（通信与信息系统专业论文）wcdma系统下行接收技术的研究与实现.pdf

东南大学硕士毕业论文摘要 摘要 作为第三代移动通信系统中最具竞争力的标准之一，w o o f e r 系统目前所支持的多种业务主要是针 对下行链路的，而且很可能主要用于移动台低速运动的信道环境中此时由于信道长时间的深衰落 所导致的性能恶化是该信道模型存在的主要问题。在这种情况下，发射分集技术和功率控制技术便 成为解决这些问题的主要途径。， 在本文的第一部分中，我们首先介绍了k o 姒f 模式下的物理层标准，然后对系统的仿真平台 进行了描述。在第二部分中，首先给出了空时发射分集的一般模型及其实现方案，然后给出了不同数 据业务和不同车速下系统接收性能的仿真结果。在第三部分中，我们研究t w c d m a 系统闭环发射分集 的算法和性能并提出了两种可以减少硬件实现复杂度的改进方案，然后我们也给出了仿真的结果。 第四部分首先给出了w c o m a 下行链路的功率控制模型，接着分别介绍了两种合并和s i r 估计方案以及 它们在瑞利衰落环境下的性能分析，最后给出了计算机仿真结果。论文的最后一部分描述了w c o i t l a 下行链路传输信道解复用的硬件实现。 关键词 w c d 姒空时发射分集闭环发射分集圊环功率控制 东南大学移动通信国家重点实验室 东南大学颈士毕业论文a b s t r a c t a b s t r a c t m a n yo f t h es e r v i c e s f o r w c d m as y s t e m , w h i c h i s0 n e o f t h e m o s t c o m p l e t i v es t a n d a r d s o f t h e t h i r d 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 ns y s t e m s a r ee x p e c t e dt ob ed o w n l i n k - i n t e n s i v e ，a n dm o r e o v e r , l i k e l y t ob eu s e di nl o wm o b i l i t ye n v i r o n m e n t s 。p o o r p e r f o r m a n c ed u et op r o l o n g e dd e e pf a d i n go ft h ec h a n n e li s o n e o f t h e p r o b l e m sa s s o c i a t e d w i t h t h i s m o d e l t r a n s m i t d i v e r s i t ya n d p o w e r c o n t r o la r e t h e k e y c o n t r i b u t i n gt e c h n o l o g i e st oa d d r e s s i n gt h i sp r o b l e m i nw c d m a s y s t e m i n t h e f i r s t p a r t o f t h e t h e s i s ，w e p r o v i d e t h er e a d e r s w i t ha n i n t r o d u c t o r y o v e r v i e w o f t h e t e c h n i q u e s p e c i f i c a t i o n so f w c d m a i nf d dm o d c a n df o l l o w 啦t h a tw ea l s oi n t r o d u c et h ee n v i r o n m e n tf o r s i m u l a t i o n a n di nt h es e c o n dp a r t ，ag e n e r a lm o d e li sc h a r a c t e r i z e df o rs p a c e - t i m et r a n s m i td i v e r s i t y ( s t t d ) i nw c d m as y s t e m s t h ep e r f o r m a n c eo fs p a c e - t i m et r a n s m i td i v e r s i t yi st h e ns t u d i e df o rt h i s m o d e l i nt h et h i r dp a r t ，w ef i r s ts t u d yt h ea l g o r i t h m sa n dp e r f o r m a n c e so ft r a n s m i td i v e r s i t yi nc l o s el o o p g n o d e f o f w c d m a s y s t e m s 。