（通信与信息系统专业论文）wcdma系统中的高速数据无线接入技术研究.pdf

南京邮电人学硕上研究生学位论文摘要 摘要 模拟蜂窝系统通常被称为第一代移动通信系统( 1 g ) ，现今正在使用的数字 系统则都是第二代移动通信系统( 2 g ) ，例如g s m ( 全球移动通信系统) 、p d c ( 个人蜂窝数字系统) 、c d m a o n e ( i s 9 5 ) 。第二代移动通信系统已经能够满足人 们话音通信无线化的需求，因此第三代移动通信系统( 3 g ) 应主要面向无线因 特网和多媒体业务。3 g 标准的最低要求是能在车载、步行和静止三种不同环境 下为多个用户分别提供最高为1 4 4 k b i t s 、3 8 4 k b i t s 和2 m b i t s 的无线接入速率。 现有的主流3 g 标准有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0l x 、t d s c d m a 以及新加入的 w i ，其中前三个标准是基于c d m a 方式的。 为了提高g s m 系统中数据的接入速率，在g s m 向3 g 的演进过程中先后出 现了g p r s 、e d g e 、w c d m a 、h s d p a 四种高速数据接入技术。通过对这些技 术的分析，我们发现它们所能提供的实际的数据速率要比它们所标称的理论速率 小的多，而且速率的上升空间也比较有限。对于本文的研究重点w c d m a ，我 们还从无线链路预算、覆盖半径、小区容量等多个方面做了更为详细的研究。在 仔细研究各种多速率系统的基础上，我们发现并证明了t d m a 方式比c d m a 方 式更适合高速数据的传输。因此，本文提出了一种适用于w c d m a 网络的 c d m a t d m a 改进方案。该方案在下行链路中将采用不同的小区扰码区分语音 和高速数据业务信道，而在语音和高速数据业务信道中将分别选用码分和时分多 址方式。该方案不仅能够大幅提升下行链路的数据接入速率，满足无线因特网的 需求，而且频谱利用率高。 南京邮电大学硕。e 研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a n a l o gc e l l u l a rs y s t e m sa r ec o m m o n l yr e f e r r e dt oa st h ef i r s tg e n e r a t i o ns y s t e m s ( 1 g ) t h ed i g i t a ls y s t e m sc u r r e n t l yi nu s e ，s u c ha sg s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) ，p d c ( p e r s o n a ld i g i t a lc e l l u l a r ) a n dc d m a o n e ( i s 一9 5 ) ，a r et h e s e c o n dg e n e r a t i o ns y s t e m s ( 2 g ) a st h e s es y s t e m sh a v ee n a b l e dv o i c ec o m m u n i c a t i o n s t og ow i r e l e s s ，t h et h i r dg e n e r a t i o ns y s t e m s ( 3g ) s h o u l db ed e s i g n e df o rw i r e l e s s i n t e m e ta n dm u l t i m e d i at r a f f i c t h em i n i m u mr e q u i r e m e n t sf o r3gs t a n d a r d sa let o p r o v i d er a d i oa c c e s sd a t ar a t e so f14 4 k b i t sf o rv e h i c u l a rh i g hs p e e dt r a f f i c ，38 4 k b i t s f o rp e d e s t r i a nt r a f f i c ，2 m b i t sf o ri n d o o rt r a f f i c t h e r ea l ef o u r3 gm a i ns t a n d a r d s ： w c d m a ，c d m a 2 0 0 0lx ，t d - s c d m a ，a sw e l la sw i m a x ，t h ef i r s tt h r e eo fw h i c h a r eb a s e do nc d m am o d e i no r d e rt o i m p r o v et h e r a d i oa c c e s sd a t ar a t e so fg s ms y s t e m ，f o u r t e c h