（通信与信息系统专业论文）wcdma系统rake接收算法的研究与改进.pdf

兰州大学硕士学位论文 摘要 w c d m a ( 宽带码分多址) 系统是第三代移动通信系统的实现方案之_ 。 其物理层采用了d s - c d m a ( 直接扩频码分多址) 技术，并且可以根据具体速率 要求选用不同的扩频因子。d s - c d m a 系统通常采用r a k e 接收机对多径信号 进行有效分离、叠加来抑制多径衰落。根据w c d m a 系统具有的特征，适当提 高r a k e 接收机对多径分量的识别率有利于提高系统信噪比，改善接收效果。 r a k e 接收机中路径搜索和信道估计两部分的设计将直接关系到接收机接收性 能的好坏。通过对w c d m a 系统下行链路信道以及其它干扰因素的分析，深入 研究了该系统下行链路r a k e 接收机的路径搜索和信道估计两部分的设计，并 根据现有算法存在的局限性提出了改进算法。 有时多径信号只包含很少的信号能量。因此，r a k e 接收机不需要分集接收 所有的多径信号。而且，由于存在噪声干扰导致错误地选择纯噪声路径。所以， r a k e 接收机支路数的选择要根据信道特性和复杂度来综合考虑。本文分析、比 较了现有的几种路径搜索算法，最后采用一种比较简单的单门限算法，并通过仿 真得到参数最优值。 通常采用的加权多时隙平均( w m s a ) 信道估计算法 1 2 1 ，会增加系统的时 延，而且在信号发射机与接收机之间存在相对运动的条件下，该算法性能就会被 大大降低了。本文提出了一种新的自适应w m s a 信道估计算法。在m a t l a b 7 0 1 环境下仿真，结果显示该自适应算法与传统的w m s a 信道估计算法相比，在更 大范围内具有较好的性能。 关键词：w c d m a ：r a k e 接收机；路径搜索：信道估计：w m s a 兰州大学硕士学位论文 w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) s y s t e mi so n eo fs c h e m e st o r e a l i z et h et h i r dg 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 t h ep h y s i c a ll a y e ro f w c d m as y s t e m a p p l i e sd s c d m a ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a dc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) t e c h n o l o g ya n dt h es y s t e mc a ns e l e c td i f f e r e n ts p r e a d i n gf a c t o r s a c c o r d i n gt os p e c i f i cd a t ar a t e d s - c d m as y s t e mu s u a l l ya d o p t sr a k er e c e i v e rt o e f f e c t i v e l ys e p a r a t em u l t i - p a t hc o m p o n e n t s ，t h e nt oc o m b i n ea g a i n s tm u l t i p a t hf a d i n g i ti sb e n e f i c i a lt oe n h a n c es n r ( s i g n a ln o i s er a t i o ) o ft h e s y s t e mt h a tt h e d i s t i n g u i s h a b i l i t yo fr a k er e c e i v e rs h o u l db ep r o p e r l yi n c r e a s e di nt e r m so f w c d m a s y s t e m sc h a r a c t e r i s t i c s t h e r e f o r e ，t h er e c e p t i o ne f f e c tc a nb ei m p r o v e d t h ep a t hs e a r c ha n dc h a n n e le s t i m a t i o n ，t w op a r t so fr a k er e c e i v e rc a nd i r e c t l y a f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fr e c e p t i o n t h r o u 曲a n a l y z i n gt h ed o w n l i n kc h a n n e lo f w c d m a s y s t e ma n do t h e ri n t e r f e r e n c ef a c t o r sa