（通信与信息系统专业论文）高速移动增强3ghsdpa的关键技术harq的研究.pdf

摘要 高速移动增强3 g h s d p a 的关键技术h a r q 的研究 专业：通信与信息系统 硕士生：庞斌 指导教师：戴宪华教授 摘要 伴随着改革开放的步伐的加快，人们的生活水平有了很大的提高。无线移动 通信成为了人们生活中不可缺少的组成部分。然而研究人员面临着无线通信资源 的日渐紧张和人们对通信服务质量要求不断提高这两者之间的矛盾。为解决此矛 盾，人们提出了高速移动增强3 g - h s d p a 技术，其中的一个关键技术是h a r q 技术。 为了提高时变衰落信道中的传输效率和传输质量，包括3 g p p 和3 g p p 2 在内 的许多技术标准和提案都采用了混合自动重复请求( h a r q ) 技术。基于t u r b o 码、 和高阶i 箍l , n 方式( 如1 6 一q a m 2 6 和6 4 一q a m ，2 5 6 一q a m ) 的h a r q 是未来移动通 信中提高系统容量和质量的关键技术之一。 本论文先介绍了h s d p a 、t u r b o 码、q a m 调制等知识，其中重点的介绍了 h a r q 。h a r q 分为t y p e i ；t y p e - i i ；t y p e - i l l 型三种。本论文的创新点主要在 两大方面： 第一：一种基于2 5 6 一q a m 调制的混合a r q ( h a r q ) 技术 该技术通过星座图重排，降低了多级调制造成的比特之间可靠性的差异，能 够显著提高h a r q 的性能。首先，提出了标准的符合格雷映射关系的2 5 6 q a m 星 座图后，并通过选取另外3 个星座图进行重排，构成基于2 5 6 q a m 的4 星座图映 射规则。仿真结果表明该方法最终降低复杂度并提高h a r q 性能，这将对未来 2 5 6 。q a m 的应用( 例如h s d p a 、h s u p a ) 提供较大的参考价值和现实意义。 第二：一种新的混合自动请求重发的方法 摘要 介绍了该方法的实现过程等，并且对1 6 一q a m ，6 4 - q 蝴等进行了详细的研 究讨论和分析，并且通过实验，验证了本方法的有效性和可行性。 关键词：高速下行分组接入技术，混合自动重传，t u r b o 码，q a m 调制， 星座图 i v a b s t r a ( ? r r e s e a r c ho nh a r q - t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h e h i g hs p e e de n h a n c e d 3 g - - h s d p a m a j o r ： c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：b i np a n g s u p e r v i s o r ：p r o f x i a n h u ad a i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eo p e n i n ga n dr e f o r mp o l i c y , t h es t a n d a r do fo u rl i f e h a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l y t h ew i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m ea n i n d i s p e n s a b l ep a r ti np e o p l e sd a i l yl i f e h o w e v e rt h er e s e a r c h e r sa r ef i c m gt h e p r o b l e mo f t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h eg o i n gs h o r to f t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n r e s o u r c e sa n dt h eh i g h e rr e q u i r e m e n t so ft h es e r v i c e so ft h ec o m m u n i c a t i o n s ot h e y p r o p o s e dt h et e c h n o l o g yo fh i g hs p e e de n h a n c e d3 g h s d p a ，i nw h i c ht h ek e y t e c h n o l o g yi sh a r q h y b r i da u t o m a t i cr e p e a t e rq u e s t i no r d e rt oi m p r o v et h et r a n s m i te f f i c i e n c ya