（通信与信息系统专业论文）基于系统容量优化的cdma网络规划设计研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 c d m a 多址技术具有抗干扰能力强、保密性好、容量大等优点，适合现代移动通 信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，正受到越来越多的运营商 和用户的青睐。 本文论述了c d m a 网络技术的发展、原理和关键技术。分析了c d m a 系统容量 的不同计算方法的特点。根据本文实际应用的特点，采用了极点容量算法，并且 给出了反向链路容量的计算方法。基于此算法，分析了影响c d m a 系统容量的多种 因素，提出了c d m a 系统容量的优化方法。并进一步结合3 g 无线网络规划特点， 分析了3 g 无线网络中容量和覆盖的关系，给出了w c d m a 的仿真结果。 在容量分析的基础上本文提出了对一个城市的城区进行c d m a 网络规划设计的 流程和优化方案，并从满足容量要求和覆盖要求两方面优化基站数量。根据无缝 隙的覆盖要求进一步优化基站的设计。在一定的干载比( i c ) 条件下，根据小区 容量和小区覆盖半径之间的关系确定话音信道数和小区的半径，并且根据c d m a 的 软容量特性，提出了优化系统容量方法以满足用户的话务要求。 关键词 c d m a ；网络规划；容量；覆盖； w c d m a 山东大学硕士学位论文 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 ) i sb e c o m i n gw i d e l ya p p l i e df o ri t s a d v a n t a g e so fw e l la n t i - j a m m i n g ，g o o ds a f e t ya n dg r e a tc a p a c i t y i ts a t i s f i e st h e r e q u i r e m e n t so fc u r r e n tm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，b i gc a p a c i t y , h i g hq u a l i t y , i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，s o f ts w i t c h ，e t c t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n t ，p r i n c i p l e ，p r o p a g a t i o nm o d e la n dk e y t e c h n o l o g yo fc d m a i tp r e s e n t sd i f f e r e n tk i n d so fa l g o r i t h m sf o rt h ec d m as y s t e m c a p a c i t y i nt h i sp a p e r , t h el i m i tc a p a c i t ya l g o r i t h mi su s e df o rb yt h er e a l i t ya p p l i c a t i o n a d d i t i o n a l l y ，i tp r e s e n t sam e t h o df o rc o m p u t i n gt h er e v e r s ec h a i nc h a n n e lc a p a c i t y b a s e do nt h i sm e t h o d ，o p t i m i z a t i o nf o rt h ec d m a s y s t e mc a p a c i t yi sp r e s e n t e d 淅t l lt h e a n a l y s i so ft h em u l t i p l ef a c t o r so nt h es y s t e mc a p a c i t y c o m b i n ew i t ht h e3 gw i r e l e s s n e t w o r k ，i tg i v e so u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc a p a c i t ya n dc o v e r a g eo ft h e3gs y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l to fw c d m a ( w i d ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) i sp r e s e n t e d i nt h i sp a p e r , i td e s i g n sac d m an e t w o r kf o ras m a l lc i t y sd o w n t o w n i t e s t i m a t e st h en u m b e ro ft b s ( t e t r ab a s es t a t i o n ) t os a t i s f yt h ec a p a c i t yr e q u i r e m e n ta n d c o v e r a g er e q u i r e m e n t i tp r o p e r l ya d d st h en u m b e ro ft b st os a t i s f yt h es e a m l e s s c o v e r a g e a tt h ed e t e r m i n e dt h en u m b e ro ft b sa n das p e c i f i ci c ，i tg i v e st h em a x n u m b e ro fv o i c ec h a n n e la c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o m m u n i t y s c a p a c i t ya n dc o v e r a g er a d i u s a c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t yo fc d m as o f tc a p a c i t y , i t b r i n g su pt h em e t h o do fd y n a m i ca l l o c a t i o nt h ev o i c ec h a n n e l t h i sm e t h o ds e td i f f e r e n t i ( 3o nd i f f e r e n tt i m es l o t t h i sm e t h o dc a i ls a t i s f yt h em a xc o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t f k e yw o r d s lc d m a ；n e t w o r kp l a n n i n g ；c a p a c i t y ；c o v e r a g e ；w c d m a 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 殛廛一 日期：趟：兰：丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：妊。筵 导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景以及意义 第一章绪论 无线通信以其巨大的发展潜力、广阔的市场前景，越来越受到大家的关注， 因而与无线通信相关的各种技术已经得到深入的研究。自从1 9 世纪末m a r c o n i 的 海上无线通信系统产生后，无线通信在2 0 世纪4 0 年代开始进入商业应用( b e l l 1 9 4 6 ) 。然而b e l l 实验室1 9 4 7 年提出并在1 9 7 4 年试验成功的蜂窝移动通信系统的 概念，才真正使无线通信获得蓬勃的发展。移动通信作为当今通信领域内最为活 跃和发展最为迅速的通信领域之一，对人类生活和社会发展产生了重大影响。自 1 9 7 8 年底，第一个蜂窝移动通信系统a m p s ( 先进移动电话系统) 研制成功以来，无 线通信大致经历了三个不同的发展阶段，即通常所说的第一代、第二代、第三代 移动通信系统。 第一代移动通信技术的特征是采用模拟信号处理话音和频分多址f d m a 技 术，工作频段为4 0 0 8 0 0 m h z ，采用了频率复用技术和多信道共用技术，它的缺点 是频谱利用率低造成通信容量小，而且保密性差，无法提供非语音业务。又由于 各国研究制造上统一标准，设备通用性较差，尽管如此，它的出现为现代移动通 信奠定了发展的基础。u 】1 9 8 3 年美国在芝加哥开通的a m p s ( a d v a n c em o b i lp h o n e s e v i c e ) 蜂窝系统是第一代移动通信产品的代表。但是模拟蜂窝移动通信系统很快 就显现出了阻塞率增高、呼叫中断率增高、蜂窝系统的干扰增大等缺点，移动通 信蜂窝系统迫切需要增加系统容量。但是由于模拟系统本身的先天缺陷( 例如频谱 效率低、保密性能差等) ，系统的设计容量根本无法满足实际需求。