（电磁场与微波技术专业论文）干扰对wcdma上行链路性能影响的研究和仿真.pdf

摘要 蜂窝移动通信是2 0 世纪人类最伟大的科技成果之一，进入2 1 世纪以来人们 已经把研究的重点转向了第三代移动通信系统。第三代移动通信系统中的主流标 准都采用了c d 姒作为其多址接入方式，基于c d m a 技术的w c d m a 是第三代移动通 信主流技术标准体制中的一个影响非常广泛的体制，将在未来的市场格局中起着 举足轻重的作用。另外，由我国提出来的采用了大量世界领先技术的t d s c d m a 标准被包含在3 g p pr 4 中，已经被世界上许多运营商和设备厂家所接受。 c d m a 系统是一个干扰受限系统，它的容量和覆盖性能会受到来自多方面干 扰的影响。一般来说，c d m a 系统会受到本小区内的干扰、本系统其他小区的干 扰和系统外干扰的影响。因此，在c d m a 的系统设计和规划中需要把容量、覆盖 和干扰结合起来考虑。 本文对w c d 姒系统所受的干扰与其上行链路容量和覆盖性能的关系进行了 较深入的研究。本文首先推导了一种矩阵形式的分析方法，然后利用该方法实现 了w c d 姒的上行链路的静态仿真器，最后使用这个仿真器对面对本系统干扰、其 他w c d m a 系统干扰和其他t d s c d m a 系统干扰三种情况进行了仿真研究，并给出 分析结论。 a b s t r a c t t h ec e l l u l a rm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ni so n eo ft h eg r e a t e s ta c h i e v e m e n t si n 2 0c e n t u r y t h er e s e a r c hp o i n th a sb e e nt u m i n gt ot h e 3 一g e n e r a t i o nm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a l lt h em a i n s t r e a ms t a n d a r d sh a v ea d o p t e dc d m aa s t h em u l t i p l ea c c e s sm e t h o d w c d m a ，a f a r - r e a c h i n gi m p a c to ft h e3s t a n d a r d s ，w i l l p l a ya ni m p o r t a n tr o l li nt 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 ar a i s e db yc h i n a , t h eo n e i n c l u d i n gm o s t o fa d v a n c et e c h n o l o g y , w a sa c c e p t e di n3 g p pr 4 t h ec d m a s y s t e mi sa ni n t e r f e r e n c e - l i m i t e ds y s t e m i t sp e r f o r m a n c ei sa f f e c t e d b ym a n yi n t e r f e r e n c ef a c t o r s i ng e n e r a l ，t h ec d m as y s t e mw i l ls u f f e rf r o mt h e i n t e r f e r e n c eo fi t so w n ，t h ei n t e r f e r e n c eo ft h eo t h e rc e l l so ft h es a n l es y s t e m ，a n dt h e i n t e r f e r e n c eo f t h eo t h e rk i n ds y s t e m t h i s p a p e ri n v e s t i g a t e s o nt h ee f f e c to fi n t e r f e r e n c et ow c d m au p l i n k p e r f o r m a n c eo f c a p a c i t ya n dc o v e r a g e t h i st h e s i sw i l ld e d u c ea na n a l y t i c a lm e t h o do f m a t r i xm o d ef i r s ；a n dd e s i g na n di m p l e m e n tas t a t i cs i m u l a t o ro fw c d m a u p l i n k p e r f o r m a n c ew i t hm a t l a b ；a n dg i v et h es i m