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应用h s d p a 的t d - s c d m a 系统快速d c a 算法研究 摘要 随着信息社会对无线数据业务的需求日益增长，对高传输速率的要求 已经越来越迫切，方兴未艾的3 g 已经不能够满足未来通信业务的需求，于 是各种增强型技术逐步被第三代移动通信系统所采用。 t d s c d m a 作为第三代移动通信系统主要标准之一，在r e l e a s e5 中采 用了高速下行分组接入技术( h s d p a ) ，在单载波条件下可以提供高达 2 8 1 v l b i f f s 的下行分组传输速率。为了将h s d p a 技术引入t d s c d m a 系统， t d s c d m a 系统中在物理层增加了上行的h s d s c h 、共享信息信道 ( h s s i c h ) 和下行的h s d s c h 共享控制信道( h s s c c h ) 并采用了技术 自适应调制编码、混合自动重传和快速调度技术。 在应用h s d p a 的t d s c d m a 系统中，h s d p a 在系统中呈孤岛状分布， 在h s d p a 和t d s c d i v l a 系统采用同一载频传输的情况下，如果“热点” 小区基站( 能够提供h s d p a 业务的基站) 与“非热点”小区基站( 无法提 供h s d p a 业务的基站) 上、下行时隙分配方案不同，系统中将会产生严重 的交叉时隙干扰，极大的损害系统性能。 d c a 作为t d d 系统特有的一种技术，能够起到降低交叉时隙干扰的 作用。但是目前还没有针对应用h s d p a 的t d s c d m a 系统提出的d c a 算法，而且已有的也缺乏一种应用于具体时隙分配方案下的算法。针对这 种情况，本文提出了分区域快速d c a 算法。算法被用于应用h s d p a 的 t d - s c d l v l a 系统，其中热点地区上、下行时隙之比为1 ：5 ，非热点地区上、 下行时隙之比为3 ：3 的，算法用两个不同半径的圆将蜂窝小区划分为三个 区域。系统利用智能天线为服务区中的终端进行定位，位于蜂窝小区不同 区域的用户根据其所处小区类型( 是否热点) 、业务类型( 数据或语音) 将 被分配在不同的时隙进行传输。其中，不同于在w c d m a 中h s d p a 业务 使用系统中所有可能的功率，本算法中h s d p a 数据用户的功率也会被根据 情况进行设置。 最后，本文对分区域快速d c a 算法进行了仿真。仿真结果说明分区域 d c a 算法能够有效降低t d s c d m a 系统中终端问与基站间的交叉时隙干 扰，不但能够提高热点地区h s d p a 用户的吞吐量，而且能够改善非热点地 区语音业务的信道质量。 同时，本文也仿真研究了在整个服务区内小区均为支持h s d p a 技术的 热点小区且时隙分配方案一致情况下的系统特性。仿真说明，随着系统下 行时隙数的增加，h s d p a 用户的吞吐量在提高，但同时也会带来语音业务 阻塞率的提高。 关键字：t d s c d m ah s d p ad c aa m ch a r q 快速调度 r e s e a r c ho nan o v e ld c as c h e m e i nt d s c d m as y s t e mw i t hh s p d a w i t hm o r ea n dm o r er e q u i r e m e n t so fw i r e l e s si n t e r a c tt r a f f i ci np r e s e n t i n f o r m a t i o ns o c i e t y , t r a n s m i s s i o nr a t ea c h i e v eah i g hl e v e l i nt h i ss i t u a t i o n v a r i o u se n h a n c e dt e c h n o l o g i e sh a v eg r a d u a l l ya d o p t e db yt h e3 “m o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，w h i c h w i l l p r o v i d eh i g h e r r a t eo f p a c k e t t r a n s m i s s i o na n ds p e c t r u me f ! f i c i e n c yt oa s y m m e t r i cw i r e l e s si n t e r n e tt r a f f i c t d s c d m ai so n eo ft h e3 ”m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc r i t e r i a i t a d o p t sh 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 s d p a ) i nr e l e a s e5w h i c hc a n t r a n s m i td o w n l i n kp a