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t d s c d m a 系统级仿真方法研究以及功率控制在系统级仿 真中的实现 摘要 t d s c d m a 是由我国提出的采用t d d 制式的第三代移动通信 标准。它采用不需要配对频率的t d d 双工模式，以及 f d m t d m 刖c d m a 相结合的多址接入方式，提供话音业务、高速 率的数据业务以及多媒体业务。目前，t d s c d m a 系统正处于商用 前的试验阶段。本文将提出一种基于面向对象思想、模块化的 t d s c d m a 系统级动态仿真方法。同时对于功率控制在系统级进行 仿真进行了探讨，并且得到了相应的仿真结果。 论文全文共分四章。第一章简要介绍了t d s c d m a 系统的概 况，主要从t d s c d m a 系统的网络结构、帧结构、关键技术、系统 优势以及存在的问题等几个方面进行论述。第二章介绍了系统级仿 真的基本原理和方法，对于系统级仿真的特点以及目前被广泛采用 的两种仿真方法一快照法和时间驱动法也进行了介绍。众所周知， 功率控制是t d s c d m a 系统中最为关键的物理层技术之一，其性能 的优劣直接关系到整个系统的工作效果。第三章主要介绍了作为 c d m a 系统中一项重要技术的功率控制的具体分类及各类功率控制 的主要原理，同时详细地分析了功率控制的实现过程。第四章详细 论述了t d s c d m a 系统级仿真各个主要算法与模块的建模方法，同 时还着重介绍了本文提出的t d s c d m a 系统级动态仿真平台的结 构组成和主要模块的功能与流程，最后，在我们的仿真平台上对话 音业务进行了仿真，并得出了相应的仿真结果和数据分析，针对 t d s c d m a 系统的话音业务性能进行了评估。 关键词：t d s c d m a 系统级仿真功率控制 r e s e a r c ho nt d s c d m as y s t e ms i m i ，a t o r a n df u l f i l l m e n to fp o w e rc o n t r o li ns y s t e m l e v e ls i d 江u i ，a t i o n a bs t r a c t t d s c d m a ，p r o p o s e db yc h i n aa c a d e m i co ft e l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , w a sa c c e p t e db yt h ei t ua s o n eo ft h e3 r dg e n e r a t i o n s t a n d a r d s f o rt d s c d m am o d e ，ap h y s i c a lc h a n n e li sc h a r a c t e r i z e db y ac o m b i n a t i o no fi t sc a r t i e rf r e q u e n c y , t i m es l o ta n ds p r e a d i n gc o d e t d s c d m ai sd e s i g n e dt os u p p o r tv o i c es e r v i c e ，a sw e l la sm u l t i m e d i a s e r v i c e t h i st h e s i sf o c u s e so na l lo b j e c t i v e o r i e n t e d ，m o d u l a r i z e dm e t h o d f o re v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft d - s c d m a ，a sw e l la st h em e t h o do f s i m u l a t i n gp o w e rc o n t r o ls y s t e ml e v e ls i m u l a t i o n t h e r ea r e4 c h a p t e r s i nt h i s t h e s i s c h a p t e r 1 p r o v i d e s t h e i n t r o d u c t i o no ft d s c d m as y s t e m ，i n c l u d i n gt h en e t w o r ka r c h i t e c t u r e ， f r a m ea r c h i t e c t u r e ，s y s t e ma d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft d s c d m a c h a p t e r2d i s c u s s e st h ep r i n c i p l