（信号与信息处理专业论文）turbomud算法用于wcdma上行系统.pdf

摘要 摘要 多址干扰是影响c d m a 系统性能和容量的主要因素。传统多用户检测器将多址干 扰看做高斯白噪声因而降低了输入信干比，影响了系统性能。多用户检测在传统检测技 术基础上充分利用所有用户信号信息进行检测，从而能够有效消除不同用户问的多址干 扰，明显提高系统性能。 w c d m a 引入h s u p a 后采用低扩频比的扩频码进行多码传输，在提高速率的同时 也大大加大了多址干扰，这使得在w c d m a 上行系统中采用多用户检测更具可行性。 而t u r b o 多用户检测由于其良好的性能和较低的复杂度成为人们研究的热点。本文主要 考虑w c d m a 上行系统的t u r b o 多用户检测技术。 论文首先介绍了w c d m a 系统的关键技术和相关协议，并对t u r b o 码的译码算法 以及传统的多用户检测进行了深入研究。其次分析了t u r b o 多用户检测器结构，并对同 步c d m a 系统中基于干扰消除和线性m m s e 滤波的s i s o 多用户检测算法进行详细的 分析和推导，然后对该算法进行修改后用于w c d m a 上行系统。最后对该算法的容量 增益进行了分析。 本文使用c c s s 系统搭建了双用户w c d m a 上行仿真链路，在该仿真链路上对软 p i c 算法及t u r b o 多用户检测算法进行了仿真。结果表明t u r b o 多用户检测对系统性能 有明显改善而且性能优于软p i c 。 关键字：多址干扰，w c d m a ，t u r b o 多用户检测，软p i c 东南大学硕士论文 a b s t r a c t m u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a di st h em a j o rl i m i t i n gf a c t o rt oc a p a c i t ya n d p e r f o r m a n c eo fc d m a 1 1 把t r a d i t i o n a lm u l t i u s e rd e t e c t o r ( m u d ) r e g a r d sm a i a st h ew h i t e g a u s s i a nn o i s ew h i c hr e s u l t si nr e d u c t i o no fs i n ra n ds y s t e mp e r f o r m a n c e m u dm a k e sf u n u s eo fa l lu s e r s i n f o r m a t i o nt od e t e c tt h es i g n a lt h u sc a l le l i m i n a t ed i f f e r e n tu s e r $ m a i e f f e c t i v e l y a st h ei n t r o d u c t i o no fh i g hs p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s ( h s u p a ) ，w c d m ac a l lu m u l t i c o d et ot r a n s m i td a t aw h i l et h es p r e a d i n gf a c t o ri ss m a l l t h i si n c r e a c e st h ed a t ar a t e b u tg r e a t l ye n h a n c e st h e 队ia l s o s oi ti sm o r ef e a s i b l ef o rw c d m au p l i n ks y s t e mt ou s e t h em u d b e c a u s eo fi t s9 0 0 dp e r f o r m a n c ea n dl o w e rc o m p l e x i t yt u r b om u db e c o m e sa r e s e a r c hh o t s p o t t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e st h et u r b om u da n di t su s ei nw c d m a u p l i n k s y s t e m t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ek e yt e c h n o l g i e sa n ds t a n d a r dp r o t o c o l so fw c d m a s y s t e m ，t h e nm a k e s ad e e pr e s e a r c ho nt h ed e c o d i n ga l g o r i t h mo f t u r b oc o d e sa n dt r a d i t i o n a l m u d t h es t r u c t u r eo ft u r b om u di sa n a l y s e da l s o 。