（通信与信息系统专业论文）wcdma系统覆盖与容量分析.pdf

浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其也个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名 日期：多衅厂月；f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本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 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 驰 蚴匕1 、 7 日期：砧年歹月引日 目期：埘b 年歹月 1 日 w c d m a 系统覆盖与容量分析 摘要 由于w c d m a 系统是一个白干扰系统，容量与覆盖、干扰之间 密切相关，同时w c d m a 系统是一个多业务，多速率系统，不同业 务对系统容量的占用是动态分配的过程，因此w c d m a 网络的容量 、规划较之窄带的频率规划复杂度将大大提高。在3 g 还未进入商用阶 段之时，网络的预规划对之后的建设投资和网络质量很重要。 本文针对网络规划中最重要的覆盖和容量规划，分析其中重要的 参数，考虑各种干扰影响，得出各种不同环境和业务下的系统的覆盖； 然后通过理论分析，计算出容量的公式和与各影响因素的关系，通过 仿真验证其在特定条件下的小区容量；针对干扰余量的取值在网络规 划中起到的作用，用一个动态调整的方法来改变规划时干扰余量的取 值，从而达到使规划更可信的目的；最后，运用m o n t e c a r l o 仿真法 结合实际环境对以上分析进行验证。 关键词：w c d m a ，链路预算，覆盖，容量，干扰余量，m o n t e c a r l o 浙江工业大学硕士学位论文 t h ea n a l y s i s0 fw c d 【as y s t e m s c o v e r a g ea n dc a p a c i t y a b s t r a c t b e c a u s et h ew c d m as y s t e mi sas e l f - j a m m i n gs y s t e m ，c a p a c i t y , c o v e r a g e ，a n d i n t e r f e r e n c ea r ec l o s ec o r r e l a t i o n a tt h es a m et i m et h ew c d m ai sam u l t i - s e r v i c ea n d m u l t i s p e e dr a t es y s t e m ，t h ed i f f e r e n ts e r v i c et os y s t e mc a p a c i t yt a k i n gi st h ed y n a m i c a l l o c a t i o np r o c e s s ，t h e r e f o r et h ew c d m an e t w o r kc a p a c i t yp l a n n i n gw i l lg r e a t l y c o m p l e x i t yw h i c h t oc o m p a r e dw i t ht h en a r r o wb a n df r e q u e n c yp l a n n i n g w h e nt h e 3 r dg e n e r a t i o nh a sn o te n t e r e dc o m m e r c i a ls t a g e ，t h en e t w o r kp r e p l a ni sv e r y i m p o r t a n tt ot h ea f t e rc o n s t r u c t i o ni n v e s t m e n ta n d t h en e t w o r kq u a h t ) ， t h i sa r t i c l ew i l li nv i e wo ft h ec o v e r a g ea n dt h ec a p a c i t yp l a n n i n g ，w h i c ha r e m o s ti m p o r t a n ti nt h en e t w o r kp l a n n i n g a n a l y z e si m p o r t a n tp a r a m e t e r , c o n s i d e r e d e a c hk i n do fi n t e r f e r e n c ee f f e c t ，o b t a i n ss y s t e mc o v e r a g eu n d e re a c hk i n do fd i f f e r e n t e n v i r o n m e n ta n dt h es e