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c d m a 无线通信优化r a k e 接收技术的研究 c d m a 无线通信优化r a k e 接收技术的研究 通信与信息系统 硕士生：侯晓微 指导老师：周渊平教授 摘要 无线通信系统中，由于反射和折射的影响，会使信号产生时延、相位和幅度 上的变化，使接收信号产生多径衰落，影响移动通信系统的通信质量。分集合并 接收技术是十分有效的抵抗多径衰落的方法。f l a k e 接收机是c d m a 系统中实 现多径分集接收的核心技术，它可以实现多径信号的合并，达到克服多径衰落的 目的，因此成为当前移动通信领域的一个研究热点。 本文提出了一种性能优越的、低复杂度的优化型r a k e 接收机一分程优化式 r a k e ( s e q u e n t i a l l yo p t i m i z e dr a k e ) 接收机，该方法具有如下特征： 1 采用最小均方误差( m m s e ) 优化准则确定系统的合并加权系数： 2 权值系数的计算和更新采用一种按顺序的分程优化方法，每次更新一个 单权值，避免了复杂的矩阵运算，降低了计算复杂度； 3 为接收机添加一定的超前信号路径进行加权合并，进一步抑制码间干 扰，其信号合并的数目超过实际的多径信道的数目。 该r a k e 接收算法。能够达到近似于m m s e 最优解算法的接收性能，而计 算复杂度却有了大幅度的降低。因此，分程优化式r a k e 的优越性能、低复杂 度将使其在c d m a 无线通信系统中获得良好的应用前景。 关键词：c d m a ；多径衰落；r a i 强；m m s e = 复杂度。 中山大学硕士论文 r e s e a r c ho no p t i m i z e dr a k er e c e i v e ro fc d m aw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m m a j o r ：c 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 e ：h o ux m o w e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h o uy u a n p i n g i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，r e f l e c t i o n sa n dr e f r a c t i o n so fr a d i os i g n a l s d u et ov a r i o u so b i t sa n ds c a t t e r sg e n e r a l l yc a u s ed i f f e r e n ts i g l i a lt i m ed e l a y s , p h a s e a n da m p l i t u d ev a r i a t i o n sw h i c hl e a dt om u l t i p a t hf a d i n g r a k er e c e i v e ri sa n e f f e c t i v et e c h n i q u et oc o m b a tt h em u l t i p a t hf a d i n ga n da c h i e v et h ei n c r e a s e d s i g n a l - t o - n o i s er a t i o b yc o h e r e n t l yc o m b i n i n gs i g n a l sf r o md i f f e r e n ts i g n a lp a t h s ，a r a k er e c e i v e rr e a l i z e st h et i m ed i v e r s i t y c u r r e n t l y ，t h er a k er e c e p t i o nt e c h n i q u e h a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o ni nm o b l i ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s i nt h i st h e s i s , a s e q u e n t i a l l yo p t i m i z e d r a k er e c e i v e rf o ri n t e r f e r e n c e s u p p r e s s i o na n df a d i n gm i t i g a t i o ni sp r o p o s e d c o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a lr a k e r e c e i v e r , t h ep r o p o s e dr a k e r e c e i v