（通信与信息系统专业论文）wcdma上行链路高级接收机均衡算法研究与性能仿真.pdf

摘要 本文重点研究w c d m a 系统在空中无线接口的物理层上行链路的数据速率较 大时用高级接收机代替r j u 江接收机的问题。 传统m u 江接收机以其结构简单易于实现而成为w c d m a 的一个重要技术特 征。在h s p a + 上行链路中将使用1 6 q a m 调制方式，这种情况下由多径引起的码 间干扰会很严重，传统的r a k e 接收机无法继续使用，本文阐明了使用均衡技术 来改善鼬u 吨接收机不能有效抑制多径干扰的问题，具有重要的实际意义和实用 价值。 本文主要研究了w c d m a 上行链路引入1 6 q a m 对系统结构造成的影响。在 r a k e 接收机的基础上研究了三种均衡技术：im m s e ，多径干扰抵消和g - r a k e ， 研究其关键算法并分别在上行仿真链路中验证了它们的性能。其中对于g r 灿江， 本文对爱立信的算法进行了改进并得到了较好的仿真结果。最后在分析这三种均 衡技术性能和算法复杂度的基础上推荐在w c d m a 上行链路中使用l m m s e 均衡 技术。 关键词：1 6 电平正交幅度调制线性最小均方误差广义r a k e 多径干扰抵消 a b s n l l c t t h i s 血船i sm a i n l y 协c l l s 岱l l s i n gt h ea d v 缸o e dr 。c e i v e ri n s t e a do f 黜u 江 r c c c i v e ri nw c d m a u p l i n ki nt h ef a d i oa c 嘟s ra k er a c e i v 盯m 妇si 缸c l fag o o d c e i v 玎o fw c d m a s y s t e mb e c a u s eo fi 招 s i m p l es 仃u c t u 缸de a s y 涮i z a t i o n h s p a 十们u1 l s e1 6 q a mi nt h eu p l i n l 【，a n d 1 e i s ld u et ot h em 1 1 l t i p a t hw n lb ev e f ys e 嗽，也e 吣 。e i v c fc 锄o tb eu s c d t h et h e s i si n 呐d u c e st ol l s et h ce q u a l i z 盯t oi m p r o v et h er a 】( eb e c 孤s ei tc 锄o t s u p p r 稿st h em u 】t i - p 砒i n t e l 毓c e ；i th 豁如1 p o n a n t 删c a lm 黜i n ga n dv a l u c t h et h e s i sm 曲【1 1 ys 乜l d i 髂m ei n n u c et 0 廿”s y s t 锄a f i e r1 6 q a mi si n 仃o d u c e d n ee q u a l i z e r sa r er c s 雠曲e db 勰e do nt h eh 砸i t i 彻a lr 灿( er e c c i v el m m s e ， m u l t i - p a 重hc a n c c l l a t i o n 跹dg - 凡u 江nr 伪e a r c h 髓t h ek e ya 1 9 0 r i t h ma n dv c f i f i e st h e i r p e 加n a n c ci nt h ew c d m as i m u l a t i o nc h a i n 皿et l l 鼯i si m p r o v 嚣t h eg r 越江 a l g o r i m mo f 酣c s s o na n dg e t sg o o df 删1 t s a tl a s tb 勰e do nt l l e 缸a l y s i so f 也e p 耐b m 锄c e 肌da l g o 删姐c o m p l e x j 戗i tr e c 舢m d s 戚n gim m s e 觞t l l eb e s t r e c e i v c ri nt h ew c d m au o l i l l k k e y w o r d s ：1 6 q a ml m m s eg r a k e m u i 饵p a t hc a n c e u a 6 0 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 日期丝! 壁：! ：兰 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：型：哒 导师签名：盏型l 日期 旌q & 日期塑益! 三： 第一章绪论 1 1 1w c d m a 的主要技术特点 第一章绪论 1 1 论文背景 社会在不断进步，人们对移动通信的需求也在不断的增长。