（通信与信息系统专业论文）wcdma系统中发射分集技术研究及移动台发射硬件实现.pdf

摘要 摘要 在c d m a 移动通信系统中，为了克服信道深衰落对接收机性能造成的影响，常采用交织器和解 码器加r a k e 的接收技术；但是，当深衰落时间较长且移动信道时延扩展较小时，r a k e 接收机无法 获得足够的多径信息而无法工作，限制了接收机性能的进一步提高。因此，人们尝试在下行采用发 射分集技术，人为增加多径，减少深衰落概率，以提高系统容量。 本文第一部分讨论了w c d m a 中的发射分集技术。首先分析了w c d m a 系统的开环和闭环发 射分集方案，比较了开环和闭环发射分集方案之间的区别，并且对接收性能进行了验证。仿真表明 s t t d 发射分集技术是多径干扰受限的，且只在接收机缓慢移动且可分辨径少的信道中有优于单天 线发射的接收机性能；而闭环发射分集只在低速移动环境下具有良好的接收性能。 然后，针对低速多径情况下多址干扰严重的问题，研究了发射分集条件下将干扰抵消技术引入 接收机的结构，并且进行了性能仿真和复杂度分析。结果表明干扰抵消技术在被抵消的信道能量较 大、系统帧长较短的环境下将更加适用。 论文的第二部分介绍了w c d m a 上行链路物理层协议，复用流程及上行发射的f p g a 实现，给 出了资源占用情况和测试结果。 关键词 w c d m a 发射分集干扰抵消移动台发射 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et e c h n i q u e so fi n t e r l e a v ea n dr a k ea r ea l w a y sa p p l i e di nt h e3 gs y s t e mt oo v e r c o m et h en e g a t i v e i m p a c to fc h a n n e ld e e pf a d i n g ；h o w e v e rr a k er e c e i v e rw o u l dn o tw o r kw e l lf o rt h e r ei s n o ta d e q u a t e i n f o r m a t i o no nc h a n n e lp a t h sw h e nc h a n n e lf a d i n gl a s t sf o ral o n gt i m ea n dt h et i m es p r e a di st o ol i t t l e ， w h i c hl i m i t st h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to ft h ew h o l es y s t e m s op e o p l eh a v eb e e na t t e m p t i n gt oa d a p t t r a n s m i td i v e r s i t yt e c h n o l o g yt oc r e a t en e wp a t h sw h i c hr e s u l t si nl o w e rf a d ep o s s i b i l i t ya n dh i g h e rs y s t e m c a p a c i t y f i r s t l yt h et r a n s m i td i v e r s i t ys c h e m e su s e di nw c d m as y s t e ma r ed e s c r i b e di nt h i st h e s i s t h eo p e n l o o pa n dc l o s e dl o o pt r a n s m i td i v e r s i t ys c h e m e sa r ed e s c r i b e da n dc o m p a r e d ，a n dt h e nt h er e s u r sa r e v a l i d a t e db ys i m u l a t i o n i ti ss h o w nt h a tm u l t i p l ea n t e n n at r a n s m i td i v e r s i t yo u t p e r f o r m ss i n g l et r a n s m i t a n t e n n ao n l ya tl o wm o b i l es p e e da n dw i t hl e s sr e s o l v a b l em u l t i p a t h w eh a v ef o u n dt h a tt h e r ee x i t ss e r i o u sm u l t i p l ea d d r e s si n t e r f e r e n c ei nl o w v e l o c i t ya n dm a n yc h a n n