e ro f f e r sf o l l o w i n gf e a t u r e s ： 1 t h ec o m b i n i n gw e i g h t sa ”d e r i v e df r o mm m s e ( m i n i m u mm e a ns q u a r e s e r r o r ) c r i t e r i o n ； 2 t h ec o m b i n i n gw e i g h t sa l ec o m p u t e da n du p d a t e di nas e q u e n t i a lf a s h i o n o n ea te a c ht i m ew i t has i n g l e - w e i g h tm m s eo p t i m a ls o l u t i o ni n s t e a do f p e r f o r m i n gc o m p u t a t i o no fd i r e c tm a t r i xi n v e r s e ，a c h i e v i n gas i g n i f i c a n t r e d u c t i o no f c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y ； c d m a 无线通信优化r a k e 接收技术的研究 3 a d df o r w a r df i n g e r st os u p p r e s st h ei n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ea n di m p r o v e t h es y s t e mp e r f o r m a n c e ； t h ea l g o r i t h ma c h i e v e sah i g hp e r f o r m a n c ec o m p a t i b l ew i t ht h a to fam m s e r e c e i v e ra n da l l o w sal o wc o m p u t a t i o n s i g n i f i c a n tp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ta n d l o wc o m p l e x i t ym a k et h ep r o p o s e dr a k er e c e i v e ra t t r a c t i v ef o rc d m aw k e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s k e y w o r d ：c d m a ；m u l t i - p a t hf a d i n g ；r a k e ；m m s e ；c o m p l e x i t y c d m a 无线通信优化黼接收技术的研究 第1 章绪论 1 1 所选课题的目的与意义 无线通信系统中。由于反射和折射的影响，会使信号产生时延、相位和幅度 上的变化，使接收信号产生多径衰落，影响移动通信系统的通信质量。采用分集 合并接收技术是十分有效的抗多径衰落的方法，它在不增加发射机功率或信号 带宽的情况下提高系统的可靠性。r a k e 接收机是c d m a 系统中实现多径分集接收 的核心技术，它可以实现多径信号的合并，克服多径衰落，提高系统性能。因此， 在现有的c d m a 标准中，采用的大都是基于r a k e 接收的技术。所谓r a k e 接收技 术就是分别对接收的每一路的信号按照一定的加权进行叠加输出，达到提高输 出信号信噪比的目的。 在理想接收机中，如将所有用户信号都检测出来，则可把其他用户信号从总 信号中减掉，保存有用信号。但是实际情况并非如此，在多址干扰( m a i ) 、码间 干扰和信道噪声的影响下，要将所有用户的信号都比较精确的检测出来是非常困 难的。实际上，r a k e 接收技术只是将多径信号进行某种较合理的合并，以求达 到提高信噪比的目的。但是。在用户增多的情况下，多址干扰会导致r a k e 接收 性能的急剧下降，因为多址干扰其实相当于一种非高斯有色噪声，在对多径信号 进行合并的时候，多址干扰可能不仅没被抵消，甚至有可能会加强，尤其在干扰 强度强于理想信号强度的时候。从本质上看，多用户环境下的c d m a 信号的接 收就是非高斯有色噪声下的信号检测，而传统的r a k e 接收机将其他用户的信 号作为干扰来对待，并设想为高斯白噪声，这种设想与实际情况差距较大，从本 质上导致了其接收性能的不佳1 3 2 1 。因此，对于c d m a 系统最优r a k e 接收机进 行研究是一项很有现实意义和应用前景的研究课题。 1 2r a k e 接收技术的研究现状 近年来，为了提高r a k e 接收机的性能，人们研究了很多方法。许多学者侧 重于自适应接收机的研究，即在尽量少的先验知识的情况下，通过自适应估计 得到各用户信号的参数，然后再进行用户信号的检测“1 。