（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统中turbo联合检测技术研究.pdf

中文摘要 t d s c d m a 已成为第三代移动通信囡际标准之一，它采用联合检测技术( j d ) 束抑制 多址干扰和码i 日j 串扰，进而提高系统容量和通信质量。t u r b oj d 则是在传统j d 技术的基 础上，引入t u r b o 译码的迭代思想，将j d 和信道译码有机结合起来，并在二者之间反复交 换软信息，进一步提高系统性能。鉴于此，本文深入研究了t u r b oj d 及其在t d s c d m a 中的应用。文章首先讨论了最优最大后验概率( m a p ) t u r b oj d 算法原理，并对该算法提 出了一种简化处理方案。然后，为降低t u r b oj d 算法的实现复杂度，文章进一步深入研究 了两类低复杂度的t u r b oj d 算法：瞬态最小均方误差+ 软干扰消除( i m m s e + s i c ) t u r b oj d 算法、并行干扰消 ( p i c ) t u r b oj d 算法。其中，对i m m s e + s i c t u r b oj d 算法，本文提出 了一种改进方案，结果表明改进方案能有效弥补原方案的不足；通过对p i ct u r b oj d 算法 进行修丁f 和改进，文章将其应用到t d s c d m a 系统中，对其中的p i n g p o n g 效应进行了理 论分析并给出了相应的修改方案。此外，本文还针对t d s c d m a 系统提出了t u r b oj d 仿 真实现方案，并建立了仿真链路，对各种t u r b oj d 算法进行仿真模拟。最后，本文还对 各种t u r b oj d 算法的实现复杂度进行讨论，并从性能和复杂度两方面出发，综合分析上述 几种t u r b oj d 算法，给出结论。 关键宇：t d s c d m a ；联合检测；信道译码；t u r b o ；软输入软输出；并行干扰消除 第1 页 a b s t r a c t t d s c d m ah a sb e c o m eo n eo ft h et h i r d - g e n e r a t i o nm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s ，i nw h i c ht h ei n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) a n dm u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) a r ee l i m i n a t e dt h r o u g hj o i n td e t e c t i o n ( j d ) ，a n dt h es y s t e mc a p a c i t ya n dc o m m u n i c a t i o n q u a l i t ya r et h u sg r e a t l yi m p r o v e d b a s e do nt h ec o n v e n t i o n a lj dt e c h n o l o g y , t u r b oj dc o m e s i n t ob e i n gb yi n t r o d u c i n gt h ei t e r a t i o ni nt u r b od e c o d i n gt oj d i nt h i sw a y , t h ej da n dc h a n n e l d e c o d i n ga r ec o m b i n e db ye x c h a n g i n gt h es o f ti n f o r m a t i o nb e t w e e nt h et w o ，a n dy i e l dm u c h b e t t e rp e r f o r m a n c ea f t e rs e v e r a li t e r a t i o n s s oi n t h i sp a p e rt h et u r b oj dp r i n c i p l ea n di t s a p p l i c a t i o ni nt d s c d m as y s t e ma r ed e e p l yd i s c u s s e d f i r s t ，t h eo p t i m a lm a x i m u map o s t e r i o r i p r o b a b i l i t y ( m a p ) t u r b oj di