（通信与信息系统专业论文）tdscdma无线网络规划中的分层多目标优化算法.pdf

中文摘要 摘要 随着t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 移 动通信技术发展，各种关键技术的顺利解决，t d s c d m a 系统终端、基站和无线 控制器等设备的商用化，t d s c d m a 作为我国拥有自主知识产权的 3 g ( 3 r dg e n e r a t i o n ) 标准已经进入商业化阶段，全国各地正在规划或新建 t d s c d m a 网络。为了提高系统容量、扩大基站覆盖范围、保证信号传输质量， 为用户提供更好的服务，网络规划工作十分重要。对于t d s c d m a 网络运营商而 言，如何经济有效地建设一个t d s c d m a 网络，保证网络建设的高性价比是运营 商所关心的问题。网络规划的目的，概括地讲，就是在支持多种多媒体业务，并 满足一定q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 和无线覆盖要求的条件下，获得良好的网络容 量，同时通过调整容量、覆盖、质量之间的均衡关系提供最佳链路服务。 本文概要介绍了移动通信系统的演进历程。为了对t d s c d m a 系统有全面深 刻的理解，介绍了t d s c d m a 的基本原理和关键技术以及关键技术对无线网络规 划的影响，并着重讨论了t d s c d m a 无线网络规划目标、规划内容和规划流程。 作为网络规划的理论基础，详细阐述了无线传播模型、链路预算和容量估算。在 此基础上，对无线网络规划中的核心问题，基站选址优化问题进行了研究。 t d s c d m a 无线网络规划中基站选址问题属于多目标优化问题，针对已有的 基站规划模型的一些不足，结合t d s c d m a 无线网络的特点提出了网络规划的分 层优化模型，该模型充分考虑了t d s c d m a 网络的小区呼吸效应，能够很好的解 决网络规划中的覆盖和容量相互依赖的问题。为了求解该模型，在宽容分层法和 简单遗传算法的基础上，提出了分层多目标优化算法。对算法进行了理论分析并 用m a t l a b 搭建仿真平台，在最低成本的约束下，算法综合考虑了t d s c d m a 网 络规划中覆盖与容量的目标和要求。仿真结果表明：该算法能够在给定的条件下 实现基站布局最优，而且收敛速度快。 关键词：t d s c d m a ，网络规划，分层多目标优化，遗传算法，基站选址 英文摘要 一_ 一 a b s t r a c t w i mt h et d s c d m a ( t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s lm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，t h es u c c e s s f u l s o l u t i o no f m a s s i v ek e yt e c h n o l o g i e s ，t h ec o m m e r c i a la p p l i c a t i o no fs y s t e mt e r m i n a l ，b a s e s t a f t o n sa n dw i r e l e s sc o n t r o l l e ra n do t h e re q u i p m e n to ft d s c d m a ，c h i n a s i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s 3 gs t a n d a r dt d - s c d m ah a se n t e r e dt h e c o m m e r c i a ls t a g ea n dn e wt d s c d m an e t w o r kw a sp l a n n e da n db u i l tt h o u g h tt h e c o u n t r y i no r d e rt oi n c r e a s es y s t e mc a p a c i t y , i m p r o v et h ec o v e r a g eo f b a s es t a t i o n sa n d e n s u r et h eq u a l i t yo fs i g n a lt r a n s m i s s i o na n dp r o v i d eb e t t e rs e r v i c e sf o ru s e r s ，n e t w o r k p l a n n i n gi s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t h o wt ob u i l dat d s c d m an e t w o r k e c o n o m i c a l l ya n de f f e c t i v e l