（通信与信息系统专业论文）tdscdma信道估计研究及gppsdr实现.pdf

摘要 摘要 t d _ s c d m a 是我国自主提出的第三代移动通信标准，采用了很多先进的关键 技术如智能天线、联合检测等，它们的性能在很大程度上依赖于信道估计的精确 性。因此，研究t d s c d m a 系统中的上行信道估计方法对t d - s c d m a 整个系统实现 具有重要的意义。 本文在研究t d _ s c d m a 信道特性的基础上，详细地分析了t d _ s c d m a 的信道模 型，并给出了t d s c d m a 上行链路信道模型。其次，针对t d s c d m a 标准中的信道 估计技术，给出了用于信道估计的接收矢量模型，详细地阐述了t d s c d m a 中的 信道估计原理，包括单小区信道估计算法与多小区信道估计算法的原理；在充分 分析现有经典信道估计算法的基础上，提出了低代价的逐径干扰消除信道估计算 法，并对各算法的运算复杂度做了详细的分析。最后利用m a t l a b 搭建了基带系 统仿真平台，针对s t e i n e r 信道估计算法、联合估计算法、逐码片干扰消除算法 和逐径干扰消除算法，分别在不同的c i 和信道模型条件下对各算法的性能作了 仿真，从仿真结果可以看出，无论在慢速移动的信道下，还是在高速移动的信道 下，逐径干扰消除信道估计算法都具有更高的相关系数和更小的均方误差，它是 一种低代价高性能的多小区信道估计算法。 最后，本文介绍了g p p - s d r 技术，给出了项目课题中g p p _ s d r 平台的软硬件 架构，基于该平台架构讨论了信道估计模块的实现。在g p p s d r 平台中，利用 s s e 指令集优化信道估计算法能较显著地降低运算开销。 在以后的研究工作中，将进一步考虑信道估计技术与自适应技术相结合，研 究性能更好、复杂度更低的信道估技术。 关键词：t d s c d m a ；信道估计；逐径干扰消除；g p p s d r a b s l 玎l c t a b s t r a c t t d s c d m as t 锄d a r di sat l l i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o i i l 】m u i l i c a t i o ns t a i l d a r dn 哦 p r 叩o s e di n d e p e n d e n t l yb yo u rc o u n 吼nh a sm i l e s t i m es i 嘶f i c a i l c ei no l l rc 0 咖s c o m m u l l i c a t i o nl l i s t 0 巧，a l l dc o m b i n e st h ea d v a n t a g eo f 也et i n l ed i v i s i o nd u p l e x ( t d d ) 谢t l lc d m a ，m a k e s u s eo fm a r l ya d v a r l c e dt e c h m q u e s ，s u c ha u ss m a r ta m e 皿如 j o i n td e t e c t i o na n ds oo n b u t ，t l l e s ek e yt e c h n 0 1 0 9 i e sp e r f o n n a n c er e l yo nt h e a c c u r a c yo fc l l a m e le s t i m a t i o n i ti sv e 巧i m p o r t a n tt or e s e a r c hm ec h 舢e 1e s t i m a t i o n t e c h o l o g yf o rt h er e a l i z i n gt h ew h o l et d - s c d m as y s t e m o nm cb 嬲i so fm e 删yo ft d - s c d m ac h 锄e 1c l l a m c t e r i s t i c s 觚a l y z e sm e t d s c d m ac h a n n e ln l o d e lmd e “l ，a n d 百v e sn l eu p l i l l kc l l a l l n e lm o d e l f o r t d s c d 【ac i l 锄e le s t i m a t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o ne s ta _ b l i s h e st h er e c e i v i n gs i g n a l m a t h e m a t i cm o d e l ，觚dg i v e sd e t a i l e de x p o u n do n 廿l ep 血c i p l eo ft d - s c d m a c h a i l n e le s t i m a t i o n o nt l l eb a s