（通信与信息系统专业论文）3g中rake接收技术的研究.pdf

中文摘要 r a k e 接收机是c o m a 系统中实现多径分集接收的核心部件，它可以分辨出接收 信号中不同的多径分量，克服多径衰落，提高系统性能。 在c d m a 扩频通信系统中降低接收功率可以提高系统容量，因此在系统设计 和信号处理过程中，大量工作就主要集中在降低接收功率上”1 。 论文重点考虑设计一种3 g 接收设备中低功耗的r a k e 接收机结构。我们用结 构变换的方法对r a k e 接收机中r a k e 手指的实现设计了一种新的硬件结构。该结 构完成的算法与传统的r a k e 结构是一样的，因此对给定的输入信号，它们的输出 信号是一样的。结果表明，如果在c d m a 2 0 0 0 标准中使用这种结构，将会极大的降 低接收机的功耗，这种结构用于其它的c d m a 标准中也不失为一种好方法，例如 w c d m a 。 关键词：第三代移动通信系统扩频通信码分多址r a k e 接收机 a b s t r a c t i nc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) s y s t e m s ，r a k er e c e i v e ri st h ec o r e p a r t sw h i c hu s es e v e r a l b a s e b a n dc o r r e l a t o r st o i n d i v i d u a l l yp r o c e s ss e v e r a ls i g n a l m u l t i p a t hc o m p o n e n t s i tc a nd i s t i n g u i s hm u l t i p a t hf r o mr e c e i v e ds i g n a l s ，o v e r c o m e m u l t i p a t hf a d i n ga n da c h i e v ei m p r o v e dc o m m u n i c a t i o n sr e l i a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c e i nc d m a s p r e a d i n gs y s t e m s ，m u c hw o r ki ns y s t e md e s i g na n ds i g n a lp r o c e s s i n g h a sb e e nf o c u s e do nl o w e r i n gt h er e q u i r e dr e c e i v e dp o w e r ( e g 5 ) m a i n l yb e c a u s e ， l o w e rr e q u i r e dr e c e i v e dp o w e rl e a d st oh i g h e rs y s t e mc a p a c i t y i nt h i sp a p e r ，w ec o n c e n t r a t eo nt h el o w p o w e ra r c h i t e c t u r ed e s i g nf o rt h er a k e r e c e i v e ri n s i d et h e 3 ”g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，n a m e l y 3 g t r a n s f o r m a t i o ni sc a r r i e do u tf o r d e s i g n i n g n e wh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e sf o rt h e i m p l e m e n t a t i o no ft h e r a k e f i n g e r i nt h er a k er e c e i v e li n p a r t i c u l a r ，a l g o r i t h m i c t r a n s f o r m a t i o ni sd o n eo nt h er a k ef i n g e rt or e d u c et h eo p e r a t i o n f r e q u e n c yo ft h e c o m p l e xo p e r a t i o n s i nt h e c a s e s ，t h e n e wa r c h i t e c t u r e s i m p l e m e n t t h es a m e c a l c u l a t i o na st h et r a d i t i o n a la r c h i t e c t u r e sa n dh e n c