分类号密级
UDC注1
学位论文
TD-SCDMA软基带关键技术研究与实现
（题目和副题目）
刁刚
（作者姓名）
指导教师姓名邵士海副教授
电子科技大学成都
（职务、职称、学位、单位名称及地址）申请学位级别硕士专业名称通信与信息系统
论文提交日期2014.05.12论文答辩日期 2014.05.29 学位授予单位和日期电子科技大学 2014年06月27日
答辩委员会主席
评阅人
注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号
RESEARCH AND IMPLEMENTATION OF TD-SCDMA SOFT BASEBAND KEY
TECHNOLOGIES
A Master Thesis Submitted to University of Electronic Science and Technology of China
Major: Communication and Information Systems Author: Gang Diao
Advisor: Shihai Shao
School: National Key Laboratory of Science and
Tecknology on Communications
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：日期：年月日
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：导师签名：
日期：年月日
摘要
摘要
随着移动互联网时代的到来，传统无线接入网架构下的网络建设、运营和升级成本不断增长。为此，中国移动提出了新型无线接入网架构C-RAN。通过改变网络建设和部署的方式，C-RAN可经济有效地降低网络的建设和维护成本，并为用户提供灵活高效的服务。
论文参考C-RAN架构和3GPP标准协议，采用通用处理器加模拟RRU的网络部署方式，研究了TD-SCDMA链路的收发结构和基带信号处理关键技术，并对其进行简化，最终在Intel处理器上实现了基带信号的实时处理。
首先，分析TD-SCDMA物理层标准协议，研究基于匹配滤波的时间同步算法和矩阵求逆的联合检测算法。出于实时性的考虑，根据PN码正交性采用空间换时间的策略对算法进行简化。
其次，设计基带信号处理方案并予以实现。根据算法相关性划分任务，在任务间合理分配处理器资源，设计任务间的通信机制以及任务详细处理流程，定义模块接口并给出模块间的调用关系。在此基础上编码调试，在内嵌Xenomai内核的Linux系统上实现12.2kbps和384kbps两种业务的基带信号实时处理。
最后，评估系统性能。同步算法在-10dB信噪比条件下可达到0.98的接入概率；频偏估计在-3dB信噪比条件下能实现3Hz残余频偏的估计精度；系统在加性高斯白噪声信道条件下，误比特率性能与MATLAB定点仿真结果相差1dB。
论文在通用处理器平台上实现了TD-SCDMA基带信号的实时处理，验证了通用处理器用于信号处理的可行性，可为C-RAN架构中的虚拟基带处理池设计提供参考。
关键词：C-RAN，Xenomai，TD-SCDMA，通用处理器
I
ABSTRACT
ABSTRACT
With the advent of the mobile internet era, network constructing, the maintaining and upgrading costs under traditional wireless access network architecture continue growing. In view of this, China Mobile proposes a new wireless access network architecture C-RAN. By changing the way of network construction and deployment, C-RAN can effectively reduce the costs of network construction and maintenance, and provide users with flexible and efficient services.
This paper refers to C-RAN architecture and 3GPP standard protocol. Architecture of general purpose processor plus analog RRU is adopted. In addition, receiver structure, transmitter structure and key technology of TD-SCDMA baseband signal processing are researched. Finally, real-time processing of the baseband signal is achieved on an Intel processor.
Firstly, TD-SCDMA physical layer standard protocol is analyzed. Meanwhile, time synchronization algorithm based on match filtering is researched and joint detection algorithm based on matrix inversion is discussed. According to orthogonality of PN code, algorithms are simplified.
Secondly, A baseband signal processing scheme is designed and realized in the paper. In this part, tasks are assigned according to correlation of algorithms. Processor resources are rationally allocated among tasks. Communication mechanism between tasks and detailed process flow of tasks are designed. Module interface is defined and calling relationship between modules is given. Meanwhile, real-time processing of baseband signal is realized on the Linux system with Xenomai kernel.
