（通信与信息系统专业论文）wcdma系统中rake接收机路径搜索算法的改进研究.pdf

女书对” i 穸“a t h e s i s 伯r t h e 。e g n e o f m a s 川nt e l e m m 嗽娟蚰s a 们1 1 1 胁艄蚰s 啡脚 ：毫+ 一： i m p r o v e m e n t o fp a t hs e a r c ha l g o r i t h mo nr a k e r e c e i v e rf o rw c d m as y s t e m s b ym e n j i n l i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t e p r o f e s s o rs h ay i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 ，矽，-婶 f 一 o j 、 r 净 多 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 7 学位论文作者签名：7 j 盗睫 。日 期：加伢堙啁碉 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校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。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 、 t ，t - w c d m a 系统中r a k e 接收机路径搜索算法的改进研究 摘要 r a k e 接收机在时域最优联合多径，在提供严格的功率控制下可以克服多径 衰落，提高信道容量，因此是c o d e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) 扩频通信 的关键技术之一。本文围绕r a k e 接收机在w i d e b a n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ( w c d m a ) 系统中的应用，重点研究了r a k e 接收机中的信道参数估计和路径 搜索技术，并提出了一种新的接收算法。 本文首先介绍了分集接收技术，从原理上研究了r a k e 接收机的数字实现模 型，然后探讨了w c d m a 物理层特点，研究了w c d m a 的r a k e 接收机结构。 信道参数估计是r a k e 接收机在进行多径合并之前所必须完成的任务，它是 j 下确进行多径合并的保证。论文介绍了w c d m a 系统中信道估计的研究现状，并详 细阐述了几种w c d m a 系统中传统的信道估计算法。在研究了导频符号辅助信道估 计算法和多时隙加权平均信道参数估计算法的基础上，重点研究了w c d m a 系统中 基于多普勒频移估计的信道估计方法。该方法能准确有效地估计出信道参数，改 善系统性能。 多径搜索是r a k e 接收机特有的一个模块，其性能直接影响u 皿接收机 的性能及实现复杂度。论文研究了现有了路径搜索算法。 最后，在分析比较了多种接收算法的前提下，应用接收信号的统计特性及内 在的近似关系，并综合考虑实现复杂度和运算量，该文提出了一种在传统接收机 基础上改进的实用性接收算法。仿真结果表明，该算法具有较优良的性能和一定 的实用价值。 关键词：w c d m a 系统；r a d c e 接收机；信道估计；多径搜索算法 f 0 _ - 0 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t i m p r o v e m e n t o fp a t hs e a r c h a l g o r i t h mo nr a k e r e c e i v e rf o rw c d m a s y s t e m a bs t r a c t t 1 1 er a k e r e c e i v e ri so n eo ft h e k e yt e c h n i q u e s o fc o d e d i v i s i o n m u l t i p l e - a c c e s s ( c d m a ) s p r e a d i n gs p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n i th a sm a n ya d v a n t a g e s ，w h i c h a r eo p t i m u mc o m b i n a t i o no fm u l t i p a t hi nt h et i m ed o m a i n ，b e t t e rs u p p r e s s i n gm u l t i p a t h f a d i n