WCDMA無(wú)線通信系統(tǒng)的空時(shí)處理技術(shù)

關(guān)鍵詞:ＷＣＤＭＡ 空時(shí)處理 波束成形 分集 
    摘  要:以第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)ＷＣＤＭＡ標(biāo)準(zhǔn)為背景,對(duì)空時(shí)處理方法進(jìn)行了全面系統(tǒng)的分類討論,包括波束成形技術(shù)、接收分集和發(fā)送分集。 

    空時(shí)處理技術(shù)通過(guò)在空間和時(shí)間上聯(lián)合進(jìn)行信號(hào)處理可以非常有效地改善系統(tǒng)特性。隨著第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)空中接口標(biāo)準(zhǔn)的支持以及軟件無(wú)線電的發(fā)展，空時(shí)處理技術(shù)必將融入自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)器中，從而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。采用空時(shí)處理的方法，系統(tǒng)的發(fā)送端或接收端使用多個(gè)天線，同時(shí)在空間和時(shí)間上處理信號(hào)，它所達(dá)到的效果是僅靠單個(gè)天線的單時(shí)間處理方法所不能實(shí)現(xiàn)的：可以在一個(gè)給定ＢＥＲ質(zhì)量門(mén)限下，增加用戶數(shù)；在小區(qū)給定的用戶數(shù)下，改善ＢＥＲ特性；可以更有效地利用信號(hào)的發(fā)射功率等等。 

