毕业设计（论文）-基于CDMA网络的移动通信系统.doc

成都大学学士学位论文（设计） 毕业设计（论文）题 目 基于CDMA网络的移动通信系统 学院(部) 计算机与通信工程学院 专 业 通信技术 学生姓名 学 号 37813105 年级 2013级 指导教师 职称 二一五年八月 15 基于CDMA网络的移动通信系统 摘要:CDMA（Code Division Multiple Access）码分多址是在数字技术的分支扩频通信技术基础上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA通信系统具有扩频通信系统的特点，抗干扰性强，频谱利用率高，容量大。它是第三代移动通信系统的主要空中接口技术。移动通信网是一个不断变化的网络，因此需要对网络不断进行优化以适应各种变化，排除网络中不断出现的各种故障，优化网络资源配置，改善网络运行性能，提高服务质量，从而使网络始终处于最佳的运行状态。本文对 CDMA 无线网络的优化技术的概况和发展趋势，网络优化中常见的问题进行研究，并提出了一些优化调整措施和参数配置的建议。本文主要内容分为： 1、介绍CDMA通信原理及技术2、介绍CDMA通信系统网络优化在国内外的现状，及其网络优化的意义。3、研究CDMA 无线网络故障的分析，针对干扰问题、接入失败、掉话问题等几种典型的无线通信网络故障问题进行具体的分析，从而得到一些CDMA网络优化方面的解决方案，最终达到提高CDMA通信系统网络质量的要求。关键词：CDMA 移动通信 网络优化Network optimization CDMA communication systemAbstract: CDMA（Code Division Multiple Access）is a digital technology in the branch - spread spectrum communications technology developed on the basis of a new and sophisticated wireless communications technology. CDMA communication system with spread spectrum communication system is characterized by strong anti-interference, spectrum efficiency, high-capacity. It is the third generation mobile communication system, the main air interface technology. Mobile communication network is a constantly changing network, so the need for ongoing optimization of the network to adapt to changes, exclude a variety of emerging network failure, optimize network resources, improve the performance of network operations, improve service quality, so that the network always in the best state of operation. In this paper, CDMA wireless network optimization technology, progress and development trend, a common problem in network optimization studies, and made some adjustments and parameters to optimize the configuration of the proposal. This paper is divided into:1, the introduction of CDMA communication theory and technology2, network optimization CDMA communication system described in the status quo at home and abroad, and the significance of network optimization.3, of CDMA wireless network fault analysis for interference, the access fails, the problem of dropped calls and other types of typical wireless communication network problems that