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摘要 y 2 5 6 7 2 在未来的c d m a 蜂窝系统中，绝大部分业务是从基站流向移动台。因此， 一个有效的资源分配方案对于前向链路是非常必要的。本文提出了一个最优的 前向链路速率功率分配方案并通过仿真加以验证。 鉴于无线环境对c d m a 蜂窝系统速率功率分配的重要影响，本文首先对无 线信道的一些典型特征进行了讨论。接着，文章对c d m a 2 0 0 0 蜂窝系统数据业 务进行了分析。最后，文章提出一个基于信道衰落环境的前向链路高速数据业 务速率功率分配方案。该方案可以在一个时隙内实现最优的速率和功率分配。 如果该算法在每个时隙都执行一次，系统的速率和功率资源都叮以得到优化。 该方案既可以用于单用户系统，也可以用于多用户系统，但是仿真结果表明， 单用户系统的性能要远好于多用户系统的性能。 关键词：码分多址速率分配功率分配数据业务 a b s t r a c t i nt h ef u r t h e rc d m ac e l l u l a rm o b i l er a d i os y s t e m ，a ne f f i c i e n tr e s o u r c ea l l o c a t e s c h e m ef o rt h ed o w n l i n ki s n e c e s s a r y , s i n c em o s to ft h et r a f f i cf l o wi sf r o mb a s e s t a t i o nt om o b i l e s i nt h i sp a p e r , as c h e m et h a tf i n d st h eo p t i m u mr a t ea n dp o w e r a l l o c a t i o ni sp r o p o s e da n d p r o v e db y s i m u l a t i o nr e s u l t s s i n c et h em o b i l er a d i oe n v i r o n m e n th a v eag r e a ti n f l u e n c eu p o nt h ea l l o c a t i o no f p o w e r a n dr a t e ，t h et y p i c a lc h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s sc h a n n e li sd i s c u s s e df i r s t l y t h e n t h ep a p e rp r e s e n t sa na n a l y s i so nd a t es e r v i c e so fc d m a 2 0 0 0c e l l u l a rm o b i l er a d i o s y s t e m f i n a l l y , ad o w n l i n kr a t ea n dp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ef o rh i g hd a t ar a t e s e r v i c e sb a s e do nt h ec h a n n e lf a d i n gc o n d i t i o ni sp r o p o s e dt h es c h e m ec a nr e a l i z ea n o p t i m u m r a t ea n dp o w e ra l l o c a t i o ni nat i m es l o t t h er a t ea n dp o w e ro f s y s t e mc a n b eo p t i m i z e di ft h ea l g o r i t h mi sr u nf o re v e r yt i m es l o t t h es c h e m ec a nb eu s e di n m u l t i u s e r ss y s t e ma sw e l la si nas i n g l eu s e rs y s t e m ；h o w e v e r , t h en u m e r i c a lr e s