使用c d m a 自适应接收 中山大学硕士论文 机可以根据选定的最佳准则，通过训练序列优化接收机的参数，来实现最佳接收 “”1 。对于这类自适应接收机，应用最广泛的一种准则是最小均方误差 s e ( m i n i m i z em e a ns q u a r e se r r o r ) 准则该准则认为滤波器输出与需要信号 之差的均方值最小为最佳，其目的是对用户进行接收时，将干扰的影响减少到最 低限度”1 。该方法采用直接矩阵求逆d m i ( d i r e c tm a t r i xi n v e r s e ) 的方法，首先 计算输入信号矢量的自相关矩阵和输入信号矢量与需要信号的互相关矢量，再 通过矩阵求逆和矩阵乘法等一系列计算，直接计算出最优加权系数( 维纳解) ， 该方法性能最优，但是计算复杂度太高，难以在实际系统中应用。 n o n e a k e r “”提出了一种用于c d m a 下行系统中基于信干比的改进型r a k e 接收 机，但该方法并未考虑信号路径间的有色性问题。c h o 。5 1 等人研究了适用与u w b 系统的脉冲位置调制的r a k e 接收机，指出要在密集的多径信道中完全实现r a k e 接收是不现实的。s h e n g 等在1 中提出用特征向量抵消( e c ) 的方法进行最优合 并，这种最优合并的方法有效地消除了有色噪声干扰，但需要对高阶矩阵进行求 逆，在实际系统中很难使用。c h u 等在m 1 中对窄带干扰信号模型做了详细分析， 提出了基于最大比合并( m r c ) 的r a k e 接收和干扰消除的两级模型，并使用部分 r a i ( e ( p - r a k e ) 的结构来减少接收机的阶数，但这种方法只能处理特殊的窄带干 扰，对其它如多址干扰带来的有色噪声没有处理。为简化高阶接收机的信号处理 算法，文献m “踟提出了频域的r a k e 接收机，把信道卷积转化为乘积运算以降低 计算复杂度，提高系统的可实现性。此外，g o l d s t e i n 等人提出了多级维纳滤波 ( m u l t i s t a g ew i e n e r ) 的概念州，并将其应用于c d m a 系统的r a k e 接收机。该 方法采用最小均方误差( 姗s e ) 优化准则，并将复杂的系统分解为一个多级系统， 每一级与前一级成正交关系。该方法总的来说简化了系统的结构，但是由于每一 级的参数都需要通过正交投影运算来确定，其运算量仍然是相当可观的。 g r e g o r ye b o t t o m l e y 和t o n yo t t o s s o n “”提出了g e n e r a l i z e dr a k e ( 简 称g r a k e ) 算法。该方法将小区内干扰视为有色高斯噪声，采用最大似然( m l ) 优化准则确定系统的合并加权系数。与传统方法不同的是，系统不仅选择后向( 延 迟) 信号路径，而且也选择一定的前向( 超前) 信号路径进行信号合并，其信号合 并的数目超过多径信道的数目。研究显示，在包括前向信号后，系统的性能有了 显著的提高。但是该方法需要计算干扰信号的自相关矩阵，由于多址干扰和码间 c d m a 无线透信优化r a k e 接收技术的研究 干扰的存在，想要准确分离有用信号和干扰信号非常困难，如果两类信号分离不 精确将会直接影响g - r a k e 接收机的性能；而且加权系数的求取，需要通过计算 自相关矩阵及其逆矩阵来得到，因此其系统复杂度在信号路径数较多的情况下是 相当高的。由于上述原因使该方法在实用中受到了限制。 1 3 主要研究内容与论文内容安排 本文的研究内容就是针对现有c d r a 标准中r a k e 接收技术性能上的不佳，及 上述算法中所存在的问题，研究适用于实际c d m a 系统的优化型r u 正接收机， 在充分考虑性能及系统复杂度的基础上，提出新颖的优化r a k e 接收算法，以 及对目前流行的几种算法的分析比较。 本文的内容安排如下： 第1 章，首先阐述了本文的选题背景及研究意义；然后简单介绍了 c d 姒系统信号接收方面存在的问题，以及本文涉及的研究领 域的研究现状；最后给出了本文的结构和内容安排。 第2 章，本章首先介绍了无线移动通信的一些重要技术，如多址技术、 扩频技术以及c d m a 系统的工作原理和特点；然后，介绍了无 线移动环境中的通信信道的特点，移动通信信号在传播过程 中可能经历的损耗或衰落；最后介绍了常用衰落信道的统计 分布以及无线信号的传输模型。 第3 章，首先介绍了分集抗衰落技术，包括对分集基本概念的介绍以 及分集合并准则的介绍；然后介绍了时域分集技术r a k e 接收机，包括r a k e 接收技术的工作原理、r a k e 接收中采用的 抽头延迟线信道模型以及r a k e 接收机的实现等相关内容。 第4 章，首先介绍了本文的仿真系统模型，主要包括仿真系统所采用 的信号模型和信道模型；然后简要介绍了m m s e 最优解算法和 g e n e r a l i z e dr a k e 算法，分析了他们的优缺点；进而提出了 分程优化r a k e 接收机的概念，重点介绍了分程优化r a k e 接 收机的结构，权值向量的推导，以及算法复杂度的分析和比 较；最后给出了相应的计算机仿真结果与分析。 中山大学硕士论文 第5 章，结论与展望。