TD-SCDMA系統(tǒng)中一種快速的下行波束形成技術

　　摘　要：利用陣列天線系統(tǒng)接收信號的自相關矩陣的最大特征值所對應的本征向量的信號處理（PSM）思想，提出一種適用于TD-SCDMA系統(tǒng)的快速下行波束形成技術。此方法利用各個用戶的擴頻碼進行目標用戶的數(shù)據(jù)分離，并用迭代的方法代替用戶信號的自相關矩陣的特征分解，降低了計算復雜度。計算機仿真驗證了該方法的有效性。

　　關鍵詞：TD-SCDMA ；智能天線；最大特征值；波束形成;算法

一、引言

　　TD-SCDMA系統(tǒng)是第一個由我國提出的第三代移動通信標準，它采用寬帶碼分多址技術，具有抗干擾、容量大、保密性好以及軟越區(qū)切換等性能。TD-SCDMA系統(tǒng)采用智能天線，在基站端用來形成多波束發(fā)射用戶信號，可以極大地提高目標用戶的信干噪比，使得用戶端接收時干擾極大減少，從而提高系統(tǒng)的性能。

　　TD-SCDMA系統(tǒng)中下行的波束形成技術是利用上行接收信號提取參數(shù)的［1～3］，波束賦形算法一般有固定波束賦形、最強徑波束賦形、特征分解賦形［4］等。其中特征分解賦形需要目標用戶的信號能量足夠高于其它用戶信號能量，才能使得最大特征值所對應的特征向量正確表征目標用戶的來波方向。在CDMA系統(tǒng)中利用用戶的擴頻碼解擴接收信號，以利用擴頻因子帶來的增益，滿足特征分解的這一要求。在TD-SCDMA系統(tǒng)中的，同一時隙的每個用戶所使用的擴頻因子不一樣長，且這些擴頻因子值都偏小，因而不能簡單地解擴來生成相關矩陣，并且得到的擴頻增益不夠高。怎樣有效地利用這變長的擴頻碼先驗信息來形成下行波束，是本文主要解決的問題。

　　本文介紹一種快速的下行波束形成方法PSM，它基于最大信噪比特征原理，有效地利用變長的擴頻碼先驗信息，將變長的擴頻因子歸一化后，生成相關矩陣，并用迭代的方法代替了矩陣分解求取最大特征值所對應的特征向量，大大降低了計算量，而且可以實時地生成陣列天線系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)。��

二、TD-SCDMA系統(tǒng)信號模型

　　多輸入多輸出的CDMA系統(tǒng)中共有K個用戶，且系統(tǒng)對每個用戶均采用線性調制，第k個用戶所發(fā)送的信號可表示為
　　
式中，dn,k表示用戶k發(fā)送的第n個符號數(shù)據(jù)，N為用戶發(fā)送的符號數(shù)，Q為擴頻因子，Tc為碼片（chip）周期，gc(τ)為碼片沖激響應，cq,k為第k個用戶的第q位擴頻碼值。
　　設系統(tǒng)采用天線數(shù)為M的天線陣列（均勻線陣、圓陣或其它陣列形式），則第m個天線上的接收數(shù)據(jù)為
　　
式中,Lk表示第k個用戶信號到達接收端的多徑數(shù)，hm,l,k(τ,t)是第k個用戶的第l徑到達第m個天線的等效信道沖激響應，它包含了空中衰落信道和接收端信道濾波器的影響，含有幅度的瑞利衰落、多徑時延、因移動臺高速移動引起的多譜勒頻移、角度擴展等信息，是時變信道; am,l,k是第k個用戶的第l徑到達第m個天線的導向因子，它主要與陣列間距和信號的波達角有關;n(t)為加性噪聲。

　　則M根天線的接收信號可表示為矩陣形式，即
　　
其中, T為轉置。

　　TD-SCDMA系統(tǒng)中智能天線的下行波束賦形是基于上行鏈路和下行鏈路的無線路徑的對稱性（無限環(huán)境和傳輸條件相同）而獲得的。通過對天線接收的上行用戶信號進行數(shù)據(jù)處理，從而求得下行波束的加權矢量W�璳對基站發(fā)送的已擴頻的數(shù)據(jù)加權，產(chǎn)生對準目標用戶的波束圖。　　 ��

