（交通信息工程及控制专业论文）TDSCDMA+HSDPA系统分组调度算法的研究.pdf

摘要 随着移动通信技术的飞速发展，移动用户数急剧增加，通信系统容量不断加大， 所支持的业务类型除了传统的语音业务外，还包括低高速数据、图像等数据业务。 为了满足用户对于高速率数据业务的要求，3 g p p 在r 5 版本中引入一个高速下行分组 接入( h s d p a ) 技术。h s d p a 的目标是为了增加峰值传输速率，改善服务质量，提高下行 分组业务的频谱利用率。基于数据业务的调度策略是h s d p a 业务的主要保障，设备需 要根据端到端业务质量的要求，考虑业务的优先级和时延要求的情况下兼顾公平性原 则，尽量使小区的吞吐量最大化。 本文介绍了h s d p a 的关键技术，探讨了实际t d - s c d m a 系统的特点，并在此基础 上具体深入的阐述h s d p a 的技术实现过程，重点研究了h s d p a 无线通信系统中的分组 调度算法。首先，对能够适用于h s d p a 通信系统的典型分组调度算法进行了比较，分 析了正比公平算法和其他调度算法在提高系统吞吐量和提供公平性服务方面的性能 差异，进而得出结论：正比公平算法是提高系统吞吐量和保证公平性的折衷算法。针 对算法本身没有考虑不同用户的q o s 要求和用户上报的c q i 未包含可获得的传输速率 信息的不足做出了改进，提出将不同用户的q o s 要求加入算法设计中，并对用户的传 输速率进行修正。最后，对算法的结论进行了链路级的仿真验证。得出了c q i 修正方 法的步长和时间滑窗大小的建议取值，对t d - s c d m ah s d p a 网络优化具有重要的参考 价值。 关键词：t d - s c d m a ，h s d p a ，分组调度，正比公平算法 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m o b i l eu s e r sa l e i n c r e a s e i n gd r a m a t i c a l l y c o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a p a c i t yi sa l s oi n c r e a s i n g b e s i d e st h e t r a d i t i o n a ls p e e c hs e r v i c e ，t h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a i o t ns y s t e mc a z la l s op r o v i d eo t h e r s e r v i c e s ，s u c ha sl o w h i g hr a t ed a t a , v i d e oe t c i no r d e rt os a t i f yt h ei n c r e a s i n gd e m a n do n t h eh i g hd a t ar a t e s ，t h e3 g p pi n t r o d u c e san e wf e a t u r ei nt h er e l e a s e5s p e c i f i c 撕。璐 d e n o m i n a t e d 琢g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ( i - s d p a ) t e c h n o l o g y t h et a r g e to ft h e h s d p ac o n c e p ti st oi n c r e a s et h ep e a kd a t ar a t e s ，i m p r o v et h eq u a l i t yo fs e r v i c e ，a n d e n h a n c et h es p e c t r a le f f i c i e n c yf o rd o w n l i n kp a c k e tt r a 伍c s c h e d u l i n gp o l i c yb a s e do nd a t a s e r v i c e sp l a y sak e yr o l eo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h eh s d p a c o n s i d e r i n gt h ep r i o r i t ya n dd e l a y r e q u i r e m e n to fs e r v i c e ，p a c k e ts c h e d u l e rc o n c e n t r a t e so nt h et r a d e o f fb e t w e e nt h ec e l l t h r o u g h p u ta n du s e rf a i r n e s s i nt h i sp a p e r , t h ek e yt e c h n