（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统空时处理技术研究.pdf

中文摘要 有限的无线资源面临通信数据大爆炸的困境，智能天线下的空域资源开发 是不增加频率带宽而能够提高系统容量和通信质量的一条主要要途径。尽管已 经有大量的自适应阵列信号处理技术，智能天线系统性能评估是面临的一个综 合课题。智能天线技术不仅与发射机和接收机的结构结合才是有效的，而且必 须结合具体的通信体制，小区的无线传输模型，智能天线的时空处理实现方案 加以研究。t d s c d m a 是中国大唐提出的具有自主知识产权的时分双工同步码 分多址技术标准，t d s c d m a 方式下智能天线系统并没有形成很成熟的研究体 系和研究方法，在和其他国际大公司讨论问题时，常常处于被动。本文对 t d s c d m a 技术标准下智能天线系统的空时处理技术进行了研究，有以下几个 方面的贡献： ( 1 ) 本文首先建立了参数化的时空信道模型，推导了空间相关与空间角度分 布的关系，给出了时间一空间一频率三维联合相关矩阵。用空时联合分布刻画 了时空信道特征，克服了频域模型不能描述时空信道的痼疾。提出了一种由i t u 标量信道模型改进为包含时空特性的矢量信道模型的方法。 ( 2 ) 研究了t d s c d m a 蜂窝移动通信系统信道估计方法，由t d s c d m a 系统训练序列的特点和循环矩阵具有离散傅氏变换的性质，提出了一种 减少计算复杂度的适合t d - - s c d m a 系统的频域信道估计方法。 ( 3 ) 构造了结构化的t d - - s c d m a 系统上行链路信号传输模型，将单天线 下的多用户检测方法推广到多天线系统得到了自适应空时联合多用户检测算 法，分析了系统可辨识条件。 ( 4 ) 建立了参数化的自适应联合空时多用户接收机与结构化的自适应联合 空时多用户接收机的联系，从而证明了自适应联合空时多用户接收机隐式地进 行空域、时域和频域的联合滤波，不仅带来了分集增益而且消除了多址干扰。 ( 5 ) 引入输出信噪比降低参数来评估空时联合多用户检测的性能，从而建立 了信号环境与智能天线处理结果的直接联系。 1 ( 6 ) 构造了结构化的t d - - s c d m a 系统下行链路信号传输模型，提出了适 合t d - - s c d m a 系统的基站下行自适应空间波束形成方法。 ( 7 ) 论证了基站智能天线下移动台联合检测方案的痼疾，提出了新的有效的 智能天线下的移动台联合检测方案：激活检测和部分联合检测。理论分析和仿 真两个方面证明了该方法提高了下行链路的性能 关键词：t d s c d m a ，时空信道，空时处理，波束形成，激活检测，部分 联合检测 a b s t r a c t l i m i t e dw i r e l e s st e s o u r c ei sf a c e d 州t l lt h ed i f f i c u l t yo fi n c r e a s i n gd a t a d e v e l o p i n gt h es p a t i a lr e s o u r c ew i t ht h es m a r ta n t e n n at e c h n o l o g yi sap r i m a r y a p p r o a c hf o ri m p r o v i n gc a p a c i t ya n dc o m m u n i c a t i o nq u a l i t yn o ta d d i n gf r e q u e n c y b a n d t h o u g has e r i e so f t e c h n o l o g i e so na d a p t i v ea r r a yp r o c e s s i n gh a v eb e e ne x i s t e d ， e v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h es m a r ta n t e n n at e c h n o l o g yi s a l li m p o r t a n ta n d i n t e g r a t e di t e m s m a r ta n t e n n at e c h n o l o g yc a nb ec o n s i d e r e de f f i c i e n to n l ya f t e ri t i s c o m b i n e d 、i t l lt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r , t h e r e f o r e t h er e s e a r c hw o r ko ni tm u s t c o n s i d e rs o m et y p i c a lf a c t o r s ，s u c ha sc o m m u n i c a t i o nt y p e ，w i r e l e s sc h a n n e lm o d e l a n ds p a t i a l - t i m e ( s t ) p r o c e s s i n gm e t h o d t i m ed i v i s i o n , s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s sf r o s c d m a ) s y s t e mi sa3 r dg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d p u t f o r w a r da n d a l s o i n d e p e n d e n t l y h e l d b y t h ec h i n e s e a c a d e m y o f t e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ( c a l 盯) t h o u g hs m a r ta n t e n n at e c h n o l o g yi su s e di n t h i ss t a n d a r d ，t h es t u d yo ni ti si m m a t u r ea n di m p e r f e c t ，w h i c hb r i n g su so f t e ni n t oa p a s s i v es i t u a t i o ni nd i s c u s s i n g 谢t l lo t h e ri n t e r n a t i o n a lc o m p a n i e s s o t h i st h e s i s t a k e sb r e a k t h r o u g ho ni n v e s t i g a t i n gp e r f o r m a n c eo ft h es tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y w i t hs m a r ta n t e n n a si nt h et d s c d m as y s t e m t h em a i na c h i e v e m e n t so f t h i st h e s i s a r ei n d i c a t e di nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ( 1 ) a sab a s i sap a r a m e t r i cs tc h a n n e lm o d e li sf i r s tb u i l t ，i nt h i sm o d e l r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p a c ec o r r e l a t i o n a n da n g l ed i s t r i b u t i o ni sd e d u c e d , a n da t h r e e - d i m e n s i o nc o r r e l a t i o nm a t r i xc o m p r i s e dw i t l l t i m e s p a c ea n df r e q u e n c y p a r a m e t e r s i sa c h i e v e d t h a ti s t h i sm o d e ld e s c r i b e s t h ev e c t o rc h a n n e lw i t l l c o m b i n e ds p a t i a la n dt i m ep a r a m e t e r s ，w h i c ho v e r c o m e st h ed i f f i c u l t yo fd e s c r i b i n g t h ev e c t o rc h a n n e lw i t hf r e q u e n c yp a r a m e t e r s t h e n ，am e t h o di sp u tf o r w a r d c h a n g i n gt h es c a l a rc h a n n e lm o d e li n t ot h ev e c t o rc h a n n e lm o d e l t h ef o r m e ro n e i n c l u d e so n l yt i m ep a r a m e t e r sb u tt h el a t t e ro n ei n c l u d e sb o t hs p a t i a la n dt i m e p a r a m e t e r s ( 2 ) c h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d