（通信与信息系统专业论文）wcdma系统容量性能和无线资源管理算法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 宽带码分多址( w c d m a ) 通信技术能实现更大的系统容量，并且有抗干 扰、软切换、同频利用、接入方便等优点，已成为第三代移动通信的主流。如 何在恶劣的无线传播环境里为更多用户提供服务质量q o s 保证，同时充分利用 珍贵的无线频谱资源，是w c d m a 系统需要解决的关键问题。本文就w c d m a 系统的容量性能和相关无线资源管理算法展开讨论。 w m a 系统的小区容量是有限的，当小区容量已处于饱和状态时，继续 接纳新的用户进入系统，将使已有用户的q o s 无法得到保证，所以系统必须采 取有效的接纳控制策略，使得各类业务的q o s 在获得保证的同时，尽可能为更 多的用户提供服务。本文首先介绍了w c d m a 系统的基本原理，接着在此基础 上对承载具有不同服务质量q o s 要求的多业务w c d m 膦窝通信系统的容量性 能进行了研究，讨论了影响w c d m a 系统小区容量的诸多因素，得出了上、下 行链路的容量性能，由仿真结果可以看出，邻近小区的干扰与正交性的优劣会 影响小区容量，w c d m a 系统的容量将受限于上行链路。本文还采用了一种基 于干扰门限的呼叫接纳控制方案，对新呼叫和呼叫接纳呼叫设置不同的干扰门 限值，通过仿真分析，使用阻塞率和中断率和服务等级共同评估系统性能的改 普，该方案与固定呼叫接纳控制方案相比，在一定程度上降低了阻塞率、中断 率和服务等级，提高系统性能。 关键词：w c d m a 容量：呼叫接纳控制：性能分析； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 a b s t r a c t d u et ot h ca d v 髓t a g e so fh i g hc a p a c i t y ，i n t c r i ! 渤c cr c s i s t 蛆，s o f ih 锄d o v 盯， c o n v e n i e n c co fa o o s ，w i d c d e 州s i o m l l l t i p l e 觚：c e s s ( w ( ：l ，m a h 髓b e c o m e m a i ns t a n d a do ft h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i 旧o ns y s t c m h o wt ok e e p q o sss e r v i c 韶i l l 田o r - p 啪cw i r c l 髓sc h a n li sc h a l l 曲直n gf b r3 r dg 如e r a t i o n m o b n e m m 砒d a 岫s y s t c m s t h i sp a p e rw i nd i s c l l 啦t h c p a c i t yp e i f 咖缸c c 柚dr a d i o 坤s o u 蹦；m 趴a g 恤e n ta l g o 棚地o f w m a t h c l l p a c i t yo fw c d m as y s t 锄si sl i m i t e d a d 玎1 i t t i n gm o u s e r s 也蹰t h e c a p a c i t yi l os y s t 眦诫um a k et h c 出d ya 山毗du s 雌s u 鲰a l o s so fq o s e i 五d 明tc a l la d m i 豁i o nc o n 虹d lm c c h a d j s m sm u s tb ea d o p t c db yt h es y s t 锄t o p r o t e c tt h eq o so ft h ch 吐e m g c 咖s 仃煳鹤a n da t 也cs a m ct i m ca c c 哪m o d a t c m o r cu s e 璐n ep a p c re r s tw mi 加d u c c 也cw c d m as 舛c m s ，蛆d 也w i u d i s c i l s st h ec a p a c n yp e r f c 衄m o fl h e 蛐l 堆- s e r v i w c d m ao e l 妣缸s y s t 锄s ， 也吼w md i s c l l s s m e 洳p o n a n tf a 瞰璐赶f c c t i n gt h cw c d m ac c l lc a p a d t y ，w c w mg e tt h e p a d t yp c i f 呱如o fu p l 缸ka n dd o 州m 血a 5at e s u l t ，t h e i t e l f e r e n c cf a d 叫o f8 d j a n tc e n s 姐dt h c 砷o g o n a lf a c t o ra r ei m p o r t 扯t p a 鲫e t e 璐t oi 丑自【u e n o et h c 础c & p a c i t y ，也e p a c i t y 贷w a ) m as y s t e mw i l lb c l i 】曲c di nu p l i l l | ( t h es i m u l a t i o na n dp e r f o 血如a n a l y s i so fi m 盯f b r c n c e 谢e n t c d c a cs c h e m e sa r eg i v e no u tj nt h cp a p e r ，也ec a cs c h c m 黯盯ep r o p o s e dt od e 口c 鹤e s y s t 锄b l o d d n gp 1 0 b a b i l i t y ，o u t a g cp m b a b i l i l y 缸d 舯d co fs e r v i c cf b rb e t t 盯 s y s t e mp 酊f 锄缸c e m p a 他d 州t h 右x e d ( ：a cs c h c m 髂，t h r o u g hs 酬i gd i 丘c 肋t i m c d b r c e 吐s h o l d sf o rn c wc a u sa n dh a n d o f fc a l l s k e y w o r d s ：w c d m a ；c a p a c 时：c a a d m i s s j o nc o m r o | ；p e 咖加卸c c a n a i y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 第三代移动通信系统概述 随着社会韵发展，人们对通信的需求越来越高。移动通信技术已经经历 了从模拟调制到数字调制的发展，第一代采用频分多址( f d m a ) 模拟调制方式， 这种系统的主要缺点是限制了移动通信的长途漫游，使得第一代移动通信系 统只能是一种区域性移动通信系统，通话的保密性较差，不能满足飞速发展 的移动通信业务量的需要。于是在9 0 年代初，随着数字通信技术的飞速发展， 各国都相继推出了第二代数字移动通信系统。第二代蜂窝系统采用时分多址 ( t d m a ) 和码分多址( c d 般) 的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信 道传送信令，使系统性能大为改善。t d 姒方式的主要缺点是：( 1 ) 系统容量仍 不理想；( 2 ) 和f d 凇方式一样，t d m a 方式的越区切换性能仍不完善。随着社 会的发展，人们不再满足第一代、第二代移动通信系统所提供的业务和质量， 希望能够在任何地方、任何时间、以任何方式在任何个人之间进行任何信息 的通信3 l 。所以第三代移动通信系统应运而生，第三代移动通信系统是指 能够满足i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o l l l i n u n i c a t i o n su n i o n ) 的i m t2 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i n t e r n a t i o n a lm 。b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 的英文缩写，是集蜂窝、无绳卫星移动通信为一体 提供包括视频( 压缩解码) 在内的多业务、多媒体、综合化的一个系统。该系 努能与i s d n ( i n t e g r a t e d s e r v i c e s d i g i t a ln e t w o r k ) _ 币口p s t n ( p u b l i c s w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) 互联，并为i n t e r n e t 的接入提供高速、灵活、 方便的服务。其信令接口的标准是按照开放式系统互联的模式建立的。具有 完善的保密和身份验证的功能。同时，i m t2 0 0 0 也是为了满足无线个人通信 近期目标进行设计的，是一个全球无缝覆盖，全球漫游，包括卫星移动通信、 陆地移动通信和无绳电话等蜂窝移动通信的大系统，可以向公众提供前两代 产品不能提供的各种宽带信息业务如高速数据，慢速图像与电视图像等， 速率达2 m b p s ，带宽在5 删z 以上。 i t u 已对i m t 2 0 0 0 的测试环境提出了其体标准，给出了表征i m t 2 0 0 0 系 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 统的最低限度的参数，包括支持的数据速率范围、误码率标准、单向的时延 标准、激活因子和业务量模型。根据i t u 的标准，世界各大电信公司联盟均 已提出了自己的第三代移动通信系统方案，由于第三代移动通信标准必然影 响各国在第二代移动通信方面的利益，如北美希望能够兼容i s 9 5 系统，欧洲 希望能够兼容g s m 系统，因此i t u 不可能在短时期内统一第三代移动通信系 统标准。目前分别以欧、美为代表的3 g p p 和3 g p p 2 区域性组织正在进行标准 化的制定。从技术角度来看，虽然这些方案不甚相同，但是全世界在第三代 移动通信系统中采用宽带码分多址( c d m a ) 技术已经达成共识，其中以 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 三种方案最具有前途。值得指出的是。