（通信与信息系统专业论文）cdma2000系统容量优化.pdf

摘要 码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 移动通信系统具有抗干扰能力强、 保密性好、容量大等优点，应用越来越广泛。c d m a 系统容量决定于系统中的噪 声水平以及业务质量的要求。为有效降低干扰，系统应根据用户的需求，为其合 理的分配功率资源，以提高整个系统的容量和服务质量。本文通过优化发射功率 的控制方法和提高系统平均数据速率，从而提高系统容量和数据吞吐量。 论文分析了影响c d m a 系统容量的多种因素，并对c d m a 语音、数据以及 混合业务下的系统容量建立了数学模型。针对系统前向容量的功率受限，从功率 角度研究了混合业务下系统的前向容量问题，给出了前向容量的功率解。同时从 w a l s h 码分配的角度，讨论了数据业务吞吐量的极限值。 论文建立了前向链路系统容量仿真模型，并在m o n t e c a r l o 仿真平台上对单小 区前向功率固定门限方式下和前向功率门限动态控制方式下系统的前向容量进行 了对比仿真，得出了c d m a 2 0 0 0 系统前向容量的极限值。 论文提出了软切换功率同步算法和前向补充信道目标误帧率动态设置算法， 并分别与原有算法进行了对比仿真。仿真结果证明软切换功率同步能够显著提高 c d m a 2 0 0 0 系统前向容量，目标误帧率动态设置则有效优化了系统数据吞吐量。 关键词：码分多址系统容量数据吞吐量软切换功率同步误帧率 a b s t r a c t c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) m o b i l ee o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sm o r e a n dm o r ew i d e l ya p p l i e df o ri t sa d v a n t a g e so fw e l la n t i - j a m m i n g ，p e r f e c ts a f e t ya n d g r e a tc a p a c i t y n 圮c a p a c i t yo fc d m a i sl i m i t e db yn o i s el e v e la n dq u a l i t yo fs e r v i c e t r a n s m i t t i n gp o w e rs h o u l db ea s s i g n e dr e a s o n a b l ya c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f e a c h u s e rs ot h a tt h ei n t e r f e r e n c ew i l lb er e d u c e da v a i l a b l ya n dt h ec a p a c i t ya n dq u a l i t yo f s y s t e mw i l lb ei m p r o v e d s y s t e mc a p a c i t yi s i n c r e a s e db ya d v a n c i n gt h ec o n t r o lo f t r a n s m i t t i n gp o w e r a n dd a t at h r o u g h p u ti so p t i m i z e db yi m p r o v i n gt h ea v e r a g ed a t ar a t e o f s y s t e mi nt h i ss t u d y i nt h ep a p e r , t h ee f f e c t so fv a r i o u sf a c t o r so nc a p a c i t ya r ed i s c l o s e da n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so fv o i c e ，d a t aa n dm i x e ds e r v i c ea r ee s t a b l i s h e d b e c a u s et h e r i s i n go f 仃a n s m i t t i n gp o w e rw i l li n c r e a s et h ep r o b a b i l i t yo f f o r w a r dp o w e ro v e r l o a df o r t h ec h a r a c t e r i s t i co fm i x e ds e r v i c e ，t h ef o r m u l aa n ds o l u t i o no ff o r w a r dc a p a c i t yo ft h e m i x e ds y s t e mi sd e d u c t e di