1、2014-11-221空時(shí)二維處理技術(shù) l在通信信號(hào)處理領(lǐng)域，單獨(dú)的空域和時(shí)域信號(hào)處理技術(shù)在過(guò)去20 年已經(jīng)得到廣泛的研究和發(fā)展?？沼蛱幚聿捎锰炀€陣列，側(cè)重于區(qū)別不同用戶信號(hào)在空間的不同特征，可以有效減少來(lái)自不同方向的非目標(biāo)用戶在天線陣列上產(chǎn)生的同道干擾。但是在富含多徑的實(shí)際信道中，完全消除CCI 需要太多的天線陣元，這在實(shí)際系統(tǒng)中是不可能實(shí)現(xiàn)的。另一方面，時(shí)域處理采用單天線和多個(gè)時(shí)間處理單元，側(cè)重于減少用戶信號(hào)在時(shí)域上產(chǎn)生的符號(hào)間干擾ISI，但是研究表明，以符號(hào)速率采樣，不可能完全消除ISI。應(yīng)用過(guò)采樣可以改善性能，但是過(guò)分提高采樣速率又會(huì)引起噪聲增加。因此，時(shí)域處理對(duì)ISI 的作用也是有限

2、的。l在蜂窩通信系統(tǒng)中，CCI 和ISI 總是同時(shí)存在的，單獨(dú)的時(shí)域處理或空域處理不可能同時(shí)對(duì)消這兩種干擾。將空間和時(shí)間處理有效結(jié)合，同時(shí)利用信號(hào)的時(shí)間和空間特征可以很好的解決上述問(wèn)題。這種聯(lián)合的空時(shí)信號(hào)二維處理技術(shù)不僅可以更好的消除CCI 和ISI，還可以提高陣列增益和分集增益，從而提高網(wǎng)絡(luò)的容量和覆蓋范圍。2l假定接收系統(tǒng)有M 個(gè)天線陣元，用方向矩陣A 表示其響應(yīng)。當(dāng)輻射源頻率和極化方式確定后，天線輸出信號(hào)與天線增益成正比。還是考慮遠(yuǎn)場(chǎng)平面波的情況，天線陣元m 的瞬時(shí)響應(yīng)形式為：l針對(duì)波達(dá)方向的輻射源，陣列響應(yīng)為（以第一個(gè)陣元為相位參考點(diǎn)）l其中 為第m 個(gè)陣元指向波達(dá)方向的增益（各向同性

3、天線其值為1）； 為參考陣元與第m 個(gè)陣元接收來(lái)自波達(dá)方向的信號(hào)之間的傳播時(shí)延。 l線性傳播媒體滿足疊加定理，假定空間存在Q 個(gè)輻射源（也可以認(rèn)為是多徑數(shù)），波達(dá)方向?yàn)閕，波達(dá)時(shí)間為i，路徑衰減為i，接收信道沖激響應(yīng)為：l對(duì)于時(shí)變信道，公式中所有參數(shù)均為時(shí)變的。就基站而言，對(duì)于單個(gè)用戶來(lái)波，Q26，角度擴(kuò)展515 度；對(duì)于移動(dòng)用戶，Q50 左右，角度擴(kuò)展可達(dá)180度。 4二、 空時(shí)接收技術(shù)l空時(shí)處理典型的優(yōu)化準(zhǔn)則有兩個(gè)，一個(gè)是空時(shí)最小均方誤差準(zhǔn)則（MMSE），另一個(gè)是最大似然序列估計(jì)準(zhǔn)則（MLSE）。1.空時(shí)準(zhǔn)則l基本思想：設(shè)計(jì)一個(gè)空時(shí)濾波器，前面是波束形成器，級(jí)聯(lián)一個(gè)均衡器，使得輸出與期望信

4、號(hào)之間的均方誤差為最小。l在空時(shí)結(jié)合信號(hào)處理系統(tǒng)中，空時(shí)濾波器為一個(gè)加權(quán)矩陣5l這意味著天線陣列有m個(gè)陣元，每個(gè)陣元的時(shí)域處理中，引入M 個(gè)抽頭的橫向?yàn)V波器。將送入每個(gè)橫向?yàn)V波器抽頭的輸入信號(hào)用一個(gè)向量算子表示為 ，濾波器向量也用向量算子表示w(k)=vec(W(k)，空時(shí)處理后的加權(quán)標(biāo)量輸出為 l 基于MMSE 準(zhǔn)則選擇濾波器加權(quán)值：6( )( ) ( )( ) ( )HHy kkktrkkwxWX 時(shí)延的選擇取決于濾波器的性能。上述最小二乘問(wèn)題有以下優(yōu)化解 其中 ， 。上述優(yōu)化解可以用任意一種自適應(yīng)迭代運(yùn)算算法求解。 由此可見(jiàn)，空時(shí)MMSE 準(zhǔn)則綜合了時(shí)域一維處理和空域一維處理的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)

