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w c d m a 通信系统中的信道估计技术研究 摘要 信道估计技术是w c d m a 移动通信中非常重要的一项技术，它是相干r a k e 接收机的关键部分。它的性能好坏直接影响到接收机的误比特率。尽量精确地估 计信道参数是提高系统性能的有效办法。- i 本论文深入而完整地讨论了w c d m a 移动通信系统中的信道估计技术，对 信道估计误差的本质和如何降低信道估计误差的原理和方法作了较为统一全面 的分析，提出了自适应的信道估计方案。主要内容包括： 论文描述了w c d m a 通信系统的与信道估计紧密关联的物理层帧结构，给 出了系统的发射信号模型、信道模型和接收机的详细结构。眍是深入掌握信道估 计的基础。接着详细推导了在多径瑞利衰落信道下数据解调的完整过程、信道估 计误差的来源和本质以及系统的误比特率性能，同时分析了导频和数据信道的功 率比对系统性能的影响。十 论文还给出了对上行和下行信道估计中用到的各种内插和滤噪的算法，对它 们的适用性和性能进行了探讨，从频域上分析了信道估计的本质，提出了自适应 区间长度的滑动平均和自适应f i r 滤波器系数的信道估计算法。 呛文对各种算法进行了仿真和分析比较，表明了自适应信道估计算法在不同 衰落条件下具有优良性能。寸 关键词：w c d m a 宽带码分多址巧信道估计；滑动平均i 滤波器；内抵， 第三代移动通信系统 l 滋。，、蕊蠢； r e s e a r c ho nc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u e so fw c d m a c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a b s t r a c t c h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u ei s o n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt e c h n i q u e s i n w c d m am o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h ec h a n n e le s t i m a t i o ni st h ek e yp a r to f c o h e r e n td e m o d u l a t i o nr a k er e c e i v e r i t sp e r f o r m a n c eh a sad i r e c te f f e c to nt h eb e r p e r f o r m a n c eo fs y s t e m h o w t oe s t i m a t ec h a n n e lp a r a m e t e r sa c c u r a t e l yt ot h eb e s to f o n e sa b i l i t i e si sav e r y i m p o r t a n tw a y t oi m p r o v et h es y s t e m p e r f o r m a n c e t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e dt h ec h a n n e le s t i m a t i o n t e c h n i q u e s o fw c d m a c o m m u n i c a t i o ns y s t e m si ns o m ed e p t ha n db r o a d n e s s i tc a r r i e so u tac o n s o l i d a t ea n d c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s o ft h ec h a n n e le s t i m a t i o ne r r o ra n dp o s s i b l em e t h o d st o r e d u c et h ee l t o r e s p e c i a l l yi tp r e s e n t e da na d a p t i v ec h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m e t h e m a i nc o n t e n ti n c l u d e ： t h ef r a i t l es t r u c t u r eo fp h y s i c a lc h a n n e lc o n c e r n e dw i t hc h a n n e le s t i m a t i o ni n w c d m a s y s t e mi sp r e s e n t e