1、分集接收在 TD-SCDMA 智能天线中的应用第 20 卷第 1 期重庆邮电大学(自然科学版)Vo1.20No.12008 年 2 月Journal0fChongqingUniversity0fPostsandTelecommunications(NaturalScienceEdition)Feb.2008分集接收在 TD-SCDMA 智能天线中的应用*傅海阳,黄雪辉,江燕,夏璐(南京邮电大学通信与信息工程学院,江苏南京 210003)摘要:给出了一种利用 TI)ISCDMA 智能天线实现分集接收的方法,与空分多址方式相比,可使设备性价比上升.还导出了一种计算 CDMA 系统容量的新方法,可用
2、于证明 TI)rscDMA 基站分集接收设备也能达到空分多址接收设备的性能要求.关键词:TI)rSCDMA;智能天线;分集接收中图分类号:TN929.5 文献标识码:A 文章编号:1673825X(2008)01002604ApplicationofdiversityreceptionwithTDSCDMAsmartantennasFUHaiyang,HUANGXuehui,JIANGYan,XIALu(SchoolofCommunicationsandInformationEngineering,NanjingUniversityofPostsandTelecom.,Nanjing21000
3、3,P.R.China)Abstract:AmethodfordiversityreceptionbyTD-SCDMAsmartantennaispresented,whichcanimprovetheperformanceoftheequipmentcomparedwithspacedivisionmultipleaccess(SDMA).Meanwhile,anewmethodforcalculatingthecapacityofCDMAsystemisproposed,andthismethodcanbeusedforprovingthatthediversityre-一ceiverof
4、TD-SCDMAbasestationcanmeettheperformancerequirementsofSDMAreceivingequipment.Keywords:TD-SCDMA;smaztantenna;diversityreception0 引言TDSCDMA 智能天线是由 8 根天线阵元组成的圆阵或线阵,天线阵元之间的间隔约为 X/2,可以提供空分多址的作用.空分多址可以减少 TD-SCDMA 标准一个时隙中多个码道问的多重接入干扰(MAD,其前提是多个码道的移动台(MS)处于不同的方位角.空分多址利用多个载波的相位干涉原理实现,其应用代价是非常高昂的.TD-SCDMA 智能天
5、线 8 天线阵元上行收语音信号时需要 8 套用于空分多址的波束成型电路,MS 来波方向(DOA)检测算法的原理复杂,电路实现难度极大.由于智能天线的工作原理极为复杂,很多专着和论文对 TD-SCDMA 中智能天线使用方法的介绍和研究极为矛盾.而且许多专着和论文的作者是国内着名的 TD-SCDMA 专家.因此很有必要利用一种较为容易理解的方法证明智能天线在 TD-SCDMA 中的作用原理.文献14均认为在基站智能天线接收机中存在波束成型电路,然而在文献57中却认为智能天线在基站接收机中只用于简单的分*收稿日期:2007 一 O421集接收.有的文献认为在智能天线发信电路中需要DOA 估计,存在波
6、束成型电路,但文献 E8在城市应用环境下称该论文“提出了存在大量的 DOA 信道下不需要 DOA 的估计,不需要知道天线阵的结构,只需知道空间相关矩阵信息的低代价的计算波束加权矢量的方法“.一般而言, 在不知道 DOA 的情况下是无法实现空分多址的,也不能认为含有波束成型电路.因此文献 E8的结论令人惊讶 .若事实如此的话,它将否定 TDscDMA 在城市环境中应使用空分多址的基本结论.文献1提及从智能天线收信号中提取“空间参数“的算法,然后再利用该参数实现收信号波束成型.从概念上讲该算法似乎有点问题.然而 DOA 估计算法应该是智能天线波束成型中的核心部分.或许是因为智能天线收发信机关键部分
7、的设计制造是由美国 ArrayComm 公司和国内相关公司联合研制完成的6,所以国人也很难讲清它们关键部分的工作原理.本文将给出一种极易理解的新方法,用于计算具有多种分集接收功能的 CDMA 系统的收信信噪比,利用该方法很容易求得 CDMA 系统的小区容第 1 期傅海阳,等:分集接收在 TDSCDMA 智能天线中的应用?27?量.与已有计算容量的方法相比较,该方法的物理概念清晰,可计算 RAKE 接收,正交分集接收等带来的容量增益.还可以用于证明在 TDSCDMA系统中,智能天线只需要用作简单的 8 天线分集接收时,就可以达到满码道工作的要求,因此基站收信电路根本不需要用于空分多址的波束成型电