Finally, the system performance is evaluated. Access probability of synchronization algorithm can reach 0.98 at -10dB. Accuracy of frequency estimation algorithm can reach 3Hz at -3dB. On the condition of additive Gaussian white noise channel, performance gap of bit error rate between test and fixed-point simulation with MATLAB is 1dB.
The paper achieves real-time processing of TD-SCDMA baseband signal on a general purpose processor. The feasibility of a general purpose processor for signal processing is verified. That provides a reference for design of virtual baseband pool under C-RAN architecture.
Keywords: C-RAN, Xenomai, TD-SCDMA, general purpose processor
II
目录
第一章 绪论 (1)
1.1 研究背景及意义 (1)
1.2 本文主要贡献 (2)
1.3 论文结构及内容安排 (2)
第二章 TD-SCDMA物理层 (4)
2.1 TD-SCDMA帧结构 (4)
2.2 TD-SCDMA突发结构 (6)
2.3 TD-SCDMA同步序列 (7)
2.3.1 训练序列 (7)
2.3.2 上行同步序列 (8)
2.3.3 下行同步序列 (9)
2.4 物理层收发结构 (10)
2.4.1 发射结构 (10)
2.4.2 接收结构 (12)
2.5 小结 (14)
第三章 软基带信号处理关键技术 (15)
3.1 时频同步 (15)
3.1.1 下行导频搜索 (15)
3.1.2 上行同步建立 (16)
3.1.3 上行同步保持 (18)
3.1.4 频偏估计 (18)
3.1.5 频偏补偿 (19)
3.2 信道估计 (22)
3.2.1 无线信道传输特性 (22)
3.2.2 信道估计方法及工程简化 (23)
3.3 联合检测 (25)
3.3.1 联合检测概述 (25)
3.3.2 基于矩阵求逆的联合检测算法 (26)
3.3.3 联合检测算法的工程简化 (28)
3.4 软解调 (30)
3.4.1 软解调概述 (30)
3.4.2 软解调方法及工程简化 (31)
3.5 小结 (35)
第四章 基带信号处理的软件实现 (36)
4.1 信号处理平台概述 (36)
III
4.1.1 USDR软件无线电平台 (37)
4.1.2 Intel通用处理器 (38)
4.1.3 Xenomai强实时微内核 (40)
4.2 任务划分及处理器资源分配 (40)
4.3 时间同步任务 (42)
4.3.1 下行导频搜索 (44)
4.3.2 上行同步建立 (44)
4.3.3 上行同步保持 (45)
4.4 物理层接收处理任务 (46)
4.4.1 频偏估计 (50)
4.4.2 频偏补偿 (51)
4.4.3 信道估计 (52)
4.4.4 联合检测 (52)
4.4.5 软解调 (54)
4.4.6 解交织 (54)
4.4.7 比特解扰 (55)
4.4.8 解速率匹配 (55)
4.5 物理层译码任务 (56)
4.6 小结 (58)
第五章 实验验证与性能分析 (59)
5.1 验证环境 (59)
5.2 功能验证与分析 (60)
5.2.1 文件传输 (60)
5.2.2 视频传输 (61)
5.3 性能验证与分析 (63)
5.3.1 时间同步 (63)
5.3.2 频率同步 (65)
5.3.3 误比特率 (67)
5.4 小结 (68)
第六章 结束语 (70)
6.1 本文总结及主要贡献 (70)
6.2 下一步工作的建议 (70)
致谢 (72)
参考文献 (73)
个人简历 (75)
攻读硕士学位期间的研究成果 (76)
学位论文评审后修改说明表 (77)
学位论文答辩后勘误修订说明表 (78)
IV
V 图目录
图1-1
论文结构安排示意图 ..................................................................................... 3 图2-1
TD-SCDMA 帧结构 ....................................................................................... 4 图2-2
TD-SCDMA 帧结构(对称业务) ..................................................................... 5 图2-3
TD-SCDMA 帧结构(非对称业务) ................................................................. 5 图2-4