ga n dm a i 硼1 et h e s i ss t u d i e so nt h ea c q u i s i t i o no fs p r e a d i n gc o d e s i g n a l - t o - n o i s er a t e e s t i m a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o na p p l y i n go nr a k er e c e i v e rf o rw i d e b a n dc o d e - d i v i s i o n m u r i p l e - a c c e s s ( w c d m a ) s y s t e m a tt h ev e r yb e g i n n i n g ，t h i st h e s i sf o c u s e so nt h et e c h n o l o g ya b o u td i v e r s i t yr e c e p t i o n a n dd e s c r i b e sat y p eo fi m p l e m e n t i n gm e t h o df o rt h er a k er e c e i v e rf r o mt h et h e o r y n e x t s o m er e s e a r c h e so nt h ep h y s i c a ll a y e ro fw c d m ah a v eb e e nm a d ea n da l s og i v e st h e a r c h i t e c t u r eo ft h ew c d m ar a k er e c e i v e r t h ec h a n n e le s t i m a t i o ns h o u l db ec o m p l e t e db e f o r em u l t i - p a t hc o m b i n e df o rr a k e r e c e i v e r s i ti st h eg u a r a n t e ef o rc o r r e c tm u l t i p a t hc o m b i n e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es t u d y a c t u a l i t y , a n dd e s c r i b e ss o m ek i n d so ft r a d i t i o n a lc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mf o rw c d m a b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ep i l o t sa i d e dc h a n n e le s t i m a t i o na n dm u l t i - s l o tw e i g h t e da v e r a g e c h a n n e le s t i m a t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do nd o p p l e rf r e q u e n c ye s t i m a t i o nf o rw c d m a s y s t e m si sp r o p o s e d a f t e rc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gs o m ea l g o r i t h m s ，a n du t i l i z i n gt h es t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i c s a n da p p r o x i m a t e r e l a t i o no fr e c e i v e ds i g n a l sa n dc o n s i d e r i n gt h er e a l i z a t i o nc o m p l e x i t ya n d c o m p u t a t i o n ，w ep r o p o s ea ni m p r o v e dw c d m ad o w n l i n kr e c e i v ea l g o r i t h mw i t hh i g h p r a c t i c a lv a l u e s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ep r o v e nt h a tt h ea l g o r i t h mh a sp e r f e c tp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：w c d m as y s t e m ；r a k er e c e i v e r ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；m u l t i - p a t ha l g o r i t h m 嘭，；讨 一 k 。