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南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 移动通信从8 0 年代进入人们的生活后，经历了巨大的变化与发展。9 0 年代开始研究 带宽5 m h z 左右或带宽更宽的宽带c d m a 技术，目前已有国家建立了3 g 商用网络和3 g 试验网，并对3 g 试验网进行测试。 在静止、步行、车速移动三种不同的环境下应该分别给第三代移动通信标准用户提供 2 m b p s 、3 8 4 k b p s 和1 4 4 k b p s 的信息速率。t d - s c d m a ( 时分同步码分多址) 标准是由中国 提出的第三代移动通信标准。2 0 0 0 年，它被3 g p p 组织接受成为u m t s ( 通用移动通信标 准) 的全球标准之一。目前其已成为主流第三代移动通信系统之一。 本文的研究主要围绕t d s c d m a 标准的性能展开。首先对当前移动通信的发展态势 作简要介绍；然后介绍了我国自主开发的t d s c d m a 标准及系统的物理层过程；接着从 t d s c d m a 系统的扩频序列出发分析了系统性能，研究o v s f 对系统性能的影响，给出 了系统允许的基站收信号具有1 8 码片误差情况下的分析；为了比较，在接下来的一章我 们分析了i s 9 5 系统中使用的m 序列的一些性质。最后本文介绍了一种改进方案，并给出 性能比较的仿真图。 主题词：t d s c d m a 标准小区容量干扰o v s f 扩频码 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 a b s t r a c t m o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a st a k e n e dg r e a t ed e v e l o p m e n ts i n c ei tc a m ei n t od a i l yl i v e si n 19 8 0 s i n19 9 0 s ，w i d e b a n dc d m at e c h n i q u e sw i t hb a n d w i d t ha b o u t5 m h zo re v e nm u c h w i d e ra l es t u d i e dw o r l d w i d e i nr e c e n ty e a r s ，s o m ec o u n t r i e sh a v el a u n c h e d3 g ( t h et h i r d g e n e r a t i o n ) c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sf o re x p e r i m e n tu s ea n dt e s t so fs y s t e mp e r f o r m a n c ea l e b e i n gt a k e n s o m e3 gn e t w o r k sf o rc o m m e r c i a lu s eh a v eb e e nb u i l t ，t o o t h em a i np u r p o s eo f3 gc o m m u n i c a t i o ns e r v i c ei st op r o v i d ew i r e l e s sa c c e s so p t i o n a ld a t a r a t eo f14 4 k b p s ，3 8 4 k b p sa n d2 m b p sr e s p e c t i v e l yt o m u l t i u s e ri nr a d i oe n v i r o n m e n to f v e h i c u l a r , p e d e s t r i a n ，a n d i n d o o ro f f i c e c o r r e s p o n d i n g l y t d s c d m a ( 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 ) i so n eo ft h e3g s t a n d a r dp r o p o s e db yc h i n a i n 2 0 0 0 ，”t h i 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 ) a c k n o w l e d g e dt d - s c d m aa so n eg l o b a l s t a n d a r df o ru m t 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 n ss y s t e m ) t d s c d m ah a sb e c o m e o n eo f t h e3 gs