（通信与信息系统专业论文）tdscdma智能天线接收机原理研究.pdf

南京邮电大学硕i t j 研究生学位论文中文摘要 摘要 以移动因特网为主要业务的第三代移动通信标准( 3 g ) 己成为目前移动通 信发展的趋势。3 g 标准的基本目标是3 g 系统能在车载、步行和静止三种不同 环境下为多个用户分别提供最高速率为1 4 4 k b p s 、3 8 4 k b p s 和2 0 4 8 k b p s 无线接入 数据速率。由我国所提出的t d s c d m a 标准是第三代移动通信技术标准之一， 它是基于同步码分多址( s c d m a ) ，采用时分双工( t d d ) 方式并拥有智能天 线( s a ) 、联合检测( j d ) 、上行同步等多项关键技术的陆地移动通信标准。在 上行采用智能天线接收机的重要目的就是完成对用户信号的准确检测和定位。目 前，关于智能天线接收机的资料有很多，但是各家给出的结构框图都不尽相同， 其具体可实现性也很值得讨论，因此，本文对t d s c d m a 中的智能天线接收机 做了全面的分析、比较和讨论。 本文首先对3 g 主流标准进行了总体的分析和比较，然后简要介绍了 t d s c d m a 系统的帧结构和它所采用的各项关键技术，并对智能天线和联合检 测技术的结构、模型、算法和原理做了简要介绍。 本文的主要工作如下t 1 分析了t d s c d m a 标准存在的一些缺陷。 2 分析了智能天线在t d s c d m a 系统中的运用，并采用数学论证和模拟 仿真证明了t d s c d m a 系统中关于智能天线的三个错误观点：即可以利用与收 基带信号幅度加权实现收信波束形成类似的方法在发基带信号上实现发信波束 形成；一副s a 可以在一个载波上同时实现多个c d m a 码道不同方向的定向发 信；s a 的上下行信噪比增益基本相等。 3 分析了上行接收机的处理过程，并重点对目前已有的几种智能天线上行 接收机的原理进行了原理比较和实用性分析，指出目前这些基站接收机在实用中 基本不可行。 4 简单分析比较了两种下行接收机及其可实现性。 关键词：智能天线，d o a 估计，波束成型，联合检测，接收机，训练序列 南京邮电大学硕士研究生学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h et h i r dg 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 n ss t a n d a r d ( 3 g ) w h o s em a i nb u s i n e s s i sm o b i l ei n t e r n e th a sb e c o m et h et r e n do fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t t h e m a i np u r p o s eo f3 gs t a n d a r di st op r o v i d er a d i oa c c e s sd a t ar a t eo f14 4 k b p s ，38 4 k b p s a n d2 0 4 8 k b p sa sm a x i m u mr a t er e s p e c t i v e l yf o rm u l t i u s e r si nr a d i oe n v i r o n m e n t so f v e h i c l e s ，w a l ko ri n d o o rc o r r e s p o n d i n g l y t d - s c d m as t a n d a r dp r o p o s e db yc h i n ai s o n eo ft h et h i r d g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d s ，i tb a s e do n s y n c h r o n i z a t i o nc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( s c d m a ) a n dt i m ed i v i s i o n d u p l e x i n g ( t d d ) m o d ea n d a l s oh a v em a n yk e yt e c h n o l o g i e s ，s u c ha ss m a r ta n t e n n a ( s a ) ，j o i n td e t e c t i o n ( j d ) ，u p l i n ks y n c h r o n i z a t i o na n ds oo n t h ek e yp u r p o s eo f u s i n gs ar e c e i v e ri nu p l i n ki st oa c c u r a t e l yd e t e c ta n dl o c a t eu s e rs i g