（光学专业论文）tdscdma系统中动态信道分配技术的研究.pdf

摘要 摘要 t d s c d m a 系统的无线资源包括码字、频率、功率、时隙和空间角度。无线 资源管理( r r m ) 算法中的动态信道分配( d y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o n ，d c a ) 技 术是利用系统中的综合信息，对系统中的所有无线资源实施分配、管理和调度， 以最大限度地利用系统资源并确保链路和系统的性能。动态信道分配技术一般包 括两个方面：一是把资源分配到小区，也叫做慢速动态信道分配( s l o wd c a ) 。二 是把资源分配给承载业务，也叫做快速动态信道分配( f a s td c a ) 。采用d c a 技术， 能够限制干扰，最小化信道重用距离，从而高效地利用有限的无线资源，提高系 统容量；更重要的是，d c a 技术能较好地适应3 g 业务的需要，尤其是高速率的、 上下行不对称的网络业务和多媒体业务。d c a 是t d d 系统的优势所在，能够灵活 的分配时隙资源，动态地调整上下行时隙的个数，从而可以灵活的支持对称及非 对称的业务。本文根据t d s c d m a 系统的特点，在相关研究成果的基础上提出了 一套特别适合在业务分布不对称的环境中使用的d c a 方案，并做了相应的仿真。 研究结果表明，该方案与传统的方法相比，资源利用率有较大的提高，充分地利 用了宝贵的频谱资源，具有很强的实用性。 关键词：t d s c d m a 无线资源管理动态信道分配 a b s t r a c t l i a b s t r a c t r a d i or e s o u r c e so ft h et d s c d m as y s t e ma r ec o m p o s e do f0 v s fc o d e ， f r e q u e n c y , p o w e ra n ds p a c ea n g l e o nt h eb a s i so fc o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o ni nt h e s y s t e m ，d c a ( d y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o n ) o ft h e a r i t h m e t i co fr a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n ta l l o c a t e s ，m a n a g e sa n ds c h e d u l e s a l lt h er e s o u r c e si nt h es y s t e mt oa c h i e v e t h eh i g h e s tu t i l i z a t i o no fr e s o u r c e sa sw e l la sg u a r a n t e et h eb e s tp e r f o r m a n c eo fl i n ka n d s y s t e m d c at e c h n o l o g yi sc o m p o s e do fs l o wd c a ( d y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o n ) t h a t d i s t r i b u t e sr e s o u r c et o c e l la n df a s t d c a ( d y n a m i c c h a n n e la l l o c a t i o n ) t h a t d i s t r i b u t e sr e s o u r c e t oc a r r y i n gs e r v i c e d c at e c h n o l o g yc a nl i m i ti n t e r f e r e n c ea n d m i n i m i z ec h a n n e lr e u s ed i s t a n c es oa st oe f f e c t i v e l yu t i l i z et h el i m i t e dr a d i or e s o u r c e s a n di m p r o v et h ec a p a c i t yo fs y s t e m m o r e o v e rd c ac a na d a p tt ot h en e e d so f3 g s e r v i c e sv e r yw e l l ，e s p e c i a l l yt oh i 曲- s p e e dn e t w o r ks e r v i c ew i t ha s y m m e t r i c a lu p l i n k a n dd o w n l i n ka n dm u l t i m e d i