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w c d m a 系统实际信道环境与切换性能的研究 摘要 本文根据3 g p p 相关协议和论文，基于v i s u a lc + + 开发环境下的 w c d m a 物理链路层仿真平台，实现了实际信道环境下系统链路级 性能的仿真，并且探讨了硬切换情况下，使用压缩模式对系统性能 所造成的影响。论文的第一部分阐述了w c d m a 物理链路层仿真的 原理、各个模块的实现，讨论了在固定时延多径瑞利衰落信道情况下 和可变时延两径生灭模型信道情况下的系统性能。第二部分论述了切 换算法和接纳负载控制算法以及功率控制之间的关系、切换控制策 略、准则和评估切换算法的依据，在此基础上，比较了各种切换算法 的优劣以及w c d m a 与i s 一9 5 a 、i s 一9 5 b 软切换技术的异同，从而 看出软切换技术的演进过程。最后一部分研究了在不同信道环境下， 系统在硬切换时使用压缩模式对系统容量和覆盖范围所造成的影响， 在此基础上给出了一种能够即时进行切换，并且不会造成系统性能急 剧恶化的触发压缩模式的准则：分组周期触发的压缩模式。相信本文 对进一步研究w c d m a 系统硬切换有一定的帮助。 关键词：宽带码分多址( w c d m a ) ，生灭模型，硬切换，软切换， 压缩模式 r e s e a r c ho fw c d m a i nh a n d o f fc a p a b i l i t y a n el i n kl e v e l p e r f o r m a n c ea tr e a l c h a n n e le n v i o r m e n t a b s t r a c t w i t hr e f e r e n c et os o m er e l e v a n tp a p e r sa n dt h e3 g p p s p e c i f i c a t i o n s ，t h i sp a p e r r e a l i z ct h es i m u l a t i o no fl i n kl e v e l p e r f o r m a n c e i nw c d m aa tr e a lc h a n n e l c o n d i t i o n , a n dd i s c u s st h ei n f e c t i o nt ot h es y s t e mc a u s e db yc o m p r e s s e dm o d e a l l w o r kh a db e e nd o n ei nt h ev i s u a lc + + d e v e l o p m e n te n v i o r m e n t t h ep r i n c i p l eo f s i m u l a t i o na tl i n kl e v e li nw c d m a , i m p l e m e n t i o no fe v e r ym o d u l e s ，e s p e c i a l l yt h e s y s t e mp e r f o r m a n c ea tf i x e dd e l a ym u l t i p a t hr a y l e i g h 伽i n gc h a n n e la n dv a r i a b l e d e l a y2p a t hb i r t h - d e a t hm o d e la r ei n t r o d u c e da n da n a l i z e di nd e t a i l i nt h ef i r s t p a r t t h e s e c o n d p a r te x p a t i a t et h ep r i n c i p l e s a n de v a l u a t i o no fs o m ek i n d so f h a n d o f f a l g o r i t h m ，t h e nc o m p a r et h e d i f f e r e n c eo fh a n d o f fa g o r i t h m a m o n g w c d m a ，i s 一9 5 aa n di s - - 9 5 b ，s ot h ec o u r s eo fe v o l v i n gp r o c e s sb e c o m em o r e c l e a r a tl a s t , t h ea u t h o rd i s c u s st h ee f f e c t i o nt ot h es y s t e mc a p a b i l i t ya n dc o v e r a g e a r e aa st h eu s eo f c o m p r e s s e dm o d e j u s t o nt h i sf o u n d a t i o n , t h ep a p e r p r o p o s e an e w p r i n c i p l e - - g r o u p i n gp e r i o d i c - t r i g g e r e dc o m p r e s s e dm o d e ，w h i c hc a l lb ed o n ei nt i m e a n dp e r f o r m a n c ed e c r e a s ed r a m a t i c a l l y s t h i sp a p e rc a nb ear e f e r e n c ef o rf h l t h e r s t u d y o f h a r d h a n d o i t i n w c d m a k e yw o r d s ：w c d m a ，b i r t h d e a t hm o d e ，c o m p r e s s e dm o d e ， h a r dh a n d o f r s o f th a n d o f f 强到性( 或剑菠性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师关伟陵教授，牛凯褥士，贺志强博士的指 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 中囊罗歹l 熬内容叛终，论文孛不惫含蔟缝夫已经发袭或撰写遵瓣磅究残暴，瞧不毽 含为获得托京邮电大学藏其他教育机构的学位或诞书而使用过的材料。与我一间工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 串专 孥擎证谂文，赉弩蓉蠢乏毒之楚，本天零挺一糖搬 譬孥每n 本人艇名：毒么尹毒殚日期：。乙篡j 糊 关于论文使用授权的说明 学位论文佟豢完全了鳃北容都电大学有关保留秘镬薄学位论文静规定，帮： 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邀交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被漆阅 帮缮阗：学校可敬公毒学位论文戆全部或部分内誊，哥淡允诲采爰影霹、镣窜 或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保衡的学位论文谯解密后遵守j 强：规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密厝遮用本授权书a 非保密论文注释：本 学位论文不矮子 本人艇名； 导币艇名； 氟隰迹垒翻蕉露晶期：迹翌盘毽蕉瑗 日期：乒山缸 托衷帮奄走学骥士论文w c d m a 系统实际信遒珥端每切换槛能婚研f 究 第一章序论 1 iw c d m a 技术发畿孵背景 世纪8 0 年代，麓潮q u m c o m m 公司首先将弼分多址( c d m a ) 技术运用 剽蜂窝通信中，在1 9 9 3 年最终形成了第二代移动通傣系统中窄带c d m ai s 一9 5 标准。第一个c d m a 商用网络于1 9 9 5 年9 月在褥港开通，1 9 9 6 年又有职个c d m a 巍麓孵络在麟国授入运 j ：，裂1 9 9 7 年疯全遂器已经奢7 0 0 万令c d m a 强户，爨 2 0 0 1 年底，c d m a 用户已经达到l 亿，占全球移动髑户惑数的1 1 左右。髓饕 经济熬发越，缤惫交换懿爨趋攘繁，仅仅羞鼹予瀵蕊溪音l 幺务辫聪有蔫臻第二代 移动通信系统已经不能满足人们对信息艇的需求，甚歪在移动通信迅速发展的今 天，在一些露家戆撼帮中心地索篱二代移蘸逶信系统豹容量都严_ 嚣 不足，弼虽鞋 游二我移渤遴信系统瑷有斡多翻式瀚空中续蜀蚕罄潮络没备，不可麓满足建立全球 绩的移动通信系统蛔骚浓。因她从9 0 年代起，戴际电信联擞( 1 f u ) 掇墩了 笫三代移动通信( 3 g ) 的两标和簧求一j m t 2 0 0 0 。 3 g 在渡务能力上应该县有以下姆程e ： 能提攥溃足多转攮务翥求款全球无缝覆麓帮全球漫游； 能提供与i m e m e t 兼容的宽带多媒体业务和磷速率数摆渡务； 葵掇供戆骚务鬏蠹接近予鬻露电信强窝瓣终簸提供黥鼹势震量； 完罄的信息安全机制； 与耀有系统籀比雯薅黪攒灌茅# 爝率。 经遵不到卡年魏发矮，3 g 露经经掰拣壤攥议帮藕选、拣缓瓣裁定耪纲纯、 试验系统和秘罔系统的硬制稆开发龄过程。羁翦豹空中接口存强蕊大主滚，鼯 1 9 9 7 年嗣本和欧洲达成敷的w c d m a ，以及1 9 9 8 年美国提出的一种后向兼容 l s 9 5 的宽带c d m a 报娥( 称为c d m a 2 0 0 0 ) 。他们的共同特，谯怒以宽带c d m a 攘末为蘩鹚。爨欢溺葶键霸零为代衮键出夔w c d m a 穷案翦主癸姆，霰是：核心瀚 络采潮m a p 协议，簇站闻异步转输，慕增鬣缓序列扩频方式，码片速率为 3 8 4 m o p s ，下行链爨中黪公共寻鞣聚蠲连续豹譬攘嵇道，专溺譬颥信道采麓菲淹 续的导频符号方式。目前g s m 运营商基本上都把w c d m a 作为冀3 g 的演进方 嶷。