（信号与信息处理专业论文）tdscdma系统信道分配技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着社会信息化进程的加快，移动通信用户数量和业务种类急剧增加， 除了语音业务外，手机电视、可视电话、移动商务、网页浏览、网络游戏等 多媒体新业务不断出现，这些业务都具有数据量大、占用资源多、实时性要 求高的特点，这对资源有限的通信系统的无线资源管理技术提出了挑战。如 何在保证不同的业务质量( q o s ) 的同时，有效地分配和管理无线资源成为 当前无线资源管理的热点问题。接纳控制( c a c ) 和动态信道分配( d c a ) 技术作为无线资源管理( 融m ) 的核心部分，成为当前研究的热点问题之一。 t d s c d m a 系统作为我国具有自主知识产权的第三代移动通信系统，采 用了以智能天线和联合检测技术为核心的多种先进技术，具有可以灵活调整 上下行时隙转换点、干扰可控和高效支持不对称数据业务的优点。由于 t d s c d m a 系统同时采用了频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 、码分 多址( c d m a ) 技术，系统资源多，导致其接纳控制和信道分配比其它系统 更为复杂，其性能的优劣对t d c d m a 系统无线资源管理技术影响较大。 论文首先分析了在智能天线和联合检测技术条件下t d s c d m a 系统的 容量负载能力问题，提出了基于扩频码资源预留的接纳控制策略来提高业务 的服务质量( q o s ) ；其次通过对交叉时隙干扰问题进行详细的理论分析，提 出了解决交叉时隙干扰问题的动态信道分配的优化策略，以达到整个系统性 能的提升。并且利用仿真系统对扩频码资源预留的接纳控制策略和动态信道 分配的优化策略性能进行了仿真分析，结果表明新策略对系统的性能提升有 明显的效果。 关键词：t d s c d m a ；无线资源管理；接纳控制；动态信道分配：服务质量 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i o no ft h es o c i a li n f o r m a t i o nc o u r s e ，t h eu s e rn u m b e ro ft h e m o b i l ec o m m u n i c a t i o na n di n t e r n e ta r ei n c r e a s i n gs h a r p l y b e s i d e st h ev o i c es e r - v i c e ，s o m en e ws e r v i c e sa p p e a re n d l e s s l y , s u c ha sm o b i l ep h o n et v , v i d e ot e l e - p h o n e ，m o b i l ec o m m e r c ea n dn e t w o r k f o rt h ee n o r m o u sd a t a ，t h el a r g er e s o u r c e c o n s u m i n ga n dt h eh i 曲r e a l t i m ep e r f o r m a n c e ，t h e s es e r v i c e sg i v eac h a l l e n g et o t h er a d i or e s o u r c em a n a g e m e n tt e c h n o l o g yo fr e s o u r c e c o n s t r a i n e dc o m m u n i c a - t i o ns y s t e m h o wt oa l l o c a t ea n dm a n a g er a d i or e s o u r c ee f f e c t i v e l yb e c o m e st h e h o ti s s u eu n d e rd i f f e r e n tq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) a st h ec o r ep a r t so fr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t 限砌旧，c o n n e c t i o na d m i s s i o nc o n t r o l ( c a c ) a n dd y n a m i c c h a n n e la l l o c a t i o n ( d c a ) a r et h eh o ts p o t so ft h ec u r r e n tr e s e a r c h a st h e3 gm o b i l ec o m m t m i c a t i o nd e t e c t i o nt e c h n o l o g yw i t ho u ro w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ，s m a r ta n