姚麗娜,周 圍,何忠勇

摘 要:CDMA系統(tǒng)中,信號(hào)在無(wú)線信道中傳輸,由于多用戶同時(shí)同頻傳輸和多徑衰落的存在,導(dǎo)致多址干擾(MAI)和符號(hào)間干擾(ISI),使系統(tǒng)接收機(jī)的性能下降。空時(shí)接收機(jī)(2-D RAKE)能夠有效地抑制MAI和對(duì)抗多徑衰落,這里介紹了幾種接收機(jī)的工作特點(diǎn),并對(duì)各種空時(shí)接收機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和比較。

關(guān)鍵詞:2-D RAKE;干擾抵消;FFT;MAI;ISI

中圖分類號(hào):TN911.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)19-007-03

Research on the Performance of 2-D RAKE Receiver for CDMA System

YAO Li′na,ZHOU Wei,HE Zhongyong

(College of Communication and Information Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing,400065,China)

Abstract:In Code-Division Multiple Access(CDMA) system,Multiple Access Interference(MAI) and Inter-Symbol Interference(ISI) are caused due to multiple users transmitting at the same time and frequency,and the existence of multi-path fading while signal transimitting through the wireless channel.As a result,the performance of system receiver degrades.Space-time receivers (2-D RAKE) can effectively suppress MAI and fight against MPI.In this paper,the characteristics for several space-time receivers are discussed.At the same time,each receiver is analyzed and compared detailedly.

Keywords:2-D RAKE;interference cancellation;FFT;MAI;ISI

0 引 言

CDMA技術(shù)是無(wú)線通信中的關(guān)鍵技術(shù),目前在IS-95系統(tǒng)、WCDMA、CDMA2000第三代移動(dòng)通信中均有應(yīng)用,然而提高CDMA系統(tǒng)容量仍然是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。CDMA系統(tǒng)容量受限主要是由于分配給不同用戶的PN序列互相關(guān)不為零所引起的多址干擾(MAI)及用戶自身引起的自干擾(即多徑干擾,MPI)。因此,減少多用戶引起的MAI和多徑傳播引起的MPI,可以提高CDMA系統(tǒng)的容量。

CDMA系統(tǒng)中,為了減少多徑衰落的不利影響,一般在接收端采用具有多徑分集功能的RAKE接收機(jī)。隨著智能天線技術(shù)的出現(xiàn),將天線陣的空域處理與傳統(tǒng)RAKE接收機(jī)[1]的時(shí)域處理相結(jié)合,即構(gòu)成空時(shí)RAKE(2-D RAKE)接收機(jī)。文獻(xiàn)[2]最初提出2-D RAKE的概念,這種接收機(jī)將空域和時(shí)域結(jié)合起來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理,相對(duì)于傳統(tǒng)RAKE接收機(jī)而言,性能有較大改善,它可將天線陣接收到的期望用戶多徑信號(hào)合并到一起,同時(shí)獲得時(shí)間分集和空間分集的好處。但傳統(tǒng)的空時(shí)RAKE接收機(jī)不能有效地抑制多用戶CDMA系統(tǒng)中的多址干擾和遠(yuǎn)近效應(yīng)問(wèn)題。

多級(jí)干擾抵消通過(guò)對(duì)干擾信號(hào)重構(gòu)并從接收信號(hào)中刪除來(lái)改善系統(tǒng)性能和容量,而自適應(yīng)天線通過(guò)將主波束指向期望用戶,并將零陷指向非期望用戶減少干擾,與期望用戶到達(dá)角不同的信號(hào)則被削弱。文獻(xiàn)[3]中,將干擾抵消技術(shù)與自適應(yīng)天線結(jié)合起來(lái),使系統(tǒng)性能大有改善?？諘r(shí)RAKE接收機(jī)與干擾抵消結(jié)合起來(lái)稱為聯(lián)合空時(shí)干擾抵消接收機(jī),但是此種接收機(jī)的主要問(wèn)題是計(jì)算復(fù)雜性比較高,解決此問(wèn)題的一個(gè)方法就是進(jìn)行預(yù)波束賦形,利用FFT波束形成器形成正交波束,使得從不同角度獲取信號(hào)功率更容易,因此,2-D RAKE接收機(jī)所需要的指峰數(shù)將減少且系統(tǒng)性能無(wú)損耗。

