（电磁场与微波技术专业论文）gsm系统对tdscdma系统的干扰性能分析.pdf

摘要 时分同步码分多址技术( t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，简 称t d s c d m a ) 是我国首个拥有自主知识产权的3 g 通信标准。目前，我国的g s m 网络 已经建设的相当成熟，运营也已相对稳定。由于t d s c d m a 系统占有的频段与g s m 系统 下行频段相邻、存在邻频干扰，详细分析和研究g s m 系统对t d s c d m a 系统的干扰问题 具有极大的理论和实际意义，将为g s m 和t d s c d m a 系统的协同规划奠定基础。 为了更好规划和优化t d s c d m a 网络，本文首先对t d s c d m a 系统的性能参数进行 分析，包括无线链路预算的影响因素、小区的上下行链路容量的公式进行推导，以及采用 自适应智能天线和固定波束切换型智能天线的小区容量进行分析比较。并仿真得出包括多 用户检测因子、背景噪声提升、智能天线技术的波束赋形增益、小区外与小区内干扰比率 ( 智能天线下不包括天线增益) 和波束赋形平均干扰因子等因素对小区容量的影响曲线。其 次，研究了在一定信道环境下，t d 。s c d m a 系统的用户掉话率与小区半径的关系。最后， 基于t d s c d m a 系统搭建仿真平台，采用最小耦合损耗计算方法和蒙特卡罗( m o n t e c a r l o ) 仿真方法研究g s m 系统的下行对t d s c d m a 系统的邻频干扰。仿真出两系统共 存所需要的邻信道干扰功率比和最小耦合损耗。 关键词：小区容量，智能天线，蒙特卡罗仿真，邻信道干扰功率比，最小耦合损耗 a b s t r a c t t d - s c d m ai st h ef i r s tc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r do f3 go w n e db yo u rc o u n t r yw i t ha n i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y p r e s e n t l y , g s mn e t w o r ki so fw i d e l ya p p l i e di nt h ew h o l e c o u n t r y t h ef r e q u e n c yb a n do ft d s c d m ai sa d ja c e n tw i t ht h ed o w n l i n ko n eo fg s m t h e r e f o r e ，t h e y 1 1m o s t l yg e n e r a t ea d j a c e n ti n t e r f e r e n c e t h e n ，d e t a i l e da n a l y s i sa n dr e s e a r c ho n m u t u a li n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h et w ov a r i o u ss y s t e m sa r ep r a c t i c a la n du s e f u l ，w h i c hc a n l a ya f o u n d a t i o nf o rc o o p e r m i v ep l a n n i n gb e t w e e nt d - s c d m a s y s t e ma n dg s ms y s t e mi nt h ef u t u r e f o rb e r e rp l a n n i n ga n do p t i m i z i n gt d s c d m an e t w o r k ，f i r s t l y ，t h ec h a r a c t e r i s t i c e l e m e n t so ft d - s c d m a s y s t e m ，w h i c hc o n t a i nr a d i ol i n kb u d g e t ，c a p a c i t yo fc e l lo nu p l i n ka n d d o w n l i n k ，a n dt h ec o m p a r i s o no fc a p a c i t yb e t w e e nt h ec e l lw i t ha d a p t i v et r a c k i n gs m a r ta n t e n n a a n dt h es w i t c h e db e a ms m a r ta n t e n n a ，a r ea n a l y z e d a n dw es t i m u l a t et h er e l a t i o nb e t w e e n c a p a c i t ya n df a c t o r