o l o g i e so fh s d p a 剐呛i n t r o d u c e d ，t h ec h a l a e t e r i s t i c so f t d - s c d m as y s t e ma l ed i s c u s s e d , a n dt h et e c h n o l o g yr e a l i z i n gp r o c e s s i n gi se x p a t i a t e d ， t h e nt h ep a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa les t u d i e d f i r s to fa l l ，t h et y p i c a lp a c k e ts c h e d u l i n g a l g o r i t h m sf o rh s d p as y s t e mi sd i s c u s s e d c o m p a r e dw i t ht h eo t h e ra l g o r i t h m si nt e r m so f s y s t e mt h r o u g h p u ta n df a i r n e s s ，t h ep r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l i n g ( p f s ) a l g o r i t h mc a l lb e c o n s i d e r e da sat r a d e o f fm e t h o db e t w e e ns y s t e mt h r o u g h p u ta n df a i r n e s s t h e n , a c c o r d i n g t ot h es h o r t c o m i n gf o rt r a d i t i o n a lp f s ，w h i c hq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n t so f d i f f e r e n tu s e r sa l en o tc o n s i d e r e da n da c q u i r e dt r a n s m i s s i o nr a t ei sn o ti n c l u d e di n s u b m i t t e dc h a n n e lq 诚i t yi n d i e t o r ( c q i ) b yu s e r s ，an e wa l g o r i t h mt h a td i f f e r e n tq o s r e q u i r e m e n t sa l et a k e ni n t oa c c o u n ti sp r o p o s e d ，a n dt r a n s m i s s i o nr a t ei sm o d i f i e d f i n a l l y , t h ec o n c l u s i o no fa l g o r i t h mi sp r o v e db yal i n k l e v e ls i m u l a t i o n t h es u g g e s t i v ev a l u ei s g i v e na b o u tt h es t e po fc q ia m e n d m e n ta n dt h es i z eo ft i m es l i d i n gw i n d o w s ，w h i c hh a s i m p o r t a n tp r e f e r e n c et oo p t i m i z a t i o no ft d s c d m ah s d p as y s t e m k e yw o r d s ：t d - s c d m a ，h s d p a ，p a c k e ts c h e d u l i n g ，p r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l i n g a l g o r i t h m n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：毒音2 b 年6 月弘日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等 权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或 成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 鸯 删 年莎月日 导师签名：h 扩 刎年占月芗日 长安大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 从贝尔实验室发明蜂窝移动通信概念至今，现代移动通信己经由第一代移动通信 系统发展到了第三代移动通信系统。