Diseño del transmisor del sistema de comunicación WCDMA
Palabras clave Procesamiento espacio-temporal WCDMA, formación de haces, diversidad
La tecnología de procesamiento espacio-temporal puede mejorar de manera muy efectiva las características del sistema al procesar conjuntamente señales en el espacio y el tiempo. Con el apoyo del estándar de interfaz aérea del sistema de comunicaciones móviles de tercera generación y el desarrollo de software de radio, la tecnología de procesamiento espacio-temporal se integrará en el módem adaptativo para optimizar el diseño del sistema. Utilizando el método de procesamiento espacio-temporal, el transmisor o receptor del sistema utiliza múltiples antenas para procesar simultáneamente la señal en el espacio y el tiempo, lo que puede lograr un efecto que una sola antena no puede lograr usando un solo método de procesamiento temporal: puede aumentar el umbral de calidad de una tasa de error de bits dada; el número de usuarios bajo la cantidad dada de usuarios; mejorar las características de la tasa de error de bits bajo la cantidad dada de usuarios en la celda, utilizando más eficazmente la potencia de transmisión de la señal, etc.
1 Método de procesamiento espacio-temporal
Dado que las estaciones móviles generalmente no son adecuadas para usar múltiples antenas para la recepción, el uso de múltiples antenas para la diversidad de transmisión en la estación base puede hacer que el efecto de recepción de La estación móvil es lo mismo que usar múltiples antenas receptoras. La estación móvil es equivalente, por lo que este artículo se centra en la tecnología de procesamiento espacio-temporal de la estación base.
2 Tecnología Beamforming
¿Beamforming? La formación de haces se puede dividir en tecnologías de formación de haces adaptativa, de formación de haces fijos y de formación de haces conmutados. Haz fijo significa que el patrón de antena es fijo. La división de tres sectores de 120° en IS-95 es el haz fijo. El haz de conmutación es una extensión del haz fijo. Cada sector de 120° se subdivide en varias particiones pequeñas. Cada partición tiene un haz fijo. Cuando el usuario se mueve dentro del sector, el mecanismo del haz de conmutación puede cambiar automáticamente el haz para contener la zona. con la señal más fuerte, pero el talón de Aquiles del mecanismo de haz conmutado es la incapacidad de distinguir entre señales ideales y perturbadoras. El formador de haz adaptativo puede optimizar el patrón de acuerdo con las diferentes rutas de las señales del usuario que se propagan en el espacio, proporcionar diferentes ganancias de antena en diferentes direcciones de llegada y formar haces estrechos alineados con las señales del usuario en tiempo real, minimizando al mismo tiempo los lóbulos laterales en otras direcciones. Recepción direccional para aumentar la capacidad del sistema. Debido a la movilidad de la estación móvil y al entorno de dispersión, la dirección de llegada de la señal recibida por la estación base varía en el tiempo. Con un formador de haz adaptativo, puede separar y rastrear señales que son similares en frecuencia pero espacialmente separables, y ajustar los pesos del conjunto de antenas para que el haz del conjunto de antenas apunte en la dirección de la señal deseada.
La tecnología clave de la formación de haces adaptativa es ¿cómo obtener los parámetros del canal con mayor precisión? Para el enlace ascendente, las técnicas de formación de haces se pueden dividir en las siguientes tres categorías según la información utilizada para formar el haz.
1 Beamforming basado en estructura espacial
Beamforming basado en estructura espacial, como el beamforming basado en la dirección de llegada (DOB) de la señal de entrada, incluye tres categorías: acceso múltiple La supresión de interferencias depende de la dirección de llegada (DOA) de la señal, por lo que una parte importante de la DOB es la estimación de DOA de la señal. Los métodos de estimación de DOA incluyen transformaciones de carga útil discretas, estimadores MVDR (respuesta libre de distorsión de varianza mínima), predicción lineal, método de envolvente máxima (MEM), filtros ML y métodos de estructura de características variables, incluido MU SIC (clasificación de señales múltiples) y el método ESPRIT. (estimación de parámetros de señal mediante técnica de invariancia de rotación).
2 BF basado en secuencia de entrenamiento
BF basado en secuencia de entrenamiento, es decir, referencia de tiempo BF (TRB), es adecuado para entornos donde las características de canales y rutas múltiples cambian continuamente según el algoritmo. , se puede dividir en Hay dos categorías: algoritmo adaptativo de bloque (BAA) y algoritmo adaptativo de muestreo (SAA). Los algoritmos BAA incluyen el método de filtro propio (EF), el método de Stanford, el método de combinación de relación máxima (MRC), la primera solución de filtro Wiener (FWFS) y la segunda solución de filtro Wiener (SWFS).
