影響CDMA系統(tǒng)容量的幾個因素

1、影響系統(tǒng)容量的幾個因素文吳然周克生北京交通大學(xué)【摘要】系統(tǒng)的容量是干擾受限的，本文介紹了三種控制系統(tǒng)干擾以增加系統(tǒng)容量的方法，并推導(dǎo)了系統(tǒng)在采用這幾種方法后的容量。簡介直接序列擴(kuò)頻多址（）又稱為碼分多址（），它不但有更大的系統(tǒng)容量而且支持不同速率的用戶傳輸。在系統(tǒng)中，窄帶信號被乘以叫做擴(kuò)頻信號的寬帶信號。擴(kuò)頻信號是一個偽隨機(jī)代碼序列，此碼片的速率比消息中的數(shù)據(jù)速率高若干數(shù)量級。在系統(tǒng)中所有的用戶可以同時用同一個載頻發(fā)射信息，因?yàn)樗拿恳粋€接入地址擁有唯一一個擴(kuò)頻碼并進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，而所有接入地址共享同樣的頻譜，這樣每一個用戶都有了它自己的偽隨機(jī)碼（），并且與其他用戶的代碼幾乎是正交的。接收機(jī)執(zhí)行

2、一個時間相關(guān)操作來檢測唯一需要的碼字，所有其它的碼字由于不相關(guān)而被認(rèn)為是噪聲。要檢測信號，接收機(jī)需要知道發(fā)射機(jī)所使用的碼字。每個用戶都獨(dú)立于其他用戶而運(yùn)行。在系統(tǒng)中，基站（）接收到來自同一個蜂窩小區(qū)的不同的移動臺（）上行鏈路的功率等級必須相同。因?yàn)橐粋€接收機(jī)的多址用戶的功率決定了解調(diào)相關(guān)后的噪聲底限，如果在小區(qū)內(nèi)的一個用戶的功率沒有控制，它們在基站接收機(jī)處不是相等的，那么就會出現(xiàn)遠(yuǎn)近效應(yīng)。所謂遠(yuǎn)近效應(yīng)是指最強(qiáng)的接收移動信號捕獲了基站的解調(diào)器，較強(qiáng)的接收信號提高了較弱信號在基站解調(diào)器上的噪聲背景，因此降低了較弱信號被接收到的可能性。另外，由于所有用戶使用同一載頻，因此使用在同一小區(qū)內(nèi)任何一個信道

3、都會受到其他不同地址碼的信道干擾，叫做多址干擾，在小區(qū)與小區(qū)之間也會產(chǎn)生同頻干擾。而且，與和不同，具有軟容量限制，系統(tǒng)容量決定于允許的信噪比，增加系統(tǒng)中的用戶數(shù)目只會線性增加噪音背景，因此中對用戶數(shù)目沒有絕對的限制。當(dāng)用戶數(shù)目增加時，對所有的用戶而言系統(tǒng)性能會下降；相應(yīng)的，當(dāng)用戶數(shù)目減少時，性能會提高。如果每個移動單元的發(fā)射機(jī)都進(jìn)行調(diào)整，使得基站接收到的信噪比達(dá)到可允許的最低水平，系統(tǒng)的容量將會達(dá)到最大。移動臺增大功率就會增大干擾，容量就會損失。針對系統(tǒng)容量由于干擾的影響而損失，系統(tǒng)采用了幾種方法來增大系統(tǒng)容量。增加系統(tǒng)容量的幾種方法（）定向天線的使用系統(tǒng)的容量是干擾受限的，而在和中是帶寬受限

4、的。因此干擾的減少將導(dǎo)致容量的線性增加。從另一方面看，在系統(tǒng)中，當(dāng)用戶數(shù)減少時每一用戶的鏈路性能就會增加。減少干擾的一個最直接的方法就是使用定向天線，這樣使用戶在空間上隔離。定向天線只從一部分用戶接收信號，因此減少了干擾。例如典型的扇形天線陣，由于天線只接收小區(qū)中三分之一方向的手機(jī)信號，干擾也就減少為。這樣，在理論上可增加容量至倍。但實(shí)際上由于天線旁瓣等影響，可考慮容量增加到了倍。（）不連續(xù)發(fā)射模式（）增加系統(tǒng)容量的另一個方法就是不連續(xù)發(fā)射模式，這個模式利用了語音斷斷續(xù)續(xù)的特點(diǎn)。在中，沒有語音的時候可以關(guān)掉發(fā)射機(jī)。已觀察到有線網(wǎng)絡(luò)中的語音信號大約有的激活因子，而移動系統(tǒng)中為。在天線系統(tǒng)中，背景

