（通信与信息系统专业论文）wcdma中hsdpa物理层和调度算法研究.pdf

中文摘要 中文摘要 h s d p a 即高速下行分组接入，是3 g p p 工作组于2 0 0 4 年提出的新技术。针对 3 g 系统中不对称的上下行传输，下行链路业务量普遍大于上行链路业务量这典 型特征，3 g p p 在r e l e a s e 5 协议版本中提出了h s d p a 概念，旨在提高某一时刻的 传输速率。本文主要研究w c d m an o d e b 基带处理过程中的h s d p a 系统。主要 包括系统架构设计、基于d s p 芯片的物理层性能分析和m a c 层调度算法研究。 因为h s d p a 是3 g p p 工作组新增加的技术，所以在正常情况下，进行w c d m a 研究的公司或研究机构已经基于r e l e a s e 9 9 协议版本实现了整套w c d m a 系统， 包括r n c 和n o d e b 。作为后续开发者，需要考虑如何在原有系统基础上做最小的 改动来实现h s d p a 技术。尤其是n o d e b 中的基带处理部分，作为物理层数据处 理的核心，希望增加最少的硬件资源，利用现有d s p 芯片实现高速率传输。所以 本文作者提出了一种基于现有w c d m a 系统结构，实现h s d p a 技术的系统设计 方案，包括h s d p a 功能划分和模块定义。该方案将h s d p a 技术细化到不同模块 中。m a c 层调度使用新的d s p 芯片实现，物理层技术合并到原有芯片中完成。 h s d p a 采用h a r q 、a m c 、多码传输等技术替代r e l e a s e 9 9 中物理信道使用 的变扩频因子( o s v f ) 和功率控制技术，使靠近n o d e b 的用户在短期内可以得到更 多传输数据量和更高阶的编码调制组合，提高用户吞吐量，使系统从短期的变化 中受益。本文的物理层性能分析围绕h a r q 和a m c 技术展开，在分析物理层实 现方案后给出仿真结果，分析h a r q 和a m c 技术分别对系统吞吐量的贡献，以 及对误码率和误帧率的优化，发现他们的优势。 调度算法研究则是希望找到一种适当的方法，负责管理h s d s c h 资源，提高 用户下行数据业务速率的同时不失公平性。在大量分析原有算法性能的基础上， 本文提出一个属于正比公平算法的调度算法，即综合正比公平算法。其基本思想 属于正比公平算法，但是在优先级计算时考虑了更多因素，比如用户等待时间， 历史流量，分组等待时间等。本文将给出该算法在公平性、扇区吞吐量和数据延 时等方面的仿真数据，分析其优于传统调度算法的地方。该算法另一特点是设置 三个参数控制算法类型。根据实际情况调整算法所属类型，当更加注重系统吞吐 量时可采用最大c a 算法；更加注重用户延时则采用轮循算法；如果希望在二者之 阃折中，则可以使用综合正比公平算法。以此提高算法的灵活性。 中文摘要 关键词：高速下行分组接入( h s d p a ) ，混合自动重传请求( h a r q ) ，自适 应编码和调带g ( a m c ) ，调度算法 i i a b s t r a c t a b s t r a c t h s d p am e a n sh i 曲s p e e dd o w r d i n kp a c k e ta c c e s s ，w h i c hi san e wt e c h n o l o g y p r o p o s e db y3 g p p h s d p a i sw r i t t e ni nr e l e a s e 5t oi n c r e a s et r a n s m i ts p e e di nc e r t a i n t i m e a sr e s e a r c h e r sf o u n dt h a tt h ea m o u n to fd a t ab e t w e e nd o w n l i n ka n du p l i n ki s u n e q u a l ，a n dt h ef o r m e ro n eh a sal a r g e ra m o u n tt h a nt h el a t t e ro n e t h i sp a p e rm a i l l l y d o e sr e s e a r c ha b o u th s d p a s y s t e mi nn o d e bo fw c d m a ，i n c l u d i n gd e s i g no fs y s t e m a r c h i t e c t u r e ，a n a l y s i sp e r f o r m a n c eo f p h y s i c a ll a y e rb a s e do nd s pc h i p ，a n ds c h e d u l i n g a l g o r i t h mo f m a cl a y e r i nc o m m o nc o n d i t i o n ，b e f o r eh s d p at e c h