（通信与信息系统专业论文）第三代移动通信系统中的上行功率控制算法研究.pdfVIP

摘要 宽带c d m a 移动通信系统是下一代移通信系统所使用的技术方案，因此宽 带c d m a 技术受到了前所未有的关注，并且在它的各项关键技术的研究上也出现 了大量的改进算法来进一步改善宽带c d m a 的性能。其中功率控制技术是宽带 c d m a 中的一项最为重要的关键技术之一，宽带c d m l a 在系统容量上的优势很大 程度上取决于是否采用了准确的功率控制技术。针对现有的上行链路同定步长 功率控制算法在深度快衰落时产生的补偿滞后问题，在已有的上行链路可变步 长功率控制算法的基础上，例如调制法( d e l t am o d u l a t i o n ) 和存储功率控制字 节法( c o n t r o lb i ts t o r e di nm o b i l er e c e i v e r ) ，本文提出了一种新的记忆式可变步 长上行链路功率控制算法，并在理论分析和仿真验证上做了深入的研究。新算 法和原算法相比，主要采用了一个记忆模块来记录前面的功率调整指令，并利 用这个信息来决定下次的功率调整步长。新算法在深度快衰落发生时能够通 过合理的改变步长来更有效的调整功率达到目标值，仿真结果显示新算法的功 率控制错误的标准方差( s t a n d a r dd e v i a t i o no f p o w e r c o n t r o le r r o r ) 与原算法相 比在有信道噪声( s n r f l o d b ) 条件下减少了o 6 d b ，在没有信道噪声条件下减 少了1 d b 。 关键词：宽带码分多址、功率控制、变步长、算法 a b s t r a c t w i d e b a n dc d m ah a sb e e ns e l e c t e da st h ea c c e s st e c h n i q u ef o rt h e n e x t g e n e r a t i o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m c o n s e q u e n t l y ，i th a s r e c e i v e das i g n i f i c a n ta m o u n to fa t t e n t i o n i n p r o v i s i o n o fa d v a n c e d a l g o r i t h m s f o r i m p r o v e dp e r f o r m a n c e i nk i n d so f k e yt e c h n o l o g y a c c u r a t ep o w e rc o n t r o li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e q u i r e m e n t so f t h e w i d e b a n dc d m a s y s t e m s ，b u tt h ec o n v e n t i o n a lp o w e r c o n t r o la l g o r i t h m i sn o ta b l et ot r a c kd e e pf a d i n gt i m e l y i nt h i sp a p e r ，o n en e wa d a p t i v e s t e p - s i z ea l g o r i t h mf o rc o n t r o l l i n gt h et r a n s m i t t e dp o w e ro f t h em o b i l e s t a t i o ni nac d m a - b a s e dc e l l u l a rs y s t e mi sp r e s e n t e db a s eo nk i n d so f c u r r e n ta d a p t i v es t e p - s i z ea l g o r i t h m s ，l i k ed e l t am o d u l a t i o na l g o r i t h ma n d c o n t r o lb i ts t o r e di nm o b i l er e c e i v e ra l g o r i t h m t h em a j o re x c e l l e n c eo f n e wa l g o r i t h mi st ou t i l i z eam e m o r yb l o c kt or e c o r dp r e v i o u sp o w e r c o n t r o lc o m m a n da n dd e c i d en e x ts t e p s i z er e g a r d i n gt h i s c o m m a n d s p a t t e r n