， 拿 2 1 分集接收技术研究5 2 1 1 分集技术原理5 2 1 2 分集合并方式性能及其分析8 2 2r a k e 接收机的基本原理。9 2 2 1 发射信号模型9 2 2 2 信道模型1 0 2 2 3 接收信号模型。1 1 2 2 4r a k e 接收机数字实现模型l l 2 3r a k e 接收机在w c d m a 系统中的实现1 3 2 3 1w c d m a 物理层1 3 2 3 2w c d m a 专用上行物理信道1 5 2 3 3w c d m a 中r a k e 接收机的结构。1 7 第三章涉及到的信道估计研究1 9 3 1w c d m a 系统信道估计的研究现状1 9 3 2w c d m a 系统中几种传统的信道估计算法2 2 3 2 1m m s e 信道估计算法2 2 3 2 2l m s 算法2 5 3 2 3 迭代估计算法2 6 3 3r a k e 接收机中常用的信道估计2 8 3 3 1 传统的直接平均法2 8 , 3 3 2 多时隙加权均值法2 9 3 3 3 基于多普勒频移估计的方法3 0 第四章r a k e 接收机路径搜索算法改进3 3 i v 东北大学硕士学位论丈目录 4 1r a k e 接收机模型3 3 4 2 目自订的路径搜索方法3 4 4 3 改进的路径搜索算法。3 7 4 3 1 用到的统计学知识。3 7 4 3 2 利用的信道估计算法4 1 4 3 3 改进的路径搜索算法4 l 第五章改进算法的仿真与结果分析4 5 5 1 性能仿真：4 5 5 2 参数优化4 7 5 3 结果分析4 9 第六章结束语5 1 参考文献一5 3 致 射：5 7 v 、萝 ，篓v k q 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的背景、来源和意义 二十世纪九十年代信息通信领域的三大突出成就是移动通信和无线通信、多 媒体信息服务、i n t e r n e t 国际互联网。九十年代末，第三代移动通信系统n 1 的开 发成为通信领域中最热门的话题。第三代移动通信的理想目标是，具有极大的通 信容量，极好的通信质量和极高的频谱利用率。要在复杂的移动通信环境和有限 的频率资源中实现这个目标，主要受三个因素的限制一是多径衰落，信号经不同 路径传播到达接收机，由于天线位置、方向和极化不同，其接收信号的幅度、相 位都在起伏变化，为保证通信质量，不得不增加信号功率，这直接会影响系统容 量。二是时延扩展，不同路径的信号有不同的传播时延，当时延超过码元符号宽 度的1 0 时，码间干扰( i s l ) 影响就比较明显，从而限制了移动通信的信道传 输速率；三是多址干扰，来自本小区和邻近小区的其他用户信号的干扰，随着小 区信道数的增加而增加，随着信号功率的增加而增加。为克服这些限制，仅采用 现成的、常规的数字移动通信技术是不能满足要求的嘲嘲，须采用近年来开始研 究的移动通信中的智能技术，即智能天线、智能传输、智能接收和智能化通信协 议等智能处理技术h 3 ，具体的说，第三代移动通信系统包括以下关键技术： 木初始同步与r a k e 接收技术； j l c 高效的信道编译码技术； 木智能天线技术； 木多用户检测技术； 木功率控制技术。 在c d m a 移动通信系统中，由于信号带宽较宽，因而在时间上可以分辨出细 微的多径信号，利用这一点，去尽可能多的接收来自不同路径的信号，可以增加 接收信号的电平，以克服多径衰落造成的负面影响。这就是r a k e 多径分集技术 r a k e 接收机的基本思想。它可以很好的克服多径信道的频率选择性衰落， 在慢衰落条件下具有非常好的接收效果。 对于无线信道中的快速移动通信，同时存在着严重的多径衰落和d o p p l e r 频移，这使我们必须考虑同时解决多径问题和d o p p l e r 频移问题的办法。我们可 以用多径分集来克服由于多径效应造成的频率选择性衰落，用频率分集来克服由 于多普勒频移造成的时间选择性衰落，用空间分集来克服角度扩展造成的空间选 择性衰落。这样，联合分集的想法就应运而生了，同时应用两种或多种分集技术 、0 j 东北大学硕士学位论文第一章绪论 得到的接收机成为二维或多维r a k e 接收机，例如有空一时二维r a k e 接收机，自 适应空一时二维r a k e 接收机，时一频二维r a k e 接收机等，它们可以很好的提高 c d m a 系统在高速移动环境下的时变多径信道的通信性能。