WCDMA無線接口物理層下行鏈路抗干擾仿真模型

引言

WCDMA 是在1998 年1 月的ETSI 會議上由歐洲作為IMT - 2000 (即3G) 的建議提出的,與北美CDMA2000 同為IMT - 2000 的主流傳輸制式,也是ITU - T 業(yè)已完成標準化工作的3 種制式(CDMA2000、WCDMA、TD - SCDMA) 之一。WCDMA 與IS - 95 相比,采用了寬帶擴頻技術(shù),這樣能更好地利用WCDMA 的優(yōu)點,如統(tǒng)計復(fù)用、多徑分辨和利用等。WCDMA 系統(tǒng)支持寬帶業(yè)務(wù),可有效支持電路交換業(yè)務(wù)(如PSTN、ISDN 網(wǎng)) 、分組交換業(yè)務(wù)(如IP 網(wǎng)) 。靈活的無線協(xié)議可在一個載波內(nèi)對同一用戶同時支持話音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)。通過透明或非透明傳輸塊來支持實時、非實時業(yè)務(wù)。WCDMA 采用DS - CDMA 多址方式,碼片速率為3. 84Mcps ,載波帶寬為5MHz。

WCDMA 物理層分析

整個WCDMA 系統(tǒng)由三部分組成,即CN(核心網(wǎng)) 、UTRAN(無線接入網(wǎng)) 和UE(用戶裝置) 。CN與UTRAN 的接口定義為Iu 接口,UTRAN 與UE 的接口定義為Uu 接口。Uu 接口分為3 個協(xié)議層:物理層(L1) 、數(shù)據(jù)鏈路層(L2) 和網(wǎng)絡(luò)層(L3) 。

物理層(L1) 是衡量不同體制的移動通信系統(tǒng)的主要方面之一。終端與基站間的單純物理鏈路采用何種信號處理的結(jié)構(gòu),直接關(guān)系到整體的業(yè)務(wù)性能,并且對其他層的協(xié)議也有很大的影響。從手機和基站設(shè)備的基帶處理能力而言,物理層關(guān)系到設(shè)備的復(fù)雜度。另外,第三代系統(tǒng)同樣著眼于業(yè)務(wù)的寬帶,所以物理層不僅圍繞單一的業(yè)務(wù),而且也考慮到將來引入的業(yè)務(wù)所需的更多變化。

物理層提供物理信道,并在此信道上傳輸原始比特,為MAC 層和更高層提供信息傳輸服務(wù),包括物理信道的調(diào)制與擴頻、信道的編譯碼、軟切換的實施、頻率和時間(chip ,bit ,slot ,frame) 的同步及閉環(huán)功率控制等。物理信道分為專用物理信道(DPCH) 和公共物理信道(CPCH) 。

專用下行物理信道

專用下行物理信道指專用下行DPCH。DPCH 信道的上層數(shù)據(jù)(專用傳輸信道DCH 的信息) 和物理層產(chǎn)生的控制信息進行時分復(fù)用,控制信息包括固定的導(dǎo)頻比特、TPC 指令、可選的TFCI 比特。時分復(fù)用的目的是節(jié)約基站的碼樹資源,并減低總體發(fā)射功率。下行DPCH 可看成是下行DPDCH 和下行DPCCH 的時分復(fù)用。

下行DPCH 的幀結(jié)構(gòu)如圖1 所示。每幀長10ms ,由15 個時隙組成,時隙長為Tslot = 2560 個碼片,對應(yīng)一個功率控制指令周期。

公共下行物理信道

公共下行物理信道包括:主公共控制物理信道(P-CCPCH) ,次公共控制物理信道(S-CCPCH) ,下行共享物理信道(PDSCH) ,公共導(dǎo)頻信道(CPICH) ,同步信道(SCH) ,尋呼指示信道(PICH) ,捕獲指示信道(AICH) ,接入前綴- 捕獲指示信道(AP-AICH) ,CPCH 狀態(tài)指示信道(CSICH) ,碰撞檢測/ 信道分配指示信道(CD/ CA-ICH) ,響應(yīng)HS-DSCH 的共享控制物理信道(HS-SCCH) 和高速物理下行共享信道(HS-PDSCH) 。

干擾

在WCDMA 中,主要有兩種類型的干擾:多址干擾和人為強干擾。WCDMA 是一個自干擾系統(tǒng),在接收端由于信道衰落、干擾、信號時延等原因,接收符號序列通常難以保持正交,這就導(dǎo)致了多址干擾,這種干擾是結(jié)構(gòu)性的而非高斯白噪聲。多址干擾包括小區(qū)內(nèi)干擾和鄰區(qū)干擾。在下行鏈路中鄰區(qū)干擾主要表現(xiàn)為相鄰小區(qū)的基站對本小區(qū)基站的干擾;小區(qū)內(nèi)干擾主要表現(xiàn)為其它用戶對接收用戶的干擾,以及各物理信道間的干擾。采用具有低互相關(guān)性的擴頻序列,采用功率控制和多用戶檢測技術(shù)均可抑制多址干擾。

本文主要研究的是WCDMA 無線接口的抗人為強干擾問題。干擾信號的模型如圖2 所示。隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生干擾比特流,然后經(jīng)過擴頻加擾,再對擴頻加擾后的信號進行調(diào)制,輸出的干擾信號是一簡單的擴頻信號。

輸出的干擾信號將被送入信道。在傳輸過程中,干擾信號將產(chǎn)生衰減,并且被延遲。設(shè)預(yù)先給定的目標信號和干擾信號的信干比為SIR ,相對時延為τ。

