（通信与信息系统专业论文）wcdma中hsdpa下行链路容量提升的研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 为了很好地解决系统覆盖与干扰的矛盾，提升系统容量，在 w c d m a 的后续发展中产生了许多新技术，其中值得关注的是高速下 行链路分组接入。它的关键技术包括自适应编码调制与混合自动重传 请求。与此同时，多输入多输出技术也因其自身的良好扩展性和适应 性，在新一代移动通信领域得到广泛研究和使用。 本文针对上述新方向，研究了w c d m a 系统中基于多天线结构的 高速下行链路分组接入技术，该技术能显著地提升下行链路的容量。 同时，本文提出了3 种多天线情况下解决自适应调制编码和混合自动 重传的方案，它们在实现复杂度和性能上各有优势。 以下给出全文的结构： 第一章首先介绍了无线通信系统的发展，说明了发展第三代移动 通信的增强技术以适应未来市场需求的重要性；然后指出了高速下行 链路分组接入技术的突出优点；最后提出了如何将多输入多输出技术 合理运用到高速下行链路分组接入的问题。 第二章介绍了多输入多输出技术，分析了多输入多输出系统的容 量，给出了接收分集的具体算法。 第三章是本文的重点内容，首先全面分析高速下行链路分组接入 的下行链路结构、功能模块和工作流程；研究了用于多输入多输出系 统的接收机的数学模型以及信道质量的测算；提出了混合自动重传请 求、自适应调制编码与多输入多输出系统结合的3 种结合方案。 在第四章中，作者通过仿真验证了高速下行链路分组接入和多输 入多输出系统的性能。 关键词：高速下行链路分组复用，自适应调制编码，混合自动重传请 求，多输入多输出 第i 页 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r em a n yn e wt e c h n i q u e sd e v e l o p e di no r d e rt o i n c r e a s et h e c a p a c i t yb ys o l v i n g t h e p r o b l e mo fc o n f l i c t b e t w e e ni n t e r f e r e n c ea n d c o v e r a g ei nw c d m as y s t e m s ，t h em o s tr e m a r k a b l eo n eo ft h e m i s h i g h s p e e d d o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ( h s d p a ) k e yt e c h n i q u e s t o s u p p o r t h s d p ai n c l u d ea d a p t i v em o d u l a t i o n a n dc o d i n g ( a m c ) ，a n dh y b r i d a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o nr e q u e s t ( h a r q ) b e s i d et h e s et e c h n i q u e s ， m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) t e c h n i q u ei s w i d e l yr e s e a r c h e d a n da p p l i e di nn e wg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sd u et o i t s g o o d e x p a n s i b i l i t ya n da d a p t a b i l i t y a c c o r d i n gt o t h i sn e wr e s e a r c hd i r e c t i o nt h i st h e s i ss t u d i e dh i g h s p e e d d o w n l i n kp a c k e t a c c e s sb a s e do n m u l t i p l e a n t e n n a ss t r u c t u r e w h i c hc a n p r o m o t e t h ed o w n l i n k c a p a c i t yg r e a t l y a d d i t i o n a l l y ，w e p r o p o s e d3k i n d so fs c h e m e so fi n t e g r a t i n gm u l t i p l ea n t e n n a s a n dh i g h s p e e d d o w n l i n kp a c k e t a c c e s s t h e y a r