d t h et r a n s m i t t e rm o d e l c h a n n e lm o d e la n dd e t a i l e d r e c e i v e rs t r u c t u r e a r ea l s od e s c r i b e d t h e s ea r ef u n d a m e n t a l so ft h ec h a n n e l e s t i m a t i o n f o l l o w i n gt h a t ，t h ew h o l ed a t a d e m o d u l a t i o np r o c e s s ，t h en a t u r eo f c h a r m e le s t i m a t i o ne r r o ra n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei nm u l t i - p a t hr a y l e i g hf a d i n g c h a n n e la r ed e d u c e d s i m u l t a n e o u s l yw ea n a l y z eh o wt h ep o w e rr a t i oo f p i l o tc h a n n e l t od a t ac h a n n e la f f e c t ss y s t e mp e r f o r m a n c e t h i sd i s s e r t a t i o na l s op r e s e n t sk i n d so f i n t e r p o l a t i o na n df i l t e r i n gn o i s em e t h o d s a n di ts t r e s s e so nt h ea p p l i c a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c eo ft h e s em e t h o d s w ed i s c u s s e d t h en a t u r eo fc h a n n e le s t i m a t i o nf i o mf r e q u e n c yd o m a i n ，w h i c hl e a d st oab e t t e r u n d e r s t a n d i n go f a d a p t i v em e t h o d so f c h a r m e l e s t i m a t i o n m a n yc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sa l e s i m u l a t e da n da n a l y z e di nt h e p a p e r s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ea d a p t i v es c h e m e sa l ev e r ya t t r a c t i v e k e yw o r d s ：w c d m a ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，m o v i n ga v e r a g i n g ，f i l t e r , i n t e r p o l a t i o n ，t h i r d - g e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m t ；- 蜒i w c d m a 通信系统中的信道估计技术研究 第一章绪论 笫一章绪论 本章简要介绍了移动通信近年来的发展以及扩频和c d m a 通信的基本原理。说明了论 文的研究背景和主要内容。 1 1 移动通信的发展 信息化是当今世界发展的重要主题。2 0 世纪8 0 年代以来，信息产业一直是发展最快的 产业。作为信息产业支柱之一的移动通信产业，在2 0 世纪9 0 年代得以飞速发展。 第一代移动通信主要采用模拟技术，如美国的a m p s ，英国的t a c s ，瑞典的n m t - 9 0 0 ， 日本的h c m t s 等。随着用户数的剧增，模拟蜂窝系统逐渐暴露出许多不足之处，如频谱利 用率低、保密性差、系统容量小、话音质量差等。为克服上述缺陷，第二代移动通信系统主 要采用数字技术，多址方式为时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 。t d m a 数字蜂窝移动 通信系统早已进入商用阶段，主要有三种制式。第一种是欧洲电信联盟建议的泛欧数字移动 通信系统( g s m ) ，其目的是将欧洲第一代各种互不相容的模拟系统统一成一数字系统，g s m 系统是目前发展最为成熟的一种数字系统，具有频带利用率高、成本低、保密性好、可全世 界漫游等优点。