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t d s c d m a 物理层及关键技术研究 摘要 t d s c d m a 系统是由中国电信科学技术研究院( c a t r ) 在1 9 9 8 年代表 中国提出，并在2 0 0 0 年5 月得到i t u 通过，成为第三代移动通信系统无线通 信标准之一。t d s c d m a 采用了一系列的关键技术，包括t d d 时分双工、 同步c d m a 、智能天线、联合检测、软件无线电、接力切换、动态信道分 配等等。t d s c d m a 系统因此有很多领先的优势：不需要配对的频谱带宽、 灵活的帧结构、适合非对称业务，更高的理论频谱效率以及采用智能天线 和t d d 技术的低成本基础设施等。 本文首先介绍了当前第三代移动通信系统中的几大主流技术标准 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 以及2 0 0 7 年1 0 月刚刚通过i t u 投票的 w i m 已镊。 然后简单描述了t d s c d m a 的物理层结构，根据3 g p pl c rt d d 的物 理层规范，给出t d s c d m a 的物理层仿真平台的系统框图，并具体描述了 其中传输信道的复用和信道编码处理部分的仿真实现，包括信道编码、传 输复用、卷积码和t u r b o 码、交织、速率匹配等模块的仿真实现。最后给出 了t d s c d m a 传输信道处理的仿真实验结果和分析。 论文最后还介绍了h s d p a 技术原理与关键技术，着重分析了h s d p a 在 t d s c d m a 系统中的应用。h s d p a 技术采用了一些能提高下行信道容量的 一些关键技术。在3 g p pr 5 的技术规范中，h s d p a 技术采用的关键技术包 括h a r q ( 混合自动重传请求) 、a m c ( 自适应调制编码) 和基站快速调度。 h s d p a 技术是基于一种新的传输信道类型：h s d s c h ( 高速下行共享信 道) ，它位于基站并受到m a c - h s 实体的控制。基于n 频点的多载波h s d p a 技术，通过多载波捆绑和最小化改动，可以有效的提高t d s c d m a 的 h s d p a 峰值速率和小区数据吞吐量。 关键字：t d s c d m a ，物理层仿真，信道编码与复用，h s d p a ，n 频点， 多载波 r e s e a r c ho ft d s c d m ap h y s i c a ll a y e r a n dk e y t e c h n i q u e a b s t r a c t t d s c d m aw a sp r o p o s e di n19 9 8o nb e h a l f o fc h i n ab vc 棚( c h i n e s e a c a d e m y o ft e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ) ，a n da p p r o v e db yi t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ) a so n eo ft h ei n t e r n a t i o n a lc d m a s t a n d a r d sf o r3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n si nm a y2 0 0 0 t d s c d m a a d o p t sa s e r i e so ft e c h n i q u e s ，s u c ha st d d ，s y n c h r o n o u sc d m a ，s m a r ta n t e n n a ，j o i n t d e t e c t i o n ，s o f t w a r er a d i o ，b a t o nh a n d o v e r ，d y n a m i c a lc h a n n e la l l o c a t i o n ，a n ds o o n i t se x p e c t e da d v a n t a g e sa r eu n p a i r e df r e q u e n c yb a n d ，f l e x i b l ef r a m e s t r u c t u r e ，s u i t a b l ef o ra s y m m e t r i c a ls e r v i c e ，h i g h e re x p e c t e dt h e o r e t i c a ls p e c t r a l e f f i c i e n c y ，l o we x p e c t e dc o s to fi n f r a s t r u c t u r eb yu s i n gs m a r ta n t e n n aa n dt d d t e c h n o l o g y ，e t c