Параметры моделирования канала и помех.

Канал для полезного сигнала	Трехлучевой рэлеевский с мощностями на ответвлениях 0 дБ, - 2,75 дБ и – 7 дБ.
Моделирование помех в виде случайных данных QPSK	Пространственно окрашенный шум.
Канал с помехами	Двухлучевой рэлеевский
Скорости передачи данных в канале	1024 Кбит/с (~ 300 Кбит/с при канальном кодировании).
Коэффициент расширения спектра	4
Коэффициент нагрузки	0,5
I0/N0 (дБ)	0
Число создающих помехи пользователей при скорости 1024 Кбит/с на рис.11.19.	3

Рис.11.19. Характеристика MRC и IRC при пространственно окрашенном шуме

[помехах] и использование 28 антенн на сектор, равный 120⁰.

11.5.2. Многопользовательский прием (многопользовательское детектирование)

В этом разделе рассматриваются возможности улучшения характеристики в восходящем канале при использовании многопользовательского приема на базовой станции. Цель состоит в том, чтобы в обзорном плане рассмотреть различные алгоритмы многопользовательского приема и дать ссылки на литературу для получения дополнительной информации. Представленные алгоритмы можно применять как для работы FDD, так и дляTDDWCDMA. Показаны результаты моделирования дляWCDMAFDDпри использовании самых многообещающих алгоритмов. Применение усовершенствованного приемника в режимеWCDMATDDрассматривается в разделе 12.2.

Системы CDMAпо своей природе являются ограниченными по помехам с точки зрения работы приемника и пропускной способности системы [20-22]. Исходя из перспективы развития приемников, это означает что, если число пользователей достаточно велико, увеличение отношения сигнал/шум не дает увеличения вероятности появления ошибок в битах или фреймах. С точки зрения пропускной способности системы это означает, что чем большее отношение сигнал/шум + помехи требуется для получения желаемого качества обслуживания, тем меньшее число пользователей может обслуживаться в канале связи.

Природа ограничения по помехам систем CDMA вытекает из построения приемника. В системах CDMA«сердцем» приемника является согласованный фильтр (MF) с кодовым расширением спектра или коррелятора [22]. Так как принимаемые коды расширения спектра обычно не являются полностью ортогональными, то в приемнике создаются помехи от множественного доступа (MAI). Если коэффициент расширения спектра является умеренным, то принимаемые мощности пользователей равны (отсутствует проблема ближней-дальней зоны), и число мешающих пользователей велико (> 10), то тогда, согласно центральной предельной теореме, помехи при множественном доступе могут моделироваться как возросший фоновый шум с гауссовским распределением. Эта аппроксимация позволила сделать вывод о том, что согласованный фильтр с последующим декодированием является оптимальным приемником для системыCDMAв каналах с аддитивным белым гауссовым шумом (AWGN). В каналах с избирательностью по частоте приемникRake[23] можно считать оптимальным при соответствующем обосновании.

Несмотря на то, что помехи при множественном доступе могут аппроксимироваться как AWGN, они, по существу, состоят из принятых сигналов пользователейCDMA. Таким образом, помехи при множественном доступе имеют очень четкую структуру и могут учитываться в приемнике. Это наблюдение натолкнуло Верду [24] на анализ оптимальных многопользовательских детекторов [приемников] (MUDs) для систем связи с множественным доступом. Верду смог показать, чтоCDMAограничивается по помехам не по своей природе, а ограничение создается обычным приемником с согласованным фильтром.

В оптимальных многопользовательских детекторах (приемниках) [24] может использоваться либо апостериорное детектирование по максимуму апостериорной вероятности (MAP), либо обнаружение последовательности методом максимального правдоподобия (MLSD). Другими словами, методы (включая алгоритм Витерби), подобные тем, что применялись в каналах с межсимвольной интерференцией [23], можно использовать для борьбы с помехами при множественном доступе. Недостатком обоих многопользовательских детекторов (приемников), основанных наMLSDиMAP, является то, что с увеличением числа пользователей сложность их реализации возрастает по экспоненциальному закону. Следовательно, их невозможно реализовать в приемникахCDMAв большинстве случаев на практике. Этот факт наряду с наблюдением Верду о том, чтоCDMAс приемникомMLSDне ограничивается по помехам, привел к появлению множества публикаций на тему субоптимальных многопользовательских приемников. Ниже приводится сжатое изложение способов субоптимального многопользовательского приема (обнаружения). Для получения дополнительных сведений читателю следует обращаться к обзорной статье Джунти [Juntti] и Глисика [Glisic] [25] и к книге Верду [26].

