（通信与信息系统专业论文）tdscdma中联合检测技术的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 中文摘要 摘要 由我国提出的t d s c d m a 标准是第三代移动通信技术标准之一，它是基于同步码分 多址( s c d m a ) ，采用时分双工( t d d ) 方式并拥有智能天线( s a ) 、联合检测( m ) 、 上行同步等多项关键技术的陆地移动通信标准。目前3 g 的三个牌照已发，这是t d s c d m a 的机遇和挑战。 联合检测是t d s c d m a 的关键技术之一，但实现起来有一定难度，并且存在一些值 得注意的问题。智能天线是t d s c d m a 的核心和必选的技术，当研究联合检测时候，有 必要结合智能天线，来讨论形成的接收机结构。 本文首先对3 g 主流标准进行了总体的分析和比较，并简要介绍了t d s c d m a 系统的 帧结构和它所采用的各项关键技术。接着，分析了智能天线的基本原理和在系统中的应用， 结合t d s c d m a 系统模型详细介绍了联合检测的基本原理，并总结了它实现时应该注意 的问题。然后，本文在参考了大量的文献后，给出了当前的t d s c d m a 上行接收机，即 在上行只使用智能天线进行分集接收，然后进行联合检测。在下行，使用智能天线的波柬 成形进行定向发射。并介绍接收机的一种改进方案基于智能天线d o a 的联合检测， 即在上行首先使用智能天线的波束成形进行空分多址，然后利用联合检测进一步消除干 扰。通过仿真可知，该接收机虽然实现比较复杂，但在理论上可以得到很高的系统性能。 关键词：t d s c d m a ，智能天线，联合检测，上行接收机，信道估计，d o a 估计 南京邮电大学硕士研究生学位论文英文摘要 a b s t r a c t t d s c d m as t a n d a r d p r o p o s e db y c h i n ai so n eo ft h et h i r dg 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 ss t a n d a r d s ，i ti sb a s e do ns y n c h r o n i z a t i o nc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( s c d m a ) 、t i m e d i v i s i o nd u p l e x i n g ( t d d ) m o d e ，a n da l s oh a v em a n yk e yt e c h n o l o g i e s ，s u c h a ss m a r ta n t e n n a ( s a ) ，j o i n td e t e c t i o n ( j d ) ，u p l i n ks y n c h r o n i z a t i o na n ds oo n r e c e n t l y , c h i n a h a si s s u e dt h r e el i c e n s e sf o r3 gs ot d s c d m ah a sb e e nf a c e db o t ho p p o r t u n i t i e sa n d c h a l l e n g e s j o i n td e t e c t i o ni so n eo fk e yt e c h n o l o g i e si nt d - s c d m a , t h e r ea r es o m ed i f f i c u l t i e sa n d p r o b l e m st h a ts h o u l db ec o n c e r n e dw h e nr e a l i z i n gi ti na c t u a lp r o j e c t s s m a r ta n t e n n ai sc o r e t e c h n o l o g ya n dm u s tb es e l e c t e d ，s ow h i l ed o i n gr e s e a r c ho nj o i n td e t e c t i o n , i ti sn e c e s s a r yt o c o m b i n ej dw i t hs at oa n a l y s et h es t r u c t u r eo fr e c e i v e r f i r s t , t h ep a p e rc o m p a r e st h em a i ns t a n d a r d so f3 ga n db r i e f l yi n t r o d u c e st h ef r a m e s t r u c t u r ea n dk e y t e c h n o l o g i e so ft d s c d m as y s t e m t h e ni ti n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fs