（信息与通信工程专业论文）hsdpa物理链路仿真及其关键技术研究.pdf

浙江大学硕- l 学位论文 摘要 随着信息产业的飞速发展，无线移动通信带来的高收益和无线资源的有限性使无线 移动通信技术的竞争日益加剧。各种标准纷纷出台，新的概念和结构不断涌现，而且每 一种标准都在不断的完善和发展，以寻求在市场中的有力竞争地位。2 0 0 0 年3 g p p ( 第三 代伙伴项目) 标准化组织提出的高速下行分组接入( h i 曲s p e e dd o 、ml i l l l cp a c k e ta c c e s s ) 的最初设想就是为了提高频带利用率、提高传输速率和系统容量来满足日益增长的多媒 体服务的需要。经过几年的发展与完善，h s d p a 已经成为3 5 g 标准中极具竞争力的技术， 引起了业界的极大关注。 本文主要依托的理论背景是3 g p p 关于h s d p a 的系列协议，通过仿真h s d p a 的物理层 基带链路，研究了h s d p a 的部分关键技术，通过理论分析和算法仿真，系统地阐述了 h s d p a 物理层涉及的各种重要过程和算法原理，形成了相对完整的h s d p a 物理层的理论 体系。 首先介绍了h s d p a 的研究背景，通过与3 g p p r e l e a s e9 9 相比，明确分析了h s d p a 带 来的一系列变化，如引入的新的物理信道和传输信道，帧的格式变化等。简单总结h s d p a 的发展阶段，并对其中四种增强性关键技术：a m c 、h a r q 、f c s 和m i m o 进行了简明的 讨论。 核心部分是对h s d p a 物理层基带的仿真链路进行分析，提出了整个收发系统的仿真 流程图，并对协议涉及的相关概念和基本模块的算法进行了整合性说明，为进一步研究 h s d p a 及其关键技术奠定了基础。其中着重讨论了n i r b o 编译码器和r a k e 接收机，详细 介绍了t u r b o 码的算法和实现方式，对s o v a 的译码方案和性能做了相应的分析；从多径 搜索、数据解调和信道估计三个方面对传统r a k e 接收机进行了详细的讨论，引用了并行 多径干扰抵消的算法并提出相应的r a k e 接收机结构。此外，本文从时延扩展和多普勒频 移两个方面介绍了多径衰落信道，对h s d p a 仿真信道进行了建模。 在h s d p a 增强性技术方面，主要对m i m 0 系统进行了详细的分析，讨论了3 g p p 建议的基于分层空时码的m i m o 技术和基于空时发射分集的m i m 0 技术，均提出了相应 的发射机和接收机的结构。从提高频谱的利用率和提供了二次分集两个方面，仿真验证 了m i m o 技术对h s d p a 系统性能的影响。最后通过对全文主要工作的总结，指明有待 于进一步深入研究的方向。 【关键词】 h s d p ar a k e1 w b om i m os m分层空时码 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n f o 册a t i o ni n d u s t 融t h eh i 曲p r o mb m u g h tb yt h em o b i l e w i r e l e s sc o m t n u n i c a t i o nt e c h n d l 0 2 i e s 如dl h e1 i m i t a t o no fw i r e l e s sr e s o u r c e sm a k em e c d m p e t “i o nm o r es 耐o u s m a n yk i n d so fs d a r d sm e 唱ew h i l en e wc o n c 印t sa i l ds y s t e m s c o m eo u t ，a j l de a c ho n ei sb e i n gd e v e l o p e da 1 1 di m p r o v e dt om a i n t a i nc e n a i ns t r e n g t l lw i m i n t h ef i e l d i nt h ey e 盯2 0 0 0 ，t h eh i 曲s p e e dd o w n l i l l l cp a c k e ta c c e s si sb r o u 曲tf 0 刑a r db ym e 3 r dg e n c r a t i o n p a n n 盱s m pp r o j e c t t o i m p r o v et h eb a n d w i d t he 硒c i e n c y ，s p e e d u pt h e 啪m s i i l i s s i o nr a t ea 1 1 dr e a c ht 1 1 ea v a i l a b l ec 印a c i t i e s a & rs e v e r a ly e a r s i m p r o v e m e m ，h s d p a b e c o m e sac o m p e