（通信与信息系统专业论文）jt和智能天线下行波束成形联合优化研究.pdf

重庆邮电人学硕+ 论文摘要 摘要 近年来，智能天线技术已经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一， 通过智能天线( s a ) 波束成形技术可以使信号的发射功率集中在移动台方 向，减少小区内的多址干扰，同时减小基站和移动台的发射功率，有效地 改善系统的性能，提高系统容量。常用的波束成形算法分为两类：基于方 向矢量的和基于信道矢量的。基于方向矢量的波束成形算法如理想波束成 形；基于信道响应的波束成形算法有最大径成形等。 由于天线数和复杂度的限制，智能天线的主波束宽度常常在十几度甚 至更大，这样在主波束覆盖范围内往往有多个用户存在，并导致多用户干 扰，在t d s c d m a 系统中一般在移动台采用多用户检测技术来消除这种 干扰i l 】。但这样使移动台较复杂，同时由于移动台的随机移动给多用户检 测的效果带来很大影响。本文通过在基站发送端采用联合传输( j t ) 技术来 克服上述问题。本文给出了j t o z f 和j t m m s e 两种不同的j t 算法和智能 天线下行波束成形联合优化( j t - s a ) 方案，不仅可以减少智能天线主波束内 存在的多用户干扰，而且可以降低移动台的复杂度。通过仿真结果可以看 出，在下行链路中，两种不同的j t 和智能天线( s a ) 下行波束成形联合优 化( j t - s a ) 方案的性能比传统s a 性能明显要好。说明了它们的优越性：同 时当天线数一定时，用户数对两种不同的j t 和智能天线下行波束成形联 合优化技术的影响不是很明显，说明了这两种j t 和智能天线下行波束成 形联合优化( j t - s a ) 方案的可行性。 关键词：t d s c d m a ，j t ，下行波束成形，联合优化 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t r e c e n t l y ，s m a r ta n t e n n ah a sa l r e a d yb e e no n eo ft h eb e s ta t t r a c t i v e t e c h n o l o g yi nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，t h et r a n s m i tp o w e ro ft h es i g n a lc a nb e f o c u s e do nt h em o b i l es t a t i o nb ys m a r ta n t e n n ab e a mf o r m i n g ，w h i c hc a n r e s t r a i nm u l t i u e s e ra c c e s si n t e r f e r e n c ei nt h es e c t i o na n dd e c r e a s et h e t r a n s m i tp o w e ro ft h eb a s es t a t i o na n dm o b i l es t a t i o n ，s ot h ep e r f o r m a n c eo f t h et d s c d m as y s t e mc a nb ee f f e c t i v e l yi m p r o v e da n dt h ec a p a b i l i t yo ft h e s y s t e mc a nb ei n c r e a s e d t h e r eu s u a l l ya r et w ob e a mf o r m i n ga l g o r i t h m s ： b a s e do nd i r e c t i o nv e c t o ra n dc h a n n e lv e c t o r t h eb e a mf o r m i n ga l g o r i t h m b a s e do nd i r e c t i o nv e c t o ri si d e a lb e a mf o r m i n g ；t h eb e a mf o r m i n ga l g o r i t h m b a s e do nc h a n n e lv e c t o ri st h em o s tp a t hf o r m i n ge t c b e c a u s eo ft h en u m b e ra n dc o m p l e x i t yo fa n t e n n a ，t h ee x t e n to ft h em a i n b e a mo fs m a r ta n t e n n ai so f t e nm o r et h a nt e nd e g r e ee v e nm o r e ，s ot h e r ea r e o f t e nm a n yu s e r si nt h em a i nb e a m a n dw h i c hr e s u l t si nm u l t