来。串行干扰抵消在各个用 户的功率相差很大时作用较好，这时可以按照功率大小排列来顺序进行干扰消除。并行 干扰抵消指的是首先用一个单用户信号检测阵列得到所有用户信号估值，根据判决后的 结果，可以重构其他用户对某一个用户的干扰。将这些干扰抵消后再利用单用户信号检 测阵列得到新用户信号估值，如此循环下去，直到达到一定的精度或者次数要求。 联合检测( j d ) 的基本思想是利用所有用户的相关先验信息，在一步之内将所有用 户的信号分离出来，理论上j d 可以完全消除m a i 的影响。由于多用户检测算法的复杂 性，实际应用主要考虑次优化联合检测器。此优化联合检测器可以分为线形和非线性两 种。所谓线性或非线性，即是判断算法的输出是否是输入的线性变换。线性多用户信号 检测器是在判决之前对相关器的输出矩阵进行线性变换，各用户检测复杂度只是用户总 数的线性函数。 线性联合检测算法主要包括解相关匹配滤波器法( d m f ) 、迫零线性块均衡法 ( z f b l e ) 和最小均方误差判决反馈块均衡法( m m s e b d f e ) 等。非线性联合检测算 法的效果优于线性联合检测算法，但是在实现复杂度方面，非线性联合检测算法则高一 些，因此实际系统倾向于用线性联合检测算法。 1 3 论文中的仿真环境介绍 本文中的仿真平台构建；使用t d 信号源s m u 设备发送上行单用户t d 信号；之后 经过移相器，按照智能天线方圆阵方向图把信号分8 路送至普天n o d e b 射频前端；之 后把射频接收到的信号送至中频做变频处理和模数转换：将转换之后以c h i p 为单位的数 据送至基带d s p 处理。仿真中提到的原始天线数据来源于最后一步，把中频送至基带 d s p 的数据打印成文件，然后通过m a f l a b 6 5 仿真软件分析联合检测算法处理这些数据 的性能。 图1 1 仿真平台示意图 5 重庆邮电入学硕十论文第一章绪论 1 4 论文结构 本文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章介绍了移动通信的发展和研究现状，分析了3 g 所面临的频率紧张的问题以 及用户的多种业务需求。阐明了多业务t d s c d m a 系统的容量研究具有十分重要的理 论价值。 第二章介绍了t d s c d m a 系统智能天线的基本原理，重点描述了智能天线校准 ( a c ) 的算法和实现。 第三章阐述了联合检测基本原理。使用t d s c d m a 上行信号模型，分析了各种多 用户检测算法。给出了适合t d s c d m a 系统特点的迫零联合信道估计( z f b l e ) 方 法。 第四章详细阐述了t d s c d m a 系统中s j ( s a + j d ) 的实现方法，并对实际工程实 现中遇到的问题作出分析，给出解决建议。分析了临小区m i d a m b l e 码的相关性对本小 区信道估计的影响，对t d s c d m a 组网时码组的选择提出了建议。 第五章总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 6 重庆邮电人学硕七论文第二章t d - s c d m 系统智能天线基本原理 第二章t d s c d m a 系统智能天线 2 1 智能天线的基本原理 天线使用在移动通信系统的r f 前端，利用天线射频功率可以耦合到自由空间，发 射机可以进行发射，接收机可以捕获入射电磁波功率。但是，在移动通信系统的设计中， 天线都受到较少的重视。一般应用中天线均为全方向性的。随着移动通信业务的快速增 长以及移动多媒体业务巨大的潜在需求，使得容量问题和频率资源问题不断成为制约移 动通信发展的重要因素。