（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统中的多波束技术研究.pdf

摘要 无线通信环境的多径效应，严重制约了通信系统的发展，如何克服信道衰 落效应，已经成为无线通信的一个研究热点。近几年，多天线技术由于具有抑 制干扰能力强、支持高速传输，以及能提高系统容量等优点已受到越来越多的 关注。多天线技术包括智能天线和空间分集两种技术。智能天线是利用阵列天 线之间的相关性，在空间形成定向波束，使主瓣对准期望用户方向，旁瓣或零 陷对准干扰用户方向，从而达到抑制多用户干扰、提高系统容量的目的，它是 解决频率资源匿乏的一种有效途径。空间分集则是利用天线之间的不相关性， 来较好地对抗多径干扰。 我国具有自主知识产权的3 g 标准时分双工同步码分多址技术 ( t d s c d m a ) 中已采用了智能天线技术。为了弥补时域信号处理或空域信号 处理各自的局限，本文将分集技术引入到t d s c d m a 系统中，与智能天线技术 相结合，利用无线信道的空时结构特征，达到同时抑制多用户干扰和抵抗多径 干扰的目的。 本文的主要贡献包括： 1 ) 针对t d s c d m a 通信系统，提出了一种单阵列双波束的发射分集方案。 该方案关键在于在发射端利用空时分组编码技术( s t b c ) 将一路信号变为两路 信号，并利用一个阵列产生的两个波束发送出去。与传统的单波束t d s c d m a 系统相比，该方案在不增加阵元的情况下能够提高系统性能。 2 ) 针对t d s c d m a 通信系统，提出了另外一种双子阵双波束的发射方案。 该方案核心是利用两个阵列形成两个波束发送经过空时分组编码的信号，利用 不同波束之间的非相关性来提高t d s c d m a 通信系统的性能。 3 ) 参照t d s c d m a 标准建立了系统模型及无线信道模块，并通过 m a t l a b 软件实现了两种方案的链路级仿真。 最后m a t l a b 中的仿真结果表明：在t d s c d m a 系统中引入新方案后系 统性能有较大的提高。 关键字：时分同步码分多址，分集技术，智能天线技术，空时分组编码技术 a b s t r a c t i nm o d e mm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，t h ep e r f o r m a n c eo f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i ss e v e r e l yl i m i t e db yf a d i n g e f f e c t so ft h ew i r e l e s sc h a n n e l t h e r e f o r eh o w t o o v e r c o m et h ec h 锄e lf a d i n ga n di m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c y a n dd a t ar a t e b e e o m e sav e r yi m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c 。m u l t i p l e a n t e n n a st e c h n i q u e sh a y e r e c e l v e d 、忻d e 访t e r e s t si nr e c e n ty e a r sd u et o i t sh i g hd a t ar a t e ，h i g hs p e c t r u me f l f c i e n c y , s t r o n g a b i l i t i e so fs u p p r e s s i n gt h ei n t e r f e r e n c e a n ds o o n m u l t i p l e a n t e n n a s t e c l l l l i c i u e sc a nb ec l a s s i f i e di n t ot w oc a t e g o r i e s ，o n ei st h es oc a l ls m a r ta n t e m a s ， a n o t l l e ri st h es p a t i a ld i v e r s i t ya p p r o a c h s m a r ta n t e m l a ss y s t e m ，w h i c hm 1 d u c e s a d v a l l c e da d a p t i v ea r r a yp r o c e s s i n g ，p r o d u c e ss p a c eb e a m sw i t hm a m b e a md i r e c t l n g a tt h ed i r e c t i o no fd e s i r e du s e ra n d n u l ls t e e r i n gb e a m sd i r e c t i n ga tt