（系统工程专业论文）WCDMA系统物理层中信道估计和信干比估计的研究.pdf

摘要 w c d m a 作为第三代移动通信技术之一，其研究的焦点主要表现在服务质量 ( q o s ) 的不断提升、产业链的越趋完善与业务的多样化、区域化。 为了更精确地估计业务信道信息，本文在对业务信道进行信道估计时不仅利 用到了未来时隙、当前时隙甚至历史时隙的导频部分信息，而且还利用到了已经 估计出来的非导频部分的信息。这样就利用了更多的信道信息，因而能够更好地 反映信道特性。仿真中通过增加滑动窗平均长度在一定程度上改善了信道估计效 果。 在功率控制中，信干比( s i r ) 估计误差的大小直接影响到内环功率控制的效 果。传统的s i r 估计算法在对干扰噪声i s c p 进行估计的时候把每条多径上的干扰 值全部认为是来自其他用户及热噪声的干扰，本质上忽略了径间干扰，导致其只 能有效工作在e c n 0 比较低或者是只有单径的情况下。本文通过重新对系统基带 信号进行建模分析，量化了径间干扰对于s i r 估计值的影响，从而提出了一种消 除径间干扰的s i r 估计算法。最终，经仿真及在d s p 芯片上的开发实现验证了本 文提出的算法相比传统算法更为精确。因此，对于e c n 0 较大的h s p a 业务中的 功率控制本文提出的s i r 估计算法有着极大的价值。 关键词：信道估计信干比估计导频比特w c d m a a b s t r a c t w c d m a ，a so n eo f3 g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i sm a i n l y f o c u s e do nt h er e s e a r c ho ft h ec e a s e l e s sr i s i n go fq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ，t h e i n c r e a s i n gi m p r o v i n go fi n d u s t r i a lc h a i n ，t h e d i v e r s i f i c a t i o na n dr e g i o n a l i z a t i o no f s e r v i c e i no r d e rt oe s t i m a t et h ed a t ac h a n n e li n f o r m a t i o nm o r ea c c u r a t e l y , t h i sp a p e rd o e s n o to n l yu s et h ei n f o r m a t i o no ft h ef u t u r es l o t s ，t h ec u r r e n ts l o ta n de v e nt h eh i s t o r y s l o t so fp i l o tp a r t ，b u ta l s ou s et h ei n f o r m a t i o no ft h ee s t i m a t e dn o n - p i l o tp a r tw h e n m a k i n gc h a n n e le s t i m a t i o nt ot h ed a t ac h a n n e l m o r ec h a n n e li n f o r m a t i o ni su s e d ，t h u s c h a n n e lc h a r a c t e rc a nb eb e t t e rr e f l e c t e d s i m u l a t i o nb yi n c r e a s i n gt h ea v e r a g el e n g t ho f t h es l i d i n gw i n d o wi m p r o v e st h ee f f e c to fc h a n n e le s t i m a t i o nt oac e r t a i ne x t e n t i nt h ep o w e rc o n t r o l ，t h ee r r o ro fs i re s t i m a t i o nd i r e c t l ya f f e c t st h ee f f e c to ft h e i n n e rc l o s e d l o o pp o w e rc o n t r 0 1 t h e i n t e r f e r e n c e st oe a c hp a t hi st r e a t e da st h e i n t e r f e r e n c ef r o mo t h e r u s e r sa n dt h e r m a ln o i s ei nt h et r a d i t i o n a ls i re s t i m a t i