（通信与信息系统专业论文）tdscdma与gsm移动通信系统共存干扰研究与仿真.pdf

哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 摘要 t d s c d m a 作为中国首次提出的第三代移动通信国际标准，与 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 一道成为i m t 2 0 0 0 的正式成员，这是中国移动通信发 展史上里程碑性质的重要事件。 我国目前存在多个电信运营商，它们都在积极申请3 g 牌照，而不同运 营商对标准体系的选择也会有所不同，因此第三代移动通信技术的3 种标准 可能会同时在中国运营，再加上己有的2 g 系统( 如p h s 、g s m l 8 0 0 ) ，这将 导致在同一地理区域出现采用不同移动通信体制的多个运营商占用2 g h z 相 邻频段的情况，而由于高频器件的非线性特性，这些不同系统或标准之间将 可能存在相互干扰，造成系统容量的损失。随着3 g 系统商用日期的日益临 近，多运营商多制式干扰共存成为业界普遍关心的一个问题。 作为上述互干扰研究的一部分，本文主要研究t d s c d m a 与g s m 移动 通信系统间的共存干扰问题。通过研究t d s c d m a 与g s m 系统间共存干扰 对系统性能的影响，其研究结果不仅为干扰保护提供指导性建议，而且对正 在展开的t d s c d m a 与g s m 的联合规划具有借鉴作用。 文章首先系统地介绍了共存干扰的基本概念和基本特征，着重阐述了邻 频干扰原理、衡量方法以及干扰的构成，对t d s c d m a 和g s m 系统间共存 干扰模式进行了归纳，然后针对t d s c d m a 和g s m 之间的共存干扰模式， 运用上述理论，对t d s c d m a 和g s m 之间的异系统干扰进行了建模，最后 运用蒙特卡洛( m o n t ec a r l o ) 仿真法对t d s c d m a 和g s m 系统间共存干扰 进行仿真，经仿真验证，t d s c d m a 和g s m 系统在共存时相互间的干扰相 对较小，不会对通信质量和系统容量造成明显影响。 关键词：t d s c d m a ；g s m ；共存干扰；m o n t ec a r l o 仿真 哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文 a bs t r a c t t d s c d m a ，a st h e3r di n t e r n a t i o n a lm o b il ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r dw h i c h w a si s s u e df i r s t l yb yc h i n a ，b e c o m e st h eo f f i c i a lm e m b e ri ni m t 2 0 0 0t o g e t h e r w i t hw c d m aa n dc d m a 2 0 0 0 ，w h i c hi sam i l e s t o n ei nt h eh i s t o r yo fc h i n e s e m o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h e r ea r em a n yt e l e c o m m u n i c a t i o no p e r a t o r st o d a yi no u rc o u n t r y t h e ya r e a p p l y i n gf o rt h e3 gl i c e n s e sa c t i v e l y , a n dd i f f e r e mo p e r a t o r sa l s oh a v ed i f f e r e n t c h o i c e sw i t hr e g a r dt ot h es t a n d a r ds y s t e m s t h u s ，t h r e ek i n d so ft h e3 r dm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ys t a n d a r dw i l lb eo p e r a t e ds i m u l t a n e o u s l yi nc h i n a t o g e t h e r w i t hs o m e a l r e a d y e x i s t e d2 g s y s t e m s ( f o re x a m p l e ， p h s ，g s m l8 0 0 ) ，w h i c hw i l lp o s s i b l yl e a dt ot h es i t u a t i o nt h a tm a n yo p e r a t o r sw i t h d i f f e r e n tm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m st a k eu pt h e2 g h za d j a c e n