（信号与信息处理专业论文）tdscdma系统中fdca技术及其基于qbd的性能分析.pdf

南京邮i 乜人学 磺士学位论文 捕要 摘要 作为第三代移动通信系统的标准之一，时分一同步码分多址( t d s c d m a ) 系统由于 采用了时分双工方式( t d d ) 而在性能上显示出了不同于其他两个主流标准的优势它 能更充分满足日益兴起的不对称传输服务的需求。动态信道分配技术是t d - s c d m a 系统 中的一种关键技术，它从业务服务的实际情况和趋势出发，更合理地分配信道，缓解频 谱资源的紧张状态。 本文的主要内容是快速动态信道分配技术在t d - s c d m a 系统中的性能分析。论文在 前期阶段所完成的工作主要有：描述t d s c d 毗系统的主要特点、系统结构和多址接入 方式；介绍t d s c d i 蝴系统的关键技术、优劣势和未来发展方向；阐明几种主要的信道 分配技术的区别和联系，引入t d s c d m a 系统的信道帧结构。 本论文研究的主要工作包括：根据未来业务的发展需求介绍t d - s c d m a 系统中可动 边界的快速动态信道分配( m b - f d c a ) 技术，依据该信道分配技术的原理和思想，我们 建立了拟生灭过程( q b d ) 的数学模型。构造出在缓存器长度为有限以及无限条件下的q 矩阵，通过模型平稳分布的求解，获褥包括用户队列尾部衰落速率在内的系统性能分析 的多个结果。同时为了进行直观的性能比较，我们对采用固定边界的快速信遭分配 ( f b f c d a ) 技术的t d s c d ) a 系统进行了类似的分析，得到了两种不同信道分配策略下 系统性能比较的多种结果，从多个角度揭示了船一f d c a 技术在提高频谱效率、增加系统 容量上的主要优势。 关键词 t d s c d m a 系统，信道分配技术，快速动态信道分配可动边界。q b d 过程。性能分 析 南京邮电大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a so n eo f t h em a i ns t a n d a r d so f t h e3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，t h et d - s c d m a s y s t e mh a ss o m ep e r f o r m a n c ea d v a n t a g e st h a tt h eo t h e rt w os t a n d a r d sd o n th a v ed u et o 泌 t d d d u p l e x f o re x a m p l e ，i tc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo f t h ea s y m m e t r yt r a n s m i t t i n gs e r v i c e d y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o nt e c h n o l o g y , a so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si nt h et d - s c d m a s y s t e m ，w h i c hh a sb e e np u u e df o r w a r db a s e do nt h er e a lc o n d i t i o n sa n dt h ed e v e l o p m e n t t r e n do ft h ec o m m u n i c a t i o ns e r v i c e ，c a nn o to n l ya l l o c a t et h ec h a n n e lr e s o u l e sm o r e r e a s o n a b l yb u ta l s or e l a xt h et e n s es t a t e so f t h ef r e q u e n c yr e s o u r c e s t h em a i ns u b j e c to ft h i st h e s i si st oa n a l y s i st h ep e r f o r m a n c eo ft h et d - s c d m as y s t e m w h i c ha d o p t st h ef a s td y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o nt e c h n o l o g y t h ef o r m e rp a r to f t h i st h e s i s i n c l u d e si n t r o d u c i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea c c e s s i n gs t y i e ，t h es y s t e ms