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2D-RAKE接收机分析与仿真pdf

归档日期:07-25       文本归类:地面遥测装置      文章编辑:爱尚语录

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  薹查塑墨 ‘ Abstract communicationisthe ofcellmobile Theenvironment system fading channel theMulti—userand key wireless including Multipath.Thetechnology airinterfaceistocancelorrestraintheMulti—accessinterference ofIMT-2000 traditionaltime processing interference(MPI).The (MAI)andMultipath can the as and1D—RAKEreceiver such equalizer improve technology since canrestraintheMPIintime are receiver domain,but qualitythey they isa in can effectivetotheMAI.Smartantenna NOT hotspotrecentlyyears;it itrestrainsinterferencein domain thereceiver since space improve quality the informationof it much fullyusingspacedistributing signal,butrequests elementswhentherearemoreI nterference its moreantenna Signals,and isaffectedthe ofDOA.Sothevector availability by distinguishing equalizer timeand domain isthe inthe perfecttechnology combing space processing mobilecommunication advanced system. channelisthe channelinwide—band Thewireless frequency-selective the bandisoften than mobilecommunicationthen system,andsignal bigger the receiverisoneofthe thechannelbandfor speed.RAKE key highsignal can inCDMAwide—band becauseRAKEreceiver technologies system differentandcombinethem the each path togetherusing distinguish the receiverintime cancancel correlation strong domain;BeamForming multi—useraccess beamformercan spacedomain,the interference(MUAI)in atthedesireduser’S nulltothe formbeam a 2D-RAKE first interferenceusers.This receiver,it paperbringssimple the ofantenna BeamFormer output arrayusing canceling weighed-combine MAIin foIlowthisschemecombinesthedesireduser’S the domain,as space is inIMT-2000 MRCintimedomain.Ittherealizablescheme multipathusing forits the receivertothe simplexes。weappliedseparatedspace·time W—CDMA behaveexcellentfeature the MAIthan uplink,it cancelingstrong RAKE traditionalreceiver.Considerforthe estimationof highcomplex this also anew space—timeweights.Inpaper,webring scheme,it simplifying ¨ 英文摘要 theestimationof both and simplify space—timeweightsby spatialtemporal showitcan obviousdimensionreduce compression.Theoryanalyzing get losssmall in SlNR. drop only asymptotic 2D—RAKEreceiverhasa forI MT-2000because goodcompatibility