a f t e rd e t a i l e da n a l y s i sa n dd e r i v a t i o no f s i s om u db a s e do ni n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i oa n dl i n e a rm m s ef i l t e r i n g a ni m p r o v e dt u r b o m u d a l g o r i t h mi sp r o p o s e da n du s e di nw c d m au p l i n ks y s t e m ，a l o n gw i t ht h ea n a l y s so f i t sc a p a c i t yg a i n aw c d m au p l i n ks i m u l a t i o nl i n kw i t hc c s si se s t a b l i s h e d a n dt h es o f tp i ca n dt u r b o m u da l g o r i t h mi ss i m u l a t e do v e rt h i sl i n k t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h et w b 0m u d i m p r o v e ss y s t e mp e r f o r m a n c ee v i d e n t l ya n di t sp e r f o r m a n c ei sb e t t e rt h a nt h a ts o f tp i c k e yw o r d s ：m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ( m u d ) ，w c d m a ，t u r b om u l t i u s e rd e t e c t i o n ， s o f t p i c i i 东南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，也不包含为获得东南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：型堡垄! e l 期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：邋导师 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 模拟蜂窝系统通常被称为第一代移动通信系统，现用的数字系统则主要是二代系统( 如 g s m 、c d m a o n e 及u s t d m a ) 。但随着人们对通信的要求越来越高，从单纯的语音通信到 现在的多媒体通信，第二代通信系统已经不能满足人们对通信的要求。第三代移动通信( 3 g ) 应运而生。3 g 是建立在i t u ( 国际电信联盟) i m t - 2 0 0 0 框架下，目前的标准主要有4 种： w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 及w i n m a x 。与第二代移动通信系统相比，3 ( 3 系统 具有更高的数据速率和更新更灵活的通信能力。而在中国也已发放3 张3 g 牌照，中国电信 获得c d m a 2 0 0 0 牌照，中国联通获得w c d m a 牌照，中国移动获得t d s c d m a 牌照。 欧洲e t s i ( 欧洲3 g 标准化组织) 提出w c d m a 并将其作为第三代空中接口i l l ，它与 日本a r i b ( 日本3 g 标准化组织) 提出的宽带c d m a 技术基本相同。1 9 9 8 年欧洲的u t r a w c d m a 和日本的w - c d m a 融合，并成立了3 g p p ( 第三代移动通信伙伴计划) 组织，由 3 g p p 发布全球统一的w c d m a 协议标准。日本于2 0 0 1 年在一些主要地区开通了第一个商 用网络，欧洲于2 0 0 2 年进入商用。到目前为止，w c d m a 用户已超过2 2 亿，是所有3 g 标准中商用范围最广泛、技术最成熟的。 c d m a ( 码分多址) 已成为第三代移动通信的主流技术。c d m a 系统内各用户使用相 同的频带发射信号，共享一个信道，在时域和频域上都是混叠的，而在实际系统中各用户之 间的码字不可能达到完全正交和完全同步，因此各用户之间的互相干扰不可避免，称为多址 干扰，也称为多用户干扰。而传统匹配滤波接收机在对一个用户的解调时没有利用已知的其 它用户的信息，而是将多址干扰当做高斯白噪声，因此存在下面两个问题： 1 ) 由于干扰信号和期望信号不完全正交，所以期望用户的匹配滤波器输出中含有多址 干扰。