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国际电气、电子与仪器工程高级研究杂志

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TDSCDMA基站智能天线的容量提升

Anindya kund1, Susanta Kumar Parui2
  1. 博士学者，电子与电信工程系，印度希布尔BESU
  2. 副教授,部门。ETCE, BESU/ iest,Shibpur,Howrah, w.b.，印度
相关文章Pubmed，谷歌学者

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摘要

本文研究了时分同步码分多址(TDSCDMA)系统标准中多方向波束智能天线在基站中的应用。为了提高TD-SCDMA基站天线到BTS链路和BTS到天线链路的空间分辨率，对所提出的智能天线自适应能力进行了测试。利用TD-SCDMA系统上行链路的反馈数据估计下行波束形成器的时变权系数、匹配滤波器相关器和联合检测技术。本文提出了一种TDSCDMA物理层设计方案，并对3G TD-SCDMA网络的上行和下行智能波束形成进行了性能分析，结果表明，在TD-SCDMA系统中实施智能天线可以使系统容量的性能提高数倍。

关键字
TD-SCDMA, MAI，加扰，切换，TDD, SDMA，智能天线，联合检测，LMSE，误码率

介绍
多媒体、数据等业务的需求不断增加，而无线电频谱分配却没有相应增加，这就需要新的技术来提高频谱利用率[1,2]。在数字蜂窝通信中提高频谱效率的一种方法是使用扩频码分多址(CDMA)[3,4,5]。尽管CDMA提供了高容量，但预期的需求可能会超过预计的容量，因此大幅增加容量的唯一选择是使用智能天线阵列[6]的空间处理。利用智能天线技术，我们可以像SDMA (spatial division multiple access)那样形成多个天线波束跟踪每个用户，从而增加链路预算。随后，继CDMA和多波束形成天线之后，技术转向TDSCDMA智能系统，以支持所需的多媒体通信带宽。由于TDD和CDMA的结合，可以将TDMA和CDMA在一定程度上结合起来，使每个时隙的用户数保持在较小的范围内，便于联合检测，可以显著减少多址干扰，缓解近距离问题，提高系统容量[8]。TDSCDMA采用TDD模式，使用非配对频谱。TDD模式在适应非对称流量方面具有固有的优势。在业务不对称的情况下，TDSCDMA只是在不同的方向上分配不同的时隙数，使频谱始终得到有效的利用。这种时域分配方法可以很容易地通过软件编程实现，不受硬件的限制。 Figure 1 shows the concept of TDSCDMA as discussed. TD-SCDMA applies dynamic channel allocation to adjust radio resource among time, frequency, code, and spatial domains. Baton handover is a special core technology in TD-SCDMA, between hard handover and soft handover. During the handover measurement period, uplink channel transmission time and power information are acquired in advance to reduce call drop rate. It is likely that multiple mobile operating on the same RF channel but different spatial channels at a particular cell which allows a reuse factor of unity, i.e. a single frequency can be used in all cells. This technology can increase the number of available voice channels through directional communication links [4,6]. It depends on the propagation environment, the number of antenna elements and it allows dynamic channel assignment. Transmission bit rate can be increased due to the improved SIR at the output of the Smart beamformer & allow RF channels to be adjusted through link power control to encounter the requirements of user-selective data transfer rates [7,9].

