一種基于碼分多址的改進(jìn)性空分多址性能分析

工程與應用1種基于碼分多址的改進(jìn)性空分多址性能分析盧曉宇,張祖凡,胡慶(重慶郵電大學(xué),重慶40005摘要:為解決SDMA中下行波東交疊引入的不同波東覆蓋下用戶(hù)群間相互干擾,研究一種結合CDMA的改進(jìn)性DMA多址技術(shù)?；緦ο滦墟溌返馁x形波柬進(jìn)行實(shí)時(shí)的相關(guān)性檢測,為高相關(guān)性的SDMA波東動(dòng)態(tài)分配正交的ⅣN碼,以CDMA方式來(lái)識別不同波束,實(shí)現碼分和空分的有效結合。仿真結果表明改進(jìn)的SDMA多址技術(shù)在波束高度相關(guān),也即是用戶(hù)群之間干擾較強的情況下仍能獲得較好性能關(guān)鍵詞:空分多址;PN碼;波束相關(guān)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引言的波束進(jìn)行覆蓋。通過(guò)這種處理方式,在系統容量方面同樣可以得到極大提高3。,與此同時(shí)其降低雖然CDMA移動(dòng)通信系統為系統內不同基站、系統干擾方面的能力也得以提高。事實(shí)上,這用戶(hù)分配相互正交的FN碼極大地降低干擾,進(jìn)而種多址方式尤為值得關(guān)注的是,基站天線(xiàn)的多個(gè)波提高系統容量。但在實(shí)際系統中,一方面考慮到尋束可以動(dòng)態(tài)/自適應地完全/部分地跟蹤多個(gè)用戶(hù)找足夠數量的正交PN碼比較困難且實(shí)現較為復群,并且波束間的信道可以共享,這樣可以實(shí)現靈活雜1-21,另一方面事實(shí)上相互正交的FN碼經(jīng)過(guò)復的資源分配提高系統頻譜利用率。但是根據天線(xiàn)雜無(wú)線(xiàn)信道傳輸后碼間正交性會(huì )受到影響從而導理論,隨著(zhù)移動(dòng)用戶(hù)數的不斷增加基站將需要不斷致性能下降2-4增加天線(xiàn)陣元數量,這將導致天線(xiàn)處理能力和處理為了解決CDMA系統的如上矛盾,可以引入基復雜度的提高甚至降低其整體性能于陣列天線(xiàn)技術(shù)的SDMA技術(shù),這一技術(shù)是利用系事實(shí)上,無(wú)論是CDMA技術(shù),還是SDMA技術(shù)在降統/基站內的用戶(hù)在空間/地理位置區域的不同,通低系統干擾提高系統容量方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。但如前過(guò)進(jìn)一步提取用戶(hù)信道特性,從而對用戶(hù)按信道和分析CDMA中的PN的正交性可以彌補SDMA中容量空間位置進(jìn)行分組,然后對不同用戶(hù)組/群利用不同增加而導致的天線(xiàn)處理復雜度的提高,而SDMA中的空分技術(shù)可以解決CDMA中可使用的正交PN碼數量收稿日期:20081208約束系統容量這一瓶頸?；痦椖?重慶市自然科學(xué)基金(CSTC2007BB2453);重慶市教育委員會(huì )科學(xué)技術(shù)研究項目(K080516);重慶郵電大學(xué)為此,本文結合CDMA和SDMA技術(shù),研究一種科研基金項目(A200851)改進(jìn)性SDMA多址技術(shù),它借鑒CDMA通信系統根76-DIGITAL COMMUNICATION/2009.程與應用據擴頻碼的不同來(lái)識別用戶(hù),將CDMA正交碼字動(dòng)式(1)中:Q4為可分辨的多徑信號數目;s4(t)態(tài)分配給SDMA波束以不同的正交碼來(lái)識別不同的為基站發(fā)射基帶信號。hn(t)為下行信道響應,有波束形成在空間信道上獨立的波束增加了通信系統的抗干擾性進(jìn)一步改善系統性能。