（信号与信息处理专业论文）第三代移动通信中rake接收技术研究.pdf

摘要 摘要 r a k e 接收机技术是c d m a 扩频通信的关键技术之一，作为c d m a 系统中 实现多径分集接收的核心部件，它可以分辨出接收信号中不同的多径分量，克服 多径衰落，提高系统性能。 本文围绕r a k e 接收机在c d m a 系统中的应用，针对多径衰落信道，分析比 较了传统r a k e 接收机的特点。在此基础上，提出了一种基于多径干扰相消的 r a k e 接收技术，并与常规的r a k e 接收进行了比较。结果表明，采用此技术可 改善r a k e 接收性能，且结构简单，易于实现。此外，论文对空时二维r a k e 接 收机也进行了分析研究，推导了自适应阵列天线与1 dr a k e 接收机相结合，扩 展为2 - dr a k e 接收机的性能，给出了仿真结果。仿真结果表明，采用空时信号 综合处理的2 d - r a k e 接收技术，能够有效地抑制同道干扰和码间串扰，大幅度提 高系统性能，在移动通信中将有很好的应用前景。 关键词：扩频通信 码分多址 空时处理r a k e 接收机 英文摘要 a b s t r a c t 儿 t h er a k er e c e i v i n gt e c h n o l o g yi so n eo ft h ek e y st ot h ec d m as p r e a d i n g s p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a st h ec o r ep a r t sw h i c hu s es e v e r a lb a s e - b a n d c o r r e l a t o r st o i n d i v i d u a l l yp r o c e s ss e v e r a ls i g n a lm u l t i p a t hc o m p o n e n t s ，i t c a l l d i s t i n g u i s hm u l t i - p a t hf r o mr e c e i v e ds i g n a l s ，o v e r c o m em u l t i p a t hf a d i n ga n da c h i e v e i m p r o v e d c o m m u n i c a t i o n s r e l i a b i l i t y a n dp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rd e a l sw i t hr a k er e c e i v e ra p p l y i n gf o rc d m as y s t e m s ，a n a l y z e st h e p e r f o r m a n c eo fc o n v e n t i o n a lr a k er e c e i v e r b a s e do i lt h e m ，am e t h o do fm u l t i p a t h i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o ni sp r o p o s e d , a n dc o m p a r i s o nw i t hc o n v e n t i o n a lr a k er e c e i v e r i s p e r f o r m e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tr a k er e c e i v e rp e r f o r m a n c ec a nb e i m p r o v e du s i n gt h i sm e t h o dw i t hs i m p l es t r u c t u r ea n de a s yi m p l e m e n t a t i o n i na d d i t i o n ， a tt h ee n do ft l “sp a p e r , o n eo ft h es p a c e - t i m er a k e r e c e i v i n gt e c h o l o g i e si sr e s e a r c h e d t h es i m u l a t i o nr e s o l u t i o ns h o w st h a ts p a c e - t i m er a k er e c e i v e rh a st h ee x c e l l e n t p e r f o r m a n c e i n s u p p r e s s i n gc c ia n di s ii n t e r f e r e n c e a n d a l s oc a l l p r o m i s e sa s u b s t a n t i a lg r o w t ho fe a p a c i t y w h i c hm u