t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h e s ei n t e r n a t i o n a lc d n 认s t a n d a r d sf o r3 g m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，i n c l u d i n gw c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m aa n d w i m - a x a p p r o v e db vi t ui no c t2 0 0 7 t h e nt h ea r c h i t e c t u r eo ft d s c d m ap h y s i c a l l a y e ri ss i m p l yd e s c r i b e d a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c a t i o n so f3 g p pl c rt d dp h y s i c a ll a y e r ，t h es y s t e m f r a m e w o r ko ft d s c d m a p h y s i c a ll a y e rs i m u l a t i o np l a t f o r mi si s s u e d a n dt h e p a p e rc o n c r e t e l yd e s c r i b e st h ep a r to ft r a n s p o r t a t i o nc h a n n e l sc o d i n ga n d m u l t i p l e x i n g ，i n c l u d i n gt h em o d u l e so fc h a n n e lc o d i n g ，t r a n s p o r t a t i o n m u l t i p l e x i n g ，c o n v o l u t i o nc o d e s t u r b oc o d e s ，i n t e r l e a v i n g ，r a t em a t c h i n ga n d e t c l a s t l y , t h er e s u l t so f s i m u l a t i o ne x p e r i m e n to ft d s c d m at r a n s p o r t a t i o n c h a n n e l sd i s p o s a l i sg i v e na n da n a l y z e d t h i sp a p e rf i n a l l yi n t r o d u c e sh s d p a t h e o r ya n dk e yt e c h n i q u e s ，a n dt h e n a n a l y z e sa p p l i c a t i o no fh s d p at e c h n i q u ei nt d s c d m as y s t e m h s d p ai sa c o m b i n a t i o no fs e v e r a lk e yt e c h n i q u e sw h i c ha l lc o n t r i b u t et ot h ee n h a n c e d c a p a b i l i t i e so ft h ed o w n l i n kc h a n n e l 3 g p pr 5h s d p a i n c l u d e sh a r q ( h y b r i d a u t o m a t i cr e q u e s t ) a m c ( a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ) a n dn o d e bf a s t s c h e d u l i n gf u n c t i o n a l i t y i tr e l i e s o nan e wt y p eo ft r a n s p o r tc h a n n e l ，t h e h s d s c h ，w h i c hi st e r m i n a t e di nt h en o d eba n dc o n t r o l l e db ym a c h s b a s e do nnf r e q u e n c yc e l lt e c h n i q u e ，t d s c d m am u l t i - c a r r i e rh s d p a ，b y m u l t i _ c a r r i e rb i n d i n ga n dl i t t l ea l t e r a t i o n ，c a ne f f i c i e n t l yi m p r o v et h ep e a ks p e e d a n dc e l ld a t at h r o u g h p u t k e y