（信号与信息处理专业论文）tddcdma系统的无线资源管理算法研究.pdf

北京邮i u 人学博i ：学位论义 摘受 摘要 t d d c d m a 在第3 代移动通信系统中占有重要地位，它是我国提出的3 g 标准t d s c d m a 的技术基础。目前关于f d d c d m a 通信系统的无线资源管理 算法研究已经比较成熟，但是t d d c d m a 由于其系统特性以及采用了多用户检 测和智能天线等关键技术，使得传统的f d d c d m a 无线资源管理算法不能直接 应用于t d d c d m a 系统。 本论文在对t d d c d m a 系统特性及其采用的先进技术理论分析基础上，对 t d d c d m a 系统的无线资源管理算法进行了深入研究，给出了各种改进算法， 并通过理论分析和计算机仿真的方法验证了各种算法的j 下确性。 首先，对t d d c d m a 系统的上下行链路容量和负载进行了理论建模，给出 了全向天线、固定波束切换型智能天线、自适应智能天线下的上下行链路容量和 负载的理论模型，研究了背景噪声提升、多用户检测因子、小区外与小区内干扰 比率、波束赋形平均干扰因子等对系统容量的影响。 其次，基于t d d c d m a 系统上下行链路容量和负载的理论模型，分析了采 用不同天线技术时上下行链路的接入控制算法，提出了相应的改进算法，就其中 的接入控制门限对系统性能的影响进行了仿真研究，并给出了多用户检测因子对 接入控制算法的影响。另外，为了保持系统稳定，提出了一种改进的负载控制算 法，该算法对全向天线技术下的过载能有效保护，提高系统性能。 然后，研究了多用户检测和智能天线技术对闭环功控控制算法的影响，给出 了相应的理论分析模型和仿真结果，并提出了一种改进的外环功率控制算法。 另外，还对切换控制算法进行了研究，分析了切换控制门限、切换测量周期、 切换测量错误等参数对系统性能的影响，并提出了一种联合信号强度和信号质量 的改进切换控制算法，仿真结果表明该算法对基于全向天线、自适应智能天线和 固定波束切换型智能天线的t d d c d m a 都适用。同时还对新用户和切换用户的 接入控韦z j f - j 限值进行了理论分析和仿真研究，给出了新用户接入控制门限以及为 切换用户设置的切换冗余值对系统性能的影响。 本论文还提出了一种适合混合业务的基于资源预留思想的慢速d c a 算法， 并提出了一种改进的信道调整快速d c a 算法；然后就交叉时隙干扰问题给出了 一种改进算法，该算法联合考虑小区簇的慢速d c a 和抗基站白j 干扰的快速d c a 来减少基站问干扰，仿真结果表明该算法能显著降低基站的总发射功率，从而极 大提高系统性能。 最后理论分析了影响分组数据业务频谱效率的因素，提出了一种适用于多 北京邮电人学博i ：学位论文 捅要 媒体业务的改进j 下比公平调度算法，该算法把信道的长期和短期衰落特性联合起 来考虑，根据不同业务的q o s 要求进行资源调度，并且结合接入控制算法，来 满足各种业务的q o s 要求，同时提高系统频谱效率。 关键词：无线资源管理算法、码分多址、时分双工、接入控制、负载控制、功 率控制、切换控制、动态信道分配、分组调度 北京邮i u 人学博i j 学位论义 a b s t r a e t a b s t r a c t t d d c d m a ，g l o b a l l yr e c o g n i z e da st h eb a s i sf o rc h i n e s et d - s c d m as t a n d a r d ， i sd e s i g n e df o rs y m m e t r i c a la n du n s y m m e t r i c a l3 0m o b i l es e r v i c e s u n t i ln o w , m u c h r e s e a r c hw o r kh a sb e e nd o n ei nt h er a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ( r r m ) r e s e a r c h f i e l d sf o rf d d c d m as y s t e m s ，w h i c hh a sb e e nv e r ym a t u r e h o w e v e r , t h ef e a t u r e s o ft d dm o d ea n dm a n ya d v a n c e dt e c h n i q u e sh a v eb e e na d o p t e di nt d d c d m a s y s t e m s a n dt h er r m f o rf d d - c d m ac a n tb ed i r e c t l ya p p l i e d t h ef u r t h e rr e s e a r c h s h o u l db em a d ea n dt h ec o m p l e t e dr e s o l u t i o ns h o u l db ep