t d s c 蹦a ( 也称低码片速率t d d ，w c d m a t d d 称为高码片速率t d d ) 技术规范是第一份 我国自己提出的，被i t u 全套采纳的无线通信标准i “”。表1 1 对w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 技术进行了比较。 表1 1w c d m 、c d i n a 2 0 0 0 、t d s c d 姒参数比较 参数 w c 蕊l ac d m a 2 0 0 0t d s c d m a 信道带宽 5 1 0 2 0 瑚z1 2 5 5 1 0 2 0 m h z1 2 8 埘z 多址方式 d s c d m ad s c d h l a 和m c c d m at d s c d m a 双工方式 f d d t d df d dt d d 帧长l o m s2 0 m s1 0 m s 卷积编码r - l 2 ，卷积编码r = l 2 ，卷积编码r = 1 4 f e c 编码l 3 ，k = 9 r s 码( 数据)1 3 ，3 4 ，k _ 9 ，t u r b ol 。k - 9 ，r s 码( 数据) 码 数据调制：q p s k b p s k 数据调制：q p s k b p s k接入信道：d q p s k 调制 扩频调制：o p s k扩频调制： q p s k o 日p s k 前向：专用导频信道 前向；公用导频信道前向：专用导频信道 相干解调 反向：专用导频信道反向：专用导频信道 反向：专用导频信道 f d d ：开环+ 快速闭环开环+ 快速闭环开环+ 快速闭环 功率控制 t d d ：开环+ 慢速闭环( 8 0 0 h z ) ( 2 0 0 h z ) 基站阃同 异步，同步( 可选)同步( g p s ) 同步( g p s 或其他方 式) 本设计所要研究的对象正是作为主流技术之一的w c d m a 技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 论文的研究内容 近年来，无线移动通信发展迅猛，无线移动用户数口急剧增长，在当前 乃至将来的无线移动通信系统中须为用户提供更多的数据、图像和视频等多 媒体业务信息，这些均导致更多的无线资源将被占用。但这一需求同无线资 源的稀缺性构成矛盾，使得应该以怎样的方式来更加合理有效地分配和利用 有限的无线资源、支持尽量多的用户而又保证多种业务运用的服务质量等问 题成为一个重要的研究课题。这就是无线资源管理要解决的问题。无线资源 管理( r 埘，r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) 负责空中接口资源的利用，保证移 动用户的q o s 要求，维持系统预规划的覆盖区。 无线资源管理技术是无线移动通信系统中的关键技术之一，涉及到众多 相关领域：呼叫接纳控制算法、切换控制算法、容量分析、负荷控制、功率 控制算法、小区设计、分组调度以及无线传播环境等。 图卜1 无线资源管理算法基本模型 图卜l 给出了一个蜂窝通信系统的无线资源管理算法的基本模型同。这 里假定无线资源管理功能由每个基站独立完成。当有新用户或切换用户发出 呼叫请求时，基站首先调用接纳控制算法，决定是否阻塞该呼叫，如果允许 接纳该呼叫，则根据系统划分的业务类型将该请求添入对应类别的请求队列 中，同时为其分配相应的缓冲队列存储其数据信息。而后，系统调用分组调 度算法决定为不同呼叫的服务顺序，并为之分配发射功率和传输速率。为简 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 化起见，将功率和速率控制算法统一纳入了分组调度算法模块中，在实际系 统中，可以采用电路交换方式为实时业务提供优先服务以保证其延迟要求， 而采用分组交换方式为非实时业务提供尽力而为的服务以充分利用系统的剩 余容量，优化频谱利用率。因此，对于电路交换的实时业务而言，分组调度 算法蜕化为功率控制算法，由功率控制算法计算不同用户所需的发射功率， 对于分组交抉的非实时业务而言，分组调度算法将决定不同用户分组的传输 顺序、传输时间、传输速率与发射功率。 对w c d m a 系统的研究是一个范围广泛的领域。本文对于w c d m a 小区容量及 与小区容量相关的呼叫接纳算法进行了研究。对于蜂窝移动通信，一个重要 的研究项目即是小区的布局，这涉及到链路预算以及对小区的容置的分析。 本文所作的研究分析均针对睨d 姒的上霉亍链路积下 亍链路分烈进雩亍。首先对承 载具有不同q o s 要求的多业务w c d m a 蜂窝通信系统的容量性能进行了研 究，讨论了影响w c d m a 系统小区容量的诸多因素，得出了上下行链路的容 蛋性能。然后仿真分析了基于干扰门限c a c 方案。通过对新呼叫和呼叫接纳 呼叫设置不同的干扰门限值，降低了阻塞率，提高系统性能。 1 3 论文的内容安排 本文共分四章，其中第三章私第匹章是本文的重点章节，是对作者在硕 士研究生阶段所傲研究工作的详细介绍。 在第一章中，作者首先介绍了第三代移动通信系统，即i m t - 2 0 0 0 的定 义作者分析了第三代移动通信系统与第一和第二代移动通信系统的不同之 处，指弱了它所具有的显著特点。作者对占据主导地位的三种接口标准 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d l l a 从信道带宽，多址方式，调制，帧长等方面 进行了比较。