ea n dm e t h o d sf o rs y s t e ml e v e ls i m u l a t i o n i nc d m a s y s t e m s ，t h eb a s i cc h a r a c t e r so fs y s t e ml e v e ls i m u l a t i o na n dt h e m o s tp o p u l a rs i m u l a t i o nm e t h o df o rb o t hs t a t i ca n dd y n a m i cs i m u l a t i o n a r ea l s od i s c u s s e d c o n s i d e r i n gt h ei m p o r t a n c ea n dh i g hc o m p l e x i t yo f p o w e rc o n t r o l ，c h a p t e r3i n t r o d u c e st h ed i f f e r e n tp o w e rc o n t r o lw h i c hi s ak e yt e c h n i q u ef o rc d m aa n ds o m eb a s i cp r i n c i p l e ，a n da n a l y s e st h e r e a l i z e dp r o c e s so f p o w e rc o n t r o ld e t a i l e d l y c h a p t e r4p r o p o s e sam e t h o d t of u l f i l ls m a r ta n t e n n ai ns y s t e ml e v e ls i m u l a t i o na n da n a l y z et h e f e a s i b i l i t y o ft h e p r o p o s e dm e t h o d t h es i m u l a t i o n m e t h o d sf o r e v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft d s c d m aa r ei n v e s t i g a t e di nc h a p t e r4 af u n d a m e n t a lm e t h o d o l o g yo fb u i l d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n db a s i c m e t h o d so fs t r u c t u r i n gt d s c d m as y s t e ml e v e ls i m u l a t o ra r ea l s o p r o p o s e d t h e nt h ep e r f o r m a n c eo fs p e e c ht r a f f i ci nt d s c d m as y s t e m i se v a l u a t e d a n ds o m es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ea n a l y s e sa r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：t d s c d m a s y s t e ml e v e ls i m u l a t i o np o w e rc o n t r o l 独创性( 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 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：z 里三查：丝上 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：蕴坠鲤日期：竺：芝幺苎 导师签名：氢丛日期：丝呈墨：兰：兰 t d - s c d m a 系统级仿真方法研究以及功率控翩在系统级仿真中的实现 第一章t d s c d m a 系统简介 本章从总体上简要的介绍了第三代移动通信系统标准中的t d s c d m a 系 统，内容涉及t d s c d m a 的网络结构、物理层帧结构、关键技术及其优势，以 及目前仍然存在的一些问题。通过本章的介绍，读者可以对于t d s c d m a 系统 有一个整体上的认识。 1 1t d s c d m a 系统介绍 t d s c d m a 是由我国提出的采用t d d 制式的第三代移动通信标准。1 9 9 9 年1 1 月5 日，在i t u rt g 8 1 最后一次全体会议上，t d s c d m a 被i t u r 正 式写入i m t 2 0 0 0 无线接口技术规范i m t r s p c ；在2 0 0 0 年5 月5 日结束的i t u r 2 0 0 0 全体会议( r a 2 0 0 0 ) 上，正式通过此建议，并很快会被正式出版、发行。 