（通信与信息系统专业论文）cdma无线系统空时联合技术的研究.pdf

中山大学硕士学位论文 c d m a 无线系统空时联合处理技术的研究 c d m a 无线系统空时联合处理技术的研究 硕士生：袁智强 专业：通信与信息系统 指导教师：周渊平教授 摘要 智能天线是一组能够根据信号环境而动态调节方向图的天线阵列，它能够在 空域上增强有用信号和抑制干扰信号，有效提高信干噪比( s i n r ) 。但是，智能天 线的空域处理能力受阵元数量所影响，其形成的主瓣有一定的宽度，难以抑制主 瓣范围内的多径和干扰信号。r a k e 接收机能够充分利用多径信号分量，进行信 号合并，以抵抗信道衰落的影响。把智能天线和r a k e 接收机结合起来的空时联 合处理技术，可以有效提高c d m a 系统的抗干扰和抗衰落的能力。其中，智能天线 形成的波束能够增强有用信号以及抑制主瓣外的干扰和噪声：r a k b 接收机的相 关器能够进一步抑制主瓣内的干扰和噪声以及提取有用的多径信息。自适应波束 成形算法是智能天线的核心部分，决定其空域处理的性能。其中，非盲自适应算 法可以充分利用c d m a 系统的导频信号作为参考信号，实现良好的空域处理。 本论文的主要工作是：分别从结构与算法两方面来研究c d m a 系统的空时联 合处理技术，重点在于空域处理及其性能；对现有的空时r a k e 接收机的结构进 行了详细的研究，并对其性能进行了仿真和分析：对常用的自适应波束成形算法 进行了深入的研究；提出了一种性能良好、复杂度较低的波束成形算法，并进行 了相关的仿真和分析。 关键词：智能天线，空时r a k e ，波束成形算法 主些查堂堡主兰垡笙茎 兰里坚垒垂些墨堕窒堕壁鱼竺堡垫查堕! 塞 s p a c e t i m ep r o c e s s i n gf o rc d m a w i r e l e s ss y s t e m s n a m e ：z h i q i a n gy u a n m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s l e m a d v i s e r ：p r o f y u a n p i n gz h o u a b s t r a c t s m a r ta n t e n n a sa r ea na n t e n n aa r r a ys y s t c mt h a ti sa b l et od y n a i l l i c a l l ya d j u s ti t s b e a mp a t t e r na c c o r d i n gt o 山es i g n a le n v i r o n m e n t i tc a ne n h a n c es o i ( s i g n a io f 【n t e r e s t ) a n ds u p p r e s ss n o 【( s i g n a ln o to fi n t e r e s t ) i ns p a c ed i m e n s i o n ，b u ci tc a n n o te l i m i n a t es n o ii n s i d et h em a i ni o b ew h o s ew i d t hi sd e t e r m i n e db yt h en u m b e ro f a n t e n n ae l e m e n t s a n dr a k er e c e i v e rc a nc o m b i n em u i t i p a t hs i g n a l st oc o m b a c f a d i n gc h a n n e l s b yi n t e g r a t i n gs m a r ta n t e n n a sw i t hr a k er c c e i v e r s ，t h es p a c e t i m e p r o c e s s i n gt e c h n i q u ep r o v i d e sa d v a n t a g et oi m p m v et h ea n t i - j a n l 嘶n ga n da n t i f a d i n g a b i l i t i e si nc d m aw i r e l e s ss y s t e m s w h i i es m a r ta n t e n n a sc a ne n h a n c es o ii n s i d e t h em a i nl o b ea n ds u p p r e s ss n o io u t s i d et h em a i nl o b e ，t h er a k er e c e i v e rc a n c o m b i n em u l t i p a t hs i g n a l sa n dt h u sc o u n t e r a c ts n o 【i n s i d et h e l