（通信与信息系统专业论文）cdma2000+1xevdo前向链路基带接收技术的研究和viterbi解码器的dsp实现.pdf

东南大学帧| 学泣沦文 东南大学学位论文独创性声明 本人卢叫所足交的学位论文是戏个人在导师指导下进行的n i f 究r 作及取得的研究成果。堞我所 知，除，文l ；】特别加以标注和致谢的地方外，论文中1 ；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j 、南人学或其它教育机构的学位或证+ 而使用过的材料。与我同丁作的同忠对本 丌究所做的任俐贯献均已在论文巾作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：4 蝉日期：三! ! ：! ：! ： 东南大学学位论文使用授权声明 尔南人学、中国科学技术信息研究所、国家图二b 馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和l 乜予文 档，- j 以采h j 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相致。 除北保密j j 内的保密论文外，允许论文被查阅和借阋，可以公布( 包括刊登 论文的全部或部分内 - f f - 沦文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：倒导师签名：- ：b 垒堕日期：竺型 东南人学坝十学位睑业 摘要 c d m a 2 0 0 0l x e v d o 是第三代移动通信系统中最具有竞争力的标准之一，它是i s 一9 5 a 和c d n a 2 0 0 0 一l x 协议家族的延续，它继承了c o m a 的基本扩频通信技术，又采用了h d r 力式的天键技术，是c d m a 2 0 0 0 标准在高速数据通信方面的突破。 本文首先介绍了该系统的历史和发展，以及在全球市场的一些概况，接着给出了 i ! v d o 系统所能达到的性能指标。然后初步介绍了该系统所使用的不同于以往c d m a 通信 系统的。此新技术，包括多码c d m a 、速率控制、自适应调制与编码等。在此基础上，根 据1 x g v d o 的发布标准，本文比较详细地介绍了其前向链路的结构，包括多码扩频方式、 t d m 的组帧结构和瓤的信道交织方法。接下来本文讨论了无线信道的数学模型，阐述了 儿种典型信道的特点，并在此基础上给出了多码c d m a 接收机的模型和数学推导。在接 下来的一章晕我们进行了对该系统前向链路的一个仿真。首先介绍了仿真平台的建立和 一些模块的实现，接着参照理论曲线对该平台进行了在高斯自噪声祁瑞利衰落信道下的 校r 。然后给出了系统所支持的九种速率在高斯白噪声下的性能，以晓明不同的调制和 编码组合适应不同信道的传输需要。最后我们讨论了几种信道估计算法的研究，包括不 删窗长的多时隙均值法和通过估计车速来动态调整多时隙均值法加权因子的信道侍计 算法，并给出了多普勒估计的理论推导以及性能曲线 在最后一章本文讨论了v i t e r b i 解码器在定点d s p 上的实现。首先介绍了卷积编码 和v i t e r b i 解码的理论分析，然后给出了实现v it e r b i 算法所使用的一些模块方法和流 秤，最后叙述了该算法的关键部分在定点d s p 上的实现过程。 【关键词】c d m a 2 0 0 0l x e v d oh d r 多码c d m a 自适应调制与编码速率控制多码r a k e 接收机多普勒估计多时隙均值法v i t e r b a 解码器d s p 实现 东南人学硕一l 学位论文 a b s t r a c t c d m a 2 0 d 01 x e v d os y s t e mi so n eo ft h em o s tc h a l l e n g es t a n d a r d sl nt h et h i r d ( j e n er a t i o nm o b il ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c h 1st h ec o n t i n u eo fi s 一9 5 aa n d ( ；d n i a 2 0 0 0 1x p r o t o c o l f a m i 1 y i ti n h e r i t st h eb a s i cf r e q u e n c ys p r e a d j n g 。o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo fc d i a ，a n da sw e l la d o p t st h ek e yt e c h n o o g yo f i i d r i l l e t h o d i 、h iss y s t e mi sab r e a kt h o u g hi nhig hd a t ar a t ec o m m u n i c a t i o no fc d m a 2 0 0 0 s t a n d a r d s f ir s t ly t h i sp a p e ri n t r e d u c e st h eh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n to fe vd os y s t e m ， t l n d9 1 v c sa no v e r v i e wo ng l o b a lm a r k e ta b o u tt h i ss y s t e m n e x t 。