为了满足更高速 率的业务和更高频谱效率的要求，减少目前存在的各大网络之间的不兼容性，国 际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lr i h e c o 蛳u n i c a t i o nu n i o mi t u ) 确立了蹦t _ 2 0 0 0 ( i l l t e m 撕o n a i m o b i l et e l e c o m m u l l i c a t i o n 2 0 0 0 ) 标准，m f r - 2 0 0 0 支持的网络被称 为第三代移动通信系统( 1 h e3 mg 鼢c r a t i o n ，3 g ) 。宽带码分多址( w i d e b a i l dc o d e d i v i s i m u i 邱i ea c c 鹤s ，w c d m a ) 系统是m t - 2 0 0 0 家族中最主要的三种技术标 准之一，它主要由欧洲电信标准协会和日本无线电产业协会提出，这种方式得到 欧洲、北美、亚太地区全球移动通信系统( g 1 0 b a ls y s t e m 幻m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ，g s m ) 运营商和日本、韩国多数运营商的广泛支持，是第三代移 动通信最具竞争力的技术之一。综观全球发展现状，3 g 技术正处于发展和完善阶 段，而在技术发展与可演进能力方面，w c d m a 相比其它两种主流技术具有明显 的优势。目前，全球主要设备厂商都在积极跟踪和研发基于w c d m a 技术的3 g 网络产品。日本d o c o m o 早在1 9 9 1 年就启动了w c d m a 的研发工作，并于2 0 0 1 年下半年推出w c d m a 可商用系统及产品样机。同时，w c d m a 的商用也已开 始，n e c 为日本的d o c o m o 提供了世界上第一个w c d m a 商用网【”，该网络在 2 0 0 1 年5 月开始试运行，并于2 0 0 1 年1 0 月正式运行。欧洲也已完成w c d m a 国际漫游测试，全球各大运营商对参与w c d m a 运营持积极态度，国内几大运营 商也在积极争取3 g 牌照，并竞相开展w c d m a 网络实验，为w c d m a 运营作 前期准备。 w c d m a 是一种直扩序列码分多址技术( d i r e c ts c q u e n c cc d m a d s c d m a ) ，信息被扩展成3 8 4 m c b i p s ，然后在5 枷 l z 带宽内传送。作为个完 整的3 g 移动通信技术标准，u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l e ，i - c 1 啪m u l l i c a t i o n ss v s t 黜) 不仅定义了空中接口，而且还包括接入网络和分组化的核心网络等一系列技术规 范和接口协议。w c d m a 系统支持宽带业务，可有效支持电路交换业务和分组交 换业务。w c d m a 系统的资源是动态统计复用的，是一个自干扰系统，任何不需 要的功率不能发射。它采用了多种技术保证服务质量( q u a l 时o f s c r v i c c ，q o s ) ， 支持同步异步基站运行模式，双向采用快速闭环功率控制技术补偿衰落，抗快衰 落效果好；双向采用导频进行相干解调，解调增益高；采用发射、接收分集技术， 大大提高抗衰落效果；采用正交相移键控( q 1 1 a d r a t l l r e p h 嬲es h i f t k e y i n g ，q p s k ) 2 w c d m a 上行链路高级接收机均衡算法研究与性能仿真 调制解调技术，所需的信噪比较低，容量大，覆盖远，更高的版本也可以采用高 频谱效率的1 6 电平正交幅度调制( 1 6q i 】a d 均n l r ea m p l i t i l d em o d u l 撕o n ，1 6 q a m ) 、 3 2 q a m 、6 4 q 舢订方式；采用编码增益高的信道编码技术：卷积编译码和t u r b o 编译码；可以进行软切换、更软切换、频间硬切换、系统间的硬切换：可适应多 种速率的传输，灵活地提供多种业务。w c d m a 采用频分双工( f r e q u c y d i v i s i o n d u p l e ) 【f d d ) 工作方式，工作频率是：上行1 9 2 0 m h z 1 9 8 0 z ，下行是 2 1 1 0 m h z 2 1 7 0 m h z ，收发频率间隔1 9 0 m h z 。与只能提供单一话音业务的第二代 移动通信系统相比，第三代移动通信系统具有宽带、混合业务、可变速率的特点。 总之，w c d m a 系统采用了双向快速闭环功率控制、r a k e 接收、接收和发射分 集、高增益编码等技术，在i 汐9 版本标准下，可以在高速移动时到达1 4 4 k b p s 的 传信率，步行速度时达到3 8 4 k b p s 的传信率，室内达到2 m b p s 的传信率。 