a i ni o b e a d a p t i v e b e a m f o r m i n gi st h ec o r et e c h n i q u ei nas m a r ta n t e n n a ss y s t e m a n dt h ep i l o t _ b a s e d b e a m f o r m i n ga l g o r i t h mc a nu t i l i z et h ep i l o ts i g n a l sa sr e f e r e n c ei nac d m as y s t e m ， a n dp r o v i d eg o o dp e r f b r m a n c e si ns p a c ep r o c e s s i n g 【nt h i st h e s i s ，t h es p a c e t i m ep r o c e s s i n gi ss t u d l 。df r o mp e r s p e c t i v e so fs t r u c t u r e s a n da l g o r i t h m s ，g i v i n ge m p h a s i st os p a c ed i m e n s i o np r o c e s s i n g t h es t r u c t u r eo f e x i s t i n gs p a c e 一l m er a k e 糟c e i v e r si ss u 式e db yc o m p u 掂rs i m 耻l a 蛀。砖a n dt h e o 辩t i c a l a n a i y s i s s o m ee x i s t i n gb e 锄f o f n l i n ga l g o d m m sa f os t u d i e d ，an o v e la l g o r i t h mw i t h g o o dp e “b r m a n c ea n dl o wc o m p l e x i t yi sp r e s e n t e d s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s a r eg i v e n 妇d e m o n s 罐a 沧融ea d v 黯t a g e so f 睡ep 诧s o 歉轮瑾采g o d 出m k e y w o r d 8 ：s m a r ta n t e n n a ，s p a c e f i m er a k e ，b e a m f o r m i n ga l g o r j t h r n f i 巾山大学硕上学位论文 c d m a 无线系统空时联合处理技术的研究 1 1 研究背景 第1 章绪论 近二f 年来，无线通信事业发展迅速，备受关注，同时，对其服务质量和系 统容量的要求也日益提高。多种先进的无线通信技术得到了深入的研究和迅速的 发展。其中，智能天线在提高通信质量、改善无线覆盖和增加系统容量等方面都 具有独特的优点，至今仍然是无线通信领域的研发热点。 智能天线的空域处理能力受阵元数量所影响，天线阵元越多，主瓣宽度越小 且可形成的零陷点越多。但是，智能天线一般难以配置大量的阵元，其形成的主 瓣有一定宽度，难以抑制主瓣范围内的多径和干扰信号。r a k e 接收机既可以实 现匹配滤波，抑制干扰信号，又可以充分利用信号的多径分量，进行信号合并， 以抵抗信道衰落的影响。把智能天线和r a k e 接收机结合起来的空时联合处理技 术，可以有效提高c d m a 系统的抗干扰和抗衰落的能力：其中，智能天线形成的波 束能够增强有用信号以及抑制主瓣外的干扰和噪声：r a k e 接收机的相关器能够 进一步抑制主瓣内的干扰和噪声以及提取有用的多径信息。 自适应波束成形豁法是智能天线的核心部分，决定萁空域簸理的性能，可分 为盲算法和非盲算法两类。盲算法不需要参考信号，而是根据有用信号的某魑信 号特征采求解权值。非蠢算法可以焱分利鼹c d 淞悉统的导频信号作为参考傣号， 具有良好的空域处理瞧麓。在实际应瑶中，需要从滤波效渠、簸杂度和稳定性等 多方面综合衡量算法的性能，以选取实用可行的算法。 随卷无线通信的服务要求和微处理器的运算熊力匿盏提离，复杂的空时联合 处理技术最有必要性和可行性，受翔了业界的广泛关注和深入研究。 1 2 国内外相关工作 在上凝纪七十年代，b r e n n a n 、r e ed f 1 等学者将一维空域处理技术推广测时 闯帮空阊二维域中，嘏裙叛然晓捡测理论提出了一种空时二绒自适应伉纯处理 l 山大学硕士学位论文c d m a 无线系统卒时联台处理技术的研究 器。其后，f r o s t 1 提出用于宽带处理的波束成形器( f r o s t 阵) ，它能够有效地 对抗宽带信号经历的频率选择性衰落，具有很好的效果，但运算量很大。近十年 来，很多学者对基于c d m a 系统的空时联合处理技术( 结构和算法) 进行了大量 的研究。