1 空時(shí)處理方法 
    在單用戶的情況下，空時(shí)處理方法的分類如圖1所示。 

    由于移動(dòng)臺(tái)一般不適于用多天線接收，在基站采用多個(gè)天線進(jìn)行發(fā)射分集，可以使移動(dòng)臺(tái)的接收效果和移動(dòng)臺(tái)用多個(gè)接收天線時(shí)的效果相比擬，所以本文主要圍繞基站的空時(shí)處理技術(shù)展開(kāi)討論。 
2 波束成形技術(shù) 
    波束成形技術(shù)（Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ,ＢＦ）可分為自適應(yīng)波束成形、固定波束和切換波束成形技術(shù)。固定波束即天線的方向圖是固定的，把ＩＳ－95中的3個(gè)120°扇區(qū)分割即為固定波束。切換波束是對(duì)固定波束的擴(kuò)展，將每個(gè)120°的扇區(qū)再分為多個(gè)更小的分區(qū)，每個(gè)分區(qū)有一固定波束，當(dāng)用戶在一扇區(qū)內(nèi)移動(dòng)時(shí)，切換波束機(jī)制可自動(dòng)將波束切換到包含最強(qiáng)信號(hào)的分區(qū)，但切換波束機(jī)制的致命弱點(diǎn)是不能區(qū)分理想信號(hào)和干擾信號(hào)。自適應(yīng)波束成形器可依據(jù)用戶信號(hào)在空間傳播的不同路徑，最佳地形成方向圖，在不同到達(dá)方向上給予不同的天線增益，實(shí)時(shí)地形成窄波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)，而在其他方向盡量壓低旁瓣，采用指向性接收，從而提高系統(tǒng)的容量。由于移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)性以及散射環(huán)境，基站接收到的信號(hào)的到達(dá)方向是時(shí)變的，使用自適應(yīng)波束成形器可以將頻率相近但空間可分離的信號(hào)分離開(kāi)，并跟蹤這些信號(hào)，調(diào)整天線陣的加權(quán)值，使天線陣的波束指向理想信號(hào)的方向。 
    自適應(yīng)波束成形的關(guān)鍵技術(shù)是如何較精確地獲得信道參數(shù)呢？對(duì)于上行鏈路，根據(jù)形成波束所用的信息可以將波束成形技術(shù)分成以下3類。 
    (1)基于空間結(jié)構(gòu)的ＢＦ 
    基于空間結(jié)構(gòu)的ＢＦ如基于輸入信號(hào)到達(dá)方向的ＢＦ（ＤＯＢ），包括3類：基于最大信干噪比（ＳＩＮＲ）的ＢＦ；基于最大似然（ＭＬ）準(zhǔn)則的ＢＦ；基于最小均方誤差（ＭＭＳＥ）準(zhǔn)則的ＢＦ。多址干擾的抑制依賴于信號(hào)的到達(dá)方向（ＤＯＡ），所以ＤＯＢ中的一個(gè)重要部分是信號(hào)的ＤＯＡ估計(jì)。ＤＯＡ估計(jì)方法有離散付里葉變換、ＭＶＤＲ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｖａｒｉａｎｃｅ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｌｅｓｓ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）估計(jì)器、線性預(yù)測(cè)、最大包絡(luò)法（ＭＥＭ）、ＭＬ濾波器以及可變特征結(jié)構(gòu)的方法，其中包括ＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）和ＥＳＰＲＩＴ法（Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｇｎａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｖｉａ Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）。 
    (2)基于訓(xùn)練序列的ＢＦ 
    基于訓(xùn)練序列的ＢＦ即時(shí)間參考ＢＦ（ＴＲＢ），適用于多徑豐富且信道特性連續(xù)變化的環(huán)境，根據(jù)算法可以分為塊自適應(yīng)算法（ＢＡＡ）和采樣自適應(yīng)算法（ＳＡＡ）兩類。ＢＡＡ算法包括特征濾波器（ＥＦ）法、Ｓｔａｎｆｏｒｄ法、最大比合并（ＭＲＣ）法和第一維納濾波器解（ＦＷＦＳ）、第二維納濾波器解（ＳＷＦＳ）。ＳＡＡ算法包括最小均方（ＬＭＳ）算法、歸一最小均方（ＮＬＭＳ）算法、遞歸最小平方（ＲＬＳ）算法和共軛梯度法（ＣＧＭ）。ＴＲＢ技術(shù)要求同步精確，當(dāng)時(shí)延擴(kuò)展小時(shí)可以得到較好的性能。 
    (3)基于信號(hào)結(jié)構(gòu)的ＢＦ（ＳＳＢＦ） 
    基于信號(hào)結(jié)構(gòu)的ＢＦ（ＳＳＢＦ）即利用接收信號(hào)的時(shí)間或空間結(jié)構(gòu)和特性來(lái)構(gòu)造ＢＦ，可利用ＳＳＢＦ需要存儲(chǔ)例如恒包絡(luò)調(diào)制信號(hào)的恒模（ＣＭ）特性、信號(hào)的周期平穩(wěn)性或數(shù)字調(diào)制信號(hào)的ＦＡ（Ｆｉｎｉｔｅ Ａｌｐｈａｂｅｔ）特性等知識(shí)，這種ＢＦ方法可以應(yīng)用于不同的傳播條件，但需要考慮收斂性和捕獲問(wèn)題。 