n d q u a l i t yo f t r a n s m i s s i o ni n t i m e - v a r y i n gf a d i n gc h a n n e l ，t h eh y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ( h a r q ) t e c h n o l o g y w a su t i l i z e di nm a n yt e c h n i c a ls t a n d a r d sa n dp r o p o s a l s ，i n c l u d i n g3 g p pa n d3 g p p 2 h a r q ，b a s e do nt h et u r b oc o d i n ga n dh i g h o r d e rm o d u l a t i o n ( 16 一q a m ，6 4 一q a m a n d 2 5 6 一q a m ) ，i sc o n s i d e r e da so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ef u t u r eo fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s i nt h i st h e s i s ，w ef i r s ti n t r o d u c et h ek n o w l e d g eo f h s d p a ，t u r b o ，a n dq a m m o d u l a t i o na n ds oo n h a r qc a nd i v i d ei n t ot h r e et y p e s ：t y p e i ，t y p e i ia n d t y p e - i i i t h e w o r ka n dt h ep o i n to fi n n o v a t i o ni nt h i sp a p e ri n v o l v et w o p r o c e d u r e s ： f i r s t ，ah y b r i da r q ( h a r q ) t e c h n i q u eb a s e do n2 5 6 一q a m w e f i r s t l yi n t r o d u c eah y b r i da r q ( h a r q ) t e c h n i q u eb a s e do n2 5 6 一q a m b y v a b s t r a c t e m p l o y i n gs i g n a lc o n s t e l l a t i o nr e a r r a n g e m e n t ，t h ed i v e r s i t yo f b i t r e l i a b i l i t i e sc a u s e d b ym - q a ms i g n a lc o n s t e l l a t i o nc a nb er e d u c e da n d ，t h u st h ec o r r e s p o n d i n g p e r f o r m a n c eo fh a r qc o u l db ee n h a n c e d w ep r e s e n tt h es t a n d a r ds i g n a l c o n s t e l l a t i o n ( g r a ym a p p i n g ) o f 2 5 6 一q a m ，i nw h i c h3s i g n a lc o n s t e l l a t i o n sa r e r e a r r a n g e dt od e r i v e d4t y p e so fc o n s t e l l a t i o nm a p p i n gr u l e so f2 5 6 一q a m s i m u l a t i o n r e s u l t sc o n f i r mt h a tt h ep r o p o s e dt e c h n i q u ep e r f o r m san o t i c e a b l eg a i ni nh a r q p e r f o r m a n c ew i t ha l o w e rc o m p l e x i t y s e c o n d ，an e wm e t h o do f h a r q ： w et h e ni n t r o d u c eh o wt oc a r r yo u tt h en e wm e t h o do f h a r q a tt h es a m et i m e w ei n v e s t i g a t et h eh y b r i da r q t e c h n i q u eb a s e do n16 一q a ma n d6 4 - q a m ，t h e e f f e c t