i - u e s e ra c c e s s i n t e r f e r e n c e a n di nt h et d - s c d m at h es y s t e mi tc o m m o n l ym a k e su s eo f m u l t i u e s e rd e t e c t i o nt oa v o i dt h ei n t e r f e r e n c ei nt h em o b i l es t a t i o n ( m s ) j h o w e v e r ，i nt h i sw a yi tm a k e st h em o b i l es t a t i o nc o m p l e x i t ya n db e c a u s eo f t h er a n d o mm o t i o no fm si tb a d l ya f f e c t st h ee f f e c to fm u l t i u e s e rd e t e c t i o n t h i sp a p e rm a k e su s eo f j o i n tt r a n s m i tt e c h n i q u et oc o n q u e rt h ep r o b l e mi nt h e b a s es t a t i o n ( b s ) t h i sp a p e rd i s c u s s e st w oj o i n to p t i m i z a t i o np r e c e p t so f d o w n l i n kb e a mf o r m i n go fs m a r ta n t e n n a ( s a ) a n dj o i n tt r a n s m i t ( j t ) b a s e d o nz e r of o r c e dt h e o r e m ( z f ) a n dm i n i m i z em e a ns q u a r ee r r o rt h e o r e m ( m m s e ) r e s p e c t i v e l y t h et w op e r c e p t so ft h i sp a p e rc a nn o to n l yr e s t r a i n m u l t i u e s e ra c c e s si n t e r f e r e n c ei nt h em a i nb e a mo fs m a r ta n t e n n a s b u ta l s o r e d u c ec o m p l e x i t yo fm o b i l es t a t i o n s e e nf r o ms i m u l a t i o nr e s u l t s ，i nt h e d o w n l i n k ，t h ep e r f o r m a n c eo ft w od i f f e r e n tj o i n to p t i m i z a t i o np r e c e p t so f d o w n l i n kb e a mf o r m i n go fs m a r ta n t e n n aa n dj o i n tt r a n s m i ti sb e t t e rt h a n t r a d i t i o n a ls m a r ta n t e n n a ，w h i c hp r e s e n t st h ea d v a n t a g eo ft w od i f f e r e n t p r e c e p t s ；w h e nt h e n u m b e ro fu s e r si n c r e a s e sa tt h es a m et i m e ，t h e p e r f o r m a n c eo ft h e s et w oj o i n to p t i m i z a t i o np r e c e p t so fd o w n l i n kb e a m f o r m i n go fs m a r ta n t e n n aa n dj o i n tt r a n s m i ts o m e w h a td e c l i n e s ，b u ti ti sn o t d i s t i n c t ，s ot h e s et w oj o i n to p t i m i z a t i o np r e c e p t so fd o w n l i n kb e a mf o r m i n g 玎 重庆邮电大学硕十论文 摘要 o fs m a r ta n t e n n aa n dj o i n tt r a n s m i ta r ef e a s i b l e k e yw o r d s ：t d s c d m a ，j t , d o w n l i n kb e a mf o r m i n g ，j o i n to p t i m i z a t i o n 1 1 1 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，也不包含为获得重鏖蛆虫盍堂或其他教育机构 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己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： - 。