（通信与信息系统专业论文）基于第三代移动通信系统的无线网络性能评估及优化.pdf

器 、- j ， 沁： 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 论文作者签名 期： 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。 论 ，9 摘要 g s m 网络从1 9 9 3 年在我国开始商用，存这1 0 多年的发展中，移动用户数量的惊 人发展，g s m 系统网络规模不断扩大，网络质量虽然也得到不断的提升，但频率资 源逐渐匮乏，无线网络的频率复用系数越来越小，网络规模扩大带来的各类问题 也日益多样化和复杂化，仅仅依靠单纯的日常网络维护已无法切实为移动用户提 供高质量的网络服务。同时，随着竞争的加剧和用户要求的提高，如何使网络达 到最近运行状态，如何提高网络通信质量，已成为我国网络运营管理的重要任务 因此，网络优化管理日益成为我国移动通信网络管理的重要研究内容之一 3 g 通信技术是近年来移动通信领域的热点课题。作为一种新型通信技术，在 其工程应用过程中必然会出现各类与用户感受直接相关的网络问题。如何在网络 管理水平相对较低的情况下快速提升3 g 网络服务质量，是我国3 g 商用工程布网前 需要积极探索的问题。w c d m a 系统作为3 g 体制的重要标准之一，技术体制和市场规 模方面都得到了较好发展。u t r a n ( w c d m a 通信系统的陆地无线接入网络) 是w c d m a 网 络的重要组成部分，与2 g 系统相比由全新的协议构成。从网络运营的角度看无线 接入网络性能的好坏，直接关系到移动用户的服务质量感受。 在本课题的研究过程中，我们首先对移动通信技术的发展过程进行了简要说 明。对第三代移动通信系统采用的技术标准、关键技术和网络结构等进行了分析 研究，明确指出了w c d m a 技术应用于3 g 系统的优势。接着，结合作者多年对2 g 及2 5 g 网络优化管理的经验，创新性地建立了w c d m a 技术体制下的无线网络性能评估模型 及网络优化管理模型。最后。结合3 g 实验网络中出现的实际网络优化分析解决案 例，对前面建立的网络性能评估模型指标、算法以及网络优化管理中提到的具体 网络优化方法进行了验证。 关键词：第三代移动通信技术；网络优化；网络性能评估模型； 网络优化管理模型 当奎盔：! l 圭兰j 耋鲨苎 a b s t r a c t g s ms y s t e mh a sb e e nc o m m e r c i a l i z e di nc h i n as i n c e1 9 9 3 g r e a tc h a n g e sh a v e t a k e np l a c en o to n l yi nt h en u m b e ro fs u b s c r i b e r s ，b u ta l s oi nt h en e t w o r ks c a l e sa n dt h e n e t w o r kc a p a c i t yd u r i n gt h el a s t1 0y e a r s w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h em o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki sf a c i n gs e v e r ec h a l l e n g e s a l t h o u g ht h eg s m n e t w o r ki sg r o w i n gs t e pb ys t e p ，t h en e t w o r k sq u a l i t ya r ci m p r o v e d l i t t l eb yl i t t l e , t h ef r e q u e n c yr e s o u r c ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei n a d e q u a t e ，a n dt h e c o e f f i c i e n to f t h ew i r e l e s sn e t w o r km u l t i - r e u s ef r e q u e n c i e si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e s m a l l e r a l lk i n d so fp r o b l e m sc a u s e db yt h es p r e a d i n go fn e t w o r k s 黜v e r s a t i l ea n d c o m p l i c a t e d m e a n w h i l e ，w i t ht h eh e a t e dc o m p e t i t i o na n di m p r o v e ds u b s c r i b e r s d e m a n d s ，h o wt ok e 印t h en e t w o r k st h eb e s tr u n n i n gs t a t u ea n dh o wt oi m p r o v et h e n e t w o r k s q u a l i t yb e c o m et h em a i na i m so f t h en e t w o r ko p e r a t i n gm a n a g e m e n t s o ，t h e n e t w o r ko p t i m i z a t i o nm a n a g e m e n tb e c o m e so n eo f t h ei m p o r t a n tp r o b l e m st h en e t w o r k m a n a g e r sa 糟s t u d y i n g 3 gt e c h n o l o g yi sah o ti s s u ei nt e l e e n ma r e a si nr e c e n ty e a s a san e wt e l e c o m t e c h n o l o g y ，av a r i e t yo fn e t w o r kp r o b l e m sr e l a t e dt ot h ec u g o m e r s f e e l i n gw i l la p p e a r i l li t sa p p l i c a t i o n h o wt oq u i c k l yi m p r o v e t h eq u a l i t yo f t h en e t w o r k sw h i l et h en e t w o r k m a n a g e m e n ti si naf a i r yl o wl e v e ln e e d st ob ea c t i v e l ys t u d i e db e f o r e3 gn e t w o r k s h a v eb e e nb u i l tc o m m e r c i a l l y a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts t a n d a r d so ft h e3 g t e c h n o l o g y ，w c d m ah a sb e e nd e v e l o p e dv e r yw e l li nt e c h n i q u es t r u c t u r ea n dm a r k e t f 】 s c a l e c o m p a r e dw i t ht h e2 gt e c h n o l o g y ，u t r a n ，a l li m p o r t a n tp a r to fw c d m a i s m a d eu pb yt o t a l l yn e wp r o t o c o l s f r o mt h ev i e wo ft h eo p e r a t o r s ，t h eq u a l i t yo ft h e 4 。 w i r e l e s sa c c e s sn e t w o r ki sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ec u s t o m e r s s a t i s f a c t i o n a tt h eb e g i n n i n go ft h ed i s s e r t a t i o n ，w ef i r s t l yi n t r o d u c e dd e v e l o p m e n to ft h e m o b i l et e l e c o mi ns i m p l ew o r d s ，a n dd i s c u s s e dt h en e t w o r ks t r u c t u r ea n dt h eq u e s t i o n s o f t h ei ga n d2 gt e c h n o l o g i e si nd e t a i l i nt h ew a yo fs t u d y i n gt h et e c h n i q u es t a n d a r d s 、 m a i nt e c h n i q u e sa n dn e t w o r k s t r u c t u r e s ，t h ea d v a n t a g eo fw c d m a i n3 gw a sf i g u r e d 省奎查主至主耋堡鎏銮 。 