3G

维普资讯 http://www.cqvip.com 第ｌ８卷第４期　２ＯＯ２年８月　江苏通信技术　Ｖｏ１．１８　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２ＯＯ２　Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　文章编号：１００７．９５１３（２００２）０４－００１３．０４　３　Ｇ中的发射分集技术　王振宇，祁玉生　（南京邮电学院通信工程系，江苏南京２１０００３）　摘　要：发射分集（ＴＤ，ｔｒａｎｓｍｉｔ　ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）是第３代移动通信（３Ｇ）ｃｄｍａ２０￣和ＷＣＤＭＡ系统采用的一项关键技术。它　利用发射天线空间分隔以获得相互独立的衰落信号的发射和接收，改善系统性能。文中主要描述了几种发射　分集技术的概念，特点及性能。　关键词：发射分集；空时码；宽带码分多址　中图分类号：ＴＮ９２９，５３３　文献标识码：Ａ　采用天线分集是一种有效的抗多径衰落的方　法。传统的天线分集是在接收端采用多根天线，然　式。其主要优点在于：ａ．可获得增益，且无需额外　信令开销；ｂ．移动台复杂度仍然保持较低。其不足　之处主要是信道信息没有得到充分利用。　后进行综合或者选择来获得更好的信号质量。但是　移动端采用接收天线分集接收技术较困难，主要在　于：ａ、移动台大小受限，接收的分集天线由于不能　１．１正交发射分集［５］　图１是一个２天线正交发射分集（ＯＴＤ：ｏｒｔｈｏｇｏ．　ｎａｌ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ｄｉｖｅＥｉｔｙ）的例子。图中，编码比特ｂ［ｎ］　被分成两路，令　。和　分别表示奇、偶码元，天线　设置很远，易引起天线上的信号彼此相关，降低了分　集增益；ｂ．移动终端很难获得等强度信号；ｃ．在移　动台进行分集代价过高。　发射分集是近几年才发展起来的技术ｌ　．２　Ｊ，它　发射的信号ｓ。和ｓ２为　…利用发射天线空间分隔以获得相互独立的衰落信号　的发射和接收，改善系统信噪比，提高数据速率和无　线系统容量。同接收分集相比，同阶数的发射分集　不仅具有相似的分集增益，而且还能实现同一信号　使多个移动台获得发射增益的优点。这样，在改善　系统性能的同时还可以降低移动台成本和保持相对　简单。ＩＭＴ－２０００家族的两大ＣＤＭＡ成员ｃｄｍａ２０００　１　ｅ　，　３２＝　ｏ　。　图１　ＯＴＤ发射　和ＷＣＤＭＡ都支持发射分集技术Ｌ３，４１。　根据信道反馈信息利用的不同，发射分集可以　粗略地分为开环和闭环两种方式。　其中　‘　和　‘　’是正交的长度为１２８的ｗａｌｓｈ码　（每个码元重复两次）。移动台接收到的信号为　ｒ＝ｈ１　１＋ｈｚｓｚ＋　１　３Ｇ中的开环发射分集　开环发射分集方法采用的是预置多天线分集方　其中ｈ１和ｈ２是信道复乘性系数，使用同样的Ｗａｌｓｈ　码对两路信号进行解扩并将其合并后就可恢复出原　收稿日期：２００２－０３．１３　作者简介：王振宇（１９７８一），男，浙江温州人，南京邮电学院通信工程系通信与信息系统专业硕士研究生，目前主要研究方向为现代移动　通信；祁玉生（１９４２一），男，江苏常州人，南京邮电学院通信工程系教授，目前主要从事移动通信及数字无线电通信方面的教学与研究，　维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ４　江苏通信技术　＝　２ＯＯ２焦　Ｄ　来的码元。每个信道使用了两个２５６　ｃｈｉＤ的Ｗａｌｓｈ　Ｃ　码的开环发射分集。由于能够获得最大的分集增　Ｃ　】　Ｃ　ｆ　码，有效正交信道数为２５６／２＝１２８，这与非发射分集　３１。　