（通信与信息系统专业论文）wcdma系统容量及新一代移动通信系统的功率控制技术研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 本文主要研究了新一代移动通信系统的无线资源管理的部分内容以及 w c d m a 分层小区结构下的系统容量。 ， 在未来的移动通信系统中，庞大的用户群、大量高速的数据传输以及多业务 种类并存将带来的巨大挑战。除了需要在硬件技术上实现高速率传输，还需要有 良好的无线资源管理策略作辅助，一方面保证系统的服务质量，另一方面也可以 通过采用适当的无线资源管理策略，优化系统性能，包括增加系统容量o ) 瓷未来 无线资源管理的众多技术热点中，基于多载波系统的功率控制技术是本文的研究 重点之一。 通过第三章的理论分析和第五章的仿真结果，可以了解到新一代移动通信系 统对功率控制技术的需求、现有的几种功率控制方案，以及它们之间的性能比较。 f 本文的仿真数据表明，对于多载波通信系统，采用子载波分组的功控策略时的系 统平均中断概率较使用传统的功率控制方案小；从仿真结果可以得出子载波优化 分组数目的确定方法。 在未来的移动通信系统中，为了增加热点小区的系统容量，可以采用宏小区 嵌套微小区的分层小区结构本文的另一大部分内容就是w c d m a 分层小区结 构下的系统容量分析。隋别于现有文献 3 2 】 3 3 3 5 】的分析方法，本文尝试采用数 学计算的方法，结合w c d m a 协议，对分层小区结构中的干扰和容量进行分析。， 7 f 在本文的第四章，通过合理的假设，如：理想功率控制条件下、宏小区和微 小区采用不同的衰减模型等，建立了w c d m a 分层小区结构的上、下行链路的 干扰模型，分别推导出：w c d m a 分层小区结构中，宏小区、微小区的内部干 扰和外部干扰；非理想扇区化情况下的上行链路的容量、不同功率控制精度下的 上行容量的计算解析式。，7 第六章给出了容量计算的数值结果，并对这些结果做了较为详细的分析。这 些分析揭示了w c d m a 分层小区结构中，宏小区、微小区用户数之间的制约关 第i 页 电子科技大学硕士学位论文 系，以及小区用户数与中断概率之间的联系。为优化分层小区的用户容量提供了 | 参考，? i j 、 关键词：w c d m a ，分层小区，容量无线资源管理，功率控制 第i i 页 皇王型垫丕堂堡主笙壅 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rw e s t u d ys o m e c o n t e n t so f t h er a d i or e s o u r c e sm a n a g e m e n ti naf u t u r e m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h es y s t e mc a p a c i t yu n d e rw c d m a h i e r a r c h i c a l c e l ls t r u c t u r e i nt h ef u t u r e ，m o r eu s e r s ，h i g h e rd a t a - r a t ea n dm o r em u l t i m e d i as e r v i c e sb r i n gu s c h a l l e n g e s p e o p l en e e d a ne f f i c i e n tr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n ts c h e m et oe n s u r ea n d o p t i m i z et h ep e r f o r m a n c e o f t h es y s t e m t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es u b c a r r i e rp o w e r c o n t r o ls c h e m ei nam u l t i c a r r i e rw i r e l e s ss y s t e m t h e a n a l y s i si nc h a p t e r 3a n d5s h o wt 1 1 a tt h ep o w e rc o n t r o lo fan e x t g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e mi si ng r e a td e m a n d w es h o u l ds e l e c tab e s ts c h e m e f o rt h em u l t i c a r r i e rs y s t e m i nt h i sp a p e rw e s t u d