n o l o g i e s ，w h i c ha r eg p r s ，e d g e ，w c d m a a n dh s d p a ，a p p e a rs e q u e n t i a l l yi n t h ee v o l u t i o nf r o mg s mt o3 g i nt h i sp a p e rt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s et e c h n o l o g i e si s a n a l y z e d t h e r ea r el a r g ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h er e a ld a t ar a t e sa n dt h e i ra l l e g e dd a t a r a t e sa n dl e s sa s c e n d i n gs p a c eo fd a t ar a t e si nt h e s es y s t e m s a st h i sp a p e rp u t s e m p h a s i so nw c d m a ，i t sp e r f o r m a n c ei sd i s c u s s e di nm o v ea s p e c t ss u c ha sr a d i o l i n kb u d g e t ，c o v e r a g er a d i u sa n dc e l lc a p a c i t y b a s e do nt h ec a r e f u ls t u d yo fd i f f e r e n t k i n d so fm u l t i r a t es y s t e m s ，t h i sp a p e rp r o v e st h a tt d m ai sm o v es u i t a b l ef o rt h e t r a n s m i s s i o no fh i g hd a t ar a t e st h a nc d m a t h e r e f o r e ，a tl a s tt h i sp a p e rp r o p o s e sa m e l i o r a t e dw c d m as c h e m eb yc o m b i n i n gc d m at e c h n i q u ew i t ht d m a i nt h i s s c h e m es c r a m b l i n gc o d e sa r eu s e dt os e p a r a t ev o i c et r a f f i cc h a n n e l sf r o mh i g h - r a t e d a t at r a f f i cc h a n n e l si nt h ed o w n l i n k ，w h i l ec d m aa n dt d m am o d ea r ee m p l o y e di n v o i c ea n dh i g h r a t ed a t at r a f f i cc h a n n e l sr e s p e c t i v e l y t h i ss c h e m ec o u l dn o to n l y i m p r o v et h ea c c e s sd a t ar a t e so fd o w n l i n kg r e a t l yt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fw i r e l e s s i n t e m e tb u ta l s or a i s et h es p e c t r u me f f i c i e n c yo fw c d m as t a n d a r d 1 1 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，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 含为获得南京邮电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作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：错监导师签名： 霄压泓魄瓣巳 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学通信与信息系统 研究方向： 移动通信与无线技术 作者：2 0 0 5 级研究生金卓琳指导教师傅海阳 题 目：w c d m a 系统中的高速数据无线接人技术研究 英文题目： r e s e a r c ho nt h er a d i oa c c e s st e c h n o l o g yo fh i g hd a