IMT-2000all thesmartantennaand channelforcoherent support pilot q detection.Inthis wealsoresearch therealizationof2D-RAKEreceiver paper 诛 inmobiledevice antenna the applying compact using array throughanalyzing antenna feature. array signal’Sspace—correlation words:2D—RAKE Key receiver,W—CDMA,Smart 术语表 术语表(字母顺序) 缩写 英文全称 III文仝称 1-W0DimensionalF乇AKE 2D.RAKE 二维多径分集 BF BeamFOrmi 波束成型 ng h BER BitErrorRate 误鸺率 BPSK PhaseShift 二进制柏移键控 V Binary Keying 。 CDMA CodeDivision Access码分多址 Multiple of DOA DirectionArrivaI 波达力‘向 EGC Gain 等增益合并 Equal Combining Estimationof Parameters ESPRIT Signal 借助旋转不变技术估计信号 viaRotaUonaIlnvariance参数 Techniques FDD Division 频分双T FmquencyDuplex FDMA Division 频分多址 FrequencyMultiple Access LandMobile FPLMTSFuturePublic 未来公众陆地移动通信系统 Telecommunication system GBSB Based 几何甲.反射 GeometricallySingle Bounce GBSBCMGBSBCircularModeI 几何单反射凼周模型 GBSBEMGBSB Model 几何甲.反射椭圆模型 Elliptical GSM Global forMobile 全球移动通信系统 System Communication Mobile lMT-2000International 国际移动通信2000 -re}lecommunication一2000 MobileStation—Base 双模式宽带扩频蜂窝系统移 lS一95 Compatibility StandardforDual—mode 动台与笨站兼容性标准 Wideband SpreadSpectrum Cellular Systems ITU InternationaITelecommunication国际电信联盟 Union MAI AccessInterference Multiple 多址干扰 MEM MaximumMethod 最大熵方法 Entropy IV 术语表 Filter 匹配滤波器 MF Matched MLSE Maximum-Likelihood最大似然J孚列估计 Sequence Estimation MMSE Minimum Error最小均力+误差 Mean—Sequence MPI Interference 多径干扰 Multipath MRC MaximumRatio 最大比合并 Combining MUSlC Classification多重信号分类 MultipleSignal SC Selection 选择式合并 Combining SINR to 信号’j二I:扰噪声功率比 Interference·-plus‘_Noise Signal Ratio SA SmartAntenna 智能天线 SNR toInterferenceRatio 信噪比 Signal TDD Time—Division 时分双T Duplex Code TD—SCDMATimeDivision 时分同步码分多址 Synchronize Division Access Multiple TDL Line 延迟抽头线 Delay Tapped TDMA Time-DivisionAccess时分多址 Multiple ULA UniformLinear 均匀线阵 Array W—CDMAWidebandCDMA 。 宽带码分多址 WSF WeightedSubspaceFitting 加权子窄问拟和 V 目录 目 录 第一章.绪论……………………………………………………………………..1 1.1移动通信技术的发展和CDMA…………………………………………1 1.2IMT一2000及其关键技术…………………………………………………2 1.3导频辅助2D—RAKE接收机的研究背景…………………………………4 1.4本文主要内容…………………………………………………………………….4 第二章.空时信道和空时处理…………………………………………………6 2.1无线移动信道………………………………………………………………6 2.1.1平坦衰落信道………………………………………………………6 2.1.2时间色散信道………………………………………………………………..7 2.2空时信道模型和MlMO系统……………………………………………9 2.2。