（通信与信息系统专业论文）wimax系统与wcdma系统共存干扰分析.pdf

摘要 w i m a x 系统与w c d m a 系统共存干扰分析 摘要 在移动通信从2 g 向3 g 过渡的今天，新技术不断应用，新的移 动网络运营商日益发展，频谱资源日趋紧张，各种潜在的干扰源正以 惊人的速度不断产生。在我国，中国移动、中国联通、中国电信、中 国网通等几家运营商以不同的移动通信体制占用9 0 0 m 及1 8 1 9 g 频谱。随着各种语音、数据业务的不断发展，移动用户数的不断增加， 可能还会划分到2 5 g 附近的备选频段。由于不同运营商网络配置不 当、盲目扩大网络覆盖范围，导致不同系统问产生干扰，同时由于各 系统采用不同的复用方法来提高频谱效率，以增加系统容量，同时带 来了同邻频干扰。另外，系统还存在由于电波传播的多径效应以及 其它无线射频设备造成的干扰等。无线干扰信号会给基站覆盖区域内 的移动通信带来许多问题，如掉话、通话质量差、信道拥塞等。 国际电联i t u r 第1 4 次会议为3 g 的f d d 和t d d 系统划分了 2 5 2 6 9 g h z 频段。美国f c c 在2 0 0 4 年允许固定微波业务使用 2 4 9 5 2 6 9 g h z 频段，这极大促进了w i m a x 系统在此频段的设备研 制和开发。而w c d m a 作为第三代移动通信系统方案之一，可以支 持更多类型的业务、更好的性能和更高的容量。作为移动运营商可能 采用的三代系统方案，w c d m a 可能采用2 5 2 6 9 g h z 频段。这样将 导致在部分地理区域，出现w c d m a 和w i m a x 系统邻频共存的情 况。由于高频器件的非线性特性，这些不同系统之间将存在相互干扰， 从而可能造成、c d m a 系统容量损失以及w i m a x 系统性能下降。 本研究课题采用理论分析和仿真方法，分析在2 5 2 6 9 g h z 频段 w c d m a 和w i m a xt d d 系统共存干扰情况。干扰的主要类型有两 系统基站之间、基站和移动台之间以及移动台之问产生的干扰。输出 结果主要是系统间干扰导致的w c d m a 上下行链路容量损失和 w i m a x 系统信号干扰噪声比方面性能下降。 本研究项目为中国移动集团公司的研究课题。通过此项目的研究 可以为w i m a x 系统频谱划分提供有益的依据，同时也为中国移动关 于w i m a x 系统决策分析提供技术储备。 关键词：w c d m aw l m a x 干扰分析仿真 l a b s t r a c t i n t e r i 吼r e n c ec o o r d i n a t i o na n d a n a iy s i s0 fw i 】a xa n dw c d m a a b s t r a c t i nt h et r a n s i t i o nf r o m2 gt o3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n st o d a y , t h e n e wt e c h n o l o g yw i l lb ea p p l i e d g r o w i n gn e wm o b i l en e t w o r ko p e r a t o r s ， s p e c t r u mr e s o u r c e sa r eb e c o m i n gi n c r e a s i n g ys t r a i n e d v a r i o u sp o t e n t i a l s o u r c e so fi n t e r f e r e n c ea r ee m e r g i n ga tap h e n o m e n a lr a t e i nc h i n a ， c h i n am o b i l e ，c h i n au n i c o m ，c h i n at e l e c o ma n dc h i n an e t c o m ，a n d o t h e ro p e r a t o r si ns e v e r a ld i f f e r e n tm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e mt o9 0 0 m h za n d1 8 - 1 9 g h zo c c u p i e ds p e c t r u m w i t hv o i c e d a t ab u s i n e s s d e v e l o p m e n ta n dt h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fm o b i l eu s e r s ，t h en e a r b y 2 5 g h zb a n dm a yb ea s s i g n e dt oa l t e r n a t i v eb a n d i m p r o p e rd i s t r i b u t i o n o fd i f i e r e n tn