空時二維處理技術(shù)

1、2014-11-221空時二維處理技術(shù) l在通信信號處理領(lǐng)域，單獨的空域和時域信號處理技術(shù)在過去20 年已經(jīng)得到廣泛的研究和發(fā)展?？沼蛱幚聿捎锰炀€陣列，側(cè)重于區(qū)別不同用戶信號在空間的不同特征，可以有效減少來自不同方向的非目標用戶在天線陣列上產(chǎn)生的同道干擾。但是在富含多徑的實際信道中，完全消除CCI 需要太多的天線陣元，這在實際系統(tǒng)中是不可能實現(xiàn)的。另一方面，時域處理采用單天線和多個時間處理單元，側(cè)重于減少用戶信號在時域上產(chǎn)生的符號間干擾ISI，但是研究表明，以符號速率采樣，不可能完全消除ISI。應(yīng)用過采樣可以改善性能，但是過分提高采樣速率又會引起噪聲增加。因此，時域處理對ISI 的作用也是有限

2、的。l在蜂窩通信系統(tǒng)中，CCI 和ISI 總是同時存在的，單獨的時域處理或空域處理不可能同時對消這兩種干擾。將空間和時間處理有效結(jié)合，同時利用信號的時間和空間特征可以很好的解決上述問題。這種聯(lián)合的空時信號二維處理技術(shù)不僅可以更好的消除CCI 和ISI，還可以提高陣列增益和分集增益，從而提高網(wǎng)絡(luò)的容量和覆蓋范圍。2l假定接收系統(tǒng)有M 個天線陣元，用方向矩陣A 表示其響應(yīng)。當輻射源頻率和極化方式確定后，天線輸出信號與天線增益成正比。還是考慮遠場平面波的情況，天線陣元m 的瞬時響應(yīng)形式為：l針對波達方向的輻射源，陣列響應(yīng)為（以第一個陣元為相位參考點）l其中 為第m 個陣元指向波達方向的增益（各向同性

3、天線其值為1）； 為參考陣元與第m 個陣元接收來自波達方向的信號之間的傳播時延。 l線性傳播媒體滿足疊加定理，假定空間存在Q 個輻射源（也可以認為是多徑數(shù)），波達方向為i，波達時間為i，路徑衰減為i，接收信道沖激響應(yīng)為：l對于時變信道，公式中所有參數(shù)均為時變的。就基站而言，對于單個用戶來波，Q26，角度擴展515 度；對于移動用戶，Q50 左右，角度擴展可達180度。 4二、 空時接收技術(shù)l空時處理典型的優(yōu)化準則有兩個，一個是空時最小均方誤差準則（MMSE），另一個是最大似然序列估計準則（MLSE）。1.空時準則l基本思想：設(shè)計一個空時濾波器，前面是波束形成器，級聯(lián)一個均衡器，使得輸出與期望信

4、號之間的均方誤差為最小。l在空時結(jié)合信號處理系統(tǒng)中，空時濾波器為一個加權(quán)矩陣5l這意味著天線陣列有m個陣元，每個陣元的時域處理中，引入M 個抽頭的橫向濾波器。將送入每個橫向濾波器抽頭的輸入信號用一個向量算子表示為 ，濾波器向量也用向量算子表示w(k)=vec(W(k)，空時處理后的加權(quán)標量輸出為 l 基于MMSE 準則選擇濾波器加權(quán)值：6( )( ) ( )( ) ( )HHy kkktrkkwxWX 時延的選擇取決于濾波器的性能。上述最小二乘問題有以下優(yōu)化解 其中 ， 。上述優(yōu)化解可以用任意一種自適應(yīng)迭代運算算法求解。 由此可見，空時MMSE 準則綜合了時域一維處理和空域一維處理的優(yōu)點，同時

