（电磁场与微波技术专业论文）wcdma下行链路软切换性能的研究与仿真.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学电磁场与微波技术 研究方向： 移动通信与网络优化 作 者：三q 堕级研究生谢良平指导教师墨壶蛊 题目：w c d m a 下行链路软切换性能的研究与仿真 英文题目：s t u d ya n ds i m u l a t i o no ft h es o f th a n d o v e re f f e c to n t h ed o w n l i n kd i r e c t i o no fw c d m al x l e t w o r k s 主题词：软切换下行链路容量增益宽带码分多址 k e y w o r d s ： s o f th a n d o v e rd o w n l i n k c a p a c i t yg a i n w c d m a 南京i | l f i u 人学填l j 研究生学住| 仑义 缩略讧l 表 3 g 3 g p p 3 g p p 2 a g c a m p s a m r c b ( t ) s b e r b l e r c d m a c p l c h c w t s e d g e f d d f d m a g m s k g p r s g p s g s m h 0 i s 9 5 l o s m s 0 & m p n q o s r a m r a t r f r n c s i r t a c s t d d t d m a t d s c d m a u m t s u t r a w c d m a 缩略词表 3 r dg e n e r a t i o n 3 , dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ( p r o d u c e sw c d m as t a n d a r d ) 3r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t2 ( p r o d u c e sc d m a 2 0 0 0s t a n d a r d ) a u t o m a t i cg a i nc o n t r o i a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e a d a p t i v em u l t i r a t e ( s p e e c hc o d e c ) b a s ef t r a n s c e i v e r ) s t a t i o n b i te r r o rr a t e b l o c ke r r o rr a t i o c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o m m o np j 】0 tc h a n n e l c h i n aw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r dg r o u p e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s me v o l u t i o n f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x 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 g a u s s i a nm i n i m u ms h i f tk e y i n g g g n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e g l o b a ip o s i t i o n i n gs y s t e m g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s h a n d o v e r c d m a o n e ，u s - c d m as y s t e m l i n e o f - s i g h t m o b i l es t a t i o n o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e p s e u d o - n o i s e q u a l i t yo fs e r v i c e r a d i oa c c e s sm o d e r a d i oa c c e s st e c h n o l o g y r a d i of r e q u e n c y r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r s i g n a lt o 】n t e r f e r e n c er a