tf r e q u e n c y b a n d si nt h es a m e p h y s i o g r a p h i cr e g i o n o w i n g t ot h e h i g hf r e q u e n c y c o m p o n e n t s n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c ，t h e s ed i f f e r e n ts y s t e m so rs t a n d a r d sm a y d i s t u r bo n ea n o t h e ra n dr e s u l ti ns y s t e m a t i cc a p a c i t yl o s s w i t ht h ec o m m e r c i a l a p p l i c a t i o nd a t ea p p r o a c h i n gd a yb yd a y , m a n yo p e r a t o r sa n dt h ec o e x i s t e n c eo f i n t e r f e r e n c e sf r o md i f f e r e n tm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb e c o m eac o m m o n c o n c e r ni nt h ei n d u s t r i e so ft h i sf i e l d a sp a r to ft h er e s e a r c ha b o u tt h ea b o v es i m u l t a n e o u si n t e r f e r e n c e ，t h i se s s a y m a i n l y f o c u s e so nc o e x i s t e n c ea n ds i m u l t a n e o u si n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h e t d - s c d m as y s t e ma n dt h eg s ms y s t e m b y s t u d y i n g t h e i n f l u e n c eo n c o m m u n i c a t i o nq u a l i t yf r o mt h ec o e x i s t e n c ea n ds i m u l t a n e o u si n t e r f e r e n c e b e t w e e nt h et d - s c d m a s y s t e ma n dt h eg s ms y s t e m ，i tn o to n l yp r o v i d e ss o m e r e f e r e n c e sa n dg u i d a n c ef o rt h er e s e a r c hi nc o e x i s t e n c ea n ds i m u l t a n e o u s i n t e r f e r e n c e ，b u ta l s oo f f e r ss o m es p e c i f i cs u g g e s t i o n sf o rt h e o n g o i n g t d s c d m aa n dg s m i n t e g r a t i o nn e t w o r kp l a n n i n g 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 f i r s t l y ，t h i se s s a ys y s t e m a t i c a l l y i n t r o d u c e st h eb a s i c c o n c e p t s o f c o e x i s t e n c ea n di n t e r f e r e n c ea n di t sb a s i cf e a t u r e s 、析血a ne m p h a s i so nt h e p r i n c i p l eo fa d j a c e n tf r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ，t h em e a s u r e m e n tm e t h o d sa n dt h e c o m p o s i t i o no fi n t e r f e r e n c e t h ep a t t e r n so fc o e x i s t e n c ea n ds i m u l t a n e o u s i n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h et d - s c d m aa n dg s m s y s t e m sa l eg e n e r a l i z e da n d a c c o r d i n gt ot h a t ，诵t ht h ea b o v