三、擴展的TD-SCDMA系統(tǒng)的擴頻因子

　　根據(jù)TD-SCDMA系統(tǒng)物理層協(xié)議，同一時隙的不同用戶以不同的擴頻碼來區(qū)分。碼樹的每一級都定義了一個擴頻因子為Q�璳的碼。并不是碼樹上所有的碼都可以同時用在一個時隙中，當一個碼已經(jīng)在一個時隙中采用，則其父系上的碼和下級碼樹路徑上的碼就不能在同一時隙中被使用［5］，這意味著一個時隙可使用的碼的數(shù)目是不固定的，而是與每個物理信道的數(shù)據(jù)速率和擴頻因子有關。擴頻因子的最大值為16。

　　波束賦形算法中特征分解賦形需要目標用戶的信號能量足夠高于其它用戶信號能量，才能使得最大特征值所對應的特征向量正確表征目標用戶的來波方向。在CDMA系統(tǒng)中利用用戶的擴頻碼解擴接收信號，以利用擴頻因子帶來的增益，滿足特征分解的這一要求。在TD-SCDMA系統(tǒng)中的，由于擴頻因子是變長的，取值{1,2,4,8,16}，同一時隙的每個用戶所使用的擴頻碼是變長的，且這些擴頻因子值都偏小，因而不能簡單地解擴來生成相關矩陣，并且得到的擴頻增益不夠高，因此要對各用戶的擴頻碼進行預處理。將擴頻碼擴展為16位長,如果Q＝2，則將擴頻碼重復8次；如果Q＝4，則將擴頻碼重復4次，依次類推，如表１所示。



四、PSM方法特征分解賦形原理

　　特征分解賦形是對接收的陣列信號協(xié)方差矩陣進行特征分解，以獲取空間信息［6］。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，為提高系統(tǒng)性能采用了功率控制，使得到達基站的各用戶信號能量相等。特征分解賦形需要目標用戶的信號能量足夠高于其它用戶信號能量，才能使得最大特征值所對應的特征向量正確表征目標用戶的來波方向。在CDMA系統(tǒng)中利用用戶的擴頻碼解擴接收信號，以利用擴頻因子帶來的增益，滿足特征分解的這一要求。

　　將陣列接收數(shù)據(jù)用目標用戶的擴頻碼解擴，解擴后的信號(理論上)只含有目標用戶的符號和解擴后的噪聲，利用正交原理抑制了其它用戶信號(即干擾)。將解擴后的數(shù)據(jù)求協(xié)方差矩陣，特征分解即可求得最大特征向量。

　　利用陣列天線系統(tǒng)接收信號的自相關矩陣的最大特征值所對應的本征向量的信號處理方法（PSM）引入了一種簡化的計算技術來求取權向量，產(chǎn)生良好的波束圖，該波束圖沿期望信號方向上具有最大增益并在干擾信號方向上保持盡可能小的增益電平［7］。��

五、TD-SCDMA系統(tǒng)中的快速下行波束形成算法

　　第m個天線上的接收數(shù)據(jù)x(m）(t)如（1）、（2）式所示，將（1）式兩邊同乘第i個用戶的第l0條徑的擴頻碼，τl0是該徑的時延，并將（2）式帶入，得到目標用戶解擴信號
　　
式中，d是目標用戶解擴后的數(shù)據(jù)，Q是擴頻因子，n′是噪聲，該噪聲包括加性高斯白噪聲、干擾用戶的干擾等效噪聲和目標用戶其他徑的干擾等效噪聲。經(jīng)過解擴后，可以有效地提高目標用戶的符號能量，抑制干擾。
��
　　PSM方法的關鍵是提供了一種計算自相關矩陣最大本征值的近似本征向量的簡單過程，所需的總計算量很小，可以實時地生成陣列天線系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)，大大降低了傳統(tǒng)矩陣分解的計算量。這種構成陣列天線系統(tǒng)波束形成模塊的信號處理裝置，能夠很容易地用常用的數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)。

　　將解擴的數(shù)據(jù)作為算法中天線系統(tǒng)的接收信號，并求取接收信號自相關矩陣的最大本征值所對應的本征向量。實現(xiàn)步驟如圖1所示。��



六、仿真結果

1.仿真參數(shù)

　　算法處理的數(shù)據(jù)生成方式符合TD-SCDMA協(xié)議要求，數(shù)據(jù)長度為一個時隙，采樣率1/chip。以時隙為單位的數(shù)據(jù)經(jīng)過無線信道形成數(shù)據(jù)源，多個用戶的數(shù)據(jù)源、加性白噪聲疊加起來模擬多址干擾和通道噪聲。輸入信號源為 TD-SCDMA系統(tǒng)一個時隙的數(shù)據(jù)，碼片速率1.28 MHz，陣列形式分別為8天線的均勻圓陣，半徑0.5λ。信道模型符合3GPP TS25.105協(xié)議。移動臺速度 120 km/h，用戶來波方向隨機產(chǎn)生，角度擴展為45°。

