（通信与信息系统专业论文）基于sir预测的闭环功率控制新算法研究.pdf

中文摘要 本文提出了基于信干比( s i r ) 估计的新算法，该算法采用一个简单的二 次方程，来控制多径环境一f f c d m a 移动通信系统的移动电话的发射功率。采用了 i 科z 不同的方法预测信道的功率增益。其中第三种方法，可以更精确地预测信 道的功率增益。我们建立了用于功率增益预测的预测器模型。这一预测器模型 以最优线性滤波器为基础，我们将w i e n e r 滤波器原理应用于建模和设计预测器模 型过程中，在本文中，将详细的研究w i e n e r 滤波器原理。与传统功率控制算法 相比，使用最优预测方法的新算法实现，系统的中断概率更低。 本文所完成的计算机仿真程序是在m a t l a b6 环境下开发的，我们主要使 用为设计功率控制系统和程序编程各种参数的m a t l a bs i m u l i n k 功能，同时也将 w i e n e r 滤波器设计为预测器，此功能是有效的，而且是方便的。通过大量的实 例进行验证后，可以证明该软件能够i i i 确运行，而且界面友好，使用方便。 通过在不同的条件下进行了大量的计算机仿真工作，木文得到了这些条件 下系统的性能曲线。这些结论不仅具有一定的理论意义，并且在实际应用中也 有一定的参考价值。仿真结果的分析证明了基于s i r 预测闭环功率控制算法能 够有效地对w c d m a 系统进行功率控制，并且能够提高系统容量，具有较高的实 用价值和广阔的应用前景。 关键词：宽带码分多址( w c d m a ) 功率控制 信干比( s i r ) w i e n e r 滤波器 a b s t r a c t an o v e la l g o r i t h mb a s e do ns i g n a l t o i n t e r f e r e n c ep o w e rr a t i o ( s i r ) e s t i m a t i o nh a s b e e np r o p o s e dt oc o n t r o lt h ep o w e rt r a n s m i s s i o no fm o b i l e si nac o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ( c d m a ) m o b i l er a d i os y s t e mu n d e rm u l t i p a t he n v i r o n m e n ta s i m p l es e c o n d - o r d e re q u a t i o nh a sb e e nu s e dt h r e ed i f f e r e n tm e t h o d sa r eu s e dt o p r e d i c tt h ep o w e r g a i no ft h ec h a n n e l s t h et h i r dm e t h o di n t r o d u c e sm o r ea c c u r a t ep r e d i c t i o no fp o w e r g a i no f t h ec h a n n e l s w eh a v eu s e dp r e d i c t o rm o d e lf o rp o w e rg a i np r e d i c t i o n t h i sp r e d i c t o rm o d e li sb a s e do no p t i m u ml i n e a rf i l t e r w eu s et h ew i e n e rf i l t e r t h e o r y i n m o d e l i n ga n dd e s i g n i n gt h ep r e d i c t o r m o d e l t h ew i e n e rf i l t e r t h e o r yh a sb e e n s t u d i e di nd e t a i li nt h i sp a p e rt h en o v e la l g o r i t h mw i t ht h eb e s tp r e d i c t i o nm e t h o dh a s b e e no b s e r v e dt o a c c o m p l i s h al o w e ro u t a g e p r o b a b i l i t y w h e nc o m p a r e dw i t ht h e c o n v e n t i o n a lp o w e r - c o n t r o la l g o r i t h mw i t ho p t i m u m p o w e r c o n t r o lt h r e s h o l d i nt h i s p a p e r ，t h e s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，w h i c hi