t e n n aa n dc o m b i n e dd e t e c t i o nt e c h n o l o g ya r eu s e d i nt d - s c d m a ，w h o s ea d v a n t a g e sa r ef l e x i b l ea d j u s t m e n tf o rd o w n l i n k u p l i n k t i m es l o ts w i t c h i n g ，i n t e r f e r e n c ec o n t r o l l a b l ea n de f f e c t i v es u p p o r t i n ga s y m m e t r i c d a t as e r v i c e b e c a u s eo ft h ea d o p t i o no ff d m a ，t d m aa n dc d m a ，c a ca n d d c aa r em o r ec o m p l e xt h a no t h e rs y s t e m s ，w h o s ep e r f o r m a n c eh a sag r e a ti m p a c t o n r r m f i r s t ，t h el o a dc a p a c i t yi sr e s e a r c h e di nt d - s c d m as y s t e mu n d e rc o n d i t i o n s o fs m a r ta n t e n n aa n dc o m b i n e dd e t e c t i o nt e c h n o l o g y t h e n ，t h ec a cs t r a t e g y b a s e do ns p r e a ds p e c t r u mc o d e - r e s o u r c er e s e r v a t i o ni sp r e s e n t e dt oi m p r o v et h e q o s s e c o n d ，t h r o u g ht h ed e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，ad c ao p t i m i z e ds t r a t e g y f o rc r o s st i m es l o ti n t e r f e r e n c ei sp r e s e n t e dt op r o m o t et h ep e r f o r m a n c eo fw h o l e s y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo ft h et w os t r a t e g i e sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e db y s i m u l a t i o ns y s t e m a n d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tn e ws t r a t e g i e sh a v et h eo b v i o u se f - f e c tt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：t d s c d m a ；r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ；c o n n e c t i o na d m i s s i o n c o n t r o l ；d y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o n ；q o s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。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 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期： 多患新 ：7 oo 了年3 月1 1 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着人们物质文化生活水平的提高，人们对移动通信业务的需求也不断 增大。目前广泛使用的第二代移动通信系统已经不能满足社会的巨大需求， 第三代移动通信系统成为发展的必然趋势。我国抓住这个发展机遇，提出了 t d s c d m a 第三代移动通信标准并被接纳为国际标准，为我国通信产业的腾 飞创造了有利条件。目前中国在2 0 0 8 年正式启动3 g 建设【l 】，t d s c d m a 系 统已经在几个城市建设实验网并进行大规模的商用网络实验。在新网络即将 建设之际，随着各种新业务的出现，人们对服务质量( q o s ) 的要求不断提 高，这些对系统的无线资源管理提出了更高的要求，本文就是对t d s c d m a 系统无线资源管理的接纳控制策略和信道分配策略进行研究和仿真分析。 