本文系統(tǒng)地比較了傳統(tǒng)2-D RAKE接收機(jī),聯(lián)合空時(shí)干擾抵消接收機(jī),基于FFT匹配濾波的2-D RAKE接收機(jī)性能,主要從接收機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理出發(fā)進(jìn)行分析。

首先介紹接收機(jī)的信道模型及結(jié)構(gòu),然后分析了各種接收機(jī)的性能,最后得出結(jié)論并討論其中存在的一些問(wèn)題。

1 系統(tǒng)模型

多用戶直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制方式,則每一用戶的等效傳輸基帶信號(hào)為:

sk(t)=Akdk(t)ck(t)

(1)

式中:dk(t)是間隔為T(mén)b的二進(jìn)制數(shù)據(jù)源信號(hào):

dk(t)=∑∞j=-∞b(k)jpt(jTb,(j+1)Tb)

ck(t)為用戶k的擴(kuò)頻波形,碼片間隔為T(mén)c,有:

ck(t)=∑∞q=-∞a(k)qpt(qTc,(q+1)Tc)

式中:aq(k)是第k個(gè)用戶在第q個(gè)碼片間隔的碼序列;b(k)j是等概率取±1的第j個(gè)數(shù)據(jù)比特;p(τ1,τ2)為矩形脈沖。假定信號(hào)服從多徑瑞利衰落,第k個(gè)用戶到達(dá)第l個(gè)陣元的信道沖激響應(yīng)為:

hkl=∑Ni=1αk,iejψ(l)k,iδ(t-τk,i)

(2)

式中:N為信道多徑總數(shù);αk,i是信道復(fù)衰落系數(shù);τk,i為路徑延時(shí);ψ(l)k,i=2πdlsin θk,i/λ為每一陣元的相位偏移,θk,i為第k個(gè)用戶在第i條路徑的到達(dá)角,d為陣元間距(一般取λ/2,λ為載波波長(zhǎng));τk,i為路徑延時(shí),且θk,i和τk,i服從幾何單反射橢圓模型[4]。

因此,在第l個(gè)陣元接收到的信號(hào)為:

r(l)(t)=∑Kk=1∑Ni=1αk,iejψ(l)k,isk(t-τk,i)+n(l)(t)

(3)

式中:n(l)(t)是均值為0,方差為σ2n的高斯噪聲。

2 接收機(jī)結(jié)構(gòu)

本文介紹三種接收機(jī)的結(jié)構(gòu):傳統(tǒng)的2-D RAKE接收機(jī),基于干擾抵消的2-D RAKE接收機(jī)和基于FFT的2-D RAKE接收機(jī)。

2.1 2-D RAKE接收機(jī)

在獲得信道的空時(shí)模型后,空時(shí)二維RAKE接收機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)在于可以利用信道的多徑結(jié)構(gòu)獲得路徑分集。傳輸信號(hào)的碼結(jié)構(gòu)使得接收機(jī)能夠在時(shí)域上分離大于碼片間隔Tc的多徑信號(hào),這些信號(hào)通過(guò)最大比合并能夠提高輸出信干噪比(SINR)。利用陣列天線在分離多徑過(guò)程中加入新的空間維,使得分離多徑信號(hào)成為可能,即使這些信號(hào)在時(shí)域不可分離。因此,也就產(chǎn)生了2-D RAKE接收機(jī)的概念。接收端的接收信號(hào)如式(3)所示,2-D RAKE接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 2-D RAKE 接收機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2 聯(lián)合空時(shí)干擾抵消接收機(jī)

聯(lián)合干擾抵消接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示,每一個(gè)2-D RAKE接收機(jī)形成不同的波束指向各自的期望用戶。接收機(jī)所獲得的信道參數(shù)和信息比特反饋到干擾信號(hào)重構(gòu)單元,由于不同用戶有不同的波束指向,干擾抵消過(guò)程中所用到的信道參數(shù)和信息比特更準(zhǔn)確。2-D RAKE由L個(gè)1-D RAKE組成,每個(gè)1-D RAKE由M個(gè)指峰、干擾抵消單元和權(quán)值合并形成。這種結(jié)構(gòu)可使信號(hào)在波束賦形前將干擾刪除,且權(quán)值可以在干擾抵消后重新估計(jì),以提供更高的準(zhǔn)確率。

