Tecnologías clave de la tarjeta de datos WCDMA

1. Métodos de procesamiento espacio-temporal

En el caso de un solo usuario, la clasificación de los métodos de procesamiento espacio-temporal se muestra en la Figura 1.

Figura 1

Dado que las estaciones móviles generalmente no son adecuadas para usar múltiples antenas para la recepción, el uso de múltiples antenas para la diversidad de transmisión en la estación base puede hacer que el efecto de recepción de la estación móvil sea el mejor. El mismo efecto de recepción que el de una estación móvil que utiliza múltiples antenas receptoras es equivalente, por lo que este artículo analiza principalmente la tecnología de procesamiento espacio-temporal de la estación base.

2. Tecnología de formación de haces

La formación de haces (BF) se puede dividir en formación de haces adaptativa, formación de haces fija y formación de haces conmutada. Haz fijo, es decir, el patrón de antena es fijo. Los tres sectores de 120 en la IS-95 se dividen en vigas fijas. Las vigas conmutadas son una extensión de las vigas fijas. Cada sector de 120 se subdivide en varios tabiques más pequeños, cada uno de los cuales tiene una viga fija. Cuando un usuario se mueve dentro de un sector, el mecanismo de conmutación de haz puede cambiar automáticamente el haz a la partición que contiene la señal más fuerte, pero la debilidad fatal del mecanismo de conmutación de haz es que no puede distinguir entre señales ideales y señales de interferencia. El formador de haz adaptativo puede formar de manera óptima un patrón de acuerdo con las diferentes rutas de la señal del usuario en el espacio, proporcionar diferentes ganancias de antena en diferentes direcciones de llegada y formar un haz estrecho en tiempo real para apuntar a la señal del usuario mientras minimiza los lóbulos laterales en otras direcciones. Y adopte recepción direccional para aumentar la capacidad del sistema. Debido a la movilidad de la estación móvil y al entorno de dispersión, la dirección de llegada de la señal recibida por la estación base varía en el tiempo. Utilizando un formador de haz adaptativo, se pueden separar señales con frecuencias similares pero que son separables espacialmente, y estas señales se pueden rastrear para ajustar la ponderación del conjunto de antenas de modo que el haz del conjunto de antenas apunte en la dirección de la señal ideal.

La tecnología clave de la formación de haces adaptativa es cómo obtener los parámetros del canal con mayor precisión. Para el enlace ascendente, las técnicas de formación de haces se pueden dividir en las tres categorías siguientes según la información utilizada para formar el haz.

(1) BF basado en estructura espacial

BF basado en estructura espacial, como BF basado en la dirección de llegada de la señal de entrada (DOB), incluye tres tipos: basado en la relación máxima señal-ruido de interferencia ( SINR) BF según el criterio de máxima verosimilitud BF según el criterio del error cuadrático medio mínimo (MMSE); La supresión de la interferencia de acceso múltiple depende de la dirección de llegada de la señal, por lo que una parte importante de la dirección de llegada es la estimación de la dirección de llegada de la señal. Los métodos de estimación de DOA incluyen la transformada discreta de Fourier, el estimador MVDR (distorsión de varianza mínima menos respuesta), la predicción lineal, el método de envolvente máxima (MEM), el filtro ML y el método de estructura propia variable. Estos incluyen Música (Clasificación de señales múltiples) y ESPRIT (Estimación de parámetros de señales mediante técnicas de invariancia de rotación).

(2) BF basado en secuencia de entrenamiento

BF basado en secuencia de entrenamiento, es decir, referencia de tiempo BF (TRB), es adecuado para entornos con múltiples rutas ricas y características de canal cambiantes. Según los diferentes algoritmos, se pueden dividir en dos categorías: algoritmo adaptativo de bloques (BAA) y algoritmo adaptativo de muestreo (SAA). Los algoritmos BAA incluyen el método de filtro propio (EF), el método de Stanford, el método de combinación de relación máxima (MRC), la primera solución de filtro Wiener (FWFS) y la segunda solución de filtro Wiener (SWFS). El algoritmo SAA incluye el algoritmo de mínimos cuadrados medios (LMS), el algoritmo de mínimos cuadrados normalizados (NLMS), el algoritmo de mínimos cuadrados recursivo (RLS) y el * * método de gradiente yugo (CGM). La tecnología TRB requiere una sincronización precisa y puede lograr un mejor rendimiento cuando el retardo es pequeño.

(3) SSBF basado en la estructura de la señal.

