空分多址技術(shù)在GSM系統中的應用分析

2003年2月北京航空航天大學(xué)學(xué)報February 2003第29卷第2期Joumal of Beijing University of Aeronautics and AstronautVol 29 No. 2空分多址技術(shù)在GSM系統中的應用分析崔炎善偉北京航空航天大學(xué)電子工程系)摘要:考慮到時(shí)分多址系統的特殊性質(zhì)并結合已有的時(shí)分多址系統中共信道干擾抑制技術(shù)提出了一種應用于 GSM Global System for Mobile)系統的不依賴(lài)于用戶(hù)空間特征估計的空分多址方案.方案采用自適應天線(xiàn)和軟波束形成技術(shù)能夠在時(shí)分多址基礎上實(shí)現多路信號的空分接收.文章給出了在GSM系統中應用該技術(shù)的仿真實(shí)例仿真結果表明該方法能夠有效的形成正交接收發(fā)送波束從而保證共用相同信道的多個(gè)用戶(hù)間的互不干擾關(guān)鍵詞:空分多址;共信道干擾;自適應陣;全球移動(dòng)通信系統中圖分類(lèi)號:TN929.533文獻標識碼:A文章編號:1001-59632003)20169-04隨著(zhù)移動(dòng)用戶(hù)的迅速增加,無(wú)線(xiàn)系統的頻率共信道干擾的方法2-41.資源匱乏問(wèn)題日益突出為了解決這個(gè)問(wèn)題在時(shí)GSM系繚采用TMA體制)共用相同子頻分多址和碼分多址之外一些研究者提出了空分帶的用戶(hù)有8位.在典型的無(wú)線(xiàn)環(huán)境中信號傳播多址的概念力圖通過(guò)用戶(hù)空間特征的差異用陣的最大剩余延遲( maximum excessive delay)小于一列天線(xiàn)實(shí)現同一信道中多個(gè)用戶(hù)的同步通信把個(gè)用戶(hù)時(shí)隙因此在CSM系統中構成目標用戶(hù)通信系統可利用的資源擴展到空間域傳統的空的共信道共用相同頻帶相同時(shí)隙)干擾數目不分多址方案基于用戶(hù)空間特征的估計但現有的會(huì )太多這樣就有可能通過(guò)在干擾信號來(lái)波方向信號空間特征估計方法計算較為復雜在實(shí)際的上形成波束零點(diǎn)的方法去除干擾信號用陣列抑多徑衰落信道和多用戶(hù)情況下其可靠性有待改制GSM系統中的共信道干擾利用的是基于參考進(jìn)基于這種考慮針對 GSM Global System for M信號的自適應波束形成結構參考信號由分配給bi)系統提出了一種不需要進(jìn)行用戶(hù)空間特征估每個(gè)用戶(hù)的訓練序列加以適當處理形成這種方計的空分多址方案該方案充分利用了CSM數據法將干擾信號分成2類(lèi)并針對這2類(lèi)千擾構造傳輸格式的特點(diǎn)具有計算簡(jiǎn)單可靠性好等特不同的代價(jià)函數應用最小平方準賬I分別進(jìn)行點(diǎn)抑制4].通過(guò)這種方法優(yōu)化得到的陣列波束可以在干擾方向上形成零陷從而得到最大的信干噪1用陣列扣制GSM中共信道干擾比圖1給出了2類(lèi)干擾的示意圖.圖1中陰影區域為每個(gè)用戶(hù)信號特有的訓練序列.在T)MA蜂窩通信系統中,一個(gè)主要問(wèn)題是所謂的共系統中每個(gè)用戶(hù)都分配給一個(gè)特定的訓練序列,信道干擾 cochannel interference問(wèn)題共信道干擾用來(lái)在接收端輔助均衡器動(dòng)態(tài)的調整參數以抑制主要來(lái)自2個(gè)方面,是多徑傳播造成的衰落效I( Inter-Symbol Interference)這些訓練序列經(jīng)過(guò)應外一個(gè)是使用相同頻率資源的臨近小區造處理后具有特殊的相關(guān)性1.信號1為目標信號,成的干擾.