当然，我们还可以构 成空间一时间一频率三维r a k e 接收机，继续提高我们所要求的通信质量。 1 2 国内外研究现状 1 9 5 6 年，p r i c e 和g r e e n 提出了具有抗多径衰落的r a k e 接收机概念。1 9 7 3 年，f o r n e y 提出的基于己知信道特性的最大似然序列检测器( m l s d ) 这是一种 最优的单用户接收机。美国公司q u a l c 0 姗在8 0 年代坚持研究，d s c d m a 技术， 1 9 8 9 年，q u a l c o 删公司进行了首次c d m a 实验，验证了d s 扩频信号波形非常适 合多径信道的传输，以及r a k e 接收机、功率控制和软切换等c o m a 的关键技术。 在1 9 9 6 年推动了窄带c d m ai s q 5 商用运行，让r a k e 接收机产业化，同时也推 动了r a k e 接收技术的长足发展。 面对未来的发展，r a k e 接收机将同三项关键革新技术相结合：智能天线技 术，多用户检测、m i m o 系统。目前研究的热点包括：2 h i k e 接收机，如何降 低复杂度；多用户检测的最优算法；m i m o 系统与o f d m 的结合等。 1 3 论文内容与结构安排 本论文主要研究w c d m a 系统r a k e 接收机的关键算法、算法的改进及其仿真。 第一章是介绍本论文所研究的内容、研究背景及意义，国内外在本领域的研 究现状，以及论文的结构安排。 第二章讨论分集接收技术、r a k e 接收机的基本原理、w c d m a 物理层特点及 r a k e 接收机在系统中的实现结构。 第三章讨论信道估计问题。论文介绍了w c d m a 系统中信道估计的研究现状， 并详细阐述了几种传统的信道估计算法，有l v i m s e 信道估计算法、自适应l m s 算法、迭代信道估计算法等算法原理。在研究了导频符号辅助信道估计算法和多 时隙加权平均信道参数估计算法的基础上，研究了w c d m a 系统中基于多普勒频移 估计的信道估计方法。 第四章在分析比较了现存的路径搜索算法的前提下，在多时隙加权平均信道 参数估计算法( 1 】l m s a ) 的基础上，应用接收信号的统计特性及内在的近似关系， 并综合考虑实现复杂度和运算量，提出了一种在传统接收机基础上改进的实用性 接收算法。 1 ，a 善 k 每 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第五章用m a t l a b 对改进的新的算法进行了性能仿真，并进行了参数优化。 气 ； 口 鼍薹 毒 东北大学硕士学位论文第二章l l a k e 接收机i 纷原理 k 第二章r a k e , , 接收机的原理 r a k e 接收机作为独立的实用物理子系统，具有技术上的完整概念，对它的结 构和模型研究对提高和改进移动通信的无线接口性能和通信质量至关重要。 为了加深对r a k e 接收机的感性认识，本章首先讲述了分集技术的基本概念， 接着研究了基于最佳接收机原理推导的一般r a k e 接收机模型，然后在讨论w c d m a 物理层特点的基础上，研究了w c d m a 系统r a k e 接收机的结构。 2 1 分集接收技术研究 一分集技术( d i v e r s i t yt e c h n i q u e s ) 是研究如何接收信号并利用接收到的信 号通过一定的处理过程来改善系统的性能。其为r a k e 接收机的主要原理。为了在 接收端得到相互独立的路径，可以通过空域、时域和频域等方法来实现。 2 1 1 分集技术原理 分集有两重含义：一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同 一信息的衰落信号；二是集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号 进行合并，以降低衰落的影响即1 。 1 ：分集技术的分类 分集技术有多种，依信号的传输方式主要可分为两大类：显分集和隐分集。 显分集中最通用的分集技术是空间分集，即几个天线被分割开来，并被连接到一 个公共的接收系统中。当一个天线未检测到信号时，另一个天线却有可能检测到 信号的峰值，而接收器也可以随时选择接收到的最佳信号作为输入。其他的显分 集技术包括天线极化分集和频率分集等。隐分集主要是指把分集作用隐蔽于传输 信号之中( 如交织编码、直接序列扩频技术等) 在接收端利用信号处理技术实现 分集。隐分集只需一副天线来接收信号，因此在数字移动通信系统中得到了广泛 的应用。 依分集的目的，分集还可以分为宏分集和微分集。宏分集主要是用于蜂窝通 信系统中，也称为多集站分集。这是一种减小慢衰落影响的分集技术，其主要做 法是把多个基站设备在不同的地理位置上和不同的方向上，同时和小区内的移动 台进行通信，接受器可选择其中信号最好的基站进行通信。