第三代移動(dòng)通信TD-SCDMA系統(tǒng)物理層增強(qiáng)技術(shù)研究.pdf

1、TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access,時(shí)分同步碼分多址)是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織向ITU(International Telecommunication Union,國(guó)際電聯(lián))提交的3G(3rd Generation,第三代移動(dòng)通信)標(biāo)準(zhǔn),是當(dāng)今三大主流3G標(biāo)準(zhǔn)之一。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展和演進(jìn),目前已進(jìn)入大規(guī)模預(yù)商用階段。 TD-SCDMA系統(tǒng)物理層的

2、關(guān)鍵技術(shù)包括：智能天線(xiàn)、聯(lián)合檢測(cè)、信道估計(jì)、上行同步、動(dòng)態(tài)信道分配、接力切換等。這些技術(shù)已日趨成熟和實(shí)用化,并使得TD-SCDMA系統(tǒng)比其他3G系統(tǒng)具有更高的頻譜利用率。然而由于任何一種CDMA系統(tǒng)所具有的自干擾的特點(diǎn),在實(shí)際組網(wǎng)時(shí),依舊存在著同頻組網(wǎng)時(shí)系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量下降等問(wèn)題,需要通過(guò)對(duì)現(xiàn)有物理層相關(guān)技術(shù)的增強(qiáng)和優(yōu)化來(lái)解決。 本文首先簡(jiǎn)要介紹蜂窩移動(dòng)通信的發(fā)展史,描述TD-SCDMA系統(tǒng)物理層的若干關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展和長(zhǎng)期演

3、進(jìn)的過(guò)程。隨后介紹TD-SCDMA系統(tǒng)的物理信道、傳輸模型、信道模型及物理層仿真系統(tǒng)的構(gòu)建。接著研究同頻組網(wǎng)情況下多小區(qū)空時(shí)聯(lián)合處理技術(shù)及其具體實(shí)現(xiàn)方案。由于多小區(qū)空時(shí)聯(lián)合處理消除小區(qū)間強(qiáng)干擾的前提是對(duì)鄰區(qū)信道的精確估計(jì),其后的幾章重點(diǎn)對(duì)多小區(qū)信道估計(jì)算法進(jìn)行大量的研究和分析,分別從以小區(qū)為單位的干擾消除和多小區(qū)聯(lián)合估計(jì)兩種思路提出同頻組網(wǎng)下提高信道估計(jì)精度的若干方法,分別分析算法性能和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。接著提出通過(guò)強(qiáng)徑選擇降低多小區(qū)聯(lián)合信道

4、估計(jì)運(yùn)算復(fù)雜度、增加最大允許的鄰區(qū)強(qiáng)干擾用戶(hù)數(shù)量的方法,進(jìn)一步提高了算法的可實(shí)現(xiàn)性和性能。最后根據(jù)TDD(Time Division Duplex,時(shí)分雙工)系統(tǒng)上、下行鏈路的信道具有對(duì)稱(chēng)性的特點(diǎn),對(duì)聯(lián)合傳輸技術(shù)在TD-SCDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了可行性研究。 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和研究工作包括以下幾個(gè)方面： (1)空時(shí)聯(lián)合處理技術(shù)的改進(jìn)和增強(qiáng)。在TD-SCDMA系統(tǒng)中上行鏈路的接收端采用的是聯(lián)合檢測(cè)和智能天線(xiàn)相結(jié)合的空時(shí)聯(lián)

5、合處理技術(shù)。傳統(tǒng)的空時(shí)聯(lián)合處理技術(shù)采用聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)來(lái)消除小區(qū)內(nèi)其它用戶(hù)的干擾,而小區(qū)間干擾主要通過(guò)智能天線(xiàn)和動(dòng)態(tài)信道分配等手段來(lái)抑制。對(duì)于同頻組網(wǎng)的系統(tǒng),將聯(lián)合檢測(cè)的范圍擴(kuò)大到包括鄰區(qū)強(qiáng)干擾用戶(hù)在內(nèi)的多小區(qū)用戶(hù),提出了多小區(qū)空時(shí)聯(lián)合處理技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方式及需要考慮的問(wèn)題,并對(duì)性能進(jìn)行了仿真和分析。同時(shí)對(duì)基于傳統(tǒng)的低代價(jià)Steiner信道估計(jì)算法在干擾用戶(hù)分布在多個(gè)鄰區(qū)情況下的信道估計(jì)精度進(jìn)行了分析,并指出由于其估計(jì)精度太低,導(dǎo)致多小區(qū)空

6、時(shí)聯(lián)合處理技術(shù)無(wú)法充分發(fā)揮其消除來(lái)自鄰近小區(qū)強(qiáng)干擾的優(yōu)勢(shì)?；谝孕^(qū)為單位的干擾消除信道估計(jì)算法的研究。提出的干擾消除信道估計(jì)方法可分為兩種：一種是基于SIC(Serial Interference Cancellation,串行干擾消除)的信道估計(jì)算法,即先利用傳統(tǒng)的低代價(jià)Steiner信道估計(jì)算法估計(jì)出本小區(qū)用戶(hù)的信道沖激響應(yīng)的初值,以單個(gè)小區(qū)為單位進(jìn)行干擾重構(gòu),將其從用于信道估計(jì)的接收訓(xùn)練序列中加以消除后,對(duì)鄰小區(qū)逐個(gè)執(zhí)行估計(jì)信道