i v e n e s so fo u rm e t h o di sv e r i f i e dt h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o n s k e yw o r d s ：h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) ，h a r q ( h y b r i d a u t o m a t i c r e p e a t e rq u e s t ) ，t u r b o ，q a mm o d u l a t i o n , s i g n a l c o n s t e l l a t i o n r e a r r a n g e m e n t v l 论文原创性声明 论文原创性声明 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 工作所取得的成果。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。 学位论文作者签名；亥铁 日期：2 0 0 7 年3 月2 2 日 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：锄： 日期：) 口叶 导师签名： 日期：砷 i i 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 马可尼( m a r c o n i ) 在1 8 9 7 年第一次展示了将无线电应用在英吉利海峡里行 使的船只上来保持连续不断的通信，自那起运动中的通信能力已经得到举世瞩目 的发展，全世界的人们都在热切地盼望使用新的无线通信方法和途径。无线移动 通信在数字和射频电路制造技术方面的进步，使得新的大规模集成电路诞生，移 动便携设备可以做得更b u d , ，但功能更加强大，价格更加便宜。 移动通信是现代通信系统中重要的组成部分。移动通信的含义是指通信双方 至少有一方在运动状态下进行信息传输，或者在通信过程中用户并不处于运动状 态，但通信用户的位置是可变的。对于前者包括有，移动台( 船舶、车辆、飞机 或者行人) 与固定点之问，或者移动台之间的通信；而对于后者是属于非严格意 义下的移动通信。 现代移动通信是一门复杂的高新技术，不但集中了无线通信和有线通信的最 新技术成就，而且集中了计算机技术和网络技术的许多成果。目前，移动通信已 从模拟通信发展到了数字移动通信阶段，并且正朝着个人通信这一更高级阶段发 展。未来移动通信的目标是( 3 a ) ，能在任何时间- a n y t i m e 、任何地点一a n y w h e r e 、 向任何人一a n y b o d y 提供快速可靠的无线通信服务 1 】。随着社会生活的进步人们 对通信质量要求的提高，无线移动通信讵在向着移动速度更快、数据速率更高、 服务种类更多样的方向发展。 在我国改革开放的几十年中，通信事业得到了蓬勃而迅猛的发展。据国务院 信息产业部统计，我国移动用户的数量在2 0 0 4 - - 2 0 0 6 两年的时间里由3 3 5 亿增 长到超过4 2 亿用户，以每年近5 0 0 0 万用户的速率高速增长。2 0 0 7 年仅1 月份 就单月增长了6 0 0 万。这意味着无线通信行业在我国蕴涵着巨大的发展空间。另 3 中山大学硕士学位论文：高速移动增强3 g h s d p a 的关键技术一h a r q 的研究 外国家政府部门出台了一系列政策，引导、推进通信产业的普及与发展。在我国 “十一五”计划所列出的1 2 项重点发展项目前6 项都与通信有关，这说明，通信 行业的发展已经成为了我国国民经济发展多项任务的重中之重。作为国家通信行 业龙头的广东省，据2 0 0 5 年统计，全省移动用户的数量超过了6 4 0 0 万，普及率 高达7 7 2 。全省通信行业业务量达到2 0 6 9 亿人民币，超过了全国4 个直辖市 的总和【2 】。 1 2 选题意义 随着人民生活水平的不断改善，人们对于通信特别是移动通信的要求越来越 高，不论是传输的准确性还是传输的可靠性以及传输速率，都在督促着科研工作 者对更加先进的通信技术的研发以满足人们越来越苛刻的要求。因此，具有代表 性的第三代移动通信技术w c d m a 技术方案应运而生。然而，由于全球经济通 信事业的急速发展，这使得几年前提出的3 g 速率3 g p pr e l e a s e 9 9 理论2 m b i t s ( 实际3 8 4 k b i t s ) 显然已经不能满足用户日益增长的需求，尤其是对于需要高 速数据流量服务( 如电视图像、高质量快速图像等) 的用户群。为了能满足对高 速分组数据业务闩益增长的需求，也为了能够更好的与其他无线技术对数据业务 的支持相竞争，3 g p p 在r e l e a s e 5 引入了h s d p a ( 高速下行分组接入技术) 来 提升通信传输速度。 2 】 目前，基于w c d m a 的w - h s d p a 单载波( 10 m h z 带宽上) 的传输速率理论 峰值可以达到1 4 4 m b p s 。