減少WCDMA和TDMA系統(tǒng)中的干擾

1、減少WCDMA和TDMA系統(tǒng)中的干擾摘要 本文主要對(duì)UMTS移動(dòng)通信系統(tǒng)中的WCDMA上行鏈路的性能進(jìn)行評(píng)估，此外，還對(duì)在一個(gè)小區(qū)中通過(guò)WCDMA和TDMA系統(tǒng)的融合來(lái)增加移動(dòng)通信系統(tǒng)小區(qū)的容量的這種可能性做研究。我們希望減少在WCDMA和TDMA中小區(qū)之間的干擾，甚至是完全消除這種干擾，以便他們能協(xié)調(diào)工作。這將會(huì)大大增加小區(qū)的容量，并且在一個(gè)小區(qū)中WCDMA和TDMA系統(tǒng)的融合通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真可以實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵字：小區(qū)容量、WCDMA、TDMA、干擾一、 簡(jiǎn)介 寬帶CDMA是一個(gè)直接序列碼分多址接入系統(tǒng)（DSCDMA）系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，用戶(hù)信息比特通過(guò)與隨機(jī)序列交織后在一個(gè)很寬的頻帶中傳輸。為了

2、支持高比特率數(shù)據(jù)的傳輸，可變擴(kuò)頻和多碼連接技術(shù)也被應(yīng)用到系統(tǒng)中。 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中增加小區(qū)容量是一個(gè)很重要的工程，鑒于系統(tǒng)的高成本和頻譜資源的有限，提高頻譜的利用率是下一代蜂窩系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)方面取得成功的根本,為使用有限的資源更有效而提出的的一個(gè)新概念就是將現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)資源相結(jié)合和協(xié)調(diào)的混合系統(tǒng)，這能夠充分利用單個(gè)系統(tǒng)的能力。這種混合系統(tǒng)在一定程度上任何時(shí)候都有一定的自由度，例如我們可以根據(jù)服務(wù)質(zhì)量的要求和整個(gè)系統(tǒng)的傳輸特性選擇最有效的傳輸系統(tǒng)。 一些研究者已明確表明，未來(lái)的多址接入方案要實(shí)現(xiàn)覆蓋是值得我們學(xué)習(xí)和模擬的。模擬算法被用來(lái)研究的覆蓋效果的混合系統(tǒng)的性能上的不同的方案。使用陷波濾波器來(lái)提高混

3、合系統(tǒng)的容量的效果在4中有研究，而功率控制機(jī)制對(duì)混合方案的誤比特率的影響在5中有研究，在6中用一個(gè)簡(jiǎn)化的模型來(lái)研究在GSM和CDMA系統(tǒng)運(yùn)行在相同頻帶上時(shí)系統(tǒng)的性能。在7中，提出了一種將TDMA基站蜂窩結(jié)構(gòu)和采用直接序列擴(kuò)頻通信的CDMA相結(jié)合的系統(tǒng)，在前向和反向鏈路中通過(guò)時(shí)分復(fù)用來(lái)增加容量。在另外一項(xiàng)研究8中，蜂窩移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)被提出，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)通過(guò)TDMA實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)復(fù)用、CDMA來(lái)控制內(nèi)部干擾。通過(guò)模擬仿真的比較顯示所提出的系統(tǒng)能過(guò)提高整個(gè)系統(tǒng)的容量。再9中比較了兩個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能。第一個(gè)是在傳統(tǒng)意義上的WCDMA系統(tǒng)，而第二個(gè)系統(tǒng)是在反向鏈路采用擴(kuò)頻TDMA系統(tǒng)。結(jié)果表明TDMA應(yīng)該用于

