陣列天線mc-ds-cdma上行鏈路接收方法及裝置的製作方法
2023-06-07 23:36:16
專利名稱：陣列天線mc-ds-cdma上行鏈路接收方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種陣列天線MC-DS-CDMA上行鏈路接收方法及裝置，屬於MC-DS-CDMA蜂窩移動通信系統陣列天線技術領域。
背景技術：
在第三代(3G)移動通信系統中，CDMA是一種最主要的技術，而多載波調製將是未來廣帶無線傳輸體制的關鍵技術。以多載波技術融合CDMA技術，構成多載波CDMA系統是未來移動通信發展的重要方向之一。多載波技術與CDMA技術相結合的方案主要有多載波CDMA(MC-CDMA)、多載波直接序列擴頻CDMA(MC-DS-CDMA)和多音調製CDMA(MT-CDMA)三種典型的形式[Hara S and Prasad R.An Overview of Multi-carrier CDMA.IEEEComm.Mag.1997；35(12)，pp.126-33.；Hara S and Prasad R.多載波CDMA綜述.IEEE通信雜誌，1997；35(12)，pp.126-33]。其中，MC-DS-CDMA方案具有可以以多載波技術直接融合3G的DS-CDMA技術的優勢，是移動通信系統從3G向超三代(B3G)發展的重要技術，將在未來移動通信體系結構中獲得重要的應用。
與CDMA系統一樣，在MC-DS-CDMA系統基站使用陣列天線將可以顯著地改善系統的容量、頻譜效率、通信質量和覆蓋範圍。
目前，已有的在MC-DS-CDMA基本概念下所提出的陣列天線MC-DS-CDMA系統的基本結構和上行鏈路接收方法與本發明所提出的方法有很大差別，且信號處理複雜。相比於已提出的陣列天線MC-DS-CDMA系統本發明的方法具有信號處理直接、簡單，且充分地利用了陣列天線的空域冗餘信息，顯著地提高了MC-DS-CDMA系統的性能。
發明內容
本發明為解決上述技術問題提出了一種陣列天線MC-DS-CDMA上行鏈路接收方法及裝置，該方法及裝置通過空域合併實現了陣列天線MC-DS-CDMA系統空域分集接收，具有良好的接收性能。
本發明所採用的技術方案是 一種陣列天線MC-DS-CDMA上行鏈路接收方法，包括以下步驟 對陣列天線每一陣元所接收的信號進行子載波信號分離的步驟； 將所分離出的每一陣元的子載波信號進行解擴和匹配濾波處理，實現用戶信號的解擴，獲得用戶子載波信號的匹配濾波輸出的步驟； 將不同陣元上匹配濾波器輸出信號進行空域合併，得到用戶子載波信號的最終判決變量，獲得空域分集增益的步驟； 對所得到經空域合併後的用戶子載波信號的最終判決變量進行判決，得到用戶子載波信號的判決結果的步驟。
一種陣列天線MC-DS-CDMA上行鏈路接收裝置，包括 陣列天線每個陣元後接的完成輸入信號與發射端調製方式對應的子載波相乘運算，實現子載波信號分離的載波信號分離模塊； 將所分離出的每一陣元的子載波信號送入各載波信號分離模塊後接的進行解擴和匹配濾波處理，得到各陣元所對應的用戶子載波比特信號匹配濾波輸出的解擴和匹配濾波模塊； 得到矢量，並通過空域合併權矢量，完成各陣元匹配濾波器輸出信號空域合併，得到用戶子載波信號最終判決變量的空域合併模塊； 將用戶子載波信號的最終判決變量進行極性判決，得到任一用戶子載波信號判決結果的信號判決模塊。
具體的信號處理過程如下首先，將陣列天線每個陣元接收信號送入陣列天線每個陣元後接的載波信號分離模塊，完成輸入信號與發射端調製方式對應的子載波相乘運算，實現子載波信號的分離；其次，將所分離出的每一陣元的子載波信號送入各載波信號分離模塊後接的解擴和匹配濾波模塊，進行解擴和匹配濾波處理，得到各陣元所對應的用戶子載波比特信號的匹配濾波輸出；然後，將各陣元所對應的用戶子載波比特信號匹配濾波輸出並行送入空域合併模塊，得到矢量，並通過空域合併權矢量，完成各陣元匹配濾波器輸出信號空域合併，得到用戶子載波信號最終判決變量；將用戶子載波信號的最終判決變量送入信號判決模塊進行極性判決，得到任一用戶子載波信號的判決結果。