o u t a c c o r d i n gt ot h ew r i t e r se x p e r i e n c ei nb u i l d i n gt h em o d e lo ft h en e t w o r k m a n a g e m e n ti n2 ga n d2 5 g ，t h ee v a l u a t i o nm o d e lo f t h ew i r e l e s sn e t w o r kp e r f o r m a n c e i nw c d m aw a so r i g i n a l l yc r e a t e d b yu s i n gt h ec a s e so ft h eo p t i m i z a t i o no ft h e e x p e r i m e n t a ln e t w o r k , s t l l d y i n gt h et h o u g h t sa n dm e t h o d so ft h ew i r e l e s sn e t w o r k o p t i m i z a t i o n ，ac o n c l u s i o nw a sg i v e na n dt h en e t w o r km a n a g e m e n t m o d e lw a sb u i l t k e yw o r d s ：3 g ；n e t w o r ko p t i m i z a t i o n ；n e t w o r kp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nm o d e l ； n e t w o r ko p t i m i z a t i o nm a n a g e m e n tm o d e l 3 山东大学硕士学位论文 i _ _ - _ - _ _ - - _ _ - _ _ - _ - _ _ l _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - - _ - _ _ _ - _ - _ _ - - 一 英文缩略语 a m r a d a p t i v em u l t i r a t e a t m a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e b l e rb l o c ke r r o rr a t e c nc o r en e i w o r k c q t c a l lq u a l i t yt e s t c sc i r c u i ts e r v i c e d t d r i v e t e s t f d d f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x g p r sg e n e r a lp a c k e tr a d i os y s t e m g s mg i o b a is y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n m s cm o b i l es w i t c h i n gc e n t r e q o s q u a i l t yo f s e r v i c e o v s f o r t h o g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r p l m np u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k p s t np u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k p sp a c k e ts e r v i c e r a br a d i oa c c e s sb e a r r a n r a d i oa c c e s sn e t w o r k r b r a d i ob e a r e r r l cr a d i ol i n kc o n t r o l r n cr a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r r r c r a d i or e s o u r c ec o n t r o l r s c p r e c e i v e ds i g n a lc o d ep o w e r t d d t i m ed i v i s i o nd u p l e x u e u s e re q u i p m e n t u t r a nu m t st 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 u m t s u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m w c d mw i d e - b 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 4 自适应多速率 异步传输模式 误块率 核心网络 拨打测试 电路业务 路测 频分双工 通用分组无线业务 全球移动通信系统 移动交换中心 服务质量 正交可变长扩频码 公共陆地移动网 公用交换电话网 分组业务 无线接入承载 无线接入网络 无线承载 无线链路控制 无线网络控制器 无线资源控制 接收信号码功率 时分双工 用户设备 u m t s 陆地无线接入网络 通用移动通信系统 宽带码分多址 1 1 移动通信的发展 第一章引言 当今社会已经进入了一个信息化的社会，没有信息的传递和交流，人们就无 法适应现代化的快节奏生活和工作。