需要新的技术 来适应市场的需求，很快模拟移动通信系统就被第二代移动通信系统取而代之。 第二代移动通信系统主要有两大类，一类是采用t d m a 即时分多址技术的系 统，如美国的d a m p s 、欧洲的g s m 及日本的p d c 等。第二类是采用c d m a 即 码分多址技术的系统，主要技术代表有美国的窄带q c d m a 。该技术的理论基础 是扩频技术，过去主要运用于军事领域，9 0 年代开始引入民用。第二代移动通信 发展在整个移动通信发展史上起到了重要作用，在这个阶段中的系统构成方面， 3 山东大学硕士学位论文 与模拟系统无多大差别。所不同的仅是在射频调制技术、多址方式、话音编码、 信道编码和数字信号处理、控制信道、及保密和确认等六个方面采用了全新的数 字技术，因而使得移动通信性能增强了许多。t d m a 蜂窝系统较f d m a 蜂窝系统 有许多优势：频谱效率显著提高，系统容量增大，且保密性能好，标准化程度高等。 目前随着移动通信终端用户数量的爆炸性增长以及市场对移动通信增值业务 种类和质量需求的增加，2 g 移动通信系统已经显示出了处多不足：系统容量因频 率利用率不高而渐趋饱和，这将严重影响新增用户加入。相对于有线互联网络业 务的红火，2 g 的移动网络除了提供比较单一的语音业务外，在数据传输和多媒体 领域则表现的先天不足，特别是增值业务的不断发展将会成为移动通信最重要的 的业务，从而取代语音等传统业务，2 g 移动网的容量已成为各类新业务发展的瓶 颈。 以c d m a ( 码分多址) 技术为基础的第三代( 3 g ) 移动通信系统表现出了强 大的优势：对运营商来说，基于c d m a 的系统，其频谱利用率高，覆盖特性好， 频率规划方便，系统容量不再是问题；对传统用户来说，c d m a 系统具有语音质 量好、调换率低、发射功率小、保密性强等优点；而对于追求新业务的用户来说， 通过移动终端也可以享受和固定网络一样的精彩的业务，如高速数据传输、多媒 体应用。从总体上看，各类第三代移动通信标准没有本质不同，所有的不同点无 非是怎样才能更好发挥c d m a 的优势，提高系统的性能，满足如系统容量、通信 质量等移动通信应用市场的需要。 随着移动通信技术的飞速发展，人们对通信质量的要求越来越高。作为迄今 为止吞吐率最高的无线通讯技术标准的c d m a 技术一问世，短短几年的时间，就 在全球移动通信领域刮起一阵旋风，大有席卷天下之势。目前，c d m a 已发展成 为一种领先的数字无线通信标准，它在移动和固定无线应用方面给全世界的运营 商提供了一种高效和极具有经济诱惑力的选择。 现在c d m a 已经在世界各地取得成功，现在世界各地c d m a 的用户数量已 经超过了2 亿人，而3 gc d m a 用户的数量已经超过了1 1 7 亿人。 在美国现在主导的技术是c d m a ，美国6 0 以上的移动用户都是c d m a 的用 户。美国所有c d m a 的运营商都把他们c d m a 的网络升级到c d m a 2 0 0 0 ，美国 两家最大的c d m a 运营商s p r i n t 和v e d z o n 都把他们的网络升级到了 4 山东大学硕士学位论文 c d m a 2 0 0 0 1 x e v - d o 。由于s p r i n t 这次的网络升级，使得美国市场发生了一些根 本性的变化，类似的变化对于中国市场也是有参考价值的。3 g 网络带来的益处包 括给s p r i n t 以及其他的c d m a 运营商带来的益处，使他们升级考虑的主要有两个： 第一可以增强话音服务的能力，他们可以对用户的语音收费降低，与此同时可以 继续保持盈利；第二可以增强数据服务，降低数据服务的成本。 日本c d m a 运营商k d d i 是在竞争激烈的市场中发展起来的，并得到了迅速 发展，其3 g 业务和用户的发展领先全球，被业界一致认为是成功经营3 gc d m a 的典范。c d m a 网络的平滑演进促进其快速发展，使其成功地在日本市场抢占了 3 g 的先机，并且通过实施不断创新的战略策略，推动了3 g 业务迅猛发展，使其 自身竞争力日益提高。 我国作为世界上最具潜力的移动通信市场，通信业有关人士都十分重视 c d m a 蜂窝移动通信的开发与应用。尽管c d m a 手机技术上的优势决定了其市场 开拓中有广阔的前景，但现实中仍有许多因素制约着市场的进一步发展。从1 9 9 5 年开始商用化进入市场以来，c d m a 仅在韩国、美国和香港得到了较快的发展。 在其他地方，尤其是建设了g s m 网的地方，它的发展却是较缓慢或停顿的。其最 主要的原因之一是其竞争对手g s m 作为第二代移动通信技术商用化较早，其成熟 程度和标准化程度都很高，而且比c d m a 移动通信技术早几年进入市场，运营商 已投入巨资，建成了强大的g s m 通信网。