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北京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 c o m a 系统链路容量分析与研究 摘要 移动通信系统的频谱资源是很有限的，因而如何实现频谱利用率 的最大化，即实现最大容量蜂窝系统，是系统设计中的一个重要方面。 c d m a 数字蜂窝移动通信系统由于其具有良好的通信性能、容量大 等特点已成为移动通信系统的发展趋势。 由于f d m a 和t d m a 蜂窝系统是频率受限的，系统的总带宽确 定后系统中的信道数就是固定的，因此计算系统容量可以直接通过爱 尔兰b 定理求得。然而c d m a 蜂窝系统是干扰受限的，系统中的信 道数是动态变化的，因此不能直接使用爱尔兰b 定理求出系统容量， 需要采用其它方法来分析系统容量。 c d m a 蜂窝系统的容量( 允许的用户数) 取决于干扰程度：对于上 行链路，当基站接收机的总用户干扰超过某个门限时，系统就会阻塞 下一个试图呼叫的用户；对于下行链路，当基站发射的信号不能被移 动台解析时，就会发生阻塞。这种阻塞发生的概率称为阻塞概率，当 阻塞概率很小时，系统是允许的。当阻塞概率达到一定程度( 通常为 1 2 ) ，系统容量就达到了最大值，此时求出的业务负荷( 业务载荷 一呼叫率呼叫持续时间) 定义为系统的爱尔兰容量，对应于f d m a 或t d m a 蜂窝系统中的等效信道数。因此可以通过c d m a 系统的阻 塞概率来计算系统的容量。 本论文的主要工作包括： 一、推导了在理想功率控制下c d m a 系统正反向链路的极点容 量的计算公式，并对影响极点容量的因素进行了分析，最后指出了使 用极点容量分析系统容量的优缺点。 二、比较了使用阻塞概率进行容量计算过程中常用的两种近似 方法：高斯近似和对数正态近似。比较结果表明对数正态近似可以获 得较精确的分析结果。因此本论文中对于随机变量的分析是基于对数 正态分布进行的。 三、分析了c d m a 系统反向链路的特点，推导了反向链路容量 计算公式。在分析反向链路容量过程中，充分考虑了功率控制非理想、 天线扇区非理想、激活因子、邻小区干扰、动态负载门限和多业务等 因素对系统容量的影响。通过仿真将算法容量与真实容量进行了比 较，仿真结果表明，该方法可以很好地评估出系统容量。 第1 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 四、提出了一种c d m a 系统前向链路容量计算方法。该算法综 合考虑了路径损耗、激活因子、功率控制非理想、邻小区干扰和多业 务等因素对系统容量的影响。仿真结果表明，该算法可以比较准确地 计算出系统容量。 五、分析了影响系统容量的各因素对系统容量的影响程度，这 些因素包括路径损耗、激活因子、功率控制非理想、邻小区干扰和多 业务等。分析结果对网络规划、优化有一定的指导意义。 关键词：c d m a 容量对数正态前向链路反向链路 第2 页 北京邮屯大学硕士研究生学位论文a b s t t a c t c a p a c i t ya n a l y s i s a n dr e s e a r c hf o rc d m as y s t e m a b s t r a t t h e s p e c t r a lf r e q u e n c y o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mi sl i m i t e d s oh o wt om a k ef u l lu s eo ft h es p e c t r a le e q u e n c y ，t h a ti st os a yh o w t o r e a l i z et h em a x i m u m c a p a c i t ys y s t e m ，i st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rw h e n d e s i g n i n g aw i r e l e s sc e l l u l a r n e t w o r k o w n i n gg o o dc o m m u n i c a t i o n p e r f o r m a n c e ，c d m as y s t e m h a s b e c o m i n g t h et r e n do fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s t h e e r l a n g - bf o r m u l a i su s e dt oc a l c u l a t et h ec a p a c i t yo f f d m aa n d t d m ac e l l u l a rs y s t e m s ，b e c a u s et h en u m b e ro ft h ec h a n n e li sf i x e di nt h e t w o s y s t e m s h o w e v e r t h e c a p a c i t y o