Los algoritmos SAA incluyen el algoritmo de mínimos cuadrados medios (LMS), el algoritmo de mínimos cuadrados normalizados (NLMS), el algoritmo de mínimos cuadrados recursivo (RLS) y el método de gradiente conjugado (CGM). La tecnología TRB requiere una sincronización precisa y puede lograr un mejor rendimiento cuando el retardo es menor.
3 BF basado en estructura de señal (SSBF)
BF basado en estructura de señal (SSBF) utiliza la estructura temporal o espacial y las características de la señal recibida para construir BF, que puede ser se utiliza para almacenar conocimiento constante de las propiedades del modo constante (CM) de las señales moduladas en envolvente, la suavidad periódica de las señales o las propiedades de letras finitas de las señales moduladas digitalmente. Este método BF se puede utilizar para diferentes condiciones de propagación, pero es necesario considerar cuestiones de convergencia y captura.
Para el enlace descendente, diferentes métodos de multiplexación tienen diferentes soluciones: Método TDD Dado que el enlace ascendente y el enlace descendente utilizan la misma frecuencia, se puede estimar directamente utilizando los parámetros del canal del enlace ascendente y garantizar que los parámetros del canal apenas lo hagan. cambio en las tramas de datos de enlace ascendente y descendente adyacentes, pero esto solo es aplicable al método FDD de movimiento lento, debido a las diferencias entre el enlace ascendente y el enlace descendente. El intervalo de frecuencia es generalmente mayor que el ancho de banda de correlación, por lo que los canales instantáneos de enlace ascendente y descendente son casi irrelevante. En este caso, utilizar el canal de retroalimentación es el mejor método.
Es importante destacar que la formación de haz del transmisor y la formación del haz del receptor son completamente diferentes. La formación de haces del receptor se puede implementar de forma independiente en cada receptor sin afectar a otros enlaces, mientras que la formación de haces del transmisor cambia la interferencia a todos los demás receptores, por lo que la formación de haces del transmisor debe usarse junto con toda la red.
3. Diversidad de recepción
Dado que los sistemas CDMA suelen tener una gran cantidad de componentes de interferencia de acceso múltiple, el conjunto de antenas puede eliminar la interferencia M-1 (M es el número de antenas). Mejora significativamente la SINR del receptor, por lo que, en general, un mejor enfoque es utilizar la diversidad de recepción para estimar la forma de la señal recibida y determinar los coeficientes de ponderación del filtro adaptado. La antena de diversidad en la tecnología de diversidad de recepción es en realidad una combinación de diversidad en el dominio espacial, no BF. Para señales CDMA de banda ancha, el ancho de banda de la señal es generalmente mayor que el ancho de banda de coherencia del canal, por lo que se usa un receptor RAKE en el dominio del tiempo para combinar las señales en espacio/tiempo usando varios criterios de combinación, que es el llamado receptor 2D-RAKE. . Los métodos de fusión generales incluyen: Combinación selectiva (SC), que selecciona la ruta múltiple con la mayor potencia de señal. Combinación de relación máxima (MRC), lo que significa que cada ruta tiene un peso, y el peso del peso se basa en la relación señal-a-. Distribución de la relación de ruido de cada rama (SNR), la rama con una relación señal-ruido grande tiene un peso grande y la rama con una relación señal-ruido pequeña tiene un peso pequeño. Cuando la interferencia en cada ruta múltiple separada no está correlacionada, el método MRC puede maximizar la SINR de la señal combinada; la combinación de ganancia igual (EGC) puede seleccionar valores de peso iguales para cada ruta, el filtrado Wiener (OPT) puede suprimir la interferencia y maximizar la SINR; en la salida del combinador, independientemente de la correlación de interferencia entre rutas múltiples, por lo tanto, el filtrado de Wiener es mejor que el método de combinación de relación máxima (MRC), también conocido como combinación optimizada (OC);
El método de filtrado de Wiener también se denomina fusión optimizada.
El uso de diferentes criterios de fusión en el espacio y el tiempo tendrá diferentes efectos en la mejora del sistema. La teoría demuestra que bajo control de potencia ideal y condiciones ideales de estimación de canal, el método de fusión optimizado en el dominio conjunto de espacio y tiempo tiene el mejor efecto para mejorar el rendimiento del sistema.
4 Tecnología de diversidad de transmisión
Cuando el transmisor no puede obtener los parámetros del canal, la diversidad de transmisión espacio-temporal puede mejorar el rendimiento del enlace directo. Este mecanismo puede convertir la diversidad espacial de la antena de transmisión. en otras formas de diversidad disponibles para el receptor, tales como diversidad de transmisión retardada y técnicas de codificación espacio-temporal. La tecnología de codificación espacio-temporal diseña símbolos tanto del dominio espacial como del dominio del tiempo. Su principio básico es enviar simultáneamente vectores generados por flujos de bits de información en múltiples antenas y utiliza la ortogonalidad de la secuencia de transmisión de la antena transmisora para usar dos. La ganancia de diversidad obtenida usando una antena transmisora, una antena receptora y una antena transmisora y dos antenas receptoras es la misma que la obtenida usando un receptor MRC con una antena transmisora y dos antenas receptoras.