t h isp a p e rt a k e s 0 1 1 tt h e p e r f o r m a n c et a r g e t t h a te v d o s y s t e r n c a n t o u g h t h e n ，t h i sp a p e r lf 1 1r e d u c e ss o m en e w t e c h n o l o g i e s t h a td on o ts i m i l a rw i t ho t h e rc d m a c o m m u n ic a t i o i ls y s t e mu s i n gb ye v d o ，i n c l u d e sm u l t ic o d ec d m a ，d a t ar a t ec o n t r o l ， c l d a p ti v e m o d u l a t i o na n d c o d i n g ，e t c o n t h i s b a s e ，t h ep a p e rd e t a i l e d l y in t r o d u c e st h ef o r w a r d1 i n ks t r u c t u r ei n c h d i n gm e t h o do ff r e q u e n c ys p r e a d i n g ， r r a m esl f u c t u r eo f t d ma n dn e wm e t h o do fc h a n n e li n t e r le a v e a c c n r d i n g t o p u b l is h e ds t a n d a r d so f1 x e v d o t r lt h e r e l l o w l n gp a r t t h i sp a p e rd i s c u s s o s m a t h e m a t i c sm o d e io fw i r e l e s s c h a n n e l e x p o u n d s t h ec h a r a c t e r i s t i e so fs o m e k jo d sorc l a s s i cc h a n n e l s ，a n dg i v e so u tt h em o d e la n dm a t h e m a t i c sp e r f o r m a n c e o fm u l ic o d ec d m ar e c e i v e t i nt h er e l l o w i n gc h a p t e r ，w em a k eas i m u f a t i o no f hg w a f 、d1jn ka b o u tt h i s s y s t e m f i r s t l y w ei n t r o d u c et h e b u i l d i n gu p o f s i m u a t i o np 1 a t f o r ma n dt h er e a l i z a t i o no fs o m em o d u l e s 。s e c o n d l y b o t hi na n ；n c h a n n e la n dr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l ，w ea d j u s tt h ep l a t f o r ma c c o r d i n gt ot h e t h e o r e t i c a lp e r f o r m a n c ec u r v e t h e n ，w es h o wt h ep e r f o r m a n c ei na w g nc h a n n e l o fn i r er a t e sw h i c ha r es u p p o r t e db ye v d o s y s t e m ，a n df r o mw h i c hw ee x p l a i i l l ，h a tc i i f f e r e n tc o m b i n a t i o no fm o d u l a t i o na n d c o d i n g m e t h o df i t s d j f f e r e n l c i a n n e lt r a n s m is s i o nc o n d i t i o n i nt h ee n d w ed i