i so fa 1 1 a l y s i so fe x i s t i n gc l a s s i c a lc h a l l n e le s t i m a t i o n a l g o r i t l l i n ，p e r - p a t l lm u l t i c e ui n t e 彘r e n c ec a l l c e l l a t i o nm e 恤d i sp r o p o s e d ，a 1 1 dm e c o n l p u t a t i o n a lc o m p l e x 毋o fe v e r ) ra l g o r i n l mi so b s e e d t h es m l a t i o nr e s u l t s h o w sm a tt h ep r o p o s e da l g o r i t l l mi ss i m p l e r 锄l dh a sb e t t e rp e r f 0 蛐a n c em a no t l l e r a l g o r i t h s f i 砌，t h i sd i s s e 删i o ni i l 仃o d u c e st h eg p p s d rp l a t f o 衄谢m 觚n eo fs o r w a r e a r l dh a r d w a r e ，锄dd i s c u s s e st h ei m p l e m e n to fc h 锄e ie s t i m a t i o nm o d e lb a s e do n g p p s d rp l a t f o n n i nm e 矗l t i l r e ，m a l ( e 向n l l e rc o n s i d e r a t i o no nm ea d 删i o nt e c h i l i q u e s ，龇l d t e s e a r c hab e t t e rs o h l t i o n k e yw o r d s ：t d - s c d m a ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；p e r - p a t l lm u l t i - c e ni n t e 浓r e n c e c a n c e l l a t i o n ：g p p s d r i i 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 t d s c d m a l l j ( t h ed i v i s i o ns ) ，n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u n i p i ea c c e s s ) 技 术是由中国提出的，以中国知识产权为主的，被国际广泛接受和认可的第三代移 动通信标准。 t d s c d m a 的空口传输方案灵活地采用了三种多址技术：f d m a ，t d m a 和c d m a 【2 】。在c d m a 移动通信系统中，由于各个用户信号之间存在一定的相 关性，且多个用户的信号在时域和频域上是混叠的，因此在不同的码分信道之间 形成了多址干扰，同时在不同的小区之间也存在邻区干扰。 为了消除码间干扰和多址干扰，t d s c d m a 采用了联合检测和智能天线等 一些关键技术【3 】。传统的信号分离技术把多址干扰看作噪声一样的干扰，导致信 噪比严重恶化，系统容量也随之下降。联合检测技术充分利用了多址干扰，将所 有用户的信号联合处理，最终将各个用户的信号分离开来。与联合检测技术相结 合，t d s c d m a 系统的传输容量提到了有效的提升。为了进一步抑制干扰， t d s c d m a 引进了智能天线技术，采用天线阵列，根据信号的空间特性，自适 应调整信号的方向圆图，形成自适应波束，使主波束对准用户信号到达方向，旁 瓣或零陷对准干扰信号到达方向，有效地抑制了自身信号对其他用户的干扰【4 】。 联合检测和智能天线技术多用于基站侧，其性能的好坏很大程度上依赖于信 道估计的性能，精确的信道冲激响应是获得良好干扰抑制效果的保证，因此，可 以说精确的信道估计是智能天线、联合检测等关键技术的关键，研究上行链路信 道估计对t d s c d m a 系统具有重要意义。 1 2 研究现状 1 2 1 信道估计研究现状 无线通信系统的性能很大程度上受到无线信道的影响。在移动通信的无 线信道环境中，发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，既有简单的数据传播 也有各种复杂的地形物的阻挡。接收器的信号是由许多路径的众多反射波组成 l ) s c d m a 信道估计研究及g p p - s d r 实现 的，由于无线电波通过各个路径的距离不同，信号到达时间也不同，从而造成时 延扩展，使得接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中，引起码间串 扰【5 1 。当码间串扰严重时，即使没有额外的噪声，也会产生误码。