另一方面,°(t)a(…,9,)·8(t-r)(2)n(t)=∑SDMA和CDMA多址方式的相關(guān)技術(shù)研究已經(jīng)相當成a(6,q)為下行發(fā)射第q條多徑的波離開(kāi)角度熟,為碼分和空分的聯(lián)合實(shí)現提供了技術(shù)支撐,也增AOA-(6,)對應的陣列響應矢量,如圖2所示。強了改進(jìn)性SDMA多址技術(shù)的研究可行性。設天線(xiàn)為由M個(gè)陣元組成的直線(xiàn)陣,陣元間距為d,假定各陣元均為全向天線(xiàn)且各陣元直接無(wú)耦合。假1改進(jìn)性SDMA多址技術(shù)工作原理設信源位于遠場(chǎng),信號到達各陣元的波前為平面波。引人CDMA技術(shù)的SDMA充分利用陣列天線(xiàn)a(6,)的自適應性,進(jìn)行下行波束賦形,為用戶(hù)組/群分配[1,emm,…,enM-1)h]T(3)波束,進(jìn)行分區覆蓋。同時(shí),基站將實(shí)時(shí)檢測波束間相關(guān)性,并為高度相關(guān)的波束動(dòng)態(tài)分配正交的PN立方角碼,自適應地實(shí)現對不同的用戶(hù)群進(jìn)行獨立波束覆蓋,工作流程如圖1所示。此改進(jìn)的SDMA在解決用戶(hù)組/群間相互干擾的同時(shí),又自適應地進(jìn)行資源分配極大地提高了頻譜利用率及功率效率。實(shí)時(shí)檢分配波相關(guān)性圖2波束賦形方位角和俯仰角用戶(hù)分組而a(t)為信道衰落可以表示為(t)=Ae no(4)式中:A,為傳播系數,為信道多普勒頻移;q,圖1CDMA一SDMA工作流程圖(A)為與下行信號波長(cháng)相關(guān)相位。因此有下行信針對CDMA和SDMA的有效結合,為相關(guān)波束道相關(guān)矩陣R加入正交的PN碼,本文考慮以下兩方面問(wèn)題RD=EChp(t)ho(r)](5)1)引入波束相關(guān)性對應SDMA,為各用戶(hù)組/群2.2波束相關(guān)性分配波束,并進(jìn)行分區覆蓋,實(shí)時(shí)檢測波束間(主要傳統的SDMA不能對用戶(hù)分組實(shí)現盡善盡美針對下行波束賦形)的相關(guān)性;的分區覆蓋。對于相鄰的兩個(gè)波束覆蓋區域,總是2)引人正交的FN碼對應CDMA,為相關(guān)性強可能出現交疊現象,如圖3所示。移動(dòng)終端MS1與的波束動(dòng)態(tài)分配正交碼字形成在空間信道上保持MS2由于靠近beam1和bam2交疊覆蓋區域,將同獨立的波束。時(shí)接收到來(lái)自不同波束覆蓋下的信號,相互間造成2波束的相關(guān)性干擾。為改善這一干擾問(wèn)題,改進(jìn)的SDMA從信道空間這一層面上,通過(guò)定量分析波束在空間上的相2.1下行信道空間模型關(guān)性來(lái)檢測波束覆蓋區之間的交疊干擾程度?；緩挠脩?hù)角度,通過(guò)用戶(hù)對信道狀態(tài)觀(guān)察后若已知信道的統計狀態(tài)信息,即信道的相關(guān)矩反饋的參數,進(jìn)行下行信道波束賦形。當基站發(fā)射陣,則信道的子空間定義為該相關(guān)矩陣的最大特征陣列以權矢量w發(fā)送給期望用戶(hù)k時(shí),用戶(hù)k的接值對應的特征向量。下行發(fā)射的波束賦形采用最大收信號可以表示為信噪比算法,則有E!w"()1(-,)P4∑a(t)a(0,9)s4(t-)+n4(t)(1)SNR工程與應用□sDMA分at束間的相關(guān)性分解為水平方向(方位角)和徑向方向口sDMA分組2(俯仰角)兩個(gè)正交方向,并對波束的相關(guān)性進(jìn)行分別討論如圖4、圖5和圖6所示。其中p為相關(guān)性系數和φ分別為水平方向和徑向方向上波束間夾角。圖4和圖5表明波束相關(guān)性是波束間夾角的函數。如果定義p=0.5時(shí)所對應的角度為相關(guān)夾角,則當2個(gè)波束的夾角大于相關(guān)夾角時(shí),2個(gè)波束不圖3相鄰波束覆蓋交疊現象相關(guān);反之,則認為波束是相關(guān)的,進(jìn)而需要對相關(guān)其中,σ。