（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统物理层hsdpa技术的性能研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 由于无线数据业务的急剧增加，原有的以话音为主的移动通信方式已渐渐 不能满足人们的要求，因此第三代移动通信系统必须在保证话音业务的基础上， 提供传图片、文件、收发邮件、上网冲浪、甚至点播电影等多媒体业务来满足 用户对高速数据的需求。但就目前而言，第三代移动通信系统3 8 4 k b i t s 的传输 速率已经无法满足高数据量的要求，对此3 g p p 技术规范中引入了一种重要的无 线通信增强技术：高速下行分组接入技术( h s d p a ) 。 h s d p a 实际上是一种后3 g 技术，是基于g s m 核心网结构用于提高无线通 信传输速率的一种先进技术，它可以在不改变网络结构的基础上提高下行传输 速率，目前大部分h s d p a 的研究都是基于3 g 标准平台进行的。本文基于我国 具有自主知识产权的国际通信标准t d s c d m a 标准，对t d s c d m a 系统中 采用h s d p a 技术进行了研究。现阶段大部分h s d p a 研究多基于w c d m a 系统， 对于t d s c d m a 中h s d p a 研究还处于初步阶段。相对于w c d m a 需要对称载 波的限制，t d s c d m a 则可以使用6 个分离的1 2 8 m 载波来支持更高的峰值速 率。在载波资源受限的情况下，这无疑是一个极大的优势。 本文依托3 g p p 中h s d p a 技术的系列协议，首先采用d s p 编程方式实现了 h s d p a 引入的一系列增强型技术，如新的共享信道、自适应编码调制( a m c ) 、 混合自动重复请求( h a r q ) 。同时通过分析这些技术，发现现阶段h s d p a 在 t d s c d m a 系统中的瓶颈不是实现上的难度，而是性能的提高。基于这个现状， 本文不仅提出了a m c 技术的改进方法，还将t d s c d m a 系统中的功率控制技 术与h s d p a 相结合，提出了一种适合于h s d p a 的功控算法。最后实现了所有 改进算法，验证了算法的可行性，并与原3 g p p 提供的算法进行了比较，证明了 其所带来的性能提高。 关键词：h s d p a ，t d s c d m a ，a m c ，功率控制 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dm o r er e q u i r e m e n t o f1 1 i g hd a t ar a t e ，i n c r e a s i n gt h ep e a kd a t ar a t eo fc o m m t m i c a t i o ns y s t e mi su r g e n t l y e x p e c t e di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n b e s i d e st h et r a d i t i o n a ls p e e c hs e r v i c e ，t h ef u t u r e m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a l la l s op r o v i d et h eu s e r sw i t hm u l t i m e d i as e r v i c e r n l ep e a kd a t ar a t eo f3 8 4 k b i t si sa c c e p t a b l ef o rm o s tp a c k e ts e r v i c e si nc u r r e n t3 g s y s t e m h o w e v e r , i tw i l l b en o te n o u g hf o rh i g hs p e e dm u l t i m e d i aw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ni nw h i c hv i d e o ，v o i c e ，p i c t u r e ss h o u l db ep r o v i d e da tt h es a m et i m e t h o s es e r v i c e ss t r i c t l yn e e dh i g h e rt h r o u g h p u ta n ds h o r t e rd e l a y t h e r e f o r et h eh i 曲 s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ，a sa