然后，作者给出了本文的研究内容及全文的内容安排。 在第二章中，作者介绍了w c d m a 系统以及c d 撇的无线资源管理，着重对 w c d 姒系统的关键技术和技术特点进行了介绍。 在第三章中首先对w c d m a 小区规划中涉及到的参数进行分析及计算， 并在此基础上通过仿真得到w c d m ：的小区容量性能。 在第四章中，以实时语音和非实时数据两种典型业务为硬究对象，对基 于干扰门限的w c d m a 系统中的呼叫接纳控制算法进行了研究，并给出了仿 真与分析结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 最后，总结了论文的相关工作，并提出了未来工作的方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章w c d m a 系统原理 2 1 第三代移动通信系统中的w c d 掀 第三代移动通信系统是为多媒体通信而设计的，通过该系统提供的高质 量图像和视频使人与人( p r p ) 的通信能力进一步增强；而第三代系统所 带来的更新更灵活的通信能力和更高的数据速率使得公用网和专用网上的信 息与业务的接入能力大大增强。所有这一切，连同第二代系统向第三代系统 的平滑连续过渡，不仅为设备制造商、运营商，同时也为使用这些网络的内 容和应用提供商创造了新的商机。 在标准化论坛中，w c d m a 技术已经成为了被广泛采纳的第三代空中接 口，其规范已在3 g p p ( t h ot h i r dg 彻e 碍t i o dp 8 n 锄哪h i pp t o 佃c l ，第三代移动 通信伙伴计划) 中规定，3 0 p p 是由来自欧洲、日本、韩国、美国和中国的 标准化组织组成的一个联合标准化项目。在3 g p p 中，w c d m a 被称为 u n 她( u n i v c r s a ln i r c s 仃j a l r a d i o a c c c s s 通用地面无线接入) h ) d ( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p i c x ，频分双工) 和u ut d d ( 髓m ed j v i s i o n d u p i e x ，时分双工) w c d m a 这个名字涵盖了f d d 和t d d 两种工作模式h 。 2 2w c d m a 的发展 日本对i m t 一2 0 0 0 的研究非常重视，是第三代移动通信的最积极的倡导 者之一，这是因为日本在第一代移动通信上采取了自成体系的政策，先后推 出的j d c ( 后改为p d q 蜂窝系统及p h s 无绳电话系统。虽然在日本市场非常 普及，但却未能成为国际主流产品，从而使得日本移动通信厂商在国际市场 竞争中几乎未占领任何本土之外的市场份额。日本急切希望通过第三代移动 通信产品的推出，改变这种不利的局面。从1 9 9 3 年开始，日本便进行m r r 一2 0 0 0 的研究，1 9 9 4 年1 0 月日本开始征集无线传输技术，1 9 9 7 年初已基本 定为w c d m a 技术，包括f d d 和t d d 两种工作模式。在研究过程中，具体 的标准制定和技术开发功作由a r l b 和t t c 负责，a r i b 主要负责无线部分 的研究，n 主要负责网络方面技术的研究。 的研究，n 主要负责网络方面技术的研究。 西南交通大学硕士砑究生学位论文第7 页 欧洲早在2 0 世纪8 0 年代中期已经开始研究第三代移动通信系统，1 9 8 7 年正式提出了u m t s 的概念，并且欧共体有很多大的研究计划，如：基于欧 洲先进的通信研究计划r a c e 、先进通信技术和业务计划a c i s 以及科研领 域合作计划c o s t 等。u m t s 的标准化工作主要由e t s is m g 负责，s m g 的 u m t s 标准化工作分三步走：第一步以欧洲技术报告( e t r ) 的形式提出目标； 第二步提出详细的要求和框架文件；第三步提出详细的标准，包括测试标准 在内。1 9 9 7 年中，方案也逐步缩小在两个主要的候选技术，即w c d m a 和 t d c d m a 技术之间。1 9 9 8 年初已确定u m t s 的无线传输技术u t r a ，其 f d d 模式采用w c d m a t d d 模式采用1 d c d m a ，并且积极进行u m t s 的标准化工作。 同时，以爱立信和诺基亚为代表的欧洲移动通信厂商也是第三代移动通 信的积极参与者，他们在第二代移动通信系统g s m 的研究、生产与制造中 占尽了先机，获取了极为丰厚的市场回报。他们希望通过第三代移动通信系 统的研制抵御来自北美i s - 9 5 c d m a 技术的强劲挑战。并保持他们在移动通 信方面的领先地位。 ，1 9 9 8 年欧洲e t s i 的u t r aw c d m a 与日本的w c d m a 融合为现在的 w c d m a 系统，成立3 g p p 组织。因此w c d m a 也成为影响范围最大的标准。 ， 2 3 w c d m a 与第二代空中接口的区别 这一节将介绍第三代空中接口与第二代的不同之处。这里将考虑第二代 空中接口中的g s m 和1 s 9 5 ( c d m a o n c 系统的标准) 。其他第二代空中接口 还有日本的p d c 和主要应用在美洲地区的u s t d m a ；这两个接口是基于 t d m a ( 时分多址) 的，与i s - 9 5 和g s m 相比，它们与g s m 有更多的相似 之处。