因此即使接收机热噪声趋于零，匹配滤波接收机的错误概率也会表现出非零下界，使 得相关接收机很难达到低误码率。 2 ) 在非同步或同步但扩频波形不是正交的情况下，由于多址干扰的因素，如果干扰用 户比期望用户距离基站近得多，则基站对于干扰信号的接收功率就会比期望信号的大很多， 扩频序列与干扰信号之间的相关就有可能比与期望信号之间的相关大，因此在接收机输出中 多址干扰分量有可能很严重，期望用户信号甚至有可能淹没在干扰信号中。 多址干扰以及远近效应大大制约了c d m a 系统的容量，而这些问题并非c d m a 系统固 有的缺陷，而是单用户检测方法的缺陷。为了解决该问题，人们提出了多用户检测( m u l t i - u s e r d e t e c t i o n ，m u d ) 这个概念。其基本思想是把所有用户信号都看作为有用信号，利用多个 用户的用户码、信号幅度、定时、延迟以及相位等信息联合检测单个用户。 1 2 国内外研究现状 m u d 的想法最早在1 9 7 9 年由k s s c h n e i d e r 提t i l t 2 1 。他第一次提出将多个用户的码字 和定时信息等联合起来检测单个用户信息的多用户检测的思想，并研究了迫零算法。1 9 8 6 年s v e r d u 将m u d 的理论向前推进了一大步，认为多址干扰是具有一定结构的有效信息， 东南大学硕士论文 理论上证明采用最大似然序列检测( m l s d ) 可以逼近单用户接收性能，大大提高了系统容 量【3 】。但由于m l s d 的复杂度与用户数k 为指数关系，基本无法实现，因此人们开始研究各 种次优多用户检测，希望能在保证一定性能的条件下将复杂度降低到工程可以接受的程度。 主要的次优检测有线性检测1 4 1 1 5 1 、干扰对消检测1 6 1 1 7 l 和非线性概率检测。 非线性类概率检测包括序列检测【8 】【9 】、分组检测【l o 】【1 1 1 和基于神经网络的检测【1 2 】1 1 3 l ，采用 非线性方法逼近最大似然函数，性能较好但复杂度太高、收敛速度较慢，因而运用不多。 线性检测包括去相关检测、最小均方误差( m m s e ) 检测、子空间斜投影检测和多项式 扩展检测。去相关检测最早由s c h n e i d r 和k o h n o 提出【2 1 【l4 1 ，l u p a s 和v e r d u 给出了具体的实 现方法，并从数学上进行了分析1 4 儿5 。它的基本思想是首先计算各用户信号间基于扩展码的 互相关矩阵并求逆，然后对接收信号进行去相关计算，最后再对去相关信号进行判决。x i ez 等人提出了m m s e 检测，其基本思想是计算经线性变换的接收数据和传统检测器输出之间 软判决输出间的均方差，使之最小的矩阵即为所求的线性变换【1 5 l 【1 6 j 。m o s h a v i 等人提出了多 项式扩展检测，利用相关矩阵的多项式扩展对匹配滤波器输出进行运算后再判决【1 7 】。 尽管理论界对线性检测展开了大量的研究，产业界却不热衷于线性多用户检测的商用。 这是多方面因素造成的，有实现代价、政治因素等问题，然而最关键的还是技术问题。9 0 年代中期高通的一篇具有争议性的文献指出了线性检测的一些基本问题，从而促使人们将研 究重点逐渐转向了干扰对消检测。 干扰对消检测包括并行干扰对消多用户检测( p i c ) 、串行干扰对消多用户检测( s i c ) 和判决反馈多用户检测。 k o h n o 和p a t e lp 等人最早提出串行干扰对消多用户检测( s i c ) ，基本思想是在接收信 号中对多用户逐个进行数据判决，判出一个就加以重构并在后面用户解调前减去该用户信号 造成的多址干扰( m a i ) 【6 】i 博j 。并行干扰对消多用户检测( p i c ) 最早由m v a r a n a s i 和a a z h a n g 等人提出，一般具有多级结构，其中每一级并行估计和去除各用户造成的m a i ，然后进行 数据判决【m 1 9 】【2 2 j 。p i c 的设计思想与s i c 基本相同，但由于是并行处理，克服了s i c 延时 大的缺点，而且无需在情况变化时重新排序，具有较高的使用价值。此外针对p i c 的错误传 递现象，d i v s a l a r 等人提出了部分干扰抵消检测，并指出其在低信噪比区优越的性能【2 3 】。 随着t u r b o 解码的s i s o 迭代思想提出后，掀起了一股狂潮，串行级联译码、编码调制、 t u r b o 均衡以及迭代信道估计都运用了t u r b o 迭代思想。m u d 自然也不甘落后，大量的研 究已经致力于c d m a 系统中t u r b o 多用户检测的各方面问题。w a n gx 等人提出了一种同步 c d m a 系统的迭代多用户检测算法，并将其推广到具有多径衰落的一般异步c d m a 系统 1 2 4 1 【2 6 1 。m o t h e r 提出了一种基于互信息最小化迭代技术的最优t u r b o 多用户检测器【2 7 】。随后 人们又提出了许多基于不同的干扰抵消方案的m u d 方法【2 8 j 【3 引。