（通信与信息系统专业论文）移动通信系统抗干扰技术中的功率控制研究.pdf

y 5 6 6 3 8 3 北 京 交 通 人学 b 士 毕 业 论 文 摘 要 摘要 近年采移动通信技术在我国以前所未有的速度飞速发展，自 1 9 9 4年 1 ?月底中国在广东开通首个 g s m 数字移动电话网以来，移动通信在中 国实现了超常规、成倍数、跳跃式的发展? 0 0 1 年 s月，我国的移动用户 数超过了 1 . ?亿跃居世界首位，移动通信用户数始终保持高速增长势头. 其增长速度名列世 界第一位两大移动通信运营企业一一中国移动、中国 联通更是始终坚持专注于发展移动通信事业.服务于社会和人民生活，其 迅猛增长的客户规模、日益壮天的网络容量已为世界瞩目。 随着用白数量的迅猛增长 移动网内每个小区的用户数量也大大增加， 常常有无法接通、掉话、延迟和语音中断等问题出现，这都是由于系统内 的干扰与系统容量没有得到很好的 解决的关系。 因此本文根据这一现状，开始了对无线通信系统抗千扰相关技术的研 究，主要讨论了在现代移动通信系统中的功率控制技术。本文首先通过对 无线通信的发展与简介了 解了无线通信的概要知识、 相关技术以及频率范 围，然后通过对蜂窝小区概念的提出以及蜂窝小区的意义和相关干扰做了 一定的讨论，最后分别对国内第二代无线通信 g s m和 c d ma系统中的关 键技术做了介绍，对前人已经获得的相关成果做了分析和讨论，并且通过 总结对 c d ma 功率控制计算方法的研究成果找到一种计算前向和反向功 率的方法，并且在采用抗干扰技术前后分别对系统容量做了计算与比较， 得到相应的最佳功率控制函数，证明功率控制技术在抗干扰方面的实用性 与在工程中应用的实际意义。 关键词:移动通信g s m c d ma 蜂窝小区功率控制 北 京交 通 大学 硕 士毕 业 论 文摘 要 abs t r a c t r e c e n t l y , t h e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n i s d e v e l o p i n g i n v e r y h i g h s p e e d . f o r m t h e e n d o f 1 9 9 4 , i n w h i c h y e a r t h e f i r s t g s m d i g i t a l mo b i l e n e t h a v e b e e n r u n n i n g i n g u a n g d o n g o f c h i n a . g s m h a v e r e a l i z e d o v e r n o r m a l . f a s t s p e e d a n d j u m p i n g d e v e l o p me n t . t h e n u m b e r o f mo b i l e u s e r o f c h i n a i s o v e r o n e h u n d r e d a n d t w e n t y b i l l i o n . w h i c h i s t h e n o . 1 o f t h e w o r l d , a n d i t s k e e p o n i n c r e a s e w i t h v e r y f a s t s p e e d . w h i c h i s t h e n o . 1 o f t h e w o r l d . t i e . t t te mu c o m p a n i e s o f m o b i l e . c h i n a m o b i l e c o m p a n y a n d c h i n a u n i c o m. k e e p u p o n t h e w o r k i n g o f d e v e l o p i n g c h i n a m o b i l e , s e r v e f o r t h e s o c i a l a n d p e o p l e s l i f e . i t h a v e b e e n v i e w e d b y t h e w o r l d t h a t t h e t w o c o m p a n i e s f a s t d e v e l o p m e n t wi t h t h e n u m b e r o f t h e u s e r i n c r e a s e . t h e n u m b e r o f e v e r y c e l l o f t h e mo b i l e n e t i n c r e a s e , t o o . t h e r e a r e m u c h m o r e p r o b l e m i n t h i s n e t n o w , w h i c h i s b e c a u s e o f t h a t i n t e r f e r e n c e a n d c a p a c i