（通信与信息系统专业论文）wcdma系统发送分集技术研究及基站接收机的硬件实现.pdf

摘要 摘要 在第三代移动通信系统中，人们可以通过使用多天线接收和多用户检测等技术提高上行信道的容量 而下行信道容量则可通过发送分集技术获得提高。特别是在移动台低速移动，而信道可用径较少的环境下， 发送分集技术可以获得相当可观的性能增益。因此，在w c d m a 系统中定义了开环和闭环两种双天线发 、 送分集模式。同时，各种多天线发送分集的方案也在不断的被提出和讨论，这些方案都具有巨大的潜力 本文首先详细分析了w c d m a 中的双天线发送分集技术，重点在闭环发送分集技术的研究，比较了 开环和闭环发送分集方案之间的区别，同时给出了闭环发送分集的一种易于硬件实现的权值估计方案接 着针对3 g p p 提出的几种多天线发送分集方案进行了研究和探讨，并给出了一些仿真结果。最后，介绍了 w c d m a 基站r a k e 接收机和下行解信道复用的硬件实现。 【关键词】w c d m a 发送分集基站接收机 a b s t r a c t a b s t r a c t h i3 gs y s t e m s ，t h ec a p a c i t yo fu p l i n kc a l lb ei n c r e a s e db y $ o m et e c h n i q u e ss u c ha sa n t e n n aa r r a yd i v e r s i t y a n dm u d o nt h eo t h e rh a n d ，t h ec a p a c i t yo fd o w n l i n kc a nb ei n c r e a s e db yt r a n s m i s s i o nd i v e r s i t y t r a n s m i s s i o n d i v e r s i t yc a na c h i e v eac o n s i d e r a b l ep e r f o r m a n c eg a i ne s p e c i a l l yi nt h ec h a n n e lt h a tl a c k so f a v a i l a b l ep a t h s t h u s ， $ o l n eo p e n - l o o pa n dc l o s e d - l o o pt r a n s m i s s i o nd i v e r s i t ym e t h o d sh a v eb e e nu s e di nw c d m as y s t e m f u r t h e r m o r e ， m a n yt r a n s m i s s i o nd i v e r s i t ys c h e m e su s i n gm o r et h a n2a n t e n n a sa r ep r o p o s e da n dd i s c u s s e d f i r s t l yt h et r a n s m i s s i o nd i v e r s i t ys c h e m e su s e di nw c d m a a l ed e s c r i b e di nt h i st h e s i s w ef o c u so nt h e d o s e d - l o o pt r a n s m i s s i o nd i v e r s i t ya n dt h ec o m p a r i s o no ft w ot r a n s m i s s i o nd i v e r s i t ym o d e s af e a s i b l es c h e m e t h a tc a nb ei m p l e m e n t e do nh a r d w a r ei sa l s od i s c u s s e d s e c o n d l ys o m et r a n s m i s s i o nd i v e r s i t ym e t h o d sp r o p o s e d i n3 g p p , w h i c hu s em o r et h a n2a n t e n n a s ，a r es t u d i e da n da n a l y z e d s i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e na n dc o n c l u s i o n s a r ed r a w n f i n a l l yt h eh a r d w a r ei m p l e m e n to fr a k er e c e i v e ra n dt r c h s - d e m u l t i p l e x i n gi nu p l i n ki sd e s c d b e d i nd e t a i l t h ew h o l ed e s i g nh a sb e e nv e r i f i e do nt h ef p g a p l a t f o r m k e y w o r d w c d m a ，t r a n s m i s s i o nd i v e r s i t y , r a k er e c e i v e r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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 表示了谢意。 