s ，s u c ha st h em u l t i u s e rd e t e c t i o nf a c t o r , t h eb a c k g r o u n dn o i s er i s ef a c t o r , t h e r a t i oo fo t h e rc e l lt oo w nc e l li n t e r f e r e n c e ( n o ti n c l u d et h ei n f l u e n c eo fa n t e n n ag a i n ) ，t h e b e a m f o r m i n ga n t e n n ag a i na n dt h ea v e r a g eb e a m f o r m i n ga n t e n n ag a i n s e c o n d l y ，t h er e l a t i o n b e t w e e nc a l ld r o pr a t ea n dc e l lr a d i u si sa n a l y z e di na w g nc h a n n e lo ft d s c d m a s y s t e m a t l a s t ，t h et h e s i se s t a b l i s h e dt h es i m u l m i o np l a t f o r mf o rt d - s c d m as y s t e m ，t oa n a l y z ea d j a c e n t c h a n n e li n t e r f e r e n c eo fd o w n l i n ko fg s mt ot d - s c d m a s y s t e m ，u s i n gm i n i m u mc o u p l el o s s m e t h o da n dm o n t ec a r l om e t h o d a n ds o m er e l e v a n tc u r v e sa n dc o n c l u s i o nh a v eb e e no b t a i n e d t h a tt h ea d ja c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c er a t i oa n dt h em i n i m u mc o u p l el o s sh a v eb e e nc a l c u l a t e d f o rt h ec o - e x i s t i n go ft h et w os y s t e m s k e yw o r d ：c a p a c i t yo fc e l l ，s m a r ta n t e n n a ，m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ，a d j a c e n tc h a n n e l i n t e r f e r e n c er a t i o ，m i n i m u mc o u p l i n gl o s s 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的 地方外，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 含为获得南京邮电大学或其它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。 研究生签名：筮鲢日期：盔：生：! 篁 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：导师签名： 日期： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 本文提出的研究意义 第一章绪论 随着t d s c d m a 技术的日益成熟，如何建设一个低成本，高质量，高覆盖率且大容 量的t d s c d m a 网络，来满足未来移动通信对于数据和话音业务的需求，成为迫在眉睫 之事。首先研究t d s c d m a 系统的无线链路预算和小区容量是必备之举。而由于现有的 g s m 系统和t d s c d m a 系统在频谱占用上有所靠近，导致系统间存在干扰，我们必须通 过研究两系统间共存所需要的条件，来合理解决干扰问题，为t d s c d m a 网络的建设做 好充分准备。 我国的g s m 网络建设的已经相当完善，主要用的频段是g s m 9 0 0 ( 上行：8 9 0 9 1 5 m h z & 下行：9 3 5 9 6 0 m h z ) 和d c s l 8 0 0 ( 上行：1 7 1 0 1 7 8 5 m h z & 下行：1 8 0 5 1 8 8 0 m h z ) ，而 t d s c d m a 系统的频段为1 8 8 0 1 9 2 0 m h z 、2 0 1 0 2 0 2 5 m h z ，由于g s m1 8 0 0 系统的下 行正好与t d s c d m a 系统相邻，那么就可能在1 8 8 0 m h z 附近出现邻频干扰，g s m 9 0 0 和 g s m1 8 0 0 系统的上行频段离t d 。