h ed i r e c t i o n so t i n t e 疵r s ，t h u ss u p p r e s s i n go rc a n c e l i n gt h ei n t e r f e r i n gs i g n a l s t h e r e f o r e ，i t c a i l i i n p r o v et h es i g n a l t o i n t e r f e r e n c e r a t i ot oe n l a r g et h es y s t e mc a p a c i t y s p a t l a l d i v e r s i t yt a 玉sa d v a n t a g eo ft h ei r r e l e v a n ta m o n gi n d i v i d u a l a n t e n n a st oc o m b a t e 醒血s tt h em u l t i p a t hf a d i n g ，h o w e v e r i ti sa n o t h e rm u l t i p l ea n t e b n a s 璐1 ：m 孤o n s 髓n ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( t d s c d m a ) s y s t 咖 i sa3 r dg e n c l r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r dp u tf o r w a r di n d e p e n d e n t l yb yc h i n a s m a r ta n t e n n ah a sc o n s i d e r dt ob e a ne f f i e n tt e c h n o l o g yi nt h i ss y s t e m i nt h i sp a p e r , s p a t i a ld i v e r s i t yi sp r o p o s e dt oc o m b i n e dw i t hs m a r ta n t e n n a si nt h et d - s c d m a s 、r s t e mt e g o t h e r , w h i c hc a l lt a k ea d v a n t a g eo ft h es p a c e _ t i m ec h a n n e lc h a r a c t e n s t i ct 0 e l 妇m l t em u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ，a sw e l la sm u l t i - p a t h i n t e r f e r e n c e t h ep r i m a r yw o r k sa r ea sf o l l o w s ： l 、a s p a c e t i m ec o d e dt w o b e a m st r a n s m i td i v e r s i t ys c h e m e s i sp r e s e n t e dt o r t d 。s c d m as y s t e m t h et w o b e a m sa r eb a s e do no n ec i r c u l a ra r r a yw i t h4 - 砌t a n t e 衄a s c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls i g n a lb e a m f o r m i n g i nt d s c d m as y s t e m ， t h en e ws c h e m eh a sb e t t e rp e r f o r m a n c eo nt h es a t l l ea n t e n n aa r r a y 2 1i na d d i t i o n a l l y , t w o b e a m sc a nb eg e n e r a t e db yt w oi n d e p e n d e n tc i r c u j a r a r r a v s t i f f ss c h e m ei ss u c c e s s f u li m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r t h em o d i f i e ds c h e m e s w h i c he m p l o y e db yt w oi n d e p e n d e n tb e a m s ，o b t a i n sd i v e r s i t yg a i nw h i c hi m p r o v e s t h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m 3 ) b a s e d o nt h et d s c d m as t