r v i c e ；t h e nt h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c a l c u l a t e st h e c a p a c i t yf o r m u l aa n dw i t he a c hi n f l u e n c ef a c t o rr e l a t i o n s ，c o n f i r m s i tt h r o u g ht h e s i m u l a t i o nu n d e rt h es p e c i f i cc o n d i t i o n sc e l lc a p a c i t y ；a i ma tt h ef u n c t i o no f i n t e r f e r e n c er e m a i n d e rv a l u et on e t w o r kp l a n n i n g ，c h a n g e sw h e nt h ep l a nw i t ha d y n a m i ca d j u s tm e t h o dc h a n g e st h er e m a i n d e rt h ev a n e ，t h u sm a k e t h ep l a n n i n gm o r e c r e d i b l e ；f i n a l l y , u t i l i z e st h em o n t e c a r l os i m u l a t i o nm e t h o da n dc o m b i n e s a c t u a l e n v i r o n m e n tt oc o n f i r ma b o v ea n a l y z e k e y w o r d s ： w c d m a ，l i n k i n gb u d g e t ，c o v e r a g e ，c a p a c i t y , i n t e r f e r e n c er e m a i n d e r , m o m e c a r l o 2 浙江工业人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 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 、通用移动通信系统) 是采用w c d m a 空中接口技术的第三代移动通信系统，通常也把u m t s 系统称 为w c d m a 通信系统。u m t s 系统采用了与第二代移动通信系统类似的结构， 包括无线接入网络( r a d i oa c c e s sn e t w o r k ，r a n ) 和核心网络( c o r en e t w o r k ， c n ) 。其中无线接入网络用于处理所有与无线有关的功能，而c n 处理u m t s 系统内所有的话音呼叫和数据连接，并实现与外部网络的交换和路由功能。c n 从逻辑上分为电路交换域( c i r c u i ts w i t c h e d d o m a i n ，c s ) 和分组交换域( p a c k e t s w i t c h e dd o m a i n ，p s ) 【l 】。u t r a n 、c n 与用户设备( u s e re q u i p m e n t ，u e ) 起构成了整个u m t s 系统。 从3 g p pr 9 9 标准的角度来看，u e 和u t r a n ( u m t s 的陆地无线接入网络) 由全新的协议构成，其设计基于w c d m a 无线技术。而c n 则采用了g s m g p r s 的定义，这样可以实现网络的平滑过度，此外在第三代网络建设的初期可以实现 全球漫游”。 1 2u m t s 系统网络构成 u m t s 网络单元构成如图1 1 所示”】。 i n o d eb k r 砰 厂下i s e 7 1 厂咋面而；孙 i n 。d eb p 曹) 霹嚣 一s 叫：啦 i u b 1 塑型r _ 1 1 竺! 卜 h o d ee 卜厂_ n o d eb p d 垦竖r 一 u t r a nc n 图i - iu m t s 网络单元构成示意图 从图1 - 1 的u m t s 系统网络构成示意图中可以看出，u m t s 系统的网络单元 包括如下部分5 】 6 】： 1 2 1l i e ( u s e re q u i p m e n t ) u e 是用户终端设备，它通过u u 接口与网络设备进行数据交互，为用户提供 电路域和分组域内的各种业务功能，包括普通话音、数据通信、移动多媒体、 l n t e m e t 应用( 如e m a i l 、w w w 浏览、f t p 等) 。 