u l t s s h o wt h a ta s i n g l eu s e rs y s t e mp e r f o r m sm u c h b e t t e rt h a nm u l t i u s e r ss y s t e m k e y w o r d s ：c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) r a t ea l l o c a t i o n p o w e ra l l o c a t i o n r e s o u r c ea l l o c a t i o n d a t as e r v i c e s 硕士论文 cd m a 系统前向链路速率功率分配的研究 1 概述 1 1 c d m a 蜂窝系统 蜂窝移动通信是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之一。8 0 年代初，第一代移动电话一模拟蜂窝系统投入运营，如美国的a m p s 系统、英 国的t a c s 系统、日本的h c l m t s 系统等。随着移动通信技术的发展和用户 对通信要求的提高，9 0 年代出现了第二代移动电话一数字蜂窝系统，最有代表 性的是欧洲提出的g s m 系统和美国提出的窄带c d m a ( n c d m a ) 系统，其 中，n c d m a 蜂窝系统以其单位容量大、系统抗干扰能力强以及便于向第三代 移动通信系统升级等特点，引起人们越来越多的关注。 窄带c d m a ( 码分多址) 遵循的标准为1 s 9 5 a b ，它已经在全球获得了广 泛的应用，目前在全球用户超过5 0 0 0 万，世界上第一个商用c d m a 网是由和 记通信有限公司于1 9 9 5 年9 月在香港推出的。该网初期只有一千用户，9 6 年 底就突破1 0 万户。国际上，韩国、日本、新加坡、菲律宾、泰国、美国、德国 等都已开通c d m a 网络，并形成了一定的商用规模。中国从1 9 9 6 年开始引入 i s 9 5 系统，目前由联通成立的新时空移动通信有限公司，获得了c d m a 网络 的全国独家建设运营权，将在全国范围内大力发展c d m a 移动通信网络，计划 在2 0 0 1 年内完成覆盖3 0 0 个城市，总容量为1 5 0 0 万的c d m a 网络。 图1 1 1c d m a 系统简图 徐惯懈号 ， 一翮”一 翮一 黑 一解 一嵌一獬i 影川1 孓 一调一*一 一渊一麟 一码，一 一0 一 一黼撷t _ 一型黑 、1il，f 佾拶 硕士论文 cdm a 系统前向链路速率z 3 率分配的研究 c d m a 蜂窝系统是建立在正交编码、相关接收的理论基础上，运用扩频通 信技术解决移动通信的选址问题。其基本原理如图1 1 1 所示，系统采用直接序 列扩频的方式，在发送端，窄带低速率有用信号被高速率的p n 码序列扩展成 宽带信号( 图1 1 2 ) ，经载波调制后发送出去。众多的通信用户使用各自不同 的p n 码，可以在同频带内同时传输。在接收端，接收信号经载波解调后，利 用p n 码的相关性，有用信号频谱被恢复成窄带谱。宽带噪声与本地p n 码不 相关，因此不能解扩，仍为宽带谱；窄带干扰信号则被本地p n 码扩展为宽带 谱。由于无用的干扰信号为宽带谱而有用信号为窄带谱，我们可以用一个窄带 滤波器排除带外的干扰电平，从而使窄带有用信号的信噪比得到显著提高。 扩频前信号频谱 扩频后信号频谱 吉 解扩频前信号频谱解扩频后信号频谱 图1 1 2c d m a 系统发送一接收信号频谱图 与g s m 等其它蜂窝系统相比，c d m a 系统采用扩频信号扩展了信号的频 谱，这使它具有一系列不同于其它蜂窝系统的性能：( 1 ) 多址能力：( 2 ) 抗多 径干扰的能力；( 3 ) 具有隐私性能；( 4 ) 抗人为干扰的能力；( 5 ) 具有低载获 概率的性能( 6 ) 具有抗窄带干扰的能力。 c d m a 蜂窝系统还采用了许多独特的技术，如功率控制技术，软切换技术， 语音激活技术，分集技术等，使得c d m a 蜂窝系统具有话音品质好，系统容量 大，手机功耗小，网络规划简单等诸多优点。 硕士论文 cdm a 系统前向链路速率砌率分配的研究 1 2c d m a 2 0 0 0 概述 随着无线业务领域的不断扩展和i n t e r n e t 业务的飞速发展，单纯的通话 已不能满足用户的要求，很多用户希望移动通信系统能提供现有通信网络( 含 i s d n 、a d s l ) 中的绝大部分业务，即来自各种信源( 语音、传真、低速和高 速数据) ，具有不同特征( 数据率、激活因子、突发性) 和不同q o s ( 服务等 级) 要求的多媒体业务。