（信息与通信工程专业论文）tdscdma的上行同步算法研究及dsp实现.pdf

摘要 摘要 以蜂窝系统的出现为起点，伴随着集成电路技术、微机技术和通信技术的发 展，移动通信已全面进入3 g 时代。第三代移动通信系统的前进方向是全球化、综 合化和个人化，以w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 为其主要的代表。 t d s c d m a 是中国标准化组织向国际电联提交的第三代移动通信无线接口标准。 已被国际电联接收，并作为c d m a t d d 模式的一部分被写入国际规范。这是中国 通信史上一次重大的突破，也是中国移动通信领域发展的一个重要里程碑。与 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 都采用f d d 模式不同，t d s c d m a 综合了t d d 和c d m a 的所用技术优势，具有灵活的空中接口，采用了智能天线、联合检测等先进技术， 具有相当高的技术先进性，在三个主流标准中具有最高的频谱效率。 t d s c d m a 的关键技术主要集中在基带部分，如智能天线技术、联合检测技 术、同步技术、动态信道分配技术、接力切换技术、无线网络技术、功率控制技 术、软件无线电技术、信道估计与补偿技术等。t d s c d m a 系统是同步c d m a ， 同步技术是降低多址干扰，提高系统的容量，简化接收机的一项重要技术。在 c d m a 系统中，下行链路总是同步的，所以一般说同步c d m a 都是指上行同步， 要求来自不同距离的不同用户终端的上行信号能同时到达基站。 t d s c d m a 的上行同步算法是一种基于相关计算的同步序列搜索算法，该算 法计算量很大。论文结合t d s c d m a 系统的子帧结构，采用基于侦测窗的算法， 大大减少了同步序列搜索算法的计算量。在此基础上，论文结合相关计算的特点 和t d s c d m a 的要求，提出了提升上行同步算法性能的修正方法。m a t l a b 仿 真结果表明改进算法的正确性和有效性。为便于d s p 有效实现上行同步算法，论 文还对算法进行了定点仿真。仿真结果表明，在性能上，浮点运算比定点运算具 有一定的优势，但定点运算有效降低了处理平台的要求，降低了成本。 本文主要工作是基于d s p 实现t d s c d m a 上行同步算法。论文针对m s c 8 1 4 4 多核d s p 处理器的结构特点，对上行同步算法进行了优化改进。论文对数据存储 分配、复数运算等程序实现方法进行了改进，以提高程序运行效率。论文还对四 核处理器的任务分配、数据交互通信等进行了研究，有效提高了d s p 的利用率和 效率。改进后的上行同步算法在m s c 8 1 4 4 处理器的运行测试结果表明，运行时间 完全能满足系统要求。 摘要 关键词：t d s c d m a 、上行同步、同步算法，多核d s p a b s t r a c t a b s t r a c t t ot h ee m e r g e n c eo fc e l l u l a rs y s t e m sa sas t a r t i n gp o i n t ，w i t hd e v e l o p m e n to f i n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g y ，c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，m o b i l e c o m m u n i c a t i o nh a v ed e v e l o p e di nt i m eo f3 g t h e3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s f o r w a r dt o g l o b a l i z a t i o n ，i n t e g r a t i o na n dp e r s o n a l i z a t i o n ，w c d m a ，c d m a 2 0 0 0a n d t d s c d m aa st h em a i nr e p r e s e n t a t i v e so f3 g t d s c d m ai sac h i n e s e3 gm o b i l e c o m m u n i c a t i o nw i r e l e s si n t e r f a c es t a n d a r d ，w h i c hi ss u b m i t t e dt oi t u ，a c c e p t e da sa p a r to fc d m a - t d di ni n t e m a t i o n a ln o r m s t h i si sam a j o rb r e a k t h r o u g hi nt h eh i