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一种TD-SCDMA系统线性多用户检测算法的仿真实现


第 2卷 第 5 6 期  20 0 8年 1 0月 

石河子大学学报 ( 自然科学版 )   Ju a o S iei nvr t( a rl c n e or l f h z U i sy N t a Si c ) n    h   ei u   e  

Vo . 6 No.  12   5 Oc .2 0   t 08


文章编号 :0778 (080 . 4.6 10.33 20 )5O 20  6



种 T — CD D S MA 系统 线 性 多 用户检 测  算 法 的仿 真 实现 
曹传东 , 张卫东 
( 石河 子大学信息科学与技术学院 ,新疆 石河子 820 ) 303 

摘要 : 基于笔者提 出的一种适用于 T -C M DS D A系统 的最小 均方误差 准则 次优线性 多用 户检测算 法 , 文结合 T - 本 D 

SD C MA系统特性设计实现 了该算法 的仿真 实验 , 并利用 自行开发的 T .C M DS D A协议仿真实验工具 软件进行 了大量  仿真实验 , 从仿真实验 中获得 了影响算法收敛复杂性 的几个 关键 因素。仿真结 果亦表 明该算法 在性能 、 杂度方  复
面均具有优 势。   关键词 : 仿真 ; 能分析 ; 性 最速梯度下降法 ;多用户检测 ; 时分 同步码分多址  中图分类号 : N 2  T 99 文献标识 码 :   A

根据 笔者在 文 献 [] 1 中提 出的 利用 最 速 梯 度 下 

红外 无线 点 对点通 讯 的分 布式 协 同计 算 模 式 的 T . D  SD C MA协 议仿 真实验 工具 软件 , 并利 用 该 工具 仿 真  实现 了算 法 , 同时 对其性 能 做 了分 析 比较 。  

降法实现的一种基于最小均方误差准则的次优线性  多 用户检 测算法 , 以及文 献 [ ,] 出的最 速梯 度 下  23 给

降法理论上的复杂度分析, 本文将侧重 阐述如何针 
对 T .C M DS D A系统物 理 层 协议 的具 体 特 性 , 计 和  设 实 现该算 法 的仿 真 实验 方案 。笔者 的最 速梯 度下 降  法 变步长 迭代式 为 :  
∞ + = + ( —Y k   七Y k ,   l    七  () )()   () 1  

1 T —C M   D S D A协 议仿 真 概 述 
1 1 协议 帧结构  .
由我 国提 出的 T .C MA标准 的空 间接 口基 于  DS D

3P G P的基 本概 念 , 分为 三层 : 物理 层 、 路 控 制层 和  链 无线 资 源控 制层 ( 又称 网络 层 ) 。其 中物理 层帧结 构  如 图 l 示分 4层 : 帧 、 线 帧 、 帧 和 时 隙/ 。 所 超 无 子 码   每 个超 帧 长 70 s由 7 个 无线 帧组 成 , 个无线 帧  2m , 2 每

式 () , ( ) ( ) 。 1 中 Y k  k ≠0 

() 2 

长 1m , 2个 5 s的子帧 构成 , 0 s由 m 每个 子帧 由 7 主  个 时隙 ( 度 65s分 别 为 s, 长 7f , r0   一,S) 3个 特  T6和 殊 时隙 : 下行 导 引时 隙 ( w T )上行 导 引 时 隙 ( p D PS 、 U 

式() ) 2 中, 是非常接近 l 比 1 , 但 小的常数 , 为迭   。
代 步长初 值 。  

系统模型见文献 [ ] 1 中图 1 。上述方案的可行  性, 特别是变步长因子的设计是否合理 , 需通过仿真  实 验获得 验 证 。为 此 , 对 T .C M 系统 在 多 种  要 D SD A
信 噪 比条 件下 、 多 径瑞 利 衰 落 信 道模 型 的误 码 性  经

) 和保护时 隙( P 构成 。每个时 隙的信号都是  G)
以突发 脉 冲 (us 的形 式发 送 的L 。 br) t 4    J 图 1中的主 时隙突 发 ( us) 由 2个 32个 码  br 又 t 5

