工程與應用1種基于碼分多址的改進性空分多址性能分析盧曉宇,張祖凡,胡慶(重慶郵電大學,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群間相互干擾,研究一種結(jié)合CDMA的改進性DMA多址技術(shù)?；緦ο滦墟溌返馁x形波柬進行實時的相關(guān)性檢測,為高相關(guān)性的SDMA波東動態(tài)分配正交的ⅣN碼,以CDMA方式來識別不同波束,實現(xiàn)碼分和空分的有效結(jié)合。仿真結(jié)果表明改進的SDMA多址技術(shù)在波束高度相關(guān),也即是用戶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引言的波束進行覆蓋。通過這種處理方式,在系統(tǒng)容量方面同樣可以得到極大提高3。,與此同時其降低雖然CDMA移動通信系統(tǒng)為系統(tǒng)內(nèi)不同基站、系統(tǒng)干擾方面的能力也得以提高。事實上,這用戶分配相互正交的FN碼極大地降低干擾,進而種多址方式尤為值得關(guān)注的是,基站天線的多個波提高系統(tǒng)容量。但在實際系統(tǒng)中,一方面考慮到尋束可以動態(tài)/自適應地完全/部分地跟蹤多個用戶找足夠數(shù)量的正交PN碼比較困難且實現(xiàn)較為復群,并且波束間的信道可以共享,這樣可以實現(xiàn)靈活雜1-21,另一方面事實上相互正交的FN碼經(jīng)過復的資源分配提高系統(tǒng)頻譜利用率。但是根據(jù)天線雜無線信道傳輸后碼間正交性會受到影響從而導理論,隨著移動用戶數(shù)的不斷增加基站將需要不斷致性能下降2-4增加天線陣元數(shù)量,這將導致天線處理能力和處理為了解決CDMA系統(tǒng)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技術(shù)的SDMA技術(shù),這一技術(shù)是利用系事實上,無論是CDMA技術(shù),還是SDMA技術(shù)在降統(tǒng)/基站內(nèi)的用戶在空間/地理位置區(qū)域的不同,通低系統(tǒng)干擾提高系統(tǒng)容量方面各有優(yōu)缺點。但如前過進一步提取用戶信道特性,從而對用戶按信道和分析CDMA中的PN的正交性可以彌補SDMA中容量空間位置進行分組,然后對不同用戶組/群利用不同增加而導致的天線處理復雜度的提高,而SDMA中的空分技術(shù)可以解決CDMA中可使用的正交PN碼數(shù)量收稿日期:20081208約束系統(tǒng)容量這一瓶頸?；痦椖?重慶市自然科學基金(CSTC2007BB2453);重慶市教育委員會科學技術(shù)研究項目(K080516);重慶郵電大學為此,本文結(jié)合CDMA和SDMA技術(shù),研究一種科研基金項目(A200851)改進性SDMA多址技術(shù),它借鑒CDMA通信系統(tǒng)根76-DIGITAL COMMUNICATION/2009.程與應用據(jù)擴頻碼的不同來識別用戶,將CDMA正交碼字動式(1)中:Q4為可分辨的多徑信號數(shù)目;s4(t)態(tài)分配給SDMA波束以不同的正交碼來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(tǒng)的抗干擾性進一步改善系統(tǒng)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條多徑的波離開角度熟,為碼分和空分的聯(lián)合實現(xiàn)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。強了改進性SDMA多址技術(shù)的研究可行性。設天線為由M個陣元組成的直線陣,陣元間距為d,假定各陣元均為全向天線且各陣元直接無耦合。假1改進性SDMA多址技術(shù)工作原理設信源位于遠場,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a(6,)的自適應性,進行下行波束賦形,為用戶組/群分配[1,emm,…,enM-1)h]T(3)波束,進行分區(qū)覆蓋。同時,基站將實時檢測波束間相關(guān)性,并為高度相關(guān)的波束動態(tài)分配正交的PN立方角碼,自適應地實現(xiàn)對不同的用戶群進行獨立波束覆蓋,工作流程如圖1所示。此改進的SDMA在解決用戶組/群間相互干擾的同時,又自適應地進行資源分配極大地提高了頻譜利用率及功率效率。實時檢分配波相關(guān)性圖2波束賦形方位角和俯仰角用戶分組而a(t)為信道衰落可以表示為(t)=Ae no(4)式中:A,為傳播系數(shù),為信道多普勒頻移;q,圖1CDMA一SDMA工作流程圖(A)為與下行信號波長相關(guān)相位。因此有下行信針對CDMA和SDMA的有效結(jié)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題RD=EChp(t)ho(r)](5)1)引入波束相關(guān)性對應SDMA,為各用戶組/群2.2波束相關(guān)性分配波束,并進行分區(qū)覆蓋,實時檢測波束間(主要傳統(tǒng)的SDMA不能對用戶分組實現(xiàn)盡善盡美針對下行波束賦形)的相關(guān)性;的分區(qū)覆蓋。對于相鄰的兩個波束覆蓋區(qū)域,總是2)引人正交的FN碼對應CDMA,為相關(guān)性強可能出現(xiàn)交疊現(xiàn)象,如圖3所示。移動終端MS1與的波束動態(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(qū)域,將同獨立的波束。時接收到來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。為改善這一干擾問題,改進的SDMA從信道空間這一層面上,通過定量分析波束在空間上的相2.1下行信道空間模型關(guān)性來檢測波束覆蓋區(qū)之間的交疊干擾程度?；緩挠脩艚嵌?