（通信与信息系统专业论文）动态信道分配算法对tdscdma系统容量的影响.pdf

霞庆邮电学院硕士论文 摘要 t d s c d m a 技术标准是第三代移动通信的关键标准之一，t d s c d m a 系 统所能够使用的无线频率资源也是相当有限的，而第三代移动通信系统的主要目 标是能够提供多媒体业务，这就对只有有限的频率资源可供使用的t d s c d m a 系统提出了更加严峻的挑战，因此如何更有效利用t d s c d m a 系统所提供的无 线频谱资源以满足日益增长的用户的需求就成为t d s c d m a 系统研究中主要课 题之一。动态信道分配( d c a ) 算法无疑是提高频率资源的再用效率，解决有 限的频谱资源与用户的极大需求之间的矛盾的有效途径。为了说明d c a 算法对 t d s c d m a 系统容量的改善情况，也为了不失一般性，本文介绍了三种d c a 算 法，即t i m i d 算法、a g g r e s s i v e 算法( 基于分布式控制方式) 和n i c 算法( 基于 中心控制方式) 。并在一定条件下通过仿真分别得到了t d s c d m a 系统在采用 了这三种d c a 算法情况下系统容量的改善情况。 通过仿真结果我们可以看出在业务量低和偏中的情况下，t d s c d m a 系统 采用了d c a 算法以后系统的容量确实有较大的提高。同时从仿真结果我们也清 楚地看到这三种动态信道分配算法对t d s c d m a 系统容量的提高程度是不一样 的。因此我们也就清楚认识到不同的动态信道分配算法对t d s c d m a 系统容量 的提高情况不一样，同时我们也知道不同的动态信道分配算法在实现的复杂度上 往往也存在很大的差异。因此，我们应该综合考虑t d s c d m a 的系统容量和系 统的复杂度确定具体采用哪一种d c a 算法，而不能盲目采用，否则只能事倍功 半。 关键词：动态信道分配、干扰小区、帧结构、容量、饱和密度、标准信道利用率 a bs t r a c t t d s c d m as t a r d a r di so n eo fk e ys t a r d a r do ft h e t h i r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n r a d i of r e q u e n c yr e s o u r c ef o rt d - s c d m as y s t e mi sl i m i t e d ，b u tt h e t a r g e to f3 gi st op r o v i d em u l t i - m e d i as e r v i c e s a ss e r i o u s l yc h a l l e n g et d - s c d m a s y s t e mp r o v i d e dw i t hl i m i t e dr a d i or e s o u r c e s s oh o w t ot a k ea d v a n t a g eo ft h er a d i o f r e q u e n c yr e s o u r c ef o rt d - s c d m as y s t e mt os a t i s f yt h ei n c r e a s i n gr e q u e s to f u s e r s i so n eo fp r i m a r yt a s ko fr e s e a r c h e st ot d s c d m as y s t e m 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 ) a l g o r i t h mi su n d o u b t e d l y av a l i da p p r o a c ht o i n c r e a s er e u s ee f f i c i e n c yo ff r e q u e n c yr e s o u r c e sa n dt os o l v ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e n l i m i t e d f r e q u e n c y r e s o u r c e sa n du s e r s si n f i n i t ed e m a n d i no r d e rt oe x p l a i n b e t t e r m e n ts t a t u so fs y s t e mp e r f o r m a n c ew i t hd c aa l g o r i t h m ，w ei n t r o d u c et h r e e k i n d so fd c aa l g o r i t h m sw i t hn ol o s i n gu n i v e r s a l i t y , n a m e l yt i m i da l g o r i t h m ， a g g r e s s i v ea l