??? 摘? 要: 高空平臺(tái)" title="高空平臺(tái)">高空平臺(tái)(HAPS)通信系統(tǒng)" title="通信系統(tǒng)">通信系統(tǒng)是近年來(lái)正處于先期研究的新型信息系統(tǒng)。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(cè)" title="多用戶檢測(cè)">多用戶檢測(cè)(MUD)對(duì)HAPS通信系統(tǒng)上行鏈路的影響,分析這兩種技術(shù)的工作原理,探討在WCDMA 應(yīng)用中結(jié)合使用兩種技術(shù)的可行性和方法。?

??? 關(guān)鍵詞: HAPS; 功率控制; 多用戶檢測(cè)?

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??? 高空平臺(tái)HAPS(High Altitude Platform Station)通信系統(tǒng)是一種利用氣球、飛艇和太陽(yáng)能飛機(jī)作為高空平臺(tái)的無(wú)線和光纖中繼通信系統(tǒng),它的出現(xiàn)被認(rèn)為是通信技術(shù)的一次變革。根據(jù)ITU的定義, HAPS通信系統(tǒng)是一種位于平流層的無(wú)線基站,通過(guò)位于20km~50km高空的電臺(tái)向地面用戶提供固定和移動(dòng)業(yè)務(wù),是一種良好的具有潛在應(yīng)用價(jià)值的無(wú)線接入手段^[1]。HAPS與衛(wèi)星通信、地面通信相比有許多明顯的特點(diǎn)。和衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比,費(fèi)用低廉、延遲時(shí)間小、建設(shè)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(fā)展前途的一種通信手段。HAPS作為3G的基站時(shí),與第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)兼容,構(gòu)成與地面蜂窩相互配合的通信網(wǎng)。?

??? WCDMA是第三代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)主要采納的空中接口方案。功率控制是WCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于遠(yuǎn)近效應(yīng)和自干擾問(wèn)題,功率控制是否有效直接決定了WCDMA系統(tǒng)是否可用,并且很大程度上決定了WCDMA系統(tǒng)性能的優(yōu)劣,對(duì)于系統(tǒng)容量、覆蓋、業(yè)務(wù)的QoS(系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)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(fā)射功率,減少系統(tǒng)干擾從而增加系統(tǒng)容量。在實(shí)際當(dāng)中,由于空間信號(hào)存在衰落呈現(xiàn)出隨機(jī)性,所以功率控制有一定的滯后和偏差,并不能完全補(bǔ)償衰落造成的信號(hào)損失,因此功率控制是非理想的。?

??? 對(duì)于WCDMA,信道的非正交性和擴(kuò)頻碼字的非正交性,導(dǎo)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(cè)技術(shù)MUD(Multi User Detection)。多用戶檢測(cè)是近十年來(lái)在相關(guān)檢測(cè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(duì)目標(biāo)用戶的信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè),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(tǒng)容量。隨著3G的建設(shè)和發(fā)展,在WCDMA高空平臺(tái)系統(tǒng)中結(jié)合使用功率控制和多用戶檢測(cè)這兩種技術(shù)來(lái)最大限度地提高系統(tǒng)容量具有很大的實(shí)際意義。?

1 系統(tǒng)模型?

??? 本文采用的系統(tǒng)模型是承載WCDMA通信系統(tǒng),飛行物長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定停留在平流層中固定位置的高空平臺(tái),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(tái)上使用多波束天線,通過(guò)多個(gè)使用相同頻段的波束照射不同的地面區(qū)域進(jìn)行頻率復(fù)用^[3]。每一個(gè)波束覆蓋區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)蜂窩小區(qū)。飛行物較易受風(fēng)或壓力變化的影響,它必須抵消由次產(chǎn)生的漂移。相鄰的高空平臺(tái)間有空中互連鏈路,這使得平流層通信系統(tǒng)在系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)可以提供無(wú)縫接力通信。參考小區(qū)位于HAPS的正下方,外部有M層干擾小區(qū)。一個(gè)用戶受到的多址干擾包括本小區(qū)內(nèi)其他用戶信號(hào)的干擾以及別的小區(qū)的用戶信號(hào)的干擾。假設(shè)每個(gè)小區(qū)各類業(yè)務(wù)的移動(dòng)臺(tái)" title="移動(dòng)臺(tái)">移動(dòng)臺(tái)均勻分布,且每個(gè)小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)n服從以下泊松分布:?

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其中λ是每個(gè)小區(qū)的平均用戶數(shù)。根據(jù)模型,各個(gè)小區(qū)的用戶數(shù)互相獨(dú)立^[4],即使每個(gè)小區(qū)的平均用戶數(shù)相等,系統(tǒng)瞬時(shí)容量也不一樣。?

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2 上行鏈路干擾分析?

移動(dòng)臺(tái)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: ?

?????

其中W為系統(tǒng)帶寬,R_b為信息速率,表示移動(dòng)用戶i在基站端的信號(hào)強(qiáng)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(jī)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(duì)數(shù)正態(tài)分布的隨機(jī)變量。I_intra是小區(qū)內(nèi)干擾,I_inter是小區(qū)間干擾,β是MUD的效率,表示在基站接收機(jī)處通過(guò)MUD去除的小區(qū)內(nèi)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(guī)RAKE接收機(jī)的情況?；驹O(shè)置的反向業(yè)務(wù)信道E_b/N_o目標(biāo)值(E_b/N_o)_min是反向信道的一個(gè)限制。當(dāng)基站所接收到的反向業(yè)務(wù)信道的能量達(dá)不到一定的值時(shí),基站將掉話,從而中斷前向業(yè)務(wù)信道的發(fā)送。?

