（电磁场与微波技术专业论文）干扰对wcdma下行链路性能影响的研究和仿真.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：三塑生级研究生 袁晓超 指导教师筮童麴 题目：干扰对w c d m a 下行链路性能影响的研究和仿真 英文题目：i n v e s t i g a t i o na n ds i m u l a t i o no fe f f e c to nt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ni n t e f f e r e n c ea n dw c d m ad o w n l i n kp e r f o r m a n c e 主题词：干扰下行链路容量覆盖宽带码分多址 k e y w o r d s ：i n t e r f e r e n c e d o w n l i n k c a p a c i t yc o v e r a g e w d m a 塑塞唑皇_ 大兰堡二! 鲨窒兰兰堡堡兰 堕堕堕耋 缩略语表 英文缩写 英文全称 3 g p p 3 g p p 2 a c i r a c l r a c s a m p s a r i b b l e r b p s k c d m a c w t s d a m p s d s c d m a e i r p e t s i f d m a g p s g p r s g s m i m t 2 0 0 0 i p isd n m c l q p s k 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o i e c t 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o je c t 2 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 er 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 a s s o c i a t i o nf o rr a d i 0 1 1 3 d u s t r ya n db u s i n e s s b l o c ke r r o rr a t i o b i n a r ys h i f tk e y i n g c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c c s s c h i n aw i r e l e s s t e l e c o m m u n i c a f i o n ss t a n d a r d g 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 i r e c ts e q u e n c e c d m a e f f e c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e d p o w e r e u r o p et e l e c o m m u l i i c a t i o n s t a n d a r d si b s t i t u t e f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m g e 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 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 i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n s2 0 0 0 i l i t e r l i e tp r o t o c o l in te gr a te dser v ic es d i2 i ta lne t w or k m i n i m u mc o u p l i n gl o s s ou a dr a t ur ep h asesh i f t key i n g i i i 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 m a 2 0 0 0 标准 邻信道干扰功率比 邻信道i t i t 漏保护比 邻信道选择性 先进移动电话系统 无线工业和商业协会 误块率 = 进制移相键控 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 直接序列码分多址 有效各向同性发射功率 欧洲电信标准化协会 频分多址接入 全球定位系统 通用无线分组业务 移动通信全球系统 国际移动通信2 0 0 0 网络协议 综合业务数字网 最小耦合损耗 正交移相键控 堕塞塑堕查兰婴主! ! 