l li m p o r t a n te n h a n c e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , i si n t r o d u c e di n t o3 g p ps p e c i f i c a t i o n h s d p ai st h en e w t e c h n o l o g yb e y o n d3 ga n db a s e do nt h ec o r en e to fg s m i t s u p p o r t sh i g h e rr a t es e r v i c e sw i t h o u tc h a n g i n gt h ew h o l en e t w o r ks t r u c t u r e a t p r e s e n t , m o s tr e s e a r c ha r eb a s e do nw c d m a ，t h et h e s i sd e a l sw i t ht h eh s d p a t e c h n o l o g i e s i nt d s c d m as y s t e m c o m p a r e d 埘t l lw c d m a ，t d - s c d m a p o s s e s s e sas p e c i f i cm e r i tw h i c hc a l lu t i l i z es e p a r a t e dc a r r i e r si nt h el i m i t a t i o no f c a r r i e rs o u r c e 舢lt h er e s e a r c hw o r kh e r ei sb a s e do nt h es p e c i f i c a t i o n sr e l a t e dw i t hh s d p a r e l e a s e db y3 g p em e n h a n c e m e n tt e c h n o l o g i e sb r o u g h tb yh s d p a ，s u c ha st h e n e ws h a r e dc h a n n e l s ，a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ( a m c ) ，h y b r i da u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t ( h a r q ) a r ec a r r i e do u tb yd s pp r o g r a m m i n gi nt h i st h e s i s t o e n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fh s d p ai nt d s c d m a , t w om o d i f i e dt e c h n i q u e sa r e p r o p o s e d o n ei sc q im o d i f i e da l g o r i t h mw h i c hr e s o l v e st h ep r o b l e mo ft i m ed e l a y a n o t h e ri sp o w e rc o n t r o lo fh s d p aw h i c hd e c r e a s e sb l e ro ft h ew h o l es y s t e m b o t ha l g o r i t h m sa r ec a r r i e do u ta n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h e ya r ef e a s i b l e c o m p a r e d w i t ho l da l g o r i t h m s ，t h en e ws c h e m e so b v i o u s l y b r i n gb e t t e rp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：h s d p a ；t d - s c d m a ；a m c ；p o w e rc o n t r o l u 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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，也不包含为获得武汉理工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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章引言 由于无线数据业务的急剧增加，原有的以话音为主的移动通信方式已渐渐 不能满足人们的要求，因此第三代移动通信系统必须在保证话音业务的基础上， 提供传图片、文件、收发邮件、上网冲浪、甚至点播电影等多媒体业务来满足 用户对高速数据的需求。