5、兼顧了同道干擾和碼間干擾減小與噪聲增強之間的矛盾。其本質(zhì)是用空間維消除同道干擾，用時間維或空間維消除碼間干擾。一種基于空時MMSE 準則設(shè)計的空時決策反饋均衡器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示：包括線性前饋濾波器組（即空時處理器）、相加器、碼率采樣器、雙向限幅器以及同步線性反饋濾波器組成。前半部分就是典型的空時濾波器，后半部分實際上是自適應(yīng)均衡算法中Bussgang 算法針對二進制等概數(shù)據(jù)序列定義的決策指示算法。 782.空時MLSE準則 基本思想：在已知接收信號的條件下，估計已經(jīng)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)序列，信道模型用一般形式： 假定噪聲是空域和時域高斯白噪聲，最大似然序列估計問題就是求數(shù)據(jù)矩陣S，使其滿足最大似然準

6、則的解： ，前提是信道矩陣是已知的。應(yīng)用Viterbi 算法可以獲得S的估計值。一種典型的實現(xiàn)形式如圖所示，由空時處理器和最大似然序列估計器級聯(lián)而成。優(yōu)化的目標是使信號功率對同道干擾噪聲功率之比最大，并將合并后的采樣序列中的通道干擾和噪聲份量白化。 9103.空時盲均衡l前面講過的均衡是指對單個天線陣元信號進行均衡處理，所用算法都要求有訓練序列。我們知道，在通信傳輸中，使用訓練序列必然要占用資源，減少信息比特率。本節(jié)要介紹的盲均衡技術(shù)是指不使用訓練序列的均衡算法，而且可以針對有多個陣元組成的天線陣列系統(tǒng)，所以稱為空時盲均衡技術(shù)。l為了保證不同信道濾波器基帶沖激響應(yīng)互不相關(guān)，在設(shè)計陣元空間分布時

7、，等距線陣中陣元間隔為半個波長。 11l在離散時刻n，假定碼間干擾的時間寬度為 ，即碼間干擾的長度為 ，第k個陣元的輸出信號為： 其中 為信源在時刻i發(fā)射的恒模信號，碼間間隔為T。l定義 則有:121( )( ),( )TMnx nxnxminmax( ) (), ()Tns n ns n ns1min1maxminmax()()()()MMhnh nhnhnH( )( )nnxHs13l令空域均衡器的權(quán)向量為：l這個權(quán)向量應(yīng)滿足均衡關(guān)系 ，其中為某個固定時延。這個關(guān)系存在的充要條件為： ，其中1 出現(xiàn)在第個位置處。顯然，為了保證上式有唯一的解，矩陣H必須是滿列秩的，即 ，即陣元的個數(shù)不得小于

8、碼間干擾長度L。 l為了減少陣元數(shù)目，考慮使用空時均衡器。 1,TMwww( )()Hnnw xs0, ,0,1,0, ,0Hw HML14 在每個陣元上除了數(shù)據(jù)的空域處理外，再引入一有限沖激響應(yīng)（FIR）時域濾波器，這樣即得到數(shù)據(jù)的空時二維處理形式。 假定不同陣元上的FIR濾波具有相同的長度p。定義 11( )( ),(1),( ),(1)TMMnx nx npxnxnpxminmaxminmax( ) (), (), (1), (1)Tns n ns n ns n nps n np sl陣元數(shù)為M，陣列接收信號用向量表示為：l其中H是一個 維矩陣。令空時均衡器的權(quán)向量為：l這個權(quán)向量應(yīng)滿足

9、均衡關(guān)系 ，其中為某個固定時延。這個關(guān)系存在的充要條件為： ，其中1 出現(xiàn)在第個位置處。顯然，為了保證上式有唯一的解，矩陣H必須是滿列秩的，即 。l上式表明，通過選擇時域FIR濾波器的長度p，就可以用較少的陣元數(shù)M來抑制長度為L的碼間干擾，從而實現(xiàn)信道均衡。 15l對于實際系統(tǒng)來講，信道沖激響應(yīng)矩陣H是未知的，因此空時均衡器加權(quán)向量應(yīng)該采用迭代遞推方式計算。唯一需要知道的先驗信息只有要求發(fā)射信號具有恒模特性，更新算法為：l由此得到如下結(jié)論：在陣列各個陣元輸出端加長度相同的FIR 濾波器就組成空時均衡器。與時域一維均衡相比，不需要訓練信號，適用于高速通信系統(tǒng)；與空域一維均衡相比，可以用較少的陣元