陣列天線每個陣元後接的載波信號分離模塊、解擴和匹配濾波模塊依次串聯連接，之後各陣元所對應的解擴和匹配濾波模塊再並行與空域合併模塊相接，空域合併模塊最後再接信號判決模塊。
本發明的有益效果 由於對所分離出的子載波信號先進行解擴與匹配濾波處理，在很大程度上抑制了多址幹擾，將使接收機的信號處理基於幹擾被抑制的信號進行，這會大大提高接收機的穩定性與性能，使所提出的接收方法具有實用性強的突出優點。
信號的空域合併採用了次優合併權矢量，不需要計算最優空域合併權矢量所必須的幹擾加噪聲相關矩陣的逆，大大降低了權矢量計算的複雜度，且系統性能下降很小。
所提出的空域合併接收方法通過空域合併獲得了空域分集增益，使系統具有良好的接收性能。
圖1為陣列天線MC-DS-CDMA系統上行鏈路任一用戶k的任一子載波l的空域合併接收結構框圖； 圖2是本發明方法分別採用最優和次優合併權矢量及陣列天線陣元數不同時系統誤碼率對用戶數的仿真結果。
具體實施例方式 下面結合附圖對本發明的方法加以詳細說明。
實施例1以下對本發明的方法加以論述 1、子載波信號的分離 考察陣列天線MC-DS-CDMA系統上行鏈路，基站採用陣列天線，移動臺採用單天線。移動臺上行傳輸方案採用典型的單天線MC-DS-CDMA傳輸方案[Hara S and Prasad R.An Overview of Multi-carrier CDMA.IEEE Comm.Mag.1997；35(12)，pp.126-33.；Hara S and Prasad R.多載波CDMA綜述.IEEE通信雜誌，1997；35(12)，pp.126-33]和二相移相鍵控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)調製方式。
假設系統中某個蜂窩小區內有K個移動用戶。對MC-DS-CDMA傳輸方案各子載波攜帶獨立的用戶信息，這樣第k(1≤k≤K)個用戶第l個子載波所發射的信號可以表示為 [公式1] 其中，Pk，l是第k個用戶第l個子載波的信號功率。是第l個子載波的信息比特，bk，l，i是相應取±1的數位訊號，rect(t)是持續時間為Tb的方波脈衝，即比特周期為Tb。是碼片周期為Tc的擴頻序列，g(t)是碼脈衝成型信號，因而擴頻處理增益是G＝Tb/Tc。ωl是第l個子載波的載波頻率，l＝1，2，L，L。對典型的MC-DS-CDMA傳輸方案子載波數目與擴頻處理增益G相等，即有L＝G。
對MC-DS-CDMA傳輸方案各子載波經歷的是頻率非選擇性衰落以保持各子載波間的正交性，即可假設所有的子載波都經歷了獨立的頻率非選擇性衰落，第k個用戶第l個子載波的信道衝擊響應表示如下 [公式2] 其中，ρk，le-jφk，l是零均值的復高斯隨機變量，方差為σk，l2。τk，l ＝(l-1)Tc+Δk，l是用戶k第l個子載波的時延，Δk，l是獨立同分布隨機變量，在
其中，(·)T為轉置運算，e(t)＝[e1，L，eN]T為相應的噪聲矢量。
用戶k第l個子載波的陣列矢量為 ak，l＝[ak，l，1，K，ak，l，N]T[公式5] 對MC-DS-CDMA傳輸方案各子載波攜帶獨立的用戶信息，任一用戶任一子載波信號的檢測過程都是相同的，因此只討論任一用戶任一子載波信號的檢測。不失一般性，假設第1個用戶第l(1≤l≤L)個子載波的信號為期望信號。
