提高Ｗ－ＣＤＭＡ通信系統(tǒng)容量的技術(shù)

摘要：

文章主要討論了提高W-CDMA通信系統(tǒng)容量采取的技術(shù)，包括：小區(qū)間異步操作和3步快速小區(qū)搜索、引導(dǎo)符號(hào)輔助相干信道估計(jì)、基于信干功率比的快速發(fā)射功率控制、位置分集、前向鏈路的發(fā)射分集，以及干擾抵消和自適應(yīng)天線陣列分集接收和發(fā)射。

關(guān)鍵詞：

W-CDMA；通信系統(tǒng)；容量；技術(shù)

ABSTRACT:

ThetechnologiesusedinW-CDMAcommunicationsystemforimprovingthesystem

capacityarediscussedinthepaper.Thesetechnologiesincludeinter-cellas

ynchronousoperationandthree-stepfastcellsearch，pilotsymbolassistedc

oherentchannelestimation，SIRbasedfasttransmittingpowercontrol，sited

iversity，andtransmittingdiversityintheforwardlink，interferencecance

llationandadaptiveantennaarraydiversityreceiver/transmitter.

KEYWORDS:

W-CDMA;CommunicationSystem;Capacity;Technology

第2代移動(dòng)通信系統(tǒng)提供的主要話音業(yè)務(wù)正轉(zhuǎn)向第3代系統(tǒng)在Internet上提供的多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，新世紀(jì)的需求促進(jìn)移動(dòng)接入互聯(lián)網(wǎng)、高質(zhì)量視頻移動(dòng)傳輸?shù)葘拵I(yè)務(wù)的增長(zhǎng)。目前，W-CDMA/FDD已被采納為IMT-2000的一種無(wú)線接入和雙工制式。DS-CDMA接入技術(shù)在頻帶利用率、軟切換、RAKE分集和自適應(yīng)天線陣分集接收和發(fā)射等方面明顯優(yōu)越于TDMA和FDMA接入技術(shù)。欲進(jìn)一步提高W-CDMA通信系統(tǒng)的容量，就要減少系統(tǒng)內(nèi)多徑干擾(MPI)和多址干擾(MAI)。其在物理層采用的關(guān)鍵技術(shù)有：

（1）小區(qū)間異步操作和3步快速小區(qū)搜索。

（2）在前向和反向鏈路上采用相干檢測(cè)和基于信干比快速發(fā)射功率控制(TPC)來(lái)提高鏈路容量。

（3）以正交可變擴(kuò)頻因子(OVSF)復(fù)用和正交多碼傳輸技術(shù)靈活地提供多速率業(yè)務(wù)。

（4）以干擾抵消(IC)和自適應(yīng)天線陣列分集(AAAD)接收和發(fā)射來(lái)提高系統(tǒng)的容量。

1小區(qū)間異步操作和3步快速小區(qū)搜索

在小區(qū)間異步操作中，無(wú)需類似GPS的外部定時(shí)源，采用兩級(jí)擴(kuò)頻碼分配就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性。在前向鏈路中，以各自擾亂碼來(lái)區(qū)分小區(qū)部位。而小區(qū)部位中，各個(gè)控制和流量信道則由各自不同的正交可變擴(kuò)頻因子(OVFS)來(lái)指定。采用擾亂碼屏蔽的3步小區(qū)搜索法可進(jìn)一步減少小區(qū)搜索時(shí)間。3步小區(qū)搜索法的基本步驟為：第1步，啟用主同步碼的匹配濾波器，在T1周期內(nèi)均化匹配濾波器的輸出，檢測(cè)主同步信道的最大平均相關(guān)值的定時(shí)位置；第2步，在T2周期根據(jù)一組副同步碼和接收信號(hào)的互相關(guān)值來(lái)確立對(duì)應(yīng)的擾亂碼群；第3步，具有最大相關(guān)值的擾亂碼可作為被搜索的擾亂碼，根據(jù)接收信號(hào)和候選擾亂碼的相關(guān)函數(shù)在T3周期內(nèi)的均值來(lái)確定相應(yīng)擾亂碼。為了減少錯(cuò)誤檢測(cè)率，在幀同步校驗(yàn)階段增設(shè)確認(rèn)模式，即一旦在兩個(gè)連續(xù)的周期內(nèi)確認(rèn)失同步，小區(qū)搜索過(guò)程返回第1步重新開(kāi)始[1]。

