CDMA系統中2-D RAKE接收機的性能研究

姚麗娜,周 圍,何忠勇

摘 要:CDMA系統中,信號在無線信道中傳輸,由于多用戶同時同頻傳輸和多徑衰落的存在,導致多址干擾(MAI)和符號間干擾(ISI),使系統接收機的性能下降。空時接收機(2-D RAKE)能夠有效地抑制MAI和對抗多徑衰落,這里介紹了幾種接收機的工作特點,并對各種空時接收機進行了詳細的分析和比較。

關鍵詞:2-D RAKE;干擾抵消;FFT;MAI;ISI

中圖分類號:TN911.7文獻標識碼:A

文章編號: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技術是無線通信中的關鍵技術,目前在IS-95系統、WCDMA、CDMA2000第三代移動通信中均有應用,然而提高CDMA系統容量仍然是研究的熱點問題。CDMA系統容量受限主要是由于分配給不同用戶的PN序列互相關不為零所引起的多址干擾(MAI)及用戶自身引起的自干擾(即多徑干擾,MPI)。因此,減少多用戶引起的MAI和多徑傳播引起的MPI,可以提高CDMA系統的容量。

CDMA系統中,為了減少多徑衰落的不利影響,一般在接收端采用具有多徑分集功能的RAKE接收機。隨著智能天線技術的出現,將天線陣的空域處理與傳統RAKE接收機[1]的時域處理相結合,即構成空時RAKE(2-D RAKE)接收機。文獻[2]最初提出2-D RAKE的概念,這種接收機將空域和時域結合起來進行信號處理,相對于傳統RAKE接收機而言,性能有較大改善,它可將天線陣接收到的期望用戶多徑信號合并到一起,同時獲得時間分集和空間分集的好處。但傳統的空時RAKE接收機不能有效地抑制多用戶CDMA系統中的多址干擾和遠近效應問題。

多級干擾抵消通過對干擾信號重構并從接收信號中刪除來改善系統性能和容量,而自適應天線通過將主波束指向期望用戶,并將零陷指向非期望用戶減少干擾,與期望用戶到達角不同的信號則被削弱。文獻[3]中,將干擾抵消技術與自適應天線結合起來,使系統性能大有改善。空時RAKE接收機與干擾抵消結合起來稱為聯合空時干擾抵消接收機,但是此種接收機的主要問題是計算復雜性比較高,解決此問題的一個方法就是進行預波束賦形,利用FFT波束形成器形成正交波束,使得從不同角度獲取信號功率更容易,因此,2-D RAKE接收機所需要的指峰數將減少且系統性能無損耗。

本文系統地比較了傳統2-D RAKE接收機,聯合空時干擾抵消接收機,基于FFT匹配濾波的2-D RAKE接收機性能,主要從接收機結構、工作原理出發進行分析。

首先介紹接收機的信道模型及結構,然后分析了各種接收機的性能,最后得出結論并討論其中存在的一些問題。

1 系統模型

多用戶直接序列擴頻系統采用BPSK調制方式,則每一用戶的等效傳輸基帶信號為:

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

(1)

式中:dk(t)是間隔為Tb的二進制數據源信號:

dk(t)=∑∞j=-∞b(k)jpt(jTb,(j+1)Tb)

ck(t)為用戶k的擴頻波形,碼片間隔為Tc,有:

ck(t)=∑∞q=-∞a(k)qpt(qTc,(q+1)Tc)

式中:aq(k)是第k個用戶在第q個碼片間隔的碼序列;b(k)j是等概率取±1的第j個數據比特;p(τ1,τ2)為矩形脈沖。假定信號服從多徑瑞利衰落,第k個用戶到達第l個陣元的信道沖激響應為:

hkl=∑Ni=1αk,iejψ(l)k,iδ(t-τk,i)

(2)

式中:N為信道多徑總數;αk,i是信道復衰落系數;τk,i為路徑延時;ψ(l)k,i=2πdlsin θk,i/λ為每一陣元的相位偏移,θk,i為第k個用戶在第i條路徑的到達角,d為陣元間距(一般取λ/2,λ為載波波長);τk,i為路徑延時,且θk,i和τk,i服從幾何單反射橢圓模型[4]。

因此,在第l個陣元接收到的信號為:

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

(3)

