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北京邮电大学硕士论文 基于w c d m a 分布无线通信系统的r r m 算法的研究 基于w c d m a 分布式无线通信系统的r r m 算法的研究 摘要 第二代移动通信是以语音业务为主，而在第三代移动通信系统中，是 以支持多媒体、多速率的业务为主。w c d m a 系统作为第三代移动通信的 主流系统之一理所当然需要提供对多媒体业务的支持。基于w c d m a 的分 布式接入无线通信系统是一种全新的无线接入网络架构，它能更好的体现 w c d m a 系统的优点。它采用了分布式天线、分布式处理和分布式控制等 一系列新技术，具有高容量、低功耗和强兼容性等优点，是极具应用前景 的无线通信新技术。而我们知道w c d m a 是一个干扰受限的系统，所以恰 当的无限资源管理算法可以限制干扰，从而提高系统性能。 论文首先介绍了三代移动通信的发展历史，然后详细描述了本文基于 的第三代移动通信系统的主流系统w c d m a 的发展及其特点。 其次，详细论证了我们所采用的分布式无线通信系统的概念、特点、 网络结构以及其独特的优势和我们在仿真中所采用的环境设定。 接下来，分两章分别阐述了呼叫接纳控制算法和码资源分配算法。在 其中包括了算法的原理、设计指标、不同算法的详细描述和对应的流程图 等等。 然后，将我们在上面论述的算法编程，对呼叫接纳控制算法和码资源 分配算法分别进行仿真论证，得出相应的仿真图。通过图中曲线数据的比 较，找到适合系统的最优算法。 最后，是整个论文的总结和新技术的展望。 关键词：第三代移动通信系统分布式无线通信系统无线资源管理呼叫接 纳控制码资源分配 北京邮电大学硕士论文基于w c d m a 分布式无线通信系统的r i t m 算法的研究 r e s e a r c h o nr r ma l g o r i t h e m so f d i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b a s e do nw c d m a a b s t r a c t i n2 gm o b i l es y s t e m , v o i c ed a t as e r v i c ei sd o m i n a n t b u ti n3 g ，i t sat r e n d t os u p p o r tm u l t i m e d i aa n dm u l t i r a t es e r v i c e s w c d m as y s t e m ，a so n eo f t h e m a i ns t r e a ms y s t e m so f3 g ，o fc o u r s es h o u l dg i v e s u p p o r tt om u l t i m e d i a s e r v i c e t h ed i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a tb a s e so n w c d m ai sab r a n d n e ww i r e l e s sc o n n e c t i o nn e t w o r k i tc a l li n c a r n a t et h e a d v a n t a g e so f w c d m a b e t t e r i ta d o p t sas e r i e so f n e wt e c h n o l o g i e ss u c ha s d i s t r i b u t e da n t e n n a ，d i s t r i b u t e dd i s p o s a la n dd i s t r i b u t e dc o n t r o le t c i th a st h e c h a r a c t e r i s t i c so f h i g hc a p a c i t y ，l o wp o w e ra n ds t r o n gc o m p a t i b i l i t y s oi ti sa v e r ye x c e l l e n tn e ww i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw i 血as u p e rf u t u r e s i n c ec d m ai sa l li n t e r f e r e n c el i m i t e ds y s t e m , a p p r o p r i a t er a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n ta l g o r i t h m sc o u l dr e s t r a i ni n t e r f e r e n c et oi m p r o v e t h es y s t e m c a p a c i t y f i r s t l y , ii n t r o d u c e dt h eh i s t o r yo f d e v e l o p m e n to f t h e t h r e eg e n e r a t i o n s c o m m u n i c a t i o n s t h e nii n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c so f w c d m aw h i c hi st h em a i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mo f 3 gi nd e t a i l s s e c o n d l y , id e s c r i b e dt h ec o n c e p t s ，c h a r a c t e r i s t i e s ，n e t w o r k sa n d t h e p a r t i c u l a rd o m i n a n c e so f t h ed i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a tw e u s e d t h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tw a sa l s od e s c r i b e d t h i r d l y ，t h ea l g o r i t h m so f c a l la d m i s s i o nc o n t r o la n dc o d ea s s i g n m e n t w e r ed e s c r i b e ds e p a r a t e l yi nt w oc h a p t e r s ，i n c l u d i n gi t sp r i n c i p l e s ，d e s i g nt a r g e t s ， d e t a i l e da l g o r i t h me x p l a n a t i o n sa n dr e l a t e df l o wf i g u r e s t h e nip r o g r a m m e dt h ea l g o r i t h m sa b o v ea n dc o m p a r e dc a l la d m i s s i o n c o n t r o la l g o r i t h m sa n dc o d ea s s i g n m e n ta l g o r i t h m ss e p a r a t e l yt h r o u g ht h e f i g u r e so f t h es i m u l a t i o n 1 1 1 eb e s ta l g o r i t h m sw e r ef o u n da f t e ra n a l y z i n gd a t a f r o mt h ec u r v e so f t h ef i g u r e s 北京邮电大学硕，h e 文 幕于w c d m a 分布式尢线通信系统的r r m 算法的研究 a n dt h el a s tp a r to f t h e p a p e ri st h ep r o s p e c to f t h en e wt e c h n o l o g i e sa n d t h es u m m a r i z a t i o no f t h ew h o l ew o r k k e yw o r d s ：3 