    對(duì)于下行鏈路而言，不同的復(fù)用方式可采用不同的解決方法：ＴＤＤ方式，由于上下行鏈路采用相同的頻率，在保證信道參數(shù)在相鄰的上下行數(shù)據(jù)幀中幾乎沒(méi)有變化的情況下可以直接利用上行估計(jì)得到的信道參數(shù)，但這只適用于慢速移動(dòng)的系統(tǒng)；ＦＤＤ方式，由于上下行鏈路的頻率間隔一般都大于相關(guān)帶寬，因此上下行的瞬時(shí)信道幾乎是不相關(guān)的，此時(shí)采用反饋信道是最好的方法。 
    需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是發(fā)送機(jī)的波束成形技術(shù)和接收機(jī)的波束成形技術(shù)是截然不同的，接收波束成形可在每個(gè)接收機(jī)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)而不會(huì)影響其他鏈路，而發(fā)送波束成形會(huì)改變對(duì)其他所有接收機(jī)的干擾，所以要在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部聯(lián)合使用發(fā)送波束成形技術(shù)。 
3 接收分集 
    由于ＣＤＭＡ系統(tǒng)通常有較多的多址干擾分量，而天線陣可以去除Ｍ－1個(gè)（Ｍ為天線數(shù)）干擾的特性并不能明顯地改善接收機(jī) 的ＳＩＮＲ，所以在一般情況下，更好的方法是利用接收分集的方法，估計(jì)接收信號(hào)的形式，并確定匹配濾波器的加權(quán)系數(shù)。接收分集技術(shù)中的分集天線其實(shí)是空間域內(nèi)的分集合并器，而不是ＢＦ。對(duì)于寬帶ＣＤＭＡ信號(hào)，信號(hào)帶寬一般大于信道相干帶寬，所以在時(shí)間域采用ＲＡＫＥ接收機(jī)，將信號(hào)在空間／時(shí)間上利用各種合并準(zhǔn)則進(jìn)行合并，這就是所謂的2Ｄ－ＲＡＫＥ接收機(jī)。一般的合并方式有：選擇合并（ＳＣ）即選擇具有最大信號(hào)功率的多徑；最大比合并（ＭＲＣ）即每一路有一加權(quán)，根據(jù)各支路信噪比（ＳＮＲ）來(lái)分配加權(quán)的權(quán)重，ＳＮＲ大的支路權(quán)重大，ＳＮＲ小的支路權(quán)重小。當(dāng)每個(gè)分離多徑上的干擾不相關(guān)時(shí)，ＭＲＣ方法可使合并信號(hào)的ＳＩＮＲ最大；等增益合并（ＥＧＣ）即選擇每一路的加權(quán)值都相等；Ｗｉｅｎｅｒ?yàn)V波（ＯＰＴ）即無(wú)論多徑之間的干擾是否相關(guān)，均可抑制干擾并使合并器輸出端的ＳＩＮＲ最大，因此Ｗｉｅｎｅｒ?yàn)V波的方法要好于最大比合并法，又稱為優(yōu)化合并。 
    在空間和時(shí)間上利用不同的合并準(zhǔn)則可以對(duì)系統(tǒng)起到不同的改善效果，理論證明，在理想功率控制和理想信道估計(jì)的條件下，空時(shí)聯(lián)合域優(yōu)化合并方式對(duì)系統(tǒng)性能的改善最好。 
4 發(fā)送分集技術(shù) 
    當(dāng)發(fā)送方不能獲得信道參數(shù)時(shí)，空時(shí)發(fā)送分集可改善前向鏈路性能，這種機(jī)制是將發(fā)送天線的空間分集轉(zhuǎn)化為接收機(jī)可以利用的其他形式的分集，如延遲發(fā)送分集和空時(shí)編碼技術(shù)?？諘r(shí)編碼技術(shù)是同時(shí)從空間和時(shí)間域考慮設(shè)計(jì)碼字，它的基本原理是在多個(gè)天線上同時(shí)發(fā)送信息比特流所產(chǎn)生的向量，利用發(fā)送天線所發(fā)送序列的正交性，用兩個(gè)發(fā)送天線、一個(gè)接收天線所獲得的分集增益與一個(gè)發(fā)送天線、兩個(gè)接收天線的ＭＲＣ接收機(jī)的一樣。 
    根據(jù)是否需要從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的反饋電路，發(fā)送分集技術(shù)可以分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種類型，前者發(fā)射機(jī)不需要任何信道方面的知識(shí)。開(kāi)環(huán)發(fā)送分集方式有空時(shí)發(fā)送分集（ＳＴＴＤ）、正交發(fā)送分集（ＯＴＤ）、時(shí)間切換發(fā)送分集（ＴＳＴＤ）、延遲發(fā)送分集（ＤＴＤ）以及分層的空時(shí)處理和空時(shí)柵格編碼；閉環(huán)發(fā)送分集方式有選擇發(fā)送分集（ＳＴＤ）。發(fā)送分集各方式具體如下。 
    (1)正交發(fā)送分集（ＯＴＤ） 
    經(jīng)過(guò)編碼和交織后的數(shù)據(jù)分成兩個(gè)不同的子流在兩個(gè)不同的天線上同時(shí)發(fā)送。為保證正交性，這兩個(gè)子流所用的Ｗａｌｓｈ碼是不同的。 
    (2)時(shí)間切換發(fā)送分集（ＴＳＴＤ） 
    在某一時(shí)刻每個(gè)用戶只使用一個(gè)天線，使用偽隨機(jī)碼機(jī)制在兩個(gè)天線之間切換。 
    (3)選擇發(fā)送分集（ＳＴＤ） 
    由于在ＴＳＴＤ方式中，瞬時(shí)使用的發(fā)送天線并不一定能在接收端得到最大的信噪比，所以使用一個(gè)反饋電路來(lái)選擇能提供使接收端得到最大信噪比的天線。 
    (4)空時(shí)發(fā)送分集（ＳＴＴＤ） 
    空時(shí)發(fā)送分集是按如圖2所示的方法將數(shù)據(jù)編碼之后在兩個(gè)天線上發(fā)送出去。 