r e s e n t e dt op r o m o t et h e c o m m e r c i a ld e p l o y m e n to f t d d c d m as y s t e m s b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ek e yt e c h n i q u e si nt d d c d m as y s t e m s ，t h i s d i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e st h er r mm e c h a n i s ma n dp r o p o s e ss e v e r a la d v a n c e da n d e n h a n c e dr r m a l g o r i t h m s l h et h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h e a v a i l a b l ea n da d v m i c e m e n to f o u ra n a l y s i sa n dp r o p o s a l s f i r s t l y , t h ec a p a c i t ya n dl o a do fb o t lu p l i n ka n dd o w n l i n kf o rt d d c d m a s y s t e m si sm o d e l e d ，a n dt h et h e o r e t i c a lf o r m u l a t i o n sf o ro m n i - a n t e n n a , f i x e ds w i t c h e d b e a ms m a r ta n t e n n aa n da d a p t i v es m a r ta n t e n n at e c h n i q u e sa r ep r o p o s e d o u rw o r k d o m e n s t r a t e st h a tt h ec a p a c i t ya n dl o a di si m p a c t e db yt h eb a c k g r o u n dn o i s er i s e ， m u l t i - u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) ，t h er a t i ob e t w e e ni n t e r - c e l la n di n t r a - c e l li n t e r f e r e n c e s ， a n dt h ea v e r a g eb e a m f o r m i n gi n t e r f e r e n c ef a c t o r s e c o n d l y , b a s e do nt h ep r o p o s e dc a p a c i t ya n dl o a dm o d e l sf o rt d d - c d m a s y s t e m s ，t h ea d v a n c e da d m i s s i o nc o n t r o la l g o d t h r a sa l ep r e s e n t e d t h e r ea r cd i f f e r e n t a l g o r i t h m sf o rt h et h r e ek i n d so fa n t e n n at e c h n i q u e s ：o n m i a n t e n n a , s w i t c h e db e a m s m a r ta n t e n n aa n da d a p t i v es m a r ta n t e n n a 1 1 1 ei n f l u e n c e so fa d m i s s i o nc o n t r o l t h r e s h o l df o rt h ed i f f e r e n e n ta d m i s s i o nc o n t r o la l g o r i t h m sa r ce v a l u a t e db yt h e s i m u l a t i o n i na d d i t i o n i no r d e rt ok e e pt h et d d c d m as y s t e ms t e a d y t h ee n h a n c e d l o a dc o n t r o la l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sah i 曲 p e r f o r m a n c eg a i nf o rt h eo m n i a n t e n n ab a s e dt d d - c d m