微分集是一种减小快 衰落的分集技术，依获得分支的方法不同，可分为空间分集、频率分集、时间分 东北大学硕士学位论文 第二章r a k e 接收机的原理 集、极化分集、角度分集和路径分集。 2 分集信号的合并技术 在接收端取得m 条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术来得到分集 增益。具体分为选择式合并、最大比合并、等增益合并和开关式合并等四种方式。 ( 1 ) 选择式合并( s c ) 如图2 1 所示的为选择式合并原理框图。 i 发射机 话音 图2 i 选择式合并原理框图 f i 9 2 1s e l e c t i o nc o m b i n a t i o nm e t h o d 选择式合并的原理为：m 个接收器的输出信号送入选择逻辑，选择逻辑从m 个接收信号中选择具有最高基带信噪比的基带信号作为输出。 令r 表示每个平均信噪比，则可以证明嗍，选择式合并的平均输出信噪比为： ( 以) = r 善亡 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 表明每增加一条分集支路，它对输出信噪比的贡献仅为总分集支 路数的倒数倍。其合并增益为： g ，= 竿= 善 阮2 ， 使用选择式合并方式，选择是在天线输出端进行，从m 个天线输出中选择一 个最好的信号，再经过一部接收机就可以得到合并后的基带信号。 ( 2 ) 最大比合并( m r c ) j 0 一 东北大学硕士学位论文第二章r a k e 接收机的原理 如图2 2 所示的为最大比合并原理框图。 话音 1 ，2m 甲v 甲 i 同相相加 上 检测 可变增益放 大器 图2 2 最大合并比原理框图 f i 9 2 2m a x i m a lr a t ec o m b i n a t i o nm e t h o d m 个分集支路经过相位调整后，按适当的增益系数同相相加，再送入监测器。 合并后的信号包络为： ，= ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中，托为第, 善条a 支i y i i路的信号振幅，为第i 条支路的增益系数。每 个支路的噪声功率口：，利用切比雪夫不等式，则可以证明嘲：当口；与时，合 并后的信噪比达到最大，合并后输出为： ，争孑1 荟m 汜4 ， 从式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 中可以看出，合并后信号的振幅与各支路信噪比相联 系，信噪比越大的支路对合并后的信号贡献越大，合并增益与分集支路数m 成正 比。最大比合并的输出信噪比之和，即使在各路信号都很差的情况下，也能合并 出符合信噪比要求的信号。在具体实现时，需要测量出每个支路的信噪比，以便 及时对增益系数进行调整。 最大比合并后的平均输出信噪比为： ( ) 。m r ( 2 5 ) 东北大学硕士学位论文 第二章r a k e 接收机的原理 合并增益为： 瓯。掣。m ( 2 6 ) ( 3 ) 等增益合并( e g c ) 在最大比合并中，适时改变增益系数q 一般是比较困难的，通常希望q 为 常量，取a i = l 就是等增益合并。等增益合并后的平均输出信噪比为： ( ，m ) = r 1 + ( m 一1 ) 署】 c 2 7 ， 合并增益为： g et 竿小( m - 1 ) 署 ( 2 8 ) 对于最大比合并和等增益合并，可以采用同相相加，还可以在发射信号中 插入导频的方式，在接收端通过提取的相位信息来实现同相相加。 ( 4 ) 开关式合并 、开关式合并方式又称为扫描式分集，其优点是仅使用一套接收设备。该方 法监视接收信号的瞬时包络，当本支路的瞬时包络低于预定门限时，将天线开关 置于另一个支路上。当开关从支路1 转到支路2 时，若支路2 的瞬时包络也低于预 定门限时，有两种处理方法，一是天线开关在两个支路间循环切换，直到一个支 路的包络大于预先设定的门限；一i 是天线开关停留在支路2 上，直到支路2 大于预 定门限后，再次低于预定门限是，天线开关在转到支路1 上。 2 1 2 分集合并方式性能及其分析 以上对分集技术的讨论都是假定各支路的衰落信号是不相关的，然而很多情 况下并非如此。例如在空间分集中，天线位置不合适；在频率分集中，载波频率 间隔不够大。因此在研究分集系统的性能时，需考虑相关性对分集效果的影响。 总的看来，无论是s c 合并、或者是m r c 以及e g c 合并，分集技术能极大提高系 统性能，有极强的抗衰落能力；m r c 是最优合并技术，而e g c 是一种次最优合并技 术。从合并器的实现看，e g c 实现容易，性能较高，具有实用价值。所以现在的 移动通信系统中，在移动终端和基站都采用了分集方式来改善系统的性能。 l f 吼- 东北大学硕士学位论文 第二章r a k e 接收机的原理 2 2ra k e 接收机的基本原理 在c d m a 系统中，其信号带宽远远大于信道的相干带宽，虽然信号的不同频率 成分会相互干扰，但它们呈统计独立状况，其变化互不相关，在这种情况下出现 的衰落为频率选择性衰落。