eg i v ee x a c t l yt h es a m eo u t p u tf o ra g i v e ni n p u t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ts i g n i f i c a n tp o w e rr e d u c t i o ni s a c h i e v e d w h e nt h e p r o p o s e d a r c h i t e c t u r e sa r eu s e df o rc d m a 2 0 0 0s t a n d a r d s i m i l a r p o w e r r e d u c t i o ni se x p e c t e di ft h ea r c h i t e c t u r e sa r ee m p l o y e df o ro t h e rc d m as t a n d a r d ss u c h a sw c d m a k e y w o r d s ：3 gs p r e a d i n gt e l e c o m m u n i c a t i o n s c d m ar a k er e c e i v e r 第一章绪论 第一章绪论 码分多址( c d m a ) 通信技术因其独特的软容量、软切换、宏分集、同频覆盖、 灵活的变速率传输和多径分集等技术特点，以及能与原有的模拟系统共存的优点， 使其在第三代移动通信系统( 3 g ) 中得到极为广泛的重要应用，并己经成为第三 代移动通信系统无线传输技术的主流。 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部件，由于采用宽带扩 频信号，使c d m a 系统可以用r a k e 接收机分辨出接收信号中的不同多径分量， 并实现分集接收，有效的克服多径衰落的影响，提高系统的接收性能。 在系统设计和实现中，为了提供无线多媒体服务，所有基于c d m a 的3 g 系 统的备选方案都比i s 9 5c d m a 系统有着更大的带宽和更高的数据速率。信号带 宽和数据速率的提高会从两个方面导致很高的功率消耗：一是为保证系统性能， 每个信息比特的能量是固定的，高的数据速率就意味着高的发射功率；二是由于 更宽的带宽和更高的数据速率要求r a k e 接收机和前向链路编译码器以很高的速度 工作，数字信号处理功率也就相应的提高了。 就功率消耗而言，提高发射功率对系统性能的影响并不象提高数字信号处理 功率那样严重。这主要是因为第三代移动通信系统( 3 g ) 中进一步减小了蜂窝的 尺寸，这就降低了路径损耗，也降低了实际的发射功率。不过，在c d m a 系统中 降低接收功率可以提高系统容量，因此在系统设计和信号处理过程中，大量的： 作就主要集中在降低接收功率上。 在这篇论文中，我们重点考虑设汁一种3 g 接收设备中低功耗的r a k e 接收机 结构。我们用结构变换的方法剥r a k e 接收机中r a k e 手指的实现设计了一种新的 硬件结构。废结构完成的算法与传统的r a k e 结构是一样的，因此对给定的输入信 号，它们的输出信号是一样的。结果表明，如果在c d m a 2 0 0 0 中使用这种结构，将 会极大的降低接收机的功耗这种结构用于其它的c d m a 标准中也不失为一种好 方法，如w c d m a 。 论文以后几个章节的内容安排如下： 第二章是基础知识的介绍。首先简要介绍了无线移动环境以及移动环境中 存在的三种主要的快衰落。在此基础上给出信道模型，并推导了克服三种快衰落 的理论依据，作为对后续章节讨论的基础。随后介绍多址干扰的概念，并引入克 服多址干扰的多址技术和基于此技术的扩频通信体系。最后介绍了扩频通信体系 中一个重要的通信系统，即第三代移动通信系统( 3 g ) 。该系统就是我们这篇论文 中要介绍的低功耗r a k e 接收机的应用环境 第三章研究了低功耗r a k e 接收机的理论基础。首先介绍了作为抗多径干扰和 抗衰落的多径分集和r a k e 接收技术。然后介绍了设计低功耗r a k e 接收机的理论。 三一 ! 鱼生坠! 茎坚垫查塑笪塞 在具备了这些基础知识的基础上，我们给出了低功耗r a k e 接收机的实现方案，并 论证了该方案的可行性。 第四章涉及的内容是对低功耗r a k e 接收机的f p g a 仿真。论证陔接收机能够 对用户信号进行正确接收。 第五章是全文的结论。 第二章无线移动环境和第三代移动通信系统 第二章无线移动环境与第三代移动通信系统 移动信道属于无线信道它既不同于传统的有线信道也与一般的固定接入 无线信道有所区别。有线信道是恒定参数的信道，是人为制造的信道，它从一开 始的明线发展到同轴电缆，一直到今天由光纤组成的光缆线，通信容量越来越大， 通信质量也越来越高，而且随着科学技术的进步，它将逐步趋向理想的传输信息 的信道。然而无线信道却不然，它是开放式的客观存在的变参量信道，人们只能 在充分分析研究它特性的基础上去适应它和改造它。