w o r d s ：t d s c d m a ，t h es i m u l a t i o no fp h y s i c a ll a y e r , c h a n n e lc o d i n g a n dm u l t i p l e x i n g ，h s d p a ，n f r e q u e n c yc e l l ，m u l t i c a r r i e r 独创性( 或创新性) 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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他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。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：王鬈卜 本人承担一切相关责任。 日期：羔坚呈：兰：鲨 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 墨盗 日期：鲨窒：芝：鲨 导师签名：i l 薯习让 日期：塑型l _ 王! l 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 1 移动通信的发展 第一章绪论 移动通信是通信领域中最具活力、最具发展前途的一种通信方式。它是当今信息社 会中最具个性化特征的通信手段。它的发展与普及改变了社会，也改变了人类的生活方 式，让人们领悟到现代化与信息化的气息。在移动通信中，终端是移动的，传输线路是 随移动终端移动而分配的动态无线链路，网络则是适应动态用户终端、动态线路的动态 型交换网路。而第三代( 3 g ) 移动通信技术则进一步引入业务类型动态选择特性，以“任 何人( w h o e v e r ) 在任何地方那个( w h e r e v e r ) 任何时问( w h e n e v e r ) 可以同任何人 ( w h o m e v e r ) 进行任何形式( w h a t e v e r ) 的通信”为通信目标，宽带、多媒体业务和 无缝全球漫游为特色，成为本世纪最大的电信革命l l j 。 移动通信指的是一种通信业务，一种能被多数人使用的、通信双方在移动中都可以 进行信息交互的通信业务。移动通信，就正式商业运营而言，至今也不过是只有二十多 年的历史，就其发展历程来看，大约每十年就更新一代。目前正处于第二代与第三代的 交接期。 第一代以模拟式蜂窝网为主要特征，是2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初丌始商用化的。 其中最具代表性的是北美的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 、欧洲的t a c s ( t o t a l a c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 两大系统，另外还有北欧的n m t 及同本的h c m t s 等。 第一代从技术特色上看，主要实现措施是采用频分多址f d m a 方式实现对用户的 动态寻址功能，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频再用方式，达到扩大覆盖服务 范围和满足用户数量增长的需求。在信道动态特性匹配上，适当采用了性能优良的模拟 调制方式，并利用基站二重空间分集方式抵抗空间选择性衰落。 第二代以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移动通信系统，它于2 0 世纪9 0 年代 初f 式走向商用。其中最具有代表性的有欧洲的时分多址( t d m a ) g s m 、北美的码分 多址( c d m a ) 的i s 9 5 两大系统，另外还有日本的p d c 系统。 第二代从技术特色上看，它是以数字化为基础，较全面考虑信道与用户的二重动态 特性及相应的匹配措施。主要实现措施有：采用t d m a ( g s m ) 、c d m a ( i s ，9 5 ) 方式 实现对用户的动态寻址功能，并以数字式蜂窝网络结构和频率( 相位) 规划实现载频( 相 位) 再用方式，从而扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。 主要采用的技术措施包括： 采用抗干扰性能优良的数字式调制：g m s k ( g s m ) 、q p s k ( i s 9 5 ) ，性能优 良的抗干扰纠错编码：卷积码( g s m 、i s 9 5 ) 、级联码( g s m ) 北京邮电大学硕士研究生学位论文 采用功率控制技术抵抗慢衰落与远近效应，这对于c d m a 方式的i s 9 5 尤为 重要； 采用自适应均衡( g s m ) 和r a k e 接受( i s 9 5 ) 抗频率选择性衰落与多径干扰； 采用信道交织编码，如采用帧问交织方式( g s m ) 和块交织方式( i s 9 5 ) 抗 时间选择性衰落； 基站采用空间或极化分集方式抗空间选择性衰落。 