主要包括对论文所作的工作进行总结，并指出 了该研究工作尚需完善的部分，提出了未来研究工作的方向。 c d m a 无线通信优化r a k e 接收技术的研究 第2 章c d m a 系统基础知识 2 ic d m a 系统的主要特性 码分多址( c d m a ) 包含两个基本技术，一个是码分技术，其基础是扩频技术： 另一个是多址技术。将这两个基本技术结合在一起，并吸收其它一些关键技术， 如软交换、功率控制等，形成了今天码分多址移动通信系统的技术支撑。1 。扩谱 系统是c d m a 的核心部分，在此基础上，可定义c d m a 为一种多址技术，它的每一 个接入地址拥有唯一一个扩谱码进行扩谱调制，所有接入地址共享同样的频谱， 扩谱调制是通过p n 码实现的。窄带信息信号或信息序列通过宽带扩谱信号序列 调制( 相乘) ，所以传输前信息信号频谱被扩散在更大的带宽里脚。 2 1 1c d m a 通信系统的优点 1 ) 系统容量大。c d m a 系统的设计容量远远高于现有的模拟数字系统。容量的 增大源于采用了一种改进的编码增益调制方式，话音激活性，三分扇区和 同一频率在每个小区和所有扇区的复用。 2 ) 软容量。在c d m a 系统中，用户数目和服务质量之间可以相互折中，灵活确定。 3 ) 抗干扰能力强。且扩频增益g 越大抗干扰能力越强，抗白噪声、单频窄带干 扰、宽带的等效白噪声能力都很强。 4 ) 保密性强。无论是直扩还是跳频，扩频后其频谱均近似为白噪声，因此具有 很好的保密性能。同时对于数字化用户来说，还可以进一步进行数字式用户 加密。 5 ) 高的话音质量和低的发射功率。由于c d m a 系统采用有效的功率控制，强纠错 能力的信道编码，以及多种形式的分集技术，可以使基站和移动太以非常节 约的功率发射信号，延长手机电池的使用时间，同时可获得优良的话音质量。 6 ) 易于实现精确定时与测距，因此被广泛应用于雷达、导航、通信、测距等系 统。 中山大学硕士论文 2 1 2c d m a 通信系统的关键技术 1 功率控制技术 c d m a 蜂窝移动通信系统是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和 频率，“远近效应”问题突出。功率控制的目的就是克服远近效应，使系统既能 保证高质量通信，又不对其他用户产生干扰。 功率控制技术是c i ) m a 移动通信系统的核心技术。c d m a 系统功率控制分为正 向链路的功率控制和反相链路的功率控制。正向功率控制就是调整基站向移动台 发射的功率；反向功率控制是控制各移动台发射功率的大小。 ( 1 ) 开环功率控制 每个移动台测量接收到的导频信号强度，通过测量以及初始同步时链路功 率估计的信息，可以估计前向链路的路径损失。假设反向链路的损失是一样的， 移动台用这个信息决定它的发射机功率，以达到所有移动台发出的信号在到达基 站时都有相同的功率，所以它有一个很大的动态范围。一个简化的反向链路估计 公式如下： 接收s n r ( d b ) = 移动台功率( d b m ) 一反向链路净损失( d b ) 一总的反向链路噪声和干扰( d b m ) 因此移动台传送的功率由下式决定： 移动台功率( d b m ) = 接收s n r ( d b ) + 反向链路净损失( d b ) + 总的反向链路噪声和干扰( d b m ) d b m 是对于一毫瓦而言的d b 数，反向链路的净损失包括传播和天线增益偏 离的其他损失。对于前向链路来说，接收到的基站功率可以写成： 接收功率( d b m ) = 基站功率( d b m ) 一前向链路净损失( d b ) 可以解出移动台要求的传送功率为： 移动台功率( d b m ) = 目标s n r ( d b ) + 基站功率( d b m ) + 总的反向噪声和干扰( d b m ) 一接收功率( d b m ) = 常数( d b ) 一接收功率( d b m ) ( 2 ) 闭环功率控制 因为前向和反向链路的衰落可能是独立的，i s 一9 5 系统采用了闭环功率 控制。通过接收到的基站信号强度计算出前向链路路径损失，能作为反向链路路 c d m a 无线通信优化凡皿接收技术的研究 径损失的粗略估计。真正值则要通过基站接收移动台的信号强弱来衡量。闭环功 率控制的设计目标是使基站对移动台的开环功率估计迅速做出纠正，以使移动台 保持最理想的发射功率。 ( 3 ) 前向链路功率控制 在某些移动台位置，前向链路可能处于很不好的接收状态，移动台有很 大的误帧率。移动台在这种情况下可以要求增大基站给它发送的功率。在前向功 率控制中，基站根据测量结果调整给每个移动台的发射功率，其目的是对路径衰 落小的移动台分派较小的前向链路功率，而对那些远离基站的和误码率较高的移 动台分派较大的前向链路功率。 当前向链路功率控制有效时，基站会周期性地降低给移动台发送的功 率。这个过程知道前向链路的误帧率上升时才停止。根据移动台给基站发送帧错 误的数值，基站决定是否增大一份功率。在基站处理这个要求之前，它还要考虑 其他要求以及符合和当前的传送功率。前向链路功率调整要比反向链路功率控制 慢，增长是以帧的时间为单位的。 2 p n 码技术 在c o m a 系统中，伪随机序列或伪噪声( p n ) 序列用于数据加扰和扩谱调制。 