业已建成的第二代系统主要用在宏小区中，提供语音业务。为了更好 地理解第二代、第三代行系统之间不同的背景，首先看一下第三代系统的新 需求： 最高可达2 m b i t s 的比特速率； 根据不同的带宽需求支持可变比特速率： 支持不同服务质量要求的业务，例如话音、视频和分组数据复用到一 条单一的连接中： 时延要求涵盖了从时延敏感型的实时业务到比较灵活的尽力而为型 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 的分组数据； 质量要求涵益从1 0 的误帧率到1 0 6 的误比特率： 与第二代系统的共存以及支持为增加覆盖范围和负载均衡而要在两 种系统之间进行切换的功能； 支持上、下行链路业务量不对称的服务一如浏览网页造成的下行链路 负载远大于上行链路负载； 高频谱利用率； 支持f d d 、t d d 两种模式的共存。 表2 1w c d m a 和g s m 空中接口的主要区别 w c d m ag s m 载波间隔 5 m h z2 0 0 k h z 频率复用因数 1 1 1 8 功率控制频率 1 5 0 0 h z2 h z 或更低 服务质量控制 无线资源管理算法网络规划( 频率规划 频率分集5 m h z 频率的带宽使其可采用 跳频 r a k e 接收机进行多径分集 分组数据基于负载的分组调度g p r s 中基于时隙的调度 下行链路发送分集 支持以提高下行链路的容量标准不支持，但可以应用 表2 2w c d m a 和l s 9 5 空中接口的主要区别 w c d m ai s 9 5 载波间隔 5 m h z1 2 5 m h z 码片速率3 8 4 m a l i 口，s 1 2 2 8 8 m c h i p s 功率控制频率1 5 0 0 h z 上、下行链路都有上行链路：8 0 0 h z 下行链路：慢速功率控制 基站同步不需要 需要，典型的做法是通过 g p s 频率间切换 需要，使用分槽方式测量可以采用，但未规定具体 的测量方法 有效的无线资源管支持，提供所请求的o o s 不需要，因其是只为传送 理算法 话音设计的网络 分组数据基于载荷的分组调度 把分组数据作为短时电路 交换呼叫来处理 下行链路发送分集支持，以获得更高的下行链路容 标准不支持 量 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 表2 1 列出了w c d m a 和g s m 空中接口的主要区别，表2 2 则是 w c d m a 和i s 9 5 空中接口的主要区别。这里仅仅比较了空中接口。当然g s m 还包括业务帮核心网方面的内容，而且这一g s m 平台将和w c d m a 空中接 口共同使用。 空中接口的差异反映了第三代系统的新要求。例如，为支持更高的速率 需要5 m h z 这一更宽的带宽。w c d m a 中采用发送分集来提高下行链路容量 以支持具有上、下行链路容量非对称特性的业务。第二代的标准并不支持发 送分集。而在第三代系统中则要把不同比特速率、不同服务种类和不同质量 要求的业务混合在一起，这就需要有先进的无线资源管理算法来保障服务质 量和达到最大的系统吞吐量。还有，在新系统中对非实时的分组数据的有效 支持也很重要。 下面主要讨论w c d m a 和i s 9 5 的区别。两者都采用直接序列c d m a 技术。w c d m a 上、下行链路都采用快速闭环功率控制；而i s 9 5 只在上行 链路中使用这一技术。在下行链路中使用快速功率控制皂够改善链路性能， 并且增加下行链路的容量。当然这需要移动台增加一些新的功能，例如s i r 估计和外环功率控制，这方面是i s 9 5 移动台所没有的。i s 9 5 系统主要是针 对宏小区的应用。由于i s 9 5 的基站需要同步，而同步的完成最典型的是依 靠g p s 信号。而w c d m a 的设计采用异步基站，无需获取g t s 信号。异步 基站使得w c d m a 的切换与i s 9 5 当中的略有不同。在w c d m a 中，频率 间的切换很重要，这样可以使每个基站的几个载频得到最大化的使用。i s 9 5 中没有对频率间的测量做出详细规定，使得频率问的切换比较困难。 从第二代空中接口中获得的经验在开发第三代空中接口时发挥了很大的 作用，但是正如上面所列的，两者之间也存在多种不同之处。我们必须对 w c d m a 空中接口从物理层到网络规划和性能优化各个方面进行深入的理 解。才可以最充分地利用w c d m a 的性能。 2 4w c d m a 的关键技术 2 4 1 分集接收技术 无线信道是随机时变信道其中的衰落特性会降低通信系统的性能。为了 对抗衰落，可以采用多种措旌，比如信道编解码技术，抗衰落接收技术或者 扩频技术。分集接收技术技认为是明显有效而且经济的抗衰落技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 我们知道无线信道中接收的信号是到达接收机的多径分量的合成。如果 在接收端同时获得几个不同路径的信号，将这些信号适当合并成总的接收信 号，就能够大大减少衰落的影响。这就是分集的基本思路。分集垂勺字面含义 就是分散得到几个合成信号并集中( 合并) 这些信号。只要几个信号之间是 统计独立的那么经适当合并后就能是系统性能大为改善。 