（通信与信息系统专业论文）cdma2000系统中功率控制技术研究.pdf

摘要 摘要 功率控制技术是第三代移动通信系统的关键技术之一。系统采用功率控制技术 能够有效地降低“角效应”和“远近效应 的影响，减少用户间相互干扰，增加系 统容量，提高通信质量。功率控制的目标是快速调整发射功率的大小以适应移动环 境的变化，从而使系统处于最佳的运行状态和拥有最佳的系统容量。c d m a 系统采 用码分多址接入方式，码分多址技术具有其它多址技术不可比拟的优越性，例如它 的电磁辐射小、频谱利用率高、语音质量好、抗多径、抗干扰、软切换、宏分集、 容量大、覆盖广以及用户接入方便等，所以在第三代移动通信中几乎均采用了码分 多址方式。本文深入研究了c d m a 2 0 0 0 系统中功率控制技术。 本文首先对功率控制技术的基本原理、研究现状以及影响因素进行了讨论分析。 然后在此基础上研究了固定步长功率控制算法和自适应步长功率控制算法，仿真结 果验证系统采用自适应步长功率控制算法获得了更好的性能和容量。 通过对集中式和分布式功率控制算法原理分析的基础上，重点对分布式功率控 制算法进行了研究，分析现有的比较典型的几种分布式功率控制算法，指出它们的 优缺点。通过结合d p a 算法和f d p c 算法，提出了一种新的分布式功率控制算法， 算法仿真后表明改进后的算法在迭代次数方面有了一定提高，最后对整个研究工作 进行了总结和展望。 关键词c d m a ；功率控制；码分多址；f d p c ；迭代 a b s t r a c t p o w e rc o n t r o li st h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m so n e o ft h ek e y t e c h n o l o g i c s s y s t e mu s e sp o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g yc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e ”c o i t l e r e f f e c t ”强dt l l e ”d i s t a n c ee f f e c tf t , r e d u c em u t u a li n t e r f e r e n c eb e t w e e nu s e r s ，i n c r e a s e s v s t e r nc a p a c i t y , i m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t y p o w e rc o n t r o lg o a l i st oq u i c k l y a d j u s tt h es i z eo ft r a n s m i t t i n gp o w e r t os u i tt h em o b i l ee n v i r o n m e n t ，s ot h a tt h es y s t e mi s i nt h eb e s tr l ns t a t ea n dh a st h eb e s ts y s t e mc a p a c i t y c d m as y s t e mu s i n gc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，c d m am u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g yh a so t h e ra d v a n t a g e si n c o m p a r a b l e ， e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n s u c ha si t ss m a l l ，h i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y , v o i c eq u a l i t y , a n t i m u l t i p a t h ，i n t e r f e r e n c e ，s o f th a n d o v e r , m a c r od i v e r s i t y , l a r g ec a p a c i t y , w i d ec o v e r a g e a n de a s yu s e ra c c e s s ，t h e r e f o r e ，t h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s sm e t h o d sa r e u s e da l m o s t t h i sa r t i c l es t u d i e st h ec d m a 2 0 0 0s y s t e m p o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g y t h i sa r t i c l ef