为此，人们进一步从多址技术做文章，在f d m a ，t d m a 的 基础上开发了c d m a 接入技术，增大了容量并提高了频谱效率：另一方面，从空间资 源利用方面做文章，提出了蜂窝概念，以及频率小区复用和分扇区等方案；第三方面从 天线角度做文章，在全向天线基础上发展了定向天线、分布式天线、分集接收天线等。 即便如此，容量问题和频率资源问题仍很突出，于是多址技术、空间资源利用和天线技 术三者结合的空分多址( s d m a ) 开始受到重视。 实现空分多址的基础是智能天线技术，智能天线的概念是在2 0 世纪8 0 年代末针对 移动通信技术的需要而提出来的，通信工程师们希望采用智能天线来提高通信系统的信 道服用氯，基站覆盖范围，并克服共信道、多径衰落等日益严重的干扰问题。它采用空 分复用的概念，利用在信号入射方向上的差异，将同频率、同时隙、同码道的信号区别 开来，所以它可以成倍地扩展通信容量，并和其他复用技术相结合，最大限度地利用有 限的频率资源。 一般认为智能天线概念源于雷达和声呐系统中的阵列天线。所谓阵列天线，就是一 列取向相同、同极化、低增益的天线按一定方式排列和激励。利用波的干涉原理可以产 生强方向性的方向图，形成所希望的波束，这种多单元的结构称为天线阵。组成这种阵 列的天线称为阵元，天线阵的阵元大多采用对称振子。天线阵的排列有多种几何形状， 一般是等距的。主要有等距直线排列，称为均匀线阵；等距圆周排列，称为均匀圆阵； 等距平面排列，称为均匀平面阵。阵列天线的方向图可以是固定的、准动态的和自适应 的，这样分为固定多波束天线阵、准动态多波束天线阵和白适应天线阵。阵列天线的最 大特点是所有阵元协同工作等效于单一的天线但又比单一天线效果更好、应用更灵活， 因此阵列天线在移动通信环境下被称为智能天线。又由于其波束可编程的特点而被称为 软件天线。 固定多波束天线阵：用一组预先设计好的相互重叠的波束覆盖整个空域，系统扫描 每个波束的输出，选择具有最大功率的波束或较大功率的几个波束，合并作为最终判决 信号的输出。这样工作相当于用阵列天线实现了几个角天线的功能，能达到对工作波束 以外来向干扰的抑制。这种天线由于掌握信号来向的部分信息，无论t d d ，f d d 均可 7 重庆邮电大学硕十论丈 第：章t d - s c d m a 系统智能天线基本原理 做到信号的定向发射和接收。由于对工作波束内的来向干扰抑制能力弱，因此抗远近干 扰的能力较弱，对功控有一定的依赖性。 准动态多波束天线阵：比如相控阵天线，此时天线各阵元采用移相器以达到对信号 的定向发射和接收，实际上是实现了最大信号接收准则。由于只对波束指向进行控制而 对旁瓣未做处理，因此对大量的多支干扰抑制并非很好。 自适应天线阵：此时天线各阵元通过自适应网络，自适应调整加权值，达到根据噪 声、干扰和多径情况，形成若干自适应波束，达到自适应改变天线方向图，自适应跟踪 多个用户的目的。相对固定多波束天线阵、准动态多波束天线阵，自适应天线阵的性能 最好。 阵列天线根据波束成型方式的不同，可分为模拟波束成型和数字波束成型两种类型。 模拟波束成型一般可用于中频或射频直接成型，实现技术难度大、精度低。数字波束成 型则是在基带采用现代数字信号技术来实现，实现方便、精度高。 本论文所指的智能天线是采用数字波束成型技术的自适应天线阵，一方面性能好， 另一方面便于用软件无线电技术实现。这种基于自适应天线阵原理的智能天线，由于算 法要求自适应，一般处理较复杂，另外由于天线阵列尺寸的要求( 不小于载波波长的一 半) ，一般体积较大，所以目前主要在基站采用。从接收的角度看，基站利用智能天线 对来自移动台的多径电波方向进行波达方向( d o a ) 估计，并进行空间滤波( 也称为上 行波束成型) ，抑制其它移动台和多径干扰。从发送的角度看，基站利用智能天线对发 射信号下行波束成型，使基站发射信号能够沿着移动台电波的来波方向发送回移动台， 从而降低了发射功率，减少对其它移动台的干扰。