g , d i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，r a d i o r e s o u r c em a n a g e m e n t ，c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ，c o d ea s s i g n m e n t 北京邮电大学 慕于w c d m a 分布式无线通信系统的r r m 算法的研究 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：j 全坞b 一日期：立亟江直立l 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：蛐：生丕 日期：2 譬芦址 北京邮电大学硕士论文 基于w c d m a 分布式无线通信系统的r r m 算法的研究 第一章绪论 1 1移动通信系统的发展历史 随着社会的发展，人们对通信的需求越来越高，移动通信技术已经经历了从模拟调 制到数字调制的发展历程。第一代采用频分多址( f d m a ) 模拟调制方式，这种系统的主 要缺点是限制了移动通信的长途漫游，使得第一代移动通信系统只能是一种区域性移动 通信系统，通话的保密性较差，不能满足飞速发展的移动通信业务量的需要于是在9 0 年代初，随着数字通信技术的飞速发展，各国都相继推出了第二代数字移动通信系统。 第二代蜂窝系统采用时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 的数字调制方式，提高了系统 容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善。t d m a 方式的主要缺点是：( 1 ) 系统容量仍不理想；( 2 ) 和f d m a 方式一样，t d m a 方式的越区切换性能仍不完善。随着 社会的发展，人们不再满足第一代、第二代移动通信系统所提供的业务和质量，希望能 够在任何地方、任何时间、以任何方式在任何个人之间进行任何信息的通信。所以第三 代移动通信系统应运而生，第三代移动通信系统是指能够满足i t u ( i n t e m a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n su t a o n ) 的i m t2 0 0 0 系统要求的新一代移动通信系统。i m t 2 0 0 0 是 i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 的英文缩写，是集蜂窝、无绳卫星移动通信 为一体，提供包括视频( 压缩熊码) 在内的多业务、多媒体、综合化的一个系统。该系统 能与i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) 和p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n e n e t w o r k ) 互联，并为i n t e m e t 的接入提供高速、灵活、方便的服务。其信令接口的标准是 按照开放式系统互联的模式建立的，具有完善的保密和身份验证的功能。同时，i l v i t2 0 0 0 也是为了满足无线个人通信近期目标进行设计的，是一个全球无缝覆盖，全球漫游，包 括卫星移动通信、陆地移动通信和无绳电话等蜂窝移动通信的大系统，可以向公众提供 前两代产品不能提供的各种宽带信息业务，如高速数据，慢速图像与电视图像等，速率 达2 m b p s ，带宽在5 m h z 以上。 r r u 己对i m t 2 0 0 0 的测试环境提出了具体标准，给出了表征i m t 2 0 0 0 系统的最低限 度的参数，包括支持的数据速率范围、误码率标准、单向的时延标准、激活因子和业务 量模型。根据i t u 的标准，世界各大电信公司联盟均已提出了自己的第三代移动通信系 统方案，由于第三代移动通信标准必然影响各国在第二代移动通信方面的利益，如北美 北京邮i u 人学硕i ：论文 基于w c d m a 分布式无线通信系统的r r m 算法的研究 希望能够兼容i s 9 5 系统，欧洲希望能够兼容g s m 系统，因此i t u 不可能在短时期内统 一第三代移动通信系统标准。目前分别以欧、美为代表的3 g p p 和3 g p p 2 区域性组织正在 进行标准化的制定。