嚣点 浙江工业大学硕士学位论文 l i e 包括两部分： m e ( t h em o b i l ee q u i p m e n t ) ，提供应用和服务 u s i m ( t h e u m t ss u b s c r i b e r m o d u l e ) ，提供用户身份识别 1 2 2u 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 ，u m i s ) u t r a n ，即陆地无线接入网，分为基站( n o d eb ) 和无线网络控制器( r n c ) 两部分。 n o d eb 是w c d m a 系统的基站( 即无线收发信机) ，通过标准的i u b 接口 和r n c 互连，主要完成u u 接口物理层协议的处理。它的主要功能是扩频、调 制、信道编码及解扩、解调、信道解码，还包括基带信号和射频信号的相互转换 等功能。 r n c ( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ) 是无线网络控制器，主要完成连接建立和 断开、切换、宏分集合并、无线资源管理控制等功能。具体如下： 1 ) 执行系统信息广播与系统接入控制功能； 2 ) 切换和r n c 迁移等移动性管理功能： 3 ) 宏分集合并、功率控制、无线承载分配等无线资源管理和控制功能。 1 2 3c n ( c o r en e t w o r k ) c n ，即核心网络，负责与其他网络的连接和对u e 的通信和管理。主要功能 实体如下： m s c v l r 是w c d m a 核心网c s 域功能节点，它通过i uc s 接口与u t r a n 相连，通过p s t n i s d n 接口与外部网络( p s t n 、i s d n 等) 相连，通过c d 接 口与h u v a u c 相连，通过e 接口与其它m s c l r 、g m s c 或s m c 相连，通 过c a p 接口与s c p 相连，通过g s 接口与s g s n 相连。m s c v l r 的主要功能是 提供c s 域的呼叫控制、移动性管理、鉴权和加密等功能。 g m s c 是w c d m a 移动网c s 域与外部网络之间的网关节点，是可选功能节 点，它通过p s t n i s d n 接口与外部网络( p s t n 、i s d n 、其它p l m n ) 相连， 通过c 接口与m 且相连，通过c a p 接口与s c p 相连。它的主要功能是完成v m s c 功能中的呼入呼叫的路由功能及与固定网等外部网络的网间结算功能。 s g s n ( 服务g p r s 支持节点) 是w c d m a 核心网p s 域功能节点，它通过 i up s 接口与u t r a n 相连，通过g n c w 接口与g g s n 相连，通过g r 接口与 h i 尽a u c 相连，通过g s 接口与m s c v l r ，通过c a p 接口与s c p 相连，通过 g d 接口与s m c 相连，通过g a 接口与c g 相连，通过g n g p 接口与s g s n 相连。 s g s n 的主要功能是提供p s 域的路由转发、移动性管理、会话管理、鉴权和加 密等功能。 澌江工业大学硕士学位论文 g g s n ( 网关g p r s 支持节点) 是w c d m a 核心网p s 域功能节点，通过g n o p 接口与s g s n 相连，通过g i 接口与外部数据网络( i n t e m e t i n t r a n e t ) 相连。 g g s n 提供数据包在w c d m a 移动网和外部数据网之间的路由和封装。g g s n 主要功能是同外部i p 分组网络的接口功能，g g s n 需要提供l y e 接入外部分组 网络的关口功能，从外部网的观点来看，g g s n 就好象是可寻址w c d m a 移动 网络中所有用户口的路由器，需要同外部网络交换路由信息。 h l r ( 归属位置寄存器) 是w c d m a 核心网c s 域和p s 域共有的功能节点， 它通过c 接口与m s c v l r 或g m s c 相连，通过g r 接口与s g s n 相连，通过 g c 接口与g g s n 相连。h l r 的主要功能是提供用户的签约信息存放、新业务支 持、增强的鉴权等功能。 1 3u t r a n 的基本结构 u t r a n 的结构如图1 2 所示： u t r a n 包含一个或几个无线网络子系统( r i g s ) 。一个r n s 由个无线网 络控制器( r n c ) 和一个或多个基站( n o d eb ) 组成。r n c 与c n 之间的接口 是i u 接口，n o d e b 和r n c 通过i u b 接口连接。在u t r a n 内部，无线网络控制 器( r n c ) 之间通过i u r 互联，i u r 可以通过r n c 之间的直接物理连接或通过传 输网连接。r n c 用来分配和控制与之相连或相关的n o d eb 的无线资源。n o d eb 则完成i u b 接口和u u 接口之间的数据流的转换，同时也参与一部分无线资源管 n t ”。 1 3 1 系统接口 i 一二 图卜2u t r a n 的结构 u t r a n 主要有如下接e l t 8 】 9 】： c u 接口：u s i m 卡和m e 之间的电气接口，c u 接口采用标准接口。 