研究生签名： 编呓 日期：塑坐：7 1 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：乏垦羔乞一导师签名：逊丝日期：。强3 、，2 第一章绪论 第一章绪论 随着现代科学技术和社会经济的发展，通信技术已经成为人们获取信息和相互交流的重要工具。特别 是移动通信的出现，带给人们一种全新的沟通方式。从早期的以f d m a 为核心的第一代模拟蜂窝移动通信 系统，到目前广为使用的以t d m a 和c d m a 技术为主的第二代数字蜂窝移动通信系统，再到已在部分地 区使用，并且即将在全球铺开的第三代移动通信系统( 3 g ) ，系统从仅支持传统的语音和低速率数据业务 向支持大容量，高服务质量和多业务( 语音、图像、数据等) 的方向迈进。个人通信的梦想一“不论何时， 不论何地能和任何人交流任何信息”将逐渐变为现实。 1 1 论文背景 在目前提出的第三代移动通信系统的各种方案中，比较有竞争力有：欧洲提出的基于g s m 的 w c d m a ，北美提出的基于i s - 9 5 的c da 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。这些标准无一例外，全部采 用c d m a 技术，并应用了如下一些关键技术：1 ) 初始同步技术；2 ) r a k e 接收技术；3 ) 高效信道编译 码技术；4 ) 发送分集技术；5 ) 智能天线技术；6 ) 功率控制技术；7 ) 多用户检测技术。本论文主要讨论 其中的发送分集技术 1 1 1 发送分集的意义 移动信道是一种时变信道，会表现出下列三种衰落特性： 1 ) 自由空间传输衰耗。其反映在公里级的较大范围内，接收信号功率的长时间平均值的变化。 2 ) 阴影衰落：这是由于传输环境中的建筑物和其它障碍物对电波遮蔽所引起的衰落。其反映在数百 波长区间内，接收信号功率在中等时问平均值出现的缓慢变动。 3 ) 多径衰落：信号由于多径传输引起的衰落。其反映在数十波长范围内，接收信号功率瞬时值发生 的快速变化。 上述三种衰落特性从1 ) 到3 ) ，衰落变化越来越快。这是造成移动通信系统性能劣化的主要原因，特 别是多径衰落( 又称为快衰落) ，对系统性能影响较大。 由文献【6 可见，对抗多径衰落最有效的方法是分集技术。c d m a 系统利用较高的码片速率，可以在 码片间隔上分辨出多径，并将多径信息进行最大比合并，以获得很好的多径分集效果。这就是r a k e 接收 机的原理。理论上，分辨出的径越多，多径分集的效果越明显。极限情况下，r a k e 接收机的性能趋于无 衰落的a w g n 信道下的性能 7 】。 但在某些情况下，由于移动信道的时延扩展较小，而导致c d m a 系统无法在码片间隔上分辨出足够 多的径。这样会造成r a k e 接收机由于缺乏足够的多径信息而无法有效工作，系统性能可能由于衰落影响 而严重劣化。在这样的情况下，人为增加径数，制造出多径环境是一种较为有效的方案。有两种方法可以 达到上述目的，而且相互之间是等价的。 多天线接收分集 多天线接收分集技术在接收端采用多个接收天线同时接收信号。当天线间距离足够大时，每根天线上 东南大学硕士学位论文 接收到的信号可以认为经过了不相关的衰落。从系统角度，这可以等效为信号经过不相关的多条径到 达一根天线。天线的数目越多，则分集的效果越好。 多天线发送分集 多天线发送分集技术与多天线接收分集技术恰恰相反，其是在发送端采用多个发送天线。类似接收分 集技术，选择合适的天线距离使得发送信号经过不相关的径。理论上，天线数目相同的发送分集与接 收分集有相同的分集增益。 1 1 2 发送分集在3 g 中的应用 在3 g 系统中，发送分集技术被用来提高下行链路的传输质量和系统容量。特别是对于一些不对称业 务，利用发送分集可以提高基站到移动台的下行信道的传输质量。将各种标准中出现的发送分集方案归纳 起来，可以分为以下几种： 开环发送分集 w c d m a 标准中采用了空时发送分集( s m ) 和时间切换发送分集( t s t d ) 两种方案( t s t d 方案 只在同步信道使用，本文并未涉及，所以后面提到的w c d m a 中的开环发送分集就是指s 1 1 d ) 。c d m a 2 0 0 0 中则采用了空时扩频( s t s ) 和正交发射分集( o t d ) 方案。 