若某个频率成分在信号的平均水平以下，则另一个成 分就有可能在平均水平以上，其净影响会在衰落中减小。即当信号带宽足够大时， 多径成分延时超过一个码片周期以上，可以将它们看作是同一个信号的多个副 本，在分集接收机中可以把它们合并起来，提高系统的性能，这就是接收机的主 要原理。 移动通信系统中，由于存在多径传播，接收机需要均衡器来消除相邻符号间 的干扰。c d m a 系统由于采用了自相关特性良好的扩频序列，只要多径分量的相对 时延大于码片间隔，则多径传播造成的干扰不影响信号的解调，因此扩频通信系 统不需要均衡器。同时由于多径分量都携带有相同的信息，传统的单支路接收机 由于只考虑某一路信号能量，当信号处于深度衰落时接收机容易出现错误判决， 导致系统性能的下降。因而扩频通信系统应采用多径分集的接收技术来提高系统 的性能。 2 2 1 发射信号模型 考虑系统中有k 个用户，采用b p s f 调制，第k 个用户的发射信号可以表示为： 蒜 ( f ) = 瓦黾( f ) 吒，足一盯) 式中，坼( f ) 是用户k 的第i 个数据符号； 周期上的扩频波形；t 为符号周期。 扩频波形可表示为： 朋彳赤丢( 加( h 瓦) ( 2 9 ) 邑是平均符号能量；( f ) 是符号 ( 2 1 0 ) 其中， 吒，( ) ：为用户k 的扩频地址码；p ( ，) 是发射端基带c h i p 成形脉冲； n 为扩频因子，也成为扩频地址码长度旧1 。 设扩频地址码相互正交的，因此满足表达式： 呓= o ( 2 1 1 ) 东北大学硕士学位论文第二章r a i c e 接收机的原理 ，其中，龟( ) = 。，( o ) ，q ，( 1 ) ，龟。( 一1 ) r ，上标t 表示转置，h 表示共轭 转置；假设码片被归一化幅度，于是q ，( ) = 1 乞纭 。 2 2 2 信道模型 扩频通信系统，因为信号的传输带宽w 大于信道的相干带宽( f ) 。，信号不同 频段所经历的衰落不同，因而信道为频率选择型衰落信道。频率选择性信道可以 用抽头延迟线模型进行描述，其冲击可以表示为： ， j l i ( 叫) ：芝嘶( 咖肿) 艿( f 一乃) ( 2 1 2 ) 式中，l 为接收机可分辨的多径数目， 口。 、 q 和 五 为各径的随机增益、 随机相位和随机时延，他们是统计独立的随机变量。其中，随机增益 q 服从瑞 利分布；随机相位 q ) 在【o ，2 n 】内均匀分布；随机时延 q ) 在【o ，瓦】内均匀分布， t m 为最大多径时延。 对于频率选择性信道，接收机对多径时延的最小可分辨率为l w ，因而有： 。 l 乃一靠l 1 w ，后，7 ，k = l ，2 ，三 ( 2 1 3 ) 则各径的随机时延可近似为： 乃= i w ，= 1 , 2 ，l ( 2 1 4 ) 定义一组时变信道系数： 嚷( ，) = ( f ) 扩( ，) k - - 1 2 三 ( 2 1 5 ) 则频率选择性信道的冲击相应为： h 似t ) = 喜础) 万( f 一嘉) 组 七i， 可见，频率选择性信道可以用一个抽头间隔为1 w ，抽头系数为 q ( ，) ) 的抽 头延迟线来模拟。对于不同的k 值，抽头系数 & ( ，) ) 是独立分布的随机变量。抽 头延迟线模型的抽头数目l = 【乇矿】+ l 。该信道模型如图2 3 所示。l j 甚 1 l 奄鼍f 东北大学硕士学位论文 第二章r a k e 接收机的原理 7 型7 型7 l 丁一 峨多嗽多g 多q l 。堪 7 7 1 爪。r ( t ) 7 y 7 n ( t ) l 峨 2 2 3 接收信号模型 0 图2 3 抽头延迟线模型框图 f i g 2 3t a pd e l a yl m em o d e l 对于期望用户，假设为用户0 ，接收机理想锁定在第0 条路径上，贝u r a k e 接 收机接收到的信号，( t ) 表示为： ，- ( r ) 。荟c j s o ( f 一噍) + 荟荟c j ( t ) & ( f 一吃) + 甩( f ) 2 1 7 式中，第一项为期望信号量，第二项代表多径干扰( m p i ) 和多址干扰( m a i ) ， 最后一项为均值为零，单边功率谱密度为n o d b w h z 的复高斯白噪声。 2 2 4r a k e 接收机数字实现模型 由以上的推导可以得到r a k e 接收机的一种实现模型m 3 ，如图2 4 所示。图中 把接收数据送入r a k e 接收机的各指峰f i n g e r ，在每个f i n g e r 中首先对接收数据做 下抽样和时延调整，保证各f i n g e r 均获得有效的计算数据，并且使每个c h i p 周期 内有一个抽样值；接着是与本地扩频地址码进行相关运算，随后在整个扩频地址 码长度内求平均，并以符号长度为周期抽样，然后将各f i n g e r 的计算值乘以信道 查! ! 