o n a l g o r i t h m ，w h e ne s t i m a t i n gi s c p e s s e n t i a l l y ，t h ei n t e r - p a t h - i n t e r f e r e n c ei si g n o r e d ，s o t h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a l lo n l yw o r ke f f e c t i v e l yi nt h ec a s eo fl o w e re c n 0o r o n l yo n ep a t h t h r o u g ht h er e m o d e l i n ga n a l y s i st ot h es y s t e mb a s e b a n ds i g n a l ，t h e e f f e c to ft h ei n t e r - p a t h i n t e r f e r e n c et ot h ee s t i m a t e ds i ri sq u a n t i f i e d t h u s ，a ns i r e s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do ne l i m i n a t i n gt h ei n t e r - p a t h - i n t e r f e r e n c ei sp r o p o s e d f i n a l l y , i ti sv e r i f i e db yt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to nd s pc h i pt h a t ， t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sm o r ea c c u r a t et h a nt h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m a c c o r d i n g l y , t h e p r o p o s e da l g o r i t h mh a sg r e a tw o r t ht ot h ep o w e r c o n t r o li nh s p as e r v i c ew i t hh i g h e r e c 肘0 k e y w o r d s ：c h a n n e le s t i m a t i o ns i g n a l - t o i n t e r f e r e n c er a t i oe s t i m a t i o n p i l o tb i tw i d e b a n dc d m a 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 埠 日期冲山监 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 第一章引言 第一章引言 1 1w c d m a 的技术概述 移动通信技术得到突飞猛进的发展，经历了第一代模拟移动通信技术、第二 代数字移动通信技术和即将投入商用的第三代移动通信技术。第三代移动通信技 术的主流制式分为三大类w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和中国的t d s c d m a l 3 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 已经成为最为主流、应用最广泛的第三代无线传输技术。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，其制式的主要技术特点为： ( 1 ) w c d m a 是一个宽带直接序列扩频码分多址( d s c d m a ) 系统【3 1 ，采用 了可变扩频因子和多码传输，支持最高速率达2 m b i t s ，采用h s d p a 技术下行速 率理论上最高可达lo 1 4 m b p s ，平均可提供1 3m b p s 下行速率。 ( 2 ) 码片速率3 8 4 m c h i p s ，载波带宽大约5 m h z 。w c d m a 所固有的较宽的 载波带宽使其能支持高的用户数据速率， 可以采用增强的多径分集能力。 并且也具有某些性能方面的优势，例如 ( 3 ) w c d m a 支持各种可变的用户数据速率。在每个1 0 m s 无线帧内，用户数据 速率是固定的，但是帧之间用户速率是可变的。这种快速的无线容量分配由网络 层来控制，以达到分组数据业务的最佳吞吐量。 ( 4 ) w c d m a 基站支持异步方式，与i s 一9 5 系统不同，不需要使用一个全局时间 参考量，比如g p s 。