TD-LTE系統多普勒預編碼分集技術研究

丁曉貴 劉桂江

【摘要】TD-LTE系統存在信道的多徑效應和多普勒頻偏，導致接收信號是一種有一定頻帶寬度的混合信號，即所謂的多普勒擴展。多普勒分集技術是解決多普勒擴展現象的關鍵環節。構建了一種滿秩方陣范德蒙預編碼矩陣來獲得系統的多普勒分集增益。它不改變現有的系統結構，節約了系統的成本。以最小化誤碼率為前提，給出了這種編碼矩陣具體形式。仿真結果表明該方法不依賴于信號的調制方式，在獲得多普勒分集增益的同時取得較大的編碼增益，能夠使系統誤碼率降低。其性能明顯優于其它多普勒分集技術。

【關鍵詞】TD-LTE系統多普勒擴展預編碼分集技術

一、引言

在無線信道中，由于信道的多徑效應和多普勒（Doppler）頻偏的存在，導致接收信號是一個有一定頻帶寬度的混合信號，即所謂的多普勒擴展?，F階段，對于TD-LTE（Time Division Long Term Evolution，分時長期演進）系統中多普勒擴展的主要處理方法是采用多普勒分集技術。多普勒分集技術的主要思想是：將由信道多徑及多普勒頻偏產生的額外的多普勒擴展作為頻域的分集資源，從而獲得多普勒分集增益。

目前，獲得多普勒分集增益的方法主要包括兩大類：一是基于系統結構的多普勒分集技術?？梢酝ㄟ^多普勒發射機和多普勒接收機來實現[1-3]，但其實現復雜度太大且會改變現有的系統結構，因此無法應用于現有的TD-LTE系統中；二是基于預編碼的多普勒分集技術[4-6]。這是一種通過編、解碼技術來實現多普勒分集增益，是近年來解決多普勒擴展問題的主流方法。其中多普勒預編碼矩陣有兩種經典方式：高范德蒙預編碼矩陣和方陣范德蒙預編碼矩陣[7]。高范德蒙預編碼矩陣可以在獲得最大多普勒增益時不依賴于調制方式，但矩陣本身是冗余的，不適合于現有的TD-LTE系統；方陣范德蒙預編碼矩陣雖然是非冗余的，但在獲得最大多普勒增益時依賴于QAM（Quadrature Amplitude Modulation）調制方式。如果是非QAM調制，性能就會下降，這種方法沒有考慮到預編碼帶來的編碼增益。本文針對現有分集技術預編碼矩陣的不足，提出了一種新的預編碼矩陣構建方法。它能夠不依賴于調制方式，非冗余，并且使TD-LTE系統成對差錯概率最小，特別適合現有的TD-LTE系統。

二、多普勒預編碼分集技術模型

圖1為采用預編碼的多普勒分集技術的TD-LTE系統模型。在發送端，經過調制的信號首先經過空時處理映射到各個發送天線上，然后對每根發送天線上的信號進行串/并轉換、乘以多普勒預編碼矩陣，最后將每根發送天線上的信號進行OFDM調制[8]。在接收端，接收到的信號首先經過OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用技術）解調，然后進行多普勒預解碼，最后通過空時處理及解調最終恢出復原始數據。

2.1多普勒預編碼過程介紹

假設TD-LTE系統有Nt根發送天線，Nr根接收天線。系統中每根天線上進行串/并轉換的碼長度為N。記經過串并轉換后的符號矩陣為S，經過多普勒預編碼后的符號矩陣為X，其定義分別如下：

其中：Si代表第i根發送天線上經過多普勒預編碼前的矩陣；Xi代表第i根發送天線上經過多普勒預編碼后的矩陣。

考慮多普勒預編碼矩陣采用非冗余編碼形式，定義為N×N階矩陣，用符號Θ表示，則多普勒預編碼過程可以表示為：

對于上式去除常數項姿，為了保證系統發送功率不變，則可以得到Θ最終表達式，如（2）式所示，即證。

四、仿真及性能分析

為驗證按式（2）構建的方陣滿秩范德蒙預編碼矩陣，能夠獲得最大多普勒分集增益，它不依賴于調制方式且能使得系統成對差錯概率最小，下面對其仿真并分析。

仿真環境參數的設置參照了3GPP制定的TD-LTE系統協議，具體的仿真參數如下：OFDM信號的采樣點數M=1024，循環前綴采樣點數幀為L=72，周期10ms，OFDM信號的子載波間隔Δf=15kHz，系統帶寬10MHz，采用wim信道，每隔1ms估計一次，最大多普勒頻偏fd的取值為200Hz，Q的取值為2，方陣范德蒙預編碼矩陣的階數N的取值為3。

驗證分集增益和編碼增益情況，常用信噪比（SNR）來衡量。圖2中三條曲線分別為無多普勒預編碼，未滿秩方陣范德蒙預編碼，最小誤碼率（BER）滿秩方陣范德蒙預編碼。從圖中可以看出，無多普勒預編碼信噪比性能最差；未滿秩方陣范德蒙預編碼信噪比性能稍好，說明這種編碼能夠獲得最大多普勒分集增益，事實上，高范德蒙預編碼就是這種形式；最小誤碼率滿秩方陣范德蒙預編碼且考慮編碼增益時信噪比性能最優，說明按文中這種方式所構建預編碼矩陣能夠保證TD-LTE系統獲得最大多普勒分集增益的前提下，系統的編碼增益也達到較大的值。

驗證系統成對差錯概率，常用誤碼率來衡量。圖3中三條曲線分別無多普勒預編碼，未滿秩方陣范德蒙預編碼，最小誤碼率滿秩方陣范德蒙預編碼。由圖可見，考慮編碼增益和最小化成對差錯概率時，誤碼率明顯下降。

五、結論

相比經典的多普勒分集增益的預編碼矩陣，文中多普勒預編碼分集技術研究是通過最小化成對差錯概率來保證系統性能最優。該方法不僅考慮到了系統分集增益還考慮到了編碼增益。仿真結果表明該預編碼矩陣對應的分集增益和誤碼率性能明顯優于其它方式構建的編碼矩陣。

參考文獻

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