i r s tb a s i cp f i n d p l eo fp o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g y , c u r r e n tr e s e a r c ha n d a n a l y s i so fi n f l u e n c i n gf a c t o r sw e r ed i s c u s s e d t h e no nt h eb a s i so fa f i x e ds t e pp o w e r c o ；i t r o lm g o r i t h ma n da d a p t i v es t e pp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h e s y s t e mu s e sa d a p t i v es t e pp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m t oo b t a i nb e t t e rp e r f o r m a n c ea n d c a p a c i t y t h r o u 曲t h ec e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m b a s e do nt h e p r i n c i p l eo fa n a l y s i s ，f o c u so nd i s t r i b u t e dp o w e r c o n t r o la l g o r i t h mi ss t u d i e d ，a n a l y s i so f s e v e r a le x i s t i n gt y p i c a ld i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m ，p o i n t e d o u tt h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so ft h e i ra l g o r i t h m b yc o m b i n i n gt h ed p aa l g o r i t h m a n df d p c a l g o r i t h m an e w d i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m ，a f t e rt h ea l g o r i t h ms i m u l a t i o ns h o w t h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h mi nt h en u m b e ro fi t e r a t i o n sh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d ，f i n a l l y , as u m m a r yo ft h er e s e a r c ha n dp r o s p e c t s k e yw o r d sc d m a ；p o w e rc o n t r o l ；c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ；f d p c ；i t e r a t i o n h 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 1 1 1 移动通信系统概述 随着现代数字信号处理、电子技术和计算机等其他相关科学领域的快速发展， 人们对移动通信业务提出了更高的要求。第一代模拟蜂窝系统投入市场，其获得了 巨大成功之后，第二代窄带c d m a 和t d m a 的数字蜂窝系统很快也相继研发成功， 在世界各地得到运用，现在通信已经发展到了第三代移通信系统。i m t - 2 0 0 0 是国际 电信联盟针对第三代移动通信系统提出的设计标准。 以集群系统为主要代表的专用移动通信系统，? 以蜂窝网系统为主要代表的公用 移动通信系统以及无绳电话，它们都属于第一代移动通信系统，都以模拟调频、频 分多址为主要技术。第一代模拟通信系统的缺点在于制式太多、标准不统一、系统 之间不兼容、不能提供漫游，频谱利用率低、容量有限、业务单一，很难实现保密 通信，也不能为用户提供数据业务等。 目前，第二代移动通信系统已经非常成熟，包括数字蜂窝系统、数字集群系统 和数字无绳电话等，它们都以数字传输、码分多址或时分多址为主要技术。其中， 美国的i s 9 5 即窄带c d m a 系统和欧洲的g s m 主要提供语音业务，它们是第二代 移动通信系统制式的主要代表。第二代数字移动通信系统大大地提高了通话质量和 保密性，并能够进行省内、省际自动漫游，克服了模拟移动通信系统的缺点。但由 于带宽有限，无法实现高速率业务，因而极大限制了第二代数字移动通信系统数据 业务的发展。同时，它还有一个最重要的问题没有解决，因为第二代移动通信采用 的标准全球不统一，所以它不支持全球漫游业务。 