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)符號輔助相干信道估計、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)，新世紀的需求促進移動接入互聯(lián)網(wǎng)、高質(zhì)量視頻移動傳輸?shù)葘拵I(yè)務(wù)的增長。目前，W-CDMA/FDD已被采納為IMT-2000的一種無線接入和雙工制式。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和基于信干比快速發(fā)射功率控制(TPC)來提高鏈路容量。

（3）以正交可變擴頻因子(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，無需類似GPS的外部定時源，采用兩級擴頻碼分配就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性。在前向鏈路中，以各自擾亂碼來區(qū)分小區(qū)部位。而小區(qū)部位中，各個控制和流量信道則由各自不同的正交可變擴頻因子(OVFS)來指定。采用擾亂碼屏蔽的3步小區(qū)搜索法可進一步減少小區(qū)搜索時間。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，檢測主同步信道的最大平均相關(guān)值的定時位置；第2步，在T2周期根據(jù)一組副同步碼和接收信號的互相關(guān)值來確立對應(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)接收信號和候選擾亂碼的相關(guān)函數(shù)在T3周期內(nèi)的均值來確定相應(yīng)擾亂碼。為了減少錯誤檢測率，在幀同步校驗階段增設(shè)確認模式，即一旦在兩個連續(xù)的周期內(nèi)確認失同步，小區(qū)搜索過程返回第1步重新開始[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)符號輔助相干檢測，匹配濾波器對接收到的多徑信號進行解擴并分離成L條多徑QPSK調(diào)制信號，相干RAKE組合。假定：在l條路徑第k個時隙第n個符號采取解擴碼為rl(n，k)，則RAKE組合輸出為：

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

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

基于RAKE組合信號的信號干擾比(SIR)測量的快速發(fā)射功率控制可以依據(jù)上下行鏈路的流量負載來調(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?？焖賂PC含有兩個環(huán)路，即內(nèi)外環(huán)。內(nèi)環(huán)測量每個時隙的SIR，并與目標值比較，產(chǎn)生TPC指令來調(diào)整發(fā)射功率信號所占時隙長度，提高或降低發(fā)射功率。即使出現(xiàn)所接收的SIR與目標值相同，由于幀差錯率受路徑數(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)來控制目標SIR，使所測量的幀錯誤檢測率逼近目標值。

3位置分集

位置分集或稱之為軟切換，它作為IS95CDMA的技術(shù)標準，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)序列包含與移動臺有關(guān)的N個基站擾亂碼。含有RAKE分集接收的移動臺所接收的信號在信道解碼后按最大比率組合準則進行符號判決，而在下行鏈路還增加小區(qū)位置分集，各位置RAKE組合信號按最大比率組合準則組合?；局杏才袥Q數(shù)據(jù)序列與有關(guān)信道可靠性信息一起送至無線網(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，計算循環(huán)冗余校驗(CRC)和在交織期間TILV，測量平均接收信干比(SIR)。

一種方案是在若干時隙上所測量的SIR值大于快速TPC的目標值NSIL，在TILV期間，減少TPC指令的比特數(shù)降低發(fā)射功率，在RNC中執(zhí)行下述步驟，進行選擇組合：

(1)當(dāng)來自N個基站的多個解碼數(shù)據(jù)序列為無CRC幀差錯，在TSEL期間，從有效CRC的數(shù)據(jù)序列中選擇一個。

(2)當(dāng)來自N個基站的多個解碼數(shù)據(jù)序列為有CRC幀差錯，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，每個基站獨立地遵循來自移動臺從反向鏈路傳來的TPC指令。若反向鏈路產(chǎn)生TPC指令差錯，每個基站的發(fā)射功率就不同，基站間發(fā)射功率差異會導(dǎo)致位置分集增益的降低和對其它用戶干擾的增加。為了解決這個問題，可采取圖1的雙環(huán)算法來減少TPC差錯影響和保持基站發(fā)射功率相同[3]。

4發(fā)射分集

3GPP標準在不增加移動臺復(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)射具有相同擴頻碼和不同數(shù)據(jù)調(diào)制的公共引導(dǎo)信道。采用兩個開環(huán)的發(fā)射分集即時間交替發(fā)射分集(TSTD)和空時發(fā)射分集(STTD)。其中TSTD可用于同步信道，時隙交替地從兩付天線上發(fā)射同步信道，使突發(fā)差錯為隨機分布，易于改進檢測概率；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)射兩個數(shù)據(jù)序列，也易改進檢測概率。

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)值是由移動臺產(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隨著來自移動臺的FBI以π/4精度而變化，從而在組合后使接收到的SIR為最大。這個過程可表示成：

(2)在模式2，以π為精度進行自適應(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相干多級干擾抵消

日本NTTDoCoMo研制的W-CDMA實驗系統(tǒng)中，在反向鏈路采用相干多級干擾抵消(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)。前者參見圖2[4]。

在基站接收端，用戶擴頻信號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取樣率進行濾波和取樣。COMSIC模塊的輸出信號進行解交織和Viterbi軟判決譯碼來恢復(fù)所傳輸?shù)男畔??；赟IR測量的快速TPC控制移動臺發(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CEIGU對應(yīng)每級每個用戶。每付天線接收到的擴頻組合信號的取樣序列在匹配濾波器解擴，依據(jù)在每個時隙中導(dǎo)引和數(shù)據(jù)信號測量每個用戶的信號功率，并依大小排隊。在每個用戶進行CEIGU處理前，從所接收到的擴頻組合信號中扣除其它用戶干擾的復(fù)制信號。匹配濾波器輸出解擴組合信號為空間分集中獨立分支的路徑信號，RAKE組合每付天線中兩條路徑信號。每條路徑的信道變量引導(dǎo)符號輔助(PSA)信道估值濾波器和相干RAKE來估值。RAKE分集進行試驗數(shù)據(jù)檢測和信道估值，定時產(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)符號輔助相干RAKE組合器和加權(quán)控制器。天線接收的所有信號經(jīng)過匹配濾波器輸出為可分辨路徑樣值信號，經(jīng)過加權(quán)組合，構(gòu)成接收的天線波束圖，使得組合信號的平均SIR值最大[5]。以不同分辨路徑相干RAKE組合信號在兩個相鄰時隙內(nèi)的導(dǎo)引符號來估計波束形成器輸出端的合成信道增益，每4個符號間隔采用歸一化最小均方算法對天線的加權(quán)值進行調(diào)整，利用周期接收到的導(dǎo)引符號和專用試驗數(shù)據(jù)符號來復(fù)制干擾信號樣本。在發(fā)射端，編碼數(shù)據(jù)在基帶處理塊中進行加權(quán)相乘，在轉(zhuǎn)換為模擬信號后，基帶模擬信號由正交調(diào)制器調(diào)制，由功率放大器進行放大。因衰落引起的瞬時信道變化在反向鏈路波束形成中無法反映，可利用反向鏈路接收天線加權(quán)來調(diào)整發(fā)射波束和進行天線加權(quán)校準工作。

參考文獻

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)

作者簡介

談?wù)褫x，北方交通大學(xué)校長，教授，博士生導(dǎo)師，第一、二、三屆國家“863”計劃通信主題個人通信專業(yè)專家組成員。主要從事無線ATM、擴頻通信、個人通信方面的研究。