u l a t i o nr e s u l to fi nt h ef a c eo f 3c a s e s ，s u c h a st h ei n t e r f e r e n c eo fi t so w n ，t h ei n t e r f e r e n c eo fa n o t h e rw c d m as y s t e m ，t h e i n t e r f e r e n c eo fa n o t h e rt d s c d m as y s t e m a n da tl a s t ，t h er e s u l t sa r ed i s c u s s e d 堕垦些生堂堕婴主堑茎圭兰堡堡壅 堕堕堕查 英文缩写 3 g p p 英文全称 缩略语表 3 r 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 3 g p p 2 3 r 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 2 a c i r a c l r a c s a m p s b e r b l e r c d m a c w t s d a m p s d c h e i r p f d d f d m a f e r g p s g s m a d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c e p o w e rr a t i o a d j a c e n tc h a n n e ll e a k a g e r a t i o a d j a c e n tc h a n n e ls e l e c t i v i t y a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m b i te r r o rr a t i o 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 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 s s t a n d a r dg r o u p d i g i t a l a d v a n c e dm o b i l ep h o n e s y s t e m d e d i c a t ec h a n n e j e f f e c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r 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 f r a m ee r r o rr a t i o g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s 。v 中文释义 第三代移动通信伙伴计划 负责制订w c d m a 标准 第三代移动通信伙伴计划 负责制订c d i n a 2 o 标准 邻信道干扰功率比 邻信道泄漏保护比 邻信道选择性 先进移动电话系统 误码率 误块率 码分多址接入 中国无线通信标准研究组 北美数字式进阶移动电话系统 专用信道 有效各向同性发射功率 频分双工 频分多址接入 误帧率 全球定位系统 移动通信全球系统 量堕塑塑茎墼塑坠坠篓壁皇兰堡堡兰 笪堕堡壅 i m t 2 0 0 0 国际移动通信2 0 0 0 t e l e c o m m u n i c a t i o n s2 0 0 0 。 l o s l i n eo f s i g h t 视距 m c lm i n i m u m c o u p l i n gl o s s 最小耦合损耗 m h am a s th e a d a m p l i f i e r 塔顶放大器 m u d m u l t i p l eu s e rd e t e c t多用户检测 n l o s n o n l i n eo fs i g h t 非视距 n r n o i s er i s e 噪声提升量 o m c o p e r a t i o nm a i n t e n a n c ec e n t e r 操作维护中心 s b r s h o o t i n g - a n d b o u n c i n gr a y入射和反弹射线法 s i r s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o信干比 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o 信嗓比 1 b t a la c e e s sc o r n m u n i c a t i o n t a c s 全接入通信系统 s y s t e m t d dt i m ed i v i s i o nd u p l e x 时分双工 t d m at