第二种是美国电信工业协会f l u ) 提出的基于i s 一5 4 标准的d a m p s 系统。 它主要解决现有模拟系统容量不足的问题，是对原有模拟系统( a m p s 系统) 的合并与增强， 其基本原则是进行数模兼容。d a m p s 系统的双模式手机和双模式基站已投入商用。第三 种是日本的j d c 系统，其技术与i s 5 4 接近，频带利用率略高。 1 9 9 2 年美国q u a l c o m m 公司推出了一种全新的数字蜂窝移动通信系统，该系统采用直 接扩频码分多址技术。9 0 年代初的研究表明，通过使用纠错技术可容忍扩频解调输出信噪 比的降低，从而增大扩频通信的多址能力，再加上语音激活、天线扇形分区、同一频率小区 重复利用等技术，c d m a 系统的容量可达到t d m a 通信系统容量的4 - 6 倍【2 4 j ，模拟通信系 统容量的1 0 2 0 倍【2 4 】，而前向纠错技术和语音激活技术不能提高t d m a 通信系统的通信容 量。这些技术的提出对扩频技术应用于个人通信网是一个强有力的推动。 虽然c d m a 有如此好的优点，但是实现一个c d m a 蜂窝通信系统却是十分复杂的技术 工程，因此当1 9 9 2 年美国q u a l c o m m 公司推出了一种全新的采用c d m a 技术的数字蜂窝移 动通信系统时，受到了许多人的质疑与攻击，但是在经历了几年成功的现场实验和商业试运 行后，c d m a 开始被全世界的专家和技术人员所承认和接受。第一个c d m a 商用网络于1 9 9 5 年9 月在香港开通。虽然在过去几年我国存在c d m a 网的试运行p ，但是规模较g s m 网 而言，几乎可以忽略。2 0 0 0 年2 月1 6 日，中国联通公司和q 讪o m m 公司在北京正式签订 了c d m a 知识产权的框架协议，就长期以来制约中国发展c d m a 的知识产权问题达成共识， 为中国联通c d m a 网的建设扫清了道路。该协议的签订引起了国内以及世界通信界的广泛 关注，有可能改变世界c d m a 市场的格局，同时也意味着中国c d m a 产业和市场的真正来 临。 从第一代的模拟制式到第二代的数字制式的移动通信系统，移动通信走过了从贵族化到 平民化的转移。移动通信的用户数量增长迅速，1 9 8 5 年全球移动电话用户为5 5 3 万户，1 9 9 7 年为2 亿户，2 0 0 1 年底已经达到9 5 亿左右p q 。中国移动用户已经达到1 5 亿左右，成为移 动用户最多的国家。 随着移动通信的发展和移动电话用户数的增长，单靠现有技术、现有系统以及现有频段 的第一代和第二代移动通信系统已不能适应移动通信的发展规模和移动电话用户增长速度 的需求。另外，仅仅通话的通信技术已不能满足人们对信息交流的需要，人们希望能随时随 地获取除语音之外的数据、视频和图像等多媒体业务信息，这些都要求寻求频谱利用率更高 的技术，寻求通信量更大的移动通信系统，这极大地推动了第三代移动通信系统地研究和发 中用科学技术大学硕士学位论文 ，努 w c d m a 通信系统中的信道估计技术研究 第一章绪论 展。 第三代移动通信系统最早于1 9 8 5 年由总部设在日内瓦的联合国标准化组织国际电 信联盟( i t u ) 提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，1 9 9 6 年更名为国 际移动通信- - 2 0 0 0 ( i m t - - 2 0 0 0 ) ，意即该系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，最高业务速率可以达 到2 m b s 。与第代、第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统的主要特征是可以提 供移动多媒体业务，包括高速移动环境( f d d ：5 0 0 k m h ，t d d ：1 2 0 k m h ) 中支持速率为 1 4 4 k b i f f s 的业务，步行慢速移动环境( 3 0 k i n h ) 中支持速率为3 8 4 k b i f f s 的业务，室内环境 ( 3 k m h ) 支持速率达到2 m b i 讹的业务。 国际电联i n j 自1 9 9 7 年开始征集i m t 2 0 0 0 无线传输技术( r t t ) 方案，截止到1 9 9 8 年6 月3 0 号，提交到i t u r 的r 1 广r 技术共有1 6 种，其中包括1 0 种地面技术和6 种卫星技 术。从l o 种候选技术看，有8 种为c d m a 技术，这表明宽带c d m a 技术是第三代移动通 信的主要技术。在经过详细的技术评估、研究分析及大量的协调和融合工作之后，2 0 0 0 年5 月i t u - - r 2 0 0 0 年全会批准并通过了i m t2 0 0 0 的无线接口技术规范( r s p c ) 建议，它分 为c d m a 和t d m a 两大类共5 种技术，即： 两种t d m a 模式：u w c l 3 6 ( f d d ) 和e _ 一d e c t ( t d d ) ； 两种c d m a f d d 模式：3 g p p ：d sc d m a 和3 g p p 2 ：m cc d m a ： c d m a t d d ：包括t d s c d m a 和u t r a t d d 。 