et h e o r y ，t h em o d e l sa b o u ti n t e r f e r e n c e si n d i f f e r e n ts y s t e m sb e t w e e nt d s c d m aa n dg s ma l ee s t a b l i s h e d f i n a l l y ，m o n t e c a r l os im u l a t i o nm e t h o di su s e dt oc o n d u c ts i m u l a t i o no nt d s c d m aa n dg s m s y s t e m s ，w h i c hc o n f i r m s t h a tw h e nt w oc o e x i s t e d s y s t e m s s i m u l t a n e o u s i n t e r f e r e n c ei s r e l a t i v e l ys m a l l ，i t w i l ln o tc a u s eo b v i o u se f f e c tt ot h e c o m m u n i c a t i o nq u a l i t ya n ds y s t e mc a p a c i t y k e yw o r d s ：t d s c d m a ；g s m ；c o e x i s t e n c ed i s t u r b a n c e ；m o n t ec a r l os i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：上蜱埠 日期：力口9 8 年弓月2 日 哈尔滨下稃大学硕+ 学位论文 1 1 移动通信发展历程 第1 章绪论 1 8 9 7 年，随着意大利科学家马可尼成功地在一艘拖船与一固定站之间实 现了无线通信，标志着移动通信的开始。此后几十年间，人们对移动通信的 研究从未间断，但是，直到2 0 世纪7 0 年代，在美国贝尔实验室提出了蜂窝 概念、解决了频率复用问题后，移动通信才进入蓬勃发展时别“。 1 9 7 8 年底，美国成功研制了先进移动电话系统( a m p s ) ；1 9 8 5 年，英国 开发出全向通信系统( t a c s ) ，这样以a m p s 和t a c s 为代表的蜂窝状移动通 信网，就被称之为第一代移动通信系统( 简称1 g ) 。第一代移动通信系统属 于模拟通信系统，它初步满足了人们相互间通信的需求，顺应了市场发展， 因而取得了很大成功，但是也暴露了一些问题。例如，频谱利用率低、业务。 单一( 主要是语音业务) 以及通话易被窃听等，最主要的缺点是其容量己不能 满足日益增长的移动用户需求。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝 移动通信系统。 2 0 世纪9 0 年代，第一代移动通信系统终于被第二代移动通信系统( 简称 2 g ) 所替代。2 g 通信系统最主要的通信体制有g s m 和c d m a 两种。欧洲是 推动g s m ( o l o b ms y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，全球移动通信系统) 发展的中坚力量。从2 0 世纪8 0 年代初开始，欧洲主要国家就着手第二代移 动通信系统的研究，并于8 0 年代中、后期确定了基于时分多址( t d m a ) 的数 字移动通信系统g s m 。美国高通公司( q u l c o m m ) 在2 0 世纪9 0 年代初也提出 了基于c d m a ( 码分多址) 技术的通信标准i s 9 5 标准，并在北美和韩国等地 得到了大规模商用。与第一代移动通信系统相比，第二代移动通信系统采用 数字调制代替了模拟调制，较好的实现了跨国漫游，大大提高了系统的频谱 利用率，2 g 系统以其先进的技术优越在全球得到了广泛的应用，目前仍有巨 大的市场空间。截至2 0 0 7 年7 月，全球2 g 用户有2 8 亿，其中g s m 用户近 哈尔滨丁稃大学硕十学何论文 2 0 亿，占七成以上，相对来说，由于c d m a 系统起步较晚，其市场份额远 远低于g s m 系统。 2 g 系统可以提供语音业务及低速率的数据业务，基本满足人们信息交流 的需求。但是随着移动多媒体和高速数据业务的迅速发展，又迫切需要新一 代的网络来提供更宽的工作频带，承载更加灵活的业务，支持移动终端在不 同的网络间的漫游，这些新的需求推动了第三代移动通信系统的发展。 1 9 8 5 年，国际电信联盟( i t u ) 提出了未来公共陆地移动通信系统 ( f p l m t s ) 的概念。后来经过1 0 年的逐步发展，国际电联在1 9 9 6 年将其正式 命名为i m t 2 0 0 0 ，即第三代移动通信系统( 3 r dg e n e r a t i o n ，简称3 g ) 。第三 代移动通信系统是工作在2 0 0 0 m h z 频带，传输速率为2 m b p s ，预期在2 0 0 0 年投入使用的商业系统嘲。i m t 2 0 0 0 是一个全球无缝覆盖、全球漫游，包括 卫星移动通信、陆地移动通信、无绳电话等蜂窝移动通信的大系统。它不仅 提供2 g 系统所具有的功能，而且还提供许多新的应用。