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(通信与信息系统专业论文)时分双工模式下的cdma同步与信道估计.pdf.pdf 免费下载
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西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 在近十年c d m a 移动通信系统的发展过程中,f d d 模式受到了广泛的关注, 但采用f d d 模式的移动通信只能应用在对称的频段上,这就使得可使用的频带 受到了很大的限制。t d dc d m a 技术具有上下行链路不对称、频谱利用率高、 发射功率低等优点,非常适合于第三代移动通信中的非对称数据业务,并可以 提供较高的系统容量。本文针对t d dc d m a 矢量信号发生软件和分析软件, 重点设计了同步和信道估计模块,并基于w i n d o w s 平台进行了软件编程与实现, 并进行了相关理论研究。 论文首先简要概述了t d dc d m a 的基本理论,包括c d m a 扩频通信原理、 t d d 工作原理,以及与f d d 频分双工模式的异同。然后重点分析了采用时分 双工模式下的l c r t d d 和u t r a t d d 两种不同的工作模式。论文以l c r t d d 为例,详细讨论了其帧结构,研究了u e 开机后的下行子帧同步的过程,完成 了该模块的设计实现,并提出了在大频偏下子帧同步的改进算法。该算法的同 步精度可以达到码片级,为后续的频偏估计提供了良好的保障。另外,为了满 足t d dc d m a 信号分析软件作为信号测试的需要,同步模块不但包括了基于 下行同步码的下行子帧同步,而且还包括基于中间训练序列( m i d a m b l e 码) 的同 步,基于中间训练序列的同步算法能很好的应用于基于3 g 技术的移动自组织网 络。 t d dc d m a 系统中采用了联合检测技术,从而大大改善了系统容量。但是 联合检测技术的应用首先依赖于对通信信道特性的正确估计。论文第4 章首先 研究了无线信道模型,t d dc d m a 系统基于每个突发( b u r s t ) 中的训练序列做信 道估计。本文在详细研究训练序列的基础上对c d m a 系统中经典的信道估计算 法一低代价信道估计算法和相关算法,做了深入研究。由于系统受多径和噪声 的影响造成信道估计不准确,从而导致了联合检测接收机的性能下降,针对这 种情况,本文提出了一种改进方法,即对信道估计的结果进行后处理的方法, 经过处理后的信道冲激响应减少了信道干扰的影响进而为联合检测接收机提供 较好的估计值。 第5 章结合3 g p p ( 3 阳g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 协议,论文分析了t d d c d m a 的基带信道模型。在软件实现的基础上,本文结合联合检测算法对t d d c d m a 系统性能作了仿真分析,在不同移动速度、不同信道估计算法下得出了 结论,从而也验证了本文提出算法的优越性。论文的结论部分对上述工作做了 总结,提出了论文完成过程中遇到的问题和得到的经验,并指出了后续工作的 重点。 关键字:第三代移动通信;t d dc d m a ;下行子帧同步;信道估计;联合检测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t hn e a r l yt e n y e a rd e v e l o p m e n to fc d m am o b i l ec o m m u n i c a t i o n ,t h ef d d m o d eh a sa t t r a c t e dal o to fa t t e n t i o n h o w e v e r , f d dm o d ec a l lb eo n l yu s e di n s y m m e t r i cf r e q u e n c yb a n di n t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ,t h u si tl i m i t st h e u t i l i z a t i o no fa v a i l a b l ef r e q u e n c yb a n d s o nt h eo t h e rh a n d t d dc d m ah a sm a n y t e c h n o l o g ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g hs p e c t r u me f f e c t i v e n s s ,a s y m m e t r i c a lu p l i n ka n d d o w n l i n kt r a f f i cs u p p o r t i n g 1 1 1 i st h e s i si sm a i n l yp a i dt ot d dc d m av e c t o rs i g n a l g e n e r a t o ra n