（通信与信息系统专业论文）wcdma中的频偏估计算法研究与仿真.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g s t u d y a n ds i m u l a t i o nt h ef r e q u e n c yo f f s e t e s t i m a t i o na l g o r i t h mi nw c d m a c a n d i d a t e ：c h e n gk u a n s u p e r v is o r ：p r o f b ix i a o j u n a c a d e m i cd e g r e ea p p l l e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m d a t eo fs u b m i s s i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a ti o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：程双 日期：加i o 年3 月2 2 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 回在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：音显款导师( 签字) ：i 产晒毒 日期：z 机勺年弓月理日多讲汐年3 月忽日 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 摘要 在移动通信系统中，信号在调制发射、信道传输和接收解调的过程中， 不可避免的会引入一些干扰，使得有用信号受到影响。频偏就是这些干扰引 起的一种现象，在w c d m a ( 宽带码分多址) 移动通信系统中，由于接收到 的信号中频偏的存在，从而导致信号解调的信噪比( s n r ) 降低，严重时会 影响到系统的接收性能，为此需要对系统的频偏进行估计与补偿。 本文围绕这一热点问题课题展开了研究，文章首先对无线信道理论进行 了介绍与研究，分析了小尺度衰落对无线信号的影响。w c d m a 系统r 9 9 上 行专用信道和物理随机接入信道的介绍，包括这两种信道的帧结构和时隙格 式，以及w c d m a 系统上行r a k e 接收机的结构的介绍，频偏估计模块在 r a k e 接收机中的位置和重要性分析。 然后对最大似然频偏估计算法进行了研究，并由此推导出了一种频偏估 计值的表达式。针对w c d m a 系统的特点，分别研究了r 9 9 上行专用信道 和随机接入信道的频偏估计算法与实现。在随机接入信道中，由于可用的数 据比较少，所以采用预设几个频偏任务的方法来对随机接入过程的前导进行 解调，然后对任务解调的结果进行插值得到频偏估计值。对于专业信道，由 于其频偏需要时时动态的估计，所以专用信道的频偏估计就以接收到的连续 符号之间的相位旋转角度来估计频偏，该算法的理论基础就是最大似然估计。 最后，为了解决高速移动环境下的频偏问题，提出了改进算法，给出三 种高速移动环境下算法的实验仿真结果，并与协议要求标准值进行比较，对 仿真结果进行分析，说明改进算法完全能解决三种高速移动场景下的频偏问 题。因此，文章研究的w c d m a 系统的频偏估计算法和高速移动场景下的改 进算法具有很强的实际应用价值。 关键词：宽带码分多址；频偏估计；最大似然估计；高速移动场景 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t i nm o b i l e , c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，s i g n a lm o d u l a t i o nl a u n c h ，c h a n n e l t r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o nd e m o d u l a t i o np r o c e s s ，t h ei n e v i t a b l ew i l li n t r o d u c e s o m ei n t e r f e r e n c e ，m a k e st h eu s e f u ls i g n a la f f e c t e d o f f s e ti sap h e n o m e n o n c a u s e db yt h e s ed i s t u r b a n c e s ，i nt h ew 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 e a c c e s s ) m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，b