5、噪音和振動能觸發(fā)語音激活檢測機(jī)。因此，系統(tǒng)的平均容量可按與激活因子成反比增加。在系統(tǒng)中，采用可變速編碼，在通話的不占用周期中碼率降低。顯然，復(fù)用的多址干擾率會減少，容量就可以提高。（）功率控制技術(shù)功率控制是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，對遠(yuǎn)近效應(yīng)的抑制非常有用。在實(shí)際的系統(tǒng)中功率控制分為前向鏈路功率控制和反向鏈路功率控制，反向鏈路又分為反向開環(huán)功率控制和反向閉環(huán)功率控制，采用開環(huán)功率控制是指移動臺根據(jù)接收到基站的寬帶導(dǎo)頻信號功率的變化，估計(jì)從移動臺到基站的傳輸損耗，迅速調(diào)節(jié)移動臺的發(fā)射功率。開環(huán)功率控制的目的是試圖使所有移動臺發(fā)出的信號在到達(dá)基站時都有相同的功率。由于開環(huán)功率是為了補(bǔ)償平均路徑衰落的變化和陰

6、影、拐彎等效應(yīng)，所以它必須要有一個很大的動態(tài)范圍。例如，如果用戶中的接收信號功率突然增強(qiáng)，則開環(huán)功率控制要在幾個內(nèi)提供一個非?？焖俚捻憫?yīng)，降低用戶的發(fā)射功率，防止信號以過高的電平到達(dá)基站。開環(huán)功率控制只是對移動臺發(fā)送電平的粗略估計(jì)，移動臺通過測量接收功率來估計(jì)發(fā)射功率，而不需要進(jìn)行任何正向鏈路解調(diào)。一個簡化的反向鏈路估計(jì)公式如下：基站接收（）移動臺功率（）反向鏈路凈損失（）總的反向鏈路噪聲和干擾（）（）因此移動臺傳送的功率由下式?jīng)Q定：移動臺功率（）接收（）反向鏈路凈損失（）總的反向鏈路噪聲和干擾（）（）對于前向鏈路來說，接收到的基站功率可以寫成：移動臺接收功率（）基站功率（）前向鏈路凈損失（）

7、（）可以解出前向鏈路的凈損失：前向鏈路凈損失（）基站功率（）移動臺接收功率（）（）這個等式忽略了移動臺對基站功率的測量將受到前向鏈路噪聲和干擾的影響。用上式中前向鏈路凈損失來替換反向鏈路凈損失作為估計(jì)，反向鏈路接收用一個目標(biāo)值代替可以得到等式：移動臺功率（）基站接收（）基站功率（）總的反向噪聲和干擾（）接收功率（）常數(shù)（）移動臺接收功率（）（）在中，式（）中的標(biāo)準(zhǔn)值是。這個值是由目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值、反向鏈路噪聲和干擾、基站功率（）得到的。然而這些參數(shù)的實(shí)際值可能是不一樣的，關(guān)鍵是移動臺要求的傳送功率與接收到的前向鏈路功率成反比。在系統(tǒng)中，雙向無線信道的前向鏈路和反向鏈路使用不同的頻段，頻段間隔（）使得

8、用戶的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)能同時工作，而且避免了發(fā)射機(jī)對接收機(jī)的干擾。頻率間隔對功率控制也產(chǎn)生了很大的影響。一般頻帶間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過信道的相干帶寬，使得發(fā)射和接收信道成為兩個獨(dú)立的衰落信道。這意味著用戶不能把測得的接收信號的路徑損耗當(dāng)作發(fā)射信號的路徑損耗，還要利用基站測量所接收的移動臺功率得到的反饋。所以在實(shí)際系統(tǒng)中，采用開環(huán)和閉環(huán)功率控制結(jié)合的方案，基站測量移動臺的信號強(qiáng)度，然后給移動臺傳送功率控制命令，使移動臺提高或降低它的傳送功率，從而為移動臺設(shè)定它的傳送功率提供一個閉環(huán)控制。閉環(huán)控制應(yīng)根據(jù)基站接收信噪比，決定移動臺的發(fā)送功率。閉環(huán)功率控制的目的是由基站的接收信噪比迅速調(diào)整移動臺的發(fā)送功率，以保證

9、基站收到的信號足夠強(qiáng)，同時其他信道干擾最小。在基站中，接收到的信號強(qiáng)度與要求的強(qiáng)度相比較，產(chǎn)生一個功率控制信號。基站接收機(jī)以時間間隔測定反向業(yè)務(wù)信道信號，通過與要求的基站接收功率比較確定對移動臺的功率控制比特是“”還是“”。功率控制比特在功率控制子信道連續(xù)發(fā)送，如果平均功率小于門限，發(fā)送“”比特指令指示移動臺增加平均發(fā)送功率，如果平均功率大于門限，功率指令發(fā)生器產(chǎn)生“”指令指示其降低平均發(fā)送功率。每個功率控制比特使移動臺增大或減小發(fā)送功率是事先決定的大小，實(shí)際中通常為。閉環(huán)功率控制是由基站協(xié)助移動臺來完成的對開環(huán)功率控制的補(bǔ)充手段。開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制共同調(diào)整用戶的發(fā)射信號功率。對于蜂窩

