TD-LTE系統(tǒng)多普勒預(yù)編碼分集技術(shù)研究

丁曉貴 劉桂江

【摘要】TD-LTE系統(tǒng)存在信道的多徑效應(yīng)和多普勒頻偏，導(dǎo)致接收信號是一種有一定頻帶寬度的混合信號，即所謂的多普勒擴展。多普勒分集技術(shù)是解決多普勒擴展現(xiàn)象的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。構(gòu)建了一種滿秩方陣范德蒙預(yù)編碼矩陣來獲得系統(tǒng)的多普勒分集增益。它不改變現(xiàn)有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)約了系統(tǒng)的成本。以最小化誤碼率為前提，給出了這種編碼矩陣具體形式。仿真結(jié)果表明該方法不依賴于信號的調(diào)制方式，在獲得多普勒分集增益的同時取得較大的編碼增益，能夠使系統(tǒng)誤碼率降低。其性能明顯優(yōu)于其它多普勒分集技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】TD-LTE系統(tǒng)多普勒擴展預(yù)編碼分集技術(shù)

一、引言

在無線信道中，由于信道的多徑效應(yīng)和多普勒（Doppler）頻偏的存在，導(dǎo)致接收信號是一個有一定頻帶寬度的混合信號，即所謂的多普勒擴展?，F(xiàn)階段，對于TD-LTE（Time Division Long Term Evolution，分時長期演進）系統(tǒng)中多普勒擴展的主要處理方法是采用多普勒分集技術(shù)。多普勒分集技術(shù)的主要思想是：將由信道多徑及多普勒頻偏產(chǎn)生的額外的多普勒擴展作為頻域的分集資源，從而獲得多普勒分集增益。

目前，獲得多普勒分集增益的方法主要包括兩大類：一是基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的多普勒分集技術(shù)?？梢酝ㄟ^多普勒發(fā)射機和多普勒接收機來實現(xiàn)[1-3]，但其實現(xiàn)復(fù)雜度太大且會改變現(xiàn)有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此無法應(yīng)用于現(xiàn)有的TD-LTE系統(tǒng)中；二是基于預(yù)編碼的多普勒分集技術(shù)[4-6]。這是一種通過編、解碼技術(shù)來實現(xiàn)多普勒分集增益，是近年來解決多普勒擴展問題的主流方法。其中多普勒預(yù)編碼矩陣有兩種經(jīng)典方式：高范德蒙預(yù)編碼矩陣和方陣范德蒙預(yù)編碼矩陣[7]。高范德蒙預(yù)編碼矩陣可以在獲得最大多普勒增益時不依賴于調(diào)制方式，但矩陣本身是冗余的，不適合于現(xiàn)有的TD-LTE系統(tǒng)；方陣范德蒙預(yù)編碼矩陣雖然是非冗余的，但在獲得最大多普勒增益時依賴于QAM（Quadrature Amplitude Modulation）調(diào)制方式。如果是非QAM調(diào)制，性能就會下降，這種方法沒有考慮到預(yù)編碼帶來的編碼增益。本文針對現(xiàn)有分集技術(shù)預(yù)編碼矩陣的不足，提出了一種新的預(yù)編碼矩陣構(gòu)建方法。它能夠不依賴于調(diào)制方式，非冗余，并且使TD-LTE系統(tǒng)成對差錯概率最小，特別適合現(xiàn)有的TD-LTE系統(tǒng)。

二、多普勒預(yù)編碼分集技術(shù)模型

圖1為采用預(yù)編碼的多普勒分集技術(shù)的TD-LTE系統(tǒng)模型。在發(fā)送端，經(jīng)過調(diào)制的信號首先經(jīng)過空時處理映射到各個發(fā)送天線上，然后對每根發(fā)送天線上的信號進行串/并轉(zhuǎn)換、乘以多普勒預(yù)編碼矩陣，最后將每根發(fā)送天線上的信號進行OFDM調(diào)制[8]。在接收端，接收到的信號首先經(jīng)過OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用技術(shù)）解調(diào)，然后進行多普勒預(yù)解碼，最后通過空時處理及解調(diào)最終恢出復(fù)原始數(shù)據(jù)。