其中主流技术为以下三种c d m a 技术： i m t 2 0 0 0c d m a d s ，即w c d m a ，它是在宽达5 m h z 的频带内直接对信号进行扩频； i m t 2 0 0 0c d m a m c ，即c d m a 2 0 0 0 ，它是由多个1 2 5 m h z 的窄带直接扩频系统组成 的一个宽带系统； i m t 2 0 0 0c d m at d d ，目前包括中国提出的t d s c d m a 和u t r at d d ( t d c d m a ) 。 第三代移动通信系统要求最大程度地利用频带，在提供大容量传统业务的同时，支持高 质量和多速率的多媒体业务，能运行在多种通信环境和多种通信网络中。这样的移动通信系 统的实现需要各种强有力的技术支持，本论文研究的信道估计技术是其中之一。 1 2c d m a 通信技术 码分多址是采用扩展频谱技术的一种多址方式，不同用户传输信息是由相互正交的伪随 机序列来区分。用户数据通过伪随机序列扩展为宽带低功率信号接收端采用相关处理的方 法，将宽带信号恢复成窄带的基带信号，从而解调出用户数据。下图给出了一个典型的c d m a 通信系统模型。 图1 1 一个典型的c d m a 通信系统 码分多址技术利用正交伪随机序列来实现多址通信。这些扩频伪随机序列是相互正交或 接近正交的，因此各用户间的影响很小，从而实现在n - - 极宽的频带内传输不同用户的信息， 实现多址通信。接收端作相关接收时不同用户间的干扰称为多址干扰。 中田科学技术大学硕士学位论文 蕊瓤蕊 2 w c d m a 通信系统中的信道估计技术研究 第一章绪论 基于码分多址技术的蜂窝通信系统具有优越的性能： c d m a 采用宽带噪声式传输信号，其抗干扰、抗多径衰落、抗阴影效应、抗多普勒 效应能力比其他多址方式强。 c d m a 系统在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多，信号频谱扩 展得越宽，功率谱密度越低，信号越隐蔽，因而可以与许多现有通信系统在同一频带上共存。 c d m a 系统应用地址码相关特性获取信息，因而它的防止截获能力和抗干扰能力强。 c d m a 系统有软容量特点，系统忙时通话用户增多，信噪比下降，通信质量降低； 系统空闲时通话用户减少，通信质量上升。 越区软切换，系统不必进行频率管理。由于c d m a 系统各小区采用同一频率，当移 动台在小区间漫游时，不需要像f d m a ，t d m a 那样重新分配频率资源和倒换时隙，也不 需额外配置硬件，是软切换。 为了充分体现c d m a 技术的这些特点，在技术上通常采用以下措施予以支持： 功率控制技术； 分集技术，包括空间分集、频率分集、时间分集和路径分集； 采用可变速率编码器；语音激活、插空技术。 1 3 论文的研究背景 中国在进行第二代移动通信系统研究中由于起步晚、市场发展快，明显处于被动地位， 使得外国公司得益非浅。在第三代移动通信系统的研究开发中，我国必须抓住时机，采取积 极主动的方式，把第三代移动通信系统产业打好基础。于是经国务院批准，科技部、信产部 联合组织实施了面向未来无线通信市场的国家重大研究开发项目中国第三代移动通信 系统研究开发项目( 简称c 3 g ) 。c 3 g 研究开发工作子1 9 9 8 年1 1 月正式启动，其总体目 标是在2 0 0 1 年初，通过自主科研开发拥有一批核心专利技术，完成w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 现场实验系统，2 0 0 2 年底前完成包括芯片在内的三种商用系统的研制和小批 量生产，为制定我国的第三代移动通信体制标准提出建议。c 3 g 项目分别列入了科技部8 6 3 计划重大产业化项目和信产部重大研究开发项目。 本论文作者自从在个人通信与扩频实验室攻读硕士研究生以来，在朱近康教授的指导 下，参加了多项c 3 g 科研项目，其中多数是有关w c d m a 的系统设计和开发。 由于基于辅助导引信号的相干解调通信系统相比非相干解调的系统，可以获得约2 5 d b 的净增益【l ”，所以与第二代i s 9 5 系统只在下行采用相干解调不同，第三代移动通信系统中 上、下行链路都采用导引信号，使得在前向和反向链路中都可以采用相干解调，通过对各个 路径信号的相位作出估计后，消除相差影响。将接收的是所有路径能量相加，提高信道解码 的输入信噪比，进而提高系统容量。 信号经过多个路径传送到接收机时，由于不同路径的时延不同，对信号幅度、相位的影 响也不相同。对于c d m a 系统，各个路径信号的时延可以从同步跟踪模块获取。如果不采 用信道估计，而将相关累加器或者匹配滤波器的输出直接合并，各项累加的结果可能不会使 输出最大，甚至有可能使输出最小印1 。