nt e r mo fp o w e re f f e c t 1 1 地t h r e s h o l do fd a t at h r o u g h p u ti s s t u d i e di nt e r mo f a s s i g n m e n to f w a l s hc o d e 1 1 h es i m u l a t i o nm o d e lo ff o r w a r dc a p a c i t yi sp r o p o s e d n 圮f o r w a r dc a p a c i t yo f c d m as y s t e mi ss i m u l a t e do nt h em o n t e - c a r l os i m u l a t i o np l a t f o r m t h es i m u l a t i o ni s c a r r i e do u to nt w od i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h ef i r s tc o n d i t i o ni st l l a tt h ef o r w a r dp o w e r t h r e s h o l di sf i x e da n dt h eo t h e ri st h a tt h ef o r w a r dp o w e rt h r e s h o l di sc o n l r o l l e d d y n a m i c a l l y t h em a x i m u mo f f o r w a r dc a p a c i t yi ss h o w na c c o r d i n g t ot h es i m u l a t i o n s o f th a n d o f fp o w e rs y n c h r o n i z a t i o na r i t h m e t i ca n dt a r g e tf e rd y n a m i cs e t u p a r i t h m e t i ca r ep r e s e n t e di n t h i ss t u d y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ts o f th a n d o f f p o w e rs y n c h r o n i z a t i o ni m p r o v e st h ef o r w a r dl i n kc a p a c i t ya n dt a r g e tf e rd y n a m i c s e t u po p t i m i z e st h ed a t at h r o u g h p u to fs y s t e m k e y w o r d s ：c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s y s t e mc a p a c i t y d a t at h r o u g h p u t p o w e r s y n c h r o n i z a t i o n f r a m ee r r o rr a t i o 创新性说明 本人声明所呈交的论文是我个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；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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已在论文中傲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： 田獐 日期： 劲司o f 遗 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学本人保证离校后，发表论文或使用 论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许 查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复 制手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：困塑堑 导师签名：二蟹 日期：边! ! ：堑 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 随着人们对移动通信需求的快速增长，日益膨胀的用户需求与有限的频谱资 源之问的矛盾也越来越大，因而如何实现频谱利用率的最大化，即实现蜂窝系统 的容量最大，是系统设计中的一个重要方面。蜂窝系统的容量与多址方式有着密 切的关系。