7 年乡月衣7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆整虫太堂有关保留、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。本人授权重庆鲣电太堂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适用本授权书) 签字日期： 弘7 年岁月汶7 日 签字日期 h 重庆邮电人学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 第三代移动通信系统 近2 0 年来，随着通信技术的飞速发展，第二代移动通信系统以其令人 瞩目的优越性逐渐取代模拟系统，在世界范围内得到普及和应用，并已进 入向第三代移动通信系统过渡的阶段。 早在1 9 8 5 年，国际电联( i t u ) 就提出了第三代移动通信的概念，当 时称为未来陆地移动通信系统( f p l m t s ) 。f p l m t s 的研究工作在1 9 9 6 年后取得了迅速的进展，并被正式命名为国际移动通信一一2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) 川。 在第三代移动通信系统所要实现的目标( 亦即系统的特点) 中，最核 心的问题是要高效地提供不同环境下的多媒体业务并实现对全球无缝覆 盖的立体通信。第三代移动通信十分重视个人在通信系统中的主导地位， 所以又称为未来个人通信系统。 。为了满足未来业务的需求，相对于现有的移动通信系统，3 g 系统应具 有下列特点1 2 1 ： 系统的国际性，提供全球无缝覆盖和漫游，世界范围设计的高度一 致性： 业务的多样性，提供话音、数据和多媒体业务，车载通信速率为 1 4 4 k b p s ，步行通信速率为3 8 4 k b p s ，室内通信速率为2 m b p s ； 高质量业务，满足通信质量能达到与固定网相比拟的高质量业务要 求； 高度的灵活性，按需分配带宽，支持大范围、可变速率的信息传送； 频谱利用率高、通信容量大； 袖珍、多频、多模、通用移动终端；， 满足通信个人化的要求； 系统初始配置能充分利用第二代系统设备和设施，随后实现平滑升 级； 低的费用，包括设备和服务两方面。 2 0 0 0 年5 月，i t u 正式批准5 种第三代移动通信系统( i m t - 2 0 0 0 ) 无 重庆邮电人学硕士论文 第一章绪论 线接口技术规范( r s p c ) 建议【lj ： 三种c d m a 标准：m c c d m a ( e d m a 2 0 0 0 ) 、d s c d m a ( w c d m a ) 和c d m at d d ( 包括t d s c d m a 和u t r a t d d ) ； 两种t d m a 标准：s c t d m a ( 美国的u m c 1 3 6 ) 和f t - t d m a ( 欧洲 的e p d e c t ) 。 第三代移动通信系统要求最大程度的利用频带，在提供大容量传统业 务的同时，支持高质量和多速率的多媒体业务，能运行在多种通信环境和 多种通信网络中，因此它的实现需要各种强有力的技术支持。 1 2t d s c d m a 与智能天线 t d s c d m a 系统是t d m a 和c d m a 两种基本传输模式的灵活结合， 是由我国无线通信标准化组织( c w t s ) 提出并得到i t u 通过的3 g 无线 通信标准1 1 1 。它是世界上第一个采用时分双工( t d d ) 方式和智能天线技 术的公众陆地移动通信系统，也是唯一采用同步c d m a 技术和低码片速率 ( l c r ) 的第三代移动通信系统。 t d s c d m a 系统的每个射频信道带宽为1 6 m h z ，系统速率为 1 2 8 m c h i p s 。每个t d d 无线帧长1 0 m s ，t d s c d m a 将每个无线帧分为 两个5 m s 的子帧。如图1 1 所示，每个子帧由7 个常规时隙和3 个特殊 时隙：下行导频时隙( d w p t s ) ，上行导频时隙( u p p t s ) 和保护间隔( g p ) 构成1 3 1 。 1 2 8 m e n i p s d w p t s ( 9 6 c h i p s ) 一j1 w 一o p o ， 7 t 转换点 t s o t s l t t s 2 t t s 3 tt s 4 | rt s 5 0t s 6 i 图1 it d s c d m a 子帧结构 t d s c d m a 是t d d 模式的，且同时使用了f d m a t d m a c d m a 技术、 q p s k 射频调制技术、正交可变扩频，用软件和帧结构设计来实现严格的 上行同步，联合使用智能天线和联合检测技术，因此，在达到高数据率的 同时，还达到了较高的频谱利用率和较大的系统容量。