4、室內(nèi)蜂窩系統(tǒng)中而WCDMA應(yīng)該用于室外蜂窩系統(tǒng)中。窄帶CDMA系統(tǒng)和TDMA系統(tǒng)中，以提供更高的頻譜效率10提出了使用的頻率重疊的可能性的理論探討。結(jié)果表明，在一定條件下兩個(gè)系統(tǒng)可以工作在相同的頻帶和在同一區(qū)域內(nèi)，在整個(gè)系統(tǒng)的整體容量有相當(dāng)大的改善。在本文中，上行鏈路UMTS系統(tǒng)仿真器的使用MATLAB實(shí)現(xiàn)，就色散和AWGN信道對(duì)系統(tǒng)性能的影響做了研究。研究也考慮到TDMA和WCDMA的融合對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響。所提出的方法主要目的是在同一個(gè)小區(qū)通過(guò)聯(lián)合操作兩個(gè)系統(tǒng)來(lái)提高系統(tǒng)容量，我們也提出了一種簡(jiǎn)單的在TDMA和WCDMA系統(tǒng)中減小干擾的方案。本文的組織如下：第二節(jié)給出了一個(gè)初步介紹WCDMA

5、上行鏈路仿真AWGN和分散渠道的作用下，它的BER性能。第三節(jié)介紹了WCDMA-TDMA融合方式，而第四節(jié)主要考慮干擾消除，第五節(jié)討論所獲得的結(jié)果，最后得出結(jié)論第六節(jié)中。二、WCDMA上行鏈路的系統(tǒng)說(shuō)明在WCDMA（UMTS）的上行鏈路通信系統(tǒng);兩個(gè)物理信道專(zhuān)用于每個(gè)移動(dòng)站，并且有數(shù)據(jù)信道和數(shù)據(jù)信道的控制通道。數(shù)據(jù)信道被用來(lái)傳送的聲音和圖像等信息數(shù)據(jù)，而控制信道被用于攜帶控制信號(hào)。用于上行鏈路的WCDMA系統(tǒng)的一個(gè)簡(jiǎn)單的示意圖示于圖 1。圖1WCDMA上行鏈路系統(tǒng)首先，數(shù)據(jù)和控制通道位使用BPSK調(diào)制器調(diào)制，然后將它們傳播以正交可變擴(kuò)頻因子（OVSF）短代碼的形式。然后，兩個(gè)信道經(jīng)過(guò)復(fù)雜的處理

6、使其正交相關(guān)。所得的信號(hào)則乘以長(zhǎng)的Golden碼進(jìn)行交織.。Golden 碼是復(fù)雜的長(zhǎng)序列具有低相關(guān)性，和相對(duì)較高的自相關(guān)。經(jīng)加擾的信號(hào)然后被發(fā)送并在信道中傳播。在基站處接收器，一個(gè)反向的過(guò)程。解擾所接收的信號(hào)后，對(duì)數(shù)據(jù)和控制信道簡(jiǎn)單地被分離，如在圖1所示。然后通過(guò)一個(gè)匹配濾波器，通過(guò)積分和轉(zhuǎn)儲(chǔ)來(lái)估計(jì)所發(fā)送的BPSK信號(hào)。A、 上行系統(tǒng)模擬器我們已經(jīng)使用MATLAB / SIMULINK建立了基帶的WCDMA系統(tǒng)模擬器。該模擬器包擴(kuò)一定數(shù)目的移動(dòng)臺(tái)（用戶(hù)），色散信道和/或加性高斯白噪聲（AWGN）信道和基站接收機(jī)。這個(gè)模擬器為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們做了一些假設(shè)。首先，我們使用的是一個(gè)小區(qū)模型，因此有

7、沒(méi)有同信道干擾；其次，采用完善的功率控制，使所有用戶(hù)都具有相同的信號(hào)在基站接收機(jī)電源；第三，每個(gè)用戶(hù)有其自己的正交可變擴(kuò)頻因子（OVSF）和擾碼；最后，發(fā)射器和接受器所傳輸?shù)男盘?hào)碼之間完全同步。 在仿真中我們選擇接收端的誤比特率作為系統(tǒng)性能評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)，誤碼率通過(guò)運(yùn)行仿真器來(lái)獲得。B、 上行鏈路仿真系統(tǒng)模擬器運(yùn)行后，可以得到每個(gè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的信號(hào)波形。圖 2示出這些波形和它們的位置，根據(jù)示于圖1的示意圖。圖3示出對(duì)于用戶(hù)數(shù)量的變化，當(dāng)所發(fā)送的信號(hào)在色散和色散高斯信道中傳播的接收的BER。其中擴(kuò)頻因子（SF）被取為8；另外，信息比特率是480 kbps的。這是顯而易見(jiàn)的BER隨用戶(hù)數(shù)量的增加而增加；