yt h ep r o b l e m o f f i n d i n ga r t _ o p t i m a ls u b c a r r i e rp o w e r c o n t r o l s t a g e f o r u p l i n kc o m m u n i c a t i o n i na no f d mb a s e dw i r e l e s ss y s t e m w ed i v i d el a r g e r p r o b l e mo f j o i n ta l l o c a t i o ni n t ot w os t e p s i nt h es e c o n ds t e p ，t h et r a n s m i tp o w e r o f e a c hs u b c a r r i e rw i l lg e ti sd e t e r m i n e db a s e do nt h es u b c a r r i e r sa v e r a g es n r h i e r a r c h i c a lm a c r o c e l l m i c r o c e l la r c h i t e c t u r e sh a v eb e e n p r o p o s e d f o rf u t u r e c e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sf o rt h eh i e r a r c h i c a lc e l l u l a r s y s t e mb e c o m e s a l li m p o r t a n ti s s u e i nt h i sp a p e r ，e x t e n d i n gt h ea n a l y t i c a lm e t h o d sf r o m 【3 2 】【3 3 【3 5 ，a s s u m i n gt h a tt h e i m p e r f e c tp o w e rc o n t r o l i s a d o p t e d ，e m p l o y i n g d i f f e r e n ta t t e n u a t i o nm o d e l sf o r m a c r o c e l l sa n dm i c r o c e l l s ，t h ec a p a c i t yp l a n ea n do u t a g e p r o b a b i l i t yo f t h es y s t e m a r e e x a m i n e da n dq u a n t i f i e d 、析t 1 1a n dw i t h o u tp e r f e c ts e c t o r i z a t i o nf r o mt h en u m e r i c a l r e s u l t so fp a r a m e t e r so f3 g p pw c d m a p r o t o c o l ，t h eh i 曲u s e rc a p a c i t ya n dl o w e r o u t a g ep r o b a b i l i t ym a y b ee x p e c t e di nt h ec a s eo f r e l a t i v e l yt i g h tp o w e rc o n t r o la n d n a r r o wo v e r l a pb e t w e e ns e c t o r s i no r d e rt od e p r e s st h em u l t i u s e ri n t e r f e r e n c ea n di n c r e a s ec a p a c i t y ，t h ef o r w a r d l i n kp o w e rc o n t r o ls t r a t e g yi sa d o p t e di nt h em a c r o c e l l m i c r o c e l lh i e r a r c h i c a lc e l l u l a r s y s t e mu s i n gc 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 ) i t se f f e c t sa r ee s t i m a t e di nt h i s 第i i i 页 皇主型垫盔堂堡主堂垡笙塞 p a p e r e s p e c i a l l y ，t h ei m p a c to f r t hd i s t a n c ep o w e rc o n t r o ll a w so nt h ef o