壅生兰堡堡苎j 塑鱼堕墨 r t t s r a d i ot r a “8 m i8 8 1 0 ” 无线传输技术 r t t s t e c h n i 口u e s 尢甄传捅技不 s m g 2s p e c i a im o b i l eg r o u p 2 特别移动组 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o 信噪比 t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n t a c s 。 b y s t e r n t d d t i m ed i v i s i o nd u p l e x 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 t d s c d m a c t i 。m ed i i v v i 试s i o 。n n m s y u n 。：裟銮嘲 t e l e c o m m u n i c a t i o n si n d u s t r y t i a a s s o c i a t ! 0 1 1 u n i v e r s a lt e l e c o m m u n i c a t i o n s u t r a 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 n w c d m a m u l t i d l ea c c e s s i v 全接入通信系统 时分双工 时分多址接入 时分同步的码分多址技术 电信工业协会 全球通信无线接入系统 宽带码分多址接入 南京邮电大学学位论文独仓q 牲声明 y 8 5 0 7 3 7 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：日期 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：三辱芝蔓堑日期：旦女：旦笙：! 妒 摘要 基于码分多址接入方式的w c d m a 是第三代移动通信三大主流标准之一。 与第二代移动通信系统相比，由于w c d m a 系统能提供不同类型业务的灵活性， 在对w c d m a 系统进行网络规划和优化时需要考虑更多的因素。在w c d m a 系统， 规划者必须保证不同类型的业务具有一定的服务质量。另外，为了提高网络的经济 效益，也必须保证w c d m a 系统的优化性能。 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系统内外干 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 m a 系统所受的干扰与其下行链路容量和覆盖性能的关系进行了较 深入的研究。本文首先分析了w c d m a 系统在受到系统内干扰时容量和覆盖的性能， 并推导出相应的计算方法；再结合m a t l a b 工具进行仿真计算，加以讨论。在此基 础上，进一步分析了占用相邻信道的两个w c d m a 系统共存时的容量和覆盖性能， 采用等效的方法来计算邻信道干扰，最后通过计算机仿真，给出规划上的建议。 a b s t r a c t w i d e b a n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s sb a s e do nc o d e ，d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s si s o n eo ft h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o no ft h r e em a i n s t r e a ms t a n d a r d s t h e p l a n n i n g a n d o p t i m i z a t i o n o fw c d m as y s t e mi sm o r ef a c t o r st h a nt h e s e c o n d g e n e r a t i o nm o b i l es y s t e mb e c a u s eo fi t sf l e x i b i l i t yt h a tc a np r o v i d ev a r i o u s s e r v i c et y p e s i nt h ew c d m a s y s t e m ，t h ep l a n n e rh a st ob ea b l et og u a r a n t e eac e r t a i n q u a l i t y o f - s e r v i c e l e v e lf o rv a r i o u ss e r v i c e t y p e s a d d i t i o n a l l y ，t h ep