ss u i t a b l ef o rt d s c d m as y s t e ma r es t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fm i d a m b l es e q u e n c ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f r e a l i n n gc i r c u l a rm a t r i xw i t l lf f tm e t h o d an e wc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o db a s e d o nf r e q u e n c ys t e i n e ri sp r o p o s e d ，w h i c hc a nd e c r e a s em u c hc o m p u t a t i o n ( 3 ) t h es t r u c t u r a lt r a n s m i s s i o nm o d e lf o rt d s c d m au p l i n ki sb u i l t , i nw h i c h b o t ht h em u l t i - u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) a l g o r i t h mf o rs i n g l ea n t e n n ai se x t e n d e di n t ot h e a d a p t i v es t - m u da l g o r i t h ma n dt h e d i s c r i m i n a t i o nc o n d i t i o no fc o m m u n i c a t i o n s y s t e mi sa n a l y z e d ( 4 ) r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep a r a m e t r i ca d a p t i v es t - m u dr e c e i v e ra n dt h e s t r u c t u r a lo n ei se s t a b l i s h e d ，w h i c hd e m o n s t r a t e dt h a tt h es t - m u dr e c e i v e rp r o c e s s e s i ns p a c e ，t i m ea n df r e q u e n c yf i e l dj o i n t l y , a n di tn o to n l yp r o v i d e sd i v e r s i t yg a i nb u t a l s or e s i s t sm u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a j ) ( 5 ) s i g n a l - t o - n o i s e ( s n r ) d e g r a d a t i o nf a c t o ri s i n t r o d u c e dt oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo ft h es t - m u d o no n eh a n dt h i se v a l u a t i n gm e t h o dr e l a t e st h e e n v i r o n m e n t 、析mt h ea b i l i t yo fs m a r ta n t e n n a s ( s a ) ( 6 ) t h es t r u c t u r a lt r a n s m i s s i o nm o d e lf o rt d s c d m ad o w n i n ki sb u i l t a d a p t i v ed o w n l i n kb e a m f o r m i n gm e t h o d sa r ep u tf o r w a r d ( 7 ) t h ed i f f i c u l t yo f j o i n td e t e c t i o n ( j d ) a tt h eu s e re n d ( u e ) i sa n a l y z e d b a s e d o i lt h i sa n a l y s i st w oe f f i c i e n ta p p r o a c h e sf o rj da tt h el i ea r ep r o v i d e d ，a c t i v e d e t e c t i o na n dp a r t i a lj o i n td e t e c t