㈩　益，这种类型的开环发射分集已经被３ＧＰＰ采用［ｎ¨　¨“　））系统中的有效正交信道数一致。　假设Ｘ。和　分别为奇偶码元，则两根天线上的发　射信号Ｓ　和Ｓ２由下式给出：　Ｃ　Ｃ　Ｃ　１．２使用空时码的发射分集　空时编码（ｓｐａｃｅ—ｔｉｍｅ　ｃｏｄｉｎｇ）是基于发射分集克　ＳＩｅ＝Ｘ。Ｗ，　２ｅ＝　ｅ　Ｗ，　服无线信道信号衰落的重要途径之一。空时码是通　过有效地分配不同的码元到不同的天线，并通过在　天线间增加某种类型的时间冗余度以达到前向纠错　Ｃ　目的。空时码可以分为分组空时码和空时格码两　（　（川　…　Ｓ１。＝Ｘｅ　Ｗ，　２。＝一Ｘ。　Ｗ，　其中　为正交Ｗａｌｓｈ码（见图２）。　Ｃ　　．．．（Ｃ　　＋　｝　种　不管是哪种形式，Ｌ根发射天线的发射信号都　可以用编码矩阵表示：　接收到的码元在两个连续时间间隔上进行解码。接　收到的码元可以用矩阵表示为　［ｒ，ｅ】＝。，ｈ　１　Ｘ　ｏＷ，，＋ｈ　２　ｘ￣＊Ｗ，．。，，】＋［　ｉ】。　＊其中，列表示天线，每行则对应于调制码元出现时　刻；这里Ｃ　为第　根天线在第ｎ时刻发射的码元，　Ｃ指Ｄ　的行向量。一个编码矩阵从第ｋ个码元开　发射信号可估计为　［　］＝（，　．　ｈ　２＊ｒｅ）＋　ｈｉ、，　．＊ｒｏ］。　。，始，结束于（ｋ＋ｆ一１），共有ｆ个码元周期，这里ｆ是　有意义的码元周期数。如网格实现中，ｆ可以是从　１．２．２空时扩频（ＳＴＳ）ＥＴ］　ＳＴＳ（ｓｐａｃｅ—ｔｉｍｅ　ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）是码元采用多个Ｗａｌｓｈ　零状态开始，又结束于零状态的帧长；若为分组空时　码，ｆ涵盖了在检测时一起处理的码组。　码扩频的另一种开环技术。它与Ｓｑｑ＇Ｄ方式类似。　使用与１．１类似的表示，发射码元表示为：　Ｓ１＝　Ｓ２＝Ｘｏ　（¨一　。　速率为１的空时分组码是基于Ｌ×Ｌ的编码矩阵　的构造上的。这就使得调制器能利用　个发射天线之　间的相关性而无需增加额外的带宽。空时分组码的设　计要求编码矩阵满足正交条件，以利于接收端码元的　恢复　对于复调制星座而言，唯一的已知的速率为１　的构造是２×２（如两根发射天线）。其模式如下ｌ＿６　：　Ｘｏ　‘　‘　ｅ　‘　＋　‘　和　‘　）同前。恢复的两路数据流如下：　互　＝ｒ　‘¨ｈ１　＋（ｒ　‘　ｈ２　）　，　互。＝ｒ　‘¨ｈ２　一（ｒ　‘　ｈ１　）　。　现将互　，互。级联输入解调器进行解调。ＳＴＳ以　及Ｓｑｑ＇Ｄ较ＯＴＤ的优点在于所有的编码比特均在所　有的天线上进行发射，因此在解码过程前还具有重　。和　是待发射复码元。（・）　表示共轭运算，　复编码所获得的ｕ，／ｆ￣－］分集。　（・）Ｈ表示共轭转置。因为该矩阵是酉阵，在护。　２　３Ｇ中的闭环发射分集　闭环发射分集在本质上是自适应的。其优点在　于ＢＳ（基站）通过ＭＳ（移动台）反馈的信息已知下行链　只要估计出信道条件就可以很容易地恢复ｌｌｊ　１．２。１空时发射分集（ＳＴＹＤ）Ｌ３］　路信道状况。这种方法是通过在下行链路周期性地　发送训练信号，不同ＭＳ将其反馈发给ＢＳ。该信息被　ＳＴｒＤ（ｓｐａｃｅ—ｔｉｍｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）是基于空时编　维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　王振宇，祁玉生：３Ｇ中的发射分集技术　１５　用来计算对每个移动台的最佳发射权重，这样在期望　ＭＳ上接收功率最大，而对其他ＭＳ的干扰最小。　≤｛　）　Ｅ　ｃ＝ｃ－　－ｚ＋－　－２＂，　Ｅｃ　２．１选择发射分集（ＳＴＤ）　其中Ｅ　／Ⅳｏ是每接收码片的信噪比。