空分多址技术在GSM系统中的应用分析

2003年2月北京航空航天大学学报February 2003第29卷第2期Joumal of Beijing University of Aeronautics and AstronautVol 29 No. 2空分多址技术在GSM系统中的应用分析崔炎善伟北京航空航天大学电子工程系)摘要:考虑到时分多址系统的特殊性质并结合已有的时分多址系统中共信道干扰抑制技术提出了一种应用于 GSM Global System for Mobile)系统的不依赖于用户空间特征估计的空分多址方案.方案采用自适应天线和软波束形成技术能够在时分多址基础上实现多路信号的空分接收.文章给出了在GSM系统中应用该技术的仿真实例仿真结果表明该方法能够有效的形成正交接收发送波束从而保证共用相同信道的多个用户间的互不干扰关键词:空分多址;共信道干扰;自适应阵;全球移动通信系统中图分类号:TN929.533文献标识码:A文章编号:1001-59632003)20169-04随着移动用户的迅速增加,无线系统的频率共信道干扰的方法2-41.资源匮乏问题日益突出为了解决这个问题在时GSM系缭采用TMA体制)共用相同子频分多址和码分多址之外一些研究者提出了空分带的用户有8位.在典型的无线环境中信号传播多址的概念力图通过用户空间特征的差异用阵的最大剩余延迟( maximum excessive delay)小于一列天线实现同一信道中多个用户的同步通信把个用户时隙因此在CSM系统中构成目标用户通信系统可利用的资源扩展到空间域传统的空的共信道共用相同频带相同时隙)干扰数目不分多址方案基于用户空间特征的估计但现有的会太多这样就有可能通过在干扰信号来波方向信号空间特征估计方法计算较为复杂在实际的上形成波束零点的方法去除干扰信号用阵列抑多径衰落信道和多用户情况下其可靠性有待改制GSM系统中的共信道干扰利用的是基于参考进基于这种考虑针对 GSM Global System for M信号的自适应波束形成结构参考信号由分配给bi)系统提出了一种不需要进行用户空间特征估每个用户的训练序列加以适当处理形成这种方计的空分多址方案该方案充分利用了CSM数据法将干扰信号分成2类并针对这2类千扰构造传输格式的特点具有计算简单可靠性好等特不同的代价函数应用最小平方准账I分别进行点抑制4].通过这种方法优化得到的阵列波束可以在干扰方向上形成零陷从而得到最大的信干噪1用阵列扣制GSM中共信道干扰比图1给出了2类干扰的示意图.图1中阴影区域为每个用户信号特有的训练序列.在T)MA蜂窝通信系统中,一个主要问题是所谓的共系统中每个用户都分配给一个特定的训练序列,信道干扰 cochannel interference问题共信道干扰用来在接收端辅助均衡器动态的调整参数以抑制主要来自2个方面,是多径传播造成的衰落效I( Inter-Symbol Interference)这些训练序列经过应外一个是使用相同频率资源的临近小区造处理后具有特殊的相关性1.信号1为目标信号,成的干扰.对这2种干扰进行有效抑制是蜂窝信号2覆盖了信号1的训练序列称为第一类干系统设计面临的主要问题之一最近几年R.P.扰被覆盖的区间称为第一类干扰区间信号3没Goc和J.J. Shank先后对TDMA( Time division有覆盖信号1的训练序列称为第二类干扰覆盖Multiple Access)系统中的共信道干扰问题进行了区间称为第二类干扰区间阵列的参考信号与训研究提出了使用自适应阵列抑制TDMA系统中练序列有关因此在第一类干扰区间上可以通过170北京航空航天大学学报2003年接收信号与参考信号的匹配”″直接得到阵列的最列激励向量进行软波束形成.图2中T/R为收发优权对于第二类干扰则需要进行进一步的处理.模块,W为权值,J,lx为传输信号,J,l2为接收信号信号3图1干扰类型示意图简要地说用阵列抑制干扰的基本步骤为1)进行帧同步识别 Frame Sychronization)找通道1WIT/WiR到时域中彼此重叠的信号各自训练序列的起始点用户在时域上的相对位置关系重建接收信号发送序列1接收序列1发送序列2接收序列2时域景象2)根据帧同步识别算法得到的结果划分第图2GSM系统中的SDMA结构2.1上行信号的分离类干扰区间和第二类干扰区间3)在目标用户时隙第一类干扰区间上对第下面通过一个例子来说明上行信号分离的方法图3给出了双用户共用同一TDMA信道时接类干扰进行抑制4)在目标用户时隙第二类干扰区间上对弟收端在一个时隙中接收到的典型的信号图景其中信号1信号3为分别对应分配给时隙1的用户类干扰进行抑制作者在另外一篇文章(见参考文献5])中津1和用户2的主传播路径分量用户1与用户2共用一个信道是分离对象信号2为用户1的多径细分析了这种方法渎者可参考文献4和5]传播分量为了便于说明问题没搜索窗口的长度得有关优化函数和权值计算方法的细节.这种方法一个突出的优点是它采用块数据匹配的方法为2个时隙长度实际实现时搜索窗口的长度应该为一个帧长(8个时隙)信号4为用户1相邻每一次权值更新只需要对当前时隙的数据进行操时隙用户3的主传播路径信号.