一种基于码分多址的改进性空分多址性能分析

工程与应用1种基于码分多址的改进性空分多址性能分析卢晓宇,张祖凡,胡庆(重庆邮电大学,重庆40005摘要:为解决SDMA中下行波東交叠引入的不同波東覆盖下用户群间相互干扰,研究一种结合CDMA的改进性DMA多址技术。基站对下行链路的赋形波柬进行实时的相关性检测,为高相关性的SDMA波東动态分配正交的ⅣN码,以CDMA方式来识别不同波束,实现码分和空分的有效结合。仿真结果表明改进的SDMA多址技术在波束高度相关,也即是用户群之间干扰较强的情况下仍能获得较好性能关键词:空分多址;PN码;波束相关性Performance analysis of an improved Sdma technique based on CDMALU Xiao-yu, ZHANG Zu-fan, HU QirChongqing University of Posts and Telecommunications, ChongqingP. R. China)Abstract The overlap between beams often introduces interference among different user groups in the downlink of SDMAsystem. To resolve this problem, an improved SDMA technique combined with CDMa was studied. Base station made a re-al-time detection for the correlation of downlink shaped beams, and dynamically allocated orthogonal PN code for highercorrelated beams. This improved SDMA identified the different beams with CDMA method, and it implemented the combi-nation of SDMA and CDMA availably. Simulation results show that the improved SDMA technique can achieve betterformance in the case of horrelation between beams as well as strong interference among user groups.Key words: SDMA; PN code; beam correlation0引言的波束进行覆盖。通过这种处理方式,在系统容量方面同样可以得到极大提高3。,与此同时其降低虽然CDMA移动通信系统为系统内不同基站、系统干扰方面的能力也得以提高。事实上,这用户分配相互正交的FN码极大地降低干扰,进而种多址方式尤为值得关注的是,基站天线的多个波提高系统容量。但在实际系统中,一方面考虑到寻束可以动态/自适应地完全/部分地跟踪多个用户找足够数量的正交PN码比较困难且实现较为复群,并且波束间的信道可以共享,这样可以实现灵活杂1-21,另一方面事实上相互正交的FN码经过复的资源分配提高系统频谱利用率。但是根据天线杂无线信道传输后码间正交性会受到影响从而导理论,随着移动用户数的不断增加基站将需要不断致性能下降2-4增加天线阵元数量,这将导致天线处理能力和处理为了解决CDMA系统的如上矛盾,可以引入基复杂度的提高甚至降低其整体性能于阵列天线技术的SDMA技术,这一技术是利用系事实上,无论是CDMA技术,还是SDMA技术在降统/基站内的用户在空间/地理位置区域的不同,通低系统干扰提高系统容量方面各有优缺点。但如前过进一步提取用户信道特性,从而对用户按信道和分析CDMA中的PN的正交性可以弥补SDMA中容量空间位置进行分组,然后对不同用户组/群利用不同增加而导致的天线处理复杂度的提高,而SDMA中的空分技术可以解决CDMA中可使用的正交PN码数量收稿日期:20081208约束系统容量这一瓶颈。