i e ，c l o s e l o o p m o d e la n d m n d e 2 ，a n da f t e r t h a t , w e p r o p o s e t w o m o d i f i e d s c h e m e s ，w i t hw h i c ht h eh a r d w a r ec o m p l e x i t yc a nb eg r e a t l yr e d u c e d i nt h ef o r t hp a r t ，t w os c h e m e sf o r m u l t i p a t hc o m b i n a t i o nu s e df o rs i re s t i m a t i o na tt h er e c e i v e ra r ei n t r o d u c e d a n dt w om e t h o d sf o rs i r e s t i m a t i o na r cu n d e rc o n s i d e r a t i o n t o o a n df i n a l l y , r e s u l t so fs i m u l a t i o na f ca l s op r o v i d e d t h el a s tp a r to f t h et h e s i sm a i n l yd e s c r i b e st h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n so ft r a n s p o r cc h a n n e ld e - m u l t i p l e xf o rd o w n l i n k i nw c d m a k e yw o r d s w c d m a s t t dt r a n s m i td i v e r s i t yp o w e rc o n t r o l 东南大学移动通信国家重点实验室 l i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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：曼堕煎日期：竺! ：7 ；， 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、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一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 东南大学硕士毕业论文第一章绪论 第1 章绪论 随着人类步入信息社会，移动通信在近十多年来获得飞速的发展。第一代( a m p s 、t a c s 等) 和第二代( g s m 、d a m p s 、p d c 等) 移动通信系统均获得巨大的成功。今天全世界移动电话用户 已达6 亿，2 0 0 7 年内有望达到1 3 亿，到2 0 1 0 年将超过固定电话用户必。在这种发展势头下，在 未来几年里，前两代移动通信用户所提供的容量和业务类型将不能满足市场需求，届时第三代移动 通信系统将投入使用。 1 1 第三代移动通信系统概述 第三代移动通信系统( 3 g ，t h m g e n e r a t i o n ) 是国际电信联盟( r r u ) 在1 9 8 5 年提出的，当时 称为f p l m t s ( 未来公众陆地移动通信系统) 。1 9 9 6 年更名为i m t - 2 0 0 0 ( 国际移动通信2 0 0 0 ) 心。 其中2 0 0 0 的含义可以从多个方面理解，比如这个系统工作在2 0 0 0 m h z 左右 最高业务速率可达2 0 0 0 k b p s ：预计在2 0 0 0 年左右投入商用等。 第二代数字移动通信的成熟，极大地满足了广大用户的要求然而第二代移动通信的几种体制 已不能满足目前信息时代的要求，主要表现在：系统容量低，支持业务单一以及无法在全球范围 内实现无缝漫游。因此，国际电讯联盟主要吸取了各大移动通信企业及标准化组织的意见，提出第 三代移动通信( i m t - - 2 0 0 0 ) 系统的目标，其要点如下二垒l 【l 捌删： 1 ) 全球化：多种环境，多种技术，统一频率，统一标准。 2 ) 综合化：多种业务话音、宽带数据、多媒体，适应信息化社会。 3 ) 个人化：支持u p t ，足够容量潜力和多种用户管理能力。 按n v 总目标，第三代移动通信系统具有如下特点： 1 ) 提供高速率和多种速率支持多种业务，能支持从话音到分组数据到多媒体业务， 特别是i n t e r n e t ，应能根据需要来提供必要的带宽，其摄低无线传输要求是： 快速移动环境：最高速率达1 1 4 k b s 步行环境：最高速率达3 8 4 k b s 珂室内环境：最高速率达2 m b s 2 ) 全球覆盖、全球无缝漫游、全球使用共用频段( 1 8 8 5 - 2 0 2 5 m h z ，2 1 1 0 - 2 2 0 0 v l h z ) 。 