互相独立或者基本独立的一些接收信号，一般可以利用不同路径或者不 同频率、不同危度、不同极化等接收手段来获取： ( 1 ) 空间分集：在接收或者发射端架设几副天线，各天线的位置间要求 有足够的间距( 一般在1 0 个信号波长以上) 以保证各天线上发射或者获得的 信号基本相互独立。如图2 1 所示，就是一个双天线发射分集的提高接收信号 质量的例子。通过双天线发射分集，增加了接收机获得的独立，接收路径取 得了合并增益。 ( 2 ) 频率分集：用多个不同的载频传送同样的信息，如果各载频的频差 间隔比较远，其频差超过信道相关带宽，则各载频传输的信号也相互不相关。 ( 3 ) 角度分集：利用天线波束指向不同使信号不相关的原理构成的一种 分集法。例如，在微波面天线上设置若干个照射器，产生相关性很小的波束。 ( 4 ) 极化分集：分别接收水平极化和垂直极化波形成的分集方法。 图2 一l 正交发射分集原理 如图2 - 1 所示为正交发射分集的原理，图中两个天线的发射数据是不同 的，天线1 发射的偶数位置上的数据，天线2 发射的是奇数位置上的数据，利 用两个天线上发射数据的不相关性，通过不同天线路径到达接收机天线的数 据具备了相应的分集作用，降低了数据传输的功率同时由于发射天线上单天 线发射数据的比特率降低，使得数据传输的可靠性增加。因此发射天线分集 可以提高系统的数据传输速率。 其他的分集方法还有时间分集，是利用不同时间上传播的信号的不相关 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 性迸行合并。分集方法相互是不排斥的，实际使用中可以组合。 2 4 2 智能天线技术 近年来，随着微电子技术的高速发展，智能天线技术已成功应用于移动 通信系统，并通过对无线数字信号的高速时空处理，极大地改善了频谱的使 用效率。今后几年我国将进入3 g 高速建设发展期，智能天线技术将会迎来广 阔的发展空间p l 。 一般说来，智能天线包括多波束智能天线和自适应阵列智能天线，自适 应阵列智能天线已经成为智能天线发展的主流。 最初的自适应阵列智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信， 用来完成空间滤波和定位等功能，提高系统的性能和电子对抗的能力，但由 于价格等因素一直未能普及到其它通信领域。而智能天线真正的发展是在2 0 世纪9 0 年代初，随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天 线理论等方面的研究逐渐深入，微计算器和数字信号处理技术的飞速发展， d s p 数字信号处理芯片的处理能力日益提高，利用数字技术在基带形成天线 波束成为可能，提高了天线系统的可靠性与灵活程度；同时数字芯片的价格 已经为现代通信系统所接受。因此，智能天线技术开始用于具有复杂电波传 播环境韵移动通信。 智能天线可将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定囱波束，使天 线主波束对准用户信号到达方向d o a ( d i r e c t i o no fa r r i n a l ) 。旁瓣或零 陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并擐5 除或抑制干 扰信号的目的。同时，利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列 天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使 无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下， 使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。 智能天线潜在的性能效益表现在多方面，例如，抗多径衰落、减小时延 扩展、支持高数据速率、抑制干扰、减少远近效应、减小中断概率、改善比 特差错率性能、增加系统容量、提高频谱效率、支持灵活有效的越区切换、 扩大小区覆盖范围、灵活的小区管理、延长移动台电池寿命以及维护和运营 成本较低等等。简单归纳起来智能天线的主要作用在以下两方面。 改善系统性能，提高通信质量。采用智能天线技术可提高第三代移动通 西南交遥大学硕士研究生学位论文第1 2 页 信系统的容量及服务质量，w c d m a 系统就采用自适应天线阵列技术，增加系 统容量。 提高颏谱利用效率，增加网络质量。智能天线通过空分多址，将基站天 线的收发限定在一定的方向角范围内，其实质是分配移动通信系统工作的空 间区域，使空间资源之间的交叠最小、干扰最小。 美国、日本和欧洲等国非常重视未来移动通信中智能天线的作用，已经 开展了大量的理论分析和研究。我国也早已将研究智能天线技术列入国家 8 6 3 3 1 7 通信技术主题研究中的个人通信技术分项，许多专家及大学正在进 行相关的研究。 3 g 系统采用智能天线技术可提高其容量及系统服务质量，w c d m a 系统就 采用自适应天线阵列技术，增加系统容量。由我国大唐电信提出并拥有较多 的基本专利的t d s c d 姒系统是应用智能天线技术的典型范例。 t d s c d l l a 系统采用t 叻方式，使上下射频信道完全对称，可同时解决 诸如天线上下行波束赋形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。