e l p a t h sc o n d i t i o ni nt r a n s m i td i v e r s i t ys i t u a t i o n ，s oi ti si n v e s t i g a t e dt h a ti n t e r f e r e n c ec a n c e l l e r ( i c ) t e c h n i q u e i su s e dh e r ea n dt h e nt h er e s u l t sa n dc o s ta r ea n a l y z e d ni ss h o w nt h a ti ct e c h n i q u ew o u l db em o r eu s e f u l l w h e nt h ee n e r g yo f t h ec h a n n e lc a n c e l l e di sl a r g ea n dt h ef r a m ei ss h o r t ， s e c o n d l y ，t h ep h y s i c a ll a y e r sp r o t o c o lo fw c d m au p l i n k ，t h ep r o c e s sa n dh a r d w a r ei m p l e m e n to f m u l t i p l e x i n ga r ei n t r o d u c e d a n dt h e nt h eh a r d w a r er e q u i r e m e n to fw c d m a l i ei r a n s m i s s i o nm o d u l ei n f p g a p l a t f o r mi sd e s c r i b e d k e yw o r d s w c d m a t r a n s m i td i v e r s i 母i n t e r f e r e n c ec a n c e l l e ru et r a n s m i s s i o n i i 东南大学学位论文独创眭声明 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：童! ! ! i 鲨! 日期：堡2 - 工丫 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：重! ! 堑睦：导师签名：日期：2 0 0 s - 2 叫 第一章绪论 第一章绪论 随着通信技术的发展和人们对通信需求的不断提高，移动通信系统在最近几十年内得到了迅速 的发展。从早期的以f d m a 为核心技术的第一代模拟蜂窝移动通信系统，到现在被广为使用的咀 t d m a 和窄带c d m a 技术为主的第二代数字蜂窝移动通信系统，前两代移动通信系统主要是针对 传统话音和低速率数据业务。现在支持高速率数据业务的第三代移动通信商用化的脚步也越来越近 了，相信不久以后第三代移动通信系统将极大地改变人们的生活。 1 - 1 论文研究背景 国际电联( i t u ) 早在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信系统的概念，当时称为未来公共陆地移 动通信系统( f p l m t s ) 。国际电联在1 9 9 6 年将其更名为i m t - 2 0 0 0 ，其意义为该系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，最高业务速率可达2 m k b p s 。1 9 9 9 年1 1 月国际电联在芬兰首都赫尔辛基召开会议，确定了 i m t - 2 0 0 0 所包含的无线接口标准。会议中将采用c d m a 技术的标准定为欧洲提出的w c d m a 、美 国提出的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。 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，能运行在各种通信环境和多种通信网络中。这样的移动通信系统的实现需要 有各种强有力的技术支持，下面我们将介绍w c d m a 系统中的这些关键技术。 ( 1 )同步技术 同步对于任何通信系统都是非常重要的。c d m a 通信系统中通常将同步分为初始同步即捕获， 以及细同步即跟踪。在w c d m a 这样一个异步系统中，专门对初始同步进行了设计，采用了快速小 区搜索方法，缩短了捕获所需时问。 ( 2 )r a k e 接收技术 移动通信是在较为恶劣的无线移动信道下进行的，如何克服电波传播造成的多径衰落现象是移 动通信的基本问题之一。在c d m a 系统中，由于信号带宽远大于信道的相干带宽，因而在时间上可 以分辨出较细微的多径信号。这样，对分辨出的多径信号进行分集接收，就能在很大程度上降低多 径衰落造成的负面影响。这种技术就被称为r a k e 接收技术。本文接收机就采用了r a k e 接收技术。 ( 3 ) 高效信道编译码技术 在第三代移动通信系统的主要提案中( 包括w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等) ，采用的信道编译码技 术都是卷积码和t u r b o 码。此外，为了对抗移动信道可能带来的突发误码，它们也都采用了交织技 术。t u r b o 码的性能优于卷积码，但其译码算法复杂，译码延时较大。在w c d m a 系统中，对实时 性要求较高的服务( 如话音通信) 仍然采用卷积码。， ( 4 )发射分集技术 ： 发射分集利用发射天线空间分隔以获得相互独立的衰落信号，改善系统信噪比，提高数据速率 和无线系统容量。同接收分集相比，同阶数的发射分集不仅具有相似的分集增益，而且还能实现同 东南大学硕士学位论文 一信号使多个移动台获得发射增益的优点 1 1 1 2 。这样，在改善系统性能的同时还可以降低移动台成 本。根据信道反馈信息利用的不同，发射分集可以粗略地分为开环和闭环两种方式。本文第二章对 w c d m a 系统中的两中发射分集方案进行了详细的讨论和分析。 ( 5 )功率控制技术 在c d m a 系统中，由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频码间的相关特性并非理想，用户 发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使得功率控制技术成为c d m a 系统中的最为重要的 核心技术之一。 ( 6 ) 智能天线技术 从本质上来说，智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应用。由于其体积及 计算复杂性的限制，目前仅适应于在基站系统中的应用。它主要用处是减少多址干扰，其中包括抑 制其它移动台的干扰以及对基站发送信号进行波束成型。当然，智能天线的使用会大大增加基带处 理单元的复杂度。 ( 7 ) 多用户检测技术 多用户技术同样为了抑制多址干扰。从理论上讲，使用多用户检测技术能够在极大程度上改善 系统容量。但现在的主要问题是如何把多用户干扰抵消算法的复杂度降低到可接受的程度。本文第 三章将多径恶劣情况下的双天线看成一种多址干扰，探讨了这种条件下用干扰抵消技术提高接收性 能的实现方法。 本文以w c d m a 物理链路为切入点，选择了关键技术中的发射分集技术作为主攻研究方向， 研究和探讨了适用于宽带移动通信系统的发射分集技术以及发射分集条件下进一步提高接收机性能 的途径。 1 2 发射分集的分类和应用 发射分集实质上是空间、时间、频率和编码结合的技术【3 。在空间上，采用两根天线、极化天 线或者天线阵列；在时间上，采用延时、分时或者时间转换：在频率上，采用分频和相移；在编码 上，采用正交码。根据采用方法的不同可以从不同的方面可以将发射分集分为不同的类型： 时间与空间相结合：时空发射分集s t t d 、延迟分集d d 、时间转换发射分集t s t d ； 频率与空间相结合：相移发射分集( p s t d ) 、相位结台发射分集( p a t d ) ； 编码与空间相结合：正交传输分集( o t d ) ( 参考文献【4 ) ； 空间分集：极化分集( p d ) 、选择发射分集( s t d ) 、p r e r a k e 发射( p r t ) 、发射自适应 阵列t x a a ( t a a ) 。 发射端不需要接收端晦反馈信息的分集技术，成为前馈分集( f f d ) ，也成为开环发射分集 ( o l t d ) ；反之称为反馈分集( f b d ) ，也称为闭环发射分集( c l t d ) 。在反馈分集中，基站根据 2 第一草绪论 移动台测量的信息调整发射从而最佳利用不同的发射路径。前述的发射分集技术中，s t t d 、d d 、 o t d 、p s t d 、t s t d 和p d 属于前馈分集，s t d 、p r e r a k e 和t x a a 属于反馈分集。 w c d m a 系统采用了开环和闭环两种模式，其中开环模式有空时发射分集( s t t d ) 和时间切 换发射分集( t s t d ) 两种开环发射分集方案 5 1 一 7 】；c d m a 2 0 0 0 中则采用了空时扩频( s t s ) ( 参 考文献 8 ) 和正交发射分集( o t d ) 方案 9 。w c d m a 系统中的t s t d 只在同步信道使用，文中 提到的w c d m a 系统的开环发射分集特指s t t d 。 1 3 论文的研究内容和章节安排 本文的主要内容是w c d m a 系统中发射分集技术的研究以及移动台发射模块的硬件实现，全文 共分四章，内容安排如下： 第二章讨论了w c d m a 系统的发射分集技术。分别研究了开环和闭环分集两种方案的模型、原 理和实现，并且进行了性能验证和比较。对于闭环模式二，讨论了易于硬件实现的权值估计算法。 最后，比较了两种发射分集技术的优缺点并且分析了w c d m a 发射分集技术的适用场景。 第三章为干扰抵消技术在发射分集条件下的应用。