t y o f t h e n e t h a v e n o t b e e n s o l v e d w e l l . b a s e d o n t h e s it u a t i o n o f mo b i l e n e t , t h is p a p e r e x p l o r e s t h e i n t e r f e r e n c e s a n d t h e a n t i- j a m m in g i n t h e m o b i le s y s t e m . it h a s b e e n d o n e m a n y w o r k in t h e t e c h n o l o g y o f p o w e r c o n t r o l o f t h e mo b i l e c o mm u n ic a t io n s y s t e m. f ir s t in t r o d u c e t h e d e v e lo p m e n t o f t h e m o b i le , t h e g e n e r a l k n o w l e d g e a n d f r e q u e n c y o f i t, t h e n m a k e u p t h e i n t r o d u c t i o n o f t h e c e ll a n d t h e i n t e r f e r e n c e s i n t h e c e l l a n d t h e k e y t e c h n o l o g y o f t h e g s m a n d c d ma s y s t e m . a t l a s t a n a ly z e t h e i n t e r f e r e n c e i n t h e s y s t e m o f g s m a n d c d ma a n d d o m u c h c a lc u l a t i o n t o g e t o n e f u n c t i o n t o ma k e t h e c e ll g e t m o r e l a r g e c a p a c i ty , w h i c h p r o v e t h e t e c h n o l o g y o f p o w e r c o n t r o l is v e r y u s e f u l a n d e ff e c t iv e i n t h e a n t i 一 a mm i n g t e c h n o lo g y o f t h e mo b i l e s y s t e m r e a l ly . k e y wo r d : mo b i l e c o mmu n i c a t i o n , g s m, c d ma , c e l l , p o w e r c o n t rol 北 京交 通 人学 硕 十 毕 业 论 文 第一章 绪论 ， . ， 研究的背景 在当代通信技术中，移动通信的迅速发展使手机通信成为一种大众的 通信方式，根据信息产业部公布的最新统计结果，截止到3 0 0 3 年9月底， 我国移动电话用户数己经接近 2 5亿户，成为名副其实的移动电话用户最 多的国家。在移动通信系统中，干扰与系统容量的关系非常密切，正因为 移动通信业的迅速发展，手机用户数量的大量增加，使得系统容量、手机 干扰与抗干扰等问题开始受到更多人的关注目前我国移动通信两大运营 商主要采用的是第二代的g s m和窄带c d m a制式， 因此对g s m和c d ma 手机的功率控制和抗干扰技术的研究是非常实时和必要的 1 . 2 本文的研究内容 本文首先介绍了移动通信的基本概念和发展历史，然后讨论了现代移 动通信系统蜂窝小区中的干扰问题， 接着从干扰入手， 分别研究 g s m 系统 与窄带 c d ma系统中所存在的干扰问题和采用的技术，其中对 g s m 手机 功率进行了测试， 然后通过测试结果总结 g s m 系统中的抗干扰技术及其实 际应用，另外由于 c d ma 制式中的功率控制技术与干扰密切相关，而巨 c d ma 系统容量是干扰受限的，因此对 c d ma系统功率控制技术在目前 取得的成果进行了分析讨论，然后分别针对 c d ma系统单小区，7 小区和 1 9小区的系统模型做了功率控制函数的研究以及系统容量的计算。最后对 本文的 研究内容做出总结， 并且对无线通信的抗干扰技术的发展提出展望。 北京交通大学硕士毕业论文 第二章 移动无线通信系统概述 2 . 1 移动无线通信发展 从 1 8 9 7年马可尼( ma r c o n i ) 第一次展示了 无线电 使在英格兰海峡里行 驶的船只保持连续不断的通信能力以来，运动中的通信能力己经得到举世 瞩目的发展。自那以后，全世界的人们都在热切的盼望使用新的无线通信 方法和途径。特别是在过去的十多年里，无线移动通信在数字和射频电路 制造技术方面的进步，在新的大规模集成电路和其他使便携移动设备做得 更小、更便宜、更可靠的小型化技术的推动下获得了巨大的发展。