sa n a l y z e d ，t ow h i c has i m p l es c h e m ei st h e np r o p o s e d t h e n , f o r t h es a k eo fr e d u c i n g c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y o ft u r b oj da l g o r i t h m s ，t w ok i n d so f l o w - c o m p l e x i t yt u r b oj d - - i n s t a n t a n e o u sm m s e + s o f l i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( 1 m m s e + s i c ) t u r b oj da n dp a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( p i e ) t u r b oj da l ed e v e l o p e d f o rt h e i m m s e + s i ct u r b oj d ，a ni m p r o v e ds c h e m ei sd e s c r i b e d ，w h i c hc a nr e m e d ye f f e c t i v e l yt h e s h o r t c o m i n gi nt h eo r i g i n a ls c h e m e ；b ym o d i f y i n gt h ep i ct u r b oj d ，w es u c c e s s f u l l ya p p l yi tt o t d s c d m a t h ep i n g - p o n ge f f e c t si np i ct u r b oj da r cd e e p l ya n a l y z e da n dt h ec o r r e s p o n d i n g c o m p e n s a t i o na p p r o a c hi sd e r i v e di n t h i sp a p e rt o o f u r t h e r m o r e ，t h et u r b oj ds i m u l a t i o n a p p r o a c hi nt d s c d m ai sp r e s e n t e d 1 1 ”p e r f o r m a n c eo fe a c ht u r b oj di se v a l u a t e df o rt h e t d s c d m au p l i n kt r a n s m i s s i o n f i n a l l yt h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yf o re a c hj da l g o r i t h mi s d i s c u s s e da n dt h ec o n c l u s i o n sa r em a d eb yc o n s i d e r i n gt h et w oa s p e c t s - p e r f o r m a n c ea n d c o m p l e x i t y k e yw o r d s ：t d s c d m a ；j o i n td e t e c t i o n ；c h a n n e l d e c o d i n g ；t u r b o ；s o f t i n s o f t - o u t ； p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n 第“页 笪皇：型盔兰堡兰笪堡塞 表目录 表1 第一次外交织列日j 置换9 表2 第二次外交织列问置换9 表3 基本调制参数1 0 表4q p s k 调制数掘映射关系l o 表5t d s c d m a 多径传播模型2 9 表6 运算量比较参数设置2 9 表7 各种算法运算量结果显示3 0 表8 不同信噪比条件下元在不同取值范围内的百分比6 5 表9 各种算法的名称与图中标注的对应关系6 7 表l o 在不同用户数时的参考门限信噪比值7 8 第v i 页 信息犟人学硕十学付论文 图目录 图1t d s c d m a 的物理信道信号格式。