SSBF (BF) basado en la estructura de la señal utiliza la estructura temporal o espacial y las características de la señal recibida para construir BF. SSBF se puede utilizar para almacenar conocimientos como las características del módulo constante (CM) de una señal modulada de envolvente constante, la estacionariedad periódica de una señal o las características FA (alfabeto finito) de una señal modulada digitalmente. Este método BF se puede aplicar a diferentes condiciones de propagación, pero debe considerar cuestiones de convergencia y captura.

Para el enlace descendente, diferentes métodos de multiplexación pueden adoptar diferentes soluciones: Modo TDD Dado que el enlace ascendente y el enlace descendente utilizan la misma frecuencia, en las tramas de datos de enlace ascendente y descendente adyacentes, los parámetros del canal casi no cambian. los parámetros estimados del canal de enlace ascendente se pueden usar directamente, pero esto solo es aplicable a sistemas de movimiento lento en modo FDD, ya que el intervalo de frecuencia entre el enlace ascendente y el enlace descendente es generalmente mayor que el ancho de banda relevante, los canales instantáneos de enlace ascendente y descendente son casi irrelevante. El canal de retroalimentación es el mejor método.

Es necesario enfatizar que la tecnología de formación de haces del transmisor y la tecnología de formación de haces del receptor son completamente diferentes. La formación de haces en recepción se puede implementar de forma independiente en cada receptor sin afectar a otros enlaces, mientras que la formación de haces en transmisión cambiará la interferencia a todos los demás receptores, por lo que la tecnología de formación de haces en transmisión se debe utilizar de forma conjunta en toda la red.

3. Diversidad de recepción

Dado que los sistemas CDMA suelen tener más componentes de interferencia de acceso múltiple y el conjunto de antenas puede eliminar las interferencias M-1 (donde M es el número de antenas), no puede Para mejorar significativamente la SINR del receptor, en términos generales, un mejor método es utilizar el método de diversidad de recepción para estimar la forma de la señal recibida y determinar el coeficiente de ponderación del filtro adaptado. La antena de diversidad en la tecnología de diversidad de recepción es en realidad un combinador de diversidad en el dominio espacial, no un BF. Para señales CDMA de banda ancha, el ancho de banda de la señal es generalmente mayor que el ancho de banda de coherencia del canal, por lo que se utiliza un receptor RAKE en el dominio del tiempo y utiliza varios criterios de combinación para combinar las señales en el espacio/tiempo. Este es el llamado 2D-RAKE. receptor. Los métodos de fusión generales incluyen: Combinación selectiva (SC), que selecciona la ruta múltiple con la potencia de señal más alta. Combinación de relación máxima (MRC), lo que significa que cada rama tiene un peso y se asigna de acuerdo con la relación señal-ruido (SNR); ) de cada rama. Pesos ponderados. Las ramas con una relación señal-ruido alta tienen un peso grande y las ramas con una relación señal-ruido baja tienen un peso pequeño. El método MRC puede maximizar la SINR de la señal combinada cuando la interferencia en cada trayectoria múltiple separada no está correlacionada; la combinación de ganancia igual (EGC) significa que cada ruta tiene el mismo peso independientemente de si la interferencia entre trayectorias múltiples está correlacionada, filtrado Wiener (OPT); puede suprimir la interferencia y maximizar la SINR en la salida del combinador. Por lo tanto, el método de filtrado de Wiener es mejor que el método de combinación de relación máxima, que también se denomina combinación óptima.

Utilizar diferentes criterios de combinación en el espacio y el tiempo puede mejorar el sistema de diferentes maneras. Teóricamente, en las condiciones de control de potencia ideal y estimación de canal ideal, el método de fusión de optimización del dominio conjunto espacio-tiempo puede mejorar mejor el rendimiento del sistema.

4. Tecnología de diversidad de transmisión

Cuando el transmisor no puede obtener los parámetros del canal, la diversidad de transmisión espacio-temporal puede mejorar el rendimiento del enlace directo. Este mecanismo convierte la diversidad espacial de la antena transmisora ​​en otras formas de diversidad que puede utilizar el receptor, como la diversidad de transmisión retardada y técnicas de codificación espacio-temporal. La tecnología de codificación espacio-temporal diseña palabras clave en el dominio espacial y temporal al mismo tiempo. El principio básico es enviar vectores resultantes de un flujo de bits de información a múltiples antenas simultáneamente. Al explotar la ortogonalidad de las secuencias transmitidas por las antenas transmisoras, la ganancia de diversidad obtenida usando dos antenas transmisoras y una antena receptora es la misma que la de un receptor MRC con una antena transmisora ​​y dos antenas receptoras.