w c d m a 系统的标准制定时间较长，相对比较完善，从一开始就将业务运用 考虑进来，支持的业务非常多，将系统性能与业务能力结合得很紧，系统中各种 接口全部是标准的、开放的，这点对国家、运营商和制造商都非常重要，在1 个 小区主扰码和1 5 个辅助扰码的设置上考虑了智能天线、射频拉远等扩展应用环 境，对应最多有3 2 个辅助导频信道，可以满足各种需求。由于码片速率高，可扩 展空间大，可以适应新业务的发展和方便采用新的技术。但是一步到位，基带技 术复杂，a s i c 前期成本较高，终端价格较高是w c d m a 的缺点。 1 1 2w c d m a 各版本的主要特点 w c d m a 是一个不断发展演进的标准，而w c d m a 版本的演进过程是一个技 术和业务需求不断提高的过程。w c d m a 标准经过多年发展已渐趋成熟，其标准 化工作由第三代合作伙伴计划( t h e3 r dg a t i o np a m l 础i pp r o j e c t ，3 g p p ) 组 织完成。3 g p pw c d m a 技术的标准化工作从1 9 9 9 年1 2 月开始每三个月更新一 次。到目前为止，主要有五个版本【2 卅，即3 g p pr 9 9 、3 g p pi h 、3 g p pr 5 、3 g p p r 6 和3 g p p r 7 ，前四个版本已经基本完成并终结，目前正在进行r 7 版本的制定 工作。2 0 0 1 年3 月份的版本i 汐9 是目前最为完善的版本，也是目前全球商用化程 度最高的版本，与以后的版本兼容。全球绝大多数3 g 试验系统和设备研发都基 于该技术标准规范，其它的版本如r 5 和r 6 也逐步的开始商用，目前最新的版本 是正在完善中的r 7 版本，预计它将在2 0 0 8 年第四季度以后商用。w c d m a 各个 版本的特点主要有以下几点。 r 9 9 ：引入空中无线接口，最大速率达到2 m b p s 。 r 4 ：增加控制与承载分离。 r 5 ：核心网引入p 多媒体予系统( m m u l t i i n e d i a s u b s y s t 锄，n 以s ) ，无线 第一章绪论 3 引入h s d p a 高速下行分组接入( h i 曲s p e e dd o 伽l i i l kp a c k 毗a c c 嚣s ，h s u p a ) 。 l 哳：研究岖s 与p l m n p t s n ，i s d n 的电路交换的互操作，增加广播多 播( m u l t i m e d i a b r o a d c 船t m u l t i c a s t s e i c e ，m b m s ) ，空中无线接口引入高速上行 分组接入( h i 出s p e 。du p l i n l 【p a c k e t a c c c s s ，h s u p a ) 。 r 7 ：空中无线接口引入增强型高速分组接入( h i 班s p e c dp a c k c ta c c c s s p l 璐h s p a + ) 。 本文基于r 6 、r 7 版本，对其上行链路物理层的空中无线接口的基带部分进 行了研究，即h s u 】a 和h s p a + 。h s u l 强是r 6 版本在无线空中接口方面的最大 的特点，引入h s u p ：a 的目的主要是为了提高上行专用信道的性能并且向后兼容， 引入h s u p a 后，上行链路的单用户吞吐量理论上最大可以达到5 7 6 m b p s ，相比 r 5 ，上行接收性能有明显的提高，在系统容量上约有5 0 7 0 的增加，在端到 端的分组延迟上有2 0 一5 5 的减少，在用户分组呼叫流量上约有5 0 的增加。 由于采用基站调度，带来噪声的方差减小，可以减小为保护上行不过载而准备的 裕量，从而获得相应的上行容量的提高。h s a 在物理层的主要特点有：基站控 制调度；支持1 0 m s 和2 m s 帧；支持混合自动请求重传( h y 嘶d a u t o m a t i c r e p e a t r e q u e s t ，h a r q ) ；支持多码传输；支持h s i p a 儇9 9 或h s l 脱俄s d p a 瓜9 9 。 h s p a + 是r 7 版本的重要特征，它使得w c d m a 系统在上行链路和下行链路 的性能都向前迈进了一步。h s p a + 是由c i r i g u l a r 在3 g p p t s g n 钙l 会议上首 次提出的，爱立信也在3 g p p t s g r a n 撑3 1 提出了h s p a + 的目标，同时摩托罗拉 在3 g p p nw g l 上也提出了h s p ：a + 相似想法。c i n g u l a f 于2 0 0 5 年1 2 月推出 了全球首个h s d p a 商用服务，之后越来越多的h s d p a 网络投入运营。