[论文解读] Error Performance Analysis to Increase Capacity of A Cellular System Using SDMA

Md. Murad Hossain, Jahangir Hossain|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2010

Wireless Communication Networks Research参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文提出采用波束赋形智能波束天线的空分多址（SDMA）技术，通过利用空间复用提升蜂窝系统容量。通过形成主瓣平坦的波束（增益为5.1 dB），在相同误码率条件下，系统可支持200名用户，而全向波束仅支持50名用户，表明由于空间复用和干扰降低，容量提升四倍。

ABSTRACT

One of the biggest drawbacks of the wireless environment is the limited bandwidth. However, the users sharing this limited bandwidth have been increasing considerably.Space Division Multiple Access (SDMA) is a new technology by which the capacity of existing mobile communication systems can economically be increased. This paper has been presented how the capacity can be enhanced by using SDMA with smart antennas in mobile communications system. Based on Adaptive Antenna Array (AAA) technology the spatial dimension of the existing system is exploited by means of forming independent radio beams in each of the original channels. This paper analyses the comparison of average Bit Error Rate (BER) of SDMA and CDMA technique and the different ways in which SDMA can be introduced to increase the capacity of a cellular system. The probability of error is found for a standard omni directional base station antenna, and another set of curves is found for flat top beam having a directivity of 5.1dB. It is assumed that k separate flat top beams can be formed by base station and pointed each of the k users within the cell of interest. Noticing that for an average probability of error greater than 0.1 in a propagation path loss environment of n=4, the flat top beam will support 200 users, whereas the omni-directional antenna will support only 50 users. This increase the number of user is roughly equal to the directivity offered by the flat top beam system, and illustrates the promise SDMA offers for improving capacity in wireless system. Here multipath fading is not considered.

研究动机与目标

• 研究SDMA结合智能波束天线如何提升蜂窝网络的频谱效率和用户容量。
• 在无衰落、路径损耗受限的环境中，比较SDMA与CDMA的误码率（BER）性能。
• 量化通过波束成形使用定向波束天线与全向波束天线相比所能实现的用户容量增益。
• 评估在固定平均BER阈值下，波束增益（5.1 dB）对系统容量的影响。
• 证明在不增加带宽或功率的前提下，通过空间复用提升系统容量的可行性。

提出的方法

• 采用自适应阵列天线（AAA）技术，在蜂窝小区内形成多个独立的空间波束。
• 将系统建模为k个主瓣平坦的波束，每个波束定向指向特定用户，以减少用户间干扰。
• 分析两种配置下的平均误码率：全向波束天线与主瓣平坦波束（增益5.1 dB）。
• 假设采用路径损耗传播模型，路径损耗指数n = 4，且无多径衰落。
• 在平均BER低于0.1的约束下，比较用户容量。
• 将容量增益定义为在相同误码性能下，主瓣平坦波束系统支持的用户数与全向波束天线系统的用户数之比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在视 Line-of-Sight、路径损耗受限的环境中，SDMA结合定向波束成形相比CDMA在BER性能方面有何改善？
• RQ2 在误码率阈值为0.1的条件下，主瓣平坦波束系统（增益5.1 dB）最多可支持多少用户？
• RQ3 基于智能波束天线的SDMA系统与传统全向波束天线基站相比，用户容量有何差异？
• RQ4 在不增加带宽的前提下，波束增益对蜂窝系统容量增益的贡献程度如何？
• RQ5 在相同误码性能约束下，应用空间复用时，SDMA相比CDMA的理论容量增益是多少？

主要发现

• 主瓣平坦波束系统（增益5.1 dB）在平均BER低于0.1时可支持200名用户。
• 相比之下，全向波束天线在相同BER阈值下仅支持50名用户。
• SDMA相比全向波束系统的容量增益约为四倍，且与波束增益成正比。
• 该提升归因于空间复用和波束成形带来的干扰降低，即使未建模多径衰落亦成立。
• 结果证实，SDMA通过利用空间维度，在无多径衰落条件下显著提升系统容量。
• 本研究证明，波束成形可在不增加频谱或功率的前提下提升用户容量。