这样室内小区和微小区基站的布站就变得简单了，组网更灵活。 ( 5 ) w c d m a 在上行链路和下行链路中采用基于导频符号或公共导频的相干检 测。 ( 6 ) w c d m a 系统中采用上下行快速闭环功率控制，功控时间间隔最短以一个 时隙为单位，即1 5 k h z ，能更快响应信道的变化，最大化系统容量。 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u t r a n ( u m t st e r r e s t r i a lr a d i o a c c e s sn e t w o r k ) 网络结构，如图1 1 所示【2 4 1 。从功能上， w c d m a 系统由三部分组成：u e ( 用户设备) 、u t r a n ( u m t s 地面接入网) 和 c n ( 核心网) 。u t r a n 通过i u 接口与核心网( c n ) 相连，u t r a n 包含一个或多 个无线网络子系统( r n 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( r n 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u t r a n 之间通过空中接 n u u i = i 相连。r n c 是负责控制u t r a n 无线资源的网元，n o d e b 的主要功能是进行 空中接口物理层处理，如扩频，信道编码和交织，速率匹配等，它也执行一些基 三w c d m a 系统物理层中信道估计和信干比估计的研究 本的无线资源管理工作， t 一 | 匝盐j | l 一型强垒堕j mc 5i 卜 、 甫圄。 i 悯 蛔p s ic n 1 2w c d m a 的技术背景 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，主要起源于欧洲和 同本的早期第三代无线研究活动，g s m 的巨大成功对第三代系统在欧洲的标准化 产生了重大影响。欧洲于1 9 8 8 年开展r a c ei ( 欧洲先进通信技术的研究) 项目， 并一直延续到1 9 9 2 年6 月。1 9 9 2 1 9 9 5 年间欧洲开始了r a c ei i 项目。a c t s ( 先 进通信技术和业务) 建立于1 9 9 5 年底，为u m t s ( 通用移动通信系统) 建议了 f r a m e s ( 未来无线宽带多址接人系统) 方案。同本于1 9 9 3 年在a i k i b 中建立研究 委员会进行3 g 的研究和丌发，并通过评估将c d m a 技术作为3 g 的主要选择。 日本运营商n t td o c o m o 在1 9 9 6 年推出了一套w c d m a 的实验系统方案，并得 到了当时世界上主要移动设备制造商的支持。1 9 9 8 年1 2 月成立的3 g p p ( 第三代伙 伴项目) 极大地推动了w c d m a 技术的发展，加快了w c d m a 的标准化进程，并 最终使w c d m a 技术成为l t u 批准的国际通信标准。w c d m a 标准在发展中形成 了r 9 9 ，r 4 ，r 5 ，r 6 ，r 7 等版本，其中r 9 9 ，r 4 ，r 5 版本己分别于1 9 9 9 年1 2 月，2 0 0 1 年3 月和2 0 0 2 年3 月推出，r 6 版本也于2 0 0 5 年1 2 月推出，r 7 版本仍在讨论中。 r 9 9 版本比较成熟，核心网仍然沿用了g s mm a p 标准，充分考虑了对现有g s m 网络的向下兼容及投资保护，目前的商业部署几乎全部采用r 9 9 。相比r 9 9 版本， r 4 版本无线接入部分只改动了一些接口协议的特性，相应功能得到增强，网络结 构没有改变。r 4 版本核心网部分改变比较大：由t d m 的中心节点交换型结构演 进为典型的a t m 分组语音分布式体系结构：网络采用开放式结构，业务逻辑与底 层承载相分离；u t r a n 与核。i i 网语音承载方式均由分组方式实现；语音采用统计 复用方式传递，实现网络带宽动态分配，避免t d m 扩容时需反复调配2 m b i t s 电 路的繁琐程序i j 引。 随着2 0 0 4 年全球w c d m a 市场大规模地启动，r 9 9 和r 4 版本的w c d m a 在数据 第一章引言 传输速率上的不足逐渐显露了出来。通常情况下，单个w c d m a 用户的下行传输 速率仅达至u 3 8 4 k b i t s ，和人们设想中的3 g 相差甚远。另一方面，近年来移动数据 业务快速发展也对移动网数据传输能力提出更高的要求，总之，单靠r 9 9 ，r 4 版本 的w c d m a 已经不能满足用户的需求。此外，来自c d m a 2 0 0 0 制式的增强型技术 l x e v 的压力也是w c d m a 增强型技术发展的一个驱动力。h s d p a 和h s u p a 正是在 这种形势下应运而生的。