m o b i l k o m 于2 0 0 7 年2 月推出了全球首个h s 切) a 服务。根据a b i r 船e a r c h 的统计，在2 0 0 6 年底，全球已有1 亿w c d m a 用户，到2 0 0 6 年1 0 月1 2 日，已建设了1 2 3 个h s d p a 商用网，其中6 7 个在运行中。这些网络以后怎么办是运营商极为关心的问题。另 外，其它的无线传输技术如无线局域网、w 让讧a x ( w b r l dj n t 昏o p 锄b i l 毋矗) r m i 渊v a y e a c c e s s ) 越来越多地投入商用运营，h s p a 受到来自这些技术的竞争压 力。由于数据业务的迅猛发展，移动多媒体业务、移动上网、流媒体业务、m b m s 等都需要占用较大的系统带宽，而老的w c d m a r 9 9 小s p a 网络无法提供这些高 带宽消耗的服务。传统话音业务a r p u 值在下降，因特网迅速发展及各种业务的 口化，为寻找新的增长点，运营商必须对网络加以改造以提供能盈利的服务。由 于w c d m a i 鹕9 h s p a 网络是一个复杂的体系，协议层复杂，系统时延较大，不 能适应业务新发展的需要。为了保护运营商和用户的已有投资，不仅要确保用户 的现有体验，即要求网络兼容性好，同时要提升用户感受，要求能提升数据速率， 降低时延，在这些要求的基础上，提出了h s p a + 。h sp ：a + 将在以下地区使用：一 是热点地区，如宾馆、机场、地铁、高档写字楼等：二是临时办公区，如在商业 4 w c d m a 上行链路高级接收机均衡算法研究与性能仿真 步行街临时搭建的露天大卖场；三是密集城区以及岛屿、旅游胜地等等。 对于已有w c d m a h s d a _ p m s p a 网络，要升级到h s p a + 只需要软件升级即 可。而对于已有的第二代移动通信的网络，要共用现有的核心网，同时增加h s p a + 接入网。h s p ：a + 预计于2 0 0 8 年第4 季度商用。q i l a l c o m m 的m d m 8 2 0 0 芯片组将 于2 0 0 8 后半年提供商用芯片。 h s p a + 要求达到的目标是，下行峰值吞吐率达到4 0 m b p s ，上行峰值吞吐率达 到1 0 m b p s ；时延方面，用户面r t t 不超过2 0 m s 。v 0 口要求2 0 0 个用户，m b m s 达到3 m b p s ，网络构架全平( 即全m 网络) 。 h s p a + 的发展主要分为三个阶段，第一个阶段为h s p a + p l ，在3 g p pr 7 版 本中实现，它的主要目标是在5 m h z 的带宽上达到下行峰值速率理论上单输入单 输出( s i n 酉eh p ms i n 西e0 1 1 印u t ，s i s 0 ) 达到2 1 0 9 m b p s ，多输入多输出( 2 2 m u l t i p l e 螂u tm u l 卸l eo l l 审吐2 2 m “o ) 达到2 7 9 5 m b p s ；上行峰值速率理论上 达到1 1 4 9 8 m b p s 。p 1 阶段的h s p a + 不支持多载波，用户面延时2 0 m s ，控制面延 时1 0 0 m s ，v o p 的用户数为2 0 0 ，m b m s 达到3 m b p s 。 第二阶段为h s p a 十p 2 ，估计在3 g p pr 8 版本中实现，它的主要目标是l o m h z 的带宽，下行峰值速率理论上s i s o 达到4 2 1 9 m b p s ，2 + 2 m d “o 达到8 4 3 8 m b p g ， 4 + 4 m “o 达到1 6 8 7 6 m b p s ；上行峰值速率理论上s i s 0 达到3 4 4 9 4 m b p s ， 2 + 2 m m o 达到6 8 9 8 8 m b p s 。支持双载波，用户面延时1 0 m s ，控制面延时5 0 m s ， v o p 的用户数为4 0 0 ，m b m s 达到5 m b p s ，系统架构全平。 第三阶段为h s p a + p 3 ，估计在3 g p pr 9 瓜1 0 版本中实现，它的主要目标是 2 0 m h z 的带宽，下行峰值速率理论上s i s 0 达到8 4 3 8 m b p s ，2 + 2 m 订o 达到 1 6 8 7 6 m b p s ，4 + 4 m m l o 达到3 3 7 5 2 m b p s ；上行峰值速率理论上s i s o 达到 6 8 9 8 8 m b p s ，2 2 m “o 达到1 3 7 9 7 6 m b p s ，4 + 4 m i m o 达到2 7 5 9 5 2 m b p s 。支持 四载波，用户面延时5 0 m s ，控制面延时5 0 m s ，v o i p 的用户数为8 0 0 ，m b m s 达 到1 0 m b p s ，系统架构全平。 目前h s p a + p 1 的研究进展情况，层1 、层2 、层3 的标准制定已经完成，系 统架构进行了约6 0 。