s c u s ss o m er e s e a r c h e so nt h e ( ：h a n n e le s t i m a t ea r i t h m e t i cs u c ha sm u l t is l o ta v e r a g ew i t hd i f f e r e n tw i n d o w s w i d t ha n dm e t h o do fv e h i c l es p e e de s t i m a t et oa d j u s t i n gd y n a m i c a l l yt h ew e i g h t o fc o e f f i c i e n tu s i n gd o p p l e re s t i m a t e i na d d i t i o n ，w es e to u tt h em a t h e m a t i c a p e r f o r m a n c eo fd o p p l e re a t i m a t ea n d t h ec u r v eo fi t i nt h el a s tc h a p t e r ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h er e a l i z a t i o no fv i t e r b id e c o d e r nf i x e dp o i n td s p c h i p f i r s t l y ，w ei n t r o d u c et h em a t h e m a t i t sa n a l y s i so f e o n v o u t i o ne n e o d e ra n dv i t e r b id e c o d e r t h e nw e b r i n gf o r t hs o m em e t h o d so f m o d u ea n dp r o c e s si nr e a l i z a t i o no fv i t e r b ia r i t h m e t i c f i n a l l y ，w es h o wt h e r e a l i z a t i o np r o c e s so ft h ec o r ep a r to ft h i sa r i t h m e t i ci nf i x e dp o i n td s pc h i p 1 _ k e yw o r d s c o m a 2 0 0 0 l x e v d o ，h d r ， e n c o d i n g ，m u l t 卜c o d er a k er e c e i v e t m u l t i c o d e c d m a ，a d a p t i v em o d u l a t i o na n d d o p p l e re s t i m a t e 5 墨塑奎兰望! 兰垡堡兰 一 第一章绪论 “新浪科技讯2 0 0 4 年1 月1 2 日，码分多址数字无线技术的先驱和全球领先厂商高 通公司恭贺y e r i z o nw i r e l e s s 计划在全国范围内部署商用c d m a 2 0 0 0l x e g d o 服务。今 年夏天，全美主要城市中的消费者便可享受到真正的第三代高速数据网络服务了，同时 全国其它地区也将于2 0 0 4 - 2 0 0 5 年内陆续开通此项服务。”至此，全球已有4 个国家的 6 个运营商部嚣了1 x e v d o 网络。 1 1l x e v d o 的发展和现状 i x e v d o 是c d m a 2 0 0 0 协议家族中的一员，下面对咳体系做一个简单凹顾。民用无线 接入技术c d m a 最早开始于1 9 9 3 年发布的第一个国际标准i s 一9 5 。与g s m 系统相比较， 基于c d m a 的系统有很多优势，包括频谱利用率高、通信容量大、话音质量好、抗多径 衰溶能力强等。但是当时该系统只能提供9 6 k b p s 的话音速度。在1 9 9 5 年北美标准化 纠织发布了i s 一9 5 a 。该标准将业务速率提高到了1 4 4 k b p s ，这是一个真正得到。泛应 用的标准。为了适应更高速率业务的要求，1 9 9 9 年北美标准化组织又发布了i s 一9 5 b ， 进步将传输速率提高到了6 4 k b p s 。高通公司将以上三个标准统称为c d m a o n e ，它代表 了第二代通信系统中的码分复用方式。由于数据业务在世界范围内的蓬勃兴起，同年8 月t 【a 发句了i s 2 0 0 0r e l e a s e0 ，并通过3 g p p 2 作为c d m a 2 0 0 0l x 的标准。这是个 完全向后兼容i s 一9 5 的2 5 g 移动通信系统，最高速据速率可达1 5 3 6 k b p s 。为进一步提 高通信容量和传输速率，2 0 0 0 年t i a 发布了i s2 0 0 0 的r e l e a s ea 版本，该系统达到 了3 0 7 2 k b p s 的最高速率。 