as y s t e m t h i r d l y , t h eo p e nl o o pp o w e rc o n t r o la l g o r i t h ma c c o r d i n gt ot h ef r a m ef e a t u r ef o r t d d c d m ai sp r e s e n t e d t h ef a s ti n n e rl o o pp o w e rc o n t r o l ，r e l a t e dt ot h em u da n d s m a r ta n t e n n at e c h n i q u e s i se v a l u a t e db yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n 1 1 1 e e n h a n c e do u t e rl o o pp o w e rc o n t r o ls c h e m e sa r ep r e s e n t e da n dt h ec o r r e s p o n d i n g p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n s a l es h o w n t h ep a r a r n c t e r sr e l a t e dt ot h eh a n d o v e ra l g o r i t h m ，s u c ha st h eh a n d o v e rc r i t e r i a , 北京邮i u 人学博i ：学位论文 t h em e a s u s r e m e n tp e r i o da n dt h em e a s u r e m e n te r r o r , h a v eg r e a ti m p a c t s0 1 1t h e s y s t e mp e r f o r m a n c e o u rw o r ks h o w st h ei m p a c t si nv a r i o u ss c e n a r i o s s i n c e h a n d o v e rp r o c e d u r ei si n e f f i c i e n ti nt d d - c d m a ，t h en o v e lh a n d o v e rd e c i s i o n s c h e m e w h i c hc o m b i n e st h es i g n a ls t r e n g t hw i t ht h et r a n s m i s s i o ns i g n a lq u a l i t y , i s p r o p o s e d t h es i m u l m i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dh a n d o v e ra l g o r i t h mi s s u i t a b l ef o rt h ed i f f e r e n tk i n d so fa n t e n n a t e c h n i q u e si nt d d c d m as y s t e m s m e a n w h i l e t h ed y n a m i c a lc h a n n e la l l o c a t i o n ( d c a ) a l g o r i t h m sa r es t u d i e d 1 1 砖 r a d i o 佗s 0 u r e er e s e r v a t i o nb a s e ds l o wd c ai sp r o p o s e df o rt h em u l t i s e l 3 r i c e m e a n w h i l e ，t h ec h a n n e lr e a s s i g n m e n tf o rf a s td c ai sa l s oi n v e s t i g a t e d i no r d e rt o s u p p r e s st h ec r o s s s l o ti n t e r f e r e n c e ，t h ei n t e g r a t e dd c am e c h a n i s m , i n c l u d i n gs l o w a n df a s td c a a l g o r i t h m s ，i sp r o p o s e d n es l o wd c ad e t e r m i n e st h eu p l i n k d o w n l i n k s w i t c hp o i n ta c c o r d i n gt ot h et r a f f i cp r o p e r t y , w h i c hi sb a s e d0 1 1t h ec e l lc l u s t e r c