c k e t sa tt h er a t eo f2 8 m b s h i g i ls p e e dp a c k e td a t ah a st h e f e a t u r e so fa s y m m e t r i c ，h i g hp e a kr a t ea n ds h o r ta c t i v et i m e t ou t i l i z er a d i o s p e c t r u mr e s o u r c ee f f i c i e n t l y , ap h y s i c a lc h a n n e lh a sb e e ns p e c i a l l ya d d e di n t d s c d m as y s t e mw h i c hi sc a l l e dh i g hs p e e dd o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l ( h s d s c h ) h s d s c hi su s e df o rh i g hs p e e dp a c k e tt r a n s m i s s i o ns h a r e db y m u l t i u s e r s h s d p ah a ss e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e s ，w h i c ha r ea d a p t i v e m o d u l a t i o n & c o d i n g ( a m c ) ，h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ( r i a r q ) ，f a s t s c h e d u l i n ga n ds oo n w i t ht h e s et e c h n o l o g i e st h ed a t at h r o u g h p u tw i l lb e g r e a t l yi m p r o v e d f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st d s c d m as y s t e m h s d p at e c h n o l o g i e s a p p l i e di nt d - s c d m as y s t e m s e c o n d l y , t h ea p p l i c a t i o no fh s d p at e c h n o l o g yi nt d - s c d m as y s t e mi s a n a l y z e da n dt h ei n f l u e n c eo nt d - s c d m ac a u s e db yh s d p at e c h n o l o g yi s e v a l u a t e db yas i m u l a t i o np l a t f o r m f i n a l l y 。an e wd y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o na l g o r i t h mi si n t r o d u c e d i nt h e s y s t e mo ft d s c d m aw i t hh s d p a , t h e r ea r es o m eb a s es t a t i o n sw h i c hc o u l d s u p p o r th s d p at e c h n o l o g yw h i l eo t h e r sc o u l d n t w h a t sm o r e t h e s et w ok i n d s o fb a s es t a t i o n sh a v ed i f f e r e n ts l o ta l l o c a t i o ns c h e m e s s o i fh s d p au t i l i z et h e s a m ec a r r i e ra st d s c d m a , i tw i l lc a u s et h es y s t e ms e r i o i l si n t e r s l o t i l l i n t e r f e r e n c e i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，t h i st h e s i si n t r o d u c e san o v e ld c a a l g o r i t h mc a l l e dd i v i d e d a r e as l o ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h es i m u l a t i o np r o v e s t h a tt h et h r o u g h p u ti nh o t - p o i n ti si m p r o v e da r e aa n dt h eq o so fn o n - h o t p o i n t s e r v i c ea r e ai sa l s oi m p r o v e d k e yw o r d s ：t d s c d m ah s d p ad c aa m ch a r qf a s t s c h e d u l i n g i v 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， 本人签名：查必 本人承担一切相关责任。 