分别讨论了天线间导频干扰抵消和数据信道 干扰抵消的方案，给出了不同方案的原理和模型以及性能仿真并且分析了引入干扰抵消技术的收益 和代价。 第四章介绍了w c d m a 上行链路物理层协议，复用流程及上行发射的硬件实现，给出了资源占 用情况和测试结果。 第二章w c d m a 系统中的发射分集技术 第二章w c d m a 系统中的发射分集技术 在移动通信系统中，分集技术是抵抗衰落、提高链路及系统性能的一项有效手段。基于c d m a 技术的移动通信系统常采用的分集技术有：采用交织和信道编码获得时间分集：采用r a k e 接收获 得的路径分集；采用多天线技术获得空间分集等。但是在不同的移动环境下，真正能使得接收机获 得分集增益的分集技术是不同的。如在步行或者室内环境中，由于信道的相干时间过长、相干带宽 过宽，移动台的r a k e 接收机无法获得有效的时间分集、路径分集，而此时空间分集技术是一种更 有效的手段。以往研究较多的空间分集技术就是接收分集技术，例如采用相干接收以及最大比合并 可以获得最佳接收性能【1 0 】_ 【1 3 】。然而，由于尺寸限制，接收分集技术不适合在移动台端应用。近 年来发展起来的发射分集技术就是研究如何在基站端进行有效的多天线设置使得小区内的所有移动 台受益。 发射分集技术分为两大类： 1 开环发射分集技术：这种方法在发射端使用线性处理的方法将信息扩展到每根天线，在接 收端采用线性处理或者最大似然译码恢复发送的信息。可以是采用联合信道编码和多天线 发射获得分集增益。 2 闭环发射分集技术：这种方法使用来自接收端明确的或隐含的反馈的信息来调整发射机。 如在t d d 模式下，由于信道是对称的，所以反馈是隐含的；明确的反馈信息需要承载在 上行信道上，需要占用一定的带宽。 在第三代移动通信系统中，为了提高下行链路的接收性能，w c d m a 系统和c d m a 2 0 0 0 系统 都采用了发射分集技术。c d m a 2 0 0 0 标准采用了两种开环发射分集技术，一种是正交发射分集 ( o t d ) ，一种是空时扩展s t s 。w c d m a 标准采用了两种发射分集技术，一种是基于空时分组编 码的发射分集s t t d ，另一种是基于反馈链路的闭环发射分集技术。 本章针对w c d m a 系统的两种发射分集技术，分别给出了相干的r a k e 接收算法模型、性能 仿真结果和比较分析。理论分析和仿真结果表明，在w c d m a 系统中，接收机在缓慢移动可分辨径 较少的信道环境中，发射分集能够提供优于单天线发射时的接收陛能；而在高速移动可分辨径较多 的信道环境中，发射分集的性能明显下降。 2 1 发射分集在w c d v , a 系统中的应用 w c d m a 系统采用了多种传输分集技术，系统下行链路的发射分集包括开环发射分集和闭环发 射分集。表2 一】总结了下荇链路物理信道上开环和闭环发射分集的可能应用【5 。 东南大学硕士学位论文 p h y s i c a lc h a n n e lt y p eo p e nl o o pm o d e c l o s e dl o o p ( 玎用：x 荨可用) t s t ds t t 0m o d e p c c p c hx s c hx s c c p c hx d p c hx p 1 c hx p d s c hxx a i c hx c s l c hx a 尸_ a l c hx c d c a - i c hx o l d p c c hf o rc p c hxx 表2 1 发射分集在w c d m a 系统下行信道的应用 2 2 开环发射分集技术 w c d m a 系统中开环发射分集采用的是基于空时分组编码的s t t d 技术。s t t d 技术最早由 a l a m o u t i 提出。t a r o k h 在文献 1 4 中做了进一步的探讨。开环发射分集优点在于能够在不增加带宽 的前提下实现分集。 2 2 1 系统模型 w c d m a 系统在s t l d 模式下的系统收发结构如图2 1 所示： 图2 1w c d m a 系统的s t t d 收发结构 6 第二章w c d m a 系统中的发射分集技术 专用物理信道d p c h 数据x ，经过串并转换后形成待调制的符号，由s t t d 编码器进行空时编 码，形成两路符号输出 譬，鲜 ，再分别经过相同的扩频加扰后从两个天线上发出。在s t t d 发射 、j 分集方式下，为实现接收机相干解调，两个天线上发射的公共导频信道由两组相互正交的符号组成， 经过相同的扩频加扰后分别从两个天线上发出。在接收端，信道估计模块首先利用两个天线上导频 符号的正交性，采用两个搜索器分别对两根天线进行搜索，估计出两条路径上的信道参数；同时 r a k e 接收机对接收到的信号进行解扩，并且利用估计得到的信道参数分别对两路信号进行最大比 合并，得到两路解扩数据 ，吒 ；最后，通过s t t d 解码后得到d p c h 真正的解扩输出肖。 2 2 2 系统原理和实现 2 2 2 1s m 编码器 假设置和置为连续的两个待发送数据符号，t 为一个符号间隔。