CDMA系統(tǒng)中2-D RAKE接收機的性能研究

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)及用戶自身引起的白干擾(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接收機的時域處理相結(jié)合，即構(gòu)成空時RAKE(2-D RAKE)接收機。文獻(xiàn)[2]最初提出2-DRAKE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(yuǎn)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(dá)角不同的信號則被削弱。文獻(xiàn)[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-DRAKE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：
   
式中：dk(t)是間隔為Tb的二進制數(shù)據(jù)源信號：
   
    ck(t)為用戶k的擴頻波形，碼片間隔為Tc，有：

   
式中：aq(k)是第k個用戶在第q個碼片間隔的碼序列；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(dá)第l個陣元的信道沖激響應(yīng)為：

   
式中：n(l)(t)是均值為0，方差為的高斯噪聲。

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。

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-DRAKE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-DRAKE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)值可以在于擾抵消后重新估計，以提供更高的準(zhǔn)確率。

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(dá)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：

    
    因此，經(jīng)過FFT波束形成后第l個陣元的接收信號為：
   

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：

    
    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(yuǎn)近效應(yīng)。傳統(tǒng)的RAKE接收機加入空間維將能減少遠(yuǎn)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)，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、多徑衰落引起的白干擾以及多用戶環(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bj(k)的估計(bj(k)=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?？諘r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(dá)角來區(qū)分。接收信號強度各不相同，即βk,i=αk,iejψk,i(l)·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(dá)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(MaxS-NR，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。空時2-D RAKE接收機和多用戶檢測技術(shù)能夠消除這兩種干擾，因此這兩種技術(shù)的結(jié)合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，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。