片组 成 的 数 据符 号 区 、 个 14个 码 片 的训 练 序 列  1 4 和1 1 个 6个码 片 的保 护 区组成 , 中训 练序 列 供联  其 合 检测 时 做信道 估计 用 。  

能和算法在各种不 同步长因子设计方案下的收敛性 
进 行大 量仿 真实验 , 过权 衡折 中选 取最 佳方 案 。 通   为方 便进 行 多人 多机大 量重 复性 、 自动化 的 、 分 

1 2 协 议 仿 真 要 求  .
为 了构 建 T .C MA发射 端 、 收 端 的 数字 基  DS D 接 带 系统 P C仿真 实验平 台 , 实现 对 T  C M DS D A协议 的 

布式的仿 真计算 , 笔者采用 M t b混合高级语言编  aa L 程 的技 术 。 门开 发 了一套 基 于 Wi os 统 、 专 n w系 d 利用 
收 稿 日期 : O71一 2O.l加 

作者简介 :曾传东 (98 )女 , 16一 , 系统 分析 师 、 高级 工程 师 , 事 网络 与通 信 工程 、 息安 全研 究 ;. a :acunog 6  从 信 em i cohadn @13 l

第5 期 

曹传东 , : 等 一种 T -C M D S D A系统线性多用户检 测算 法的仿真实现 

63 4 

仿 真 目的 , 了要将 上述 帧结 构 解析 清楚 之外 , 除 还需 

12. 信 道编 码  . 1  

要逐一设计实现其在信道编码/ 解码 、 调制/ 解调 、 扩 
频 / 扩等 方 面的技 术参 数及 规格 要 求 , 解 才能够 实 现  与多 用户 检测 相关 的基 带 系统各 功 能模块 。为此 以  下先简 要描 述上 述 各 方 面 协 议规 格 , 后 给 出发 射  然 端 、 收端 的数 字基 带 系统 的整 体 仿 真 框 架 及其 相  接 应 的仿 真过 程 流程 图 。  

T .C M DSD A协议 中信 道 编码 可 为 卷 积 码 、ub  T ro 码 或无 编码 。实 时 业 务 只使 用 前 向纠 错 编码 , 而非  实 时业 务则 联合 使用 前 向纠错 编码 和 自动 重发 。卷  积码 速 率为 12或 13约 束 长 度 为 9T r / /, ,ub 码仅  o编 用 于传 输速 率 超 过 3ki s 非 实 时 业 务 , 率 为  2bt 的 / 速 12或 13交 织深 度分 别为 1/04 / /, 02/0或 8r _   0n 5 sJ 5。

/  t \  
D P S 7 u) P7 u U g S   u) w ' ( s G (  ̄ p r O2 s I 5 5 5  

图 1 T - C MA系统 物理信道 帧结构    DS D

1 2 2 调 制  ..

用 正交 可变 扩频 系数 码 ( V F码 )  OS 。 1 2 5 性 能需 求  ..

T .C MA系统采用 的基 本 调 制 技 术 是 Q S   DS D P K,

但其 2 b/ 业务使用 8S M is t P K调制 , 且其主时隙突发  结 构 中不用 Mi' b dm l , a e码 并且 在 基 带 信 号处 理 时 也  无 需 多户检 测 ( 只需 加均衡 ) 。标 准要求 调 制 的精 度 
不 得坏 于 1 . %。 25  
1 2 3 扩频  ..

按照 1T20 线 传 输 技 术 标准 ,I 求 在  M .00无 rU要 '
室 内环 境 达 到 2 bts 室 外 步 行 环 境 34 bts 室  Mi , / 8 ki , /

外 车 辆 为 14 i s T —C MA 标 准 分 别 对 其  4Mbt 。 DS D /

C anl 、2 hne A B 个信 道模 型给出了相应 的技术规 格 ,    
并 对各 种 业 务 的 性 能 即 平 均 误 码 率 B R E/o 定  E ( b l)
义 了性 能要 求 。  

T .C M DS D A系统 的扩 频 操 作 分 二 步 : 先 用 扩  首 频 码对数 据 信 号 扩 频 ; 二 步 是 将 扰 码 (c m l g 第 Sr bn  a i Cd )H o ̄] N扩 频后 的信 号 中。但 Mi m l码 不 参 与  J d be a
扩频 。  
1. 4 码 组  2.