数字交 换技术又 推动了移动通信网 络的大规模发展。 这一趋势在近年来正以 更快 的步伐发展。 以前，移动通信的发展是缓慢的，其速度和技术的进步紧密相关。向 所有人提供无线通信能力的方案一直没有被人们构想出来，直到六、七十 年代贝尔实验室提出了蜂窝的概念。随着七十年代高度可靠的、小型化的、 晶体射频电路的发展，无线通信的时代刁 到来。近年来，全球蜂窝和个人 通信系统接近指数曲 线的发展， 直 接归功于7 0 年代的新技术， 现在只不过 是发展更为成熟而 己。将来的消费者使用的移动和便携通信系统的发展， 将会与消费者的需求、数字处理、接入和网络方面的技术密切相关，同时 受到无线频谱分配政策的影响。 移动通信所赖以 生存的无线电 频率是一种宝贵的 资源， 而频谱资源是 有限的，随着移动通信的飞速发展， 移动用户急剧增加，有限的资源被“ 无 限” 地利用， 矛盾越来越尖锐， 解决这一对矛盾就是移动通信技术的发展史; 也就是说移动通 信技术的发展过程就是不断采用频谱利用率更高、 业务能 力更强的技术的过程。 北京交通大学硕十毕业论文 2 . 1 . 1 第一代模拟移动电话 通过使用电话交换技术和蜂窝无线电技术，7 0 年代末诞生了第一代模 拟移动电话。第一代无线网络技术的一大成就就是去掉了将电话连接到网 络的用户线，用户第一次能够在移动状态下无线接收和拨打电话。这时有 三种主要的窄带模拟标准，它们是北美蜂窝系统 a mp s 、北欧移动电话系 统n m丁和全接入通信系统t a c s o 2 . 1 .2 第二代移动通信系统 引入数字无线电技术组成的数字蜂窝移动通信系统，提供更高的网络 容量，改善了话音质量和保密性，并为用户提供无缝的国际漫游。当今世 界市场的第二代数字无线标准，包括 g s m, d - a mp s p d c ( 日本数字蜂 窝系统) 和i s - 9 5 c d ma 等， 均仍然是窄带系 统。 现有的移动通信网络主要 以第二代的 g s m 和 c d ma为主，采用g s m g p r s , c d ma的i s - 9 5 b技 术，数据提供能力可达 i i 5 . 2 k b i t 1 s ，全球移动通信系统 ( g s m) 采用增强 型数据速率 ( e d g e )技术，速率可达 3 8 4 k b i t / s a 2 . 1 . 3 第三代移动通信系统 即i m t 2 0 0 0 ， 是一种真正的 宽带移动多 媒体通信系统， 它能提供高质 量宽带多媒体综合业务，并实现全球无缝覆盖，实现全球漫游。第=代技 术数据传输速率可高达 2 mb i t l s ，其容量是第二代技术的 2 - 5倍，因此向 第三代技术演进是移动通信的必然趋势，是用户期待的理想通信方式。所 以说 2 0世纪是电话通信的世纪，而 2 1 世纪则是智能多媒体通信的世纪。 现在的移动通信不再是只能提供给少数人和专门部门的服务了，随着 移动通信在近年来的迅速发展，普通用户成为移动通信的主要服务对象。 在世界移动通信迅速发展的大潮中，中国的移动通信以前所未有的步伐向 前 迈进，8 0 年代，如果手里能拿着一个移动电 话， 那是常人做梦也不敢想 的。9 0 年代初，大哥大成了贵族的象征。而今手机飞入寻常百姓家，移动 北京交通大学硕士毕业论文 通信已经成为人们生活中不可缺少的部分。根据信息产业部公布的最新统 计结果，截止到 9月底，我国移动电话用户数己经接近 2 . 5亿户，成为名 副其实的移动电话用户最多的国家。 目前全世界正在由第二代无线通信向第三代发展过渡，虽然第三代技 术还不完全成熟，但其发展的趋势却是不可改变的。 2 . 2 北美和欧洲部分移动无线系统 许多无线系统使用的移动无线标准己经在全世界范围内发展起来，更 多的标准还将会出现。下面的列表中列出了北美和欧洲最常用的移动无线 标准。 标 准类型年份 多址 接入 频段调制 信道 带宽 amps蜂窝1 9 8 3 f dma 8 2 4 -8 9 4 mhz fm3 0 k hz us dc 蜂窝 1 9 9 1tdm a8 2 4 -8 9 4 mhz 皿 / 4 - d q p s k 3 0 k hz i s - 9 5p cs1 9 9 3cdma 8 2 4 -8 9 4 mhz 1 .8 - - 2 . o ghz q p s k 旧p s k 1 . 2 5 m h 7, mi rssmr/ pcs1 9 9 4tdma若干 1 6 - qam 2 5 k hz 表 2 . 2 . 1北美主要移动无线标准 标准类型年份 多址 接入 频段调制 信号 带宽 e- t ags 蜂窝 1 9 8 5fdma9 0 0 mhzfm2 5 k hz gsm 蜂窝 / pcs 1 9 9 0tdma8 9 0 -9 6 0mhzgm s k2 0 0 khz 北京交通大学硕士毕业论文 表 2 .2 .2欧洲主要移动无线标准 2 .3 移动无线系 统分类 大多数人对日 常生活中 使用的 无线通信系统很熟悉。 车库门开启器， 家庭娱乐设备遥控器，无绳电话，手持对讲机，寻呼机和蜂窝电话都是无 线 通信系统的 例子。然而，各种移动系统成本、 复杂度、 性能 和提供的服 务类型大不相同。 “ 移动”这个术语曾被用来区分任何在使用中可以移动的无线终端。 近来， “ 移动” 这个术语被用来描述在高速移动平台上使用的无线终端 ( 例 如，快速运动的汽车上的蜂窝移动电话) ，而术语 “ 便携”用来描述可以手 持在行进中使用的得无线终端 ( 例如， 对讲机或室内的无绳电话) 。 术语“ 定 购者”用来描述移动或便 携用户，因为在大多数移动通信系统中，每个用 户都要为使用该系统而付定购费， 并且每个用户的通信设备叫做定购单元。 一般说来，无线系统中的用户群叫做用户或移动用户，其中的许多用户使 用便携终 端。 移动终端和固定的基站 通信， 基站被连到固定的骨干网络上。 移动无线传输系 统可以 被划分 成单工、 半双工、全 双工。 在单工系统 中， 只有一个方向的 通信是 可能的。在信息只能被接受，不被 确认的 ( 如 寻呼)系统中， 都是单工系统。半 双工系统允许双向 通信， 但发送和接收 都使用相同的无线信道。 这意味着在任何一个确定的时间，用户只能发送 或接收信息。象 “ 压下通话” 和 “ 放开收听”等限制是半双工的显著特征。 而全双工系统允许用户和基站之间同时发送和接受。它是通过提供两条同 样的但相互独立的 信道 频分双工， f d d ) ， 或一条无线信 道上 相邻的时隙 ( 时分双工， t d d ) 进行发送和接受。 频分双工( f d d ) 为用户和基站同时提供了 无线发送信道， 以便双方在接 收对方信号的同时可以不间断发送。在基站使用独立的发送和接收天线来 北京交通大学硕士毕业论文 容纳两个独立的信道。但是，在用户单元只有一根天线用来和基站之间进 行发送和接收，用户单元内部使用一个叫做双工器的设备来使一根天线能 同时进行发送和接收。在 f d d中，有必要将 5 %的射频频带用于隔离发送 和接收，以便使双工器不是很昂贵，同时提供足够的频带隔离。 在 f d d中， 一对有着固定频率间隔的单向信道用作系统中的特定无线 信道。用来从基站向用户传送信息的信道称为前向信道，而用来从用户向 基站传送信息的信道称为反向信道。在美国的a mp s 标准中，反向信道比 前向信道的频率低 4 5 mh z 。 全双工移动无线系统不但提供了许多标准电话 的功能，而且具有移动性。全双工和半双工系统使用收发信机进行无线通 信。 模拟无线系 统只 采用f d d a 时分 双工( t d d ) 方式， 在时间 上分享一条 信道， 将其一部分时间用于从 基站向用户发送信息，而其余的时间用于从用户向基站发送信息。如果信 道内的数据传输速率远大于终端用户的数据速率，就可以存储用户数据， 即使在同一时刻不存在两条同步无线传输信道， 仍能给用户提供双工操作。 t d d只在数字传输和数字调制是刁 可以使用，并对时间选择很敏感。正是 由于这个原因，t d d最近才使用，而且只用在室内或小范围的无线应用场 合。在这些场合下覆盖的距离比传统蜂窝系统覆盖的距离要小得多，相应 的无线传输时延也小得多。 2 . 3 . 1 寻呼系统 寻呼系统是给用户发送简短消息的通信系统。根据不同的服务种类 ， 消息可以是数字、 字母或声音。 寻呼系统一般来 自 通知用户回应某个电话， 或是到一个已知的地方去获得更进一步的消息。在现代寻呼系统中，也可 以发送标题新闻，股票行情和传真。通过电话或调制解调器拨寻呼台号码 ( 一般都是免费的电 话号码) 将消息发 送到寻呼用户。 给出的消息叫做寻呼信 北京交通少 、 学硕士毕业论文 息。寻呼系统通过基站将携带寻呼信道的载波以广播的方式发送到整个服 务覆盖范围内。 寻呼系统在它们的复杂性和覆盖范围区域上有很大不同。简单的寻呼 系统只能覆盖 2至 5公里的范围，或局限于某一建筑内，而大范围寻呼系 统能覆盖全球。虽然寻呼机简单又便宜，但所需的发射系统很复杂。大范 围寻呼系统的组成有:电话线网络、许多基站发射站和能伺时将消息发射 到每个基站的高无线发射塔 ( 这也叫做广播) 。 广播发射站可以建在同一个 服务区域，或是在不同的城市，甚至不同的国家。寻呼系统可以设计成能 向用户提供可靠的通信，而不管用户在什么地方:在建筑物内，行驶的公 路上，还是在飞机上。这样，每个基站为了能有最大的覆盖范围，就需要 采用大的发射功率 ( 以千瓦计)和低的数据谏率。 2 .3 . 2 无绳电话系统 无绳电话系统是使用无线电来连接便携手持机和专用基站的全双工系 统，而专用基站通过电话线连到公用电话交换网上去。在第一代无绳电话 系统 ( 于 8 0 年代制造)中， 便携部分只能和专用基站部分通信，并且只能 达到几十米远。早期的无绳电话只能作为连在公用电话交换网用户线上的 电话分机，并且主要是在室内使用。 第二代无绳电 话近年刁 引入。允许用户在诸如市中 心的许多室外场所 使用，现代无绳电话有时可以和寻呼结合使用，以便用户收到寻呼时用无 绳电话来回电话。无绳电话系统向用户提供了有限的范围和移动性，并不 能使用户在基站覆盖范围外移动时保持呼叫。典型的第二代无绳电话基站 能覆盖远达几百米的范围。 北京交通大学硕士毕业论文 2 . 3 . 3 蜂窝移动电话系统 蜂窝电话系统为在无线覆盖范围内的任何地点的用户提供公用电话交 换网的无线接入。蜂窝系统能在有限的 频带范围内在很大地理范围内容纳 大量用户。