通過用戶對信道狀態(tài)觀察后若已知信道的統(tǒng)計狀態(tài)信息,即信道的相關(guān)矩反饋的參數(shù),進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(quán)矢量w發(fā)送給期望用戶k時,用戶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)兩個正交方向,并對波束的相關(guān)性進行分別討論如圖4、圖5和圖6所示。其中p為相關(guān)性系數(shù)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(shù)。如果定義p=0.5時所對應的角度為相關(guān)夾角,則當2個波束的夾角大于相關(guān)夾角時,2個波束不圖3相鄰波束覆蓋交疊現(xiàn)象相關(guān);反之,則認為波束是相關(guān)的,進而需要對相關(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,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(shù)目M的減函數(shù),隨著MSNR=成倍增加,相關(guān)角度成近似相同倍數(shù)減小。這是由∑E|α(1)12a(349,la(,9,)于隨著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個分段的波束相關(guān)性曲線。這主要是受徑向距SNR,最優(yōu)權(quán)值問題轉(zhuǎn)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,在徑向方向上,最多形成2~3個獨立R=∑Ela()a(日,4)a(,,)"(8)波束,而4元陣列天線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(quán)值矢量為相關(guān)的,無法形成2個以上獨立波束m,則有SNR。="3波束加碼(9)CDMA移動通信系統(tǒng)根據(jù)不同用戶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識別不同用戶,抗干擾能力強。改進的SDMA引法下獲得的最優(yōu)波束賦形權(quán)值矢量M甲。因此,兩用CDMA系統(tǒng)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碼來識別不同的波束,改善傳統(tǒng)P=R基站實時檢測兩相鄰波束間相關(guān)性,如果設置sDMA系統(tǒng)存在的相鄰波束覆蓋區(qū)的相互干擾問題,相關(guān)性門限值為6,當相關(guān)系數(shù)p>8時,則對波束提高系統(tǒng)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每個擴頻序列的自相關(guān)函數(shù)應該是一個沖激23波束相關(guān)性仿真討論函數(shù),即除零時延外,其值應處處為0;②每對擴頻由陣列天線估計來波信號陣列矢量a(,q)將波序列的互相關(guān)函數(shù)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實時檢測到兩個相鄰波東相關(guān)系址技術(shù)。改進的SDMA系統(tǒng)中,基站陣列天線對下數(shù)p>6時,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行實時的相關(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SDMA到強相關(guān)波束時,動態(tài)地為其分配正交PN碼,實現(xiàn)多址技術(shù)對系統(tǒng)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(xiàn)的相互干擾。通過在不同的波束相關(guān)情況下進行比較分析,可見結(jié)合CDMA的改進性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(tǒng)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. 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Dynamic multiuser resourceallocation and adaptation for wireless systems [J].IEEE此,在波束未出現(xiàn)相關(guān)的情況下,不需要對波束進行Wireless Communications, 2006. 13 (4): 3847加碼,以減少系統(tǒng)的運行復雜度。而當波束出現(xiàn)高[8] MACIEL T F, KLEIN A. A resource allocation strate度相關(guān)的情況時(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SDMA性能較之圖7中性[2008-12-20]. ieeexplore. ieee. org/xpls/abs_all. jsP?能曲線有稍微降級,而對于傳統(tǒng)SDMA,其性能卻有mumber =4299114約2dB的降級。由此可見,改進后SDMA在存在波[9]張祖凡,杜惠平自適應夭線技術(shù)在移動通信系統(tǒng)中束互干擾的情況下,對系統(tǒng)性能有相當改善。的應用[J]電波科學學報,2000,12,15(增):164結(jié)語作者簡介:盧曉宇(1984-),女,重慶人,碩士研究生,研究方向為為解決傳統(tǒng)SDMA系統(tǒng)中下行波束覆蓋區(qū)域,移動通信技術(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(tǒng)的SDMA系統(tǒng)博士,研究方向為移動通信理論與技術(shù);胡慶(1958-)中注入CDMA技術(shù)研究了一種改進性的SDMA多女重慶人,教授研究方向為光學通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡。