CDMA系统中2-D RAKE接收机的性能研究

姚丽娜,周 围,何忠勇

摘 要:CDMA系统中,信号在无线信道中传输,由于多用户同时同频传输和多径衰落的存在,导致多址干扰(MAI)和符号间干扰(ISI),使系统接收机的性能下降。空时接收机(2-D RAKE)能够有效地抑制MAI和对抗多径衰落,这里介绍了几种接收机的工作特点,并对各种空时接收机进行了详细的分析和比较。

关键词:2-D RAKE;干扰抵消;FFT;MAI;ISI

中图分类号:TN911.7文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)19-007-03

Research on the Performance of 2-D RAKE Receiver for CDMA System

YAO Li′na,ZHOU Wei,HE Zhongyong

(College of Communication and Information Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing,400065,China)

Abstract:In Code-Division Multiple Access(CDMA) system,Multiple Access Interference(MAI) and Inter-Symbol Interference(ISI) are caused due to multiple users transmitting at the same time and frequency,and the existence of multi-path fading while signal transimitting through the wireless channel.As a result,the performance of system receiver degrades.Space-time receivers (2-D RAKE) can effectively suppress MAI and fight against MPI.In this paper,the characteristics for several space-time receivers are discussed.At the same time,each receiver is analyzed and compared detailedly.

Keywords:2-D RAKE;interference cancellation;FFT;MAI;ISI

0 引 言

CDMA技术是无线通信中的关键技术,目前在IS-95系统、WCDMA、CDMA2000第三代移动通信中均有应用,然而提高CDMA系统容量仍然是研究的热点问题。CDMA系统容量受限主要是由于分配给不同用户的PN序列互相关不为零所引起的多址干扰(MAI)及用户自身引起的自干扰(即多径干扰,MPI)。因此,减少多用户引起的MAI和多径传播引起的MPI,可以提高CDMA系统的容量。

CDMA系统中,为了减少多径衰落的不利影响,一般在接收端采用具有多径分集功能的RAKE接收机。随着智能天线技术的出现,将天线阵的空域处理与传统RAKE接收机[1]的时域处理相结合,即构成空时RAKE(2-D RAKE)接收机。文献[2]最初提出2-D RAKE的概念,这种接收机将空域和时域结合起来进行信号处理,相对于传统RAKE接收机而言,性能有较大改善,它可将天线阵接收到的期望用户多径信号合并到一起,同时获得时间分集和空间分集的好处。但传统的空时RAKE接收机不能有效地抑制多用户CDMA系统中的多址干扰和远近效应问题。

多级干扰抵消通过对干扰信号重构并从接收信号中删除来改善系统性能和容量,而自适应天线通过将主波束指向期望用户,并将零陷指向非期望用户减少干扰,与期望用户到达角不同的信号则被削弱。文献[3]中,将干扰抵消技术与自适应天线结合起来,使系统性能大有改善。空时RAKE接收机与干扰抵消结合起来称为联合空时干扰抵消接收机,但是此种接收机的主要问题是计算复杂性比较高,解决此问题的一个方法就是进行预波束赋形,利用FFT波束形成器形成正交波束,使得从不同角度获取信号功率更容易,因此,2-D RAKE接收机所需要的指峰数将减少且系统性能无损耗。

本文系统地比较了传统2-D RAKE接收机,联合空时干扰抵消接收机,基于FFT匹配滤波的2-D RAKE接收机性能,主要从接收机结构、工作原理出发进行分析。

首先介绍接收机的信道模型及结构,然后分析了各种接收机的性能,最后得出结论并讨论其中存在的一些问题。

1 系统模型

多用户直接序列扩频系统采用BPSK调制方式,则每一用户的等效传输基带信号为:

sk(t)=Akdk(t)ck(t)

(1)

式中:dk(t)是间隔为Tb的二进制数据源信号:

dk(t)=∑∞j=-∞b(k)jpt(jTb,(j+1)Tb)

ck(t)为用户k的扩频波形,码片间隔为Tc,有:

ck(t)=∑∞q=-∞a(k)qpt(qTc,(q+1)Tc)

