（微电子学与固体电子学专业论文）适应非对称传输的双工技术研究.pdf

适应非对称传输的双工技术研究 摘要 随着通信技术的不断发展，移动通信的业务种类日益丰富，高速 数据业务在未来移动通信系统中占有越来越大的比重，而高速数据业 务具有上下行传输速率不对称的显著特点。不仅如此，随着数据传输 速率的提高，所需的发射功率也相应提高，对人类和环境的影响也越 来越大。研究表明：在电磁辐射限制下，上行链路的传输速率容易受 限，而下行链路的传输速率存在较大裕量，下行链路的传输速率可以 远大于上行链路。 双工技术决定了通信系统上下行资源的分配，所以研究适应非对 称传输的双工技术具有非常重要的意义。频分双工( f d d ) 和时分双 工( t d d ) 是现代移动通信系统的两大双工方式。f d d 系统通过上下 行链路使用两个不同的频段来实现上下行之间的通信，保持信道的正 交性；而t d d 系统的上下行链路使用同一个频段，通过不同的时隙来 区分上下行，可以通过动态调整上下行时隙数目来调整上下行资源的 分配，但存在严重的交叉时隙干扰。 为了适应未来移动通信中的非对称特性，本课题主要研究适应非 对称传输的f d d 双工技术，设计了一种新型的非对称频分双工a f d d ( a s y m m e t r i cf r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ) ，它可以根据每个小区实际业 务情况，动态调整小区中的使用频点。这种情况下，配对使用的上、 下行频点之间的频率间隔也动态变化，有可能会出现配对使用的一对 频点由于频率间隔太小而造成上下行之间强烈干扰的情况。 针对这种情况，本文设计了一种双工频率动态映射下的频率对匹 配方案，可以实现较灵活的频率对匹配，提供更多的满足隔离要求的 双工频率对，能够更好地满足未来移动通信系统业务多样化、呈现非 对称特性的需求。同时，本文又对双工频率动态映射的a f d d 系统进 行了动态频率对匹配建模和其性能分析，从分析可以看出，a f d d 相 比传统的对称型f d d 系统具有明显的优越性，能够提高频谱利用率， 降低新接入用户的阻塞率，增强系统鲁棒性。 关键词：非对称传输双工技术动态频率映射双工频率对电磁辐射 i i r e s e a r c ho nd u p l e xt e c h n i q u e a d a p t e d t oa s y 瓜皿! t i u ct r a n s m i s s l 0 n a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , ag r e a t e ra n d g r e a t e rv a r i e t yo f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns e r v i c e st u r nu p ，a n dt h eh i g hd a t e r a t et r a f f i c sp l a ym o r ea n dm o r ei m p o r t a n tp a r ti nf u t u r ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，w h i c hh a v es t r o n ga s y m m e t r i cc h a r a c t e r i s t i cb e t w e e nt h eu p l i n k ( e r e ) a n dd o w n l i n k ( d l ) d a t ar a t e f u r t h e r m o r e ，w i t hi n c r e a s eo fd a t ar a t e ， t h et r a n s m i s s i o np o w e ri sa l s oe n h a n c e da n dt h ei m p a c to nh u m a na n d e n v i r o n m e n ti sg r o w i n g b yc a l c u l a t i o ni ts h o w st h a t ：u n d e rt h er e s t r i c t i o n o fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ，t h eu p l i n kt r a n s m i s s i o nr a t ei se a s i l yl i m i t e d ， w h i l et h ed o w n l i n kr a t eh a sm u c hm a r g i n ，w h i c hc a nb em u c hh i g h e rt h a n t h eu p l i n kt r a n s m i s s i o nr a t e d u p l e xt e c h n o l o g yi st h ew a yt oa c h i e v et h er e s o u r c