g o r i t h ma n dn i ca l g o r i t h m a l s ow eg e tt h eb e t t e r m e n ts t a t u so fs y s t e m p e r f o r m a n c ew i t ht h e s ed c aa l g o r i t h m st h r o u g hs i m u l a t i o nu n d e r c e r t a i nc o n d i t i o n s f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ek n o wt h a ts y s t e mp e r f o r m a n c eu n d e rd c a a l g o r i t h mi sb e t t e rt h a nt h a tu n d e rf c aa l g o r i t h mw h e np o r t f o l i oi sl o wo rm e d i u m s i m u l t a n e i t yw ea l s ok n o wt h a tt h et h r e ed c aa l g o r i t h m sb r i n gd i f f e r e n tb e t t e r m e n t s t a t u s s ow ek n o wc l e a r l yt h a td i f f e r e n td c aa l g o r i t h m sb r i n gd i f f e r e n tb e t t e r m e n t s t a t u sa n dt h a tc o m p l e x i t i e si nr e a l i z a t i o no fd i f f e r e n td c aa l g o r i t h m sa r ed i f f e r e n t w es h o u l dt a k ead c aa l g o r i t h mt h a th a sam i d d l ec o u r s eb e t w e e ns y s t e m p e r f o r m a n c ea n ds y s t e mc o m p l e x i t yi nt d - s c d m as y s t e m w ec a n tt a k ead c a a l g o r i t h mb l i n d l yb e c a u s et h a tw i l lm a k eu sg e th a l ft h er e s u l tw i t ht w i c e t h ee f f o r t k e y w o r d ：d y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o n ，i n t e r f e r e n c ec e l l ，f r a m es t r u c t u r e ，c a p a c i t y ， s a t u r a t i o nd e n s i t y 、n o r m a l i z e dc h a n n e lu t i l i z a t i o n s b 重庆邮电学院硕士论文 缩略语 3 g ：3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，第三代移动通信系统 a c o ：a u g m e n t e dc h a n n e lo c c u p a n c y ，扩展信道占用矩阵 a m p s a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ，增强型蜂窝移动通信系统 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 ，动态信道分配 d c s ：d y n a m i c c h a n n e ls e l e c t i o n ，动态信道选择 i m t - 2 0 0 0 ：i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 ，国际移动通信系统 l p - d d c a l o c a lp a c k i n gd y n a m i cd i s t r i b u t e dc h a n n e la s s i g n m e n t ，局部紧缩动 态信道分配方案 m s i r ：m i n i m u ms i g n a l t o - n o i s ei n t e r f e r e n c er a t i o ，最小信噪干扰比 n i c ：n u m b e ro f i n t e r f e r e n c ec e l l ，干扰小区数量 r i n g ：s e l e c t i o nw i t hm a x i m u m u s a g eo nt h er e u s er i n g ，复用环上最大使用率选 择 s c s ：s e q u e n t i ac h a n n e ls e a r c h ，顺序信道搜寻 重庆邮i 乜学院颂卜论文 引言 研究背景 能够随时随地同远方的朋友交流信息是人类长期以来的梦想。