da n a l y z e rs o r w a r ew i t ht h em a i nr e s e a r c hw o r kf o c u s e do nt h ed e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no fs y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o nm o d u l e sb a s e do nt h e m sw i n d o w ss o f t w a r ep l a t f o r i l l a sw e l la st h er e l a t e dt h e o r e t i c a lw o r k t l l i st h e s i sb r i e f l yi n t r o d u c e st h et d l dc d m ac o m m u n i c a t i o nt h e o r ya tf i r s t i n c l u d i n gc d m as p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o np r i n c i p l e a n dt h es i m i l a r i t i e sa n d d i f f e r e n c e so ft h ef d dm o d ea n dt h et d dm o d e b yt a k i n gt h el c rt d da sa n e x a m p l e ,t h ef r a m es t r u c t u r eo ft d dc d m as y s t e ma n dt h ep r o c e s so fd o w n l i n k s y n c h r o n i z a t i o n a f t e ru ep o w e r i n go na r es t u d i e d b e s i d e s a n i m p r o v e d s y n c h r o n i z a t i o na l g r i t h mu n d e rt h el a r g ef r e q u e n c yo f f s e t w h i c hc a nr e a c h c h i p l e v e la c c u r a c ya n dp r o v i d et h eg o o dg u a r a n t e e st ot h ec o m i n gp r o c e d u r es u c ha s f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n ,i sa l s op r o p o s e d i na d d i t i o n ,t os a t i s f y 也ed e m a n do f s i g n a lt e s to ft d dc d m as i g n a la n a l y z e r , t h es y n c h r o n i z a t i o nm o d u l ei n c l u d e sn o t o n l yt h ep i l o t - b a s e ds y n c h r o n i z a t i o nb u ta l s ot h em i d a m b l e b a s e ds y n c h r o n i z a t i o n , w h i c hc a l lb ew e l lu s e di nm o b i l ea dh o cn e t w o r kb a s e d3 gt e c h n o l o g yf o rt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t d dc d m as y s t e ma d o p t si o i n td e t e c t i o n , w h i c hs i g n i f i c a n t l yi m p r o v e si t s c a p a c i t y b u tt h ep e r f o r m a n c eo fj o i n td e t e c t i o na l g o r i t h ml i e si nt h ea c c u r a t e c h a n n e le s t i m a t i o n i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t h i st h e s i sf i r s t l yi n v e s t i g a t e sf i r s t l yt h e w i r e l e s sc h a n n e lm o d e l ,w h e r eam i d a m b l es e q u e n c ei ne a c hb u r s ti sa d o p t e df o r c h a n n