r w a r d 1 i n k o u t a g ep r o b a b i l i t ya n dc a p a c i t y p l a n e f o rh i e r a r c h i c a lc e l l u l a r s y s t e m a r e i n v e s t i g a t e d t h ec o v e r a g ea r e au s e rc a p a c i t yo fo v e r l a i dm a c r o c e l l m i c r o c e l lc e l l u l a r s y s t e mi so b t a i n e d k e y w o r d s ：w c d m a ，h i e t a r c h i c a lc e u s t r u c t u r e ，c 印a c i t y ，r a d i o r e s o u r c e m a n a g e m e n t ，p o w e rc o n t r o l 第i v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：主塾盥 日期：2 _ o l , ；年 月，仁日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：必 导师签名： 日期：2 卯缀 电子科技大学硕士学位论文 图表目录 图1 1 中国移动用户增长示意图1 图1 2 中国的移动通信业务收入变化示意图1 5 l 2 图1 3 已有的无线通信系统方案3 图1 - 4 各种移动通信系统的传输速率与移动性能对比4 图3 一l 上行闭环功率控制原理图1 4 图3 2 带功率控制的发射机示意图1 5 图4 1 扇形小区示意图( 1 2 0 。扇区天线，重叠角为) 2 0 图4 2 分层小区结构示意图：宏小区和微小区2 1 图4 3 分层小区中的宏小区结构2 2 图4 - 4 分层小区宏小区内的卢( 口；7 ) 个微小区及其模型2 2 图4 5 正六边形小区2 3 图4 - 6 分层小区结构的外部干扰模型2 8 图4 7 宏小区层的参考宏小区用户4 2 图4 8 微小区层的微用户4 3 图5 1 上行信道的衰落幅度5 0 图6 1 不同层数的外部宏小区对参考宏小区的总的外部干扰5 2 图6 2 不同层数的外部宏小区内的所有微小区对参考宏小区的总的外部干扰5 3 图6 3 不同层数的外部宏小区对参考微小区的总的外部干扰5 3 图6 - 4 不同层数的外部宏小区对参考微小区的总的外部干扰5 4 图6 5 理想功控下，c r y , = 8d b ，巳= 1 0d b 、q ，= 4d b 时的容量5 4 图6 - 6 非理想扇区化情况下的系统容量5 5 图6 7 不同的盯，、宏小区约束下的中断概率5 5 图6 8 不同的盯、微小区约束下的中断概率5 6 图6 - 9 宏、微小区约束下的下行容量5 7 图6 1 0 宏、微小区约束下的下行容量5 8 图6 - 11 宏、微小区约束下的下行容量5 8 第i x 页 电子科技大学硕士学位论文 图附b 1 不同层数的外部宏小区内的所有微小区对参考宏小区的总的外部干扰 图附b 2 不同层数的外部微小区对参考微小区的总的外部干扰 图附b 3 理想功控下，0 5 = 8d b ，o - = 1 0d b 、吒= 4d b 时的容量 图附b 一4 非理想扇区化情况下的系统容量 图附b 一5 不同的盯、宏小区约束下的中断概率 图附b 6 不同的盯，、微小区约束下的中断概率 表1 1 新一代移动通信系统与3 g 通信系统的比较 表5 1 功控策略的仿真结果一 第x 页 铝的的加加刀 。甜 电子科技大学硕士学位论文 缩略语： 3 g 3 g p p b s c d m a d a b 3 “g e n e r a t i o n 主要符号表 3 r dg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t b a s es t a t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ( as t a n d a r d ) d v b d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ( as t a n d a r d ) e t s i f u n 瓜e g s m h c s h i p e r l a n i m t 2 0 0 0 i s d n i t u m c c d m a m s 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 s 1 1 1 s t i t u t e f u t u r e t e c h n o l o g y f o ru n i v e r s a lr a d