总结其 B R基本性 能 要求 为 : 音业 务应 小 于  E 语
l~ , O 数据 承载 业务 应小 于 l ~。 O  

13 发射/ 。 接收端数字基带 系统仿真框架 
综 合上 节 中对 仿 真 实现 的各种 要 求 , 得 出 在  可 物理 层 T .C M D SD A数 字基 带 系 统 在 发 射 、 收 端 分  接 别应具 备 的 基本 功 能 框 架 l 如 图 2 3所 示 , 收端  _ 5   J 、 接 复原 数据 的仿 真流 程 如图 4所示 。  

在 1) C M 1. D A系统 中每个 小 区拥有 i 码组 作  S 个
为小 区标 识 。此 种 码 组 共 有 3 2个 。 每个 码 组 由 1   个 SN Y C码 , 个 S N 1 , 扰码 ( 8 Y C 码 4个 用来 区分 小 区  基站 ) 4个 B s   dm l码 组成 。扩频码 序 列采  和 ai Mia be c

信道模型 卜 — PtSa h—  Rk接收 } a  r } h ec _ ae _ — 

解扰  

◆ }    

竺 竺 -  兰 }- 竺 茎   _ !竺 I1   1 _  全 -

笪竺   

I  
图 3 T —C M   D S D A数 字 基 带 系统 接 收端 仿真 框 架 

1. 卜【._ .绀 —.口  . . .刺J 剖.  发_ . 帧 .. .. .‘ .  . 1 Ⅲ . .  .
图 2 T -C M   D S D A数 字 基 带 系统 发 射 端 仿 真 框 架 

石河子大学学报( 自然科学 版)  

第 2 卷  6

接收 端 的仿真 环境 及参数 说 明如下 :  
2 1 1 协 议 仿真发 送 端  ..

由l O个功 能模 块 组成 : 块 I系 统初 始 化 ; 模 , 模  块 2信 道 编 码 ; 块 3 数据 交 织 ; 块 4 Q S , 模 , 模 , PK调  制 ; 块 5O S 模 ,V F扩频 ; 块 6 加 扰码 ; 模 , 模块 7加 同  , 步 ; 块 8加 训练 序列 ; 块 9 叠 加装 帧 ; 块 l, 模 , 模 , 模 O  红 外点对 点发 送 。   ‘  

上述各模块采用的参数设计为可手工动态调 
整, 在仿 真开 始前 由实 验 人员 在 软 件 的 “ 项 ” 单  选 菜 中设 定 , 未做 人工设 定的 参数 其默认 值 如下[ :    ]
图4 _ S D r C MA协 议 接 收 端 仿 真 过 程 流 程   

模块 2 。默认 采用 的 是 ( ,, ) 积 码 , 体参  2 19 卷 具
数为 : R=12 C nt i e g =9b s Cd  eea r / , osa t nt r n E h  i , oegnrt   t o

2 算法 仿 真 实现 
2 1 仿真 实验说 明  .
根 据上 节 的 设 汁 方 案 , 者 基 于 自行 开 发 的  笔 T -C MA系 统 协 议 仿 真  具 软 件 , T .C MA DS D 对 DS D  

pl o i s —ynm txG o ( , ) 5 1 73 。 o nm a   b—  a   Pl k n =[6 ,5 j  y lk i r y

模块 3 。默认 采用 的是 深 度 为 8m 交 织 1 , 0s 次   深 度 :0 s次 , 8m / 交织 模式 C=[,, ,,,,,]  0426 1537 。 模块 4 。默 认采用 Q S PK调 制 。   模块 5 。默认 采用 的 是 8用 户 、 频 比为 l 扩 6的 
OS V F正 交码 , 扩频 码 为 :  