t a r a t e si nw d m as y s t e m 主题词： w c d m a 标准无线链路预算小区容量白干扰 高速下行分组接人码分多址时分多址 k e y w o r d s ：w c d m as t a n d a r d r a d i ol i n kb u d g e t c e l lc a p a c i t ys e l f i n t e r f e r e n c e h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) 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 ) t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 南京邮电大学颂l j 研究生学位论文第一章绪论 1 1 移动通信的发展 第一章绪论 移动通信技术的发展，可以追溯n 2 0 世纪2 0 年代，这个时期主要完成通信实 验和电波传输。从2 0 世纪4 0 年代至l j 6 0 年代，各种移动通信系统相继建立，在技术 上实现了移动电话系统和公众电话网的连接。到t 2 0 世纪7 0 年代，大规模集成电 路和微处理技术的广泛应用，为蜂窝移动通信的实现打下了基础。美国贝尔实验 室提出了小区制的蜂窝式移动通信系统方案，开发了a m p s ( a d v a n c e dm o b i l e p h o n es e r v i c e ) 系统，这是第一种真正意义上具有随时随地通信的大容量的蜂窝 移动通信系统。8 0 年代中期欧洲和日本也纷纷建立了自己的蜂窝移动通信网，主 要代表有英国的t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 系统，北欧的n m t ( n o r d i cm o b i l e t e l e p h o n es y s t e m ) 系统。这些系统都是f d d ( 频分双工) 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 ) 模拟系统，被称为第一代蜂窝移动通信系 统( 1 g ) 。随着移动通信系统的不断发展和用户对服务要求的不断提高，模拟蜂 窝系统的缺陷也日渐突出，主要表现为频率效率低、业务种类有限、保密性差、 设备成本高等等【i 】【2 】【3 1 。 第二代移动通信系统( 2 g ) 是在克服模拟系统不足之处的基础上发展起来 的，主要采用数字调制技术。与第一代模拟蜂窝移动通信系统相比，它能提供更 高的频谱效率、更多的业务种类以及更先进的漫游功能。1 9 9 2 年数字蜂窝移动 通信系统g s m ( g 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 s ) 在欧洲开始商用，随 后美国推出了d a m p s ( d i g i t a la m p s ) 标准，同本研制出了p d c ( p e r s o n a ld i g i t a l c e l l u l a r ) 系统，这三种系统都是t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 系统。 值得一提的是，1 9 9 2 年美国q u a l c o m m ( 高通) 公司提出了一种全新的数字蜂窝 移动通信系统i s 9 5 ，该系统采用d s c d m a ( d i r e c ts p r e a dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 技术。c d m a 技术因其固有的抗多径衰落性能，具有频率利用率高、抗 干扰能力强、系统容量大等特征，使其在移动通信领域的应用倍受关注。第二代 数字蜂窝移动系统只能提供话音和低速数据业务，不能满足人们对通信业务多样 化的要求，所以又提出了新一代即第三代移动通信系统。 南京邮电人学硕i ：研究生学位论文第一章绪论 第三代移动通信系统在国际上统称为i m t - 2 0 0 0 ( 3 g ) 。3 g 系统应提供完整 的多媒体业务解决方案，实现移动多媒体通信业务，而且应与i n t e m e t 结合，实 现无线i n t e r n e t 。因此，3 g 标准的最低要求是能在车载、步行和静止三种不同环 境下为多个用户分别提供最高为1 4 4 k b i t s 、3 8 4 k b i t s 和2 m b i t s 的无线接入速率。 3 g 标准在经过几年的技术评估、研究分析及大量的协调和融合工作之后，1 9 9 9 年1 1 月，i t u t g 8 1 最后一次会议通过了i m t 2 0 0 0 的无线接口技术规范，最终 确定了第3 代移动通信技术的格局，共5 种技术，其中主流技术为w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。