對這2種干擾進(jìn)行有效抑制是蜂窩信號2覆蓋了信號1的訓練序列稱(chēng)為第一類(lèi)干系統設計面臨的主要問(wèn)題之一最近幾年R.P.擾被覆蓋的區間稱(chēng)為第一類(lèi)干擾區間信號3沒(méi)Goc和J.J. Shank先后對TDMA( Time division有覆蓋信號1的訓練序列稱(chēng)為第二類(lèi)干擾覆蓋Multiple Access)系統中的共信道干擾問(wèn)題進(jìn)行了區間稱(chēng)為第二類(lèi)干擾區間陣列的參考信號與訓研究提出了使用自適應陣列抑制TDMA系統中練序列有關(guān)因此在第一類(lèi)干擾區間上可以通過(guò)170北京航空航天大學(xué)學(xué)報2003年接收信號與參考信號的匹配”″直接得到陣列的最列激勵向量進(jìn)行軟波束形成.圖2中T/R為收發(fā)優(yōu)權對于第二類(lèi)干擾則需要進(jìn)行進(jìn)一步的處理.模塊,W為權值,J,lx為傳輸信號,J,l2為接收信號信號3圖1干擾類(lèi)型示意圖簡(jiǎn)要地說(shuō)用陣列抑制干擾的基本步驟為1)進(jìn)行幀同步識別 Frame Sychronization)找通道1WIT/WiR到時(shí)域中彼此重疊的信號各自訓練序列的起始點(diǎn)用戶(hù)在時(shí)域上的相對位置關(guān)系重建接收信號發(fā)送序列1接收序列1發(fā)送序列2接收序列2時(shí)域景象2)根據幀同步識別算法得到的結果劃分第圖2GSM系統中的SDMA結構2.1上行信號的分離類(lèi)干擾區間和第二類(lèi)干擾區間3)在目標用戶(hù)時(shí)隙第一類(lèi)干擾區間上對第下面通過(guò)一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明上行信號分離的方法圖3給出了雙用戶(hù)共用同一TDMA信道時(shí)接類(lèi)干擾進(jìn)行抑制4)在目標用戶(hù)時(shí)隙第二類(lèi)干擾區間上對弟收端在一個(gè)時(shí)隙中接收到的典型的信號圖景其中信號1信號3為分別對應分配給時(shí)隙1的用戶(hù)類(lèi)干擾進(jìn)行抑制作者在另外一篇文章(見(jiàn)參考文獻5])中津1和用戶(hù)2的主傳播路徑分量用戶(hù)1與用戶(hù)2共用一個(gè)信道是分離對象信號2為用戶(hù)1的多徑細分析了這種方法瀆者可參考文獻4和5]傳播分量為了便于說(shuō)明問(wèn)題沒(méi)搜索窗口的長(cháng)度得有關(guān)優(yōu)化函數和權值計算方法的細節.這種方法一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是它采用塊數據匹配的方法為2個(gè)時(shí)隙長(cháng)度實(shí)際實(shí)現時(shí)搜索窗口的長(cháng)度應該為一個(gè)幀長(cháng)(8個(gè)時(shí)隙)信號4為用戶(hù)1相鄰每一次權值更新只需要對當前時(shí)隙的數據進(jìn)行操時(shí)隙用戶(hù)3的主傳播路徑信號.由于在實(shí)際時(shí)隙作無(wú)需迭代計算具有較高的可靠性和計算效格式中頭尾均分配了若干保護比特來(lái)避免相鄰時(shí)率隙間的干擾因此可以認為用戶(hù)3與用戶(hù)1用戶(hù)2應用空分多址技術(shù)的GSM模型2間不存在明顯的串擾結合圖2在通道1中令序列1中的用戶(hù)在本例中為用戶(hù)1用戶(hù)3)為目從上面介紹可以看出這種用陣列抑制干擾標用戶(hù)將與其重疊的其它信號看作干擾信號應的方法充分利用了空域自由度,能夠把在時(shí)域上用上面介紹的方法,可以得到相應的陣列接收波彼此重疊的信號進(jìn)行有效的分離因此考慮應用束這些波束在序列2中的用戶(hù)信號方向和本序這種方法在GSM系統中實(shí)現空分多址SDMA列用戶(hù)信號的多徑方向均形成零點(diǎn)在本例給出( Space Division Multiple Access).