ea l l o c a t i o n b e t w e e nu la n dd l e x i s t i n g d u p l e xs c h e m e s i n p r e s e n t m o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m si n c l u d ef r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n g ( f d d ) a n d t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g ( t d d ) i nf d d s c h e m e ，t h eu la n dd ls i g n a l sa r e t r a n s m i t t e du s i n gd i f f e r e n tf r e q u e n c yb a n d s ，w h i c ha l es e p a r a t e db yag u a r d b a n d m e a n w h i l e ，i nt d ds c h e m e ，t h eu la n dd ls i g n a l sa r et r a n s m i t t e d o v e rt h es a m ef r e q u e n c yb a n db u td i f f e r e n tt i m es l o t s t d ds c h e m eh a st h e a d v a n t a g eo ff l e x i b l ya d j u s t i n gu la n dd lb a n d w i d t hb ya l l o c a t i n g d i f f e r e n tn u m b e r so ft i m es l o t s y e t ，t h ec r o s s e dt i m e s l o ti n t e r f e r e n c e p r o b l e m i sv e r ys e v e r e t oa d a p tt ot h ea s y m m e t r i cc h a r a c t e r i s t i co ff u t u r ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，t h i sp a p e r h a sb e e n a n a l y z e d a n dr e s e a r c h e do nr e l a t i v e a s y m m e t r y - a d p t i v ef d dt e c h n i q u e an o v e la s y m m e t r i cf r e q u e n c yd i v i s i o n d u p l e x ( a f d d ) i sp r o p o s e d ，w h i c hc a nd y n a m i c a l l ya l l o c a t et h ef r e q u e n c y p o i n t su s ea c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls e r v i c ec i r c u m s t a n c e o nt h i sc o n d i t i o n ， t h ef r e q u e n c yd i s t a n c eb e t w e e nt h em a t c h e du la n dd lf r e q u e n c yp o i n t si s a l s od y n a m i c a l l yc h a n g i n g ，a n dp r o b a b l yi n t e r f e r e n c ee a c ho t h e rb e c a u s e i i i o fl o w f r e q u e n c yd i s t a n c e 1 h e r e i b r , t h i sp a p e rp r o p o s e sa d u p l e xf r e q u e n c y p a i rm a t c h i n g s c h e m eb a s e do nd y n a m i cf r e q u e n c ym a p p i n g ，w h i c hc a na c h i e v ef l e x i b l e r e q u e n c y 。