將各陣元接收的信號乘以與發射端調製方式對應的子載波cos(ωlt)，就可實現各子載波信號的分離。對BPSK調製方式陣列天線所分離出用戶第l個子載波的信號為 xl(t)＝[xl，1(t)，L，xl，N(t)]T＝r(t)cos(ωlt)[公式6]＝[r1(t)cos(ωlt)，L，rN(t)cos(ωlt)]T 2、解擴和匹配濾波處理 對所分離出的子載波信號進行解擴和匹配濾波處理，實現用戶信號的解擴，獲得用戶子載波信號的匹配濾波輸出。基站陣列天線第n(＝1，L，N)個陣元對第1個用戶第l個子載波信號第i個比特的匹配濾波輸出為 [公式7] 基站所有陣元對第1個用戶第l個子載波信號第i個比特的匹配濾波輸出為 [公式8]
其中，m1，l(i)，n1，l(i)分別代表總的幹擾和噪聲信號。
系統的噪聲和幹擾特性對所提出的空域合併接收方法的性能具有重要的影響。下面對系統噪聲和幹擾進行分析。
1)噪聲 噪聲項可以給出如下 [公式9] 其方差為 [公式10] 2)幹擾 對MC-DS-CDMA傳輸方案由於各子載波間的正交性，因此只存在多址接入幹擾m1，l(i)，可給出如下
其中，τk，l′為第k個用戶第l′個子載波相對於第一個用戶第l個子載波的相對時延；Rg(τ)是碼片波形的部分自相關，定義如下 [公式12] 3、信號的空域合併 下面對幹擾的相關特性做進一步的分析，得出接收信號空域合併的最優和次優合併權重或權矢量。幹擾相關特性包括自相關和互相關特性。
1)自相關 矢量m1，l(i)的元素m1，l，n(i)可以看作是一系列獨立的高斯隨機變量。因此，它們的自相關函數可以近似估計為 [公式13] 其中，(·)*為共軛運算，δ(h)為delta函數。
可得其方差為 [公式14] 假設τk，l′均勻分布在
，g(t)是持續時間為Tc的方波，對公式14在
上求平均，可以得到 [公式15] 2)互相關 m1，l，n(i)和m1，l，n′(i)之間的互相關是在不同陣元n和n′上接收信號的空域相關。它可以由線性陣列的互相關函數推導出來，線性陣列的互相關函數表示如下 [公式16] 其中，(·)H表示共軛轉置，fd是最大多譜勒頻移。Rk，l是表示用戶k第l個子載波陣列矢量ak，l相關性的N×N Hermitian Toeplitz矩陣，其實部和虛部分別可以表示為 [公式17] [公式18] Jq是第一類q階貝塞爾函數， rk，l(n′，n)＝2πd·|n′-n|/λk，l[公式19] 3)總的幹擾加噪聲相關矩陣 定義幹擾相關矩陣M(h)為 [公式20] 矩陣M可以由公式15推導出來， [公式21] 如果進一步假設各用戶各子載波具有相同的信號功率和經歷相同的信道衰落，即有Pk，l＝Pl，各用戶子載波信號到達角的分布函數f(θ)在
之內是均勻分布的，公式21可以進一步表示為 [公式22] R(θ)是公式17和公式18中的矩陣，矩陣M的第n′行第n列的元素為 [公式23] 因此，總的幹擾加噪聲相關矩陣為 [公式24] 式中，I為單位矩陣。
RT決定著下式的空域最優合併權矢量，即第1個用戶第l個子載波的空域最優合併權矢量為 [公式25] 其中，a1，l*是第1個用戶第l個子載波陣列響應矢量的復共軛，α為一常量，可取為1。
當RT接近於單位矩陣時，幹擾加噪聲的和可以被認為是空時白噪聲，即有 [公式26] 其中，σI2定義於公式15，σN2是表示於公式10的噪聲方差。這樣，可以得到次優空域合併權矢量為 [公式27] 本發明只使用簡化了的次優空域合併權矢量，與最優合併相比，系統性能下降不大，但由於次優空域合併矢量只需要知道用戶子載波陣列矢量的知識，而不需要計算最優空域合併權矢量所必須的幹擾加噪聲相關矩陣的逆，大大降低了權矢量計算的複雜度。
第1個用戶第l個子載波的信號經過空域合併後第i個比特的輸出即最終判決變量為 [公式28] 其中，η1，l(i)為空域合併後幹擾和噪聲項的和。
5、信號的判決 對所得到的最終判決變量本發明利用簡單的極性判決方法進行判決，得到用戶子載波信號的判決結果。對BPSK調製方式，即為 [公式29] 實施例2 本發明的方法適用於任何採用MC-DS-CDMA傳輸方案的陣列天線移動通信系統。