e t w o r ko p e r a t o r s b l i n de x p a n s i o no fn e t w o r kc o v e r a g el e d t oi n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h ed i f f e r e n ts y s t e m s m o r e o v e r ，t h ev a r i o u s s y s t e m su s i n g d i f f e r e n tm e t h o d st o i m p r o v es p e c t r u me f f i c i e n c y m u l t i p l e x i n gt oi n c r e a s es y s t e mc a p a c i t yb r o u g h tt h es a m eo ra d j a c e n t i n t e r f e r e n c e i na d d i t i o n ，t h es y s t e ms t i l le x i s tm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e c a u s e db yr a d i ow a v ep r o p a g a t i o na n dt h ee f f e c t so fb yo t h e rr a d i o f r e q u e n c ye q u i p m e n t w i r e l e s si n t e r f e r e n c es i g n a lw i l lb r i n ga b o u tm a n y i s s u e s ，s u c ha sd i s c o n n e c t i o n ，p o o rc a l lq u a l i t y , a n dc h a n n e l sc o n g e s t i o n t h e1 4 t hm e e t i n go ft h ei t u rf o r3 gf d da n dt d ds y s t e m d i v i d e d2 5 ，2 6 9 g h zb a n d f c ci nt h eu n i t e ds t a t e si n2 0 0 4t oa l l o wt h e u s eo ff i x e dm i c r o w a v eo p e r a t i o n s2 4 9 5 2 6 9 g h zb a n d g r e a t l y p r o m o t e dt h ew i m l 垅e q u i p m e n ti nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h i s b a n d a n dw c d m a3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma so n eo ft h e 2 a b s t r a c t o p t i o n st h a tc a ns u p p o r taw i d e rr a n g eo fb u s i n e s s ，b e t t e rp e r f o r m a n c e a n dh i g h e rc a p a c i t y a st h em o s tt h i r dg e n e r a t i o nl i k e l ys y s t e m ，w c d m a , o p e r a t o r sp o s s i b l eu s e2 5 , - 2 6 9 g h zb a n d t h i sw i l lr e s u l ti us o m e g e o g r a p h i c a r e a s t h e r ei r rw c d m aa n dw i m 魄xs y s t e mo f c o e x i s t e n c e a st h eh i g h f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h en o n l i n e a rd e v i c e 。 