移动通信中的空分多址技术

电孤技求202年第2期网络与通信NETWORK COMMUNICATION文章编号:1001-893X200m2-0105-0移动通信中的空分多址技术俄广西龚耀寰电子科技大学电子工程学院四川成都610054)摘要在信息时代人们对通信业务的需求不断增加这对通信技术提出了更高的要求空分多址〔SMA)技术由于其在提高系统容量和频谱利用率方面的独特优势而引起了人们的广泛关注。本文从基本概念、信道模型、系统实现和对通信系统的性能改善等几个方面对空分多址技术进行了较为全面的论述。关键词移动通信空分多址固定多波束切换洎适应波束形成中图分类号IN929.5文献标识码:ASpatial Division Multiple access Technologyin mobile communicationE Guang-xi GONG Yao -huanElectronic Engineering School UESTC hengdu 610054, ChinaAbstract In information age the demand for communication service increases constantly. So higher requirementfor the communication technology is raised. The Spatial-Division- Multiple- Acesse( SDMA technology callsattention broadly by its unique advantage of increasing system capacity and frequency spectrum utilization. Inthis paper the authors discuss thoroughly SDMA technology from such aspects as basic concept channel modelrealization and improvement of the performance of communication systemKey words: Mobile communication "Spatial division multiple access( SDMA ) Multiple beam switch ;Adaptivebeam formin户方向发送。SDMA在提高通信服务质量、扩大系引言统容量、提高无线资源的利用率、提高系统的可靠性随着通信业务的迅猛发展和移动通信用户的不以及降低系统成本等方面有卓越的优点断增加现有通信体制FDMA、TDMA、CDMA的容量空分多址技术起源于雷达、声纳等军事领域由已渐趋饱和如何提高无线资源的利用率成为人们于造价昂贵及其他因素,一直未能应用于民用通信思考的重点。随着阵列信号处理技术的发展空分领域。随着微电子技术的飞速发展DSP芯片的价多址(SDMA: Spatial Division Multiple Access)技术可以显著改善通信系统的性能其在移动通信领域的格不断下降以及数字信号处理技术的日益完善空应用已引起人们的极大关注分多址正在向民用通信系统渗透。依托先进的数字SDMA技术使用定向波束服务于不同的用户信号处理技术空分多址在移动通信系统中将会有控制了基站和用户的空间辐射能量引导能量沿用良好的应用前景口胡11电孤技求202年第2期网络与通信NETWORK COMMUNICATION加拿大 McMaster大学研究开发了4元阵列天线采SDMA的研究现状用恒模CMA算法。我国国内部分大学也正在进行欧、美、日等国非常重视sDMA技术在未来的移相关的研究动通信方案中的地位与作用,已经进行了大量的理论分析研究同时也建立了一些技术试验平台。三、SDMA的基本概念欧洲通信委员会(CEC胜在RACE计划中实施了SDMA体制又称空间分割,它使用阵列天线通第一阶段智能天线技术研究称之为 TSUNAMI,由过在角度域提供虚信道来控制空间。一般来说,S德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。项目组在95中的120扇区分割,定多波束的切换也可以DECT基站基础上构造了智能天线试验模型。天线认为属于SDMA的范畴。SDMA技术允许在一个小有8个阵元组成射频工作频率为1.89GHz阵元间区内用相同的频率、相同的时隙、相同的扩频码通距可调。