一种改进的低复杂度双天线RAKE分集接收设计*

2019-09-04周进

通信技术 2019年7期

周进

（海军702厂，上海 200434）

0 引言

码分多址（Code Division Multiple Address，CDMA）系统通过快速闭环功率控制（Colsed-loop Power Control，CLPC）和RAKE接收来对抗远-近效应、阴影衰落及快衰落的不利影响，保证每条被激活链路的通信质量。文献[1]针对通信环境下CDMA系统分集接收机的性能，分析了快速闭环功率控制下RAKE接收机性能。文献[2-6]分析了各种信道条件下RAKE接收机及空时二维分集接收机性能。但是，如果没有功率控制配合，RAKE接收机接收性能将出现急剧恶化。此时，采用多个天线分集接收，能够有效改善系统性能[7-8]。本文重点研究在无功率控制下双天线分集接收设计。

双天线分集接收主要分为一般分集合并和基于自适应技术的合并[9-10]。一般分集合并，根据合并位置可分为基于支路的双天线分集合并和基于RAKE的双天线分集合并；根据功能实现可分为选择性分集（Selective Division，SD）、等增益合并（Equal Gain Combination，EGC）和最大比合并（Maximum Ratio Combination，MRC）。其中，选择性分集是从所有支路中选择一条性能最优的径输出，等增益合并是将各支路的信号相加求和后取平均输出，最大比合并以信噪比（Signal-to-noise Ratio，SNR）作为加权因子取各支路相加合并输出。自适应合并技术是根据自适应算法获得两个天线各个支路合并的加权因子。文献[7]中通过仿真比较分析了各种合并方案，并且得出结论：双天线接收分集的性能与两个天线之间的距离有关的，距离越大，两个天线的空间相关性就越小，双天线分集性能越好。天线距离为0.15个波长时，与单天线比，无论采用何种合并方法，都能获得性能增益。

双天线分集接收虽然能够改善系统性能，但是实现复杂度几乎增加一倍。本文提出一种改进的分集接收设计，能够实现有效降低复杂度，且性能损失较小。

1 信号及信道模型

数据源为随机信号，对随机信号进行扩频调制，在添加扰码之后采用QPSK调制，如图1所示。具体过程为：首先，随机发生的信号经过重复后（扩频因子即为重复数）与扩频码相乘进行扩频；然后，扩频后的数据与扰码相乘，进行加扰；最后，对加扰的数据进行QPSK调制。

根据文献[7]，当信道为多普勒环境下频率选择性瑞利衰落信道，并有加性高斯白噪声时，控制好天线之间的距离，可以实现两个天线之间信号不相关。由于多径信道的影响，发送端撒送的信号在传输信道中存在不同的延时，并且伴随不同的信号衰落，接收端接收到的信号为不同延时、不同衰落信号的叠加之和。

图1 信号扩频调制

假设接收端每根天线存在6条路径信号叠加，其单天线信道模型如图2所示。其中，延迟0～5为不同延迟时间（码元周期），瑞利分布为其衰减系数服从瑞利分布，其输出为多径信号分量。对合成信号添加高斯白噪声，且瑞利衰落和高斯白噪声分别独立产生。本文研究双天线RAKE分集接收，故图2描述单天线的信道模型，可以将同样的结构应用于另外一条天线。通过设置延迟和衰落的参数，可以得到实验仿真所需的信道模型。

图2 单天线信道模型

2 改进的双天线分集设计

根据图2单天线信道模型所示，两根天线信道中各存在6条路径。假设实现中每路RAKE能够处理6条路径，如果采用文献[7]的设计方法，则需要设计两路RAKE。每个RAKE针对一根天线做解扩，一共需要12条解扩支路。并且针对每条路径，需要设计12个定时同步模块。然而，当从两根天线12条路径中挑选信噪比最大的6条路径用于解扩，可以节省一半的RAKE资源和同步资源。

本文考虑采用一般分集的最大比合并方法，但是由于计算各个支路的SNR比较复杂，实际中以信号平均功率代替加权因子。分集合并设计如图3所示，具体步骤如下：

步骤1：对两个天线信号分别进行路径搜索；

步骤2：估计每条路径的功率和延迟；

步骤3：从所有路径信号中挑选6条路径信号，并进行定时同步和RAKE分集接收。

在实际情况中，如果移动通信环境不是很复杂，延迟最小的径信号即为直达径，此时，它的功率最强，因此必须对其同步、解扩。如果在山区或者由于建筑物阻挡，没有直达径，应该首先分别从两个天线的所有径信号中选择幅度最大的路径信号去同步、解扩。因此，首先以功率大小为原则挑选路径信号，功率越大优先级越高；其次以延迟大小为原则挑选路径信号，延迟越小优先级越高。

图3 双天线分集设计框图

3 仿真结果和分析

假设发射端如图1信号模型所示，接收端由两个图2所示的单天线信道模型组成，通过解调结果与信号源进行比对，得出误码率（Bit Error Rate，BER）作为衡量系统性能的指标，并讨论误码率随信噪比影响的变化趋势。在仿真中，不考虑定时误差影响，假定解调的各个径信号已经准确同步。

当信号模型一定，设置双天线分集接收中的两个单天线各条径时延和衰落数值，具体如表1所示。

表1 各径的时延和衰落

其中，每根单天线（1和2）分为六条路径（1、2、3、4、5和6），一种12条路径。在仿真中，假设每路RAKE可以实现对6条路径的解扩，则需要2路RAKE和12个定时同步模块。根据改进的双天线分集设计，则仅需要对6条路径进行解扩，即仅需1路RAKE和6个定时同步模块，与改进前相比减小了一半的复杂度。

按照表1中设定的信道时延和衰落数值，对双天线2路RAKE（改进前），双天线1路RAKE（改进后），单天线单独解调（1、2）四种情况进行仿真，并讨论多普勒频率对结果的影响。如图4和图5所示，为不同多普勒频率下四种天线分集接收情况的仿真实验结果。

图4 最大多普勒频率为20 Hz时的性能比较

图5 最大多普勒频率为100 Hz时的性能比较

由图4和图5中四种情况下误码率随信噪比变化可得出，误码率随着信噪比减小而增大，系统性能会下降，双天线RAKE接收要比单天线的效果好，平均提高5 dB（同一误码率下信噪比之差），改进后的双天线RAKE分集接收（双天线1路RAKE）效果要比改进前（双天线2路RAKE）的略差，平均降低0.3 dB。对比单天线情况，在相同复杂度条件下，改进后的双天线RAKE分集接收效果更优。