e c a u s eo ft h er e c e i v e ds i g n a li nt h e p r e s e n c eo ff r e q u e n c yo f f s e t ，r e s u l t i n gi nt h es i g n a ld e m o d u l a t i o no f t h es i g n a lt o n o i s er a t i o ( s n r ) t or e d u c es e r i o u sw i l la f f e c tt h er e c e p t i o np e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m ，w h i c hr e q u i r e s t h e s y s t e m t oe s t i m a t et h e f r e q u e n c y o f f s e ta n d c o m p e n s a t i o n t h i s h o ti s s u ea r o u n dt h i ss u b j e c tw i t h i nt h er e s e a r c h ，t h ea r t i c l ef i r s t i n t r o d u c e dw i r e l e s sc h a n n e lt h e o r ya n dr e s e a r c h ，a n a l y s i so ft h es m a l l - s c a l e f a d i n ge f f e c t so fw i r e l e s ss i g n a l s w c d m as y s t e mu p l i n kd e d i c a t e dc h a n n e lr 9 9 a n dt h ep h y s i c a lr a n d o ma c c e s sc h a n n e l ，w a sc o m p r i s e do ft w o c h a n n e lf r a m e s t r u c t u r ea n ds l o tf o r m a t s ，a sw e l la st h ew c d m as y s t e mu p l i n ki n t r o d u c t i o nt o t h es t r u c t u r eo fr a k e , r e c e i v e r , f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o nm o d u l ei nt h er a k e r e c e i v e ri nl o c a t i o na n di m p o r t a n c eo ft h ea n a l y s i s t h e nt h em a x i m u ml i k e l i h o o df r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na l g o r i t h mh a s b e e ns t u d i e d ，a n dt h u sd e r i v eaf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t e dv a l u eo ft h ee x p r e s s i o n f o rt h ew c d m a s y s t e mi sc h a r a c t e r i z e db y , r e s p e c t i v e l y , s t u d i e dt h er 9 9u p l i n k d e d i c a t e dc h a n n e la n dar a n d o ma c c e s sc h a n n e lf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n a l g o r i t h ma n di m p l e m e n t a t i o n i n t h er a n d o ma c c e s sc h a n n e l ，b e c a u s et h e a v a i l a b l ed a t ai sr e l a t i v e l ys m a l l ，s ou s et h ed e f a u l tt a s ko fs e v e r a lf r e q u e n c i e s d e v i a t i o no ft h er a n d o ma c c e s sa p p r o a c ht ot h ep r o c e s sl e a d i n gt od e m o