其最高业务速率要求达到2 m b p s 。同时，移动通信系 统还应该能够接入大型商用数据库；能够接入包括娱乐和教育节目的数字影像 数据库：能够提供具有语音识别和手写识别等功能的简单人机接口；能够支持 分布式移动计算环境等等。这就对无线通信系统的容量、可支持的数据速率、 可支持的业务种类等方面提出了更高的要求。基于i s 2 0 0 0 标准的c d m a 2 0 0 0 蜂窝移动通信系统正是为了满足这些需求而发展起来的第三代( 3 g ) 数字蜂窝 移动通信技术。 c d m a 2 0 0 0 是由l u c e n t 、m o t o r o l a 、n o r t e l 和q u a l c o m m 联合提出为满足 第三代无线通信系统的需要而设计的一种宽带技术，采用直接扩频码分多址技 术的无线接口。它符合甚至超过了i m t 一2 0 0 0 的技术指标( 参见表1 2 1 ) ，可以 满意地进行室内、室外或步行及车载环境下的通信。c d m a 2 0 0 0 已被i t u 采纳 且作为第三代移动通信标准之一。c d m a 2 0 0 0 是基于i s 9 5 发展起来的，与i s 9 5 系统完全兼容，能够真正意义上实现第二代移动通信系统到第三代移动通信系 统的平滑过渡，以深圳市中兴通讯公司基于i s 一9 5 标准的基站z x c l 0 为例，在 z x c l 0 的基础上只需更换一种单板( 信道板) ，再更新部分软件即可升级为符 合c d m a 2 0 0 0 标准的基站。 与传统的i s 一9 5 系统相比，c d m a 2 0 0 0 系统除了保留i s 9 5 的所有优点外 还采用了许多新技术，如反向链路增加了反向导频信道，提供反向信号的相干 接收，从而使系统能够在低信噪比的环境下工作，这样，不但可以提高系统的 容量，而且降低了功率控制环路的时延，并使功率控制、定时和相位跟踪与传 输速率无关；前向链路采用类似反向的快速功率控制，提高了前向链路的容量； 引入了快速寻呼信道，减少了移动台功耗，提高了移动台的待机时间：在系统 协议的第2 层增添了媒体控制层( m a c ) ，可以支持高效率的高速分组业务； 硕士论文 cdm a 系统前向链路速率功率分配的研究 前向链路采用正交发射分集( o t d ) 或空间时间分集( s t s ) 的方式发射，提 高了前向链路的容量；当系统传输高速数据时，采用t u r b o 编码而不用卷集编 码，与卷积编码信号相比，t u r b o 编码信号在很低的信噪比下也可以正确解调， 从而使系统容量进一步提高；c d m a 2 0 0 0 还支持先进的智能天线技术和波束赋 形技术，这些技术的应用可显著的提高通讯性能和系统容量等等。 c d m a 2 0 0 0 技术的发展通常分为两个阶段；第一阶段仍然采用与i s 一9 5 相 同的扩频速率，即1 1 2 2 8 8 m c p s ，单载波占用1 2 5 m h z 带宽，支持1 4 4 k b p s 的高速数据传输，第一阶段的c d m a 2 0 0 0 系统又称为c d m a 2 0 0 01 x 系统： 第二阶段采用的扩频速率为3 6 9 1 2 1 2 2 8 8 m c p s ，分别占用 5 1 0 1 2 1 5 m h z 带宽，支持2 m b p s 的高速数据传输。第二阶段的c d m a 2 0 0 0 系统又称为c d m a 2 0 0 03 x 系统。 测试环境室内办公室内或室外步行车速 切换要求需要需要需要 对通分组数据需要需要需要 用业非对称业务需要需要需要 务能多媒体需要需要需要 力的可变比特速 支持 窒 需要需要需要 数据电路方式 至少2 0 4 8 k b p s至少3 8 4 k b p s至少1 4 4 k b p s 业务 分组方式 至少2 0 4 8 k b p s至少3 8 4 k b p s至少1 4 4 k b p s 能力 表1 2 1i m t 2 0 0 0 最低性能要求 c d m a 2 0 0 0 在探索新技术方面是比较活跃的，也是迄今为止吞吐率最高的 无线通信技术。为进一步加强c d m a 2 0 0 0i x 的竞争力，3 g p p 2 从2 0 0 0 年开 始在c d m a 2 0 0 01 x 基础上制定了1 x 的增强技术，即c d m a 2 0 0 01 x e v 标准。 