考懑劐对1 s - - 9 5 系统翁兼容，激j e 美为伐淡撵篷酪c d m a 2 0 0 0 方寨舞比 其它方鬃烫秀籍复杂，豫i s - - 9 5 禄漤酌蠢骞努，它还蔟有良下主要特征：梭心阚 终罴弱i s - - 4 1 协议，蕊站采用g p s 嗣步，码片遮率为3 8 4 m o p s ，是i s - - 9 5 系 统码片逋率的三倍，支持商扩和多载波两种扩颓方式，下行链路采用公共导频债 邀，在上行链路中每个专鼹信遭都配有连续的导频传道。c d m a o n e 运营巅多数 褥窝c d m a i x 过渡，遴纛最终走岛c d m a 2 0 0 0 i x e v 筑三找按零。 1 2w c d m a 移动滋倍系统巾的关键技绻 兔瀵是寒寨对褰遴鼙爱务窝多渡势蕊支持，箍离频谱剽勰警，在繁三 毽移动遗 信敢伴计划( 3 g p p ，m e3 撼g e n e r m i o np a r t n e r s h i pp r o j e 麴建议中，蓄遍应弼 了各秘鞭鹣关键技术：r a k e 接收、t u r b o 码、多懋户裣测、功枣蓉涮、蟹熬天线 等。r a k e 接收采用分集技术具有良好的抗多径性能；t u r b o 码可以获得接近仙农 弛索稚电大学硕士论文 w c d m a 系统实酥信遴环境鸟讶按性耗鹩研究 檄限的性能，普遍应用在非实时的数据通信业务中；多用户检测披术可以消除多 蛾：于扰，可在一定程度t 搦制“远近效应”的影响：功率控制，楚锺静工程中抗 “远近效应”敬主要手段；餐篷天线技零可以滂豫帮分多疆一| 二撬畿寒的影酶，援 商系统频谱利堵率。 1 2 1r a k e 多经分集接收技术与初始同步技术 移动通信怒在复杂的# 强渡环境下遴抒豹，如薅竞暇电波传摇繇逡成酶多径衰 落现象是移动通信的一个撼本问题。对宽带c d m a 系统，无线信道的环境是一 个频率选择性的慢衰落信道，由于w c j ) m a 系统中信号带宽远大于信道的相关 带宽，因而在对间上可以分辨出比较鲴微晌多径信号，然后将这些多路分离信号 懿髭量按一定髓瓣台著起来，镬接毂夔有秀；| 蓐号能曩袋大，疆裹竣浚壤数信噪魄， 从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负嘶影响，大大掇简多径衰落信 道下的传输可靠性，这种技术被称之为r a k e 多径分熊接收技术。为实现相干形 式的r a k e 接收，w c d m a 系统采用专1 e f j 的导频信道，发送未经调制的导频信 号，以镬接收瀵魅在确知已发数据的条搏下 砉诗出多经信号的档位，势奁魏基磷 t 实现相干方式的最大信噪比合并。 r a k e 多径分集技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区软切换 技术。当移动台处于越区切换状态时，参与越区切换的基站向该移动台发送相同 嬲信息，移动台把来自不嗣基站的多径德号进行分集合并，从而改善移动台处于 邈区切换薅弱绥渡信号凌懿，劳糅萤麓隧甥按时赘鼗据不丢失，这耱技末穗为塞 分集和越区软切换。 w c d m a 通信系统接收机的初始同步包括p n 码同步，符号同步、帧同步和 扰码同步等，并且通过“三步捕获法”进行，即对基本同步信道的捕获建立p n 璐嚣步和兹号弱步，通过对穗助嗣步谈遴豹不弱扩频鹳鲍菲稿于接投，确定挽妈 缝号等，最蜃遂过对我弼递行穷接索，建立挠码同步。 1 2 2 高效信遒编译码技术 杰3 g p p 戆麓范李| ，狳采褥每i s - - 9 5c d m a 系绞糖类辍静豢辍编码技术移 交织技术之外，还建议采用t u r b o 编礴技术。 i k t r b o 编码器采用两个并行相连盼 系统递归卷积编码器，并辅之以一个交织器，两个卷积编码器的输出经并串转换 以及凿孔操作后输出。相应地，t u r b o 解码器由首尾相接、中间由交织器和解交 织器疆囊熬巍令醴迭代方式工作鲍软判决竣窭卷积熬妈器翅戒。自此看出t u r b o 鹚巧妙逑将缀联概念和侥麓税结台超泉，莱臻循琢遮 豁方法，可良获得接近镳 农极限的性能，是一种性能优异的编粥方案。t u r b o 码的优异性能在高斯随机信 道和瑞利信遒下表现同样出色，这使得其在广泛的领域都可能会被应用。3 g p p 选用t u r b o 鹤作为各类非实对业务高逡数据的纠镄缡码。同时，在短帧豹情况 下，由予t u r b o 鹳在工程实壤上豹改避，镬萁在实时落音韭务中懿寝蘑薅景也逐 步看好。 虽然目前尚未得到严格的t u r b o 编码理论性能分析结果，但从计算机仿真结 果看，在交织器长度大于1 0 0 0 、软判决输出卷积解硝、采用最大后验概率算法 ( m a p ) 熬袈佟f ，其拣辘比约束长发为9 静卷软弱提裹l 至2 + 5 d b 。 目魏t u r b o 码用于w c d m a 移动逐信系统的闲难主要体瑷在隧下几个方蕊： 北京邮电大学硕士论文 w c d m a 系统实际信道环境与切换性能的研究 由于交织长度的限制，无法用于速率较低、时延要求较高的数据( 包括 添毒) 传羧： 基于m a p 的软输出解码算法所需计算鬣和存储量较大，而基于软输出 v j t e r b i 的黪法所需迭代次数往往难以保证； t u r b o 编码在衰落信道下的性能还有待于遴一步研究。 ，2 + 3 譬熊天线技术 智能天线技术是利阁信号传输的空间特性，达到抑制干扰提取信号的目的。 