假設采用sDMA的時(shí)隙中即波束在信號2信號3傳播方向上均后的GSM系統中每2個(gè)用戶(hù)共用一個(gè)信道(同形成零點(diǎn)這樣就可以在通道1內對序列1中的子頻帶同一時(shí)隙,為便于說(shuō)明問(wèn)題只假設為用戶(hù)進(jìn)行準確接收并將各個(gè)時(shí)隙中得到的權作個(gè)用戶(hù)而方法可以擴展到更多用戶(hù)的情況)為通道1接收加權子網(wǎng)絡(luò )的值與此同時(shí)在接收這樣就相當于同時(shí)有2個(gè)時(shí)間序列在進(jìn)行接收和通道2上令序列2中的用戶(hù)為目標用戶(hù)同樣的發(fā)送可以得到在序列1用戶(hù)信號傳播方向及本序列信SDMA包含2方面內容:一是上行信號的分號的多徑傳播分量上均形成零點(diǎn)的波束在本例離,一是下行選擇性發(fā)送上行信號的分離要求將給出的時(shí)隙中即波束在信號1信號2方向上形時(shí)域中彼此混疊的信號分別提取出來(lái)而下行選成零點(diǎn)這樣就可以同步的在通道2恢復出序列擇性發(fā)送則要求基站陣列能夠同時(shí)形成彼此正交用戶(hù)2的多個(gè)子波束.圖2給出了空分多址方案的結構信號2用戶(hù)示意圖從圖2中可以看到基站同時(shí)通過(guò)2個(gè)通信號1用戶(hù)1信號4川戶(hù)3第2期崔炎等空分多址技術(shù)在GSM系統中的應用分析1712中用戶(hù)的數據并得到通道2接收加權子網(wǎng)絡(luò )的值.如果對每個(gè)時(shí)隙都做這樣的處理就能夠將在同一信道中同步傳輸的2個(gè)序列進(jìn)行分離2.2下行選擇性發(fā)送SDMA中的下行選擇性發(fā)送是指基站同時(shí)將多個(gè)信號發(fā)送給不同的用戶(hù)而互不干擾.下行選擇性發(fā)送既可以基于用戶(hù)的空間標識 Spatial Sig-搜索位置/bitnature),也可以基于用戶(hù)信號的空間來(lái)向DOA)6.由于空間標識隨頻率的變化要發(fā)生變圖4幀識別算法結果化7因此在采用 FDD Frequency Division Duplex)數41可看到在各信號訓練序列的起始位置點(diǎn)準的系統中如GSM)不能使用上行空間標識的估確的出現了峰值在實(shí)際實(shí)現時(shí)只需設置合適計進(jìn)行下行選擇發(fā)送傳統的基于DOA的SDMA門(mén)限電平在本例中可以設置為0.8進(jìn)行檢測即方案中為了實(shí)現下行選擇性發(fā)送需要首先對用可得到用戶(hù)信號在搜索窗口中的位置得到用戶(hù)戶(hù)信號的DoA進(jìn)行估計之后根據這些估計值形信號間的位置關(guān)系后就可以分別以用戶(hù)1和用成彼此正交的多個(gè)發(fā)送子波束即這些子波束在戶(hù)2為目標信號計算2個(gè)通道加權子網(wǎng)絡(luò )的值除目標信號主傳播路徑外其他所有信號來(lái)向上圖5、圖6分別給出了圖2中通道1和通道都要形成零點(diǎn)以免信號間的串擾但是多徑傳播在當前時(shí)隙所形成的最優(yōu)波束即分別以用戶(hù)1條件下的多用戶(hù)DOA估計是一個(gè)非常棘手的問(wèn)和用戶(hù)2為目標信號時(shí)得到的最優(yōu)陣列接收波題盡管當前研究者提出了一些方法但在實(shí)束)可以看到對應每種情況在干擾信號方向上際環(huán)境中這些方法仍然不是十分有效.