另外，无线信 道具有很大的随机性，这对接收机的设计提出了很大的挑战。为了能在接收端 准确的恢复发射端的发送信号，可以采用各种措施来抵抗多径效应对传输 信号的影响，而信道估计是实现无线通信系统的一项关键技术。能否获得 详细而准确的信道信息，从而在接收端正确地解调出发射信号，是衡量一 个无线通信系统性能的重要指标。因此，对于信道估计算法的研究是一项 有重要意义的工作。 信道估计技术是t d s c d m a 系统中联合检测和智能天线等关键技术的基 础，是系统获得高可靠性和有效性的保证，在国内外已经有了广泛的研究。 b s t e i n e r 【6 】等人利用t o e p l i t z 矩阵的特性，将信道估计算法中的矩阵运算简化为 f f t i f f t 运算，提出了一种适用于同步c d m a 系统的低代价的信道估计方法。 s t e i n e r 信道估计算法虽然是一种低运算开销的信道估计方法，但该算法只考虑小 区内的训练序列信号，而将邻小区的训练序列信号视为背景噪声。不同的小区使 用的训练序列不同且非正交，因此，小区内的信道估计将受邻小区训练序列信号 的干扰，导致s t e i i l e r 信道估计算法获得的信道冲击响应随着干扰功率的增加性 能严重恶化。 为了克服信道估计中小区间干扰的问题，x i a o q i ns o n g 等人提出了联合信道 估计算法 7 1 和逐码片干扰消除算法【3 1 。联合信道估计算法将主小区与邻小区所有 强干扰用户的信号考虑在内，构造出信道估计矩阵，以提高信道估计的准确度。 但该算法在估计过程中涉及到矩阵求逆运算，且该矩阵的大小随着小区数的增多 而变大，带来了极高的运算复杂度。逐码片干扰消除算法是一种码片级的估计算 法，以码片为干扰消除单位，包含了串行消除及并行消除两种方式。首先使用 s t e i n e r 信道估计算法获得初始的信道估计结果，其次重构各小区的训练序列信 号，并逐码片地消除小区间干扰，最后通过若干次迭代，获得较精确的信道冲激 响应。该算法基于码片级的信号重构及干扰消除，使得算法的运算开销仍然很大。 为了满足通信系统对实时性的要求，我们需要寻找一种低复杂度且具有高准 确度的多小区信道估计算法。为此，本文对多小区信道估计算法展开了广泛而又 2 第一章绪论 深入的研究，提出了逐径干扰消除算法。 1 2 2 软件无线电演进 软件无线电( s d r ，s o 脚a r ed e f i i l i t i o nr 们i o ) 9 3 是利用可编程软件的方法 去承载到一个公共的硬件平台上的无线电系统。其基本思想是以一个通用、标准、 模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬 件、面向用途的平台设计方法中解放出来【1 0 1 。 当前，软件无线电( s d r ) 平台主要通过d s p ( 数字信号处理器) 、f p g a ( 现场可编程门阵列) 和g p p ( 通用处理器) 实现。与传统的基于f p g a 以及 d s p 的s d r 相比，基于高性能g p p 的s d r 系统可以降低通信系统开发和调试 的复杂度，具有更好的灵活性和可扩展性，极大地节省系统的硬件成本和人力成 本【1 1 1 。 近年来，通用处理器技术得到了快速的发展。多核心技术的发展为用户带来 更强大的计算性能旧，同时也可满足用户对多任务并行处理和多任务计算环境的 要求。硬件多线程技术【1 3 】( h a r d w a r em u l t i t l l r e a d i n g ) 在处理器中开辟了多份线 程状态，当线程发生切换时，处理器切换到对应的线程状态执行，在瞬间即可完 成，比传统的操作系统控制的上下行切换更快。s i m d 【1 4 】( s i n g l ei i l s 仃u c t i o n m u l t i p l ed a t a ，单指令多数据流) 包含单指令多数据浮点计算及高速缓存控制等 指令，使处理器可在一个频率周期内，同时执行1 2 8 位乘法、1 2 8 位加法、1 2 8 位数据加载与1 2 8 位数据回存，或着是4 个3 2 位单倍浮点精确度乘法与4 个3 2 位单倍浮点精确度加法等运算，更适用于数字信号处理。借力于大容量的片内缓 ： 存，低延迟的片外存储，硬件的虚拟化技术等技术，通用处理器可以取代d s p 胜任基站设备的基带处理。传统通用处理器通常在性能功耗比上比信号处理器 差。近年来通用处理器在这方面有了很多提高，图1 1 显示了通用处理器近6 7 年来在处理能力以及功耗方面的技术进展【1 5 】，不难发现每瓦特的浮点处理能力得 到飞快地提升。这些数据表明了通用处理器架构演进使得其逐渐可以在基站中承 担更多样化的数据处理。 t d s c d m a 信道估计研究及g p p s d r 实现 冒 a o g 一 8 墨 e 告 t & 焉 a 2 0 2 52 62 0 田2 0 唯2 9 + 嘞k 举r f o f 釉n 蚀l g r d 冉 _ 一- p a 删e f ，g f 咿 图1 1 通用处理器计算性能功耗的演进 1 3 主要内容及章节安排 著 三 毫 墨 l i 信道估计技术的实质是实时地提取无线移动信道的特征参数，用以辅助接收 端通信信号的处理，对整个系统的实现具有至关重要的作用。 