第一代移动通信系统是采用f d m a 方式的模拟 蜂窝系统，以北美的a m p s ，英国的t a c s 和北欧的n m t 等为典型代表。自2 0 世纪 8 0 年代中期开始，欧洲、美国和日本相继推出了各自的数字移动通信系统，统称为第 二代移动通信系统。目前正在全世界进行营运的主要是第二代移动通信的g s m 系统 和窄带c d m a 系统。 由于人们对高速数据业务和多媒体业务的需求及第二代移动通信系统所固有的局 限性，促使了第三代移动通信的出现。同时，鉴于全世界第二代移动通信体制和标准 不尽相同，以及第二代与第三代将在今后较长的时间内共存，国际电信联盟( r r u ) 提出了“i m t - 2 0 0 0 家族”的概念。i m t - 2 0 0 0 是玎u 在1 9 8 5 年提出的工作在2 0 0 0 m h z 频段的第三代移动通信系统，当时称为陆地移动通信系统，即：f p l m t s 。1 9 9 6 年正 式更名为i m t - 2 0 0 0 。 - 一种技术能够很好地满足市场需求，并具有良好的质量保证，才会体现出技术的意 p 一。， 义。3 g 系统被设计为能够很好地支持大量的不同业务，并且能够方便地引入新的业 务。各种不同的业务分别具有不同的业务特性，并且需要不同的带宽来承载。从话音 到动态视频，所需的带宽差别很大，从图1 1 中可以看出3 g 所支持的从窄带到宽带 的不同业务的带宽范围【l 】。 l m 眺2 眺比特率 图1 13 g 能够提供的业务及所需带宽 第一章绪论 另外，对于不同的通信业务其性能要求也是不同的，如语音、视频需要具有较好 的实时性和连续性，但对数据并不要求具有太高的可靠性；而电子邮件、网上下载等 则对时延并不是非常敏感，但要有高的数据可靠性，也就是说，对不同业务的实时性 和服务质量的要求差别很大。另外，大量业务还需要上厂f 行不对称的服务，如浏览 网页、下载音乐等。所有这些3 g 系统都能够很好地予以满足。 i r r u 明确提出了第三代( 3 g ) 移动通信系统的主要目标，即实现1 1 r 网络全球化、 业务综合化和通信个人化。具体包括： ( 1 ) 全球漫游，用户能够以低成本的多模式终端在整个系统和全球漫游。 ( 2 ) 适应于多种环境，i m t - 2 0 0 0 应该适应于多层小区结构，如微微小区、微小 区、宏小区等，同时将地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起。 ( 3 ) 提供多种业务，如高质量话音、可变速率的的数据、高分辨率的图像和多 媒体业务等。 ( 4 ) 具有较高的频谱利用率和较大的系统容量，为此，系统需要拥有强大的多 种用户管理能力、高保密性能和服务质量。 ( 5 ) 在全球范围内，系统设计必须保持高度一致，在i m t - 2 0 0 0 家族内部，以及 i m t - 2 0 0 0 与固定通信网络之间的业务要相互兼容。 ( 6 ) 具有较好的经济性能，即网络投资费用，包括网络建设费、系统设备费和 用户终端费要尽可能地低，并且终端设备应体积小、耗电省，满足通信个人化的要求。 为了实现上述目标，对i m t - 2 0 0 0 的无线传输技术提出了以下要求： ( 1 ) 为支持高速率数据和多媒体业务，在各种条件下所应支持的业务速率： 室内环境至少2 m b p s ； 室外步行环境至少3 8 4 k b p s ； 室外车载运动中至少1 4 4 k b p s 。 ( 2 ) 传输速率能够按需分配。 ( 3 ) 上下行链路适应于传输不对称业务的需要。 ( 4 ) 第三代移动通信应能够后向兼容第二代移动通信系统，实现2 g 到3 g 的平 滑过渡。 目前全球移动通信用户数已经达到1 1 3 亿，今年的增长速度为1 9 5 ，新增用户 约1 8 4 亿。即使在近几年网络泡沫比较严重的时期，移动通信仍然是各个行业中的亮 ， 长安大学硕士学位论文 点，它已经进入一个新的阶段，这就是人们普遍关注的第三代移动通信。早在1 9 8 5 年，国际电联( u ) 就提出了第三代( 3 g ) 移动通信的概念，许多国家和地区的著 名电信设备制造商先后提出了十多种空中接口建议。经过充分协商和融合，最后形成 了三大主流标准，即欧洲提出的w c d m a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的 t d s c d m a l 弱j 。 在建设和发展第一代和第二代移动通信时，由于我国在技术方面处于被动地位而 错失良好时机，大多数厂家主要依靠组装国外产品来支持市场。中国作为一个移动通 信市场大国和经济快速崛起的国家，不能永远处于技术跟踪和模仿的位置，我们抓住 第三代移动通信发展的有利时机，向国际电联提交了自己的的第三代移动通信无线接 口标准书s c d m a 。它已被国际电联接收，并作为c d m a t d d 模式的一部分被 写入国际规范，这是中国通信史上一次重大的突破，也是中国移动通信领域发展的一 个重要里程碑。 ， t d - s c d m a 采用了同步c d m a 、智能天线、软件无线电、低码片速率、接力切 换和联合检测等一系列高新技术，未来中国的第三代移动通信大约有1 万亿元的市场， 由于我们有了自己的t d s c d m a 标准及核心技术，使我们在使用自己的标准时处于 和国际上发达国家平起平坐的地位，同时，制造商和运营商均取得更为明显的经济利 益，最终用户也可能大大降低通信费用支出。国际标准之争不仅是技术之争，而且也 是经济实力的竞争。t d - s c d m a 能成为3 g 国际标准，说明我国在改革开放2 0 来年， 经济实力已明显增强，具有了参与核心技术竞争的实力。 1 2 立题的意义 3 g p p 中确定了高速下行分组接入技术( n 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 i a ) 演进的三个阶段，其中第三阶段还未最终确定，仍在3 g p p 内进行研究。 第一阶段：基本h s d p a 在3 g p pr 5 版本中进行了说明，引进一些新的基础特性 以获得1 4 4 m b i t s 峰值数据速率。这些特性包括：由控制信道支持的高速下行共享信 道( h i g hs p e e dd o w n l i n ks h a r ec h a n n e l ，h s d s c h ) 、自适应调制和编码方式( 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 。a m c ) 、混合自动重传请求技术( h y b r i da u t o m a t i c - r e p e a t - r e q u e s t ，h a r q ) 、n o d eb 的共享媒体高速访问控制眦c h s ) 。 第二阶段：增强h s d p a 在3 g p pr 6 版本中进行了说明，将引入天线阵列处理技 3 第一章绪论 术以提高峰值数据速率至3 0 m b i t s 。 第三阶段：h s d p a 进一步演进，将引进新型空中接口，增加平均比特率。o f d m 技术( 每用户设备选择子载波传输) 和6 4 q a m 调制的引入将使峰值速率达5 0 m 以上。 本文的研究基于第一阶段基本的h s d p a 。 3 g p p 在r 5 引入了h s d p a 技术，使用h s - d s c h 传输数据。与d c h 、d s c h 不 同的是，h s d p a 采用了a m c 与h a r q 技术，分组调度由位于n o d eb 的m a c - k s 实体完成，因此可以提高数据传输的峰值速率，降低错误分组的重传时延，从而可改 善系统性能，进一步提高资源利用率。 目前人们对第二、第三阶段的h s d p a 研究的比较多，鲜有关于基本h s d p a 技 术的进一步研究。对于基本h s d p a 的分组调度算法在t d s c d m a 系统中的应用优 化问题的研究就更是关注甚少。 1 3 本论文主要研究的内容 分组调度是h s d p a 的重要组成部分，负责分组业务传输块的调度和管理，对于 网络性能有重要影响。对于调度算法有两个重要的设计参数：一个是吞吐量，另一个 是公平性。调度算法是数据业务系统的一个特色，目的是充分利用信道的时变特性， 得到多用户分集增益，提高系统的吞吐量。吞吐量一般用小区单位时间内传输的数据 量来衡量：公平性指小区所有用户是否都获得一定的服务机会，最公平的算法是所有 用户享有相同的服务机会。兼顾公平性原则尽量使小区的吞吐量最大化。在h s d p a 的分组调度技术上，当有多个分组业务流等待接受服务时，必须确定合理的服务规则， 安排流的服务顺序和服务时间，以满足各个业务流的q o s 要求，这就是分组调度所 要解决的基本问题。 本文详细介绍h s d p a 技术的原理，并在此基础上具体深入地阐述h s d p a 的技 术实现过程。同时，基于h s d p a 的实现引出关键问题分组调度算法。 在有关h s d p a 分组调度算法的研究与讨论中，涉及最多的是m a xc i 、r o u n d r o b i n ( i 汛) 和p r o p o r t i o n a lf a i r ( p f ) 算法。其中，m a xc i 可以获得最大的小区吞 吐量，但其服务公平性最差，覆盖范围小，处于小区边缘的用户可能长时间得不到调 度。r r 算法为用户分配相同的服务时间，却没有考虑不同用户之间的信道条件差异， 因此服务公平性较好，但小区吞吐量性能最差。p f 算法则可以在服务公平性和系统 4 长安大学硕士学位论文 吞吐量性能之间取得一定的折衷。 但是，正比公平算法存在缺点主要在于，算法本身没有考虑不同用户的q o s 要 求，能够获得的吞吐量性能相对较差；同时，用户上报的c q i 包含了传输块信息，但 未包含可获得的传输速率信息，进一步影响了用户调度优先权的计算。 本文主要研究在t d - s c d m a 系统中基于h s d p a 的快速分组调度算法，针对以 上正比公平算法的缺点，提出了自己的改进意见。并对算法的结论进行了链路级的仿 真验证，得出了c q i 修正方法的步长和时间滑窗大小的建议取值，对t d - s c d m a h s p d a 网络优化具有重要的参考价值。 