m a r t a n t e n n aa n di t sa p p l i c a t i o ni nt d s c d m a , a n da n a l y s e st h ep r i n c i p l eo fj o i n td e t e c t i o n a c c o r d i n gt ot d s c d m as y s t e mm o d e la n dt h ep r o b l e m st ob ec o n c e r n e dw h e nr e a l i z i n gi t i n t h ee n d ，a f t e rr e f e r r i n gt oal o to fa r t i c l e s ，t h i sp a p e rg i v e st h es t r u c t u r eo f p r e s e n tu p l i n kr e c e i v e r ： i nu p l i n k , t h eb sf i r s tr e c e i v e ss i g n a l so n l yb yd i v e r s i t yu s i n gs m a r ta n t e n n a , t h e nd o e st h e j o i n t d e t e c t i o n i nd o w n l i n l 白t h eb ss e n d ss i g n a l sb yb e a m f o r m i n g ，a n dt h e nt h i sp a p e rg i v e sa l l i m p r o v e ds c h e m eo ft h er e c e i v e r , w h i c hi st h ej o i n td e t e c t i o nb a s e do nt h ed o a e s t i m a t i o no f s m a r ta n t e n n a t h i sk i n do fr e c e i v e rf i r s tu s e ss m a r ta n t e n n af o rb e a m f o r m i n g ，t h e nd o e st h e j o i n td e t e c t i o nt oe l i m i n a t ei n t e r f e r e n c e t h r o u g hs i m u l a t i o n , w ec a ns e et h a ti tc a ni m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mt h e o r e t i c a l l y k e y w o r d s ：t d s c d m a , s m a r ta n t e n n a , j o i n td e t e c t i o n , u p l i n kr e c e i v e r , c h a n n e l e s t i m a t i o n , d o ae s t i m a t i o n 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 研究生签名： 齑逸丕日期：塑坚垒 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 碱生躲函魁导师躲盐嗍 另争7 乒f 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 移动通信发展概述 第一章绪论 随着技术的进步，移动通信系统经历了第一代模拟移动通信系统，第二代数字移动通 信系统，目前正在向第三代移动通信系统过渡和发展。 第一代移动通信系统是模拟系统，主要建立在频分多址( f d m a ) 和蜂窝频率复用的理 论基础上，它出现在2 0 世纪7 0 年代中期，典型代表有：美国的a m p s ( a d v a n c em o b i l ep h o n e s y s t e m ) 、英国的t a c s ( t o t a l a c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 、北欧的n m t ( n o r d i cm o b i l e t e l e p h o n es y s t e m ) - 4 5 0 9 0 0 、日本的n t t ( n i p p o nt e l e g r a p ha n dt e l e p h o n e ) 和r r a c s n t a c s ( j a p a n e s et a c sa n dn a r r o w b a n dt a c s ) 等。该系统采用f d m a 技术，模拟语音调制。由 于模拟调制的频谱利用率和抗干扰能力较低、保密性差、提供的业务比较单一，远远不能 满足用户的需求。