s th ew i d e l yu s e di nt h et h i r dg e n e r a t i o n m o b l i ec o m i n n n i c a t i o n s k e y w o r d ：s p r e a d i n gt e l e c o m m u n i c a t i o n s c d m a s p a c e - t i m ep r o c e s s i n g r a k er e c e i v e r 创新性声明 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，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期型i ：! 多 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，l l p , 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。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 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。( 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 导师签名笾 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 在移动通信系统中，用户与基站之间可采用的多址方式有三种：频分多址 ( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 。除此之外，还有它们的混合方式， 如时分频分多址( t d m a f d m a ) 、码分频分多址( c d m a f d m a ) 等。随着用户数 量和通信业务的增加，频率资源和通信系统容量的矛盾越来越突出，因此寻找有 效的多址方式和信号调制方式一直是移动通信研究和开发的热门课题。 与其他多址方式相比，c d m a 具有许多独特的优点。首先，它采用宽带传输， 具有抗多径衰落，抗阴影衰落，抗d o p p l e r 效应的特性。c d m a 系统的特点之一就 是可以通过r a k e 分集接收来利用多径，从而大大降低多径对通信系统的影响。频 带越宽，则可分离的多径数越多。由于宽带信号与宽带噪声、宽带干扰同时发生 衰落，功率同时下降，对信号与干扰的影响基本相同，因此信噪比基本维持不变。 此外在宽带系统中，由于相对频移小，造成信号的失真也就相对较小。 c d m a 系统采用低功率密度传输，具有良好的保密性。对于c d m a 系统，在 信道中传输的有用信号功率比干扰和噪声的功率低，信号隐蔽在噪声之中，信号 频谱扩展得越宽，功率密度越低，信号隐蔽性越好。扩频技术使信号的功率谱密 度大大降低，其平均发射功率和最大发射功率均比f d m a 低得多。低功率发射信号 带来的好处是可以使手机体积小、重量轻、待机时间长。 c d m a 系统利用扩频地址码的相关性获取信息，因此它的防截获能力和抗干 扰能力也很强。系统采用伪随机扩频地址码对用户信号进行调制，接收端则利用 扩频地址码的相关性获取信号，在未知扩频地址码的条件下，要截获信号是相当 困难的。扩频信号利用扩频地址码对接收信号进行相关运算。对于扩频接收信号， 信号能量得以集中；而对于干扰信号，由于与扩频地址码不相关，在相关运算后， 能量被扩散，对噪声信号，相关运算前后信号特性保持不变。由于相关运算，使 得输入输出s n r 发生变化，输出s n r 得到提高。 c d m a 系统同时还具有软容量特性，不易发生线路拥塞，便于话音激活技术 的应用。在f d m a ，t d m a 系统的容量设计过程中，若依据忙时话务量设计频道数 或时隙数，则在系统闲时信道被闲置无法利用，同时增加系统成本投入：若依据 闲时话务量设计，则业务忙时造成线路拥塞，呼损率高。在c d m a 系统中，业务 忙时，信噪比降低，通话质量下降；业务闲时，信噪比增加，通信质量提高，系 统增加与减少一个用户，对系统通信服务的影响很小。并且只要用户在话音问歇 2 第三代移动通信中r a k e 接收技术研究 期问，不发射信号，就可以提高c d m a 系统中其他用户的s n r ，系统就可以允许 接入新的呼叫。系统容量也因此增加约2 倍。 另外还需提到的是，c d m a 系统工作频率相同系统可实现软切换漫游，而 且频率管理简革，扇区划分也能使系统容量迸一步提高。由于c d m a 系统中，各 小区采用相同的工作频率，当用户终端在小区间漫游时，不需要象f d m a 、t d m a 系统那样重新分配频率资源和倒换时隙对小区通信信道进行分配，也不需要额外 的硬件开销。系统中各小区可以采用同一频率，系统不必进行严格的频率管理或 频率分配。c d m a 系统中采用定向天线将小区划分为几个扇区，由于每个扇区只 接收来自某个方向的信号，降低了干扰信号的接收能量，s n r 得到提高，从而系 统容量得到增加。 