fc d m as y s t e mc a r ln o tb e c a l c u l a t e d b ye r l a n g - b f o r m u l a d i r e c t l y b e c a u s et h ec h a n n e lo ft h e s y s t e m i sd y n a m i c ，o t h e rm e t h o dm u s tb ea d o p t e dt oa n a l y z et h ec a p a c i t y o fc d 【a s y s t e m t h ec a p a c i t yo fc d m a s y s t e mi s d e t e r m i n e db yt h ei n t e r f e r e n c ei n t h es y s t e m f o rt h eu p l i n k ，w h e nt h et o t a li n t e r f e r e n c ee x c e e d st h eg i v e n v a l u e ，t h es y s t e mw i l lr e f u s en e x tu s e r f o rt h ed o w n l i n k ，w h e n t h es i g n a l r e c e i v e db yu s e rc a nn o tb ea n a l y z e d ，t h eo u t a g ew i l l s o c c u r t h e p r o b a b i l i t yo f t h a tt h e o u t a g eo c c u r si s c a l l e do u t a g ep r o b a b i l i t y t h e s y s t e m c a nw o r kw e l lw h e nt h eo u t a g ep r o b a b i l i t yi ss m a l l ，n om o r et h a n 1 一2 ，b u t w h e nt h e o u t a g ep r o b a b i l i t y e x c e e d st h e g i v e n v a l u e ( 1 2 ) ，t h es y s t e m w i l lr e f u s et h en e x tu s e r , a n dt h en u m b e ro f t h e w o r k i n g u s e r si st h ec a p a c i t yo fc d m a s y s t e m t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h e p o l ep o i n t o f c a p a c i t y m a t h e m a t i c sf o r m u l au n d e rt h e c o n d i t i o no ft h ep e r f e c tp o w e rc o n t r o li sg o t a n a l y z et h ef a c t o r sw h i c h c a na f f e c tt h ep o l ep o i n to fc a p a c i t ya n dp o i n to u t t h es t r o n g p o i n ta n dt h e s h o r t c o m i n g o f t h em e t h o d 第1 页 北京邮电大擎硕士研究生学位论文 a b s t r a c t 2 c o m p a r e t w o a p p r o x i m a t em e t h o d s ，g a u s s i a na n dl o g n o r m a l d i s t r i b u t i o n ，w h i c ha r eu s e di nc a l c u l a t i n gt h ec a p a c i t yo fc d m a s y s t e m t h er e s u l ts h o w st h a t u s i n gt h el o g n o n n a ld i s t r i b u t i o nc a ng e tm o r e a c c u r a t ee v a l u a t i o n s oa 1 1t h ea p p r o x i m a t i o ni nt h i st h e s i s a d o p t st h e l o g n o r m a l d i s t r i b u t i o n 3 a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ed o w n l i n ko fc d m a s y s t e m ，a n d e d u c et h em a t h e m a t i c sf o r m u l au s e dt oc a l c u l a t et