s t o r y o fc h i n e s et e l e c o m m u n i c a t i o n s ，a n di m p o r t a n tm i l e s t o n ei nt h ed e v e l o p m e n tf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n si nc h i n a d i f f e rf r o mw c d m aa n dc d m a 2 0 0 0w h i c hi m p l e m e n t 诵t hf d d ，t d - s c d m ac o m b i n e sa d v a n t a g e so fc d m aa n dt d d w i t haf l e x i b l ea i r i n t e r f a c e ，u s es m a r ta n t e n n a s ，j o i n td e t e c t i o na n do t h e ra d v a n c e dt e c h n o l o g i e s ，h a v ea v e r yh i 曲t e c h n i c a lf e a t u r e s i th a st h eh i 曲e s ts p e c t r a l e f f i c i e n c y i nt h et h r e e m a i n s t r e a ms t a n d a r d t h ek e yt e c h n o l o g i e so ft d s c d m am a i n l ya r ec o n c e n t r a t e di nt h eb a s e b a n d p a r t , s u c ha ss m a r ta n t e n n a , j o i n td e t e c t i o n ，u p l i n k s y n c h r o n i z a t i o n ，d y n a m i cc h a n n e l a l l o c a t i o n ，r e l a ys w i t c h i n g ，t h ew i r e l e s sn e t w o r k ，p o w e rc o n t r o l ，s o f t w a r er a d i o ，c h a n n e l e s t i m a t i o na n ds oo n t d s c d m ai sas y n c h r o n o u s c d m a ，s y n c h r o n i z a t i o n t e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yt or e d u c em u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ，e n h a n c e s y s t e mc a p a c i t ya n ds i m p l i f yt h er e c e i v e r i nt h ec d m as y s t e m ，t h ed o w n l i n ki sa l w a y s s y n c h r o n i z e d ，s oi ng e n e r a ls a i d ，s y n c h r o n o u sc d m am e a n su p l i n ks y n c h r o n i z a t i o n ， w h i c hr e q u i r e su p l i n ks i g n a l sf r o md i f f e r e n td i s t a n c e sa n dd i f f e r e n tu s e rt e r m i n a l st o a r r i v ea tb a s es t a t i o nt h es a m et i m e u p l i n ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi nt d s c d m ai sb a s e do nt h eg o o d a u t o c o r r e l a t i o no ft h es e q u e n c ew h i c hi su s e df o rs y n c h r o n i z a t i o n ，a n dh a sg r e a t l y c o m p u t a t i o n i nt h i sa r t i c l e ，a c c o r d i n gt os u b - f r a m es t r u c t u r eo ft d s c d m a ，w ea d o p t a na l g o