n a l s a tp r e s e n t ， t h e r ea r em a n ya r t i c l e sr e f e r i n gt os m a r ta n t e n n ar e c e i v e r , b u tt h ep r i n c i p l ed i a g r a m s i nt h e s ea r t i c l e sa r en o ti d e n t i c a la n dt h e i rf e a s i b i l i t i e sa r ew o r t h yo fd i s c u s s i o n s o t h i sp a p e rg i v e sa no v e r a l lc o m p a r i s o na n da n a l y s i so fs m a r ta n t e n n ar e c e i v e r f i r s t ，t h i sp a p e rc o m p a r e dt h em a i ns t a n d a r d so f3 gt h e nb r i e f l yi n t r o d u c e dt h e f r a m es t r u c t u r ea n dk e yt e c h n o l o g i e so ft d - s c d m as y s t e m t h ec o n t r i b u t i o n so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 t h ed e f e c t si nt d - s c d m as t a n d a r da r ea n a l y z e d 2 t h eu s i n go fs m a r ta n t e n n ai nt d s c d m ai sa n a l y z e d ，t h r e ew r o n gp o i n t s a b o u tr e c e n ta p p l i c a t i o no fs m a r ta n t e n n ai nt d - s c d m aa r ec e r t i f i c a t e db y a r i t h m e t i cd e m o n s t r a t i o na n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n 3 t h ep r o c e s so fu p l i n kr e c e i v e ri sa n a l y z e d ，f o c u so nt h ep r i n c i p l ec o m p a r i s o n a n df e a s i b i l i t ya n a l y s i so fr e c e n ts e v e r a ls m a r ta n t e n n ar e c e i v e r s ，a n dp o i n to u tt h e s e b a s es t a t i o nr e c e i v e r sa r eb a s i c a l l yu n f e a s i b l ei np r a c t i c e 4 t w ok i n d so fd o w n l i n kr e c e i v e r sa r eb r i e f l yc o m p a r e da sw e l la st h e i r f e a s i b i l i t i e s k e y w o r d s ：s m a r ta n t e n n a , d o ae s t i m a t i o n ，b e a mf o r m i n g ，t r a i ns e q u e n c e i i 南京邮电大学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 含为获得南京邮电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。 研究生签名：亟且遗日期：翌遨：坐! 兰 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：立蛆导师签名：! 奎望豳日期：型丝：生! 乡 南京邮电大学硕1 ：研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信的发展 众所周知，移动通信是在2 0 世纪8 0 年代丌始发展起来的，是充满生机的一种现代通 信业务。在短短的2 0 年间，技术上已经走过了二代的经历，即8 0 年代的第一代模拟技术 和9 0 年代的第二代窄带数字技术。近些年来，随着无线通信宽带化技术的突破，移动通 信正在向以c d m a 为基础，以宽带化通信为特征的第三代3 g 技术发展。 第一代模拟移动通信系统( 1 g ) 出现在2 0 世纪7 0 年代中期，采用模拟调制技术，主 要提供话音业务。