t a n d a r d si nt h ew o r l d t h ed i s c u s s i o ni nt h i st h e s i sf o c u s e so nt h ep e r f o r m a n c e so ft h et d s c d m as y s t e m f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s s e c o n d l y , i t p r e s e n t st d s c d m a c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r dp r o p o s e db yc h i n aa n dt h ep h y s i c a lp r o c e d u r eo f t h es y s t e m t h i r d l y ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo ft d s c d m as y s t e mb a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i co fo v s fc o d e ，e s p e c i a l l yf o c u so nt h es i t u a t i o nt h a te x i s t i n g1 8c h i po f f s e tw h i c h i sa s s i g nb yt h es t a n d a r d l a t e r , t h et h e s i sp r e s e n tt h ec h a r a c t e r i s t i co fm - s e q u e n c eu s e di ni s 一9 5 c o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o rt h es a k eo fc o m p a r i s o n a tl a s t ，w er e c o m m e n d san e wm e t h o dt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c e ，s o m es i m u l a t i o nc u r v e sa r eg i v e n k e y w o r d s ：t d s c d m a c e l lc a p a c i t yi n t e r f e r e n c eo v s f s p r e a d i n gc o d e i l 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：塞塑! ik 嗍丝塑狮旧 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：瓤导师签名：盟日期：圣必 南京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 1 1 无线通信的发展历史 第一章绪论 移动通信是当今通信领域发展最为迅速的领域之一，它对人类生活及社会发展产生了 重大影响。从1 8 6 4 年麦克斯韦从理论上证明了电磁波的存在，到1 8 7 6 年赫兹用实验证明 了电磁波的存在，到1 9 0 0 年马可尼等人利用电磁波实现信息远距离无线通信，世界开始 了无线电通信的新时代。在后来一个多世纪时间里，在飞速发展的计算机和半导体技术的 推动下，无线通信的理论和技术不断取得进步。今天，无线通信已经发展到大规模商用并 逐渐成为人们日常生活不可缺少的重要通信方式之一。移动通信在不同发展时期有着不同 的技术特点。 现代移动通信在过去短短十几年中经历了从模拟制式到数字制式、从单纯提供语音 业务到全面提供高速高质量数据传输业务的快速发展历程。无线通信的概念最早的出现是 在2 0 世纪4 0 年代，移动通信以无线电台的形式在第二次世界大战的战场中得到了广泛 应用。8 0 年代大规模集成电路技术及计算机技术突飞猛进的发展，美国提出了建立在小 区制的第一个蜂窝通信系统a m p s ( a d v a n c em o b i l ep h o n es e r v i c e ) 系统。这也是世界 上第一个现代意义的，商用的大容量移动通信系统。它主要建立在小区频率复用的技术上。 随后，欧洲各国和日本都开发了自己的蜂窝移动通信网络，具有代表性的有欧洲的t a c s ( 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 ) 系统、北欧的n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n es y s t e m ) 系统和日本的n t t ( n i p p o nt e l e g r a p ha n dt e l e p h o n e ) 系统等。