yi s ap r o b l e mb ec o n c e m e df o rt d s c d m an e t w o r k o p e r a t o r g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h ep u r p o s eo f n e t w o r kp l a n n i n gi st og e tag o o dn e t w o r k c a p a c i t ya n da tt h es a m et i m eb ya d j u s t i n ge q u i l i b r i u mr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec a p a c i t y , c o v e r a g ea n dq u a l i t yt op r o v i d et h e b e s tl i n ks e r v i c eu n d e rt h ec o n d i t i o no fs u p p o r t i n g v a r i o u sm u l t i m e d i as e r v i c e sa n dm e e t i n gc e r t a i nq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) a n dw i r e l e s s c o v e r a g e t h ee v o l u t i o nc o u r s eo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i nt h i sp a p e rw a s i n t r o d u c e dg e n e r a l l y i no r d e rt od e e pu n d e r s t a n d i n gt d s c d m as y s t e m ，i n t r o d u c e d t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dk e yt e c h n o l o g i e sa n dt h ei m p a c to fk e yt e c h n o l o g i e so nn e t w o r k p l a n n i n g e m p h a t i c a l l yd i s c u s s e dt h e w i r e l e s sn e t w o r kp l a n n i n gt a r g e t ，p l a n n i n gc o n t e n t a n dp l a n n i n gf l o w a st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rn e t w o r kp l a n n i n g ，w i r e l e s s p r o p a g a t i o n m o d e l ，l i n kb u d g e ta n dc a p a c i t yd i m e n s i o n i n ga r ee x p o u n d e di nd e t a i l o nt h eb a s i s ， o p t i m i z a t i o np r o b l e mw h i c hi s t h ec o r ep r o b l e mo fw i r e l e s sn e t w o r kp l a n n i n gi s s t u d i e d b a s es t a t i o nl o c a t i o no ft d s c d m aw i r e l e s sn e t w o r kp l a n n i n gb e l o n g s t o m u l t i o b je c t i v eo p t i m i z a t i o n a c c o r d i n gt o d e f e c to fe x i s t i n gb a s es t a t i o np l a n n i n g m o d e la n dc o m b i n e dw i t hc h a r a c t e r i s t i co ft d s c d m a ，p r o v i d e dan e ws t r a t i f i e d 0 p t i m i z a t i o nm o d e lo fn e t w o r kp l a n n i n g i t sf u l l yc o n s i d e r e d c e l lb r e a t h i n go f t d s c d m an e t w o r ka n ds o l v e st h ep r o b l e mo ft h er e l a t i o nb e t w e e nc o v e r a g ea n d c a p a c i t y i no r d e rt os o l v et h em o d e l ，p r o p o s e ds t r a t i f i e dm u l t i 。