（通信与信息系统专业论文）wcdma系统上行链路仿真及信道多径参数估计.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 f 本文研究了w c d m a 系统中上行链路的仿真及信道多径参数估计问 题。这些参数包括多径信号到达角( d o a ) ，多径时延和信号衰落因子( 多 径信号幅度) 。文中详细介绍了仿真系统中的各个模块以及基于阵列信号 处理的信道多径参数估计技术和方法，给出了具有实际应用价值的算法， 并用计算机仿真实验验证了有关算法和主要结论。体文的研究工作主要 有以下几个方面： 1 信道多径参数估计算法的研究和软件实现， 在估计多径参数时，首先使用码滤波方法估计出信号的多径时延。 利用估计得到的多径时延，来估出多径信号到达角( d o a ) 和信号衰落 因子( 多径信号幅度) 。此外，我们还使用了w m s a ( w e i g h t e d m u l t i s l o t a v e r a g i n g ) 、时延跟踪等技术来提高多径参数的估计精度，从而使整个系 统的性能得到一定程度的改善。 2 仿真系统的建立 本仿真系统是在m a t l a b 下面的s i m u l i n k 中搭建的。它主要由 两大功能部分构成：e s td e l a y 和e s td a t a 。系统模拟了从信号的产生，在 空间信道中的传输，天线的接收，到最后恢复出信号源的整个过程。在 s i m u l i n k 中，整个系统实现了模块化，一目了然，便于操作和修改。 3 w c d m a 系统上行链路的仿真实验 利用计算机模拟产生信号源，经过编码、调制，形成发射信号。信 号通过模拟的传输信道，在接收端被阵列天线接收。对接收到的信号进 行处理，估计信号的多径参数，最后利用估计得到的多径参数，恢复出 信号源，并统计出误块率和误码率。 室 关键词：w c d m a 系统，一多径参数估计i 阵列信号处理；误块率，误码 型! ! 坚垒墨堑圭堡箜壁堕塞墨堡望童堡叁墼堡生 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，s i m u l a t i o n o fu p l i n ka n d e s t i m a t i n g c h a n n e l m u l t i p a t hp a r a m e t e r s i nw c d m a s y s t e m a r e d e v e l o p e d ，t h e s e p a r a m e t e r si n c l u d em u l t i p a t hd o a ( d i r e c t i o no fa r r i v a l ) ，m u l t i p a t h d e l a y s a n d m u l t i p a t ha m p l i t u d e s e v e r y m o d u l e su s e di nt h e s i m u l a t i o n s y s t e m a r e d e s c r i b e d ，t h e m u l t i p a t hp a r a m e t e r e s t i m a t i o n a l g o r i t h m s a n d t e c h n i q u e s b a s e do n a r r a ys i g n a l p r o c e s s i n ga r e s t u d i e di nd e t a i la sw e l l s o m ea l g o r i t h m sw i t h p r a c t i c a lv a l u e sa r ei n t r o d u c e da n d t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t s v e r i f y i n gt h ec o n c l u s i o n sa r ea l s op r e s e n t e d t h em a i nr e s e a r c h i n g w o r ki nt h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s 1 。