Существующие способы субоптимального многопользовательского приема (обнаружения) можно поделить на категории несколькими способами. Один из них – это разделение алгоритмов приема (детектирования) на централизованные алгоритмы многопользовательского приема [обнаружения] или на децентрализованные однопользовательские алгоритмы приема (обнаружения) отдельного пользователя. Централизованные алгоритмы выполняют реальное многопользовательское совместное обнаружение (прием), т.е. они обнаруживают (принимают) одновременно все символы передачи данных пользователей; их можно считать пригодными для практического применения в приемниках базовой станции. Децентрализованные алгоритмы обнаруживают (принимают) символы передачи данных отдельного пользователя, на основе принятого сигнала, который наблюдается в многопользовательской среде, содержащей помехи при множественном доступе; алгоритмы однопользовательского приема (обнаружения) применимы к приемникам как базовой станции, так и терминала (подвижной станции).

Дополнительно к этому виду разделения на категории, основанному на реализации в многопользовательских и однопользовательских детекторах (приемниках), многопользовательские детекторы (приемники) можно классифицировать на основе применяемого метода. В этой категории можно определить два основных класса: линейные выравниватели и субтрактивные приемники с подавлением помех [IC]. Линейными выравнивателями являются линейные фильтры, подавляющие помехи при множественном доступе. В число выравнивателей, получивших самое широкое распространение, входят детектор (приемник) с нулевым принуждением (ZF), декорреляционный детектор (приемник) [27-29] и детектор (приемник), действующий по способу минимальной среднеквадратичной ошибки (MMSE) [30,31]. ПриемникиICпытаются точно оценить компоненту помех при множественном доступе, после чего она вычитается из принятого сигнала. Таким образом, решения становятся более надежными. Подавление помех при множественном доступе можно осуществлять параллельно для всех пользователей, что в результате приводит к параллельному подавлению помех (PIC) [32,33]. Подавление помех может также выполняться последовательно, приводя в результате к последовательному подавлению помех (SIC) [34,35].

И линейные выравниватели, и приемники с подавлением помех можно применять в централизованных приемниках. Линейные выравниватели могут также реализовываться адаптивно в виде однопользовательских децентрализованных детекторов (приемников) (однопользовательского типа). Это возможно, если расширяющие последовательности пользователей являются периодическими в пределах интервала символа, так что помехи при множественном доступе становятся циклостационарными. В литературе [36-40] были исследованы различные адаптивные реализации, основанные на обучающих последовательностях детекторов (приемников) MMSE. Так называемые «слепые» адаптивные детекторы (приемники), не требующие обучающих последовательностей, уже были рассмотрены в литературе [39,41,42].

Выбору методов многопользовательского приема (обнаружения) для приемников базовой станции WCDMAпосвящены работы [43-46]. Были рассмотрены характеристика приемника и сложность реализации. Исходя из этих исследований следует сделать вывод, что многопользовательский приемник, основанный на многоступенчатом параллельном подавлении интерференционных помех (PIC), в настоящее время более всего подходит для применения в системахCDMAс одним коэффициентом расширения спектра. Принцип работы приемникаPICс одной ступенью подавления для системыCDMAс двумя пользователями показан на рис.11.20.

Рис.11.20. Приемник с параллельным подавлением интерференционных помех

для двух пользователей.

Параллельное подавление интерференционных помех означает, что интерференционные помехи от всех пользователей подавляются одновременно, т.е. параллельно. Характеристика подавления может быть улучшена за счет повторного использования решений, принятых после подавления интерференционных помех на новой ступени IC. На рис.11.21 показан такой многоступенчатый приемник подавления интерференционных помех.

Рис.11.21. Многоступенчатый приемник подавления интерференционных помех.