闭环发送分集 闭环发送分集非常类似于波束成形技术，可以获得额外的波束成形增益。但是，需要获得下行信道信 息以调整发送天线的权值。由于w c d m a 采用的是f d d 方式，收发处于不同频段，收发之间的频差可能 多达1 0 0 m h z 。此时，收发信道的多径衰落是完全独立的。基站端无法通过接收到的上行信道信息来精确 估计下行信道的信息。所以只有通过移动台将获得的下行信道信息反馈给基站。这就是闭环发送分集。 w c d m a 标准中根据反馈信息量化精度的不同，采用了两种闭环发送分集方案，即闭环发送模式1 和闭环 发送模式2 。 天线阵列 在w c d m a 的r 4 和r 5 版本中，出现了使用更多天线的发送分集技术：天线阵列技术。多天线系统 可以利用多种阵列技术以达到减少相邻信道干扰的目的。更高级的技术如m i m o ( m u l 邱l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 等，将多天线发送分集与多天线接收分集技术结合起来，可以获得更大的系统容量增益。 1 2 论文的主要内容 本文的主要内容是w c d m a 系统下发送分集技术的仿真研究以及基站接收模块的硬件实现。全文共 有4 章，内容安排如下： 第二章研究了w c d m a ( r 9 9 ) 中使用的两天线发送分集方案，包括开环发送分集和闭环发送分集两 种技术。首先给出了开环发送分集模式的系统模型，对开环发送分集系统在不同的信道条件下的性能进行 了分析。其次讨论了闭环发送分集系统，分析了闭环发送分集模式在不同信道和反馈误差等条件下的系统 性能，并提出了一种适于硬件实现的闭环发送分集方案。最后对两种发送分集方案进行了比较，分析了各 自的适用范围。 第三章讨论了w c d m a ( r 5 ) 技术报告中出现的几种四天线发送分集方案。首先介绍了几种四天线闭 2 第一章绪论 环发送分集方案，讨论了这几种方案的硬件实现算法并估计了各自的运算量，并对几种方案的性能进行了 比较。其次介绍了特征波束成形方案。讨论了此方案的硬件实现复杂度，并对性能进行了分析最后，对 上述方案进行了比较并给出结论。 第四章介绍了w c d m a 上行接收模块的设计和硬件实现。重点介绍系统定时模块和解上行信道复用 模块的设计思路和实现方案。最后给出了系统硬件资源的消耗情况和测试结果。 3 第二章双天线发送分集技术 第二章双天线发送分集技术 第三代移动通信系统与第二代移动通信系统相比，对i n t e r n e t 业务和多媒体业务的需求迅速增加。这 些不对称业务需要更大的下行信道容量。通常，利用多天线接收技术可以获得较高的信道容量，且实现方 案简单。但对于设计复杂度和尺寸都有要求的移动台来说却不太可行。更为现实的方案是基站端的多天线 发送分集技术。因为理论上，同样阶数的发送分集和接收分集有相近的分集增益 w c d m a 标准中定义了两种双天线发送分集方式，开环发送分集和闭环发送分集。闭环发送分集需要 利用移动台的反馈信息调整发送权值，使移动台接收的信号功率最大；开环发送分集不需要任何反馈信息， 而是利用两天线间的正交性获得分集增益。 2 1 开环发送分集技术 w c d m a 系统中开环发送分集采用的是s t r d 技术。s t t d 技术最早由a l a m o u t i 在文献【8 】中提出， t a r o k h 等人在文献 9 】中做了进一步的探讨，文献 9 】- 【1 4 】对开环发送分集的各种方法做了总结。开环发送 分集优点在于能够在不增加带宽的前提下。实现全分集。下面首先给出系统模型。 w c d m a 中s t t d 发送结构如图2 i 所示。 图2 1 w c d m a 中s t t d 发送结构 专用物理信道( d p c h ) 经过s t t d 编码器编码后，形成两路数据符号输出。再经过相同信道码碟和 扰码c ：。6 的扩频调制后，分别在两个天线上发出。同时，为了在接收机相干解调时，能够区分两个天线 发送信号经过的不同信道，下行信道在两个天线上各发送一路公共导频信道( c p i c h ) 。与专用物理信道 5 东南大学硕士学位论文 ( d p c h ) 一样，两路公共导频信道( c p i c h ) 以相同的信道码铭和扰码巳进行扩频。s t t d 模式下， 两天线上发送的导频符号如图2 2 所示，其中导频符号a = 1 + ，。由图可见，要使两路c p i c h 信道上发 送的导频符号相互正交，至少需要2 个导频符号区间。 a n t e n n a l 、a n t e n n a 2 aaaaaaa aa a aa aaa aaa a- aaa- aa- aaaa- aaaaa- aaaa- a l s l o t = 1 4 7一 s l o t = 0 71 s l o t = 1 图2 2 公共导频信道调制模式 d 1 d 2 大e 1 d 1d 2 i r 一d 2 d ， )t2 n 天线2 、| 数据 图2 3s t t d 编码器结构 s t t d 编码器的结构如图2 3 所示，西和以为连续的两个待发送数据符号，t 为一个符号间隔。