s c d m a 系统频段间隔较远，只会产生杂散干扰、互调干 扰和阻塞干扰。由于发射机和接收机滤波器的不完善性，共存的两个系统会产生的相互干 扰，导致链路质量下降和系统容量降低。研究g s m1 8 0 0 系统对t d s c d m a 系统的干扰， 可以促进移动通信由2 g 系统向3 g 系统的平稳演进，有利于g s m 和t d s c d m a 系统的 协同合作，更有助于运营商节省投资成本，有效控制风险，最大化地获得利润。 1 2 本文的研究目标与主要内容 本文首先针对t d s c d m a 系统的性能进行分析，包括无线链路预算、小区的上下行 链路容量的公式进行推导，以及采用自适应智能天线和固定波束切换型智能天线的小区容 量进行分析比较，并在m a t l a b 平台上做出一些仿真，包括多用户检测因子、小区外 与小区内干扰比、背景噪声提升b n r 、智能天线技术的波束赋形增益g 和波束赋形平均 干扰因子g 对小区容量的影响。并得出结论，波束切换型智能天线虽然性能增益较差，但 由于实现简单，常在实际中得以应用。其次，研究在一定信道环境下，t d s c d m a 系统的 用户掉话率与小区半径的关系。最后基于t d s c d m a 系统搭建仿真平台，主要考虑g s m 系统的下行对t d s c d m a 系统的邻频干扰，分别采用确定性分析方法和蒙特卡罗( m o n t e 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 c a r l o ) 静态仿真方法进行两系统的共存干扰分析，仿真得出两系统共存所需要的邻频道干 扰功率比( a c i r ) 和最小耦合损耗( m c l ) 。通过仿真得出结论，为了使g s m 系统和 t d s c d m a 系统能更好的共存，我们必须尽量提高a c i r 和m c l 两个参数的值。同时在 实际工程中，可以通过采取增加天线问祸合损耗和采用共存滤波器等方法，提高这两个参 数的值。 2 南京t r l n l 人学硕士研究生学位论文 第二章移动通信系统原理及j e 概况 2 1 帧结构 第二章移动通信系统原理及其概况 t d s c d m a 采用时分5 叹u - ( t d d ) 、t d m a c d m a 多址方式工作，速率为1 2 8 m e h i p s ， 载波带宽为1 6 m h z 。物理信道有4 层结构：超帧、无线帧、子帧和时隙码。一个超帧长 7 2 0 m s ，由7 2 个无线帧组成，每个无线帧长1 0 m s 。t d s c d m a 无线帧结构如图2 1 所示。 无线帧 ( ioi n ，) uwpisjuppts 转换点 75u )75u ) ( 12 5uo ) 图2 1t d s c d m a 无线帧结构 t d s c d m a 系统帧结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。如图2 1 所示， 每一子帧又分成长度为6 7 5 u s 的7 个常规时隙和3 个特殊时隙。这三个特殊时隙分别为 d w p t s ( 下行导频时隙，7 5 s ) 、g p ( 保护时隙，7 5u s ) 和u p p t s ( 上行导频时隙，1 2 5a s ) 。 在7 个常规时隙中，t s 0 总是分配给下行链路，而t s l 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 适用于上下行 对称及非对称的业务模式。 2 2t d s c d m a 的关键技术 2 2 1 智能天线技术 智能天线技术是t d s c d m a 通信系统采用的新技术，是提高系统容量和性能的有效 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动通信系统原理及其概况 技术。智能天线系统由一个天线阵、相关的一组射频收发信机及先进的基带数字信号处理 算法所构成。和传统的固定波束的天线不同的是，它可以为每一码道提供一条天线波束。 此天线波束将跟踪正在工作的用户。 智能天线包括自适应智能天线和切换波束智能天线。智能天线采用空分多址( s d m a ) 复用技术，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用信道资源。在性 能方面，其上、下行链路的天线增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有 效地克服了信道传输衰落的影响。同时，由于天线波瓣直接指向用户，减小了与本小区内 其他用户之间以及与相邻小区用户之间的干扰，而且也减少了移动通信信道的多径效应。 自适应天线采用自适应算法，具有无限随目的、随时间调整的方向图，随着信号及干 扰而变化。