CDMA干扰分析

CDMA干扰分析武汉邮电科学研究院武汉虹信通信技术有限责任公司CDMA干扰分析2目录一、CDMA干扰概述1、前向链路同信道干扰1.1、相同小区的干扰1.2、其他小区的干扰2、反向链路同信道干扰2.1、相同小区的干扰2.2、其他小区的干扰3、CDMA容量与干扰关系4、CDMA小区载荷与干扰关系5、CDMA链路与干扰关系6、厄兰容量与干扰关系7、CDMA系统干扰分类二、降低CDMA系统干扰的常用方法1、功率控制1.1、反向功率控制1.2、反向功率控制2、码型设计3、空间滤波技术4、分集技术5、多用户检测技术三、CDMA直放站干扰分析及解决方法1、CDMA直放站与GSM直放站混合传输1.1、技术可行性分析CDMA干扰分析31.2、兼容网引入的干扰分析2、减少干扰的常用方法2.1、天线隔离度检测技术2.2、自适应干扰抵消技术2.3、分集接收技术2.4、线性功放技术2.5、降噪技术2.6、多级滤波技术CDMA干扰分析4一、CDMA干扰概述CDMA的数字蜂窝系统不仅存在来自邻小区的同信道干扰，还存在有本小区内的同信道干扰，在CDMA多小区系统中，大多数干扰来自同一小区内的移动用户，因此，多小区CDMA系统的总干扰量并不比单小区的CDMA系统大很多，Qualcomn公司进行模拟实验表明，来自别的小区的干扰仅为基站收到的本小区内部干扰的35%，因此，系统工程设计中就要着眼于限制这干扰，下面我们分前向链路和反向链路来讨论。1、前向链路同信道干扰在计算IS-95CDMA前向链路的同信道干扰中，我们首先考虑只有单小区各种时也存在的小区内干扰，然后在考虑一般情况下多区系统中来自其他小区的干扰。1．1、相同小区的干扰理论上讲、根本就不存在同小区的前向链路干扰，因为CDMA的前向链路信道是正交的。包括导频信道在内，任何一个前向链路信道都可以通过将解扩码片流乘以适当的沃尔什函数，并在沃尔什函数的周期（64个码片）内求和（积分）而取出来。这个过程的结果就是所选信道的基带数据流中不含来自前向链路中其他信道的干扰。然而，实际的移动传播信道会引入同小区干扰，这是因为移动台收到的信号是来自多径的信号。1．2、其他小区的干扰来自其他CDMA扇区和小区基站的信号对本小区的移动台接收机而言就是干扰。来自于其他小区的干扰会有波动，可采用对数正态随机变量模型，即按分贝数表示的干扰功率为正态随机变量：干扰功率（dBm）=平均值（dBm）+零均值高斯随机变量平均干扰功率可用传播功率损耗模型来预测，如损耗与距离的γ次方成正比。从数字上前向链路的其他小区干扰可模型化为对数正态变量。干扰功率（dB）=10lgIi=10lgIi+σdBWi式（1.1）或Ii=Ii×10=常数×1/Ri×10____σdBWi/10γσdBWi/10CDMA干扰分析5其中：Ii=来自基站i的干扰功率中值Ri=移动台与第i个基站的距离γ=传输损耗指数Wi=零均值单位方差高斯随机变量σdB为波动的标准差，取值范围为6~13dB。为了分析其他小区的干扰，只要考虑式（1.1）中的中值干扰项Ii及移动台的空间分布的影响就足够了，所谓移动台的分布就是决定Ii取值的{Ri}。2、反向链路同信道干扰2．1、相同小区的干扰反向链路的同小区干扰是由其他移动台的信号在基站接收机叠加而成的。由于对CDMA系统而言，来自所有移动用户的信号在相同的时间里占用相同的带宽，因此从分析的角度出发，总的干扰可以模型化为限带白噪声。在基站接收机的几乎所有噪声都是由于移动信号的干扰造成的。可同时呼叫发射的移动台数目（系统容量）达到最大值所要求的条件是使每个移动台信号达到基站时具有相同的功率，而且应在满足链路性能的前提下信号功率尽可能低。因此移动发射机功率的动态控制是反向链路设计的一个重要部分。由于采用了功率控制，当小区内有M个移动用户同时工作时，在基站接收机上的同小区干扰功率为：Isc=(M-1).S.αr其中S=在接收机端收到的来自每个移动台的功率αr=反向链路平均话音激活因子2．