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 1 移动通信信道 信道是信号的传输媒质，我们首先分析信道的特点与实质，然后再来讨论针 对存在的问题所给出的技术解决方案。 2 1 1 信道的主要特点 ( 1 ) 传播的开放性 ( 2 ) 接收点地理环境的复杂性和多样性 ( 3 ) 通信用户的随机移动性 2 1 2 电磁波传播的特点 移动通信信道的三大特点形成下述电磁波传播的主要特点： ( 1 )直射波：指在视距覆盖区内无遮挡的传播直射波传播的信号最强。 ( 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。 ( 3 ) 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 ) 散射波：由空气中离子受激后二次发射所引起的慢反射后到达接收点 的传播信号，其信号强度最弱。 2 1 3 三类不同的损耗和三种效应 上述移动信道的主要特点及其带来的传播上的特点，在传播上对接收点的信 号会产生三类不同的损耗和三种效应。 ( 1 ) 三类不同的损耗 路径传播损耗：又称为衰耗，它是指电波在空间传播所产生的损耗， 它反映了传播在宏观大范围( 即公里量级) 的空间距离上的接收信 号电平平均值的变化趋势。 慢衰落损耗：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻 3 g 中r a k e 接收技术的研究 挡所产生的阴影效应而产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长 量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从对数正态分布， 其变化率较慢故又称为慢衰落。 快衰落损耗：它主要是由于多径传播而产生的衰落，它反映微观小 范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗一般遵从 r a y l e i g h ( 瑞利) 分布或r i cj a n ( 莱斯) 分布，其变化率比慢衰落快， 故称它为快衰落。仔细划分快衰落又可分为以下三类：空间选择性 衰落，频率选择性衰落与时间选择性衰落。所谓选择性是指在不同 的空间，不同的频率与不同的时间其衰落特性是不一样的。 ( 2 ) 三种效应 阴影效应：由于大型建筑物和其他物体的阻挡而形成在传播接收区 域上的半盲区。 远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站削的距离 也是在随机地变化，若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 线性则进一步加重，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。 多普勒效应：它是由于接收的移动用户高速运动引起传播频率扩散 而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。 2 2 三类主要快衰落 l 选择性快衰落的类型 ( 1 )空间选择性衰落 所谓空问选择性衰落， 称为平滑瑞利衰落。 ( 2 )频率选择性衰落 所谓频率选择性衰落， t3 )时间选择性衰落 所谓时间选择性衰落， 2 选择性衰落的产生条件 即在不同地点( 空间) 衰落特性不一样，一般它又 即在不同的频率衰落特性不一样。 即在不同的时间衰落特性不一样。 在实际的移动通信中，三类选择性衰落都存在。它们的形成原因均是由于多径 传播引起的，根据其产生条件大致可划分为以下三类： ( 1 ) 第一类多径干扰：由于快速移动用户附近物体的反射而形成的干扰信号， 其特点是在信号频域上产生d o p p l e r ( 多普勒) 扩散而引起的时问选择性衰 落。 第二章无线移动环境和第三代移动通信系统 ! ( 2 ) 第二类多径干扰：它是由远处山丘与高大建筑物反射而形成的干扰信号， 其特点是信号在时域和空间角度上产生了扩散，从而引起相对应的频率选 择陛衰落和空间选择性衰落。 ( 3 ) 第三类多径干扰：由基站附近的建筑物和其他物体的反射而形成的干扰信 号，其特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起空问选择性 衰落。 2 3 传播模型的定量分析 2 3 1 传播损耗的定量分析 由前面分析，传播总损耗分别由大范围( 公里量级) 路径损耗、中范围( 数 百波长) 的阴影效应和小范围( 数十波长) 多径干扰共同决定的。 2 3 2 多径干扰( 快衰落) 信道的数学模型 下面初步分析多径干扰( 快衰落) 信道数学模型，为了简化，先不考虑空间 域，而仅考虑时一频域两维情况，描述它的数学模型很多，其中最常用的是一类线 性时变信道模型即 图2 1 信道模型 fr ) h ( t ，f ) = q ( r ) 占 ( 卜q ( 伽 7 ( 2 - 1 ) 其中l ( t ) 表示到达的多径数目； d ，( ，) 表示第l 条路径的信号幅度； 0 ( t ) 表示第1 条路径相对于第一条路径( r = 0 ) 的时延； 妒雕) 表示第l 条路径的信号相位。 