自适应天线技术是目前最先进的智能天线方法，采用数字信号处理技术，有效 地跟踪、锁定各种类型的信号、识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束，可 以动态抑制其干扰到最小，而所希望的信号最大。自适应天线阵列系统的优点是算法较为 简单，可得到最大的信干比。自适应天线阵着眼于信号环境的分析与权集实时优化，动态 响应速度较慢。自适应天线阵列一般采用4 1 6 天线阵元结构，阵元间距为半个波长。 切换波束天线具有有限数目、固定和预定义的方向图，其天线系统可形成多个固定的 波束，在特定方向上提高灵敏度。它从几个固定波束中选择其一，检测信号强度，当移动 台越过扇区时，从一个波束切换到另一个波束。基站在不同的相应波束中进行选择，使接 收信号最强。切换波束智能天线对于处于非主瓣区域的干扰，是通过控制低的旁瓣电平来 确保抑制的。与自适应智能天线相比，固定形状波束天线无需迭代、响应速度快，且鲁棒 性好，但对天线单元与信道的要求较高，而且用户信号并不一定在波束中心，当用户位于 波束边缘及干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号最佳 接收，一般只用作接收天线。 在t d s c d m a 系统中，每个用户的跟踪通过到达角进行测量，由于无线帧的长度是 5 m 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。t d s c d m a 的优势是用户信号的发送和接收 都发生在完全相同的频率上。因此在上下行两个方向中的传输条件是相同的或者说是对称 的，使得智能天线能将小区间干扰降至最低，从而获得最佳的系统性能。 2 2 2 上行同步技术 上行同步是降低多址干扰、提高基站接收机性能的一项重要技术。它是t d s c d m a 系 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动通信系统原理及其概况 统中实现联合检测的基础，也是整个系统能够运转的基石。 同步c d m a 指上行链路各终端信号在基站解调器完全同步，它通过移动台和基站配 合完成，这样可使正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰， 克服了异步c d m a 多址技术由于每个移动终端发射的码道信号到达基站的时间不同，造 成信道非正交所带来的干扰，提高了c d m a 系统容量，提高了频谱利用率，简化硬件， 降低成本，便于智能天线技术的实现。 上行同步是根据一定的算法由基站向终端发送s s ( s y n c h r o n i z a t i o ns h i f t ) 命令来实现 的，s s 的最小修正步长为1 8 c h i p ，所以系统最终可以达到1 8 c h i p 精确的上行同步。上行 同步包括上行同步捕获和同步跟踪。上行捕获和同步跟踪精度要求为1 8 码片宽度。由于 移动终端的小区位置不断变化，而且在通信过程中也可能高速移动，电波从基站到移动终 端的传播时间不断变化，引起同步变化，若再考虑多径传播影响，很难精确到1 8 码片宽 度。一旦同步破坏，将导致通信阻塞和严重干扰。t d s c d m a 的网络同步要求为5 s ， 系统同步要求在基站有g p s 接收机或公共的分布式时钟，还会增加系统成本。 由3 g p p 标准t r 2 5 8 5 4 中，上行同步对信噪比和容量增益的仿真结果可知，上行同步 较为适合低移动性、步行和室内的用户，上行同步由于接收多个用户终端的正交信号而可 以减少上行小区内干扰，从而增j j n d , 区容量。 2 2 3 联合检测技术 联合检测( j o i n td e t e c t i o n ，j d ) 技术是多用户检测( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 技 术中的一种。该技术是减弱或消除多址干扰、多径干扰和远近效应的有效手段。能够简化 功率控制，降低功率控制精度，弥补正交扩频码互相关性不理想所带来的消极影响，从而 改善系统性能、提高系统容量、增大覆盖范围。 传统的c d m a 系统信号分离方法是把多址干扰( m a i ) 看作白噪声一样的干扰，导致信 噪比严重恶化，系统容量随之下降。这种将单个用户的信号分离看作是各自独立过程的信 号分离技术称为单用户检澳j j ( s i n g l e u s e rd e t e c t i o n ) 。i s 9 5 等第二代c d m a 系统实际容量 远小于设计码道数，就是因为使用了单用户检测技术。实际上，由于m a i 中包含许多先验 的信息，因此m a i 不应该被当作白噪声处理，它可以被利用起来以提高信号分离方法的准 确性。这样充分利用m a i 中的先验信息而将所有用户信号的分离看作一个统一过程的信号 分离方法称为多用户检测技术( m u d ) 。根据对m a i 处理方法的不同，多用户检测技术可以 分为干扰抵消( i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) 和联合检预w j ( j o i n td e t e c t i o n ) 两种。