a n d a r da n dc h a n n e lp a r a m e t e r s ，s i m u l a t i o n sa r e c a r r i e do u tb vm a t l a bs o f t w a r ea n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e ws c h e m e sa r e e f f e c t i v e k e yw o r d s ：t d s c d m a ；s p a t i a ld i v e r s i t y ；s m a r ta n t e n n a ；s t b c 1 1 i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工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。 签名：捌耻日期：尘噬二虹 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：致遁 导师签名：纽：日期：独= 丛 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究的目的和意义 随着微计算器和数字信号处理技术的飞速发展，d s p 芯片的处理能力日益 提高，且价格也逐渐能够为科研和生产所接受，这样也就促进了自适应天线波 束赋形技术的发展【l j 。另外，移动通信频谱资源日益紧张，如何消除多址干扰 ( m a i ) 、共信道干扰( c c i ) 以及多径衰落的影响成为提高移动通信系统性能时所要 考虑的主要因素。 智能天线的提出是解决频率资源匮乏的有效途径，同时它还可以提高系统 容量和通信质量。波束赋形技术是实现智能天线技术的关键技术之一。它的基 本思想是通过一组权值的计算，给定阵列响应矢量，从而让期望用户方向上的 信号完全无失真的通过，而对干扰用户方向上的信号产生陷零，使其不能通过。 其主要原理是利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线波束对准用 户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效率地利用 移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的【2 。3 1 。 使用智能天线技术是t d s c d m a 系统的一大优势，但仍存在难于克服的问 题，如不能解决时延超过一个码片宽度的多径干扰，也无法克服高速移动多普 勒效应造成的信道恶化。在多径干扰严重的高速移动环境下，必须将智能天线 和其它抗干扰技术相结合使用，才可能达到最佳的效果。本文提出一种将空间 分集技术和波束赋形技术相结合的方案，即获得了分集增益，又保持了波束赋 形增益，从而大幅度的提高通信系统的容量。 1 2 国内外研究现状分析 ( 1 ) 国内外对移动通信的研究现状 近些年来，随着无线通信宽带化技术的突破，移动通信正在向以c d m a 为 基础，以宽带化通信为特征的第三代3 g 技术发展。目前，国际电联接受的第三 代移动通信系统标准主要有3 个，即美国提出的c d m a2 0 0 0 、欧洲和日本提出 武汉理工大学硕士学位论文 的w c d m a 和我国提出的t d s c d m a ( 时分同步的码分多址技术) 。他们除了 频谱利用率高、覆盖范围广、性能好、可以适应宽带多媒体通信要求等共同特 点外还有自身的技术特点1 4 剖。 t d s c d m a 技术是中国在其通信史上第一次提出并被广泛认可的国际标 准，是世界上惟一的t d d 模式的3 g 标准，将独自享有i t u 为t d d 模式所 分配的3 g 频率。t d s c d m a 标准所具备的技术优势恰恰符合了中国国情现状 发展第三代移动通信的要求，是建设中国3 g 网络系统的最佳方案【6 】。 随着t d s c d m a 技术的不断成熟，智能天线技术作为t d s c d m a 系统 中的关键技术逐步被大家认识和熟悉。目前，国际上已经将智能天线技术作为 三代以后移动通信技术发展的主要方向之一1 7 j 。所以，带有智能天线、联合检测一 和具有对称和非对称业务自适应无线资源分配能力的t d s c d m a 技术的先进 设计是迈向个人通信的重要的一步博j 。 ( 2 ) t d s c d m a 技术所存在的问题 从理论上讲智能天线的应用可以很大程度改善系统性能，然而在很多方面 还存在着不足，面临着挑战。从技术角度讲，智能天线技术源于最早应用于雷 达、军事对抗等领域的自适应天线技术，主要针对点式信号或者干扰源。其显 著的特征是，信号一般都是具有较强的方向性和主径，或者说信号源一般都有 显著的方向角，因此采用自适应天线技术可以较好地检测出信号源，同时形成 天线波束零陷对准干扰源，从而消除干扰【乒1 0 】。 