ed o m i n a n ti n s i m p l i c i t y a n d p e r f o r m a n c er e s p e c t i v e l y t h ef o l l o w i n gi st h es t r u c t u r eo ft h i st h e s i s ： i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m i s a n a l y z e d ，w h i c hs h o w st h ei m p o r t a n c e o fr e s e a r c h i n gt h e s e e n h a n c e d t e c h n i q u e s f o rt h e3 。o g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mt os a r i s f y m a r k e tr e q u i r e m e n ti nt h ef u t u r e f u r t h e r m o r e ，t h e e x c e l l e n c ea n d i m p o r t a n c e o fh i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s sa r e i n t r o d u c e d a tt h ee n do ff i r s t c h a p t e r ，h o w t o i m p o r t m i m oi n t o h s d p ai sd i s c u s s e d c h a p t e r2i n t r o d u c e s t h em u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u tt e c h n i q u e ， a n a l y z e st h ec a p a c i t yo fm u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t a n dr e p r e s e n t s t h ea c t u a la l g o r i t h mo fr e c e i v i n gd i v e r s i t y 第i i 页 电子科技大学硕士学位论文 i n c h a p t e r3 ，a s t h em o s t i m p o r t a n tp a r t o ft h i s p a p e r ，t h e l i n k m o d e l ，f u n c t i o nm o d u l ea n dp r o c e s so fw o r k i n go fh s d p ai s f i r s t l y g i v e n t h e n w e a n a l y z e t h em a t h e m a t i c sm o d e l a p p l i e d i n m u l t i p l e a n t e n n a ss y s t e m sa n dt h em e a s u r e m e n to ft h ec h a n n e lq u a l i t y t h el a s t p a r t i st h e i n t e g r a t e dp r o p o s a l o f3s c e n a r i o so ft h e a d a p t i v e m o d u l a t i o n & c o d i n g ，h y b r i d a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o n r e q u e s t a n d m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u tt e c h n i q u e ， c h a p t e r 4 p r e s e n t s t h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，w h i c h va l i d a t et h e p e r f o r m a n c eo fh i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s sa n dm u l t i p l e ，i n p u t m u l t i p l eo u t p u ts y s t e m s k e y w o r d s ：h i g hs p e e d d o w n l i n k p a c k e ta c c e s s ，a d a p t i v e m o d u l a t i o na n d