s t t d 编码器的结果为天线1 上仍然发送五和x 2 ，天线2 上则发送一卫；和x i 。写成输出矩阵形式为 誓 ， 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问的数据符号输出。可 以看出，经过这样的编码后，信号在空间和时间都进行了编码，并且保证了两根天线上的信号在2 t 的符号间隔内互相正交。 2 2 ，2 2 导频信道 发射分集时，为了在接收端进行相干解调时，能够区分两个天线经过的不同信道，下行信道在 两个天线上发送的公共导频信道( c p i c h ) 符号相互正交，如图2 - - 2 所示，其中导频符号a = 1 + - ，。 a n t e n n a l a n t e n n a 2 aa a aaaaaaaaa a a aaa一aa- a- aaa- aal aaaaa- a s i o t = 1 4 71 s 1 0 t = 0 一l s l o t = 1 2 2 2 3 扩频加扰模块 级。 图2 2 公共导频信道 图2 3 描述了w c d m a 扩频原理，通过与扩频码相乘，数据流的速率由s y m b o l 级变成c h i p 互 l i | _-_lr-_ s s l 东南大学硕士学位论文 图2 3 w c d m a 扩频原理 对d p c h 信道，其扩频码为信道码和扰码的复数乘积白( f ) = c c h _ ( f ) + e 。6 k ( r ) 。假设 只( r ) 和s s ( ，) 分别为d p c h 的扩频波形和窄带调制波形，分别表示如下 p a t ) = c a ( k ) u ( t t 。一 ( 2 2 ) n d 一1 2 丕蚤( 剐) 砸7 正而$ n a 圳) ( 2 3 ) 其中，( m ，珂) 是第i 个天线的第n 个时隙第m 个调制符号，( i = 1 ，2 ) ，t 为符号周 期，t 为码片周期，n d 是数据信道的扩频比，“( f ) = 1 ，( o t 对c p l c h 信道，和d p c h 信道类似。两个天线上的导频使用相同的扩频码： c p ( f ) = c c h ，p ( f ) + c 0 。，6 k ( ) 。假设0 ( f ) 和p f ( f ) 分别为c p i c h 的扩频波形和窄带调制波 形： e a t ) = c e ( k ) u ( t t c j i ) ( 2 5 ) n p 一1 删2 墨薹( m 删弓小十n p 圳) ( 2 6 ) 其中，( ， ) 是第i 个天线的第 个时隙第m 个导频符号，( f = 1 ，2 ) ，弓为符号周期，n ，是 导频信道的扩频比a 设岛为符号能量，则c p i c h 扩频后的输出为： 脚) = j 舶) 蹦f ) ( 2 7 ) 第二章w c d m a 系统中的发射分集技术 除了数据信道和公共导频信道，发射端还要发射其它的公共信道，假设这些公共信道的数 据为c 。( f ) 。 综上，可以得到天线i 发射给单一用户的信号为 r ( ，) = ( f ) + 只( f ) + q ( r ) g ( r 一 疋) ，( f - 1 ，2 ) ( 2 8 ) 由于一个小区内存在多个用户，我们把接收端收到的其他用户的信号称为正交干扰( o c n s ) 。 w c d m a 标准规定在测试移动台接收性能时要考虑其它用户干扰的影响，具体的设置由 1 5 规定。 2 2 2 4 信道估计模型 假设发射端的衰落互不相关，同时两个发射天线相隔不太远，使得两个天线上的多径信号分量 到达接收天线的时延小于一个c h i p ，即可以认为两个天线上的信号是同时到达的。由于公共导频信 道在两个天线上是正交的，所以我们可以采用两个强径搜索器分别就两根天线进行分支搜索，得到 关于两个天线路径的l 个强径。 将接收数据乘上c p i c h 信道扩频序列的共轭c ：( ) ，并在一个符号区间内积分( 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。 相= 去鬈孑7 心以矽 亿。， 用己知量e ( 七) 与c p i c h 信道解扩后的符号相关后，得到信道系数的估计值 五“炉击苫如珊+ f ) ，( f - 1 ，2 ；? = o ，2 ，川) ( 2 1 0 ) 上是信道的径数，信道估计的相关长度为个符号。通过( 2 9 ) 式中c h i p 间隔的相关峰信息 n 以获n n n n n r “的估计。 2 2 2 5 解扩和躲c 合并 与c p i c h 信道数据解扩类似，d p c h 信道的数据解扩是将接收数据乘上d p c h 的扩频序列的 共轭c ：( r ) ，并在一个符号区间积分。来自第i 条天线第f 径的d p c h 信道的第n 个数据符号的解扩 输出可表示为： z “炉去凳赋心减”q 脚乩：扣啦m 其中，矾为d p c h 信道的扩频因子。 下面，需要对获得的三条径上的解扩数据进行最大比合并。方法为将每条径上的解扩数据乘以 9 东南大学硕士学位论文 估计出的各条径信道系数的共轭 ，。