t i o t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 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 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 e r v i c e s u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s v 南京邮电大学学位论文独创性声明 y 8 5 0 9 4 3 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p 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。 研究生签躬：鲰i ，姗：2 剑寸 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科一学技术信息研究所、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。 研究生鼢牌导师签名壤旌啉型：蟛 摘要 作为第三代移动通信主流标准之一的w c d m a ，能提供可变速率及多业务承载能力，且 具有良好的兼容性和可发展性，是目前g s m 网络的自然演进，在未来的市场格局中将起着举 足轻重的作用。另外，由我国自主提出的采用大量关键技术的t d - s c d m a 标准也是第三代移 动通信主流标准之一，包含在3 g p pr 4 中。 软切换是指正在通话的移动台越过小区边界时，并不立即中断与原来基站的通信，是 c d m a 的一项关键技术。与g s m 中传统的硬切换相比，无论在链路级还是系统级，软切换都 具有更好的性能。 先前关于软切换性能的研究主要集中在上行链路，然而在将来的无线网络中，由于新业 务的非对称性，下行链路更有可能成为系统容量的瓶颈，例如互联网业务。本文对w c d m a 中软切换对下行链路容量的影响做了较为深入的研究，为无线网络规划提供了一定的依据。 a b s t r a c t a so n eo f t h e3 “g e n e r a t i o nm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s ，w c d m ac a np r o v i d ea v a r i a b l er a t ea n dam u l t i s e r v i c et o a da b i l i t yw i t hag o o dc o m p a t i b i l i t ya n dd e v e l o p m e n t ，a n di ti sa n a t u r a le v o l u t i o no f g s mn e t w o r ka tp r e s e n t ，a n da tt h es a m et i m e ，i tw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l li n t h ef u t u r em a r k e t i na d d i t i o n ，t d ，s c d m ap r o v i d e db yc h i n a i n d e p e n d e n t l yc o n t a i n i n gm o s to f k e yt e c h n o l o g i e si sa l s oo n eo f t h e3 坩g e n e r a t i o nm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s ，a n di ti s i n c l u d e di n3 g p pr 4 s o f th a n d o v e ri st h ee s s e n t i a lc o m p o n e n tf o rd e a l i n gw i t ht h em o b i l i t yo f e n du s e r s i t g u a r a n t e e st h ec o n t i n u i t yo f t h ew i r e l e s ss e r v i c e sw h e nt h em o b i l eu s e rm o v e sa c r o s sc e l l u l a r b o u n d a r i e s c o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a lh a r dh a n d o v e r , s o f th a n d o v e rh a sq u i t eaf e wi n h e r e n t a d v a n t a g e si nt h es y s t e ml e v e lp