然而移动通信系统所处的无线传播环境远远复杂于前面所说的信号传播环 境，一方面，在3 ( 3 系统中，由于信号一般为宽带信号，因此信号经过信道以后 存在频率选择性衰落，产生多径，这样对智能天线的接收产生了较大的影响； 另一方面，移动通信系统是典型的多用户系统，而智能天线阵列一般只能同时 在干扰方向上形成m i ( m 为智能天线阵元数目) 个零陷，而在w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 等f d d 系统中，即便在一个小区用户的数目往往以数十，甚至数 百计，所以，这也是目前只能在t d s c d m a 系统中较为可行的实现智能天线 的原因之一【9 】。此外，由于移动通信传播环境的多径和时变特性，使得准确快速 的d o a 估计变得更加困难，而d o a 估计的不准确将严重影响网络质量【1 1 】。在 理想智能天线的情况下，可以实现系统干扰的最小化、容量最大化；然而由于 智能天线的不理想，d o a 估计存在一定偏差，此偏差甚至可达几十度，此时可 能出现智能天线主瓣对准干扰信号的情况，系统干扰迅速上升，使得系统的容 2 武汉理工大学硕士学位论文 量急剧下降，同时系统覆盖、质量等也将受到严重影响，整体性能恶化。因此， 从技术角度来讲，智能天线技术并没有完全适合移动通信系统的要求。 1 3 本文的主要工作 本文着重分析了多径环境下，联合使用智能天线技术和空间分集技术的 t d - s c d m a 系统下行链路性能。参照t d s c d i v l a 技术标准，深入研究其关键技术 智能天线技术和联合检测技术，了解其传统设计方案。为了将发射分集技 术应用到t d s c d m a 系统中，补充学习了空时编码技术，重点研究空时分组编 码的原理及其设计思想。最终通过m a t l a b 软件平台实现了多波束的t d s c d m a 系统链路设计。 全文共分为5 章，主要内容安排如下： 第1 章，引言。介绍了本课题的项目来源和研究背景，概括了国内外对移 动通信的研究现状以及t d s c d m a 技术所存在的问题。 第2 章，m i m 0 技术简介。首先介绍了多径衰落信道模型，然后对m i m 0 系统 进行了简单的介绍，包括分集原理，接着对空时分组编码方法进行了介绍。 第3 章，t d _ s c d 鼢系统的关键技术简介。为了更好的将空间分集技术应用 到t d s c d m a 系统中，本章还介绍了t d - s c d m a 物理层的基本知识及t d - s c d m a 系 统的两种关键技术，智能天线技术和联合检测技术，还详细介绍了这两种关键 技术现有的几种实现算法。 第4 章，t d - s c d m a 系统的多波束方案设计。为了将波束分集技术应用到 t d s c d m a 系统中，我设计了两种实现方案：分别为单阵列双波束方案和双子 阵双波束方案。文中对两种算法进行了可行性分析并通过m a t l a b 软件平台对两 种算法进行了性能验证。 第5 章，总结与展望。对所做工作的做出全面总结，并提出将进一步研究的 问题和开展的工作。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章m i m o 技术简介 随着现代无线通信技术的发展，人们对通信的质量以及信道的容量提出了 比以往更高的要求，然而带宽的限制、传播的衰减、信道的时变特性、噪声、 干扰( 主要是共信道干扰c c i ) 以及多路径问题却严重制约着无线通信业务的发 展【1 。 空时编码是应用于无线通信中的一种新的编码和信号处理技术，它将信道 编码技术与阵列处理技术相结合，实现了空分多址，从而提高了系统的抗衰落 性能【1 5 】。空时编码技术利用衰落信道的多径传播特点，以及发射分集和接收分 集来提供高速率、高质量的数据传输，与不使用空时编码的编码系统相比，空 时编码可以在不牺牲带宽的情况下获得更高的编码增益，提高了抗干扰和噪声 的能力，特别是在无线通信系统的下行( 基站到移动端) 传输中，空时编码的应用 将移动端的设计负担转移到了基站。 2 1 多径衰落信道的建模 2 1 1 常用的多普勒功率谱 ( 1 ) j a k e s 功率谱。在移动应用中，最常使用的多普勒功率谱密度模型假 设存在多个多径分量，其中每个分量的延迟不同，但都具有相同的多普勒频谱。 每个多径分量实际上都是由大量同时到达的、不可分辨的多径成分组成，在移 动应用通常采用的模型中假设每个多径成分的幅度相同、信号的到达角在接收 天线处为均匀分布，这也就是所谓的j a k e s 模型。经典j a k e s 多普勒功率谱具有 如下的形式l j 列： 叫布 邮厶 ( 2 1 ) 厶 其中厶= v 2 为最大多普勒频移，1 ，是车速，a 是载波波长。j a k e s 多普勒功率 谱如图2 1 所示。 4 武汉理工大学硕士学位论文 r e l a t i v ef r e q u e n c y 肝d 图2 1j a k e s 多普勒功率谱 上式定义的多普勒频谱适用于密集散射环境，如城市区域，每一条径的幅 度服从瑞利分布，而在乡村环境中，有时会存在一个强的视距路径，从而存在 莱斯衰落，这时多普勒功率谱要修正为下式： s ：i a o 丽+ 彳t 万驴_ o 7 厶) 悱厶( 2 2 ) 1 0 i f i 厶 其中4 、4 的值取决于视距路径的强度。 ( 2 ) 仿真实现。本节以j a k e s 模型为例，讨论对于多径信道中单条径的仿 真实现。