，( ”) 后叠加： l z ，( ) = z i , ( ”) 稚n ) ，( 扛1 ，2 ) = l ( 2 1 2 ) 最大比合并后的结果z ，( 门) 包含了两个天线上的符号。进行s t t d 译码后才能恢复出d p c h 信 道的发送符号。 2 2 2 6s t t d 译码 合并后的数据需要进行s t t d 译码才能恢复原始的发射符号。下面对，径上的信号应用最大似 然准则进行s t t d 译码。假设接收端收到的信号为r ( r ) ，经过解扩后得到数据符号序列z ( n ) ，假 设连续两个符号间隙期间两个天线的信道参数不变，即 如。，( r ) = 啊，0 + t ) 2 魄( m ) ，( ，2 0 ，l 一1 ) h 2 , 1 ( f ) = h 2 , i ( f + c ) = h 2 j ( 埘) ，( ，= o ，l 一1 ) 令= h u ( f ) ，= j ( r ) ，则解扩后的输出 z 1 ，z 2 ， = o l = 【 跏， x 墨2 卜 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 其中，和1 1 2 ，分别表示解扩中由其它分径和信道以及用户产生的干扰和白噪声的产生的总噪 声。利用晟大似然准则检测，考察度量 磐 z 1 一a x ，+ d ：互玎+ 1 z ，一吼x ：+ 口：z 1 2 经过简化，分别得到检测五和x 2 的度量 一q 五互一西彳? z 1 一口，x ；z ：一口：x z ： x ；z ：+ d ：爿：z 。一a 。x ：互一西z z 2 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 因为】= x 1 r + 弘- 】，和z 2 = x 2 r + 弘2 ，所以最小化式( 2 1 6 ) 等价于最小化 1 0 科醉五省 r刊吐rii忆l 哆 f ： 第二章w c d m a 系统中的发射分集技术 和 判决度量即等价于 和 可以得到判决方程 x i r ( ( 口- - ，c ，z z l r ，z 。i r - - o 。：1 1 。z ，l i - 哆a ， 2 2 r 。z 。2 + r 甜- ：。：z 2j ：z ，2 ) 1 x j z ) + ( 2 1 9 ) ( 口1 ，z 1 月一月! ，哆，2 2 月+ 甜2 启z 2 ，) 。 五x 2 兹竺未：麓二麓；+ 仁z 。， ，( 2 ，z i r 一rz 1 j + z 2 r q z 2 ) 、 实现上也很简单，结构如下 五 乏 互。r e ( 一西z 1 ) + r c ( 一乏) ) + x i ，( i r a ( 一西z ) + i m ( 一乏) ) x 。r e ( 一西z ：) + r e ( z i ) ) 十 x 2 1 ( i m ( 一西乙) + i m ( 彳) ) z = z l 西+ 乏 z = 一z ：d 2 + z 2 a ： 图2 - - 4s t t d 解码框图 替换z 。和z 2 ，得到： z = x ( 1 口，1 2 + i 口：1 2 ) + 喝西+ 磁 x ：= x ：( i 1 2 + l a ：n + 瞄口：+ 啦a i 结合式( 21 5 ) 可以计算得到一个径上的接收信噪比： 易 蜀 ( 2 2 1 ) f 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) r 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 批f ) 南 z ， 一| = 1 ， 了k k 广+ 卜一嘛 忙砑 矗+ 三。上 东南大学硕士学位论文 其中o - ；和口；分别是多址干扰项和噪声项的方差。 考虑信道有l 个径，则s t t d 的r a k e 接收机输出端瞬时信噪比为： 枷= 帮州删2 帆( 圳2 ) 表 仁z s ， 单天线发射情况下，即= 0 ，则 y n o - t d = ) 1 2 南 ( 2 2 9 ) 可见，s t t d 发射分集的接收功率始终为圭( i i h 。l l + l l h ：i h & 。s t t d 发射分集的收益并不是来 自于接收信号功率的增大，而是利用了多天线提供的额外信息的结果。 2 2 3 性能仿真 上面分析了w c d m a 中开环发射分集的系统结构和各个模块的算法原理，重点描述了s t t d 编 解码的原理和实现。下面我们将给出系统性能的仿真结果，并从不同角度给出分析和对比。 根据 1 5 l o ，k = 9 ( d b ) ，发射分集时，各个传输信道能量配比如表2 - - 2 所示 p h y s i c a lc h a n n e l p o w e rr a t i o p c p i c h p c p i c h e c l i o r = - 1 0d b p c c p c h p c c p c h e c l i o r = - 1 2 d b s c h )s c h e c i o r = 一9d b p i c h ( a n t e n n a1 ) p 1 c he c l i o = 1 5d b d p c ht e s td e p e n d e n tp o w e r o c n s 表2 2 测试信道能量配比 仿真中用到的信道模型如下表所示： 2 第二章w c d m a 系统中的发射分集技术 c a s e l 。 