1 1 课题背景 1 1 1 第三代移动通信发展概述 自2 0 世纪8 0 年代以来，移动通信在全球范围内得到了迅速发展。在我 国，截止到2 0 0 7 年1 月底，移动用户数量已经达到4 6 7 亿【2 1 ，而且仍然具 有良好的发展势头。到目前为止，移动通信经历了第一代的模拟通信系统和 第二代的数字移动通信系统，现在正在向第三代移动通信系统发展。第一代 模拟系统采用的是频分多址( f d m a ) 接入技术，其典型系统如美国的a m p s ， 北欧的n m t - 4 5 0 9 0 0 ，英国的t a c s 等。第二代窄带数字系统的接入技术分 为时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 两种，前者典型的如欧洲的g s m 系统，北美的i s 1 3 6 系统，后者如美国的i s 9 5 系统。无论是第一代还是第 二代，主要都是解决话音通信的问题。虽然第二代数字移动通信系统较之第 一代模拟移动通信系统有了很大的改进，但是仍然存在很多问题：例如没有 统一的国际标准，频谱利用率低较低，不能经济的提供高速数据和多媒体业 务，不能有效地支持i n t e m e t 业务等。随着社会信息化进程的加快，对移动 通信业务的需求也越来越大，目前第二代移动通信系统在容量和业务能力方 面均不能满足同益增长的社会需要，第三代移动通信系统成为发展的必然趋 哈尔滨工程大学硕士学位论文 势。国际电信联盟( i t u ) 早在1 9 8 5 年就提出了未来陆地移动通信系统，即 f p l m t s 。19 9 6 年f p l m t s 正式更名为i m t - 2 0 0 0 ( i n t o n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n ) 3 】【4 1 ，其用意在于希望2 0 0 0 年左右，最高传输频率可达 2 0 0 0 k b i f f s ，- 1 - 作于2 0 0 0 m h z 频段的第三代移动系统可以提供商用服务。其 基本特征如下： 1 提供全球无缝覆盖和漫游； 2 提供高质量话音、可变速率的数据和多媒体业务，快速移动环境最高 通信速率达1 4 4 k b i t s ，步行环境最高通信速率达3 8 4 k b i t s ，室内环境最高通 信速率达2 m b i 佻； 3 具有较高的频谱利用率和较大的系统容量； 4 台皂根据具体的业务需要，提供必要的带宽，支持大范围、可变速率的 信息传递； 5 高保密性以及较低的成本。 世界上多个地区、国家、公司和标准化组织先后提出了十多种无线传输 技术标准。经过充分协商和融合，最后形成的主流标准主要有三个，即美国 提出的c d m a 2 0 0 0 ，欧洲和日本提出的w c d m a 以及中国提出的 t d s c d m a 。它们具有频谱利用率高、覆盖范围广、性能好、可以适应宽带 多媒体通信要求等共同特点。三种主流第三代移动通信系统主要技术性能如 表1 1 示。 目前第三代移动通信标准的细节主要由3 g p p 和3 g p p 2 两个国际组织根 据i t u 的建议来进一步完成。3 g p p 是由欧洲的e t s i 、日本的a r m 、美国 的t i 、韩国的t t a 和中国的c w t s 为核心成员发起的，负责完成基于g s m m a p 核心网的w c d m a 和c d m a t d d 的标准细节；3 g p p 2 是由美国的t i a 、 日本的a r i b 、韩国的t t a 和中国的c w t s 为核心发起的，负责完成基于i s 4 1 核心网的c d m a 2 0 0 0 的标准细节。目前这两个标准组织也在积极地进行兼容 和接口互联互通工作。 从i t u 向全世界征求i m t - 2 0 0 0 无线传输技术方案开始，我国就意识到 对第三代移动通信标准研究的重要性，积极参与第三代移动通信系统标准的 研究和制定。1 9 9 8 年6 月3 0 日，由大唐电信集团( 电信科学技术研究院) 代表中国提出的t d s c d m a 第三代移动通信系统标准，经国家主管部门批 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 1 三种主流第三代移动通信系统主要技术性能比较 w c d m at d s c d m ac d m a 2 0 0 0 载波隔间 5 m h z1 6 m h z1 2 5 m h z 码片速率 3 8 4 m e p s1 2 8 m c p s1 ，2 2 8 8 m c p s 帧长 1 0 m s 1 0 m s ( 分为两个子帧) 2 0 m s 需要典型方法是 基站同步不需要 需要 g p s 支持可用压缩的模式支持可用空闲时隙进 频率间切换支持 进行测量行测量 快速功控：上、下行 反向：8 0 0 h z 功率控制 o 一2 0 0 h z 前向：慢速、快速功 1 5 0 0 h z 控 下行发射分 支持支持支持 集 检测方式 相干解调联合检测相干解调 d w p c h ，u p p c h 信道估计公共导频前向、后向导频 m i d a m b e 编码方式卷积码t u r b o 码卷积码t u r b o 码 卷积码t u r b o 码 准，提交国际电联。