本文对同频组网的多小区传输场景中的信道估计问题进行了深入而广泛的 研究。详细地阐述了t d s c d m a 中的信道估计原理，包括单小区信道估计算法 与多小区信道估计算法的原理，同时对各个算法做了详细的比较和分析，提出了 一种逐径干扰消除信道估计方法，并基于g p p s d r ( 通用处理器软件无线电) 平台，结合浮点运算的单指令流多数据流( s i m d ) 指令，介绍了该算法的实现 及其代码优化。 全文具体章节安排如下： 第一章绪论部分，主要介绍了课题的研究背景和研究现状；深入地讨论了信 道估计技术的研究意义，并展望了未来软件无线电的演进方向；详细介绍了论文 的主要内容和章节安排。 第二章作为其后各章节研究工作的基础，主要介绍了t d s c d m a 信道特 性。首先阐述了无线信道的传输特性，包括大尺度衰落和小尺度衰落；其次深入 地分析了t d - s c d m a 的信道模型，详细地介绍了t d - s c d 卜1 a 数据的生成过程， 4 6 5 3 2 l o o l l 第一章绪论 包括数据调制，扩频调制，加扰，脉冲成型等过程，最后给出了t d s c d m a 上 行链路信道模型。 第三章主要对t d s c d m a 的信道估计技术展开了深入的研究。首先，介绍 了t d s c d m a 系统的物理信道结构，t d s c d m a 的基本物理信道特性是由频 率、码和时隙决定的；介绍了t d - s c d m a 帧结构，系统帧结构的设计考虑到对 智能天线、上行同步等新技术的支持；并分别介绍了突发结构及m i d 锄b l e 序列 的构成，t d s c d m a 系统利用每个突发中的训练序列( 即m i d 锄b l e 序列) 完成 信道估计；给出了用于信道估计的接收矢量模型；其次，详细地阐述了 t d s c d m a 中的信道估计原理，包括单小区信道估计算法与多小区信道估计算 法的原理，对现有的几种经典算法作了详细的介绍；最后，提出了低代价的逐径 干扰消除信道估计算法，并对各算法的运算复杂度做了详细的比较分析。逐径干 扰消除信道估计算法以路径为干扰消除单位，不涉及矩阵求逆运算，不仅可以得 到较高的估计精度，且具有较低的运算复杂度，为智能天线、联合检测等相关技 术提供了良好的基础。 第四章以第三章为基础，首先，介绍了t d - s c d m a 信道估计仿真平台，给 出了系统仿真链路框图，仿真环境参数等相关配置信息。针对s t e i n e r 信道估计 算法、联合估计算法、逐码片干扰消除算法和逐径干扰消除算法，分别在不同的 c i 和信道模型条件下作了仿真。其次介绍了g p p s d r 平台及s s e 指令集，给 出了项目课题中g p p s d r 平台的软硬件架构，基于该平台架构讨论了信道估计模 块的实现。 第五章对本文的主要工作做了总结，并展望未来进一步的研究工作。 t d s c d m a 信道估计研究及g p p s d r 实现 第二章t d s c d m a 信道特性 信道( c h 黜1 e 1 ) 是指以传输媒质为基础的信号通路，其作用是提供一段频 带传输信号。通信系统利用电磁波传递电信号，而电磁波的传播有两种形式，一 种是沿导体传播，构成有线信道；一种是沿自由空间传播，称为无线电波传播， 构成无线信道。 2 1 移动无线信道概述 无线信道不同于传统的有线信道，移动无线信道环境的好坏直接影响着移动 通信系统的通话质量的好坏。发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，既有简 单的数据传播也有各种复杂的地形物的阻挡。无线电波从发送端到接收端，其间 并没有一个有形的连接，它的传播路径也有可能不只一条。接收器的信号是由许 多路径的众多反射波组成的，这种现象称为多径传播。由于无线电波通过各个路 径的距离不同，使得信号到达时间不同，从而造成时延扩展，使得接收信号中一 个码元的波形会扩展到其他码元周期中，引起码间串扰。由于不同路径来的反射 波到达时间不同，导致相位不同。不同相位的多个信号在接收端又叠加，方向相 同时信号得到加强，方向相反时信号受到减弱，造成接收信号的幅度急剧变化， 即产生了快衰落。这种衰落是由多径引起的，称为多径衰落。当接收机与发射机 之间存在相对运动时，接收机接收的信号频率不同于发射机发射的信号频率，当 接收机向发射机移动时，接收信号频率变高，当接收机远离发射机时，接收信号 频率变低，这种现象称为多普勒效应。 2 2 移动无线信道特性 发射机和接收机之间电波传播的机理是多种多样的，总体上可以归结为直 射、反射、绕射和散射，因此而造成的功率损耗也有多种形式，为了进一步分析 移动无线信道，将无线信道的衰落主要分为两种形式：大尺度衰落和小尺度衰落 【1 6 】 o 6 第二章1 r i ) - s c d m a 信道特性 2 2 1 大尺度衰落 由发射机与接收机之间的空间损耗及复杂地形物的阻挡引起的信号衰落，称 为大尺度衰落，用于测量发射机和接收机之间信号的平均衰落。大尺度衰落包括 路径损耗和阴影衰落。 