e r f o r m a n c ea n dl i n kl e v e lp e r f o r m a n c e m o s to f t h ep r e v i o u ss t u d yf o c u s e do nt h eu p l i n kd i r e c t i o n h o w e v e r , i nf u t u r em o b i l e n e t w o r k ，t h ed o w n l i n ki sm o r el i k e l yt ob et h eb o t t l e n e c ko f t h es y s t e mc a p a c i t yb e c a u s eo f t h e a s y m m e t r i cn a t u r eo f n e ws e r v i c e s ，s u c ha si n t e r n e tt m f t c i nt h i st h e s i s ，a ni n d e p t hs t u d yt h a tt h es o f th a n d o v e ra f f e c t st h ec a p a c i t yo f t h ed o w n l i n k d i r e c t i o ni nw c d m an e t w o r k si sc a r r i e do u t ，p r o v i d i n gab a s i sf o rw i r e l e s sn e t w o r k sp l a n n i n go f 3 g 南京i i l l5 | u 凡学倾f 叫宄生学位论文 第章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信网络的演进 自从1 9 8 1 年第一代的以f d m a 技术为基础的模拟通信系统建立使用以来，移动通信经 历了巨大的变化图1 一】演示了移动通信网络进化的过程。 第一代8 0 年代第二代9 0 年代第三代 模拟数字 i m t - 2 0 0 0 图1 1 移动通信网络的演进 1 11第一代模拟移动通信系统 第一代模拟移动通信系统的主要特征是使用频分多址( f d m a ) 接入技术，在移动信 道中采用模拟传输来传送语音信号。在国际上成熟的9 0 0 m h z 频段公j | j 移动通信系统中， 比较典型的有a m p s 和1 a c s 系统。1 9 7 9 年，美国在芝加哥开始进行a m p s 蜂窝系统的汽车 l b 话试验，井于1 9 8 3 年正式开通业务。t a c s 于1 9 8 2 年开始使用于英国，由于具有占用频 道宽度较窄( 2 5 k h z ) ，调制频偏大，信令传输速率较高，纠错和检错能力强等优点，我目 9 0 0 m h z 频段的穆动通信系统就采用t a c s 制式。 9 0 0 m h z 频段的移动通信系统就采用t a c s 制式。 南康洲f i u 人掌坝i j 研究生学他论爻第一章绪论 1 1 2 第二代数字移动通信系统 第二代移动通信系统采用数字传输，除了支持传统的语音业务外还支持低速的数据h p 务，和第一代相比具有更高频谱效率，而且还能提供漫游服务。g s m 规范由欧洲电信标准 化协会颁布，采用时分多址( t d m a ) 接入技术，不与任何一种模拟系统兼容，主要目的 是统一全欧洲制式，更好地实现全欧洲内的自动漫游。i s 9 5 标准由美国提出，采用码分多 址( c d m a ) 接入技术，提高系统容量。 目前，在全球的移动通信市场中第二代移动通信系统仍然站主导地位，然而，由于 移动通信需求的不断增加和各种新业务的出现，迫使它向第三代移动通信系统( 3 g ) 演进。 其中g p r s 、e d g e 年i i s 一9 5 b 可看作第2 5 代移动通信系统( 2 5 g ) 。g p r s ； i e d g e 是在原有 的g s m 空中接口上演进的，能提供更高速率的数据业务，理论上，g p r s 能提供1 6 0 k b i f f s 的数据业务，而e d g e 和g p r s 相比，由于采用新的调制方式8 q p s k ( g p r s 用g m s k ) ，用 相同的带宽时，e d g e 的吞吐量增加了3 倍。i s 9 5 b 是在原有的i s 9 5 系统上演进来的2 5 g 。 1 1 3 第三代数宇移动通信系统 第三代移动通信系统是一种能在任何时候、任何地点进行任何类型通信的通信系统， 主要采用码分多址( c d m a ) 接入技术。目前的主流标准有3 g p p 提出的w c d m a 系统 1 】、 3 g p p 2 提出的c d m a 2 0 0 0 系统【2 和c w t s 提出的t d s c d m a 系统 3 】，如图1 2 所示。 