3 g p p 接受了t d s c d m a 作为3 g p pu t r at d d 的低码片速率选项，并提出了 集成( i n t e g r a t i o n ) 的概念，目前已把t d s c d m a 技术集成到具体的技术规范当中。 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。该系 统全面满足i m t 2 0 0 0 的基本要求，提供高速率的数据传输以支持多媒体业务： 室内环境至少2 m b p s ，室外步行环境至少3 8 4 k b p s ，室外车辆环境至少1 4 4 k b p s 。 它采用不需配对频率的t d d 双工模式，以及f d m t d m c d m a 相结合的多 址接入方式，同时使用1 2 8 m c s 的低码片速率，扩频带宽为1 6 m h z 。 1 1 1t d - s c d m a 网络结构 i m t 2 0 0 0 标准由两个主要部分构成：核心网络( c n ) 和无线接x , 网( r a n ) 。 r a n 由若干通过i u 接口连接到c n 的无线网络子系统( r n s ) 组成。而r n s 由无 线网络管n i 器( r n c ) ，无线基站子系统( n o d eb ) 和用户终端( u e ) 所构成，如图1 - 1 所示。 t d s c d m a 系统级仿真方法研究以及功率控翩在系统级仿真中的实现 图卜1t d s c d m a 系统网络架构1 n o d eb 通过i u b 接口和r n c 相连。r n c 负责u e 的切换控制，提供支持 不同n o d eb 问宏分集信息流的组合分裂功能。r n s 之间的r n c 通过i u r 接1 3 相连。i u r 接口可以通过r n c 之间的物理连接直接相连，也可以通过任何合适的 传输网络相连。n o d eb 和u e 之间通过空间接口( u u ) 连接。 1 1 2t d - s c d m a 系统帧结构 t d s c d m a 系统的物理信道用四层结构：超帧、无线帧、子帧和时隙码。 在t d s c d m a 系统中，时隙用于在时域上区分不同的用户信号，具有t d m a 的特性。依据不同的资源分配方案，子帧或时隙码的配置结构可能有所不同。 图1 2 给出了物理信道的信号格式。 4 t d s c d m a 系统级仿真方法研究以及功率控翩在系统级仿真中的实现 无线帧( 1 0 m s ) i i 帧撑i帧撑i + 1 7 邮m s - 。、 ；1 r 、- 子帧群1子帧# 2 。，- ，。，+ 。- ， 时隙样o时隙捍l时隙样2时隙 6 图1 - 2 物理信道信号格式 一个t d s c d m a 帧的长度为1 0 m s ，分成两个5 m s 子帧，每1 0 m s 帧长内的 2 个子帧的结构是完全相同的。如图1 3 所示，每一个5 m s 的子帧由7 个常规时 隙和3 个特殊时隙：下行导频时隙、上行导频时隙和保护时隙构成。在这7 个常 规时隙中，t s 0 总是分配给下行链路，而t s l 总是分配给上行链路。上行链路的 时隙和下行链路的时隙之间由一个切换点分开，在t d s c d m a 系统中的每个 5 m s 的子帧中，有两个交换点( u l 到d l 和d l 到u l ) 。t d s c d m a 所提出 的帧结构考虑了对一些新技术的支持，如智能天线( 波束成形) 技术和上行同步 技术。 1 2 8 m c p s d w p t s ( 9 6 c h i p s ) 切换点 搦十 图1 - 3t d s c d m a 系统子帧结构 1 1 3t d - s c d m a 系统的关键技术 t d s c d m a 作为c d m at d d 的一种，具备t d d 的所有特点，如混合多址 方式，上下行链路特性的一致，时隙按上下行链路所需数据量进行动态分配等。 t d s c d m a 的独特的帧结构保证它可以采用一些先进的物理层技术，包括智能 t d s c d m a 系统级伤真力法研究以及功率控翩在系统级仿真中的实现 天线、联合检测、上行同步、动态信道分配等，从而提高系统的性能。此外， t d s c d m a 的关键技术还包括多址技术和接力切换等术，这些关键技术也是 t d s c d m a 和其他3 g 标准竞争的核心竞争力。下面逐一进行介绍。 智能天线 智能天线的物理结构是一种由多个天线阵元组成的按一定配置排列的阵列 天线。它通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的天线方向图，使用 数字信号处理方法使天线主瓣自适应的指向移动台方向，从而达到提高信号载干 比，降低发射功率的目的。 在t d s c d m a 系统的上行链路中，通过基带数字信号处理器，对各个天线 链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。