i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分多址接入 t i m ed i v i s i o n - s y n c h r o n o u sc o d e t d s c d m a 时分同步的码分多址技术 d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t r mt e s tr a ym e t h o d 测试射线法 u l u p l i n k 上行链路 u n i v e r s a lm o b i l e u m t s 通用移动通信系统 t e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m u n i v e r s a lt e l e e o m m u n i c a t i o n s u t r a 全球通信无线接入系统 r 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 e w c d m a 宽带码分多址接入 v l 南京邮电学院学位论文独创性声明 y 7 6 5 2 2 8 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 含为获得南京邮电学院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：垫日期：三盟 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：超导师签名逢叁苎日期i 删f 1 7 c 堕塞! ! ! 堂堕堕圭塑墅生堂竺堡奎 星二兰鳌堡 移动电话服务) 系统和改进后的t a c s ( 全接入通信系统) 系统。 虽然第一代移动通信系统在商业上取得了巨大的成功，但是由于其存在频谱利用率 低、业务种类有限、无高速数据业务、保密性差、易被窃听和盗号、设备成本高、体积 大、重量大等根本缺陷，产生了第二代的数字移动通信。 第二代的移动通信系统的典型代表是美国的d a m p s 系统、i s 9 5 和欧洲的g s m 系 统。g s m ( 全球移动通信系统) 发源于欧洲，它是作为全球数字蜂窝通信的时分多址 接入( t d m a ) 标准而设计的：d a m p s ( 先进的数字移动电话系统) 也称i s 5 4 ( 北美数 字蜂窝) 是两种北美数字蜂窝标准中推出较早的一种使用t d m a 多址方式；i s 9 5 是北 美的另一种数字蜂窝标准，使用码分多址接入( c d m a ) 多址方式已成为美国p c s ( 个人 通信系统) 网的首选技术。移动通信现在主要提供的服务仍然是语音服务以及低速率数 据服务。由于需求的发展，数据和多媒体通信有迅猛的发展势头，所以目标就是宽带多 媒体的通信的第三代移动通信应运而生。 第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量多媒体业务，能实现全球无缝 覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何 地点进行任何种类通信的通信系统。现在主流的标准大多采用c d m a 作为其接入方式，其 代表有由3 g p p 支持的w c d m a 系统 2 、由3 g p p 2 支持的c d m a 2 0 0 0 系统 3 和由c l o t s 支持 的t d s c d l a 系统 4 。 1 2 第三代移动通信的概况 从移动通信技术发展趋势和可实现业务功能分析，基于c d m a 制式的3 种标准被普 遍看好，分别对应w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三种技术，它们被认为是3 g 的 三大主流应用技术标准【5 ) 。 w c d m a 是由欧洲和日本提出的【6 】，信道带宽为5 m h z ，有f d d ( 频分双工) 与 t d d ( 时分双工) 两种工作方式。前者用于覆盖面积较大的范围，提供中、低速业务； 后者主要侧重在业务繁重的小范围内，提供高速业务。基站同步支持异步方式，同时也 支持同步方式，对g p s ( 全球定位系统) 系统依赖性较小，扰码采用g o l d 序列，信道 编码采用卷积编码( k = 9 ) 、t u r b o 码，采用前反向1 5 0 0 h z 的快速功率控制频率，后向 兼容g s m 。 c d m a 2 0 0 0 是由美国提出的标准f 6 】，由i s 9 5 发展而来，为f d d 工作方式，基站之 间使用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 ，扩频速率为 塑室塑皇兰堕堡主竺塞生兰焦堕茎 笙二皇堕堡 1 2 2 9 9 m c h i p l s ，扰码采用m 序歹1 j ，信道编码采用卷积编码( k - - - - 9 ) 、t u r b o 码，采用前、 反向的8 0 0 h z 的功率控制，后向兼容c d m ao n e 。 