从早期的f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 模拟蜂窝移动通信 到以o s m ( o l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 为代表的t d m a ( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 数字蜂窝系统，再到i s 9 5c d m a 系统，蜂窝系统的容量逐渐加大。 而目前基于c d m a 的第三代移动蜂窝通信系统c d m a 2 0 0 0 与这些系统相比在容量 上又有了新的突破，成为宽带移动通信的重要解决方案。 c d m a 数字蜂窝移动通信系统具有抗干扰能力强、保密性好、容量大等优点。 越来越受到广泛的关注。但c d m a 通信方式存在传输衰落、多址干扰和远近效应 等问题。使其系统容量受限于系统内移动台的相互干扰i l j 。因此，c d m a 是一个自 干扰系统，同时也是噪声受限系统，能够同时通信的用户数决定于系统中的噪声 水平以及业务质量的要求，它随环境的变化而变化，所以我们称之为“软容量”。正 因为这个特征，有限资源的c d m a 系统容量才有挖掘的余地，对c d m a 系统容量 的研究才更有意义。 本文为中兴通讯股份有限公司应市场及研发需求而设立的c d m a i x 列s a 系 统性能优化项目的一部分，作者参与了基于蒙特卡罗方法的仿真平台的搭建，并 用该平台完成了对单小区( 孤岛站) 系统前向容量的仿真。该仿真为系统级仿真， 对整个c d m a 系统的性能如功率控制、软切换、容量等进行模拟，并考虑移动台 与基站间的路径损耗、阴影衰落、用户间干扰等主要因素。在仿真结果的基础上 对c d m a 系统前向容量以及分组数据业务吞吐量作了进一步的理论分析 本课题的理论研究与分析工作为提高c d m a 2 0 0 0 实际系统前向容量提供了一 种有参考价值的评估和优化方法，并在系统容量和吞吐量之间找到了一个平衡点， 即根据系统可用资源对误帧率进行动态控制，在保证前向容量的条件下，最大程 度的优化分组数据吞吐量。仿真分析的结果，也为后续工作中的实际测试提供了 强有力的理论参考。 2 c d m a 2 0 0 0 系统容量优化 1 2 1c d m a 系统容量 1 2 国内外研究现状 自9 0 年代初c d m a 通信技术应用到移动通信系统中之后，发展十分迅速，近 年针对无线通信，移动通信的应用要求，在可接受的通信质量下以提高系统容量 为中心，提出了增强c d m a 能力的新技术和新方法。以下就c d m a 通信系统容量 和它的增强技术进行讨论。 c d m a 通信技术大多应用无线电频谱资源实现无线通信、移动通信及个人通 信。目前，适合移动通信、无线通信使用的频谱，从低端到2 g h z 都已相当的拥挤， 在移动通信的8 0 0 m h z 、9 0 0 m h z 、1 8 g h z 、1 9 0 h z 、2 g h z 频段更是特别突出1 2 】。 根据电波传播的特点，考虑到当前移动通信业务的发展和需求，i t u 已决定今后把 3 5 g h z 频段逐步用于无限移动业务。我国移动通信发展极为迅速，移动电话用户 从2 0 0 0 年底的7 0 0 0 多万户，到2 0 0 6 年底突破4 4 亿户，增长速度十分惊人。面对我 国移动通信用户的超高速发展，有限的无线电频谱资源就极为宝贵、日趋紧张， 它的使用除要采用先进管理手段、合理分配无线电频谱资源之外，最重要的是寻 求频谱利用率高的先进通信技术。 现在，移动通信从第一代移动通信系统( 以模拟移动电话为主) 第二代移动通 信系统( 以数字移动电话为主) ，发展到即将开始走向第三代移动通信系统，它有 尽可能大的通信能力和用户容量，能提供多媒体业务的通信，能实现以话音业务 为主面向个人的通信。目前，已提出第三代移动通信r t t ( r a d i ot r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y ) 的多种建议给i t u ( i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) ，供研究评估， 以便尽快形成技术标准，适应2 l 世纪的发展要求。在这些第三代移动通信的标准 化建议中，有应用前景的基本上是采用c d m a 技术，或c d m a 和t d m a 的混合技 术。到底是基于c d m a 通信技术的系统容量大，还是基于t d m a 通信技术的容量 大，早在第二代移动通信发展g s m 和c d m ai s 9 5 的争论中就进行过十分激烈的辩 论。 t d m a 按时隙划分，把划分的时隙提供给通信用户，单位时间能划分成多少 时隙，最大用户就是多少。这是简单的物理问题，因此最容易说清楚。 c d m a 用给定的伪随机编码调制通信用户数据，实现码分多址。按编码分配 用户，我们能构成多少完全正交的编码，最大用户就是多少。它的答案与数学的 编码问题有关，数学上不能提供在任何相位状态下完全正交的编码( 只要编码长大 于4 ) ，只能给出彼此相关性小、即相互干扰小的编码；或者在特定相关时间区间 实现正交的编码。这样，能同时分配多少编码给用户使用，就成了c d m a 技术能 实现多大系统容量的焦点。 