s u a rd 3 1 提出单波束c d m a 相关接收机方案，它使用最大似然算法，需要 估计噪声子空间的特征。n a g u i b 【4 】和p a u l r a j 5 1 提出多波束独立指向多径的单用 户空时r a k e 结构，使用v i t e r b i 算法。以上两种方案都没有利用导频信号，需 要估计信号的空问特征，其运算量较大，性能较差，未能很好地适应c d m a 系统 的低信噪比环境。t a n a k a 6 1 和k h a l a j 7 1 提出基于导频辅助的相干自适应阵列接 收方案，它先进行解扩频再进行波束成形，各支路独立地形成指向不同多径分量 的波束，使用基于主特征矢量估计的线性约束最小方差算法；此方案利用导频信 号来估计主特征矢量，需要求逆运算，其运算量很大。x u 提出先进行解扩频， 然后各支路联合地进行波束成形的方案，并且提出了一种使用滑动窗口辅助的 l m s 改进算法，其运算量较小，但存在收敛性较羞等问题。c h o i 9 1 提出基于导频 信号和业务信号的空间特征估计的空时接收机方案，需要求逆运算，其运算量很 大。张”0 j 提出一种用于w c d m a 上行链路的r a k e 接收方案，利用导频符号的扩频 序列作为参考信号使用l m s 算法形成单波束，存在收敛性较差等问题：k o h n o 【一1 和p a u l r a j ”1 等对空时信号处理的早期发展和信道模型进行了综合性概述。 i 3 论文内容及结构 本论文盼主要工作楚：分别从结构与算法藏方灏来磅究c 渊a 系统的空时联 合处理技术，重点在予空域处理及冀性能；对现有静空时r a k e 接收机的结构进 行了详细的研究，并对其性能进行了仿真和分析；甜常用的自邋应波束成形算法 进行了深入的研究；提滋了一种性能良好、复杂发羧低的波束战形箕法，并遴铤： 了耱关熬仿真和分析。 本文第2 章主要讨论无线信道环境，分析多曾勒扩展、时延扩展、角度扩展 以及它们对无线信号的影睫，介绍宏、徽蜂窝上行链路戆售遒模黧；第3 章差耍 讨论智能天线和r a 蕊接收枫的原理，分析多种空辩r a k e 接收机的结构及其激优 中山大学硕士学位论文 c d m a 无线系统空时联合处理技术的研究 误码性能；第4 章主要介绍常用的波束成彤算法，提出一种新型的波束成形算法 并给出算法性能的仿真结果和分析。最后，是结束语和参考文献等。 中山太学硕士学位论文 c d m a 无线系统空时联台处理技术的研究 第2 章无线信道 无线电波以直射、反射、绕射和散射等方式在空中传播，沿着多条不同路径 到达接收端，经受路径损耗、阴影效应和多径效应等影响。平均路径损耗与收发 距离的平方成反比，服从f r i i s 方程【i “。阴影效应是由于建筑物和自然地形的 阻挡而产生的。多径信号在接收端互相叠加，形成多径效应，导致信号出现多普 勒扩展，时延扩展和角度扩展。这三种扩展是多径效应分别在频域、时域和空域 上的表现。无线信道是复杂多变的，是研究无线通信技术的基础。 2 1 多普勒扩展 多普勒频移，是由予移动终端的运动而引起的信号频率偏移，与运动速艘和 入射角有关。多普勒频移的公式如下： 厶。= 厶e o s 馥= c o s 壤 ( 2 一1 ) 以 其中，厶。是第n 条路径的多普勒频移，。是最大多普勒频移，婊是第n 条路径 的入蓊角，v 是移动终端的速率，置楚载波波氏。 基站 厶 i 嚣方向 匿2 一 ：多饕勒频移示意阕 不同多径分量有不同的频率偏移，导致接收信号的频谱被鼹宽，出现多营勒 ! 坐查主堕主兰堡堡茎 竺! 坚垒至型塑墼坚塑型垦鱼竺兰垫查! ! ! 堕 扩展。随着移动终端的运动，不同多径分量的多普勒频移随之变化，导致多普勒 扩展也随之变化。多普勒扩展，是衡量信道变化快慢的尺度。多普勒扩展越大， 信道相干时间越小，信道变化越快。3 1 。 2 2 时延扩展 在多径传播环境中，信号的多径分量在接收端叠加，其中时延小于一个码片 的多径分量作随机相位叠加，使信号功率大幅波动，出现小尺度衰落；时延大于 一个码片的多径分量合并，出现码问串扰。 不同的信号多径分量沿着各自的路径到达接收端，有不同的时延，幅度和相 位。假设接收信号由n 条多径分量组成，其等效基带形式4 】： r ( f ) = 一埔s ( 卜) ( 2 2 ) 纯= 2 石【( 尤+ 厶。) 一厶，。叫 ( 2 3 ) 其中，吼和晚分别是第n 条多径分量的时延、幅度和相位，正是载波频率。 由式( 2 3 ) 可知，由于载频正很大，路径时延的很小变化都会引起相位纯的 较大变化。随机相位纯将引起n 路多径分量进行增强或破坏的叠加，从而导致 多径衰落。 如果与符号时间宽度相比，多径信号的时延差比较小，则式( 2 - 2 ) 中的t 可 以近似于 r ( f ) = ( 8 嘲) s ( 卜于) 月= l ( 2 4 ) 砘 nn 对于p 一蛾= c o 哦一s i n 纯 ( 2 5 ) n = lh = ln = l 当很大时，根据中心极限定理， ，= c o s 纯，= s i n 织近似 于服从高斯随机分布。