有线通信的发 明使人类可以在固定的地点进行交流，而无线移动通信技术的应用力使人类的交 流摆脱了空问上的局限，真正使这一梦想成为现实。1 9 7 1 年1 2 月，b e l l 公司向 f c c 提交了蜂窝通信系统h c m t s 的建议，并在以后建立了a m p s 蜂窝移动通 信系统，开第一代商用移动通信系统之先河。与此同时，基于不同标准的其它模 拟蜂窝移动通信系统也得到了很大的发展。第一代移动通信系统的多址方式为 f d m a ，由于其容量太小、业务种类单一( 只提供话音业务) 、保密性差、而各 国的通信标准又不统一，不能满足飞速发展的移动通信业务量和全球漫游的需 要；于是，第二代移动通信系统就应运而生。第二代移动通信系统采用以t d m a 或c d m a 为主的数字蜂窝系统，如g s m ，其容量和功能都比模拟系统有了很大 的提高，但其业务种类主要限于话音和低速数据( 数据数据小于9 6 k b i t s ) 。由 于其主要技术的固有局限，第二代系统存在频谱利用率低和不能为同一用户 提供多种业务等问题。为了解决这些问题，人们在第二代系统基础上丌发了 g p r s ( 通用分组无线业务) 、h s c s d ( 高速电路交换数据) 等新的无线数据技 术。这些技术提供了很灵活的比特率，特别是g p r s ，采用分组交换的方式，最 高数据速率可达1 6 4 k b i t s ，能满足多种业务速率要求。但是由于其基础设施还是 以第二代系统为主，所以称为第2 5 代移动通信系统技术。然而随着社会信息化 的发展，人们对通信多业务种类和数量的需求剧增，引起对更高比特率的移动数 据通信业务和更好的频谱利用率的迫切要求。因此，全世界范围内兴起了对能够 提供全球漫游、支持多媒体业务且有足够容量的第三代移动通信系统的研究。 t d s c d m a 技术标准是第三代移动通信的关键标准之一，t d s c d m a 系 统所能够使用的无线频率资源也是相当有限的，而第三代移动通信系统的主要目 标是能够提供多媒体业务，这就对只有有限的频率资源可供使用的t d s c d m a 系统提出了更加严峻的挑战，因此如何更有效利用t d s c d m a 系统所提供的无 线频谱资源以满足日益增长的用户的需求就成为t d 。s c d m a 系统研究中主要课 重庆邮电学院硕卜论文 题之一。动态信道分配( d c a ) 算法无疑是提高频率资源的再用效率，解决有 限的频谱资源与用户的极大需求之间的矛盾的有效途径。有很多学者主要研究了 动态信道分配算法的设计和优化，本文将主要研究动态信道分配算法对系统容量 的改善情况，当然不同的动态信道分配算法对系统容量的改善程度是不一样的。 综上所述，对于动态信道分配技术以及相关的算法的研究既具有研究基础， 也具有学术研究价值。鉴于此，本文的选题以动态信道分配算法的研究和仿真分 析为出发点，研究动态信道分配算法对系统容量的改善情况，以及动态信道分配 算法的适用条件。 论文工作及组织结构 本文主要目标是针对t d s c d m a 系统，寻求适用于该系统的动态信道分配 策略，并为该系统的研发提供设计参考。 本文的主要工作包括： ( 1 ) 调研。确定以动态信道分配算法作为研究的基本出发点，以系统的阻塞概 率作为性能参数来对动态信道分配算法的研究和仿真分析是非常有学术 价值和实用价值的。广泛研究了国内外目前比较典型的动态信道分配算法 及其性能。 ( 2 ) 算法研究。研究了三种比较典型的动态信道分配算法t i m i d 算法、 a g g r e s s i v e 算法以及n i c 算法，前两者属于分布式控制方式，后者属于中 心控制方式，这使得整个论文的研究结论具有一般性的意义，并分别对三 种算法的性能进行了仿真。 ( 3 ) 结论。a ) 通过仿真，我们发现在业务量中和偏低的情况，在同等条件下， t d - s c d m a 在分别采用了t i m i d 算法、a g g r e s s i v e 算法以及n i c 算法三 种动态信道分配算法的条件下，系统的系统容量都有较大的提高。b ) 通 过仿真，我们进一步发现不同的信道分配算法对系统的系统容量的提高是 不同的，其中n i c 算法对容量的提高最明显，a g g r e s s i v e 算法其次，t i m i d 算法最小。c ) 通过仿真，我们也发现随着业务量的增加，动态信道分配 算法的好处变得越来越不明显，动态信道分配算法的性能与固定信道分配 算法的性能趋于一致，甚至当业务量高到一定值的时候，动态信道分配算 2 重庆邮电学院硕 j 论义 法的性能还没有固定信道分配算法的性能好。 本文的组织结构如下： 在第一章的绪论中简要介绍了在第三代移动通信系统领域的研究概况和 t d s c d m a 系统的突出特点以及t d s c d m a 系统的关键技术智能天线技 术、多用户检测技术和软件无线电技术。 