在相干r a k e 接收上，合并加权因子由非相干r a k e 接收中实数变为考虑到残留相位影响的复数。信道估计技术的目的就是设法获得这个复数加 权因子的估计值，只有这样才体现出对相位误差的消除。为消除相位误差而进行的信道估计 是通过对导引符号进行适当操作而得到的。 导引符号的发送方式有两种：时分导频和连续导频。由于发送导频信号要占用无线信道 资源，所以从系统优化的角度而言，我们应该使每个用户的导频信号的发送功率尽量低，数 据信道的发射功率尽量高，但是由于低功率的导引信号往往会导致质量差的信道估计，那么 就会降低系统容量。所以我们应该寻找一个合适的导频信号与数据信道功率比是非常重要 的。另外如何利用导频符号设计适当的算法使信道估计在不同的环境下具有广泛的适应性和 精确性是w c d m a 通信系统中一个关键不可或缺的部分，也是关系到系统性能好坏的一项 重要技术。通过参加具体的科研项目和广泛的文献阅读，我逐渐对w c d m a 通信系统中的 信道估计技术产生浓厚的兴趣，并把它作为一个重要的研究方向，本论文是作者在研究生阶 段的学习成果的总结。 中国科学技术大学硕士学位论文 ，i ： 凌： ， w c d m a 通信系统中的信道估计技术研究 第一章绪论 1 - 4 论文的主要内容 本论文共有五章。 第一章简要介绍了移动通信的发展和c d m a 通信技术的基本原理。说明了论文的研究 背景和主要内容安排。 第二章阐明了w c d m a 中与信道估计和数据解调有关的上下行物理层帧结构、发射模 型、信道模型和接收机结构，详细推导了信道估计误差的来源，给出了信道估计误差与误比 特率关系的理论表达式，分析了影响误比特率的各种参数。 第三章给出了各种信道估计的方法，内插算法包括简单复制、线性内插和高次内插等； 降噪算法包括滑动多符号平均、加权平均，在频域上分析了信道估计算法的本质后，作者给 出自适应区间长度的滑动平均和自适应f i r 滤波器系数的信道估计算法。 第四章给出了各种方法的性能仿真，对各种算法在不同条件的性能进行了比较，同时与 第二三章的理论分析进行了对比，自适应信道估计算法在不同衰落条件下的优良性能得到体 现。 第五章结束语，对全文进行了总结。 中国科学技术大学硕士学位论文 适瓿。熬， 4 w c d m a 通信系统中的信道估计技术研究第二章w c d m a 系统的物理信道帧结构和r a k e 接收模型 第二章w c d m a 系统的物理信道帧结构和r a k e 接收模型 2 - 1w c d m a 系统主要参数 w c d m a 是一个采用宽带c d m a 技术的蜂窝移动通信系统 2 5 - 2 7 】，下表列出了其主要的 系统参数： 1 9 2 0 1 9 8 0 m h z ( 上行) 工作频带 2 1 1 0 2 1 7 0 m h z ( 下行) 射频信道间隔5 0 k h z 2 1 1 0 + n + 0 0 5 m h z ( 下行1 射频信道中心频率 1 9 2 0 + n + 0 0 5 m h z ( 上行) 发信输出功率1 0 w ，可由o m c 控制 射频信道带宽5 m h z 双工方式f d d 双工间隔1 9 0 m h z 调制解调类型 q p s k 频率稳定度 0 0 5 p p m 接收信号动态范围一6 5 d b m 至一1 1 7 d b n l 发信a p c 范围范围3 0 d b ，步进l d b 基带码速率 3 8 4 m c p s 扩频方式d s - q p s k 帧长度1 0 m s 信息数据速率 3 4 3 2 6 4 1 2 8 2 5 6 3 8 4 k b p s 基带滤波衮降系数o ，2 2 的根升余弦滤波器 速率匹配码元穿刺和非一致重复 信道编码卷积码和t u r b o 码 表2 0 1w c d m a 系统主要参数 w c d m a 的无线空中接口有三层协议：网络层，数据链路层和物理层。我们感兴趣的 信道估计发生在物理层。因此描述系统模型时，我们将只给出与信道估计有关的物理信道的 组成与结构。系统的信道分下行信道( b a s es t a t i o n m o b i l es t a t i o n ，也称前向链路) 和 上行信道( m o b i l es t a t i o n - - b a s es t a t i o n ，也称反向链路) 。 2 - 2w c d m a 上行信道系统模型和性能 我们首先介绍w c d m a 上行信道的物理层帧结构，然后给出了信道模型和接收机结构。 最后我们在主体部分给出了信道估计误差和性能的详尽理论分析。 2 - 2 - iw c d m a 上行物理层结构 有两种类型的上行专用物理信道，上行专用物理数据信道( d p d c h ：d e d i c a t e dp h y s i c a l d a t ac h a m l e l ) 和上行专用物理控制信道( d p c c h ：d e d i c a t e d p h y s i c a lc o n 灯o lc h a n n e l ) 。