个人通信业务的增长需要和相关技术飞速发展，促使通信系统由第二代移动通 信向第三代移动通信过渡，第三代移动通信是通信发展的一个重要阶段。c d m a 的 频谱从三方面利用，时域、频分、码分三维相结合，这样功率谱密度低、保密性能 好和抗干扰能力强，定时与测距精确，大容量多址通信容易实现，这些特有的优点 使c d m a 成为第三代移动通信系统的重要多址技术，显示出其无限的发展前景。 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 是目前主要的第三代通信系统，虽然它们的 核心技术不一样，但多址技术都采用c d m a 技术。第三代移动通信系统不仅支持语 音业务，也能够提供多媒体高速数据业务，它是以全p 网络为基础的，最高业务速 率可达到2 m b i t s ，从而可以容纳更多的用户数量、提高系统的容量。第三代移动通 信系统的设计目标是分组交换和电路交换业务可以同时提供，实现全球漫游，具有 河北科技大学硕士学位论文 更高的频谱效率和更大的系统容量，支持视频会议和i n t e r a c t 浏览，也能极好的兼容 第二代移动通信系统，同时为了保证大量用户数据的存储、交换、更新和实时处理 等，网络结构可配置成不同的形式，这样系统具有更高移动管理性，以便适应各种 服务的需要【1 - 2 j 。 1 1 2 c d m a 系统所面临的问题及解决方案 c d m a 在第三代移动通信系统多址技术中是最具竞争力的，它更能适应高质量、 高速率的通信，有着比t d m a 和f d m a 更好的性能，不过也存在一些与生俱来的缺 陷。在c d m a 通信系统中，全部的用户都使用相同的时隙和相同频段的无线信道， 系统把一个唯一的码序列分配给每一用户，并且使用该码序列对承载信息的信号进 行编码，这是c d m a 不同于t d m a 和f d m a 之处。只有知道该码序列的用户接收 机才能对收到的信号进行解码，从而恢复出系统原始数据。由于系统存在非同步性， 从而使系统在接收端收到的其他用户的信息相乘于期望用户的扩频码后，形成高频 噪声，也就是“多址干扰( m a i ) ”，或称为多用户干扰。每一个用户码序列和其它用 户码序列互相关很小，都是近似正交的。不过互相关依然存在，并且不能完全消除， 同时随着信号功率和用户数的增加，干扰也会增大。此外，在码分多址、数字时分 多址和模拟频分多址移动通信系统中，随着传输距离变大会使传输信号的强度成指 数衰减，假如全部移动用户都以相同的功率工作，由于基站到每个移动用户的距离 不同，那么基站接受到的信号功率就不同，用户距离近则信号强，用户距离远则信 号弱，近处用户的强信号会把远处用户的弱信号淹没，造成“以强压弱”的现象， 使远处用户的信号性能下降，甚至不能满足正常工作，这就是通常所说的“远近效 应”。但是在数字时分多址和模拟频分多址移动通信系统中，远近效应问题不太突 出，这是因为各信道使用的时隙或频率不同，并且在各信道之间增加了相应的保护 带宽或保护时隙。下行链路中，当移动台位于相邻蜂窝小区的交界处时，不仅会受 到相邻小区基站较强的信号干扰，而且接收到所属基站的有用信号功率十分低，这 样“角效应”就产生了。同时大型建筑物阻挡了传播过程中的电波，产生阴影效应， 这就形成了慢衰落。上述现象都将导致缩小实际通信服务范围和下降系统容量。 c d m a 系统不是资源受限系统，而是干扰受限系统，这是它与f d m a 和t d m a 系 统最大的不同，并且c d m a 系统通信质量和容量都会因干扰变化而产生变化，它还 是自干扰系统。 为了克服上述所说的缺点，必须采用功率控制技术，使c d m a 系统处于最佳的 运行状态和系统容量。功率控制技术定义为移动台跟基站各自的发射功率不同于传 统的方式持续不变亦或是几档的划分，它是按照功率控制函数进行时刻的变化。功 率控制的基本目的是保证c d m a 系统平稳工作，并且在保持话音质量的前提下同时 2 第1 章绪论 增加系统容量。c d m a 系统中的功率控制根本目标便是最大限度的减小移动台和基 站的发射功率，减少系统中相互间的电平干扰，使得电磁辐射对于人类的威胁及环 境的污染减小，延长移动终端的电源寿命，消除远近效用并克服多址干扰，从而提 高系统容量。因此功率控制技术被认为是3 g 系统中的重要技术之一。 综上所述，功率控制技术不仅是提高整个移动通信系统的无线资源利用率和系 统容量的重要手段，也是使c d m a 走向实用化的一项核心技术【3 矧。 1 2 功率控制的研究现状 在国内外的许多文献中都有着对功率控制技术理论较为详细的论述。c h a n g 把模 糊控制理论运用到功率控制上来，能够使各个用户瞬时接收的信干比被维持在目标 值水平上，这是由于它采用了可变的功率补偿。s e o 基于信干比的基础上，提出了一 种功率控制方法，基站给用户发送功率控制命令，以增加或减小发射功率，保证用 户瞬时接收的信干比被维持在目标值水平上。用户是通过固定的功率补偿来实现升 高或降低发射功率。h u 通过研究把业务指数引导到控制函数中，从而提出了一种功 率控制函数，在误码率允许的范围内，求出系统的最大用户数和当系统中的用户数 达到最大时每个用户最优的发射功率。