t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h en e wa l g o r i t h mh a sb e t t e r p e r f o r m a n c ei np o w e rc o n t r o l w h e nd e e pf a d i n go c c u r r e n c e ，t h es t d ( s t a n d a r dd e v i a t i o n ) o fp o w e rc o n t r o le r r o rr e d u c eo 6 d bw i t ha w g n f o rs n r = 1 0 d ba n du pt ol d bw i t h o u tn o i s ec o m p a r i n g w i t hc o n v e n t i o n a l f i xs t e ps i z ec l o s el o o pp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m k e y w o r d s ：w c d m a 、p o w e rc o n t r o l 、v a r y i n gs t e ps i z e 、 a l g o r i t h m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼太堂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。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名 签字日期：年月曰签字日期： 年月日 天津大学硕士研究生学位论文 绪论 近十年来蜂窝无线通信成为发展最为迅速的市场，无线通信的目标是使 得用户可以在任意时间和任意地点进行通信。就目前的技术而言，在4 i 久的将 来，我们就可以实现在进行视频通话的同时，进行数据传输和收发电子邮件。 很显然i 宽带c d m a 技术在实现上述目标的第三代无线通信系统中已经成 为了首选方案。虽然c d m a 技术使得蜂窝系统的容量得到了显著的提高，但是这 种系统容量的提高在很大程度上取决于是否使用了有效的功率控制技术，特别 是上行链路的功率控制。本文针对固定功率调整步长的功率控制算法进行了有 效地分析，同时着熏分析了改进后的可变步长的功率控制算法的优点。 本文的内容安排如下：第一章简述了第三代移动蜂窝移动通信的发展历 史以及最新的i m t 一2 0 0 0 技术标准的基本情况。第二章介绍了c d m a 的基本原 理，第三代移动通信中的主要关键技术的概念，例如功率控制、软切换和多用 户检测等。本章还介绍了w c d m a 的组网和分层结构和上行链路物理层的处理过 程。第三章介绍了功率控制的基本概念、功率控制算法的分类以及现有的功率 控制算法的介绍和它的局限性。第四章针对现有的固定步长的功率控制算法的 局限性，提出了改进的可变步长的新的功率控制算法，并讨论了新算法的优 点。第五章针对新旧算法，利用计算机仿真比较了它们的性能，从而验证了新 算法的优点。最后的第六章为全文的结束语。 天津大学硕士研究生学位论文 第一章第三代移动通信系统的发展历史 1 9 7 9 年世界上第一个模拟无线蜂窝通信系统在日本由日本电报电话公司 ( n t t n i p p o nt e l e p h o n ea n dt e l e g r a p h ) 投入运营，随后n m t 系统( n o r d i c m o b i l et e l e p h o n e ) 和a m p s 系统( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ) 分别于 1 9 8 1 年和1 9 8 3 年投入运营。上述模拟蜂窝通信系统就是以频分多址( 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 ea c c e s s ) 技术为基础的第一代移动通信系统。 1 9 9 2 年基于时分多址技术( t d m a t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的 g s m ( g l o b a ls t a n d a r df o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 作为第一个数字移动通信系 统在欧洲开始应用。美国则独自开发了两种数字通信标准，即基于t d m a 的 i s 一5 4 标准和基于窄带码分多址技术( n a r r o w b a n dd s c d m a d i r e c ts e q u e n c e c o d ed i v i s i o n m u l 曲l e a c c e s s ) 的i s 9 5 标准。而日本也在1 9 9 4 年推出了自己的 第二代数字通信标准，p d c ( p e r s o n a ld i g i t a lc e l l u l a r ) 。