DwPTS 的突发结构........................................................................................ 5 图2-5
UpPTS 的突发结构......................................................................................... 6 图2-6
TD-SCDMA 突发结构 ................................................................................... 6 图2-7
不发送SS 和TPC 时的TFCI 位置[12] .......................................................... 7 图2-8
发送SS 和TPC 时的TFCI 位置[12] .............................................................. 7 图2-9
物理层发射结构 ........................................................................................... 10 图2-10
QPSK 星座图 ................................................................................................. 11 图2-11
TD-SCDMA 接收结构 ................................................................................. 13 图3-1
匹配滤波器 ................................................................................................... 17 图3-2
4π?QPSK 星座图 ...................................................................................... 32 图3-3
BPSK 星座图 ................................................................................................ 33 图4-1
系统框图 ....................................................................................................... 37 图4-2
时间同步流程 ............................................................................................... 43 图4-3
UE 时间同步任务函数调用关系 ................................................................. 43 图4-4
NodeB 时间同步任务函数调用关系 ........................................................... 43 图4-5
下行导频处理流程 ....................................................................................... 44 图4-6
上行同步建立流程 ....................................................................................... 45 图4-7
上行同步保持流程 ....................................................................................... 46 图4-8
12.2kbps 物理层发送任务处理流程 ............................................................ 47 图4-9
384kbps 物理层发送任务处理流程 ............................................................. 48 图4-10
物理层接收任务处理流程 ........................................................................... 49 图4-11
物理层接收处理任务函数调用关系 ........................................................... 50 图4-12
频偏估计流程 ............................................................................................... 51 图4-13