n dr e s e a r c h i n gt h ed e s i g no fp a t h s e a r c ha n dc h a n n e le s t i m a t i o nf o rd o g 1 i n kr a k er e c e i v e ro fw c d m a s y s t e m ，t h i s p a p e rp r e s e n t e dan e wi m p r o v e da l g o r i t h mb e c a u s eo fc u r r e n ta l g o r i t h m sw i t hs e v e r a l l i m i t a t i o n s o m e t i m e sm u l t i p a t hc o m p o n e n t so n l yc o n t a i nt i n ys i g n a le n e r g y h e n c er a k e r e c e i v e rd o e sn o th a v et oa c c e p ta l l m u l t i p a t hc o m p o n e n t s r a k er e c e i v e rm a y m i s t a k e n l ys e l e c tt h ep a t hm e r e l yw i t hn o i s ed u et on o i s ei n t e r f e r e n c e t h u sr a k e r e c e i v e rm u s ts e l e c t m u l t i p a t hc o m p o n e n t s i nt e r m so fc h a r a c t e r i s t i c sa n d c o m p l e x i t i e so fc h a n n e l s a f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gs o m ep a t hs e a r c ha l g o r i t h m s ， t h ep a p e ru l t i m a t e l ya d o p t e da s i m p l es i n g l et h r e s h o l da l g o r i t h ma n da t t a i n e do p t i m a l p a r a m e t e r st h r o u 曲s i m u l a t i o n ac h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mc a l l e dw e i g h t e dm u l t i s l o t a v e r a g i n g ( w m s a ) c h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h mn o to n l yc a l li n c r e a s et h et i m ed e l a y , b u tt h e p e r f o r m a n c ea l s ow i l lb er e d u c e dw h e nt h e r ej sm o v e m e n tb e t w e e nt h et r a n s m i t t e r a n dr e c e i v e r an e wa d a p t i v ew m s ac h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi sp r e s e n t e di nt h i s p a p e r t h es i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tu n d e rm a t l a b 7 0 1 t h er e s u l ti n d i c a t e st h e - l i 兰州大学硕士学位论文 a d a p t i v ew m s a c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h ms h o w e di nt h i sp a p e rp o s s e s s e sb e t t e r p e r f o r m a n c ei n aw i d e rr a n g eo fa p p l i c a t i o nt h a nt r a d i t i o n a lw m s ac h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h md o e s k e y w o r d s ：w c d m a ，r a k er e c e i v e r , p a t hs e a r c h ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，w