式中:aq(k)是第k个用户在第q个码片间隔的码序列;b(k)j是等概率取±1的第j个数据比特;p(τ1,τ2)为矩形脉冲。假定信号服从多径瑞利衰落,第k个用户到达第l个阵元的信道冲激响应为:

hkl=∑Ni=1αk,iejψ(l)k,iδ(t-τk,i)

(2)

式中:N为信道多径总数;αk,i是信道复衰落系数;τk,i为路径延时;ψ(l)k,i=2πdlsin θk,i/λ为每一阵元的相位偏移,θk,i为第k个用户在第i条路径的到达角,d为阵元间距(一般取λ/2,λ为载波波长);τk,i为路径延时,且θk,i和τk,i服从几何单反射椭圆模型[4]。

因此,在第l个阵元接收到的信号为:

r(l)(t)=∑Kk=1∑Ni=1αk,iejψ(l)k,isk(t-τk,i)+n(l)(t)

(3)

式中:n(l)(t)是均值为0,方差为σ2n的高斯噪声。

2 接收机结构

本文介绍三种接收机的结构:传统的2-D RAKE接收机,基于干扰抵消的2-D RAKE接收机和基于FFT的2-D RAKE接收机。

2.1 2-D RAKE接收机

在获得信道的空时模型后,空时二维RAKE接收机的主要优势在于可以利用信道的多径结构获得路径分集。传输信号的码结构使得接收机能够在时域上分离大于码片间隔Tc的多径信号,这些信号通过最大比合并能够提高输出信干噪比(SINR)。利用阵列天线在分离多径过程中加入新的空间维,使得分离多径信号成为可能,即使这些信号在时域不可分离。因此,也就产生了2-D RAKE接收机的概念。接收端的接收信号如式(3)所示,2-D RAKE接收机的结构如图1所示。

图1 2-D RAKE 接收机结构

2.2 联合空时干扰抵消接收机

联合干扰抵消接收机结构如图2所示,每一个2-D RAKE接收机形成不同的波束指向各自的期望用户。接收机所获得的信道参数和信息比特反馈到干扰信号重构单元,由于不同用户有不同的波束指向,干扰抵消过程中所用到的信道参数和信息比特更准确。2-D RAKE由L个1-D RAKE组成,每个1-D RAKE由M个指峰、干扰抵消单元和权值合并形成。这种结构可使信号在波束赋形前将干扰删除,且权值可以在干扰抵消后重新估计,以提供更高的准确率。

图2 空时干扰抵消接收机结构

2.3 基于FFT匹配滤波的空时干扰抵消接收机

从上述接收机结构可知,其计算复杂度较高。为了减小这种复杂度,在2-D RAKE中预先进行波束成形,利用预波束形成器实现空域滤波,则在进一步处理之前可以分离多径信号。因此,需要更少的指峰数也能达到同样的效果。

图3中采用了FFT波束形成器,2-D RAKE的接收信号为:

F(l)(t)=∑L-1k=0r(l)(t)exp(-j2πLkl)

(4)

因此,经过FFT波束形成后第l个阵元的接收信号为:

F(l)(t)=r(l)(t)G(l,θ)

(5)

G(l,θ)=(1-ejπMsin θ)(1-ej(πsin θ-2πl/M))

(6)

图3 基于FFT匹配滤波的联合空时干扰抵消接收机结构

3 各种空时接收机的性能分析

上述2-D RAKE接收机中,阵列矢量αk,i=[1,ejψ(1)k,i,…,ejψ(L-1)k,i]H用来在空域匹配接收信号,所以它在特定空间方向的信号选择上采用标准波束成形。一般来说,利用空间选择性更高的滤波器在空间白噪声和强干扰环境下尤为重要。在多址信道中,不同用户被分配相互正交的码,可选择权向量wk,i为:

wk,i=R-1xxαk,iαk,iR-1xxαk,i

(7)

r(t)=[r(1)(t),r(2)(t),…,r(L)(t)]H

(8)

Rxx=E[r(t)rH(t)]