c d m a 2 0 0 01 x e v 的发展也分为两个阶段：c d m a 2 0 0 01 x e v d o ( d a t a o n l y ) 和c d m a 2 0 0 01 x e v d v ( d a t aa n dv o i c e ) 。c d m a 2 0 0 01 x e v d o 要求在标准 硕士论文 cdm a 系统前向链路速率功率分配的研究 技术，该技术考虑了语音与数据的不同特性，如在延时、误码率要求和q o s 要 求等方面的差异，采用与语音分离的专用信道传送数据，在1 2 5 m h z 的带宽内， 可以实现平均速率6 5 0 k b p s 、峰值速率2 4 m b p s 的高速数据传输，该速率甚至 己超过i m t 一2 0 0 0 在5 m h z 带宽内的传输速率要求；c d m a 2 0 0 01 x e v d v 则要 求在提供2 4 m b s 峰值速率的分组数据业务的同时，与电路交换型话音和数据 用户共享频谱，c d m a 2 0 0 01 x e v d v 的技术有1 x t r e m e 、l a s c d m a 等多 种方案，其中，1 x t r e m e 可在1 2 5 m h z 带宽内实现速率为4 8 m b p s 的高速的 数据传输，其速率更为惊人。 总之，作为一种无线通信技术，c d m a 2 0 0 0 具有良好的前向兼容性，可以 使i s - - 9 5 系统平滑的过渡到c d m a 2 0 0 0 系统，既保护了运营商的利益，又可 以满足用户对第三代移动通信相同的要求。因此，c d m a 2 0 0 0 标准受到了广泛 的关注，随着基于i s 一9 5 标准的联通c d m a 网络在中国的大规模应用， c d m a 2 0 0 0 在中国有美好的前景。 1 3 高速数据业务 提供高速数据业务是第三代移动通信系统的一个重要特征。高速数据业务与传 统的话音业务相比，二者主要有以下区别： 数据业务对延时不敏感，数据业务延时十几秒对数据用户而言一般是可以接 受的，而话音业务则对延时比较敏感，话音延时如果超过l o o m s 常常令用 户难以接受。 数据业务对误比特率要求比语音业务严格，但是由于数据业务比语音业务允 许较大的延时，因此数据可以采用延时较大的纠错编码技术，如t u r b o 编 码等，文献e 1 指出，t u r b o 编码可以大幅度的提高数据传输的纠错能力。 不同类型的数据用户的q o s ( 服务质量) 要求差别很大，而话音用户的q o s 要求差别很小。 数据业务的前向业务是反向业务的好几倍，以h d r 系统为例，其前向业务速 率从3 8 4 k b p s 到2 4 m b p s ，反向业务速率从4 8 b p s 到1 5 3 6 k b p s 。而话音 业务前反向是对称的，并且速率比较低i s 一9 5 a 系统前反向最高业务信道 速率都是9 6 b p s 。 硕士论文 cdm a 系统前向链路速率功率分配的研究 需要指出的是，本文主要研究前向链路高速数据业务的速率和功率分配。 1 4 前向链路速率功率分配 c d m a 2 0 0 0 通信系统提供的业务种类众多( 如语音、数据和视频等) ，如 何对有限的系统资源进行合理有效的分配是设计和实现c d m a 2 0 0 0 系统的一 个关键环节。在所有的资源分配问题中，c d m a 2 0 0 0 系统高速数据业务的速率 和功率分配问题是其中的一个难点问题，这是因为与传统的语音业务相比，高 速数据业务具有占用速率和功率资源多，速率高，突发性强等特点，如果系统 分配速率和功率资源不够合理，就有可能到导致系统的容量和服务质量严重下 降。 高速数据业务的速率功率分配问题在c d m a 2 0 0 0 系统的前向链路尤为突 出。这是因为对于传统的i s 9 5 蜂窝系统而言，其承担的主要业务是话音业务 以及有限的数据业务，对于系统内所有用户来说，发出的信息和收到的信息大 致相当，也就是说反向链路、前向链路的业务量是对称的。但是对于c d m a 2 0 0 0 系统来说，由于业务种类的扩展，前、反向链路的业务量将会有很大的差异， 前向链路的业务量是反向链路的业务量好几倍。比如说，对于使用移动笔记本 计算机进行网上浏览的用户而言，接收到的信息量远大于发出的信息量。而这 类业务将会成为未来无线通信的主要业务之一。