CDMA系統(tǒng)中2-D RAKE接收機的性能研究

姚麗娜,周 圍,何忠勇

摘 要:CDMA系統(tǒng)中,信號在無線信道中傳輸,由于多用戶同時同頻傳輸和多徑衰落的存在,導(dǎo)致多址干擾(MAI)和符號間干擾(ISI),使系統(tǒng)接收機的性能下降?？諘r接收機(2-D RAKE)能夠有效地抑制MAI和對抗多徑衰落,這里介紹了幾種接收機的工作特點,并對各種空時接收機進行了詳細的分析和比較。

關(guān)鍵詞:2-D RAKE;干擾抵消;FFT;MAI;ISI

中圖分類號:TN911.7文獻標(biāo)識碼:A

文章編號: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問題。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。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[1]的時域處理相結(jié)合,即構(gòu)成空時RAKE(2-D RAKE)接收機。文獻[2]最初提出2-D RAKE的概念,這種接收機將空域和時域結(jié)合起來進行信號處理,相對于傳統(tǒng)RAKE接收機而言,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合并到一起,同時獲得時間分集和空間分集的好處。但傳統(tǒng)的空時RAKE接收機不能有效地抑制多用戶CDMA系統(tǒng)中的多址干擾和遠近效應(yīng)問題。

多級干擾抵消通過對干擾信號重構(gòu)并從接收信號中刪除來改善系統(tǒng)性能和容量,而自適應(yīng)天線通過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,與期望用戶到達角不同的信號則被削弱。文獻[3]中,將干擾抵消技術(shù)與自適應(yīng)天線結(jié)合起來,使系統(tǒng)性能大有改善?？諘rRAKE接收機與干擾抵消結(jié)合起來稱為聯(lián)合空時干擾抵消接收機,但是此種接收機的主要問題是計算復(fù)雜性比較高,解決此問題的一個方法就是進行預(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功率更容易,因此,2-D RAKE接收機所需要的指峰數(shù)將減少且系統(tǒng)性能無損耗。

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

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

1 系統(tǒng)模型

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

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

(1)

式中:dk(t)是間隔為Tb的二進制數(shù)據(jù)源信號:

dk(t)=∑∞j=-∞b(k)jpt(jTb,(j+1)Tb)

ck(t)為用戶k的擴頻波形,碼片間隔為Tc,有:

ck(t)=∑∞q=-∞a(k)qpt(qTc,(q+1)Tc)

式中:aq(k)是第k個用戶在第q個碼片間隔的碼序列;b(k)j是等概率取±1的第j個數(shù)據(jù)比特;p(τ1,τ2)為矩形脈沖。假定信號服從多徑瑞利衰落,第k個用戶到達第l個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;ψ(l)k,i=2πdlsin θk,i/λ為每一陣元的相位偏移,θk,i為第k個用戶在第i條路徑的到達角,d為陣元間距(一般取λ/2,λ為載波波長);τk,i為路徑延時,且θk,i和τk,i服從幾何單反射橢圓模型[4]。

因此,在第l個陣元接收到的信號為:

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 接收機結(jié)構(gòu)

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

2.1 2-D RAKE接收機

在獲得信道的空時模型后,空時二維RAKE接收機的主要優(yōu)勢在于可以利用信道的多徑結(jié)構(gòu)獲得路徑分集。傳輸信號的碼結(jié)構(gòu)使得接收機能夠在時域上分離大于碼片間隔Tc的多徑信號,這些信號通過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程中加入新的空間維,使得分離多徑信號成為可能,即使這些信號在時域不可分離。因此,也就產(chǎn)生了2-D RAKE接收機的概念。接收端的接收信號如式(3)所示,2-D RAKE接收機的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 2-D RAKE 接收機結(jié)構(gòu)

2.2 聯(lián)合空時干擾抵消接收機

聯(lián)合干擾抵消接收機結(jié)構(gòu)如圖2所示,每一個2-D RAKE接收機形成不同的波束指向各自的期望用戶。接收機所獲得的信道參數(shù)和信息比特反饋到干擾信號重構(gòu)單元,由于不同用戶有不同的波束指向,干擾抵消過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1-D RAKE組成,每個1-D RAKE由M個指峰、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,以提供更高的準(zhǔn)確率。

圖2 空時干擾抵消接收機結(jié)構(gòu)

2.3 基于FFT匹配濾波的空時干擾抵消接收機

從上述接收機結(jié)構(gòu)可知,其計算復(fù)雜度較高。為了減小這種復(fù)雜度,在2-D RAKE中預(yù)先進行波束成形,利用預(yù)波束形成器實現(xiàn)空域濾波,則在進一步處理之前可以分離多徑信號。因此,需要更少的指峰數(shù)也能達到同樣的效果。

圖3中采用了FFT波束形成器,2-D RAKE的接收信號為:

