淺析WCDMA下行發(fā)射分集技術(shù)

摘要　眾所周知WCDMA系統(tǒng)中在上行采用了分集接收技術(shù)，實(shí)際上在下行也采用了分集技術(shù)即稱為下行發(fā)射分集技術(shù)。文章對(duì)下行發(fā)射分集技術(shù)的種類及原理進(jìn)行了闡述，并對(duì)采用不同的發(fā)射分集技術(shù)的效果進(jìn)行了定量的分析總結(jié)。

由于無(wú)線傳播環(huán)境的惡劣，在蜂窩移動(dòng)通信中，基站的發(fā)射信號(hào)往往是經(jīng)過(guò)多次反射、散射和折射才到達(dá)移動(dòng)臺(tái)的接收端的。這樣很容易就造成了信號(hào)的多徑衰落。在衰落環(huán)境中，多天線分集技術(shù)可以有效地改善無(wú)線通信系統(tǒng)的性能。在3G系統(tǒng)中，多天線的發(fā)射分集是一個(gè)非常重要的關(guān)鍵技術(shù)。信號(hào)通過(guò)多個(gè)空間上分開(kāi)足夠遠(yuǎn)的天線發(fā)射出去，實(shí)現(xiàn)空間分集。天線之間的間隔足夠遠(yuǎn)，可以保證每個(gè)天線發(fā)射出去的信號(hào)經(jīng)過(guò)信道后所遭受的衰落是不相關(guān)的。WCDMA系統(tǒng)使用了開(kāi)環(huán)和閉環(huán)發(fā)射分集技術(shù)。

一、開(kāi)環(huán)發(fā)射分集

在WCDMA系統(tǒng)使用了兩種開(kāi)環(huán)發(fā)射分集方案，分別是空分發(fā)送分集（STTD）和時(shí)間切換發(fā)射分集（TSTD）。

空分發(fā)送分集（STTD）是將在非分集模式下進(jìn)行信道編碼、速率匹配和交織的數(shù)據(jù)流在4個(gè)連續(xù)的信道比特塊中使用STTD編碼。STTD編碼方式如下圖所示�？辗职l(fā)送分集（STTD）除了同步信道（SCH）以外均可使用。

圖1　STTD編碼方式

時(shí)間切換發(fā)射分集（TSTD）是根據(jù)時(shí)隙號(hào)的奇、偶，在兩個(gè)天線上交替發(fā)送基本同步碼和輔助同步碼。例如奇時(shí)隙時(shí)用第1個(gè)天線發(fā)送，偶時(shí)隙則用第2個(gè)天線發(fā)送。采用TSTD，在移動(dòng)臺(tái)中可以很簡(jiǎn)單地獲得與最大比值合并相當(dāng)?shù)男Ч�，大大提高了用戶端正確同步的概率，并縮短了同步搜索時(shí)間。時(shí)間切換發(fā)射分集（TSTD）專用于同步信道SCH。

二、閉環(huán)發(fā)射分集

專用物理控制信道（DPCCH）和專用物理數(shù)據(jù)信道（DPDCH）共同組成的專用物理信道，經(jīng)擴(kuò)頻/擾碼后被天線的特定復(fù)數(shù)加權(quán)因子W1和W2加權(quán)處理（加權(quán)因子由UE決定），用戶設(shè)備根據(jù)接受到的下行公共導(dǎo)頻信道（CPICH）的某個(gè)時(shí)隙來(lái)估計(jì)各發(fā)送天線的信道響應(yīng)。閉環(huán)發(fā)射分集的結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖2　閉環(huán)發(fā)射分集示意圖

閉環(huán)模式發(fā)射分集關(guān)鍵是加權(quán)因子的計(jì)算，按加權(quán)因子計(jì)算方法不同分為兩種模式：模式一采用相位調(diào)整量，兩個(gè)天線發(fā)射DPCCH的專用導(dǎo)頻符號(hào)不同（正交）；模式二采用相位/幅度調(diào)整量，兩個(gè)天線發(fā)射DPCCH的專用導(dǎo)頻符號(hào)相同。

