FDD-CDMA下行链路的波束形成

本文研究了智能天线在FDD-CDMA中的下行链路的应用，利用上行链路接收数据，估计了下行链路的信道相关矩阵和对其它小区用户的相对干扰总量，给出下行链路的波束形成方法，即在保证一定的有效发送功率的同时，使得对其他小区的用户干扰最小.计算机仿真表明：在多小区蜂窝CDMA环境中，采用上述方法比仅保证用户方向的最大发送功率，有更小的中断率.

关键词:FDD-CDMA;下行链路波束形成;信道相关矩阵;最小相对干扰

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

智能天线或自适应阵列已得到广泛研究，并开始应用于移动通信.目前，由于体积和复杂度等因素，智能天线概念只适应于基站.已有大量文献报道了智能天线在上行信道的一些算法及容量分析，而对下行信道的波束形成的研究很少.基站在发送前是不能观察到下行链路的信道特征.在FDD双工方式，上、下行载波的频率差大于相干频带，上、下行信道是不相关的.因此，不能用上行信道直接估计下行信道，故将智能天线应用于下行链路是一个难点.近来，已提出了几种方法，如波束功换系统法，角度估计法[1]，子空间影射法[4，5]和移动台反馈法[2]等.但这些文献都是针对TDMA系统的，在CDMA系统中，同频干扰数远大于一般天线阵列的自由度，因此，几乎没有文献报道CDMA中的下行链路的波束形成.只有文献[6]在假设已知下行信道特征的条件下，研究了CDMA系统的下行链路的性能，该方法仅仅保证移动台有最大接收功率，而忽略了对其他移动台的干扰.本文利用上行链路的接收数据来估计下行链路的信道相关矩阵，进一步估计出相对干扰总量.在保证一定的有效发送功率下，使得对其他用户的干扰总和(相对于其他用户的接收功率而言)最小.为了便于比较，我们称文献[6]中的方法为最大阵列增益法(MAG);而将本文中的方法称为最小相对干扰法(MRI).

二、信道模型

信号在移动台和基站之间的传输，一般要经过三种机制：路径损失、阴影慢衰落和多径快衰落.多径快衰落是运动用户的信号经许多局部特体散射而成，如图1所示.当基站采用天线阵列接收和发送时，多径快衰落可用矢量信道来描述：

　(1)

其中，hi,ψi,φi,θi,fd分别为第i条路径的幅度(散射系数)、与移动台运动方向的夹角、相位、入射角和多普勒频率.hi满足：

　(2)

ψi,φi为相互独立的随机变量，在[0,2π]均匀分布;a(θi)为阵列响应矢量，表示为：

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

上式中m为阵元数，入射角θi有一角度扩散Δ，且在[θ0-Δ,θ0+Δ]均匀分布.显然，当路径数N很大时，v(t)为零均值，复高斯随机矢量，幅度的模满足瑞利分布.此外，信号还将受阴影衰落和路径损失的影响，用下式来表示：

　(4)

其中，r(t)表示基站和移动台的距离，n为路径损失指数，一般取2.5～5，本文取4，s(t)为阴影衰落，满足对数正态分布，即

s(t)=10(ξ/10)　(5)

其中ξ为零均值高斯随机变量，标准偏差一般6～12dB.本文取σ=8dB.

图1　局部散射模型

三、FDD下行链路发送

1.单小区情况

在IS-95中，下行链路采用了正交码同步技术，同小区用户之间的干扰很小.由于本文仅考虑平坦衰落信道，因此忽略同小区干扰.假设已知用户的下行链路的发送阵列响应矢量为v(t)，基站到用户的路径损失和阴影衰落表示为β(t)，基站发送功率为PT,设下行链路的发送加权系数为w，白高斯噪声功率为σ2，则用户接收的信号可表示为：

x(t)=wH.β(t).b(t).c(t).v(t)+n(t)　(6)

其中b(t),c(t)分别为信息序列和扩频序列，设G为处理增益.因此，解扩后的信噪比为：