i o n t h e ya r eb o t hd e m o n s t r a t e dt op e r f o r mb e t t e rb y t h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d ：t d s c d m a ，d i r e c t i o n a lc h a n n e lm o d e l ，s p a t i a l - t i m ep r o c e s s i n g ， b e a m f o r m i n g ，a c t i v ed e t e c t i o n , p a r t i a lj o i n td e t e c t i o n 主要符号表 空间方向矢量 时空信道冲激响应矢量 阵列空间相关矩阵 角度扩展 角度功率谱 空间分布系数 用户k 的训练序列 训练矩阵 基站码片级的接收信号 噪声n 的协方差矩阵 信道估计损失因子 用户k 的发送信号矩阵 用户k 的扩频码 用户k 与第k a 根天线之间的上行信道冲激响应 用户k 与第k a 根天线之间的上行组合信道响应 用户k 与第k a 根天线之间的上行信道冲激响应块矩阵 用户k 与第k a 根天线之间的上行系统矩阵 阵列天线与用户k 之间的上行组合信道响应 扩频码c ( 对应的对角c d m a 码矩阵 上行链路信道冲激响应矩阵 总的发送信号 基站参考点与用户k 之间的信道冲激响应块矩阵 系统矩阵b ，的复数积 用户k 的方向矢量矩阵 v t t 州r删嗨昌一鱼k。一一一一一一一融一邑堕鲋圣一 d j 鱼d a ! ( ，) 总的方向矢量矩阵 联合检测信噪比损失因子 第k a 根天线与用户k 之间的下行信道冲激响应 码道k s 的赋形权矢量 码道k s 与用户k 之间的下行信道冲激响应 码道k s 与用户k 之间的下行组合信道响应 下行链路用户k 的系统矩阵 用户k 码片级的接收信号 下行链路系统矩阵野件的复数积 v i l l 。 v曲。 酽鲜毋垆 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：垄圣乏日期：办哆年岁月胗目 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) 日期：爰t 6 5 年5 月j 莎日 吴群英：t d s c d m a 系统空时处理技术研究 第一章引言 1 1 t d s 姒系统 1 1 1 第三代移动通信 蜂窝移动通信无疑是当今通信系统中最具活力的领域。蜂窝移动通信经历 了从第一代模拟移动通信到第二代数字移动通信。9 0 年代后期，移动通信业务 和移动通信用户呈高速增长趋势。随着全球经济一体化和社会信息化的进展， 在移动通信中多媒体业务和i p 业务的比例高速增长。这使第二代通信系统在系 统容量和业务种类上逐渐趋于饱和，在未来很难满足个人通信的要求。近十年 技术的进步，特别是微电子、数字信号处理等方面的进步，c d m a 多址方式在 移动通信中的应用，又为移动通信的发展创造了技术条件。市场和技术的双重 驱动，为第三代移动通信系统的顺利构筑提供了基础“】1 2 】f 3 】 4 】。从9 0 年代开始， 拥有先进通信技术的国家开始了新一代一一第三代移动通信系统的研制和开 发。国际上开始制定第三代移动通信系统标准( i m t 一2 0 0 0 ) ，并按照此标准开 发第三代移动通信系统，这样能够提供全球漫游，支持多媒体业务且有足够容 量的国际移动通信系统应运而生【4 】 5 【6 】 7 。 1 9 9 8 年r r u 向所属成员征求符合i m t - 2 0 0 0 要求的无线传输技术( r 盯) 提 案，得到世界主要电信国家的热烈回应，到截止期共有1 5 个r 1 广r 提案提交到了 i t u 。经过多次的严格评估和修改，2 0 0 0 年5 月，在全球无线电大会上，正式批 准第三代移动通信系统( i m t - 2 0 0 0 ) 无线接1 2 1 技术规范建议一- - i m t r s p c i 8 1 。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 ) 和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 ) 和c d m a t d d ( 包括t d s c d m a 和u t r a t d d ) 。 时分双工、同步码分多址( t d s c d m a ) 技术标准是中国大唐提出的、具 有自主知识产权的移动通信标准，2 0 0 1 年西门子宣布放弃自己提出的u t r a 电子科技大学博士论文 t d d ，转而全力支持与大唐合作的t d s c d m a ，使得t d s c d m a 成为事实上 的唯一的c d m at d d 标准8 】 1 1 2t d _ s 卧系统帧结构 1 2 8 m c h i p s d w p t s ( 9 6 c h i p s ) s w i t c h i n g fo i m t 蚰“圈n 。