WCDMA無(wú)線(xiàn)通信系統的空時(shí)處理技術(shù)

1 空時(shí)處理方法
在單用戶(hù)的情況下，空時(shí)處理方法的分類(lèi)如圖1所示。

由于移動(dòng)臺一般不適于用多天線(xiàn)接收，在基站采用多個(gè)天線(xiàn)進(jìn)行發(fā)射分集，可以使移動(dòng)臺的接收效果和移動(dòng)臺用多個(gè)接收天線(xiàn)時(shí)的效果相比擬，所以本文主要圍繞基站的空時(shí)處理技術(shù)展開(kāi)討論。
2 波束成形技術(shù)
波束成形技術(shù)（Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ,ＢＦ）可分為自適應波束成形、固定波束和切換波束成形技術(shù)。固定波束即天線(xiàn)的方向圖是固定的，把ＩＳ－95中的3個(gè)120°扇區分割即為固定波束。切換波束是對固定波束的擴展，將每個(gè)120°的扇區再分為多個(gè)更小的分區，每個(gè)分區有一固定波束，當用戶(hù)在一扇區內移動(dòng)時(shí)，切換波束機制可自動(dòng)將波束切換到包含最強信號的分區，但切換波束機制的致命弱點(diǎn)是不能區分理想信號和干擾信號。自適應波束成形器可依據用戶(hù)信號在空間傳播的不同路徑，最佳地形成方向圖，在不同到達方向上給予不同的天線(xiàn)增益，實(shí)時(shí)地形成窄波束對準用戶(hù)信號，而在其他方向盡量壓低旁瓣，采用指向性接收，從而提高系統的容量。由于移動(dòng)臺的移動(dòng)性以及散射環(huán)境，基站接收到的信號的到達方向是時(shí)變的，使用自適應波束成形器可以將頻率相近但空間可分離的信號分離開(kāi)，并跟蹤這些信號，調整天線(xiàn)陣的加權值，使天線(xiàn)陣的波束指向理想信號的方向。
自適應波束成形的關(guān)鍵技術(shù)是如何較精確地獲得信道參數呢？對于上行鏈路，根據形成波束所用的信息可以將波束成形技術(shù)分成以下3類(lèi)。
(1)基于空間結構的ＢＦ
基于空間結構的ＢＦ如基于輸入信號到達方向的ＢＦ（ＤＯＢ），包括3類(lèi)：基于最大信干噪比（ＳＩＮＲ）的ＢＦ；基于最大似然（ＭＬ）準則的ＢＦ；基于最小均方誤差（ＭＭＳＥ）準則的ＢＦ。多址干擾的抑制依賴(lài)于信號的到達方向（ＤＯＡ），所以ＤＯＢ中的一個(gè)重要部分是信號的ＤＯＡ估計。ＤＯＡ估計方法有離散付里葉變換、ＭＶＤＲ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｖａｒｉａｎｃｅ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｌｅｓｓ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）估計器、線(xiàn)性預測、最大包絡(luò )法（ＭＥＭ）、ＭＬ濾波器以及可變特征結構的方法，其中包括ＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）和ＥＳＰＲＩＴ法（Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｇｎａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｖｉａ Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）。
(2)基于訓練序列的ＢＦ
基于訓練序列的ＢＦ即時(shí)間參考ＢＦ（ＴＲＢ），適用于多徑豐富且信道特性連續變化的環(huán)境，根據算法可以分為塊自適應算法（ＢＡＡ）和采樣自適應算法（ＳＡＡ）兩類(lèi)。ＢＡＡ算法包括特征濾波器（ＥＦ）法、Ｓｔａｎｆｏｒｄ法、最大比合并（ＭＲＣ）法和第一維納濾波器解（ＦＷＦＳ）、第二維納濾波器解（ＳＷＦＳ）。ＳＡＡ算法包括最小均方（ＬＭＳ）算法、歸一最小均方（ＮＬＭＳ）算法、遞歸最小平方（ＲＬＳ）算法和共軛梯度法（ＣＧＭ）。ＴＲＢ技術(shù)要求同步精確，當時(shí)延擴展小時(shí)可以得到較好的性能。