我们这里所说的w c d m a 指的是f d d w c d m a ，而 t d d w c d m a 虽然也被列入3 g 标准，但是在国际上还没有应用实例，它应该 是一个步行移动通信标准，现在已被搁置【4 】，所以我们这罩说的w c d m a 如果 不加特殊说明指的就是f d d w c d m a 。此外，2 0 0 7 年1 0 月，国际电联无线电 通信部门( i t u r ) 将w i m a x 认证为一种3 g 移动数据技术，使得w i m a x 也 成为全球3 g 一大主流标准。 1 2 论文研究背景 目前，移动电话和因特网是通信领域发展最为迅猛的两个领域，可以想象， 已经存在着这么一种需求：在移动的环境中，人们依然希望通过移动终端接入因 特网，享受多种多样的服务。也f 因为如此，在第二代移动通信系统己能够基本 满足语音业务需求的情况下，人们就一直在考虑如何在各种环境下提供高速的数 据接入来满足人们对多种业务的需求，第三代移动通信系统应运而生。3 g 的几 个主流标准中，w c d m a 和c d m a 2 0 0 0l x 已经大规模商用，t d s c d m a 还在 测试中，而w i m a x 刚刚进入3 g 阵营。在2 0 0 1 年和2 0 0 3 年前后，同本、欧洲 等国的运营商己分别建立w c d m a 商用网络，但根据目前的资料显示，该网络 的用户数明显少于c d m a 2 0 0 0 网络的用户数，其主要的运营商和黄再次推迟3 g 业务盈利预期，现已推迟到2 0 0 9 年【5 】【6 l 。然而由美国为主要倡议者的c d m a 2 0 0 0 标准按照前期研究计划应遵循从c d m a 2 0 0 01 x 到c d m a 2 0 0 03 x ( 如果系统分别独 立使用每个带宽为1 2 5 m h z 的载频，则被叫做1 x 系统：如过系统将3 个载波捆 绑使用，则叫做3 x 系统) 的发展过程，但是在c d m a 2 0 0 0l x 网络正式实施后， 根据网络使用情况，又立即推出了c d m a 2 0 0 0l xe v - d o ( e v o l u t i o n d a t ao n l y ) 2 南京邮电人学硕l ：研究生学位论文第一章绪论 标准。该标准的下行高速数据链路改用时分多址( t d m a ) 方式，平均车载用户 速率尺。可达6 0 0 k b i t s ，运营情况良好，发展较为迅速，而c d m a 2 0 0 03 x 标准也 因此被搁置【4 】【7 1 。针对上述3 g 网络的商用情况，以及t d d w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 3 x 和下面将要说到的c d m a 2 0 0 0l xe v - d v 标准的搁置，我们认为3 g 标准还不 够成熟，需要进一步研究。通过对w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 两个演进系统各个阶 段所采用的高速数据接入技术的分析和研究，我们发现：对于高速数据的接入， c d m a 方式由于存在白干扰，其性能不如t d m a 方式，c d m a 2 0 0 03 x 标准的搁 置，1 xe v d o 的成功商用也从一个侧面证明了这一点。因此，我们结合w c d m a 系统自身特性提出了一种适用于w c d m a 网络的c d m a t d m a 方案。下面先 简要介绍一下w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 两个演进系统各个阶段所采用的高速数据 接入技术。 1 2 1 | w c d m a 演进系统中的高速数据接入技术 采用时分多址( t d m a ) 方式的数字式g s m 系统为了满足高速率多业务的 需求，有两种主要的演进方案一种是演进到w c d m a 再进一步演进到h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) ，另一种是演进到t d s c d m a ，本论文主 要研究的是前一种演进方案，其具体演进图如图1 1 所示【8 】【4 5 1 。 图1 - 1g s m - 一w c d 一h s d p a 演进路线 g s m 标准化的第1 阶段只提供了数据业务基本的发送功能，在早期的网络 中，一个时隙下最大数据速率限制在9 6 k b i t s t8 | 。在r e l 9 6 中，首次提出了h s c s d ( h i g hs p e e c hc i r c u i ts w i t c h e dd a t a ) 即高速语音电路交换数据的概念，被称为 p h a s e 2 + ，它的速率显著增加。h s c s d 采用新的信道编码技术，可以把一个时隙 9 6 k b i t s 的传输速率提高到1 4 4 k b i t s ，而且它具有将多个全速率语音信道进行共 同分配的特性，进行“8 时隙捆绑”可达到1 1 5 2 k b i t s 的传输速率，但在实际应用 中，由于核心网和a 接口的限制，最多捆绑4 个时隙，传输速率为5 7 2 k b i t s 。 