h a n l y 通过把蜂窝区域的选择和功率控制技术 相结合，让某一用户优选蜂窝的前提下使得其发射功率最小，进而最大化系统容量， 通过证明如果功率控制矩阵函数是有解的，则肯定存在最小的功率解。y a t e s 证明了 干扰函数是正函数，并且单调递增的，同时在全部的功率矢量解中一定存在着最优 解。j e n sz a n d e r 提出了一种最佳功率控制方法，他是在基于中断概率最小意义的基 础上提出的：中断尽量少的移动台，找到其对应的最大熵的链路子矩阵和其最大特 征值所对应的特征向量，把该特征向量作为功率控制矢量，从而使系统中其余的移 动台可以达到所需的最低s i rf - j 限。可是该算法实现起来比较为困难，这是因为它 需要的计算量很大。单步最佳删除算法是能够很好地近似最佳功率控制算法，极大 程度地降低了复杂度，它被认为是最佳的单步算法，可是在实际生活中几乎难以应 用，因为它需要系统定时收集全部链路的增益，故不具有实用价值。 综上所述，功率控制方法大致可以分成两种：基于反馈和基于优化，两种方法 各有好坏。 1 ) 基于反馈的功控方法简单、灵活、容易实现，可发射功率的变化趋势是根据每 个用户服务质量的变化来确定的，对单个用户进行功控没有明确的意义，更不用说 整体的最优了。另外步长的确定缺少理论依据，很大程度上凭借经验知识。若步长 选择不恰当，则会产生比较大的过调量，对系统和各个用户的信干比的稳定性造成 一定的影响。 2 ) 基于优化的功控方法是运用目标函数描述系统性能，在达到系统性能最优的情 3 河北科技大学硕士学位论文 况下，计算每个用户发射功率，接着把计算出的功率值实时加载给每个用户。该方 法精确且有明确的意义( 最优化目标函数) ，但缺点是不能适应动态环境变化，且计算 量太大。在周围环境发生改变时，先前的最优解不再适用，尤其是当系统维数( 用户 数) 发生改变时必须再次建模和优化，实时完成这些任务是很困难的，因此这种方法 不具有实际意义，只具有理论研究价值。 此外，这几年对于多用户检测技术在衰落信道和白高斯噪声信道中的研究也非 常广泛，人们对多用户检测器支持多速率的传输也引起了极大的兴趣。，这方面的研 究工作一般都假设系统中没有或者可以没有功率控制，重点研究多用户检测器在克 服“远近效应方面的性能。另一方面，现在许多关于第三代通信系统功率控制技 术的研究，往往假设系统是基于单用户检测器的，这样把多用户检测技术和联合功 率控制技术相结合，日益成为人们研究的热点问题。 系统中如果采用了多用户检测器，为了节省移动台功耗，并且确保用户满足服 务质量要求，信道的衰落补偿必须需要功率控制技术来调节。实践证明，功率控制 技术和m m s e ( ：最d 、均方误差) 检测相结合能有效的提高系统容量1 7 以0 】。 1 3 本文的研究意义和内容 本文研究的主要内容是：功率控制技术。功率控制是基站( b s ) 和移动台( m s ) 共 同协调，相互间进行动态的调整来实现的。功率控制是在接收机端对接收信号强度 和信干比等指标进行综合评估后，为了补偿在无线信道中的衰减和路径损耗，适时 改变发射功率，这不仅降低了多址干扰、提高了通信质量，还不会对其他用户造成 很大的干扰。其中精度和速度两个参数对功率控制技术的好坏影响是最大的。 在总体分析第三代移动通信系统中的功率控制技术后，着重分析和研究功率控 制算法。分析比较了固定步长功率控制算法和自适应步长功率控制算法，经过对传 统分布式算法的研究，对其提出了一种改进方案。应用强大的软件仿真系统，通过 参数和仿真图像分析改进算法的性能。结果表明，c d m a 2 0 0 0 系统可以通过优化功 率控制算法使用户的功率和系统性能得到一定的提高。 论文的研究工作主要有： ( 1 ) 对c d m a 2 0 0 0 系统进行了研究研究了c d m a 2 0 0 0 系统的基本原理，对 系统中的相关技术做了简单的介绍。 ( 2 )对固定步长的功率控制技术进行了研究对现有固定步长功率算法进行研 究、分析，指出固定步长算法的缺点和不足，其与自适应算法相比，说明白适应算 法具有更快的收敛速度。 ( 3 ) 研究了分布式功率控制方案分析了集中式和分布式功率控制的原理、性 能特点，在此基础上对分稚式功率控制算法做了研究并提出优化方案，给出相应的 4 第1 章绪论 仿真结果。 本论文的后续章节安排如下： 第2 章介绍第三代移动通信特点和技术。对移动通信的发展现状及趋势进行介 绍后，重点分析了第三代移动通信系统的特点，随后叙述了其关键技术。 第3 章介绍功率控制技术的基本原理。首先对c d m a 2 0 0 0 系统进行了简单介 绍，然后对功率控制技术的重要性和目的进行了必要分析，最后阐明当前所采用的 功率控制技术方法及其影响因素等等。 第4 章固定步长功率控制研究。固定功控如果调整步长较小，则收敛速度慢， 功率控制精度不够，如果步长调节较大，误差就会较大。浪费了移动台的发射功率。 把固定步长功控和自适应步长功控在m a t l a b 仿真平台进行仿真比较。 第5 章分布式功率控制算法的研究。研究了集中式和分布式功率控制算法，介 绍了几种典型的分布式功率控制算法，在讨论了几种比较典型的分布式功率控制算 法后，结合d p a 算法和f d p c 算法，提出了一种新的分布式功率控制算法，运用数 学知识证明了该算法的收敛性。