其发送和接收在同 一频率信道( 即载波) 的不同时隙，用时间来分离接收和发送信道。该模 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 式在不对称业务中具有不可比拟的灵活性，时域上下行切换点可灵活变 动，所以对于对称业务( 语音和多媒体等) 和不对称业务( 包交换和因特 网等) ，都可充分利用无线频谱。 智能天线技术本身不仅是t d s c d m a 系统重要的特色技术之一而且还 是决定t d s c d m a 系统其它技术特色的关键技术【4 西】。接下来，我们只介 绍与本文相关的智能天线技术。 智能天线基本思想是：天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望 用户，接收模式下，来自窄波束之外的信号被抑制，发射模式下，能使期 望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受 到的干扰最小。智能天线也叫自适应天线，所以自适应算法是智能天线研 究的核心，一般分为非盲算法和盲算法两类【7 l ： ( 1 ) 非盲算法：此方法需要借助参考信号( 导频序列或导频信道) 的算法， 此时收端知道发送的是什么，按一定准则确定或逐渐调整权值，使智能天 线输出与已知输入最大相关，常用的相关准则有m m s e ( 最小均方误差) 、 l m s ( 最小均方) 和l s ( 最小二乘) 等： ( 2 ) 盲算法：无需发端传送己知的导频信号，他一般利用调制信号本身 固有的、与具体承载的信息比特无关的一些特征 8 - 1 2 】，如恒模、子空间、 有限符号集、循环平稳等，并调整权值以使输出满足这种特性，常见的是 各种基于梯度的使用不同约束量的算法。 从阵列智能化的角度看，目前智能天线的主要工作方式有3 种： 波束切换：波束切换是最简单的技术，这种技术直接来自对小区分裂 概念的进一步引申，小区内形成多个固定的波束，用户始终工作在信 号最优的波束当中1 1 3 】。 类似主波束形成的方法：这种方法首先估计最大接收功率的信号来向， 然后在该方向上得到最优权向量。 自适应阵列：这种方法是阵列对单个用户可以形成多个波束来实现多 径的最大比合并，并在干扰方向上形成零陷，从而可以实现s i n r 的最 大化。 1 3 联合传输技术 联合传输( j t ) 是一种适合c d m a 多用户系统【m 17 】的预均衡技术。它 将接收端的数据检测搬移到发射端来，将发送信号在基站进行预处理消除 i s i 和m a i ，通过信道后由移动台接收自己的有用信号【1 8 】。 3 重庆邮电大学硕七论文笫一章绪论 p w b a i e r 等人在文1 1 9 1 提出了一种新的适用于t d c d m a 系统下行链路 的多用户传输技术，联合传输技术( j t ) 。它是一种面向接收的技术，如 图1 2 所示，在这种技术中，接收端算法d 是优先确定的，并且为发送端已 知，发送端在考虑了信道信息h 和接收端算法d 的情况下，随后确定出与之 匹配的发送端算法m f 协2 引。 生吨 叫弘土 丑j 旦 图i 2j t 传输模型 它可以充分的利用t d d 上下行信道冲激响应近似相等的特性，下行不 需要利用训练序列估计信道，可以将训练序列的部分传送有用数据，因此 提高了t d c d m a 下行链路的有用数据速率，提高了系统容量【2 】。联合传输 技术最重要的优点是：优先确定接收端算法，能够实现非常简单的接收机 结构。因此，在t d c d m a 系统下行链路中，它很自然地将成为最佳选择。 1 4 本文所作的工作 智能天线技术本身不仅是t d s c d m a 系统中要的特色技术之一，而且 还是决定t d s c d m a 系统其他技术特色的关键技术。智能天线通过波束 形成技术使发射功率集中在移动台方向，减少小区内的多址干扰，同时减 小基站和移动台的发射功率，有效的改善了系统的性能，提高了系统的容 量。但是，由于复杂度和天线数的限制，使得主波束的宽度常常在十几度 甚至更大，这样在主波束覆盖范围内往往有多个用户存在，并导致多用户 干扰，在t d s c d m a 系统中一般在移动台采用多用户检测技术来消除这 种干扰。t d s c d m a 系统采用的多用户检测技术，要求在确定移动终端 算法时需要知道信道信息，因此必须在移动终端做信道估计和复杂的检测 算法，但是由于移动终端受到处理能力等因素的限制，这使得移动终端比 较复杂，同时由于移动台的随机移动给多用户检测的效果带来很大影响。 本文通过在基站发送端采用联合传输o t ) 技术来克服上述问题，并给出 了t x z f 与t x m m s e 两种不同的j t 算法和智能天线下行波束成形联合优 化( j t - s a ) 方案，不仅可以减少智能天线主波束内存在的多用户干扰，而且 4 重庆邮电大学硕十论文第一章绪论 可以降低移动台的复杂度。 1 5 论文结构 本文主要研究了两种不同的j t 和智能天线下行波束成形联合优化 ( j t - s a ) 方案，全文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章首先介绍了t d s c d m a 系统，j t 基本原理，并分析了下行波束 成形算法。 