垄兰婴主堂堡笙文第二章r a k e 接收机的原理 二一：一 ：= ：= 加权系数厶后合并相加，最后得到r a k e 接收输出值三( f ) 。 其中，c h 为本地扩频地址码的复共扼；n 为扩频地址码长度；t 为符号宽度； l 为r a k e 接收机的f i n g e r 数；乏，f o ，1 ，l 一1 一是r a k e 接收机各f i n g e r 的时延值； t ，i 一0 ，1 ，l - 1 为各f i n g e r 的合并加权系数，其值由下式给出： 厶。嵛 ( 2 1 8 ) 飞 菩 东北大学硕士学位论文 第二章r a 呈b 接收机的原理 2 3r a k e 接收机在w c d l v i a 系统中的实现 w c d b i a 系统中采用的是导频辅助相干( p s a c ) 接收技术，即在上行专用物理 控制信道d p c c h 的每个时隙内都插入导频符号，使得基站n o d e - b 端接收机利用导 频符号实现最佳信道参数估计，达到相干接收。 2 3 1w c d m a 物理层 物理层处理上层来的数据，并使得这些数据在移动无线信道上可靠地传输。 在发送方向，它完成诸如信道编码、交织、加扰、扩频和调制等功能。在接收方 向，则是与之相反的过程，恢复发送端的数据。 媒体接入控制子层( 撇c ) 通过多条传输信道发送用户数据和信令，物理层 把这些传输信道的每一条都映射到物理信道上，并通过无线接口发送这些信息。 通过有关的载波频率、扰码和信道码、无线帧长以及有意义的相对相位角来刻画 物理信道。一个无线帧有1 0 m s 长，包括1 5 个时隙。因为码片速率是3 8 4 m c p s ，所 以一帧中有个3 9 4 0 0 码片，个时隙有2 5 6 0 - 吟 码片。 w c d m a 的物理层最好通过发射机的功能来描述，图2 5 显示了移动台( u e ) 发 射机的功能框图。 在c d m a 系统中，数据通过传输信道以块的形式发送，实际系统首先对于传输 信道的每个数据块进行循环冗余校验编码( c r c ) ，然后把该信道所有编码后的 数据块顺次连接起来。因为数据块顺次连接起来后的数据长度可能会超出最大长 度，所以可能需要把它重新分割成多个小码块后再送到信道编码器，在那里对输 入信号进行编码率为1 3 或者2 3 的卷积编码或者编码率为1 3 的t u r b o 编码。有时 也有可能根本不需要进行信道编码，这时对块的大小就没有限制，可以省略分割 的过程。 把信道编码的输出作为两个交织器的第一个输入，按照一定的规则对输入比 特进行交织，使得输出数据流中的每个比特的相对位置和它在输入中的位置不 同。因为任何传输信道的发送时间段通常都超过一个1 0 m s 的无线帧长，所以可能 需要多个连续的无线帧来传输一个给定的传输数据块组。因此在a l 处的比特序列 必须包括整数个等长的数据段。在上行链路方向，通过合适的填充信道编码器输 出来实现，称为无线帧均衡。虽然在图中没有画出，但是输入第一个交织器的数 据就是填充过的比特序列。接着把a 2 处的数据流分成许多等长的数据段，适合在 连续的无线帧中发送。 当涉及多条物理信道时，在进入第二个交织器之前，把a 3 处的比特序列先分 东北大学硕士学位论文第二章r a k e 接收机的原理 成所需的物理信道，称为物理信道分割。 把不同的传输信道映射到不同的物理信道，然后它们被分为两个不同的集 合，i 合和q 集合。与i 信道集合的相关的数据通过信号的正交分量发送。在图2 7 中，只有四条专用物理数据信道( d p d c h ) 和一条专用物理控制信道( d p c c h ) 。 为了平衡信号，把奇数号的数据放在i 集合中，把偶数号的数据和d p c c h 一起放在 q 集合中。将每个集合中的每条物理信道上的输入数据转换成真实的符号二 传 传 一 输 传 交速 输交 块 输 l 织 a 2塞 至 织 串 块+器 + 匹 信物 器 联 串l 配 遘 a 3理 _ -2 和 联 复+信 - 分用道 荆器的 蔓 映 1 f 刁明1 日堙l 射 传输信道3 器 d p d c h i d p d c h 2 d p d c h 3 d p d c h i d p c c h 图2 5u e 中的发射机框图 f i g 2 5t h e f r a l l l eo f t r a n s m i t t e rf o rl i e 1 4 - 签 功率 放大鼍 东北大学硕士学位论文第二章r a k e 接收机的原理 进制“1 对应“一l ，“o ”对应“+ l ，于是实际进行了b p s k 调制。但因为有 两个信道集合，所以最后输出为q p s k 调制。， 用真实值的信道码把符号映射器的输出扩频到码片速率c 或e 上，这些码 是诈交可变扩频因子( 0 v s f ) 码或者w a l s h 序列，他们由一个正交矩阵的一行元 素组成，其元素为+ l 或者一1 。