s d e v e l o p e d u n d e rm a t l a b6 h a sb e e ni n t r o d u c e d ，w em a i n l yu s em a t l a bs i m u l i n kf u n c t i o nf o r d e s i g n i n g p o w e rc o n t r o ls y s t e ma n dp r o g r a m m i n gv a r i o u sp a r a m e t e r s ，w e a l s ou s ei tf o r d e s i g n i n gt h e w i e n e rf i l t e ra sap r e d i c t o r ，w h i c ht u r n so u tt ob ee f f i c i e n ta n d c o n v e n i e n ta f t e rv e r i f i c a t i o no fal o to fs i m u l a t i o nr u n s i th a sb e e np r o v e dt h a t t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ec a nr u np r o p e r l ya n dh a sf r i e n d l yi n t e r f a c e s i nt h e p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，t h ep o w e rc o n t r o l e v e n t sa r em o d e l e du n d e r v a r i o u sc o n d i t i o n s ，a n ds y s t e mc a p a b i l i t y i so b t a i n e dt h e s ec o n c l u s i o n sn o to n l y a r eb e n e f i c i a lt ot h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，b u ta l s oc a nb er e f e r r e di nt h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s t h e s i m u l a t i o nh a sv e r i f i e dt h a tt h es i r b a s e dp r e d i c t i v ec l o s e d l o o pp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m i se f f i c i e n tt ot h e c a p a c i t y o fw c d m a s y s t e m s k e y w o r d s ： w i d eb a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( w c d m a ) i o w e rc o n t r o l s i g n a l t o i n t e r f e r e n c ep o w e rr a t i o ( s i r ) w i e n e rf i l i e r 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：】：作剁取褂的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发农 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他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。 学位论文作者签名：约茸铜 签字日期：2 0 0 2 年6 月2 7 h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤生盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：德趴、 导师签名 蓦二致 气 j 签字日期：? o o z6 月2 7 f = f 签字日期山，1 ，年月2 ，7 | _ _ f 天津大学硕士研究生毕业论文第一章结隆 第一章绪论 1 1 移动通信的发展 移动通信是指通信双方或至少一方在运动状态中进行信息传递的通信方式。 移动通信不受时间和空间的限制，交流信息机动灵活、迅速可靠。它被认为是实 现通信理想目标的重要手段，是信息产业的重要物理基础。由于移动通信适应信 息基础设施发展的要求，因而具有广阔的发展前景。 近年来，移动通信的发展非常迅速。第一代移动通信系统开始在网络上使用 蜂窝小区的概念，多址方式为频分多址( f d m a ) ，双工方式为频分双工( f d d ) ，直 接使用模拟信号进行模拟调制等。