m s a i i i 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发 表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明 劲用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：，左垒悫 日 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权 归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的 规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复 制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或 与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州 大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：左垒基导师签名：日期：e t c h d 厶 簏牛i 礁 兰州大学硕士学位论文 1 前言 1 1 移动通信的背景及现状 1 1 1 移动通信的发展及现状 从第一代的模拟蜂窝移动通信系统到第二代的数字模拟蜂窝移动通信系 统，直至今天的2 5 g 和3 g 系统，世界范围内的移动通信网络发生了天翻地覆 的变化。进入2 l 世纪以来，虽然第三代无线通信系统的商业应用由于种种原因 一再推迟，但是人们对于更高通信质量和更丰富通信业务的追求却从来没有停 止。伴随着新世纪的到来，欧美等发达国家纷纷启动了新一代无线通信技术的 研发项目。尽管目前人们对于新一代无线通信系统的需求和应用目标尚未形成 统一的意见，但普遍的看法是新一代无线通信系统应该能够支持更高的峰值信 息传输速率，具有更灵活地支持可变速率、支持更丰富的业务、适应更恶劣的 环境的能力。目前，全球移动通信的发展有以下几个特点： 由于移动通信具有移动性和个性化的特点，因而得到了空前的发展。在许 多发达国家，移动电话的普及率已经超过5 0 ，最高的已经接近9 0 ，用 户趋于饱和，急需新业务来刺激发展；而与之对应的发展中国家，则普及 率较低，发展潜力巨大。 一 在用户数量增加的同时，移动通信运营商针对平均每个用户的收入( a r p u ) 在下降。 目前话音业务仍是主导业务，短消息业务增长迅速，w a p 发展并不理想。 。 虽然普遍看好移动i n t e m e t 业务的发展，但目前在世界范围内仍没有找到所 谓的“k i l l e r a p p l i c a t i o n ”及其运营模式。 移动通信目前处在2 g 2 5 g 技术向3 g 的演进和过渡时期，新技术的优势和 风险同在。由于2 g 2 5 g 规模大、技术成熟，所以向3 g 的过渡必然比第一 代向第二代过渡缓慢，2 g 2 5 g 和3 g 共存在局面将会持续较长时间。 3 g 标准一直处于完善和更新阶段，但在近期形成了较为稳定的版本。 一 一些国家高昂的频谱费用和一些不切实际的管制政策，影响了3 g 正常的发 展。 兰州大学硕士学位论文 世界经济直接影响着移动通信的网络建设和运营。 一 不同阶层的人们对3 g 的发展褒贬不。 以上这些特点，在近期内会对全球移动通信技术的更新和整个业务的增长 带来较大影响。但发展中国家的崛起，欧洲所进行的行业调整( 如运营商合建 3 g 网络基础设施、分担风险) ，以及全球范围内对移动通信业务、应用的研究， 都将缓解和改善这一局面。 我国移动通信发展是从8 0 年代开始的，整个发展过程大致分为三个阶段： 第一个阶段是在9 4 年之前，移动用户发展增长率很高，但绝对数量是很低 的。 第二个阶段是9 5 年到2 0 0 0 年，移动用户绝对数量明显增加，增长率有所 下降。 第三个阶段是2 0 0 0 年到2 0 0 4 年，是移动通信高速发展阶段，用户数量也 处于高速发展的阶段。在2 0 0 4 年移动用户数量超过了固定用户数量。2 0 0 5 年 1 0 月用户总数达到了3 8 3 亿，移动电话普及率达到2 9 1 部百人，已居世界 首位。从2 0 0 0 年以后，0 1 年到0 5 年，移动用户增量都在6 0 0 0 万以上，这个 数量是非常庞大的。 1 1 2 国际上3 g 标准化现状 笫1 代( 1 g ) 商用无线通信系统出现于2 0 世纪8 0 年代初，主要包括模拟 蜂窝和无绳电话系统。随着数字通信技术的发展和用户对高质量无线通信的追 求，从2 0 世纪8 0 年代末开始，无线通信系统发展到了以数字通信技术为代表 的第2 代( 2 g ) 无线通信系统，这些系统由于采用了更先进的数字技术，使得 通信质量、传输效率和系统容量有了很大提高。除了传统的话音业务之外，第 2 代无线通信系统还为用户提供了丰富多彩的数据业务。根据网络结构和所提 供的业务，第2 代无线通信系统包括数字蜂窝系统、个人通信业务( p c s ) 系 统和无线数据网络系统。 人们开发第3 代无线通信系统的目标是建立一个全球统一的通信标准，并 逐步融合和取代现有的第2 代数字蜂窝系统、p c s 系统和移动数据业务。