这样，当用不同的0 v s f 码对信道扩频时，这些信道 就可以互相正交的混合在一起进行传输。为了在接收机处唯一的区别出所有的物 理信道，用不同的0 v s f 码对每条物理信道扩频。通过简单的改变相关码的扩频因 子，就可以支持物理信道上不同的数据速率。根据相应的信道发射功率水平，扩 频后的符号出p 尼- r 艺一个增益因子倪或q ，然后把两个集合中的所有不同的物 理信道的输出分别加在一起，构成复数扰码的目的是提高平均峰值功率比。使扰 码后信号的实部和虚部通过波形成型滤波器，用通常的方式调制c d m a 载波。 基站( b t s ) 发射功能的一般结构( 即下行链路方向) 类似图2 7 ：为了提供 平衡扩频，把每条下行物理信道数据流分成两个子流i 和q ，分别对应信号的i 路 和q 路分量，用相同的信道码对两条子流扩频，然后用小区特定的复数扰码加扰。 这罩不需要无线帧均衡，因为高层可以使数据在合适的时刻发送，或者采用合适 的扩频因子使得速率匹配后的比特序列是无线帧的整数倍。 2 3 2w c d m a 专用上行物理信道 在物理层把每条传输信道都映射到一条物理信道，数据以连续帧的方式通过 空中接口传输，每个帧长度是1 0 m s ，包括1 5 个时隙，每个时隙长0 6 6 6 6 7 m s 。因 为码片速率为3 8 4 m c p s ，所以每个时隙包含个2 5 6 0 码片，其帧结构如图2 6 所示。 图2 6 物理层的帧结构 f i g 2 6t h e 仃锄es t r u c t u r eo f t h ep h y s i c ml a y e r 每个时隙上可以发送的比特数由扩频因子决定。例如，如果扩频因子为4 ， 谤 东北大学硕士学位论文 第二章r a k e 接收机的原理 那么每个时隙的比特数则为2 5 6 0 4 = 6 4 0 。如果给定用户每帧只分到一个时隙，那 么这个用户的数据率就只有6 4 0 ( 1 0 m s ) = 6 4 k b i t s 。如果扩频因子为2 5 6 ，那么 这个用户在该信道上的数据率就只有1 k b i t s 。如果用户数据率为4 k b i t s ，那么 必须用大小为6 4 的扩频因子。因此，通过采用不用的扩频因子和分配需要的时隙 数与信道数，移动台实际上可以得到任何数据率。 上行链路和下行链路的成帧方式不同，其主要区别表现在下行链路中数据到 导频符号是时分复用的，而在上行链路中数据和导频符号是并行的。本课题以上 行物理信道为例，上行的物理信道主要有专用物理数据信道( d p d c h ) ，专用物 理控制信道( d p c c h ) ，物理随机接入信道( p r a c h ) 和物理公共分组信道( p c p c h ) 上行专用物理信道包括两种类型：专用物理数据信道和专用物理控制信道。 他们的帧结构如图2 7 所示 d p c c h p i l o tt f c l f b lt p c 弋庇枷么 时隙撑1时隙舵时隙挣i时隙# 1 5 - 一o m s 么 帧舞1 帧舵帧撑i 帧# 7 2 、 骨一7 2 0 m s - 图2 7 专用上行d p d c h d p c c h 帧结构 f i g 2 7t h eh a m e s t r u c t u r eo ft h es p e c i a lu p l i n kp h y s i c a lc h a n n e l s 上行链路d p d c h 用来传送来自高层的用户信息。在给定时刻，一条无线链可 能没有上行链路d p d c h ，或者可能有一条或者多条d p d c h ，每条采用不用的比特速 率，即有不同的扩频因子。例如，一条d p d c h 的数据速率可能为1 5 ，3 0 ，6 0 ，2 4 0 ， 4 8 0 或者9 6 0 k b p s ，对应的扩频因子分别为2 5 6 ，1 2 8 ，6 4 ，3 2 ，1 6 ，8 和4 。由上层 配置数据速率和相关的移动台所用的扩频因子。 上行链路d p c c h 的时隙结构包括四个字段：导频比特( p i l o t ) 、发送格式组 合指示符( t f c i ) 、发射功率控制命令( t p c ) 和反馈信息字段( f b i ) 。导频比 特数为3 - 8 个，为接收机相干解调提供参考载波。t f c i 字段表示在同一时间内以 该c p d d h 在d p d c h 上发送的传输数据的格式，有时可以省略这个字段，如果出现， 东北大学硕士学位论文 第二章r a k e 接收机的原理 可能是2 、3 或4 比特长。反馈信息比特提供从u e 到u t r a n ( 无线接入网) 的信息， 有时可以省略这部分，如果出现，可能有一个或两个比特长，全0 或者是全1 。与 d p d c h 不同，每条无线链路只有一条上行d p c c h ，根据这4 个字段值的不同，可能 有多种时隙格式，其由高层来指明n 别。 2 3 3w c d m a 中砒u ( e 接收机的结构 图2 8 所示为一个专为w c d