从技术角度来看，虽然这些方案不甚相同，但是全世界在第三代移 动通信系统中采用宽带码分多址( c d m a ) 技术己经达成共识，其中以w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ， t d s c d m a - - 种方案最具有前途。值得指出的是，t d - s c d m a ( 也称低码片速率t d d 。 w c d m a t d d 称为高码片速率t d d ) 技术规范是第一份我国自己提出的，被i t u 全套采 纳的无线通信标准。 1 2 第三代移动通信的发展与现状 第一、第二代蜂窝移动通信系统是针对传统的语音和低速率数掘业务的系统，而 未来的“信息社会”，图像、语音、数据相结合的多媒体业务和高速率数据业务将成为必 不可少的服务内容，它们的业务量将远远超过传统的语音业务的业务量。所以目前的第 一、第二代蜂窝移动通信系统不仅远远不能满足未来用户对数据的业务需求，而且随着 用户数量迅猛增加，现有的系统也将不能满足用户的容量发展需要另外，随着“信息高 速公路”的建成，陆地公共网传输的许多业务，也必将与移动通信系统有接口，宽带分 组数据将成为陆地公共网的主干网的重要业务方式，成为“信息高速公路”的重要载体。 美国“信息高速公路”的建成，其影响和效益也远远超过美国2 0 世纪5 0 年代建成的“汽车 高速公路”。所以新一代移动和个人通信系统( 即第三代移动和个人通信系统) 的研究和发 展已经成为电信领域的一个新的热点。 第三代移动和个人通信系统要求有更大的系统容量和更灵活的高速率、多速率数据 的传输，除了语音和数据传输外，还能传送高达2 m b w s 的高质量的活动图像，真正实现 “任何人( 啪o e v e r ) 在任何地点( w h e r e v 盯) 任何时间( w h c l l “e r ) 可以同任何对方 ( m o m e v e r ) 进行任何形式( w h 砒e v e r ) 的通信”这样一个目标。以美剐c o m m 公司为首 的倡导者提出了在蜂窝移动通信系统中采用c d m a 技术的系统实现方案，他们通过理论 分析和不断的现场实验，证明c d m a 具有许多t d m a 技术所没有的独特的属性，并认为 c d m a 是移动通信环境下获得大容量和高质量的一种灵活有利的技术，它既能解决近期 模拟系统容量不足的问题，也是一种通往个人通信的长远解决办法。 进入2 0 世纪9 0 年代中后期，世界各移动通信设备制造商和运营商已从对第三代移动 通信系统的概念认同阶段进入到具体的设计、规划和实施阶段。在刀= 发第三代系统的进 程中形成了北美、欧洲和同本3 大区域性集团。 第三代移动通信网将是一个特别庞大的全球统一的移动通信网络，系统容量可以满 足全球人口总数的应用需要，其覆盖范围理论上可以达到地球上任何一个有人类活动的 三维空l 、日j 。在无线网络中，为了大幅度提高频谱利用率，降低终端的功耗和成本，需采 2 北京邮电大学硕士论文 基于w c d m a 分布无线通信系统的r r m 算法的研究 用覆盖范围小于l k m 的微小区和覆盖范围只有5 m 3 0 m 的微小区结构，以满足城市用户密 集的环境和室内终端密度很高的场合的要求。将实现以“个人通信号码”取代今天的“电 话机号码”，使目前的移动通信向个人通信发展，从而满足任何人在任何时间和任何地 点，使用任何一个固定或移动终端，通过个人号码能和任何人建立全时空的信息交换的 愿望。 l t u - t ( 国际电信联盟) 综合各国标准化组织提出的建议，从1 9 9 8 年开始制定并正在不 断完善第三代移动通信标准i m t2 0 0 0 。 各代蜂窝移动通信系统的特点如表l 。l 所示。 表1 - 1 第三代移动通信的比较 第一代第二代第三代 模拟( 蜂窝)数字( 双模式，双频)多模式，多频 仅限语音通信语音和数据通信当前通信业务( 语音，中 速数据) 之外的新业务 仅为宏小区宏微小区 卫星宏微微微小 区 主要用于户外覆盖 户内户外覆盖无缝漫游，供户内外使用 与固定p s t n 完全不同固定p s t n 的补充与p s t n 综合，作为信息 技术业务( 数据网，因特 网，v p n ) 的补充 以企业用户为中心 企事业和消费者通信用户 主要接入技术：f d m a主要接入技术；t d m a主要接入技术：c d m a 主要标准：n m t ，a m p s ，主要标准：g s m ，i s 1 3 6主要标准：三模式宽带 t a c s( 或d a m p s ) ，p d c c d m a ( w c d m a ) ，直 接序列( d s ) ，多载波 ( m c ) 和时分双工 ( t d d ) 上表中n m t 为北欧移动电话，而v p n 为虚拟专网。