二十世纪九十年代信息通信领域的三大突出成就是移动通信和无线电通信、 多媒体信息服务、i n t e m e t 国际互联网。九十年代末，第三代移动通信系统的开发 成为通信领域中最热门的话题。第三代移动通信的理想目标是，具有极大的通信 容量，极好的通信质量和极高的频谱利用率。要在复杂的移动通信环境和有限的 频率资源中实现这个目标，主要受三个因素的限制：一是多径衰落，信号经不同 路径传播到达接收机，由于天线位置、方向和极化不同，其接收信号的幅度、相 位都在起伏变化，为保证通信质量，不得不增加信号功率，这直接会影响系统容 量；二是时延扩展，不同路径的信号有不同的传播时延，当时延超过码元宽度的 1 0 时，码间干扰( i s i ) 影响就比较明显，从而限制了移动通信的信道传输速率：三 是多址干扰，来自本小区和邻近小区的其他用户信号的干扰，随着小区信道数的 增加而增加，随着信号功率的增加而增加。为克服这些限制，仅采用现成的、常 规的数字移动通信技术是不能满足要求的i l l 【2 】，还必须要采用近年来开始研究的第 三代移动通信系统中的关键技术1 3 】。具体地说包括r a k e 接收技术，信道编译码技 术，智能天线技术，多用户检测技术，功率控制技术等。 移动通信是在复杂的电波环境下进行的如何克服电波经不同的传播路径到 达接收天线，而形成的多径衰落现象是移动通信所必须解决的基本问题之一在 c d m a 移动通信系统中，由于信号带宽较宽，因而在时间上可以分辨出细微的多 径信号，利用这一特点，去尽可能多地接收来自不同路径的信号，以增加接收信 号电平，克服多径衰落信道所造成的负面影响，这就是r a k e 多径分集技术的基本 思想。r a k e 多径分集技术的另一个重要的作用是宏分集及越区软切换技术，当移 动台( m t ) 处于越区切换状态时，参与越区切换的基站( b t s ) 向m t 发送相同的信息， m t 把来自不同基站的信号进行分集合并，从而改善m t 处于越区切换时的接收信 号质量，保证越区切换时通信的连续性。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 r a k e 接收机最早是由p r i c e 和g r e e n 在1 9 5 8 年提出的【4 j 。它随着d s - c d m a 通信 技术的不断发展，而长期被人们研究。特别是在c d m a 移动通信系统被广泛应用 后，r a k e 接收机技术又再一次引起人们的重视，各种r a k e 接收机的改进和衍生 技术不断出现，使r a k e 接收机技术成为多重技术的复合。 研究的重点主要集中在以下几个方面：多径搜索、多径分离与多径选择；固 定f m g e r 数r a k e 接收机、自适应f i n g e r 数r a k e 接收机：多径合并技术，如等增益 合并、最大比合并、最大信噪比合并、m m s e 合并技术等。 目前国内外研究最多的是r a k e 接收机技术与多用户检测技术相结合的多用 户检测r a k e 接收机、r a k e 接收机技术与天线技术相结合的空时二维r a k e 接收 机技术5 】【6 】、与自适应等技术相结合的r a k e 接收机技术 7 1 。但是由于这些技术都 比较复杂，受到硬件实现的限制，还未见有进入实用的报道。3 g 中普遍采用的， 还是传统的r a k e 接收机技术。对于多用户检测r a k e 接收机和空时二维r a k e 接 收机，下面做一下简要的介绍。 1 ) 多用户检测i 乙u 正接收机 使用多用户检测技术( m u d ) 可以有效减少多址干扰( m a i ) ，理论上可以使之接 近单用户检测的性能水平。在d s c d m a 移动通信系统中，从受干扰的接收信号中 提取所期望信号的技术可分成千扰抑制和数据检测两大类。常用的有线性多用户 检测技术与干扰消除技术。根据多用户检测部分在r a k e 接收机中的位置，可分为 合并前多用户检测与合并后多用户检测接收机两种。 2 ) 空时二维r a k e 接收机 c d m a 系统存在一个突出的问题，即存在远近效应。克服远近效应问题的常 用手段是采用功率控制，以便在用户之间保持平衡的功率分布。但是，功率控制 只适用于平稳的和慢移动的用户。自适应天线提供了克服远近问题的另一种手段， 通过将波束指向期望用户和减小总的多址干扰功率，即可免除期望用户性能对其 它用户功率变化的依赖，从而抵抗远近效应。除了减小远近效应外，天线还可通 过干扰抑制增加c d m a 系统的软容量。 自适应天线是在空域改善c d m a 通信的性能，而r a k e 接收机则试图通过时域 运算达到同一目的。将自适应阵列与r a k e 接收机综合在一起，就得到了空时二维 r a k e 接收机，它可同时获得空1 h j 分集和时日j 分集。原理上，二维r a k e 接收机既 能将阵列接收到的期望用户的多径信号组合在一起，又能使多址干扰的影响为最 小，从而为期望用户提供最佳的输出信噪比。 4 第三代移动通信中r a k e 接收技术研究 1 3 论文内容安排 论文主要对c d m a 通信中的r a k e 接收机技术进行了研究，章节内容安排如 下： 第一章是绪论，综述了r a k e 接收机研究的意义和国内外研究现状。 第二章是基础知识介绍。