as e r v i c e s d c ai st h ea d v a n t a g eo ft d ds y s t e m ，a n di t c a ns u p p o r ts y m m e t r i c a la n da s y m m e t r i c a ls e r v i c e s ，b e c a u s ei tc a nm a k et h et i m es l o t a l l o c a t i o nf l e x i b l e ，a n da d j u s tn u m b e ro ft i m es l o tb e t w e e nu p l i n ka n dd o w n l i n k t h i s p a p e r , b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft d - s c d m as y s t e m ，p r o p o s e sa s e to fc o m p l e t e d d c as c h e m et h a ti sm o s ts u i t a b l et ob eu s e di nt h ee n v i r o n m e n to fa s y m m e t r i c a lt r a f f i c t h es i m u l a t i o ns h o w st h e r ei sb e t t e rp e r f o r m a n c ei nr e s o u r c eu f i l i z m i o nc o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a lm e t h o d i t so fg r e a tp r a c t i c a b i l i t yb ym a k i n gf u l lu s eo fc h e r i s h e d f r e q u e n c yr e s o u r c e s k e y w o r d ：t d - s c d m a r r md c a 创新性声明 创新性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。一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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：苤臣生因日期2 讲i1 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名仍然是西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在弓 本人签名：叠壁因型 导师签名：盈编俘 导师签名： 趔! 堂 年解密后适用本授权书。 日期：2 口衫门 第一章引言 第一章引言 1 1 移动通信系统的发展及特征 蜂窝移动通信系统自2 0 世纪7 0 年代问世以来，经历了从模拟到数字，从多 个不同的国家标准到区域性国际标准，从单一话音业务到可以提供话音、数据和 话音数据业务组合的变迁，系统的每一次改变都伴随着技术的重大突破。 7 0 年代，频率复用和小区切换技术的发明，使得移动通信系统得以大规模使 用，此时的移动通信系统即为我们今天所谓的第一代移动通信系统( 其典型代表 为a m p s 、t a c s 等) 。限于当时的技术，第一代移动通信多址方式均采用f d m a ， 话音调制为模拟调频，信令调制为f s k 一类的简单数据调制技术。由于模拟调制 的频谱利用率低，抗干扰性能差，因而系统容量有限，业务质量远逊于有线通信 系统。各个国家空中接口均采用不同的标准，跨国漫游很难实现；同时也没有明 确的网络结构和统一的接口标准，各个厂家自行其是，不同厂商的设备根本无法 互连。 第二代移动通信系统出现于通信数字化的8 0 年代末和9 0 年代初，它基本采 用了当时通信和信号处理领域的最新技术。多址方式采用t d m a ( g s m 系统) 或 窄带c d m a ( i s 9 5 系统) 技术，空中接口采用数字调制技术和先进的自适应均衡 ( t d m a ) 、r a k e 接收技术( c d m a ) ，从而使系统容量远高于第一代移动通信系 统，业务质量与有线通信系统相当，业务种类也从单一话音转变到可以提供话音、 中低速数据业务。在接口规范的指定上充分考虑了国际漫游的需要，形成了统一 的区域性国际标准，同时也规定了明确的网络结构和系统接口标准，使不同厂商 间设备的互连变的简单易行。 第三代移动通信系统是工作在2 g h z 频段的宽带移动通信系统，它区别于第一 代和第二代移动通信系统的主要特点可以简单概括为： ( 1 ) 全球普及和全球无缝漫游的系统； ( 2 ) 具有支持信息速率高达2 m b i t s 的多媒体业务的能力，特别是支持i n t e r n e t 业务； ( 3 ) 便于过渡和演进； ( 4 ) 更高的频谱效率； ( 5 ) 更好的服务质量等； 第三代移动通信系统多址方式的主流为c d m a 技术，无线接入网中使用了智 能天线、多用户检测、t u r b o 编码、软件无线电等新技术。