??? 摘? 要: 高空平臺" title="高空平臺">高空平臺(HAPS)通信系統" title="通信系統">通信系統是近年來正處于先期研究的新型信息系統。理論分析了非理想功率控制" title="功率控制">功率控制和多用戶檢測" title="多用戶檢測">多用戶檢測(MUD)對HAPS通信系統上行鏈路的影響,分析這兩種技術的工作原理,探討在WCDMA 應用中結合使用兩種技術的可行性和方法。?

??? 關鍵詞: HAPS; 功率控制; 多用戶檢測?

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??? 高空平臺HAPS(High Altitude Platform Station)通信系統是一種利用氣球、飛艇和太陽能飛機作為高空平臺的無線和光纖中繼通信系統,它的出現被認為是通信技術的一次變革。根據ITU的定義, HAPS通信系統是一種位于平流層的無線基站,通過位于20km~50km高空的電臺向地面用戶提供固定和移動業務,是一種良好的具有潛在應用價值的無線接入手段^[1]。HAPS與衛星通信、地面通信相比有許多明顯的特點。和衛星通信系統相比,費用低廉、延遲時間小、建設快、容量大^[2];與地面通信相比,它的多徑衰落小、覆蓋面積大。所以,它是很有發展前途的一種通信手段。HAPS作為3G的基站時,與第三代移動通信系統兼容,構成與地面蜂窩相互配合的通信網。?

??? WCDMA是第三代蜂窩移動通信系統主要采納的空中接口方案。功率控制是WCDMA系統的關鍵技術之一。由于遠近效應和自干擾問題,功率控制是否有效直接決定了WCDMA系統是否可用,并且很大程度上決定了WCDMA系統性能的優劣,對于系統容量、覆蓋、業務的QoS(系統服務質量)都有重要影響。功率控制的目的是在保證用戶要求的QoS的前提下最大程度地降低發射功率,減少系統干擾從而增加系統容量。在實際當中,由于空間信號存在衰落呈現出隨機性,所以功率控制有一定的滯后和偏差,并不能完全補償衰落造成的信號損失,因此功率控制是非理想的。?

??? 對于WCDMA,信道的非正交性和擴頻碼字的非正交性,導致用戶間存在相互干擾MAI(Multi-Address Interference),即多址干擾,而能夠抑制多址干擾的就是多用戶檢測技術MUD(Multi User Detection)。多用戶檢測是近十年來在相關檢測的基礎上發展起來的一種有效的抗干擾措施,它利用多址干擾的各種可知信息對目標用戶的信號進行聯合檢測,從而具有較好的抗多址干擾能力,可以更加有效地利用上行鏈路頻譜資源,顯著提高系統容量。隨著3G的建設和發展,在WCDMA高空平臺系統中結合使用功率控制和多用戶檢測這兩種技術來最大限度地提高系統容量具有很大的實際意義。?

1 系統模型?

??? 本文采用的系統模型是承載WCDMA通信系統,飛行物長時間穩定停留在平流層中固定位置的高空平臺,高度為22km。HAPS上行鏈路干擾模型如圖1所示。為充分利用頻譜資源,必然要在高空平臺上使用多波束天線,通過多個使用相同頻段的波束照射不同的地面區域進行頻率復用^[3]。每一個波束覆蓋區域對應一個蜂窩小區。飛行物較易受風或壓力變化的影響,它必須抵消由次產生的漂移。相鄰的高空平臺間有空中互連鏈路,這使得平流層通信系統在系統覆蓋區域內可以提供無縫接力通信。參考小區位于HAPS的正下方,外部有M層干擾小區。一個用戶受到的多址干擾包括本小區內其他用戶信號的干擾以及別的小區的用戶信號的干擾。假設每個小區各類業務的移動臺" title="移動臺">移動臺均勻分布,且每個小區內用戶數n服從以下泊松分布:?

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其中λ是每個小區的平均用戶數。根據模型,各個小區的用戶數互相獨立^[4],即使每個小區的平均用戶數相等,系統瞬時容量也不一樣。?

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2 上行鏈路干擾分析?

移動臺接收到的比特能量與干擾功率譜密度之比E_b/N_o是決定上行鏈路容量的主要因素,它可表示為: ?

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其中W為系統帶寬,R_b為信息速率,表示移動用戶i在基站端的信號強度,P_i是理想功率控制條件下基站接收的功率,α等于ln(10)/10,θ_k是均值為0、方差為σ的高斯分布的隨機變量,σ代表用dB 表示的功率控制誤差,功率控制的誤差可以建模為對數正態分布的隨機變量。I_intra是小區內干擾,I_inter是小區間干擾,β是MUD的效率,表示在基站接收機處通過MUD去除的小區內干擾的百分比,η_j為熱噪聲。β值為0表示不采用MUD,是基于常規RAKE接收機的情況。基站設置的反向業務信道E_b/N_o目標值(E_b/N_o)_min是反向信道的一個限制。當基站所接收到的反向業務信道的能量達不到一定的值時,基站將掉話,從而中斷前向業務信道的發送。?