p a i rm a t c h i n g ，a n dp r o v i d em u c hm o r ef r e q u e n c y p a i r sw h i c h a r em e tt h es e p a r a t i o nr e q u i r e m e n t i tc a nw e l lm e e tt h es e r v i c e d i v e r s i t y a n da s y m m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c s f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e sam o d e l o f 缸e q u e n c y 。p a i rd y n a m i c a l l ym a t c h i n g f r o mt h ea n a l y s i si tc a ns e et h a t ： c o m p a r e dw i t hf d ds y s t e m ，a f d dh a s g r e a ta d v a n t a g e s ，w h i c hc a n 1 m p r o y et h ef r e q u e n c yu s er a t i o ，d e c r e a s et h en e wu s e r s b l o c k p r o b a b i l i t v a n de n h a n c et h es y s t e mr o b u s t n e s s 一 k e yw o r d s a s y m m e t r i c t r a n s m i s s i o n ，d u p l e xt e c h n i q u e ，d y n a m i c f r e q u e n c ym a p p i n g ，e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n 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，本人承担一切相关责任。 本人签名：幽盔 日期：趔。主! 翌 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： 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论弟一早三百v 匕 1 1 移动通信系统的发展历程 从贝尔实验室提出蜂窝移动通信概念至今，现代移动通信已经经历了三代系 统的演进历程，正在逐步实现从第二代移动通信( 2 g ) 向第三代移动通信( 3 g ) 的演 进，关于未来移动通信( b 3 g 和4 g ) 技术的研究也已经兴起。 一、第一代移动通信系统 第一代移动通信系统出现于2 0 世纪8 0 年代初，主要采用的是模拟技术和频 分多址( f d m a ：f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ) 技术，以北美的a m p s 、英国 的t a c s 、北欧的n m t 等为典型代表。 它首次实现了真正意义上移动条件下的双向语音通信。但其也存在诸多的问 题，如：频率利用率低、能提供的业务种类有限、保密性差、移动设备成本高体 积大、网络管理控制能力有限等。另外，由于各个国家只在某些大城市实现了有 限的网络覆盖，因此也很难实现真正意义上的随时随地的通信。 二、第二代移动通信系统 在第一代模拟蜂窝移动通信发展的基础上，2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，第 二代移动通信技术相继提出。它以数字传输、时分多址或码分多址( c d m a ) 为 主体技术，制定了更加完善的呼叫处理和网络管理功能，克服了第一代系统的不 足之处，可与窄带综合业务数字网( n i s d n ) 相兼容，所以比起第一代移动通信 系统有着明显的优越性。 2 g 数字移动通信系统与第一代模拟通信系统相比，具有更高的频谱利用率， 有利于提高系统容量；能够提供多种业务服务，除了可以传送语音外，还可传送 数据业务，如传真和分组的数据业务等等，提高了通信系统的通用性；由于在数 字通信网络中无论语音、图像或是数据，其信息形式都是“二进制数字”，所以2 g 抗噪声，抗干扰和抗多径衰落的能力强；出现多个具有世界影响力的标准，制式 标准逐步统- - n 少数几个标准；多址接入技术包括t d m a 和c d m a ：传输采用电 路交换和分组交换；支持漫游功能；在c d m a 系统中引入话音激活和软切换的技 术；市场规模巨大，用户群落分布广泛，从低端到高端，覆盖用户群越来越大； 移动通信系统已经发展成为跨洲、跨国覆盖的广域网，服务质量非常高，系统结 北京邮电大学硕士研究生学位论文 构也越来越复杂【lj 。 2 g 系统主要有欧洲的g s m 和北美的c d m a o n e 以及日本的p d c ，其中g s m 和p d c 使用的是t d m a f d d 系统，c d m a o n e 使用的是c d m 们d d 系统。2 g 移 动通信系统真正意义上实现了最初的理想：无论何时何地均可实现便捷的通信。 随着人们生活水平的不断提高，人们对移动通信系统的需求也不断增长，已 不再局限于传统的语音通话，无线上网、彩信、音乐等数据传输开始逐渐显现出 其业务价值。