那么，信号包络ir 卜j 彳西服从瑞利分布( 如果存在 巾山丈学积t 学位论文 c d 酣a 无线系统空时联台处理拄术的研究 直射信号，信号包络服从莱斯分布) ，相位= 一a r g t a n ( 哆彳) 在f o 2 万) 服从平均 圈2 2 ：臻鞫衰落雹终承纛霾 按照相对时延的大小不同，以一个码片宽度为单位，可以把多径分量划分 为k 组： ( 2 6 ) 心 其中，玩= e 一魄蛉包络服从瑞刹分布，提位服麸平均分布。当k = l 时。 不存在码阎串扰，属于平坦衰落：当k l 时，存在码间串扰，属于频率选撵性 衰落。在搬带无线信道中，信号的时延扩展远大于码片宽度，出现码间串扰，同 瓣吾令露惩段雨豹多经食著效票努溪交凌塞独立懿窄带( 蘧裁) 囊落褥经。羹孪延 扩展，可以看作是衡量码间串扰情况的尺度。 2 3 角度扩展 信号多径分量在接收端的波达方向不同，使接收蕊号出现楚废扩展。爱废扩 展越太，空闻的槽关缝越小m4 。当前的理论分析和工程实践经常使用图2 3 所 示的上行锻路信号接收模型。信号的角度扩展受到接收端的天线高度及其附近的 数射环境所澎响。通常锻定移动终斌被周围散射体瞧爨，其接收到懿詹号经历了 各个方向敬射体的反射，萁角度扩袋为2 石。但是，基站接收信号的角度扩臌情 矗 一 孵 魄 柑 = t ， 一 转 魄 嚏叫 ，k 。树 = 磅“ 中山大学硕十学位论文 c d m a 无线系统空时联合处理技术的研究 况却不同。在宏蜂窝中，基站天线的位置比较高，一般高于周围的散射体，其接 收信号主要受远方的移动终端附近的散射环境所影响，其角度扩展较小。在微蜂 窝中，基站天线位置比较低，一般与周围散射体的高度相当，而且基站到终端的 距离较短，所以其角度扩展相应有所增大。【1 5 l 1 6 1 飞。 基站 图2 3 ：上行链路信号接收模型 2 4 宽带无线信道模型 本文采用如图2 4 所示的多路独立瑞利衰落延迟合成方案来实现宽带多径衰 落信道2 1 ，其中瑞利信道发生器使用基于正弦函数累加法的j a k e 模型。每个延 迟抽头都是大量多径分量合成的结果，因而独立地服从瑞利衰落：各抽头的相对 时延大于一个码片宽度。可输入以下参数：多普勒扩展，时延扩展，角度扩展， 可分辨多径的数量及其相对功率。 图2 4 ：宽带多径衰落信道模型 7 接收端 中山大学硕士学位论文 c d m a 无线系统空时联合处理技术的研究 基于上行链路接收，2 0 0 0 m h z 载频和3 8 4 m c p s 码速率的情况，本文的宽带 卒时信道模型使用如下的参数：( 其中多普勒扩展、时延扩展和角度扩展的参数 参照文献5 】f ，l ：多径的数量及其相对平均功率参数参照文献) 表2 1 上行链路接收模型的典型参数值 多普勒扩展时延扩展角度扩展多径数量相对平均功率 6o d b 、一l o d b 2 0 曲， 宏蜂窝 1 2 0 h z5l l s 2 0 。 ( 城市) 一2 2 d b 一2 3 d b 一2 5 d b 微蜂窝 1 0 h z1 8 u s6o d b ，- 5 d b ，1 l d b 。 1 2 0 。 ( 城市) 1 4 d b 一l 6 d b 一2 4 d b 如表2 一l 所示，在宏蜂窝环境中，接收信号的多普勒频移较大，时延扩展较 大，角度扩展较小；在微蜂窝环境中，接收信号的多普勒频移较小，时延扩展较 小，角度扩展较大。 中山大学硕十学位论文 c d m a 无线系统空时联合处理技术的研究 第3 章空时r a k e 接收机 把智能天线技术与r a k e 接收机结合起来，构成空时r a k e 接收机，充分利用 空时域二维处理的优点，有效提高c d m a 系统的抗干扰和抗衰落的能力；其中， 智能天线形成的波束能够增强有用信号以及抑制主瓣外的干扰和噪声；r a k e 接 收机的相关器能够进一步抑制主瓣内的干扰和噪声以及提取有用的多径信息。本 章主要讨论多种空时r a k e 接收机的结构及其最优误码性能，给出了相应的仿真 结果和理论分析。 3 。l 智能天线改原理 智能天线是一组能够根据信号环境而动态调节方向图的天线阵列，它舆育空 域处理熊力，能够增强有用信号和抑制干扰信号，有效提高傣干噪比( s i n 的。特 别在粥渊矗系统中，数据率较大的翊户采用较，j 、瀚扩频因子，需要更大滟发射功 率，对其他用户产生爨强的多址干扰。智能天线可以在强干扰的波达方向上形成 零陷点，大大消除多皱干扰。智能天线具有提禽邋信质量、改辫无线覆盖和域女i 系统容蠢簿优点，仍然跫韭器熟研发热点。 智能天线有多种陴元排列方式，有线阵、圆阵和面阵等。蕻中，线阵主蹑适 恩予分扁区方式，贰陲主要适用予全向小医方式。 本文主要讨论龋簿元半波长问鞭线阵天线，如图3 一i 艨示，m 个阵元均匀地 排成一行，阵元间隔为半波长。由于发送方与接收方一般相距很远，可把每路信 号看作二维平压波h q ，鄄只考虑信号驰水乎方向惫戬及每路信号到达各阵霓的波 达方商都檑等。一个二维平面波入射到天线阵剜，其波达方向。等于入射方向 与阵列法线所成的夹角；第m 个阵元接收到的信号与第1 个阵元接收到的信号相 比，幅度耀等，覆稳健枢差曩。= 主宰2 芹= 细一l 弦s i n 8 ；冀中，矗谚。