TD-SCDMA系统中一种快速的下行波束形成技术

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  摘 要:利用阵列天线系统接收信号的自相关矩阵的最大特征值所对应的本征向量的信号处理(PSM)思想,提出一种适用于TD-SCDMA系统的快速下行波束形成技术。此方法利用各个用户的扩频码进行目标用户的数据分离,并用迭代的方法代替用户信号的自相关矩阵的特征分解,降低了计算复杂度。计算机仿真验证了该方法的有效性。

  关键词:TD-SCDMA ;智能天线;最大特征值;波束形成;算法

一、引言

  TD-SCDMA系统是第一个由我国提出的第三代移动通信标准,它采用宽带码分多址技术,具有抗干扰、容量大、保密性好以及软越区切换等性能。TD-SCDMA系统采用智能天线,在基站端用来形成多波束发射用户信号,可以极大地提高目标用户的信干噪比,使得用户端接收时干扰极大减少,从而提高系统的性能。

  TD-SCDMA系统中下行的波束形成技术是利用上行接收信号提取参数的[1~3],波束赋形算法一般有固定波束赋形、最强径波束赋形、特征分解赋形[4]等。其中特征分解赋形需要目标用户的信号能量足够高于其它用户信号能量,才能使得最大特征值所对应的特征向量正确表征目标用户的来波方向。在CDMA系统中利用用户的扩频码解扩接收信号,以利用扩频因子带来的增益,满足特征分解的这一要求。在TD-SCDMA系统中的,同一时隙的每个用户所使用的扩频因子不一样长,且这些扩频因子值都偏小,因而不能简单地解扩来生成相关矩阵,并且得到的扩频增益不够高。怎样有效地利用这变长的扩频码先验信息来形成下行波束,是本文主要解决的问题。

  本文介绍一种快速的下行波束形成方法PSM,它基于最大信噪比特征原理,有效地利用变长的扩频码先验信息,将变长的扩频因子归一化后,生成相关矩阵,并用迭代的方法代替了矩阵分解求取最大特征值所对应的特征向量,大大降低了计算量,而且可以实时地生成阵列天线系统的优化参数。

二、TD-SCDMA系统信号模型

  多输入多输出的CDMA系统中共有K个用户,且系统对每个用户均采用线性调制,第k个用户所发送的信号可表示为
  
式中,dn,k表示用户k发送的第n个符号数据,N为用户发送的符号数,Q为扩频因子,Tc为码片(chip)周期,gc(τ)为码片冲激响应,cq,k为第k个用户的第q位扩频码值。
  设系统采用天线数为M的天线阵列(均匀线阵、圆阵或其它阵列形式),则第m个天线上的接收数据为
  
式中,Lk表示第k个用户信号到达接收端的多径数,hm,l,k(τ,t)是第k个用户的第l径到达第m个天线的等效信道冲激响应,它包含了空中衰落信道和接收端信道滤波器的影响,含有幅度的瑞利衰落、多径时延、因移动台高速移动引起的多谱勒频移、角度扩展等信息,是时变信道; am,l,k是第k个用户的第l径到达第m个天线的导向因子,它主要与阵列间距和信号的波达角有关;n(t)为加性噪声。

  则M根天线的接收信号可表示为矩阵形式,即
  
其中, T为转置。

  TD-SCDMA系统中智能天线的下行波束赋形是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性(无限环境和传输条件相同)而获得的。通过对天线接收的上行用户信号进行数据处理,从而求得下行波束的加权矢量Wk对基站发送的已扩频的数据加权,产生对准目标用户的波束图。   

三、扩展的TD-SCDMA系统的扩频因子

  根据TD-SCDMA系统物理层协议,同一时隙的不同用户以不同的扩频码来区分。码树的每一级都定义了一个扩频因子为Qk的码。并不是码树上所有的码都可以同时用在一个时隙中,当一个码已经在一个时隙中采用,则其父系上的码和下级码树路径上的码就不能在同一时隙中被使用[5],这意味着一个时隙可使用的码的数目是不固定的,而是与每个物理信道的数据速率和扩频因子有关。扩频因子的最大值为16。