8、路.智能天线发信的工作原理尚不明确,暂不述及.本文随后将给出一种利用图解法求取解扩信号信噪比的基本方法.该方法用于求取 IS 一 95 系统的小区容量,并将所得结果与已有的结论相比较,基本吻合,证明了该方法的正确性.最后用该方法求取T【)_SCDMA 系统传输语音时的上行小区容量,证明了在基站接收机中智能天线仅用于分集接收,即可达到满码道工作的要求.1CDMA 信号分集接收的 SNR下面利用我们给出的一种图形法计算 CDMA信号分集接收时的信噪比(SNR).图 1a 和图 1b 分别给出扩频系数 SF=4 时扩频前后的信号功率谱 .常用 CDMA 系统的 SF 值较大并带有充分的扰码,求近似结
9、果时,可假设扩频后的功率谱为加性高斯白噪声功率谱.假定未扩频信号的带宽 BW=1kHZ,功率谱的幅度为 4.4b图 1SF 一 4 时扩频前后的功军谮Fig.1PowerspectrumbeforeandafterspectrumspreadingwithSF 一 4图 2a 给出 2 个用户经二径传播后的收信号功率谱 Szz(厂),假设 S(厂)由准同步地址码产生并经相关接收后的功率谱为 S.(_厂)(见图 2b),再设S.(厂)由同步地址码产生并经相关接收后的功率谱为 S.(厂)(见图 2c).此时假设无相邻小区干扰 ,而且由于自干扰远大于噪声干扰,可以略去噪声的影响.图 2b 和图 2c
10、 中幅度为 4 的功率谱表示经解扩后恢复的 S(厂)信号.由图 2b 和图 2c 也可以看出 CDMA 方式中系统自干扰的影响,在图 2h 罔2c 中信噪比分别为 4/3 和 2.显然同步地址码系统的收信号信噪比较高,这是因为在同步地址码系统中,理想情况下非期望用户的解扩抽样值为 0.图 3a,图 3b 分别给出 2 用户 2 径信号经ab图 22 用户 2 径信号及其解扩后的功率谱Fig.22-pathSignalandpowerspectrumafterspectrumdespreadingwith2-useRAKE 接收机处理后的信号功率谱,它们分别用于准同步和同步地址码扩频的系统.二径
11、 RAKE 接收机是一种隐分集接收机,类似于使用两根收天线时所具有的分集接收功能.由图 3a,图 3b 可得准同步和同步地址码系统经二径 RAKE 接收机解扩后的信噪比分别为 SNR 一 8/3 和 SNR 一 4.b图 32 用户 2 径信号 RAKE 接收后的信噪比Fig.3SNRof2-pathsignalthroughRAKEreceiverwith2-use在分集接收中使用等增益合并算法时有噪声功率 P 一(U/)一 u/2,则分集接收后的噪声电压值 U 一/u.4-U2 一 2u.此处噪声电压 U 的特性与 U 相同.则分集接收后的噪声功率 P 一(U/)一 u.一 2P.由图 2
12、 可得,解扩后的信号功率 Ps 一(U/)一 4,U28.则期望用户 2 径 RAKE 接收后的功率为P 一 f1.一 2u;.一 16(1)由此可得使用准同步地址码扩频时的二径 RAKE接收机的分集接收增益为Gd2101g 一 3dB(2)接着,亦可以导得重分集接收等增益合并时的信噪比增益:Gd,一 10lgdB(3)等增益合并的条件是路分集接收信号的信噪比相等.一般情况下,此条件对 RAKE 接收机而言并不满足.定义 2 用户 2 径与单用户 2 径相比时的系统自干扰噪声增益为?28?重庆邮电大学 (自然科学版 )第 20 卷GI2210lg一 4.8dB(4)定义扩频增益或单用户 2 径
13、解扩后的信噪比增益为GsF 一 10lgSFdB(5)则可以求得 2 用户 2 径分集接收(RAKE 接收)时的信噪比为SNR22 一 GsF+Gd2 一 GI226+34.84.2(dB)(6)1由图 3a 亦可求得 SNR 一 10lg4.26dB,由此U可证明(6)式的正确性 .用上述方法导出 RAKE 接收机解扩后的信噪比时,将考虑到 RAKE 接收机分集接收支路数的影响 .因而也将涉及无线多径传播环境的影响,比一般的信噪比计算方法更合理.由上面的图解法过程可以看出用户数和多径传播环境对 RAKE 接收机收信信噪比的影响很大,一般只能给出一些估算结果.SNR95 一 GsF+Gd3+G
14、d 一 G一 23.8 一 GIK3(dB)正常语音接收要求的 SNR.4.5dB, 由此可得 Is 一 95 上行小区的最大用户数 N约为 30 个用户.这儿未考虑相邻小区干扰导致用户数下降的问题.文献11给出的 N 一 26,考虑到用户数上升导致发功率加大的影响,实际可用用户数 N 一 13.由此可以证明本文给出的信噪比和容量估算方法基本正确.从给出的结果也可以得出 CDMA 小区容量取决于系统自干扰的基本结论,即使加大发信功率也无法提升小区的频谱利用率.表 1IS-95 系统基站接收机的信噪比Tab.ReceiverSNR0fI95basestation用户数812162030G 倍数1