但不要求各系统在无线传输设备及网络内部技术完全一致。而要求在网络接口、互通及业务能 力方面的统一或协调。 3 ) 高频谱效率。 4 ) 高服务质量：具有长话的话音质量，比特错误率小于1 0 ( 负6 次方) 的数据业务。 5 ) 低成本、低功耗、小体积、高保密等良好的商业特性。 1 2 三种主要的无线传输方案 目前国际上最具有竞争力的i m t - 2 0 0 0 无线传输技术主要有两种：即欧洲和日本所提出的 东南大学移动通信国家重点实验室 第l 页 东南大学硕士毕业论文 第一章绪论 w c d m a 技术和北美提出的基于i s 9 5 c d m a 系统的c d m a 2 0 0 0 技术。另外，我国也提出了具有 自己知识产权的t d s c d m a 系统。下面我们将简要的介绍一下这三种系统址加蚴： 1 2 1 w c d i a w c d m a 由欧洲的e t s i 和日本的a r i b 提出，它的核心网基于g s m - m a p ，同时可通过网络 扩展方式提供基于a n s i - 4 1 运行的能力。w c d m a 系统能同时支持电路交换业务( 如p s t n 、i s d n 网) 和分组交换业务( 如球网) 。灵活的无线协议可在一个载波内同时支持话音、数据和多媒体业 务。通过透明或非透明传输来支持实时、非实时业务。 w c d m a 采用d s - c d m a 多址方式，码片速率是3 8 4 m c p s ，载波带宽为5 m h z 。系统不采用 g p s 精确定时，不同基站可选择同步和不同步两种方式，可以不受g p s 系统的限制。除此之外， 它还采用了一些其它的先进的技术，如快速功率控制、自适应天线、多用户检测、分集接收( 正交 分集、时间分集) 、分层式小区结构等，来提高整个系统的性能。 1 2 2 c d m a 2 0 0 0 c d m a 2 0 0 0 是从c d m a o n e 进化而来的一种3 g 技术。目的是为现有的c d m a 运营商提供平 滑升级到3 g 的路径。c d m a 2 0 0 0 的一个主要特点是与现有的t i a e i a 一9 5 b 标准向后兼容，并可 与i s - 9 5 b 系统的频段共享或重叠，这样就使运营商可以在i s 一9 5 b 系统基础上平滑地过渡，保护已 有的投资。 c d m a 2 0 0 0 采用m c c d m a ( 多载波c d m a ) 多址方式，可支持话音、分组数据等业务。并 且可实现q o s 。标准包括l x 和3 x 两部分，未来也可扩展到6 x 、9 x 、1 2 x 。它的功率控制有开环、 闭环和外环三种方式，速率为8 0 0 次，秒或5 0 次，秒。系统还实现了辅助导频、正交分集、多载波分 集等技术以提高性能。 1 2 3 t d s c d i a t d s c d m a 由我国提出，它基于s c d m a 技术，在技术上被公认有明显优势，可以达到提供 高频谱利用率、灵活和低成本的目标。t d s c d m a 是一种t d d 技术，比起f d d 来说更适用于上 下行不对称的业务环境。它吸收了多时隙的t d m a 、直接扩频c d m a 和同步c d m a 技术的优势， 同时采用了先进的智能天线技术，充分利用了t d d 上下行链路在同一频率上工作的优势，大大地 增加了系统容量、降低发射功率、更好地克服无线传播中遇到的多径衰落问题。除此之外， t d s c d m a 中还使用了联合检测、软件无线电、接力切换等技术，使得系统在性能上有了较大程 度的提高，在硬件制造方面则降低了成本。 由于3 g p p 在制定第三代标准时已充分考虑到了保护已有的第二代网络的投资，因此 t d s c d m a 系统将尽量与3 g p p 制定的第三代标准在物理层之上取得一致，以更好地实现第二代网 络向第三代网络的演进与过渡。 东南大学移动通信国家重点实验室 第2 页 东南大学硕士毕业论文 第一章绪论 尽管u t 一再推迟建立统一的i m t - 2 0 0 0 的标准，但近期内把各个标准统一成个通用的系 统还是很困难的。所以未来的第三代系统还将延续第二代的格局，但系统之闻的技术融合已经开始。 1 3 第三代移动通信系统的关键技术 第三代移动通信系统的r t t 采用了多种新技术。其中关键技术主要有l u 矗l ： 1 3 1 初始同步技术 c d m a 系统接收机的初始同步包括p n 码同步、码元同步、帧同步和扰码同步等。c d m a 2 0 0 0 采用与j s 9 5 系统想类似的初始同步技术。w - c d m a 系统的初始同步分三步完成。 1 3 2 分集接收技术 c d m a 通信系统采用宽带信号进行无线传输， 分集接收技术，即r a k e 接收机来完成接收过程 响。 1 3 3 信道编解码技术 接收端可以分离出多径信号，因而可以采用多径 在很大程度上降低多径衰落信道所造成的不利影 信道编解码主要是降低信号传播功率和解决信号在无线传播环境中不可避免的衰落问题。