r i t h mb a s e do nd e t e c t w i n d o w ，w h i c hg r e a t l yr e d u c e st h e c o m p u t a t i o no f s y n c h r os e q u e n c es e a r c ha l g o r i t h m f u r t h e r m o r e ，s o m ei m p r o v e m e n tm e t h o d sb a s e do n t d s c d m af e a m r e sa n dc o r r e l a t i o nh a sb e e np r o p o s e di no r d e rt o i m p r o v et h e i i i p e r f o m a n c eo ft h ea l g o r i t h m t h er e s u l t sf r o mm a t l a b s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h e i m p r o v e da l g o r i t h mi sv a l i d i no r d e rt oi m p l e m e n tt h ea l g o r i t h mo nd s p e f f e c t i v e l y ， f i x - p o i n t s i m u l a t i o nf o rt h i sa l g o r i t h mh a sb e e n d o n e i nt h i sa r t i c l e a l t h o u g h f l o a t i n g p o i n tc a l c u l a t i o nh a sb e t t e ra c c u r a c y ，f i x e d 。p o i n tc a l c u l a t i o nr e q u i r e sc h e a p e r p l a t f o r ma n dc o s t sl e s s 。 t h i sa r t i c l ei sb a s e do nd s pi m p l e m e n t a t i o nt d s c d m au p l i n ks y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m b a s e d o nt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s o fm s c 814 4m u l t i c o r ed s p ， o p t i m i z e d a n di m p r o v e dt h ea l g o r i t h m t oi m p r o v ee f f i c i e n c y o fp r o g r a m ，h a v e i m p r o v e dt h ei m p l e m e n t a t i o na p p r o a c ho nd a t as t o r a g e ，c o m p l e xm u l t i p l i c a t i o n ，a n d s o o n b vr e s e a r c h e do nt a s kd i s t r i b u t i o n ，d a t ac o m m u n i c a t i o na n di n t e r a c t i v e a b o u t m u l t i c o r r ed s p ，i m p r o v eu t i l i z a t i o na n de f f i c i e n c yo fd s p t h er e s u l t ，f o r mt h ei m p r o v e d u p l i n ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mr u no nm s c 8 14 4 ，s h o wt h a tt h et i m e ，w h i c hs p e n do n c o m p l e t i n gu p l i n ks y n c h r o n i z a t i o n , s a t i s f y t h ed e m a n do fs y s t e m k e yw o r d ：t d s c d m a ，u p l i n ks y n c h r o n i z a t i o n ，s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ， m u l t i c o r ed s p i v 图目录 图目录 图2 一lt d s c d m a 系统的随机接入过程1 