e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o no ft h ew c d m as y s t e m sb e c o m e se s s e n t i a li n o r d e rt oi n c r e a s et h e c o s t e f f e c t i v e0 ft h en e t w o r k ， t h ec d m as 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 m es y s t e m ，a n dt h e i n t e r f e r e n c eo ft h eo t h e rk i n ds y s t e m t h ep l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o no fc d m a s y s t e m m u s tc o n s i d e rc a p a c i t y ，c o v e r a g ea n dq u a l i t y t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e so nt h ee f f e c to fi n t e r f e r e n c et ow c d m ad o w n l i n k p e r f o r m a n c eo fc a p a c i t ya n dc o v e r a g e f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ra n a l y s i st h ep e r f o r m a n c e o fc a p a c i t ya n dc o v e r a g eu n d e r g ot h ei n t e r f e r e n c eo fi t so w n ，d e d u c eam e t h o do f c a l c u l a t i o n ；t h e nu s em a t l a bt o o l t os i m u l a t i o n o nb a s eo fi t ，t h ep a p e rf u r t h e r a n a l y s i st h ew c d m ad o w n t i n kp e r f o r m a n c eo fc a p a c i t ya n dc o v e r a g ew h e nt w o w d m a s y s t e m sc o e x i s t e n c ei nt h ea d j a c e n tc h a n n e l ，d e d u c eam e t h o do fe q u i v a l e n tt o c a l c u l a t i o na d ja c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c e ，a tl a s tu s ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt og i v e nt h e s u g g e s t i o no fp l a n n i n g 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 移动通信的发展概述 第一章绪论 移动通信系统经历了第一代的模拟蜂窝系统，第二代的基于t d m a 和窄带 c d m a 基础的数字蜂窝系统，目前已发展到第三代移动通信系统，其终极目标是 实现任何人在任何地点、任何时间与其他任何人进行任何方式的通信，它是按照国 际电信联盟提出的i m t 一2 0 0 0 标准进行设计的新一代移动通信系统。与第一代和 第二代蜂窝移动通信系统相比，第三代移动通信系统采用了c d m a 技术，基于全 i p 网络，具有更多的用户数量、系统容量，支持多媒体等高速数据业务等特点。 第一代的模拟蜂窝移动通信网，时间跨度是上世纪7 0 年代中期至8 0 年代中期。 1 9 7 8 年，美国贝尔实验室研制成功先进的移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝移动 通信系统，其他工业化国家也相继开发出了蜂窝式移动通信网。这一阶段相对于以 前的移动通信系统，最重要的突破是贝尔实验室提出了蜂窝网的概念，即小区制， 由于实现了频率复用，大大提高了系统容量。第一代移动通信系统的主要特点是采 用频分复用( f d m a ) 模拟制式。其典型代表是美国的a m p s 系统( 先进移动电话系统) 和改进型系统t a c s ( 总接入通信系统) 等 1 】。 第二代是以g s m 和i s 9 5 为代表的数字蜂窝移动通信系统，从上世纪8 0 年代 中期开始，至今仍在高速发展中。