在传送数据之前，把数据序列转化成“随机的”或者说类似于噪声的形式，从而 实现数据加扰。接收机把加扰的序列恢复成原始数据序列。如果发送数据序列经 过完全随机性的加扰，接收机就没有办法恢复原始序列。因此，伪噪声序列是用 确定性的方法产生的序列，但它却近似具有随机产生序列所希望的某些关键随机 特性。 在实际应用中，通常要求伪噪声序列满足以下性质： ( 1 ) 容易产生； ( 2 ) 既具有很低的自相关函数，又具有很低的互相关函数； ( 3 ) 具有很长的周期； ( 4 ) 很难由一段短的序列熏构。 目前的c d m a 系统就是采用一种基本的p n 序列一m 序列作为地址码，利用它 的不同相位来区分不同用户，m 序列由线性移位寄存器产生。 3 软切换技术 中山大学硕士论文 所谓软切换是指当移动台需要切换时，先与新的基站连通再与原基站切断 联系，而不是先切断与原基站的联系再与新的基站连通。1 。对于软切换来说，是 否进行切换是一个有条件的选择。根据来自两个或多个基站导频信号强度的变 化，最终确定与其中一个进行通信。这种情况发生在来自一个基站的信号比来自 其它基站的信号强度大许多之后。在过渡时期，用户与所有的候选基站保持业务 信道的通信。软切换的引入大大地改善了切换性能，消除了切换过程中通信的中 断，小区边界处的“乒乓效应”以及切换引入的噪声。 4 交织技术 交织常与重复或编码相结合，是一种防止突发错误的时间分集形式。符号在 进入突发信道传送之前被改变顺序或进行交织。如果传送时发生突发错误，恢复 原顺序就可以在时间上分散错误。如果交织器设计良好，那么错误将会随机地分 布，用编码技术就更容易纠正“。 最常用的交织技术有两类。最常见的类型是块交织。这种方式常在数据分块 分帧的情况下使用，如i s 一9 5 系统。另一类是卷积交织，它对连续数据流来说是 比较实用的类型。块交织很容易实现，而卷积交织有很好的性能。 5 话音编码技术和话音激活技术 由于c d m a 蜂窝移动通信系统是多个用户共同占用同一频带资源。相互之间 通过p n 码区分，因此，同时通话用户数目越多，相互之间干扰就越大3 。在一 定的服务质量下，如果要有效的利用系统资源，那么必须采用相应的措施。现在 通用的方法是采用语音压缩编码及话音激活技术。目前c d m a 系统的话音编码主 要采用码激励线性预测编码( c e l p ) 8 k b i t s 和1 3 k b i t s 。8 k b i t s 的话音编码 达到g s m 系统的1 3 k b i t s 的话音水平甚至更好。1 3 k b i t s 的话音编码已达到有 线长途话音水平。c e l p 采用与脉冲激励线性预测编码相同的原理，只是将脉冲 位置和幅度用一个矢量码表代替。 6 r a k e 接收技术 在c d m a 移动通信系统中，采用r a k e 接收技术是至关重要的。由于在移动 通信中，移动台与基站之间的环境非常复杂，到达接收端的信号不会是一条路径， 而是多径合成信号。对于采用其它技术的移动通信系统，只能采用复杂的抵抗技 术来减弱多径干扰的影响，效果较差。而对于采用了r a k e 接收技术的移动通信 c d m a 无线通信优化r a k e 接收技术的研究 系统，只要路径之间的时延差大于一个p n 码片宽度，就可以采用r a k e 接收技术。 所谓的r a k e 接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调，然后叠加输出达到 增强接收效果的目的，这里多径信号不仅不是一个不利因素，而且变成了一个可 供利用的有利因素。 2 2 多址技术 在许多不同的通信应用中，常要求一个共同的发射媒介能够被许多用户共 享。使用一个信道让多台发射机能够同时发射信息最早可追溯到爱迪生1 8 7 3 年 的同向双工发明。现在，多址通信已经广泛应用于我们的日常生活中。所谓多址 通信，就是允许多个用户同时共享一定的无线电频谱的一种通信方式。1 。 频分多址、时分多址、和码分多址是无线通信系统中共享一定带宽的三种最 主要的多址技术。 1 时分多址( t d 姒：t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 在时分多址中，各用户使用频谱的时间是按照时隙分配的。在每个时隙，只 有一个用户允许发射或接收。这些时隙用一种循环的方式分配给每个用户， 详见图2 - 1 ( a ) 。图2 1 ( b ) 用三维的形式更详细地画出了t d m a 的工作方式。 从图( b ) 可看出，所有用户都共享相同的无线电频谱。在这里，信道实质上 就是时间上分割开的循环重复时隙嘲。 编码 ( 8 ) 给用户循环分配时隙( b ) 每个信道占据循环重复时隙 图2 1时分多址的工作方式 中山大学硕士论文 2 频分多址( f d m a ：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 ) 频分多址是把通信系统的总频段划分为若干等间隔的频道，并分配给不 同用户使用的一种多址技术。在f d m a 通信系统中，要求不同用户的发射信号 相互正交。为了做到这一点，系统中的频道应该互不交叠。为此，通常需要 在各个频道之间插入保护频带。图2 2 用三维图形更形象地画出了f d m a 系统 的工作方式。