h ed o w n l i n k c a p a c i t yo f c d m a s y s t e m d u r i n g t h e a n a l y z i n g a n de d u c i n g ，i m p e r f e c t p o w e r c o n t r o l ，n o n i d e a l s e c t o ra n t e n n a p a t t e m ，a c t i v i t yf a c t o r , o t h e r - c e l l i n t e r f e r e n c ef a c t o ra n dm u l t i s e r v i c ea r ec o n s i d e r e d t h er e s u l to f s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h i sm e t h o dc a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h ed o w n l i n k c a p a c i t yo f t h ec d m a s y s t e m 4 an e wm e t h o di s p r e s e n t e dt oc a l c u l a t et h eu p l i n kc a p a c i t yo f c d m a s y s t e m t 1 1 i sm e t h o dc o n s i d e r e dt h ee f f e c t so fs h a d o w i n ga n d f a d i n g ，a c t i v i t yf a c t o r , i m p e r f e c tp o w e rc o n t r o l ，o t h e r - c e l l i n t e r f e r e n c e f a c t o r sa n dm u l t i s e r v i c e t h er e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h i s m e t h o dc a nc a l c u l a t et h eu p l i n kc a p a c i t yo fc d n 【a s y s t e ma c c u r a t e l y 5 a n a l y z eh o wm u c ha l l t h e f a c t o r s ，i n c l u d i n gs h a d o w i n ga n d f a d i n g ，a c t i v i t yf a c t o r , i m p e r f e c tp o w e rc o n t r o l ，o t h e r - c e l l i n t e r f e r e n c e f a c t o r sa n dm u l t i - s e r v i c ee t c c a na f f e c tt h ec a p a c i t yo fc d m a s y s t e m t h er e s u l t sa r eg o o df o rb o t hw i r e l e s sn e t w o r kp l a n n i n ga n dw i r e l e s s n e t w o r k o p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：c d m a c a p a c i t yl o g n o r m a l d i s t r i b u t i o n u p l i n k d o w n l i n k 第2 页 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 本人签名金整 本人承担一切相关责任。 日期：之! 生i 自! 旦 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一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：垒垫日期：至竺! 堡! 自2 璺 导师签名：# 翌簪 日期： 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 论文的背景 第一章绪论 现代社会已经步入信息时代，在信息传输技术中，移动通信是当今通信领域 中最为活跃和发展最为迅速的技术之一。 时代发展的脚步越来越快，人们期望能够随时随地、及时可靠地进行信息交 流。移动通信系统综合了有线和无线传输方式，能够满足人们在活动中与固定终 端或其它移动载体上的对象进行通信联系的要求，从而提高工作效率，节省人力、 物力和时间，具有很大的社会效益和经济效益。 自从1 9 8 1 年第一代模拟移动通信系统建立以来，蜂窝移动通信市场的发展 和需求大大超过了人们的预测。在短短几年时间内，模拟蜂窝移动通信系统就面 临着阻塞率增高、呼叫中断率增高、蜂窝系统的干扰增大、蜂窝系统迫切需要增 容的压力。