t h er e s e a r c ho fm u l t i p a t hp a r a m e t e re s t i m a t i o na l g o r i t h m sa n d a c c o m p l i s h i n g t h e mw i t hs o f t w a r e t oe s t i m a t e m u l t i p a t hp a r a m e t e r s ，m u l t i p a t hd e l a y s m u s tb e e s t i m a t e db yc o d ef i l t e r i n gi na d v a n c e t h e nm u l t i p a t hd o a sa n d a m p l i t u d e sc a nb ee s t i m a t e db yu s i n gm u l t i p a t hd e l a y s b e s i d e s ， w m s aa n dd e l a y t r a c i n gt e c h n i q u e s a r eu s e dt o i m p r o v e t h e p r e c i s i o n o fp a r a m e t e re s t i m a t i o na n dt h e p e r f o r m a n c e o ft h e w h o l es y s t e mi si m p r o v e di ns o m ed e g r e ea c c o r d i n g l y 2 t h ee s t a b l i s h m e n to fs i m u l a t i o ns y s t e m t h es i m u l a t i o ns y s t e mi sb a s e do ns i m u l i n ki nm a t l a b ，i t 电子科技大学硕士论文 i s c o m p o s e do ft w op a r t s “e s td e l a y a n de s td a t a ”t h e s y s t e m s i m u l a t e st h ew h o l ec o u r s ef r o mt h es i g n a lg e n e r a t i n g ，t r a n s m i t t i n g i nt h ec h a n n e l ，b e i n gr e c e i v e db ya n t e n n a st ot h es i g n a lr e b u i l d i n g t h ew h o l es y s t e mi sm o d u l a r i z e di ns i m u l i n ks ot h a ti tc a nb e o p e r a t e da n dm o d i f i e de a s i l y 3 s i m u l a t i o ne x p e r i m e n to nu p l i n ki nw c d m a s y s t e m s i g n a l s o u r c ei s g e n e r a t e db yt h ec o m p u t e r ，t h e ni t i s c o d e d ， m o d u l a t e da n da tl a s tf o r m e dt r a n s m i t t e d s i g n a l t h r o u g h t h e c h a n n e l ，t h es i g n a l i sr e c e i v e d b ya r r a y a n t e n n a sa n dm u l t i p a t h p a r a m e t e r s c a nb ee s t i m a t e d b yw h i c ht h es i g n a l s o u r c ec a nb e r e b u i l t a tl a s t ，b l e r ( b i o c ke r r o rr a t e ) a n d b e r ( b i te r r o rr a t e ) c a nb ew o r k e do u t k e yw o r d s ：w c d m as y s t e m ，m u l t i p a t hp a r a m e t e re s t i m a t i o n ， a r r a ys i g n a lp r o c e s s i n g ，b l e r ，b e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 盏盔 日期：如 年s 月多曰 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：二牡导师签名：咝 日期：弘舀；年s 月占日 w c d m a 系统上行链路仿真及信道多径参数估计 第一章绪论 1 1第三代移动通信系统的发展历程 第三代移动通信系统i m t 一2 0 0 0 是国际电信联盟( i t u ) 在19 8 5 年 提出的工作在2 0 0 0 m h z 频段的移动通信系统，当时称为陆地移动通信系 统，即：f p l m t s 。1 9 9 6 年正式更名为i m p 2 0 0 0 。1 9 9 2 年世界无线电大 会也为i m t 一2 0 0 0 分配了2 3 0 m h z 的频段。从1 9 9 6 年开始，第三代移动 通信的研究逐渐成为移动通信领域的研究热点，各国对第三代移动通信 的研究都进入了实质性的阶段，特别是i t u 在1 9 9 7 年4 月向全世界发出 了征集i m p 2 0 0 0 无线传输技术规范的通函，并制订了详细的1 m t - 2 0 0 0 i u t 步骤和时间表。