典型代表有：美国的a m p s ( a d v a n c em o b i l ep h o n es y s t e m ) 、英国的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 ) 、北欧的n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n es y s t e m ) 一4 5 0 9 0 0 、日本的n t t ( n i p p o nt e l e g r a p ha n dt e l e p h o n e ) 和j t a c s n t a c s ( j a p a n e s et a c s a n dn a r r o w b a n dt a c s ) 等。1 g 系统主要建立在频分多址接入( f d m a ) 和蜂窝频率复用 的基础上。由于其支持业务( 主要是语音) 单一，频谱效率低，保密性和抗干扰性差，到 2 0 世纪8 0 年代，产生了第二代移动通信系统( 2 g ) 。2 g 以时分多址( t d m a ) 为基础， 最为典型的就是g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 系统，它以其先进的技 术和优越的性能在世界上得到了广泛应用。值得一提的是，1 9 9 2 年美国q u a l c o m m ( 高通) 公司发展了基于c d m a 多址技术的i s 9 5 数字移动通信系统，即n c d m a ( n a r r o w b a n d c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 。伴随着人们对移动通信个人化、智能化、多媒体化要求的 不断提高，以c d m a 技术为基础的第三代移动通信的概念应运而生。 3 g 是将无线通信与国际i n t e r n e t 等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。i t u 明确 提出第三代移动通信系统的主要目标，即实现移动通信网络全球化、业务综合化和通信个 人化。相比于1 g 和2 g 系统，第三代移动通信系统的目标是能够提供更大的通信容量和覆 盖范围，其主要的业务定位于移动因特网业务。 1 23 g 主流标准概述及比较 在国际无线接口技术规范建议i m t - r s p c 中，3 g 无线接入技术标准包括2 种t d m a 标准和3 种c d m a 标准，分别是基于t d m a 的s c t d m a ( 美国的u m c 一1 3 6 ) 和m c t d m a ( 欧洲的e p d e c t ) 标准，基于c d m a 的3 种标准为w c d m a ( d s - c d m a ) 、c d m a 2 0 0 0 ( m c c d m a ) 及t d d c d m a ( 包括中国的t d s c d m a 和欧洲的u t r a t d d ) ，最终只 l 堕塞堂皇盔堂堡：竺堕壅竺兰竺丝i 文丝二皇笙笙 有3 种c d m a 技术成为未来第三代移动通信系统的基础。其中w c d m a 系统和c d m a 2 0 0 0 系统基于f d d 模式。t d s c d m a 和u t r a t d d 基于t d d 模式。和第二代c d m a 相比， 第三代系统采用了更宽的带宽和更高的码片速率。 3 g 标准的基本目标是3 g 系统能在车载、步行和静止三种不同环境下为多个用户分别 提供最高速率为14 4 k b p s 、3 8 4 k b p s 和2 0 4 8 k b p s 无线接入数据速率。为多个用户提供可变 的无线接入尺。是3 g 标准的核心要求。对应于不同的数据速率要求基站的覆盖半径应分别 约为1 2 k m 、3 0 0 m 和1 0 m 。显然满足后两者应用要求的系统建设成本势必会很高，应用价 值很低。 表1 1 给出4 种主流3 g 标准的主要参数。这4 种方式均采用c d m a 方式，f d d w c d m a 和t d d w c d m a 的主要倡议者为欧洲和日本，t d s c d m a 由中国提出，c d m a 2 0 0 0 由美 国和北美为主要倡议者。 t d s c d m a 标准于1 9 9 9 年1 2 月开始与t d d - w c d m a 标准融合后 2 】，作为 t d d c d m a 标准的一部分被公布。然而t d d w c d m a 是国际公认的步行移动通信标准， 在国际上并没有应用实例，它是一个应用价值极低、被搁置的标准。t d s c d m a 标准的许 多内容与t d d w c d m a 雷同，所以国际上有时也把它称为低码片速率足的t d d c d m a 。 表1 1 主流3 g 标准比较 参数f d d 。