e le s t i m a t i o n t h e nw ec o m p a r el o wc o s tc h a n n e le s t i m a t i o nw i t hc o r r e l a t i o n a l g o r i t h m b e c a u s eo fi n t e r f e r e n c ec a u s e s db ym u l t i p a t ha n dn o i s e ,t h ec h a n n e l e s t i m a t i o ni sn o ta c c u r a t e ,w h i c hc a u s e st h ei n a c c u r a c yo ft h ej o i n td e t e c t i o n a n i m p r o v e da l g o r i t h mi sp r o p o s e d ,w h i c hs e t st w og a t e s f o rt h ec h a n n e li m p u l s e r e s p o n s e s ,a n dt h u sc a np r o v i d em o r ea c c u r a t ev a l u e sf o rj o i n td e t e c t i o nr e c e i v e r i nt h ef i f t hc h a p t e r , a c c o r d i n gt o3 g p pp r o t o c o l ,t h i st h e s i sc o m p a r e st h es y s t e r n p e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n t c h a r m e lp a r a m e t e r sa n do fd i f f e r e n tc h a n n e le s t i m a t i o n m e t h o d s f i n a l l y , s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa l eo b t a i n e da n dt h ea d v a n t a g e so ft h e p r o p o s e da l g o r i t h ma r ev e r i f l e d ,t o g e t h e rw i t hp r o b l e ma n a l y s i s a n de x p e r i e n c e s u m m a r y o nt h ep r o c e s so ft h e s i s a l s os o m ef u t u r ed i r e c t i o n sa r eg i v e n k e yw o r d :t h e3 阳m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ,t d dc d m 八d o w n l i n ks u b f r a m e s y n c h r o n i z a t i o n ,c h a n n e le s t i m a t i o n ,j o i n td e t e c t i o n 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 i 保密口,在5 年解密后适用本授权书; 2 不保密口,适用本授权书。 学位论文作者签名:僭痹 日期:知韶年叶月z日 指导教师签名: 日期:细g 年妒月z日 学位论文作者签名:借苟 指导教师签名: 日期:力叨8 1 只二日期:刎- 呼z 西南交通大学曲陶父逋大字 学位论文创新性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其 它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个 人和集体,均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名:衔动弘 日期:砌8 年中月2 - e t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1c d m a 扩频通信原理 第1 章绪论 c d m a ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 码分多址,是在扩频通信技术基础上 发展起来的一种无线通信技术【l 】。c d m a 技术的原理基于扩频技术,基本过程 为:在发送端进行扩频,即将需要传送的具有一定带宽的信息数据,用一个带 宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制,使原数据信号的带宽大大扩展, 再经载波调制并发射出去:在接收端进行解扩,即使用完全相同的伪随机码, 与接收的宽带信号作相关处理,把宽带信号解扩成原信息数据的窄带信号,以 实现信息通信。