日期：回：雏丛 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、缩印或其它复制手段保存、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年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 用本授权书。 日期： 日期： 北京邮电大学硕上研究生论文 1 1 移动通信的发展现状 第1 章绪论 科学技术的飞速发展给人们的生活带来了日新月异的变化，而通信技术的进步更是 对社会的文明与进步产生着深刻的影响。在过去几十年罩，世界电信技术发生了巨大的 变化，移动通信特别是蜂窝小区的迅速发展，使用户彻底摆脱终端设备的束缚，实现充 分的个人移动性、可靠的传输和接续方式。进入2 1 世纪后，移动通信已经发展到大规 模商用并逐渐成为人们日常生活中不可缺少的重要通信方式之一，成为社会发展和进步 必不可少的技术。 移动通信发展可以归纳为以下几个阶段： 1 第一代移动通信系统( 1 g ) 出现于2 0 世纪踟年代早期，主要采用的是模拟技术和频分多址f f i ) m h ，f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ) 技术。但由于受到模拟信号传输带宽所限以及各类通信系统制 式不统一，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。 2 第二代移动通信系统( 2 g 1 出现于9 0 年代初期，主要采用数字式的时分多址( t d t c “a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x a c c e s s ) 技术和码分多址( c d m a ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ) 技术，。第二代移动通 信系统主要为支持话音和低速率的数据业务而设计，但随着人们对通信业务范围和业务 速率要求不断提高，它将很难满足新的业务需求。 3 第三代移动通信系统( 3 g 1 i t ut g 8 1 早在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信系统的概念，最初命名为f p l m t s ( 未来公共陆地移动通信系统) ，后在1 9 9 6 年始名为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r 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 s2 0 0 0 ) 。第三代移动通信系统是有能力彻底解决第一、二代移动通信 系统主要弊端的先进的移动通信系统。要在未来移动通信系统中实现个人终端用户能够 在全球范围内的任何时问、任何地点，与任何人，用任意方式、高质量地完成任何信息 之间的移动通信与传输。 经过多年的探索，国际电信联盟( i t s ：i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 提 出第三代移动通信系统应具备以下特征： 第一，i m t - 2 0 0 0 应是一个全球化的系统，应在世界范围内能够促成高度设计共同 性的全球标准，能同时容纳不同的系统；可在世界范围内使用一个小型袖珍终端；具有 世界统一的频段和基于终端移动性的全球漫游特性。 第1 页 北京邮屯大学硕l 研究生论文 第二，i m t - 2 0 0 0 应能提供比第二代系统更多的新的语音和数据业务，包括分组数 据和多媒体业务，其服务质量应能与固定电话媲荚；能按需提供带宽，支持各种数率的 业务，包括低速寻呼、语音以及与视像和文件传送有关的高速业务；具有支持上行和下 行数据速率不对称的能力。 第三，i m t - 2 0 0 0 具有系统从第二代系统演进、用户从第二代系统过渡以及在 i m t - 2 0 0 0 内部演进的灵活性；在其内部以及固定网之间的业务可相互兼容；具有能使 移动网业务不断扩充并能获取固定网业务和设旖的构架。 第四，l m t - 2 0 0 0 应具备适应多环境能力；i m t - 2 0 0 0 在不同网络之问具有互通性， 可向用户提供大覆盖、无缝漫游和业务一致性：它综合地面与卫星通信网络，可在任何 一个覆盖区内由多个网络提供业务。 为了实现上述目标和要求，国际上对第三代移动通信系统在技术和标淮上做了大量 的研发工作。中国、欧洲、r 本，美国、韩国等都提出了区域性的标准。由于3 g 系统 是2 i 世纪全球性系统，要求实现全球漫游，应当有统一的国际标准。