因此，c d m a 2 0 0 0 系统有可能 受限于前向链路。 目前对于c d m a 蜂窝系统数据业务速率功率问题的研究主要集中在国 外，例如，文献【1 3 j 1 4 1 5 1 都对前向链路高速数据速率分配进行了研究，文献 1 6 则对c d m a 系统反向链路速率功率分配进行了研究，但是这些研究都只 考虑了单用户的系统，在同一时间内，只有一个用户接收前向链路数据。这使 它们的应用受到一定限制。 本人在深圳市中兴通讯股份有限公司c d m a 事业部做课题期间，有幸参 与了c d m a 2 0 0 0 基站子系统的开发工作，主要负责c d m a 2 0 0 0 系统前向链路 高速数据业务信道速率功率资源分配算法的研究与仿真。在此其间，本人提 出一种针对多用户系统的前向链路高速数据业务信道速率功率分配算法，该 算法以系统可用的速率、功率资源和移动台所处的无线信道衰落环境为基础， 硕士论文 cd m a 系统前向链路速率功率分配的研究 出一种针对多用户系统的前向链路高速数据业务信道速率功率分配算法，该 算法以系统可用的速率、功率资源和移动台所处的无线信道衰落环境为基础， 在单个时隙内可以实现系统速率和功率资源的最优分配，使系统的容量最大 化，并且，该算法不但适用于多用户系统，也适用于单用户系统。 1 5本文的主要工作 本文第一章讨论了c d m a 蜂窝系统的特点、基本原理、c d m a 2 0 0 0 的技术 发展、高速数据业务特征、c d m a 蜂窝系统前向链路功率速率分配和本文的 主要工作。 第二章对无线移动环境的衰落特性进行了分析，包括无线信道的大尺度损 耗、小尺度衰落，经验传播模型和c d m a 蜂窝系统对无线衰落信道的估计等。 第三章讨论了c d m a 2 0 0 0 的数据业务。包括c d m a 2 0 0 0 的分层结构、数 据业务的工作状态、前向链路高速数据业务信道的“乒乓效应”和高速数据业 务的建立流程等。 第四章讨论了c d m a 2 0 0 0 系统高速数据业务功率，速率分配的算法实现。 首先介绍c d m a 蜂窝系统速率和功率的关系，数据业务和语音业务速率功率 分配的差异；然后介绍了单用户系统和多用户系统的速率g j 率分配方法，其中， 多用户系统的速率功率分配算法是本章的重点。 第五章对第四章提出的多用户系统速率功率分配算法分别应用于单用户 系统和多用户系统，并对其进行了仿真，最后对仿真获得的数据进行分析并给 出了相应的结论。 硕士论文 cdm a 系统前向链路速率助率分配的研究 2 无线信道分析 2 1 无线信道概述 移动通信的无线传播环境是影响蜂窝无线通信系统性能的一个基本因素。 基站和移动台之间的无线传播路径非常复杂，从简单的视距传播到遭遇各种复 杂的地物，如建筑物、山脉和树叶等。无线信道不像有线信道那样固定并可预 见，而是具有极度的随机性。况且，移动台相对于基站的方向和速度，甚至收 发双方附近的移动物体也对接收信号有很大的影响。因此，可以认为无线传播 环境是一种随时间、环境、和其它外部因素而变化的传播环境。 为便于研究，通常无线信道的传播模型可以分为大尺度传播模型和小尺度 传播模型，大尺度传播模型主要用于描述基站和移动台之间长距离( 几百或几 千米) 上的信号强度变化，常用来估计发射机的无线覆盖范围。小尺度传播模 型主要用于描述短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内接收信号强度的快速 变化。大尺度传播模型常简称路径损耗模型，小尺度传播模型则简称衰落模型， 图2 1 1 分别画出了一室外无线通信系统的小尺度衰落( 信号强度的瞬时变化) 和大尺度路径损耗。 接 收 信 号 强 度 l 拇硫 、l 肛a 6 一 1 i 、v v v 、v 廿f ? j 棚、 a 小 九“u v 7 v y r ”旷论j 一气一0 v 如一一：r 一；z 、= 7 =。- r ，请 ，j r 、 _ ， 距离 图2 i i 小尺度衰落和大尺度衰落 硕士论文 cd m a 系统前向链路速率功率分配的研究 2 2 小尺度衰落 小尺度衰落是由无线信号的多径效应引起的，因此也常称为多径衰落。无 线信号在传播过程中，会遇到各种建筑物、树木、植被以及起伏的地形，会引 起能量的吸收和穿透以及电波的反射、散射和绕射等。这样到达移动台接收天 线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多无线电波的合成。由于电 波通过各个路径的距离不同，因而各条路径来的无线信号到达时间也不同，相 位也不一样。