第三代( 3 g ) 以多媒体业务为主要特征，目前主流的四大3 g 技术包括：北美的 c d m a 2 0 0 0 、欧洲与日本的w c d m a ，我国提出的t d s c d m a 和2 0 0 7 年1 0 月1 9 日 通过兀u 投票通过的w i m a x 。3 g 系统是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结 合的新一代移动通信系统。它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括 网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务，无线网络必须能 够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少 2 m b p s 、3 8 4 k b p s 以及1 4 4 k b p s 的传输速度。 1 2 移动通信的发展趋势与展望 目前使用的第二代数字移动通信系统可以提供话音及低速数据业务，能够基本满足 人们信息交流的需要。移动通信的发展速度超过人们的预料，特别是中国的发展速度， 手机用户连续十年以超高速增长，目前中国的手机用户已经超过5 亿，并且仍然以较高 的速度发展。 手持机的迅速普及将驱动通信向个人化方向发展，互联网用户数以翻番的速度膨胀 又带来了移动数据通信的发展机遇。特别是移动多媒体和高速数据业务的迅速发展，迫 切需要设计和建设一种新的网络以提供更宽的工作频带、支持更加灵活的多种类业务 ( 高速率数据、多媒体及对称或非对称业务等) ，并使移动终端能够在不同的网络间进 行漫游。从全球和和国内移动通信的发展整体形势来看，用户持续高速增长，新业务发 展速度加快，而且第三代移动通信技术开始进入规模商用阶段。 移动通信从8 0 年代初期第一代模拟蜂窝移动通信商用开始，基本上每1 0 年商用一 代新的技术，每1 5 2 0 年的时间退出一代技术。目f j i 全球范围内模拟移动通信已经基本 退出历史舞台，占据移动通信市场9 8 以上的为第二代移动通信( 2 g ) 和二代半( 2 5 g ) 网 络，第三代移动通信则已经步入规模商用阶段，在今后1 0 年将是3 g 和2 g 长期并存发 展的时期。随着技术的不断演进，频谱效率越来越高，支持的速率也越来越高。从目前 2 g 2 5 g 的几十k b p s ，增加到3 g 初期的几百k b p s ，再到3 g 增强型的几m b p s ，然后在 2 北京邮电大学硕十研究生学位论文 3 g 进一步增强型的几十到上百m b p s ，再到超3 g ( b 3 g ) 的上百m b p s 1 g b p s 。 b 3 g ( s y s t e m sb e y o n d3 g ) 是国际电信联盟( i t u ) 在1 9 9 9 年底随着第三代移动通信 系统技术标准的尘埃落定之后提出的，它面向3 g 进一步增强和下一代第四代移动通信 技术。b 3 g 的目标是在高速移动环境支持最高约1 0 0 m b p s 的下行数据速率，在室内和 静止环境支持最高约1 g b p s 的下行数据速率。i t u 已经制定了明确的时间表，计划在2 0 0 7 年世界无线电大会( w r c ) 上获得b 3 g 的频谱资源，在2 0 0 8 2 0 1 0 年左右完成技术标准的 制定，在2 0 1 0 2 0 1 5 年左右商用。而且近两年来，随着3 g 逐步开始商用化，各国对b 3 g 的研究越来越开始进入实质研究阶段。除了围绕着业务、市场和频谱以外，对b 3 g 的 技术研究也开始越来越多，越来越具体。 移动通信的技术发展路线相对清晰，为移动通信的健康和持续规模发展奠定了良好 的基础。移动通信的技术发展趋势在无线部分主要体现在频谱效率更高、数据速率更高； 网络部分则既充分考虑与现有2 g 网络的后向兼容，同时逐步向基于i p 的方向演进。如 目前3 g p p 的r 9 9 和r 4 、r 5 、r 6 等版本就体现了这一思想。r 5 和r 6 版本的核心网引 入了基于i p 的i m s ( i p 多媒体子系统1 ，i m s 已经成为整个n g n 的基础。普遍认为b 3 g 的核心网络也将基于3 g 的网络架构逐步演迸和过渡，也就是基于i p 方式来发展和演进。 随着移动通信和互联网的迅猛发展，以及固定和移动宽带化的发展趋势，通信网络 和业务正在发生着根本性的变化。体现在两大方面：一是提供的业务将从以传统的话音 业务为主，向着提供综合信息服务的方向发展。而是通信的主体将从主要是人与人之间 的通信，扩展到入与物、物与物之间的通信。通信将渗透到入们日常生活的整个社会的 方方面面。而顺应这一强大需求的相关行j 啦都将融合在一起，通过一系列新的技术、新 的业务和应用来满足这个趋势的需求。融合将是多个层次的，包括网络融合、业务融合 和终端的融合。特别是固定网与移动网的融合，通信、计算机、广播电视和传感器网络 的融合成为发展的大趋势，而且已经在技术上、市场需求上和设备方面逐渐具备条件。 而多种无线技术的采用将是实现上述目标的必由之路，包括蜂窝移动通信技术( 广 域网) 、宽带无线接入技术( 城域网) 和各种短距离无线技术( 如r fi d 、u w b 和蓝牙 等技术) 等，他们与各种固定的宽带接入接入基于i p 的同一个核心网络平台上，通过 网络的无缝切换，实现无处不在的最佳服务。 