(3)基于信號結構的ＢＦ（ＳＳＢＦ）
基于信號結構的ＢＦ（ＳＳＢＦ）即利用接收信號的時(shí)間或空間結構和特性來(lái)構造ＢＦ，可利用ＳＳＢＦ需要存儲例如恒包絡(luò )調制信號的恒模（ＣＭ）特性、信號的周期平穩性或數字調制信號的ＦＡ（Ｆｉｎｉｔｅ Ａｌｐｈａｂｅｔ）特性等知識，這種ＢＦ方法可以應用于不同的傳播條件，但需要考慮收斂性和捕獲問(wèn)題。
對于下行鏈路而言，不同的復用方式可采用不同的解決方法：ＴＤＤ方式，由于上下行鏈路采用相同的頻率，在保證信道參數在相鄰的上下行數據幀中幾乎沒(méi)有變化的情況下可以直接利用上行估計得到的信道參數，但這只適用于慢速移動(dòng)的系統；ＦＤＤ方式，由于上下行鏈路的頻率間隔一般都大于相關(guān)帶寬，因此上下行的瞬時(shí)信道幾乎是不相關(guān)的，此時(shí)采用反饋信道是最好的方法。
需要強調的一點(diǎn)是發(fā)送機的波束成形技術(shù)和接收機的波束成形技術(shù)是截然不同的，接收波束成形可在每個(gè)接收機獨立實(shí)現而不會(huì )影響其他鏈路，而發(fā)送波束成形會(huì )改變對其他所有接收機的干擾，所以要在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )內部聯(lián)合使用發(fā)送波束成形技術(shù)。
3 接收分集
由于ＣＤＭＡ系統通常有較多的多址干擾分量，而天線(xiàn)陣可以去除Ｍ－1個(gè)（Ｍ為天線(xiàn)數）干擾的特性并不能明顯地改善接收機 的ＳＩＮＲ，所以在一般情況下，更好的方法是利用接收分集的方法，估計接收信號的形式，并確定匹配濾波器的加權系數。接收分集技術(shù)中的分集天線(xiàn)其實(shí)是空間域內的分集合并器，而不是ＢＦ。對于寬帶ＣＤＭＡ信號，信號帶寬一般大于信道相干帶寬，所以在時(shí)間域采用ＲＡＫＥ接收機，將信號在空間／時(shí)間上利用各種合并準則進(jìn)行合并，這就是所謂的2Ｄ－ＲＡＫＥ接收機。一般的合并方式有：選擇合并（ＳＣ）即選擇具有最大信號功率的多徑；最大比合并（ＭＲＣ）即每一路有一加權，根據各支路信噪比（ＳＮＲ）來(lái)分配加權的權重，ＳＮＲ大的支路權重大，ＳＮＲ小的支路權重小。當每個(gè)分離多徑上的干擾不相關(guān)時(shí)，ＭＲＣ方法可使合并信號的ＳＩＮＲ最大；等增益合并（ＥＧＣ）即選擇每一路的加權值都相等；Ｗｉｅｎｅｒ濾波（ＯＰＴ）即無(wú)論多徑之間的干擾是否相關(guān)，均可抑制干擾并使合并器輸出端的ＳＩＮＲ最大，因此Ｗｉｅｎｅｒ濾波的方法要好于最大比合并法，又稱(chēng)為優(yōu)化合并。
在空間和時(shí)間上利用不同的合并準則可以對系統起到不同的改善效果，理論證明，在理想功率控制和理想信道估計的條件下，空時(shí)聯(lián)合域優(yōu)化合并方式對系統性能的改善最好。
4 發(fā)送分集技術(shù)
當發(fā)送方不能獲得信道參數時(shí)，空時(shí)發(fā)送分集可改善前向鏈路性能，這種機制是將發(fā)送天線(xiàn)的空間分集轉化為接收機可以利用的其他形式的分集，如延遲發(fā)送分集和空時(shí)編碼技術(shù)?？諘r(shí)編碼技術(shù)是同時(shí)從空間和時(shí)間域考慮設計碼字，它的基本原理是在多個(gè)天線(xiàn)上同時(shí)發(fā)送信息比特流所產(chǎn)生的向量，利用發(fā)送天線(xiàn)所發(fā)送序列的正交性，用兩個(gè)發(fā)送天線(xiàn)、一個(gè)接收天線(xiàn)所獲得的分集增益與一個(gè)發(fā)送天線(xiàn)、兩個(gè)接收天線(xiàn)的ＭＲＣ接收機的一樣。