同时， 3 g 系统在语音质量、网络容量以及移动数据的传输速率方面都应该超过2 g 系 兰州大学硕士学位论文 统。从目前的发展来看，3 g 无线通信系统并没有实现所有无线通信网络的统一 以及不同无线网络之间的无缝漫游。根据网络结构和传输速率，3 g 无线网络可 分为3 g 蜂窝网络和由各种w l a n ( 无线局域网) 和w p a n ( 无线个域网) 系 统组成的宽带接入系统，3 g 蜂窝网络可在大区域内为用户提供中低速率的多媒 体业务，w l a n 则在小区域热点地区为用户提供高速宽带业务，w p a n 则为用 户提供个人设备的无线连接。 国际上对3 g 蜂窝系统的研究起源于2 0 世纪8 0 年代中期。早在1 9 8 5 年国 际电联( i t u ) 就提出了3 g 移动通信系统的概念，并成立了专门的组织机构 t g 8 1 进行研究，1 9 9 6 年，u 确定了3 g 蜂窝系统的正式名称i m t - 2 0 0 0 ，其 含义为预期该系统在2 0 0 0 年左右投入使用，工作于2 0 0 0 m h z 频段，最高传输 速率为2 0 0 0 k b i t s 。1 9 9 9 年1 1 月，r r u 最终确定了以w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三大主流技术作为i m t - 2 0 0 0 的标准，并通过了输出文件i t u r m 1 4 5 7 。其中w c d m a 由欧洲和日本提出，c d m a 2 0 0 0 由美国提出，而 t d s c d m a 则由中国提出。表1 - 1 对上述3 种技术的主要参数进行了比较。3 g 技术标准的细节主要由两个国际标准组织3 g p p 和3 g p p 2 根据r r u 的建议 来进一步完成。3 g p p 和3 g p p 2 也在进行面向全p 网络的、支持2 m b p s 以上的 更高分组数据业务的3 g 增强型的标准化工作。此外，i t u 也已经启动了有关 后i m t 2 0 0 0 ( b e y o n d3 g ) 的研究。 表1 - 13 g 系统主要参数比较 系统 w c d m a c d m a 2 0 0 0t d s c d m a 载频间隔 5 m h z1 2 5 m h z1 6 m h z 码片速率 3 8 4 m 鸦片，秒 1 2 2 8 8 m 玛片，秒 1 2 8 m 玛井缈 帧长 1 0 m s2 0 m s 1 0 m s ( 两个子帧) 基站同步爿i 需要需要需要 前向：慢，快速功控 功率控制快速功控：上下行1 5 0 0 h z 0 2 0 0 h z 反向：8 0 0 h z 下行发射分集支持支持支持 频率间切换支持，可用压缩模式进行测量支持支持，可用窀闲时隙进行测量 检测方式 相干解调 相干解调 联合检测 兰州大学硕士学位论文 信道估计公共导频前向、反向导频 d w p c h 、u p p c h 、中间码 编码方式卷积码、t u r b o 码卷积码、t u r b o 码卷积码、t u r b o 码 3 gw c d m a 的研究可以追溯到1 9 8 8 年欧洲进行的高级通信技术研究 ( r a c ei ) 计划。但是直到3 g p p 的建立，才开始真正的w c d m a 技术规范的 制订。3 g p p 针对w c d m a 技术规范成立了如下4 个不同的技术规范组： 无线接入网( r a n ) t s g 核心网t s g 一 业务和系统方面的t s g 一 终端t s g 在这四个组中，与w c d m a 技术最相关的是无线接入网( r a n ) t s g ，这 个t s g 又细分为四个不同的工作组和一个协调组： w g l ：制订空中接口第一层技术规范。 一 w g 2 ：制订空中接口第二层和第三层技术规范。 w g 3 ：制订无线接入网体系结构和接口方面的技术规范。 w g 4 ：确定无线性能参数和射频参数。 一 i t u a dh o c ：对i t u 工作进行协调。 3 g p p 2 则融合了t r 4 5 5 和t r a 的工作，它主要致力于第三代直扩序列 ( d s ) 和多载波模式c d m a 2 0 0 0 技术规范的研究。3 g p p 2 的工作几乎与3 g p p 同步进行，而且两者拥有一部分相同成员，例如，中国的c w t s 既参与了3 g p p ， 又参与了3 g p p 2 。 目前3 g 标准化的一个非常突出的特点是版本多，更新快。但第一阶段的 版本已经基本成熟，第二阶段则正处在探索和变化阶段。 1 1 3 我国3 g 进展情况 我国政府对第三代移动通信采取了积极研究、开发，慎重、稳妥发展的策 略。我国较早地启动了标准化和研究开发工作，为我国的3 g 运营和产业化打 下了一定的基础。信息产业部本着“积极跟进、先行试验、培育市场、支持发 展”的原则，已经组织了第三代移动通信的技术试验。 试验内容涵盖了t d - s c d m a 、w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 三种技术，试验内 兰州大学硕士学位论文 容包括业务功能、性能、成熟性、不同设备间的兼容性及不同系统之间的干扰 等。