（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）idma系統(tǒng)同步技術(shù)研究.pdf

摘要 摘要 i d m a 是一種新興的無(wú)線接入技術(shù)，其具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。已成為第四代移動(dòng)通 信( 4 g ) 的熱門候選標(biāo)準(zhǔn)之一，近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)。 在i d m a 技術(shù)的各項(xiàng)研究當(dāng)中，上行同步技術(shù)為研究難點(diǎn)之一。本文由此出發(fā)， 對(duì)i d m a 系統(tǒng)的同步技術(shù)進(jìn)行了研究。 首先本論文研究了采樣時(shí)偏對(duì)于i d m a 系統(tǒng)性能的影響。我們建立一個(gè)異步 i d m a 系統(tǒng)上行鏈路模型，系統(tǒng)中不同用戶具有隨機(jī)時(shí)偏。以此來(lái)研究采樣時(shí)偏對(duì) 于i d m a 系統(tǒng)性能的影響。理論分析證明，采樣時(shí)偏會(huì)將碼間干擾( i s i ) 和多址 干擾( m a j ) 引入到傳統(tǒng)i d m a 檢測(cè)算法中，進(jìn)而引起系統(tǒng)比特誤碼率性能損失。 同時(shí)，我們還對(duì)不同程度的時(shí)偏對(duì)于系統(tǒng)性能影響進(jìn)行評(píng)估，從而為同步機(jī)制的 研究和設(shè)計(jì)提供了性能參考。 然后，本論文提出一種無(wú)數(shù)據(jù)輔助同步技術(shù)。通過(guò)對(duì)s n r v a r i a n c e 技術(shù)的理論 分析，將其應(yīng)用于z p i d m a 系統(tǒng)中以完成時(shí)間捕獲。在基站端( b s ) 我們可以通 過(guò)接入用戶的平均方差對(duì)其時(shí)偏進(jìn)行估計(jì)，然后基于反饋環(huán)路返回相應(yīng)的用戶端 進(jìn)行發(fā)射時(shí)間調(diào)整。由此，完成無(wú)數(shù)據(jù)輔助方式時(shí)間捕獲過(guò)程。但是研究發(fā)現(xiàn)， 無(wú)數(shù)據(jù)輔助同步方式在應(yīng)用于用戶端高速移動(dòng)場(chǎng)景時(shí)，性能受限。因此在此方面， 還有很多工作要做。 最后我們將c d m a 系統(tǒng)中使用的p n 碼輔助同步方式，應(yīng)用在i d m a 系統(tǒng)中。 通過(guò)對(duì)p n 碼捕獲機(jī)制和早遲門同步器的改進(jìn)，我們?nèi)匀粚⒒径? b s ) 估計(jì)的 時(shí)偏通過(guò)反饋環(huán)路返回用戶端進(jìn)行處理。取得了不錯(cuò)的性能。但是同時(shí)犧牲了系 統(tǒng)容量。 i d m a 系統(tǒng)的同步是i d m a 技術(shù)的難點(diǎn)之一，仍然需要很多人的繼續(xù)努力。 關(guān)鍵詞：同步，i d m a ，無(wú)數(shù)據(jù)輔助，p n 碼，時(shí)間校正 a b s t r a c t a b s t r a c t a san e w m u l t i p l ea c c e s st e c h n i q u e ，i n t e r l e a v e - d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ( d m a ) h a sb e c o m eac a n d i d a t ef o ra i ri n t e r f a c eo ff o r t hg e n e r a t i o n ( 4 g ) m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m sd u et oi t sp a r t i c u l a ra d v a n t a g e s i th a sb e c o m eo n eo ft h eh o tr e s e a r c ha r e a e si n r e c e n ty e a r s a m o n gt h er e s e a r c ht o p i c sa b o u ti d m a ，t h eu p l i n ks y n c h r o n i z a t i o ni sa l w a y st h e h a r di s s u e b a s e do nt h i sc i r c u m s t a n c e ，w et a k es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e so fi d m a s y s t e m sa s0 1 1 1 r e s e a r c ht o p i ci nt h i st h e s i s a tf i r s t ，t h ee f f e c to fs a m p l e - t i m i n ge r r o ro nt h eb i t e r r o r - r a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c e o fi d m as y s t e m si ss t u d i e di nt h i sp a p e r w ec o n s t r u c ta na s y n c h r o n o u si d m as y s t e m m o d e lt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fs a m p l e t i m i n ge r r o rc a u s e db yt h ea s y n c h r o n o u s t r a n s m i s s i o nf r o md i f f e r e n tu s e re n d s ( u e s ) o nt h eb e rp e r f o r m a n c ei nu p l i n k t h e t h e o r e t i ca n a l y s i ss h o w st h a t s a m p l e - t i m i n ge r r o rc a ni n t r o d u c eb o t hi n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i s da n dm 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 