这些系统都是基于频分多 址( f d m a ) 的模拟制式的系统，我们统称它们为第一代蜂窝移动通信系统。 第一代移动通信系统技术实现相对简单，仅提供模拟语音服务和简单的信令。由于该 系统主要采用模拟技术，随着用户数的剧增，模拟系统逐渐暴露出许多不足之处，经过1 0 余年的发展后，终于在2 0 世纪9 0 年代初逐步被更先进的数字蜂窝移动通信系统所代替， 已逐渐退出历史的舞台。 第二代移动通信系统( 以下简称2 g ) 是在克服模拟系统不足之处的基础上，伴随着超 大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，语音数字处理技术的成熟而发展起来的。2 g 采用数字调制技术，主要以采用时分多址( t d m a ) 方式的数字式g s m 系统和采用窄带码分 多址( c d m a ) 方式的数字式i s 9 5 系统为代表，2 g 系统主要以提供数字语音业务为主，同 时通过使用多个时隙( 时隙捆绑) 或多个码道( 码道捆绑) 来实现低速的数据业务，一般 i 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 也仅能提供1 0 0 k b p s - 2 0 0 k b p s 的数据业务。随着移动通信的发展和移动电话用户数的增长， 单靠现有技术、现有系统以及现有频段的第二代移动通信系统已不能适应移动通信的发展 规模和移动电话用户增长速度的需求。另外，仅仅用于通话的通信技术已不能满足人们对 信息交流的需求，人们希望能随时随地获取除语音之外的如数据、视频、图像等多媒体业 务信息，这些都要求寻求频谱利用率更高的技术，寻求通信容量更大的移动通信系统。 与第一、第二代移动通信系统相比，对于采用频分双i ( f d d ) 和时分双i ( t d d ) 的第 三代移动通信系统3 g ，要求能够支持从语音到分组数据到多媒体业务；能根据具体的业务 需要，提供必要的带宽，必须满足以下三种环境的最低要求，即： 一快速移动环境( 对f d d ：5 0 0 k m h ；对t d d ：1 2 0 k m h ) ，最高速率达到1 4 4 k b p s ； 一室外到室内或步行环境( 3 0 k m h ) ，最高速率的达到3 8 4 k b p s ： 一室内环境，最高速率达2 m b p s 。 第三代移动通信系统( 以下简称3 g ) 的设计目标是不仅能够提供比2 g 系统更大的系 统容量和更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括 语音、数据和多媒体业务；同时，也要考虑与已有的2 g 网络良好的兼容性，其最基本特 征是它具有的支持多媒体( 特别是h t e m e t ) 业务方面的能力。 i m t 2 0 0 0 是国际电信联盟( i t u ) 提出的第三代移动通信系统，最早称为未来陆地移 动通信系统( f p l m t s ) 。目的在于全球使用统一的频率、统一的标准，实现全球漫游和提 供多种业务。i m t - 2 0 0 0 总共包括了五个大的标准体系，其中，t d s c d m a ，w c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 三个标准是最有竞争力的标准。 在i t u 中，3 g 技术被分为多种模式。在3 g p p 和3 g p p 2 组织的共同努力下，w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 成为i m t - 2 0 0 0 的3 个主流无线接口技术标准。3 g 是工作在2 g h z 频段、最高速率可达2 m b p s 的宽带移动通信系统。提交到i t u 的几个标准的规范建议如下 表【1 】： c d m a 技术 i m t - 2 0 0 0c d m ad s对应w c d m a i m t - 2 0 0 0c d m a m c对应c d m a2 0 0 0 i m t - 2 0 0 0c d m at d d对应t d s c d m a 和u t r at d d t d m a 技术 i m t - 2 0 0 0t d m as c 对应u m c 1 3 6 i m t - 2 0 0 0f d m a t d m a对应d e c t 表1 1i m t - - 2 0 0 0 无线接口规范建议 3 g 的主导业务不应该是语音，否则采用2 g 扩容的方式便可以解决用户语音增长的需 求问题，没有必要发展3 g 。3 g 应该以提供因特网( i n t e m e t ) 业务为主，此时下行容量应 2 堕室坚皇奎兰堡：! 塑窒生堂篁笙兰翌二雯丝笙 至少比上行容量大1 0 倍以上【3 】。我们应当注意到，c d m a 系统是干扰受限系统，它的 上下行容量基本相同，而且当功率上升时，系统产生的白干扰加大，容量基本保持不变， 无法利用发功率换取频率资源效率，导致c d m a 的小区频谱利用率很低。虽然可以利用 一些高级技术解决上述问题，但是系统的性价比会迅速下降。就此而言，3 g 的几个主流标 准都存在一些问题。 