2 2 1 1 路径损耗 在自由传播空间中，载有信息的无线电波在发射器与接收器之间，由于发射 功率的辐射扩散及信道的传输特性引入了功率损耗，称为路径传播损耗。路径损 耗反映了无线电波在宏观范围( 即公里量级) 的空间距离上接收信号平均电平值 的变化趋势。为了便于研究路径损耗，最好的办法是对路径损耗进行建模，但移 动信道的环境和条件是依据不同的地点和地形而变的，电磁波经过的地貌不同或 者电磁波的频率不同，路径损耗的模型也会不同，因此，使用经验公式是对路径 损耗建模最可行的方法。这里介绍几个比较常见的路径损耗定量分析模型。 1 奥村( 0 k u m u r a ) 模型：奥村模型是移动通信信道建模使用的最广泛 的模型，常用于无线网络的设计中，在移动通信的仿真中也常常用到，其路径损 耗公式为： 上( 船) = 6 9 5 5 + 2 6 1 6 l o g 丘一1 3 8 2 l o g 吃一以k ) ( 2 1 ) + ( 4 4 9 6 5 5 l o g 玩) l o g d + c 厶+ c ：鼬 、7 其中，似m h z ) 表示载波频率，厅6 ( m ) 表示基站天线有效高度，( m ) 表示移动 台天线高度，政k m ) 表示收发天线之间的距离，题d b ) 是地区环境修正参数，口m n ) 是有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数，其数字与所处的无线环境相关， 巳，是小区类型校正因子，c k 咖是地形校正因子，地形校正因子反映一些重要 的地形环境因素对路径损耗的影响，如水域、树木、建筑等。合理的地形校正因 子可以通过传播模型的测试和校正得到，也可以由用户指定。 奥村模型虽然使用最为广泛，但适用范围有一定的局限，例如，移动台不能 离基站太近，有效距离为1 1 0 0 k m ；无线电波的载波频率从1 5 0 2 0 0 0 i v l h z ；基站的天线高度要在3 0 m 以上。 2 h a t a 模型：随着无线通信技术的变革，个人移动通信的发展将奥村模型 扩展到2 g h z ，即为h a t a 模型。h a t a 模型将奥村路径损耗模型公式修改为 t d s c d m a 信道估计研究及g p p s d r 实现 ( 招) = 4 6 3 + 3 3 9 l o g z 1 3 8 2 1 0 9 吃一口( 吃) ( 2 2 ) + ( 4 4 9 6 5 5 l o g 吃) 1 0 9 d + c 厶+ + 、7 其中，h a t a 模型的频率衰减因子为3 3 9 ，不同于奥村模型的频率衰减因子 2 6 1 6 ，这也是h a t a 模型和奥村模型的主要区别，另外h a t a 模型还增加了一 个大城市中心衰减c k 。 2 2 1 2 阴影衰落 在移动无线环境中，无线电波在传播路径上遇到各种各样障碍物的阻挡，形 成了电波的阴影区，从而造成信号场强中值的缓慢变化，引起信号幅度的缓慢衰 落。通常把这种现象引起的衰落又称为阴影衰落。阴影衰落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，接收信 号可表示为： p r p ) = t 只o ) 0 0 ) ( 2 - 3 ) 其中，( f ) 是发射机的发射功率，易是平均路径损耗，乞( r ) 是阴影衰落的 随机过程，缈是服从对数正态分布的随机变量。 2 2 2 小尺度衰落 小尺度衰落是由多普勒频移和多径传播共同作用的，由发射机与接收机之间 空间位置的微小变化引起的结果，反映了小范围内接收信号场强中瞬时值的快速 变化特性，包括由多普勒频移引起的慢衰落和快衰落以及多径传播引起频率选择 发衰落和平坦衰落。 2 2 2 1 多普勒扩展 在移动无线信道环境中，由于接收机与发射机之间存在相对运动，接收机接 收的信号频率不同于发射机发射的信号频率，当接收机向发射机移动时，接收信 号频率变高，当接收机远离发射机时，接收信号频率变低，在多径的情况下产生 了多普勒扩展。 相干时间是信道保持恒定的最大时间差范围，用于描述移动无线信道变化快 慢。接收机与发射机的相对运动越快，信道变化越频繁，相干时间越短，反之， 8 第二章t i ) s c d m a 信道特性 相对运动越慢，信道变化越缓慢，相干时间越长。若信道的最大多普勒频移为f m ， 则信道的相干时间为t c = o 4 2 3 f m 。 根据相干时间与发射信号的符号周期之间的关系，将信道划分为时间非选择 性衰落信道和时间选择性衰落信道，或叫慢衰落信道和快衰落信道。若发射信号 的符号周期t s t c ，则接收信号经历的是快衰落。 2 2 2 2 多径时延扩展 时延扩展是衡量多径传播信道质量的一个重要指标。在移动无线信道环境 中，电波的传播不是单一路径，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于无线 电波通过各个路径的距离不同，使得信号到达时间不同，从而造成时延扩展，使 得接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中，引起码间串扰。 相干带宽指某一特定的频率范围，是表征多径信道特性的一个重要参数。在 相干带宽指定的频率范围内，多径信道具有恒定的增益和线性相位，任意两个频 率分量的信道特性具有很强的幅度相关性。