di n t ot h et r a d i t i o n a ld e t e c t i o n a l g o r i t h mt od e g r a d et h es y s t e mp e r f o r m a n c eg r e a t l y a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e t h es a m ec o n c l u s i o n a tt h es a m et i m e ，w ee v a l u a t et h ee f f e c to fd i f f e r e n ts a m p l e - t i m i n g e r r o ro ns y s t e mp e r f o r m a n c ei no r d e rt og e tt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sf o rt h eu p l i n k s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e s f o rt h e u p l i n ks y n c h r o n i z a t i o ni s s u e ，w ep r o p o s ean o n d a t a - a i d e dt i m i n g a c q u i s i t i o ns c h e m e b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fs n r v a r i a n c et e c h n i q u e ，w e a p p l yt h i ss n r - v a r i a n c ee v o l u t i o ni nz p - i d m as y s t e mf o rt i m i n ga c q u i s i t i o n i nt h e b a s es t a t i o n ( b s ) ，w ed e t e c tt h ea v e r a g ev a r i a n c eo ft h ea c c e s s i n gu s e rt oe s t i m a t et h e c o r r e s p o n d i n gt i m i n g o f f s e ta n dr e t u r ni tt oi t su s e rt r a n s m i t t e rf o rc a l i b a r a t i o n h o w e v e r , w ea l s o f i n dt h a tt h i st i m i n ga c q u i s i t i o ns c h e m ei sh a r dt oa p p l yi nt h e 1 1 i g h s p e e d - v e h i c l es i t u a t i o n s w h i c hs h o u l db ee x p l o r e di nt h ef u t u r ew o r k s i nt h i st h e s i s ，w ea l s os t u d yt h ep n a i d e ds y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ew h i c hh a sb e e n a p p l i e di ni d m a a f t e rm o d i f i c a t i o na b o u tt h et i m i n ga c q u i s i t i o na n de a r l y d e l a y - g a t e ， w es t i l lc o n s t r u c taf e e d b a c kb e t w e e nb a s es t a t i o na n du s e re n d sf o rt i m i n gc a l i b r a t i o n a b s t r a c t w h i c hp e r f o r m sw e l lb ys i m u l a t i o n h o w e v e r , t h es y s t e mc a p a c i t yi ss a c r i f i e dd u et ot h e s y s t e mr e s o u r c ea l l o c a t e df o rt h ep i l o t es i g n a l ，w h i c hi s t h ec o m p r o m i s ef o rs y s t e m d e s i g n t h es y n c h r o n i z a t i o no fi d m as y s t e m ss t i l li st h ed i f f i c u l ta n di m p o r t a n tt o p i ci n t h i sa r e a ，a n dw en e e dd e v o t em o r eo nt h i sr e s e a r c h k e yw o r d s ：s y n c h r o n i z a t i o n ，i d m a ，n o n d a t a - a i d e d ，p nc o d e ，t i m i n gc a l i b r a t i o n i i i 圖目錄 圖目錄 圖2 1 傳統(tǒng)c d m a 系統(tǒng)的發(fā)射及迭代接收結(jié)構(gòu)7 圖2 - 2i d m a 系統(tǒng)的發(fā)射及迭代接收結(jié)構(gòu)8 圖3 - 1 異步i d m a 系統(tǒng)框圖1 7 圖3 2 仿真中對(duì)于用戶k 的成型和采樣處理1 8 圖3 - 3 基帶成型濾波器沖擊相應(yīng)1 9 圖3 4 理想情況下由奈奎斯特第一定律得到的最佳采樣點(diǎn)2 0 圖3 - 5 同步i d m a 系統(tǒng)幀內(nèi)部時(shí)序2 1 圖3 6 異步i d m a 系統(tǒng)典型時(shí)序2 2 圖3 - 7 當(dāng)起始采樣點(diǎn)處于不同時(shí)刻是異步i d m a 系統(tǒng)b e r 性能，2 7 圖3 - 8 接收端不同的迭代次數(shù)而產(chǎn)生的b e r 性能比較，2 7 圖3 - 9 不同用戶的性能比較，用戶5 為同步用戶2 8 圖3 - 1 0 不同程度采樣時(shí)偏對(duì)系統(tǒng)性能影響，2 8 圖4 一li d m a 迭代接收機(jī)模型3 0 圖4 - 2z p 技術(shù)示意圖3 4 圖4 - 3s n r 與v a r i a n c e 的迭代更新3 7 圖4 - 4 帶有時(shí)偏校正模塊的異步i d m a 系統(tǒng)框圖4 0 圖4 - 5 系統(tǒng)中應(yīng)用的升余弦成型濾波器，滾降系數(shù)為r = 0 5 4 2 圖4 - 7 時(shí)偏與平均方差之間的關(guān)系4 7 圖4 - 8 接收信號(hào)u ( f ) 的特性曲線4 8 圖4 - 9t e 模塊框圖4 9 圖4 - 1 0 基站端接收到的“u ”型曲線，兩個(gè)周期。