在每 中田科学技术大学硕士学位论文 j、基： w c d m a 通信系统中的信道估计技术研究第二章w c d m a 系统的物理信道帧结构和r a k e 接收模型 帧内d p d c h 和d p c c h 是i q 码复用的。d p d c h 用于传送数据比特信息，d p c c h 用于传 送物理层的控制信息。它包括用于相干检测的信道估计的已知导频比特( p i l o t ) 、传输功 率控制( t p c ) 、反馈信息( f b i ) 和一个可选的传输格式组合指示( t f c i ) 。w c d m a 上行 数据信道帧结构如图2 - 0 1 所示， 啪c h 二二二二二 盏二二二二 d p c c h p i l o tt f c i f b it p c i n h b i t sn t f c ib i t sn f b ib i t s n t p c b i t si 1 2 5 6 。c “i p 5 i ! ：7 s l o t 拌os l o t 群1 ls l o t # i ls i o t # 1 4 i lll 图2 0 1 上行专用物理数据信道专用物理控制信道的帧结构 接下来的物理信道的基带调制包含两个操作。首先是信道化操作，它用许多码片来传送 每个数据符号，因而增加了信号带宽。每个数据符号所包含的码片数称作扩频因子( s f ) 。 第二个操作是乘以扰码的操作。数据信道和控制信道分别乘以不同的正交可变扩频因子 ( o v s f ) 码用于信道化，接下来的i 路和q 路的信号乘以复值扰码，i 路和q 路分别表示 实部和虚部。如图2 一0 2 所示，e 和c ：分别是d p c c h ( q 路) 和d p d c h ( i 路) 的信道 化o v s f 码，产生方法如图2 - 0 3 所示，屈和局分别是d p c c h 和d p d c h 信道的幅度因 子，s “是d p c h 信道的复扰码，产生方法参见 2 8 】。基带扩频调制后的数据点如图中的s 点，接下来的s 点的信号送到图2 0 4 中完成最终的上行信道的调制。 o db d d d c c 1 3 。j 图2 - 0 2 上行专用物理控制信道和专用物理数据信道的扩频 中国科学技术大学硕士学位论文 慧豢_ ；美i 6 w c d m a 通信系统中的信道估计技术研究 第二章w c d m a 系统的物理信道帧结构和r a k e 接收模型 s f = 1s f = 2s f = 4 扩频后的复 值码片序列 图2 0 3 产生正交可变扩频因子( o v s f ) 码的码树 c o s ( c o t ) 图2 0 4 上行调制 - s i n ( ( o t ) 2 2 2w c d m a 上行发射信号模型 根据以上对上行物理层结构的描述，那么第k 个用户的发射信号可以写为 其中 e d i g t d t ( m ) 墨( f ) = 、z i 【b 劬) q ，。( n ) o ) 一麻( m ) e ，。( 一) ( n ) h ( t n 正) c o s ( f + 噍) 一i i 妻 q ( 埘) g ，( n ) ( n ) + ；忑咖) c c 。( n ) 毋( ”) - h ( t n t 。) s i n ( o o t + 九) 数据信道的每码片能量 控制信道和数据信道的功率分配比，即图2 - 0 2 中泡局) 2 第k 个用户的d p d c h 符号； 中嗣科学技术大学硕士学位论文 ：。二i i 涵茁懑。| ； ( 2 叭) 7 、： 兰墨里坚垒望笪墨竺堕笪望鱼生垫查竺壅 笙三兰! 曼里坚垒墨竺塑塑里堕| 苎塑堕塑塑垦型堡皇型! 堡兰 g ( ) 第七个用户的d p c c h 符号 n 的整数部分，也就是m = 【n n n扩频凼于； 丸 载波相位； e 女( h ) 和q i ( n ) d p c c h 和d p d c h 信道各自的信道化o v s f 码： s ，( h ) 和( ) 扰码的实部和虚部，即s d p “= s a n ) + 妈( ) ； h ( t 1 脉冲成型滤波器的冲激响应，在3 g p p 协议中规定为滚将系数为0 2 2 的根升余弦滤波器【2 6 】，在实际系统实现时用截断长度为a l 的窗实 现，这里a 1 ，c 是码片周期。 假设f a + i ) t c 2h2 ( t ) d t ：1 ，发射信号的功率是 j - r a - i ) t e 2 只= ( 1 + g , ) e d t t = e t ( 2 0 2 ) 这里巨是第膏个用户d p d c h 和d p c c h 信道的每码片能量之和。 2 2 3 信道模型和接收机结构 多径衰落信道的等效复低通冲激响应可以写为 h k ( f ) ：芝j ( f ) 万 卜q 脚】p 刖f ) ( 2 0 3 ) 其中l ( l 1 ) 是可分辨的传播多径数目，为了表示方便我们假设所有用户的多径数目相 同，a i f ( f 弦以和f i ，( f ) 分别是第七个用户第，径的复衰落因子和传播时延。这里，f ( f ) 可以是r a y l e i g h 、r i c i a n 或者n a k a g a m i 分布，依赖于指定的信道模型。