WCDMA無線接口物理層下行鏈路抗干擾仿真模型

摘　要:建立了WCDMA 無線接口物理層下行鏈路抗干擾仿真模型。介紹了一種以降低比特傳輸速率為代價(jià)換取更高傳輸可靠性的方法及二次擴(kuò)頻加擾技術(shù)。

主題詞:抗干擾;無線接口;二次擴(kuò)頻加擾

引　言

　　WCDMA 是在1998 年1 月的ETSI 會(huì)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(biāo)準(zhǔn)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(kuò)頻技術(shù),這樣能更好地利用WCDMA 的優(yōu)點(diǎn),如統(tǒng)計(jì)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(gè)載波內(nèi)對同一用戶同時(shí)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(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)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(gè)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(gè)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(dòng)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(jī)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(kuò)頻、信道的編譯碼、軟切換的實(shí)施、頻率和時(shí)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(jìn)行時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)時(shí)隙組成,時(shí)隙長為Tslot = 2560 個(gè)碼片,對應(yīng)一個(gè)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(qiáng)干擾。WCDMA 是一個(gè)自干擾系統(tǒng),在接收端由于信道衰落、干擾、信號時(shí)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(kuò)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(qiáng)干擾問題。干擾信號的模型如圖2 所示。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生干擾比特流,然后經(jīng)過擴(kuò)頻加擾,再對擴(kuò)頻加擾后的信號進(jìn)行調(diào)制,輸出的干擾信號是一簡單的擴(kuò)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(biāo)信號和干擾信號的信干比為SIR ,相對時(shí)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(dá)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(jì)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(jì)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(jìn)行分析和仿真?；赩isual 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(jì)信道模型。

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　　N 個(gè)用戶的數(shù)據(jù)分別進(jìn)入信道編碼及復(fù)接模塊,經(jīng)擴(kuò)頻和加擾后,進(jìn)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_(dá)用戶接收端,而人為強(qiáng)干擾信號也經(jīng)過不同的信道2 i 傳輸。到達(dá)用戶接收端的比特流是加入了人為強(qiáng)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(jìn)行解調(diào)、匹配濾波、去擾解擴(kuò)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(jìn)行分析、比較,計(jì)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(gè)傳輸時(shí)間間隔(TTI) 以傳輸塊集的形式到達(dá)信道編碼及復(fù)接模塊,主要完成檢錯(cuò)、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(kuò)頻加擾模塊,采用正交可變擴(kuò)頻因子碼序列(OVSF) 作為信道化擴(kuò)頻碼序列,將數(shù)據(jù)符號按位轉(zhuǎn)換為一組碼片序列,擴(kuò)展數(shù)據(jù)信息的帶寬;對擴(kuò)頻后的信號再進(jìn)行擾碼操作。擴(kuò)頻加擾后的各路信道進(jìn)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(jì)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(kuò)頻加擾

　　二次擴(kuò)頻加擾

　　擴(kuò)頻技術(shù)對系統(tǒng)的抗干擾性能起著決定性作用。直擴(kuò)系統(tǒng)對干擾的抗拒能力可用擴(kuò)頻增益GP= 10