提高W-CDMA通信系统容量的技术

第2代移动通信系统提供的主要话音业务正转向第3代系统在Internet上提供的多媒体数据业务，新世纪的需求促进移动接入互联网、高质量视频移动传输等宽带业务的增长。目前，W-CDMA/FDD已被采纳为IMT-2000的一种无线接入和双工制式。DS-CDMA接入技术在频带利用率、软切换、RAKE分集和自适应天线阵分集接收和发射等方面明显优越于TDMA和FDMA接入技术。欲进一步提高W-CDMA通信系统的容量，就要减少系统内多径干扰(MPI)和多址干扰(MAI)。其在物理层采用的关键技术有：

（1）小区间异步操作和3步快速小区搜索。
（2）在前向和反向链路上采用相干检测和基于信干比快速发射功率控制(TPC)来提高链路容量。
（3）以正交可变扩频因子(OVSF)复用和正交多码传输技术灵活地提供多速率业务。
（4）以干扰抵消(IC)和自适应天线阵列分集(AAAD)接收和发射来提高系统的容量。

　　1 小区间异步操作和3步快速小区搜索

　　在小区间异步操作中，无需类似GPS的外部定时源，采用两级扩频码分配就可以实现系统的灵活性。在前向链路中，以各自扰乱码来区分小区部位。而小区部位中，各个控制和流量信道则由各自不同的正交可变扩频因子(OVFS)来指定。采用扰乱码屏蔽的3步小区搜索法可进一步减少小区搜索时间。3步小区搜索法的基本步骤为：第1步，启用主同步码的匹配滤波器，在T1周期内均化匹配滤波器的输出，检测主同步信道的最大平均相关值的定时位置；第2步，在T2周期根据一组副同步码和接收信号的互相关值来确立对应的扰乱码群；第3步，具有最大相关值的扰乱码可作为被搜索的扰乱码，根据接收信号和候选扰乱码的相关函数在T3周期内的均值来确定相应扰乱码。为了减少错误检测率，在帧同步校验阶段增设确认模式，即一旦在两个连续的周期内确认失同步，小区搜索过程返回第1步重新开始[1]。

　　2 相干信道估值和基于SIR的快速TPC

　　上下行链路均采用引导符号辅助相干检测，匹配滤波器对接收到的多径信号进行解扩并分离成L条多径QPSK调制信号,相干RAKE组合。假定：在l条路径第k个时隙第n个符号采取解扩码为rl(n,k)，则RAKE组合输出为：

其中,是信道估计值的转置,为接收信号在解交织和信道解码后，所恢复的发端信息序列。信道估计值是信道估计滤波器提取的多时隙估值加权平均(WMSA)，最后信道估计值为：

　　其中，αi为加权值，J为时隙数目。WMSA算法在慢衰落环境下是十分有效的[2]。

　　基于RAKE组合信号的信号干扰比(SIR)测量的快速发射功率控制可以依据上下行链路的流量负载来调整发射功率，降低其它用户在其它小区和用户本身在所在小区的干扰，从而提高系统容量。快速TPC含有两个环路，即内外环。内环测量每个时隙的SIR，并与目标值比较，产生TPC指令来调整发射功率信号所占时隙长度，提高或降低发射功率。即使出现所接收的SIR与目标值相同，由于帧差错率受路径数、多普勒频移和SIR等影响，其接收质量并不相同，因此还需外环来控制目标SIR，使所测量的帧错误检测率逼近目标值。

　　3 位置分集

　位置分集或称之为软切换，它作为IS95 CDMA的技术标准，与快速TPC技术一起改善因多径衰落和邻近小区边缘阴影效应而影响的系统质量。在信道编码前,上行链路中信息源数据序列包含与移动台有关的N个基站扰乱码。含有RAKE分集接收的移动台所接收的信号在信道解码后按最大比率组合准则进行符号判决，而在下行链路还增加小区位置分集，各位置RAKE组合信号按最大比率组合准则组合。基站中硬判决数据序列与有关信道可靠性信息一起送至无线网络控制器(RNC)，依据可靠性信息，所传数据序列和选择的时隙组合后判决。
反向链路小区位置分集性能取决于所采用信息可靠的类型，有两种可靠性信息类型的选择组合(SC)，即在选择期间TSEL，计算循环冗余校验(CRC)和在交织期间TILV，测量平均接收信干比(SIR)。

　　一种方案是在若干时隙上所测量的SIR值大于快速TPC的目标值NSIL，在TILV期间，减少TPC指令的比特数降低发射功率，在RNC中执行下述步骤,进行选择组合：

　　(1)当来自N个基站的多个解码数据序列为无CRC帧差错，在TSEL期间，从有效CRC的数据序列中选择一个。

　　(2)当来自N个基站的多个解码数据序列为有CRC帧差错，在TSEL期间，选择在TILV期间具有较大NSIL的数据序列。

　　当快速TPC应用到前向链路小区间位置分集模式时，每个基站独立地遵循来自移动台从反向链路传来的TPC指令。若反向链路产生TPC指令差错，每个基站的发射功率就不同，基站间发射功率差异会导致位置分集增益的降低和对其它用户干扰的增加。为了解决这个问题，可采取图1的双环算法来减少TPC差错影响和保持基站发射功率相同[3]。