式中:n(l)(t)是均值為0,方差為σ2n的高斯噪聲。

2 接收機結構

本文介紹三種接收機的結構:傳統的2-D RAKE接收機,基于干擾抵消的2-D RAKE接收機和基于FFT的2-D RAKE接收機。

2.1 2-D RAKE接收機

在獲得信道的空時模型后,空時二維RAKE接收機的主要優勢在于可以利用信道的多徑結構獲得路徑分集。傳輸信號的碼結構使得接收機能夠在時域上分離大于碼片間隔Tc的多徑信號,這些信號通過最大比合并能夠提高輸出信干噪比(SINR)。利用陣列天線在分離多徑過程中加入新的空間維,使得分離多徑信號成為可能,即使這些信號在時域不可分離。因此,也就產生了2-D RAKE接收機的概念。接收端的接收信號如式(3)所示,2-D RAKE接收機的結構如圖1所示。

圖1 2-D RAKE 接收機結構

2.2 聯合空時干擾抵消接收機

聯合干擾抵消接收機結構如圖2所示,每一個2-D RAKE接收機形成不同的波束指向各自的期望用戶。接收機所獲得的信道參數和信息比特反饋到干擾信號重構單元,由于不同用戶有不同的波束指向,干擾抵消過程中所用到的信道參數和信息比特更準確。2-D RAKE由L個1-D RAKE組成,每個1-D RAKE由M個指峰、干擾抵消單元和權值合并形成。這種結構可使信號在波束賦形前將干擾刪除,且權值可以在干擾抵消后重新估計,以提供更高的準確率。

圖2 空時干擾抵消接收機結構

2.3 基于FFT匹配濾波的空時干擾抵消接收機

從上述接收機結構可知,其計算復雜度較高。為了減小這種復雜度,在2-D RAKE中預先進行波束成形,利用預波束形成器實現空域濾波,則在進一步處理之前可以分離多徑信號。因此,需要更少的指峰數也能達到同樣的效果。

圖3中采用了FFT波束形成器,2-D RAKE的接收信號為:

F(l)(t)=∑L-1k=0r(l)(t)exp(-j2πLkl)

(4)

因此,經過FFT波束形成后第l個陣元的接收信號為:

F(l)(t)=r(l)(t)G(l,θ)

(5)

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

(6)

圖3 基于FFT匹配濾波的聯合空時干擾抵消接收機結構

3 各種空時接收機的性能分析

上述2-D RAKE接收機中,陣列矢量αk,i=[1,ejψ(1)k,i,…,ejψ(L-1)k,i]H用來在空域匹配接收信號,所以它在特定空間方向的信號選擇上采用標準波束成形。一般來說,利用空間選擇性更高的濾波器在空間白噪聲和強干擾環境下尤為重要。在多址信道中,不同用戶被分配相互正交的碼,可選擇權向量wk,i為:

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)

這樣可以使波束指向第k個用戶的第i條路徑。實際中,信號的多徑傳播和接收信號非嚴格地同步,使得各用戶碼之間的正交性很難嚴格滿足,這將會導致遠近效應。傳統的RAKE接收機加入空間維將能減少遠近效應。

2-D RAKE接收機中,采用并行的解調單元,在信道估計時把多徑干擾當作噪聲采用濾波器進行處理,而在合并時對數據符號受到的多徑干擾未做處理。因此聯合空時干擾抵消接收機,并利用具有排序功能的串行干擾抵消單元(SIC)[5],將干擾信號從接收信號中刪除,進一步改善系統的誤碼率。

圖1中的加權輸出yk(t)包括期望用戶信號、多徑衰落引起的自干擾以及多用戶環境引起的多址干擾。為了克服共道干擾(CCI),利用信道參數和傳輸信息比特(k)j的估計((k)j=sgn(yk(jTb)))重構干擾信號。多級干擾抵消可以同時消除ISI和MAI。

空時干擾抵消接收機要首先將所有用戶根據信號強度進行排序,由大到小對各用戶進行估計與對消,即從第一級開始檢測最強的用戶,第二級次之,直到最后一級檢測最弱的用戶。因此,每一級所檢測的信號為輸入信號中功率最大的用戶,但是其計算復雜度較高。

利用FFT匹配濾波[6]的空時干擾抵消接收機可以解決這一問題。利用FFT變換使所有的信號處理均在空間頻率域進行。這種接收機通過計算陣列信號矢量的FFT在空域進行波束空間波束成形,形成多個確定波束。對每一確定波束而言,基于FFT的2-D RAKE接收機用來匹配期望用戶的擴頻碼,然后合并空時域的信號能量。使用FFT波束形成器,由于其空域濾波性,使得多徑將根據不同到達角來區分。接收信號強度各不相同,即βk,i=αk,iejψ(l)k,i?G(l,θ),則每一陣元僅搜集期望信號而削弱其他信號。與空時干擾抵消接收機相比,同樣條件下僅需要更少的指峰數即可達到相同的系統性能,且結構及計算復雜度降低了。