基金项目:重庆市自然科学基金(CSTC2007BB2453);重庆市教育委员会科学技术研究项目(K080516);重庆邮电大学为此,本文结合CDMA和SDMA技术,研究一种科研基金项目(A200851)改进性SDMA多址技术,它借鉴CDMA通信系统根76-DIGITAL COMMUNICATION/2009.程与应用据扩频码的不同来识别用户,将CDMA正交码字动式(1)中:Q4为可分辨的多径信号数目;s4(t)态分配给SDMA波束以不同的正交码来识别不同的为基站发射基带信号。hn(t)为下行信道响应,有波束形成在空间信道上独立的波束增加了通信系统的抗干扰性进一步改善系统性能。另一方面,°(t)a(…,9,)·8(t-r)(2)n(t)=∑SDMA和CDMA多址方式的相关技术研究已经相当成a(6,q)为下行发射第q条多径的波离开角度熟,为码分和空分的联合实现提供了技术支撑,也增AOA-(6,)对应的阵列响应矢量,如图2所示。强了改进性SDMA多址技术的研究可行性。设天线为由M个阵元组成的直线阵,阵元间距为d,假定各阵元均为全向天线且各阵元直接无耦合。假1改进性SDMA多址技术工作原理设信源位于远场,信号到达各阵元的波前为平面波。引人CDMA技术的SDMA充分利用阵列天线a(6,)的自适应性,进行下行波束赋形,为用户组/群分配[1,emm,…,enM-1)h]T(3)波束,进行分区覆盖。同时,基站将实时检测波束间相关性,并为高度相关的波束动态分配正交的PN立方角码,自适应地实现对不同的用户群进行独立波束覆盖,工作流程如图1所示。此改进的SDMA在解决用户组/群间相互干扰的同时,又自适应地进行资源分配极大地提高了频谱利用率及功率效率。实时检分配波相关性图2波束赋形方位角和俯仰角用户分组而a(t)为信道衰落可以表示为(t)=Ae no(4)式中:A,为传播系数,为信道多普勒频移;q,图1CDMA一SDMA工作流程图(A)为与下行信号波长相关相位。因此有下行信针对CDMA和SDMA的有效结合,为相关波束道相关矩阵R加入正交的PN码,本文考虑以下两方面问题RD=EChp(t)ho(r)](5)1)引入波束相关性对应SDMA,为各用户组/群2.2波束相关性分配波束,并进行分区覆盖,实时检测波束间(主要传统的SDMA不能对用户分组实现尽善尽美针对下行波束赋形)的相关性;的分区覆盖。对于相邻的两个波束覆盖区域,总是2)引人正交的FN码对应CDMA,为相关性强可能出现交叠现象,如图3所示。移动终端MS1与的波束动态分配正交码字形成在空间信道上保持MS2由于靠近beam1和bam2交叠覆盖区域,将同独立的波束。时接收到来自不同波束覆盖下的信号,相互间造成2波束的相关性干扰。为改善这一干扰问题,改进的SDMA从信道空间这一层面上,通过定量分析波束在空间上的相2.1下行信道空间模型关性来检测波束覆盖区之间的交叠干扰程度。基站从用户角度,通过用户对信道状态观察后若已知信道的统计状态信息,即信道的相关矩反馈的参数,进行下行信道波束赋形。当基站发射阵,则信道的子空间定义为该相关矩阵的最大特征阵列以权矢量w发送给期望用户k时,用户k的接值对应的特征向量。下行发射的波束赋形采用最大收信号可以表示为信噪比算法,则有E!w"()1(-,)P4∑a(t)a(0,9)s4(t-)+n4(t)(1)SNR工程与应用□sDMA分at束间的相关性分解为水平方向(方位角)和径向方向口sDMA分组2(俯仰角)两个正交方向,并对波束的相关性进行分别讨论如图4、图5和图6所示。其中p为相关性系数和φ分别为水平方向和径向方向上波束间夹角。图4和图5表明波束相关性是波束间夹角的函数。如果定义p=0.5时所对应的角度为相关夹角,则当2个波束的夹角大于相关夹角时,2个波束不图3相邻波束覆盖交叠现象相关;反之,则认为波束是相关的,进而需要对相关其中,σ。2为加性高斯白噪声的功率谱密度。假设的波束分配PN码,降低波束间的相互干扰。同时,不同路径独立不相关,且信号功率为1,则有波束间的相关性也是阵元数目M的减函数,随着MSNR=成倍增加,相关角度成近似相同倍数减小。这是由∑E|α(1)12a(349,la(,9,)于随着M的增大,阵列自由度增加,波束宽度减小(7)使得相关夹角也相应减小。另外需要注意的是,图5、图6所示为径向方向也就是有:SNRR为得到最大化的上2个分段的波束相关性曲线。这主要是受径向距SNR,最优权值问题转化为求下行信道协方差矩阵离上的覆盖范围影响。