多天線技術(shù)下TDD-CDMA上行鏈路系統(tǒng)性能研究

多天線技術(shù)下TDD-CDMA上行鏈路系統(tǒng)性能研究1彭木根王文博北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院,北京100876摘要：扇區(qū)天線、波束切換型智能天線和自適應(yīng)跟蹤型智能天線是3種能顯著提高TDD-CDMA系統(tǒng)性能的先進(jìn)多天線技術(shù)，本文首先通過(guò)理論分析給出了上行鏈路容量負(fù)載的計(jì)算公式，并且分析了這3種多天線技術(shù)下TDD-CDMA上行鏈路容量的理論計(jì)算公式和給出理想的扇區(qū)天線和自適應(yīng)智能天線系統(tǒng)性能類似，而多波束切換型智能天線技術(shù)性能次之。關(guān)鍵詞：多天線技術(shù)；扇區(qū)天線；智能天線；容量；負(fù)載；TDD-CDMA1.引言TD-SCDMA就把智能天線技術(shù)視為其關(guān)鍵技術(shù)，而在未來(lái)的后3G系統(tǒng)中提出了多輸入多輸出(MIMO)天線技術(shù)的概念。2G網(wǎng)絡(luò)都是采用了TD-SCDMA要集中于信道和空分復(fù)用等底層關(guān)鍵物理技術(shù)研究，基于MIMO技術(shù)的系統(tǒng)容量分析目前階段主要側(cè)重于理論香農(nóng)信道的研究[1]。智能天線包括自適應(yīng)跟蹤和固定波束切換兩種類圖，從而抑制干擾提高信噪比，采用DoA算法估計(jì)移動(dòng)臺(tái)相對(duì)基站的方向，并將最理想的波束時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)用戶。固定波束切換型天線技術(shù)則是選擇一組預(yù)先固定的波束之一接入，信道傳播環(huán)境影響等特性而在未來(lái)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用。1863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2004AA123160）本課題是國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（-1-跟蹤型智能天線技術(shù)下TDD-CDMA數(shù)量，多用戶檢測(cè)因子大小、接入控制算法對(duì)上行鏈路系統(tǒng)性能的影響，并且通過(guò)動(dòng)態(tài)TD-SCDMA系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)給出了相應(yīng)的性能仿真結(jié)果。2.理論分析和性能研究為研究對(duì)象研究智能天線技術(shù)在系統(tǒng)級(jí)的建模。2.1智能天線模型αiAk(Rcos2kπ/N,Rsin2kπ/N)δRαiA0(R,0)圖1圓形陣列幾何結(jié)構(gòu)圖N天線陣子的圓陣列幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，0對(duì)應(yīng)天線陣子0所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位置，位于坐標(biāo)原點(diǎn)，k為第kλ/2st)從αi方向入射到天線陣列，則這個(gè)信號(hào)到達(dá)第k個(gè)天線陣子和第一個(gè)天線陣子的距離差為：D=cosδ*R?cos2π/N)（1）ikik1k其中δ=α+(?π，利用距離差ik,可以計(jì)算出第k個(gè)天線陣子和第一個(gè)天線陣iki2NDλ子的相位差為?ik=πik。因此陣列輸出為：(t)=aα)st)+(t)(2)ii其中aαi)=e,e,...,e}，N(t)是AWGN陣列可表示為T(mén)?j??j??j?i81)i1i2(t)=[nt),nt),...,ntTK個(gè)用戶分別從αii=K)方向同時(shí)入射到該12NTDD-CDMA以表示為：K∑(t)=aα)st)+(t)(3)iii1-2-用矩陣的形式表示為：(t)=Aα)St)+(t)(4)其中Aα)是一個(gè)N*KAα)=[aα),aα),...,aα)]12K噪比、最小均方誤差、線性約束最小方差等方法[2]，考慮到算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和高運(yùn)算量，文獻(xiàn)[3]采用最大接收信號(hào)準(zhǔn)則調(diào)整權(quán)值，該算法的好處是只需要對(duì)信號(hào)的入射方向進(jìn)行估降低情況下降低系統(tǒng)復(fù)雜度。根據(jù)最大接收信號(hào)準(zhǔn)則，即W=A?