d u l a t i o n ， a n dt h e ni n t e r p o l a t i n gt h er e s u l t so ft h et a s kd e m o d u l a t i o ni se s t i m a t e dt ob e iii- 1；- 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 o f f s e tv a l u e f o rt h ep r o f e s s i o n a lc h a n n e lo f f s e tr e q u i r e df r o mt i m et ot i m ed u et o i t sd y n a m i c ，a n ds ot h ed e d i c a t e dc h a n n e lo nt h ef r e q u e n c yo f f s e ti se s t i m a t e dt o r e c e i v et ot h ep h a s er o t a t i o nb e t w e e ns u c c e s s i v es y m b o l st oe s t i m a t et h e f r e q u e n c yo f f s e ta n g l e ，t h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h ea l g o r i t h mi s t h em a x i m u m j l i k e l i h o o de s t i m a t e f i n a l l y , i no r d e rt os o l v eh i g h s p e e dm o b i l ee n v i r o n m e n t ，t h eo f f s e ti s s u e ， p r o p o s e dt oi m p r o v et h ea l g o r i t h m ，i sg i v e nt h r e ek i n d so fh i 曲一s p e e dm o b i l e e n v i r o n m e n t ，t h ea l g o r i t h ms i m u l a t i o nr e s u l t sa n dw i t ht h ea g r e e m e n tc a l l sf o rt h e s t a n d a r dv a l u ef o rc o m p a r i s o n ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e dt oi l l u s t r a t e a l g o r i t h mf u l l yt os o l v et h r e ek i n d so ff a s t m o v i n gs c e n e su n d e rt h eo f f s e ti s s u e t h e r e f o r e ，t h ea r t i c l e s t u d i e st h e f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na l g o r i t h mf o r w c d m a s y s t e m sa n dh i g l l - s p e e dm o b i l es c e n a r i o si m p r o v e da l g o r i t h mh a sa s t r o n gp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：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 ；f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n ； m a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o n ；h i g h - s p e e dm o b i l es c e n a r i o ，；j 飞 ， i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i 目录 第l 章绪论1 1 1 课题研究的目的及意义1 1 2 课题的国内外研究现状3 1 2 1w c d m a 网络与技术概述3 1 2 2 频偏估计算法国内外研究现状5 1 3 课题研究内容及论文安排7 第2 章w c d m a 系统上行r a k e 接收机9 2 1 无线信道理论9 2 1 1 无线信道传播特性。9 2 1 2 无线信道传播衰落。