智能天线对CDMA蜂房系统容量的影响

　　论文关键词:智能天线　码分多址　小区　容量

　　摘要:在移动通信系统中,采用智能天线可以通过降低系统信噪比(SIR)来提高容量。基于CDMA蜂房小区系统的容量分析,讨论智能天线对系统容量的影响。

　　1 简 介

　　智能天线首先在TD-SCDMA RTT中提出应用于系统,且已广泛被ARIB,CATT,DoCoMo,Ericsson,Nokia,Panasinic,RITT和Siemens等所认同。智能天线应用于移动通信具有以下优点[1]:①可以大大减少电波传播中的多径衰落。由于无线通信系统的性能很大程度上取决于衰落的深度和速度,因此,降低信号在传播中的变化可以提高通信系统的性能。②可以大大提高系统容量。采用智能天线可以提高SIR,而系统容量取决于SIR,SIR的提高意味着容量的增加。③可以延长移动台电池的使用寿命。由于采用智能天线可以获得一定的分集增益,因此移动台的发射功率也应相应降低。例如:采用8天线阵列组成的智能天线获取9dB,那么相对于全向天线,移动台的发射功率应相应减小9 dB。④采用智能天线较全向天线具有更大的覆盖区。采用智能天线可以增加分集增益,这等效于同时提高了天线阵列的接收灵敏度或增加了基站发射机的等效全向辐射功率(EIRP)。在同等条件下,分集增益增加9 dB等效于增加通信距离50%(按4次方律衰落计算)。⑤可以放松对功率控制的要求。CDMA系统是一自干扰系统,它必须通过功率控制来克服远-近效应和抑制系统的干扰。而在实际系统中,信号的实时衰落特性是未知的,信号不仅经受阴影衰落,还要经受瑞利衰落,因此,系统必须严格进行功率控制,采用智能天线可以放松这一要求。总的说来,采用智能天线意味着可以降低整个通信系统的建造成本。

　　2 智能天线的工作原理

　　一般而言,智能天线由一组天线阵列及基带处理2部分组成,如图1所示。其中,天线阵列最常见有圆形排列、直线形排列和平面形排列几种,天线阵列接收到的信号经智能上、下行算法处理,通过智能上行算法可以获得接收信号的上行权重矢量,进行上行波束赋形。由于系统采用时分双工,该权重可直接用于下行波束赋形,形成下行定向波束。下面就圆形天线阵列来阐述智能天线的工作原理[2],其模型如图2所示。

　　由图2可知:智能天线由N个在圆周上均匀分布的天线元组成,该阵列接收到来自不同用户发射的信号,这些信号由来自不同到达方向(DOA)的直射波和多径信号组成。其中, 论文检测天使-免费论文检测软件http://www.jiancetianshi.com
第一个天线元A0(R,0)为参考点,(k+1)天线元Ak位于,则从方向θi的入射波束到天线元Ak与到天线元A0的光距差为:

　　其中,R为天线园阵的半径,N为天线元的总数,δik为来自方向θi的入射波,且可表示为:

　　假定天线元Ak收到来自l移动台可表示为:

　　其中,αli(n)为移动台l在i条路径的幅度,τli为移动台l在i条路径的时延,ψlik指移动台l的i条路径在天线元AK与A0上的相位差,可表示为:   (λ为波长)。这里,智能天线通过智能上行算法获得接收信号的最佳比特能量噪声密度比Eb/I0,在此情况下,智能天线接收到移动台l的第j个码符的信号Xl(j)可表示为:

　　其中,wkl为移动台l的信号在天线元AK上的权重,最简单的取值可取wkl=xlk*。在TDD模式下,由于信道在瞬时上是平坦的,可将上,下行信道衰落特性当作相同,因此可将通过上行能量最大合成比算法获得的权重wkl给下行波束赋形。

　　3  CDMA容量

　　由于系统容量取决于反向链路容量,而不是前向链路容量,故在此仅分析系统反向链路容量。CDMA系统反向链路容量的理论公式为(忽略了背景躁声)[3]:

　　其中,M为每小区的呼叫数,B为带宽, R为数据速率;Eb/I0为比特能量噪声密度比,α为语音激活因子, IR(N)为N层小区结构的干扰比,且,其中,Iself为本小区干扰,Iother为N层小区结构外小区干扰。由式(5)可知:除IR(N)外,其他参数均为常数,故容量M仅是IR(N)的函数。