由于在实际时隙作无需迭代计算具有较高的可靠性和计算效格式中头尾均分配了若干保护比特来避免相邻时率隙间的干扰因此可以认为用户3与用户1用户2应用空分多址技术的GSM模型2间不存在明显的串扰结合图2在通道1中令序列1中的用户在本例中为用户1用户3)为目从上面介绍可以看出这种用阵列抑制干扰标用户将与其重叠的其它信号看作干扰信号应的方法充分利用了空域自由度,能够把在时域上用上面介绍的方法,可以得到相应的阵列接收波彼此重叠的信号进行有效的分离因此考虑应用束这些波束在序列2中的用户信号方向和本序这种方法在GSM系统中实现空分多址SDMA列用户信号的多径方向均形成零点在本例给出( Space Division Multiple Access).假设采用sDMA的时隙中即波束在信号2信号3传播方向上均后的GSM系统中每2个用户共用一个信道(同形成零点这样就可以在通道1内对序列1中的子频带同一时隙,为便于说明问题只假设为用户进行准确接收并将各个时隙中得到的权作个用户而方法可以扩展到更多用户的情况)为通道1接收加权子网络的值与此同时在接收这样就相当于同时有2个时间序列在进行接收和通道2上令序列2中的用户为目标用户同样的发送可以得到在序列1用户信号传播方向及本序列信SDMA包含2方面内容:一是上行信号的分号的多径传播分量上均形成零点的波束在本例离,一是下行选择性发送上行信号的分离要求将给出的时隙中即波束在信号1信号2方向上形时域中彼此混叠的信号分别提取出来而下行选成零点这样就可以同步的在通道2恢复出序列择性发送则要求基站阵列能够同时形成彼此正交用户2的多个子波束.图2给出了空分多址方案的结构信号2用户示意图从图2中可以看到基站同时通过2个通信号1用户1信号4川户3第2期崔炎等空分多址技术在GSM系统中的应用分析1712中用户的数据并得到通道2接收加权子网络的值.如果对每个时隙都做这样的处理就能够将在同一信道中同步传输的2个序列进行分离2.2下行选择性发送SDMA中的下行选择性发送是指基站同时将多个信号发送给不同的用户而互不干扰.下行选择性发送既可以基于用户的空间标识 Spatial Sig-搜索位置/bitnature),也可以基于用户信号的空间来向DOA)6.由于空间标识随频率的变化要发生变图4帧识别算法结果化7因此在采用 FDD Frequency Division Duplex)数41可看到在各信号训练序列的起始位置点准的系统中如GSM)不能使用上行空间标识的估确的出现了峰值在实际实现时只需设置合适计进行下行选择发送传统的基于DOA的SDMA门限电平在本例中可以设置为0.8进行检测即方案中为了实现下行选择性发送需要首先对用可得到用户信号在搜索窗口中的位置得到用户户信号的DoA进行估计之后根据这些估计值形信号间的位置关系后就可以分别以用户1和用成彼此正交的多个发送子波束即这些子波束在户2为目标信号计算2个通道加权子网络的值除目标信号主传播路径外其他所有信号来向上图5、图6分别给出了图2中通道1和通道都要形成零点以免信号间的串扰但是多径传播在当前时隙所形成的最优波束即分别以用户1条件下的多用户DOA估计是一个非常棘手的问和用户2为目标信号时得到的最优阵列接收波题尽管当前研究者提出了一些方法但在实束)可以看到对应每种情况在干扰信号方向上际环境中这些方法仍然不是十分有效.考虑到应都形成了较深的零陷2个波束具有良好的正交用上面介绍的干扰抑制方法在上行链路中每个通性说明本文提出的方法的确适于SDMA的实现道形成的接收波束恰好具有正交特性因此可以需要说明的是虽然这种SDMA方案具有简单,可直授采用名通道接收加权子网络权值来形成发送靠的优点但它需要对TMA系统中的数据格式子网络的权值在实际实现时发送加权子网络的进行相应的改动这是因为如果2个用户共用相权值随接收加权子网络进行动态的更新不再需同信道时为了实现分离需要分配给它们不同的要附加的运算因此十分有效训练序列这样TDMA系统中所需要的训练序列3仿真结果和讨论数目就要翻倍.为了保证这些训练序列间的特殊的相关性就需要适当增加训练序列的长度下面以图3给出的信号图景为例进行仿真这里令搜索窗口的长度为2个时隙长并在时隙1中考察2个通道阵列的接收波束.阵列采用4单元均匀线阵阵元间距为1/2波长.图3中各信号的参数见表1相对噪声功率设为-20dB.这里假设无线信道为慢衰落( slow fading)信道,即在一个时隙上信道可认为不变方位角/()表1仿真信号参数图5通道1在时隙1中的接收和发送波束相对时信号对应用户训练序列DOA)延/路径衰减0号号0.6号应用上面介绍的方法可以得到帧识别算法的结果见图4.图4的横坐标为搜索窗口中的搜方位角/(“)17北京航空航天大学学报2003年[4 Lee Y K, Chandrasekaran R, Shynk JJ. Separation of cochannel4结论SM signals using an adaptive arTa J ] IEEE Trans Signal Processg,1999,477):977~1987文章讨论了一种应用于GSM系统的SDMA[5]崔炎,吕善伟毛峡.