按照i t u 的原有时间表，1 9 9 9 年3 月将完成第三代 移动通信标准i m p 2 0 0 0 的选定，1 9 9 9 年底完成i m p 2 0 0 0 的无线技术规 范，2 0 0 0 年完成包括上层协议在内的完整的标准制订工作。所以 i m t 一2 0 0 0 的工作已经到了最关键的时期。由于移动通信在未来的信息产 业中占有举足轻重的地位，发达国家的政府部门及电信运营商和制造商 都不遗余力，积极参与有关第三代移动通信标准制订及其科研开发工作， 以期在未来的竞争中占据有利地位。 第三代移动通信系统要将各种业务结合起来，用一个单一的全功能 的网络来实现，与现有的第一代和第二代移动通信系统相比，其主要特 点可以概括为： 。全球普及和全球无缝漫游的系统：第二代移动通信系统一般为区 域或国家标准，而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使 用的系统。它将使用共同的频段，全球统一的标准。 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持i n t e r n e t 业务：现有的 移动通信系统主要以提供话音业务为主，随着发展，一般也仅提供1 0 0 2 0 0 k b i t s 的数据业务，g s m 演进到最高阶段的速率能力为3 8 4 k b i t s 。而 电子科技大学硕士论文 第三代移动通信系统的业务能力将比第二代有明显的改进。它应能支持 从话音到分组数据到多媒体业务；应能根据需要，提供宽带。i t u 规定 的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中，必须满足以下三种，即： i 快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b i t s ； i i 室外到室内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b i t s ； i i i 室内环境，最高速率达2 m b i t s 。 便于过渡，演迸：由于第三代移动通信引入时，第二代网络以具 有相当规模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵 活演进而成，并应与固定网兼容。 高频谱效率。 高服务质量。 低成本。 高保密性。 同时，还要将综合宽带网的业务尽量延伸到移动的环境中，能够传 达高达2 m b i t s 的高质量图像，真正实现“任何人，在任何地点，任何时 间与任何人”都能便利地通信。 1 2第三代移动通信系统的传输技术 目前，国际上最具竞争力的第三代移动通信系统无线传输技术主要 有三种：即日本和欧洲一些厂家提出的w c d m a 技术；北美提出的基于 i s - 9 5 c d m a 系统的c d m a 2 0 0 0 技术；我国提出的具有自己知识产权的 t d s c d m a 系统。下面对这三种系统做简要介绍。 ( 1 ) w c d m a 技术 该技术主要由诺基亚，爱立信等欧洲公司提出。日本则是与1 9 9 4 年 开始i m t - 2 0 0 0 无线传输技术的研究，在对国内征集到的无线传输方案进 行了两轮筛选的基础上，最后确定将n t t d o c o m o 公司的w c d m a 综合 f d d t d d 方式作为日本的方案。后来，这几家公司达成一致协议，将各 自的w c d m a 技术进行融合，最终形成了现在的技术。它的主要关键技 术是建立在窄带c d m a 的基础上的，但从技术改进的角度在原有的基础 2 w c d m a 系统上行链路仿真及信道多径参数估计 上又前进了一步。它的主要技术特点有： 可适应多种速率的传输，灵活地提供多种业务； b t s 之间无需同步： 优化的分组数据传输方式； 支持不同载频之间的切换； 上，下行快速功率控制： 反向采用导频辅助的相干检测； ( 2 ) c d m a 2 0 0 0 技术 它是由北美的l u c e n t ，m o t o r o l a ，n o t e l ，q u a l c o m 公司以及韩国 s a m s u n g 等公司联合提出的基于i s 一9 5 的侯选系统。因为在北美和韩国， i s 一9 5 c d m a 系统正走向大规模商用，考虑其大量的用户和系统设备，为 能与其充分地后向兼容，故提出了c d m a 2 0 0 0 的概念。它沿用了i s 9 5 的 主要技术和基本技术思路，如帧长为2 0 m s ，采用i s 一9 5 的软切换和功率 控制技术，需要g p s 同步等。但也做了些实质的改进，主要有： 反向信道采用连续导频方式； 反向信道相干接收； 前向发送分集； 全部速率采用c r c 方式； 由于北美地区的第二代系统尚为完全铺开，而且第二代系统本身已 经能够满足相当长时间用户对数据业务的要求，所以最初参加c d m a 2 0 0 0 开发研制的公司对1 m t - 2 0 0 0 技术的研究并不是十分紧迫，但是目前他们 已经意识到抓紧研究步伐的必要性。