參照圖1的任一用戶k任一子載波l陣列天線MC-DS-CDMA系統上行鏈路空域合併接收結構框圖，一種陣列天線MC-DS-CDMA系統上行鏈路接收方法的具體步驟包括 步驟1，將陣列天線第1陣元所接收的信號r1(t)，…，第N陣元所接收的信號rN(t)分別送入第1，…，N個陣元所對應的載波信號分離模塊(1-1)，…，(1-N)中，N個載波分離模塊完成輸入信號與發射端調製方式對應的子載波cos(ωlt)相乘的運算，實現子載波信號的分離，對應第1，…，N個陣元所分離出用戶第l個子載波的信號分別為xl，1(t)＝r1(t)cos(ωlt)，…，xl，N(t)＝rN(t)cos(ωlt)； 步驟2，將信號xl，1(t)送入載波信號分離模塊(1-1)後接的解擴和匹配濾波模塊(2-1)進行解擴和匹配濾波處理，得到對應第1陣元的用戶k任一子載波l第i比特信號的匹配濾波輸出 ，…， 同時，將信號xl，N送入載波信號分離模塊(1-N)後接的解擴和匹配濾波模塊(2-N)進行解擴和匹配濾波處理，得到對應第N陣元的用戶k任一子載波l第i比特信號的匹配濾波輸出 步驟3，將解擴和匹配濾波模塊(2-1)，…，(2-N)所輸出的信號yk，l，1(i)，…，yk，l，N(i)送入空域合併模塊(3)，得到矢量yk，l(i)＝[yk，l，1(i)，L，yk，l，N(i)]T，通過空域合併權矢量wk，l＝[wk，l，1(i)，K，wk，l，N(i)]，完成用戶k第l個子載波信號的空域合併，得到用戶k第l個子載波信號的最終判決變量 步驟4，將用戶k第l個子載波信號的最終判決變量Zk，l送入信號判決模塊(4)進行極性判決，得到任一用戶k任一子載波l信號的判決結果。
圖2給出了採用本發明提出的一種陣列天線MC-DS-CDMA系統上行鏈路接收方法分別採用最優和次優合併權矢量及陣列天線陣元數不同時系統誤碼率對用戶數的仿真結果。在仿真過程中所採用的均勻線性陣的陣元間距為λ/2，用戶各子載波的信號功率相同，歸一化信噪比為Eb/N0＝10dB，子載波數和擴頻處理增益為64，所有用戶子載波信號的到達角相互獨立，且在
之間均勻分布。
從圖2可以看出採用最優和次優合併權矢量時系統的誤碼率性能十分接近，表明採用次優合併權矢量對系統的性能影響很小，但由於次優空域合併權矢量只需要知道用戶子載波陣列矢量的知識，而不需要計算最優空域合併權矢量所必須的幹擾加噪聲相關矩陣的逆，大大降低了權矢量計算的複雜度。同時，在採用多陣元的陣列天線之後，系統的性能比採用單天線的MC-DS-CDMA系統有了很大的提高，且陣元數越多系統性能提高得就越顯著，表明本發明方法的作用十分顯著。
權利要求
1.一種陣列天線MC-DS-CDMA上行鏈路接收方法，其特徵在於包括以下步驟
對陣列天線每一陣元所接收的信號進行子載波信號分離的步驟；
將所分離出的每一陣元的子載波信號進行解擴和匹配濾波處理，實現用戶信號的解擴，獲得用戶子載波信號的匹配濾波輸出的步驟；
將不同陣元上匹配濾波器輸出信號進行空域合併，得到用戶子載波信號的最終判決變量，獲得空域分集增益的步驟；
對所得到經空域合併後的用戶子載波信號的最終判決變量進行判決，得到用戶子載波信號的判決結果的步驟。
2.根據權利要求1所述一種陣列天線MC-DS-CDMA上行鏈路接收方法，其特徵在於對任一用戶k的任一子載波l，包括以下接收步驟
步驟1，將陣列天線第1陣元所接收的信號r1(t)，…，第N陣元所接收的信號rN(t)分別送入第1，…，N個陣元所對應的載波信號分離模塊(1-1)，…，(1-N)中，N個載波分離模塊完成輸入信號與發射端調製方式對應的子載波cos(ωlt)相乘的運算，實現子載波信號的分離，對應第1，…，N個陣元所分離出用戶第l個子載波的信號分別為xl，1(t)＝r1(t)cos(ωlt)，…，xl，N(t)＝rN(t)cos(ωlt)；
步驟2，將信號xl，1(t)送入載波信號分離模塊(1-1)後接的解擴和匹配濾波模塊(2-1)進行解擴和匹配濾波處理，得到對應第1陣元的用戶k任一子載波l第i比特信號的匹配濾波輸出