是滚壤号 五 到第1 个阵元和第m 个阵元的路程麓；丑是载波波长：( 1 卅m ) 中山大学硕士学位论文 c d m a 无线系统宅时联合处理技术的研究 d ：兰s i n 维平面波 五天线阵列 国3 1 ：4 阵兀等距天线阵列结构图 如图3 2 所示，m 个天线阵元接收的m 路信号，经前端处理成为基带信号， 然后经过加权处理，合并成为一路输出。其中，权值由自适应算法模块产生。对 于波达方向( d o a ) 为 。 的信号，则其导引向量( s t e e r i n gv e c t o r ) 嘶印= 1 ，矿阚”，d 1 肛1 岫9 r ( 导引向量表示同一信号到达阵列各个阵元的相 位差，这里以第一个阵元为参考点) ；r ( f ) 是接收端获得的等效基带信号， x ( n ) = r ( n ) ( 口) 是阵列处理的输入信号，y ( n ) = w ”x ( h ) 是输出信号：权值w 是根 据一定的准则和算法，由自适应算法模块产生的；阵列因子，( 口) ：i v 一( 疗) ：丛型 r ，2 l 是波达方向。的函数，表示天线阵列对于波达方向为。的信号的处理增益。如 图3 3 所示，智能天线能够形成主瓣对准有用信号、零陷点对准干扰信号的方向 图。 x p o t 图3 2 ：自适应波束成彩智能天线结构图 0 中山大学硕十学位论文 c d m a 无线系统空时联合处理技术的研究 图3 - 3 ：智能天线方向图示意图 对于上述的等距线阵天线，相邻阵元的间隔不能大于半波长，否则，其方 向图会出现栅瓣，即产生非期望的波束，以至放大噪声或干扰。 1 6 自适应波束成形算法，是智能天线的核心内容，可分为盲算法和非盲算法两 类。盲算法不需要参考信号，而是根据有用信号的某些信号特征来求解权值m 】， 如恒模算法( c m a ) 。非盲算法，按照“一定的准则，利用参考信号来求解权值，如 m m s e ，r l s ，l m s 等。盲算法的稳定性和收敛性较差，实用性不强。非盲算法可 以利用c d m a 系统的导频信号作为参考信号，实现良好的空域处理。本文的第4 章，就是讨论基于导频辅助的非盲自适应波束成形算法。 3 。2 魁疆接收梳的骧莲 d s c d m a 系统使用伪随机序列( p n 序列) 作为扩频码。 爻艨为l 的伪随机序 列l o 具有以下特性 其中，龟与互麓德环移谴痔确，郄国= 气( f 十桃一是) d 一 3 m#七 一 0 一 | l | 嚷 ) ) 移 “ & q 目h ；一一 巾山大学硕士学位论文 c d m a 无线系统空时联合处理技术的研究 在d s c d m a 系统中，信号的码片速率一般远远大于时延扩展，出现码间串扰， 而且时延羞大于一个码片的多径分量在接收端表现出非相关噪声的性质【l “。由 式3 1 可知，解扩频的处理增益使这种非相关噪声的负面影响变得很小。 同时，每个多径分量都包含着发射信号的信息。r a k e 接收机能够把这些多 径分黄进行提取和合并，实现分集接收，有效提高信干噪比。r a k e 接收机使用 路径搜索器捕捉k 路最强的多径分量，然后相应地调整k 个相关器的时间延迟量， 使之分别与对应的多径分量保持同步，并通过相关运算把多径分量提取出来，然 后按照一定的准则进行加权合并，最后输出一路信号。 i n 口u t 图3 3k 支路r a k e 接收机的结构图 o u t d u l 在实际的c d m a 系统中，基站接收端( 上行链路) 一般使用四支路r a k e 接收 机，移动台接收端( 下行链路) 一般使用三支路r a k e 接收机。一个支路可以捕 捉一路多径分甚。对多径信号的检测和测量是由路径搜索器完成的；路径搜索器 将输入信号与p n 码的不同偏移形式作相关运算，获得多个相关峰值：各相关峰 值的幅度与对应的多径分量的包络强度成正比，而各个相关峰值相对于第一个峰 值的时延就是对应的多径分量的相对时延。f 1 9 】 r a k e 接收机的支路合并方式一般有以_ f 三种：选择合并，即只选取最强的一 路信号作为输出：等增益合并，即只调整各支路信号的相位使之同相合并，而不 改变其原有的幅值；最大比合并，即先根据各支路功率在总功率中所占的比重来 调整幅值，最后调整各支路信号的相位使之同相合并。在实际应用中，一般采用 信道估计的方法来确定复加权系数( 包括幅值和相位) 。 在r a k e 接收机的典型实现中，通常使用a s i c 实现码片级的处理( 包括相关 器、p n 序列发生器和路径搜索器) ，使用d s p 实现符号级的处理( 包括信道估计 中山大学硕士学位论文 c d m a 无线系统空时联台处理技术的研究 器、相位旋转器、延时器和合并器) 。【2 0 3 3 空时r a k e 接收机的结构 传统的时域或空域一维处理具有相当的局限性。智能天线的空域处理能力受 阵元数量所影响；天线阵元越多，主瓣宽度越小且可形成的零陷点越多。智能天 线一般难以配置大量阵元，其形成的主瓣有一定宽度，难以抑制主瓣范围内的干 扰信号。r a k e 接收机能够分辨时延超过一个码片的不相关多径分量，但是无法 完全消除多址干扰( m a i ) 。 把餐陡天线和r a 髓接收褪结合起来，构成空时r a k e 接收税，实行空时联台 处理，溉可以抑制多城多径干扰，又可以利用多径信息对抗衰落。