c a s e3 ， c a s e5 ， s d e e d 3 k m l h s p e e d1 2 0k m ，hs p e e d5 0k m h r e l a t i v er e l a t i v er e l a t i v er e i a t i v er e l a t i v er e l a t i v e d e l a y d e i a y d e l a y 【n s p o w e r h e 】 p o w e r 【惜l p o w e r d b l【d b 】【d b l 000oo0 9 7 61 02 6 039 7 61 0 5 2 1 _ 6 7 8 1- 9 2 2 3 1 不同业务下的性能 表2 3 仿真信道模型 针对 15 1 给出的四种不同测试业务，我们在c a s e l 信道条件下仿真了s t t d 发射分集和单天线发 射的接收机性能。由仿真盐线可以看出，在c a s e l 这种低车速，径数较少的信道环境下，s t r d 发射 分集可以取得明显的性能增益。在b l e r 为1 附近，s t t d 发射分集技术可以有2 3 d b 的收益，和 文献【1 6 给出的理论结果一致。 暑 一 e 、 、繁 _ _-u= k 、 、 ! 一飞 ” - 、 _ ： 、 、_ 卜一、 一。卜 、1、 鬻 躐 ! i ： ： l 弋j k s ” 、 、一 - 、 、， 、 、 、 、 图2 5 不同业务下s t t d 系统性能 东南大学硕士学位论文 2 2 3 2 不同信道环境下的性能 图2 6 是r m c l 2 2 k 业务在不同信道径数下的单天线发射、s t t d 双天线发射分集情况下接收 机的误块率。信道采用c a s e l 的两径模型和c a s e 3 的四径模型，车速都是3 k m h ，信道估计积分长度 为4 个符号。可以看出，在两径信道下s t t d 发射分集相比单天线发射有约3 d b 的性能增益。而在 信道径数为4 的信道中，s t t d 发射分集的性能反而不及单天线发射。分析原因：一是采用发射分 集技术的系统要求发射总功率不随发射天线的个数而变化，从而使得每根天线上发射的导频能量是 单天线发射时的一半，于是接收端对每个天线的信道估计可靠性下降；二是发射分集的天线间存在 干扰，径数增多时这种干扰更为突出，导致了在数据能量不高时接收性能的下降。 、 ii 一$ ” x 、= i 。遗 ：= 一 、 o 。 | ： o p c i i + e 枷t 卜_ n 鲤l 。、- 。匕 。、： 孽毒蕊 一 。 二 图2 6 不同径数信道下s t t d 发射分集的接收机性能 为了考察s t r d 发射分集方式在实际移动环境中的接收性能，我们采用了c a s e l 信道的两径模 型，分别调整车速进行接收机误块率仿真。从图2 7 可以看出，单天线发射时，车速为1 2 0 k m h 时的r a k e 接收机性能相对于步行速度和高车速环境最为理想。分析其原因为：接收机在缓慢移动 时不能获得有效的多路径分集，并且帧交织器面对信道的慢衰落不能发挥作用；而高车速下较差的 接收性能和信道估计准确性下降有关。当采用双天线s t t d 发射时，各车速的r a k e 接收性能都有 改善，尤其在步行低速环境下，由于双天线发射提供了有效的抵抗衰落的路径分集，接收性能的改 善尤其明显：而随着车速提高双天线发射分集的性能改善变得越来越有限，车速2 5 0 k m h 时s t t d 发射分集下接收性能几乎没有什么收益。 一 q 2 k vc i t y 。： 一q s 1 t d j k m m 一| 1 0 w k m 捌i h 蒋 l 、 _ i 一卜n o t l 5 2 0 k i l i ，+ , 鬻 l 一ps r l m ， 一po l m ! 0 h 、卜 l 一4 一s 丌b2 5 0 k 州h 气!7 、b ) ， 、 _l 图2 7 移动环境下s t t d 发射分集性能比较 1 4 墨三至婴! 里坚垒墨竺塑垄墅坌叁堡变 最后，为了给出有实际意义的结论，我们在表2 3 定义的三种典型信道环境下对r m c l 2 ，2 k 业务的单天线发射、s t t d 发射分集进行了数据仿真。c a s e l 信道环境由协议规定了最小性能指标 15 ，由图2 - - 8 可以看到，仿真结果可以在d p c h _ e c i o r = 一2 0 3 d b 时达到b i e r 为1 。c a s e 3 信道 是四径车速1 2 0 k m h 的信道，s t t d 发射分集的接收机性能已经劣化得不及单天线发射的接收机性 能。 e 、 、： 噼 。i _： 、 叶 、i l i 。 ，。 7 吨 f 。n、 1 冀。 