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移动通信系统多址接入干扰与小区间干扰分析与抑制

虞凯  
【摘要】:随着移动通信技术的不断发展,用户对移动通信的有效性和可靠性都提出了更高的要求,这就需要系统内用户的信干噪比(SINR)必须得到极大的提高。而提高SINR除了增大信号功率外,降低各类干扰成了一种极其有效的方法,也是移动通信系统中的一个研究关键点。蜂窝移动通信系统中的干扰主要包括小区内的多址接入干扰和小区间干扰,对这两者干扰大小的分析及抑制技术的研究,具有重要的理论意义和实用价值。本论文首先采用随机接入随机扩频码分多址(CDMA)系统模型和大系统分析方法,结合重传分集和多用户检测技术,深入揭示CDMA系统中多址接入干扰等问题的基本特性和极限性能;然后通过对蜂窝系统小区间干扰大小的分析,本论文采用了各小区间信号在自相关域不重叠的特性,提出了基于信号自相关的方法,以有效地降低小区间的干扰。 CDMA是个干扰受限的系统。由于多用户检测技术在恢复信号的过程中,同时考虑了来自其他用户的干扰,因此该技术可以极大地抑制多址接入干扰,提高系统性能。论文首先针对瑞利衰落信道中的CDMA随机接入系统,研究了其在解相关和最小均方误差(MMSE)检测器下的性能。研究发现,当系统用户数和扩频增益都趋于无穷大而两者的比值为一定值时,系统接收端的输出SINR几乎处处收敛于某个常数,而该常数与扩频序列无关,只依赖于业务负载、传输概率、信道响应和发送功率分布情况。通过对吞吐量和频谱效率的分析,发现MMSE检测器要优于解相关检测器,这是因为MMSE检测器还考虑了系统噪声的影响。通过对系统稳定区域的研究,得到系统处于稳定状态的条件为数据包的到达速率小于服务速率;通过对系统稳定区域的仿真研究发现,系统的稳定区域随着业务负载的提高而缩小。 无线CDMA信道的特征是多用户干扰和多径衰落,数据包需要传输多次才能被成功检测。由于多址接入干扰、噪声和衰落都是随机时变的,因此每次接收到重传的数据包信号是不相同的。如果将多次重传的数据包进行联合检测,则可以获得额外的重传分集。论文将重传分集应用于CDMA随机接入系统,研究其在瑞利衰落信道下的多址接入干扰以及系统性能的情况;并结合匹配滤波器、MMSE检测器,采用大系统分析方法,得到SINR下界的闭合表达式,该表达式同样与扩频序列无关。理论分析和仿真结果表明,重传分集和多用户检测技术都可以极大地提高系统的吞吐量和频谱效率等性能。通过对能量效率的分析发现,当信噪比(SNR)大于某个最佳值时,频谱效率随着能量效率的增加而增加,并趋近于某个恒定值;而当SNR小于该最佳值时,频谱效率随着能量效率的增加而降低。 接着,论文对CDMA蜂窝系统上行链路的性能进行了分析。信道模型同时考虑了大尺度衰落和小尺度衰落:大尺度衰落采用路径损耗和阴影衰落相结合的模型;小尺度衰落采用瑞利衰落模型。论文首先分析了在基站接收端所遭受的小区内多址干扰和小区间干扰的情况;其次采用大系统分析方法分别推导得出了通过匹配滤波器和MMSE检测器后的输出SINR近似值,该SINR只取决于小区负载、用户发送功率、信道增益,而与扩频序列无关。基于该SINR模型,我们进一步分析了系统的误码率和吞吐量性能,并通过仿真验证了分析的准确性。同时通过数值结果分析了有限用户蜂窝系统的容量大小。 在实际的移动通信系统中,由于小区间干扰已逐渐成为制约系统性能提升的主要干扰,本论文针对蜂窝系统的下行链路,提出了一种基于信号自相关的降低小区间干扰的方法。该方法首先在发送端,通过采用不同的预滤波器,使得来自不同基站的发送信号在自相关域内互不重叠;在接收端,通过设计合适的自相关匹配滤波器消除来自邻小区的干扰。由于该方法需要使用多个接收天线,为了降低移动终端的设计复杂度,本文又提出了一种改进方法,来消除最强的一个邻小区干扰。改进后的方法只需要2根接收天线,仿真结果表明,该改进方法特别适合于小区边缘的用户。 最后,论文提出了一种消除时分双工(TDD)蜂窝系统上行跨时隙干扰的方法。该方法分四个步骤:(1)、将蜂窝系统划分为多个不重叠的区群,每个区群由N个相邻小区构成,然后将N个互不相同的序列对应分配给各个区群内的N个小区;(2)、每个小区的基站根据业务情况确定上行时隙段所处的跨时隙区域,并统计出该上行跨时隙区域内处于下行的相邻小区的个数;(3)、对发送信号进行预处理,使同一个小区内所有用户发送信号的自相关序列等于分配的序列;(4)、接收信号采用基于自相关的信号检测算法进行自适应处理,消除上行跨时隙干扰,再采用逆处理方法恢复出发送端的信号。研究表明该方法频谱资源利用率高,对上行跨时隙干扰的消除效果好,对强上行跨时隙干扰也能有效消除。


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