相比较于传统未增强型3 g 系统的3 8 4 k b p s 的传输速 率，其优势已经有目共睹 3 】。同时，增强3 g h s d p a 技术可以通过软件无线电 将w c d m a 平滑过渡到b e y o n d3 g ，不需要消耗大量资源，因此，成为了后3 g 或增强3 g 的必然选择。可以说h s d p a 技术不仅延长了3 g 的存在时间，也为 新一代无线通信奠定了基础。 本论文开展增强3 g h s d p a 关键技术的研究，通过对核心算法的改进与突 破，实现在高速移动下速率理论峰值达到或接近1 4 4 m b p s 的试验系统。突破移 动用户由低速向高速过渡时系统性能的瓶颈效应。从技术角度讲，h s d p a 主要 4 第一章引言 是通过引入高速下行共享信道( h s d s c h ) 增强空中接口，并在通用地面无线 接入网( u t r a n ) 中增加相应的功能实体。从底层来看，主要是引入了自适应 调制编码( a m c ) 和混合自动重传( h a r q ) 技术来增加数据的吞吐量。目前， a m c 和h a r q 技术已经被纳入了3 g p pr e l e a s e6 标准中进行详细阐述。因此对 关键技术h a r q 进行研究对增强3 g h s d p a 的进一步应用和深化，具有重要意 义。 1 3 本论文的创新点 本论文的主要工作是，先分析了h a r q 的研究现状和研究热点，特别是在 h s d p a 中的发展现状，然后提出了两种新技术，第一是：一种新的混合自动请 求重发的方法；第二是新的基于2 5 6 q a m 星座图重排h a r q 技术，最后讨论了 利用该新的混合自动请求重发的方法的效果，在这些工作中主要有三个创新点： 1 提出一种新的混合自动请求重传的方法 在具有不可靠且时变的信道条件的通信系统中所使用的通常方法是：基于自 动请求重发( a r q ) 方式结合前馈纠错( f e c ) 技术，称为混合自动请求重发 ( h a r q ) 的方法。为了提高时变衰落信道中的传输效率和传输质量，包括3 g p p 和3 g p p 2 在内的许多技术标准和提案都采用了混合自动重复请求( h a r q ) 技术。 基于t u r b o 码、和高阶调制方式( 如1 6 q a m 和6 4 q a m ，2 5 6 一q a m ) 的h a r q 是未来移动通信中提高系统容量和质量的关键技术之一，但是我们必须在复杂性 和平均性中权衡，本论文提出的混合自动请求重传方法。星座图映射规则h a r q 策略是较好的权衡，使m q a m 在较平均情况下，也只需4 种映射关系就可使全 部发送的平均位可靠性接近相似。 2 提出基于2 5 6 q a m 星座图重排h a r q 技术 该技术通过星座图重排，降低了多级调制造成的比特之间可靠性的差异，能 够显著提高h a r q 的性能。首先，提出了标准的符合格雷映射关系的2 5 6 一q a m 星 座图后，并通过选取另外3 个星座图进行重排，构成基于2 5 6 - q a m 的4 星座图映 s 巾山大学硕士学位论文：高速移动增强3 g h s d p a 的关键技术h a r q 的研究 射规则。仿真结果表明该方法最终降低复杂度并提高h a r q 性能，这将对未来 2 5 6 - q a m 的应用( 例如h s d p a 、h s u p a ) 提供较大的参考价值和现实意义。 3 初步构想了基于m a t l a b 平台的a m c 和h a r q 仿真平台流程图 该平台是在m a t l a b 上实现，方式为人机互动，例如个人可以根据电脑提示， 选择不同的仿真参数，最后由该平台模拟运行，得出仿真实验数据，给出数据图。 给出了实现的框架流程图和初步设想，但还没开发完成。 1 4 论文基本结构和内容： 本论文主要研究了一种新的混合自动请求重发的方法，创新性的提出了基于 2 5 6 q a m 星座图重排h a r q 技术，能够降低多级调制造成的比特之间可靠性的 差异，显著提高h a r q 的性能，较好的解决了复杂性和平均性的权衡问题。本论 文的内容一共分为五个章节，总体章节设计是根据步步深入，由浅入深，最后总 结的方针，首先介绍研究背景，选题意义，论文的创新点及内容安排，让读者有 个初步印象：然后在第二章和第三章中介绍相关知识点的概述和发展现状，为第 四章h a r q 基本原理及研究埋下铺垫( 重点章节) ；最后在第五章中对全文工作 进行总结。下面我们将简单地介绍各章的内容： 第一章是本文的引言部分，它分为四个小节：第一节是介绍研究的背景；第 二节是选题的意义；第三节是本论文的创新点和第四节的论文基本结构和内容安 排，力求让读者有个初步印象。 第二章主要是无线移动通信概述及发展趋势，它分为四个小节：第四小节是 重点，前三小节分别是无线移动通信的主要特点和发展趋势，第三代移动通信的 关键技术( 例如三种3 g 标准概述，重点是w c d m a 的增强型技术h s d p a ) ，增 强3 g h s d p a 的概述( 包括l t e ) ；第四小节是对h a r q 的研究现状和研究热点 做了概述。 第三章主要是对t u r b o 码和高阶调制方式进行概述，为第四章h a r q 基本原 理及研究埋下铺垫( 重点章节) 。 