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WCDMA系统智能天线—RAKE接收及相关技术研究

张靖  
【摘要】: 随着移动通信业务的飞速发展、用户数量的急剧增长、移动计算与蜂窝互联网的业务需求,现有的第二代移动通信技术在系统容量、通信质量和提供的业务种类等各方面已经难以满足需求。因此,人们提出发展新一代的移动通信技术——第三代移动通信系统(IMT-2000)。在IMT-2000标准中,CDMA以其固有的诸多优点成为主流多址方式,而CDMA是干扰受限系统,因此必须采取更为有效的干扰抑制技术。自适应阵列技术(或智能天线技术)与传统RAKE技术相结合的空时信号联合处理技术在扩大小区范围、提高系统容量和频谱效率、降低发射功率、减小用户干扰等方面显示了巨大的潜力,成为当前移动通信领域的一个研究热点。 面向第三代移动通信系统WCDMA系统的空中接口,本文详细的研究了智能天线技术与传统RAKE技术相结合的空时信号联合处理技术在WCDMA系统中的实现结构、阵列算法、及与多天线技术的结合等。 具体而言,本文主要进行了以下几个方面的研究工作: 1. 系统分析了目前空时处理方案的特点及不足。 2. 考虑到现有空时RAKE接收机的结构和算法都较为复杂,同时还考虑到WCDMA系统支持导频辅助相干RAKE接收机,以及对智能天线阵的扩展功能,先后提出了下列三种智能天线与RAKE接收机相结合的空时处理方案。 (1) 基于多个自适应波束形成器的2D-RAKE接收方案S1。 (2) 基于多个自适应波束形成器的2D-RAKE接收方案S2。 (3) 基于单个自适应波束形成器的波束形成-RAKE接收方案S3。 仿真实验结果表明与普通单个天线的RAKE接收机相比,这三种空时处理方案具有以下技术优势。 WP=6 (1) 能够给WCDMA无线通信系统提供显著的BER性能改善,包括相应的用户容量增益。 (2) 所提供的BER性能改善及相应的用户容量增益随着天线阵阵元数的增加而增加。 (3) 对于相同幅度的系统扩频处理增益的提高,将获得更大幅度的BER性能改善,因而也更适于WCDMA无线通信系统的应用。 同时进一步对上述三种方案的结构复杂度、计算负荷及性能比较,认为S3方案具有更大的实用价值,这是因为: (1) 由于对每个用户只使用一个波束形成器,相对于S1和S2方案硬件结构复杂度大大降低。 (2) 通常情况下,由于基站复杂度及成本的限制,接收阵元数不可能太多,通常采用4到8个阵元,在半波长情况下,基站波束的主瓣3dB宽度为15度到25度,在宏蜂窝系统中,期望用户的角度扩展很可能基本上位于该宽度之内,所以一个波束形成器可以“照射”所有多径分量。当期望用户离基站很近时,角度扩展可能大于主瓣宽度,这时接收波束会抑制一部分多径分量,但由于用户离基站很近,基站仍可以正常接收。 (3) 当用多个波束形成器对每个多径分量进行波束形成时,如果有些波束的权矢量没有收敛或是存在指向错误,会导致整体接收性能的下降。其整体可靠性降低。 3. 针对WCDMA系统的帧结构,提出将LS-DRMTA与LMS算法相结合的导频位辅助新方法,即改进的LS-DRMTA算法,并将其用于S3方案。理论分析和实验结果表明该算法相对于LS-DRMTA算法和LMS-DRMTA算法进一步降低了运算量,同时还能明显改善系统的性能。 为进一步提高系统容量和传输质量,在接收和发送端采用多天线是发展的趋势,针对多天线WCDMA系统,研究了在发送端采用空时分组码的发射分集,在接收端采用空时联合2D RAKE接收分集的联合发射和接 WP=7 4. 收分集的WCDMA系统下行链路在Rayleigh衰落条件下的BER性能。 5. 目标用户的DOA动态跟踪或检测是采用自适应智能天线实现对目标用户进行定向发射和接收的基础,其研究对自适应智能天线的实际实现具有重要意义。面向WCDMA系统,完成了基于移动台DOA估计的自适应智能天线实验系统的部分研究和实验工作,包括对移动台DOA估计算法的研究和基于系统硬件平台的实现,以及部分硬件电路的设计和调试。


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