1空时信道………………………………………………………………………….9 2.2.2 MlMO系统…………………………………………………………………………..13 2.3单时间处理………………………………………………………………..14 2.3.1均衡器和RAKE接收机的区别…………………………………….15 2.3.2传统RAKE接收机及其合并方式…………………………………16 2.4单空间处理………………………………………………………………..22 2.4.1天线阵信号处理……………………………………………………一23 2.4.3DOA估计方法…………………………………………………….27 2.5空时联合处理………………………………………………………………28 2.6智能天线D.RAKE接收机……………………………………………28 第三章.2D.RAKE接收机…………………………………………………………一31 3。12D—RAKE接收机的结构……………………………………………………….31 3.2相干2D—RAKE接收机及其接收特性…………………………………32 3_2.1空时信道和接收数据模型………………………………………….32 3.2.2最优SINR…………………………………………………………36 3.2.3 BER性能………………………………………………………….37 VI 目录 3.3接收机算法简化方案……………………………………………………38 3.3.1简化原理………….1:...………………………………………………38 3.3.2时域压缩…………………………………………………………….39 3.3.3空域压缩……………………………………………………………42 3.4空间相关特性及实现终端2D.RAKE接收的可行性研究………………44 3.4.1阵列空间相关系数………………………………………………..45 3.4。2小尺度紧凑天线阵数值结果………………………………………47 第四章.仿真链路及其性能…………………………….:……………………48 4.1WCDMA仿真链路………………………………………………………..48 4.1.1仿真模块介绍………………………………………………………48 4.1.2核心模块介绍………………………………………………………………….50 4.1.3仿真环境参数设置和假设…………………………………………51 4.2性能分析………………………………………………………………………52 4.3结论…………………………………………………………………………………………55 第五章.工作总结与展望…………………………………………………………56 参考文献…………………………………………………………………………………..57 攻读硕士学位期间发表的学术论文……………………………………………60 致谢………………………………………………………………………………………………….60 。 重庆邮电学院硕士论文 第一章.绪论 1.1移动通信技术的发展和CDMA 移动通信的发展可以追溯到20世纪20年代,一开始它仪出现在实验室和 军事领域。到70年代初,美国贝尔实验窜提出蜂窝系统的概念和理论之后,移 动通信才开始投入商}Ij和民用,并在近20年来得到飞速的发展。从世界上各地 区的通信网发展状况来看,数字移动通信系统在移动通信网络Ilt已经占到绝对 丰导地位。 数字移动通信系统在公众通信业务方面的戍川,按频率范同可划分为900 MHz频段的全球移动通信系统GSM(GlobalofMobile)、1800MHz System 利-数字移动通信系统。 /GSM是迄今为止设计出来的最成功的无线通信系统,甚至可以说它与 无线通信的全球普及有着非常密切的关系。它在20世纪80年代末期 由ETSI规定,已经取得了世界范用内的普及。它混合采川TDMA和 FDMA技术作为多址方式,采JlJFDD的双_T方式(频分双.T)。 /IS一95是‘‘种码分多址(CDMA)系统,即直接序列扩频系统,并附加 带;双.T是在频域实现的。在每个频段内,业务信道、控制信道和导 频信道川它们不同的扩频码子(码片序列)区分。码片速率为1。2288 Mc/s。 移动通信要面临的’。个首要的问题就是如何解决大量JlJ户共川有限的无线 频率资源,这就是通过多址方式来实现的。蜂窝移动通信系统白面向商JHj化以 来一直采川技术高度复杂的频谱复JB方法。为了使信号仪在要求通信的两者之 间传输而不受其它用户的影响,就必须选用适当的天线和多址方式,目前应用 较多的是FDMA、TDMA和CDMA等三种多址方式。 电话系统标准以来,CDMA技术在蜂窝移动通信领域得到了迅速的发展。图1.1 是CDMA技术的基本原理。随着lS-95的广泛研发和应刚,导致CDMA技术 成为第三代移动通信系统IMT-2000的皋本框架。口前,--矛1丰流的标准 一第1页一 重庆邮电学院硕士论文 z◆型 图1.1CDMA码分多址扩频技术基本原理 1.2IMT.2000及其关键技术 第三代移动通信的由来可以追溯到80年代。1985年■时国际电信联盟 (ITU)的尤线电咨询委员会(CCIR)看到作为第,‘代蜂窝移动通信系统的各 种模拟制式的移动通信技术已经迅速推广使川,欧洲已着手制定作为第二代的 数字蜂窝移动通信技术标准,于是提出了‘。项远期的研究课题:“未来公众陆地 PublicLandMobile 移动通信系统FPLMTS’’(Future MHz 动通信.2000),其tp 年左右投入商J{J运营。IMT-2000的主要日的是要达到全球化、综合化和个 人化,具体要求是: /统一。