智能天線對(duì)CDMA蜂房系統(tǒng)容量的影響

1、智能天線對(duì)CDMA蜂房系統(tǒng)容量的影響         09-10-13 15:37:00     編輯：studa090420論文關(guān)鍵詞:智能天線碼分多址小區(qū)容量論文摘要:在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,采用智能天線可以通過(guò)降低系統(tǒng)信噪比(SIR)來(lái)提高容量?；贑DMA蜂房小區(qū)系統(tǒng)的容量分析,討論智能天線對(duì)系統(tǒng)容量的影響。1 簡(jiǎn) 介智能天線首先在TD-SCDMA RTT中提出應(yīng)用于系統(tǒng),且已廣泛被ARIB,CATT,DoCoMo,Ericsson,Nokia,Panasinic,RITT

2、和Siemens等所認(rèn)同。智能天線應(yīng)用于移動(dòng)通信具有以下優(yōu)點(diǎn)1:可以大大減少電波傳播中的多徑衰落。由于無(wú)線通信系統(tǒng)的性能很大程度上取決于衰落的深度和速度,因此,降低信號(hào)在傳播中的變化可以提高通信系統(tǒng)的性能。可以大大提高系統(tǒng)容量。采用智能天線可以提高SIR,而系統(tǒng)容量取決于SIR,SIR的提高意味著容量的增加?？梢匝娱L(zhǎng)移動(dòng)臺(tái)電池的使用壽命。由于采用智能天線可以獲得一定的分集增益,因此移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率也應(yīng)相應(yīng)降低。例如:采用8天線陣列組成的智能天線獲取9dB,那么相對(duì)于全向天線,移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率應(yīng)相應(yīng)減小9 dB。采用智能天線較全向天線具有更大的覆蓋區(qū)。采用智能天線可以增加分集增益,這等效于同時(shí)提

3、高了天線陣列的接收靈敏度或增加了基站發(fā)射機(jī)的等效全向輻射功率(EIRP)。在同等條件下,分集增益增加9 dB等效于增加通信距離50%(按4次方律衰落計(jì)算)?？梢苑潘蓪?duì)功率控制的要求。CDMA系統(tǒng)是一自干擾系統(tǒng),它必須通過(guò)功率控制來(lái)克服遠(yuǎn)-近效應(yīng)和抑制系統(tǒng)的干擾。而在實(shí)際系統(tǒng)中,信號(hào)的實(shí)時(shí)衰落特性是未知的,信號(hào)不僅經(jīng)受陰影衰落,還要經(jīng)受瑞利衰落,因此,系統(tǒng)必須嚴(yán)格進(jìn)行功率控制,采用智能天線可以放松這一要求。總的說(shuō)來(lái),采用智能天線意味著可以降低整個(gè)通信系統(tǒng)的建造成本。2 智能天線的工作原理一般而言,智能天線由一組天線陣列及基帶處理2部分組成,如圖1所示。其中,天線陣列最常見(jiàn)有圓形排列、直線形排列和

4、平面形排列幾種,天線陣列接收到的信號(hào)經(jīng)智能上、下行算法處理,通過(guò)智能上行算法可以獲得接收信號(hào)的上行權(quán)重矢量,進(jìn)行上行波束賦形。由于系統(tǒng)采用時(shí)分雙工,該權(quán)重可直接用于下行波束賦形,形成下行定向波束。下面就圓形天線陣列來(lái)闡述智能天線的工作原理2,其模型如圖2所示。 由圖2可知:智能天線由N個(gè)在圓周上均勻分布的天線元組成,該陣列接收到來(lái)自不同用戶發(fā)射的信號(hào),這些信號(hào)由來(lái)自不同到達(dá)方向(DOA)的直射波和多徑信號(hào)組成。其中,第一個(gè)天線元A0(R,0)為參考點(diǎn),(k+1)天線元Ak位于,則從方向i的入射波束到天線元Ak與到天線元A0的光距差為:其中,R為天線園陣的半徑,N為天線元的總數(shù),ik為

5、來(lái)自方向i的入射波,且可表示為:假定天線元Ak收到來(lái)自l移動(dòng)臺(tái)可表示為:其中,li(n)為移動(dòng)臺(tái)l在i條路徑的幅度,li為移動(dòng)臺(tái)l在i條路徑的時(shí)延,lik指移動(dòng)臺(tái)l的i條路徑在天線元AK與A0上的相位差,可表示為:   (為波長(zhǎng))。這里,智能天線通過(guò)智能上行算法獲得接收信號(hào)的最佳比特能量噪聲密度比Eb/I0,在此情況下,智能天線接收到移動(dòng)臺(tái)l的第j個(gè)碼符的信號(hào)Xl(j)可表示為:其中,wkl為移動(dòng)臺(tái)l的信號(hào)在天線元AK上的權(quán)重,最簡(jiǎn)單的取值可取wkl=xlk*。在TDD模式下,由于信道在瞬時(shí)上是平坦的,可將上,下行信道衰落特性當(dāng)作相同,因此可將通過(guò)上行能量最大合成比算法獲得