下一节中，我们将分别介绍i t u 建议的三个3 g 主流标准( w c d m a 无线通信系统、 c d m a 2 0 0 0 无线通信系统和t d s c d m a 无线通信系统) ，并将几个标准进行比较【2 ，4 】， 指出其中存在的问题。 1 23 g 主流标准介绍与比较 下表给出了第三代移动通信系统主流标准的参数。这三种标准均采用了c d m a 方式， 在w c d m a 方式中又分为时分双工( t d d ) 和频分双工( f d d ) 两类。f d d w c d m a 和 t d d w c d m a 标准的主要倡导者是欧洲和日本，t d s c d m a 标准由中国提出，c d m a 2 0 0 0 系统标准以美国为主要倡导者。 w c d m a 参数 t d s c d m ac d m a 2 0 0 0 f d d w c d m at d d w c d m a 双工方式 f d dt d dt d df d d i x ：1 2 2 8 8 码片速率( m c s ) 3 8 43 8 41 2 8 3 x ：上行1 2 2 8 8 * 3 下行1 2 2 8 8 扩频系数下行5 1 2 , - - 一4 1 6 l 1 6 1 约4 3 2 下行q p s k 上行：b p s k ； 射频调制q p s kq p s k ，8 p s k 上行h p s k 下行：b p s k ，q p s k 1 x ：1 2 3 射频带宽( m h z ) 551 63 x ：上行1 2 3 * 3 下行1 2 3 3 x 上行单载波 载波方式 单载波单载波单载波 下行多载波 可工作频段 2 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 09 0 0 ，2 0 0 0 ( m h z ) 表1 23 g 主流标准参数表 1 2 1w c d m a 系统标准介绍 w c d m a 的核心网基于g s m m a p ，同时可以通过网络扩展的方式提供基于a n s i 4 1 的运行能力。w c d m a 系统能同时支持电路交换业务( 如p s t n 、i s d n ) 和分组交换业务 3 南京邮电人学硕：l 研究生学位论文 第一章绪论 ( 如i p 网) 。该系统使用的灵活的无线协议可以在一个载波内同时支持话音、数据和多媒 体业务，并通过透明或者非透明传输束支持实时、非实时业务。 w c d m a 系统的扩频操作分两步进行，第一步称为信道化操作。w c d m a 系统中各信 道之间的复用是基于正交码分复用方案的，系统给每个信道分配一个信道化码。信道化码 是w a l s h 函数的一组正交子集。w c d m a 系统采用的是可变扩频正交因子码( o v s f ) 。第 二步操作称为数据加扰。加扰的目的是把终端和基豇占各自区分开，上行链路利用短扰码区 分各基站( 小区) ，长扰码用于区分小区中的用户。下行链路利用扰码区分不同的基站。 扰码不会改变信号的带宽，只是把来自不同信源的信号区分开。扰码被截短为周期1 0 m s 的帧，与数据帧匹配。 w c d m a 系统提供多码率接入。同一连接的多种服务可以复用在一个专用物理数据信 道上( d p d c h ) 。多路复用可以在内编码或外编码的前后进行。在服务的多路复用和信道 编码之后，多路复用的数据流映射到一个d p d c h 。另一种选择是如果总的数据率超过了 一个码分信道的传输上限，则将多路复用映射到不同的d p d c h ，则可以分配多个d p d c h ， 进入到一种多码道白9 方式，分别进行编码及交织。此时，功率和每种服务的质量均可以分 别独立的进行控制。 w c d m a 提供了发送两种数据的可能性。一种方法是短的数据包发送，称为公共信道 分组传输。更大和夏经常进行的数据传输则在专用信道上。单个大的数据包用单数据包方 式传输，当数据传送完成时，专用信道立即释放。在多分组方式传输时，专用信道将通过 功率控制及同步信。息保持来维持专用信道。 1 2 2c d m a 2 0 0 0 系统标准介绍 c d m a 2 0 0 0 标谁可以用于两卜频段，分别起到移动和个人( 步行) 移动通信系统的作 用，甚至可以考虑在丙个频段分别使用两个无线接入网( r a n ) ，并合用一个核心网( c n ) 。 可以看到，能够用在两个不同频段的标准灵活性较大。c d m a 2 0 0 0 的核心网基于a n s i 4 1 ， 但通过网络扩展方式，也可提供基于g s m m a p 核心网上运行的能力。 在下行链路中c d m a 2 0 0 0 的小区是通过两个2 1 5 长的r n 序列来区分的，一个是i 信道， 另外一个是q 信道，不同的小区通过p n 偏置进行区分。因为只有有限数据的p n 偏移需 要进行规划，以避免p n 混淆，因此，在小区搜索过程中，只有这些序列需要被搜索。在 上行链路中，用户通过长度为2 1 4 的r l l 序列的相位偏移来区分，信道则通过使用彼此正交 的可变扩展因子w a l s h 码来区分。 4 南京邮电大学硕土研究生学位论文 第一章绪论 c d m a 2 0 0 0 系统在基本和补充信道中可使用不同的编码和交织方式。在下行链路上， 高比特率的服务具有不同的q o s ，要求码分复用于补充信道。