为作比较起　ＳＴＤ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）是Ｓｑ＇ＴＤ的推广。　见，从１．２．１中可看出，在信道估计后，ＳＴＩ＇Ｄ可获得　每个码元在任一个给定时刻通过一个天线发射。　的最大信噪比为［５ｊ　ＭＳ使用每个天线发送的公共导频计算平均接收功　ＲｓＮＲ≤　率，并以此判断希望Ｂｓ从该根天线发送信息，再将　该判断通过反馈信道返回到ＢＳ。　显然，ＳＴＩＩ）的最大ＳＮＲ不可能大于　＆　的最大ＳＮＲ。　２．２发射自适应阵列（ＴｘＡＡ）　２．３闭环发射分集存在的问题　ＴｘＡＡ（ｔｒａｎｓｍｉｔ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ａｒｒａｙｓ）是一种ＭＳ周期性　２．３．１反馈精确性　的发射最佳发射权重的量化估计，并通过反馈信道　在慢平坦衰落环境中，具有精确反馈信息这一　发给ＢＳ。发射机依据最佳权重使得发给ＭＳ的功率　理想情况下闭环方案的性能明显要好于没有反馈的　最大，如图３。　方案。然而，这些方案在实际实现时会有一些问题。　反馈能力的有限性就使得反馈的精度成了一个很重　要的因素。实际上，在ＷＣＤＭＡ中有两种模式，模式　１计算的权值只有相位，模式２既有相位又有幅度，　该调整量被量化为１　ｂｉｔ（相位调整量，模式１中）　或４　ｂｉｔ（其中３　ｂｉｔ对应相位，最后１　ｂｉｔ对应幅度，模　发送ｗ　式２）在上行专用物理控制信道中传送。　图３发射自适应阵列法　２．３．２反馈误差　在图３所示的信道模型中，Ｂｓ的两个发射天线　反馈比特没有通过ＦＥＣ（前向纠错）进行保护，因　的信道分别用ｈ　（ｔ）和ｈ２（ｔ）表示。考虑单径情况，　而ＢＳ采用的发射权重并不一定是ＭＳ期望的，这样就　假设发射天线当前时刻的权重分别为　和　２，码　有必要在ＩⅥＳ进行权重修正。可以采用公共导频信号　元为ｂ［ｎ］，ｕ（ｔ）为用户扩频码。并假设两天线的　来估计信道，也可利用业务信道内的导频码元来进行　发射信号到达时间很接近，则ＭＳ接收的信号为　估计，实际应用的权重可以采用假设测试估计得到。　ｆ　１１　另外一个解决反馈误差问题的途径是使用直接　Ｙ＝［ｈ１　ｈ２］ｌＬ　　２　Ｊｌ　　ｂ＋ｙ＝ＨＷｂ＋ｙ，　判断法，在帧出错时，错误的输出比特用来创建帧的　这里ｙ指加性噪声。为使接收功率最大，最佳的发　副本并与接收帧相比较，以决定帧中各时隙的权重。　射权重应该为Ｗ＝日Ｈ／（ＨＨＨ），并且为使发射功率不　２．３．３反馈时延　变，权重已经归一化了。在多径的情况下日为矩阵　Ｍｓ利用信道状态信息来估计反馈信息，但是在　而非向量，最佳权重将由信道相关矩阵册　出。　它将信息反馈给Ｂｓ时总会有一定的时延。该问题　的一个解决途径是将信道建模为ＡＲ（自回归）过程，　这样，通过从两个导频信号Ｐ　和Ｐ２中获得的　线性预测法可以用来估计ＡＲ系数，也可以预测信　信息Ｈ，ＭＳ就可以周期性的计算出权重，然后这些　道的未来状态。移动台根据预测计算出反馈信息，　权重经过量化由反向信道反馈给ＢＳ。ＳＴＤ实际上　这样就可减少反馈时延的影响。　是ＴｘＡＡ的一种特例，它的权重为［０，１］或［１，０］。　若假设ＴｘＡＡ的反馈机制能完全获得下行链路　３发射分集方法的比较　的信道信息，在解调和信道估计后信噪比为　Ｊ　下面对不同的开环和闭环方式进行性能比较，　维普资讯 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ｌ６　江苏通信技术　２０Ｏ２正　并给出计算机仿真结果。　４结　论　性能的准则是当保持误帧率（ＦＥＲ）为ｌ％时的　平均　／Ｉ。　（业务信道平均码片能量与接收带宽内　本文介绍了在３Ｇ中采用的几种天线发射分集　¨　侣　如　盟　功率谱密度之比）。考虑的是单径瑞利信道模型。　技术。