编码 器输出为天线1 上仍然发送西和西，天线2 上则发送一d ：和d ：。写成输出矩阵形式为： 。= 匕纠 旺t ， 矩阵的各行对应着不同天线上的数据符号输出，各列对应着不同符号时间的数据符号输出。本章后面 出现的矩阵如不作特殊说明，都按此规律排列矩阵元素。在后面可以看到，通过这样的编码后，两根天线 上的信号在2 t 的符号间隔内互相正交。信号在空间( 两天线) 和时间( 两个符号间隔) 都进行了编码， 通过两者结合获得正交性。 设d p c h 信道上有两个连续的数据符号d ( m ) 和d + 1 ) 要发送，则经过s t t d 编码器后，在两个连 续的符号时间内，两天线上的发送信号s ( 0 可以表示为： = 圭 序c + 居c 螂，卜正， 包z ， 6 第二章双天线发送分集技术 其中s 为两天线上的发送信号矩阵，有s = 乏茏 。 。c 呻为卿c n 信道符号经过盯m 编码器后的输出符号矩阵洧。c 呻= 一窭i 。，d d ( m 。珊+ ，l 。 p 为凹明信道信号符号矩阵。有p = 匮器：瑚p ，伽，和爪肌+ d 为天线 上发送的两个连续导频符号，p 2 ( 小) 和p 2 ( 肌+ 1 ) 为天线2 上发送的两个连续导频符号 白和占，分别对应着d p c h 和c p i c h 信道每个数据符号的能量 白( f ) 为d p c h 信道的扩频序列，为信道化码c 三和扰码c 三。6 的复数乘积。同样，c ，( f ) 为c p i c h 自言 道的扩频序列，为信道化码c 二和扰码c 三一6 的复数乘积。此码用来将各信道正交隔离。 g ( t ) 为c h i p 波形成型滤波器的冲激响应。瓦y g - 4 c h i p 时问 1 互是为了保证两发送天线上的总能量为一恒定值，而不会随着天线数的增加而使发射总能量增加。 2 1 2s t t d 接收系统模型 s t t d 的接收机结构如图2 4 所示。前半部分是经典的r a k e 接收机，只是在最大比合并之后增加了 一个s t t d 解码器。 图2 4 s t t d 接收机结构 解扩 输出 在分析接收信号之前，先做了以下2 点假设： 1 ) 为了简化分析，假设两发射天线间距对于相关带宽来说足够远，所以可以认为两天线上的信号是 不相关的。同时，两发射天线的间距又足够近，以使得信号到达接收天线的传输延时在一个c h i p 之内，即 7 垄堕查兰堡主兰垡笙奎 可认为两发射天线到接收天线间的路径延时相同。由于城市的基站天线大都安装在建筑物的项部，所以这 种假设是合理的。 2 ) 假设两发射天线到接收天线经过的信道相同。即经过相同的多径传播环境( 相同的信道径数，径 增益和径时延) 。 设两个天线上的发送信号分别经过两个不同的l 径的r a y l e i g h 衰落信道舷坩，f i , i ) j ，i = 1 ，2 ， f = 1 , 2 ，三。h j t 和f “分别表示第i 个发送天线的第，径的信道系数和相对时延。则接收信号，( f ) 可表示 为： ，( f ) = u o 弦，o 一0 ) + 捍( f ) ( 2 3 ) n ( t ) 为接收端零均值的带限加性高斯噪声，双边功率谱密度为 r 0 2 。用来表示相邻小区的多址干扰 和热噪声。 信道估计 信道估计的作用是估计信道的系数 f ，和时延f f f 估计出的信道参数用于d p c h 信道数据的解扩和最 大比合并。整个过程可用公式( 2 4 ) 表示。 = 丽1 ”誉瞧嚣坳心磅( t - r , s ) d t ) p 融从2 z 固泣。， 式中疋为一个c h i p 时间，z 为一个符号时问。信道估计的相关长度为n 个符号，由图2 2 可见，如 果要保证两天线上不同c p i c h 导频符号能够正交，信道相关的符号长度至少为2 个。如果取4 的话， 在两帧的交界处需要注意，有可能无法保证正交性。 c 。o ) 为c p i c h 信道的扩频序列。利用各信道扩频序列之间的正交性，可以从接收数据中解出c p i c h 信道数据。此过程由式( 2 4 ) 括号中的项完成。将接收数据乘上c p i c h 信道扩频序列的共轭c ：( f ) ，并在 一个符号区间内积分( 由于c p i c h 信道的扩频比为固定值2 5 6 ，所以一个符号区间为2 5 6 个c h i p ) ，获得 c p i c h 信道解扩后的符号输出。 p ， ) 为第i 条天线上的第t 个导频符号，是移动台的已知量。用p f ( 后) 与c p i c h 信道解扩后的符号 相关后，可以得到信道系数的估计值。 信道时延f 的估计可以对( 2 4 ) 式以c h i p 间隔求最大的相关峰获得 数据解扩 d p c h 信道数据解扩与c p i c h 信道数据解扩类似，将接收数据乘上d p c h 信道的扩频序列的共轭 c ：( f ) ，并在一个符号区闻积分，获得d p c h 信道的解扩符号输出。