n o l o g yw a sa d d e di np r o t o c o l ，m o s t c o m p a n ya n d n s t t u t er e s e a r c h i n gi nw c d m a h a v ei m p l e m e n t e dt h ew h o l eb a s i c w c d m a s y s t e m ，i n c l u d i n gr n c a n dn o d e b s oi nt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h , w es h o u l d c o n s i d e ra b o u th o wt oi m p l e m e mh s d p a t e c h o n o l o g y 谢t 1 1l e a s tc h a n g eo f o l ds y s t e m e s p e c i a l l yf o rb a s e b a n db o a r di nn o d e bw h i c hi st h ek e m e lp a r to fd a t ap r o c e s s i n gi n p h y s i c a ll a y e r am e t h o dt h a ta d d sl e a s th a r d w a r et or e a c hh i g hs p e e dp e r f o r m a n c ei s m o r ee x p e c t e d b a s e do na ne x i s t e dw c d m as y s t e m ，t h ea u t h o rp l a n e ds y s t e m a r c h i t e c t u r eo fh s d p a ，a n da n a l y s i sf u n c t i o nd i v i s i o na n dm o d e l i n gi m p l e m e n t i n g t h i sd e s i g nd e v i d e sh s d p af u n c t i o ni n t oe a c hd s pm o d u l e ，f o re x a m p l e ，s c h e d u l i n g a l g o r i t h mo f m a cl a y e rc a nb ec a r r i e do u t i nan e w d s p c h i p ，a n dn e wt h e c h o n o l o g yo f p h y s i c a ll a y e rc a nb ec a r r i e do u ti ne x s i s t i n gd s pc h i p h a r q ，a m ca n dm u l t i c o d ei nh s d p a h a v er e p l a c e dt h eo s v fa n dp o w e r c o n t r o lt e c h n o l o g yi nr e l e a s e 9 9p r o t o c 0 1 i nas h o r tt i m e ，t h el i e sw h oa r en e a rt o n o d e bc a i lb ea l l o w e dt ot r a n s f e rm o r ed a t aw i t hs o m eh i g h e rm o d u l a t i o nm e t h o d i t i n c r e a s e st h et h r o u g h p u to f c e r t a i nu e s a sw e l la st h et h r o u g h p u to f ac e l l t h ea n a l y s i s o fp h y s i c a ll a y e rp e r f o r m a n c ei sm a i n l ya b o u th a r qa n da m c f i r s td i s c u s st h e i m p l e m e n t i o no fp h y s i c a ll a y e r t h e ni nf r o n tt os i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ec a nf i n dt h e i r a d v a n t a g e si nc e l lt h r o u g h p u ta n db e r o rf e r s c h e d u l i n ga l g o r i t h mr e s e a r c hw a n t st o f i n dap r o p e rm e t h o dt om a n a g et h e r e s o u r c eo fh s - d s c