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时同相迭加而增强，有时 反相迭加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。小尺度 衰落的包络如图2 1 1 实线所示，衰落深度可达2 0 3 0 d b 。 小尺度衰落主要用下面几个参数进行描述：时延扩展、相干带宽、多普勒 扩展和相干时间。 2 2 1时延扩展 无线信号因为多径而沿着不同的路径传播。每条路径有不同的路径长度， 因此对每条路径来说，信号到达的时间不同。这种信号的拖尾或信号的扩展称 为时延扩展。假设基站向移动台发送一个脉冲信号s ( t ) ( 实值) ，则由于时延扩 展效应，移动台接收的信号变为： n r ( t ) = d 。s ( 卜f ，) ( 2 2 1 1 ) 百 式( 2 2 1 1 ) 中为多径分量的数目；7 i 为第，条路径的时延；口。为第i 条多径 分量的衰减因子。随着移动台附近离散物体数目的增多，移动台接收的离散脉 冲变成连接在一起的信号脉冲，该脉冲宽度通常称为时延扩展。 一般说来，办公室内时延扩展为3 0 n s ，郊区为0 5 u s ，市区为3 u s ，山区反射 波则有可能达到上百微秒。 2 2 2相干带宽 与时延扩展相关的一个概念是相干带宽。假设两个频率相隔得的很近的衰 硕士论文 cd m a 系统前向链路速率，功率分配的研究 落信号，每个衰落信号都有不同的时延扩展，可能使两个信号变得相关起来。 这两个衰落信号的频率间隔称为相干带宽。 相关带宽表征的是信号中两个衰落信号基本相关的频率间隔。，当其频率间 隔小于相关带宽时，它们是相关的，其衰落具有一致性；当频率间隔大于相关 带宽时，它们就不相关了，其衰落是独立的。相关带宽的大小与时延扩展有 关，如果相干带宽定义为频率相关函数大于0 9 的某特定带宽，则相干带宽睫近 似为： b cz 面1 如果将定义放宽至相关函数大于0 5 ，则相干带宽b 。近似为 b cz 五1 2 2 3多普勒扩展 ( 2 2 2 1 ) ( 2 2 2 2 ) 多普勒扩展又称衰落信道带宽，是衡量小尺度衰落时间变化率的一种量度， 它被定义为一个频率范围。在此范围内接收的多普勒谱有非零值。假设基站向 移动台发送一频率为f 的纯正弦信号时，移动台接收的信号谱即多普勒扩展吼 范围在六一厶至正+ 厶之间，厶为多普勒频移，由下式决定： 厶= 姜c 刚 ( 2 船1 ) 其中，为移动台的相对速度，五是载波波长，口是入射电波与移动台运动方 向的夹角。 2 2 4相干时间 相干时间是指时间选择性衰落信号电平不再相关的最小时间间隔。当前后 两个信号的时间间隔小于相干时间时，二信号的衰落具有相关性，而当前后两 个信号的时间差大于相干时间时，二信号的衰落相对独立。 相干时问是多普勒扩展在时域的体现，相干时间常用多普勒扩展的倒数定 j o 硕士论文 cd m a 系统前向链路速率功率分配的研究 义，即： t 2 瓦1 2 烈1 相干时间只是一个相对的参数，而不是一个绝对的界限。这个参数只是表 明：只要观测时间大于相干时间，接收信号电平的起伏变化就可以认为基本不 相关了。 如果知道信道的相干时间( 假设为t 秒) ，那么发射机就可以经过t 秒以后， 再将原发信息重发一次，这样，由于前后两个接收信号电平的起伏变化没有相 关性，因此，当其中一个信号电平发生深度衰落时，另一个接收信号电平不一 定发生深度衰落，这样就可以得到比较可靠的接收质量，这种技术称为时间分 集。 2 2 5小尺度衰落的统计特性 一般认为城市环境中的多径衰落服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布。由概率统计理 论可知，瑞利分布的概率密度函数为： 他，：培唧f _ 刍 ，a o ， 眩”， 他) ： 矿麟p l 一驴j ， ， ( 2 2 5 1 ) 【0 ，d 占2 时，式( 2 2 5 3 ) 可表示成： m ，= 志污c x p f 一譬 眨z s s ， 当a 较大时，a za ，式( 2 2 5 5 ) 就近似均值为a 方差为d 2 的正态分布。 2 3 大尺度路径损耗 与小尺度衰落相比，大尺度路径损耗表征了接收信号在一定时间内的均值 随着传播距离和环境的变化而呈现的缓慢变化。如图2 1 1 虚线所示。大尺度路 径损耗主要由于基站和移动台之间的地形形状和人为环境产生。地形环境可以 分为：开阔区、平地、丘陵和山区。人为环境可分为：乡村地区、准郊区、郊 区和城区。 