仿真实验表明，它具备分布式算法的基本优越性，： 如所需信息量少，计算简单等，并且相比以往算法收敛要快许多，它的收敛速度能 达到比较理想的效果。 最后对全文简要总结，并展望今后的研究前景。 5 河北科技大学硕士学位论文 第2 章第三代移动通信系统综述 2 1 移动通信的发展现状及趋势 通信对促进人类进步和社会文明的发展有着深远的意义，它标志着一个国家或 者地区经济政治文化发展水平。伴随着全球经济的一体化，人们相互交往的范围日 渐扩大，人们迫切需要掌握在交往中的各类信息，这就要求移动通信系统能够满足 人们的交往需要，提供更好的服务。移动通信系统因为解决了人们在生产生活中跟 固定终端亦或是其他移动载体上的要素进行通信联系的需求，它把有线和无线的传 输方式进行了综合利用，使其成为上世纪7 0 年代以来通信领域发展最快的。 移动通信应该算是由无线电通信诞生之时就出现了。马可尼在1 8 9 7 年所进行的 无线通信试验便是在一艘拖船和固定站之间进行的，它们之间相距1 8 海里。但是， 从上世纪2 0 年代才开始现代意义上的移动通信的发展。经过近百年的发展，移动通 信系统有了巨大变化，可将它的发展分为5 个阶段。 第一阶段是上世纪2 0 年代至4 0 年代之间，它通信发展的最初阶段。此2 0 年间， 出现的典型事件是美国底特津市警察所用的车载无线电系统，这是第二种可以有效 工作的移动通信系统。它是利用了短波的几个频段，研发出的专用移动通信系统。 在初期，系统的工作频率是2 m h z ，在4 0 年代工作频率已经提升到了3 0 m h z 4 0 m h z 。 这一阶段通信系统的特点是专用系统的开发，较差的语音质量、较低的工作频率、 较低的自动化水平，不能和公众网络互联，可以认为这是现代移动通信的开始阶段。 第二阶段是上个世纪4 0 年代中期到6 0 年代初期。在这个阶段，公共移动通用 业务出现在市场。圣路易斯城在1 9 4 6 年建立了“城市系统”，它是全球首个公用汽 车电话网。当时通信方法是单工，频率间隔是1 2 0 k h z ，使用了3 个频段。而后，公 用移动通信系统相继在英、德、法等国陆续研制成功。此阶段，通信网络由专用网 络向公用网络发展，可因为采用人工接续方式，故网络同时容纳的用户数量较小， 这是此阶段通信系统的特点。 第三阶段是上个世纪6 0 年代中期至7 0 年代中期。此阶段，美国采用大区制、 中小容量，应用1 5 0 m h z 跟4 5 0 m h z 频段，从而提出了一种改进型移动电话系统 ( i m t s ) ，它实现了无线频道自动选择并可以自动接续到公用电话网络。在通信网中 实现了自动选频和自动接续，采用大区制、中小容量，应用1 5 0 m h z 跟4 5 0 m h z 频 段，这都是此阶段通信系统的最显著特点。因此可以说，此阶段是移动通信系统不 断改进和完善的阶段。 第四阶段是上个世纪7 0 年代中期到8 0 年代中期，它为移动通信迅猛成长的阶 6 第2 章第三代移动通信系统综述 段。1 9 7 8 年底，高级移动电话系统( a m p s ，a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ) 在美国贝 尔实验室研制成功，它为首个现实意义上的具备任何时间任何地点通信功能的大吞 吐量的蜂窝移动通信网络。a m p s 可以完全保证移动终端在全部的覆盖区域内自动 连接公用电话网( p s t n ) ，使系统容量更大和语音质量更佳，这是因为它采用了频率 复用技术，很好地处理了公用移动通信系统大容量的需求跟频谱资源有限的矛盾。 从1 9 8 3 年第一次于芝加哥投入商用之后，于短短的两年时间里，用户数增至1 0 万， 服务领域扩展到美国的4 7 个区域。众多客户都对a m p s 稳定的性能与服务质量进行 了赞扬。随后，联邦德国实现了频段为4 5 0 m i - i z 的c 网；日本提出了应用于汽车的 电话系统h a m t s ，它采用的频段为8 0 0 m h z ；英国研制出9 0 0 m h z 频段的全地址通 信系统( 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 ) 以及1 9 8 0 年瑞典等北欧四国研制 出的频段为4 5 0 m h z 的n m t - 4 5 0 移动通信平台等。许多工业化国家陆续研发出各自 的蜂窝式移动通信网络，而这些网络的共同特征是使用了模拟制式的频分双i ( f d d ， f r e q u e n c y d i v i s i o nd u p l e x ) 技术和蜂窝建网的模式，通常大家习惯上称其为第一代蜂 窝移动通信系统。 在这个时期，蜂窝移动通信网在全球各地迅猛发展，成为实用的通信系统。分 析其原因，除了客户数量迅猛增加这一主要因素外，还因为其他相关技术快速发展， 推动了通信技术的迅速发展。通信设备在这个阶段小型化、微型化，各类轻便电台 被陆续地推出，这是由于微电子技术在此时得到快速发展。以此同时，伴随着用户 数量的增长，传统大区制已不能满足用户数量的需要，这就要求探索新的体制。因 此，在这个阶段提出并实现了新的移动通信体制。上个世纪7 0 年代贝尔实验室提出 了蜂窝网的概念，它被认为是移动通信系统最重要的进展。蜂窝网中的用户数量有 了极大的提高，这是因为采用频率复用技术。