t r u c t u r e ，t h ef r a m e s t r u c t u r e ，t h ek e yt e c h n o l o g i e s ，t h ea d v a n t a g e s ，t h ed i s a d v a n t a g e sa n dt h ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o n so ft h et d - s c d m as y s t e m w ea l s od e t a i ls o m ed i f f e r e n tc h a n n e la l l o c a t i o n m e t h o d s a l lo f t h e s eb a c k g r o u n d sp r o v i d eab a s i sf o rt h ew o r ki nt h el a t e rp a r t t h em a i nw o r ko f t h el a t e rp a r ti nt h i st h e s i si n v o l v e si n t r o d u c i n gm b f d c at e c h n o l o g y b a s e do nt h er e q u e s to ft h ef u t u r ed e v e l o p m e n t , s e t t i n gu pt h em a t h e m a t i cm o d e l sw i t ht h e q b dp r o c e s sa c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h i sc h a n n e la l l o c a t i o ns t y l e , e o n 髓i t u t i n gt h e c o r r e s p o n d i n gqm a t r i xu n d e rt h ec o n d i t i o n st h a tt h el e n g t ho f t h eb u f f e ri sf i n i t eo ri n f i n i t e ， c a l c u l a t i n gt h es t a t i o n a r yd i s t r i b u t i o n so ft h ep r o c e s s e sa n da tl a s ta c q u i r i n gt h eo u t c o m e sf o r t h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，w h i c hc o n t a i nt h ed e c a yr a t eo ft h eq u e u el e n g t h m e a n w h i l e ，i no r d e rt oo b t a i nc l e a ra n dd i r e c tp e r f o r m a n c ec o n t r a s t , w em a k e st h es i m i l a r a n a l y s i sf o rt h es y s t e mt h a ta d o p t st h ef b - f d c at e c h n o l o g y , b yw h i c hi tc o m e st om o r e r e s u l t sf o rt h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n a tt h ee n d ，t h ec o n c l u s i o n st e l lu st h a tt h em e t h o d o fm b f d c an o to n l yc a ni m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c yb u ta l s oc a ne n l a r g et h es y s t e m c a p a c i t y k e yw o r d s 1 阻s c d m as y s t e m ，c h a n n e la l l o c a t i o nt e c h n o l o g y , f a s td y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o n ， m o v a b l eb o u n d a r y , q b dp r o c e s s ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向： 现代通信中的智能信号处理技术 作者：2 0 0 3 级研究生杨绵茵指导教师庭查照出 题目：t d s c d m a 系统中f d c a 技术及其基于q b d 的性能分析 英文题目：f a s td