TD-SCDMA中一种新的空分多址实现算法

第37卷第5期电子科技大学学报VoL 37 No 5Joumal of University of Electronic Science and Technology of ChinaSep.2008TD- SCDMA中一种新的空分多址实现算法胡东伟,陈杰中国科学院微电子研究所北京朝阳区10009)【摘要】利用TD- SCDMA中上下行信道的对称性,提出一种在基站侧进行发送信号处理以实现空分多址的算法,并分析址,该算法无改变终端结构,在基站侧安装8根天线,就可以以适中的计算复杂度取得系统容量的数倍禄莉实现空分多了其计算复杂度,该算法通过对空时二维信号的处理,发迷空时二维信号构成一个矩阵,利用矩阵的零子空间以键词零于空间; TD-SCDMA.;发送信号处理;空分多址;空时信号处理中图分类号TQ050.4文献标识码ANew Spatial Division Multiple access ImplementationTechnique for TD-SCDMAHU Dong-wei and CHEN Jie(Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences Chaoyang Beijing 100029)Abstract By employing the symmetric property of the uplink and downlink channel, a transmit signalprocessing technique is proposed, which can lead to spatial division multiple access(SDMA)for time division-synchronous code division multiple access(TD-SCDMA). With space and time two dimensional signal, a matrix isconstructed, and the null space of the matrix is utilized to realize SDMA. The complexity of this technigue is analyzedwithout any changes in the user equipment, this technique can increase the capacity several times with moderateKey words null space; TD-SCDMA; transmit signal processing; SDMA; space time processingTD-SCDMA是我国提出的具有自主知识产权B1的第三代移动通信系统。由于采用TDD方式,上下B、B行信道对称,基站可以充分利用该特点以实现空分B2d+n多址。传统上的空分多址是在基站侧估计信号达到B角,然后发射时采用波束赋形的方案来实现然而该方案有两个困难:(1)要求终端到基站各天线间式(1)可改写为的信道完全相关,这实际上是不可能的;(2)由于多r(0)=B4(0)+m(0)径的影响,每个终端有多条路径达到基站。基站不r()=B2d(0)+B4(1)+m(1)分辨这些多径,将给基站的到达角估计带来较大误差;基站分辨这些多径,则基站需要的天线数目将(N-1)=B2d(N-2)+B1d(N-1)+m(N-1)是不可以接受的r(N)=B2d(N-1)+n(N)在发送信道已知的情况下,文献3提出了各种式中r为接收数据组成的向量;B1、B2分别为信各样的发送信号处理算法,还考虑了这些算法在道和扩频码卷积得到的矩阵,为已知量;d为待检UTRA TDDI中的应用。但文献]没有考虑计算复杂测的数据;m为噪声。这样,从式(2)第1行可以检测度,所以,它所提出的各种算法基本上是不能实时出d(O),代入第2行又可以检测出d(),如此继续,实现的。就可以检测出整个d。这种办法,可以把一个大矩1研究基础与思路阵问题分解成一小块来计算,有效减小了计算量。