频段,统一标准,提供全球无缝覆盖和全球漫游的移动通信业务; /提供话音和非话音业务,特别是多媒体业务; /传输速率最高达2Mbps,其一l-室内环境下为2Mbps,窜外步行条件下 达到384 Kbps,车载达到144Kbps= /便于由第二代移动通信系统演进和过渡; /要求移动终端设备的价格较低廉。 和第二代相比,第三代CDMA空tI-接口具有更大的带宽和切普速率,支持 多速率服务、分组交换、复扩展、无缝隙越频切换及双向链路的快速功率控制, 并引入导频信道和川户专川导频符号支持自适应天线阵和相干接收,以获得相 对于单天线dB的性能增益。 为获得优于第二代的容量和覆盖性能和服务于运营的灵活性,即支持最高 数据率为2Mbps的多媒体业务,乃至·‘次连接提供多个并行服务,支持异步皋 站、分层小区和业务量集一l一的热点地区的不同蜂窝配置,支持对智能天线页一 ‘ 重庆邮电学院硕士论文 Jlip检测等先进技术的可扩展性,第三代CDMA空中接13可采川下述的RAKE 多径分集、变长正交码字、多速与变速传输、快速功率控制、差错编码和矢量 均衡等技术。 /1.2-1初始同步技术与RAKE多径分集技术 CDMA通信系统的初始同步包括PN码同步、符号同步、帧同步和扰码同 步等;移动通信是在复杂的电波环境下进行的,如何减弱多径哀落现象是移动 通信的另‘笨本问题,如果信号带宽较大,我们可以把时问能够分辨出的多径 进行合并,从而减弱多径造成的影响,这种技术成为RAKE分集接收技术。 /1.2.2变长正交码子 相同带宽上的不同信息速率导致采川多个扩频因子的多速率传输,而正交 扩频总能提供优于扩展的用户容量,冈此,下行链路…般采刷对多个扩展冈子 保持正交性的变长正交码子。 具有图1.2所示树状结构的变长正交码子,其码子树中不仪同层码子相互 正交,而且不同层巾任意两个无母子关系的码子也是正交的。如将码子C8(1) C32(4),…)不能冉分配给同‘小区内申请更低或高速率的其它JlJP,冈此,变 长正交码子的可川个数依赖于每个物理信道的数据率和扩展冈子。 C8(¨ … C(2) l c‘1卜¨’1’1’¨{ l C:(i)2{i,l l C“3) h(2)-{lI..I-l}l l 。…一…………I….c。(9一一 ‘c..-业.j…_【,u一.1 c。(5) l C.(3)={l。一1.1,一l}I一一~……+…—— L—一。一——…一——’一…—“1c:·c_·,=:t-,‘·t·—--,-,【.监 图1—2变长正交扩展码子的码子树 /1.2.3快速功率控制 皋十SIR测量的快速功率控制,可依据业务的高低和信道环境(包括路径 损失、阴影与远近效应及多径干扰)的好坏,实时调整上下行链路的发射功率, 从而降低对其它小区用户的多址干扰,并补偿远近效应的影响。 接收方通过导频和数据符号的相干分集接收可测量出SIR,并与口标值(取 一第3页一 ‘ 重庆邮电学院硕士论文 决于质量要求)袖比,即可判定发送方每问隔’‘定时问(如W-CDMA的0.625ms 结果以控制信息的形式通知发送方。显然,SIR的测量时问与误差及日标SIR 的取值,限制可快速功率控制的速度和精度。 /1.2.4差错控制编码 对质量和延迟要求不同的语音和数据传输.需要采川纠错能力不等的信道 编码(包括交织),如对语音业务可以使川码率为1/3、约束长度为9的卷积码, 10{的误码要求。■然对高速高质量服务,亦可采川10-e--10刁误码率条件下 接近香农容量的Turbo码(如码率为1/4,约束长度为4),以及柏应的迭代译 码算法,尽量更高的编码增益要求更高的计算复杂度与译码延迟。 /1.2.5矢量均衡 矢量均衡的理想形式,即为多川户收发空时联合处理。多川户检测、智能 天线、多径分集、发射分集与收发信机联合优化的综合应川,决定未来的蜂窝 通行系统可获得突出的矢量处理增益,以及覆盖、用户容量和服务质量的明显 改善。矢量均衡技术与空时域联合处理将在第二章Il-详细讨论。 1.3导频辅助2D—RAKE接收机的研究背景 现有的各利·空时联合处理方案,尽管允分幂rJ JlJ了信号的内在空时结构特性, fFl通常具有较高的计算复杂性,较长的收敛时问(包括各种辅助信息的测量时 间),另外,均衡器的抽头更新算法,往往还存在部分收敛性。冈此,能够直接 依赖导频测量空时多径信道参数的2D.RAKE接收机是··利·能够在近期内直接 应川于第三代CDMA空fl接口的空时处理方案。 考虑到相干检测具有3dB的性能增益,冈此,导频辅助相干2D.RAKE接 cdma2000均支持导频辅助相干RAKE接收机,以及对智能天线本文主要内容 本文的丰要内容及安排如下: 第二章详细介绍空时域处理。丰要包括:1.空时信道模型,为了直观的引 入矢量信道,采川先简单介绍传统的标量信道,然后引入空时信道;2.传统的 单时问域处理和单空问域处理方法:3.智能天线D.RAKE接收机。 第三章讨论分析2D—RAKE接收机。先从·‘般接收机的机构出发,推导了 一第4页一 ’ 重庆邮电学院硕士论文 在SINR最优准则下的权值矢量表达式,进·‘步分析了BER解析表达:考虑到 2D-RAKE接收机巨大的计算负荷,提出…种分别从空问域和时问域肤缩的简化 方法,该方案在牺牲很小的SINR渐进特性的情况下使得计算复杂度显著的降 低;最后,给出了一‘种在考虑空问相关时在终端采JfJ2D.RAKE接收机的紧凑 天线阵的性能。 第四章建立了WCDMA上行链路麟站2D—RAKE接收机的仿真链路,在此 罐础上分析了WCDMA接收机的关键模块。