5 第二章t d s c d m a 系统及其演进 第二章t d - s c d m a 系统及其演进 2 1t d - - s c d n a 系统概述 我们所介绍的t d - s c d m a 系统的网络结构，与标准化组织3 g p p 制订的通用移 动通信系统u m t s ( u n i v e r s a lm 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 ) 网络结构是一样的。 2 1 1t d - s c d m a 网络结构 t d s c d m a 网络结构采用和第二代移动通信网络类似的结构，分成许多逻辑网 络单元。这些逻辑网络单元的描述通常从功能和所归属的子网进行分组，而且随着网 络功能的增加，在网络单元中也应该增加相应的实体，以确保其功能的完成。无线接 入网和核心网功能尽量分离，即对相关无线资源的管理、调度等功能主要由无线接入 网来承担，而对于和业务及应用相关的、贴近用户的功能则由核心网执行。 从标准的角度出发，l i e 和地面无线接入网u t r a n m st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s n e t w o r k ) 采用全新的协议，其设计基于t d s c d m a 无线技术；而核心网c n ( c o r c n e t w o r k ) 采用g s m g p r s 第二代的定义。这样，能够实现网络的平滑过渡，保护已 有投资，在第三代移动通信系统应用初期实现全球漫游。 从功能上看，t d s c d m a 网络结构可以分成一些不同功能的子网( s u b n e t w o r k ) ， 主要包括核心网( c o r en e t w o r k ，c n ) 和无线接入网( r a d i oa c c e s sn e t w o r k ，蝌) 两部分 2 6 3 3 1 。核心网主要处理t d s c d m a 和w c d m a 网络的所有的话音呼叫、数据 连接和交换。以及与外部其它网络的连接和路由选择；无线接入网( 包括w c d m a 和t d s c d m a ) 完成所有与无线有关的功能。其结构如图2 1 所示。 6 长安大学硕士学位论文 c n h -一一h 1 r n sr n s u t r a n l u r r n c 。 l r n c l b夕憋 划划 恻剀 圈2 1t d _ s 姒网络结构 图中u t r a n 是3 g 网络中的无线接入网部分，u t r a n 由一组r n s ( r a d i o n e t w o r ks u b s y s t e m s ) 组成，通过i u 接口和核心网相连。每一个r n s 包括一个无线网 络控制器( r n c ) 和一个或多个n o d eb 。而n o d eb 可以处理一个或多个小区，通过 i u b 接口和r n c 相连进行通信，它可以是直接的物理连接，也可以通过合适的传输网 连接。这两个子网与用户终端设备( u s e re q u i p m e n t , u e ) - - 起构成了完整的第三代移动 通信系统1 2 s , 3 2 。其中无线网络控制器( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ，r n c ) 主要负责接入网 无线资源的管理，包括接纳控制、功率控制、负载控制、切换和包调度等方面，通过 r r c ( 无线资源管理) 协议执行的相应进程来完成这些功能。节点b ( n o d e b ) 主要功 能是进行空中接口的物理层处理，如信道交织和编码、速率匹配和扩频等等：同时它 也执行无线资源管理部分的内环功控。 如果从子网划分的角度来看，第三代移动通信系统包含若干既能自行工作，又能 和其他子网协调工作的子网f 3 】。t d s c d m a 近期组网是按照3 g p pr 4 版本，即r 4 网络支持c s ( c i r c u i ts w i t c h e d ) 和p s ( p a c k e ts w i t c h e d ) 的公用陆地移动网p l l v l n ( p u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k ) 的基本配置来实现的嘲。其结构如图2 2 所示。 从图中可以看出二代的b s s 和三代的r n s 的地位相同，c n 为了兼容b s s ，在 s g s n 上的g b 接口是和b s s 相连的。增加的媒体网关( c s m g w ) 使得c s 域的业 务数据流和信令数据流分离，在功能上使得整个c n 中c s 域的功能单元的分类更清 晰。 7 第二章1 d s c d m a 系统及其演进 图2 2 支持嚣和p s 业务的p l 麟网络的基本配置 ( 注：图中租线代表用户数据，虚线表示信令) 2 1 2t d - s c d b a 物理层帧结构 t d s c d m a 系统全面满足i m t - 2 0 0 0 的基本要求。