t d s c d m a 是我国提出的技术标准 7 】，可以单独组网，单载波带宽1 2 8m h z ，使 用的是t d d 方式，无需上下行对称频率，可以利用相对零散的空闲频段，5 m s 子帧中的 上下行时隙可进行动态调整，相较前两种标准更能适应上下行不对称业务，且频谱效率 相对较高，采用2 0 0 h z 的功率控割频率，系统后向兼容g s m ，与w c d m a 具有相同的 高层信令和网络结构，可以共用核心网，支持与w c d m a 、g s m 系统的混合组网。 当我国的移动通信进一步发展，从第二代移动通信演进到第三代移动通信的时候， 由于我国现存着g s m 和c d m a ( s 9 5 、c d m a 2 0 0 0 ) 两大网络，所以将来很可能出现第三 代的三大主流应用技术标准并存的局面。 总体来说，第三代移动通信中如果按照双工方式来分，可以分为两大类：频分双工 ( f d d ) 和时分2 2 t ( t d d ) 8 】。f d d 方式的使用较为普遍。它要求上下链路分别使用不同 的独立频带，包括了w c d m a f d d 和c d m a 2 0 0 0 。t d d 上下行占用了同一个频带，在时 间上交替转换传送方向，在w c d m a t d d 和t d s c d m a 中采用了t d d 。f d d 和t d d 对比示意图可以参看图1 2 。 移动台 移动台 图1 - 2f d o 和t d d 的对比示意田 对于不同的双工模式的c d m a 移动通信系统，可用于不同的情况。并且对不同的双 塑些塑壁堕些坐l 一 墨二重堡堡 工模式分配了不同的频谱，我国的详细频谱规划如图1 3 所示【5 】。 t d d f d d 上行 卫星t d d丰分配 f d d t 千j ? 末分配tdo 1 9 8 02 0 1 02 0 2 5 圈1 3 我国第三代移动通信的频率分配图 1 3w c d m a 系统的性能研究 采用w c d m a 系统的主要原因是它潜在的高频谱效率，在一定的带宽内能支持更多 的移动台用户。因此，规划和运营w c d m a 系统的根本原因是出于对容量的考虑【9 】。 单个w c d m a 系统中所有的用户一般都是使用相同的载波，而且在经过编码后，每 个信号对于其他信号而言就成为了干扰。因此每个信号都包含在其他用户产生的宽带干 扰背景中。通过控制每个信号的功率保持呼叫的完整性和干扰电平之间的平衡，信号才 能以最小的信干比( s i n ) 到达目的接收机。 由于发送功率的制约或者是由于系统自身的干扰，w c d m a 系统的容量最终受到限 制。在上行链路，当一个移动台的功率不足以克服来自其他移动台基站来的干扰时，系 统就达到容量极限；在下行链路，当总功率中没有多余部分可以分配给一个新增加的用 户时，空中接口就达到了容量极限。每条链路需要的功率与目的接收机的s i r 有很大关 系，因为这个参数随环境的变化而变化，所以容量也跟着其调整而改变。 然而，对于w c d m a 系统来说，容量、覆盖和干扰的考虑都是相互关联的。个 w c d m a 业务信号必须有足够的功率以抵抗各种损耗，使接收机达到需要的s i r ，因此 w c d m a 可以覆盖的区域取决于必须克服的各种损耗和干扰。由于w c d m a 系统的干 扰一般来源于服务小区自身、本系统其他的小区和其他非本系统干扰，那么决定覆盖距 离的因素为接收机与各干扰源的距离以及发射机与接收机之间的路径损耗。 本文主要讨论w c d m a 系统面对干扰时的容量和覆盖性能。 1 4 干扰对w c d m a 系统的影响以及研究现状 众所周知，w c d m a 是一个干扰受限系统 1 0 j 。它所受到的干扰包括来自本小区的 壁塑型旦皂兰堕兰型兰竺里生兰堡壁皇上 笙二里堕堡 干扰和来自本系统其他源的干扰，如果还存在第二载波或者占用相邻信道的异种系统的 话，必须还得考虑他们相互之间的干扰。基于我国第三代移动通信的频率分配，对于f d d 系统来说，上下行之间由于有1 3 0 m h z 的频带分隔，因此它们之间的相互干扰相当小， 上、下行链路都可以独立考虑。但是对于t d d 系统来说，由于上下行链路同时存在于 一个频带内。t d d 系统还要考虑上下行链路之间的串扰，对设立在1 9 2 0 m h z 附近的f d d 系统和t d d 系统来说，这种串扰集中表现在上行链路上，因为t d d 系统的频带与f d d 的下行频带有着几十乃至1 9 0 m h z 的频率隔离带，所以t d d 系统对f d d 系统的下行邻 信道干扰可以忽略不计，但是要考虑t d d 系统对f d d 系统的上行链路干扰。 在文献 1 0 】、【1 1 】中分别研究了干扰对通信系统性能影响的一般分析方法和c d m a 系统的性能分析方法：文献【】2 】、【1 3 】、【1 4 】分别论述了对于i s 9 5 、w c d m a 系统的性 能的一般评估方法，给出了c d m a 系统上行链路在面对本系统干扰的性能计算方法。