图1 23 g 主流标准的提出 3 g p p 规范规定，w c d m a 所有接r 1 部是丌放的，载波间隔为5 m h z ，有频分双工( f d d ) 2 南京邮l u 人学坝f 州宄生学位论义第一章绪论 与时分双工( t d d ) 两种工作方式，慕站同步支持异步方式，对g p s ( 全球定位系统) 依 赖性较小，采用前反向1 5 0 0 h z 的快速功率控制，后向兼容g s m 4 。 c d m a 2 0 0 0 足由i s 9 5 发展而来，为f d d i 作方式，基站之问使用g p s 保持同步，对g p s 系统依赖性较强，频道带宽为1 2 5 m h z ，采用前反向的8 0 0 h z 的功率控制，后向兼容c d m a o n e 。 t d s c d m a 单载波带宽l 。2 8m h z ，使用t d d 方式，无需上下彳亍对称频率，在提供上下 行非对称的高速数据方面相较前两种标准有很大的优势，且频谱效率相对较高，系统后向 兼容g s m ，支持与w c d m a 、g s m 系统的混合组网。 表1 一l 对这三个第三代移动通信主流标准进行了比较。 、 c d m a( f d d ) c d m 砬0 0 0t d s c d m a 闭环功控 l j h z8 0 0 h z 2 0 0 口 接收机结构 r a k er a k e r a k e 闭环功率控制 支持 支持支持 越区切换软、硬切换软、硬切换接力切换 解调方式相干舸调相干解调 相干解调 吗片速率m c p 5 3 8 4n + 12 2 8 8 12 8 发射分集方式 t s t d 、s t t d 下b 1 do t d 、s t s 无 同步方式异步同步同步 核心阿 o s m m a pa n s i 4 1g s m m a p 表1 1 第三代移动通信主流标准的比较 1 2 软切换对- 姒网络性能的影响以及研究现状 软切换是w c d m a - - 项关键技术，和传统的硬切换相比，它具有能减少“乒乓”效应； 使发射平滑( 没有突变点) ；保证在小区边界附近无线通信的连续性；增加宏分集增益等 优点。但同时软切换也有增加了无线资源、信令和码字等系统资源的开销：使系统变得更 加复杂等缺点。 在上行链路，很显然山于使用了选择合并，可以减少移动台的发射功率，从而增加系 统容量和覆盖。然而由于上下业务的非对称性，下行链路更有可能成为系统容量的瓶颈， 因此在无线网络规划时，需要对软切换性能进行有效控制，在软切换的额外资源消耗和软 切换所获得的增益之间取得折中，从而获得系统的最佳性能。 同前关于软切换的研究成果可以分为三类： 堕皇堕! ! 查兰丝! ：鲨! ! 竺兰竺笙兰塑二至竺堡 1 从链路级研究软切换的性能： 如单个链路级e 厶和衰减余量的改善等。例如文献【5 中通过对衰落余量的分析，表 明在软切换中单个上行链路是如何从选择分集中受益的。而文献 6 】通过比较软切换和硬切 换的单个链路的信干比，汪明软切换比硬切换具有更好的性能。 2 从系统级研究软切换的性能： 这种评估可能与服务质量有关，例如掉话率、呼叫阻塞率、切换失败率等；也可能与 系统优化有关，如给定服务质量的容量和覆盖等。例如文献【7 】通过基于生死马尔科夫链模 型的分析，表明软切换能改善阻塞率和切换拒绝率：文献 8 】研究表明在n , n q 切换阻塞率方 面i s 一9 5 b l e i s 一9 5 a 具有更好的性能；文献 9 】和【1 0 表明软切换增加了上行链路的容量：文 献【l l 】和 1 2 】分析了软切换对下行容量的影响。 3 从资源效率方面研究软切换的性能： 如平均激活集数、激活集更新率、切换延迟时间等。例如文献【1 3 从平均激活集数、 激活集更新率、掉话率等方面分析了具有动态门限或固定门限的四种软切换算予。文献【1 4 】 通过对基于功率触发的和基于臣厶触发的两种u t r a 软切换算子仿真分析，发现后者比 前者具有更低的激活集更新率和掉话率，但比前者需更高的激活集数目和呼叫阻塞率。 1 3 本文的研究内容 本文主要从链路级和系统级两个方面入手研究w c d m a 下行方向的软切换性能，研究 表明软切换可以减少上行链路的干扰，可以减少对数正态衰落余量，从容量和覆盖方面给 系统带来软切换增益。 南京邮i u 人学埘 “ 究生学位论文 第一市c d m a 技术原理 第二章c d s a 技术原理 c d m a 技术是第三代移动通信系统的核心技术，w c d m a ，c d m a 一2 0 0 0 ，t d 。s c d m a 这三种主流标准都是基于c d m a 技术原理。 2 1 移动通信无线环境 2 1 1 无线传播方式 图2 一l 无线传播方式 如图2 一l 所示，由基站发出的电波以三种方式到达终端 直射：在视距覆盖区内无遮挡的传播。 反射：电波遇到比波长大得多的物体时再次发射后到达接收点。 绕射：指在电波传播路径上，当尺寸相当大( 与波长相比) 的障碍物产生遮挡 时，在障碍物背后的阴影区中会产生电磁波的现象 1 5 】。 2 1 2 无线传播特性 信号在无线信道传播过程中，遇到的最主要问题有干扰、衰落、抖动、时延，此外还 有因传播频率的扩散而引起的多普勒效应等，如图2 2 所示： 1 干扰：w c d m a 是一个干扰受限系统【1 6 ，是蜂窝无线系统性能的主要限制因素，包 括同频干扰、邻频干扰和杂散干扰。 