文献[4提出 TD-SCDMA的接收信号可描述为:本文试图不改变终端接收机结构,在基站发送收稿日期;2007-09-30,修回日期:2008-0-17作者简介;胡东伟(1980-),男,博士生,主要从事移动通信基带芯片设计方面的研究第5期胡东伟等: TD-SCDMA中一种新的空分多址实现算法端作信号处理,来优化终端接收,实现空分复用,式中()"为 Hermitian转置。有效提高系统容量。本文在文献B]提出的理论框架讨论:(1)由于式(7)中H只表示一个用户的信之下完成,但与文献[3]相比,不同处有:道,只对一个用户最优化。这意味着该时隙内所有(1)发射信号处理以式(2)中的一个小块为基本码道都分配给同一个用户单位,而不是如文献]中以一个时隙为处理单位;(2)式(7的计算复杂度主要集中在矩阵求逆(2)试图保持接收机结构不变,优化接收机性上,对 TD-SCDMA中的一个小块,其大小为16×16,能,而不是简化接收机结构;实时实现是没有问题的。而如果对整个时隙处理,3)在实现空分多址时,本文的系统是一个多输求逆规模将达到848×848,其计算量是不可以接入单输出系统,文献3中是一个多输入多输出系统;受的(4)分析了计算复杂度,找到了一种低复杂度的(3)式(7表示对发送信号作时间上的预均衡。计算零子空间的算法,而文献[3]中所提算法未考虑计算复杂度,基本上是不可能实时实现的。3多发射天线单用户的发射信号处理2单发射天线单用户的发射信号处理考虑基站侧装有M根天线,第m根天线与终端间的信道卷积矩阵记为Hn,相应的发送信号变换由于上下行信道的对称性,假设下行发射前下矩阵为Tm行信道已知。终端接收机结构不变,则式()给出了H=[H1,H2,…,HM]接收机所利用的信号模型。考虑其中第k小块r(k)=B2d(-1)+Bd(k)+n(k)(3)T-[xr,…,可式(3)右端第项表示上一块延迟到本块的干扰,式中()为矩阵转置。将式(8、式⑨)代入式(6),右端第2项B表示本块数据间的相互耦合。要优化仍可得式(刀),应注意两点:接收性能,应该:(1)减小本块延迟到下一块的能量(1)发送端各天线间需要联合处理,不能单独处理;(这相当于式(3)中减小上一块对本块的干扰);(2)减(2)矩阵求逆规模变为16Mx16M,增长很快小本块各数据间的耦合。因此,在基站发送之前,这就限制了天线数目。如采用 Cholesky分解求解矩对发送信号作变换T,这样,发送的第k小块到接收端变为:阵的逆,复杂度为on3·在 TD-SCDMA中要在F(k)=HTCd(k)+方(4)一个时隙(0.675m)内做完,8根天线要求具有大约式中C为扩频码矩阵;H为信道卷积矩阵,其形518Mbs的复数乘法速率,这个计算量虽较大,但式为:是完全可以实现的;(3)此时,式(7)表示对发送信号作定时二维内h4多发射天线多用户的发射信号处理h。1b2依照上述方法,一个时隙内的所有扩频码道都必须分配给同一个用户,一个时隙内不能实现码分多址,这是不利的。下面利用基站的多根发送天线,要达到上述两个目的,使下式最小化:实行空时二维处理。这既弥补了不能实现码分多址E=HT(6的缺点,又使得每个用户都能使用所有码道,极大地提高了系统容量。式中I为单位矩阵,表示使各个扩频码道间互不首先,基站的多根天线至某一用户之间的信道耦合,即B1→C:0为零矩阵,表示使该块延迟到如式(8)组合起来,记该组合的基站至第k个用户之下一块的能量尽量趋近于零,即B2→0。将式(6间的信道为H,对应的发送信号变换矩阵为T)的误差最小化,可以得到:显然,要实现空分多址,传送给第个用户的信号T=(HR-HH到达其他用户时,应该都为零,即电子科技大学学报第37卷H0T=0对增广矩阵[A作初等行变换,可得:H(T()=01-20-1300012-20(15)H(-T()=0(10)即方程Ax=0变为:X4+K)T()0=0式中K表示总的用户个数。式(10)表明,矩阵T)应该属于信道矩阵[H,,…B(1,F(41即…,H()j的零子空间内。传统上,可以通过奇异x]「2x+x-3x值分解求解零子空间37,但其计算量太大,在x252TD-SCDMA的问题规模下实时实现基本是不可能x的。下面将专门研究零子空间的求法。