h ，a n di n c r e a s et h et h o u g h p u tb u tm o r ee q u a l l y b a s e do nt h e r e s e a r c ho fo l da l g o r i t h m ，t h ea u t h o rp r o p o s ean e wo n eb e l o n g i n gt op r o p o r t i o n a l f a i r ( p f 、a l g o r i t h mn a m e da si n t e g r a t i o np fa l g o r i t h m t h ei l e wo n ec o n s i d e r sa b o u t 1 i i a b s t r a c t m o r ef a t o r sw h e nc a l c u l a t i n gt h ep r i o r i t yo f q u e u e s u c ha sw a i t i n gt i m eo f u s e r , h i s t o r y t r a f f i c ，p a c k e tw a i t i n gt i m e ，e t e t h es i m u l a t i o n sa r ea b o u te q u a l i t y , c e l lt h r o u g h p u ta n d a v e r a g ed e l a yt i m e a f t e rg e t t i n g 也er e s u l t s ，t h ea u t h o rm a ya n a l y s i si t sa d v a n t a g e so v e r o m e r s a n o t h e rc h a r a c t e r i s t i co ft h i sa l g o r i t h mi st h a ti ti m p o r t st h r e er e f e r e n c e st o c o n t h o lt h ep r o p e r t yo fi t s e l fi fc e l lt h r o u g h p u ti sm o r ei m p o r t a n t ，i tc a l lb ec h a n g e d t o m a xc i i ft h ea v e r a g ed e l a yo fu s e r si sm o r ei m p o r t a n t ，i tc a l lb ec h a n g e d t or o u n d i 沁b i n i fi tw a n t st ob ei nt h em i d d l ep o s i t i o n , c h o o s et h i si n t e g r a t i o np fa l g o r i t h m s o i ti saf l e x i b l ea l g o r i t h m k e yw o r d s ：h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ( h s d p a ) ，h y b d da u t o r e t r a n s f e rr e q u e s t ( h a r q ) ，a u t om o d u l a t i o na n dc o d i n g ( a m c ) ，s c h e d u l i n g a l g o r i t h m i v 简略字表 h s d p a 炜c d 硝 3 g p p r e l e a s e 9 9 4 5 i 粼 n o d e b h a r q a m c i t u - r f p l r i 、s i m t - 2 0 0 0 u m r r s u t r a n m a c b m a c c s h m a c d m a c h s h a r q p r o c e s s 简略字表 h j g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c e s s w i d ec o d ed j v i s i o nm u l t ja c c e s s t h e3 “g 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 t h ev e r s i o nn u m b e ro f w c d m a p r o t o c o r e l e a s e db y3 g p p r a d i on e w o r kc e n t r e j h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a u t om o d u l a t i o na n dc o d i n g i n t e m a t i o n a jt 引u 脚0 1 1f o