7 图2t d s c d m a 子帧结构7 图3 主时隙结构8 图4 下行导频时隙结构8 图5 上行导频时隙结构8 图6 速率为1 2 和1 3 的卷积编码器8 图7t u r b o 编码结构( 虚线仅对格形图收尾有效) 9 图8o v s f 码树1 l 图9 多径衰落信道参考模型1 3 图1 0 情况一时的系统矩阵j 的结构1 6 图1 1 情况二时系统矩阵4 结构1 7 图1 2 置换矩阵只结构1 8 图1 3多用户单天线离散时间传播模型1 8 图1 4t d s c d m a 系统接收模块框图1 9 图1 5 系统矩阵a 及其扩充矩阵4 。2 5 图1 6 仿真链路组成框图2 8 图1 74 用户线性联合检测算法性能比较3 0 图1 87 用户线性联合检测算法性能比较3 0 图1 9t u r b oj d 实现框图3 l 图2 0 系统矩阵相关阵s 3 2 图2 1t u r b oj d 前端处理模块4 l 图2 2 基于q p s k 的m a p t u r b oj d 实现方案4 2 图2 3 改进后的t u r b o 联合检测方案5 3 图2 4p i ct u r b oj d 仿真实现框图5 6 图2 5s i s o 算法运算量随用户数变化图6 8 图2 6 两类算法运算量比较图6 8 图2 7s i s o 算法运算量随迭代次数变化图6 8 图2 8p i c 算法运算量随迭代次数变化图6 8 图3 0p i ct u r b oj d 仿真链路系统框架7 1 第v i i 页 信息一f ：稗人学硕十学付论文 图3 l3 0 k m h 移动速度下的衰落曲线7 3 图3 21 2 0 k m h 移动速度下的衰落曲线7 3 图3 3 快衰落功率谱密度理想值与实测值比较7 3 图3 4 快衰落概率密度函数理想值与实测值7 3 图3 5 慢衰落功率谱密度理想值与实钡4 值比较7 4 图3 6 慢衰落概率密度理想值与实测值比较7 4 图3 7 门限后处理信道冲激响应7 4 图3 8 空闲窗功率测量6 用户7 5 图3 9 满窗功率测量g 用户7 5 图4 0 最优m a p t u r b oj d 仿真结果显示7 5 图4 14 用户m a pj d 简化算法性能仿真7 6 图4 27 用户m a pj d 简化算法性能仿真7 6 图4 34 用户i m m s e + s i c 算法性能仿真7 6 图4 4 不同用户数时i m m s e + s i c 算法性能显示7 6 图4 5 简化i m m s e + s 1 c 性能显示7 7 图4 6i m m s e + s i c 简化i m m s e + s i c 性能显示7 7 图4 7s n r 估计值7 8 图4 8s n r 估计值方差变化图7 8 图4 9 改进前不同迭代次数下i m m s e + s i c 性能显示7 8 图5 0 带s n r 估计的改进算法性能显示7 8 图5 1p i cj d 算法性能比较。7 9 图5 2 不同用户时p i cj d 算法性能显示7 9 国5 3 收敛且具有p i n g p o n g 效应8 0 图5 4 扩散且具有p i n g p o n g 效应8 0 图5 5 收敛但无p i n g - p o n g 效应8 0 图5 6b e r 随迭代次数变化图( 调制方式b p s k ) 8 1 图5 7b e r 随迭代次数变化图( 调制方式为q p s k ) 8 1 图5 8 各种算法在i t e r a t i v e = 3 时的性能比较8 2 图5 9 算法性能比较8 2 图6 0 各种算法性能比较( i t e r a t i v e = 3 ，7 用户) 8 3 图6 1 不同用户下算法性能比较8 3 图6 2 基本的通信仿真链路9 l 第v l i i 页 独创性声明 所提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。尽我所 知，除了文中标注和致谢的相关内容外，论文中不包含其他个人或集体已经公丌的研究成 果。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。 学位论文题目：亘! ：s 立丛丕缠虫豇吐q 隧金检测撞苤婴究 学位论文作者签名： 塞鼙之 日期：6 年月同 学位论文版权使用授权书 本人完全了解信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权信息工程大学 可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅；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。 ( 涉密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：i 里：s q 丛丕统虫受也q 瓞金捡测撞丕研蕴 学位论文作者签名： 窦星j 望同期：州年6 月砧闩 作者指导教师签名：丛! 