α)接收信號(hào)的方向因子可以表征為：fα)=WTAα=AαAα=Aα()*()()()2(5)所以對(duì)射入方向?yàn)棣恋牟ㄊx形功率（單位dBi）可以表示為：2?πRλ?????????N??m1????m1∑Gα,k)=?jα?π?φ?π(6)????k????NN?m1φ∈0,360],當(dāng)N=4時(shí)kR=0.3536λ，N=8時(shí)R=λ，N=16時(shí)R=λ，在其中ooooo入射角分別為0時(shí)其天線陣列圖如圖23則是在入射角為090180270時(shí)陣元數(shù)分別為48和16的天線增益陣列圖。圖2天線陣列圖（4陣元，8陣元和16陣元）從圖中可看出，天線陣元數(shù)越大，波束寬帶越窄，波束增益越大。另外入射角α的不(6)[0,360/M]4所示為時(shí)入ooooα射角分別為012、22.5、和時(shí)天線方向圖。當(dāng)入射角不在[0,360/N]范圍時(shí)，可以類似入射角為α??N/360?*360/N的天線圖。??對(duì)于切換波束型智能天線，波束是固定的，在N=8時(shí)最大增益波束對(duì)準(zhǔn)22.5o，而在ooN=4時(shí)最大增益波束對(duì)準(zhǔn)45N=16時(shí)最大增益波束對(duì)準(zhǔn)11.25率為1o，把不同角度的權(quán)值存儲(chǔ)通過(guò)查表的方法獲得響應(yīng)的增益值。-3-用戶，所有用戶都假設(shè)采用相同的天線陣列圖。圖34陣元，8陣元和16圖48012o22.5o45o）2.2基于扇區(qū)天線技術(shù)的上行鏈路容量研究假設(shè)每基站扇區(qū)天線陣元數(shù)量為n為n，而每扇區(qū)的天線主瓣寬度為360/n度（定義為θ），并且假設(shè)在扇區(qū)寬度為θ內(nèi)增益為：?θθ?≤w≤(7)G()=?22?基于公式(7)的假設(shè)，對(duì)于上行鏈路而言，系統(tǒng)中第i個(gè)用戶比特能量Eb與噪聲譜密度N0之比為：(8)?b?WSiPi?G()??=???N?vR?)(I()?P(+I0iiβφφφ)+P0iintraiiinter其中W指系統(tǒng)的碼片速率；Vii的話音激活因子，如果是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其值為1；Ri為用戶i的比特速率；Si為在該速率下占用的時(shí)隙比率，假如在TD-SCDMA子幀(近似有7.4074個(gè)時(shí)隙)資源中的一個(gè)時(shí)隙，Si則為1/7.4074；β是由于在上行信道中采用多用戶技術(shù)的相關(guān)作用而引起的干擾消除，即干擾消除因子,如果MUD技術(shù)不采用，則β=0；否則介于0和1之間；P為熱噪聲；PG（w）為iw0i信號(hào)強(qiáng)度；intra(φ)為本小區(qū)內(nèi)扇區(qū)為φ內(nèi)用戶的干擾,Iinter為其他小區(qū)或其他系統(tǒng)對(duì)扇區(qū)φ的干擾；而扇區(qū)φ是根據(jù)w*360/n計(jì)算得到的。全向天線下的系統(tǒng)中第i個(gè)用戶比特能量E與噪聲譜密度N之比為：b0?Eb?WSiPi??=???N?vR?)(I?Pi)+I+P00iiβiintraiinter根據(jù)公式(9)，用戶i的信噪比可表示為：?E?vR?C?ki=?b?ii=??vi(10)??NSiW?I?i0?i?-4-干比(C/I)k=k=/Itv[4]targeti系統(tǒng)容量）可表示為：+k?β)](r+j++j?βrN=(11)其中rj(11)，采用扇區(qū)天線技術(shù)后每扇區(qū)的系統(tǒng)支持用戶數(shù)和全向天線技術(shù)下的每小區(qū)支持的用戶數(shù)之比較可以表示為：NsectorNkomni1+ksector?β)ksector1+komni?β)=n??(12)omni根據(jù)公式（）和公式(10)可得：komni1+ksector?β)ksector1+komni?β)?=1(13)慮到每小區(qū)有n合等式(13)，所以采用扇區(qū)天線技術(shù)后單小區(qū)系統(tǒng)容量Nsector和全向天線時(shí)單小區(qū)系統(tǒng)容量有如下關(guān)系式：Nsector1<≤n(14)Nomni在實(shí)際環(huán)境中，隨著扇區(qū)數(shù)增加，基站的成本將增加，并且扇區(qū)間的切換會(huì)急劇增多，會(huì)有重疊或者有盲區(qū)，所以實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中扇區(qū)天線技術(shù)下的系統(tǒng)性能會(huì)如公式(14)所給出。2.3基于波束切換型智能天線技術(shù)的上行鏈路容量研究增益大小與達(dá)到方向，賦形算法，DoA估計(jì)等密切相關(guān)。