模拟蜂窝网虽然取得了很大的成功，但其频谱利 用率低，业务种类受限，通话易被窃听，难以满足移动通信系统的发展。到了8 0 年代中期，欧洲推出了泛数字移动通信网( g s m ) 的体系。随后，美国和日本也制订 了各自的数字移动通信体制。数字移动通信网相对于模拟移动通信网，提高了频谱 利用率，支持多种业务服务，并与i s d n 等兼容。第二代移动通信系统以传输话音 和低速数据业务为目的，又称为窄带数字通信系统，其典型代表是美国的d a m p s 系统，i s 一9 5 和欧洲的g s m 系统。 由于第二代移动通信以传输话音和低速数据业务为目的，从1 9 9 6 年开始，为 了解决中速数据传输问题，又出现了2 5 代的移动通信系统，如g p r s 和i s 一9 5 b 。 移动通信主要提供的服务仍然是话音服务和低速率数据服务。由于网络的发展，数 据和多媒体通信发展迅猛，所以第三代移动通信的目标是宽带多媒体通信。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第三代移动通信系统是为多媒体通信而设计的：通过该系统提供的高质量图像 和视频，使人与人之问的通信能力进一步增强；而第三代系统所带来的更新更灵活 的通信能力和更高的数据速率使得公用网和专用网上的信息与业务的接入能力大 大增强。所用这一切，连同第二代系统向第三代系统的平滑连续过渡，不仅为设备 制招商、运营商，同时为使用这些网络的内容和应用提供商创造新的商机。现在在 第三代移动通信技术中，以c d m a 为主要接入技术，目前主要的三种体制为：3 g p p 支持的w c d m a 系统 2 】、由3 g p p 2 支持的e d m a 2 0 0 0 系统 3 】和由c w t s 支持的 t d s c d m a 系统 4 】。 移动通信的演进历史如图1 一l 所示。 糕 藩 球 爿 多媒体 话音 图1 1 移动通信的演进历史图 1 2 第三代移动通信的概况 w c d m a 是欧洲和日本提出的宽带c d m a 技术【6 。在第二代移动通信系统 g s m 取得巨大成功后，欧洲在1 9 8 7 年提出u m t s 的概念，其中的研究重点是3 g 系统的无线传输技术( r t t s ) ，由e t s i 的s m g 2 负责。日本于1 9 9 3 年在a r i b 中建 立了研究委员会来进行日本3 g 的研究和开发。t 9 9 7 年下半年，e t s i 秘a r i b 共 同开发了w c d m a 。1 9 9 8 年1 2 月成立的3 g p p 极大地推动了w c d m a 技术的发展， 加快了w c d m a 的标准化进程，并最终使w c d m a 技术成为i t u 批准的国际通信 标准。 2 南京邮电犬学硕上研究生学位论立 第一直持“ 第三代移动通信系统是为多媒体通信而设计的：通过该系统提供的高质量图像 和视频，使人与人之问的通信能力进步增强：而第三代系统所带来的更新更灵活 的通信能力和更高的数据速率使得公用网和专用网上的信息与业务的接入能力大 大增强。所用这一切，连同第二代系统向第三代系统的平滑连续过渡，不仅为设备 制招商、运营商，同时为使用这些网络的内容和应用提供商创造新的商机。现在在 第三代移动通信技术中，咀c d m a 为主要接入技术，目前主要的三种体制为：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 w t s 支持的 t d s c d m a 系统【4 】。 移动通信的演进历史如图1 1 所示。 粼 靠 球 剖 多媒体 话音 图1 1 移动通信的演进历史圉 1 2 第三代移动通信的概况 w c d m a 是欧洲和日本提出的宽带c d m a 技术【6 。在第二代移动通信系统 g s m 取得巨大成功后，欧洲在1 9 8 7 年提出u m t s 的概念，其中的研究重点是3 g 系统的无线传输技术( r t t s ) ，由e t s i 的s m g 2 负责。日本于19 9 3 年在a r i b 中建 立了研究委员会来进行日本3 g 的研究和开发。1 9 9 7 年下半年，e t s i 和a r i b 共 同开发了w c d m a 。1 9 9 8 年1 2 月成立的3 g p p 极大地推动了w c d m a 技术的发展， 加快了w c d m a 的标准化进程，并最终使w c d m a 技术成为i t u 批准的国际通信 加快了w c d m a 的标准化进程，并最终使w c d m a 技术成为i t u 批准的国际通信 标准。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 w c d m a 强调宽带技术，它的最小带宽为5 m h z 。使用宽带技术能够提高多径 信号的分离度，从而更好地克服多径的影响。w c d m a 采用d s c d m a 方式。码片 速率为4 0 9 6 8 1 9 2 1 6 3 8 4 m c h i p s ，帧长有1 0 m s 和2 0 m s 两种可选。