Según se requiera un circuito de retroalimentación desde el receptor al transmisor, la tecnología de diversidad de transmisión se puede dividir en dos tipos: de bucle abierto y de bucle cerrado, en las que el transmisor no requiere ningún conocimiento del canal. . Los métodos de diversidad de transmisión de bucle abierto incluyen diversidad de transmisión espacio-temporal (STTD), diversidad de transmisión ortogonal (OTD), diversidad de transmisión conmutada en el tiempo (TSTD), diversidad de transmisión retardada (DTD), procesamiento espacio-temporal jerárquico y codificación de trama espacio-temporal. Los métodos de diversidad de transmisión de bucle cerrado incluyen diversidad de transmisión selectiva (STD). La diversidad de transmisión para cada método se detalla a continuación.
1 Diversidad de Transmisión Ortogonal (OTD)
Los datos codificados y entrelazados se dividen en dos subflujos diferentes y se envían simultáneamente en dos antenas diferentes. Para garantizar la ortogonalidad, las dos subcorrientes utilizan códigos Walsh diferentes.
2 Diversidad de transmisión conmutada por tiempo (TSTD)
Cada usuario utiliza solo una antena en un momento dado y utiliza un mecanismo de código pseudoaleatorio para cambiar entre las dos antenas.
3 Seleccione diversidad de transmisión (STD)
Dado que en el método TSTD, la antena de transmisión utilizada instantáneamente puede no maximizar la relación señal-ruido en el extremo receptor, se debe utilizar un circuito de retroalimentación. se utiliza para seleccionar antenas que proporcionan una relación señal-ruido para maximizar la relación señal-ruido en el extremo receptor.
4 Diversidad de transmisión espacio-temporal (STTD)
5 Diversidad de transmisión retardada (DTD)
Utilizando múltiples antenas para transmitir múltiples señales de los mismos datos originales La señal se copia en diferentes momentos, produciendo artificialmente múltiples trayectos.
Arquitectura de espacio-tiempo en capas de 6 campanas (BLAST)
Primero, los bits de información originales se descomponen en n flujos de datos paralelos (llamados capas), respectivamente, y se colocan en diferentes codificadores. , luego module la salida del codificador y luego envíela a través de diferentes antenas usando el mismo código Walsh. El receptor utiliza BF (retorno forzado a cero o criterio MMSE) para separar diferentes flujos de datos codificados, luego envía estos flujos de datos a diferentes decodificadores y luego recombina las salidas del decodificador para formar el flujo de bits de información original. Dado que tanto el método MMSE como el de puesta a cero forzada no pueden aprovechar plenamente el potencial de diversidad del conjunto de antenas receptoras en el proceso de formación del haz, se propone una mejora para jerarquizar también el proceso de recepción. Es decir, la señal más fuerte se decodifica primero usando el algoritmo Viterbi MLSE, luego se detecta la segunda señal más fuerte después de eliminar esta señal fuerte de la señal de la antena receptora, y así sucesivamente hasta que se detecta la señal más débil.
Como se muestra en la Figura 3, en este mecanismo, la relación de mapeo de la capa a la antena no es fija, sino que cambia periódicamente cada np símbolos de codificación. Esta relación de mapeo garantiza que estos flujos de datos se envíen a diferentes antenas en la mayor medida posible.
7 Codificación de rejilla espacio-temporal
La palabra clave se diseña de acuerdo con el criterio de rango y el criterio determinante, de modo que la palabra clave diseñada pueda obtener la máxima ganancia de diversidad y ganancia de codificación. Tomando como ejemplo la codificación de cuadrícula espacio-temporal de cuatro estados con codificación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK), suponiendo que se utilizan dos antenas para la transmisión, el diagrama de constelación y la forma de la cuadrícula se muestran en la Figura 4.
El elemento número más a la derecha S1S2 significa: el carácter transmitido desde la primera antena es S1 y el carácter transmitido desde la segunda antena es S2.
5 Conclusión
La tecnología de procesamiento en diferido ha mostrado perspectivas de desarrollo muy atractivas. El estándar de comunicaciones móviles de tercera generación también admite la tecnología de procesamiento en diferido, lo que proporciona una base para una investigación continua. en dispositivos físicamente viables La tecnología de procesamiento en diferido implementada ofrece una buena oportunidad. La introducción del estándar nos permite continuar estudiando la tecnología de procesamiento de tiempo en el aire que se puede realizar físicamente. Sin embargo, para que esta tecnología sea práctica, todavía hay muchas cuestiones metodológicas y técnicas que deben resolverse con urgencia y que requieren más atención. investigación.