6 第一章引言 第四章是本论文主体内容。首先我们讨论了混合自动请求重传技术的基本原 理，之后我们分析了现在比较流行三种类型的h a r q 方法和原理，分别是t y p e - i 型h a r q 、t y p e i i 型h a r q 、t y p e i i i 型h a r q ；然后详细讲述一种新的混合自 动请求重发的方法和基于2 5 6 q a m 星座图重排h a r q 技术；最后我们给出了结 论与展望。 第五章是本论文的最后一部分，是全文总结，它先介绍了本论文的主要工作， 然后列出主要结论，最后给出了进一步的工作方向。 7 第二章无线移动通信概述及发展趋势 第二章无线移动通信概述及发展趋势 2 1 无线移动通信的主要特点和发展趋势 2 1 1 无线移动通信的主要特点 信息传输技术在现代社会中的作用越来越大，正由于它的信息传输突出地位， 全球大部分国家都致力于现代信息传输技术的研究和开发，我们所说的通信技术 就是信息传输技术。移动通信是通信技术中很重要的一部分，移动通信实际是指 通信双方至少有一方在运动状态中进行信息传输，通常说的移动通信不当指通信 双方的位置是变动的，而且它们的信道也是无线的，即我们说的无线移动通信【4 】 所以，无线移动通信中的信道不仅具有无线信道的特征而且是时变的。 1 移动通信是在复杂的干扰环境中进行传输 系统本身和不同系统之间，会产生各种各样的干扰，例如同频干扰等，而且 在外部传输环境中也存在种类繁多的干扰。这是因为在无线移动通信系统中，会 有多个用户电台在同一地区工作，而且基站还会有多部收发信机在同一地点上工 作，电台之间会产生干扰。随着无线移动通信技术的发展，所产生的干扰越来越 多。例如这些干扰有邻道干扰、互调干扰、共道干扰、多址干扰，以及远近效应 等等。所以，在移动通信系统中，怎样对抗和减少这些有害干扰的影响已经成为 重要的研究方向。 2 移动通信要利用无线电波进行信息传输 无线电波的特性允许通信中的用户可以在一定范围内自由活动，自由通信， 不过因为无线电波的传播特性一般都很差。首先，移动通信的运行的环境一般都 十分复杂，电波不仅会随着传播距离的增加而发生弥散损耗，并且还会受到地形 等的遮蔽而发生“阴影效应 ，信号经过多点反射，会从多条路径到达接收点， 这种多径信号的相位和幅度，到达时间均不相阿，它们的相互叠加会产生电平衰 9 中山大学硕十学位论文：高速移动增强3 g h s d p a 的关键技术h a r q 的研究 落和时延扩展：其次，无线移动通信常常在快速移动中进行，产生多普勒频移， 产生随机调频，而且会使得电波传播特性发生快速随机起伏，严重影响通信质量。 因此对通信系统进行合理的设计就显得很重要【5 】。 3 无线移动通信可利用的频谱资源非常有限 频谱资源有限，但业务量的需求却与日俱增。如何提高通信系统的通信质 量始终是移动通信发展的焦点，解决的方法大概有两个，一方面要开辟新的频段， 另一方面研究新的技术和措施，以压缩信号所占的频带宽度和提高频谱利用率， 例如现在的t d s c d m a 技术就可利用非对称的频段工作，大大提高了频谱利用 率。 4 无线移动通信设备必须适合在移动环境中使用。 对移动设备的主要的要求是重量轻、体积小、方便携带、省电等等。另外 对于特殊的还应保证在震动、冲击、高温变化等恶劣环境中正常使用，例如军用 手机等。 2 1 2 无线移动通信的发展趋势 第一代商用无线通信系统出现在二十世纪八十年代初，当时主要是模拟蜂窝 系统，采用的是频分多址( f d m a f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i a c c e s s ) 技术和模拟技 术。当时的第一代无线移动通信系统由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通 信的长途漫游，只是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有很多不足之 处，例如制式太多、保密性差、容量有限、互不兼容、通话质量不高、不能漫游、 没有数据业务等等，下面表2 1 所列为世界各国使用的第一代模拟蜂窝电话系统 部分参数 6 。我国是采用t a c s 制式( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 全接 入通信系统。 l o 第二章无线移动通信概述及发展趋势 表2 - 1 第一代模拟蜂窝电话系统的部分参数 系统名称 单向频带反向频带信道问隔使用地区 ( m h z ) ( k h z ) a m p s 8 2 4 8 4 98 6 9 8 9 43 0美国、澳大利亚 t a c s8 9 0 9 1 5 9 3 5 9 6 02 5 欧洲 e t a c s 8 7 2 9 0 59 1 7 9 5 02 5 英国 n m t 4 5 0 4 5 3 4 5 7 54 6 3 4 6 7 52 5 欧洲 n m t 9 0 0 8 9 0 9 1 59 3 5 9 6 01 2 5 欧洲 c 4 5 04 5 0 4 5 5 7 44 6 0 4 6 5 7 4l o 德国、葡萄牙 r