编解 码技术结合交织技术的使用可以提高误码率性能，与无编码情况相比，传统的卷积码可以将误码率 提高两个数量级达到l 旷一1 0 ，t u r b o 码可以将误码率进一步提高到1 0 。t u r b o 码因为编解码性 能能够逼近s h a n n o n 极限而最后被采用作为3 g 的数据编解码技术。卷积码主要是用于低数据速率 的语音和信令。 1 3 4 发射分集技术 发射分集是在研究第三代移动通信技术中提出来的，它的概念实际上是由接收分集技术引申而 来的，其优点可以归纳如下：降低移动台的复杂度；降低衰落的影响而无需提高发射功率：理论上 同样阶数的发射分集具有和接收分集相似的分集增益。 1 3 5 功率控制技术 功率控制技术是c d m a 系统中重要的核心技术之一。上行功率控制主要用于解决“远近效应”， 而下行功率控制主要用于解决“边缘效应”。常用的c d m a 功率控制技术可分为开环功率控制、闭 环功率控制和外环功率控制三种类型。 1 3 6 智能天线技术 东南大学移动通信国家重点实验室第3 页 东南大学硕士毕业论文第一章绪论 在移动通信技术的发展中，智能天线已成为一个最活跃的领域，智能天线技术对移动通信系统 所带来的优势是目前任何技术所难以替代的。智能天线技术已经成为移动通信中最具有吸引力的技 术之一。智能天线技术是利用自适应的波束成形技术，提高用户波达方向的方向图增益，同时利用 方向图的零点降低空间上大功率用户的干扰。 1 3 7 多用户检测技术 多用户检测技术通过测量各个用户扩频码之问的非正交性，用矩阵求逆的方法或迭代方法消除 多用户之间的相互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c d m a 系统 中的远近效应，在第三代移动通信系统中，w c d m a 系统是应用多用户检澳4 技术的典型范例。 1 4 本文的主要内容 本文的主要内容是w c d m a 系统下行接收技术的仿真研究和硬件设计实现，全文共分为六章， 主要内容如下所示： 第二章对w c d m a 系统f d d 模式的物理层标准进行了简要的描述，同时也粗略的介绍了一下 w c d m a 下行链路仿真平台。 第三章主要是关于空对发射分集技术的研究。在这一章中我们首先给出了该系统的模型，算法 原理以及实现方案，然后我们给出其性能的仿真结果。 第四章主要是对w c d m a 系统中两种闭环发射分集技术进行了的研究。在这一章中，我们针对 两种闭环发射分集自身的特点，分别它们提出了两种全新的实现方案，同时我们也提供了一些仿真 结果。 第五章主要讨论了w c d m a 中下行闭环功率控制。我们主要对两种的和并方式和两种s i r 估计 算法分别进行了讨论：最后也给出了性能仿真结果。 最后一章介绍了w c d m a 下行解信道复用的硬件实现。首先描述了系统结构的总体设计：然后 给了系统模块的具体实现；最后一部分则给出了最终的硬件实现资源使用量。 东南大学移动通信国家重点实验室 第4 页 东南大学硕士毕业论文 第二章w c d m a 执议及仿真模型介绍 第2 章w c d m a 协议及仿真模型介绍 为了便于对后面几章论文内容的理解，在正式论述这些内容之前，本章将首先简要的介绍一下 在后面的章节中可能会涉及到的w c d m a 物理层协议的部分内容，从而使我们对这些内容先有一个 初步的认识。同时由于本论文中比较多的涉及到对系统性能的仿真，因此本章后半部分也将对这些 仿真模型以及仿真参数作一下基本的介绍。 本章内容组织如下：第一部分将介绍w c d m a 物理层协议的部分内容；第二部分将介绍一下系 统性能仿真的平台、参数以及测量标准等。 2 1 物理信道 w c d m a 系统中的物理信道的种类繁多，受篇幅所限，我们只能对在后面章节中经常会用到的 几种物理信道做个简单的介绍，有关其它的物理信道的详细介绍请参见文献垦望。 2 1 1 上行专用物理信道 w c d m a 系统中有两种类型的上行专用物理信道，即上行专用物理数据信道( u l - d p d c h ) 和 上行专用物理控制信道( u l - d p c c h ) ，它们在每个时隙内码分复用。上行专用物理数据信道用于承 载第二层及更高层产生的专用数据；专用物理控制信道用于承载物理层产生的控制信息，这些控制 信息包括用于相干解调是支持信道估计用的导频比特( p i l o t ) 、功率控制命令( t p c ) 、反馈指示 信息( f b i ) 和t f c i 码字比特。图表1 给出了上行专用物理信道的帧结构； _ ：孽二_ 二二”一1 4 r 一了1 。ii 一。1 1、256。chips：!：，7 f 。孤帅一跏矗j j s ；一l o f ：j s 1 0 t # i 1r a d i o t a l n c ：t 一；1 0 i l b 图表1 上行链路d p d c h d p c c h 的帧结构 在每个物理连接中有且只有一个专用物理控制信道( d p c c h ) ，它的扩频因子固定为2 5 6 ，图 表2 给出了专削控制信道在不同时隙格式下，f b i 域和t p c 域所传输的比特数 时隙格式ol23 45 f b i 比特数o0l1 22 东南大学移动通信国家重点实验室第5 页 东南大学硕士毕业论文第二章w c d m a 协议及仿真模型介绍 图表2 专用控制信道的部分时隙格式 t p c 域的内容 传输功率控制控制域( t p c ) 有1 比特和2 比特两种方式，图表3 给出了t p c 比特的取值方式。 