w c d m a t d d w c d m at d s c d m a e d m a 2 0 0 0 双工方式 f d dt d dt d d f d d 码片速率( m o p s ) 3 8 43 8 41 2 81 x ：1 2 2 8 8 3 x ：上行1 2 2 8 8 3 下行1 2 2 8 8 扩频系数下行5 1 2 , - 4 1 6 l1 6 叫l 约4 3 , - - 2 射频调制q p s kq p s kq p s k 8 p s k上行：b p s k 下行：b p s k 、q p s k 射频带宽( m h z ) 551 - 61 x ：1 2 3 3 x ：上行1 2 3 3 - _ 吓行1 2 3 一 载波方式 单载波单载波单载波 3 x 上行：单载波 下行：多载波 可工作频段( m r i z ) 2 0 0 02 0 0 09 0 0 ，2 0 0 0 9 0 0 ，2 0 0 0 2 南京邮电大学硕? 卜研究生学位论文第一章绪论 在表中应注意各种标准可用的工作频段，若可以用在两个不同频段，则该标准的灵活 性比较大。此处只有c d m a 2 0 0 0 可分别用于两个频段，并分别起到移动和个人( 步行) 移 动通信系统的作用，甚至可以考虑在两个频段分别使用两个无线接入网( r a n ) ，并合用 一个核心网( c n ) 。而此处t d s c d m a 标准的种种特征表明它只适用于步行移动通信系 统，实际上不应该用于9 0 0m h z 频段【5 。 1 3t d - s c d m a 标准的发展及智能天线的提出 t d s c d m a 系统是一个采用了智能天线、联合检测、上行同步、接力切换、软件无线 电等一系列高新技术的时分双工模式的低码片速率第三代移动通信标准，是我国移动通信 历史上的一个突破。 1 9 9 8 年6 月3 0 日，经信息产业部批准，中国电信科学技术研究院代表中国向国际电 联提交了第三代移动通信t d s c d m a 标准提案。1 9 9 9 年1 1 月初，t d s c d m a 标准提案 被写入第三代移动通信无线接口技术规范的建议中。2 0 0 0 年5 月5 日，在土耳其召开的国 际电联2 0 0 0 年会上，t d s c d m a 被批准为国际电联的正式标准。2 0 0 1 年3 月1 6 日，中 国的t d s c d m a 标准正式被3 g p p 接纳，包含在3 g p p 版本4 中【2 l 。 智能天线技术是t d s c d m a 系统的一项标志性技术，日本、欧洲和美国的许多研究 机构早在2 0 世纪7 0 年代就相继开展了针对智能天线的研究。其中，较早的有日本邮政电 信部通信研究实验室的智能天线系统和n t t - d o c o m o 公司研制的用于3 g 的u m t s w - c d m a 体制的智能天线实验系统。美国m e t a w a v e 公司、r a y t h o n 公司以及瑞典e r i c s s o n 公司也都有各自的智能天线产品，这些智能天线系统都是针对移动通信开发的，用于g s m 、 t d m a 或者c d m a 1 , 4 】。 我国提出的t d s c d m a 标准也是第一次提出以智能天线为核心的c d m a 通信系统。 在国内一些大学、研究机构和电信设备生产商也相继开展了智能天线的理论研究和技术研 发。智能天线在c d m a 移动通信中的应用难度极大，目前在其他3 g 系统中并无应用，而 在t d s c d m a 系统中却将其引为必须使用的核心技术。这不得不引起重视。而且，通过 我们目前的研究，至少发现了三种t d s c d m a 系统上行接收机的原理框图，但在这三种 框图中对于其核心智能天线的运用处理过程却截然不同，这些框图都是出自国内专门研究 智能天线的权威机构，可是其相互之间存在的矛盾让读者很疑惑，究竟智能天线在 t d s c d m a 系统中又是如何实现其功能的呢? 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 4 本文的主要安排 本文首先在绪论部分简要介绍了移动通信系统的发展，并对3 g 主流标准进行了简单比 较。第二章介绍了t d s c d m a 标准的帧结构，关键技术及该标准所存在的缺陷。第三章 详细介绍了智能天线的基本原理、核心技术、采用的算法及其在t d s c d m a 系统中的运 用，并给出了t d s c d m a 系统中对于智能天线使用的不合理性。第四章简要介绍了联合 检测的基本原理及相关模型和算法。第五章详细讨论了t d s c d m a 系统中的接收机，详 细分析并给出了上行接收机的处理过程，并重点比较和分析了现有相关文献中论及的智能 天线基站接收机的原理框图及其可实现性。同时也对t d s c d m a 下行接收机作了简要的 讨论。第六章对全文进行了总结，并提出了下一步将进行的工作。在与导师的共同研究中， 本文利用d o a 检测、波束形成，空分多址的基本理论和相关资料证明了现有t d s c d m a 接收机中智能天线技术运用的一些技术缺陷，这也是本文的一个创新之处。但目前还只是 理论的证明和推导，还需利用系统实验和模拟验证的方法予以进一步证明。 