2、其他小区的干扰假定每一个干扰小区与所关心的小区有相同的特性，特别是同时工作的反向链路的用户数M相同，则到达每个基站的总的同小区反向链路功率为MSαr，对所关心的基站而言其他小区的干扰则可写成：Ioc=ξ.M.αr.S其中的“再用系数”ξ可解释为：______CDMA干扰分析6ξ=收到的其他小区总功率/收到的本小区总功率=再用系数假设ξ=0.33,这样总的平均反向链路干扰功率为：It=Isc+Ioc=(M-1)αrS+ξMαrS=[(1+ξ)M-1]αrS或It=（M/Fe-1）αrS其中：Fe=1/（1+ξ）为“CDMA再用效率”，它等于总接收功率中属于本小区发射的那一部分，并可解释为：Fe=1/（1+ξ）=总的同小区功率/总的接收功率（同小区和其他小区）《1注意，在一个理想的蜂窝系统中，即邻区没有同信道干扰功率“泄漏”时，再用效率为1。另一个量F称为“再用因子”，可定义为再用效率的倒数：F=1/Fe=1+ξ3、CDMA容量与干扰关系考虑一个单小区系统，当忽略热噪声时，容量即同时工作用户数Mc与系统参数的关系为：（C/I）req=SNRreq=αrS/(Mc-1)αrS=1/(Mc-1)现在我们来考虑一个多小区系统，由于其他小区干扰的缘故，因此每个小区的容量M应小于Mc。同样忽略热噪声，多小区系统的载波干扰比与多小区容量M之间的关系为：SNRreq=1/[（M-1）+ξM]令C/I等于单小区情形和多小区情形所需的值，则有：SNRreq=1/(Mc-1)=1/[（M-1）+ξM]于是，多小区与单小区容量的关系为：Mc/M=单小区容量/多小区容量=1+ξ=在利用因子就有：M=Mc/1+ξ=Mc/F=McFe,0.33≤ξ≤0.42CDMA干扰分析7该式意味着多小区环境中的CDMA容量为单小区环境下的容量的70%到75%。4、CDMA小区载荷与干扰关系CDMA蜂窝工程师采用一个称为反向链路“小区载荷”的概念来检测干扰电平，并为系统中每个特定的小区选取最优参数，小区载荷定义为：X=小区载荷=工作的用户数/最大允许的用户数我们现在来研究X与基站接收机的热噪声与反向链路干扰相对功率之间的关系。假设反向链路功率控制使得接收SNR保持在某个给定值ρ0。用有关总干扰功率的关系可以得出小区内最大允许用户数为：SNR=ρ0我们可以得到：M=Fe(1+1/ρ0αr-σ/αrS)这个M值的一个上限可以通过忽略热噪声而得到，即：Mmax=M/σ=0=Fe(1+1/ρ0αr)现在来解小区载荷X，考虑M/Fe与反向链路干扰的关系，得：X=M/Mmax≈It/(It+σ)这个关系说明系统容量是自我限制的，因为干扰量正比于同区和邻区的用户数。载荷X是描述容量潜力使用情况的一个简单的方法。5、CDMA链路平衡与干扰关系前向链路功率过大会对其他小区的移动台造成不必要的干扰。而反向链路的功率过大则会降低小区的有效容量。因此需要对系统进行平衡，使前向链路覆盖区与反向链路损耗在容许范围的区域边界恰好重叠，即尽可能使前向链路小区尺寸与反向链路小区尺寸相同。一个平衡的系统可以使越区平滑并降低干扰。而当前向链路太强反向链路太弱时，对约区的移动接收机而言，导频信道就不再是协助越区而是一个干扰了。另一方面，若前向链路太弱而反向链路太强，在小区叫界处的移动台就失去与任何一个基站的联系，因为反向链路的干扰太大了。为了保持前向和反向链路的边界相同（或基本相同），在系统设计时就要使平衡因子最小。平衡因子定义为：222CDMA干扰分析8B=L前向（dB）-L反向（dB）系统的平衡状态可以用系统为反向链路受限（反向链路半径相对较小）还是前向链路受限（前向链路半径相对较小）来描述。具体属于哪一例，可以由下面的准则来区分：B〈-δ：系统为反向链路受限-δ≤B≤δ：系统处于平衡状态B〉δ：系统为前向链路受限参数δ（最多1到2dB）用于考虑计算B时所有因子的容差。6、厄兰容量与干扰关系在CDMA蜂窝系统中并不像FDMA和TDMA系统中那样具有固定的信道数，因为容量（允用户数）取决于干扰程度。当反向链路多址干扰功率超过一个事先定好的可以保证可接收的信号质量的干扰电平时，就会发生阻塞。当基站接收机的总用户干扰超过某个门限时，系统就拒绝下一个试图呼叫的用户。