采用智能天线具有如下优势0 7 , 1 8 1 ： l 、智能天线波束成型的结果等效于增大天线的增益，提高接受灵敏度。 2 、智能天线波束成型算法可以将多径传播综合考虑，克服了多径传播引起数字无 线通信系统性能恶化，还可以利用多径的能量来改善性能。 3 、智能天线波柬成型后，只有来自主瓣和较大副瓣方向的信号才会对有用信号形 成干扰，大大降低了多用户干扰问题，同时波束成型后也大大减少了小区间干扰。 4 、智能天线获取的d o a 提供了用户终端的方位信息，以用来实现用户定位。 5 、智能天线系统虽使用了多部发射机，但可以用多只小功率放大器来代替大功率 放大器，这样可降低基站的成本。同时，多部发射机增加了设备的冗余，提高了设备的 可靠性。 6 、采用智能天线可以使发射需要的输入端信号功率降低，同时也意味着能承受更 大的功率衰减量，使得覆盖距离和范围增加。 7 、智能天线具备定位和跟踪用户终端的能力，从而可以自适应地调整系统参数以 满足业务要求。这表明使用智能天线可以改变小区边界，能随着业务需求的变化为每个 小区分配一定数量的信道，既实现信道的动态分配。 8 重庆邮电人学硕士论文 第一：章t d - s c d m a 系统智能天线基本原理 8 、智能天线获得的移动用户的位置信息，可以实现接力切换，避免了软切换中所 占用的大量无线资源及频繁的切换，提高了系统容量的效率。 另外，在t d s c d m a 系统中，只能天线结合联合检测和上行同步，理论上系统能 工作在满码道情况。 当然，智能天线在公众陆地移动通信系统中的应用也有一些缺点。比如智能天线只 能克服一个码片间隔内的多径干扰，在高速移动环境下的性能不太理想。t d s c d m a 系统中采用结合联合检测技术的解决方案。另外智能天线对信道分配、分组调度、切换 控制、功率控制、全向波束和成型波束、帧结构及有关物理层技术等也产生了一定的影 响。 图2 1 智能天线示意图 智能天线技术主要包括两个方面：空域滤波和波达方向( d o a ) 估计。空域滤波( 也 称波束成型) 的主要思想是利用信号、干扰和噪声在空间的分布，运用自适应滤波技术 尽可能地抑制干扰和噪声，以获得尽可能好的信道估计。从这个意义上讲，智能天线可 以看做是一种空分多址( s d m a ) 技术，在移动通信系统中主要用于抑制多址和多径干 扰。在进行空域滤波前，一般需要估计有效来波信号的波达方向，而用户数往往大于阵 元数，因此当前d o a 估计技术的研究焦点是超分辨估计算法。 2 2 上行d o a 估计 在d o a 估计算法中，如果采用传统的m u s i c 等算法，当存在多个用户时，虽然能 得到所有用户的d o a ，却不能分辨出哪个用户对应哪个d o a 。为了能找到每个用户对 9 重庆邮电大学硕十论文 第一：章t d - s c d m a 系统智能天线基本原理 应的d o a ，可以进行这样的处理，每次保留一个用户而从接收信号中将其它用户信号 删去，这样就只需从功率谱图中找出峰值最大的即为该用户对应的d o a 。特别地，当 存在多径时，利用该方法可以找出对应于最大接收功率那一径的d o a ，从而求得基于 主径的下行波束赋形。这里主要利用了得到的信道估计进行求解 5 , 1 2 】：r ：= h 。h ? 。 其中，k 表示第k 个用户，矿是选取的信道窗长，可以根据仿真结果取合适的w 值 由p 砌订配置。 h = o ) r ( 2 ) r ： ( s ) r ( 2 一1 ) h = ( 磷”m ，噬椰，噬”) 7( 2 - 2 ) 此时，对于不同的波束方向( 共3 2 组波束方向) ，计算每个角度的功率值： x p 一。翻( 目) = 4 ”( p ) r ：a ( 护) 。