为了与i s 9 5 反向兼容，c d m a 2 0 0 0 在前向信道上有两种实现方式，种是多载波方式，一种是直接扩频方 式。虽然c d m a 2 0 0 0 在试验系统方面稍微落后了一些，但凭借在i s 9 5 方 面的经验，估计有可能会很快拿出较成熟的试验系统。 ( 3 ) t d - s c d m a 技术 它是由中国信息产业部电信科学技术研究所提出。它能满足未来第 三代移动通信系统的要求，在室内，室外环境下进行话音，传真及各种 数据业务a t d s c d m a 中使用了直接序列扩频的码分多址，它的传输带 电子科技大学硕士论文 宽为1 6 m h z ，码片速率为1 2 8 m c h i p s 。t d s c d m a 采用了时分双工 ( t d d ) 的方式，因而前向和逆向链路可以使用相同的无线频率的同步 时间间隔，前向和逆向链路的信息在物理信道的不同时隙相互发送。t d d 系统在满足i m t 一2 0 0 0 要求的前提下，同时具有如下特点： t d d 能使用各种频率资源，不需要成对的频率； t d d 适用于不对称的上下行数据产生速率，特别适用于1 p 型的数 据业务； t d d 上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便于使用 诸如智能天线等新技术，达到提高性能，降低成本的目的； t d d 系统设备成本较低，将可能比f d d 系统低2 0 5 0 。 1 3阵列天线中的信道多径参数估计 移动信道的多径参数通常是指信号多径的到达方向( d o a ) ，相对传 播时延，及信号幅度( 衰落因子) 。估计出这些多径参数后，不论是对实 现阵列天线的智能化接收还是智能化发射都十分有用的，并且还可以实 现一些其它的功能。 估计出各用户的所有多径d o a 后，可在同一用户的多径方向形成接 收波束，减小共信道干扰c c i ( c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 。由于通常认为 多径d o a 是慢变化的，因此在下行链路时。可在这些多径方向形成发射 波束，减小对其它移动用户的c c i 。可以看出，阵列天线中的数字波束 形成d b f 技术应是在估计出用户多径d o a 基础上进行的，并以此确定 发射和接收波束的指向。 在未来的移动通信系统中，对移动用户的信源定位是十分有意义的。 这样除了可以实现一些先进的切换技术外，还可使用户享受很多有意义 的服务。在多径环境中，基于基站的信源定位除了需估计多径的d o a 外， 还需估计各多径的相对时延。并且通常认为时延最短的多径是移动用户 的直达波。时延估计对阵列天线的智能化发射是十分有用的。在较短的 时间内，通常认为t d d ( 时分双工) 系统上、下行链路具有互易性，通 过用上行链路估计的相对时延值，对需进行发射的各径信号事先进行时 t w c d m a 系统上行链路仿真及信道多径参数估计 延补偿，使各径信号几乎同时到达移动用户，这对利用单天线接收的移 动用户而言，可明显地减小接收信号的时延扩展，降低符号间干扰i s i ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。提高数据传输速率。通过估计多径时延，还 可分辨出具有相同d o a ，但时延不同的多条多径。 在c d m a 系统中使用阵列天线，二维r a k e 接收机一直是十分有效 的处理技术，而进行r a k e 接收的第一步是在各多径方向形成接收波束， 然后对每个波束的接收信号在时间上进行相关处理。可以看出，多径的 d o a 和时延估计是进行二维r a k e 接收的基础。 多径信号的幅度估计在阵列天线中也是十分重要的。由于基站阵天 线阵元数是有限的，可形成的接收或发射波束数也有限，在估计同一用 户所有多径信号的幅度后，可按幅度大小进行取舍，在幅度较大的多径 方向形成波束，提高接受或发射效率。另外，若在c d m a 系统中采用 r a k e 接收机，需要多径的幅度因子( 包括幅度和相位) 进行匹配滤波， 以实现最大信噪比接收。 在c d m a 系统中，除了可以利用阵天线接收信号的空间信息外，还 可利用移动用户的扩频码，因此在c d m a 中进行多径参数估计时，可资 利用的信息资源更丰富。除了可估计多径d o a 和时延外，还可估计多径 的衰落因子。由于在直接序列扩频c d m a 中，每个移动用户有唯一的扩 频码，利用不同用户扩频码间的正交性，可识别出不同用户的多径信号， 然后用空时处理估计出多径参数。 1 4本文的主要工作和章节安排 第一章绪论。 第二章介绍了移动通信中的多径信道模型。在该章中首先简要介绍 了移动信道的多径传播特性和多径衰落引起的时延扩展，多普勒扩展及 d o a 扩展等效应。接着介绍了人们提出的几种多径空间信道模型，其中 瑞利模型得到广泛使用。 第三章介绍了在后面的实验中所用到的移动通信中的几种关键技 电子科技大学硕士论文 术，包括卷积编码、交织编码、w a l s h 编码、r a k e 接收。 