南京邮电人学顾j ：研究生学位论义第一章绪论 h s c s d 的目的是以单一的物理层结构提供不同用户速率的多种业务的混合。它 的好处在于能提供更高的数据速率并仍使用现有的g s m 数掘技术，现有g s m 系统稍加改动即可使用，但其数据速率上升空间非常有限。h s c s d 的下一个发 展阶段是g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) ，即通用无线分组业务。h s c s d 是一个可选的阶段，g s m 可以跳过h s c s d 直接演进到g p r s 。由于g p r s 技 术是介于第二代和第三代之间的技术，通常称为2 5 g 。g p r s 是在现有g s m 网 络基础上构建的一个新的分组交换网络，采用i p 数据网络协议，空中接口以与 现有g s m 网络相同的原则为基础并做适当调整。依据采用的信道编码方式及分 配时隙数，g p r s 空中接口可以提供最高达1 7 1 2 k b i t s 的数据速率。由于g p r s 采用了分组交换、时隙动态分配技术，利用数据系统统计复用的原理和突发的特 点，克服了h s c s d 系统中“时隙捆绑”技术的空闲时隙没有充分利用的缺陷，但 其速率的上升空间还是很有限的。g p r s 可进一步演进为e d g e ( e n h a n c e dd a t a r a t e sf o rg s me v o l u t i o n ) 。e d g e 又被称为2 7 5 g ，是一种提供更高数据速率的 全球演进技术，同样采用t d m a 技术，其帧结构与g s m 相同，通过采用不同 的调制和编码方案使每时隙可传速率范围扩大为8 8 k b i t s - 5 9 2 k b i t s ，如果捆绑8 个时隙，数据速率理论上最高可达到4 7 3 6 k b i t s 。这罩需要说明的是g r p s 和 e d g e 的最高速率都是该系统的极限速率，是只存在一个用户时所能提供的最大 速率，他们所能提供的实际速率要比极限速率小的多，我们将在第二章对g p r s 和e d g e 进行较为详尽的分析。 e d g e 也是一个可选阶段，g p r s 可以直接演进到w c d m a ，也可以从e d g e 演进到w c d m a 。这罩需要说明的是我们研究的w c d m a 主要是指3 g p p ( 3 阿 g e n e r a t i o np a r t n e rp r o j e c t ) 的r 9 9 版本，因为随后的r 4 版本的主要特征一是在 核心网中实现了软交换的概念，另一是正式在无线接入网系统中引入了 t d s c d m a ，而在f d d w c d m a 无线接口侧并无多大改动1 0 】【i l 】。3 g p p 在之 后的r 5 版本中引入了h s d p a 技术，所以我们这旱就将w c d m ar 5 版本称为 h s d p a 。w c d m a 系统对多速率、多媒体的业务是通过改变扩频比和多码传输 ( 码道捆绑) 的方式以及减少纠错编码来实现的，理论上其所能支持的最高数据 速率可以超过2 m b i t s ，满足3 g 的要求，但是这一最高速率在实际的系统中也是 很难实现的，其具体的性能我们将在第三章进行分析。随后的h s d p a 取消了功 4 南京邮电人学硕j 二研究生学位论文第一章绪论 率控制，通过使用由n o d eb 控制的快速物理层( l 1 ) 重传合并技术以及快速链 路自适应等技术【o 】【1 2 】【1 3 】【1 4 】【1 5 】【1 6 1 来提高下行链路分组数据的吞吐量。据资料 【1 2 1 1 4 6 1 1 4 7 1 等显示其下行速率最大能达到1 4 m b i t s ，但是我们认为1 4 m b i t s 的速 率是系统在理想传播环境且只存在一个用户的情况下得到的极限速率，其实际的 性能我们将在第四章进行分析。 1 2 2c d m a 2 0 0 0 演进系统中的高速数据接入技术 采用码分多址( c d m a ) 方式的数字式i s 9 5 系统为了满足高速率多业务的 需求，在搁置了c d m a 2 0 0 03 x 后，又出现了两种演进方案：一种是演进至l j c d m a 2 0 0 0 1 x 再进一步演进至o c d m a 2 0 0 0l xe v - d o ( e v o l u t i o n d a t ao n l y ，语音和数据使用不 同载波) ；另一种是演进至g c d m a 2 0 0 0l x 再进一步演进至l j c d m a 2 0 0 0l xe v - d v ( e v o l u t i o n d a t a & v o i c e ，语音和数据使用相同载波) 。而在上述两种演进方案中 前一方案已经大规模成功商用，而l xe v - d v 虽然在2 0 0 2 年5 月3 g p p 2 确定了其标 准，但是到现在也没有商用【7 j ，2 0 0 5 年f i i j q u a l c o m m 公司已经宣布暂停e v - d v 芯 片的开发【。7 1 。