整个试验分两个阶段，第一个阶段在信息产业部电信研究院的m t n e t 进行 单系统测试，第二阶段在运营商的实际环境和m t n e t 进行，相关试验计划已经 在2 0 0 3 年初完成。 在标准研究方面，我国提出了t d s c d m a 技术且被3 g p p 采纳，除此之外 还向3 g p p 2 提交了l a s c d m a 标准，此标准被3 g p p 2 接纳为c d m a2 0 0 0 单 载波增强型的3 个被选方案之一。l a s c d m a 具有更大的频谱效率，它所使用 的独特的编码技术可降低码间干扰和多径干扰造成的容量损失，因此可以实现 较高的数据传输速率。 我国的移动通信设备制造商本着务实的研发态度，已经成功研制了c d m a 2 0 0 0 移动通信全套系统，并且在中国联通的网络上稳定运行。我国的移动通信 设备制造商在t d s c d m a 、w c d m a 移动通信系统的研制方面也取得了较好 的成绩，有的已经通过了信息产业部的m t n e t 系统测试计划。我们相信，3 g 移动通信系统将在不长的一段时间后，在我国乃至世界范围内逐步走向大规模 商用。 1 2 w c d m a 系统关键技术及特点 1 2 1 w c d m a 核心网方案 目前针对w c d m a 核心网主要提出了三个解决方案。全球范围内第二代系 统的核心网主要是g s m 核心网和i s 4 1 核心网，分别连接g s m 和c d m a o n e c d m a2 0 0 0 无线接入网，这两者都是3 g 系统的可选方案，另一个可选方 案是基于全口的g p r s 核心网。图1 - 1 是3 g 系统( 包括w c d m a ) 无线接入 网与核心网的连接。我国运营商针对w c d m a 将选择g s m 改进的核心网和 g p r s i p 核心网方案。 兰州大学硕士学位论文 图1 - 1w c d m a 无线接入网与核心网的连接 1 2 2 w c d m a 系统关键技术 与传统的f d m a 、t d m a 系统相比，w 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。从某种意义上，可以认为f d m a 、 t d 崎a 是c d m a 的一种特殊形式。但是在复杂的移动通信环境和有限的频谱 资源下，要达到高容量、高质量、高速率的通信，w c d m a 技术需要克服如下 三个因素的影响。 多址干扰。在w 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区 干扰两种。 。 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。一般 来说，这些衰落可以归纳为三类。第一类是由于信号在自由空间传播引起 的损耗和弥散，称为距离衰落或自由空间的路径损失( 也称传输损失) ，衰 落幅度一般与川“成正比，其中d 表示信号传播距离，n = 2 4 ；第二类是 阴影衰落，也叫慢衰落，主要是由于传播环境中的地形起伏、建筑等障碍 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，也口q 多径衰落，每条径上的相位服从【o ，2 ” 上的均匀 分布，根据在信号传播中是否存在直射径，衰落幅度分别服从r a y l e i g h 分 布和r i c i a n 分布，更一般的表达形式是n a k a g a m i 分布。另外，衰落信道是 一个时变信道，这主要是由于终端的移动造成的，一般采用广义平稳不相 兰州大学硕士学位论文 关散射( w s s u s ) 模型描述信道的时变特性，从而得到多谱勒功率谱、多 径弥散长度f 。和多谱勒扩展矗，其中k 。是传输时不产生符号间串扰的最 小符号间隔，而厶表示信道衰落的快慢程度。 远近效应。由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站间的距离也是在 随机地变化，如各移动用户发射功率一样，那么到达基站的信号强弱不同， 离基站近信号强，离基站远信号弱。通信系统的非线性则进步加重，出 现强者更强，弱者更弱和以强压弱的现象，通常称这类现象为远近效应。 远近效应会极大地影响弱信号用户的接收性能。 为了抑制多址干扰、抗衰落、克服远近效应以保证业务质量，w c d m a 系 统采用的关键技术有选择扩频码、智能天线、多用户检测、多载波调制、r a k e 接收、分集、功率控制技术和切换技术。 选择扩频码是一个古老的问题，由于在w c d m a 系统中存在多址干扰和多 径干扰，因此选码的任务是寻找互相关和自相关特性优良的、数量大的码字， 但是理论上已经证明任何已有码字都满足w e l c h 不等式，这表明码字的自相关 和互相关值是对立的两个参数，不存在互相关和自相关都为零的码字。另外， w c d m a 系统的上行链路是异步传输系统，因此选择扩频码不可能完全消除多 址干扰和多径干扰。目前在选码方面还没有重大的突破。同步技术可以在一定 程度上改善码字性能，例如我国提出的t i ) 一s c d m a 方案通过严格的同步限制 绕开了选码的束缚。 