第三代系统的主要目标是将包括 卫星在内的所有网络融合为可以替代众多网络功能的统一系统，它能够提供宽带业务并 实现全球无缝覆盖。为了保护运营商在现有网络设施上的投资，第二代系统向第三代系 统的演进遵循平滑过渡的原则，现有的g s m ，d a m p s l s 1 3 6 等第二代系统均演变成第三 代系统的核心网络，从而形成一个核心网家族，核心网家族的不同成员之间通过n n i 接 口联结起来，成为一个整体，从而实现漫游。在核心网络家族的外围，形成一个庞大的 无线接入家族，现有的几乎所有的无线接入技术以及w c d m a 等第三代无线接入技术均 将成为其成员。 北京邮f u 人学硕 论文草于w c d m a 分布式无线通信系统的r r m 算法的研究 1 3 第三代移动通信网的0 0 $ 的特点 q o s 0 艮务质量) 是随着同_ 网络平台提供业务的多样化、多媒体化以及交换方式的 分组化而出现的。第三代移动通信网的设计目标是实现移动i n t e m e t ( 因特网) 、移动多媒 体，需要同时支持话音、数据及视频业务，q o s 能力是至关重要的。移动网络提供q o s ， 除了需面对固定网络面临的问题外，还需考虑移动性环境下的特殊问题： ( 1 ) 无线信道的高误码率。通过空中接口上的分集技术、差错控制( 前向纠错、c r c 校验) 及反馈重传机制来克服，但是反馈重传会引入一定的时延，需要权衡。另外，信道高误 码率及切换造成的分组丢失，破坏了“丢包是因为网络拥塞造成的”这个基本的t c p 拥塞 机制设计假设，研究适应于移动环境的t c p 协议很有必要。 ( 2 ) 无线资源的有限性。在兼顾资源使用效率前提下，为保证业务的误码率、时延等q o s 参数要求，采用多址技术及复杂的m a c 层协议来合理地配置和管理有限的资源。 ( 3 ) 移动性( m o b i l i t y ) 问题。由于m s 位置改变，造成通往m s 的分组路由改变，需要研究移 动分组路由技术。移动分组路由技术可以用i p 层以下的具体网络技术来解决，此时蜂窝 网范围内的移动性对i p 层保持透明，也可以用i p 层技术来解决，如移动i p 。移动分组路 由技术对q o s 影响体现在两个方面：一是i p 层移动分组路由技术会对适用于固定路由情 形的q o s 机制产生难以预料的影响，如隧道技术及改变e p 转交地址对r s v p 的影响：二 是e p 层以下与具体网络相关的移动路由技术对i p 层q o s 机制保持透明，对具体网络( l 2 层) 的q o s 机制的影响。 1 4c d 姒系统的特点 基于扩频技术的码分多址接入是c d m a 移动通信系统的技术基础，它可以通过给不 同的用户分配各自特定的地址码序列，将处于相同时隙和频率的用户信号分离开来，采 用共享信道方式传输信息。在接收端，系统利用与发送端完全一致的本地地址码对接收 信号进行相关检测，提取我们需要的用户信息，而将其他使用不同码型的信号视为宽带 干扰而从中剔除掉。在存在着各种干扰和多径衰落的无线信道环境中，扩频信号的带宽 特性使得系统的性能得到明显的改善。c d m a 移动通信系统与传统的f d m a 和t d m a 移 动通信系统相比，具有抗干扰性好、抗多径衰落性好、保密性高、容量大、频率资源利 用率高等特点。 c d m a 移动通信系统是一个自干扰系统，其中所有的用户共享相同的频谱，每一个 用户对于其他用户而言都是噪声或干扰。干扰会随着用户数量的增加而增加，最终整个 背景干扰的总和会因为无法保证通话质量的最低信噪比要求而限制系统容量。因此， c d m a 系统对所有的传输信号功率都仔细加以控制，保证它们以最小的功率进行工作， 4 北京邮电大学硕士论文基于w c d m a 分布式无线通信系统的r r m 算法的研究 避免对其他用户造成不必要的干扰。 c d m a 系统的网络组成结构与传统的t d m a 系统类似，但是为了满足移动用户更高 的通信要求，随着第三代移动通信系统的不断演进，它又新增加了部分功能模块，并对 相应的标准体系进行了改进。 c d m a 系统的主要特点是频谱利用率高、保密性好和容量大，这是由特定的调制解 调原理所决定的。