这些技术的使用极大的 增加了系统的容量，改善了传输质量，降低了功耗和干扰，使第三代移动通信系 一2 t d s c d m a 系统中动态信道分配技术的研究 统可以在复杂的传输环境中提供比第二代移动通信系统更大的系统容量和更高的 服务质量。此外，核心网使用了a t m 和口技术，实现了话音、电路交换和分组 交换数据的多媒体传输，使移动用户可以方便灵活地接入到电信网和i n t e r a c t 。 1 2 研究的背景与意义 t d s c d m a 系统结合了时分和码分复用技术，一路载波资源被分成多个时隙 进行复用，上下行链路分别在不同的时隙内进行通信实现时分双工，每个时隙内 的资源通过码分的方式供多个用户复用。在t d s c d m a 帧结构中任何一个特定的 时隙都可用于上行或下行传输。因此，在上下行间的时隙分配可以很好地适应随 时间变化的不对称业务。具有灵活高效的无线传输能力，增加了资源分配的灵活性， 同时也使得系统的无线资源管理变得复杂。动态信道分配技术可以充分发挥 t d s c d m a 系统资源分配灵活的特点，高效的管理和使用无线资源，在对称和非 对称的3 g 业务中获得最佳的频谱效率。 动态信道分配一般分为慢速动态信道分配( s l o wd c a ) 和快速动态信道分配 ( f a s td c a ) 两个部分。慢速动态信道分配把资源分配到小区；快速动态信道分配把 资源分配给承载业务。 本研究课题的目标是针对t d s c d m a 系统的特点，设计出适宜在实际系统中 应用的性能优越、执行简单、高效的动态信道分配方法。对于慢速d c a , 所设计的 算法以系统容量最大化为优化目标，同时兼顾重负荷小区容量的最大化，性能优 异，运算量较低，易于在实际系统中采用。快速动态信道分配方案论述了系统为 用户分配资源单元并根据信道质量的变化自适应的对资源单元进行调配和切换的 过程，分析了过程中各操作适宜采用的策略，形成了一套完整的t d s c d m a 系统 的资源分配方法。 1 3 论文的总体框架 本论文主要研究t d s c d m a 系统中动态信道分配算法原理并进行仿真实现。 第二章对t d s c d m a 系统进行了简要介绍，首先描述了t d s c d m a 系统的 发展、特征及关键技术；随后着重介绍t d s c d m a 系统的物理信道结构和一些物 理层过程，这些内容对动态信道分配方法的设计有重要的指导意义。 第三章简要介绍无线资源管理和信道分配的定义和功能，无线通信系统中的 d c a 技术分类，以及t d s c d m a 系统中动态信道分配所要完成的功能。 第四章提出了高效的慢速动态信道分配算法，系统可以根据业务分布特点动 态调整上下行时隙比例，避免了因为业务不对称而造成的资源浪费。 第五章按照快速动态信道分配的主要操作过程( 信道选择、信道调整、资源 第一章引言 3 一 整合) ，论述了各操作适宜采用的策略。 第六章建立了仿真模型对第四章和第五章中的算法策略进行了仿真，并根据 仿真结果，对其性能给出了详尽的分析。 4t d s c d m a 系统中动态信道分配技术的研究 第二章t d s c d m a 系统简介 2 1t d s c d m a 系统概述 2 1 1t d s c d m a 系统的发展 1 9 9 9 年1 0 月底，在芬兰赫尔辛基举行的国际电联会议上，由信息产业部电信 科学技术研究院代表中国提出的t d s c d m a 标准提案被采纳为世界第三代移动 通信无线接口技术规范建议之一。2 0 0 0 年5 月，国际电联无线大会上又正式将 t d s c d m a 列入世界第三代移动通信无线传输标准之一。2 0 0 1 年3 月1 6 日，在 美国加利福尼亚州举行的3 g p pt s gr a n 第1 1 次全会将t d - s c d m a 列为第三代 移动通信系统标准之一，包括在3 g p pr 4 中。t d s c d m a 的成功结束了中国在电 信标准领域零的历史，为扭转中国移动通信制造业长期以来的被动局面提供了十 分难得的机遇。 中国提出的t d s c d m a 标准之所以能在众多的标准中胜出，成为全球第三代 移动通信的三大主流标准之一，其一方面除了中国政府的强力支持外，另一方面 也与其自身显著的技术优势有关。 2 1 2t d s c d m a 系统的特点及关键技术 t d s c d m a 系统使用t d d 双工方式，与f d d 方式的w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 相比它有其独特的技术优势。 ( 1 ) 频谱灵活性：不需要成对的频谱，基本带宽1 6 m h z ，在同样5 m h z 带 宽内，t d s c d m a 可以使用3 个载波的基带电路。 ( 2 ) 上下行使用相同频率：上下行链路的电波传播特性对称，有利于使用智 能天线等新技术。 ( 3 ) 支持不对称数据业务：可以根据上下行链路的业务比例调整上下行时隙 转换点。