但就目前而言，第三代移动通信系统3 8 4 k b i t s 的传输 速率已经无法满足高数据量的要求，对此3 g p p 技术规范中引入了一种重要的无 线通信增强技术：高速下行分组接入技术( h s d p a ) 。 h s d p a 的最初设想是于2 0 0 0 年3 月摩托罗拉在西班牙召开的3 g p p 标准化 组织t s g r a n 第7 次会议上提出i l 】，该提案得到诺基亚、贝尔和日本电话电报 公司的纷纷支持。2 0 0 1 年1 月，在美国波士顿召开的r a n l 的第1 8 次会议上， t s g r a n 公布了h s d p a 的最新标准化成果3 g p pt r 2 5 8 4 8 文档成为i m t - 2 0 0 0 的重要提案。 根据3 g p p 组织的定义，h s d p a 的发展将主要分为三个阶段： 表1 1h s d p a 发展阶段 阶段 第一阶段第二阶段第三阶段 名称 基本型h s d p a增强型h s d p a新空中接口 版本3 g p pr e l e a s e 53 g p pr e l e a s e 6 标准制定中 实现峰值传输速率达到峰值传输速率达到 峰值传输速率达到1 0 0 m b i t s 目标 1 0 8 m b i 臼，s 3 0 m b i 廿f s 引入新的空中接口技术： 使用更高阶调制方案和天线阵列处理相 控制信道支持高速下结合的正交频分复用( o f d m ) 物理层； 行链路共享信道 引入一系列天线阵列 ( h s - d s c h ) ： 处理技术： 引入具有快速调度功能的 引入 自适应调制( q p s k 对于单天线的移动设 m a c - h s o f d m ，能够根据空中接口的质 和1 6 q a m ) 和速率匹 备，将使用具有波束 量为每个移动设备选择专用子载波，以 功能 赋形技术的灵巧天线 优化性能； 配：使用多标准m a c ( 攸一m a c ) 作为控 n o d e b 中具有共享高 对于具有2 - 4 幅天线 速下媒体接入控制 的移动设备，将引入 制实体，以体现正交频分多址复用 m i m o 技术。 ( o 】习d m a ) 和c d m a 信道间快速转换； ( m a c ) 协议。改进的信号处理技术，包括智能天线 ( s a ) 、联合检测( j d ) 、改进的接收机、 改进的信道预估及链路自适应能力等。 武汉理工大学硕士学位论文 由于h s d p a 实际上是一种后3 g 技术，是基于g s m 核心网结构的移动通信标 准上的一种加强技术，它可以在不改变网络结构的基础上提高下行传输速率， 因此大部分h s d p a 的研究都是基于3 g 标准平台之上的。在国际电联( i t u ) 确 定的第三代移动通信标准中，基于g s m 核心网的有两种：w c d m a 和 t d 。s c d m a 。其中t d s c d m a 是由中国提出并被i t u 确认为正式的第三代移动 通信空中接口技术规范之一，这是中国在近百年来第一个完整的通信技术标准， 也是中国通信业的巨大突破【2 1 。t d s c d m a 标准越来越受到通信业界的认可和 礼遇，并得到了政府和业界同行们的支持，因此基于t d s c d m a 标准的h s d p a 技术研究也是t d s c d m a 作为一个整体与w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 及e d g e 等技术 展开竞争的一个关键特性。 虽然目前各大厂商纷纷推出了支持h s d p a 技术的t d s c d m a 样机，但相对 于w c d m a 系统下h s d p a 技术的研究，在实际传输速率和多用户调度的效果上 仍与理论值有所差距。因此本文主要分析了国内目前t d s c d m a 系统中h s d p a 技术的研究现状，对其中关键技术进行了探讨和研究，并针对存在的问题提出 了改进算法，且对算法进行了实验和性能研究。 1 2h s d p a 技术介绍 从技术角度来看【3 】，h s d p a 主要是通过引入高速下行共享信道( h s d s c h ) 增强空中接口，并在u t r a n 中增加相应的功能实体来完成的。从底层来看，主 要是引入自适应调制编码( a m c ) 和混合a r q ( h a r q ) 技术增加数据吞吐量。 从整体构架上来看，主要是增强n o d eb 的处理功能，在n o d eb 中m a c 层中引入 一个新的m a c 1 l s 实体【4 j ，专门完成h s d s c h 的相关参数和h a r q 协议等相关处 理，在高层和接口加入相关操作信令。