6、的權(quán)重wkl給下行波束賦形。3  CDMA容量由于系統(tǒng)容量取決于反向鏈路容量,而不是前向鏈路容量,故在此僅分析系統(tǒng)反向鏈路容量。CDMA系統(tǒng)反向鏈路容量的理論公式為(忽略了背景躁聲)3:其中,M為每小區(qū)的呼叫數(shù),B為帶寬, R為數(shù)據(jù)速率;Eb/I0為比特能量噪聲密度比,為語(yǔ)音激活因子, IR(N)為N層小區(qū)結(jié)構(gòu)的干擾比,且,其中,Iself為本小區(qū)干擾,Iother為N層小區(qū)結(jié)構(gòu)外小區(qū)干擾。由式(5)可知:除IR(N)外,其他參數(shù)均為常數(shù),故容量M僅是IR(N)的函數(shù)。本文基于理想功率控制,即各用戶發(fā)送的信號(hào)到達(dá)所屬基站的功率相同,均為S。移動(dòng)用戶應(yīng)選擇空中衰耗最小路徑接入某個(gè)基站。

7、而空中傳播衰耗服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布:Sr= 10/10·r-4·St=·r-4·St(6)其中,Sr為接收功率;St為發(fā)送端功率;r為發(fā)端到收端的距離;為0均值,方差為2=39.7的正態(tài)分布隨機(jī)變量。(1)來(lái)自本小區(qū)的干擾 由于反向功率控制,本小區(qū)基站收到各移動(dòng)臺(tái)信號(hào)的功率均相等,因此來(lái)自本小區(qū)其它移動(dòng)臺(tái)的干擾可表示為:Iself= (Nh- 1)··S(7)其中,Nh為本小區(qū)的用戶數(shù),為語(yǔ)音激活因子,S為本小區(qū)每個(gè)用戶到達(dá)基站的功率。(2)來(lái)自外小區(qū)的干擾 由于反向功率控制,各小區(qū)中的移動(dòng)臺(tái)都根據(jù)它與各自基站的距離調(diào)整其功率,因此可以把

8、來(lái)自一個(gè)鄰近小區(qū)中所有移動(dòng)臺(tái)的干擾等效成是由其基站發(fā)射來(lái)的。由于信號(hào)的衰減服從r-4,一般只考慮外圍二層小區(qū)的干擾,故來(lái)自外小區(qū)的干擾可表示為:由式(5),(6),(7)和(8)可知:在給定Eb/I0的門(mén)限值時(shí)(該值一般對(duì)應(yīng)BER=10-3),可得出系統(tǒng)容量M。4 智能天線對(duì)容量的影響智能天線通過(guò)波束形成算法能為不同用戶產(chǎn)生不同的波束,而且波束能在360 范圍內(nèi)調(diào)整,使其始終將增益最大的方向?qū)?zhǔn)需要的用戶。如圖3、4所示。為了分析方便,在此對(duì)波束圖進(jìn)行一定的近似:      09-10-13 15:37:00    

9、0;編輯：studa090420基站接收j用戶信號(hào)時(shí)的信噪比可表示為(忽略了背景躁聲): 其中,Sj為基站接收j用戶信號(hào)的功率,由于功率控制,Sj為一衡定值;M為單小區(qū)移動(dòng)臺(tái)的總數(shù);Nc為外小區(qū)的數(shù)量。由于智能天線的作用,并不是所有移動(dòng)臺(tái)都對(duì)用戶j產(chǎn)生干擾,只有被覆蓋在指向用戶j的波束中的移動(dòng)臺(tái)才對(duì)用戶j產(chǎn)生干擾。假定該波束覆蓋的移動(dòng)臺(tái)數(shù)為Ncover且用戶均勻分布,顯然, *(M+Nc·M)  ,且對(duì)j用戶干擾的用戶數(shù)為Ncover-1;則引入智能天線后,基站接收j用戶信號(hào)時(shí)的信噪比可表示為(忽略了背景躁聲):顯然SIR>SIR,由此可推出:(Eb/I0)>(

10、Eb/I0)。這意味著在相同Eb/I0的門(mén)限值條件下,采用智能天線可以提高容量。5 系統(tǒng)仿真本文采用帶寬B=1.60 MHz,基本速率R=9.6 kbit/s,語(yǔ)音激活因子=0.4?？罩袀鞑ニズ姆膶?duì)數(shù)正態(tài)分布3,其中:為0均值,方差為2=39.7的正態(tài)分布隨機(jī)變量。單小區(qū)理想功率控制,用戶均勻分布且每個(gè)用戶均采用基本速率R=9.6 kbit/s傳送業(yè)務(wù)。在此模型下進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果見(jiàn)圖5,6,7,8。由下面的4個(gè)仿真曲線圖可以看出:隨著用戶數(shù)的增加,Eb/Io逐漸降低,且降低的速率逐漸變緩,這與CDMA系統(tǒng)的軟容量是一致的,CDMA系統(tǒng)的軟容量是指增加一個(gè)用戶,干擾只是增加1/N,N為單小

11、區(qū)總用戶數(shù)。采用約束長(zhǎng)度為9的卷積碼時(shí),若接收Eb/I05,誤碼率可做到BER10-34。本文以Eb/I0=5為門(mén)限值來(lái)分析系統(tǒng)容量。6 結(jié) 論由上面仿真結(jié)果可得出:CDMA蜂房系統(tǒng)容量與智能天線形成的波束寬度成反比。因此,產(chǎn)生窄波束的智能天線的引入,可以大大提高CDMA蜂房系統(tǒng)容量。參考文獻(xiàn)1   SHIANN-SHIUN JENG, GARRET OKAMOTO, GUANGHANXU. Experimental Evaluation of Smart Antenna SystemPerformance for Capacity ImpovementD.GLOBECOM97.2  CWTS WG1. Smart Antenna TechnologyR. South Korea,1999,(6):1-4.3  DAVID J Y LEE, CE XU. CDMA