5、兼顧了同道干擾和碼間干擾減小與噪聲增強(qiáng)之間的矛盾。其本質(zhì)是用空間維消除同道干擾，用時(shí)間維或空間維消除碼間干擾。一種基于空時(shí)MMSE 準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的空時(shí)決策反饋均衡器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示：包括線性前饋濾波器組（即空時(shí)處理器）、相加器、碼率采樣器、雙向限幅器以及同步線性反饋濾波器組成。前半部分就是典型的空時(shí)濾波器，后半部分實(shí)際上是自適應(yīng)均衡算法中Bussgang 算法針對(duì)二進(jìn)制等概數(shù)據(jù)序列定義的決策指示算法。 782.空時(shí)MLSE準(zhǔn)則 基本思想：在已知接收信號(hào)的條件下，估計(jì)已經(jīng)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)序列，信道模型用一般形式： 假定噪聲是空域和時(shí)域高斯白噪聲，最大似然序列估計(jì)問(wèn)題就是求數(shù)據(jù)矩陣S，使其滿足最大似然準(zhǔn)

6、則的解： ，前提是信道矩陣是已知的。應(yīng)用Viterbi 算法可以獲得S的估計(jì)值。一種典型的實(shí)現(xiàn)形式如圖所示，由空時(shí)處理器和最大似然序列估計(jì)器級(jí)聯(lián)而成。優(yōu)化的目標(biāo)是使信號(hào)功率對(duì)同道干擾噪聲功率之比最大，并將合并后的采樣序列中的通道干擾和噪聲份量白化。 9103.空時(shí)盲均衡l前面講過(guò)的均衡是指對(duì)單個(gè)天線陣元信號(hào)進(jìn)行均衡處理，所用算法都要求有訓(xùn)練序列。我們知道，在通信傳輸中，使用訓(xùn)練序列必然要占用資源，減少信息比特率。本節(jié)要介紹的盲均衡技術(shù)是指不使用訓(xùn)練序列的均衡算法，而且可以針對(duì)有多個(gè)陣元組成的天線陣列系統(tǒng)，所以稱為空時(shí)盲均衡技術(shù)。l為了保證不同信道濾波器基帶沖激響應(yīng)互不相關(guān)，在設(shè)計(jì)陣元空間分布時(shí)

7、，等距線陣中陣元間隔為半個(gè)波長(zhǎng)。 11l在離散時(shí)刻n，假定碼間干擾的時(shí)間寬度為 ，即碼間干擾的長(zhǎng)度為 ，第k個(gè)陣元的輸出信號(hào)為： 其中 為信源在時(shí)刻i發(fā)射的恒模信號(hào)，碼間間隔為T。l定義 則有:121( )( ),( )TMnx nxnxminmax( ) (), ()Tns n ns n ns1min1maxminmax()()()()MMhnh nhnhnH( )( )nnxHs13l令空域均衡器的權(quán)向量為：l這個(gè)權(quán)向量應(yīng)滿足均衡關(guān)系 ，其中為某個(gè)固定時(shí)延。這個(gè)關(guān)系存在的充要條件為： ，其中1 出現(xiàn)在第個(gè)位置處。顯然，為了保證上式有唯一的解，矩陣H必須是滿列秩的，即 ，即陣元的個(gè)數(shù)不得小于

8、碼間干擾長(zhǎng)度L。 l為了減少陣元數(shù)目，考慮使用空時(shí)均衡器。 1,TMwww( )()Hnnw xs0, ,0,1,0, ,0Hw HML14 在每個(gè)陣元上除了數(shù)據(jù)的空域處理外，再引入一有限沖激響應(yīng)（FIR）時(shí)域?yàn)V波器，這樣即得到數(shù)據(jù)的空時(shí)二維處理形式。 假定不同陣元上的FIR濾波具有相同的長(zhǎng)度p。定義 11( )( ),(1),( ),(1)TMMnx nx npxnxnpxminmaxminmax( ) (), (), (1), (1)Tns n ns n ns n nps n np sl陣元數(shù)為M，陣列接收信號(hào)用向量表示為：l其中H是一個(gè) 維矩陣。令空時(shí)均衡器的權(quán)向量為：l這個(gè)權(quán)向量應(yīng)滿足

9、均衡關(guān)系 ，其中為某個(gè)固定時(shí)延。這個(gè)關(guān)系存在的充要條件為： ，其中1 出現(xiàn)在第個(gè)位置處。顯然，為了保證上式有唯一的解，矩陣H必須是滿列秩的，即 。l上式表明，通過(guò)選擇時(shí)域FIR濾波器的長(zhǎng)度p，就可以用較少的陣元數(shù)M來(lái)抑制長(zhǎng)度為L(zhǎng)的碼間干擾，從而實(shí)現(xiàn)信道均衡。 15l對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)來(lái)講，信道沖激響應(yīng)矩陣H是未知的，因此空時(shí)均衡器加權(quán)向量應(yīng)該采用迭代遞推方式計(jì)算。唯一需要知道的先驗(yàn)信息只有要求發(fā)射信號(hào)具有恒模特性，更新算法為：l由此得到如下結(jié)論：在陣列各個(gè)陣元輸出端加長(zhǎng)度相同的FIR 濾波器就組成空時(shí)均衡器。與時(shí)域一維均衡相比，不需要訓(xùn)練信號(hào)，適用于高速通信系統(tǒng)；與空域一維均衡相比，可以用較少的陣元