此外，2 0 0 6 年4 月5 只c d m a 发展组织( c d g ) 公布了c d m a 2 0 0 0 最 新的技术演进路线，如图1 2 所示。在最新的技术演进路线中也未提及e v d v 技 术，对此，c d g 执行董事拉法格表示，实际上可以用e v d or e va 替代e v d v 1 8 】， 可见e v - d v 这个标准基本上也被搁置了，而e v - d o 则成为了主流发展技术。通过 对e v - d v 标准的研究，我们也的确发现e v - d v 标准还存在一些技术问题需要改 进，其合理性和实用性不如e v - d o 标准，可参见文献【1 9 】。下面结合图1 2 对 c d m a 2 0 0 0 演进系统中的几个技术进行一下简单介绍。 le i d s m 螨a o ，n e b ：h c d - o o o t _ 1 , v - 。o i xe v d o i r e i e a s e b a i - e d b oir e l e a s ea 1 9 9 9 年l o b 2 0 0 0 年7 b2 0 0 0 年l o f t2 0 0 4 年l o b 2 0 0 6 年3 b 图1 - 2i s 9 5 - - c d m a 2 0 0 0l x - - c d m a 2 0 0 0i xe v 演进路线 现有的窄带c d m a 一般指i s 9 5 a 技术，它的数据传输速率一般为1 4 4 k b i t s ： 为了能够提供较高的数据传输速率，从1 9 9 9 年丌始采用了i s 9 5 b 技术，该技术 采用码道捆绑方式，利用现有的电路交换设备提供最高6 4 k b i t s 的速率。 c d m a 2 0 0 0l x 完全后向兼容i s 9 5 ，核心网增加了分组域以支持较高速率的分组 南京邮也大学硕i j 研究生学位论文第一章绪论 。r 数据业务，空中接口使用了前向快速功率控制、反向信道相干解调、快速寻呼、 t u r b o 码等关键技术，目的是改善无线传送的质量，提高频谱效率及系统容量， c d m a 2 0 0 0l xr e l e a s e0 下行链路理论峰值速率为1 5 3 6 k b i t s t 7 】【2 0 1 。c d m a 2 0 0 0l x r e l e a s ea 于2 0 0 0 年制定，增加了对新特性的信令支持，包括新公共信道、q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 协商、增强鉴权、加密和并发业务功能，下行链路理论峰 值速率提升到3 0 7 2 k b i t s 。 无线接入部分是c d m a 2 0 0 0 系统中比较活跃的部分。为进一步加强c d m a 2 0 0 0 1 x 的竞争力，3 g p p 2 从2 0 0 0 年开始制定c d m a 2 0 0 0l x 的增强技术，即l xe v 的 标准。c d m a 2 0 0 0l xe v d o 技术采用不同的载波来分别传输话音和高速数据，话 音采用c d m a 方式，而高速数据采用t d m a 方式。l xe v d or e l e a s e0 版本下 行链路支持平均速率为6 5 0 k b i t s 、峰值速率为2 4 m b i t s 的高速数据业务。该方 案主要来源于高通公司的高速数据( h d r ) 增强方案，目前已经完成了标准化 工作。h d r 是一种针对分组数据业务进行优化的、高频谱利用率的c d m a 无 线通信技术，可在1 2 5 m h z 带宽内提供峰值速率达2 4 m b i t s 的高速数据传输服 务，己被3 g p p 2 接纳为c d m a 2 0 0 0l xe v d o 的唯一标准。2 0 0 4 年公布的1 x e v d or e l e a s ea 版本的前、反向峰值速率分别为3 1m b i t s 和1 8m b i t s ，该版 本增强了q o s 控制机制，减小了时延( 低传输时延、低切换时延) ，支持v o l p ( v o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 、v t ( v i d e o t e l e p h o n y ) 等实时性、低时延业务。 l xe v d or e l e a s eb 标准已在2 0 0 6 年3 月发布，该版本采用了多载波技术，前、 反向峰值速率可达到7 3 5m b i t s 和2 7 m b i t s ( 捆绑1 5 个载波) ，高通表示将在 2 0 0 7 年推出商用芯片【7 】【2 0 】【2 1 1 【2 2 1 【1 8 】【2 3 】。从c d m a 2 0 0 0 的发展路线我们可以看出， 该标准对于高速数据的接入采用的是独立载波的t d m a 方式而非c d m a 方式， 而且为了实现更高的下行速率，将在下行链路使用更多的独立载波用于高速数据 的接入，但是i t u 将3 gf d d 上下行频段是对称划分的，这将导致上行频段资 源的浪费，因此i t u 将3 gf d d 上下行频段对称划分是不太合理的。 