rr a d i o c o m m u n i c a t i o ns e c t o r 1 u t e m a t i o n a lt b l _ u n i o nf o r t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o ns e c t o r f u r w ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e p h o n es y s t e m i n t e m a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n - 2 0 0 0s y s t e m 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 y s t e m u m t st e f e s t r i a la c c e s 5n e v , v o r k m u l t i m e d i aa c c e s sc e n t r e lf o rb r o a d c a s t c h a n n e l m e d i u ma c c e s sc e n t r e lf o rc o m m o na n d s h a r ec h a r m e m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1f o rd e d i c a t e d c h a n n e l m e d i u ma c c e s sc o n t r o lf o r h i g hs p e e d c b a n n c 】 p e e rs t a t em a c h i n ef o rr e t r a n s m i s s i o n v i i i 高速下行分组接入 宽带码分多址 第三代移动通信合作工程组 3 g p p 组织正式发布的 w c d m a 协议版本号 无线网络控制设备 w c d m a 系统中的基站名称 混合自动重传请求 自动调制和编码技术 国际电信联盟无线电通信部门 国际电信联盟电信标准化部门 未来公共陆地无线通信系统 国际移动电信2 0 0 0 系统 通用移动电信系统 u m t s 陆地接入网 针对广播信道的媒体接入控制 实体 针对公共信道和普通共享信道 的媒体接人控制实体 针对专用信道的媒体接入控制 实体 针对高速信道的媒体接入控制 实体 h a r q 实例，在重传控制时使 用，拥有独立的状态机 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 获得电子科技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 说明并表示谢意。 盛名：趔题皇l 颡日期：2 0 0 6 年2 月1 曰日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 刘颖孛、博璁 导师签名： 爹币民 日期：2 0 0 6 年2 月z 岔日 第一章绪论 1 1w c d m a 系统概述 第一章绪论 在信息时代，图像、话音和数据相结合的多媒体和高速率数据业务的业务量 将会大大增加，人们对通信业务多样化的要求与日俱增。第二代数字移动蜂窝系 统只能提供低速率数据业务的服务，不仅不能满足未来用户的业务需求，而且随 着用户数的迅猛增加，现在的系统也逐渐不能满足用户容量的发展需要。所以新 一代移动通信系统的研究和发展成为电信领域一个新的研究问题。 各大移动运营商都在积极地部署第三代移动通信系统，国外已有3 g 系统投 入商用。3 g 标准的候选方案主要有三个，即c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 和t d s c d m a 。 其中，美国提出的e d m a 2 0 0 0 由原来i s 一9 5 系统演变过来。t d s c d m a 是由我国 提出，享有自主知识产权的方案，因而受到国家的重视。欧洲提出的w c d m a 则 是为了实现与g s m 网络的兼容和从g s m 平滑过渡到3 g 系统而设计的。截止 2 0 0 2 年底，我国移动通信用户数已到达两亿，而其中绝大部分是g s m 网络用户。 移动运营商在部署3 g 的时候，期望能够实现与现有系统的兼容和平滑过渡，以 节约投资。因此，w c d m a 对于我国是一个具有竞争力的候选方案。下面扼要阐 述w c d m a 技术的发展过程和采用的主要技术。 1 1 1w c d m a 系统发展历程 为了满足更多更高速率的业务以及更高的频谱效率的要求，同时减少目前存 在的各大网络之间的不兼容性，早在1 9 8 5 年i t u r 就成立了i w p 8 1 3 工作组，开 始研究全球范围内运营的f p l m t s 。1 9 9 1 年正式成立了t g 8 1 工作组，专门负责 f p l m t s 标准的制定工作。