以上四种标准都被称 为第二代移动通信系统。 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 年更名为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et 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的目标 是：世界范围内的标准设计上的高度一致性；与固定网络各种业务的相互兼 容：高服务质量；全球范围内使用的小终端；具有全球漫游能力：支持多媒体 功能及广泛业务的终端。为了实现上述目标，对第三代无线传输技术( r t t ) 提出了支持高速多媒体业务( 高速移动环境：1 4 4 k b p s ，室外步行环境： 3 8 4 k b p s ，室内环境：2 m b p s ) 、比现有系统有更高的频谱效率等基本要求。 1 9 9 9 年1 0 月2 5 日到1 1 月5 日在芬兰赫尔辛基召开的i t ut g s 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议( i m t r s p c ) 。最终确立了 i m t 2 0 0 0 所包含的无线接口技术标准。这次会议的最主要的结论是，通过了 2 天津大学硕士研究生学位论文 i m t - 2 0 0 0 无线接口技术规范建议( i m r 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 at 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 as c 对应u w c 13 6 i m t - 2 0 0 0f d m a f f d m a 对应d e c t 。 上述5 个名称，i 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 。见图1 - 1 ，可以说i m t 2 0 0 0 的地面无线接口标准有5 个标 准构成。 声蝴 女脯莽茹黼臻蟛滞蜉渤龋略秘酶，龇# # 巍# # d d 群 图1 - 1i m t - 2 0 0 0 陆地无线接口标准 天津大学硕士研究生学位论文 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 ad s ( i m t - d s ) ： i m t 一2 0 0 0c d m ad s ，是3 g p p 的w c d m a 技术与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 两个核心网络。 i m t - 2 0 0 0c d m am c ( i m t - m c ) ： i m t 一2 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 两大核心 网。 i m t - 2 0 0 0c d m at d d0 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， 分别采用我国c w t s 和3 g p p 的两套技术规范。2 层和3 层基本相同。目前这 两个技术已经进行了部分关键内容的融合，包括： ( 1 ) 码片速率3 8 4 m e p s 和1 2 8 m o p s ( 3 8 4 m o p s 的1 3 ) 。 ( 2 ) 层2 、层3 基本一致，采用3 g p p 的技术规范，定义了部分兼容接 口，以便制定兼容t d s c d m a 的相应扩展协议。 w c d m a 是第三代移动通信标准提案中得到支持最多的技术体制。在欧 洲，爱立信公司最先对w c d m a 技术进行研究，后来在f r a m e 计划继续研究 开发。日本则是n t td o c o m o 公司的w c d m a 技术，它综合了f d d 和t d d 方式作为日本的第三代移动通信方案。 4 天津大学硕士研究生学位论文 第二章第三代移动通信系统及关键技术介绍 2 1 c d m a 的基本原理 c d m a 的全称为c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( 码分多址) 。在c d m a 中，分配给每个用户一个唯一的编码序列( 扩频码) ，用于对它的承载信息信 号进行编码，接收机知道用户的编码序列，可以在接收后对接收的信号进行 解码并恢复出原始数据，这是因为特定用户的编码信号和其他用户的编码信号 之间的相关性很小。因为编码信号的带宽比承载信息信号的带宽大的多，因 此，编码处理扩展了信号的带宽，这就是大家熟悉的扩频调制。产生的信号称 为扩频信号，并且c d m a 也称为扩频多址接入( s s m a ) 。 传输信号的频带扩展使c d m a 具有多址接入能力。因此，了解产生扩 频信号的技术和信号性能是十分熏要的。扩频技术必须遵循下面两个准则： 1 ) 传输带宽必须远远大于信息带宽 2 ) 产生的射频信号带宽由一个函数决定，而不是由发送的信息决定( 因 此，带宽和发送韵信息是统计独立的) 。