第二章阐述了信道分配的约束条件和性能评估方式，同时简要介绍了f c a ( 固定信道分配) 方案、d c a ( 动态信道分配) 方案和h c a ( 混合信道分配) 方案，并将其性能进行简单比较。 第三章介绍了一下t d s c d m a 系统的信道资源的资源分配方案和分配过 程。 第四章为本文的研究的重点。该章重点研究了三种动态信道分配算法，即 n i c 算法，并进一步研究在一定条件下该算法对t d s c d m a 系统的容量的改善 情况。 蕈庆邮电学院硕 ：论文 1 1 1 绪言 第1 章绪论 1 1 第三代移动通信技术概况n 1 国际电联( i t u ) 早在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信系统的概念，当时称 为未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，并成立了专门负责标准化工作的任 务组t g 8 1 。后来考虑到该系统预计在2 0 0 0 年左右商用，且工作于2 0 0 0 m h z 频 段，故1 9 9 6 年应同本等国建议，更名为国际移动通信系统i m t - 2 0 0 0 。i m t - 2 0 0 0 标准要求新一代移动通信系统具有良好的网络兼容性，能够实现全球范围内多个 不同系统间真j 下漫游，它不仅能为移动用户提供话音及低速数据业务，而且还能 提供广泛的多媒体业务。i t u 已经为i m t - 2 0 0 0 的测试环境提出了具体的标准， 给出了表征i m t - 2 0 0 0 系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、激活因子和业务的模型等。 i t u 于1 9 9 8 年初向所属成员征集符合要求的无线传输技术( r t t ) 提案。到 规定的截止日期1 9 9 8 年6 月3 0 号，共有1 0 个地面移动通信r r r 建议和5 个卫星移动通信i m 建议被提交。此后经过多次评估和修改，1 9 9 9 年1 1 月在芬 兰赫尔辛基召开的i t ut g 8 1 的第1 8 次会议上，最终确定了三类r 1 v r 技术作为 将来丌发第三代移动通信系统( 地面移动通信系统) 的基础，它们分别是： t d s c d m a 、w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 。 第三代移动通信，简单地说就是提供覆盖全球的宽带多媒体服务的新一代移 动通信。移动通信系统的发展已经历了两代，第一代移动通信是模拟语音移动 通信，第二代是数字通信，主要业务是语音，目前广泛使用的g s m 、窄带c d m a ( i s 9 5 ) 就是第二代系统。 模拟移动通信具有很多不足之处，比如容量有限；制式太多、互不兼容、不 能提供自动漫游；很难实现保密；通话质量一般：不能提供数据业务等。第二代 数字移动通信克服了模拟移动通信系统的弱点，话音质量、保密性能得到很大提 高，并可进行省内、省际自动漫游。但由于第二代数字移动通信系统带宽有限， 数据业务的应用受到限制，高速率的业务如移动的多媒体业务也无法实现。同时， 4 重庆邮电学院硕士论文 由于各国的第二代数字移动通信标准不统一，因而无法进行全球漫游。 与第一代模拟移动通信和第二代数字移动通信相比，第三代移动通信是覆盖 全球的多媒体移动通信。它的主要的特点之一是可实现全球漫游，使任意时间、 任意地点、任意人之间的无缝交流成为可能。也就是说，每个用户都有一个个人 通信号码，带着手机，走到世界任何一个国家，人们都可以找到你，而反过来， 你走到世界任何一个地方，都可以很方便地与国内用户或他国用户通信，与在国 内通信时毫无差别。能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务是第三代移动通信 的另一个主要特点。这就是说，用第三代手机除了可以进行普通的寻呼和通话外， 还可以上网读报纸、查信息、下载文件和图片；由于带宽的提高，第三代移动通 信系统还可以传输图像，提供可视电话业务。该系统主要涉及的技术有核心网平 台中的无线a t m 技术、分布式数据库软件技术、智能网技术；无线传输中的多 址技术、智能天线技术、软件无线电技术等。 虽然，第三代要解决众多的传输和网络技术问题，但它的“定义”并没有反 映鲜明的技术特征，更多的是商业应用特征。 鉴于第三代移动通信仍需一个强大的移动“核心网”，其功能是否会被在不 断发展的有线智能网取代，这就是有人正在研究的“第四代”问题了，如果能取 代，在实现全球覆盖上大有好处。第四代移动通信的技术很可能是“网络性的 了。 1 1 2 第三代移动通信的特点 按i t u 总目标，第三代移动通信系统有如下特点： ( 1 ) 提供高速率和多种速率支持多种业务，能支持从话音到分组数据到多媒体 业务，特别是i n t e m e t ，应能根据需要来提供必要的带宽，其最低无线传输要求 是： l 、快速移动环境：最高速率达l1 4 k b s ； 2 、步行环境：最高速率达3 8 4 k b s ： 3 、室内环境：最高速率达2 m b s 。 ( 2 ) 全球覆盖、全球无缝漫游、全球使用共用频段( 1 8 8 5 - - - - 2 0 2 5 m h z ，2 1 1 0 2 2 0 0 m h z ) 。