are specific analysis to get some of the CDMA network optimization solutions, and ultimately to improve CDMA communication system network quality requirements.Keyword：CDMA Mobile Communication Network optimization 摘 要2第一章 绪论31.1研究意义31.2国内外研究现状3第二章 基本原理及关键技术42.1 CDMA 定义42.2 CDMA原理42.2.1 CDMA系通信模型统52.2.2扩频通信技术52.3 CDMA系统的构成62.4 CDMA特点72.5 CDMA中的关键技术72.5.1 统一频率复用72.5.2 功率控制82.5.3 软容量82.5.4 切换技术92.5.5分集接收技术122.5.6 CDMA系统中的PN码同步技术13第三章3.13.1.13.1.2 3.1.33.1.43.1.53.23.2.13.2.23.33.3.13.3.23.3.33.3.43.3.53.3.63.4.13.4.23.4.3总结与展望致谢参考文献第 一 章1.1研究的意义 网络优化是项高层次的维护工作，是通过采用新技术手段以及优化工具对正式投入运行的移动通信网络进行参数的修改及网络资源进行合理的分配，使网络达到最佳运行状态，从而提高移动网络质量。作为移动通信用户，希望在任何地方一打电话就通，而且通话质量要好。但要做到这些，运营商们所提供的网络必须能提供足够的业务容量。业务容量与每个用户的业务量有关，也与无线信道的呼损有关，国外运营者呼损率一般在2%，而我国由于经济原因，在郊区时呼损率往往在5%左右。覆盖是我们在网络优化中重点考虑的因素，覆盖不理想，将会对系统许多方面造成不良的影响。控制覆盖是优化中比较重要的，所以移动通信网络应提供尽可能大的覆盖范围。移动通信的网络传播决定了在覆盖区内不可能是100%覆盖，我们只能期望在覆盖区内死角越少越好。 随着用户数量的日益增加，使得通信网络在规模上、结构上不断地向多协议功能、多层面平台演进。随着通信市场竞争的加剧，使得广大用户对网络质量的要求和业务需求越来越高，如何改善网络运行的性能，提高网络服务的质量，已经成为通信市场企业掌握主动权和增强竞争力的前提。若能充分利用好自己的设备资源和频率资源，就能使企业获得最大的利益。与此同时，多变的外界因素也会影响到移动网络的无线环境，使得CDMA这个动态的网络处在不平衡状态，因此，网络优化工作势在必行，它的作用对网络的运行维护、网络规划及工程建设日趋重要，它是一项对网络系统不间断的精雕细琢的工程。1.2国内外研究的现状国际上通信网络优化行业起步较早，从网络建设进程和市场需求而言，北美，西欧等发达国家通信网络已趋于饱和，各大通信运营商网络建设固定投资由网络搭建、设备投入等基本投入转向网络运维和网络优化投入。进入21世纪，随着用户数量不断上升，运营商运营业务每年以超过5%的速度增长，对通信网络建设投入更多，至2009年，北美、西欧等发达国家总体移动用户平均普及率已达到90%以上，用户新增规模已出现下降。通信行业大规模投资逐渐转向新兴的亚洲、非洲等发展中国家，近五年网络建设大规模投入，移动通信网络优化投入比例逐渐上升到10%左右，已逐渐向发达国家靠拢。目前我国移动网络的建设呈现日新月异的变化，各大运营商都在积极建设自己的网络以达到强大的竞争力，但网络规模的扩大并不意味着网络的完善、在竞争中具有威慑力。真正意义上竞争力的提高，应靠运营商在不断的工程建设以及摸索中对网络进行不断的优化而提升。第二章 基本概念及关键技术2.1 CDMA 定义CDMA是码分多址数字无线通信技术的英文缩写（code division multiple access）,他是在数字技术的分支扩频技术上发展起来的一种全新的无线通信技术。该技术得到广泛的应用，美国移动通信公司首选CDMA。目前全球的CDMA用户已超过1亿多。国际电信联盟（itu）已将CDMA定为未来移动电话的统一标准。码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。它不像FDMA、TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同时传输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间的相互干扰。其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混合后不会丢失原来的信息。有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。每个发射机都有自己唯一的代码（伪随机码），同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，接收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码（这个过程称为解扩）。