Выбор структуры многопользовательского приема (детектирования, обнаружения) для мультисервисных систем CDMAпри доступе с переменным коэффициентом расширения спектра был рассмотрен Янпера [Ojanpera] [47]. Для такой системы приемник с подавлением интерференционных помех в последовательности передаваемых данных (GSIC) [48-51] оказывается самым подходящим выбором при современной технологии. В приемникеGSICпользователи с определенным коэффициентом расширения спектра детектируются параллельно, после чего помехи, вызываемые ими при множественном доступе, вычитаются из помех пользователей с другими коэффициентами расширения. Основной причиной того, чтоGSICявляется эффективным, является то, что мощность пользователей зависит от коэффициента расширения спектра. Начиная подавление помех от пользователей с самым низким коэффициентом расширения спектра, получаем,что пользователи с самой высокой мощностью (самые сильные интерференционные помехи) подавляются первыми.

Работа приемника с подавлением интерференционных помех в системе WCDMAбыла изучена путем моделирования по методу Монте Карло на компьютере. На рис.11.22 проиллюстрированы возможные выигрыши приемни-ковIC.

Рис.11.22. Характеристика приемника PIC.

Рассматриваются три пользователя со скоростью передачи данных 384 Кбит/с в ITUканалеA. Скорость подвижной станции равна 3 км/час. Быстрое управление мощностью применяется для каждого пользователя. Результаты моделирования показывают, что выигрыш в рабочей характеристики радиолинии составляет 0,7-1,0 дБ. Этот выигрыш можно использовать для улучшения пропускной способности в восходящем канале, поддерживая запас по интерференционным помехам в восходящем канале и плотность базовых станций неизменными. Другим выбором могло бы быть улучшение зоны обслуживания и уменьшение плотности базовых станций, при этом пропускная способность в восходящем канале оставалась бы неизменной. Увеличение зоны обслуживания может быть достигнуто за счет уменьшения запаса по помехам, как это видно из рассмотрения ресурса линии в разделе 8.2.

Адаптивные линейные выравниватели можно применять только в том случае, если расширяющие последовательности пользователей являются периодическими в течение сравнительно короткого периода времени, как например, времени передачи интервала символа. Поэтому, используя варианты короткого кода скремблирования в восходящем канале WCDMA, в нем можно использовать адаптивные приемники. В нисходящем каналеWCDMAкоды расширения спектра являются периодическими на протяжении одного радиофрейма, длительность которого равна 10 мс. Этот период является настолько большим, что обычные адаптивные приемники здесь практически не применимы. Эту проблему можно частично решить, введя выравниватели чипов [52-57]. Идея здесь заключается в выравнивании влияния многолучевого канала с избирательностью по частоте на уровне интервала чипа. Это подавляет помехи между трактами (IPI) сигналов, а также сохраняет (по крайней мере, частично) ортогональность расширяющих кодов пользователей в одной ячейке. Влияние последней возможно, потому что в нисходящем канале применяется синхронная передача с ортогональными сигналами сигнатуры. Другими словами, интерференционные помехи при множественном доступе в нисходящем канале вызываются многолучевым распространением, которое может теперь компенсироваться выравнивателем. Влияние многолучевого распространения на работу в нисходящем канале без каких-либо приемников подавления интерференционных помех рассматривается в разделе 11.3.1.1.

Методы подавления интерференционных помех являются многообещающими методами, позволяющими улучшить работу приемника, а также увеличить пропускную способность системы и зоны обслуживания как в восходящем, так и в нисходящем каналах. В этом разделе рассматриваются вопросы улучшения характеристик в восходящем канале. Приемники, основанные на точной оценке – вычитании интерференционных помех оказываются самыми многообещающими для практического применения в восходящем канале. С другой стороны в нисходящем канале могут применяться линейные выравниватели.

Литература к главе 11:

[1] UMTS, Selection Procedures for the Choice of Radio Transmission Technologies of the UMTS, ETSI, v.3.1.0, 1997.

[2] Laiho-Steffens, J. and Lempiäinen, J., «Impact of the Mobile Antenna Inclinations on the Polarisation Diversity Gain in DCS 1800 Network», Proceedings of PIMRC'97, Helsinki, Finland, September 1997, pp. 580-583.