l o 2 1 3 小尺度衰落1 2 2 2w c d m a 物理层概述15 2 2 1 物理层相关的上层协议结构1 5 2 2 2w c d m a 上行物理信道概述17 2 3w c d m a 上行r a k e 接收机2 2 2 3 1r a k e 接收机原理和设计2 2 2 3 2 频偏估计的重要性2 4 2 4 本章小结。2 5 第3 章w c d m a 系统频偏估计算法2 7 3 1 最大似然频偏估计算法2 7 3 2w c d m a 系统频偏估计算法2 9 3 2 1 随机接入信道频偏估计算法2 9 3 2 2 专用信道频偏估计算法3 2 3 2 3 算法的缺陷分析3 5 3 3 本章小结3 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章高速移动环境下的频偏估计3 7 4 1 随机接入信道3 8 4 2 上行专用信道4 l 4 - 3 参数的确定4 3 4 4 本章小结4 4 第5 章算法仿真与结果分析4 5 5 1 仿真环境一4 5 5 2 算法性能仿真4 6 5 2 1 高速移动场景4 6 5 2 2 仿真数据与分析4 8 5 3 本章小结5 4 结论5 5 参考文献5 7 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 1 致谢一6 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 i 课题研究的目的及意义 蜂窝移动通信的发展经历了第一代模拟系统和第二代数字系统，目前已 进入第三代宽带数字系统( 3 g ) 。第三代移动通信技术的主流制式分为三大 类：w c d m a 、e d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a u l ，而基于第二代移动通信的考虑和 目前全球范围内3 g 的应用情况，可以说w c d m a 技术己经成为最为广泛研 究与关注的主流制式，其规范在3 g p p ( t h e3 珂g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 中制定，文章后面提到的“协议 就是指3 g p p 规范。在我国，中国联通公 司已获得了w c d m a 网络的运营牌照，目前正在展开大规模的网络建设，在 有些城市甚至已经正式投入商用。w c d m a 技术分两种不同制式的空中接口 技术：w c d m a f d d 和w c d m a t d d ，前者采用频分双工方式，后者采用 时分双工方式冈，其中w c d m a - f d d 是被全世界最广泛采用的3 g 标准，本 文所研究的课题是围绕w c d m a - f d d 技术展开的。 w c d m a 标准涉及很多关键技术，如多用户检测技术、r a k e 接收技术、 智能天线技术等。而在研究这些技术时，都假设系统收发两端是没有载频频 率偏移的。然而尽管接收端知道发送端的载波频率，但在实际的移动通信场 景中还会导致收发两端存在载频频率偏移网。究其原因在于，首先接收端使 用频率合成器产生载波，频率合成器使用本地时钟作为时间参考，本地时钟 的准确度和稳定度直接决定了射频与中频的准确度和稳定度，换句话说就是 收发两端的晶体振荡器所产生的载波频率可能会不一致；其次，由于发射机 与接收机之间的相对运动，会产生多普勒频移。在w c d m a 移动通信系统中， 上述两种效应叠加会导致接收到的信号存在一定的频偏，导致信号解调的 s n r ( 信噪比) 降低，严重时会影响到系统的接收性能。因此在w c d m a 移 动通信系统中，能否快速正确的估计和校准频偏是正确接收数据的前提，也 是w c d m a 系统中射频信号接收以及基带信号处理必须要考虑的关键技术 哈尔滨工程大学硕士学位论文 环节之一。 另外，接收机和发射机之间的运动随着人们生活水平的提高逐渐呈现高 速化的趋势。2 0 0 7 年4 月1 8 日，全国火车第六次大提速，引入了“d 字头 的动车组c r h ( c h i n ar a i l w a yh i g h - s p e e d ) ，列车时速提升至2 0 0 - - 2 5 0 公 里，上海建设的磁悬浮火车，时速高达4 3 1 公里h ，这些都极大地方便了人 们的出行，但同时也对频偏校正提出了更高的要求。目前现有频偏估计算法 的研究都是在静态高斯信道或低速移动的环境下进行研究的，而这些算法并 不能够在高速移动的环境下取得较好的性能。如果采用传统的网络覆盖解决 方案对高速铁路场景进行覆盖，从目前已知的测试来看，部分路段会出现脱 网、不能正常呼叫和切换掉话等现象。如何在高速移动场景中提供良好的网 络服务质量已成为运营商和设备商当前共同的一个关注点，为此高速移动环 境下的频偏估计算法已成为当今通信领域重点研究的内容之一。 目前在国内外对频偏估计算法的研究已经比较成熟，与算法相关的文章 也比较多，文章相对于不同系统，提出了不同频偏估计算法。