TDD—CDMA系統(tǒng)中信號傳輸預(yù)處理技術(shù)研究

0．引言
    TDD—CDMA系統(tǒng)中由于無線傳輸環(huán)境的復(fù)雜性，采用不同擴頻碼調(diào)制的各用戶在到達(dá)接收端時，其信號的正交性受到破壞，且由于多徑時延和其他用戶的干擾，造成了符號間干擾(ISI)和多址干擾(MAI)。利用TDD(時分雙工)模式上下行信道的互惠性，在基站端采用信號傳輸預(yù)處理技術(shù)(Signal Transmit—Processing，本文簡稱STP)，可以有效地克服干擾，提高系統(tǒng)容量，同時避免在移動臺做復(fù)雜的信道估計和數(shù)據(jù)檢測。
    聯(lián)合發(fā)送技術(shù)(JT)和預(yù)瑞克技術(shù)(Pre—Rake)統(tǒng)稱為信號傳輸預(yù)處理技術(shù)。聯(lián)合發(fā)送技術(shù)能有效地降低MAI和ISI，提高系統(tǒng)容量，使移動臺不再需要做復(fù)雜的信道估計和聯(lián)合檢測，大大降低了移動臺的計算量，使移動臺的微型化、低功耗成為可能。預(yù)瑞克技術(shù)是利用基站估計的上行信道參數(shù)進(jìn)行的發(fā)送端的Rake多徑合并，其優(yōu)越之處是能在TDD模式下把移動臺的分集合并電路搬到基站端來實現(xiàn)，在有效克服多徑衰落的同時降低了接收端的復(fù)雜度和成本。
    文獻(xiàn)研究了TDD系統(tǒng)中多用戶MISO的信號傳輸
預(yù)處理技術(shù)，本文在前者基礎(chǔ)上提出了兩種信號傳輸預(yù)處理方案，將多用戶MISO擴展為多用戶MIMO，并且在方案中應(yīng)用了OFDM技術(shù)。通過在TDD系統(tǒng)環(huán)境中的仿真驗證了多用戶信號傳輸預(yù)處理技術(shù)的性能。

1．系統(tǒng)模型與數(shù)據(jù)發(fā)送及檢測算法
1．1．1基于MIMO一OFDM的信號傳輸預(yù)處理系統(tǒng)模型
    圖1所示為基于MIMO一OFDM的TDD—CDMA信號傳輸預(yù)處理(簡稱MIM0一OFDM STP)系統(tǒng)模型。
    MIM0一OFDM STP方案基站端的信號傳輸預(yù)處理過程分為兩步：首先將OFDM調(diào)制后信號進(jìn)行Pre—Rake合并，然后將合并后信號進(jìn)行聯(lián)合發(fā)送。本方案由于是將信號先Pre—Rake合并后聯(lián)合發(fā)送，所以接收端可以采用多天線進(jìn)行接收。

1．1．2 MIMO一OFDM STP的數(shù)據(jù)發(fā)送及檢測算法
    假定一個基站服務(wù)K個移動終端，每個移動終端采用KM元天線陣列，基站采用KB元天線陣列，基站為每個移動終端發(fā)送L個數(shù)據(jù)符號：

將每個移動終端的數(shù)據(jù)矢量d（k）進(jìn)行串并變換形成條支路p（k）條支路：對每條支路的數(shù)據(jù)矢量進(jìn)行信號映射后產(chǎn)生新的復(fù)數(shù)據(jù)序列為：

  對序列進(jìn)行離散傅立葉反變換，得到P(k)個OFDM符號

將每個移動終端的離散傅立葉反變換后的序列b(k)(ρ(k))進(jìn)行并串變換，插入保護(hù)間隔形成長度為N的數(shù)據(jù)矢量b(k)。
    基站第KB個陣元和第K個移動終端μk的第kM個陣元間復(fù)信道沖激響應(yīng)為：

其中W表示信道沖激響應(yīng)窗長。則Pre—Rake各抽頭的系數(shù)為：

b(k)與相應(yīng)的卷積，得到第k個移動終端長度為N的Pre—Rake合并后信號：

此處采用的合并方式為最大比合并(MRC)。
    K個移動終端的Pre—Rake合并信號形成長度為KN的數(shù)據(jù)矢量x，系統(tǒng)可以描述為：

其中，D為KNxKKM(NQ+W一1)維的解調(diào)矩陣；H為KKM(NQ+W一1)xKBNQ維的信道傳輸矩陣；M是一個KBNQxKN維的預(yù)濾波調(diào)制矩陣；n是KKM(NQ+W一1)xl維的加性噪聲；Q為擴頻因子。
    將每個移動終端經(jīng)過解調(diào)矩陣D(k)解調(diào)后的數(shù)據(jù)K(k)去除保護(hù)間隔，進(jìn)行串并變換，形成ρ(K)條支路，設(shè)得到的序列為：。對序列進(jìn)行離散傅立葉變換，得到P(k)個復(fù)數(shù)的序列：