h s p a + 未来的发展有以下几点【硝】。 1 ) 系统架构 全平网络构架减少时延，保证q o s ；仅有p s ( p a c k 就s 丽t c h i n g ) 业务，c s ( c i i ts 劬c h i n g ) 业务转变成p s 业务来承载：使用v o p ( v o i c eo v 盯口) 等， 物理信道使用更短的t t i ，例如，一个时隙( o 6 6 7 m s ) 的子子帧，引入一些新信 道等等。 2 ) 下行链路 将m d “o 和“q 舢订结合起来，多载波，例如直接的m c j w c d m a ，或者在 副载波上使用o f d m ( o n h o g o n a lf r e q u c yd i v i s i o nm u l 邱l 取i n g ) ，或者在副载 第一章绪论 波上使用o v f d m ；更高阶的m “0 ，如4 x 4 ；能消除载波间干扰的新型接收机。 3 ) 上行链路 使用6 4 0 舢讧，m i m o 和虚拟m m o 。 总之，h s p a + 是应运营商的需求和形势发展而提出的，h s p a + 完全兼容现有 w c d m a 系统并能平滑演进。h s p a + 使用了较多新技术，与其它r t t 相比，h s p a + 有较大的技术优势，在未来，h s p a + 有很大的发展空间。 1 2 论文的研究意义 w c d m a 的上行链路通过不同的扰码区分用户，即使是在单用户的情况下， 由于实际信道存在多径衰落，多径的叠加会使扰码的自相关性变差并产生码间干 扰( h l t c rs y m b o ln e r i 奄嘲c c ，i s i ) 。传统的r m 匝接收机实际上是将这种干扰看 作是高斯白噪声来处理，所以r a l 迎接收机只有在高斯白噪声信道下，才是最佳 的匹配接收机。在q p s k 调制方式时，当扩频因子( s p r e a df a c t o r s f ) 较大的时 候( 大于4 ) ，此时的处理增益较大，这时的码间干扰可以通过处理增益抵消一部 分，而且这时的数据速率比较低，多径间的干扰还没有严重到影响接收的程度。 但是当扩频因子较小的情况下( 小于4 ) ，这时的处理增益较小，扰码的自相关性 以及码道之间的正交性变差。为了进一步提高上行链路的数据速率，w c d m a 的 h s p a + 将在上行链路引入1 6 q 州的调制方式p “。在这种调制方式下，上行链 路的数据传输速率会有很大的提高，最高可以达到1 0 m b p s 。但是在衰落环境下， 由于多径引起的码间干扰会很严重，传统的u 江接收机不能很好的抑制多径之 间的干扰，因此对高速率数据无法很好的进行接收，所以要考虑使用新的接收机 类型来抑制多径干扰以及重建码道之间的正交性。为达到3 g p p 的性能要求，本 文阐明了使用均衡技术来改善传统的m u 接收机，并在传统r a k e 接收机的基 础上对几种均衡器进行了研究，使上行链路1 6 q a m 调制得到较好的接收效果。 本文研究的均衡器类型为线性最小均方误差( l i l l e a rm i n i l n u mm 啪s q u a f ee r r o r l m m s e ) ，多径干扰抵消和广义ra k e ( g 锄e 豫l i z e d 气k e ) 。 高级接收机可以用于h s u p a 上行链路的高速专用数据信道( e n h 孤c e d d e d i c a t c dc h 缸n d ，e d c h ) ，在它使用较小的扩频因子以及使用多码道传输时， 可以减小多径之间的干扰，以及重建多码道之间的正交性；更为有用的是在r 7 版本中，上行链路使用了1 6 q a m 的调制方式以后，因为在这种调制方式下，u 江 接收机已经无法达到很高的吞吐量。仿真也表明，1 6 0 a m 调制方式时，在衰落 信道下当数据的传输速率大于4 m b p s 时，使用r a k e 接收机无法进行正确的接收， 这一点也说明了采用均衡器来接收高阶调制的数据是十分必要的。同时由于3 g p p 会对上行链路1 6 q a m 的调制方式提出一个性能要求作为1 6 q a m 性能基准，所 6 w c d m a 上行链路高级接收机均衡算法研究与性能仿真 以新的接收机要达到3 g p pr 砧工作组所规定的性能要求。本文将不对均衡器 和接收机进行区分，它们都是指在w c d m a 的基带部分，对天线接收到的多径数 据进行解扰解扩以及合并的过程。 1 3 论文的结构安排 本文重点研究三种均衡技术：im m s e ，多径干扰抵消和g - r a k e 在w c d m a 上行链路的算法实现和性能仿真，结合理论推导和链路级的仿真进行算法分析和 性能比较，论文的章节安排如下。 第二章首先介绍w c d m a 上行物理层的主要帧结构和重要的参数等，研究了 h s p a + 中的1 6 q 舢订调制对系统架构的影响，研究了1 6 q 舢“调制和解调算法， 通过和其他厂家的性能对比验证了算法和仿真链路的正确性。