第四章介绍了上行链路仿真的理论基础。并以1 2 。2 k 语言业务为例， 对采用单天线接收信号的原理进行阐述，并在此基础上介绍了采用阵列 天线接收信号与参数估计技术。 第五章介绍了仿真软件的体系结构，使大家对整个仿真系统的运行 原理有了一定的了解。 第六章介绍了仿真系统的构成，并详细介绍了数据产生模块l i n k l 、 多径捕获模块u p l l n k 4 4 、r a k e 接收模块u p l i n k 4 和解码模块l i n k 2 中各部分的原理及其所实现的功能。 第七章介绍了仿真系统进行实验的条件，分析实验结果以及几个重 要参数对实验结果的影响。 最后给出了本文总结，对全文做了简要的回顾。 w c d m a 系统上行链路仿真及信道多径参数估计 第二章移动通信中的多径信道模型 2 1移动信道的多径传播特性 无线信号在传播过程中通过不同的路径到达接收天线，称为多径。 不论是上行链路( r e v e r s el i n k s ，移动台发射，基站接收) ，还是下行链路 ( f o r w a r dl i n k s ，基站发射，移动台接收) ，无线信号在传播过程中都会 产生多径。这些多径是由于在移动环境中的各种物体( 比如建筑物、山 丘、行人、车辆等) 使传播信号发生散射，反射，折射和衍射而引起的。 另外，无线信号在传播过程中，还有传播损耗和受地势与环境引起的衰 落( f a d i n g ) ，使得接收端的信号比发射信号弱得多，并且其幅度还是起 伏的。下面对这些问题作简要讨论。 2 1 1 传播路径 在移动信道中，电波传播方式除了直射波和地面反射波之外，还需 要考虑传播路径中各种障碍物所引起的散射波。设直射波的传播距离为 d ，地面反射波的传播距离为d ，散射波的传播距离为d ，。移动台接收信 号的场强由上述三种电波的矢量合成。为分析简便，假设反射系数r ；一1 ( 镜面反射) ，则合成场强为： e = e o ( 1 一口i e l 2 圳”一口2 e - 1 2 姒7 2 ) ( 2 一1 ) 式中，& 是直射波场强，丑是工作波长，q 和口：分别是地面反射波和散 射波相对于直射波的衰减系数，而 a d ，= d i da d ，= d 2 一d 在实际移动信道中，散射体很多，所以接收信号是由多个电波合成 的。 电子科技大学硕士论文 2 1 2 传播损耗 无线电波在理想的自由空间传播时，其功率是按传播距离的倒数平 方律关系变化的，为： 弘只( 刍) 2 g ，g ， ( n _ z ， 式中p ，p ，分别为接收和发射功率，g ，g ，分别为发射天线和接 收天线增益，d 是传播距离，旯是波长。 在蜂窝移动通信环境中，由于受各种反射多径的严重影响，( 2 - 2 ) 可写为： 只= # ( 等) 2 g 一( 2 - 3 ) 式中h ，h ，分别为接收和发射天线的高度。上式说明接收功率与传 播距离的4 次方成反比，实际应用中，根据不同的环境，与d 的2 5 - - 5 次方成反比。 2 1 3 多径衰落 衰落是指接收信号的幅度随传播距离变化起伏，并且还是随时间变 化的。衰落因子a ( 0 按产生衰落的原因不同而分成两部分，慢衰落口，( ，) 和 快衰落口，( ，) ，所以 口o ) 2 口，( f ) 口，( r ) ( 2 - 4 ) ( 1 ) 慢衰落 慢衰落也称长期衰落，是由移动通信环境中较远的建筑物或自然地 势引起的。实验研究表明，慢衰落的分布受天线高度，工作频率，尤其 是环境的影响。 ( 2 ) 快衰落 快衰落也称短期衰落，指接收信号电平随距离变化快速起伏，它是 由移动台附近( 约几十米) 的物体对传播信号产生的散射引起的。如果 认为在接收天线环境中，有大量的具有随机幅度和相位的散射多径，则 w c d m a 系统上行链路仿真及信遭多径参数估计 快衰落按接收信号包络呈瑞利分布。 ( 3 ) 多普勒扩展 如果移动用户在运动，则会产生多普勒频移，由于信道快衰落臼影 响，会使多普勒频谱展宽，造成多普勒扩展。设发射信号为载频为：的 单频信号，则接收信号的功率谱为： k 舻1 靠i s - 2 x 4 ，, f 工m ( 2 - 5 ) ，2 一( 一，) 2 。 式中，叮2 是接收信号的平均功率，五，= v 五是最大多普勒颏移。可以看 出，发射信号是一单频信号，由于多径快衰落，接收信号的功率谱是关 于工对称的一个马鞍型谱，称为多普勒扩展。如果用户不动( v = 0 ) ，则 无多普勒扩展。 多普勒扩展也称时间选择性衰落。 ( 4 ) 时延扩展 从信号的发射端到接收端，由于各条多径所经过的路径长度不同， 使得各径信号的时延不同，在接收端将这些不同时延的信号加在一起， 接收信号便产生时延扩展。时延扩展使接收到的符号码在时间上部分重 叠，造成码间串扰i s i 。 时延扩展通常由慢衰落弓 起，也穆为频率选择性衰落。 ( 5 ) d o a 扩展 由于接收天线周围存在各种散射体，使得到达信号的d o a 不再是一 角度值，而是一角度范围醴，a 称为d o a 扩展。 2 ，2多径的空间信道模型 多径的信道模型是进行阵列天线研究和设计的基础。