模型用数字波束形成的方法实现智能天过不同的波束为不同的用户服务。通过使用阵列天线系统评估了识别信号到达方向的MUsC算法,线提供对空间的动态控制从而增加了一个维度采用的自适应算法有NLMS算法和RLS算法。实验SDMA的基本思想是引导能量沿用户方向传系统验证了智能天线的功能2个用户4个空间信输。通常情况下同移动用户的空间位置和移动速道包括上行和下行链路比特差错率BER优于度不同在基站一侧所接收到的不同用户的信号的I0ˆ-3I。试验评测了采用 MUSIC算法判别用户信DOA多普勒频移和多径结构等特征也就不同。SD-号方向的能力同时通过现场测试表明圆环和平MA就是利用这些特征的差异通过阵列天线技术面天线适于室内通信环境使用而在市区环境中采在用户方向上形成定向波東在同一信道上接收和用简单的直线阵更合适。发送多个用户信号而不发生相互干扰。实际上它使日本ATR光电通信研究所研制了基于波束空通信资源不再局限于时间域、频率域或码域而拓展间处理方式的多波束智能天线。天线阵元布局为间到了空间域距半波长的16阵元平面方阵,射频工作频率是个理想的SDMA系统应能够为每一个用户形1.545GHl阵元组件接收信号在模数变换后进行成一个波束基站跟踪用户的位置移动始终使用户快速傅氏变换(FT)处理形成正交波束后分别采处于波束的中心处。在SDMA系统中的所有用户,用恒模MA算法或最大比值合并分集算法。野外将能够用同一信道在同一时间实现双向通信。移动试验确认了采用恒模CMA算法的多波束天线功能。理论分析及实验证明使用最大比值合并算四、通信系统中的信道模型MRC河以提高多波束天线在波束交叉部分的增信号通过无线信道的情况是很复杂的严格的益。上述两种方案在所形成波束内选用最大电平数学模型的建立需要有物理环境的完整描述但是接收信号不用判别用户信号到达方向及反馈控制这不利于信号处理算法的设计因此需要简化有关机构等硬件跟踪装置。信号传输的假设构造一个实用的参数化模型。无Array comr公司和中国邮电电信科学研究院信线电波传输中信号从发射到接收端的传输路径中威公司研制出应用于无线本地环路WL舶智能天存在多条路径。多径传输除了引起信号衰落外还线系统。产品采用可变阵元配置有12元和4元环会引发时延扩展多谱勒扩展和角度扩展、无线信道形自适应阵列可供不同环境选用。在日本进行的现般可以分为频率选择性衰落信道和平坦衰落性信场实验表眀在PS基站采用该技术可以使系统容道信道模型也就相应地建模为频率选择性信道模量提高4倍。型和平坦衰落信道模型我国信威公司的智能天线采用8阵元环形自适假设在用户发射机和基站接收机之间的信道内应阵列,基带信号用DsP处理,射频工作于1785存在L条路径则频率选择性信道的冲激响应可以1805MHz菜用TDD双工方式,收发间隔为10描述为ms接收机灵敏度最大可提高9dB此外德州大学奥斯汀SDMA小组建立了一套x)=∑以01,业2t-x)电孤技求202年第2期网络与通信NETWORK COMMUNICATION式中θ,w1表示第个信号的波达方向θ和分别为阵列天线与第i个信号的仰五、SDMA的实现方案角和方位角要实现SDMA,目前主要有固定多波束切换和L为多径数目自适应波束形成2种方法。β为第;条路径的增益1.固定多波束切换f是由移动台或散射体的运动产生的多谱勒固定多波束系统的波束数目是固定的方向图频移;也是固定不变的。系统利用多个并行波束覆盖整个中为固定的相位偏移。用户区每个波束的指向都是固定的波束宽度也随阵元数目的确定而确定。多波束切换算法仅有一个反射体反射体波束转换开关函数该函数实现各个波束之间的切换。波束切换算法和射频信号处理算法整合在智能天线里。对于每一个用户的通信呼叫,系统为其选基动台择一个可以提供最佳信号的波束然后系统持续跟踪该用户及时切换天线波束确保在整个连接期间满足用户的需要。系统连续扫描波束的输岀选择线反射体输出功率最大的一个。窄带定向波束的应用,减少了对基站造成影响的干扰源的数量。当用户移动图1多径传输信道示意图时系统连续检测信号质量以决定选择哪个波束,使接收信号最强。系统框图如图2所示。信道冲激响应的所有变量都可能随时间、用户位置以及用户移动速度而变化但是当用户在一个小的局部区域几个波长的距离移动时则可以认多波束形成多波束切换为多径分量L固定并且对每一路径而言波达方向开关函数算法θ灬)路径增益β、多谱勒频移f、相位偏移中和时延τ可假设近似为常数。若发射信号为(t)则在阵列天线上接收的信号为接1)=∑0)C2+41-x)+1)收机(2)上式即为平坦衰落信道的冲激响应n(t)为阵列天线的加性噪声。