u u 接口：w c d m a 的无线接e l 。u e 通过u u 接口接入到u m t s 系统的固定 网络部分，可以说u u 接口是u m t s 系统中最重要的开放接口。 浙江工业大学硕士学位论文 i u r 接口：连接r n c 之间的接口，i u r 接口是u m t s 系统特有的接口，用于 对r a n 中移动台的移动管理。比如在不同的r n c 之间进行软切换时，移动台 所有数据都是通过i u r 接口从正在工作的r n c 传到候选r n c 。i u r 是开放的标准 接口。 i u b 接口：连接n o d e b 与r n c 的接口，i u b 接口也是一个开放的标准接口。 这也使通过i u b 接口相连接的r n c 与n o d eb 可以分别由不同的设备制造商提 供。 i u 接口：连接u t r a n 和c n 的接口。类似于g s m 系统的a 接口和g b 接 口。i u 接口是一个开放的标准接口。这也使通过i u 接口相连接的u t r a n 与c n 可以分别由不同的设备制造商提供。i u 接口可以分为电路域的i u c s 接口和分 组域的i u - p s 接口。 1 3 2r n c ( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ) r n c ，即无线网络控制器，用于控制u t r a n 的无线资源。 它通常通过i u 接口与电路域( m s c ) 和分组域( s g s n ) 以及广播域( b c ) 相连( 图上未标) ， 在移动台和u t r a n 之间的无线资源控制( r r c ) 协议在此终止。它在逻辑上对 应g s m 网络中的基站控制器( b s c ) 1 0 1 “】。 控制n o d eb 的r n c 称为该n o d eb 的控制r n c ( c r n c ) ，c r n c 负责对 其控制的小区的无线资源进行管理。 如果在一个移动台与u t r a n 的连接中用到了超过一个r n s 的无线资源， 那么这些涉及的r n s 可以分为： 服务r n s ( s 砌姻) ：管理u e 和u t r a n 之间的无线连接。它是对应于该 l t e 的i u 接口( u u 接口) 的终止点。无线接入承载的参数映射到传输信道的参 数，是否进行越区切换，开环功率控制等基本的无线资源管理都是由s r n s 中的 s r n c ( 服务r n c ) 来完成的。一个与u t r a n 相连的u e 有且只能有一个s r n c 。 漂移r n s ( d r n s ) ：除了s r n s 以外，u e 所用到的r n s 称为d r n s 。其 对应的r n c 则是d r n c 。一个用户可以没有，也可以有一个或多个d r n s 。 通常在实际的r n c 中包含了所有c r n c 、s r n c 和d r n c 的功能。 1 3 3n o d e b n o d eb 是w c d m a 系统的基站( 即无线收发信机) ，通过标准的i u b 接口 和r n c 互连，主要完成u u 接口物理层协议的处理。它的主要功能是扩频、调 制、信道编码及解扩、解调、信道解码，还包括基带信号和射频信号的相互转换 等功能。同时它还完成一些如内环功率控制等的无线资源管理功能。它在逻辑 上对应于g s m 网络中基站( b t s ) 。 浙江工业大学硕士学位论文 1 4w c d m a 关键技术 匝丑屯亟亘卜匝堕丑屯丑 卤 匝丑 亟互卜匝叵丑 到 可以被看作只是被传信号的再次传送 ”】。如果这些多径信号相互间的延时超过了 浙江工业大学硕士学位论文 图1 - 4r a k e 接收机框图 带d l l 的相关器是一个具有迟早门锁相环的解调相关器。迟早门和解调相 关器分别相差士l 2 ( 或1 4 ) 个码片。迟早门的相关结果相减可以用于调整码相 位。延迟环路的性能取决于环路带宽。 由于信道中快速衰落和噪声的影响，实际接收的各径的相位与原来发射信号 的相位有很大的变化，因此在合并以前要按照信道估计的结果进行相位的旋转， 实际的c d m a 系统中的信道估计是根据发射信号中携带的导频符号完成的。根 据发射信号中是否携带有连续导频，可以分别采用基于连续导频的相位预测和基 于判决反馈技术的相位预测方法【l q 。如图1 5 、图1 - 6 所示。 图1 - 5 基于连续导频信号的信道估计方法 图1 - 6 使用判决反馈技术的间断导频条件的信道估计方法 l p f 是个低通滤波器，滤除信道估计结果中的噪声，其带宽般要高于信 道的衰落率。使用间断导频时，在导频的间隙要采用内插技术来进行信道估计， 采用判决反馈技术时，先硬判决出信道中的数据符号，在已判决结果作为先验信 息( 类似导频) 进行完整的信道估计，通过低通滤波得到比较好的信道估计结果， 浙江工业大学硕士学位论文 这种方法的缺点是由于非线性和非因果预测技术，使噪声比较大的时候，信道估 计的准确度大大降低，而且还引入了较大的解码延迟。 