o n c e p t n 圮f a s td c a ，b a s e do nt h er a d i or e s o u r c er e s e r v a t i o n , i su s e dt or e s i s t i n g t h en o d eb n o d ebi n t e r f e r e n e e s f i n a l l y , t h ep a c k e ts e h e d u i i n ga l g o r i t h m i sr e s e a r c h e d , a n da ne n t l a n e e d p r o p o r t i o n a lf a i r n e s ss c h e d u l i n g ( p f s ) s c h e m ei sp r o p o s e df o rt h em u l t i m e d i a t e s e r v i c e s t h ep r o p o s a la i m sa tg u a r a n t e e i n gt h el o n g - t e r ma n ds h o r t - t e r mf a d i n ga s w e l la sm a x i m i f i n gt h es y s t e mt h r o u g h p u t f u r t h e r m o r e ，t h ep r o p o s e ds c h e d u l i n g a l g o r i t h ms u p p o r t st h em u l t i p l ec l a s s e so ft r a f f i cw i t ht h ed i f f e r e n tq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n t 1 r i 他s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t t h ep r o p o s a lc a n g u a r a n t e et h ef a i r n e s sa n dp r o v i d eac o n s i d e r a b l et h r o u g h p u tg a i na sw e l l k e yw o r d s ： r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t , t d d ，c d m a , a d m i s s i o nc o n t r o l ， h a n d o v e rc o n t r o l ，p o w e rc o n t r o l ，l o a dc o n t r o l ，d y n a m i c a lc h a n n e la l l o c a t i o n , p a c k e ts c h e d u l i n g 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。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 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 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。 本人签名瑙一盔一硇骷一日期：1 丝五 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在j 年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 蝥奎茎童日期：一也l 五：乏 导师签名：之寻辛毛_日期：毒d 丘卜 北京邮i u 人学博i ：学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 对于移动通信系统来说，上下行链路方向的通信可以通过频率或时间分开， 前者称为频分双工( f d d ) ，后者称为时分双工( t d d ) 。对于f d d 模式，上下 行链路使用不同的频带，并且占用的带宽一般相同；而对于t d d 模式，上下行 链路使用相同的频带，在一个频带内两个方向占用的时间资源可根据需要调整， 并且一般将两个方向占用的时间按固定的间隔分为若干个时间段，称之为时隙。 t d d 模式的主要优点是能够处理不对称的分组数据业务以及它的上下行信 道具有对称性【l 】，这是目前第3 代移动通信系统( 3 g ) 和未来第四代移动通信系统 ( 4 g ) 应具有的特征之一。另外，t d d 系统上行和下行链路问的对称性有利于链 路自适应技术，比如智能天线技术、发射分集和自适应调制编码等的使用，而链 路自适应技术能够提高系统的吞吐率和简化接收机结构【2 】。最后，由于t d d 模 式不需要对称的发射和接收频带，所以频谱分配方便。 