2 图2 2t d s c d m a 子帧结构1 3 图2 3t ds c d m a 帧结构示图( d l u l 对称分配) 1 4 图2 4t ds c d m a 帧结构示图( d l u l 不对称分配) 1 4 图2 5d w p t s 的突发结构1 4 图2 6u p p t s 的突发结构1 5 图2 7 突发结构( g p 表示保护间隔，c p 表示码片长度) 1 5 图2 8 不发送s s ( 同步偏移) 和t p c ( 发射功率控制) 时的t f c i 的位置1 6 图2 - 9 发送s s ( 同步偏移) 和t p c ( 发射功率控制) 时的t f c i 的位置1 6 图3 一lt d s c d m a 的帧格式结构2 2 图3 2 被检测数据和s y n cu l 2 3 图3 3 不存在碰撞的情况下的相关计算结果2 6 图3 - 4 存在碰撞的情况下的相关计算结果2 7 图4 一l 上行同步建立的仿真结构图：3 1 图4 2 仿真结果和实际时延的比较( s n r = 8 d b ) 3 5 图4 3 随s n r 变化上行同步建立错误率的情况3 6 图4 4 随s n r 变化上行同步保持错误率的情况3 7 图5 一lm s c 81 4 4 系统结构框图4 0 图5 2s c 3 4 0 0 内核的结构框图4 2 图5 3d a l u 结构框图一4 3 图5 44 0 b i t 数据结构示意图4 4 图5 5c o d e w a r r i o r 开发环境4 5 图5 - 6 同步建立算法流程图4 6 图5 7 算法修正后的上行同步建立流程图5 4 图5 8 四个核同时进行四个子帧的上行同步建立5 7 图5 - 9 四个核同时进行一个子帧的上行同步建立5 8 图6 一l 上行同步建立的d s p 测试结果和m a t l a b 的定点仿真结果比较6 0 图6 - 2 上行同步保持的d s p 测试结果和m a t l a b 的定点仿真结果比较一6 4 图目录 表目录 表l l 三种主流标准的主要技术性能比较表一 表2 1 突发各个部分的内容 表2 2 突发中每个数据块包含的符号数 4 1 6 表2 - 3 基本m i d a m b l e 码、扰码、s y n c u l 、s y n c d l 以及它们之间的对应关 表4 1t d s c d m a 信道多径模型 2 0 3 2 表4 - 2q p s k 调制时比特与复数符号的映射关系一一 3 3 表5 1m s c8 1 4 4 的主要存储器及物理地址一一一一一4 0 表5 2m s c8 1 4 4 的主要存储器的分配一一4 l 表6 i 上行同步建立算法的d s p 存储器使用情况 6 3 表6 2 上行同步保持算法的d s p 存储器使用情况一一6 5 x 表目录 英文缩写 3 g p p a d s a g u a l u c d m a d s p d w p t s f d d i d e i t u q p s k s y n cd l s y n cu l t d d t d s c d m a u e u p p t s 缩略词表 英文全称 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o j e c t a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t s y s t e m a d d r e s sg e n e r a t i o nu n i t a r i t h m e t i ca n dl o g i cu n i t c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r d o w n l i n kp i l o tt i m es l o t f r e q u e n c y d i v i s i o nd u p l e x i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t i n t e m a t i o n a lt e l e g r a p hu n i o n q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g s y n c h r o n i z i o nd o w n l i n k s y n c h r o n i z i o nu p l i n k t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u s c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s u s e re q u i p m e n t 中文注释 第3 代合作项目 应用设备系统 地址产生单元 算术逻辑单元 码分多址 数字信号处理器 下行导频时隙 频分双工 集成开发环境 国际电信联盟 四相相移键控 下行同步序列 上行同步序列 时分双工 时分一同步码分多址 用户设备 u p l i n kp i l o tt i m es l o t 上行导频时隙 x i 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：越 日期：7 年，月丐日 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：张 导师签名：讹 日期：矽7 年岁月引日 第一章绪论 1 1 移动通信的发展概述 第一章绪论 移动通信，是指通信双方或至少有一方处于运动中进行信息交换的通信方式。 