w h i c hw i l le x i s tm u t u a li n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h ed i f f e r e n ts y s t e m s t h e s e m a yl e a dt ol o s so fw c d m as y s t e mc a p a c i t ya n dd e c l i n eo fw i m a x s y s t e mp e r f o r m a n c e t h er e s e a r c ht o p i c sa r em a i n l yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n a n a l y s i sw c d m a a n dw i m a x s y s t e mc o e x i s t e n c ei n t e r f e r e n c ei n 2 5 2 6 9 g h zb a n d t h es y s t e mh a ss o m et y p e so fi n t e r f e r e n c eb e t w e e n b a s es t a t i o n s ，b a s es t a t i o na n dm o b i l es t a t i o n ，a sw e l la sb e t w e e nt h e m o b i l es t a t i o n s y s t e mo u t p u ti sm a i n l yw c d m a u p l i n k d o w n l i n k c a p a c i t yl o s s e sa n d 、m m a xs i g n a li n t e r f e r e n c en o i s er a t i op e r f o r m a n c e d e c l i n e n er e s e a r c hp r o j e c ti sf o rc h i n am o b i l eg r o u pc o m p a n y i tn o to n l y p r o v i d e sau s e f u lb a s i sf o rw i m a xs y s t e ms p e c t r u ma l l o c a t i o n b u ta l s o d e c i s i o n so nt h ep r o v i s i o no ft e c h n i c a la n a l y s i sr e s e r v e s k e yw o r d s ：w c d m aw i m a xi n t e r f e r e n c ea n a l y s i ss i m u l a t i o n 3 北京邮电大学硕士学位论文 缩略语 缩略语 英文缩写英文全拼中文 a c i 。 m a x i m u 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 最大邻道干扰 a c i r a d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r c n c er a t i o 邻道干扰功率比 a c u t a d j a c e n tc h a n n e ll e a k a g er a t i o 邻道泄漏比 a c s a d j a c e n tc h a n n e ls e l e c t i v i t y 邻道选择性灵敏度 a m r a d a p tm u l t i p l er a t e 自适应多速率 a t m a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e 异步转移模式 b s b a s es t a t i o n 基站 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址 d ld o w n l i n k 下行链路 f d d f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x 频分双工 f sf i x e ds e r v i c e 固定业务 g s mg l o b a ls 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 i s d n i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k 综合业务数字网 ui n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n 国际电信联盟 m a cm e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e r 媒质接入控制层 m c lm i n i m u mc o u p l i n gl o s s最小耦合损耗 m c sm i n i m u mc a l t i e rs e p a r a t i o n最小载波间隔 m i b m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e 管理信息库 m sm o b i l es t a t i o n移动台 n g nn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k 下一代网络 n l o sn o nl i n eo fs i g h t非视距 0 f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分复用 