智能天线形成 的波束可以增强有用信号以及抑制处于主瓣外的干扰和噪声：r a k e 接收机的相 关器能够遂一步鄹割鲶予主瓣内的予撬帮噪声以及提取有疆魄多轻信息。 空时r a k e 接收机可以被划分为空时结构和波束成形算法两大部分。空时结 构是指空时域信号处联的流程和方式：如图3 4 所示，一般有以下的处理：先空 域处理麓时蠛处理，域蠢先畦域处理后空域楚瑾；形成单波寒或卷多渡哀( 联台 多波束或独立多波束) 。空域处理，是指按照算法产生智能天线的权值( 都波束 成形) ，并以此对接收信号进行滤波：时域处理，是指对接收信号进行相关解扩 频。智戆天线戆够形成攀个波哀摅掇一路有焉信号，或者形或多个波束搪撼多路 有用信号：在多波束的情况下，各支路可以独立翘分别形成波束，或者联台地形 成波束。波束成形算法鼠有很多不同的种类，分别在滤波性能、复杂度和稳定性 等方嚣其褰蚤童的饶蚨点；其中，l 毫叁适应波寨成影算法嚣鬻逶曩予c d 醚a 系 统，受到广泛的重视。嗣一种空时结构可以使用不同的算法；阐一种算法也可以 在不同的空时结构上使用。把不同的结构和算法配嚣在一起，就可以构成多种不 露的空时r 矗怒接收壤。因越，本文分裂麸结构( 第3 章) 鞠露法( 第4 耄) 两 方面来研究空时联合处理技术，以增强逻辑性。 中山大学硕士学位论文 c d m a 无线系统空时联合处理技术的研宄 r 鲁尊姜筵r 独立多波束f 后时域处理ll 一 jl 多波束1 1广单波束l 联合多波束 l 誊挈蒸篮r 独立多波束 后空域处理li 。 l 多波束 l 联合多波束 图3 4 空时r a k e 结构的分娄 通过对多种空时r a k e 接收机方案的研究，从结构上把现有的空时r a k e 接 收机划分为以下6 种类型：。 ( 1 ) 以码片速率采样形成单波束的s b c r ( s i n 9 1 eb e a mw i t hc h i pr a t e ) 方案 图3 - 5s b c r 方案的结构 1 0 o u t p u t s b c r 方案实际是在智能天线的之后接上1 个k 支路r a k e 接收机，先进行单 波束空域处理，后进行时域处理。首先以导频符号的扩频序列作为参考信号，并 令参考信号与最强的多径分量同步，以码片速率采样形成单波束( 主瓣指向最强 多径的波达方向) ；然后对空域处理后的结果进行r a k e 接收处理( 包括解扩频、 信道估计和最大比合并) ，最后输出结果。这种方案的特点是结构简单，但算法 运算量较大( 以码片速率进行波束成形) 。 。本文所列的空时r a k i j 方案的名称和结构图，是作者根据原文献而重新统一编制的其实质并没有改变。 1 4 尘坐查堂堕主堂垡堡兰 ! ! 坚垒垄望墨竺至堕壁鱼竺堡苎! 塑堑塞 ( 2 ) 以比特速率采样形成单波束的s b b r ( s i n g l eb e 锄w i t hb i tr a t e ) 方案。 p i l o h 酬l 图3 6s b b r 方集的结构 s b b r 方案实际是在各个天线阵元之前加入1 个k 支路r a k e 接收机，先进行 时域处理，后进行单波束空域处理。首先对各个阵元的接收信号进行r a k e 接收 处理( 包括解扩频、信道估计和最大比合并) ，然后以导频符号作为参考信号， 以比特速率采样形成单波束进行空域处理，最后输出结果。这种方案的特点是时 域处理部分比较复杂，而空域处理的运算量较小( 以比特速率进行波束成形) 。 该方案未见于现有文献是作者根据对其他空时r a k e 结构的总结归纳而推导所得。 1 5 中山大学硕十学位论文 c d m a 无线系统空时联台处理技术的研究 ( 3 ) 以码片速率采样各支路独立形成多波束的i m c r ( f n d e p e n d e n t m u l t i - b e a mw i t h c h i dr a t e ) 方案 圉3 7i m c r 方案的结构 4 j 【5 】 o u t o u t i m c r 方案实际是由多个s b c r 方案的单波束空时r a k e 组合而成，先进行独 立多波束空域处理，后进行时域处理。k 个支路与k 路多径信号同步，分别以导 频信号的扩频序列作为参考信号，然后独立地以码片速率采样形成波束，各个支 路的波束分别指向对应多径分量的波达方向；各支路的信号完成经过空域处理 后，就分别进行相关解扩频，最后各支路合并输出。这种方案的特点是结构比较 复杂( 多波束) 和算法运算量比较大( 以码片速率进行波束成形) 。 6 中山大学硕士学位论文c d m a 无线系统空时联合处理技术的研究 ( 4 ) 以比特速率采样各支路独立形成多波束的i m b r ( 【n d e p e n d e n tm u l t i - b e a mw i c h b i t r a t e ) 方案 l n m t o i _ j t 口u t 图3 8i m b r 方案的结构h i “ i m b r 方案实际是先进行时域处理，后进行独立多波束空域处理。