2.1 小區(qū)內(nèi)干擾?

　　假設(shè)本小區(qū)共有N₀位用戶,本小區(qū)內(nèi)的其他用戶對(duì)該用戶造成的多址干擾為^[5]:?

　　?

2.2 小區(qū)間干擾?

??? 如圖1所示,對(duì)于處于(r_ij,θ_ij)處的移動(dòng)臺(tái),假設(shè)BS_j是它的服務(wù)基站,移動(dòng)臺(tái)i在基站 BS_j端的信號(hào)強(qiáng)度為:?

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

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??? 基站BS₀與該移動(dòng)臺(tái)i之間的夾角為ψ_i0。與HAPS平臺(tái)高度相比,相控陣天線空間維數(shù)可以忽略不計(jì),L_ij和L_i0之間的夾角ω非常小,因此從移動(dòng)臺(tái)i發(fā)射的無(wú)線電波會(huì)沿相同的傳播路徑到達(dá)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(qū)間的干擾來(lái)自于服務(wù)小區(qū)周圍的基站,將(4)式代入(5)式,小區(qū)間干擾可表示為:?

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??? K是周圍干擾小區(qū)數(shù),N_j是第j個(gè)小區(qū)內(nèi)的用戶數(shù)。?

2.3 多用戶檢測(cè)?

??? 多用戶檢測(cè)是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中WCDMA通信系統(tǒng)抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)。MUD技術(shù)在傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上,充分利用造成多址干擾的所有用戶信號(hào)信息對(duì)多個(gè)用戶做聯(lián)合檢測(cè)或從接收信號(hào)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(yōu)良的抗干擾性能。這種方式解決了遠(yuǎn)近效應(yīng)問(wèn)題,可以簡(jiǎn)化用戶的功率控制,降低系統(tǒng)對(duì)功率控制精度的要求。在相同的系統(tǒng)性能要求下,結(jié)合使用功率控制技術(shù)及多用戶檢測(cè)技術(shù)來(lái)減少M(fèi)UD的復(fù)雜度,比單純地尋找低復(fù)雜度的MUD算法更容易實(shí)現(xiàn)。由于MAI的消除,用戶在較小的信噪比下就可達(dá)到可靠的性能,用戶信噪比的降低可以直接轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)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(tǒng)容量。?

3 模擬結(jié)果?

??? 上行容量在一定的用戶分布條件下, 通過(guò)仿真來(lái)計(jì)算。理論上小區(qū)間的干擾來(lái)自于服務(wù)小區(qū)周圍所有的基站,第四層以外的基站對(duì)服務(wù)小區(qū)內(nèi)用戶的小區(qū)間干擾可以忽略, 只需考慮第一、二、三層基站的干擾。業(yè)務(wù)密集地區(qū)系統(tǒng)容量一般以上行容量來(lái)規(guī)劃,因此基于兩類業(yè)務(wù)加以分析其上行容量。假設(shè)采用12.2kb/s話音業(yè)務(wù)為參考業(yè)務(wù), 則(E_b/N_o)_min=5dB。移動(dòng)終端以車速移動(dòng)時(shí),其傳轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)速率為144kb/s,假設(shè)(E_b/N_o)_min=1.5dB,則系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)差σ和系統(tǒng)中斷概率P關(guān)系對(duì)系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)差σ取不同值情況下,中斷概率為每小區(qū)平均用戶數(shù)的函數(shù)。P=10^-2時(shí),每1dB的功控誤差將會(huì)造成系統(tǒng)容量每小區(qū)25個(gè)用戶的損失。?

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??? 圖3描述了R_b=144kb/s時(shí)功率控制誤差對(duì)中斷概率和系統(tǒng)容量的影響。P=10^-2時(shí),非理想功率控制的標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到2dB時(shí),容量降低為每小區(qū)7個(gè)用戶。

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??? β是由于在上行信道中采用多用戶檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)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(shù),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(cè)技術(shù)(β因子)對(duì)系統(tǒng)容量的影響較大,β越高,WCDMA系統(tǒng)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(tǒng)容量,同時(shí)MUD顯著降低了系統(tǒng)的遠(yuǎn)近效應(yīng),可以緩解系統(tǒng)對(duì)功率控制的需求。?

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??? 本文對(duì)WCDMA高空平臺(tái)通信系統(tǒng)上行鏈路性能進(jìn)行了理論分析,研究了非理想功率控制和多用戶檢測(cè)對(duì)系統(tǒng)容量的影響,為實(shí)際應(yīng)用中改善系統(tǒng)功率控制,提高系統(tǒng)的容量提供了參考依據(jù)。假設(shè)一種用戶模型, 每個(gè)小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)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(huì)明顯降低系統(tǒng)業(yè)務(wù)容量。多用戶檢測(cè)可以降低系統(tǒng)對(duì)功率控制精度的要求,顯著提高系統(tǒng)容量,改善系統(tǒng)性能。將功率控制與多用戶檢測(cè)結(jié)合使用,對(duì)最大限度地提高HAPS系統(tǒng)容量具有重要意義。?

參考文獻(xiàn)?

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