蜂窝组网的目的是解决移动通信系统频谱匮乏、 容量小、服务质量差及频谱利用率低等问题。蜂窝移动通信的问世，为移动通信 技术的发展和新一代多功能设备的产生奠定了基础。但模拟系统存在以下弊端： ( 1 ) 频带利用率低，使有限的频率资源与无限的用户容量之m 的矛盾难以解决： ( 2 ) 无法承担非话音业务和数字业务，难以与i s d n 直接连接： ( 3 ) 存在保密性差、成本高等不可避免的缺点。 随着业务的发展，模拟技术已不能满足发展的需要了。 从8 0 年代开始，整个通信网的数字化过程日益加快，程控交换、数字传输等 技术的成熟，更推动了移动通信数字化的进程。规模集成电路技术、低速语音编 码技术的发展，使第二代移动通信技术f i 趋成熟。它主要采用窄带数字技术，其 多址技术也从模拟的频分多址方式转化为数字的时分多址方式和码分多址方式。 数字移动通信系统与模拟移动通信系统比较，其优点是：数字系统具有容量大、 频谱效率高、通信质量好、业务种类多、保密性高、抗灾性能强、终端设备小巧 轻便、成本低等优点，并适宜与i s d n 、p s i n 和p d n 等网络接口。因此，移动通 信系统的数字化是未来移动通信发展的必然趋势。第二二代移动通信系统以欧洲的 o s m 系统标准、北美的i s 5 4 d a m p s 和i s 9 5 c d m a 数字移动通信标准及同本的 数字蜂窝移动通信p d c 标准为代表。上述系统使用t d m a f d m a j c d m a 多址方 式，q p s k 等数字调制方式和语音压缩编码等技术数字信令系统和网络拓扑更加 天津大学硕士研究生毕业论文第一章纯沦 完善，频谱利用率较之模拟系统大大提高，设备价格降低，网络容量增大，并具 备了与i s d n 互接f 互通) 的能力。 但是，随着社会信息化进程的加快，仅仅通话己不能满足人们对信息交流的 需要，除话音外，数据、图形、图像等各种信息都希望能随时获取和彼此相通， 多媒体服务就变得越来越有必要，而第二代移动通信系统通常只提供低速率的语 音服务。且第二代移动通信系统标准是各国在移动通信发展中根据自身的技术发 展情况和利益制定的，一般为区域或国家标准，种类众多，不可能实现全球各国 家间的无缝漫游。为满足2 1 世纪人们对通信的需求，人们开始研究第三代移动通 信系统。 第三代移动通信系统是指能够满足i t ui m t 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a l m o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 ) 系统要求的新一代移动通信系统。i m t 2 0 0 0 是为满足无线 个人通信近期目标，即通过体积小重量轻可装在衬衣口袋里的个人通信器，来提 供速率可达2 m b i t s 的多媒体业务的无线个人通信系统，而进行设计的包括地面和 卫星移动的综合移动通信系统。它取意于工作在2 0 0 0 m h z 频段，在2 0 0 0 年左右 商用的全球移动通信系统。i m t 一2 0 0 0 的目标是全球统频段，统一标准，全球无 缝覆盖；实现高服务质量，高保密性能，高频谱效率：提供多媒体业务，实现车 速环境1 4 4 k b i u s 速率，步行环境3 8 4 k b i u s 速率，室内环境2 m b i t s 速率的无线多 媒体通信。 第三代移动通信区别于现有的第一代和第二代移动通信系统的主要特点概括 为： 1 第三代移动通信是一个在全球范围内覆盖和使用的系统，可实现全球普及和 全球无缝漫游。 2 具有支持多媒体业务的能力。现有的移动通信系统主要以提供语音业务为 主随着发展一般也仅能提供1 0 0 k b s 2 0 0 k b s 的数据业务，g s m 演进到最 高阶段的速率能力为3 8 4 k b s ，而第三代移动通信的业务能力将比第二代有 明显的改进，它应能支持话音分组数据及多媒体业务；应能根据需要，提 供所需带宽。 3 移动业务与i p 业务的融合。随着因特网的发展，尤其是无线应用协议( w a p ) 天津人学颁：i 二研究生毕业论义 第章绪沦 的问世，在手机上实现各种i p 应用，支持i n t e r n e t 业务的能力及移动i p 技术成为第三代移动通信的要点之一。 4 高频谱效率 5 高服务质量 6 _ f 氐成本 7 高保密性 各国和备大厂家根据各自利益，纷纷组成不同的利益集团，提出不同的技术 标准。截止到1 9 9 8 年6 月3 0 同，提交到i t u 的地面第三代移动通信无线传输技 术( r 阡) 共有1 0 种，见表1 1 。其中f d d 方式8 种，t d d 方式5 种。从十种候选 技术看，有8 种为c d m a 技术，也就是说宽带c d m a 技术是第三代移动通信的 主要技术。其中欧洲提出的w c d m a 、北美提出的基于窄带i s 9 5 c d m a 技术的 c d m a 2 0 0 0 将是第三代移动通信系统的主要技术。 