在很多用户密度高的地方，2 g 系统已经出现了频率资源紧缺、数据 传输能力较低的问题。2 0 世纪9 0 年代中期，人们将目光转向第三代移动通信系统 ( 3 g ) 的研发。 需要说明的是，在2 g 移动通信系统向3 g 演进的过程中，还存在一些过渡型 的移动通信系统，如g p r s g s m 、e d g e 和i s 9 5 b 等，这些移动通信系统被称为 2 5 g 移动通信系统，目的是为了提高2 g 移动通信系统的数据传输能力。 三、第三代移动通信系统 随着用户的不断增长和数字通信的发展，第二代移动电话系统逐渐显示出它 的不足之处：频带太窄，不能提供多种宽带信息业务；未能实现真正的全球漫游。 而随着科学技术和通信业务的发展，需要的将是一个综合现有移动电话系统功能 和提供多种服务的综合业务系统，所以国际电联要求在2 0 0 0 年实现商用化的第三 代移动通信系统，即i m t - 2 0 0 0 。 第三代移动通信系统，是新一代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。它的一个突出特色就是，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间、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。可见，第三代移动通信 十分重视个人在通信系统中的自主因素，突出了个人在通信系统中的主要地位， 所以又叫未来个人通信系统。它的关键特性有 2 1 ： ( 1 ) 包含多种系统； ( 2 ) 世界范围设计的高度一致性； ( 3 ) i m t - 2 0 0 0 内业务与固定网络的兼容； ( 4 ) 可以实现高质量的图像、视频等的多媒体通信； ( 5 ) 世界范围内使用小型便携式终端。 在经过了一系列标准化进程后，第三代移动通信系统最后形成具有代表性的 四大标准：北美的c d m a 2 0 0 0 系统，欧洲的w c d m a 系统，中国的t d s c d m a 北京邮电大学硕士研究生学位论文 系统，以及后期新加入的w i m a x 系统。 第三代移动通信系统旨在实现宽带和多业务需求，要求不仅能提供高质量的 语音业务，而且能提供高速率的数据传输业务。根据i m t 2 0 0 0 的相关标准，第三 代移动通信系统的数据传输速率，在静止情况下能达到2 m b i t ，s ，在低速情况下达 到3 8 4 k b i t s ，在高速情况下达到1 4 4 k b i f f s 【3 1 。 总而言之，3 g 系统对2 g 系统的改进主要体现在三个方面： 无线接入技术大带宽系统； c d m a 技术引入了t d d 的双工方式； 核心网技术 核心网是3 g 发展的另外一个重要环节。3 g 核心网经历了电路交换加分组交 换，再到全i p 交换的演进过程。它的目标是使未来的3 g 系统能够更方便地使用 互联网的丰富的业务资源。 四、第四代移动通信系统 大约在2 0 0 0 年左右，研究人员的工作重点开始向第四代移动通信系统( 4 g ) 转移，也有人将其称为超三代( b e y o n d3 g ，b 3 g ) 。在欧盟的第六框架计划、日 本、韩国的总体科研规划中，4 g 的研发和标准化得到了高度重视。在我国，科技 部的8 6 3 项目和自然基金委员会都对4 g 给予了强有力的支持。 目前的研究成果表明4 g 的基本轮廓将是人们期望4 g 系统能在以下方面有更 大的突破，比3 g 系统有更大的提高： 支持全i p 的传输能力，以便与其它异构网络体系的联通 具有更高的传输能力。在2 0 m h z 的频宽上希望能够传输1 0 0 m b p s 以上的 业务 所有的业务都在一个传输平台中完成 4 g 系统提高无线传输能力主要依靠两种传输技术：正交频分多址技术 ( o f d m a ) 和多入多出空间技术( m i m o ) 。 o f d m 技术因为能有效地消除符号间干扰而受到人们的重视。o f d m 即正交 频分复用，是多载波调制技术的种，o f d m 技术通过子载波的动态分配而具有 均衡和抗干扰的能力。特别适合于高速无线数据传输。另外o f d m 是一种子载波 相互混叠的多载波调制技术，具有更高的频谱利用率。 另一项将在4 g 中获得广泛应用的技术是m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p m ) ，它能够利用无线环境中的多径现象，通过空域资源的复用或者空域分集 北京邮电大学硕上研究生学位论文 得到传输容量的极大提高。对于空间域资源的利用是4 g 系统与其它无线通信系统 的标志性差异。 可以肯定，未来4 g 系统所承载的信息总量将远远超过3 g 系统。在4 g 系统 中，需要关注的问题不仅是如何提高传输速率，还应包括如何对巨量信息的传输 进行管理、控制。高速、海量信息传输环境是一个复杂的信息处理系统，需要对 其中的每一个环节进行控制，才能使整个系统高效地运转，没有可靠的资源控制 技术，整个系统的资源很多消耗在相互干扰上，造成容量下降，或者阻塞率升高 或者掉话率升高，因此，4 g 系统中的无线资源管理将对系统性能有着重要影响h 】。 