智能天线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( 也称波束成形) 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。从这个意义上讲，智能天线可以看作是一种空分多址( s d m a ) 技术， 在移动通信系统中主要用于抑制多址干扰。在进行空域滤波前，般需要估计 有效信号的到达方向，而由于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，经典的有m u s i c 算法、e s p r i t 算法、最大 似然算法等。 兰州大学硕士学位论文 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，然后用一组相应数量的载波调制、叠加发送出去， 其中各子载波保持相互正交。由于多载波调制把信息分散到多个载波上，使得 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平比问题。 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，以达到用户接收信号功率相等。但是功率控制 般只能克服距离衰落和慢衰落，对快衰落的抑制效果不大。 r a k e 接收机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。分集技 术包括空域分集、时域分集、频域分集、宏分集等，其中智能天线属于空域分 集技术，r a k e 接收属于时域分集技术，多载波调制属于频域分集技术。 简而言之，选码和智能天线能够有效地抑制多址干扰，多载波调制和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，切换可以保 证用户的服务质量。 1 2 3 w c d m a 的特点 w c d m a 物理层采用d s c d m a 技术，将用户数据和利用c d m a 扩频码 得到的伪随机序列即码片( c h i p ) 序列相乘从而将用户信息扩展到较宽的带宽上。 可以根据具体速率要求选用不同的扩频因子。 w c d m a 支持f d d i d d 两种双工模式。w c d m a 具有很高的频谱使用效 率。f d d 要求为上下行链路成对分配频谱，而t d d 可以使用不对称频谱供上 下行链路共享，因此从某种意义上说，t d d 可以更节省地使用频谱资源。 w c d m a 支持异步基站操作，网络侧对同步没有要求，因而易于完成室内和密 集小区的覆盖。 w c d m a 采用1 0 m s 帧长，码片速率为3 8 4 m c p s 。其3 8 4 m c p s 的码片速率 要求上下行链路分别使用5 m h z 的载波带宽，实际载波间距的要求根据干扰的 不同在4 4 m h z 5 m h z 之问变化，变化步长为2 0 0 k h z 。对于人口密集地带可选 用多个载波覆盖。其1 0 m s 帧长允许用户的数据速率可变，虽然在1 0 m s 内用户 兰州大学硕士学位论文 比特率不变，但1 0 m s 帧之间用户的数据容量可变。 此外，w c d m a 在上下行链路均利用导频相干检测，扩大了覆盖范围。 w c d m a 空中接口包括先进的c d m a 接收机，它利用了多用户检测和自适应 智能天线技术，这些手段是提高系统覆盖和容量的较好方案。w c d m a 允许不 同q o s 要求的业务进行复用。w c d m a 系统允许与g s m 网络共存和协同工作， 支持系统间的切换。 1 3 本文的主要工作和研究成果 w c d m a 系统是第三代移动通信系统的主导技术之，具有频谱利用率高、 系统容量大，可以提供高速及可变速率的移动数据业务。本文将在对此技术进 行介绍之后，着重研究w c i ) m a 系统下行链路r a k e 接收过程中相关的重要技术， 包括信道估计以及路径搜索。 w c d m a 系统通常采用r a k e 接收机有效地分离多径信号，并对其进行合并， 抵抗多径衰落。在分析了常用的几种路径搜索算法之后，本文采用一种简单的 单门限算法，并通过m a t l a b 仿真得到参数最优值。信道估计精度直接关系到 r a k e 接收性能的好坏，前人已提出的w m s a ( 加权多时隙平均) 信道估计算法不 仅会增加系统时延而且在快速运动条件下会降低性能。本文提出了一种简单的 自适应w i s a 信道估计算法使得r a k e 接收机在移动条件下仍能获得较小的信号 误码率，达到比较好的接收效果。通过计算机m a t l a b 仿真对本文提出的自适应 算法与传统的w m s a 信道估计算法进行比较显示其在更大范围内具有较好的性 能。 1 4 本文的框架 全文共分为五个部分。第一部分首先介绍了移动通信技术发展的背景及其 现状，然后简要介绍了w c d m a 通信系统的关键技术及其特点；第二部分系统 阐述了w c d m a 通信系统的体系结构及物理层技术。