2.1多普勒預(yù)編碼過程介紹

假設(shè)TD-LTE系統(tǒng)有Nt根發(fā)送天線，Nr根接收天線。系統(tǒng)中每根天線上進行串/并轉(zhuǎn)換的碼長度為N。記經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后的符號矩陣為S，經(jīng)過多普勒預(yù)編碼后的符號矩陣為X，其定義分別如下：

其中：Si代表第i根發(fā)送天線上經(jīng)過多普勒預(yù)編碼前的矩陣；Xi代表第i根發(fā)送天線上經(jīng)過多普勒預(yù)編碼后的矩陣。

考慮多普勒預(yù)編碼矩陣采用非冗余編碼形式，定義為N×N階矩陣，用符號Θ表示，則多普勒預(yù)編碼過程可以表示為：

對于上式去除常數(shù)項姿，為了保證系統(tǒng)發(fā)送功率不變，則可以得到Θ最終表達式，如（2）式所示，即證。

四、仿真及性能分析

為驗證按式（2）構(gòu)建的方陣滿秩范德蒙預(yù)編碼矩陣，能夠獲得最大多普勒分集增益，它不依賴于調(diào)制方式且能使得系統(tǒng)成對差錯概率最小，下面對其仿真并分析。

仿真環(huán)境參數(shù)的設(shè)置參照了3GPP制定的TD-LTE系統(tǒng)協(xié)議，具體的仿真參數(shù)如下：OFDM信號的采樣點數(shù)M=1024，循環(huán)前綴采樣點數(shù)幀為L=72，周期10ms，OFDM信號的子載波間隔Δf=15kHz，系統(tǒng)帶寬10MHz，采用wim信道，每隔1ms估計一次，最大多普勒頻偏fd的取值為200Hz，Q的取值為2，方陣范德蒙預(yù)編碼矩陣的階數(shù)N的取值為3。

驗證分集增益和編碼增益情況，常用信噪比（SNR）來衡量。圖2中三條曲線分別為無多普勒預(yù)編碼，未滿秩方陣范德蒙預(yù)編碼，最小誤碼率（BER）滿秩方陣范德蒙預(yù)編碼。從圖中可以看出，無多普勒預(yù)編碼信噪比性能最差；未滿秩方陣范德蒙預(yù)編碼信噪比性能稍好，說明這種編碼能夠獲得最大多普勒分集增益，事實上，高范德蒙預(yù)編碼就是這種形式；最小誤碼率滿秩方陣范德蒙預(yù)編碼且考慮編碼增益時信噪比性能最優(yōu)，說明按文中這種方式所構(gòu)建預(yù)編碼矩陣能夠保證TD-LTE系統(tǒng)獲得最大多普勒分集增益的前提下，系統(tǒng)的編碼增益也達到較大的值。

驗證系統(tǒng)成對差錯概率，常用誤碼率來衡量。圖3中三條曲線分別無多普勒預(yù)編碼，未滿秩方陣范德蒙預(yù)編碼，最小誤碼率滿秩方陣范德蒙預(yù)編碼。由圖可見，考慮編碼增益和最小化成對差錯概率時，誤碼率明顯下降。

五、結(jié)論

相比經(jīng)典的多普勒分集增益的預(yù)編碼矩陣，文中多普勒預(yù)編碼分集技術(shù)研究是通過最小化成對差錯概率來保證系統(tǒng)性能最優(yōu)。該方法不僅考慮到了系統(tǒng)分集增益還考慮到了編碼增益。仿真結(jié)果表明該預(yù)編碼矩陣對應(yīng)的分集增益和誤碼率性能明顯優(yōu)于其它方式構(gòu)建的編碼矩陣。

參考文獻

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