2 0 0 0 年5 月，在土耳其伊斯坦布尔召开的国际电联大会 上，t d s c d m a t 4 】被国际电联接纳成为第三代移动通信系统三大主流标准之 一。t d s c d m a 使用时分双工方式( t d d ) 的第三代移动通信系统标准， 同时采用了上行同步、智能天线、联合检测、动态信道分配和软件无线电等 一系列高新技术，这使得系统在性能上有了较大程度的提高。它对频谱资源 的利用也要比f d d 系统更为灵活，而t d s c d m a 系统采用t d d 模式，单 载波仅占1 6 m h z ，不需要成对的工作频段，可以充分利用分散、零碎的空 闲频段，从而能够灵活有效的利用现有的频率资源。t d s c d m a 能够提供第 三代移动通信系统标准所规定的各种业务，包括高质量的语音、宽带数据和 多媒体业务，同时t d d 系统可以根据业务的具体要求，灵活的分配时隙和 哈尔滨工程大学硕士学位论文 码道，因而t d s c d m a 系统更容易满足不对称业务的需要，在系统组网方 面，由于3 g p p 在制定第三代标准时已充分考虑了已有的第二代网络的投资， 因此t d s c d m a 系统与3 g p p 制定的标准在高层取得一致，以便更好地实 现第二代网络向第三代网络的演进与过渡。t d s c d m a 系统同样支持第三代 移动通信系统核心网逐步向全d 方向发展。表1 2 给出了几种系统的频谱利 用率对比的情况，可以看出t d s c d m a 系统在频谱利用率方面具有明显的 优势【5 1 。 表1 2 移动通信系统的频谱利用率对比 类型 项目 g s mi s 一9 5c d m a 2 0 0 0w c d m at d s c d m a 频率复用系数 711l1 每载波频宽( m h z ) 0 42 52 51 01 6 每载波同时工作信道数 82 02 06 04 8 频谱利用率( 语音) 2 88863 0 最大数据传输速率 2 5 【b s。4 m b s2 m b s ( 8 p s k ) 频谱利用率( 数据) 1 o0 41 2 5 ( 其中定义语音通信的频谱利用率为“同时工作信道数m h z d 、区”，数据通信 的频谱利用率为“最大传输数据速率m h z d 、区”) 1 1 2 第三代通信系统无线资源管理机制 随着经济技术的不断发展，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 信系统中，无线资源管理( r a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n t ，r r m ) 作为一个关键 技术被提出，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 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 特性因信道哀落和干扰而起伏变化等情况下，灵活分配和动态调整无线传输 部分和网络的可用资源，尽量提高无线频谱利用率，防止网络阻塞和保持尽 可能小的信令负荷【6 】【7 】【8 】【9 】o 无线资源管理负责空中接1 ：3 资源的使用，保证移 动用户的q o s 要求，维持系统预规划的覆盖区域，为系统提供大容量【l 0 1 。相 比较于g s m 系统的无线资源管理机制，基于c d m a 的3 g 系统由于增加了 码域甚至空间域的资源，使得无线资源管理机制更加复杂，对系统性能的影 响更加显著。r r m 的主要功能有：计算模块、功能控制和资源配置功能，相 对应的组成模块包括：算法模块、决策模块、资源分配模块、无线资源数据 库模块和对外接口模块等。其中起决定作用的是算法模块，常用r r m 算法 在通信实体中的分布如图1 1 所示【l i j i1 r n c 慢速动态 信道分配 眦f u 快速动态 n o d eb 信道分配 j 痧 u u 控制功率 u e 圈固图图 l 功率i | 自适应i l 负载接纳1 1 分组调度l i 赫4 | i 黼4il 擗圳控制ll h s - d s c hi l 物理信道l l 测量l 1 _ j 图1 1r r m 算法在各通信实体中的分布 功率控制( p c ) 模块：主要作用是在维持链路通信质量的前提下尽可能 小地消耗功率资源，从而将空中接口部分的相互干扰降至最低水平，延长终 端电池的使用时间，并提供所要求的q o s 。 切换控制( h c ) 模块：在蜂窝移动通信系统的小区模型中，为保证移动 用户经过小区边界时通信的连续性，或者基于网络负载和操作维护等原因， 需要用切换控制操作来将用户从当前的通信链路转移到其他小区，甚至其他 系统。 接入控制( a c ) 模块：当新用户和切换的用户发起呼叫时，网络执行接 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 入控制过程，其目的是维持网络的稳定性和已接纳用户的q o s 。 负载控制( l c ) 模块：主要功能是判决一段时间内网络的负载信息，并 将该负载信息提供给其它模块。当网络出现过载情况时，l c 联合r r m 其他 模块的综合作用将网络恢复到正常的状态。 