t d s c d m a 的多址接入方案 是直接序列扩频码分多址( d s c d m a ) ，码片速率为1 2 8 m c p s ，扩频带宽约为1 6 m h z ， 采用不需配对频率的t d d ( 时分双工) 工作方式，它的下行( 前向链路) 和上行( 反 向链路) 的信息是在同一载频的不同时隙上进行传送的【4 ，5 ，1 2 1 。 t d s c d m a 的基本物理信道特性由频率、码和时隙决定。t d s c d m a 系统帧结 8 长i 女学碗学位论盅 构的设计考虑到对智能天线、上行同步等新技术的支持。一个t d m a 帧长为1 0 m s 分成两个5 m s 子帧。这两个子帧的结构完全相同，每一于帧又分成长度为6 7 5 u s 的7 个常规时隙和3 个特殊时隙。这三十特殊时隙分别为d w p t s ( 下行导频时隙) 、g p ( 保护时隙) 和u p p t s ( 上行导频时隙) 。在7 个常规时隙中，t s o 总是分配给下行 链路，而t s - 总是分配给上行链路。上行时隙和下行时隙之间由转换点分开，在 t d s c d m a 系统中，每个5 m s 的子帧有两个转换点( u l 到d l ，和d l 到u l ) 。通 过控制转换点可以实现上下行转换还可以灵活的配置上，下行时隙的个数，使 t d s c d m a 适用于上厂f 行对称及非对称的业务模式i 琊”。其帧结构如图2 3 所示。 无线桢( 1 0 m s 帧# l帧# * l 子帧( s i n s 6 4 0 0 c h i p l | 、一| 。 子帧# 2 i 子桢# 2 i + 1 d w p t sgu 口p t s ( 7 5 u s j( 7 5 u s )( 1 2 5 u s ) t s 转换点 ( 6 7 5 u s ) 围23t d - s c 眦的帧结构 信道的信息速率与符号速率有关，符号速摩由】2 8 m e p s 的码速率和扩频因子所 决定，上下行的扩频因子在l 到1 6 之间，因此各自调制符号速率的变化范围为8 00 k 符号，秒1 2 8 m 符号秒。 下行导频时隙( d 啊s ) 每个子帧中的d w p t s ( s y n c _ d l ) 是为下行导频和同步而设计的，由n o d eb 以最大功率在全方向或在某一扇区上发射。这个时隙通常是由长为6 4 c h i p s 的 s y n cd l 和3 2 c h i p s 的保护码间隔组成。 第二章t d s c d m a 系统及其演进 s y n cd l 是一组p n 码，系统中定义了3 2 个码组，每组对应一个s y n c - d l 序 列，为了方便小区测量的目的，设计的p n 码集用于区分相邻小区，该p n 码集在蜂 窝网络中可以重复使用。将d w p t s 放在单独的时隙，一个是便于下行同步的迅速获 取；再者，也可以减小对其他下行信号的干扰。 上行导频时隙( u p p t s ) ： 每个子帧中的u p p t s ( s y n cil l ) 是为上行导频和同步而设计的，当l i e 处于 空中登记和随机接入状态时，它将首先发射u p p t s ，当得到网络的应答后，发送r a k 。 这个时隙通常由长为1 2 8 c h i p s 的s y n c u l 和3 2 c h i p s 的保护间隔组成。s y n c u l 是一组p n 码集，设计该p n 码是用于在接入过程中区分不同的u e 。 保护时隙( g p ) ： 在n o d eb 侧，由发射向接收转换的保护时隙为7 5 u s ( 9 6 c h i p s ) 。较大的保护时 隙，可以防止上下行信号互相之间干扰，还可以允许终端在发出上行同步信号时进行 一些时间提前。 t d s c d m a 采用的突发格式如图2 4 所示。一个突发由两个长度分别为3 5 2 c h i p s 的数据块、一个长为1 4 4 c h i p s 的m i d a m b l e 和一个长为1 6 c h i p s 的保护间隔组成。数据 块的总长度为7 0 4 c h i p s ，所包含的符号数与扩频因子有关，对应关系如表2 2 所示。 数据符号 3 5 2c h i o s m i d a m b t e 1 4 4c h i o s 数据符号 3 5 2c h i p s g p 1 6 c p 图2 4突发结构( g p 表示保护间隔，c p 表示码片长度) 图2 4 中相关内容如表2 1 所示。突发的数据部分由信道码和扰码共同扩频。信 道码是一个0 v s f 码，扩频因子可以取l ，2 ，4 ，8 或1 6 ，物理信道的数据速率取决于 使用的0 v s f 码所采用的扩频因子。 表2 1突发各个部分的内容 码片号区域长度区域长度 区域长度 区域内容 ( c n )( c h i p 数目)( 符号数目) ( ) 0 - 3 5 13 5 2 参见表2 2 2 7 5 数据 3 5 2 - 4 9 51 4 49 1 1 2 5m i d a m b l e 4 9 6 8 4 73 5 2参见表2 2 2 7 5 数据 8 4 8 - 8 6 31 6l1 2 5保护间隔 l o 长安大学硕士学位论文 表2 2 突发牛每个数据块包含的符号数 扩频因子( q )每个数据块符号数( n ) 13 5 2 2 1 7 6 48 8 84 4 1 6 2 2 t d d 模式下的物理信道是将一个突发在所分配的无线帧的特定时隙发射。