一个c d m a 系统的基本构成如图1 1 所示: 幽l lc d m a 系统发射端利接收端示意图 在发射端各路用户数据流b l ( f ) ,6 2 ( f ) ,“( f ) 与各自的伪随机码 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 p n l ,p 2 ,p n 相乘进行扩频俨码必须与包( f ) ) 同步。然后把扩频后的各路 基带信号相加,再去调制载波a c o s ( 0 9 d + 伊) ,变为宽带信号z ( 力发送出去。 , z ( f ) = 4 c :( f ) 6 f o ) 】c o s ( 敛f + 伊) ( 1 1 ) f = i 以第一路信号为例,在接收端,收到的信号中包括了本用户的有用信号b a t ) 和表现为干扰的其他用户信号,用相干载波先对已调载波进行解调,获得如下 信号: 4 轨( f ) c ,( f ) + a b j ( t ) c ) + 噪声 ( 1 - 2 ) 此信号再与本地产生的尸l 相乘,该蹦码与发送端蹦码完全相同,即 解扩处理。设此p n l 码与发送端的c l ( t ) 准确同步,则c 1 ( f ) c 1 ( d = 1 ,故解扩后的 信号( o 变为: ( f ) = a i b t ( f ) + z 越a j b j ( f ) q ( f ) c l o ) + 噪声( 1 - 3 ) ,= , 4 1 5 l ( f ) + 干扰+ 噪声 如果干扰和噪声能够控制得足够低,则积分器输出的信号为: 圪= e ( 6 ) ,母一1 ”;( 1 - 4 ) = - e ( b ) ,如6 1 ( f ) = ”0 ”; 即虼= 反( f ) ,恢复了原来发送的信号。 。 0 。 由上我们可以看到,在c d m a 系统中,由于多个用户信号的时域和频域上 是混叠的,接收时需要将各个用户的信号进行分离。理想情况下,利用扩频码 的j 下交性可保证无偏差地解调用户数据。而在实际系统中,由于同步不准确及 空间信道的多径特性等造成的影响,导致各用户信号之间无法维持理想的正交 特性。这时对某一特定用户而言,所有工作在同频段的其它用户信号都是干扰 信号,随着用户数增加,干扰逐渐增大,当系统用户数增加到一定数量时,干 扰会使系统无法将有用信号提取出来,因此,c d m a 系统是一种干扰受限系统, 任何消除干扰的方法都可以提高c d m a 系统的容量。 c d m a 利用自相关性大而互相关性小的码序列作为地址码,在信道中许多 用户的宽带信号相互叠加在一起同时进行宽带传输,同时还叠加有宽带、窄带 干扰及噪声,系统利用本地产生的地址码对接收到的信号及噪声进行解调,凡 是与本地产生的地址码完全相关的宽带信号可还原成窄带信号( 相关解调) ,而其 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 他与本地地址码不相关的宽带信号与宽带噪声仍保持带宽。解扩信号经窄带滤 波后,信噪比得到极大提高,可将所需的信号分离出来。 在移动通信系统中,信噪比s n 是最主要的矛盾。c d m a 对信噪比的提高 可以用信息论中著名的香农( s h a n n o n ) 公式来加以说明: c = 形l g ( 1 + s 聊( 1 5 ) 其中c 称为信道容量,矽为频带宽度,s n 为功率信噪比。s h a n n o n 公式指 出:可以采用频带形来换取信噪比,即当c 不变时,增加频带宽度形可以降 低接收机接收的信噪比门限值l g ( 1 + s 7 ) 。如果增加频带宽度,就可以在较低的 信噪比的情况下用相同的信息率以任意小的差错概率来传输信息。甚至在信号 被噪声淹没的情况下,只要相应地增加信号带宽缈,也能保持可靠地通信。这 一公式指明了采用c d m a 扩展频谱信号进行通信的优越性,即用频带换取信噪 比。 1 2t d d 和f d d 两种双工方式比较分析 移动通信系统是一双向通信系统,上行和下行可以通过频率和时间分丌,前 者称为频分t j , - i - ( f d d ,f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ,频分x x l ) 后者称为时分双工 ( t d d ,t i m ed i v i s i o nd u p l e x ,时分双工) 【2 】,如图1 - 2 所示: 图1 2t i ) d 和f i ) d 双:i 方式对比示意图 f d d 的特点是在分离的两个对称频率信道上( 上下行频率间隔1 9 0 m h z ) ,进 行传送和接收信号,用保证频段来分离传送和接收信道。f d d 必须采用成对的 频率,即在每2 x 5 m h z 的带宽内提供第三代业务。该方式在支持对称业务时, 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 能充分利用上下行的频谱,但工作在非对称的分组交换业务时,频谱利用率则 大大降低。 在t d d 模式的移动通信系统中,传送和接收在同一频率信道( 即载波) 的不 同时隙,用保证时间来分离接收和传送信道。 c d m a 系统也相应的有f d dc d m a 和t d dc d m a 两种方式。f d dc d m a 中,上行和下行的用户用不同的频段、不同的码字来区分用户。