2 0 世纪6 0 年代中期，b e l ls y s t e m 推出了i m t s ( i m p r o v e dm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e ) ，这种业务采用f m 调制，能够在2 5 3 0 k h z 带宽上传 输一路语音信号。2 0 世纪7 0 年代初，贝尔实验室提出蜂窝系统( c e l l u l a r ) 的 覆盖小区的概念和相关的理论。蜂窝系统就是是将一个大区域划分为几个小区 ( c e l l ) ，相邻的小区使用不同的频段，以防止相互干扰。蜂窝概念通过复用的方式 使用有限的资源，才能够服务于广大的使用者，移动通信业务才有了出现的可能【l j 。 2 0 世纪7 0 年代末，由于集成电路技术、微型计算机和微处理器的发展，为实 现复杂的移动通信系统提供了技术支持。美国、日本等国纷纷研制出陆地移动电 话系统，美国推出了a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) ，英国推出了 t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 、北欧推出了n m t 、日本推出了n a m t s 等。这个时期系统的主要技术是模拟调频、频分多址，以模拟方式工作，使用频 段8 0 0 9 0 0 m h z ( 早期曾使用4 5 0 h z ) ，故称之为蜂窝式模拟移动通信系统或第一 代移动通信系统1 2 j 。 2 0 世纪9 0 年代起，随着数字技术的发展，通信、信息领域中的很多方面都面 临向数字化、综合化、宽带化方向发展的问题。在此背景下，第二代数字移动通 信系统出现了。第二代移动通信系统是以数字传输、时分多址( t d m a ) 、码分 多址( c d m a ) 为主体技术，制定了更完善的呼叫处理和网络管理功能，可与窄带综 合业务数字网( n i s d n ) 相兼容，所以比第一代通信系统有着无可比拟的优越性。 具有代表性的有欧洲的g s m 系统和窄带c d m a 的i s 9 5 标准。 第三代移动通信系统最早是由国际电联于1 9 8 5 年提出的，当时成为未来公众 陆地移动通信系统( f m l m t s ) ，后改为i m t 一2 0 0 0 ，意指在2 0 0 0 年左右开始商用并 工作在2 0 0 0 m h z 频段上的国际移动通信系统。 第三代移动通信系统引入一些新的通信技术以提高系统的性能，主要有： 1 ) 高效信道编码技术 2 ) 软件无线电技术 电子科技大学硕士学位论文 3 ) 智能天线 4 ) 多用户检测和干扰消除技术 5 ) 向全i p 网过渡 1 9 9 8 年6 月，各国标准化组织向国际电联提交了各自的无线传输技术标准， 一共有由l o 种地面技术和6 种卫星技术组成的1 6 种候选技术。在c d m a 技术中， 又可以分为三大类：w c m d a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。 相较于前两代移动通信系统，i m t 2 0 0 0 最大的特点是智能信号处理技术。由 于该技术的使用，第三代移动通信系统不仅能够支持传统的话音和多媒体数据通 信，还可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务，例如高速数据、慢速 图像与电视图像等【3 】。 i t u 所定义的i m t 2 0 0 0 系统需要具有以下三个特征1 4 】： 1 ) 全球化全球具有公用频段，在设计上具有高度的通用性，拥有足够的系 统容量和强大的多种用户管理能力，是一个覆盖全球的、具有高度智能和个人服 务特色的移动通信系统； 2 ) 综合化能够提供高质量的多种业务，尤其是多媒体业务和i n t e m e t 业务， 并能够支持新型的业务，实现多种信息一体化； 3 ) 个人化足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性和高服务 质量。用户使用全球唯一的个人号码在任何终端上获取所需要的业务，实现真正 意义上的个人移动性。 1 2 第三代移动通信技术 1 2 1i m t 2 0 0 0 主流技术的比较 i m t 2 0 0 0 的三种主流技术：w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a ，在技术上的 存在着各自的特点，相互间存在着一定差异【5 】。 