对测得的3 2 组功率值进行排序，得到前n o f d o a s 个最大 功率值4 一m 。以及对应的波束方向，送给下行波束赋形模块。 2 3 下行波束赋形 上行d o a 估计是对用户的每个v r u 进行的。当某用户占用多个v r u 码道时，应 分别计算多次。因此需要把各v u r 码道的估计值综合合并，需要完成如下的操作：对 所有v r u 码道的每个波束方向的功率值累加。当某个波束方向的功率值不在前 n o f d o a s 个最大值时，认为该波束方向测得的功率值为零。最终合并后得到的有效功 率值个数为n o f d o a s ，另外有( 3 2 n o f d o a s 价波束方向上的功率值为零。 对于每一个用户，每组波束方向本地都存储了相关因子如。，= 1 。3 2 。当输入 估计的用户前n o f l ) o a s 个最大的d o a 功率值x ，后，首先考虑的路径损耗的影响， 计算得到j ，g 。： 一砌，( f ，哟= 鄙m ，n ) 翰( f ，功 ( 2 - 3 ) 其中x p l 从功控模块得到，公式中i 表示用户，n 表示当前的子帧号。然后分别重新 计算每个波束方向对应的相关因子几d 倒。，故共需完成3 2 ( n o f d o a s 次有效d o a 功 率值和3 2 - n o f d o a s 次零功率值) 次计算，需要完成的计算过程见下面的公式，分别完 成求了求平均、求方差和求相关因子的计算。公式中i 表示用户，n 表示当前的子帧号。 z 6 一o o a j ( i ，功= p 一m 幻( f ，1 1 一d + 0 一p ) m ，( i ，田 ( 2 - 4 ) x 2 一d o a j ( f ，n ) = p x 2 一删j o ，n - d + o p ) x ：6 一删j ( f ，雅) 慨一删。( f ，) = x 2 _ o o a j ( i , 疗) 一 x 2 g - 删j ( f ，n ) c o y o d o a j ( 玎) - p c o v g 一( f ，雕一d + o p ) 一m ，h ) 托一j ( f ，雄一d ) 1 0 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 重庆邮电人学硕_ i 论文第二章t d - s c d m 系统智能大线基本原理 p o _ o o a , j ( i , n ) = 堕箍蒜裂等群产 亿s ， d o a 功率值的相关系数因子更新完成后，一种简单的方法是选定最大的相关因子对 应的波束方向为下行的波束方向。查波束方向系数常数表，其对应的波束赋形因子为 t x b e a m f o r m i n g ，送给b c 模块。 另一种方法是，预测最大相关因子对应的d o a 功率值： 托加( 咖) = 【如删，( i ，n ) 一x c o o a ，j ( i ，h ) l 耽嘲，( f ，h ) + x g d o a j ( f ，h ) ( 2 9 ) 预测结果和门限值t h r o eb f 比较，决定从快速波束赋形到慢速波束赋形的来回转换， 快速波束赋形和慢速波束赋形的算法有待于进一步确定。 另外当戊d o a l 小于某一门限t h t d lb f 值，或下行的波束方向改变时，下行发射功率 应该采用下面的开环算法， p d l r ”( ，行) 2 册( l n - 1 ) + s ，, c ( ， ) 一m + 如( ，帕一如p ，开一1 ) 一( 2 - 1 0 ) 托m ( f ，行) + m ( f ，肘一1 ) 其中所有值都是以d b 形式表示的。 同时，为了得到遗忘因子p 需要的平均周期m 值，需要计算b f 的相关因子，如下 面公式，公式中i