但由于模拟系统本身的缺陷( 例如，频谱效率低、保密性能差等) ， 系统的设计容量远远不能满足需求。 为了解决第一代移动通信系统存在的问题，1 9 9 2 年以t d m a 技术为基础的 第二代数字蜂窝移动通信系统( g s m 、d a m p s 等) 相继投入使用。t d m a 蜂窝 系统较f d m a 蜂窝系统有许多优势：频谱效率提高，系统容量增大，保密性能 好，标准化程度高等。但目前的2 g 移动通信系统仍存在以下不足：随着用户数 的增长，系统容量因频率利用率不商而渐趋饱和，这将影响新增用户加入；相对 于有线互联网络业务的红火，2 g 的移动网络除了提供比较单一的语音业务外， 在数据传输和多媒体领域则表现出先天的不足，而这阻碍了一部分成熟的移动用 户追求更新的服务。 面对现在移动网络的不足，c d m a 表现出了无与伦比的优势：对运营商来 说，基于c d m a 的系统，其频谱利用率高，覆盖特性好，频率规划方便，系统 容量不再是问题；对传统用户来说，c d m a 系统具有语音质量好、调换率低、 发射功率小、保密性强等优点；而对于追求新业务的用户来说通过移动终端可以 享受和固定网络一样的精彩业务，如高速数据传输，多媒体应用。为此，作为 3 g 的主流方案，c d m a 系统将成为我国第三代移动通信网络建设的首选。 从总体上看，i s 9 5 ，c d m a 2 0 0 0 ，w - c d m a 没有本质不同，所有的不同点 无非是怎样才能更好发挥c d m a 的优势，提高系统的性能，如系统容量、通信 质量和网络覆盖等等。 由于目前国内c d m a 网络规模相对还很小，对这些方面的研究还不够深入， 急需对基站规划进行完整的分析，以帮助厂家在实际开局时对c d m ab s s 系统 第1 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 做出正确的规划。而c d m a 系统的容量是c d m a 网络规划、优化中要考虑重要 因素之一。 1 2 论文的内容及意义 移动通信系统的频谱资源是很有限的，因而如何实现频谱利用率的最大化， 即实现蜂窝系统的容量最大，是系统设计中的一个重要方面。蜂窝系统的容量 与多址方式有着密切的关系。从早期的频分多址( f d m a ) 模拟蜂窝移动通信到 以g s m 为代表的时分多址( t d m a ) 数字蜂窝系统，再到i s 9 5 窄带码分多址 ( c d m a ) 系统，蜂窝系统的容量逐渐加大。而目前基于c d m a 的第三代移动 蜂窝通信系统w c d m a 及c d m a 2 0 0 0 ，与上述蜂窝系统相比在容量上又有了新 的突破，成为宽带移动通信的重要解决方案。 影响c d m a 系统容量的因素有很多，如功率控制技术、分集技术、软切换 的比例、其它小区多址干扰、用户分布模型、阻塞概率要求、业务类型及速率等。 确切计算蜂窝系统的容量是非常困难的，一般是通过理论分析和仿真测试来 估算。关于蜂窝系统的计算和仿真方法，已有较多研究。但由于这些研究中影响 c d m a 蜂窝系统的因素和假定的计算参数不统一，带来了计算和仿真结果的差 异，导致了结果的不可比拟性。本文从理论分析入手，详细分析了影响容量的可 能因素，这些因素包括：路径损耗、功率控制非理想、天线扇区非理想、激活因 子、邻小区干扰、动态负载门限和多业务等。研究了c d m a 前向、反向链路的 极限容量和基于呼损概率的爱尔兰容量。经过详细的理论推导，得出了前囱、反 向容量的计算公式，并通过计算机仿真对理论分析得出的结论加以验证。 1 3 论文的结构安排 全文共分为七章： 第一章：绪论。主要介绍了论文的背景，论文的内容及意义。 第二章：c d m a 蜂窝系统特点。介绍了c d m a 蜂窝系统的特点，并着重介 绍了c d m a 的信道环境和系统特点。 第三章：极点容量。介绍了前向、反向链路极点容量的计算方法，并借助仿 真详细分析了激活因子、载干比、邻小区因子等对系统容量的影响。 第四章：反向链路爱尔兰容量。从理论上分析了反向链路阻塞概率和爱尔兰 容量的关系，比较了容量推导中需要用到的两种近似方法的准确性并通过仿真进 行了验证，分析了各参数对系统的爱尔兰容量的影响。 第五章：前向链路爱尔兰容量。从理论上分析了前向链路阻塞概率和爱尔兰 容量的关系，并介绍了两种计算前向链路系统容量的算法，其中第二种算法由本 第2 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 人提出。最后对两种算法进行了比较，指出了第二种算法的优越性。 第六章：c d m a 系统爱尔兰容量仿真。对c d m a 系统的前向、反向链路爱 尔兰容量进行蒙特卡罗仿真，并分别对上行、下行链路的真实曲线( 蒙特卡罗仿 真曲线) 和本人提出的算法的仿真曲线进行了比较，验证了本人提出的容量计算 方法的准确性。 第七章：总结。对论文进行了总结。 第3 页 圭童堕皇查兰堡主! 壅竺兰! ! ! 垫 苎三童曼望! 坠些塞墨堕堂皇 2 1 信道环境 第二章c d i v i a 蜂窝系统特点 在陆地移动通信中，移动台常常工作在城市建筑群中或其它地形地物较为复 杂的环境，其传输信道的特性随地形而变化，因而，移动信道是典型的随参信道。 