ＷＣＤＭＡ无线通信系统的空时处理技术
发表日期：2005-2-14
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清华大学电子工程系 黄开枝 王 京 陈国安
摘 要 以第三代移动通信系统ＷＣＤＭＡ标准为背景对空时处理方法进行了全面系统的分类讨论包括波束成形技术、接收分集和发送分集。
关键词 ＷＣＤＭＡ 空时处理 波束成形 分集
空时处理技术通过在空间和时间上联合进行信号处理可以非常有效地改善系统特性。随着第三代移动通信系统对空中接口标准的支持以及软件无线电的发展，空时处理技术必将融入自适应调制解调器中，从而达到优化系统设计的目的。采用空时处理的方法，系统的发送端或接收端使用多个天线，同时在空间和时间上处理信号，它所达到的效果是仅靠单个天线的单时间处理方法所不能实现的：可以在一个给定ＢＥＲ质量门限下，增加用户数；在小区给定的用户数下，改善ＢＥＲ特性；可以更有效地利用信号的发射功率等等。
１ 空时处理方法
由于移动台一般不适于用多天线接收，在基站采用多个天线进行发射分集，可以使移动台的接收效果和移动台用多个接收天线时的效果相比拟，所以本文主要围绕基站的空时处理技术展开讨论。
２ 波束成形技术
波束成形技术（ＢｅａｍｆｏｒｍｉｎｇＢＦ）可分为自适应波束成形、固定波束和切换波束成形技术。固定波束即天线的方向图是固定的，把ＩＳ－９５中的３个１２０°扇区分割即为固定波束。切换波束是对固定波束的扩展，将每个１２０°的扇区再分为多个更小的分区，每个分区有一固定波束，当用户在一扇区内移动时，切换波束机制可自动将波束切换到包含最强信号的分区，但切换波束机制的致命弱点是不能区分理想信号和干扰信号。自适应波束成形器可依据用户信号在空间传播的不同路径，最佳地形成方向图，在不同到达方向上给予不同的天线增益，实时地形成窄波束对准用户信号，而在其他方向尽量压低旁瓣，采用指向性接收，从而提高系统的容量。由于移动台的移动性以及散射环境，基站接收到的信号的到达方向是时变的，使用自适应波束成形器可以将频率相近但空间可分离的信号分离开，并跟踪这些信号，调整天线阵的加权值，使天线阵的波束指向理想信号的方向。
自适应波束成形的关键技术是如何较精确地获得信道参数呢？对于上行链路，根据形成波束所用的信息可以将波束成形技术分成以下３类。
１基于空间结构的ＢＦ
基于空间结构的ＢＦ如基于输入信号到达方向的ＢＦ（ＤＯＢ），包括３类：基于最大信干噪比（ＳＩＮＲ）的ＢＦ；基于最大似然（ＭＬ）准则的ＢＦ；基于最小均方误差（ＭＭＳＥ）准则的ＢＦ。多址干扰的抑制依赖于信号的到达方向（ＤＯＡ），所以ＤＯＢ中的一个重要部分是信号的ＤＯＡ估计。ＤＯＡ估计方法有离散付里叶变换、ＭＶＤＲ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｖａｒｉａｎｃｅ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｌｅｓｓ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）估计器、线性预测、最大包络法（ＭＥＭ）、ＭＬ滤波器以及可变特征结构的方法，其中包括ＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａ ｔｉｏｎ）和ＥＳＰＲＩＴ法（Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｇｎａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｖｉａ Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）。
２基于训练序列的ＢＦ
基于训练序列的ＢＦ即时间参考ＢＦ（ＴＲＢ），适用于多径丰富且信道特性连续变化的环境，根据算法可以分为块自适应算法（ＢＡＡ）和采样自适应算法（ＳＡＡ）两类。ＢＡＡ算法包括特征滤波器（ＥＦ）法、Ｓｔａｎｆｏｒｄ法、最大比合并（ＭＲＣ）法和第一维纳滤波器解（ＦＷＦＳ）、第二维纳滤波器解（ＳＷＦＳ）。ＳＡＡ算法包括最小均方（ＬＭＳ）算法、归一最小均方（ＮＬＭＳ）算法、递归最小平方（ＲＬＳ）算法和共轭梯度法（ＣＧＭ）。ＴＲＢ技术要求同步精确，当时延扩展小时可以得到较好的性能。
３基于信号结构的ＢＦ（ＳＳＢＦ）
基于信号结构的ＢＦ（ＳＳＢＦ）即利用接收信号的时间或空间结构和特性来构造ＢＦ，可利用ＳＳＢＦ需要存储例如恒包络调制信号的恒模（ＣＭ）特性、信号的周期平稳性或数字调制信号的ＦＡ（Ｆｉｎｉｔｅ Ａｌｐｈａｂｅｔ）特性等知识，这种ＢＦ方法可以应用于不同的传播条件，但需要考虑收敛性和捕获问题。
对于下行链路而言，不同的复用方式可采用不同的解决方法：ＴＤＤ方式，由于上下行链路采用相同的频率，在保证信道参数在相邻的上下行数据帧中几乎没有变化的情况下可以直接利用上行估计得到的信道参数，但这只适用于慢速移动的系统；ＦＤＤ方式，由于上下行链路的频率间隔一般都大于相关带宽，因此上下行的瞬时信道几乎是不相关的，此时采用反馈信道是最好的方法。