1 3 论文的主要内容与组织结构 论文内容主要分为以下几个部分： 第一章简要介绍了移动通信发展的历史，大致分为三个历史阶段，第一代以模拟式 蜂窝网为主要特征；第二代以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移动通信系统；第三 代( 3 g ) 以多媒体业务为主要特征，目前正处于第二代与第三代的交接期。另外还对移 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文 动通信的发展予以展望。 第二章介绍了第三代移动通信系统中的几大主流技术标准一一w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 以及2 0 0 7 年1 0 月通过i t u 投票的w i m a x 。 第三章简单描述了t d s c d m a 的物理层结构，根据3 g p pl c rt d d 的物理层规 范，给出t d s c d m a 的物理层仿真平台的系统框图，并具体描述了其中传输信道的复 用和信道编码处理部分的仿真实现，包括信道编码、传输复用、卷积码和t u r b o 码、交 织、速率匹配等模块的仿真实现。最后给出了t d s c d m a 传输信道处理的仿真实验结 果和分析。 第四章论文最后还介绍了h s d p a 技术原理与关键技术，着重分析了h s d p a 在 t d s c d m a 系统中的应用，基于n 频点的多载波h s d p a 技术可以有效的提高 t d s c d m a 的h s d p a 峰值速率和小区数据吞吐量。 1 4 本章小节 本章介绍了移动通信三个发展阶段：以模拟式蜂窝网为主要特征的第一代移动通信 o 系统；以数字化为主要特征的第二代数字式蜂窝移动通信系统；以多媒体业务为主要特 征的第三代移动通信系统。并对移动通信的未来发展做了简要总结，最后对论文的内容 安排加以介绍。 4 北京邮电人学硕士研究生学位论文 第二章第三代移动通信系统 由于人们对高速数据业务和多媒体业务的需求及第二代移动通信系统所固有的局 限性，促使了第三代移动通信的出现。同时，鉴于全世界第二代移动通信体制和标准不 尽相同，以及第二代与第三代将在今后较长的时问内共存，i t u 提出了“i m t - 一2 0 0 0 家 族”的概念。这意味着只要该系统在网络和业务能力上满足要求，都可以成为i m 一2 0 0 0 成员。i m t - 2 0 0 0 与第二代相比有很多突出的特点1 2 j ： 系统的全球性 第一、第二代移动通信系统基本上是地区性的，而第三代则是一个全球性的标准， 它主要体现在：设计上具有高度通用性，并要求最好采用统一体制实现；具有世界 范围的公用频段和漫游能力；具有世界范围的市场，并对现有设备具有兼容性。 业务的多样性 为了满足2 1 世纪对信息业务的需要，不仅能满足话音与数据等常用业务，还要满足 图像及多媒体等新业务需求 满足移动性高比特率可变业务的需求 车辆通信：1 4 4 k b i t s ，步行通信：3 8 4 k b i t s ，室内通信：2 m b i t s 满足高质量业务的需求 要求各类移动通信的质量能达到与固定想比拟的高质量业务要求 高度的灵活性 按需分配带宽，以支持大范围、可变速率信息的传送；包括卫星移动系统；大范围 的工作环境，包括海、陆、空i 、日j 的通信；能与有线网络互连与兼容；适合发展中国 家的需求 进一步改善安全性 满足具有巨大需求的个人通信的安全性要求 易操作性 目前，3 g 的主流技术有w - c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 以及2 0 0 7 年1 0 月 通过i t u 投票的w i m a x 。c d m a 2 0 0 0 由美国高通公司提出，技术成熟性最高，有着明 确的提高频谱利用率的演进路线，但全球漫游能力一般，韩国已经丌通了c d m a 2 0 0 0 商用网。w - c d m a 由欧洲和日本支持，有较高的扩频增益，发展空间较大，全球漫游 能力最强，但技术成熟性一般，在日本已经投入商用。t d s c d m a 目前在中国发展的 如火如荼，但尚未投入商用，而w i m a x 则刚刚加入i m t - - 2 0 0 0 家族，发展还尚需时 日。 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 1w c d m a 系统概述 w c d m a ( 宽带码分多址) 是一个l t u ( 国际电信联盟) 标准，它是从码分多址 ( c d m a ) 演变来的，在官方上被认为是i m t - 2 0 0 0 的直接扩展，与现在市场上通常提 供的技术相比，它能够为移动和手提无线设备提供更高的数据速率。w c d m a 采用直接 序列扩频码分多址( d s c d m a ) 、频分双工( f d d ) 方式，码片速率为3 8 4 m c p s ，载 波带宽为5 m h z 基于r e l e a s e9 9 r e l e a s e4 版本，可在5 m h z 的带宽内，提供最高3 8 4 k b p s 的用户数据传输速率。