t i t i v ct e c h j l o l o g yf o r 也es u p e r3 r dg e n e r a t i o nn o w ，a 1 1 da i 缸a c t sal o to f a t t e n t i o n a l lt h er e s e a r c hw o r kh e ei sb a s e do nt h es p e c i f i c 而o n gr e l a t e dw i 也h s d p a 丁c l e a s e db y 3 g p p n u 曲t 1 1 e o r e 廿c a la n a l y s i sa 1 1 ds 血u l a t i o n ，t h ea l g o r i t l 瑚sa t l dp r o c e s s e sf o rh s d p a p h y s i c a l l a y e ra r es y s t e m a t i c a l i yi n v e s t i g a t c d ，a 1 1 ds o m ek e yt e c h n 0 1 0 9 i e sa r ea l s od i s c u s s e d a r e l a t i v ei n t e g r a t e da i l df c a s i b l es c h e m ei sp r o p o s e di nt h i st h e s i s f i r s t ，也eb a c k g r o l l i l do fh s d p a 话m 1 】s 仃a t e d ，a i l dc o m p a r e dw i l h3 g p pr e l e a s e9 9 ，t l l e t e c h n o l o g yt r a i t sa i l dt h ec h a l l g ei tb r i n g sa r ed j s c u s s e d ，s u c ha st h en e w 仃a n s m i tc h 咖e la n d p h y s i c a lc h a r u l e l ，a sw e l la st 1 1 ec h a l l g eo fn l e 妇n e m e 锄w h i l e m ed e v e l o p m e n to fh s d p a i ss u m m e r i z e d ，a i l dt h ef o l l rk e yt e c h n o l o g i e ss u c h 船a m c 、h a r q 、f c s 和m i m 0a r eb r i e n y i n t r o d u c e d t h ek e yp a no ft l l i sm e s i si s t 1 1 eh s d p am o d u l a t i o ns y s t e m 惭t ht h en o wc h a no f 怕n s m i 瓶ra n dr e c e i v e ro ft 1 1 ew h o l es y s t c m t h er e l a t e dp r i n c i p l e so fh s d p aa 1 1 db a s i c m o d u l c sa r ei n t r o d u c e d a l it h e s em a k et h ef o l l i l d a t i o nf o r t h e 如r t l l e rr e s e a r c ho f h s d p a 1 w o p a n so ft h ea l g 嘶啦n s ，t u r b oa n dr a k er e c e i v e r ，a r ee m p h a s i z e d ，f o rt h ef i r s to n e ，m b o e n c o d i n g 卸dd e c o d i n ga r ed i s c u s s e d ，a i l ds o v a i si m p l e m e n t e dw i 也d e t a i l e da i l a l y s e s ；f o rt h e s e c o n do n e ，t r a d i t i o n a lr a k er e c e i v e ri se x p l a i n e df 如mm r e ep a n s ，s u c ha s 廿l ep a t hs e a r c h i n g ， t h ed a 衄d e m o d u l a t i o na n dt h ec h a n n e le s t i l n a t i o n ，w h 1 ean e wr a k ew i t hi n t e r - p a m i m 醵r e n c ec 卸c e l l e ri sd e r i v e d a p a r t 靠o mt l l i s ，t l l ei 1 u e n c eo fw