3 g 提供新的应用主 要是：1 ) i n t e m e t , 种非对称和非实时的服务：2 ) 可视电话，一种对称和实 时的服务；3 ) 移动办公室，能提供e m a i l 、w w w 接入、f a x 和文件传递服 务。3 g 自一推出，就受到了年轻人的追捧。据统计，到2 0 0 7 年1 2 月，全球 3 g 用户数逾2 7 5 亿。由于我国没有发放3 g 运营牌照，至今没有3 g 用户。 近年来，人们又对第四代移动通信系统( 简称4 g ) 的发展进行积极的探 索和研究，取得了许多重要的突破，预计不久就会走出实验室。未来4 g 系 统在高速移动的环境下信息传输速率可达1 0 0 m b p s ，传输效率将是现有移动 通信技术的1 0 倍。 从移动通信的发展历程可以看出，2 g 仍然是目前市场的主流，但3 g 取 代2 g 己是通信技术发展的大趋势。 1 23 g 主流标准以及频谱规划 1 2 13 g 主流标准及其支持者 与前两代系统相比，第三代移动通信系统的主要特征是可提供丰富多彩 2 哈尔滨丁程大学硕十学1 = 7 ：论文 的移动多媒体业务，其传输速率在高速移动环境中支持1 4 4 k b s ，步行慢速移 动环境中支持3 8 4 k b s ，静止状态下支持2 m b s p l 。3 g 的目标是在与现有2 g 充分兼容的基础上，提供比2 g 容量更大、通信质量更好，能在全球范围内 实现无缝漫游，承载包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务。 由于3 g 中潜藏的巨大利益，世界各国围绕3 g 标准的选择问题展开了激 烈的竞争。后来国际电联出面协调，本着i m t2 0 0 0 应成为一种全球统一标准 的共识，主要国家之间达成了一致，逐步形成了在多址接入方面以码分多址 ( c d m a ) 为主，辅以时分多址( t d m a ) 或两者相结合的策略p 1 。 目前，w c d m a ( w i d e b a n dc d m a ，宽带码分多址) 、c d m a 2 0 0 0 、 t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a ，时分同步码分多址) 标准是第 三代移动通信系统的主流标准。其中，w c d m a 的支持者以欧洲和日本为主， 包括爱立信、诺基亚、富士通、n e c 等公司。c d m a 2 0 0 0 是在c d m ai s 9 5 系统的基础上发展起来的，主要支持者以美国和韩国为主，包括高通、朗讯、 摩托罗拉和北电等公司，它最大限度的考虑了和1 s 9 5 系统的后向兼容性。 t d s c d m a 是由我国大唐电信集团代表中国政府提出的标准。 1 2 2 主流标准的比较 w c d m a 是基于g s m 网发展出来的3 g 技术规范，该标准提出了g s m ( 2 g ) g p r s e d g e w c d m a ( 3 g ) 的演进策略。g p r s 是g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ( 通用分组无线业务) 的简称，e d g e 是e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s m e v o l u t i o n ( 增强数据速率的g s m 演进) 的简称，这两种技术被称为2 5 代移 动通信技术。目前中国移动正在采用这一方案向3 g 过渡，并已将原有的g s m 网络升级为g p r s 网络。 c d m a 2 0 0 0 是由窄带i s 9 5 技术发展而来的宽带c d m a 技术，该标准提 出了从c d m ai s 9 5 ( 2 g ) c d m a 2 0 0 0 1 x c d m a 2 0 0 0 3 x ( 3 g ) 的演进策略。 c d m a 2 0 0 0 1 x 被称为2 5 代移动通信技术。c d m a 2 0 0 0 3 x 与c d m a 2 0 0 0 1 x 的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。目前中 3 哈尔滨工程大学硕十学位论文 国联通正在采用这一方案向3 g 过渡，并已建成了c d m ai s 9 5 网络。 t d s c d m a 标准提出了不经过2 5 代的中间环节，直接向3 g 过渡的策 略。非常适用于g s m 系统向3 g 升级。但目前大唐电信公司还没有基于这一 标准的可供商用的产品推出，t d s c d m a 较前两种技术标准略显稚嫩。 上述三个标准他们的共同点是均采用了c d m a 空中接口技术。最大的区 别是w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 标准采用频分双i ( f d d ) 技术，而t d s c d m a 标准采用时分双i ( t d d ) 技术。 在3 g 系统中，w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统由于较好地考虑了与g s m 和i s 9 5 系统的兼容性，故其在3 g 牌照发放中占得先机。