第三部分详细介绍了无线 信道的主要特征及r a k e 接收机的基本工作原理：第四部分阐述了r a k e 接收 兰州大学硕士学位论文 机的相关技术，并对路径搜索和信道估计两部分进行深入研究，用一种新的自 适应信道估计算法替代原来的_ | v m s a ( 加权多时隙平均) 信道估计算法，最后通 过m a t l a b 软件仿真显示了它的优越性；第五部分对全文做了总结。 兰州大学硕士学位论文 2 w c d m a 系统体系结构及物理层技术 2 1 w c d m a 系统框架 w c d m a 作为u m t s ( 通用移动通信系统) 的实现，其系统体系结构与大 多数第二代系统甚至第一代系统基本类似。w c d m a 系统包括若干逻辑网络元 素，逻辑网络元素可以按不同子网分类，也可以按功能来划分。 功能上，逻辑网络元素可以分成l i e ( 用户设备终端) 、无线接入网( r a n ) 和核心网( c n ) 。无线接入网也可以借用u n i t s 中地面r a n 的概念，因此又 简称为u t r a n 。其中r a n 处理与无线通信有关的功能。c n 处理语音和数据 业务的交换功能，完成移动网络与其他外部通信网络的互联，相当于第二代系 统中的m s c n l r h l r 。u e 和r a n 采用全新的w c d m a 无线技术规范，而 c n 基本上来源于g s m 。因此，g s m 在全球的广泛应用为w c d m a 无线网络 的发展奠定了一定的基础。 u m t s 也可以分成若干个子网，子网之间可独立工作，又可以协同工作， 因而子网又叫做u m t s 公众陆地移动网( p l m n ) 。不同运营商运营的p l m n 之间可以互通，而且p l m n 网也可以与i s d n 、p s t n 、i n t e r n e t 以及其他数据 网络互通。图2 1 示出了p l m n 网络的体系结构，图中包括p l m n 网络的逻辑 元素、内部元素连接以及与外部网络的连接。 u s i m 黑崮一 i 1 。 川m ei 图2 - 1p l r m 时网络体系结构 下面说明图2 - 1 中的逻辑网络元素。其中u e 包含如下两个部分： 一m e ( 移动设备) 。它是通过空中无线接口u u 与n o d eb 进行通信的无线终 端。 - 1 1 - 兰州大学硕士学位论文 u s i m ( u m t s 用户识别模块) 。它相当于g s m 终端中的s i m 智能卡， 用于记载用户标识，可执行鉴权算法，并保存鉴权、密钥以及终端需要的 预约信息。 r a n 中则包含如下两个部分： n o d eb ( b 节点) 。它是在i u b 和u u 接口之间传送数据的基站( b s ) ，基 站也参与部分无线资源管理。 r n c ( 无线网络控制器) 。它控制辖区内的所有无线资源，是与之相连的 基站( b s ) 的管理者。r n c 是r a n 提供给c n 的所有业务的接入点。 c n 中包含的逻辑网络元素有如下几个： m s c n l r ( 移动业务交换中心访问位置寄存器) 。移动交换中心m s c 和 数据库v l r 为u e 提供电路交换服务。m s c 用于完成电路交换业务，而 v l r 用于保存漫游用户的服务特征描述副本以及u e 在服务系统中精确的 位置信息。通过m s c v l r 连接的外部网络称作c s 域网络。 h l r ( 归属位置寄存器) 。这是一个位于用户本地的系统数据库，它保存 了用户服务特征描述的主备份。这些服务的特征描述包括允许的业务信 息、禁止漫游的地区和补充业务信息( 如呼叫前转状态和呼叫前转数量) 。 此数据库在新用户向系统注册入网时为用户创建初始化数据，创建后的数 据在用户接收服务期间始终存在。为了给呼入的用户找到路由并连接到目 的u e ，h l r 还在m s c v l r 和s g s n 中保存u e 的位置信息。 g m s c ( 移动业务交换中心网关) 。这是u m t sp l m n 与外部c s 域网络连 接处的交换设备，所有呼入和呼出的c s 连接均需要经过g m s c 。 s g s n ( 服务g p r s 支撑节点) 。它与m s c v l r 的功能类似，只不过它仅 用于分组交换( p s ) 业务。通过s g s n 连接的外部网络称作p s 域网络。 g g s n ( g p r s 支撑节点网关) 。它与g m s c 的功能类似，不过它仅用于分 组交换( p s ) 业务。 图2 - 1 中的外部网络包括如下两个部分： c s 域网络。它提供电路交换如现有电话业务的连接。c s 域网络包括p s t n 和i s d n 等。 p s 域网络。它提供数据分组交换如现有数据上网业务的连接。p s 域网络 兰州大学硕士学位论文 包括i n t e m e t 和x 2 5 等。 3 g p p 规范并没有对上面描述的逻辑网络元素的内在功能作具体详细地说 明，但是对逻辑网络元素之间的一些接口作了详细定义。p l m n 网络主要的开 放接口如下： c u 接口：它是u s i m 智能卡和m e 之间的电子接口，遵循智能卡的标准 格式。 u u 接口：它是w c d m a 的无线接口，是i y e 终端接入系统固定网络的必 需接口。u m t s u u 接口的开发性可以保证不同制造商设计的u e 终端可以 接入其他制造商设计的r a n 中。 