1 ) w c d m a 技术 w c d m a 是在窄带c d m a 技术的基础上，并在原有的技术基础上做了进一步 的改进。 w c d m a 的技术特点f 6 l 有： l 、w c d m a 可适应多种速率的传输，灵活的提供多种业务； 2 、w c d m a 是二个异步系统，各b t s 之间不需要同步； 2 第一章绪论 3 、优化的分组数据传输方式； 4 、支持不同载频之间的交换； 5 、上、下行快速功率控制； 6 、反向采用导频辅助的相干检测( 提高反向解调增益，提高功率控制准确 性) ： 2 ) c d m a 2 0 0 0 技术 c d m a 2 0 0 0 是由北美的l u c e n t ，m o t o r o l a ，q u a l c o m m 等公司联合提出的，是 基于i s 9 5 的候选系统。沿用了i s 一9 5 的主要技术和基本技术思路，例如和i s 一9 5 一样使用的帧长是2 0 m s ，沿用i s 一9 5 的软切换技术和功率控制技术，也需要g p s 同步等。同时也在i s 9 5 的基础上做了一些实质性的技术改进1 6 l ： 1 、提供反向导频信道，使反向相干解调成为可能。在i s 一9 5 系统中，反向链 路没有导频信道，这使得基站接收机中的同步和信道估计比较困难； 2 、前向链路可采用发射分集方式，提高信道的抗衰落能力； 3 、业务信道可采用比卷积码更高效率的t u r b o 码，使容量进一步提高； 4 、增加了前向快速功率控制，提高了前向信道的容量。在i s 9 5 系统中，前 向链路只支持慢速功率控制； 5 、引入了快速寻呼信道，减少了移动台功耗，增加了移动台的待机时间。 3 ) t d s c d m a 技术 与w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 的双工方式采用f d d 模式不同，t d s c d m a 系统 采用t d d 模式。在技术上，t d d 模式突破了f d d 在技术上的很多限制，在满足 i m t 2 0 0 0 要求的前提下，t d d 系统还具有以下特点1 6 ： l 、更适用于不对称业务，特别适合于i p 数据型业务； 2 、t d d 可以使用各种频率资源，不需要成对的频率，更有利于频谱的有效 利用； 3 、t d d 上下行工作于同一频率，对称的电波特性使之更有利于使用智能天 线等新技术，达到提高性能，降低成本的目的； 4 、设备成本低，可能比f d d 系统低2 0 5 0 。 相应的，t d d 系统的也具有一些缺陷： l 、不连续发射，造成抗快衰落和多普勒效应的能力比f d d 差； 2 、t d d 系统中，峰值平均功率之比随时隙数增加而增加，由于c d m a 要求 线性工作，以及功耗和成本等原因，所以最大发射率不可能很大，造成了 t d d 通信距离较f d d 为小，故小区半径也较小； 电子科技大学硕士学位论文 3 、系统同步要求严格，否则频谱效率会大大降低，因此大区蜂窝组网难。 t d s c d m a 是中国标准化组织向国际电联提交的第三代移动通信无线接口标 准。它已被国际电联接收，并作为c d m a t d d 模式的一部分被写入国际规范。这 是中国通信史上一次重大的突破，也是中国移动通信领域发展的一个重要里程碑。 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三种主流标准的主要技术性能的比较如 表1 1 所示。从表中可以看出，由于使用了智能天线、联合检测和同步c d m a 等 多种先进技术，因此在提高系统容量、频谱利用率以及抗干扰能力等方面， t d s c d m a 系统相对于其他两个系统具有比较明显的优势4 1 。 表1 1 三种主流标准的主要技术性能比较表 w c d m ac d m a 2 0 0 0 t d s c d m a 载频f n j 隔5 m h z 1 2 5 m h z1 6 m h z 码片速率3 8 4 m c s1 2 2 8 8 m c s 1 2 8 m c s 1 0 m s 帧长 1 0 m s2 0 m s ( 分两个子帧) 基站同步 不需要需要典型方法g p s 需要 快速功控：上、下反向：8 0 0 h z 功率控制 0 2 0 0 h z 行1 5 0 0 h z前向：慢速、快速功控 下行发射分集支持支持支持 频率问切换支持支持 支持 检测方式相干解调相干解调联合检测 d w p c h 、 信道估计公共导频前向、反向导频 u p p c h 、中置码 卷积码、t u r b o 编码方式卷积码、t u r b o 码卷积码、t u r b o 码 码 1 2 2t d s c d m a 的关键技术 t d s c d m a 的关键技术主要有智能天线技术、联合检测技术、同步技术、动 态信道分配技术、接力切换技术、无线网络技术、功率控制技术、软件无线电技 术、信道估计与补偿技术等。