相比较其他两个系 统，t d s c d m a 尽管其有频谱配置灵活性强，资源利用率高等技术上的优势， 但由于其研究开发时间较短，加上没有2 g 的基础，系统商用成熟度欠缺， 还需进一步完善。不过采用t d d 技术的t d s c d m a 上下行工作于同一频段， 不需要大段成对的频谱，在频谱资源越来越紧张的今天显示出频谱配置的灵 活性；同时t d s c d m a 采用智能天线、上行同步、联合检测等先进技术， 使t d s c d m a 发展具有较大的后发优势。 1 2 3 我国3 g 无线频谱规划方案 2 0 0 2 年1 0 月，信息产业部发布了中国3 g 无线频谱规划方案【5 】，如图1 1 所示。 田匡正瑾丑习园团e 1 7 1 01 t $ 5 i t 8 5 1 0 0 5 18 5 0 1 8 8 01 9 0 019 2 0 1 9 8 02 0 10 2 0 2 5 2 1 1 02 1 7 0 2 3 0 02 4 0 0 ( 艋0 图1 1 国内3 g 频谱规划 对3 g 的工作频段划分如下： ( 1 ) f d d 双工方式主要工作频段：上行1 9 2 0 m h p l 9 8 0 m h z ，下行 2 1 1 0 m h z 一2 1 7 0 m 比；补充工作频段：上行1 7 5 5 m h z 1 7 8 5 m h z ，下行1 8 5 0 m h z - 1 8 8 0 m h z 。带宽共1 8 0 m h z ，由w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 分享。 ( 2 ) t d d 双工方式主要工作频段：1 8 8 0 m h p l 9 2 0 m h z 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 0 1 0 m h z 2 0 2 5 m h z ；补充工作频段：2 3 0 0 m 卜2 4 0 0 m h z 。带宽共1 5 5 m h z ， 由t d s c d m a 独享。 从上述3 g 频率划分可以看出，3 g 在未来中国通信产业中将会占有比较 大的市场份额，更为重要的是它满足了人们对通信服务更高层次的需求，很 显然，拥有自主知识产权的t d s c d m a 会得到中国政府和中国电信运营商 的大力支持，其地位将更加突出。它不仅使我国在3 g 发展中节省近千亿的 资金，而且还可以支持民族工业发展，一改2 g 时代我国移动通信业蓬勃发 展，但却被迫向国外垄断集团支付巨额专利费的被动局面。 1 3 共存干扰研究现状 随着人们对3 g 需求的增加，3 g 用户将会越来越普及。然而，以g s m 等为代表的2 g 系统在国内通信市场还远未饱和，2 g 用户还在不断壮大，2 g 系统与3 g 系统长期共存不可避免，这就产生了诸如2 g 3 g 、3 g 3 g 不同系 统间共存干扰问题。 3 g 作为一项崭新的技术，其应用后所带来的2 g 3 g 、3 g 3 g 系统间共存 干扰问题，目前还是一个比较新的课题，国内外学术机构对此的研究还处于 起步阶段，相关的科研成果还处于保密之中。 近年，为了迎接3 g 时代的到来，我国有关部门对此展开了积极的研究， 取得了一定的成果。如图1 2 所示，图中有连线的两个系统表示己经在立项 研究相互间的共存干扰陋1 。可以看到，t d s c d m a 系统与g s m l8 0 0 ( 以下简 称为g s m ) 系统的共存干扰研究是这一系列研究的一个重要组成部分。中国 无线通信技术工作委员会频率工作组于2 0 0 4 年1 2 月开始立项研究 t d s c d m a 系统与g s m 系统间的干扰保护方法。 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 图1 2 系统间共存干扰示意图 两个系统间共存干扰，从根本上看，是由于各种无线电新技术应用，导 致射频资源紧张而产生的射频干扰。从图1 1 可以看到，t d s c d m a 在 18 8 0 m h z 频点处与f d d 的下行邻频共存，在1 9 2 0 m h z 频点处与f d d 的上 行邻频共存，而在1 9 0 0 m h z 一1 9 2 0 m h z 这一频段是与p h s 共用的。虽然在 18 8 0 m h z 频点处t d s c d m a 与g s m l8 0 0 下行之间隔着3 0 m h z 的带宽，但 是由于发射机和接收机的不完善，共存的两个系统仍然会产生相互干扰，造 成链路质量下降和系统容量降低。 本文主要研究g s m 系统与t d s c d m a 系统间共存干扰，前者是我国最 大的2 g 网络，后者是我国的3 g 标准，具有很强的代表性。因此，探讨二者 间共存干扰对系统的影响，其结果不仅可以为干扰保护提供指导性建议，而 且对正在展开的t d s c d m a 与g s m 的联合规划具有借鉴作用。 1 4 本文内容以及章节安排 今年8 月，奥运会将在北京召开，为奥运会提供3 g 服务是中国政府对 世界的承诺，也是科技奥运的重要组成部分，能否解决好系统间共存干扰问 题、按时为奥运会提供3 g 服务，已经成为我国通信运营商面临的一个现实 和紧迫的课题，所幸的是，t d s c d m a 作为中国自己的3 g 标准，在北京、 秦皇岛等奥运举办城市前期测试中取得了令人满意的效果，目前亟待国家信 6 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 息产业部的最后审批。 