t d dc d m a 中 为了能时分双工,同时引入了t d m a 的性质,把一个时间段分为几个时隙,每 个时隙可以用作上行或下行,即上下行使用同一频率,每个时隙中的用户用不 同的码来区分。 1 3l c rt d d 与u t r at d d 比较分析 在t d dc d m a 模式下,有两个不同码片速率的选项:u t r a ( u n i v e r s a l t e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s ,通用路基无线时分双i ) t d d 模式和l c rt d d ( l o wc h i p r a t e ,低码片速率) 【3 1 。这两个标准在高层信令和部分物理层技术是相同的。但是, 这两个技术的设计出发点是不同,使用的技术也有差别,导致其主要特性和用 途均不同。两种技术的主要指标和特性比较如表1 - 1 所示。 表1 1u t r a t d d 和l c rt d d 两种时分双工模式性能指标对比 占川带宽m h z 每鞘寝鹞辫鹚亵受赫黉震豢篱 扩频方式 调制方式 信道编码 麴嘶赫警j 一。_ ;:| 。j i 。叠_ _ 帧结构 子帧 突发结构 时隙数 上行同步 智能天线 容量( 每时隙话音信道数) 每载波提供的话音信道数 频谱利,【 率( e r l m h z 一) 容量( 每时隙总传输速率) ( k b i t s ) 每载波提供的总传输速率( n 们o i t s ) 频谱利用率( m b i t s m h z 1 ) u t r a t d d 5 3 8 4 l c r t d d 1 ,6 1 2 8 d s ,s f 21 2 4 8 16 q p s k一 卷积码:r = l 2 ,1 3 ;t u r b o 码 1 4 :4 j ”、“1 0 1 2 0 1 4 0 1 8 0 79、7 超帧:7 2 0 ,无线帧:1 0 无 5 m i d a m b l e 1 57 t a ( 8c h i p ) 1 2c h i p 困难基丁智能天线 81 6 7 8 = 5 63 x 1 6 = 4 8 1 0 ( 伎川话音激活可 2 5 增加5 0 1 2 2 0 82 8 1 6 3 3 11 9 7 1 0 6 6 21 2 3 2 备注 同时j ,:作 对称业务 对称话音业 务 数据业务 不对称数据 业务 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 其它功能如 o d m a ,d c a a r q ,d t x 等等 提供 由此我们也可以得出l c r t d d 和u t r a t d d 的异同点; 相同之处: 使用t d d 双工方式; 同时使用f d m a t d m c d m a ; 使用相同的q p s k 调制技术; 使用相同的正交可变扩频因子( s p r e a d i n gf a c t o r ) 的扩频调制方法; 使用相同的无线帧长度; 使用相同的数据复接( d e m u x ) 和分接( m u x ) 方法; 在通路编码( c h a n n e lc o d i n g ) 和交错( i n t e r l e a v i n g ) 方面,使用和3 g p p 完全相 同的技术; 使用完全相同的第二、第三层信令( s i g n a l i n g ) l c rt d d 的不同之处: 是一个同步c d m a 系统,同一基站小区无线覆盖范围内所有用户的信号必 须同时到达基站用上行导频时隙实现严格的上行同步; 是一个基于智能天线的系统,充分发挥了智能天线的优势; 在基带( b a s e b a n d ) 信号处理上,配合智能天线使用了联合检测技术( j o i n t d e t e c t i o n ) ,达到比u t r a t d d 高许多的频谱使用效能; 和c d m a 的软交换( s o f th a n d o v e r ) 相比,由于使用智能天线,简化了用户 终端( 手机) 的设计,避免了软切换时间大量占用网络资源和基站下行容量资 源的缺点。 通过比较,l c rt d d 在t d d 模式上的优势上更为突出,并有比u t r a t d d 系统高得多的频谱利用率。该技术适用于各种大小的蜂窝,从开阔的郊区到城 市的热点地区和繁忙的室内均可应用。由于l c rt d d 基于t d d 原理并使用非 成对频段,它对于对称的和非对称的数据业务都能提供最优的效率。由于所占 频段只有很少的1 6 m h z ,所以该技术允许灵活的频谱分配。 更重要的是:u t r at d d 是w c d m a ( f d d ) 系统的一个补充,是一个适用 于室内环境,提供数据和多媒体的系统;而l c rt d d 是基于i t u 对i m t - 2 0 0 0 的全部要求来设计的,它解决了移动速度和小区半径等t d d 的问题,它本身就 可以组成一个完整的蜂窝网络。l c rt d d 能直接与g s m 的基础设施相连。网 络运营商可以无需安装全新的网络就能提供3 g 话音、视频和数据业务,可以根 据市场需求而逐步把l c rt d d 的节点引入到现有网络并逐步增加3 g 的覆盖 率。 