人们期望随时随地、及时可靠、不受时空限 制地进行信息交流，提高工作效率和经济效益。 移动通信综合利用了有线、无线的传输方式，为人们提供了种快速便捷的 通讯手段由于电子技术，尤其是半导体、集成电路及计算机技术的发展，以及 市场的推动，使物美价廉、轻便可靠、性能优越的移动通信设备成为可能。现代 的移动通信发展至今，已经走过了两代，第三代移动通信的发展高峰即将到来。 第一阶段是模拟蜂窝移动通信网。时间是2 0 世纪七十年代中期至八十年代中 期。其典型代表是美国的a m p s 系统和后来的改进型系统t a c s ，以及n m t 和 n t t 等。第一代移动通信系统的主要特点是采用频分复用，语音信号为模拟调制， 每隔3 0 k h z ，2 5 k h z 一个模拟用户信道。随着第一代系统在商业上的应用，其频谱 利用率低、业务种类有限等弊端也日渐凸现。 为解决模拟系统中存在的根本性技术缺陷，数字移动通信技术应运而生。这 就是以g s m 和i s 9 5 为代表的第二代移动通信系统，时间是从二十世纪八十年代 中期开始。数字移动通信网相对模拟移动通信，提高了频谱利用率，支持多种业 务服务，并与i s d n 等兼容。第二代移动通信系统以传输话音和低速数据业务为目 的，因此又称为窄带数字通信系统。其典型代表是美国的d a m p s 系统、i s - 9 5 系 统和欧洲的g s m 系统。 其中，g s m ( 全球移动通信系统) 发源于欧洲，它是作为全球数字蜂窝通信 的t d m a 标准而设计的，支持6 4 k b p s 的数据速率，可与i s d n 互连。g s m 使用 9 0 0 m h z 频带，使用1 8 0 0 m h z 频带的称为d c s l 8 0 0 。g s m 采用f d d 双工方式和 t d m a 多址方式，每载频支持8 个信道，信号带宽2 0 0 k h z 。g s m 标准体制较为 完善，技术相对成熟，不足之处是相对于模拟系统容量增加不多，仅仅为模拟系 统的两倍左右，无法和模拟系统兼容。 山东大学硕士学位论文 由于第二代移动通信以传输话音和低速数据业务为目的，从1 9 9 6 年开始，为 了解决中速数据传输问题，又出现了2 5 代的移动通信系统，如g p r s 和i s 9 5 b 。 随着网络的发展，数据和多媒体通信的发展势头很快，所以，第三代移动通 信的目标就是宽带多媒体通信。第三代移动通信系统是一种能够提供多种类型、 高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相 兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类通信的系统。由 于其诸多的优点，深深吸引了全世界各个通信运营商、设备制造商和广大移动用 户。第三代移动通信系统的目标可以概括为： 1 能实现全球漫游：用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，且可以在不 同的速率、不同运动状态下获得一定服务质量的保证。 2 能提供多种业务：话音、可变速率的数据、活动视频非话业务，特别是多 媒体业务。 3 能适应多种环境：可以综合现有的公众电话交换网( p s t n ) 、综合业务数 字网、无绳系统、地面移动通信系统，卫星通信系统阻提供无缝隙的覆盖。 4 足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和服务质量。 为实现上述目标，对第三代移动通信系统的无线传输技术( r t t ：r a d i o t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ) 提出了以下要求： 1 高速传输以支持多媒体业务。 ，室内环境至少2 m b p s 室内外步行环境至少3 8 4 k b p s 室外车辆运动中至少1 4 4 k b p s 卫星移动环境至少9 6 k b p s 2 传输速率能够按需分配。 3 上下行链路能适应不对称需求。 1 2w c d m a 技术标准演进 w c d m a 技术从出现以来，其技术标准逐渐演迸发展为r 9 9 、r 4 、r 5 等多个 版本阶段。其中r 9 9 协议于2 0 0 0 年3 月冻结功能，经过两年时间的完善，协议已 6 山东大学硕士学位论文 经成熟：r 4 协议于2 0 0 1 年3 月冻结功能，协议已经稳定；r 5 协议于2 0 0 2 年3 月( 部分功能6 月) 冻结功能。 对于以上r 9 9 、r 4 、r 5 三个协议版本，p s 域特有的设备主体没有变化，只是 进行了协议的升级和优化。其中r 9 9 版本中的电路域与g s m 网络没有根本性变化， 主要变化体现在无线接入网络的变化。