i r e 】e s sc h a n n e li sd - s c u s s e d ， r a y l e i 曲f a d i n gc h a n n e li si 1 1 仃o d u c e d 舶mt w oa s p e c t so f t i m ed e l a ya n dd o p p l e rs h ma l l d c h a l l i l e lf o rh s d p ai sm o d e l e d f o rt h ee 【血a n c e m e n tt e c h n o l o g i e s ，m i m oi si n v e s t i g a t e d s i m u l a t i n g 抑ok i n d so f t e c h n o l o 西e s o n ei sb a s e do nl a y e r e ds p a c e t i m ec o d et oi m p m v et h eb a l l d w i d me m c i e n c y ， a n dt h eo t l l e ri sb a s e do ns t t dt os u p p l yt r a l l s m i td i v e r s i 缈一t h ei n 玎u c n c eb r 0 1 唱h tb ym i m 0 t oh s d p ai st e s t i 矗e d f i 删l y ，t h r o u 曲t l l es u m m 撕z a t i o no ft h ew h o l ew o r k ，s o m ep o t e n t i a l r e s e a r c hd i r c t i o n sa r ed i s c u s s e d 【k e yw o r d s 】 h s d p ar a k et u r b om i m os t t dl s t c n 浙江大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 无线移动通信的迅速发展、高收益和无线资源的有限性带来激烈的竞争，从而 造就了无线移动通信技术和系统的多样性。通信市场的现状是：一方面第二代无线 移动通信系统多种制式并存，且仍在发挥重要作用，另一方面新标准不断被制定， 却又不能完全代替现存标准。现有系统、标准众多，新旧体制并存，而通信技术发 展日新月异，新的制式、标准又不断涌现，仅第三代移动通信目前就有u m t s - f d d ， u m t s t d d c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a 等多个标准。每一种标准都在不断的完善和发 展。而且，近几年由于手机用户的不断增加，数据服务大幅度增长，对多媒体服务 的需要日益增长，促使无线移动通信系统采用新的技术来提高传输速率和系统容 量；同时，无线通信要求更宽的频带资源来满足宽带数据业务的传输，而频带利用 率的有限性成为制约宽带数据业务发展的瓶颈。因此频带利用率成为第三代无线移 动通信以及未来通信系统的关键环节之一，于是适应高速数据传输的h s d p a 应运而 生。 h s d p a ( h i 曲s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ，高速下行分组接入) 是3 g p p ( 第三代 合作项目) r e l e a s e5 版本规范中引入的一个重要的新技术【l 】，是一些无线增强技术的 集合，是r e l e a s e9 9 发表以来r f 领域中发生的最重大的变化。 2 0 0 0 年3 月m o t o r 0 1 a 在西班牙召开的3 g p p 标准化组织t s g 4 m 州第7 次会议上， 提出了h s d p a 的最初设想。2 0 0 1 年1 月，在美国波士顿召开的t s g 4 一黜蝌第1 8 次会 议上，公布了h s d p a 的标准化成果。具体来说h s d p a 的发展分为三阶段，即基本 h s d p a 阶段一一n o d eb 中引入高速媒体访问控制( m a c h s ) 协议，增强h s d p a 阶 段一一引入多种天线阵列处理技术，以及h s d p a 进一步演进阶段一一引入0 f d m 空 中接口技术和6 4 q a m 、使用多标准m a c 控制实体等，不过此阶段标准还未最终确 定，仍在3 g p p 内进行研究。而第二阶段的设备尚未成熟完善，各设备厂商可供测试 和商用的h s d p a 产品仅限于第一阶段。在各个阶段中，下行峰值速率理论上分别可 以达到支持l o 8 1 4 4m b i “s ，3 0m b i 讹和1 0 0 m b i 讹。 h s d p a 的出现引起了业界的极大关注。致力于发展w c d m a 的移动运营商正在 不断努力，以迅速发展h s d p a 网络和u e ，使其能够与基于1 x e v - d o 和基于1 x e v d v 的系统有效竞争。因此，适时研究h s d p = a ，对于我们全面了解后3 g 时代的技术走 向十分重要。