1 4 本文的研究思路与内容安排 第三代移动通信系统t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x s y n c h r o n o u sc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 具有t d d 方式的所有优势,同时采用智能天线加联合 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 检测技术对抗多径衰落和多普勒频移,使用载波频率、时隙及扩频码实现无线 资源管理,易于进行网络规划,利用帧结构简便地实现上下行同步,利用t d d 方式完成接力切换,结合智能天线新型波束实现动态信道分配【4 】。在未来的几 年里,移动通信将能够支持更快数据速率、更高可靠性和移动速度,基于t d d 的c d m a 技术也将不断发展。作为t d s c d m a 的下一步发展方向t d d c d m a ,很可能成为第四代移动通信的基本多址方案。较第三代移动通信系统, t d dc d m a 将通过多载波、自适应天线、传输分集技术、多用户检测、 h s d p a ( h i g hs p e e dd 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) 等新技术p j ,以 及采用t d d 方式所特有的高频谱利用率,上下行信道互惠,上下行带宽动态 分配等特点,满足第四代移动通信系统所提出的需求。本论文主要针对t d d c d m a 系统中的同步和信道估计展开研究。全论文共分六章。主要结构为:第 1 章为绪论:首先简要阐述了研究背景和意义及t d dc d m a 的通信原理。稍 后详细对比了t d d 和f d d 双工方式的异同,接着对比分析了l c rt d d 和 u r r a t d d 两种t d dc d m a 系统的参数和特性;第2 章以l c rt d d 为例介 绍了t d dc d m a 的系统结构,对同步和信道估计所要用到的几种码字做详细 的分析研究;第3 章介绍了t d dc d m a 系统的同步,包括下行初始化子帧同 步和上行同步,重点分析了下行子帧同步中常用的几种方法,比较了几种方法 的优劣;并针对大频偏下情况下,对功率特征窗法作出了改进。另外,提出了 一种基于t d dc d m a 的移动自组织网的同步方式,并对算法的性能作出了研 究分析。第4 章详细分析了t d dc d m a 系统的信道模型以及其关键技术中的 信道估计,重点比较了信道估计的两种算法一相关法和低代价估计算法,最 后提出了一种基于b s t a i n e r 低代价信道估计的改进措施;第5 章主要是系统仿 真分析,简要介绍了信道估计在t d dc d m a 系统中的作用以及联合检测的算 法,然后对不同信道估计下的联合检测作仿真分析,并得出了结论。最后一章 是结论与展望,总结本文所做的工作,提出了在论文完成过程中的一些经验和 体会,并对后续工作提出了几点建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章t d d c d m a 物理信道与码组配置 由于本论文详细介绍的同步和信道估计,与t d dc d m a 系统的帧结构特性 有密不可分的关系,系统帧结构的设计是实现同步和信道估计的前提。而t d d c d m a 系统采用了以c d m a 为基础的多址接入方式,其基本特征就是以不同的 码字来区分不同的用户。为了实现蜂窝组网结构,t d dc d m a 系统定义了码字 使用和分配方案。因此,有必要对t d dc d m a 系统结构和所适用的码字作详 细的介绍分析6 1 。 2 1 物理信道及其结构 t d dc d m a 系统的物理信道采用4 层结构:系统帧号、无线帧、子帧、时 隙码。依据资源分配方案的不同,子帧或时隙码的配置结构可能有所不同。系 统使用扩频码来在时域上来区分不同的用户信号。3 g p p 定义的一个t d m a 帧 长度为1 0 m s 。t d dc d m a 为实现快速功率控制和定时提前较准以及采用新技 术( 智能天线等) ,将1 0 m s 的帧分成两个结构完全相同的子帧,子帧的帧长为5 i l l s ,其结构如图2 1 所示: i 2 1 1 帧结构 三亩 图2 - 1t d dc d m a 系统结构示意图 每个子帧由三个特殊时隙( d w p t s 、g p 、u p p t s ) 和7 个常规时隙( t s 0 t s 6 ) 构成,d w p t s 和u p p t s 分别用作下行同步和上行同步,不承载用户数据。d w p t s 的时隙包括两部分:6 4c h i p s 的下行同步码和3 2 c h i p s 的保护间隔,u p p t s 的时 隙包括1 2 8 c h i p s 的上行同步码和3 2 c h i p s 的保护间隔。g p 用作上行同步过程中 的传播时延保护,共9 6 c h i p s ;常规时隙( t s 0 一t s 6 ) 用作传送用户数据和控制信息, 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 t s 0 固定的用作下行时隙发送广播信息与控制信息,t s l 固定的用作上行时隙。 