而i s 9 5 c d m a 技术尽管有优点，但它 毕竟是与g s m 一样还是第二代移动通信技术，从所提供的业务上看并没有比g s m 有质的提高，其容量上的优势主要体现在话务量高的地区，但前期高昂的基站网 络费用，却往往令网络运营商犹豫不决。对于移动通信来说，覆盖是最重要的要 求，在目前的技术条件下，c d m a 移动通信技术只有在它的规模达到能在全国漫 游时才会具有竞争力。因此，c d m a 要想达到目前g s m 的水平，恐怕还要面临 着需用大量的投入来铺设全国性网络和基础设施的任务。 快速增长的移动通信网络容量需求与有限的频率资源之间的矛盾正严重困扰 着移动通信运营商。因此，无线网络规划和网络优化技术日益受到重视。对于 c d m a 技术的无线网络规划中，c d m a 系统的容量是一个关键的重要因素。本文 提出了基于c d m a 系统容量优化方法的无线网络规划设计方法，对于实际应用具 有一定的指导作用。 5 山东大学硕士学位论文 1 2c d m a 系统容量研究近况 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 g h z 、2 g h z 频段更是特别突出l 。 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。 自从信息论诞生以来，通信系统的信道容量分析就成为信息论的一个重要组 成部分。信道容量分析之所以如此重要，完全在于信道的容量决定了信道上可以 传输的最大数据速率。也就是说，信道容量决定了用户所能得到的最大信息传输 速率以及通信网络所能提供的服务质量的高低。c d m a 作为第三代无线通信的重 要技术手段，利用这种技术的通信系统的容量历来是通信理论的研究重点。 有关c d m a 通信系统信道容量的研究主要是围绕c d m a 应用于不同特性的 无线信道时的信道容量分析。其中有利用中心极限定律，求出基于线性接收机的 多接入信道的信道容量表达式，同时还利用m a r c e n k o p a s t u r 定律，给出了最佳接 收机条件下的多用户信道容量的闭式解；或者c d m a 通信系统信道容量的分析采 用渐近分析的方法，其信道容量的分析结果是实际通信系统的性能界。另外，也 可以借助随机矩阵理论分析平坦衰落信道条件下的c d m a 通信系统的信道容量， 分析过程也是从接收机为线性接收机和最佳接收机两个方面加以描述。 c d m a 通信系统容量明显高于基于t d m a 通信技术多址方式。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 n 。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 6 山东大学硕士学位论文 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。 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间，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、 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得到，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间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 7 山东大学硕士学位论文 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 33 g 无线系统容量和覆盖规划 近年来，通信产业已成为中国经济发展的支柱，移动通信网络更是日新月异， 但它在演进时面临诸多问题。而到了蜂窝移动系统阶段，尤其是进入3 g 时代，随 着基站和小区数目的增加，覆盖和容量不但与设备性能有关，还与各小区基站的 参数选择、区间干扰、网络结构有关。同时，在无线频率资源一定的情况下，如 何增加网络容量，以满足未来用户量爆炸式增长的需求，都是无线网络规划所要 考虑的。因此有必要对无线网络规划进行深入的研究，以便在覆盖范围和容量之 间达到最好的平衡，使得网络的规划工程成本达到合理的要求。 在3 g 规划中，由于使用相同的频率，其频率规划就不需要了。但是覆盖规划 和容量规划要同时考虑，它们之间是相互制约的。尽管现在有几种不同的3 g 网络， 但其通用的规划过程是相同的。无线网络规划是根据覆盖要求、容量需求以及其 他特殊需求，结合覆盖地区的地形地貌特征，设计合理的无线网络布局，以最小 的投资满足需求的工程。在3 g 无线网络规划中，在保证通话质量的要求下，其基 站的覆盖范围和覆盖容量是首先考虑的问题。本文通过链路预算和无线电波传播 模型来估算出基站的小区覆盖范围。