对h s d p a 系统进行深入的研究，不仅具有潜在的理论价值，而且还具 有重要的现实意义。本文将主要研究基于h s d p a 物理层系统及其关键技术的仿真， 浙江大学硕+ 学位论文 重点解决h s d p ：a 物理层涉及的各种基本过程和算法问题，同时完成部分关键技术的 验证与探讨。 1 2h s d p a 的基本特点和关键技术 h s d p a 增加了下行链路的峰数据率和包数据效率，使系统比目前使用的其它 高数据率技术更富竞争力。不但支持高速不对称数据服务，而且在大大增加网络容 量的同时还能使运营商投入成本最小化。 具体来说与3 g p p r e l e a s e9 9 相比，h s d p a 的引入带来了一系列变化，对主要 影响物理层和传输层性能的无线电接口作了几项改变： 更短的无线电帧 新的高速下行链路信道 除q p s k 调制外还使用1 6 q a m 调制 码分复用和时分复用相组合 新的上行链路控制信道 使用自适应调制和编码( a m c ) 的快链路适配 使用混合自动重复请求( h a r q ) 媒体访问控制( m a c ) 调度功能转移到n o d e b h s d p a 技术可以同时适用于w c d m a 、t d s c d m a 两种不同制式，在这两种 不同制式中其实现方式十分相似，基本结构保持一致。在w c d m a 中增加h s d p a 的效果类似于在g s m 中引入e d g e ，它为u m t s 更高数据传输速率和更高容量提 供了一条平稳的演进途径，这就是提高峰数据率和增加系统容量，特别是对小的蜂 窝小区。 由于新技术向下兼容3 g p pr e l e a s e9 9 ，因此为w c d m a 开发的语音和数据应 用仍可以在升级后的网络上运行，同一条无线信道将同时支持w c d m a 服务和 h s d p a 服务。h s d p a 网络建设成本主要用于n o d eb 和r n c 的软硬件升级，因此 h s d p a 的部署具备较高的性价比。采用h s d p a 技术，其成本仅为g p r s 的十五分 之一和w c d m ar e l e a s e9 9 的五分之一。 从技术的角度讲，h s d p a 主要通过引入高速下行共享信道( h s d s c h ) 增强空中 接口，并在u t r a n 中增加相应的功能实体来实现。从整体架构上看，主要是增强 n o d eb 的处理功能，在n o d eb 的m a c ( 媒体接入控制) 层中引入一个信道m a c - h s 实体，专门完成h s d s c h 的相关参数和h a r q 协议等相关处理，在高层和接口加 入相关操作信令。从底层来看，主要通过引入a m c ( 自适应调制编码) 、h a r q ( 混 和自动请求重传) 、f c s ( 快速蜂窝选择) 和m i m o ( 多入多出天线处理) 等技术增加系 统的数据吞吐量。下面对以上四种底层的关键技术做以简单说明。 自适应调制编码( a m c ) 浙江大学硕士学位论文 a m c 的基本原理就是改变调制和编码的格式并使它在系统限制范围内和信道 条件相适应，而信道条件则可以通过发送反馈来估计。a m c 系统根据c i ( 载波信号 同频于扰水平) 测量或者相似的测量报告决定编码和调制的格式，编码一般采用 r c p t ( 速率适配凿孔t u r b o 码) ，调制可以采用b p s k 、q p s k 和一些高阶调制。r c p t 通常与h a r q1 如e1 1 或者h a r qt y p ei i i 结合使用。高阶调制方式常见的有8 p s k 、 1 6 0 a m 、增强型1 6 q a m 、6 4 q a m 。3 g p p 的协议规定不同的编码方式和调制方式组 合构成了7 种m c s 。在a m c 系统中，一般用户在理想信道条件下用较高阶的调制方 式和较高的编码速率，如6 4 r a m 及r = 3 ，41 w b o 编码；而在不太理想的信道条件下 则用较低阶的调制编码方式，如q p s k 及r = 1 ，2 n 曲。编码。 采用a m c 的好处主要有：处于有利位置的用户可以具有更高的数据速率，由此 蜂窝平均吞吐量得到提高；在链路自适应过程中，通过调整调制编码方案而不是调 整发射功率的方法可以降低干扰水平。 目前实现a m c 面临几项挑战。首先，a m c 对测量误差和延迟比较敏感，为了 选择适合的调制方式，必须首先知道信道的质量，对信道估测的错误可能会使系统 选择错误的数据传输数据率，使传输功率过高，浪费系统容量或者因功率太低而出 现误码率升高；其次，由于移动信道的时变特性，信道测量报告的延迟降低了信道 质量估计的可靠性；另外，干扰的变化也增加测量的误差，此时可以寻求与其它技 术的结合，比如利用h a r q 可以降低m c s 的要求识别和对测量误差和流量波动的敏 感性。 混合自动请求重传( h a r o ) h a r o 也是一种链路自适应的技术。在a m c 中，采用显式的c i 测量来设定调制 编码的格式，而在h a r q 中，链路层的信息用于进行重传判决。