在上行链路上，可以传输1 2 个补充信道。用户数据的帧长为2 0 m s 。在传输控制信息时，基本信道可以用5 m s 和2 0 m s 的帧长。基本信道用约束长度为9 的卷积码。补充信道采用卷积码最高为1 4 4 k b p s 。对于 更高的数据率，则用约束长度为4 ，比率为1 4 的t u r b o 码 c d m a 2 0 0 0 的一个主要特点是与现有的t i a j e i a 9 5 b 标准向后兼容，并可与i s 9 5 系统的频段实现共享或重叠，这样就使得运营商可以在i s 9 5 b 系统的基础上平滑的过渡， 保护已有的投资。 c d m a 2 0 0 0l x 的码片速率与i s 9 5 相同，两个系统可以兼容。c d m a 2 0 0 03 x 的下行链路 采用多载波方式，码片速率也与i s 9 5 相同，射频设备仍然可以兼容；上行链路为单载波， 码片速率为3 6 8 6 4 m o p s ，与f d d w c d m a 相当。显然f d d w c d m a 低数据速率用户或 语音用户的移动台成本较c d m a 2 0 0 0 系统的用户移动台成本要高。这也说明了c d m a 2 0 0 0 的 做法比w c d m a 系统要合理。 但是，在移动因特网应用中，要求的上行容量很小，上行的带宽频谱配置过宽，造成 浪费。同时，它要求的下行容量很大，c d m a 方式无法满足。所以c d m a 2 0 0 03 x 标准还是 被抛弃，这也从一个侧面说明w c d m a 系统的不合理性。 咒( k b p s ) r 效 调制方式 3 8 4 - 3 0 7 4 1 5 q p s k 6 1 4 41 3 q p s k 9 2 1 6 1 乃 8 p s k 2 4 5 7 6 1 3 1 6 q a m 表1 3 l xe v - d o 下行链路数据信道主要参数 取代c d m a 2 0 0 03 x 的e v - d o 增加一个专门用于传输高速数据( 3 8 4 k b p s ) 、带宽为 1 2 3 m h z 的载波，基本参数见表1 3 。它是在c d m a2 0 0 0l x 无线配置r c 3 基础上建立的新 标准，上行链路的数据速率要求较低，所以参数与c d m a2 0 0 0i xr c 3 类似。突出的改变是 下行链路中采用了t d m a 方式区分多个用户，利用插入的前置时区分不同的用户信道， 并利用纠6 在各用户占用时隙中构成用户码分子信道。各用户的s f 由基站根据信号传播衰 落情况决定。 l xe v - d v 与l xe v - d o 的主要不同是可用一个载波同时传输语音、低数据速率和高 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一荦绪论 数据速率信号，在传输语音与低数据速率信号时候采用与c d m a 2 0 0 0l x 相同的无线配置， 并将剩余的w a l s h 码资源组成两个t d m a 信道用于高数据速率信号的传输。相应的忌可 以分为8 1 6 k b p s 、1 5 8 4 k b p s 。3 0 9 1 2 k b p s 共1 8 个级别，选用1 5 的t u r b o 纠错编码，可 以选用q p s k ，8 p s k ，1 6 q a m 调制方式。l xe v - d v 的相关参数在( ( c d m a2 0 0 0 系统r c l 0 的无线配置中公布，然而在文献 4 1 中证明了在多个c d m a 信道中不可能实现高速数 据传输，所以l xe v - d v 标准已被废止。虽然在w c d m a r 5 中给出的h s d p a ( 高速下行 分组接入) 与l xe v - d o 的机制相似，该方式现在似乎还未进入应用阶段。因为w c d m a 的 带宽过宽，一般很难安排h s d p a 频道。 1 3t d - s c d m a 标准。 t d s c d m a 标准是中国信息产业部电信科学技术研究院在国家主管部门的支持下提出 的标准t 2 1 。该标准文件在中国无线通信标准化组织( c w t s ) 最终修改完成后提交到i t u 并得到i t u 组织通过。t d s c d m a 系统是t d m a 和c d m a 两种基本传输模式的灵活结 合，亦被称为低码片速率的t d d 工作方式。 t d s c d m a 系统具有下列步行移动通信系统特征： ( 1 ) t d d 模式下工作 工作在t d d 模式下的t d s c d m a 系统在周期性重复的时间帧里传输基本t d m a 突发脉冲，通过周期性的转换传输方向，在同一载波上交替进行上下行链路传输。t d d 的方案的优势在于系统可以根据不同的业务类型来灵活的调整链路的上下行转换点。 在传输对称业务( 如语音、交互式实时数据业务等) 时，可以选用对称的转换点位置； 在传输非对称业务( 如互联网) 时，可以在非对称的转换点位置范围内选择，从而提 供最佳频谱利用率和最佳业务容量。 t d d 模式一般应用于小区覆盖半径较小的步行移动通信系统。