10、系統(tǒng)，用戶不僅受到來自本小區(qū)基站的干擾，而且受到周圍小區(qū)基站的干擾，特別是位于小區(qū)邊緣的用戶受到了很強(qiáng)的來自周圍小區(qū)基站的干擾。解決這個問題的有效方法是前向鏈路功率控制。在前向功率控制中，基站根據(jù)移動臺的測量結(jié)果，調(diào)整對每個移動臺的前向鏈路功率，而對那些遠(yuǎn)離基站的和誤碼率較高的移動臺分配較大的前向鏈路功率?；就ㄟ^移動臺對前向誤幀率的報(bào)告巨鼎是增加發(fā)射功率還是減少發(fā)射功率。前向鏈路功率控制有兩種方法：遠(yuǎn)近控制和控制。遠(yuǎn)近控制影響系統(tǒng)容量的幾個因素CDMA NETWORK OPTIMIZATION如果能知道用戶在小區(qū)內(nèi)的位置，基站可以根據(jù)基站和用戶之間的距離確定發(fā)射信號的功率，即：，式中是基站與

11、第個用戶之間的距離，是一個常數(shù)，取達(dá)到前向鏈路的最大容量。這樣基站就能分別用較強(qiáng)和較弱的功率對位于小區(qū)邊緣和基站附近的用戶發(fā)射信號，以最小的總發(fā)射功率滿足各用戶對信號性能的要求。用遠(yuǎn)近控制方法實(shí)現(xiàn)的前向功率控制適用于非陰影衰落的環(huán)境，因?yàn)榇藭r功率衰減僅由距離決定。對于存在的陰影衰落環(huán)境，接收信號功率不僅是用戶和基站的之間距離的函數(shù)，而且取決于陰影衰落的特性，因此遠(yuǎn)近控制方法不適用于陰影衰落環(huán)境?？刂戚d波干擾比（）控制是使每個用戶的接收信號達(dá)到滿足性能要求所需的最小值。為了實(shí)現(xiàn)控制，每個用戶必須向基站發(fā)送信息，基站來決定是增加還是減少對該用戶的發(fā)射信號功率。遠(yuǎn)近控制方法在非陰影衰落環(huán)境下對容量的

12、提高小于控制在陰影環(huán)境下對系統(tǒng)容量的提高。遠(yuǎn)近控制方法在陰影衰落環(huán)境下的性能會進(jìn)一步的下降?？刂频南到y(tǒng)有較大的容量，其原因在于控制方法能使基站發(fā)射的信號的總功率更接近于所需的最小值，即每個用戶的接收信號更接近于滿足性能要求的最小功率。噪聲，可以表示為：那么能夠接入此系統(tǒng)的用戶數(shù)就可以表示為：其中為處理增益。背景噪聲決定了一個給定發(fā)射機(jī)功率的小區(qū)半徑。為了使容量增加，我們采用了定向天線技術(shù)和不連續(xù)發(fā)射技術(shù)。假設(shè)小區(qū)內(nèi)采用了具有個波束寬的定向天線，其收到的干擾是全向天線所接收到干擾的。語音激活又一個因子來表示，那么在一個扇區(qū)內(nèi)的的平均值可表示為：那么每個扇區(qū)的用戶數(shù)可表示為：假如語音激活因子為，并

13、且每一服務(wù)小區(qū)的三個扇區(qū)都在使用，那么上式就表示相對于一個沒有語音激活檢測的全向天線系統(tǒng)，增加了倍，那么用戶數(shù)量也就增加了倍。系統(tǒng)的容量在采用了以上技術(shù)之后，系統(tǒng)的容量大大增加了，為了評估其系統(tǒng)的容量，我們首先考慮單小區(qū)系統(tǒng)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)由多個與基站保持通信的移動用戶組成。小區(qū)發(fā)射機(jī)包含一個線性合路機(jī)，這個合路機(jī)把所有用戶的擴(kuò)頻信號加起來，并且對每一信號使用一個加權(quán)因子來實(shí)現(xiàn)前向鏈路功率控制。當(dāng)只考慮一個單小區(qū)系統(tǒng)的時候，假設(shè)這些加權(quán)因子都相等。一個導(dǎo)頻信號也包括在小區(qū)發(fā)射機(jī)中，并被每個移動臺用來為反向鏈路設(shè)置功率控制。在一個具有功率控制的單小區(qū)系統(tǒng)中，反向信道上的所有信號在基站以相同功率水平被吸收。設(shè)用戶數(shù)為，那么小區(qū)中每一個解調(diào)器收到信號功率和干擾用戶功率（）。因此信噪比為：出版社，【】李建東，楊家瑋個人通信北京：人民郵電出版社，【】胡建棟，鄭朝暉，龍必起等碼分多址與個人通信北京：人民