一 些文献提出了基于s i r 功控方式的链路分析方法，例如文献 1 5 1 分析了c d m a 上行链路 的容量性能，文献 1 6 1 提出使用极方程研究w c d m a 的下行容量。由于现今在科学研究 中使用矩阵进行分析越来越重要，文献0 7 1 提出使用矩阵的形式分析多业务的下行链路 容量的方法。 除了本系统的干扰外，w c d m a 系统还应该考虑来自外系统的干扰，文献【1 8 ，【1 9 1 ， 【2 0 】研究了来自其他w c d m a 小区来的干扰对容量和覆盖的影响；文献 2 1 1 ， 2 2 1 介绍了 来自其他u t r a t d d 小区来的干扰对容量和覆盖的影响，文献 2 3 】介绍了来自其他 t d s c d m a 系统对w c d m a 系统的干扰情况；其外，文献1 2 4 1 雨a 2 5 1 k 5 分别介绍了来自 窄带系统g s m 对w c d m a 系统的下行容量分析、i s 一9 5 对w c d m a 系统的上行链路容 量分析。 1 5 本文的研究范围和结构 由于移动通信网络的性能常常受制于上行链路的性能，本文集中研究了w c d m a 系 统上行链路受到内外干扰下的容量和覆盖性能。 本文首先研究单运营商下系统上行链路的容量和覆盖：然后分析当存在邻信道的第 二运营商的w c d m a 系统情况下上行链路的容量和覆盖性能：存在邻信道的 t d s c d m a 系统情况下造成的上行链路性能下降：通过计算机仿真得出结果，并给出结 论。 本文的主要结构如下： 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章：介绍第三代移动通信的概况以及影响其性能的基本因素。 第二章：推导了一种适合矩阵处理的性能分析方法，并且基于此方法对w c d m a 上 行链路容量和覆盖进行研究。 第三章：介绍了基于这种适合矩阵处理的分析方法的静态仿真器的设计原理和主要 流程， 第四章：利用此仿真器对本w c d m a 系统上行链路的干扰对性能的影响、外 w c d m a 系统和外t d s c d m a 系统对本w c d m a 系统的上行链路性能影响分别进行仿 真，并给出仿真结果以及分析。 1 6 本文的主要贡献 本文研究了面对干扰下的w c d m a 系统上行链路容量和覆盖性能，并给出了仿真结 果。本文所做的独立工作有： 推导了一种适合矩阵计算的性能分析方法，应用此方法在一些支持矩阵快速运算的 计算工具中将减低编码量，提高可读性和运行速度。 根据此方法针对w c d m a 上行链路的特点，在m a t l a b 系统中实现了w c d m a 上行 链路的静态仿真器。 使用静态仿真器对w c d m a 上行链路进行仿真，讨论多种不同原因造成w c d m a 上行链路的容量和覆盖性能下降，并据此给出规划设计上的建议。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章w c d m a 系统的性能分析 第二章w c d m a 系统的性能分析 2 电波传播环境建模 电波传播特性是无线通信工程的规划和设计中的最基本因素 2 4 ，细致了解无线传 播环境对设计出高质量的无线通信系统是非常重要的。 在移动通信的设计和规划中，移动网络的性能( 包括容量、覆盖等) 主要受发射机 和接收机之间的传播条件所决定。而无线信道通常被认为是自然界中的一种较为恶劣的 通信媒质。 当接收机移动时，其接收到的信号就要衰落的影响，一般认为会遭受三种类型的传 播机理的影响。其一是由于扩散损耗引起的中值信号功率随距离增加而减小的特性，这 种区域均值特性可以用幂定律来描述；其二是由于地形地物的阴影阻挡引起的信号的中 尺度变化称为阴影衰落，它是重叠在大尺度的中值电平上的平均功率变化，这种中尺度 随距离的变化如果用d b 表示时，可以用对数正态分布统计描述；最后是由于多径效应 引起局部的信号剧烈的变化，这种尺度更小的变化可以用瑞利分布或者莱斯分布来描述。 图2 - 1 表现这三种尺度的传播机理造成的影响。 e 已 糌 蔼 擎 端 圈2 1 区域均值、阴影衰落和瑞利衰落的示意田 7 苎堕塑堕塑塑塑生型堕塞竺兰垡堕二l 一 釜三空! 妄里! 竺墨丝塑丝堕坌塑 2 1 1 电波传播模式 科学研究发现，在发射机和接收机之间的发射路径一般来说存在着很大的变化，变 化的范围从视距路径到被建筑物、大山或者树林严重阻隔的路径。由于发射、建筑物的 周围的散射和它们内部的折射造成的接收功率随着距离的增大而减小的现象叫做路径损 耗。 从规划设计角度来说，通常通过各种经验传播模式来计算中值路径损耗，通过加上 一个对数正态分布的阴影衰落余量来考虑阴影衰落，通过加上快衰落保护余量来抵消快 衰落的影响。 就传播模式的性质而言，一般可以分为三类 3 2 】。分别是经验模式、半经验性( 半 确定性) 模式和确定性模式。 第一类：经验模式。即在各种类型的传播环境中进行发射和接收的实验，现场记录 下接收信号的各种数据，实测后，用计算机对大量的数据进行统计分析，寻找出反映传 输特性的各种参数的统计分布。再根据数据分柝的结果，建立传输信道的统计模型来进 行传播预测。