m t s4 5 0 4 5 54 6 0 4 6 5 2 5恩人7 f l j r a d o c o m 2 0 01 9 2 5 1 9 9 52 0 0 5 2 0 7 5 1 2 5法国 2 1 5 5 2 3 3 等2 0 7 5 2 1 5 5 等 n t t 9 2 5 9 4 08 7 0 8 8 52 5 6 2 5 同本 9 1 5 9 1 8 5 等8 6 0 8 6 3 5 等6 2 5 f 1 a c s n t a c s9 1 5 9 2 5 8 6 0 8 7 02 5 1 2 5 日本 8 9 8 9 0 18 4 3 8 4 62 5 1 2 5 9 l8 5 9 2 2 8 6 3 5 8 6 7 第二代无线移动通信系统： 针对第一代无线移动通信的种种缺点，世界上移动通信技术领先的欧美等国 丌始研究丌发第二代移动通信系统，就是数字移动通信系统。欧洲研制的全球移 动通信系统( g s m 系统) 是最早推出的第二代移动通信系统，另外还有其他一 些第二代通信系统推出，如美国高通公司研制的码分多址( c d m a ) 移动通信系 统，它主要在美国、中国和韩国使用。其中第二代数字蜂窝系统的主要参数如下 表2 2 6 。在我国移动通信主要是g s m 体制，如中国移动的1 3 5 到1 3 9 ，还有 最近的15 8 和1 5 9 手机，中国联通的1 3 0 到1 3 2 ，1 5 6 都是g s m 手机。第二代 i f l 山大学硕十学位论文：高速移动增强3 g h s d p a 的关键技术h a r q 的研究 移动通信系统发展非常迅速，不过第二代移动通信系统也有自身弱点，例如包括 数据功能较弱，传输速率过慢，不能良好地支持多媒体业务。随着社会的进步， 人们在多媒体业务方面的需求越来越高，第二代移动通信系统已经开始无法满足 人们的需要，第三代无线移动通信系统应需而诞生了。 表2 2 第二代数字蜂窝系统的主要参数 系统g s mi s 一5 4j d ci s 9 5 使用地区 欧洲亚洲美国日本美国亚洲 接入方法 t d m a f d dt d m a f d dt d m a f d dc d m a f d d 调制方法g m s k 1 - 1 1 4 - d q p s k兀4 一d q p s ks q p s k - q p s k 频段( m h z ) 9 3 5 9 6 08 6 9 8 9 4 8 1 0 8 2 68 6 9 8 9 4 8 9 0 9 1 58 2 4 8 4 9 8 4 0 8 5 6 等8 2 4 8 4 9 载波间隔 2 0 03 02 51 2 5 0 ( k h z ) 承载信道数833 可变 信道比特率 2 7 0 8 3 34 8 64 21 2 2 8 8 ( k b i t s ) 语音编码速率 1 3 88 1 - 8 ( 可变) ( k b i t s ) 帧长( m s ) 4 6 1 5 4 02 02 0 第三代无线移动通信系统： 第三代移动通信( 3 g ) 的概念最早是由国际电信联盟( i t u ) 在1 9 8 5 年提 出，那时候还有另外一个名称公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) 。在1 9 9 6 年， i t u 将f p l m t s 更名为i m t - 2 0 0 0 ，系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，峰值速率可达到 2 0 0 0 k b i f f s 。当前，以卫星移动通信网与地面移动通信网构成的第三代移动通信 系统形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网络。第三代移动通信系统能够支持语 1 2 第二章无线移动通信概述及发展趋势 音、数据和多媒体业务，同时也满足城市和偏远地区不同密度用户的通信需求。 和第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统具有的特点如下： ( 1 ) 业务具有多样性，提供语音、数据和多媒体业务，车载通信速率为 1 4 4 k b i t s ，步行通信速率为3 8 4 k b i t s ，室内通信速率为2 m b i t s ； ( 2 ) 兼容性好，提供全球无缝覆盖和漫游，具有全球范围的高度兼容性； ( 3 ) 有高度的灵活性，按需分配带宽，支持大范围、可变速率的信息传送； ( 4 ) 频谱利用率高，通信容量大； ( 5 ) 系统初始配置能充分考虑到与第二代通信系统设备的兼容性，然后再 平滑升级过渡。【7 】 详细的第三代移动通信关键技术将在下一节介绍。 最近几年来，无线移动通信技术得到了高速的发展，并广泛地应用于社会生 活各方面现阶段的无线通信产业主要集中在话音业务和部分数据业务上，但随 着与爆炸式发展的因特网融合的实现，更多的多媒体数据业务应运而产生，而不 同的数据业务对带宽和速率要求都有所提高，因此增强3 g h s d p a 技术不仅延 长了3 g 的存在时间，也为新一代无线通信奠定了基础，增强3 g h s d p a 关键技 术中的a m c 和h a r q 技术已经被纳入了3 g p p r e l e a s e6 标准中进行详细阐述。 