1 9 9 2 年国际电联i t u 的世界无线电行政会议w a r c ( w b r l d a d m i s s i o nr a d i oc o n f e r e n c e ) 为f p l m t s 确定了2 g h z 附近的频谱：1 8 8 5 至2 0 2 5 m h z 和2 1 】0 至2 2 0 0 m h z ，频谱宽度共2 3 0 m h z 。1 9 9 4 年，i t u t 和i t u r 合作研究f p l m t s 。i t u t 负责网络标准化工作，i t u - r 负责无线接口的标准化工 作。1 9 9 5 年，f p l m t s 被正式更名为国际移动电信2 0 0 0 系统( i m t _ 2 0 0 0 ) 。i m t - 2 0 0 0 支持的网络称为第三代移动通信系统，简称3 g 。它支持速率高达2 m b i t s 的业务， 而且种类将涉及话音、数据、图像以及多媒体等业务。 日本对l m t 2 0 0 0 的研究非常重视，是第三代移动通信的最积极的倡导者之一。 电子科技大学硕士学位论文 从1 9 9 3 年开始，日本便进行i m t - 2 0 0 0 的研究，1 9 9 4 年1 0 月日本开始征集无线传 输技术，1 9 9 7 年初已基本定为w - c d m a 技术。欧洲在2 0 世纪8 0 年代中期已经 开始研究第三代移动通信系统，1 9 8 7 年正式提出了u m t s 的概念。1 9 9 7 年，各 类标准化方案逐步缩小在两个主要的候选技术上，即w c d m a 和t d c d m a 技术 之间。1 9 9 8 年初确定u m t s 的无线传输技术：u t r a n 。其f d d 模式采用w c d m a ， t d d 模式采用t d - c d m a 。1 9 9 8 年欧洲e t s i 的u t r aw c d m a 与日本的 w - c d m a 融合为现在的w c d m a 系统，成立3 g p p 组织。因此w c d m a 也成为 影响范围最大的标准。 w c d m a 的优势在于码片速率高，有效利用了频率选择性分集和空间的接收 和发射分集，可以解决多径问题和衰落问题。采用t u r b o 信道编解码，提供较高 的数据传输速率。f d d 制式能够提供广域的全覆盖，下行基站区分采用独有的小 区搜索方法，无需基站间严格同步。采用连续导频技术，可支持高速移动终端。 此外，w c d m a 能够从g s m 平滑过渡，为运营商提供了良好的技术基础。 3 g p p 为w c d m a 制定了技术规范，r e l e a s e9 9 版本于1 9 9 9 年底完成，每三 个月更新一次，2 0 0 0 年6 月版本基本稳定。无线接入网络的主要接口1 u 、i u b 、i u r 均采用a t m 和p 传输方式。核心网络基于演进的g s mm s c 和g p r sg s n ，电 路与分组交换节点分开。r e l e a s e9 9 版本能够提供实现网络和终端的全部基础，提 供了商用版本的必要保证。r e l e a s e 4 和r e l e a s e 5 版本进一步增加新的业务，优化 技术体制和网络结构。主要是引入“全口网络”，提出基于i p 的核心网结构，是 r e l e a s e9 9 的补充和完善，保证了w c d m a 体制的延续性。 在r e l e a s e 5 版本中的新技术包括无线接入技术m i m o ( 多输入输出天线系统) ， 多天线反馈分集，h a r q ( 混台自动重传) ，u s t s ( 上行同步传输) ，高阶调制技 术，单独的数据载波( 采用o f d m 技术) 等。其中几个主要技术可以统称为了 h s d p a ( 高速下行包数据接入) 技术，本文正是基于对该技术的研究。 从用户的使用角度来看，3 g 和2 g 或者是2 5 g 相比可以提供特有的业务包括 可视电话和一定流量的流媒体业务，h s d p a 技术能够提供更高的速率，在业务方 面有更高的提升，并且提供高质量的网页浏览业务。为了达到整体性能的提高， 在物理层和链路层，从整体技术方面有新型的设计。在物理层采用了新型的信道 结构和更短的帧结构，以及不同的调制和编码技术，链路采用混合a r q 技术以及 快速分组调度算法，可以使下行的速率进一步提高到1 0 m b p s 左右，同时使得响应 时间进一步缩短。针对运营商的网络部署使得小区的部署量提高。在运营商进行 网络部署的时候，根据可以产业的发展快慢，面向的业务高低和市场大小做出灵 第一章绪论 活的部署。 之后推出了r e l e a s e 6 版本，主要增加了h s u p a 技术。目前全球几大通信设备 商正在进行h s u p a 的预研工作。 1 1 2w c d i m a 主要技术 w c d m a 产业化的关键技术包括射频和基带处理技术，具体包括功率控制， 切换控制，r a k e 接收机、信道编解码和智能天线等增强技术等。以下依依做一简 单分析。 1 1 2 1 功率控制技术 功率控制技术是c d m a 系统的基础，没有功率控制就没有c d m a 系统。 q u a l c o m m 公司就是解决了这个问题才实现了c d m a 蜂窝通信网。