i 2 课题研究的背景和意义 从上一节移动通信发展历程中，可以看出：未来移动通信网络与计算机网络 的联系将越来越紧密，高速数据业务在未来移动通信系统中占有的比重将越来越 大。而高速数据业务具有这样的特点：( 1 ) 上下行链路传输的非对称特性。包括传 输总量的非对称特性，即上行的单向传输总量小于下行的单向传输总量，( 2 ) 上下 行的最大传输速率的非对称特性，上行链路的最大传输速率小于下行最大传输速 率，下行链路的速率变化范围大于上行，也就是说消费者对于下行的传输速率要 求越来越高。这就是由业务引起的上、下行链路信息传输的非对称特性，称之为 业务非对称( s e r v i c ea s y m m e t r i c ，s a ) 。 此外，从移动通信系统对人体产生的电磁辐射角度来看，未来移动通信系统 的上下行链路也呈现非对称特性。着眼于电磁辐射安全，无论是基站还是移动台 都不能任意增加发射功率。数据传输速率越高，对应的发射功率越大。假设上下 行使用基本相同的发射、接收技术来传输同样速率的业务，它们的发射功率可近 似认为相同，移动台距离人体较近，而基站距离人体一般都在五十米到几百米以 上，可以证明 5 1 移动台对人体的辐射比基站高很多，因此移动台对于使用高速率的 业务有更大的敏感性或限制，它对发射功率的要求比下行( 基站侧) 更加严格。 可见，在人体安全范围内，下行( 基站侧) 可以传送比移动台更高、而且是高得 多的信息速率，即下行可以有更大的速率变化范围，称这种非对称特性为电磁非 对称( e l e c t r o m a g n e t i ca s y m m e t r y ，e a ) 。 根据信息论，移动通信系统单向链路的业务承载能力与它能够使用的单载波 和总的载波频宽是成正比的。因此为了适应上下行链路的非对称特性，就需要根 据单向链路的业务承载情况，来设定上下行链路的资源分配，包括频率资源、时 北京邮电大学硕士研究生学位论文 隙资源、天线资源等。 而双工技术则是实现通信系统上下行资源分配的关键技术。频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) 是现代移动通信系统的两大双工方式【6 】。f d d 系统通过上下 行链路使用两个不同的频段来实现上下行之间的通信，保持信道的正交性；而t d d 系统的上下行链路使用同一个频段，通过不同的时隙来区分上下行，可以通过动 态调整时隙从而达到动态调整上下行资源的分配。 f d d 技术是最早引入无线通信系统的全双工技术方案，也是应用最为广泛、 最为成熟的双工方案。但是，f d d 系统不支持上下行的非对称传输，在未来移动 通信系统中下行链路的业务需求大于上行链路的情况下，势必会造成上行资源的 浪费。t d d 可以支持一定的上下行非对称特性，但对系统的同步特性要求非常高， 产生的交叉时隙干扰也难以克服。 目前针对未来移动通信的非对称传输特性，已经提出一些方案。文献 7 9 】中 提到的静态非对称f d d 是根据统计意义上的业务非对称特性，为上下行分配不同 的资源，一个上行频点对应一个下行频点，而且上下行频点之间的对应关系固定。 这种方法只是简单的为上下行分配不等的频率资源，并未考虑小区中业务的特点， 如有的小区主要以语音等对称性业务为主，有的小区以多媒体等非对称业务为主， 有的小区白天以语音等对称性业务为主，晚上以多媒体等非对称业务为主。因此 这种方案无法有效地适应瞬态非对称特性和对称特性。要么造成上行链路拥塞， 要么下行链路闲置，与未来移动通信系统追求的高效频率利用率背道而驰。 未来移动通信的业务种类更加丰富，上下行业务分布更加多样，如果仍然沿 用上下行固定分配的双工方式必然会造成资源不能被充分地利用。因此为了更好 地适应未来移动通信的发展方向，传输上下行不对称的业务以及上下行数据量不 断变化的业务，双工方式的改进研究必然得到更多的重视。 目前研究的热点是t d d 模式下研究非对称传输技术，t d d 非对称传输技术是 指时分双工系统中的上下行时隙切换点是可变的，可以根据业务的情况动态的调 整上下行时隙的分配。由于可变切换点会带来交叉时隙干扰，因此解决可变切换 点中的交叉时隙干扰问题成为t d d 非对称传输技术的关键。 本课题组依托国家自然科学基金项目“新型非对称频分双工传输技术的研 究，设计了一种新型的非对称频分双工方案a f d d ，它可以根据上、下行链路的 非对称特性灵活的分配上、下行资源。 。 本文主要针对新型的上下行非对称a f d d 系统，设计了一种双工频率动态映 射下的频率对匹配方案，可以实现较灵活的频率对匹配，提供更多的满足隔离要 北京邮电大学硕士研究生学位论文 求的双工频率对，能够更好地满足未来移动通信系统业务多样化、呈现非对称特 性的需求。本文同时也涉及或完成了以下两方面的内容：一、分析未来移动通信 系统非对称特性；二、对f d d 和t d d 双工方式进行了对比分析。 1 3 论文结构 本文第一章绪论主要介绍了移动通信系统的发展历程以及本课题的研究背 景，引出本文的研究重点一适应非对称传输的双工技术研究。第二章介绍了未来 移动通信系统的非对称特性，包含业务非对称和电磁非对称。