来自第f 条天线第l 径的d p c h 信道 的第一个数据符号的解扩输出可表示为： 8 第二章双天线发送分集技术 孙”。壶粪端+ r i d r ( f ) 粕刊引；，j ) 旺s ， 上式中的5 为d p c h 信道的扩频因子。 完成信道估计和d p c h 信道数据解扩后，需要对获得的l 条径进行最大比合并。方法为将d p c h 信道 懈扩数据乘以估计出的各条径信道系数的共轭觅( 聍) 。由于d p c h 信道数据的符号长度与信道估计的相关 符号长度可能不同，所以会出现几个d p c h 信道解扩数据符号对应一个信道系数估计值的情况。最大比合 并可用公式表达为： 乙( ) = z u o ) 霸( 以) ，( f = 1 ，2 ) ( 2 6 ) 从后面的推导中可以看到，最大比合并后的结果互o ) 其实包含两个天线上的符号因此不能宣接恢 复出d p c h 信道的发送符号，还需要进一步进行s t t d 译码。 s t r d 译码 为了能比较清楚地看出最大比合并后的信号到底是什么，假设所有径的信道估计是精确的，即信道估 计可以获得信道的系数和时延f j r 且信道系数在考察的时间区间内不变同时假设两发送天线的接收 信号路径延时相等，即f 】= 2 ，( ? = 1 , 2 ，三) 则由式( 2 2 ) ，式( 2 3 ) 和式( 2 5 ) 可得，两个连续的 数据解扩符号z t ( m ) 和z ( m + 1 ) 可表示为： 乐咖j 锉m ) d ( m ) - h 2 , t ( r e ) d ( m + 1 ) ) 圳川，2 。( 2 7 ) z 肋+ 1 ) = 等m ) 撕+ 1 ) + h u s ( 州b ) ) + ( 埘+ 1 ) 热咏以燃觚为响) = 壶萎蹴+ r t j ( f ) c a ( t 训出 最大比合并后，信号可表示为： z j ( 肌) = 窆z ，( m ) o ( 聊) = j 鲁窆( 州( 掰) 一_ i l ：( 所) d + ( m + 1 ) 圮( 聊) + v l ( m ) i = 1 - 上，- 1 = 舟l 虮1 = 1i 椒咖和珊瞰埘矿，m m ) z 2 ( 肌) = 窆z f ( 蹦) ；，( 掰) = j 粤杰g v ( m ) d ( m ) 一矗：j ( 埘) d ( m + 1 ) ( 珊) + y ：( 优) ，；1i 厶l f f i l = 再阻( 所玩“m 坝研) 一鼽胁秒( 研+ 1 ) ) “( m ) 东南大学硕士学位论文 z l ( m + 1 ) = 窆z ，( m + o h m , ，( m ) = 粤窆g u ( 聊) d ( m + 1 ) + ：，沏) d ) k o ( m ) + “( 所+ 1 ) f f i l- 厶l - i = 再协“圳2 撕聃缸c m 圯c 州叫“c 肌+ d z ：( m + 1 ) = 窆z ，( 掰+ 1 ) j i l ：，f ( 聊) = 鲁窆g u ( 聊) d ( 加+ 1 ) + ：，( m ) d + ( m ) 舅玉( m ) + y ：( m + 1 ) f f i li 二i = 1 = 段缸c 峨胁，d ( m + l ，+ 鼽陬m ， “c 朋 ( 2 8 ) v ：( m ) ，v 2 ( m ) ，v i ( m + 1 ) 和 ，；( m + 1 ) 为最大比合并后的噪声项。有 工工 y ：( m ) = v ，( 肌) i ，( 聊) ，y ：( m ) = y ，( 所) ( 州) ， v i ( m + 1 ) = ( 聊+ 1 ) 0 ( m ) ，v ：( m + 1 ) = l ，( 聊+ 1 ) 商( 埘) 。 由式( 2 8 ) 可见，最大比合并后的得到的信号z 1 0 ) 和_ z 2 ( ，1 ) 各自包含两天线上发送的符号，这样是 j ( m ) = z l ( 聊心，= 再( 鼽槲i + 鼽c m 砂c 州c 州+ c 删 如+ 1 ) = z 胁+ 1 ) _ z 勋) = 再陲呲m ) 1 2 + 扯驯2 ) 坳+ 1 ) “( m + 1 ) “( 聊) ( 2 9 ) 由上式可得s t i d 解码器的结构如图2 5 所示，通过此解码器，可将发送符号d ( m ) 和d ( m + 1 ) 恢复 z 。 ) 么1 ( 删+ 1 ) r f1 t 、z 2 ( m ) ， rz 2 + 1 ) 9t 2 1 3s t t d 模式的性能 图2 5s t t d 解码器结构 ) 上面介绍了w c d m a 的开环发送分集模式的系统模型。本节对仿真结果进行一些分析。仿真平台的 介绍可以参考2 4 节。 1 0 第二章双天线发送分集技术 2 1 3 1 不同车速下的系统性能 图2 6 给出了单天线和s t r d 模式下，1 2 2 k 业务在不同车速下的性能比较。信道使用类似c a s e i 的 两径模型。 ( a ) 1 2 2 k3 k - h l 仁：二崭一 k i 、k 冷| l ，、 、安、甚 l| l i n d p 0 j - e | 1 ( c ) 1 2 2 k5 0 k r h 1 ) f f l l 。