t d d 模式利用上下 行时隙隔离上下行信道间的干扰，在覆盖半径较大时，由于传输时延的影响可能引入 收发信号间干扰，这是限制它用于车载移动系统的主要原因。 t d d 模式的优点是无需分配对称的上下行频段，可以充分利用那些不便于实现上 下行对称频段分配的频谱资源。使用t d d 模式时，由于基站收发信设备只在1 2 的时 间内工作，所以设备和能源的效率较低。g s m 等车载移动通信系统一般采用f d d 模式。 ( 2 ) 智能天线 t d s c d m a 是目前世界上唯一确定采用智能天线的3 g 系统。智能天线技术是 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 t d s c d m a 系统中的关键技术之一。由于采用t d d 模式，上下行链路使用同一频率， 同一时刻上下行链路的空间物理特性相同，所以只要根据上行数据在基站端进行空间 参数的估值，再根据估值下行链路的数掘进行数字赋形，就可达到自适应波束赋形的 目的，充分发挥智能天线的作用。 由于c d m a 系统中有多个用户工作在同频段，所以对某一特定用户而言，所有其 他用户信号都是干扰信号，随着用户数增加，干扰逐渐增大，当系统用户数增加到一 定数量时，干扰会使系统无法将有用信号提取出来，故我们将其称为干扰受限系统。 采用智能天线技术后，只有来自主瓣方向和较大副瓣方向的多径干扰才会影响有用信 号，极大地降低了多址干扰，有效提高了系统容量，从而提高了频谱利用率。 大部分文献对智能天线的抗干扰能力寄予厚望。但是，它们对智能天线的估计过 于理想。文献【5 】从智能天线的定向发射方向图出发证明了在c d m a 系统中使用智 能天线时，会引入不同方向用户产生的c d m a 系统自干扰，使智能天线的有效定向发 射增益近似为零，无法实现空分多址隔离多用户干扰的预想目标。此外，该文献还从 t d s c d m a 系统特征、智能天线同时形成多个发射方向波束的可能性、方向性线阵智 能天线的合理性等方面讨论了智能天线在t d s c d m a 系统中的不可用性，得出的结论 是智能天线只适用于无c d m a 的t d m a 系统。 ( 3 ) 联合检测 t d s c d m a 系统是干扰受限系统。系统干扰包括多径干扰、小区内多用户干扰和 小区间的干扰。这些干扰破坏了各个信道的正交性，降低了c d m a 系统的频谱利用率。 传统的r a k e 接收机技术把小区内的多用户干扰当作噪声处理。联合检测技术即“多用 户干扰抑制”技术，是减轻多用户干扰的主要技术，它把所有用户的信号都当作有用 信号处理，这样可以充分利用用户信号的扩频码、幅度、定时和延迟等信息，从而大 幅度降低多径多址干扰，但是要完全消除多用户干扰是不可能的，同时它也存在多码 道处理过于复杂的问题。 ( 4 )同步c d m a 同步c d m a 是指上行链路各个用户终端发送的信号在基站解调器处完全同步。理 论上分析可以知道，如果在各用户扩频处理后的信号完全同步到达基站处理器，那么 使用正交扩频码进行扩频的用户之间的干扰就消除了。因为扩频码之间的相关性决定 了在接收端各用户之间的干扰值的大小，而正交扩频码则在完全同步的情况下相关为 零，即完全消除m a i ( 多用户干扰) 。这也是在t d s c d m a 系统标准【1 】中所描述的 情景。然而，遗憾的是，完全同步的情况在复杂的无线传播环境中的实现是十分困难 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 的，要保持高精度的同步需要的成本就相当的高，甚至可以说，实际的无线传播环境 是相当复杂的，要保持完全同步是不可能的。上行同步的要求将导致设备的复杂性上 升，且很难达到同步地址码的使用效果。本论文要进行的研究就是针对t d s c d m a 系 统的同步要求给系统带来的干扰问题。论文的组织情况在下节给出。 1 4 论文组织情况 本论文首先介绍了移动通信发展概况。第二章中介绍了t d s c d m a 系统，介绍了 该系统标准要求的扩频过程和扩频码，提出了该系统中存在的问题。第三章在第二章 的基础上分析了t d s c d m a 系统扩频码的相关特性，定量分析了其给系统带来的干扰， 同时给出干扰对系统容量的影响。第四章中介绍了i s 9 5 中链路使用的扩频序列的特 性，并与t d s c d m a 系统的扩频码性能进行比较分析。在第五章，论文提出了一个改 进的t d s c d m a 小区内上行发送方案，并对提出的方案进行计算机仿真分析性能。在 第六章对全文作了总结，总结了文章所完成的工作并提出了还需继续研究的问题。 1 5 主要工作和成果 本文主要根据近年3 g 的发展状况，针对目前主流3 g 标准之一的t d s c d m a 标 准的性能进行分析。t d s c d m a 系统是同步系统，利用o v s f 码进行扩频，对同步误 差相当严格。本文分析了在系统允许的同步误差范围内的性能与i s 9 5 系统性能进行比 较分析，并在计算机上作出简单的一些仿真。