y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h e t d s c d m as y s t e m sa n di t sq b db a s e dp e r f o r m a n c e a n a l y s i s 主题词：t d s c d m a 系统信道分配技术快速动态信道分配 可动边界q b d 过程性能分析 k e y w o r c l s ：t d s c d m as y s t e m c h a n n e la l l o c a t i o nt e c h n o l o g y f a s td y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o n m o v a b l eb o u n d a r y q b d h o c e 鸥p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 科技的进步和人们需求的提高使移动通信获得了迅猛的发展，在经历了第一代模拟 通信，第二代数宁通信的发展之后，目前我们正进入第三代移动通信( 3 r dg e n e r a t i o n ， 简称3 g ) 的发展阶段。早在1 9 8 5 年国际电信联盟( 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 s u n i o n ，简称i t u ) 就提出了3 g 的概念，但这个通信系统的研究工作直到1 9 9 6 年才 获得了迅速的发展同年i t u 确定了正式的名称：国际移动通信一2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s 一2 0 0 0 简称i m t - 2 0 0 0 ) 。i m t - 2 0 0 0 共有五个标准体系，其 中t d s c d m a w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 是最具有优势的三个标准。未来个人通信要达到的理想 状态是实现在任何时候、任何地点与任何人进行任何方式的通信，这三个主流标准作为 达到这一理想状态的必经阶段，其目标的实现将更能满足市场日益扩大的应用需求 不仅要支持高速率数据传输、视频会议等各种不同的多媒体业务，而且还要有利于引入 新的业务，实现功能的快速升级和完善。 t d - s c d m a 是由中国提出并独立制定的移动通信系统标准，它是目前国际通信领域的 三大主流标准之一，其发展历程如下：1 9 9 8 年6 月3 0 日，我国首次向i t u 提出第三代 移动通信国际标准的t d - s c d m a 建议；2 0 0 1 年3 月1 6 日，t d s c d m a 标准被第三代移动 通信伙伴项日( 3 。“g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，简称3 g p p ) 正式接纳：2 0 0 2 年2 月，t d - s c d m a 内部试验网演示成功，这说明t p s c d 姒不存在任何技术障碍，能够 独立组网和进行全国覆盖；2 0 0 3 年7 月，世界首次t d s c d m a 手持电话演示；2 0 0 4 年3 月，大庸移动宜布推出世界上第一款t d s c d m a 手机，这一熏大突破，标志着中国 t d s c d m a 标准向大规模商用又迈出了关键的一步：2 0 0 4 年8 月，北京天蓦科技有跟公 司( t 3 g ) 宣布推出首个t d s c d m a g s m g p r s 双模手机芯片。这是t d s c d m a 产业化发展的 重要里程碑；2 0 0 4 年1 2 月，t d s c d m a 成功实现国际电话业务，并完成视频电话业务功 能的演示；2 0 0 5 年3 月，北京建成t d s c d 姒预商用的试验网；2 0 0 5 年6 月t d - - s c i 滁 产业化专项测试结束：2 0 0 5 年1 0 月，以t d - s c d i a 产业联盟为主的通信企业全方位成功 地演示了t d - s c d m a 的多种业务功能，其中包括h s d p a , 2 0 0 6 年1 月2 0 日，国家信息产 业部正式宣布，3 g 三大国际标准之一的“中国标准”t d s c d m a 为我国通信行业标准， 塞塑竖皇奎兰堡主堂竺丝奎 笙：兰塑兰 并表示t d s c d i 雌已经具备独立组网的主要条件。回顾过去，展望未来，2 0 0 6 年中国通 信业将继续加快和推进t d - s c d m a 的产业化、商业化进程。 t d - s c d 髓a 八年历程的飞速发展充分体现了它在技术上的特点和优势，由于采用对分 双工( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ，简称t d d ) 方式，并综合了三种基本多址接入技术 时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，简称t d m a ) 、码分多址( c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，简称c d m a ) 和频分多址( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， 简称f d m a ) 的优点，t d s c d m a 更适合传输不对称的业务。