南京邮电大学硕十研究生学位论文第二章c d m a 技术原理 燃鹫唑。旧鼢苫一眄 2 1 3 无线信道划分 图2 2 无线传播特性 时延 b 接收信号 对于第三代移动通信系统来说，根据3 g p p 的建议【1 7 】，i 作环境可以分为室内或静态 信道、室外到室内的步行信道、车载环境。 1 室内或静态信道的特点是微徼蜂窝，只需很小的发射功率，基站和用户都位于室内， 路径损耗依赖于墙体、地板材料和金属结构的布局，典型时延为5 0 2 5 0 n s 。传输速 率可达2 0 4 8 k b p s 。 2 室外到室内的步行信道的特点是微蜂窝，功率小、速度低，天线一般低于建筑物顶， 室内覆盖依靠室外基站，存在穿透损耗( 典型值为1 2 d b ) ，同时存在视距传播和非视 距传播，路径损耗波动较大，典型时延为0 ，2 u s ，信号传输速率可达3 8 4 k b p s 。 3 车速环境的特点是宏蜂窝、大功率、高速移动、存在阴影、多路反射、路径损耗和 环境有关，信号传输速率可达1 4 4 k b p s 。 6 南京邮电人学硕上研究生学位论文第二章c d m a 技术原理 2 2 1 扩频通信技术 2 2c d m a 基本技术 扩频通信技术就是将信息的频谱展宽后进行传输的技术，其理论依据为s h a n n o n 定理： c = w 1 0 9 ：1 + ) ，其中w 为占用的带宽、c 为系统所能达到的极限容量，s n 为接收 机所能正常工作的信噪比。由此式可以看出，要提高系统容量，在信噪比无法再提高的情 况下，可以增大信道带宽来提高系统容量，即用频带换取信噪比，这就是扩频通信的基本 原理。 扩频通信可分为直接序列扩频、跳频、跳时、混合扩频四种方式，而w c d m a 系统采 用的是直接序列扩频，即将需要传送的信号经速率( 频带) 远大于信息速率( 带宽) 的伪 随机序列( p n 码) 编码( 调制) 后再对载波进行调制，这样调制信号的频谱宽度将远大于原 来信息的频谱宽度。信号经过扩频之后，所占用的频带变宽，但信号幅度可以降低，在接 收端进行解扩后，宽带信号能量被重新集中到其原来的带宽内，而干扰则被扩展到比较宽 的频带中，能量下降，经过解调器的滤波，能将大部分干扰能量滤掉，提高了信噪比， 如图2 3 所示。 扩频通信系统的主要特点：隐蔽性和保密性；抗干扰和抗多径衰落能力强；实现多址 技术；增加容量；提高频率复用率。但占用频带较宽：系统复杂性增加。 s ( f ) s ( f ) l 1 i 信号 l r。 f 扩频前的信号频谱 1 ，艟号二上 卜千铲嗓声 i ，l弋、 f s ( f ) s ( f ) f 扩频后的信号频谱 lk 信吲 f i j j = = 昌毒 f 。 f 解扩频前的信号频谱 解扩频后的信号频谱 信号 脉冲干扰 一一白噪声 图2 3 扩频通信示意图 7 南京邮i 乜大学顺l 研究生学位论文 第二幸c d m a 救术帐理 2 2 2 多址接入技术 多址接入技术包括f d m a ，t d m a ，c d m a 。 1 f d m a 即频分多址技术： 如图2 4 所示，业务信道在不同频段分配给不同的用户，如t a c s 、a m p s ，信道一次 只能传递一个电话，如果某一信道空闲，也不能够被其他用户使用以增加容量。符号时间 比平均时延扩展大很多，因此平均时延扩展造成的符号间干扰低；f d m a 设备也l l t d m a 简单；同步和组帧比特少；系统开销小。但f d m a 需要精确的r f 滤波器；具有非线性效应： 许多信道共享一个天线，功率放大器的非线性会产生交调频率( i m ) ，产生额外的r f 辐射。 时间 频率 图2 4 频分多址技术 2 t d m a 即时分多址技术： 如图2 5 所示，业务信道在不同的时间分配给不同的用户，如g s m ，多个用户共享一 个载波频率，分享不同时隙；可以实现不连续发送；利用空闲时隙监听其他基站，实现切 换处理。但需要自适应均衡；需要保护时隙；分组发射需要额外的系统开销，如保护数据 同步等。 南京| | i f j i u 大学顺究生学位沧史第二章c d m a 技术原理 时间 频率 图2 5 时分多址技术 3 c d m a 即码分多址技术： 如图2 6 所示，多用户同时共享同一时间同一频段的无线资源，系统容量大，无线频 谱效率高，具有白干扰特性和远近效应。 码 2 2 3 纠错编码技术 图2 6 码分多址技术 频率 问 纠错编码技术是在发射端按定规则引入冗余信息，从而使得即使空中传输引入了误 码，也能利用冗余信息将此错误纠正回来的技术。 卷积码：在w c d m a 系统中主要用于话音信道和控制信道，编码速率为1 2 和1 3 。卷积 码特点：译码简单，时延小，一般采用维特比算法，信道误码率在1 0 1 ，适 9 塑皇l 堕! 叁竺竺：竺堕! ! 生堂竺堡兰 堡三至! 旦坚垒丝查坚些 合实时业务，如话音和视频业务的传送。 t u r b o 码：在w c d m a 系统中主要用于数掘业务信道，编码速率为1 3 ，分组长度最大 到5 1 1 4 比特，可以实现大分组，时延长的业务传送。