其他的常规时隙( t s 2 t s 6 ) 可以根据需求配置成上行或下行以支持非对称性业 务,常规时隙的时隙结构分成了四个域,两个数据域、一个训练序y l j ( m i d a m b l e ) 域和一个用作时隙保护的保护间隔。 t d dc d m a 系统的物理帧结构的确定也是经历一段时间才确定成如下图的 形式,初期c w t s ( q b 国无线通信标准研究组) 提出的物理帧结构是:3 个特殊时 隙在子帧中间,下行常规时隙和上行常规时隙分别在3 个特殊时隙的两侧。现 在的结构与原先的结构相比,基本的功能没有发生变化,但简洁直观,分析和 描述都要方便。t d dc d m a 系统物理帧结构如图2 2 所示。 1 一, 7 i t s o 上 t s l 千 t s 2tt s 3 十t s 41 l t s 5 上 t s 6j l i i 。w p g p s ,f g 二、曲。8 l o t l b “r s t i 6 4 c h ,二二。mu、!二、 9 6 e h i p s d a t af i e l d l m i d a r n b i ed a t af i e l d 2g p 3 5 2 c h i p s1 4 4 c h i p s3 5 2 c h i p s 1 6 c h i p s 2 1 2 突发结构 图2 - 2t d dc d m a 系统子帧结构示意图 突发结构( b u r s ts t r u c t u r e ) 有两种,由两个数据域,一个1 4 4 码片的中间训练 序列( m i d a m b l e ) 和一个1 6 码片的保护间隔( g p ) 所构成。两个数据域总共7 0 4 个 码片长,中间训练序列用来做信道估计,保护间隔用于避免相邻时隙上下行链 路突发信号的相互干扰,形成良好的切换点。下面简要介绍一下系统的突发结 构。 突发结构含有t f c i ( t r a n s p o r tf o r m a tc o m b i n a t i o ni n d i c a t o r ) 符号而不一定有 t c p s s 符号,用于c c t r c h ( c o m m o nc o n t r o lc h a n n e l ) 的第一个主时隙,t s o , 且是上下行链路都有可能存在。如图2 3 ,图2 4 为两种不同的突发结构。 t f c i i 锥分t 陀1 撕:沸分t f c l ! 部分f c i 菊i ,i i 部分 呐。吣t 。、卜 m i d a m b l c 1 跏- 。胁t 。bd a 叫咖。卜 m i d a m b l c 。缸。帅幽 一1 - ,o 广k : 。、 l i t i m e sb t x ( 8 6 4 c h i p s ) - i1 1 1 1 m c5 - o 【x 1 6 口l n i p s , r ) u v i l i j 71w 1 i i i j r 一一 l 幽2 3 :低码片速率t p d 系统卜不存在t p c s s 的t f c i 位置示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 t f c i 一叩s s 符峙t 丫号砌第一部分t f c i 嘏_ 部分s s 符故t 7 符号夕c i 第四部分 m 协。帅出 m i d a m b l e囫仕。b 。诅。蛐。- 。卜 m i d a m b l 。| 豳仁n 。胁。b j1 x l tv ,口 ,、k : 、l i _ t i m es l o t x ( s 6 4 c h 币s ) - 1i l o n e5 xl 6 0 斗l m p s , ,1 1 o l 4 u 。4 啊j i 儿 ,r1 o u u ”4 i j 母r 一 一 l 图2 _ 4 低码片速率t d d 系统下存在t p c s s 的t f c i 位置示意图 每个数据域码片长度为3 5 2 ,在q p s k 扩频调制之下,每个物理信道提供的 数据传输速率如表2 1 所示,其中扩频因子上行为1 、2 、4 、8 、1 6 ,下行为1 、 1 6 。 表2 1 不同扩频因子下的物理信道数据传输速率 扩频冈子( s f ) 资源单元( r u ) 每数据域符号 数据速率( b i f f s ) 1 i 汀l 3 5 2 2 8 1 ,6 0 0 2 r u s t 2 1 7 6 1 4 0 ,8 0 0 4 r u s f 4 8 8 7 0 ,4 0 0 8 r u s f 8 4 4 3 5 ,2 0 0 1 6 r u s f l 6 2 2 1 7 ,6 0 0 2 2t d dc d m a 小区的码组配置 t d dc d m a 系统所使用的码按类型可以分为:下行导频码、上行导频码、 小区扰码、训练序y u ( m i d a m b l e 码) 和扩频码【6 1 。本论文主要涉及到上下行导频码 和训练序列,因此,仅就这三种码字作详细的分析。 2 2 1 上下行导频时隙及上下行同步码( s y n c _ d l s y n c _ u l ) 每个子帧中的d w p t s 是作为下行导频和同步设计的。