5 1 圖4 - 11 上圖信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器之后波形5 2 圖4 - 1 2 理想同步系統(tǒng)，異步系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)時(shí)偏校正系統(tǒng)b e r 性能比較。5 4 圖4 - 1 3t e 模塊框圖5 4 圖4 - 1 4 直接型i i r 濾波器5 5 圖4 1 5 工i r 濾波效果5 6 圖4 - 1 6t e 模塊r t l 級(jí)原理圖5 6 圖4 1 7t e 模塊輸出估計(jì)時(shí)偏5 7 圖5 一lm 序列的自相關(guān)函數(shù)5 9 圖5 2s i n c 基的p n 碼自相關(guān)函數(shù)6 0 圖5 - 3 用戶k 的抽象層次6 1 圖5 4p n 碼輔助方式系統(tǒng)發(fā)射機(jī)模型6 1 圖5 - 5i d m a 接收機(jī)框圖6 2 圖5 6 時(shí)間捕獲過(guò)程6 3 圖5 - 7 積分周期為5 1 2 時(shí)，捕獲概率曲線6 4 圖5 - 8 積分周期為4 0 9 6 ，捕獲概率曲線6 4 v i 圖目錄 圖5 - 9c d m a 系統(tǒng)中的早遲門同步器6 5 圖5 1 0e ( r ) 的波形6 6 圖5 1 1 基于反饋調(diào)整的早遲門同步器6 7 圖5 1 2 經(jīng)過(guò)同步校正之后的b e r 性能與理想系統(tǒng)性能比較6 8 v 表目錄 表目錄 表4 1 時(shí)間控制比特編碼映射5 0 表4 2 不同用戶的捕獲性能5 2 表4 3 不同信噪比下時(shí)間捕獲性能5 3 表4 4t e 模塊硬件開(kāi)銷5 7 表5 1 改進(jìn)后的早遲門追蹤性能6 7 v i 縮略詞表 縮略詞表 英文縮寫英文全稱中文釋義 3 g t 1 1 i r dg e n e r a t i o n第三代移動(dòng)通信系統(tǒng) 4 gf o u r t hg e n e r a t i o n第四代移動(dòng)通信系統(tǒng) a p pap o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y 后驗(yàn)概率 a w g na d d i t i v e 訛t eg a u s s i a nn o i s e 加性高斯白噪聲 b e rb i te r r o rr a t e 誤比特率 b sb a s es t a t i o n 基站 b p s k b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g二進(jìn)制相移鍵控 c d 隊(duì)c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 碼分多址 c p c y c l i cp r e f i x循環(huán)前綴 c s ic h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n信道狀態(tài)信息 d e cd e c o d e r 譯碼器 e m e x p e c t a t i o n m a x i m i z a t i o n最大期望 e m u d e l e m e n t a r ym u l t i u s e td e t e c t o r基本多用戶檢測(cè)器 e s e e l e m e n t a r ys i g n a le s t i m a t o r 基本信號(hào)估計(jì)器 f d d f r e q u e n c y d i v i s i o nd u p l e x i n g 頻分復(fù)用 f d e f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n頻域均衡 f e cf o r w a r de r r o rc o d e前向糾錯(cuò)編碼 i d m ai n t e r l e a v e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 交織分多址 i s 一9 5i n t e r i ms t a n d a r d9 5 暫時(shí)標(biāo)準(zhǔn)9 5 i s i i i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e符號(hào)間干擾 j g c j o i n tg a u s s i a nc o m b i n g 聯(lián)合高斯合并 l d p cl o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k低密度校驗(yàn)( 碼) l l r l o g - l i k e l i h o o dr a t i o對(duì)數(shù)似然比 l l r cl l r c o m b i n g 對(duì)數(shù)似然比合并 l m m s el i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r線性最小均方誤差 l sl e a s ts q u a r e 最小二乘方 m a i m u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e 多址干擾 m a pm a x i m u map o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y 最大后驗(yàn)概率 m i m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 多輸入多輸出 m i s o m u l t i p l ei n p u t s i n g l eo u t p u t多輸入單輸出 m m s em i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r最小均方誤差 m r c m a x i m a lr a t i oc o m b i n i n g 最大比合并 m s em e a ns q u a r ee r r o r 均方誤差 i x 縮略詞表 m u dm u l t i u s e td e t e