r 5 版本是全i p ( 或全分组化) 的第一个版本，引入了i p 传输作为a t m 外的第二种可选传输机制，并在无线部分引入了h s d p a ( 高速下行 分组接入) j 的概念，使下行链路可以支持高达1 0 m b i t s ( 理论峰值1 4 4 m b i t s ) 的传输速率；另外，其核心网增加了i m s ( i p 多媒体子系统) 。r 6 版本在2 0 0 5 年1 2 也已经正式发布，在网络架构方面没有太大的变更，无线接入部分主要引入了 h s u p a ( h i g hs p e e du p l i n kp a c k e t a c c e s s ) 的技术，并在2 0 0 6 年最终冻结。r 7 版本主 要继续r 6 未完成的标准和业务( 如多天线技术，包括多种m i m o 技术【4 2 1 ) 制定工 作，将考虑支持通过c s 域承载i m s 语音、通过p s i m s 域提供紧急服务、提供基于 无线局域网的i m s 语音与g s m 网络的电路域的互通、提供x d s l 和有限调制器等固 定接入方式。同时，引入正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o f d m ) 1 2 1 。 1 3w c d m a 的发展现状 w c d m a 是第三代移动通信技术中应用最为广泛的无线接入技术，拥有完善 的产业链，同时技术演进和快速发展的终端市场也促进了w c d m a 产业的发展。 从3 g 标准进展看，w c d m a 仍处于领先地位，截止2 0 0 8 年6 月全球用户数已经 突破2 5 亿。从发展区域看，w c d m a 发展热点正由亚太地区向欧洲转移，欧洲 用户数已超过亚太地区。 从w c d m a 版本的演进看，3 g p p 自r 5 开始重点对其下行( 基站到手机方向) 数据传输的性能进行改良，从而导致了高速下行分组接入( h s d p a ) 技术的产型4 1 1 。 h s d p a 的主要目标是提高用户峰值数据速率、小区吞吐量、服务质量，改善下行 分组数据业务的频谱效率。但是，在r 5 ，由于上行( 手机到基站方向) 数据传输 能力没有提升，上行方向上的容量和服务质量仍然存在限制，导致w c d m a 网络 难以开展许多新兴基于i p 分组网提供的高速多媒体业务，如上传图像数据、需要 快速响应模式的网络游戏等业务。 为突破这些限制，上行方向需要提高小区吞吐量和高速数据速率覆盖，同时 改善突发业务的服务质量，以提高无线资源利用率。因此，在r 6 的3 g p p 规范中， 高速上行分组接入( h s u p a ) 技术的引入就是为了实现以上这些目标。h s u p a 的 主要技术需求包括： 一4 w c d m a 系统物理层中信道估计和信干比估计的研究 业务方面：改善上行方向高速率数据传输的可用性，目标是获得更接近于 w l a n a d s l 的性能。为服务新兴数据业务( 如上行视频流、上传数据、网络游 戏等) ，h s u p a 可提供更高的上行数据速率和更低的时延。此外，作为下行h s d p a 增强技术1 在上行方向的对应技术，h s u p a 也是高速数据传输技术发展的演进方 案。 运营商方面：通过h s u p a ，运营商可以进一步改善上行i u b 传输资源、基带硬 件和无线资源的利用率，同时改善高数据速率和高小区数据吞吐量的覆盖范围。 标准化方面：h s d p a 在3 g p p 的r 5 中制订了下行规范，在r 6 中制订并完善 h s u p a 上行规范。图1 2 表明了h s u p a 的发展状况。 2 0 0 3 年 2 0 0 4 年 2 0 0 5 年 2 0 0 6 年 2 0 0 7 年 图1 2h s u p a 协议发展历样 综上所述，w c d m a 系统的整体演进方向为，网络向全i p 化发展，业务向多 样化、多媒体化和个性化方向发展，无线接口向高速率传输分组数据发展，小区 结构向多层次、多制式、重复覆盖方向发展，用户终端向支持多制式、多频段方 向发展。整个系统发展到今天已经成为一个巨大的无线网络系统【4 3 1 。整个系统涉 及到信息论、控制论、计算机科学、机械电子工程、软件工程、可靠性理论等多 种学科领域。信息论的奠基人s h a n n o n 早在1 9 7 3 年就i j 瞻性地认识到这一跨学科 研究的必要性。通信、控制和计算的集成将是网络化系统发展研究的个重要方 向1 4 4 1 。 1 4 本文研究的主要内容 目前，全球w c d m a 研究的焦点主要表现在服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ， 即通信速率、通信质量( 信噪比或误码率) 和时延的要求) 的不断提升、产业链 的越趋完善、网络建设的覆盖面积和业务的多样化、区域化。本文将主要从以下 几个方面出发对w c d m a 系统物理层进行研究： 第一章引言 5 一 1 ) 改善上行信道质量； 2 ) 有效控制系统干扰功率抬升； 3 ) 增强系统抗衰落性； 4 ) 提高系统容量： 5 ) 降低系统负荷。 