近几年来，为了协调3 g 系统的研究和开发，国际电信联盟制定了i m t 一2 0 0 0 规范。 这个规范提出了对第三代移动通信系统的要求：高速移动环境下1 4 4 k b p s 、慢速步行环 境下3 8 4 k b p s 和室内静止环境下2 m b p s 。为了达到这个要求，高通公司本来打算用三倍 的带宽即c d m a 2 0 0 03 x 的方式发展，但是h d r 技术的出现诞生了一个新的系统c d m a 2 0 0 0 lx e v d o 。该系统单独对前向的数据业务进行了优化，使之达到了3 g 的标准。进而可以 演化为数据和话音合一的l x e v d v 系统，这个真正完全实现3 g 的系统将在r e l e a s ec 和r e l e a s ed 中进行描述。整个c d m a 2 0 0 0 体系的发展和应用进程是清晰的，如图卜l 所示。 7 东南人学坝i j 学位论文 一c d m a 2 0 0 0l x e vd ol l! ! ：竺 i 3 h ec d m a 2 0 0 01 x 1 x e v d v - i s 一9 5 bi s 一2 0 0 0r e l e a s e0r e l e a s ear e l e a s eb r e e a s ecr e le a s ed 图1 1c d m a 2 0 0 0 体系的发展 l x g v d o 目前有良好的市场状况。已经有韩国的s kt e l e c o m 、k t f ，同本的k d d i ，美 国的m o n e tm o b i l e 、v e r i z o nw i r e l e s s 币h 巴西的g i r o 这样6 家电信运营商部署了商用 j v d 0 网络，截至目前有4 百3 9 万用广1 ( w w w 3 9 t o d a y c o m ) 。并且在印度尼西亚、中国 台湾以及其它很多地方都在进行e v d 。网络的测试( w w w c d g o r g ) 。 1 2 i x e v - d o 的性能和主要技术 传统的实时语音业务要求严格的链路对称，而高速数据业务的特征是前向链路上的 吞吐量火人高于反向链路并且可以容忍较大的延时。由于c d m a 2 0 0 0l x 网络没有专门根 据数据业务的特点进行优化，因此其数据吞吐量无法满足越来越高的传输要求，这种差 异尤其表现在下行链路上。而e v d 0 系统主要通过系列技术手段改进下行链路使之能 提供更高的数据吞吐量。 e v d o 系统需要一个独立的载频来支持分组数据业务。由于数据和话音在业务要求 上的差异，当低速的语音用户和高速的数据用户共享同一带宽时，它们之间的相互干扰 将疑著s 曾d i l ，并且使数据业务不能有效的利用带宽。另外，当用户的数据速率成比例增 加时，单纯靠增加可利用带宽的方式对低速语音和高速数据混合传输的性能提高不火。 住这种情况下，h d r 采用业务分离的办法，将语音与高速数据业务独立地分配在两个载 频上，即用原有c d m a 2 0 0 0l x 的载频去承担语音业务，而另外起用一个h d r 载频去传输 高速数据业务。 采用h d r 技术的l x e v d o 与现有的i s 一9 5 干h c d m a 2 0 0 0l x 网络兼容，从而很好地保护了 i s9 5 和c d m a 2 0 0 0 l x 运营商的现有投资。出于h d r 的码片速率、发射功率、信道带宽与 拇一9 5 干h c d m a 2 0 0 0l x 相同，故h d r 可沿用现有的射频部件，h d r 基站只需在i s 一9 5 或 c d m a 2 0 0 0i x 基站的基础上作少量修改即可。另夕h x e v d o 的覆盖范围* u i s 一9 5 和c d m a 2 0 0 0 】x 一致，确保了运营商能够使用现有的网络规划而无需重新进行蜂窝配置。h d r 技术使 得除基站的基带信号处理和终端接入设备外，最大限度的兼容了其它所有原系统资源。 r 查堕查兰竺! 竺焦堡苎 我们可以看到，i s 一9 5 的终端能够漫游到c d m a 2 0 0 0l x 和l x e v d o 系统，而l x e v d 0 的终端 在i s9 5 的系统中也可以f 常使用，从这点来说，对于购买移动终端的用户其投资也得 剑了最大程度的保护。 j x e vd o 系统达到了前向峰值速率2 4 m b p s 平均吞吐量6 0 0 k b p s ，反向峰值速率 l5 3 k ) p s 平均吞吐量1 2 5 k b p s ，真正实现了3 g 的要求。从另外一个常用的无线通信指标 频谱利用率t 即单位载频内所支持的数据传输速率) 来看， t d r 达到了1 ，9 6 b p s h z 远远 高rc d m a 2 0 0 0l x 系统0 2 4 6 b p s h z 的利用率。从以上分析可以看到，一条e v d o 前向 信道能够负载的数据流量大约4 倍于只有平均2 0 0 k b p s 的1 x 前向信道，使系统容量翻 两番f i l l 。 