4 南京邮电大学硕：l 研究生学位论文 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 1t d - s c d m a 系统的帧结构 t d s c d m a 系统的帧结构如图2 1 所示 t , 2 j 。物理信道有4 层结构：超帧、无线帧、 子帧和时隙码。一个超帧长7 2 0 m s ，由7 2 个无线帧组成，每个无线帧长1 0 m s 。t d s c d m a 将每个无线帧分为两个5 m s 的子帧，每个子帧由长度为6 7 5 u s 的7 个主时隙和3 个特殊时 隙组成。3 个特殊时隙分别为下行导频时隙( d w p t s ，7 5 u s ) 、上行导频时隙( u p p t s ，1 2 5 u s ) 和保护时隙( g ，7 5 u s ) 。在这7 个主时隙中，t s 0 总是分配给下行链路，而t s l 总是分配 给上行链路，其他时隙既可作为上行链路的时隙，也可作为下行链路的时隙。上行链路的 时隙和下行链路的时隙之间由一个转换点分开，在t d s c d m a 系统的每个5 m s 的子帧中， 有两个转换点( u l 到d l 和d l 到u l ) ，转换点的位置取决于小区上、下行时隙的配置，通 过调整上下行时隙的数量比例，从而来适应各种分组业务中的不对称业务。 7 2 0 m s 超帧 无线帧( 1 0 m s ) 帧撑0帧撑l帧# 7 1 子帧( 5 m s ) 。 子帧撑o 了帧撑l 、 。o 6 7 5 m s 、 t s 0 t s l t s 2 t s 3 t s 4 t s 5t s 6 u s ) 交换点5 u s ) g ( 7 5 u s ) u p p t s ( 1 2 5 删交多 数据符 l l 训练序列 l l数据符号 8 6 4 c h i p s 图2 1t d s c d m a 系统的帧结构 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t d s c d m a 系统简介 2 1 1 主时隙结构 一个突发的持续时间就是一个时隙，主时隙突发结构由两个数据符号域、个长为 1 4 4 c h i p s 的m i d a m b l e 码块和一个长为1 6 c h i p s 的保护域组成，总长为8 6 4 c h i p s 。数据区的 总长为7 0 4 c h i p s 。主时隙的结构如图2 2 所示。 图2 2t d s c d m a 系统主时隙结构 ( 1 ) 数据域 数据域对称地分布于m i d a m b l e 码的两边，两边长度各为3 5 2 c h i p s ，它是由数据符号 ( s y m b o l s ) 经o v s f ( o a h o g o n a l v a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r ，正交可变扩频因子码) 扩频和 扰码产生的，其所包含的数据符号数与扩频因子有关，对应关系为n s f = 3 5 2 ，如表2 1 所示。 表2 1 突发中每个数据块包含的符号数 扩频因子( s f )每个数据块符号数( n ) 13 5 2 21 7 6 48 8 84 4 1 62 2 在t d s c d m a 系统中，上行方向s f 可取的值为：1 、2 、4 、8 、1 6 ，在下行方向s f 可取的值为l 和1 6 ，在下行中当s f = 1 6 时，一般采用多个并行的物理信道来支持更高的数 据速率。主时隙各个部分的具体内容如表2 2 所示。 表2 2 突发各个部分的具体内容 码片号( c n )区域长度( c h i p 数目) 区域长度( 艘) 区域内容 0 - 3 5 13 5 22 7 5 数据 3 5 2 - 4 9 5 1 4 411 2 5 m i d a m b l e 4 9 6 - 8 4 73 5 22 7 5 数据 8 4 8 - 8 6 31 61 2 5 保护间隔 6 南京邮电大学硕七研究生学位论文 第二章t d - s c d m a 系统伺介 除t s 0 的数据域一般只用于传高层控制信息，其它数据域都可用于承载来自传输信道 的用户数据和高层控制信息。除此之外，在专有信道和部分公共信道上，数据域的部分符 号还被用来承载物理层信令。在t d s c d m a 中存在3 种类型的物理层信令，它们在数据 域中的位置如图2 3 所示： 子帧# 2 n 子帧# 2 n + l i 。啦s y 幽t s f ，| | 。渤一 m i d a t a b l e 卜一t i 腊s l 。tx ( 8 6 4c 脚s ) 一 l 。嘲s y m b o l s l f l 龇呻，s m i c h m b l e 卜1 r i m es l o tx( 8 6 4c l ：峰s ) 一 图2 3 物理层信令的位置 ( a ) 传输格式组合指示( t f c i ) t f c i 用来通知接收方当前激活的传输格式组合，接收方借此可以正确地对接收到的数 据进行解码。一个突发中有没有t f c i 由通信双方的高层在呼叫建立时通过磋商确定，并 由高层对物理层进行配置。