w c d m a 物理层中主要的四个关键技术分别为：r a k e 接收技术、功率控制技 术、多用户检测技术和智能天线技术。本文主要针对w c d m a 物理层关键技术中 的r a k e 接收技术和功率控制技术进行较深入的分析研究，具体如下： r a k e 接收技术 r a k e 接收技术包括搜索出多径时延相位，然后在搜索出的径的相位做相关积 分解扩，并进行信道估计补偿将每条径的相位偏移旋转回去，最后将所有解调后 的多径进行合并1 1 6 1 。本文在传统的r a k e 接收机中，对业务信道的信道估计方法做 了一定改进，不仅利用到了未来时隙、当前时隙甚至历史时隙的导频部分信息， 而且还利用到了已经估计出来的非导频部分的信息。这样就利用了更多的信道信 息，因而能够较好地反映信道特性。仿真中通过增加滑动窗平均长度改善了信道 估计效果，因而相比现有其它方法能够在一定程度上克服在信道恶化的情况下信 道估计无法反映信道特性导致误判增加、性能变差的缺点。具体会在下面第三章 中详细展开。 功率控制技术 功率控制目的是在保证用户要求的服务质量( q o s ) 的前提下最大程度降低发 射功率，减少系统干扰从而增加系统容量。w c d m a 系统采用宽带扩频技术，是 一个同频白干扰系统，因此功率控制显得尤为重要。在内环功率控制中，随着 h s u p a 的引入，业务数据速率越来越高，链路的e c n 0 大大提高，传统的s i r 估 计算法【13 】在精确度和稳定性方面越来越引起人们的注意甚至怀疑。因此，人们提 出许多种方法来提高s i r 估计的精确度和稳定性，大体上可以分为两大类：一类 是从信道条件出发来改善用于s i r 估计的物理信道导频符号，从而提高s i r 估计 值的精确度，此类方法依赖信道参数的估计，并且在信道恶化时s i r 估计性能也 会变差【1 3 】；另一类是基于滤波的s i r 改进算法，此类方法复杂度较高一般不易实 现f 3 7 1 ，而且有时会影响系统功率控制的实时性。本文对w c d m a 内环功率控制进 行深入的研究，通过重新对系统基带信号进行建模分析，量化了径间干扰对于s i r 估计的影响。最终提出了种以消除径间干扰的方法来提高s i r 估计的精确度， 具体会在下面第四章中详细展开。 本文章节的具体内容安排如下： 第一章主要介绍了本文研究的技术背景和研究现状； 第二章主要介绍了w c d m a 物理层模型及物理信道的概述； 鱼w c d m a 系统物理层中信道估计和信干比估计的研究 第三章介绍了r a k e 接收原理及其关键技术多径搜索、频偏估计、信道 估计、分集合并技术，并针对业务信道提出了一种改善系统信道估计的方法： 第四章详细介绍了w c d m a 物理层的关键技术功率控制，主要对内环功率 控制中的s i r 估计算法进行了较深入的分析研究，提出了一种更加精确的s i r 估计 算法，并与传统算法进行了仿真对比研究，以及在d s p 芯片上的开发实现的对比研 究。 第二章w c d m a 物理层概述 第二章w c d m a 物理层概述 根据3 g p p 的协议规范，w c d m a 的无线接1 3 协议层分为三层【2 2 1 。如图2 1 所示，最底层是物理层，位于物理层( l 1 ) 之上的协议层称为数据链路层( l 2 ) 和网络层( l 3 ) 。在u t r af d d 无线接口中，数据链路层被划分为几个子层。在 控制平面上，数据链路层( l 2 ) 包含两个子层媒体接入控制( m a c ) 协议和 无线链路控制( r l c ) 协议：在用户平面上，除了m a c 和r l c 外，还存在两个 与特定业务有关的协议：分组数据会聚协议( p d c p ) 和广播组播控制协议( b m c ) 。 网络层( l 3 ) 由无线资源控制( i 汛c ) 和非接入层协议呼叫控制、移动性管理、 短消息业务管理等组成，非接入层协议对u t r a n 是透明的( 即u t r a n 对其信息 不进行任何处理) 。 层三 控 制 层二 测 量 层一 无线资源控制层( r r c ) 无线链路控制( r l c ) 数 搬 链，、t 、r 1 7 路 层 媒体接入挖制( m a c ) 二_) 物理层 图2 - 1 无线接口协议中与物理层相关的上层接口 物理层通过m a c 层的舆信道向上层提供各种数据传输业务，而传输数据本身 的属性决定了传输信道种类和如何传输；m a c 层通过逻辑信道向层二中的r l c 层提供业务，而发送数据本身的属性决定了逻辑信道的种类；最后，物理信道的 种类由物理层来定义。物理信道中传输的各种信息体现了信息在无线接口传输时 的最终形式。每一种使用特定的载波频率、码( 扩频码和扰码) 以及载波相对相 位( i q ) 的信道都可以理解为一类物理信道。u t r a 无线接口中存在两种双工模 式：f d d 和t d d 。