延迟估计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( 如图1 7 所示) ，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。匹配滤波器的测量精度可以达到l 4 1 2 码片， 而r a k e 接收机的不同接收径的间隔是一个码片。实际实现中，如果延迟估计 的更新速度很快( 比如几十m s 一次) ，就可以无须迟早门的锁相环。 本地的扩频码和扰码 ，少_ 、 图1 - 7 匹配滤波器的基本结构 延迟估计的主要部件是匹配滤波器，匹配滤波器的功能是用输入的数据和不 同相位的本地码字进行相关，取得不同码字相位的相关能量。当串行输入的采样 数据和本地的扩频码和扰码的相位一致时，其相关能力最大，在滤波器输出端有 一个最大值。根据相关能量，延迟估计器就可以得到多径的到达时间量。 从实现的角度而言，r a k e 接收机的处理包括码片级和符号级，码片级的处 理有相关器、本地码产生器和匹配滤波器。符号级的处理包括信道估计，相位旋 转和合并相加【1 “。码片级的处理一般用a s i c 器件实现，而符号级的处理用d s p 实现。移动台和基站间的r a k e 接收机的实现方法和功能尽管有所不同，但其 原理是完全一样的。 对于多个接收天线分集接收而言，多个接收天线接收的多径可以用上面的方 法同样处理，r a k e 接收机既可以接收来自同一天线的多径，也可以接收来自不 同天线的多径，从r a k e 接收的角度来看，两种分集并没有本质的不同。但是， 在实现上由于多个天线的数据要进行分路的控制处理，增加了基带处理的复杂 度。 14 2c d m a 射频和中频设计原理 c d m a 射频和中频的总体结构如下1 6 浙江工业大学硕士学位论文 山r x 滤波器i l 下变频器， 娩节霍 型 功放 t x 滤波器| 1 惑b匿蛩皤rfa g c 上变频器一一 数据 o 图1 8 给出了c d m a 射频和中频部分的原理框图，射频部分是传统的模拟结 构，有用信号在这里转化为中频信号。射频下行通道部分主要包括自动增益控制 ( r fa g c ) 、接收滤波器( r x 滤波器) 和下变频器。射频的上行通道部分主要 包括自动增益控制( r fa g c ) 、二次上变频、宽带线性功放和射频发射滤波器。 中频部分主要包括下行的去混迭滤波器、下变频器、a d c 和上行的中频和平滑 滤波器、上变频器和d a c 。对于w c d m a 的数字下变频器而言，由于其输出的 基带信号的带宽已经大于中频信号的1 0 ，故与一般的g s m 信号和第一代信号 不同，称为宽带信号【l ”。 前面已经提到，c d m a 的信号是宽带信号，因此射频部分必须设计成适合于 宽带低功率谱密度信号。c d m a 的高动态范围、高峰值因数( 由于采用线性调 制和多码传输) 、精确的快速功率控制环路向功率放大器的线性和效率提出了挑 战。 c d m a 对r f 前端提出了非常困难的线性和效率要求。线性约束是由于要求 了严格的输出频谱的掩模( m a s k ) ，同时输出的信号包络变化幅度很大【l ”。当 然，为了保证功放有足够的效率，功放的工作电平一般也保持在l d b 压缩点附 近。 射频部分的自动增益控制器( a g c ) 和低噪声放大器( l n a ) 的性能也非常 关键，w c d m a 设计中a g c 的要求在8 0 d b 左右；而l n a 的指标直接决定了接 收机的总噪声指标，w c d m a 中要求l n a 的噪声指标低于4 d b 。 抽样定理表明：一个频带限制在( 0 ，f l - i ) 赫兹内的时间连续信号m ( d ，如 果以l 2 f l - 1 秒间隔对它进行等间隔采样，则r e ( t ) 将被所得到的抽样值完全确定。 此时2 t t t 被称为奈奎斯特频率。 现代的接收机结构一般是在中频部分实现模数变换和采样，带宽为b 的中频 信号m ( ) 通过f s 2 b ( 1 + a n ) 的中频采样，得到信号m s ( m ) ，再通过低通 浙江工业大学硕士学位论文 滤波器h ( ) ，得到经过量化和采样的低中频信号m s ( c o ) ，这个信号的频谱和原 来信号的频谱是完全一样的。 从这个过程可以看出，中频采样可以用一个比信号频率最高值低的频率进行 采样，而只要求这个频率满足条件。同时中频采样还可以完成频率的变换，将信 号变换到一个较低的中频频率上，此时再经过和数字域的同频相乘，就可以得到 基带的i 、q 分量。 1 4 3 分集接收原理 无线信道是随机时变信道，其中的衰落特性会降低通信系统的性能。为了对 抗衰落，可以采用多种措施，比如信道编解码技术，抗衰落接收技术或者扩频技 术。分集接收技术被认为是明显有效而且经济的抗衰落技术1 9 1 1 2 0 1 。 我们知道，无线信道中接收的信号是到达接收机的多径分量的合成。如果在 接收端同时获得几个不同路径的信号，将这些信号适当合并成总的接收信号，就 能够大大减少衰落的影响。这就是分集的基本思路。分集的字面含义就是分散得 到几个合成信号并集中( 合并) 这些信号。