2003年2月北京航空航天大學學報February 2003第29卷第2期Joumal of Beijing University of Aeronautics and AstronautVol 29 No. 2空分多址技術在GSM系統(tǒng)中的應用分析崔炎善偉北京航空航天大學電子工程系)摘要:考慮到時分多址系統(tǒng)的特殊性質并結合已有的時分多址系統(tǒng)中共信道干擾抑制技術提出了一種應用于 GSM Global System for Mobile)系統(tǒng)的不依賴于用戶空間特征估計的空分多址方案.方案采用自適應天線和軟波束形成技術能夠在時分多址基礎上實現多路信號的空分接收.文章給出了在GSM系統(tǒng)中應用該技術的仿真實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用戶間的互不干擾關鍵詞:空分多址;共信道干擾;自適應陣;全球移動通信系統(tǒng)中圖分類號:TN929.533文獻標識碼:A文章編號:1001-59632003)20169-04隨著移動用戶的迅速增加,無線系統(tǒng)的頻率共信道干擾的方法2-41.資源匱乏問題日益突出為了解決這個問題在時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有8位.在典型的無線環(huán)境中信號傳播多址的概念力圖通過用戶空間特征的差異用陣的最大剩余延遲( maximum excessive delay)小于一列天線實現同一信道中多個用戶的同步通信把個用戶時隙因此在CSM系統(tǒng)中構成目標用戶通信系統(tǒng)可利用的資源擴展到空間域傳統(tǒng)的空的共信道共用相同頻帶相同時隙)干擾數目不分多址方案基于用戶空間特征的估計但現有的會太多這樣就有可能通過在干擾信號來波方向信號空間特征估計方法計算較為復雜在實際的上形成波束零點的方法去除干擾信號用陣列抑多徑衰落信道和多用戶情況下其可靠性有待改制GSM系統(tǒng)中的共信道干擾利用的是基于參考進基于這種考慮針對 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(tǒng)提出了一種不需要進行用戶空間特征估每個用戶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類并針對這2類千擾構造傳輸格式的特點具有計算簡單可靠性好等特不同的代價函數應用最小平方準賬I分別進行點抑制4].通過這種方法優(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類干擾的示意圖.圖1中陰影區(qū)域為每個用戶信號特有的訓練序列.在T)MA蜂窩通信系統(tǒng)中,一個主要問題是所謂的共系統(tǒng)中每個用戶都分配給一個特定的訓練序列,信道干擾 cochannel interference問題共信道干擾用來在接收端輔助均衡器動態(tài)的調整參數以抑制主要來自2個方面,是多徑傳播造成的衰落效I( Inter-Symbol Interference)這些訓練序列經過應外一個是使用相同頻率資源的臨近小區(qū)造處理后具有特殊的相關性1.信號1為目標信號,成的干擾.對這2種干擾進行有效抑制是蜂窩信號2覆蓋了信號1的訓練序列稱為第一類干系統(tǒng)設計面臨的主要問題之一最近幾年R.P.擾被覆蓋的區(qū)間稱為第一類干擾區(qū)間信號3沒Goc和J.J. Shank先后對TDMA( Time division有覆蓋信號1的訓練序列稱為第二類干擾覆蓋Multiple Access)系統(tǒng)中的共信道干擾問題進行了區(qū)間稱為第二類干擾區(qū)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(tǒng)中練序列有關因此在第一類干擾區(qū)間上可以通過170北京航空航天大學學報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行軟波束形成.圖2中T/R為收發(fā)優(yōu)權對于第二類干擾則需要進行進一步的處理.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干擾類型示意圖簡要地說用陣列抑制干擾的基本步驟為1)進行幀同步識別 Frame Sychronization)找通道1WIT/WiR到時域中彼此重疊的信號各自訓練序列的起始點用戶在時域上的相對位置關系重建接收信號發(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(tǒng)中的SDMA結構2.1上行信號的分離類干擾區(qū)間和第二類干擾區(qū)間3)在目標用戶時隙第一類干擾區(qū)間上對第下面通過一個例子來說明上行信號分離的方法圖3給出了雙用戶共用同一TDMA信道時接類干擾進行抑制4)在目標用戶時隙第二類干擾區(qū)間上對弟收端在一個時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隙1的用戶類干擾進行抑制作者在另外一篇文章(見參考文獻5])中津1和用戶2的主傳播路徑分量用戶1與用戶2共用一個信道是分離對象信號2為用戶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明問題沒搜索窗口的長度得有關優(yōu)化函數和權值計算方法的細節(jié).這種方法一個突出的優(yōu)點是它采用塊數據匹配的方法為2個時隙長度實際實現時搜索窗口的長度應該為一個幀長(8個時隙)信號4為用戶1相鄰每一次權值更新只需要對當前時隙的數據進行操時隙用戶3的主傳播路徑信號.