研究比较多的 是o f d m 系统中频偏估计算法，但对于现有的w c d m a 系统单载波的频偏 估计研究不多，尤其现有频偏估计算法的研究都是在静态高斯信道或低速移 动的环境下进行研究的，而这些算法并不能够在高速移动的环境下取得较好 的性能。另一方面，现有研究的算法在工程上实现不多，大多数是通过 m a t l a b 仿真得到的性能，没有考虑算法复杂性和可实现性。因此本课题的 研究将在模拟测试环境基础上进行，尽可能真实地反映算法的可实现性和适 应性，通过相关的仪器和环境进行实验仿真，可以较好地分析和研究 w c d m a 中的频偏估计算法的性能，以及改进的算法在高速移动环境下的频 偏估计算法效果。可以说，本课题的研究将对w c d m a 网络的发展及实际应 用有着重要的意义。 本课题的重点就是立足w c d m a 移动通信系统，详细分析与研究系统中 上行链路普遍采用的频偏估计算法，包括公用信道和专用信道的频偏估计算 法，以及在两种信道中算法的物理实现，同时分析一下目前网络中普遍采用 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的算法的缺陷不能适应高速移动环境的通信。为了解决这一问题，提出 一种改进算法，并对改进算法中涉及的相关参数选择和改进，给出改进算法 相关的性能仿真结果。 1 2 课题的国内外研究现状 1 2 1w c d m a 网络与技术概述 w c d m a 主要由诺基亚、爱立信等欧洲公司提出，日本则是于1 9 9 4 年 开始i m t 2 0 0 0 无线传输技术的研究，并且在1 9 9 6 年，日本运营商n t t d o c o m o 推出了一套w c d m a 的实验系统方案p 1 ，得到了当时世界上主要的 移动设备制造商的支持。日本在对国内征集到的无线传输方案进行了两轮筛 选的基础上，最后确定将n t td o c o m o 公司的w c d m a 综合f d d t d d 方 式作为日本的方案。后来，这几家公司达成一致协议，将各自的w c d m a 技 术进行融合，最终形成了现在的技术。 本文研究的课题属于w c d m a 网络无线接入网部分，因此下面给出无线 接入网的网络结构，如图1 1 所示嘲。从功能上，w c d m a 系统由三部分组成： 无线接入网( u t r a n ) 、核心网( c n ) 、用户设备( u e ) 。u t r a n 通过 i u 接口与c n 相连，u t r a n 包含一个或多个无线网络子系统( i 矾s ) ，每 个r n s 都是u t r a n 内的一个子网，它包含一个无线网络控制器( i 必c ) ， 一个或者多个基站( n o d eb ) 。r n c 通过i u r 接口彼此互连，r n c 与n o d eb 之间通过i u b 接口相连。移动终端( u e ) 与i 瓜a n 之间通过空中接口u u 口相连。r n c 是负责控制u t r a n 无线资源的网元，其主要功能包括：无线 资源管理( r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) 、用户移动性管理( u s e rm o b i l i t y h a n d l i n g ) 、r n s 监视( r n ss u p e r v i s i o n ) 、接口管理( i n t e r f a c e s ) 、安全性功 能( s e c u r i t y ) 。n o d eb 的主要功能包括p 1 ：呼叫处理( c a l lp r o c e s s i n g ) 、无 线接入( r a d i oa c c e s s ) 、性能监测( p e r f o r m a n c em o n i t o r i n g ) 、网络接口 ( n e t w o r ki n t e r f a c e ) 、随机接入监测( r a n d o ma c c e s sd e t e c t i o n ) 。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1u t r a n 结构 w c d m a 在网络结构上继承了g s m g p r s 核心网结构，这是由于g s m 的巨大商业成功造成的。w c d m a 的主要关键技术是建立在窄带c d m a 的 基础上的，但从技术改进的角度上来看，在原有的基础上又前进了一步。它 的主要特点有嗍： ( 1 ) 支持高速数据传输，对目前已经部署的支持h s d p a 和h s u p a 特 性的w c d m a 网络而言，下行峰值速率达到了1 4 4 m b p s ，上行峰值速率达 到了5 7 6 m b p s 。在3 g p p 的i u 协议中，通过采用多输入多输出技术( m 蹦o ) 和高阶调制方案( 例如：6 4 q a m ) ，进一步将网络峰值速率推进到了下行 2 8 m b p s 和上行1 1 5 m b p s 。 ( 2 ) 支持可变速传输，帧长1 0 m s 或2 m s ，在5 加比带宽内使用3 8 4 m c p s 的码片速率直接扩频。由于码片速率高，r a k e 接收的效果更好，传播路径 差仅7 8 米的多径能量就可以利用，进行分集接收，另外采用发射、接收分集 技术，也大大提高抗衰落效果。 ( 3 ) 采用快速开环和闭环功率控制( 1 5 0 0 h z ) ，使得发射机的发射功 率总是处于最小的水平，从而减少多址干扰。w c d m a 系统最重要的一个特 点就是功率对用户来说是共享资源。在下行链路上，基站中码分复用的用户 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 分享总的功率，上行链路中，基站有一个最大干扰容限，这个功率在小区中 产生干扰的移动台之间分配。w c d m a 系统最根本的实质是功率，由于它是 一个自干扰系统，所以任何不需要的功率都不能发射。 ( 4 ) 采用编码增益高的信道编码技术( 卷积编译码和t u r b o 编译码) ， t u r b o 编码方式比卷积编码高约2 d b 的编码增益。上下行链路发射时分复用 导频信号，从而实现相关解调，能大幅提高链路容量。 ( 5 ) w c d m a 支持异步基站操作，这样就不用像同步的i s 9 5 系统那样 需要使用一个全局时间参考量，如全球定位系统( g p s ) 。因为不需要接收 g p s 信号，室内小区和微小区基站的布站就变得简单了。 ( 6 ) 具有承载c s 和p s 业务等混合业务的能力，采用先进的无线资源 管理算法以保证不同比特速率的混合( 综合) 业务的服务质量( q o s ) ，并使系 统吞吐容量最大。 ( 7 ) w c d m a 空中接口中包括一些先进的c d m a 接收机理念，例如多 用户检测和自适应智能天线，可以开发和使用这些先进技术作为提高系统容 量或覆盖的选择方案。 此外，w c d m a 能与g s m 协同工作。因此，w c d m a 支持与g s m 的 切换，这样就能够在引入w c d m a 后达到增加g s m 覆盖的目的，同时也能 使g s m 可以平滑地过渡到w c d m a 。 1 2 2 频偏估计算法国内外研究现状 通信系统中，载波频率同步是必不可少的一个环节，接收机一般有自己 的振荡器产生本地载波，并用这个载波和接收信号相乘实现下变频例，但发 射载波和本地载波的频率不可能完全一致，即存在频率偏差( 简称频偏) ， 即使接收端用很精密的振荡器，这样的频偏仍然存在。如果是相干解调，频 偏会导致接收机的性能大大降低u 川。即使是非相干解调，如有信道均衡，频 偏也会给均衡器跟踪信道的变化时带来额外的负担，所以在高速数字通信系 统中，对频偏的要求往往非常苛刻u 1 1 ，如g s m 、3 g p p 等都要求频率稳定度 哈尔滨工程大学硕士学位论文 达到1 0 。这样的频率精度，振荡器很难达到，况且如果有多普勒频移，即 使振荡器达到了这个要求也无济于事。唯一的办法只有通过信号处理将频偏 参数估计出来并加以补偿。如何用观察数据估计出频偏，这就是频偏估计算 法的研究，它一直是通信领域的热点之一。 对于各种频偏估计的算法已经有大量的文献进行了说明，频偏估计算法 前人已提出很多，大致上可分为有前导字( d a t a - a i d e d ) 和没有前导字( n o n d a t a - a i d e d ) 的两大类唧，前者性能好，但前导字占用带宽和功率，后者于功 率效率和频率效率有利，但性能远不如前者，目前已经在实际通信系统中得 到应用的还是前者。在前一类算法中，以基于最大似然估计的性能为最好。 此外还有一些典型的算法n 刁：差分大频偏估计算法、基于最小二乘法的估计 方法。 最大似然估计算法的估计长度和频率校正精度及校正范围相互矛盾n 3 1 。 随着估计长度的增加，估计精度和计算量也随之增加，但频率的校正范围减 少了。早在1 9 6 6 年，a j v i t e r b i 卅就提出了一种经典的基于最大似然的频率 估算方法。在上世纪8 0 年代，l - e f r a n k s n 习对数字信号的载波频率和相位估 计进行了详细的研究。这两项研究为后来的频偏估计研究奠定了基础。 在现代无线通信处理的频偏估计中，最常用的是基于最大似然理论的估 计算法。但完全遵照最大似然的频偏估计算法没有封闭解，必须预先知道频 偏的大致范围，同时其计算可以看作是对输入序列做f f t 变换，运算量非常 大，在实际应用时，一般会根据性能需要和系统特点，对算法做一些改进， 实用的最大似然方法都是在最大似然估计意义下的近似估计算法u q 。此类近 似最大似然估计算法中有代表性的算法大致有：m i c h a e le f i t z 等人【17 嘲在1 9 9 1 年提出的近似估计算法，称为f i t z 算法。以及m a r c ol u i s e 、r u g g e r o r e g g i a n n i n i 等人即在19 9 5 年提出的最大似然频偏估计方法，称l r e 算法。 