圖2 空時(shí)干擾抵消接收機(jī)結(jié)構(gòu)

2.3 基于FFT匹配濾波的空時(shí)干擾抵消接收機(jī)

從上述接收機(jī)結(jié)構(gòu)可知,其計(jì)算復(fù)雜度較高。為了減小這種復(fù)雜度,在2-D RAKE中預(yù)先進(jìn)行波束成形,利用預(yù)波束形成器實(shí)現(xiàn)空域?yàn)V波,則在進(jìn)一步處理之前可以分離多徑信號(hào)。因此,需要更少的指峰數(shù)也能達(dá)到同樣的效果。

圖3中采用了FFT波束形成器,2-D RAKE的接收信號(hào)為:

F(l)(t)=∑L-1k=0r(l)(t)exp(-j2πLkl)

(4)

因此,經(jīng)過(guò)FFT波束形成后第l個(gè)陣元的接收信號(hào)為:

F(l)(t)=r(l)(t)G(l,θ)

(5)

G(l,θ)=(1-ejπMsin θ)(1-ej(πsin θ-2πl(wèi)/M))

(6)

圖3 基于FFT匹配濾波的聯(lián)合空時(shí)干擾抵消接收機(jī)結(jié)構(gòu)

3 各種空時(shí)接收機(jī)的性能分析

上述2-D RAKE接收機(jī)中,陣列矢量αk,i=[1,ejψ(1)k,i,…,ejψ(L-1)k,i]H用來(lái)在空域匹配接收信號(hào),所以它在特定空間方向的信號(hào)選擇上采用標(biāo)準(zhǔn)波束成形。一般來(lái)說(shuō),利用空間選擇性更高的濾波器在空間白噪聲和強(qiáng)干擾環(huán)境下尤為重要。在多址信道中,不同用戶被分配相互正交的碼,可選擇權(quán)向量wk,i為:

wk,i=R-1xxαk,iαk,iR-1xxαk,i

(7)

r(t)=[r(1)(t),r(2)(t),…,r(L)(t)]H

(8)

Rxx=E[r(t)rH(t)]

(9)

y(t)=wHk.ir(t)

(10)

這樣可以使波束指向第k個(gè)用戶的第i條路徑。實(shí)際中,信號(hào)的多徑傳播和接收信號(hào)非嚴(yán)格地同步,使得各用戶碼之間的正交性很難嚴(yán)格滿足,這將會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)近效應(yīng)。傳統(tǒng)的RAKE接收機(jī)加入空間維將能減少遠(yuǎn)近效應(yīng)。

2-D RAKE接收機(jī)中,采用并行的解調(diào)單元,在信道估計(jì)時(shí)把多徑干擾當(dāng)作噪聲采用濾波器進(jìn)行處理,而在合并時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)受到的多徑干擾未做處理。因此聯(lián)合空時(shí)干擾抵消接收機(jī),并利用具有排序功能的串行干擾抵消單元(SIC)[5],將干擾信號(hào)從接收信號(hào)中刪除,進(jìn)一步改善系統(tǒng)的誤碼率。

圖1中的加權(quán)輸出yk(t)包括期望用戶信號(hào)、多徑衰落引起的自干擾以及多用戶環(huán)境引起的多址干擾。為了克服共道干擾(CCI),利用信道參數(shù)和傳輸信息比特(k)j的估計(jì)((k)j=sgn(yk(jTb)))重構(gòu)干擾信號(hào)。多級(jí)干擾抵消可以同時(shí)消除ISI和MAI。

空時(shí)干擾抵消接收機(jī)要首先將所有用戶根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行排序,由大到小對(duì)各用戶進(jìn)行估計(jì)與對(duì)消,即從第一級(jí)開(kāi)始檢測(cè)最強(qiáng)的用戶,第二級(jí)次之,直到最后一級(jí)檢測(cè)最弱的用戶。因此,每一級(jí)所檢測(cè)的信號(hào)為輸入信號(hào)中功率最大的用戶,但是其計(jì)算復(fù)雜度較高。