設(shè)傳輸干擾信號的信道的衰減因子為scale 。假設(shè)到達接收端前端的一幀信號為signal [38400 *8 ] ,則信號平均功率為:

同理,可計算出調(diào)制后的干擾序列經(jīng)過信道后的平均功率interference-power ,令

則由公式(1) 和(2) 可以計算出衰減因子scale 。

仿真模型

系統(tǒng)的仿真模型

對WCDMA 無線接口物理層的仿真,主要是對WCDMA 的Uu 接口物理層下行鏈路進行分析和仿真�；�于Visual C ++ 6. 0為開發(fā)平臺,開發(fā)WCDMA 無線接口仿真軟件,仿真模型如圖3 所示。圖中的信道均指統(tǒng)計信道模型。

N 個用戶的數(shù)據(jù)分別進入信道編碼及復(fù)接模塊,經(jīng)擴頻和加擾后,進入物理信道合并模塊合并成一路比特流,此比特流經(jīng)過調(diào)制后送入信道。發(fā)送比特流經(jīng)由不同的信道1 i 傳輸?shù)竭_用戶接收端,而人為強干擾信號也經(jīng)過不同的信道2 i 傳輸。到達用戶接收端的比特流是加入了人為強干擾和高斯白噪聲的發(fā)送比特流。各用戶對接收比特流進行解調(diào)、匹配濾波、去擾解擴和去復(fù)用解碼后得到各用戶的數(shù)據(jù)。對各用戶的數(shù)據(jù)與發(fā)送端對應(yīng)的用戶數(shù)據(jù)進行分析、比較,計算其誤碼率, 并以此為基礎(chǔ)分析WCDMA 無線接口的抗干擾性能。

仿真模型各模塊說明

在發(fā)送端,數(shù)據(jù)在每個傳輸時間間隔(TTI) 以傳輸塊集的形式到達信道編碼及復(fù)接模塊,主要完成檢錯、信道編碼、速率匹配、傳輸信道復(fù)接、物理信道映射等操作。傳輸信道可用的編碼方案為卷積編碼、Turbo 編碼、不編碼。在擴頻加擾模塊,采用正交可變擴頻因子碼序列(OVSF) 作為信道化擴頻碼序列,將數(shù)據(jù)符號按位轉(zhuǎn)換為一組碼片序列,擴展數(shù)據(jù)信息的帶寬;對擴頻后的信號再進行擾碼操作。擴頻加擾后的各路信道進入物理信道合并模塊,將所有下行鏈路物理信道合并起來并送入調(diào)制模塊�？捎玫恼{(diào)制方式為QPSK調(diào)制、16QAM調(diào)制。而圖中的信道均指寬帶衰落信道統(tǒng)計模型,在接收端,匹配濾波器濾除其它用戶數(shù)據(jù),輸出屬于接收用戶的數(shù)據(jù)。

二次擴頻加擾

二次擴頻加擾

擴頻技術(shù)對系統(tǒng)的抗干擾性能起著決定性作用。直擴系統(tǒng)對干擾的抗拒能力可用擴頻增益GP= 10 ×lg( SF) 來表示。由于WCDMA 無線接口使用的擴頻因子有限(上行鏈路SFmax = 256 ,下行鏈路SFmax = 512) ,所以系統(tǒng)抗干擾的能力受到了限制,因此本文提出二次擴頻加擾技術(shù)。二次擴頻加擾是在原有擴頻加擾模塊后追加的一個模塊,其它各模塊保持不變,如圖4 所示。

設(shè)一次擴頻因子和擾碼分為SF1 、Scram1 ,二次擴頻因子和擾碼分為SF2 、Scram2 。當一次擴頻加擾后,一幀的長度為38400chips ,此時將該幀分為n 段, n = SF2 ,每段的長度為length = 38400/ SF2 。然后把每段用擴頻因子為SF2 的OVSF 碼進行擴頻,并用Scram2 加擾,最后送到調(diào)制模塊,直到發(fā)送完一幀中的所有分段,再繼續(xù)下一幀的分段與發(fā)送。

二次擴頻加擾的優(yōu)缺點

從二次擴頻加擾的發(fā)送過程可知,發(fā)送的信息速率將變?yōu)樵瓉硇畔⑺俾实?/ SF2 。設(shè)一次擴頻的擴頻增益為Gp1 = 10 ×lg( SF1) ,二次擴頻的擴頻增益為Gp2 = 10 ×lg( SF2) ,則總的擴頻增益為:

由此可見,增大SF2 可有效地提高系統(tǒng)的擴頻增益, 改進系統(tǒng)的抗干擾性能, 增加擾碼捕獲的難度;但同時卻降低了信息傳輸速率,即二次擴頻加擾技術(shù)是以降低信息傳輸速率為代價來換取傳輸可靠性的提高(兩次擴頻級聯(lián),增大擴頻因子) 。因此我們可以根據(jù)干擾的強度來適當選取不同的SF2 ,以滿足在信息可靠傳輸?shù)臈l件下,盡可能地提高信息傳輸速率。

結(jié)束語

本文主要分析了WCDMA 無線接口物理層,并在此基礎(chǔ)上建立了WCDMA 無線接口的抗人為強干擾模型。最后介紹了一種以降低信息比特傳輸速率為代價換取更高傳輸可靠性的方法:二次擴頻加擾技術(shù)。并以此為基礎(chǔ)探討了WCDMA 無線接入技術(shù)應(yīng)用于軍用PCS 網(wǎng)絡(luò)時可能產(chǎn)生的問題,分析了軍用PCS 系統(tǒng)的抗人為強干擾性能。