表1 1 十种i m t 2 0 0 0 地面无线传输技术提案 序号提交技术双工方式应用环境提交者 1w c d m af d d 、f d d所有环境日本：a r i b 2e t i s i u t r a u m t sf d d 、t d d所有环境欧洲：e t s i 3w l m sw - c d m af d d所有环境美国：t i a 4w c d m a n af d d 、t d d所有环境美国：t i p i 5g i o b a lc d m al if d d 所有环境 韩国：t 7 r a 6t d s c d m at d d所有环境中国：c a t t 7c d m a 2 0 0 0f d d 所有环境美国：1 n i a 80 l o b a lc d m alf d d所有环境韩国：t 1 a 9u w c 1 3 6f d d 所有环境美国：t i a 1 0e p d e c tt d d室内、室欧洲：e t s i 外到室内d e c t 计划 尽管以欧美为代表的两种发展路线直接影响着第三代移动通信标准的走向及 标准的融合，除了纯技术的考虑外，许多与市场和商业有关的因素也将影响标准 的最终确定，但是在任何地方以任何方式进行通信是人类的理想，将各种移动通 天津大学硕十研究生毕业论文 第一章绪论 信系统结合在一起，把移动网与固定网互连互通，把无线接入和有线接入结合在 一起，使快速移动通信和慢速移动相结合，将国内网与国际网结合互通，建立多 功能的全球个人通信网，必将成为2 l 世纪通信技术的发展目标。 1 2 本文研究的重点 本文主要研究宽带c d m a 系统中反向预测功率控制算法。 论文的结构如下： 第一章绪论，主要介绍移动通信的发展。 第二章w c d m a 移动通信系统技术，简要介绍w c d m a 系统结构，作为后文 相关内容的理论基础。 第三章主要包括多径传播对功率控制影响，w c d m a 系统中功率控制技术介 绍，功率分配算法介绍和功率控制算法。 第四章重点研究基于s i r 预测功率控制算法和预测器应用于功率控制。 第五章s i r 预测功率控制的计算机仿真，进行仿真结果分析，给出算法的仿真 结论和结束语。 参考文献。 发表论文 致谢 由于本人水平有限，论文中的错误和不足之处，望各位老师批评指正。 4 天津人。￥顺研究牛毕业沦文筇tw c d m a 系统x 诳 t 求介 第二章w c d m a 系统关键技术介绍 w c d m a 是第三代系统标准提案中得到支持最多的技术体制。在欧洲，爱立信 公司最先对w c d m a 技术进行研究，后来在f r a m e 计划中继续研究开发。同本 则是将d o c o m o 公司的w c d m a 综合f d d t d d 方式作为日本的方案。这两家公 司将各自的w c d m a 技术进融合，上行参照n t td o c o m o 的多一些，下行参照爱 立信的多些。 2 1 f f c d n a 的技术特点 w c d m a 的技术特点有： 1 、可适应多种速率的传输，灵活地提供多种业务，支持高数据率传输( 3 8 4 k b p s 广 域覆盖，2 m b p s 本地覆盖) 2 、b t s 之间无需同步 3 、优化的分组数据传输方式 4 、支持h c s ( 分层小区结构1 频率切换和对其它系统的切换，包括对g s m 的切换 5 、上，下行快速功率控制 6 、反向采用导频辅助的相干检测 7 、支持f d d 和t d d 8 、支持未来容量覆盖增强技术：自适应天线、先进的接收机结构、发送机分集 表2 - 1w c d m a r t t 基本技术参数 多址方案 d s c d m a 双工方式 f d d t d d 码片速率 3 ，8 4 m c p s ( 7 6 8 m c p s ，15 3 6 m c p s ) 载波宽带 5 o m h z 帧长1 0 m s b t s 间同步f d d 模式：无需要准确同步 t d d 模式； 需要帧同步 多速率可变速率方案可变扩频因子 信道编码方案 卷积编码( 1 2 ，1 3 ) ，t u r b o 码，不编码 分组接入 双模( 公共和专用信道) 2 2f f o d b l a 系统结构 天津大学硕七研究生毕业论文第二章w c d m a 系统关键技术介纠 w c d m a 系统的结构如图2 1 所示，u e 表示移动终端，u t r a n 表示无线接 入网，c n 是核心网。下面详细描述系统的结构和各接口的作用： 士j j u 一工l w 一、 l 亟 恼 互 i i 一一l i e 一! r n s ：尤线网络了系统 图2 - 1w c d m a 系统的结构 u e 是u s e r e q u i p m e n t 缩写，表示移动台，下文将移动台通称为u e ，u e 包括 u s i m 和m e 两部分。u s i m ( u f n i v e r s a ls u b s c r i b e r i d e n t i t y m o d u l e 通用用户识别卡) ， 即我们通常所说的s i m 卡，它属于u e 的非接入层( n a s 层) ；m e ( m o b i l ee q u i p m e n t ) 移动设备，属于接入层，是u e 关键的解调和发射部分，接入层与非接入层之间的 接口是c u 接口，属于u e 内部的接口。