2相干信道估值和基于SIR的快速TPC

上下行鏈路均采用引導(dǎo)符號(hào)輔助相干檢測(cè)，匹配濾波器對(duì)接收到的多徑信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)并分離成L條多徑QPSK調(diào)制信號(hào)，相干RAKE組合。假定：在l條路徑第k個(gè)時(shí)隙第n個(gè)符號(hào)采取解擴(kuò)碼為rl(n，k)，則RAKE組合輸出為：

其中，ζ*l(k)是信道估計(jì)值的轉(zhuǎn)置，d(n，k)為接收信號(hào)在解交織和信道解碼后，所恢復(fù)的發(fā)端信息序列。信道估計(jì)值是信道估計(jì)濾波器提取的多時(shí)隙估值加權(quán)平均(WMSA)，最后信道估計(jì)值為：

其中，αi為加權(quán)值，J為時(shí)隙數(shù)目。WMSA算法在慢衰落環(huán)境下是十分有效的[2]。

基于RAKE組合信號(hào)的信號(hào)干擾比(SIR)測(cè)量的快速發(fā)射功率控制可以依據(jù)上下行鏈路的流量負(fù)載來(lái)調(diào)整發(fā)射功率，降低其它用戶在其它小區(qū)和用戶本身在所在小區(qū)的干擾，從而提高系統(tǒng)容量。快速TPC含有兩個(gè)環(huán)路，即內(nèi)外環(huán)。內(nèi)環(huán)測(cè)量每個(gè)時(shí)隙的SIR，并與目標(biāo)值比較，產(chǎn)生TPC指令來(lái)調(diào)整發(fā)射功率信號(hào)所占時(shí)隙長(zhǎng)度，提高或降低發(fā)射功率。即使出現(xiàn)所接收的SIR與目標(biāo)值相同，由于幀差錯(cuò)率受路徑數(shù)、多普勒頻移和SIR等影響，其接收質(zhì)量并不相同，因此還需外環(huán)來(lái)控制目標(biāo)SIR，使所測(cè)量的幀錯(cuò)誤檢測(cè)率逼近目標(biāo)值。

3位置分集

位置分集或稱之為軟切換，它作為IS95CDMA的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，與快速TPC技術(shù)一起改善因多徑衰落和鄰近小區(qū)邊緣陰影效應(yīng)而影響的系統(tǒng)質(zhì)量。在信道編碼前，上行鏈路中信息源數(shù)據(jù)序列包含與移動(dòng)臺(tái)有關(guān)的N個(gè)基站擾亂碼。含有RAKE分集接收的移動(dòng)臺(tái)所接收的信號(hào)在信道解碼后按最大比率組合準(zhǔn)則進(jìn)行符號(hào)判決，而在下行鏈路還增加小區(qū)位置分集，各位置RAKE組合信號(hào)按最大比率組合準(zhǔn)則組合。基站中硬判決數(shù)據(jù)序列與有關(guān)信道可靠性信息一起送至無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)，依據(jù)可靠性信息，所傳數(shù)據(jù)序列和選擇的時(shí)隙組合后判決。

反向鏈路小區(qū)位置分集性能取決于所采用信息可靠的類型，有兩種可靠性信息類型的選擇組合(SC)，即在選擇期間TSEL，計(jì)算循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)和在交織期間TILV，測(cè)量平均接收信干比(SIR)。

一種方案是在若干時(shí)隙上所測(cè)量的SIR值大于快速TPC的目標(biāo)值NSIL，在TILV期間，減少TPC指令的比特?cái)?shù)降低發(fā)射功率，在RNC中執(zhí)行下述步驟，進(jìn)行選擇組合：