图2系统框图在移动通信系统中如果上行链路和下行链路采用相同的天线和相同的工作频率则上、下行链路由于开关波束系统对接收信号区域定位的模的冲激响应是相同的。但是,上行链路和下行链路糊使得该系统一般只应用在基站一侧。开关波束还是有一些区别具有很强的方向性从接收信号的功率的角度来看,基站通常位于高处因此本地散射比较少,它能它有优良的性能,可以抑制当前正在使用的波束中够看见”的入射路径很少,每条路径有不同的时延心处之外的干扰提高天线端的增益。但是开关波和较小的角度扩展。一般路径数目为2~6角度扩束天线由于波束的指向固定不能够自适应地消除展为5~15°干扰在干扰强烈的区域其应用将受到限制。因为与基站相反移动台可以看到”较多的路径和用户信号并不一定在固定波束的中心处当用户位较大的角度扩展例如路径数目可能多达50个角于波束边缘,干扰信号位于波束中央时接收效果最电孤技求202年第2期网络与通信NETWORK COMMUNICATION但是固定多波束切换系统具有结构简单、无需判定SDMA的上行链路用户信号到达方向的优点而且易于实现。上行链路的实现采用基于接收DBF的方法。在固定多波束切换系统中,多波束的形成有很在阵列信号处理的范围内波束形成就是从天线阵多方法可以采用特定波束形成算法、直接加主瓣偏列重构源信号这即可以通过增加期望信源的贡献移形成算法、HF形成算法、联合形成多波束算法来实现也可以通过抑制干扰源来实现。一般同时采用上述两种方式。其基本原理就是应用数字波束2.自适应波束形成形成器利用相应的算法计算针对某个期望用户的与固定多波束切换方式不同,自适应波束形成权值产生一个将该用户纳入其中的波束同时将零方式不是选择既定的波束,它根据期望信号的先验点指向其他的用户。这样就可以保证从K个信号知识在期望信号的方向上自适应地形成一个波束。中分离出该用户的信号抑制其他用户的信号。考然后持续跟踪移动台的位置变动动态地改变波束虑到下行链路上行链路的接收DBF可以采用这种的方向和形状。这种方式可以解决固定多波束切换方法先估计用户信号的DOA得到用户的空间方方式中的当移动台处于波束的边缘时性能下降的问向然后在用户方向上形成波束。题而且可以根据业务需求改变小区的大小和形这种方法的关键之处在于确定用户信号的状动态地形成小区DOA如何在多径干扰环境下准确、快速地估计DA关于自适应波束形成的算法比较多有基于各还需要进一步探索。种约束准败如最小均方准则、最小二乘准则、最大也可以考虑采用基于有限字符集性质的方法。信干比准则、)的算法有LMS算法、RS算法、SM通过一定的估计准则计空间信道和符号序列或算法、功率倒置算法、约束算法等湛于信号恒模特者直接估计用户的符号序列这就是符号序列估计征的算法有:恒模算法CMA、最小二乘恒模算法方法。这种方法主要利用数字调制信号的有限字符LSCMA、多目标最小二乘恒模算法IS-M℃CMA等;集性质和周期平稳性。基于信号子空间的方法等。字符序列的最佳估计有2种算法撮大似然序自适应波束形成系统为了实现其改善系统性能列估讯MSE算法和最大后验概率MAP算法。的目标必须在动态环境下对许多时变参数进行估MLSE算法就是:已知匹配滤波器或相关解调计和优化并且这些系统参数的更新耗费的时间也器输出端的接收序列n1,灬…,确定序列s是必须考虑的问题。例如系统要求实时更新处于m)Am)灬Am)}使得条件概率密度函数H(rn2快速移动中的移动台的位置信息而响应时间却受1sm)最大。到方向角估计跟踪算法以及收敛至满足水平的波MAP算法是使每个被估计或检测的字符的后束形成算法所需时间的限制。尽管可以通过算法的验概率为最大。MAP算法的计算很复杂实际应用并行来实现增强信号处理能力但同时也增加了系中多采用MSE算法。统开销因此在移动环境中采用自适应波束形成方2.SDMA的下行链路式尚有一定的困难。相比较而言固定多波束切换SDMA系统的下行链路的关键是发射数字波束方式的实现要容易一些。的形成技术。对于收发共用类型天线系统当采用时分双(TD时由于发射和接收的时间间隔短六、SDMA的工作链路并且采用同样的频率,上、下行链路差异不大,可以SDMA的基本内容是上行信号的多用户分离和认为上、下行链路的传输函数相同因此能够把从上下行信号的点对点发送。上行信号的多用户分离就行链路计算中得到的权值直接应用到下行链路中。是利用空间信道估计和自适应空间滤波技术对同当采用频分双工(FDD时因为上、下行链路采信道中多个用户发到基站的信号进行空间滤波加以用不同的频率,般有45或80MH的保护间隔信区分。