为了简化，有时往往可以将上述时变参量进一步看成是时不变的，这时 川= a ，研( r r ，) l e 7 9 ( 2 2 ) 应用中心极限定理，可以将式( 2 - 2 ) 中的 “，f ) 看成一个时变的复高斯过程 当其过程具有零均值时，在任意瞬时t ，包络的值是瑞利分布，其概率密度函数为 。 2 p ( j ) = ；p2 a 1 ( o s o o ) ( 2 - 3 ) 其中e o ) = j 三盯为信号的均值。 6 3 g 中r a k e 接收技术的研究 当移动用户与基站之间存在直射波信号时，h ( t ，f ) 的均值不再是零，此时信号 衰落服从莱斯分布，其概率密度为 p ( s ) = 了sp - 寸j 。( 粤) ( o 墨j r ，即胄 1 0 。( 1 0 6 0 d b ) ，则称该系统为宽带 通信系统。 ( 2 ) 宽带通信系统是窄带通信系统通过扩频方式来实现的。码分多址c d m a 就 是一类典型的扩频宽带通信系统。 2 扩频通信的基本原理 ( 1 ) 由通信原理与信息论中的著名s h a n n o n 公式c = b t l g ( 1 + 昙) ，如图2 7 所 i v 示。其中b 为限频带宽，t 为限时时隙一般在通信原理中取t = 1 ，旦为 川 功率信噪比，c 为信道容量。这一公式指出一个限时( t ) 限频( b ) 限功 率( s ) 的连续白噪声高斯信道，其信道容量可以形象的用3 个主要信号参 量所决定的体积来表示。 图2 7 信道容罱c 示意图 ( 2 ) 3 个参量b 、t 与吼l + 熹) 所构成的体积，当容量c 不变时，具有“可塑 性”，即3 个参量z f u j 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2 _ f q 。扩频通信就是其中一个最典型的实例。 ( 3 ) 在移动通信中，信噪比是最主要的矛盾为了提高信噪比，可咀不惜一切 3 g 中r a k e 接收技术的研究 手段。其中s h a n n o n 公式指出：可以采用频带b 来换取信噪比，即当c 不变时，增加频带b 可以降低接收机接收的信噪闭门限值l g ( 1 + 导) 。这就 v 是扩频通信的基本原理，即用频带换取信噪比。 3 直扩码分多址d s c d m a 系统实现框图如图2 8 所示。它与传统的通信系统相比，发端多了扩频调制， 收端多了扩频解调。 发 接 倒2 8 d s - c d m a 系统发、收实现框图 4 直扩系统的主要技术指标 ( 1 ) 处理增益g 它表示扩频系统解扩后信噪比改善程度。 另有两类等效定义：表示发送端码元扩展的倍数或信号带宽扩展的倍数。 它可用下列公式表示 = 潍, , n j o t t = 警= 警 ( 2 1 1 ) 其中、r 分别表示伪码速率和信息码速率，、b 分别表示伪码带宽 与信息码带宽。 _ _ _ - _ - _ - - - _ _ _ _ _ _ - _ _ l - - l _ - _ - _ _ 一 _ | 第二章无线移动环境和第三代移动通信系统 - g ( d b ) = 1 0 1 9 n ( d n ) ，即用分贝表示处理增益值。 ( 2 ) 干扰容限m 它表示在f 常工作的条件下，接收机输入端所能承受的干扰比信号高出的分 贝数m = g 一 ，+ 1 0 l g ( n ) 一】，其中l 。为实际传输路径损耗( d b ) 。 m 直观反映了扩频系统接收机所允许的干扰最大强度值( 用分贝表示) 。 2 5 3 扩频通信的主要优点 l抗干扰能力强且g 越大，抗干扰能力越强，抗白噪声、抗单频窄带 干扰、抗人为干扰、抗跟踪干扰、抗宽带的等效白噪声的多址与多 径干扰能力都很强。 2扩频系统抗干扰能力强的解释：对于数字通信系统有 只川寺= 厂焉讲) ( 2 - t ：， 可见误码率只与功率信噪比导及信号基参b t 成正比。且当只不变 时，昙。亡兰。所以当b t ：1 0 1 0 e 时，在保证一定只时，可以实 nb t 1 现在很低的导值下进行通信，即允许很强的干扰。 3保密性很强。无论是直扩还是跳频，扩频后其频谱均为近似白噪声， 因此具有良好的保密性能。同时对于数字化用户，还可以进一步进 行数字式用户加密。 4低功率谱密度。由于扩频属于宽带系统，频带越宽，功率谱密度就 越低，因此它具有良好的隐蔽性能，且对其它通信系统及对人体的 干扰与影响也小。 5易于实现大容量多址通信。时一频两维地址划分使潜在地址数增大。 抗干扰能力强与低功率密度对于干扰受限系统，将允许接纳更多的 用户数。 6易于实现精确定时与测距。因此被广泛用于雷达、导航、通信、测 距等系统。 7适合于变参信道的无线通信。扩频系统易于实现多种形式分集接收 并提高抗干扰性。 2 6 第三代移动通信系统 f n ，我们将介绍基于宽带码分多址c d m a 方案的扩频通信系统，即第三代 3 g 中r a k e 接收技术的研究 移动通信系统。 