在这里仅仅简要介绍其中的几种关键技术。 1 ) 多址技术 近年通信技术的发展证明：c d m a 和t d m a 的灵活结合，可以进一步提高移 4 第一章绪论 动通信系统的容量和灵活性，尤其是针对不对称的i p 型业务。在t d s c d m a 系 统中，同时使用了f d m a 、t d m a 和c d m a 的技术。 空分多址( s d m a ) ，一种处于研究中多址技术，将可能成倍的提高系统的容 量。s d m a 基于智能天线技术提出的，使用波束赋形，区分基站不同方向上的用 户，使同一组资源可以在不同方向上得到复用。s d m a 要求天线波束赋形的技术 更加完善，能够大大降低不同波束之间的干扰。而在t d s c d m a 系统中，充分使 用了智能天线技术，随着基带信号处理技术的进步，在t d s c d m a 中将实现 s d m a 的功能饥。 2 ) 智能天线技术 智能天线( s m a r ta n t e n n a ，s a ) 是利用信号传输的空间特性，采用先进的数 字信号处理技术，对基站的接收波束和发射波束进行波束成形和赋形，从而降低 干扰，增加系统容量，扩大覆盖范围，改善通信质量，降低发射功率，提高无线 数据传输速率等【8 1 。智能天线包括多波束智能天线和自适应智能天线等。多波束智 能天线采取准动态多波束切换方式，利用多个不同固定指向的波束覆盖整个用户 区，随着用户在小区中的移动，基站选择其中最合适的波束，从而增强接收信号 的强度。自适应智能天线采取全自适应阵列自动跟踪方式，通过不同自适应调整 各个天线单元的加权值，达到形成若干自适应波束，同时自动跟踪若干个用户的 目的，能够对当前的传输环境进行最大可能匹配1 9 】。在第三代移动通信系统中， t d s c d m a 系统是以智能天线为核心技术的c d m a 通信系统。并且t d s c d m a 系统采用t d d 的双工方式，使上下射频信道完全对称，可解决天线上下行波束赋 形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。使系统具有精确定位的功能，可以实现接 力切换，从而减少对信道资源的浪费。 3 ) 联合检测技术 联合检测( j o i n td e t e c t i o n ，j d ) 技术是基于多用户检测( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ， m u d ) 技术基础上提出来的，用于减弱或者消除多址干扰、多径干扰和远近效应， 能够简化系统的功率控制，降低系统对功率控制精度要求，弥补了正交扩频码互 相关性差所带来的负面效果，从而改善系统性能，提高系统容量，增大小区覆盖 范围1 9 1 。 目前，联合检测技术已经被纳入第三代移动通信系统的关键技术体系中。 t d s c d m a 系统是以智能天线为核心技术的c d m a 通信系统，同时采用联合检 测技术，实现了智能天线和联合检测技术的有机结合。将智能天线和联合检测技 术结合起来，利用s a 的定向接收和分集增益来降低系统干扰和改善信道环境，可 电子科技大学硕士学位论文 以提高信道估计性能，可以简化检测器结构，大大降低了检测算法的复杂度【埘。 4 ) 上行同步技术 同步c d m a 或上行同步，是降低多址干扰，简化接收机的一项重要技术。 t d s c d m a 系统中，上行链路和下行链路一样都采用正交扩频码。移动台动态地 调整发往基站的发射时间，使上行信号主径到达基站时保持同步，保证了上行信 号的不相关，降低了码间干扰。这样，系统的容量由于码间干扰的降低大大提高， 同时基站接收机的复杂度也大为降低。上行同步技术( s y n c h r o n i z a t i o n ) 是 t d s c d m a 系统中重要的关键技术之一。它的应用能最大程度地降低干扰，从而 提高系统的容量】。 5 ) 软件无线电技术 在t d c d m a 系统中，软件无线电可用来实现智能天线、同步检测、载波恢复 和各种基带信号处理等功能，通过软件方式，灵活完成硬件功能，并且具有良好 的灵活性和可编程性，很好的适应环境变化，便于系统升级，降低用户的设备费 用f 1 2 l 。 1 2 3t d s c d m a 的上行同步技术 由于异步c d m a 系统中的不同用户的非同步传输，所以c d m a 的频谱效率 较差，随着共享频谱的用户数的增加，用户间的相互干扰也会随之增加，从而降 低了系统容量。就基站而言，c d m a 系统的下行链路总是同步的，一般来说同步 c d m a 中的同步都是指上行同步，即要求来自不同距离的不同用户终端的上行信 号都能准确地到达基站。 t d s c d m a 系统中，上行链路和下行链路都采用了正交码扩频技术。基站监 测u e 的移动台的上行信息，并将动态调整信息反馈回u e ，u e 再依据收到的信 息调整发往基站的发射时间，保证上行链路的的同步，从而保证了上行信道信号 的不相关，降低了码间干扰，以提高系统的容量，同时降低了基站接收机的复杂 度。 