[3] Lempiäinen, J. and Laiho-Steffens, J., «The Performance of Polarisation Diversity Schemes at a Base-Station in Small/Micro Cells at 1800MHz», IEEE Trans. Vehic. Tech., Vol. 47, No. 8.August 1998, pp. 1087-1092.

[4] Sorensen, T.B., Nielsen, A.O., Mogensen, P.E., Tolstrup, M. and Steffensen, K., «Performance of Two-Branch Polarisation Antenna Diversity in an Operational GSM Network», Proceedings of VTC'98, Ottawa, Canada, 18-21 May 1998, pp. 741-746.

[5] TSGR1 WG1 #8(99)f58, 3GPP/WG1 contribution «Proposal to Have Optional 20 ms RACH Message Length», Source: Nokia.

[6] Westman, T. and Holma, H., «CDMA System for UMTS High Bit Rate Services», Proceedings of VTC'97, Phoenix, AZ, May 1997, pp. 825-829.

[7] Pehkonen, К., Holma, H., Keskitalo, I., Nikula, E. and Westman, Т., «A Performance Analysis of TDMA and CDMA Based Air Interface Solutions for UMTS High Bit Rate Services». Proceedings of PIMRC'97, Helsinki, Finland, September 1997, pp. 22-26.

[8] Ojanperä, T. and Prasad, R., Wideband CDMA for Third Generation Mobile Communications, Artech House, 1998, 439 pp.

[9] Wacker, A., Laiho-Steffens, J., Sipilä, K. and Heiska, K., «The Impact of the Base Station Sectorisation on WCDMA Radio Network Performance», Proceedings of VTC'99, Houston, TX, May 1999, pp. 2611-2615.

[10] Heiska, K. and Holma, H., «Performance of 2 Mbps Packet Data with WCDMA in Small Microcellular Environment», Proceedings of WPMC'98, Yokosuka, Japan, November 1998, pp. 64-69.

[11] Holma, H. and Heiska, K., «Performance of High Bit Rates with WCDMA over Multipath Channels». Proceedings of VTC99. Houston, TX, May 1999, pp. 25-29.

[12] Dahlman, E. and Jamal, K., «Wideband Services in a DS-CDMA Based FPLMTS System», Proceedings of VTC'96, Atlanta, GA, 28 April-1 May 1996, pp. 1656-1660.

[13] Ramakrishna, S. and Holtzman, J., «A Comparison between Single Code and Multiple Code Transmission Schemes in a CDMA System», Proceedings of VTC'98, Ottawa, Canada, 18-21 May 1998, pp. 791-795.

[14] Godara, L.C., «Application of Antenna Arrays to Mobile Communications, Part I: Performance Improvement, Feasibility, and System Considerations», Proc. IEEE. Vol. 85, No. 7, 1997. pp. 1031-1060.

[15] Godara, L.C., «Application of Antenna Arrays to Mobile Communications, Part II: Beam-Forming and Direction-of-Arrival Considerations». Proc. IEEE, Vol. 85, No. 8, 1997, pp.1195-1245.

[16] Jakes, W.J. (ed.), Microwave Mobile Communications, IEEE Press, New Jersey, 1974.

[17] Muszynski, P., «Interference Rejection Rake-Combining for WCDMA», Proceedings of WPMC98, Yokosuka. Japan, November 1998, pp. 93-97.

[18] Winters, J.H., «Optimum Combining in Digital Mobile Radio with Co-channel Interference», IEEE Trans. Vehic. Tech., Vol. 33, No. 3, 1984, pp. 144-155.

[19] Monzingo, R.A. and Miller, T.W., Introduction to Adaptive Arrays, John Wiley & Sons, New York, 1980.

[20] Pursley, M.B., «Performance Evaluation for Phase-Coded Spread-Spectrum Multiple-Access Communication – Part I: System Analysis», IEEE Trans. Commun., Vol. 25, No. 8, 1977, pp. 795-799.

[21] Gilhousen, K.S., Jacobs, I.M., Padovani, R., Viterbi, A.J., Weaver, L.A. and Wheatley III, C.E., «On the Capacity of a Cellular CDMA System», IEEE Trans. Vehic. Tech., Vol. 40, No. 2, 1991, pp. 303-312.