分析了无线链路中 的多径衰落和传统r a k e 接收机的原理，说明在1 6 0 a m 调制下继续r a k e 接收 机将会带来很大的多径干扰。 第三章针对w c d m a 上行链路，进行了系统建模。针对以前使用单一导频信 道进行信道估计提出了改进的算法。给出一种实际中通过导频来估计u m s e 均 衡系数的计算方法。给出了多径干扰抵消的结构框图，研究了干扰抵消的关键算 法：增益因子估计。给出g 凡k e 的原理框图和关键算法，最后在研究爱立信 g r a k e 算法的基础上提出了需要改进的地方。 第四章介绍搭建的仿真链路和主要的数据处理流程。对第三章中研究的三种 均衡器都进行了仿真，根据不同的仿真环境和仿真条件，对不同的均衡器的性能 进行了比较，并给出分析结果。 第五章对全文进行总结，分析目前还需要进行改进的地方，并得出最终的结 论以及今后的研究方向的建议。 第二章w c d m a 上行物理层结构和r a k e 接收机 7 第二章w c d m a 上行物理层结构和ra k e 接收机 2 1h s u l ) a 上行链路物理层主要结构 3 g p p 协议规定的w c d m a 空中无线接口协议模型如图2 1 所示【1 1 1 。 l a v 日3 l a v 日l l c 西c a lc h a n m l 8 t h 皿叩o nc h a n n e l s 图2 1 无线接口协议模型 w c d m a 空中无线接口主要有三层：物理层l 1 ，媒体接入控制层( m c d i u m a c c e s sc o n 昀l ，m a c ) l 2 ，和应用层l 3 。物理层位于协议的底层，通过各种传输 信道和m a c 层联系，物理层上传输的是各种物理信道，有数据和控制信息等。 物理层是w c d m a 系统最为关键的一个层次，w c d m a 的很多关键流程，都是 在物理层完成的。在上行链路物理层，h s u p a 有很多与以前版本不同的特征。 1 ) 多码传输 在r 6 以前的版本中，上行数据信道只允许单码道的传输，即在一个信道中， 只允许有一个扩频因子( s f 可以为2 5 6 、6 4 、3 2 、1 6 ) ，这样在一帧中可以传输 的最大的数据比特数有限，也限制了上行数据速率，而在h s u p a 中，引入了一 个高速上行专用数据信道( e - d p d c h ) ，允许多个码道同时在一个信道中传输， 有几种可用的多码扩频因子，即4 4 ，2 2 ，2 2 + 2 4 。使用相同扩频因子的 两个码道分别被映射到i 、q 支路，是正交的。使用小的扩频因子使扩频增益减 小，会使得链路中的码间干扰和多址干扰增加，这时由于调制方式是q p s k ，数 据的传输速率比较小，所以使用r a k e 接收机并不会对系统性能有很大的影响。 2 ) h a r q h a r q 即混合自动请求重传，是一种停等协议，简单的来说就是如果这一帧 的传输错误，并不是马上就重传，而是等到h a r q 进程又循环到此帧的对应未知 时再进行重传，重传时支持递增冗余。h a r q 进程数2 m st t i 时取8 ，1 0 m s t t i 时取4 。h a r q 的传输和重传序列号( r e t 啪锄i s s i o ns e q u e l l c en u m b 瓯r s n ) 有 关，r s n 可以映射为h a r q 软合并的r v 参数【1 2 】。 在h s u p a 的情况下，必须要有的物理信道是：d p c c h 、e d p c c h 、和 量口。基粤嚣=、10鲁ou w c d m a 上行链路高级接收机均衡算法研究与性能仿真 e d p d c h 。本文主要涉及这三种信道，d p c c h 为导频控制信道、e d p c c h 为控 制信道、e d p d c h 为数据信道。h s u p a 中e d p d c h 信道在上行链路的调制方 式是q p s k ，增加的上行物理信道主要有以下两个【1 3 】。 e d p d c h ：是一个专用数据信道，用于传输数据。它支持的s f 组合为： 2 5 6 ，1 2 8 ，6 4 ，3 2 ，1 6 ，8 ，4 ，4 4 ，2 2 ，2 2 + 4 4 ，编码最大速率可达到 5 7 6 m b p s 。 e d p c c h ：是一个专用控制信道，用于传输有关的控制信令。这两个信 道有着相同的帧结构，如图2 2 所示。 印呲一 二二二二二二j 亟巫 二二二二 t k = 2 5 6 0c h i p s n d 出= 1 0 2 。b ( k = o 7 ) 1 0b 皓 一一洲 s i o t # os b t 撑1s b t 舵s l o t 艄 s b t # 1 4 1 怕d i o 伯m e l ；1 0 m s 图2 2e p d c h b d p c c h 帧结构 在w c d m a 系统中，增益因子是比较重要的一个参数，增益因子是一个相对 值，它决定了各个信道的相对功率。