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图1 前向链路位置分集和TPC组合工作原理

　　4 发射分集

　　3GPP标准在不增加移动台复杂性的情况下，基站利用若干付天线组成发射分集，可以改进前向链路传输性能，如在两付天线的相同载频相位上发射具有相同扩频码和不同数据调制的公共引导信道。采用两个开环的发射分集即时间交替发射分集(TSTD)和空时发射分集(STTD)。其中TSTD可用于同步信道，时隙交替地从两付天线上发射同步信道，使突发差错为随机分布，易于改进检测概率；而STTD用于公共控制物理信道，在两付天线上以相同信道编码后并行地发射两个数据序列，也易改进检测概率。

　　闭环发射分集主要用于专用物理信道，发射分集权值是由移动台产生的反馈信息(FBI)控制。产生反馈信息可以有3种模式。令，其中，W1,2为发射天线权值。
(1) 在模式1，第2付天线的发射相位?2随着来自移动台的FBI以π/4精度而变化，从而在组合后使接收到的SIR为最大。这个过程可表示成：

　　(2) 在模式2，以π为精度进行自适应发射相位分集，即：

　　(3) 模式3为选择发射分集(STD），即自适应改变发射天线的振幅，即：

　　5 相干多级干扰抵消

　　日本NTT DoCoMo研制的W-CDMA实验系统中，在反向链路采用相干多级干扰抵消(COMSIC)和相干自适应天线阵列分集(CAAAD)，而在正向链路采取自适应天线阵列发射分集(AAA-TD)。前者参见图2[4]。

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图2 COMSIC接收机原理框图

　　在基站接收端，用户扩频信号由两付天线接收组合，分别由平方根升余弦奈奎斯特滤波器以4×1.024 MHz取样率进行滤波和取样。COMSIC模块的输出信号进行解交织和Viterbi软判决译码来恢复所传输的信息。基于SIR测量的快速TPC控制移动台发射功率的降低。

　　COMSIC模块含有信道阵列组、并行信道估值和干扰样本产生单元(CEIGU)，1个CEIGU对应每级每个用户。每付天线接收到的扩频组合信号的取样序列在匹配滤波器解扩，依据在每个时隙中导引和数据信号测量每个用户的信号功率，并依大小排队。在每个用户进行CEIGU处理前，从所接收到的扩频组合信号中扣除其它用户干扰的复制信号。匹配滤波器输出解扩组合信号为空间分集中独立分支的路径信号，RAKE组合每付天线中两条路径信号。每条路径的信道变量引导符号辅助(PSA)信道估值滤波器和相干RAKE来估值。RAKE分集进行试验数据检测和信道估值，定时产生每条路径复制品：IK(0)(P)或IK(1)(P)。

　　6 自适应天线阵列分集

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图3 CAAAD处理原理

图4 CAAAD收发方框图

　　图3为含有4付天线的相干自适应天线阵列分集(CAAAD)收发原理图。在接收端，基带同相和正交支路以4×4.096 MHz速率抽样。图4为在CAAAD接收机中数据波束形成器和RAKE组合的原理，它含有匹配滤波器、数字波束形成器、引导符号辅助相干RAKE组合器和加权控制器。天线接收的所有信号经过匹配滤波器输出为可分辨路径样值信号，经过加权组合，构成接收的天线波束图，使得组合信号的平均SIR值最大[5]。以不同分辨路径相干RAKE组合信号在两个相邻时隙内的导引符号来估计波束形成器输出端的合成信道增益，每4个符号间隔采用归一化最小均方算法对天线的加权值进行调整，利用周期接收到的导引符号和专用试验数据符号来复制干扰信号样本。在发射端，编码数据在基带处理块中进行加权相乘，在转换为模拟信号后，基带模拟信号由正交调制器调制，由功率放大器进行放大。因衰落引起的瞬时信道变化在反向链路波束形成中无法反映，可利用反向链路接收天线加权来调整发射波束和进行天线加权校准工作。

　　参考文献

1 Mamoru S, kenichi H, Shinya T. Enhanced Wireless Access Technologies and Experiments for W-CDMA Communications. IEEE PC-M, 2000, 7(6): 6?16
2 Shingo O, Yasusbi Y, Nobuo N. The Future Generation of Mobile Communications Based on Broadband Access Technologies. IEEE C-M, 2000, 38(12): 134?142
3 Martin H, Werner M. The Complete Solution for Third Generation Wireless Communication: Two Modes on Air One Winning Strategy. IEEE PC-M, 2000, 7(6): 18?24
4 Huang V, Zhuang W H. Optimal Resource Management in Packet Switching TDD CDMA Systems. IEEE PC-M, 2000, 7(12): 26?31
5 Koulakiotis D, Aghvami A H. Data Detection Techniques for DS-CDMA Mobile Systems: A Review. IEEE PC-M, 2000, 7(6): 22?34

[摘要] 文章主要讨论了提高W-CDMA通信系统容量采取的技术,包括：小区间异步操作和3步快速小区搜索、引导符号辅助相干信道估计、基于信干功率比的快速发射功率控制、位置分集、前向链路的发射分集，以及干扰抵消和自适应天线阵列分集接收和发射。

[关键词] W-CDMA；通信系统；容量；技术

[Abstract] The technologies used in W-CDMA communication system for improving the system capacity are discussed in the paper. These technologies include inter-cell asynchronous operation and three-step fast cell search, pilot symbol assisted coherent channel estimation, SIR based fast transmitting power control, site diversity, and transmitting diversity in the forward link, interference cancellation and adaptive antenna array diversity receiver/transmitter.

[Keywords] W-CDMA; Communication System; Capacity; Technology