t d s c d m a 系统和g s m 系统共存已是不争的事实，所以研究 t d s c d m a 系统与g s m 系统间的共存干扰对系统的影响，对正在展开的 t d s c d m a 与g s m 的联合规划具有重要的现实意义和实用价值。 本文主要内容包括： 第1 章绪论部分首先回顾了移动通信的发展历史，指出第三代移动通信 系统将是我国未来移动通信发展的趋势；接着介绍了第三代移动通信系统主 流标准以及频谱规划，揭示了2 g 和3 g 长期共存的事实，因而共存干扰不可 避免；最后介绍了系统间共存干扰研究的现状，阐明了本文研究的意义。 第2 章主要对t d s c d m a 系统和g s m 系统两种通信体制进行了详细介 绍，为下文开展共存干扰研究作好铺垫。 第3 章主要是对共存干扰的基本理论进行了分析介绍。首先介绍无线电 频率干扰成因及类型，接着介绍了邻频干扰原理和干扰计算方法，最后对 t d s c d m a 系统和g s m 系统间共存干扰的几种模式进行了归纳，为下文的 t d s c d m a 系统和g s m 系统间共存干扰研究指明了方向。其中，对邻频干 扰原理运用图解法给出了解释，直观形象，易于理解。 第4 章介绍了共存干扰研究的基本方法一蒙特卡洛( m o n t ec a r l o ) 仿真 法以及仿真准则，并给出了仿真的具体参数。 第5 章介绍了仿真环境中使用的系统模型和部分无线资源管理算法。其 中，在r r m 算法中，对接力切换控制算法进行了改进；对t d s c d m a 和 g s m 共存系统间异系统干扰进行了数学建模，提出了自己的见解。 第6 章运用蒙特卡洛静态仿真方法对t d s c d m a 系统和g s m 系统间共 存干扰进行仿真与分析，并将仿真结果与理论计算结果进行了对照，从而得 出了两系统共存时相互间的干扰相对较小，不会对通信质量和系统容量造成 明显影响的结论。 最后总结全文的工作，对后续的工作进行了展望。 7 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 第2 章通信系统介绍 2 it d s c d m a 通信系统 t d s c d m a 标准是由中国信息产业部电信科学技术研究院( 现大唐电信 集团) 和德国西门子公司合作开发的。它作为我国拥有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三大主流标准 之一。 2 1 1t d s c d m a 物理层结构 物理层处于无线接口协议模型的最底层，它提供物理介质中比特流传输 所需要的所有功能，物理层与媒体接入控制层( m a c ) 及无线资源控制层 ( i 水c ) 的接口如图2 1 所示： j无线资源控制( p a c ) r，、 媒体接入控制( m a c ) ，、 y ，、c p h y 原语人p h y ) - 原, 语 物理层 图2 it d s c d m a 物理层接口 物理层通过m a c 子层的传输信道实现向上层提供数据传输服务，传输 信道特性由传输格式定义，传输格式同时也指明物理层对这些传输信道的处 理过程。一个u e 可同时建立多个传输信道，每个传输信道都有其特征。物 理层实现传输信道到相同或不同物理信道的复用，在当前无线帧中传输格式 组合指示( t f c i ) 字段用于唯一标识编码复合传输信道中每个传输信道的传输 格式川。 8 哈尔滨下程大学硕十学位论文 物理层主要功能包括：传输信道的f e c 编解码，向上层提供测量及指 示( 如f e r 、s i r 、干扰功率、发送功率等) ，宏分集分布组合及软切换执行， 传输信道的错误检测，传输信道的复用，编码复合传输信道的解复用，速率 匹配，编码复合传输信道到物理信道的映射，物理信道的调制扩频与解调 解扩，频率和时间( 码片、比特、时隙、帧) 的同步，闭环功率控制，物理信 道的射频处理等。 一个物理信道是由频率、时隙、信道码和无线帧分配来定义的。建立一 个物理信道的同时，也就给出了它的初始结构。物理信道的持续时间可以无 限长，也可以是分配所定义的持续时间。 2 1 2t d s c d m a 帧结构 t d s c d m a 的物理信道采用四层结构：系统帧、无线帧、子帧和时隙 码。时隙用于在时域上区分不同用户信号，具有t d m a 特性。 一 - 广眦勺m s b q u u c n l 驯 一 t s o4t b l tt s 2 tt s 3tt s 4 十t s 5 4 i t s 6 l p s 图2 2t o s c d m a 子帧结构 无线帧是系统的最基本单元。无线帧长度为1 0 m s ，一个无线帧又可分为 结构完全相同的两个5 m s 子帧。每一个5 m s 子帧又分成为长度为6 7 5 肛s 的7 个常规时隙和3 个特殊时隙。每个子帧约为一时隙长度的7 4 0 7 4 倍。3 个特 殊时隙分别为下行导频时隙( d w p t s ) 、保护时隙( g u a r dp e r i o d ，g p ) 和上行导 频时隙( u p p t s ) 。如图2 2 所示。 7 个常规时隙用于传送用户的数据或控制信息，t s o 总是固定地用作下行 时隙来发送系统广播信息，而t s l 总是固定分配给上行链路，其他时隙可以 根据系统要求灵活配置为上行时隙或下行时隙，实现对称业务或非对称业务 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的传输。