垒闩期：j 卯彳年石月“同 信息 稃人学硕十学侍论文 1 1 概述 第一章绪论 近2 0 年来，移动通信以惊人的速度迅猛发展，它经历了第一代和第二代，耳前顺应 多媒体和高速率数据业务的需求，第三代移动通信系统标准化工作已经完成，由欧洲与同 本提出的w c d m a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a t l 】，1 2 1 【3 】，1 4 】被i t u 接 纳成为第三代移动通信系统三大主流标准。 人们对移动通信业务的要求在不断的提高：从单纯的语音业务。到低速率数掘业务， 再到能提供移动i n t e m g t 接入的高速多媒体业务和高速率数据业务；移动用户数量也以指 数的速度增长。业务的高质量要求和用户数的快速增长都使得移动通信面临巨大的挑战。 为迎接这些挑战，满足人们的需求，新一代移动通信系统必须采用先进的传输和信号处理 技术柬有效克服移动环境下的噪声和多径衰落。在第三代移动通信系统中就采用了c d m a 技术，它把原始信息变换为带宽宽得多的信号进行传输，这样做的理论依据源自s h a n n o n 信息理论。s h a n n o n 公式指出通信信道容量c 只与信道带宽阢信号平均功率& 噪声平 均功率有关，即： c = 眦9 2 ( 1 + 争 ( 式1 ) 可以看出，在保持信道容量不变的条件下，可以用不同的频带宽度和信噪比来传输信息， 即可以用频带换取信噪比。因此采用c d m a 技术的第三代移动通信系统与采用f d m a 、 t d m a 等技术的通信系统相比，系统容量更大、抗干扰性能更强。 但是，由于无线信道的时变特性难以保证接收端不同用户扩频码之问严格正交，这使 得各用户的扩频信号之f b j 必然存在一定的相关性，从而产生多址干扰( m a d ，尽管由个别 用户产生的m a i 通常很小，但随着用户数的增多或者某些用户信号功率的加强，m a i 就 会成为c d m a 系统中的主要干扰；无线信道的多径传播会引起时延扩展和多营勒频移， 用户符号日j 会产生码问干扰( i s i ) 。c d m a 系统是一个干扰受限系统，因此m a i 和i s i 将 成为影响系统容量和性能提高的主要因素，必须采用相应的抗干扰技术来消除或减弱这些 干扰的影响。目前采用的抗干扰技术有：r s k e 接收、快速功率控制、软切换、话音激活及 分集接收等技术，但上述措施均是针对某一用户进行信号检测而将其它用户信号当作噪声 加以处理，即传统的单用户检测。由于多址干扰的存在，单用户检测器存在干扰下限，即 当接收机热噪声电平趋子零，其误比特率仍表现出非零的下界，同时，单用户检测器还存 在远近效应。但多用户检测器就不存在这种问题，通常m a j 和i s l 均具有很强的结构性， 第1 页 笪皇 型盔竺堡兰生坠塞 而每个用户的扩频码都是已知的，这样各个用户以及各条路径之间的互相关系数也是可以 获得的，如果综合利用这些结构信息来进行多用户检测( m u d ) ，就可以完全消除干扰的 负面影响，达到提高系统性能及容量的目的。 联合检测( j d ) 是m u d 中十分重要的一种检测技术。联合检测的基本思想是利用所 有用户的相关先验信息，将m a i 和i s i 的影响一并消除，在一步之内将所有用户的信号分 离出来。理论上联合检测可以完全消除m a i 和i s i 。但是联合检测算法随着用户数的增加， 复杂性会呈指数增长，这就妨碍了其在实际中的应用。 本论文主要关注的是t d s c d m a 移动通信系统，与其它两个标准相比，t d s c d m a 采用了t d d 方式，不需要成对的频率，频谱安排灵活：无线资源的自适应分配适用于所 有的对称和非对称的3 g 业务，具有最高的频谱利用率；适用于多种环境，设各成本低。 特别是由于上下行信息在同一载频的不同时隙传送，电波传播的对称特性使之便于使用智 能天线、联合检测、上行同步、软件无线电等新技术，新技术的采用最终使t d s c d m a 在系统容量、频谱利用率和抗干扰能力等方面具备了突出的优势。更令人鼓舞的是 t d s c d m a 是一个时域和帧控的t d m a 方案，每载波的大量用户被分布到每个帧的每个 传输方向的时隙中，最终使同频的每时隙中并行用户的数量相对较少，这样，通过较低的 计算量和较低的信号要求即可实现对所有用户数据的联合检测。联合检测技术在 t d s c d m a 系统中的成功应用也是t d s c d m a 系统相比w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 具有技 术优势的原因之一。 1 2 本课题的目的及意义 t d s c d m a 系统是干扰受限系统。在移动环境下，必然存在m a i 和i s i 。