需要强调的一点是发送机的波束成形技术和接收机的波束成形技术是截然不同的，接收波束成形可在每个接收机独立实现而不会影响其他链路，而发送波束成形会改变对其他所有接收机的干扰，所以要在整个网络内部联合使用发送波束成形技术。
３ 接收分集
由于ＣＤＭＡ系统通常有较多的多址干扰分量，而天线阵可以去除Ｍ－１个（Ｍ为天线数）干扰的特性并不能明显地改善接收机的ＳＩＮＲ，所以在一般情况下，更好的方法是利用接收分集的方法，估计接收信号的形式，并确定匹配滤波器的加权系数。接收分集技术中的分集天线其实是空间域内的分集合并器，而不是ＢＦ。对于宽带ＣＤＭＡ信号，信号带宽一般大于信道相干带宽，所以在时间域采用ＲＡＫＥ接收机，将信号在空间／时间上利用各种合并准则进行合并，这就是所谓的２Ｄ－ＲＡＫＥ接收机。一般的合并方式有：选择合并（ＳＣ）即选择具有最大信号功率的多径；最大比合并（ＭＲＣ）即每一路有一加权，根据各支路信噪比（ＳＮＲ）来分配加权的权重，ＳＮＲ大的支路权重大，ＳＮＲ小的支路权重小。当每个分离多径上的干扰不相关时，ＭＲＣ方法可使合并信号的ＳＩＮＲ最大；等增益合并（ＥＧＣ）即选择每一路的加权值都相等；Ｗｉｅｎｅｒ滤波（ＯＰＴ）即无论多径之间的干扰是否相关，均可抑制干扰并使合并器输出端的ＳＩＮＲ最大，因此Ｗｉｅｎｅｒ滤波的方法要好于最大比合并法，又称为优化合并。
在空间和时间上利用不同的合并准则可以对系统起到不同的改善效果，理论证明，在理想功率控制和理想信道估计的条件下，空时联合域优化合并方式对系统性能的改善最好。
４ 发送分集技术
当发送方不能获得信道参数时，空时发送分集可改善前向链路性能，这种机制是将发送天线的空间分集转化为接收机可以利用的其他形式的分集，如延迟发送分集和空时编码技术。空时编码技术是同时从空间和时间域考虑设计码字，它的基本原理是在多个天线上同时发送信息比特流所产生的向量，利用发送天线所发送序列的正交性，用两个发送天线、一个接收天线所获得的分集增益与一个发送天线、两个接收天线的ＭＲＣ接收机的一样。
根据是否需要从接收机到发射机的反馈电路，发送分集技术可以分为开环和闭环两种类型，前者发射机不需要任何信道方面的知识。开环发送分集方式有空时发送分集（ＳＴＴＤ）、正交发送分集（ＯＴＤ）、时间切换发送分集（ＴＳＴＤ）、延迟发送分集（ＤＴＤ）以及分层的空时处理和空时栅格编码；闭环发送分集方式有选择发送分集（ＳＴＤ）。发送分集各方式具体如下。
１正交发送分集（ＯＴＤ）
经过编码和交织后的数据分成两个不同的子流在两个不同的天线上同时发送。为保证正交性，这两个子流所用的Ｗａｌｓｈ码是不同的。
２时间切换发送分集（ＴＳＴＤ）
在某一时刻每个用户只使用一个天线，使用伪随机码机制在两个天线之间切换。
３选择发送分集（ＳＴＤ）
由于在ＴＳＴＤ方式中，瞬时使用的发送天线并不一定能在接收端得到最大的信噪比，所以使用一个反馈电路来选择能提供使接收端得到最大信噪比的天线。
４空时发送分集（ＳＴＴＤ）
５延迟发送分集（ＤＴＤ）
用多个天线在不同时刻发送同一原始数据信号的多个复本，人为地产生多径。
６分层空时结构Ｂｅｌｌ ＬＡｙｅｒｅｄ Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ ａｒｃｈｉ ｔｅｃｔｕｒｅ，ＢＬＡＳＴ）
首先将原始信息比特分解成ｎ个并行的数据流称为层，送入不同的编码器，再将编码器的输出调制以后使用相同的Ｗａｌｓｈ码通过不同的天线发送出去。接收机侧使用一个ＢＦ（迫零或ＭＭＳＥ准则）来分离不同的编码数据流，然后将数据送入不同的解码器，解码器的输出再重新组合建立原始的信息比特流。由于在波束成形处理中，ＭＭＳＥ和迫零方法都没有充分利用接收机天线阵的分集潜力，所以提出了改进方案将接收处理也进行分级。即首先使用Ｖｉｔｅｒｂｉ ＭＬＳＥ算法译出最强的信号，然后将该强信号从接收的天线信号中去除后再检测第二强的信号，如此反复直到检测出最弱的信号。
该机制中，层到天线的映射并不是固定的，而是每ｎｐ个码符号之后周期性地改变，如图３所示。这种映射关系保证了这些数据流最大可能地在不同的天线上被发送出去。
７空时栅格编码
根据秩准则和行列式准则设计码字，使设计出的码字得到最大分集增益和编码增益。以四进制相移键控（ＱＰＳＫ）四状态空时栅格编码为例，假定使用两根天线发射，则星座图和格形如图４所示。
最右边的元素编号Ｓ１Ｓ２的涵义是：从第一根天线发射出去的字符为Ｓ１，从第二根天线发射的字符为Ｓ２。
５ 结束语
空时处理技术已显示出非常诱人的发展前景，第三代移动通信标准中也支持空时处理技术，标准的出台为我们继续研究物理可实现的空时处理技术提供了可能性，但将此技术实用化还存在许多亟待解决的方法和技术问题，有待于我们进一步研究。
摘自《电信技术》
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