它提供了和有线电话系统相当的高通话质量。高容量的获得主 要是因为将每个基站发射站的覆盖范围限制到称为小区的小块地理区域， 这样，相同的无线信道可以在相距不远的另一个基站里使用。一种称作切 换的复杂的交换技术，确保了当用户从一个小区移动到另一个小区时通话 的不中断 。 图2 . 3 . 1 说明了 包括移动台、 基站和移动交换中 心 m s c ) 的基本蜂窝系 统。移动交换中心负责在蜂窝系 统中将 所有的移动用户连接到公用电 话交 换网上，有时被称作移动电话交换局 ( mt s o ) 。每个移动用户通过无线电 和某一个基站通信，在通话过程中，可能被切换到其他任何一个基站去。 移动站包括收发器、天线和控制电路，可以安装在机动车辆上或作为便携 手机使用。基站包括有几个同时处理全双工通信的发送器、接收器和支撑 几个发送和接收天线的塔。 基站 担当的就像桥的功能， 将小区中的所有用 户的通话通过电话线或微波线路连接到ms c . msc协调所有基站的操作， 并将整个蜂窝系统连接到p s t n上去。典型的msc可容纳 1 0 万个用户， 并能同时处理 5 0 0 0 个通话， 同样还提供计费和系统维护功能。 在大城市里， 几个msc可以 使用同 一载波。 北京交通大学硕十毕业论文 户 ，、 ,% 1 s (三三三p s t! 图2 . 3 . 1 蜂窝系统图例。 基站和移动用户之间的 通信接口 被定义为标准公共空中接口 ( c a i ) ， 它 指定了四个不同的通道。用来从基站向用户传送语音的称为前向语音信道 ( f v c ) ， 用来从用户向 基站传送语音的 称为 反向 语音信道( r v c ) 。两个负 责发起移动呼叫的 信道称为前向 控制信道( f c c ) 和反向 控制信道( r c c ) 。 控 制信道通常称为建立信道，因为它们只在建立呼叫和将呼叫移到没被占用 的信道里去时使用。 控制信道发送和接收进行呼叫和请求服务的数据信息， 并由未进行通话的移动台监听。前向控制信道还作为信道标志，来建立系 统中的用户广播通话请求。 当 蜂 窝电 话 打开 但 还 没 有 进 行 通 话 时， 它 首 先 检查 前向 控制 信道 组 来 确定信号最强的一个。 接着监视该控制信道直至信号降到不可使用的水平。 在此基础上，它在监测该控制信道以确定哪个基站信号最强。在每一个蜂 窝系统中.控制信道在整个地理区域内被确定和标准化了，一般占用系统 中所有信道的 5 % ( 其他 9 5 %用来为终端用户进行语音和数据传输) 。由于 控制信道已经标准化了，在一个国家或大洲内不同地区是相同的，每个电 北京交通大学硕士毕业论文 话在空闲时 检测相同的信道。当 有电 话呼叫 某用户 时， m s c向蜂窝系统里 的所有基站发 送请求。 移动识别数( m i n ) ， 即用户的电 话号码， 作为 寻呼内 容广播到蜂窝系统内的所有前向控制信道内。移动终端接收到它监视的基 站发送的寻呼信息，并通过反向信道向基站响应。基站传递移动终端发送 的确认信息并提示 ms c进行切换。这样，ms c指示基站将该呼叫移动到 该小区内没有使用的信道上去 ( 一般说来，每个小区内有一个控制信道和 1 0 至6 0 个 语言通 道) ，基站 通知移 动终端将频率改到一个没被使用的前向 和反向语音信道上去，在此基础上，另一个数据信息 ( 称为警告)通过前 向语音信道发送到移动手机通知它振铃，以提示用户接电话。所有这些事 件是在用户没有感觉的情况下于几秒内完成的。 一旦通话开始了， 为了保证用户在移进及移出基站时的通话质量， ms c 调整移动终端的发送功率和移动终端与基站间的信道，这叫做切换。语音 信道使用了 特殊的 控制信号来使基站 和ms c在 通话过 程中 控制移动终端。 当移动终端主呼时，在反向控制信道中发送通话初始请求。 通过这个请求， 移动终端将电话号码、电子序列号 ( e s n)和被叫方电话号码发送出去， 移动终端还发送基站分 类标识 ( s c m ) ， 表明该 用户最大发 送功率水平。 小 区基站接收到这些信息并将其发送给 ms c . ms c 在校验该请求后，通过 p s t n连接到被叫方， 同时 通知基站和主叫 用户 将信道移 到没被 使用的前向 和反向语音信道上去，以便开始通话。 所有蜂窝系统都提供了漫游服务，这允许用户可以在不是归属位置的 服务区域里能使用移动服务。当用户进入了不是它的归属服务区域的城市 或 地区， 他在这个新的服务区域中 注册为漫游者。 这些是 通过f c c完成的， 因为每个漫游者一直都预占一个 f c c信道。每隔几分钟，ms c在系统中 每个 f c c信道中发送一个全局 命令，要求所有先前没 有注册的用户通过 r c c报告他们的 mi n和 e s n。系统中新的为注册的用户手机在收到注册 北京交通大学硕士毕业论文 要求后定期的报告用户信息，同时 ms c用 mi n / e s n数据向归属位置等级 请求进入计费状态。 如果一个特定的漫游者已经通过了漫游计费的权限 鉴 权) ，ms c 就将该用户登记为合法的漫游者。一旦被登记了，漫游移动用 户在该区域收发电话，计费 自 动传送到服务归属位置提供商那里。 2 . 3 . 