动态信道分配( d c a ) 模块：主要功能是负责将信道分配n 4 , 区、信道 优先级排序、信道选择、信道调整和资源整合。 分组调度( p s ) 模块：主要功能是用于支持分组数据业务，其具体的调 度速率由网络负荷决定；分组调度包括对基于r n c 的分组调度和基于基站 ( n o d e b ) 的分组调度。 为了确保以上算法可获得当前移动台( u e ) 所处信道状况，还需要对无 线链路进行测量的模块提供支持。无线链路检测( r l s ) 模块：负责监测无 线链路的质量，当检测到通信链路质量变坏时，向相应的r r m 模块报告， 并进行恶化恢复处理。 除以上列举模块之外，r r m 还包括快速小区选择( c s ) 模块和无线承 载控制( r b c ) 模块。这些r r m 算法中有些是基于网络宏观控制的，如a c 、 p s 、d c a 、l s 和c s ，而有些是基于链路事件的，如h c ，p c ，r l c 和r b c 。 1 2t d s c d m a 系统信道分配技术概述及发展状况 1 2 ，l 信道分配概述 资源的概念，在f d m a 中是一固定的频率带宽；在t d m a 中，是一帧 中特定的时隙；在c d m a 中，则是某一类特殊的编码，这些资源可统称为信 道，可以将移动通信系统中资源的合理分配和最佳利用问题都称为信道分配 问题。所谓信道分配是指在采用信道复用技术的小区制蜂窝移动系统中，在 多信道共用的情况下，以最有效的频谱利用方式为每个小区的通信设备提供 尽可能多的可使用信道。 一般信道分配方案可分为三类：固定信道分配( f c a ) 、动态信道分配 ( d c a ) 和混合信道分配( h c a ) 0 2 】。信道分配过程一般包括呼叫接入控制、 信道分配、信道调整三个步骤，不同的信道分配方案在这三个步骤中有所区 别。 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 u i i 在f c a 方案中，整个服务区域被分为一定数量的小区，每个小区根据一 定的信道复用形式配置一定数量的信道，相当于在一个小区群的不同小区间 对信道完全隔离，这种配置方式要求满足一定的信号质量。f c a 的呼叫接入 控制策略为：当有新的呼叫要求接入，若相对应的小区里存在空闲信道，就 接受一个呼叫。f c a 的信道分配策略是：以一定的方式在配置给本小区固定 信道中选择一个信道给呼叫。 在d c a 方案中，所有的信道资源放置在中心存储区中，表示信道的完 全共享，一旦有新的呼叫要求，则在满足c i r m i n ( 最小载波干扰比) 门限的 信道中按一定的算法选择合适的进行分配。d c a 的呼叫接入控制策略与f c a 区别不大，d c a 的信道分配策略为全局性策略，而信道重分配也是d c a 的 一大特点。d c a 有极好的业务自适应性和高度灵活性，弥 h 了f c a 的不足， h c a 方案将所有的信道分为两个部分：一部分信道固定配置给某些小 区，即部分信道隔离；另一部分信道则保留在中心存储区中，为系统中的所 有用户所共享，即部分信道共享。 至于d c a 的分类，国内外的文献中出现了很多种不同的看法。总体上 来说，根据其功能可以分为：小区信道指派的慢速d c a 、呼叫接入阶段的接 纳控制( c a c ) d c a 、进行信道调整的快速d c a 。而按照控制方式，则包 括集中中心控制式d c a 和分布控制式d c a 。 h c a 将可用信道数量分为固定集和动态集。固定集由分配给小区的规定 信道构成，一般情况下，小区首先使用这些信道分配给信道呼叫。动态集为 整个系统所有小区共享，当某小区有呼叫要求到达时，若这个小区没用空闲 规定信道，则从动态信道集中选择一个信道分配给呼叫。 1 2 2t d s c d m a 系统无线资源管理中动态信道分配技术 t d s c d m a 移动通信系统作为我国第一个拥有自主知识产权的国际电 信标准，由于使用了智能天线、联合检测和上行同步等先进的通信技术，使 其在系统性能、容量和制造成本上都具有明显的优势，因而受到国内外的普 遍关注。而作为具有c d m a 特征的移动通信系统，可靠和高效的无线资源管 理策略和方法，则是c d m a 移动通信系统性能和容量的重要保证。 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 t d s c d m a 系统作为t d d c d m a 系统的代表，与f d d c d m a 相比，它在 物理层采用了智能天线、多用户检测、上行同步以及特殊的帧结构( 即业务 传输不连续性) 等，在基于c d m a 技术的移动通信系统中，采用智能天线技 术可以提高系统的容量、减少用户间的干扰、扩大小区的覆盖范围、支持新 的业务、提高网络的安全性以及实施用户定位等。由于空间角度成为可以利 用的资源，在对系统资源进行分配和管理时，既要考虑最大限度地提高系统 资源利用率，又要协调好各种资源之间的相互关系，以便最大限度地降低用 户之间的干扰，只有这样才能保证系统的整体性能达到最优状态。另外 t d d c d m a 系统也综合使用了时分双工技术，它的无线资源包括码字、频 率、时隙、功率和空间角度，因此t d d c d m a 系统的设计更加灵活，同时 也更加复杂。 