但不要求各系统在无线传输设备及网络内部技术完全一致，而要求 在网络接口、互通及业务能力方面的统一或协调。 重庆邮电学院硕j ：论文 ( 3 ) 高频谱效率。 ( 4 ) 高服务质量：具有长话的话音质量，比特错误率小于l o - 6 的数据业务。 ( 5 ) 低成本、低功耗、小体积、高保密等良好的商业特性。 1 1 3 我国t d s c d m a 无线标准研究进程 我国移动通信从8 0 年代后期以来，已成为拥有千万用户的世界第三大网， 并以每年3 0 以上的速度发展。但在过去的第一代和第二代移动通信技术和设 备生产方面，落后于其他国家。我国在第二代移动通信领域仅有市场优势，而无 技术优势，造成我国市场几乎被外国产品占领的被动局面，而且国外在我国提走 上百亿美元的技术提成费。在面对第三代移动通信的挑战时，我国就必须要下决 心研究并生产出具有自己知识产权的第三代移动通信系统。 世界移动通信领域的现状为我们发展第三代移动通信提供良好机会。目前国 际上各大公司均致力于第二代系统的完善和推广应用，对于第三代系统只是进行 方案论证和初步试验。i t u 从1 9 9 9 年开始才真正着手进行通信标准的制定，这 就为我国提供了创新机会，以形成自己的知识产权。 我国有关第三代移动通信系统的研究始于1 9 9 7 年。1 9 9 7 年6 月国家8 6 3 在 安徽黄山发起了首次规模较大的有关宽带移动通信系统技术研讨会，来自国内外 的著名厂商均派代表参加了本次会议。1 9 9 7 年7 月中国第三代移动通信评估协 调组( c h e g ) 成立。1 9 9 8 年国家8 6 3 通信技术主题又与邮电部第三代移动通信评 估协调组( c h e g ) 联合在香山召开了规模更为庞大的第三代移动通信研讨会。这 两次会议在较大程度上推动了国内有关第三代移动通信的研究。 1 9 9 8 年6 月邮电部电信技术研究院向国际电信联盟0 t u ) 提交了第三代移动 通信建议标准t d s c d m a ，9 月c h e g 完成了对其它国家有关提案的评估( 重 点针对欧洲w - c d m a 和北美c d m a 2 0 0 0 ) 报告，并提交i t u 。1 9 9 8 年1 1 月，第 三代移动通信系统研究开发重大项目启动，该项目的主要目标是在2 0 0 0 年1 2 月之前，通过自主科研开发拥有批核心专利技术，为在2 0 0 2 年前后实现第三 代移动通信系统的产业化打下基础：建立具有第三代移动通信基本特征的实验系 统；为制定我国的第三代移动通信体制标准提出建议。根据第三代移动通信总体 项目组与科技部知识产权事务中心的协商，中国第三代移动通信系统研究开发项 目知识产权联盟宣告成立，分别承担项目研发任务的深圳华为、中兴通讯、巨龙 6 蕈庆邮电学院硕t 论文 通信设备有限责任公司、大唐电信科技产业集团、上海贝尔、北京邮电通信设备 厂、深圳赛格、东方通信8 家国内通信产业的骨干企业作为该联盟的发起成员， 去年1 1 月中旬签署了联盟章程，清华大学、北京邮电大学、信息工程大学、东 南大学、中国科技大学等参与开发。这个知识产权所要达到的目的是：通过企业 在项目初始阶段少量资金投入，使其获得对整个项目研究、开发和生产全过程的 参与权：企业可以更快捷、更经济地获取技术及其知识产权：企业能够携手保护 知识产权，统一享有知识产权的法律服务；实现知识产权的共享，联合对外，形 成知识产权共同体；同时协助制定中国第三代移动通信的技术标准。据介绍，该 联盟以理事会的形式，向加入企业收缴相同数额的会费，这些企业则能享有该项 目的技术成果和知识产权，这种尝试已受到参与企业的一致肯定。这也是中国通 信产业模式与国际化接轨步骤的首次尝试。 在2 0 0 2 年底，大唐移动就开始在成都和重庆建一个标准的t d s c d m a 实验 网，目前已经基本建好，系统设备和软件还处于调试中，目前测试的结果是已经 可以通话，试验是由大唐电信和西门子的专家联合推进的。成都和重庆是两个典 型的测试环境，重庆是山地城市，成都是平原城市，两地人口稠密且在中国较有 代表性而被选中。目前，大唐同样版本的软件正在两种环境下，紧张地进行测试 和改进。1 1 1 4 中国发展3 g 的有利条件 综上所述，目前发展3 g ，有它的市场动力、技术条件及商业目标，最近i t u 在3 g 标准的制订方面也有了较大的进展，因此3 g 热潮正在高涨，3 g 时代似乎 不远。中国无疑也正在开展3 g 的研究和开发，由于起动的力度及网络建设的启 动时间与国情有关，在中国发展3 g 存在一定有利条件也有不少需正视的问题。 中国发展3 g 的有利条件包括： 大中城市频率资源逐渐短缺，要求3 g 来进行扩容。 有部分用户对高速移动数据业务、多媒体业务有要求。 对第二代g s m 网络已积累了运营和管理经验。 通过引进国外技术、技术合作以及近十年的研究开发，已对移动通信各类关 键技术有所认识、有所掌握甚至有所创新。交换机及移动台生产能力有明显提高。 7 重庆邮电学院硕士论文 政府及企业界非常重视。 1 2t d s c d m a 简介1 t d s c d m a ( 时分同步码分多址) ，是由大唐电信科技产业集团代表中国提 交并于2 0 0 0 年5 月被国际电联、2 0 0 1 年3 月被3 g p p 认可的世界第三代移动通 信( 3 g ) 的三个主要标准之一。