采用联合检 测技术通过综合考虑同时占用某个时隙的所有激活用户，充分利用各个用户的扩频码、信 道冲激响应等信息，能有效的抑制上述两种干扰。同时联合检测与智能天线结合后能够进 一步提高信噪比，改善系统性能。但实际上，即使不使用智能天线，仅通过联合检测就可 在现存的g s m 基础设施里通过c = 3 的蜂窝在复用模式下使t d - - s c d m a 运行，这也是联 合检测技术一个很大的优势。同样t d - - s c d m a 能够使网络运营商的2 g 业务智能地向3 g 业务过渡。正是由于这些无与伦比的优点，联合检测技术必将能给运营商带来极佳的经济 效益。 但复杂度始终是联合检测算法投入使用的主要障碍。尽管t d - - s c d m a 系统也充分考 虑了这个问题，使用户扩频系数取值较小( 最大为1 6 ) ，并在保证精度的条件下采用了简 化算法，但在实际应用中仍存在许多问题，如信道估计的不准确将影响到联合检测的准确 性；随激活用户数的增加，算法复杂度明显增加，并且系统性能也急剧恶化；小区| 日j 的干 第2 页 信息f 秤人学硕十学付论文 扰没有得到很好的解决。因此，需寻找其它途径来进一步改善系统性能，增强算法的实用 性。如：进一步寻求更加实用的低复杂性联合检测算法；联合检测与信道编译码、智能天 线相结合，充分发挥多种技术的综合优势，使系统性能更优。 基于上述对联合检测技术的新要求，本课题主要针对t d s c d m a 移动通信系统上行 链路，在已有的联合检测算法研究成果的基础上，从联合检测和与信道译码的结合着手， 以进一步提高系统性能和增加系统容量、同时尽可能降低实现复杂度为目的，深入研究适 于t d s c d m a 系统t u r b o 联合检测方案。通过理论分析和模拟仿真所得到的成果与结论 都为t u r b o 联合检测方案在实际系统中的应用提供了很好的技术参考依据。 1 3 多用户检测研究现状 1 9 7 9 年，k s c h n e i d e r 在发表的论文中首次提到多用户检测的概念，到目| j 已经历了 2 0 多年的发展。1 9 8 6 年，v e r d u 设计出了最大似然序列( m s l ) 检测器1 5 】，1 6 】，由匹配滤波 器组和v i t e r b i 译码器组成，这是一种最佳多用户检测器，尽管其复杂度与用户数呈指数关 系，硬件实现也十分困难，但v e r d u 的工作为进一步的研究奠定了理论基础。自那以后， 多用户检测技术成为无线通信领域最重要的学术研究热点之一。人们开始寻找复杂度低， 性能比传统检测器优越的次最优多用户检测器。 通常次最优多用户检测器主要分为线性多用户检测器和非线性多用户检测器两大类。 线性多用户检测器先对匹配滤波器的输出进行一次线性变换，然后再判决，主要包括解相 关多用户检测器( d e cm u d ) t 7 】、最小均方误差检测器( m m s em u d ) 1 8 1 和基于多项式展丌 ( p e ) 的m u d 9 】等。解相关m u d 用小区内用户扩频码序列的自相关逆矩阵对匹配滤波器 的输出进行线性变换，其优点是完全克服了m a i 和远近效应，复杂度降为与用户数呈线性 关系，并且不用估计用户的功率，但是解相关m u d 对噪声有放大效应，对于信噪比较低 的环境，它并不适用，其更大的缺点是逆矩阵运算的复杂度高，目前的器件难以承受。m m s e m u d 则对解相关m u d 进行了改进，在线性变换时引入一个与信道噪声功率成j 下比的修正 项，由于它综合考虑了m a i 和信道噪声的影响，在总体性能上好于解相关m u d ，并且在 采用横向f i r 结构时，m m s em u d 可以自适应实现，但其主要不足是要对接收信号幅度 进行估计。p em u d 的优点是灵活，选择不同的参数可以适用于不同参量的系统；p em u d 的性能可以逼近解相关m u d 或m m s em u d ，同时由于避免了矩阵求逆运算，实现复杂 度上有所降低。 非线性多用户检测器的基本思想是在接收端重构各个用户的m a i ，并让它们和包含 m a i 的混合接收信号相减，使得m a i 刚好抵消。在原理和结构上，非线性m u d 与克服 l s l 所用的判决反馈均衡器类似，故又称为判决反馈抵消器。它通过重建干扰成分，然后再 第3 页 信息t 稃大学硕十学 市论文 从接收矢量中将干扰成分减掉，以此柬克服干扰。常用的非线性多用户检测器有三种：多 级多用户检测器i l o l ，基模最大期望值( e m ) i l l 算法，相减干扰抵消器。多级多用户检测 在第一周期对接收到的用户数掘进行分组。分别对各组进行m u d ，而把其它组用户信号 视为噪声；在下一周期，从总的接收信号中减掉其它组的用户信号，重构出该组信号，由 于去掉了其它组用户对该组用户的干扰，从而改善了信噪比。