t p c 比特数= lt p c 比特散= 2 t p c l1 1 l 00 0，o 图表3 t p c 比特取值方式 f b i 域的内容： f b i 域中比特支持l i e 与u t r a n 接入点之间控制信息的反馈，它包括闭环模式的传输分集和 位置选择分集( s s d t ) 。s 域主要用于s s d t 信令，d 域则主要用于反馈模式的传输分集信令。s 域和d 域的长度可以是0 ，1 或2 比特。如果两个域同时存在，则长度均为单比特。图表4 给出了 f b i 域的资源分配情况。 2 1 2 下行专用物理信道 图表4f s i 域结构图 与上行链路的专用物理信道不同，在下行链路中，专用物理数据信道( d p d c h ) 承载专用传输 信道上的数据消息，专用物理控制信道( d p c c h ) 承载第一层产生的控制信息，它们在下行专用物 理信道上时分复用传输，共同组成一个周期为1 0 m s 的无线帧。其结构如图表5 所示： _ d a t a l 一：l 一誓一 t f c id a t a 2 p j l o t k 二： l - - 。ls b ”：1卜s l o t 一# ii s l o t # 1 4 i o n et a d i o f r a m e ，t j = 1 0 m s 图表5 下行专用物理信道的帧结构 注意到下行专用物理信道的时隙格式中存在导频域，用来承载导频比特，导频比特中所含信息 比特值是事先约定好了的，对于收发两端而言都是已知的，因此我们在接收端可以利用这一性质来 东南大学移动通信国家重点实验室 第6 页 东南大学硕士毕业论文第二章w c d m a 协议及仿真模型介绍 对信道的信干比进行相干估计，图表6 给出了不同时隙格式下，每个时隙的导频比特和总比特数。 时隙格式 ol234567 总比特数 1 0 1 0 2 0 2 02 0 2 02 0 2 0 导频比特 44 2 24 48 8 时隙格式 891 01 l1 21 31 41 5 总比特数4 04 0 4 04 08 01 6 03 2 06 4 0 导频比特448 8 88 1 6 1 6 图表6 d p c h 导频比特 可以看出，无论何种时隙格式，每个时隙中可用的导频比特均非常有限，在第五章中我们将给 出导频比特数目对相干估计性能的影响。 2 13 下行公共导频信道 下行公共导频信道有固定的速率3 0 k b i t s s ，扩频因子s f 为2 5 6 。它的帧结构如图表7 所示： 4 预硭x 的比特序l y f j 一” 、=256。：!：!：， 时隙# 0时隙# 1时隙# l 时隙# 1 4 无线帧周期1 0ms 图表7 公共导频信道的帧结构 如果小区的下行链路采用发射分集方式，则公共导频信道在两个天线上发送的符号选用相同的 扩频码和扰码，但是两个天线上的预先规定的符号序列不同，如图表8 所示，如果不用分集，则两 个天线序列都用天线一的符号序列。 a n t e n n al a n t e n n a2 4 4 4 d 4 4 4 4 d 44 4 4 d 制4 c4 4 4 4 制4 4 4 4 d 4 4 q 4 4 4 4 d 4 q q d 4 q 4 d 制 i 一”1 4 4 4 州州4 州4 i44 , h , i q 4 4 4 4 - 1 4 44 4 , 1 , l4 t i o l 4 ( 1 0 l 州l i l 。 d o t # 1 4s l o t # 0s l o t # l 2 2 编码与复用 图表8 公共导频信道的调制方式 在增加系统的传输带宽的同时，w c d m a 系统也采用了多种最新的基带信号处理技术，因此它 不仅仅局限于传统的话音业务，也能够提供更丰富，更灵活的业务组合。为了支持这些多样化的业 东南大学移动通信国家重点实验室 第7 页 东南大学硕士毕业论文第二章w c d m a 协议及仿真模型介绍 务，w c d m a 系统在传输信道上定义了一系列的基带信号的处理步骤，如图表9 所示： c r c e 验 一l j c r c 授验 i f 一谱精块级联鸸快分段一fr ”错袖块缀联鹤侠分段一1 【? ”7 信邋编码。li 一信邋编码1 7 ”l 速率匹配il速率匹配 i 一”第2 次插a d t x 指示ir 第一次插a d t x 指示一i r 一第二跃交织1r7 ，第。袱变织l ? 光线帧符段ji 线帧分葭“：= l l r 7 褥辅信道复期 1 r 一 第三跃插天b f x 指示一 x 一渤理诺邋癸彀”一”一1 i。 一第三跃变织 一 i 物理信遭鼷射l 物? ”? ”物? 遘3 图表9 下行链路传输信道编码复用结构 图中每个线框表示一个1 的传输块的基带处理流程。