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北京邮电人学硕上学位论文w c d m a 干扰抵消直放站的研究与实现 w c d m a 干扰抵消直放站的研究与实现 摘要 随着移动通信技术的发展，覆盖问题成为运营商所关注的重点， 本文首先介绍目前的主流覆盖增强技术，并对其中应用较广泛的直 放站技术加以阐述，包括其结构、种类、关键技术以及应用场合等 方面。 本文针对传统直放站系统存在的问题，尤其对于那些由3 g 系统 的宽带信号和大功率功放而引发的，同时根据w c d m a 系统自身的 信号、网络特点等提出了适用于w c d m a 系统的、高性能的干扰抵 消直放站系统( w i c s ) ，并对系统的原理、结构、功能及其关键单元 加以详细阐述。 结合w c d m a 干扰抵消直放站系统( 、m c s ) 的整体结构、功能、 关键单元，本文提出了该系统的仿真结构，并对其中每部分的实现 方法、参数设置等进行了详细阐述。然后根据系统需求及性能指标 等设置仿真条件，并给出了相应条件下的仿真结果，展示系统中关 键单元a i c 和d p d 各自对系统性能的改善情况，以及系统的整体性 能。仿真结果证明系统中的a i c 能有效的消除天线之间的耦合干扰， d p d 能够补偿功放的非线性，综合二者的w c d m a 干扰抵消直放站 系统能较大程度的改善信号质量。上述仿真结果为w i c s 系统结构 的有效性提供了有力支持。 最后，根据w i c s 系统的特点、仿真情况等提出了其对应的硬 件实现方案，并对其关键单元及整个系统的工作流程加以描述。然 后重点介绍系统中专用芯片的特点、功能及其在本系统中的应用情 北京邮i 乜人学硕：i ：学位论文 w c d m a 十扰抵消直放站的研究与实现 况，根据系统需求对芯片进行配置，并通过仿真验证芯片配置的正 确性。 与以往的直放站相比，本文的w i c s 系统有效减小了收发天线 之间的耦合干扰，补偿了宽带功放的非线性，消除因功放非线性引 起的信号畸变，保证了直放站系统的信号质量和网络性能，进而确 保无线通信的有效性和可靠性。 关键词w c d m a 干扰抵消直放站系统 干扰抵消预畸变 直放站芯片配置 北京邮电大学硕上学位论文 w c d m a 干扰抵消直放站的研究与实现 t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t o fw c d m an 叮t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o ns y s t e m a b s t r a c t a st h e d e v e l o p m e n t o fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，c o v e r a g e i s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i nt h i sp a p e rw ei n t r o d u c es e v e r a l t e c h n i q u e sb e i n gu s e df o re n h a n c i n gw i r e l e s sn e t w o r k sc o v e r a g e ，a n d t h e nt a l ka b o u tt h er e p e a t e r , i n c l u d i n gi t ss t r u c t u r e ，k e yt e c h n o l o g i e sa n d a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t c o n s i d e r i n go ft h ep r o b l e m s i n v o l v e di nt r a d i t i o n a l r e p e a t e r s y s t e m s ，e s p e c i a l l yt h eo n e sb r o u g h tb yt h ew i d e b a n ds i g n a lo f3 ga n d n o n l i n e a r i t yo fp o w e ra m p l if i e r i nt h es a m e t i m e ，a c c o r d i n gt ot h es i g n a l f e a t u r e ，n e t w o r kf r a m e w o r k ，a n df r e q u e n c yb a n do fw c d m as y s t e m ， w e p r o p o s e an e wa r c h i t e c t u r eo f r e p e a t e rs y s t e m m w c d m a i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o ns y s t e m ( w l c s ) ，w h i c hi sv e r ye f f e c t i v ei n e l i m i n a t i n gt h ei n t e r f e r e n c ep r o d u c e