o b j e c t i v eo p t i m i z m i o n a l g o r i t h mw h i c hb a s e do nt o l e r a n c es t r a t i f i c a t i o na n dg e n e t i ca l g o r i t h m t h ea l g o r i t h m t a k e si n t oa c c o u n tt h ep l a n n i n gt a r g e ta n dr e q u i r e m e n t so fc o v e r a g ea n dc a p a c i t yi n t l i 重庆人学硕十学位论文 t d - s c d m an e t w o r kp l a n n i n g s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mc a nr e a l i z e t h eb e s tb a s es t a t i o n sl o c a t i o nu n d e rg i v e nc o n d i t i o n sa n dh a s tf a s tc o n v e r g e n c es p e e d k e y w o r d s ：t d - s c d m a ，n e t w o r kp l a n n i n g ，s t r a t i f i e dm u l t i - o b je c t i v eo p t i m i z a t i o n ， g e n e t i ca l g o r i t h m ，b a s es t a t i o nl o c a t i o n i v 学位论文独创性声明 士 学位论文 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的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。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。 学位论文作者签名：老1 1 签字日期：2 。厂岁，万 导师签名：签字日期：。尹多万 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文 下简称“章程专文篓轰亨星繁譬慧鬈篙糯尉瀚氍祜氨栝觥笃法) ，愿意将本人的啦学位论文竺竺：! ! 兰翌：! 二二：! ：! 雾7 叫州“1 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名： 备注：审核通过的涉密论文不得签署。授 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至： 年一月一日。 说明：本声明及授权书兰蛆装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1 绪论 全球移动通信产业已进入3 g 时代，国内三大运营商已经获得了3 g 牌照，全国 各地正在新建3 g 网络，因此积极进行适应于3 g 网络特性的准确有效的网络规划， 将决定网络建设的成本，同时将对市场和运营商起着举足轻重的作用。 与2 g 相比，3 g 可以提供多种速率和多样化的业务，它最大可支持的数据速率 达至1 2 m b i t s 。正因如此，使得在3 g 网络规划中对不同业务的预测和对它建模变得 特别困难。另外，由于3 g 系统与2 g 系统在无线接入的技术体制的不同，使得在3 g 网络规划中要考虑更多、更复杂的问题，例如导频污染、切换增益、容量和覆盖 的迭代预测，等等【l 】。 1 1 移动通信技术的发展 1 1 1 第一代移动通信系统 第一代移动通信系统属于模拟系统，如先进移动电话系统【2 】( a d v a n c e dm o b i l e p h o n e s y s t e m ，a m p s ) ，它主要采用频分多址( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，f d m a ) 技术，这种技术是最古老也是最简单的。模拟系统主要以语音业 务为主，基本上很难开展数据业务。 模拟移动通信系统不足之处主要如下： 制式复杂，不易实现国际漫游；难以实现加密服务。 不能提供综合业务数字网业务。 终端设备价钱高，手机体积大，电池充电后有效工作时间短，给用户带来 不便。 用户容量有限【3 】。 