接入层通过空中接n ( u u ) 与u t r a n 端的 基站( 以下通称为n o d eb ) 建立无线连接。 u t r a n 是u n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k 的缩写，由n o d eb 和 r n c ( 无线网络控制器) 组成。n o d eb 通过空中接h ( u u 接口) 与u e 进行数据交互， n o d eb 与r n c 之间通过i u b 接1 5 相连，一个r n c 控制几个n o d eb ，r n c 与它所 控制的n o d eb 组成一个无线网络子系统r n s ( r a d i on e t w o r ks u b s y s t e m ) 。r n c 之 间通过i u r 接口相连，正是因为有i u r 接1 2 ：1 的存在，才能在不同的r n c 控制的小区 之间发生软切换。u t r a n 通过i u 接口与核心网相连。 u t r a n 通过i u 接口与核心网相连。核心网的结构与其它系统下基本相同， 天津人学硕十研究生毕业论文第二章w c d m a 系统关键技术介荆 包括本地用户数据存贮器h l r ， m s c n l r ( 移动业务交换中心访问寄存器) ，移 动业务交换中心网关g m s c ( 主要支持电路域交换) ，支持公共分组业务的s g s n ， 支持分组业务的网关g g s n ( 支持分组域的交换) 。无线业务通过核心网c n 与外部 网相连。 在w c d m a 系统中有5 个接口，c u 接口、u u 接口、i u b 接口、l u r 接口、i u 接口、通过这五个接口将u e 和u t r a n 之间、u t r a n 与c n 之间连接起来，其 中u u 接口是u e 和n o d e b 之间的空中无线接口，其余的接口都是有线连接的。 2 3w c d m a 系统的组网和分层结构 图2 2 为w c d m a 系统的整体组网结构图： 图中，u e 表示终端，n o d eb 表示基站，r n c 为基站控制器，3 gm s c 为3 g 移 动交换中心，主要用于实现电路交换传输，3 gs g s n 的功能和3 gm s c 类似，但 是主要用于支持分组业务，r n c 之间以及r n c 和3 gs g s n 和3 gm s c 之间的有 线连接是通过a t m 实现的。 图2 2w c d m a 系统的组网结构 w c d m a 分层结构包括3 层：l i ( 物n n ) ，l 2 ( n 线链路控制层r l c ) ，l 3 ( 无线 资源控制层r r c ) ，具体的分层结构示意图如图2 - 3 所示： 天津人学硕十研究生毕业论文 第二章w c d m a 系统关键技术介 f 控制面信令( c p l a n e )用户面信息( u p l 叽e ) c o n t r o l r r c -。_-_。 c ol t r o ic o n t 0 l p d c p ，r l cc ol i f o l b m c 眦甩c 2 m a cm a c c o n l1 l p h y r r c ：无线资源控制 r l c ：无线链路控制 无线承载 逻辑信道 传输信道 物理信道 p d c p ：分组转发协议b m c ：广播多点传送控制掷议 m a c ：媒体接入控制p h y ：物理层 图2 3w c d m a 分层结构示意图 物理层：p h y s i e a ll a y e r 称为l 1 层，由一系列的下行物理信道和上行物理信道 组成。 上行物理信道包含： r a c h 信道上行随机接入信道，发起呼叫和随机接入请求。 d p d c h 和d p c c h 信道专用物理数据信道和专用物理控制信道，d p d c h 和d p c c h 进行i q 复用。 下行物理信道包含： c p i c h 信道公共导频信道，根据c p i c h 信道可以唯一的识别一个小区。 s c h 信道同步信道，根据s c h 信道得到小区的同步信息，同步信道分为主 同步信道( p s c h 信道) 和辅同步信道( s s c h 信道) 。 c c p c h 信道公共控制物理信道，分为主公共控制物理信道p c c p c h 和辅公 天津人学硕士研究生毕业论文 第二章w c d m a 系统关键技术介纠 共控制物理信道sc c p c h 。 d p c h 信道专用物理信道，包括d p d c h ( 专用物理数据信道) 和d p c c h ( 专用 控制信道1 ，下行d p d c h 和d p c c h 是时分复用，传输数据和控制信息。 从传输信道映射来的数据经过扩频、加扰等一些列过程分配到不同的物理信 道，然后通过天线接收或发射数据。 物理层是o s i 七层协议中最低的一层，其主要作用是负责用户设备和网络设备 之间物理的和电气的接口。它为链路层提供在两个通信系统之间发射系列位流的 途径。在w c d m a 系统中，物理层的主要作用是为在终端和网络之间建立链接提 供一个无线链路，如图2 - 4 所示： 由图2 - 4 可见，物理层主要位于u e 和n o d eb 处，主要负责为数据流的传输提 供一个无线链路( u u 接口) 。 