e d p c c h 和b d p d c h 信道的功率由它们相 对于d p c c h 的增益因子决定。对不同e t f c 的e d p d c h ，其增益因子需要根 据参考e t f c 增益因子计算【l 知15 1 。 e d p c c h 的增益因子凡 f 垒= 1 尾= 肛1 0 l ” ( 2 1 ) e d p d c h 的增益因子卢二 f 鱼墨= 丝哟1 儿= 厦1 0 l ”j ( 2 2 ) 其中尾是e d p c c h 相对于d p c c h 的功率偏移值，几是e d p d c h 相对于 d p c c h 的功率偏移值。芦二是当扩频因子s f = 4 时的增益因子，而对于s f - 2 的 信道，几应该乘以2 。实际中增益因子的选择是按照e t f c 的大小选择的，对 每一种e - t f c 选择合适的尾值与几值，可以使用最少的发射功率达到所需要的 传输性能。增益因子的选择，关系到系统所能达到的性能，因此，选择合适的增 第二章w c d m a 上行物理层结构和r a k e 接收机 9 益因子是很重要的。增益因子和很多因素有关，如码块大小、重传次数等等。 上行链路e - d p d c h 的编码复用过程如下图2 3 所示。主要的编码复用流程为： 给传输块加循环冗余码( c y c l i cr e d 硼d 趾c yc o d e ，c r c ) 校验，长度为2 4 ；传输 码块的拼接和码块复用；信道编码( 1 3 的t l l r b o 编码) ；帧均衡；速率匹配，数 据被打孔或重复：插入d t x ；交织：无线帧分段；传输块复用；物理信道分段； 物理信道映射。编码复用完的物理信道就进行扩频加扰并送到无线信道中传输了。 在接收端用传统的r m 江接收机进行接收，解扰解扩，最大比合并，然后解调， 过程是编码复用的反过程。 ll t l2 图2 3 上行链路编码复用过程 2 2h s p a + 上行链路物理层特点和1 6 q m 调制 h s u p a 上行链路使用的调制方式是q p s k ，在扩频因子为2 2 + 2 4 的情况 下，上行链路e d p d c h 信道的峰值数据速率最大可以达到5 7 6 m b p s ，为了提高 这一速率，h s p a + 在上行链路将引入1 6 q a m 的调制方式，这将使上行链路的峰 值数据速率再提高一倍，达到1 1 5 2 m b p s 。新的调制方式的引入带来了两个问题， 一个是参考导频功率的提升，一个是接收机的改进。h s p a + 是对w c d m a 的一次 l o w c d m a 上行链路高级接收机均衡算法研究与性能仿真 重大变革，它在上行链路物理层采用的新技术有以下几点。 1 ) 上行链路采用1 6 q a m 调制方式 上行链路原有的调制方式是q p s k ，h s p a + 中增加了1 6 q a m 调制方式。而且 上行链路采用1 6 q a m 调制还是使用原来的e d p d c h 信道实现，这一点和h s a 是相同的。 2 ) 上行参考导频功率的提升 由于上行链路引入新的调制方式是一种幅度调制，所以需要对幅度进行良好 的估计，对信道估计的要求就会相对的提高，由于d p c c h 的导频比特只有不到 1 0 个，为了使信道估计更加准确，最好的方法是用另外一个信道和d p c c h 的导 频一起做信道估计，提高e d p c c h 的功率，然后将解码后和d p c c h 一起做信 道估计。 3 ) 高级接收机 在新的调制方式下，数据速率会比较高，这时再使用传统r a k e 接收机可能 无法达到性能要求，所以要考虑采用新的接收机类型，上行链路可以考虑采用多 径干扰抵消、g 一k e 、m u d 、l m m s e 等技术来进行接收。 下面着重介绍一下h s p a + 中的1 6 q a m 技术。 在上行链路的e d p d c h 信道中使用高阶调制方式1 6 q a m ，在a w g n 信道 下，使用r a k e 接收机，可以使上行传输速率达到1 0 m b p s 。 在衰落信道下，实际的信道估计时，各信道可以达到的最大传输速率分别是： 1 ) p a 3 信道：1 0 m b p s 2 ) p b 3 信道：7 m b p s - 8 1 9 2 m b p s 3 ) 坞0 信道：7 m b p s 4 ) t u 信道：6 5 m b p s 7 m b p s h s u l ) a 中上行e d p d c h 信道使用的是q p s k 调制，它是用i 路b p s k 和q 路b p s k ，并采用多码传输，实际上是q p s k 的等效方式。它定义了几种码道分 配情况：2 2 ，2 4 ，2 2 + 2 4 。 而h s p a + 中上行e d p d c h 信道使用的1 6 q a m 调制方式是用i 路4 p a m 和q 路4 p a m 的等效实现方式。目前只定义了h s u p a l 6 q a m 2 s f 2 + 2 s f 4 的码道分配 情况，因此1 6 q 舢讧和 q 复用的4 p a m 是等价的，如图2 4 所示。 