db yt h et r a n s m i ta n t e n n aa n d e q u a l i z i n gt h en o n l i n e a r i t yo fp a a f t e r a n a l y z i n g t h e s t r u c t u r e ，f u n c t i o n ，k e y u n i t sa n dr e l a t e d t e c h n o l o g i e s ，w ei n t r o d u c et h es i m u l a t i o ns t r u c t u r eo fw i c s ，a n dp a y m u c ha t t e n t i o no nt h es i m u l a t i o nm e t h o d sa n dp a r a m e t e r so ft h es y s t e m t h e nw ed ot h es i m u l a t i o n a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t a n d p e r f o r m a n c ec r i t e r i o n ，a n ds h o wt h ei m p r o v e m e n to fs i g n a lq u a l i t y i n t r o d u c e db ya i ca n dd p du n i t st h r o u g ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，i nt h e s a m et i m e ，l a yo u tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l e s y s t e m t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ea i cc a n e f f e c t i v e l y e l i m i n a t et h ef e e d b a c k i n t e r f e r e n c eg e n e r a t e db yt h et r a n s m i ta n t e n n a ，t h ed p dc a nc o m p e n s a t e t h en o n l i n e a r i t yo fp a ，a n dt h ew i c si sa ne f f e c t i v es t r u c t u r et oi m p r o v e t h es i g n a lq u a l i t y a l lt h e s er e s u l t sa b o v ec a nb es t r o n ge v i d e n c e so ft h e a v a i l a b i l i t yo fw i c s l a s t ，w ei n t r o d u c et h eh a r d w a r es o l u t i o no fw i c sa c c o r d i n gt oi t s f e a t u r e s ，f u n c t i o n sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n de x p l a i nt h ek e yf u n c t i o n u n i t sa n dt h ep r o c e s so fs i g n a lp r o c e s s i n gi nt h es y s t e m t h e nl a yo u ta l l t h ea s i cc h i p su s e di nt h es y s t e m ，i n t r o d u c et h e i rf e a t u r e s ，f u n c t i o n s a n dt h ea p p l i c a t i o ni nt h es y s t e m i nt h es a m et i m e ，w ec o n f i g u r et h e c h i p sa c c o r d i n gt oo u rr e q u i r e m e n t ，a n dv a l i d a t et h ec o n f i g u r a t i o n p r o c e s st h r o u g ht h es i m u l a t i o nw i t hi s e c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lr e p e a t e rs y s t e m s ，t h ew i c sp r o p o s e di n t h i sp a p e re l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c eb r o u g h tb yt h et r a n s m i ta n t e n n a ， c o m p e n s a t et h en o n l i n e a r i t yo fp a ，s oa v