这些算法都能在一定信噪比下接近克拉美罗限n q ，有较好的估计性能和相对 较低的计算复杂度，但在估计频偏的同时无法估计出载波的相位。后来，h u a f u 等人刚提出了最大似然频偏与相位估计方法，简称m l 算法，解决了这一 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 问题，其利用了信号的相位信息参与估计，在估计出频偏的可以同时估计出 相位。 但在衰落的条件下n q ，上述算法的性能会急剧下降，因此在衰落条件下 的频偏估计有不同的估计方法。但其估计的方法也以最大似然估计最为普遍， 其中有代表性的算法有：w e n - y ik u o 等人刚在1 9 9 7 年提出了适用于平坦衰 落信道条件下的最大似然频偏估计方法和其近似算法，简称k f 算法，但此 算法假设知道信道的衰落信息，在实际使用中不适用；m m o r e l l i 等人圈在此 基础上提出了改进算法，简称m k f 算法，该算法可以估计出信道的衰落信 息，同时增加了k f 算法的估计范围；除此之外，还有o b e s s o n 等人吲提出 的1 】m 算法和采用非线性最d - - - - 乘法的n l s 算法。以及x i n gc h e n 【硐等 人提出了利用对序列进行信道估计来减小衰落对频偏估计影响的方法。 另外高速移动环境下的频偏估计算法，目前国内的研究还处于起步阶段， 虽然有些设备商和运营商宣称已成功破解高速移动环境下的频偏问题，但从 目前应用方面来看，还存在着许多问题。 在衰落信道下，多径信号的频偏估计是无线通信系统中的一大难题。本 文在最大似然估计算法的基础上，针对w c d m a 系统上行链路的特点和其规 范( 3 g p p ) 的性能要求，研究和分析一种兼顾实施性与有效性的频偏估计算 法，并针对该算法在高速移动环境下通信难的问题，提出一种改进的算法， 对改进算法进行实验仿真，分析仿真的实验结果。 1 3 课题研究内容及论文安排 本文将主要针对w c d m a 系统的频偏问题进行深入研究，文章首先归纳 总结无线信道的一些理论，w c d m a 的物理层和燃接收机介绍，以及目 前频偏产生的原因和影响。研究与分析w c d m a 网络中的一种基于最大似然 估计的频偏估计算法，重点将对算法的缺陷进行分析，以及为了适应高速移 动环境下的通信，将对算法进行改进的方法的研究，下面介绍每一章的主要 内容： 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第一章绪论，概述课题研究的目的和意义，w c d m a 网络结构和技术特 点，频偏估计算法以及在高速移动环境下的频偏估计算法的国内外研究现状， 最后给出本文的主要工作和内容安排。 第二章将介绍无线信道理论，并着重介绍小尺度衰落。然后将对 w c d m a 物理层进行介绍，包括上行专用信道( r 9 9 ) 和随机接入信道的帧 结构与时隙格式的介绍。最后将对w c d m a 系统上行r a k e 接收机的结构 进行分析，包括频偏估计与补偿模块在其中的位置，以及频偏估计的重要性。 第三章首先将介绍最大似然频偏估算法的理论，给出算法的一种公式推 导结果。然后针对w c d m a 系统上行物理层公用和专用信道的特点，介绍各 自频偏估计算法的原理和实现方法，最后对算法的缺陷进行分析。 第四章首先针对高速移动环境频偏大变化快的特点，对现有算法的进行 适当的改进，将分别对随机接入信道和上行专用信道的频偏估计算法进行改 进，最后对改进算法的相关参数进行确定。 第五章将对改进算法在三种高速信道模型中进行实验仿真，对仿真结果 进行分析，并与协议要求的标准进行比较。 最后结束语将对本文工作做总结，包括本论文的贡献，以及在论文完成 过程中的一些体会，最后对未来的研究工作进行了展望。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章w c d m a 系统上行r a k e 接收机 r a k e 接收技术是第三代c d m a 移动通信系统中的一项重要技术，它实 际上是一种多径分集接收技术，可以在时间上分辨出细微的多径信号，对这 些分辨出来的多径信号分别进行加权调整、使之复合成为加强的信号。r a k e 接收机作为独立的实用物理子系统，具有技术上的完整概念，对它的结构和 模型研究对提高和改进移动通信的无线接口性能和通信质量至关重要。为了 加深对r a k e 接收机的感性认识，本章将首先讲述无线信道的一些的基本理 论，然后将对w c d m a 物理层进行介绍，接着将研究传统r a k e 接收机的 原理和w c d m a 系统r a k e 接收机的结构与设计。 2 1 无线信道理论 移动通信信道属于无线信道，它是影响蜂窝无线通信系统性能的一个基 本因素，它的影响对在无线信道中高速可靠的信息传输提出了极大挑战。信 号从发射天线经过一个时变多径信道到达接收天线，会产生各种各样的衰落。 