8、同時(shí)也很清楚，對(duì)于相同數(shù)目的用戶(hù)，AWGN信道的增加也會(huì)增加BER，因?yàn)樯⑿诺赖挠绊懻贾鲗?dǎo)地位。圖2 選定的測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)波形圖4顯示出在信道的擴(kuò)頻因子不同時(shí)在色散信道中BER的情況。很顯然，對(duì)于相同數(shù)量的用戶(hù)當(dāng)擴(kuò)頻因子從8增加到16時(shí)系統(tǒng)的BER有所提高。這是因?yàn)樵黾訑U(kuò)頻因子就降低了噪聲功率，從而導(dǎo)致在接收機(jī)處的SNR的改善，從而降低了誤碼率。AWGN方差對(duì)系統(tǒng)性能的影響示于圖 5中。噪聲方差的增加，增加了接收錯(cuò)誤比特的概率。此外，增加擴(kuò)頻因子時(shí)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)就更加敏感。圖3 用戶(hù)數(shù)目與BER的關(guān)系圖4 用戶(hù)數(shù)量和擴(kuò)頻因子與BER的關(guān)系圖5 噪聲方差與BER的關(guān)系二、 WCDMA和TDMA系統(tǒng)融

9、合對(duì)小區(qū)容量的影響這項(xiàng)工作的目的是，使兩個(gè)不同的移動(dòng)通信系統(tǒng)的操作在同一小區(qū)中，從而提高小區(qū)容量，使理想的兩個(gè)系統(tǒng)的用戶(hù)的總和等于。兩個(gè)候選系統(tǒng)是WCDMA和TDMA，因?yàn)檫@兩個(gè)系統(tǒng)是彼此相互干擾的。A、 混合系統(tǒng)操作說(shuō)明在本小節(jié)中，我們將解釋如何在CDMA和TDMA系統(tǒng)操作當(dāng)他們?cè)谕粋€(gè)單元時(shí)。圖6示出擴(kuò)頻和去解闊的過(guò)程。有用的信號(hào)經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻然后在寬帶信道中傳輸并在接受端進(jìn)行解擴(kuò)。正如我們?cè)趫D6中所看到的在CDMA系統(tǒng)接收端的解擴(kuò)過(guò)程是作為窄帶干擾信號(hào)擴(kuò)頻操作的。就TDMA和CDMA混合系統(tǒng)而言窄帶TDMA信道對(duì)CDMA系統(tǒng)是窄帶干擾如果他們?cè)谕粋€(gè)頻帶內(nèi)。就TDMA系統(tǒng)而言，CDMA系統(tǒng)就是

10、一個(gè)低功率譜密度的噪聲干擾。在TDMA接收機(jī)的接收機(jī)濾波器將確保類(lèi)似噪聲的干擾信號(hào)將僅在窄的帶寬的TDMA系統(tǒng)中被接收。因此，只有一小部分的CDMA干擾功率將被接收到的10，參見(jiàn)圖7。圖6 TDMA信號(hào)在CDMA接收器中的影響圖7 CDMA信號(hào)在TDMA接收器中的影響B(tài)、 基帶WCDMA/TDMA系統(tǒng)時(shí)分復(fù)用（TDM）是幾個(gè)數(shù)字信息的交織成一個(gè)以較高的比特率的數(shù)字信息，例如，我們考慮通用TDMA無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是類(lèi)似于歐洲的基群，稱(chēng)為E1，傳輸數(shù)率為2.048 Mbit / s，這是通過(guò)獲得復(fù)用速率為64 kbit / s的32個(gè)用戶(hù)的PCM編碼語(yǔ)音信號(hào)，11。 作為寬帶碼分多址（WCDMA）