这表明我国移动通信制造业已开始从技术跟踪进入 技术创新阶段，为今后我国真正建立起移动通信领域的核心竞争能力奠定基础。 t d 。s c d m a 标准在国际权威组织中经历了异常严格的检验和测试，完全符 合国际上对3 g 的全部技术指标要求。它完全满足技术先进性、标准化、公开化 的要求，能够作为设备制造商研制开发和生产t d s c d m a 系统设备和运营商使 用该设备的技术依据。 由于t d s c d m a 具备明显的优势，国家各大部委对t d s c d m a 给予了极 大的支持。t d s c d m a 先后被列为国家科技部“8 6 3 项目、信息产业部重大科 技攻关项目和移动通信专项项目及国家计委“十五”产业化示范工程项目和北京 市科委科技计划项目，并于2 0 0 2 年1 月3 0 日以8 6 3 课题验收最优等级通过了中 国第三代移动通信系统研究开发项目c 3 g 8 6 3 总体组的验收。 系统向下兼容在中国有广大基础的g s m 网络，同时支持电路交换和分组数 据交换业务。t d s c d m a 相对于第二代移动通信和其他的第三代移动通信建议， 有更好的频谱利用率。未来的系统将工作于i t u 为i m t - 2 0 0 0 划定的频率范围内， 完全满足国际电信联盟对i m t - 2 0 0 0 所提出的各项要求。 1 2 1 引言 2 0 世纪未，移动通信技术和i n t e m e t 技术的发展极大地影响了人们的生活、 学习和工作方式，二者的结合是信息产业发展的必然之路。人们对移动通信的多 媒体接入能力提出了较高的要求，由于制式、技术以及其他各方面的原因，第二 代移动通信系统在支持全球漫游、频谱利用率以及数据业务方面都有较大的不 足，尽管g s m 的p h a s e2 + 支持较高的数据传输速率，但是由于它只是对第二代 移动通信技术的补缀，并且是以牺牲其他用户的利益为代价的，对系统对用户并 不利。因而，i t u 和世界上其他的电信标准实体和研究单位都早已开始了未来移 8 重庆邮f 也学院硕1 ：论文 动通信的研究，以期望未来的移动通信系统有较强的多媒体接入能力、固定电话 的线路质量、更高的频谱利用率，以及真正的全球漫游能力。在满足话音通信的 同时，能满足未来无所不及的移动计算时代的需求。到1 9 9 8 年6 月3 0 日i t u 征求第三代移动通信标准建议的最后截止日，共收到了1 6 份有关第三代移动通 信的标准建议，其中陆地环境的1 0 份，卫星通信的6 份，大部分由主要的工业 国家提出。中国的第三代移动通信系统标准是由北京信威通信公司代表中国电信 技术研究院向i t u 提交的，它是由在广泛试验和理论基础之上的同步码分多址 无线本地环路系统( c d m a w l l ) 演变而来，也是中国在移动通信领域所提出 的第一个完整建议。 中国的第三代移动通信系统采用t d m a 和s c d m a 作为系统接入的框架结 构，同时包含有关同步接入的机理。系统在基站采用智能天线技术以提高系统接 收灵敏度，消除同信道干扰，抵消多径，降低手机的发射功率( 绿色手机的概念) 。 t d d 双工方式的采用可以最大限度地提高接入的效率并简化智能天线的实现， 同时为将来i n t e m e t 的非对称业务提供了动态信道分配的前提，t d d 方式的采用 还适合于频率不成对的部署环境。 作为系统根基的c d m a w l l 的现场运行结果，足以证明基于t d s c d m a 技术的第三代移动通信系统的建议是一套可行的成熟的第三代移动通信系统的 标准。 1 2 2t d s c d m a 的无线传输技术，6 1 t d s c d m a 标准建议所采用的空中接口技术是最为先进的传输技术之一， t d d 类的标准建议容易融合进各种各样的先进技术，如智能天线技术、同步 c d m a 技术以及软件无线电技术，同时这可避免f d d c d m a 技术领域诸多专利 的纠纷。 ( 1 ) r f 信道 t d s c d m a 系统将工作于i t u 划定的频段内，载波带宽为1 6 m h z ，扩频 后的码片速率为1 2 8 m c h i p s ，频率合成器的步长为2 0 0 k h z 。 ( 2 ) 系统的码道 每一个射频码道包括7 个正常时隙、保护时隙、上行时隙和下行时隙，每一 9 重庆邮电学院硕卜论文 j 下常时隙平均长度为6 7 5u s ，每一个时隙又包含1 6 个w a l s h 区分的码道，这些 时隙和码道通过使用直接扩谱技术来共享同一射频信道。图1 1 为系统码道的示 意图。图中横向代表每一帧的时隙数，共有1 0 个；纵向代表码道数，共有1 6 个。 图1 1 中由每一时隙和码道确定的物理信道可以作为资源单元，分配给任何 一个用户。g p 代表上、下行业务的保护时隙，它可以保证手机和基站之间一定 距离的通信范围。在每一时隙单元之间，还有8 码片的保护时隙，以防止不同时 隙之间的重叠。u p p t s 代表着上行导标序列，用于手机和基站间的接入，它是 一个长度为1 6 0 码片的二进制序列码，用于上行接入码道的区别。