F(l)(t)=∑L-1k=0r(l)(t)exp(-j2πLkl)

(4)

因此,經(jīng)過FFT波束形成后第l個陣元的接收信號為:

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)合空時干擾抵消接收機結(jié)構(gòu)

3 各種空時接收機的性能分析

上述2-D RAKE接收機中,陣列矢量αk,i=[1,ejψ(1)k,i,…,ejψ(L-1)k,i]H用來在空域匹配接收信號,所以它在特定空間方向的信號選擇上采用標(biāo)準(zhǔn)波束成形。一般來說,利用空間選擇性更高的濾波器在空間白噪聲和強干擾環(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個用戶的第i條路徑。實際中,信號的多徑傳播和接收信號非嚴(yán)格地同步,使得各用戶碼之間的正交性很難嚴(yán)格滿足,這將會導(dǎo)致遠近效應(yīng)。傳統(tǒng)的RAKE接收機加入空間維將能減少遠近效應(yīng)。

2-D RAKE接收機中,采用并行的解調(diào)單元,在信道估計時把多徑干擾當(dāng)作噪聲采用濾波器進行處理,而在合并時對數(shù)據(jù)符號受到的多徑干擾未做處理。因此聯(lián)合空時干擾抵消接收機,并利用具有排序功能的串行干擾抵消單元(SIC)[5],將干擾信號從接收信號中刪除,進一步改善系統(tǒng)的誤碼率。

圖1中的加權(quán)輸出yk(t)包括期望用戶信號、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((k)j=sgn(yk(jTb)))重構(gòu)干擾信號。多級干擾抵消可以同時消除ISI和MAI。

空時干擾抵消接收機要首先將所有用戶根據(jù)信號強度進行排序,由大到小對各用戶進行估計與對消,即從第一級開始檢測最強的用戶,第二級次之,直到最后一級檢測最弱的用戶。因此,每一級所檢測的信號為輸入信號中功率最大的用戶,但是其計算復(fù)雜度較高。

利用FFT匹配濾波[6]的空時干擾抵消接收機可以解決這一問題。利用FFT變換使所有的信號處理均在空間頻率域進行。這種接收機通過計算陣列信號矢量的FFT在空域進行波束空間波束成形,形成多個確定波束。對每一確定波束而言,基于FFT的2-D RAKE接收機用來匹配期望用戶的擴頻碼,然后合并空時域的信號能量。使用FFT波束形成器,由于其空域濾波性,使得多徑將根據(jù)不同到達角來區(qū)分。接收信號強度各不相同,即βk,i=αk,iejψ(l)k,i?G(l,θ),則每一陣元僅搜集期望信號而削弱其他信號。與空時干擾抵消接收機相比,同樣條件下僅需要更少的指峰數(shù)即可達到相同的系統(tǒng)性能,且結(jié)構(gòu)及計算復(fù)雜度降低了。

基于以上分析,2-D RAKE接收機就是一種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),最大信噪比準(zhǔn)則(MaxSNR,必須知道噪聲的統(tǒng)計量和期望信號的來波方向),最小二乘法準(zhǔn)則及最大似然準(zhǔn)則(ML)來確定。對于聯(lián)合空時干擾抵消接收機來說,也可以采取并行干擾抵消(PIC),其處理延遲小,但計算量大,所以可采用將SIC與PIC結(jié)合提高空時接收機的性能?；贔FT匹配濾波的空時干擾抵消接收機旨在減少計算復(fù)雜度,將信號處理在空間頻率域進行,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)更大地減少計算復(fù)雜度。

4 結(jié) 語

空時RAKE接收機充分利用了空域和時域信息,可以提高接收機的檢測性能。傳統(tǒng)的檢測技術(shù)(如匹配濾波器和RAKE合并)將MAI和ISI視為噪聲,沒有利用多用戶以及多徑之間的信息,因此來自多址干擾和符號間干擾通常會導(dǎo)致誤碼率(BER)無法降低,大大降低通信質(zhì)量和系統(tǒng)容量?？諘r2-D RAKE接收機[2]和多用戶檢測技術(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。

2-D RAKE與PIC算法結(jié)合的空時多用戶檢測,盡管能夠很好地消除MAI與ISI,但是由于PIC缺少弱信號的能量信息,對弱信號檢測不理想,且不利于實際系統(tǒng)采用;2-D RAKE與SIC算法結(jié)合,其以降低強用戶檢測性能為代價改善接收機性能,然而這依賴于信號強度較強的用戶可靠的幅度估計,準(zhǔn)確度不好的幅度估計會導(dǎo)致性能增益的降低,甚至性能惡化。實際系統(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[11],通過對用戶信號進行分類,減少多址干擾估計錯誤。此技術(shù)與2-D RAKE及FFT結(jié)合可以進一步提高系統(tǒng)BER,減少計算復(fù)雜度。

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