第3 代码分多址( c d m a ) 移动通信系统包含f d d 和t d d 两种模式，w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 上下行链路使用不同的载频，属于f d d c d m a 范畴。在f d d c d m a 系统中，上行或下行链路使用不同的码字来区分用户。而在t d d c d m a 系统中， 把一个时间段划分为几个时隙，每个时隙可以分配给不同的用户，并可以根据业 务量要求确定上行和下行链路的时隙数，每个时隙中的用户采用不同的扩频码来 区分。 未来的4 g 系统为了充分利用无线频谱，支持非对称的分组数据业务，采用 了更加先进的多天线和自适应技术，并广泛支持t d d 模式【3 】，基于t d d 模式 的c d m a 或者o f d m 系统在4 g 中陆续提出。而作为“最后一公里”的无线城域 网系统，为了能支持非对称业务和采用智能天线等先进技术，专门提出了基于 t d d 模式的o f d m 概念【4 】。 1 1t d d 模式的无线通信系统 i m t - 2 0 0 0 的t d d c d m a 空中接口技术由欧洲标准化组织和中国c w t s 组 织提出的规范组成，分别是通用陆地无线接入时分复用( u t r a - t d d ，u n i v e r s a l t e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 和时分同步码分多址( t d s c d m a ， t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，国际上通常称后者是 前者的低码速率组成部分( l c rt d d ) ，前者为高码速率部分( h c r t d d ) 5 。在 本论文中，l c r t d d 专指我国提出的t d s c d m a 移动通信系统，而h c r t d d 专指欧洲国家提出的u t r a t d d 系统。 北京邮f 【1 人学博l ：学位论义第l 章绪论 1 1 1t d d c d m a 特性 t d d c d m a 系统的多址方式非常灵活，可以看作是f d m a t d m a c d m a 的有机结合，它具有如下特点： 第三代移动通信系统需要较宽的无线频谱资源，而目前在2 0 h z 频段上要预 留足够的上下行链路对称的无线频谱资源很困难。t d d 模式能使用各种零散 频率资源，不需要成对的频率，所以具有频谱利用率高和方便的先天优势： 在3 g 中，数据业务将占主要地位，尤其是不对称的i p 分组数据业务。而 t d d 方式特别适合支持上下行不对称、具有不同传输速率要求的数据业务： 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采用智能天线等 先进技术，从而达到提高系统性能的目的： 由于每时隙接入用户数减少，所以联合检测技术可以在t d d c d m a 中使用， 从而有效减少来自同一小区的多址干扰。 随着t d d 模式在第三代移动通信中广泛接受，移动通信系统以f d d 为主流 的传统观点已受到挑战。对于h c rt d d 和l c rt d d 这两种t d d c d m a 系统， 其主要指标和特性比较如表1 1 所示。 表i - i基于t d d 模式的两种c d m a 系统物理层参数和特性比较 空中接口标准 h c r t d dl c r t d d i | l 州带宽 5 m h z 1 6 m h z 每载波码片速率 3 8 4 m c p s1 2 8 m c p s 扩频方式d s ，s f = l 2 4 8 ，l6d s ，s f = l 2 ，4 8 1 6 交织 1 0 2 0 4 0 8 0 m s10 2 0 4 0 8 0 m s 帧结构 超帧7 2 0 m s ，无线帧1 0 m s超帧7 2 0 r r s ，无线帧l o r e s 子帧无 5 m s 突发结构m i d a m b l em i d a m b l e 时隙数 1 57 上行同步精度 t a ( 4 c h i p )1 8 c h i p h c rt d d 和l c rt d d 的高层信令和部分物理层技术是相同的，但两标准的 设计出发点不同，所采用的物理帧结构也不同，并且相应的空中接口控制和数据 传输格式也有所不同，下面对这两种系统分别简单介绍。 1 1 2t d s c d m a 移动通信系统 使用t d d 模式的t d s c d m a 标准是中国拥有自主知识产权的全球三大3 g 标准之一，2 0 0 1 年3 月正式被3 g p p ( 第三代移动通信项目) 组织接纳。 t d s c d m a 的物理信道采用四层结构：系统帧、无线帧、子帧和时隙码。 2 北京邮l 【1 人学博l 学位论文 第1 章绪论 时隙用于在时域上区分不同用户信号，具有t d m a 特性。图1 1 所示为 t d s c d m a 的物理信道子帧结果。