10、實(shí)現(xiàn)干擾長(zhǎng)度較長(zhǎng)的碼間干擾抑制。盲均衡技術(shù)的主要熱點(diǎn)問(wèn)題是快速算法研究等。 164.空時(shí)RAKE接收信號(hào) 空時(shí)二維信號(hào)處理技術(shù)更多的是用于CDMA 系統(tǒng)。大家知道，CDMA 系統(tǒng)有兩個(gè)問(wèn)題對(duì)性能和容量影響最為嚴(yán)重，一個(gè)是遠(yuǎn)近效應(yīng)，目前主要采用功率控制技術(shù)抑制其影響，但是功率控制只適用于平穩(wěn)信道和慢速移動(dòng)用戶；另一個(gè)是多址干擾，采用多用戶檢測(cè)可以改善性能。此外，利用指向波束也能減少總的多址干擾功率強(qiáng)度，從而抵消遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響。自適應(yīng)天線在空域改善系統(tǒng)性能，RAKE 接收通過(guò)時(shí)域運(yùn)算改善性能?？諘r(shí)二維RAKE 接收技術(shù)是將自適應(yīng)陣列與RAKE 接收技術(shù)綜合在一起，可以同時(shí)得到空間分集和時(shí)間分集。這

11、里我們以DS-CDMA 通信系統(tǒng)中二維RAKE 接收為例介紹這種技術(shù)的基本知識(shí)。 17一、信號(hào)模型l假定系統(tǒng)天線陣列有N 個(gè)陣元、K個(gè)用戶、每個(gè)用戶有L條多徑，用戶k發(fā)射的擴(kuò)頻基帶信號(hào)可以表示為：l其中， 為第n 個(gè)符號(hào)比特值； 為第k個(gè)用戶的擴(kuò)頻碼，假定比特間隔歸一化為1，擴(kuò)頻碼長(zhǎng) 即為擴(kuò)頻增益。第k個(gè)用戶發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過(guò)Lk條多徑傳播到接收陣列，由此得到天線陣列接收信號(hào)向量為： 其中k為接收到的各個(gè)用戶直視路徑信號(hào)幅度； 為第k個(gè)用戶的的第l條路徑的相移； 為第k個(gè)用戶的的第l條路徑的方向角； 為第k個(gè)用戶的的第l條路徑的傳播時(shí)延；n(t) 為獨(dú)立同分布的高斯白噪聲向量。 18二、單用戶空時(shí)

12、二維RAKE接收機(jī) 在多用戶CDMA 系統(tǒng)中，為了解調(diào)出用戶j 的第i 個(gè)比特信息，所有天線陣元對(duì)用戶j 所有路徑的輸出都要通過(guò)沖激響應(yīng) 的匹配濾波器，濾波器組輸出為 解調(diào)用戶j的第i個(gè)比特信息的判決式為 19l其中，wj 是天線陣列的權(quán)值，對(duì)于單用戶檢測(cè)而言，對(duì)wj 的選擇有三種不同的判決準(zhǔn)（1）空時(shí)匹配濾波器（STMF）準(zhǔn)則，這是一種最簡(jiǎn)單的現(xiàn)行混和準(zhǔn)則，直接取wj =hj ，即取權(quán)值為信道沖激響應(yīng)矩陣；（2）最小均方誤差（MMSE）準(zhǔn)則，選擇權(quán)值向量使得第j 個(gè)用戶信號(hào)與線性混合輸出的均方誤差為最小，即 （3）最大信干比（MSIR）準(zhǔn)則，選擇權(quán)值使得輸出信干比為最大。 20l在上述三種判決準(zhǔn)則中，匹配濾波器準(zhǔn)則不依賴于接收數(shù)據(jù)，僅僅取決于信道沖激響應(yīng)；而后兩種準(zhǔn)則都要依賴于接收數(shù)據(jù)，因此性能會(huì)優(yōu)于前者。l通過(guò)以上分析，我們可以知道二維RAKE 接收實(shí)際上是對(duì)空域上每個(gè)陣元輸出使用時(shí)域RAKE處理。蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已越來(lái)越多的使用空時(shí)處理技術(shù)改善系統(tǒng)性能，空時(shí)處理不僅能提高系統(tǒng)容量，而且還可以改善蜂窩覆蓋范圍，增強(qiáng)鏈路質(zhì)量。但是由于無(wú)線