在采用阵列天 线时，除了考虑接收信号的幅度和衰落分布等因素外，信道模型还应考 虑时延扩展，多径d o a 和阵天线的几何结构等。下面对多径的空间信道 模型作一些讨论。 电子科技大学硕士论文 2 2 1l e e 氏模型 l e e 氏模型假设移动用户周围有个有效散射体均匀稳定地分布在 半径为r 的圆上，设基站是由阵天线构成，与移动用户的距离为d ，则 基站阵天线任意两阵元接收该移动用户信号的相关系数p 为： 户刊，o o ，蛐) 2 专荟。x p 一j 2 n f f c o s ( o o 圳】 6 ) 式中d 是两阵元间距，吼是移动用户与基站阵天线方向的夹角，p 是移 动用户周围第f 个有效散射体与基站阵天线方向的夹角，通常由于d 月， 口可近似表示为： 只* 石rs i n ( 等f 瑚，卜”州 ， 在l e e 氏模型的基础上，s t a p l e t o n 等为了研究多普勒频移的影响， 假设圆上的个散射体是按一定的角速度转动的，等效于用户在移动， 并将其用于研究d q p s k 信号的误码率b e r ( b i te r r o rr a t i o ) ，其结果与 实验结果相符。 虽然l e e 氏模型在研究阵接收信号的相关性( 空间相关矩阵) 时是 十分有用的，但是将其用于空时联合估计( d o a 和时延) 时与实验结果 不符，说明其并不是一个完善的移动信道模型。 2 2 2 高斯平稳非相关散射模型 g w s s u s ( g a u s s i a nw i d es e n s es t a t i o n a r yu n c o r r e l a t e ds c a t t e r i n g ) 模 型，将散射体在空间分成若干群( c l u s t e r ) ，并假设每群内得散射体得多 径时延相对发射信号带宽式近似相等的，并假设每群的位置和产生的多 径时延在若干个符号周期内式保持不变的。设第k 群的平均d o a 角为 吼。，则接收信号向量可表示为： x q ) = v 女s ( t - r 。) ( 2 8 ) 其中“是第k 群内所有散射体产生的多径时延，d 是总的群数，v 。是第k w c d m a 系统上行链路仿真及信道多径参数估计 群内所有散射体产生多径的方向向量的和，v 。可表示为 n o v 。= 口。，p “a ( 眈。一幺，) ( 2 9 ) 其中。是第k 群内的所以散射体数，口+ ，是第k 群内第f 个反射体产生多 径的幅度，吼，是其d o a ，丸，是其相位，a ( 口) 是与阵结果有关的方向向量。 当v 。较大时( 比如大于1 0 ) ，根据中心极限定理，v 。呈高斯分布。 由于假设v 。时宽平稳的，且。在若干符号周期内时常数，氟，时在 0 ，2 万 内均匀分布，则v 。是零均值，复高斯平稳随机过程。 2 2 3 时变向量信道模型( 瑞利模型) 瑞利信道模型时假设在无线信号环境中，分别着许多大的主反射体， 并且假设在特定的时段内，信道的特征由三个主反射体确定，则阵天线 的接收信号模型可描述为 l x ( f ) = a ( q ) 口，( f ) s ( ，一0 ) + n o ) ( 2 1 0 ) 其中a ( 口) 是阵方向向量，日，口心) ，q 分别是第，个反射体产生多径的 d o a ，复幅度，和多径时延，j 例是调制波形，n ( r ) 观测噪声向量。 其中的信道复幅度口) 可表示为 口f ( ，) 2 届( r ) l 甲( r ，) ( 2 1 1 ) r ，是与慢衰落有关的量，甲( 乃) 与功率延时有关，届( f ) 由阵天线增益、d o a 角舅及多普勒频移等确定。 可以看出，瑞利模型具有简洁的形式，每条多径信道由三个参数确 定，d o a 角q ，时延r ，和复幅度口f ( ，) ( 本文也称( f ) 为衰落因子) 。 因此，在目前有关阵列天线的信道估计，均衡及参数估计等领域，式 ( 2 - 1 0 ) 被广泛采用。本文后面的多径参数估计内容也是基于该式进行。 电子科技大学硕士论文 2 3本章小结 本章介绍了移动通信中的多径信道模型。首先简要介绍了移动信道 的多径传播特性及多径衰落引起的时延扩展，多普勒扩展及d o a 扩展等 效应。接着介绍了人们提出的几种多径空间信道模型，其中瑞利模型得 到广泛使用。本文后面的多径参数估计内容也是基于该模型进行。 w c d m a 系统上行链路仿真及信道多径参数估计 第三章移动通信中的关键技术 3 1概述 移动通信是目前国内外发展最快的新技术之一。它的主要特点是技 术含量大，新技术层出不穷。 移动通信中的关键技术很多，这里重要介绍本实验中用到的一些主 要技术( 包括卷积编码、交织编码、w a l s h 编码、r a k e 接收技术) 的 般原理，在后面的章节中，还将结合其在实验中的具体应用，进行说明。 3 2 卷积编码 卷积编码是1 9 5 5 年由e l i a s 最早提出，由于其编码方法可以用卷积 运算形式表达，因此而得名。 卷积码是有记忆编码，即对于任意给定的时段，其编码器的 个输 出不仅与该时段k 个输入有关，而且还与该编码器中存储的前m 个输入 有关。其约束长度为l = m + l 。 卷积码的编码器是由个有k 个输入端， 个输出端，且具有脚节 移位寄存器所构成的有记忆系统，通常称它为时序网络。