c t i o n 多用戶檢測(cè) m u i m u l t i u s e ti n t e r f e r e n c e多用戶干擾 o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x正交頻分復(fù)用 p d fp r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n 概率密度函數(shù) p n p s e d u o n o i s e偽隨機(jī) q p s kq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g 四進(jìn)制相移鍵控 s i n r s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o信干噪比 s i s os o f ti ns o f to u t 軟入軟出 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o信噪比 t d m at i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 時(shí)分多址 t rt i m er e v e r s a l 時(shí)間反轉(zhuǎn) 時(shí)分雙工時(shí)間反轉(zhuǎn)交 t d r i d m at i m e - d i v i s i o nd u p l e x i n g r e v e r s a li d m a 織分多址 t d s c d m at i m e - - d i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d e - d i v i s i o n時(shí)分同步碼分多址 m u l t i p l ea c c e s s u e su s e te n d s 用戶終端 w c d m aw i d e b a n dc o d e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 寬帶碼分多址 z pz e r op a d d i n g 零后綴 x 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地 方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含 為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說(shuō)明并表示謝意。 虢二牛嗍m 口年6 月鉬 論文使用授權(quán) 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文 的規(guī)定，有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁 盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或 掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名： 斗 第一章緒論 1 1 研究背景 第一章緒論 在最近的幾十年中，伴隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)、前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)、計(jì)算 機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)以及信息技術(shù)的飛速發(fā)展，極大地促進(jìn)了無(wú)線通信技 術(shù)的發(fā)展。無(wú)線蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了三代，近幾年研究人員已經(jīng)開(kāi)始將 研究重點(diǎn)放在3 g 的長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃( l t e ) 和對(duì)第四代移動(dòng)通信的研究當(dāng)中。 目前，三種主要的3 g 標(biāo)準(zhǔn)c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 、t d s c d m a 均采用碼分 多址技術(shù)，所以c d m a 技術(shù)一直是人們研究的熱點(diǎn)。從t d m a 、f d m a 到c d m a ， 多址技術(shù)一直是個(gè)人通信領(lǐng)域，尤其是基于蜂窩架構(gòu)的無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中的關(guān) 鍵技術(shù)之一。理論分析與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)均證明了基于非正交時(shí)頻資源的c d m a 能夠取 得比正交時(shí)頻資源的時(shí)分多址和頻分多址更高的頻譜效率【1 ，基于此優(yōu)點(diǎn)c d m a 技術(shù)成為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)( 3 g ) 的核心技術(shù)，該技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。目 前在3 g 系統(tǒng)中采用的是直接序列擴(kuò)頻( d s s s ：d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 技 術(shù)，這種d s c d m a 系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中并沒(méi)有完全發(fā)揮出c d m a 在容量上的潛在 優(yōu)勢(shì)。在c d m a 系統(tǒng)中由于用戶位置及接入的隨機(jī)性，使得用戶間很難做到嚴(yán)格 正交，從而引起各用戶間相互干擾，即多址干擾( m a i ) 。隨著c d m a 系統(tǒng)容量 的擴(kuò)大，m a i 問(wèn)題目益嚴(yán)重，影響到3 g 及未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)容量及頻譜效率的進(jìn) 一步提高；因而多用戶檢測(cè)技術(shù)成為當(dāng)前和未來(lái)移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。如何 提高檢測(cè)效率同時(shí)降低由于系統(tǒng)龐大帶來(lái)的算法功率消耗，是研究人員的研究熱 點(diǎn)問(wèn)題。 