i o e n v i r o n m e n t 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 h i e r a r c h i c a lc e l ls t r u c t u r e h i g hp e r f o r m a n c el o c a la r e an e t w o r k 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 s 2 0 0 0 ( t h e3 gi t us t a n d a r d ) i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k i n t e r n a t i o n a l t e i e c o m m u n i c a t i o n u n i o n m u l t i c a r r i e rc d m a m o b i l es t a t i o n 第x i 页 第三代( 移动通信 系统) 3 g 伙伴项目 基站 码分多址 数字音频广播 ( 一种标准) 数字视频广播 ( 一种标准) 欧洲电信标准组织 通用无线电环境 新技术 全球移动通信系统 分层小区结构 高性能局域网 国际移动通信 2 0 0 0 ( i t u 的3 g 标 准) 综合业务数字网 国际电信联合会 多载波c d m a 移动台 里王型堡丕堂堡主兰鱼堡壅 o f d m q o s r r m s l r s n r t p c u m t s u t r a n w c d m a w l a n w w r f o n h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x q u a l i t yo f s e r v i c e r a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n t s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o s i g n a lt on o i s er a t i o t r a n s m i tp o w e rc o n 打o i u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m u n i v e r s a l t e r r e s t r i a lr a d i o a c c e s s n e t w o r k w i d e b a n dc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w i r e l e s sw o r l dr e s e a r c hf o r u m 符号说明： e ：对括号内的随机变量的数学期望 第x i i 页 正交频分复用 服务质量 无线资源管理 信号干扰比 信号噪声比 发射功率控制 通用移动通信系统 通用陆地无线接入 网 宽带码分多址 无线局域网 无线世界研究论坛 第一章引言 1 1 移动通信系统的现状 第一章引言 无线通信技术是当前发展最迅猛的技术之一，各种全新的无线通信概念层出不穷、 各种新的体制及其关键技术日新月异。其中的一些重大体制变革和技术进步将成为二 十一世纪无线通信领域革命性的标志【l l 。 上个世纪9 0 年代，数字技术的成功应用极大地推动了无线通信系统的发展。相继 出现了以g s m 为典范的第二代蜂窝移动通信系统、以数字视频广播数字音频广播 ( d v b d a b ) 为代表的数字广播系统。随着光纤通信和互联网技术的发展，在有线网络 的传输速率和业务种类取得突破性进展的同时，现有的无线通信网成了高速信息传递 的“瓶颈”。为此，i t u 提出了以i m t - - 2 0 0 0 为标志的第三代移动通信系统，该系统 在近年来得到了包括我国在内的许多国家的关注，并对其进行了深入的研究【2 】。随着信 息产业部对3 g 频段的划分【3 】、t d s c d m a 的产业联盟的成立 4 】，我国的3 g 商用化进 程已经启动。 图l 一1 中国移动用户增长示意图 近年来，中国移动用户数量激增，见图1 1 。截止到2 0 0 2 年上半年，中国的移动 通信业务收入保持着高速发展，到2 0 0 2 年6 月底，业务收入达到9 2 0 6 亿元，比2 0 0 1 年同期增长2 3 9 9 ，占到整个电信业务收入的4 9 9 ，如图1 - 2 所示。中国的移动通 信继续保持为中国电信业发展的最大亮点。2 0 0 2 年上半年，移动通信业务收入超过本 第1 页 电子科技大学硕士学位论文 地电话、国内长途电话和国际电话的业务收入总和，在各种通信业务收入中占最大比 例，成为国内外各大通信企业关注的焦点引。 