用阵列抑制TDMA无线通信系统方案,该方案利用数据传输时隙中的训练序列构中的共信道干扰J]电子学报20023(12)1790-1793造基于参考信号的自适应天线通过IS准则形Cui Yan, Li Shanwei, Mao Xia, Use arrays in TDMA mobile com-成自适应波束实现共用相同信道用户数据的分munication for canceling cochannel interference ]. Acta Electronica离并且通过软波束形成技术能够实现多用户数【6]x6. Experimental evaluation of smart antenna system perf据的并行接收和发送从伤真结果来看在干扰不for wireless communication J ] IEEE Trans Antennas and Propaga太严重的情况下该方法能够有效的形成正交接收和发送波束并且具有计算简单可靠性好等优[71gss,uC. Experimental studies of spatial signature variatie点at 900 MHz for smart antenna systen[ J ]. IEEE Trans Antennas andPropagation,1998,467)953~962[8 ]Shynk J J, Gooch R P. The constant modulus array for cochannel参考文献( References)signal copy and direction finding J]. IEEE Trans Signal Processing[1 J Rappaport T S. Wireless communications: Principles and practice9%6A3)[M]. Prentice-Hall Ine, 1996.500-515[9]姚敏立,金梁,殷勤业.空间特征的累积域估计箅法与共[2 Leary J, Gooch R P. Adaptive beamforming for TDMA signal[ C]信道相干源波达方向估计J.西安交通大学学报,1999,33(5):17-20[3]Keerthi A V, Shynk J J. Seperation of cochannel signals in TDMAle radid j]. IEEE Trans Signal Processing, 1998, 46(10):ed signal J ] Journal of Xian Jiaotong University 1999 33(5):17pplication of sdma in GSMnic Engineering Beijing University of Aeronautics anAbstract: Considering the special characters of GSM( Globle System for Mobile )and the method presented byother researchers which uses antenna arrays to eliminate the cochannel interferences in wireless communication,aSDMA( Space Division Multiple Access )architecture used in GSM was put forward. Adaptive array and soft beam-forming were used in this method to realize SDMA in TDMA( Time Division Multiple Access system and no estimation of Doa( Direction of Arrival )or spatial signature was required in advance. This methodcan Ibeams in relative mild situation therefore the same channel can be used by different users simultaneously. The ap-plicability of this method was verified through simulationKey words: space division multiple access common-channel interferences adaptive arrays i global systermobile