b o u t r o s 和c a i r e 将这些迭 代多用户检测方法统一在一种有趣的框架中0 4 1 。目前研究的迭代多用户检测技术都假设所 有用户的扩频波形对接收机来说是已知的，但在实际应用中，有时接收机并不知道所有用户 波形信息，所以在文献 3 5 】中讨论了未知信道下的迭代多用户检测方法。 以前业界普遍认为未来的蜂窝系统将产生非对称的数据要求，因此m u d 带来的上行链 路容量的提升并没有明显的必要性。然而随着移动业务的发展，上行数据量要求急剧增长， w c d m a 因此引入了h s u p a 。由于h s u p a 速率高而扩频增益小，从而使得m u d 更具价 值和可行性，而其中t u r b o 多用户检测更由于其复杂度低及性能良好成为关注的重点。 第一章绪论 1 3 本文的主要内容 第一章主要介绍多用户检测的必要性以及国内外研究现状。 第二章主要介绍w c d m a 以及h s u p a 的关键技术，并对它们的物理层信道帧结构进 行描述，最后介绍w c d m a 的发展过程和趋势。 第三章首先介绍t u r b o 码的编码类型及原理，然后讨论常见的几种译码算法，并对这几 种译码算法进行了比较和分析。 第四章介绍几种常见的多用户检测算法并分析其优缺点。随后考虑基于c c s s 系统搭建 的w c d m a 双用户上行链路，基于该链路对软p i c 算法进行仿真，并对h a r q 重传的影响进 行分析。 第五章介绍同步c d m a 系统的一种低复杂度t u r b o 多用户检测算法，在对该算法详细 分析后加以修改以用于w c d m a 系统。在双用户链路基础上实现该算法并对其进行仿真， 并与软p i c 算法进行了性能比较。最后对采用该算法所能带来的容量增益进行分析。 第六章对全文工作进行总结，并对进一步的工作进行预期。 3 第二章w c d m a 关键技术及物理信道帧结构 第二章w c d m a 关键技术及物理信道帧结构 本章描述w c d m a 及h s u p a 的关键技术及其物理层信道的帧结构。 2 1 多址接入 多址接入方案允许多个移动用户同时共享有限的无线频谱。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 ) 是无线通信系统中共享有效宽带的3 种主要的多址接 入方式。表2 1 列出各种无线通信系统中正在使用的多址接入技术。 表2 1 不同无线通信系统中使用的多址技术 蜂窝移动通信系统多址接入技术 高级移动电话系统( a 脚s ) f d m a 厂r d d 全球移动通信系统( g s m ) t d m a ，f d d 美国数字蜂窝( u s d c ) t d m a ，f d d 日本数字蜂窝( p d c ) t d 1 a ，f d d c t 2 ( 无绳电话) f d 胛d d 欧洲数字无绳电话( d e c t ) f d m a ，r d d 美国窄带扩频( i s 9 5 ) c d m a f d d 、c d m a ( 3 g p p )c d m a f d d c d m a f d d c d m a 2 0 0 0 ( 3 g p p ) c d m a f d d c d 1 a 厂r d d t d s c d m a ( 3 g p p )c d m a 、t d m a 厂r d d 频分多址是以不同的频率信道实现通信，就是将整个可分配的频谱划分成许多单个无线 信道，每个信道可以传输一路话音或控制信息。在系统的控制下，任何一个用户都可以接入 这些信道中的任何一个。 时分多址是以不同的时隙实现通信。在一个带宽的无线载波上，按时间( 或时隙) 划分 为若干时分信道，每一用户占用一个时隙，只在这一指定时隙内收发信号。 码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同码序列实现的多址方式。它不像频分多址、 时分多址那样把用户信息从频率和时间上进行分离，它可以在一个信道上同时传输多个用户 的信息，也就是说，允许用户之间的相互干扰。其关键是信息在传输之前要进行特殊的编码， 编码信息混合后不会丢失原来的信息。有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个用户同 时在一个载波上通信。每个发射机都有自己唯一的代码，同时接收机也知道要接收的代码， 用这个代码作为信号的滤波器，接收机就能从所有其它信号的背景中恢复称原来的信息码。 每个用户都独立于其它用户而运行。码分多址具有以下特点： 1 ) 码分多址系统的许多用户共享同一频率； 2 ) 与时分多址和频分多址不同，码分多址具有软容量的限制。增加码分多址系统中的 用户会线性增加本底噪声： 3 ) 由于信号被扩展在一较宽频谱上，因此可以有较小的多径衰落； 4 ) 在码分多址系统中，信道数据率很高，因此符号时间很短，通常比信道时延扩展小 得多。可以使用r a k e 接收机，通过收集所需信号中不同时延的信号来提高接收的可靠性； 5 东南大学硕士论文 5 ) 因为码分多址使用同信道小区，可以用宏空间分集来进行软切换： 6 ) 码分多址系统是一个自干扰受限的系统。 