15、12335475989G1K3/dB10.413.615.316.717.719.5SNR95/dB13.410.28.57.16.14.32CDMAIS 一 95 系统的容量 3TD-SCDMA 智能天线对容量的影响在 CDMAIS 一 95 系统中一般使用带有 3 个相关器的 RAKE 接收机,等效于 3 天线的分集接收,假定 3 径信号强度相等时有:Gd310lg34.8(dB)此外在 Is 一 95 系统中用户信号还使用 COSoat 和一sin“两路正交信号分集发送的方式 n,因此还带有正交发送分集接收增益Gaq 一 3dB可以用图 4 中的等效框图描述 Is 一 95 基站接收机的
16、用户信号解调过程,输出的用户信号还需经过纠错译码等处理过程.因此在 IS-95 系统中,RAKE 和正交分集接收后的信噪比为SNR95 一 GsF+Ga3+Gd0 一 G 儿(3(7)(7)式中 G.表示 Is 一 95 系统中 3 径传播情况下用户数为 K 时的自干扰噪声增益.IS.952x2PSK收信号户收信号图 4IS 一 95 基站接收机等效框图Fig.4EquivalentdiagramofbasestationreceiverinIS-95system表 1 给出了不同用户数 K 时所对应的 G.的增加倍数和分贝数.由(7)式可求得 SNR.j 的值,见表 1 中最后一行.此处假定
17、为收语音信号(数据速率为 9.6kbit/s),则 SF4O,GsF 一 16dB,可得为简化 TDSCDMA 系统设备,取 T【)_SCDMA智能天线在基站接收中仅用于 8 天线的分集接收,可给出此部分的等效框图(见图 5).考虑到智能天线的结构,可认为各天线阵元收到的是相关信号,即各天线阵元所收信号的幅度相等,相位有别.此时为了简化电路,可在 8 天线分集电路中使用等增益合并算法,不必使用电路实现较复杂的最大比合并算法(MRC)u.图 5 中的联合接收机(JD)主要用于码间干扰(ISI) 和多重接入干扰 (MAI)的消除 l_5.在 TDSCDMA 系统中安排有信道测试用的训练序列,即中置
18、.在这种情况下,一般不使用 RAKE 接收机 l】.从后面 TI)_SCDMA 的上行容量估算结果中也可以判定没有必要使用 RAKE 接收机.高,中频处理解扩 8 天线分集联合接收机用户收信号丫AL一 11VAL一 221VjA8l_+8 ,8图 5TD-SCDMA 基站接收机等效框图Fig.5EquivalentdiagramofbasestationreceiverinTD-SCDMAsystemTD-SCDMA 标准上行链路发语音信号的速率第 1 期傅海阳,等:分集接收在 TD-SCDMA 智能天线中的应用 ?29?为 12.2kbit/s,标准规定取 SF=8,有 G 一 9dB,8天
19、线分集接收增益 Gd 一 10lg89dB,因此有 8 天线分集电路输出信噪比:SNRT1)=GSF+Gd8 一 GIK39+9 一 K.一 18 一 G1K.(8)此外还取 3 径传播模型,可求得 T【)_SCDMA 系统中的 SNR.,如表 2 所示.表 2 分别列出取同步和准同步地址码扩频时的 2 种计算结果.由同步地址码扩频一栏给出的计算结果可以看出当用户数K=8 时,得到的 SNR.一 6dB 远大于要求的4.5dB,完全可以满码道工作.考虑到 TDSCDMA 标准中允许的同步偏差,可能引入准同步地址码干扰,但满码道工作时也可以得到 4.4dB 的SNR.,亦能达到满码道工作的要求.
20、引入 JD 时,可以补偿同步偏差引入的信噪比下降.从上述讨论中可以看出图 5 中的解扩单元工作信噪比很低,可能会加大解扩电路的实现难度.表 2TD-SCDMA8 天线分集接收对容量的影响Tab.2Impactoncapacity8-antennadiversityreceptionforTD-SCDMAsystem由上面的分析可以看出,智能天线在 TDSCDMA 的基站接收机中只需用作 8 天线阵元分集接收时亦可达到满码道工作的容量要求,可以不使用复杂的上行波束成型电路,以提高设备的性价比.4 结束语TD-SCDMA 系统使用了许多顶级技术,如智能天线,联合接收机等.这些技术在国外 3G 系统中都未使用,将会给 TDSCDMA 系统的理解和应用带来许多困难.本文给出了一种独立小区解扩信噪比求解的方法,该方法物理概念清晰,使用方便,并用此方法证明了 TDSCDMA 基站接收机只需简