从图中可以看出，各个用户任何时间都可以发射自己的信号， 但他们使用的频道不同。1 。 1 凰公凰吖 ( a ) 不同用户分配不同颠遭 ( b ) 不同信道被指定不同的频带 图2 2 频分多址的工作方式 3 码分多址( c d m 赴c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 时分多址和频分多址是将信道资源分配给不同用户的传统方法。在t d m a 中，所有用户占用相同的无线电频带，但必须按照不同的时间顺序发射信号。 在f d m a 中，所有用户虽然可同时发射他们的信号，但他们占用的频带不相同。 在时频平面里，这两种多址技术事实上只让一个发射用户占据一个条带，每 个用户本质上是在一种等效的单信道环境工作，以次避免多用户干扰。 码分多址技术依靠不同的编码来划分信道，它给每一个接入地址分配唯 一一个扩谱码进行扩谱调制，不同的用户被分配有不同的码，并且每个用户 的码与其它用户的码是近似正交的，所有接入地址共享同样的频谱。在c d m a 系统中，信号能量连续分布于整个时间一频率平面，许多用户共享相同的频 率和时隙。 c d m a 无线通信优化蚴接收技术的研究 2 3 扩频技术 圈2 - 3 码分多址的工作方式 扩展频谱技术( 简称为扩频技术) 是指这样一种通信技术：被发射的调制信 号在发射到信道之前，其频带被扩大若干倍( 简称扩频) ；而在接收端，接收信 号的频带则被缩小相同倍数( i w 之解扩或缩频) 。如果通信信道不存在某种窄带 ( 相对于扩频带宽而言) 干扰，并且扩频和解扩的带宽相同，那么解扩之后，接 收信号将完全等同于扩频之前的被发射信号，从中我们还看不出扩频的必要性， 因为白噪声下的信号匹配接收，其输出只与信号能量有关，而与信号的波形无关。 然而，当存在窄带干扰时，扩频的必要性便突现出来：由于干扰是在发射信号被 扩频之后才加入的，所以接收端的解扩操作在将期望信号缩回到原带宽的同时， 还会将非期望信号( 即干扰) 的带宽扩频同一倍数，从而使窄带干扰变成了宽带 干扰，减小了其功率谱密度。因此，扩频可以用来减小干扰对接收性能的影响， 实现抑制窄带干扰的目的，并且扩频越宽，窄带干扰的抑制能力就越强。1 。 1 扩频原理 信息论中著名的s h a n n o n 公式指出，信道容量c 一竹l g ( 1 + ) 。其中b 为限频带宽，t 为限时时隙( 一般取1 ) ，以，为功率信噪比，c 为信道容 ，t 量。这一公式表明，对于一个限时( t ) 限频( b ) 限功率( s ) 的连续白噪声高 斯信道而言，其信道容量可形象的用三个主要信号参量所决定的体积来 中山大学硕士论文 表示，如图2 - 4 所示。 图2 4 信道容量c 示意图 由图2 4 可知，三个参量b 、t 和构成了信道容量c 的体积，这表明， 在信道容量c 需要维持不变时，三个参量具有“可塑性”，即三者之间可 以互换。这一辩证关系实质的揭示，为众多新型通信体制的建立打开了 创新之门，扩频通信就是其中一个较典型的例子。 在移动通信中，信噪比是最主要的矛盾，很多新技术的实质就是为了提 高信噪比。s h a n n o n 公式指出：可以利用频带b 来换取信噪比，即在维 持c 不变的情况下，增加频带8 可以降低接收机接收的信噪比门限值 1 9 0 + ) 。这就是扩频通信的基本原理，即牺牲频带来换取信噪比 2 直序扩频码分多址d s c d m a 获得扩谱信号有两门主要技术：跳频( f h ) 和直接序列( d s ) 伪随机噪声扩 谱。两类扩谱信号都应用于目前的无线系统中0 1 。 在直接序列扩谱系统中，正负二进制基带数据波形的符号速率( 1 1 , ) 通过 它与码片速率远大于信号速率( z - n t ) 的伪随机正负二进制波形相乘得以增 加，在概念上如图所示。这种操作的效果是用系数n 扩展信号波形的瞬时带宽， 对于相同信号能量而言，这使得波形频谱密度降得很低而类似噪声。在表示单边 带r f 频谱得图中，扩谱信号功率为e 一4 矽一4 曰，这表明扩谱信号的频谱密度 相对于未扩谱信号以因子4 am w b - 1 n 降低。 c d m a 无线通信优化腿接收技术的研究 扩 基带数据谱 真一， ( a ) 系统的发射机端 乙堕产昏 l 恢复得基带 数据波形 解调后的谱 ( b ) 系统的接收机端 图2 5d s 扩谱系统 在接收端，“解扩”( 与发送端相同得正负二进制扩谱波形相乘) 和解调恢复 了原始基带数据波形，允许接收端滤除大部分宽带干扰。在图2 5 中，假定接收 机前置滤波器接受wh z 的信号带宽，那么它也接受该带宽内的干扰。图中假设 干扰电平0 可能远大于接收到的信号电平( 用4 表示，为简化起见传输损失忽 略不计) 。这表明 n r ) 置f 一4 n oc 1 ，但在解扩后，所需信号的带宽降为其原 中山大学硕士论文 始值b ，而干扰带宽仍为w ，这样在信号带宽内可以用滤波来降低干扰功率，使 得基带数据的s n r 为： ( s n r ) b a s e b a n d 嚣一番= 嚆。等( s n r ) ” ， 使用相乘和滤波( 相关) ，能得到相对于宽带干扰的处理增益n w b 。 对于d s c d m a 系统来说，它有两个主要技术指标：处理增益g 和干扰容限m 。 