系统采 用最 速下 降 算 法 实 现 了 L MS M E多用 户 检 测  算 法 , 对其 收敛 性 和性能 进行 了分 析 。发送端 、 并  

。 

() 3 

模块 6 。默 认 采 用 的 是 2 2个 Sr beC d s c m l oe 中  a  

分析 ; 模块 l, 外结 果 回传 。 0红   由于 接收 端一部 分仿 真参 数受 限于 发射端 所使  用 的相应参 数 , 因此 本 方 案设 计 为接 收 端 一部 分 默  认参 数取 自发 送 端 通 过 红 外 无 线 点 对 点 传 输 过 来 

的第 一个 c d( B , oe ): I 对应 二 进制 数 (6i) : MB 1bt 为   s
10 1 l     1O 1 0 0 10 l 。       lO l             l 

模块 7 。默 认 采 用 的 是 T —C M 上 、 DS D A 下行 同 

步码组中的第一个 , 分别为 :   S N   oei  w T : 下 行 同 步 码 ) oe: Y C Cd n D PS ( cdO 
7 8 2 E8 E0 6 9 E4B 6 A; 76  

的. A M T参数文件。接收端加信道模型时采用 的初  始化默认参数为: 径的瑞利衰落信道 , 4 默认信噪比 
S NR = 8 B。 d  

S N 1C d  n U P S ( 行 问 步 码 ) oe : Y C  o e i p T : 上   cd0 
7 6A0 F 2 F 6 8 C21 8 A6 7AEE3 DI 9C 9 CC9l 6   5 C。

基 于上 述条件 , 当启动程 序运 行后 , 软件 默认 自   动仿 真 20次 ( 0 可通 过 选 项 菜单 调 整 该 值 ) , 算  后 计

模块 8 。默认 采用 的 Bs   dm l Cd =当前  aiMi be oe c a  
使 用 的 Srm l Cd ( C d0=B 4 )  c b   oe 即 oe a e BB 。 2 1 2 协议 仿 真接收 端  ..

该条件下的平均误码率 , 同时后台写盘保存每次仿  真的相 关数据 ( 数 、 参 中间及结 果值 ) 自动绘制  并
S RB R图。 N .E  

接收端由下述 l 个功能模块组 成 : 0 模块 1信  ,
道模型; 模块 2解 扰码 ; 块 3解扩 频码 ; , 模 , 模块 4多  , 用户检 测 ; 块 5 Q S 模 j PK解 调 ; 块 6 收敛 性 分 析 ; 模 ,   模 块 7解 交织 ; 块 8 解 卷积 码 ; , 模 , 模块 9误 码性 能  ,

2. 仿真实验数据和结果  2
利用笔者 自行开发的协议仿 真工具软件 , 在发  送端经调制后程序 自动绘制 的 Q S PK信号眼图和星  座图如图 5 所示; 程序随机 自动加入 4 径瑞利衰落 

第 5期 

曹传东 , : 等 一种 T -C M D S D A系统线性多用户检测算 法的仿真实现 

65 4 

信道( 由接收端模块 l 实现) 后绘制的多普勒功率谱  图和瑞利衰落包络 图如图 6 所示 ; 接收端 信号眼图   和星座 图如 图 7所 示 ; 块 4中用 最 速 下 降法 实 现  模

的 M D算 法 迭代 次 数 随 权 重值 误 差 收 敛 的趋 势 如  U
图8 示。 所  

图 5 发 送 端 QP K信 号 眼 图 QP K E e 星 座 图 Q S  c t r S S  y 及 P K S at   e

图 6 信 道 多普 勒 功 率 谱 图 D p l   rp o p r a h及 瑞 利 衰 落 包 络 图 R y i   a h eG a lg Gr   eh p

图 7 经 4径 瑞 利 衰 落 信 道 模 型 的 接 收 端 眼 图 R y i   y 星 座 图 R y i   ct r a lg E e及 eh alg S a e  eh

算 法仿 真 实 验 以 20次 1组 ( 同 的发 送 端 数  0 相 据, 每组 实验 数据 均 写 盘保 存 )随 机 产 生 4径 瑞 利  ,

点 统 计平 均 的情 况 下算 法 的 误 码 率 性 能 如 图 9所 

示 。图 9中兰 色 线 为 I M EMU _ S   D算 法 的 B R; M a E 红 

快衰落频率选择信道模 型, 在总体超 过 l6   的样本  0

色线为同条件下的传统单用户匹配滤波器的 B R  E。

石河子大学学报( 自然科学版 )  