2.2 CDMA原理CDMA是码分多址的英文缩写(Code Division Multiple Access)，它是在数字技术的分支-扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。2.2.1 CDMA系通信模型统CDMA移动通信系统中，最重要的要素是无线网络的覆盖、容量、质量、频谱利用率和传输效率等。从上图可以看到，这些网络要素有效的达成，涉及到从信源编码到射频收发等全程技术；各种技术的良好配合和运用，都会对这些网络要素产生重要作用。2.2.2扩频通信技术扩频通信技术（扩展频谱通信）它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频技术是指系统将所需传输的信号用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机编码信号去调制它，使得信息数码的带宽大大扩展；解扩技术是接收端使用与发送端完全相同的伪随机码，与接收的宽带信号作相关处理，把宽带信号解扩为原始数据信息。CDMA系统中一般采用直扩方式，降低了空口信噪比要求，提高了系统容量和频率利用率真。下图表明了整个扩频与解扩频过程1.信息数据经过常规的数据调制，变成窄带信号（假定带宽为B1）。2.窄带信号经扩频编码发生器产生的伪随机编码（PN码：Pseudo Noise Code）扩频调制，形成功率谱密谋极低的宽带扩频信号（假定带宽为B2，B2远大于B1）。窄带信号以PN码所规定的规律分散到宽带上后，被发射出去3.在信号传输过程中会产生一些干扰噪声（窄带噪声、宽带噪声）。4. 在接收端，宽带信号经与发射时相同的伪随机编码扩频解调，恢复成常规的窄带信号。即依照PN码的规律从宽带中提取与发射对应的成份积分起来，形成普通的窄带信号。再用常规的通信处理方式将窄带信号解调成信息数据。干扰噪声则被解扩成跟信号不相关的宽带信号。2.3 CDMA系统构成CDMA系统构整个系统由移动终端MT（Mobile Terminal）、基站收发信机BT（Base Transceiver）、基站控制器BSC（Base Station Control）和移动交换中心MSC（Mobile Switching Center）、分组控制功能PCF（Packet Control Function）模块及分组数据服务节点PDSN（Packet Data Sever Node）等部分组成。一个集中的BSC和若干个BTS组成基站子系统（BSS），简称基站BS（Base Station）。BTS完成无线信号的接收和发送，BSC的功能是对BTS进行控制，使基站和移动台能相互可靠的传输语音数据与信令，实现对空中信道的分配管理，完成呼叫控制、移动性管理和功率控制等功能。2.4 CDMA特点CDMA是扩频通信的一种，具有扩频通信的以下特点：1）抗干扰能力强。这是扩频通信的基本特点，是所有通信方式无法比拟的。 2）宽带传输，抗衰落能力强。 3）由于采用宽带传输，在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多，因此信号好像隐蔽在噪声中；即功率话密度比较低，有利于信号隐蔽。 4）利用扩频码的相关性来获取用户的信息，抗截获的能力强。5）多个用户同时接收,同时发送.另外在扩频CDMA通信系统中，由于采用了新的关键技术而具有一些新的特点： （1）采用了多种分集方式。除了传统的空间分集外。由于是宽带传输起到了频率分集的作用，同时在基站和移动台采用了RAKE接收机技术，相当于时间分集的作用。（2）采用了话音激活技术和扇区化技术。因为CDMA系统的容量直接与所受的干扰有关，采用话音激活和扇区化技术可以减少干扰，可以使整个系统的容量增大。 （3）采用了移动台辅助的软切换。通过它可以实现无缝切换，保证了通话的连续性，减少了掉话的可能性。（4）采用了功率控制技术，这样降低了平准发射功率。 （5）具有软容量特性。可以在话务量高峰期通过提高误帧率来增加可以用的信道数。 （6）兼容性好。由于CDMA的带宽很大，功率分布在广阔的频谱上，功率话密度低，对窄带模拟系统的干扰小，因此两者可以共存。即兼容性好。 （7）CDMA的频率利用率高，不需频率规划，这也是CDMA的特点之一。（8）CDMA高效率的OCELP话音编码在保证有较好话音质量的前提下，大大提高了系统的容量。2.5 CDMA中的关键技术2.5.1 统一频率复用CDMA仍然采用传统的蜂窝覆盖，但每个小区使用相同的频率（或称为载频），CDMA2000 1x中，每个载频的带宽是1.25MHz，所有小区中的所有用户使用相同的载频通信。由于频率统一，每个用户对于其它的用户来说是一个干扰。系统通过一种长度为2151的伪随机码（一种PN码，又称为短码）来区分不同小区，通过Walsh码来区分不同的信道，通过一种长度为2421的PN码（又称为长码）来区分来自不同终端的信道。