在r 4 版本网络中，核心网电路域m s c 被 拆分为m s cs e r v e r 和m g w 新增了一个r - s g w 、h l r 也可被替换为h s s 。r 5 版本网络中，支持端到端的v o i p ，核心网络引入了大量新的功能实体，改变了原 有的呼叫流程。并引入了新的i m s ( i p 多媒体子系统) ，网络使用h s s 替代了原 有的h l r 。下面就每个协议版本的特点分别予以说明。 1 2 1r 9 9 版本网络结构特点 为确保运营商的投资利益，在r 9 9 网络结构设计中充分考虑了2 g 3 g 网络兼 容型问题，以支持g s m g p r s 网络向3 g 网络的平滑过渡。因此，在网络中c s 域和p s 域是并列的，r 9 9 核心c s 域，p s 域设备与g s m ，g p r s 网络相同，只是 增加了部分接口协议并对原有接口协议进行了改进。r 9 9 版本中最主要的功能改进 点是陆地无线接入网的引入。 u t r a n 即陆地无线接入网，分为基站( n o d eb ) 和无线网络控制器( i 喇c ) 两部分。 n o d eb 是w c d m a 系统的基站( 即无线收发信机) ，通过标准的l u b 接口和 r n c 相连，主要完成u u 接口物理层协议的处理。它主要的功能是扩频、调整、 信道编码及解扩、解调、信道解码，还包括基带信号和射频信号的相互转换等功 能。同时，它还完成内环功率控制等无线资源管理功能。在逻辑，上对应于g s m 网络中的基站( b t s ) 。 r n c 是无线网络控制器，主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合并和无 线资源管理控制等功能。在逻辑上与g s m 网络中的基站控制器( b s c ) 对应。 1 2 2r 4 版本网络结构特点 r 4 版本中p s 域的功能实体s g s n 和g g s n 没有改变，与外界的接口也不变。 为了支持全i p 网络发展的需要，r 4 版本中引入了软交换架构，采用控制与承载相 7 山东大学硕士学位论文 分离构架，原r 9 9 版本中的m s c 被拆分为m s cs e r v e r 和m g w 两部分，初步具 备了下一代网络的模型。同时c s 域支持t d m 、a t m 、i p 三种方式的核心网络承 载技术，内部信令也增加了可选类型：基于i p 承载的s s 7 信令或基于b i c c 协议 的电路域呼叫信令。与r 9 9 版本相比，r 4 可以实现r 9 9 的所有业务和功能，且起 点更高，成本更低，更容易向全i p 网络演进。目前全球已有多个商业网络运营实 例。 m s c 的两个网络实体：m s c 服务器( m s cs e w e r ，仅用于处理信令) 和电路 交换媒体网关( c s m g w , 用于处理用户数据) ，共同完成m s c 的功能。m s cs e r v e r 主要完成m s c 的呼叫控制和移动控制功能，负责c s 域的呼叫处理等功能。m s c s e r v e r 终接用户一网络信令，并将其转换成网络一网络信令。m s cs e r v e r 也可包 含v l r 以处理移动用户的业务数据和c a m e l 相关数据。m g w 是p s t n 、p l m n 的传输终接点，并且通过i u 接口连接核心网和u t r a n 。m g w 与m s c 服务器和 g m s c 服务器相连，进行资源控制，拥有并使用如回音消除器等资源。 1 2 8r 5 版本网络结构特点 r 5 版本的网络结构和接口形式与r 4 版本基本一致。差别主要是定义了1 m s ( i p 多媒体网络子系统) ，即在原3 g 分组域上迭加了i m s 系统，得以提供多媒体 和数据相融合的业务。该版本中p s 域和i m s 成为网络发展的重点，i m s 域同原先 的p s c s 域之间的关系为叠加关系。 1 m s 域主要用来控制用户的业务，用户可以使用p s c s 域的各种接入技术接 入i m s 域。将来基于3 g p p r 51 m s 域开发的新业务，将与用户所采用的接入技术 无关。此时无论用户采用何种技术，对于业务开发商来说，业务只须开发一次。 i m s 域采用s i p 协议作为基本会话协议。由于采用了s i p 协议来统一语音、数 据业务会话模型，使得i m s 域对于多媒体业务支持更加灵活和简单。 综上所述，虽然w c d m a 不同的协议版本有各自不同的技术改进点，但这些 功能点的变化主要都集中在核心网侧。对无线接入网络u t r a n 而言，自r 9 9 版 本开始，后续版本中其核心关键技术及网络结构都是不变的，这就为作者重点研 究w c d m a 无线网络性能评估和优化的管理模型奠定了稳定、成熟的理论基础。 0 山东大学硕士学位论文 1 3 课题的提出 随着移动通信网络的迅猛发展，网络规模不断扩大、各类新业务陆续引入、 用户数量急速上升，人们对通信网络服务贡量的要求越来越高，通信网络运营商 对网络的管理早已从对信号覆盖的定性要求转变为对网络性能指标的定量管理。 2 l 世纪的高速率、大容量、高质量、全球化、多媒体移动通信网的目标，使网络 优化与管理成为近几年发展迅速的热点研究领域。