p s t np u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k公共交换电话网络； q a m q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n正交幅度调制 q o s q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 s ss u b s c r i b e rs t m i o n 用户站 t d dt i m ed i v i s i o nd u p l e x时分双工 u l u p l i n k 上行链路 w m a n w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na c c e s sn e t w o r k无线城域网 独仓姑e ( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：邋 导师签名：q 了，列 日期：型2 ：! ：! 墨 日期：型z ! ! ! ! 北京邮电大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 信息社会的到来，对移动通信手段提出了越来越高的要求。中国移动作为目 前全世界最大移动通信运营商，其g s m 网络建设已经相当成熟，也达到了相当 的用户满意程度；同时在一段时期内，尽管话音业务仍将是主要的业务，但是大 力推动数据业务的发展对于移动集团公司的成长壮大具有非常重要的意义。随着 我国移动通信事业的蓬勃发展特别是第三代移动通信系统的引入，能够提供话音 业务和多种速率的数据业务的3 g 网络建设将在保证g s m 网络稳定的基础上逐 步展开。w c d m a 作为第三代移动通信系统方案之一，不仅可以支持更多类型 的业务，而且比第二代移动通信系统( 如g s m ，i s 9 5 等) 有更好的性能和更高 的容量，也将是中国移动很有可能采用的第三代系统方案。 国际电联i t u r 第1 4 次会议为3 g 的f d d 和t d d 系统划分了2 5 砣6 9 g h z 频段1 1 j 。具体内容如下表： 表1 - 1f d d 和t d d 系统频率划分 移动台发射中间间隔基站发射双工间隔中间间 频率分配 ( m h z )( m h z )( m h z )( m h z ) 隔用法 c 12 5 0 m - 2 5 7 05 026 2 m - 2 6 9 01 2 0t d d c 225 0 m 2 5 7 05 026 2 m - 2 6 9 01 2 0f d d d l ( e x t e m a l ) c 3 灵活使用f i ) d 厂i d d 注释1 ：一些国家考虑现有的业务频率划分，可以在该频段采用全部或部分 的的划分； 注释2 ：在c 1 中，为了f d d 设备的实现，所有在边界上的保护带应当从 2 5 7 0 2 6 2 0 m 频段中考虑。依据r r u r 报告，保护带应当尽可能小； 注释3 ：在c 3 中，主管部门可以在全频段上采用t d d ，或者在频段上混合 采用f d d ，t d d 。一些主管部门可能使用任意双工间隔或相反的双工方式。但 是当主管部门选择采用混合的f d d r r d d 方式，并且使用固定的双工间隔时，双 工间隔和双工方式优选c 1 方案。 美国f c c 在2 0 0 4 年允许固定微波业务使用2 4 9 5 2 6 9 g h z 频段，这极大促 北京邮电大学硕士学位论文第一章引言 进了w i m a x 系统在此频段的设备研制和开发。随着数据业务的快速增长，以 及由于多个运营商之间的竞争，核心频段的频率资源有限，运营商为了满足不断 增长的业务需求，很有可能采用2 5 2 6 9 g h z 频段。这样将导致在部分地理区域， 例如“热点”地区，出现w c d m a 和w i m a x 系统邻频共存的情况。由于高频器 件的非线性特性，这些不同系统之间将存在相互干扰，从而可能造成w c d m a 系统容量的损失以及w l m a x 系统性能的下降。 目前w l m a x 技术主要应用场景和发展阶段为：固定接入，游牧式，便携 式和全移动。在业务能力方面，w l m a x 技术在固定接入时可以提供 7 5 m b s ( 2 0 m o _ z 带宽) ，移动情况下可以提供3 0 m b s ( 1 0 m h z 带宽) 。相比之下， w c d m a 增强型h s d p a 仅能提供最大1 4 4 m b s ( 5 m h z 带宽) 。所以w l m a x 在 热点地区提供高速数据业务服务具有较大优势，而且w l m a x 一旦发展到全移 动阶段，将不可避免地对3 g 业务产生一定的冲击和影响。因此对w l m a x 技术 进行深入研究是十分必要的。 1 2 研究内容及成果 本文设计了一个w l m a x 和w c d m a 系统共存干扰分析方案。鉴于 w c d m a 建网初期，仍然以话音业务为主。