在本文中假設(shè)采用理想的DoA估計(jì)，并且天線陣元數(shù)與固定的主波束數(shù)量相同，波束賦形增益根據(jù)公式(6)計(jì)算得到。當(dāng)天線陣元數(shù)為n時(shí)，則假設(shè)一個(gè)基站下有n個(gè)固定波束，每個(gè)固定波束寬度為360/n。假如目前用戶的入射角w處在第φ個(gè)波束內(nèi)，即w在[φ×360/n,φ＋1)×360/n]的范圍內(nèi)，此時(shí)第φ個(gè)波束的最大增益主瓣對(duì)準(zhǔn)方向α=×360/n+180/n，所以：?b?WSiPiGα,)(15)??=???N?vR?β)(I()?P)+Iφ)+P00iiφiintraiinter上式中G為處于方位角為w的天線增益，根據(jù)公式(6)和圖2得到其值大小，由于在波束切換型智能天線技術(shù)下I和I較扇區(qū)天線下的I和Iinterintrainterintra-5-48似公式(13)的分析結(jié)果，再根據(jù)公式(15)和全向天線時(shí)E/N的計(jì)算公式比較，最后可得：b0NNsector1≤switchbeam≤≤n(16)NNomniomni2.4基于自適應(yīng)跟蹤型智能天線技術(shù)的上行鏈路容量研究不是固定的，而總是最佳的指向目標(biāo)用戶，所以有：??iGα,α)(17)bi??=???N?vR?β)(I()?P)+Iα)+00iiαiintraiinter上式中Iintra(α)和Iinter(α)分別為入射角為α?xí)r自適應(yīng)智能天線所受到的小區(qū)內(nèi)干擾和E/N。b0比較，可以得出如下結(jié)論：NN(18)1≤switchbeam≤adaptive_antennaNNomniomni由公式(18)算法得到的。3.仿真與結(jié)果分析基于上述的分析及描述，我們使用OPNET仿真工具搭建了一個(gè)TD-SCDMA系統(tǒng)級(jí)動(dòng)徑損耗、快衰和慢衰）模型、系統(tǒng)級(jí)和鏈路級(jí)動(dòng)態(tài)接口模型、仿真對(duì)象模型（UE，NodeB和RNC）以及嵌套于各仿真對(duì)象模型的各種無(wú)線資源管理算法（功率控制、切換技術(shù)、接入控制、動(dòng)態(tài)信道分配）等組成。3.1仿真工具和參數(shù)描述仿真基于Macro蜂窩模型，蜂窩的半徑為577米，每個(gè)小區(qū)只支持一個(gè)子載波。如果研究多小區(qū)下的負(fù)載控制技術(shù)，Macro系統(tǒng)由19個(gè)無(wú)方向性天線的宏蜂窩組成，采用了Wrap-around技術(shù)?；镜接脩糸g的損耗為：37.6lg(d)+15.3[5]，其中d為基站和移動(dòng)臺(tái)間距離，單位為。根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)[6][7]，基站最大總發(fā)射功率為43dBm，最小單碼發(fā)射功率為3dBm；移動(dòng)終端最大發(fā)射功率為21dBm,最小發(fā)射功率為-49dBm,基站天線增益為11dB,移動(dòng)終端天線增益為0dB-106dBm-104dBm影衰落均方差為10dB,基站和移動(dòng)終端最小耦合損耗為70dB。仿真基于TD-SCDMA系統(tǒng)的12.2kbps純語(yǔ)音業(yè)務(wù)進(jìn)行。采用下面的公式評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能，本文稱之為系統(tǒng)滿意度：-6-N(19)=goodN+ωbad*N+ω*N+Ndropblockgoodbaddrop其中NNN和Nw和wdropgoodbaddropblockbad分別表征服務(wù)不滿意和掉話對(duì)系統(tǒng)性能影響的權(quán)重大小，本文w2，w假設(shè)為baddrop10，表示1個(gè)用戶掉話對(duì)系統(tǒng)性能的影響等效于10個(gè)用戶被系統(tǒng)阻塞，而1個(gè)用戶服務(wù)不滿意對(duì)系統(tǒng)性能的影響等效于2個(gè)用戶被系統(tǒng)阻塞接入所產(chǎn)生的影響。3.2仿真結(jié)果及分析由公式(18)5顯示了上行鏈路性能與天線陣元數(shù)的關(guān)系，在我們的仿真中波束切換型智能天線和扇區(qū)天線都采用理想的切換技術(shù)，而自適應(yīng)智能天線技術(shù)下的切換參數(shù)設(shè)置仍需要優(yōu)化，用戶移動(dòng)速度為33.3m/s。從圖5式(18)是一致的。當(dāng)天線陣元數(shù)為1，即采用全向天線時(shí)，上行GoS為0.026，而當(dāng)天線陣元數(shù)為增益為24,波束切換型智能天線的性能增益為17，完全符合理論分析。