2為加性高斯白噪聲的功率譜密度。假設的波束分配PN碼,降低波束間的相互干擾。同時(shí),不同路徑獨立不相關(guān),且信號功率為1,則有波束間的相關(guān)性也是陣元數目M的減函數,隨著(zhù)MSNR=成倍增加,相關(guān)角度成近似相同倍數減小。這是由∑E|α(1)12a(349,la(,9,)于隨著(zhù)M的增大,陣列自由度增加,波束寬度減小(7)使得相關(guān)夾角也相應減小。另外需要注意的是,圖5、圖6所示為徑向方向也就是有:SNRR為得到最大化的上2個(gè)分段的波束相關(guān)性曲線(xiàn)。這主要是受徑向距SNR,最優(yōu)權值問(wèn)題轉化為求下行信道協(xié)方差矩陣離上的覆蓋范圍影響。由圖可知對于8元和16元的陣列天線(xiàn),在徑向方向上,最多形成2~3個(gè)獨立R=∑Ela()a(日,4)a(,,)"(8)波束,而4元陣列天線(xiàn)在徑向上形成的波束都是強最大特征值和特征向量。假設最優(yōu)權值矢量為相關(guān)的,無(wú)法形成2個(gè)以上獨立波束m,則有SNR。="3波束加碼(9)CDMA移動(dòng)通信系統根據不同用戶(hù)分配的擴頻由此可知波束的空間向量即為最大信噪比算碼來(lái)識別不同用戶(hù),抗干擾能力強。改進(jìn)的SDMA引法下獲得的最優(yōu)波束賦形權值矢量M甲。因此,兩用CDMA系統的強抗干擾性,為相關(guān)波束分配FN波束的空間相關(guān)性可表示為(10)碼,采用不同的PN碼來(lái)識別不同的波束,改善傳統P=R基站實(shí)時(shí)檢測兩相鄰波束間相關(guān)性,如果設置sDMA系統存在的相鄰波束覆蓋區的相互干擾問(wèn)題,相關(guān)性門(mén)限值為6,當相關(guān)系數p>8時(shí),則對波束提高系統性能。加入相互正交的PN碼,消除相鄰波束間的相互干為波束分配的正交碼序列集應具有如下相關(guān)特擾,使資源得到有效分配。性:①每個(gè)擴頻序列的自相關(guān)函數應該是一個(gè)沖激23波束相關(guān)性仿真討論函數,即除零時(shí)延外,其值應處處為0;②每對擴頻由陣列天線(xiàn)估計來(lái)波信號陣列矢量a(,q)將波序列的互相關(guān)函數值應該處處為0圖4水平方向波束相關(guān)性圖5徑向方向波束相關(guān)性(q<60°)圖6=徑向方向波束相關(guān)性(g>60°)78- DIGITAL COMMUNICATION/2009. 1嚀御唁程與應用當基站陣列天線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測到兩個(gè)相鄰波東相關(guān)系址技術(shù)。改進(jìn)的SDMA系統中,基站陣列天線(xiàn)對下數p>6時(shí),則對波束分配正交的PN碼。分別在波束行鏈路的賦形波束進(jìn)行實(shí)時(shí)的相關(guān)性檢測。當檢測不相關(guān)和高度相關(guān)兩種情況下比較分析改進(jìn)SDMA到強相關(guān)波束時(shí),動(dòng)態(tài)地為其分配正交PN碼,實(shí)現多址技術(shù)對系統性能的改善如圖7、圖8所示各波束在空間信道上的獨立,消除波束間常出現的相互干擾。通過(guò)在不同的波束相關(guān)情況下進(jìn)行比較分析,可見(jiàn)結合CDMA的改進(jìn)性SDMA多址技術(shù)在波束間相互干擾較強的情況下,能夠較好地抑制干擾,使系統性能得到較大改善?！璵+參考文獻[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. Dynamicsignment algorithm for CDMA with smart antenna system圖7波束不相關(guān)情況下OL].