图1 2 中国的移动通信业务收入变化示意图” 1 2 新一代移动通信系统 1 2 1 人们对新一代移动通信系统的需求 虽然目前3 g 系统仍未进入大规模商用阶段，但人们已经看出现有的g s m 系统、 3 g 系统仍存在着较大缺陷：首先是通信体制标准的多样性，比如i m t 2 0 0 0 系统就有 多种标准，难以达到全球漫游和各个系统的无缝融合；其次是无线传输速率仍然较低， 比如3 g 系统要求在快速移动环境中，最大的数据传输速率为1 4 4k b p s ，在步行环境为 3 8 4k b p s ，在室内环境为2m b p s 【6 j ，其中4 4k b p s 的传输速率仅相当于窄带综合业务 数字网( i s d n ) 的数据传输速率，无法实现高质量的多媒体综合业务，即使在3 g 采用增 强型技术( h s d p a 等) 以后，其标称的最高传输速率也只能达到1 0m b p s 。此外，随着 互联网技术的飞速发展、数字设备的广泛使用，人们希望未来的无线接入网能够很好 地支持i p 协议、无线终端能够轻松地接入网络。 图1 3 示出了现存的g s m 系统、将要商用的3 g 系统的发展方向，以及目前这些 系统设计所能达到的最高传输速率【”。 为了适应未来的通信发展需求，一些机构、组织纷纷投入到未来无线通信系统的 研究中去。i t u 在制订i m t 2 0 0 0 标准的同时，也在致力于3 g 以后的无线通信系统的 研发；1 9 9 9 年1 2 月i t u r 成立了w p 8 f ，负责规划i m t 一2 0 0 0 以及未来的移动通信的 第2 页 第章引言 的发展 8 】；2 0 0 1 年8 月无线世界研究论坛w w r f 正式成立【9 】；欧洲电信标准组织( e t s i ) 提出了b r a n 计划、i s t 第4 小组提出未来无线系统技术；我国在“十五”8 6 3 计划中 也投入了大量的资金着手研究新一代移动通信系统。越来越多的国家、机构、组织为 了抢占未来移动通信的制高点，开始研究开发新型的移动通信系统，掀起了新的一轮 无线通信技术开发热潮。 1 0 m b p s 图卜3 已有的无线通信系统方案 从图1 - 4 可以看到，现有的无线通信系统，在高速移动环境下，无法做到数据的 高速传输。随着多媒体业务的广泛开展，人们希望能够在移动环境中享受到更高质量 的多媒体业务，未来的移动通信系统将能满足人们的需求1 0 i 。 表1 1 给出了新一代移动通信系统与3 g 系统的些主要区别。 第3 页 电子科技大学硕士学位论文 m o b i l i v y p e d e s t r a i n s t a rio r l a r y o 111 01 0 0 d a t ar a t e ( m b p s ) 图1 4 各种移动通信系统的传输速率与移动性能对比 表1 1 新一代移动通信系统与3 g 通信系统的比较 3 g ( 包括2 5 g ) 新一代移动通信系统 语音业务为主；数据业基于i p 的 主要的需求驱动 务通常是附加的 数据、语音 网络结构基于失范围的小区混合的：w l a n 移动模式下 速率3 8 4k b p s 一2m b p s 2 0 - 1 0 0 m b p s 更高的频带 工作频带 1 8 0 0 2 4 0 0 m h z ( 2 8 g h z ) 1 0 0 m h z 带宽 5 2 0 m h z ( 甚至更高) 交换方式电路交换和分组交换全数字分组交换 w c d m a ，1x r t t ， 主要的接入技术 o f d m ，m c c d m a e d g e 优化天线设计、多边带智能天线，软件多 部件设计 适配器 边带、宽带无线电 一系列的空中链路协 i p 全i p ( 1 p60 ) 议，包括i p5 0 第4 页 第一章引言 综上所述，未来的移动通信系统需要满足以下需求【7 1 ： 在第一时间获取全球性的信息：任何人在任何时间、任何地点、用任何设 备、以任何方式接入； 提供宽带的、多媒体业务； 用户能够消费得起； 提供无缝隙的服务； 提供个人化的通信服务； 保证通信的安全。 1 2 2 新一代无线通信系统的研究现状 1 2 2 1l t u - rw p 8 f 1 9 9 9 年1 2 月i t u - r 成立了w p s f 工作小组，负责i m t 一2 0 0 0 及未来的移动通信发 展规划。与负责卫星通信及以后发展的w p s d 工作小组共同完成整个i m t 一2 0 0 0 及以 后的无线通信系统的发展规划【l 】【8 1 。 w p 8 f 小组的研究内容分为两个部分 其中前一部分的内容预计在2 0 0 3 年完成 成，包括： i m t 2 0 0 0 与i m t 一2 0 0 0 以后的无线通信。 后一部分内容的研究工作预计在2 0 1 0 年完 未来无线通信的研究目标是什么? 未来无线通信的业务和应用是什么? 如何在技术、操作和频谱分配等相关问题上实现研究目标? 如何顺利地引入未来无线通信系统? 