图2 8 三种典型信道环境下的s t t d 发射分集性能比较 2 3 闭环发射分集技术 w c d m a 系统中采用了开环和闭环两种发射分集技术，其中的闭环发射分集需要利用移动台的 反馈信息，使移动台获得最大的接收信噪比。即基站发射机需要通过上行链路获得信道的状态信息， 并用来调整发射天线间的相位和功率权重( 明确的反馈) ，使移动台的接收信噪比最大化。这样，接 收机不但可以获得天线分集增益，还可以获得波束成型增益d 7 1 。因此，闭环发射分集技术应该能 够提供比开环s t t d 发射分集更好的性能。 虽然闭环发射分集应该能够提供比开环发射分集更好的性能，但在实际应用中还存在制约其性 能的因素。如反馈信息的精度、反馈链路的可靠性以及时变信道的反馈延时等 18 。文献【1 9 分析了 时变信道中反馈延时对接收机平均功率的影响；文献 2 0 】分析了闭环发射分集技术的接收性能，给 出了误比特率公式。 本节首先给出闭环发射分集的系统模型，然后介绍闭环发射分集的算法和系统实现的方案，最 后给出仿真结果。 东南大学硕士学位论文 2 3 1 系统模型 本节考虑的是w c d m a 系统下行数据信道的闭环发射分集技术，首先给出w c d m a 中闭环发 射、接收的系统结构如图2 - - 8 所示。注意到发射端在两个天线上的数据信道上分别乘以了因子w 1 和 用来调整两个天线发射信号的相位和功率权重，对应的，接收端对两根天线上解扩后的数据分别 乘以嵋和诚。 2 3 2 算法原理 图2 8w c d m a 闭环发射分集系统收发模型 数据序列经过信道编码、交织以及串并转换后形成待调制的数据符号，由相同的扩频码进行扩 频加扰后分由复数的权重因子w l 和w 2 加权后发出；移动台根据两个天线上的导频符号估计出信道 值，每个时隙反馈一次信道信息，基站利用此信息调整两个天线的发射权重。 系统框图中的其它模块和开环发射分集中都相同，这里重点论述权值估计和调整的的算法原理。 2 3 2 1 权值计算 d p c h 经过解扩合并后，移动台的接收功率可以表示为： p = 一i - i h i - 1 w ( 2 3 0 ) 式中1 i 为上2 阶信道矩阵，h = h 。h ：】。其中h 。= ，啊： 。r h 2 = h 2 ，h 2 2h 2 rr ，分别是两根发射天线的信道冲击响应。为了保证发射功率不变，加权 第二章w c d m a 系统中的发射分集技术 因子满足0 w 1 1 2 = w h w = 窆1 w ，1 2 = 1 。 i = 】 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 + v( 2 3 1 ) 上式中z 为解扩后数据符号向量，有z = k 。z ：z 。f 。x 为发送符号向量。有 x = 厨，w = 【w 1w ：r 。y 为噪声n ( f ) 经过解扩后的噪声向量，有v = h y ：叱】， 假设噪声满足五v v ” = o i 。 经过最大比合并，再与发送权向量w ”相乘后，可得 z = 白拥“h n h w + w “h “v ( 2 ，3 2 ) 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 ：皂w n h ”h w ：皂w n r w ( 2 3 3 ) n o n b 其中r = h “h 为2 x 2 的信道相关矩阵，是一个h e r m i t i a n 阵a 闭环发射分集的本质就是通过改变发送权向量w ，使式( 2 3 3 ) 中的移动台输出信噪比y 最大a 可将式( 2 3 3 ) 写为 y = 熹鲁 亿s 。， y 2 意i i j 印 ! ! ：墨! 为矩阵r 的r a y l e i 曲商，由h e r m i t i a i l 阵的性质可知，当w 是矩阵r 最大特征值所对 w w 应的特征向量时，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，即 w o p l = m a x w “r w 。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，即y = r 。( r ) 。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。 在单径信道中，h ：【啊h 2 ，则矩阵r 的两个特征值为凡= i 啊1 2 , l h 2 1 2 ，丑= 0 ；由此得到使 移动台接收信噪比最大化的w 满足如下关系： 2 静 ，s ， 假设w 2 = a e 一，则( 2 3 5 ) 的关系等价于： 东南大学硕士学位论文 在多径信道环境中，假设h = 【h l h2 】，信道相关阵为 r ：陋m 叫 【h h 。8 h 2 9 2 j 可以解得两个特征值 = 2 ，o h ，1 f + l l h ：0 2 一( o h ，1 1 2 一h h 2 1 1 2 ) 2 十4 l h ? h 。1 2 l ，2 二。：一 由此可以得到使移动台接收信噪比达到最大的w 满足如下关系： w 22 2 h ? h 2 ( 23 6 ) ( 2 - 3 7 ) w l