t d s c d m a 系统的帧长度为10 m s ，分成两 个5 m s 子帧，每一个子帧又分成长度为6 7 5 u s 的7 个常规时隙和3 个特殊时隙： d w p t s ( 下行导频时隙) 、g p ( 保护间隔) 和u p p t s ( 上行导频时隙) 。除了时隙0 必 须用于下行、时隙l 必须用于上行外，其余时隙的方向可以变化。d w p t s 和 u p p t s 分别实现下行和上行的同步时隙功能，g p 为上下行链路间的保护时间间 隔。 1 2 8 m e p s d w p t s 0 6 c h i p s ) 一 r s w i t c h i n gp o i n t 1 蚓千 千千000 图l 1t d s c d m a 无线帧子帧结构 在t d s c d m a 系统中，采用了很多先进的关键技术，用于提高系统性能， 下面对这些关键技术进行简单介绍。 1 1 2 1 智能天线技术 随着信号处理技术迅速发展，数字信号处理芯片的处理能力不断提高，在 t d s c d m a 系统中，由于能不显著增加系统的复杂度，所以采用数字方法实现 波束成形的智能天线将得到充分的应用。智能天线通过各阵元信号的幅度和相位 加权来改变阵列的方向阵列图形状，能够把主波束对准入射信号并自适应实时地 跟踪信号，同时将零点对准干扰信号，从而抑制干扰信号，提高信号的信噪比， 改善整个通信系统性能。 t d s c d m a 系统采用的智能天线是由8 个天线单元的同心阵列组成的，直 径为2 5 c m 。其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励， 利用无线波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使用数字信号处理方法使主 瓣自适应地指向移动台方向，从而达到提高信号的载干比，降低发射功率等目的。 1 1 2 2 联合检测技术 联合检测( j o i n td e t e c t i o n ，j d ) 技术是在多用户检测( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ， m u d ) 技术基础上提出的。该技术是减弱或消除多址干扰、多径干扰和远近效 应的有效手段，能够简化功率控制，降低功率控制精度，弥补正交扩频码互相关 性不理想所带来的消极影响，从而改善系统性能、提高系统容量、增大小区覆盖 范围。 t d s c d m a 中联合检测技术的高效率主要因为t d s c d m a 采用了t d m a 技术，因此每时隙支持服务用户的数量较少，这样，通过较低的计算量即可被有 效地检测出质量较差的目标信号。在本论文中，沿用传统的概念，联合检测仍然 北京邮i 乜人学博t ：学位论义 第1 章绪论 称为多用户检测，其带来的性能增益直接用多用户检测因子来表征。 1 1 2 3 同步c d m a 技术 同步c d m a 指上行链路各终端信号与基站解调器完全同步，它通过软件及 物理层设计来实现，这样可使正交扩频码的各扩频码在解扩时完全正交，相互间 不产生多址干扰，从而克服了异步c d m a 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扩频码非正交所带来的干扰，提高c d m a 容量，同时还 可简化硬件，降低成本。 在t d s c d m a 系统中，上行同步( u p l i n ks y n c h r o n i z a t i o n ) 是根据一定的算法 由基站向终端发送s s ( s y n c h r o n i z a t i o ns h i f t ) 命令来实现的，因为s s 的最小修 正步长为1 s c h i p ，所以系统最终可以达到1 8 c h i p 的上行同步精度。 1 1 3h c rt d d 移动通信系统 h c r t d d 又称为u t r a t d d ，或者w c d m a t d d ，它与f d d 模式的w c d m a 系统具有很多共性，比如高层协议一样、物理帧长为l o m s 、每帧分为1 5 个时隙、 每时隙有2 5 6 0 个码片、一个时隙为6 6 6 t l s 等，其帧结构如图1 - 2 所示。 ! r a d i of r a r m ( 1 0 r e s ) r _ _ _、一、 三一 【：!；i；：i；：ji；iiij!：i：鲴。：l；i；ii；jji!：虱 4 北京i l i l 1 q ! , 人学博l ：学位论义 第l 章绪论 信需求，因此在设计中，为了尽可能与w c d m a 保持一致，h c rt d d 牺牲了部 分特性。 本论文主要基于t d s c d m a 的物理层帧结构和相应的先进关键技术，进行 t d d c d m a 移动通信系统无线资源管理( 删) 算法的研究，由于智能天线技 术和联合检测技术同样可以用于h c rt d d 系统，所以这些r r m 算法同样适用 于h c rt d d 系统。 