相减干扰消除器通常又包括 连续干扰消除多用户检测器( s i c ) 、并行干扰消除多用户检测器【1 3 】( p i c ) 、判决反馈多 用户检测器【h 】。s i c 先对所有用户按接收功率由大至t j d , 进行排序，然后对各用户逐一进行 判决、m a i 的重构和抵消；s i c 在性能上比传统检测器有较大提高，而且硬件结构简单， 易于实现，但其每一级都有一个字符的时延，用户越多，时延越大，此外当信号功率强度 顺序发生变化时要重新排序，最不利的一点是会产生误差传播。p i c 一般也具有多级结构， 与s i c 不同的是，p i c 每一缀都同时估计和去除所有用户造成的m a i ，然后再进行数掘的 判决；由于并行处理，它克服了s i c 时延大的缺点，而且无需在信号功率强度顺序发生变 化时重新排序，在各种m u d 中具有较高的实用价值；缺点是复杂度随用户数的平方变化， 同时也存在误差传播问题。 上述多用户检测器能很好的消除m a i 干扰，却不能有效抑制1 s i 。1 9 9 2 年a k l e i n 等 人将消除m a i 和i s i 同时考虑，提出了同时消除这两种干扰的联合检测( j d ) 方案，它利 用均衡技术，将来自其它用户的i s i 也当作m a j 一并消除，这类算法主要有m f - b l e ( 匹 配滤波块线性均衡) 、z f b l e | 1 5 1 ( 迫零块线性均衡器) 和m m s e - b l e i s l ( 最小均方误差 块线性均衡器) 。m f b l e 的输出端中还包含着i s 和m a i ，但是噪声功率相对减小了，它 是i s i 和m a i 很弱条件下的最佳抗噪方法；z f 。b l e 的输出端完全抑制了i s i 和m a i ，但是 噪声功率相对增大了它是在噪声很弱的情况下的最佳抗干扰方法；m m s e b l e 在z f - b l e 的基础上增加了w i e n e r 滤波器，在一定程度上对i s i 、m a i 和噪声进行了解相关，削弱了 噪声影响，增加了输出信噪比，性能更优越，当噪声功率较小时( 高信噪t l ) ，它等价予 z f b l e ，当噪声功率远高于信号功率时( 低信噪比) ，它等价于传统m f b l e 。此外，还 有上面两种算法的改进算法，引入了判决反馈【1 6 1 ( z f ，b d f e ，m m s e b d f e ) ，有一定程度的 性能提高。 经过不断的研究、试验，各种检测方法的性能、复杂性已经被有效掌握，也有不少的 仿真和实地测试成果。理论性问题如有限记忆长度( 截断效应) ，矩阵逆求解等也均获得 了不错的解决。特别是在上面讨论中提到的各种非线性检测器，如：多级多用户检测、e m 检测算法、干扰消除以及后来提到z f b d f e 等，都引入了迭代判决思想，获得了相当不 错的性能。广义上讲，这几种多用户检测法都同属于迭代多用户检测的范畴。但是这些算 法在多用户状况下的性能并不是很理想，距离单用户限仍然有很大距离。为此，近年来人 们丌始研究新的方案试图进一步降低误码率和提高系统性能。1 9 9 6 年g i a l l o r e n z i 和w i l s o n 第4 页 信息l 稃人学硕十学付论文 给出了信道卷积编码c d m a 系统的最优译码方案【6 j ，它将多用户检测器和卷积码的网格结 构综合起来考虑，来实现多用户译码。这种联合多用户检测和信道译码的检测方案就称为 t u r b o 多用户联合检测，它引入t u r b o 迭代的思想，将联合检测和信道译码有机的结合起 束，通过在联合检测和信道译码间不断进行迭代并即时交换软信息( 如后验概率等) ，获 得相当优异的检测性能。g i a l l o r e n z i 等提出的最优译码方案实现复杂度高达0 ( 2 “”) ，其中u 表示信道用户数，v 是卷积编码的约束长度；尽管其实现复杂度很高，但它是我们进一步 研究t u r b oj d 的基础，更重要的是人们并不愿意放弃t u r b oj d 的优良性能，因此，目前 的研究热点在于如何在保证t u r b oj d 优异性能的前提下开发出更为先进更为简易的多用 户检测方案。在这方面已经有了一部分研究成果，x w a n g 和h v p o o r 在1 9 9 9 年发表的一 篇论文中就提出了一种线性最小均方误差( m m s e ) t u r b o 多用户检测器1 1 7 j ，并且详细讨论了 其在同步异步c d m a 系统中的应用，这种t u r b o 多用户检测方案通过几轮迭代就能取得 很好的性能，且计算量相比最优t u r b oj d 算法明显减少。尽管t u r b oj d 优良的检测性能 令人振奋，其低复杂度实现方案的研究也取得了一定进展，但算法的实现离实用化还有较 大一段距离，性能优良的、实现复杂度更低的t u r b oj d 方案仍需要继续研究。