从本质上米说，智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应耀， 壶予其俸歌及诗算复杂佳熬疆毒4 ，鏊篱仅逶应予在萋站系缝中豹应鬟。智能天线 技术主要鼹利用信号与予拢来波方向( 即信号与干扰的空间入射角) 的不同窳区 分信号与1 ：扰，根据信号的来波方向，自适应地调整其方向图，从而实现空间滤 波的作用。智能天线包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波 方向进行劐达角国o a ) 估洁，并进行空间滤波，_ 搀制其它移动台的于扰。一：题对 基站发送信号述行波蒙影成，使基鲸发送信号麓够沿着移动台壤波豹羁达方淘发 送回移动台，从而降低发射功率，减少对其它移动台的干扰。 w c d m a 系统使t | j 衡能天线技术能够在较大程度上抑制多用户二 二扰，减少 或抵消干扰信号，提离期望信号增熬，降低信号的发射功率从蕊提高系统窑爨。 其困难在予童予存在多经效应，每个天线均翥一个r a k e 接牧撬，麸焉楚蘩嫠娃 理单元复杂度明显提高。 1 2 4 多用_ 向检测技术 在传绞麓c d m a 接投秘中，各令嗣户豹接牧楚程互独立逡行静。在多经衰 落环境下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用 户之间的相互干扰，并限制系统容爨的提高。随辫同时接入系缆用户数的增加， 多址干扰成为系统中最主要的干扰。解决此问题的一个有效方滋是使用多用户捡 溺技拳，多瘸户检测楚耱薮型戆撬多娃于撬技零，宅是基予镰惑论中最佳德弓 检溅理论，通过铡量各个用户扩频溺之间的菲正交性，用矩阵求逆方法或迭代方 法消除多用户之间的相互干扰，既可以抗多址干扰，也可以有效抵抗远近效应和 多径干扰。 驮理论上讲，健蠲多用户检测技术轻够在很大程度上改善系统容量。但个 较为函难的润邃是，对予蓥蛞接枝臻豹等效于撬蠢j 户等于乐在邋活豹移魂翻产数 乘以基站端可观测到的多径数，这j 黧嘛着在实际祭统中等效干扰用户数将多达数 酉个。这样即使采用与干扰用户数成线性关系的多用户抵销算法仍使得其硬件实 现显得过于复杂，如何撼多用户干扰抵销算法的挝杂度降低到可接受的程度熄多 爱户捡溺技零能否实溺豹关键。 1 2 5 功率控制技术 在w c d m a 系统中，由予用户共用檑同的频带，且各髑户的扩频鸦之阀存 在着j 理想酶程关特性，霜户发射功率豹大小将焱接影蕊系统麓憨容量。与戴嗣 时，上行存在的“远近效应”问题，使多址干扰影响更加严重和复杂。为了克服 这一现象，工程l 采用功率控制技术，以实现对邋近用户到达熬站接收端的功率 北寒邮电大学硕= ：论文 w c d m a 系统实际信道环境与韬换性能翁研究 感信噪比平衡一致。 常见的w c d m a 功率控制技术可分为开环功率控制和闭环功率控制藕种类 整。拜繇功率控翱懿葵本溅遴是辗摄蘑户接收功率与发羹重功率之积为霉鼗懿簸 则，先行测量接收功率的大小，并由此确定发射功率的大小。开环功率控制用予 确定用户的初始发射功率，戏用户接收功率发生突变时的发射功率惆节。开环功 率控制来考虑刽上、下行倩道电波功率的不对称性，因而其精确性难以得到保证。 耀巧功搴控制可以鞍好遣勰决忿翊题，逶过对接收功搴熊溺量谴及与信于逝门隈 德的对昆，确定功率控制比特信息，然蘑邋过信遒把功率控铺魄特信息传送舞发 射端，并据此调节发射功率的大小。外环功率控制技术作为与闭环功率控制相关 的控制环，通过对各个单独无线链路接收误帧率的计算，确定闭环功率控制所需 的信于比门艰。静环功率控制通常需要采用变步长方法，以加快上述信干比门限 瓣调节速菠。在w c d m a 系统中，上行信遂采矮了牙鄂、溺环秘努繇功率控裁 技术，下行信道则采用了闭环和外环功率技术，闭环功率控制遮度为每秒1 5 0 0 次。 1 3w c d m a 系绫审的甥撩拨术 在移动通信系统中，当处于连接状态的移动台从”个小区移动到另一个小区 时，为了使通信不中断，通信网控制系统通常会启动切换过程( 将与原服务小 区魏连接释放，并与薪的照务小区产生逸接) 来保证移动台的业务传输。切换过 程跫蜂窝移魂邋信系统蓑黧要豹过程之，宅不仅影桶整小区逮器羚麴浮q 鞭务 质量，还与网络的负载情况有着紧密的联系，也就是说，还与无线资源的使用情 况有着密切的联系。如果切换过程进行得彳i 好的话，很可能造成小区的过载和移 动台的“掉话”，使网络服务质量大大下降。在w c d m a 系统中。引入了微小 区结稳寒瑷热系统吝量，遮辩，小匡覆蘸瓣积小，献露凌换戆发生零毙较毫，这 就更加需要有一个鲟酶切换技术来傈证系统的性髓。 在目前的w c d m a 系统中，采用的叨换技术主鼹有以下几种： ( 1 ) 频率内切换：这是指软切换和愿软切换。软切换的特点是“先建立、后 凝开”，也就是说，移动台在离开其服务小区( 主小隧) 之前，就已经与它可能 舞达靛小区建立了联系，所以切换暴畜稳羟性。另井，较诱挟带柬瀚宏分集增懿 可以明显提高处于小区边缘的移动台的镟路通信质量。因此，软切换是w c d m a 系统中应用最为广泛的切换技术。随着小区扇区化以提高系统容量的方案逐渐得 到采纳，更软切换也得到了运用。更软切换和软切换的区别是：在软切换中，移 动台在切换过程孛与疆予不露小区懿多个精送产生连接，瑟在更软切换中，移动 台在切换过稷中与同- - d 区的具有相同颥率的多个扁隧产生连接。 ( 2 1 系统内的硬切换：在”个w c d m a 系统内，如果两个小区的载波频率不 同，或者两小隧指配的业务信道的帧偏戤不同，它们之间的切换必须采用硬切换， 即“先断开，后建立”。 国1 系统闳豹硬切换：主要是撵w c d m a 系统到其它系统( 舞g s m 或穰 拟系统) 之间的切换。这也必须先中断原来的链路，所以必须采用碛切换。 在上面提到的三种切换中，系统内戏系统间硬切换多由覆盖、负载、业务婶 引起，而由予移动台移动遗贼的越区切换大多采用软切换。 由予软翻抉嚣宏分集增蕊可以提褰下露链臻毪畿，因魏在w c d m a 系统中 有著广泛的应用，但同时也造成了系统下行总于抗的增加和资源剥用率的降低， 北京邮电大学硕士论文 w c d m a 系统实际信道环境与切换件能的研究 因此软切攘技术对系统下行性能的影响有羲两西性。 1 4 本论文所作的工作 本文依据3 g p p 中关于w c d m a 的物理层相关协议建立“w c d m a 物理链 黠层仿囊s 台”，较佟傍囊实凌第三代移动遂菇中零毒关键技拳，著基于仿焱结 果绘出系绞性能分祈。 论文= ：l 三要完成了固定时延多径瑞利衰落信道、基于两径生灭模型的瑞刹疑落 信道的建模和压缩模式的软件仿真功能实现，在此基础上，针对移动通信中的实 际物理信道环境和w c d m a 的软切换及其与g s m 黎统闻的硬切换绘出系绞j | ：! 董能 仿真结暴。 第二章首先从不问尺度范围阐述了移动通信信道的定性以及定量分析，然后 依据t s 2 5 1 0 l 协议建立了基于两径生灭模型的瑞利衰落信道模型和固定时娥多 径瑞利衰辫信道模型，给如了实际物理信道条件下的系统性能，并比较分析了与 i t u 攘番的多径传撂摸鏊下的系统性髓差异。 第三颦论述了切换疆鄹、切换的控铡铡珞、译绉切换算法的依据帮切换算法 与其他无线资源管理算法的关系，比较了各种切换算法的优劣以及w c d m a 与 i s 9 5 a 、i s 一9 5 b 软切换技术的异同，并针对覆溢和系统容甓下降所带来的负 面影响提如了裙应的解决策略。 第疆窜营先奔缓了w c d m a 硬切换鹃蓓令控涮流程，然蕊重点努季厅了压缩 模式，给出了压缩模式在w c d m a 仿真平台中的实现以及对繇统性能带来的影 响，提出了一种在分层小区情况下压缩模式触发方式的改进算法。 最后一部分对全文工作进行了简疆的总结，然后对软切换技术的演化技术一 位霉选择分集发魅技术( s s d t ) 窝快速小区选择技术( f c s ) 徼了一些探讨。 北京邮电大学硕：仁论文 w c d m a 系统实际信道环境与切换性能的研究 第二章w c d m a 系统在多径瑞利衰落信道和基于两径生灭模 型瑞利衰落信道下的性能研究 2 1 移动信道概述 移动通信信道是影响蜂窝无线通信系统性能的一个基本因素，它的影响剥在 无线信道中高速可靠传输提出了极大的挑战。发射机与接收机之问的传播路径非 常复杂，从简单的视距传播到各种复杂的由各种障碍物，如建筑物、山脉、街道、 树叶和其他移动的物体而引起的反射、折射和散射传播。这些因素的总和称为这 一地区的传播环境。由于上面提到的各种因素具有极度的随机性，用一个固定的 函数是无法表达这个传播环境特性的，在统计意义上对无线信道进行建模是一个 比较合理的想法。另外，为了研究移动通信系统的性能，定义一个能够比较准确 的反映移动传播环境的信道模型必要的。 21 1 移动通信中的电磁波传播 蜂窝无线移动通信系统中，电磁波传播的机理多种多样，总体e 可归结为反 射、绕射和散射等。 ( 1 ) 反射 电磁波在不同介质交界处会发生反射。在理想介质表面上反射是没有能量损 失的。如果电磁波传播到理想电介质的表面，则一部分能量进入新介质继续传播， 一部分能量在原介质中发生了反射；如果电磁波传播到理想反射体的表面，则所 有能量都将被反射回柬。 f 2 1 绕射 绕射使无线电波能够穿过障碍物，在障碍物的后方形成场强，即绕射场强。 由于处于障碍物前方的各点可以作为新的波源产生球面次级波，次级波在障碍物 的后方形成的场就是绕射场。 ( 3 1 散射 实际的无线系统中，接收信号的能量比反射模型和绕射模型预测的场强要 大。这是由于当电磁波在粗糙表面上发生反射时，反射能量散布于各个方向，即 发生了散射。一些圆柱形的散射体如树木等可以在所有方向上散射能量，从而增 加了接收信号的能量。散射一般发生在粗糙的表面。 2 1 2 实际移动信道传播模型 无线移动信道由基站天线、移动用户天线以及两付天线之间的传播路径构 成，其中传播路径可分为直剥传播( l o s ) 路径和非直射传播( n o n l o s ) 路 径。在基站与称动台之间一胎不存无阻挡的直射信号，此时接收到的信号是发射 信号经过若干次反射、折射或散射后的叠加。而在某些空旷地区或基站天线较高 时则可能存在宜射传播路径。 由于高犬建筑物或远处高山的存在，常常会导致发射信号经过不同的传播路 北京邮电大学硕士论文w c d m a 系统实际信道环境与切换性能的研究 径到达接收端，这即是所谓的多径传播效应。各径信号通过不同的路径到达接收 端时，具有不同的时延和入射角( d o a ) ，这将导致接收信号的利延扩展和角度 扩展。 