在f d d 模式下，物理信道通过其使用的码字、载波频率和上 行链路的载波相对相位( i q ) 来区分；在t d d 模式下，物理信道除了通过其使用 的码字、载波频率和上行链路的载波相对相位( i q ) 之外，还可以通过时隙来区 分。物理信道由r r c 层进行管理【2 2 1 。 物理层为了能够向上层提供数据传输业务，必须实现以下1 5 个功能【2 8 l ： ( 1 ) 宏分集的分配结合和执行软切换； 苎 w c d m a 系统物理层中信道估计和信干比估计的研究 ( 2 ) 在传输信道上纠错并向上层汇报： ( 3 ) 在传输信道上进行前向纠错的编码和译码： ( 4 ) 传输信道和复用和编码组合传输信道的解复用； ( 5 ) 编码传输信道到物理信道的速率匹配； ( 6 ) 编码组合传输信道到物理信道的映射； ( 7 ) 物理信道的功率加权和组合； ( 8 ) 物理信道上的调制和扩频解调和解扩； ( 9 ) 频率和时间( 码片、比特、时隙、帧) 同步； ( 1 0 ) 无线传播特征测量，如误块率( b l o c ke r r o rr a t e 。b l e r ) 、信干比 ( s i g n a l t o i n t e r f e r e n c er a t i o ，s i r ) 、干扰功率等，并向上层汇报； ( 11 ) 内环功率控制； ( 1 2 ) 射频处理； ( 1 3 ) 同步偏移控制： ( 1 4 ) 波束赋形； ( 1 5 ) 高速下行共享信道( h s d s c h ) 和增强型专用信道( e d c h ) 上的软合并 混合自动重传( h a r q ) 。 因此，r a k e 接收技术与功率控制技术等作为物理层的关键技术，得到了人 们的广泛重视研究。而要研究w c d m a 中物理层关键技术，首先要了解3 g p p 上 下行物理层的信道结构。物理信道分为专用物理信道和公共物理信道1 2 6 1 。根据本 文的研究内容，下面主要对专用物理信道做详细介绍。 2 1w c d m a 上行物理信道概述 上行专用物理信道一共可分为5 种，上行专用物理数据信道( u p l i n kd p d c h ) ， 上行专用物理控制信道( u p l i n kd p c c h ) ，上行增强的专用物理数据信道( u p l i n k e - d p d c h ) ，上行增强的专用物理控制信道( u p l i n ke - d p c c h ) ，与下行高速物理 共享信道h s d s c h 关联的上行专用物理控制信道( u p l i n kh s d p c c h ) 。在这里 不对上行h s d p c c h 做介绍。 2 1 1 上行d p c c h 和d p d c h 在3 g p pr 9 9 中有两种上行专用物理信道，上行专用物理数据信道( 上行 d p d c h ) 和上行专用物理控制信道( 上行d p c c h ) 0 8 】。 图2 2 描述了上行链路专用物理信道d p c c h 和d p d c h 的扩频，复用和加扰 模型。用于扩频的二进制d p c c h 和d p d c h 信道用实数序列表示，也就是说二 进制的”o ”映射为实数+ l ，二进制的”1 ”映射为实数- l 。d p c c h 信道通过信道码c c 第二章w c d m a 物理层概述 9 一 扩频到指定的码片速率，第n 个d p d c h 信道d p d c h n 通过信道码c d ，1 1 扩频到 指定的码片速率，d p d c h 可以采用多码同时发射，最多支持6 路d p d c h 同时传 输，也就是在3 g p pr 9 9 中有两种上行专用物理信道，上行专用物理数据信道( 上 行d p d c h ) 和上行专用物理控制信道( 上行d p c c h ) 。 c d 1p d d p d p d p d p d p d p d p 图2 - 2 上行链路专j l j 物理信道d p c c h d p d c h 扩频 扩频之后，实数值的扩频信号进行功率加权处理，对d p c c h 信道用增益因子 1 3 。进行加权处理，对d p d c h 信道用增益因子1 3 d 进行加权处理。如图2 2 所示， d p c c h 信道映射到q 路传输，如果只有单路d p d c h 信道，映射到i 路传输。 加权处理后，i 路和q 路的实数值码流相加成为复数值的码流，复数值的信号 再通过复数值的s t l p e h 巾码进行加扰，扰码和无线帧对应，也就是说扰码的第一个码 片对应无线帧的开始。以上便是3 g p pr 9 9 整个上行专用物理信道模型。 上行d p d c h 用于承载以d c h 专用信道的数据信息。每条无线链路可以有0 ，l ， 或者多个d p d c h 信道。上行d p c c h 用于承载第一层产生的控制信息。第一层的 控制信息由用于信道估计的已知导频比特，传输功率控制命令，反馈信息和可选 的传输格式组合指示。传输格式组合指示会告诉接收机此时传输信道映射到上行 d p d c h 信道无线帧的传输格式组合。一条无线链路有且只有一个d p c c h 信道。 