所以对关键技术h a r q 进行研究对增强3 g h s d p a 的进一步应用和深化，具有 重要意义。 2 2 第三代移动通信的关键技术 2 2 1 三种3 g 标准概述和对比 在第三代移动通信的技术标准中，欧洲主导的w c d m a 、美国主导的 c d m a 2 0 0 0 以及中国主导的t d s c d m a 成为三大主流技术。其中w c d m a 标准 i | l 山大学硕十学位论文：高速移动增强3 g h s d p a 的灭键技术h a r q 的研究 可在现有g s m 网络上升级实现其增强型技术h s d p a 的理论传输速率可达到 1 4 4 m b i t s ；c d m a2 0 0 0 系统主要由美国公司主导，其建设成本相对比较低 廉：t d s c d m a 标准由中国主导，t d s c d m a 标准是一种时分双工( t d d ) 的移 动通信系统，只用一段频率就可完成通信的收信和发信，具有最高的频谱利用率， 而且也采用了世界领先的智能天线技术。 w c d m a 由欧洲标准化组织3 g p p 所制定，受到全球标准化组织、设备制造 商、器件供应商和运营商的广泛支持。因为w c d m a 的核心网是基于g s m g p r s 网络的演进，具有和g s m g p r s 网络的高度兼容性，因此在原有的g s m 网络 上可以快速的升级为w c d m a 网络，网络运营商可以通过在g s m 网络上引入 新业务，培育数据业务消费群体，逐步过渡到3 g ；它逻辑上分为电路域和分组 域这两部分，分别完成电路型业务和分组型业务。另外w c d m a 空中接口采用 宽带c d m a 技术，信号带宽为5 m h z ，码片速率为3 8 4 m c h i p s ；采用a m r 语音 编码，支持同步异步基站运营模式，上下行采用闭环加外环功率控制方式，编 码的方式是采用卷积码和t u r b o 码，调制方式在上下行都是采用q p s k 。 c d m a 2 0 0 0 是从c d m ao n e 演进而来的移动通信技术，目前标准化工作由 3 g p p 2 来完成，它的电路域继承2 gi s 9 5c d m a 网络，引入以w i n d o w s 为基本 架构的业务平台。分组域基于移动i p 技术的分组网络，其技术主要特点如下： 前反向同时采用导频辅助相干解调； 扩频码选择采用相同m 序列，通过不同的相位偏置区分不同的小区和用户； 射频宽带由1 2 5 m h z 到2 0 m h z 可调；快速前向和反向功率控制； 下行信道中采用公共连续导频方式进行相干检测，提高系统容量； 支持f q p c h ，可延长手机待机时间； 在下行信道传输中，定义直扩和多载波传输两种方式，码片速率分别为 3 6 8 6 4 m c h i p s 和1 2 2 m c h i p s ，多载波方式能很好地兼容l s 9 5 网络； 在同步方式上c d m a 2 0 0 0 与i s 一9 5 相同，基站问同步是采用g p s 方式。 c d m a 2 0 0 0 继承了i s 9 5 窄带c d m a 系统的技术特点，网络运营商同样是 通过在窄带c d m a 网络中更换或增加部分网络设备过渡到3 g 8 】 1 4 第二章无线移动通信概述及发展趋势 t d s c d m a 采用t d d 技术，而刚介绍过的w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 都是采 用f d d 技术，t d s c d m a 综合了t d d 和c d m a 的所有技术优势，具有灵活的 空中接口，而且还采用了最新的智能天线、同步、联合检测等先进技术， t d s c d m a 还有一个优点就是具有最高的频谱效率。t d s c d m a 核心网是基于 g s m g p r s 网络的演进，和g s m g p r s 网络有较好的兼容性，空中接口采用t d d 技术，不需要连续对称的频段。在3 g 发牌后，是由中国移动发展t d - s c d m a 网络， t d s c d m a 网络运营产业链相对不成熟，终端设备较少，目前商用的t d 终端只有 5 种品牌一中兴、联想、海信、新邮通、三星，不过这是中国设定的标准，有重 大的意义，相信经过发展一定会很好。表2 3 是三种系统主要参数的对比 6 】： 表2 3 三种3 g 系统主要参数对比 系统w c d m ac d m a 2 0 0 0t d s c d m a 载波间隔5 m h z 1 2 5m h z1 6m h z 码片速率3 8 4 m 码片秒 1 2 2 8 8m 码r 秒1 2 8m 码片 秒 帧长 1 0 m s2 0 m s10 m s ( 两个子帧) 基站同步不需要需要需要 功率控制快速功控：上下行前向：慢快速功控 0 2 0 0 h z 1 5 0 0 h z反向：8 0 0 h z 下行发射分集支持 支持支持 频率间切换 支持，可用压缩模式支持 支持，可用空闲时 进行测量隙进行测量 检测方式相干解调相干解调联合检测 信道估计公共导频前向、反向导频 d w p c h 、u p p c h 、 中间码 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 t 5 中山大学硕士学位论文：高速移动增强3 g h s d p a 的关键技术一h a r q 的研究 2 2 2w c d m a 的增强型技术h s d p a ( 高速下行分组接入技术) 在中国，3 g 建设初期就是要完成大规模覆盖，这是初期最主要的任务，实 现基本漫游，等到语音、数据业务和用户群稳定后，再进一步考虑网络容量的扩 容，数据业务的增加。