除此之外，w p 8 f 小组将着重研究以下三个问题： 1 ) 如何让移动通信技术适应广大发展中国家的要求； 2 ) 如何在移动通信系统中引入i p 技术的应用，尤其是基于i p 的话音业务 r v o l p ) ； 3 ) 研究自适应天线，以降低移动通信系统中的干扰。 1 2 2 2e t s l b r a n 计划 e t s ib r a n 小组成立于1 9 9 7 年4 月，主要负责宽带无线局域网和固定无线接入 的研究1 1 l ，要求支持高速率、高质量的非对称数据传输，同时支持i s d n 和低速率业 务，实现全球移动多媒体的目标。 第5 页 电子科技大学硕士学位论文 b r a n 计划的研究内容不包括核心网络部分，但要求与u m t s 的核心网发展方向 一致，其研究的主要内容包括以下三个部分： 1 1 h i p e r l a n 2 ：适用于室内的高速短距离通信，数据速率为3 6 5 4m b p s ，工 作频段为5 g h z ； 2 1 h i p e r a c c e s s ：适用于大范围内的点对点通信，速率商达1 5 5m b p s ； 3 1 k l i p e r l i n k ：适用于介于h i p e r l a n 2 和h i p e r a c c e s s 之间的点对多点或 者点对点通信，工作频段在1 7g h z 。 上述三个内容中，h i p e r l a n 2 部分的内容研究得最为深入，目前已经初步完成协 议栈的定义。 h i p e r l a n 2 的物理层采用正交频分多路复用( o f d m ) 调制，子载波数为5 2 个，其 中4 8 个用于传送数据，其余的传送导频。子载波调制方式有3 种，6 4 q a m 为可选方 式之一，数据速率6 ，9 ，1 2 ，1 8 ，2 7 ，3 6 ，5 4m b p s 。空中接口采用动态时分多址时 分双 2 ( t d m a t d d ) 方式，帧长2 0m s ，采用a t m 格式。 h i p e r l a n 2 支持两种工作模式：集中式和直连式。集中式用于蜂窝结构的网络中， 即个小区只有一个接入点，移动台与其他节点或网络进行通信都需要经过接入点的 处理。直连式用于特殊( 如a dh o e ) n 络的拓扑结构中，任何两个移动台都可以相互通 信，不需要公共的接入点服务。直连式主要用于家庭内部的通信。 1 2 2 3 i s t | ( a 4 计划 i s t 是欧洲委员会( e c ) 于1 9 9 9 年成立的一个组织，全面负责信息技术的发展。i s t 第4 r ( i s tk a 4 ) 主要负责移动卫星和个人通信的研究【l 】 1 2 】，目标是实现任何人能在任 何时间、地点进行高速的无线多媒体通信。k a 4 又分4 9 个项目组，每个项目组各有一 个明确的研究目标，如a d a m a s 项目组研究自适应多载波接入系统。在这些项目组 的基础上又设立了5 个课题，每个课题由一个或多个项目组协调完成。这5 个课题分 别是未来无线通信、智能天线、软件无线电、卫星通信和定位业务。 1 2 2 4n t td o c o m o 计划 日本的n t td o c o m o 公司在发展3 g 的同时也在致力于新一代移动通信系统的研 发13 1 。 在概念上，日本提出：新系统应当具有高速的数据传输，特别是下行链路的速率 应当大于2 0m b i t s ；应当能够实时地传送活动图像；应当是一个全i p 的网络。 从研究内容上来看，d o c o m o 公司主要研究智能天线、干扰抵消和软件无线电技 术【l ，这些都属于物理层的范畴。也就是说，d o c o m o 公司认为未来移动通信的关键 第6 贞 第一章引言 技术集中在无线传输上，因此它所设计的新一代系统的蓝图是多种小区并存、基站通 过智能天线保持对移动台的跟踪，而移动台通过下载来更新通信方式，从而实现全球 无缝漫游。 最近有报道称n t td o c o m o 公司已经完成了新一代移动通信系统的传输试验，上 传及下传速率分别达到2 0m b p s 和1 0 0m b p s ，并已委任手机生产商生产具备新一代移 动通信系统功能的手机 1 4 】。 1 2 2 58 6 3f u t u r e 计划 f u t u r e ( f u t u r e t e c h n o l o g y f o r u n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 计划是我国“十五” 8 6 3 计划通信技术主题中的个人通信分项研究计划，其总体目标是：研究通用无线电环 境的关键技术，重点突破和掌握宽带个人通信、无线互联网和高空通信平台的核心技 术，最终建立一个集区位通信( 包括w l a n k h a n w a n k p a n ) 、新一代蜂窝移动通信 和高空通信平台为一体的通用无线电环境；支持人机互动、机器与机器互动、自动、 自治等面向未来的多媒体新业务；在蜂窝移动、区位通信和高空通信环境下的传输速 率分别达到或超过2 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 和1 g b p s 【1 5 】。