数据调制前向 链路采用q p s k ，反向链路采用b p s k 。信道编码选用卷积码( r = 1 3 ，1 2 ，k = 9 ) 和 t u r b o 码。功率控制采用开环+ 快速闭环( 1 6 0 0 h z ) ，控制步长为o 2 5 4 d b 可变，可 有效地满足抗衰落的要求。w c d m a 中的基站不需要同步，各基站之间不需要g p s 作为外部同步源，组网比较方便。在反向信道上，w c d m a 采用导频符号相干r a k e 接收的方式，解决了c d m a 中反向信道容量受限的问题。 c d m a 2 0 0 0 是在i s 9 5 窄带c d m a 技术的基础上发展起来的宽带的c d m a 技 术。美国t i a 和t r 4 5 5 小组委员会于1 9 9 9 年批准出版了c d m a 2 0 0 0 第一阶段，这 是国际3 g 标准实现标准化进程的一个里程碑。美国高通公司继1 9 9 3 年提出i s 一9 5 标准并获得t i a e i a 通过后，又把目光投向到更远，它如今已是c d m a 2 0 0 0 的中流 砥柱。 多载波方式是c d m a 2 0 0 0 的一种，如图l - 2 所示 2 8 】： ，o 二：j ：! ：。，蔓j 生岛崎量蔓! 二，畸! 二二童望坚， 图卜2 多载波方式与直接序列的比较 多载波方式是基于扩频速率的。所谓扩频速率，即前向或反向c d m a 信道上 的伪随机码片速率。c d m a 2 0 0 0 中扩频速率有两种：s r l 和s r 3 。s r l 即“l x ”，代表 c d m a 2 0 0 0 1 x 。它的前向和反向c d m a 信道在单载波上都采用码片速率为 1 2 2 8 8 m c h i p s 的直接序列扩频。s r l 基本上是为兼容i s 一9 5 以满足向3 g 平滑过渡 3 南京l 邮电大学碳鼬酣究生学位论文 第一章绪论 的需要。s r 3 即“3 x ”，代表c d m a 2 0 0 0 3 x 。它的前向信道有三个载波，每个载波上 都采用1 2 2 8 8 m c h i p s 的d s 扩频，总称多载波( m c ) 方式；而反向信道在单载波上 采用码片速率为3 6 8 6 4 m c h i p s 的d s 扩频。c d m a 2 0 0 0 的信道带宽可取 1 2 5 5 l o 15 2 0 m h z ，码片速率为n 1 2 2 8 8 m c h i p s ，n = l ，3 ，6 ，9 ，12 。c d m a 2 0 0 0 的数据调制和w c d m a 相同，也为前向q p s k ，反向链路b p s k 。信道编码选用卷积码 ( r = 1 3 ，1 2 ，l 4 ，k = 9 ) 和t u r b o 码。功率控制采用开环+ 快速闭环( 8 0 0 h z ) 。c d m a 2 0 0 0 各个基站需要同步，因此g p s 系统必不可少。 t d s c d m a ，即时分一同步码分多址。它作为中国拥有完全自主知识产权的第三 代移动通信国际标准，于2 0 0 0 年5 月在土耳其召开的国际电信联盟( i t u ) 会议上正 式通过，成为与w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 并列的第三代移动通信世界三大主流标准之一 7 。 t d - s c d m a 采用d s c d m a 的方式，并具有t d m a 的特点，即时隙用于在时间域和 码域上区分不同用户信号。t d s c d m a 的扩频带宽约为1 6 m h z ，码片速率为 1 2 8 m c h i p s 。它支持三种信道编码方式：卷积编码，t u r b o 编码和不编码。t d s c d m a 的功率控制在上行采用开环+ 闭环，下行仅用闭环，闭环的控制速率为0 2 0 0 次s ， 步长可取1 d b 、2 d b 或3 d b 。t d s c d m a 的调制、交织和复接技术都与3 g p p 相同 8 。 我国的详细频谱规划如图l 一3 所示 5 】。 tddf d d 上行卫星t d d末分配f d d 下行未分配tdd 鬟 鎏 鬻攀鬻i j 爹 n 型 i 溪j 懑誉誊 l 攀 芏蛊 譬 兰= 蚕8 善 饔 n昌 | _ j 9 8 02 0 1 0 2 0 2 52 1 1 02 1 7 02 3 0 02 4 0 0l v l l - l z 图1 - 3 我国第三代移动通信的频率分配圈 1 3w c d m a 系统的性能分析以及研究现状 因为w c d m a 系统采用码分多址接入方式，小区内的用户共享同一频带，这 样由于“呼吸效应”一一个小区的业务量越大，小区的面积就越小，反之亦然。所 以在规划w c d m a 系统时不能像规划g s m 系统那样把覆盖和容量分开来考虑。而 4 堕室塑皇查兰堡：! 堡垒圭兰堡堡苎 墨二里堕堡 必须把两者结合起来规划。