i z i o - 皇 ( b ) 1 2 2 k1 0 h h i n o n j u r i s dr r ll 兮 i 、 ! l d p c h _ e , i 。， ( d ) 1 2 2 k1 2 0 k m h i 一；稿。e 、 j l + 蛉 一j 。l 。l 、 l 吣l ：l ! i | l l ，过一 图2 6 不同车速下s t t d 性能 d p 邙_ e i 从图( a ) 的仿真曲线中可以看出，使用了s t t d 模式的系统比单天线系统有明显的增益。在b l e r 为1 时，大约有2 d b 左右的增益。但从图( a ) 车速3 k m h 到图( b ) 1 0 k m h ，s t i d 的分集增益开始减 小。到了图( c ) 5 0 k m h 和图( d ) 1 2 0 k m h ，s t r d 增益几乎消失，甚至s t t d 的性能还不如单天线的性 能。说明s t t d 的分集增益随着车速的增加而不断减少。这是因为当车速较低时，信道衰落速度比较慢， 信号衰落谷底出现时间较长而导致性能下降。使用发送分集后，两天线上的发送信号由于经过不相关的两 个信道，使得信号同时衰落到谷底的可能性大大下降。因此车速在3 k m h 时，s t t d 有较大的性能增益。 当车速逐渐增加，信号衰落速度越来越快，信号衰落谷底出现的时间变得越来越短。此时r a k e 接收机的 分集作用已经可以保证获得很好的性能，发送分集的作用越来越小造成图( d ) 中s t t d 系统性能更差 的原因是由于系统使用了两路c p i c h 信道，使得导频能量相对与单天线时下降了一倍。这样会导致在信 噪比较低时，信道估计精度受到影响，导致系统性能的下降。可以通过增加信道估计长度的方法改善系统 性能。多径之间的干扰加剧也是造成系统性能下降的原因 东南大学硕士学位论文 2 1 3 2 不同信道径数下的系统性能 i l i o nt d c l s r t il k 、k 一l 一念l 一“k ? 。、 、 、 l 。 e ：二s t t n o n d t o f i 卜i i 、n 心j 一一 、 、 ；、 、 - 。 ll 2 1 4 结论 开环发送分集通过人为增加信道径数来对抗信道衰落，获得系统增益。显然在信道径数较少且衰落较 为缓慢的情况下有最好的性能。过高的车速和较多的径数都会导致分集增益的下降。可见，开环发送分集 有一定的适用范围。 2 2 闭环发送分集技术 上一节中介绍的开环发送分集结构比较简单，而且移动台接收机的复杂度也较低。但是开环方式没有 能够利用信道的信息，所以只能够获得分集增益。而w c d m a 标准中的闭环发送分集方式则通过利用信 道信息，获得额外的增益。 闭环发送分集的思想是移动台通过上行链路将信道信息反馈给基站，基站利用此信息自适应的调整两 个发送天线上的发送权值，以达到使移动台接收功率最大的目的。这个过程非常类似于前向波束成形技术。 从本质上说，闭环发送分集就是一种波束成形技术。通过利用信道信息，闭环发送分集除了可以获得分集 增益以外，还可以获得波束成形增益。 虽然理论上闭环发送分集应该比开环发送分集具有更好的性能，但由于需要反馈信息，所以各种不利 于反馈系统的因素对系统的性能都会有很大的影响。如随着车速提高，信道变化会加剧。这种快速变化的 信道可能使移动台的反馈信息无法及时跟踪信道的变化，而导致系统性能的劣化。此外，反馈信道的精度， 1 2 第二章双天线发送分集技术 时延都会对系统的性能造成影响。这些问题其实同样存在于使用反馈信息的闭环功控系统中文献 1 5 1 - 1 9 】 对上述问题做了一些讨论。 本节首先给出闭环发送分集的系统模型，然后介绍闭环发送分集的算法和系统实现的方案，最后给出 仿真结果。 2 2 1 闭环发送分集系统模型 w c d m a 闭环发送分集发送结构如图2 8 所示。与图2 1 开环发送分集发送结构相比，公共导频信道 ( c p i c h ) 完全相同，发送的导频符号格式如图2 2 所示。d p c h 信道数据不经过s t t d 编码，直接进行 扩频。再利用w l 和w 2 进行加权后在两天线上发送。在s t t d 方式下，为了保证两天线上发送信号的总能 量不变，两天线上的发送信号用1 4 2 加权归一化，加权向量1 4 2 为一定值。而闭环发送分集方式下，加 权向量与移动台反馈的下行信道信息有关，会随着信道变化而变化。为了对两天线的信号发送功率归一化， 对发送权值向量w 做以下规定： m 2 ：w ”w ：壹m 2 ： 图2 8w c d m a 闭环发送分集发送结构 ( 2 1 0 ) 闭环发送分集接收机的结构图如图2 9 所示。为了分析方便，也做与前一节相同假设。同时，仿真中 如不特别说明，假设上行信道没有误差，即保证基站收到的上行信道反馈比特f b i 与移动台发出的完全相 同。 