第2 6卷 

图 8 迭 代 次 数一 加 权 值 误 差 收 敛 趋 势 图 

图 9 算 法 仿 真 性 能 结 果 

3 性 能 分 析 
由 图 9可看 出本算 法 性 能 优 于 S MF U 。进 一 步  地 , 比于 目前 T  C MA协 议 标 准 采 用 的 迫 零线  相 DS D 性块 均衡法 (FB E , 者 的仿 真 实验 结 果 亦 支 持  z -L )笔 文献 [ , ] 结 论 : 于 最 小 均 方 差 准 则 的 线 性  78 的 基

矩阵的特征值扩散系数 (  

、m 分别为其极大极  i n

小特 征 值 )其 空 间复杂 度 为 0( 。仅 当矩 阵为 病  , m)

态时(  为矩阵 Q的条件数其值较大时矩阵 Q是病  态的) 收敛性较差。算法的迭代收敛速率亦取决于 

,和初始步长因子 。迭代收敛速率  随,和 (   c c 即 最差 的步长 因子 , 为迭 代开 始点 的  2w ) / 1的变化 规 
律为[: 3  ]


M S 算法在低信噪 比 S R条件下其 B R性能要  ME N E 优 于 Z —L FB E法 , 而在 S R值 较 大时 与 Z .L N FB E法 性  能相 当 。因 此 仅 从 性 能 上 看 , 算 法 总 体 上 优 于  该
Z -L FB E法 。而 这 两 种 算 法 在运 算 量 上 的 差 异 根 据 

c u  

一(  2 ( + )   + ) 3  2 。

_ (  

一一  

笔 者通 过大 量 的仿 真 实验 获 取 了针 对 本 文 1) 1.  

文献 [] 7在加 法 、 法 的 运 算 量上 相 当 ( 乘 同数 量 级 )  。 本算 法在 收敛 性 分析 方 面 的 结 论是 : 时 间复 杂 性  其
)  

SD A系 统 仿 真 环 境 的  CM
见 图 l。 0 

的 经 验 最 佳 值 为 

0003而  值 的不 同对性 能 和收敛 性 的影 响程 度  .00 ,

为 0( )其 中为矩 阵 Q的非零 元个 数 ,   僦 ,  =

为 

图 1 特征值扩散 系数分别 取 1O 6 、 .6 7时的 比较示意 图  0 .6 8 1 1 9

4结   论
本文针对 T — D A系统特性 , DS M C 基于笔者设计 

馨篇   

篙翼   

式的 T —C M DS D A协议仿真实验工具软件 , 对该算法 

第 5期 

曹传东 , : 种 T —C M 等 一 DS D A系统线性 多用户检测算法的仿真实现 
版[ . M]北京 : 电子工业出版社 ,0 3 20 .  

67 4 

在多 种 信 噪 比条 件 下 (N S R为 0~1d )经 4径 瑞  2B 、 利衰 落信道 模 型 的 B R误 码 性 能 和 收敛 性 能 进 行  E 了大 量仿 真实 验 。不仅 从仿 真 的数 据结 果 中获得 了  影 响算 法 迭代 收敛 速率 的变 步长 因子 的选 取 及其初  始 值 的经验 性最 佳 值 , 时也 找 出 了影 响 算 法 收敛  同

[ ] J R S ecu . n ir utn t t   ojgt g d n 3     hw hk A  n o co o h cn a   r i t td i   e u e ae 
m to i oth gnz g a [ B O ]h p/ w w C. e dwt u te oin  i E / L .t :/ w .S h h   a i pn t  
c . d/~ q aeppr piesojgt g d n. d, ma eu uk—ae / a l cn a -r i t p f s ns u e ae  
19 .8 1 . 9 40 。3 

复杂性的关键因素。仿真结果表明: 本文 中实现的 
算 法从 性 能 、 杂度 两方 面综 合权 衡具 有 一定 优势 。 复  

[] 世鹤 .DSD A第 三代 移 动 通信 系统 标 准 [ ]北  4 李 T- M C M.
京 : 民 邮 电 出版 社 ,03  人 20 .