随参信道通常受传播路径的损耗和衰落的影响。在本小节中，将分析c d m a 系 统的信道环境，即路径损耗和衰落对信号的影响。 2 1 1 路径损耗 路径传播损耗可定义为在实际的传播路径中，全向发射天线辐射功率只与 全向接收天线收到的功率只之比。即： 岛= e , p , 当基站天线是架高( 相对于波长，一般高于3 0 r e ) 的，移动台天线高度为 i m ，地面是平面( 无线电波主要传播方式为直射波和反射波) 的条件下，接收 功率可以用下式表示： 只= e , b 4 ，耐】2 l + r e 。2 “7 。+ ( 1 一r ) a e 。2 “7 。+ 1 2( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，( 2 4 z d ) 2 是自由空间损耗因子，a r 是反射波与直射波之间的行 程差，r 为反射系数。第一项为直射波，第二项为反射波，第三项为沿地表面传 播的表面波，在天线架高的情况下，第三项可以略去。所以有： p = 只w 4 耐】2 1 1 + r e 。2 “2 1 2 ( 2 - 2 ) 在理想情况下，反射系数r = 一1 ，则 l _ e d z , r a r l x f 2 = f 1 一c o s ( 2 础z ) 一s i n ( 2 z a r z 】2 = 4 s i n ( 2 r , a r t 2 ( 2 3 ) 第4 页 图2 - 1 平面地形的传播理论模型 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章c d m a 蜂窝系统特点 从图2 - 1 中的几何关系中可以看出，在h t + h r ； d 为信号场强中值x 的标准差( 分贝) 。 大气参数变化引起折射参数的缓慢变化也能造成另一种慢衰落( 即使当移动 台静止时也存在此种慢衰落，故它是随时间变化的) 。经测定，也属于对数正态 分布。这种由于大气折射的平缓变化，使得同一地点收到的信号场强中值电平随 时间作慢变化。 第5 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第= 章c d m a 蜂窝系统特点 所以说，慢衰落实际是由随时间和地点变化的两种衰落综合而成的，这两种 变化是互相独立的，因此它们的联合概率分布的标准差为 6 = 踊 其中屯和函分别是随位置分布和随时间分布的标准偏差。 但是，这种因气象条件造成的慢衰落的变化速度非常缓慢( 常以小时甚至以 天为量级) ，因此常可忽略不计。 需要指出的是慢衰落的标准差除了和地形地物的高度及其稠密程度有关以 外，还和工作频率有关。因为各地区对不同频率均有不同的6 值，一般需要测定。 而且由于时间的推移，一个地区的建筑物布局也往往会有较大的变化，也会使d 值发生变化。 2 2 系统特点 c d m a 系统容量大的原因，不仅在于每路信道信号接近正交，还在于系统 对人的语言特征具有间歇性的利用，以及采用三方向或多方向扇区天线，通过对 频率时间平面的再利用来增加蜂窝容量，这是c d m a 系统区别于f d m a 和 t d m a 系统所特有的。除此以外，系统关键部分的设计，如功率控制和软切换， 在实现并增强它的大容量性能的同时，保证了通信质量；调制方式更使c d m a 系统具有突出的优点，例如动态容量及通话的保密性等。下面就对c d m a 蜂窝 通信系统的特点进行简单的介绍。 2 2 1 软容量 在f d m a 、t d m a 系统中，当小区服务的用户数达到最大信道数，已满载 的系统绝对无法再增添一个信号，此时若有新的呼叫，该用户只能听到忙音。而 在c d m a 系统中，用户数目和服务质量之间可以相互折中，灵活确定。例如系 统经营者可以在话务量高峰期将误码率稍微提高，从而增加可用信道数。同时， 当相邻小区的负荷较轻时，本小区受到的干扰减小，容量就可适当增加。 体现软容量的另一种形式是小区呼吸。所谓小区呼吸功能就是指各个小区的 覆盖大小是动态的，当相邻两个小区的负荷一轻一重时，负荷重的小区通过减小 导频发射功率，使本小区边缘用户由于导频强度不够，切换到相邻小区，使相邻 小区分担本小区的负荷，即相当于增加了容量 2 2 2 软阻塞 c d m a 的基本原理在于可使用一组正交( 或准正交) p n 序列实现多用户频率 共享。从理论上说，只要编码不同，一个频带中能容纳的用户可以无限，具有灵 第6 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章c d m a 蜂窝系统特点 活的忙时处理性能，且任何一个用户在任何时间都无需等待空闲信道即可发起呼 叫，没有呼叫阻塞。但是，在实际应用中，话音质量却随着话路数目增加而明显 下降。在c d m a 系统中，当给定的用户和其它相邻或非相邻的用户引入本扇区 的总干扰密度超过背景噪声电平的”倍时，用户呼叫发生“阻塞”。这种阻塞是由 于扰引起的，可通过功率控制等技术减小干扰、提高系统性能来消除，因此这种 阻塞称为“软阻塞”。 在传统的频率复用系统中，小区容量是由固定的信道数目决定的，而在 c d m a 系统中，一个c d m a 载波可以在牺牲一些通话质量的条件下建立一个新 的呼叫，这种过载在c d m a 系统中是可以容忍的。