2.5.2 功率控制如果小区中的所有用户均以相同功率发射，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。在CDMA系统中某个用户信号的功率较强，对该用户的信号被正确接收是有利的，但却会增加对共享频带内其它的用户的干扰，甚至淹没有用信号，结果使其它用户通信质量劣化，导致系统容量下降。为了克服这个问题，必须根据通信距离的不同，实时地调整发射机所需的功率，这就是“功率控制”。CDMA功率控制分为：前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又分为开环和闭环功率控制。 反向开环功率控制：反向开环功率控制是移动台根据在小区中所接收功率的变化，迅速调节移动台发射功率。其目的是试图使所有移动台发出的信号在到达基站时都有相同的标称功率。开环功率控制是为了补偿平均路径衰落的变化和阴影、拐弯等效应，它必须有一个很大的动态范围。反向闭环功率控制: 闭环功率控制的目的是使基站对移动台的开环功率估计迅速做出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。功率控制比特是连续发送的，速率为每比特1.25ms（即800bit/s）。“0”比特指示移动台增加平均输出功率，“1”比特指示移动台减少平均输出功率，步长为1dB/比特。一个功率控制比特的长度正好等于前向业务信道两个调制符号的长度（即104.66us）。每个功率控制比特将替代两个连续的前向业务信道调制符号，这个技术就是通常所说的符号抽取技术。前向功率控制：基站周期性地降低发射到移动台的发射功率，移动台测量误帧率，当误帧率超过预定义值时，移动台要求基站对它的发射功率增加1，每1520ms进行一次调整。下行链路低速控制调整的动态范围是6dB。 移动台的报告分为定期报告和门限报告。2.5.3 软容量对于CDMA系统，用户数与服务级别存在比较灵活的关系，运营商可在话务量高峰期将误帧率稍微提高，来增加可用信道数，提高系统容量。软容量是通过CDMA系统的呼吸功能来实现的。呼吸功能是CDMA系统中特有的改善用户相互干扰、合理分配基站容量的功能。它是指相邻基站间，如果某基站覆盖区正在通话的用户数量较多时，该基站的用户之间会产生较大的干扰，这时，该基站可通过降低该基站的导频信道的发射功率使部分用户通过软切换切换到负荷较轻相邻基站中去，从而降低该基站的负荷，减轻该基站的干扰，这是所谓的“呼”功能；当该基站的用户数量减少、干扰减轻时，该基站又可增加导频信道的发射功率，将相邻基站的用户通过软切换纳入自己的覆盖区域，这是所谓的“吸”功能。CDMA系统实现呼吸功能的本质在于其可以方便的控制各个基站的覆盖范围和系统能够实现软切换，通过改变基站的覆盖范围来调整各个基站下面的用户容量，CDMA系统通过呼吸功能，实现相邻基站之间的容量均衡，降低各个基站内部的用户干扰，从整个系统考虑是增加了容量。2.5.4 切换技术1）硬切换硬切换是移动终端只能连接到一个基站的切换,硬切换一般发生在不同频率的CDMA信道间。CDMA网中硬切换工作过程：硬切换发生时,移动台(MS)必须在接收新基站(BS)的信号之前,中断与原BS的通信才能获得新BS 分配的信道,切换过程发生在两个BS的过渡区域或一个BS的两个扇区之间。但往往由于在与原BS链路切断后,MS不能立即得到与新BS之间的链路,使通信中断,掉话率非常高。另外,当硬切换区域面积狭窄时,会出现新BS 与原BS 之间来回切换的“乒乓效应”,影响业务的传输。在硬切换过程中,UE 先断开与Node B1的信令和业务连接,再建立与Node B2 的信令和业务连接,也即UE在某一时刻始终只与一个基站保持联系。下面就详细的介绍一下硬切换的工作过程。第一步:UE 与Node B1在进行正常通信；第二步:当UE需要切换并且网络通过对UE 候选小区的测量找到了切换目标小区时,网络向UE发送切换命令,UE 就与目标小区建立上行同步,然后UE 在与Node B1保持信令和业务连接的同时,与Node B2建立信令连接；第三步: 当UE 与Node B2信令连接建立之后,UE 就删除与Node B1 的业务连接；第四步:UE 尝试建立与Node B2的业务连接, 一旦UE 与Node B2的业务连接建立,UE 删除与Node B1 的信令连接,这时UE与Node B1 之间的业务和信令连接全部断开了,而只与NodeB2 保持了信令和业务的连接,切换完成。2) 软切换软切换是建立在CDMA 系统宏分集接收基础上的一项新技术,它已成功应用于IS- 95/CDMA 系统,并被第三代移动通信系统所采纳。所谓软切换就是当移动台需要跟一个新的基站通信时,并不先中断与原基站的联系,当移动台与目标小区取得联系时,才断开和原基站的链接。软切换只能在相同频率的CDMA 信道间进行。 软切换的特点：软切换的主要优点是前向和反向业务信道的路径分集。因为在前向和反向链路上只需要较小的功率就可以获得分集增益,这意味着总的系统干扰减少了。结果提高了系统的平均容量。