1 1 4 基于t d d 模式的o f d m 移动通信系统 为了支持高速分组数据业务，全球范围内很多学者和专家正在研究基于新空 中接口的第4 代( 4 g ) 移动通信系统，相应的研究计划包括中国的8 6 3 f u t u r e 项目、日本n t td o c o m o 公司提出的4 g 方案 6 】 7 】，欧洲的i s tm a t r i c e 项 目8 】，北美的i e e e8 0 2 1 6 和i e e e8 0 2 2 0 标准等。这些研究都普遍把正交频分 复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 作为物理层的关键 技术，且都建议采用t d d 模式以便能支持非对称数据业务和有效利用频带资源。 虽然本论文主要研究t d d c d m a 系统的无线资源管理算法，但是由于在4 g 系统中仍采用了t d d 模式，并且建议采用智能天线技术，所以本论文中所研究 的各种算法对4 g 系统来说仍具有非常重要的借鉴意义。 1 2 智能天线技术简介 多天线技术是当前无线通信技术中的研究热点之一，所谓多天线技术，就是 在发射端和接收端采用多根天线用于收发。多天线技术实际是空间通信技术之 一，它与空时处理密切相关，空时处理就是将时域处理和空域处理结合在一起。 使用天线阵列和空时信号处理，可以有效地提高系统的性能和容量，并抑制干扰， 获得抵抗多径衰落的分集增益。 c d m a 系统为干扰受限系统，受限于无线信道的多径衰落、多址干扰( m a i ) 和码间串扰( i s d ，提高用户的信干噪比不能简单地通过增加发射机功率达到，因 此多天线和空时处理技术成为c d m a 系统中的重要研究课题。在c d m a 系统中 得到广泛应用的多天线技术有：扇区天线、空间复用天线、空间分集天线和智能 天线技术，其中最受关注的是智能天线技术，国际电联已明确将智能天线技术作 为3 g 和三代以后移动通信技术发展的主要方向。 智能天线通常也称作自适应天线，主要用于完成空间滤波和定位。从本质上 来看，智能天线利用了天线阵列中各天线阵元之间的位置关系，即利用了信号的 相位关系，这是它与传统分集技术的本质区别。从一定意义上看，智能天线可看 作是一种空分多址( s d m a ，s p a t i a ld i v i s i o nm u l t ia c c e s s ) 技术，这将大幅度提高系 统容量。 按其实现方式，智能天线可以分为固定波束切换天线型、动态相控型和完全 自适应型智能天线。 一固定波束切换型智能天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指 向是固定的。在这类智能天线中，天线系统能形成空间波束( 空间信道) 数 量事先已经确定，且每个波束的指向是固定的，波束宽度随天线元数量而确 定。当智能天线服务于某个用户时，系统自动从有限的波束中选择一个或几 个的组合以服务该用户。用户可能处在所选波束服务范围内，但并不一定在 北京邮l 也人学博i ：学位论文第1 章绪论 波束中心：当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时，接收效果较差， 所以它不能实现信号最佳接收；但具有结构简单、无须判定用户信号到达方 向的优点。 动态相控型智能天线是通过对来波方蛊i ( d o a ) 的估计，使波束实时地跟踪目 的用户信号，其目标在于实现最大功率输出。它根据用户信号的不同空间传 播方向提供不同的空间信道，并且能使用户始终得到波束的最大指向，此类 天线能形成无限多个波束。当用户移动时，波束也能自适应改变，有效克服 了干扰对系统的影响。这种类型的智能天线性能最佳，但要求系统的实时性 好、结构复杂。 。 完全自适应型智能天线是在动态相控型智能天线技术的基础上进行更自适 应的干扰滤波处理，它不仅要估计目的信号的来波方向，而且同时要估计干 扰信号的方向，此时形成的数字波束能够将天线阵列图的零陷对准干扰方 向，将波束的最大增益恒指向目标用户，从而使输出的信噪比最大。 由于动态相控型智能天线和完全自适应智能天线都属于自适应智能天线范 畴，主要区别是完全自适应型智能天线在进行波束赋形算法时充分考虑了对强干 扰的零陷消除。对于系统级的容量和无线资源管理算法研究来说，两者没有本质 区别，主要是它们采用的智能天线波束赋形天线阵列图不同，完全自适应智能天 线更加灵活和自适应，所以本论文把这两种智能天线合称为自适应智能天线。 1 2 1 智能天线技术基本原理 智能天线的基本思想是：天线以多个高增益窄带波束动态地跟踪多个期望用 户。在接收模式下，窄带波束以外的信号被抑制，天线主要接收其所期望的信号： 在发射模式下，能够使期望用户所接收的信号功率达到最大化，同时窄带波束照 射以外范围的非期望用户受到的干扰最小。 智能天线属于阵列信号处理的范畴，是改善无线通信服务系统质量、覆盖范 围和容量的一种强有力技术。它包含以下几种关键算法：( 1 ) 波束赋形算法，使 阵列方向图的主瓣指向希望信号；( 2 ) 零陷形成算法，使天线零点对准干扰方向； ( 3 ) 空间谱估计算法，对空间信号的波达方向( d o a ) 分布进行超高分辨估计。 智能天线技术主要包含两部分：一是上行链路d o a 估计并进行空域滤波， 抑制其他移动台的干扰；二是下行链路使发送信号能够沿着移动台电波的到达方 向发送回移动台，目的是为了降低发射功率，减少对其他移动台的干扰。 