DDS 流程 ...................................................................................................... 51 图4-14
信道估计流程 ............................................................................................... 52 图4-15
联合检测初始化流程 ................................................................................... 53 图4-16
联合检测流程 ............................................................................................... 53 图4-17
软解调流程 ................................................................................................... 54 图4-18
解交织流程 (54)
图4-19 比特解扰流程 (55)
图4-20 解速率匹配流程 (56)
图4-21 物理层译码任务处理流程 (57)
图4-22 物理层译码任务函数调用关系 (57)
图5-1 TD-SCDMA通信系统实验平台 (59)
图5-2 TD-SCDMA实验平台的连接示意图 (60)
图5-3 文件发送界面 (61)
图5-4 文件接收界面 (61)
图5-5 视频发送显示 (62)
图5-6 视频接收显示 (63)
图5-7 时间同步实验连接示意图 (64)
图5-8 检测概率仿真结果与实验结果对比 (65)
图5-9 频率同步实验连接示意图 (66)
图5-10 频偏估计MSE曲线 (67)
图5-11 上行定点仿真结果与实验结果对比 (68)
VI
表目录
表2-1 突发中每个数据块包含的符号数 (6)
表2-2 SYNC_DL、SYNC_UL、midamble码和扰码的对应关系 (9)
表2-3 OVSF码表 (12)
表4-1 基带板参数与性能指标 (37)
表4-2 FMC参数与性能指标 (38)
表4-3 射频板参数与性能指标 (38)
表4-4 任务核间分配及优先级 (41)
VII
缩略词表
英文缩写英文全称中文释义
3GPP 3rd Generation Partnership Project 第三代移动通信伙伴项目
Adeos Adaptive Domain Environment for
Operating System 操作系统自适应域环境
BBU Baseband
Unit 基带处理单元CDMA Code Division Multiple Access 码分多址
CRC Cyclic Redundancy Check 循环冗余校验
C-RAN Centralized Radio Access Network 集中式无线接入网DDS Direct Digital Synthesizer 数字式频率合成器DSP Digital Signal Processor 数组信号处理器DwPTS Downlink Pilot Time Slot 下行导频时隙 FDMA Frequency Division Multiple Access 频分多址
FFT Fast Fourier Transformation 快速傅里叶变换FPACH Fast Physical Access Channel 快速物理接入信道 FPGA Field Programmable Gate Array 现场可编程阵列GP Guard
Period 保护间隔
GPP General Purpose Processor 通用处理器
GSM Global System for Mobile communication全球移动通信系统ISI Inter-Symbol
Interference 码间干扰
ITU International Telecommunication Union 国际电信联盟
LLR log-likelihood
ratio 对数似然比
MAI Multi-Address Interference 多址干扰
ML Maximum Likelihood 最大似然
MMSE Minimum Mean Square Error 最小均方误差MUD Multi-User
Detection 多用户检测
OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor 正交可变扩频因子QPSK Quadrature Phase Shift Keying 正交相移键控 RACH Random Access Channel 随机接入信道 RAN Radio Access NetWork 无线接入网
RRC Radio Resource Control 无线资源控制
VIII
RRU Remote RF Unit 射频远端单元 SDR Software Defined Radio 软件无线电SIMD Single Instruction Multiple Data 单指令多数据流SS Synchronisation Shift 同步偏移
SUD Single User Detection 单用户检测
TB Transport Block 传输块