第二章介绍了论文分析和仿真中必要的基础知识，主要包括无线信道、 信道建模、信道估计。 第三章首先给出了采用智能天线的t d s c d m a 下行链路模型，在此基 础上给出了基于传输迫零准月j j ( t x z f ) 的联合优化算法。然后推导出了权向 量的确定。最后就t d s c d m a 系统应用环进行了仿真和分析，给出了性 能仿真结果，并对结果进行了分析，结果说明了j t ( 基于t x z f 准则) 和智 能天线下行波束成形联合优化( j t - s a ) 技术的优越性和可行性。 第四章首先给出一种线性预处理方法：维纳滤波器，在3 2 节给出的链 路模型基础上给出了基于传输维纳准j j ( t x w f ) 的联合优化算法，然后推导 出了权向量的确定。最后就t d s c d m a 系统应用环进行了仿真和分析， 并对两种方案进行了比较分析，给出了性能仿真结果，并对结果进行了分 析，结果说明了j t ( 基于t x w f 准则) 和智能天线下行波束成形联合优化 ( j t - s a ) 技术的优越性和可行性，且j t ( 基于t x w f 准则) 和智能天线下行波 束成形联合优化的性能比j t ( 基于t x z f 准则) 和智能天线下行波束成形联 合优化要稍微好一些，但是它增加了优化算法的复杂度。 第五章概括性地总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 1 6 小结 本章首先介绍了t d s c d m a 系统，联合传输技术的基本原理，并分 析了下行波束成形算法，随后介绍了本文所作的工作，最后给出了论文的 结构。 5 重庆邮电大学硕士论文第二章无线信道 2 1 无线信道 第二章无线信道 移动信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会遭受来自不 同途径的衰减损害。这些损害可以归纳为三类【2 4 1 。接收信号的功率可用公 式表示为 p m ) = i m i 一”s ( d ) r ( d ) ( 2 1 ) 式中，i d 表示移动台与基站的距离。当移动台运动时， 函数，所以接收信号功率也是时间的函数。 根据上式，无线信道对传输信号的影响可以分为三种： ( 1 ) 自由空问传播损耗，用p r 表示，其中甩一般为3 - 4 ， 以公里计的较大范围内接收信号的变化特性。 距离是时间的 它表明的是在 ( 2 ) 阴影衰落，又称慢衰落，用s ( d ) 表示，这是由于传播环境的地形起 伏、建筑物和其它障碍物对电波的阻塞或遮蔽而引起的衰落。它反映在数 百波长的区间内，信号的短区间中值出现缓慢变动，其衰落特性符合对数 正态分布。 ( 3 ) 多径衰落，又称快衰落，用r ( d ) 表示，它是由于无线电波在空间传 播会存在反射、绕射、衍射等，因此造成信号可以经过多条路径到达接收 端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同，因此在接收端对多个 信号分量叠加时，会造成同相增加，异相减小的现象。在数十波长的范围 内，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征，其衰落特性一般符合瑞 利分布。 由于路径损耗和衰落的影响，接收信号要比发射的信号弱的多，对快 速移动的用户而言，平均路径损耗变化很慢，信号的变化主要表现为衰落。 阴影衰落常称为慢衰落，也称为长期衰落，主要来自建筑物和其他障碍物 的阻塞效应。多径衰落常称快衰落，又称短期衰落或r a y l e i g h 衰落，由移 动用户附近的多径散射产生。图2 1 给出了某一衰落信号的路径损耗、慢衰 落和快衰落的示意图。 6 重庆邮电大学硕+ 论文第二章无线信道 弓 v 甜 雷 皿p 逛 距离( 对数) 图2 i 信号在无线信道中的传播特 从移动通信系统工程的角度看，传播损耗和阴影衰落主要影响到无线 区的覆盖，而多径衰落则严重影响信号传输质量，必须采用抗衰落技术来 减少其影响。下面对多径衰落信道进行进一步讨论。 2 2 多径衰落信道的物理特性 移动信道是一种多径衰落信道，发射的信号要经过多条传播路径才能 到达接收端，而且随着移动台的移动，各条传播路径上的信号幅度、时延 及相位随时随地发生变化，所以接收到的信号的电平是起伏不定的，这些 多径信号相互迭加就形成了衰落。多径传播对于数字信号传输有特殊的影 响，包括角度扩展、时延扩展和频率扩展1 2 5 1 。 一、角度扩展一空间选择性衰落 角度扩展包括接收端的角度扩展和发射端的角度扩展。接收端的角度 扩展是指多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。同样，发射端的角度 扩展指的是由多径的反射和散射引起的发射角展宽。由于角度扩展，接收 信号产生空间选择性衰落，也就是说，接收信号幅值与天线的空间位置有 关。 空间选择性衰落用相干距离来描述。相干距离定义为两根天线上的信 道响应保持强相关的最大空间距离。相干距离越短，角度扩展越大；反之， 相干距离越长，则角度扩展越小。 