此类体制调制技术不包含频 率调制( f m ) 和相位调$ 1 j ( p m ) 这样的调制技术。 传输带宽同信息带宽的比率称为扩频系统的处理增益g p g p = b t b i 式中，b t 是传输带宽，b i 是信息承载信号带宽。 ( 2 1 ) 接收机通过一个与接收信号相关联的同步产生的扩频编码的复制信号进 行解相关运算，恢复出原始的信息承载信号。这就意味着接收机必须了解用于数 据调制的编码。 性能 由于扩频信号扩展了信号的频谱，所以它具有一系列不同于窄带信号的 多址能力。 5 天津大学硕+ 研究生学位论文 抗多径干扰的能力。 具有隐私性能。 抗人为干扰的能力。 具有低载获概率的性能。 具有抗窄带干扰的能力。 c d m a 按照其采用的扩频调制方式的不同，可以分为直接序列扩频 ( d s ) 跳频扩频( f h ) 跳时扩频( t h ) 和复合式扩频，如图2 - l 所示。 图2 1c d m a 扩频调制方式示意图 直接序列扩频( d s s s ) 发射机和接收机的构成如图2 - 2 所示。 图2 2 直扩序列扩频( d s s s ) 发射机和接收机结构图 6 天津大学硕士研究生学位论文 2 2 c d i d a 蜂窝移动通信的特点 与f d m a 和t d m a 相比，c d m a 具有许多独特的优点，其中一部分是 扩频通信系统所固有的，另一部分则是由采用软切换和功率控制等技术所带来 的。w c d m a 移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技 术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗 干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所 要求的载干比( c i ) 小于1 ，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使 c d m a 比其它系统有更多的优势。 系统容量大，理论上c d m a 移动网比模拟网大2 0 倍。实际要比模拟网 大1 0 倍，比g s m 要大4 5 倍。 系统容量的灵活配置：这与c d m a 的机理有关。c d m a 是一个自扰系 统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，打个比方，我们将带宽想象成一个 大房子。所有的人将进入唯一的大房子，如果他们使用完全不同的语言，他们 就可以清楚地听到同伴的声音而只受到一些来自别人谈话的干扰。在这里，屋 里的空气可以被想象成宽带的载波，而不同的语言即被当作编码，我们可以不 断地增加用户直到整个背景噪音限制住了我们。如果能控制住用户的信号强 度，在保持高质量通话的同时，我们就可以容纳更多的用户。 通话质量好：c d m a 系统话音质量很高，声码器可以动态地调整数据传 输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪 声的改变而改变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话 质量。另外c d m a 系统采用软切换技术，“先连接再断开”，这样完全克服了 硬切换容易掉话的缺点。 频率规划简单用户按不同的序列码区分，所以不相同c d m a 载波可在相 邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。 延长手机电池寿命。采用功率控制和可变速率声码器，使手机电池使用 寿命延长。 7 天津大学硕十研究生学位论文 2 3 c d m a 蜂窝移动通信的关键技术 2 3 1r a k e 接收机 直接扩频信号波形非常适合多径信道传输。在多径信道中，源传输信号 被障碍物如建筑物和山反射，接收机就会接收到多个不同时延的拷贝信号，从 每一个多径信号的角度看，其他多径信号都是干扰并被处理增益抑制。如果不 同路径信号的延迟超过一个伪码的码片的时延，r a k e 接收机则在接收端可将 不同的波束区别开来。将这些不同波束分别经过不同的延迟线，对齐以及合并 在一起，则可达到变害为利，把原来是干扰的信号变成有用信号组合在一起。 这就是r a k e 接收机的基本原理。 r a k e 接收机包含多个相关器，每个相关器接收一个多路信号。在相关 器进行去扩展后，信号进行合成，例如，采用最大比率合成。因为接收的多路 信号是衰落独立的，因此进行分集可以提高接收性能。下图2 - 3 所示是r a k e 接收机的基本原理：在扩频和调制后，信号被发送，通过多径信道传输，多径 信道可以用抽头延迟线模型化( 例如，模拟反射信号时延和信道衰减) 。在图2 - 3 中，我们列举了三个多径元件，它们具有不同的时延( f 】、f ：、f ，) 和衰落因子 ( 、口，、玛) ，每个对应不同的传播环境。r a k e 接收机相对于每个多径元件 有一个接收指针，在每个接收指针中，接收到的信号由扩展码进行相关处理， 接收到的信号是用多径信号的时延时间校正的。