2 6 1 系统概述 移动通信发展的最终目标是实现任何人可以在任何地点、任何时间与其他任 何人进行任何方式的通信。到目前为止，移动通信系统已发展到第二代。第一代 移动通信系统是采用f d m a 方式的模拟蜂窝系统，如a m p s 、t a c s 等，其缺点 是容量小，不能满足飞速发展的移动通信业务量的需要；第二代移动通信系统采 用t d m a 或c d m a 为主的数字蜂窝系统，如g s m d c s l8 0 0 、i s 1 3 6 、i s 9 5 等， 其容量和功能都比模拟系统有了很大的提高，但其业务种类主要限于话音和低速 数据( s 96k b i t s ) ，而社会的发展对通信业务种类和数量需求的剧增，人们已不 再满足于第二代系统。于是，一种能够提供全球漫游、支持多媒体业务且有足够 容量的第三代移动通信系统就应运而生。 国际电联( i t u ) 在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信系统的概念，当时称为 未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，后考虑到该系统预计在2 0 0 0 年左右商用， 且工作于2 0 0 0m h z 频段，故1 9 9 6 年应日本等国家的建议，更名为国际移动电信 系统i m t - 2 0 0 0 。其主要特性有： ( 1 ) 全球化。i m t - 2 0 0 0 是一个全球性的系统，它包含多种系统在设计 卜具有高度的通用性，该系统中的业务以及它与固定网之间的业务可 以兼容，能提供全球漫游。 ( 2 ) 多媒体化。提供高质量的多媒体业务，如话音、可变速率数据、活动 视频和高清晰图像等多种业务，实现多种信息一体化。 ( 3 ) 综合化。能把现存的寻呼、无绳、蜂窝、卫星移动等通信系统综合在 统一的系统中，以提供多种服务。 ( 4 ) 智能化。主要表现在优化网络结构方面( 引入智能网概念) 和收发信 机的软件无线电化。 ( 5 ) 个人化。用户可用唯一个人电信号码( p t n ) 在任何终端上获取所需 要的电信业务这就超越了传统的终端移动眭，真正实现个人移动性。 目前，世界w a r c 9 2 已为i m t - 2 0 0 0 分配了共2 3 0m h z 带宽的频谱，上行频 段为1 8 8 5m h z 2 0 2 5m h z ，下行频段为2 1 1 0m h z 2 2 0 0m h z 。其中1 9 8 0m h z 2 0 1 0m h z 和2 1 7 0m h z 2 2 0 0m h z 用于移动卫星业务( m s s ) 。 2 6 2 几种主要的无线传输技术比较 无线传输技术( r t i ) 是第三代移动通信系统的重要组成部分。1 9 9 7 年和1 9 9 8 年是第三代移动通信技术丌发、标准制定最活跃的时期，因为在这期恻必须对一 些关键技术作出选择，这集中表现在候选r t t 的提交和评估工作上。现在共有1 0 个组织向i t i d 提交了候选r t t 方案，其中包括前面提到的欧洲、美固、门本，还 第二章无线移动环境和第三代移动通信系统坚 有韩国和一些国际性组织。特别值得一提的是，这次中国也提交了自己的候选方 案。 这1 0 个组织提交的方案中，影响较大的有w c d m a ( 包括日本的w c d m a 和 欧洲的u t r a ) 和c d m a 2 0 0 0 ，它们都采用宽带传输，都采用c d m a 技术。c d m a 2 0 0 0 主要由i s 一9 5 和i s 一4 l 标准发展而来，它与a m p s 、d a m p s 和i s 9 5 都有较好的兼 容性，同时又采用了一些新技术，使其能满足i m t - 2 0 0 0 的要求。w c d m a 源于欧 洲和日本，欧洲e t s i s m g 2 原有两个方案：w c d m a 和t d s c d m a ，其中前 者与日本的w c d m a 方案基本相同现己融合，1 9 8 8 年1 月在欧洲e t s i 的s m g 2 会议上，各国代表已就w c d m a 和t d s c d m a 两种方案进行了投票，并就两种 方案的应用达成一致，形成为现在的u t r a ，即在对称频段( f d d 模式) 采用 w c d m a 技术，在非对称频段( t d d 模式) 采用t d s c d m a 技术。在u t r a 的 两种模式中，t d s c d m a 方案在载频带宽、c h i p 速率、帧长等关键参数上均向 w c d m a 靠拢。 我国原邮电部电信科学技术研究院( c a t t ) 也于6 月2 9 日向i t u 提交了具 有我国自己知识产权的候选r t t 方案：t d s c d m a ，该方案将当今国际领先技术 智能天线、同步c d m a 和软件无线电等融于其中，具有较高的频谱利用率、较低 的成本和较大的灵活性，很具竞争性。下面就w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 这三种方案作一比较，如表1 所示。 