仿真结果表明，采用发射分集技术可以提高　表１列出亍模拟参数。从图４中可以看出，在低速　前向链路的性能，且在移动台低速运动时，采用闭环　率的时候ＴｘＡＡ法的性能最佳，但是在高速率的时　发射分集的性能要优于开环发射分集，而运动速率　候，开环的性能要好于ＴｘＡＡ。　较高时，开环方案要优于闭环方案。　表１模拟参数　参考文献：　旦一——　基站天线数目　［１］ＴＨＯＭＰＳＯＮ　Ｊ　Ｓ，ＧＲＡＮＴ　Ｐ　Ｍ，ＢＵＬＧＲＥＷ　Ｂ・Ｄｏｗｎｌｉｎｋ　ｄｉ－　比特速率／（ｋｂｉｔ／ｓ）　码片速率／（Ｍｃｈｉｐ／ｓ）　Ｗａｌｓｈ码长度／（ｃｈｉｐ）　ｅｒｄａｎ　ｔｈｅ　Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ：［ｓ・ｎ・］，１９９９・　载波频率／ＧＨｚ　卷积码　一２　一　２一一姗４一ｖｅｒｓｉｔｙ　Ｉｎｅｓ　ｆ０ｒ　ＣＤＭＡ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ａ］．　ｏｆ　ＩＥＥＥ　Ｖｅｈｉｃｕｌ　Ｔｅｃｈｎ。ｌ。　ｃｏｎｆ［ｃ］．Ａｍｓｔ１３８２－　４３８６．２咖　　导频（Ｅ　／Ｉ　）／ｄＢ　『２１　ＴＡＲＯＫＨ　ｖ，ＪＡＦＡＲＫＨＡＮＩ　Ｈ，ＣＡＬＤＥＲＢＮＡＫ　Ａ　Ｒ・ｓｐ　功率控制速率／Ｈｚ　ｂｌｏｃｋ　ｃｏｄｉｎｇ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ：Ｐｅｒｆｏｒｍａｎ　ｌｔ　ｌ　Ｊ　Ｊ・　功率控制差错率／（％）　ＩＥＥＥ　Ｊ　Ｓｅｌｅｃｔ　Ａｒｅａｓ　Ｃｏｍｍｕｎ，１９９９，１７（３）：４５１—４６０・　信道模型　ｆ３１　３ＧＰＰ２　ＩＳ－２０００－Ａ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｌａｙｅｒ　ｓｔｍａｄａｒｄ　ｆｏｒ　ｃｄｍ２００　ｐ　ｐｅｃ‘　ＴｋＡＡ反馈差错率／％　反馈延迟／ＰＣＢ　ｔｒｕｍ　ｓｙｓｔｅｎｔｓ，ｒｅｌｅａｓｅ　Ａ［ｓ］．　坠丛垦丝堕奎　一　『４］３ＧＰＰＴＳ　２５．２１１，Ｐｈｙｓｉｃ￣ｃｈａｎｎｅｌｓ　ａｎｄｍａｐｐｉｎｇ　ｏｆ”ａｎｓｌ州　ｈ　注：ＰＣＢ——功率控制比特　０ｎｔ。ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｃｈａｎｎｅｌｓ（ＦＤＤ）Ｉ　ｓ］－　ｆ５１　ＲＯＨＡＮＩ　Ｋ，ＨＡＲＩＳＯＮ　Ｍ，ＫＵＣＨＩ　Ｋ．Ａ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｂａｓｅ　．　～　１十ｌ路径　”。．　　ｔｒａｎｓ　ｔ　ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｒｎｅｔｈ０ｄｓ　ｆ０ｒ　ｔｈｉｒｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｃｅｌｌｕｌａｒ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｌ　Ａ　Ｊ・　Ｄｍｃ　０ｆ１ＥＥＥｖｒｃ’９９．Ｔｅｘａｓ　ＵＳＡ：Ｉｓ．ｎ、］，１９９９・３５ｌ－３５５・　三　；三　＿６＿ＡＬＡＭＯＵＩ７　Ｓ．Ｍ．Ａ　ｓｉｍｐｌｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｔｅｃｈｎｉｑｕ　ｈ　ｒｅｌ　ｏ嘎　一　ｉ霜　２　：　ｒ　ｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｊ　Ｓｅｌｅｃｔ　Ａｒｅａｓ　Ｃ，ｏ￣ｍｍ，１９９８，１６（１０）：１４５１－５８’　苎　『７］Ｂ　ＨＯＣＨＷＡＬＤ，ＴＨＯＭＡＳ　Ｌ　Ｍ．