近幾年來(lái)研究人員對(duì)迭代多用戶檢測(cè)進(jìn)行了廣泛的研究 2 】- 9 】。從1 9 9 6 年起， 編碼多用戶檢測(cè)技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注，提出了使用不同交織圖案區(qū)分不同用 戶的思想。基于信息論的理論分析表明當(dāng)整個(gè)帶寬都用于編碼的時(shí)候，可以獲得 最佳的多址接入信道容量 1 0 1 1 3 。由此，交織分多址( i d m a ：i n t e r l e a v e d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 的概念在0 2 年由香港城市大學(xué)的李平教授提出，簡(jiǎn)稱為交織多址 技術(shù) 1 1 1 6 。其目的在于以較低的復(fù)雜度解決c d m a 移動(dòng)通信系統(tǒng)中日益嚴(yán)重 的多用戶干擾問(wèn)題。自i d m a 的概念提出以來(lái)，世界各國(guó)的研究人員在用于交織 多址技術(shù)的編碼、迭代多用戶檢測(cè)算法 1 1 一 1 6 ，功率分配方法 1 7 】，信干噪比的 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 演化評(píng)估算法 1 8 ，交織器的設(shè)計(jì)及選擇【1 9 】 2 0 ，性能評(píng)估 2 1 - 2 4 等方面進(jìn)行了 很多的研究工作，積極的推廣了i d m a 技術(shù)的應(yīng)用前景。在i d m a 系統(tǒng)中，交織 器作為區(qū)分用戶的唯一手段，對(duì)不同的用戶采用不同的交織圖案，因此交織器在 系統(tǒng)中起到與c d m a 系統(tǒng)中的正交碼異曲同工的作用。同時(shí)交織器的應(yīng)用把 c d m a 系統(tǒng)里面的擴(kuò)頻碼所使用的全部帶寬釋放出來(lái)用于信道編碼，或者將擴(kuò)頻 器放在編碼器和交織器之間。而此時(shí)擴(kuò)頻碼的功能只是頻譜擴(kuò)展，并且所有用戶 可以使用同一個(gè)簡(jiǎn)單擴(kuò)頻碼，這就避免了隨著用戶數(shù)的增加擴(kuò)頻碼也隨之增長(zhǎng)的 困境。交織器輸出序列的相鄰碼片間相關(guān)性被性能良好的交際器打亂，從而使逐 碼片( c h i p b y c h i p ) 的迭代多用戶檢測(cè)得以實(shí)現(xiàn)，這也是i d m a 的關(guān)鍵所在 1 1 1 5 。i d m a 系統(tǒng)繼承了c d m a 系統(tǒng)的許多優(yōu)勢(shì)，特別是在抗干擾性能和抗多 徑衰落方面。在一定意義上，可以這樣理解，交織多址屬于碼分多址，但它與傳 統(tǒng)的碼分多址( d s c d m a 或m c c d m a ) 又有所不同，其特點(diǎn)可以歸納為 11 一 17 2 5 2 6 1 ) i d m a 是碼片級(jí)交織( c h i p 1 e v e li n t e r l e a v i n g ) ，內(nèi)含了與比特交織編碼調(diào)制 ( b i c m ) 相同的機(jī)制，所以具有與b i c m 相同的優(yōu)點(diǎn)，即更高的分集階數(shù)( d i v e r s i t y o r d e r b 2 ) 沒(méi)有經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻處理，不同用戶使用了不同的交織圖案，即通過(guò)不同交織方 案來(lái)識(shí)別用戶。作為用戶特征的交織圖案可以由隨機(jī)交織器生成，不同的用戶采 用不同的生成“種子 即可，從而避免了c d m a 系統(tǒng)中由于用戶數(shù)增大而帶來(lái)的 正交碼備集空間不足的可能； 3 ) i d m a 多用戶檢測(cè)的計(jì)算復(fù)雜度隨用戶數(shù)量呈線性增長(zhǎng)，特點(diǎn)適用與無(wú)線通 信的上行鏈路，易于實(shí)現(xiàn)； 4 1i d m a 具有高的頻譜效率、高的數(shù)據(jù)傳輸效率和低功耗等。 另外，作為一種多址接入技術(shù)，i d m a 還可以與m i m o ，o f d m 等技術(shù)相結(jié)合。 近年來(lái)，許多研究人員在此方向上做了研究。文獻(xiàn) 2 7 提出了m i m o i d m a 傳輸 方案，該方案充分發(fā)揮天線的分集增益，從而進(jìn)一步增強(qiáng)i d m a 的工作性能。文 獻(xiàn) 2 8 - f 3 0 提出了o f d m i d m a 傳輸方案，二者緊密結(jié)合能達(dá)到克服多址干擾和 符號(hào)間干擾，并且提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率的目的。 上述研究工作主要集中于交織多址技術(shù)的信道估計(jì)、交織器設(shè)計(jì)、功率分配、 及其應(yīng)用方面，并且也主要集中在上行鏈路的多用戶檢測(cè)方面。這些研究都無(wú)一 例外的假設(shè)所研究系統(tǒng)為同步i d m a 系統(tǒng)。但是在實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)中，由于基站和用 戶端在地理空間及通信時(shí)間上的不確定分布，我們很難保證其準(zhǔn)確同步，所以 2 第一章緒論 i d m a 系統(tǒng)上行鏈路的同步是一個(gè)棘手的問(wèn)題。 1 2 研究意義 由于目前研究人員普遍認(rèn)為上行鏈路的同步是i d m a 系統(tǒng)研究的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn) 題，所以國(guó)內(nèi)外關(guān)于此研究的進(jìn)展不大。但是i d m a 系統(tǒng)可以看成c d m a 系統(tǒng)的 一種特殊情況，所以一些研究人員從異步c d m a 系統(tǒng)的研究角度出發(fā)來(lái)獲取研究 i d m a 同步的靈感。對(duì)于i d m a 系統(tǒng)的上行同步，同樣可以分為兩個(gè)過(guò)程分別研 究：時(shí)間捕獲和定時(shí)追蹤。時(shí)間捕獲的目的在于將不同用戶的碼片周期精確到一 個(gè)碼片周期之內(nèi)。研究表明對(duì)于多用戶接入系統(tǒng)，不好的時(shí)間捕獲方法將嚴(yán)重降 低系統(tǒng)容量【3 1 。澳洲國(guó)立大學(xué)的研究人員m a r k r e e d 和z h e n n i n gs h i 提出了一種 基于時(shí)間相關(guān)器的時(shí)間捕獲方法 3 2 。