浅析WCDMA下行发射分集技术

摘要　众所周知WCDMA系统中在上行采用了分集接收技术，实际上在下行也采用了分集技术即称为下行发射分集技术。文章对下行发射分集技术的种类及原理进行了阐述，并对采用不同的发射分集技术的效果进行了定量的分析总结。

    由于无线传播环境的恶劣，在蜂窝移动通信中，基站的发射信号往往是经过多次反射、散射和折射才到达移动台的接收端的。这样很容易就造成了信号的多径衰落。在衰落环境中，多天线分集技术可以有效地改善无线通信系统的性能。在3G系统中，多天线的发射分集是一个非常重要的关键技术。信号通过多个空间上分开足够远的天线发射出去，实现空间分集。天线之间的间隔足够远，可以保证每个天线发射出去的信号经过信道后所遭受的衰落是不相关的。WCDMA系统使用了开环和闭环发射分集技术。

    一、开环发射分集

    在WCDMA系统使用了两种开环发射分集方案，分别是空分发送分集（STTD）和时间切换发射分集（TSTD）。

    空分发送分集（STTD）是将在非分集模式下进行信道编码、速率匹配和交织的数据流在4个连续的信道比特块中使用STTD编码。STTD编码方式如下图所示。空分发送分集（STTD）除了同步信道（SCH）以外均可使用。

图1　STTD编码方式

    时间切换发射分集（TSTD）是根据时隙号的奇、偶，在两个天线上交替发送基本同步码和辅助同步码。例如奇时隙时用第1个天线发送，偶时隙则用第2个天线发送。采用TSTD，在移动台中可以很简单地获得与最大比值合并相当的效果，大大提高了用户端正确同步的概率，并缩短了同步搜索时间。时间切换发射分集（TSTD）专用于同步信道SCH。

    二、闭环发射分集

    专用物理控制信道（DPCCH）和专用物理数据信道（DPDCH）共同组成的专用物理信道，经扩频/扰码后被天线的特定复数加权因子W1和W2加权处理（加权因子由UE决定），用户设备根据接受到的下行公共导频信道（CPICH）的某个时隙来估计各发送天线的信道响应。闭环发射分集的结构如下图所示。

图2　闭环发射分集示意图

    闭环模式发射分集关键是加权因子的计算，按加权因子计算方法不同分为两种模式：模式一采用相位调整量，两个天线发射DPCCH的专用导频符号不同（正交）；模式二采用相位/幅度调整量，两个天线发射DPCCH的专用导频符号相同。

    （1）闭环发射分集模式一

    在用户端，若对应的时隙号为奇，则第二个天线的信道响应先旋转90度再计算，若时隙号为偶则不旋转。基站端则实际使用相邻的且处于不同旋转集的两个时隙所对应的相位调整量，进行第二个天线的相位调整。当信道变化速率较低时，本模式实际可起到2 bit反馈控制的效果，而当信道变化速率较大时，也有一定的平滑作用。

    （2）闭环发射分集模式二

    用户设备在计算调整权前不进行预旋转，基站也不做响应的处理。为获得最佳性能，用户端的每一个时隙都从剩余组合中挑选最佳调整值，以确定当前时隙应该上传的控制比特，而非4个时隙算一次。基站端采用的也是连续调整，即在每个发送时隙调整而非4个时隙算一次，为此，基站实际使用的是4个与各个控制比特相对应的最新接收比特。

    在发射分集模式一中所需的调整量只有相位可被量化为1bit；而在模式二中，既有相位又有幅度，用4bit表示，其中前3bit对应相位，有8种可能取值，幅度仅有1bit。

    三、比较分析

    在开环发射分集中，使用多根天线，引入了一种预定的分集形式。开环发射分集的优势是可以不需要信令开销，同时能够将移动台复杂度保持在一个较低的程度，但这种方式有明显的缺点，就是没有利用信道信息。

    当用户处于多径分量较少的低移动环境中时，发射分集的影响较大而在高速率运动中，性能的改善基本可以忽略，在这种环境中，多径分量影响了下行链路的正交性，因此也就影响了发射分集的性能。闭环发射分集模式一在在车速低于50km/h的环境中Eb/No增益比开环分集高0.5dB，闭环发射分集模式性能在车速低于30km/h的环境中基本优于闭环模式一约1 dB，但随着车速增加，模式二性能迅速恶化，与模式一趋同。

    如果WCDMA基站下行链路发射总功率为20W，最大路径损耗为157 dB，下行吞吐率为650kbit/s，才用2×10W的发射分集时，同样的路径损耗可以支持的数据吞吐率为1030 kbit/s，容量增益为2 dB，如果保持下行吞吐量不变，则允许的路径损耗可以增加到162 dB，覆盖增益为5 dB。如果上行链路是覆盖受限时，我们不可能利用这个覆盖增益去扩展小区的大小，但可以用它来减小基站的发射功率。

    在基站的下行链路上，通过提供TSTD、STTD等多种分集方式，使UE的RAKE接收路径的数目和质量得到提高，从而增加覆盖范围，提供系统容量，减少基站数目。

    四、结束语

    在WCDMA系统逐渐成熟的今天，下行发射分集技术在WCDMA网络中的实际运用的状况有待我们共同探讨与研究。