只要几个信号之间是统计独立的，那 么经适当合并后就能使系统性能大为改善。 互相独立或者基本独立的一些接收信号，一般可以利用不同路径或者不同频 率、不同角度、不同极化等接收手段来获取： ( 1 ) 空间分集：在接收或者发射端架设几副天线，各天线的位置间要求有足 够的间距( 一般在1 0 个信号波长以上) ，以保证各天线上发射或者接收的信号 基本相互独立。如图1 - 9 所示就是一个双天线发射分集的提高接收信号质量的例 子，通过双天线发射分集，增加了接收机获得的独立接收路径，取得了合并增益： 图1 - 9 正交发射分集原理 如图1 - 9 所示为正交发射分集的原理，图中两个天线的发射数据是不同的， 天线1 发射的偶数位置上的数据，天线2 发射的是奇数位置上的数据，利用两个 天线上发射数据的不相关性，通过不同天线路径到达接收机天线的数据具备了相 应的分集作用，降低了数据传输的功率。同时由于发射天线上单天线发射数据的 比特率降低，使得数据传输的可靠性增加。因此发射分集可以提高系统的数据传 输速率。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 极化分集：分别接收水平极化和垂直极化波形成的分集方法。 其他的分集方法还有时间分集：是利用不同时间上传播的信号的不相关性进 行合并。频率分集：用多个不同的载频传送同样的信息，如果各载频的频差间隔 比较远，其频差超过信道相关带宽，则各载频传输的信号也相互不相关。角度分 集：利用天线波束指向不同使信号不相关的原理构成的一种分集方法。例如，在 微波面天线上设置若干个照射器，产生相关性很小的几个波束。分集方法相互 是不排斥的，实际使用中可以组合。 分集信号的合并可以采用不同的方法： ( 1 ) 选择合并：从几个分散信号中选取信噪比最好的一个作为接收信号。 ( 2 ) 等增益合并：将几个分散信号以相同的支路增益进行直接相加，相加后 的信号作为接收信号。 ( 3 ) 最大比合并：控制各合并支路增益，使它们分别与本支路的信噪比成正 比，然后再相加获得接收信号。 上面方法对合并后的信噪比( r ) 的改善( 分集增益) 各不相同，但总的说 来，分集接收方法对无线信道接收效果的改善非常明显的口“。 = 一 改 善 图1 一l o 不同合并方式的增益比较 图1 一1 0 中给出了不同合并方法的接收效果改善情况，可以看出当分集数k 较大时，选择合并的改善效果比较差，而等增益合并和最大比值合并的效果相差 不大，仅仅l o b 左右。 1 4 4 信道编码 信道编码按一定的规则给数字序列m 增加一些多余的码元，使不具有规律 性的信息序列m 变换为具有某种规律性的数字序列y ( 码序列) 。也就是说， 码序列中信息序列的诸码元与多余码元之间是相关的。在接收端，信道译码器利 用这种预知的编码规则来译码，或者说检验接收到的数字序列r 是否符合既定 的规则从而发现r 中是否有错，进而纠正其中的差错。根据相关性来检测( 发 现) 和纠正传输过程中产生的差错就是信道编码的基本思想。 浙江工业大学硕士学位论文 通常数字序列m 总是以k 个码元为一组来进行传输的。我们称这k 个码元 的码组为信息码组，信道编码器按一定的规则对每个信息码组附加一些多余的码 元，构成了i 1 个码元的码组。这i 1 个码元之间是相关的。即附加的n - k 个码元称 为该码组的监督码元。从信息传输的角度来说，监督码元不载有任何信息，所以 是多余的。这种多余度使码字具有一定的纠错和检错能力，提高了传输的可靠性， 降低了误码率。另方面，如果我们要求信息传输的速率不变，在附加了监督码 元后，就必须减少码组中每个码元符号的持续时间，对二进制码也就是要减少脉 冲宽度，若编码前每个码脉冲的归一化宽度为1 ，则编码后的归一化宽度为k n ， 因此信道带宽必须展宽n k 倍。在这种情况下，我们是以带宽的多余度换取了信 道传输的可靠性【2 “。如果信息传输速率允许降低，则编码后每个码元的持续时间 可以不变。此时我们以信息传输速度的多余度或称时间的多余度换取了传输的可 靠性。 表1 1 给出了不同的编码方法所能够得到的编码增益，和理想的编码增益( 达 到s h a n n o n 限) 之间有很大的差别。 表1 - 1b p s k 或q p s k 编码增益 编码增益 编码增益数据速 采用编码 ( d b b e r = 1 0 3 ) ( d b b e r = 1 0 。5 ) 意 理想编码 1 1 2 1 36 级联码( k s 与卷积码 v i t e r b i 译码) 6 5 7 58 5 9 5适中 卷积码序列译码( 软判决) 6 o 7 08 0 9 0适中 级联码( r s 与分组码) 4 5 5 56 5 7 5 很高 卷积码v i t e r b i 译码 4 o 5 55 0 6 5 高 卷积码序列译码( 硬判决) 4 o 5 06 o 7 0 局 分组码( 硬判决) 3 0 4 04 5 5 5 高 卷积码门限译码1 5 3 0 2 5 4 0 很高 由此可以看出对于相同的调制方式，不同的编码方案得到编码增益是不同 的。我们通常采用的编码方式有卷积码、r e e d s o l o m o n 码、b c h 码、t u r b o 码 等。