它能同时满足实时和非实时 服务的需求，为多媒体业务的实现提供了开发潜力，在频谱效率、系统容量及性能方面 具有更多的优势。t d s c d m a 采用的关键技术包括智能天线，联合检测，接力切换软件 无线电。动态信道分配( d y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o n ，简称d c a ) 等，这些关键技术 的应用，让t d s c d 姒许多独特的优势得到更充分的发挥，一方面能降低成本，另一方 面更容易实现与全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o r m n u n i c a t i o n 简称 g s m ) 的衔接。 动态信道分配是t d - s c d m a 的关键技术之一，它的使用在很大程度上提商了系统资 源的频谱利用率增加了系统容量。这里的信道，是通常所指的无线资源的统称，无线 资源经划分后能分配给不同的用户使用。为了实现信道的分配。可以采用颓分 ( f r e q u e n c yd i v i s i o n ，简称f d ) ，时分( t i m ed i v i s i o n ，简称t d ) ，码分( c o d ed i v i s i o n ， 简称c d ) 等技术。在f b 中，频潜被划分为不连续的频率带宽，此时信道特指频带：在 t d 中，信道的获得是通过时隙的划分来实现的；在c d 下，通过使用不同的扩颏码可以 实现信道的划分”。所以在不同的情况下，倍道的具体含义是不同的。 在无线蜂窝移动通信系统中，信道的分配技术主要有三类：同定信道分配( f i x e d c h a n n e la l l o c a t i o n 简称f c a ) ，动态信道分配和混合信道分配( h y b r i dc h a n n e l a l l o c a t i o n ，简称h c a ) 。在t d - s c d m a 系统中，由于物理信道组合标志的不同。d c a 可 以分为时域动态信道分配、频域动态信道分配和空域动态信道分配；而根据信道分配阶 段的不同。d c a 还可以分为馒速动态信道分配( s l o wd y n a m i cc h a n n e l l l o c a t i o n ，简 称s d c a ) 和快速动态信道分配( f a s td y n a m i cc h a n n e la i l o c a t i o n ，简称f d c a ) 。实 际上，从不同的角度出发，动态信道分配的分类方式也是不同的，这在本文第三章中会 有比较详细的叙述。如果从信道边界运动形式的角度出发，快速动态信道分配可以进一 步划分为基于可动边界的快速动态信道分配( f a s td y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o nb a s e do n m o v a b l eb o u n d a r y ，简称m b f d c a ) 和基于同定边界的快速动态信遒分配( f a s td y n a m i c 曼曼墅璺查兰堡芏些堡塞 苎二兰塑丝 c h a n n e la l l o c a t i o nb a s e do nf i x e db o u n d a r y ，简称f b f d c a ) 。对于这些倍道分配方案 的异同点，详见文中第三章，下面的图i 1 是各种信道分配方案间的关系框圈。 信 道 分 配 动态 信道 混合信道分配 同定信道分配 动态信道分 j 己 动态 信道 动态 信道 慢速动态信道分配 快速动态信道分配 基于固定边界的快速 动态信道分配 图i 1 信道分配分类框图 基于可动边界的快速 动态信道分配 根据系统的不同，用户服务需求的相异，从实际出发采用合适的信道分配方式对 于充分利用不可再生的日益紧缺的频谱资源、提高系统容量具有十分重要的意义，不同 信道分配技术下系统性能的分析是检验信道利用率的主要方法。如今动态信道分配的应 用非常广泛，对于d c a 下系统性能的分析问题，研究者们虽然作了不少的研究工作，但 在t d s c d m a 系统上的分析还不完善。我们的选题正是基于这样的考虑，本文中，我们 将借助于拟生灭过程( q u a s i b i r t ha n dd e a t hp r o c e s s ，简称q b d ) 数学模型，对这个 系统中d c a 的一种最新技术岫一f d c a 技术的性能进行分析，从多个角度得出接近实 际情况的更加精细的性能方面的比较结果，值得一提的是，本文中的q b d 数学模型也为 其它系统的性能分析提供了一种可以借骆的手段和方法，具有一定的推广性。 1 2 课题研究的历史和现状 t d - s c d m a 的出现，引起了学者们的广泛兴趣，关于这一新标准的发展方向和未来前 景，研究者们对它进行了多方预测 1 1 , 2 9 , 3 0 1 。