2.1 小區內干擾?

　　假設本小區共有N₀位用戶,本小區內的其他用戶對該用戶造成的多址干擾為^[5]:?

　　?

2.2 小區間干擾?

??? 如圖1所示,對于處于(r_ij,θ_ij)處的移動臺,假設BS_j是它的服務基站,移動臺i在基站 BS_j端的信號強度為:?

??? P_Ti為移動臺的傳輸功率,L_ij為自由空間損耗和陰影衰落損耗,計算出基站BS_j與該移動臺i之間的夾角ψ_ij就可以得到基站的增益值。同時,移動臺i在基站BS₀端產生的干擾功率為:?

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??? 基站BS₀與該移動臺i之間的夾角為ψ_i0。與HAPS平臺高度相比,相控陣天線空間維數可以忽略不計,L_ij和L_i0之間的夾角ω非常小,因此從移動臺i發射的無線電波會沿相同的傳播路徑到達基站BS_j和BS₀,并服從相同的陰影衰落^[6],從而L_ij=L_i0,小區間的干擾來自于服務小區周圍的基站,將(4)式代入(5)式,小區間干擾可表示為:?

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??? K是周圍干擾小區數,N_j是第j個小區內的用戶數。?

2.3 多用戶檢測?

??? 多用戶檢測是第三代移動通信系統中WCDMA通信系統抗干擾的關鍵技術。MUD技術在傳統檢測技術的基礎上,充分利用造成多址干擾的所有用戶信號信息對多個用戶做聯合檢測或從接收信號中減掉相互間干擾的方法,有效地消除MAI的影響,從而具有優良的抗干擾性能。這種方式解決了遠近效應問題,可以簡化用戶的功率控制,降低系統對功率控制精度的要求。在相同的系統性能要求下,結合使用功率控制技術及多用戶檢測技術來減少MUD的復雜度,比單純地尋找低復雜度的MUD算法更容易實現。由于MAI的消除,用戶在較小的信噪比下就可達到可靠的性能,用戶信噪比的降低可以直接轉化為系統容量的增加,因此可以更加有效地利用鏈路頻譜資源,顯著提高系統容量。?

3 模擬結果?

??? 上行容量在一定的用戶分布條件下, 通過仿真來計算。理論上小區間的干擾來自于服務小區周圍所有的基站,第四層以外的基站對服務小區內用戶的小區間干擾可以忽略, 只需考慮第一、二、三層基站的干擾。業務密集地區系統容量一般以上行容量來規劃,因此基于兩類業務加以分析其上行容量。假設采用12.2kb/s話音業務為參考業務, 則(E_b/N_o)_min=5dB。移動終端以車速移動時,其傳轉數據速率為144kb/s,假設(E_b/N_o)_min=1.5dB,則系統帶寬W取為5MHz,P_i/η_j為-1dB。?

??? 首先,分析非理想功率控制下陰影衰落標準差σ和系統中斷概率P關系對系統上行容量的影響。圖2中,信息比特速率R_b=12.2kb/s,在陰影標準差σ取不同值情況下,中斷概率為每小區平均用戶數的函數。P=10^-2時,每1dB的功控誤差將會造成系統容量每小區25個用戶的損失。?

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??? 圖3描述了R_b=144kb/s時功率控制誤差對中斷概率和系統容量的影響。P=10^-2時,非理想功率控制的標準偏差達到2dB時,容量降低為每小區7個用戶。

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??? β是由于在上行信道中采用多用戶檢測技術的相關作用而引起的干擾消除,即干擾消除因子, 如果不采用MUD技術,則β=0,否則β介于0和1之間。從圖4和5可以看出, σ=1dB,多用戶檢測技術(β因子)對系統容量的影響較大,β越高,WCDMA系統容量的改善越好。MUD提供了降低多路接入干擾的影響,因而增加系統容量,同時MUD顯著降低了系統的遠近效應,可以緩解系統對功率控制的需求。?

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??? 本文對WCDMA高空平臺通信系統上行鏈路性能進行了理論分析,研究了非理想功率控制和多用戶檢測對系統容量的影響,為實際應用中改善系統功率控制,提高系統的容量提供了參考依據。假設一種用戶模型, 每個小區內用戶數服從泊松分布,而非固定,然后基于該模型加以分析其上行容量。仿真和分析表明非理想功率控制會明顯降低系統業務容量。多用戶檢測可以降低系統對功率控制精度的要求,顯著提高系統容量,改善系統性能。將功率控制與多用戶檢測結合使用,對最大限度地提高HAPS系統容量具有重要意義。?

參考文獻?

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