假设式( 2 0 3 ) 中 的所有随机变量均是独立于七和，那么接收信号表示为 fl - 1 ，( f ) = 删+ 口“( f ) 墨 卜( f ) 扩朋 ( 2 0 4 ) k = 1 1 = 0 这里叩( f ) 是双边带功率谱密度为2 的背景加性高斯白噪声。 为了减轻多径的影响，一般在接收端采用辅助导频相干解调和最大比合并( m r c ) 的 r a k e 接收机。r a k e 接收机的结构如图2 0 5 所示，这里分支的个数少于或等于可分辨的 多径数目。接收信号乘以本地载波，脉冲匹配滤波器，然后每码片抽样一次。这些采样点输 送到r a k e 接收机的每个分支，这里d p c c h 信道和d p d c h 信道被分别解调，d p c c h 中 中国科学技术大学硬士学位论文 氨惑麓懿 8 w c d m a 通信系统中的信道估计技术研究第二章w c d m a 系统的物理信道帧结构和r a k e 接收模型 的导频符号被用于去除不同路径的相位误差从而获得最大信噪比合并。假设参考用户 ( k = 1 ) 的第f 径时延f l l 能够精确估计出，每个r a k e 接收机分支输出一径的解调结果。 所有的分支的输出累加在一起形成判决变量。第f 个分支的详细解调框图如图2 0 6 所示。 ，1 f1 l ￥ u 1 0 ) b r a n c h r 盯+ 1 ) 疋+ f l ， _ “2 ( n ) 图2 0 5r a k e 接收机框图 基于导频符号的信道估计 十寻捌| 付亏叨惯m 佰计 图2 - 0 6 解调分支的详细解调框图 3 - 2 4 信道估计误差和误比特率 在图2 - 0 5 中的采样后的输出是 ( 一) _ i n + 1 ) t e + r l tr ( f ) c 。s ( 彬( f - n 疋叶，) d r “：( 炉一雠嵋。r ( f ) s i n ( o 。o f ) + ( t 飞) 疵 f 2 0 5 ) ( 2 0 6 ) 这里 ( f ) h ( t ) 的复共轭。为了书写方便，我们用h 代替n ，忽略输出中的高频部分 两个采样点的输出又可以表示为 中国科学技术大学硕士学位论文9 w c d m a 通信系统中的信道估计技术研究第二章w c d m a 系统的物理信道帧结构和r a k e 接收模型 一瓦c k ( m 。) ( n 一，) e ，。( n 一，) ) + i c a m 。) s 1 ( n 一，) e ，。( n f ) ) + r , ) 一i c k ( m 。) s o ( ”一，) e ，。( n 一聊 + 瓦g ( m 。) s a n f ) c ，。( ”一f ) ) + r h 细) r 2 0 7 ) r 2 0 8 ) 这里m 。= 【( n n i ) n ，n i = 0 ，( n l ) 疋 。因为干扰用户的数据对多址干扰的方差没 有影响，所以为了简化表达式，我们用m i 代替m 。r l ( n ) 和叩2 ( ”) 是采样输出的噪声部分 并且 f l ( c ，) = - ；扣飘“郴【瓢( 州c 。s 刚硼 ( 2 0 9 ) 础= 圭厄蕊“郴刚删n ( 2 1 0 ) 这里仇，) = 九+ o k ，0 疋) 一。7 0 正) 是载波相移；瓦f ( n ) 是码片定时误差，表示为 瓦，o ) = “，( n e ) 一z l , i - - ( r o 乏) 一q ，) i r a l ，而且k ( ) 降t ；胄( 力是定时误差f 对采样输出造成的影响。当成型滤波器的冲激响应限定于r 时，可以在本章附录中我们证 明了以下关系式 月( _ ) 2l i - o ) l e o s ( 2 , c v ) a ( 2 11 ) 这里日( 厂) 是脉冲成型滤波器的频率响应。 假设参考用户k = 1 的捕获和同步已经完成，本地扩频序列已经与接收信号的第f 径时 序对齐。在复解扰之后，实部和虚部与d p d c h 和d p c c h 的信道化码相乘，然后在一个符 号的时域( n 个码片) 内进行累加，完成符号同步。第f 个分支的的四个次分支在相关后给 出四个输出如图2 0 6 所示，它们可以表示为 中田科学技术大学硕士学位论文 & ；濡西 1 0 d 一 iqd 一 0 s )(珥(力文厦 。 = ) “ d 一 qd 一 0 )t珥(曲 乳辟 。 d 一 tqd 一 研 s )(珥(d 乳群 。h 1 1 )研 d 一 0qd 一 0 )i珥(d 文屏 。 + w c d m a 通信系统中的信道估计技术研究第二章w c d m a 系统的物理信道帧结构和r a k e 接收模型 ( + 1 ) 。( ，n ) = “。( ) 墨( n f ) + “：( h ) s d , 一f ) 卜g ，。( 盯一f ) 】 ( 2 1 2 ) + i ( m + 1 ) n w ：( ) = z t u ：( ”) s z ( n - i ) 一u l ( h ) & ( n f ) 】q ，。( n f ) ( 2 1 3 ) h ；m n + 1 ( m + 1 ) n w l ，) = “。( 月) s x ( n - i ) + u ：( n ) & o i ) 1 0 。