而系统关键部分的设计，如功率控制、软切换和话音激活，在保证了 用户通话质量的同时，还增强了系统的大容量性能，实现了系统容量的动态配置。 1 4 1 高服务质量 c d m a 的直接序列扩频能较f d m a 和t d m a 系统提供更多的分集方式，其中主要有 时问分集、频率分集和空间分集，使来自不同路径传输的相同信息，具有近似相等平均 信号强度和相互独立衰落特性的信号被分别接收，可以抵消许多由多径引起的衰落。 c d m a 基站和移动台所采用的r a k e 接收机，能独立跟踪各个不同路径，将收到的信号强 度矢量相加，然后再进行解调。这样，c d m a 系统中存在的多径衰落的影响大为降低， 信号在恶劣的传输环境中的性能大大改善，基于各个信号之和的解调也更为可靠。 c d m a 系统引入了功率控制技术，在一般情况下，由于传输状况良好，因此发射功 率比较低，但在遇到衰落时，会通过功率控制自动提高发射功率以抵抗衰落，保证通话 质量。 c d m a 系统采用可变速率声码器进行语音编码，它使用适当的门限值来决定所需速 率。门限值随着背景噪声电平的变化而变化，这样就抑制了背景噪声，使得即使在喧闹 的环境下，用户也能得到良好的通话质量。 c d m a 的软切换技术实现了蜂窝移动通信的“无缝隙”覆盖，当移动台从一个小区进 入另一个小区的时候，可以保证通信的连续性。移动台在软切换过程中与原小区和新小 区同时保持通话，在任何时候至少可跟一个基站保持联系，这就减少了掉话的可能性， 保证了用户电话的畅通。软切换只能在具有相同频率的c d m a 信道之间进行。 1 4 2 容量 一个无线电系统的容量被定义为一定频段内所提供的最大信道数或允许同时工作 的最大用户数。在c d m a 蜂窝通信系统的扇区中，在可容忍的相互干扰下，可同时接入 基站的移动用户个数就是该扇区的容量。 c d m a 系统的容量是干扰受限的。c d m a 与传统的f d m a 、t d m a 不同，它不再孤 立地分配互不相交的频带或时隙资源，而是把所有的资源联合分配给同时接受服务的用 户共同使用。各个用户共用同一频率和时隙，每个用户的信号对其他的用户而言都是干 北京邮电大学硕士论文基于w c d m a 分布式无线通竹系统的r r m 算法的研究 扰，系统中多增加一个用户，系统的总。f 扰就会升高，相应的系统中原来的用户的接收 信噪比就会随之降低。因此，限制c d m a 数字蜂窝系统通信容量的主要原因就是系统中 存在着多址干扰。c d m a 系统采用的功率控制技术，其目的就在于控制每个移动台信号 的功率电平，使它们到达基站时都达到最小所需的信噪比，既维持了高质量通信又不对 占用相同信道的其他用户产生不必要的干扰，从而使系统容量达到极限。 1 4 3 软容量 c d m a 的软容量特性是原频分多址和时分多址系统所不具备的独特特性，是相对 f d m a 和t d m a 系统的硬容量特性而言的。在f d m a 和t d m a 系统中，一个信道被一个 用户占用，在全部频道或时隙被占满之后，哪怕只增加一个用户也是不可能的，除非系 统空出空闲信道。而c d m a 系统中全部用户共享一个频带资源，用户信号的区别只是所 用的码型不同而已。当系统满负载时，再增加少数用户，网络不会出现阻塞现象，而只 会使话音质量略微下降。这种特征使系统容量和用户数之问存在一个“软”关系一在话务 量高峰期，有可能在一定程度上，稍稍降低系统的误码性能，降低接收机的接收门限， 就可以适当增加系统的用户量。 由于c d m a 是一个干扰受限的系统，因此，它的软容量特性还表现在相邻小区负载 的变化对小区容量的动态影响上。当相邻小区同时通信的用户数减少时，对本小区的干 扰也减小，本小区容量将增大。反之，本小区容量将减小。 c d m a 软容量特性的另一种表现形式是小区间的软切换和呼吸性能对本小容量的 影响。所谓呼吸性能( “小区呼吸”1 是指各个小区的覆盖区域大小是动态的，即小区覆盖 范围随区内业务强度变化而变化。当小区内用户数量增长，也就是小区容量增大时，小 区基站处接收到的干扰也随之增大时，这就以为着小区边缘的一些用户即使在最大发射 功率情形下也无法保证自身与基站之间连接的q o s ，于是，这些用户便会被切换到相邻小 区。也就是说，原小区的覆盖范围相对缩小了。反之，当小区内用户数目减少，也就是 小区容量降低时，系统业务强度使得基站接收的干扰功率水平下降，各用户设备( u e ) 可以发射更小的功率来维持与基站的连接。