k 个支路分 别与k 路多径分量保持同步，并进行相关解扩频；然后以导频符号作为参考信号， 独立地以比特速率采样形成多波束，各个支路的波束分别指向对应多径分量的波 达方向；完成空域处理后，各支路的结果合并输出。这种方案的特点是结构很复 杂和算法运算量大( 多波束) 。 p | 大学硕士学位论文 c 拧m a 无线系统空对联台赴理技术的研究 ( 5 ) 以码片速率采样各支路联合形成多波束的j m c r ( j 0 l n c l c i _ b e a mw i t hc h i p r 髓e ) 方寨 诚 图3 9j m c r 方案的结构f 2 l 州c r 方案实际是在f r o s t 阵的之后接上1 个相关器，先进行联合多波束空 域处理，鏖遂行赣关熬参“频嚣域处理。k 个支鼹分裂与襄路多绞分量绦持同步， 以导频信号的扩频序列作为参考信号，然后联合地以码片速率袋样形成多波束， 备个支路的波束分别指向对应多径分量的波达方向；完成空域处理后。再进行相 关解扩频，最后竣出缝浆。这零孛方巢翡特点是牲戆缀簿，缝橡魄较复杂且运嚣 鏊 很大。 生生查兰笙主堂堡鲨兰 兰墅坚垒蚕堡至篓兰壁垒墼翌垫查! ! 翌旦 ( 6 ) 以比特速率采样各支路联合形成多波束的j m b r ( j o i n tm u b e a mw i t h b i t r a t e ) 方案 # 囤3 1 0j _ b r 宵案的结构c 8 】 j 粒r 方寨是先避于亍时域处理，后进行联合多波束空域处理。k 个支路分剐与 k 路多径分蘩傈待同步。并邂行裙关辩扩颁；然后以导频信号静扩颁序列作为参 考信号，联合地以比特速率采样形成多波策，各个支路的波束分别指向对应多径 分鏊酶波达方嬲；完成空域处理后，竣爨结栗。这秘方案熬特点是终褥缀复杂且 运葬量很大。 中山大学硕士学位论文 c d m a 无线系统空时联合处理技术的研究 3 4 空时r a k e 接收机的性能仿真及其分析 3 4 1 性能仿真 基于2 4 节的宽带无线信道模型，分别在宏蜂窝和微蜂窝环境中，在上述6 种空时r a k e 接收机上使用相同的最优算法( m m s e ) ，对其最优误码率与小区用户 数的关系进行仿真测试。( 小区用户数越多，则接收信号的信干噪比越小。) 这里， 分别使用4 和8 阵元智能天线；使用4 支路r a k e 合并；有一个期望用户和若干 个干扰用户；每个用户有6 路可分辨多径信号；各路多径信号经历独立的瑞利衰 落；使用b p s k 调制方式；扩频因子设为6 4 。 在宏蜂窝模型中，最大多普勒频移为1 2 0 i z ，角度扩展为2 0 。，每个用户有6 路可分辨的多径信号，各路多径分量经历独立的瑞利衰落，其相对平均功率分别 为o d b 、一1 0 d b 、一2 0 d b 、一2 2 d b 、一2 3 d b 和一2 5 d b 。在微蜂窝模型中，最大多普勒 频移为1 0 h z ，角度扩展为l 2 0 。，每个用户有6 路可分辨的多径信号，各路多径分 量经历独立的瑞利衰落，其相对平均功率分别为o d b 、一5 d b 、一1 1 d b 、一1 4 d b 、一l 6 d b 和一2 4 d b 。 仿真结果如下： m a c r o c e * 一s b c r * 一s b b r l 争一i m c r 二一 争一m b r e j m c r ，髟乡彩乏 e j m b r 鲵乏 蕴7 ，缴多 ，么钐爹p 。旋7 乃弓 亭7 杉 中山大学硕士学位论文c d m a 无线系统空时联合处理技术的研究 世 山 匹 山 m i c r o c e l u s e r n u m 图3 12 ：微蜂窝环境下4 阵元空时r a k e 的最优误码1 生能 m a c r o c e u s e r n u m 图3 1 3 ：宏蜂窝环境下8 阵元空时r a k e 的最优误码性能 巾山大学硕士学位论文 c d m a 无线系统空时联合处理技术的研究 m l c r o c e | | 目一s c e 一s b ，i 昏一r m c - 目一r m b 。 o 。j m c o j m b 7 7 。 7 ?， ?一形一 r 多夕7 参 一 。 ，。乏( ：。 净孝乏= ：= ( = ；石垆= 二一一 1 01 52 02 5 3 0 u s e r n u m 图3 1 4 ：微蜂窝环境下8 阵元空时r a k e 的最优误码性能 3 4 2 性能分析 由仿真结果可得： ( 1 ) 以码片速率采样形成波束( 先空域处理，后时域处理) 的效果明显优了：以 比特速率采样形成波束( 先时域处理，后空域处理) 的效果，即s b c r 方案优于 s b b r 方案，i m c r 方案优于i m b r ，j r 方案优于j m b r 方案。 对此，有以下的数学分析： 设d s c d m a 系统使用长度为l 伪随机序列( c 。 ，o k l 一1 ： 对伪随机序列c 。和c 。的d 个码片进行均值运算，求得部分相关系数”： 胁删产吉酗沏“蹦肿f ) ( 3 _ 2 ) 其中， l d l ，= n d ：c 。+ f ) 是序列c 。的第卅+ f 个码片。 