移动到BTS的链接分析
我们正在考虑这样一个场景，其中N个用户随机分布在不同范围的每个小区站点周围。通常情况下，接收机被码锁在每个用户上，但不知道这些用户的到达方向(DOA)。每个用户都有唯一的PN码调制比特流，其扩展系数称为处理增益，记为l。设P为小区站点接收到的信号功率，剔除其他带内用户干扰的系统噪声功率为2,M为天线单元数。假设完美的瞬时功率控制，来自给定手机小区内的手机的干扰将到达小区站点，这些手机在活动时在期望用户小区站点的干扰功率为
图像(1)
本土知识(k) r是本土知识的距离th用户网站k th细胞的细胞,本土知识(k)是一个复杂零均值高斯变量,表示相应的振幅衰减沿路径和结合罗利衰落和对数正态阴影效应意味着本土知识(k)罗利分布的均方值(k)反向E是日志正常即日志()2 10 10 k反向E是零均值和方差的正态分布2 s。(0) ik r是KTH小区中相同的移动设备与期望用户小区站点(即小区站点o)之间的距离，最后(0)ik是相应的振幅衰减。移动设备由具有最小衰减的小区位置控制，例如ﴢﴼ。BTS定向波束自适应波束形成降低了干扰功率，并具有良好的信噪比。为了能够使用波束形成技术，我们需要估计阵列响应向量或期望移动用户的空间特征。利用阵列响应向量的估计值，我们可以对每个移动设备形成波束。假设一个窄带信号模型，在小区站点的M个传感器阵列的m1输出可以写成
图像（2）
K是干扰细胞的数量,是M 1 aik队效力的信号到达阵列响应矢量动力学th K细胞移动,我们假设* 1反向动力学和本土知识()c t是用户使用的代码,反向b是时间t,反向传播延迟,本土知识是成功的伯努利方程变量的概率v模型速度相同的用户活动。N平均和协方差为零的热噪声矢量2 E N (t) N *() I M或0，当t。这些方程表明噪声在时间和空间上都是白色的。对于期望的用户，设0 0 0 0 0 a,c,b为阵列响应向量，为时延，为使用的码数，为传输的比特数，设为二进制随机变量，值为1，概率为等。天线输出与期望用户的代码0 c相关联，以产生期望用户的一个样本向量
图像（3）
图像（4）
图像(5)
图像(6)
图像(7）
阵列输出已经组合起来以估计所需的信号，我们需要确定从每个单独的移动台(MS)到达的波前的阵列响应向量，如图2所示。图3描述了TDSCDMA发射机的单通道。在TDSCDMA系统中，用户数量将远远超过天线数量，因此子空间的DOA估计方法可能不是一个很好的选择。期望MS 0 a的阵列响应向量可以分别由相关前和相关后的阵列协方差Rxx和z0z0 R估计，其中* xx R E xx & 0 0 * z z0 0 R E z z。利用0 a的估计，通过波束形成将后相关天线输出组合起来，以估计来自期望用户的信号。决策变量即成束器的输出，由式给出
图像(8)
s (l)是期望用户的项，1n是由于自身小区内用户的干扰，第三项2n是由于小区外用户的干扰，平均值为零，tn是由于加性热噪声，这是正态的，平均值为零，方差等于2m。在异步传输情况下，随机序列码与随机选择的码的传输结果大致相同。每比特的衰减能量与干扰和噪声密度之比可表示为
图像（9）
这里1 I和2 I分别是由于本小区用户和外小区用户造成的干扰与信号功率比

图像（10）
图像(11)
这个表达式给出了停机概率作为随机变量1 2 I &I的函数。随机变量的分布取决于活跃用户的数量、他们的相对距离、他们的阵列响应向量、阵列参数、衰落和阴影效应。系统在最大单元负载方面的容量可以通过找到最大N来确定，使得BER输出P不超过阈值。
中断的概率被定义为误码率超过可接受性能所需的某个阈值的概率。通过使用高效的调制解调器和强大的卷积码，可以实现足够的误码率(误码率<10ï Â3)
图像(13)

BTS到移动连接
手机接收到的来自同一基站的所有信号都在同一路径上传播，并经历相同的衰落和路径损耗。这里我们假设BTS向所有由BTS控制的移动设备传输相同的功率。从第k个小区到达期望移动设备的每个信号的功率为
表示从第k个基站到达目标移动设备的所有信号所经历的衰落和阴影，(o) k r是目标移动设备与其基站之间的距离。假设每个小区有N个用户随机分布在不同距离的小区站点周围，被测手机接收到的信号
图像(14)
图像(15)
每比特对干扰的能量加上噪声密度可以表示为
图像（16）
图像(17)
图像(18)
相应的中断概率可以写成
图像（19）
图像(20)
这里假设每个天线阵由M个阵元组成，ei N N N为接收到的用户总数。e N为所选扇区的期望用户，i N为来自其他扇区的干扰用户，因此下行链路的天线输出信号可以用矢量表示叠加
图像(21)
下行链路第k个用户的接收信号功率等于上行链路同一用户的平均功率
图像(22)
表示期望KTH用户的相关矩阵与干扰用户的相关矩阵。它们由第k个用户空间签名向量定义
图像(23)
图像(24)
图像（25）