h a r q 是指接收方 在解码失败的情况下，保存接收到的数据，并要求发送方重传数据，接收方将重传 的数据与先前接收到的数据在解码之前进行组合。h a r q 可以提高系统性能，并可 灵活地调整有效码元速率，还可以补偿由于采用链路适配所带来的误码。 目前，h a r q 技术主要有两种模式：选择性重传( s e l e c t i v er e p e a t ，s r ) 和停止等 待重传( s t 叩a i l dw a j t ，s a w ) 。在h s d p a 中采用s a w ，但是这种操作模式会导致信 道的非有效利用。因为在发送端等待响应的时间段内是没有数据被传送的。为了避 免这种不利之处采用了双( 多) 重信道h a r q ，该方案采用并行停等协议，即在并行 信道上运行两( 多) 套不同的a r q 协议。双( 多) 重信道s a wh a r q 具有控制开销小、 机制简单、对手机容量要求低和信道利用率高等优点。 h a i 是a r q 和f e c ( 前向纠错) 相结合的纠错方法，与f e c 共同完成无差错传输 保护。有很多方法可以实现h a r o ：c h a s e 合并、兼容速率凿孔t l 曲oc o d e s 和增量 冗余( i ri n c r c m e n t a lr e d 舶d a n c y ) 。一般来说可以将h a r q 分为三种：h a r qt y p ei 是使用f e c 处理最常见的一些错误模式，通常放弃触发越以前接收的数据包：增 量冗余或h a r qr r 卯ei i 是在第一次译码失败时另外再传送附加冗余信息而不是再 浙江大学硕士学位论文 将整个数据码组重发一次；h a r qt y p ei i i 类似于h a i r i 押ei i ，也是增量冗余方案 中的一种，但不同之处在于每一次重传的信息都具有自解码能力，即不通过合并过 程就可以从重传数据包中恢复出数据。 a m c 可以根据u e 的测定或者网络提供的信息条件来灵活地选择适当的m c s ， 但需要u e 进行准确信道测量并且受到相应延迟的影响。h a r q 能够自动地适应信道 条件的变化并且对测量误差和时延不敏感。a m c 和h a i 二者结合起来可以得到最 好的效果一a m c 提供粗略的数据速率选择，而h a r o 可以根据数据信道条件对数据速 率进行较精细的调整。 快速蜂窝选择( f c s ) f c s 是为h s d p a 而推荐使用的。使用f c s ，u e 能指示一个最好的小区用于下行 链路。确定“最好的”蜂窝不仅要基于无线信号传播的条件，还要考虑在a c t i v es e t 中小区的功率和码字空间的资源。一般而言，同时有很多小区处于a c t i v es e t ，但只 有最适合的小区基站允许发送，这样可以降低干扰提高系统容量。 在离小区中心较远的边缘，每个信道质量都比较低。使用f c s 策略可以选择一 个服务小区使得链路的质量相对稳定。它是通过c i 和上行d c c h 的小区指示信息 来对各个小区进行比较的。f c s 对物理层方面的要求和r e l e a s e 9 9 中的选择性分集发 射( s s d t ) 相似。如果使用n o d e b 之间的单元选择，在h s d p a 调度和终端就绪之后， 需要实现h a r q 状态和调度表的同步。一种传输状态同步的方法是通过空中传播的 物理层实现的。如果f c s 可以选择变化的n o d e b ，那么就需要让所有的n o d e b 都能 侦测到上行链路的物理层发送信号，而这和常规的上行链路功率控制策略矛盾。它 这种策略不能确定上行链路发送信号能被所有的n o d e b 侦测。有两种途径可以解 决：使用改进的上行链路功率策略，当任何n o d e b 需要时，u e 的传递功率都能相 应增加；第二种方式还是使用常规的功率控制策略，但加上一个功率偏移来保证传 输状态能被新的n o d e b 侦测。这两种方式中，优先推举第二种方式。但是，必须评 估需要多大的功率偏置及其对整个系统的性能影响。 多入多出天线处理( m i m 0 1 在h s d p a 技术发展中，提高下行数据速率的一种方法是采用多天线发射和多天 线接收( m i m 0 ) 技术，它可以大大提高系统容量。 m i m o 系统是在发送和接收端同时使用多天线，这样相对于只在发送端使用多 个天线有更多好处。3 g p p 建议了两种方式的m i m 0 处理技术包括基于分层空时码 m i m o 技术和基于空时发送分集的m i m o 技术。后者提供了二次分集，但是没有增 加频谱的利用率。前者没有分集，但是通过码复用技术可以使峰值吞吐量得到提高， 为h s - d s c h 分配的信道码、扰码用来调制m 个独立的数据流( m 为发送的天线数) ， 在理论上，使用码复用的峰值传输速率是单天线传送的m 倍。 m i m o 技术传送业务在基带处理部分需要m c s 功能，定义天线传播模型，根据 用户业务请求等级不同和传播质量情况配置。n o d e b 有m 个发射天线，用户终端u e 浙江大学硕士学位论文 有n 个接收天线，那么n o d e b 与u e 之问的下行发射通道有m ，n 个。