1x e v d o 系统使用了多项关键技术【1 i ： ( 1 ) 多码c d m a h i ) r 的前向业务信道采用多码一码分复用( m c c d m a ) 方式，将每个用户的数据经过 编码、交织、渊制、重复、打孑l 等一系列处理后，拆分为1 6 个子信道，分别用1 6 维的 w a s h 码进行码分扩频，然后在码片级上将其合并。这样做的明显优势是比传统的直扩一 码分复用( d s c d m a ) 提高1 6 倍的传输速率。 ( 2 ) 速率挖制 不同rc d m a 2 0 0 0l x 的功率控制，h d r 系统主要采用速率控制。在c d m a 2 0 0 0 】x 系 统中，当某用户的s n 较低时，基站通过增大发射功率的方法来增加该用户的e b n o ， 从而保证其误码率，这称之为功率控制。而在l x e v d o 系统中，当某用户的s n 较低时， 基站通过降低其传输速率，也即增加数据的重复度，来增加该用户的e b n o ，从而保证 其误码率，这称之为速率控制。 h d r 的速率控制是通过以下过程实现的：由于根据基站与移动用户之间的信道情况， 每个接入点能提供给该用户的数据速率正比于接入终端所收到的载干比c i ，并且这个 值是不断变化的，所以基于每个接入点发送的公共导频信号，接入终端都要测量其接收 到的c l 这样通过用户的反向控制信道，该移动终端所支持的数据速率参数被传回给接 入点，接着基站通过优化算法，根据多个用户的要求，求出使系统吞吐量最大的资源分 配方案，并通过前向控制信道通知移动台，从而完成一个闭环的速率控制。 在实际应用中，经常会出现有两个或者更多的接入点同时被某个用户终端搜索到， 用户将从它所收到的c i 组中识别出最高值和其所属的接入点，通过在组s n 列表中选 择最优所属接入点反馈速率控制信息而屏蔽其它基站的信息，从而有效降低相邻扇区对 9 查塑奎兰塑! 堂竺笙兰 一 一一 用户的干扰。这种移动台在同时刻只接收来自同一接入点数据的方式也称之为虚拟软 切换。 ( 3 ) 自适应调制与编码【2 0 】川i ”1 山于在1 i m s n t ，不同的调制编码方法的效率各不相同，因此h d r 系统采用了动态 选择调制与编码组合的方法，使得系统能够在不同的s n 下采用最有效的调制编码方法， 从而提高系统容量。这种自适应调制编码技术是通过速率控制技术实现的。如前所述， 各个移动台通过估计信道质量，向基站发送适当的速率请求，而基站通过优化算法求出 最优资源分配方案，并通知移动台所采取的合适传输速率，移动台据此进行相应的解码 和解调。l i d r 考虑到数据业务的特性，在前向链路引入了强大的纠错编码技术t u r b o 码以 及更为复杂的信道交织技术，这样做虽然增加了系统的处理时间，但是使数据业务能在 较低的信噪比下工作，也就提高了系统容量。 h d r 币j 伺链路支持从3 8 4 k b p s # l j 2 4 m b p s 的多种速率，在低速情况下采用q p s k 调制方 式和l 5 码率的t u r b o 码，在高速情况下采用8 p s k 和1 6 q a m 的调制方式，并且t u r b o 编码器 也提高到1 3 码率。表l 显示了前向链路不同速率所对应的编码和调制方式，其中g c n t 反映了在1 的误包率情况下该速率所要求的s n r 。 数据速率占用s l o t 数信，g b i t 数t u r b o 码率调制方式e c n t k b p s ( d b ) 3 8 41 61 0 2 41 6j q p s k- 1 2 5 7 6 881 0 2 41 5q p s k一9 5 1 5 3 641 0 2 4 1 5q p s k 一6 5 3 0 7 221 0 2 41 5q p s k一4 o 3 0 7 242 0 4 81 3q p s k一4 o 6 1 4 411 0 2 4 1 3q p s k 一1 o 6 1 4 422 0 4 81 3q p s k1 o 9 2 1 623 0 7 2 1 38 p s k 1 3 1 2 2 8 812 0 4 8l 3q p s k3 o 1 2 2 8 824 0 9 61 3 1 6 q a l l i i 3 o 1 8 4 3 213 0 7 2 1 3 8 p s k7 2 2 4 5 7 614 0 9 6 1 31 6 q a m 9 5 表卜1h d r 前向链路所支持的速率及其编码和调制方式 查堂查兰塑型兰竺笙兰 ( 4 ) 混合a r q 为了进一步提高系统吞吐量，h d r 采用了早期中止( e a r l yt e r m i n a l j o n ) 技术， 该技术允许旦分组被成功接收到，多时隙发送将提前中止。为此在反向链路l 增加了 数据速率控制信道( d a t ar a t ec o n t r o lc h a n n e l ) 和应答信道( a c kc h a n n e l ) 。例如， 移动终端在d r c 信道上发送信息告知基站目前采用1 5 3 6 k b p s 速率并且占用4 个时隙，于 是基站以分组方式依次发送该数据包，移动终端每次收到个数据包后均在a c k 信道上 进行应答，告知基站是否已经成功接收并且解码正确，如果移动终端在第3 个s l o t 成功 接收数据包，它将在a c k 信道l 通知基站停止发送余下的1 个s l o t 。