对无线移动环境、多址干扰、扩频通信体系、第三 代移动通信系统进行了论述，为后续章节的讨论奠定了基础。 第三章叙述了r a k e 接收机的基本原理，讨论了相干r a k e 接收机和非相干 r a k e 接收机的异同，对w c d m a 系统中专用物理信道的特点也作了分析，最后给 出了r a k e 接收机在w c d m a 系统中的应用方案。 第四章提出了一种基于多径干扰相消的r a k e 接收技术。与传统r a k e 技术相 比较，进行了理论分析和仿真。理论分析和仿真结果表明，采用此技术可以改善 多径衰落条件下的r a k e 接收性能，且结构简单，易于实现。 第五章对空时二维r a k e 接收机进行了研究，推导了自适应阵列天线与1 d r a k e 接收机相结合，扩展为2 dr a k e 接收机的性能，给出了仿真结果。结果表 明，空时二维r a k e 接收机能够显著提高系统性能，增加系统容量，降低误比特率。 最后对整个论文工作进行了总结。 第二章移动通信信道与第三代移动通信系统 第二章移动通信信道与第三代移动通信系统 电波传播的特性是研究任何无线通信系统首先要遇到的问题。传播的特性如 何直接关系到通信设备的能力、天线高度的确定、通信覆盖范围的计算以及为实 现优质可靠的通信所必须采用的技术措施等一系列系统设计问题。与其它通信信 道相比，移动信道是最为复杂的一种。移动信道属于无线信道，它不同于传统的 有线信道。有线信道是恒定参数的信道，是人为制造的信道，它从一开始的明线 发展到同轴电缆，一直到今天由光纤组成的光缆线，通信容量越来越大，通信质 量也越来越高。而且随着科学技术的进步，它将逐步趋向理想的传输信息的信道。 然而无线信道却不然，它是开放式的客观存在的变参量信道，然而只能在充分地 分析研究它的特性的基础上去适应它和改造它。移动通信信道是无线信道的一个 子类，它不仅具有所有无线信道的特点，而且还具有通信用户随机移动性的新特 色。 2 1 移动通信信道 信道是信号的传输媒质，我们首先分析信道的特点与实质，然后再来讨论针 对存在的问题所给出的技术解决方案。 2 1 1 信道的主要特点 ( 1 ) 传播的开放性； ( 2 ) 接收点地理环境的复杂性和多样性； ( 3 ) 通信用户的随机移动性。 2 1 2 电磁波传播的特点 移动通信信道的三大特点形成下述电磁波传播的主要特点： ( 1 ) 直射波：它是指在视距覆盖区内无遮挡的传播，直射波传播的信号最强。 ( 2 ) 多径反射波：指从不同建筑物或其它物体反射后到达接收点的传播信号， 其信号强度次之。 ( 3 ) 绕射波：从较大的山区或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度与 反射波相当。 ( 4 ) 散射波：由空气中离子受激后二次发射所引起的慢反射后到达接收点的传 播信号，其信号强度最弱。 6 第三代移动通信中r a k e 接收技术研究 2 i 3 三类不同的损耗和三种效应 上述移动信道的主要特点及其带来的传播上的特点，对接收点的信号将会产 生三类不同的损耗和三种效应。 ( 1 ) 三类不同的损耗 路径传播损耗：又称为衰落，它是指电波在空间传播所产生的损耗，它反 映了传播在宏观大范围( 即公里量级) 的空间距离上的接收信号电平平均值 的变化趋势。 慢衰落损耗：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产 生的阴影效应而产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的 均值变化而产生的损耗，一般遵从对数正态分布，其变化率较慢故又称为慢 衰落。 快衰落损耗：它主要是由于多径传播而产生的衰落，它反映微观小范围内 数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从r a y l e i g h ( 瑞利) 或r i e i a n ( 莱斯) 分布，其变化率比馒衰落快，故称它为快衰落。 ( 2 ) 三种效应 阴影效应：由于大型建筑物和其它物体的阻挡而形成在传播接收区域上的 半盲区。 远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站间的距离也在随 机地变化，若各移动用户发射功率一样，那么到达基站的信号强弱不同，离 基站近信号强，离基站远信号弱。通信系统的非线性则进一步加重，出现强 者更强，弱者更弱和以强压弱的现象，通常称这类现象为远近效应。 多普勒效应：它是由于接收的移动用户高速运动引起传播频率扩散而引起 的，其扩散程度与用户运动速度成正比。 2 2 三类选择性衰落 2 2 1 选择性衰落的类型 ( 1 ) 空间选择性衰落 所谓空问选择性衰落， ( 2 ) 频率选择性衰落 所谓频率选择性衰落， ( 3 ) 时间选择性衰落 所谓时日j 选择性衰落， 即在不同地点( 空间) 衰落特性不样。 即在不同的频率衰落特性不一样。 即在不同的时间衰落特性不一样。 第二章移动通信信道与第三代移动通信系统1 2 2 2 选择性衰落的产生条件 在实际的移动通信中，三类选择性衰落都存在，它们的形成原因均是由于多 径传播引起的，根据其产生的条件大致可划分为以下三类： ( 1 ) 第一类多径干扰：由于快速移动用户附近物体的反射而形成的干扰信号， 其特点是在信号频域上产生d o p p l e r ( 多普勒) 扩散而引起时间选择性衰落。 ( 2 ) 第二类多径干扰：它是由远处山丘与高大建筑物反射而形成的干扰信号， 其特点是信号在时域和空间角度上产生了扩散，从而引起相对应的频率选择性衰 落和空间选择性衰落。 ( 3 ) 第三类多径干扰：由基站附近的建筑物和其它物体的反射而形成的干扰 信号，其特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起空间选择性衰落。 2 3 传播模型的定量分析 2 3 1 传播损耗的定量分析 首先从总体上对传播损耗作如下定量分析，由前面分析，传播总损耗分别由 大范围( 公里量级) 路径损耗、中范围( 数百波长) 的阴影效应和小范围( 数十 波长) 多径干扰共同决定，即 v d ( o - i d ( o ”哂【d ( f ) 批 d ( f ) ( 2 1 ) 其中：d ( f ) 为某移动用户与基站间的距离矢量； i d ( t ) l “表示大范围的路径损耗，n 一2 5 ； s f d ( f ) 1 表示中范围的阴影效应损耗； 足f d o ) 1 表示小范围的多径干扰损耗。 2 3 2 多径干扰( 快衰落) 的信道数学模型 下面初步分析多径干扰( 快衰落) 信道数学模型，为了简化，先不考虑空间域， 而仅考虑时一频域两维情况，措述它的数学模型很多，其中最常用的是一类线性 时变信道模型，即 图2 1 信道模型 “) h ( t 力= 郇) 6 o 一_ ( f ) o 2 ) 第三代移动通信中r a k e 接收技术研究 其中：l ( f ) 表示到达的多径的径数：4 ( f ) 表示第，条路径的信号幅度； 可( f ) 表示第f 条路径相对于第一条路径 一o ) 的时延； 仍( f ) 表示第，条路径的信号相位。 为了简化，有时往往可以将上述时变参量看成时不变的，这时 p ) t 4 6 p 一巧) e 如( 2 - 3 ) 应用中心极限定理，可以将式( 2 - 2 ) 中的i l ( f ，f ) 看成一个时变的复高斯过程， 当其过程具有零均值时，在任意瞬间t ，包络的值是瑞利分布，其概率密度函数 为： 二l p ( s ) 砉e2 0 2 ( o s s t m ) ( 2 - 4 ) 其中e o ) 一争为信号包络的均值 当移动用户与基站之间存在直射波信号时，l i l ( f ，r ) 的均值不再为0 ，此时信道 衰落遵从莱斯分布，其概率密度函数为 t 2 “2 p ( s ) 一砉e 一才，。( ) ( o 嗡( 2 - 5 ) 其中：屯为直射波信号幅度；，0 为零阶修正b c s l 函数。 实际移动信道的多径干扰，应将空域也考虑进去，这时信道数学分析将进一 步复杂化。为了简化，在物理上将移动信道看成具有不同时延宇、不同频移 ，和 不同角度舻的无数条传播路径总和它可以引用一个三维的功率谱扩散函数 p 佶，驴) 来描述，进一步若信道满足广义平稳性，则下述结论成立嗍 r ( q 二) a r 一胪帆妒弦帅部钒沙如 ( 2 6 ) 上式表示，三维相关函数月( q ，r ，譬) 与三维功率谱扩散函数p 佶， ，9 ) 是一对 傅氏变换。而三维扩散函数p 售， ，妒) 是表示接收到的信号通过随机移动信道以 后，能量在时域、频域和角度空间域的扩散程度。 为了简化分析，作为一阶近似，可将三维扩散程度分别定义为相应的等效扩 散值。即在时间域亭上定义等效扩散区间为l ，在多普勒频移域，上定义等效扩 散区间为b ，在入射角域伊上定义等效扩散区间为l l ，这时三维功率诸扩散函数 可以等效为一个有限的三维体积，即 第二章移动通信信逆与第三代移动通信系统! p 候，劢。j 击貅撕s 扣点詈 协， 1 0 其它 由归一化条件仍售，y ，妒) d 影州班1 ，司分别求得各目等殁区同，曰与掣的值2 由j 二p 瞎y 孝- i 1 ，求得一i f ：p 售矽亭】- t ( 2 8 ) 由c p 一沙一i 1 ，求得口一畦p 沙】。1 ( 2 - 9 ) 由j 二p y 妒一面1 ，求得掣- 畦p v 妒】- l ( 2 - 1 0 ) 同理，三维定义相关函数月( q ，f ，争也可以等效为一个有限的三维体积，即 即 争一净袈a f 学畔 再由归一化条件月俨( q 而等奠倒础一1 ，可分别求得各自等效相关区间廿， 由j 二r ( q m q - 石1 ，求得脯- i 丘r ( q q 】4 ( 2 - 1 2 ) 由j 二月p v f - 面1 ：，求得a r 一畦尺( r v r 】- l ( 2 - 1 3 ) 由r ( 等沙- 1 a r ，求得从一陋月( 等炒】- l ( 2 一1 4 ) 再由式( 2 6 ) 与上述扩散函数与相关函数的定义，很容易求得 a r 。三 曰 盯。!( 2 1 5 ) l a r 。! v 竺 第三代移动通信中r a k e 接收技术研究 2 4 多址干扰 多址干扰是移动通信中另一类主要干扰，它与前面分析的主要决定于信道衰 落和多径的干扰有所不同它虽然是决定于信道的多址接入特性，然而多址接入 却又决定于多个信源用户要求同时通信。