适合于对称及不对称的数据业务，如在传输对称业务( 话音、交互式实 时数据业务等) 时，可选用对称的转换点位置；在传输非对称业务( 互联网方式 业务) 时，可在非对称的转换点位置范围内选择。 ( 4 ) 频谱利用率高： t d s c d m a 系统关键技术包括智能天线、联合检测、上行同步、软件无线电 等，下面将简要介绍一。 2 1 2 1 时分双工 第二章t d s c d m a 系统简介 5 一 在t d d 模式下，t d s c d m a 采用在周期性重复的时间帧里传输基本t d m a 突发脉冲的工作模式( 与g s m 相同) ，通过周期性转换传输方向，在同一载波上 交替进行上下行链路传输。该方案的优势是： ( 1 ) 根据不同业务，上下行链路间转换点的位置可任意调整。在传输对称业 务( 如话音、交互式实时数据业务等) 时，可选用对称的转换点位置；在传输非 对称业务( 如互联网方式业务) 时，可在非对称的转换点位置范围内选择。对于 上述两种业务，t d d 模式都可提供最佳频谱利用率和最佳业务容量； ( 2 ) t d s c d m a 采用不对称频段，无需成对频段，系统采用1 2 8 m c h i p s 的低码片速率，扩频因子有1 、2 、4 、8 、1 6 五种选择，这样可降低多用户检测器的 复杂度，灵活满足3 g 要求的不同数据传输速率； ( 3 ) 单个载频带宽为1 6 m h z ，子帧长为5 m s ，每子帧包含7 个不同码型的 突发脉冲同时传输，由于它占用带宽窄，所以在频谱安排上有很大灵活性； ( 4 ) t d d 上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便于利用智能天 线等新技术，可达到提高性能、降低成本的目的； ( 5 ) t d d 系统设备成本低，无收发隔离的要求，可使用单片i c 实现r f 收 发信机，其成本比f d d 系统低2 0 5 0 。 2 1 2 2 动态信道分配 2 1 3 4 1 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 ) 技术是利用系统中的综合信息， 对系统中的所有资源实施分配、管理和调度，以最大限度地利用系统资源并确保 链路和系统的性能。采用d c a 技术，能够限制干扰、最小化信道重用距离，从而 高效率地利用有限的无线资源，提高系统容量；更重要的是，d c a 技术能较好地 适应3 g 业务的需要，尤其是高速率的、上下行不对称的网络业务和多媒体业务。 d c a 是t d d 系统的优势所在，能够灵活地分配时隙资源，自由地进行上下行链路 间的转换。 + t d s c d m a 系统结合了时分和码分复用技术，使得资源分配的灵活性大大提 高，同时资源的管理也变得更为复杂，且系统中使用了智能天线、联合检测和上 行同步等先进的通信技术，使得动态信道分配和调整技术称为t d s c d m a 系统的 一个非常重要的特征，也成为该系统提高性能和扩大系统容量的不可或缺的一种 重要技术。t d s c d m a 系统中的d c a 主要完成三个方面的功能：自适应的为小区 分配无线资源；为申请接入的业务分配无线资源；对已分配的无线资源进行调整。 在后续的章节中将对d c a 技术做详细的描述和讨论。 2 1 2 3 智能天线1 5 1 皇t d - s c d m a 系统中动态信道分配技术的研究 t d s c d m a 系统利用t d d 技术使上下射频信道完全对称，以便基站使用智 能天线。智能天线系统由一组天线及相连的收发信机和先进的数字信号处理算法 构成。能有效产生多波束赋形，每个波束指向一个特定终端，并能自动跟踪移动 终端。在接收端，通过空间选择性分集，可大大提高接收灵敏度，减少不同位置 同信道用户的干扰，有效合并多径分量，抵消多径衰落，提高上行容量。在发送 端，智能空间选择性波束成形传送，降低输出功率要求，减少同信道干扰，提高 下行容量。智能天线改进了小区覆盖，智能天线阵的辐射图形完全可用软件控制， 在网络覆盖需要调整等使原覆盖改变时，均可通过软件非常简单地进行网络优化。 此外，智能天线降低了无线基站的成本，智能天线使等效发射功率增加，用多只 低功率放大器代替单只高功率放大器，可大大降低成本，降低对电源的要求及增 加可靠性。 智能天线无法解决的问题是时延超过码片宽度的多径干扰和高速移动多普勒 效应造成的信道恶化。因此，在多径干扰严重的高速移动环境下，智能天线必须 和其他抗干扰的数字信号处理技术同时使用，才可能达到最佳效果。这些数字信 号处理技术包括联合检测、干扰抵消及r a k e 接收等。 2 1 2 4 联合检测 6 1 1 7 1 c d m a 系统是干扰受限系统，干扰包括多径干扰、小区内多用户干扰和小区 间干扰。这些干扰破坏各个信道的正交性，降低c d m a 系统的频谱利用率。过去 传统的r a k e 接收机技术把小区内的多用户干扰当作噪声处理，而没有利用该干扰 不同于噪声干扰的独有特性。联合检测技术即“多用户干扰”抑制技术，是消除和减 轻多用户干扰的主要技术，它把所有用户的信号都当作有用信号处理，这样可充 分利用用户信号的扩频码、幅度、定时、延迟等信息，从而大幅度降低多径多址 干扰，但存在多码道处理复杂和无法完全解决多址干扰问题。