因此，走向数字化是移动通信发展的必然，于是人们提出了第二代移动 通信系统； 第二代移动通信系统是以数字调制和时分多址( t d m a ) 或码分多址( c d m a ) 为主的数 字蜂窝系统，典型代表是g s m 系统和i s 9 5 系统。与第一代移动通信系统相比，它具有较 高的保密性和频谱利用率、容量大、能提供较丰富的业务等优点。但是，这两代通信系统 主要提供传统的语音和低速数据业务，随着移动多媒体和高速数据业务的迅速发展，要满 足用户的业务需求，迫切需要设计新的网络来提供更宽的工作频带，支持更加灵活的业务 ( 如高速率数据、多媒体及对称或非对称业务等) ，并使终端能在不同网络间进行无缝漫游。 于是第三代移动通信系统在上述要求下就应运而生。 第三代移动通信系统由国际电信联盟( i n j ) 提出，最初命名为未来公共陆地移动通信系 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 ) ，即该系统的工作频率是2 0 0 0 m h z ，最高业务速率可达2 0 0 0 k b p s ，预期在2 0 0 0 年左右得到商用。第三代移动通信系统 的基本特征概括如下： ( 1 ) 全球普及和全球无缝漫游系统：第二代移动通信系统一般为区域或国家标准，而 第三代移动通信系统是一个在全球范围内覆盖和使用的系统。 c 2 ) 支持多媒体( 特别是互联网) 业务：第三代移动通信系统的业务能力比第二代系统有 明显的改进，如能支持话音、高速率分组数据和多媒体业务。 ( 3 ) 便于过渡、演进：由于第二代移动通信系统的无线网络已具有相当规模，这样第 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 三代系统能在第二代网络的基础上逐步灵活演进而成，并应与固网兼容。 ( 4 ) 抗干扰能力强，保密性好，频谱效率高。 ( 5 ) 服务质量高和成本低。 为了满足上述基本特征，u 对i m t 2 0 0 0 的无线传输技术提出如下要求。 ( 1 ) 为支持高速率数据和多媒体业务，在各种条件下所应提供的业务速率为： 快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b p s 。 室外到室内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b p s 。 室内环境，最高速率达2 0 0 0 k b p s 。 ( 2 ) 传输速率能够按需分配。 ( 3 ) 上下行链路应适合于传输不对称业务。 由于第三代移动通信系统具有全球无缝漫游、支持多媒体和不对称业务、高频谱利用 率等优点，因此人们对第三代移动通信系统的发展非常关注。为了能够拥有第三代移动通 信系统标准的知识产权，在技术方面占主导地位，许多国家和地区的电信设备制造商先后 提出十多种技术标准。其标准的确定经过充分的协商和融合，最后确定了第三代移动通信 系统的三大主流标准即w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 1 23 g 主流标准比较 2 0 0 0 年5 月，i t u 全会通过5 个第三代移动通信系统无线接口标准：i m t - d s ( w c d m a ) 、i m t - m c ( c d m a 2 0 0 0 ) 、m m t d ( 包括t d s c d m a 和t d d w c d m a ) 、 i m t - s c 和i m t - f t ，其中w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 被公认为是三种主流国际 标准。这3 种方式均采用c d m a 方式，w c d m a 的主要倡议者为欧洲和日本，t d s c d m a 由中国提出，c d m a 2 0 0 0 由美国和北美为主要倡议者。 第三代移动通信系统的三大主流标准，虽说都满足i m t - 2 0 0 0 的要求，但在一定程度上 也存在着差别，下面我们主要从技术性能和频谱利用率两方面进行比较。 ( 1 ) 技术性能比较 三大主流标准都采用了c d m a 技术，但是它们采用不同的带宽和码片速率；此外，只 有t d s c d m a 系统采用时分双工o d d ) 模式，其它两种标准都采用频分双工( f d d ) 模式。 t d 模式除了在终端移动速度和小区覆盖半径方面略显不足之外，它本身具有突出的优势， 如上、下行工作于同一频段，不需成对的频率等。在频率资源日趋紧张的情况下，这点尤 为重要。我们在参阅文献【1 ，2 ，3 的基础上归纳出三种主流标准的主要技术性能比较表，如 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 表1 1 所示。 