以下我们按照基带处理流程的顺序，分 别对该流程中主要单元一一加以介绍： a c r c 校验： c r c 校验用于对数据比特的校验和对数据误块率的统计。它在原输入序列之后加上一定数量的 校验位，以指示该t 信息的基本质量，接收端根据c r c 校验结果判断这帧信息的根本有效与否。 b 传输块级联和码块分段： c r c 校验之后要进行传输块的级联和码块分段，这主要是为了编码做准备。 c ，信道编码： 无线信道编码是为了接收机能够检测和纠正由于传输媒介带来的信号误差，同时在原数据流中 加入了冗余信息，提高了数据传输的正确率。w c d m a 系统中使用的信道编码类型为两种，即使用 v i t e r b i 译码算法的卷积编码和t u r b o 编码。 d 速率匹配： 为了适应多种速率业务的传输，w c d m a 在传输信道的处理方案中还增加了速率匹配功能，该 算法根据匹配前的数据速率参数，以及匹配后要求达到的数据速率参数。对原始信息比较均匀的删 除一些比特或者添加一些比特，以使最后传输的速率符合某个规格模式。 e 第一次交织： ， 交织技术是为了抵抗无线信道中的噪声以及衰落的影响而采取的时闻分集技术。第一次交织为 帧间交织，即完成帧与帧之间的位置的变换。 东南大学移动通信国家重点实验室 第8 页 东南大学硕士毕业论文 第二章w c d m a 协议及仿真模型介绍 f 无线帧分段： 第一次交织后有一个无线帧分段过程。其目的是把一个r n 的数据按前后顺序分成几个帧的数 据，即r 的长度有多少个l o m s ，就把数据均匀分成多少块，以便下一步进行的复用。 g 。信道复用： w c d m a 系统传输的业务数据经过高层的封装，以传输信道数据的形式进入物理信道。承载着 通信业务的多个传输信道进入同一个复合传输信道，再映射到物理信道。w c d m a 系统的业务复用 过程，就是把承载了用户信息的传输信道与其控制信息进行组合，再映射到物理信道，进行发送的 过程。 l l 物理信遒分段t 当物理信道的数目大于l 时，物理信道分段将数据比特平均分配到不同的物理信道。目前仅支持 物理信道为1 的情形。 i 第二次交织： 第二次交织为帧内交织，它完成一个帧内部的数据比特位置的变换操作，在进行完物理信道分 段后执行，步骤同第一步交织相似。 j 物理信道映射： 第二次交织后紧跟着物理信道映射部分。该部分的作用是把经过第二次交织处理后的数据信息 分配到物理信道的每个帧，为扩频做准备。 以上，我们对整个编码复用的过程作了一个简要的介绍，有关该过程的更详细地说明请参考文 献工2 = 翌。 2 3 仿真平台简介 本论文中，我们选用的仿真平台是m a t l a b 下的动态系统建模工具s i m u l i n k ，它是一个用来 对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，能够在连续时间域、离散 时间域或者两者的混合时间域里进行建模，它同样支持具有多种采样速率的系统s i m u l i n k 的主要 特点在于它的图形化操作以及它的结构上的层次性，因此，在过去的几年里，s i m u l i n k 已经成为教 学和工业应用中对动态系统进行建模仿真时使用的最为广泛的软件包。 2 3 1 仿真模型 本论文中所提供的仿真模型的功能以及参数的设置，完全以文献垡盟为标准，为了尽可能真实 的反映整个系统的最终性能，我们在编写本仿真程序时，除了发射分集、闭环功控以及r a k e 接收 机等几个涉及特定算法的模块以外的所有模块基本上是全部依据现有的协议标准上所规定的算法而 编写的，而没有做出简化或者修改。从这个意义上来讲，该仿真模型应该具有一定的可信度和使用 价值的。图表1 0 中给出了整个w c d m a 下行链路的仿真模型： 东南大学移动通信国家重点实验室 第9 页 东南大学硕士毕业论文 第二章w c d m a 悱议及仿真模型介绍 图表1 0 仿真模型 a 随机数据源 图中随机数据源负责根据不同的业务类型而产生相应的两个逻辑信道即专用业务信道( d t c h ) 和专用控制信道( d c c h ) 。 b 编码和复用 编码和复用模块主要完成图表9 所示的功能，但其中不包含两次插入d t x 指示的操作。 c 扩频和加扰 该模块负责产生主公共控制信道( p c c p c h ) 、同步信道( s c h ) 、寻呼指示信道( p i c h ) 以及 正交信道噪声仿真器o c n s ，同时连同前一模块所产生的d p c h 信道一起进行扩频和加扰操作。 d 信道模型 传输信道模型由两部分组成，一部分是典型的瑞利多径衰落信道，另一部分是模拟其它小区的 带限白噪声；图表儿给出了该信道模型的示意图： 图表1 1 信道模型 e 解扩和合并 在这一模块中，我们将完成对接收数据的多径r a k e 接收，解扩以及最大比合并，同时也将对 d p c h 信道中的控制信息进行提取。 f 解复用和译码 该模块完成的功能正好和编码和复用模块的功能相反，该模块的输出为两个逻辑信道d t c h 和 d c c h 的译码数据和c r c 校验信息。 g 误块率统计 本模块负责对整个仿真系统的性能进行统计。 