這種方法將i d m a 看做是d s c d m a 系統(tǒng) 的變形，即將d s c d m a 系統(tǒng)中交織單元和擴(kuò)頻單元的順序互換。這種方法同時(shí) 將時(shí)間捕獲和i d m a 的軟信息干擾抵消技術(shù)相結(jié)合，在高用戶互干擾的場(chǎng)景下， 即用戶數(shù)與擴(kuò)頻增益相等的場(chǎng)景下取得了不錯(cuò)的捕獲效果。但是此方法由于采用 了矩形成型波，所以不存在接收端多用戶的最佳采樣點(diǎn)偏移而帶來(lái)的碼間干擾。 而在實(shí)際工程中，矩形成型波不具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。與此同時(shí)，他們還研 究出一種優(yōu)化的i d m a 異步接收機(jī)制 3 3 ，該接收機(jī)從檢測(cè)策略上對(duì)i d m a 做了 改進(jìn)，從而達(dá)到了不使用保護(hù)時(shí)隙也能避免塊間干擾的目的。但是基于傳統(tǒng)的 d s c d m a 的定時(shí)同步技術(shù)有其自身的局限之處： 1 ) 對(duì)于d s c d m a 系統(tǒng)，每個(gè)用戶采用不同的偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼，而這些擴(kuò)頻碼 在解決同步問(wèn)題之時(shí)又起到了關(guān)鍵作用，可以認(rèn)為偽隨機(jī)序列為各用戶自帶的信 息。所以偽隨機(jī)序列的引入在沒(méi)有損失系統(tǒng)容量的情況下為解決c d m a 的定時(shí)同 步提供了數(shù)據(jù)輔助機(jī)制。而對(duì)于i d m a 系統(tǒng)，不同的交織圖案起到了區(qū)分不同用 戶的作用。但是由于交織圖案產(chǎn)生的準(zhǔn)正交特點(diǎn)，在接收端由碼片級(jí)恢復(fù)定時(shí)信 息很難實(shí)現(xiàn)。若在i d m a 系統(tǒng)中加入偽隨機(jī)序列，則損失了系統(tǒng)容量； 2 ) 由于i d m a 接收機(jī)中使用的逐碼片聯(lián)合檢測(cè)機(jī)制，使其對(duì)很小的定時(shí)誤差 非常敏感。同時(shí)也正是由于這種特殊的檢測(cè)機(jī)制，我們很難在接收端將每個(gè)用戶 抽出分別進(jìn)行同步捕獲和追蹤，因此，c d m a 中的同步機(jī)制應(yīng)用與i d m a 時(shí)會(huì)有 一定的性能差距。 從以上的介紹可知，國(guó)內(nèi)外對(duì)于i d m a 系統(tǒng)的定時(shí)同步的研究基本處于停滯狀 態(tài)。尤其對(duì)于在使用帶限的升余弦成型波時(shí)，由于基站和移動(dòng)臺(tái)在地理空間和通 3 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 信時(shí)間上的隨機(jī)分布，而造成的接收端碼片異步的情況的研究更是無(wú)人涉及。由 于i d m a 的特殊傳輸機(jī)制以及碼片級(jí)迭代檢測(cè)機(jī)制，i d m a 系統(tǒng)具有高頻譜效率， 高傳輸速率，高系統(tǒng)容量以及低功耗的特點(diǎn)。尤其是迭代檢測(cè)機(jī)制的應(yīng)用使i d m a 與c d m a 相比，其優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)在上行鏈路中。與信道估計(jì)，均衡一樣，上行鏈 路的同步技術(shù)也是i d m a 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要素之一。本論文便由此出發(fā)，來(lái)研究i d m a 系統(tǒng)上行鏈路的同步技術(shù)。 1 3 論文貢獻(xiàn) 論文研究課題來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金重大專項(xiàng)“未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)與技術(shù)研 究”，子課題“充分利用空間資源的無(wú)線通信傳輸理論；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 “t d r i d m a 傳輸方法研究”；國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目“具有交織多址的x x x x x 研究 。 本文的主要研究工作在于探討i d m a 系統(tǒng)上行鏈路的定時(shí)同步相關(guān)問(wèn)題。通過(guò) 建立科學(xué)的系統(tǒng)模型，通過(guò)系統(tǒng)仿真的方式，對(duì)定時(shí)誤差對(duì)系統(tǒng)性能的影響，同 步機(jī)制等方面進(jìn)行了研究。本文的主要貢獻(xiàn)如下： 1 ) 研究了碼片級(jí)定時(shí)誤差對(duì)i d m a 系統(tǒng)性能的影響。由于i d m a 特殊的檢測(cè) 機(jī)制，整倍碼片的定時(shí)誤差對(duì)于系統(tǒng)性能影響可以看做多徑效應(yīng) 1 3 。而真正產(chǎn)生 性能損失的是一個(gè)碼片周期之內(nèi)的定時(shí)誤差。本論文對(duì)定時(shí)誤差產(chǎn)生的原因做了 分析，同時(shí)分析了定時(shí)誤差對(duì)于i d m a 檢測(cè)機(jī)制的影響，并通過(guò)仿真給出了在不 同程度的定時(shí)誤差的條件下系統(tǒng)性能的損失以及定時(shí)同步技術(shù)應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)； 由于i d m a 系統(tǒng)不含偽隨機(jī)序列，則最好的定時(shí)同步機(jī)制應(yīng)為在不加入任何數(shù)據(jù) 輔助信息的條件下恢復(fù)出定時(shí)信息。由此作為出發(fā)點(diǎn)，本文通過(guò)對(duì)z p i d m a 系統(tǒng) 信道參數(shù)矩陣的分析，找到接收端s n r 與用戶平均方差v a r i a n c e 之間的關(guān)系，從 而建立一種無(wú)數(shù)據(jù)輔助的盲捕獲機(jī)制。通過(guò)仿真，該機(jī)制可以獲得良好的捕獲概 率； 2 ) 研究了傳統(tǒng)的基于p n 碼輔助的同步機(jī)制在i d m a 系統(tǒng)中的應(yīng)用。建立基 于定時(shí)信息反饋環(huán)路的系統(tǒng)模型，利用在信道估計(jì)中加入的導(dǎo)頻信息，完成上行 鏈路同步。