u e ( 终端) u u 接口 高层 网鳖塑 n o d e b ( 基站)r n c 及c n 图2 - 4 上行链路中数据流通过物理层传输的示意图 数据链路层：d a t al i z l l ( l a y e r 称为l 2 层，在w c d m a 中l 2 层被分为多个子层t 在控制面l 2 包含两个子层，媒体接入控制层m a c ，无线链路控制r l c ；在用户 面上，在r l c 和m a c 的基础上，还包括分组转发协议p d c p 和广播多点传送协 议b m c 。对于控制面，主要用于信令业务的传送，用户面主要用于业务( 包括各种 话音，多媒体业务) 的传送。无论是在控制面还是用户面，r l c 将高层的数据映射 到逻辑信道中，然后通过m a c 层映射到传输信道，最后传输信道再经过复杂的编 码、交织、速率匹配等过程把变速率的实时和非实时的业务，复用到同样的一个 物理信道k 。 天津火学硕+ 研究生毕、l p 论文第章w c d m a 系统关键技术介纠 无线资源控制层：r a d i or e s o u r c ec o n t r o l 称为r r c 层，它属于控制面上的内 容，u e 和网络之间的信令都是由r r c 处理的消息，r r c 消息传递l 1 层、l 2 层 实体的建立、修改和释放的所有参数，传递所有的高层信令。u e 在连接态的各种 移动性如测量、切换和小区更新等都由r r c 消息来控制。1 2 层和l 1 层都是由r r c 的消息来控制。 2 4w c d m a 的关键技术 2 4 1 功率控制 在w c d m a 系统中，功率控制被认为是所有关键技术的核心。如果小区中的所 有用户均以相同功率发射信号，则靠近基站的移动台到达基站的信号强，导致强 信号掩盖远区到达的弱信号，这种远近效应对w c d m a 系统是不能接受的，因为 w c d m a 系统的所有用户共用同一频率形成自干扰，无法保证高质量通信。功率 控制技术就是要使所有用户到达基站的信号强度相等。根据主从关系功率控制可 分为f 向功率控制和反向功率控制，而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。 2 4 2 地址码的选择 w c d m a 是一个白干扰系统，区别用户的是每一个用户的地址码，因而地址 码选择直接影n l a 3 至0w c d m a 系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等性能。 根据扩频通信的基本原理，所选择的地址码系列应能提供足够的相关特性函数尖 锐的码系列，保证信号经过地址码解扩后具有较高的信噪比。下面介绍w c d m a 系统两种常用的地址码。 伪随机序y u ( p n 码) ：伪随机序列是近似随机信号，但又具有规律性的周期性 二进制序列。在伪随机序列中，i n 序列是最重要的一种，它是r 级最长线性反馈移 位寄存器的输出序列，其周期长度满足2 “1 。i s 一9 5 系统中，1 1 3 序列被用作地址码， 利用它的不同相位来区分不同的用户。 w a l s h 码：w a l s h 码是由w a l s h 函数w a l ( n ，t ) 得到，n 是函数的序号。w a l s h 函 数是一种正交函数，即不同序号的w a l s h 码来区分不同的用户或信道。 查鲨查堂堕堕窒生望些丝茎塑二：里! 里里竺垒墨竺茎丝丝苎兰塑l 2 4 3 软切换 贝尔实验室提出蜂窝概念时，就带来移动台从个小区进入另个小时的 业务信道切换问题，通常这种切换过程是在移动交换中一1 2 , ( m s c ) 的干预下进行的。 所谓软切换就是当移动台需要跟一个新基站通信时，并不中断与原基站的联系。 而其它系统要中断与原基站的联系，再在一定时间内与新基站取得联系，若这一 过程不能顺利实现，就发生“掉话”现象。与软切换相比这种切换过程称为硬切 换。 在c d m a 系统中，移动台在进行业务通信时通常会发生下面几种切换： ( 1 ) 移动台在同频率的c d m a 信道问进行软切换 ( 2 ) 移动台在同频率的同一基站的不同扇区之间切换 f 3 ) 移动台在不同频率的c d m a 信道间切换时，此时移动台就和模拟系统一样， 先中断与原基站的联系，再与新进入基站取得联系。这是发生在c d m a 系统中的硬切换。 2 4 4 智能天线技术 智能天线技术是c d m a 系统中的增强技术，它包括两个重要的组成部分：对 来自移动台的多径电波的方向进行到达角估计，并进行空间滤波，抑止其它移动 台的干扰；另一方面是对基站发送的信号进行波束形成，使基站发送信号能够沿 着无线电波的到达方向发送词移动台，从而降低发射功率，减少对其它移动台的 干扰。 2 4 5 差错控制编码 数字信息在有噪声的信道中传输时，误码总是不可避免的。尤其在移动通信 环境中，信道状况恶劣，因此如何有效地控制误码率更加至关重要。在第三代移 动通信系统中，所采用的差错控制编码纠错能力更强。尤其采用了适用于数据业 务的t u r b o 编码。与其它系统相比，强有力的纠错编码的采用大大降低了相同信干 比下的误码率。从而直接增大了容量。