由于t d d 系统 上下行链路工作在相同频率，时问间隔很小，可以认为上行与下行的电波传播特 性是对称的，故可以将上行波束赋形中得到的参数直接用于下行波束赋形。主要 是利用训练序列得到的信道冲击响应估计，然后从信道冲击响应估计中得到这些 参数，例如来波方向d o a 。 在t d s c d m a 系统中，智能天线在上行链路中的作用是将小区内与小区间 的多址干扰最小化，同时利用多天线获得分集增益；它在下行链路中的作用是抑 制小区内与小区i 日j 的多址干扰。同时智能天线提高了移动台的接收灵敏度，在保 证移动台相同接收性能的条件下降低了基站的发射功率，从而可以通过使用较低 额定输出功率的功率放大器来降低基站设备成本。应当指出，在t d 。s c d m a 中， 智能天线与联合检测是结合使用的，这样一方面可以降低基带信号处理的计算 量，另一方面可以利用联合检测进一步降低小区内的多址干扰，并抑制码间串扰。 联合检测 传统的c d m a 检测算法把m a i 看作热噪声来处理，分离地检测各个用户的 信号，导致系统容量的下降。但m a i 里有许多先验信息，如确知的用户扩谱序 列。因此，如果能利用m a i ，把所有用户的检测看作一个统一的信号检测过程， 必然可以提高系统的容量。这一类检测方法称为多用户检测m u d 。联合检测是 多用户检测的一种，使用联合检测技术，理论上可以完全抑制本小区的同频干扰。 在t d s c d m a 系统中，利用已知的训练序列( m i d a m b l e ) 进行不同码道的 6 t d s c d m a 系统级仿真力法研究以及功率控翩在系统级仿真中的实现 信道冲击响应估计，对多码道信号联合处理，去除多址干扰和码间串扰。联合检 测的作用主要表现在以下两个方面：在移动台处，虽然基站的智能天线波束赋 形极大地降低了多用户干扰的强度，但是多址干扰依然存在，尤其是当用户的位 置非常靠近时，智能天线空分多址的作用受到限制，多址干扰问题仍很严重。而 联合检测技术能很好地解决这种情况下的小区内的多址干扰问题。在基站处， 由于信号从移动台沿多径到达基站，因此上行同步技术只能保证主径在一定范围 内的同步。联合检测技术把同一时隙中多个用户的信号及多径信号一起处理，精 确地检测出各个用户的信号，克服了这方面的缺点。 上行同步 t d s c d m a 系统中，上行链路和下行链路一样，都采用币交码扩频。移动 台动态调整发往基站的发射时间，使上行信号主径到达基站时保持同步，保证了 上行信道信号的不相关，降低了码间干扰。这样，系统的容量由于码间干扰的降 低大大提高，同时基站接收机的复杂度也大为降低。 动态信道分配 信道分配算法可以分为固定信道分配f c a 和动态信道分配d c a 两种。固定 信道分配f c a 根据预先估计的覆盖区域的业务负荷，将s 个可用信道分配给n 个小区，如果采用均匀分配的原则，则每个小区有s n 个信道，每n 个小区形 成一个小区簇。根据某种频率再用模式，每个小区被固定分配了某个信道集合， 所有在该小区的呼叫都必须使用分配给该小区的信道，相同的信道只有在一定距 离间隔之外的其他小区才可以得到使用。如果该小区的所有信道都被占用，则该 呼叫被阻塞，用户得不到服务。f c a 的主要优点是简单，无需繁琐的信道选择。 只要分配给该小区的信道集合中有未使用的信道，就可以为该小区内的一个呼叫 建立一个通信链路。f c a 的主要缺点是频谱利用率低，不能很好地适应网络中 负荷的变化以及对信道预规划的需求。由于在2 g 系统中主要以话音业务为主， 不同用户使用的业务对于信道的需求基本相同，因此在信道分配上大都采用 f c a 。 在d c a 中小区和信道之问并没有f c a 那样固定的关系。所有的信道都被集 中到一起分配，只要该信道能够提供足够的链路质量，即大于最小载干比时，任 t d - s c d m a 系统级仿真方法研究以及功率控翩在系统级仿真中钧实现 何小区都可以将该信道分配给呼叫。在通信系统运行过程中，d c a 根据当前的 网络状态，动态地将信道分配给某个小区。在一定的区域内，几个小区可用信道 资源被集中起来，由无线网络控制器r n c 管理。r n c 将根据小区呼叫阻塞概率、 候选信道的使用频率、信道的再用距离等诸多代价函数，动态地将信道分配给呼 叫。动态信道分配d c a 的优点是频率利用率高，无须信道预规划，非常适合网 络中负载的变化大的情况，是t d d 模式的优势之一。 接力切换 t d s c d m a 系统的接力切换概念不同于硬切换与软切换，在切换之前，目 标基站n o d eb 已经获得移动台u e 比较精确的位置信息，因此在切换过程中u e 断开与原基站的连接之后，能迅速切换到目标基站。 移动台比较精确的位置信息，主要是通过对移动台的精确定位技术来获得。 在t d s c d m a 系统中，移动台的精确定位应用了智能天线技术，首先n o d eb 利用天线阵估计u e 的d o a ，然后通过信号的往返时延，确定u e 到n o d eb 的 距离。