基于理论和对实测数据的分析，一般认为接收信号功率随距离的对数衰减， 距离基站距离为r 处的大尺度路径损耗表示为： 或者 才。f r ” l ，o ( 2 31 ) 2 硕士论文 cdm a 系统前向链路速率，功率分配的研究 一， 、 一 f ，、 4 k 啦) = 爿( ) + 1 0 n l o g l 二1 ( 2 _ 3 2 ) l r o 其中，n 为路径损耗指数，表示路径损耗随距离增长的速率；“为近地参 考距离，近地参考距离，0 的取值应避免远近效应对参考路径损耗的影响，其值 通常由测试决定。在宏蜂窝系统中，r o 一般取l k m ，而在微蜂窝系统中一般取 l m 或1 0 0 m ；式( 2 3 1 ) 和式( 2 3 2 ) 中的横杆表示给定值，的所有可能路径 损耗的综合平均，坐标为对数一对数时，路径损耗可以表示为斜率为1 0 n d b 1 0 倍程的直线。 值依赖于特定的传播环境。例如，在自由空间，”为2 ，当有阻 挡物时，r l 变大，表2 31 列出了不同环境下的路径损耗指数。 环境路径损耗指数n 自由空间 2 市区蜂窝2 6 3 5 市区蜂窝阴影 3 5 建筑物内视距传播 1 6 1 8 被建筑物阻挡 4 6 被工厂阻挡 2 3 表2 3 1 不同环境下的路径损耗指数 当电磁波在传播路径中遇到起伏地形、建筑物、植被( 高大的树林) 等障 碍物的阻挡时，在这些障碍物的后面会产生电磁场的阴影。移动台在运动中通 过不同障碍物的阴影区时，接收天线接收信号的场强中值会发生变化，从而引 起衰落，这种衰落因而又称为阴影衰落。阴影衰落的特征可用对数正态分布的 随机变量刻画。 平均路径损耗公式( 2 3 2 ) 并没有考虑周围环境的杂波在两个具有相同发 射一接收距离的不同位置上有可能是大不相同的。这种差异往往会导致实测的 信号与由式( 2 3 2 ) 预测的平均值大相径庭。大量的测量统计表明，在与发射 端相距，距离处的路径损耗爿( ，) 是一个服从对数正态分布的随机变量。所谓对 数正态分布，是指一随机变量以d b 为单位表示时，其概率密度为正态分布。4 ( ，) 具体可用下式表示： 硕士论文 c dm a 系统前向链路速率，功率分配的研究 a ( r ) i d 8 j = 一( ，) + x d = a ( r o ) + 1 0 n l o g i 二一i + x j ( 2 3 3 ) l r o 其中，x 。为零均值的高斯分布随机变量，单位为d b ，标准偏差为j ，单 位也是d b ，艿的典型值是8 - 1 0 d b 。 对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同发射一接收距离时，不同的 随机阴影效应。这一现象称为对数正态阴影。简而言之，对数正态阴影意味着 在特定的发射一接收距离的测试信号电平( 用d b 作单位) 具有高斯( 正态) 分布，其均值由式( 2 3 2 ) 决定，它与距离有关，而标准偏差为占，如式( 23 3 ) 所示，这里，高斯分布的均值和标准差都以d b 为单位。 除了阴影效应外，气象条件变化也会引起信号中值电平的变化。当天气发 生变化时，大气相对介电场数的垂直梯度也会缓慢变化，这又导致电波折射系 数随时间发生变化，这样，将造成同一地点场强中值电平随时间缓慢变化，但 是，这种变化一般远小于由于阴影效应所引起的信号中值变化，常常可以忽略。 2 4经验传播损耗模型 设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何计算出接收信号的场 强，或接收信号中值。由于移动环境的复杂性和多变性，要对接收信号中值进 行准确计算是相当困难的。无线通信工程上的做法是，在大量场强测试的基础 上，经过对数据的分析与统计处理，找出各种地形地物下的传播损耗( 或接收 信号场强) 与距离、频率以及天线高度的关系，给出传播特性的各种图表和计 算公式，建立传播预测模型，从而能用较简单的方法预测接收信号的中值。 人们对蜂窝系统内的传播损耗进行了广泛的研究，总结出了许多电波传播 损耗模型。如h a t a o k u m u r a 模型，w i m 模型，c c i r 公式等。这些模型各有特 点，能用于不同的场合。下面予以简要介绍。 2 4 1h a t a o k u m u r a 模型 在广泛地测量城镇和郊区的无线电传播损耗之后，0 k u m u r a 等人画出了许多 用于规划蜂窝系统的有用的经验曲线，但是这些曲线不适合用于计算机仿真， 硕士论文 cdm a 系统前向链路速率功率分配的研究 后来h a t a 根据o k u m u r a 的曲线，通过曲线拟合，提出了传播损耗的经验公式。 