而基站的覆盖容量通过预先给定的设备参数 计算得出，并且结合各种业务速率给出两者之间的关系。 1 4 本文研究工作 本文主要研究c d m a 移动通信系统容量，对系统容量进行建模分析，提出 了对于c d m a 系统容量进行优化的方案，然后基于系统容量的优化提出了对于实 际的无线网络设计方法和优化方法。 本文的内容结构如下： 1 介绍本文的课题背景，本课题的相关研究现状，介绍了c d m a 2 0 0 0 系统 以及3 gw c d m a 系统的研究概况。 8 山东大学硕士学位论文 2 介绍3 gc d m a 网络结构以及关键技术，包括网络结构模型、接口协议、 频率配置等。 3 分析c d m a 系统容量的基本算法，分析了反向链路容量的计算模型，考 虑各种影响因素下的容量计算。 4 分析3 g 无线系统的传播模型和链路预算，估算基站的小区覆盖范围。通 过预先给定的设备参数计算基站的覆盖容量，并且结合各种业务速率给出 覆盖和容量之间的关系。 5 针对一个具体的c d m a 无线网络系统，提出了一套基于系统容量优化的 规划设计流程方法。并进一步分析了c d m a 系统的容量优化方法和其它 影响因素。 9 山东大学硕士学位论文 第二章c d m a 网络结构及关键技术 2 1c d m a 技术原理特点 c d m a 是码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术的缩写，是数字移 动通信进程领域的一种先进无线扩频通信技术，即将需要传送的那些具有一定信 号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，从而 使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端则由使用完全相 同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号转换成原信息数据的 窄带信号解扩，以实现信息通信的过程。 该技术具有频谱利用率高、语音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、 容量大，覆盖广等特点，能够满足市场对移动通信容量和品质的高要求【2 1 。 c d m a 和f d m a 、t d m a 相比，最突出的特点是：频谱效率高：实践证 明，c d m a 的系统容量比f d m a 大8 1 0 倍，这对于充分利用国家有限而宝贵的 无线电频谱资源、提高运营效率大有好处；系统建设投资少：相同的覆盖面积、 相同的频率规划下，c d m a 系统所需基站g s m 系统的基站数少1 2 左右，减小了 基建投资，也利于提高运营质量，降低成本；话音质量好：如采用1 3 k b s 话音 编码器，c d m a 系统的话音质量可以和一般固定电话相媲美；抗干扰与保密性 能好，掉话率低：c d m a 系统采用动态功率控制技术，可以做到保证服务质量的 前提下，只发射最低的有效功率，因而减少了系统的同频干扰，保证了通信质量， 降低了掉话率。因手机发射功率小，也减轻了大家所担心的电波对人脑的危害， c d m a 手机可称是绿色手机”。 c d m a 数字蜂窝通信系统之所以比f d m a 、t d m a 系统容量大、性能好，是 因为采用了一些新的关键技术【3 】： 1 ) 高效编译码技术 在通信系统里面，编译码是一项基本的技术。在第三代移动通信系统主要提 案中( 包括w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等) ，除了采用i s 一9 5c d m a 系统相类似的卷积编 1 0 山东大学硕士学位论文 码技术及交织技术之外，还采用了t u r b o 编码技术及r s - 卷积级联码技术。这些技 术都具有很高的编译码效率。 2 ) r a k e 接收技术 在g s m 手机中，一般只能通过时域均衡器抵消多径效应，不能通过多路信号 的能量叠加降低发射功率。而在c d m a 移动通信系统中，采用了r a k e 接收技术， 由于信号带宽较宽，因而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号，对分辨出的 多径信号分别进行加权调整，使合成之后的信号得以增强，从而可在较大程度上 降低多径衰落信道所造成的负面影响。 3 ) 智能天线技术 智能天线的复杂性较高，能量消耗较大，早些时候大都局限于在基站中的应 用中，后来才渐渐被引入到移动平台。智能天线能够显著地提高第三代移动台的 性能，因此也成为第三代移动通信系统的研究热点之一。我国自主产权的t d - s c d m a 系统，也采用了智能天线技术。智能天线技术对接收信号进行空域处理，可减小 多址干扰对信号的影响，采用了具有定方向性的扇形天线，从某一角度掏空其 他干扰，从而提高系统性能。 