其中联合检测技 气 堕塞业! 皇盔兰堡主竺塑圭兰竺丝塞兰三皇竺垄望篁墨竺堕墨墨茎塑塾 术是目前第三代移动通信技术中的热点，它指的是充分利用m a i ，将所有用户的信号都分 离开来的一种信号分离技术。 在t d s c d m a 系统中，每个时隙将同时传送多个码道。这将导致同小区的多址干扰。 联合检钡j j ( j o i n td e t e c t i o n ) 的作用是通过训练序列对信道估值，进而消除其干扰，达到提高 系统容量的目的。t d s c d m a 技术的一个优势在于智能天线与联合检测算法相结合。联合 检测克服了智能天线不能完全消除的高速移动环境下的干扰。这两种技术的联合使系统具 有集空间分集、时域均衡以及多用户检测于一体的检测性能，其性能远远大于单独使用联 合检测的性能。 联合检测性能增益主要表现在对“达到某一质量要求的信号解调所需毛0 门限 的 改善上，在网络级意义上，有 里： 墨： 至盟 i l m 一1 ) s o + 0 i i o r 、m s o + p n o 嘶e p g 其中，晶为单用户信号功率；m 为用户数；k 为其他小区用户信号到达本小区基站 接收机时的归一化噪声谱密度；厶，为本小区所有用户信号的总归一化功率谱密度；咖为 热噪声功率：岛o 为解调门限；尸g 为处理增益。 根据文献 1 1 2 】可知，单用户情况下，联合检测和r a k e 技术性能基本一致。因为在 只有单个用户的情况下，不存在多用户间干扰，也表明在一个时隙存在多个码分用户的情 况下，多用户检测器可以达到最佳性能。而在多用户情况下，联合检测的性能超过r a k e 技术。对于某一误码率要求，如b e r = 1 0 - 2 ，j d ( z f - b l e 算法) 对r a k e 的门限邑“增 益超过2 d b 。联合检测性能增益和容量增益与无线信道环境有关，而不同的联合检测算法 对联合检测性能有较大影响，仿真表明：非线性算法比线性算法性能提高1 - 2 d b 。联合检 测容量增益还与用户数有关，随用户数的增加而变差。 ( a ) u e 收到切换命令前的状态( b ) u e 收到切换命令后执行接力切换 ( 上下行均与原小区连接) 6 南京邮电大学硕十研究生学位论文第二章移动通信系统原理及其概况 2 2 4 接力切换技术 ( c ) u e 执行接力切换完毕后的状态 图2 4 接力切换过程 t d s c d m a 系统中采用了全新的切换方式一一接力切换( b a t o nh a n d o v e r ) 。接力切换 充分利用t d 。s c d m a 系统特殊的帧结构和上行同步技术，在切换过程中，移动台与原小 区在通信保持不变的情况下，与目标小区建立起开环同步关系，通过开环同步保持系统能 够进行上行预同步，使u e 在接入目标小区时，能够快速完成上行同步的过程( 切换所需 执行时间短) 。由于上行预同步技术可以提前获取切换后的上行信道发送时间和功率，从 而达到减少切换时间、提高切换成功率的目的。接力切换的过程如图2 4 所示。它利用开 环预同步和功率控制，在切换过程中，首先将上行链路转移到目标基站( 基站b ) ，而下行 链路仍与原小区保持通信，经过短暂时间的分别收发过程后，在将下行链路也转移到基站 b ，完成接力切换。基站b 和基站a 在各自的下行链路上发送相同的数据，确保不会出现 数据丢包，终端在基站a 和基站b 分别收发的时间相当短( 只有几十毫秒) ，因此不会过 分引起系统资源的浪费，给系统带来的额外干扰也不大。 接力切换与软切换相比，两者的相同之处是都具有较高的切换成功率、较低的掉话率 以及较小的上行干扰等优点，它们的不同之处在于接力切换并不需要同时有多个基站为一 个移动台提供服务，因而克服了软切换需要占用的信道资源较多、信令复杂导致系统负荷 加重以及增加了下行链路干扰等缺点。另外，接力切换由于对位置信息的充分利用，切换 率较低。接力切换与硬切换相比，两者的相同之处是都具有较高的资源利用率、较为简单 算法以及系统相对较轻的信令负荷等优点。它们的不同之处在于接力切换断开原基站和与 目标基站建立通信链路几乎是同时进行的，因而克服了传统硬切换掉话率较高、切换时间 较长的缺点。因此说接力切换带给系统的突出优点是高切换成功率和高信道利用率，同时 接力切换还能降低系统的切换率，避免频繁的乒乓切换的缺点。 7 南京邮电大学硕：l j 研究生学位论文第二章移动通信系统原理及其概况 2 2 5 动态信道分配 动态信道分配( d c a ) 技术是利用系统中的综合信息，对系统中的所有资源实施分配、 管理和调度，以最大限度地利用系统资源并确保链路和系统的性能。采用d c a 技术，能 够限制干扰、最小化信道重用距离，从而高效率地利用有限的无线资源，提高系统容量。 d c a 能够灵活的分配时隙资源，自由地进行上下行链路间的转换。 t d s c d m a 系统采用r n c 控制的d c a 技术，在一定区域内，将几个小区的可用信 道资源集中起来，由r n c 统一管理，按小区呼叫阻塞率、候选信道使用频率和信道再用 距离等因素，将信道动态分配给呼叫用户。