即h a t a o k u m u r a 模型。h a t a o k u m u r a 模型以市区传播损耗为标准，其它地区 在此基础上进行修正，频率范围为1 5 0 m h z 到1 5 0 0 m h z 。h a t a 给出的市区传播 损耗的公式如下： 4 g 擅) = 6 9 5 5 + 2 6 1 6 l o g l o 六m 一1 38 2 l o g l oh l d 0 2 ) + ( 4 4 9 6 5 5 1 0 9 1 0 h 1 ) l o g i or k ： ( 2 4 1 1 ) 其中，矗1 和 2 是基站和移动台天线的相对高度( 单位为m ) ；是基站和移 动台之间的距离( 单位为k m ) ；厶。是中心频率( 单位为m h z ) ；4 h 2 ) 是接 收天线高度增益校正因子，其值取决于环境： a 似2 ) = 1 1 l 0 9 1 0 五m 一0 7 ) h 2 一( 1 5 6 l o g l o m o 8 ) 中小城市 8 2 9 ( 1 。g l 。1 5 4 h 2 ) ：_ 1 1 1 5 0 f 3 0 0 m h z 大城市 。4 1 2 3 2 ( 1 0 9 l o1 1 7 5 h 2 ) 2 4 9 73 0 0 f 0 k 。= 5 4 + 0 8 1 a h l l a h l o 且0 5 1 5 4 + 0 8 i 幽l i ( d 枷0 5 ) z x h i o 且 0 - - - 。盯。1 1 8 + 1 5 ( m 旧) 幽1 o kr = 一4 + o 7 ( 厶丝一1 1 、9 2 5 7 1 5 f 血一1 1 、9 2 5 7 中等城市和郊区 大城市 ( 2 4 3 6 ) ( 2 4 3 7 ) ( 2 4 3 8 ) ( 2 4 3 9 ) 式( 2 4 3 6 ) 式( 2 4 3 1 0 ) 的路径损耗计算公式中，用到了许多地形参 数，分别说明如下： l ：基站天线高出地面的高度( 4 - 5 0 m ) ； 2 ：移动台天线高度( 1 - 3 m ) ； h 。：建筑物屋顶高度，单位为m ： 纸：h l h 。：基站天线高出建筑物屋顶的高度，单位为m ； a h ，：h 。一h 2 ：移动台低于建筑物屋顶的高度，单位为m ： b ：建筑物间隔。 硕士论文 cdm a 系统前向链路速率功率分配的研究 2 5 c d i j a 蜂窝系统对路径损耗的估计 h a t a o k u m u r a 模型及其它电波传播模型适用于预测一定区域某特定点接收 信号强度，这对预测c d m a 蜂窝系统的容量、覆盖等性能参数具有重要的作用。 但是，在实际的c d m a 蜂窝系统中，基站很难准确的估计基站与移动台之间的 距离，因此，这些模型无法用于估计特定基站和移动台之间的路径损耗。c d m a 蜂窝系统实际上是通过以下方法对路径损耗进行估计的。 基站和移动台之间的路径损耗可用下式来衡量： a r r 2 冬 眨s z ， 其中，o 表示基站的总发射功率：表示移动台实际接收到的该基站的功率； 爿t r 则表示基站和移动台之间的路径损耗。这里，假设多径等引起的快衰落并 不影响平均功率电平。由于前向链路各个信道的发射功率常常以导频信道发射 功率为基准( 基站分配给导频信道发射功：簪一般是固定不变的，比如在i s 一9 5 系统中，导频信道发射功率占基站额定发射功率的2 0 ) ，因此，c d m a 蜂窝 系统常以导频信道的导频强度作为对路径损耗的估计。 导频强度定义如下： 船：壁：毒挚l ( 2 5 “ 。+ 0 其中，船为导频强度；e ? 是移动台接收的p n 码片( c h i p ) 能量；厶是移动 台的总接收功率谱密度；e j 是基站发送的p n 码片能量：a 。是基站和移动台 之间的路径损耗；只是移动台接收的有用信号和干扰信号功率；w 是信道带宽； n 是背景噪声功率谱密度。 基站发送的p n 码片能量彰由下式可以得到： e ! ：监 r ( 2 5 3 ) 其中，弓。表示导频信道的发射功率，r 。表示导频信道p n 码片的速率。 导频强度是在移动台侧进行测量的，需要基站通过信令消息加以控制。通 1 9 硕士论文 cdm a 系统前向链路速率功率分配的研究 常，基站首先向移动台发送周期导频测量要求指示消息( p e r i o d i cp i l o t m e a s