WCDMA上行鏈路一種新的參數(shù)優(yōu)化方法

摘要: 本文在研究了WCDMA 上行鏈路導(dǎo)頻信道輔助相干解調(diào)的基礎(chǔ)上,提出了參數(shù)優(yōu)化的一種新方法。根據(jù)給定信噪比下誤碼概率最小的準(zhǔn)則,本文得到了理論上信道估計(jì)器最佳的平均長(zhǎng)度和導(dǎo)頻信道相對(duì)數(shù)據(jù)信道最優(yōu)的功率比。

關(guān)鍵詞: 寬帶碼分多址; 信道估計(jì); 功率比

引言

作為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G) 主要無(wú)線傳輸技術(shù)的WCDMA 上行鏈路采用了導(dǎo)頻信道輔助的BPSK相干解調(diào)技術(shù)。雖然通過(guò)導(dǎo)頻信道可以獲得精確的信道估計(jì),但是它增加了每個(gè)要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)的能量。在保持信號(hào)總能量不變的前提下,一方面增加導(dǎo)頻信道的功率可以提高信道估計(jì)的精度,但它對(duì)數(shù)據(jù)信道和別的用戶的干擾也會(huì)增加。同時(shí),隨著導(dǎo)頻信道功率的增加,分給數(shù)據(jù)信道的功率必然會(huì)減少,造成解調(diào)時(shí)信噪比的下降。另一方面,降低導(dǎo)頻信道的功率雖然可以減小其產(chǎn)生的干擾并提高數(shù)據(jù)信道的功率,從而提高解調(diào)時(shí)的信噪比,但此時(shí)信道估計(jì)的精度卻會(huì)有所降低,特別是在移動(dòng)臺(tái)高速移動(dòng)時(shí)。

由此可見(jiàn),導(dǎo)頻信道與數(shù)據(jù)信道之間的功率比(Pilot-to-data Channel Power Ratio) 對(duì)系統(tǒng)的性能有著很大的影響,是一個(gè)急待優(yōu)化的重要參數(shù)。另外,既然信道估計(jì)的精度影響著系統(tǒng)的誤碼概率,那么它與最優(yōu)功率比的確定顯然也有著很強(qiáng)的聯(lián)系。由于實(shí)際系統(tǒng)的信道估計(jì)器一般是采用滑動(dòng)平均濾波器,所以本文的主要目的是分析在最小誤碼概率準(zhǔn)則下如何確定最優(yōu)的功率比和滑動(dòng)平均濾波器的最佳平均長(zhǎng)度。

WCDMA上行鏈路的發(fā)送結(jié)構(gòu)

圖1 顯示了WCDMA上行專(zhuān)用物理信道(DPCH) 的基帶發(fā)送結(jié)構(gòu)。I 路承載用戶數(shù)據(jù)的專(zhuān)用數(shù)據(jù)信道(DPDCH) 和Q 路承載導(dǎo)頻等控制信息的專(zhuān)用控制信道(DPCCH) (由于DPCCH 中導(dǎo)頻所占的比例較大,所以為了簡(jiǎn)化處理,在以下的分析中我們認(rèn)為它就是一個(gè)連續(xù)的導(dǎo)頻信道) 。分別被不同的實(shí)Walsh 碼Wd 和Wc 擴(kuò)頻到Chip 速率后相加,然后被第n個(gè)用戶特定的復(fù)數(shù)擾碼Sdpch , n加擾。其中β表示導(dǎo)頻信道相對(duì)數(shù)據(jù)信道的功率比,通常它小于1 以減小對(duì)I 路的DPDCH以及別的用戶的干擾。