c o d i n g ，h y b r i d a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o n r e q u e s t ， m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 第1 酊页 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： 鸟p 炙 日期：年月目 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) 签名：乌f 暇导师签名： 日期：a 种j 月日 电子科技大学硕士学位论文 1 g 2 g 3 g 3 g p p a m c b3 g 18 g e n e r a t i o n 2 n dg e n e r a t i o n 3 7 0 g e n e r a t i o n 缩略语 第一代( 移动通信 系统) 第二代( 移动通信 系统) 第三代( 移动通信 系统) 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t 3 g 伙伴项目 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g自适应调制编码 b e y o n d3 。dg e n e r a t i o n b l a s tb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m e c c i 超三代( 移动通信 系统) 贝尔实验宝分层空 时处理 c h a n n e lc o v a r i a n c ei n f o r m a t i o n 信道协方差信息 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址 c m i c r c e d g e f e c f e r f d m a g s m h a r q h s d p c c h h s d s c h c h a n n e lm c a ni n f o r m a t i o n c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s m e v o l u t i o n f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n f r a m ee r r o rr a t e 信道均值信息 循环冗余校验 g s m 增强数据速率 演化 前向纠错 误帧率 f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x频分多址 a c c e s s g l o b a l s y s t e m f o rm o b i l e 全球移动通信系统 c o m m u n i e a t i o n s h y b r i da u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o n 混合自动重传请求 r e q u e s t h i g hs p e e d d e d i c a t e d p h y s i c a l c o n t r 0 1c h a n n e l 高速专用物理控制 信道 h i g hs p e e d d o w n l i n ks h a r e d 高速下行共享信道 c h a n n e i h s s c c h h i g h s p e e d s h a r e dc o n t r o l 高速共享控制信道 c h a n n e l 第1 x 页 电子科技大学硕士学位论文 h s d p a i r i t u l d p c m a p m i m o m m s e q a m q p s k p a r c p c c c p c c r c s i n r s i s o s t b c s t t c u m t s t d m a t t i w c d m a z m s w h i g hs p e e d d o w n l i n kp a c k e t a c c e s s i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n u n l o n l o w d e n s i t yp a r i t yc h e c k m a x i m u m a p o s t e r i o r i m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - - o u t p u t m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g p e ra n t e n n ar a t ec o n t r o l p a