第37卷第5期電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)VoL 37 No 5Joumal of University of Electronic Science and Technology of ChinaSep.2008TD- SCDMA中一種新的空分多址實(shí)現(xiàn)算法胡東偉,陳杰中國科學(xué)院微電子研究所北京朝陽區(qū)10009)【摘要】利用TD- SCDMA中上下行信道的對稱性,提出一種在基站側(cè)進(jìn)行發(fā)送信號處理以實(shí)現(xiàn)空分多址的算法,并分析址,該算法無改變終端結(jié)構(gòu),在基站側(cè)安裝8根天線,就可以以適中的計(jì)算復(fù)雜度取得系統(tǒng)容量的數(shù)倍祿莉?qū)崿F(xiàn)空分多了其計(jì)算復(fù)雜度,該算法通過對空時二維信號的處理,發(fā)迷空時二維信號構(gòu)成一個矩陣,利用矩陣的零子空間以鍵詞零于空間; TD-SCDMA.;發(fā)送信號處理;空分多址;空時信號處理中圖分類號TQ050.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼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是我國提出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)B1的第三代移動通信系統(tǒng)。由于采用TDD方式,上下B、B行信道對稱,基站可以充分利用該特點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)空分B2d+n多址。傳統(tǒng)上的空分多址是在基站側(cè)估計(jì)信號達(dá)到B角,然后發(fā)射時采用波束賦形的方案來實(shí)現(xiàn)然而該方案有兩個困難:(1)要求終端到基站各天線間式(1)可改寫為的信道完全相關(guān),這實(shí)際上是不可能的;(2)由于多r(0)=B4(0)+m(0)徑的影響,每個終端有多條路徑達(dá)到基站。基站不r()=B2d(0)+B4(1)+m(1)分辨這些多徑,將給基站的到達(dá)角估計(jì)帶來較大誤差;基站分辨這些多徑,則基站需要的天線數(shù)目將(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)在發(fā)送信道已知的情況下,文獻(xiàn)3提出了各種式中r為接收數(shù)據(jù)組成的向量;B1、B2分別為信各樣的發(fā)送信號處理算法,還考慮了這些算法在道和擴(kuò)頻碼卷積得到的矩陣,為已知量;d為待檢UTRA TDDI中的應(yīng)用。但文獻(xiàn)]沒有考慮計(jì)算復(fù)雜測的數(shù)據(jù);m為噪聲。這樣,從式(2)第1行可以檢測度,所以,它所提出的各種算法基本上是不能實(shí)時出d(O),代入第2行又可以檢測出d(),如此繼續(xù),實(shí)現(xiàn)的。就可以檢測出整個d。這種辦法,可以把一個大矩1研究基礎(chǔ)與思路陣問題分解成一小塊來計(jì)算,有效減小了計(jì)算量。文獻(xiàn)[4提出 TD-SCDMA的接收信號可描述為:本文試圖不改變終端接收機(jī)結(jié)構(gòu),在基站發(fā)送收稿日期;2007-09-30,修回日期:2008-0-17作者簡介;胡東偉(1980-),男,博士生,主要從事移動通信基帶芯片設(shè)計(jì)方面的研究第5期胡東偉等: TD-SCDMA中一種新的空分多址實(shí)現(xiàn)算法端作信號處理,來優(yōu)化終端接收,實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用,式中()"為 Hermitian轉(zhuǎn)置。有效提高系統(tǒng)容量。本文在文獻(xiàn)B]提出的理論框架討論:(1)由于式(7)中H只表示一個用戶的信之下完成,但與文獻(xiàn)[3]相比,不同處有:道,只對一個用戶最優(yōu)化。這意味著該時隙內(nèi)所有(1)發(fā)射信號處理以式(2)中的一個小塊為基本碼道都分配給同一個用戶單位,而不是如文獻(xiàn)]中以一個時隙為處理單位;(2)式(7的計(jì)算復(fù)雜度主要集中在矩陣求逆(2)試圖保持接收機(jī)結(jié)構(gòu)不變,優(yōu)化接收機(jī)性上,對 TD-SCDMA中的一個小塊,其大小為16×16,能,而不是簡化接收機(jī)結(jié)構(gòu);實(shí)時實(shí)現(xiàn)是沒有問題的。