7、沖激響應(yīng),進(jìn)行干擾重構(gòu)和消除該鄰區(qū)信號(hào)的步驟,最后再將串行消除了所有鄰區(qū)干擾的信號(hào)再對(duì)本小區(qū)用戶(hù)進(jìn)行信道估計(jì)。另一種是基于PIC(Parallel Interference Cancellation,并行干擾消除)的信道估計(jì)算法,即以單個(gè)小區(qū)為單位,根據(jù)初次估計(jì)的結(jié)果對(duì)每個(gè)小區(qū)的干擾信號(hào)進(jìn)行干擾重構(gòu),再次對(duì)某個(gè)小區(qū)進(jìn)行信道估計(jì)時(shí),先將其它小區(qū)的干擾一并消除后,再進(jìn)行估計(jì)。從算法原理、信道估計(jì)精度、算法復(fù)雜度以及對(duì)系統(tǒng)性能的影響等方面對(duì)兩

8、種方法進(jìn)行了具體論述。多小區(qū)聯(lián)合信道估計(jì)算法的研究。利用線(xiàn)性估計(jì)及干擾消除理論,從多個(gè)小區(qū)聯(lián)合信道估計(jì)的角度提出了三種多小區(qū)聯(lián)合信道估計(jì)算法。三種算法均通過(guò)重新定義信道估計(jì)矩陣的結(jié)構(gòu),將本小區(qū)用戶(hù)和鄰小區(qū)強(qiáng)干擾用戶(hù)的信道沖激響應(yīng)聯(lián)合估計(jì)。其中,第一種算法基于MF(Matched Filter,匹配濾波)原理；第二種算法基于MMSE(Minimum Mean-Square Error,最小均方誤差)準(zhǔn)則；第三種算法是MS(Multi-St

9、age,多級(jí))信道估計(jì),利用前兩種算法的輸出作為中間結(jié)果,采用數(shù)據(jù)重構(gòu)和干擾消除的思想,得到了更為精確的信道估計(jì)結(jié)果。在介紹了三種算法的原理后,從信道估計(jì)精度、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和對(duì)系統(tǒng)性能影響的角度對(duì)算法進(jìn)行分析?；趶?qiáng)徑選擇的多小區(qū)聯(lián)合信道估計(jì)算法的研究。針對(duì)多小區(qū)聯(lián)合信道估計(jì)算法復(fù)雜度較高、所選的參加聯(lián)合估計(jì)的用戶(hù)數(shù)較少的缺點(diǎn),提出了強(qiáng)徑選擇的方法。先利用低代價(jià)信道估計(jì)算法得到各小區(qū)初始的信道估計(jì)結(jié)果,從中選擇信號(hào)功率較強(qiáng)的強(qiáng)徑信號(hào),然后

10、再利用所選擇的本小區(qū)和相鄰小區(qū)用戶(hù)的強(qiáng)徑信號(hào)進(jìn)行多小區(qū)聯(lián)合信道估計(jì)。由于降低了原有多小區(qū)聯(lián)合信道估計(jì)矩陣的維數(shù),因而在相同數(shù)量用戶(hù)的條件下,大幅減少運(yùn)算量。又由于每個(gè)用戶(hù)信道沖激響應(yīng)長(zhǎng)度減少了,可以引入更多的相鄰小區(qū)強(qiáng)干擾用戶(hù)：同時(shí)按照信號(hào)的多徑強(qiáng)弱來(lái)選擇,突破了按照用戶(hù)選擇的限制,使得系統(tǒng)資源的分配更加合理。分析了信道估計(jì)精度、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度,并分析了小區(qū)間信號(hào)同步和不同步的情況對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 (5)聯(lián)合傳輸技術(shù)的可行性研究。聯(lián)合傳輸

11、技術(shù)利用在TDD系統(tǒng)中上、下行鏈路信道的對(duì)稱(chēng)特性,根據(jù)上行鏈路估計(jì)的信道沖擊響應(yīng)與已知的用戶(hù)擴(kuò)頻序列信息在基站側(cè)預(yù)處理發(fā)送信號(hào),使得在移動(dòng)臺(tái)接收端不必進(jìn)行信道估計(jì),只需與用戶(hù)的擴(kuò)頻序列匹配濾波即可恢復(fù)傳輸信號(hào),因此可有效地降低移動(dòng)臺(tái)的復(fù)雜度；并且在下行傳輸時(shí),不用發(fā)送訓(xùn)練序列,使系統(tǒng)下行傳輸效率有較大提高。本文對(duì)TD-SCDMA系統(tǒng)下行鏈路聯(lián)合傳輸技術(shù)和傳統(tǒng)的聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析,研究了它與智能天線(xiàn)波束賦形技術(shù)的結(jié)合以及對(duì)系統(tǒng)性能