第三章对f d d 和t d d 双工方式以及其他一些新型的双工方案进行一定的介绍和优缺点分析。第四章首 先介绍了本课题设计的a f d d 非对称传输技术，并针对a f d d 设计了一种双工频 率动态映射下的频率对匹配方案，并完成动态频率对匹配方案的建模和分析。第 五章对全文进行了概括性的总结，并给出了未来工作展望。 1 4 论文创新点 针对传统f d d 应用于非对称传输时频带资源浪费、频谱利用率低的问题，本 课题组设计了一种适应未来移动通信系统的新型自适应双工方案一非对称频分双 工a f d d ( a s y m m e t r i cf r e q u e n c yd u p l e xd i v i s i o n ) ，系统中的每个小区能够根据实 际业务情况，动态地选择使用不同数目的频点以供小区使用。 a f d d 系统中的上下行频率是动态匹配组成双工频率对，因此本文针对该新 型的非对称频分双工a f d d 系统，设计了一种双工频率动态映射下的频率对匹配 方案，可以实现较灵活的频率对匹配，提供更多的满足隔离要求的双工频率对， 能够更好地满足未来移动通信系统业务多样化、呈现非对称特性的需求。同时， 本文又对双工频率动态映射的a f d d 系统进行了动态频率对匹配建模和其性能分 析，从分析可以看出，a f d d 相比传统的对称型f d d 系统具有明显的优越性，能 够提高频谱利用率，降低新接入用户的阻塞率，增强系统鲁棒性。 本文中在设计动态双工频率对匹配方案时，将实际使用的两个上下行频点之 间的距离双工频点距离作为衡量上、下行频率是否有效隔离的标准，改变了 原有的以整个上行频带和下行频带之间的双工间隔为衡量标准，大大避免了频率 对在动态配对时，由于频率间隔太小而造成上下行之间强烈的干扰。 本文的研究依托于国家自然科学基金项目“新型非对称频分双工传输技术的研 究 ( 项目编号：6 0 5 7 2 1 2 3 ) 。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 5 本章小结 本章主要介绍了移动通信系统的发展历程以及本课题的研究背景。从贝尔实 验室提出蜂窝移动通信概念至今，现代移动通信已经经历了三代系统的演进历程。 从1 g 到2 g 、3 g ，再到4 g ，通信系统的频谱利用率不断提高，系统容量也不断增 大。同时，业务类型也趋于出多样化，不再是单一的语音通信，更多的是各种流 媒体业务和数据业务，占的比重也越来越大。这些业务的上下行明显呈现出非对 称特性，而且基本都是下行速率远大于上行速率。而双工技术则是实现通信系统 上下行资源分配的关键技术，因此研究适应非对称传输的双工技术对提高移动通 信系统的性能有着重要的意义。 参考文献 f 1 】陈南阳简述g s m 移动通信系统与移动电话性能测试 j 】移动通信，2 0 0 4 ，7 2 刘亚娇多业务蜂窝移动通信系统中切换技术的研究【d 】北京邮电大学硕士 论文，2 0 0 5 【3 】王卫东等第三代移动通信系统设计原理与规划 m 】电子工业出版社，2 0 0 7 【4 张英海自适应双工技术研究【d 】北京邮电大学博士学位论文，2 0 0 7 【5 】w a n gw e i - d o n g ，z h a n gy i n g h a i ，z h o uk a i j i e ，z h a n gh e n g ，r e s e a r c h o n a s y m m e t r i c c h a r a c t e r i s t i c so fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e mb a s e d o n e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n c p r o g r e s si ne l e c t r o m a g n e t i c sr e s e a r c hs y m p o s i u m 2 0 0 7 ，p r a g u e 6 】s a n g b o hy u n ，s e u n gy o u n gp a r k ，e ta 1 ，h y b r i dd i v i s i o nd u p l e xs y s t e mf o r n e x t g e n e r a t i o nc e l l u l a rs e r v i c e s j 】，i e e et r a n s a c t i o n so nv e h i c u l a rt e c h n o l o g y , v 0 1 5 6 ，n o 5 ，s e p t e m b e r2 0 0 7 ：3 0 3 4 - 3 0 5 9 7 】r i k k i n e nk ，w i l d e yc w c d m a s c e n a r i o sf o r2 5 g h zi m t - 2 0 0 0e x t e n s i o nb a n d s u p p o r t i n ga s y m m e t r i cf r e q u e n c ya l l o