当然，t d s c d m a 性能优势的表现离不开其特 有的各种关键技术的执行和应用，对于这些技术，人们已经作了很多的研究工作。智能 天线是其中最具特色的技术之一，该技术在很大程度上提高了系统性能，增加了系统容 量l 柏i 。但智能天线作用的体现离不开联合检测，联合榆测主要用于减少符号间干扰和 塑塑塑皇查兰堡主兰些堡壅蔓二兰堑丝 多址干扰，为了达到这一日标，学者们提出了各种不同的联合检测的新方式，将联合检 测与码元检测、信道估计2 ”、时域滤波i ”1 和不连续发射”等技术结合起来，在一定 程度上提高了联合检测的性能。接力切换是t d - s c d m a 系统中的另一项关键技术，它用 于实现两个小区的基站同时接收快进入切换区的同一个手机的信号，通过一个信令交换 过程在切换区实现切换，在接力切换上的研究主要是集中在接力切换算法渊和切换模 式m 1 上，接力切换不仅有不丢失信息的优点，还提高了切换成功率，避免资源浪费。 t d - s c d m a 还采用了软件无线电技术，它是指在通用芯片上用软件实现专用芯片的功能 1 4 3 1 ，软件无线电的实现结构1 和具体设计0 1 是该技术的核心，它为软件无线电在完全 可编程性、灵活性和可重用性等优势上的发挥提供了霞要条件。另外，为了更好地优化 频谱效率，t d - s c d m a 系统的信道分配技术起了不可磨灭的作用，在t d s c d m a 系统中主 要采用动态信道分配技术，包括慢速动态信道分配m 1 和快速动态信道分配。合适的 动态信道分配可以充分发挥t d - s c d m a 系统资源灵活分配的特点，高效地管理和使用无 线资源，在对称和非对称的3 g 业务环境中获得最佳的频谱效率m 1 ，这对于节约有限的 极为珍贵的无线信道资源具有 分重要的意义。 在信道分配技术中，人们研究比较多的是f c a 和d c a ，而h c a 是这两种技术的结合， 该方面的研究也就相对少一些。在f c a 策略中，整个服务区被划分成许多蜂窝小区，所 有的信道就以一定的复用模式、在限定的干扰范围内固定分配给每个小区，这种信道分 配方法执行起来很简单，但却不能随着用户分布和业务状况自适应地调整信道分配，为 此，出现了信道非均匀分配3 6 , 4 7 、信道借用i 。”1 、信道重分配等多种策略。然而，为 了从根本上真正克服f c a 的不足，实现系统业务处理的自适应性和灵活性，研究者们在 三十多年前就开始研究d c a 。与f c a 不同的是在d c a 中，信道和蜂窝小区之间并没有 固定的关系，所有的信道都存放在一个中心存储区中，肖新呼叫到来时，信道就被动态 地分配给每个蜂窝小区，当呼叫服务完成后，提供服务的信道就重归中心存储区。一般 地。中心存储区中总会有多个的信道可供用户选用，因此必须采用一定的策略来选择合 适的信道。d c a 策略的主要思想就是构造一个代价函数来估计每个候选信道被选上后的 代价，并选出代价最小的可用信道分配给新用户，不同的代价函数标准会产生不同的d c a 方p ：去 1 4 t 。在一个采用d c a 方案的系统中，由于存有信道选择、信道复用、信道干扰等实 际问题，对该系统进行性能分析研究将具有相当的挑战性。因此，多年来学者们对d c a 4 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 的研究主要集中在两方面：信道选择算法研究 6 j 3 4 6 1 和信道性能分析研究“, 2 1 , 3 9 。 t d s c d m a 支持两种d c a 方法：慢速动态信道分配和快速动态信道分配。慢速d c a 是指 将信道资源分配给每个小区，s d c a 是d c a 研究的一个热点，由此产生了不少学术文章和 专利技术。其中包括根据上下行链路的业务比例选用最优的上下行时隙分配方法、利用 各种已知条件降低交叉时隙下扰等。对f d c a 的研究出现在近十年间，f d c a 是指将信道资 源自适应地直接分配给每个需要接入的用户，它有助于降低用户间的相互干扰。采用 f d c a 的最大优势是它不仅具有最小化干扰影响的能力，还具有信道分散分配的简单性。 f d c a 的信道分配方法有许多种，文献 7 3 主要研究t d d 系统中用户发生切换时的信道分配 和管理，该系统设计以信道干扰情况为基础，根据基站和不同天线间的路径损耗建立系 统矩阵，实现信道分配；文献 1 8 通过设计一个干扰门限，将具有最小干扰的信道时隙 分配给上下行链路的用户；文献 2 0 是在t d - s c d m a 系统中把智能天线技术和d c 技术相 结合，产生一种新的f d c a 技术来实现根据用户的位置进行信道分配，减少干扰。但以上 这些方法并没有考虑到当前通信业务不对称传输的发展趋势。存在一定的局限性。 随着计算机和信息技术的快速发展，在未来的3 g 系统中，信道支持的业务一般分 为两种：实时业务( 如话音服务) 和非实时业务( 如数据或图像传输) 。大多数的信道 分配方法是分别为实时业务和非实时业务分配固定的信道来尽可能满足业务需求。