w - c d m a 能够支持移动手提设备之问的语音、图象、数据以及 视频通信，速率可达2 m b s ( 对于局域网而言) 或者3 8 4 k b s ( 对于宽带网而言) 。输入 信号先被数字化，然后在一个较宽频谱范围内以编码的扩频模式进行传输。窄带c d m a 使用的是2 0 0 k h z 宽度的载频，而w - c d m a 使用的则是一个5 m h z 宽度的载频1 3 j 。 w c d m a - f d d 的优势在于，码片速率高，有效地利用了频率选择性分集和空间的 接收和发射分集，可以解决多径问题和衰落问题，采用t u r b o 信道编解码，提供较高的 数据传输速率，f d d 制式能够提供广域的全覆盖，下行基站区分采用独有的小区搜索方 法，无需基站间严格同步。采用连续导频技术，能够支持高速移动终端。相比第二代的 移动通信制式，w c d m a 具有：更大的系统容量、更优的话音质量、更高的频谱效率、 更快的数据速率、更强的抗衰落能力、更好的抗多径性、能够应用于高达5 0 0 k m h 的移 动终端的技术优势，而且能够从g s m 系统进行平滑过渡，保证运营商的投资，为3 g 运营提供了良好的技术基础。 w c d m a 主要采用了以下关键技术： 多用户检测 在蜂窝移动码分多址通信中，干扰大致分为三种类型：加性白噪声、多径干扰、多 址干扰。当小区同时使用的用户数较多时，多址干扰是最主要的干扰。在c d m a 系统 中，引入了多用户检测技术，它是引用信息论并通过严格的理论分析后提出的一种新型 抗多址技术，而且通过多用户检测既可以抗多址干扰，又可以抵抗远近效应和多径干扰。 多用户检测技术( m u d ) 是通过去除小区内干扰来改进系统性能，增加系统容量。 多用户检测技术还能有效缓解直扩c d m a 系统中的远近效应。其实现难点主要是基带 处理的复杂度很高。 r a k e 接收机 在c d m a 扩频系统中，信道带宽远远大于信道平坦衰落带宽。不同于传统的调制 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 技术需要用均衡算法来消除相邻符号问的码问干扰，c d m a 扩频码在选择时就要求它有 很好的自相关特性。这样，在无线信道中出现的时延扩展就可以被看作只是被传信号的 再次传送。如果这些多径信号相互间的时延超过了一个码片的长度，那么它们将被 c d m a 接收机看作是非相关的噪声，而不再需要均衡了。 由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以c d m a 接收机可以通过合并多径信 号来改善接收信号的信噪比。其实r a k e 接收机通过多个相关检测器接收多径信号的各 路信号，并把它们合并在一起。r a k e 接收机的理论基础就是：当传播时延超过一个码片 周期时，多径信号实际上可被看作是互不相关的。 对于多个接收机天线分集接收而言，r a k e 接收机既可以接收来自同一天线的多 径，也可以接收来自不同天线的多径。可以把使用多个接收天线接收的信号当作从一个 l 的天线中收到的多径信号：只要给天线另外加上r a k e 指峰，这样就可以接收和利用 来自多径和多天线的全部能量。r a k e 分集接收与多个接收机天线分集接收，两种分集 并没有本质的不同。但是在实现上由于多个天线的数据要进行分路的控制处理，增加了 基带处理的复杂度。 分集接收原理 无线信道是随机时变信道，其中的衰落特性会降低系统的性能。为了对抗衰落，可 以采用多址措施，如信道编码技术和扩频技术等。分集接收技术是明显有效而且经济的 抗衰落技术。 无线信道中接收的信号是到达接收机的多径分量的合成，分集就是指在接收端同时 获得几个不同路径的信号，将这些信号适当合并成总的接收信号，就能够大大减少衰落 的影响。 互相独立或者基本独立的一些接收信号，一般可以利用不同路径或者不同频率、不 同角度、不同极化等接收手段来获取。 空间分集：在接收或者发射端假设几幅天线，各天线的位置间要求有足够的间 距( 一般在1 0 个信号波长以上) ，以保证各天线上发射或者获得的信号基本信号 独立。 频率分集：用多个不同的载频传送同样的信息，如果各载频的频差问隔比较远， 其频差超过信道相关带宽，则各载波传输的信号也相互不相关。 角度分集：利用天线波束指向不同使信号不相关的原理构成的一种分集方法。 极化分集：分别接收水平和垂直极化波形成的分集方法。 其他的分集方法还有时间分集，是利用不同时间上传播的信号的不相关性进行合 并。分集方法相互不是排斥的，实际使用中可以组合。总的来说，采用分集接收方法 北京邮电大学硕士研究生学位论文 对无线信号接收效果的改善非常明显，在我们的设计工作中，有效地利用分集技术可以 极大地提高系统抗无线信道衰落的性能。 h s p a 技术 w c d m a 在r e l e a s e5 版本引入了下行链路增强技术，即h s d p a ( h i g hs p e e d d 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) 技术，在5 m h z 的带宽内可提供最高 1 4 4 m b p s 的下行数据传输速率。