基于以上分析,2-D RAKE接收機就是一種2-D匹配濾波器,權矢量wk,i也可以根據最小均方準則(MMSE,需要提供參考信號),最大信噪比準則(MaxSNR,必須知道噪聲的統計量和期望信號的來波方向),最小二乘法準則及最大似然準則(ML)來確定。對于聯合空時干擾抵消接收機來說,也可以采取并行干擾抵消(PIC),其處理延遲小,但計算量大,所以可采用將SIC與PIC結合提高空時接收機的性能。基于FFT匹配濾波的空時干擾抵消接收機旨在減少計算復雜度,將信號處理在空間頻率域進行,可以采取基4或分裂基FFT(將基2分解和基4分解結合在一起)更大地減少計算復雜度。

4 結 語

空時RAKE接收機充分利用了空域和時域信息,可以提高接收機的檢測性能。傳統的檢測技術(如匹配濾波器和RAKE合并)將MAI和ISI視為噪聲,沒有利用多用戶以及多徑之間的信息,因此來自多址干擾和符號間干擾通常會導致誤碼率(BER)無法降低,大大降低通信質量和系統容量。空時2-D RAKE接收機[2]和多用戶檢測技術[7]能夠消除這兩種干擾,因此這兩種技術的結合[8-10]也就成為研究的熱點。

2-D RAKE與PIC算法結合的空時多用戶檢測,盡管能夠很好地消除MAI與ISI,但是由于PIC缺少弱信號的能量信息,對弱信號檢測不理想,且不利于實際系統采用;2-D RAKE與SIC算法結合,其以降低強用戶檢測性能為代價改善接收機性能,然而這依賴于信號強度較強的用戶可靠的幅度估計,準確度不好的幅度估計會導致性能增益的降低,甚至性能惡化。實際系統中,將SIC與PIC結合形成新的干擾抵消技術,組成混合型MUD接收機[11],通過對用戶信號進行分類,減少多址干擾估計錯誤。此技術與2-D RAKE及FFT結合可以進一步提高系統BER,減少計算復雜度。

參考文獻

[1]Viterbi A J.CDMA:Principle of Spread Spectrum Communications[M].MA:Addison Wesley,1994.

[2]Khalaj B H,Paulraj A,Kailath T.2-D RAKE Receivers of CDMA Cellular System [A].Proc.IEEE Globecom Conf.[C].1994,12:400-404.

[3]Kohno R,Imai H,Hatori M,et al.Combination of an Adaptive Array Antenna and a Canceller of Interference for Direct-Sequence Spread-Spectrum Multiple-Access System[J].IEEE Select.Areas Commun.,1990,SAC-8(4):691-699.

[4]Ertel R B,Cardieri P,Sowerby K,et al.Overview of Spatial Channel Models for Antenna Array Communication System[J].IEEE Personal Communications,1998,5(1):10-22.

[5]楊朝建,高勇.一種改進的基于串行干擾抵消的Rake接收機[J].現代電子技術,2007,30(17):26-28.

[6]Wang S Y,Huang C,Quek C C.A Two-Dimensional RAKE Receiver Architecture with an FFT-based Matched Filtering[J].IEEE Trans.on Vehicular Technology,2005,54(1):224-234.

[7]Moshavi S,Bellcore.Multi-user Detection for DS-CDMA Communications[J].IEEE Communications Mag.,1996,34:124-136.

[8]Lydia L.Wleung,Roger Cheng,Khaled B Letaie,et al.Evaluating the Performance of 2-D RAKE Receivers with Interference Cancellation[J].IEEE VTC Proceddings,2000,2(51):1 105-1 109.

[9]楊蓓,張小飛,徐大專.一種新的空時2D-RAKE接收機[J].無線電通信技術,2005,31(3):39-41.

[10]Haghighat P,Ghrayed A.An Improved Trickle-based Interference Cancellation Scheme for CDMA Systems[A].IEEE International Symposium[C].2007:688-693.

[11]Haghighat P,Ghraveb A.A Hybrid Serial-Parallel Interference Cancellation Scheme for WCDMA Systems[A].Proc.IEEE CCECE[C].2007:621-624.

[12]Al-Joubory A J,Al-Naima F M,Raouf S S.WCDMA Receiver Structure with Smart Antennas System[A].IEEE ICCCE[C].2008:911-914.

[13]謝顯中,雷維嘉.移動通信中的空時信號處理[M].北京:電子工業出版社,2008.

[14]李立華,王勇,張平.移動通信中的先進信號處理技術[M].北京:北京郵電大學出版社,2005.

[15]謝顯中.基于TDD的第四代移動通信技術[M].北京:電子工業出版社,2005.