第一章绪论 c d m a 基本通信方式是直接序列扩频编码方式：d s c d m a ，一个用户使用一 个扩频码调制l b i t 数据传输，一个扩频码称为一个码道。那么，我们能构成码长为 n 的、彼此互相关小的、准正交的n 个扩频码，而能同时使用扩频码的用户数l 是 多少决定于互相关于扰值的大小，它与选用编码、信号功率等有关；取决于用户 对检测信噪比的要求，同时与通信业务和纠错能力有关。 有限频率资源的重复利用，是移动通信蜂窝结构的重要特征，也是提高频率 利用率的有效手段。c d m a 使用不同扩频编码来区分用户，所有用户仅用一个频 率收发正常工作。这样，移动通信系统的所用蜂窝都重复使用同一频率，频率的 重复利用率为1 。而t d m a 尽管按时隙区分用户，但在多用户工作情况下，每个时 隙都在工作，相邻蜂窝小区间不能使用同一频率，至少要用四个频率供蜂窝之间 间隔使用，频率的重复利用率为1 4 0 j 。 抗多径衰落的接收技术，是城市高速移动通信环境下的特定要求。c d l 删 多径起伏衰落在一个扩频码元时间间隔内，用相关接收技术可以化解；一个码元 外的多径起伏，用分集接收。不仅能避免多径干扰，还能提高信噪比。而t d m a 对一个时隙内的多径起伏衰落，用自适应均衡技术；但对一个时隙间隔外的多径 起伏衰落，还没有有效解决，会使信噪比降低。 语音通信中的话音激活技术，是c d m a 应用到移动通信时提出的新兴技术， c d m a 可有效利用1 4 1 。话音无声时，c d m a 不在使用的扩频码道上发送信号，或发 送极其低弱的信号，几乎不影响其他扩频码道。这样，就空出一个信道可供其他 用户使用。由于众多用户使用同一频率，彼此随机发声说话，尽管同时能使用的 码道数没变，但能参与的话音通话用户数增加，多用户能力被提高。t d m a 理论 上同样可以使用这项技术，但实际上做不到。因为用户使用的对隙是分配的，不 是占用的，话音的有声和无声的出现完全是随机的，要随机时隙分配，目前技术 是很难傲到的，不能用于增加用户数。因此，使用话音激活技术，c d m a 移动通 信系统又比t d m a 通信方式的用户数至少能提高一倍以上。 数据通信中的纠错技术，是移动通信应用的数字技术之一【5 l 。t d m a 可用它来 改善通信质量，减轻多径衰落的影响。而特别能够体现出其作用和效益的是c d m a 移动通信系统中可用纠错技术来提高系统容量。应用纠错技术，c d m a 可放宽对 解调输出信噪比的要求，也就是放宽c d m a 多用户干扰门限，从而有效提高了多 用户信道数。因此，c d m a 使用尽量大纠错能力的纠错技术，能显著提高系统容 量，对于误码率要求不高的语音通信就更加有效 6 1 。 因此，移动通信环境下，c d m a 几乎可以利用频率重复利用、抗多径衰落、 纠错技术、话音激活技术、链路时延、同步等技术来增大系统容量，提高多用户 通信能力。而t d m a 对这些现成可实现技术的应用能力相对较差 2 1 4 c d m a 2 0 0 0 系统容量优化 以话音通信业务为例，说明c d m a 和t d m a 的频谱利用率。t d m a 使用时隙分 配方法，给每个用户分配一个时隙，考虑到信号的传播时延、多径时延和对方的 处理时问，每个时隙之间要有一定的保护时间，按1 ：0 1 计算，频率的重复利用率 为l 4 ，则t d m a 的频谱利用能力为n ( 1 ，l x 4 ) = n 2 3 7 2 ，n 是相应信号频谱 的理论最大用户数。c d m a 使用话音激活技术，至少可以提高一倍容量，多径接 收和纠错处理又至少能够提高一倍容量，因此，c d m a 的频谱利用能力至少为 2 x 2 x n x l 2 = n x 4 8 ，是t d m a 系统容量的两倍以上1 7 1 。 w i l l i a mc yl e e 于1 9 9 1 年5 月在i e e et r a n s a c t i o n so nv e e h i c u l a rt e c h n o l o g y 上 发表 o v e r v i e wo f c e l l u l a rc d m a 一文，从理论上详细论证了在蜂窝移动通信中具 有功率控制的c d m a 系统容量。是f m 方式的2 0 倍。t d m a 方式的4 倍h 】。 上述分析表明，c d m a 通信系统容量明显高于其他多址方式。但同时c d m a 系统容量也是受限制的，主要受限于多用户信号干扰和所需的解调信噪比。c d m a 通信系统中非相关的其他用户干扰信号的降低直接有利于系统容量的提高，低解 调信噪比要求也可以提高系统容量。因此，如何减小和克服干扰，如何增大输出 信噪比及降低对e b i o 的要求，就成为增强c d m a 通信能力的热门课题。 随着c d m a 技术的不断发展和业务种类的不断增多，c d m a 的系统容量应该 有针对不同业务的更为全面的定义。对于能够提供分组数据业务的c d m a 系统， 通常容量的概念包括两个方面。一是原始的容量概念，即系统能支持的最大用户 数，二是系统能够提供的最大的数据吞吐量，即在单位时间内系统能提供的最大 数据服务速率。