下面主要针对其底层技术和新增信道结 构进行介绍。 1 2 1a m c 无线信道的一个很重要的特点就是具有很强的时变性，短时间瑞利衰落可 以达到十几个甚至几十个d b 。对这种时变特性进行自适应跟踪会给系统性能的 改善带来很大的好处。链路自适应技术可以有很多方法，如功率控n 及a m c t 5 】 等。h s d p a 就是在原有系统固定调制和编码方案基础上，引入更多编码率和 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 q a m 调制，使得系统能够通过改变编码方式和调制等级对链路变化进行自适 应跟踪。 引入j w c 技术带来的好处是【6 】：1 处于有利位置的用户可以得到更高的数据 速率，提高小区平均吞吐量；2 链路自适应基于改变调制编码方案代替改变发射 功率，以减小冲突。 w c 的引入和实现需要对3 g 系统进行很多补充【7 j ，如在u e 端增加信道测 量、反馈信道质量指示等功能；茬e n o d eb 端的分组发送中改变编码调制。 1 2 2n a r q h a r q 指h y b r i da r q ，即混合自动重发请求【引。它是隐含的链路自适应技术， 是a r q 和前向纠错( f e c ) 相结合的纠错方法，通过发送附加冗余信息，改变编 码速率来自适应信道条件。h a r q 根据链路层确认信息来进行重传判决。 舢c 能够提供粗略的数据速率的选择，而r a r q 基于信道条件可以提供精 确的速率调节。h a r q 有几种不同的方式分别称为：h a r qt t y p ei 、h a r qt y p e i i 和h a r qt y p ei i i 。 ( 1 ) r l ca r q 模式就属于h a r qt y p ei 。它是在基本的h a r qt y p ei 中加有 c r c ，采用f e c 编码。在接收端对f e c 编码进行解码，并对包的质量进行校验 ( c i 校验) 。如果发现有错误则要求包重传，并将错误的包丢弃。重传采用 与第一次传输相同的编码。 ( 2 ) h a r qt y p ei i 也被称作增量冗余方案，重传的数据块不能丢弃不用， 而是要连同一些由发射端提供的用于解码的冗余信息。对于h a r qt y p ei i 来说， 为了纠错，重传携带了附加的冗余信息。附加的冗余与先前接收到的包合并在 一起，得到的码字具有更高的编码增益。每一次重传的冗余量是不同的，而且 重传通常只能在与先前传的数据合并后才能被解码。 ( 3 ) 同h a r qt y p ei i 一样，h a r qt y p ei i i 也属于一种增量冗余编码方案。 与t y p e i i 不同的是，t y p e i i i 每次的重发信息具有自解码能力( s e l f d e c o d a b l e ) 。 t y p e l i i 还分为单一冗余方案和多冗余方案。其中单一冗余方案由于d r c h a s e 最 早论述了a r q 技术，也称作c h a s ec o m b i n i n g 。 在h s d p a q 丁h a r q 使用的是t y p ei i 和t y p ei i i 方式。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 新增信道结构 h s d p a 的高速业务承载主要靠高速下行共享信道( h s d s c h ) ，这是一个 h s d p a 专用信道。另外在上行和下行分别各有一个共享控制信道，即上行的 h s d s c h 共享信息信道( h s s i c h ) 和下行的共享控制信道( h s s c c h ) 【9 1 。 1 2 3 1h s d s c h h s d p a 的很多底层操作都体现在h s d s c h 上，因为所有的业务数据都由这 个信道承载。h s - d s c h 是一个共享的高速下行数据信道，对不同的u e 可以通过 时分复用和码分复用来共享h s d s c h 信道。 h s d s c h 是根据传输时间间隔( h s d s c ht t i ) 被分配给用户。h s d s c h 是一个传输信道，它映射到物理信道称之为h s p d s c h 。h s p d s c h 的扩频因 子s f 可以采用1 6 或者l 。 图1 1 中给出了一个例子。h s d s c h 信道中不同的颜色代表这不同的用户。 共享码资源的主要方法是在时域中进行的，也就是在某一时刻只将h s d s c h 码 资源分配给一个用户。同时也支持在同一，丌i 中多个用户使用被分配的h s d s c h 的信道码集里的不同码。 s f = 1 磷暑2 科罨4 野- 0 s f = 1 0 c o d e s a l l o c a t e dt o h s d s c h h 擎o b c h1 n _ - _ 图1 1 码资源分配示例和h s d s c ht t i 结构 1 2 3 2h s s c c h h s d s c h 共享控制信道( h s s c c h ) 是h s d p a 专用的下行控制信道，是一 4 糖一占笛葚口up_6is 武汉理工大学硕士学位论文 个物理信道，它用于承载所有相关底层控制信息。