在功率控制中 我们常遇到远近效应”这一名词，它是指在上行链路中，如果小区内所有u e 的发 射功率相同，而各u e 与n o d e b 的距离不同，那将导致n o d e b 接收较近u e 的信 号很强，而接收较远u e 的信号很弱，由于c d m a 是同频接收系统，因此弱信号 将淹没在强信号中，使得距离较远部分的u e 无法正常工作。功率控制可以补偿衰 落，接收功率不够时要求发射方增大发射功率。因此功率控制可以克服远近效应。 功率是c d m a 系统的核心，一切都围绕着功率进行。c d m a 系统是一个同频 自干扰系统，任何多余不必要的功率都不允许发射，这是一个一定要遵守的总准 则，功率控制就是维护这个准则的手段。由于移动信道是一个衰落信道，闭环功 控可以随着信号的起伏进行快速改变发射功率，使接收电平由起伏变得平坦。功 率控制技术是使c d m a 走向实用化的重要关键技术之一。 1 1 _ 2 2 切换控制技术 切换是指当移动台处于移动状态中，通讯从一个基站或信道转移到另一个基 站或信道的过程。在蜂窝结构的无线移动通信系统中，当移动台从一个小区移动 到另一个小区时，为保持移动中电话不中断通信而需要进行的信道切换称为越区 切换。根据切换方式不同，越区切换可以分为硬切换和软切换两种情况。 切换可以分为以下三个步骤：无线测量、网络判决和系统执行。其原因可能 是上行链路质量，下行链路的质量，上行链路信号的测量，下行链路信号的测量， 距离或业务等信息发生变化，有更优的蜂窝出现，或者是操作和管理的干涉，需 要平衡业务流量。凡是网络侧发起的切换，是由于资源，负载平衡的原因和网络 第一章绪论 活的部署。 之后推出了r e l e a s e 6 版本，主要增加了h s u p a 技术。目前全球几火通信设各 商正在进行h s u p a 的预研工作。 1 1 2w c d m a 主要技术 w c d m a 产业化的关键技术包括射频和基带处理技术，具体包括功率控制， 切换控制，r a k e 接收机、信道编解码和智能天线等增强技术等。以下依依做一简 单分析。 1 1 2 1 功率控制技术 功率控制技术是c d m a 系统的基础，没有功率控制就没有c d m a 系统。 q l l a l c o l l a l l l 公司就是解决了这个问题才实现了c d m a 蜂窝通信网。在功率控制中 我们常遇到远近效应”这一名词，它是指在上行链路中，如果小区内所有u e 的发 射功率相同，而各u e 与n o d e b 的距离不同，那将导致n o d e b 接收较近u e 的信 号很强，而接收较远u e 的信号很弱，由于c d m a 是同频接收系统，因此弱信号 将淹没在强信号中，使得距离较远部分的u e 无法正常工作。功率控制可咀补偿衰 落，接收功率不够时要求发射方增大发射功率。因此功率控制可以克服远近效应。 功率是c d m a 系统的核心，一切都围绕着功率进行。c d m a 系统是一个同频 自干扰系统，任何多余不必要的功率都不允许发射，这是一个一定要遵守的总准 则，功率控制就是维护这个准则的手段。由于移动信道是一个衰落信道，闭环功 控可以随着信号的起伏进行快速改变发射功率，使接收电平由起伏变得平坦。功 率控制技术是使c d m a 走向实用化的重要关键技术之一。 11 _ 2 2 切换控制技术 切换是指当移动台处于移动状态中，通讯从一个基站或信道转移到另一个基 站或信道的过程。在蜂窝结构的无线移动通信系统中，当移动台从一个小区移动 到另一个小匿时，为保持移动中电话不中断通信而需要进行的信道切换称为越区 切换。根据切换方式不同，越区切换可以分为硬切换和软切换两种情况。 切换可以分为以下三个步骤：无线测量、网络判决和系统执行。其原因可能 是上行链路质量，下行链路的质量，上行链路信号的测量，下行链路信号的测量， 距离或业务等信息发生变化，有更优的蜂窝出现，或者是操作和管理的干涉，需 要平衡业务流量。凡是网络侧发起的切换，是由于资源负载平衡的原因和网络 耍平衡业务流量。凡是网络侧发起的切换，是由于资源，负载平衡的原因和网络 电子科技大学硕士学位论文 侧操作管理的干涉来强制完成。 硬切换的测量对移动台设备的要求更复杂。如果要进行不同频率的硬切换， 需要在切换前测量多个小区的导频信号强度。w c d m a 采用压缩模式的方式来实 现小区异频信号的测量，减少系统设备复杂度。压缩模式就是在发送正常数据帧 时插入压缩帧，压缩帧中空出段时隙用于进行对其他频率的测量。 1 。1 2 3r a k e 分集接收技术 在陆地通信系统中存在着多径干扰和衰落，在城市环境下衰落尤为严重。当 不同的多径分量其衰落相互独立时，可以采用分集接收技术以对抗多径衰落。r a k e 接收中最关键的一步是延迟估计，它的作用是通过匹配滤波器获取不同时间延迟 位置上的信号能量分布，识别具有较大能量的多径位置，并将它们的时间量分配 到r a k e 接收机的不同接收径上。因此p f f t k e 接收机本质上就是通过将分离的多条 路径按照强度成比例合并，从而收集多径中能量。 1 1 2 4 信道编解码技术 信道编解码主要是降低信号传播功率和解决信号在无线传播环境中不可避免 的衰落问题。