在去扩展后，信号被加权和合 成。在图2 - 3 中，使用的是最大速率合成，即每个信号由路径增益( 衰落因子) 加 权。因为移动台在移动情况下，散射环境在不断变化，导致时延和衰落因子也 在不断变化，因此必须测量抽头延迟线轮廓和重新分配r a k e 指针。小于一个 码片的小范围的变化由一个编码追踪环路负责处理，编码追踪环路用于追踪每 个多径信号的时延。 8 天津大学硕士研究生学位论文 图2 3r a k e 接收机原理图 2 3 2 功率控制 在d s - - c d m a 系统中，最重要的，也是最难实现的是功率控制的功 能，这主要是由多路接入的干扰造成的。在d s - - c d m a 系统中，所有用户使 用相同的频带同时发送信息，彼此之间相互干扰。若当前用户发送功率相同 时，因为传播路径的不同，基站接收到的靠近基站的用户发送的信号比在小区 边缘用户发射的信号的强度强，因此远端的用户信号被近端的用户信号淹没。 这种传播现象称为“远近效应”。为了获得高的容量，所有的信号不管离基站 的远近，到达基站的信号功率都应当相同，这就是功率控制的目的：使每个用 户到达基站的功率相同。发射机功率控制性能的好坏是决定d s c d m a 系统 容量的关键因子。 常见的c d m a 功率控制技术可分为开环功率控制、闭环功率控制和外环 功率控制三种类型。开环功率控制的基本原理是根据用户接收功率与发射功率 之积为常数的原则，先行测量接收功率的大小，并由此确定发射功率的大小。 开环功率控制用于确定用户的初始发射功率，或用户接收功率发生突变时的发 射功率调节。开环功率控制未考虑到上、下行信道电波功率的不对称性，因而 其精确性难以得到保证。闭环功率控制可以较好地解决此问题，通过对接收功 率的测量值及与信干比门限值的对比，确定功率控制比特信息，然后通过信道 把功率控制比特信息传送到发射端，并据此调节发射功率的大小。外环功率控 制技术则是通过对接收误帧率的计算，确定闭环功率控制所需的信干比门限。 外环功率控制通常需要采用变步长方法，以加快上述信干比门限的调节速度。 在w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统中，上行信道采用了开环、闭环和外环功率控制 9 掺瓣 固 i l | | 一睡| | 制e j f r _ a 一铲 天津大学硕士研究生学位论文 技术，下行信道则采用了闭环和外环功率技术。但两者的闭环功率控制速度有 所不同，前者为每秒1 6 0 0 次，后者为每秒8 0 0 次 与上行链路相比，下行链路中所有信号通过相同的信道传播，移动台都 以相同的功率接收，因此不存在消除“远近效应”进行功率控制的问题。功率 控制的目的是为了减小对邻近小区的干扰，并补偿从其他小区来的干扰以及消 除“阴影效应”。最坏的情况是一个手机处于三个小区的边缘，并且到三个基 站的距离相等，但从其他小区来的干扰并不是变化很快。 另外，功率控制可以通过补偿衰落来提高d s - - c d m a 的抗衰落能力， 对于解决用户干扰很有用。如果对信道衰落控制得好，可以通过完全消除衰落 影响而把一个衰落信道变成一个加性高斯白噪声( a w g n ) 信道。 现存的两种功率控制方法是：开环控制和闭环控制。开环功率控制是移 动台根据在小区接收功率的变化，迅速调节移动台发射功率以符合规定的误帧 率( f e r ) 。但是因为上行链路和下行链路之间的快衰落是非相关的，因此开环功 率控制仅是获得适当的平均功率。所以还需要闭环功率控制。闭环功率控制是 测量信号干扰率( s i r ) ，发送指令给发射机，使基站对移动台的开环功率控制迅 速纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。 2 3 3 软切换 在软切换中，移动台连接到多个基站上通信。应用在c d m a 上的软切换 是为了降低对其他小区的干扰和通过宏分集提高性能。在一个小区内的两个扇 区之间的切换称为更软切换。 在使用f d m a 或t d m a 的蜂窝系统中，一个指定韵小区使用的频率， 其他的邻近小区不能再使用相同的频率( 也就是在使用相同的频率的小区间要有 空间上的隔离带1 ，这被称为频率复用概念。因为c d m a 采用正交码以区分用 户，因此在c d m a 系统中不需要有空间上的隔离带，c d m a 的频率复用系数 可以是1 。一般来讲，当邻近小区的信号强度超过现有小区的一个门限时，移 动台开始切换，这称为硬切换。在c d m a 系统中，因为邻近小区的频率和现有 小区的频率相同，因此可能相互产生强干扰，从而使系统容量下降。为了避免 1 0 天津大学硕士研究生学位论文 这种干扰，当邻近小区的信号强度超过现有小区的信号强度时，从现有小区到 邻近小区需要进行无间断切换，这在实践中是可以实现的。切换机制容许移动 台在接收到更强的信号f 更低的传输损耗) 时，可以切换到该小区。在软切换 中，移动台是连接到多个基站上的，它的功率控制由它接收到的最强信号的小 区决定。当邻近小区的信号强度超过一个确定的数值，但仍低于现有基站的信 号强度时，移动台进入软切换状态。 c d m a 的信号结构与软切换可以实现良好的配合。