2 1 1 无线信道传播特性 无线信号由发射端到接收端，从传播路径可分为直射传播和非直射传播。 一般情况下，在基站和移动台之间不存在直射信号，只有在某些空旷地区或 基站天线较高时才有可能存在直线传播路径。总体上来说，无线通信信号传 播方式主要有阱1 ：直射、反射、透射、衍射、散射。 另外无线信道不像有线信道那样固定并可见，而是具有高度的随机性， 特别难以分析，就无线传播的问题来说主要有：干扰、衰落、抖动、时延， 如图2 1 所示，图中的盯表示的是时间延迟大小。此外还有因传播频率的扩 散而引起的多普勒效应和多径效应等。无线传播的主要问题嘲： ( 1 ) 衰落：包括路径传播损耗、慢衰落损耗、快衰落损耗。快衰落损耗 由多径传播引起，一般遵从r a y l e i g h ( 瑞利) 分布和r i c e ( 莱斯) 分布； 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 时延：从不同路径达到接收点的信号到达时间不同，产生多径； ( 3 ) 抖动：信号之间的时间差发生变化； ( 4 ) 干扰：蜂窝无线系统性能的主要限制因素，包括同频干扰、临频干 扰和杂散干扰。 - 7 1nnn uuuu 接收信号 广1 n 一l cuu 图2 1 无线信号传播的四种问题示意图 2 1 2 无线信道传播衰落 信号只要传播就必定会有损耗，直射会有路径传播损耗，透射会有穿透 损耗，甚至移动台的速度都会对信号电平的衰落产生影响。这样无线信号在 传播时不仅要受到自由空间固有的传输损耗，还要受到发送机和接收机之间 的复杂地形、物体移动和空气湿度等多种因素的影响，此时接收到的信号是 发射信号经过若干次反射、绕射或散射后的叠加，使得接收到的信号出现了 时间弥散和频率弥散的现象，呈现出很强的随机时变性。通常无线移动环境 的信号衰落可以分成三大部分，接收信号的功率可以表示为嘲： 1 0 旧笱 辩魄 搠谳 哈尔滨工程大学硕士学位论文 夕i d ) = l d l s ( d ) r i d ) ( 2 - 1 ) 公式( 2 1 ) 中矧表示移动台到基站的距离，当移动台移动时，距离是 时间的函数，所以接收功率也是时间的函数。i _ i “表示自由空间传播损耗与 弥散，可以认为是路径传播损耗，其中刀一般为2 5 渊。它是指电磁波在宏观 大范围( 公里级) 空间传播所产生的损耗，反映了传播在空间距离的接收信 号电平的变化趋势。s f 孑1 表示阴影衰落，又称为慢衰落或者大尺度衰落， 它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻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。尺( d ) 表示多径衰落，又称快衰落或者小尺 度衰涔姗。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，如果接收机和发射机之间有可 视路径的传播环境，那么接收信号服从莱斯分布，如果没有可视传播径，接 收信号服从瑞利分布。它又可以划分为：空间选择性衰落、频率选择性衰落、 时间选择性衰落。选择性是指在不同的空间、频率、时间，其衰落特性是不 一样的。无线移动环境的信号衰落示意图如图2 2 所示p 。 图2 2 无线信号传播衰落 l l 信号功窦畲一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本论文中对路径损失和大尺度衰落不做详细研究，而是把重点放在小尺 度衰落带来的影响上，主要讨论无线信号传播的多径效应和多普勒效应。 2 1 3 小尺度衰落 小尺度衰落是指无线信号经过短距离或短时间传播后其幅度快速衰落， 移动台接收多条传播路径来的信号，传播路径的长度不同，到来的时间就有 先后，信号的相位就不同。根据同相叠加、反相抵消的干涉原理，在移动路 线中各处干涉的结果形成斑马线状的干涉条纹，即在移动过程中，移动台收 到时强时弱的起伏信号。对于i m t - 2 0 0 0 的2 g h z - r 作频率来说，波长仅仅为 1 5 c m ，因此在高速的移动时，每秒内接收的信号强弱变化很快。接收功率强 弱相差最大可达4 0 d b ，折合l 万倍的功率差别! 这样以至于大尺度衰落和路 径损耗的影响可以忽略不计。 另外，移动用户在传播路径方向上的运动将使接收信号产生多普勒 ( d o p p l e r ) 扩展效应，其结果是导致接收信号在频域的扩展，同时改变了信 号电平的变化率。人们通常采用多径时延扩展或相干带宽来描述多径传播效 应，采用相干时间或多普勒带宽来描述多普勒效应啕。在小于相干时间的时 间范围内，可以将信道看成线性时不变系统，而如果信道带宽小于相干带宽， 则可以认为该信道是非频率选择性信道，其所经历的衰落是平滑衰落，即所 有的频率成分所经历的衰落情况是相同的。 2 1 3 1多径效应 无线信道的主要特征之一就是多径传播，信号在传播时，由于高大建筑 物或远处高山等阻挡物的存在，常常会导致发射信号经过不同的传播路径到 达接收