r a l l e lc o n c a t e n a t e d c o n v o l u t i o n a lc o d e r p e rc o d e c h a n n e lr a t ec o n t r o l s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o s i n g l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t s p a c e t i m eb l c o kc o d i n g s p a c e t i m et r e l l i sc o d e u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s z e r o m e a ns p a t i a l l yw h i t e 第x 页 高速下行链路分组 接入 增量冗余 国际电信联盟 低密度奇偶校验 最大后验概率 多输入多输出 最小均方差 正交幅度调制 正交相移键控 每天线速率控制 并行级联卷积编码 器 每码道速率控制 信号干扰比 单输入单输出 空时块码 空时格码 通用移动通信系统 时分多址 传输时间间隔 宽带码分多址 空间零均值白色 第一章引言 1 1 移动通信发展状况 1 1 1 发展历史 第一章引言 科学技术的飞速发展给人们的生活带来了日新月异的变化，而通信技 术的进步更是对社会的文明与进步产生着深刻的影响。在过去一段时间里， 世界电信发生了巨大的变化，移动通信特别是蜂窝小区的迅速发展，使用 户彻底摆脱终端设备的束缚，实现完整的个人移动性、可靠的传输和接续 方式。进入2 1 世纪的今天，移动通信已经发展到大规模商用并逐渐成为人 们日常生活中不可缺少的重要通信方式之一，成为社会发展和进步必不可 少的工具。 移动通信发展可以归纳为以下几个阶段： 第一代移动通信系统( 1 g ) 出现于2 0 世纪8 0 年代早期，主要采用的 是模拟技术和频分多址( f d m a ：f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e ss ) 技 术。但由于受到模拟信号传输带宽所限以及各类通信系统制式不统一，不 能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。 第二代移动通信系统( 2 g ) 起源于9 0 年代初期，主要采用数字式的 时分多址( t d m a ：t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ) 技术和码分多址( c d m a ： c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ) 技术，它使用s i m 卡、轻小用户终端，目 前世界上已有近6 亿个用户。第二代移动通信系统主要为支持话音和低 速率的数据业务而设计，但随着人们对通信业务范围和业务速率要求不断 提高，它将很难满足新的业务需求。 第三代移动通信系统( 3 g ) ，也称i m t 一2 0 0 0 ，是正在全力开发的系统， 其最基本的特征是智能信号处理技术，智能信号处理单元将成为基本功能 模块，支持话音和多媒体数据通信，它可以提供前两代产品不能提供的各 种宽带信息业务，例如高速数据、慢速图像与电视图像等。如w c d m a 的 传输速率在用户静止时最大为2 m b p s 、在用户高速移动时最大支持 1 4 4 k b p s ，所占频带宽度5 m h z 左右。第三代移动通信系统将在近几年内 推向市场。 第1 页 电子科技大学硕士学位论文 新一代移动通信系统，也称超三代移动通信系统( b 3 g ：b e y o n d3 g ) ， 它针对用户不断增长的通信业务范围和业务速率要求而产生。b 3 g 的兴起 将改变以往三代移动通信系统的不足，可以容纳更庞大的用户数，进一步 改善现有通信品质，达到高速数据传输的要求。预计新一代移动通信系统 的最高传输速率将可以达到1 0 0m b p s 。新一代移动通信系统离实际的商业 运行还有很长的一段路要走。 1 1 2 第三代移动通信系统 1 1 2 1 概述 第三代移动通信系统( i m t 一2 0 0 0 ) ，是一代有能力彻底解决第一、二 代移动通信系统主要弊端的先进的移动通信系统。第三代移动通信系统一 个突出特色就是，要在未来移动通信系统中实现个人终端用户能够在全球 范围内的任何时间、任何地点，与任何人，用任意方式、高质量地完成任 何信息之间的移动通信与传输。可见，第三代移动通信十分重视个人在通 信系统中的自主因素，突出了个人在通信系统中的主要地位，所以又叫未 来个人通信系统。 经过多年的探索，国际电信联盟( i t u ：i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n ) 提出第三代移动通信系统应具备以下特征：首先，i m t 2 0 0 0 应是 一个全球化的系统，应在世界范围内能够促成高度设计共同性的全球标准， 能同时容纳不同的系统；可在世界范围内使用一个小型袖珍终端；具有世 界统一的频段和基于终端移动性的全球漫游特性。