w c d m ac d m a 2 0 0 0t d s c d 姒 信道带宽5 1 0 2 0m i t z1 2 5 5 1 0 1 5 2 0m h z12 蛐z c h i l 3 速率n 4 0 9 6 m c s n = i ，2 ，4 n x1 2 2 8 8 m c s ，n = 1 ，3 ，6 ，9 ，1 21 1 1 3 6 m c s 多址方式d s c d m ad s c d i a 和m c c d t “a t d s c d m a 双工方式f d d t d d f d dt d d 帧长1 0m s2 0i l l s1 0m s 多速率概念可变扩频因子和多码r i 检可变扩频因子和多码盲检测：可变扩频因子多时 测：高速率业务盲检测：低低速率业务。或事先预定好，隙、多码r i 检测 速率业务需高层信令参与 f e c 编码卷积码r = l 2 ，1 3 ，k = 9 ) r s卷积码r = i 2 ，1 3 ，3 4 ，1 ( - - 9 )卷积码r = 1 4 码( 数据)t u r b o 码)l ，k = 9 ) r s 码( 数 据) 交织卷积码：帧内交织r s 码：块交织( 2 0m s )卷积码：帧内交织 帧问交l ； r s 码：帧间交织 扩频前向：w a ls h ( 信道化)前向：w a l s h ( 信道化)+ m 序前向：w a ls h ( 信道 1 6 3 g 中r a k e 接收技术的研究 + g o l d 序列2 ”( 区分小区) 反列2 ”( 医分小区) 反向：化) + p n 序列( 区 向：w a ls h ( 信道化)+ g o l dw a l s h ( 信道化)+ m 序列分小匡) 反向： 序列2 “( 区分用户)2 一1 ( 区分用户)ls h ( 信道化) + p n 序列( 区分用户) 调制数据调制：q p s k b p s k 扩频 数据调制：q p s k b p s k 扩频稠接入信道：d o p s k 调制：q p s k制：q p s k o q p s k接入信道： d q p s k 1 6 q a m 相干解调前向：专用导频信道( t d m )前向：公共导频信道反向：专前向和反向都采用 反向：专导频信道( t d m )用导撷信道( c d m )专用导频信道 ( t d m ) 功率控制f d d ：开环+ 快速闭环( 16开环+ 快速l 训环( 8 0 0h z )开环一快速闭环 k h z ) t d d ：开环+ 慢速闭环( 2 0 0h z ) 基站间同步异步，同步( 可选)同步( g p s )同步( g p s 或其它 方式) 表iw c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、和t d s c d m a 技术比较 这三种方案都是根据i t u 的i m t 一2 0 0 0 系统框架要求，结合原有的系统及近几 年移动通信领域的新技术，能够在2 0 0 0 年左右推出商用的移动多媒体通信系统。 7 6 3 第三代移动通信系统的主要关键技术 任何一种通信系统都是围绕着通信传输的数量与质量两个类型的三种指标： 有效性、可靠性和安全。| 生进行不断地优化。移动通信中的各类新技术，都是针对 移动通信的信道特点，以解决移动通信中的有效性可靠性和安全性为目标而设 计的。 针对移动通信的信道特点，为解决移动通信中的有效性，可靠性和安全性 提出了一系列解决和克服的方法，即一系列新技术：主要用于抗白噪声的信道编 码与调制技术；主要用于抗慢衰落和远近效应的功率控制技术：主要用于抗时间 衰落的信道交织技术；主要用于抗空间选择性衰落的分集接收和分集发送技术： 主要用于抗多用户的多址干扰的多用户检测技术；既改善，提高有效性又改善提 高可靠性的智能天线技术与多载波通信技术；以及解决多频段，多体制，多媒体 统一化综合终端的软件无线电技术：主要用于抗频率选择衰落的r a k e 接收：这里 我们只介绍抗多径衰落的r a k e 接收技术，它是这篇论文的重点内容，也是将要提 出的降低r a k e 接收机功耗方案的基础理论之一。 c d m a 通信系统接收机的初始同步包括p n 码同步，符号同步，帧同步和扰码同 步等。c d m a 2 0 0 0 系统采用与i s 一9 5 系统相似的初始同步技术，即通过对导频信道 的捕获建立p n 码同步和符号同步，通过同步( s y n c ) 信道的接收建立帧同步和扰 第二章无线移动环境和第三代移动通信系统 码同步。w c d m a 系统的初始同步则需要通过“三步捕获法”进行，即通过对基本同 步信道的捕获建立p n 码同步和符号同步通过对辅助同步信道的不同扩频码的非 相干接收，确定扰码组号等，最后通过对可能的扰码进行穷举搜索，建立扰码同 步。 移动通信是在复杂的电波环境下进行的，如何克服电波传播所造成的多径衰 落现象是移动通信的一个基本问题。