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文 |溪知许a

编辑|溪知许a

前言

众所周知蜂窝移动电话系统已经从使用频率和时分多址系统的1G和2G发展到第三代系统的码分多址。此外智能天线和时空信号处理等先进天线技术的出现，导致了另一种多址方案，称为空间分割多址系统。在这些方案中，系统容量和频谱效率是比较各种移动通信系统性能的关键因素。

由于无线频谱是有限的资源，这些技术已经接近了它们的基本限制。在空间、时间和代码的灵活利用下，系统容量得到了极大的提高。对于给定的带宽，窄带无线电系统的系统容量受到尺寸或带宽的限制。相比之下CDMA和SDMA系统的系统容量受到干扰的限制。在CDMA和SDMA系统中，任何减少干扰的行为都可以直接线性地转化为增加容量。

FDMA和TDMA等多址方案通过将不同的网络规划阶段更清晰地分成个别部分，允许在不同的时间时刻使用不同的频率来提高其系统容量和频谱效率。在CDMA系统中，相邻单元同时使用相同频率，应该在覆盖规划阶段考虑干扰水平。

此外将单元分裂和分区以形成使用定向天线的SDMA系统，也可以增加系统容量和频谱效率，超过全向天线系统。尽管这些方法确实提高了系统容量和频谱效率，但每种方案基本上都试图更有效地利用相同的资源。

我们都知道CDMA系统的特点是受干扰限制。单元内不同位置的移动用户的独立同时传输引起了近远现象。为了解决近远问题，使用功率控制确保所有移动用户在不同位置收到相等的信号水平。

所以功率控制被认为是CDMA系统在反向链路上增加系统容量的最重要要求，以克服近远问题。由于所有单元可以在CDMA蜂窝网络中使用相同的信道，除了自己单元内的流量外，还有来自相邻单元的流量。

CDMA系统的系统容量取决于它可以容忍的同信道干扰量，包括单元内干扰和单元间干扰。如果减少相邻单元的流量负载，可以在观察单元中接受更多的流量。然而由于来自观察单元基站的功率控制，在反向链路上传输高功率水平可能导致对相邻单元BS的高干扰。

所以在CDMA系统中，如果单个单元的容量增加，将会对相邻单元产生更高的干扰，从而影响它们的容量。

在其他的方法中，利用智能天线在细胞站BS上的空间滤波，被认为是提高蜂窝系统中同信道干扰控制的最有希望的技术之一，从而提高所需的系统容量改进。智能天线技术的波束成形能力被用来增加所需信号的增益，同时消除导致系统容量提高的干扰。

智能天线的窄波束被指向所需用户，以滤除同一单元及相邻单元内同信道用户造成的干扰。然而，为了实现理想的SDMA系统，智能天线必须仔细形成其辐射模式，以捕获所需用户并将干扰用户有效地抵消。

因此智能天线在传播信道响应估计方面需要高精度。在随机分布的移动用户情况下，通过空间可变波束的空间抑制干扰可能不总是可能的。因此多个移动用户可能靠得很近。这意味着当采用自适应波束导向的智能天线时，这些移动用户之间会发生同信道干扰。

另一方面智能天线系统的旁瓣还会降低每个移动用户的信号对干扰比性能。因此当从智能天线合成多个波束以容纳特定区域内的移动用户密度时，这些旁瓣干扰会显著降低系统容量。

无线信道通常由路径损耗、阴影效应和衰落特性等特征描述。在城市区域，多径传播很常见，接收器观察到许多传输信号的副本，每个副本具有不同的时间延迟。这提供了一种多径衰落的形式。

在数字通信系统中，多径传播的延迟展宽也可能引起符号间干扰。CDMA系统中扩展序列的特性对整个通信系统的性能具有重要影响。这些特征序列通常决定了接收器从其他移动用户接收的干扰并影响从噪声样式谱中提取所需信号的能力。