与d c a 相对应的固定信道分配技术( f c a ) ， 它根据预先估计的覆盖区域的业务负荷，把信道固定分配给某些小区，相同的信道集合在 一定的距离，间隔外可以被其他小区重用。 t d s c d m a 中的d c a 技术能高效地管理和使用时域、频域及码域等多种无线资源， 充分发挥t d s c d m a 资源分配灵活、高效的特点，在对称和非对称业务中可获得最佳的 频谱效率。 由大唐移动的仿真结果报告可以看出，d c a 对t d s c d m a 系统的链路质量和系统容 量有改善作用，但是d c a 也增加了对设备处理能力的要求并增加了系统信令负荷，而且 具体的性能增益与d c a 算法有关，合理的d c a 算法能使t d s c d m a 的系统性能有较大 的提升。 2 3g s m 系统无线接口理论 ( 1 ) g s m 网络工作频段 g s m 标准【1 3 1 中定义了8 段g s m 可以选择的频段，包括：g s m 4 5 0 、g s m 4 8 0 、g s m 8 5 0 、 主用g s m 9 0 0 ( 上行：8 9 0 9 1 5 m h z ，下行：9 3 5 9 6 0 m h z ) 、d c s l 8 0 0 ( 上行：1 7 1 0 - 1 7 8 5m h z ， 下行：1 8 0 5 1 8 8 0m h z ) 、p c s l 9 0 0 。其中d c s l 8 0 0 频段与3 g p p 划出的u m t sf d d 补充 频段重合。 我国目前建设的g s m 公众移动通信网选择了其中的两个频段的部分频率：主用 g s m 9 0 0 和d c s l 8 0 0 ，如表4 1 。另外，铁路部门在局部区域建设有r g s m 9 0 0 ( 上行： 8 7 6 8 9 0m h z ，下行：9 2 1 9 3 5m h z ) e t s i 所定义的d c s l 8 0 0 频段中的后3 0 m h z ( 上行： 1 7 5 5 1 7 8 5m h z ，下行：1 8 5 0 1 8 8 0m h z ) ，我国将其划为u m t sf d d 的补充频段。 8 南京邮电火学硕士研究生学位论文第二章移动通信系统原理及其概况 g s m 系统上行频段下行频段带宽m h z双工间隔双工信道数 m h zm h zm h z g s m9 0 08 9 0 9 1 59 3 5 9 6 02 * 2 54 51 2 4 d c s18 0 01 7 1 0 1 7 8 51 8 5 0 1 8 8 02 * 7 59 53 7 4 表2 一l 我国g s m 网络工作频段 ( 2 ) 频道间隔 相邻两频点间隔为2 0 0 k h z ，每个频点采用时分多址( t d m a ) 方式，分为8 个时隙， 即8 个信道( 全速率) 。如果g s m 采用半速率话音编码后，每个频点可容纳1 6 个半速率 信道，可使系统容量扩大一倍，但其代价是导致语音质量的降低。 ( 3 ) 频段配置 绝对频道号和频段标称中心频率的关系： ( d g s m9 0 0 m h z 频段 彳( ，z ) = 8 9 0 2 m h z + ( n 1 ) 木o 2 m h z ( 移动台发，基站收) l ( n ) = f ( n ) + 4 5 m h z ( 基站发，移动台收) ；n e ( 1 ，1 2 4 ) ( g ) d c s18 0 0 m h z 频段 石( 刀) = 1 7 1 0 2 m h z + ( n - 5 1 2 ) 木0 2 m h z ( 移动台发，基站收) 以( ”) = 石 ) + 9 5 朋瑟( 基站发，移动台收) ；n e ( 5 1 2 ，8 8 5 ) 其中：彳( 刀) 为上行信道频率、石( 行) 为下行信道频率，n 为绝对频点号( a r f c n ) ( 4 ) 干扰保护比 载波干扰比( c i ) 1 3 2 1 是指接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值，此比值与 移动台的瞬时位置有关。这是由于地形不规则性，以及散射体的形状、类型及数量不同， 以及其他一些因素如天线的类型、方向性及高度，站址的标高及位置，当地干扰源数目等 造成的。 同频干扰保护比：c i 是指不同小区使用相同频率时，另一小区对服务小区产生的干 扰。g s m 规范中一般要求c i 9 d b ：工程中一般加3 d b 余量，即要求c 1 1 2 d b 。 邻频干扰保护比：c a 是指在频率复用模式下，邻近频道会对服务小区使用的频道进 行干扰。g s m 规范中一般要求c a 一9 d b ，工程中一般加3 d b 余量，即要求c a 一6 d b ( 5 ) 多址技术 g s m 的多址方式为时分多址( t d m a ) 和频分多址( f d m a ) 相结合并采用跳频的方 式，载波间隔为2 0 0 k ，每个载波有8 个基本的物理信道。一个物理信道可以由t d m a 的 帧号、时隙号和跳频序列号来定义，它的时隙的长度为o 5 7 7 m s 。 ( 6 ) 无线接口上的信道 o 塑塞堕皇奎兰堡主型壅竺兰垡丝苎丝三皇竺垫望笪墨竺堕型丝! ! 堡堡 在g s m 中的信道可分为物理信道和逻辑信道。