对于t d d c d m a 系统来说，有的算法可以直接借鉴f d d c d m a 系统 的算法，如硬切换算法、闭环功率控制算法等；而有的算法必须基于t d d 特性进行改善，例如负载评估和接入控制算法；而有的算法则是t d d c d m a 系统特有的，比如动态信道分配算法等。下面根据t d d c d m a 系统的特点， 分析其无线资源管理机制特性【1 。 传输是以时隙为基本单位的，信号的发送和接收具有不连续性，每时隙 下的干扰和负载并不相同；另外，由于导频信道并不是每个时隙都存在，基 于导频的相关操作不再有效，从而对功率控制、切换控制等算法会产生影响。 上行链路采用了多用户检测技术，使得传统f d d c d m a 上行链路容量 负载评估理论模型不再适用，需要重新研究相应的容量负载评估模型理论， 这是无线资源管理和网络规划优化的基础。 如果在上下行链路采用了智能天线技术，则上下行链路的容量和负载评 估理论模型需要进一步完善：另外，对于不同类型的智能天线技术，其相对 应的上下行链路容量和负载理论模型也会完全不同。 鉴于t d d c d m a 增加了一维时隙资源，并且上下行链路的转换点需根 据上下行业务量大小灵活调整，所以必须采用高效的d c a 算法来提高系统 性能。为了使t d d c d m a 系统未来能支持高速下行分组数据业务，需要在 无线资源管理框架内增加分组调度算法，对非实时分组数据业务进行高效调 度，调度算法必须保证用户公平性和满足业务的q o s 要求，同时提高系统的 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 频谱效率。其中动态信道分配算法是整个无线资源管理算法【1 l 】的核心，也是 当前研究的重点。 目前针对t d s c d m a 的信道分配算法的研究并不是很深入，但是在其 它相似的系统中对信道分配研究已经比较成熟。对c d m a t d d 系统，智能 天线等技术都已经有很多的研究，但是将这些技术结合在一起的研究工作目 前还很少。本文首先对智能天线和多用户检测技术条件下的系统容量算法进 行研究，在此基础上研究混合业务条件下接纳控制策略，并且对交叉时隙干 扰问题进行了详细的理论分析，并且在此基础上提出了一种充分发挥 t d s c d m a 系统上下行时隙分配灵活的特点，同时可以克服交叉时隙干扰问 题的优化d c a 策略，并通过仿真进行分析验证其性能。 1 3 本论文的目的和意义及课题结构的安排 1 3 1 论文的目的和意义 无线资源管理是对移动通信系统的空中接口资源的规划和调度，涉及到 一系列与无线资源分配有关的内容。t d s c d m a 移动通信系统由于使用了智 能天线、联合检测和上行同步等先进的通信技术，使其在系统性能、容量和 制造成本上都具有明显的优势。t d s c d m a 系统中无线资源包括码字、频率、 时隙、功率和空间角度，该系统之所以频谱利用率高，是因为它综合使用了 时分、频分、码分和空分以及其它多种新技术。在基于c d m a 技术的移动通 信系统中，采用智能天线技术可以提高系统的容量、减少用户间的干扰、扩 大小区的覆盖范围、处在相同处理增益下可同时容纳更多的激活用户。因此， t d s c d m a 系统通过空域处理或空时域联合处理的数字信号处理技术，可提 高s i n r ，减少时延扩展和衰落带来的影响，进而提高链路质量。链路性能 的提高可以更轻松地提供各种新业务，如对误码率有较高要求的数据业务和 无线i n t e m e t 业务。但采用智能天线等技术后，它必将涉及到许多网络功能 的变化，如无线资源管理和移动性管理等。由于空间角度成为可利用的资源， 在对系统资源进行分配和管理时，既要考虑最大限度地提高系统资源利用率， 又要协调好各种资源之间的相互关系，以便最大限度地降低用户之间的干扰， 只有这样才能保证系统的整体性能达到最优状态。由于资源内涵的扩展和资 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 源类型的增加，特别是空间角度成为可用资源后，系统的资源分配和管理算 法比传统的移动通信系统要灵活得多，同时也复杂得多。所以对于 t d s c d m a 系统能否充分发挥其优越性的关键就是无线资源管理问题。特别 是接纳控制策略和系统的信道分配策略更是无线资源管理的关键所在。 1 3 2 论文的结构安排 第1 章阐述了本论文的研究背景，首先介绍了当前3 g 移动通信技术的 发展现状，t d s c d m a 技术标准的建立和发展，同时对第三代移动通信系统 的无线资源管理机制和t d s c d m a 系统动态信道分配技术进行了详细的介 绍。 第2 章首先对t d s c d m a 系统采用的关键技术进行概述，并且对 t d s c d m a 无线接口协议重点说明，最后对t d s c d m a 动态信道分配技术 进行详细介绍。 第3 章首先对采用的仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 仿真工作原理进行介 绍，然后对链路级仿真和系统级仿真的区别和联系，静态仿真和动态所用的 主要方法进行说明，然后对t d s c d m a 系统级仿真平台的整体构架做了介 绍包括采取的基本仿真机制和系统的主要流程图，重点是如何利用s i m u l i n k 软件搭建t d s c d m a 仿真平台，仿真场景的选择，链路仿真和系统仿真。 