在工程应用中，相干带宽近似等于最 大多径时延的倒数。若信道的最大多径时延扩展为t m ，那么信道的相干带宽 b c = 1 t m 。 根据相干带宽和发送信道带宽之间的关系，将信道划分为平坦衰落信道和频 率选择性衰落信道。若相干带宽小于发送信道的带宽，则接收信号波形产生频率 选择性衰落，某些频率成分信号的幅值得到增强，而另外一些频率成分信号的幅 值受到削弱；若相干带宽大于发送信道的带宽，则信号经历的是平坦衰落信道。 2 3t d s c d m a 信道模型 2 3 1t d s c d m a 数据生成 在t d s c d m a 系统中，经过信源编码后的数据流从逻辑信道映射至相应的 传输信道，在传输信道中编码复用后映射至物理信道，物理信道数据流经过数据 调制，扩频调制与加扰后射频调制发射至无线信道，如图2 1 所示。 9 t s c d m a 信道估计研究及g p p s d r 实现 图2 1t d s c d m a 通信模型 2 3 1 1 数据调制 在t d s c d m a 中，经过物理信道映射后的数据比特需要进行数据调制，数 据调制可以采用三种方式：q p s k ，8 p s k ，1 6 q a m 。通常采用q p s k ，在提供 2 m b s 业务时，采用8 p s k ，在支持h s d p ：a 时，可以使用1 6 q a m 。 q p s k 调制将从物理信道映射后的两个连续的二进制比特合成一个复值数 据符号。具体的q p s k 映射关系见表2 1 。 表2 1t d s c d m a 系统q p s k 映射关系 连续的二进制比特复数符号 0 0 斗j 0 1+ 1 1 01 1 1 - j 8 p s k 调制将三个连续的比特位映射为一个复值数据符号。交织和编码后的 数据比特的8 p s k 调制的映射表如表2 2 。 表2 2t d s c d m a 系统8 p s k 映射关系 连续的二进制比特复数符号 0 0 0 c o s l l 石8 + 歹s i n l l 万8 0 0 l c o s 9 万8 + _ ，s i i l 9 万8 0 1 0 c o s 5 石8 + _ ，s i n 5 万8 0 1l c o s 7 万8 + s i n 7 万8 1 0 0c o s l 3 石8 + _ ，s i n l 3 万8 1 0 l c o s l 5 万8 + ，s i n l 5 万8 1 1 0c o s 3 石8 + _ ，s i n 3 万8 1 1 1 c o s 万8 + _ ，s i n 刀8 1 0 第二章) - s c d m a 信道特性 1 6 q 舢将四个连续的比特位映射为一个复值数据符号，具体的映射关系在 此不再赘述。 2 3 1 2 扩频调制 在t d s c d m a 系统中，数据调制后的数据符号需要再进行扩频调制。扩频 调制使信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽，能够有效地克服 外来干扰。频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，在t d s c d m a 系统中， 扩频码采用正交性较好的o v s f 码。o v s f 码是一种正交可变扩频因子，保证在 同一个时隙上不同扩频因子的扩频码是正交的，用来区分同一时隙中的不同用 户。o v s f 码的定义可以采用码树的方式来定义，如图2 2 所示。 茜= ( 1 ，_ 1 ) l 一 二 嚣= ( 1 ， 一l ，1 ) 仉= o 仉= 刍玑一知仉一8 图2 - 2 正交可变扩频因子( o v s f ) 码码树 码树的每一级都定义了扩频因子为g 的码。o v s f 码的码长g 是2 的整数 次幂，即g = 2 ”。在t d s c d m a 系统中，以4 ，因此最大的扩频因子是1 6 。 码的使用有一个要求，就是当一个码已经在一个时隙中采用，则其父系上的码和 下级码树路径上的码就不能在同一时隙中使用。这也就意味着一个时隙可使用的 码的数目是不固定的，而是与每个物理信道的数据速率和扩频因子有关。 t d s c d m a 系统中可用的扩频因子范围为l 1 6 。为了降低多码传输时的峰均值 比，对于每一个信道化码，都有一个相关的相位系数以。，扩频码的相位系数通 常在扩频前与每个数据调制后的数据符号相乘，也可以在扩频之后相乘。具体对 应的相位系数值在此不再赘述。 1 l ) - s c d m a 信道估计研究及g p p s d r 实现 2 3 1 3 加扰 为了把终端或基站各自相互之间区分开，扩频后的码片符号需要进行加扰处 理。经过加扰，解决了多个发射机使用相同的码字扩频的问题。 加扰过程是用一个数字扰码序列与扩频处理后的码片序列逐码片相乘，且该 数字扰码序列与扩频后的信号序列具有相同的码片速率。扩频与扰码的关系如图 2 3 所示。 图2 3 扩频与扰码的关系 在t d s c d m a 系统中，扰码的长度为1 6 ，可表示为 兰= 当，兰，马，置6 ) 元素q 取值于复数集： 1 ，一1 ，o ) 。 ( 2 - 4 ) 复扰码是由一个长度为1 6 的二进制实数扰码序列 ，= m ，v 2 ，鸭，v l 。) 