对于j a k e s 模型而言，每条径服从瑞利分布，因此首先产生平坦的复高 斯信号，随后将信号通过所需的多普勒频谱成型滤波器，形成所需的j a k e s 功率 谱。 每条径的带宽由最大多普勒频移决定，具体的，若多普勒频移为厶 ( 厶= 厶* v c ) ，则对应径的带宽为2 厶。要完全表征每一条径，理论上只需要 武汉理工大学硕士学位论文 4 厶的采样速率即可，实际中常用8 厶1 6 厶的采样率。典型的，当载频为2 g h z 、 车速为1 2 0 k m h 时，兀为2 2 2 h z ，1 0 厶对应的采样率为2 2 2 k h z ，这个值与信 号的带宽相比是非常小的。因此有必要采用多速率处理的方法，每条径在仿真 时使用较低的采样率，而在信号经过信道时，把信道的输出速率提高到和信号 相同的速率上。这就需要通过插值来实现，典型的可以通过s i n e 函数插值，为 了减少计算量，也可以采用其它插值方式，或者将s i n c 插值和其它插值方式结 合使用。 典型地，单径信道的仿真实现框图如图2 2 。 j a k e s 信道 复高斯 插值 信号 形成滤波器 图2 2 单径信道仿真框图 ( 3 ) 频谱成型滤波器。j a k e s 频谱成型滤波器可以通过f i r 滤波或者i i r 滤波来实现。对f i r 实现来说，我们可以求出网对应的时域函数l o ) ，将 白高斯信号通过此函数滤波即可，实现中，可以将乃o ) 加窗截短并且离散化， 在数字域实现。一种常用的i i r 实现是使用8 阶椭圆滤波器来近似j a k e s 频谱。 2 1 2 多径衰落信道系统模型 设信道的输入为x ( f ) ，输出为j ，o ) ，在信道存在条路径的情况下，信道输 出可表示为： y o ) = o 一乙o ) ) ( 2 3 ) n = l 其中a n ( ，) 和f 。( ，) 表示与第以条多径分量相关的衰减和传播延迟，以表明在移动 台移动时，衰减、延迟都是随时间变化的。在实际的仿真中通常假设延迟分布 是不变的，这时上式可以简化为： y ( f ) = o 一厶) ( 2 4 ) n = l 式( 2 4 ) 定义的信道输入一输出关系对应于一个线性时变系统，该系统对 应的信道冲激响应为： 6 武汉理工大学硕士学位论文 ， | l z ( ，f ) = ( r p o l ) n = l 矗( f ，f ) 是在f 时刻测得的信道冲激响应。 2 2m i m o 的分集技术 ( 2 5 ) 空时编码是m i m o 系统中的空时二维编码技术，需要综合考虑调制、编码 和分集。大多数空时编码方案是同时应用了时间分集和空间分集，为了更深刻 的理解空时编码的设计准则，我们首先介绍分集技术。 无线信号在空间传播会产生衰落，快衰落的深度可达3 0 4 0 d b ，单是利用加 大发射的功率来克服这种深度衰落是不现实的，而且会对其它发射机造成严重 的干扰。分集技术则是用来抗衰落的一种有效措施，它己广泛应用于移动通信、 短波通信等随参信道中【9 】【1 6 】。分集的基本原理就是通过多个信道( 时间、频率或 者空间等) 接收到承载相同信息的多个信号副本，由于多个信道的传输特性不 同，信号多个副本的衰落也不相同，接收机将接收到的多径信号分离成不相关 的多路信号，然后将多路信号的能量按照一定的规则合并起来，使接收的有用 信号能量最大，对数字系统而言，使接收端的误码率最小；对模拟系统而言， 提高接收端的s n r 。 分集有两重含义：一是分散传输，使接收机能获得多个统计独立的、携带 同一信息的衰落信号；二是集中处理，即把接收机收到的多个统计独立的衰落 信号进行合并以降低衰落的影响。按目的，分集分为宏观分集和微观分集，本 文的分集技术指微观分集。按信号的传输方式，分集又可分为显分集和隐分集。 下面对显分集中的空间分集和时间分集作简单介绍，它是空时编码的基础。 ( 1 ) 空间分集( s p a c ed i v e r s i t y ) 。无线信号在无线信道中传播会产生多径 r a y l e i g h 衰落，空间位置不同，衰落特性也不同【l7 。空间分集是一种最常用的分 集方法，包括接收与发射分集，可通过在发射端和接收端采用多副天线来实现。 接收分集是比较成熟的一种空间分集方式，是目前商用系统如g s m 和 i s 一1 3 6 采用的主要方式。实践表明，接收分集对相位干扰型衰落是非常有效的， 但对绕射衰落、雨雾吸收衰落的抵抗作用并不明显。 发射分集是目前研究的热点，根据是否需要从接收机到发射机的反馈电路， 发射分集技术可以分为开环和闭环两种类型。开环发射分集方式有空时发射分 7 武汉理工大学硕士学位论文 集( s t t d ) 、正交发射分集( o t d ) 、时间切换发射分集( t s t d ) 、延迟发射分集( d t d ) 以及分层的空时处理和空时网格编码；闭环发射分集方式主要指选择发射分集 ( s t d ) 。 ( 2 ) 时间分集( t i m ed i v e r s i t y ) 。对一个随机衰落信号的振幅进行顺序抽 样，时间间隔足够大( 大于相干时间) 的两个样点是互不相关的，这是时间分集的 理论基础。时间分集技术通常将信道编码与时间交织相结合，对抗快衰落非常 有效，但对慢衰落作用有斟1 5 j 。 