结合使用智能天线 和多用户检测，可获得理想效果。 2 1 2 5 同步c d m a 同步c d m a 指上行链路各终端信号在基站解调器完全同步，它通过软件及物 理层设计实现，这样可使使用正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互间 不会产生多址干扰，克服了异步c d m a 多址技术由于每个移动终端发射的码道信 号到达基站的时间不同，造成码道非正交所带来的干扰，大大提高了c d m a 系统 容量，提高了频谱利用率，还可简化硬件，降低成本。 同步c d m a 的缺点是系统对同步的要求非常严格，上行的同步要求为1 8 码 片宽度，网络同步要求为5 , s 。由于移动终端的小区位置不断变化，即使在通信过 第二章t d - s c d m a 系统简介 程中也可能高速移动，电波从基站到移动终端的传播时间不断变化，引起同步变 化，若再考虑多径传播影响，同步将更加困难，一旦同步破坏，将导致通信阻塞 和严重干扰。系统同步要求在基站有g p s 接收机或公共的分布式时钟，增加了系 统成本。 2 1 2 6 软件无线电【8 l 软件无线电是利用数字信号处理软件实现无线功能的技术，能在同一硬件平 台上利用软件处理基带信号，通过加载不同的软件，可实现不同的业务性能。其 优点是： ( 1 ) 通过软件方式，灵活完成硬件功能； ( 2 ) - 良好的灵活性及可编程性； ( 3 ) 可代替昂贵的硬件电路，实现复杂的功能； ( 4 ) 对环境的适应性好，不会老化； ( 5 ) 便于系统升级，降低用户设备费用。对t d s c d m a 系统来说，软件无 线电可用来实现智能天线、同步检测和载波恢复等。 2 1 2 7 接力切换 移动通信系统采用蜂窝结构，在跨越空间划分的小区时，必须进行越区切换， 即完成移动台到基站的空中接口转换，及基站到网入口和网入口到交换中心的相 应转移。由于采用智能天线可大致定位用户的方位和距离，所以t d s c d m a 系统 的基站和基站控制器可采用接力切换方式，根据用户的方位和距离信息，判断手 机用户现在是否移动到应该切换给另一基站的临近区域。如果进入切换区，便可 通过基站控制器通知另一基站做好切换准备，达到接力切换的目的。接力切换可 提高切换成功率，降低切换时对临近基站信道资源的占用。基站控制器( b s c ) 实 时获得移动终端的位置信息，并告知移动终端周围同频基站信息，移动终端同时 与两个基站建立联系，切换由b s c 判定发起，使移动终端由一个小区切换至另一 小区。t d s c d m a 系统既支持频率内切换，也支持频率间切换，具有较高的准确 度和较短的切换时间，它可动态分配整个网络的容量，也可以实现不同系统间的 切换。 2 2 物理信道 t d s c d m a 系统的物理信道【9 1 0 】【1 1 l 采用4 层结构：系统帧号、无线帧、子帧、 时隙码。依据资源分配方案的不同，子帧或时隙码的配置结构可能有所不同。 墨t d s c d m a 系统中动态信道分配技术的研究 t d s c d m a 系统使用时隙和扩频码在时域和码域上区分不同的用户。图2 1 给出了物理信道的层次结构。 r a d i of r a m e ( 1 0 m s ) + f r a m e ，参if r a m e 参“1 ：j 鼬l l 引，、 、 1 ，r ； 、 1 s u b f r a m e # 2 is u b f r a m e # 2 i + 1 d w p t s ( 7 5 u s ) g p ( 7 5 u s ) u p p t s ( 1 2 5 u s ) 图2 1 物理信道结构 t d d 模式下的物理信道由突发( b u r s t ) 构成，这些突发仅在分配的无线帧的 特定时隙发射。无线帧的分配可以是连续的，即每一帧的相应时隙都分配给某物 理信道，也可以是不连续的分配，即部分无线帧中的相应时隙分配给该物理信道。 t d s c d m a 系统的无线帧长1 0 m s ，系统为了实现快速功率控制和定时提前校 准以及对智能天线的支持，将一个无线帧分割为结构完全相同的子帧，每个子帧 长度为5 m s ，结构如图2 1 。每个5 m s 子帧由3 个特殊时隙( d w p t s 、g p 和u p p t s ) 和7 个常规时隙( t s 0 川忑6 ) 组成。常规时隙用来传输用户数据或控制信息。在7 个常规时隙中，t s o 总是固定地作为下行时隙发送系统信息广播，而t s l 总是固 定地作上行时隙，其他的常规时隙可以根据需要灵活地配置成上行或下行，以实 现不对称业务的传输。每个5 m s 子帧有两个时隙转换点，第一个转换点固定在t s 0 结束处，第二个转换点取决于小区上下行时隙的配置，可位于t s l - t s 6 任意结束 处。图2 2 和图2 3 分别给出了上下行时隙对称分配和不对称分配的例子。 