下行信号的发送是指根据用户的空间位置的道受频率选择性衰落各不相同故根据上行链路计差异在用户方向上形成定向波束从而保证信号只算得到的权值不能直接应用到下行链路中需要单电孤技求202年第2期网络与通信NETWORK COMMUNICATION(1贩馈方法基站周期性地向移动台发射测试提高频谱利用率是指给定系统用给定频谱可以信号移动台响应并将信息通过上行链路反馈给基处理的业务量提高信道容量就可以增加信道內的站基站由此得到信道响应信息据此计算下行链路用户。研究表明使用SDMA技术可以提高系统容的权值形成针对期望用户的波束。量。首先由于降低共道干扰和多径衰落提高了服(2)用DOA的方法油于DOA指示了用户信务质量。因此可以在保持系统服务质量不变的情况号方向因此只要把在接收模式中获得的移动台的下提高信道容量。其次,可以在不增加频谱资源的方向知识应用在发射模式中就可以用DBF技术在情况下形成多个波束以提供额外的信道同样提高这个方向形成定向波束建立下行链路同时在其它了系统容量用户方向形成零点以降低对其它用户的干扰在 Rayleigh衰落环境中对阵列天线的最大数3)用参考信号的方法在市区多径往往会导据率和容量的研究得出一个重要结论个用户每致期望用户有比较大的角度扩展实验结果表明,一个的阵列天线可以形成L个波束使用优化发射/工作在870MHz上从距离1km处看时角度扩展接收机可以建立L个信道每个信道的最大数据率大概为3°此时计算DOA比较困难。对使用参考信与单信道的相同。这意味着系统容量提高到了原来号和使用DOA的研究表眀当多径导致期望信号有容量的L倍。阵列天线和天线分集对移动通信系统较大的角度扩展时前者要比后者优越。IS-54标容量的影响的研究表明,使用阵列天线可以大幅提准中的帧同步序列和用户识别序列、GSM系统中的高系统容量。在TDMA系统中对SDMA技术应用训练序列以及CDMA系统中的PN序列都可以作为的研究表明通过在基站使用二元阵除了在最坏参考信号情况下(小区边界以外频率复用因子可以达到4使用动态信道分配可以进一步达到3。对于当前系七、SDMA对系统性能的改善统的频率复用因子7来说这是一个实质性的改进。SDMA对通信系统的性能改善是多方面的,可4.BER的改善以降低共道干扰和多径衰落,降低BER和中断概使用SDMA技术可以消除共道干扰和多径衰率扩大系统容量提高频谱利用率根据业务需求落降低BER或者给定BER降低对SNR的要求。动态地形成小区。多波束系统对共道干扰的仿真表明,对于QPSK调1.减少时延扩展和多径衰落制系统BER随阵元数目的增加而降低。在多径环时延扩展是由多径传播引起的使用SDMA后,境下只有一个主路径时比同时有n个等能量路径通过在期望信号方向上形成定向波束其它方向置时BER的降低更为明显。在TDMA系统中实验结零来消除时延到达的信号。实验结果表明在果表明在基站使用自适应天线可以把平坦衰落环TDMA系统中使用6元阵在多达3余条多径的环境中其它用户对BER的影响降低到如同其它用户境中取得了令人满意的性能。都不存在的水平。对频率选择性衰落信道的仿真结2.降低共道干扰果与平坦衰落环境下的结果相似。小区用户的增加SDMA技术具有空间滤波器的作用在基站的通常会增加BER。使用RS算法,CDMA系统中BER的表达式为发射模式中对期望的用户形成定向波束发射信号在其它方向上造成的干扰就比较小使用多波束覆NK(1+8)-1(3)盖小区的分析表明共道干扰随着波束的增加而下3GD降K(1+8B)-1(43.提高频谱利用率P是使用全向天线时的BER表达式P是使通信系统的容量是指在给定频谱资源时系统用阵列天线时的BER表达式。式中Q是标准Q函可以处理的业务量在蜂窝系统中,般可以用给定数G是CDMA系统的处理增益K是小区內的用户频谱带宽时每个小区能提供的最大信道数或最大数β=0.0553D表示阵列天线的方向增益。比较用户数来衡量。增加系统容量有2种方式增加系(3)(4)两式可知:使用SDMA技术显著降低了电孤技求202年第2期网络与通信NETWORK COMMUNICATION与全向天线相比BER可以降低一倍。强度、美观的外型而且在增益、带宽、角扫描能力和5.中断概率的降低损耗等方面有苛刻的要求中断概率是指在接收数据时,由于误码率的增参考文献高而导致信道不能正常工作的概率。在基站上使用自适应天线后增加了可使用的波束数目降低了中[1 George Tsoulos ,et al. Wireless Personal Communications for断概率。