7 重庆邮电大学硕十论文第二章无线信道 图2 2 角度扩展造成空间选舞性 二、时延扩展一频率选择性衰落 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。当发射端发送一个极 窄的脉冲信号, f i t ) 时，由于不同路径的传播距离不一样，信号沿各个路径 到移动台的时间也就不同，接收信号r ( f ) 由不同时延的脉冲组成，可表示 为： ，( f ) = h n ( t ) 6 t 一靠( f ) ( 2 2 ) n 这里( f ) 是第行条路径的反射系数，厶( d 是第胛条路径的时延。 图2 3 多径接收信 最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间之差为最大时 延扩展，记作。由于时延的扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展 到其他码元周期中，引起码间串扰。 与时延扩展有关的一个重要概念就是相干带宽。通常用最大时延的倒 数来定义相干带宽，即 1 b = ( 2 3 ) 8 重庆邮电大学硕十论文第二章无线信道 图2 4 时延扩展导致频率选择性 多径衰落信道对信号中不同的频率分量所造成的衰落是不同的。根据 衰落与频率的关系，可将衰落分为两种：频率选择性衰落和非频率选择性 衰落。对于移动信道来说，当信号带宽小于相干带宽时，发生非频率选择 性衰落，即传输后，信号中各频率分量所遭受的衰落是一致的，因而衰落 信号的波形不失真。当信号带宽大于相干带宽时，发生频率选择性衰落， 即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应，所以衰落信号波形 将产生失真。 一般来说，窄带信号通过移动信道会引起平坦衰落，而宽带扩频信号 将引起频率选择性衰落。 三、频率扩展一时间选择性衰落 移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应， 所导致的附加频移称为多普勒频移，表示为 f o = 半 ( 2 - 4 ) 其中口是入射电波与移动台运动方向的夹角，v 是运动速度，五是波长。 厶= 是厶的最大值，称为最大多普勒频移。 在多径环境中，衰落信号的频率随机变化称为随机调频。对于移动台 来说，由于周围物体的反射，其多径接收信号的入射角都不全相同。假设 移动台天线为全向天线，路径数较大，且不存在直达径，则可认为多径波 均匀来自各个方向，入射角口服从o 一2 万的均匀分布，口到口+ 妇之间的到 达电波功率为l 出【，这里是所有到达电波的平均功率，来自口与一口 9 重庆邮电人学硕士论文第二章无线信道 之间的电波有相同的多普勒频移， f = c + m c o s 当入射角从口到口+ d a 变化时， 频功率为 s ( f ) l d f l = 2 等i d 口l ， 使信号的频率变为 ( 2 5 ) 信号的频率从厂变化到厂“矿。其间的射 0 口 口 ( 2 6 ) 由以上两式可得到接收信号功率谱为 = 岳 1 _ ( 警中，五+ 厶净五一厶 ， 上式即是经典功率谱【2 4 1 。 信号谱密度 图2 5 频率偏移导致时间选择性 时间 由( 2 7 ) 式可见，虽然发射频率为工，但接收电波的功率谱s ( f ) 却展 宽到六一厶到正+ 厶范围，即多普勒频移。时间选择性衰落信号的幅度 变化符合瑞利分布，通常被称为瑞利衰落。 将最大多普勒频移厶的倒数定义为相干时间疋，即 z = 去 ( 2 8 ) 相干时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，而这种衰落是由于多 普勒效应引起的。在时间间隔瓦之内，信道可以认为是不变的。 2 3 多径衰落信道模型建模 由于信道环境的复杂性，衰落信道的统计模型也有很多种，根据论文 实现的仿真环境，只重点介绍c l a r k e 模型【2 4 1 。 c l a r k e 提出了一种用于描述平坦小尺度衰落的统计模型，即瑞利衰落信 1 0 重庆邮电大学硕十论文第二章无线信道 道。在移动无线信道中，瑞利分布是常见的用于描述平坦衰落信号或独立 多径分量接收包络统计时变特性的一种分布类型。我们先讨论恒幅单频信 号的发射情况。在典型的陆地移动无线信道中，假设直射波被阻断，并且 移动单元只能接收到反射波。根据中心极限定理，当反射波的数量比较大 时，接收信号的两个正交分量是均值为零、方差为一的互不相关的高斯随 机过程，则任意时刻接收信号的包络服从瑞利概率分布，相位服从一石z 的 均匀分布。 假设系统所要传输的是复信号 z ( f ) = ，( f ) + ，q ( f ) ( 2 9 ) 将它调制到角频率为啦的载波上去 - s i n ( c o ) 发送部分 s ( t ) = l ( t ) e o s c o j q c t ) s i n 叫 = r e 【，( f ) + j q ( t ) c o s m c t + j s i nc o o t - = r e 2 a m ) + ，q p ) 蚶 ( 2 1 0 ) 其中，取，) 的包络为 ，( f ) + q ( f ) 】2 ，即x ( t ) 2 。 设移动台相对于基站的运动速度为v ，第n 条入射电磁波与移动台运动 方向夹角为，则其d o p p l e r 频移为： q = 2 兀兰五c o s = 2 冗f d c o s a 。