t d s c d 姒系 统采用了智能天线、联合检测等一系列关键技术。智能天线用于波束的赋形， 从而在基站和用户之间建立起一条能量相对集中的无线链路，大大降低系统 干扰，提高系统容量。联合检测充分利用所有用户的扩频码、幅度、相位等 信息，能同时消除多址干扰( 姒i 和码闻干扰( i s i ) 。智能天线和联合检 测虽然都能抑制系统干扰，但各有侧重，智能天线在抑制区间干扰方面的能 力要远远高于联合检测，而联合检测在抑制区内干扰方面的能力优于智能天 线，两者需要配合使用。 智能天线技术对e d m a 移动通信系统的性能提高和成本下降都有很大的 作用，但智能天线应用于c d l i a 系统时，也同时带来了相应的新问题，如：智 能天线的校准、智能天线和其他抗干扰技术的结合、波束赋形的速度问题、 设备复杂性的考虑、共享下行信道及不连续发射、帧结构及有关物理层技术 等。我们在推动标准演进和产品设计上都需要考虑和不断解决这些问题。 智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应用。由于体 积和计算复杂性的限制，目前仅适用于在基站系统中的应用。智能天线包括 两个重要组成部分。一是对来自移动台发射的多径电波方向进行方向角估计， 并进行空间滤波，抑制其它台的干扰。二是对基站发送信号进行波束形成， 使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台，从而降低发 射功率，减少对其它移动台的干扰。智能天线技术比较适合于t d d 方式的c d m a 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 系统，能够较大程度上抑制多用户干扰，从而提高系统容量。它的实现困难 在于由于存在多径效应，每个天线均需要一个r a k e 接收机，使基带处理单元 复杂度明显提高。 2 4 3 多用户检测技术旧 多用户检测技术( m u d ) 是通过去除小区内干扰来改进系统性能，增加系 统容量。多用户检测技术还能有效缓解直扩c d m a 系统中的远近效应。 由于信道豹菲正交性和不同用户的扩频码字的非正交性，导致用户阃存 在相互干扰，多用户检测的作用就是去除多用户之间的相互干扰。一般而言， 对于上行的多用户检测，只能去除小区内各用户之间的干扰，而小区间的干 扰由于缺乏必要的信息( 比如相邻小区的用户情况) ，是难以消除的。对于下 行的多用户检测，只能去除公共信道( 比如导频、广播信道等) 的干扰。 多用户检测的想法最早在1 9 7 9 年由s c h n e i d c r 提出，1 9 8 3 年k 0 h n oe t a 1 发 表了基于干扰消除算法的接收器的研究成果。1 9 8 4 年v c r d u 提出和分析了最优 多用户检测器和最大序列检测器，但由于其实际实现的复杂性。大家转而研 究次优的多用户检测器。 其中线性检测器包括i ，u p a s 和v e r d u 提议的解相关器，通过求出多用户信 号互相关矩阵的逆，乘以解扩后的信号，得到去除其他用户相互干扰后的信 号估计，这秘方法的缺点是会扩大噪声的影响，并且导致解调信号很大的延 迟。 干扰消除的想法是估计一不同用户和多径引入的干扰，然后从接收信号 中减去干扰的估计。串行干扰消除( s i c ) 是逐步减去最大用户的干扰，并行干 扰消除( p i c ) 是同时一减去除自身外所有其他用户的干扰。 就w c d m a 上行多用户检测而言，目前最有可能实用化的技术就是并行 的干扰消除，因为它需要的资源相对比较少，仅仅是传统接收机的3 5 信。而 数据通路的延迟也相对比较小。 w c d m a 下行的多用户检测技术则主要集中在消除下行公共导频、共享 信道和广播信道的干扰，以及消除同频相邻基站的公共信道的干扰方面。 在传统c d m a 接收机中，各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰 落环境下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，会造成多个 用户之间的相互干扰，限制系统容量的提高。解决这个问题的一个有效办法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 是使用多用户检测技术，通过测量各个扩频码之间的非正交性，用矩阵求逆 或迭代方法消除多用户之间的相互干扰。 理论上讲，多用户检测技术能够在极大程度上改善系统容量，但其中一 个比较困难的问题是，基站接收端的等效干扰用户等于正在通话的移动用户 数乘以基站端可观测到的多径数。这意味着在实际系统中等效干扰用户数将 多达数百个，这样即使采用与干扰用户数成线性关系的多用户抵消法仍使其 硬件实现过于复杂。如何把多用户干扰抵消算法的复杂度降低到可接受的程 度是多用户干扰检测技术实现的关键。 2 4 4 功率控制技术 w c d m a 提供的上行和下行链路的快速功率控制是它的一个显著特点。 功率控制分为上行功率控制和下行功率控制。根据功率控制是否具有闭合回 路可将其分为开环功率控制和闭环功率控制。 当两个用户设备u e l 和u e 2 工作在同一频率时，基站只能根据两者使用 的扩频码对其进行区分。如果u e l 处于小区边缘，而u e 2 处于靠近基站的 位置，那么u e l 比u e 2 的路径损耗会大几十分贝( d b ) 。