w c d m a 选用的码字是语音和低速信令采用卷积码，数据采用t u r b o 码。 卷积编码器在任何一段规定时间内产生的n 个码元，不仅取决于这段时间中 的k 个信息位，而且还取决于前n 一1 段时间内的信息位。此时监督码元监督着这 n 段时间内的信息，这n 段时间内的码元数目n n 称为这种码字的约束长度。 卷积码的解码方法有门限解码、硬判决v i t e r b i 解码和软判决v i t e r b i 解码。 其中软判决v i t e r b i 解码的效果最好，是通常采用的解码方法，与硬判决方法相 比复杂度增加不多，但性能上却优于硬判决1 5 2 d b 。 浙江工业大学硕士学位论文 逼近s h a n n o n 极限是编码领域的主要努力方向，t u r b o 码是领域里具有里程 杯意义的创新。格状编码在带限信道情况下能够比较接近s h a n n o n 极限，而t u r b o 码则在深空通信、卫星通信等非带限信道上有突出的表现。 t u r b o 编码由两个或以上的基本编码器通过一个或以上交织器并行级联构 成，如图1 1 1 所示 2 ”。t u r b o 码的原理是基于对传统级联码的算法和结构上的修 正，内交织器的引入使得迭代解码的正反馈得到了很好的消除。t u r b o 的迭代解 码算法包括s o v a ( 软输出v i t e r b i 算法) 、m a p ( 最大后验概率算法) 等。由 于m a p 算法的每一次迭代性能的提高都优于v i t e r b i 算法，因此m a p 算法的迭 代译码器可以获得更大的编码增益。 输入m 打 +7 i 面恺辅蝴衙1 7 孔 复 交织器 用 l 卷积编码器2 卜_ + 输出y 图l - 1 1t u r b o 码编码器图 1 4 5 多用户检测技术 多用户检测技术( m 【m ) 是通过去除小区内干扰来改进系统性能，增加系统 容量。多用户检测技术还能有效缓解直扩c d m a 系统中的远近效应。 由于信道的非正交性和不同用户的扩频码字的非正交性，导致用户间存在相 互干扰，多用户检测的作用就是去除多用户之间的相互干扰。一般而言，对于上 行的多用户检测，只能去除小区内各用户之间的干扰，而小区间的干扰由于缺乏 必要的信息( 比如相邻小区的用户情况) ，是难以消除的。对于下行的多用户检 测，只能去除公共信道( 比如导频、广播信道等) 的干扰。 多用户检测的系统模型可以用图1 1 2 来表示，每个用户发射数据比特6 t ， 如，通过扩频码字进行频率扩展，在空中经过非正交的衰落信道，并加 入噪声n ( t ) ，接收端接收的用户信号与同步的扩频码字相关，相关由乘法器和积 分清洗器组成，解扩后的结果通过多用户检测的算法去除用户之间的干扰，得到 ?： 用户的信号估计值6 z ，如，d 。 从下图可以看到，多用户检测的性能取决于相关器的同步扩频码字跟踪、各 个用户信号的检测性能，相对能量的大小，信道估计的准确性等传统接收机的性 能。 浙江工业大学硕士学位论文 赵了 刊鎏卜 多 用 1 扩频码字i 上 l 扩频玛宇1户 扎- 9- - 0 - 刚黧卜 检 测 1o 频码字2 。扩频码宇2 算 二 法 上q 二岬叫黧卜 图1 1 2 多用户检测的系统模型 从上行多用户检测来看，由于只能去除小区内干扰，假定小区间干扰的能占 据了小区内干扰能量的f 倍，那么去除小区内用户干扰，容量的增加是( 1 + f ) f 。 按照传播功率随距离4 次幂线性衰减，小区间的干扰是小区内干扰的5 5 。因此 在理想情况下，多用户检测提高减少干扰2 8 倍。但是实际情况下，多用户检测 的有效性还不到1 0 0 ，多用户检测的有效性取决于检测方法，和一些传统接收 机估计精度，同时还受到小区内用户业务模型的影响。例如，在小区内如果有一 些高速数据用户，那么采用干扰消除的多用户检测方法去掉这些高速数据用户对 其他用户的较大的干扰功率，显然能够比较有效的提高系统的容量。 这种方法的缺点是会扩大噪声的影响，并且导致解调信号很大的延迟。 干扰消除的想法是估计不同用户和多径引入的干扰，然后从接收信号中减去 干扰的估计。串行干扰消除( s i c ) 是逐步减去最大用户的干扰，并行干扰消除 ( p i c ) 是同时减去除自身外所有其他用户的干扰瞄】。 并行干扰消除是在每级干扰消除中，对每个用户减去其他用户的信号能量， 并进行解调。重复进行这样的干扰消除3 5 次，就基本可以去除其他用户的干扰， 值得注意地是，在每一级干扰消除中，并不是完全消除其他用户的所有信号能量， 而是乘以一个相对小的系数，这样做的原因是为了避免传统接收检测中的误差被 不断放大。p i c 的好处在于比较简单地实现了多用户的干扰消除，而又优于s i c 的延迟。 就w c d m a 上行多用户检测而言，目前最有可能实用化的技术就是并行的 干扰消除，因为它需要的资源相对比较少，仅仅是传统接收机的3 5 倍。而数 据通路的延迟也相对比较小。 w c d m a 下行的多用户检测技术则主要集中在消除下行公共导频、共享信道 和广播信道的干扰，以及消除同频相邻基站的公共信道的干扰方面。 