4常用的 几种移 动 电话系统 的比较 表2 .3 . 1 和表2 . 3 . 2 解释了 本章前面讨论到的五种移动和便携无线系统 的各自用户部分和基站部分的不同服务种类、基础构造层次、成本和复杂 程度。为了比较，一般家用无线遥控设备也在表中列出。必须指出，表中 列出的五种无线移动系统都使用固定的基站。实际上，所有移动无线通信 系统尽量将移动终端连接到某种固定的分布系统中去。例如，车库门开启 器的接收器将接收的信号转换成简单的二进制信号发送到车库电动机开关 控制中心无绳电话使用固定基站连到电话公司的电话线上，而把无线基 站和便携手机间的无线连接设计成和传统电话有线链路具有一样的功能。 业务覆盖 范围 所需基 础设施 复杂性硬件 费用 载频功能 遥控 设备 低低低低红外发射器 车库门 开启器 低低低 低 1 0 0 m hz 发射器 寻呼 系统 高高低 低 1 ghz 接收器 无绳低低中等低1 0 o mhz发射器 北京交通大学硕十毕业论文 电话 蜂窝 电话 高高高中等1 ghz 发射器 表 1 .3 . 1移动通信系统移动台的比较 表1 . 3 . 2移动通信系统基站的比 较 必须注意，各种服务的目 标因服务种类的不同而相差很大，基础设施 的成本取决于所需的覆盖范围。例如在低功耗手持蜂窝电话的例子中，需 要很多的基站来保证城市中任何一个手机都在某个基站的较小的覆盖范围 内。如果基站不是距离很近的话，手机就必须提供高的发送功率，这必将 缩短电池寿命，降 低手机的 使用性能。 由于广泛使用的铜芯电缆、视距微波链路、光纤等固定通信介质的存 北京交通大学硕士毕业论文 在，很可能未来的地面移动通信系统，将继续依靠连到某种固定分布系统 上的固定基站。然而，正在兴起的卫星网络需要轨道上的基站。 2 .4 蜂窝无线电 和个人通信的发展趋势 自1 9 8 9 年以来， 全世界纷纷发展个人通信系统， 并采用了当今的 p s t n 网 络技术、 现代数字信号处理技术和射频技术。 称为个人通信服务 ( p c s ) 的概念起源于英国， 当时有三家公司被授权在 1 8 0 0 mh z 频段在英国境内发 展个人通信网络 ( p c n) 。英国把 p c n 看作其在发展新的无线系统和公众 服务的领域里提高国际竞争力的途径。当前，全世界都采用现场试验来确 定将来的p c n和 p c s系统采用哪种调制、多址接入和联网技术。 术语p c n和p c s 经常可以互相交换使用。 p c n指的是一个无线联网 技术概念，任何用户不管在哪儿都可以使用便携的个人化的通信设备来收 发电话。而 p c s指的是集成了比现存蜂窝无线网络更多的网络特征、更多 个性化的新的无线网络，但它并没有包含一个完整 p c n网络的所有概念。 2 0 世纪9 0 年代开 始，移 动通信 技术由2 g向3 g发展。早在2 g系 统投入 运营之前， 总部设在瑞士日内 瓦的联合国标准化组织国际电 信联盟( i t u ) . 已经着手第三代移动通信系统技术体制的研究，1 9 8 5 年就开始了对未来公 众陆地移动通信系统 ( f p l mt s ) 的标准建议。 1 9 9 1 年国际电联成立 t g 8 / 1 任务组负责标准制订。 将 f p l m t s 改称i m t 2 0 0 0 ，并 提出了对i m t 2 0 0 0 无线传输技术 ( r tt ) 的最低要求。 1 9 9 7 年国际电联征求i mt 2 0 0 0 的无线 传输技术 ( r t t ) 方案， 1 9 9 9 年 1 0 月i t u - r t g 8 / 1 会议完成了3 g r t i ， 标 准的 制订。 同 一时期， 3 g p p ( t h e t h i r d g e n e r a t i o n p a r t n e r s h i p p r o j e c t ) 于1 9 9 8 年成立，主要制订以 g s m 核心网为基础的、u t r a ( w - c d m a f d d , t d - c d ma t d d)为r -m 的 3 g规范。1 9 9 9 年 1 月成立的 3 g p p 2主 要制订以a n s 1 - 4 1 核心网为基础的、 c d ma 2 0 0 0 为 r t 1 ， 的 3 g规范。 1 9 9 9 北京交通大学硕士毕业论文 年 1月成立的 3 g p p 2主要制订以 a ns i - 4 1 核心网为基础的、c d ma 2 0 0 0 为r 一门， 的 3 g规范。在频谱规划方面，1 9 9 2 年世界无线电行政大会wa r c 为 f p l mt s的无线电频率进行了分配， 2 0 0 0 年wa r c又对 3 g的频谱作了 补充和划分，为3 g的发展提供了频率资源。 进入2 1 世纪的头 十年， 将是3 g通信系 统投入运营和快速发展的 十年; 移动通信将完成由2 g向3 g的 过渡; 移动通信技术的研究 和应用也将由3 g 向3 g后 ( 3 g b e y o n d)发展。 北 京 交 通 大学 硕 士 毕 业 论 文 第三章 蜂窝系统中的干扰 3 .1 蜂窝系统概述 蜂窝概念是解决频率不足和用户容量问题的一个重大突破。