如果m i m 0 技术 要求在n o d e b 中有1 、2 、4 副天线，在u e 中有1 、2 、4 副天线，那么天线的配置限 制有( 1 ，1 ) 、( 1 ，2 ) 、( 1 ，4 ) 、( 2 ，1 ) 、( 2 ，2 ) 、( 2 ，4 ) 、( 4 ，1 ) 、( 4 ，2 ) 、( 4 ，4 ) 。所 以发射机和接收机之间天线配置不同，可以满足数据速率从低到高的变化，根据信 道质量来自适应调节数据速率。系统中还有u e 到n o d e b 的物理层反馈信息、实时 控制和上下行高层信令控制功能等。 1 3 本文涉及的主要算法的研究现状 1 3 1t u r b o 译码 由于交织器的出现，导致t u r b o 码的最大似然译码变得非常复杂而难于应用。 目前已有多种n 曲。译码算法，它们在降低了计算复杂度的同时又具有较好的性能， 因而获得了广泛的应用。 t u r b o 码的译码算法主要有：最大后验概率( m a p ) 算法1 12 j 和软输出维特比译码 算法( s o v a l 【1 3 】。两者的共同点都是利用软输出来进行迭代译码。算法的不同主要体 现在两个分量码译码器d e ci 和d e ci i 的算法上，可被分为两大类：一类源于m a p 算法，以追求每个码元译码错误概率最小为目标，即使译码误码率b e r 最小化方面 是最佳的；另一类源于t e r b i 算法( s 0 ) ，以追求每个码字( 组) 错误概率最小 为目标，即使通过网格图的错误路径的概率最小化。它们都是基于次优解的迭代译 码算法。 最大后验概率( m a p ) 算法 b a l l l 在1 9 7 4 年，为了估算在无记忆噪声于扰下的m a r k o v 信源的状态及状态 转移的概率，提出了这种现今被称作m a p 算法的算法。 m a p 是最优的译码算法，在最初提出t u r b o 码时所采用的译码算法是修正的 b a l l l 【1 2 锋法，也叫做最大后验概率( m a p ) 算法，但其缺点是具有较大的运算复杂度 和需较大的存储空间。虽然出现了许多改进算法，如l o g m a p 算法，m a ) ( l o g m a p 算法等，即把标准m a p 算法中参量用他们的对数形式表示，把繁琐的指数和乘除 运算，转换为加减运算，降低了复杂度，而其性能与m a p 算法接近。但m a p 算法 始终存在几个难以克服的缺点，如：需要在接收到整个比特序列后才能做出译码判 决，既有前向的迭代又有后向的迭代，与比特序列长度成正比的存储量等。这些缺 点大大降低了m a p 算法的实用价值。 s o v a 算法 s o v a 算法是在v i t e r b i 算法基础上改进而来，传统的维特比译码算法输出的是 使后验似然概率最大的比特序列，而不是使每个比特具有最大后验似然比，也没有 输出软判决信息。为了将v a 应用于t 1 l r b o 码中，h a g e n a u e r 等【1 5 1 对维特比译码 浙江大学硕士学位论文 作了改进，提出了软判决输出维特比译码( s o v a ) 算法，使其可以逐比特输出与m a p 算法类似的软判决信息。此算法相对于传统的维特比算法有两个变化，正是这两个 变化使得s 0 算法能够用在t u r b o 码分量译码器中：一是在网格图上选取最大似 然路径时，计算路径度量需要考虑先验信息的影响；二是改进后的s o v a 算法以后 验l l r 的形式给出每个比特的软输出结果。译码性能虽不如m a p ，但其运算复杂 度较低。 1 3 2r a k e 接收机 r a k e 接收技术是一种经典的对抗多径衰落的通信技术。它实质是一种接收分 集技术。通过合并来自多个路径的信号以达到增加整体信噪比和减小误码率的目 的。因为在信道的深衰弱期，仅仅接收来自一条径的数据通常只能得到很低的信噪 比，同时其它径的存在也造成了一定的干扰。而通过r a k e 接收，可以充分利用各 条径的信号能量，提高接收质量。 为了不断提高系统性能，针对传统的r a k e 接收机的一些局限性，现在已有不 同的改进算法，并将m m s e 引入系统中。其中，l m m s e r a k e 接收技术，是在每 一个接收路径上通过自适应的方法来分别对于扰进行抑制，即使每个路径的接收机 输出与信道系数数据符号分量之间的均方误差最小；自适应l m m s e 接收机技术是 在l m m s e r a k e 接收机的基础上提出了一种改进的接收机算法，即使接收机输出 与真正的发射数据序列之间的均方误差最小，它们都能够在很大程度上提高系统接 收的性能和系统容量。通过很多文献的算法分析表明【3 8 书】，自适应l m m s e 接收机 算法具有最好的性能，其次是l m m s e r a k e 接收算法，它们都是在r a k e 接收算 法基础上改进而来的。但是自适应l m m s e 接收机复杂度较高，收敛性比较慢，还 需要一定的导引序列；l m m s e r a k e 接收机的性能比传统的凇接收机有所提 高，复杂度也有所增加。 