在多资源配置的情况下，即一个用户被分配了多条物理信道， 如果物理信道所在的时隙包含t f c i 信息，则它总位于所配置的物理信道中信道化码编号 最低的信道上。若分配的物理信道存在于多个时隙之中，每一时隙是否存在t f c i ，将由高 层分别配置。 ( b ) 同步偏移控制符号( s s ) s s 被网络端用来对u e 的传输时延进行控制。该符号仅在下行信道中有意义，在上行 信道中s s 符号没有意义，主要是留待将来扩展和保持上、下行信道的对称性。s s 控制每 子帧进行一次，这使得t d s c d m a 系统可以进行快速同步调整。 如果配置的物理信道中存在t f c i ，则s s 命令将使用与t f c i 相同的信道化码和相同的 时隙发送。如果信道中没有t f c i ，则s s 将被高层配置在分配到的第1 个时隙的最低编号 的信道化码上。s s 命令符号的扩频和扰码与所在物理信道的数据部分相同。 ( c ) 传输功率控制( t p c ) 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二荦t d - s c d m a 系统简介 t p c 被通信双方( 网络和u e ) 用来请求对方增加或减少传输功率。t p c 的传输紧跟在 同步偏移控制( s s ) 之后，这两种物理层信令总是共存的。t p c 的控制每子帧进行一次， 以实现快速功率控制。作为物理层信令的s s 和t p c ，在突发中占用的符号数有三种可能的 情况： a 一个s s 和一个t p c 符号； b s s 和t p c 符号都没有； c 1 6 s f 个s s 和1 6 s f 个t p c 符号。 ( 2 ) 训练序列( m i d a m b l e ) 训练序列域( t r a i n i n gs e q u e n c e ) 在信道解码时被用来作为信道估计，不携带用户信 息。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。3 g p p 标准一共定义了1 2 8 个基本的m i d a m b l e 码，一个t d s c d m a 小区 配置有4 个基本的m i d a m b l e 码。一个载波上的所有业务时隙必须采用相同的基本m i d a m b l e 码。在同- 4 , 区同一时隙上的不同用户所采用的m i d a m b l e 码由同一个基本的m i d a m b l e 码 经循环移位后而产生。原则上，m i d a m b l e 的发射功率与同一个突发中的数据符号的发射功 率相同。 2 1 2 特殊时隙结构 3 个特殊时隙分别为下行导频时隙( d w p t s ) 、上行导频时隙( u p p t s ) 和保护时隙( g ) 。 ( 1 ) 下行导频时隙( d w p t s ) 下行导频时隙( d w p t s ) 由6 4 个码片正交码组成，它是无线基站的导频信号，也是 下行同步信号，由基站以最大功率在全方向或在某一扇区上发射。该时隙由长为6 4 c h i p s 的s y n c d l 和3 2 c h i p s 的保护码间隔组成，其结构如图2 4 所示。 7 5 t s g p ( 3 2 c h i p s )s y n c d l ( 6 4 c h i p s ) 图2 4d w p t s 的突发结构 s y n cd l 是一组p n 码，用于区分相邻小区。 ( 2 ) 上行导频时隙( u p p t s ) 上行导频时隙( u p p t s ) 由1 2 8 个码片f 交码组成，它是用户终端的导频信号，主要 用作上行同步。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 ，当得到网 络的应答后，发射r a c h 。该时隙由长为1 2 8 c h i p s 的s y n c - - u l 和3 2 c h i p s 的保护周期间 南京邮电大学硕j ：研究生学位论文第二章t d s c d m a 系统简介 隔组成，其结构如图2 5 所示。 图2 5u p p t s 的突发结构 s y n cu l 是一组p n 码集，用于在接入过程中区分不同的u e 。 ( 3 ) 保护间隔( g ) 保护时隙( g ) 为酗( 9 6 c h i p s ) ，用于保护和区分上下行时隙，使距离较远的终端 能实现上行同步，在t d s c d m a 系统中，此时隙的宽度保证了小区的最大半径可达到1 0 k m 以上。 t d s c d m a 系统中的时隙用于在时间域上区分不同用户信号，称为t d m a ；在一个 时隙内用信道地址码来区分不同用户，称为c d m a ：对给定的一段频率还可以在频域上分 为一些带宽为1 6 m h z 的载波，称为f d m a ；采用智能天线技术进行空间滤波，这可以认 为是s d m a 。因此，t d s c d m a系统的多址方式可以认为是 c d m a + f d m a + t d m a + s d m a 。 