应该可以这么说，蜂窝概念从根本上 解决了系统容量与频率资源之间的矛盾，虽然陆续有新型的移动通信技术体制出现， 然而蜂窝组织结构一直持续到现在。另外，微处理器技术、计算机技术和大规模集 成电路的发展，提供了更好的技术手段来控制和管理通信网络。 第五阶段开始于上个世纪的8 0 年代中期，数字移动通信在这个阶段得到了飞速 发展。第一代蜂窝移动通信网因为使用了模拟体制，存在着一连串的缺陷，像过于 复杂的移动设备、较高的成本、较低的频谱利用率和少量的业务种类等，但这些都 不是最重要的问题，容量不能满足移动客户需求才是第一代通信系统致命缺陷。基 于以上问题，新型数字式蜂窝移动通信系统从而产生了。在数字通信网中，不仅提 供语音服务，也可以提供各种数据业务服务，同时它还提高了频谱利用率和系统容 量。其实，从上个世纪7 0 年代末期开始，某些发达国家就已经着手研究数字调制模 式的蜂窝移动通信系统，虽然当时模拟蜂窝系统仍在研发阶段。截止目前，第二代、 第三代移动通信系统已相继开发出来，并投入使用。而于此同时，人们对于第四代 7 河北科技大学硕士学位论文 移动通信系统的研制也在迅速开展【1 1 l 。 2 2 第三代移动通信系统的特征 当前在通信中发展较快的领域就是蜂窝移动通信，人们对它进行了深入的研究 和广泛的关注，因为该系统可提供一个随时随地的个人通信平台，所以它具备了灵 活、便捷的优势【1 2 以3 1 。 2 2 1 第三代移动通信系统的重要特征 高速数据业务可以采用第三代移动通信技术来提供保障1 1 4 】，其重要特征有： 1 ) 客户可随时随地进行个人通信，不再被局限于某个地区和网络，可以在整个系 统中实现全球漫游。实现了漫游需求和全球的无缝覆盖。 可实现多媒体业务高质量的要求，它包括了大分辨率的图像、高品质的话音、 可变速率的数据等多种业务类型。 3 ) 为了适应多种业务类型，使卫星移动通信系统和地面移动通信系统融合为一 体，可以采用多层次的小区结构，也就是宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝等。 4 ) 满足了服务质量、高保密性能、超强的多种用户管理功能和足够的系统容量。 5 ) 易于在第二代通信系统的基础上过渡、演进。第三代通信系统能与固定网兼容， 并且可以在第二代通信系统上逐步演进而来。 在无线数据传输方面，i m t - 2 0 0 0 提出了如下要求，用以实现上述目标： 1 ) 多媒体业务所要求的高速率的数据传输的速率为：室外车辆环境最少1 4 4 k b s ， 室外步行环境最少3 8 4 k b s ，室内环境最少2 m b s 。 2 ) 根据需求匹配传输速率。 3 、不对称业务需有相匹配的上下行链路。 4 ) 频率分配和无线资源的调配可灵活控制，信道结构管理和小区结构简单化。 2 2 2第三代移动通信的核心技术c d m a 技术 ( 1 )c d m a 的基本原理c d m a ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，码分多址1 技 术，是一类在发端使用了扩频码调制技术，并在收端使用了扩频码解调技术的一种 较为领先的数字信息传输模式。它在发端使得信号所需的频带宽度远远大于所传信 息规定的带宽。在收端可无失真的恢复出所传的信息数据。 c d m a 在收发两端利用同样的扩频码序列完成调制解扩，可在发端扩展信号的 频谱，并在接收端使得展宽后的扩频信号还原出原始信息。直接序列扩频就是一种 像调频、调幅技术一样的调制方式，它为了使调制后的信息( 扩频信号) 得以高速传输， 而使用了一种码序y u ( 高速) 来调制原始数据信息( 低速) 。 具有码序列正交性和准正交性的码分多址系统可区分不同的用户，它使用了公 8 第2 章第三代移动通信系统综述 共信道来进行信息传输，就使得把独有的地址码( 扩频码) 分配给了每个用户。各种接 收机在同频、同时的情况下，按照不同信号码型之间的差异化，将所需的信号拨离 出来。地址码在频率、时间跟空间上都可能出现重叠，相互之间具有准正交性，即 地址码间都是相互独立，每个用户都有各自的地址码，易于系统对每个用户加以区 别。 ( 2 )c d m a 系统的分类中国的t d s c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 以及欧洲和 日本的w c d m a 系统是各种c d m a 技术方案中，最具有代表性的三大系统。 1 ) c d m a 2 0 0 0 c d m a 2 0 0 0 使用频分双工( f d d ) 模式，要求成对的进行频率规划。由于 c d m a 2 0 0 0 基站间采用全球定位系统，所以可以进行同步；c d m a 2 0 0 0 的载波带宽 是1 2 5 m h z ，扩频码速率是1 2 2 8 8 m c h i p s 。而在分集技术、扩频码、功率控制及软 切换等技术方面和其他的c d m a 技术大体相同，存在的差异很小。 2 ) w c d m a w c d m a 同样使用频分双t ( f d d ) 模式，要求成对的进行频率规划。