對信號映射后進(jìn)行并串變換，最后得到每個移動終端檢測后數(shù)據(jù)dS(k)。
1．2．1 基于MIM0一OFDM的信號傳輸預(yù)處理系統(tǒng)模型
    圖2所示為基于MIS0一OFDM的TDD—CDMA信號傳輸預(yù)處理(簡稱MISO—OFDM STP)系統(tǒng)模型。

MIS0一OFDM STP方案基站端的信號傳輸預(yù)處理過程也分為兩步：首先將OFDM調(diào)制后信號經(jīng)過聯(lián)合發(fā)送的調(diào)制矩陣后再進(jìn)行Pre—Rake合并，然后將合并后信號通過多天線發(fā)射出去。在此方案中，由于是將信號先進(jìn)行聯(lián)合發(fā)送處理后Pre—Rake合并，根據(jù)Pre—Rake合并原理，信道輸出只有一個最強徑，接收端只需一個叉指同步接收這徑最強的信號就可以了，所以其接收端只能采用一個接收天線接收信號。
1．2．2 MISO一OFDM STP的數(shù)據(jù)發(fā)送及檢測算法
    基站第kB個陣元和第k個移動終端μk間的復(fù)信道沖激響應(yīng)為：

根據(jù)MIMO—OFDM STP方案所推導(dǎo)的數(shù)據(jù)發(fā)送及檢測算法和本方案中接收端的單天線特性，可知信道傳輸矩陣H’的維數(shù)為K(NQ+W-1)xKBNQ；解調(diào)矩陣D’的維數(shù)為KNxK(NQ+W一1)預(yù)濾波調(diào)制矩陣M’的維數(shù)為——KBNQxKN。
    K個移動終端的數(shù)據(jù)矢量b(k)(k=1L，K)，形成長度為KN的數(shù)據(jù)矢量b，b通過調(diào)制矩陣M’所形成的信號為：

2．仿真結(jié)果與結(jié)論
    本文對上述兩種方案進(jìn)行了Monte Carlo仿真。仿真所用的系統(tǒng)參數(shù)如下：碼片速率1．28Mchip／s，載波頻率2GHz，采樣頻率8000Hz；擴頻碼為OVSF碼，擴頻因子Q=16；基站發(fā)送天線數(shù)為2，MIMO一OFDM STP方案中每用戶的接收天線數(shù)為2；FFT的長度是64點，載波個數(shù)為64；信號映射采用QPSK調(diào)制。信道為基于Clarke模型的多徑Rayleigh衰落復(fù)信道，采用矩陣形式，信道沖激響應(yīng)有效長度 W=4，信道參數(shù)為：速度120km／h，相對時延[0 7811563 2344 3126 3907]ns，平均功率[O-3-6-9-12-15]dB。Pre—Rake合并方式采用MRC，線性傳輸算法為TxZF。
    圖3給出了路徑數(shù)為4、用戶數(shù)為16時，兩種STP方案與Pre—Rake在不同信噪比情況下的誤比特率性能曲線；圖4給出了路徑數(shù)為4、信噪比為22 dB時，兩種STP方案與Pre—Rake在不同用戶數(shù)情況下的誤比特率性能曲線。從仿真結(jié)果上可以看出，兩種STP方案的性能都比Pre—Rake的性能有顯著的改善。在每個方案中，應(yīng)用OFDM的STP性能要比未采用OFDM的STP性能在較高信噪比時有明顯的改善。同時也可以看出，接收端采用多天線的MIMO-OFDM STP的性能比接收端只采用單天線的MISO—OFDM STP的性能有所改善，是因為前者比后者有更大的分集增益。

3．結(jié)束語
    本文研究了TDD系統(tǒng)中信號傳輸預(yù)處理技術(shù)，提出了兩種信號傳輸預(yù)處理方案，分別給出了系統(tǒng)模型，并推導(dǎo)了數(shù)據(jù)發(fā)送及檢測算法。兩種方案均采用多載波，且MIMO—OFDMSTP方案將MISO擴展到MIMO，提高了頻譜利用率，增加了系統(tǒng)分集增益。MIMO—OFDM STP方案相比MISO—OFDM STP方案，盡管MIM0性能更好，但接收端采用多天線后，其復(fù)雜度和成本比也隨之更加，使用時應(yīng)根據(jù)具體情況做出選擇。