常见的有奥村( o k u m u r a - h a t a ) 模式 2 5 】、c o s t 2 3 1 - h a t a 模式【2 6 】等。 第二类：半经验性( 半确定性) 模式。即通过使用确定性方法用于特定的环境中所 导出的闭式式子，而且根据大量的试验结果对其进行修正，使其更贴近实验结果更容易 计算。常见的有c o s tw a l f i s h i k e g a m i 2 7 和x i a & b e r t o n i 2 8 模式等。 第三类：确定性模式。即用电磁波的传播理论来计算路径的传播损耗，但是用直接 解麦克斯韦方程的纯理论方法却很少，因为传播环境的复杂性使得求解方程所需的边界 条件很难确定。所以多数研究采用的是射线跟踪法以及由射线跟踪法衍生出来的种种算 法。常见的有s b r 2 9 、t r m 3 0 法等。 2 1 2l i f t 2 0 0 0 模式 由于通信环境的多样性，每种的传播模式都是对于某一特定环境而设计的，也就是 说每种传播模式都有其使用范围的。第三代移动通信系统将会运行在多种环境。这些环 境包括具有不同建筑结构的大小城市，以及热带、寒带、乡村、山区乃至沙漠。而且系 统的构造( 如天线的设计和天线的高度等) 也会影响无线环境。在移动通信系统的设计 中不可能逐一考虑到所有的环境，因此设计含有不同的无线环境性质特性的通用模型是 很有必要的。 重型塑型型塑型堕 塑三皇竖里坐墨篓塑些堂 对于第三代移动通信来说，根据3 g p p 的建议【3 1 】，工作环境可以分为室内办公环境、 室外到室内和步行环境、车载环境。对于每种环境都有其推荐的电波传播模式。 1 室内办公环境 这种环境的特点是小区很小，发射功率低，室内的无线环境可以用一个有几层楼的 隔离建筑模拟。室内办公环境的一个典型的例子如图2 - 2 所示。 鸳藿 n 鸳藿 型。蒋 吐6o 蒋 霆赫堕 k 岁 霆戡耍i 霪，蓬0 茑藿 蒋 蘑氢 o 营i 堕 基站 搂层n 图2 - 2室内办公环境模型示例 室内既有基站又有步行用户。由于室内的各种障碍物的散射和衰减会引起路径损耗 有规律的变化，而且这些障碍物还会引起阴影效应。该种环境下的路径损耗模式为： 咝- 04 6 上= 3 7 + 3 0 1 9 d - - 1 8 3 一 j ( 2 1 ) 其中，d 为发射机和接收机之间的间距，单位为m ，r l 是路径中所经过的楼层数。 在这个基本的路径损耗上可以再加上标准差为1 2 d b 的对数正态阴影。 2 室外到室内和步行的环境 这种环境的小区半径也不大，发射功率也不高。在该无线环境中典型的配置模型是 曼哈顿微小区模型，在该环境下有视距的传播( l o s ) 和非视距m l o s ) 的传播如图2 3 所 不。 南京邮电学院硕上研究生学位论文 第= 章w c d m a 系统的性能分析 图2 3曼哈顿微小区模型示意图 其适用于从室外到室内情况下步行的环境。该种环境下的路径损耗模式为： l=4019d+3019f+49(2-2) 其中，d 为发射机和接收机之间的间距( k m ) ；f 为载波频率( m h z ) 。这种情况下 的路径损耗的阴影衰落余量在室外取1 0 d b ，在室内则要取1 2 d b 。 3 车载环境 这种环境由较大的小区和较高的发射功率组成，适合用于城市或者市郊室外环境， 对应于宏小区。典型的宏小区结构类似于六边形的网格，如图2 - 4 所示。 该种环境的路径损耗模式为 图2 4 宏小区的结构 1 0 要量垫兰堕堡主塑塑皇兰生堡苎 墨三兰! 旦竺垒墨堑竺壁丝坌塑 = 4 0 ( 1 4 x 1 0 。a h b ) l g d 一1 8 1 9 玩+ 2 1 1 9 f + 8 0 ( 2 3 ) 其中，d 为发射机和接收机之间的间距( k m ) ：厂为载波频率( m h z ) ；z x h 为离屋顶 平均高度起测量的基站天线高度。 当基站天线固定在高出平均屋顶高度1 5 m ( a h b = 1 5 m ) 处时，对于载频为2 g h z 的 情况路径损耗式子可简化为： l = 1 2 8 1 + 3 7 6 1 9 d ( 2 - 4 ) 这种环境下面要加上1 0 d b 的阴影衰落余量。 以上的各种路径损耗的计算都应以不小于自由空间中的电波传播的路径损耗值为 限。 自由空间中的电波传播的路径损耗值为： l e - = 3 2 4 4 7 8 + 2 0 1 9 f + 2 0 1 9 d ( 2 - 5 ) 其中，d 为发射卡f l 和接收机之间的间距c k m ) ；，为载波频率( m h z ) ；一般说来， 在地面通信中除在高楼楼顶和移动台在高架路上可以直接利用该算式以外其他 情况不能使用该算式。该算式的一个重要作用是作为一个参照，所有情况的路径损耗小 于使用该算式计算的结果为无效；它的另个重要作用是用来估计下面提到的最小耦合 损耗( m c l ) 。 2 2 链路预算 链路预算是w c d m a 无线网络规划中必不可少的一步，通过它能够指导规划区内4 、 区半径的设置、所需的基站的数目和站址的分布【3 2 】。