另外，移动用户的运动以及大气的扰动，即信道的时变特性，将使接收信号 产生多普勒扩展其结果将导致接收信号在频域的扩展，同时改变了信号电平的 变化率。归纳起来，由于地理环境的复杂性与多样性，用户移动的随机性和多径 传播现象等因素的存在，使得移动通信系统的信道变得十分复杂。人们通过理论 分析和长期实际观测，建立了基站与移动台之间的无线信道的统计模型。该模型 认为，电波传播的总损耗分别由大范围( 大尺度、千米量级) 的路径衰耗、中范 围( 中尺度、数百波长量级) 的阴影效应和小范围( 小尺度、数十波长以下量级) 的快衰落共同决定。它可表示为 p d ( f ) = 【d o ) 】一”s d ( f ) k d ( ，) 】 f ，一11 其中d ( t ) 为某时刻用户天线与基站天线之间的距离矢量，【“儿表示自由空 间的传播损耗，该类损耗是由于电波传播的弥散特性造成的，其中n 的典型值为 2 5 5 ，它反映了公里量级的空间距离内，接收电平均值的变化趋势。s d ( t ) l 贝l j 表 示阴影效应，它是由位于电波传播路径上的障碍物的阻挡而产生的损耗，它反映 了数百波长内接收电平均值的变化趋势，此时信号的均值遵从对数正态分布。最 后一项k 【d ( t ) ，代表多径传播而产生的衰落，它反映了数十波长内，接收电平均 值的变化趋势，此时信号的均值遵从瑞利或莱斯分布。 从系统设计的角度考虑，传播损耗和阴影衰落影响基站的覆盖范围，但总是 可以通过合理的系统设计( 如功率控制) 消除其影响，而多径衰落则直接影响信 号的质量，必须加以有效的抗多径措施，来削弱多径衰落对信号质量的不利影响。 2 2传播类型与信道模型的分析 22 1 大范围的传播衰耗的定量分析 移动通信信道是一个完全开放式的信道，其传播损耗从宏观的大范围看，主 要决定于传播的环境与条件。传播损耗不仅决定于传播距离，而且还与传播中的 地形、地貌、传播的载波频率，以及发、收天线的高度等密切相关。因此，要想 从理论角度给出一个确切、完整的公式很困难，一般在工程上多采用一些经验公 式与模型，这对工程技术人员而言以基本上能满足工程上的估算要求。 ( 1 ) 奥村一哈塔模型 奥村模型是预测城区信号使用最广泛的模型。模型用公式可表示为： 三5 0 ( d b ) = f + a 。( f ，d ) 一g ( h 。) 一6 ( h 。) 一g 4 r 2 - - 2 、 其中，l s 。为传播路径损耗值的5 0 ，上，为自由空间传播损耗，a m 为自由空间 中值损耗，g ( 一。) 为基站天线高度增益因予，g ( w ) 为移动台天线高度增益因子 g 一一为环境类型的增盏。 生塑型型塑望坠型垒茎 型! 里望垒墨篁塞堕笪堂堑堡兰塑垫壁墼堕堕窒 哈塔模型是根据奥村模型所作的经验公式。以前区传播损耗为标准，其他地 区在此基础上进行修正。市区路径损耗的标准公式为： l 5 0 ( d b ) 2 6 9 5 5 + 2 6 1 6 1 9 f ，一1 3 8 2 1 9 h , 。一日( 。) + ( 4 4 9 - 6 5 5 1 9 _ 。) l g d k r ，一1 、 其中，1 c 为传输频率( 15 0m h z 到1 5 0 0 m h z ) ：为发射天线有效高度( 3 0 m 到2 0 0 m ) ；n r e 为接收有效天线高度( 1 m 到1 0 m ) ；d 为收发天线之间的距离( k m ) ： 。( ”) 为有效移动天线修正因子，是覆盖区大小的函数：k 为使用地区环境修正 系数。 移动天线修正因子为： 对于中小城市： d ( i 。) = ( 11 l g ：一0 7 ) h ，。一( j 5 6 l g z o 8 ) 对于大城市： d ( 1 e ) = 8 2 9 ( 1 9 l 5 4 k ) 2 1 1 厂3 0 0 m h z a ( 1 e ) = 3 2 ( 1 9 1 1 7 5 九) 2 4 9 7 工3 0 0 凇 关于修正凶子k ： 对于市区 k = 0 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) f 2 7 1 对于郊区 k 一 1 9 疋2 8 1 2 5 4 f 2 8 1 对于农村地区 女24 7 8 1 9 f c 2 1 8 3 8 1 9 f 。一4 0 9 8 ( 2 - - 9 ) 在d 超过l k m 时，哈塔模型的预测结果与奥村模型非常接近，该模型适用 于大区制移动通信系统，但不适合小区半径为l k m 左右的个人通信系统。 c o s t - 2 3 1 将h a t a 模型扩展到2 g h z 的公式为 厶o ( 市区) ( d b ) = 4 6 3 + 3 3 9 1 9 f - 1 3 8 2 1 9 h , 。一口( 。) 。 ( 4 4 9 - 6 5 5 l g h , 。) l g d + c u ( 2 1 0 ) 其中：无为1 5 0 0 2 0 0 0 m h z ； m 为3 0 m 2 0 0 m ； ，。为l m 1 0 m ；d 为l k m 2 0 k m ；= 0 d b ( 对丁中等城市和郊区) 或者c 。= 3 d b ( 对于市中心繁华区) 。 ( 2 ) 室内传播模型 j 索辩电走学矮士谂文 w c d m a 蘸笺实鼯萤道耳撬尚馏接穗辘蕊群巍 室内传l 繁不溺予室乡 褥獾，它覆盏滚强小，舔麓焚纯大，豆爱建筑物辛孝籽绥 构、建筑物类烈和建筑物布局影响。