(1)當(dāng)來(lái)自N個(gè)基站的多個(gè)解碼數(shù)據(jù)序列為無(wú)CRC幀差錯(cuò)，在TSEL期間，從有效CRC的數(shù)據(jù)序列中選擇一個(gè)。

(2)當(dāng)來(lái)自N個(gè)基站的多個(gè)解碼數(shù)據(jù)序列為有CRC幀差錯(cuò)，在TSEL期間，選擇在TILV期間具有較大NSIL的數(shù)據(jù)序列。

當(dāng)快速TPC應(yīng)用到前向鏈路小區(qū)間位置分集模式時(shí)，每個(gè)基站獨(dú)立地遵循來(lái)自移動(dòng)臺(tái)從反向鏈路傳來(lái)的TPC指令。若反向鏈路產(chǎn)生TPC指令差錯(cuò)，每個(gè)基站的發(fā)射功率就不同，基站間發(fā)射功率差異會(huì)導(dǎo)致位置分集增益的降低和對(duì)其它用戶干擾的增加。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可采取圖1的雙環(huán)算法來(lái)減少TPC差錯(cuò)影響和保持基站發(fā)射功率相同[3]。

4發(fā)射分集

3GPP標(biāo)準(zhǔn)在不增加移動(dòng)臺(tái)復(fù)雜性的情況下，基站利用若干付天線組成發(fā)射分集，可以改進(jìn)前向鏈路傳輸性能，如在兩付天線的相同載頻相位上發(fā)射具有相同擴(kuò)頻碼和不同數(shù)據(jù)調(diào)制的公共引導(dǎo)信道。采用兩個(gè)開(kāi)環(huán)的發(fā)射分集即時(shí)間交替發(fā)射分集(TSTD)和空時(shí)發(fā)射分集(STTD)。其中TSTD可用于同步信道，時(shí)隙交替地從兩付天線上發(fā)射同步信道，使突發(fā)差錯(cuò)為隨機(jī)分布，易于改進(jìn)檢測(cè)概率；而STTD用于公共控制物理信道，在兩付天線上以相同信道編碼后并行地發(fā)射兩個(gè)數(shù)據(jù)序列，也易改進(jìn)檢測(cè)概率。

閉環(huán)發(fā)射分集主要用于專用物理信道，發(fā)射分集權(quán)值是由移動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生的反饋信息(FBI)控制。產(chǎn)生反饋信息可以有3種模式。令W1=A1ej，W2=A2ej，其中，W1，2為發(fā)射天線權(quán)值。

(1)在模式1，第2付天線的發(fā)射相位2隨著來(lái)自移動(dòng)臺(tái)的FBI以π/4精度而變化，從而在組合后使接收到的SIR為最大。這個(gè)過(guò)程可表示成：

(2)在模式2，以π為精度進(jìn)行自適應(yīng)發(fā)射相位分集，即：

(3)模式3為選擇發(fā)射分集(STD），即自適應(yīng)改變發(fā)射天線的振幅，即：

1=2=0，(A1，A2)=｛(1，0)，(0，1)｝

5相干多級(jí)干擾抵消

日本NTTDoCoMo研制的W-CDMA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，在反向鏈路采用相干多級(jí)干擾抵消(COMSIC)和相干自適應(yīng)天線陣列分集(CAAAD)，而在正向鏈路采取自適應(yīng)天線陣列發(fā)射分集(AAA-TD)。前者參見(jiàn)圖2[4]。

在基站接收端，用戶擴(kuò)頻信號(hào)由兩付天線接收組合，分別由平方根升余弦奈奎斯特濾波器以4×1.024MHz取樣率進(jìn)行濾波和取樣。COMSIC模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行解交織和Viterbi軟判決譯碼來(lái)恢復(fù)所傳輸?shù)男畔ⅰ；赟IR測(cè)量的快速TPC控制移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率的降低。