根據是否需要從接收機到發(fā)射機的反饋電路，發(fā)送分集技術(shù)可以分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種類(lèi)型，前者發(fā)射機不需要任何信道方面的知識。開(kāi)環(huán)發(fā)送分集方式有空時(shí)發(fā)送分集（ＳＴＴＤ）、正交發(fā)送分集（ＯＴＤ）、時(shí)間切換發(fā)送分集（ＴＳＴＤ）、延遲發(fā)送分集（ＤＴＤ）以及分層的空時(shí)處理和空時(shí)柵格編碼；閉環(huán)發(fā)送分集方式有選擇發(fā)送分集（ＳＴＤ）。發(fā)送分集各方式具體如下。
(1)正交發(fā)送分集（ＯＴＤ）
經(jīng)過(guò)編碼和交織后的數據分成兩個(gè)不同的子流在兩個(gè)不同的天線(xiàn)上同時(shí)發(fā)送。為保證正交性，這兩個(gè)子流所用的Ｗａｌｓｈ碼是不同的。
(2)時(shí)間切換發(fā)送分集（ＴＳＴＤ）
在某一時(shí)刻每個(gè)用戶(hù)只使用一個(gè)天線(xiàn)，使用偽隨機碼機制在兩個(gè)天線(xiàn)之間切換。
(3)選擇發(fā)送分集（ＳＴＤ）
由于在ＴＳＴＤ方式中，瞬時(shí)使用的發(fā)送天線(xiàn)并不一定能在接收端得到最大的信噪比，所以使用一個(gè)反饋電路來(lái)選擇能提供使接收端得到最大信噪比的天線(xiàn)。
(4)空時(shí)發(fā)送分集（ＳＴＴＤ）
空時(shí)發(fā)送分集是按如圖2所示的方法將數據編碼之后在兩個(gè)天線(xiàn)上發(fā)送出去。

(5)延遲發(fā)送分集（ＤＴＤ）
用多個(gè)天線(xiàn)在不同時(shí)刻發(fā)送同一原始數據信號的多個(gè)復本，人為地產(chǎn)生多徑。
(6)分層空時(shí)結構(Ｂｅｌｌ ＬＡｙｅｒｅｄ Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＢＬＡＳＴ）
首先將原始信息比特分解成ｎ個(gè)并行的數據流(稱(chēng)為層)，送入不同的編碼器，再將編碼器的輸出調制以后使用相同的Ｗａｌｓｈ碼通過(guò)不同的天線(xiàn)發(fā)送出去。接收機側使用一個(gè)ＢＦ（迫零或ＭＭＳＥ準則）來(lái)分離不同的編碼數據流，然后將數據送入不同的解碼器，解碼器的輸出再重新組合建立原始的信息比特流。由于在波束成形處理中，ＭＭＳＥ和迫零方法都沒(méi)有充分利用接收機天線(xiàn)陣的分集潛力，所以提出了改進(jìn)方案將接收處理也進(jìn)行分級。即首先使用ＶｉｔｅｒｂｉＭＬＳＥ算法譯出最強的信號，然后將該強信號從接收的天線(xiàn)信號中去除后再檢測第二強的信號，如此反復直到檢測出最弱的信號。
該機制中，層到天線(xiàn)的映射并不是固定的，而是每ｎ_ｐ個(gè)碼符號之后周期性地改變，如圖3所示。這種映射關(guān)系保證了這些數據流最大可能地在不同的天線(xiàn)上被發(fā)送出去。

(7)空時(shí)柵格編碼
根據秩準則和行列式準則設計碼字，使設計出的碼字得到最大分集增益和編碼增益。以四進(jìn)制相移鍵控（ＱＰＳＫ）四狀態(tài)空時(shí)柵格編碼為例，假定使用兩根天線(xiàn)發(fā)射，則星座圖和格形如圖4所示。
最右邊的元素編號Ｓ1Ｓ2的涵義是：從第一根天線(xiàn)發(fā)射出去的字符為Ｓ1，從第二根天線(xiàn)發(fā)射的字符為Ｓ2。
5 結束語(yǔ)
空時(shí)處理技術(shù)已顯示出非常誘人的發(fā)展前景，第三代移動(dòng)通信標準中也支持空時(shí)處理技術(shù)，標準的出臺為我們繼續研究物理可實(shí)現的空時(shí)處理技術(shù)提供了可能性，但將此技術(shù)實(shí)用化還存在許多亟待解決的方法和技術(shù)問(wèn)題，有待于我們進(jìn)一步研究。