2 2t d - s c d m a 的技术特点 t d s c d m a 系统是世界上第一个采用时分双工( t d d ) 方式和智能天线技术的公共 陆地移动通信系统，也是唯一采用同步c d m a ( s c d m a ) 技术和低码片速率( l c r ) 的 第三代移动通信系统，同时也采用了多用户检测、软件无线电、接力切换等一系列高新技 术。至今为止，其他公共陆地移动通信系统中没有使用这些技术，t d s c d m a 系统却同时 采用这么多高新技术，众多高新技术的同时使用带来的是否将是一个完美强大的系统呢， 我们必须首先了解它们的本质才能正确地加以选择运用。下面我们就来介绍一下 t d s c d m a 系统所采用的这些关键技术。 2 2 1t d d 模式 3 g 系统分为时分双工( t d d ) 和频分双工( f d d ) 两种模式。f d d 方式是指接收和发 射是在分离的两个对称频率信道上，用保证频段来分离接收和发射信道；而在t d d 方式 中，接收和发射是在同一个频率信道上，用不同时隙来区分上下行，即用保护间隔来分离 接收与发射信道。t d s c d m a 全称为时分双工同步c d m a ，所以t d d 是其最主要的特点 9 堕室坚皇奎兰堡兰堕壅竺兰竺笙茎笙三皇里：! 竺里坚垒墨竺笪坌 之一。 t d d 系统具有如下优点：( 1 ) 由于不需要成对的频谱，故可以利用f d d 无法利用的 不对称频段，灵活性强；( 2 ) 因为可以灵活分配上下行的时隙，故适用于不对称的上下行 数据传输速率，特别适用于i p 型的数据业务；( 3 ) 上下行工作于同一频率，电波传播的对 称特性使之便于使用智能天线等新技术，达到提高性能、降低成本的目的。 当然，t d d 系统存在以上优点的同时也会带来一些缺点：( 1 ) 采用多时隙不连续传输 方式，抗快衰落和多普勒效应能力比连续传输的f d d 方式要差；( 2 ) t d d 系统平均功率 与峰值功率之比随时隙数增加而增加，考虑到耗电和成本因素，用户终端的发射功率不可 能很大，故通信距离( 小区半径) 较小，一般不超过1 0 k m ，而f d d 系统的小区半径可达 到数1 0 k m ；( 3 ) 采用t d d 模式时，基站收发信机基本上只能在1 2 时间内工作，导致设 备能源和机房的大量浪费。因此，t d d 模式一般适用于小型、步行速度的移动通信系统或 在无法实现上下行对称分配的频段中使用。 2 2 2 低码片速率 t d s c d m a 系统的码片速率为1 2 8 m c s ，仅为w c d m a 码片速率的l 3 。接收机接收 信号采样后的数字信号处理量大大降低，从而降低了系统设备成本，适合采用软件无线电 技术，还可以在目前d s p 的处理能力允许和成本可接受的条件下使用智能天线、多用户检 测等新技术来降低干扰，提高容量。另外，低码片速率也提高了频谱利用率 3 】。 2 2 3 智能天线技术【1 】 智能天线技术是t d s c d m a 系统最核心的技术，能否正确使用智能天线是该标准成 功的关键。目前，t d s c d m a 是世界上唯一确定采用智能天线的3 g 系统。智能天线的原 理是期望利用定向收发信形成的空分多址作用来隔离c d m a 系统中的多重接入干扰 ( m a i ) ，从而可以大幅提高系统的频谱利用率，增加给定频道带宽内的用户数或c d m a 码 道数。智能天线的空分多址作用来源于相控阵天线的定向收发信原理，基站根据移动台的 来波方向( d o a ) 来实现定向的收信和发信。由于采用t d d 模式，上下行链路使用同一频 率，所以可以用移动台的来波方向来表示基站端智能天线的发信方向，此时根据上行数据 在基站端进行空间参数的估值，再根据估值对下行链路的数据进行波束成型，就可以达到 自适应波束赋形的目的。但是在这个条件下，是否就可以在t d d c d m a 基站的收发信中 引入智能天线，并实现定向收发信呢? 第三章详细介绍了智能天线的基本原理以及它在 1 0 南京邮电大学硕：l = 研究生学位论文 第二二章t d s c d m a 系统简介 t d s c d m a 系统中使用的一些问题。 2 2 4 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 ) 技术也是t d s c d m a 系统中不可或缺的一项关键技术。 它是在多用户检测技术的基础上提出的。传统的接收技术是针对某一用户进行信号检测而 把其他用户作为噪声处理，在用户数增多时，会导致信噪比恶化，系统性能和容量都不如 人意。联合检测技术是在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号 及其多径的先验信息，把用户信号的分离当作一个统一的相互关联的联合检测过程来完 成，从而具有优良的抗干扰性能，能显著提高系统容量。如果信道估计的足够准确，理论 上联合检测可以完全消除m a i 的影响。第四章简要介绍了联合检测的原理及算法 3 。 2 2 5 上行同步【3 】 所谓上行同步是指上行链路各终端的信号在基站解调器完全同步。在t d s c d m a 中 用软件和帧结构设计来实现严格的上行同步，是一个同步的c d m a 系统。