这样，由不同国 家或组织提出的不同标准之日j 的融合就显得必不可少，1 9 9 9 年1 0 月2 5 只到1 1 月5 日 在芬兰赫尔辛基召丌的i t u t g 8 1 第1 8 次会议最终通过了i m t - 2 0 0 0 无线接口技术规范 建炭( i m t r s p c ) ，最终确立了1 m t - 2 0 0 0 所包含的无线接口技术标准。本次会议的最主 要结论是，通过了i m t 一2 0 0 0 无线接口技术规范建议( i m t r s p c ) 。将无线接口的标准 明确为以下5 个标准： c d m a 技术： i m t - 2 0 0 0c d m ad s ( 对应w c d m a ) i m t - 2 0 0 0c d m am c ( 对应c d m a 2 0 0 0 ) i m t - 2 0 0 0c d m a t d d ( 对应t d - s c d m a 和u t r a t d d ) t d m a 技术： i m t - 2 0 0 0t d m a s c ( 对应u w c - 1 3 6 ) i m t - 2 0 0 0f d m a f r d m a ( 对应d e c t ) 上述5 个标准，l t u 又进一步简化为i m t - d s ，i m t - m c ，i m t - t d ，i m t - s c 和i m t - f t 。 可以说i m t - 2 0 0 0 的地面无线接口标准由5 个标准组成。 下面对三个c d m a 技术做简要说明： i m t - 2 0 0 0c d m a d s ( i m t - d s ) i m t - 2 0 0 0c d m ad s 是3 g p p 的w c d m a 和3 g p p 2 的c d m a 2 0 0 0 技术的直接扩频 部分( d s ) 融合后的技术，仍称为w c d m a 。此标准将同时支持g s mm a p 和a n s i 4 1 两种核心网络。 i m t - 2 0 0 0c d m am c ( i m t - m c ) i m t - 2 0 0 0c d m am c ，即c d m a 2 0 0 0 。在融合后，只含多载波方式即1 x ，3 x , 6 x ， 9 x 等。此标准也将同时支持a n s i 4 1 和g s mm a p 两种核心网络。 第2 页 北京邮电大学硕_ l 研究生论文 i m t - 2 0 0 0c d m a t d d ( i m t - t d ) i m t - 2 0 0 0c d m at d d 目前实际上包括了低码片速率t d s c d m a 和高码片速率 u t r at d d ( t d c d m a ) 两个技术。目前两个技术的物理层完全分开，分别采用中国 c w t s 和3 g p p 的两套技术规范，其2 层和3 层基本相同。 第三代移动通信系统是建立在i t ui m t - - 2 0 0 0 建议基础上的工作在2 g h z 频段最高 速率可达2 m b i t s 的宽带移动通信系统，它要将各种业务结合起来，用一个单一的全功 能网络来实现，与现有的第一代和第二代移动通信系统相比，其主要特征可以概括为： 全球普及和全球无缝漫游的系统 第二代移动通信系统一般为区域或国家标准，而第三代移动通信系统将是一个在全 球范围内覆盖和使用的系统。它将使用共同的频段( 尽管w r c 分配给i m t - 2 0 0 0 使用的 1 8 8 5 2 0 2 5 m h z ，2 1 1 0 - 2 2 0 0 m h z ，但在美国部分频段已用于p c s 。目前的2 3 0 m h z 频段 只是i m t - 2 0 0 0 计划频谱的一部分，r r u 即将完成扩展频谱的规划) ，全球统一标准。 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持i n t e r a c t 业务 一 现有的移动通信系统主要以提供话音业务为主，随着发展一般也仅能提供 1 0 0 k b s - 2 0 0 k b s 的数据业务，g s m 演进到最高阶段的速率能力为3 8 4 k b s ，而第三代移动 通信的业务能力将比第二代有明显的改进。它应能支持从话音到分组数据到多媒体业务： 能根据需要，提供带宽。i t u 规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中，必须 满足在以下三个环境的三种要求，即：快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b s ；室外到室 内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b s ；室内环境，最高速率达2 m b s 便于过渡、演进 由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当规模，所以第三代的网络一定 要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，并应与固定网兼容。 高频谱效率 高服务质量 低成本 高保密性 同时，还要将综合宽带网的业务尽量延伸到移动环境中，能够传送高达2 m b s 的高 质量图像，真正实现“任何人在任何地点、任何时间与任何人”都能便利地交流。 4 新一代移动通信系统 也称超三代移动通信系统( b 3 g ：b e y o n d3 c ) ，它针对用户不断增长的通信业务范围 和业务速率要求而产生。