而如果對整個時隙處理,3)在實(shí)現(xiàn)空分多址時,本文的系統(tǒng)是一個多輸求逆規(guī)模將達(dá)到848×848,其計(jì)算量是不可以接入單輸出系統(tǒng),文獻(xiàn)3中是一個多輸入多輸出系統(tǒng);受的(4)分析了計(jì)算復(fù)雜度,找到了一種低復(fù)雜度的(3)式(7表示對發(fā)送信號作時間上的預(yù)均衡。計(jì)算零子空間的算法,而文獻(xiàn)[3]中所提算法未考慮計(jì)算復(fù)雜度,基本上是不可能實(shí)時實(shí)現(xiàn)的。3多發(fā)射天線單用戶的發(fā)射信號處理2單發(fā)射天線單用戶的發(fā)射信號處理考慮基站側(cè)裝有M根天線,第m根天線與終端間的信道卷積矩陣記為Hn,相應(yīng)的發(fā)送信號變換由于上下行信道的對稱性,假設(shè)下行發(fā)射前下矩陣為Tm行信道已知。終端接收機(jī)結(jié)構(gòu)不變,則式()給出了H=[H1,H2,…,HM]接收機(jī)所利用的信號模型?？紤]其中第k小塊r(k)=B2d(-1)+Bd(k)+n(k)(3)T-[xr,…,可式(3)右端第項(xiàng)表示上一塊延遲到本塊的干擾,式中()為矩陣轉(zhuǎn)置。將式(8、式⑨)代入式(6),右端第2項(xiàng)B表示本塊數(shù)據(jù)間的相互耦合。要優(yōu)化仍可得式(刀),應(yīng)注意兩點(diǎn):接收性能,應(yīng)該:(1)減小本塊延遲到下一塊的能量(1)發(fā)送端各天線間需要聯(lián)合處理,不能單獨(dú)處理;(這相當(dāng)于式(3)中減小上一塊對本塊的干擾);(2)減(2)矩陣求逆規(guī)模變?yōu)?6Mx16M,增長很快小本塊各數(shù)據(jù)間的耦合。因此,在基站發(fā)送之前,這就限制了天線數(shù)目。如采用 Cholesky分解求解矩對發(fā)送信號作變換T,這樣,發(fā)送的第k小塊到接收端變?yōu)?陣的逆,復(fù)雜度為on3·在 TD-SCDMA中要在F(k)=HTCd(k)+方(4)一個時隙(0.675m)內(nèi)做完,8根天線要求具有大約式中C為擴(kuò)頻碼矩陣;H為信道卷積矩陣,其形518Mbs的復(fù)數(shù)乘法速率,這個計(jì)算量雖較大,但式為:是完全可以實(shí)現(xiàn)的;(3)此時,式(7)表示對發(fā)送信號作定時二維內(nèi)h4多發(fā)射天線多用戶的發(fā)射信號處理h。1b2依照上述方法,一個時隙內(nèi)的所有擴(kuò)頻碼道都必須分配給同一個用戶,一個時隙內(nèi)不能實(shí)現(xiàn)碼分多址,這是不利的。下面利用基站的多根發(fā)送天線,要達(dá)到上述兩個目的,使下式最小化:實(shí)行空時二維處理。這既彌補(bǔ)了不能實(shí)現(xiàn)碼分多址E=HT(6的缺點(diǎn),又使得每個用戶都能使用所有碼道,極大地提高了系統(tǒng)容量。式中I為單位矩陣,表示使各個擴(kuò)頻碼道間互不首先,基站的多根天線至某一用戶之間的信道耦合,即B1→C:0為零矩陣,表示使該塊延遲到如式(8)組合起來,記該組合的基站至第k個用戶之下一塊的能量盡量趨近于零,即B2→0。將式(6間的信道為H,對應(yīng)的發(fā)送信號變換矩陣為T)的誤差最小化,可以得到:顯然,要實(shí)現(xiàn)空分多址,傳送給第個用戶的信號T=(HR-HH到達(dá)其他用戶時,應(yīng)該都為零,即電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)第37卷H0T=0對增廣矩陣[A作初等行變換,可得:H(T()=01-20-1300012-20(15)H(-T()=0(10)即方程Ax=0變?yōu)?X4+K)T()0=0式中K表示總的用戶個數(shù)。式(10)表明,矩陣T)應(yīng)該屬于信道矩陣[H,,…B(1,F(41即…,H()j的零子空間內(nèi)。傳統(tǒng)上,可以通過奇異x]「2x+x-3x值分解求解零子空間37,但其計(jì)算量太大,在x252TD-SCDMA的問題規(guī)模下實(shí)時實(shí)現(xiàn)基本是不可能x的。下面將專門研究零子空間的求法。這里,假設(shè)[H,H,…,H(H1)j的零子x5」[x5空間為V(),則()=V()A式中vω)使得T位于其他用戶信道矩陣的零子x0+x1-2+x32(17空間之中,由此導(dǎo)致第k個用戶的信號對其他用戶不產(chǎn)生干擾;A)的選擇,應(yīng)使得第k個用戶的發(fā)送信號到達(dá)第k個用戶時產(chǎn)生最優(yōu)的接收性能,即;可見,上述最后等式右邊的3個列向量構(gòu)成矩陣A零子空間的基向量。