表1 1 三种主流标准的技术性能比较表 参数 w c d 【ac d m a 2 0 0 0t d s c d m a 载波间隔 5 哪z1 2 5 - i z1 6 m h z 码片速率 3 8 4 m c p s1 2 2 8 8 3 6 8 6 4 m e p s1 2 8 m c p s 多址方式 d s c d m ad s c d m a m c - c d m af d m a + t d m a + c d m a 核心网 g s m m a pa n s i - 4 lg s m - m a p 双工方式 f d df d dt d d 无线帧长 1 0 m s2 0 5 m s 10 m s ( 分为两个子帧) 相干解调前向：专用导频信道前向：公用导频信道前向：专用导频信道 反向：专用导频信道反向：专用异频信道反向：专用导频信道 检测方式 相干解调 相干解调联合检测 切换扇区间与小区间采用软扇区间与小区间采用软 接力切换， 切换，切换， 载频间采用硬切换， 载频间采用硬切换， 载频间的切换， 与g s m 间的切换与i s 9 5 b 间的切换 与g s m 间的切换 信道编码卷积码r = l 2 ，1 3 ；k = 9 卷积码r = i 2 ，i 3 ，1 4 ；k - - 9卷积码r = l 2 ，1 3 ；k = 9 t u r b o 码 t u r b o 码t u r b o 码 扩频前向：w a l s h ( 信道化) +前向：w a l s h ( 信道化) +前向：w a l s h ( 信道化) g o l d 序列2 t m _ l ( 区分小m 序列2 ”1 ( 区分小区) * n 序列( 区分小区) 区) 反向：w 甜s h ( 信道化) + 反向：w a l s h + m 序列 反向：w a l s h ( 信道化) g o l d 序列2 4 1 1 ( 区分用 2 4 1 一l ( 区分用户) + p l n 序列( 区分用户) 户) 交织周期 1 0 2 0 4 0 8 0 ( m s ) ，5 2 0 4 0 8 0 ( m s ) ， 10 2 0 4 0 8 0 ( m s ) ， 功率控制开环+ 闭环 开环+ 闭环( 8 0 0 h z )开环+ 闭环( 2 0 0 h z ) 步长1 ，2 ，3 ( d b ) 步长1 , 0 5 ，0 2 5 ( d b )步长1 ，2 ，3 ( d b ) 智能天线可选可选 基站8 个天线组成天线阵 基站间同步 异步、同步( 可选)同步( g p s )同步 从上表可看出：在三种主流标准中，只有t d s c d m a 使用接力切换、智能天线和联 合检测等先进技术，因此在频谱利用率、系统容量和抗干扰能力等方面都具有明显的优势。 ( 2 ) 频谱利用率比较 t d s c d m a 系统在第三代移动通信系统标准中频谱利用率最高( 具体的频谱利用率比 较见表1 2 1 4 ) ，主要归功于采用以下技术： a ) t d d 模式：上、下行在同一载波上传输，可根据业务类型灵活地调整上、下行转 换点，避免了上、下行数据量因不对称而造成的资源浪费。 b ) 智能天线和联合检测：智能天线的应用提高天线增益和减少系统干扰，联合检测 消除多址干扰( m a i ) 和符号间干扰( i s i ) ，二者的结合可显著提高系统容量和频谱 利用率。 c ) 上行同步技术：使所有用户的伪随机码在到达基站时同步，采用此技术可使每个 码道在解扩时完全正交，从而消除多址干扰。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 d ) 动态信道分配：能保持所需要的服务质量，减少干扰；同时，通过最小化重用距 离使系统容量达到最大化。 表1 2 三种3 g 主流标准频谱利用率的比较 类型 w c d m ac d m a 2 0 0 0t d s c d m a 频率复用系数 l1l 每载波带宽l l h z 1 0 2 5 1 6 每载波同时工作信 6 02 04 8 道数 频谱利用率( 话音) 683 0 最大数据传输速率4 m b p s2 5 m b p s2 m b p s ( 8 p s k ) 频谱利用率( 数据) 0 41 o1 2 5 1 3 论文组织情况 注：话音通信的频谱利用率= 同时工作的信道数m h z ，载波 数据通信的频谱利用率= 最大数据传输速率m h z 载波 本文首先在绪论部分简要介绍了移动通信系统的发展，并对3 ( 3 主流标准进行了简单 比较。第二章介绍了t d s c d m a 标准的帧结构，关键技术。第三章介绍了智能天线的基 本原理、核心技术、采用的算法及其在t d s c d m a 系统中的运用及性能。第四章首先分 析了t d s c d m a 系统传播模型，然后基于t d s c d m a 系统传播模型，分析常见联合检测 算法和比较，最后分析了联合检测实现时应该注意的问题。第五章分析智能天线和联合检 测两种技术的结合。在t d s c d m a 系统实现时候，两者都是必选的技术，本章讨论了结 合这两种技术形成的接收机，并分析了他们的性能等。最后一章对本文进行了总结，并提 出了尚未解决的一些问题。通过作者和导师的长期深入研究，提出了一些新的问题，这些 在系统实现时必须要认真考虑，这也是本文的一个创新之处。由于作者的水平有限以及获 取资料的有限，文章中的一些错误在所难免，请读者批评指教。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t d s c d m a 系统介绍 2 1 引言 第二章t d s c d m a 系统介绍 t d s c d m a 是由我国提出的3 g 主流标准之一，是一种t d d c d m a 标准，具备 t d d c d m a 的一切特征。