10、實現(xiàn)干擾長度較長的碼間干擾抑制。盲均衡技術(shù)的主要熱點問題是快速算法研究等。 164.空時RAKE接收信號 空時二維信號處理技術(shù)更多的是用于CDMA 系統(tǒng)。大家知道，CDMA 系統(tǒng)有兩個問題對性能和容量影響最為嚴重，一個是遠近效應(yīng)，目前主要采用功率控制技術(shù)抑制其影響，但是功率控制只適用于平穩(wěn)信道和慢速移動用戶；另一個是多址干擾，采用多用戶檢測可以改善性能。此外，利用指向波束也能減少總的多址干擾功率強度，從而抵消遠近效應(yīng)的影響。自適應(yīng)天線在空域改善系統(tǒng)性能，RAKE 接收通過時域運算改善性能?？諘r二維RAKE 接收技術(shù)是將自適應(yīng)陣列與RAKE 接收技術(shù)綜合在一起，可以同時得到空間分集和時間分集。這

11、里我們以DS-CDMA 通信系統(tǒng)中二維RAKE 接收為例介紹這種技術(shù)的基本知識。 17一、信號模型l假定系統(tǒng)天線陣列有N 個陣元、K個用戶、每個用戶有L條多徑，用戶k發(fā)射的擴頻基帶信號可以表示為：l其中， 為第n 個符號比特值； 為第k個用戶的擴頻碼，假定比特間隔歸一化為1，擴頻碼長 即為擴頻增益。第k個用戶發(fā)射的信號經(jīng)過Lk條多徑傳播到接收陣列，由此得到天線陣列接收信號向量為： 其中k為接收到的各個用戶直視路徑信號幅度； 為第k個用戶的的第l條路徑的相移； 為第k個用戶的的第l條路徑的方向角； 為第k個用戶的的第l條路徑的傳播時延；n(t) 為獨立同分布的高斯白噪聲向量。 18二、單用戶空時

12、二維RAKE接收機 在多用戶CDMA 系統(tǒng)中，為了解調(diào)出用戶j 的第i 個比特信息，所有天線陣元對用戶j 所有路徑的輸出都要通過沖激響應(yīng) 的匹配濾波器，濾波器組輸出為 解調(diào)用戶j的第i個比特信息的判決式為 19l其中，wj 是天線陣列的權(quán)值，對于單用戶檢測而言，對wj 的選擇有三種不同的判決準（1）空時匹配濾波器（STMF）準則，這是一種最簡單的現(xiàn)行混和準則，直接取wj =hj ，即取權(quán)值為信道沖激響應(yīng)矩陣；（2）最小均方誤差（MMSE）準則，選擇權(quán)值向量使得第j 個用戶信號與線性混合輸出的均方誤差為最小，即 （3）最大信干比（MSIR）準則，選擇權(quán)值使得輸出信干比為最大。 20l在上述三種判決準則中，匹配濾波器準則不依賴于接收數(shù)據(jù)，僅僅取決于信道沖激響應(yīng)；而后兩種準則都要依賴于接收數(shù)據(jù)，因此性能會優(yōu)于前者。l通過以上分析，我們可以知道二維RAKE 接收實際上是對空域上每個陣元輸出使用時域RAKE處理。蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)已越來越多的使用空時處理技術(shù)改善系統(tǒng)性能，空時處理不僅能提高系統(tǒng)容量，而且還可以改善蜂窩覆蓋范圍，增強鏈路質(zhì)量。但是由于無線