1 3 论文的主要安排 本文共分六章，主要根据图1 1 的演进路线对g p r s 、e d g e 、w c d m a 以 及h s d p a 技术的高速数据接入性能进行了分析和比较。第一章简要介绍了移动 6 南京邮电大学硕 ：研究生学位论文第一章绪论 通信的发展历程和论文的研究背景；第二章介绍了g p r s 和e d g e 技术的特点 以及信道特性，并分析了它们实际的数据接入能力；第三章对w c d m a 系统的 性能进行分析，重点讨论的是无线链路预算、小区覆盖半径以及上下行小区的容 量，并对其能否实现3 g 标准所要求的速率目标进行了分析；第四章介绍了 h s d p a 技术的特点以及信道特性，并分析了它实际的数据接入能力；第五章将 针对w c d m a 系统的存在的不足以及自身的特点提出一种将c d m a 和t d m a 相结合的改进方案。第六章是本文的总结，指出了本文的主要工作和贡献以及需 要进一步研究和验证的地方。 1 4 主要工作和成果 本文主要研究了g p r s 、e d g e 、w c d m a 以及h s d p a 四种技术的高速数 据接入性能，对这几个技术所能提供的实际的数据接入速率进行了定量的分析， 指出理论速率和实际速率之间的差异，并重点讨论了w c d m a 系统的无线链路 预算、小区覆盖半径以及上下行小区的容量。最后，通过对多速率c d m a 移动 系统中不同速率信道发功率与发信速率关系式的推导，我们发现t d m a 方式比 c d m a 方式更适合高速数据的传输，并由此提出了一种将c d m a 和t d m a 方 式相结合的w c d m a 改进方案，并给出了这种方案基站端和用户端的实现框图， 现已申请了国家发明专利。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章g p r s 和e d g e 技术性能分析 第二章g p r s 和e d g e 技术性能分析 2 1引言 现有的g s m 网络在商业上取得了巨大的成功，满足了人们通过无线网络进 行语音通话和低速数据接入的要求。对于这样一个成熟的2 g 系统来说，如何在 现有的系统上提供3 g 业务、满足人们高速率上网的需求是广大g s m 网络运营 商必须面对的问题。一种方案是直接升级到3 g 的w c d m a t d s c d m a 网络， 那么现有的2 g 网络的命运就像过去的模拟蜂窝网络一样面临着全面的淘汰，现 有的用户必须转入新的网络；另一种方案是通过现有系统一步一步地演进到 w c d m a 网络，那么就可以发挥现有g s m 网络的优势，利用已有的覆盖和网络 优势在现有的频段上提供3 g 的部分业务，实现g s m 网络的第二次飞跃，但需 要对现有的g s m 网络进行追加投资，因此出现了被称为2 5 g 的g p r s 技术和 2 7 5 g 的e d g e 技术，本章将对这两种技术的技术特点、信道特性以及它们实际 的数据接入能力进行分析和探讨。 2 2g p r s 技术性能分析 通用分组无线业务( g p r s ) 是在现有g s m 网络基础上发展起来的分组交 换系统，可以向移动用户提供丰富的互联网业务。g p r s 由e t s i s m g ( e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e s p e c i a lm o b i l eg r o u p ) 制订，其规范的主 要部分在1 9 9 7 年由s m g # 2 5 批准，完成于1 9 9 9 年。g p r s 产品于1 9 9 9 年丌发， 此后其业务丌始投入使用。 g p r s 网络是在g s m 网络基础上新增g p r s 服务支持节点( s g s n ，s e r v i n g g p r ss u p p o r tn o d e ) 和g p r s 网关支持节点( g g s n ，g a t e w a yg p r ss u p p o r t n o d e ) 而形成的移动分组数据网络，而无线收发信部分与g s m 一样。其基本功 能是在移动终端和计算机通信网的路由器之白j 提供分组业务。具有g p r s 业务功 能的移动终端本身具有g s m 和g p r s 业务运营商提供的地址，公共分组数据网 的终端利用数据网识别码即可向g p r s 终端直接发送数据。另外，g p r s 支持与 8 南京邮电大学硕j l 研究生学位论文第一二章g p r s 和e d g e 技术性能分析 基于i p 的网络互通，当在t c p 连接中使用数据报时，g p r s 提供t c p i p 报头的 压缩功能。由于g p r s 是g s m 系统中提供分组业务的一种方式，所以它能广泛 应用于i p 域，其移动终端通过g s m 网络提供的寻址方案和运营商的网问互通协 议实现全球网间通信。 2 2 1g p r s 技术特点 与g s m 相比，g p r s 具有以下特点： 1 ) l 至8 个时隙可以分配给一个用户，用以满足从9k b i t s 至1 7 2k b i t s 的各种 数据速率要求，另外，几个激活的用户也可以共享同一个时隙； 2 ) g p r s 中上下行信道是分开分配的。