所以在本研究方案中，w c d m a 系 统主要采用话音业务，w l m a x 系统采用i e e e8 0 2 1 6 t d d 方式的技术标准包括 i e e e8 0 2 1 6 d 1 2 l 和i e e e8 0 2 1 6 e 3 1 。在多小区广阔区域情况下，分析w c d m a 和 w l m a x 系统共存产生的干扰对系统性能的影响。本课题主要分析以下干扰场 景： 基站干扰基站； 基站干扰用户； 用户干扰基站； 用户干扰用户。 干扰对于w c d m a 系统上下行链路的影响，主要用有干扰和无干扰的相对 容量损失表示【4 1 。干扰对w l m a x 系统的上下行链路的影响，主要用有干扰和无 干扰的系统性能下降来表示，主要用频谱效率衡量。通过对研究结果的分析，得 出当两个系统不同布局场景时的干扰影响，并采取相应措施来进行规避。 本课题研究紧跟删8 f 工作组研究进度，多次向r r u r8 f 工作组提交课题 的研究方法和结论，并得到采纳。在此过程中，作者发表相关论文一篇，被2 0 0 6 年度无线及移动通信委员会学术年会会议论文集收录。 2 北京邮电大学硕士学位论文 第一章引言 1 3 论文结构安排 本文后续章节内容安排如下：第二章是系统的综述部分，首先对w l m a x 系统和w c d m a 系统做了一个简要的介绍，包括技术标准和系统结构，并分析 了两个系统之间的关系。之后介绍了干扰相关概念，包括干扰对通信系统的危害 和如何对抗干扰等等。第三章对干扰的分析方法做了详细的介绍，包括干扰分析 常用的确定性分析方法和蒙特卡罗仿真方法。第四章中设计了仿真系统，给出了 我所设计的仿真流程，并给出了仿真所用到的技术参数。第五章给出了确定性分 析方法和蒙特卡罗仿真方法两种方法分别得到的结果，并进行对比和分析。文章 的最后给出了结论。 3 北京邮电大学硕士学位论文第二章仿真系统概述 2 1w i m a x 系统简介 第二章仿真系统概述 2 1 1w i m a x 技术标准现状和发展 w i m a x 是“w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ”的缩写，是基于 i e e e8 0 2 1 6 标准。8 0 2 1 6 是i e e e s a 在1 9 9 9 年成立的专门开发宽带固定无线技 术标准，目标就是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。而w i m a x 组织也 是为了实现这一目标而由几家世界知名企业还发起成立的。随着w i m a x 组织的 发展壮大加快了8 0 2 1 6 标准的发展，特别是移动w i m a x 8 0 2 1 6 e 标准的提出更 加引人注意。 i e e e8 0 2 1 6 标准又称为i e e ew i r e l e s sm a n 空中接口标准，是工作于 2 6 6 g h z 无线频带的空中接口规范。由于它所规定的无线系统覆盖范围可高达 5 0 k m ，因此8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网，符合该标准的无线接入系统被视为可 与d s l 竞争的最后一公里宽带接入解决方案。根据使用频带高低的不同，8 0 2 1 6 系统可分为应用于视距和非视距两种，其中使用2 一l l g h z 频带的系统应用于非视 距( n l o s ) 范围，而使用1 0 6 6 g h z 频带的系统应用于视距( l o s ) 范围。根 据是否支持移动特性，8 0 2 1 6 标准又可分为固定宽带无线接入空中接口标准和移 动宽带无线接入空中接口标准。 i e e e8 0 2 1 6 标准系列到目前为止包括8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 、8 0 2 1 6 d 、 8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 f 、8 0 2 1 6 9 7 个标准，下面将对各标准的情况加以介绍。 8 0 2 1 6 是i e e e 于2 0 0 1 年1 2 月颁布的第1 个工作于1 0 6 6 g h z 频段的固 定宽带无线接入( f b w a ) 空中接口技术标准，并于2 0 0 4 年进行了修订。由于 频率较高，需要在视距范围内通信，故其应用范围受到很大限制。 为了能够获得更广泛的应用，2 0 0 3 年1 月颁布的i e e e 8 0 2 1 6 a 2 0 0 3 标准对之 前颁布的8 0 2 1 6 标准进行了扩展，对使用2 1 1 许可和免许可频段的固定宽带无 线接入系统的空中接口物理层和m a c 层进行了规范，该频段具有非视距传输的 特点，覆盖范围最远可达5 0 k i n ，通常小区半径为6 1 0 k m 。另外，8 0 2 1 6 a 的 m a c 层提供了o o s 保证机制，可支持语音和视频等实时性业务。这些特点使得 8 0 2 1 6 a 标准与8 0 2 1 6 标准相比更具有市场应用价值，真正成为适合应用于城域 网的无线接入手段。 