w c d m a 系统物理层中信道估计和信干比估计的研究 如图2 3 所示，上行d p c c h d p d c h 帧结构中，每个无线帧长1 0 m s ，每个无 线帧又可分为5 个子帧，每个子帧有3 个时隙，每个时隙长为2 5 6 0 码片。功率控 制的周期即为一个无线帧长。上行d p c c h 和d p d c h 是同时并行传输的。d p d c h 的时隙格式和d p c c h 的时隙格式如表2 1 和表2 2 所示。如表2 3 所示，导频比 特是固定且本地已知的。 一4d t i o = 2 5 6 0c h i p s ，n 抽= 1 0 2 。b i t s ( k ：o 一6 ) p i l o t l t f c i f b iit p c n d i i o lb i t sln t f c lb i t s n 朋ib i t s i n t p cb i t s 1 - ( r p 幸仍) ( 3 - 6 ) 式( 3 4 ) 和( 3 5 ) 实际就是在进行信道补偿，关键是求每个多径的信道估计参数 c o s 巳和s i n 巳。 如章节2 1 1 所述，导频是本地已知的且是固定的，因此信道估计采用对 第三章w c d m a 系统r a k e 接收机中的信道估计 型 d p c c h 的插入导频求信道参数的方法，信道估计参数的算法采用与本地导频符号 相关积分的方法。具体为，对于第p 条多径接收到的导频符号s ：帆p 与本地导频符 号见进行相关积分，因d ：= 1 ，则有： s 赢，j 口木皿= b 宰皿2 木( s i n9 p + j c o s 0 ) = b ( s i n o p + 木c o s 巳) ( 3 7 ) 即可得信道参数，赢p 和鳞砌，其中r p 用于最大比合并的合并系数： 毋j i p , 叫= r p * s i n 0 , ： ( 3 - 8 ) 3 2 2 信道估计算法 ( 1 ) 单时隙平均方法 单时隙平均方法对每个时隙的导频估计值进行平均，得到该时隙的导频估计 值。由于采用的导频符号较少，无法有效滤除噪声的影响，因此不论是在低速还 是高速移动环境下性能都比较差。 ( 2 ) 滤波方法 w i e n e r 滤波方法，这是理论上最优的方法，但需要己知接收信号的二阶统计量， 在实际中由于通信信号的随机性，不可能已知这些信息，所以难以实现【3 7 1 。 k a l m a n 滤波方法，这是一种跟踪预测信道估计算法，需要数据反馈，因而需 要改变接收机结构，并且一旦出现错误，错误的估计将持续到下一个导频符号， 在高速移动环境下性能仍然较差，因而效果并不理想1 3 7 1 。 ( 3 ) 数学插值方法 利用各个时隙的导频比特估计值，通过插值得到非导频比特的估计值。该方 法分为线形插值和非线形插值两种。但时隙内的插值方法不能有效地应用于高速 信道。 ( 4 ) w m s a 方法 w m s a 即多时隙加权平均方法，这是目前较好的方法之一，该算法对多个时 隙的导频值采用对称加权的方法，给出导频符号间的信道估计值。其估计过程如 下：1 ) 利用单时隙平均的信道估计方法得到各个时隙的信道估计值；2 ) 将多个 时隙的估计值加权组合，得到当前时隙的信道估计值。由于多个时隙间进行加权 平均，有效地滤除了噪声的影响。该算法在实现上较为容易，但当移动台达到一 定速度时，很难做出正确的估计。 ( 5 ) 多时隙线形非线形插值算法 通过对时隙间的导频估计值进行线形或非线形插值可以提高信道估计的精 度，是性能较好的方法之一。其估计过程如下：先通过多时隙加权平均( w m s a ) 得到各时隙的信道估计值，然后利用当前时隙和下个时隙的信道估计值进行线形 一2 2 w c d m a 系统物理层中信道估计和信干比估计的研究 内插，得到当前时隙各符号对应的信道估计值。因为采用线形插值得到了时隙内 各符号对应的信道估计值，因此在信道恶化时，该方法的性能比多时隙加权平均 方法有所提高1 3 4 1 。但当用户终端移动速度较高时，传统线形插值算法的信道估计 性能会有降低，而非线形插值算法的运算复杂度要比线形插值方法高很多。 3 2 3 信道估计算法改进 为了克服以上信道估计算法的不足，本章采用的信道估计方法不仅利用到了 d p c c h 信道未来时隙、当前时隙甚至历史时隙的导频部分信息，而且还利用到了 已经估计出来的非导频部分的信息，具体如图3 4 所示。 图3 4 信道估计框图 第一步，对输入r a k e 接收机的宽带扩频信号进行解扰解扩； 第二步，根据已知的时隙格式从d p c c h 的当前和未来一个时隙内提取出导频 符号，并对导频符号进行解相关运算得到各导频符号的初始信道估计值； 第三步，用第二步中导频符号信道估计值的算术平均值作为当前非导频符号 的初始信道估计值，并对当前非导频符号进行补偿； 第四步，对所有多径当前符号补偿后的值做最大比合并，对合并后的结果再 做硬判决，这样就得到当前非导频符号的虚拟的理想非导频。 第五步，用该虚拟值对当前接收符号非导频符号做解相关运算，就得到当前 非导频符号的最终信道估计值； 第六步，用滑动窗平均( 一般为2 2 个符号) 的方法输出信道估计值作为窗口 中间位置时刻的d p d c h 信道符号的信道估计值。 