另一方面，由于CDMA系统的反向链路通常是异步的，即每个移动用户信号的到达时间不同。因此CDMA系统的扩展序列具有ISI和多址干扰。在多径传播环境中，多个传输信号的不同时间延迟到达接收器会引起ISI。

如果CDMA系统中扩展序列之间的正交性丢失，就会发生MAI。在CDMA系统中，每个移动用户都会观察到来自系统中所有其他移动用户的干扰，因为传输的信号在延迟展宽环境中不会在时延上正交。

传统的CDMA扩展序列，如m序列、Gold码和Kasami码，展现出非零交叉相关，导致异步反向链路传输中的高MAI。另一组正交码是Walsh码和正交Gold码，虽然在完美同步情况下保持它们的正交性，但在异步传输中也表现出非零交叉相关。

最近引入了一种有吸引力的大区域同步CDMA扩展序列，它在其相关性中展现了零相关区，在零时延偏移附近没有ISI和MAI。 LAS扩展序列由大区域码和松散同步码的组合组成。

更具体地说，只有当最大的信道诱导时延展宽在设计的IFW持续时间内时，CDMA系统中的干扰才会消失。然而在系统设计中，特别是使用全向天线时，并不是所有多径信号分量都在IFW时延偏移内到达。

由于IFW的总持续时间取决于非零脉冲间隔之间的最小零填充数，因此必须增加最小零填充数以适应LAS序列中信道的最大延迟展宽，以容纳所有多径信号分量。这意味着当最小零填充数增加时，LAS扩展序列的占空比较低。

因此LAS-CDMA的一个特定缺点是，其相对高效的正交码在无线系统中有限，从而降低了其频谱效率。此外，实现LAS序列非常复杂，需要额外的组件。

已经有许多为蜂窝系统设计的多址系统，以提高其系统性能。已经进行了许多工作来展示联合多址系统的系统容量改进。

从两个或更多个单独系统中慎重选择联合多址可以确定联合系统的适用性。对于受干扰限制的系统，如CDMA和SDMA，对于各个用户信号的到达时间和到达角很敏感。因此，非均匀流量可能严重降低CDMA和SDMA系统的性能。在本章中提出了一种CDMA和SDMA系统的联合多址方法。

这种联合多址系统的性能也易受非均匀流量的影响。尽管此联合多址系统的性能在几篇论文中已进行了研究，但其中没有考虑评估此联合多址中的最实际系统性能。

这次提出了一种称为动态空间编码多址系统的新方法，该方法源于CDMA和SDMA系统的组合，并研究了其系统性能。引入了一种创新方法来消除DSCMA系统中现有的干扰。利用展现出干扰自由窗口的大区域同步偶三进制扩展序列，它们的相关性中展现了IFW。

空间签名来自智能天线较窄的波束，用于驱动所有多径传播信号在反向链路传输中到达IFW。IFW的大小通过动态空间编码算法适应智能天线波束宽度的大小。因此来自DSCMA系统的组合主导签名的结果将产生完美的干扰消除，从而系统容量大幅增加。

CDMA系统是一种多址方案，多个独立用户通过调制其数据符号与预先分配的扩展序列来访问共同的通信信道。接收机在加性白噪声高斯信道中观察到传输信号的总和。对于给定的移动用户，解码器将其他移动用户的干扰信号总和视为噪声。

选择扩展序列是为了为各个编码系统创建良好的单用户通道。然而实际上，由扩展序列创建的信道容易受到MAI的影响。在1974年Welch在其论文中已经显示出，自相关和互相关函数的可接受旁瓣的下限设置在SF-12/SF-12处，其中SF是系统的扩展因子或处理增益。这个下限被称为Welch界限。

已知在AWGN信道中，最大化上行CDMA系统的总和容量的特征序列满足Welch边界的总平方相关性，并且其相关性能达到等式。

动态空间编码多址系统是一个新的解决方案，可以有效应对CDMA和SDMA系统在反向链路中的非均匀流量问题。传统CDMA扩展序列的不完美相关性导致非零延迟展宽时的ISI和MAI。在SDMA系统中，移动用户的随机位置会导致它们之间的MAI，因为很少会在所需用户辐射图的零点位置处实现。因此在常规干扰受限制的系统中，非均匀流量导致正交性的丧失，难以区分每个移动用户。