11、系統(tǒng)中的一個(gè)例子中，我們使用UMTS系統(tǒng)8，其中的比特率被選擇為240 kbps的，擴(kuò)頻因子為16。因此，碼片速率將是3.84兆碼片/秒，這與擾頻碼的碼片速率相同。關(guān)于UMTS系統(tǒng)的更詳細(xì)的信息可以找到其他地方12。然而，我們提出了一個(gè)基站模型具有兩個(gè)TDMA和WCDMA方式的移動(dòng)臺(tái)發(fā)射機(jī)和一個(gè)基站，其包含兩個(gè)接收器，一個(gè)用于WCDMA和另一個(gè)用于TDMA。值得一提的是，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們模擬的僅是上行鏈路系統(tǒng)。圖8顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的示意圖，用于所提出的模型。圖8 上行WCDMA/TDMA系統(tǒng)示意圖四、干擾消除（IC）簡(jiǎn)介 圖9圖示出噪聲消除器的原理示意圖，具體做法是用一個(gè)與TDMA帶寬（2.0

12、48MHz）相匹配的FIR低通濾波器來(lái)提取TDMA干擾，然后再?gòu)慕邮盏降模═DMA+WCDMA）組合信號(hào)中去除TDMA信號(hào)。因此，這是可以得到WCDMA信號(hào)而沒(méi)有TDMA信號(hào)的干擾。圖9 干擾消除（IC）原理圖一個(gè)閾值電路被用于消除殘余的WCDMA信號(hào)，該信號(hào)與所提取的TDMA信號(hào)如在圖所示，該過(guò)濾器具有一個(gè)截止頻率為2.048 MHz的TDMA系統(tǒng)帶寬匹配。此外，當(dāng)設(shè)計(jì)的過(guò)濾器，濾波器的群延遲是予以考慮。它必須有一個(gè)大的群延遲（群時(shí)延= 濾波器的階數(shù) - 1/2）。在我們的設(shè)計(jì)中，我們選擇一個(gè)合理的濾波器階數(shù)為7；這給出了一個(gè)群延遲3個(gè)采樣周期。表1示出了所設(shè)計(jì)的FIR低通濾波器的參數(shù)。表1

13、 濾波器的參數(shù)由于該信號(hào)將遭受的3個(gè)采樣周期時(shí)延，它通過(guò)設(shè)計(jì)的FIR濾波器時(shí)，這種延遲必須通過(guò)一個(gè)延遲線(xiàn)（Z-3）來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)。此外，值得一提的，考慮到整個(gè)模擬過(guò)程中的延誤和相應(yīng)的補(bǔ)償。五、仿真結(jié)果和討論模擬運(yùn)行足夠的數(shù)目的數(shù)據(jù)符號(hào)下，我們忽略了的加性白高斯噪聲的影響使研究的TDMA干擾的效果更清楚地。圖10給出了WCDMA接收器在一定數(shù)量的TDMA用戶(hù)中兩種不同情況下BER的變化，一種是在有干擾消除器，另外一種是沒(méi)有干擾消除器。同時(shí)，在一個(gè)WCDMA用戶(hù)的情況下也作了仿真。很明顯，增加了用戶(hù)的數(shù)量BER也相應(yīng)的增加，因?yàn)門(mén)DMA干擾也增加了。通過(guò)與沒(méi)有使用噪聲消除器（IC）的三次比較發(fā)現(xiàn)

14、噪聲消除器（IC）能夠減小BER。增加用戶(hù)數(shù)量使BER也增加也給我們提示一些TDMA信號(hào)也通過(guò)了噪聲消除器并使得BER增加，這是噪聲消除器的一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)槲覀兪窃诶硐氲那闆r下增加用戶(hù)數(shù)量而得到的BER，這可能是由于濾波器的非理想特性所造成的。圖10 BER隨WCDMA接收器的數(shù)量的變化在WCDMA接收機(jī)和Pt/Pc與BER之間的關(guān)系示于圖11，其中Pt是TDMA傳輸功率和Pc是WCDMA的移動(dòng)站的發(fā)射功率。模擬運(yùn)行一個(gè)WCDMA用戶(hù)和為32 TDMA用戶(hù)。很明顯，通常，增加Pt/Pc將會(huì)增加BER，但另一方面，我們能夠觀察到由于使用了噪聲消除器BER平均將降低了四分之一。圖11 WCDMA用戶(hù)