编解码技术结合交织技术的使用可以提高误码率性能。与无编码情 况相比，传统的卷积码可以将误码率提高两个数量级达到10 e x p ( - 3 卜10 e x p ( - 4 ) ，适 合低速率的实时业务，如话音和视频业务的传送。 t u r b o 编码主要用于数据业务信道，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。并且将误码率进一步下降到1 0 e x p ( - 6 ) 。 w c d m a 候选的信道编解码技术中原来包括r e e d s o l o m o n 和t u r b o 码，其中t u r b o 编码因为编解码性能能够逼近s h a n n o n 极限而最后被采用作为3 g 的数据编解码技 术。适合传输对误码率敏感，而对时延不敏感的非实时分组业务，如w w w ，f t p ， e m a i l 等多媒体业务传送。 1 1 2 5 智能天线技术 智能天线阵列由多个阵元组成，每个阵元是全向辐射元，通过一系列的算法 控制各个阵元的幅度、相位，使它们在某个方向某点按照同相增强反相抵消的干 涉原理进行空中叠加。空中每一点的叠加结果都不一样，在某个方向的信号很强， 某个方向的信号很弱。对阵元的幅度、相位控制可以在天线射频处实现，也可以 在基带部分实现。通过基带算法改变各个阵元的幅度、相位，就可以形成任意波 束，对准特定的用户进行接收或发射。 4 第一章绪论 采用智能天线优点明显，比如能降低干扰，提高信噪比，大大提高系统容量， 使基站数目减少约5 0 ，覆盖范围更广、更远，方向增益更高，基站和手机的发 射功率降低，更符合绿色手机概念等。 除此之外，还有高速调制解调技术，干扰抵消技术和软件无线电等先进技术。 这些技术都为提供一个大容量，高通信质量的w c d m a 系统作出了贡献。 1 2h s d p a 技术概述 3 g p pr e l e a s e 9 9 版本能提供最高2 m b p s 的下行速率，但还是不能满足用户日 益增加的更多更快的需求。w c d m a 的f d d 技术非常适合c s 域业务，因为f d d 连续传输的特性适用于话音等实时要求较高的业务。但是对p s 域业务而言，f d d 效率并不高。据调查，用户在一小时的上网时间内真正下载数据的时间不足1 0 ， 而上传数据的时间占用率更少，用户更多时候处于空闲状态。针对3 g 的业务上、 下行链路的不平衡性，下行链路的业务量普遍大于上行链路的业务量，下行p s 业 务不连续等特点，3 g p p 在r e l e a s e 5 协议版本中提出了h s d p a 概念，强调一个观 念：时分复用资源。如何时分、如何复用，有赖于共享信道，而共享信道的设计 正是为了满足下行链路中具有猝发特性的分组服务的，如流数据服务、交互式应 用和后台应用等。h s d p a 技术基于h s d s c h 这一共享信道，能够支持高数据率， 允许不同用户复用时间和编码，因此非常适用于猝发分组通信较多的多媒体环境。 所有r e l e a s e 9 9 协议中的传输信道都中止于r n c ，因此分组数据的重传过程在 服务r n c 中进行。同样，该服务r n c 也处理特定用户到核心网络的连接。随着 h s d p a 的引入，n o d e b 也要支持h s d p a 技术的m a c 层和物理层功能。基站直 接控制重传，提高了重传速率，减少分组数据延迟。h s d p a 系统增加了三种关键 技术，分别是a m c 技术、h a r q 技术和快速调度算法。通过a m c 和h a r q 技 术在减少延迟的基础上增加数据传输的吞吐量和峰值数据率。快速调度则决定传 输哪个用户的数据。r n c 的功能保持不便，继续保留r e l e a s e 9 9 中制定的功能。下 面分析这三种技术的核心内容。 1 2 1 自适应编码和调制( a m c ) a m c 的原理是根据瞬间信道条件的改变相应地改变调制和编码格式。因此， 当信道条件较好时，a m c 会选择一个高阶的调制方案和较高的编码速率以充分利 用现有的信道条件。反之，当信道条件较差时，a m c 会选择一个低阶的调制方法 电子科技大学硕士学位论文 和较低的编码速率。回忆r e l e a s e 9 9 版本，下行链路的功率控制的动态范围大约是 2 0 d b 。这对于接近n o d e b 的用户终端来说，功率控制不能最大限度的将功率降低， 并且容量的提高也有限。而a m c 技术正是通过改变调制方式而非改变传输功率来 减少于扰的变化。使用a m c 后，对于靠近n o d eb 的用户，充分利用现有的信道 条件，使用高阶的调制方案和较高的编码速率，来最大化下行链路的数据吞吐量。 在采用自适应调制编码的系统里，需要利用反向链路对前向链路的信道情况 做反馈报告，发送端根据这个报告来确定编码和调制方式。因此，自适应调制和 编码的系统是个闭环方式。由于实际的无线移动信道的时变特性和衰落特性，因 此无线信道的信道容量是个时变量。要最大限度的利用信道容量，发送速率需要 随信道条件改变，也就是使编码调制方式具有自适应特性，根据信道情况的变化 而改变调制、待编码数据大小。 