s w i t c h i n gp o i n t s w i t c h i n gp o i n t 图2 2u l d l 对称分配 第二章t d s c d m a 系统简介 s w i t c h i n gp o i n t s w i t c h i n gp o i n t 图2 3u l d l 不对称分配 9 一 常规时隙的突发由两个数据部分、m i d a m b l e 部分和保护间隔( g p ) 组成，数 据部分对称的分布于m i d a m b l e 的两端，其突发结构见图2 4 。突发的持续时间就 是一个时隙。一个发射机可以在同一时刻和同一频率上发射多个突发以对应同一 时隙中的不同码道，在这种情况下，几个突发的数据部分必须使用不同o v s f 信 道化码来实现物理信道的码分，但应使用相同的扰码。m i d a m b l e 码部分必须使用 同一个基本m i d a m b l e 码，同一时隙的不同用户将使用不同的m i d a m b l e ，这些不同 的m i d a m b l e 都是由基本m i d a m b l e 循环移位获得。 图2 4 业务时隙的突发结构 因此，物理信道是由频率、时隙、信道码和无线帧分配来定义的。小区使用 的扰码和基本m i d a m b l e 是广播的，而且可以是不变的。建立一个物理信道的同时， 也就给出了它的起始帧号。 d w p t s 时隙用来发送下行同步码s y n cd l ，其时隙长度为9 6 c h i p ，其中同 步码长为6 4 c h i p ，前面有3 2 c h i p 用做t s 0 的拖尾保护( 如图2 5 所示) 。n o d eb 必须在每个小区的d w p t s 时隙发送下行同步码。不同的下行同步码用来标识不同 的小区，其发射功率必须保证全方向覆盖整个小区。按物理信道来划分，发送下 行同步码的信道也叫下行同步信道( d w p c h ) 。 7 5 u s 。 g p ( 3 2 c h i p s )s y n c _ d i ( 6 4 c h i p s ) 图2 5d w p t s 时隙结构 u p p t s 时隙用来发送上行同步码s y n cu l ，用于建立和n o d eb 的上行同 一1 0 t i ) s c d m a 系统中动态信道分配技术的研究 步。u p p t s 时隙长度为1 6 0 c h i p ，其中同步码长为1 2 8 c h i p ，后面有3 2 c h i p 用做拖 尾保护( 如图2 6 所示) 。n o d e b 可以在同一子帧的u p p t s 时隙识别8 个不同的上 行同步码。按物理信道来划分，发送上行同步码的信道也叫上行同步信道 ( u p p c h ) 。一个小区中最多可有8 个u p p c h 同时存在。 2 3 1 传输信道 s y n cu l ( 1 2 8 c h i p s ) o p ( 3 2 e h i p s ) 图2 6u p p t s 时隙结构 2 3 传输信道和物理信道 广播信道( b c h ) ：下行传输信道，用来承载广播信息或小区特定信息，在小 区内全向发射； 前向接入信道( f a c h ) ：下行传输信道，用来承载控制信息或少量的用户数 据； 寻呼信道( p c h ) ：下行传输信道，用来承载控制信息； 随机接入信道( r a c h ) ：上行传输信道，用来承载移动台的控制信息或少量 的用户数据，用于上行同步的建立； 上行共享信道( u s c h ) ：可以由多个u e 共同使用的上行传输信道，用来承 载专用控制信息或业务数据； 下行共享信道( d s c h ) ：可以由多个u e 共同使用的下行传输信道，用来承 载专用控制信息或业务数据； 专用信道( d c h ) ：上行或下行传输信道，用来承载控制信息或用户数据，属 一个u e 专用； 2 3 2 物理信道 分为公共物理信道和专用物理信道 公共物理信道有： 主公共控制物理信道( p c c p c i - i ) ：传输信道b c h 映射到p c c p c h 信道上即 p c c p c h 仅用于承载传输信道b c h 的数据。t d s c d m a 系统中，p c c p c h s 的 位置( 时隙码) 是固定的( t s 0 ) 。p c c p c h s 采用固定扩频因子s f = 1 6 ，采用t s # 0 的 两个信道化码c & 1 6 ：( k = 1 ) 和c q = 1 6 ( k - 2 ) 。 辅助公共控制物理信道( s c c p c h ) ：传输信道p c h 和f a c h 可以复用在一个 第二章t d s c d m a 系统简介 或多个辅助公共控制物理信道( s c c p c h ) 上即用来承载传输信道f a c h 和p c h 的 数据，s c c p c h s 采用固定扩频因子s f - 1 6 ，s c c p c h 的配置( 使用的时隙和码 道) 在小区系统信息中广播。 物理随机接入信道( p r a c h ) ：传输信道r a c h 映射到p r a c h 上即用来承载 r a c h 信道上的数据。p r a c h 可以采用扩频因子s f = 1 6 、s f = 8 或s f 4 。其配置 ( 使用的时隙和码道) 通过小区系统信息广播。 