4 ) 多用户检测技术 多用户检测技术能够有效地抑制多址干扰，具有以下一些优点：提高带宽利 用率，抑制多径干扰；消除或减轻远近效应，降低了对功控高度精度的要求，可 简化功控；弥补扩频码互相关性不理想造成的影响；减小发射功率，延长移动台 电池的使用时间，同时也减小移动台的电磁辐射；改善系统性能，提高系统容量， 增大小区覆盖范围。当然，它也存在一些局限性，如复杂性太高，系统存在延时 等。 5 ) 功率控制技术 在c d m a 系统中，用户使用相同的频带，彼此之间会存在干扰，任何一个用户 对其他用户来说都是一个干扰源。而功率控制可以在一定程度上消除这种影响， 已经成为第三代通信标准中最为重要的核心技术之一。常见的c d m a 功率控制技术 分为前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又可分为仅由移动台参与的开 环功率控制和移动台、基站同时参与的闭环功率控制。 a 反向开环功率控制 山东大学硕士学位论文 它是移动台根据在小区中接受功率的变化，调节移动台发射功率以达到所有 移动台发出的信号在基站时都有相同的功率。它主要是为了补偿阴影、拐弯等效 应，所以它有一个很大的动态范围。 b 反向闭环功率控制 闭环功率控制的设计目标是使基站对移动台的开环功率估计迅速做出纠正， 以使移动台保持最理想的发射功率。 c 前向功率控制 在前向功率控制中，基站根据测量结果调整每个移动台的发射功率，其目的 是对路径衰落小的移动台分派较小的前向链路功率，而对那些远离基站的和误码 率高的移动台分派较大的前向链路功率。前向链路的功率控制主要解决同频干扰 问题。 2 2c d m a 移动通信系统的网络结构 2 2 - 1c d m a 移动通信系统的网络参考模型 c d m a 网络参考模型定义了网中的功能实体和相互间的接口，如图2 1 所示。 从图中可看出c d m a 网络参考模型与g s m 网相似。 1 2 图2 - 1c d m a 网络参考模型 如图所示，c d m a 数字移动通信系统主要由以下功能单元组成【4 j ： 山东大学硕士学位论文 移动台( m s ) ：包括车载台和手机。m s 是用来在用户终端接无线信道的设 备。它给用户提供接入网络业务的能力。 基站子系统( b s s ) ：包括基站收发信机( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 。b s c 的功能是对b t s 进行控制。每个b s c 可以控制一个或多个b t s 。b t s 完成无线信 号的接收和发送。 移动业务交换中心( m s c ) ：m s c 是对于它所服务的移动台进行控制、交换 的功能实体，也是移动通信网系统与其它公用交换网之间的接口。 访问位置寄存器( v l r ) ：它存放着其控制区域内所有访问移动用户有关呼 叫和提供漫游、补充业务管理的信息。 归属位置寄存器( h l r ) ：运营者用于管理移动用户的数据库，存放着其 控制移动用户的路由信息与状态信息。 鉴权中心( a c ) ：它是用来认证移动用户的身份并产生相应鉴权信息的功 能实体。 设备识别寄存器( e i r ) ：存储有关移动台设备参数的数据库。主要完成对移 动设备的识别、监视、闭锁等功能。 操作维护中心( o m c ) ：操作维护网络的正常运行的功能实体。 消息中心( m c ) ：存贮和转送短消息的实体。 短消息实体( s m e ) ：合成和分解短消息的实体。s m e 可以位于m s c 、h l r 或m s 内。 其中，以移动交换机为核心，包括m s c ，v l r ，h l r ，a c ，o m c ，e i r ， m c ，p s t n 等功能实体组成网络子系统( n s s ) 。一个集中的基站控制器( b s c ) 和若干个基站收发信台( b t s ) 组成基站子系统( b s s ) 。 2 2 2 网络参考结构的接口和信令协议 概括起来基于i s 9 5 标准的c d m a 系统有以下几个重要接口： 移动台( m s ) 与基站( b s ) 之间的接口，u m 接口； b s s 与m s c 之间的接口，a 接口； m s c 与v l r 之间的接口，b 接口； m s c 与h l r 之间的接口，c 接口； 1 3 山东大学硕士学位论文 v l r 与h l r 之间的接口，d 接口； m s c 与m s c 之间的接口，e 接口； v l r 与v l r 之间的接口，g 接口； h l r 与a u c 之间的接口，h 接口； m s c 与p s t n 之间的接口，a i 接口； m s c 与i s d n 之间的接口，d i 接口。 其中，u m 接口是c d m a 系统中b s s 和m s 之间的接口。