o i dt h ed i s t o r t i o no fs i g n a l i n d u c e db yi t a l lt h e s ef e a t u r e sr e f e r r e da b o v em a k ew i c sa ne f f e c t i v e s t r u c t u r et o i m p r o v et h es i g n a lq u a l i t ya n dn e t w o r kp e r f o r m a n c e ，a n d e n s u r et h er e l i a b i l i t ya n d v a l i d i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n k e yw o r d sw c d m ai n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o ns y s t e m ( w l c s ) a d a p t i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( a i c ) d i g i t a lp r e d i s t o r t i o n ( d p d ) r e p e a t e rc o n f i g u r a t i o no fc h i p 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 兰鹭 日期：塑星：! 三! 兰三 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，l p ： 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： 导师签名： 日期：地塑：! ；! 蟹 一 日期：坦鲤。2 ；，丛 北京邮电大学硕士学位论文w c d m a 干扰抵消直放站的研究与实现 第一章绪论 在移动通信快速发展的今天，日益增长的覆盖和容量需求给运营商和设备 商提出越来越多的挑战，怎样在最少的投入下产生最大的收益、得到最好的用 户体验成为目前研究的重点。j 下所谓有需求才有市场，正是这种对移动新业务、 新体验的需求催生了3 g 乃至更先进的l t e 等制式。 就目前来讲，3 g 在全球各地如火如荼的发展，其高质量的多媒体业务，全 球漫游、无缝覆盖，与固定网络相兼容等特点为用户提供了很大的便利，同时， 其丰富的业务种类、充足的系统容量、强大的多用户管理能力、高保密性能和 高质量的服务也日益赢得运营商和用户的青睐。但与此同时，3 g 系统固有的网 络结构，关键技术以及所用频段等因素导致其网络深层次覆盖存在不足，进而 产生弱信号区、盲区、网络不稳定等一系列问题，影响用户使用的同时也阻碍 3 g 的快速发展【l j 。本章对目前无线网络中存在的问题以及主流解决方案进行简 要介绍。 1 1 无线信道特性 移动通信系统的性能主要受无线信道特性的制约，而无线信道的质量又主 要受无线传播环境的影响。对于无线通信系统，其信道传播模型可能因收发信 机之间存在障碍物而复杂化，同时移动台的移动更会加剧这一现象，因此相比 于有线信道，无线信道具有更大的随机性，分析起来也更为困难【2 j 。针对这一 难题，人们提出多种统计模型来模拟无线信道的特性，以助于更加真实的展示 实际信道环境，便于无线通信系统的设计、实施。下面我们首先对影响移动通 信系统性能的最根本因素一无线传播环境进行阐述。 1 1 1 无线环境传播机理 电磁波在自由空间中的传播机制多种多样，依据其特性可以简单的将其分 为四类，即直射、反射、绕射和散射，进而可知收发天线之间的电磁波可由直 射波、反射波、绕射波和散射波组成。 对于直射波，顾名思义，一般发生在视距传播、收发信机之间无障碍物阻 挡的条件下。反射波，在电磁波遇到比其波长大很多的物体时发生的，比如地 面、建筑物墙体表面的反射等，且可根据实际收发天线之间的距离确定是否可 将这一反射定为平坦地面反射，可用反射系数来描述其特征。绕射，通常发生 北京邮电人学硕i ：学位论文 w c d m a 干扰抵消直放站的研究与实现 在收发信机之间有障碍物阻挡的情况下，由阻挡面产生的二次波进行传播，或 者是绕过障碍物在其阴影部分产生弯曲波，绕射特征可用绕射系数来描述。散 射，发生于障碍物远远小于电磁波波长的情况下，这时电磁波依据其波长的大 小以及障碍物表面的不同向各个角度分散开来，产生这一现象的障碍物的主要 特征为粗糙表面、形状不规则，如树叶、街灯等。 为了更真实的模拟无线信道环境，需要综合考虑上述四种传播现象。以往 的无线信道建模主要着眼于给定收发信机距离( t - r ，几百数千米) 条件下接 收信号的平均强度，这一模型在估计无线信号的覆盖范围时非常有用，并被称 为大尺度传播模型。与此同时，另一模型着重考察短距离( 数个波长) 或短时 间( 数秒) 内的接收信号强度的变化情况，被称为小尺度传播模型。 下面介绍两种最为常见的无线信道环境，并对其信道模型进行描述。 1 1 2 自由空间传播模型 自由空间传播是指收发信机之间无障碍物阻挡，完全的视距传播特性，此 时的接收信号强度可以由如下自由空间传播模型来预测： 删) = 嬲 ( 1 1 ) 上式的e ( d ) 表示距离发射机d 处的接收信号功率，是距离d ( m ) 的函数； 且e 为发射功率，g f 是发射天线的增益，g ，为接收天线的增益，力( m ) 表示电 磁波的波长，三( 1 ) 为系统损耗因子，与传播环境无关。 