这就是说多址干扰最实质的原因是由于 多个用户要求同时通信，而又不能完全将它们彼此隔开而引起的干扰。 多址干扰与多址接入技术，以及具体的信号多址划分的设计技术有直接关系。 一般在传统的频分与时分多址技术中，由于频分、时分划分的正交性，多址干扰 小到可以忽略的程度，然而对于码分多址技术却不然，这是由于具体码组设计时， 码组间的自相关特性，特别是互相关特性不理想而造成的多个用户之间的相互干 扰。在实际的蜂窝系统中，小区内各用户间的多址干扰大约占总多址干扰的6 0 ， 小区间的各用户所产生的多址干扰约占4 0 ，其中3 6 来自于该小区外的第一层 的6 个相邻小区，而第二层以外各层小区各用户所产生的干扰之和大约占4 。 在码分多址的移动通信体制中，比如i s 9 5 以及各种主要第三代移动通信体 制中( 它们都是以码分多址为主) ，多址干扰是移动通信中最主要的干扰，因此移 动通信中有很多新技术就是针对多址干扰来设计的。比如扩频码的设计与多用户 检测技术，功率控制等。 2 5 多址技术与扩频通信 在移动通信中有两个最核心的问题，一个是多个用户的移动性，另一个是信 道传播的复杂时变特性。前面我们已初步分析了这两者的客观特性，本节将讨论 对待这两个核心问题的方法与手段。 首先讨论克服和解决多个用户的移动性问题。移动通信与传统的固定式的通 信不同，在传统的固定通信方式中，用户与相应的通信设备比如电话机都是固定 不动的，是静态的。通话时只要拨通该办公室内的电话号码即可通信，一旦用户 离开办公室，电话就打不通了移动通信则不然，由于每个用户与相应的通信设 备比如手机是在随机变动的，是动态的要实现两个移动用户或一个固定与一个 移动用户之间的通信，首先必须要寻找动态用户的地址号码。同时，由于在同一 个小区内同时需要通信的用户不止一个，因此这就产生了所谓多址问题与多址接 入技术。我们首先讨论一般化的多址技术，再重点讨论码分多址c d m a 扩频通信 的多址接入技术。 第二章移动通信信道与第三代移动通信系统翌 2 5 。1 多址技术 1 目的 由于移动用户在不断的随机移动，建立它们之间的通信，首先必须引入区分 与识别动态用户地址的多址技术。 2 原理 与固定式通信中的信号复用技术相同，实质上都是属于信号正交划分与设计 技术。不同点是信号复用目的在于区分多路，而多址技术目的是区分多个动态地 址；复用技术通常在中频或基带实现，而多址技术必须在射频实现，它利用射频 辐射的电波寻找动态的移动地址。 3 实现方式 正交信号的正交划分与设计，具体是通过信号的正交参量 ( f - j , 2 , ，n ) 的划 分来实现的。 ( 1 ) 在发送端：设计一组相互正交的信号参量 x ( f ) - 墨( f ) ( 2 1 6 ) 荟丸+ 善 墨( f ) ( 2 - 1 7 ) 其中；x , q ) 为第f 个用户地址的信号； 为第f 个用户信号五( f ) 的正交参量；丸 为第i 个用户地址的保护区。 式( 2 1 6 ) 式理论上表达式，式( 2 一1 7 ) 则是考虑到实际情况后的实际划分表达 式。而且，正交参量应满足 一嚣 ! ：二暑 纶 ( 2 ) 在接收端：设计一个正交信号识别器如图2 2 所示。 槭( f ) 柚 a ， 幽2 2 正交信号识别器原理图 一五( f ) 当f 一 一0 当i j 1 2 第三代移动通信中r a k e 接收技术研究 4 典型范例 ( 1 ) 当 一觚时，称为频分多址f d m a ，如图2 3 所示： 图2 3 频分多址原理图 在移动通信中，典型的频分多址方式有： 北美：8 0 0 m h z 的a m p s 体制： 欧洲与我国；9 0 0 m h z 的t a c s 体制。 、 ( 2 ) 当 - a l 时，称为时分多址t d m a ，如图2 4 所示： 图2 4 时分多址原理图 f 在移动通信中，最典型的时分多址方式有： g s m 9 0 0 ，它是欧洲与我国等采用的体制； d - a m p s ，它是北美等采用的体制； p d c ，它是日本采用的体制。 ( 3 ) 当凡。c ；时，称为码分多址c d m a 。c d m a 方案有多种方式，最普遍的 方式是按获得宽带信号所采用的调制方式进行划分。根据这种划分方式可将 c d m a 划分为：直接序列( d s ) 、跳频( f h ) 、跳时( t i - i ) 直接扩频码分多址 d s c d m a 多用于民用，跳时、跳频多用于军事。对于直扩码分多址d s c d m a 形式如图2 5 所示。 ( 4 ) c d m a 与f d m a 、t d m a 划分形式不一样。频分f d m a 与时分t d m a 均属于一维多址划分，然而码分多址c d m a 是属于二维域上的划分，它的所有用 户均占有同频段与同一时隙，而划分不同地址的正交参量既不是频段也不是时 第二章移动通信信道与第三代移动通信系统 竺 隙，而是不同地址信号码组的自相关函数。 ( 5 ) 在d s c d m a 中，通过利用伪随机( p n ) 序列复用信号的方式对频谱加 以扩展，从而产生宽带信号；在跳频扩谱中，一个伪随机序列定义了瞬间传输频 率：在跳时扩展频谱中，一个伪随机序列定义了传输的瞬间。 图2 5 直扩码分多址原理图 2 5 2 扩频通信 扩频码分多址是数字移动通信中的一种多址接入方式，特别是在第三代移动 通信中，它已成为最主要的多址接入方式。 