另外，论文的最后提出了一个改进的上 行发送方案，并分析了改进后的性能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一二章t d s c d m a 系统介绍 第二章t d s c d m a 系统介绍 2 1t d - s c d m a 系统标准化历程 t d s c d m a 第三代移动通信标准是信息产业部电信科学技术研究院在国家主管部 门的支持下，提出的具有一定特色的第三代移动通信系统标准。从i t u 在全球征求 i m t - 2 0 0 0 无线传输方案开始，我国就积极参与第三代移动通信标准的研究和制定。 t d s c d m a 系统全面满足i m t - 2 0 0 0 的基本要求。它采用不需对称频率的t d d 双 工方式，以及f d m 们d m c d m a 相结合的多址接入方式。 t d s c d m a 标准公开后在国际上引起极大的反响，继被i t u 接受后，9 9 年1 2 月 开始与u t r at d d 在3 g p p 融合，2 0 0 1 年3 月被写入3 g p pr 4 系列规则，这意味着 t d s c d m a 可与w c d m a 标准共用同一核心网，作为t d d 技术可与f d d w c d m a 实现性能的互补。 1 9 9 8 年1 9 9 9 年2 0 0 0 年2 0 0 1 年2 0 0 2 年 图2 1t d s c d m a 系统标准化发展历程 t d s c d m a 系统标准的发展历程主要可分成6 个阶段，如图2 1 所示： 1 9 9 8 年6 月t d s c d m a 提交到i t u 1 9 9 9 年1 1 月t d s c d m a 写入i t u r m 1 4 5 7 1 9 9 9 年1 2 月t d s c d m a 丌始与u t r a t d d 在3 g p p 融合 2 0 0 0 年5 月被w a r c 正式采用 2 0 0 i 年3 月t d 。s c d m a 写入3 g p pr 4 系列规范 2 0 0 2 年1 0 月，中国为t d d 划分1 5 5 m h z 的频率 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t d s c d i v l a 系统介绍 2 2t d - s c d m a 系统网络结构 2 2 1u m t s 和u t r a n 结构 通用移动通信系统( u m t 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 n ss y s t e m ) 是 i m t - 2 0 0 0 的一种，它的网络结构由核心网( c n ，c o r en e t w o r k ) 、u m t s 陆地接入网 ( u t r a n ，u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 和用户接入设备( u e ，u s e r e q u i p m e n t ) 3 部分组成。 u m t s 结构【6 】如图2 2 所示。c n 和u t r a n 之间的接口称为i u 接口，u t l u n 和u e 之间的接口称为u u 接口。 c n 十接口 u t ra n + 玑掺口 u e 图2 2u m t s 结构图 u t r a n 的u u 接口的协议分为用户平面协议和控制平面协议。其中用户平面协议 用于执行无线接入承载业务，而无线接入承载业务是通过接入层的业务接入点 ( s a p , s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 来提供的。控制平面协议用于控制无线接入承载和u e 与 网络的连接。 需要特别介绍的是u t r a n 。u t r a n 的结构如图2 3 所示，它是由一系列通过f 接 口连接到核心网的无线网络子系统组成。一个r n s 由多个无线网络控制器( r n c ) 和 一个或多个节点b ( n o d eb ) 组成。节点b 支持f d d 模式、t d d 模式或者双模式，是 负责在一个或多个小区处理来自或到达u e 的无线信号的接收发送的逻辑节点。l 6 被 定义为在r n c 和节点b 之间的接口。r n c 负责切换判决，并包含合并分路功能以支 持在不同节点b 间的宏分集。节点b 对节点内的宏分集的支持是任选功能。在u t r a n 内，无线网络子系统的r n c 可以通过l 接口互联。0 是在r n c 间的逻辑接口，逻辑 上它表示在r n c 间的点到点链路，而物理实现上可通过物理直接连接或通过适当的传 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一二章t d - s c d m a 系统介绍 输网络来传输。 图2 3u t r a n 内部结构图 以上把u m t s 的系统结构作了简要的介绍，与2 g 系统相比，u m t s 中u e 相当于 移动台( m s ) ，n o d eb 相当于基站收发信机( b t s ) ，r n c 相当于基站控制器( b s c ) ， r n s 则相当于2 g 系统的基站子系统( b s s ) 。 2 2 2 空中接口协议结构 空中接1 3 即指u e 和网络之间的u 。