一个物理信道就是一个时隙，通常被 定义为给定t d m a 帧固定位置上的时隙( t s ) 。而逻辑信道是根据b t s 与m s 之间传递 的消息种类不同而定义的不同逻辑信道。这些逻辑信道是通过b t s 来映射到不同的物理信 道上来传送。 逻辑信道由可分为业务信道和控制信道【3 2 】。 业务信道 业务信道用于承载语音或用户数据，可分为话音业务信道和数据业务信道。 控制信道 控制信道用于携带信令或同步数据，可分为广播信道、公共控制信道和专用控制信道。 广播信道( b c h ) ：包括b c c h ( 广播控制信道) 、f c c h ( 频率校正信道) 和s c h ( 同步信道) 。它们携带的信息目标是小区内所有的手机，所以它是单向的下行信道。 公共控制信道( c c c h ) ：包括r a c h ( 随机接入信道) ，p c h ( 寻呼信道) ，a g c h ( 介入允许信道) ，除r a c h 是单向上行信道外，其余均是单向下行信道。 专用控制信道( d c c h ) ：包括s d c c h ( 独立专用控制信道) ，s a c c h ( 慢速随路控 制信道) ，f a c c h ( 快速随路控制信道) 和c b c h ( d , 区广播) 。 l o 南京邮电大学顾十研究生学位论文第三章t d s c d m a 系统性能分析 第三章t d s c d m a 系统性能分析 3 1 链路预算的定义 所谓链路预算，是通过对系统中上、下行信号传播途径中各种影响因素的考察和分析， 对系统的覆盖能力进行估计，获得保持一定呼叫质量下链路所允许的最大传播损耗。链路 预算是覆盖规划的前提，通过计算业务的最大允许损耗，可以求得一定传播模型下小区的 覆盖半径，从而确定满足连续覆盖条件下基站的规模。 前向链路是指基站发、移动台收的通信链路。t d s c d m a 的前向链路采用正交的w a l s h 码进行扩频，基站与基站之间同步( 通过g p s 或其他方式) ，对干扰具有较强的抑制作用。 反向链路是指移动台发、基站收的通信链路。由于受到体积、重量和电池容量的制约，手 机的发射功率不可能做的很大。因此，t d s c d m a 小区的大小一般是反向链路受限。 反向链路同前向链路相比，移动台的发射功率有限，反向参数容易确定。分析反向链路 可以得到下式： l p = 只。一l r l m 一m p + g 一厶一瓯i 。 ( 3 - 1 ) 式中l p 为反向链路的最大路径损耗；只。为移动台最大有掣发射功率；l r 为人体损耗； 为建筑物损耗；坼为衰落余量；m p 为功控余量；q 为基站接收天线增益；厶为基站馈 线损耗；瓯；。为基站接收灵敏度。 ! 磷赫| 4 ：l 物、车绒损耗i、j 圈圈圈+ 圈，圈匪蠲圈陶 囤 图3 1 上行链路示意图 ( 1 ) 系统参数 t d s c d m a 的码片速率为1 2 8m c h i p s ，扩频带宽为1 6m h z 。随着载波频率的增高， 在同等距离条件下，损耗增大，所以3 g 频段的传输损耗相对于9 0 0m h z 较大。根据我国分 配的t d d 频段，取载波频率20 0 0 m h z 作为基准。 根据传输数据的方式，通信业务可以分为电路业务( 话音1 2 2k b i t s 、6 4k b i t s ) $ 1 分组业 务( 6 4k b i t s 、1 4 4k b i t s 、3 8 4 k b i t s ) ，每种速率的业务对应的扩频增益是不同的。扩频增益是 指由于数据在频带上展宽而得到的增益，如1 2 2k b i t s 的话音扩频增益为 1 0 1 9 ( 1 2 8 m 1 2 2 k ) = 2 0 2 d b 。它表示经过解调后，用户信噪比可增加的倍数。 背景噪声为k t b ，其中k 是玻尔兹曼常数1 3 8 x 1 0 。2 3 j k ，t 是绝对温度，b 是系统带 宽，k t 是热噪声谱密度。设室温为3 0 0 k ，计算热噪声谱密度得1 7 4 d b m h z 。系统参数是 唯一的，不会变化。 ( 2 ) 移动台发射机参数 由于各种终端设备性能不同，一般数据业务终端最大发射功率2 4 d b ，话音终端为2 1 d b 。 话音用户天线采用全向天线，其增益一般是0 d b ，数据用户天线增益是2 d b ，接头损耗忽略不 计，则有效最大发射功率为移动台发射功率和移动台天线增益之和。 ( 3 ) 基站接收机参数 对于基站天线增益一般全向天线取1 6 d b ，定向天线取2 3 d b 。由于t d s c d m a 系统 采用智能天线，它能对信号到达方向进行估计，使用户波束内的多址干扰尽量降低，从而也变 相提高了增益。通过实际验证，采用智能天线可比普通天线多获得8d b 的赋形增益。 噪声系数指的是基站接收机的噪声系数和移动台接收机的噪声系数。当信号通过接 收机时，接收机将对信号增加噪声，噪声系数就是对增加的噪声的一种度量方法，在数值 上等于输入信噪比与输出信噪比的比值。在c d m a 移动网络中，常用的基站接收机噪声 系数一般为4 6 d b ，移动台接收机的噪声系数是6 8 d b 。 