在本仿真系统中，偏重于整体的协调性和仿真性能的实现，从复杂度和性能的 折中来考虑说，还是采用了传统的r a k e 接收机，同时引入了增加路径间并行干扰 抵消器提高系统性能的方法。 1 3 3m l m 0 与空时码 m i m 0 用于通信系统的概念早在2 0 世纪7 0 年代就有人提出，但是对无线移动 通信系统m i m 0 技术产生巨大推动的奠基工作则是2 0 世纪9 0 年代由a t & tb e u 实验室学者完成的。1 9 9 5 年t e l a d a r 给出了在衰落情况下的m i m o 容量；1 9 9 6 年 f o s l l i n i 等给出了一种m i m 0 处理算法_ d b l a s t ( d i a g o n a l b l a s t ，对角b l a s t ) 算法1 4 7 】；1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于m l m o 的空时码；1 9 9 8 年w o l i n a n s k y 等采 6 浙江大学硕士学位论文 用v b l a s t e n i c a l b l a s t ，垂直b l a s t ) 算法【4 8 】建立了一个m i m o 实验系统， 在室内试验中达到了2 0 b p s h z 以上的频谱利用率，这在普通系统中是极难实现的。 这些工作引起了各国学者的极大注意，并使得m i m o 的研究得到了迅速发展。 而空时码是一种基于多天线阵发送技术的编码方案，其将m i m o 技术和信道编 码技术结合起来，同时获得空间分集和时间分集。这些空时码能提供巨大的编码增 益，不过这些增益是随天线阵元数呈指数增长的复杂度为代价的。在接收端，由于 空时码的解码可以通过线性处理来实现，系统易于实现，所以空时码同样越来越受 到人们的重视。 贝尔实验室于1 9 9 6 年提出的分层空时码l s t c ( l a y e r e ds p a c e t i m ec o d e ) 模型， 是最早的空时编码方案；1 9 9 8 年，朗讯实验室的t a m l ( h 等人提出了一种基于编码 调制技术的空时编码方案一网格空时码( s t t c ) ，s t t c 不仅可以获得较高的频带利 用率，而且具有较好的抗衰落性能；同年，一种较为简单的分组空时码( s t b c ) 也被 提出，s t b c 最大的特点是简单实用，且性能相对较好，是一种较有效的传输分集 解决方案，空时发射传输分集( s t t d ) 就是一种简单的分组空时码。 对于v b l a s t 系统，学者们提出了许多不同的检测算法。g o l d e n l 5 0 j 提出了经 典的g 0 1 d e n 检测算法，很类似于多用户检测中的串行干扰抵消算法，不过由于采 用迫零和符号取消法，需要m ( 发射天线数) 次对信道矩阵求伪逆，在发射天线数比 较多的情况下，算法的复杂度很高。g e o r g eg i n i s 证明了g 0 1 d e n 算法与广义判决反 馈均衡器等价【5 6 i ；a s h i s hb h 耵l ；a v e 给出了一种将干扰抵消与最大似然相结合的检 测算法，在性能和算法复杂度之间取了折衷【5 ”；l iy u a n 给出了一种适合于v b l a s t 系统的并行检测算法，该算法在发送天线与接收天线数目相同时，较为有效提高了 检测的性能1 5 s j 。 1 4 本文的主要工作和结构安排 1 4 1 本文的主要工作 本文主要涉及3 g p p 协议规定的基于w c d ma ，f d d 的h s d p a 物理层基带链路 的分析，同时对部分关键技术进行了探讨和研究，用m a t l a b 和c 做出性能仿真。 本文的主要工作如下： 通过与3 g p pr e l e a s e9 9 相比，介绍了h s d p a 的基本概念，明确分析了 h s d p a 的发展阶段和带来了一系列变化，对四种关键技术：a m c 、h a r q 、 f c s 和m i m 0 进行了简明的分析并指出协议中规定的h s d p a 的相应解决 方式。 对3 g p p 协议中涉及的h s d p a 的相关算法进行了系统的分析和整合，搭建 了各个模块，并对协议中规定的各个模块的算法进行了较为细致的说明。 7 浙江大学硕士学位论文 实现了整个物理层链路的仿真，为进一步研究h s d p a 及其关键技术奠定了 基础。 完成了r = 1 3 1 w b o 编译码的实现，对3 g p p 所规定的t 1 】r b o 编码进行了详 细的说明，比较了常用了t u r b o 译码方式，分析了s 0 、，a 译码算法，并进 行了仿真实现和性能分析，通过仿真分析了内部交织器长度，迭代次数和 译码深度对译码性能的影响，并得到较佳的译码方案。 从时延扩展和多普勒频移两个方面对多径衰落信道进行了分析，针对 h s d p a 进行了仿真信道的建模，实现了采用改进的j a k e s 模型法的瑞利 衰落信道的仿真。 从多径搜索、数据解调和采用公共导频信道进行信道估计三个方面对传统 r a k e 接收机进行了详细的讨论，引入了并行多径干扰抵消的算法并提出 相应的r a k e 接收机结构，并对算法进行了仿真和性能分析。 