这样，通过u e 的方向d o a 和n o d eb 与u e 间的距离信息，基站可以确 知u e 的位置信息。如果来自一个基站的信息不够，可以让几个基站同时监测移 动台并进行定位。 在硬切换过程中，u e 先断开与n o d eb 1 ( 源基站) 的信令和业务连接，再建 立与n o d eb 2 ( 目标基站) 的信令和业务连接，也即u e 在某一时刻始终只与一 个基站保持联系。而在软切换过程中，u e 先建立与n o d eb 2 ( 目标基站) 的信 令和业务连接之后，再断开与n o d eb 1 ( 源基站) 的信令和业务连接，也即u e 在某一时刻可与两个基站同时保持联系。 接力切换虽然在某种程度上与硬切换类似，同样是在“先断后连”的情况下， 但是由于其实现是以精确定位为前提，因而与硬切换相比，u e 可以很迅速地切 换到目标小区，降低了切换时延，减小了切换引起的掉话率。同时在接力切换过 程中，u e 与基站只保持一条业务连接，因此较软切换而言，接力切换具有节省 信道资源、简化信令、减小系统负荷等优点，而且也适用于不同频率小区之间的 切换。 多址技术 t d - s c d m a 系统级仿真方法研究以及功率控翩在系统级侥真中的实现 为了让多个用户能够共享同一个资源，在公众移动通信系统中，都设法利用 各方面的资源，设计出最高效率的多址技术来满足要求。目前，能够考虑的资源 是频率、时间和正交扩频码。因而，在t d s c d m a 系统中同时使用了f d m a ， t d m a 和c d m a 的技术。 近年的发展证明：c d m a 和t d m a 的联合使用可以进一步提高系统的容量 和灵活性，特别是针对不对称的i p 型业务。因而，在t d s c d m a 技术中同时 采用这几种多址技术。 另一种正在研究的多址技术一一空分多址( s d m a ) 将可能成倍地提高系统 的容量。s d m a 基于智能天线技术，用波束赋形来区分不同方向上的用户，使 同一组资源可以在不同方向上复用。此技术的使用首先要求天线波束赋形的技术 更完善，不同波束之间的干扰大大降低。t d s c d m a 充分使用了智能天线技术， 随着基带信号处理技术的进步，在t d s c d m a 系统中将实现s d m a 的功能。 软件无线电 软件无线电的核心是将a d 和d a 变换器尽可能地靠近天线，而无线通信 功能尽可能地采用软件进行定义。软件无线电把硬件作为无线通信的基本平台， 而无线通信功能尽可能用软件来实现。这样，无线通信系统具有很好的通用性、 灵活性，使系统互联和升级变得非常方便。软件修改较硬件容易，在设计、测试 方面非常方便，不同系统间的兼容性也易于实现，同时软件无线电技术有利于减 小设备体积，降低耗电，延长电池使用时间，降低设备成本，所以这一技术也成 为t d s c d m a 系统的关键技术之一。 1 2t d s c d m a 系统的优势 t d s c d m a 标准的提出虽然较晚于其它标准，但也正是因为这一点， t d s c d m a 吸纳了九十年代移动通信领域最为先进的技术，具有强大的后发技 术和经济优势，主要体现在以下几个方面。 有利于频谱的有效利用 和f d d 制式的w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 标准相比，由于不需要使用成对的 频率，故各种频率资源在t d d 模式下均能够得到有效的利用，从而可以充分利 9 t d - s c d m a 系统级仿真方法研究以及功率控翩在系统级仿真中的实现 用不成对的频段，分配频段相对来说更加简单。 更适合于不对称业务 在f d d 系统中，前向业务信道与反向业务信道占用的是不同频段，在前向 信道与反向信道之间采用保护频带以消除干扰。 对于t d d 系统，前向和反向信道工作于同一频段，前向与反向信道的信息 通过时分复用的方式来传送，t d d 适用于不对称的上下行数据传输速率，特别 适用于i p 型的数据业务。当进行对称业务传输时，可选用对称的转换点位置； 当进行非对称业务传输时，可选择非对称的转换点位置。 上下行链路具有对称信道特性 由于t d d 系统中上下行链路工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便 于使用智能天线等新技术，达到提高性能，降低成本的目的。上行功率控制中也 可充分利用上下行链路的对称电波传播特性。 具有竞争优势的基站设备成本 具有竞争优势的基站设备成本可以从两方面来分析：一方面，t d d 模式移 动通信系统的频谱利用率高，同样带宽可提供更多的移动用户和更大的容量，降 低了移动通信系统运营商提供同样业务对基站的投资；另一方面，t d d 模式的 移动通信系统具有上下行信道的互惠性，基站的接收和发送可以共用一些电子设 备，从而降低了基站的制造成本。可见，t d d 模式的基站设备无论对运营商还 是对制造商都有竞争优势。 1 3t d s c d m a 系统存在的问题 夺干扰问题 t d d 模式的c d m a 移动通信系统的干扰问题主要包括上下行链路之间的干 扰和不同运营者之间的干扰。 