本课题在u i i r , a n 的相关技术 体制要求下，结合通信运营商的网络运营要求和目标，研究了w c d m a 无线接入 网络性能评估体系及网络优化管理模型，并结合相关实验案例对上述模型和方法 进行了验证。 本课题的关键技术点包括： w c d m a 无线接入网络性能评估思路的提出。 w c d m a 无线接入网络性能评估模型的建立与分析。 w c d m a 无线接入网络性能优化管理模型的提出、分析及实际案例验 证。 1 4 论文内容安排 论文各章的内容安排如下： 第一章引言 第二章3 g 系统关键技术与网络结构 第三章w c d m a 无线网络优化管理模型 第四章w c d m a 无线网络优化管理模型验证 第五章总结与展望 9 山东大学硕士学位论文 第二章3 g 系统关键技术与网络结构 2 ，1o d m a 技术在3 g 系统中的优势 由于c d m a 技术所固有的许多特点非常适合于数字蜂窝移动通信系统，目前， w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - s c d m a 三种3 g 系统的主要技术体制都基于c d m a 技术，因此 c d m a 应用于移动通信的优点也十分明显，它们之间的关系如图2 1 所示 l 2 1 1 话音激活技术 图2 1 c d m a 技术是3 g 的核心 通过分析大量的统计数据。发现人们在通话过程中，只有3 5 的时间在讲话， 另外6 5 的时间处于听对方讲话、语句停顿或其他等待时间。语音激活技术就是通 过采用相应的编码技术，使用户的发射机所发射的功率随着用户语音编码的需求 做相应调整。在微蜂窝移动通信系统中，采用语音激活技术可以使各用户之间的 干扰减少6 5 ，也就是当系统容量大的时候，采用语音激活技术可以使容量增加约 3 倍( 但当系统容量小的时候，系统容量的增加值要降低) 。 c d m a 是f d m a 、t d m a 以及c d m a 三种多址方式中可以方便而充分利用语音激活 技术的多址技术。c d m a 数字蜂窝移动通信系统的所有用户共享同一个无线频率， 山东大学硕士学位论文 当某一个用户不讲话的时候，该用户的发射机降低发射功率，其他用户受到的干 扰就相应减少f d m a 与t d m a 在理论上也可以使用语音激活技术，但作为无线电磁 波的信源实现起来要复杂得多，主要的原因在于作为f d m a 的信道或t d m a 的时隙， 需要由网络的底层机构实时地进行动态控制，其结果必然带来时间延迟和系统复 杂程度的增加，而c d m a 系统实现这种功能相对简单。 2 i 2 扇区划分技术 扇区划分是指移动通信基站利用天线的定向特性把相应的蜂窝小区分成不同 的扇区。常用的方法有：利用1 2 0 度圆形覆盖的定向天线组成三叶草形无线蜂窝 区；利用6 0 度扇形覆盖的定向天线组成三角形无线蜂窝区；利用1 2 0 度扇形覆盖 的定向天线组成1 2 0 度无线蜂窝区。 在f d m a 和t d m a 制式中，每个蜂窝小区中采用定向天线只能减少干扰却不能 增加系统容量。而c d m a 制式蜂窝移动通信系统中，利用1 2 0 度扇形覆盖的定向天 线把一个蜂窝小区划分为3 个平均的扇区时，平均处于每个扇区中的移动用户是 该蜂窝小区的三分之一，相应的各用户之间的多址干扰分量也减少为原来的三分 之一左右，从而在理论上将系统容量增加三倍( 实际上，由于相邻小区之间的干 扰一般只能提高到2 2 5 倍) 2 1 3 高系统容量 由于c d m a 移动通信系统可以通过上述两种以及其他技术直接或间接地提 高系统容量，所以c d m a 系统容量比模拟f d m a 系统、数字t d m a 系统都高出 若干倍。理论分析表明，在相同的频率带宽情况下，对于宽带c d m a 系统，每个 蜂窝小区所能提供的信道数是模拟系统的2 0 倍，数字系统的l o 倍左右；对于窄 带c d m a 系统，其系统容量的优势虽然有所降低，但也是模拟系统的l o 倍，数 字系统的3 倍以上。 2 1 4 软容量 在模拟f d m a 和数字t d m a 系统中，通信信道是以频带或时隙来划分的，每个蜂 窝小区提供的信道数量一旦确定，就很难改变。当没有空闲信道时，系统就会出 山东大学硕士学位论文 现拥塞，移动用户无法再呼叫其他用户或接收其他用户的呼叫。当移动用户越区 切换时，也很容易出现通话中断的现象。而在c d m a 系统中，信道数是靠不同的码 字来划分的，其标准信道数是以一定的输入输出信噪比为条件的。当系统增加一 个通话用户的时候，所有用户的输入输出信噪比都有所下降，但不会出现因没有 信道而不能通话的现象。例如，对于一个标准信道数为4 0 的扇区来说，当第4 1 个 用户呼叫时，对所有移动用户的影响是接收机的输入输出信噪比下降0 1 d b ( i 0 1 0 9 ( 4 1 4 0 ) = 0 1 d b ) 。即使再增加3 个用户，比标准多4 个，其影响是使所有 接收机的输入信噪比下降0 4 d b ( 1 0 1 0 9 ( 4 4 4 0 ) = 0 4 d b ) ，这使得该扇区内移动用 户数据的误码率有所升高，通话质量有所下降，但增加的4 个用户不会出现因为无 线信道不足而无法接入网络的情况。