也就是说，终端接收h s d s c h 信道的数据必须要在h s s c c h 控制信息的配合下才能完成。h s s c c h 被所有 h s d p a 数据的u e 所共享，但对单个h s - d s c ht t i ，每个h s s c c h 只为一个u e 承载h s d s c h 相关的下行信令。 h s s c c h 信道上的控制信息主要包括u e - i d 、t f m 、h a r q 等相关信息。 u e i d ：用于标识当前控制信息的所属u e 。 t f r h 主要包括码和时隙分配信息、调制方案信息和传输块大小。 母h a r q 包括h a r q 过程信息、冗余版本信息和新数据指示。 1 2 3 3h s - s i c h h s d s c h 共享信息信道( h s s i c h ) 是h s d p a 专用的上行控制信道，也是 一个物理信道，它用于反馈相关的上行信息。主要包括a c k n a c k 和信道质量 指示( c q i ) 。 * c q h 包括推荐调制格式( i m f ) 和推荐传输块大小( r t b s ) 。 * a c k n a c k ： 是用于支持h a r q 的反馈信息。采用的方案是大量重复的 方法。 1 3t d s c d m a 系统 i t u 在提出第三代移动通信系统的概念时考虑到系统的商用是在2 0 0 0 年左 右，工作频率在2 0 0 0 m h z 频段，最高数据传输速率是2 0 0 0 k b p s ，故将其命名为 国际移动通信系统i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m t m i c a t i o n2 0 0 0 ) 。经 过多次的严格评估和修改，2 0 0 0 年5 月，在全球无线电大会( w r c 2 0 0 0 ) 上，正 式批准第三代移动通信系统( 蹦t - 2 0 0 0 ) 无线接口技术规范建议i m t r s p c 。 在此国际标准i m t - r s p c 中，无线接入网可以用如下5 种技术标准： 两种t d m a 标准： s c t d m a ( 美国的u m c 1 3 6 ) m c t d m a ( 欧洲的e p d e c t ) 三种c d m a 标准： m c - c d m a ( c d m a 2 0 0 0 ) d s c d m a ( w - c d m a ) 武汉理工大学硕士学位论文 c d m a t d d ( 包括t d s c d m a 和u t r a t d d ) 目前公认的主流标准只有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 3 种。其中 w c d m a 系统和c d m a 2 0 0 0 系统是基于f d d 模式，f d d 模式是上、下行数据 工作在对称的上行和下行频带；t d s c d m a 基于t d d 模式，t d d 模式是上、 下行数据工作在相同频率，但不同的上行和下行时隙。 1 3 1t d s c d m a 系统介绍 t d s c d m a 的多址接入方案是直接序列扩频码分多址( d s c d m a ) ，码片 速率为1 2 8 m o p s ，扩频带宽约为1 6 m h z ，采用不需配对频率的时分双i ( t d d ) 工作方式。它的下行( 前向链路) 和上行( 反向链路) 的信息是在同一载频的 不同时隙上进行传送的。在t d s c d m a 系统中，其多址接入方式上除具有 d s c d m a 特性外，还具有t d m a 的特点。因此t d s c d m a 的接入方式也可以表 示为t d m a d c d m a 。t d s c d m a 系统还采用了智能天线、联合检测、同步c d m a 、 接力切换及自适应功率控制等诸多先进技术，与其它3 g 系统相比具有较为明显 的优势，主要体现在【1 0 】： ( 1 ) 频谱灵活性和支持蜂窝网的能力 t d - s c d m a 采用t d d 方式，仅需要1 6 m h z ( 单载波) 的最小带宽。因此频 率安排灵活，不需要成对的频率，可以使用任何零碎的频段，能较好地解决当 前频率资源紧张的矛盾；若带宽为5 m h z 则支持3 个载波，在一个地区可组成蜂 窝网，支持移动业务。 ( 2 ) 高频谱利用率 t d s c d m a 频谱利用率高，抗干扰能力强，系统容量大，适用于人口密集 的大、中城市传输对称与非对称业务。尤其适合于移动h i t e m e t 业务( 它将是第 三代移动通信的主要业务) 。 ( 3 ) 适用于多种使用环境 t d s c d m a 系统全面满足i t u 的要求，适用于多种环境。 ( 4 ) 设备成本低 设备成本低，系统性能价格比高。具有我国自主的知识产权。在网络规划、 系统设计、工程建设以及为国内运营商提供长期技术支持和技术服务等方面带 来方便，可大大节省系统建设投资和运营成本。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2t d s c d m a 系统的帧结构 各种第三代移动通信系统的差别主要体现在无线接口的物理层【l l 】。 t d s c d m a 的基本物理信道特性由频率、码和时隙决定。其帧结构将1 0 m s 的无 线帧分成2 个5 m s 子帧，每个子帧由7 个常规时隙和3 个特殊时隙下行导频时 隙( d w p t s ) ，上行导频时隙( u p p t s ) 和保护时隙( g p ) 构成。在7 个常规 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。上行时隙和下 行时隙之间由转换点分开，在t d s c d m a 系统中，每个5 m s 的子帧有两个转换点 ( u l 到d l ，和d l 到u l ) 。通过灵活的配置上下行时隙的个数，使t d s c d m a 适用于上下行对称及非对称的业务模式。图1 2 就给出了一个不对称业务模式的 帧结构例子，它的上下行时隙比例为1 ：5 。 1 2 8 v i c h i l y s d 训朗忑 ( 9 6 e r l i p s ) s w i t c h i n gt1 0 i m i l i i i i i 1 如 t s llt s 2 1瞄t s 4 i磷黾6 + 图1 2t d s c d m a 子帧结构 其中时隙突发( b u r s t ) 的结构参见图1 3 。每个突发有前后两个数据部分 ( 3 5 2 c h i p s ) 和居中的训练序列m i d a m b l e ( 1 4 4 c h i p s ) ，在每个突发最后有1 6 c h i p s 长的g p 。数据区中的数据比特先调制为数据符号( s y m b 0 1 ) ，然后再采用正交 可变扩频因子( o r t h o g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r ，o v s f ) 码对s y m b o l 进行 扩频。这样，每个突发可以由o v s f 码( s f = i 、2 、4 、8 、1 6 ) 分为1 1 6 个码 道( c o d ec h a n n e l ) 1 1 2 1 。m i d a m b l e 序列是给多用户检测中进行信道估计时使用 的，它不进行扩频及扰码。 图1 3t d s c d m a 突发结构图 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 4h s d p a 技术在t d s c d m a 系统中的应用 目前对于t d s c d m a ，单载波( 占用1 6 m h z 频谱) h s d p a 采用的上下行 时隙比例为1 ：5 时，理论峰值速率可达到2 8 m b s 。为进一步提升t d s c d m a 系统支持高速数据业务的能力，增强t d s c d m a 竞争优势，将h s d p a 与多载 波相结合( 即多载波h s d p a 技术) ，通过多载波技术和高阶调制可以显著提高 h s d p a 的峰值传输速率和频谱利用率【1 3 j 。例如，当采用1 6 q a m 调制时， t d s c d m a 系统三载波理论峰值速率可达8 4 m b s 。更进一步的，在多载波 h s d p a 技术方案中，辅载波上t s 0 也可用于传输数据，峰值传输速率将得到进 一步提高。量化的分析表明，使用辅载波t s 0 传输数据，则三载波( 共占用5 m h z 频谱) h s d p a 可提供的峰值速率将高达1 0 m b s t l 4 j 。 相对于w c d m a 如果要在1 0 m 的带宽内提供h s d p a ，要求上下行的5 m 带宽 分别都是连续的，而t d s c d m a 则可以使用6 个分离的1 2 8 m 载波。在载波资源 受限的情况下，这无疑是一个极大的优势【l5 。 1 5 本文的主要工作及内容安排 本文主要进行了两方面的工作：第一是以3 g p p 协议为基础，深入分析了 h s d p a 的引入对t d s c d m a 系统物理层的影响，并详细介绍了t d s c d m a 系 统中h s d p a 物理层技术的实现。第二是针对现阶段t d s c d m a 系统中h s d p a 性能所存在的问题，重点研究了h s d p a 中关键技术之a m c 技术性能和功率控 制技术在h s d p a 中的应用，提出了性能改善的方法，并采用d s p 编程搭建物 理层基带链路模型对改进算法进行了验证。 