现在公开的标准为 e i a t i ai s 9 5 a ；m s c 与b s s 间的接口( a 接口) ，c d m a 数字蜂窝系统的a 接 口标准化程度还不够完善，除已经有的北美标准的e i a t i ai s 6 3 4 外，还有其他 厂家的标准，如a t & t 的u l t r a ，q u a l c o m m 的q a 以及q u a l c o m m 与北电合 作的a 接口等；b s c 与b t s 间的接口( a b i s 接口) ，此接口协议为内部接口协议。 另外，系统与另一m s c ，v l r ，h l r ，s m e ，a c 以及各系统模块彼此的连接的 协议接口是基于北美e i a t i ai s 4 1 c 标准。 2 3 频率配置 c d m a 2 0 0 01 x 有多达1 0 个工作频段，分布在4 5 0m h z - 2 1 g h z 的范围内。 这主要是因为各个国家和地区使用的频段有差别。我国目前使用的c d m a 2 0 0 01 x 频段为1 5 】： 上行( 移动台发，基站收) ：8 2 5 m h z - 8 3 5 m h z 下行( 基站发，移动台收) ：8 7 0 m h z 8 8 0 m h z 共计1 0m h z 频段，双工间隔为4 5 m h z 。 i s 9 5 系统频道间隔为1 2 3 m h z 。 c d m a 2 0 0 01 x 系统沿用a m p s 系统的频点号，频点号与中心频率的关系： f ( n ) = 8 2 5 0 0 + 0 0 3 0 x n ( 移动台发、基站收) ； f ( n ) = 8 7 0 0 0 + 0 0 3 0 n ( 基站发、移动台收) 。 图2 2 示出c d m a 2 0 0 01 x 各频道的安排。图中按照a m p s 系统的信道编号， 标注c d m a 2 0 0 01 x 频道的中心频率位置。括号内是对应的前向频道中心频率( 此 处为移动台发基站收，基站发移动台收应加4 5 m h z ) 。中心频率在a m p s 的2 8 3 号频道为c d m a 2 0 0 01 x 基本频道，逐步从高端向低端扩展使用的c d m a 2 0 0 01 x 1 4 山东大学硕士学位论文 频道的中心频点位置依次为2 4 2 号、2 0 1 号、1 6 0 号、1 1 9 号、7 8 号和3 7 号。 c d m a 2 0 0 01 x 不需进行频率规划，各小区可以使用相同频道。 1 ( 8 2 5 0 3 m h z ) 2 ( 8 2 5 0 6 m h z 、 3 7 ( 8 2 6 11 m h z ) 7 8 ( 8 2 7 3 4 m h z ) 119 ( 8 2 8 5 7 m h 莉 16 0 ( 8 2 9 8 0 m h 幻 2 0 1 ( 8 31 0 3 m h 力 2 4 2 ( 8 3 2 2 6 m h z ) 1 2 1 6 0 2 4 2 2 8 3 为a m p s 的话音频道编号。31 3 至3 3 3 为a m p s 的控 制频道编号。2 8 3 号 频道为c d m a l x 的 基本频道的中心频率 所在的位置。 2 8 3 ( 8 3 3 4 9 m h z ) c d m a 基本频道 313 ( 8 3 4 3 9 m h z ) a m p s 的控制信道 3 3 3 ( 8 3 4 9 9 m h z ) 图2 - 2c d m a 2 0 0 0 1 x 网频率间隔图 2 4c d m a 2 0 0 0 1 x 网络的关键技术 c d m a 2 0 0 01x 是由i s - 9 5 a b 演进而来的，并与现有的i s - 9 5 a b 系统后向兼容。 与i s - 9 5 a b 相比，c d s a 2 0 0 01 x 在信道类型、物理信道结构和无线分组接口功能 上都有很大的增强，网络部分则根据数据传输的特点引入了分组交换机制，支持 简单i p 和移动i p 业务，支持q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，服务质量) ，这些技术特 点都是为了适应更多、更复杂的第三代业务。 与i s 一9 5 a b 相比，c d m a 2 0 0 01 x 具有以下新的技术特点 6 1 1 7 1 ： 1 多种信道带宽：带宽可以是n 1 2 2 8 8 1 1 h z ，其中n = i 、3 、5 、9 或1 2 。不 过目前的技术只支持前两种带宽。 2 前向快速功率控制技术( f f p c ) ：方法是移动台测量收到业务信道的e b n t ， 1 5 山东大学硕士学位论文 并与门限值比较，根据比较结果，向基站发出调整基站发射功率的指令，功率控 制速率可以达到8 0 0 b i t s 。采用前向快速功率控制，能尽量减小远近效应，降低 移动台接收机实现一定误帧率( f e r ) 所需的信噪比，进而降低基站发射功率和系 统的总干扰电平，提高系统容量。 