（1）閉環(huán)發(fā)射分集模式一

在用戶端，若對(duì)應(yīng)的時(shí)隙號(hào)為奇，則第二個(gè)天線的信道響應(yīng)先旋轉(zhuǎn)90度再計(jì)算，若時(shí)隙號(hào)為偶則不旋轉(zhuǎn)。基站端則實(shí)際使用相鄰的且處于不同旋轉(zhuǎn)集的兩個(gè)時(shí)隙所對(duì)應(yīng)的相位調(diào)整量，進(jìn)行第二個(gè)天線的相位調(diào)整。當(dāng)信道變化速率較低時(shí)，本模式實(shí)際可起到2 bit反饋控制的效果，而當(dāng)信道變化速率較大時(shí)，也有一定的平滑作用。

（2）閉環(huán)發(fā)射分集模式二

用戶設(shè)備在計(jì)算調(diào)整權(quán)前不進(jìn)行預(yù)旋轉(zhuǎn)，基站也不做響應(yīng)的處理。為獲得最佳性能，用戶端的每一個(gè)時(shí)隙都從剩余組合中挑選最佳調(diào)整值，以確定當(dāng)前時(shí)隙應(yīng)該上傳的控制比特，而非4個(gè)時(shí)隙算一次。基站端采用的也是連續(xù)調(diào)整，即在每個(gè)發(fā)送時(shí)隙調(diào)整而非4個(gè)時(shí)隙算一次，為此，基站實(shí)際使用的是4個(gè)與各個(gè)控制比特相對(duì)應(yīng)的最新接收比特。

在發(fā)射分集模式一中所需的調(diào)整量只有相位可被量化為1bit；而在模式二中，既有相位又有幅度，用4bit表示，其中前3bit對(duì)應(yīng)相位，有8種可能取值，幅度僅有1bit。

三、比較分析

在開(kāi)環(huán)發(fā)射分集中，使用多根天線，引入了一種預(yù)定的分集形式。開(kāi)環(huán)發(fā)射分集的優(yōu)勢(shì)是可以不需要信令開(kāi)銷，同時(shí)能夠?qū)⒁苿?dòng)臺(tái)復(fù)雜度保持在一個(gè)較低的程度，但這種方式有明顯的缺點(diǎn)，就是沒(méi)有利用信道信息。

當(dāng)用戶處于多徑分量較少的低移動(dòng)環(huán)境中時(shí)，發(fā)射分集的影響較大而在高速率運(yùn)動(dòng)中，性能的改善基本可以忽略，在這種環(huán)境中，多徑分量影響了下行鏈路的正交性，因此也就影響了發(fā)射分集的性能。閉環(huán)發(fā)射分集模式一在在車速低于50km/h的環(huán)境中Eb/No增益比開(kāi)環(huán)分集高0.5dB，閉環(huán)發(fā)射分集模式性能在車速低于30km/h的環(huán)境中基本優(yōu)于閉環(huán)模式一約1 dB，但隨著車速增加，模式二性能迅速惡化，與模式一趨同。

如果WCDMA基站下行鏈路發(fā)射總功率為20W，最大路徑損耗為157 dB，下行吞吐率為650kbit/s，才用2×10W的發(fā)射分集時(shí)，同樣的路徑損耗可以支持的數(shù)據(jù)吞吐率為1030 kbit/s，容量增益為2 dB，如果保持下行吞吐量不變，則允許的路徑損耗可以增加到162 dB，覆蓋增益為5 dB。如果上行鏈路是覆蓋受限時(shí)，我們不可能利用這個(gè)覆蓋增益去擴(kuò)展小區(qū)的大小，但可以用它來(lái)減小基站的發(fā)射功率。

在基站的下行鏈路上，通過(guò)提供TSTD、STTD等多種分集方式，使UE的RAKE接收路徑的數(shù)目和質(zhì)量得到提高，從而增加覆蓋范圍，提供系統(tǒng)容量，減少基站數(shù)目。

四、結(jié)束語(yǔ)

在WCDMA系統(tǒng)逐漸成熟的今天，下行發(fā)射分集技術(shù)在WCDMA網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際運(yùn)用的狀況有待我們共同探討與研究。