第4 章首先介绍了智能天线技术下的容量理论模型，在此基础上提出了 资源预留算法和码资源分配策略，并通过仿真分析资源预留策略对系统接纳 控制性能的影响。同时对方案进行定量仿真分析，研究不同多用户检测因子 和背景噪声提升对系统的影响。 第5 章首先对交叉时隙干扰问题进行详细分析，并且对t d s c d m a 系 统中由于上下行时隙转换点的不同，产生的交叉时隙干扰问题进行研究，给 出了解决交叉时隙干扰问题的优化d c a 策略，并通过仿真分析优化策略的 性能。 1 0 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第2 章t d s c d m a 系统和信道分配技术概述 t d s c d m a 系统作为i t u 第三代移动通信标准之一，是中国提出的第 三代移动通信标准，自1 9 9 8 年正式向i t u ( 国际电联) 提交以来，历经多年 时间，完成了标准的专家组评估、i t u 认可并发布、与3 g p p ( 第三代伙伴项 目) 体系的融合、新技术特性的引入等一系列的国际标准化工作，从而使t d s c d m a 标准成为第一个由中国提出的，以我国知识产权为主的、被国际上 广泛接受和认可的无线通信国际标准，这是我国电信史上重要的里程碑。 t d s c d m a 是t d m a ( 时分多址接入技术) ，s d m a ( 同步多址接入技 术) 和c d m a ( 码分多址接入技术) 三种技术联合使用的简写。其中的s 通 常被解释为代表了t d s c d m a 技术的三个特点，即同步( s y n c h r o n i z a t i o n ) 、 智能天线( s m a r ta n t e n n a ) 和软件定义无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) ， t d s c d m a 系统基本参数如下表2 1 所示。 表2 1t d s c d m a 系统的基本参数 参数 值 信道间隔 1 6 【h z 多址方式 f d m a + t d m a + c d m a 双工方式 t d d 帧长1 0 m s 分为两个5 m s 子帧 码片速率 1 2 8 m c s 信道编码 卷积码+ t u r b o 码 基站发射功率 最大4 3 d b m 移动台发射功率 最大3 3d b m 小区覆盖半径 0 。1 1 2 k m 上行同步 1 8 c h i p 相干检测 上行、下行：连续的公共导频 功率控制开环加闭环功率控制，2 0 0 次s 数据调制 o p s k 8 p s k ( 2 m b s 业务) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1t d s c d m a 中的关键技术概述 t d s c d m a 移动通信系统之所以和其他第三代通信系统相比具有很多 优点，是因为该系统采用了智能天线、联合检测和上行同步等先进的通信技 术，使其在系统性能、容量和制造成本上都具有明显的优势，下面对这些先 进技术进行简要说明。 2 1 1 智能天线概述 智能天线也叫自适应天线，由多个天线单元组成，每一个天线后接一个 复数加权器，最后用相加器进行合并输出。智能天线的基本思想是：天线以 多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，接收模式下，来自窄波束之外 的信号被抑制，发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄 波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。与传统的全向天线只产生 一个波束不同的是，智能天线系统可以给出多个波束赋形，而每一个波瓣对 应于一个特别的手机用户，波束也可以动态地追踪用户。智能天线由一个环 形的天线阵列和相应的发送接收单元组成，并由相应的算法来控制。在接收 方面，这一技术允许进行空间选择接收，如此不但增加了接收灵敏度，而且 还可将来自不同位置的手机的共码道干扰降至最小，以增加网络的整体容量。 智能天线采用双向波束赋形，在消除干扰的同时增大了c d m a 系统的容 量，并且降低了基站的发射功率要求，即便出现单个天线单元损坏的现象， 系统工作也不会因此受到重大影响。 智能天线与传统天线概念有本质的区别，其理论支撑是信号统计检测与 估计理论、信号处理及最优控制理论，其技术基础是自适应天线和高分辨阵 列信号处理。 智能天线的这些特性可显著提高移动通信系统的频谱效率，同全方向天 线相比，可获得一定的增益。由于采用智能天线后，应用波束赋形技术显著 提高了基站的接收灵敏度和等效发射功率增加一倍以上，同时也可以使业务 高密度的市区和郊区所要求的基站数目减少。在业务稀少的乡村，无线覆盖 范围将增加一倍，这也意味着在所覆盖的区域的基站数目降至通常情况的 1 4 。所以，智能天线的采用将显著降低运营成本、提高系统的经济效益。采 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用智能天线，t d s c d m a 网络规划具有更大的灵活性。