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。由于w c d m a 系统的干扰源一般来源于服务小区取自身、 本系统其他的d 、区和其他系统干扰，那么决定覆盖距离的因素为接收机与干扰源的 距离以及发射机与接收机之间的路径损耗。 在w c d m a 系统中，上行链路和下行链路的干扰限定了系统的容量和覆盖范 围。在上行链路中干扰来自其他移动台，在下行链路中干扰来自相邻的基站。虽然 对于下行链路来说干扰源的数目很少，但干扰的功率相对而言却是很大的【9 。在 下行链路中，总的传输功率将由各用户来分享。在上行链路中，基站接收设备有一 个干扰容许上限。每个用户都会产生一定的干扰，而且小区中所有用户都要遭受该 干扰的影响。如果能够提高某些链路的性能，那么上行链路和下行链路中要求的传 输功率和产生的干扰就会立即被降低。因为这些用户是共享一个功率源的，因此这 将为每个用户降低干扰，进而进一步提高了系统的容量和覆盖范围，或者改善了链 路性能。 目前，对干扰的研究主要集中在研究系统内干扰对容量和覆盖的影响，以及当 两个系统共存时，邻信道干扰对容量和覆盖的影响。在文献 1 0 】、【1 1 中研究了利 用维特比方法计算干扰对c d m a 系统容量和覆盖的性能影响情况；文献 1 2 】、【13 】、 1 4 】分别论述了对于i s 9 5 、w c d m a 系统的性能的一般计算方法，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 从理论上分析了c d m a 上行链路的容量性能， 文献 1 6 】提出使用极方程研究w c d m a 的下行容量并给出了具体的计算方法和仿 真示例。另外，文献【1 7 】提出使用矩阵的形式分析多业务的c d m a 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 】，【2 0 研究了在宏小区环境下两个w c d m a 系统共存的情况：文献 2 1 】，【2 2 介 绍了来自其他u t r a t d d 小区来的干扰对c d m a 系统容量和覆盖的影响，文献【2 3 】 介绍了邻信道干扰对t d s c d m a 系统的干扰情况；其外，文献 2 4 ：f 1 1 2 5 】还分别介 绍了来自窄带系统的干扰对w c d m a 系统的上、下行链路容量的影响，文献【4 5 】 介绍了窄带干扰对w c d m a 系统的下行链路覆盖的影响。 南京邮电大学硕1 ：研究生学位论文第一章绪论 1 4 论文的提出和研究内容 目前对w c d m a 系统的干扰研究，一般集中在t d 与w c d m a 共存的分析以 及w c d m a 受到邻频窄带干扰时的研究方面，而对单独针对w c d m a 下行链路， 特别是两个w c d m a 共存时邻信道干扰的研究很少。因此本文集中研究了下行链 路受到系统内外干扰下的容量和覆盖性能。 本文所做的独立工作有： 从分析w c d m a 的性能入手，首先分析了针对单运营商下系统在受到系统内 干扰时下行链路的容量和覆盖性能，并推导了相应的计算方法。 根据计算方法，对单运营商的w c d m a 系统在受到系统内干扰时下行链路的 容量和覆盖进行了仿真计算，并根据仿真结果加以讨论。 在分析单运营商的基础上，进一步分析了当两个w c d m a 系统共存时邻信道 干扰对下行链路容量和覆盖的影响，采用等效方法计算邻信道干扰，给出在邻信道 干扰存在时下行链路的容量和覆盖的计算方法，并结合m a t l a b 加以仿真计算，讨 论多种不同原因造成w c d m a 下行链路的容量和覆盖性能下降，并根据仿真结果 给出规划上的建议。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章w c d m a 下行链路预算及仿真 第二章w c d m a 下行链路预算及仿真 2 1w c d m a 系统下行链路预算 链路预算是在开始w c d m a 系统规划时的首要任务。具体的说，链路预算即 是功率预算。链路预算既可以是正向的( 下行链路) ，也可以是反向的( 上行链路) ； 链路预算是指根据给定的发射机发射功率来推算接收机可能接收到的信号功率。链 路预算涉及无线电波从发射机到接收机所经过路径上的所有增益和损耗。图2 1 给 出了链路预算要说明的无线通信路径的那几个部分。其数学表达式为 3 2 】： p r ) f = p r x l r x g h l p + gr ) c lr ) ( 一im 2 - 1 、 其中，为接收功率；岛为发射功率；上。为发射机和发射天线之间的馈线 和连接损耗；三。为传播路径损耗；嘞为发射天线的增益；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；l 是为了抵抗各种衰落的功率预 留余量。 q 7 k 发射功率 岛 传播路径损耗l p 接收天墁增益 瓯， 馈墁掼拜 上削 图2 1 收发之间的损耗和增益关系 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w c d m a 下行链路预算及仿真 下面对链路预算中的几个相关的量进行说明。 