但怒从电波传播的机理上看，它与室外基本 上爨一样戆。主瑟凌定予毫波游蹇菇、反黪、绕袈、散射霉鞋寥透。不遭鬟薄匏条 件可能存在较大的熬异，比如室内是否开门，天线安装在仔么位鼹、高度等。 f 蕊怼室肉办公测试环境的路径损糕模型做一镄鼹介缕 室内办公环境的路径镄耗是基于c o s t - 2 3 1 模型，其定义如下： f 登! 一0 三= 颤+ y 。k w ，毛，+ 矛“j x 三， ( 2 一1 1 ) 其中： 吩：发射秘与接收鞔乏阍藩窭壶空间攒筑 k ：恒定损耗谯( 通常殴为3 7 d b ) 发射帆与接收机之间穿过的i 髅墙壁的数照 n ：发辩枫藩较辊之蠲穷遗兹魏磷熬鼗嚣馐露办公强凌n 的乎凌蓬为4 ， 如果计簿略麓环境的容量，可以将n 设为3 ) “，：i 类墙壁的损耗( l w ，= 3 4 ，k ：= 6 9 ) o ：辐邻层褥静援耗( 五，= 1 8 3 ) b ：经黢参数 经过以上假设，简化后的路径损耗模型可以表示为： f 蹩d 6 1 l = 3 7 + 3 0 l o g o 蠢+ 1 8 3 x n - “4 穗一1 2 ) 其中：r 表示发射祝与接救税之滴静躐离，n 表示镩播黯经上需凝过静楼屡数。 室内无线传播艇一个较新的研究锁域，国外也是2 0 世纪8 0 年代才开始进行 较为系统静磷究，荚蓠受尔实验塞窝美黧邀荣等率先对犬羹家舔帮痧公室建筑穆 周围及内部的路径损耗避行了仔细静研究。一般采说，室内傣邀也分为筏鼯 ( l o s ) 窝隧趱( o b s ) 麟零孛，势旦睫蛰繇壤杂琵秣壤嚣不颧变化。室内传援擐 耗的计算，由于与楼层间、楼层内建筑物材料类型、结构等密切槲关，各国与各 德区均有繇不蠲，这墼不瓣鼍挈嚣入探讨。 2 2 2 中小范围的传播掼耗的分析 f 1 ) 阴影袋落 中等范澄鹩蠖襄落圭蘩楚盎鬻影效艨荨l 怒蕊，戮影裘落是国予窀装黄攒翡 路径受到障褥物的阻挡丽产生盼衰落。鞠影衰落的遮艘与地形逾虢、用户移动麓 速度有关，蕊与载波频率无关，但是蜗澎衰落的涤威却是与载波频率相关的；这 跫因为低频信号比高频信号具有更强的绕射能力。 芍夺尺凌褒薅 夺尺度巍藩是糖无线僚号在经遘褥时蠲或短蹉藤健撵螽萁冁魔快遴衰落，以 北京邮电大学硕士论文 w c d m a 系统实际信道环境与切换性能的研究 致于犬尺度路径衰落的影响可以忽略不计。小范围的快衰落则主要是由空问选择 性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落这3 类快衰落造成的。这种衰落是由 于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互 干涉所引起的，这些以微小的时间差到达接收机的信号被称为多径波。接收机天 线将他们合成个幅度和相位都急剧变化的信号，其变化程度取决于多径波的强 度、相对传播时间，以及传播信号的带宽。下面我们主要讨论多径衰落。 当接收信弓由多条反射路径和一个主要的( 无衰落的) 分量组成时，小尺度衰 落信号幅度符合莱斯概率密度分布，被称为莱斯衰落，无衰落分量被称为镜像分 量。当镜像分量幅度接近为零，莱斯概率密度分布近似为瑞利分布，分布函数为： e = 纠一割 沪 其中r 表示接收信号的幅度，2 0 表示预先检测到的多径信号的平均功率。瑞利 衰落分量有时候被称为随机分量或者散射分量，代表了该连接接收信号功率衰落 的最差情况。 a ) 多径衰落对数字通信系统的影响以及分类 数字信号经过多径衰落信道以后，会受到信道特性的影响，发生线性或者非 线性变换，信号的波形、相位、频率都会发生改变，我们会将信道按照其统计参 数进行分类。 b ) 信道的统计参数 在衰落信道中，可以用最大相对时延。m ( 又叫相关带宽，时延扩展) 和符 号时间的关系来区分两种衰落：频率选择性衰落和平坦衰落( l 是指同一个 信号经过多径传播后在接收机门限之卜的接收信号中，相对最早到达的信号时延 最大的径信号的额外时延；e 是指码片持续时间) 。联合带宽兀是对频率范围 的统计参量，在 范围内，信道可以以近似相同的增益和线性相位传输所有信号， 信号的各个频率分量有很强的幅度相关性。厶和l 的关系近似为： 】 7 。“i f 2 1 4 ) 单独用l 来描述系统经过信道后的性能是不够的，因为咒相同的不同信道 的信号概率密度函数可能会很不相同，一个更有用的时延扩展的指标是时延的均 方根值盯r ： 仃，2 , 7 一( f ) 2 ( 2 - 1 5 、 r 是平均额外时延，( f ) 2 是均方值，f 2 是二次矩，o r 是二次中心矩s ( f ) 的均方 o 北京邮电大学 磺士论文 w c d m a 系统实际信道环境与切换性能的研究 根值。 螽暴将联合謦竟是义为渍是基遴瓣复台频率传埝函数穗关麓至少为0 9 瓣 额率间隔，那么它近似为： 1 7 。“面 ( 2 一1 6 ) 一个魁常用的相关系数至少为o 5 的带宽间隔矗近似为： 五“石1 纠7 ) 联合带宽和时延扩展两个参数之间没有一定的关系，必须分析特定信道中的 实际信号传播( 通常采用傅立叶技术) 。时延扩展和相关带宽描述的是一个地区的 无线信道特性，但不能描述信道特性怒如何随着移动台和基站之间的相对运动而 变讫豹，t i 王不戆描述绩邋内物体移动熬影响。 