在这里提出了一种有前途的解决方案，即通过智能天线系统部署基站，对CDMA和SDMA系统进行联合多址。CDMA和SDMA系统在动态上相互适应，形成DSCMA系统。这种提议的多址方案是一种新颖的干扰消除方案，它通过DSC算法将CDMA系统的扩展序列应用于SDMA系统的空间签名中。

在DSC算法中，来自LAS-ET扩展序列的专用IFW的大小动态适应智能天线波束形成系统中的半功率综合波束宽度。因此该联合多址方案为每个用户分配一个高直接性波束内的LAS-ET序列。因此这两个签名方案的集成，即空间滤波和扩展序列，创建了一个称为DSC签名的主导签名方案。因此，通过使用这个主导签名方案，可以消除CDMA和SDMA系统环境中固有的干扰。

在DSCMA系统中，一个装备了智能天线的基站通过合成窄波束和专用扩展序列向每个移动用户进行正向链路传输。信号在传输时完全同步，以与零延迟展宽同步到达移动接收器。因此，在零延迟展宽中的空间签名和扩展序列的正交性，使得细胞中的K个用户中的每个移动接收器可以在不受其他共享相同信道的传输信号干扰的情况下解调其自身信号。

然而这种在正向链路传输中的同步无法在反向链路传输中维持，反向链路中的K个用户的所有信号以非同步的方式到达基站。因此，如果它们之间的空间签名和扩展序列的正交性在非零延迟展宽中丢失，那么来自其他移动用户的信号将作为附加干扰出现在所需用户信号上。

反向链路的干扰有两种类型：来自同一小区内的K-1个用户产生的干扰，也称为小区内干扰；以及来自相邻小区移动用户产生的干扰，也称为小区间干扰。因此，通过考虑反向链路传输中的小区内和小区间干扰环境，可以检查DSCMA的系统容量。

在DSCMA系统的多小区中，反向链路中的干扰分析变得复杂。这是因为移动用户由其所在小区的基站进行功率控制。用户的成员资格是由各个小区中的最大导频信号功率确定的，而不是距离最近的基站。

移动用户连接到提供最低信号衰减的基站，而不是最接近的基站。由于功率控制，来自相邻小区移动用户的干扰水平取决于两个因素：到所需用户小区基站的路径衰减，以及到移动用户小区基站的路径衰减。

在DSCMA系统中，通过模拟比较两种不同类型的基站天线，即全向天线和智能天线，来评估误码率性能。

系统模拟将通过考虑来自小区内和小区间干扰的干扰来评估DSC算法在DSCMA中的BER性能。之前的章节中已经推导出了这些干扰下的BER表达式。通过这些BER表达式，可以估计DSCMA系统在0.001的BER下能支持的移动用户数量，从而得到系统容量。

由于每个小区被分为三个扇区，因此每个扇区的小区间干扰源只考虑两个相邻小区的干扰。系统的芯片速率为1.2288 Mcps，对应于每位的约256个芯片的数据率为4.8 Kbps。该数据率用于传输多媒体类型的数据。在这个模拟中，不考虑语音活动因子。

结论

非均匀流量会严重降低CDMA和SDMA蜂窝系统的性能。这次介绍的DSCMA系统是一个双签名系统，通过消除多路径环境中的现有干扰，可以区分更多用户。该多址系统利用LAS-ET序列在其交叉相关性函数中创建接近零延迟展宽的IFW。

为了确保所有信号分量都在IFW内，利用了具有更高直接性的智能天线系统的窄波束。IFW的大小通过DSC算法动态地适应智能天线的半功率波束宽度。因此所有非均匀流量引起的干扰在DSCMA系统中可以得到显著减少，从而实现更高的系统容量。