1 1 2 第二代移动通信系统 第二代移动通信系统属数字系统，它主要采用时分多址( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 技术或是窄带码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， c d m a ) 技术。目前第二代移动通信系统正在得到广泛的应用。 第二代移动通信有下述特征： 频率利用率高，保密性强； 可灵活进行信息、变换、存储等。 具有代表性的2 5 g 系统有基于全球移动通讯系统( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ，g s m ) 的通用分组无线服务( g e n e r a lp a c k e t w i r e l e s s s e r v i c e ，g p r s ) 系统和基于c d m a 9 5 的c d m a 2 0 0 0 1 x 系统，可为用户提 重庆大学硕十学位论文 供一定速率的数据业务，如g p r s 系统最大传输速率为l1 5 k b s ，而c d m a 2 0 0 0 1 x 系统小于1 5 0 k b s ，e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n ) 是g p r s 的进 化版本，因为它提供了比g p r s 更高的传输速度，理论上能提供高达3 8 4 k b p s 的 传输速度，因此被人们称为2 7 5 g 系统【4 】。 1 1 3 第三代移动通信系统 第三代移动通信，即国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n ，i t u ) 定义的i m t - 2 0 0 0 ( 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 n 2 0 0 0 ) ，简 称3 g ( t h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l es y s t e m ) 。相对第一代模拟移动通信网和第二 代g s m 、c d m a 等移动通信网络，3 g 一般地讲是指将无线通信与i n t e m e t 等多媒 体通信结合的新一代移动通信系统。3 g 的诞生使移动通信系统能够处理图像、音 乐、视频流等多种媒体内容，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信 息服务。为了提供这些服务，3 g 网络支持不同的数据传输速率，在室内、室外和 车载环境中分别支持至少2 m b i t s 、3 8 4 k b i l g s 及1 4 4 k b i t s 的传输速率。第三代移动 通信系统能够提供更大的通信容量和覆盖范围，具有可变的高速数据率、同时提 供高速电路交换和分组交换业务、具有更高的频谱利用率等特点。此外，3 g 系统 还能提供更加可靠的信道编码、灵活配置的传输信道和逻辑信道，支持多种语音 编码方案，为用户提供更为灵活的接入服务；与此同时，3 g 系统还继承了窄带 c d m a 系统容易使用软件无线电实现、语音质量高、手机功耗小等优点。 当前，3 g 存在三大主流标准。一是w c d m a ( w i d e b a n dc d m a ) 标准，即“宽 带码分多址接入”，支持者主要以g s m 系统为主的欧洲厂商。二是c d m a 2 0 0 0 标 准，亦称m u l t i c a r r i e rc d m a ( 多载波码分多址接入) ，由美国高通北美公司为主 导提出，摩托罗拉、朗讯和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准 的主导者。三是t d s c d m a 标准，即时分同步码分多址接入【5 6 7 】，是由我国独自 制定的3 g 标准，它是由中国原邮电部电信科学技术研究院( 大唐电信) 于1 9 9 9 年6 月2 9 同向i t u 提出的，在频谱利用率、业务支持、频率灵活性及成本等方面 具有独特的优势。 1 1 4 下一代移动通信系统 目前对于下一代移动通信网络技术的叫法很多，4 g 只是一个通用的名称，世 界很多组织给4 g 下了不同的定义，而i t u 代表了传统移动蜂窝运营商对4 g 的看 法，认为4 g 是基于i p 协议的高速蜂窝移动网，现有的各种无线通信技术从现有 3 g 演进，并在3 gl t e 阶段完成统一，i t u4 g 要求传输速率达到】0 0 m b i t s 。 在2 0 0 5 年1 0 月的i t u r w p 8 f 第1 7 次会议上，i t u 给了4 g 技术一个正式的 名称i m t - a d v a n c e d ，按照i t u 的定义当前的w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 称为i m t - 2 0 0 0 技术，未来的新的空中接口技术，叫做i m t - a d v a n c e d 技术。 