但是 在话务量较低而数据服务需求量较大的情况下，通常会出现分配给实时业务的信道空闲 而需要非实时服务的顾客却要排队等待的状况，这时信道资源小能被充分利用，导致系 统服务质量下降。针对这种情况文献 9 和文献 4 1 都采用了一种基于可动边界的快速 动态信道分配方法( m b - f d c a ) 。它是在系统话务量低而数据传输需求量大的情况下，利 用数据传输用户借用话务信道资源的思想提高系统资源利用率。文献 9 运用m a r k o v 过 程分析这种新策略的性能，但是没有给出q b d 的具体形式。文献 4 1 将可动边界的f d c a 与嗣定边界的f d c a 性能进行了比较，并在o p n e t 平台上进行仿真分析。两种方法都通 过具体的性能比较说明了m b f d c a 策略的优越性，但它们都是在系统缓存器长度周定的 条件下建立了模型而得到相应结果的，这就具有一定的局限性需要迸一步扩展。 系统性能分析过程中可应用q b d 模型，对于q b d 模型中相关矩阵的求解，早在文献 3 4 中就有全面经典的论述，里面汇集了多种矩阵的原理构造、特点分析、求解技巧和应用 场合。近期，对二维随机模型中矩阵平稳分布尾部特点的分析忡1 和排队模型中矩阵的构 造及求解1 2 9 ! 也有较详尽的插述，简单易懂的矩阵平稳分布求解还可以参见文献 3 和文 献 4 2 。而对于系统性能的分析，一般情况下，有以下几个评价标准：掉话率、呼叫受 e 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 阻概率、组丢失概率、信道利用效率m 。此外，还可包括系统的稳定性、切换失败概率， 数据用户平均排队长度等。同时，系统性能分析的方法也是多种多样，有依据系统原理 建立数学模型，运用备种数学知识，在软件1 二具的帮助下得到最终结果的；也有在理论 分析特别复杂和困难的情况下，直接利用仿真平台进行的。可见，学术界在各种相关知 识上的不断积累，已为我们进行各项研究提供了充分的条件。 1 。3 课题研究的目标和主要内容 基于以上对课题背景和现状的分析，本文在文献 9 和文献( 4 1 提出的信道分配新 方法的基础上。建立统一的数学模型，并借助于该模型对系统的性能进行分析。第四章 和第五章是论文的熏点部分，也是文章的价值所在，课题在性能分析过程中，利用随机 过程中的拟生灭过程来建立基于可动边界f d c a 技术的信道分配模型进而通过对q 矩 阵平稳分布等的求解，获得进行性能分析的各种参数，并与f b f d c a 技术相比较，对两 种技术下t d - s c d m a 系统的性能展开全面精细的讨论。这种分析方法不仅可以涵盖缓存 器长度为有限时的情况，也可用于现实生活中用户队长不断变化、排队很长时的性能比 较，其适用场合更广阔，一定程度上克服了以前文献的某些不足。 本文的主要内容有： 1 、给出t d s c d m a 的发展过程，分析该系统的特点、嘲络结构和多址接入方式侧重 介绍它的关键技术和信道分配技术。 2 、描述信道分配技术的演进，研究信道分配方法的种类、原理、区别和各自的优缺 点。包括同定信遵分配动态信道分配，慢速动态信道分配和快速动态倍道分配，介绍 t d s c d m a 信道的帧结构。 3 、根据实时业务和非实时业务的不同需求建立信道分配的模型，说明模型中各参数 的意义和q b d 过程的状态转移，给出不同技术条件下备自的q 矩阵。 4 、研究矩阵特点，参阅q 矩阵平稳分布的求解方法，推演模型平稳分布的递推公式， 在此基础上，利用m a t l a b 求出矩阵数值解和速率矩阵的最大特征值。 5 、参照系统信道性能分析的评价标准，根据q 矩阵平稳分布中各元素的物理意义， 计算出性能分析的备种参数，用 l a t l a b 描绘基于可动边界和固定边界的f d ( 、a 系统的三维 性能图，包括在缓存器无限条件下的尾部衰落速率比较形象直观地揭示出系统性能。 本论文各章节安排如下：第二章论述t d s c d m a 系统的基本参数和技术特点介绍该 系统的关键技术，网络结构优劣势和发展现状等。第三章讨论了信道分配的几种主要 6 塑塞苎皇查兰堡主兰垒堕兰蔓二兰笙堡 技术，详细说明了它们的区别和联系，介绍了t d - s c d m a 系统中所采用的信道分配方式 和信道帧结构的特点，引入基于可动边界的f d c a 技术。第四章在第二、三章的基础上 根据第三代移动通倍的弱标将信道资源分配给实时服务的用户和非实时服务的用户， 并以此建立m b f d c a 策略下的q b d 过程，同时也对f b f d c a 策略进行相同的分析。第五 章则对第四章中的模型进行研究，借鉴前人的方法计算出模型的平稳分布，根据矩阵 的物理意义，求出两种不同技术条件下系统的呼叫受阻概率、切换失败概率、排队长度、 信道资源实际利用率等，并进一步求出速率矩阵的特征值，获得系统数据用户队列尾部 衰落速率。全面精细地分析系统性能。最后第六章对全文进行归纳总结。 1 4 本章小结 本章从课题研究的背景和意义、历史和现状以及日标和主要内容三个方面展开论 述，简要介绍了与本课题相关的一些基础知识，例如，3 g 、t d s c d m a 、信道分配等，列 举了学者们在这些方面所进行的研究和所获得的进展。并以此为基础概括说明了本文 的研究内容、章节安排和创新之处。 