= c , o s a 。 ( 2 1 1 ) c 式中c 为真空中光速，力为最大 达移动台的接收信号为： r ( t ) = r t ( t ) 一饧( f ) 其中 d o p p l e r 频率偏移。信号经过多径信道到 ( 2 1 2 ) 重庆邮电人学硕士论文 第二章无线信道 o ( f ) = g c o s ( 哆h ，+ 以) ，( r ) ： 窆e c o s ( 鸭，+ 丸) 】c o s 吐f 一【羔e s i n ( f + 九) 】s i n 吐r ，( f ) 2 13 - t c ( t ) e o s o g , t t ，( t ) s i nc o j l ( t ) 同理可得 r o ( f ) = gs i n ( q h f + 蛾) ) 9 ( f ) n * l ： 【ng c o s ( f + 吮) 】s i nc o t + nqs i n ( 鸭，+ 死) 】c o s c o x q ( f ) 2 1 4 = t ，( t ) c o s c o , , t + t c ( t ) s i n c ot q ( t ) 两式中g 为第h 条路径的信道衰落因子，以为第一条路径的固定相位 偏移，t a t ) v a t ) 分别为 t a t ) = e c o s ( f + 纯) ( 2 1 5 ) n - i t i l t ) = es i n ( r + 以) ( 2 1 6 ) n - i 将接收信号整理后，可得 r ( f ) = r t ( t ) 一( f ) = 牢( f ) 十乎( f ) c o s c o j + q p ( t ) l ( t ) ( 2 1 7 ) 一誓o ) + 乎( f ) s i n 【q f + 烈，) 】q ( f ) 具中 c o s 2 商川蝴，2 赢 f ( f ) + 巧( f )霉( f ) + 譬( f ) 经过以上分析可知，需要传输的复信号x ( t ) ，即发送信号双f ) 的包络 【，( f ) + j q ( t ) 2 的2 倍，经过多径衰落信道后，接收信号的包络变为 “正( f ) + ”( f ) m f ) + 觑f ) 】 2 。 假设两个正交分量正( ，) 和t ( f ) 是均值为零、方差为一2 的互不相关的高 斯随机过程。瓦( r ) 和c ( ，) 在多普勒衰落影响下的功率谱密度为： 驰m ： s o 阿 ， 【 o 其它 那么，信道仿真建模过程可由图2 5 描述： 1 2 重庆邮电火学硕十论文 第二章无线信道 s ( f ) 2 4 信道估计 图2 6 仿真信道建立过程 信道估计是实现联合传输的基础。在t d s c d m a 系统中，联合传输技 术可以根据t d d 模式信道互惠的特性，只需要在上行链路做信道估计，下 行链路可以利用上行估计出来的信道信息。信道估计通常可以分为：盲信 道估计和非盲信道估计。本文是以t d s c d m a 系统为背景的，所以在研究 j t 与智能天线下行波束形成联合优化的研究中，采用的信道估计方法是利 用训练序列估计信道【l 】，即非盲信道估计。 训练序列，也称为m i a m b l e 码，因为它被放在突发的中间，也被称为中 间码。在t d - s c d m a 系统中，对于同一个小区的同一个时隙，给定一个基 本的中间码，不同的用户采用这个相同的基本码经过不同的循环移位作为 它的信道估计码。 假设第k 个用户的训练序列用矢量朋仕表示，有： m 耻= m l “，m 黔一，所纷j m 】7 ( 2 2 0 ) 系统参数尸的取值与同一时隙的系统设计可容纳用户数以及信道冲激 1 3 重庆邮电人学硕+ 论文第二章无线信道 响应的最大样值数有关，若系统设计每时隙最大用户数为k ，且信道冲激 响应的最大样值数为形，要实现所有的冲激响应样值的估计，易知p 应满 足： p k w ( 2 2 1 ) 假设每一用户的训练序列长度为尸，相应的信道冲激响应样值长度为 彤，则易知，若令该训练序列经过信道后的响应长度为。， _ p + 一l( 2 2 2 ) 须将所有用户的训练序列矢量补零扩展至三。并构筑矩阵4 。 在a w g n 的假设下，用户发送的训练序列肼( 经过相应的信道冲激响 应 ( 后，接收到的信号为： x ( k ) - a 翁 似+ 以嚣 ( 2 2 3 ) 其中，弹龆为零均值的高斯白噪声，其协方差矩阵为： r 。= 盯2 i ( 2 2 4 ) 此时的矗求取实际上转化为高斯白噪声下的估值问题，若采用最大似 然估计，则该估值为： ) _ ( 彳2 “巧1 一m m 、。a 。m d “巧1 础 ( 2 2 5 ) 根据该信道冲激响应的矢量估值，可以针对相应的信道模型进行用户 信号的联合传输。 2 5 小结 本章主要介绍了论文分析和仿真中必要的基础知识，主要包括无线信 道，信道建模、信道估计。 1 4 重庆邮电大学硕士论文第二章j t ( 基于t x z f ) 和智能大线下行波束成形联合优化 第三章j t ( 基于t x z f ) , 口智能天线下行波束成形联合优化 3 1 引言 通过智能天线( s a ) 波束成形技术可以极大的改善t d s c d m a 系统的性 能，但是由于天线数和复杂度的限制，智能天线的主波束宽度常常在十几 度甚至更大，这样在主波束覆盖范围内往往有多个用户存在，并导致多用 户干扰，在t d s c d m a 系统中一般在移动台采用多用户检测技术来消除 这种干扰。