i m t - a d v a n c e d 标准继续依赖3 g 标准组织己发展的多项新定标准加以延伸，如i p 2 1 绪论 核心网，开放业务架构及i p v 6 ，同时，其规划又必须满足整体系统架构能够由3 g 系统演进到未来4 g 架构的需求。 总之，4 g 是3 g 技术的进一步演化，是在传统通信网络和技术的基础上不断 提高无线通信的网络效率和功能。同时，它包含的不仅仅是一项技术，而是多种 技术的融合，不仅仅包括传统移动通信领域的技术，还包括宽带无线接入领域的 新技术及广播电视领域的技术。 1 2 移动通信网络规划的研究与应用状况 从整个移动通信的发展历史和现状可以看出，我国的起步比较晚，在一些关 键性的技术上受制于人，很多的领域没有进行深入的研究，因此对于移动运营商 来说，运营成本不可避免地加大。特别是在我国的移动通信网络建设初期，由于 没有比较系统和科学的规划，造成了网络建设成本的增加。 移动通信网络的规划是包含众多领域的系统工程。从电磁波的传播特性到设 备成本的控制，不仅需要深入了解各种移动网络的运行规范，同时也要考虑运营 商的需求。特别是蜂窝式移动网络被采用以后，网络规划问题更加复杂化。由于 地形及其他因素的影响，必须充分考虑场强覆盖的需求，因此也就是需要按照某 种方法来设置基站的位置满足场强覆盖。这种基站位置的规划是网络规划最初需 要解决的内容。随着蜂窝移动网络用户的增长以及市场竞争的同益激烈，网络运 营商对降低运营成本和提高网络服务质量的要求也越来越高，因此这也成为目前 网络规划的主要目标之一。 网络规划问题是一个组合优化问题。因为每个小区的参数，如基站位置，发 射功率，天线类型都是需要进行优化控制的。然而尽管在优化的领域已经有人进 行了很多的研究工作，但将组合优化问题引入网络规划领域的研究还是很少。一 些学者也将遗传算法和模拟退火算法以及神经元网络等优化算法引入规划领域用 以解决最小基站数设置等问题。但是综合来看这些算法大多都只集中于规划问题 的一个方面或一个领域，基本上应用于g s m 或者c d m a 网络中，然而随着3 g 网络 的出现，如t d s c d m a ，移动通信网络致力于提供多种应用服务，从语音通信和 视频通信到高速率的文件传输服务，各种不同的业务将在数据传输速率等方面对 移动网络提出不同的需求，这样移动网络中的业务量分布也更加具有动态特性。 这样一些传统的网络规划算法难以适应这些新的网络需求，因此，新的更完善的 网络规划算法渐渐成为研究的热点。 1 3 移动通信网络规划的研究意义 随着移动通信业务的迅速发展，运营商们需要为网络基础建设承担大量资金。 由于网络建设的巨大花费和无线资源的短缺，精确、有效的网络规划变得越来越 重庆大学硕士学位论文 重要。网络规划及优化通过对网络静态参数和动态参数的合理配置，可以提高小 区的覆盖与容量，从而减少对无线资源和通信设备的浪费。 第三代移动通信网络的规划设计是其实现的重要一环，网络规划设计的好坏 对确保实现网络建设的目标( 工期、质量、成本) 、发挥新技术优势、取得良好的 经济效益起着关键作用。 通常移动通信系统的网络规划包括三个部分：核心网的网络规划、传输网络 规划和无线接入网的规划。其中核心网与传输系统的网络规划在2 g 与3 g 中大体 相同。而在无线接口方面，由于t d s c d m a 要提供可变速率的多业务能力，又要 考虑网络的兼容性和可扩展性，其网络复杂程度大为增加。为了更好地管理和使 用网络，t d s c d m a 系统引入了许多新的技术及特性，这些都和g s m 大不相同， 使得在t d s c d m a 网络规划中要考虑更多、更复杂的问题。 目前中国移动运营我国提出的具有自主知识产权第三代移动通信标准之一的 t d s c d m a ，t d s c d m a 所提供的可变速率，多业务能力，为运营商提供了坚实 的技术平台以及广阔的市场空间，但同时也为网络规划及优化带来了很大的挑战。 t d s c d m a 的技术优势能否得到充分发挥，网络规划和设计是至关重要的。因此 现在进行t d s c d m a 无线网络规划设计的深入研究有着重要的现实意义。 1 4 基站布局规划的意义 随着t d s c d m a 移动通信技术发展，各种关键技术顺利解决，t d s c d m a 系统终端、基站和无线控制器等设备的商用化，为了提高系统容量、扩大基站覆 盖范围、保证信号传输质量，网络规划工作越来越重要。t d s c d m a 无线网络规 划工作通常包括初始基站布局、详细的网络仿真和网络优化。这是一个根据业务 的增长和改变，不断循环重复的优化过程。在这个过程中，合理的基站布局和配 置，准确的网络仿真参数配置对后期网络优化，对整个网络建设投资具有决定性 影响。 基站布局规划是从一组备选基站中，选择出适合系统容量和覆盖要求的最佳 的基站站址，扇区和天线配置的过程。不恰当的站址设置，将使得基站和移动台 都必须发射过高的功率来满足业务的实现，这将导致系统的干扰急剧增加，从而 限制了上行的覆盖和下行的容量；相反，恰当的基站站址，可以有效地使发射方 在保证业务连接的基础上，使发射功率尽可能地保持在最低限度上，从而增加系 统的覆盖和容量指标。 基站布局规划是无线网络规划的核心内容之一，主要原因如下： 基站的成本丌销是运营商在无线网络规划投资的主要部分。 