在典型的g s m 系统中，由于采用电路 交换，必须采用一对链路，适合语音通信，而g p r s 采用这种信道分配方式， 适应了以下行为主的上网需求，提高了无线频谱利用率： 3 ) 无线资源可以按业务需求在话音和数据之间动态分配，提高了资源利用率； 4 ) 话音和数据分开处理，分组数据在需要发送时无需事先呼叫，且按“数据量” 计费，故可以永久在线； 5 ) 与g s m 中短消息业务( s m s ) 和电路交换数据相比，g p r s 的信息传输速 率更高，更高效和便宜。 2 2 2g p r s 信道特性 g p r s 中除了采用g s m 的广播信道( 用于实现频率校f 和同步) 外，其它 新定义的一些逻辑信道都由分组数据信道( p d c h ，p a c k e td a t ac h a n n e l ) 这一专门 用于分组数据业务的物理信道承载。这些新定义的无线分组逻辑信道可分为分组 控制信道( p c c h ，p a c k e tc o n t r o lc h a n n e l ) 和分组数据业务信道( p d t c h ，p a c k e t d a t at r a f f i cc h a n n e l ) 两大类。其中p c c h 主要用于承载信令，可细分为分组广播 控制信道( p b c c h ，p a c k e tb r o a d c a s tc o n t r o lc h a n n e l ) 、分组公共控制信道( p c c c h ， p a c k e tc o m m o nc o n t r o lc h a n n e l ) 和分组专用控制信道( p d c c h ，p a c k e td e d i c a t e d c o n t r o lc h a n n e l ) ，而p d c c h 又可进一步分为分组随路控制信道( p a c c h ，p a c k e t a s s o c i a t ec o n t r o lc h a n n e l ) 和分组定时控制信道( p t c c h ，p a c k e tt i m i n ga d v a n c e c o n t r o lc h a n n e l ) 。p d t c h 是用于传送用户数据业务的上下行信道，可临时专门 4 9 南京邮电火学硕i ：研究生学位论文第二牵g p r s 和e d g e 技术性能分析 分配给一个用户或一组用户( 对多点传输) 使用。在多时隙工作时，一个m s ( m o b i l es t a t i o n ) 可并行使用多个p d t c h 用于一个数据分组的传送。与电路型 双向业务不同，p d t c h 为单向业务信道，它或者用于上行信道由m s 发起的分 组数据传送，或用于下行信道由m s 接收分组数据【8 】【2 4 1 。 分组数据信道( p d c h ) 是分配给g p r s 使用的物理信道，这一分配可以是 永久性的也可以是暂时性的，以便g p r s 与g s m 间的动态重组。多个逻辑信道 利用一个超帧结构以时分方式映射到同一个物理信道。在g p r s 系统内允许以下 三种逻辑信道的组合方式： 1 ) p b c c h + p c c c h + p d t c h + p a c c h + p t c c h 2 )p c c c h + p d t c h + p a c c h + p t c c h 3 )p d t c h + p a c c h + p t c c h g p r s 的多址方式与g s m 相同，也采用时分多址( t d m a ) 。结构中最长的 重复时间周期称为超高帧，持续时间为1 2 5 3 3 7 6 s 。t d m a 帧编号为0 - 2 7 1 5 6 4 7 ， 记为f n ，对超高帧周期的确定是为了支持加密的需要。一个超高帧分为2 0 4 8 个超帧，超帧持续时间为6 1 2 s 。超帧又可分为复帧，在g s m 和g p r s 中存在3 种复帧：2 6 复帧，5 1 复帧及5 2 复帧。支持p d c h 的为5 2 复帧，5 1 复帧可用来 携带p b c c h 和p c c c h 。2 6 复帧包含2 6 个t d m a 帧，持续时间1 2 0 m s ，5 1 个 2 6 复帧组成一个超帧；5 l 复帧包含5 1 个t d m a 帧，持续时间2 3 5 4 m s ，2 6 个 51 复帧组成一个超帧：5 2 复帧包含5 2 个t d m a 帧，持续时间2 4 0 m s ，2 5 5 个 5 2 复帧组成一个超帧，可看成两个2 6 复帧组成。每个t d m a 帧包含8 个时隙， 持续时间4 6 2 m s 。 g p r s 分组信道采用的5 2 复帧结构如图2 1 所示，每4 个t d m a 帧组成一 个无线块( r a d i ob l o c k ) ，因此一个无线信道一共分为1 2 个无线块b o b 1 1 和4 个空闲帧( 或承载p t c c