随着硬件处 理速度的增加及算法结构的进一步优化，t u r b oj d 将有广阔的应用前景。 1 4 本文主要工作 本文首先分析了t d s c d m a 系统物理层信号传输的特点，然后简要论述了几种经典 联合检测技术，并在此基础上深入分析了最优m a pt u r b oj d 的原理及其仿真实现；在文 章的后续部分重点研究了两类低复杂度的t u r b oj d 方案，并进行了相应的简化与改进；最 后对各种t u r b o i d 方案的复杂度进行了分析与比较。全文组织结构编排如下： 第二章：对t d 。s c m d a 系统帧结构进行了介绍，给出了t d s c d m a 系统上行链路离 散时j 日j 传播模型： 第三章：简要分析了几种经典的联合检测算法，并对其仿真性能和相应的实现复杂度 进行分析和评估； 第四章：深入分析了最优m a pt u r b oj d 的原理，并提出了简化处理方案；结合 t d s c d m a 系统的特点，给出了仿真实现方案。 第血章：在上一章m a p t u r b oj d 原理分析基础上，全面研究了两类低复杂度的t u r b o j d 算法。 第六章：针对t d ，s c d m a 上行链路模型对各种非线性联合检测算法性能仿真，并分 析比较了仿真结果： 第七章：本文结论及下一步研究方向。 第5 页 信息t 稃大学硕十学付论文 第二章t d s c d m a 系统介绍 t d s c d m a 系统的多址接入方案属于d s c d m a ，码片速率为1 2 8 m z s ，扩频带宽约 为1 6 m h z ，采用不需配对频率的t d d 工作方式。它的下行( 静向链路) 和上行( 反向链路) 的信息是在同一载频的不同时隙上进行传送的。t d s c d m a 系统的多址接入方式除具有 d s c d m a 的特性外，还具有t d m a 的特点，因此，t d s c d m a 的接入方式也可表示为 t d m a c d m a 。 t d s c d m a 的基本物理信道特性由频率、码和时隙决定。其帧结构将1 0 m s 的无线帧 分割为两个5 m s 的子帧，每个子帧有7 个常规时隙和3 个特殊时隙。信道的信息速率与符 号速率有关，符号速率由1 2 8 m c s 的码片速率和扩频因子( s f ) 决定。上下行信道的扩频因 子在1 1 6 之间，因此调制符号速率的变化范围为8 0 o k 符号卜1 2 8 m 符号s 。 2 1t d s c d m a 系统的物理信道 2 1 1 物理信道信号格式 t d s c d m a 的物理信道采用四层结构：系统帧、无线帧、子帧和时隙码。时隙用于 在时域上区分不同用户信号，具有t d m a 的特性。依据不同的资源分配方案，子帧或时隙 ，码的配置结构可能有所不同。所有物理信道的每个时隙日j 都需要有保护间隔。物理信道的 层次结构见图l 所示。 t d s c d m a 系统中的无线帧帧长是1 0 m s ，为了实现快速功率控制和定时提| i i f 校准以 及对一些新技术的支持( 如智能天线) ，将一个| 0 m s 的帧分成两个结构完全相同的予帧， 每子帧的时长为5 m s ，业务时隙t s 0 t s 6 中每个时隙长为o 。6 7 5 m s ，下行导频时隙d w p t s 长为7 5 u s ，上行导频时隙u p p t s 长为1 2 5 u s ，主保护时隙g p 长为7 5 u s 。 第6 页 信息i 。稃人孚硕十学竹论文 图1t d s c d m a 的物理信道信号格式 2 1 2 子帧结构 t d s c d m a 系统的子帧结构见图2 所示。每个5 m s 的子帧由7 个常规时隙( t s 0 t s 6 ) 和3 个特殊时隙组成；常规时隙用作传输用户数据或控制信息。在7 个常规时隙 中，t s 0 总是固定地用作下行时隙束发送系统广播信息，而t s i 总是固定地用作上行时 隙。其它的常规时隙可以根据需要灵活地配冒成上行或下行，以实现不对称业务的传输， 如分组数据。每个5 m s 的予帧有两个转换点，第一个转换点固定在t s 0 结束处，而第二 个转换点则取决于小区上、下行时隙的配置，可位于t s l t s 6 中任一时隙的结束处。 闰2t d s c d m a 子帧结构 2 1 3 时隙格式 一个子帧的常规时隙t s 0 t s 6 具有完全相同的时隙结构，见图3 所示。子帧分为两 个数掘区( 各为3 5 2 码片) ，被1 4 4 码片( c h i p ) 的训练序列( m i d a m b l e ) 分隔，末尾有 第7 页 信息r 稃大学硕十学伸论文 一个1 6 码片的保护问隔( g p ) 。