部分相关系数的数学期望【1 9 l ： 中山大学硕十学位论文 c d m a 无线系统空时联合处理技术的研究 骱一删= 挚k 电：q c 。- 。， 当，印知m 叫叫( 去善c 孙w m 1 = 1 t ) 当嗍，却_ 川m ( 吉善c 一( 叶f ) c a ( 叶啪2 坦 ( 寺酾( 附加；( 肼。 + 寺否繇沏“) c 扣“蹦叶鹏( 斛川 = 吉 。+ 。( 。_ 1 ) ( 一圭) 】 = 古c + 争圭 如3 1 节所述，空域处理前的输入信号( 基带形式) x ( n ) = 仇( n ) 旺。 阮( 凡) = 吉蕃饥& ( n k ( n 。+ f h ( n 。+ i ) = 纯蹦n ) 如( 一，七，。) 研j ：( n ) 】- 1 研乱( n ) j ，( 凡) 】_ o ，女j p 。c n ，t ，。，= 古萋c 。c ，z 。+ i ，c 仃。+ z ， ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 一l o ) 其中，( n ) 和仇( n ) ，女；o 分别是有用信号和干扰信号的等效基带形式；s 。( n ) 和魄 分别是第k 路信号的原始信息和信道增益：p b ( m ，o ) 是第k 路信号所用的伪随 机序列q 与有用信号所用的伪随机序列c n 在第n 个比特上的部分相关系数；如果 t 扣山大学硕士学位论史c d m a 无线系统空时联合处理技术的研究 先空域处理后时域处理，则d = l ：如果先时域处理后空域处理，则d 等于扩频 阗子( 本文使用的扩频因子等于6 4 ) 。 似= 1 ，矿阚础，一”4 “1 8 r 是引导向量，。是信号的波达方向，m 是智能天 线的阵元数。 根据最小均方误差准则( m m s e ) ，空域处理的最优权值【1 8 1 为 w = r ： 其中， r 。= 研x ( n ) x “( n ) 】，= e 【x ( n ) p + ( n ) 】，p ( n ) 是参考信号 由式36 ，3 7 得： r 。= e x ( n ) x ”( n ) 】 彤 盯 = 研( 坑。) ( 噬( n ) 】 又根据式3 4 ，3 5 ，3 7 和3 8 ，得 研l 坑( n ) 1 2 = 研磁j ：( n ) p ：( 一，o ) = i 硫1 2 目成( n ，o ) 】 1 2 = o 一1 f 惋1 2c 古c + 圭，一圭， 。 e 【吼m ) 巧( ，z ) = 目& ) p 。( h ，t ，o ) 嘭j ；) 卢o ( 工o ) 】= o ，七 2 4 ( 31 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 一1 4 ) ( 31 5 ) ( 3 一1 6 ) ( 3 一1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 一1 9 ) ( 3 2 0 ) h ， 旺 女 n o # ， 痧( 魄 。豆暮 。 + h t a t 越km 玩 。脚 r 【 e = j a 西 坟 e 。脚触 。 + h n _ 苴 2 阮 e 。脚 | | o+ h a _ 苴 2 e 。脚 | | r ! 些查堂堡主兰焦堡苎 ! 里竺垒重竺墨竺至堕壁宣竺里堇苎! ! ! ! 翌 = 1 2 旺树+ 孙1 2 【吉( t + 争扛n ? ( 3 2 1 ) = l _ i 1 0 1 2 a 。孑+ 去i 嘎1 2 。u ? ，( + n 很大，远远大于d ) ( 3 2 2 ) = iu = 研x ( n ) p + ( n ) 】 ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) k = e 【s o ( h ) ( h ) e 【p 。( 凡，o ，o ) l ，o + 【e 【s 。( n ) s ：( n ) 】- e p d ( 以，良，o ) 1 风吐。 ( 3 2 6 ) = o ( 3 2 7 ) 由上述分析可知，如式3 2 2 所示，r 。包含着有用信号的空域特征i 2 q 。嘎孑 和干扰信号的空域特征| | 2 。? 及其权重；如式3 2 7 所示t 包含有用信 号的 l 导向量和信道增益，与d 无关。第k 略干扰信号的权重越大，则其空 域特征l k l 2 伍。n ? 就在r 。的影响就越大，越容易被识别，使智能天线在其波达方 向皖上的空域处理( 抑制干扰) 就越准确。与之相反，信号的权重越小，其 空域特征i 惋1 2 。? 在r 。的影响就越小，就越难以被识别，使智能天线此波达方 向的空域处理越不准确。 如果先空域处理后时域处理( 即d = 1 ) ，由于干扰信号的空域特征权重等 于l ，即干扰信号的空域特征被真实保留，所得的波束具有较低的旁瓣以抑制干 扰。如果先时域处理后空域处理( 即d = 6 4 ) ，由于干扰信号的空域特征权重等 于4 ，使干扰信号的空域特征变得模糊，影响了波束成形的效果，未能很好地 抑制干扰信号。这是由于干扰信号经过时域处理后，其宅域特征被削弱，耒能很 h ； | 蔓 0七 o d