c a t i o n a 3 g m o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ，2 0 0 3 3 g2 0 0 3 4 t hi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e c 2 0 0 3 2 9 4 - 2 9 8 8 】s c h w a r zu ，r i k k i n e nk ，m u s z y n s k ip r a d i or e s o u r c em a r i a g e m e n ts o l u t i o nf o r w c d m af d ds y s t e mw i t ha s y m m e t r i cu l d lc a r r i e ra l l o c a t i o n a p e r s o n a l ， 北京邮电大学硕士研究生学位论文 i n d o o ra n dm o b i l er a d i oc o m m u n i c a t i o n s ，2 0 0 3 p i m r c2 0 0 3 14 t hi e e e p r o c e e d i n g s c 2 0 0 3 1 4 8 1 1 4 8 4 【9 3 g p p ，f e a s i b i l i t ys t u d yc o n s i d e r i n gt h ev i a b l ed e p l o y m e n to fu t r ai n a d d i t i o n a la n dd i v e r s es p e c t r u ma r r g e m e n t s s 3 g p p t r2 5 8 8 9v 6 0 0 8 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 1 引言 第二章未来移动通信系统的非对称特性 近年来，移动通信技术发展非常迅速，移动通信的业务种类也日益丰富，由 最初的单一语音业务发展到支持种类繁多的增值业务，如铃声下载、新闻浏览、 天气预报、视频点播等等。根据通用移动通信系统( u m t s ) 的业务前景分析【l 】， 未来频谱资源的需求将向两方面发展：中高速多媒体业务的上下行业务将具有非 对称特性，而其它低速业务流将保持对称的传统业务特性。移动通信的业务分布 日益呈现出上行链路和下行链路的不对称性，即下行链路的业务需求总量大于上 行链路。另外，由于基站的处理能力比手机强大得多，基站距离人体较远，可以 产生比手机更强的电磁辐射，也造成下行链路的平均传输速率大于上行链路的平 均传输速率。由此可见，未来移动通信系统的设计应当满足上下行链路非对称特 性的要求。 2 2 业务引起的非对称特性 业务非对称特性定义为在给定的时间里，下行链路传输速率和上行链路传输速 率大小相比悬殊。在瞬时时间内，所有的业务包括语音业务，都是非对称的。在 语音交谈中，通常某一时刻仅有一人在说话。甚至在视频会议时，某一时刻图像 仅涉及活动着的参与者。信息和文件传输在瞬时具有明显的非对称性。但从一个 业务过程的整个统计持续时间来看，传统语音体现出对称的特性，同样，视频会 议由于上下行业务量在整个会议时间内保持相同也体现出其与瞬时不同的非对称 特性。与之相比，文件传输等业务不论在瞬时还是在整个持续时间内，都将具有 非对称的特性。 业务按统计流量可分为对称型，上行单向型和下行单向型三种，其中上行单 向和下行单向都属于非对称业务。在这三种业务中，种类最多、速率变化范围最 大的是下行单向型业务。最典型的对称型业务是话音，上行单向型虽较对称型多， 但种类较少，主要有短消息、彩信、上载等，下行单向型种类繁多，有w w w 浏 览、视频点播、游戏下载、数据下载等等。表2 1 是通用移动通信系统( u m t s ) 的业务前景分析，从中可以看出，不同的业务有着不同的业务特征，其中高速交 北京邮电大学硕士研究生学位论文 互多媒体业务如视频电话、交换数据和语音都属于c s 域业务，即电路交换域业务， 它们均是对称型业务，非对称因子为1 1 ；而高速多媒体业和中速多媒体业务，如 手机电视、文件下载等业务，具体有显示的非对称需求特性，不仅统计时间内传 输总量非对称，而且是最高上下行传输速率也非对称，非对称因子达到0 0 0 5 1 ， 因此，业务带宽需求的非对称可达到2 0 4 0 0 0 。下行高速非对称业务将是移动通信 业务需求发展的一个重要方面【2 】。 表2 1u m t s 中描述的业务特性 业务类型业务速率非对称因有效持续业务带宽 u m t s k b i t s 子时间上行下行 交换模式 高速交互多媒体业务 1 2 81 11 4 4 2 5 6 2 5 6c s 高速多媒体业务 2 0 0 00 0 0 5 15 32 0 4 0 0 0p s 中速多媒体业务 3 8 40 0 2 6 11 42 0 7 6 8p s 交换数据 1 4 4 1 11 5 64 3 2 4 3 2c s 消息 1 4 41 1 3 02 8 8 2 8 8p s 语音 1 61 16 02 8 8 2 8 8c s 随着移动通信技术的发展和业务需求的增长，移动用户对高速移动业务的需 求日益增长，推动着移动通信技术向高移动性、高数据速率和高频谱效率的方向 发展。