2 0 0 3 年正式发布的8 0 2 1 6 d , 示准是对8 0 2 1 6 标准的增补文件，是8 0 2 1 6 系统的 兼容性标准，它详细规定了1 0 6 6 g h z 频段8 0 2 1 6 系统在实现上的一系列特性 4 北京邮电大学硕士学位论文第二章仿真系统概述 和功能。 i e e e s 0 2 1 6 d 2 0 0 4 标准是8 0 2 1 6 标准系列的一个修订版本，是相对比较成熟 并且最具有实用性的一个标准版本，在2 0 0 4 年7 月正式发布。8 0 2 1 6 d 对2 6 6 g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层进行了详细规定，定义了支持多种业务类 型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个物理层。该标准对前几个 8 0 2 1 6 标准进行了整合和修订，但仍属于固定宽带无线接入规范。它保持了 8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 等标准中的所有模式和主要特性同时未增加新的模式，增加或 修改的内容用来提高系统性能和简化部署，或者用来更正错误、不明确或不完整 的描述，其中包括对部分系统信息的增补和修订。同时，为了能够后向平滑过渡 到支持用户站以车辆速度移动的8 0 2 1 6 e 标准，还增加了部分功能以支持用户的 移动性。 i e e e 8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 标准是8 0 2 1 6 标准的增强版本，在2 0 0 5 年底正式发布。该 标准规定了可同时支持固定和移动宽带无线接入的系统，工作在2 6 g i - i z 之间适 宜于移动性的许可频段，可支持用户站以车辆速度移动，同时8 0 2 1 6 a 规定的固 定无线接入用户能力并不因此受到影响。同时该标准也规定了支持基站或扇区间 高层切换的功能。8 0 2 1 6 e 标准面向更长范围的无线点到多点城域网系统，该系 统可提供核心公共网接入。制定8 0 2 1 6 e 标准的目的是希望能够提出一种既能提 供高速数据业务又使用户具有移动性的宽带无线接入解决方案，该技术被业界视 为目前唯一能对3 g 构成竞争的下一代宽带无线技术。8 0 2 1 6 e 标准后向兼容 8 0 2 1 6 d ，物理层实现方式与i e e e8 0 2 1 6 d 基本一致，主要差别是对o f d m a 进 行了扩展。为了支持移动性，在m a c 层，8 0 2 1 6 e 还增加了一些消息和消息传输 机制来应对物理层的修改，通过快速自动请求重传( a r q ) 和预留来降低时延，增 加了针对上行链路的功率、频率和时隙快速调整功能等。 8 0 2 1 6 f 标准定义了8 0 2 1 6 系统m a c 层和物理层的管理信息库( m i b ) 以及 相关的管理流程。该标准的制定工作正处于进行阶段，计划将在2 0 0 6 年发布。 8 0 2 1 6 9 b 示准制定的目的是为了规定标准的8 0 2 1 6 系统管理流程和接1 ：3 ，从而 能够实现8 0 2 1 6 设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管理。该标 准的制定工作处于起步阶段，计划将在2 0 0 7 年发布。 下面就8 0 2 1 6 系列标准的负责的技术领域做一个简单的总结，如下表所示。 表2 - 1i e e e 8 0 2 1 6 系列标准 标准号负责的技术领域 8 0 2 1 61 0 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口标准 8 0 2 1 6 a2 - 1 1 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口标准 8 0 2 1 6 c 1 0 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统关于兼容性的增补文件 5 北京邮电大学硕士学位论文第二章仿真系统概述 8 0 2 1 6 d 2 - 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口标准 8 0 2 1 6 e 2 - 6 g h z 固定和移动宽带无线接入系统空中接口标准 8 0 2 1 6 f 固定宽带无线接入系统空中接i s i m i b 要求 8 0 2 1 6 9 固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理平面流程和服务要求 2 1 2w i m a x 系统组成及应用 i 、8 0 2 1 6 标准的网络结构 下图所示的为w i m a x 网络体系结构【5 1 。 图2 - 1 w i m a x 网络结构示意图 w i m a x 网络体系结构包括核心网络、基站( b s ) 、用户基站( s s ) 、接力 站( r s ) 、用户终端设备( t e ) 以及网管。 w i m a x 连接的核心网络通常为传统交换网或因特网。w i m a x 系统提供核 心网与基站之间的接口，但w l m a x 系统不包括核心网络。 