该时隙由长度为 6 4 c h i p 的s y n c d l 和长为3 2 c h i p 的保护间隔组成,其时隙结构如图2 5 所示: 幽2 5 下行导频时隙结构示意图 下行同步码序列用以标识小区,在下行导频时隙( d w p t s ) 发射,它同时起到 了导频和下行同步的作用。t d dc d m a 系统中一共定义了3 2 个长度为6 4 的基 本s y n c d l 码,每个s y n c d l 码唯一标识一个基站和一个码组,每个码组 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 包含4 个特定的扰码,每个扰码对应一个特定的基本中间码。d w p t s 的发射, 要满足覆盖整个区域的要求,因此不采用智能天线赋形。将d w p t s 放在单独的 时隙,一个是便于下行同步的迅速获取,同时,也可以减小对其它下行信号的 干扰。 在t d dc d m a 系统中使用独立的d w p t s 的原因是要蜂窝和移动环境下解 决t d d 系统的小区搜索问题。当邻近小区使用相同的载频,移动状态下的用户 在一个小区交汇区域开机时,因为d w p t s 的特殊设计,其存在于没有其他信号 干扰的单独时隙,能够保证用户的终端快速捕获下行导频信号,完成小区搜索 过程。 每个子帧中的u p p t s 是为建立上行同步设计的,当u e 处于空中登记和随 机接入状态时,它将首先发射u p p t s 。该时隙由长为1 2 8 c h i p 的s y n cu l 和 长为3 2 c h i p 的保护间隔组成。其时隙结构如图2 6 所示: 1 2 5 - s y n c _ u l ( 1 2 8 c h i p s )g p ( 3 2 c h i p s ) 图2 - 6 上行导频时隙结构示意图 s y n cu l 是一组p n 码,用户在接入过程中区分不同的u e 。整个系统有 2 5 6 个不同的s y n cu l ,分成3 2 组,每组8 个。因为码组是由基站确定,所 以8 个s y n cu l 对基站和已获得下行同步的u e 来说都是已知的。当u e 要建 立上行同步时,将从8 个已知的s y n cu l 中随机选择1 个,并根据估计的定 时和功率值在u p p t s 中发射。 上行同步码序列为随机接入的特征信号,在上行导频时隙( u p p t s ) 发射,在 随机接入和切换过程中用于建立u e 和基站之间的初始同步。在t d dc d m a 系 统中,u p p t s 处于单独时隙的原因是当用户终端在初始发射信号时,其初始发 射功率是用开环控制确定的,而且初始发射时间是估算的,因而同步和功控都 比较粗略。如果此接入信号和其他业务码道混在一起,会对工作中业务码道带 来较大干扰。同时由于u p p t s 的使用,基站通过检测到的u p p t s ,可以给出定 时提前和功率调整的反馈信息。 另外,g p 为由发射向接收转换的保护间隔,时长为7 5 t s ( 9 6 c h i p ) ,对应的 距离变化为 = y ( 9 6 ) 1 2 8 m = 2 2 5 公旱 也就是说,当手机在距离基站1 1 2 5 公里以内时,不会由于初始时序信息 ( t i m i n gi n f o r m a t i o n ) 的缺乏而对系统造成额外干扰。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 2 2 训练序列( m i d a m b i e 码) 训练序列即m i d a m b l e 码,用于接收端的信道估计,位于时隙的中央,长度 是1 4 4 。相同小区相同时隙的不同用户使用的m i d a m b l e 码由同一基本m i d a m b l e 码派生得到。一个时隙中各个部分的发射功率必须一致,即m i d a m b l e 码部分的 发射功率和与数据部分的发射功率和必须一致。图2 7 表示了m i d a m b l e 码在一 个b u r s t 中的位置。 图2 7 业务时隙结构示意图 m i d a m b l e 码除了用户信道估计以外,还有功率控制和同步调整的作用,这 将在下面的章节中详细讨论,下面将对小区中采用的m i d a m b l e 码的产生做详细 的阐述。 m i d a m b l e 码长1 4 4 c h i p ,传输时不进行基带处理和扩频,直接与经基带处理 和扩频的数据一起发送。按3 g p p 标准,一个t d dc d m a 小区配有4 个基本 m i d a m b l e 码,但般仅使用其中的1 个,其余3 个留给不同的运营商使用。同 一时隙不同信道( 也即不同用户) 所使用的m i d a m b l e 码都由这个基本码经过循环 移位而产生,系统定义的1 2 8 个基本m i d a m b l e 码可以在3 g p pt s 2 5 2 2 1 附录中 查到【6 】o 下面介绍时隙内不同用户使用的m i d a m b l e 码生成的过程。先将规范中给定 的每一个基本m i d a m b l e 码的二进制形式写成矢量形式: m ,= ( ,l l ,1 2 ,m ,) ( 2 -
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