扩频通信确切地说称为扩谱通信更为恰当，因为被扩展的是信号频谱带宽， 不过习惯上均称为扩频，它是一类宽带通信系统它的主要特征是：扩频前的信 息码元带宽远小于扩频后的扩频码序列( c h i p ) 的带宽。 1 窄带和宽带通信系统 ( 1 ) 设足为待传送信息码元速率，丁为信息码元的持续时间，曰为传送信号扩 频码序列( c h i p ) 所占用的带宽。若r t b o t 一1 时，即当口一r ，或者b 一2 r 时， 称为一般窄带通信系统。在通常数字通信系统中，移频、移相均属窄带通信系统。 若b r ，即b r - 1 0 1 0 6 ( 1 0 6 0 d b ) ，则称该系统为宽带通信系统。 ( 2 ) 宽带通信系统是窄带系统通过扩频方式来实现的。码分多址c d m a 就是 一类典型的扩频宽带通信系统。 1 4 第三代移动通信中r a k e 接收技术研究 2 扩频通信的基本原理 c ( 1 ) 由通信原理与信息论中著名的s h a n n o n 公式c - b t l o g ：( 1 + 习，其中b 为 y 为限频带宽；r 为限时时隙，一般在通信原理中取t - 1 ；s 为功率信噪比；c 为信道容量。这一公式指出一个限时仃) 、限频( 口) 、限功率岱) 的连续白噪声高 斯信道，其信道容量可以用3 个主要参量所决定的体积来表示。当容量c 不变时， 3 个参量之间可以互换。这一辩证关系实质的揭示，为众多新型通信体制的建立 打开了创新之门。扩频通信就是其中最典型的一个实例。 ( 2 ) 在移动通信中，信噪比s 为最主要的矛盾，为了提高信噪比，可以不 惜切手段。其中s h a n n o n 公式指出：可以采用频带口来换取信噪比，即当c 不 变时，增加频带口可以降低接收机接收的信噪门限值l o g ：( 1 + s ) 。这就是扩频 通信的基本原理，即用频带换取信噪比1 9 】。 3 直扩码分多址d s c d m a 系统实现框图如图2 6 所示。它与传统的通信系统相比，发端多了扩频调制， 收端多了扩频解调。 发廿 接收端： 图2 6d s - c d m a 系统实现框图 第二章移动通信信道与第三代移动通信系统 坚 4 直扩系统的主要技术指标 ( 1 ) 处理增益g 它表示扩频系统解扩后信噪比改善程度； 另有两类等效定义：表示发送端码元扩展的倍数或信号带宽扩展的倍数； 它可用下列公式表示 = 鼯寺= 譬 协 其中j 、更分别表示伪码速率和信息码速率；b p , v 、暑分别表示伪码带宽与 信息码带宽。 g ( 如) = l o l g n ( d b ) 即用分贝表示处理增益值。 ( 2 ) 干扰容限m 它表示在正常工作条件下，接收机输入端所能承受的干扰比信号高出的分 贝数值：m = g 1 t4 - l o l g ( s n ) 。l ，其中丘为实际传输路径损耗( d b ) 。 值直观反映了扩频系统接收机所允许的干扰最大强度值( 用分贝表示) 。 2 5 3 扩频通信主要优缺点 1 主要优点 。 ( 1 ) 抗干扰能力强且g 越大，抗干扰能力越强，抗白噪声、抗单频窄带干扰、 抗人为干扰、抗跟踪干扰、抗宽带的等效白噪声的多址与多径干扰能力都很强。 ( 2 ) 保密性能强，无论是直扩还是跳频，扩频后其频谱均为近似白噪声，因此 具有良好的保密性能。同时对于数字化用户，还可以进一步进行数字式用户加密。 ( 3 ) 低功率谱密度，由于扩频属于宽带系统，频带越宽，功率谱密度就越低， 因此它具有良好的隐蔽性能。且对其他通信系统及对人体的干扰与影响也小。 ( 4 ) 易于实现大容量多址通信，时频二维地址划分使潜在地址数增大。抗干扰 能力强与低功率密度对于干扰受限系统，将允许接纳更多的用户数。 ( 5 ) 易于实现精确定时与测距，因此被广泛用于雷达、导航、通信等系统。 ( 6 ) 适合于变参信道的无线通信，扩频系统易于实现多种形式分集接收并提高 抗干扰性。 2 主要缺点 ( 1 ) 占用信号频带宽，扩频后码序列( c h i p ) 带宽远大于扩频自 信息序列带宽。 ( 2 ) 系统实现复杂。 ( 3 ) 在时变信道中实现同步较为困难。 ( 4 ) 目前受寻找地址码数量上的限制，实现大容量通信仍存在一定困难。 竺第三代移动通信中r a k e 接收技术研究 2 6 第三代移动通信系统 下面，我们将介绍基于宽带码分多址c d m a 方案的扩频通信系统，即第三代 移动通信系统。 2 6 1 系统概述 移动通信发展的最终目标是实现任何人可以在任何地点、任何时间与其他任 何人进行任何方式的通信。到目前为止，移动通信系统已发展到第三代。第一代 移动通信系统是采用f d m a 方式的模拟蜂窝系统，如a m p s 、t a c s 等，其缺点 是容量小，不能满足飞速发展的移动通信业务量的需要：第二代移动通信系统采 用t d m a 或c d m a 为主的数字蜂窝系统，如g s m 、i s 9 5 等，其容量和功能都 比模拟系统有了很大的提高，但其业务种类主要限于话音和低速数据，而社会的 发展对通信业务种类和数量的需求剧增。人们已不再满足于第二代系统。于是， 一种能够提供全球漫游，支持多媒体业务且有足够容量的第三代移动通信系统就 应运而生。 