获得了SPW软件仿线D.RAKE接收机比传统的RAKE接收机有较大的性能改善,能很好的 对抗多川户干扰。 第五章总结论文取得的成果,提出导频辅助2D—RAKE接收机是‘‘利-非常 有效的接收方案。 一第5页一 ‘ 重庆邮电学院硕士论文 第二章.空时信道和空时处理 关于无线通信的自适应阵列技术的最新研究农明,使川自适应阵列(智能 天线)和空时处理,可以有效的提高通信系统的性能和容量,并抑制同信道干 扰和煤质干扰,获得抵抗多径多址哀落的空问和时问分集。 本章同绕智能天线CDMA蜂窝尤线通信系统,首先简单介绍传统无线衰落 信道及由此引出在阵列天线理论tl·起关键作川的空时信道和MIMO系统,描述 传统的单时问、单空问处理的皋本方法和原理,分析两者的优缺点由此引出可 以获得更高传输质量而进行空时二维处理的必要性,简介常川的二纬处理的宽 带智能天线D—RAKE接收机。 2.1无线移动信道 传输信道的特性很大程度上决定了宽带系统的性能。冈此,需要对宽带(色 散)尢线信道有。个较深的理解。 2.1.1平坦衰落信道 在讨论宽带信道之前,让我们先扼要介绍·‘下平坦哀落信道的特性。在’‘ 个平坦哀落信道llI,接收信号y(t)等于发送信号x(t)乘上一个时变哀减Q(t),在加 上一个噪声项n(t)【3】。 y(f)=a(t)x(t)+玎(f) (2.1.1.1) 这个时变的哀减就称为衰落。实验和理论分析都表明,它通常服从瑞利 (Rayleigh)分布: 彬(咖暑.cxp【-鲁】,0_aoo (2.1.1.2) 这坐,o是高斯过程的方差。它成立的条件是存在大量统计独立的散射体, 并且没有‘个散射体占丰导地位。如果有~个散射体占丰导地位【通常成为 (LOS)分量】,则a服从莱斯(Rice)分布,其概率密度函数如下: (2.1.1.3) 硝(咖暑侧一瓦tz2+刊A2纵净0_aoo 一第6页一 这里Io(×)是第。‘类零阶修正贝赛尔函数。其巾,参数A是占辛导地位分量 o 的信号幅度;莱斯参数Kr被定义为A2,(22)。多径传播还会造成柏移。如果幅 度是瑞利衰落的,则相移是0,--,2瓢之问的均匀分布,且与幅度分布相互独立。 如果幅度是莱斯衰落的,则幅度和相位的联合概率密度寒士为: 贼心翮=刍cxp(-生乏笋型) (2.1.1.4) 它是从实际测量重总 另1‘类虑J1J比较多的幅度分布是Nakagami—m分布, 结出米的,其概率密度函数如下: Z,.-I唧(一告口2) (2.1.1.5) 贼(咖亓2∥{Qm,)m 这里Q10,m,1/2。对于m--1,此分布退化为瑞利分布。 移动台的运动会导致接收信号的频率发牛偏移(多普勒效应)。如果发射信 号是,。个频率为fo的正弦波,则接收信号在一fovlcffov/c内的频谱是: w)∞而l (2.1。1.6) 瑞利衰落和莱斯衰落被认为是小尺度衰落,它描述的是大约10个波长范围 内的变化。实验表明小尺度平均幅度F服从对数正态分布: 蜊耻丽1.exp【_鼍乒】 汜∽ 这里uF是In(F)郇J均值,0F为In(F)限J方差。均值丰要由笨站和移动台之 问的路径损耗决定;方差通常在4--一8dB之间。 2。1-2时问色散信道 信号衰落产生的机理:信号成分(回波)在不同的物体上反射并或多或少 地叠加上随机的相移。为解释平坦衰落,假设所有回波都在同一时问达到,因 此可以直接相加而得到y(t)。严格说来,反射信号的传播时问是不…样的,如 图2.1所示那样,只有那些被分布在同…个椭圆上的物体反射信号才会在同一 时问达到接收机。 一第7页一 重庆邮电学院硕士论文 图2-1散射体椭圆示惫图 在实际中,我们可以把限制放宽一点:如果接收机的带宽是W,当△.r I/W时,接收机不能区分出在.r和T+△T之问的反射信号。分布在一个面 包罔形状区域内的物体导致的反射波,其传播距离在c0.c和C0(T+△.c)之间, 可以看做是“有效地”同时达到地,天此可以将它们直接相加。这样,我们就 可以把冲iIi响虑在时间上分成宽度为△.c地小问隔,在每‘个小问隔内分别计 算反射信号的总和。如果在每个面包圈形状的区域内散射体的数几足够多且没 有丰散射体,则在每··个小问隔里,其幅度都服从瑞利分布。我们近。‘步定义 最小延迟为雉站和移动台之问的直射信号的传播时问,即dMs.Bs/co,最大延迟 为从皋站到移动台通过最远散射体(尤其是那些对信道冲t响应有影响的散射 体)的信号传播时间。最大延迟和最小延迟之问的差称为最大超量延迟Tm觚。 这样就从时域角度给出了窄带系统和宽带系统的一个数学上的描述:如果 一个系统带宽的倒数1AN比最大超量延迟Tm双大得多,则此系统就是一个窄 带系统。在这种情况下,所有的回波都会落到同一个延迟间隔里,这个延迟问 隔的幅度是a(t)。反之,如果回波落在不止一个小的问隔里,就是‘‘个宽带系 统。这个定义也解释了宽带信道的时问色散的含义。在~个宽带系统坐,接收 信号与发送信号的形状是不同的,而在,‘个窄带系统里,它们则是棚同的(不 考虑噪声的影响)。 通常描述宽带时问色散信号的理论是非常复杂的。这里,我们只介绍几种 描述频率选择性衰落的参数,一些参数已经发展成了标准,其tII最重要的是延 bandwidth) fading,意味着哀落与频率有关),并且可以川相干带宽(Coherence

  GB 50068-2018 建筑结构可靠性设计统一标准-标准 .pdf

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