f u t u r e 计划的第一批子课题包括 1 15 1 ： 1 ) 新一代蜂窝移动通信系统无线传输链路技术研究； 2 ) 多天线与分布式无线通信技术研究； 3 ) 无线移动自组织互联网技术及实验系统研制； 4 ) 无线通信共性技术与创新技术研究。 其中子课题1 ) 的研究内容及主要指标如下： 研究基于o f d m 、多载波或其它面向新一代蜂窝移动通信系统的无线传输链路技 术，使信息峰值传输速率达2 0 m b p s ；其无线空中接口技术支持在高速分组传输条件下 多个移动终端的无线资源共享，支持大速率变化范围( 8 k b p s 2 0 m b p s ) 和不同q o s 要求，系统容量为3 g 系统的3 5 倍；重点解决时间与频率的同步、抗多径干扰与多 普勒频偏、导频插入与信道估计、多用户联合检测、高效分组数据传输和无线资源管 理等问题；实现验证关键技术的实验验证系统，提供相关专利和技术规范 1 5 】。 1 3 小结 目前国内外对未来无线通信系统的研究正在如火如荼地展开，我们需要总结已有 的经验，利用现有的技术积累，达成我们的目标： 第7 页 电子科技大学硕士学位论文 研制符合中国未来市场需求、具有开放性、通用性和可实现性的新一代移 动通信系统； 通过自主研发拥有一批核心专利技术，具有创新性和知识产权： 提出符合国家利益的体制标准建议，同时要与国际接轨；要迎合未来网络 和通信发展的潮流。 第8 页 第二章新一代移动通信系统的无线资源管理 2 1 概述 第二章新一代移动通信系统的无线资源管理 在3 g p pu t r a n 中的无线资源主要是指构成u t r a n 的无线接口的资源，包括： 频率、扰码、扩频因子、公共和专用信道的功率等u 7 1 。 3 g p pu t r a n 系统中，无线资源管理主要是负责对无线通信资源的分配和维护， 包括：无线资源的配置和营运、无线环境的勘查、连接的建立与释放、r f 功率控制、 初始( 随机) 接入的检测与处理等【l ”。 3 g 中的无线资源管理的概念和功能，仍将延伸到新一代移动通信系统。新型业务、 空中接口技术的出现，给未来的无线资源管理带来了许多新的研究方向。 2 2 新一代移动通信系统中的无线资源管理 自从数字移动通信网以前所未有的穿透力进入移动通信市场以来，人们对无线个 人通信的需求与日俱增，这也正是目前无线通信成为工业界的热点和焦点的源动力之 一。互联网的广泛使用，也极大地刺激了无线用户对高速数据传输的要求。可以预见， 无线高速多媒体的时代即将来临。 在展望无线网络发展的美好前景的同时，我们也必须意识到庞大的用户群、大量 高速的数据传输以及多业务种类并存将给未来无线通信网络带来的巨大挑战。在迈向 下一个移动通信时代的时候，我们不仅需要一流的设备，还需要一流的无线资源管理 技术。 第二代移动通信系统的设计主要是针对电路交换和低速数据业务的。从第三代开 始，在移动通信系统的设计中引入了新的业务种类、支持分组交换和较高速的数据传 输业务，其中一些非常重要的新话务特性给无线资源管理带来新的思路 n 1 18 1 ，这也将 是未来移动通信系统设计时需要面临的问题。 1 大的频带宽度 在第三代移动通信系统中，较高的数据率将是最主要的特性之一。如e d g e 支持 的室外业务速率可达3 8 4 k b p s 【6 j ，w c d m a 为2 m b p s ，它们均在个人通信网络的范围内， 其特点是覆盖范围较大、中高速率。随着移动用户对无线多媒体业务的需求，目前第 三代的峰值数据速率仍有待提高。 另一种无线系统是无线局域网( w l a n ) ，其速率为1 0 m b p s ，最高可达1 5 5 m b p s ， 第9 页 电子科技大学硕士学位论文 但是这一类系统目前仅限于室内或有限的室外应用空间 1 。 在我们提出的新一代移动通信系统中，数据传输速率将达到2 0 m b p s ，甚至更高。 要实现这么高速率的数据传输，需要更大的频率带宽。由于功耗与所占用带宽成正比， 终端设备和基站的耗电问题将限制网络的覆盖范围：虽然增加基站的数量可以扩大覆 盖范围，但是这样将增加整个系统的投资成本。就无线资源管理而言，更大的频率带 宽并未带来多大的变化，可以使用一些灵活多变的方法来实现，比如：远离基站的用 户采用分集接收技术( 宏分集、微分集技术) 、变换编码或调制方式等。 2 非持续性数字话务 3 g p p 工作组最近提出了“全i p 移动骨干网( a l l i pm o b i l eb a c k b o n en e t w o r k ) ” 的构想，使得3 g 的移动通信网能够更有效地传输非连续性话务。在未来的移动通信系 统中，也将支持分组业务。