全文共分5 章，主要内容安排如下： 第2 章详尽介绍了t d s c d m a 系统中h s d p a 的物理层实现，即新增三个 共享信道的实现。 第3 章讨论了t d s c d m a 系统中支持h s d p a 技术的基带物理层链路的设 计方案，对其中重点模块进行了详细介绍。同时给出了实验参数、实验条件，为其 后的性能研究提供了可行性保证。 第4 章主要以h s d p a 关键技术之a m c 技术的性能和针对h s d p a 技术特 8 武汉理工大学硕士学位论文 有的功率控制的性能为出发点，着重分析了当前t d s c d m a 系统中h s d p a 性 能方面亟待解决的问题，并提出了性能改善的方法。最后通过物理层基带链路 模型对算法进行了验证。 第5 章总结了本文的意义、目的和工作内容。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章t d s c d m a 系统中h s d p a 的物理层实现 在h s d p a 技术中，原有的t d s c d m a 系统物理层处理有一些变化。但主 要改变如第1 2 3 节所提及，h s d p a 在上下行链路上新增加了三个信道 h s s i c h 、h s 。d s c h 、h s s c c h 。其物理层编码调制工作仍然在原有物理层处 理系统中完成，但具体操作有一定改变。h s d s c h 调制方式有两种：q p s k 和 1 6 q a m ，h s s c c h 和h s s i c h 则固定采用q p s k 调制方式。编码方式上 h s d s c h 信道有较大改变【1 6 】，主要是其信道编码增加了物理层的h a r q 处理和 1 6 q a m 星座重排，至于h s s i c h ，不同的信息段采用不同的编码方式。下面将 具体介绍这三个信道在t d s c d m a 系统中的实现。 2 1h s d s c h 信道编码 h s d s c h 的编码流程主要包含如下模块： 循环冗余校验( c r c ) ； 编码块分段； 信道编码； 物理层h a r q 过程； 比特加扰； h s - d s c h 交织； 1 6 q a m 星座重排； 物理信道映射。 其编码流程如图2 1 所示。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 w1 ，w2 ，w ，w 膏 w f p ，wf ，p ，2 wf p ，u 2 1 1c r c 添加 加crc i 码块分割 山 信道编码 物理层harq 功能 比特加扰 hs dsch 交织 上 i星16 座c l 重a 捧m 上 物理信道映射 图2 1h s d s c h 编码过程 c r c 校验数据块的循环冗余校验，用于计算数据误块率。对于每个传输时 间间隔( t t i ) 内到达的传输信道的传输块集，c r c 处理单元将根据整个传输块 武汉理工大学硕士学位论文 计算其c r c 校验码，并附加于传输块的信息比特之后。根据协议，h s d s c h 信道的c r c 校验位取值规定为n = 2 4 ，相应的校验位生成多项式如下： g c r c 2 4 ( d ) = 4 + 3 + d 6 + 0 5 + d + 1 ( 2 1 ) 图2 1 中a i m 。a i m 2 , a i m 3 , a i m a 表示一个传输块送到物理层的比特流，f 为传输信 道的编号，m 为一个传输块集中传输块的编号，彳为该传输块的长度。经过c r c 添加模块后输出为6 f 卅。，6 拥：，k 。，其中b = a + 2 4 。 2 1 2 码块分段 给一个t t i 内所有传输块附加上c r c 校验比特后，从编号最小的传输块开 始，连同附加的c r c 校验比特，将它们依次串行级联起来。如果一个t t i 的比 特数大于一个编码块( c o d eb l o c k ) 的最大长度，则在传输块级联后要进行码块 分段。码块的最大长度( b i t ) 取决于传输信道使用的是何种编码方式。 卷积编码：z = 5 0 4 t u r b o 编码：z = 5 11 4 不编码：z = u n l i m i t e d 代x | aw h e nz u n l i m i t e d c = j0w h e nz = u n l i m i t e da n dx = 0 【1 w h e nz = u n l i m i t e da n dx o ( 2 2 ) r 为向上取整算符。 分段后每个码块的比特数为k ( 只适用于c 0 ) 。如果x 4 0 ，且使用 t u r b o 编码，则k = 4 0 ，反之k = i x ci 。 由于h s d s c h 传输信道中只有一个传输块，所以不需要级联操作。又因为 其采用的是t u r b o 编码，则长度大于51 1 4 比特需要分段，如果长度不足4 0 ，那 么将长度补为4 0 ，即填充比特将加在码块的前段，填充比特总是被置为0 。 