FDD-CDMA下行鏈路的波束形成

本文研究了智能天線在FDD-CDMA中的下行鏈路的應(yīng)用，利用上行鏈路接收數(shù)據(jù)，估計(jì)了下行鏈路的信道相關(guān)矩陣和對(duì)其它小區(qū)用戶的相對(duì)干擾總量，給出下行鏈路的波束形成方法，即在保證一定的有效發(fā)送功率的同時(shí)，使得對(duì)其他小區(qū)的用戶干擾最小.計(jì)算機(jī)仿真表明：在多小區(qū)蜂窩CDMA環(huán)境中，采用上述方法比僅保證用戶方向的最大發(fā)送功率，有更小的中斷率.

關(guān)鍵詞:FDD-CDMA;下行鏈路波束形成;信道相關(guān)矩陣;最小相對(duì)干擾

Downlink Beamforming for FDD-CDMA

LI Guo-tong,QIU Pei-liang,XU Lu-zhou

(Dept.of Information and Electronic Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

Abstract:This paper studies the application of smart antennas to the downlink in the FDD-CDMA.We estimate the downlink channel covariance matrix and the relative interference to users of the other cells by using the uplink data.,and present a method for downlink beamforming,i.e.,we obtain the minimum relative interference to other users while the constant transmitting power is guaranteed.The computer simulations show that this method has lower outage probability than the method of only assuring maximum array gain in direction of the user.

Key words:FDD-CDMA;downlink beamforming;channel covariance matrix;minimum relative interference

一、引　　言

智能天線或自適應(yīng)陣列已得到廣泛研究，并開(kāi)始應(yīng)用于移動(dòng)通信.目前，由于體積和復(fù)雜度等因素，智能天線概念只適應(yīng)于基站.已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了智能天線在上行信道的一些算法及容量分析，而對(duì)下行信道的波束形成的研究很少.基站在發(fā)送前是不能觀察到下行鏈路的信道特征.在FDD雙工方式，上、下行載波的頻率差大于相干頻帶，上、下行信道是不相關(guān)的.因此，不能用上行信道直接估計(jì)下行信道，故將智能天線應(yīng)用于下行鏈路是一個(gè)難點(diǎn).近來(lái)，已提出了幾種方法，如波束功換系統(tǒng)法，角度估計(jì)法[1]，子空間影射法[4，5]和移動(dòng)臺(tái)反饋法[2]等.但這些文獻(xiàn)都是針對(duì)TDMA系統(tǒng)的，在CDMA系統(tǒng)中，同頻干擾數(shù)遠(yuǎn)大于一般天線陣列的自由度，因此，幾乎沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道CDMA中的下行鏈路的波束形成.只有文獻(xiàn)[6]在假設(shè)已知下行信道特征的條件下，研究了CDMA系統(tǒng)的下行鏈路的性能，該方法僅僅保證移動(dòng)臺(tái)有最大接收功率，而忽略了對(duì)其他移動(dòng)臺(tái)的干擾.本文利用上行鏈路的接收數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)下行鏈路的信道相關(guān)矩陣，進(jìn)一步估計(jì)出相對(duì)干擾總量.在保證一定的有效發(fā)送功率下，使得對(duì)其他用戶的干擾總和(相對(duì)于其他用戶的接收功率而言)最小.為了便于比較，我們稱文獻(xiàn)[6]中的方法為最大陣列增益法(MAG);而將本文中的方法稱為最小相對(duì)干擾法(MRI).

二、信道模型

信號(hào)在移動(dòng)臺(tái)和基站之間的傳輸，一般要經(jīng)過(guò)三種機(jī)制：路徑損失、陰影慢衰落和多徑快衰落.多徑快衰落是運(yùn)動(dòng)用戶的信號(hào)經(jīng)許多局部特體散射而成，如圖1所示.當(dāng)基站采用天線陣列接收和發(fā)送時(shí)，多徑快衰落可用矢量信道來(lái)描述：

　(1)

其中，hi,ψi,φi,θi,fd分別為第i條路徑的幅度(散射系數(shù))、與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向的夾角、相位、入射角和多普勒頻率.hi滿足：

　(2)

ψi,φi為相互獨(dú)立的隨機(jī)變量，在[0,2π]均勻分布;a(θi)為陣列響應(yīng)矢量，表示為：

a(θi)=[1,ej2πlsinθi/λ，…,ej2π(m-1)dsinθi/λ]T　(3)

上式中m為陣元數(shù)，入射角θi有一角度擴(kuò)散Δ，且在[θ0-Δ,θ0+Δ]均勻分布.顯然，當(dāng)路徑數(shù)N很大時(shí)，v(t)為零均值，復(fù)高斯隨機(jī)矢量，幅度的模滿足瑞利分布.此外，信號(hào)還將受陰影衰落和路徑損失的影響，用下式來(lái)表示：

　(4)

其中，r(t)表示基站和移動(dòng)臺(tái)的距離，n為路徑損失指數(shù)，一般取2.5～5，本文取4，s(t)為陰影衰落，滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布，即

s(t)=10(ξ/10)　(5)

其中ξ為零均值高斯隨機(jī)變量，標(biāo)準(zhǔn)偏差一般6～12dB.本文取σ=8dB.

圖1　局部散射模型

三、FDD下行鏈路發(fā)送

1.單小區(qū)情況

在IS-95中，下行鏈路采用了正交碼同步技術(shù)，同小區(qū)用戶之間的干擾很小.由于本文僅考慮平坦衰落信道，因此忽略同小區(qū)干擾.假設(shè)已知用戶的下行鏈路的發(fā)送陣列響應(yīng)矢量為v(t)，基站到用戶的路徑損失和陰影衰落表示為β(t)，基站發(fā)送功率為PT,設(shè)下行鏈路的發(fā)送加權(quán)系數(shù)為w，白高斯噪聲功率為σ2，則用戶接收的信號(hào)可表示為：

x(t)=wH.β(t).b(t).c(t).v(t)+n(t)　(6)

其中b(t),c(t)分別為信息序列和擴(kuò)頻序列，設(shè)G為處理增益.因此，解擴(kuò)后的信噪比為：