基站提供用户基站与核心网之间的连接，通常采用扇形、定向或全向天线。 w i m a x 基站可提供灵活的子信道部署与配置功能，能够使运营商根据所拥有的 频段资源灵活规划信道带宽，并根据用户群体情况不断的升级扩展网络。 用户基站提供基站与用户终端设备之间的中继连接。i e e e 8 0 2 1 6 用户基站 通常采用固定天线，并被安装在屋顶上。基站与用户基站间采用动态适应信号调 制模式，这种模式使得基站根据信号强弱调整到每个用户基站的带宽，以确保与 用户基站的正常连接。 接力站通常用于提高基站的覆盖能力，也就是充当一个基站和若干个用户基 站( 或用户终端设备) 间信息的中继站。接力站面向用户侧的下行频率可以与其 面向基站的上行频率相同，也可以不同。 w i m a x 系统定义用户终端设备与用户基站问的连接接口，提供用户终端设 6 北京邮电大学硕士学位论文第二章仿真系统概述 备的接入。 网管系统用于监视和控制网络内所有的基站和用户基站，提供查询、状态监 控、软件下载、系统参数配置等功能。 在i e e e 8 0 2 1 6 d 及以前的版本中，w i m a x 系统不支持终端设备的移动性， 一幢大楼安装一个s s ，起到了固定无线宽带接入的作用。8 0 2 1 6 e 协议使网络终 端具有移动性，终端设备能够在b s 之间自由地进行切换和漫游。w i m a x 系统 的m a c 层支持两种网络模式，点到多点( p m p ，p o i n tt om u l t ip o i n t ) 模式和 m e s h 模式。本文主要应用p m p 模式。p m p 模式和传统的移动通信机制基本相 同，一个b s 管理若干个s s ，各个s s 只能与所属的b s 进行通信，形成星形 的网络结构。m e s h 模式则允许s s 之间直接通信，形成网状结构。 2 、w l m a x 应用场景 w i m a x 作为城域网接入手段，采用了多种技术满足建筑物阻挡情况下的非 视距( n l o s ) 和阻挡视距( o l o s ) 的传播需求，因此其可以实现非视距传输 ( 这种情形下的传输距离会缩短) 。8 0 2 1 6 d 主要适用于无线传输和中小型企业 接入，8 0 2 1 6 e 主要适用于家庭接入和个人终端，支持数据、语音和视频等业 务，可与2 g 、3 g 、w l l 、w l a n 、n g n 等网络混合组网。 固定接入：固定接入业务是w i m a x 运营网络中最基本的业务模型，类似 于固定d s l 或电缆宽带业务。在这个场景下，不支持便携式连接或切换。s s 可 以选择或者将连接改变到最佳的信号的基站。在这个场景下，在口连接建立之 前，必须进行鉴权或授权。终端一般为小盒子，一般有室外型的o d u 和天线， 市场容量一般，规模商用时间为2 0 0 6 年。 游牧式：游牧式业务是固定接入方式发展的下一个阶段，终端可以从不同的 接入点，接入一个运营商的w i m a x 网络，不支持不同基站之间的切换。此种 应用可以和固定接入同时提供。 便携式：便携式业务是游牧式发展的下一个阶段，在步行速度下具有有限的 切换能力。当终端静止不动时，便携式业务的应用模型与固定式业务和游牧式业 务相同。此应用场景主要面向家庭接入和商务人士用户市场，终端一般为 p c m c 认卡，放置在便携机里；市场容量较大，规模商用时间估计要到2 0 0 7 年 以后。 全移动：支持车速移动下无中断的应用，面向个人用户市场，可漫游切换， 终端一般为p d a ；市场容量很大，商用时间估计要到2 0 0 8 年甚至2 0 0 9 年以后。 7 北京邮电大学硕士学位论文第= 章仿真系统概述 2 2w c d m a 系统简介 2 2 1w c d m a 标准现状和发展 加世纪9 0 年代初期，欧洲电信标准协会( f r s d 就开始为3 g 标准征求技术 方案，并将3 g 技术称为通用移动通信系统m m t s ) 。w c d m a ( 带宽5 m i - i z ) 建议 是多种方案之一。其后，日本的积极参与极大地推动了3 g 标准的全球化步伐。 1 9 9 8 年，日本和欧洲在宽带c d m a 建议的关键参数上取得一致，使之正式成为 u m t s 体系中频分双i ( f d d ) 频段空中接口的入选技术方案，并由此通称为 w c d m a 。 w c d m a 主要由e t s i 和日本无线电产业协会( a r i b ) 提出，w c d m a 系统支 持宽带业务，可有效支持电路交换业务( 如p s t n 和i s d l s 0 、分组交换业务( 如坤 网1 。灵活的无线协议可在一个载波内对用户同时支持话音、数据和多媒体业务， 并通过透明或非透明传输块来支持实时业务和非实时业务。作为一个完整的3 g 移动通信技术标准，u m t s 不仅定义了空中接口，而且还包括接入网络和分组化 的核心网络等一系列技术规范和接口协议。 w c d m a 是i m t 2 0 0 0 家族最主要的3 种技术标准之一。从基本意义上来说， w c d m a 版本的演进过程也是一个技术和业务需求不断提高的过程。w c d m a 标准经过多年发展，已渐趋成熟，其标准化工作由3 g p p 组织完成。