这样出于早期中止而 空闲的月, t l 绿b u 用来发射其他的分组信息，于是采用该技术的混合a r q 方案可以改善前向 链路的性能，也即等效于提高了系统吞吐量】。 l 。3 本论文的内容的组织结构 研究和讨论第三代移动通信，其最终目的是要建立中国的第三代移动通信产业，制 造出中国自己的系统和设备给运营者利用户。目前我国正在对第三代移动通信展开积极 的研究。本文f 是在这种背景下对e v d o 的结构和性能做了些讨论。论文第二章对 c d m a 2 0 0 0 l x e v d o 的物理层协议做了较为详细的介绍，并突出了其中采用的先进技术。 对标准的深入理解是我们开发移动通信设备的基础。论文第三章简要介绍了移动通信信 道的特点，给出了前向信道相- t - r a k e 接收机的数学模型以及在最小均方误差准则下信道 参数估计方案。论文第四章中，我们对影响系统整体性能的关键算法及参数作了仿真， 分析了不同的信道估计方案对系统性能的影响。最后一章中，详细介绍了翦j 句v i t e r b i 解妈器在d s p 中的实现。 东南大学硕_ _ _ i 学位论文 第二颦g d 鞫a 2 0 0 0ix e p d o 系缆物理屡介绍 2 1 本章内容概要 存这章罩我们将系统地介绍e v d 0 标准中前向信道的结构。包括三个主要信道的描 述，各个基带处理模块的功能和实现以及最终得到的发射帧结构。 2 2 物理层协议 h d r 自v 向信道整体结构如图2 一i 所示 图2 1e v - d o 前向信道整体结构 i 2 墨塑叁兰堡1 兰篁笙墨 e vd o 系统的实现主要根据3 g p p 2 组织发布的协议c5 0 0 2 4 标准。该标准将协议分 为七层，从上至下为a p p l i c a t i o nl a y e r 、s t r e a ml a y e r 、s e s s i o n 【| a y e r 、c o n n e c t i o n l n v 盯、s e c u r lt yl a y e t 、m a cl a y e r 和p h y s i c a ll a y e r 。由于本论文主要研究l x e v d o 系统的前向基带接收技术，所以下面主要对协议中提到的基站发射物理层作简要介绍。 h d r 前向信道以时分复用的方式包含以下信道：导频信道、前向媒体接入控制信道 和前向业务信道或者控制信道。 2 2 1h d r 的前向信道 ( 1 ) p i l o t 信道 p i l o t 信道将以全0 符号和全o w a ls h 掩码在i 路信道上发射。每一个时隙分成两个 半州隙，每一个半时隙包括一段导频脉冲。每一段导频脉冲包括9 6 个c h i p s 宽度并且 嵌入到半时隙的中部。导频被接入终端用来作初始捕获、相位恢复、定时恢复和最大比 合并。，另外对于导频信道一个增加的功能是提供给接入终端一种预测接收c i 的手段， 以用来决定接入终端主导的前向速率控制值。从接入终端来的d r c 符号主要基于它对前 向c l 的估计，以用来向基站申请下一个前向链路数据包的发射速率。 ( 2 ) m a c 信道 m a c 信道包括两个子信道：反向功率控制信道( r p c ) 和反向激活信道( r a ) 。其中 r a 信道发射一串反向链路激活比特流。每个m a c 信道符号都被b p s k 调制并且选用一 个6 4 维的w a l s h 掩码。在一个时隙中，被w a l s h 掩码后的m a c 信道符号以每段6 4 c h i p s 的长度发射4 遍。 ( 3 ) t r a f f ic 信道 翦向业务信道是一个基1 二包结构、变速率的信道。接入终端所需的用户数据将会以 i 8 4 k b p s 到2 4 5 7 6 m b p s 的速率发射，不同的发射速率由不同的调制和编码组合得到， 具体可参见绪论中的表一。前向业务信道和控制信道的数据以物理层包为单位进行 t u r b o 信道编码，码率为1 3 或者1 5 。编码器的输出经过加扰后进入信道交织器。信 道交织器的输出进行q p s k 或者8 p s k 或者1 6 q a m 调制。经过调制的符号序列被分集成1 6 对并行的数据流。每一股并行数据流都用一个1 6 维的w a s h 函数区别开，这个操作在 c h i p 级上进行以产生7 6 8 k s p s 的w a l s h 符号。之后所有的数据流都被加在一起以产生 1 2 2 8 8 m c p s 的单股同相和正交码片数据流。 业务信道和其他信道产生的码片数据流通过时分复用组成单的码片数据流以便进 行j f 交扩频操作。出于业务信道是发射信息的主体，下面对业务信道的基带处理作比较 详细的介绍。 i3 茎堕查茎塑主兰堡堡兰 22 2 前向业务信道的基带处理 ( 1 ) 前导码 一段前导序列将和前向业务信道和控制信道物理层包一起发射，目的是为了在每一 种变速率情况下帮助接入终端同步。前导码仅在同相信道上发射，由全0 符号组成。前 导码的长度根据不同的速率有不同的约定。 ( 2 ) 信道编码 lx e v d o 系统前向发射采用码率为l a 或者1 5 的t u r b o 编码。在丢弃6 b i t 的编码 尾后物理层信息包进入编码器。如图2 2 所示。 f d r w a r dt r a f f c c j 】m e l c o n t r o l c h a n n e l p h y s lc a ll a y e rp a c k e 图2 2i x e v - d o 系统前向发射编码 ( ： ) 加扰 编码器的输出需要加扰以在调制之前随机打乱用来限制调制波形包络的峰值均值 比cf v u o 系统使用生成多项式为 ( d ) = d ”+ d 7 4 + 1 的1 7 抽头线性反馈移位寄存器； 初始状态由m a c 层根据不同的速率决定。 ( 4 ) 信道交织 e v d o 系统蓟向信道交织如图2 3 所示。 舭时龇啪m薹i垂i 鬻鬻骝嬲黧躲淼一 屿啪鹏吣mm们mmmm篱淼勰船裟鬈淼 篙啬躲嚣淼端勰|； a e对4 8 6 2 4 2 4舟6卫一门呲胁咖弧他帆呲觚吼黼 东南人学倾 学位论文 叫”兰竺竺6 竺一 目2 3e v d o 系统前叫信道交织 e v d 0 系统采用了不同于c d m a 2 0 0 0l x 的复杂交织算法。根据t u r b o 编码器码率的 不同有不同的处理方法。下面以1 5 码率为例介绍。 首先进行符号重排( s y m b o lr e o r d e r i r i g ) 操作： 1 将数据序列拆分成五个子序列，顺序为u 、k 、w 、k 、u 、 2 将u k k 序列重排成u “ku 接着进行符号置换( s y m b o lp e r m u t i n g ) 操作： 将数掘序列组合成三块比特反转的交织区u 、“、k u7 ，分别进行如下操作： 1 将整个序列写入k 行列的数据区中，从左上丌始按行写 2 从最左丌始标记每- - y e j 为j ( j = 0 ，m 一1 ) ，然后把每一列进行向下的循环移位， 次数为u 块，m o d k 次，v o 和k u 块l ，4 j m o d k 次 3 按照列号进行比特反转重排，即第，列与第b r o ( j ) 列交换 4 从左上开始按列将符号从数据块中读出 最后得到交织过的序列u 、略、k u 7 ( 5 ) 调制 e v d o 系统根据不同速率分别采用了q p s k 、8 p s k 和1 6 q a m 凋制方式。高阶调制进 步提高了数据传输速率，但相应抗信道畸变能力下降并且对接收机提出了更高的要求。 ( 6 ) 速率匹配 i i v 一1 ) 0 系统采用序列重复和符号打孔的方式进行速率匹配。根据协议规定不同速率 的一帧数据分配不同数量的时隙，所要求的调制后符号数也不同，于是将这些数据进行 墨堕查堂塑! 兰些堡兰一 序列重复，如果不是整数倍关系则在最后添加部分序列以满足要求。 ( 7 ) 符号分集、w a l s h 码扩频及合并 将两路数据分别拆分成1 6 路并行的数掘序列，每路序列速率为7 6 8 k s p s 。然后用 16 维的w a l s h 码对每一路进行扩频，在通过了信道增益控制后进行码片级上的合并。 最终我们得到了码片级的业务信道数据流，在按照时隙结构进行时分复用之后进行 f 1 _ ：交扩频和基带滤波，该操作类似于c d m a 2 0 0 0 1x 系统。 22 3 i i d r 日u 向信道的时隙结构 h d r 的扩频后码片速率和i s 一9 5 、c d m a 2 0 0 0l x 一样为1 2 2 8 8m c p s 。前向信道划分 成多个长度为2 0 4 8 c h i p s 间隔为】，6 7m s 的时隙( s l o t ) 。接入网络以时分复用的力式 在此时隙上发射、眦务信道、控制信道和导频信道。h d r 的前向链路时隙结构如图2 4 所 刁弋。 一l # _ i tl+)72s l 一h 丽= - t 丽r 而百t 百f t 丽f 1 瓦i 一一厂1 旷 丽百 面r _ t 面_ 1 “旦堡旦二i 竺些r i ! 9 1 塑一! f 塑堂! 坐i! ! 二望型 i ! 坐坠墅i ! 坐竺j 二坚三生坐上坚! 生! l 塑坐! _ j 图2 - 4h d r 的前向链路时隙结构 根据数据业务的突发性和对延时的不敏感性，h d r 采用t d m 的方式发送以1 6 7 m s 为 午化的s l o t 。系统通过分配给不同速率的用户不同的s l o t 数来平衡各种信道情况的用 户对传输速率和传输延时的不同要求，使系统吞吐量达到最大。 2 。3 本章内容小结 本章主要介绍了e v d o 标准的系统框架。其中在复用的信道方面包括导频信道、前 向媒体接入控制信道和前向业务信道或者控制信道，在基带处理模块方面包括信道编 码、加扰、信道交织、调制、速率匹配、以及符号分集、w a l s h 码扩频、合并等，晟终 得到以t d m 方式复用的基带发射帧。 1 6 东南人学碳 一学位论文 3 1 本章内容概要 第三章无线信道的数学模型 本章将会讨论无线信道的数学模型。在从宏观上介绍了三种常见的无线信道传播损 耗和两种无线信道衰落模式后，从日寸域和频域分析了两个重要的信道特征参数相关带宽 和相关时问。