考虑到t u r b o 码的译码复杂度大、译码时延 大等原因，在语音和低速率、对译码时延要求比较苛刻的数据链路中使用卷积码： 天津人学硕十研究生毕业论文筇章w c d m a 系统芙键技术介， 而在对译码时延要求不高的辅助数据链路中使用t u r b o 以利用其优异的纠错性能。 2 4 6r a k e 接收机 移动通信的主要特征之一是多径传播，传播过程中会遇到很多建筑物及起伏 的地形的影响，会引起能量的吸收或电波的反射、散射及绕射等情况。在移动环 境中，到接收机的信号是来自许多路径的反射波的合成，由于电波经历的路径不 同，信号到达接收机的时间和相位也不同，这些信号叠加在一起，接收信号的幅 度发生急剧的变化，即为多径衰落，多径衰落的深度可达2 0 3 0 d b 。同时在多径 传播环境中，由于移动台的运动接收信号还会发生多普勒频移，所以在多径移动 环境中，同时存在时延扩展和多普勒频展，即在时域和频域都发生了扩散，发生 频谱的交叠。w c d m a 系统中带宽远远大于信道的平坦衰落带宽，因而多径信号 相互间的时延超过了一个码片周期时，可以将它们看成不相关的噪声，r a k e 接收 机是采用分集接收的思想，将接收到的多径信号分离成不相关的多路信号，然后 将多路分集信号按照某种规则合并起来，使接收的有用信号能量最大，从而提高 接收端的信干比。r a k e 接收机根据系统的设计不同有不同的接收径数，目前较多 的有4 径、6 径、8 径的r a k e ：接收机。 2 5w c d m a 系统中的干扰 w c d m a 系统是一个自干扰系统。在w c d m a 系统中，干扰来自两个方面，一 方面是使用同一w c d m a 无线频带的移动台和基站造成的干扰，被称为白干扰。 另一方面是w c d m a 相邻频带或模拟系统单元所造成的干扰。其中。工作在同一 w c d m a 频带的单元所造成的干扰影响最大。它又分为正向链路干扰和反向链路 干扰。 2 5 1 反向链路的干扰 基站对每一个移动台的信号接收都受到本小区其它移动台以及相邻小区移动台 的干扰。对于同一小区移动台的干扰，在w c d m a 系统里，只有当每个用户的 e d n o ( 每一信息比特的能量与总噪声功率频谱密度的比值) 在达到满足信道性能的 条件下最小，系统才能达到最大容量。由于n o 几乎全部都是由其它用户干扰所造 成的，所以所有移动台的信号在到达基站接收机时必须( 或近似) 是相同的功率电 讹辛w ( 1 d m a 系铺咒铘托求介。 平。在反向键路上减少干扰的最好方法就是每l k 务信道信号都具有相同的助牢 电平。这是由反向动态功率控制完成的，功率控制是减少反向l j 扰的最佳力法。 在计算反向链路干扰时，常常作以下假定： 总的干扰频谱密度与用户总数成f 比，当用户数很大时这。假定是成立的( 中心 极限定理) 。 所有小区用户数是相同的，并且均匀分布。 使用了功率控制，所以基站接收到的每一移动台的功率都是相同的a 对于其它小区移动台的干扰，典型情况下，其它小区用户的干扰占本小区用户干 扰的6 6 左右。 2 5 2 前向链路的干扰 前向链路的干扰实际是指基站间的相互干扰。当移动台接近小区边缘时，从其 它小区来的干扰变为主要干扰。当移动台接近本小区基站时，多径又变为主要干 扰。多径干扰主要造成其它所有信道与要解调的业务信道不再正交。在多数情况 下，热噪声都可以被忽略，除非该小区只有很少的几个用户。 天津大学硕士研究生毕业论文 第三章w c d m a 系统的功率控制 第三章w c d m a 系统的功率控制 3 1 多径传播对功率控制影响 移动通信不仅有大气自由空间路径损耗，而且有附加传播路径的损耗，这主 要是由于移动通信的无线电波沿其传播路径上存在无线电散射体，所引起信号反 射，散射而产生多径效应；还有地形轮廓和地面粗糙度的变化，将产生颠簸反射， 漫射，绕射，阻挡，屏蔽等，其结果也将引起信号强度变化，使到达某接收天线 上的多径信号在叫间，空间上产生变化，即快衰落和馒衰落，由此而引起信号强 度的变化。 3 1 1 衰落和多径特性 通常电磁波以不同的时延从不同的方向通过多条路径到达接收机。在这种情 况下，接收信号是组通过矢量叠加合成后得到的振幅或火或小的合成信均，这 取决于接收天线l 的来波是相互加强地合成还是相互抵消地合成。其结果是，i f ： 菜一位置上的移动台可能接收到的信号强度和仅仅相隅距离不远处的同类移动奇 的接收信号相差几十分贝：或者当用户从某一位置移动到另一位置时，各种来波 之间的相位关系是变化的，也会引起大幅度的振幅和相位的起伏，信号受到衰潞。 所以说，衰落是由于移动台在空间变化场中运动而产生的。多径传播的影响使接 收信号产生随位置变化而相当大的振幅波动。即使移动台没有运动时，电磁波散 射体的运动也会引起衰落。 移动台接收信号强度的随机起伏变化( 即衰落) ，有从几分之一秒至几秒或几分 的快速短周期变化，也有几十分或几小时的缓慢长周期变化。因此无线环境中信 号的衰落可以分成快衰落和慢衰落。慢衰落也称为长期衰落，它具有对数正态分 布的统计特性。快衰落具有莱斯( r i c i a n ) 分布或瑞利( r a y l e i g h ) 分布的统计特 性，这取决于发射机和接收机之间有无视路径，当有视距路径时般服从莱斯分 布，无视距路径时则服从瑞利分布。