第二，i m t 一2 0 0 0 应能提 供比第二代系统更多的新的语音和数据业务，包括分组数据和多媒体业务， 其服务质量应能与固定电话媲美；能按需提供带宽，支持各种数率的业务， 包括低速寻呼、语音以及与视像和文件传送有关的高速业务；具有支持上 行和下行数据速率不对称的能力。第三，i m t ，2 0 0 0 具有系统从第二代系统 演进、用户从第二代系统过渡以及在i m t 一2 0 0 0 内部演进的灵活性；在其 内部以及固定网之间的业务可相互兼容；具有能使移动网业务不断扩充并 能获取固定网业务和设施的构架。第四，i m t 。2 0 0 0 应具备适应多环境能力； i m t 2 0 0 0 在不同网络之间具有互通性，可向用户提供大覆盖、无缝漫游和 业务一致性；它综合地面与卫星通信网络，可在任何一个覆盖区内由多个 网络提供业务。 第2 页 第一章引言 宽带码分多址( w c d m a ：w i b e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 是第三代移动通信系统将采用的主流通信技术之一。移动通信的特点要求 采用多址技术，多址技术实际上就是指基站周围的移动台以何种方式抢占 信道进入基站和从基站接收信号的技术，移动台只有占领了某一信道，才 有可能完成移动通信。目前已经实用的多址技术有应用于第一代和第二代 移动通信中的频分多址、时分多址和窄带码分多址三种。频分多址是不同 的移动台占用不同的频率；时分多址是不同的移动台占用同一频率，但占 用的时间不同；码分多址是不同的移动台占用同一频率，但各带有不同的 随机码序列，因此同一频率所能服务的移动台数量是由随机码的数量来决 定的。多址技术的性能比较见表1 1 所示。 表1 13 g 通信系统多址技术的比较 址方式 f d m at d m ac d m a 比较项目 鉴别依据频率频率和时间频率和码序 传输方式连续突发连续 每载波信道数单路几路一几十路几百路 系统容量n( 2 6 ) n( 1 0 2 0 ) n 信道带宽 窄窄 宽 频率再用系数 1 1= 1 传输开销小大 最大 均衡要求低高高 切换控制差好好 基站收发信机多少 少 移动台复杂性小大 由 每信道成本高低低 系统灵活性小大大 w c d m a 不仅具有c d m a 所拥有的一切优点，而且运行带宽要宽得 多，抗干扰能力也很强，传递信号功能更趋完善，能实现无线系统大容量 和高密度地覆盖漫游，也更容易管理系统。第三代移动通信所采用的 第3 页 电子科技大学硕士学位论文 w c d m a 技术完全能够满足现代用户的多种需要，满足大容量的多媒体信 息传送，具有更大的灵活性。相比第二代的移动通信制式，w c d m a 具有： 更大的系统容量、更优的话音质量、更高的频谱效率、更快的数据速率、 更强的抗衰落能力、更好的抗多径性、能够应用于高达5 0 0 k m h 的移动终 端的技术优势。而且能够从g s m 系统进行平滑过渡，保证运营商的投资， 为3 g 运营提供了良好的技术基础。 w c d m a 相对于其它第三代移动通信技术的优势在于： 码片速率高，有效地利用了频率选择性分集和空间的接收和发射分 集，可以解决多径问题和衰落问题； 采用t u r b o 信道编译码，提供较高的数据传输速率： f d d 制式能够提供广域的全覆盖； 下行基站区分采用独有的小区搜索方法，无需基站间严格同步： 采用连续导频技术，能够支持高速移动终端。 1 1 2 2 新技术 w c d m a 中可能采用的新技术包括： 高速下行链路分组复用( h s d p a ：h i g hs p e e d d o w n l i n kp a c k e t a c e e s s ) ，是第三代( 移动通信系统) 合作项目( 3 g p p ：3 r dg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 为了满足上行下行数据业务不对称的需求而提 出的一种新技术，它很好地解决了系统覆盖与容量之间的矛盾，大 大提升了系统容量，满足了用户的高速业务需求。h s d p a 采用了自 适应调制编码( a m c ：a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ) 和混合自动 重传请求( h a r q ：h y b r i d a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o nr e q u e s t ) 两种 关键技术，可以在不改变已经建设的w c d m a 网络结构的情况下把 下行数据业务速率提高到7m b p s 以上( 单天线) 。 