它的载波带 宽是5 m h z ，扩频码速率是3 8 4 m c h i p s ，但c d m a 2 0 0 0 载波带宽是1 2 5 m h z ，扩频 码速率是1 2 2 8 8 m c h i p s ；c d m a 2 0 0 0 基站间必须是同步的，而w c d m a 基站间的 同步则是可选的；w c d m a 使用了g o l d 码、扰码、o v s f 码的多址方式，c d m a 2 0 0 0 使用了长码、w a l s h 码、短码的多址方式。以上就是w c d m a 与c d m a 2 0 0 0 的重要 差别。除此之外，在其他重要技术方面，如软切换、信道编码、功率控制和分集技 术等方面大同小异。 3 ) t d s c d m a t d s c d m a 使用的多址工作方式是t d m a c d m a 和时分双工( t d d ) ，其载波 带宽是1 6 m h z ，扩频码速率是1 2 8 m c h i p s ，它的要求基站间必须是同步，它与另外 两种技术相比使用了接力切换、动态信道的分配、上行同步、联合检测、智能天线 等技术，适合于非对称的数据业务，具备频谱利用率较高、频谱使用灵活等特征。 2 3 第三代移动通信系统的关键技术 第三代移动通信系统为了使通信系统的服务质量得到进一步的提升，使用了如 下的一些关键技术【1 5 2 1 1 。 2 3 1 功率控制技术 在c d m a 系统之中，所有的用户都靠地址扩频码的不同，互相关特性来加以区 分，因为它采用了相同时隙与相同的频段的无线信道。系统中用户的相互干扰称为 多址干扰，它是指用户间的互相关不是零，说明用户间就存在着相互的干扰。而 c d m a 的干扰大小直接影响了系统容量，其是一个干扰受限系统。所以c d m a 系统 9 河北科技大学硕士学位论文 中最主要和最关键的就有效的克服和抑制多址干扰。 除了多址干扰的直接影响之外，电波在传播过程中如形成“阴影 效应便会产 生慢衰落现象，比如遇到了大型建筑物的阻挡等情况。在下行链路当中，相邻小区 的交界之处，移动台会受到邻近小区基站的较强干扰，并且收到的所属基站有用信 号功率也较低，这便是所谓的“角效应”。同时在上行链路中，假定小区内全部用户 都杂乱分布其中，并随机的移动，移动台保持相同的发射功率，因为移动台和基站 间有不同的距离，则离基站较远的移动台信号弱，而离基站较近的移动台的信号强， 于是就产生以强压弱的现象，而且设备的非线性还会使得这一现象的发生概率增大， 这即是所谓的“远近效应”。这些现象都会出现实际通信服务的范围缩小和系统容量 下降等问题。功率控制技术就是解决这些问题的一个有效方法。所以可以认为， c d m a 实现实用化的一项关键技术是功率控制。 2 3 2 软切换技术 软切换就是当移动台从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时不会中断呼叫，移动台可 以同时跟多个基站连接。而更软切换是某种蜂窝内的切换，发生于两个扇区或是三 个扇区之间。此种类型的切换仅发生在蜂窝内，而不会涉及移动交换中心。c d m a 移动通信系统应用了软切换和更软切换，f d m a 与t d m a 移动通信系统使用了硬切 换技术。 2 3 3 高效编译码技术 信道编码是第三代移动通信系统的另一个核心技术，第三代移动通信系统使用 了r s 卷积级连码，t u r b o 编码，以及与i s 9 5 a 系统相似的交织技术和卷积编码。其 编码要求为编码的试验的性能好、增益高、选择的效率高，且译码的溢出的概率小、 存储量较小、算法较为简单，便于实现，适合于衰落信道的传送，对于同步没有过 高的要求。 2 3 4 分集与r a k e 接收技术 分集技术是一项研究如何分散开并如何收集起来的技术。它利用信号在时域、 频域和空域当中基本参量，同时并合理利用多径信号在传输过程中的能量，来改善 传输的可靠性。在多径衰落信道下，它极大的提高了传输的可靠性，是一项重要的 抗衰落技术。 利用时域、空域和频域的不同方法、不同角度和措施可以使得在接收端获得的 不同路径几乎是相互独立的。所以c d m a 系统的分集主要有三种类型：时间分集、 频域分集和空间分集。 c d m a 系统中的块交织、卷积编码、纠错编码和r a k e 接收技术，可以用于实现 1 0 第2 章第三代移动通信系统综述 时间分集。c d m a 系统作为一种宽带系统本身便可以实现频率分集。c d m a 系统的 分集发射与分集接收均是空间分集，但c d m a 系统特有的软切换同样可以看做是一 种空间分集。 发射机发出的扩频信号，在传输中遇到不同建筑物、山岗等各类障碍物的反射 和折射，在到达接收机时各个波束具有不同的延迟，形成了多径信号。若不同的路 径信号延迟超过了一个伪码的码片时延，那么在接收端可将不同的波束区分开来。 将这些不同的波束分别经过不同的延迟线，然后对齐后合并在一起，把原先的干扰 信号变换成有用的信号，这便是r a k e 接收机的基本原理。r a k e 接收可以理解为一类 时间分集技术。 2 3 5 智能天线技术 智能天线是第三代移动通信系统的研究热点，而t d s c d m a 是中国提出的拥有 自主知识产权的一项技术，该项技术就使用了领先的智能天线技术，显著的提高第 三代移动台的功能。以前由于智能天线的能量消耗太大与高度复杂性，使它的研究 工作大多局限在基站中的应用方向。直到近几年，移动台才引入了智能天线技术。 