当一部手机处于软切换状态下,同时将会有两个甚至更多的基站对它进行监测,系统中的基站控制器将逐帧比较来自各个基站的有关这部手机的信号质量报告,并选用最好的一帧。可见CDMA的软切换是一个“建立比较释放”的过程。软切换可以是同一基站控制器下的不同基站或不同基站控制器下不同基站之间发生的切换。软切换的呼叫过程可以分为三步。（1)移动台与原小区基站保持通信链路。(2)移动台与原小区基站保持通信链路同时,与新的目标小区的基站建立通信链路。(3)移动台只与新小区基站保持通信链路。这个交换过程可以减小呼叫中断的可能性,并减少了在切换过程中切换信令的乒乓效应。软换存在的问题由于软切换同时占用多个信道资源而增加了设备投资和系统复杂性,主要有以下几个方面的变化:基站中需要增加额外的RAKE 接收机信道单元;基站和无线网络控制器RNC(Radio Network Controller)间需要增加额外的传输线路;移动台需要增加额外的RAKE 解调器;基站内不同扇区间需增加额外的链路等等。软切换与硬切换的比较与硬切换相比,CDMA系统中提出的软切换很好的利用了直接扩频系统的特点,具有更好的性能。(1)软切换发生时,移动台只有在取得了与新基站的链接之后才会中断与原基站的联系,大大降低通信中断的概率。(2)软切换进行过程中,移动台和基站均采用分集接收的思想,有抵抗衰落的能力,不用过多增加移动台的发射功率;同时,基站宏分集接收保证在参与软切换的基站中,只需要有一个基站能正确接收移动台的信号就可以进行正常的通信,由于通过反向功率控制,可以使移动台的发射功率降至最小,进一步降低了移动台对系统的干扰。(3) 进入软切换区域的移动台即使不能立即得到与新基站的链路,也可以进入切换等待的排列队列,从而减少了系统的阻塞率。3） 更软切换这种切换发生在同一基站具有相同频率的不同扇区之间。更软切换是由基站完成的,并不通知MSC (移动交换中心)。对于同一移动台,不同扇区天线的接收信号对基站来说就相当于不同的多径分量,经过不同的射频模块(FRM Alpha/Beta/Gamma)并被合成一个话音帧送至BTS 中的一个Channel Element(信道单元)。4）系统间软切换ISSHO(inter system soft handoff)系统间软切换是在不同的BSC(base station controller)基站控制器之间加ATM或T1 协议,在PDB(Pilot Database)中将彼此的Border Cell 互相定义成Standard,同时将更外层的小区定义为BEACON(这是一个只发导频信号的小区,不承担任何Traffic),当移动台在一个BSC 控制的区域内进行通话, 即使运动到边界地带要向其他BSC 控制的BTS 切换时,原BSC 依然会通过ATM/T1 协议暂管其他BSC的Border Cell,使移动台将要进行的切换仍是同一BSC下的不同BTS之间的软切换。之所以要进行ISSHO是为了减少系统间硬切换的次数,尽量使移动台通话时发生的切换是软切换,以减少掉话几率。2.5.5分集接收技术在CDMA调制系统中，不同的路径可以各自独立接收，从而显著的降低多径衰落的严重性。但多径衰落并没有完全消除，因为有时仍会出现解调器无法独立处理的多路径，这种情况导致某些衰落现象。分集接收是减少衰落的好方法。它充分利用传输中的多径信号能量，把时域、空域、频域中分散的能量收集起来，以改善传输的可靠性。移动通信信道是一种多径衰落信道，发射的信号要经过直射、反射、散射等多条传播途径才能达到接收端，而且随着移动台的移动，各条传播路径上的信号幅度、时延及相位随时随地发生变化，所以接收到的信号的电平是起伏、不稳定的，这些多径信号相互叠加就会形成衰落。叠加后的信号幅度变化符合瑞利分布，又称瑞利衰落。瑞利衰落随时间急剧变化时，称为“快衰落”。快衰落严重衰落深度达到20-30dB。瑞利衰落的中值场强只产生比较平缓的变化，称为“慢衰落”，且服从对数正态分布。分集技术是克服叠加衰落的一个有效方发。由于具有频率、时间、空间的选择性，因此分集技术包括频率分集、时间分集、空间分集。 减弱慢衰落采用空间分集，即用几个独立天线或在不同场地分别发射和接收信号，以保证各信号之间的衰落独立。根据衰落的频率选择性，当两个频率间隔大于信道带宽相关带宽时，接收到的此两种频率的衰落信号不相关，市区的相关带宽一般为50kHz左右，郊区的相关带宽一般为250kHz左右。而CDMA的一个信道带宽为1.23MKz，无论在市区还是郊区都远远大于相关带宽的要求，所以CDMA的宽带传输本身就是频率分集。2.5.6 CDMA系统中的PN码同步技术基站的扇区通过PN码区分，PN是导频PN的简称，PN码分长PN和短PN，对应也叫m和M序列。我们常说的用于区分基站扇区的PN码是指短PN，它是连续的15bit组成，从000000000000000111111111111111，它表示偏置PN。理论上可以有2的15次方个偏置，但是应为硬件上（解调）达不到，两个PN隔2的9次方，即64的倍数，也就有512个PN，但在设计中还有Pilot_INC常等于4，这样也就有128个可以用作导频PN偏置。1）原理发