b 3 g 的兴起将改变以往三代移动通信系统的不足，可以容纳更 庞大的用户数，进一步改善现有通信品质，达到高速数据传输的要求。预计新一代移动 通信系统的最高传输速率将可以达到1 0 0m b p s 。新一代移动通信系统离实际的商业运行 还有很长的一段路要走。 当前，随着3 g 无线传输技术应用领域的不断扩大，移动通信系统对无线数据业务 ，第3 页 北京邮电人学硕i ：研究生论文 的需求日益增加，各类多媒体业务都将要求更高的数据传输速率，第三代移动通信系统 的传输速率将不能满足要求，发展具有更大容量和更大比特传输速率的移动通信是发展 的必然。基于此，w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 都在进行技术增强，发展了业 务速率更高、提供更多应用业务的所谓3 5 g 。 h s d p a 是3 g p pr 5 版本规范中引入的一个重要的新技术，利用h s d p a 技术可以 在现有技术的基础上使下行数据峰值速率有很大的提高。h s d p a 技术可以同时适用于 t d s c d m a 和w c d m a 两种不同制式，而且目前在w c d m a 系统中h s d p a 技术已经 发展十分成熟。但是由于t d s c d m a 和w c d m a 采用的双工方式不同，t d s c d m a 系统中采用的h s d p a 技术不能完全参照w c d m a 系统的h s d p a 技术，二者有很大区 别，需要作进一步深入研究川1 9 1 1 1 5 1 。 1 2 本文主要研究内容及论文创新性 本文对应用h s d p a 的t d s c d m a 系统的动态信道分配技术进行了分析与研究。 在未来移动通信中，上、下行不对称的多媒体业务日渐成为主流，在这种背景下， t d - s c d m a 系统引入了h s d p a 技术，它能够大幅提高数据业务的吞吐量。本人的研究 依托于与法国电信中国研究中心合作的项目“t d s c d m a 系统中下行增强技术的研 究”，本文主要的研究内容和论文创新如下： 设计完成应用h s d p a 技术的t d s c d m a 系统级仿真平台 设计并完成了应用h s d p a 的t d s c d m a 系统的系统级仿真平台。本人负责整个 平台流程的设计并承担了部分主要模块的设计和编码工作。 提出分区域快速d c a 算法 本文提出了分区域快速d c a 算法。算法被用于应用h s d p a 的t d s c d m a 系统， 其中热点地区上、下行时隙之比为1 ：5 ，非热点地区上、下行时隙之比为3 ：3 的，算 法用两个不同半径的圆将蜂窝小区划分为三个区域。系统利用智能天线为服务区中的终 端进行定位，位于蜂窝小区不同区域的用户根据其所处小区类型( 是否热点) 、业务类 型( 数据或语音) 将被分配在不同的时隙进行传输。其中。不同于在w c d m a 中h s d p a 业务使用系统中所有可能的功率，本算法中h s d p a 数据用户的功率也会被根据情况进 行设置。最后，本文对分区域快速d c a 算法进行了仿真。仿真结果说明分区域d c a 算 法能够有效降低t d s c d m a 系统中终端间与基站问的交叉时隙干扰，不但能够提高热 点地区h s d p a 用户的吞吐量，而且能够改善非热点地区语音业务的信道质量。 1 3 论文结构与内容安排 本论文共分为五章，各章结构安排如下： 第4 贝 北京邮电大学颂十研究生论文 第一章简单回顾了现代移动通信的发展历程，说明了论文所作的工作和论文结构。 第二章首先介绍t d s c d m a 系统的背景、关键技术，无线接口协议并对物理层做 了简要的介绍。然后介绍t d s c d m a 系统中h s d p a 技术，详细论述了h s d p a 中采用 的关键技术：a m c 、h a r q 和快速调度。 第三章介绍了t d d 系统中的d c a 技术，论述了快速d c a 和慢速d c a 的功能。 之后介绍了现有的d c a 算法，分析了它们的算法的缺陷，在此基础上提出本文的创新 点分区域快速d c a 算法。最后介绍了算法的应用场景，对算法进行了详细的描述。 第四章介绍了仿真系统建模所采用的仿真技术和工具，说明了仿真系统的流程。在 仿真平台的基础上仿真研究了在整个服务区基站上、下行时隙分配为1 ：5 和2 ：4 的情 况下h s d p a 业务的吞吐量等关键数据。与此同时，仿真分析了分区域快速d c a 算法 的性能。 最后一章总结了论文所做的工作，简要分析讨论了应用h s d p a 关键技术后对原有 t d s c d m a 系统的影响，探讨了分区域d c a 算法进一步的研究工作方向。 