经过码块分段模块后的输出为d 巾o 妒：，d 妒，d 槛，f 为传输信道的编号， 为一个传输块集中传输块的编号，k 分段后每个码块的比特数。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 信道编码功能 为了提高信息在无线信道传输的可靠性，提高数据在信道上的抗干扰能力， t d s c d m a 系统采用了3 种信道编码方案：卷积编码、t u r b o 编码和不编码。 编码后的比特数】，的值随不同编码方案而不同。 卷积编码，码率1 2 ；y = 2 k + 1 6 ； r a t e1 3 ：】，= 3 k + 2 4 t u r b o 编码，码率1 3 ：y = 3 幸k + 1 2 不编码：y = k 限于篇幅和本文研究的重点并非信道编码，因此将不对两种编码方案进行 详细介绍。经过信道编码模块后的输出为o i lc 加q 3 ，f 为传输信道的编号， e 为编码后码块级联的序列长度。 2 1 3 1 卷积编码 3 g p p 统一定义了约束长度为9 ，码率为1 3 和1 2 的卷积码。卷积编码器的 结构如图2 2 所示。 编码前，8 个值为0 的尾比特应添加到码块的末尾。 当开始对输入比特编码时，编码器移位寄存器的初始值应为全0 。 一止廿7 u 刿i7 凹i 7 鼍 7 u d 7 u d7 凹i i1i 小，t 、l ，1 h 7 w7 w7 v7 v 111r11 、， 坚r7 止刿l7 凹l7 止d7 u 刿l 7 鼍7 鼍 7 止刿i il i 1 爪l ，1 h 小 7w 7 w7 w7 w7 w 7v r 1r 1 r1 ，l ， 、 一， 7 w 7v 7 w7 v7 v 1 图2 2 卷积编码器逻辑图 a l 妇t 0 岛= 5 6 1 ( o c t d ) o i 呶t 1 q = 7 5 3 ( o c t a l ) a l 妇t 0 岛= 5 5 7 ( o c t a l ) o l 邱“1 g i = 6 6 3 ( o c t d ) o i 昀t 2 g 2 = 7 1 1 ( o c t a l ) 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 2t u r b o 编码 3 g p p 定义的t u r b o 编码器的结构是一个并行级联卷积码( p c c c ) ，包括一 个2 分支8 态编码器和一个t u r b o 内交织器。图2 3 为t u r b o 编码器逻辑图。 1s tc o n s t i t u e n te n c o d e r z k | l 爪一一、一 x k 丫 一鼍 ，一 一一 l 凸厂。x 上。广i 广。i i r r 气_ 田1 i n p u t o u l t u r b oc o d e i n t e m a i n t e d e a v e r o u t p u t 2 n d n s t t u e n te n c o d e r z l 一。出 罩iil = j 了一 i r 一一1 _ 一 一 x k x k j 图2 3t u r b o 编码器逻辑图 2 1 4 物理层h a r q 功能 在第一章已经介绍过h a r q 主要分为3 种类型，即i 类，i i 类和i i i 类。其 中i 型是软件层面上的h a r q ，在r l c 进行传输控制，重传不合并。由于其反 馈速度比较慢，因此效率不高，影响总流量和q o s 。所以在h s d p a 中需要使 用硬件层面的h a r q ，即i i 型和i h 型，将处理a p , q 技术的优先权放到物理层。 这也是为什么要增加物理层h a r q 功能的原因。i i 型i i i 型之间的区别在于增加 冗余( i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ) 方式不同。 取方案通常分为两类，一类是完全瓜，一类是部分瓜。完全i r 又被称为 h a r qt y p e l i ( h a r q - i r ) 。在首次传输数据块时没有或带有较少的冗余。如果 传输失败，重传将开始。重传的数据块不是首次所传数据块的复制，而是增加 或改变了冗余部分。在接收端将两次收到的数据块进行合并，编码速率会有所 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 降低而提高了编码增益。所以第二类h a r q 方案每次传输都不能自译码，必须 通过合并才能恢复出数据。 部分i r 又被称为h a r qt y p e i i i 。它每次重传都可自译码，可以采用或者 不采用合并过程恢复数据。第1 i i 类h a r q 又被称为c h a s ec o m b i n i n g ( h a r q c c ) 。它要求发射机简单重传数据包，重传数据冗余版本均与初次发 射时相同。接收方的译码器根据接收数据的s n r 值，按权重合并这些重复的传 输包，然后再译码，从而可获得时间分集增