公式(11)5中假設(shè)不采用多用戶檢測(cè)技術(shù)(MUD＝0),而圖6則研究了不同多天線技術(shù)下多用戶檢測(cè)因子與上行GoS8MUD原因在于多用戶檢測(cè)技術(shù)能減小小區(qū)內(nèi)的干擾。另外從仿真可以看出，MUD技術(shù)對(duì)扇區(qū)天在采用了動(dòng)態(tài)DCA使得在同一時(shí)刻兩個(gè)UE落在同一波束下的概率減小，此時(shí)主要是小區(qū)外干擾，而小區(qū)內(nèi)干擾較固定波束天線（波束切換和扇區(qū)天線）而言要小的多，所以MUD下的性能改善不是很明顯。0.80.70.60.50.40.30.20.100.70.60.50.40.30.2AdaptiveTrackingSwitchedBeamSectoringAdaptiveTrackingSwitchedBeamSectoring1611AntennaElement1600.20.4MUDFactor0.60.8圖5不同天線技術(shù)下天線陣元數(shù)和上行GoS關(guān)系圖6不同天線技術(shù)下多用戶檢測(cè)和上行GoS關(guān)系圖5和圖6[8]研究了TDD7給出了采用該接入控制算法后系統(tǒng)的性能，此時(shí)假設(shè)接入控制算法中背景噪聲提升門(mén)限值為9dB。比較圖6和圖7，采用先進(jìn)的接入控制算法后上行GoS約有10%的增益，其他趨勢(shì)完-7-全和采用隨機(jī)的接入控制算法類似。0.70.60.50.40.3AdaptiveTrackingSwitchedBeamSectoring0.200.20.4Factor0.60.8圖7先進(jìn)接入控制算法下系統(tǒng)性能4.結(jié)論本文從實(shí)際TDD-CDMA控制算法對(duì)上行鏈路性能的影響，由于在自適應(yīng)智能天線下切換算法的參數(shù)設(shè)置不是很理想，所以仿真結(jié)果自適應(yīng)智能天線略差于理想扇區(qū)天線?；诒疚牡睦碚摲治龊头抡娼Y(jié)果，TD-SCDMA實(shí)際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化時(shí)運(yùn)營(yíng)商要從性能，維護(hù)和成本等綜合考慮選用哪種天線技術(shù)，波束切換雖然性能增益最差，但由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜不失是一種合理的多天線選擇方案。參考文獻(xiàn)[1]王藝，趙明等.幾種多天線系統(tǒng)的信道容量比較電子學(xué)報(bào)，2002.7(30):787-790[2]李寧,郭艷.智能天線中的波束形成算法解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002.2(1):36-39[3]王大慶,張惠明,吳偉陵.中智能天線的接收準(zhǔn)則及自適應(yīng)算法研究通信學(xué)報(bào),1998.19(6):33-39.[4]彭木根,王文博.基于多用戶檢測(cè)技術(shù)的時(shí)分雙工-碼分多址系統(tǒng)上行鏈路容量研究北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)2003.26(3)，21-25.[5]TR101112V3.1.0,UniversalMobileTelecommunicationsSystem(UMTS);SelectionproceduresforchoiceofradiotransmissiontechnologiesoftheUMTS[S].[6]3GPP,TR25.942v.4.0.0-2002,RFsystemscenarios[S].[7]3GPPTR25.945v.4.0.0-2002,requirements1.28McpsTDDoption[S].[8]MugenPeng,WenboWang.InvestigationofUplinkAdmissionControlSchemesforTDD-CDMASystems[J].ICCCAS04,Chengdu,China.PerformanceInvestigationsinTDD-CDMAUplinkEmployingDifferentMultipleAntennaTechniquesPENGMu-gen,Wen-boTelecommunicationEngineeringSchool,BeijingUniversityofPostsandTelecom.Beijing100876,China-8-AbstractSectorantenna,switchedbeamantennaandadaptivetrackingantennaarethreekindsofmultipleantennatechniquestoimprovetheperformancesinTDD-CDMAsystems.Inthispaper,thecapacityinvestigationandperfor