为了描述信道在辩城如何变诧，等 入两个参数：多普勒扩散和相关时阍。相 关时间的物理意义是在遮段时间内信道的冲击响威特性基本上嫩不变的，即在相 关时间内的两个接收信蛩有很强的相关特性。如果藏带信号码元的持续时间超过 了楣关时间，将会导致接收端的失真。 信道的时变特性或糟衰落速率机制可醴根据多营勒功率谱静宽度，。与w ( w 。1 t s ) 的关系分为两类：快衰落和慢衰落。 对广义平稳非相关僚道模型( 传播空间呈放射状分布，反射系数在同一个数 量级，毽反射靼位、熊液是独立秘隧援的) ，无调涮连续波形镶号在( o ，2 # ) 内 相位均匀分布显垂真接牧天线带恒定稠位焦增益，多酱勒功率谱密菠函数为： s ( v ) 峨踊 ( 2 1 8 ) 这个等式的波形分布在载波频率f 力内。式( 2 1 8 ) 所描述的多普勒频谱 通常呈硫羧。盛厶我们卷鬻定义信道验相关时闫瓦为： 瓦“万1 ( 2 - - 1 9 ) 主式中我髓婚霸定义为蕊遘黠正弦蘩萼嚷应基本不交懿时越长发。翅暴将磊鞲 确定义为满足“信道对一个正弦函数响应的相关值大于0 5 ，的时间长度，以和 焉的关系可以表示为 ( 2 - 2 0 ) 南h 掣 瓦 北京邮电夫学硕士论文w c d m a 系统实际信道环境与切换性能的研究 由以上对信道统计参数的描述，不难得到信道的分类：根据信号的时域扩展 特性，可以将传播模型分为频率选择性衰落和平坦衰落；根据信号的时变特性， 则可以将传播模型分为快衰落和慢衰落。 c ) 平坦衰落和频率选择性衰落 根据传输信号带宽同信道相关带宽之间的关系，将信道衰落分为平坦型衰落 和频率选择型衰落。当在考虑的传输带宽内信道具有等增益和线性相位特性时， 此时信号经过的是平坦型衰落，接收端收到信号的频谱同发射端信号频谱相同， 用信道参数描述则为厶 w 或者瓦 f 。但是，接收信号的强度因为信道在不 同时间具有不同的增益特性而不同，此时的信道通常为窄带信道，也可称作幅度 变化信道，由于深度衰落，信号的幅度变化范围可以达到2 0 3 0 d b 。 当信道具有等增益和线性相位特性的带宽小于传输信号的带宽时，此时信道 对接收信号产生频率选择型衰落，信道的时延扩展火于信号的码元宽度，信号中 不同频率的分量有不同的增益和相位。当各条多径的时延差与传输码元间隔相当 时，接收端的接收信号里含有前面几个码元的信号，即信道中引入了码问干扰 f i s l ) ，尽管在接收端信号的能量- - 刈z 日, e 2 , 很z 大，但其中有相当部分的能量属于码间干 扰，用信道参数描述则为厶 t 。对频率选择型信道的分析和模型建立 比平坦型信道困难得多，必须对每条多径信道进行建模，此时的信道又称宽带信 道。 d ) 快衰落和慢衰落 与传输的基带信号变化速率相比，信道可以分为快衰落信道和慢衰落信道。 在快衰落信道中，信道的冲击响应在一个码元的时间内就发生了很大的变化，即 信道的相关时间小于信号的码元时间，这就导致了信号的时间选择型衰落，也称 频率扩散，同样也导致了信号的失真。随着多普勒频移的增加，信号的失真更加 严重。用信道参数描述则为t o 尼。 信道是否为快衰落或慢衰落，与信道是否为平坦型衰落或频率选择型衰落无 关。例如，平坦型衰落信道的冲击响应为冲击函数，当这个冲击函数的幅度不随 时间而变化时，成为平坦型慢衰落信道，当这个冲击函数的幅度随时间而快速变 化时，成为平坦型快衰落信道。在频率选择型快衰落信道中，每条多径分量的幅 度和相位的变化速率比传输码元信号的变化速率快。 2 3 物理层性能仿真平台 本论文的仿真工作基于w c d m a 系统物理链路层软件仿真平台。该软件仿 真平台实现了w c d m a 物理层的链路级仿真，涉及到信道编码复用、多径信道 建模、调制解调和r a k e 接收机等几项关键技术。下面对该平台作简要介绍。 北京邮电大学硕士论文 w c d m a 系统实际信道环境与切换性能的研究 2 3 1 仿真框架 图2 一l 所示为仿真平台总体框架。信源发生器由一个伪随机序列完成，编 码方式、成帧方式、扩频码产生方法、扰码产生方法、扩频方式、加扰方式以及 成形滤波器的要求完全依据于3 g p p 的有关规定，这里不再叙述。多径瑞利信道 的参数取自i t u rm 1 2 2 5 的建议。比较判决模块判决接收统计量，然后比较 得出误码率性能。 图2 1 仿真总体框架图 为方便起见，发送信号具有归一化的能量，通过调整白高斯噪声模块产生的 加性高斯噪声的功率谱密度来完成信噪比的调整。在仿真中，接收端已知多径信 号的时延，并且假设接收端和发送端的频率差为零。 该系统的软件总体设计框图和接口参数流程图如图2 2 所示。 根据各个模块的划分和接口参数设计，我们提出了数据结构的定义 # d e f i n e m a x t t i # d e f i n e m a x t r c h # d e f i n e m a x p h y c h a n t y p e d e f s t r u c t i n tf l a g ；1f o rd o w n l i n ka n d0f o ru p l i l l k i n ts e r v i c e ； i n tt f c i m a x t n 】； i n tr m m a x f r a m e m a x