2 1 1 有效辐射功率 式( 2 1 ) 中可以用有效辐射功率e r p 或e i r p 来描述天线增益 3 2 ： e i r p = 一上w + g ( 2 - 2 ) i 表示天线增益g 。是相对于各向同性天线的，也就是用d b i 为单位，没有i 表示天 线增益g 。是相对于偶极天线的，也就是用d b d 为单位。e 眇和e i r p 之间相差 2 1 5 d b 。因此，e 足p 和e i r p 之间关系是： e i r p = e r p + 2 1 5 ( 2 - 3 ) 2 1 2 对数正态衰落余量 在进行链路预算时要留有余量，以应付信号的衰落，有时称为衰落储备。也就是 说，链路预算应保证在信号衰落严重时系统也能正常接收信号。衰落余量越大，系 统工作的可靠性也越好。在移动通信中遇到的衰落有快衰落和慢衰落两类，快衰落 是由多径效应引起的，慢衰落则由地形地物造成的，因此衰落余量也分为快衰落余 量和慢衰落余量。 由于慢衰落现象满足对数正态分布，所以慢衰落余量也称为对数正态衰落余 量。该余量的大小取决于系统设计时期望信号覆盖全小区的概率。无线链路预算中 传统使用面积覆盖概率，对单个小区情况通常要求的概率是9 0 9 5 ，这将导致一 个7 到8 柏的衰落余量。由此可以得出，用来对付慢衰落的储备( 衰落余量) 应该是 l3 ： y s i n 曲5s o 一 ( 2 - 4 ) 其中如是平均信号强度门限，是信号强度中值。y 。北的大小将由传播常数( 衰减 指数) 打和对数正态衰落的标准差j 决定，因为信号强度中值正比于距离r 的负n 次幂，而对数正态分布情况则由标准差艿而定，不同的传播环境有不同的标准差占 值。对于室外情况，典型的标准差6 值的范围从6 到8 加以及典型的传播常数”从 2 5 到4 。 r 南京邮电大学硕士研究生学位抡文第二章w c d m a 下行链龉预算及仿真 2 1 3 快衰落余量 在w c d m a 中可以采用快速功率控制来克服多径效应引起的快衰落。这里提到的 快衰落余量就是闭环功率控制调节移动台发射功率而留出的，因此也称为功率控制 余量。对于低速移动台，特别是当低速移动台正在接近小区边缘时会遇到深度快衰 落，如果利用w c d m a 中的快速闭环功率控制，那么对于每一个移动台，功率控制的 速度是1 5 0 0 次s ，这意味着对于低速到中速运动的移动台，它比瑞利快衰落的速 度还快。因此在低速移动台情况中，快速功率控制能够在功率控制范围内相当好的 对快衰落补偿，使得对b l e r 需要的平均。，0 很低。 但是，如果用户设备移动速度很快，那么闭环功率控制将因为跟不上多径衰落 的快速变化而无法相应调节移动台的发射功率，此时，闭环功率控制变得毫无意义。 因此，在高速车辆话音业务中，快衰落余量将设为0 d b 。另外，由于下行链路中没 有快速功率控制功能，所以该项值也设为0 d b 。 2 1 4 平均功率上升 在低速功率控制能够在功率控制范围内相当好地对快衰落补偿。在上行链路 中，闭环功率控制命令移动台采用与接收功率成反比的发射功率。假如移动台有足 够的余量增大发射功率，从基站接收机上看，只剩下很小的衰落，信道基本上被补 偿成为无衰落信道。尽管从接收机的角度看，这样消除衰落是很值得的，但代价是， 在发射端增加了平均发射功率。这对于相邻小区，这意味着附加的干扰。当分集数 较少时，发射功率的变化较大，而且平均发射功率也较高。当快速功率控制下的衰 落信道与无衰落信道的接收功率电平相同时，将衰落信道的平均发射功率和无衰落 信道的平均发射功率的比值定义为平均功率上升( 或功率增量) 。在上行链路中，功 率上升增加了从周围小区接收到的干扰，在初始规划它被添加到干扰计算中。在下 行链路中平均功率上升被包含在基本的邑，o 计算中。移动台速度越小，平均功率 上升越多。 9 南京邮j n 大学硕士研究生学位论文第二章w c d m a 下行链路预算擞仿真 2 1 5 软切换增益 在w c d m a 链路预算中，需要考虑软切换( s h 0 ) 增益。软切换的主要目的是提供 无缝切换，增加系统抗干扰能力。软切换机制可以提供的是对付慢衰落的宏分集( 合 并) 增益。宏分集增益就是宏分集合并( m d c ) 得到的增益。其定义是如果切换允许的 话，和单个孤独小区情况相比，对数正态衰落余量就可以减少，减少的值就称为软 切换增益。假设单个孤独小区时，对数正态衰落余量为以i n g l e ，当允许软切换时，对 数正态衰落余量为7 s u o ，因此软切换增益就是： g 。3 ，5 i n g l e 一7 s u o 具有s h 0 的对数正态衰落余量y s h o 可由下式计算 1 4 小击d 一等【q ( 钙芋) 2 疵 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 式中只。，是小区边缘的中断率，抽。是具有s h 0 的对数正态衰落余量，以及对于移 动台和两个软切换基站之间5 0 相关性的对数正态衰落，日= b = 1 i i 。