上下行链路之间的干扰分为小区内上下行链路之间的干扰和小区间上下行 链路之间的干扰。前者是因为在一个小区内用户间的同步受到破坏或上下行链路 的时间分配不平衡。对于后者，非对称的t d d 时隙将影响邻近小区的无线资源 1 0 t d - s c d m a 系统级仿真方法研究以及功率控翩在系统级仿真中的实现 并导致小区问的上下行链路干扰，另外高功率的基站会阻塞邻近小区的基站接收 本小区的终端，处在小区边界的高功率终端也会阻塞邻近小区的具有不同时隙分 配的终端。 当同一地理环境有几个运营商用同一t d d 频率时，由于基站之间的同步问 题以及上下行链路之间非对称的动态分配，不同运营者之间会发生干扰，这是 t d d 模式所特有的。 夺同步要求高 由于基站不能同时接收和发送，移动终端的传送必须在基站停止发送时开始， 这意味着同- d , 区内的不同用户之间，用户与基站之间需严格同步，后一同步破 坏会发生通信阻塞，前一同步破坏将导致严重干扰，这是f d d 的c d m a 移动通 信系统所没有的问题。 另外，因为小区之间和不同操作者之问的干扰问题，邻近小区的基站之间要 求是同步的，并且一般是符号级的精确同步。这样的同步要求在基站有g p s 接 收机或公共的分布式时钟，这些都增加了移动蜂窝网的费用。 夺移动速度受限 t d s c d m a 的功率控制速率是2 0 0 h z ，而w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 分别为 1 5 0 0 h z 和8 0 0 h z 。移动台高速移动时快衰的速率很快，t d d 模式可能无法及时 地对信道的衰落进行补偿，当出现快速的深衰落时，由于功控跟不上，可能在整 个帧内用户的信噪比都处于非常低的状态，造成无法正确解码。由于功控的能力 有限，移动速度也会有个上限。超过上限的高速移动可能无法很好的功控，性能 也就随之下降。 目前i t u r 对t d d 系统移动速度的要求是达到1 2 0 k m h ，而对f d d 系统则 要求达到5 0 0 k m h 。 夺智能天线算法实现困难 智能天线技术是t d s c d m a 标准中非常重要的一项物理层技术，它对于系 统容量、干扰情况、移动台定位、接力切换等都有重要影响。然而，实际应用中， 选择一种理想的智能天线算法却面临着很大的困难。首先，基站为某一个用户计 算方向图要根据该用户信号d o a 考虑天线阵列的矢量和，有时还要考虑其他用 户的位置，计算的复杂度很高；其次，随着用户数目的增长，智能天线的计算量 t d - s c d m a 系统级p ) - g y s 法研究以及功率控专l j 在系统级仿真x x 穆* n 将以级数的速度增长，这对基站d s p 的处理能力提出了挑战；再次，用户时刻 都在移动，位置不断变化，智能天线方向图每个子帧( 或者某个设定好的周期) 都要重新计算，这就要求智能天线算法必须很有效率。总结以上几方面，智能天 线在复杂度和效率两方面很难兼顾，因此，智能天线实现起来非常困难。目前， 有关智能天线的算法和实现方法也还在继续研究中。 夺导频强度有限 根据协议的规定，t d s c d m a 在导频时隙不采用智能天线进行波束赋形， 加之扩频因子只有1 6 ，扩频增益有限，t d s c d m a 系统中，当用户处于几个小 区的边缘时，经常由于导频信号不够强，导致用户无法被接纳，这直接影响了系 统的容量。目前，关于这个问题的解决方法还在探讨之中。 1 4 小结 本章从t d s c d m a 的网络结构、系统帧结构、技术优势和存在的问题等几 个方面简单介绍了t d s c d m a 的基本情况。作为我国提出的具有自主知识产权 的第三代移动通信标准，t d s c d m a 的发展受到了各方的积极支持和广泛关注， 其发展的速度和众多的技术优势也令人振奋。与此同时，由于尚未商用， t d s c d m a 的实际应用效果到底如何尚无定论，因此，选择一种合理高效的仿 真方法，对t d s c d m a 及其关键技术进行系统级仿真，从而验证该系统的表现， 就具有非常重要的现实意义。本文便是基于以上考虑，重点探讨t d s c d m a 的 系统级仿真方法，同时，针对功率控制算法复杂，在系统级仿真效率较低的问题， 提出一种可行的功率控制在系统级仿真中的实现方法。 1 2 j t d 一殴d m a 系统级仿真方法研究以及功率控翩在系统级仿真中的实现 第二章系统级仿真方法简介 根据研究问题的着眼点不同，无线通信系统的仿真通常分为链路级与系统级 仿真。链路级仿真的主要目的是检验不同r 1 v r 技术方案的性能，此时关注的目 标是在单个无线连接上采用不同空中接口技术带来的性能差异；系统级仿真的主 要目的是根据链路级仿真的结果，检验系统级特征所带来的系统容量和频谱效 率，此时通常需要建立包含多个基站和多个终端的仿真网络，对整个系统表现出 来的各项性能统计指标进行考察。本章将从系统级仿真的基本原理入手，紧接着 论述系统级仿真的基本特点，同时，还将分别介绍静态仿真和动态仿真中最具代 表性的仿真方法快照法和时间驱动法。 