如图3 1 所示。 图3 - i 卷积编码器原理图 电子科技大学硕士论文 描述这类时序网络的方法大致可以分成解析法和图表法两大类。其 孛，解撰法包瑟离敬卷积法、生残矩阵法、褥凳残多矮式法；銎表濠包 括状态图、树图、格图。这里只介绍码生成多项式法。 以k = l ，n = 2 ，m = 2 鑫鼋卷积筠为镛。 设输入信息序列及其多项式为： u ( x ) = ( 1 0 1 1 i ) = 1 + 掣2 + x 3 + x 4( 3 ，1 ) 薅生成多项式隽： g ( x ) = ( 1 1 1 ) 。1 + x + 工2( 3 - 2 ) 9 2 ( x ) = ( 1 0 1 ) = 1 + x 2( 3 - 3 ) 曩| j 输毽褥缝多矮式秀： c 1 ( x ) = “( x ) g 。( x ) = l + x + 并4 + x 6 对应码缀c = ( 1 1 0 0 1 0 1 ) ( 3 - 4 ) c 2 ( x ) = “( x ) - 9 2 ( x ) = 1 + x 3 + x 5 十矿对应码组c 2 = ( 1 0 0 1 0 1 】)( 3 - 5 ) 疆后输穗静总隅组为： e = ( c ，c2 ) = ( 1l ，l o ，o o ，o l ， o ，o l ，l1 )( 3 - 6 ) 3 3交织编码 交织编码设计不是为了适应佰道，而是为了改造信道，它是通过交 织去将一个窍记忆约突发麓错售遂，改造为基本上是炙记忆鲍睫枫独立 差错的信遒，然后鞭用纠随机独立差错的纠错码来纠错。 交织璃黪实瑗攥塑絮鞭3 2 辩示。 ab 图3 - 2 分组交织器实现框图 w c d m a 系统上行链路仿真及信道多径参数估计 若设待发送的一组信息为 交织存储器为以行列交织矩阵，它按列写如按行读出： a = 一x 6 x ii x l 6 x 2 1 x 2 x 7 x 1 2 x 1 7 x 2 2 毛x s x i3 x l s x 2 3 x 4 x 9 x 1 4 x i g x 2 4 x 5 x l o x i5 x 2 0 x 2 5 交织器输出并送入突发信道的信息为： y2 ( x l x 6 x 1 】x 1 5 x 2 0 x 2 5 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 假设突发信道产生两个突发错误：第一个突发产生于_ 至_ 。连错4 位；第二个突发产生于五。至屯连错3 位。突发信道输出端的信息为z ， 它可表示为： z = ( 量1 量6 膏1 1 i 1 6 量1 8 童2 3 膏4 x 2 5 ) ( 3 一l0 ) 进入去交织器后，送入另一存储器，它也是一个行列交织矩阵，它 按行写入，按列读出： b = 一x 6 x 1 1 x i 6 x 2 1 x 2 x 7 x 1 2 x i7 x 2 2 x 3 x 8 x 1 3 x 】8 x 2 3 z 4 x 9 x 1 4 x 1 9 x 2 4 x s x i o x i5 x 2 0 x 2 5 ( 3 1 1 ) 去交织存储器的输出为w ： w = ( 膏l x 2 x 3 量4 x 5 贾6 j 1 1 石1 2 竞1 3 x 1 4 膏2 i x 2 2 量2 3 x 2 4 x 2 5 )( 3 - 1 2 ) 由上述分析可见，经过交织矩阵与去交织矩阵的变换后，原来信道 中的突发错误，变成了w 中的随机性的独立错误。 3 4 w a l s h 函数与w a l s h 码 w a l s h 函数是一类取值l 与一1 的二元正交函数系。它有多种等价定 电子科技大学硕士论文 义方法，最常用的是h a d a m a r d 编号法，鲰9 5 中就采用这种方法。 一般h a d a m a r d 矩阵为一方阵，并爨有下列递推关系： 籽：瞒h ：，= h 4 = 。r | h 2u h 2 ：卜 ( 3 一1 3 ) ( 3 14 ) ( 3 一i5 ) 并可依次遴摊下去。 h a d a m a r d 矩黪与w a l s h 矩簿对应关系露下： w ”z 一【h 。l 1 6 ) 其中，r = l ，2 ，；n = 0 ，1 ，2 ”1 。它表面以2 为周期、编号为胛的离 散w a l s h 函数是壶薹差，豹簧n + l 符确定。 w a l s h 鼹数最羹要的性质是正交性，港，为非负整数，恧卅( 或”) = o ，1 ，2 ，则 擎w ”：，w m r ：t “当删2 ”辩 ) 嘉w ：州”一。茎：爵( 3 - 1 7 ， 即在嗣一周期中，w a l s h 序歹寸是正交的。 w a l s h 激数在完全同步时，怒完全正交的。当不隧步时，其皂相关 性与飘相关憾均不理想，并随同步误差值增大，恶化亦十分明翳。 3 。5r a k e 接收 褒码分多址通偾系统中，多径既有正蕊作煺，也考受厦影瓣。方 面，独立衰落的各个路径可能是分榘的一个有用的资源，这是多径的雁 “ p 2 1 噩o q 罐 i j 巩毽 疆 一一h ， l i r 产 h 联 茸 锺 _ = 有 时 k 严 l l 忙 当 中其 w c d m a 系统上行链路仿真及信道多径参数估计 面作用。