除空间分集和时间分集外，还有频率分集、极化分集和角度分集等分集方 式，不同的分集方式有不同的适用环境，而且各种分集方式并不互相排斥，可 以使用多种组合方式。 2 3 空时编码技术 在目前的蜂窝移动通信系统中，基站使用多根接收天线有两个目的：一是 抑制信道间的干扰；二是减小信道衰落的影响。例如，在g s m 中，基站端使用 多根天线建立上行( 从移动台到基站) 接收分集，补偿移动台相对较低的发射 功率。这样傲能够提高上行链路的质量和变化范围。但对下行链路( 从基站到 移动台) 而言，移动台很难使用接收分集。首先，在较小的便携移动台上不便 于安装两根以上的天线。其次，多根接收天线意味着多套r f 变频器，因此需要 更大的处理功率，而移动台的功率是受限的。对于下行链路来说，比较实际可 行的解决办法是采用发射分集，在基站安装多根发射天线，并且为多个发射提 供额外的功率。发射分集降低了接收端所需的处理功率，因此能简化接收系统 的结构，降低功耗和成本。但是发射分集的应用也有一些困难，主要困难在于： ( 1 ) 由于从多根天线发出的信号在到达接收机之前已经在空中混合在一 起，因此要分离出这些接收信号并且实现分集，发射端和接收端都需要进行一 些额外的信号处理。 ( 2 ) 与通常可以估计衰落信道的接收机不同，如果不从接收机向发射机反 馈信息，发射机就不能立即获得信道的瞬时信息。 后来提出一种在空间域和时间域添加合适的冗余设计进行编码的方法一 空时编码，让发射信号也具有一定的相关性。联合设计带来的好处是：空时编 码可以在不牺牲带宽的情况下实现发射分集和获得一定的编码增益。现有的空 8 武汉理工大学硕士学位论文 时编码技术大致可分为三类：空时分组码、分层空时编码和空时格码。表2 1 是 这三种空时编码技术的优缺点比较，综合考虑是否基于发射分集和译码复杂度， 本文的发射机设计中将采用空时分组编码技术。 表2 1 三种空时编码比较 空时分组码分层空时码空时格形码 是否基于发射分集是否 。 是 对信道环境的要求无要求一般为室内环境无要求 对接收天线的要求无要求不少于发射天线无要求 译码算法最大似然译码迫零、m m s e v i t e r b i 译码复杂度最简单比空时格形低最复杂 下面就对空时分组码做具体介绍，系统结果如图2 3 所示。 nm 调空 制时 i 信源一i 编码器 _码 分 一 i 兀组 映 编 射码 t 三e 上4 n 及羽刀l f 一： 空 调 时 制 分 码 招r 丌啦 组 兀 ) 阡尚嵛广 解 反 映 码 射 接收机 图2 3 空时分组码系统结构 空时分组码中最经典的就是a l a m o u t i 在文献【2 3 】中提出的方案，这种方案采 用两个发射天线，一个接收天线，即( 2 ，1 ) 的模式，如图2 4 所示。这种编码体制 采用了正交设计理论，支持最大似然检测( m l ) ，接收端采用线性处理技术。 在一个发射周期中，2 个发射天线同时发射2 个信号，天线0 发送的信号为， 天线l 发送的信号为j ，则在下一个时隙，天线0 发送一s ：，天线l 发送s ：，同 时考虑空域和时域编码( j ：是& 的复共轭) 。从表2 1 可以清楚的看出这种编码 是通过空间域和时间域共同完成的，编码方案为： ：墼卜 毛屯一【 9 ( 2 6 ) 武汉理工大学硕士学位论文 表2 2a l a m o t i 发射分集编码的结构和发射序列 叶空间方向 天线1天线2 t 时刻 s l s 2 t + t 时刻 0一s l 母 发送天线0 而 孑囊以孑严 懦 墙 发送天线1 图2 4a l a m o u t i 发射分集方案 考虑在t 时刻，从发射天线0 和发射天线l 到接收天线的信道响应函数分别 为h o ( f ) 和盔( f ) ，则在接收天线端，两个连续符号周期中的接收信号( t 时刻和 t ”时刻的接收信号分别表示为和r 1 ) 可以表示为 r o = + 啊五+ ( 2 7 ) _ ，i = - h o ( _ ) + 铂x ( ) + 强 ( 2 8 ) 其中，z d 和啊是每一维均值为0 且功率谱蜜度为n o 2 的独立复变量，分别表示t 时刻和t + t 时刻加性高斯白噪声的取样。根据统计算法解得： 晶= ( i 1 2 + 限1 2 ) s o + + 西 ( 2 9 ) 墨= 2 + 蚶) 墨一h o d + 缟 - o ( 2 1 0 ) 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 本章小结 无线通信的环境非常复杂，信道建模是通信仿真中一个非常重要的环节， 为了顺利的完成后面的仿真，本章介绍了信道的时域特性，由多径传播所引起 的快衰落与时延扩展，由移动台运动而引起的多普勒频移，为后面章节的信道 建模提供理论依据。然后介绍了m i m o 系统的分集技术及空时编码技术的基本 思想和原理，对本文发射机设计中将采用的空时分组编码( s t b c ) 的系统结构、 编译码原理、特点及其性能等方面进行了全面的分析。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章t d s c d m a 系统的关键技术 t d s c d m a 的多址接入方案是直接序列扩频码分多址( d s c o m a ) ，码片速 率为1 2 8 m c p s ，扩频带宽约为1 6 m h z ，采用不需配对频率的t d d ( 时分双工) 工作方式。