综上所述，本章对d p d c h 信道采用n o n c a u s a l ( 非因果) 信道估计方法，即 利用前后时间的d p c c h 的所有符号( 导频和非导频符号) 的信道估计值来补偿 d p d c h 信道信息。信道补偿在时间上的分辨率( 即多长时间段内用同一个补偿值) 为2 个d p c c h 符号。根据性能需求和存储空间的限制，可能会修改补偿分辨率。 第三章w c d m a 系统r a k e 接收机中的信道估计 丝 对于d p c c h 信道，为了及时解k l t p c 、t f c i 、f b i p 9 1 ，本章采取c a u s a l ( 因果) 信道估计方法，如图3 5 所示。 s 1 0 tn - - 3 s l o tn - - 2 s l o tn 一1s 1 0 t1 3 图3 5d p c c h 信道估计 本章分别对d p c c h 信道2 2 个符号和3 0 个符号的信道估计平均值做为d p d c h 信道的信道估计值进行了仿真，并在用户终端不同的移动速率下进行了对比研究。 当平均长度为2 2 个符号时，对于开始时隙和结尾时隙的d p d c h 信道估计可以 利用d p c c h 前2 2 个符号的平均值作为d p d c h 前面1 2 个符号的信道估计值， d p c c h 后面2 2 个符号的平均值作为d p d c h 后面1 2 个符号的信道估计值，如图3 6 所示。 图3 62 2 符号的d p d c h 信道估计 当平均长度为3 0 个符号时，对于开始时隙和结尾时隙的d p d c h 信道估计可以 利用d p c c h 前3 0 个符号的平均值作为d p d c h 前面1 6 个符号的信道估计值， d p c c h 后面3 0 个符号的平均值作为d p d c h 后面1 6 个符号的信道估计值，如图3 7 所示。 一2 4 w c d m a 系统物理层中信道估计和信干比估计的研究 图3 73 0 符号的d p d c h 信道估计 仿真中用信道估计补偿后的信道符号的相位变化量与幅度的比值来反映信道 估计的好坏，其值越小说明信道估计效果越好。仿真结果如图3 9 到3 1 4 所示，并 说明如下： 仿真中分别对7 8 0 0 时隙的数据进行了瑞利衰落下【5 】无噪和加噪的仿真； 分别在用户终端移动速率为【03 06 01 2 01 8 02 5 03 5 04 5 05 0 0 进行了仿真； 相位变化量骗度舭值c 当相位变化量孙时可删，表示为智， 如图3 8 所示； 仿真中相位变化量与幅度的比值的波动范围：设相位变化量与幅度的比值 的均值为，方差为仃2 ，则其波动范围为3 盯 j 图3 8 原始信号和解扩后信号相位星座图 第三章w c d m a 系统r a k e 接收机中的信道估计 ( 1 ) 平均长度为2 2 个符号的d p d c h 信道估计 o 1 “2 。3 鬻日毒罂日f 挈7 ”“ 幽，母2 2 符号信道估计小同速率r 相忙变化蚰j ，幅度的比值随时隙的变化 、口n o 诬 14 12 1 趔 嚣” 赛。 删 睾 髫o 4 罂0 2 0 ，02 ：l + 波动范围 l 均值 ， 。t ， ， _ 西， f o ”o 1 动彀毒5 肇矗气矗”4 ”4 ”5 ” 幽3 1 02 2 符号信道估计f 不同进度r 相付变化量与幅度比值的均值及其波动 他 ， 明 蛇 。 理丑毯警虾删芊制掣目丰 w c d m a 系统物理层中信道估计和信干比估计的研究 a d dn o i s e l ；端范围l + j 中 l ， k j ， ， 一 + ； 0 o 1 。狮锦毒翟时管”7 “”o | 堇1 3 - 】23 0 符号信道估计不同建率下相位变化量与幅度的比值随时嗽的变化 明 叭 蛇 。 犁茧趟馨虾埘竿制牮轷 幢 ， ：詈 吡 捌丑蜊馨奸删草制掣且丰 一2 8 w c d m a 系统物理层中信道估计和信干比估计的研究 由仿真结果容易看出，通过增加滑动窗平均长度在一定程度上会克服在信道恶 化的情况下信道估计无法反映信道特性导致误判增加、性能变差的缺点，改善了 信道估计效果，从而对系统性能有一定增益。经实测通过增加滑动窗平均长度的 方法可提高系统灵敏度1 2 1 1 0 1 0 2 d b 。具体其优点可概括如下： 1 ) 利用了更多的信道信息： 2 ) 能更好地反映信道特性； 3 ) 实现方法简单灵活。 第四章w c d m a 系统功率控制中的信干比估计 第四章w c d m a 系统功率控制中的信干比估计 在所有的无线通信系统中，把存在的干扰保持在尽可能低的电平很重要。过多 干扰会降低通信质量，甚至在最坏的情况下，会中断一个正在进行的通信。有若 干种方法来设法控制干扰，功率控制是对付它的重要手段之一【7 1 。功率控制也正是 w c d m a 系统的关键技术之一。 w c d m a 系统采用宽带扩频技术，所有信号共享相同频谱，每个移动台的信 号能量被分配在整个频带范围内，这