FDD-CDMA的下行鏈路的波束形成
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本文研究了智能天線(xiàn)在FDD-CDMA中的下行鏈路的應用，利用上行鏈路接收數據，估計了下行鏈路的信道相關(guān)矩陣和對其它小區用戶(hù)的相對干擾總量，給出下行鏈路的波束形成方法，即在保證一定的有效發(fā)送功率的同時(shí)，使得對其他小區的用戶(hù)干擾最小.計算機仿真表明：在多小區蜂窩CDMA環(huán)境中，采用上述方法比僅保證用戶(hù)方向的最大發(fā)送功率，有更小的中斷率.
關(guān)鍵詞:FDD-CDMA；下行鏈路波束形成；信道相關(guān)矩陣；最小相對干擾
Downlink Beamforming for FDD-CDMA
LI Guo-tong,QIU Pei-liang,XU Lu-zhou
(Dept.of Information and Electronic Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)
Abstract:This paper studies the application of smart antennas to the downlink in the FDD-CDMA.We estimate the downlink channel covariance matrix and the relative interference to users of the other cells by using the uplink data.,and present a method for downlink beamforming,i.e.,we obtain the minimum relative interference to other users while the constant transmitting power is guaranteed.The computer simulations show that this method has lower outage probability than the method of only assuring maximum array gain in direction of the user.
Key words:FDD-CDMA;downlink beamforming;channel covariance matrix;minimum relative interference
一、引 言
智能天線(xiàn)或自適應陣列已得到廣泛研究，并開(kāi)始應用于移動(dòng)通信.目前，由于體積和復雜度等因素，智能天線(xiàn)概念只適應于基站.已有大量文獻報道了智能天線(xiàn)在上行信道的一些算法及容量分析，而對下行信道的波束形成的研究很少.基站在發(fā)送前是不能觀(guān)察到下行鏈路的信道特征.在FDD雙工方式，上、下行載波的頻率差大于相干頻帶，上、下行信道是不相關(guān)的.因此，不能用上行信道直接估計下行信道，故將智能天線(xiàn)應用于下行鏈路是一個(gè)難點(diǎn).近來(lái)，已提出了幾種方法，如波束功換系統法，角度估計法［1］，子空間影射法［4，5］和移動(dòng)臺反饋法［2］等.但這些文獻都是針對TDMA系統的，在CDMA系統中，同頻干擾數遠大于一般天線(xiàn)陣列的自由度，因此，幾乎沒(méi)有文獻報道CDMA中的下行鏈路的波束形成.只有文獻［6］在假設已知下行信道特征的條件下，研究了CDMA系統的下行鏈路的性能，該方法僅僅保證移動(dòng)臺有最大接收功率，而忽略了對其他移動(dòng)臺的干擾.本文利用上行鏈路的接收數據來(lái)估計下行鏈路的信道相關(guān)矩陣，進(jìn)一步估計出相對干擾總量.在保證一定的有效發(fā)送功率下，使得對其他用戶(hù)的干擾總和(相對于其他用戶(hù)的接收功率而言)最小.為了便于比較，我們稱(chēng)文獻［6］中的方法為最大陣列增益法(MAG)；而將本文中的方法稱(chēng)為最小相對干擾法(MRI).
二、信道模型
信號在移動(dòng)臺和基站之間的傳輸，一般要經(jīng)過(guò)三種機制：路徑損失、陰影慢衰落和多徑快衰落.多徑快衰落是運動(dòng)用戶(hù)的信號經(jīng)許多局部特體散射而成，如圖1所示.當基站采用天線(xiàn)陣列接收和發(fā)送時(shí)，多徑快衰落可用矢量信道來(lái)描述：
(1)
其中，hi,ψi,φi,θi,fd分別為第i條路徑的幅度(散射系數)、與移動(dòng)臺運動(dòng)方向的夾角、相位、入射角和多普勒頻率.hi滿(mǎn)足：
(2)
ψi,φi為相互獨立的隨機變量，在［0,2π］均勻分布；a(θi)為陣列響應矢量，表示為：
a(θi)=［1,ej2πlsinθi/λ，…,ej2π(m-1)dsinθi/λ］T (3)
上式中m為陣元數，入射角θi有一角度擴散Δ，且在［θ0-Δ,θ0+Δ］均勻分布.顯然，當路徑數N很大時(shí)，v(t)為零均值，復高斯隨機矢量，幅度的模滿(mǎn)足瑞利分布.此外，信號還將受陰影衰落和路徑損失的影響，用下式來(lái)表示：
(4)
其中，r(t)表示基站和移動(dòng)臺的距離，n為路徑損失指數，一般取2.5～5，本文取4，s(t)為陰影衰落，滿(mǎn)足對數正態(tài)分布，即
s(t)=10(ξ/10) (5)
其中ξ為零均值高斯隨機變量，標準偏差一般6～12dB.本文取σ=8dB.
圖1 局部散射模型 三、FDD下行鏈路發(fā)送 x(t)=wH.β(t).b(t).c(t).v(t)+n(t) (6) 其中b(t),c(t)分別為信息序列和擴頻序列，設G為處理增益.因此，解擴后的信噪比為：
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