WCDMA無線通信系統(tǒng)的空時處理技術

關鍵詞:ＷＣＤＭＡ 空時處理 波束成形 分集 
    摘  要:以第三代移動通信系統(tǒng)ＷＣＤＭＡ標準為背景,對空時處理方法進行了全面系統(tǒng)的分類討論,包括波束成形技術、接收分集和發(fā)送分集。 

    空時處理技術通過在空間和時間上聯(lián)合進行信號處理可以非常有效地改善系統(tǒng)特性。隨著第三代移動通信系統(tǒng)對空中接口標準的支持以及軟件無線電的發(fā)展，空時處理技術必將融入自適應調(diào)制解調(diào)器中，從而達到優(yōu)化系統(tǒng)設計的目的。采用空時處理的方法，系統(tǒng)的發(fā)送端或接收端使用多個天線，同時在空間和時間上處理信號，它所達到的效果是僅靠單個天線的單時間處理方法所不能實現(xiàn)的：可以在一個給定ＢＥＲ質(zhì)量門限下，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的發(fā)射功率等等。 

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

    由于移動臺一般不適于用多天線接收，在基站采用多個天線進行發(fā)射分集，可以使移動臺的接收效果和移動臺用多個接收天線時的效果相比擬，所以本文主要圍繞基站的空時處理技術展開討論。 
2 波束成形技術 
    波束成形技術（Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ,ＢＦ）可分為自適應波束成形、固定波束和切換波束成形技術。固定波束即天線的方向圖是固定的，把ＩＳ－95中的3個120°扇區(qū)分割即為固定波束。切換波束是對固定波束的擴展，將每個120°的扇區(qū)再分為多個更小的分區(qū)，每個分區(qū)有一固定波束，當用戶在一扇區(qū)內(nèi)移動時，切換波束機制可自動將波束切換到包含最強信號的分區(qū)，但切換波束機制的致命弱點是不能區(qū)分理想信號和干擾信號。自適應波束成形器可依據(jù)用戶信號在空間傳播的不同路徑，最佳地形成方向圖，在不同到達方向上給予不同的天線增益，實時地形成窄波束對準用戶信號，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。由于移動臺的移動性以及散射環(huán)境，基站接收到的信號的到達方向是時變的，使用自適應波束成形器可以將頻率相近但空間可分離的信號分離開，并跟蹤這些信號，調(diào)整天線陣的加權值，使天線陣的波束指向理想信號的方向。 
    自適應波束成形的關鍵技術是如何較精確地獲得信道參數(shù)呢？對于上行鏈路，根據(jù)形成波束所用的信息可以將波束成形技術分成以下3類。 
    (1)基于空間結構的ＢＦ 
    基于空間結構的ＢＦ如基于輸入信號到達方向的ＢＦ（ＤＯＢ），包括3類：基于最大信干噪比（ＳＩＮＲ）的ＢＦ；基于最大似然（ＭＬ）準則的ＢＦ；基于最小均方誤差（ＭＭＳＥ）準則的ＢＦ。多址干擾的抑制依賴于信號的到達方向（ＤＯＡ），所以ＤＯＢ中的一個重要部分是信號的ＤＯＡ估計。ＤＯＡ估計方法有離散付里葉變換、ＭＶＤＲ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｖａｒｉａｎｃｅ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｌｅｓｓ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）估計器、線性預測、最大包絡法（ＭＥＭ）、ＭＬ濾波器以及可變特征結構的方法，其中包括ＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）和ＥＳＰＲＩＴ法（Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｇｎａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｖｉａ Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）。 
    (2)基于訓練序列的ＢＦ 
    基于訓練序列的ＢＦ即時間參考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算法（ＢＡＡ）和采樣自適應算法（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技術要求同步精確，當時延擴展小時可以得到較好的性能。 
    (3)基于信號結構的ＢＦ（ＳＳＢＦ） 
    基于信號結構的ＢＦ（ＳＳＢＦ）即利用接收信號的時間或空間結構和特性來構造ＢＦ，可利用ＳＳＢＦ需要存儲例如恒包絡調(diào)制信號的恒模（ＣＭ）特性、信號的周期平穩(wěn)性或數(shù)字調(diào)制信號的ＦＡ（Ｆｉｎｉｔｅ Ａｌｐｈａｂｅｔ）特性等知識，這種ＢＦ方法可以應用于不同的傳播條件，但需要考慮收斂性和捕獲問題。 
    對于下行鏈路而言，不同的復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)幀中幾乎沒有變化的情況下可以直接利用上行估計得到的信道參數(shù)，但這只適用于慢速移動的系統(tǒng)；ＦＤＤ方式，由于上下行鏈路的頻率間隔一般都大于相關帶寬，因此上下行的瞬時信道幾乎是不相關的，此時采用反饋信道是最好的方法。 
    需要強調(diào)的一點是發(fā)送機的波束成形技術和接收機的波束成形技術是截然不同的，接收波束成形可在每個接收機獨立實現(xiàn)而不會影響其他鏈路，而發(fā)送波束成形會改變對其他所有接收機的干擾，所以要在整個網(wǎng)絡內(nèi)部聯(lián)合使用發(fā)送波束成形技術。 
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（Ｍ為天線數(shù)）干擾的特性并不能明顯地改善接收機 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，估計接收信號的形式，并確定匹配濾波器的加權系數(shù)。接收分集技術中的分集天線其實是空間域內(nèi)的分集合并器，而不是ＢＦ。對于寬帶ＣＤＭＡ信號，信號帶寬一般大于信道相干帶寬，所以在時間域采用ＲＡＫＥ接收機，將信號在空間／時間上利用各種合并準則進行合并，這就是所謂的2Ｄ－ＲＡＫＥ接收機。一般的合并方式有：選擇合并（ＳＣ）即選擇具有最大信號功率的多徑；最大比合并（ＭＲＣ）即每一路有一加權，根據(jù)各支路信噪比（ＳＮＲ）來分配加權的權重，ＳＮＲ大的支路權重大，ＳＮＲ小的支路權重小。當每個分離多徑上的干擾不相關時，ＭＲＣ方法可使合并信號的ＳＩＮＲ最大；等增益合并（ＥＧＣ）即選擇每一路的加權值都相等；Ｗｉｅｎｅｒ濾波（ＯＰＴ）即無論多徑之間的干擾是否相關，均可抑制干擾并使合并器輸出端的ＳＩＮＲ最大，因此Ｗｉｅｎｅｒ濾波的方法要好于最大比合并法，又稱為優(yōu)化合并。 
    在空間和時間上利用不同的合并準則可以對系統(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的條件下，空時聯(lián)合域優(yōu)化合并方式對系統(tǒng)性能的改善最好。 
4 發(fā)送分集技術 
    當發(fā)送方不能獲得信道參數(shù)時，空時發(fā)送分集可改善前向鏈路性能，這種機制是將發(fā)送天線的空間分集轉(zhuǎn)化為接收機可以利用的其他形式的分集，如延遲發(fā)送分集和空時編碼技術。空時編碼技術是同時從空間和時間域考慮設計碼字，它的基本原理是在多個天線上同時發(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，用兩個發(fā)送天線、一個接收天線所獲得的分集增益與一個發(fā)送天線、兩個接收天線的ＭＲＣ接收機的一樣。 
    根據(jù)是否需要從接收機到發(fā)射機的反饋電路，發(fā)送分集技術可以分為開環(huán)和閉環(huán)兩種類型，前者發(fā)射機不需要任何信道方面的知識。開環(huán)發(fā)送分集方式有空時發(fā)送分集（ＳＴＴＤ）、正交發(fā)送分集（ＯＴＤ）、時間切換發(fā)送分集（ＴＳＴＤ）、延遲發(fā)送分集（ＤＴＤ）以及分層的空時處理和空時柵格編碼；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)過編碼和交織后的數(shù)據(jù)分成兩個不同的子流在兩個不同的天線上同時發(fā)送。為保證正交性，這兩個子流所用的Ｗａｌｓｈ碼是不同的。 
    (2)時間切換發(fā)送分集（ＴＳＴＤ） 
    在某一時刻每個用戶只使用一個天線，使用偽隨機碼機制在兩個天線之間切換。 
    (3)選擇發(fā)送分集（ＳＴＤ） 
    由于在ＴＳＴＤ方式中，瞬時使用的發(fā)送天線并不一定能在接收端得到最大的信噪比，所以使用一個反饋電路來選擇能提供使接收端得到最大信噪比的天線。 
    (4)空時發(fā)送分集（ＳＴＴＤ） 
    空時發(fā)送分集是按如圖2所示的方法將數(shù)據(jù)編碼之后在兩個天線上發(fā)送出去。 