t u r b o 码的特点：译 码复杂，常采用l o g m a p 算法，信道误码率可以达到1 0 ，非常适合对 误码率敏感，而对时延不敏感的非实时分组业务，p n w w w ，f t p ，e - - m a i l 等多媒体业务传送。 2 2 4 交织技术 在通信系统中，为了减少突发干扰对连续数据造成的大面积差错，常采用交织技术来 将突发干扰造成的连续差错化解为随机独立差错，使其适合于译码器的错误纠正。交织， 就是打乱原来的数据排列规则，按照一定顺序重新排列。缺点：就是带来了附加的额外延 时，在特殊情况下，若干个随机独立差错有可能交织为突发差错。 举例： 输入数据 a = f x l ) ( 2x 3x 4x 5 2 2 5 复用技术 日 x 2 5 ) x lx 6x l l x 1 6x 2 1 x 2x 7x 2 2 妇x 8x 2 3 x 4 姻 x24 x 5x 1 0 x 2 5 日 输出数据 a = ( x lx 6x 1 1x 1 6 x 2 5 ) 复用技术是指将具有相同或不n j q o s 要求的业务复用到一个物理信道中进行传输的技 术，如图2 7 所示。由于业务种类及其q o s 要求千变万化，但物理信道的能力只是有限的几 个等级。如何在保证各种业务q o s 要求的前提下高效地复用到一个物理信道中传输是复用 算法首要考虑的问题。这就牵涉到速率匹配的问题，它是复用技术的核心所在，同时还牵 涉到信道编码方案等其它技术的选用问题。 j 图2 7 复用技术 1 0 南京| | | i l u 人学坝l 研究生学位论文 第一章c d m a 技术原删 2 2 6 分集技术 分集技术是通过利用和查找无线传播环境中的独立( 或至少高度不相关) 多径信号来 实现的，大大降低了多径衰落的影响。可简单解释为：如果一路信号经历了深度衰落，而 另一路信号可能仍包含着较强的信号。包括两重含义：分散传输和集中处理。具有易获得 相对稳定的信号、可获得分集处理增益、提高信噪比、投资低廉等优点。 1 分集原理 假设输入的分集信号分别为：( f ) ，( f ) ，吩( f ) ( f ) ( f ) ，则合并后的输出为： r ( f ) = c r l r l ( f ) + ( f ) + ( f ) = 吒( f ) k = l 其中瓯为第k 个分量的权重。选择不同的加权系数，就构成不同的合并方式，通常所 用的方法有三种：选择合并、最大比合并和等增益合并。 2 分集的分类 空间分集：又称天线分集，对基站空间分集而言，一般天线间的距离必须达到1 0 个波 长以上方能达到分集效果。 时间分集：以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号，以便让再次接收到的信号 具有独立的衰落环境，从而产生分集效果。 频率分集：在多个频率上传送信号，其理论基础是在信道相干带宽之外的频率上不会 出现同样的衰落。 极化分集：信号在空中传播进行了多次反射，一个极化的信号会产生不同极化方向的 信号，在不同的极化方向上接收的信号是不相关的。 2 2 7 功率控制 在g s m q u 用慢速功率控制( 大概2 h z ) ，而i s 9 5 中上行用8 0 0 h z 的快速功率控制，下行 用相对慢的功率控制( 大概5 0 h z ) ，在w c d m a 系统中上下行用快速功率控制( 1 5 0 0 h z ) 1 8 】a 功率控制的目的主要用于克服上行链路的远近效应；通过控制干扰优化系统的容量； 延长移动终端的电池寿命 1 9 。图2 - 8 晚明了上行链路中的远近效应问题：在w c d m a 系统 中，当同一基站( b s ) 的不同移动台( m s ) 以相同的频率同时向基站发射信号时，如果 没有功率控制，来自离b s 近的m s 的信号可能阻塞了来自离b s 远的m s 的信号，在最坏的情 l l 堕墨型里奎兰壁! ，丛型兰兰生堡兰苎三苎! ! 坚竺查垦些 况下，一个功率过高的用户可能完全阻塞整个小区。而用功率控制就可以使每个m s 发射的 信号到达b s 时的功率相等或信噪 = l s i r n 同。 图2 罐上行的功率控制用于克服远近效应 在下行方向由于是一对多的情况不存在远近效应，此时功率控制主要用于减少小区间 的干扰，尤其是那些小区边界的用户，如图2 - 9 所示。此外，下行功率控制还使系统整个干 扰晟小化以达到质量的目标值。在图2 9 中，m o b i l e 2 【= l m o b i l e l 遭受到更多的小区间干扰。 当m o b i l e2 处于低速运动时，由于受深度瑞利衰落的影响，而那些基于交织和纠错码的纠 错方法无效时，为了达到相同的质量目标值，在下行方向b s 需分配更多的功率给m o b i l e 2 。 图2 - 9 下行功率控制用于减少小区间干扰 在w c d m a 系统中有三种功率控制：开环功率控制、闭环功率控制、外环功率控制。 1 开环功率控制：主要用在接续的开始阶段给移动台一个粗略的初始化设置。