15、數(shù)為32是Pt/Pc與BER之間的關(guān)系圖12給出了在32個(gè)用戶(hù)的TDMA系統(tǒng)中使用噪聲消除器時(shí)Pt/Pc與BER的關(guān)系還有不同數(shù)目的用戶(hù)與BER的關(guān)系。很顯然，在相同Pt/Pc的情況下，增加用戶(hù)數(shù)量會(huì)使得BER增加，這是因?yàn)閃CDMA的干擾增多了；我們也觀察到增加Pt/Pc也會(huì)使得BER增加，這是因?yàn)闉V波器的非理想特性。圖12 在使用了IC情況下不同WCDMA用戶(hù)數(shù)目和Pt/Pc與BER的關(guān)系 現(xiàn)在，我們?yōu)榱艘粋€(gè)IC性能的清晰結(jié)果，我們定義一個(gè)改善因子作為從沒(méi)有干擾消除器到有干擾消除器BER的變化率。圖13給出了在保持TDMA用戶(hù)數(shù)量不變（32時(shí)Nc和Pt/Pc與改善因子的關(guān)系。Nc增加時(shí)改善

16、因子在減小這可以做以下表述：減小WCDMA干擾使得TDMA干擾成為主要干擾因此通過(guò)干擾消除器抑制TDMA干擾就會(huì)使得BER得到較好的改善，同時(shí)也觀察到當(dāng)Pt/Pc=2時(shí)改善因子取得最大值。圖13 對(duì)不同WCDMA用戶(hù)數(shù)Pt/Pc與改善因子的關(guān)系六、總結(jié)WCDMA和TDMA系統(tǒng)能夠工作在同一小區(qū)內(nèi)，因此通過(guò)用干擾消除器來(lái)減少兩個(gè)系統(tǒng)的相關(guān)干擾最終提高小區(qū)容量是可以實(shí)現(xiàn)的。在WCDMA基站接收器使用干擾消除器可以較好的減小BER；另一方面，在TDMA接收器端能夠通過(guò)在TDMA移動(dòng)站增加發(fā)射功率來(lái)減小WCDMA干擾的影響。參考文獻(xiàn)1 H. H. Himimy, and S. C. Gupta, “O

17、verlay of CellularCDMA or AMPS Forward and Reverse Link”, IEEETransactions on Vehicular Technology, Vol. 45, No. 1,Feb.1996, pp. 51-56.2 T. Widdowson, “A CDMA Data Overlay of the GSMNetwork”, IEEE PIMRC 1997, pp. 160-163.3 J. Castaeda-Camacho, and D. Lara-Rodriguez, “TeletrafficAnalysis of an Overla

18、id System Using CDMA and TDMAWith Cell Coverage Area Restriction,” IEEE Transactionson Vehicular Technology, vol. 57, no. 2, pp. 828-846, 2008.4 J. Castaeda-Camacho, and D. Lara-Rodriguez, “On the useof notch filters and ordered co-channel TDMA slotsstrategies to the TDMA and CDMA overlaid systems”,

19、IEEE Wireless Communications & NetworkingConference,pp. 2519-2523, 2005.5 R. Pabst, and P. Seidenberg, “ Coexistence of UMTS andEGPRS to Enhance Network Capacity”, Proc. of the 10thAachen Symposium on Signal Theory, Germany, Sept.2001, pp. 43-48.6 P. Latchman, and P. Chitamu, “ The Study of Band

20、 Sharingfor GSM 900 and CDMA 2000 1X Coexistence within the900 MHz Cellular Band”, www.ee.wits.ac.za / comms/,2003.7 Hamidian and J. Payne, “Combined CDMA with TDMAIncreases the Capacity of a Cellular CommunicationSystem”, IEEE, vol.2, pp. 769 773, 19-21 May 19938 G. Woodward, P. Rapajic and B. Vucetic, “CDMA CellularMobile System Capacity Improvement by Combinationwith TDMA and Adaptive Interference Suppression”,