合理的基站站址选择是无线网络规划工作的关键，不适宜业务分布类型和 4 1 绪论 密度、具体的地形地貌、网络技术特点的基站站址，将不可能提供优秀的网络服 务和性能；基站的扇区结构和天线配置，如高度、下倾角和方向，将影响着小区 的容量和干扰情况。 基站的精确布局规划是网络长期发展的基础。 1 5 论文章节安排 本论文共分为以下六章。 第一章概述了蜂窝移动通信的演进历程，移动通信网络规划的研究与应用状 况以及研究的意义。 第二章介绍了t d s c d m a 的基本原理及关键技术，主要介绍了t d s c d m a 的 网络结构和帧结构以及智能天线、联合检测、同步技术、功率控制、接力切换、 动态信道分配等关键技术，并分析了采用关键技术对无线网络规划的影响。 第三章介绍了t d s c d m a 无线网络规划的目标、内容和流程，并重点阐述了 初步小区规划，即覆盖规划链路预算和容量规划一容量预算。通过介绍无线传 播模型，链路预算和容量估算的方法，为后文提出优化算法提供理论基础。 第四章主要讲述了t d s c d m a 无线网络规划中的基站选址问题，并介绍了现 有的基站站址选择的优化算法。 第五章详细讨论了t d s c d m a 站址选择算法，建立了t d s c d m a 网络规划的 分层优化模型，在宽容分层法和遗传算法的基础上提出了分层多目标优化算法， 并用m a t l a b 搭建仿真平台，进行了性能仿真验证。 第六章对论文工作总结及下一步研究展望。 2t d s c d m a 基本原理与关键技术 2t d s c d m a 基本原理与关键技术 要做好无线网络规划，必须对系统有一个全面而深刻的理解。因为无线网络 规划技术和系统本身的技术特点密切相关，只有对t d s c d m a 系统的基本原理和 关键技术有充分的认识，才能在实际的网络规划工作中有的放矢，设计出一个性 能优良的t d s c d m a 网络。下面简要介绍t d s c d m a 系统的基本原理和所采用 的关键技术。 2 1t d s c d m a 基本原理 2 1 1 网络结构 t d s c d m a 系统网络结构【8 ，9 】遵循i t u 统一要求，通过3 g p p 组织融合后， t d s c d m a 和w c d m a 网络结构基本相同，相应接口定义也基本一致。 t d s c d m a 网络从功能上可以分成不同功能的子网，包括核心网( c o r e n e t w o r k ，c n ) 、无线接入网( u n i v e r s a lt e r r e s t r i a lw i r e l e s s a c c e s sn e t w o r k u t r a n ) 和用户设备( u s e r e q u i p m e n t ，u e ) 3 部分组成，如图2 1 所示。 核心嘲( c n ) i u i u u t r a n r n s r n s i u r r n cr n c i u b 卢n 曲弋 u b n o d ebn o d e bn o d e bn o d eb | u u u u u t 7、u uu u ，f u eu eu eu eu e 图2 1t d s c d m a 网络结构 f i g2 1n e t w o r ks t r u c t u r eo f t d s c d m a c n - - - u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 的核心网，由 g s m 系统的c n 演化而成。它具有与g s m 系统相似的结构，c n 通过a 接口与 g s m 系统的基站控制器( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ，b s c ) 相连，通过i u 接e 1 与 u t r a n 的r n c ( w i r e l e s s n e t w o r kc o n t r o l l e r ，r n c ) 相连。其中，i u 接口又被分 7 重庆人学硕十学位论文 为连接到电路变换域的1 u c s ，分蛆交换域的1 u p s ，广播控肯4 域的1 一b c 。 c n 主要处理u m t s 内部所肯话音呼叫、数据连接和交换，以及与外部其他网络的 连接和路由选择。 u t r a n - - u t r a n 完成所有与无线有关的功能。在u t r a n 内部，第三代的 无线阿络f 系统( r n s tw i r d e s s n e t w o r ks u b s y s t e m ) 和第二代系统的基站子系统 ( b a s es t a t i o ns u b s y s t e m b s s ) 地位相同。r n s 部分通过l u 接口与c n 相连。 r n s 包括r n c 和一个或多个节点b ( n o d e b ) 。n o d e b 町以处理个或多个小区， 于| = 通过t u b 接口与r n c 相连。r n c 之川通过i u r 进行信息交互，h 接口可以是 r n c 之闻物理h 的直接连接，也r 以靠通过任何适合传输网络的虚拟连接来实现。 