在上行链路中，因为 频率复用系数是1 ，因此两个或多个基站可以同时接收相同的信号；在下行链 路中，移动台可以将来自不同基站的信号很好地合成，因为移动台将它们看作 是不同路径的信号进行处理，这就提供了一个附加的好处称为宏分集( 也就是由 一个或多个附加倍号提供的分集增益) 。 在下行链路中，因为基站为移动台发送附加的信号，所以软切换对系统 产生了更多的干扰。因为接收机的r a k e 指针数量的限制，移动台有可能不能 收集所有的基站发射的能量。所以下行信道的增益依赖于宏分集增益和因为增 加的干扰造成的性能损耗。 下图2 4 所示是两基站之间软切换的原理。在上行信道上，有两个基站 接收来自移动台的信号，信号经过解调和合成后，把信号传送给合成点，一般 是发送给基站控制器( b s c ) 。在下行信道中，通过两个基站发送完全相同的信 号，接收机接收来自两个基站的信号，按照来自两个不同路径的信号进行处理 和合成。 天淬大学硕士研究生学位论文 图2 _ 4 两基站收发信机参与的软切换的原理 2 3 4 频率间切换 第三代c d m a 网络在每一个小区中将有多个频率载波，在热点小区中的 频率数将大大多于邻近小区。另外，在分层小区结构中，当微小区和宏小区交 叠时，微小区将使用不同的频率，因此需要有一个有效的处理工程，处理不同 频率间的切换。第二代使用的遮盖式切换不可能有好的通话质量，移动台不得 不测量邻近小区另一个载波频率的强度和质量，并同时保持和现有小区载波频 率的连接。因为c d m a 系统是连续发射的，没有像t d m a 系统那样的空闲时 间间隙用于频率间的测量，因此建议采用压缩模式和双模接收机完成频率间切 换。在压缩模式中，通过传输帧数据产生测量时隙，例如，在较短的时间周期 中用较低的扩展率，使用帧中剩余的时间测量其它载波。双模接收机可以在不 影响对现有频率接收的情况下，测量其它频率。 2 3 5 多用户检测 目前c d m a 接收机都是基于r a k e 接收机原理，它将其他用户的信号 都视为干扰信号。在理想接收机中，如将所有用户信号都检测出来，则可把其 他用户信号从总信号中减掉，则保存有用信号。上述方法在c d m a 中是可以实 现的，因为信号之间的相关性是己知的f 即干扰是确定的而不是随机的) 。 1 2 天津大学硕士研究生学位论文 在d s c d m a 系统采用r a k e 接收机时其容量是干扰受限的系统。在实 际系统中，这意味着当新的用户或干扰源进入网络时，其它用户的服务质量会 下降。网络抗干扰能力越强，可服务的用户就越多。干扰一个基站或移动台的 多路接入干扰是小区内和小区间干扰的总和。 多用户信号检测( m u d ) ，或称为联合检测与干扰消除技术则提供了一 种有效地减少多址干扰的方法，从而增加了系统的容量。同时，它也能改善远 近效应，一个靠近基站的移动台可以因为使用过高的发射功率而阻塞全部小区 的业务。如果首先检测该用户并从输入信号中减去该用户信号，其它用户就不 会感觉到该干扰。 由于最佳多用户检测十分复杂，而在实际上很难实现。目前研究的最多 地还是次优化多用户和干扰消除接收机。次优化接收机可以分为两大类：线性 检测器和干扰消除。线性检测器在匹配滤波器输出中，应用线性转化器尝试消 除多路接入干扰( 即用户编码间互相关产生的干扰) 。线性检测器的例子是解相 关器和线性最小均方误差( l m m s e ) 检测器。在干扰消除中，首先对多路接入干 扰进行估计，再从接收信号中减去估计值，以达到消除多路接入干扰的目的。 2 4w c d m a 系统的组网和分层结构 图2 - 5 为w c d m a 系统的整体组网结构图 图2 5w c d m a 系统的整体组网结构图 1 3 天津大学硕士研究生学位论文 图中，m s 表示移动通信终端，b s 表示基站，r n c 表示基站控制器，3 g m s c 表示移动交换中心，它主要用于实现电路交换传输，3 gs g s n 的功能和 3 gm s c 类似，但是主要用于支持分组业务，r n c 之间以及r n c 和3 gm s c 利 3 gs g s n 之间的有线连接是通过a t m 实现的。 w c d m a 的分层结构包括3 层：l i ( 物理层) ，l 2 ( 无线链路控制层 r l c ) ，l 3 ( 无线资源控制层r r c ) ，具体的分层结构示意图2 - 6 如下： 控制面 用户业务面 图2 - 6w c d m a 的分层结构示意图 物理层：p h y s i c sl a y e r 称为l i 层，由一系列的下行物理信道和上行物理 信道组成，从传输信道映射来的数据经过扩频，加扰等一系列过程分配到不同 的物理信道，然后通过天线接收或发射数据。 1 4 天津大学硕士研究生学位论文 数据链路层：d a t al i n kl a y e r 称为l 2 层，在w c d m a 中l 2 层被分为多 个子层，在控制面l 2 包含两个子层，媒体接入控制层m a c ，无线链路控制层 r l c ；在用户面上，在r l c 和m a c 的基础上，还包括分组转发协议p d p c 和 广播多点传送协议b m c 。