此外，还有短消息容量、数字集群容量等。 1 2 2c d m a 系统容量模型 c d m a 系统具有软容量特性，容量大小随话务模型的改变而改变，话务模型 包括话务分布、话务参数、系统解调门限等。当话务模型一定的情况下，可以通 过调节系统负荷，改变接入门限参数来改变系统容量。 因此，研究c d m a 系统容量，就得建立一个与之相应的容量模型。包括不同 时段、不同区域下各种不同业务以及业务组合的容量负荷，从而分析c d m a 系统 所能够提供的承载力。定义这样一个系统容量模型，需要确定存在哪些方面的容 量。从空中来看，主要包括以下几种： ( 1 ) 接入容量。接入容量主要受限于时问，如果消息长度一定，根据单位时间 能够收到的接入消息就可以确定最大容量。 ( 2 ) 寻呼容量。寻呼容量主要受限于时间，如果消息长度一定，根据单位时间 能够收到的寻呼消息就可以确定最大容量。 ( 3 ) 前向语音容量和数据容量。前向业务容量主要受限于基站发射功率、干扰、 第一章绪论 5 w a l s h 码等。 ( 4 ) 反向语音容量和数据容量。反向业务容量主要受限于干扰 ( 5 ) 短消息容量。 单个容量可以根据公式计算德到，系统容量则需要考虑在不同的业务模型下， 哪些容量最先达到过载，则最先受限的容量就是该业务模型的系统容量。其中， 接入容量和寻呼容量只有在短时问内的接入和寻呼量很大时才会出现瓶颈，例如 集群业务等特殊的业务模型下。而在实际应用中经常遇到的是前向和反向的语音 和数据容量受限，众多用于提高系统容量的技术手段也是针对前、反向业务容量 提出的，例如功率控制技术等。因此，要提高系统的容量，就要综合提高各种可 能对系统容量产生限制的瓶颈。 分组数据业务和语音业务对资源的需求具有截然不同的特点：语音业务相对 连续，对时延及时延抖动敏感，能容忍一定差错，前反向需求对称，q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 等级相对单一，追求的目标是系统的爱尔兰容量或极点容量最大化，由于 二者具有相关性，在本文中将只对系统的极点容量，即最大用户数进行分析；分 组数据业务一般有突发的特征，可以容忍时延及时延抖动，对差错敏感，前反向 需求不对称，q o s 等级多，追求的目标是系统的吞吐量最大化。 1 2 3c d m a 系统仿真 系统仿真可以分为静态仿真和动态仿真。静态仿真是一种对多个不同的快照 ( s n a p s h o t ) 进行网络性能仿真的方法，在每个快照中用户设备的位置被静态地确定， 但独立于上一个快照中用户设备的位置、速度。每个用户设备连接到网络的能力 通过迭代过程来计算。迭代结束的条件一般包括：移动台的发射功率到达极限、 基站的发射功率到达极限、没有可用信道、e c i o d 、于阀值等。一般来说，两个不 同的快照的仿真结果是不同的。有时甚至相差很大唧。通过对全部快照分析的结论 进行统计上求均值，所得结果就可以认为是被仿真的系统的实际性能的近似，其 理论依据是数理统计学的蒙特卡罗方法。动态分析过程要比静态分析过程复杂， 它通过连续的时间步长仿真出用户设备在网络中的移动。考虑的元素也更多，与 静态仿真相比，它还要考虑通话的持续时长、移动台的移动速度和位置等。以车 辆环境为例c d m a 2 0 0 0 协议中规定移动方式模型是一个半导向的伪随机移动模 型，移动台的位置按照非相关长度进行改变，并且在每次位置改变时移动台的运 动方向将按照指定的概率改变。由于动态仿真更接近实际情况，所以仿真结果更 精确。但是与动态仿真相比，静态仿真也有其优势，最主要的优势是速度快，其 次计算机资源开销相对小些。这两种仿真，都可以为系统优化及网络规划和优化 提供重要参考依据，但由于动态仿真的理论还不是很成熟，加上资源开销庞大， 6 c d m a 2 0 0 0 系统容量优化 目前工程应用领域基本上都使用静态仿真。 关于c d m a 网络仿真领域的研究，在国际上，e i 收录的文章最早是1 9 9 2 年 g i u b i l e i 等人在第六届地中海电子技术会议上发表的论文i l o l 。在更早的时候，1 9 9 1 年，g i u b i l e i 等人在i e e e 的一份杂志上发表了这个研究领域的文章，只是未能被e i 收录而已。国际上，有一个与这个领域有关的权威会议：i e e ev e h i c u l a rt e c h n o l o g y c o n f e r e n c e ( 经常简称v t c ) ，此外，i e e et r a n s a c t i o n so nv e h i c u l a rt e c h n o l o g y 也有 许多该领域的重要论文发表。国内本领域的研究论文还不多见，目前从中国期刊 网能查到的最早的是陈志强等于1 9 9 8 年五月份发表在北京邮电大学学报的“窄带 d s c d m a 移动通信的反向链路搜索策略分析及仿真”。该学报是国内有关这个领 域的一个比较集中的刊物。总体上国内的研究比国际上落后十年左右。下面我们 看看国际上的研究进展。