2 2 扩频技术 2 2 1 扩频通信原理 信息论的奠基人s h a n n o n 曾指出：“现实有效通信的最佳途径乃是白噪声形式的信号传 递”，并给出如下公式【3 6 l ： c = b l 0 9 2 0 + s n )( 2 1 ) 其中：n 为白噪声的平均功率，s 为信号的平均功率，s n 即为信噪比。信噪容量c 是指信道 可能传输的最大信息率即信道能达到的最大传输能力。从式( 2 1 ) 可以得到一个重要结论：在 给定信号功率s 和白噪声功率n 的情况下，只要采用某种编码系统，就能以任意小的差错概 率，以接近c 的传输速率来传送信息。从s h a n n o n 公式可以进一步看出：在信道容量不变的 前提下，可以以加大带宽为代价降低对信噪比的要求，即带宽与信噪比具有互换关系。也就 是说，增加带宽可以在比较低的信噪比下使用相同的信息传输速率。所以采用扩频信号进行 通信的优越性在于用扩展频谱的方法可以换取信噪比上的好处。 扩频技术最初源于军事目的，通过将待传信号扩展到很宽的频带上并以较低的单位频带 功率来传输，从而达到抗干扰和防窃听的目的。扩频信号与众不同之处在于其利用的带宽比 信息带宽宽很多倍。带宽的扩展是通过扩频码或伪随机码序列来实现的。 虽然有很多种不同类型的扩频系统，但主要的两种类型是直接序列( d s ) 扩频和跳频 ( f h ) 扩频。d s 扩频通过用p n 序列对包含数据的载波引入快速的相位变化来实现频谱扩 展，f h 扩频使载波频率在一个大的频带内伪随机跳动来实现扩频。 如图2 1 和图2 - 2 所示，一个用户的信号在信道传输过程中会叠加本系统中其它用户信 号、系统外窄带干扰和类似高斯白噪声的热噪声。在解扩时，利用相互正交的扩频码做相关 运算，使需要的用户信号还原到扩频以前的基带信号。在这个过程中，系统内的其它信号 ( m a i 信号) 和热噪声仍然分布在很宽的频带内，窄带干扰则被扩频处理成宽带信号。再 用低通滤波器把绝大部分干扰和噪声滤除，就可能得到需要的用户信号。其中t 为基带信 号的周期，是扩频后的码片速率。 接收信号的功率谤密度 窄带干扰芦霉谱密度7 j 一，7 厂 缓隧黝缓缓黝幽黝缓缓嬲嬲戮缓豳 - l 几毛e + l 几 f 图2 - 1 接收信号功率谱密度 6 第二章w c d m a 关键技术及物理信道帧结构 接收信号的功率谱密度 叩燮竺竺l 厂、一 一一一一i 一 千= 一 一、 if 产，一 缀搦缓瀚鹚黝缓戮缵狻隧琵蓊豹豳 e 1 t o - 1 t 纣l 厂r 乞+ l 仉 f 图2 - 2 解扩后信号功率谱密度 2 2 2w c d m a 系统的扩频技术 w c d m a 采用q p s k 直序扩频调制，信道带宽为5 m h z ，码片速率为3 8 4 m c p s ( c p s ， c h i pp e rs e c o n d ) 。系统采用的扩频码是信道化码，但在实用中我们为了便于分析，一般认 为扩频码为信道化码和扰码的乘积。其中信道化码用来区分来自同一信源的传输，即区分一 个扇区的下行链路连接，以及来自某一终端的所有上行链路专用物理信道。w c d m a 的扩 频信道化码基于正交可变扩频因子( o v s f ) 。使用o v s f 技术可以改变扩频因子，并保证 不同长度的不同扩频码之间的正交性。码字实现方式如图2 3 所示【37 1 。扰码是为了将不同的 终端或基站区分开来，不会改变信号带宽。表2 2 总结了扰码和信道化码的功能与特征【翊。 c 4 。i = ( 1 ，1 ，1 ，1 ) ( c ，c ) 图2 - 3o v s f 码字实现方式 2 2 扰码和信道化码功能特征 1 ) 信道化码扰码 上行链路：区分同一终端的物理数据信道( d p d c h 、上行链路：区分终端 e d p d c h ) 和控制信道( d p c c h 、h s d p c c h 、 用途 e d p c c h ) 下行链路：区分同- 4 , 区中不同用户的下行链路连接下行链路：区分扇区( 小区) 4 - 2 5 6 个码片上行链路：1 ) 1 0 m s = 3 8 4 0 0 个码 长度 下行链路还包括5 1 2 个码片 片，2 ) 6 6 7 p s = 2 5 6 个码片； 下行链路：l o r e s = 3 8 4 0 0 个码片 码字数一个扰码下的码字数= 扩频因子 上行链路：几百万 下行链路：5 1 2 码族正交可变扩频因子 长码：g o l d 码 短码：扩展的s ( 2 ) 码族 扩频是，增加传输带宽否，没有影响传输带宽 7 东南大学硕士论文 2 3 分集 2 3 1 技术简介 无线信道是随机时变信道，其衰落特性会降低通信系统的性能。分集技术是被认为是明 显有效而且经济的抗衰落技术。无线信道中接收的信号是到达接收机的多径分量的合成，如 果在接收端同时获得几个不同路径的信号，将其适当合并成总的接收信号，就能大大减少衰 落的影响。分集的字面含义就是分散得到几个合成信号并集中合并，只要几个信号之间是统 计独立的，经适当合并后就能使系统性能大大改善。 由于分集是为了对抗衰落的技术，下面我们简要介绍一下衰落。常见的衰落主要有阴影 衰落、多径衰落等。随着移动台移动，多径衰落随信号瞬时值快速变动，称为快衰落或瑞利 衰落，可通过空问分集来对抗多径衰落的影响；而阴影衰落随信号平均值( 中值) 变动，称 为慢衰落或对数正态衰落。可通过宏分集的方法减少阴影衰落的不良影响【”】。 一般移动通信网络常用的分集方式是空间分集、频率分集和时间分集。 在移动通信中，空间略有变动就可能出现较大的场强变化。当使用两个接收信道时，它 们受到的衰落影响是不相关的，且两者在同一时刻都经受深衰落谷点影响的可能性也很小， 因此这一设想引出利用两幅接收天线，独立接收同一信号再合并输出，衰落程度能大大减少， 这就是空问分集的思想。空间分集既可用于移动台，也可应用于基站，还可同时用于两者。 频率分集在多于一个的载频上传送信号。工作原理是：在信道相干带宽之外的频率是不 相关的，并且不会出现同样的衰落。在理论上，不相关信道产生同样衰落的概率是各自产生 衰落概率的乘积。频率分集与空间分集相比，优点是减少了接收天线与相应设备的数目；缺 点是要占用更多的频谱资源，并且在发送端有可能需要采用多部发射机。 时间分集是以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号，以便让再次收到的信号具有 独立的衰落环境，从而产生分集效果。与空间分集相比，其优点是减少了接收天线数目，缺 点是要占用更多的时隙资源，从而降低了传输效率。 2 3 。2 在w c d m a 系统中的应用 w c d m a 系统引入一项新技术发射分集，就是用多天线发射同一信号，又可分成 开环发射分集和闭环发射分集。开环发射分集又包括空时发射分集和时间切换发射分集 4 0 l 。 空时发射分集是把信号按照时间段分割打乱顺序，同时部分信号取反，在两根天线上同 时发射，其原理如图2 4 所示。 符号 图2 4 空时发射分集原理图 圉皿 s y r i ) 编码后的符号在l ，2 天线上的传输 第二章w c d m a 关键技术及物理信道帧结构 时间切换发射分集是两天线轮流发射信号，其原理如图2 - 5 所示。 时隙0隙1 目隙2一一一一一一一一一一一一一一一 图2 5 时问切换发射分集原理图 闭环发射分集又称作反馈发射分集，它是通过终端在上行反馈的f b i 信号，决定两根天 线发射的信号权重，而f b i 是在上行链路专用控制信道d p c c h 中传送的。其工作原理如图 2 - 6 所示。闭环发射分集本身有两种工作模式： 图2 - 6 闭环发射分集原理图 模式1 ：终端的反馈命令控制天线的相位调整，以使终端接收功率最大。 模式2 ：除了相位调整，还有幅度调整。信息传输速率与模式l 相同，但是命令扩展成 上行链路d p c c h 时隙中的4 位，其中l 位用于幅度调整命令，另外3 位用于相位调整命令。 上述讨论的空间分集、频率分集、时间分集均明显由采用多套设备在不同空间、不同频 率接收合并而成，故称为显分集。随着科学技术的发展，分集的实现方法也在不断更新。其 中最有发展前途的一种是利用信号设计技术将分集作用隐含在被传输的信号之中，称之为隐 分集。在移动通信中，最典型的是多径分集的r a k e 接收技术。 2 4r a k e 接收机 由于在c d m a 系统中，信号的检测是通过检测本地样本信号与接收信号之间的相关性进 行的，只要不同路径信号之间的传播时延差大于码片长度( 我们认为当传播时延超过一个码 片周期时，多径信号实际上是不相关的) ，就能通过信号相关性检测把它们分辨出来，加以 收集利用，r a k e 接收机就是针对这一基本原理设计的，最早由p r i c e 和g r e e n 提出。 如图2 7 所示即为w c d m a 系统中的r a k e 接收机模型。假定衰落信道有k 条径，我们通 过多径搜索得到径时延，通过信道估计得到衰落因子。r a k e 接收机首先将接收信号“t ) 通过 9 嗽园囝囝囝囝圉囱曰 目囝囝 东南大学硕士论文 延迟线缓存，然后根据径时延从延迟线抽头上抽取相应的延迟信号，再将每个抽头上的信号 乘以扰码以及扩频码的共轭进行解扰解扩，乘以衰落因子的共轭进行解衰落，最后把所有径 上的信号相加后统一进行解调操作。 接收时延 扰 2 5 软切换 图2 - 7w c d m ar a k e 接收机图 切换是指将一个正在进行的呼叫从一个小区转移到另一个小区的过程。切换是用于无线 传播、业务分配、激活操作维护、设备故障等原因而产生。w c d m a 系统中的切换有两类： 硬切换和软切换。硬切换是指在切换过程中，业务信道有瞬时的中断的切换过程。在w c d m a 系统中硬切换主要存在于以下两种情况： 1 ) 频率间的硬切换：可用于控制移动台从一个w c d m a 载波切换到另一个载波上； 2 ) 系统间的硬切换：发生在w c d m a 系统到其它系统( 如g s m ) 之间的切换。 终端同时与多个不同基站的小区进行通信称为软切换，终端同时与一个基站下面的两个 不同小区通信称做更软切换。图2 8 表示软切换和更软切换的过程。 在下行链路中软切换和更软切换的差别很小，但在上行链路中差别却很大：两个基站接 收移动台的码分信道，但接收到的数据被发送到r n c 进行合并。r n c 中要使用功率控制的 曲 跨r n c 的软切换 图2 8 软切换和更软切换示意图 1 0 甲甲 ：中 第二章w c d m a 关键技术及物理信道帧结构 帧可靠性指示符去选择这两个候选帧之中更好的帧。 如果没有软或更软切换，一个移动台从一个小区进入邻近小区时，如果邻近小区对其没 有功率控制，就会导致远近效应。用非常快速和频繁的硬切换可以在很大程度上避免这一问 题；但是硬切换的执行会有一些延迟，在延迟期间会产生远近问题。因此软切换更软切换 是w c d m a 中减轻干扰的有效手段。 2 6 功率控制 快速、准确的功率控制是保证w c d m a 系统性能的基本要求，尤其在上行链路中，否 则超功率发射的移动台将会阻塞整个小区，因此功率控制是w c d m a 系统的核心技术。主 要目的是消除远近效应，尽可能降低网络干扰，用最小的功率满足用户的通信要求。w c d m a 中的功率控制主要有两种：开环功控和闭环功控。 开环功控机制根据下行链路导频信道( c p i c h ) 的接收信号强度估算路径损耗，据 路此估算上行应当发送的功率强度。但这一方法相当不准确，主要是由于w c d m af d d 模 式的上行链路和下行链路的频率间隔较大，上行和下行链路本质上是不相关的。w c d m a 采用开环功控主要用在接续的开始阶段给移动台提供较粗的初始功率设置。 在w c d m a 中，闭环功控又分为两种：快速闭环功控( 又称为内环功控) 和外环功控 ( 也称为慢速功控) 。 如图2 9 所示，外环功控是指根据测量得到的上下行信道的误块率( b l e r ) ，判断其 是否随目标而变化，根据b l e r 和b l e r t 的差值，调整s i r t 的过程。内环功控是指在外 环功控确定s i r t 后，内环功控根据当前测量得到上下行的信干比s i r 和s i r t ，通过调整 基站和手机的发射功率，保证s i r 跟随s i r t 变化。 外 s i r 目标调整命令 r n c 如果通话质量 目标值， 则增 j f l s i r 目标值 2 7h s u p a 关键技术 图2 - 9 功率控制过程示意图 则发 令 为了能够与c d m a 2 0 0 0 的i x e v - d o 技术抗衡，3 g p p 在r 6 规范中引入了h s u p a ，将 上行峰值速率提高到5 7 6 m b p s 。3 g p p 对h s u p a 正式称呼是增强专用信道( e - d c h ) 。之 所以使用h s u p a 来代替e d c h ，是要与开始广泛应用的h s d p a 的趋势相对应；虽然在3 g p p 规范中并没有正式定义h s u p a 的概念，但无线通信行业已经广泛采用术语h s u p a 作为相 应上行增强技术的同义词。 h s u p a 关键技术有以下几方面：快速物理层混合重传( h a r q ) 、n o d e b 控制的上行 东南大学硕士论文 调度、更短的t t i 。表2 3 列出了d c h 、h s d p a 、h s u p a 采用的关键功甜4 。 表2 3h s u p a 、h s d p a 、d c h 关键功能 特征 d c hh s d p ah s u p a 可变扩频冈子是否是 快速功率控制是否是 自适应调制 否 是 否 基于n o d e b 的调度 否是 是 快速l ih a r q否是是 软切换是是是 t t l 时长m s8 0 、4 0 、2 0 、l o2l o 、2 2 7 1 基于n o d e b 的上行调度 基于n o d e b 的快速调度的核心思想是：由基站来控制移动终端的数据速率和传输时间。 在r 9 9 r 4 中，移动终端传输速率的调度由r n c 控制，移动终端可用的最高传输速率在d c h 建立时由r n c 确定，r n c 不能根据小区负载和移动终端的信道情况变化灵活控制移动终端 的传输速率。为了解决这个问题，在r 5 中h s d p a 把下行调度从r n c 下移到n o d e b ，基站 根据小区的负载情况、用户的信道质量和所需传输的数据状况来决定移动终端当前可用的最 高传输速率。r 6 中h s u p a 也循此原则将上行调度下移到n o d e b 。但就h s u p a 调度而言， 不应将其认为是h s d p a 调度，而更应把它看做是非常快速的d c h 调度。因为h s d p a 是一 点对多点类型的调度而h s u p a 是多点对一点的调度。r 9 9 调度与h s u p a 调度的对比如图 2 1 0 所示【4 1 1 。 