对于控制面，主要用于信令业务的传送，用户面主 要用于业务( 包括各种话音，多媒体业务) 的传送。无论是在控制面还是在用 户面，r l c 将高层的数据映射到逻辑信道中，然后通过m a c 层映射到传输信 道，最后传输信道在经过复杂的编码、交织、速率匹配等过程把变速率的实时 和非实时的业务，复用到同样的一个物理信道上。 1 7 i v ：c d m a 在定义逻辑信道时基本上遵从i t um 1 0 3 5 建议 1 9 。下面为 w c d m a 定义的逻辑信道。三个可用的公共控制信道包括：广播控制信道 ( b c c h ) 承载系统和小区的特有信息；寻呼信道( p c h ) 在寻呼区向移动台发送消 息；前向接入信道( f a c m 在一个小区中从基站向移动台发送消息。此外，有两 个专用信道：专用控制信道( d c c h ) 包括两个信道，独立的专用控制信道 ( s d c c h ) 和相关控制信道( a c c h ) ；专用业务信道( d t c h ) 在上行链路和下行链 路上进行点到点的数据传输。 w c d m a 的传输信道可以有一条或者多条，这是因为w c d m a 系统可能 承载的业务是多样的，不同的业务需要用不同的传输信道来承载，甚至同一种 业务也可能需要不同的传输信道( 例如a m r 语音业务就需要3 条传输信道) 来承载。传输信道中的数据传输单位是传输块，传输块的大小为0 比特至几百 个比特不等。 w c d m a 中的物理信道包括上行链路物理信道和下行链路物理信道。上 行链路有两个专用信道和一个公共信道。用户数据在专用物理数据信道 ( d p d c h ) 上传输，控制信息在专用物理控制信道( d p c c h ) 上传输，随机接 入信道是公共接入信道。下行链路有三个公共物理信道。主和次公共控制物理 信道( c c p c h ) 承载下行链路公共控制逻辑信道( b c c h ，p c h ，f a c h ) ； s c h 提供时间信息，在移动台进行切换测量时使用。 无线资源控制层：r a d i or e s o u r c ec o n t r o l 称为r r c 层，它属于控制面上 的内容。m s 和网络之间的信令都是由r r c 来处理的。r r c 将消息传递到l 1 1 5 天津大学硕士研究生学位论文 层，l 2 层实体的建立、修改和释放的所有参数，它还负责传递所有的高层信 令。m s 在连接态的各种移动特性如测量、切换和小区更新等都由r r c 消息来 控制。l 2 层和l 1 层也都是由r r c 层的消息来控制的。 2 5w c d m a 系统的上行链路物理层过程介绍 对于各种不同的第三代移动通信技术来说，它们的差别主要表现在物理 层上，至于高层则差别不大。这里将对w c d m a 通信系统中的上行链路的物理 层的过程进行详细的介绍。 物理层是o s i 七层协议中最低的一层，其主要作用是负责用户设备和硎 络设备之间物理和电气的接口。它为链路层提供在两个通信系统之间传输比特 流的途径。在w c d m a 系统中，物理层的主要作用是为在终端和网络之间建立 连接提供一个无线链路，如下图2 7 所示： f 罔 m s 终端 图2 7 物理层作用 b s 基站 由图2 - 7 所见，物理层主要位于m s 和b s 处，主要负责为数据流的传输提 供一个无线链路( u u 接口) 。图2 - 8 给出了上行链路中的m s 端数据发送的物 理层处理过程： 1 6 天津大学硕士研究生学位论文 图2 - 8w c d m a 上行链路中的m s 端数据发送 下面对图2 8 处理步骤的具体意义进行简要的介绍： 首先，高层的数据通过传输信道的形式传递给物理层。传输信道可以有一 条或者多条，这是因为w c d m a 系统可能承载的业务是多样的，不同的业务需 要用不同的传输信道来承载，甚至同一种业务也可能需要不同的传输信道( 例 如a m r 语音业务就需要3 条传输信道) 来承载。传输信道中的数据传输单位 是传输块，传输块的大小为0 比特至几百个比特不等。高层每次提交给物理层 一个t t i ( 传输时间间隔，取值为1 0 m s 、2 0 m s 、4 0 m s 或8 0 m s ) 中需要传输的 数据，即高层一次发送到物理层的数据将需要一个t t i 的时间来发送。 加c r c 校验位：这一步将在输入的每一个传输块后面加上c r c ( 循环冗 余校验) 校验位，c r c 校验位的长度可以为2 4 、1 6 、1 2 、8 或0 。 传输块的级联和分拆：这一步的目的是为信道编码做准备。首先，将一个 t t i 中的所有传输块级联在一起，如果一个t t j 中的数据比特超过z ( 一个门限 值，当采用卷积码时，z 等于5 4 0 比特；当采用t u r b o 码时，z 等于5 1 4 4 比 特；当1 i 采用信道编码时，z 没有门限值) ，则在将级联起来的数据进行分拆， 1 7 天津大学颁十研究生学位论文 例如如果一个t n 中的总的比特数为6 1 0 ，且采用卷积编码，则要将6 1 0 比特 分拆成两部分，每一部分为3 0 5 比特。 信道编码：信道编码的目的是为了使编码后的数据更适合在无线环境中传 输，无线环境的主要特点就是比较恶劣，难以预料，且变化很快。