未来业务的发展趋势是数据将超过话音，数据业务量占整个业务量的比例 会越来越高，预测1 0 年内数据业务将占到9 0 甚至9 5 的比重；数据速率也会越 来越高，以满足移动多媒体业务的需要；移动速度也越来越高，以满足信息社会 三大基础结构之一一传输高度发展的需要。因此分析各种业务所需的带宽或比特 率，未来业务将有明显的业务速率高、上下行业务非对称性的特征。 这就是由业务引起的上、下行链路信息传输的非对称特性，我们称之为s a ( s e r v i c ea s y m m e t r y ) 。 2 3 电磁辐射引起的非对称特性 移动通信系统的移动终端是一个小型的收发信机，它的显著特点是距离人体 的距离很近，一般在几厘米至几十厘米，同时移动台还会对其附近的人群造成影 响。相比之下，基站距人体的距离一般则在几十米至几千米。所以移动台的电磁 辐射影响比基站大得多。尽管可以通过一些特殊技术处理，减少移动台对使用者 本身的影响，但是无法降低对移动台周围的其他人的电磁影响。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 下面分别计算来自基站和移动台对人体的辐射功率1 3 1 。 ( 1 ) 基站对人体辐射功率 由于基站和人体的距离一般比较大，在假设理想视距传播环境的前提下，可 以用自由空间传播模型计算。设基站与人体的距离为d ，则该处基站对人体的辐射 功率为： e = 坐孳( 2 - 1 ) 4 7 a d 。2 其中，彳。是有效面积，而g ，是传输天线增益，为基站发射功率。 这种情况下，由于电磁波经过人体后功率会减小几十d b ，即透射过人体的电 磁波功率远小于透射前功率。因此，这里可将基站对人体的辐射功率即视为人体 吸收到的电磁辐射功率。 ( 2 ) 移动台对人体辐射功率 由于移动台与人体的距离很近，属于感应场，计算复杂，传统的传播模型不 适用，这里引入天线传播效率的概念【4 】【5 1 。 忽略手机本身的热损耗，天线总的发射功率： = + e ( 2 - 2 ) 其中是天线辐射到远处的功率，c 是人体吸收的功率。 天线传播效率露定义为： r = 詈1 0 0 ( 2 - 3 ) 所以移动台对人体的辐射功率为： e = ( 1 7 7 ) ( 2 - 4 ) 衡量电磁辐射对人体影响的指标有很多，其中s a r 是最基本的量，为计量学 分析和各国卫生标准所广泛应用。s a r 是指暴露在电磁场中的生物体内单位质量 吸收的功率。其计算公式为： s a r = 旦ie12(2-5) 2 p 。 。 式中。为组织电导率，p 为组织密度，e 是测量的组织中的电场强度。 下面分别计算基站和移动台对人体辐射s a r 。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 基站对人体辐射s a r 由于基站和人体的距离较远，对人体各个部位的辐射可以认为是基本相同的， 因此基站对人体辐射s a r ，可以用下面的式子计算： s a = 面l r , d l ( 2 6 ) 式中e 讲为基站对人体的辐射功率，计算公式如式( 2 - 1 ) 所示；m 6 为吸收辐 射的人体质量。因此 溉= 瓦) r , d l = 器 ， 基站发射功率可以表示为：e = e 6 d r o d ，其中尺是电磁辐射约束条件 下，下行链路的最大可传输速率，硝是下行链路每比特发送能量。因此 s a r m 。x = 眠= 商p rd i = 器= 筹 p 8 ， ( 2 ) 移动台对人体辐射s a r 移动台对人体辐射与基站对人体辐射不一样，移动台对人体辐射属于近场辐 射，辐射场强度随距离的增大衰减非常大，人体对电磁辐射的吸收主要集中在靠 近终端的人体器官。本文中主要考虑两种移动台使用模式： a ) 移动台置于耳侧，对应于一般通话状态，移动台对人体的电磁辐射主要集 中在头部； b ) 移动台与人眼高度基本一致，距离5 0 c m ，对应于视频点播、在线游戏等高 速下行业务，此时移动台对人体的电磁辐射主要集中在部分胸部和头部。 为计算简单起见，假设移动台对人体的电磁辐射在我们所研究的人体器官中 是均匀分布的，所以移动台对人体辐射s a r 计算公式如下： s a r 私，= 瓦1 。r , u l ( 2 9 ) 式中e 川为移动台对人体的辐射功率，可以用公式( 2 4 ) 计算；m j l 为吸收辐 射的人体器官质量。因此 毗，= 可p r , u l = 掣 ( 2 一l o ) 北京邮电大学硕士研究生学位论文 移动台发射功率可以表示为：c = e b r o 缸，其中r o u 是电磁辐射约束条 件下，上行链路的最大可传输速率，历_ 是上行链路每比特发送能量。因此 溉舣= 溉，= 瓮= 掣= 半 ( 2 1 1 ) 由( 2 - 8 ) 和( 2 - 1 1 ) 式，可以得出单用户的下行与上行链路最大传输速率之比为 r o d 一4 n d 2 m 6 e b ( 1 一刁) 一：= = - - - 二二- - - - - - - - - - - - -