数掘区中的数掘比特先用q p s k 调制为数据符号 ( s y m b 0 1 ) ，然后再采用正交可变扩频因子( o v s f ) 码对数据s y m b o l 进行扩频。这样， 每个主时隙可以由o v s f 码分为1 一1 6 个码道。特殊时隙包括下行导频时隙( d w p t s ) 、 保护问隔( g p ) ，上行导频时隙( u p p t s ) ，其基本结构见图4 、5 所示。下行导频时隙由6 4 c h i p 正交码组成，它是无线基站( 小区) 的导引( p i l o t ) 信号，也是下行同步的信号。保 护时隙用于区分上、下行时隙，使距离较远的终端能实现上行同步。上行导频时隙由1 2 8 c h i pi f 交码组成，它是用户终端( 小区) 的导引信号，主要用于在随机接入或切换时，用 户和基站之问初始同步的建立。 图3 主时隙结构 图4下行导频时隙结构 图5 上行导频时隙结构 2 2t d s c d m a 系统的编码与交织 t d s c d m a 系统标准中，信道编码包括卷积码和t u r b o 码两种，分别运用于不同的数 掘速率中。卷积编码有两种编码速率分别为1 2 、1 3 ，其编码结构分别如图6 所示，t u r b o 编码是带有内部交织的并行级联码，它由两个结构相同的递归系统卷积码( r s c ) 并行级 联而成，其编码结构如图7 所示。 出0 出l 坩1 里旷一里廿11 t _1 里州旦一旦旷 _ 一 输出( 。 6 。基 “。杏 7 u7 丁 1k k，kk 一户 r 输出l 、 7 u7 u 7 u7 uu 输出： 一，、一、 一，、 一厂、- 幽6 速率为1 2 和1 3 的卷积编码器 第8 页 信息f 稃人学硕十学付论文 圈7t u r b o 编码结构( 虚线仅对格形图收尾有效) 在t d s c d m a 系统中存在两次外交织，分别称为第一次外交织和第二次外交织，用 以减小系统连续性突发错误的可能。这两个交织器使用与否取决于高层。表1 、2 分别是 第一次外交织和第二次外交织的列间置换表。第一次外交织首先根据传输时日j 问隔( t t i ) 来选定交织器的列数，同时得到行内置换的模式。在3 g p p 中，第二次外交织采用的交织 矩阵列数为3 0 。 表1 第一次外交织列问置换 t t i列数c 1 列间置换i 群 1 0 m s1 2 0 m s2 4 0 m s 4 8 0 m s8 表2 第二次外交织列间置换 列数 列问置换i 骈 c 2 3 0 第9 页 信息f 1 犁人学硕十学仃论文 2 3t d s c d m a 系统调制与扩频 2 3 1 基本调制参数 表3 基本调制参数 码片速率 i 2 8 m c h i p s 数掘调制方式q p s k 或8 p s k ( 2 m b s ) 载波间隔1 6 m h z 脉冲成型根升余弦，滚降系数为0 2 2 扩频特性0 v s f 码 2 3 2 q p s k 调制 q p s k 调制将两个连续数掘比特6 警6 映射为一个复数符号“，其中，“为第“个 用户的标识号，i = l 表示相应数掘在主时隙结构中处于m i d a m b l e 码之前，i = 2 表示相应数 掘处于m i d a m b l e 码之后。映射关系如表4 。可以看出，方式一可以由方式二顺时针旋转 3 p i 4 得到( 幅值相差一个常数) 。 表4q p s k 调制数据映射笑系 搬。蟛1z “o ( 方式一)研”( 方式- - ) 0 0 + j - 1 i j 0 1+ 1 一l + j 1 0 1 + l - j 1 1 - j+ 1 + j 2 3 3 扩频 t d s c d m a 系统使用一种i f 交可变扩频因子( o v s f ) 码进行扩频，它可以保证在同 一时隙上的不同扩频因子的扩频码保持证交。t d s c d m a 系统中扩频因子分别可取l 、2 、 4 、8 、1 6 。图8 给出了o v s f 码树。 筇l o 页 信息i 稃大学硕十学付论文 2 4 无线信道模拟 图8o v s f 码树 在本论文中，无线信道的模拟采用一种比较经典的计算机仿真模型【l ”，该模型主要是 用于陆地无线移动衰减信道，能有效的避免数字滤波和线性修正问题。在模型中，高斯白 噪声过程可近似通过有限个适当正弦曲线叠加束逼近( 正弦曲线的相位在【0 ，2 x 】内均匀分 布) 。按这种原则很容易设计出频率选择性衰落信道形式，当信号带宽远小于信道的一致 带宽，信道的时变特性也能够显现出来。若考虑城市区域时，移动台跟基站之间的直接视 距大多数时i 日j 都会被高障碍物完全阻挡，这样接收端的信号就会由许多独立的反射信号构 成，这些反射信号对接收信号的幅度和相位都会产生不可预见的影响，此时接收信号的包 络是服从瑞利分布，而它的相位信息则是服从【o ，2 j r 】内的均匀分布的。当移动台移动的距 离较小时，环境特性可以认为是不