具体而言，链路预算要做的的工 作是在保证通话质量的前提下，确定基站和移动台之间的无线链路所能允许的最大路径 损耗。 对于移动通信中发射机和接收机之间的增益和损耗的一般表示如图2 - 5 所示，其数 学表达式为： b w = 弓x l - i - g h l p + g m l “一j 。 ( 2 1 6 ) 其中，气为接收功率：嘞为发射功率：切为发射机和发射天线之间的馈线和连 接损耗；l 。为传播路径损耗；g r x 为发射天线的增益；g e x 为接收天线的增益；“为 接收机和接收天线之间的馈线和连接损耗；i 。是为了抵抗各种衰落的功率预留余量。 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章w c d m a 系统的性能分析 成； 发射天线增益 嘞 馈线损耗 k 发射功率 嘞 传播路径损耗三。 接收天线增益 g 馈线损耗 k 接收功率 舭聩事a 值h o 图2 - 5收发之间的损耗和增益关系 其中，( 2 6 ) 式右边前三项定义为等效各向同性辐射功率e i r p ，那么e i r p 可以写 e 1 r p = 岛k + 2 7 ) 最大允许路径损耗计算就是小区内允许的传播损耗的计算，它从个侧面反映了小 区的覆盖半径的大小，根据式( 2 6 ) 和( 2 7 ) n 7 得： ? k = 互r p 一p + g 肼一甜一， ( 2 8 ) 由于受移动台的发射功率限制，系统的覆盖首先由上行链路决定。因此，上行的链 路预算通常决定了小区的大小。从而决定了整个规划区内在覆盖受限情况下的基站数。 上行链路预算的参数大概可以分为四类 2 4 1 ：分别为系统参数、移动台发射机参数、 基站接收机参数和各种预留的余量。下面详细介绍这四类预算参数： 堕塞业垒堂堕堡主竺窒兰堂垡堡苎 2 2 1 上行链路预算中的系统参数 第二章w c d m a 系统的性能分析 1 载波频率 根据传播模式可以知道，载波频率将影响传播损耗，不同频率信号的传播损耗是不 同的。w c d m a 上行链路的频段为：1 9 2 0 1 9 8 0 m h z ，共6 0 m h z 的频段。 2 扩频带宽 扩频带宽矽指的是c d m a 系统扩频后的带宽，也就是进入接收机的噪声带宽。对 于w c d m a 系统来说，扩频带宽是3 8 4 m h z ：对于t d s c d m a 来说，扩频带宽为 1 2 8 m h z 。 3 数据速率 数据速率民指的是在无线信道中的数据速率或比特速率。在w c d m a 标准中支持 1 2 2k b i t s 话音、6 4k b i t s 数据、1 4 4k b i t s 数据、3 8 4k b i t s 数据甚至2 m b i t s 数据的业务。 4 处理增益 处理增益g 也叫做扩频增益，在数值上等于扩频带宽和数据速率的比值。它表示经 过解调后用户信噪比可以增加的倍数。对于上述的业务的处理增益分别为：2 5 d b 、1 8 d b 、 1 4 d b 、1 0 d b 和2 8 d b 。可以看出数据速率越高，处理增益就越小。 5 背景噪声 背景噪声也叫做热噪声，它是由于电子的热运动产生的噪声。 接收机噪声功率谱密度可以表示为【1 4 】： n o = n f 砜 2 - g ) 其中，n o ：接收机噪声功率谱密度； n f ：接收机噪声系数： r ：波尔兹曼常数；为1 3 8 1 0 1 3 j 。k 瓦：绝对温度( 开尔文) 它与摄氏度的转换关系为：五= 2 7 3 + c 。： 编：热噪声密度 在常温2 0 c 下的噪声功率谱密度为1 7 4 0 d b m h z 接收机的噪声功率： p = 0 矿= n f , c r w ( 2 - 1 0 ) l3o 堕皇堕皇竺垦堡主塑壅兰茎些丝兰 塑三童型! 旦坚垒墨堕塑丝韭坌堑 根据上式，可以作出在w 带宽下接收机收到的噪声功率与温度、接收机噪声系数的 关系如图2 - 6 所示。其中用d b m 为单位在2 0 下在带宽w 中接收机收到的噪声功率为 - 1 0 3 1 6 d b m 。 u ! do ： ， j 5 i ；。 。 1 0 一 ， ， 5 7 1 0 7 。 ， 1 5 i z 。 ： ；5，重7 _ i 一l 0 c | _ ： ， ： i： 接收槐噪声系数n f ( d s m ) 图2 - 6接收机收到的噪声功率与温度和接收机噪声系数的关系 2 2 2 上行链路预算中的移动台发射机参数 1 业务最大发射功率 仅对于单个业务信道，发射机所能发射功率的最大值。通常认为w c d m a 的移动台 的最大发射功率为2 1 d b m 或者2 4 d b m 。 2 接头损耗 发射机到天线沿途经过各种元器件对信号的衰减。对于移动台这个值通常忽略不计， 取为0 d b 。 3 发射天线增益 对于移动台而言，天线尺寸不会很大，同时希望在所有方向都能可靠地收发信号。 因此移动台的发射机天线通常为全向天线一般认为发射天线增益为0 d b i ( 话音) 或者 2 d b i ( 数据) 。 爸8p一：&鞋簿k棼 叠堕蔓燮堕堡主堕塞兰兰焦堡奎 塑三兰! 