無(wú)線傳播環(huán)境可看成是頻率選擇性的瑞利衰落信道。為了方便下面的分析,我們這里假設(shè)信道有L 個(gè)功率相等的路徑,并且每個(gè)路徑之間都是非相關(guān)的。在接收機(jī)的輸入端,考慮到WCDMA 上行鏈路不同用戶之間是異步操作的, 所以可以把接收信號(hào)疊加的由熱噪聲和其它用戶多址干擾(MAI) 所產(chǎn)生的噪聲看成是白高斯噪聲, 它的單邊功率譜設(shè)為N0 。由于多徑干擾( IPI) 與熱噪聲和多址干擾相比可忽略,所以我們這里不再考慮信號(hào)多徑傳播所引起的干擾,并假設(shè)接收機(jī)知道每一徑準(zhǔn)確的時(shí)延信息。

無(wú)編碼擴(kuò)頻BPSK的誤碼概率

在假設(shè)各徑的信道估計(jì)誤差與數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)相關(guān)器(Correlator) 的輸出噪聲之間是彼此獨(dú)立的, 并且信道參數(shù)與它的估計(jì)誤差之間也是獨(dú)立的條件下,采用3 徑合并時(shí)無(wú)編碼的擴(kuò)頻BPSK誤碼概率為:

這里的μ是互相關(guān)系數(shù),它表示每徑相關(guān)器輸出的信號(hào)與信道估計(jì)之間的相關(guān)性大小,定義為:

其中,σ2c = TSBc 表示信道估計(jì)濾波器按調(diào)制符號(hào)周期歸一化后的等效噪聲帶寬( Equivalent Noise Bandwidth) ; ES 是數(shù)據(jù)符號(hào)的能量;β為導(dǎo)頻信道與數(shù)據(jù)信道之間的功率比, 可表示為:

β= EPS / ES = EP/ ESRSF              (4)

由于3G系統(tǒng)廣泛采用了變速率傳輸?shù)姆桨?所以WCDMA 導(dǎo)頻信道的擴(kuò)頻比可能與數(shù)據(jù)信道的不一樣,并且通常比它大.在這種情況下, EPS是指與數(shù)據(jù)信道具有相同符號(hào)周期的那部分導(dǎo)頻能量,它也等于導(dǎo)頻符號(hào)的能量除以導(dǎo)頻符號(hào)與數(shù)據(jù)符號(hào)的擴(kuò)頻因子比RSF , RSF = SFpilot / SFdata , SFpilot和SFdata分別表示導(dǎo)頻符號(hào)和數(shù)據(jù)符號(hào)的擴(kuò)頻因子。

我們?cè)谶@里采用最小誤碼概率(Minimum Bit-Error-Probability) 準(zhǔn)則,它能在給定的信噪比Eb/ N0 下,保證系統(tǒng)的誤碼率最小。觀察式(1) 和式(2) ,可以發(fā)現(xiàn)Pb 是μ的單調(diào)減函數(shù)既然BEP 是μ的單調(diào)減函數(shù),那么最小的BEP 等效于最大的相關(guān)系數(shù)μ。

定義發(fā)送的每個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)符號(hào)的總能量為:

Eb = ES + EPS = (1 +β) ES               (5)

將式(5) 帶入式(3) ,可得到:

等效噪聲帶寬的確定和最優(yōu)的功率分配

由于實(shí)際系統(tǒng)中信道估計(jì)器通常采用滑動(dòng)平均濾波器所以這里我們主要討論它的歸一化等效帶寬問(wèn)題。根據(jù)文獻(xiàn),可得到在信道估計(jì)均方誤差最小時(shí)的最佳平均長(zhǎng)度為:

其中,σ2l 是第l 徑的信道功率,設(shè)為1/ L ; fD 表示最大多普勒頻率;Δt 為采樣間隔, 它等于數(shù)據(jù)符號(hào)的周期TS , 且等于導(dǎo)頻符號(hào)的周期TP 除以擴(kuò)頻因子比, 即Δt = Tp/ RSF。由此得到,當(dāng)采用滑動(dòng)平均濾波器時(shí)的歸一化等效帶寬近似為1/Mopt 。