TD-LTE Time Diveision-Long Term Evolution 时分长期演进
TD-SCDMA Time Division-Synchronization Code
Division Multiple Access
时分同步码分多址接入
TDD Time Division Duplex 时分双工
TDMA Time Division Multiple Access 时分多址
TFCI Transport Format Combination Indicator 传输格式组合指示 TPC Transmit Power Control 发送功率控制
TTI Transmission Time Interval 传输时间间隔
UE User Equipment 用户终端设备 UpPCH Uplink Pilot Channel 上行导频信道 UpPTS Uplink Pilot Time Slot 上行导频时隙
IX
主要数学符号表
X 主要数学符号表
符号类别
示例 字体和说明 变量
a 小写斜体 矢量
a 小写加粗正体 矩阵
A 大写加粗正体
复数共轭
()conj a ()conj i 虚数单位
j 小写斜体 变量取模
a i 矩阵取模
A i 矩阵转置
T ??????A T ??????i 矩阵求逆
1?A ()1?i 向下取整
a ???? ????i 求最大值
()max ,a b ()max i 求最小值
()min ,a b ()min i 傅里叶变换
()DFT a ()DFT i 傅里叶逆变换 ()IDFT a
()IDFT i
第一章绪论
第一章绪论
1.1研究背景及意义
2013年12月4日，工信部正式向三大运营商发放TD-LTE牌照，4G网络正式进入商用阶段。无线网络的长期演进形成了以GSM、TD-SCDMA、TD-LTE(2G、3G、4G)为代表的多种制式长期并存的复杂网络环境，这给运营商的网络建设与维护带来了不小挑战。
首先，众多不同制式的基站互不兼容，对同一区域的信号覆盖需要建设多个不同类型的基站，重复的基站建设意味着巨大的能源消耗、高额的建设投资和运营成本；其次，移动网络负载存在随时间迁移的潮汐效应，不同基站的处理能力不能共享，这将导致基站的实际利用率低下，频谱效率也难以提升；最后，现存基站通常采用“垂直解决方案”，对基站进行扩容和升级需要重新设计专用的硬件平台，需要大规模的研发投入[1]。
为应对上述挑战，中国移动提出了新型无线接入网架构C-RAN。C-RAN的网络架构基于分布式基站架构，主要由3个层次的通信实体组成：服务器和虚拟化技术组成的集中式基带处理池，RRU和天线组成的协作式无线电，高可靠光传输网[2][3][4]。集中式基带处理池能极大减少覆盖同一区域的基站数量，降低基站建设成本；RRU和天线组成的协作式无线电可以提高系统频谱效率；开放的平台和通用处理器的引入使得软件无线电实现更加容易，因而可以通过空中接口软件的升级实现RAN的升级，从而使得RAN升级和多模[5]共存变得更加容易[6]。
软件无线电[7][8]是实现基带集中处理的关键技术，其基本思想是无线通信系统基于一套通用的硬件平台，采用开放的体系结构，协议和基带的处理尽可能多的采用软件来实现，AD/DA尽量靠近天线端，这就为运营商在各种制式的通信系统实现平滑升级提供了高度的灵活性。软件无线电主流的实现方式包括DSP、FPGA、GPP，其中基于GPP的软件无线电[9]实现方式因其成本低廉、计算能力强大、设计灵活且具备多核的可扩展性越来越受到产业界和学术界的重视。
TD-SCDMA是我国具有自主知识产权的3G通信标准，加大TD-SCDMA研究投入并推动产业链的形成对我国电信产业乃至国民经济的发展具有重要的战略意
1
电子科技大学硕士学位论文
义[10]。论文以国家重大科技专项——支持基带集中处理的RAN架构研究为项目背景，通过在通用处理器平台上实现TD-SCDMA物理层信号以及通信协议栈的实时处理，旨在证明通用处理器用于基带集中处理的可行性。
1.2本文主要贡献
论文从工程实现的角度研究了TD-SCDMA基带信号处理的关键技术，包括时间同步、频率同步、信道估计、联合检测和软解调。通过分析TD-SCDMA物理层协议，提出基带信号处理软件实现的方案，搭建链路仿真验证，完成基带信号处理方案在通用处理平台上的软件实现，验证了基带信号处理纯软件实现的可行性，具备一定的科研与工程价值。
1.3论文结构及内容安排
论文结构安排如图1-1所示。
第一章为论文的绪论部分，引出课题的研究背景，阐明论文的主要贡献，并简要介绍论文的内容安排。
第二章分析TD-SCDMA物理层协议，先给出了系统帧结构，再详细说明帧结构各个时隙的构成与作用以及同步序列的产生方法，最后给出物理层的收发结构为关键技术的研究与实现奠定基础。
第三章研究物理层关键技术，先给出算法的推导过程，然后基于工程实现从减小运算复杂度的角度对算法进行简化。
第四章介绍软件的实现过程，首先概述项目实现需要的软件平台和硬件平台，再按逻辑对系统进行任务划分和处理器资源分配，最后分任务分模块详细介绍基带关键技术的软件实现。
第五章对关键技术和系统整体性能进行测试和评估，先交代了系统的测试平台和测试环境，再详细介绍各测试项的测试步骤，最后记录结果并对测试结果进行分析。
第六章对全文进行总结，探讨本文的贡献与不足，给出下一步工作方向的建议。
2
第一章绪论
图1-1论文结构安排示意图
3
电子科技大学硕士学位论文
4
第二章 TD-SCDMA 物理层