同样设两个天线上的发送信号分别经过两个不同的l 径的r a y l e i g h 衰落信道纸，f u ) ，i = 1 ，2 ， ，= 1 , 2 ，l 。移动台接收信号如下： 1 3 东南大学硕士学位论文 2 ，( f ) = _ j l u ( f ) 砖。一0 ) + ( f ) ( 2 1 1 ) n ( t ) 为接收端零均值的带限加性高斯噪声，双边功率谱密度为。2 。用来表示相邻小区的多址干扰 和热噪声。 图2 9w c d m a 闭环发送分集接收机结构 式( 2 1 1 ) 与式( 2 3 ) 形式上完全一致，但发送信号毋( f ) 不同。有 唧( f ) ：艺慨( r ) + 而，q ( t ) ) l v i g ( t 一栉疋) 输出 符号 ( 2 1 2 ) 式中d 为d p c h 信道数据符号，p j 为第f 个天线上发送的c p i c h 信道数据符号，为第i 个天线上 的加权值。其余符号的定义同式( 2 2 ) 。 因此移动台d p c h 信道接收信号的功率可以表示为 p = 6 d w ”h ”h w ( 2 1 3 ) 式中h 为l x 2 阶信道矩阵，有h = 【h 。h 2 】。其中h 。= 陆。h 。：h j l 】r ， h ：= 陋：。h 。h 2 l 】r 。由下面的推导可以看到，使上式移动台接收信号功率达到最大的发送权值 w ，也使移动台接收机输出信噪比达到最大。 闭环发送分集接收机的信道估计，数据解扩和最大比合并部分与上一节s t t d 方式下完全一样。这里 就不再赘述相关算法了。 为方便说明，依旧假设所有径的信道估计是精确的，且两发送天线的接收信号路径延时相等。用矩阵 形式表示d p c h 信道数据解扩后的信号为 z = h x + y 1 4 ( 2 1 4 ) 第二章双天线发送分集技术 上式中z 为解扩后数据符号向量，有z = k iz ：z 】r 。x 为发送符号向量，；f i x = ；- 细， w = 【w tw 2 】r 。y 为噪声n o ) 经过解扩后的噪声向量，有p = 屹叱】。 经过最大比合并，再与发送权向量w “相乘后，- - f 得 z = 毛拥“h “h w + w “h “p ( 2 1 5 ) z 为接收机的输出符号由上式可得移动台输出信号的信噪比为 y ：鲁w “h “h w ：善w “r w ( 2 1 6 ) 1 n on o 其中r = h “h 为2 x 2 的信道相关矩阵，显然是一个h e r m i t i a n 阵。 闭环发送分集的本质就是通过改变发送权向量w ，使式( 2 1 3 ) 中的移动台接收信号功率p 和式( 2 1 6 ) 中的移动台输出信噪比，最大。根据式( 2 1 0 ) 可将式( 2 1 3 ) 写为 p = s d w h r w ： d w 正h r w ( 2 1 7 ) w 一一w w r h r w 为矩阵r 的r a y l e i 曲商。i 由h e r m i t i 阵的性质可知，当w 是矩阵r 最大特征值所对应的特 w 一一w 征向量时，矩阵r 的r a y l e i g h 商有最大值，且最大值等于阵r 的最大特征根。由此，移动台的最大接收 信号功率在权向量w 取信道相关阵r 最大特征值所对应的特征向量时获得，且等于阵r 的最大特征值。 由于信道相关矩阵随着信道系数在不断变化，所以，最优发送权向量w 要自适应调整以跟踪信道的变化。 通过计算可以直接求出最优发送权向量w 。先看单径信道情况下，有h = 限h 2 】，则信道相关阵为 r = 隧 ( 2 1 8 ) 容易求出矩阵r 的两个特征值为丑= 限1 2 + l h ：1 2 ，如= o 。其中，最大特征值为 。考虑到式( 2 1 0 ) ， 且规定w i 为实数( w c d m a 标准中就是这么规定的) ，则对应最大特征值的最优权值为 嵋= 批： 蔓坠一 2 i h l l+ 蚶 在多经信道情况下，h = 【h lh 2 1 ，信道相关阵为 r = 嘤h 2 譬剐 ( 2 1 9 ) 丽 东南大学硕士学位论文 可以解得两个特征值 ：幽幽哮匾 如：型坚萼匾 最大得特征值为 ，对应的最优权值为 w t2 w 2 。 2 1 h ? h ； 2 2 2w c d m a 系统闭环发送分集权值量化算法 ( 2 2 1 ) 最优权值虽然可以通过式( 2 1 9 ) 和式( 2 2 2 ) 算出，但在实际系统中，反馈权值却受到两个条件的 制约，即反馈时延和反馈带宽。从系统设计的角度考虑，上行信道的反馈带宽通常为固定值。例如在 w c d m a 系统中，上行反馈信道的带宽固定为每时隙1 比特，即反馈速率为1 5 k b p s 。如果要将最优权值 的精确值通过上行信道反馈给基站，则会导致较长的反馈延时而无法跟踪信道的快速变化。所以通常对最 优权值进行量化，以减少反馈信息量。当然这时基站端得到的已经不是最优权值，必然会对系统的性能造 成损失 不同的量化算法决定了反馈信息的量化精度，也决定了反馈的信息量。反馈信息量化精度越高或者反 馈时延越小，系统的性能越好。但在反馈带宽一定的条件下，量化精度和反馈时延恰恰成正比。