假设平均每个用户的通话时 间是2 m i n ，同时载波上容纳2 0 个通路，那么平均等待6 s 后就会有用户挂断， 这种短时间的话音质量降低是可以接受的。因此，c d m a 信道可以在超载的情 况下灵活地处理所有的呼叫，直到有用户挂断退出信道，系统恢复正常。c d m a 信道的“软阻塞恃性使得c d m a 系统可以灵活地支持更多的用户，从而具有更 高的系统容最。 2 2 3 软切换 所谓软切换就是指当移动台需要切换时，先与新的基站连通，再与原基站切 断联系，而不是先切断与原基站的联系，再与新基站连通。切换只能在同一频率 的信道间进行。因此，模拟系统、t d m a 系统不具有这种功能。软切换可以有 效地提高切换的可靠性，大大减小切换造成的掉话。据统计，模拟系统、t d m a 系统无线信道上的掉话百分之九十发生在切换中。同时，软切换可以提高分集， 从而保证通信的质鲎。但是软切换也相应带来了一些缺点：导致硬件设备增加， 降低了系统前向链路容量。 软切换与硬切换有几方面的差异。当硬切换发生时，因为原基站与新基站的 载波频率不同，移动台必须在接收新基站的信号之前，中断与原基站的通信。往 往由于在与原基站链路切断后，移动台不能立即得到与新基站的链路，会中断通 信。另外，当硬切换区域面积狭窄时，会出现新基站与原基站之间来回切换的“乒 乓效应”，影响业务信道的传输。而在软切换中，因为每一个小区复用同一个频 率，所以不需要每到一个小区就切换信道。而且，与原有的服务基站的联系还未 中断之前，跟新的基站的联系就已经建立起来了，所以不会发生业务信道被中断 的现象。切换过程之所以有健壮性，因为移动台在断掉与旧的基站的联系之前就 已经和新的基站建立了通信，这一过程通常被称为“先建立，后断开”。 在c d m a 系统中提出的软切换技术，很好地利用了直接扩频系统的特点， 与硬切换技术相比，具有以下更好的性能。1 ) 软切换发生时，移动台只有在取 第7 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章c d m a 蜂窝系统特点 得了与新基站的连接之后，才会中断与原基站的联系，通信中断的概率大大降低： 2 ) 软切换进行过程中，移动台和基站均采用了分集接收的思想，有抵抗衰落的 能力，不用过多增加移动台的发射功率；同时宏分集接收保证在参与软切换的基 站中，只需要有一个基站能正确接收移动台的信号就可以进行正常通信，由于通 过反向功率控制，可以使移动台的发射功率降至最小，这进一步降低移动台对系 统的干扰：3 ) 进入软切换区域的移动台即使不能得到与新基站的链接，也可以 进入切换等待队列，从而减少了系统的阻塞率。 软切换可以提高上行链路容量，但是在下行链路上时，由于c d m a 系统会 给处于软切换的链路另外分配信道，因此软切换不仅占用了额外的系统资源，而 且也增加了下行干扰，降低了下行链路容量。在实际工作中，应根据用户通信质 量和系统资源利用率的折中来设置软切换门限。当系统负载轻时，可以降低切换 门限使更多的用户获得较好的服务质量；当系统负载重时，可以提高切换门限， 使系统有较多的资源，以满足更多的用户接入。 2 2 4 无线多径 多径衰落是由于接收机所接收到的不同幅度和时延的信号相互叠加而产生 的衰落。多径衰落是无线信道固有的特点。由于c d m a 系统将信号扩展到很宽 的频带上传送，其码元周期与基带信号相比大大缩短，这样在高速率传输时必然 受到码间串扰的影响，而c d m a 系统本身又是干扰受限系统，因此，对于c d m a 系统而言，多径会严重影响系统容量。对于传统的复用系统来说，多径主要是影 响话音质量。多径造成的容量损失主要取决于无线环境带来的码间串扰程度，目 前一个不利的事实就是在高业务密度的地方往往是高楼林立的城市，而高大的建 筑物会带来严重的多径衰落。 c d m a 系统采用r a k e 接收机来减轻多径时延的影响。实际上，从每一个 多径信号的角度看，其它多径信号都是干扰而增益被抑制，但是r a k e 接收机 可以对多个信号进行分别处理合成，从而获得较高增益。另外，我们可以通过基 站选址和扇区规划使无线传输路径数达到最少，如通过微蜂窝和微微蜂窝配置， 可以减轻多径问题的影响。 2 2 5 分集接收 在第一代蜂窝电话系统中多径共存会引起衰落。而使用宽带c d m a 调制， 不同路径可以被独立地接收，大大降低了多径衰落。但多径衰落不可能完全清除， 因为解调器不能对意外产生的多径信号进行处理。这将导致信号仍存在一定程度 的衰落。 第8 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章c d m a 蜂窝系统特点 分集接收是减轻衰落的理想途径。c d m a 系统中使用不同类型的分集接收 大大改善了系统的性能指标。 1 时间分集：通过符号交织、检错、以及纠错编码实现； 2 频率分集：通过宽带信号实现； 3 空间( 路径) 分集：通过小区基站双接收天线、多径r a k e 接收机及多小 区基站( 软切换) 实现。 在t d m a 系统及f d m a 系统中很容易实现空间分集。时间分集可以在所有 的数字系统中实现，只要这些系统能够满足达到所要求的纠错处理效率而需要的 较高的符号传输速率。其它的方法只在c d m a 系统中可较容易地实现。直接序 列c d m a 的特性是能够提供广泛的路径分集。