多输入多输出( m i m o ：m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 技术：相对于传 统的单入单出( s i s o ：s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统，m i m o 技 术可以利用空间维度建立独立的多个平行信道传送不同的串行数 据流，以提升数据传输速率；同时可以利用空间分集的特点来大幅 度提高系统容量和频谱效率。 信道估计技术：是获得信道衰落参数的手段，提高无线数据传输接 收性能的关键技术之一。 新型编码技术：为了保证高频谱效率和优良的传输性能，第三代移 第4 页 第一章引言 动通信系统同样需要能提供更高码率、更佳传输性能的码字。如 t u r b o 码、l d p c 码、t u r b o 乘积码，都是目前技术研究的热点。 高阶调制技术：它同样是提高频谱效率的重要技术之一。 1 1 2 3 研究现状 w c d m a 主要起源于欧洲和日本的早期第三代无线研究活动，g s m 的 巨大成功对第三代系统在欧洲的标准化产生重大影响。欧洲于19 8 8 年开展 r a c ei ( 欧洲先进通信技术的研究) 程序，并一直延续到1 9 9 2 年6 月， 它代表了第三代无线研究活动的开始。1 9 9 2 1 9 9 5 年之间欧洲开始了r a c e i i 程序。a c t s ( 先进通信技术和业务) 建立于1 9 9 5 年底，为通用移动通 信系统( u m t s ：u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 建议了 f r a m e s ( 未来无线宽带多址接入系统) 方案。在这些早期研究中，对各 种不同的接入技术包括t d m a 、c d m a 、o f d m 等进行了实验和评估。为 w c d m a 奠定了技术基础。 a 本于1 9 9 3 年在a r i b 中建立了研究委员会来进行日本3 g 的研究和 开发，并通过评估将c d m a 技术作为3 g 的主要选择。同本运营商n t t d o c o m o 在1 9 9 6 年推出了一套w c d m a 的实验系统方案，并得到了当时 世界上主要的移动设备制造商的支持，由此产生了w c d m a 的发展动力。 1 9 9 8 年1 2 月成立的3 g p p 极大地推动了w c d m a 技术的发展，加快 了w c d m a 的标准化进程，并最终使w c d m a 技术成为i t u 批准的国际 通信标准。第三代的主要技术体制，其中w c d m a f d d t d d ( 现称高码 片速率t d d ) 和t d s c d m a ( 融合后现称低码片速率t d d ) 都是由3 g p p 开发和维护的规范，这些技术都是以c d m a 技术为核心的。目前看来，将 要采用的第三代标准中选取w c d m a f d d 模式的国家是最多的，比如欧 洲、日本、韩国都决定w c d m a f d d 模式为自己的主流制式。去年底， 美国的a t & t 移动业务分公司也宣布选取w c d m a f d d 为自己的第三代 业务平台。 w c d m a 的三套技术实际上采用的是同一套核心网络规范，不同的无 线接入技术。其核心网络的主要特点就是重视从g s m 网络向w c d m a 网 络的演进，这是由于g s m 的巨大商业成功造成的，这种演进是以g p r s 技术作为中间承接的。 除了制定t d s c d m a 标准以外，中国也积极参与了i t u 和3 g p p 的 w c d m a 另外两种技术的跟踪、评估和研发工作，这些工作在9 0 年代中 第5 页 电子科技大学硕士学位论文 期就已经开始了。1 9 9 8 年成立的中国无线通信标准研究组( c w t s ) 是3 g p p 的正式组织成员，华为公司、大唐集团等国内企业还加入3 g p p ，成为独 立成员。目前这些企业都在加紧研发自己的w c d m a f d d 系统，力争和 国外主要通信设备制造商同期加入我国移动通信的实验网建设工程中。 在3 g p p 成员和专家的努力下，w c d m a 已经推出了成熟的可供商用 的版本r e l e a s e9 9 和包括t d s c d m a 全套规范的r e l e a s e4 版本。但是， 由于无线通信技术和i p 技术的迅速发展，w c d m a 标准也在不断发展中， 新的兼容的无线技术和核心网络技术也在不断被提出和采纳，从现在的情 况看，w c d m a 还是一个“活”的标准，需要学术界和产业界的共同开发。 1 1 2 4 电子科技大学的3 g 研究 电子科技大学通信抗干扰国家级重点实验室于2 0 世纪九十年代中期 就开始致力于对第三代移动通信系统进行研究开发。在短短几年时间里， 与通信业界处于领先地位的公司开展了密切而又富有成效的合作，在 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 等领域都取得了丰硕的研究成果，其 中很多成果在世界上都具有领先水平。 1 2w c d m a 的增强技术- - - - h s d p a 1 2 1 概述 高速下行分组接入是3 g p p 在r 5 协议中为了满足上行下行数据业务 不对称的需求而提出的一种新技术，它很好地解决了系统覆盖与容量之间 的矛盾，大大提升了系统容量，满足了用户的高速业务需求。