根据接 收到的信号强度，移动台通过用自动增益控制回路( a g c ) 来测量基站和移动台间的路径 损耗，然后决定发射功率。开环功率控制在t d d 系统是有效的，因为在该系统中上行链路 和下行链路的传播路径是互易的；而对于f d d 系统不是很有效，因为上下行方向的频段不 一样，所经历的瑞利衰落也是相互独立的。因此开环功率控制只能大致地补偿路径损耗， 这就是在f d d 系统中只能用于初始功率设置的原因。 2 闭环功率控制：在w c d m a 系统中也叫快速功率控制。在上行方向，基站频繁地估 计接收到的信干比( s i r ) ，并把它和目标值( s m ) 相比较。如果测得的s i r 高于目标s i r ， 基站就命令移动台降低功率：如果测得的s m 要比目标值低很多，基站就命令移动台提高 1 2 堕室! ! ! ! ! 皇查堂堡! ：型! 壅竺兰丝堡兰塑二! 竺望坚垒垫查堕些 功率。对每一个移动台，这个“测量指示一反应”循环的周期为1 5 0 0 次秒，比任何较明显 的路径损耗的改变都要快，实际上，甚至比以低速到中速运动的移动台产生的瑞利快衰落 的速度还快，这样闭环功率控制就能够防止在基站接收的所有上行链路信号中出现功率不 甲獭的现象【4 。下行链路采用同样的闭环功率控制，只是使用的目的是为了减少小区间的 干扰。 3 外环功率控制：作用就是通过为快速功率控制设定目标值，使通信链路的质量满足 需要。外环功率控制的目的在于提供所需的通信质量：既不要太差，也不要太好。外环功 率控制的频率典型值为：1 0 1 0 0 h z ，其控制算法如图2 1 0 所示。 2 2 8 智能天线 图2 1 0 外环功率控制算法 智能天线主要用于t d d 技术中，用来降低来自其他方向的干扰，提高所需信号方向的 接收灵敏度，如图2 1 1 和图2 1 2 所示；可以扩大基站的覆盖范围，改善信号的传输质量。 1 智能天线的优点：高速率用户带来了很大的干扰，动态调整的智能天线阵列的波束能 跟踪高速率用户，起到空间隔离、消除干扰的作用；动态调整的智能天线阵列的性能优于 固定的多波束天线；增加系统容量；增加覆盖范围，改善建筑物中和高速运动时的信号接 收质量：降低掉话率，提高语音质量；减少发射功率，延长移动台电池寿命；提高系统设 计时的灵活性。 南京邮t 乜凡掌碘i _ j ，t 生学位论史 第二章c d m a 挫术原理 图2 一智能天线提高了信号接受灵敏度 干扰 所需 用户 全向小区三扇区小区智能天线小区 图2 1 2 不同天线小区的覆盖比较 2 3w c d i i a 与第二代空中接口的区别 w c d m a 作为第三代移动通信的主流标准之一，其名字涵盖u t r af d d e 1 u t r at d d 两种工作方式，本文主要介绍w c d m af d d 技术。 空中接口款差异反映了第三代系统的新要求，例如，为了支持更高的比特速率需要 5 m h z 这一更宽的带宽。w c d m a 采用发送分集来提高下行链路容量，支持具有上、下行链 路容量非对称特性的业务，而第二代不支持发送分集【4 】，它们之间的主要区别如表2 i 和 表2 2 所示。 南京邮i u 人学颀i ：f o t 究生学位论文 第_ 二章c d m a 娃术原理 贮d m ag s m 载波间隔j z 2 0 0 心z 频率豆用因子 11 1 8 功率控毒i 频率 i 5 0 0 h z 2 h 硪更低 服务质量控制无线资源管理簟法网络规划( 频率规划) # 曩率分集5 m h z 的崔宽使茸可黑用跳频 r 山接收帆进行誊耗分枭 分组数据基千负载的分组调度0 p r s 中基干时隙的调度 下行链路发送分集支持以提高下行键路容量不支持 表2 1w c d m a 和o s m 空中接口的主要区别 w c d m ai s 9 j 载波间隔 j m h z1 2 j 瑚z 码片速率 38 4 m e h i s i 2 2 5 8 m a h l p ，s 功辜控制频率l s h 矗上下 亍链踌靠膏上打：砸z ：f 种：疆速弱幸掩斜 基站同步 不需荽要，典型的做法是通过g p 3 频率闻切换 需要使用分憎方式测量 可以采用，但未规 定旦锑- i i l 量方法 有效的无线资 支持，提供所请求的q o s 不需要- 固茸是只为 塬管理苴法 信送话音设计的网路 分组数据基于负载的分组调度 毫路交换呼叫处理 下行链路发送分集 支持以蒸楫至高 标准不支持 的下行硅路容量 衰2 2 ：啪m a 与i s - 9 j 空中接口的主要区别 下面主要讨论w c d m a 和i s 一9 5 的区别，两者都采用直接扩频序列c d m a 技术。 在w c d m a 系统中，采用3 8 4 m c h i p s 这个较高的码片速率有助于支持更高的比特速率， 且与i s 9 5 的1 2 2 8 8 m c h i p s 的码片速率相比，能够提供更多的多径分集，尤其是用在 市内较小的覆盖小区时。 w c d m a 上下行链路都采用快速闭环功率控制，而i s 一9 5 只在上行链路中使用该技术。 w c d m a 在下行中使用快速功率控制能够改善链路性能，并且能增加下行链路的容量。 