在c d m a 移动通信系统中，出于信号带宽较宽， 因而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号。对分辨出的多径信号分别进行加 权调整，使合成之后的信号得以增强从而可在较大程度上降低多径衰落信道所 造成的负面影响。这种技术称为r a k e 多径分集接收技术。 为实现相干形式的r a k e 接收，需发送未经调制的导频( p i l o t ) 信号，以便 接收端能在确知已发数据的条件下估计出多径信号的相位，并在此基础上实现柏 干方式的最大信噪比合并。w c d m a 系统采用用户专用的导频信号，而c d m a 2 0 0 0 下 行链路采用公用导频信号，用户专用的导频信号仅作为备选方案用于使用智能天 线的系统，上行信道则采用用户专用的导频信道。 r a k e 多径分集接收技术的另外一种极为重要的体现形势是宏分集及越区软切 换技术。当移动台处于越区切换状态时，参与越区切换的基战向该移动台发送相 同的信息，移动台把来自不同基站的多径信号进行分集合并，从而改善移动台处 于越区切换时的接收信号质量，并保持越区切换时的数据不丢失，这种技术称为 宏分集和越区软切换。w c d m a 系统和c d m a 2 0 0 0 系统均支持宏分集和越区软切换功 能。 这篇论文的重点就是介绍r a k e 接收技术，并提出一种新型结构的r a k e 接收 机，用来改善系统性能。 3 g 中r a k e 接收技术的研究 第三章降低功耗的r a k e 接收机 我们曾指出在蜂窝移动通信系统中存在着多径干扰和衰落，在城市环境中衰 落尤为严重。与此同时运动中的车辆还存在着由各种多径分量的多普勒频展造成 的衰落。当这些衰落造成严重的传输误码时，就需要采取对抗衰落的措施。当衰 落很慢时，可以用某种反馈式功率控制来跟踪衰落，如在3 g 中采用的闭环功率控 制。然而，当衰落很快时。特别是当车辆高速行驶时，功率控制就不再起作用了。 当不同的多径分量其衰落相互独立时，可以采用分集接收技术以对抗衰落。 其基本原理是：如果在多径环境中某一径的强度低于检测门限的概率为p ，则在l 径情况下啊，所有l 个径的强度都低于检测门眼的概率为p 。，远小于口。分集接 收的代价是增加了复杂度，因为要对各径进行跟踪及对更多的信号分量进行处理。 本章，我们首先介绍分集技术与r a k e 接收机的基本原理，然后重点考虑设计 一种3 g 接收设备中低功耗的r a k e 接收机。我们将会看到这种新型的r a k e 接收机 将会极大的降低接收机的功耗。 3 1 分集技术 分集技术是一项主要的抗衰落技术，它可以大大提高多径衰落信道下传输的 可靠性。其中空间分集技术早期已经成功的应用于模拟短波通信。在移动通信中 特别是数字式移动通信和第三代移动通信中，分集技术有了更加广泛的应用：在 移动通信的上行链路中，基站广泛采用二重空间分集接收，在i s 一9 5 的c d m a 小 区软切换中也利用r a k e 进行二重空间接收，在第三代移动通信系统中不论是 w c d m a 还是c d m a 2 0 0 0 都采用发端分集技术。 3 1 1 基本概念 在第二章中，我们曾指出对传输可靠性影响最大的是各类快衰落，即空间选 择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落。解决快衰落的一种最为有效的措 施和方法就是分集技术。 分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输中的可靠 性。它也是一项研究利用信号的基本参量在时域、频域和空域中，如何分散开又 如何收集起来的技术。为了在接收端得到几乎相互独立的不同路径可以通过空 域、频域和时域的不同角度、不同方法与措施来加以实现。其中最主要的有如下 几种： l空间分集 ( 1 ) 用不同接收地点( 空间) 收到的信号衰落相互独立，实现抗衰落功能。 ( 2 ) 空问分集的基本结构为： 发端一副天线发送，收端n 部天线接收，如图3 1 所示。 第三章降低功耗的r a k e 接收机 。 基站 图3 1 空间分集 ( 3 ) 接收天线之间的距离为d ，根据第二章的分析，d 即为相关区问的r ，它 应该满足 d ：a r 兰( 3 1 ) 口 其中，x 为波长：巾为天线扩散角。 ( 4 ) 分集天线数n 越大，分集效果越好。分集增益正比于分集的数量n ，其改善 是有艰的，且改善程度随分集数量n 的增加而逐步减少。工程上性能与复 杂性蚓作一折衷一般取n = 2 4 。 ( 5 ) 空问分集还有两类变化形式： 极化分集：它利用在同一地点两个极化方向相互正交的天线发出的信号， 可呈现出不相关的衰落特性进行分集接收，即在发送端天线上安装水平 与垂直极化天线，就可咀把得到的两路衰落特性不相关的信号进行集化 分集。 角度分集：由于地形、地貌和建筑物等接收环境的不同，到达接收端的 不同路径信号可能来自不同的方向，这样在接收端可采用方向性天线， 分别指向不同的到达方向。而每个方向性天线接收到的多径信号是不相 关的。 2 频率分集 ( 1 ) 将待发送的信号，分别调制在不同的载波上发送。 ( 2 ) 只要不同载波之间的间隔足够大，根据第二章的分析，载波间隔4 厂大于频 率相关带宽f ，即 1 ，a f = 二( 3 2 ) 。 三 其中l 为接收信号时延功率谱的宽度。 ( 3 ) 频率分集与空间分集相比。其优点是减少了接收天线与相应设备的数量：缺点 3 g 中r a k e 接收技术的研究 是要占用更多的频谱资源，并且在发送端可能需要采用多部发射机。 3时问分集 ( 1 ) 对于一个随机衰落的信号，当取样时间间隔足够大，两个样点间的衰落互 不相关时，利用这一特性可以构成时间分集。 ( 2 ) 将待发送的信号每隔一定时间间隔( 大于时间相关区域丁) 重复发送，在 接收端就可以得到n 条独立的分集支路。根据第二章中对时间选择性衰落 的分析，在时域上时间间隔f 应大于时域相关区间7 _ ，即 f r ：土 b ( 3 - 3 ) 其中b 为多普勒频移的扩散区间，它与移动台的运动速度成正比。可见， 时l 训分集对处于静止状态的移动台是无用的。 ( 3 ) 时州分集与空间分集相比，其优点是减少了接收天线数目，缺点是要占用 更多的时隙资源，从而降低了传输效率。 3 1 2 分集合并技术 分集接收中，接收端从不同的n 个独立信号支路所获得的信号，可以通过不 同形式的合并技术来获得分集增益。 合并时采用的准则与方式主要可分为三种：最大比值合并( m r c ) 、等增益合 并( e g c ) 和选择式合并( s d ) 。 l最大比值合并( m r c ) 在接收端由n 个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相相 加，再送入检测器进行检测。 ( 1 ) 最大比合并原理如图3 2 所示。 出 基站接收 剀3 2 空问分集接收原理图 ( 2 ) 利用切比雪夫不等式，可咀证明当可变增益加权系数e ：善时，分集合并 盯 第三章降低功耗的r a k e 接收机 后的信噪比达到最大值。其中口表示第i 个分集支路信号幅度；g - 2 为每支 路噪声功率，且i = l 2 n 。 ( 3 ) 合并后的输出为 a = 喜g 麒= 喜争= 专姜d ? “， a = 麒= 当= d ? ( 3 - 4 ) 可见信噪比越大，对合并后的信号贡献越大。 ( 4 ) 最大比合并后的平均输出信噪比 s n r ，= n s n r 其中s n r 。表示最大比值合并后的平均输出信噪比：s n r 支路的平均信噪比；n 表示分集支路数目，即分集重数。 ( 5 ) 合并增益为 氐= 等= 可见合并增益与分集支路数n 成j 下比。 2等增益合并( m r c ) ( 3 5 ) 表示合并j 1 _ 每个 ( 1 ) 在上述最大比值合并中，取口= 1 ，i = l 2 m ，即为等增益合并。 ( 2 ) 等增益合并后的平均输出信噪比为 s n r = s n r 1 + ( n 1 ) ( 3 ) 等增益合并的合并增益为 牛薷小c 川弓 3选择式合并( s d ) ( 1 ) 选择式合并原理图如图33 所示。 基站接收 削3 3 选择合并式原理剧 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 出 3 g 中r a k e 接收技术的研究 ( 2 ) 接收端是i = l ，2 ，n 的n 个分集支路的接收机，r ，中利用选择逻辑选择其 中具有最大基带信噪比s n r ，。的某一路基带作为输出。 ( 3 ) 选择式合并的平均输出信噪比为 n1 s n r 。= s n r 。1 y 二 ( 3 - 9 ) 冒i 可见，每增加一条分集支路，对选择式分集输出信噪比的贡献仅为总分集 支路数的倒数倍。 ( 4 ) 选择式合并的合并增益为 k ：竺坠：争! ( 3 - 1 0 ) s n r ，l冒i 3 三种主要合并方式性能比较 三种合并方式中，最大比值合并性能最好，等增益合并性能次之，选择式台 并性能最后。 3 2 隐分集与r a k e 接收 上面讨论的空间分集、频率分集、极化分集等均属于显分集，它们明显地采 用多套设备在不同空间、不同频率、不同极化方向对信号进行接收合并，故称为 显分集。 随着科学技术的发展，分集的实现方法也在不断更新。其中最有前途的一种 是利用信号设计技术将分集作用隐含在被传输的信号之中，称之为隐分集。其中 在移动通信中，最典型的是多径分集的r a k e 接收技术以及信道交织与抗衰落纠错 编码等。在此我们仅介绍多径分集的r a k e 接收。 3 2 1r a k e 接收机概念 r a k e 的概念是出r p r i c e 和r e g r e e n 在1 9 5 8 年“多径信道中的一种通信技术” 一文中提出来的。他们提出了为高频段设计的设备应用r a k e 概念的实现方法。 在最大时延扩展为l ，的多径衰落信道中r a k e 的概念就是采用一种特定的宽 1 带信号，其带宽w 。信号结构可设计为具有伪随机特性，即其自相关函数 。 1 的宽度在量级，这样就可以区分各多径分量以供相干合并。如果信号形式为用 州 一个p n 序列p n c t ) 调制载波，则调制载波为： 脚( f ) = p