h s d p a 采用 了自适应调制编码和混合自动重复两种关键技术，可以在不改变已经建设 的w c d m a 网络结构的情况下把下行数据业务速率提高到1 0m 。 w c d m a 目前可以提供最高2 m 的传输速率，支持高速分组交换和电 路交换，可以提供多种数据业务，完全满足了第三代移动通信的要求。然 而，对于许多对流量和迟延要求较高的数据业务如视频、流媒体和下载等， 需要系统提供更高的传输速率和更短的时延。为了更好地发展数据业务， 3 g p p 从这两方面对空中接口作了改进，引入了h s d p a 技术。h s d p a 不 但支持高速不对称数据服务的引入，而且在大大增加网络容量的同时还能 使运营商投入成本最小化。它为u m t s 更高数据传输速率和更高容量提供 第6 页 第一章引言 了一条平稳的演进途径，就如在g s m 网络中引入增强数据数率演化( e d g e ： e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n ) 一样。 3 g p p 中确定了h s d p a 发展的三个阶段，其中第三阶段还未最终成 型，仍在3 g p p 内进行研究。r 5 以上的版本主要将致力于吞吐量的进一步 提高，峰值数据速率可达5 0m b p s 以上。 1 1 第一阶段：基本h s d p a 在3 g p pr 5 中进行了说明，引进一些新的基础特性以获得7 2 m b p s 峰 值数据速率。这些特性包括：由控制信道支持的高速下行共享信道；自适 应调制( q p s k & 1 6 q a m ) 和速率匹配；n o d eb 的共享媒体高速访问控制 ( m a c h s ) 。 2 1 第二阶段：增强h s d p a 在3 g p pr 6 中进行了说明，将引入天线阵列处理技术以提高峰值数据 速率至3 0 m b p s 。引入的新技术主要包括：面向单天线移动通信一采用基于 波束成形技术的智能天线，以及面向2 到4 天线移动通信采用多输入多 输出技术。 3 ) 第三阶段：h s d p a 进一步演进 最后，第三阶段将引进新型空中接口，增加平均比特率。o f d m 技术 和6 4 q a m 调制的引入将使峰值速率达5 0 m 以上。主要的新特性包括：结 合更高调制方案和阵列处理的正交频分复用物理层；具有快速调度算法的 m a c h s o f d m ，根据空中接口质量为每一用户设备选择专用予载波，从 而优化传输性能；作为控制实体的多标准m a c ( m x ，m a c ) ，以实现正交 频分多址( o f d m a ) 和码分多址( c d m a ) 信道间的快速交换。 随着h s d p a 技术的成熟和发展，其良好的应用前景和平滑的演进能 力正在引起越来越多人们的热切关注。作为后3 g 时代的主流技术之一， 很多人甚至将h s d p a 称为3 5 g 技术。目前，很多移动运营商都在高度关 注它的进展，n t td o c o m o 更是已经计划在2 0 0 5 年推出h s d p a 服务。大 多数w c d m a 厂家对于h s d p a 的研发都非常积极，其中以上海贝尔阿尔 卡特为首的部分厂家的商用无线产品在硬件上己经完全具备了此功能，只 需要简单的软件升级即可实现h s d p a 。而早在2 0 0 3 年初，朗讯贝尔和高 通已经先后推出支持h s d p a 的终端芯片组。终端设备开发商的快速跟进 也使得支持h s d p a 的手机将于年内面世。此外，各大设备厂家也正在与 终端设备开发商和芯片设计公司协商研发时间表，以便进行互操作试验。 第7 页 电子科技大学硕士学位论文 1 2 2h s d p a 的优势 h s d p a 的优势体现在以下三种具体技术上： 自适应传输技术：根据移动信道的衰落时变特性，自适应地选择 传输参数，在信道情况好的情况下，提供高的传输速率；而在信 道情况差时，降低输出速率，提高抗干扰的鲁棒性。采用自适应 传输技术的优点是在维持数据业务的特定q o s 要求的准则下，提 高系统的平均频带利用率和传输速率，从而提高系统容量。可供 选择的物理层传输参数包括发射功率的水平、传输的符号速率、 调制方式( 星座图的点数) 、信道编码的码率，或是以上参数的任 意组合。 混合自动重传请求：所谓自动重传请求( a r q ：a u t o m a t i c r e t r a n s m i s s i o nr e q u e s t ) 就是一次数据传输失败时就要求重传的 种传输机制。在无线传输环境下，信道噪声和由于移动性带来的 衰落以及其他用户的干扰使得信道传输质量较差，为了保证通信 质量，就必须对数据分组加以保护，这种保护主要采用前向纠错 ( f e c ：f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ) 编码，即在分组中传输额外的比 特开销。显然，过多的前向纠错编码会使传输效率变低。