到目前为止， 主要有5 个版本，即3 g p p r 9 9 、3 g p p r 4 、3 g p p r 5 、3 g p p r 6 和3 g p p r 7 ，前 4 个版本已经完成并终结，目前正在进行r 7 版本的制定工作。不同版本间的功 能划分并不是绝对和清晰的，而是按时间进度和工作完成情况进行灵活划分，不 一定某个功能必须在某个版本中完成，在修改版本时应遵守向后兼容的原则，各 版本的演进时间如图所示。 荸i m r 、, i s 新增i i s u p “婚宅鲁 豁：温m 田 柯f 宅律l 落篇稀黜d 囊m 圃i 埔枷1 1 卜h ( l = ：ii 一川嘶奉：0 0 ，i oil i 兰! ：! ! l 雨盏d 。j 2 t l 童巍s 学i o f l ) m 翻埘m i l o 翻宅噜- 冤雨 图2 - 2w c d m a 演进示意图 8 北京邮电大学硕士学位论文第二章仿真系统概述 3 g p p r 9 9 版本功能于2 0 0 0 年3 月份确定，标准己相当完善，后续版本将都 与3 g p pr 9 9 版兼容。目前在全球已经安装和试开通的w c d m a 网络都是基于 这个版本的。3 g p pr 9 9 版本最大的特征是在网络结构上继承了广泛采用的第二 代移动通信系统g s m g p r s 核心网结构。与现有的2 ( 3 或2 5 g 移动网络相 比，3 g p pr 9 9 版本发生了根本性变化，它引入了全新的接入网通用地面无 线接入网络( u t r a n ) ，空中接1 2 1 技术采用w c d m a ，而核心网部分则是基于g s m 系统的移动应用部分( m a p ) 的，可通过网络扩展方式提供在基于a n s i 4 1 的核心 网上运行的能力。同时，3 g p pr 9 9 采用了分组化传输，更有利于实现高速移动 数据业务的传输。因此，在3 g p pr 9 9 版本中，w c d m a 和g s m 使用相同的核 心网络，但是两者还是有一些不同的地方。如w c d m a 的编码解码器是和移动 交换中心( m s c ) 在一起的，而在g s m 网络中，编码解码器和基站控制器在一起。 同样，g s m 采用脉冲编码调常i j ( p c m ) 编码，而w c d m a 采用自适应多速率( a m r ) 编码。 3 g p p r 4 版本功能于2 0 0 1 年3 月份确定，标准已相当完善。在3 g p p r 4 网 络中，核心网的电路交换域被分成两层，它们是控制层和连接层。控制层负责控 制呼叫的建立、进程的管理和计费等相关功能，连接层主要用来传输用户的数据。 关于分组交换域，3 g p p r 4 和3 g p pr 9 9 没有区别。由于分层结构的引入，可以 采用新的承载技术( 如a i m 和i p ) 来传输电路域的语音和信令。由于分组交换域 的传输是建立在a t m 或口网络上，因而运营商可以用同一个网络来传输所有业 务。 随着数据业务的增长和无线互联网的应用，w c d m a 的网络结构逐渐向全 口化方向发展，先是核心网，然后是全网口化，1 1 5 成为全口的第一个版本。3 g p p r 5 版本功能于2 0 0 2 年6 月份确定。r 5 阶段接入网部分采用全口，核心网部分 主要是引入了i m s 域，它是基于p s ( 分组域) 之上的多媒体业务平台，用于提供 各种实时的或非实时的多媒体业务。r 5 的早期仍然保留电路域，话音由其实现； 到后期c s 和p s 将完全融合，所有业务由i p 承载，全网从接入到交换实现全m 化。1 7 , 5 阶段只完成了i m s 子系统的基本功能的描述，大量内容有待于在r 6 中 解决。 到了3 g p pr 6 版本阶段，网络架构方面已没有太大的变更，主要是增加了 一些新的功能特性，以及对已有功能特性的增强。3 g p pr 6 版本功能于2 0 0 4 年 1 2 月确定。在r 6 版本中，u m t s 移动网为p r i t ( 一键通) 业务提供承载能力，p 1 t 业务应用层规范由o m a ( 开放移动联盟) 制定；用户经过w l a n 接入时可与 u m t s 用户一样使用移动网业务，有多个互通层面，包括统一鉴权、计费、利用 移动网提供的p s 和i m s 业务、不同接入方式切换时业务不中断；多个移动运营 9 北京邮电大学硕士学位论文 第二章仿真系统概述 商共享接入网，且有各自独立的核心网或业务网。 3 g p p 在r 7 版本主要继续r 6 未完成的标准和业务( 如m i m o 技术，包括多 种m i m o 实现技术等) ，考虑支持通过c s 域承载i m s 话音、通过p s 域提供紧 急服务、提供基于w l a n 的i b i s 话音与g s m 网络的电路域的互通、提供x d s l 和c a b l em o d e m 等固定接入方式。同时，引入o f d m ，完善h s d p a 和h s u p a 技术标准。目前，r 7 标准正在制定中。 随着用户对多业务需求的不断提高，w c d m a 标准在不同的版本中引入很 多新业务，使业务向多样化、个性化方向发展，代表性的有虚拟归属环境概念、 引入基于口的多媒体业务及其它形式多样的补充业务等。w