当CDMA的阻塞率Bcdma等于某个值（通常为1%~2%）时的用户数定义为系统的厄兰容量，对应于FDMA或TDMA蜂窝系统中的等效信道数。因此CDMA的阻塞率计算是基于多址干扰分析的。由于在给定时间的用户数（呼叫业务）是随机的，而且来自任一用户的干扰功率也是随机变量，就要用阻塞概率来估算平均工作用户数即CDMA小区或扇区的厄兰容量。厄兰容量的确定取决于有关呼叫业务和用户干扰的概率分布的假设。阻塞概率公式考虑有M个工作用户的一个独立的CDMA小区。在基站收到的信号加噪声总功率为：αr1P1+αr2P2+αr3P3……+αrmPm+(N0W)c其中{αri}为表示反向链路话音激活的随机变量,其实验数值为:E{αri}=αr=0.4和E{αri}=αr=0.31{Pi}为M个用户的随机信号功率.M个反向链路信号噪声系数22CDMA干扰分析97、CDMA系统干扰分类在蜂窝移动码分多址通信中，干扰可以大致分为三种类型：加性白噪声干扰、多径干扰与多用户间的多址干扰。加性白噪声干扰：信道编码和数字式调制解调技术是用来抵抗传统白噪声的方法。多径干扰：路径传播损耗：又称为衰耗，它是指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了船舱传播在宏观大范围（即公里量级）的空间距离上的接收信号电平平均值得变化趋势。慢衰落损耗：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应二产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从对数正态分布，其变化率较慢故又称为慢衰落。阴影效应：由大型建筑物和其他物体的阻挡而形成在传播接收区域上的半盲区。快衰落损耗：它主要是由于多径传播而产生的衰落，它反映微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从Rayleigh（瑞利）分布或Rician（莱斯）分布，其变化率比慢衰落快，故又称它为快衰落，仔细划分快衰落又可以分为一下三类：空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落。多普勒效应：它是由于接收的移动用户高速运动引起传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。多址干扰：在CDMA系统中，由于所有用户均使用相同频段的无线信道和相同的时隙，用户间仅靠地址扩频码的不同，即靠它们之间互相关特性加以区别。若用户间的互相关不为零，则用户间就存在这干扰，我们称这类干扰为多址干扰。远近效应：在上行链路中，如果保持小区内所有移动台的发射功率相同，由于小区内移动台用户的随机移动，移动台与基站之间的距离是不相同的，离基站近的移动台的信号强，离基站远的移动台信号弱，将会产生以强压弱的现象，而设备的非线性更会加速这一现象的产生，这就是所谓的“远近效应”。角效应：在下行链路中，当移动台位于相邻小区的交界处时，收到所属基站的有用信号功率很低，同时还会受到相邻小区基站较强的干扰，这就是所谓的“角效应”。CDMA干扰分析10二、降低CDMA干扰的常用方法1、功率控制CDMA在相同的时间内，使用相同的频率，仅以不同的码字来区分信道。在移动无线电环境中存在阴影，多径衰落和远距离损耗影响，蜂窝式移动台在小区内的位置是随机的，且经常变动，所以路径损耗会大幅度的变化，特别在多区蜂窝DS/CDMA系统中，所有小区均采用相同频率，尽管理论上不同用户分配的地址码是正交的，但实际上很难保证，造成各信道间的相互干扰，从而不可避免地引起严重的多址干扰和“远近效应”（发生在上行链路上，如果小区中的所有用户均以相同的功率发射，则靠近基站的移动台到达基站的信号强，远离基站的移动台到达基站的信号弱，导致强信号掩盖弱信号）和“拐角效应”（发生在下行链路中，当移动台处于小区拐角处，往往它经受的衰落时非常严重的，移动台的通信质量会迅速下降，甚至会产生掉话）。CDMA系统