在得到c d m a 权威v i t e r b i 博士的帮助下，r u p e r ts m e t z l e 等人在1 9 9 6 年，对i s 9 5 c d m a 网络的前向链路性能进行建模，建立了蒙特卡罗仿 真【l “。在他们的仿真介绍中，解释了在仿真中应如何对阴影衰落系数的相关性进 行数学处理。m o t o r o l a 公司的h o w a r db e a n 等人在1 9 9 8 年，对3 g 使用的空间接口进 行了仿真1 1 2 】。他们首先对链路级进行了动态仿真。为了追求实时，他们使用了1 2 6 个处理器联合计算，此时仿真才能大约接近半实时，可见链路级的动态仿真对资 源消耗量极大。d o n g s e u n gk w o n 等人在1 9 9 9 年，建立了一个仿真软件来分析两个 c d m a 2 0 0 0 系统之间的互干扰【1 3 1 ，基于他们的仿真结果，提出了为满足所要求的 覆盖率和信干比应该在两个系统所用频带之间预留多大的保护区。他们的仿真软 件的核心部分由事件生成引擎、分布评估引擎、干扰计算引擎和限制评估引擎组 成。s d e h g l l 姐等人f 9 1 在2 0 0 0 年，基于他们公司内部的路径损耗算法，对w c d m a 建立了一套静态仿真软件。他们使用这个软件对位于伦敦市中心的真实基站进行 了仿真，并把仿真结果与理论分析结果进行了比较。n c a r d o n a 等人【1 4 】在2 0 0 0 年， 使用m a t l a b 为开发工具，建立了一套用于w c d m a 容量分析的软件。他们使用这 个软件分别对语音业务和数据业务进行了仿真。在这以前，很少见文献对数据业 务也进行仿真。他们的软件中的一个很值得一提的地方是使用人工神经网络来代 替传统的统计模型来进行路径损耗计算。w c y l e e 等人【1 1 在2 0 0 1 年通过蒙特卡罗 仿真，详细分析了哪些系统参数的变化将对c d m a 系统的容量产生显著的影响。 其结论指出这些参数包括：地貌、前向链路正交系数、路径损耗指数、噪声门限、 衰落、扇区化、切换门限、功率控制步长等。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要研究c d m a 2 0 0 0 移动通信系统容量，对系统容量进行建模分析，并 在搭建的仿真平台上进行单小区容量仿真，其仿真结果对c d m a 2 0 0 0 系统容量优 第一章绪论 7 化与评估提供了有参考价值的理论依据。随后针对c d m a 2 0 0 0 系统前向容量以及 分组数据业务吞吐量，提出了有效的优化算法。全文内容结构如下： ( 1 ) 主要介绍本论文研究的背景，本课题的相关知识在国内外的研究现状，如 c d m a 系统仿真研究概况，c d m a 2 0 0 0 系统容量及容量模型的研究概况，以及论 文研究开发的意义。 ( 2 ) 分析c d m a 前反向链路的容量极限，考虑各种影响因素下的容量模型，对 语音、数据以及混合业务下系统的前向容量从功率角度进行分析和探讨。同时， 从w a 曲码的分配入手分析了c d m a 系统数据吞吐量的极限值。 ( 3 ) 简要介绍所使用的仿真平台，并对语音业务下c d m a 单小区系统前向链路 容量进行建模与仿真，对比了前向功率门限动态设置和原有固定门限方式下系统 的最大用户数，得出了系统前向最大容量。 ( 4 ) 讨论了c d m a 前向容量受限于发射功率和数据吞吐量受限于系统目标误 帧率的特点，提出了软切换功率同步算法和前向补充信道动态调整误帧率算法， 并在所述仿真平台上分别对其进行了仿真验证和说明。 第二章c d m a 2 0 0 0 系统容量分析 9 第二章c d m a 2 0 0 0 系统容量分析 2 1 引言 一个无线电系统的容量被定义为一定频段内所提供的信道或用户的最大数 目。无线信道容量是一个衡量无线系统频谱效率的参数。这一参数取决于所需的 载波干扰比( c i ) 和信道带宽b 。 c d m a 系统的容量是干扰受限的，而在f d m a 和t d m a 中是带宽受限的。 因此，干扰的减少将导致c d m a 容量的线性增加。从另一方面看，在c d m a 系 统中，当用户数减少时，每一用户的链路性能就会增加。减少干扰的一个最直接 的方法就是使用定向天线，这样使用户在空间上隔离。定向天线只从一部分用户 接收信号，因此减少了干扰。增加c d m a 容量的另个方法是d t x 模式 ( d i s c o n t i n u o u st r a n s m i s s i o n ) ，此模式利用了语音断断续续这一特点l l ”。在d t x 中， 在没有语音时可关掉发射机。已观察到有线网络中的语音信号有大约3 8 的激活因 子，而移动系统中为i 2 。在天线系统中，背景噪声和振动能触发语音激活检测机。 因此，c d m a 系统的平均容量可按与激活因子成反比增加。在陆地无线传播中， f d m a 和1 1 孙d a 的频率复用取决于由路径损耗所产生的小区间的隔离，而c d m a 小区可以复用所有频率，因而容量有了较大增加。 2 2c d m a 2 0 0 0 系统容量分析 2 2 1 单小区系统容量 c d m a 系统容量正比于系统的处理增益，该增益为扩频带宽与数据速率之比。 