它的下行( 前向链路) 和上行( 反向链路) 的信息是在同一载频的 不同时隙上进行传送的。 在t d s c d m a 系统中，其多址接入方式上除具有d s c d m a 特性外，还具 有t d m a 的特点。因此t d s c d m a 的接入方式也可以表示为t d m a d c d m a ， 是一种混合的多址方式，如图3 1 所示。 2 昱 星 未 = 凸 u 图3 1t d s c d m a 系统的多址方式 f t d m a - f e a a t r e 从图3 1 中可以看到，t d s c d m a 系统的物理信道是以频率、时隙和扩频 码来共同标记的。t d s c d m a 系统的基本带宽为1 6 m h z ，而w c d m a 所需的 基本带宽至少为5 m h z 2 ，可见t d s c d m a 的频带利用率远远大于w c d m a 。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 3 1t d s c d m a 物理层简介 ( 1 ) t d s c d m a 系统物理信道 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。其帧结构将1 0 m s 的无线帧分成2 个5 m s 子帧，每个子帧中有7 个常规时隙和3 个特殊时隙，如 图3 2 所示【1 2 1 。 1 2 8 m c l 一 、 一i t a d i o f l l l m e ( 1 0 m s ) + f r a m e 椭f r a m e 墒+ l 、 、 、 一s b f h m e ( s i n s ) - + 、 s n b f r a m e 撑ls u b f r a m e 坭 一一j n 一一o i 7 t - 一a e 一5 m s s u b f r a m e 5 m s ( 一6 4 0 、0 c h ，i ；p s ) 一一、一一、，一一一，一，晰岫一一一一 “m e s l o t 绷圈f l m e s l o t 一 t i m e s l o t 彪t i m 伪l o t 船t j m e s l o t 树t i m e s l o t 粘 t i m e s l o t 澌 注：时隙t s # n ( n 从0 到6 ) ：第n 个业务时隙，又叫常规时隙，8 6 4 码片持续时间； d w p t s ：下行导频时隙，9 6 码片持续时间； u p p t s ：上行导频时隙，1 6 0 码片持续时间； g p ：t d d 的主要保护间隔，9 6 码片持续时间。 图3 2t d s c d m a 物理信道的信息格式 t d d 模式下的物理信道是将一个突发在所分配的无线帧的特定时隙发射。 无线帧的分配可以是连续的，即每一帧的相应时隙都分配给物理信道：也可以 是不连续的分配，即将部分无线帧中的相应时隙分配给该物理信道。一个突发 由数据部分、m i d a m b l e 部分和保护间隔组成。突发的持续时间是一个时隙。发 射机可以同时发射几个突发，在这种情况下，几个突发的数据部分必须使用不 同o v s f 的信道码，但应使用相同的扰码。m i d a m b l e 码部分必须使用同一个基 本m i d a m b l e 码，但可使用不同偏移码( m i d a m b l es h i f t ) 。 突发的数据部分由信道码和扰码共同扩频。信道码是一个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 武汉理工大学硕士学位论文 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m i d a m b l e 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。 a 帧结构 t d s c d m a 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。一个t d m a 帧长为1 0 m s ，分成两个5 m s 子帧。这两个子帧的结构完全相同。 如图3 2 所示，每个子帧又分成长度为6 7 5 , u s 的7 个常规时隙和3 个特殊时 隙，7 个常规时隙用于传送用户的数据或控制信息，t s 0 总是固定地用作下行时 隙来发送系统广播信息，而t s l 总是固定分配给上行链路，其他时隙t s 2 至t s 6 ， 则可以根据不同的业务类型灵活地设置为上行或下行时隙，这不仅适合于对称 业务，如语音、交互式实时数据业务等，而且也适合于日益增长的非对称的实 时、非实时数据业务，如互联网业务等。图3 3 分别给出了对称分配和不对称分 配上下行链路的例子。任何配置至少要有一个时隙( t s 0 ) 必须分配给下行，至 少一个时隙( t s l ) 必须分配给上行。 上行链路的时隙和下行链路的时隙之间由一个转换点分开。在下行时隙和 上行时隙间，一个特殊间隔作为上行和下行的转换点。在每个5 m s 的子帧中， 有两个转换点( 下行到上行和上行到下行) 。对支持多频点的小区，同一u e 所 占用的上下行时隙在同一频点。 