产生 的，在t d s c d m a 系统中，一共定义了1 2 8 个实数序列，每个小区配置4 个， 这些序列可以在3 g p pt s2 5 2 2 3 的附录中查到。复扰码序列，的元素v 是虚实交 替出现的，复扰码序列v 和实扰码序列v 的各个元素的关系如下： 旦= ( _ ，) me 1 ，一1 ) ；f = 1 ，2 ，3 ，1 6 ( 2 5 ) 2 3 1 4 脉冲成型 移动通信信道是典型的带限信道，通过带限信道，矩形脉冲会在时间上扩展， 每个符号的脉冲将扩展到相邻符号的时间间隔内，从而导致码间串扰。因此，在 发射端，每一个码片都要经过脉冲成型滤波器。脉冲成形滤波器使用的是频率域 中滚降系数为货= o 2 2 的升余弦滤波器，在发射端中的使用方式如图2 - 4 示。 1 2 第二章1 d s c d m a 信道特性 一复值码片序 图2 - 4 脉冲成型过程 2 3 2t d s c d m a 上行链路信道模型 在t d s c d m a 系统中，上行链路的信号由多个用户的信号经过不同的无线 传播信道组成。在基站接收端收到的是多路用户信号及噪声的叠加，信道模型如 图2 5 所示。 s ( 1 ) s ( 2 ) ( s 似) ) 一 s g 图2 5t d s c d m a 上行信道模型 e ( 亡) 其中，( r ) 表示第七个用户所发送的信号，办( z ，f ) 表示信道的冲激响应， 高斯白噪声用玎o ) 。信道为脚l e i 曲衰落信道，基站接收端接收到的是用户信号 与噪声信号的混合信号。 由上述模型可以得到，接收端混合信号p ( f ) 可以表示为： t i ) - s c d m a 信道估计研究及g p p s d r 实现 2 4 本章小结 k p o ) = 矿( ，) + 疗( f ) ( 2 6 ) 在本章中，主要介绍了t d s c d m a 信道特性。首先阐述了无线信道的传输 特性，包括大尺度衰落和小尺度衰落；其次分析了t d s c d m a 的信道模型，详 细地介绍了t d - s c d m a 数据的生成过程，包括数据调制，扩频调制，加扰，脉 冲成型等过程，最后给出了t d s c d m a 上行链路信道模型。 1 4 第三章1 d s c d m a 逐径干扰消除信道估计技术 第三章t d s c d m a 逐径干扰消除信道估计技术 信道估计技术的实质是实时地提取无线移动信道的特征参数，用以辅助接收 端通信信号的处理，对整个系统的实现具有至关重要的作用。在t d s c d m a 系 统中，信道估计技术是后续基带算法实现的关键。若信道估计算法太复杂或者不 够准确，都将对后面的算法实现产生不利的影响。 本章首先介绍了t d s c d m a 系统的物理信道结构，包括子帧结构及突发结 构等，t d s c d m a 利用每个突发中的训练序列( 即i i l i d 锄b l e 序列) 完成信道估 计；其次，详细地阐述了t d s c d m a 中的信道估计原理，包括单小区信道估计 算法与多小区信道估计算法的原理，对现有的几种经典算法作了详细的介绍；最 后，提出了低代价的逐径干扰消除信道估计算法，并对各算法的运算复杂度做了 详细的比较分析。 3 1t d s c d m a 系统物理信道结构 t d s c d m a 的多址接入方案包括时分多址( t d m a ) 和直接序列扩频码分 多址( d s c d m a ) ，其码片速率为1 2 8 m c p s ，扩频带宽为1 6 m h z 。t d s c d m a 采用t d d ( 时分双工) 工作方式，上下行在同一载频的不同时隙上进行传送，不需 要成对的频率。 t d s c d m a 采用四层结构划分物理信道，分别为系统帧号、无线帧、子帧 和时隙码。时隙在时域上区分不同用户信号，具有t d m a 特性，同时在时域上 划分同一用户的上下行信道，具有t d d 特性；扩频码用于在码域上区分不同用 户信号，具有c d m a 的特性。 3 1 1 物理信道结构 t d s c d m a 的基本物理信道特性由频率、码和时隙决定。无线帧的长度为 1 0 m s ，包含2 个5 m s 子帧，每个子帧分为7 个常规时隙和3 个特殊时隙。图3 1 给出了物理信道的信号格式。 t d s c d m a 信道估计研究及g p p s d r 实现 p w p t g p u p p t s转换点 l7 5 u s ) ( 7 5 u s ) ( 1 2 5 u s ) 图3 1t d s c d m a 的物理信道信号格式 系统在t d d 模式下，将一个突发在所分配的无线帧的特定时隙发射，构成 物理信道。无线帧的分配可以是连续的，也可以是不连续的分配。系统可以将每 一帧的相应时隙都分配给物理信道，也可以将部分无线帧中的相应时隙分配给该 物理信道。 一个突发的持续时间是一个时隙，由数据部分、n l i d a i n b l e 部分和保护间隔 组成。发射机使用不同o v s f 信道化码，同时发射几个突发，每个突发的数据部 分必须使用不同的信道化码，但应使用相同的扰码。 