无线 帧的分配可以是连续的，即每一帧的相应时隙都分配给物理信道；也可以是不连续的 分配，即将部分无线帧中的相应时隙分配给该物理信道。一个突发由数据部分、 m i d a m b l e 部分和保护闻隔组成，突发的持续时间是一个对隙。发射机可以同时发射几 个突发，在这种情况下，几个突发的数据部分必须使用不同o v s f 的信道码，但应使 用相同的扰码。m i d a m b l e 码部分必须使用同一个基本m i d a m b l e 码，但可使用不同偏 移码( m i d a m b l es h i f t ) 。 因此，物理信道是由频率、时隙、信道码和无线帧分配来定义的。小区使用的扰 码和基本m i d a m b l e 是广播的，而且可以是不变的。建立一个物理信道的同时，也就 给出了它的起始帧号。物理信道的持续时间可以无限长，也可以定义资源分配的持续 时间。 t d s c d m a 系统中的突发结构，提供了传送l l 控制信令的可能。这里提到的 l l 控制信令包括传输格式合成指示( t f c i ) ，传输功率控制( t p c ) 同步偏移s s 。 l l 控制信令在相应物理信道的数据部分发送，即l 1 控制信令和数据比特具有相同的 扩频操作。l 1 控制信令的位置如图2 5 和2 6 所示。 图2 5 不发送s s ( 同步偏移) 和t p c ( 发射功率控制) 时的t f c i 的位置 分 第二章t d - s c d m a 系统及其演进 图2 6 发送s s ( 同步偏移) 和t p c c 发射功率控制) 时的t f c i 的位置 对于每个用户，t f c i 信息将在每l o r e s 无线帧里发送一次，编码后的t f c i 符号在 子帧内和数据块内都是均匀分布的，t f c i 的发送是由高层信令配置的。 对于每个用户，t p c 信息在每5 m s 子帧里发送一次，这使得t d - s c d m a 系统可以进 行快速功率控制。 对于每个用户，s s 信息在每5 m s 子帧里发送一次，s s 用于命令终端每m 帧进行 一次时序调整，调整步长为( k 8 ) t c ，其中t c 为码片周期，m 值和k 值由网络设置， 并在小区中进行广播。上行突发中没有s s 信息，但是s s 位置予以保留，以备将来使 用。 突发结构中的训练序列( m i d a s b l e 码) ，用于进行信道估计、测量，如上行同步 的保持以及功率测量等。在同一小区内，同一时隙内的不同用户所采用的m i d a s b l e 码由一个基本的m i d a m b l e 码经循环移位后而产生。t d - s c d m a 系统中，基本m i d a s b l e 码长度为1 2 8 c h i p s ，个数为1 2 8 个，分成3 2 组，每组4 个。 2 1 3t d - s c d m a 的信道 如图2 7 所示，物理层是空中接口的最底层，支持比特流在物理介质上的传输， 物理层与层2 的m a c 子层及层3 的r r c 子层相连。物理层向m a c 层提供不同的传输信 道，而物理信道在物理层定义，物理层受r r c 的控制，物理层向高层提供数据传输服 务，这些服务的接入是通过传输信道来实现的。传输信道作为物理层向高层提供的服 务，它描述的是信息如何在空中接口上传输的；而逻辑信道则是m a c 层向上层( r l c ) 提供的服务，它描述的是传送什么类型的信息【9 】。 传输信道通常包括专用传输信道( d c h ) 和公共传输信道( c c h ) 【8 】。 专用传输信道( d c h ) ：仅有一种专用传输信道，可用于上下行链路作为承载网络 和特定u e 之间的用户信息或控制信息。 1 2 分 长安大学硕士学位论文 层3 层2 层l 控 制 | 测 量 逻辑信道 传输信道 图2 73 g 空中接口协议结构 公共传输信道( c c h ) 分为6 类：b c h 、p c h 、f a c h 、r a c h 、u s c h 和d s c h 。其主要 特性如下： ( 1 ) 广播信道( b c h ) ：下行传输信道，用于广播系统和小区的特有信息。 ( 2 ) 寻呼信道( p c h ) 下行传输信道，当系统不知道移动台所在的小区时，用于 发送给移动台的控制信息。 ( 3 ) 前向接入信道( f a c h ) ：下行传输信道，当系统知道移动台所在的小区时，用 于发送给移动台的控制信息，也可以承载一些短的用户信息数据包。 ( 4 ) 随机接入信道( r a c h ) ：上行传输信道，用于承载来自移动台的控制信息，也 可以承载一些短的用户信息数据包。 ( 5 ) 上行共享信道( u s c h ) ：上行共享信道是几个u e 共享的上行传输信道，用于 承载专用控制数据或业务数据。 ( 6 ) 下行共享信道( d s c h ) - 下行共享信道是几个u e 共享的下行传输信道，用于 承载专用控制数据或业务数据。 物理信道分为专用物理信道和公共物理信道两大类。 