如何在复杂的多址多径移动环境下准确估计信号d o a 是智能天线物理层关 键技术研究的重要内容之一。经典的d o a 估计算法可以分为三类：( 1 ) 谱估计算 法( s e ) ；( 2 ) 基于子空间参数的估计( p s s e ) 算法；( 3 ) 确定性参数估计( d p e ) 算法。 s e 算法，如m u s i c ( m u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i c t i o n ) 、m l ( m a x i m u ml i k e l i h o o d ) 和 m e ( m a x i m u me n t r o p y ) 等，具有非常高的计算量、对阵列数据的存储有较高要求 ，和较差的分辨能力等缺点。p s b e 算法能较好的解决计算量的问题但却受对阵列 ( ，右构的约束，如e s p r i t ( e s t i m a t i o no fs i g n a lp a r a m e t e r sv i ar o t a t i o n a li n v a r i a n c e t e c h n i q u e s ) 算法。 需要注意的是，在c d m a 系统中，通常干扰数目多于天线阵元数，这使得 m u s i c 、e s p r i t 等要求干扰数量少于天线阵元数的算法无法直接使用，目前常 用的算法有最小均方算法( l m s ) 、递归最小平方算法( r l s ) 和恒模算法( c m a ) 。 其中最小均方算法l m s 、递归最小平方算法r l s 需要系统提供与用户信号相关 6 北京邮l u 人学博i j 学位论义第l 章绪论 的参考信号，用以计算误差，控制阵列加权。c m a 算法利用阵列输出信号恒包 络原理，不需要参考信号，属于盲均衡方法。 1 2 2 智能天线在t d d c d m a 系统中的应用 在c d m a 系统中，可以使用基于智能天线的空时r a k e 接收机分离和合并 多径分量，在下行链路中利用来波方向d o a 进行波束赋型。但对于f d d 模式来 说，由于上下行链路使用的载频不同，它们的无线信道特性差异很大，因此在 f d d c d m a 系统中使用智能天线将十分复杂，目前关于智能天线技术的使用还 主要集中在t d d c d m a 系统中。 下面以t d s c d m a 系统为例，阐述智能天线技术在t d d c d m a 系统的实 现。在t d s c d m a 系统中将上行链路的d o a 估计和下行链路的波束赋形联合 起来考虑。在上行链路d o a 估计中对各个方向进行扫描，功率最大的方向为用 户的d o a 方向，在下行链路的波束赋形时直接应用该方向的权值进行波束赋形。 目前，在t d s c d m a 系统中主要考虑了固定波束切换型和动态相控型智能 天线，对于这两种智能天线，有不同的波束赋形算法：1 ) 动态相控型：根据 m m s e 或l m s 等准则直接估计出一组滤波器系数或者是估计出d o a ，然后根据 d o a 确定权值。2 ) 固定波束切换型：利用多个事先预置的并行波束覆盖整个用 户区，每个波束的指向是固定的。基站根据小区内移动用户的d o a 信息，选择 相应的发射波束。预先计算好所有方向的阵列加权值，并将这些信息加以存储。 只需根据移动台的d o a 信息，选取存储在计算机中的相应加权值，形成发射波 束，提高用户的信噪比。动态相控型智能天线实时计算d o a ，跟踪精度较高， 但动态相应速度相对较慢，健壮性较差，并且运算量大：而固定波束切换型智能 天线预先计算方向权值和固定波束个数，对于不在波束方向的角度估计误差较 大，但不需要实时计算，运算量小。 国内外对智能天线技术进行了广泛的研究，但这些研究主要侧重于智能天线 对链路级性能误比特率( b e r ) 的影响和改善，忽略了智能天线对系统性能的影 响，本论文初步开展了基于智能天线技术的系统级容量负载和无线资源管理算法 方面的研究。 鉴于目前完全自适应的智能天线算法复杂，有关其链路方面的相关算法仍不 成熟，所以本论文基于成熟的固定波束切换型智能天线和动态相控型智能天线技 术，研究它们在t d d c d m a 系统中对系统容量的影响和相应的无线资源管理算 法。 1 3 无线资源管理算法 移动通信技术面临用户数量急剧增加，移动业务逐步走向多元化，用户对服 务质量的要求不断提高等问题，如何更有效地管理和使用无线资源已成为运营商 最为关心的问题之一。 在第三代移动通信中，无线资源管理( r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，r r m ) 作 为一种关键技术提出，成为衡量一个标准是否可行，系统服务质量优劣，是否被 运营商所接纳的重要性能指标。无线资源管理的目标是在有限带宽的条件下，为 网络内无线用户终端提供服务质量( q o s ) 保证，其基本出发点是在网络话务量分 布不均匀、信道特性因信道衰落和干扰而起伏变化等情况下，灵活分配和动态调 7 北京i i l 口d a 人学博，i ? 学位论文 第i 章绪论 整无线传输