i s 一9 5 系统主要是针对宏小区的应用。宏小区基站一般位于电线杆或屋顶这些易于接受 g p s 信号的地方，这是因为i s 9 5 的基站需要同步，而同步的完成最典型的是依靠g p s 信号。对g p s 信号的需求使得室内和微小区中的应用要困难一些，因为与g p s 卫星之间 没有视线( l o s ) 连接，很难收到g p s 信号。而w c d m a 采用异步基站，使得室内分布 和微小区的应用更容易实现。 15 南京邮电大学硕1 田 究生学位论文 第二章c d m a 技术原理 2 4w c d m a 无线网络规划 2 4 1w o d m a 无线网络规划的特点 w c d m a 网络与2 g 网络有很大的不同，主要体现在： 1 多业务 w c d m a 支持多种业务，包括话音、6 4 k b i t s 电路交换的数据业务，6 4 k b i t s 、1 4 4 k b i t s 、 3 8 4 k b i t s 分组交换的数据业务等。 w c d m a 支持多种业务速率，如1 2 2 k b i t s 语音业务、6 4 k b i t s 、1 4 4 k b l t s 、3 8 4 k b i t s 等 数据业务。可用的数据速率是由干扰电平所决定的，用户终端离基站越近，可以提供的数 据速率就越高，如图2 1 3 所示。因此在同样的功率控制条件下，提供较高数据速率覆盖的 运营商必须比提供较低数据速率覆盖的运营商要部署更多的基站。 图2 1 3 不同速率的业务，覆盖率不同 w c d m a 支持不同时延的业务，如会话类业务、流类业务、交互类业务、后台类业务 等。 2 覆盖与容量相关 w c d m a 是一个c d m a 系统，各个小区以及小区内的各个信道都使用相同的频率，对 于任何一个用户信号来说，小区内其他用户的信号都相当于叠加在热噪声上的加性噪声， 因此小区的负荷越重，总的噪声电平就越大，也就是干扰越大，满足信噪比( 载干比) 的范围( 也就是满足服务等级( g o s ) 的范围) 就越来越小，所以说负荷越大，小区覆盖 范围就会越小。另外小区越来越小意味着有些用户将丢失它们的连接，当有些用户丢失连 接后，该小区的干扰又变小了，干扰变小后的小区又能使小区覆盖面增加，这种现象称为 小区呼吸效应，见图2 1 4 所示。因此，在进行w c d m a 无线网络规划时必须综合多种业务， 1 6 南京也 学坝十埘宄生学位论文 第一章c d m a 技术蜢堙 同时考虑覆盖与奔量，这就导致了w c d m a 无线网络规划的复杂性。 一- 一+ 随着用户数增多。小区半径会逐渐减小 随着用户数减少，小区半径叉会逐渐增大 图2 - 1 4 小区呼吸效应 3 白干扰特征 在3 g 系统中，频率复用因子为1 所有空中接口连接建立在同一宽带载波上，同时接入 的多用户数量，对接收机噪音电平和接收机灵敏度有着直接的影响，这个自干扰特性，使 得干扰控制在3 g 网络规划中显得尤为重要。 4 上下行业务的非对称性 数据业务的特性决定t m 系统中上行链路和下行链路的流量是不对称的，一般来浇， 下行链路的数据流量要远远大于上行链路，如下图2 1 5 所示。这种上下行链路负载的不同， 就要求在进行覆盖和容量规划时，必须对上下行链路分开计算。 互联一业蠢 上 亍：谤隶赞进 篚 移动 磐端 下行：下我 圈2 1 53 g 系统的不对称应用 5 软切换因子 为了降低阴影衰落的影响，以提高通信概率、降低掉话率。3 g 引入了软切换技术。软 1 7 良懋。 l，i、hnl“憨1 “l 百熬 鼠斟 童塞塑! 垒查兰堡! ：竺垄兰兰堕堡兰 墨二至竺里塑垒些查堡些 切换为网络带来了宏分集增益，但也会由此造成系统的额外丌销。其中宏分集增益对上行 链路和下行链路的效果并不是完全相同的，需要分别考虑。假设有两个基站参与软切换， 在上行方向，由于采用选择合并，处于软切换中的第二个基站仅仅在接受移动台的信号， 因此不会增加网络内的干扰，而且此时用户终端由于采用软切换而降低了发射功率，因而 减少了干扰使上行链路容量增加。但在下行链路方向，由于采用最大比合并，情况就不同 了，处于软切换中的第二个基站和第一个基站都在给该移动台发射同样的信号，而它所发 出的能量又不能再分配给第二个小区中其它用户，这些能量对其它用户而言就是干扰，从 而降低可用的屉大容量。此外，软切换还需要额外的b t s 基带资源、通过 u b 接口的额外传 输容量、额外的r n c 资源。因此如何平衡由软切换带来的系统增益和资源消耗是3 g 网络规 划的一个重要考虑因素。 2 4 2 w c d m a 无线网络规划与g s m 无线网络规划的比较 w c d m a 软容量的特点在网络勰弼中集中体现在覆盖、容量、质量三个方面的平衡和 制约，这是与g s m 最显著的区别，因此，w c d m a 和g s m 在网络规划与建设中有着明显的 不同。 1 频率规划差异 w c d m a 采用1 1 的频率复用方式。通过扰码以及正交码字来区分小区和用户，因此 不需要进行精心的频率规划，但需要进行扰码规划。而g s m 采用时分多址技术，不同的用 户用不同的频率和时隙来区分。