在r e l e a s e6 版本引入了上行链路增强技术，即h s u p a ( h i g hs p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s ，高速上行分组接入) 技术，在5 m h z 的带宽内可提 供最高约6 m b p s 的上行数据传输速率。 2 2c d m a 2 0 0 0 系统概述 作为第三代移动通讯技术的一个主要代表的c d m a 2 0 0 0 技术是从c d m a o n e 演进 而来的。c d m a 2 0 0 0 标准是一个体系结构，称为c d m a 2 0 0 0 f a m i l y ，它包含一系列子标 准。由c d m a o n e 向3 g 演进的途径为： c d m a o n e - - ( i s 一9 5 b - - - 0 c d m a 2 0 0 0 1 x ( 3 x ) - - - * c d m a 2 0 0 0 1 x e v 。 其中从c d m a 2 0 0 0 1 x 之后均属于第三代技术1 4 j 。 演进途径中各阶段特点分别为： i s 9 5 b ：通过捆绑8 个话音业务信道，提供6 4 k 数据业务。在多数国家，i s 9 5 b 被 跨过，直接从c d m a o n e 演进为c d m a 2 0 0 0 1 x 。 c d m a 2 0 0 0 1 x ：在i s 9 5 的基础上升级空中接i e i ，可在1 2 5 m 带宽内提供3 0 7 2 k 高 速分组数据速率。 c d m a 2 0 0 0 3 x ：在5 m 带宽内实现2 m 数据速率，后向兼容c d m a 2 0 0 0 1 x 及i s - 9 5 。 c d m a 2 0 0 0 1 x e v ：增强型1 x ，包括e v d o 和e v d v 两个阶段。 c d m a 2 0 0 0 1 x 的技术特征 c d m a 2 0 0 0 1 x 在无线接口性能上较i s 9 5 系统有了很大的增强，主要表现为： 可支持高速补充业务信道，单个信道的峰值速率可达3 7 2 k b p s 。 采用了前向快速功控，提高了前向信道的容量。 可采用发射分集方式o t d 或s t s ，提高了信道的抗衰落能力。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 提供反向导频信道，使反向相干解调成为可能，反向增益较i s 9 5 提高3 d b ，反向容 量提高1 倍。 业务信道可采用比卷积码更高效的t u b r o 码，使容量进一步提高。 引入了快速地呼信道，减少了移动台功耗，提高了移动台的待机时间。此外，新的 接入方式减少了移动台接入过程中的干扰的影响，提高了接入成功率。 c d m a 2 0 0 0 1 x 的无线i p 网络接口采用已应用成熟的、开放的i e t f 协议，支持 s i m p l e l p 和m o b i l e i p 的i n t e m e t i n t r a n e t 的接入方式，实现了真正的i n t e r n e t 接入的移动 性。 从传输速率来看，i s 9 5 标准的速率集是c d m a 2 0 0 0 1 x 速率集的一个子集( r c l ， r c 2 ) 。同时，c d m a 2 0 0 0 提供增强速率集：前向r c 3 r c 9 ，反向r c 3 r c 6 ，从而在满 足第三代移动通讯高速分组数据业务的同时实现了从i s 9 5 的平滑过渡。c d m a 2 0 0 0 1 x 能实现对c d m a ( i s 9 5 ) 系统的完全兼容，技术延续性好，可靠性较高。同时也使 c d m a 2 0 0 0 成为从第二代向第三代移动通信过渡最平滑的选择。 c d m a 2 0 0 0 在探索新技术方向是所有3 g 标准中最活跃的，也是迄今为止吞吐率最 高的无线通讯技术。在无线接口方面，为进一步加强c d m a 2 0 0 0 1 x 的竞争力，3 g p p 2 从2 0 0 0 年开始在c d m a 2 0 0 0 1 x 基础上制定1 x 的增强技术，即l x e v 标准。目前l x e v 分为两个阶段： 第一阶段：c d m a 2 0 0 0 1 x e v d o ( d a t a o n l y ) ，采用与话音分离的信道传输数据。 q u a l c o m m 公司提出的h d r ( h i g hd a t ar a t e ) 技术已成为该阶段的技术标准，支 持平均速率为6 5 0 k b p s ，峰值速率为2 4 m b p s 的高速数据业务。 第二阶段：c d m a 2 0 0 0 1 x e v d v ( d a t a a n dv o i c e ) ，数据信道与话音信道合一。目 前有多种侯选方案，如1 x t r e m e ，l a s c d m a 等。1 x e v d v 可提供4 8 m 甚 至更高的吞吐量。目前普遍认为1 x e v d o 目前己具备商用化条件，而1 x e v d v 还不成熟。 h d r 是一种针对分组数据业务进行优化的、高频谱利用率的c d m a 无线通讯技术。 可在1 2 5 m 带宽内提供峰值速率达2 4 m b p s 的高速数据传输服务。