(x007-06-20)[2008-12-20].www.ieeexplore改進(jìn)SDMA與傳統SDMA性能比較org/xps/abs_all. jsp? isnumber =4448552&mumber=44864& count=157& aindex=71[3]ODEH N, KHATUN S, AL BM, et al. The performanceevaluation of combined CDMA- SDMA multi-user detec-tion with parallel interference cancellation EB/OL](2007-12-12)[2008-12-20]. ieeexplore.ie.org/ie54542559/4555230455599.pd? mumber=4555392[4]黃彩虹,肖揚,韓慧華.聯(lián)合多址系統中擴頻碼的分配算法[J].北方交通大學(xué)學(xué)報,2002,26(2):15-19[5]WANG Cheng, MURCH R D Adaptive downlink multius-er MIMO wireless systems for comelated channels with im-perfect CSI [J]. IEEE Trans Commun, 2006,5(9):2435-2446[6] HUANG K, ANDREWS J G, HEATH R W.圖8波束高度相關(guān)情況下beamforming for SDMa downlink with limited改進(jìn)SDMA與傳統SDMA性能比較[EBOL].(20704-12)[200-1220].uer.e通過(guò)仿真可見(jiàn),在波束不相關(guān)的情況下(圖7)edw-khuang/Papers/D200609_ICASSP_SDMA. pdf改進(jìn)SDMA與傳統SDMA所達到的性能相當。因[7] LETAIEF KB, ZHANG Y. Dynamic multiuser resourceallocation and adaptation for wireless systems [J].IEEE此,在波束未出現相關(guān)的情況下,不需要對波束進(jìn)行Wireless Communications, 2006. 13 (4): 3847加碼,以減少系統的運行復雜度。而當波束出現高[8] MACIEL T F, KLEIN A. A resource allocation strate度相關(guān)的情況時(shí)(圖8),由于信道傳輸對正交PNfor SDMA/OFDMA systems EB/OL ].( 2007-07-16)碼的影響圖8表明改進(jìn)SDMA性能較之圖7中性[2008-12-20]. ieeexplore. ieee. org/xpls/abs_all. jsP?能曲線(xiàn)有稍微降級,而對于傳統SDMA,其性能卻有mumber =4299114約2dB的降級。由此可見(jiàn),改進(jìn)后SDMA在存在波[9]張祖凡,杜惠平自適應夭線(xiàn)技術(shù)在移動(dòng)通信系統中束互干擾的情況下,對系統性能有相當改善。的應用[J]電波科學(xué)學(xué)報,2000,12,15(增):164結語(yǔ)作者簡(jiǎn)介:盧曉宇(1984-),女,重慶人,碩士研究生,研究方向為為解決傳統SDMA系統中下行波束覆蓋區域,移動(dòng)通信技術(shù);張祖凡(1972-),男,湖北荊州人,副教授,因交疊所引入的波束間干擾,在傳統的SDMA系統博士,研究方向為移動(dòng)通信理論與技術(shù);胡慶(1958-)中注入CDMA技術(shù)研究了一種改進(jìn)性的SDMA多女重慶人,教授研究方向為光學(xué)通信系統與網(wǎng)絡(luò )。