由第二代的基于电路交换的连续性话务转变为基于分组交 换的非连续性话务，这一转变赋予了无线资源管理更多的使命，也对无线资源管理提 出了不同以往的要求。新一代移动通信系统中的无线资源管理将面临以下新问题 m i ： l 、时延要求 非连续性话务与连续性话务相比，给无线资源管理带来了更多的灵活性。一方面， 分组交换的特性使得无线频谱利用率的提高更容易实现，比如：信道分配的自由空间 更大。另一方面，由于每个数据包的长度有限，使得无线资源管理没有足够的时间传 送信道质量信息。从这一角度来看，随机信道分配和解决分组碰撞( p a c k e t sc o n f l i c t r e s o l v i n g ) 的方法将成为关键技术。 此外，不同类型业务的服务质量要求也提出了时延限制。 2 ) 非有效信息 在电路交换中，需要保持链路的持续通信，信道质量的估计很重要。但在分组交 换中，无法预测每个数据包的发出时间、长度，这时，信道质量的预测难以帮助提高 信息传输量。尤其是在做信道分配、功率控制和越区切换时，系统性能将会受到较大 的影响。 3 ) 混合型话务 未来的移动通信系统将是一个无线多媒体系统，系统的峰值数据速率与时延的制 约关系将成为关键问题之一。不同类型的话务有不同的峰值数据速率以及相应的最大 时延的要求。如，语音用户要求时延较小、实时性好、数据传输量较小；而无线视频 用户则要求时延较小、高峰值传输速率。 在未来无线通信用户群中，预计无线互联网的用户将会占相当比例，其中无线视 第1 0 页 第二章新一代移动通信系统的无线资源管理 频用户对峰值数据速率以及最大时延的要求较苛刻，而电子邮件和文件传输的用户对 峰值数据速率及最大时延的要求则相对宽松些。 不同服务类型的用户提出不同的服务质量要求，尤其是在下行链路方向上，如果 能够采用多种业务动态信道分配合下行复用技术( d o w n l i n km u l t i p l e x i n g ) ，系统容量将会 显著提耐”。目前普遍看好的方向是动态信道分配和功率控制、自适应调制的混合使用。 2 3 小结 如何利用有限的资源和合理的设备配置提供最大的系统容量或数据吞吐量、满足 用户的不同服务质量要求，这仍将是新一代移动通信系统设计中的一个热点课题。 第1 1 页 电子科技大学硕士学位论文 第三章新一代移动通信系统中的功率控制技术研究 3 1 功率控制技术在c d m a 系统中的作用 c d m a 技术能够用于商用无线通信的一个主要原因在于它能够提供更大的系统容 量。在第一、第二代移动通信系统中的f d m a 、t d m a 系统容量是受带宽限制的，而 c d m a 系统容量是干扰受限的，如果能够减小系统内的干扰，可以增加c d m a 系统的 通信容量【1 9 】【2 0 j 。 在c d m a 移动通信系统中，由于频率复用，会形成蜂窝小区之间的干扰：位于小 区边界处的移动台将收到来自相邻小区的干扰，这种现象被成为“边缘效应”；同时， 由于无线信道的衰落、路径损耗，基站接收到来自不同方向、不同距离的移动台发出 的信号也有所不同。如果小区内所有用户的发射功率相同，那么基站接收到距离较近 的用户发来的信号较强，这样会对小区边缘用户发来的信号造成干扰，使得小区边缘 用户的通信性能下降，甚至无法正常工作，这就是“远近效应”1 2 j 一【2 3 】。 c d m a 系统中引入了功率控制技术，对处于较差的无线环境中的用户适当提高其 发射功率，可保证该用户与基站通信的连续性；对处于较好的无线环境中的用户，适 当减小其发射功率，可以减小对其他用户的干扰并延长移动台的工作时间；同时根据 不同需要来控制基站发射功率、改变基站覆盖区域的大小，使系统能够在不同时刻、 不同地区提供不同的服务，达到充分利用整个系统容量的目的【2 ”。 在c d m a 移动通信系统中，功率控制技术是克服“边缘效应”和“远近效应”、 减小干扰进而提高系统容量的有效方法之一。 3 2 新一代通信系统中的功率控制技术 在新一代移动通信系统中，用户的数据传输速率最高可达2 0 m b p s ，甚至更高，因 此对设备功耗的要求也相应地提高了。为了使移动台的工作时间更长，需要在满足 定的性能要求的前提下，尽可能地降低移动台的发射功率；对基站而言，尽管可以采 用市电对设备进行供电，设备的功耗问题相对移动台较易解决，但仍需对不同服务类 型的用户、或者对不同传输性能的子载波进行合理的功率分配，以达到资源的优化配 置。 现有的研究表明，未来的移动通信系统仍采用c d m a 技术。为了克服“远近效应”、 “边缘效应”，需要严格控制基站、移动台的发射功率，这样可以增加系统容量、提 高频谱利用率。因此上、下行链路都采取功率控制是很有必要的。 第1 2 页 第三章新一代移动通信系统中的功率控制技术研究 鉴于移动台和基站对功耗的要求不同，上、下行链路的功率控制的目的也有所不 同： 上行链路功率控制的目的 在满足一定的性能要求( 如：信干比) 的前提下，尽可能地降低移动 终端的发射功率，从而减小对其他用户造成的干扰、延长移动终端的工作 时间。 下行链路功率控制的目的