快速物理接入信道( f p a c h ) ：f p a c h 信道不承载传输信道的信息，与传输信 道不存在映射关系。它用来承载n o d c b 对检测到的u e 的上行同步信号的应答信 息。f p a c h 上的内容包括定时调整，功率调整等，是一单帧信息。f p a c h 使用扩 频因子s f = 1 6 ，其配置( 使用的时隙和码道) 通过小区系统信息广播。 物理上行共享信道( p u s c h ) ：传输信道u s c h 映射到物理上行共享信道上。 物理下行共享信道( p d s c h ) ：传输信道d s c h 映射到物理下行共享信道上。 专用物理信道： d p c h ：用来承载传输信道d c h 的数据。 2 3 3 传输信道到物理信道的映射关系 表2 1 传输信道到物理信道的映射 类型传输信道物理信道方向 专用 d c hd p c h 上行或下行 公用 b c hp c c p c h 下行 p c hs c c p c h 下行 f a c h r a c hp r a c h 上行 u s c hp u s c h 上行 d s c h p d s c h 下行 f p a c h 下行 p i c h 下行 d w p c h 下行 u p p c h 上行 注意d w p c h 、u p p t c h 、p i c h 、f p a c h 几个物理信道，没有传输信道映射 到其上。 2 4 1 小区搜索【1 0 1 2 4 物理层处理 在小区搜索之前必须首先锁定一个频点，然后才能继续以下的小区搜索过程。 小区搜索过程【1 2 1 可以分为以下4 步： 一1 2 t d s c d m a 系统中动态信道分配技术的研究 s t e p l ：搜索d w p t s 由于d w p t s 时隙的两端各有一个零功率区，它们是t s o 的拖尾保护 g p ( 1 6 c h i p s ) 、d w p t s 的自身保护g p ( 3 2 c h i p s ) _ ；f i l & 行保护g p ( 9 6 c h i p s ) ，如图2 7 所示。并且d w p t s 每帧都将以恒定功率发送，所以可以利用d w p t s 时隙的功率 特征，初步确定其位置。确定了初步位置后，l i e 利用匹配滤波器( 或类似的装置) 就可以识别出该小区在可能要使用的3 2 个s y n cd l 中使用的是哪一个 s y n cd l 。 _ 一 ， 隧缀湖g ps y n cd l g p u p p t s 图2 7d w p t s 的g p 不例 s t e p 2 ；识别基本m i d a m b l e 码和扰码 u e 接收到p c c p c h 上的m i d a m b l e 码。由于在s t e p l 中u e 已经识别出小区 所使用的s y n c _ d l 序列，根据3 2 个s y n c _ d l 与1 2 8 个基本m i d a m b l e 码的对 应关系。u e 就可以知道该小区采用了哪4 个基本m i d a m b l e 码( s y n c _ d l 序号乘 以4 就是m i d a m b l e 码组的开始序号，即3 2 个s y n c d l 和3 2 个m i d a m b l e 码组 一一对应) 。l i e 依次用小区配置的4 个m i d a m b l e 码来计算信道的冲激响应，将最 大者确定为小区所使用的m i d a m b l e 码。由于每个基本m i d a m b l e 码与扰码是一一 对应的，确定了m i d a m b l e 码也就知道了扰码。 s t e p 3 ：建立p c c p c h 同步 在t s o 时隙，p c c p c h 和s c c p c h 分时复用。为了便于u e 识别p c c p c h 和 交织帧号的起点，t d s c d m a 系统用不同的相位来调制d w p t s 时隙的s y n c _ d l 同步码。在q p s k 调制方式下，可调制的相位共有4 个：4 5 0 、1 3 5 0 、2 2 5 0 和3 1 5 0 。 将连续4 个子帧的调制相位组合起来，可以得到一个相位序列，根据相位序列， 就可以找到p c c p c h 。 s t e p 4 ：读p c c p c h 确定了p c c p c h 信道后，u e 在p c c p c h 信道上读取系统信息广播，根据读 取的结果，u e 可决定是回到以上的几步还是完成初始小区搜索。 2 4 2 随机接入 l i e 发起呼叫或响应寻呼，或在空闲模式下进行位置更新都要进行随机接入过 程【1 2 1 ，下面简要说明该过程。 第二章t d - s c d m a 系统简介 u en o d eb l 步骤1l 、 u p p c h l卜k 。fpach归 1 l 步骤3k p r a c h f a c h归 1 t d 曲j 炯j * 、_ l 1 州 2 4 2 1 随机接入准备 1 3 当l i e 处于空闲模式下，它将维持下行同步并读取小区的系统信息。