WCDMA通信系统中发射机的设计
关键词WCDMA空时处理；波束形成；分集
空时处理技术将信号处理在空间和时间上结合起来，可以有效地改善系统特性。随着第三代移动通信系统对空中接口标准的支持和软件无线电的发展，空时处理技术将被集成到自适应调制解调器中，从而优化系统设计。利用空时处理的方法，系统的发射机或接收机利用多根天线同时在空间和时间上处理信号，这是单天线单次处理方法所不能达到的:在给定的误码率质量门限下，可以增加用户数；在给定小区用户数的情况下，改善ber特性；可以更有效地利用信号的传输功率等。
1时空处理方法
由于移动台一般不适合使用多天线接收，在基站中使用多天线进行发射分集可以使移动台的接收效果与移动台使用多接收天线时的接收效果相当，因此本文主要讨论基站的空时处理技术。
2波束形成技术
波束形成技术(波束形成？BF)可分为自适应波束形成、固定波束形成和切换波束形成。固定波束，即天线方向图是固定的。IS-95中的三个120°扇区被分成固定波束。切换波束是固定波束的延伸。每个120°扇区被细分成几个更小的分区，每个分区有一个固定的波束。当用户在一个扇区内移动时，切换波束机制可以自动将波束切换到包含最强信号的分区，但切换波束机制的致命弱点是无法区分理想信号和干扰信号。自适应波束形成器可以根据用户信号在空间的不同路径最优地形成方向图，在不同的到达方向给出不同的天线增益，并实时形成窄波束瞄准用户信号，同时最小化其他方向的旁瓣并采用定向接收，从而提高系统的容量。由于移动站的移动性和散射环境，基站接收的信号的到达方向是时变的。利用自适应波束形成器，可以分离出频率相近但在空间上可分离的信号，并对这些信号进行跟踪，调整天线阵列的加权值，使天线阵列的波束指向理想信号的方向。
自适应波束形成的关键技术是如何更准确地获取信道参数。对于上行链路，根据用于形成波束的信息，波束形成技术可以分为以下三类。
1座基于空间结构的高炉
基于空间结构的BF，如基于输入信号到达方向的BF (DOB)包括三种:基于最大信干噪比(SINR)的BF；基于最大似然准则的BF；基于最小均方误差(MMSE)准则的Bf。多址干扰的抑制依赖于信号的波达方向，因此波达方向的一个重要部分就是信号的波达方向估计。DOA估计方法包括离散傅里叶变换、MVDR(最小方差失真少响应)估计器、线性预测、最大包络法(MEM)、ML滤波器和可变特征结构法。这些包括Music(多信号分类)和ESPRIT(通过旋转不变性技术估计信号参数)。
基于训练序列的2 BF
基于训练序列的BF，即时间参考BF (TRB)，适用于多径丰富和信道特性不断变化的环境。根据算法的不同，可以分为两类:块自适应算法(BAA)和采样自适应算法(SAA)。Baa算法包括特征滤波(EF)法、Stanford法、最大比合并(MRC)法、第一维纳滤波解(FWFS)和第二维纳滤波解(SWFS)。SAA算法包括最小均方(LMS)算法、归一化最小均方(NLMS)算法、递归最小二乘(RLS)算法和* * *轭梯度法(CGM)。TRB技术要求精确的同步，并且当延迟扩展小时可以获得更好的性能。
基于信号结构的3 BF (SSBF)
基于信号结构的SSBF(BF)是利用接收信号的时间或空间结构和特性来构造BF。SSBF可用于存储知识，例如恒包络调制信号的恒模(CM)特性、信号的周期平稳性或数字调制信号的FA(有限字母表)特性。这种BF方法可以应用于不同的传播条件，但是它需要考虑收敛和捕获问题。
对于下行，不同的复用方式可以采用不同的解决方案:TDD模式，由于上下行使用相同的频率，在相邻的上下行数据帧中，信道参数几乎不变的情况下，可以直接使用上行估计得到的信道参数，但这仅适用于慢速移动的系统；在FDD模式下，由于上下行的频率间隔一般大于相关带宽，所以上下行的瞬时信道几乎不相关，此时反馈信道是最好的方法。
需要强调的是，发射机的波束形成技术和接收机的波束形成技术是完全不同的。接收波束形成可以在每个接收机中独立实现，不影响其他链路，而发射波束形成会改变对其他所有接收机的干扰，所以发射波束形成技术要在全网联合使用。
3接收分集