2 3 2 仿真参数 2 3 2 1 无线信道 在本文中只考虑两种类型的无线信道：即静态传播模型以及多径衰落模型。对于静态传播模型， 实际上就是所谓的高斯白噪声环境( a w g n ) ，在这种模型中，信号没有衰落也没有多径的存在；而 东南大学移动通信国家重点实验室 第1 0 页 东南大学硕士毕业论文 第二章w c d m a 协议及仿真模型介绍 实际上就是所谓的高斯白噪声环境( a w g n ) ，在这种模型中，信号没有衰落也没有多径的存在：而 对于多径衰落模型，文献凼给出了用于多径衰落环境下性能测量的几种典型传播情况，如图表1 2 所示： c a s e l ：3 k r o hc a s e 2 ：3k m hc a s e 3 ：1 2 0k m hc a s e 4 ：3k m hc a s e 5 ：5 0k m h o0000o000o 9 7 61 09 7 6o2 6 039 7 6o9 7 61 0 2 0 0 0 0o5 2 16 7 8 19 图表1 2 多径衰落环境传矮条件 其中每种情况的第一列表示相对多径时延( n s ) ，第二列表示相对功率( d b ) 。 2 3 2 2 测量信道 在本文的后面的章节中经常会提到以下的几种典型的测量信道，即1 2 2 k b p s 。6 4 k b p s ，1 4 4 k b p s 以及3 8 4 k b p s ，图表1 3 至图表1 6 给出了这些测量信道的实际测量参数( 注意：以下所有的参数均 引自文献【2 = 幽) 。 a 铡量信道；1 2 2k b f s 图表1 3 下行信道信道编码测量标准( 1 2 2k b p s ) 东南大学移动通信国家重点实验室 第1 l 页 奎堕查兰堕圭兰些望兰 苎三童! ! 里坚垒竺堡墨望塞堡鍪垒望 b 测量信道；6 4 k b p s c 测量信道：1 4 4k b p s 图表1 4 下行信道编码测量参数标准( 6 4k b p s ) 图表1 5 下行信道编码测量参数标准0 4 4k b p s ) 东南大学硕士毕业论文 第二章w c d m a 扔议及仿真模型介绍 d 测量信道：3 8 4 k b p s 图表1 6 下行信道编码测量参数标准( 3 8 4k b p s ) 2 3 2 3 最低性能 a 单天线模式 图表1 7 中给出了在指定的测量参数下，单天线模式达到特定性能所需要的平均! ! ! ! 若点功率 比的最低值。 参数性能指标 1 2 2 k b p s6 4 k b p s1 4 4 k b p s3 8 4 k b p s l 。f 1 。9 d b d p c h 一c 误块率1 0 n | a一1 3 9 d b1 0 6 d b石3 d b d p c h e c 误块率l 一1 5 o d b1 0 ，叫b6 ，8 0 d b- 2 2 d b 0 图表1 7d p c h 在单天线模式c a s e l 下的测试参数 b 开环发射分集模式 图表1 8 中给出了在指定的测量参数下，$ t d 模式达到特定性能所需要的平均! 坚荨墨功率 比的最低值。 东南大学移动通信国家重点实验室第1 3 页 东南大学硬士毕业论文第二章w c d m a 协议及仿真模型介绍 参数性能指标 1 2 2 k b p s6 , 1 k b p s1 4 4 k b p s 3 8 4k b p s | 。 9 d b 丝盟：生 误块率l o n ，an | kn 7 an ，a 1 ， p e c n _ e _ 误块率l 1 6 8 d b n ，an an ，a l 图表1 8d p c h 在s t t d 模式c a s 1 下的最低性能要求 c 闭环发射分集模式 图表1 9 中给出了在指定的测量参数下t 闭环发射分集达到特定性能所需要的平均! 坚：五功 率比最低值。 参数性能指标模式一模式二 l ，i 。 9 d b 望! 鲤：生 误块率l o n i 凡n 舱 d p c h 一耳 误块率l - 1 8 0 d b，1 8 3 l ， 图表1 9d p o h 在闭环模式c a s e l 信息数据速率为1 2 ，2 k b p s 下的最低性能要求 东南大学移动通信国家重点实验室 第1 4 页 东南大学硕士毕业论文 第三章w c d m a 系统空时发射分集 第3 章w c d m a 系统空时发射分集 发射分集技术是第三代移动通信系统关键技术之一，目前第三代移动通信系统的两个主要标 准w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 均将发射分集作为提高下行链路容量的一种主要方法。发射分集的主要 优点可以概括如下：第一，它可以降低移动台实现的复杂度，从而减少移动台的体积、功耗和成本。 第二，它可以较好的抵抗时变信道的衰落而无需更高的发射功率或更宽的带宽。理论上，同样阶数 的发射分集和接收分集具有相近的分集增益。 除了分集增益以外，我们还可通过对信道状态信息的反馈丽获得天线增益( a n t e n n ag a i n ) 。 发射端不需要接收端的反馈信息的分集技术，称为前馈分集( f f d ) ，也称为开环发射分集( o l t d ) 。 