结果导致在小区内可容忍的最大路径损耗增 大，等效为小区扩张。 1 5 小结 本节详细介绍了移动通信系统的发展历史以及c d m a 移动通信系统，与t d m a 和 f d m a 相比，它具有系统容量大、系统容量配置灵活、频率规划简单、不易掉话等优点， 同时它包括功率控制、切换控制、接纳控制、分组调度和负荷控制等关键技术。c d m a 6 北京邮电人学硕士论文摹于w c d m a 分布式无线通信系统的r r m 算法的研究 技术改变了原有的蜂窝式通信系统与p c s 通信系统的面貌，大幅增加了系统容量，克服 了多重路径造成的影响、改善了传输信号、减少了通话递交造成的断话现象、频率规划 简单、提供更好的语音与数据服务品质。因此，它是一项革命性的新技术，已获得全世 界广泛的研究和认同。 7 北京邮电人学硕上论文基于w c d m a 分布j 无线通信系统的r r m 算法的研究 第二章分布式无线通信系统 分布式接入无线通信系统是一种全新的无线接入网络架构。它采用了分布式天线、 分布式处理和分布式控制等一系列新技术，具有高容量、低功耗和强兼容性等优点，是 极具应用前景的无线通信新技术。 2 1分布式无线通信系统简介 2 1 1分布式接入无线通信系统网络架构 分布式接入无线通信系统可以总体上分为分布式天线阵列、分布式信号处理和分布 式的商层控制三部分。 分布式天线阵列是由大量高密度的天线阵元组成。由于分布式天线的天线放置密度 较高，则在其覆盖范围内的任何地点都存在终端到天线的直射径。每个天线都通过光纤 与上层处理器连接，这样可以提供廉价的而且又几乎无损的信息传输。 分布式信号处理是分布式接入无线通信系统的核心部分，信号的调制解调、信道的 编译码、媒体接入层的控制及无线接入的管理都在这部分实现。分布式信号处理主要有 两个子系统构成，一是分布式处理中心，一是专用光纤网络。专用光纤网主要负责分布 式天线和处理中心的信息传输以及处理中心之间的信息交互。而分布式处理中心则主要 负责接入网的各种管理功能。 分布式的高层控制主要实现了网络的高层协议、交换路由和移动性管理等功能。系 统结构可参考图2 1 。 9 北京邮电人学硕i ：论文基干w c d m a 分布式无线通信系统的r r m 算法的研究 图2 - 1 分布式接入无线通信系统架构 2 1 2 分布式无线网络系统特点 分布式接入无线网络与传统蜂窝无线通信系统相比，具有高容量、低功耗和强兼容 性等特点。 根据多天线信息论的结论可知，系统的信道容量是与收发天线数目近似正比的关 系，由于分布式系统采用了分布式天线结构，因此可以成倍的提高系统的容量。而且分 布式天线还可以大大提高系统频率复用效率，这在频谱资源很宝贵的移动通信中是非常 有价值的。 由于终端与天线之间直射径的存在，使得信道衰减与传统网络相比较小，从而可以 降低发射机的发射功率，既节约了能量又降低了电磁辐射。 由于在分布式信号处理中，传输与控制完全分离。使得分布式处理中心变得易于控 制更新和可编程，可以实现不同系统的共存。 2 1 3 分布式无线通信系统的工作简介 分布式无线通信技术作为一种新技术，对其应用价值的研究是极为必要的。而最节 约成本和时间的研究方法就是应用计算机进行仿真，而且计算机仿真也是对其进行更深 入应用价值研究的前提和基础。基于以上考虑，我们进行了分布式无线移动通信网络仿 真器的开发工作。 计算机仿真与架设实验网相比的主要优点就是省时省力，其缺点就是准确性较差。 为了克服计算机仿真的缺点，我们开发的仿真器在兼顾效率的同时更加注重了对真实网 络的最大程度的模拟，力求能够展现出分布式技术在实际应用中的性能。为了能够最大 程度的反映将分布式系统应用于实际的情况，我们的仿真具有以f 新颖的更符合实际情 1 0 北京邮电大学硕士论文基于w c d m a 分布式无线通信系统的r r m 算法的研究 况的特点： 仿真驱动机制为动态事件驱动机制，动态的仿真机制与静态相比，虽然设计较 为复杂，但是却更能体现网络的运行情况。而事件驱动机制与时间驱动机制相 比，提高了程序的运行效率。 仿真场景采用了某三层办公楼的真实场景，仿真中的地形均按照该楼实际情况 绘制，所有地点的路径损耗均由w w 软件根据该建筑地形和建筑材科生成。因 此，以我们的仿真为参考，完全可以实现在该建筑内的分布式接入无线通信系 统的实际布网。 仿真中的一些底层技术( 如接入方式，信道编译码等等) 都采用已成为标准和 实际系统已经采用的成熟技术。这样做可以更好的反映出将分布式技术应用到 实际系统中的性能。 