它是第一个采用时分双工( t d d ) 模式和智能天线技术的公众 陆地移动通信系统，也是一个采用同步c d m a ( s c d m a ) 技术和低码片速率的第三代移 动通信系统，同时使用了多用户检测、软件无线电、接力切换等新技术。本章先对 t d s c d m a 系统的原理进行分析，再对t d s c d m a 系统的技术特点进行概括。 2 2t d s c d m a 系统分析 2 2 1t d s c d m a 标准发展史 t d s c d m a 标准是中国信息产业部电信科学技术研究院在国家信息产业部的支持下， 提出的具有一定特色的3 g 系统标准【1 1 。该标准文件在我国无线通信标准组织( c w t s ) 最 终修改完成后，经原邮电部批准，于1 9 9 8 年6 月提交到i t u 和相关国际标准组织。 t d s c d m a 系统满足m m 2 0 0 0 的基本要求，采用t d d 双工模式，以及 f d m a 厂r d m 剐c d m a 相结合的多址接入方式，同时使用1 2 8 m c s 的低码片速率，扩频带 宽为1 6 m h z 。 1 1 ) s c d m a 标准公开后，在国际上引起了强烈的反响。1 9 9 9 年1 1 月在芬兰赫尔辛基 召开的u 会议上，t d s c d m a 被列入i t u 建议i t u - r m 1 4 5 7 ，成为i t u 认可的第三代 移动通信无线传输主流技术之一。 t d s c d m a 被i t u 正式接纳后，1 9 9 9 年3 g p p r a n 会议上确定了t d s c d m a 与u t r a t d d 标准融合的原则，2 0 0 1 年在美国加里福尼亚洲举行的3 g p pt s gr a n 第1 1 次全会上， 将t d s c d m a 列为第三代移动通信系统标准之一，包含在3 g p pr 4 中。 2 0 0 2 年1 0 月， 保持上行同步。每个上行时隙中不同用户的m i d a m b l c 码都不相同。基站通过估计时 隙中每个用户的m i d a m b l e 码的范围得到定时差，然后基站将在相应的下行时隙发送上行 同步的控制信息，使得用户能够正确地调整发送时间，这些过程能完成上行同步的保持。 ( 4 ) 用户频率校正。 2 2 5t d s c d m a 信道及传输信道到物理信道的映射 空中接口u u 由物理层( l i ) 、数据链路层( l 2 ) 和网络层( l 3 ) 组成。第三代移动 通信系统的空中接口协议如图2 5 所示： 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 l l 卿 燕 哥巳 辍 逻辑信道 传输信道 图2 5 空中接口协议体系结构 第三代移动通信技术的差别主要在于空中接口的传输技术，尤其是物理层。物理层处 在空中接口的最底层。物理层向m a c 层提供不同的传输信道，传输信道定义信息如何在 空中接口上传输。在物理层定义了物理信道，与传输信道有对应关系，物理层受r r c 的 控制。 各种传输和物理信道的具体名称和作用见参考资料【6 】，现给出传输信道到物理信道的 映射方式如下表2 4 ： 表2 4 传输信道到物理信道的映射 传输信道物理信道 d c h 专用物理信道( d p c h ) b c h 主公共控制物理信道( p - c c p c h ) p c h 主公共控制物理信道( p c c p c h ) 辅公共控制物理信道( s c p c h ) f a c h 主公共控制物理信道( p - c c p c h ) 辅公共控制物理信道( s - c c p c h ) r a c h 物理随机接入信道( p r a c h ) u s c h 物理上行共享信道( p u s c h ) d s c h 物理下行共享信道( p d s c h ) 下行导频信道( d w p c h ) 上行导频信道( u p p t s ) 寻呼指不信遭( p i c h ) 快速物理接入信道( f p a c h ) 2 3t d s c d m a 技术特点 t d s c d m a 采用了一系列不同于其他3 g 主流标准的关键技术，这是其成为3 g 主流 标准并具有一定竞争力的主要原因。但是，高新技术就像一把双刃剑，一方面，它可以进 行技术革新，创造出更好的成果；但是另一方面，它可能导致系统的不稳定，成本上升， 难以推广普及。所以，我们对于新技术的选择需要慎重，只有在真正认清楚它的本质的前 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t d s c d m a 系统介绍 2 3 1 t d d 模式 3 g 系统分为时分双工( t d d ) 和频分双工( f d d ) 两种模式。f d d 方式下，数据的 接收和发送是在分离的两个对称的频率信道上，用保证频段来分离接收和发射信道；而在 t d d 方式下，接收和发射是在同一个频率信道上，用不同时隙来区分上下行，即用保护间 隔来分离接收和发射信道。t d s c d m a 全称为时分双工同步c d m a ，所以t d d 是其最主 要的特点之一。 