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出了在不同能量的導(dǎo)頻輔助條件下，系統(tǒng)獲得的不同 捕獲概率及虛警概率。文章還對(duì)傳統(tǒng)的早遲門同步器進(jìn)行改進(jìn)，從而使其可以應(yīng) 用在i d m a 系統(tǒng)中； 3 ) 對(duì)無(wú)數(shù)據(jù)輔助同步方法和p n 碼輔助同步方法進(jìn)行比較和分析，分析其各自 4 第一章緒論 問(wèn)題及相互優(yōu)勢(shì)，指出今后可能的應(yīng)用場(chǎng)景。 1 4 論文結(jié)構(gòu) 本論文共分為六章，全文的結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章：緒論。本章首先闡述了論文工作的研究背景，回顧并且分析了i d m a 的提出背景及其國(guó)內(nèi)外目前的研究現(xiàn)狀。根據(jù)現(xiàn)有的研究現(xiàn)狀，指出了i d m a 還 有有待進(jìn)一步研究的空間，從而為論文的研究方向奠定了基礎(chǔ)。隨后闡述了論文 的研究目的及其研究意義。最后給出了論文的主要研究?jī)?nèi)容、主要貢獻(xiàn)及其結(jié)構(gòu) 安排。 第二章：i d m a 系統(tǒng)簡(jiǎn)介。本章介紹i d m a 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。另外，本章簡(jiǎn)要 分析了i d m a 系統(tǒng)的基本工作原理，并且將i d m a 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與c d m a 系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)進(jìn)行了相比。在介紹i d m a 系統(tǒng)基本工作原理時(shí)，重點(diǎn)分析了i d m a 系統(tǒng)的逐 碼片迭代多用戶檢測(cè)機(jī)制。最后，文章對(duì)i d m a 系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。 第三章：i d m a 系統(tǒng)定時(shí)同步研究現(xiàn)狀及采樣時(shí)偏對(duì)系統(tǒng)性能影響。本章首先 介紹國(guó)內(nèi)外i d m a 系統(tǒng)定時(shí)同步研究現(xiàn)狀，對(duì)定時(shí)同步研究仍然存在的問(wèn)題進(jìn)行 總結(jié)。然后定義采樣時(shí)偏概念，對(duì)采樣時(shí)偏對(duì)檢測(cè)機(jī)制的影響進(jìn)行分析。最后通 過(guò)蒙特卡洛仿真，給出不同程度采樣時(shí)偏下i d m a 系統(tǒng)的不同誤碼率特性。同時(shí) 給出定時(shí)同步應(yīng)達(dá)到的量化目標(biāo)。 第四章：i d m a 系統(tǒng)同步技術(shù)研究一一無(wú)數(shù)據(jù)輔助方法。本章首先介紹 z p i d m a 系統(tǒng)，即全零后綴交織多址系統(tǒng)，并對(duì)z p i d m a 系統(tǒng)的傳輸矩陣進(jìn)行 分析，從而得到i d m a 接收機(jī)中e s e 的近似表達(dá)式。然后引出s n r v a r i a n c e 技術(shù)。 通過(guò)數(shù)學(xué)證明的方法將s n r v a r i a n c e 技術(shù)應(yīng)用在i d m a 的時(shí)間捕獲當(dāng)中，搭建系 統(tǒng)模型，得到仿真結(jié)果。列舉出此方法的問(wèn)題與難點(diǎn)，指出未來(lái)的研究難點(diǎn)。最 后對(duì)關(guān)鍵模塊進(jìn)行硬件電路實(shí)現(xiàn)。 第五章：i d m a 系統(tǒng)同步技術(shù)研究_ p n 碼輔助方法。本章首先對(duì)p n 碼輔 助同步方法的原理進(jìn)行闡述。然后分別介紹p n 碼輔助方法在i d m a 系統(tǒng)中的應(yīng) 用：捕獲和追蹤。最后對(duì)兩種不同的p n 碼輔助方法進(jìn)行比較。通過(guò)搭建系統(tǒng)模型， 蒙特卡洛仿真，得到仿真結(jié)果。 第六章：總結(jié)。本章是全文的最后一部分。由于i d m a 系統(tǒng)的同步仍然是未來(lái) 研究的難點(diǎn)所在，而本章所做工作比較基礎(chǔ)，故未來(lái)還有很多棘手的問(wèn)題需要解 決。該章給出了全文已有工作的總結(jié)及其未來(lái)可能的研究方向和展望。 5 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 ld m a 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 本章將首先簡(jiǎn)要分析i d m a 系統(tǒng)的基本工作原理，并且將i d m a 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 與c d m a 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析了i d m a 系統(tǒng)的逐碼片迭 代多用戶檢測(cè)。 2 1id m a 系統(tǒng) 2 1 1 ld m a 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 由于i d m a 可以看成d s c d m a 系統(tǒng)的特殊變形，所以本節(jié)從傳統(tǒng)的c d m a 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)講起，進(jìn)而介紹i d m a 系統(tǒng)，從而更加明顯的表述i d m a 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特 點(diǎn)以及與傳統(tǒng)c d m a 系統(tǒng)的不同之處。 為了方便說(shuō)明，圖2 1 給出了傳統(tǒng)c d m a 系統(tǒng)的發(fā)射及迭代接收結(jié)構(gòu) 3 4 ；圖 2 2 給出了i d m a 系統(tǒng)的發(fā)射及迭代接收結(jié)構(gòu) 1 3 。 如圖2 1 所示，在c d m a 系統(tǒng)中，發(fā)射端的用戶數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)前向糾錯(cuò)編碼， 然后送入交織器，最后經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)。