[ ]C SC0 . ai Tas ii  n  eet n( 3o S . 5 WI  1R d  rnms o adR cpi V 0 )[ ] A o sn o   [ ]E .   un( e bro  E ) t J   n o(ei   6 E“nK a M m e f E E ,ao HaZ Sno   I s r
Me br fE E . usb—usA a te lu r e co  m e    E ) B r—yB r  dpi   t s   t tn oI t t v Mui e D e i
C DMA:  rme o k fr e it g a d f t e w r ls  tn ad   Af a w r  o  xsi   n   uu   i e s s d rs n r e a

今后 , 进一步基于 目前的成果 , 利用现代组合数 
学 方法 如神 经 网络 、 传算 法 等工 具 , 遗 开展 对盲 检测  算 法 的研 究 具有 一定 意义 。  
参 考文 献 :  
[]曹传东 , 1 张卫 东 . 一种 T —C M D S D A系统 线性 多用 户 检测  的算法 []石 河子大学学报 ( J. 自然 科学版 ) 20 ,6 1 : ,0 82 ( )  
1 0 1 4. 2 —2  

l JPoed g f h E E 20 ,12 :7 —0 . J .rcei s   eIE ,03 9 ()2 832  n oT

[ ]黄华生 , 6 蒋

泽 . 合检测 技术在 第三 代移 动通 信 中的  联

应 用[] 无线通信技术 ,12 () 1.6  J. 20 ,1 :31 . 3 [ ]康绍莉 , 正定 , 7 裘 李世 鹤 . 性联合 检测算 法在 T -C . 线 DS D  

M A系统 中 的性 能 分 析 与 比较 []通 信 学 报 ,O2 2  J. 20 ,3
( )7_1 6 :48 .  

[ ]龚耀寰 . 2 自适应滤波 一 时域 自适 应滤 波和智 能天 线 ? 2 第  

Th   e Em ua i n a  m p e e t to   fa Li a   u t— s r lto   nd I lm n a in o     ne r M l iu e  

De e t n Al o i m o   tci   g rt o h f r TD- CDM A  S
CAO  u n d n Ch a — o g,ZHANG  e— 0 g W id n  
( oeeo  fm tnSi c T cnl y S i z U vrt,Si z, i i g820 , hn) Clg  I o a o c ne& eho g , hh i n e i l fn r i e o e  i sy h ei Xna  303 C i   h jn a
Ab t a t sr c :Bae   i ali rt e fr ua o  I   te e tDec n  g rtm o  h  mp e nain o     u o tma i e r s d Ol l t ai  o l   ft e Se p s  s e tAloi    e v m 1 h fr te i lme tt   f a s b p i ll a   o n

T —C MA M S   U  l rh  hc  a Vlb  eato, i ppr e ge n   pe et    m l i  x  DS D   M E M D a o tm w i w s西 e yt  u rt s a   s n adi l n da e uav e— gi h 1 h h h  e did m m e n te
e i ts l t  o   D- C p r n  ouin frT S DMA  y tm ’  l — s r d tco , n   ae   n nls  aa f m  u   muain e p rme t i me o s se s mu t l e   ee tr a d b s d o   a s d t r o r e lto   x i ns,t il o e   g v   u  o n yt es v r lk yv ra lswhc   o d ifu n et eag r h Sc n eg n e, u  s  r r n ea ay i  a e o tn to l   e e a  e  a ibe   ih c u  n e c  h  lo t m’  o v re c b ta o p f ma c   l ss h l l i l e o n o   u   o h te r s l h we t a h sa o t m’ n te a c n a  n tr o   fro rag rt .h  e u ts o d  h tti  g r h S i h   s e d ti e m fBER  ro a c   d c mp e i   l im   l i n e p f r n e a   o lxt m n y.

Ke   r s muain efr n e a ay i ;te se p s  e c n   g r h y wo d :e l o ;p r ma c   n lss h   te e td s e ta o t m;MUD; D— C MA t o l i  I S D  


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