  波束赋形算法中特征分解赋形需要目标用户的信号能量足够高于其它用户信号能量,才能使得最大特征值所对应的特征向量正确表征目标用户的来波方向。在CDMA系统中利用用户的扩频码解扩接收信号,以利用扩频因子带来的增益,满足特征分解的这一要求。在TD-SCDMA系统中的,由于扩频因子是变长的,取值{1,2,4,8,16},同一时隙的每个用户所使用的扩频码是变长的,且这些扩频因子值都偏小,因而不能简单地解扩来生成相关矩阵,并且得到的扩频增益不够高,因此要对各用户的扩频码进行预处理。将扩频码扩展为16位长,如果Q=2,则将扩频码重复8次;如果Q=4,则将扩频码重复4次,依次类推,如表1所示。



四、PSM方法特征分解赋形原理

  特征分解赋形是对接收的阵列信号协方差矩阵进行特征分解,以获取空间信息[6]。在TD-SCDMA系统中,为提高系统性能采用了功率控制,使得到达基站的各用户信号能量相等。特征分解赋形需要目标用户的信号能量足够高于其它用户信号能量,才能使得最大特征值所对应的特征向量正确表征目标用户的来波方向。在CDMA系统中利用用户的扩频码解扩接收信号,以利用扩频因子带来的增益,满足特征分解的这一要求。

  将阵列接收数据用目标用户的扩频码解扩,解扩后的信号(理论上)只含有目标用户的符号和解扩后的噪声,利用正交原理抑制了其它用户信号(即干扰)。将解扩后的数据求协方差矩阵,特征分解即可求得最大特征向量。

  利用阵列天线系统接收信号的自相关矩阵的最大特征值所对应的本征向量的信号处理方法(PSM)引入了一种简化的计算技术来求取权向量,产生良好的波束图,该波束图沿期望信号方向上具有最大增益并在干扰信号方向上保持尽可能小的增益电平[7]。

五、TD-SCDMA系统中的快速下行波束形成算法

  第m个天线上的接收数据x(m)(t)如(1)、(2)式所示,将(1)式两边同乘第i个用户的第l0条径的扩频码,τl0是该径的时延,并将(2)式带入,得到目标用户解扩信号
  
式中,d是目标用户解扩后的数据,Q是扩频因子,n′是噪声,该噪声包括加性高斯白噪声、干扰用户的干扰等效噪声和目标用户其他径的干扰等效噪声。经过解扩后,可以有效地提高目标用户的符号能量,抑制干扰。

  PSM方法的关键是提供了一种计算自相关矩阵最大本征值的近似本征向量的简单过程,所需的总计算量很小,可以实时地生成阵列天线系统的优化参数,大大降低了传统矩阵分解的计算量。这种构成阵列天线系统波束形成模块的信号处理装置,能够很容易地用常用的数字信号处理器来实现。

  将解扩的数据作为算法中天线系统的接收信号,并求取接收信号自相关矩阵的最大本征值所对应的本征向量。实现步骤如图1所示。



六、仿真结果

1.仿真参数

  算法处理的数据生成方式符合TD-SCDMA协议要求,数据长度为一个时隙,采样率1/chip。以时隙为单位的数据经过无线信道形成数据源,多个用户的数据源、加性白噪声叠加起来模拟多址干扰和通道噪声。输入信号源为 TD-SCDMA系统一个时隙的数据,码片速率1.28 MHz,阵列形式分别为8天线的均匀圆阵,半径0.5λ。信道模型符合3GPP TS25.105协议。移动台速度 120 km/h,用户来波方向随机产生,角度扩展为45°。