t d d 系统具有如下优点：( 1 ) 由于不需要成对的频谱，故可以利用f d d 无法利用的 不对称频段，灵活性强；( 2 ) 它可以调整上下行时隙的个数来支持不对称的数据业务；( 3 ) 它的上下行链路采用相同的频率，其传播特性在一定的条件下可以认为相同，有利于采用 智能天线等新技术：( 4 ) 设备成本一般比f d d 系统低。 当然，t d d 系统也有其固有的缺点：( 1 ) 采用多时隙不连续传输方式，抗快衰落和 多普勒效应能力比连续传输的f d d 方式差，因此u 要求t d d 系统的用户终端的移动速 度达1 2 0 k m h ，而f d d 系统则要求达到5 0 0 k n g h ；( 2 ) t d d 系统的平均功率与峰值功率之 比随时隙数增加而增加，考虑到耗电和成本因素，用户终端的发射功率不可能很大，故通 信距离( 小区半径) 较小，一般不超过1 0 k i n ，而f d d 系统的小区半径可达到数l o k m 。 2 3 2 低码片速率 t d s c d m a 中的码片速率为1 2 8 m c s ，仅为w c d m a 的i 3 ，接收机接收信号采用后 的数字信号处理量大大降低，适合采用软件无线电等技术，还可以在目前d s p 的处理能力 允许和成本可接收的条件下用智能天线和多用户检测来降低干扰，提高容量。低码片速率 也提高了频谱的利用率 4 1 。 2 3 3 上行同步 所谓上行同步是指上行链路各终端的信号在基站解调器完全同步。在t d s c d m a 中用 软件和帧结构设计来实现严格的上行同步，是一个同步的c d m a 系统。通过上行同步， 可以让使用正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰，克服了 异步c d m a 多址技术由于每个移动终端发射的码道信号到达基站的时间不同而造成码道 非正交所带来的干扰，从而可以大大提高c d m a 系统容量和频谱利用率。当然，要实现 l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二苹t d - s c d m a 系统介绍 上行同步必须要有一套可靠的同步机制作保证。在实际系统中，要实现严格的上行同步其 实是做不到的，而且由于多普勒频移以及距基站距离等参数的影响，试图在高速移动环境 中要保持各移动台到达基站接收机间的码片同步并不是一件易事。在t d s c d m a 标准中 规定允许上行同步有1 8 个码片的误差 4 1 ，该允许的同步误差可能导致较大的自干扰，其 干扰强度有时甚至可能大于使用异步上行信道地址码的系统。 2 3 4 接力切换 越区切换在蜂窝移动通信系统中占有重要的地位。在早期的频分多址( f d m a ) 和时 分多址( ) m a ) 移动通信系统中，采用的是“硬切换技术”，该技术使系统在切换过程中 大约丢失3 0 0 m s 的信息，同时占用信道资源较多。美国高通公司开发的i s 一9 5 无线通信 系统使用了“软切换技术”，软切换过程不丢失信息、不中断通信，还可增加c d m a 系统的 容量。但是，软切换技术只解决了终端在使用相同载波频率的小区或扇区间切换的问题， 对于不同载波的基站之间，f d dc d m a 系统仍然只能使用硬切换方式。而且，处于切换 过程中的每一个终端要同时接收来自两个或三个基站的信息，并在反向链路中向这些基站 发送相应信息，这都占用了较多的通信设备和信道，造成系统资源的浪费。 t d s c d m a 系统采用了独特的接力切换，接力切换是介于硬切换和软切换之间的一种 新的切换方法。其原理是在切换测量期间，使用上行预同步的技术，提前获取切换后的上 行信道发送时间、功率信息，从而达到减少切换时间，提高切换成功率、降低切换掉话率 的目的。这个过程就像是田径比赛中的接力赛一样，因而形象地称之为“接力切换”。对比 硬切换和软切换，接力切换有如下优势：切换过程经历时间短；切换过程中始终只需一条 无线链路，比软切换节省无线资源；切换中上下行分别进行，比硬切换成功率高；可以实 现无损伤切换。 2 3 5 智能天线 智能天线在t d s c d m a 中作为一个必选技术来使用。因为我们对它寄予了很高的期 望，一般认为它可以克服t d d 模式的固有缺点，可以大大降低c d m a 系统中的多址干扰 ( m a d 。智能天线应该说是t d s c d m a 的核心，能否正确使用智能天线关系到整个标准 的成败。到目前为止，t d s c d m a 系统是世界上第一个确定使用智能天线技术的。由于采 用t d d 模式，上下行链路使用同一频率，在一定的条件下可以认为上下行链路的空间物 理特性完全相同，适合采用智能天线技术。智能天线可以用上行链路信道的参数估计值对 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t d s c d m a 系统介绍 下行信号进行波速成型，从而实现空分多址，降低多址干扰，提高系统容量。 2 3 6 联合检测 联合检测技术是t d s c d m a 系统中采用的又一个高新技术。它是用来对抗多址干扰 ( m 舡) 的较好的手段。同时它可以把多径干扰( m p i ) 看成另一种m a i 一起消除。