这里,假设[H,H,…,H(H1)j的零子x5」[x5空间为V(),则()=V()A式中vω)使得T位于其他用户信道矩阵的零子x0+x1-2+x32(17空间之中,由此导致第k个用户的信号对其他用户不产生干扰;A)的选择,应使得第k个用户的发送信号到达第k个用户时产生最优的接收性能,即;可见,上述最后等式右边的3个列向量构成矩阵A零子空间的基向量。E=|H“v()A“)(12)由示例可总结出求矩阵的零子空间有以下算法:(1)对矩阵作初等行变换,变为简约阶梯形矩阵最小。于是有形式:(2)将非主元列提出取反;(3)非主元列元素A()=((y H(e Hoy(y'yo)(y0/(1)构成一个单位矩阵,并将单位矩阵的行按照对应非主元列元素的列号插入到第(2)步提出的矩阵当中代入式(1就得到第k个用户的发送变换矩阵T通过该算法,即可求出一个矩阵的零子空间式(13的计算量取决于v的维数。但不管怎与奇异值分解不同,该算法得到的基不一定正交,样,其求逆规模小于16M×16M。因此其实时实现也不一定是单位长度的。是没有问题的。另外,要使v(存在,(的列数结合 TD-SCDMA分析计算量。假设基站侧M根必须大于(K-1)倍的H(的行数。这对 TD-SCDMA天线,所有信道延迟均为w,扩频码的扩频因子为来说,意味着基站天线数必须大于2(K-1)。Q,则[H0,Ho,…,H+-,H+1,…,H的5零子空间的求法规模为(K-1)(Q+w-1)×MQ。忽略式(5)中H的特殊结构,令:矩阵的零子空间就是所有满足方程Ax=0的向(K-1)(Q+w-1)量构成的空间。求矩阵的零子空间就是寻找所有满足方程Ax=0的向量构成空间的基向量。上述初等行变换的计算量为下面以示例来说明矩阵零子空间的求法国。有m2(m-m).在 TD-SCDMA中明,假矩阵:设有8根天线,5个用户,信道延迟8个码片,扩频因(14)子Q为16,在一个时隙内做完上述计算,则所需计2算量约为836Mbs的复数乘法速率。这在实际中是胡东伟等: TD-SCDMA中一种新的空分多址实现算法671可以达到的。件下的性能。由图可见,采用多根发送天线后,接因此,如果限定基站8根天线,一个时隙内可以收性能对不同信道不再敏感通过空分多址支持5个用户,每个用户可以使用所有16个码道,容量提高了5倍。而且,由于对每个用户根天线单用户发送信号处理基站有多根天线跟他通信,其性能也比单根天线时有所提高。考虑进每个用户性能的提高,则系统容量提高了5倍以上。6计算机仿真多天线单用户发送信号处理图1和图2比较了进行发送信号处理和不进行发送信号处理时的性能。基站采用单根天线。所有信道均为准静态信道,延迟4个码片。图1信道的能量1011121314谱为[,-3,6,-9]dB(信道1),图2信道的能量谱为E/dB[00.dB(信道2)由图可见,单天线发送信号处图3多天线单用户发送信号处理(信道)理并不总能提高性能。这是由于不改变接收机结构,10-1接收机信号建模不准确引起的。多天线单用户信道发送信号处理10多天线单用户信道2发送信号处理101l121314E图4多天线单用户发送信号处理(信道2)图1单天线单用户发送信号处理(信道)图5示出了多天线多用户发送信号处理情况下某一用户的接收性能。图6示出了在其他用户存在(多用户)和不存在(单用户)时该用户的接收性能比较。由图5、图6可见,两种情况下性能相差很小。发送信号处多天线发送信号处理达到了良好的空分多址效果。匚单根天线不发送信号处理不发送信号处理E多天线多用户发送信号处理图2单天线单用户发送信号处理(信道2)图3比较了多天线单用户发送信号处理与单根天线单用户无发送信号处理时的性能。信道采用信道1。可见,多天线发送信号处理能显著提高性能。图4比较了多天线发送信号处理在信道1和信道2条图5多天线多用户发送信号处理(信道1)电子科技大学学报第37卷4]胡东伟,陈杰, TD-SCDMA中基于块判决反馈的联合检测算法及其ⅥISI实现门电子与信息学报,200830(5):1180-1184多用户HU Dong-wei, CHEN Jie. 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