第5 页 北京邮电人学硕士研究生论文 第2 章应用h s d p a 的t d s c d m a 系统介绍 2 1t d s c d m a 系统介绍 t d s c d m a 作为中国提出的第三代移动通信标准，自1 9 9 8 年正式向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、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 t a 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 系统主要参数如下表所示： 表2 - 1t d s c d m a 系统主要参数 双工方式t d d 基本带宽1 6 m h z ( 滚降因子为0 2 2 ) 码片速率 1 - 2 8 m c h i p s 无线帧长1 0 m s ( 每个1 0 m s 帧长被分割为两个5 m s 子帧) 闭环功控0 2 0 0 h z 检测方式联合检测 编码方式卷积码、t u r b o 码 2 1 1t d s c d m a 中的关键技术 我国t d s c d m a 标准的实现大体上分两步走：第1 步在物理层采用t d - s c d m a 技术，而二、三层原则上尽量采用原有g s m 系统的上层协议，作相应修改和补充，保 持与g s m 高度兼容，满足最高速率为3 8 4 k b i t s 的数据传输需要，此阶段为第2 5 代移 动通信系统。第2 步则在物理层全面采用t d 。s c d m a 技术，二、三层控制协议采用3 g p p 的上层协议，与3 g p p 标准融合，真正实现i m t - 2 0 0 0 所要求的全部功能，最高数据传 输率可达2 m b i 帕，即第3 代移动通信系统的要求。 在系统应用方面，t d s c d m a 系统遵循r r u 第3 代移动通信系统的各项要求，相 第6 贞 北京邮电大学硕上研究生论文 对于第2 代移动通信系统而言，不仅容量和频谱利用率方面有极大的改进，在多媒体业 务的提供方面，除了传统的语音业务之外，还能提供基于分组的数据业务。另外，在操 作的灵活性方面，t d s c d m a 也可向下完全兼容g s m 网。 下面将介绍t d s c d m a 系统中采用的关键技术1 1 l 巾l 。 2 1 1 1 智能天线 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。智能天线采用双向披束 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。 智能天线的布阵方式一般有直线阵、圆阵和平面阵，阵元间距1 2 波长( 若阵元间 距过大会使接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，故一般 取半波长) 。智能天线采用数字信号处理技术判断用户信号到达方向( 即d o a 估计) ， 并在此方向形成天线主波束，根据用户信号的不同空间传输方向提供不同的信道，等同 于有线传输时的线缆，从而可以有效的抑制干扰。 智能天线引入第四种多址方式：空分多址( s d m a ) 。即在相同时隙、相同频率或 相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的中间传播路径而区分。s d m a 是一种信 道增容方式，与其他多址方式完全兼容，从而可实现组合的多址方式，例如空分一码分 多址( s d - c d m a ) 。 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。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， 利用电磁波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图，使用d s p 方法使主瓣自适应 地指向移动台方向，就可达到提高信号的载干比，降低发射功率等目的。智能天线的上 述性能允许更为密集的频率复用，使频谱效率得以显著地提高。 在t d s c d m a 系统中采用智能天线和波束赋形技术，能够在多个方面大大改善通 第7 页 北京邮电人学硕士研究生论文 信系统的性能： 提高了基站接收机的灵敏度 提高了基站发射机的等效发射功率 降低了系统的干扰 增加了c d m a 系统的容量 改进了小区的覆盖 降低了无线基站的成本 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 。天线增益的提高也能够降低高频功率放大器( h i g hp o w e r a m p l i f i e r s ，h p a ) 的线性输出功率。因为h p a 的费用占收发信机成本的主要部分。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。 采用智能天线，t d s c d m a 网络规划具有更大的灵活性。由于实际通信系统中的 负荷流量经常是不均匀的，经常会出现“热点”地区，而不均衡的流量意味着系统的容 量未得到充分的利用。负荷平衡将根据网络流量的需求，平衡每个小区或扇区的流量负 荷。这时可利用智能天线的动念波束进行负荷平衡。比较可行的方式是采用预多波束智 能天线，采用动态扇区调节和波束负荷两种方式进行负荷负担。动态扇区调节方式通过 调节波束的方向和波宽来调节分布扇区的大小和位置，从而平衡负荷程度。波束负荷方 式则通过将一些窄波束定向到“热点”地区来平衡网络流量负荷。通过负荷平衡，可以 大大降低负荷水平同时提高网络的通信能力。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 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， 第8 贞 北京邮电大学硕l - 研究生论文 降低了码间干扰。