它采用一定方向性的扇形天线来去除某个角度内的其他干扰，并对接收信号进行空 域的处理以减小多址干扰对于信号的影响，极大地提升了系统的性能。 智能天线引入的第四维的多址方式：空分方式，是有别于传统的时分多址、频 分多址或是码分多址模式。它让用户可以根据空间传播路径的不同来区分信号，即 使信号在地址码、时隙或频率都相同的情况下，依然有效。智能天线在多个指向不 同用户的并行天线波束的控制下，采用类似于空时滤波器的工作机理，可以使用户 信号彼此间的干扰得到显著的降低。具体而言，未来的移动通信可利用智能天线技 术在如下的方面提高系统的性能：减少电磁环境的污染和信号间的干扰，降低基站 的发射功率，节省系统的成本，扩大系统覆盖区域，提高频谱的利用效率，提高系 统的容量。 由于多径效应的存在，每个天线都需要使用一个r a k e 接收机，这样就增加了基 带处理单元的复杂度。这是智能天线技术所面对的问题。 2 3 6 多用户检测技术 由于c d m a 系统在传统信号的检测技术方面存在着缺陷，为了能够有效的缓解 远近效应和消除多址干扰的问题，而提出了多用户检测技术。 由于多址干扰存在于实际的c d m a 系统中，且在多径衰落的环境下，各个信号 间就存在一定的相关性，这是由各个用户地址码的不完全正交所导致的，它使得系 统容量被限制了。随着信号功率的增大或是用户数量的增加，即便是个别用户由此 产生的多址干扰很小，多址干扰也是一个主要干扰c d m a 通信系统的因素。传统的 1 】 河北科技大学硕士学位论文 检测技术抗多址的干扰能力较弱，主要是由于它对各个用户的信号完全依照经典直 接序列扩频理论分别进行了扩频码匹配处理。在传统检测技术的基础之上，提出了 多用户检测技术。它对所有用户信号进行检测，把它们都当作有用信号进行充分利 用，检测各个用户间的非正交性，进而对用户之间的互干扰问题采用算法来消除， 因此抗干扰能力优良，使得系统对于功率控制精度的要求降低了，解决了远近效应 的问题。所以可以显著的提高系统的容量，更加有效的利用上行链路的频谱资源。 c d m a 系统中，系统容量在采用了多用户检测技术后得到了极大的改善。可有 一个问题很难解决，这就是基站端可观测到的多径数乘以正在通话的移动用户数量 等于对基站接收端的等效干扰的用户数，这就意味着干扰用户数在实际系统中等效 后将多达数百个，使其硬件实现显得过于复杂，即便是抵消算法，采用了与干扰用 户数成线性关系的多用户技术，也收效甚微。多用户检测技术能否实现实用的关键 是怎样把多用户干扰的抵消算法复杂度降低到可以接受的程度。 2 4 本章小结 本章介绍了移动通信方面的基础知识。首先介绍了移动通信的产生和发展，也 分析了未来通信的发展趋势，然后介绍了移动通信的主要特点及其核心技术c d m a 。 随后又对第三代移动通信系统的关键技术做了简单的介绍。 1 2 第3 章c d m a 2 0 0 0 移动通信系统中的功率控制技术 第3 章c d m a 2 0 0 0 移动通信系统中的功率控制技术 3 1 移动通信系统电波传播的衰落特性 衰落是无线电波传播的普遍现象，直接影响到通信的可靠性，是无线通信设计 中主要考虑的重要问题之一【2 2 2 5 1 。 移动通信系统中电波传播特性为： 1 ) 移动通信环境电波传播的场强特性曲线的起伏现象加剧： 2 1 场强特性曲线的平均值随距离的增加而衰减； 3 ) 场强特性曲线的平均值呈慢速起伏变化，即慢衰落； 4 ) 场强特性曲线的瞬时值呈快速起伏变化，即快衰落。 由以上特性可以得到移动通信环境中电波传播特性有如下特点： 1 ) 自由空间传播损耗，它与基站和移动台之间的距离有关； 2 ) 阴影衰落( 效应) ，它是由于地形结构引起的传播损耗，表现为慢衰落，或称为 长期衰落； 3 ) 多径效应，它是由于移动体周围的局部散射体引起的多路径传播，使到达接收 机输入端的信号相互叠加，其合成的信号幅度表现为快速起伏变化，即快衰落，或 称为短期衰落； 4 ) 多普勒效应，它是由于移动体的运动速度和方向会使接收的信号产生多普勒频 移，在多径条件下，便形成多普勒频谱扩展。 3 1 1 自由空间的传播损耗 自由空间是在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，不发生反射、折射、 绕射、散射和吸收现象，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗的空间。在自由 空间中，若发射点处的发射功率为只，并以球面波辐射；若接收的功率为只，则有： 彳 c5 寺g( 3 1 ) 式中 彳，；a 2 g ，4 ：r a 工作波长 d 发射天线和接收天线间的距离 g 。，g f 分别为发射天线和接收天线增益 自由空间的传播损耗定义为： l = 只p ,( 3 2 ) 当g 。；g f 一1 时，自由空间的传播损耗可写为： 1 3 河北科技大学硕士学位论文 l = ( 4 a d a ) 2 ( 3 3 ) 若以分贝表示，则有 l = l o l o g ( 等) 2 1 3 2 4 5 + 2 0 l o g ，+ 2 0 1 0 旷 ( 3 - 4 ) 式中，工作频率( i i - i z ) d 收发间距离( k m ) 由上面传播损耗公式可知，自由空间的传播损耗是与距离平方成正比的。 3 1 2 慢衰落 慢衰落也