十t s 2 +t s 3 十t s 0t s 5 +t s 0 图1 - 1 ：t d - s c d m a 子帧结构 t d s c d m a 系统每个射频信道带宽为1 6 m h z ，系统速率为1 2 8 m c h i p s 。 一个t d d 帧为5 m s 。如图1 - 1 所示，每个t d d 帧由7 个主时隙和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【1 0 11 1 1 1 1 2 。 图1 - 2 ：t d s c d m a 主时隙结构图 其中主时隙( b u r s t ) 中每个码道的结构参见图1 2 ，每个b u r s t 有前后两个 各为3 5 2 码片( c h i p s ) 的数据部分由居中的1 4 4 码片( c h i p s ) 的训练序列分隔，在每 个b u r s t 尾部还有有1 6 码片( c h i p s ) 的保护间隔( g p ) 。数据区中的数据比特先用 q p s k 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 l 2 - 吴群英：t d s c d m a 系统空时处理技术研究 v a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r ，o v s f ) 码对数据s y m b o l 进行扩频。这样，每个主时 隙可以由o v s f 码分为1 1 6 个码道( c o d ec h a n n e l ) 。训练序列给多用户检测 中进行信道估计时使用的，训练序列不进行扩频。 下行引导对隙( d w p t s ) 含有6 4 码片的正交码( 被称为s y n c ) ，它是小区的引 导信号，也是用于线性同步的信号。上行引导时隙( u w p t s ) 含有1 2 8 码片的正交 码( 被称为s y n c l ) ，主要用于随机接入过程。 1 1 3 系统特点 t d s c d m a 是多时隙的t d m a 与直扩c d m a 、同步c d m a 技术合成的新 技术。在t d s c d m a 中用到了联合检钡t j ( j o i n t d e t e c t i o n ) 、软件无线电( s o i l - w a r e r a d i o ) 、接力切换( b a t o nh a n d o v e r ) 等技术，这使得系统在性能上有了较大程 度的提高，在硬件制造方面则降低了成本，使得t d s c d m a 具有独特的优点【1 3 】 【1 4 】，这是被i t u 接受的重要原因。 t d s c d m a 采用了f d m a 、t d m a 和c d m a 三种技术的混合多址方式( 参 考图1 1 和1 - - 2 ) 。与不同频点上进行双工通信的f d d 不同，t d s c d m a 是 一种t d d 技术，系统可以根据业务的具体要求，灵活的分配时隙和码道，而f d d 系统只能通过调整码道的分配来适应不对称业务的需求，因而，t d s c d m a 不 仅适合对称业务，如传统的语音业务，尤其适合日益堵长的非对称的实时非实 时数据业务，如多媒体、互联网等业务。 t d d 系统的上下行链路工作在相同的频率，采用定时开关控制的收发双工， 因此射频设备比较简单，系统成本较低。 t d 。s c d m a 系统使用软件和帧结构设计来实现严格的上行同步，这样可以 简化基站硬件，降低无线基站成本。 在对频谱资源的利用也要比f d d 系统更为灵活。f d d 系统的上下行通道要 占有相同的带宽，而且上下行之间需要有几十兆赫兹的频率间隔作为保护。而 目前移动通信系统面临的一个重大的问题就是频谱资源的极度紧张，在这种条 件下，要找到符合要求的对称频段是非常困难的。而t d s c d m a 系统作为t d d 模式的一种，在频谱利用上可以作到见缝插针，只要有一个载波的频段就可 以使用，从而能够灵活有效的利用现有的频率资源。 在同等频带宽度下，t d s c d m a 系统是多时隙结构，由于上下行链路物理 电子科技大学博士论文 空间特性一致，t d s c d m a 系统可以灵活的使用智能天线和多用户检测等新技 术，小区的容量将大于f d d 系统。智能天线和多用户检测等所有基带数字信号 处理新技术均使用软件实现，从而降低产品的开发周期和成本。 在系统组网方面，由于3 g p p 在制定第三代标准时已充分考虑了已有的第二 代网络的投资，因此t d s c d m a 系统将尽量与3 g p p 制定的第三代标准在高层 取得一致，以更好地实现第二代网络向第三代网络的演进与过渡。我国提出的 t d s c d m a 技术，在技术上被公认有明显优势。根据此标准所开发的设备可以 达到提供高频谱利用率、；灵活和低成本的目标，在市场上将具有强的竞争能力。 同时，t d s c d m a 系统也具有t d d 系统固有的一些缺点： 频段较窄，扩谱增益较低，系统内在的抗噪能力不如c d m a - f d d 方式。 