查塞坚皇查堂塑主竺堡堡苎 墨二兰堕堡 技术，详细说明了它们的区别和联系，介绍了t d s c d m a 系统中所采用的信遭分配方式 和信道帧结构的特点，引入基于可动边界的f d c a 技术。第四章在第二、三章的基础上， 根据第三代移动通信的韩标，将信道资源分配给实时服务的用户和非实时服务的用户， 并以此建立蚰一f i ) c a 策略下的q b d 过程，同时也对f b - f d c a 策略进行相同的分析。第五 章则对第四章中的模型进行研究，借鉴前人的方法，计箅出模型的平稳分布，根据矩阵 的物理意义，求出两种不同技术条件下系统的呼叫受阻概率、切换失败概率、排队长度、 信道资浦实际利用率等，并进一步求出速率矩阵的特征值，获得系统敷据用户队列尾部 衰落速率全面精细地分析系统性能。最后第六章对全文进行归纳总结。 i 4 本章小结 本章从课题研究的背景和意义、历史和现状以及目标和主要内容三个方面展开论 述简要介绍了与本课题相关的一些基础知识。例如，3 6 、t d - s c d ) d a 、信道分配等，列 举了学者们在这些方面所进行的研究和所获得的进展，并以此为基础，概括说明了本文 的研究内容、章节安排和创新之处。 的研究内容、章节安排和创新之处。 南京邮电大学硕士学位论文第- 章t d - s c d m a 系统概述 第二章t d - s c d m a 系统概述 2 1 第三代移动通信系统的提出和主要特征 当今世界是一个信息的世界，信息化是社会发展的重要主题。2 0 世纪8 0 年代以来， 信息产业一直以惊人的速度发展着，作为信息产业支柱之一的移动通信产业，也在2 0 世纪9 0 年代得以迅速发展。如果说无线通信的历史是频率使用效率提高的历史，则移 动通信的历史就是频率使用效率提高和用户“位移”扩大的历史。众多的复杂的技术发 展，归根结底，就是如何更充分地使用有限的、宝贵的频率资源以及实现更高密度的全 球通信活动。这是由要实现随时、随地、任何人之间，用任何业务进行通信的目标决定 的。 第一代移动通信系统主要采用模拟技术，由于用户数的剧增，模拟通信系统逐渐暴 露出不能满足需求的劣势，随之出现了第二代移动通信。第二代穆动通信系统主要采用 数字技术。它是在克服模拟通信系统刁i 足的基础上发展起来的，已目趋成熟，其多址接 入方式包括t d m a 和c d m a ，但它通常只提供低速率的语音服务。从第一代的模拟制式到 第= 代的数字制式，移动通信走过了从贵族化到平民化的转移。 随着移动通信的发展和移动电话用广数的增长，单靠现有技术、现有系统及现有频 段的第一代和第二代移动通信系统已不能适应移动通信的发展规模和移动电话用户快 速增长的需求。另外，仅仅用于通话的通信技术已不能满足人们对信息交流的需要，人 们希望能随时随地获取除语音之外的数据、图像和视频等多媒体业务信息。这就要求寻 求频谱利用率更商的技术，寻找通信容量更大的移动通信系统，这些极大地推动了第三 代移动通信系统的研究和发展。 第三代移动通信。即i t u 定义的i m t - 2 0 0 0 ，是i t u 在1 9 8 5 年首先提出的，当时被 称为未来公共陆地移动通信系统( f u t u r ep u b i i c l a n dm o b i i et e l e c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m ，简称f p l ) g r s ) 。随着时间的推移，i m t - - 2 0 0 0 的要求和目标愈加清晰，由于f p l m r s 这个名称含义不准确，1 9 9 6 年i t u 正式将其更名为全球移动通信系统i 岍一2 0 0 0 ，意即 工作在2 0 0 0 m h z 频段，速率达到2 0 0 0 k b s 。预期在2 0 0 0 年左右商用的系统。从1 9 9 7 年起至1 9 9 8 年6 月3 0 日止，世界备国纷纷向i t u 提交候选的i m t - 2 0 0 0 无线接1 ：3 技术 方案，从方案提交完毕到2 0 0 0 年，经过多次的技术评估和融合_ 作，在世界各国商用 南京邮电大学硕士学位论文第7 - 章t d - s c d m a 系统摄墟 中公认采用的三种主流标准为：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - s c d m a 。 第三代移动通讯系统的设计目标是不仅能够提供比第二代移动通讯系统更大的系 统容嚣和更好的通信质量而且要能在全球范丽内更好地实现无缝漫游及为用户提供包 括语音、数据笱在内的多媒体业务服务，同时，也要考虑与已有的第二代移动通信系统 的良好兼容性。表2 1 表示的是移动通信发展至令各代系统的特性比较。 