软切换增益 也可以认为是，当软切换或更软切换时所需的每链路e 。和只有一条无线链路 ( 没有软切换) 的情况相比较时所减少的量。 2 1 6 e 6 n 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。既0 定义为 每个业务信道比特能量与干扰和噪声功率谱密度的比值。这个e 0 的目标值随着 传播环境、移动速度和业务等不同而不同。 2 1 7 扩频因子 扩频因子也称为处理增益，它是一个符号所用的码片数。处理增益在数值上等 于扩频帝宽和用户比特速率的比值。用户的信号通过传输后，得到正确恢复的能力 是由对应的扩频因子所决定的。扩频因子越大，则恢复能力越强。从效果上看，具 1 0 南京邮电犬学娠十研究生学位论文 第二章w c d m a 下行链路项算及仿真 有较高的扩频因子在效果上相当于拥有了较大的发射功率。 2 1 8 干扰余量 由于存在干扰的影响，因此在w c d m a 链路预算中还需要留有干扰余量。干扰余 量的大小取决于小区的负荷。要求的小区的负荷越大，链路中所需的干扰余量也就 越大。链路预算中负荷园子玎和干扰余量，( 础) 之间的关系可以由下式确定 1 3 ： ，。= 1 0 l o g ( 士)( 2 7 ) l t 7 负荷因子与干扰余量之间的关系可以用下图所示： 裂 萃 车一j j i # j ；群f l i；乡；i i 生盔三二二王立二兰： 2 1 9 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 4 3 ： o = n f 码( 2 - 8 ) 其中，。：接收机噪声功率谱密度； 1 1 南京i l l g f i d 大学硕士研究生学位论文第二章w c d m a 下行链路预算及仿真 n f ：接收机噪声系数 r ：波尔兹曼常数；为1 3 8 1 0 2 3 j 。k r o ：绝对温度( 开尔文) 它与摄氏度的转换关系为：t o = 2 7 3 + c 。 , c t o ：热噪声密度； 在常温2 0 下的噪声功率谱密度为一1 7 4 0 d b m h z 接收机的噪声功率： r = n o w = n f , c t o r v ：系统带宽 2 1 1 0 接收机灵敏度 ( 2 9 ) 接收机灵敏度通常以所能接收的最小功率来衡量，因此就是求解下式中最小接 收功率只。，即： 里。堡墨 n o ri ( 2 一l o ) 式中月为数据速率，为移动台所接收到的干扰。如果上式相等，p 就是最小值 p 。 n 通常假设，基站埘从其它小区的移动台处接收到的功率为乙，这个功率和 从本小区内的移动台处接收到的功率，。成比例( 比例常数i ) 。假设移动台，使用比 特速率t ，那么基站接收到该移动台的功率0 至少必须这样 1 4 ： 罢( f 蔫忑 = 考 f 靠心n o ) ， _ ，= 1 ，n ( 2 1 1 ) 式中n 是连接到基站埘的移动台数目。把不等式作为等式来求解意味着求解出的就 是要求的最小接收功率( 接收机灵敏度) 0 ( 或p 。) ： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章w c d m a 下行链路预算及仿真 只。i焉1。+f)，+i：i；丢w：；i；手只，=1，_ ( 2 一1 2 ) 考虑到赢 l ， 上式可以近似为 。z 可( e b n f o ) j 【1 + f ) ，一+ 叫 ( 2 13 ) 由于式中【( 1 + f ) ，。+ 只。】项代表基站m 接收机输入端处总的干扰和噪声，所以这个 量在计算中直接由接收机噪声功率只。) 加上干扰余量。( d b ) 得到，即 【( 1 + j ) ，。+ 只k = 。+ j 。当用扭表示时，( 2 1 3 ) 就表示为 p i = ( e b n o 、i 。一i f | r 、d b + p t + l m q b 、 2 1 1 1 最大允许路径损耗 从链路预算的公式可以推出最大允许路径损耗的表达式 4 3 0 。= e i r p - 。+ g 。一上。一人体损耗一快衰落余量一 ( 2 - 1 4 ) 阴影衰落余量+ 软切换增益一穿透损耗一基站接收机灵敏度( 2 一1 5 ) 2 1 1 2 最小耦合损耗 最小耦合损耗定义为在收发天线连接头之间的包括天线增益在内的最小路径 损耗。最小耦合损耗对于无线链路预算来讲是一个很重要的参数，由于在实际情况 中，基站通常建于建筑物顶，因此也就位于移动台上方，所以根据定义可以得到信 号的最小损耗。其表达式为： m c l = l 。一g w g m ( 2 1 6 ) 按照3 g p p 的建议，m c l 在宏小区环境中取7 0 d b ，在微小区中取5 3 d b 。 根据最小耦合损耗的定义，无论对于宏小区还是微小区的上下行的接收功率为： 南京邮电人学硬 。研究生学位论文 第二章w c d m a 下行链路预算及仿真 & 。= 0 。一m a x ( l ，一g r v g r x , m c l ) 一个完