这对于解决通信高峰期的通信拥塞问题和提 高用户越区切换的成功率无疑是非常有益的。 2 1 5 软切换 当移动用户从一个小区( 或扇区) 移动到另一个小区( 或扇区) 或者移动用户从 一个基站移动到另一个基站时，通信网的控制系统为了不中断用户的通信就要做 一系列的调整，包括通信链路的转换、位置的更新等，这个过程就叫做越区切换。 越区切换实现了小区( 或扇区) 问的信道转换，保证了一个正在处理或者进行中的 呼叫的连续性在模拟f d m a 系统和数字t d m a 系统中，移动用户在越区切换时，需 要在另一个小区( 或扇区) 寻找空闲信道，只有当该小区有空闲信道时才能切换， 这时移动台的收发信道都要做相应的调整，称之为硬切换。这种切换的过程是首 先切断原有通话链路，然后建立与新基站间的通话链路。硬切换先断后通的切换 方式势必引起通信的短暂中断，同时还会产生越区切换的“乒乓”效应，影响正 常的通信。 在c d m a 系统中，所有的小区( 或扇区) 都可以使用相同的频率，小区( 或扇区) 间用不同的码字来区分，当移动台从一个小区( 或扇区) 切换到另一个小区时， 需要调整移动台的收发频率，而只需要调整相应的码字，称之为软切换。软切 的优势是先与新的基站接通薪的通话链路，然后再切断原通话链路，从而克服 其他体制的“乒乓”效应。另一方面，由于c d m a 系统软容量的特点，越区切换 成功率远大于模拟f d m a 系统和数字t d m a 系统，尤其是在通信的高峰期。 山东大学硕士学位论文 2 1 6 特有的分集方式 在c o m a 系统中，由于采用了扩频技术进行宽带传输，使它具有了频率分集及 路径分集的特性。频率分集是当信号具有选频特性时，对c d m a 系统的信息传输影 响较小路径分集是通过使用r a k e 接收解调并使用所有路径信号能量，将多径信 号分离出来并将不同路径相同信号进行叠加，从而不仅克服了多径衰落对移动通 信带来的不利影响，而且还等效增加了接收有用信号的功率。此外，c d m a 系统还 采用了空间分集及时间分集等技术，以进一步提高系统的性能。关于分集技术在 2 2 4 节中将详细说明。 2 1 7 与窄带系统共存 当c d m a 系统与窄带系统工作于同一频段时，由于c d m a 系统中采用了扩频方式， 并且以较低的功率发射，平均落到每个窄带系统带宽内的干扰信号功率很小，尤 其是宽带c d m a 系统对于窄带系统的影响可以忽略不计，窄带系统对于c d m a 系统的 干扰可以等效为。人为干扰”。由于c d m a 系统特有的抗干扰能力，把这个干扰降 低到了最低限度。这个干扰的存在只降低了c d m a 系统的容量，不妨碍c d i i i a 系统的 正常工作。c d m a 系统带宽越宽，两个系统共存时相互之间的影响越小，反之越大。 这给宽带c d m a 系统与窄带系统双模共存及由2 g 向3 g 平滑过渡提供了可能。 2 8 频率复用 在传统的a m p s 系统中，有效的频谱被分成大块并配置给系统中的每个蜂窝， 同信道频率不能在相临蜂窝中使用，以避免干扰。一个普通频率配置规划是n = 7 的 复用模式，即频谱被划分为7 大频段，每一频段被配置给7 个蜂窝群中的一个相 同的频段能够在下一个蜂窝群中大约相隔两个蜂窝群重新使用，并且通过对基站 进行扇区化以进一步提高复用率但是，由于复用因子的原因降低了每个蜂窝的 信道数量。 在c d m a 移动通信系统的体制中，物理信道能够在每个蜂窝中复用，频率复用 因子接近于1 。在宽带c d 姒中，每一个蜂窝都可以使用相同的物理信道，但是同频 干扰问题依然存在。 当奎查兰! l 主兰! 耋堡塞 2 1 9 良好的保密性 c d m a 系统的体制本身就决定了它具有良好的通信保密性。首先c d m a 系统采用 的扩频技术将发射信号的频谱扩展得很宽，从而将发射信号完全隐蔽在噪卢和干 扰之中，不易被发现和接收；其次在通信过程中，各移动用户所使用的地址码各 不相同，在接收端只有在码字的码型和相位与发射端完全相同的情况下，设备才 能接收到相应的发送数据，而对其他非相关设备来说上述信号只是一种噪声。所 以c d m a 系统可以防止有意或无意的窃取及监听，具有很好的通信保密特性。 2 1 1 0 频率配置与管理简单 在模拟f d m a 和数字t d m a 系统中，频率配置与管理是一项比较复杂的技术，而 动态频率配置就更加复杂。在c d m a 体制中。所有移动用户都可以使用同一个频率， 不需要进行动态配置，从而简化了频率配置与管理的工作。 2 2w c d m a 系统的关键技术 2 2 1 多址技术 多址技术属于信号正交划分与设计技术，用于区分多个动态地址。扩频码分 多址是数字移动通信中的一种多址接入方式，特别是在3 g 系统中，它已成为最主 要的多址接入技术。扩频通信确切地说称为扩谱通信更恰当，因为被扩展的是信 号频谱带宽，是一类宽带通信系统。它的主要特征是扩频前的信息码元带宽远小 于扩频后的扩频码序列的带宽。扩频通信具有抗干扰能力强、保密性能好、大容 量等优点。 因为3 g 系统采用码分多址技术，所以扩频码的选择至关重要。