Ａ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ　ｄｉＶｅＰｓｉｔｙ　ｈ。　±　ｗｉｄ幽蚰ｄ　ＣＤＭＡ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｐａｃｅ－ｔｉｍｅ　ｓｐｒｅａｃｈｎｇ［Ｊ］・　ＥＥＥ　Ｊ　５ｅｌｃｅｔ　Ａ　Ｃｏｍｍｕｎ，２００１，１９（１）：４８－６０・　图４发射分集方案性能比较　Ｔｒａ栅ｉｔ　Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｔｈｉｒｄ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｃｅｌｌｕｌａｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＷＡＮＧ　Ｚｈｅｎ．ｙｕ，ＱＩ　Ｙｕ‘ｓｈｅｎｇ　（ＤｅｐａＩｔｒｒｌｅｎｔ　０ｆ　ｃ　０ｎｓ　Ｅ】１　ｎ　ｎｇ，Ｎａｎｊ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃ。ｍ叽ｍｉｃ舢＇Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００３，ｃｈｉｎａ）　Ａ１）ｓｔｒａｃｔ：１１均ｎｓ邢“ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＴＤ）ｉｓ。ｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｋｅｖ　ｃ。ｎｔｒｍｕｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎ０ｌ。ｇｉｅｓ　ｔ。３Ｇ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｗｃＤＭＡ　ａｎｄ　Ｉｔ　ｅａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｓｙｓｔ咖　ｂｙ　ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｆａｄｉｎｇ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｅ衄眦ｔ‘　ｉｎｇ　ｆｍｍ　ｓｐａｃｅｄ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ａｎｔｅｎｎａｓ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃ　ｃ　印ｔ　０ｆ　ｔｒａｎｓｒｎｉｔ　ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｘｐｌａｉｎｓ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｐｅｆｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｓｅｌｅｅｔｅｄ　ＴＤ　ｔｅｅｈｎｉｑｕ　・　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔ础ｓｍｉｔ　ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ；ｓｐａｅｅ．ｔｉｍｅ　ｃｏｄｅ；ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｅｏｄｅ　ｄｉＶｉｓｉ。ｎ　ｍｕｌ　ｉｐｌｅ　。　◆