智能天線對CDMA蜂房系統(tǒng)容量的影響

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

2、和Siemens等所認同。智能天線應用于移動通信具有以下優(yōu)點1:可以大大減少電波傳播中的多徑衰落。由于無線通信系統(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移動臺電池的使用壽命。由于采用智能天線可以獲得一定的分集增益,因此移動臺的發(fā)射功率也應相應降低。例如:采用8天線陣列組成的智能天線獲取9dB,那么相對于全向天線,移動臺的發(fā)射功率應相應減小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,這等效于同時提

3、高了天線陣列的接收靈敏度或增加了基站發(fā)射機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次方律衰落計算)。可以放松對功率控制的要求。CDMA系統(tǒng)是一自干擾系統(tǒng),它必須通過功率控制來克服遠-近效應和抑制系統(tǒng)的干擾。而在實際系統(tǒng)中,信號的實時衰落特性是未知的,信號不僅經受陰影衰落,還要經受瑞利衰落,因此,系統(tǒng)必須嚴格進行功率控制,采用智能天線可以放松這一要求。總的說來,采用智能天線意味著可以降低整個通信系統(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經智能上、下行算法處理,通過智能上行算法可以獲得接收信號的上行權重矢量,進行上行波束賦形。由于系統(tǒng)采用時分雙工,該權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個在圓周上均勻分布的天線元組成,該陣列接收到來自不同用戶發(fā)射的信號,這些信號由來自不同到達方向(DOA)的直射波和多徑信號組成。其中,第一個天線元A0(R,0)為參考點,(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、來自方向i的入射波,且可表示為:假定天線元Ak收到來自l移動臺可表示為:其中,li(n)為移動臺l在i條路徑的幅度,li為移動臺l在i條路徑的時延,lik指移動臺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)。這里,智能天線通過智能上行算法獲得接收信號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臺l的第j個碼符的信號Xl(j)可表示為:其中,wkl為移動臺l的信號在天線元AK上的權重,最簡單的取值可取wkl=xlk*。在TDD模式下,由于信道在瞬時上是平坦的,可將上,下行信道衰落特性當作相同,因此可將通過上行能量最大合成比算法獲得

6、的權重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,為語音激活因子, IR(N)為N層小區(qū)結構的干擾比,且,其中,Iself為本小區(qū)干擾,Iother為N層小區(qū)結構外小區(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)送的信號到達所屬基站的功率相同,均為S。移動用戶應選擇空中衰耗最小路徑接入某個基站。

7、而空中傳播衰耗服從對數(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)分布隨機變量。(1)來自本小區(qū)的干擾 由于反向功率控制,本小區(qū)基站收到各移動臺信號的功率均相等,因此來自本小區(qū)其它移動臺的干擾可表示為:Iself= (Nh- 1)··S(7)其中,Nh為本小區(qū)的用戶數(shù),為語音激活因子,S為本小區(qū)每個用戶到達基站的功率。(2)來自外小區(qū)的干擾 由于反向功率控制,各小區(qū)中的移動臺都根據(jù)它與各自基站的距離調整其功率,因此可以把

8、來自一個鄰近小區(qū)中所有移動臺的干擾等效成是由其基站發(fā)射來的。由于信號的衰減服從r-4,一般只考慮外圍二層小區(qū)的干擾,故來自外小區(qū)的干擾可表示為:由式(5),(6),(7)和(8)可知:在給定Eb/I0的門限值時(該值一般對應BER=10-3),可得出系統(tǒng)容量M。4 智能天線對容量的影響智能天線通過波束形成算法能為不同用戶產生不同的波束,而且波束能在360 范圍內調整,使其始終將增益最大的方向對準需要的用戶。如圖3、4所示。為了分析方便,在此對波束圖進行一定的近似:      09-10-13 15:37:00    

9、0;編輯：studa090420基站接收j用戶信號時的信噪比可表示為(忽略了背景躁聲): 其中,Sj為基站接收j用戶信號的功率,由于功率控制,Sj為一衡定值;M為單小區(qū)移動臺的總數(shù);Nc為外小區(qū)的數(shù)量。由于智能天線的作用,并不是所有移動臺都對用戶j產生干擾,只有被覆蓋在指向用戶j的波束中的移動臺才對用戶j產生干擾。假定該波束覆蓋的移動臺數(shù)為Ncover且用戶均勻分布,顯然, *(M+Nc·M)  ,且對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用戶信號時的信噪比可表示為(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,語音激活因子=0.4?？罩袀鞑ニズ姆膶?shù)正態(tài)分布3,其中:為0均值,方差為2=39.7的正態(tài)分布隨機變量。單小區(qū)理想功率控制,用戶均勻分布且每個用戶均采用基本速率R=9.6 kbit/s傳送業(yè)務。在此模型下進行了仿真。仿真結果見圖5,6,7,8。由下面的4個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)。采用約束長度為9的卷積碼時,若接收Eb/I05,誤碼率可做到BER10-34。本文以Eb/I0=5為門限值來分析系統(tǒng)容量。6 結 論由上面仿真結果可得出: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