i u b 接1 3 ：它是连接n o d eb ( 基站) 与r n c 的标准开放接口。制订开放 的i u b 接口就是为了保证不同移动通信设备制造商生产的n o d e b ( 基站) 和r n c 之间可以互联互通。这样使运营商单独购置n o d e b ( 基站) 和r n c 设备成为可能。 一 i u r 接口：它是r n c 之间的接口，开放的l u r 接口允许不同设备制造商生 产的r n c 之间可以进行软切换。 ， i u 接口：它是连接r a n 与c n 之间的标准接口，类似于g s m 网络中的a 接1 3 ( 电路交换) 和g b ( 分组交换) 接口。开放的i u 接口允许运营商购 置不同设备制造商生产的r a n 和c n 设备铺设网络，这样有利于造成设 备制造商之间的竞争。开放的a 接口和g b 接口也是g s m 成功的原因。 2 2 w c d m a 物理层技术 物理层特指无线接口协议中的第一层。在无线接口协议结构中，物理层与 其它层的关系如图2 - 2 所示。无线接口一般指用户设备( u e ) 和网络之间的 u u 接1 3 。无线接口由层1 、层2 和层3 组成。层1 基于w c d m a 技术，3 g p p t s 2 5 2 0 0 系列完整地描述了层1 的规范。无线接1 3 的层2 和层3 的描述分别在t s 2 5 3 0 0 和t s2 5 4 0 0 系列中。 兰州大学硕士学位论文 层3 层2 层1 逻辑信道 传输信道 图2 - 2 有关物理层的无线接口协议结构 传输信道是由物理层提供给层2 的信道，它用于在层1 对等实体之间传送 数据。通过对在物理层上的数据以何种特性和何种方式进行传输来定义不同类 型的传输信道，例如是使用专用的或公共的物理信道。传输信道一般分为两类， 即专用传输信道和公共传输信道。 ( 一) 专用传输信道 专用传输信道使用u e 的内在寻址方式。w c d m a 仅存在一种专用传输信道， 即专用信道( d c h ) 。是在移动台和网络之间用来承载用户或者控制信息的上 下行信道，它支持快速功率控制、分集技术和软切换。 ( 二) 公共传输信道 w c d m a 支持六类基本的公共传输信道，另外，r 5 版本中新增了高速下行共 享信道( h s d s c h ) 。 ( 1 ) 广播信道( b c h ：b r o a d c a s tc h a n n e l ) 广播信道是下行传输信道，用来广播发送系统或小区特定的信息，在整个 小区内发射，并且有一个单独的传输格式。 ( 2 ) 前向接入信道( f a c h ：f o r w a r da c c e s sc h a n n e l ) 前向接入信道是下行传输信道，当系统确知移动台所在的小区位置时，用 来承载发送到移动台的控制信息，同时也承载短用户分组数据。f a c h 使用慢速 功控。 ( 3 ) 寻呼信道( p c h ：p a g i n gc h a n n e l ) 寻呼信道是下行传输信道，当系统不能确知移动台的小区位置时，用来承 载对移动台的控制信息。p c h 总是在整个小区内进行发送。p c h 的发射与物理层 兰州大学硕士学位论文 产生的寻呼指示的发射是相随路的，以支持有效的休眠模式过程。 ( 4 ) 随机接入信道( r a c h ：r a n d o ma c c e s sc h a n n e l ) 随机接入信道是上行传输信道，用来承载来自移动台的控制信息。r a c h 总 是在整个小区内进行接收，它的特性是带有冲突检测，并使用开环功率控制。 ( 5 ) 公共分组信道( c p c f l ：c o m m o np a c k e tc h a n n e l ) 公共分组信道是上行传输信道，是基于竞争的用于突发数据业务传输的随 机接入信道。c p c h 与一个下行链路的专用信道相随路，该专用信道用于提供上 行链路c p c h 的功率控制和c p c h 控制命令( 例如，紧急停止) 。c p c i t 的特性是 带有冲突检测和使用内环功率控制。 ( 6 ) 下行共享信道( d s c h ：d o w n l i n ks h a r ec h a n n e l ) 下行共享信道是由多个用户设备( u e ：u s e re q u i p m e n t ) 共享的下行链路传 输信道。d s c h 与一个或几个下行d c h 相随路。d s c h 在整个小区内发射或者使 用波束成形天线在一部分小区内发射。 ( 7 ) 高速下行共享信道( h s d s c h ：h i g hs p e e dd o w n l i n ks h a r ec h a n n e l ) 高速下行共享信道是下行传输信道。小区中的多个u e 可以同时接收同一 个h s - d s c h 上的信息。h s d s c h 必须与一个d p c i l 或者高速下行共享控制信道相 随。h s d s c h 的发射方式与d s c h 类似。 传输信道将通过相应的方式映射到相应的物理信道。物理信道资源是码 频率平面。例如：在上行链路，不同的信息将在i q 分支上传送因此，一个物 理信道对应一个特定的载波频率、码和相应的相位。物理信道一般由超帧