3 t u r b o 码：t u r b o 码具有优异的纠错性能，适于高速率对译码时延要求不高 的数据传输业务，并可降低对发射功率的要求、增加系统容量，在c d m a 2 0 0 01 x 中t u r b o 码仅用于前向补充信道和反向补充信道中。 t u r b o 编码器由两个r s c 编码器( 卷积码的一种) 、交织器和删除器组成。每 个r s c 有两路校验位输出，两个输出经删除复用后形成t u r b o 码。 t u r b o 译码器由两个软输入、软输出的译码器、交织器、去交织器构成，经对 输入信号交替译码、软输出多轮译码、过零判决后得到译码输出。 4 前向快速寻呼信道：此技术有两个用途，一是寻呼或睡眠状态的选择。因 基站使用快速寻呼信道向移动台发出指令，决定移动台是处于监听寻呼信道还是 处于低功耗状态的睡眠状态，这样移动台便不必长时间连续监听前向寻呼信道， 可减少激活移动台激活时间和节省移动台功耗。二是配置改变。通过前向快速寻 呼信道，基地台向移动台发出最近几分钟内的系统参数消息，使移动台根据此新 消息作相应设置处理。 5 前向发送分集：c d m a 2 0 0 01 x 采用直接扩频发射分集技术，它有两种方式： 正交发射分集方式和空时扩展分集方式。 使用空间两根分离天线发射已交织的数据，使用相同原始w a l s h 码信道。 使用前向链路发射分集技术可以减少发射功率，抗瑞利衰落，增大系统容量。 6 反向相干解调：利用反向导频帮助捕获移动台的发射，实现反向链路上的 相干解调，与i s - 9 5 a b 系统反向信道所采用的非相比，所需的信噪比显著降低， 从而降低移动台的发射功率，提高了系统容量。 7 辅助导频信道：能扩大覆盖区域和增加容量，并提高可支持的数据速率。 8 连续的反向空中接口波形：能够降低干扰，扩大小区覆盖范围，使得空中 无线接口的资源利用率更高。 1 6 山东大学硕士学位论文 9 增强的媒体接入控制( m a c ) 功能：能满足更高带宽和更广泛业务种类的需 求，支持话音、分组数据和电路数据业务的同时处理。 l o 灵活的帧长：c d m a 2 0 0 0 支持5 m s 、1 0 m s 、2 0 m s 、4 0 m s 、8 0 m s 和1 6 0 m s 多种 灵活的帧长较短的帧可以减少时延，较长的帧可降低对发射功率的要求。 由于c d m a 2 0 0 01 x 采用了上述多项新技术，因而系统容量和性能相对于c d m a i s 一9 5 系统有较大的提高。 1 7 山东大学硕士学位论文 第三章c d m a 系统容量分析和优化 3 1c d m a 系统容量简介 网络规划设计是移动通信网的建设中极其重要的环节，它对于网络的建设成 与网络建立后的运行质量有重要的影响，对于3 g 网络来说意义更加重大。c d m a 系统的容量是c d m a 系统网络规划中需要考虑的重要因素之一。c d m a 系统不 同于f d m a 和t d m a 系统( 两者的信道数量是固定不变的) ，具有软容量特性， 信道数量不是固定的，由于反向链路与下行链路具有很大的相性，本文将主要以 反向链路为例，对系统容量进行分析与研究。 系统容量为一定频段内所提供的信道或用户的最大数目嘲。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l g ( c i ) 和 信道带宽b c 。 c d m a 系统的容量是干扰受限的，减少干扰将导致c d m a 容量的线性增加。 另一方面，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 另一个方法是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f 8 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1 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，c d m a 小区可以复用所有频率，因而容量 有较大增加。 3 2c d m a 系统容量估算方法 比较常用的有三种移动通信系统容量算法：极点容量算法，对数近似算法和 坎贝尔容量算法。 3 2 1 极点容量算法 在评估c d m a 系统的容量问题，有两种基本出发点，一种是以小区的基站 1 8 山东大学硕士学位论文 能容纳的用户数为出发点，即以考虑基站接收信号的信干比( 或者比特能量干扰 比) 为衡量方式；另种是以用户的通信质量为出发点，表达用户的通信质量的 参量是用户的阻塞概率。极点容量算法就是以系统能够同时容纳的最大用户数量 来分析c d m a 系统的系统容量。 极点容量算法是假设当系统达到规定的理想状态时求出的系统容量大小的 计算方法。这里所说的理想状态假设前提条件是：基站处于理想蜂窝小区的中心， 忽略软切换的影响，具有理想的功率控制，基站对于每个信道所需的最小e