上行时隙和下行时隙之间由转换点分开，每个5 m s 的子帧有两个转 换点。 每个子帧中d w p t s ( s y n c d l ) 是为建立下行导频和同步而设计的， s y n c d l 是一组p n 码，用于区分相邻小区；每个子帧中u p p t s ( s y n cu l ) 是为建立上行同步而设计的，s y n cu l 是一组p n 码，用于在接入过程中区 分不同的u e ；保护时隙是为了避免下行链路的发送对上行链路的接收造成 较大干扰而预留的保护间隔。在t d s c d m a 系统中保护时隙的长度是9 6 个 码片周期，系统的码片速率为1 2 8 m c h i p s ，保护时间间隔就为7 5 i _ t s ，考虑信 号的传播时延，因此小区半径最大为7 5 x 1 0 。6 x 3 x 1 0 5 2 = 1 1 2 5 k m 。 2 1 3t d s c d m - a 时隙结构 t d d 模式下的物理信道是一个突发信道，在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；分配也可以是不连续的，即仅有部分无线帧中的相应时隙分配给 该物理信道。 一个突发由数据部分、训练序列( m i d a m b l e ) 码部分和一个保护时隙组 成。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的o v s f ( 正交扩频) 信 道码，但应使用相同的扰码。m i d a m b l e 码部分必须使用同一个基本m i d a m b l e 码。如图2 3 所示。 i 数3 5 据2 c h 符i 号p m i d a t a b l e 数据符号 g p 1 6 1 4 4 c h i p 3 5 2 c h i p c p 9 6 4 * t c 图2 3t d s c d m a 系统突发结构 图中c p 表示码片长度，每个部分具体内容见表2 1 。突发由两个长度分 别为3 5 2 c h i p 的数据块、一个长为1 4 4 c h i p 的训练序列码和一个长为1 6 c h i p 的g p 组成。数据块的总长度为7 0 4 c h i p ，所包含的符号数与扩频因子有关， l o 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 对应关系见表2 2 。 表2 1 突发各部分组成 码片号 区域长度 区域长度 区域长度p s 区域内容 ( c n ) ( c h i p 数目) ( 符号数目) o 3 5 13 5 2 见表2 2 2 7 5 数据 3 5 2 4 9 51 4 491 1 2 5 训练序列码 4 9 6 - 8 4 73 5 2 见表2 - 2 2 7 5数据 8 4 8 - 8 6 31 6 1 1 2 5 保护间隔 表2 2 突发中每个数据块包含的符号数 扩频冈子每个数据块符号数( n ) l3 5 2 21 7 6 48 8 84 4 1 62 2 突发的数据部分由信道码和扰码共同扩频。信道码是一个o v s f 码，扩 频因子可以取1 、2 、4 、8 或1 6 ，物理信道的数据速率取决于所用的o v s f 码所采用的扩频因子。例如，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 ，可以处理从8 k b i t s 到2 m b i t s 的混合业务。扰码是用一个 数字序列与扩频处理后的数据相乘，目的是为了把终端或基站区分开。中间 码( m i d a m b l e 码) 也n q i ) l l 练序列，主要用于信道估计。 对于c d m a 系统来说，系统组网其实就是各种码字的分配，包括下行同 步码、上行同步码、中间码、信道化码以及扰码等。 2 1 4t d s c d m a 关键技术 1 智能天线技术 智能天线( s m a r ta n t e n n a ，s a ) 技术是t d s c d m a 采用的关键技术， 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 已由大唐电信申请了专利，目前w c d m a 与c d m a 2 0 0 0 都还没有采用这项 技术。智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电 子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间 各个链路的方向特性。t d s c d m a 智能天线的高效率是基于上行链路和下行 链路的无线路径的对称性( 无线环境和传输条件相同) 而获得的。智能天线 是利用用户空间位置的不同来区分不同用户。不同于传统的f d m a 、t d m a 或c d m a ，智能天线引入第4 种多址方式：s d m a ( 空分多址) 。即在相同时 隙、相同频率或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的中间传播路 径而区分。s d m a 是一种信道增容方式，与其他多址方式完全兼容，从而可 实现组合的多址方式，大大提高了系统的频谱利用效率。 