通过上行同步， 可以让使用正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰，克服了 异步c d m a 多址技术由于每个移动终端发射的码道信号到达基站的时间不同而造成码道 非正交所带来的干扰，从而可以大大提高c d m a 系统容量和频谱利用率。当然，要实现 上行同步必须要有一套可靠的同步机制作保证。在实际系统中，要实现严格的上行同步其 实是做不到的，而且由于多谱勒频移以及距基站距离等参数的影响，试图在高速移动环境 中要保持各移动台到达基站接收机间的码片同步并不是一件易事。在t d s c d m a 标准中 规定允许上行同步有1 8 个码片的误差 2 】，该允许的同步误差可能导致较大的白干扰，其 干扰强度有时甚至可能大于使用异步上行信道地址码的系统。 2 2 6 软件无线电 1 4 】 由于t d s c d m a 系统的t d d 模式和低码片速率的特点，使得数字信号处理量大大降 低，适合采用软件无线电技术。所谓软件无线电技术，就是在通用芯片上用软件实现专用 芯片的功能。它可以代替昂贵的硬件电路，实现复杂的功能，减少用户设备费用支出。 南京邮电大学硕：l 研究生学位论文 第_ 二章t d s c d m a 系统简介 2 2 7 动态信道分配技术【l o 】 信道分配是指在采用信道复用技术的小区制移动通信系统中，在多信道共用的情况 下，以最有效的频谱利用方式为每个小区的用户提供尽可能多的可使用信道。动态信道分 配技术( d c a ) 即是将所有的信道资源放置在中心存储区中，信道完全共享。在t d s c d m a 系统中采用动态信道分配技术可以灵活分配或调整信道所使用的频率、时隙或码道。 2 2 8 接力切换技术 2 1 接力切换是t d s c d m a 系统的核心技术之一，是介于硬切换和软切换之间的一种新 的切换方法。其思想是在切换测量期间，使用上行预同步技术，提高获取切换后上行信道 发送时间、功率信息，从而达到减少切换时间，提高切换的成功率，降低切换掉话率的目 的。接力切换是基于同步和时分基础上的切换方法。 2 3t d - s c d m a 标准的缺陷 2 3 1 频谱分配的不合理 f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，即美国联邦通信委员会) 曾规定2 g h z 频 段属于个人通信系统频段，一般认为在此频段工作的无线通信系统为个人通信系统，即步 行移动通信系统。该频段属微波频段的低端，具有视距传播特性，对人体健康的影响比2 g 的9 0 0 m h z 频段大的多。根据c o s t 2 3 1w i 模型2 g h z 频段的电波传播衰落比9 0 0 m h z 至 少大1 0 4 d b ，只考虑这一点，2 g h z 频段的移动台( m s ) 发信功率需增加至9 0 0 m h z 频段 的1 l 倍。这样必须采用大功率基站才能满足车载移动通信的要求，会增加环境电波辐射污 染。而且2 g h z 频段的电波穿透能力和绕射能力均较差，易产生覆盖盲区，即易掉话。1 8 g h z g s m 系统和小灵通的应用情况也证明了这一点，这是增大发信功率都无法克服的缺点，所 以该频段并不是理想的移动通信频段，它适用于覆盖半径r 5 0 0 m 的步行环境无线通信系 统【2 1 】。 表2 3 移动通信系统发功率和占用带宽等指标的比较 f d d w c d m at d s c d m a c d m a 2 0 0 0i xg s m 小灵通 频段( g h z ) 2 2o 8 ，1 80 9 ，1 82 南京邮电火学硕：i j 研究生学位论文第二章t d s c d m a 系统简介 基站发功率( w ) 2 02 02 02 5 3 2 00 5 移动台发功率( w )220 0 1 _ o 2o 0 2 - 2 00 o l 覆盖半径( k i n ) o 0 1 1 2o 1 1 20 5 - 5 00 5 3 5 0 3 分配带宽( m l q z ) 1 2 0 + 6 01 5 52 01 0 01 5 ， 在表2 3 中给出所关注的几个移动通信系统的主要指标。移动通信系统占用的频段和 带宽是系统占用频谱资源效率的重要指标。前已提及8 0 0 9 0 0 m h z 的频谱资源是优质的车 载移动通信频谱资源，应该用于小区覆盖半径较大，运动速度很快的车载移动通信系统， 而2 g h z 频段则适合用于覆盖半径小于5 0 0 米的步行移动通信系统。系统占用带宽是频谱 利用率的重要指标，表2 2 中用分配带宽表示。显然就目前已应用的系统而言，小灵通占 用的带宽仅为2 g 系统的1 5 ，却同样能覆盖全部城区，因此小灵通的频谱利用率应该是 最高的。 在传输r 61 0 k b p s 的语音速率时，t d s c d m a 标准可取扩频系数s f - - 8 ，与c d m a 2 0 0 0 或i s 9 5 的s f = 4 3 相比，t d s c d m a 标准的m s 发功率约需增加至5 4 倍( 7 3 d b ) 。 2 3 2 发功率指标的不合理 同样来看表2 3 给出的发功率指标，部分系统以最