这种情况表示如下：先假定所考虑的系统与所有其他形式的外部干扰隔离( 一个单 独的蜂窝) ，先定义以下参数： s 接收到的有用信号能量，单位为w ； ，接收到的其他信号的能量( 干扰、别的多址用户、多径等) ，单位为w ： 胄数据速率( 数据信号带宽用h ：表示) ，r = 1 瓦； 用h ：表示的扩频带宽； 磊用w 。为单位表示的接收到的有用信号每比特的能量； k 用日：为单位表示的等效噪声功率谱密度 载波功率c z 8 = 毛瓦= r 邑，基站接收机的干扰功率可定义为： ，= w n o ( 2 1 ) c d m a 2 0 0 0 系统容量优化 式中w 传输带宽； n 矿一干扰的功率谱密度 那么，该基站特定的移动用户载干比的一般表达式为： c ：旦生：e b s o ( 2 - 2 ) i w n 。 w r 其中，e b n o 的值为比特能量对噪声功率谱密度之比，w r 是系统的处理增益。 设m 表示移动用户数，如果功率控制能使该基站接收到每一用户的能量相同，那么， 由m 1 个干扰源导致的干扰功率为( 忽略热噪声) ： i = c ( u - 1 ) ( 2 - 3 ) 以( 2 - 3 ) 式替代l ，载干比可表示为： cc l * = 一 i c ( m - 1 ) m - 1 把( 2 q 式中的c i 代入( 2 2 ) 中，可得c d m a 系统容量为： m 。m l ：丝了l ( 2 - 5 ) r 磊, v o 由此可见，c d m a 系统容量正比于处理增益。 c d m a 系统容量受同时占用同一频率的其他用户引起的干扰所限制，这种干 扰被系统的处理增益抵消了一部分l l6 】。因为降低基站接收到的干扰数量就等效为 容量上的增加。所以c d m a 系统能通过扩谱处理增益降低干扰以增加容量。处理 增益的得到基于以下过程：在c d m a 接收机中，干扰用户的信号连续分布在带宽 w 中，而所选择的用户信号通过解扩移去扩频码后，接收机在选定用户的解扩带 宽( 基带带宽) 里进行滤波，这样就只允许所收到的干扰用户能量的一小部分通过， 达到去干扰目的。 研究表明【l “，全双工语音的平均工作周期约为3 5 。因此，在数字系统里可 以降低传输速率或在语音停顿时使用间歇发送。因为在停顿时不是完全停止发送 而是降低速率，所以数字波形的有效工作周期接近4 0 或5 0 。如果c d m a 系统 语音发送信道的工作周期用变量口表示，则容量方程为： m 。旦l - ：丝l 一一1 ( 2 - 6 ) e r re h n are h n od 容量方程基本上没有考虑方向性，即使说有，也只考虑基站的接收天线。如 果基站使用把小区分成几个区域的定向天线，则每根天线只接收来自小区内的一 部分干扰。实际中，接收天线有大约1 5 的重叠覆盖区f 1 8 l 。标准做法是把小区分 成三个区域，这样有效地增容g = 3 x o 8 5 = 2 5 5 ，相应的容量方程为： 肘a i w ，丽1 ，云1 g ( 2 - 7 ) 第二章c d m a 2 0 0 0 系统容量分析 1i 2 2 2 多小区系统容量 在多小区系统中，当决定一个特定的主小区的容量时，必须考虑到别的小区 产生的信号所引发的干扰。当然，这些干扰传输到主小区时引起的衰减，对所有 的多址方案而言都是一样的。在使用f d m a 的常规蜂窝系统中，基站接收机必须 有至少1 8 d b 的c 1 1 1 9 1 ，这样才能确保得到可接受的模拟语音质量。在典型的传播 条件下，为获得这样高的c i ，邻近的小区不能使用同样的频率，同样的频率只能 在7 个单元之一中使用。这样，多小区f d m a 系统的容量与单小区f d m a 系统相 比，因为考虑7 个蜂窝而以7 的因数降低。 在c d m a 多小区系统中，大多数干扰来自同一小区内的移动用户( 而f d m a 中，没有同一小区内的干扰) 。因此，多小区c d m a 系统的总干扰量并不比单小 区的c d m a 系统大很多。q u a l c o m m 公司进行的模拟试验表明，来自别的小区的 干扰仅为基站收到的本小区内部干扰的3 5 2 0 。基于该信息，c d m a 容量方程应 包含一个能表示其他小区干扰的再用频率f c ，容量方程修改为： m 。i w 击三g e ( 2 - g ) re h | n 4a 图2 1 和图2 - 2 所示的容量( 2 8 ) 是假定条件下理论上的限制，引自参考文献【8 】。 其中图2 1 是以语音工作因子a 为条件，c d m a 相对f d m a 容量的提高，e = o 6 5 、 g = 2 5 5 ，数据速率为1 4 4 k b i t s ，p g = 8 5 3 。图2 2 是c d m a 系统容量相对于频 率再用效率f e 比f d m a 系统容量的提高，口= 0 6 5 、g = 2 5 5 ，数据速率为 1 4 4 k b i t s ，p g = 8 5 3 【羽。图中实线表示p g = 1 2 8 ，虚线表示p g = 8 5 3 的情况。 从图2 1 可以看出，扩频增益p g 的增加和e j n o 的减小可以带来容量很大的 提高，语音工作因予对容量的贡献也很大。