发射机发射的突发中，m i d 锄b l e 序列部分必须使用同一个基本的i i l i d 卸曲l e 序列，但可使用不同m i d a m b l e 序列偏移码( m i d 锄b l es b j f t ) 。突发的数据部分由 信道化码和扰码共同扩频。信道化码标识了码分信道，是一个o v s f 码，扩频 因子可以取1 ，2 ，4 ，8 或1 6 ，物理信道的数据速率取决于使用的o v s f 码所采 用的扩频因子。 因此，物理信道是由频率、时隙、信道码和无线帧分配来定义的。小区使用 的扰码和基本i i l i d 锄b l e 序列是广播的，而且可以是不变的。建立一个物理信道 的同时，也就给出了它的起始帧号。物理信道的持续时间可以无限长，也可以定 义资源分配的持续时间。 1 6 第三章) - s c d m a 逐径干扰消除信道估计技术 3 1 2 子帧结构 t d s c d m a 帧结构的设计考虑到对智能天线、上行同步等新技术的支持。 一个) m 帧长为l o m s ，分成两个5 m s 子帧。这两个子帧的结构完全相同。 1 2 8 m c p s 子帧5 m s ( 6 d 0 0c h i p s ) 时隙 转换点 j 6 7 5 u s l 一 一j， 瑚 t s l 争t s 2 +t s 3 + t 5 4 1 t s s 0 i r ( 9 6c h i p s ) 图3 2t d s c d m a 子帧结构 子帧s m s ( “0 0c h i p s ) 午午 转换点 ( d l u l 对称分配) 转换点 子帧s m s ( 6 4 0 0 c h i p s ) 转换点 ( d l u l 不对称分配) 转换点( d l u l 不对称分配) 图3 3t d s c d m a 帧结构示图 如图3 2 所示，7 个常规时隙和3 个特殊时隙构成了长度为6 7 5 u s 的子帧。 3 个特殊时隙分别为d w p t s ( 下行导频时隙) 、g p ( 保护时隙) 和u p p t s ( 上行导频 时隙) 。7 个常规时隙中，时隙0 总是分配给下行链路，用于广播信道及其他的 下行共享信道，时隙l 总是分配给上行链路，用于上行共享信道及上行专用信道。 上行时隙和下行时隙之间由转换点分开，在t d s c d m a 系统中，每个5 m s 的子 1 7 t d s c d m a 信道估计研究及g p p s d r 实现 帧有两个转换点( 上行转换为下行，下行转换为上行) 。 通过灵活的配置上下行时隙的个数，t d s c d m a 支持上下行对称及非对 称的业务模式。图3 3 分别给出了对称分配和不对称分配的例子。 3 1 3 突发结构 t d s c d m a 采用的突发格式如图3 - 4 所示，每个部分具体内容如表3 1 所 示。每个突发由两个长度分别为3 5 2 c k p s 的数据块、一个长为1 4 4 c l l i p s 的 m i d a m b l e 和一个长为1 6 c l l i p s 的保护间隔组成。数据块的总长度为7 0 4 c 1 1 i p s ， 所包含的符号数与扩频因子有关，对应关系如表3 2 所示。突发的数据部分由 信道码和扰码共同扩频。即将每一个数据符号转换成一些码片，因而增加了信号 带宽，一个符号包含的码片数称为扩频因子( s f ) 。扩频因子可取l ，2 ，4 ，8 ，1 6 。 l 数据符号m i d a m b i e i数据符号 g p l l 3 s 2c h j p s i 1 4 4c h i p s3 5 2c h l p s 1 6 c h i p si i 一一8 6 4 幸l 刊 ； g p 表示保护间隔，t c 表示码片长度 1 图3 - 4 突发结构 表3 1 突发各个部分的内容 码片号( c n ) 区域长度( c l l i p 数目) 区域长度( 符号数目)区域长度( u s )区域内容 0 3 5 13 5 2 参见表3 2 2 7 5 数据 3 5 2 4 9 5 1 4 4 91 1 2 5m i d 锄b l e 4 9 6 8 4 73 5 2参见表3 22 7 5 数据 8 4 8 8 6 3 1 6l 1 2 5保护间隔 表3 2 突发中每个数据块包含的符号数 扩频因子( q ) 每个数据块符号数( n ) l3 5 2 21 7 6 48 8 84 4 1 6 2 2 第三章) s c d m a 逐径干扰消除信道估计技术 3 1 4m i d a m b l e 序列的构成 在t d s c d m a 系统上行链路系统中，数据以突发( b 嘣) 形式，在分配到 的无线帧中的特定时隙中进行传送。每个用户经历不同的无线信道，将各自的突 发发送至基站接收端。图3 5 结合t d s c d m a 的多址接入方案给出了系统的物 理层突发结构。 ，!：!：!：!：【：!互-!：】：!互 图3 5t d s c d m a 系统物理层突发结构 由图3 5 可以看出，一个突发由两个数据段，一个训练序列( m i d 锄b l e 码) 和一个保护间隔( g p ) 构成。其中，训练序列( m i d 锄b l e 码) 被用于信道估计， 由训练序列估计出来的信道冲击响应能够运用于两边的数据域中，因为训练序列