经过信道编 码后，即使个别数据在无线传输过程中出错，经过信道译码后，也可以将这些 错误纠正过来。w c d m a 系统采用的信道编码方式有：卷积码，t u r b o 码和不 进行编码这三种。卷积码适合实现b e r 要求大于等于1 0 。3 的业务，例如话音业 务。当传输信道的数据速率较高时，它的编码特性没有t u r b o 码好，冈此卷积 码一般应用在数据速率较低的业务上。t u r b o 码是并行或者串行的级联递归卷 积码，其解码可以迭代进行，它的性能已经趋近于香农容量的极限。t u r b o 码 适合于b e r 要求较低( 例如i o “左右) 的业务，例如数据业务。当编码块的大 小大于3 0 0 比特时( 例如一些较高速率的业务) ，由于t u r b o 码的编码性能会 超过卷积码，这时一般也选择t u r b o 码作为信道编码方式。 无线帧平均：这一步的目的是将一个t 1 1 中的数据比特的数量通过补0 的方式变为当前t 1 1 中所包含的无线帧( 每帧长度为1 0 m s ) 数的整数倍。例 如，如果当前1 1 r i 的长度为4 0 m s ，即包含4 个无线帧，且当前t 中包含的数 据比特为9 9 ，则在这步要在所有比特数的末尾加上一个“0 ”，以便凑成1 0 0 比特，恰好为4 的整数倍。 第一次交织：在无线链路中，往往存在短时的突发的大衰落或大干扰，从 而造成连续的一些比特错误。如果在无线链路中传输的数据没有进行交织的 话，连续比特出错将严重影响到信道译码的性能。交织的作用就是将经过信道 编码后的数据打乱顺序，这样即使在无线环境中出现连续的比特差错，经过接 收端的解交织后，出错的比特也能均匀的分布在整个编码数据块中，这样就保 证了信道编码的性能。第一次交织是通过一个m xn 的矩阵完成的。n 为一个 t t i 中所包含的无线帧的个数，m n 为进行交织的比特数( 上一步的无线帧 平均已经保证了进行交织的总比特数为n 整数倍) 。交织的操作方式为行进列 出，即按顺序每次输入n 比特作为矩阵的一行，然后每次按列读出m 比特，从 而完成交织。 1 8 天津大学硕士研究生学位论文 无线帧分拆：这一步将完成交织后的数据按照一个t t i 中所包含的无线帧 的数量进行均分，以后的步骤将以一个无线帧为单位进行，而不再是咀一个 t t i 为单位。 速率匹配：这一步是对所传输的数据比特的数量与最终所能发送的数据比 特的数量进行匹配。换句话说，即通过某种方式增加或减少所需传输的比特 数，使其和最终物理帧所能承载的比特数保持一致。这里的物理帧指最终在无 线信道中实际传输的帧。速率匹配的运算公式2 - 2 如下： z o ，= 0 z i 。i 瞧肼m 巩。卜， 肼。x n ， a n i ，j = z u z h 。一l 。一l i - - i ，2 i 其中，下标i 表示传输信道的标号，即假设总共有i 条传输信道，下标i 表 示t f c ( 传输格式合并) 值为j ，z 。为一个中间变景，r m ，表示第1 条传输信 道的速率匹配参数，m ，表示第j 种传输格式合并中第1 条传输信道中需要传输 的数据比特数，n 。“表示针对第j 种t f c 的物理帧所能承载的数据比特数。 ，为最终计算出的传输信道i 的当前无线帧需要增加或减少的比特数。如果 a ，计算出的值为正，则表示需要增加；，的比特，增加的方法为熏传，即 将某些比特连续传两遍；如果a ，计算出的值为负，则表示需要减少。的 比特，减少的方法为将某些比特挑出后删除掉。由于信道编译码的作用，即使 删除了某些比特，在接收端经过信道译码后仍旧可咀恢复出原始数据，当然这 样做的后果是导致信道编码增益的降低。完成速率匹配后，所有的传输信道需 要传输的数据比特数的和应该和实际物理帧所能承载的比特数保持一致。 传输信道复接：这一步的作用是将所有的传输信道通过级联的方式连成一 条倍道( c c t r c h 信道) ，以便后面统一进行调制和传送。 1 9 天津大学硕士研究生学位论文 物理信道分拆：这一步是将一条c c t r c h 信道中需要传输的数据按照实际 所需的物理信道的个数进行分拆。一条物理信道所能承载的数据量是随着扩频 因子的改变而改变的。如果上行链路要使用d p d c h ( 专用物理数据信道) 用 于数据传输，其所能承载的数据流的传输速率与扩频因子的关系如下表2 1 所 示： 表2 - 】 信道比特速率( k b p s )扩频嘲子( s f ) 1 52 5 6 3 01 2 8 6 06 4 1 2 03 2 i2 4 01 6 l 4 8 08 l9 6 0 4 这样，如果c c t r c h 数据流的传输速率小于或等于9 6 0 k b p s ，则只需要一条 d p d c h 物理信道就可以传输，否则就需要多条d p d c h 信道，在w c d m a 系 统中一条上行链路最多可以包含6 条d p d c h 物理信道。 第二次交织；这次交织的主要目的是将不同传输信道复接起来的数据 流进步打乱，交织的单位为一个无线帧，即1 0 m s 。 物理信道映射：这步的目的是将前面分拆后生成的一条或多条数据流映 射到各自的物