[22] Viterbi, A.J., CDMA: Principles of Spread Spectrum Communication, Addison-Wesley Wireless Communications Series, Addison-Wesley, Reading, MA, 1995.

[23] Proakis, J.G., Digital Communications, 3rd edn, McGraw-Hill, New York, 1995.

[24] Verdù, S., «Minimum Probability of Error for Asynchronous Gaussian Multiple-Access Channels», IEEE Trans. lnform,Th.,_tVol. 32, No. l, 1986, pp. 85-96.

[25] Juntti, M. and Glisic, S. «Advanced CDMA for Wireless Communications», in Wireless Communications: TDMA Versus CDMA, ed. S. Glisic and P. Leppänen, Chapter 4, pp. 447-490, Kluwer, 1997.

[26] Verdù, S., Multiuser Detection, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1998.

[27] Lupas, R. and Verdù, S.,«Near-Far Resistance of Multiuser Detectors in Asynchronous Channels», IEEE Trans. Commun, Vol. 38, No. 4, 1990, pp. 496-508.

[28] Klein, A. and Baier, P.W., «Linear Unbiased Data Estimation in Mobile Radio Systems Applying CDMA», 1EEE J. Select. Areas Commun., Vol. 11, No. 7, 1999, pp. 1058-1066.

[29] Zvonar, Z., «Multiuser Detection in Asynchronous CDMA Frequency-Selective Fading Channels», Wireless Personal Communications, Kluwer, Vol. 3, No. 3-4, 1996, pp. 373-392.

[30] Xie, Z., Short, R.T. and Rushforth, C.K., «A Family of Suboptimum Detectors for Coherent Multiuser Communications», IEEE J. Select. Areas Commun., Vol. 8, No. 4, 1990, pp. 683-690.

[31] Klein, A., Kaleh, G.K. and Baier, P.W., «Zero Forcing and Minimum Mean-Square-Error» Equalization for Multiuser Detection in Code-Division Multiple Access Channels», IEEE Trans. Vehic. Tech., Vol. 45, No. 2, 1996, pp. 276-287.

[32] Varanasi, M.K. and Aazhang, В., «Multistage Detection in Asynchronous Code-Division Multiple-Access Communications», IEEE Trans. Commun., Vol. 38, No. 4, 1990, pp. 509-519.

[33] Kohno, R., Imai, H., Hatori, M. and Pasupathy, S., «Combination of an Adaptive Array Antenna and a Canceller of Interference for Direct-Sequence Spread-Spectrum Multiple-Access System», IEEE J. Select. Areas Commun., Vol. 8, No. 4, 1990. pp. 675-682.

[34] Viterbi, A.J., «Very Low Rate Convolutional Codes for Maximum Theoretical Performance of Spread-Spectrum Multiple-Access Channels», IEEE J. Select. Areas Commun., Vol. 8, No. 4, 1990, pp. 641-649.

[35] Patel, P. and Holtzman, J., «Analysis of a Simple Successive Interference Cancellation Scheme in a DS/CDMA System», IEEE J. Select. Areas Commun., Vol. 12, No. 10, 1994, pp. 796-807.

[36] Madhow, U. and Honig, M.L., «MMSE Interference Suppression for Direct-Sequence Spread-Spectrum CDMA», IEEE Trans. Commun., Vol. 42, No. 12, 1994, pp. 3178-3188.

[37] Rapajic, P.B. and Vucetic, B.S., «Linear Adaptive Transmitter-Receiver Structures for Asynchronous CDMA Systems», European Trans. Telecommun., Vol. 6, No. 1, 1995, pp. 21-27.

[38] Miller, S.L., «An Adaptive Direct-Sequence Code-Division Multiple-Access Receiver for Multiuser Interference Rejection», IEEE Trans. Commun., Vol. 43, No. 2/3/4, 1995, pp. 1746-1755.

[39] Latva-aho, M., «Advanced Receivers for Wideband CDMA Systems», Vol. C125 of Acta Universitatis Ouluensis, Doctoral thesis, University of Oulu Press, Oulu, Finland, 1998.