它能在有 限的频谱上提供非常大的容量，而不需要做技术上的重犬修改。蜂窝概念 是一种系统级的概念，其思想是用许多小功率的发射机 ( 小覆盖区)来代 替单个的大功率发射机 ( 大覆盖区) ， 每个小覆盖区只提供服务范围内的一 小部分覆盖。每个基站分配整个系统可用信道中的一个部分，相邻基站则 分配另外一些不同的信道，这样所有的可用信道就分配给了相对较小数 目 的相邻的基站。给相邻的基站分配不同的信道组，则基站之间 ( 以及在它 们控制下的移动用户之间)的干扰就最小。通过系统的分隔整个系统的基 站及它们的信道组，可用信道可以在整个系统的地理区域内分配，而且尽 可能的复用，只要基站内的同频千扰低于可接受水平。 随着服务需求的增长 ( 例如，某一特殊区域需要更多的信道) ， 基站的 数目可能会增加 ( 同时为了避免增加干扰，发射机功率应该相应的减小) ， 从而提供额外的容量，但没有增加额外的频率。这一基本原理是所有现代 无线通信系统的基础，因为它通过整个覆盖区域内复用信道，就实现了用 固定数目的信道来为任意多的用户服务。此外，蜂窝概念允许在一个国家 或一块大陆内，每一个用户设备都做成是用同样的一组信道，这样任何得 移动终端都可以在该区域内的任何地方使用。 3 .2 干扰和蜂窝小区系统容量 干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素。干扰来源包括同小区中的 北京交通大学硕士毕业论文 另一个移动台、相邻小区中正在进行的通话、使用相同频率的其他基站、 或者无意中渗入蜂窝系统频带范围内的任何非蜂窝系统。话音信道上的十 扰会导致串话，使用户听到了背景的干扰。信令信道上的干扰则会导致数 字信号发送上的错误，而造成呼叫遗漏或阻塞。市区内的干扰更严重，因 为市区内的射频源更多、基站和移动台的数量多。干扰是增加容量的一个 重要瓶颈，而且常常导致掉话。蜂窝系统两种主要的干扰是:同频干扰和 邻频干扰。虽然干扰信号常常是在蜂窝系统内产生的，在实际中要控制它 们也是很难的 ( 由于随机的传播效应 ) 。频带外用户引起的干扰更加难以控 制，这种情况是由于用户设备前端的饱和效应或是间歇的互调效应是在没 有任何警告的情况下发生的。实际上，使用相互竞争的蜂窝系统常常是频 带外干扰的一个重要来源，因为竞争者为了给顾客提供不相 卜 下的覆盖， 常常使它们的基站相距很近。 3 . 3 同频干扰和系统容量 频率复用意味着在一个给定的覆盖区域内，存在着许多使用同一组频 率的小区。这些小区叫做同频小区。这些小区之间的信号干扰叫做同频干 扰。 不像热噪声那样可以 通过增大信噪比 ( s n r ) 来克服， 同频干扰不能简单 的通过增大发射机的发射功率来克服。这是因为增大发射功率会增大对相 邻同频小区的干扰。 为了 减小同频千扰，同 频小区必须在物理上隔开一个 最小的距离，为传播提供充分的隔离。 如果每个小区的大小都差不多，基站也都发射相同的功率，则同频千 扰比例与发射功率无关， 而变为小区半径 ( r) 和距离最近的同频小区的中 心之间的 距离( d ) 的函数。 增加d / r的 值， 相对于小区的覆盖距离， 同 频小 区间的空间隔离就会增加，从 而来自 同频小区的 射频能量减小而使千扰减 小。参数 q叫做同频复用比 例，与簇的大小有关 ( 见 表 3 . 3 . 1 ) 。 对于 六边 北京交通大学硕上毕业论文 形系统来说， q可表示为: q = d i r = 召 3 n ( 3 .3 .1 ) q的值越小，则容量越大; 但是q值大可以 提高传播质量， 因为同频干扰 小。在实际的蜂窝系统中，需要对这两个目标进行协调和折衷。 q可 表示为 簇的大小 ( n) 同 频复用比 ( q ) i =i , j =1 33 i =i , j = 2 74 . 5 8 i = 2 , j = 2 1 26 i =i ， j = 3 1 36 . 2 4 表 3 . 3 . 1不同n值的同频复用比例 若设 1 。 为同频千扰小区数， 则监视前向信道的移动接收台的信噪比( s / i 或 s i r)可以表示为: s s ( 3 . 3 . 2 ) 其中，s 是从预设基站中来的想获得的信号功率，i . 是第 i 个同频干扰小区 所在基站引起的干扰功率。如果已知同频小区的信号强度，前向链路的 s / i 比 值就可以 通过式( 3 . 3 . 2 ) 求得。 对移动无线信道的传播测量表明，在任一点接收到的平均信号能量随 发射机和接收机之间距离的幂指数下降。在距离发射天线 d处接收到的平 均信号功率 p ，可以由下式来估算: 。 一 。 l do f ( 3 . 3 . 3 ) 北京交通人学硕士毕业论文 _ ， _ ， _、_ _( d 、 ac r , ( a vm) =r ( a bm) 一l o nl oo _ d o ) ( 3 . 3 . 4 ) 其中， p 。 是参考点接收功率， 该点 与发射天线有一个较小的 距离d o , n是 路径衰减指数。现在考虑前向链路，该链路中预想要获得的信号来 自当前 服务的 基站，干扰来自 同频基站。 假设d 。 是 第 i 个干扰源于 移动台间的距 离， 则移动台接收到的来自 第i 个 干扰小区的功率与 ( d ;) - 成正比。 