接口，其协议结构如图2 3 13 所示。它是由l 1 物理层、 l 2 媒体接入( m a c ) 层和l 3 无线资源管理( r r c ) 层组成。其d p l l 是基于t d s c d m a 技术的， l 2 和l 3 与l i t r at d d 模式相同。 l 3 l 2 l 1 】譬 耩 纂 罐 逻辑侍道 他输f 青道 图2 4 空中接口协议体系结构 图2 4 描述了t d s c d m a 与物理层( l 1 ) 有关的无线接口协议体系结构。物理层连接l 2 的媒 l l 塑室堂皇奎兰堡主堑窭竺堂篁丝奎至三兰里：! 兰里! 竺墨竺坌塑 质接入控制( m a c ) 子层和l 3 的无线资源管理( r r c ) 子层。图中不同层子层之间的圈表 示服务接入点( s a p s ) 。物理层向m a c 层提供不同的传输信道，信息在无线接口上的传输方 式决定了传输信道的特性。m a c 层向l 2 的无线链路控制( r l c ) 子层提供不同的逻辑信道，传 输信息的类型决定了逻辑信道的特性。物理信道在物理层定义，一个物理信道由码频率和 时隙共同决定。物理层由r r c 控制。 2 2 3t d s c d m a 网络演进 在t d s c d m a 系统标准的制定过程中，考虑到t d s c d m a 系统的平滑演进， t d s c d m a 系统采用了两个阶段进行演进。第一阶段称为t s m ( t d s c d m as y s t e mf o r m o b i l e ) ，是一个基于g s m 核心网的标准，它由中国无线通信标准组织( c w t 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 ns t a n d a r d ) 标准化；第二阶段称为l c r ( l o wc h i pr a t eo f i m t t d d ) ，是i t ui m t ( 3 g ) 标准t d d 模式的低码片速率标准，基于3 g p p 核心网。 t s m 和l c r 在主要接口的差异如表2 1 【7 】所示。在空中接口，两者的l 2 3 分别基 于g s m 和c d m a t d d 的标准，物理层基本相同。 接口 l c rt s m r a n c n l 。 a r n c - n o d eb iu h a b i sp l u s r n c r n c l u r 无 空中接口l c rr t t ( t d s c d m ap h a s e 2 )t s mr t t ( t d s c d m ap h a s e1 ) 表2 1t d s c d m a t s m 和l c r 在主要接口的差异 表2 1 中，t s m 的参数与g s m 系统参数兼容，主要考虑在现有的g s m 网络中，用 t d s c d m a 技术来提供第三代移动通信业务，实现g s m 向3 g 的平滑过渡。l c r 的参数 则是完全满足t d s c d m a 系统标准的各个接口参数。在l c r 阶段，g s m 网络将和第三 代网络共存，两种网络的终端用户利用各自的网络接口参数接入为其服务的网络。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t d s c d m a 系统介绍 2 3t d - s c d m a 系统中的帧结构 t d s c d m a 物理层是空中接口的最底层，支持比特流在物理介质上的传输。物理层 与数据链路层的m a c 子层及网络层的r r c 子层相连。物理层向m a c 层提供不同的传输 信道，传输信道定义了信息是如何在空中接口上传输的。物理信道在物理层定义，物理层 受r r c 的控制。 t d s c d m a 的多址接入方案是采用直接序列扩频码分多址( d s c d m a ) ，扩频带宽 约为1 6 m h z ，这是根据系统码速率计算得来的，计算过程如下：t d s c d m a 系统的码速 率为1 2 8 m c p s ，采用滚降系数为0 2 2 的滤波器，那么占用的带宽为 1 2 8 ( 1 + q ) = 1 5 6 1 6 约为1 6 mh z ，( o r = 0 2 2 ) 2 3 1 物理信道分析 t d s c d m a 系统的物理信道采用四层结构：系统帧号、无线帧、子帧、时隙码。系统 使用时隙和扩频码来在时域和码域上区分不同的用户信号。图2 5 给出了物理信道的层次 结构。 无线帧( 1 0 m s ) 1 _ 一二 图2 5 t d s c d m a 物理信道结构 t d d 模式下的物理信道是一个突发在所分配到的无线帧中的特定时隙发射。无线帧的 分配可以是连续的，即每一帧的相应时隙都可以分配给某物理信道，也可以是不连续的分 配，即只有部分无线帧中的相应时隙分配给该物理信道。数据部分对称地分布于训练序列 的两端。 一个突发的持续时间就是一个时隙。一个发射机可以同时发射几个突发，在这种情况 下，几个突发的数据部分必须使用不同0 v s f 的信道码，但应使用相同的扰码。扰码的作 1 1 南京邮电大学硕七研究生学位论