传统 的单用户检测是把其他用户的信号都看成是干扰信号来进行接收，导致接收信号的信噪比 较低，误码率较高。在c d m a 这样一个干扰受限的系统中，极大的影响了系统的容量。 联合检测是充分利用所有用户的先验信息，在接收端把所有用户的数据一起解调出来，由 于它把其他用户的信息也作为是一种有用的信息加以利用，所以它大大改善了输出信号的 信噪比，降低了系统的多用户干扰，提高了系统的容量。如果信道估计足够准确，则联合 检测在理论上可以完全消除多径干扰( m p i ) 和多址干扰( m a j ) 。 2 3 7 软件无线电 所谓软件无线电是指利用d s p f p g a 等器件来代替a s i c 芯片 6 1 。对t d s c d m a 系统 来说，软件无线电可用来实现智能天线、同步检测和载波恢复等。 在t d s c d m a 系统中，基站和移动台采用软件无线电结构，硬件简单，功能由软件定 义，射频频段、多址模式和信道调制都可编程。软件无线电的发射与其他系统不同，它先 划分可用的传输信道，选择传播路径，进行合适的信道调制，控制发射波束指向正确的方 向，选择合适的功率，然后再发射。接收也同样如此，它能区分当前信道和相邻信道的能 量分布，识别输入信号模式，自适应抵消干扰，估计所需信号多径的动态特征，对多径信 号进行相干合并和自适应均衡，对信道编码进行解码，然后通过f e c 解码纠正错误，尽可 能降低误码率。此外，软件无线电通过许多软件工具定义增值业务，这些软件工具能帮助 分析无线环境，定义所需增加的模块。 2 3 8 动态信道分配 t d s c d m a 所采用的动态信道分配技术可以实现在时域、频域和空域对无线信道的灵 活配置【3 】。采用动态信道分配技术使得t d s c d m a 系统能够较好的避免干扰，是信道重 用距离最小化，从而高效率的利用有限的无线资源，提高系统容量。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章智能天线技术 3 1 引言 第三章智能天线技术 t d s c d m a 是以智能天线为核心的系统【4 】，在t d s c d m a 系统的上行接收机中引入 了智能天线技术，这在所有的移动通信标准中属于首次。一方面使用这样复杂的高新技术 使得t d s c d m a 系统具有很大的魅力，但我们必须认识到，在提高系统性能的同时，它 在工程上的实现难度和付出的高昂代价，而且使用智能天线技术在国际上尚属首例，我们 更需要严谨对待。本章首先介绍了智能天线的基本概念、基本原理以及关键技术，然后分 析了智能天线在t d s c d m a 系统中的应用情况及性能。 3 2 智能天线基本概念 智能天线的概念起源于雷达系统中的相控阵天线，它原先是在军事领域中使用的一项 技术。智能天线采用空分的概念，利用信号入射方向上的差别，可以将同频率、同时隙、 同码道的信号区分开来，所以它可以成倍的扩展通信容量，并和其他复用技术相结合，最 大的利用有限的频谱资源。 智能天线是由天线阵列和加权网络组成。组成这种阵列的天线称为阵元，天线阵的阵 元大多采用对称振子。天线阵列具有不同的阵列结构，而阵列结构与阵元间距和阵元排列 方式有关。对于阵元间距，设置过大会导致方向图的副瓣电平增大和阵元相关性降低，设 置过小会导致方向图的副瓣增宽和阵元互耦增强，通常，我们选择阵元间距为半波长以得 到折中的效果。对于阵元排列方式，天线阵列可以分为线阵和面阵。通常，线阵引起的系 统计算简单，但可分辨角度范围只有1 8 0 度；面阵引起的系统计算相对复杂，但可分辨角 度范围为3 6 0 度，因而在工程中得到广泛应用。 根据方向性相乘原理，采用同样对称振子作为阵元的天线阵只要改变排列位置、阵元 数、馈电相位就可以获得不同的天线方向图。根据阵列天线的方向图可把天线阵分为固定 多波束天线阵、准动态多波束阵和自适应阵。 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章智能天线技术 3 3 智能天线的基本原理 3 3 1 智能天线一般结构 智能天线的一般结构如图3 1 所示，主要包括四个部分：天线阵元、模数转换( a d ) 、 波束形成网络和自适应信号处理器。自适应信号处理器根据自适应空间滤波波束成型算法 和估计的来波方向等产生权值( 刀= l ，如，聊，波束成型网络进行动态自适应加权处理以产 生希望的自适应波束。因此，智能天线技术的核心问题是：空域滤波波束成型和波达方向 ( d o a ) 估计。 信 天线阵模数转换波束形成网络 图3 1 智能天线的一般结构 从接收的角度来看，基站利用智能天线对来自移动台的多径电波方向进行波达方向 ( d o a ) 估计，并进行空间滤波( 也称为上行波束成型) ，抑制其他移动台和多径干扰。 从发送的角度看，基站利用智能天线对发射信号下行波束成型，使基站发射信号能够沿着 移动台电波的来波方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其他移动台的干扰。 3 3 2 智能天线阵元模型 如图3 1 所示，智能天线由天线阵列和加权网络组成。天线阵列由多个独立阵元在空 间按照某种几何形状排列而成，天线的发射和接收则是全部阵元发射和接收信号的线性组 合。