接收机灵敏度是指接收机输入端为保证信号能成功检测和解码而必须达到的最小信 号功率。在c d m a 系统中，接收机灵敏度与其他系统有些不同，由于c d m a 系统的所有 用户是在同一频段上发送信号，接收机除了需要克服热噪声、接收机内部噪声外，还需要 克服来自系统内部的噪声。因此，c d m a 接收机的最小接收功率由所需的e g , 、处理增 益和全部的干扰噪声决定。一般情况下，c d m a 接收机灵敏度是指系统无负载时，接收机 输入端所需的最小信号功率，即 瓯一( 每j 。+ + ，枷 ( 3 乞) 式中氏；。为基站接收机灵敏度；( 邑m ) 为所需的每个业务信道信息比特能量与总的噪声 和干扰功率谱密度的比值；氓为热噪声密度；，为噪声系数；r 为不同业务的数据速率。 ( 4 ) 余量预留 南京邮电大学硕，l ：研究生学位论文第三章t d - s c d m a 系统性能分析 1 阴影衰落 无线信道是一个随机信道。从实际数据统计来看，在一定距离内，本地的平均接收场 强在中值附近上下波动。这种现象是由于一些人造建筑物或自然界阻隔而发生的，被称为 阴影衰落( 或慢衰落) 。在计算无线覆盖范围内时，通常认为阴影衰落呈对数j 下态分布。 在城市环境中，阴影衰落一般在1 l d b 左右，在农村环境中，一般在9 d b 左右。 2 边缘覆盖效率 由于无线信道的随机性，无法使覆盖区域内的信号一定大于某个门限，但是，必须保 证接收信号能以一定的概率大于接受门限。决定覆盖质量的一个指标是小区边缘的覆盖效 率，定义为在小区边缘，接收信号大于接受门限的时间百分比。7 5 的边缘覆盖概率被认 为是一个比较合适的值。图3 2 给出阴影衰落标准差分别为8 d b 、9 d b 和l o d b 时的对数正 态衰落余量与边缘覆盖效率的关系曲线。 图3 - 2 对数正态衰落余量与边缘覆盖效率的关系 3 面积覆盖效率 实际工程中，常对面积覆盖效率比较感兴趣。面积覆盖效率定义为半径为r 的圆形区 域内，接收信号强度大于接收门限的位置占总面积的百分比。设接收门限为x o ，接收信号 大于的概率，则覆盖效率l h - f 式得到： e2 嘉心幽( 3 - 3 ) 由上式得 e = l 1 - e 矿( 口) + e x d ( 1 - 。2 。a b ) ( 1 一e 矿( 丁1 - a b ) ) 】( 3 - 4 ) 南京邮电大学预1 ：研究生学位论文第三章t d s c d m a 系统佳能分析 式中 b ：1 0 n l o g 。o r 压；口= - - c ( o r 压) ；e r f c x ) = 辜p 叫2 d t ：c 为衰落余量， 死i c ：一x 一；n 为路径损耗指数；仃为阴影衰落的对数标准差。由图3 3 可以看出，为了保 证边缘覆盖效率和面积覆盖效率都能够达到9 5 ，阴影衰落余量需要达到1 0 d b 左右。 g 瓣 摄 粥 雌 哆矽 b _ 。0 一 丫 7 一 6 = 8 d b n = 3 夕。 f 母面积覆盖效率l 7 l + 边界覆盖效率芷 7 。 厂 # 手 f i 阴影衰落余呈d 1 3 图3 3 小区边缘效率、面积覆盖效率与阴影衰落余量的关系 4 衰落余量 为保证小区边缘一定的覆盖效率，在链路预算中，必须预留一部分的余量，以克服阴 影衰落对信号的影响。衰落余量的值为边缘接收信号的中值与接收机灵敏度之差。 气= j 去e x p 【等 d x 7 1 互1p r f ( 专) ( 3 - 5 ) 式中 e r f ( x ) = 辜p d t ；x 为接收信号功率；气为接收信号x 大于门限x 。的概率； 万占 仃为阴影衰落的对数标准差；为接收信号功率中值；c 为衰落余量，c - - x s m i 。 5 功控余量 在t d s c d m a 中，功率控制比较慢( 为2 0 0 次s ) ，所以认为即使在慢速的情况下， 功率控制也跟不上快衰落的变化，终端的功率提升也比较低。一般认为对于快衰落余量的 取值，慢速取l d b ，快速取0 d b 。慢速移动终端是主要通过快速闭环功率控制来保证其解 调性能，必须为快速闭环功控预留一定的功率动态调整范围，功控取定3 d b ；对于高速移动的 终端不必考虑功控余量。 6 干扰余量 在t d s c d m a 系统中，所有用户在同一频段内发射，每一用户的信号对别的用户来 塑室唑! 望奎兰堡：! = 堕壅皇兰堡垒塞笙三兰里：! 里里兰垒墨垄堡丝坌塑 说都是干扰。用户越多，干扰就越大，导致覆盖就越小，在链路预算中以干扰余量的方式 来体现。干扰余量在数值上等于多用户覆盖与单用户覆盖相比减少的d b 值。 在w c d m a 系统中，由于其具有自干扰特性，其干扰影响程度在链路预算中是由干扰 余量l 指标来反映的，定义为由于干扰引起在热噪声之上的噪声抬升，与小区负荷因子t 1 可相互转换：l = 1 0 x l g ( 1 ( 1 t 1 ) ) ，干扰余量与小区负载的关系如图3 4 。 图3 4 干扰余量与小区负载的关系 而对于t d 。s c d m a 系统，由于其独特的多址及双工方式，单时隙最多存在8 个语音 用户，高速率业务则更少，且通过智能天线、联合检测及d c a 等技术更有效的抑制同时 隙互干扰用户，因而理论上t d s c d m a 为