曼里坚垒蔓竺箜堡丝坌堑 2 2 3 上行链路预算中的基站接收机参数 1 接收天线增益 天线一方面是将基站发射机输出的信号转换成电磁波辐射到空间，另一方面是从空 间接收电磁波，转换成基站接收机可以处理的电信号。常规的天线多为无源的，它不会 对输入功率产生实际增益。但是它可以改变空间中的电磁场的能流密度，使得某些方向 的能流密度高一些。高增益的天线在主瓣的方向的增益很大( 篚流密度大) ，那么在其他 的方向的增益将很小。各向同性天线在空间任何一个方向上的能流密度都是样的，那 么它的增益为o d b ；对于常用的3 扇区小区使用的天线般采用6 0 。度的定向天线，增 益一般在1 0 d b 以上；归一化后的天线方向图如下图所示，其中子图( a 1 是水平方向图， 子图( b ) 是垂直方向图。 (a)03) 图2 7 定向天线的归一化后的天线方向图示例【3 3 】 2 馈线连接器和合路器损耗 同样，天线到接收机沿途各种元器件会对信号产生衰减，通常按照3 d b 来估算。可 以采用塔顶放大器( m h a ) 抵消这种损耗。 3 业务信道所需的昂o 为了满足所要求的误帧率( f e r ) ，用户的信噪比要达到一定的值。毛n o 定义为每个 业务信道信息比特能量与干扰和噪声功率谱密度的比值。这个磊。的目标值随着传播 环境、移动速度和业务等不同而不同。 4 噪声系数 在移动通信的链路预算中噪声系数指的是基站接收机的噪声系数和移动台的噪声系 1s 蔓坐塑堕堑塑型匣燮生鲎垡堡兰 塑三兰! ! 旦坠垒墨竺竺丝丝坌塑 数。当信号通过接收机的时候，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，它可以定义为： 咿= 丽s n r f 输z ( 2 1 1 ) 肌 ”u ( 2 - 1 2 ) 噪声系数对应于接收机本身的属性，在工程中一般认为基站接收机的噪声系数为 4 6 d b ；移动台的噪声系数为6 8 d b 。 2 2 4 上行链路预算中的接收机灵敏度 接收机灵敏度指的是接收机输入端为了保证信号能成功地检测和解码，或者保持所 需的f e r 而必须达到的最小信号功率。 在w c d m a 系统中，由于所有用户都在同频段发送信号，接收机除了要克服热噪 声、接收机内部噪声外，还要克服来自系统内部的噪声。因此接收机的最小接收功率由 所需的瓦n 、处理增益和全部的干扰噪声决定。一般情况下，接收机灵敏度指的是系 统无负载时，接收机输入端所需的最小信号功率。接收机灵敏度s 可由下式计算得到： s = 阮+ ，。) ( 2 - 1 3 ) 或者由对数单位给出： 刚b 妒( 鼽h 晰+ ， 浯 其中( 急 。为正常通信所需的毛，o ，只为总有效噪声，l 为干扰强度，矽为扩 频带宽，r 。为数据速率。 2 2 5 上行链路预算中的各种预留余量 1 快衰落余量 翌 釉互r 堕堡墅皇兰堕堡圭婴塑生兰堡堡苎 塑三兰! 曼里! 竺墨篓塑堡堡坌堑 快衰落余量t 也称为功率控制余量。是用于为了保持适当的闭环快速功控，以使得 闭环快速功控能有效她补偿受快衰落影响的慢速移动用户，而在移动台发射功率中需要 的余量。 2 阴影衰落余量 阴影衰落余量，也叫做对数正态衰落余量。是为了保证小区边缘处有一定的覆盖率， 在链路预算中预留出部分余量，用于补偿阴影效而加上的功率储备。设计的小区边缘 的接收信号的中值与接收机灵敏度之差就是阴影衰落余量的值。 3 软切换增益 软切换增益是在两个或多个小区边界处由于软切换的宏分集得到的增益，其定义为 为了保证定的边缘覆盖效率采用软切换后所需的阴影衰落余量比无软切换时的减少 量。它与阴影衰落余量、边缘覆盖概率的关系如图2 8 所示。 摹 糌 饔 州目 鼎 斟 凶 64 2024681 01 21 4 阴影衰落余量( d b ) 图2 - 8 阴影衰落余量、小区边缘覆盖概率和软切换增益的关系 4 分集增益 指基站采用分集技术带来的增益。分集增益可以根据接收路径的相关性计算出来。 一般情况下都已经包括在磊o 之中，不用单独计算。 5 人体损耗 人体损耗指手持话机离人体很近造成信号吸收引起的损耗。人体损耗取决于手持机 相对于人的位置，在链路预算中一般取3 c t b 。 6 穿透损耗 当人在建筑物或者车内打电话时，信号需要穿过建筑物或车体，造成一定的损耗 踮佰加印弱印 里塑型坚皇兰受塑暨堕竺兰竺兰! ! ! 垫 墨三童! ! 旦! 竺墨篓塑竺堕坌堑 这些损耗随着穿透的物体的性质不同而不同。通常对于密集市区该建筑物损耗取 2 0 2 5 d b ；对于一般的市区，取1 5 2 0 d b 对于郊区和农村，取5 1 0 d b 。车辆的穿透损 耗取6 1 0 d b 。 7 干扰余量 在w c d m a 系统内，所有的用户都是在同一频段内发射，每用户的信号对别的用 户来说都是干扰。这种白干扰提高了接收机的噪声基底，使得接收机灵敏度降低，增加 了接收机的最低接收门限。因为干扰而增加的接收机门限，在链路预算里以干扰余量的 方式来体现。 8 多用户检测效率 在w c d m a 系统中可以使用多用户检测( m u d ) 技术。在基站中可以利用该技术来减 轻本小区其他用户的干扰；部分避免小区覆盖随着负载的增加而下降，扩展有负载网络 的覆盖范围。因此引