t d s c d m a 的上行同步又被分为两个方面：上行同步建立( 开环控制) 和上 行同步保持( 闭环控制) 。具体细节将在后面的章节介绍。 上行同步算法中最主要的是对接收的数据和已知的同步序列进行相关计算， 这需要一个非常大运算量，减少运算量、简化运算、节约时间是上行同步中所要 考虑的重点。 6 第一章绪论 最简单最直接的方法是一种基于时间的全搜寻全比较的时域查找。这种方法 是将收到的所有数据与同步序列直接进行相关，然后比较所有的结果，由于是在 时域上完成的，因此称之为全搜寻全比较的时域查找，这种方法虽然在算法的复 杂度上是很简单的，但是伴随的计算量是相当大的，远远超出了基站的承受能力。 对于全搜寻全比较的时域查找的巨大计算量，为简化计算，提出了一种基于 频域的查找方法，就是将检测数据和同步序列进行d f t ，然后在频域进行相乘后， 将相乘的结果再进行i d f t 变换，变换回时域上，寻找到最佳的同步结果的方法。 这种方法主要是在d f t 变换加大窗长，这样就能减少在频域上的相关计算的量。 这种方法也是基于整个接收到的数据，因此称为全搜寻全比较的频域查找。这种 方法较全搜寻全比较的时域查找已经大大的精简，但是由于需要进行d f t f l d f t 变换，增加了计算的复杂度【l3 。 基于全搜寻全比较的频域查找方法，a l e s s a d r o 提出了一种近似的计算方法， 在d f t 变换后，增加一个低通滤波器和一个低采样，来减少计算量i i 引。 但是以上的方法对于我们这里来说都不是很好，但可以借鉴。 本文采用的是种依据t d s c d m a 中本身特殊的帧结构，采用侦测窗统计算 法，能降低相关计算的计算量，也不需要做d f t i d f t 这样相对复杂的计算方法， 能够在很短的时间内完成上行同步的要求。 1 3 本文主要研究内容与章节安排 本文依托项目t d s c d m an o d e b 基带系统设计，主要以d s pm s c 8 1 4 4 为硬 件平台，实现t d s c d m a 的基带的数据处理和一些t d s c d m a 的关键技术，项 目中基带系统主要包括信道估计、联合检测、智能天线、上行同步和信道编解码 等部分或技术。 。 本人在项目中主要负责上行同步算法、c r c 解码以及联合检测中的部分代码 的编写和优化，对整个实现的系统进行联调和d s p 多核任务分配管理，最后对系 统进行性能测试。 本文第一章分析了论文的研究背景和意义，简要阐述了移动通信的发展以及 3 g 的三大系统标准的主要特点，简要介绍了t d s c d m a 系统中的几项关键技术， 并针对木文的研究对象上行同步算法，简单介绍了其发展历程及研究现状。 第二章主要介绍了t d s c d m a 的同步过程，包括小区搜索、上行同步以及随 机接入的过程，t d s c d m a 中的时隙结构，以及系统中所用到的同步码序列，以 7 电子科技大学硕士学位论文 及同步码的分配情况。 第三章详细介绍了基于t d s c d m a 的子帧结构的侦测窗相关计算算法，来实 现t d s c d m a 的上行同步算法，另外基于t d s c d m a 自身的一些特性经行了一 些改进。 第四章采用m a t l a b 对上行同步算法进行仿真，并针对d s p 的要求，对算法进 行定点仿真，并对结果进行分析。 第五章讨论了上行同步算法的硬件实现，介绍了m s c 8 1 4 4 的性能和结构，给 出了算法的软件实现流程，并根据m s c 8 1 4 4 的特点对上行同步算法进行了优化， 介绍了如何实现d s p 的多核并行处理， 第六章对上行同步算法的d s p 实现，进行测试和验证。 第七章对全文进行了总结，并且指出了下一步的研究方向。 8 第二章t d s c d m a 系统简介 第二章t d s c d m a 系统简介 2 1 t d s c d m a 的同步过程 t d s c d m a 系统灵活结合了t d m a 和c d m a 两种基本传输模式，是由中国无 线通信标准化组织( c w t s ) 提出，并得到i t u 认证的3 g 移动通信标准。同步技术作 为t d s c d m a 系统关键技术之一，它的应用能在很大程度上降低干扰，从而提高 系统的容量及服务质量。 在t d s c d m a 系统中，同步过程主要有以下三步：小区搜索、上行同步、随 机接入。其中上行同步又可分为上行同步建立和上行同步保持。 t d s c d m a 的同步建立很大程度上是依靠t d s c d m a 的帧结构和同步序列。 在本章中，将介绍同步的过程、t d s c d m a 的帧结构以及同步中所用到的同 步序列。 2 1 1 t d s c d m a 小区搜索 在移动通信系统中，移动终端必须检测基站发送的帧结构，这是在同步过程 中完成的，包含在无线接口同步过程当中。终端在开机之后，需要搜寻其周围可 能存在的小区，并选择合适的小区进行登录，之后可