天线阵列具有不同的阵列结构，而阵列结构与阵元间距和阵元排列方式有关。 对于阵元间距，设置过大会导致方向图的副瓣电平增大和阵元相关性降低，设置过小 会导致方向图的副瓣增宽和阵元互耦增强，因此，通常选择阵元间距为半波长以得到折中 1 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章智能天线技术 的效果。而基本的阵元排列方式有均匀直线阵和均匀圆阵。 均匀直线阵( u n i f o r ml i n e a ra r r a y ，u l a ) 的几何结构如图3 2 ( a ) 所示，m 个全向 阵元等距离排列成一条直线，阵元间距为d 。假定信源位于远场，即其信号到达各阵元的 波前为平面波。各阵元从原点开始分列于y 轴上。设信号的入射方位角( 与阵列法线方向 的夹脚) 为秒。 z 疋丫y 。 ( o ， h 7y x y ( a ) 均匀直线阵( b ) 均匀圆阵 图3 2 常用阵列形式 均匀圆阵( u n i f o r mc i r c u l a r a r r a y ，u c a ) 的几何结构如图3 2 ( b ) 所示，其m 个相 同的全向阵元均匀分布在x y 平面中一个半径为r 的圆周上。采用球面坐标系表示入射平 面波的波达方向，原点o 位于阵列的中心即圆心。信源俯仰角口【o ，万2 】是原点到信源的 连线与z 轴直接的夹角，方位角9 【o ，万，2 ) 则是原点到信源的连线在x 哆平面上的投影与 x 轴之间的夹角( 逆时针) 。 如图3 3 给出了圆阵和均匀直线阵上当用户信号入射角为0 0 和9 0 0 时的方向图。 图3 3c a ) 8 元圆阵平面坐标方向图图3 3 ( b ) 8 元直线阵平面坐标方向图 通常，直线阵引起的系统计算简单，但其可分辨角度范围只有1 8 0 度。且如图3 3 ( b ) 直线阵的波束方向图沿直线阵的阵面对称，如果用户信号与干扰信号沿阵面对称时，直线 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章智能天线技术 阵无法在用户信号形成最大增益，同时在干扰方向上加以抑制，且当入射信号方向靠近轴 线方向时，方向图的主瓣会变宽；而面阵引起的系统计算虽然相对复杂，且如图( a ) 所示 旁瓣比较大，天线阵的方向性增益较低，但它具有3 6 0 。的扫描能力，因而在工程中得到 广泛应用。 3 3 3 智能天线工作原理 3 3 3 1 多径传播模型 多径效应是移动通信最显著的特点。图3 4 中给出车载移动通信中基站收信时的多径 传播模型。由于m s 和b s 间是非视距传播，信号在传播过程中受到山体、建筑物等的影 响，存在多条反射路径，其中b 1 ，b 2 即表示可能引起反射的物体，此时导致接收机端会 收到多路幅度和时延都不同的信号。 图3 4 移动通信中的多径传播 一般而言，由于3 g 所用频段为2 g h z ，比9 0 0 m h z 频段更易产生多径衰落。一般的 f d dc d m a 系统都将利用多径分集( r a k e ) 接收机实现r l 、1 2 和r 3 这些多径传播能量的 利用，但是考虑到t d d c d m a 系统中r a k e 接收机的实现难度及此类系统原则上用于步 行移动通信系统的特征，一般将传播能量较小的两路路径信号，如图中的r 2 和r 3 路径信号 视为干扰，可利用在时隙突发信号中安排的中置序列检测出r 2 、r 3 路径信号的时延和幅度， 即可利用r l 路径检出的信号消除它们的干扰。 此时在基站端利用智能天线进行信号接收时，就是要发挥智能天线定向收发信和空分 多址( s d m a ) 的作用。即利用谱搜索法测出最强的一路，；信号的来波方向( d o a ) ，并定 向接收r t ，然后对信号进行移相、迭加并提取空间参数，在发送时沿着的方向反向发回 给m s 。此时，即能很好地消除多径干扰( m p i ) 和多用户干扰( m a d1 2 和r 3 。 3 3 3 2 工作原理 t d s c d m a 系统的智能天线使用的是一个8 阵元的均匀圆阵，相邻阵元的间距为 2 1 2 ，兄为载波的波长；r 为圆的半径，其值为0 6 5 3 3 兄。阵列天线的阵因子可统一表示 1 7 y i 旌 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章智能天线技术 为口( 目) ：【l ，e 一鹏，p 一协一t r 。则如图3 5 为8 阵元的均匀圆阵结构图。其阵列响应矢量 为口( 仍) = 【l ，p 一鹏，p 一旃r 。设4 为第1 个天线阵元，其位于坐标位置( r ，o ) ，则 4 0 = o ，1 ，7 ) 对应的坐标位置为：( r e o s 2 m r 8 ，r s i n 2 m c 8 ) 。 4 ( r e o s 2 n n ，心n 趣一一 z v 风( r ，o ) 西 图3 5t d s c d m a 系统中8 阵元圆阵天线分析图 如图，由于阵元间的距离很近，我们此处假设认为各天线阵元上收到的是相关信号， 即各阵元收到的信号幅度基本相等。但是由于各阵元所处的几何位置不同，再考虑到电波 行进波长名时产生的2 7 r 相移及d o a ，所以各阵元收信号的相位不同。此时可以得到8 天 线阵元圆阵的主瓣最大