每个r n s 管理一组小区的资源。在u e 和u t r a n 的每个连接中，其巾一个r n s 充当服务r n s ( s r n s ，s e r v i n gr n s ) 。如果需要，一个或多个漂移r n s ( d r n s ， d r i f tr n s ) 可通过提供无线资源来支持s r n s i 】。 为了对t d s c d m a 网络结构有更直观的了解，对t d s c d m a 网络示意图进 行介绍，见图22 。t d s c d m a 网络主要由以下部分组成：移动站，无线网络予 系统( r n s ) c s 核心网络，p s 核心网络。移动站就是我们的网络终端设备，无 线网络子系统包括r n c 和个或多个节点b ( n o d e b l ，无线网络子系统是无线网 络与有线网络之f b j 的转换器。从图中可以清楚的看到，网络终端通过c s ( c i r c u i t s w i t c h ) 域核心嗍络同电话交换列( p u b l i cs w i t c ht e l e p h o n en e t w o r k ，p s t n ) 相 连，通过p s ( p a c k e ts w i t c h ) 域核心网络同i n t e r n e t 相连，实现了多媒体通信。 幽2 2 t d s c d m a 喇培持拊示意凹 h 醇2s c h e m a t i cd i a t o mo f t d - s c d m a n e o r k h l r 鳘 勰 黼 2t d s c d m a 基本原理与关键技术 2 1 2 物理层结构 t d s c d m a 物理层【l l 】是空中接口的最底层，支持比特流在物理介质上的传 输。物理层与数据链路层的m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层及网络层的 r r c ( w i r e l e s s r e s o u r c ec o n t r 0 1 ) 子层相连。物理层向m a c 层提供不同的传输信道， 传输信道定义了信息是如何在空中接口上传输的。t d s c d m a 系统的物理信道， 与其它第三代移动通信标准相比，它有很多独特的地方，而这些特性又保证了系 统的性能和容量优势，因此下面主要介绍t d s c d m a 物理层的物理信道的结构。 物理信道在物理层定义，物理层受r r c 的控制。一个物理信道是有频率、时 隙、信道码、训练序列位移和无线帧分配等诸多参数来共同决定的。 时隙帧结构 3 g p p 定义的一个t d m a 帧长度为1 0 m s 。一个1 0 m s 的帧分成两个结构完全 相同的子帧，每个子帧的时长为5 m s 。t d s c d m a 时隙帧结构如图2 2 所示。 d w p t sg p u p p t s 罗么岁夕m t s l t s 2 t s 3 t s 4 0 t s 5 i r t s 6 t s 0j r 图2 3 无线帧结构 f i g 2 3s t r u c t u r eo fw i r e l e s sf l a m e 每一子帧又分成长度为6 7 5 “s 的7 个常规时隙和3 个特殊时隙，这三个时隙分 别为下行导频时隙( d w p t s ) 、保护时隙( g p ) 和上行导频时隙( u p p t s ) 。 下行导频时隙( d w p t s ) d w p t s 是用来进行下行导频和下行同步的。终端丌机时必须取得下行导频信 号，以便进行下行同步，并通过b c h ( b r o a d c a s tc h a n n e l ) 来获取小区信息进行稍后 的上行同步过程。该时隙通常是由长为6 4 c h i p 的下行同步码( s y n cd l ) 和3 2 c h i p 的保护间隔组成，如图2 3 所示。 图2 4 下行导频时隙结构 f i g 2 4s t r u c t u r eo fd w p t s 9 重庆人学硕士学位论文 上行导频时隙( u p p t s ) u p p t s 是为上行同步而设计的，当u e 处于空中登记和随机接入状态时，它 将首先发射u p p t s ，当得到网络的应答后，发送r a c h ( r a n d o m a c c e s sc h a n n e l ) 。 这个时隙通常由长为1 2 8 c h i p 的上行同步码( s y n c u l ) 和3 2 c h i p 的保护l 日j 隔组 成，如图2 4 所示。 图2 5 上行导频时隙结构 f i g 2 5s t r u c t u r eo fu p p t s 保护时隙( g p ) ：即在n o d eb 侧，由发射向接收转换的保护间隔，时长为7 5 i - t s ( 9 6 c h i p ) ，可用于确定基本的小区覆盖半径约为1 1 2 5 k i n 。同时，较大的保护时 隙，可以防止上下行信号之间相互干扰，还允许终端提前发出上行同步信号。 