如果不采取功率控制 技术保证两个用户设备到达基站的功率在同一电平上，那么u e 2 发射的信号 会完全淹没u e l 发射的信号，并因此阻塞小区中的大部分区域。在c d m a 小区中，近端用户设备( u e ) 对远端u e 的影响称作“远近效应”。从提高 系统容量角度考虑，必须采用一定的策略使u e 的比特接收功率保持均衡。 w c d m a f i ) d 模式使用开环功率控制，一般用来在连接建立的初始阶段 为用户设备( u e ) 提供比较粗略的功率控制。开环功率控制不在w c d m a f d d 中其他过程使用的原因是，上行和下行链路采用的频率相差较大，两个链路 的快衰落本质上不相关。 在w c d m a 中，较好的功率控制方案是快速闭环功率控制。在上行链路 中，基站需要频繁地估计接收信干比( s i r ) 的值并将它与目标s i r 比较。若测 量的s i r 大于目标s i r ，基站就命令u e 降低功率；反之，若测量的s i r 比 目标s i r 小很多，基站就命令u e 提高功率。对每个u e 。这个“测量一命令 响应”循环的最大频率为1 5 】c h z ，这比任何较明显的路径损耗的改变都快， 实际上甚至比低速和中速移动的u e 产生的r a y l e 培h 快衰落的速度还快。因 此闭环功率控制可以防止基站接收的上行信号中出现功率不平衡的现象。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 在上行链路的闭环功率控制中，u e 采用与基站接收功率成反比的发射 功率。只要移动台百足够的余量增大发射功率，那么剩下的残余衰落就非常 小，从基站接收机来看，信道基本上成了无衰落信道。尽管从接收机的角度 考虑，这样消除衰落是值得的，但这意味着在发射端必须增加平均发射功率。 这样，当u e 处于深衰落时，必须使用很高的发射功率。这必然增加对其他 小区的干扰因而实际系统中必须针对发射功率的增加设置合适的门限。 在w c d m a 中，下行链路也采用同样的闭环功率控制技术。但是由于下 行链路不存在远近效应，所以它的目的与上行链路不同。对一个小区中的u e 而言，接收到的所有信号均来自基站，但是位于小区边缘的u e 由于会受到 其他小区的干扰，接收的信号质量变差，要求基站为其提供少量的额外功率。 此外，u e 在低速移动过程中，那些基于交织和纠错码的纠错有效性降低， 所以也需要在下行链路中采用功率控制技术来挽救由于r a y l e j g h 衰落而减弱 的信号功率。 下面介绍与闭环功率控制相关的外环功率控制。外环功率控制根据各个 独立的无线链路的需求调整目标s 瓜的设置值，以取得由b e r ( 误比特率) 或 者b l e r ( 误块率) 定义的稳定质量。s 承的设置值要考虑最坏情况下的质量， 例如，针对某条连接在高速移动情形下设置s m 后，在低速移动时连接会有 很大的容量浪费。所以较好的策略是让s i r 的设置值在某个范围内浮动。这 样，随着移动速度、无线传播环境等的变化，s 琅的设置值也相应变化，如 图2 2 所示。 闻三兰兰搿一h 同蚪0 凰髓豳 基瓶瓢量r 、硝删帷膏，。 一蔓s m 日话b b鞠秆功车控簟 岫 图2 2 外环功率控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 外环功率控制的典型实现是给上行链路中的每个用户帧加上一个“帧可 靠指示”标签，例如，解码某个用户帧时得到的c r c 校验结果。若“帧可靠 指示”标签显示传输质量下降，那么r n c 命令基站将目标s l 的设置值调 高。r n c 针对软切换操作时一般需要使用外环功率控制。 2 5w c d m a 的技术特点 w c d m a 主要具有以下几个技术特点： 1 、采用码资源区分信道 w c d m a 系统中每个载频内的所有用户共享频率、时间和功率资源，用 扩频码( 扰码和信道码) 对信号作扩频处理来区分信道，也即通常所说的码分 多址技术。 w c d m a 系统中的一个信道不会单独占有一个频道或一个时间段，信道 发送的信号是扩频后的信号，接收端将接收到的信号用相同扩频码解扩。如 果选取的扩频码有较好的自相关和互相关特性，则对于同一扩频码调制的信 号，解扩的结果将表现为一个很高的峰值，其他信号的解扩结果近似为零。 用这样的方法就可区分系统中不同的信号。所以在w c d m a 中无需作频率规 划，取而代之的是扩频码的规划。 w c d m a 的一个信道由三个部分组成 某类业务的干扰门限)“2 3 ) 某类业务的中断概率表示为在仿真持续时间内该小区被中断的该类业务 用户总数与到达的该类业务用户总数之比。中断发生在用户信于比小于其目 标信干比时。所以中断概率可以表示为： 匕一 觚以)( 4 2 4 ) 系统服务等级g o s 是阻塞率与中断率的加权评估指标，由于通常认为中 断一个正在接收服务的用户比阻塞一个用户更让人难毗容忍，所以给予中断 概率1 0 倍加权。则系统服务等级g 0 s 为； g o s 2 最+ 1 0 ( 4 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 3 页 图4 - 3 基于干扰门限的呼叫接纳控制流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 4 页 4 4 结果分析 考虑到仿真实验中得到的结果为概率统计结果，所以一次得到的实验结 果不能作为最后仿真结果，必须