因此， 一种新的混合差错控制方案h a r q 即a r q 和f e c 相结合的方案 应运而生。h a r q 不但可以灵活地调整有效编码速率，还可以补 偿由于采用链路适配所带来的误码，从而大大提高系统性能。 h s d p a 将a m c 和h a r q 技术结合起来就可以达到更好的链路自 适应效果。 t u r b o 码的应用：尽管自适应调制编码较之非自适应方案大约可以 提供大约2 0d b 的功率增益，但是离理论上的香农信道容量极限仍 然有1 1d b 的差距。而t u r b o 码由于其优异的纠错性能在高斯白噪 声信道( a w g n ) 下可以获得逼近香农极限的性能，在3 g 中，被 采纳为数据传输的信道编码方案。t u r b o 码所具有的功率有效和频 带有效的优异特性结合自适应传输技术，将为在衰落信遭下实现 高速数据传输开拓一条新途径，成为下一代无线通信系统中实现 高速多媒体通信的核心方案。 第8 页 第一章引言 1 2 3h s d p a 的主要发展方向之m - - m i m o 较之传统的单输入单输出系统而言，多输入多输出系统通过引入多个 发射天线，或多个接收天线来提高传输速率和获得分集增益。由于在发射 端采用多个发射天线，因此存在一个如何将要传输的数据流合理地映射到 各个发射天线的问题。m i m o 系统的空时二维信道特性将对最终的映射准 则起着决定性的作用，正如信噪比对选择自适应调制编码最终的模式一样， 合理的映射准则不应该是固定的，而应该是根据信道的特性自适应地调整。 将白适应技术和m i m o 技术结合在一起可以突破传统s i s 0 系统的信道容 量的限制，获得更高的传输速率，在下一代的高速无线传输系统中将有着 广泛的应用前景。 m i m o 系统在发射端和接收端使用多个天线，通常采用了空间复用技 术。传输的数据流被分开，为了检测这些空间复用的数据流，必须要有非 相干传播信道、多接收天线和使用干扰消除结构的接收器。通过增加发射 天线的数量，空间复用能够大大地提高峰值数据速率，近似的估算显示天 线的增加和流量的增加成线性关系。为了在h s d p a 中使用m i m o 技术， 必须对快速链路适应机制进行改变以便使用多个数据流。例如，通过多个 数据流每传输时间间隔( t t i ：t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l ) 发射一个单独的 传输块，或在单个数据流上每t t i 发射一个单独的传输块。 1 3 课题来源和本文的工作 本课题来源于深圳市中兴通讯公司基金项目：3 g 移动通信系统中下行 链路性能提升方案研究。 本文作者于2 0 0 3 年进入电子科技大学通信抗干扰国家级重点实验室， 在硕士研究生期间致力于3 g 移动通信系统增强技术的研究。在此期间提 出一系列h s d p a 与m i m o 结合实现的新方案，应用于中兴通讯公司基金 项目中。 本文研究了w c d m a 中h s d p a 下行链路提升的问题。在对现有m i m o h s d p a 技术的理论研究和数学分析的基础上，提出了一些创新技术方案。 经理论推导和仿真证明，这些技术与传统技术相比更加完善，可以更好的 应用到第三代移动通信系统的方案设计中去。 本文的其余部分内容及安排如下： 第9 页 电子科技大学硕士学位论文 第二章分析了o f d m 信号的高峰平比的问题，通过数学推导给出了峰 平比的定义、峰平比的分布、以及输入信号的非周期自相关性与峰平比的 关系。 第三章对现有的峰平比抑制技术进行了分类总结，指出各类技术方案 的优缺点。 第四章分别研究了峰平比抑制技术中的两种重要技术一一限幅法和部 分传输序列法，通过数学推导和计算机仿真，对它们f 的性能、优缺点进行 了分析。作者提出了几种全新的性能更佳的峰平比抑制技术方案，并通过 理论分析和仿真验证证明其正确性。 第五章为全文总结。 第1 0 页 第二章多输入多输出系统 2 1 引言 第二章多输入多输出系统 随着实时多媒体通信、高速i n t e r n e t 接入等数据业务的发展，提高通 信系统的速率和频带利用率已成为急待解决的问题。在无线通信系统中， 提高频带利用率的方法主要有智能天线技术、m i m o 技术、多载波调制及 自适应编码调制技术等。其中，m i m o 技术由于能有效利用多径衰落、极 大地提高系统容量和频带利用率而成为目前国内外通信研究的热点。 m i m o 系统是指在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统。 m i m o 系统的框图如图2 1 所示。 图2 1m i m o 系统的框图 从图中可以看出，比特流在经过编码、调制和空时处理( 波束成行或 空时编码) 后，映射成不同的信息符号，从多个天线同时发射出去；在接 收端用多个天线接收，并进行相应的解调、译码及空时处理。1 9 9 5 年，e m r e t e l a t a r 提出了加性高斯白噪声信道下，单用户m i m o 系统的系统容量。 这篇文章的公式及仿真结果表明，在信道间衰落相