仿真结果
在我们的模拟和数值结果中，我们只考虑前两层干扰细胞，这意味着K=18个细胞。我们假设为获得足够的性能，所需的误码率为10-3，对应于7 dB的Eb/(N0+I0)。这里L=128(处理增益)，σs=8 dB。从图4可以得出结论，通过使用天线阵列对期望的移动设备形成窄波束，可以实现系统容量的许多倍增加。当中断概率为0.01时，上行系统容量从单天线情况下的每小区5个用户增加到每小区200个用户。采用8元线性天线阵列，波束宽度取为对应于功率波束宽度的一半，以考虑通过天线方向图的侧瓣拾取的干扰能量。图5显示了实际的数组模式。图6显示了在下行链路上使用OVSF代码的多元素智能阵列可能会增加系统容量。在图7中，上面的曲线为经过扇区的cell的SINR，下面的曲线为未经过扇区的cell的SINR。可以说，扇区小区的性能要比非扇区小区好得多。采用扇区TDSCDMA系统可以扩大系统容量。

结论
研究了在基站安装智能天线后TDSCDMA蜂窝通信系统的容量提升问题。同时考虑了上行链路和下行链路的模型，研究了系统的中断概率和容量随小区负载、阵列参数、权值更新算法的变化。仿真结果表明，在BTS中加入智能天线阵列可以显著提高系统容量。利用空间处理方法和LMSE算法控制阵列权值，为TDSCDMA基站构建了鲁棒波束形成。

数字一览
图1 图2 图3 图4
图1 图2 图3 图4
图5 图6 图7
图5 图6 图7

参考文献
  1. 昆杜，A.;罗伊，s;罗伊，A.;Parui, S.K，“基于DOA的自适应波束形成基于RAKE的TDSCDMA蜂窝网络”，发表在国际通信，设备和智能系统会议(CODIS)， 2012 pp 5- 8,2012。
  2. 石志勇;廖奎;尹世平;QingboOu;“基于td-scdma网络的移动物联网设计与实现”，IEEE信息理论与信息安全国际会议(ICITIS 2010)， Page(s): 954-957, 2010。
  3. 董江波，吴兴耀，“基于HSDPA的TD-SCDMA数据业务网络规划研究”，IEEE通信技术与应用国际会议(2009)，pp 251-254, 2009。
  4. YipingWang;刘志强，“基于自适应天线阵列的蜂窝CDMA通信系统”，国际声学、语音和信号处理会议(icasp -95)， vol . 3, Page(s): 1725-1728, 1995。
  5. 王艳;Cruz, J.R.，“用于CDMA蜂窝通信系统反向链路的自适应天线阵列”，发表于《电子通讯》，卷30，期13，页(s): 1017-1018, 1994。
  6. 杨志强，“基于最小均方误差的多用户接收系统在瑞利-对数正态衰落中的错误概率”，《通信学报》，vol . 3, no . 10,Page(s): 1649- 1658, 2009。
  7. Dosaranian-Moghadam, M.;Dadashzadeh, G.;Godarzvand-Chegini, M.，“多径衰落信道下DS-CDMA蜂窝系统的联合基站分配、功率控制误差和自适应波束形成”，发表于全球移动通信大会(GMC)， 2010, Page(s): 1-7,2010。
  8. Castañeda-Camacho, J. Carro, M.;Lara-Rodri guez, d;张志强，“基于智能天线阵列的CDMA 1xEVDO系统”，IEEE汽车技术会议，2010年第5期，第1- 4页。
  9. 杨晓;吕凌云;胡绍海，“TD-SCDMA基站的下行多波束形成”，TENCON 2004。2004 IEEE区域10会议(卷:B)，第2卷，2004。
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