在市区 的蜂窝系统中，路径衰减指数一般在 2 到 4 之间。 如果每个基站的发射功率相等，整个覆盖区域内的路径衰减指数也相 同，则移动台的 s / i 可以近似的表示为: ( 3 . 3 . 5 ) 仅仅考虑第一层干扰小区， 如果 所有干扰基站与预设基站间是等距的，小 区中心间的距离都为d,则式( ( 3 . 3 . 5 ) 可一简化为: _ (d / r ) _ (确 丙 ) 1 0 1 0 ( 3 .3 . 6 ) 5-了 式( 3 . 3 . 6 ) 将s / i 与簇大小n联系起来了 ， n同时也决定了系统的总体容量。 例如，假设六个相距很近的小区已经近得足够产生严重的干扰，而且它们 与预设基站之间的 距离相等。 对于使用f m和3 0 k h z 信道的 美国a m p s 蜂 窝系统，主观的测试表明，当s / i 大于或者等于 1 8 d b时就可以提供足够好 的 话音质量。 假设路径 衰减指数n = 4 ，根据式( 3 . 3 .6 ) 可以 得出， 为了 达到 这个要求， 簇的大小n最小必须为6 .4 9 0 所以， 为了 达到s / i 大于等于i 8 d b 的要求， 簇最小 值需要为7 。必须要注意， 式( 3 .3 .6 ) 是基于六边形小区的， 在这种系 统中所有干扰小区 和基站接收机间是等距的，因而在许多情况下 能得出 理想的结果。 在一些频率复 用方案( 例如， n = 4 ) 中， 最近千扰小区与 北京交通大学硕十毕业论文 预设小区间的距离变化很大。 从图 3 . 3 . 1 可见，对于一个移动台在小区边界上、n=7的簇，移动台 与最近的两个同频干扰小区间的距离为 d - r ，和其他的第一层的千扰小区 间的 距离分 别为d + r / 2 , d , d - r / 2 , d + r o 假设n = 4 ， 根据式 ( 3 . 3 . 6 ) 最坏 情况下的信噪比，可以很近似的表示为: s r -0 1 2 ( d 一 r ) - + 2 ( d + r ) - 0 + 2 d - 0 ( 3 . 3 . 7 ) 式( 3 3 . 7 ) 可以用同频复用比 例q重写为: 于 二 2 ( q 一 1 ) 一 + 2 ( q+ 1 ) 一 + 2 q - 0 ( 3 . 3 . 8 ) 如果n=7 、同频复用比例q= 4 . 6 ， 则根据 ( 3 3 . 8 ) 计算出 最坏情况下 s / i 的 值近似为4 9 . 5 6 ( 1 7 d b ) ， 但用 式( 3 . 3 . 7 ) 算出的 精确值为1 7 .8 d b 。因此， 对于一个 7小区的簇，最坏情况下的 s / i 的值略小于 1 8 d b 。要设计一个在 最坏情况下还有适当性能的蜂窝系统，需要将 n增大到下一个最大的值， 根 据 式n = i z十 ij + j z ( n 是 每 一 个 簇的 小 区 数 量， i , j 是 非 零 整 数， 最 近的 同 频 相邻小区是沿着任何一条六边形链移动 i 个小区，然后逆时针旋转 6 0 度再 移动j 个小区) 算出来是1 2 ( 相 应的i = j = 2 ) 。 这很明显会大量减少系统容量， 因为 1 2小区的复用使得每个小区只能用 1 / 1 2的频谱，而 7小区复用的小 区可以用 1 / 7的频谱。实际上，用 7 / 1 2的系统容量损失来适应很少发生的 最坏情况是得不偿失的。从上分析可以看出，同频干扰决定了链路性能， 同时也确定了频率复用方案和蜂窝系统的总体容量。 北京交通大学硕士毕业论文 卜 李小 图3 . 3 . 1簇大小n二 7 的第一层同频小区的图 例。 上图中当移动台在小区 边界( a点) 时， 它就经历前向 信道中同 频干扰的 最坏情况。移动台与不同的同频小区间所标注的距离，为了简化分析已作 了近似处理。 3 .4 邻频干扰 来自 所使用信号频率的相邻频率的 信号干扰叫做邻频干扰。邻频千扰 是由 于接收滤波器不 理想，使得相邻频率的信号泄漏到了传输带宽内而引 起的。如果相邻信道的用户在离用户接收机很近的范围内发射，而接收机 是想接收使用预设信道的基站信号，则这个问题会变得很严重。这称作远 近效应，就是一个在附近的发射机 ( 可能是也可能不是属于蜂窝系统所用 北京交通大学硕士毕业论文 的同一种类型) “ 俘获”了用户的接收机。还有，当有离基站很近的移动台 用了与一个弱信号移动台使用的信道邻近的信道时，也会发生远近效应。 邻频干扰可以通过精确的滤波和信道分配而减到最小。因为每个小区 只分配给了可用信道中的一部分，给小区分配的信道就没有必要在频率上 相邻。通过使小区中的信道间隔尽可能的大，邻频干扰会减小。因此，不 是在每个特定的小区分配在频谱上连续的信道，而是使在给定小区内分配 的信道有最大的频率ii 隔。通过顺序的将连续的信道分配给不同的小区， 许多分配方案可以使得在一个小区内的邻频信道间隔为n个信道带宽，其 中n是簇的大小。其中一些信道分配方案，还通过避免在相邻小区中使用 邻频信道来阻止一些次要的邻频干扰。 如果频率复用比例小，邻频信道间的间隔就可能不足以将邻频干扰强 度保持在可容忍的极限内。例如，如果有一个移动台接近基站的程度是另 一个的2 0 倍， 而且有信号能量溢出 它自己的