由于在實際時隙作無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避免相鄰時率隙間的干擾因此可以認為用戶3與用戶1用戶2應用空分多址技術的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中的用戶在本例中為用戶1用戶3)為目從上面介紹可以看出這種用陣列抑制干擾標用戶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中的用戶信號方向和本序這種方法在GSM系統(tǒng)中實現空分多址SDMA列用戶信號的多徑方向均形成零點在本例給出( Space Division Multiple Access).假設采用sDMA的時隙中即波束在信號2信號3傳播方向上均后的GSM系統(tǒng)中每2個用戶共用一個信道(同形成零點這樣就可以在通道1內對序列1中的子頻帶同一時隙,為便于說明問題只假設為用戶進行準確接收并將各個時隙中得到的權作個用戶而方法可以擴展到更多用戶的情況)為通道1接收加權子網絡的值與此同時在接收這樣就相當于同時有2個時間序列在進行接收和通道2上令序列2中的用戶為目標用戶同樣的發(fā)送可以得到在序列1用戶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隙中即波束在信號1信號2方向上形時域中彼此混疊的信號分別提取出來而下行選成零點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形成彼此正交用戶2的多個子波束.圖2給出了空分多址方案的結構信號2用戶示意圖從圖2中可以看到基站同時通過2個通信號1用戶1信號4川戶3第2期崔炎等空分多址技術在GSM系統(tǒng)中的應用分析1712中用戶的數據并得到通道2接收加權子網絡的值.如果對每個時隙都做這樣的處理就能夠將在同一信道中同步傳輸的2個序列進行分離2.2下行選擇性發(fā)送SDMA中的下行選擇性發(fā)送是指基站同時將多個信號發(fā)送給不同的用戶而互不干擾.下行選擇性發(fā)送既可以基于用戶的空間標識 Spatial Sig-搜索位置/bitnature),也可以基于用戶信號的空間來向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準的系統(tǒng)中如GSM)不能使用上行空間標識的估確的出現了峰值在實際實現時只需設置合適計進行下行選擇發(fā)送傳統(tǒng)的基于DOA的SDMA門限電平在本例中可以設置為0.8進行檢測即方案中為了實現下行選擇性發(fā)送需要首先對用可得到用戶信號在搜索窗口中的位置得到用戶戶信號的DoA進行估計之后根據這些估計值形信號間的位置關系后就可以分別以用戶1和用成彼此正交的多個發(fā)送子波束即這些子波束在戶2為目標信號計算2個通道加權子網絡的值除目標信號主傳播路徑外其他所有信號來向上圖5、圖6分別給出了圖2中通道1和通道都要形成零點以免信號間的串擾但是多徑傳播在當前時隙所形成的最優(yōu)波束即分別以用戶1條件下的多用戶DOA估計是一個非常棘手的問和用戶2為目標信號時得到的最優(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通性說明本文提出的方法的確適于SDMA的實現道形成的接收波束恰好具有正交特性因此可以需要說明的是雖然這種SDMA方案具有簡單,可直授采用名通道接收加權子網絡權值來形成發(fā)送靠的優(yōu)點但它需要對TMA系統(tǒng)中的數據格式子網絡的權值在實際實現時發(fā)送加權子網絡的進行相應的改動這是因為如果2個用戶共用相權值隨接收加權子網絡進行動態(tài)的更新不再需同信道時為了實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(tǒng)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性就需要適當增加訓練序列的長度下面以圖3給出的信號圖景為例進行仿真這里令搜索窗口的長度為2個時隙長并在時隙1中考察2個通道陣列的接收波束.陣列采用4單元均勻線陣陣元間距為1/2波長.圖3中各信號的參數見表1相對噪聲功率設為-20dB.這里假設無線信道為慢衰落( slow fading)信道,即在一個時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在時隙1中的接收和發(fā)送波束相對時信號對應用戶訓練序列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北京航空航天大學學報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(tǒng)的SDMA[5]崔炎,呂善偉毛峽.用陣列抑制TDMA無線通信系統(tǒng)方案,該方案利用數據傳輸時隙中的訓練序列構中的共信道干擾J]電子學報20023(12)1790-1793造基于參考信號的自適應天線通過IS準則形Cui Yan, Li Shanwei, Mao Xia, Use arrays in TDMA mobile com-成自適應波束實現共用相同信道用戶數據的分munication for canceling cochannel interference ]. Acta Electronica離并且通過軟波束形成技術能夠實現多用戶數【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單可靠性好等優(yōu)[71gss,uC. Experimental studies of spatial signature variatie點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]. 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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