第二章w c d m a 上行物理层结构和r a k e 接收机 1 1 圈2 4 i ，q 复用的4 p ! 舢订变成1 6 q a m 目前上行链路的1 6 q a m 调制方式只用于2 m s 帧，引入1 6 q a m 调制方式后 会引起上行链路物理层的一些变化，如s f 选择( 调制方式选择) ，编码，增益因 子，交织，速率匹配等等。首先，在码块大于8 1 7 3 比特的时候选择1 6 q 舢诅的调 制方式。速率匹配改为和下行h s d s c h 在1 6 q a m 调制方式下相同的速率匹配 方法。其次是交织算法，增加了一个交织器，在1 6 q a m 调制下，采用先串并变 换再交织然后再进行并串变换，如图2 5 所示【l6 】。 u - ( o p s k ) i n t e n e a v e r ( 3 2 x 3 0 ) 。p u p 川1 6 q a m ) i n t e e a v e r ( 3 2 x3 0 ) u 。上2u 小3 ( 1 6 q a m ) 图2 51 6 0 a m 调制方式下的交织 然后，在信道分段后就将每一组信号进行4 p a m 调制，像q p s k 调制一样进 行i q 映射以及扩频，扩频因子也和q p s k 在2 s f 2 + 2 s f 4 时相同，映射关系如表 2 1 所裂“j 。 在1 6 q a m 调制方式下，增益因子有变化。信道估计的好坏影响着链路的性 能，上行链路没有像下行链路一样专门的导频信道，只有d p c c h 信道中的有限 几个比特来做信道估计，在这样的情况下，链路的信道估计质量会比较差。所以 为了提高信道估计的质量，一方面增加导频的数量；另一方面，增加解码后的 e d p c c h 信道和d p c c h 做联合信道估计，这样虽然在时间上会有一些延迟，但 是会使信道估计的准确性增加，各厂家提出在传输数据速率较高时增加e d p c c h 的功率，以提高信道估计的准确性，这样做可以最大可能的减小复杂度。 1 2 w c d m a 上行链路高级接收机均衡算法研究与性能仿真 表2 1e d p d c h4 p a m 调制的映射关系 n h n h | m a p p e dr l v a l u e 0 00 4 4 7 2 0 11 3 4 1 6 1 00 4 4 7 2 1 11 3 4 1 6 根据e d p c c h 传输不同的e t f c i ，将会选择不同的增益因子二，其目的就 是在数据传输速率较大时增加e d p c c h 的功率，以取得较好的信道估计值。按 照下面的规则进行计算【1 8 】。 当传输的e t f c i 小于或等于b z 陀。f ( 其值由高层指定) 时，e d p c c h 的增益因子二采用原来的计算方法。 尾= 尻以 ( 2 3 ) 当傣输钓e t f c i o ) 大于e - t f c i b 。t 髓， ( 2 - 4 ) 来计算。 氏，：m 觚也瓜两两，凡) e - d p c c h 的增益因子尼。采用式 ( 2 - 4 ) 其中t 2 p 是e d p d c h 所有码道的功率和d p c c h 的功率比值，而1 2 p 是 b d p d c h 所有码道的总功率相对于对e d p c c h 和d p c c h 功率之和的功率偏移 值，其值由高层指定。 解调算法：在接收到信号后，i 、q 两路分别接收，信号进行幅度归一化，然 后按照下式进行解调。 f 6 0j h ( 2 - 5 )z 一) ， 峨= 2 口一孔 对接收机的要求：采用高级接收机也是h sp ：a + 在上行链路的新技术之一，在 数据速率较低的情况下，可以认为r a k e 接收机就是最佳匹配滤波器，但是在 1 6 q a m 调制方式下，数据的传输速率很高，多径之间的干扰比较大，在这种情 况下，r a k e 接收机不再是匹配滤波器，要考虑采用更高级的接收机。 1 6 q a m 调制的可行性：由于矶2 支路是独立调制成4 p ：a m 的，所以i 路和q 路在理论上是完全正交的，但在基站接收机一侧，i q 通常有串扰。相对q p s k ， 4 p a m 的解码复杂度增加，但是4 p a m 的调制方式已广泛应用于无线通信中，解 调算法相当成熟。硬件部分复杂度相对0 p s k 约提高4 0 ，主要是增加d s p 的内 存、d s p 的处理速度、t 1 】r b o 解码器的个数增加1 0 0 、交织器的个数增加1 0 0 、 4 p a m 解调专用芯片，而软件部分需要全部修改。在a w g 烈信道下，1 6 q a m 的 性能和接收机的关系不大，在有重传的情况下，使用im m s e 或者r a k e 接收机 第二章w c d m a 上行物理层结构和r a k e 接收机 进行接收，得到的仿真结果如图2 6 。 该结果表明，本文仿真1 6 q a m 的性能和诺基亚、高通等厂家的性能几乎相 剐1 ”o 】，说明本文根据协议所搭建的1 6 q a m 链路和其它厂家是一致的。在高斯 白噪声情况下，1 6