这一速率甚至高于 w c d m a 在5 m 带宽内所能提供的数据速率。h d r 已被3 g p p 2 正式采纳为 c d m a 2 0 0 0 1 x e v - d 0 唯一标准。 2 3t d s c d m a 系统概述 t d s c d m a 第三代移动通信标准是信息产业部电信科学技术研究院( 现大唐移动 通信设备有限公司) 在国家主管部门的支持下，根据多年的研究而提出的具有一定特色 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 的3 g 通信标准，是中国百年通信史上第一个具有完全自主知识产权的国际通信标准， 在我国通信发展史上具有里程碑的意义并将产生深远影响，是整个中国通信业的重大突 破【5 1 。 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 d 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。 t d s c d m a 独有技术优势和政府的大力支持决定其将具有巨大的发展空间。从技 术、频率、制造商、运营商多角度分析，中国t d s c d m a 产业发展机遇巨大，t d s c d m a 必将在3 g 中占有一席之地。2 0 0 2 年1 0 月2 3 同，信息产业部公布t d s c d m a 频谱规 划，为t d s c d m a 标准划分了总计1 5 5 m h z 的非对称频段，这一丰富的频率资源，为 t d s c d m a 的发展提供了更为充分的条件。2 0 0 6 年1 月2 0 日，信息产业部正式颁布了 作为第三移动通信技术的t d s c d m a 系列行业标准，为t d s c d m a 的商业运营奠定 了良好的基础。同时t d s c d m a 的演进路线也非常清晰：t d s c d m ar 4 首先会采用 2 8 m b p s 单载波的h s d p ar 5 技术，随后演进到7 2 m b p s 多载波的m c h s d p ar 5 技术， 再下一步会向e h s p a 和l t e ( - k 期演进技术) 方向演进。目前，t d s c d m a 在h s d p a 上取得很大进展。此外，我国已向3 g p p 组织提交了两个t d dl t e 技术方案，为l c r t d s c d m a 向将来的l t et d s c d m a 网络实现平滑演进构建了良好的技术理论基础。 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 都是采用f d d 模式的技术，而t d d 技术由于本身固有的 特点突破了f d d 技术的很多限制，如：上下行工作于同一频段，不需要大段的连续对 称频段，在频率资源日益紧张的今天，这一点尤显重要；这样，基站端的发射机可以根 据在上行链路获得的信号来估计下行链路的多径信道的特性，便于使用智能天线等先进 技术；同时能够简单方便地适应于3 g 传输上下行非对称数据业务的需要，提高系统频 谱利用率；这些优势都是f d d 系统难以实现的。因此，随着技术的发展，国际上对使 用t d d 的c d m a 技术日益关注。而t d s c d m a 综合t d d 和c d m a 的所有技术优势， 具有灵活的空中接口，并采用了智能天线、联合检测等先进技术，使得t d s c d m a 具 有相当高的技术先进性，并且在几个标准中具有最高的频谱效率。随着对大范围覆盖和 高速移动等问题的逐步解决，t d s c d m a 将成为可以用最经济的成本获得令人满意的 3 g 解决方案。 图2 - 1 ( a ) 、( b ) 分别表示t d s c d m a 和w c d m a 的多址方式结构。可以看出， t d s c d m a 方式采用了t d m a 技术，有利于传输非对称数据业务。 l o 北京邮电大学硕士研究生学位论文 一 f d m a ( a ) t d s c d m a 多址方式结构示意图 频率 f d m a频率 ( b ) w c d m a 多址方式结构示意图 图2 - 1w c d m a 和t d s c d m a 多址方式比较 由于t d s c d m a 方式使用了智能天线、联合检测和同步c d m a 等先进技术，所以 在系统容量、频谱利用率和抗干扰能力方面具有突出的优势。接下来对主要关键技术作 简要介绍。 智能天线( s m a r t a n t e n n a ) 智能天线的基本思想是：天线以多个高增益窄带波束动态地跟踪多个期望用户。在 接收模式下，窄带波束以外的信号被抑制，天线主要接收其所期望的信号；在发射模式 下，能够使期望用户所接收的信号功率达到最大化，同时窄带波束照射以外范围的非期 望用户受到的干扰最小。 智能天线属于阵列信号处理的范畴，是改善蜂窝和个人通信服务系统质量、覆盖范 围和容量的一种强有力的工具。主要包括：1 波束成形技术一使阵列方向图的主瓣指 向希望信号；2 零点形成技术一使天线零点对准干扰方向；3 空间谱估计一对空间 北京邮电火学硕十研究生学位论文 信号的波达方向( d o a ) 分布进行超高分辨估计。智能天线技术主要包含两个方面：一 是上行链路d o a 估