典型系统主璺技术 特征 第一代 a m p s小区制蜂窝系统 模拟话音 数字蜂窝 数字话音数据速率：9 6 k b l s 第= 代 o s m ( 时分复址) ( h s c s d ：6 时隙台井为5 7 k b s ) g p r s 通用分组 数据速率 11 5 k b s 第= 代半 数字蜂窝 数据在线连接 ( e d g e 为；3 8 4 k b ，s ) w c d m a 宽带码分多址 数据遵碎最高选2 h f b ，s 旃三：代 c d m a 一2 0 0 0 实现宽带 数据在线连接 多媒体业务 1 d s c d m a 宽带散据业务 表2 1 移动通倚l u f 、并干媳z 姓系统特r i i 仁匕牧 与前两代移动通信系统相比，第三代移动通信系统的主要特征是可以提供移动多媒 体业务，它们包括高速移动环境( f d d ：5 0 0 k m h ，t d d , 1 2 0 k m h ) 中支持速率为1 4 4 k b i t s 的业务、步行慢速移动环境( 3 0 k m h ) 中支持速率为3 8 4 k b t t s 的业务及室内环境( 3 k m h ) 中支持2 m b i t s 的业务。较为突出的特点是i m t 一2 0 0 0 系统具有服务质量的要求，对无 线传输技术的基本要求也就更高，其中包括：较高的频谱效率，它是指一定带宽内的话 音业务容量和信息容量i 适应多种无线运营环境，不因条件和环境的改变而受影响；提 供多种业务能力甚至包括未来小可预见的业务能力，即可变比特数率( v a r i a b l e b i t r a t e ，简称v b r ) 服务：好的网络灵活性及无线覆盖能力保证全球漫游和用户的随 时随地接入：较高业务质量等几方面。 总之，随着时间的推移，3 g 技术将更加成熟，服务质量会更令人满意，多媒体数据 业务的实现不会再可望而不可及。 2 。2t d - s c d m a 系统的基本特点和网络结构 3 g 的三个主流标准应用的都是宽带c d m a 技术。c d m a 2 0 0 0 的发起者主要是以美国和 韩国为主的建立在i s 一9 5c d m a 标准上的制造商和运营公司，它是从c d m a o n e 演进而来 的第三代移动通信技术。w c d m a 的发起者主要是欧洲和日本标准化组织和厂商，w c d 姒 继承了第二代移动通信体制g s m 标准化程度高和开放性好的特点，标准化进展顺利。 9 里至塑璺盔兰堡主兰堡丝塞蔓三茎! 堡鉴里! 坠墨塑鲤 t d - s c d m a 由中国提出制定，先前主要是由中国大唐集团和鼎桥公司开发的。t d - s c d m a 技 术进展迅速：顺利通过信息产业部m t n e t 一、二阶段测试的同时成功的户外演示显示 出t d - s c d m a 走向最终商用的不可逆转之势；t d s c d m a 试验网的成功试运行，也进一步 加速了t d s c d i v i a 的产业化及商用进程。表2 2 说明的是t d - s c d m a 系统的基本参数m l 。 表2 2t d - s c d m a 系统的基本参数 从表中可以看出t d - s c d m a 采用的是t d d 双工方式，这与w c d m a 和c d m a - 2 0 0 0 的f d d 方式是不同的。t d d 技术具有f d d 技术所不具有的很多优势，例如在提供业务服务时它 不需要大段的连续对称频段，故能适应非对称数据业务传输的要求，这一点在频率资源 日渐紧张的今天显得尤为蕈要。采用t d d 方式，有利于基站端的发射机根据上行链路获 得的信号来估计下行链路多径信道的特性，便于使用智能天线等先进技术滞】。因此， 随着通信的不断发展，国际国内都将对使用t d d 方式的c d m a 技术日益关注。在中国的 3 g 频率规划中，为t d d 模式划分了1 5 5 1 v z 频率，共9 3 个带宽为1 6 m h z 的载波频点， 完全可以满足多个t d - s c d m a 运营商大容量建网的频率需求【4 3 l 。 表2 2 显示了t d - s c d i v i a 的多址技术是t d m a 、c d m a 和f d m a 三种技术的综合，如图 2 1 所示。此外t d - s c d m a 综合了t d d 和c d m a 的所有技术优势，具有统一灵活的空中 接口，并采用了智能天线、联合检测、动态信道分配、接力切换、软件无线电、上行同 步等先进技术，在三个主流标准中是具有最高频谱利用率的。随着大范围覆盖和高速移 动等问题的逐步解决，加上t d s c d m a 本身的不断完善，它将成为经济的并能取得令人 满意服务效果的第二代移动通信解决方案。 一堕塞塑璺叁兰矍主兰堡笙塞堡二童! 堡墼旦竖垒墨堕塞整 圈2 1t d - s c d m a 多址接入方式示意图 为了获得对t d s c d m a 系统更全面的认识，并为理解随后的信道分配技术作铺垫， 我们首先要了解t d s c d m a 系统的网络结构。t d - s c d m a 系统的网络结构完全遵循3 g p p 指定的d a t s 网络结构，可以分为u m t s 地面无线接入网( u t r a n ) 和核心网( c n ) 。 u m t s 系统按照功能可分为用户设备域( u s e re q u i p m e n td o m a i n ) 和基本架构域 ( i n f r a s t r u c t u r ed o m a i n ) ，如图2 2 所示 1 1 。u m t s 系统由用户设备( u e ) 域、接入网 ( r a n ) 域和核心网( c n ) 域组成。其中，用户设备域又进一步分成用户业务识别模块 域和移动设备域；基本架构域进一步划分为接入网( r a n