WCDMA无线接口物理层下行链路抗干扰仿真模型

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引言
WCDMA 是在1998 年1 月的ETSI 会议上由欧洲作为IMT - 2000 (即3G) 的建议提出的,与北美CDMA2000 同为IMT - 2000 的主流传输制式,也是ITU - T 业已完成标准化工作的3 种制式(CDMA2000、WCDMA、TD - SCDMA) 之一。WCDMA 与IS - 95 相比,采用了宽带扩频技术,这样能更好地利用WCDMA 的优点,如统计复用、多径分辨和利用等。WCDMA 系统支持宽带业务,可有效支持电路交换业务(如PSTN、ISDN 网) 、分组交换业务(如IP 网) 。灵活的无线协议可在一个载波内对同一用户同时支持话音、数据和多媒体业务。通过透明或非透明传输块来支持实时、非实时业务。WCDMA 采用DS - CDMA 多址方式,码片速率为3. 84Mcps ,载波带宽为5MHz。
WCDMA 物理层分析
整个WCDMA 系统由三部分组成,即CN(核心网) 、UTRAN(无线接入网) 和UE(用户装置) 。CN与UTRAN 的接口定义为Iu 接口,UTRAN 与UE 的接口定义为Uu 接口。Uu 接口分为3 个协议层:物理层(L1) 、数据链路层(L2) 和网络层(L3) 。
物理层(L1) 是衡量不同体制的移动通信系统的主要方面之一。终端与基站间的单纯物理链路采用何种信号处理的结构,直接关系到整体的业务性能,并且对其他层的协议也有很大的影响。从手机和基站设备的基带处理能力而言,物理层关系到设备的复杂度。另外,第三代系统同样着眼于业务的宽带,所以物理层不仅围绕单一的业务,而且也考虑到将来引入的业务所需的更多变化。
物理层提供物理信道,并在此信道上传输原始比特,为MAC 层和更高层提供信息传输服务,包括物理信道的调制与扩频、信道的编译码、软切换的实施、频率和时间(chip ,bit ,slot ,frame) 的同步及闭环功率控制等。物理信道分为专用物理信道(DPCH) 和公共物理信道(CPCH) 。
专用下行物理信道
专用下行物理信道指专用下行DPCH。DPCH 信道的上层数据(专用传输信道DCH 的信息) 和物理层产生的控制信息进行时分复用,控制信息包括固定的导频比特、TPC 指令、可选的TFCI 比特。时分复用的目的是节约基站的码树资源,并减低总体发射功率。下行DPCH 可看成是下行DPDCH 和下行DPCCH 的时分复用。

下行DPCH 的帧结构如图1 所示。每帧长10ms ,由15 个时隙组成,时隙长为Tslot = 2560 个码片,对应一个功率控制指令周期。
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) ,公共导频信道(CPICH) ,同步信道(SCH) ,寻呼指示信道(PICH) ,捕获指示信道(AICH) ,接入前缀- 捕获指示信道(AP-AICH) ,CPCH 状态指示信道(CSICH) ,碰撞检测/ 信道分配指示信道(CD/ CA-ICH) ,响应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) 。
干扰
在WCDMA 中,主要有两种类型的干扰:多址干扰和人为强干扰。WCDMA 是一个自干扰系统,在接收端由于信道衰落、干扰、信号时延等原因,接收符号序列通常难以保持正交,这就导致了多址干扰,这种干扰是结构性的而非高斯白噪声。多址干扰包括小区内干扰和邻区干扰。在下行链路中邻区干扰主要表现为相邻小区的基站对本小区基站的干扰;小区内干扰主要表现为其它用户对接收用户的干扰,以及各物理信道间的干扰。采用具有低互相关性的扩频序列,采用功率控制和多用户检测技术均可抑制多址干扰。

本文主要研究的是WCDMA 无线接口的抗人为强干扰问题。干扰信号的模型如图2 所示。随机数发生器产生干扰比特流,然后经过扩频加扰,再对扩频加扰后的信号进行调制,输出的干扰信号是一简单的扩频信号。
输出的干扰信号将被送入信道。在传输过程中,干扰信号将产生衰减,并且被延迟。设预先给定的目标信号和干扰信号的信干比为SIR ,相对时延为τ。
设传输干扰信号的信道的衰减因子为scale 。假设到达接收端前端的一帧信号为signal [38400 *8 ] ,则信号平均功率为:

