摘  要: 高空平台" title="高空平台">高空平台(HAPS)通信系统" title="通信系统">通信系统是近年来正处于先期研究的新型信息系统。理论分析了非理想功率控制" title="功率控制">功率控制和多用户检测" title="多用户检测">多用户检测(MUD)对HAPS通信系统上行链路的影响,分析这两种技术的工作原理,探讨在WCDMA 应用中结合使用两种技术的可行性和方法。 

    关键词: HAPS; 功率控制; 多用户检测 

    高空平台HAPS(High Altitude Platform Station)通信系统是一种利用气球、飞艇和太阳能飞机作为高空平台的无线和光纤中继通信系统,它的出现被认为是通信技术的一次变革。根据ITU的定义, HAPS通信系统是一种位于平流层的无线基站,通过位于20km~50km高空的电台向地面用户提供固定和移动业务,是一种良好的具有潜在应用价值的无线接入手段^[1]。HAPS与卫星通信、地面通信相比有许多明显的特点。和卫星通信系统相比,费用低廉、延迟时间小、建设快、容量大^[2];与地面通信相比,它的多径衰落小、覆盖面积大。所以,它是很有发展前途的一种通信手段。HAPS作为3G的基站时,与第三代移动通信系统兼容,构成与地面蜂窝相互配合的通信网。 

    WCDMA是第三代蜂窝移动通信系统主要采纳的空中接口方案。功率控制是WCDMA系统的关键技术之一。由于远近效应和自干扰问题,功率控制是否有效直接决定了WCDMA系统是否可用,并且很大程度上决定了WCDMA系统性能的优劣,对于系统容量、覆盖、业务的QoS(系统服务质量)都有重要影响。功率控制的目的是在保证用户要求的QoS的前提下最大程度地降低发射功率,减少系统干扰从而增加系统容量。在实际当中,由于空间信号存在衰落呈现出随机性,所以功率控制有一定的滞后和偏差,并不能完全补偿衰落造成的信号损失,因此功率控制是非理想的。 

    对于WCDMA,信道的非正交性和扩频码字的非正交性,导致用户间存在相互干扰MAI(Multi-Address Interference),即多址干扰,而能够抑制多址干扰的就是多用户检测技术MUD(Multi User Detection)。多用户检测是近十年来在相关检测的基础上发展起来的一种有效的抗干扰措施,它利用多址干扰的各种可知信息对目标用户的信号进行联合检测,从而具有较好的抗多址干扰能力,可以更加有效地利用上行链路频谱资源,显著提高系统容量。随着3G的建设和发展,在WCDMA高空平台系统中结合使用功率控制和多用户检测这两种技术来最大限度地提高系统容量具有很大的实际意义。 

1 系统模型 

    本文采用的系统模型是承载WCDMA通信系统,飞行物长时间稳定停留在平流层中固定位置的高空平台,高度为22km。HAPS上行链路干扰模型如图1所示。为充分利用频谱资源,必然要在高空平台上使用多波束天线,通过多个使用相同频段的波束照射不同的地面区域进行频率复用^[3]。每一个波束覆盖区域对应一个蜂窝小区。飞行物较易受风或压力变化的影响,它必须抵消由次产生的漂移。相邻的高空平台间有空中互连链路,这使得平流层通信系统在系统覆盖区域内可以提供无缝接力通信。参考小区位于HAPS的正下方,外部有M层干扰小区。一个用户受到的多址干扰包括本小区内其他用户信号的干扰以及别的小区的用户信号的干扰。假设每个小区各类业务的移动台" title="移动台">移动台均匀分布,且每个小区内用户数n服从以下泊松分布: 

其中λ是每个小区的平均用户数。根据模型,各个小区的用户数互相独立^[4],即使每个小区的平均用户数相等,系统瞬时容量也不一样。 

2 上行链路干扰分析 

移动台接收到的比特能量与干扰功率谱密度之比E_b/N_o是决定上行链路容量的主要因素,它可表示为:  

其中W为系统带宽,R_b为信息速率,表示移动用户i在基站端的信号强度,P_i是理想功率控制条件下基站接收的功率,α等于ln(10)/10,θ_k是均值为0、方差为σ的高斯分布的随机变量,σ代表用dB 表示的功率控制误差,功率控制的误差可以建模为对数正态分布的随机变量。I_intra是小区内干扰,I_inter是小区间干扰,β是MUD的效率,表示在基站接收机处通过MUD去除的小区内干扰的百分比,η_j为热噪声。β值为0表示不采用MUD,是基于常规RAKE接收机的情况。基站设置的反向业务信道E_b/N_o目标值(E_b/N_o)_min是反向信道的一个限制。当基站所接收到的反向业务信道的能量达不到一定的值时,基站将掉话,从而中断前向业务信道的发送。 

2.1 小区内干扰 

　　假设本小区共有N₀位用户,本小区内的其他用户对该用户造成的多址干扰为^[5]: 

2.2 小区间干扰 

    如图1所示,对于处于(r_ij,θ_ij)处的移动台,假设BS_j是它的服务基站,移动台i在基站 BS_j端的信号强度为: 