　　本文基于理想功率控制,即各用户发送的信号到达所属基站的功率相同,均为S。移动用户应选择空中衰耗最小路径接入某个基站。而空中传播衰耗服从对数正态分布:

　　Sr= 10ξ/10·r-4·St=ρ·r-4·St(6)

　　其中,Sr为接收功率;St为发送端功率;r为发端到收端的距离;ξ为0均值,方差为σ2=39.7的正态分布随机变量。

　　(1)来自本小区的干扰 由于反向功率控制,本小区基站收到各移动台信号的功率均相等,因此来自本小区其它移动台的干扰可表示为:

　　Iself= (Nh- 1)·α·S(7)

　　其中,Nh为本小区的用户数,α为语音激活因子,S为本小区每个用户到达基站的功率。

　　(2)来自外小区的干扰 由于反向功率控制,各小区中的移动台都根据它与各自基站的距离调整其功率,因此可以把来自一个邻近小区中所有移动台的干扰等效成是由其基站发射来的。由于信号的衰减服从r-4,一般只考虑外围二层小区的干扰,故来自外小区的干扰可表示为:

　　由式(5),(6),(7)和(8)可知:在给定Eb/I0的门限值时(该值一般对应BER=10-3),可得出系统容量M。

　　4 智能天线对容量的影响

　　智能天线通过波束形成算法能为不同用户产生不同的波束,而且波束能在360 范围内调整,使其始终将增益最大的方向对准需要的用户。如图3、4所示。为了分析方便,在此对波束图进行一定的近似:

　　[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0424/fontbr />　　基站接收j用户信号时的信噪比可表示为(忽略了背景躁声):

　　其中,Sj为基站接收j用户信号的功率,由于功率控制,Sj为一衡定值;M为单小区移动台的总数;Nc为外小区的数量。由于智能天线的作用,并不是所有移动台都对用户j产生干扰,只有被覆盖在指向用户j的波束中的移动台才对用户j产生干扰。假定该波束覆盖的移动台数为Ncover且用户均匀分布,显然, *(M+Nc·M)  ,且对j用户干扰的用户数为Ncover-1;则引入智能天线后,基站接收j用户信号时的信噪比可表示为(忽略了背景躁声):

　　显然SIRθ>SIR,由此可推出:(Eb/I0)θ>(Eb/I0)。这意味着在相同Eb/I0的门限值条件下,采用智能天线可以提高容量。

　　5 系统仿真

　　本文采用带宽B=1.60 MHz,基本速率R=9.6 kbit/s,语音激活因子α=0.4。空中传播衰耗服从对数正态分布[3],其中:ξ为0均值,方差为σ2=39.7的正态分布随机变量。单小区理想功率控制,用户均匀分布且每个用户均采用基本速率R=9.6 kbit/s传送业务。在此模型下进行了仿真。仿真结果见图5,6,7,8。由下面的4个仿真曲线图可以看出:随着用户数的增加,Eb/Io逐渐降低,且降低的速率逐渐变缓,这与CDMA系统的软容量是一致的,CDMA系统的软容量是指增加一个用户,干扰只是增加1/N,N为单小区总用户数。采用约束长度为9的卷积码时,若接收Eb/I0≥5,误码率可做到BER≤10-3[4]。本文以Eb/I0=5为门限值来分析系统容量。

　　6 结 论

　　由上面仿真结果可得出:CDMA蜂房系统容量与智能天线形成的波束宽度成反比。因此,产生窄波束的智能天线的引入,可以大大提高CDMA蜂房系统容量。

　　参考文献

　　[1]   SHIANN-SHIUN JENG, GARRET OKAMOTO, GUANGHANXU. Experimental Evaluation of Smart Antenna SystemPerformance for Capacity Impovement[D].GLOBECOM97.

　　[2]  CWTS WG1. Smart Antenna Technology[R]. South Korea,1999,(6):1-4.

　　[3]  DAVID J Y LEE, CE XU. CDMA Wireless Local Loop Capacity[D].GLOBECOM97.

　　[4]  KLEIN S, GILHOUSEN IRWIN M. Jacobs:On the Capacity of aCellular CDMA System [J]. IEEE Transactions on VehicularTechnology,1991,(5).

　　[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0424/fontbr />