一个系统中的分集越多，在恶劣 传播环境中的性能参数越好。 2 ，2 6 ，l 、区分扇区 分扇区可以提高c d m a 系统的无线容量。在基站天线性能理想的前提下， 与全向天线相比，一个1 2 0 0 天线的3 扇区c d m a 小区容量可以增加到3 倍，而 一个6 0 0 天线的6 扇区c d m a 小区容量可以增加到6 倍。而在实际中，天线有 严重的功率溢出问题，虽然通过小区分扇区并不能获得上述理想的容量，但在一 定程度上可提高小区容量。与使用全向天线相比，个3 扇区小区可获得2 5 倍 的容量，一个6 扇区小区只能获得4 倍的容量。由此可见，增加扇区数并不能带 来预期的容量提高，因为随着扇区数的增加，扇区间的干扰也在增大。在传统的 频率复用系统中，由于同频干扰来自六边形蜂窝模型中的其它小区，因此我们通 常采用3 扇区或6 扇区。c d m a 系统并没有这个规定，我们可以任意选取扇区 数，如5 、9 、2 5 。由于由3 扇区增加到6 扇区时c d m a 小区容量并没有成比例 地提高两倍，同时增加扇区也就意味着需要增加无线设备，因此增加扇区获得的 容量收益可能不如增加一个新基站，但具体的结果还要取决于基站和铁塔的费 用。 采用智能天线可以在无线链路获得窄波束，这就需要在基站使用复杂的智能 天线技术和一组天线接口。无论是g s m 系统还是c d m a 系统，它们采用智能 天线的目的都是减少系统干扰。在g s m 系统，智能天线主要用来减少系统的共 信道干扰；在c d m a 系统中，智能天线主要用来减少系统的多址干扰。 2 2 7 功率控制和导频 在蜂窝通信系统中，“远近效应”严重影响着通信的质量。在c d m a 系统中 这种影响可能使距基站较远的用户完全被距基站近的用户淹没。c d m a 系统的 第9 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第= 章c d m a 蜂窝系统特点 容量主要受限于系统内移动台的相互干扰，因此如果每个移动台的信号到达基站 时都达到最小所需的信噪比，系统容量就会增大。c d m a 功率控制的目的就是 既维持高质量通信，又防止对同一频率的其它用户产生不应有的多址干扰。 功率控制的目的是用来调节所有用户间的相对功率，然而即使同时采用开环 和闭环功率控制也不能完全解决“远近效应”问题。“远近效应”在反向链路上尤为 突出，当目标用户终端的信号强度突然改变( 如从室外进入室内) ，则基站接收 到的目标用户的信号强度将低于干扰用户的信号强度。无线传播路径变化越快， 功率控制对反向链路性能的意义就越大。在前向链路，目标用户的信号衰减时， 来自同一个基站天线的干扰信号也同时衰减，这对接收机性能的影响相对较小， 当然，前向链路同样需要适当提高信号功率以维持一定的信号质量。因此，相比 前向链路，在反向链路需要更严格的功率控制。在i s 9 5 中，反向链路上采用开 环功率控制，前向链路上则采用快速的闭环功率控制。在c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 中，前向链路和反向链路上同时采用快速反馈的闭环功率控制。 c d m a 系统通过发送功率控制信息来获得更精确的功率控制。一方面，传 送功率控制信息需要占用带宽；另一方面，功率控制又可以提高系统的总容量。 一般来说，当数据传输率相对较低时( 如i s 一9 5 系统传送话音) ，用于额外功率 控制而消耗的容量要大于功率控制提高的容量。链路数据传输率越高，使用信号 控制信息带来的容量收益就越明显。 采用反向导频可以实现信号相干解调。在i s - 9 5 中，低速率的业务不能体现 导频带来的优势，所以在基站使用的是非相干解调，但在c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 中，高速率的数据传输使得采用反向导频成为一种合理的方式。 2 2 8 语音编码及语音激活检测 c d m a 系统与g s m 系统都使用低码率的语音编码，i s - 9 5 和c d m a 2 0 0 0 采 用q c e l p 语音编码，而w c d m a 采用a r m 语音编码。i s 一9 5 和c d m a 2 0 0 0 采用一个8 b i t s 的普通编码器和一个备选的、可以提供更高语音质量的编码器； w c d m a 采用的a r m 编码器具有多种码率，可根据实际情况进行码率调整。 语音编码的目的是既能维持一定的语音质量，又能较大程度的降低数据量。 在c d m a 系统中采取语音激活可变速率声码器技术，可以根据每帧数据量的能 量来选取相应的速率，进行帧编码。这样一来在低速率工作时，就可以减小发射 功率，从而减小对同一信道中其它用户的不必要的干扰，最大程度地提高系统容 量。 g s m 系统与c d m a 系统都采用间断传输( d t x ) 技术，其基本原理是只在 有话音时才打开发射机进行传输。对于g s m 系统而言，间断传输在统计意义 第1 0 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章c d m a 蜂窝系统特点 上可以减少对其它小区的干扰、提高频率复用系数，从而提高系统容量。