对蜂窝系统中断概率的硏究分析表明在the 21st Century European Technological Advances in Adaptive Antenna[ J ] IEEE Com Magazine, 1997: 102-109包含1个共道小区和6个共道小区的不同情况下,[2]T. Ohgane, N. Matsuzawa, T. Shimura, M. Mizune,and使用自适应天线后存在6个共道小区时对中断概H. Sasaoka, BER Performance of CMA adaptive array for率的改善仅比只存在1个共道小区时略差一点。GMSK mobile communicatior-A description of6.提高发射效率measurements in central Toky j], IEEE Trans. Veh, TechSDMA技术可以形成高增益定向波束能够扩nol,vol.42,pp,484~490,1993展小区范围或降低移动台的发射功率。实验室的[3] J. F. Diouris, B. Feuvrie, and J. Saillard, Adaptive multi-sensor receiver for mobile communications[ J],Ann. Tele-实验结果8表明使用SDMA技术后发射功率可以从10W降低到250mW。在基站上发射功率被分配【4] Jingmin Xin, Linear Perdiction0 ch to Direction Estima到M个阵元上总的发射功率的降低导致每个阵元tion of Cyclostationary Signals in Multipath Environmen[ J]上的发射功率的降低。在系统的实现方面由于发IEEE Transaction on Signal Processing, Vol. 49, No. 4,射功率的降低因此可以采用小功率的器件对于工April 2001作在微波波段上的器件而言这一点尤其重要。[5] T. Tramp and B. Otterstem, Estimation of noof arrival and angular spread using anJ],八、SDMA的关键技术Signal procesol.50Pp.57[6]S. Choi and T. K. Sarkar, Adaptive antenna arraySDMA技术由于性能优越,在移动通信系统中conjugate gradient method for multipath mobile communi有广阔的应用前景但是由于现有的数字信号处理cation J ] Signal Process. Vol 29, pp. 319-333算法的限制目前只用于卫星通信。主要有以下几[7]J.H. Winters, J Salz,andR. D Gitlin, The impact of点因素影响了SDMA的应用和性能tenna diversity on the capacity of wireless communication sys-1运算量小的快速数字信号处理算法油于目temd[ J ] IEEE Trans. Commun. vol. 42, pp. 1740前的DSP和专用算法芯片的速度的限制使得有些算法难以在实际情况下应用淇次在移动通信系统[8]S.A. Harbin and B.K, Rainer ,Low- power wireless mo中尤其是移动台高速移动时如果数字波束形成算bile communications systenf A in Proc. IEEE 4th Vehicular法的收敛时间达不到要求,有可能使移动台脱离波Technology Conf[ C ] Vol. 1 ,Stockholm Sweden 1994 PI673~676束造成通信中断。这对数字信号处理算法提出了很高的要求作者简介(2)多径环境下的DOA估计算法:下行链路的俄广西(1972-)男山东东阿人博土研究生研究方DBF主要是利用用户信号的DOA但是在多径干扰向为信号与信息处理严重的环境中准确估计用户信号的DOA尚有一定龚耀寰(1938-)男,1%60年毕业于成都电讯工程学校,的难度。1979~1981年在英国拉力夫巴勒技术大学作访问学者191(3厌线的设计天线设计历来是移动通信技术99年任德国慕尼黑技术大学客座教授现为电子科技大研究的重点合理设计的天线不仅要有足够的机械学教授博士生导师电子技术系主任。