t d s c d m a 系统中的智能天线是由8 个天线单元的同心阵列组成的，直 径为2 5 c m 。其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激 励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图，使用d s p 方法使主 瓣自适应地指向移动台方向，就可达到提高信号的载干比，降低发射功率等 目的。与全方向天线相比，它可获得8 d b 的增益。 通过智能天线获得的较高的频谱利用率，使高业务密度城市和城区所要 求的基站数量相应地变得较低。在业务量稀少的乡村，智能天线的方向性可 使无线覆盖范围增加1 倍。相应的所需基站数量降至通常情况的1 4 0 。 2 联合检测技术 c d m a 系统是干扰受限系统，干扰包括多径干扰、小区内多用户干扰和 小区间干扰。这些干扰破坏各个信道的正交性，降低c d m a 系统的频谱利用 率。在干扰消除上，传统做法是把小区内多用户干扰当作噪声处理，而没有 利用该干扰不同于噪声干扰的独有特性，浪费了系统资源。而联合检测技术 ( j o i nd e t e c t i o n ，j d ) ，它是消除小区内多用户干扰的重要技术，它把所有用 户的信号都当作有用信号处理，这样就可充分利用用户信号的相关信息，从 而大幅度降低多径多址干扰。t d s c d m a 系统采用联合检测技术，实现了智 能天线与联合检测算法的有机结合。联合检测克服了智能天线不能完全消除 1 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 的高速移动环境下的干扰。这两种技术的联合使系统具有集空间分集、时域 均衡以及多用户检测于一体的检测性能，其性能远远大于单独使用联合检测 的性能。 3 上行同步技术 同步c d m a 指上行链路各终端信号在基站解调器完全同步，这样可使使 用正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰，克 服了异步c d m a 多址技术由于每个移动终端发射的码道信号到达基站的时 间不同，造成码道非正交所带来的干扰，大大提高了c d m a 系统容量，简化 硬件，降低成本。 t d s c d m a 系统中，上行同步采用一定的算法，可以使系统的同步精度 达到1 8 码片宽度，否则就会产生多用户之间的干扰和不同小区之间的干扰。 精确的上行同步使t d s c d m a 显示了更多的优势。一是移动终端的数据到 达基站保持上行同步，可以有效地定位信道冲击响应；其次是上、下行链路 采用正交码扩频，只有精确的上行同步，才能保证接受到的扩频码正交，可 以有效减少干扰；再就是为保证上行信号到达基站时同步，移动台可以动态 调整发往基站的发射时间，从而可以进行距离估算，更有效地进行波束赋形 和接力切换。 4 动态信道分配技术 用户接入系统，需要一定的无线资源。动态信道分配( d c a ) 技术是利用系 统中的综合信息，对系统中的所有资源实施分配、管理和调度，以最大限度 地利用系统资源并确保链路和系统的性能。动态信道分配技术中把资源分配 到小区，称慢速d c a ；把资源分配给承载业务的，叫快速d c a 。 在t d s c d m a 中，采用智能天线后，空中接口可利用资源增加了1 维一 空域，使得d c a 技术可在频域、空域、时域、码域四个方面调配系统资源， 对于解决适应上下行流量和用户分布有效利用无线资源、降低交叉时隙干扰、 多种业务使用公平等问题起着重要作用。 5 接力切换技术 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 w c d m a 与c d m a 2 0 0 0 都采用了“软切换”技术，即当手机发生移动或是 目前与手机通信的基站话务繁忙、手机需要与一个新的目标基站通信时，手 机先不中断与原基站的联系，而是与新的基站连接后，再中断与原基站的联 系。软切换在瞬间同时连接两个基站，对信道资源占用较多。相对于软切换 而言，f d m a 和t d m a 系统采用的是“硬切换”技术。“硬切换”技术是先中断 与原基站的联系，再与新的基站进行连接，硬切换容易造成通信中断。接力 切换技术则是手机在与目标基站取得联系的同时中断与原基站的联系。与软 切换相比，可以减少切换时对邻近基站信道资源的占用时间，同时具有比硬 切换更高的切换成功率。 2 1 5t d s c d m a 主要技术特点 t d s c d m a 标准的提出在时间上晚于其它两个主流，这使t d s c d m a 在研制的过程中，综合考虑了国际上许多较为先进的无线通信技术。这些技 术使得系统的频谱利用率大大提高，系统容量增大。但是，也正由于标准制 定的晚，t d s c d m a 相对于其它两个主流标准而言，在技术成熟度上还有一 定的距离。 t d s c d m a 的技术特点主要表现在： ( 1 ) 频谱灵活性和支持蜂窝网的能力高。t d s c d m a 仅需要1 6 m h z 的最小带宽。若带宽为5 m h z 则支持3 个载波，在一个地区可组成蜂窝网， 支持移动业务，可通过自动信道分配( d c a ) 技术提供不对称数据业务。 ( 2 ) 高频谱利用率。t d s c d m a 为对称话音业