[40] Latva-aho, M. and Juntti, M., «Modified LMMSE Receiver for DS-CDMA - Part I: Performance Analysis and Adaptive Implementations», Proceedings of ISSSTA'98, Sun City, South Africa, September 1998, pp. 652-657.

[41] Honig, M., Madhow, U. and Verdu, S., «Blind Adaptive Multiuser Detection», IEEE Trans. Inform. Th., Vol. 41, No. 3, 1995, pp. 944-960.

[42] Latva-aho, M., «LMMSE Receivers for DS-CDMA Systems in Frequency-Selective Fading Channels», in CDMA Techniques for 3rd Generation Mobile Systems, ed. F. Swarts, P. van Rooyen, I. Oppermann and M. Lötter, Chapter 13, Kluwer, 1998.

[43] Juntti, M. and Latva-aho, M., «Multiuser Receivers for CDMA Systems in Rayleigh Fading Channels». IEEE Trans. Vehic. Tech., to appear, 2000.

[44] Correal, N.S., Swanchara, S.F. and Woerner, B.D., «Implementation Issues for Multiuser DS-CDMA Receivers», Int. J. Wireless Inform. Networks, Vol. 5. No. 3, 1998, pp. 257-279.

[45] Juntti, M., «Multiuser Demodulation for DS-CDMA Systems in Fading Channels», Vol. C106 of Acta Universitatis Ouluensis, Doctoral thesis, University of Oulu Press, Oulu, Finland, 1997.

[46] Ojanperä, Т., Prasad, R. and Harada, H., «Qualitative Comparison of Some Multiuser Detector Algorithms for Wideband CDMA». Proceedings of VTC'98, Ottawa, Canada, May 1998, pp. 46-50.

[47] Ojanperä, Т., «Multirate Multiuser Detectors for Wideband CDMA», Ph.D, thesis, Technical University of Delft, Delft, The Netherlands, 1999.

[48] Johansson, A.-L., «Successive Interference Cancellation in DS-CDMA Systems», Doctoral thesis, Chalmers University of Technology, Gőteborg, Sweden, 1998.

[49] Juntti, M., «Multiuser Detector Performance Comparisons in Multirate CDMA Sysiems», Proceedings of VTC'98, Ottawa, Canada. May 1998, pp. 36-40.

[50] Wijting, C.S., Ojanperä, Т., Juntti, M.J., Kansanen, K. and Prasad. R., «Groupwise Serial Multiuser Detectors for Multirate DS-CDMA», Proceedings of VTC99, Houston, TX, May 1999, pp. 836-840.

[51 ] Juntti, M., «Performance of Multiuser Detection in Multirate CDMA Systems», Wireless Pers. Commun., Kluwer, Vol. 11, No. 3, 1999, pp. 293-311.

[52] Werner, S. and Lillberg, J., «Downlink Channel Decorrellation in CDMA Systems with Long Codes», Proceedings of VTC'99, Houston, TX, May 1999, pp. 836-840.

[53] Hooli, K., Latva-aho, M. and Juntti, M., «Multiple Access Interference Suppression with Linear Chip Equalizers in WCDMA Downlink Receivers», Proceedings of Globecom'99, Rio de Janeiro, Brazil, December 1999, pp. 467-471.

[54] Hooli, K., Juntti, M. and Latva-aho, M., «Inter-Path Interference Suppression in WCDMA System with Low Spreading Factors», Proceedings of VTC'99, Amsterdam, The Netherlands, September 1999, pp. 421-425.

[55] Komulainen, P. and Heikkilä, M., «Adaptive Channel Equalization Based on Chip Separation for CDMA Downlink», Proceedings of PIMRC'99, Osaka, Japan, September 1999, pp. 1114-1118.

[56] Heikkilä, M., Komulainen, P. and Lilleberg, J., «Interference Suppression in CDMA Downlink through Adaptive Channel Equalization», Proceedings of VTC'99, Amsterdam, The Netherlands, September 1999, pp. 978-982.

[57] Grant, P.M., Spangenberg. S.M., Cruickshank, G.M., McLaughlin, S. and Mulgrew, В., «New Adaptive Multiuser Detection Technique for CDMA Mobile Receivers», Proceedings of PIMRC’99, Osaka, Japan, September 1999, pp. 52-54.