这样，系统的容量由于码问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。 相对于其他c d m a 系统来说，t d s c d m a 系统对上行同步定时的要求尤其严格， 不同用户的数据都要以基站的时间为基准，上行链路各终端信号要在基站解调器处完全 同步。t d s c d m a 系统使用同步偏移符号来进行时序调整，调整步长为1 8 码片( c h i p ) 。 采用上行同步后，克服了异步c d m a 由于每个移动台发射的信号到达基站的时间 不同而造成的多址干扰，能够大大提高c d m a 系统容量和频谱利用率，同时简化硬件， 降低成本。 2 1 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。联洽检 测技术把同一时隙中多个用户的信号及多径信号一起处理，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 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 c c 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。 d c a 算法又分为慢速d c a 和快速d c a ，慢速d c a 将无线信道分配至小区，而快 速d c a 将信道分至业务。r n c 管理小区的可用资源，并将其动态分配给用户，具体的 第9 页 北京邮电人学硕1 ：研究生论文 分配方式就取决于系统负荷、业务o o s 要求等参数。因此，d c a 算法有很多种。目前 使用最多的是基于干扰测量的d c a 算法，这种算法根据移动台反馈的实时干扰测量结 果分配信道。 好的d c a 算法可提高频带的利用率，并可自适应地减轻系统负荷，同时也省去了 网络规划中信道规划与分配的环节。但是，如果采用的d c a 算法与实际情况不符，则 会适得其反。 2 1 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。 在t d s c d m a 系统中，d s p ( 数字信号处理技术) 将取代常规模式下，完成众多 原本通过r f 、基带模拟电路和a s i c 实现的无线传输功能。这些功能主要包括智能r f 波束赋形、板内r f 校正、载波恢复以及定时调整等。 2 1 2t d s c d m a 无线接口结构介绍 t d s c d m a 无线接口协议的作用是建立、重新配簧和释放无线承载业务，它分为 以下几个层次： 网络层( n e t w o r kl a y e r ，l 3 ) 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ，l 2 ) 物理层( p h y s i c a ll a y e r ，l 1 ) 其中第二层又分为以下几个子层：m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ，媒体接入控制) 层、r l c ( r a d i ol i n kc o n t r o l ，无线链路控制) 层、p d c p ( p a c k e td a t ac o n v e r g e n c ep r o t o c o l ， 分组数据汇聚协议) 层和b m c ( b r o a d c a s t b l u l t i c a s tc o n t r o l ，广播多播控制协议) 层。 l 3 和r l c 层分为两个平面：控制平面( c ) 和用户平面( u ) ，p d c p 和b m c 只 存在于用户平面。在控制平面，l 3 分为多个子层，其中最低的子层是r r c ( r a d i or e s o u r c e c o n t r o l ，无线资源控制) 子层，它与l 2 进行交互并且终止于u t r a n 。其它子层虽然 属于接入层面，但是终止于c n ，因此不做介绍。 在用户平面，l 2 提供给高层的业务称为无线承载( r b ，r a d i ob e a r e r ) ；在控制平 面，r l c 提供给r r c 的无线承载称为信令无线承载( s r b ，s i g n a l i n g r a d i ob e a r e 0 。 第1 0 虹 北京邮电大学硕士研究生论文 空口接口协议结构如下图所示( 图中只包括了在u t r a n 中可见的协议) ： 图2 - 1t d - s c d m a 无线接口协议结构 在上图中，每一个方形代表一个协议实体，椭圆表示s a p ( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ， 服务接入点) 。协议实体间的通信通过s a p 进行。 物理层通过传输信道( t r c h ，t r a n s p o r tc h a n n e l ) 向m a c 层提供服务，传输数据 的类型及特征决定了传输信道的特征。m a c 层通过逻辑信道( l o g i c a lc h a n n e l ) 向r l c 层提供服务。 m a c 层主要完成数据传输、重新分配无线资源和m a c 层参数以及向r r c 发送测 量报告。 r l c 层存在三种工作模式，a m ( a c k n o w