i s - 9 5 系统中 采用了6 4 位w a l s h 函数作为扩频码，前向信道的性能可以得到保证，但反向信道 性能还不尽如人意。在第三代移动通信中，业务已由单一速率的话音拓广为不同 速率的话音、数据与图像的多媒体业务。这样，在第三代系统中不同业务信源给 出的信息速率是不同的，而信道传输带宽是固定的，如w c d m a 中为3 8 4 m b i t s ， 显然，在扩频过程中不同业务、不同信息速率要采用不同的扩频比，才能达到同 一信道传送的码率为3 8 4 m b i t s 。同时由于同一小区中，多个移动用户可以同时发 山东大学硕士学位论文 送不同的多媒体业务，为了防止多个用户不同业务问的干扰，我们必须采用一种 适合于不同速率多媒体业务和不同扩频比的正交码，这就是o v s f 码。 2 2 2 信道编码 虽然扩频技术有利于克服多径衰落以提高传输质量，但扩频系统存在潜在的 频率效率低的缺点，所以系统中必须采用信道编码技术以进一步改善通信质量。 目前，主要采用前向信道纠错编码和交织技术以进一步克服衰落效应。 编码和交织都极大地依赖于信道特性和业务需求不仅对于业务信道和控制 信道采用不同的编码和交织技术，对于同一信道的不同业务也采用不同的编码和 交织技术。 信道编码的编码对象是信源编码器输出的数字序列( 信息序列) 。信道编码按 一定的规则给数字序列m 增加一些多余的码元，使不具有规律性的信息序列m 变换 为具有某种规律性的数字序列y ( 码序列) 也就是说，码序列中信息序列的诸码元 与多余码元之间是相关的。在接收端，信道译码器利用这种预知的编码规则来译 码，或者说检验接收到的数字序列r 是否符合既定的规则从而发现r 中是否有错， 进而纠正其中的差错。根据相关性来检测( 发现) 和纠正传输过程中产生的差错就 是信道编码的基本思想。 信道容量是信道能够传输的最大信息率。如果噪声的单边功率谱密度为n o ( w h z ) ，信道的带宽为b ( h z ) ，信号功率为s ( 霄) ，则该信道的信道容量c ( b i t s ) 为： c = b l 0 9 2 ( 1 + s n e 】b ) ( 2 1 ) 此即s h a n n o n 公式。在高斯信道下，若信道的信息率为r ( b i t s ) 型l n 2 ：一1 5 9 r i b( 2 4 ) o ， 此即功率受限的高斯信道传输信息必须保证的信噪比e b n 。的下限，通常称 为s h a n n o n 限，是软判决译码所能够达到的最好结果。实际的通信中往往无法得到 这个最低的极限。由此可以看出对相同的调制方式，不同的编码方案得到的解调 信噪比是不同的，即编码增益是不同的。 w c d m a 选用的码字是语音和低速信令业务采用卷积码，数据业务采用t u r b o 码 的编解码技术。 卷积编码器在任何一段规定时间内产生的n 个码元，不仅取决于这段时间中的 k 个信息位，而且还取决于前n l 段时间内的信息位。此时监督码元监督这n 段时间 内的信息，这n 段时间内的码元数目n n 称为这种码字的约束长度。 卷积码的解码方法有门限解码、硬判决v i t e r b i 解码和软判决v i t e r b i 解码。 其中软判决v i t e r b i 解码的效果最好，是通常采用的解码方法，与硬判决方法相比 复杂度增加不多，但性能上却优于硬判决1 5 2 d b 。 逼近s h a n n o n 极限是编码领域的主要努力方向，t u r b o 码是领域里具有里程碑 意义的创新，b e r r o u 、g l a v i e u x 和t h i t i m a j s h i m a 在1 9 9 3 年首次提出了t u r b o 码，这 标志着继1 9 8 2 年u n g e r b o e c k 提出的格状编码后最重大的突破。格状编码在限带信 道情况下能够比较接近s h a n n o n 极限，而t u r b o 码则在深空通信、卫星通信等非带 限信道上有突出的表现。理论仿真表明，在e h n 0 为0 7 d b 的a w g n 信道上，1 2 码率 的t u r b o 码的误比特率为1 0 4 。 t u r b o 编码由两个或以上的基本编码器通过一个或以上交织器并行级联构成， 如图2 2 所示t u r b o 码的原理是基于对传统级联码的算法和结构上的修正，内交 织器的引入使得迭代解码的正反馈得到了很好的消除。t u r b o 的迭代解码算法包括 s o v a ( 软输出v i t e r b i 算法) 、l l a p ( 最大后验概率算法) 等。由于m a p 算法的每一次迭 代性能的提高都优于v i t e r b i 算法，因此m a p 算法的迭代译码器可以获得更大的编 码增益。实际实现的姒p 算法是l o g - m a p 算法，它将m a p 算法置于对数域中进行计算， 减少了计算量。 1 6 省奎銮：鎏圭耋簦至銮 11卷积码编码嚣。卜- 二 孔 电三兰： 青 图2 2t u r b o 编码器 2 2 3 功率控制 码分多址c d m a 与频分多址f d m a 以及时分多址t d m a 相比，具有容量大、功率低、 软切换、抗干扰强等一系列优点。但是在c d m a 系统中，