2. 多径信道下的仿真结果

  (1) 变扩频因子,6用户情况下的波束图(满码道)
  图2所示为6用户、满码道时高斯信道下的波束图。Eb/N0=0;UEDOA是用户来波方向,UE
 



  (2) Case1多径条件下,变扩频因子2用户情况下的波束图
  图3所示为2用户时Case1多径条件下的主径波束图。Eb/N0=6;主径UEDOA =[-142.5339 148.8464];扩频因子与扩频码在码树上的位置[2 1; 16 16]。



  (3) Case3多径条件下,变扩频因子2用户情况下的波束图
  图4所示为2用户时Case3多径条件下第一、二径的波束图,Eb/N0=10;UEPathAoA =[70.8263 8.8054 ; -170.1884 179.7231]; 扩频因子与扩频码在码树上的位置[2 1;16 15]。

  (4) Case3多径条件下,等扩频因子2用户情况下的波束图
  图5所示为2用户时Case3多径条件下第一、二、三径的波束图,Eb/N0=6;UEPathAoA =[160.1011 166.9823 127.9408 ; -77.3607 -61.4344 -117.2109]; 扩频因子与扩频码在码树上的位置[16 1;16 14]。




  从图2~5可以看出,波束图中的主瓣基本对准所需信号的来波方向θd,同时很好地抑制了旁瓣,其中对于扩频因子较小的用户用快速波束形成技术生成的权值形成的主瓣并没有因为扩频因子偏小而受到很大的影响。多径的环境下,主瓣仍然可以基本所需信号的来波方向θd,有效抑制旁瓣,但相应的输入信噪比有所提升。用户数相同时,等扩频因子比变扩频因子达到相同性能的输入信噪比低。

七、结论

  本文通过根据TD-SCDMA通信系统时分双工、上下行物理空间特性在同一时刻完全相同的特点,利用基于PSM方法的快速波束形成算法实现了TD-SCDMA通信系统的下行自适应波束形成。由于这种快速算法不需要直接进行矩阵分解,而是采用迭代的方式获得相关矩阵最大特征值对应的特征向量,从而降低了计算量,减少了计算复杂度,在一定程度上抑制了噪声,并实时地生成阵列天线系统地优化参数,因此快速波束形成算法能跟踪适应高速变化的信道。仿真研究结果表明,基于PSM方法的快速波束形成技术产生的波束图沿期望信号方向上具有最大增益并在干扰信号方向上保持尽可能小的增益电平,有效抑制了噪声,增加了系统的可靠性。因此,这种快速波束形成算法在TD-SCDMA通信系统下行波束赋形技术中具有良好的应用前景。

参考文献

[1]Kang Shaoli,Qiu Zhengding. Performance of the downlink multi-beam algorithm in TD-SCDMA system[A]. Proceeding of ICSP'02[C].2002.
[2]Y C Liang,F Chin,K J R liu. Downlink beamforming for DS-CDMA mobile radio with multimedia services[J].IEEE Trans.on Commun.,2001,49(7):1288~1298.
[3]王安义, 廖桂生.上行信道信息进行CDMA 信号下行波束形成[J].西安电子科技大学学报,2000,27(6).
[4]吴群英,肖先赐,李世鹤. 时延角度扩散信道中TD-SCDMA系统下行波束技术[J].信号处理,2002,18(5).
[5]李小文,李贵勇,陈贤亮,等. 第三代移动通信系统、信令及实现[M].北京:人民邮电出版社,2003.
[6]刘德树,罗景青,张剑云.空间谱估计及其应用[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1997.
[7]崔胜元,李贤倍. 利用阵列天线系统接收信号的自相关矩阵的最大特征值所对应的本征向量的信号处理方法[M].北京:专利文献出版社.


作者:李 萍1,孙晓东1,阎鸿森1,周用芳2

1.西安交通大学, 陕西 西安 710049; 2.中兴通讯 西安研究所, 陕西 西安 710065
   来源:电讯技术

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