同理,可计算出调制后的干扰序列经过信道后的平均功率interference-power ,令

则由公式(1) 和(2) 可以计算出衰减因子scale 。

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仿真模型
系统的仿真模型
对WCDMA 无线接口物理层的仿真,主要是对WCDMA 的Uu 接口物理层下行链路进行分析和仿真。基于Visual C ++ 6. 0为开发平台,开发WCDMA 无线接口仿真软件,仿真模型如图3 所示。图中的信道均指统计信道模型。

N 个用户的数据分别进入信道编码及复接模块,经扩频和加扰后,进入物理信道合并模块合并成一路比特流,此比特流经过调制后送入信道。发送比特流经由不同的信道1 i 传输到达用户接收端,而人为强干扰信号也经过不同的信道2 i 传输。到达用户接收端的比特流是加入了人为强干扰和高斯白噪声的发送比特流。各用户对接收比特流进行解调、匹配滤波、去扰解扩和去复用解码后得到各用户的数据。对各用户的数据与发送端对应的用户数据进行分析、比较,计算其误码率, 并以此为基础分析WCDMA 无线接口的抗干扰性能。
仿真模型各模块说明
在发送端,数据在每个传输时间间隔(TTI) 以传输块集的形式到达信道编码及复接模块,主要完成检错、信道编码、速率匹配、传输信道复接、物理信道映射等操作。传输信道可用的编码方案为卷积编码、Turbo 编码、不编码。在扩频加扰模块,采用正交可变扩频因子码序列(OVSF) 作为信道化扩频码序列,将数据符号按位转换为一组码片序列,扩展数据信息的带宽;对扩频后的信号再进行扰码操作。扩频加扰后的各路信道进入物理信道合并模块,将所有下行链路物理信道合并起来并送入调制模块。可用的调制方式为QPSK调制、16QAM调制。而图中的信道均指宽带衰落信道统计模型,在接收端,匹配滤波器滤除其它用户数据,输出属于接收用户的数据。
二次扩频加扰
二次扩频加扰
扩频技术对系统的抗干扰性能起着决定性作用。直扩系统对干扰的抗拒能力可用扩频增益GP= 10 ×lg( SF) 来表示。由于WCDMA 无线接口使用的扩频因子有限(上行链路SFmax = 256 ,下行链路SFmax = 512) ,所以系统抗干扰的能力受到了限制,因此本文提出二次扩频加扰技术。二次扩频加扰是在原有扩频加扰模块后追加的一个模块,其它各模块保持不变,如图4 所示。

设一次扩频因子和扰码分为SF1 、Scram1 ,二次扩频因子和扰码分为SF2 、Scram2 。当一次扩频加扰后,一帧的长度为38400chips ,此时将该帧分为n 段, n = SF2 ,每段的长度为length = 38400/ SF2 。然后把每段用扩频因子为SF2 的OVSF 码进行扩频,并用Scram2 加扰,最后送到调制模块,直到发送完一帧中的所有分段,再继续下一帧的分段与发送。
二次扩频加扰的优缺点
从二次扩频加扰的发送过程可知,发送的信息速率将变为原来信息速率的1/ SF2 。设一次扩频的扩频增益为Gp1 = 10 ×lg( SF1) ,二次扩频的扩频增益为Gp2 = 10 ×lg( SF2) ,则总的扩频增益为:

由此可见,增大SF2 可有效地提高系统的扩频增益, 改进系统的抗干扰性能, 增加扰码捕获的难度;但同时却降低了信息传输速率,即二次扩频加扰技术是以降低信息传输速率为代价来换取传输可靠性的提高(两次扩频级联,增大扩频因子) 。因此我们可以根据干扰的强度来适当选取不同的SF2 ,以满足在信息可靠传输的条件下,尽可能地提高信息传输速率。
结束语
本文主要分析了WCDMA 无线接口物理层,并在此基础上建立了WCDMA 无线接口的抗人为强干扰模型。最后介绍了一种以降低信息比特传输速率为代价换取更高传输可靠性的方法:二次扩频加扰技术。并以此为基础探讨了WCDMA 无线接入技术应用于军用PCS 网络时可能产生的问题,分析了军用PCS 系统的抗人为强干扰性能。