最后介绍了c d m a 系统仿真中所使用的信道模型。 3 2 无线信道的特点和理论分析 无线发射机与无线接收机之间的电磁波传播路径即移动无线信道。电磁波在移动无 线信道中的传播包括直射波、多径反射波、绕射波、散射波等。在上述几种无线传播机 制的共同作用f ，传播信号将产生三类不同的损耗： ( 1 ) 路径传播损耗：指电波在空阳j 传播所产生的损耗，它反映了传播在宏观大范围的 公罩量级空涮距离上接收信号电平平均值的变化趋势。 ( 2 ) 大尺度衰落损耗：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生 的阴影效应而产生的损耗。它反映的是中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化， 般遵从对数证态分布，其变化率较慢故又被称为慢衰落。 ( 3 ) 小尺度衰落损耗：它主要是由于多径传播而产生的衰落，它反映数十波氏范围内 接收电平的均值变化而产生的损耗，般遵从瑞利分布或莱斯分布，其变化率比慢衰落 快，放称它为快衰落。 从移动通信系统工程的角度看，传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖，合 理的网络规划及功率控制技术可以消除这种不利的影响。而多径衰落则严重影响信号传 输质量，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技术来减少其影响。下面对多径衰落进一 步谢论。 多径衰落由多径传播产生，接收点的信号由无数经不同传播路径的信号叠加而成， 这些信号幅度各不相同且具有随机分布的特征，从而使合成信号的幅度迅速变化。这种 叠加效应可由下式表示 ，( f ) = d 5 卜f 。( f ) ( 3 1 ) 式中，( f ) 为接收信号，5 ( f ) 为发射信号，a ( r ) 为相应延时为f 。( ，) 径的衰落因子。j ( ，) u 由其等效低通表示 东南大学硕十学位论文 s ( t ) = r e s ，( f ) p “矾( ：j 2 ) 将式带入可得： ，1 ( ，) = 吒( t ) r e s ，i t o ( r ) 引“圳) 2 i 沁 口。( r ) 已叫2 矾“j ，o r ，( r ) ) p 。2 矾。 ( 3 3 ) 由此可见，多径衰落信道的等效低通冲激响应为： c ( e ) = 口。( ) g 2 矾州d ( r 一靠( f ) ) ( 3 4 ) 般的，多径衰落信道可以建模为两类： ( 1 ) r a y l e i g h 衰落信道 若对多径衰落信道作如下假设：在发信机和接收机之间没有直射波通路；有大量多 径分量存在；各个分量的幅度和时延都是统计独立的。此时由。t 式可见，c ( f ；，) 具有大 量独立随机变量和的形式，根据中心极限定理，c ( r ；r ) 是时间变量f 的零均复高斯随机过 程，其包络c ( e f ) f 服从r a y l e i g h 分布。 ( 2 ) r i c e 衰落信道 r i c e 衰落信道与r a y l e i g h 衰落信道的区别在于r i c e 衰落信道假设在收发信机之问 存在直达路径，因此c ( r ；r ) 是非零均复高斯随机过程，其包络c ( r ；o i 服从r i c e 分布。 ： 2 1 相关带宽和相干时间 对上式耿傅立叶变换，可以得到： c o ；r ) 2j c ( r ；，) p 1 2 加d f ( 3 5 ) ( j ( 厂；f ) 的实质是多径衰落信道的等效低通转移函数，它显然是时问f 的随机变量，并且 与c ( r ；f ) 具有干嗣同的统计特征。下面将从频域和时域两个角度对其性质加以讨论，我们 将分别得到相关带宽和相干时间的定义。 ( 1 ) 相关带宽 假设c ( f ；f ) 广义平稳，考虑c ( ，；f ) 的自相关函数： c o ( f , ，五；f ) = 研c + ( 石；) c ( 五；f + f ) 】 2 p c + ( f l ；f ) c ( r 2 ；f + r ) p - 2 ( f - 一：f ：) d f l d f 2 ( 3 6 ) 为此，先求得c ( r ；o 的自相关函数如下： 东南人学碳卜学位论文 r c ( f 1 ，r 2 ；出) = e c + ( r l ；f ) c ( f 2 ；h a t ) 】= r c ( r l ；a t ) 8 ( r l t 2 ) ( 3 7 ) 上式第个等号基于各个多径分量的统计独立假设，将其带入得： 疵( l ， ；f ) = 丸( 4 厂；f ) = e r , ( f ；f ) g 2 4 舯d f ( 3 8 ) 式中厂= 厶一i 。为考察c ( 厂；f ) 对不同频率向应的相关性质，在式中令a t = 0 ， 纵矽) = e 也p ) e - s 2 “a y 7 d r ( 3 ，9 ) 式中r ，( r ) 为c ( r ；0 在a t = 0 时的自相关函数。 ：式描述了多径衰落信道的等效低通转移 函数c ( r ) 的频域特征，表明了其对不同频率响应的相干性。丸( ，) 的典型形状如图 3 一l 所示 l 痧( 、) 卜