由图可知对于8元和16元的阵列天线,在径向方向上,最多形成2~3个独立R=∑Ela()a(日,4)a(,,)"(8)波束,而4元阵列天线在径向上形成的波束都是强最大特征值和特征向量。假设最优权值矢量为相关的,无法形成2个以上独立波束m,则有SNR。="3波束加码(9)CDMA移动通信系统根据不同用户分配的扩频由此可知波束的空间向量即为最大信噪比算码来识别不同用户,抗干扰能力强。改进的SDMA引法下获得的最优波束赋形权值矢量M甲。因此,两用CDMA系统的强抗干扰性,为相关波束分配FN波束的空间相关性可表示为(10)码,采用不同的PN码来识别不同的波束,改善传统P=R基站实时检测两相邻波束间相关性,如果设置sDMA系统存在的相邻波束覆盖区的相互干扰问题,相关性门限值为6,当相关系数p>8时,则对波束提高系统性能。加入相互正交的PN码,消除相邻波束间的相互干为波束分配的正交码序列集应具有如下相关特扰,使资源得到有效分配。性:①每个扩频序列的自相关函数应该是一个冲激23波束相关性仿真讨论函数,即除零时延外,其值应处处为0;②每对扩频由阵列天线估计来波信号阵列矢量a(,q)将波序列的互相关函数值应该处处为0图4水平方向波束相关性图5径向方向波束相关性(q<60°)图6=径向方向波束相关性(g>60°)78- DIGITAL COMMUNICATION/2009. 1咛御唁程与应用当基站阵列天线实时检测到两个相邻波東相关系址技术。改进的SDMA系统中,基站阵列天线对下数p>6时,则对波束分配正交的PN码。分别在波束行链路的赋形波束进行实时的相关性检测。当检测不相关和高度相关两种情况下比较分析改进SDMA到强相关波束时,动态地为其分配正交PN码,实现多址技术对系统性能的改善如图7、图8所示各波束在空间信道上的独立,消除波束间常出现的相互干扰。通过在不同的波束相关情况下进行比较分析,可见结合CDMA的改进性SDMA多址技术在波束间相互干扰较强的情况下,能够较好地抑制干扰,使系统性能得到较大改善。…m+参考文献[1]OdehN,khAtunS,MohdAliB,etal.combineDCDMA-SDMA performance analysis and code assign-ment algorithm[EB/OL].(200703-80)[2008-12-12]www.buet.ac.bd/iict/icict2007/schedule.html-39k[2] ODEH N, KHATUN S, AL B M, et al. 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Dynamic multiuser resourceallocation and adaptation for wireless systems [J].IEEE此,在波束未出现相关的情况下,不需要对波束进行Wireless Communications, 2006. 13 (4): 3847加码,以减少系统的运行复杂度。而当波束出现高[8] MACIEL T F, KLEIN A. A resource allocation strate度相关的情况时(图8),由于信道传输对正交PNfor SDMA/OFDMA systems EB/OL ].( 2007-07-16)码的影响图8表明改进SDMA性能较之图7中性[2008-12-20]. ieeexplore. ieee. org/xpls/abs_all. jsP?能曲线有稍微降级,而对于传统SDMA,其性能却有mumber =4299114约2dB的降级。由此可见,改进后SDMA在存在波[9]张祖凡,杜惠平自适应夭线技术在移动通信系统中束互干扰的情况下,对系统性能有相当改善。的应用[J]电波科学学报,2000,12,15(增):164结语作者简介:卢晓宇(1984-),女,重庆人,硕士研究生,研究方向为为解决传统SDMA系统中下行波束覆盖区域,移动通信技术;张祖凡(1972-),男,湖北荆州人,副教授,因交叠所引入的波束间干扰,在传统的SDMA系统博士,研究方向为移动通信理论与技术;胡庆(1958-)中注入CDMA技术研究了一种改进性的SDMA多女重庆人,教授研究方向为光学通信系统与网络。