La tecnología de diversidad de transmisión se puede dividir en bucle abierto y bucle cerrado dependiendo de si se requiere un bucle de retroalimentación desde el receptor al transmisor. El antiguo transmisor no requiere ningún conocimiento del canal. La diversidad de transmisión en bucle abierto incluye diversidad de transmisión espacio-temporal (STTD), diversidad de transmisión ortogonal (OTD), diversidad de transmisión conmutada en el tiempo (TSTD), diversidad de transmisión retardada (DTD), procesamiento jerárquico espacio-temporal y codificación enrejada espacio-temporal. La diversidad de transmisión en bucle cerrado incluye la diversidad de transmisión selectiva (STD). Cada modo de diversidad de transmisión es el siguiente.

(1) Diversidad de transmisión ortogonal (OTD)

Los datos codificados e entrelazados se dividen en dos subflujos diferentes y se envían simultáneamente en dos antenas diferentes. Para garantizar la ortogonalidad, los códigos de Walsh utilizados en las dos subcorrientes son diferentes.

(2) Diversidad de transmisión conmutada por tiempo (TSTD)

En un momento determinado, cada usuario solo usa una antena y utiliza un mecanismo de código pseudoaleatorio para cambiar entre las dos antenas. .

(3) Seleccione diversidad de transmisión (STD)

En el modo TSTD, es posible que la antena transmisora ​​instantánea no obtenga la máxima relación señal-ruido en el extremo receptor, por lo que se debe realizar una retroalimentación. El circuito se utiliza para seleccionar una antena que proporcione la máxima relación señal-ruido en el extremo receptor.

⑷Diversidad de transmisión espacio-temporal (STTD)

La diversidad de transmisión espacio-temporal codifica datos, como se muestra en la Figura 2, y luego los transmite a través de dos antenas.

(5) Diversidad de transmisión retardada (DTD)

Se utilizan múltiples antenas para enviar múltiples copias de la misma señal de datos original en diferentes momentos, produciendo así artificialmente trayectos múltiples.

(6) Arquitectura espacio-temporal en capas de Bell (BLAST)

Primero, los bits de información originales se descomponen en n flujos de datos paralelos (llamados capas) y se envían a diferentes codificadores, los Luego, la salida del codificador se modula utilizando el mismo código Walsh y se envía a través de una antena diferente. El receptor utiliza el BF (criterio de forzamiento cero o MMSE) para separar los diferentes flujos de datos codificados y luego envía los datos a diferentes decodificadores, cuyas salidas se recombinan para construir el flujo de bits de información original. Dado que el MMSE y los métodos de forzamiento cero no utilizan plenamente el potencial de diversidad del conjunto de antenas receptoras en el procesamiento de formación de haces, se propone un esquema mejorado para clasificar el procesamiento de recepción. Es decir, la señal más fuerte se decodifica primero mediante el algoritmo ViterbiMLSE, y luego se detecta la segunda señal más fuerte después de eliminar la señal fuerte de la señal de la antena recibida, y así sucesivamente hasta que se detecta la señal más débil.

En este mecanismo, el mapeo de la capa a la antena no es fijo, sino que cambia periódicamente después de cada símbolo de código np, como se muestra en la Figura 3. Este mapeo garantiza que estos flujos de datos se transmitan en diferentes antenas siempre que sea posible.

(7) Codificación enrejada espacio-temporal

Diseñe palabras de código de acuerdo con el criterio de clasificación y el criterio determinante, de modo que las palabras de código diseñadas puedan obtener la máxima ganancia de diversidad y ganancia de codificación. Tomando como ejemplo la codificación enrejada espacio-temporal de cuatro estados con codificación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK), suponiendo que se utilizan dos antenas para la transmisión, el diagrama de constelación y la cuadrícula se muestran en la Figura 4.

El número de unidad más a la derecha, S1S2, indica que el carácter transmitido desde la primera antena es S1 y el carácter transmitido desde la segunda antena es S2.

5. Conclusión

La tecnología de procesamiento del espacio-tiempo ha mostrado perspectivas de desarrollo muy atractivas, y el estándar de comunicación móvil de tercera generación también admite la tecnología de procesamiento del espacio-tiempo. La introducción del estándar nos permite continuar estudiando la tecnología de procesamiento del espacio-tiempo físicamente alcanzable, pero para poner esta tecnología en aplicaciones prácticas, todavía hay muchos problemas metodológicos y técnicos que deben resolverse y se requiere más investigación.