考慮到應都形成了較深的零陷2個(gè)波束具有良好的正交用上面介紹的干擾抑制方法在上行鏈路中每個(gè)通性說(shuō)明本文提出的方法的確適于SDMA的實(shí)現道形成的接收波束恰好具有正交特性因此可以需要說(shuō)明的是雖然這種SDMA方案具有簡(jiǎn)單,可直授采用名通道接收加權子網(wǎng)絡(luò )權值來(lái)形成發(fā)送靠的優(yōu)點(diǎn)但它需要對TMA系統中的數據格式子網(wǎng)絡(luò )的權值在實(shí)際實(shí)現時(shí)發(fā)送加權子網(wǎng)絡(luò )的進(jìn)行相應的改動(dòng)這是因為如果2個(gè)用戶(hù)共用相權值隨接收加權子網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行動(dòng)態(tài)的更新不再需同信道時(shí)為了實(shí)現分離需要分配給它們不同的要附加的運算因此十分有效訓練序列這樣TDMA系統中所需要的訓練序列3仿真結果和討論數目就要翻倍.為了保證這些訓練序列間的特殊的相關(guān)性就需要適當增加訓練序列的長(cháng)度下面以圖3給出的信號圖景為例進(jìn)行仿真這里令搜索窗口的長(cháng)度為2個(gè)時(shí)隙長(cháng)并在時(shí)隙1中考察2個(gè)通道陣列的接收波束.陣列采用4單元均勻線(xiàn)陣陣元間距為1/2波長(cháng).圖3中各信號的參數見(jiàn)表1相對噪聲功率設為-20dB.這里假設無(wú)線(xiàn)信道為慢衰落( slow fading)信道,即在一個(gè)時(shí)隙上信道可認為不變方位角/()表1仿真信號參數圖5通道1在時(shí)隙1中的接收和發(fā)送波束相對時(shí)信號對應用戶(hù)訓練序列DOA)延/路徑衰減0號號0.6號應用上面介紹的方法可以得到幀識別算法的結果見(jiàn)圖4.圖4的橫坐標為搜索窗口中的搜方位角/(“)17北京航空航天大學(xué)學(xué)報2003年[4 Lee Y K, Chandrasekaran R, Shynk JJ. Separation of cochannel4結論SM signals using an adaptive arTa J ] IEEE Trans Signal Processg,1999,477):977~1987文章討論了一種應用于GSM系統的SDMA[5]崔炎,呂善偉毛峽.用陣列抑制TDMA無(wú)線(xiàn)通信系統方案,該方案利用數據傳輸時(shí)隙中的訓練序列構中的共信道干擾J]電子學(xué)報20023(12)1790-1793造基于參考信號的自適應天線(xiàn)通過(guò)IS準則形Cui Yan, Li Shanwei, Mao Xia, Use arrays in TDMA mobile com-成自適應波束實(shí)現共用相同信道用戶(hù)數據的分munication for canceling cochannel interference ]. Acta Electronica離并且通過(guò)軟波束形成技術(shù)能夠實(shí)現多用戶(hù)數【6]x6. Experimental evaluation of smart antenna system perf據的并行接收和發(fā)送從傷真結果來(lái)看在干擾不for wireless communication J ] IEEE Trans Antennas and Propaga太嚴重的情況下該方法能夠有效的形成正交接收和發(fā)送波束并且具有計算簡(jiǎn)單可靠性好等優(yōu)[71gss,uC. Experimental studies of spatial signature variatie點(diǎn)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參考文獻( 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,殷勤業(yè).空間特征的累積域估計箅法與共[2 Leary J, Gooch R P. Adaptive beamforming for TDMA signal[ C]信道相干源波達方向估計J.西安交通大學(xué)學(xué)報,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