基带关键技术的工程实现需要遵循TD-SCDMA 物理层的相关协议，本章首先介绍TD-SCDMA 物理层协议，包括帧结构、突发结构、同步序列及其产生方法，然后给出链路收发结构，并对收发结构中的重要模块作简要介绍。
2.1 TD-SCDMA 帧结构
TD-SCDMA 系统中，时隙是物理信道帧结构的基本组成单位，系统结合时隙和信道化码来区分用户信号。图2-1给出了TD-SCDMA 的物理信道帧结构[11]。
图2-1 TD-SCDMA 帧结构
由图2-1可知，TD-SCDMA 无线帧的长度为10ms ，一个无线帧等分为两个5ms 的子帧，每个子帧包含7个业务时隙(TS0~TS6)、下行导频时隙(DwPTS)、上行导频时隙(UpPTS)以及保护间隔时隙(GP)。7个业务时隙中，TS0需要广播小区信息，因此始终设为下行时隙，TS1始终设为上行时隙，其余时隙根据业务实际需求可灵活设为上行或下行。每个子帧有两个上下行切换点，用于区分上行链路时隙与下行链路时隙。通过调整第二个上下行切换点的位置，可以使TD-SCDMA 工作于对称和非对称业务模式。图2-2和图2-3分别给出了对称业务和非对称业务的时隙分配情况。
第二章 TD-SCDMA 物理层
5
图2-2 TD-SCDMA 帧结构(对称业务)
图2-3 TD-SCDMA
帧结构(非对称业务
) DwPTS 时隙用于发送下行导频，时隙长度为96chips ，其中下行同步码码长64chips ，用作TS0拖尾保护的GP 长为
32chips 。图
2-4给出了DwPTS 的突发结
构。
图2-4 DwPTS 的突发结构
DwPTS 中的SYNC_DL 是一组PN 序列，共有32个，用于用户设备(User Equipment, UE)在小区搜索时对所在小区的识别和下行定时的计算。TD-SCDMA 定义了码组的概念，每个码组包含一个SYNC_DL 序列，每个小区使用一个码组，码组在系统中可以复用。
GP 作为保护时隙，用于NodeB 从发射转向接收的切换。GP 的设计长度为96chips ，采用如此长的保护间隔主要是为了保证NodeB 能准确接收到提前到达的上行导频，同时也是为了避免下行信号拖尾对上行信号造成干扰。
UpPTS 时隙用于发送上行导频，时隙长度为160chips ，其中上行同步码码长128chips ，32chips 的GP 用作拖尾保护。UE 在UpPTS 时隙中发送不同的SYNC_UL 来建立上行同步，图2-5给出了UpPTS 的突发结构。
电子科技大学硕士学位论文
6
图2-5UpPTS的突发结构
与SYNC_DL一样，SYNC_UL也是一组PN序列，长度为128，共有256个。256个SYNC_UL分为32个码组，每个码组包含8个SYNC_UL。UE随机接入时，向基站发送包含SYNC_UL的UpPTS，在收到基站的反馈后再发送RACH，因此SYNC_UL可用于基站区分随机接入过程中的不同UE。
2.2TD-SCDMA突发结构
TD-SCDMA业务时隙用于用户数据和物理层控制字的传输，每个时隙分别由两个数据域、一个训练序列域(midamble)和一个用于时隙保护的空域(GP)组成。图2-6给出了一个业务时隙的突发结构。
图2-6TD-SCDMA突发结构
突发的数据域由扰码和信道码共同扩频。TD-SCDMA用16比特扰码进行加扰，用正交扩频因子(Orthogonal Variable Spreading Factor, OSVF)码进行扩频，其中扩频因子可以是1，2，4，8和16。表2-1给出了突发结构数据域符号数与扩频因子的对应关系。
表2-1突发中每个数据块包含的符号数
扩频因子每个数据块符号数
1 352
2176
488
844
1622
TD-SCDMA系统中的突发结构可以包含TFCI、SS和TPC这样的物理层控制字，因为控制字处在数据域部分，所以对控制字的操作完全和数据比特一样。TFCI
第二章 TD-SCDMA 物理层
7
在子帧中的位置如图2-7和图2-8所示。
图2-7 不发送SS 和TPC 时的TFCI 位置[12] 5ms 5ms 10ms 数据符号中间码数据符号x(864chip)码字第三部分TFCI 码字第四部分TPC 数据符号中间码
数据符号x(864chip)
TFCI 码字第一部分
TPC TFCI 第二部分
图2-8 发送SS 和TPC 时的TFCI 位置[12]
TPC 是发射功率控制字，由NodeB 计算得到并在FPACH 信道中发送给每个
UE ，用于UE 发射功率的闭环控制。SS 是同步偏移控制字，同样是由NodeB 计算
得到并发送给UE ，作为系统同步保持的调整量。SS 的调整精度是1码片的整数
倍，可以根据系统的需求来决定；SS 的调整周期是5ms 的整数倍，倍数的选取尤
为重要。如果倍数太小，系统会因为过于频繁的调整而震荡，如果倍数太大，时
间偏移量又得不到及时的补偿[12]。
2.3 TD-SCDMA 同步序列
TD-SCDMA 作为一个时间同步系统，在NodeB 与UE 之间同步时需要用到多
种PN 序列：用于下行同步的下行同步序列(SYNC_DL)、用于上行同步建立的上
行同步序列(SYNC_UL)、用于同步保持的训练序列。
2.3.1 训练序列
TD-SCDMA 系统中，训练序列具有十分重要的作用，除了用于信道估计，还
可以用于上行同步保持、功率控制测量和频率校正。训练序列放在突发结构的中
间发送，发射功率与数据符号相同，只是不用进行扩频处理。
TD-SCDMA 采用midamble 码作为训练序列，系统共有128个144chips 长的
基本midamble 码。工程实践中使用的midamble 码均由基本midamble 码派生而来，