實(shí)際上,最大的相關(guān)系數(shù)μ相當(dāng)于最小的μ- 2 ,于是μ- 2對(duì)β的一階導(dǎo)數(shù)為0 ,可得到一個(gè)關(guān)于β的高次方程,經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的化簡(jiǎn),它的唯一有意義解就是最優(yōu)的功率比:

其中,  信噪比SNR =Eb/ N0 。在求出最優(yōu)功率比后, 可利用式(7) 計(jì)算出誤碼概率最小時(shí)信道估計(jì)器最佳的平均長(zhǎng)度。

仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證上述理論推導(dǎo)結(jié)果是否正確,我們?cè)贑OSSAP仿真軟件上建立了單用戶的WCDMA 上行鏈路仿真平臺(tái),進(jìn)行窮舉法搜索。根據(jù)WCDMA 標(biāo)準(zhǔn),信號(hào)調(diào)制方式為QPSK,Chip 速率為3. 84 Mchip/ s ,載頻為2GHz. DPDCH的傳輸速率為30kbit/ s ,此時(shí)的擴(kuò)頻因子SF = 128 ,信道采用等功率的6 徑瑞利衰落信道模型,Rake 接收機(jī)通過(guò)搜索器選擇功率最強(qiáng)的3徑合并。仿真時(shí)假設(shè)在接收端Chip 、符號(hào)及幀已經(jīng)完全同步,并且不考慮卷積編碼和交織器。圖2 是信噪比為7dB ,最大多普勒頻移為185Hz 時(shí)的仿真結(jié)果。由于WCDMA 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定DPCCH與DPDCH之間信號(hào)幅度比的最小變化間隔是1/ 15 ,所以計(jì)算機(jī)仿真按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)間隔來(lái)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

通過(guò)觀察數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)最小的誤碼率為0.0232 ,是在相對(duì)幅度比為7/ 15 ,也就是β 為0.218 , 平均長(zhǎng)度為67 個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)周期時(shí)得到的。理論計(jì)算的誤碼率為0.01746 , 是在β 為0.1783 (按標(biāo)準(zhǔn)量化的相對(duì)幅度比約為6/ 15) , 平均長(zhǎng)度約為67 個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)周期時(shí)得到的。而在相對(duì)幅度比為6/ 15 ,平均長(zhǎng)度為67 個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)周期時(shí),計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果為0.02407 ,與最小的誤碼率0.0232 相差不大。

圖3 是信噪比為7dB ,最大多普勒頻移為555Hz 時(shí)的仿真結(jié)果。通過(guò)觀察數(shù)據(jù),我們發(fā)現(xiàn)最小的誤碼率為0. 0339 ,是在相對(duì)幅度比為9/ 15 , 也就是β 為0.36 ,平均長(zhǎng)度為21個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)周期時(shí)得到的。而理論計(jì)算的誤碼率是0.02610 , 是在β 為0.2707 (按標(biāo)準(zhǔn)量化的相對(duì)幅度比約為8/ 15) ,平均長(zhǎng)度約為25 個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)周期時(shí)得到的。而在相對(duì)幅度比為8/ 15 ,平均長(zhǎng)度為25 個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)周期時(shí),計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果為0.0353 ,與最小誤碼率0.0339 相差不大。

由此可見(jiàn),計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果基本是一致的,但還存在一定的差距。差距的主要原因在于推導(dǎo)公式時(shí)忽略了由于信道估計(jì)存在誤差而造成的I 路和Q 路之間的交擾項(xiàng)(Crosstalk)以及多徑間的干擾,并且等效帶寬也只是近似的解。

結(jié)論　

本文在研究了WCDMA 上行鏈路導(dǎo)頻信道輔助相干解調(diào)的基礎(chǔ)上,提出了參數(shù)優(yōu)化的一種新方法。它在給定信噪比的條件下,通過(guò)誤碼概率最小的準(zhǔn)則,得到了理論上最優(yōu)的信道估計(jì)平均長(zhǎng)度和導(dǎo)頻信道相對(duì)數(shù)據(jù)信道的功率比。