    (5)延遲發(fā)送分集（ＤＴＤ） 
    用多個(gè)天線在不同時(shí)刻發(fā)送同一原始數(shù)據(jù)信號(hào)的多個(gè)復(fù)本，人為地產(chǎn)生多徑。 
    (6)分層空時(shí)結(jié)構(gòu)(Ｂｅｌｌ ＬＡｙｅｒｅｄ Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＢＬＡＳＴ） 
    首先將原始信息比特分解成ｎ個(gè)并行的數(shù)據(jù)流(稱為層)，送入不同的編碼器，再將編碼器的輸出調(diào)制以后使用相同的Ｗａｌｓｈ碼通過(guò)不同的天線發(fā)送出去。接收機(jī)側(cè)使用一個(gè)ＢＦ（迫零或ＭＭＳＥ準(zhǔn)則）來(lái)分離不同的編碼數(shù)據(jù)流，然后將數(shù)據(jù)送入不同的解碼器，解碼器的輸出再重新組合建立原始的信息比特流。由于在波束成形處理中，ＭＭＳＥ和迫零方法都沒(méi)有充分利用接收機(jī)天線陣的分集潛力，所以提出了改進(jìn)方案將接收處理也進(jìn)行分級(jí)。即首先使用ＶｉｔｅｒｂｉＭＬＳＥ算法譯出最強(qiáng)的信號(hào)，然后將該強(qiáng)信號(hào)從接收的天線信號(hào)中去除后再檢測(cè)第二強(qiáng)的信號(hào)，如此反復(fù)直到檢測(cè)出最弱的信號(hào)。 
    該機(jī)制中，層到天線的映射并不是固定的，而是每ｎ_ｐ個(gè)碼符號(hào)之后周期性地改變，如圖3所示。這種映射關(guān)系保證了這些數(shù)據(jù)流最大可能地在不同的天線上被發(fā)送出去。 

    (7)空時(shí)柵格編碼 
    根據(jù)秩準(zhǔn)則和行列式準(zhǔn)則設(shè)計(jì)碼字，使設(shè)計(jì)出的碼字得到最大分集增益和編碼增益。以四進(jìn)制相移鍵控（ＱＰＳＫ）四狀態(tài)空時(shí)柵格編碼為例，假定使用兩根天線發(fā)射，則星座圖和格形如圖4所示。 
    最右邊的元素編號(hào)Ｓ1Ｓ2的涵義是：從第一根天線發(fā)射出去的字符為Ｓ1，從第二根天線發(fā)射的字符為Ｓ2。 
5 結(jié)束語(yǔ)
    空時(shí)處理技術(shù)已顯示出非常誘人的發(fā)展前景，第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)中也支持空時(shí)處理技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)為我們繼續(xù)研究物理可實(shí)現(xiàn)的空時(shí)處理技術(shù)提供了可能性，但將此技術(shù)實(shí)用化還存在許多亟待解決的方法和技術(shù)問(wèn)題，有待于我們進(jìn)一步研究。

藍(lán)牙技術(shù)(pdf電子書(shū))