2 1 系统级仿真的基本原理 仿真的基本原理是基于用户的事件( 呼叫) 产生和结束以及移动性行为的随 机过程。这些随机过程动态地表现了用户在移动通信系统中的基本行为。 仿真的基本方法是基于用功率控制机理均衡系统中用户的干扰功率电平，使 系统在规定的服务质量( 用户满意程度) 条件下获得最大容量频谱效率的方法。 系统级仿真是在具有c d m a 无线接入技术和组网技术的系统特征的软件仿 真平台，利用链路级仿真结果和系统规划设计基本参数，通过各种随机过程和运 算进行的。 系统级仿真软件仿真平台是在c d m a 无线接入技术和组网技术的系统特征 基础上，通过建立不同测试环境的小区模型、用户呼叫随机发生业务量模型、移 动用户运动轨迹的移动性模型、无线传播模型和计算小区内和邻小区干扰电平模 型等模型实现的。 2 2 系统级仿真的特点 系统级仿真的目的，是利用链路级仿真得到的基本性能的数据，通过一系列 的随机过程仿真，得到在一定服务质量条件下的系统的容量和频潜效率，反映出 利用所研究的无线传输技术组成的系统的容量效率的能力。系统级仿真具有以 t d s c d m a 系统级仿真方法研究以及功率控锄在系统级仿真中的实现 下特点： 系统级仿真是基于用户事件产生和结束和用户移动性行为的随机过程，动态 地仿真用户行为的随机过程； 由于系统级仿真是很多随机过程的组合，因此，单一一次的仿真结果不足以 作为最终的结论，通常需要多次仿真，对结果进行统计平均； 系统级仿真的运算量比较大，经常需要运行很长时间，实现的复杂度是一个 很重要的指标； 由于实现复杂度和重要程度的原因，系统级仿真通常都会做一些条件设置， 进行一些合理假设，因此，仿真结果都是在这些假设前提下的结果； 系统级仿真中会有很多需要设置的参数，这些参数有的来自链路级的仿真结 果，有的属于协议中的规定值，也有一些是人为设置的经验值，参数值的设 置会对仿真结果有非常大的影响，因此，给出仿真结果的同时必须说明主要 参数值的取值； 2 3 仿真方法介绍 移动通信系统的系统级仿真方法大体上可以分为两大类静态仿真法和 动态仿真法。两类方法分别具有各自的一些特点，这些特点决定了它们各自适用 的情况。 2 3 1 静态仿真方法快照法 静态系统仿真( s s s ，s t a t i cs y s t e ms i m u l a t i o n ) 是一种对多个不同的网络快 照( s n a p s h o t ) 进行网络性能仿真的方法，被有关技术协议大量采纳。它是将整 个系统的运行行为视作多个时间片断内所表现出来的行为样本的统计平均，每个 时间片断称为一个快照。在每个快照中，用户的位置被静态地随机确定，且独立 于上一个快照中用户的位置和速度。每个用户连接到网络的能力通过迭代过程来 计算，直到满足收敛条件，再通过使用蒙特卡罗( m o n t ec a r l o ) 方法对快照进行 分析，最后得到被仿真系统的近似实际性能。它体现了系统在短期内相对稳定的 行为。经过大量仿真样本的运行，用统计的方法分析所有样本内的数据记录，可 以得到所需的关键性能参数。通常而言，静态仿真器对网络动态行为的模拟程度 1 4 t d - s c d m a 系统级仿真方法研究以及功率控翩在系统级仿真中的实现 不够精细，它采用了比动态仿真算法更多的假设，从而大大简化了计算工作量， 但也因此造成了人们对其规划结果准确性的置疑。 2 3 2 动态仿真方法时间驱动法 动态系统仿真( d s s ，d y n a m i cs y s t e ms i m u l a t i o n ) 通过连续的时间步仿真 出用户在网络中的移动性和其它特性，综合所有可能的因素，可以构成一个时间 驱动的仿真机。与蒙特卡罗仿真采用的快照法不同，动态仿真器充分拟合了用户 和系统的各种行为方式，让真实环境中用户和系统所采取的主要行为方式在系统 级仿真中都得到具体的模仿性体现。动态仿真器实现了全套的资源管理算法，如 接纳控制与负载控制、功率控制、信号分集与合并、接力切换、分组调度，并包 含了业务模型和用户移动性模型，如用户的起呼、行进、转弯、掉话、挂机等行 为。随着仿真时问的推进，用户位置会不断进行动态更新，且每时每刻都会有新 用户发起呼叫，同时有用户断丌连接，与之相关的各项参数，如接收和发送的功 率、路径损耗、干扰水平等则随时需要通过动态计算得到，这需要大量的时间成 本和计算资源。 2 4 小结 本章通过介绍系统级仿真的基本原理和主要特点，帮助读者对系统级仿真建 立一个基本的概念：系统级仿真是基于用户的事件( 呼叫) 产生和结束以及移动 性行为的随机过程；仿真的目的，是利用链路级仿真得到的基本性能的数据，通 过一系列的随机过程仿真，得到在一定服务质量条件下的系统的容量和频谱效 率，反映出利用所研究的无线传输技术组成的系统的容量效率的能力。文章还 向读者介绍了系统级仿真中广泛采用的两种方法：静态仿真和动态仿真。通过介 绍，我们可以看出，静态仿真体现了系统在短期内相对稳定的行为，其效率较高， 但是结果不够精细；动态仿真通过连续的时间步仿真出用户在网络中的移动性和 其它特性，适合仿真各种无线资源管理算法，但对于时间和资源的消耗都比较大。 