(9)

y(t)=wHk.ir(t)

(10)

这样可以使波束指向第k个用户的第i条路径。实际中,信号的多径传播和接收信号非严格地同步,使得各用户码之间的正交性很难严格满足,这将会导致远近效应。传统的RAKE接收机加入空间维将能减少远近效应。

2-D RAKE接收机中,采用并行的解调单元,在信道估计时把多径干扰当作噪声采用滤波器进行处理,而在合并时对数据符号受到的多径干扰未做处理。因此联合空时干扰抵消接收机,并利用具有排序功能的串行干扰抵消单元(SIC)[5],将干扰信号从接收信号中删除,进一步改善系统的误码率。

图1中的加权输出yk(t)包括期望用户信号、多径衰落引起的自干扰以及多用户环境引起的多址干扰。为了克服共道干扰(CCI),利用信道参数和传输信息比特(k)j的估计((k)j=sgn(yk(jTb)))重构干扰信号。多级干扰抵消可以同时消除ISI和MAI。

空时干扰抵消接收机要首先将所有用户根据信号强度进行排序,由大到小对各用户进行估计与对消,即从第一级开始检测最强的用户,第二级次之,直到最后一级检测最弱的用户。因此,每一级所检测的信号为输入信号中功率最大的用户,但是其计算复杂度较高。

利用FFT匹配滤波[6]的空时干扰抵消接收机可以解决这一问题。利用FFT变换使所有的信号处理均在空间频率域进行。这种接收机通过计算阵列信号矢量的FFT在空域进行波束空间波束成形,形成多个确定波束。对每一确定波束而言,基于FFT的2-D RAKE接收机用来匹配期望用户的扩频码,然后合并空时域的信号能量。使用FFT波束形成器,由于其空域滤波性,使得多径将根据不同到达角来区分。接收信号强度各不相同,即βk,i=αk,iejψ(l)k,i•G(l,θ),则每一阵元仅搜集期望信号而削弱其他信号。与空时干扰抵消接收机相比,同样条件下仅需要更少的指峰数即可达到相同的系统性能,且结构及计算复杂度降低了。

基于以上分析,2-D RAKE接收机就是一种2-D匹配滤波器,权矢量wk,i也可以根据最小均方准则(MMSE,需要提供参考信号),最大信噪比准则(MaxSNR,必须知道噪声的统计量和期望信号的来波方向),最小二乘法准则及最大似然准则(ML)来确定。对于联合空时干扰抵消接收机来说,也可以采取并行干扰抵消(PIC),其处理延迟小,但计算量大,所以可采用将SIC与PIC结合提高空时接收机的性能。基于FFT匹配滤波的空时干扰抵消接收机旨在减少计算复杂度,将信号处理在空间频率域进行,可以采取基4或分裂基FFT(将基2分解和基4分解结合在一起)更大地减少计算复杂度。

4 结 语

空时RAKE接收机充分利用了空域和时域信息,可以提高接收机的检测性能。传统的检测技术(如匹配滤波器和RAKE合并)将MAI和ISI视为噪声,没有利用多用户以及多径之间的信息,因此来自多址干扰和符号间干扰通常会导致误码率(BER)无法降低,大大降低通信质量和系统容量。空时2-D RAKE接收机[2]和多用户检测技术[7]能够消除这两种干扰,因此这两种技术的结合[8-10]也就成为研究的热点。

2-D RAKE与PIC算法结合的空时多用户检测,尽管能够很好地消除MAI与ISI,但是由于PIC缺少弱信号的能量信息,对弱信号检测不理想,且不利于实际系统采用;2-D RAKE与SIC算法结合,其以降低强用户检测性能为代价改善接收机性能,然而这依赖于信号强度较强的用户可靠的幅度估计,准确度不好的幅度估计会导致性能增益的降低,甚至性能恶化。实际系统中,将SIC与PIC结合形成新的干扰抵消技术,组成混合型MUD接收机[11],通过对用户信号进行分类,减少多址干扰估计错误。此技术与2-D RAKE及FFT结合可以进一步提高系统BER,减少计算复杂度。

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