对于 c d m a 系统而言，间断传输可以减少对同小区其它用户造成干扰，瞬时、动态 地提高系统的即时容量。 在一个典型的全双工双向语音对话中，每个语音的占空比小于百分之三十 五。在f d m a 或t d m a 系统中很难使用语音激活技术，这是因为在语音中断期 间重新指定信道要有时延。而在c d m a 系统中，可以在没有声音的时候降低传 输速率，随之也降低了对其它用户的干扰。由于来自其它用户的干扰直接影响系 统的容量，因而这样大约可以将容量增加2 倍，也就是将移动台的平均发射功率 大约降低2 倍。 2 _ 3 本章小结 移动通信信道是典型的随参信道，除了传播路径的损耗外，还受到衰落的影 响。本章推导出传播路径与距离的四次方成正比，并给出了慢衰落的概率密度函 数表达式。 c d m a 的特点很多，本章详细分析了影响c d m a 系统容量的8 个主要特点； 软容量、软容量、软切换、无线多径、分集接收、小区分扇区、功率控制、语音 编码及语音激活检测。在后面章节的分析中将充分考虑这几个特点。 第1 1 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第三章极点容量 第三章极点容量 c d m a 系统的容量是c d m a 网络规划、优化中要考虑的重要因素之，它 包括前向链路容量和反向链路容量 极点容量就是在理想情况下系统容量的最大值，因此下面的分析需要作出如 下假设：基站处于理想蜂窝小区的中心，忽略软切换的影响，具有理想的功率控 制，基站对于每个信道所需的最小历l i t ( 比特能量与总的噪声加干扰的功率谱 密度之比) 相同，并假设该小区是一个全向小区，因为对于一个三扇区小区的容 量只要将一个全向小区的容量乘以一个三扇区增益因子就可以了，其它分析完全 一样。 由于前向链路与反向链路有很大的相似性，这里以反向链路为例进行分析， 其结果可以轻松的扩展到前向链路。 3 1 反向链路的极点容量 在c d m a 系统中假设系统容量为，即每个小区中有个工作用户。在 c d m a 系统中，任何用户收到的干扰来源于两个部分，一个是来自于与用户处 于同一小区的其它用户，称为小区内干扰；另一个来自其它小区的用户，称为小 区间干扰。 在c d m a 系统中，某个小区内总的干扰电平将随着本小区和相邻小区内移 动台用户数量的增加而提高。为了保证一定的通话质量，基站接收机处必须满足 一个最小的信干比要求，这样整个背景噪声加干扰的总和最终限制了c d m a 系 统的容量。因此，要对所有的传输进行仔细的控制，保证它们以最小的功率进行 工作。 3 1 1 小区内干扰 规划和运营c d m a 的根本原因是出于对容量的考虑。在每条链路上，c d m a 信号共享同一个射频载波，每个移动台采用唯一的码序列扩展，对于其它任何一 个移动台来说，这一移动台信号看起来就成了干扰。功率控制就是通过调整移动 台信号功率来减少这种干扰，使每个移动台的信号以最小的功率满足所需的话音 质量要求。 基站接收机接收到的几乎所有噪声都是由于其它移动台信号的干扰造成的。 可同时呼叫的移动台数目( 系统容量) 达到最大值所要求的条件是使每个移动台 信号到达基站时具有相同的功率，而且应在满足链路性能的前提下信号功率尽可 第1 2 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章极点容量 能低。因此移动发射机功率的动态控制是反向链路设计的一个重要组成部分。由 于采用了功率控制，当小区内有个移动用户同时工作时，在基站接收机上小 区内干扰功率为： i ，= ( 一1 ) - p v( 3 - 1 ) 其中，尸表示基站接收机端收到的来自一个移动台的信号功率 v 表示反向链路平均语音激活因子。 3 12 小区间干扰 图3 - 1 反向链路干扰分析的几何示意图 图3 - 1 绘出了反向链路中某个小区中的某个用户对其它小区干扰的几何示 意图。假设每个小区尺寸相同，都采用理想功率控制，传播损耗指数为4 ，在基 站b 所在的干扰小区内，一个发射台的发射功率正比于： 基站b 的目标功率电平用于补偿传播损耗的增益= p ，4 ，其中，为该移动 台到它自己所在基站的距离。于是，一个干扰小区中的移动台对参考基站a ( 相 距玮) 的干扰功率为： p o = v p 任：， 如果用规定小区间距离d 的直线与本地基站到移动台的连线的夹角0 来表 示玮，则干扰小区中的移动台到参考小区基站的距离为： ：护i f 丽 为了便于分析，假设在干扰小区内的个用户在小区内均匀分布， 个半径为r 的圆来近似六边形区域，则用户密度为： 用户户n p 2 丽2 矛 参考基站接收到的来自一个干扰小区的总功率可近似为： 喇= z 脾，豢中p ，毋 ( 3 3 ) 并且用一 ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 第1 3 页 型塑理业型型塑型：堕竺兰堡兰塞 苎三童壑塞查墨 当d = k r 时。对p 0 ) 积分，可得 荆一十2 - n ( 告 每擎 b e ， 图3 - 2 环状蜂窝坐标系 用图3 2 中的扇区坐标( n ，f ) 来标记6 0 度扇区内的干扰小区，n = l ，2 ，3 ， 是环的标号，而聆= 1 ，2 ，3 ，是环上扇区中的小区标号，采用这种标记， 个干扰小区到目标小区的归一化距离为： k 叫：