，…，
同時，將信號xl，N送入載波信號分離模塊(1-N)後接的解擴和匹配濾波模塊(2-N)進行解擴和匹配濾波處理，得到對應第N陣元的用戶k任一子載波l第i比特信號的匹配濾波輸出
步驟3，將解擴和匹配濾波模塊(2-1)，…，(2-N)所輸出的信號yk，l，1(i)，…，yk，l，N(i)送入空域合併模塊(3)，得到矢量yk，l(i)＝[yk，l，1(i)，L，yk，l，N(i)]T，通過空域合併權矢量wk，l＝[wk，l，1(i)，K，wk，l，N(i)]，完成用戶k第l個子載波信號的空域合併，得到用戶k第l個子載波信號的最終判決變量
步驟4，將用戶k第l個子載波信號的最終判決變量zk，l送入信號判決模塊(4)進行極性判決，得到任一用戶k任一子載波l信號的判決結果；
在上面步驟中的ωl是用戶第l個子載波的角頻率，τk，l是用戶k第l個子載波的時延，Tb為比特周期，ck是用戶k的擴頻序列。
3.根據權利要求2所述一種陣列天線MC-DS-CDMA上行鏈路接收方法，其特徵在於步驟3中的空域合併是基於次優合併權矢量進行的，用戶k第l個子載波信號空域合併的權矢量為
其中，ak，l*是用戶k第l個子載波陣列響應矢量的復共軛，α為一常量，取為1。
4.一種陣列天線MC-DS-CDMA上行鏈路接收裝置，其特徵在於包括
陣列天線每個陣元後接的完成輸入信號與發射端調製方式對應的子載波相乘運算，實現子載波信號分離的載波信號分離模塊；
將所分離出的每一陣元的子載波信號送入各載波信號分離模塊後接的進行解擴和匹配濾波處理，得到各陣元所對應的用戶子載波比特信號匹配濾波輸出的解擴和匹配濾波模塊；
得到矢量，並通過空域合併權矢量，完成各陣元匹配濾波器輸出信號空域合併，得到用戶子載波信號最終判決變量的空域合併模塊；
將用戶子載波信號的最終判決變量進行極性判決，得到任一用戶子載波信號判決結果的信號判決模塊；
首先，將陣列天線每個陣元接收信號送入陣列天線每個陣元後接的載波信號分離模塊，完成輸入信號與發射端調製方式對應的子載波相乘運算，實現子載波信號的分離；其次，將所分離出的每一陣元的子載波信號送入各載波信號分離模塊後接的解擴和匹配濾波模塊，進行解擴和匹配濾波處理，得到各陣元所對應的用戶子載波比特信號的匹配濾波輸出；然後，將各陣元所對應的用戶子載波比特信號匹配濾波輸出並行送入空域合併模塊，得到矢量，並通過空域合併權矢量，完成各陣元匹配濾波器輸出信號空域合併，得到用戶子載波信號最終判決變量；將用戶子載波信號的最終判決變量送入信號判決模塊進行極性判決，得到任一用戶子載波信號的判決結果。
5.根據權利要求4所述一種陣列天線MC-DS-CDMA上行鏈路接收裝置，其特徵在於，陣列天線每個陣元後接的載波信號分離模塊、解擴和匹配濾波模塊依次串聯連接，之後各陣元所對應的解擴和匹配濾波模塊再並行與空域合併模塊相接，空域合併模塊最後再接信號判決模塊。
全文摘要
一種陣列天線MC-DS-CDMA系統上行鏈路接收方法包括以下步驟步驟1，將陣列天線各陣元所接收的信號分別送入載波信號分離模塊中，與發射端調製方式對應的子載波相乘，實現子載波信號的分離，得到輸出信號；步驟2，將所分離出的每一陣元的子載波信號進行解擴和匹配濾波處理，實現用戶信號的解擴，獲得用戶子載波信號的匹配濾波輸出；步驟3，將不同陣元上匹配濾波器輸出信號進行空域合併，得到用戶子載波信號的最終判決變量，獲得空域分集增益；步驟4，對所得到經空域合併後的用戶子載波信號的最終判決變量進行判決，得到用戶子載波信號的判決結果。上述方法顯著提高了MC-DS-CDMA系統的性能。
文檔編號H04J13/04GK101106412SQ20071011937
公開日2008年1月16日 申請日期2007年7月23日 優先權日2007年7月23日
發明者維 楊, 陳俊仕 申請人:北京交通大學