其中，处理增益n 表示系统解扩后信噪比的改善程度，它等效于发送端码元扩展 的倍数或信号带宽扩展的倍数；干扰容限m 表示系统在正常工作条件下，接收机 输入端所能承受的最大干扰强度。 2 4 无线信道 信道是发射端和接收端之间传播媒介的总称，它是任何一个通信系统不可或 缺的组成部分。按传输媒介的不同，物理信道分为有线信道和无线信道两大类。 有线信道是恒定参数的信道，是平稳的和可预测的，然而无线信道是开放式的、 客观存在的变参量信道，人们只能在充分分析研究其特性的基础上去适应并改造 它。移动通信信道是无线信道的一个子类，它不仅具有所有无线信道的特点，而 且还具有通信用户随机移动性的新特点。 2 4 1 移动信道的特点 信道是信号的传输媒质，概括来说，移动通信信道的主要特点包括： 1 ) 传输信道的开放性； 2 ) 接收点地理环境的复杂性和多样性； 3 ) 移动台的随机移动性。 不同频段的无线电波，其传播方式和特点是不相同的。对于工作在甚高频段 ( v h f ) 和特高频段( u h f ) 的移动通信来说，电波传播的方式主要是空间波，即 直射波、多径反射波，绕射波以及散射波，它们分别具有如下特点嘲： 1 ) 直射波：指在视距覆盖内无遮挡的传播，其信号最强； 2 ) 多径反射波：指从不同建筑物或其他物体反射后到达接收点的传播信 号，其信号强度次之； c d m a 无线通信优化r a k e 接收技术的研究 3 1 绕射波：从较大的山区或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度 与反射波相当； 4 1 散射波：空气中离子受激后电波产生二次发射，经过由二次发射所引起 的慢反射后到达接收点的传播信号，称为散射波，其信号强度最弱。 2 4 2 信号传播的损耗 目前，无线移动通信的矛盾主要集中在以下几个方面： 多址干扰。由于不同用户扩频码的非正交性或异步接入产生的共信道干扰 c c i 也称多址干扰； 阴影衰落。由于地形结构引起的传播损耗表现为慢衰落； 多径效应。由于无线信道中的反射、散射和折射，使得经过传播后的发射 信号通常沿着多个不同的路径到达接收天线，经过不同路径的电波的时延 和衰落是不同的，因此接收信号的幅度和相位随着天线的位置，方向和信 号的到达时间发生变化，表现快衰落，也称多径衰落 多普勒扩展。由于收发信机之间的相对运动，使得接收信号存在 多普勒频移，又由于多径现象，不同的多径分量有着不同的多普 勒频移，从而使接收信号带宽整体被展宽，多普勒频移的大小反 映了信道特性变化的快慢，多普勒频移越高信道变化越快，信号的快衰落 越严重； 延时扩展。由于不同多径分量的不同到达时间，造成接收信号的 时域展宽，时延扩展直接造成接收信号的码间干扰，从而决定了 信道能传输的最高信号速率。 以上因素限制了c d m a 蜂窝无线通信系统的容量、信号质量与覆盖范围等性 能的改善。 2 4 3 三类选择性衰落 无线通信接收信号的相位特性是由衰落过程中的频域特性、时域特性和空域 特性刻画，这些特性分别与多径信号的多普勒扩展、时延扩展和角度扩展有关。 图2 6 示出了这三种扩展“。 中山大学硕士论文 ( 口) ( 婶( c ) 图2 - 6 无线信道的三种扩展 ( a ) 多普勒扩展( b ) 时延扩展( c ) 角度扩展 在实际的移动通信环境中，上述三类选择性衰落都是存在的，它们的形成原 因都是由于多径传播所引起的，但各自的产生条件不同。 时间选择性衰落( 多普勒扩展) 所谓时间选择性衰落，即在不同的时间，衰落特性不同。由于移动用户与基 站之间的相对运动，导致每个多径波都会有一个明显的频率移动，其特点是在信 号的频域上产生多普勒扩散。这种由运动引起的接收信号频率的移动称为多普勒 频移，它与移动用户的运动速度成正比。 多普勒扩展( d o p p l e rs p r e a d ) 是一种由多普勒频移现象引起的频率扩 散，它可以用信道的相干时间( c o h e r e n c et i m e ) 来表征。相干时间z 就是两个 瞬时时间的信道冲激响应处于强相关情况下的最大时间间隔。相干时间越大，信 道变化越慢；反之，相干时间越小，信道变化越快。由于多普勒扩展与相干时间 有关，所以从衰落的角度来看，多普勒扩展引起的衰落与时间有关，故称之为时 间选择性衰落。根据随时间变化的快慢，多普勒扩展又有快衰落和慢衰落之分。 若基带信号带宽比多普勒扩展盯。大，则称为快衰落，反之为慢衰落。若基带信 号带宽比多普勒扩展口。大的多，则多普勒扩展的作用在接收端可以忽略不计。 频率选择性衰落( 时延扩展) 所谓频率选择性衰落，即在不同的频率上，衰落特性不同。多径效应在频域 上将信号的带宽展宽了，此外，多径效应还会在时延上造成信号波形的展宽。为 了说明这一点，我们假设基站发射的是一个时间宽度极窄的脉冲信号。经过多径 氅 刀川r、 心一 c d m a 无线通信优化接收技术的研究 信道后，由于各信道时延的不同，移动用户实际接收到的信号是一串脉冲，即接 收信号的波形比原发射脉冲展宽了。由于这种信号波形的展宽是由信道的时延引 起的，所以我们称之为时延扩展( d e l a ys p r e a d ) 。 时延扩展可以用相干带宽来表征，在多径信道环境下，相干带宽与基带信号 带宽之比越小，信道的频率选择性越强；反之，相干带宽与基带信号带宽之比越 大，信道的频率选择性越弱。