通过仿真器的开发，我们得到了大量有实际应用价值的数据，仿真为把分布式接入 无线通信系统这一全新技术早日实用化奠定了坚实的基础。 2 2 分布式无线通信系统 2 2 1 分布式接入系统信号发送与合并方式性能分析 分布式接入系统的关键技术之一就是通过分布式天线技术，研究分布式天线信号的 发送与合并性能是十分必要的。 与传统蜂窝移动通信系统以基站为中心的结构不同，分布式接入系统以用户为中 心，通过分布式天线发送和接收来自用户的无线信号。用户根据一定的准则选择一个或 多个天线进行通信，这个天线集合就是该用户的虚拟小区。在反向链路中，来自该用户 的信号被其虚拟小区内的一个或多个天线接收并进行信号合并；在前向链路中采用多播 技术，即一个虚拟小区内的天线向其服务的用户同时发送信息。有研究表明，由于宏分 集的作用，分布天线系统反向链路容量较传统蜂窝系统会有显著提升；在前向链路中， 由于虚拟小区内天线间干扰的影响，多播技术不能提升分布天线系统容量，选择最优的 单天线发送将使系统中断概率保持最低( 可参见下文的仿真结果) 。 我们将分析一般频率选择性衰落信道与非理想信道估计条件下，多播与不同信号合 并方式对d s c d m a 分布式接入系统前向链路性能的影响。研究的目的是在存在多径衰 落与非理想信道估计的实际环境中，寻求分布式接入系统前向链路有效的信号发送与合 并方式，正确评价多播技术在分布天线系统前向链路中的作用。该分析方法同样可推广 到分布天线系统反向链路的性能分析中。 北京邮电人学硕i 。论文摹于w c d m a 分布式无线通信系统的r r m 算1 7 土的研究 2 2 2 系统模型 考虑有k 个用户同时接入的d s c d m a 分布天线系统模型。共l 根天线均匀分布 在系统区域内，每个虚拟小区( v c ) 均由h 根天线组成，用户端为一根全向天线。前向链 路中信号发送采用多播方式。信号接收考虑选择性合并与最大比合并两种宏分集方式。 两种合并方式对来自同一天线的多径信号均采用最大比合并方式，即对用户i ，来自 中日个天线的多径信号分别采用最大比合并，然后选择性合并方式对日个结果进行比 较，并取最优结果作为用户i 的最终合并结果。最大比合并方式则对j v 个结果进行最大 比合并，并将合并后的结果作为用户i 的最终合并结果。为简化分析，系统模型采用 r a k e 接收机进行最大比合并，未采用多用户检测方法。 2 2 3 信道模型 系统模型米用一股频翠j 筮弹性衰落信遁。考虑用尸0 与比b 中天线1 自j 的信遭，该 信道的第五条可分离路径的冲激响应为： 却( f ) = 彰舶6 ( t 一砰2 ) p 删“，五【1 ，鸠】 ( 2 1 ) 式中，m i 表示该信道的可分离多径数并服从贝努利分布，m 【l ，m 一】，肘一是 信道间可能的最大可分离多径数。0 “是该径的时间延迟。矿“是在【o ，2 x 间均匀分布的 随机变量，表示该径的相位偏移。科舢2 布4 群”，其中4 是比；中天线l 与移动台。 的距离；口是路径衰耗因子，在模型中取4 ；厨”表示该径复衰落的随机变量，在模型 中服从瑞利分布，其均方值e ( 群舢) 2 是服从1 。哥n 。彻a 1 分布的随机变量，均值为o ， 方差为。 2 2 4 前向链路中断概率分析 给每个昭中的天线依o ( i - i 1 ) 排序，标记中的第h 根天线为h ( k ) 。假设在前 向链路中，每根天线均与业务信道一同发送功率为p 得导频信号，且该功率与分配给每 个用户的业务信道的总功率相同。设从天线1 ( k ) 发送至用户k 的业务信道功率为q 2 一p ， 则有： 2 北京邮电大学硕二 论文 基于w c d m a 分布式无线通信系统的r r m 算法的研究 v k ，眦= l ( 2 2 ) 设语舌l 馓活凼于为1 小失一股性，考虑用户0 接收到的信号为： 特篓蓦等胁 坶+ 镬i ：02 - 0 肌辩蝴乜。， 式中，s ( t ( ) 表示从天线h ( 1 【) 发送至用户k 的信号，且 墨( t ) o ) 5 ( n t x 2 p a k ( t ) b k ( t ) c 0 8 ( q ，其中瓯( f ) 和唧( f ) 分别为用户k 的信息比特和 扩频比特；p 是分配给用户k 的功率。哥( f ) = 芝瓦；( f ) 巧( f ) c o s ( 婢 ，其中吖( f ) 和群( f ) 分 别为天线1 的导频比特和天线l 导频信道的扩频比特。n ( t ) 为高斯噪声。 f i h i m