专用物理信道( d p c h ) ：d c h 映射到专用物理信道，专用物理信道( d p c h ) 采用前 面介绍的突发结构，用于支持上下行数据传输，下行通常采用智能天线进行波束赋形。 公共物理信道( c p c h ) 分为七类：p - c c p c h 、s - c c p c h 、p r a c h 、f p a c h 、p u s c h 、 p d s c h 和p i c h 。其主要特性如下： ( 1 ) 主公共控制物理信道( p c c p c h ) ：传输信道b c h 在物理层映射到p - c c p c h ，在 t d - s c d m a 中，p - c c p c h 的位置( 时隙码) 是固定的( t s 。) ，p - c c p c h 采用固定扩频因 子s f = 1 6 ，总是采用t s 。的信道化码c o = 1 6 ( k = 1 ) 和c q = 1 6 ( k = 2 ) 。p - c c p c h 需要覆盖 整个区域，不进行波束赋形。 1 3 第二章i i ) - s c d m a 系统及其演进 ( 2 ) 辅助公共控制物理信道( s c c p c h ) p c h 和f a c h 可以映射到一个或多个辅助 公共控制物理信道( s - c c p c h ) ，这种方法使p c h 和f a c h 的数量可以满足不同的需要。 s - c c p c h 采用固定扩频因子s f = 1 6 ，s c c p c h 的配置即所使用的码和时隙在小区系统信 息中广播，s - c c p c h 可以支持采用t f c i 。 ( 3 ) 物理随机接入信道( p r a c h ) ：r a c h 映射到一个或多个物理随机接入信道，可 以根据运营者的需要，灵活确定r a c h 容量。p r a c h 可以采用扩频因子s f = 1 6 、8 或4 ， 其配置( 使用的时隙和码道) 通过小区系统信息广播。 ( 4 ) 快速物理接入信道( f p a c h ) 这个物理信道是t d - s c d m a 系统所独有的，它作 为对u e 发出的u p p t s 信号的应答，用于支持建立上行同步。n o d e b 使用f p a c h 传送对 检测到的u e 的上行同步信号的应答。f p a c h 上的内容包括定时调整、功率调整等，是 一单b u r s t 信息，使用扩频因子s f - 1 6 ，其配置( 使用的时隙和码道) 通过小区系统 信息广播。 ( 5 ) 物理上行共享信道( p u s c h ) - u s c h 映射到物理上行共享信道，p u s c h 支持传 送t f c i 信息，u e 使用p u s c h 进行发送是由高层信令选择的。 ( 6 ) 物理下行共享信道( p d s c h ) ：d s c h 映射到物理下行共享信道，p d s c h 支持传 递僦l 信息。 jr “ ( 7 ) 寻呼指示信道( p i c h ) ：寻呼指示信道用来承载寻呼指示信息。 传输信道到物理信道的映射方式【5 】，如表2 - 3 所示。 表2 3 传输信道到物理信道的映射 传输信道 物理信道 d c h 专用物理信道( d p c h ) b c h 基本公共控制物理信道( p - c c p c h ) p c h 辅助公共控制物理信道( s c c p 四) f i a c h 辅助公共控制物理信道( s - c c p c h ) r a c h 物理随机接入信道( p r a c h ) u s c h 物理上行共享信道( p u s c h ) d s c h 物理下行共享信道( p d s c h ) 下行导频信道( i p c h ) 上行导频信道( u p p c h ) 寻呼指示信道( p i c i ) 快速物理接入信道( f p a c i ) 2 1 4t d - s c d m a 系统的特点 在t d s c d g _ a 系统中，其多址接入方式上除具有d s - c d m a 特性外，还具有t d m a 的 1 4 长安大学硕士学位论文 特点，因此t d - s c d m a 的接入方式也可以表示为t d m a c d m a 。 t d - s c d m a 是一种t d d 模式技术，t d d 系统存在一些缺陷，主要体现在移动终端的 速率和覆盖距离两方面：采用多时隙不连续传输方式，抗快衰落和多普勒( d o p p l e r ) 效应能力比f d d 差；t d d 系统平均功率与峰值功率之比随时隙数增加而增加，考虑 到耗能和成本因素，用户终端的发射功率不可能很大，因此通信距离小，而f d d 的小 区半径相对较大。 但是，t d d 技术由于本身固有的特点突破了f d d 技术的很多限制，比起f d d 来说 更适用于上下行不对称的业务环境，是f d 姒、t d m a 和c d m a 技术的灵活结合，同时 采用了先进的智能天线( ( s m a r ta n t e n n a ) 技术，充分利用了t d d 上下行链路在同一频 率上工作的优势，这样可大大增加系统容量、降低发射功率、更好地克服无线传播中 遇到的多径衰落问题；另外，在t d - s c d m a 中还用到了联合检测、动态信道分配、同 步等技