快衰落也称为短期衰落或多径衰落。 无线接入信道实际上是一种十分恶劣的传输媒质预测它的电磁特性是相当困 难的。传统上，我们根据实际的环境测量数据，用统讨的方法对无线信道建模。 一般可用三层传播模式来描述无线传播环境。 ( 1 ) 区域平均功率：第一层描述发射机到接收机所在区域内路径损耗特性的区域平 均功率。 ( 2 ) 慢衰落平均功率：第二层是叠加在变化缓慢的局部平均功率上的，用对数币态 分布来表示的慢衰落平均功率。 ( 3 ) 快衰落瞬时功率：第三层是最后附加在上面的快衰落瞬时功率，它服从莱斯分 天津大学硕十研究生毕业论文第j 章w c d m a 系统的功牢拄制 布或瑞利分布。 路径损耗是指接收功率随距离的增加而减小的现象。发射机和接收机之问传 输路径上的路径损耗，一般包括直接路径的扩散损耗，由建筑物，山脉或树时引 起的反射损耗和绕射损耗，以及建筑物的穿透损耗等。 有些模式通过对长距离( 在几百米或几千米的范围内) 的收发间隔上的功率 电平取平均值来表征接收信号的强度，称为大尺度传播模式。中尺度传播模式确 定局部平均功率中的变化，如果移动台在大于几十米或几百米距离上移动的话， 接收信号的中尺度变化被称为阴影效应，通常是由树或树叶遮挡产生的。功率在 几十个波长的距离上取局部平均，典型的功率电平在4 0 九的距离上取平均。大尺 度和中尺度传播模式是反映平均电平的长期变化，它们是慢衰落。无线信号的衰 落特征如图3 一l 所示。 模型的精确性应由使用它们的要求和目的来决定。为了在一定范围内进行详 细的覆盖和容量分析，就需要使用详细的模型。而对于无线接口设计中所需的粗 略容量和范围的计算，简单的模式就足够了。在性能评估中，分析关于所用传播 模式结果的敏感性就很重要。 图3 - 1 无线信号的衰落特性 变化 时间f t ) 3 1 2 阴影 当接收机背离发射机而运动时，在直接路径上的信号能量下降相对慢一些， 但是在信号路径上的障碍物( 像树，建筑物和移动卡车等) 会导致偶然的接收能 量的下降。这种跨越载频几个波长的能量下降被称为慢衰落。慢衰落通常是由一 个具有平均能量的l o g n o r m a l 概率分布和标准来模拟的。在蜂窝环境中典型的标 准值大约为8 d b 。我们知道，当移动台远离基站运动时平均能量会下降( 由于路径 损耗) 。显示慢衰落的另一种方法是在平均值的峰值上画出存在缓慢的能量变化 ( 跨越几个波长发生的) ，并且能够用l o g - n o r m a l 概率分布来描述这种变化。 天津大学硕十研究生毕业论文帮一i 章w c d m a 系统的功率控铜 l o g - n o r m a l 概率分布慢衰落的原因是接收信号实际上是发射信号穿过或反射 到如树或建筑物等不同物体上的结果。每个物体都会在一定程度上衰减信号，最 后接收到的信号能量是所有这些物体传输因子的总和。结果，接收信号的对数表 达式等于大量传输因子的总和，而它们也是用分贝表示的。当这些传输因子变化 时，中心限制法则表明：其总和近似于高斯分布，即使每项并不是高斯分布。 3 1 3 多径瑞利衰落 多径瑞利衰落是指由多径传播引起的接收信号短期起伏，也称为小尺度衰落。 各条多径信号的不同传播路径长度产生不同的传播时延。这些不同的反射信号以 略微不同的时间，不同的幅度和相位到达接收机天线。 理论和实验都已经证明，一个运动的移动台所接收到的信号是瑞利分布。所 以，这种类型的衰落称为瑞利衰落。理论模型使用了有许多来自不同方向( 即n 个信号路径) 的反射信号的事实。接收信号的合成： r ( f ) = r 。o o s ( 2 , 咖- 2 t ) n = i ( 3 1 ) 注意式中的接收信号是n 个反射信号的合成：每个反射信号都有r 。的幅度和载频 f 。当移动台在运动时，由于多普勒效应，每个反射信号都会有频移f o 。假如信 号传输方向与移动台的运动方向平行，则多普勒频移为： 厶= v , z ( 3 - 2 ) 其中，v 是移动台的运动速度。 在( 3 1 ) 式中表示的接收信号的同相分量和正交分量的表达形式为： r o ) = r ，( f ) c o s ( 2 斫) + r 。c o s ( 2 7 r f t ) ( 3 3 ) 其中，同相分量可表示为： r i ( ，) = r 。c o s 2 n f j ( 3 4 ) i = l 正交的分量可表示为： n r o o ) = r 。s i n 2 x f o t ( 3 _ 5 ) 在( 3 4 ) * 1 1 ( 3 5 ) 式中的项是独立和相同分布的随机变量。所以，假如n 足够大， r ，( f ) 和r q ( f ) 就变成了连续的( z e r o m e a n ) 高斯随机变量，则信号的幅度： 月( r ) = 瓜翮( 3 - 6 ) 为瑞利分布。顺便提及，瑞利分布有下列概率密度公式： 大泮人学顶p 研究生毕业论文 笫一f l w ( d m a 系统m j 一牝控；1 ， p ( r ) ：j 耋e 等 r 。 ( ，一。) 1 0 r 0 将基站发射一个恒定幅度的未调制载频，绘制成方向倒，是确定这种类型袭 落的一种方法，移动台接收到的波形将有一个变化的幅度，这个幅度的变化是根 据瑞利分布的。这个幅度变化的带宽是由多普勒