本文提出的t d s c d m a 系统级动态仿真器的设计方案，综合考虑了两种仿真方 法的特点，采用了时间驱动结合快照的方法，后面的章节将着重对此进行论述。 t d s c d m a 系统级仿真方法研究以及功率控翻在系统级仿真中的实现 第三章t d s c d m a 系统功率控制的原理 针对t d - s c d m a 系统的特点，本文详细论述了t d - s c d m a 系统中开环、外环、 内环功率控制的方法，并分析了t d - s c d m a 系统中功率控制的特点和优势。 3 1t d s c d m a 系统功率控制技术的特点 在c d m a 移动通信系统中各个用户的区分是靠相互正交的伪随机码，即多个 用户在同一时隙同一频率上进行通信，由于移动环境中存在多径传播，造成各用 户的伪随机码不能严格同步，彼此之间引起的多址干扰( m a i ) 是制约系统容量 的因素，因而c d m a 是一个干扰受限的系统，即系统的容量和性能主要取决于系 统中的干扰状况。因此，为了保证系统的设计容量和性能，必须采用严格的功率 控制技术。 t d - s c d m a 系统使用了智能天线和联合检测等空时处理技术后，与其他的 c d m a 系统相比，该系统的功率控制功能和方法有很大不同。多用户联合检测能 有效降低小区m a i ，即解决了很大的接收电平差异所产生的干扰，从而降低了 c d m a 系统中远近效应，进而降低功率控制要求，如功率控制的速率、精度、步 长、收敛性和稳定性。使用智能天线后，由于它具有较好的空间选择性，可以有 效降低多址干扰，且因为对赋形波束内其他干扰抑止能力较强，因此抗远近干扰 的能力较强，所以功率管理的边界约束条件较为宽松，系统将具有较大功率分配 调整冗余度和灵活高效的功率控制策略。因此，在具有一定空间隔离度情况下， 功率控制的收敛性、收敛速度、精度和稳定性等要求相对简化，因为它不像在传 统的c d m a 系统中那样对每个用户的功率变化都非常敏感，这样系统就可以大大 降低吸收态( v i c i o u sc i r c l e ) 出现的概率，容易实现快速功率控制，因而能适 应快速变化的多种衰落的移动通信环境，系统可以达到理想的设计容量。 3 2t d s c d m a 系统中功率控制的方法 3 2 1 开环功率控制方法 开环功率控制主要用于u e 端在u p p c h 和p r a c h 上发起随机接入过程。 此时，u e 还没有从d p c h 信道上收到功率控制命令。u e 将按下述的公式计算发起 随机接入时所需的发送功率： 1 6 t d - s c d m a 系统级仿真方法研究以及功率控翻在系统级仿真中的实现 最腰= 础矾啪+ ( 1 - a ) l o + r 脚+ 咒a p 已。 式( 3 1 ) 式中： ：u e 发送功率； l r e td 椰：u e 到n o d eb 之间的路径损耗( d b ) 。u e 可以根据n o d eb 在 d w p t s 时隙发射的功率与u e 端在该时隙接收到的码功率来进行估算。 l r p td 椰= 三删拈- l n x 式( 3 - 2 ) 其中，l d 脚为n o d eb 在d w p t s 时隙发射的功率，该信息可由系统信息广播获得； k 为l i e 端在d w p t s 时隙上接收到的信号码功率。 注：厶v 诎8 和k 的获取应使片j 相同的信道； t o ：u e 到n o d eb 之间路径损耗的k 时间平均值( d b ) 。其意义和计算与kd m ，脚的 意义和计算基本相同： l r p t d l ，p 稻= 三如b 一三嗍陋 式( 3 - 3 ) 其中，三删陋为u e 端在一定时间内接收信号码功率的平均值： r 胁脚：n o d eb 在给定信道上期望的接收功率。在u p p c h 上建立上行同步 时，其值取自系统信息广播参数q r e l e v m i n 。在p r a c h 信道发送连接请求信息 时，使用从f p a c h 信道上收到的参数t p l c ： 口u e 端用于描述路径损耗的加权因子( 0 口1 ) 。其值与两次测量之间的 时间间隔有关； p ：两次发送s y n c l 之间的功率增量，其值由系统信息广播决定； n 为连续发送s y n c l 的次数； i m 。：小区允许的最大发射功率，其值取自系统信息广播参数u e t x p w r m a xr a c h 。 3 2 2 外环功率控制方法 外环功率控制用于控制信号的传输质量。由网络端的高层( r r c ) 按u e 所 配置时隙的负载情况给出一个s i r 的目标值s i r 删r g r 。 t d - s c d m a 系统级仿真方法研究以及功率控翻在系统级仿真中的实现 3 2 3 内环功率控制方法 u e 通过高层信令收到s i r 列r 田值以后，以该值作为内环功率控制的一个参 考值。若接收信号的s i r 值大于s i r 黝胄鲫，则通过物理层控制信令t p c 请求网 络端将发射功率降低一步( 步长由系统信息广播决定) ；反之，若接收信号的s i r 值小于等于s i r 刊旯鲫，则请求网络端将发射功率增加一步。内环功率控制过程也 适应于网