r 9 9 上行d c h 调度h s u p a 上行e d c h 调度 l 流量测量i k 、 i l 数据传输o i 7 7 l r n c jl | - 一 、 i n o d e b 一， l r i 1 u e it f c 搠 ；ii ；调度信息 一i i r n c 乍一i n o d e b i! tt； i u e 输； i 配： 图2 - 1 0r 9 9 调度与h s u 队调度对比图 在h s u p a 系统中，基于n o d e b 的快速调度的工作流程是：n o d e b 调度器根据小区内 各u e 业务的q o s 要求、非调度的传输业务要求、小区的上行干扰程度以及n o d e b 自身的 处理负荷，向u e 发送功率比率调度的a g 命令和功率调整的r g 命令；l i e 根据调度命令 计算选择合适的e t f c 发送上行e d c h 数据，在a g 的范围内发射上行业务速率和功率， 并根据r g 进行速率和功率的上下调整；n o d e b 根据上行控制信道参数合并e d c h 数据， 向u e 发送a c k n a c k 重传控制信令，并对上行r o t 进行测量，发送a g r g 调度命令， 同时向r n c 发送h a r q 重传情况。 2 7 2 快速物理层重传 h a r q 是一种纠错技术，是对前向纠错编码和重传的综合。h s u p ah a r q 的基本原理 是：每个1 t i 发送后，n o d e b 向发送的l i e 指示其是否正确接收到数据包。若接收到的数据 1 2 第二章w c d m a 关键技术及物理信道帧结构 包出错，u e 将重发这个数据包。n o d e b 通过合并重传和之前传输的能量来尝试恢复该数据 包，直到正确收到该数据包或达到最大的重传次数。 h s u p ah a r q 可使用跟踪合并( c h a s ec o m b i n i n g ) 及增量冗余( i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ) 两种方式。跟踪合并方式重传的信息与第一次发送的内容完全一样，这样u e 在解码前，先 把重传信息进行最大比合并，再进行解码，以提高解码增益。增量冗余的重传是传送数据和 不同的冗余信息，每次重传均有自解码能力。从算法复杂度来看，跟踪合并比增量冗余更简 单，容易实现。从资源占有来看，增量冗余对设备的存储能力要求较高。在发送端，由于增 量冗余算法重发的数据帧采用与首次发送不同的冗余信息，所以需要更多的缓存和计算单 元，而跟踪合并算法只需在发送端维护缓存器存放首次发送的数据帧等待处理。但是增量冗 余算法的优点是对于信道条件变化的适应范围比跟踪合并算法宽，即用更高的译码复杂度和 存储量去换取性能的增益。低码率下两者性能相近：而高码率下跟踪合并算法性能更优【4 l l 。 2 7 3 更短的t t i h s u p a 除了常规的1 0 m st t i 外，还引入了2 m st t i ，以获取潜在的时延增益，而1 0 m s 时长则是为了覆盖范围的需要，以确保小区边缘的性能。 如果使用2 m st t i 而没有产生太多重传，则由于其重传之间的时延小于1 0 m s1 v r i 的情 况，将带来潜在增益。采用2 m st t i 后，交织增益被降低，小区边缘的用户可能无法正常接 收，这时应当采用l o r e st t i 。 当数据率低于2 m b p s 时，不管采用何种1 v r i ，容量并没有显著差别。但当每个用户的 数据率超过2 m b p s 时，1 0 m s1 t i 的传输尺寸太大，因此只能使用2 m st t i l 。 2 8r 9 9 物理信道帧格式 2 8 1w c d m a 物理信道 不同蜂窝系统比较时，无线接口的物理层通常是重点讨论对象。在考察终端和基站之间 的单条链路时，物理层结构直接关系到可能获得性能的好坏，物理层决定着链路的基本容量。 就终端和基站设备需要的基带处理能力而言，物理层对设备的复杂性有着重要影响。 而对于物理层来讲，物理信道是其最基本的元素。w c d m a 物理信道分为以下几判删： 1 ) 同步信道( s c h ) ：下行信道，又分为主同步信道( p s c h ) 和从同步信道( s s c h ) ； 2 ) 公共控制物理信道( c c p c h ) ：下行信道，又分为主公共控制物理信道( p c c p c h ) 和从公共物理控制信道( s c c p c h ) ； 3 ) 公共导频信道( c p i c h ) ：下行信道，又分为主公共导频信道( p c p i c h ) 和从公共 导频信道( s c p i c h ) ； 4 ) 物理随机接入信道( p r a c h ) ：上行信道； 5 ) 寻呼指示信道( p i c h ) ：下行信道： 6 ) 捕获指示信道( a i c h ) ：下行信道； 7 ) 专用物理数据信道( d p d c h ) ：上下行信道； 8 ) 专用物理信令信道( d p c c h ) ：上厂f 行信道； 1 3 东南大学硕士论文 9 ) h s d p a 新增加的信道：h s p d s c h ( 下行信道) 、h s s c c h ( 下行信道) 、h s d p c c h ( 上行信道) ； 1 0 ) h s u p ：八新增加的信道：e d p d c h ( 上行信道) 、e d p c c h ( 上行信道) 、e a g c h ( 下行信道) 、e r g c h ( 下行信道) 、e h i c h ( 下行信道) 。 w c d m a 物理信道的帧结构如下： 1 ) 无线帧：帧长1 0 m s ( h s u p a 中引入2 m s 子帧) ，每帧对应3 8 4 0 0 个码片； 2 ) 时隙(