转换点 转换点 ( d l 肌不对称分配) 图3 3t d s c d m a 子帧结构示图 t d s c d m a 系统的上行和下行链路工作在同一频点的不同时隙，并且上、 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 下行间隔的时间短，这就使得上、下行链路的信道特性基本一致，有利于充分 发挥智能天线等先进技术的潜在优势。t d s c d m a 系统的正交可变扩频因子 ( o r t h o g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r ，o v s f ) 可以为1 、2 、4 、8 、1 6 ，相应 的主时隙可以有1 、2 、4 、8 、1 6 个码道( c o d ec h a n n e l ) ，上行允许的扩频因子 为1 、2 、4 、8 或1 6 ；下行允许的扩频因子为1 或1 6 。 b 突发( b u r s t ) 结构 t d s c d m a 的物理信道由突发( b u r s t ) 组成，一个突发则由一个主时隙来 承载，每个主时隙的长度都为8 6 4 个c h i p s 。每个b u r s t 有两个数据块，每个数 据块长3 5 2 c h i p s 、一个训练序列m i d a m b l e ( 1 4 4 c h i p s ) 和一个保护间隔g p ( 1 6 c h i p s ) 构成，具体的突发结构如图3 4 所示，突发中每个数据块包含的符号 数如表3 1 所示，业务突发的具体内容如表3 2 所示。 表3 1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( 聊 l3 5 2 21 7 6 48 8 84 4 1 62 2 表3 2突发各个部分的内容 码片号 区域长度( c h i p 数目) 区域长度 区域内容 ( c n )( 符号数目) 0 3 5 l3 5 2 见表3 1数据符号 训练序列 3 5 2 - 4 9 51 4 4 ( m i d a m b l e ) 4 9 6 8 4 73 5 2见表3 】 数据符号 8 4 8 8 6 31 6保护周期 ( 8 6 4 c h i p s ，6 7 5 u s ) 一3 5 2 c h i p 擎卜1 4 4 c h i p 争+ 卜一3 5 2 c h i p s - 。+ 注：g p 表示保护周期，c p 表示码片长度。 图3 4 突发结构 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 数据域 数据域对称地分布在中缀码的两端，每个数据域长3 5 2 c h i p ，所能承载的数 据符号数取决于所用的扩频因子。每个数据域所能容纳的数据符号s 与扩频因 子c ( s f ) 的关系是：s s f = 3 5 2 。在t d s c d m a 系统中，上行链路的s f 可取 的值为：1 、2 、4 、8 、1 6 。其对应的s 值为：3 5 2 、1 7 6 、8 8 、4 4 、2 2 ，如表3 1 所示。 数据域用来承载来自传输信道的用户数据或者高层控制信息，除此之外在专 有信道和部分公有信道上，数据域的部分数据符号还被用来承载物理层信令。 t d s c d m a 系统的突发结构提供了传送物理层控制信令的可能。这里所说的物 理层信令包括传输格式合成指示( t f c i ) 、发射功率控制( t p c ) 和同步偏移( s s ) 。 物理层信令在相应物理信道的数据部分发送，即物理层控制信令和数据比特具 有相同的扩频操作。 训练序列 突发结构中的训练序列即中缀码，居于两个数据块之间，用于进行信道估 计、测量，如上行同步的保持以及功率测量等。训练序列的信道估计方法会在 后面具体介绍。在同一小区内，同一时隙内的不同用户所采用的中缀码由一个 基本中缀码( b a s i cm i d a m b l e 码) 经循环移位后产生。基本中缀码长度是12 8 c h i p ， 个数为1 2 8 个，分成3 2 组，每组4 个。t d s c d m a 系统规定个移动台在同一 个时隙最多能够采用两个信道化码来实现多码传输。 ( 2 ) 信道编码和复用 为了保证数据在无线链路上的可靠传输，物理层需要对来自m a c 和高层的 数据流进行编码复用后发送。同时，物理层对接收自无线链路上的数据需要进 行解码解复用后，再传送给m a c 和高层。 传输信道的编码和复用步骤( 见图3 5 ) ：在一个订i 内，来自不同传输信 道的数据以数据块集的形式被送人信道编码和复用模块，在经过全部的1 2 步的 处理后，被映射到物理信道。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 砌it i _ c h 件l 对每个传输快的il 对每个传输快的 c r cjjc r c 传输块级联和码块ii 传输块级联和码块 分段分段 信道编码 _ - _ - 。- 。- _ 。_ 。_ - - 。- 皇 无线帧匹配 - _ - _ - - 。_ _ 。_ - _ _ _ _ 童 第一次交织 信道编码 无线帧匹配 第一次交织 无线帧