TDD—CDMA系统中信号传输预处理技术研究

0．引言
    TDD—CDMA系统中由于无线传输环境的复杂性，采用不同扩频码调制的各用户在到达接收端时，其信号的正交性受到破坏，且由于多径时延和其他用户的干扰，造成了符号间干扰(ISI)和多址干扰(MAI)。利用TDD(时分双工)模式上下行信道的互惠性，在基站端采用信号传输预处理技术(Signal Transmit—Processing，本文简称STP)，可以有效地克服干扰，提高系统容量，同时避免在移动台做复杂的信道估计和数据检测。
    联合发送技术(JT)和预瑞克技术(Pre—Rake)统称为信号传输预处理技术。联合发送技术能有效地降低MAI和ISI，提高系统容量，使移动台不再需要做复杂的信道估计和联合检测，大大降低了移动台的计算量，使移动台的微型化、低功耗成为可能。预瑞克技术是利用基站估计的上行信道参数进行的发送端的Rake多径合并，其优越之处是能在TDD模式下把移动台的分集合并电路搬到基站端来实现，在有效克服多径衰落的同时降低了接收端的复杂度和成本。
    文献研究了TDD系统中多用户MISO的信号传输
预处理技术，本文在前者基础上提出了两种信号传输预处理方案，将多用户MISO扩展为多用户MIMO，并且在方案中应用了OFDM技术。通过在TDD系统环境中的仿真验证了多用户信号传输预处理技术的性能。

1．系统模型与数据发送及检测算法
1．1．1基于MIMO一OFDM的信号传输预处理系统模型
    图1所示为基于MIMO一OFDM的TDD—CDMA信号传输预处理(简称MIM0一OFDM STP)系统模型。
    MIM0一OFDM STP方案基站端的信号传输预处理过程分为两步：首先将OFDM调制后信号进行Pre—Rake合并，然后将合并后信号进行联合发送。本方案由于是将信号先Pre—Rake合并后联合发送，所以接收端可以采用多天线进行接收。

1．1．2 MIMO一OFDM STP的数据发送及检测算法
    假定一个基站服务K个移动终端，每个移动终端采用KM元天线阵列，基站采用KB元天线阵列，基站为每个移动终端发送L个数据符号：

将每个移动终端的数据矢量d（k）进行串并变换形成条支路p（k）条支路：对每条支路的数据矢量进行信号映射后产生新的复数据序列为：

  对序列进行离散傅立叶反变换，得到P(k)个OFDM符号

将每个移动终端的离散傅立叶反变换后的序列b(k)(ρ(k))进行并串变换，插入保护间隔形成长度为N的数据矢量b(k)。
    基站第KB个阵元和第K个移动终端μk的第kM个阵元间复信道冲激响应为：

其中W表示信道冲激响应窗长。则Pre—Rake各抽头的系数为：

b(k)与相应的卷积，得到第k个移动终端长度为N的Pre—Rake合并后信号：

此处采用的合并方式为最大比合并(MRC)。
    K个移动终端的Pre—Rake合并信号形成长度为KN的数据矢量x，系统可以描述为：

其中，D为KNxKKM(NQ+W一1)维的解调矩阵；H为KKM(NQ+W一1)xKBNQ维的信道传输矩阵；M是一个KBNQxKN维的预滤波调制矩阵；n是KKM(NQ+W一1)xl维的加性噪声；Q为扩频因子。
    将每个移动终端经过解调矩阵D(k)解调后的数据K(k)去除保护间隔，进行串并变换，形成ρ(K)条支路，设得到的序列为：。对序列进行离散傅立叶变换，得到P(k)个复数的序列：

对信号映射后进行并串变换，最后得到每个移动终端检测后数据dS(k)。
1．2．1 基于MIM0一OFDM的信号传输预处理系统模型
    图2所示为基于MIS0一OFDM的TDD—CDMA信号传输预处理(简称MISO—OFDM STP)系统模型。

MIS0一OFDM STP方案基站端的信号传输预处理过程也分为两步：首先将OFDM调制后信号经过联合发送的调制矩阵后再进行Pre—Rake合并，然后将合并后信号通过多天线发射出去。在此方案中，由于是将信号先进行联合发送处理后Pre—Rake合并，根据Pre—Rake合并原理，信道输出只有一个最强径，接收端只需一个叉指同步接收这径最强的信号就可以了，所以其接收端只能采用一个接收天线接收信号。
1．2．2 MISO一OFDM STP的数据发送及检测算法
    基站第kB个阵元和第k个移动终端μk间的复信道冲激响应为：

根据MIMO—OFDM STP方案所推导的数据发送及检测算法和本方案中接收端的单天线特性，可知信道传输矩阵H’的维数为K(NQ+W-1)xKBNQ；解调矩阵D’的维数为KNxK(NQ+W一1)预滤波调制矩阵M’的维数为——KBNQxKN。
    K个移动终端的数据矢量b(k)(k=1L，K)，形成长度为KN的数据矢量b，b通过调制矩阵M’所形成的信号为：

2．仿真结果与结论
    本文对上述两种方案进行了Monte Carlo仿真。仿真所用的系统参数如下：码片速率1．28Mchip／s，载波频率2GHz，采样频率8000Hz；扩频码为OVSF码，扩频因子Q=16；基站发送天线数为2，MIMO一OFDM STP方案中每用户的接收天线数为2；FFT的长度是64点，载波个数为64；信号映射采用QPSK调制。信道为基于Clarke模型的多径Rayleigh衰落复信道，采用矩阵形式，信道冲激响应有效长度 W=4，信道参数为：速度120km／h，相对时延[0 7811563 2344 3126 3907]ns，平均功率[O-3-6-9-12-15]dB。Pre—Rake合并方式采用MRC，线性传输算法为TxZF。
    图3给出了路径数为4、用户数为16时，两种STP方案与Pre—Rake在不同信噪比情况下的误比特率性能曲线；图4给出了路径数为4、信噪比为22 dB时，两种STP方案与Pre—Rake在不同用户数情况下的误比特率性能曲线。从仿真结果上可以看出，两种STP方案的性能都比Pre—Rake的性能有显著的改善。在每个方案中，应用OFDM的STP性能要比未采用OFDM的STP性能在较高信噪比时有明显的改善。同时也可以看出，接收端采用多天线的MIMO-OFDM STP的性能比接收端只采用单天线的MISO—OFDM STP的性能有所改善，是因为前者比后者有更大的分集增益。

3．结束语
    本文研究了TDD系统中信号传输预处理技术，提出了两种信号传输预处理方案，分别给出了系统模型，并推导了数据发送及检测算法。两种方案均采用多载波，且MIMO—OFDMSTP方案将MISO扩展到MIMO，提高了频谱利用率，增加了系统分集增益。MIMO—OFDM STP方案相比MISO—OFDM STP方案，尽管MIM0性能更好，但接收端采用多天线后，其复杂度和成本比也随之更加，使用时应根据具体情况做出选择。