在接收端接收信號(hào)首先經(jīng)過(guò)一組 相關(guān)器( 解擴(kuò)器) ，然后進(jìn)行迭代檢測(cè)，其中涉及兩個(gè)功能模塊，一個(gè)是基本多用 戶檢測(cè)器( e m u d ：e l e m e n t a r ym u l t i u s e rd e t e c t o r ) ，另一個(gè)是一組譯碼器( d e c ) 。 前向糾錯(cuò)編碼約束和各用戶碼字間相關(guān)性的約束是接收端需要考慮的兩種不同約 束，其中用戶波形間的準(zhǔn)正交性帶來(lái)了m a i 。基本多用戶檢測(cè)器和譯碼器分別處 理多址干擾和前向編碼。基本多用戶檢測(cè)器在處理多址干擾時(shí)不考慮編碼約束， 其輸出軟信息送入譯碼器中，譯碼器利用編碼約束及不同的譯碼規(guī)則作進(jìn)一步處 理，而此時(shí)譯碼器不考慮各用戶碼字間相關(guān)性約束。譯碼器的輸出反饋到基本用 戶檢測(cè)器中用于改善在下一次迭代中用到的估計(jì)值。迭代到一定的次數(shù)或滿足一 定的迭代準(zhǔn)則后，將譯碼器的軟輸出值作硬判決輸出，得到判決信息比特。 在迭代檢測(cè)器中，每個(gè)d e c 只處理相應(yīng)用戶的數(shù)據(jù)而忽略其他用戶的數(shù)據(jù)。 因此，我們?cè)诳紤]計(jì)算復(fù)雜度時(shí)可以忽略譯碼器的影響。另一方面，e m u d 采用 多用戶聯(lián)合處理方法來(lái)處理所有用戶的信息。假設(shè)系統(tǒng)并發(fā)用戶數(shù)為k ，采用普 通的最小均方誤差( m m s e ：m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) 算法時(shí)，對(duì)單個(gè)用戶而 6 第二章i d m a 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 言，多用戶檢測(cè)的算法復(fù)雜度是o ( x 2 ) 。而如果采用最大比合并( m r c ： m a x i m a l r a t i o c o m b i n i n g ) 算法，對(duì)單個(gè)用戶而言，多用戶的算法復(fù)雜度也達(dá)到 了o ( l k ) ，其中l(wèi) 為多徑信道的記憶長(zhǎng)度。我們可以看到，當(dāng)k 很大時(shí)，復(fù)雜度 將變的十分棘手。 另外，c d m a 系統(tǒng)的一個(gè)不可忽視的問(wèn)題是容量。在多小區(qū)環(huán)境下，c d m a 有很多優(yōu)勢(shì)，但是在單- d , 區(qū)中，由于c d m a 是一個(gè)自干擾系統(tǒng)，其容量受限于 m a i 。 d ，：編碼器卜一交織器，卜一擴(kuò)頻器， 用戶終端1 多址 墨u 編碼器l 一布細(xì)輿k l 一一擴(kuò)桶昱墾k 1 接入 信道 ki 一一。1 i “”一i 用戶終端k 互 一 i 鈕奪鲴1i 一相關(guān)器i譯碼器 一 i 腫人；、1r 一 l 1 ! 交織器1 基本多 用戶檢 最 譯碼器 l 解交織k 測(cè)器 相關(guān)器ok - 一亦壹口 堪1 ， | l ，7 i ) 二j 、自哥k ，一 k 基站接收端 圖2 - 1 傳統(tǒng)c d m a 系統(tǒng)的發(fā)射及迭代接收結(jié)構(gòu) 因此，如何解決容量和復(fù)雜度自然就成為了人們的探索的方向，i d m a 也就應(yīng) 運(yùn)而生。i d m a 系統(tǒng)去掉了c d m a 系統(tǒng)中用來(lái)區(qū)分用戶的正交擴(kuò)頻碼字，而采用 不同的交織器區(qū)分不同的用戶，同時(shí)采用低碼率的編碼，在提高頻譜效率的同時(shí) 也提高了編碼增益。接收端也省去了c d m a 中的解擴(kuò)部分，同時(shí)簡(jiǎn)化了多用戶檢 測(cè)方法，從而降低了接收機(jī)的復(fù)雜度。 假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)中有k 個(gè)用戶，i d m a 系統(tǒng)的發(fā)射及接收器的結(jié)構(gòu)如圖2 2 所示。 用戶k 的輸入數(shù)據(jù)序列鞏經(jīng)過(guò)低碼率編碼器c ，產(chǎn)生編碼序列 c k = q ( 1 ) ( ) 吼( ，) 7 ，其中j 為幀長(zhǎng)。然后將c k 送入交織器鞏生成序列 x k = k ( 1 ) ( ) 稚( ，) 】r 。仍然按照c d m a 的習(xí)慣，我們稱妒的x k ( j ) 為碼片。 r ( ，) ) 為接收端的接收信號(hào)。接收信號(hào)送入基本信號(hào)估計(jì)器( e s e ：e l e m e n t a r y s i g n a le s t i m a t o r ) ，e s e 利用接收到的信道觀測(cè)值和其他碼片的先驗(yàn)信息得到x k ( j ) 7 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 的對(duì)數(shù)似然比外信息錳( 矗( 朋。不同的用戶僅僅利用不同的的交織圖案進(jìn)行區(qū) 分。 圖2 - 2i d m a 系統(tǒng)的發(fā)射及迭代接收結(jié)構(gòu) i d m a 的關(guān)鍵是不同用戶的交織器鞏必須各不相同，假設(shè)這組交織器是獨(dú)立和 隨機(jī)的。在理想情況下，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)交織器后，交織器輸出序列相鄰碼片間近似無(wú) 關(guān)，同時(shí)不同用戶的信息經(jīng)過(guò)不同交織，從而使逐碼片的迭代多用戶檢測(cè)得以實(shí) 現(xiàn)，這也是i d m a 的關(guān)鍵所在 1 3 】，這一特性將有助子下面即將要討論的i d m a 逐碼片迭代多用戶檢測(cè)。 在性能和復(fù)雜度上考慮，i d m a 是一種合適的空中接口方案，尤其對(duì)于上行鏈 路而言。其優(yōu)點(diǎn)為： 1 ) 性能上：i d m a 具有很好的功率和頻譜效率。很短的塊或幀長(zhǎng)度可以適用 于i d m a 中。配合導(dǎo)頻輔助的信道估計(jì)，可以支持移動(dòng)臺(tái)很高的運(yùn)動(dòng)速率以及載 波偏移； 2 ) 復(fù)雜度上：首先發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，符合移動(dòng)臺(tái)對(duì)功率的要求。在基站