多时隙的使用，使得该系统对定时具有较为严格的要求，并且，时隙间的 保护时间也增大了系统开销。 对于高速移动用户，t d s c d m a 系统的服务质量不如c d m a - f d d 系统。 因为信号为脉冲突发形式( b u r s t ) ，所以通信是不连续的，使得发射信号的 峰值和均值比较大，从而导致带外辐射较大。 1 2 空时处理技术发展与现状 i m t - 2 0 0 0 提案显示了c d m a 在大容量、宽带用户数据和多媒体传输上的灵 活性。c d m a 技术在无线通信领域引起了一场革命嘲【1 5 】【阍。移动通信的飞速发 展，用户数目的快速增长，高传输质量，语音视频图像及其它高速的数据的需 要，使得无线电频谱资源日益拥挤，同信道干扰变得越来越严重，迫切需要不 增加频率带宽能够提高系统容量和通信质量的更新的技术，不难发现频分多址 ( f d m a ) ，时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d s m a ) 分别是在频域，时域和码 域上实现用户的多址接入，而空域资源尚未得到充分的利用，阵列信号处理技 术是信号处理的一个重要研究领域，智能天线技术是多个天线阵元组成的按一 定配置排列的阵列天线与先进的信号处理相结台的技术，致力于空域资源的开 发，是一条不显著增加系统复杂度情况下解决目前频谱资源匮乏提高频率利用 率的有效途径，相对于其他技术，智能天线还具有投资省，见效快的突出优点， 是现代陆地无线通行领域里的倍受关注的研究课题【1 7 】【1 8 ”】【2 0 1 2 1 】【2 2 】。 智能天线技术是一个综合性的课题，其涉及的领域包含信号处理、无线电 4 吴群英：t d - s c d m a 系统空时处理技术研究 传播、通信系统以及天线阵列。智能天线既可以工作于发射模式也可以工作于 接收模式。工作于接收模式的智能天线技术口q 智能上行，工作于发射模式的智 能天线技术叫智能下行。智能天线可应用于不同目的，采用不同的信号处理算 法，可以有不同的接收机结构。智能天线在无线通信网中的应用是非常灵活的。 如图1 3 概括起来智能天线下基站接收机结构有两种类型( t y p e ) ，第一种类型 如图1 - 3 ( a ) 基站接收机空间处理和时间处理分两步完成【2 3 】 2 4 】1 2 5 【2 6 11 2 7 。阵列天 线的各个阵元接收信号，基站接收机首先进行空域滤波，然后对空域滤波后的 信号进行时域处理。此种结构的基站接收机的空间处理和随后的时间处理是相 互独立的。相互独立的接收机结构的优点是智能天线空间处理新技术的引入并 不改变单天线下原来基站接收机时间处理部分，3 g 智能天线系统可以融合到已 有的2 g 系统之中【矧 2 4 1 。为了分开不同用户，空域处理是针对每路用户信号进 行。从这个意义上讲，智能天线可以被认为是一种空分多址s d m a ( s p a t i a l d i v i s i o nm u l t i a c c e s s ) 技术。需要说明的是空分多址s d m a 并不是与f d m a ， c d m a ，1 1 ) m a 等同的多址方式，而是附加在上述方式上的优化方案。第二种 类型如图1 - - 3 ( b ) 基站阵列天线的各个阵元接收到信号，基站接收机进行时空 联合处理 2 8 】【2 9 1 3 0 【3 ”。阵列天线看作是接收机的一部分而不是与接收机分离的单 元，阵列天线与接收机融合在一起，空间处理和时间处理一步完成。一步完成 的缺点是智能天线空间处理新技术的引入需要完全新的基站和接收机结构，与 单天线下原来时间处理接收机不能融合。 ( a ) 图1 3 空时接收机基本结构 手机处在移动状态，从而引起无线信道的时变特性，因此陆地无线通信中 - 5 电子科技大学博士论文 智能天线信号处理算法必须是自适应的，概括起来目前开发的各种智能天线中 的自适应信号处理算法可以分为两大类捌【2 3 】【2 8 】【3 3 】：一类是非盲的和盲的时域参 考( 玎) 算法，另一类是以d o a 参数估计为基础的空域参考( s r ) 算法。 自适应阵列非盲t r 算法是由训练序列根据某一个性能准则如均方误差 ( m m s e ) 准则，( s n r ) 信噪比准则，最大似然( m l ) 准则，最小噪声方差( m v ) 准则完成信号处理。而盲的t r 方法充分利用了信号的时域信息和先验特性如循 环平稳特性，恒模特性和有限码集特性完成信号处理。 空域参考算法( s r ) 的基础是获取到达基站的空间信号的d o a 参数，d o a 估计技术方法有：s e ( 谱估计) 算法，p s b e ( 参数子空间为基础的估计) 算法和 d p e ( 确定性参数估计) 算法。s e ( 谱估计) 算法，如m u s i c ，m l ( 最大似 然方法) ，m e m ( 最大熵方法)。p s b e ( 参数子空间为基础的估计) 算法，如 e s p r i t ，u n i t a r ye s p r i t 。d p e ( 确定性参数估计) 算法，如e m ( 期望最 大) 算法，s a g e ( 子空间变换使得期望最大) 算法。 