2. 多徑信道下的仿真結果

　　(1) 變擴頻因子，6用戶情況下的波束圖（滿碼道）
　　圖2所示為6用戶、滿碼道時高斯信道下的波束圖。Eb/N0=0；UEDOA是用戶來波方向，UE
　



　　(2) Case1多徑條件下，變擴頻因子2用戶情況下的波束圖
　　圖3所示為2用戶時Case1多徑條件下的主徑波束圖。Eb/N0=6；主徑UEDOA =［-142.5339 148.8464］；擴頻因子與擴頻碼在碼樹上的位置［2 1; 16 16］。��

��

　　(3) Case3多徑條件下，變擴頻因子2用戶情況下的波束圖
　　圖4所示為2用戶時Case3多徑條件下第一、二徑的波束圖，Eb/N0=10；UEPathAoA =［70.8263 8.8054 ; -170.1884 179.7231］; 擴頻因子與擴頻碼在碼樹上的位置［2 1;16 15］。

　　(4) Case3多徑條件下，等擴頻因子2用戶情況下的波束圖
　　圖5所示為2用戶時Case3多徑條件下第一、二、三徑的波束圖，Eb/N0=6；UEPathAoA =［��160.1011 166.9823 127.9408 ; -77.3607 -61.4344　-117.2109］; 擴頻因子與擴頻碼在碼樹上的位置［16 1;16 14］。��


��

　　從圖2～5可以看出，波束圖中的主瓣基本對準所需信號的來波方向θd，同時很好地抑制了旁瓣，其中對于擴頻因子較小的用戶用快速波束形成技術生成的權值形成的主瓣并沒有因為擴頻因子偏小而受到很大的影響。多徑的環(huán)境下，主瓣仍然可以基本所需信號的來波方向θd，有效抑制旁瓣，但相應的輸入信噪比有所提升。用戶數(shù)相同時，等擴頻因子比變擴頻因子達到相同性能的輸入信噪比低。��

七、結論

　　本文通過根據(jù)TD-SCDMA通信系統(tǒng)時分雙工、上下行物理空間特性在同一時刻完全相同的特點，利用基于PSM方法的快速波束形成算法實現(xiàn)了TD-SCDMA通信系統(tǒng)的下行自適應波束形成。由于這種快速算法不需要直接進行矩陣分解，而是采用迭代的方式獲得相關矩陣最大特征值對應的特征向量，從而降低了計算量，減少了計算復雜度，在一定程度上抑制了噪聲，并實時地生成陣列天線系統(tǒng)地優(yōu)化參數(shù)，因此快速波束形成算法能跟蹤適應高速變化的信道。仿真研究結果表明，基于PSM方法的快速波束形成技術產(chǎn)生的波束圖沿期望信號方向上具有最大增益并在干擾信號方向上保持盡可能小的增益電平，有效抑制了噪聲，增加了系統(tǒng)的可靠性。因此，這種快速波束形成算法在TD-SCDMA通信系統(tǒng)下行波束賦形技術中具有良好的應用前景。��

參考文獻

［1］Kang Shaoli，Qiu Zhengding. Performance of the downlink multi-beam algorithm in TD-SCDMA system［A］. Proceeding of ICSP'02［C］.2002.
［2］Y C Liang，F(xiàn) Chin，K J R liu. Downlink beamforming for DS-CDMA mobile radio with multimedia services［J］.IEEE Trans.on Commun.，2001,49(7):1288~1298.
［3］王安義, 廖桂生.上行信道信息進行CDMA 信號下行波束形成［J］.西安電子科技大學學報，2000，27(6).
［4］吳群英，肖先賜，李世鶴. 時延角度擴散信道中TD-SCDMA系統(tǒng)下行波束技術［J］.信號處理，2002,18(5).
［5］李小文，李貴勇,陳賢亮,等. 第三代移動通信系統(tǒng)、信令及實現(xiàn)［M］.北京：人民郵電出版社，2003.
［6］劉德樹，羅景青，張劍云.空間譜估計及其應用［M］.合肥：中國科學技術大學出版社，1997.
［7］崔勝元，李賢倍. 利用陣列天線系統(tǒng)接收信號的自相關矩陣的最大特征值所對應的本征向量的信號處理方法［M］.北京：專利文獻出版社.


作者：李　萍1，孫曉東1，閻鴻森1，周用芳2

1.西安交通大學, 陜西　西安 710049; 2.中興通訊 西安研究所, 陜西　西安 710065