讨论了3 g p p 建议的基于分层空时码的m i m o 技术和基于空时发射分集的 m i m o 技术，均提出了相应的发射机和接收机的结构，分别从提高频谱的 利用率和二次分集的角度仿真验证了m i m 0 技术对h s d p a 系统性能的影 响。 1 4 2 本文的结构安排 本文的第一章首先介绍了目前无线移动通信的背景，指出了研究h s d p a 的时 效性和重要性，然后通过与3 g p p r e l e a s e9 9 相比，介绍了h s d p a 的基本概念，如 h s d p a 的引入带来了一系列变化和引入的新的信道等，接下来简要讨论了h s d p a 技术的发展情况，并对其中四种关键技术进行了分析，同时对本文涉及的主要算法 的研究现状做了简单的评估。最后阐述了本文的主要工作和结构安排。 第二章主要介绍了h s d p a 物理层基带的仿真链路模型，即基于高速下行链路 共享信道h s d s c h 的信道编译码过程，并对h s d p a 的帧结构、仿真用到的下行 链路物理信道h s - p d s c h 和公共导频信道，以及各个基本模块进行了简单的说明； 着重讨论了t i l r b o 编译码器的算法和实现方式，并对t 1 】r b o 码的s o v a 的译码方案 和性能做了相应的分析和说明，通过仿真验证了内部交织器长度，迭代次数和译码 深度对译码性能的影响，并得到较佳的译码方案。 第三章首先从时延扩展和多普勒频移两个方面介绍了多径衰落信道，并根据协 议规定对h s d p a 进行了仿真信道建模；接下来从多径搜索、数据解调和信道估计 三个方面对传统i 认k e 接收机进行了讨论，引入了并行多径干扰抵消的算法并提出 相应的r a k e 接收机结构。 第四章首先从发展过程、信道容量和应用等方面对m i m o 系统进行了简单的介 绍；接下来讨论了3 g p p 建议的基于空时发射分集的m i m o 技术和基于分层空时码 8 浙江大学硕士学位论文 的m i m 0 技术，均提出了相应的发射机和接收机的结构。前者采用s t l d 的方式， 在不需要额外带宽和功率资源的情况下，提供了二次分集；后者采用多码复用与扩 频码相结合的方法，提高了频谱的利用率。通过两种方式的仿真验证了m 1 m o 技术 对h s d p a 系统性能的影响。 第五章总结全文的主要工作和一些重要的结论，继而指明有待于进一步深入研 究的方向。 9 浙江人学硕士学位论文 第二章h s d p a 物理层基带仿真链路模型 这一章主要介绍了h s d p a 物理层基带的仿真链路模型，即基于高速下行链路 共享信道h s d s c h 的信道编译码过程，并对h s d p a 的帧结构、仿真用到的下行 链路物理信道h s p d s c h 和公共导频信道，以及各个基本模块进行了简单的说明； 着重讨论了t u r b o 编译码器的算法和实现方式，并对t u r b o 码的s o v a 的译码方案 和性能做了相应的分析和说明，通过仿真验证了内部交织器长度，迭代次数和译码 深度对译码性能的影响，并得到较佳的译码方案。 2 1 仿真信道 2 1 1 仿真链路模型 随机数攥生成卜叫谩比耪率谤葬h 饿复数据 c r c 检验 二工= t u r b 0 编码 工 速率麒醚 交织 工 殃射 i _ 扩频 c l 孽c 至i 撑颁烨刊 工 浃封 工 扩撅 l型塑i 主 蘩带溅蛩滤涟 a l 阱潜 遒 多经r a 对e 蚺 囊簿镑道 c r c 梭骢 r u r b o 译码 速率匹就 解燮缀 r 一 躺映翳 r 一 解扩 1 广_ 解扰 r 一 。i 一 r g k # 接救 图2 1 基于高速下行链路共享信道h s d s c h 的仿真模型 1 0 浙江大学硕士学位论文 2 1 2h s d p a 帧结构 h s d p a 无线电帧( 实际是w c d m a 体系结构中的子帧) 的长度是2 m s - 相当于 3 个目前定义的w c d m a 时隙圜。在一个1 0 m s w c d m a 帧中有5 个h s d p a 子帧，如图 2 2 所示。较短的帧允许用户在较短持续时间内把数据传送分配至一个或多个物理信 道，从而使网络能在时域和码域重新调整它的资源分配。 t o m s is 浦l 耩m 蠹 s u 赫拜m e ；翻缸勰m 搴；翻螽瓤m 棼：s 袖l 壤m 擘； j 瓣撑l；蜕 i 煳瓣l ? 、 ， 、 ， 、 ； ， 一t 一4 气 。 + 。一 、。歹 3 x t = ，黼6 8 h i 辨 图2 2 一个w c d m a 帧内有5 个h s d p a 子帧 2 1 3 高速下行链路共享信道h s d s 洲 3 g p p 针对h s d p a 而增加了高速下行链路共享信道h s d s c h 用来承载数据。对 于承载数据的下行信道h s d s c h 信道与r 9 9 中的d s c h 信道类似，均为下行共享信 道。h s d s c h 以传输时间间隔t t i 为单位分配给用户使用。为了减小时延、增加调 度进程的粒度以及更及时