FDD-CDMA下行鏈路的波束形成

　(28)

五、有效發(fā)送功率的設(shè)置

由于本系統(tǒng)中，假設(shè)所有基站向所有用戶發(fā)送相同的有效功率.因此下行鏈路的功率控制被簡(jiǎn)化，這與IS-95中的下行鏈路功率控制不同.值得注意的是用戶最終能接收到多少功率?式(26)分子部分表示用戶接收的信號(hào)功率.該項(xiàng)與有效發(fā)送功率Peff等有關(guān).下面分兩種情況討論有效發(fā)送功率Peff的設(shè)置：

(1)忽略白高斯噪聲.當(dāng)白高斯噪聲相對(duì)于多址干擾較小時(shí)，可忽略它.由式(11)和式(26)可知，接收機(jī)的性能與有效發(fā)送功率Peff的大小無(wú)關(guān).

(2)考慮白高斯噪聲.多址干擾對(duì)用戶接收性能的干擾與有效發(fā)送功率的大小無(wú)關(guān).用戶的性能取決于噪聲功率和陰影衰落的路徑損耗，因此設(shè)置合適的有效發(fā)送功率是為了克服噪聲功率、陰影衰落和路徑損耗.從式(26)可看出用戶的SINR是一個(gè)隨機(jī)變量，對(duì)于給定的誤碼率和中斷率可通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真求出一個(gè)合適的有效發(fā)送功率.為了保證用戶在所屬基站覆蓋區(qū)域都能滿足性能要求，有效發(fā)送功率的確定必須以滿足最基站邊遠(yuǎn)用戶性能為準(zhǔn)則.這種方法的一個(gè)代價(jià)是對(duì)于接近基站用戶來(lái)說(shuō)，基站浪費(fèi)了部分發(fā)射功率.

六、仿真結(jié)果

本文假設(shè)每一個(gè)基站采用三個(gè)120度扇區(qū).在仿真中，我們僅考慮相鄰小區(qū)的干擾，如圖2所示.目標(biāo)扇區(qū)基站1a與相鄰小區(qū)5(5a,5b,5c)和小于6(扇區(qū)6a,6b,6c)的移動(dòng)臺(tái)有干擾關(guān)系，而扇區(qū)1a中的移動(dòng)臺(tái)與扇區(qū)基站(2a,3a,4b,5b,6c,7c)有干擾關(guān)系.我們假設(shè)每個(gè)扇區(qū)有N個(gè)用戶，且在扇區(qū)內(nèi)均勻分布.整個(gè)仿真步驟描述如下：

圖2　蜂窩仿真模型(1)上行鏈路干擾模型.扇區(qū)基站1a受小區(qū)5和6中用戶的干擾;(2)下行鏈路干擾模型.扇區(qū)1a中的用戶受扇區(qū)基站2a,3a,4b,5b,6c,7c的干擾.

(1)在扇區(qū)內(nèi)按面積均勻分布隨機(jī)產(chǎn)生一移動(dòng)臺(tái)的位置(r,θ)，計(jì)算該移動(dòng)臺(tái)與干擾扇區(qū)基站的距離和入射方向.隨機(jī)產(chǎn)生陰影衰落，計(jì)算路徑增益β.一般來(lái)說(shuō)，移動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生是否合理與基站的切換方式下，上述在扇區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的位置是合理的.但在后一種切換的方式下，還應(yīng)考慮陰影衰落的效果，即當(dāng)移動(dòng)臺(tái)到所屬基站比到任一干擾基站的路徑增益要小時(shí)，重新啟動(dòng)步驟(1).本文考慮到CDMA系統(tǒng)中用戶較多，減少仿真計(jì)算量，故僅考慮了基于幾何切換的情況.在對(duì)于給定的角度擴(kuò)散，按式(1)隨機(jī)地產(chǎn)生矢量信道.對(duì)于來(lái)自鄰小區(qū)的干擾用戶或基站，其信號(hào)的入射角近似為零.

(2)利用上行信道的數(shù)據(jù)，為六干擾扇區(qū)(2a,3a,4b,5b,6c,7c)的每一用戶計(jì)算陣列相關(guān)矩陣和相對(duì)干擾總量.進(jìn)一步利用式(16)計(jì)算發(fā)送加權(quán)系數(shù).

(3)計(jì)算扇區(qū)1a中一個(gè)用戶接收到的信號(hào)功率和干擾總和.圖3給出了當(dāng)用戶數(shù)N=20時(shí)，角度擴(kuò)散Δ=5和Δ=20時(shí)的信噪比的累積分布函數(shù).本文中的數(shù)據(jù)是重復(fù)上述仿真三步驟2000次得到的.其它仿真參數(shù)：fd=50Hz，處理增益G=128，符號(hào)周期Ts=0.0001，相關(guān)矩陣是用50個(gè)符號(hào)平均而得，所需η=7dB.從圖中可以看出，最小相對(duì)干擾法的性能要比最大陣列增益法(同單小區(qū)的波束形成)的性能好得多.當(dāng)角度擴(kuò)大時(shí)，兩種方法的性能都有相當(dāng)大的提高.這有以下幾個(gè)原因：1)由于下行鏈路是同步發(fā)送的，同小區(qū)同頻干擾被忽略.2)鄰小區(qū)來(lái)的干擾信號(hào)的角度擴(kuò)散幾乎為零.因此，隨著鄰小區(qū)用戶的角度擴(kuò)散的增大，用戶受其它六個(gè)基站的干擾越小.圖4給出了角度擴(kuò)散Δ=10度，系統(tǒng)在不同用戶數(shù)時(shí)的中斷率曲線.顯然，隨著用戶數(shù)的增加，性能變差.同時(shí)，兩種方法的性能接近.這是因?yàn)橛脩魯?shù)的增加，干擾的總效果等同于白高斯噪聲，由這兩種方法確定的加權(quán)系數(shù)相近.

圖3　輸出信噪干擾比的累積概率分布函數(shù)(a)角度擴(kuò)散Δ=5度(b)角度擴(kuò)散Δ=20度

圖4　下行鏈路的中斷率隨用戶數(shù)的變化曲線

七、結(jié)　　論

在頻分雙工的CDMA系統(tǒng)中，下行鏈路的波束形成技術(shù)是智能天線應(yīng)用于基站的一個(gè)難點(diǎn).下行鏈路的加權(quán)系數(shù)與下行信道的相關(guān)矩陣相關(guān)，而不是瞬時(shí)陣列響應(yīng)矢量，而前者可由上行信道的相關(guān)矩陣直接或變換得到.加權(quán)系數(shù)的最終確定與采用的準(zhǔn)則有關(guān).最小相對(duì)干擾方法由于考慮了鄰小區(qū)的干擾，獲得了比最大陣列增益方法好得多的性能.當(dāng)然，當(dāng)用戶數(shù)較多時(shí)，兩者性能接近，而前者的計(jì)算量要大得多.值得指出的是當(dāng)總的干擾等效于白高斯噪聲時(shí)，發(fā)送天線陣列的主要任務(wù)是如何在頻率非選擇性信道下，提供分集效果.