d w p t s 代表 下行接入序列，它是长度为9 6 码片的o o l d 序列码，用于对基站小区的识别，这 一序列码可以采用复用的方式用于不同的基站，目的是用于正向接入信道。上述 的码道经过动态分配，可以支持多至2 m b i t s 的数据业务，但此时至少要有一个 码道用于上行的接入。图1 1 为数据业务的对称传输形式，即上下行业务各占用 一半的资源单元。对于非对称的业务，特别是i n t e m e t 业务可以使下行的资源单 元多于上行的资源单元。图1 2 为一个基本的数据结构单元图。 图1 2 的数据结构，可以复用于下行或上行的码道中，d c 代表着数据、 语音和控制信令。当d c 全部为控制信令时，此时整个数据结构主要用于上、 下行的接入。l 1 是第一物理层的各种信令，它携带着功率控制、同步偏离、忙 闲指示等信令。m i d a m b l e 主要用于联合检测，以消除同码道的干扰。g p 的长度 为8 码片，主要是为避免时隙与时隙之间的重叠。 l o 重庆邮电学院硕f ：论文 d w p t ( 9 6 c h i 5 m s ( 6 4 0 0 c h i p )- 踟i t c h i n i n t 们托鸭佃t t s o l孤1 +t s 2 伞t s 3 十蹦lt s 5i i lli ， t s 6 0 t ；g pu p p t s 码道0 ) s ) ( 9 6 c h i p s ) ( 1 6 0 c h i p s ) 码道1 - 码道1 4 码道1 5 图1 1 射频码道结构图 d v c m id a m b l e 3 5 d i r h ；n p s | 1 6 鼎p ， 3 5 2 c h i p s 1 4 4 c h i p s 6 7 5 u s 图1 2 基本的数据结构单元 ( 3 ) 同步码分多址技术( s c d m a ) 中国第三代移动通信系统最为重要的特点是同步码分多址技术，它意味着代 表所有用户的伪随机码在到达基站时是同步的，由于伪随机码之间是同步j 下交 性，因而这一系统可以有效地消除码间干扰，在系统容量方面将带来极大的好处， 它的系统容量是其他第三代移动通信标准的4 - - 5 倍。 同步的建立过程是：首先u e ( 终端) 通过基站发送的s y n c 码( 下行同步码) 与基站建立下行同步，然后u e 通过发送s y n c l 码( 上行同步码) 尝试与基站建 立上行同步，如果在规定时间、规定的s y n c u l ( 上行同步码) 最大发送次数之 内，u e 接收到f p a c h ( 前向物理接入信道) 信息，表明u e 与基站建立了上行同 步。 ( 4 ) 智能天线技术 在中国的第三代移动通信系统建议中将采用智能天线技术，它由个环形的 重庆邮电学院硕i ：论文 天线阵列和相应的发送接收单元组成，由相应的算法来控制。不同于传统的全向 天线只产生一个波束，智能天线系统可以给出多个波束赋形，每一个波瓣对应于 一个手机用户，波束也可以动态地追踪用户。在接收方面，它可以实现空间选择 接收，不但能增加接收灵敏度，而且还能将来自不同位置的手机的共码道干扰降 至最小以增加容量。智能天线的波束赋形是双向的，它在消除干扰的同时增大了 c d m a 系统的容量，并且也降低了基站的发射功率要求，即便是有某个天线单 元损坏，也不影响系统的工作。 作为提高移动通信系统容量的重要手段，智能天线主要在基站使用，未来移 动通信系统的工作频率更高，在半波长阵元间隔的条件下，天线尺寸可做得很小， 使得移动用户端有可能也采用智能天线。 ( 5 ) 切换技术 中国的第三代移动通信系统提出了接力切换的概念，它不同于硬切换和软切 换，是一种崭新的切换技术，主要原理是基于同步码分多址技术和智能天线的结 合。在移动系统中，对于移动用户的准确定位一直是人们追求的目标。 t d s c d m a 系统可以利用天线阵列和同步码分多址技术中码片周期的精巧测 定，得出用户的大体位置，在手机的辅助之下，服务基站根据周围的空中传播条 件和信号质量，命令手机切换到信号更为优良的基站。它可以对整个基站网络的 容量进行动态地优化分配，也可以实现不同系统之间的切换。 ( 6 ) 软件无线电技术 d s p ( 数字信号处理技术) 技术的发展为软件无线电技术的实现提供了可能 性。在本系统中，许多由r f 、基带模拟电路和a s i c 实现的传统无线传输功能 将由d s p 技术来完成。这些功能包括智能r f 波束赋形、板内r f 校正、载波恢 复以及定时调整。采用软件无线电技术的主要优势在于：通过软件的方式灵活地 完成硬件的功能；在重复性和精确性方面有独特的优势；不会老化也不对环境过 分敏感：以简单的硬件成本实现复杂的硬件功能：随着d s p 技术的不断发展， 成本进一步下降而性能则不断增强。 1 2 3t d s c d m a 系统的性能和特征 基于t d s c d m a 的中国第三代移动通信系统完全可以满足i t u 对第三代移 动通信系统的各项要求。它所具有的主要性能为：相对于第二代移动通信系统在 1 2 重庆邮电学院硕上论文 容量和频谱利用率方面的改进：多媒体业务的提供，除了传统的语音业务之外， 还提供基于分组的数据业务：在操作的灵活性方面，它完全向下兼容在中国占主 导地位的第二代移动通信网( g s m 网) 。 ( 1 ) 频谱利用率 频谱利用率是i t u 对第三代移动通信提出的一个主要要求。在我们常见的 第二代移动通信系统中，i s 一9 5 的c d m a 技术提供了最高的频谱利用率。对于 c d m a 这种白干扰系统来说，假若能解决伪随机码之间的码间干扰和远近问题， 那么系统将具有巨大的容量。t d s c d m a 技术通过扩频码之间的j 下交性并结合 智能天线技术，提供的容量将是i s - - 9 5 c d m a 系统的4 - - 5 倍，这已经由s c d m a 技术的无线本地环路的现场运行得以证实。 t d s c d m a 系统容量是g s m 的2 0 倍，是其他第三代标准的4 倍。另外， 由于采用了码分多址技术，系统的部署不需要频率规划。再者，t d - - s c d m a 系统是工作于t d d 方式的，它不需要像其他基于f d d 的第三代移动通信系统那 样需要成对的频率源，因而在频率的利用方面更具有灵活性。 ( 2 ) 多媒体业务的提供 基于t d s c d m a 的第三代移动通信系统，将提供从基本的语音通信业务到 数字业务和分组视频方面的业务。虽然所有的用户共享同一频率资源，但是由于 结合了智能天线，可以根据业务的质量级别和要求动态地分配功率给用户，并且 能保证干扰不超出上限，因而在提供业务的种类和质量方面具有无可比拟的优越 性。 在t d s c d m a 系统中，通信资源是由w a l s h 码道和时隙确定的资源单元为 单位来分配给用户的，可以是每个用户一个资源单元，也可以是一个用户占用多 个资源单元。系统的总码道数为：w a l s h 扩谱系数每帧的时隙数= 1 6 7 = 1 1 2 ， 这1 1 2 个资源单元也可以被定义为码道。对同一用户不同业务码道的组合，就形 成了多媒体业务，一个用户在获得语音通信业务的同时，也可以进行数据方面的 通信，像w w w 和e m a i l 。对于2 m b i t s 的业务，超过9 0 的码道将分配给一 个用户，同时亦可保证部分语音通信业务的同时开展。 t d s c d m a 可提供的业务种类如下： 室内环境下，多至2 m b i t s 的数据业务。 重庆邮电学院硕十论文 步行或低速移动环境下，多至3 8 4 k b i t s 的数据业务。 高速移动环境下，多至1 4 4 k b i t s 的数据业务。 t d s c d m a 的第三代移动通信系统中的同一连接可同时传送语音、数据、 视频等多种业务。它们可以是基于分组的数据业务，方便i n t e r n e t 接入，其无处 不在的全球网络连接能力可以支持未来的移动计算，适应普遍计算时代的需求。 ( 3 ) 互操作性 作为第三代移动通信系统，它必须考虑到成千上万的g s m 的用户，特别是 在g s m 堪称是世界第一大网的中国，兼容性更是一个突出的问题。第三代移动 通信系统必须兼容第二代移动通信系统，在兼容的基础上逐步实现由第二代到第 三代的过渡。 1 2 4t i ) s c d m a 的主要技术特点 t d s c d m a 是中国提出的第三代移动通信技术标准，其产品已进入性能样 机丌发后期，计划于2 0 0 1 年一季度术、二季度初进行现场试验，2 0 0 2 年底至2 0 0 3 年初提供正式商用设备。 t d s c d m a 具有以下主要技术特点：( i ) 采用智能天线技术；( 2 ) 采用上 行同步方式；( 3 ) 采用接力切换方式；( 4 ) 采用低码片速率。 t d s c d m a 是目前世界上唯一采用智能天线的第三代移动通信系统。由于 采用t d d 模式，上下行链路使用同一频率，同一时刻上下行链路的空间物理特 性完全相同，所以只要根据上行数据在基站端进行空间参数的估值，再根据估值 下行链路的数据进行数字赋形，就可达到自适应波束赋形的目的，充分发挥智能 天线的作用。在c d m a 系统中，多个用户的信号的时域和频域上是混叠的，接 收时需要将各个用户的信号分离。理想情况下，利用扩频码的正交特性可保证无 偏差地解调用户数据。而在实际系统中，由于同步不准确及空间信道的多径特性 等造成的影响，导致各用户信号之间无法维持理想的f 交特性。这时对某一特定 用户而言，所有工作在同频段的其他用户信号都是干扰信号，随着用户数增加， 干扰逐渐增大，当系统用户数增加到一定数量时，干扰会使系统无法将有用信号 提取出来，因此，c d m a 系统是干扰受限系统，提高系统容量非常重要。 由于采用智能天线和上行同步技术，只有来自主瓣方向和较大副瓣方向的多 径干扰才会影响有用信号，极大地降低了多址干扰，有效提高了系统容量，从而 1 4 重庆邮电学院硕i ：论文 提高了频谱利用率。采用智能天线，可有效提高天线增益。智能天线采用多个小 功率的线性功率放大器代替单一的大功率线性放大器，其价格远低于单一大功率 线性放大器，因此采用智能天线可大大降低基站的成本。在智能天线系统中，有 8 台收发信机共同工作，任何一台收发信机损坏都不会影响系统的基本工作特 性，提高了设备的冗余度。采用智能天线，可大致定位用户的方位和距离，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