s r 算法的优点是不需要训练序列，通过信号的相关来分离不同信号。s r 算法的缺点是仅实用于时间处理和空间处理分开的接收机结构之中，限制于窄 带的信号，阵列天线元素间的间距小于半个波长，未知的d o a 数目不能超过阵 列天线所含天线元素个数，必须已知天线的结构，阵列天线需要仔细校准且必 须考虑阵列天线的元素之间的互耦效应。 时间参考( t r ) 算法与空间参考( s r ) 算法的主要区别是前者不需要明确 获取到达基站空间信号的d o a 参数。时域参考算法( t r ) 优点是算法与阵列 天线结构无关，阵列天线不需要校准，算法与无线传播环境的传输特性无关， 在时分双工( t d d ) 系统中，以直接利用上行时域参考算法获得的信息进行下 行链路参数的构造。它的缺点是需要各个用户的码元严格同步，在频分双工 ( f d d ) 系统中，不能直接利用上行时域参考算法获得的信息进行下行链路参 数的构造。无论是时分双工( t d d ) 系统还是频分双工( f d d ) 系统，上行链 路估计的d o a 参数均能用于下行波束形成。 阵列天线按不同的应用目的，概括起来有5 种不同的阵列信号处理概念： 第一个阵列信号处理概念是波束形成蚓p 5 】口6 1 ( b e a m f o r m i n g ) ，利用空域的波束 来消除同频干扰( c c i ) 第二个阵列信号处理概念是开关波束口”( s w i t c h e d b e a m s ) ，开关波束是预先定义的一个窄波束，从预先定义的波束中选择一个使得 6 吴群英：t d - s c d m a 系统空时处理技术研究 s n r 最好。第三个阵列天线的应用是空间分集( s p a c ed i v e r s i t y l1 3 8 ，空间分集是 无线通信系统中常用的抗多径衰落方案。m 个单元的智能天线也可等效为由m 个空间耦合器按优化合并准则构成的空间分集阵列，因而空间分集属于阵列信 号处理的范畴。第四个阵列天线的应用是空时编码( s p a c e - t i m ec o d i n g ) 口0 ，空时 编码它是在接收端和发射端均为多天线下即m i m o 信道结构下的信道编码技 术，它是信道编码和分集技术的结合。第五个阵列天线的应用是联合空时检测 ( j o i n ts p a c e t i m ed e t e c t i o n ) 【2 9 【3 0 】【3 2 】，联合空时检测是多天线接收下联合利用信 号的时间和空间特性完成数据检测的技术。 下图给出了无线通信系统智能上行两种类型的接收机结构，两大类阵列信 号处理算法，5 种不同的阵列信号处理概之间的关系： 阵列信号处理 纯空间信号处理il 时空信号处理 空间参考算法li 时间参考算法li 时间参考算法 波束 形成 开关 波束 空间 分集 空时 编码 空时联 合检测 图1 4 基站阵列信号处理概念 c d m a 是第三代移动通信的主要多址方法，因而人们开始关注阵列天线在 c d m a 移动通信系统中的应用。基于c d m a 系统的空时二维处理成为研究的热 点【3 】【l5 】【1 6 1 。 1 3 空时信道模型的现状 相对于有线和卫星信道，无线信道的信道特性是非常恶劣的。无线通信空 时处理的另一重要课题是空时信道分析和研究。因空时信道模型是进行移动通 信空时处理技术研究的前提和基础，脱离了实际的通信环境就无法提出切实可 行的智能天线解决方案。 传统的非阵列系统信道模型最早只考虑了信道的幅度增益、时延扩散及其 电子科技大学博士论文 时变特性1 6 0 6 ”，这些信道模型奠定了对非天线阵无线通信系统的分析基础，它 们被广泛用在对第二代g s m 系统的分析与研究中。近年来随着3 g 研究的发展、 天线阵和分集发射与接收技术引入到移动通信系统。对时空信道的理论研究在 世界范围内得到迅速发展。时空信道研究是无线通信领域的一大重要课题6 2 】 6 3 1 6 4 1 。 目前建立的各种时空信道模型都是针对不同的应用提出的，这些模型大致 可以分为三类：基于几何结构的统计信道模型、基于几何结构的确知信道模型 和基于测量方法的统计信道模型。基于几何结构的统计信道模型通过假设散射 体的分布区域和分布特性来获得信道的特征参数【6 7 3 j 。统计信道模型不同，基 于几何结构的确知信道模型利用几何理论和反射、绕射和散射模型得到，该模 型计算复杂度太高，如何获得地形、地貌以及建筑物的数据也是一个复杂的工 作，确知信道模型的典型代表是射线追踪模型【7 4 】。基于测量的统计信道模型对 上述的两类信道模型进行了折中，它在具有一定准确性的同时，降低了计算复 杂度。与确知信道模型类似，这类模型也需要进行测量【7 5 】1 7 6 1 。目前建立的各 种时空信道模型没有涵盖信道的所有现象，没有很成熟的模型可以直接应用。 1 4 本文研究背景和意义 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统接收机数据检测采用的是r a k e 检测技术，属 于单用户检测，阵列天线与r a k e 技术结合的新型的空时二维r a k e 接收机也 是一大研究热点1 2 3 【2 4 1 2 5 1 1 2 7 ，此时阵列天线下接收机结构是空时分开的。 