从该小区 所用到的d w p t s ，l i e 可以得到为随机接入而分配给u p p t s 的8 个s y n cu l 码 的码集，从小区系统信息中u e 可以知道码集中的哪个s y n cu l 可以被使用，并 且还可以知道p r a c h 、f p a c h 、s c c p c h 信道的信息( 采用的时隙、码、扩频因 子、m i d a m b l e 码情况) 以及其它与随机接入有关的信息。在小区的系统信息中，还 包括了s y n cu l 与f p a c h 资源、f p a c h 与p r a c h 资源、p r a c h 资源与s c c p c h 资源的相互关系。因此，当l i e 发送s y n cu l 序列时，它就知道了接入时所使用 的f p a c h 资源，p r a c h 资源和s c c p c h 资源。 2 4 2 2 随机接入过程 步骤1 - l i e 从小区允许使用的上行同步码中随机的选择一个s y n cu l ，以 估算的时间 =- 宰 ) 和功率 =_(trx-upvcii t r x - i h v c h2 a t p + 1 21 6t c(puppchl p c c p c h + p r x u p p c h d e s + ( i - 1 ) 宰p w r r a m p ) 在u p p c h 上发送给n o d e b 。 步骤2 ： n o d eb 在s y n cu l 的检测窗内检测到s y n cu l ，计算出用户的 发射功率更新和定时调整信息，并在以后的4 个子帧内通过f r a c h 信道将调整信 息发送给l i e 。 如果l i e 在预期时间内没有收到n o d eb 有效应答，则以p w r r a m p 的步长增加 发射功率，并使重发计数器减1 ，如果计数器仍大于0 ，则返回到第1 步；否则向 m a c 子层报告随机接入失败； 一1 4 1 d s c d m a 系统中动态信道分配技术的研究 步骤3 ：u e 根据一定的原则从选定的f p a c h 中收到n o d eb 的控制信息，表 明n o d eb 已经收到了u p p t s 序列。然后，调整发射功率和时间，并确保在接下 来的子帧中，在对应于f p a c h 的p r a c h 信道上发送r r cc o n n e c t i o n r e q u e s t 消息。 步骤4 ：u t r a n 收到r r cc o n n e c t i o nr e q u e s t 消息后，为u e 分配资 源，并f a c h 信道上发送r r cc o n n e c t i o ns e t u p 消息通知u e ，完成接入过 程。 2 4 2 3 随机接入( 冲突) 处理 在发生碰撞的情况下( 两个u e 使用相同的s y n c _ u l 码) 或在较差的传播环 境中，n o d eb 不能正确接收s y n q - u l ，因此也就不会在f p a c h 信道中发送确认 响应消息。l i e 将得不到网络端的任何回应，所以u e 需要调整发射时间和发射功 率，经过一个随机延时后在u p p c h 信道上重发s v n cu l ，当然这个s v n cu l 码也是随机选择的。 2 4 3 上行同步 c d m a 移动通信系统中，下行链路总是同步的。故同步c d m a 所指的上行同 步1 2 1 ，即要求来自不同距离的不同用户终端的上行信号能同步的到达基站。上行 同步用于随机接入过程，也用于当系统失去上行同步时的再同步。t d s c d m a 系 统中，上行同步是通过帧结构的设计以及开环闭环同步控制机制来实现的。 2 4 3 1 准备( 下行同步) u e 必须首先与小区建立下行同步，只有建立了下行同步，u e 才能开始建立 上行同步。 2 4 3 2 上行同步的建立( 开环控制) 由于下行同步已经建立，l i e 可以接收下行同步信号d w p t s ，可以获得基站 要求的u p p t s 的到达时刻，但u e 并不知道与n o d eb 的距离，导致u e 的上行发 射不能同步到达n o d eb 。因此为了减小对常规时隙的干扰，上行信道的首次发送 在u p p t s 这个特殊时隙进行。 u e 可通过对接收到的d w p c h 和或p c c p c h 的功率来估计传播延迟a t l , ，计 算u p p c h 的发射时刻( t t x - u p p c h = 1 k d w p c h 2 a t p + 1 2 1 6t c ) ；并根据计算所得 的路径损耗以及其它参数计算u p p c h 的发射功率( 具体参看2 4 4 节公式2 - 1 ) 。 第二章t d s c d m a 系统简介 n o d eb 端在u p p t s 的搜索窗内通过对s y n c - u l 序列的检测，可估计出接收 的功率和时间，然后向u e 发送反馈信息，调整下次发射的发射功率和发射时间， 以便建立上行同步，反馈信息在f p a c h 信道中发送。 2 4 3 3 上行同步的保持( 闭环控制) 因为u e 是移动的，它到n o d eb 的距离总是在变化的。所以在整个通信过