所以系统 只能在两者之间寻找一个平衡点。 w c d m a 标准给出了两种闭环发送分集模式，对应着两种不同的量化精度。模式1 只进行相位调整， 而模式2 除了进行相位调整外还要进行幅度调整。为了进一步减少反馈信息，w c d m a 系统选择固定发送 权值w 1 ，这样移动台只需要反馈权值w ，与w 1 之间的相位差值，而基站也只要调整发送权值w 2 的相位。 2 2 2 1 闭环发送分集模式1 闭环发送分集模式1 由于只调整相位，所以反馈信令消息( f s m ) 只包含相位子域f s m 。h ，且长度为 1 比特。格式如图2 1 0 所示。 1 6 第二章双天线发送分集技术 m s b 图2 1 0 闭环发送分集模式1f s m 格式 每个时隙，移动台估计出最优的权值w l 和w 2 之间的相位调整值，并按如下方式量化为双值信号九： 其中 。f 石，i f 2 产办何3 j 】r 2 2 1 0 ，o 岫i s e 。 伽骱：落淼y ( 2 2 4 ) 如果如= 0 ，则移动台通过f s m p h 域反馈命令“0 ”到基站。相应的，如果九= 石，移动台发送命 令“l ”到基站。由于移动台端进行了星座图旋转，基站端通过下表对接收信号进行解释。表2 1 中定义了 移动台上行时隙发送的反馈命令与相位调整值以之间的映射关系。需要注意在第1 4 时隙和下一帧的第0 时隙之间有一个跳变。 表2 1 相位调整和反馈命令之间映射表 时隙 ol234567891 01 11 21 31 4 f 00 a 2 o20 e | 2 o | 2 o2o2o2o s 1 石一e | 2厅 一州2 ， - # 2 ，r - h i 2 ， - 2 石 2 ，r 一r | 2 石 m 权向量w 2 通过在2 个连续的时隙上对接收相位取平均获得。即 hh c o s ( 办)s i n 慨) w 22 生 + ，气 上式中以i o ，丌，万2 ，一厅2 。 天线1 的发送权值w l 为定值，有 = l 压 由表( 2 1 ) 和式( 2 2 5 ) 可见，闭环模式1 的相位调整精度为州2 。 1 7 东南大学硕士学位论文 2 2 2 2 闭环发送分集模式2 闭环发送分集模式2 不仅要调整相位，还要调整幅度。因此反馈信令消息( f s m ) 中包含3 比特相位 子域f s m p i , 并1 11 比特功率子域f s m v o 。格式如图2 1 1 所示。可见闭环模式2 中，相位和幅度调整量有1 6 种组合。由于每时隙只能反馈一个符号，移动台要完整地反馈一个f s m 需要4 个时隙。 m s bl s b 图2 1 1 闭环发送分集模式2f s m 格式 移动台每时隙根据表2 2 和表2 3 产生相应的反馈信息。与闭环模式1 不同，闭环模式2 中移动台对w 2 量化时不进行相位旋转，基站端也不对接收到的权向量进行多个时隙的平均操作。 表2 2 闭环模式2 f s m 。子域 f s m p o 天线1 功率天线2 功率 ： 0 2 冀o 8 表2 3 闭环模式2 f s m 。h 子域 f s m m天线问相位差 0 0 0 ，r o o l 一3 | 4 0 1 1 8 i 2 0 1 0 一| 4 1 1 00 1 l l4 1 0 12 1 0 0 3 j 4 基站端每时隙根据最新接收到的反馈比特来重新构造f s m ，并根据表2 2 和表2 3 中的定义对发送权 值w 进行相位和幅度的调整，而对w 1 只进行幅度的调整。 移动台产生f s m 是一个逐步取精的过程。移动台每时隙选择1 个最优的结果构成f s m 的1 个符号反 馈给基站，所以发送一个完整的f s m 需要4 个时隙。例如估计一帧中的第m 个f s m b 3 ( 4 m ) ，b 2 ( 4 m + 1 ) ， b l ( 4 n 1 + 2 ) ，b o ( 4 m + 3 ) ) ( m = o ，1 ，2 ，3 ) ：在4 m 时隙，移动台要在1 6 种结果中选出最优的结果b 3 ( 4 m ) ，在4 m + l 时隙，移动台要在8 种结果中选出最优的结果b 2 ( 4 m 十1 ) ，在4 m + 2 时隙，移动台在4 种结果中选出最优的 结果b z ( 4 m + 2 ) ，在4 m + 3 时隙，移动台在2 种结果中选出最优的结果b 2 ( 4 m + 3 ) 。 基站端的操作与移动台对应：基站维护一个寄存器z = kz 2z i ，此寄存器按照 1 r 第二章双天线发送分集技术 z i = 6 ( 埘) ，o = 0 ：3 ，船= 0 ：1 4 ) 每时隙更新一次，用于确定相位和幅度的调整量。 权值向量w 计算方法如下： w _ 厮需伽瑚 ( 2 2 7 ) 上式中，p o w e r _ a n t i 和p o w e r _ a n t 2 为表2 2 中对应的天线1 和天线2 上的功率，p t 汐为表2 3 、中定义的两天线发送权值之间的相位差 由表2 2 j f l l2 3 可见，闭环模式2 的相位调整精度为州4 ，幅度在孤和瓦云之间调整 2 2 3w c