    P_Ti为移动台的传输功率,L_ij为自由空间损耗和阴影衰落损耗,计算出基站BS_j与该移动台i之间的夹角ψ_ij就可以得到基站的增益值。同时,移动台i在基站BS₀端产生的干扰功率为: 

    基站BS₀与该移动台i之间的夹角为ψ_i0。与HAPS平台高度相比,相控阵天线空间维数可以忽略不计,L_ij和L_i0之间的夹角ω非常小,因此从移动台i发射的无线电波会沿相同的传播路径到达基站BS_j和BS₀,并服从相同的阴影衰落^[6],从而L_ij=L_i0,小区间的干扰来自于服务小区周围的基站,将(4)式代入(5)式,小区间干扰可表示为: 

    K是周围干扰小区数,N_j是第j个小区内的用户数。 

2.3 多用户检测 

    多用户检测是第三代移动通信系统中WCDMA通信系统抗干扰的关键技术。MUD技术在传统检测技术的基础上,充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对多个用户做联合检测或从接收信号中减掉相互间干扰的方法,有效地消除MAI的影响,从而具有优良的抗干扰性能。这种方式解决了远近效应问题,可以简化用户的功率控制,降低系统对功率控制精度的要求。在相同的系统性能要求下,结合使用功率控制技术及多用户检测技术来减少MUD的复杂度,比单纯地寻找低复杂度的MUD算法更容易实现。由于MAI的消除,用户在较小的信噪比下就可达到可靠的性能,用户信噪比的降低可以直接转化为系统容量的增加,因此可以更加有效地利用链路频谱资源,显著提高系统容量。 

3 模拟结果 

    上行容量在一定的用户分布条件下, 通过仿真来计算。理论上小区间的干扰来自于服务小区周围所有的基站,第四层以外的基站对服务小区内用户的小区间干扰可以忽略, 只需考虑第一、二、三层基站的干扰。业务密集地区系统容量一般以上行容量来规划,因此基于两类业务加以分析其上行容量。假设采用12.2kb/s话音业务为参考业务, 则(E_b/N_o)_min=5dB。移动终端以车速移动时,其传转数据速率为144kb/s,假设(E_b/N_o)_min=1.5dB,则系统带宽W取为5MHz,P_i/η_j为-1dB。 

    首先,分析非理想功率控制下阴影衰落标准差σ和系统中断概率P关系对系统上行容量的影响。图2中,信息比特速率R_b=12.2kb/s,在阴影标准差σ取不同值情况下,中断概率为每小区平均用户数的函数。P=10^-2时,每1dB的功控误差将会造成系统容量每小区25个用户的损失。 

    图3描述了R_b=144kb/s时功率控制误差对中断概率和系统容量的影响。P=10^-2时,非理想功率控制的标准偏差达到2dB时,容量降低为每小区7个用户。

    β是由于在上行信道中采用多用户检测技术的相关作用而引起的干扰消除,即干扰消除因子, 如果不采用MUD技术,则β=0,否则β介于0和1之间。从图4和5可以看出, σ=1dB,多用户检测技术(β因子)对系统容量的影响较大,β越高,WCDMA系统容量的改善越好。MUD提供了降低多路接入干扰的影响,因而增加系统容量,同时MUD显著降低了系统的远近效应,可以缓解系统对功率控制的需求。 

    本文对WCDMA高空平台通信系统上行链路性能进行了理论分析,研究了非理想功率控制和多用户检测对系统容量的影响,为实际应用中改善系统功率控制,提高系统的容量提供了参考依据。假设一种用户模型, 每个小区内用户数服从泊松分布,而非固定,然后基于该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会明显降低系统业务容量。多用户检测可以降低系统对功率控制精度的要求,显著提高系统容量,改善系统性能。将功率控制与多用户检测结合使用,对最大限度地提高HAPS系统容量具有重要意义。 

参考文献 

[1] KARAPANTAZIS S, PAVLIDOU F N. Broadband communications via high altitude platforms (HAPs) - a survey. IEEE Commun. Surveys and Tut., First Quarter 2005 issue. 

[2] AHMED B T, RAMON M C, ARIET L H. On the high  altitude platform(HAP) W-CDMA system capacity. Radioengineering, 2004,13(2):36-40. 

[3] JABU B E, STEELE R. Cellular communications using  aerial platforms. IEEE Trans. Veh. Technol., 2001,50(3): 686-700. 

[4] ROMERO-Jerez J M, T′ELLEZ-Labao C, D′IAZ-Estrella A.Effect of power control imperfections on the reverse link of cellular CDMA networks under multipath fading. IEEE  Trans.Veh. Technol,2004, 53:61-71. 

[5] FOO Y C, LIM W L, TAFAZOLLI R. Other-cell interference and reverse link capacity of high altitude platform station CDMA system. IEE electronics letters,2000,36(26): 1881-1882. 

[6] FOO Y C, LIM W L, TAFAZOLLI R, et al. Forward link power control for high altitude platform stations W-CDMA system. VTC 2001 Fall. IEEE VTS 54th: 625-629.