此外，在越区切换中， 智能天线同样也发挥着重要的作用，由于每个用户在小区内的位置都是不同 的，这一方面要求天线具有多向性，另一方面则要求在每一独立的方向上， 系统都可以跟踪个别的用户，通过d s p 控制用户的方向测量使上述要求可以 实现。每用户的跟踪通过到达角进行测量，在t d s c d m a 系统中，由于无 线子帧的长度是5m s ，则至少每秒可测量2 0 0 次，每个用户的上、下行传输 发生在相同的方向，通过智能天线的方向性和跟踪性，可获得其最佳的性能。 在t d d 双工模式下，上行链路和下行链路使用的是同一个频带，因此，在 上行和下行2 个方向中的传输条件是相同的或者说是对称的，因此可以根据 在上行链路上得到的接收信号来了解下行链路的多径信道的快衰落特性。 2 1 2 上行同步 t d s c d m a 系统中，上行链路和下行链路都采用正交码扩频。移动台动 态调整发往基站的发射时间，使上行信号到达基站时保持同步，保证了上行 信道信号的不相关，降低了码间干扰，这样，系统的容量由于码间干扰的降 低大大提高，同时基站接收机的复杂度也大为降低。 t d d 系统对同步的要求较高，t d s c d m a 系统同步包括上下行同步、 基站同步( 主要采用g p s 方式) 和网络节点同步等。在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 尤指上行同步，即要求在同一时 隙内，来自不同距离的用户终端的上行信号能同步到达基站。而移动通信系 统工作在存在严重干扰、多径传播和具有多普勒效应的实际环境中，要实现 理想的同步非常困难。采用同步c d m a 技术的目的是使所有用户的伪随机码 在到达基站时同步，伪随机码之间的同步正交性使得各个码道在解扩时完全 正交，从而消除多址干扰，提高了t d s c d m a 系统的容量和频谱利用率。 2 1 3 联合检测 联合检测是t d s c d m a 系统中使用的又一重要技术。在基站侧，由于 信号从移动台经多条路径到达基站，因此上行同步技术只能保证主径在一定 范围内的同步。联合检测技术把同一时隙中多个用户的信号及多径信号一起 哈尔滨工程大学硕士学位论文 处理，精确地解调出各个用户的信号。在移动台侧，基站智能天线的波束成 形，虽然极大地降低了多用户干扰的强度，但是多用户干扰依然存在，尤其 是当用户的位置非常靠近时，多用户干扰问题仍很严重。联合检测技术能很 好地解决多用户干扰问题。 2 1 4 动态信道分配( d c a ) 在t d s c d m a 系统中，采用动态信道分配( d c a ，d y n a m i cc h a n n e l a l l o c a t i o n ) 方式，系统中的任何一条物理信道都是通过它的载频时隙扩频码 的组合来标记的。信道分配实际上就是一种无线资源的分配过程。 在d c a 技术中，信道并不是固定地分给某个小区，而是被集中在一起 进行分配，只要能提供足够的链路质量，任何小区都可以将该信道分给呼叫。 d c a 具有频带利用率高、无需信道预规划、可以自动适应网络中负载和干扰 的变化等优点；其缺点在于，d c a 算法相对于f c a ( 固定信道分配) 来说 较为复杂，系统开销也比较大。 2 1 5 软件无线电 采用软件无线电技术的主要优势在于：通过软件的方式可灵活地完成原 本由硬件完成的功能，减轻网络负担，在重复性和精确性方面具有优势，错 误率较小、容错性高，不像硬件方式那样容易老化和对于环境具有较大的敏 感性，以较少的软件成本实现复杂的硬件功能，减少总投资。 软件无线电是近几年发展起来的技术，它把许多以前需要硬件实现的功 能用软件来实现。由于软件修改较硬件容易，在设计、测试方面非常方便， 不同系统的兼容性也易于实现，所以这一技术在t d s c d m a 系统中被采用。 2 2 无线接口协议 2 2 1 概述 无线接口指用户终端和接入网之间的接口，简称u u 接口，通常也称之 为空中接口。无线接口协议主要是用来建立、重配置和释放各种第三代移动 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通信无线承载业务的。不同的无线接1 3 协议【1 3 】使用各自的无线传输技术 ( r t t ) ，现行的第三代移动通信系统w c d m a , t d s c d m a 和c d m a 2 0 0 0 ， 它们的主要区别就体现在无线接口的无线传输技术上。所以，本节主要介绍 m s c d m a 的无线接口协议。无线接口协议分层结构如图2 1 所示，它分为 物理层( l 1 ) 、数据链路层( l 2 m a c 瓜l c 胛d ( 弹，b m c ) 和网络层 ( l 3 一砌w m m ，c m ) 。物理层通过业务接入点s a p s 与层二的m a c 子层和 层三的r r c 子层连接，物理层提供不同的传输信道到m a c 层，m a c 层通 过不同的逻辑信道给高层提供服务。传输信道特性由无线接口上传输信道物 理特性进行描述，逻辑信道特性由传输消息的不同类型描述，物理信道特性 由码域、频率域、时域共同确定。 控制平面信令用户平面信息 l 2 ，p d c p l 2 ，b m c l 却r l c 逻辑信道 l 2 ，m a c 传输信道 l l 图2 1 无线接口协议结构 在图2 1 中