另外一方面，多径又会产生：弪间干扰；在使用正交扩频码的情 况下，它还会引发多址干扰，这些是多径的负面影响。在存在多径的情 况下，r a k e 接收是种很好的选择。 r a k e 接收的原理就是使用相关接收机组，对每个路径使用一个相 关接收机，各相关接收机与同一期望信号的一个延迟形式( 即期望信号 的多径分量之一) 相关，然后这些相关接收机的输出根据它们的相对强 度进行加权，并把加权后的各路输出相加，合成一个输出。加权系数的 选择原则是使输出信噪比最大。l 路r a k e 接收的原理图如图3 - 3 所示。 图3 - 3l 路r a k e 接收 如果接收机只有一个单独的相关器，旦接收机中使用的单个相关 器被衰落污染，接收机将不可能校正此值。在r a k e 接收中若一个相关 器的输出被衰落所污染，而其它相关器的输出未被污染，就可以通过对 被污染的输出加一个很小的权系数，将其压制。因此，r a k e 接收给出 的基于l 个判决统计量的组合提供了一种分集接收的形式。分集接收可 以克服衰落，从而改善c d m a 系统的接收质量。 如图3 - 3 所示，l 个相关器的输出z ( ，) 分别与加权系数c ，( t ) ( 其中 i = 1 ，l ) 相乘，并求和，得到总的输出信号为： l z ( ，) = c ，( 啦，( ，l ( 3 - 1 8 ) i = l 加权系数c 朋) 根据对应的信号z ，( 1 ) 的能量在l 个相关器输出信号的 总能量比重来选择，即： 电子科技大学硕士论文 “啦# 盟 ，州- i l ( 3 。1 9 ) z 2 删j 显然，当某个梗关器被衰落污染瓣，其羧出墨数憝量藏枣，越应夔燕粳 系数g 也就自动取小，达到压制该分量的结果。 3 。6本章小结 本章介绍了在后面的实验中所用到的移动通信中韵几种关键技术， 包括卷积编襁、交织编码、w a l s h 编码、r a k e 接收。这里只楚对它们的 一般概念和原理进行介绍，在后面的章节中，将结合其在实验中的具体 应爰。送行说明。 w c d m a 系统土行链路仿粪及僖遒多径参数馈计 第四章上行链路仿真理论基础 4 。l概述 本仿真实验按照3 g p p 协议标准，在m a t l a b 6 1 的s i m u l i n k 环境下完 成。仿真软件具有典型瓣模块豫结构。 该仿真软件主要由两大功能部分构成：e s td e l a y 和e s td a t a 。 e s td e l a y 部分豹臻能是，在震户开穰或掇站覆豢蓟巍耀户露，羁磊 较长的训练序列估计信道的多径时延，并选出信号最强的几条多径。 e s t d a t a 部分酶功麓是，稠蘑r a k e 援救经邋信道露的1 2 0 0 位 d p d c h 数据和3 0 0 位d p c c h 数据，并恢复出原始的2 4 4 钕符号。 下丽先对仿真的算法原理进行归纳。 4 2 12 2 k 语音业务基带模型 根据3 g p p 协议，农链路屡，对d p d c h 信道，1 0 m s 为一帧，每帧1 5 个辩隙，每时隙4 0 个符号。对1 2 2 k 语音业务，两帧( 2 0 m s ) 应霄b i t 数为： 1 2 2 k x 2 0 m s 2 1 2 2 0 0 0 0 2 2 2 4 4b i t ( 4 - 1 ) 瑟涎稹内疲有餐号数为： 1 5x 4 0 x 2 。1 2 0 0b i t ( 4 - 2 ) 霹1 2 2 k 潺音韭务，两鲮数据豹澎藏及数据维梅如强4 ，l 掰示。踅中，d t c h 代表业务信道；d c c h 代表控制信道。 在物邂层，纂带信譬和发射信号的形成如图4 - 2 所示，由于协议规 定，每时隙内有粥片2 5 6 0 个，对d p d c h ( 专用物理数据信道) ，其扩频 电子科技大学硕士论文 序列w a l s h 码长度为6 4 ，因此，每时隙应有符号数4 0 个；同理，对d p c c h ( 专用物理控制信道) ，其扩频序列w a l s h 码长度为2 5 6 ，每时隙应有符 号数1 0 个。 20ms x1 2 2 k 二囫l f i 马匹习眷 r = 1 3 r a t e 1 4 0 2 8 89 02 04 0 28 89 02 02 “7 交织j l ，ll d t c y d r r h c y hitychd 羔 1 l l， 6 0 n h 6 0 0 h 图4 1 、两帧数据的形成及数据结构 在上行链路中，同一用户，d p d c h 信道最多可以有6 条。可分别 用于传送语音业务，图象信号，网数络据等，图4 2 中仅画出了一条1 2 2 k 语音业务的d p d c h 信道。 d p d c h 符号序列表示为： b l ( h ) ，取+ l 或一1 ，周期y b i = n l t ，扩频因子n l = 6 4 d p c c h 符号序列表示为： b 2 ( 月) ，取l ，周期瓦2 = n 2 t ，扩频因子n 2 = 2 5 6 d p d c h 扩频序列( 长度为6 4 的w a l s h 码) 表示为： q ( n ) ，取1t 周期f d p c c h 扩频序列( 长度为2 5 6 的w a l s h 码) 表示为