( n f ) ( 2 1 4 ) h = m n + 1 w 1 。( 朋) = z t u ：( h ) s ，( ”一i ) - u 。( n ) s o ( n f ) e 。( n f ) ( 2 1 5 ) m nj 假设式( 2 0 9 ) 和( 2 1 0 ) 中的信道参数在一个符号期间保持不变，也就是说 麒j ( h ) = 孱：( 埘) ，孱；( ”) = 麒，( m ) ，当m n 1 时也是非常小 、 的。因为把口l f ( 川) 加入到v a r i ( ) ) 使分析变得比较繁琐，为了简化分析，我们把 口“( m n ) 平均到方差中。因此，v a r i i ，。) 可以近似表示为 。i n k e k zt ：1 ：a e k e q ， 9 1 口i f ( m ) 这里为了简化分析，我们假设瓯= g l = g ，e = e l = e 。q r 是如下式表述的信道参数 k = 1 , 2 ，3 ，k ( 2 2 3 ) 加性高斯白噪声项n i ，( 聊) 是零均值的高斯变量，方差是 v a r 1 1 ( 肌) ) = 2 n 吼2 = n 叩o f 2 2 4 ) 因此，w i 1 ) 是一个受制于口( m n ) s i n 妒u ( 州) 】的随机变量，均值是式( 2 1 8 ) 中 给出e ( m ) ，方差是v a r n i ，1 ( 掰) ) + v a r l i ，l ( 掰) ，即 v a t w , “埘) ) = ( + 舍脚 ( 2 2 5 ) 同样地，w j ：( 聊) ，w i ，( 埘) 和w f 。) 同样可以近似看作条件随机变量，它们具有和 w i l ( m ) 相同的方差但是不同的均值，即 e 2 ( m ) ) = n d l ( m ) a , f ( 埘) c o s 仍。f ( m n ) 0 e o o ( 2 2 6 ) e ，( 州) ) = n d l ( m ) c f i ，( m ) s i n 【纯f ( m ) 】i ( 2 2 7 ) e 4 ( 肌) ) = n c l ( m ) a l ，f ( r a n ) 。c o s c , ，f ( 埘) 】昏 ( 2 2 8 ) 这里e o = e d l = e ；( 1 + g ，) = e l ( 1 + g ) 是参考用户的d p d c h 信道的每码片能量。如果 定义w ；，i 沏) = w i i ( m ) l c lc m ) 和以4 ( m ) = 。( m ) c l ( m ) ，那么 中国科学技术大学硕士学位论文1 4 l i 。蔻氮童惑 e 一4 + ) 聊 ( 2 口e 扩 。 一2 i i ” m ( 盯v 22 口 ” m ( f ) m ( 【 f 一一 ir c = = r q w c d m a 通信系统中的信道估计技术研究第二章w c d m a 系统的物理信道帧结构和r a k e 接收模型 e 叫。( m ) ) = e w f ( 所) c l ( 研) ) = n a 。，( m ) s i n 妒( 肌) ；面： ( 2 2 9 ) e 叫4 ( m ) ) = e w f 4 ( m ) c i ( 研) ) = n a l i ( m n ) c o s 妒l f ( m ) g d ( 2 3 0 ) 从以上分析可以看出，在w c d m a 无线通信系统中，基于导频符号的信道估计受多址 干扰和多径干扰的影响。一般的文献中【2 3 - 2 4 1 在分析相干解调时，为了简化分析，都假设信道 估计是完全精确的。但是这个假设在我们接下来的误码率性能分析时是不成立的，我们将考 虑信道估计误差对性能的影响。 因为信道估计的误差是不能忽略的，它对于判决变量的噪声项有直接的贡献( 可以从接 下来的分析中看出) ，所以我们必须想办法进行抑制。图2 0 6 中的信道估计滤波器的就是完 成这个抑制作用的。另外由于只有d p c c h 信道的导频域的c m ) 已知，所以在t p c 、t f c i 和f b i 域时的信道估计值必须通过其他方法得出。假设一个时隙的数据符号数为n d 个，其 中前。个位置是导频符号，那么图2 - 0 6 中的信道估计滤波器还要完成：利用 w ；。) ，m = 1 , 2 ，p 和w ；。( 肌) ，m = 1 , 2 ，n p 内插出没有导频符号位置的信道估计 值，即嵋l ( m ) ，m = n p + 1 ，n p + 2 ，d ，和叫4 ( m ) ，m = n p + 1 ，p + 2 ，n d 。我 们将在下一章讨论不同信道估计算法的设计和性能分析。假设经过信道估计滤波器后的无偏 信道估计值是啦1 ( m ) = 厂( 嵋l ( 肌) ) ，n r r ( n o i s er e d u c t i o nr a t i o ) 是信道估计滤波器的 噪声降低比。那么信道估计值m ( 埘) 的均值和方差可以表示为 e 啦。( m ) ) = e 以( 埘) ) ) ( 2 3 1 ) v a r ( m ) = 面1 v a r w ；，l (