多用户联合检测能很好地抗远近效应龇13 【1 4 1 。联合检测的性能分析一直是 十分困难的问题1 2 2 4 4 1 4 5 1 ，空时多用户联合检测系统的分析将变得更加复杂，因 智能天线下t d s c d m a 系统空时多用户联合检测的结构更加灵活多样。 t d s c d m a 系统下行链路空间处理在基站完成，时间处理在移动台完成， 两者共同决定下行链路的性能。频分复用( f d d ) 系统，上下时空信道特征不 同，上行时空信道特征不能直接应用于下行形成发射波束1 5 0 【5 1 】【5 2 1 ，可利用上 下行信道的共有特征如d o a 进行下行波束形成【5 3 j1 5 4 j ，而一般c d m a 系统的用 户数大于阵元数，且由于陆地无线传输的角度扩展，用于信号方向( d o a ) 估 计的信号子空间方法如( m u s i c ，e s p r i t 子空间方法) 在实际中很难应用。对于 时分复用( 1 r i ) d ) 系统，上下行时空信道特征相同，上行时空信道特征能直接应 吴群英：t d - s c d m a 系统空时处理技术研究 用于下行形成发射波束p 5 】【5 6 。从这点来说t d s c d m a 系统可以更灵活的使用 智能天线技术。 多用户联合检测是t d s c d m a 系统一个首选的数据检测技术。因此迫切需 要研究有效的智能天线下的移动台联合检测方案，而有关的研究论文还没有。 因系统性能的提高与多址接收方法，接收机的信号处理算法，信道估计方 法，阵列天线结构，还有用户位置，用户空间分离程度，信道传输环境有关。 自适应阵列信号处理技术不仅与发射机和接收机的结构结合才是有效的，必须 结合具体的通信体制，小区的无线传输模型，智能天线的实现方案加以研究。 智能天线系统性能评估我们面临的一个综合课题。t d s c d m a 方式下智能天线 系统并没有成熟的研究体系和研究方法，这使我们在和其他国际大公司讨论问 题时，常常处于被动的局势。目前，中国己经有了自己的第三代移动通信标准 t d s c d m a ，正在向实际商用快速前进，这就更需要提出较成熟的理论支持、 建立一套较健全的仿真体系和仿真方法，以对t d s c d m a 系统的建设和优化给 出具体的建议和指导。因此，在这个时刻研究t d s c d m a 系统空时处理技术问 题有着技术上的必要性和时间上的紧迫性。 1 5 本文内容安排 本文对智能天线下t d s c d m a 系统上下行链路空时处理进行深入、细致的 研究。 第一章为引言，介绍t d s c d m a 蜂窝移动通信系统，上下行链路空时处理 技术和空时信道模型的研究现状。 第二章对多普勒滤波器和抽头延迟线构成的传统经典信道频域模型进行了 分析。研究陆地无线信道时空模型的物理机制和建模动机。利用几何的射线跟 综方法，建立真实反应时空无线信道特性的，涵盖信道的时间、频率、空间所 有现象的，而且足够简单的，还便于理论分析的时空无线信道模型。该模型与 原来的非方向的仅反映时间特性的标量无线信道模型兼容。对空时信道模型传 达出的影响空时处理信道统计特性进行分析和研究。 第三章分析现t d s c d m a 蜂窝移动通信系统信道估计方法，为t d s c d m a 系统实时处理的需要，研究一种减小计算量和复杂度的信道估计方法。 第四章构造阵列天线下结构化的t d s c d m a 蜂窝移动通信系统上行链路信 电子科技大学博士论文 号传输模型。研究空时多用户检测接收机算法。空时处理的效益与接收信号的 时间特性和空间特性的关系。比较单天线与阵列天线系统，研究t d s c d m a 空 时接收机抑制多址干扰( m a i ) 和多径干扰( i s i ) 提高系统性能的原理。对智 能天线下t d s c d m a 系统上行链路性能进行分析和评估。为t d s c d m a 系统 上行链路时空信号处理提供可靠的理论支持。 第五章构造智能天线下结构化的t d s c d m a 蜂窝移动通信系统下行链路信 号传输模型，研究适合角度扩展信道下t d s c d m a 基站下行白适应空间波束形 成方法。研究智能天线下适合t d s c d m a 蜂窝移动通信系统的移动台信号检测 方案。对智能天线下t d s c d m a 系统下行链路性能进行分析和评估，为 t d s c d m a 系统下行链路提供可靠的理论支持。 第七章为全文总结。 吴群英：t d s c d m a 系统空时处理技术研究 第二章空时无线移动信道模型 空时无线信道对时空信号处理特性起着关键作用，为解决空时无线移动信 道建模的问题，必须搞清无线信道的时空特性和引起这些特性的原因。 2 1 无线信道特性 如图2 1 一般时空无线移动信道由基站阵列天线，移动用户阵列天线 以及两付天线之间的传播路径构成。 图2 1 时空信道示意图 因大量的散射体存在于小区中，信号发射进入信道，电场与环境以非常复 杂的方式相互作用。移动台的天线较低，被周围的建筑物，树