w c d m a 在大规模覆盖上具有技术的优势，是网络建设 初期可考虑的优选方案，另外w c d m a 在价格因素方面则有更大的优势，因为 w c d m a 和其他技术标准相比，已经在全球范围内形成很多厂家供货的局面， 由此带来了设备价格和产品质量的竞争，因为有竞争，设备和服务价格不断降低， 质量则不断提高，所以很适合运营商降低投资成本，展丌大规模的建设。 w c d m a 标准化大部分是由区域性的标准化组织3 g p p 负责，其主要工作是 制定与g s m g p r s 相兼容的第三代移动通信标准w c d m a ，在欧洲又称为 u m t s 。 w c d m a r 9 9 版本能够提供3 8 4 k b i t s 的数据速率，3 8 4 k b i t s 的数据速率 对于大部分现有的分组业务，例如上q q i l 9 p 天，阅读电子图书等基本够用。不过 对于迟延要求较高和流量大的数据业务，如流媒体、视频点播、网络游戏、下载 等就显得力不从心，需要增强系统提供更高的传输速率和更短的时延。随着人民 生活水平的不断改善，人们对于通信特别是移动通信的要求越来越高，数据传输 率与系统容量之间的矛盾同益变得突出起来。第三代移动通信网络中采用增强型 技术就应运而生了。 为了能满足对高速分组数据业务日益增长的需求，也为了能够更好的与其他 无线技术对数据业务的支持相竞争，3 g p p 在r e l e a s e 5 i j l 入了h s d p a ( 高速下行 分组接入技术) 来提升通信传输速度。 2 】h s d p a 为更高数据传输速率和更高容 量提供了一条平稳的演进途径，就像在g s m 网络中引人g p r s 和e d g e 一样。高 速下行分组接入技术一h s d p a ，( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) 是w c d m a 的增强型技术，在w c d m a 系统中引入提高下行信道传输数据的能力。实现 h s d p a 技术，在m a c 层新增了m a c h s 实体，位于n o d eb ，负责h a r q 操作以及 相应的调度，井在物理层引入以下三种新的信道： ( 1 ) h s d s c h 信道，下行链路，负责传输用户数据。 ( 2 ) h s s c c h ( h i g hs p e e ds h a r e dc o n t r o lc h a n n e l ) 信道，下行链路，负责传 1 6 第二章无线移动通信概述及发展趋势 输对h s d s c h 信道解码所必须的控制信息的物理层控制信道。 ( 3 ) h s d p c c h ( u p l i n kh i g hs p e e dd e d i c a t e dp h y s i c a lc o n t r o lc h a n n e l ) 信 道，上行链路，负责传输必要的控制信息，主要是对a r q 的响应以及下行链路 质量的反馈信息。 另外还采用了七种关键技术：分别是混合自动请求重传技术( h a r q h y b r i d a r q ) 、快速小区选择技术( f c s f a s tc e l ls e l e c t i o n ) 、自适应调制编码( a m c a d a p t i v e m o d u l a t i o na n dc o d i n g ) 、多输入多输出天线处理技术( m i m o m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 、正交频分复用技术( o f d m - o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 、先进分组调度( p s - p a c k e ts c h e d u l i n g ) 、空时编码技术( s t c s p a c e t i m ec o d i n g ) 。 ( 1 ) 混合自动请求重传技术( h a r q ) a r q 是在数据传输失败时要求重传的传输机制，而f e c 则是对数据分组进行 保护的纠错编码。h a r q 机制本身的定义是将f e c 和i a r q 结合起来的一种差错控 制方案。h a r q 是基于信道条件，从而提供精确的编码速率调节( 和a m c 相比) ， 能够自动适应瞬时信道条件。h a r q 可以提高系统性能，可以补偿由于采用链路 适配所