利用FFT匹配濾波[6]的空時(shí)干擾抵消接收機(jī)可以解決這一問(wèn)題。利用FFT變換使所有的信號(hào)處理均在空間頻率域進(jìn)行。這種接收機(jī)通過(guò)計(jì)算陣列信號(hào)矢量的FFT在空域進(jìn)行波束空間波束成形,形成多個(gè)確定波束。對(duì)每一確定波束而言,基于FFT的2-D RAKE接收機(jī)用來(lái)匹配期望用戶的擴(kuò)頻碼,然后合并空時(shí)域的信號(hào)能量。使用FFT波束形成器,由于其空域?yàn)V波性,使得多徑將根據(jù)不同到達(dá)角來(lái)區(qū)分。接收信號(hào)強(qiáng)度各不相同,即βk,i=αk,iejψ(l)k,i?G(l,θ),則每一陣元僅搜集期望信號(hào)而削弱其他信號(hào)。與空時(shí)干擾抵消接收機(jī)相比,同樣條件下僅需要更少的指峰數(shù)即可達(dá)到相同的系統(tǒng)性能,且結(jié)構(gòu)及計(jì)算復(fù)雜度降低了。

基于以上分析,2-D RAKE接收機(jī)就是一種2-D匹配濾波器,權(quán)矢量wk,i也可以根據(jù)最小均方準(zhǔn)則(MMSE,需要提供參考信號(hào)),最大信噪比準(zhǔn)則(MaxSNR,必須知道噪聲的統(tǒng)計(jì)量和期望信號(hào)的來(lái)波方向),最小二乘法準(zhǔn)則及最大似然準(zhǔn)則(ML)來(lái)確定。對(duì)于聯(lián)合空時(shí)干擾抵消接收機(jī)來(lái)說(shuō),也可以采取并行干擾抵消(PIC),其處理延遲小,但計(jì)算量大,所以可采用將SIC與PIC結(jié)合提高空時(shí)接收機(jī)的性能?；贔FT匹配濾波的空時(shí)干擾抵消接收機(jī)旨在減少計(jì)算復(fù)雜度,將信號(hào)處理在空間頻率域進(jìn)行,可以采取基4或分裂基FFT(將基2分解和基4分解結(jié)合在一起)更大地減少計(jì)算復(fù)雜度。

4 結(jié) 語(yǔ)

空時(shí)RAKE接收機(jī)充分利用了空域和時(shí)域信息,可以提高接收機(jī)的檢測(cè)性能。傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)(如匹配濾波器和RAKE合并)將MAI和ISI視為噪聲,沒(méi)有利用多用戶以及多徑之間的信息,因此來(lái)自多址干擾和符號(hào)間干擾通常會(huì)導(dǎo)致誤碼率(BER)無(wú)法降低,大大降低通信質(zhì)量和系統(tǒng)容量?？諘r(shí)2-D RAKE接收機(jī)[2]和多用戶檢測(cè)技術(shù)[7]能夠消除這兩種干擾,因此這兩種技術(shù)的結(jié)合[8-10]也就成為研究的熱點(diǎn)。

2-D RAKE與PIC算法結(jié)合的空時(shí)多用戶檢測(cè),盡管能夠很好地消除MAI與ISI,但是由于PIC缺少弱信號(hào)的能量信息,對(duì)弱信號(hào)檢測(cè)不理想,且不利于實(shí)際系統(tǒng)采用;2-D RAKE與SIC算法結(jié)合,其以降低強(qiáng)用戶檢測(cè)性能為代價(jià)改善接收機(jī)性能,然而這依賴于信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)的用戶可靠的幅度估計(jì),準(zhǔn)確度不好的幅度估計(jì)會(huì)導(dǎo)致性能增益的降低,甚至性能惡化。實(shí)際系統(tǒng)中,將SIC與PIC結(jié)合形成新的干擾抵消技術(shù),組成混合型MUD接收機(jī)[11],通過(guò)對(duì)用戶信號(hào)進(jìn)行分類,減少多址干擾估計(jì)錯(cuò)誤。此技術(shù)與2-D RAKE及FFT結(jié)合可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)BER,減少計(jì)算復(fù)雜度。

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