若移动无线信道在比发射信号的带宽大得多的带宽 内具有不变的增益和线性相位响应，则接收信号将发生平坦衰落( f l a tf a d i n g ) 。 空间选择性衰落( 角度扩展) 所谓空间选择性衰落，即在不同的地点( 空间) 上，衰落特性不同。接收端 的角度扩展( a n g l es p r e a d ) 指的是多径信号到达天线阵列的到达角度d o a ( d i r e c to fa r r i v e ) 的展宽。同样，发射端的角度扩展指的是多径的反射和散 射引起的发射角展宽。在某些情况下，一路径的到达角d o a 与路径时延是统计相 关的。 角度扩展给出接收信号主要能量的角度范围，产生空间选择性衰落 ( s p a c e s e l e c t i v ef a d i n g ) ，意即信号幅值与天线的空间位置有关。 空间选择性衰落用相干距离( c o h e r e n c ed i s t a n c e ) 描述。相干距离定义为两 根天线上的信道响应保持强相关时的最大空间距离。相干距离越短，角度扩展越 大；反之，相干距离越长，角度扩展越小。 2 5 无线信号传播模型 2 5 1 常用的衰落信道的统计分布 瑞利嘞k i g h ) 分布 当在信道中存在大量的散射体( 即有大量的信号传播路径) 时，应用中心极限 定理，可对信道冲激响应导出高斯过程模型。如果高斯过程的均值为0 ，那么， 在任一时刻信道冲激响应的包络服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布嘲： 肿) 悟州一拶r 2 ( o s ，s * ) ( 2 _ 2 ) 10r 0 中山大学硕士论文 其中盯是包络检波前所接收的电压信号的均方根值，盯2 是包络检波前接收信号 的时间平均功率。 莱斯( r i c e a n ) 分布 当存在一个最强的占主导地位的静态( 非衰落) 信号分量时，如存在视距 l o s ( l i n e o f s i g h t ) 信号路径时，接收信号的包络服从莱斯( r i c e a n ) 分布。 这种情况下，从不同角度随机到达的信号叠加在静态的主要分量上。当占主导地 位的最强分量弱化后，混合后信号的包络将服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布。因此说 瑞利( r a y l e i g h ) 分布是莱斯( r i c e a n ) 分布的一种特例。“。 2 5 2 信号模型 了解了前面介绍的信道特征后，现在我们来讨论移动通信中使用的信号模 型。假定只在基站使用天线阵列，而移动用户只有单个天线，结果共有四种信道 结构“1 。 k 一 ) k k 曰一北 ) 图2 7 发射和接收结构图 厂一 与 二二二二二二一lt i 一 = 二“一 反向链略f s 珊 厂1 z 二二二= = | n ：曰一 ( 1 ) 反向连接的s u s i m o 信号模型 这种信号模型指的是单个用户使用一根天线发射信号，在基站使用多根天线 接收，这是一种单用户单输入一多输出信道结构。由基站的m 个阵元组成的天线 阵列的第1 个阵元接收到的基带信号鼍( f ) 由下式给出： 正 葺( f ) 2 善q f o ( f q ) + 吩( f ) ( 2 - 3 ) c d m a 无线通信优化r a k e 接收技术的研究 式中，l 为多径数目；a i ) 是第1 阵元对于从方向角岛到达的第z 条路径的响应； 口产p ) 为该路径的衰落；q 表示该路径的时延；吩( f ) 是第1 个阵元上的加性噪声； h 0 ) 代表发射的信号，它与调制波形和数据携带的信息有关。 ( 2 ) 反向连接的m u - s i m o 信号模型 这种模型是指多用户情况下，每个移动用户使用单个天线发射，在基站使用 多个天线接收。这些信号到达基站后，通过一天线阵列对它们进行分离。显而易 见，m u s i m o 信号模型是m u - s i m o 信号模型的求和形式。具体说来，若有k 个用 户，则在天线阵列上的合成接收信号是来自k 个移动用户的接收信号之和，即 x ( t ) f f i 善再a p ；o t ( f b ) + n p ) 2 4 式中，a ( 巳) 为第1 个移动用户相对于到达角为b 的路径的阵列响应向量，口o ) 和r 。的含义依次类推。 ( 3 ) 前向连接的s u m i s o 信号模型 这类模型是指在单用户下，基站使用多根天线发射，移动用户则用单根天线 接收。在前向连接中，将该信号与移动用户连接的路径与反向连接中对应的路径 是相同的。不过，用户信号在信号发射到信道之前，需要在发射端作适当的空时 处理。因此，由于基站天线和发射处理的作用，辐射的能量将是带方向的。这样 一来，发射波束的模式将对连接到每个路径上的能量进行选择性加权。如果我们 用一个波束形成的加权向量作单纯的空域处理，则每个路径的发射信号都将等 7 ：u ( t 、，于是移动用户接收到的信号将是不同路径信号之和。所谓单纯的空域处 理，就是使用天线阵元输出的加权之和实现波束形成。移动用户接收到的基带信 号x ( f ) 可写作 x o ) = a ( b 群( t - t ) + ，l