在使用a m c 技术的系统里，处于有利位置的用户，例如接近基站的用户可使 用高阶调制和高码率( 例如1 6 q a m 、较大的数据块尺寸) ，而处于不利位置的用 户，例如远离基站的用户其调制阶数和码率则要小些f 例如q p s k 、较小的数据 块尺寸) 。a m c 技术主要可以提高处于有利位置用户的速率，从而提高小区的平均 吞吐量。 1 2 2 快速混合自动重传( h a r q ) h a r o 是种链路自适应技术，a r q 即自动请求重发，h a r q 是将前向纠错编 码( f e c ) 和自动重传请求( a r q ) 相结合的技术。前向纠错编码( f e c ) 提高了 传输的可靠性，但当信道情况较好时，降低了吞吐量。a r q 在误码率不是很高的 情况下可以得到较为理想的吞吐量，但会引入时延，考虑将f e c 和a r q 相结合 就形成了混合a r q 。在发送的每个数据包中含有纠错和检错的校验比特。如果接 收包中的出错比特数目在纠错能力之内，则错误被自行纠正，当差错严重，已超 出f e c 的纠错能力时，刚让发端按照一定规则重发数据。接收方将重传的数据和 先前接收到的数据在解码之前进行组合，再进行正确解码。 目前有三个标准的a r q 协议：分别为： 1 s a w ( s e ea n dw a i t ) 停等协议：s a w 停等协议规定在发端发出一个分组后等 待收端的a c k 或n a c k ，以确定重发分组或新发分组。因此，发端在任何时 刻都不能有多于一个的出错分组 2 g b n 回退n 协议：回退n 协议是指发端连续发出n 个分组，在接收端一旦第 6 第一章绪论 一个分组出错，接下来的n 一1 个分组因为没有空间存储而被丢弃，所以如果第 一个分组出错，就必须重传n 个分组。 3 s r 选择行重传协议：选择行重传协议( s r ) 是指当接收端有存储空间时，因 出错而被丢弃的分组较少，只需重传出错的数据包。 在三种a r q 基本机制中，s a w 停等协议是规则最简单，对信息头部要求最 少的协议，发送端一直对当前数据分组进行处理直到它被成功接收。接收的正确 性由一比特信息来表述。所以它的控制头很小，确认头也很小。因为次只能传 送一个数据分组，所以对用户端存储容量的要求就很小。 h s d p a 中h a r q 采用改进的s a w 协议，在减小信令总带宽和用户存储量方 面得到改善。不过s a w 方案中发送端必须在发送下一个数据分组前等待上一个数 据分组的确认信息，而确认信息的获得有一传输延迟过程。在等待期间，信道闲 置浪费了系统容量。 1 2 3 快速调度 调度算法控制着共享资源的分配，在很大程度上决定了整个系统的行为。 h s d p a 的设计目标就是找到一种调度方法，在条件容许时小区的容量在短期内可 以分配给某一信道条件好的用户。在优化设计中，调度算法可以跟踪用户的快速 衰落特性。 调度时应主要基于信道条件，同时考虑等待发射的数据量以及业务的优先等 级等情况，并充分发挥a m c 和h a r q 的能力。调度算法向瞬间具有最好信道条 件的用户发射数据，使每个瞬间都可以达到最高的用户数据速率和最大的数据吞 吐量，但同时也应考虑到对每个用户的公平性。在h s d p a 中调度算法位于n o d eb 而不是位于r n c ，这样使系统能更好地适应信道的短期变化。 1 3 对h s d p a 技术研究的意义 加入h s d p a 功能后，可以使最高下行数据速率达1 0 m b p s ，从而大大提高用 户下行数据业务速率，而且不改变已经建设的w c d m a 系统的网络结构。因此， h s d p a 技术是w c d m a 网络建设后期提高下行容量和数据业务速率的一种重要 技术。 在现有的市场里面，各个3 g 运营商将面临残酷的竞争，w c d m a 受到 c d m a 2 0 0 0 强大的竞争压力，w c d m a 运营商急于选择h s d p a 的一个直接原因是 电子科技大学硕士学位论文 希望它成为竞争新手段。w c d m a 为了证明自己的优势，吸引客户转向w c d m a 网络和服务，因此h s d p a 技术成为w c d m a 运营商一个扭转局面的方法。此外 h s d p a 技术同样适用于3 g 市场的后进者。较晚进入3 g 领域的运营商为了打破原 有运营商的优势，部署更先进的h s d p a 是较好的选择。所以h s d p a 技术代表了 市场方向，它能否不负众望地提供高速率传输，满足大宽带需求，这都需要从物 理层面和系统层面进行研究分析。 在w c d m a 标准中采用h s d p a 技术时，h s d p a 承载的业务可以和普通业务 ( 语音业务、一般速率数据业务) 在同个载频下。在一个小区里面，可以同时 有普通业务用户和h s d p a 业务，甚至同一个用户可以同时申请这两种业务。普通 业务用户和h s d p a 业务用户的比例可以进行动态的调整。所以对h s d p a 采用的 调度算法的研究就是希望找到一种合理的方法在平衡各方利益下实现较大吞吐 量。这对r e l e a s e 5 协议的发展具有理论支撑意义。 1 4h s d p a 技术国内外研