由于CDMA系统通常存在较多的多址干扰分量，而天线阵列可以去除M-1(其中M为天线数)个干扰，不能明显改善接收机的SINR，一般来说，较好的方法是利用接收分集的方法估计接收信号的形式，确定匹配滤波器的加权系数。接收分集技术中的分集天线实际上是空间域的分集合并器，而不是BF。对于宽带CDMA信号，信号带宽一般大于信道相干带宽，所以在时域采用RAKE接收机，利用各种合并准则对信号进行空间/时间合并，这就是所谓的2D-RAKE接收机。一般的合并方法有:选择合并(SC)，即选择信号功率最大的多径；最大比合并(MRC)是指每个分支都有一个权重，根据每个分支的信噪比(SNR)来分配加权权重。信噪比高的分支权重大，信噪比低的分支权重小。当每个分离的多径上的干扰不相关时，MRC方法可以最大化合并信号的SINR；等增益合并(EGC)意味着每个路径的权重相等；无论多径间的干扰是否相关，维纳滤波(OPT)都能抑制干扰，最大化合并器输出端的SINR，因此维纳滤波法优于最大比合并法，最大比合并法也称为最优合并。
在空间和时间上使用不同的组合标准可以以不同的方式改进系统。理论上，在理想功率控制和理想信道估计的条件下，空时联合域优化合并方法最能提高系统性能。
4发射分集技术
当发射机无法获得信道参数时，空时发射分集可以改善前向链路的性能。这种机制是将发射天线的空间分集转换为接收机可以使用的其他形式的分集，如延迟发射分集和空时编码技术。空时编码技术是同时在空间域和时间域设计码字。其基本原理是在多个天线上同时发送信息比特流产生的矢量。通过利用发射天线发送的序列的正交性，使用两个发射天线和一个接收天线获得的分集增益与具有一个发射天线和两个接收天线的MRC接收机相同。
根据是否需要从接收机到发射机的反馈回路，发射分集技术可以分为开环和闭环两种。前一个发射机不需要任何信道知识。开环发射分集包括时空发射分集(STTD)、正交发射分集(OTD)、时间切换发射分集(TSTD)、延迟发射分集(DTD)、分层时空处理和时空网格编码。闭环发射分集包括选择性发射分集(STD)。发射分集的每种模式如下。
1正交发射分集(otd)
编码和交织的数据被分成两个不同的子流，并在两个不同的天线上同时发送。为了确保正交性，这两个子流中使用的沃尔什码是不同的。
2时分交换发射分集(tstd)
在某一时刻，每个用户只使用一根天线，利用伪随机码机制在两根天线之间切换。
3选择发射分集(标准)
在TSTD模式下，瞬时发射天线在接收端可能得不到最大信噪比，因此使用反馈电路来选择能够在接收端提供最大信噪比的天线。
4时空发射分集(STTD)
5延迟发射分集(dtd)
多个天线用于在不同时间发送同一原始数据信号的多个副本，从而人为地产生多径。
6分层时空结构？贝尔分层时空建筑
首先将原始信息比特分解成n个并行数据流？称为层，它被发送到不同的编码器，然后编码器的输出被调制，并使用相同的沃尔什码通过不同的天线发送出去。接收器使用BF(迫零或MMSE准则)来分离不同的编码数据流，然后将数据发送到不同的解码器，解码器的输出被重新组合以建立原始信息比特流。由于MMSE和迫零方法在波束形成处理中没有充分利用接收天线阵列的分集潜力，提出了一种改进方案对接收处理进行分类。即，首先通过维特比MLSE算法解码最强的信号，然后在从接收的天线信号中去除最强的信号之后检测第二强的信号，等等，直到检测到最弱的信号。
在该机制中，从层到天线的映射不是固定的，而是在每NP个码符号之后周期性地改变，如图3所示。这种映射关系确保这些数据流尽可能在不同的天线上传输。
7空时网格编码
根据秩准则和行列式准则设计码字，使得设计的码字可以获得最大的分集增益和编码增益。以四相相移键控(QPSK)四态空时网格编码为例，假设使用两个天线进行传输，星座图和网格如图4所示。
最右边的元素号S1·S2表示从第一天线发射的字符是S1，从第二天线发射的字符是S2。
5结束语
空时处理技术已经显示出非常诱人的发展前景，第三代移动通信标准也支持空时处理技术。标准的出台为我们继续研究物理上可实现的时空处理技术提供了可能，但要将这项技术投入实际应用，还有许多方法和技术问题亟待解决，需要进一步研究。