E=|H“v()A“)(12)由示例可總結(jié)出求矩陣的零子空間有以下算法:(1)對矩陣作初等行變換,變?yōu)楹喖s階梯形矩陣最小。于是有形式:(2)將非主元列提出取反;(3)非主元列元素A()=((y H(e Hoy(y'yo)(y0/(1)構(gòu)成一個單位矩陣,并將單位矩陣的行按照對應(yīng)非主元列元素的列號插入到第(2)步提出的矩陣當(dāng)中代入式(1就得到第k個用戶的發(fā)送變換矩陣T通過該算法,即可求出一個矩陣的零子空間式(13的計(jì)算量取決于v的維數(shù)。但不管怎與奇異值分解不同,該算法得到的基不一定正交,樣,其求逆規(guī)模小于16M×16M。因此其實(shí)時實(shí)現(xiàn)也不一定是單位長度的。是沒有問題的。另外,要使v(存在,(的列數(shù)結(jié)合 TD-SCDMA分析計(jì)算量。假設(shè)基站側(cè)M根必須大于(K-1)倍的H(的行數(shù)。這對 TD-SCDMA天線,所有信道延遲均為w,擴(kuò)頻碼的擴(kuò)頻因子為來說,意味著基站天線數(shù)必須大于2(K-1)。Q,則[H0,Ho,…,H+-,H+1,…,H的5零子空間的求法規(guī)模為(K-1)(Q+w-1)×MQ。忽略式(5)中H的特殊結(jié)構(gòu),令:矩陣的零子空間就是所有滿足方程Ax=0的向(K-1)(Q+w-1)量構(gòu)成的空間。求矩陣的零子空間就是尋找所有滿足方程Ax=0的向量構(gòu)成空間的基向量。上述初等行變換的計(jì)算量為下面以示例來說明矩陣零子空間的求法國。有m2(m-m).在 TD-SCDMA中明,假矩陣:設(shè)有8根天線,5個用戶,信道延遲8個碼片,擴(kuò)頻因(14)子Q為16,在一個時隙內(nèi)做完上述計(jì)算,則所需計(jì)2算量約為836Mbs的復(fù)數(shù)乘法速率。這在實(shí)際中是胡東偉等: TD-SCDMA中一種新的空分多址實(shí)現(xiàn)算法671可以達(dá)到的。件下的性能。由圖可見,采用多根發(fā)送天線后,接因此,如果限定基站8根天線,一個時隙內(nèi)可以收性能對不同信道不再敏感通過空分多址支持5個用戶,每個用戶可以使用所有16個碼道,容量提高了5倍。而且,由于對每個用戶根天線單用戶發(fā)送信號處理基站有多根天線跟他通信,其性能也比單根天線時有所提高?？紤]進(jìn)每個用戶性能的提高,則系統(tǒng)容量提高了5倍以上。6計(jì)算機(jī)仿真多天線單用戶發(fā)送信號處理圖1和圖2比較了進(jìn)行發(fā)送信號處理和不進(jìn)行發(fā)送信號處理時的性能?；静捎脝胃炀€。所有信道均為準(zhǔn)靜態(tài)信道,延遲4個碼片。圖1信道的能量1011121314譜為[,-3,6,-9]dB(信道1),圖2信道的能量譜為E/dB[00.dB(信道2)由圖可見,單天線發(fā)送信號處圖3多天線單用戶發(fā)送信號處理(信道)理并不總能提高性能。這是由于不改變接收機(jī)結(jié)構(gòu),10-1接收機(jī)信號建模不準(zhǔn)確引起的。多天線單用戶信道發(fā)送信號處理10多天線單用戶信道2發(fā)送信號處理101l121314E圖4多天線單用戶發(fā)送信號處理(信道2)圖1單天線單用戶發(fā)送信號處理(信道)圖5示出了多天線多用戶發(fā)送信號處理情況下某一用戶的接收性能。圖6示出了在其他用戶存在(多用戶)和不存在(單用戶)時該用戶的接收性能比較。由圖5、圖6可見,兩種情況下性能相差很小。發(fā)送信號處多天線發(fā)送信號處理達(dá)到了良好的空分多址效果。匚單根天線不發(fā)送信號處理不發(fā)送信號處理E多天線多用戶發(fā)送信號處理圖2單天線單用戶發(fā)送信號處理(信道2)圖3比較了多天線單用戶發(fā)送信號處理與單根天線單用戶無發(fā)送信號處理時的性能。信道采用信道1?？梢?多天線發(fā)送信號處理能顯著提高性能。圖4比較了多天線發(fā)送信號處理在信道1和信道2條圖5多天線多用戶發(fā)送信號處理(信道1)電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)第37卷4]胡東偉,陳杰, TD-SCDMA中基于塊判決反饋的聯(lián)合檢測算法及其ⅥISI實(shí)現(xiàn)門電子與信息學(xué)報(bào),200830(5):1180-1184多用戶HU Dong-wei, CHEN Jie. 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