但这样使得移动台比较复杂，同时由于移动台的随机移动给 多用户检测的效果带来很大影响。这里我们通过在基站发送端采用联合传 输( j t ) 技术来克服上述问题。 本章研究基于传输迫零准贝u ( t x z f ) 的j t 技术和智能天线下行波束成形 技术联合优化方案，首先给出了采用智能天线的t d s c d m a 下行链路模 型【2 “2 引，在此基础上给出了联合优化算法，然后推导出了权向量的确定， 最后就t d s c d m a 系统应用环境进行了仿真和分析。 本文中，t 表示矩阵转置，h 表示共轭转胃。 3 2 采用智能天线的t d - s c d m a 下行链路传输模型 假设基站采用k 个发射天线，每个移动台“，= 1 也采用单个天线， 对于每个m s 和基站构成的下行链路如图3 1 。在这里的信道冲激响应应 为： 轷= 桫) 7 ，k o - 1 k o ，屯_ 1 。乜 ( 3 1 ) 其中， ，为信道冲击响应有效长度，始 表征了发射天线k o 的输入和 m s “的接收天线的输出之间的信号传输。 1 5 重庆邮电人学硕十论文第三章j t ( 基于t x z f ) 和智能天线下行波束成形联合优化 代扩 jn 厂t f 护 j 图3 1 每个m s 和基站构成的下行链路 在每个t d m a 突发( 时隙) 里，发射机同时产生足个信号，这些信号 通过他们各自的c d m a 码来辨别。 c 恤= ( 0 “) 。，k = 1 k ( 3 2 ) 每个信号承载一个数据向量d 忙) 。由于基站采用瓦个发射天线元的阵 列，足个信号的每一个首先配置到线性加权网的x 个输入端1 ：3 中的一个， 加权网具有置个输入和圮个输出端1 ：3 ，如图3 2 。在每个输出1 ：3 有k 个输 入信号的线性组合，然后被配置到相应的发射天线上。这些线性组合是由 鬈个信号特殊的权向量决定的： = ( 皑) ，k = l k ( 3 3 ) 每个权向量被分配给定个信号( 发射机产生的) 中的一个，且包含了( 2 ) 式中的相应的c d m a 码c 似) 。 图3 2加权网络 将图3 1 和图3 2 连接起来，就产生了一个莨个输入口和一个输出口 的链路。将k 个天线特殊信道冲激响应妒 写成矩阵的形式： 1 6 重庆邮电大学硕士论文第三章j t ( 基于t x z f ) 和智能天线一e 行鎏塞鏖丝鐾鱼垡丝 砖) - ( 妒妒川) ( 3 f 4 ) 由上面可知，输入端口k 和信号输出口之间的信道冲激响应可表示如 下： j = ( 俨彬川) 7 = 砖 ( 3 5 ) k = 1 k ，吒= 1 k 则k 个输入端口和输出端口之间的信道冲激响应为： 删= 眇川 7 ( 3 6 ) 所有用户的信道冲激响应表示为矩阵： 日= 日m 7 ，日2 扩，p 7 ( 3 7 ) 数据向量经过调制( 优化) 后变成： t = m d ( 3 8 ) 其中，m 调制矩阵，联合传输的任务就是设计适合的调制矩阵m ，使得既 可以减少多用户干扰，又可以降低移动台的复杂度。 经过信道后用户的接收信号为： r = h t( 3 9 ) 3 3j t ( t x z f ) 和智能天线下行波束成形联合优化 对于基站有e 个发送天线阵元，系统有k 个接收用户，则信道的冲击 响应可以表示为： h 知= ( 耐知彬知) ，k = l ，k ，m = l ，j 函 假设每个天线阵元上的发送数据为： s “= ( 而( k o ) _ s ( a ) 7 ，c a = 1 k a 其长度为s ，e 个阵元上的发送数据用一个向量表示为： j = ( 一7 一“7 ) 7 和s 对应，信道冲击响应可以构成一个矩阵： 1 7 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 重庆邮电大学硕十论文第三章j t ( 基于t x z f ) 和智能天线下行波束成形联合优化 h 似= ( 戡) ，i = 1 ，n q + w 一1 = l ，s 碟虬 黛磐卜p 1 k 。s ，n ，= k 。s 和， k 。s ( 3 2 5 ) 如果式( 3 2 5 ) 取“ ”符号成立，只能在高斯意义下求得近 似解： r = 一b b 一) - 一j b u d c ，：。， 为了提高功率效率并减少干扰，这里采用t = b ”( b b “1 - j d ，所以调制矩 阵为m = b ”f 船8 l ，即联合优化方案为m = b ”f 船”1 - l 。 以上考虑的是无噪声的情况，如果接收信号被一加性噪声破坏，解调 后的数据应该为： 1 9 重庆邮电大学硕十论文第二章j t ( 基于t x z f ) 和智能天线下行波束成形联合优化 = o r + n i = d h m a + n i = d + d n 其中d 是用户的期望信号。 3 4 权向量的确定 ( 3 2 9 ) 由于t d - s c d m a 是时分双工的移动通信系统，其上行信道与下行非常 接近，因此可以用上行时隙训练序列估计得到的信道冲激响应作为下行链 路的预计值，由此得到天线权值。 为了与发射端的最小能量方案对应，本章采用的是文献【3 0 1 中的( m d p i 准则来确定权值。m