国际电联( i t u ) 很早就提出了第三代移动通信系统的概念，但是称为未来 公共陆地移动通信系统，后来考虑到该系统的商用时间，且系统工作于2 0 0 0 m h z 频段，故应日本等国家的建议，更名为国际移动电信系统i m t - 2 0 0 0 。其主要特性 有：全球化、多媒体化、综合化、智能化、个人化。 目前，世界w a r c 9 2 已为i m t - 2 0 0 0 分配了共2 3 0 m h z 带宽的频谱，上行频 段为l $ 8 5 m h z - 2 0 2 5 m h z ，下行频段为2 1 1 0 m h z 2 2 0 0 m h z 。其中 1 9 8 0 m h z 艺o l o m h z 和2 1 7 0 m h 叠之2 0 0 m h z 用于移动卫星业务( m s s ) 。 2 6 2 几种主要无线传输技术的比较 无线传输技术( r 订) 是第三代移动通信系统的重要组成部分。1 9 9 7 年和1 9 9 8 年是第三代移动通信技术开发、制定标准最活跃的时期，因为在这期间必须对一 些关键技术作出选择，这集中表现在候选r t t 的提交和评估工作上。现在共有 1 0 各组织向n u 提交了候选r t t 方案，其中包括前面提到的欧洲、美国、日本， 还有韩国和一些国际性组织。特别值得一提的是，中国也提交了自己的候选方案。 我国原邮电部电信科学技术研究院也已向i t u 提交了具有我国自己知识产权 的候选r 丌方案：t d s c d m a ，该方案将当今国际领先技术智能天线、同步c d m a 和软件无线电等融于其中，具有较高的频谱利用率，较低的成本和较大的灵活性， 很具有竞争力。下面就w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 这三种方案作一比较。 如表2 1 所示。 第二章移动通信信道与第三代移动通信系统 旦 这三种方案都是根据i t u 的i m t - 2 0 0 0 系统框架要求，结合原有的系统及近 几年移动通信领域的新技术，能够推出商用的移动多媒体通信系统。 表2 iw c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d i v l 技术比较 w c d m a c d m a 2 0 0 0 t d s c d m a 信道带宽5 1 0 2 0m t l z 1 2 5 5 1 0 1 5 2 0m h zl2 姗z c h i p 速率 n x 4 0 9 6m c s ，n = i 。2 ，4n x i 2 2 8 8m c s ，n = i ，3 ，6 ，9 ，1 2i 1 1 3 6m c s 多址方式 d s - c d 姒d s c o m a 和m c 吒d m at d p s c m l a 双工方式 f d d t d df d dt d d 帧长 1 0m s2 0m s1 0m s 交织卷积码：帧内交织块交织( 2 0m s ) 卷积码：帧内交织 r s 码：帧间交织r s 码：帧问交织 扩频前向；w a l s h ( 信道化) +前向：w a l s h ( 信道化) + m 序前向：w a l s h ( 信道化) g o l d 序列2 1 8 ( 区分小区) ；列2 1 5 ( 区分小区) ；+ p n 序列( 区分小区) ； 反向：w a i s h ( 信道化) +反向：w a l s h ( 信道化 + m 序 反向：w a i s h ( 信道化) g o l d 序列2 4 1 ( 区分用户) ；列2 “一l ( 区分用户) ； + p n 序列( 区分用户) ； 调制数据调制：q p s k b p s k数据调制：q p s k b p s k数据调制：o p s k 8 p s k 扩频调制：q p s k扩频调制：o p s k扩频调制：0 p s k 相干解调前向：专用导频信道( t d m )前向；公共导频信道前向和反向都采用专用 反向：专用导频信道( t d m )反向：专用导频信道( c d m )导频信道( t 嗍) 功率控制f 叻：开环+ 快速闭环开环+ 快速闭环( 8 0 0h z )开环+ 快速闭环( 2 0 0 t d d ：开环+ 慢速闭环h z ) 基站问同步异步同步( 可选)同步( g p s )同步( g p s 或其它方式) 2 6 3 第三代移动通信系统中的主要关键技术 任何一种通信系统都是围绕着通信传输的三个指标：有效性、可靠性和安全 性进行不断地优化。移动通信中的各类新技术，都是针对移动通信的信道特点， 以解决移动通信中的有效性、可靠性和安全性为目标而设计的。针对移动通信信 道的特点，提出了一系列解决和克服的方法，即一系列新技术：主要用于抗白噪 声的信道编码与调制技术：主要用于抗慢衰落和远近效应的功率控制技术；主要 用于抗时间选择性衰落的信道交织技术：主要用于抗空问选择性衰落的分集接收 和分集发送技术；主要用于抗多用户的多址干扰的多用户检测技术；既改善、提 高有效性义改善、提高可靠性的智能天线技术与多载波通信技术：以及解决多频 旦第三代移动通信中r a k e 接收技术研究 段、多体制、多媒体统一化综合终端的软件无线电技术；主要用于抗频率选择性 衰落的r a k e 接收等。这里我们