而发射端需要接收端的反馈信息的分集技术则称为反馈分集( f b d ) ，也称为闭环发射分集( c l t d ) 。 闭环发射分集可以充分利用不同的发射路径，在增大复杂度的代价下，反馈技术可以获得比前馈分 集大的性能提高。但不管反馈速率如何，在多普勒频偏较高时，开环发射分集的性能最终总会优于 闭环发射分集。另外开环发射分集的应用范围也远高于闭环发射分集，闭环发射分集仅适用于 w c d m a 系统中的专用信道中，而不适用于w c d m a 系统的广播信道，如图表2 0 所示 l ”! = ，：毒 二 w c d m a ：、舞。? + i 鹭 c d m a 2 0 0 0 ii f d dt d d 隆；专用信道? “；广撬信道专i 专用佰道毒：广播信道虬t t + ”母强 l 开环发射分集| 隧 封环发射分集露麓稽”毒- 。羹：7 ：n a 誓髻= i j 暧曩i 豫q j ；w a 麓鬻秘 + 瀵 图表2 0 开环发送分集和闭环发射分集在3 g 系统中的适用范围 开环发射分集最初由文献坦丑提出，该文献所采用的是一种所谓“延时分集”的方式，在这种 分集方式中，各个天线所发射的信号均是同一信号的不同时延副本，它的缺点是存在多径干扰。为 了解决这一问题，文献【丝翌提出了一种适用于c d m a 系统的“正交扩频序列”，该序列可以保证两 天线所发射的信号完全正交，但该方案却增加了w a l s h 码( 带宽) 的使用。所以文献幽又提出了 一种用于t d m a 系统的空时发射分集( s t r d ) 方案。它既可以获得多天线的分集又没有增加系统 带宽。对于c d m a 系统而言，这就意味着不增加w a l s h 码的使用，因此该方案一经提出就受到电信 界的广泛重视。 1 9 9 8 年1 1 月，德州仪器( t 1 ) 首先将这一技术应用于c d m a 系统，并将其提交给欧洲电信标 准协会( e t s i ) 以及日本无线工商业组织( a r i b ) 。同时提交的其它方案还包括美国摩托罗拉 ( m o t o r o l a ) 公司所提交的“正交发射分集”( o t d ) 方案以及韩国三星( s a m s u n g ) 公司所提交的 “时间切换发射分集”( t s t d ) 方案。1 9 9 9 年1 月，3 g p p 接受了1 1 公司所提交的空时发射分集 ( s t r d ) 方案，并决定将其应用于w c d m a 系统中。1 9 9 9 年l o 月，朗讯( l u c e n t ) 公司提交了一 份同s t t d 方案非常相似的“空时扩频”( s t s ) 方案，并推荐其用于c d m a 2 0 0 0 系统，同时推荐 的方案还有“正交发射分集”( o t d ) 方案，而后，3 g p p 2 将这两个方案全部采纳并作为该系统主 要的开环发射分集技术。 东南大学移动通信国家重点实验室 第1 5 页 东南大学硕士毕业论文第三章w c d m a 系统空时发射分集 以上我们对发射分集( 特别是空时发射分集技术) 进行了一个简要的叙述，在本章余下的部分 中，我们将集中讨论w - c d m a 下行链路中的空时发射分集。有关闭环发射分集的内容我们将在下 一章中给以详细的介绍。 本章共分三个部分，第一部分给出了w c d m a 下行链路空时发射分集的系统模型；第二部分对 整个模型中的各个重要模块的算法原理以及实现方案分别进行了较为详细的描述：第三部分给出了 整个系统的性能仿真结果并对结果进行了分析；最后一部分为本章小结。 3 1 系统模型 首先我们给出w c d m a 系统s t t d 模式下的系统模型，该模式下的发射单元和接收单元的模型 分别由图表2 l 和图表2 2 中给出： 图表2 1s r d 发射单元 2 图表2 2s 丌d 接收单元 其中发射单元由专用物理信道( d p c h ) 、公共导频信道( c p i c h ) 、s t t d 编码器以及扩频加扰 等四个单元构成，为了说明的方便，我们假设基站只发射一个专用物理信道( d p c h ) 和两个公共 导频信道( c p i c h ) ，设专用物理信道( d p c h ) 每个时隙所含的符号数为n 。，而公共导频信道( c p i c h ) 每个时隙的符号数为n ，( 在w c d m a 系统下行链路中n p = l o ) 。专用物理信道经s t i d 编码以后分 两路分别进行扩频和加扰操作，然后再分别与两个导频信道码分复用，最后由两发射天线将复用后 的数据同时发射出去，完成整个s t t d 发射过程。 接收单元中由多径检测、信道估计、数据解扩、最大比合并以及s t r d 译码等五个单元组成。 东南大学移动通信国家重点实验室 帮1 6 页 事 画一一画 ， 画 凰 东南大学硕士毕业论文第三章w c d m a 系统空时发射分集 其中多径检测的任务是完成对信道中多径数据的搜索；而信道估计器则是利用公共导频信道 ( c p i c h ) 对多径检测得到的每一径数据分别进行信道估计，从而得出每一径的信道估计系数，然 后利用此系数对该径所对应的d p c h 数据进行加权，并对加权后的各径数据加以合并实现最大比合