从图2 2 可以看出在扩频增益较大的情 况下，再用效率f c 对容量的贡献也较大。 ：。 p a - 1 2 b 毛， - 6 p 口- 嗣湛一 ；叫 乙日 m 彳 。7k 嚣 _ r 捆： 皋远、二_ v、4： 、 ：i 弁迄：k 、： k= = ， - 、。 _ _ _ = 乏 。 ：“： 一 0 3 0 3 5 0 4 0 4 60 5 话削瞻圈子4 图2 - i 以语音工作因子口为条件时c d m a 相对f d m a 容量的提高 船 蕾 暂 侣 弗墨幡王否 c d m a 2 0 0 0 系统容量优化 笛 羽 蛊 鑫1 5 吾 ，。 5 ：毛， 5 蕾 e ， - 曲毛蚂- 7 ： o _ _ ，一 彳 _ _ ， 一7 上，7 1 _ _ _ 一 一k j = ：= = 一二 二一 lj p 口1 2 e ： 一强0 期霄薰搴， 图2 - 2c d m a 系统容量相对频率再用效率f c 比f d m a 容量的提高 2 3c d m a 的再用参数 反向链路的总平均干扰功率可以写成： 矗= l 十k = 同小区干扰功率+ 其他小区干扰功率 ( 2 9 ) 这里，如用谱密度表示则有： l = 厶，形及k = 厶。矽 ( 2 1 0 ) 同小区干扰功率i 。可表示为反向链路被激活的单个发射机功率的倍数，在理想 功率控制的假设下，所有移动台的信号到达基站时都有相同的功率s 。迸一步，正 如前面所证明的，反向链路发射的可变速率话音信息，其工作因子小于1 0 0 ，用诉 表示，因此反向链路同小区干扰功率可写成： k = ( 肘一1 ) s 晖 ( 2 - 1 1 ) 这里m 为正在工作的反向链路用户数。我们可以将平均的其他小区反向链路干 扰功率l o c 表示为总的同小区功率乘以某个系数。假定每个干扰小区与所关心的小 区具有相同的特性，特别是同时工作的反向链路用户数m 相同，则到达每个基站的 总的同小区反向链路功率为 舭，对所关心的基站而言其他小区的干扰可写成： l 。= 专m a ，s ( 2 - 1 2 ) 其中的“再甩系数” 可解释为： 乒= 监罢器差芒器= 再用系数 q 一- ， 收到的本小区总功率 一7 这样总的平均反向链路干扰功率为： 1 7 = i 。+ k = ( m 一1 ) a , s + b r m o t , s = ( i + 善) j j l ，一1 a , s ( 2 - 1 4 ) 第二章c d m a 2 0 0 0 系统容量分析 或 = 粤一l k s ( 2 - 1 5 ) 其中 e 2 壶( 2 - 1 6 ) 为 c d m a 再用效率”，它等于总接收功率中属于本小区发射的那一部分，并可 解释为： 乏= 雨1 = 丽矗筹麓 o 耦 同样的，式( 2 - 4 0 、( 2 - 4 2 ) 和( 2 - 4 3 ) 也可以处理成如下的线性方程： 一c 州+ 只肛( 哆一1 ) 一 0 只雄一e 哼6 ( 2 - 4 5 ) 其中 其中 嘞= ( 尸g ) ，( 巧) = 1 0 2 4 ( 巧) 一p 哪一 k + p _ q ；一n 一x 。呵n 呵b 钙= ( 尸g ) ，镕，( p 巧) = 2 5 6 i ( p m e k ! ) 一p p _ l p 一n ，p m + 心i k t 畸n 、e 呵2 b ( 2 - 4 6 ) ( 2 4 7 ) ( 2 - 4 8 ) ( 2 - 4 9 ) 其中 = ( 粥) 耐( p 匆巧) = 1 2 8 1 ( p m ：巧) ( 2 5 0 ) 在s n r 中考虑衰落容限m 的因素，可有： p ，= 岛- 1 0 m ( d b ) i o , j = l ，2 ，3 ，4 ( 2 5 0 同时，上面定义的a l ，眈，啦和a 4 变为： 盯，= 茄；等 陋s 2 ， 盯j5 而哆万5 鬲 2 弓矽 将以上方程组联立求解，可得到所满足信噪比的最低要求的线性方程组的矩 阵形式： 口、一1 1 一n 。 一1 。c l - 1 一n d 一1 - 1 a l n ， - 1 _ 1 n p k t w n k l 呵n x l d n a i k t 嚼n p p 肼 该矩阵的行列式为： ：i1 0 1 一等一掣k ：盯j 盯j l 口l口2口，口4j = h 小丧+ 坼惫刚惫) ，( p g ) w ( 尸g ) m ( p g ) 州 o 2 一 p i p2 p3 p 4 k ，4 由上式可得到解的约束为( 因为功率必须是正数) ： ( 2 - 5 3 ) ( 2 5 4 ) 第二章c d m a 2 0 0 0 系统容量分析 2 j 巧l 小画t 0 匠 2 + n ，( 粥p ) 3 。+ 钿n ( 粥p 训4 i l ( 2 - 5 5 ) 可得n 应满足以下条件： 等号小而p 2 一n p 3 。 p 1 捌表示基站，扇区总发射功率，则基站发射机中功放的总功率可改写为： p 。日= p m 七p 。七np p x 七k 。| p 【| 呵b | n 。七a 一， m 、l 5 7 ) 由于各信道增益值可确定，如式( 2 - 3 3 ) 、( 2 - 3 5 ) 和( 2 - 3 7 ) ，所以混合业务系统容 量主要受以下三