常规时隙 t s 0 - t s 6 共7 个常规时隙被用作用户数据和控制信息的传输，它们具有完全 相同的时隙结构，如图2 5 所示。 8 6 4 c h i p 数据域 训练序列数据域 g p ( 3 5 2 c h i p ) ( 1 4 4 c h i p )( 3 5 2 c h i p )( 1 6 c h i p ) 图2 6 常规时隙结构 f i g 2 6s t r u c t u r eo fc o n v e n t i o n a ls l o t 每个时隙由两个长度分别为3 5 2 c h i p 的数据块、一个长为1 4 4 c h i p 的m i d a m b l e 和一个长为1 6 c h i p 的保护间隔组成。数据块的总长度为7 0 4 c h i p ，所包含的符号数 与扩频因子有关。 2 2t d s c d m a 关键技术 2 2 1 同步技术 下行同步 移动台接入系统的第一步是获得与当前小区的同步。该过程是通过捕获小区 下行同步时隙d w p t s 的s y n c d l 来实现的。s y n c d l 是一个系统预定的6 4 位p n 序列，最多有3 2 种可能的选择。系统中相邻小区的s y n cd l 互不相同， 不相邻小区的s y n cd l 可以复用。 l o 2t d s c d m a 基本原理与关键技术 按照t d s c d m a 的无线帧结构，s y n cd l 在系统中5 m s 发送次，并且每 次都以恒定满功率值发送该信息。移动台接入系统时，对3 2 个s y n cd l 码字进 行逐一搜索，由于该码字彼此间具有较好的正交性，获取相关峰值最大的码字被 认为是当前接入小区使用的s y n cd l 。同时，根据相关峰值的时间位置也可以初 步确定系统下行的定时。 上行同步 在u e 随机接入时，虽然可以接收到基站的d w p t s 信号，建立了下行同步， 但是并不知道与基站之间的距离，这导致u e 的首次上行发送不能同步到达基站。 因此，为了减小对常规时隙的干扰，上行信道的首次发送在u p p t s 这个特殊时隙 上进行。s y n cu l 突发的发送时刻可通过对接收到的d w p t s 和或 p c c p c h ( p r i m a r yc o m m o nc o n t r o lp h y s i c a lc h a n n e l ) 的功率估计来确定。考虑到无 线信道的复杂性，利用功率来估计传输时延非常不准确，可以让u e 以一个固定的 发送时间提前量来发送s y n c u l 。基站在搜索窗口内检测s y n c u l 序列，可以 估计出s y n c u l 接收功率和到达时刻。然后，基站通过f p a c h ( f o r w a r dp h y s i c a l a c c e s s c h a n n e l ) 向u e 发送反馈信息，给出u e 下次发射的功率以及时间调整值， 以便建立上行同步。正常情况下基站将在接收到s y n c u l 后的4 个子帧内对u e 做出应答。如果u e 在4 个子帧内没有收到来自基站的应答，则认为同步请求发送 失败。u e 将会随机延迟一段时间，重新开始尝试同步发送。 2 2 2 多址接入技术 t d s c d m a 集c d m a 、t d m a 、f d m a 技术优势于一体、系统容量大、频谱 利用率高、抗干扰能力强。 d 所st v m - g 图2 7t d s c d m a 多址技术 f i g 2 7m u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g yo ft d s c d m a 重庆大学硕士学位论文 从图2 6 可以看出，t d s c d m a 采用了时分、频分、码分和空分这几种多址 技术，其频率利用率、系统容量得以大幅度提高。尤其是其所采用的时分双i ( t d d ) 模式，可以在同一载波上进行上、下行链路传输，而不需要像频分双工( f d d ) 系统所必须的上、下行对称频谱。 2 2 3 智能天线与联合检测 智能天线系统由一组天线阵列及相连的收发机和先进的数字信号处理器构 成，其核心是自适应天线波束赋形技术，将该技术运用在移动通信中将会大大降 低系统内部的干扰，提高系统的容量。智能天线可将无线电的信号导向具体的方 向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向( d o a ，d i r e c t i o no f a r r i v a l ) ，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并删除 或抑制干扰信号的目的。同时利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵 列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无 线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下，使用智 能天线可提高服务