    (5)延遲發(fā)送分集（ＤＴＤ） 
    用多個天線在不同時刻發(fā)送同一原始數(shù)據(jù)信號的多個復本，人為地產(chǎn)生多徑。 
    (6)分層空時結構(Ｂｅｌｌ ＬＡｙｅｒｅｄ Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＢＬＡＳＴ） 
    首先將原始信息比特分解成ｎ個并行的數(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碼通過不同的天線發(fā)送出去。接收機側(cè)使用一個ＢＦ（迫零或ＭＭＳＥ準則）來分離不同的編碼數(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和迫零方法都沒有充分利用接收機天線陣的分集潛力，所以提出了改進方案將接收處理也進行分級。即首先使用ＶｉｔｅｒｂｉＭＬＳＥ算法譯出最強的信號，然后將該強信號從接收的天線信號中去除后再檢測第二強的信號，如此反復直到檢測出最弱的信號。 
    該機制中，層到天線的映射并不是固定的，而是每ｎ_ｐ個碼符號之后周期性地改變，如圖3所示。這種映射關系保證了這些數(shù)據(jù)流最大可能地在不同的天線上被發(fā)送出去。 

    (7)空時柵格編碼 
    根據(jù)秩準則和行列式準則設計碼字，使設計出的碼字得到最大分集增益和編碼增益。以四進制相移鍵控（ＱＰＳＫ）四狀態(tài)空時柵格編碼為例，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 結束語
    空時處理技術已顯示出非常誘人的發(fā)展前景，第三代移動通信標準中也支持空時處理技術，標準的出臺為我們繼續(xù)研究物理可實現(xiàn)的空時處理技術提供了可能性，但將此技術實用化還存在許多亟待解決的方法和技術問題，有待于我們進一步研究。

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