1 5 本文结构 第一章绪论，简单介绍了w c d m a 系统网络的结构以及系统的节点及 端口，特别是u t r a n 的主要特征，并重点介绍了现行标准采用的关键技术。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章w c d m a 覆盖能力分析与仿真，分上下行分析在w c d m a 网络 覆盖规划时具体的算法，通过理论计算得到一些重要参数在不同情况下的取值； 然后介绍了传播模型校正和连续波测试的理论。 第三章单一业务情况容量分析与仿真，本章先通过w c d m a 网络中的 干扰情况分析，由干扰公式仿真得到系统的极限容量；然后根据实际环境，考虑 软切换、邻区干扰等因素，仿真在用户随机产生后单一业务情况下系统的容量； 通过理论分析，提出一个迭代方法来取定规划时干扰余量的取值，仿真比较其性 能改善情况。 第四章多业务混合情况容量分析与仿真，本章将w c d m a 的多业务、 多速率特性考虑在内，用m a t l a b 软件仿真在多业务情况下，系统性能的变化情 况。 第五章( ( m o n t e c a r l o 仿真，介绍m o n t e - c a r l o 仿真方法的原理和流程，应 用实际网络，结合前几章的分析，通过p l a n e t 软件仿真得到w c d m a 系统覆盖 和容量性能 第六章结束语。 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章w c d m a 覆盖能力分析 无线信道通常被认为是自然界中的一种较为恶劣的通信介质。由于它的特性 难以预测，因此一般根据实际测量的数据，以统计的方法生成无线信道的模型。 通常，无线环境中的信号衰落可分为三部分：幅度衰减较大的路径损耗成分；伴 随着中等幅度衰减的具有对数正态分布特性( l o g n o r m a ld i s t r i b u t i o n ) 的慢变化 成分；以及衰减幅度较小的快变化部分。相应地，可用一个三阶段的传播模型来 描述无线蜂窝环境：第一阶段，根据从发射机到接收机范围内的路径损耗而得到 “大区平均功率”( a r e am e a np o w e r ) ；第二阶段，在该大区内的“本地平均功率” ( 1 0 c a l m e a n p o w e r ) 表现了慢衰落的特性，符合对数正态分布；第三阶段，叠加 在两者之上的瞬时功率，表现了快衰落的特性，服从瑞利分布( r a y l e i g h d i s t r i b u t i o n ) 。 w c d m a 是面向未来，多用户、多业务的蜂窝小区体制，它同样采用了多种 技术来克服恶劣的无线传播环境，在保证用户通信的同时尽可能地降低发射功 率，以增大系统容量。衡量移动通信系统在无线环境中传播性能优劣的一个重要 参数是通信所需的e b n o 值，3 g p p 的相关文档中给出了上下行链路中，不同速 率业务在不同误块率( b l e r ) 要求下的e b n o 值【5 】【2 6 1 。 w c d m a 系统是覆盖、容量、干扰相互制约的网络，当负载低于5 0 时( 考 虑3 0 的软切换比例) ，网络性能主要由覆盖的好坏决定，此时系统通常是覆 盖上行受限；当负载大于5 0 时，系统通常是容量下行受限；当负载达到一定 程度( 即容量达到极限容量时) 系统会出现呼吸效应，整体网络性能将会急剧恶 化。而影响覆盖的负载本身就是容量的表现形式，同时决定上、下行覆盖能力的 基站发射功率和移动台发射功率也是主要的干扰源( 在相同地形、地貌的条件 下) ，可见容量的变化和覆盖的好坏息息相关，因此系统容量分析必须和系统的 覆盖状况结合起来。 链路预算的目的是为了获得不同场景下小区覆盖能力的估计，主要通过对收 发信机之间信号传递过程中的各要素损益进行分析，获得一定场景下满足覆盖要 求允许的最大传播损耗。在选用合适的路径损耗估算模型的前提下可由此获得小 区覆盖能力的估计。 2 2 覆盖估算介绍 w c d m a 覆盖规划起始于链路预算和实测获得无线传播模型的校正。 浙扛工业大学硕士学位论文 w c d m a 链路预算要考虑基站的设备配置和天线配置。链路预算中还包含了一 些g s m 链路预算中不包含的新参数。 链路预算的主要目的是在对当前系统模型参数合理取值基础上，分析小区的 最大允许路径损耗，从而得出各种情况下的覆盖半径。w c d m a 系统的链路预 算不是一个单纯的线性过程，它和小区的负荷估算是结合进行的。首先，必须根 据在不同移动台速度下每种业务的质量要求，获得相应的上、下行的e b n 0 指 标值( 一般由设备厂家给出) ，由此计算出各种业务的参考接收灵敏度。参考接收 灵敏度与系统热噪声、业务速率和e b n 0 有关。然后，在设定或者已知小区负 荷的情况下，上行最大允许路径损耗的计算就变成一个简单的与g s m 系统上行 链路预算相似的计算过程。而下行链路的预算问题要复杂些，面对的是如何把有 限的总发射功率分配给各个活动终端的问题。鉴于终端位置分布、终端软切换状 态等不确定性，必须建立一个模型，作一些简化性的假设，然后才能计算出一个 统计性的结果t 2 7 1 。 在选定了