COMSIC模塊含有信道陣列組、并行信道估值和干擾樣本產(chǎn)生單元(CEIGU)，1個(gè)CEIGU對(duì)應(yīng)每級(jí)每個(gè)用戶。每付天線接收到的擴(kuò)頻組合信號(hào)的取樣序列在匹配濾波器解擴(kuò)，依據(jù)在每個(gè)時(shí)隙中導(dǎo)引和數(shù)據(jù)信號(hào)測(cè)量每個(gè)用戶的信號(hào)功率，并依大小排隊(duì)。在每個(gè)用戶進(jìn)行CEIGU處理前，從所接收到的擴(kuò)頻組合信號(hào)中扣除其它用戶干擾的復(fù)制信號(hào)。匹配濾波器輸出解擴(kuò)組合信號(hào)為空間分集中獨(dú)立分支的路徑信號(hào)，RAKE組合每付天線中兩條路徑信號(hào)。每條路徑的信道變量引導(dǎo)符號(hào)輔助(PSA)信道估值濾波器和相干RAKE來(lái)估值。RAKE分集進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)和信道估值，定時(shí)產(chǎn)生每條路徑復(fù)制品：IK(0)(P)或IK(1)(P)。

6自適應(yīng)天線陣列分集

圖3為含有4付天線的相干自適應(yīng)天線陣列分集(CAAAD)收發(fā)原理圖。在接收端，基帶同相和正交支路以4×4.096MHz速率抽樣。圖4為在CAAAD接收機(jī)中數(shù)據(jù)波束形成器和RAKE組合的原理，它含有匹配濾波器、數(shù)字波束形成器、引導(dǎo)符號(hào)輔助相干RAKE組合器和加權(quán)控制器。天線接收的所有信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配濾波器輸出為可分辨路徑樣值信號(hào)，經(jīng)過(guò)加權(quán)組合，構(gòu)成接收的天線波束圖，使得組合信號(hào)的平均SIR值最大[5]。以不同分辨路徑相干RAKE組合信號(hào)在兩個(gè)相鄰時(shí)隙內(nèi)的導(dǎo)引符號(hào)來(lái)估計(jì)波束形成器輸出端的合成信道增益，每4個(gè)符號(hào)間隔采用歸一化最小均方算法對(duì)天線的加權(quán)值進(jìn)行調(diào)整，利用周期接收到的導(dǎo)引符號(hào)和專用試驗(yàn)數(shù)據(jù)符號(hào)來(lái)復(fù)制干擾信號(hào)樣本。在發(fā)射端，編碼數(shù)據(jù)在基帶處理塊中進(jìn)行加權(quán)相乘，在轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后，基帶模擬信號(hào)由正交調(diào)制器調(diào)制，由功率放大器進(jìn)行放大。因衰落引起的瞬時(shí)信道變化在反向鏈路波束形成中無(wú)法反映，可利用反向鏈路接收天線加權(quán)來(lái)調(diào)整發(fā)射波束和進(jìn)行天線加權(quán)校準(zhǔn)工作。

參考文獻(xiàn)

1MamoruS，kenichiH，ShinyaT.EnhancedWirelessAccessTechnologiesandExpe

rimentsforW-CDMACommunications.IEEEPC-M，2000，7(6):6—16

2ShingoO，YasusbiY，NobuoN.TheFutureGenerationofMobileCommunicationsB

asedonBroadbandAccessTechnologies.IEEEC-M，2000，38(12):134—142

3MartinH，WernerM.TheCompleteSolutionforThirdGenerationWirelessCommu

nication:TwoModesonAirOneWinningStrategy.IEEEPC-M，2000，7(6):18—24

4HuangV，ZhuangWH.OptimalResourceManagementinPacketSwitchingTDDCDMAS

ystems.IEEEPC-M，2000，7(12):26—31

5KoulakiotisD，AghvamiAH.DataDetectionTechniquesforDS-CDMAMobileSyst

ems:AReview.IEEEPC-M，2000，7(6):22—34

(收稿日期：2001-12-16)

作者簡(jiǎn)介

談?wù)褫x，北方交通大學(xué)校長(zhǎng)，教授，博士生導(dǎo)師，第一、二、三屆國(guó)家“863”計(jì)劃通信主題個(gè)人通信專業(yè)專家組成員。主要從事無(wú)線ATM、擴(kuò)頻通信、個(gè)人通信方面的研究。