从上述自由空间传播公式可知，接收信号功率p ( d ) 与收发信机之间距离d 的平方成反比，即接收信号随距离的平方衰减，同时又与收发天线的增益成正 比。 尽管在实际环境中很难找到理想的自由空间，但是这一模型仍作为评估移 动通信信道环境的基准，对于各种信道建模、分析有重要的借鉴意义。 在公式( 1 1 ) 的基础上我们可以提出另外一个概念，自由空间的路径损耗， 顾名思义，路径损耗即为有效发射功率与接收功率的差值，可用下式表示： l o = l o l g 考- = 3 2 4 4 + 2 0 1 9 f + 2 0 1 9 d l o l g g ，一l o l g g t ( 1 2 ) 其中厂为电磁波的频率，单位为m h z ，距离d 的单位为k m 2 1 。 公式( 1 2 ) 有着广泛的用途，无线网络的链路预算、选址、规划、参数调整 等都以该公式为基本依据。 2 北京邮电大学硕上学位论文 w c d m a 干扰抵消直放站的研究与实现 1 1 3 室内传播模型 除了自由空间，室内环境是另一种最为常见的无线信道环境，尤其对于目 前j 下在开展的3 g 业务，其7 0 以上的话音、数据业务都来自室内，因此分析 室内传播模型具有深刻的现实意义。 较自由空间、室外传播环境而言，室内传播环境更加复杂，变化也更加剧 烈，其不同于传统无线信道主要体现在两个方面，即覆盖距离小和环境变化更 剧烈。统计发现室内无线信号的传播特性受建筑物的格局、建筑材料以及建筑 的使用方式所影响，因此信道建模时需要综合考虑上述因素。 与自由空间类似，室内的电磁波传播机制也分为直射、反射、绕射和散射 四种，不同的是室内的环境变化更快，例如某个房间的信号强度在开门或关门 两种情况下就会有很大的不同。为便于分析，我们将室内信道环境简单分为两 类，即视距( l 0 s ) 和非视距( o b s ) ，且针对各种不同室内传播条件提出了多种损 耗模型，其中较为经典的两个模型如下： 1 ) 对数距离路径损耗模型 该模型为经验模型，如下式所示： = 三( 成) + l o n l g ( d ) 协 ( 1 3 ) 其中5 ( 4 ) 为参考路径损耗，可以测量或利用自由空间路径损耗公式计算得到， 成为参考路径损耗对应的距离，d 为收发天线之间的距离，刀是路径损耗指数， 取决于周围环境和建筑物类型，以是标准差为盯的正态随机变量，由环境杂乱 因子决定【3 1 。 2 ) 衰减因子模型 所谓的衰减因子模型也是一种室内经验模型，可以用于同层或者不同层的 传播路径损耗的计算，其公式如下： = l ( d o ) + l o ，z l g ( d - - ) + ，f ( 1 4 ) “o 其中尉，为地板衰减因子【2 1 ，其他变量同上，此处不再赘述。 1 2 无线网络覆盖存在的问题 对于无线通信系统，不仅其信道环境如上所述的变化丰富，使无线信号在 传播过程中产生各种类型的损耗与衰落，而且由于实际环境的嘈杂，自然界中 3 北京邮电大学硕 ：学位论文w c d m a 十扰抵消直放站的研究o j 实现 的各种噪声以及各种电磁波之间的干扰同样使无线信号产生畸变，这些都对无 线网络的覆盖、无线通信的质量提出了严峻的挑战。为便于对症下药，更有效 的解决无线通信的覆盖难题，我们将上述问题进行简单归类，针对各种问题分 别提出解决办法。 1 2 1 覆盖不足信号畸变 由上一节的描述可知，无线环境中的非视距传播、障碍物等使无线信号产 生严重损耗，同时复杂、多变的无线信道环境导致无线信号的衰落，这些因素 共同制约着无线网络的覆盖范剧4 1 。 大城市中，建筑物密集、高楼大厦林立，对无线信号产生极大的阻挡，致 使在建筑物的背面产生弱信号区，甚至盲区，严重影响通信质量。同时，对于 郊区、农村环境，由于其人口密度低，话务量分布不均，也导致无线网络建设 的尴尬局面，即容量有余而覆盖不足，具体体现为基站过少时覆盖不足，产生 很多盲区和弱信号区，基站过多时容量剩余过多，运营商收支不平衡。 另外，自由空间中充斥着各种电磁波，不同用途不同制式的无线信号相互 之间也会产生很大的干扰；同时，自然界中存在的各种噪声也对无线信号质量 造成极大的负面影响，使无线信号在传播过程中产生失真、畸变。这些都给无 线信号的发送、处理、接收提出了严峻的挑战，并且随着移动通信业务的普及， 上述覆盖问题也变得r 益紧迫。 1 2 2 室内覆盖 1 _ ) 室内覆盖的重要性 目前，室内覆盖正作为首要问题被运营商提上工作同程，同时也成为通信 设备商的主要技术方向，其重要性可以从如下几个方面进行阐述： 首先，从用户的角度考虑，随着经济发展水平的提高、工作环境的改善以 及移动终端的普及，室内吸收了大量的话务量。据统计，3 g 业务中7 0 以上来 自室内，即使对于目前的2 g 网络运营，室内话务量也占6 0 以上，并且尤其 集中于公共场所，如办公楼、商场、大型场馆等；同时，机场、车站、宾馆、 饭店及娱乐场所和地下停车场有着大量流动但统计稳定的移动用户和移动业务 量。 其次，从市场的角度考虑，2 g 的室内无缝覆盖带给用户良好的体验，如果 3 g 的室内覆盖达不到2 g 的水平，甚至不能很大程度的超过2 g 的水平，3 g 的 业务都很难为用户所接受，更谈不上为市场所接受了【5 】。所以为了3 g 的顺利发 4 北京邮电大学硕士学位论文 w c d m a 干扰抵消直放站的研究与实现 展，为了达到更好的市场收益，应该首要解决室内覆盖问题。 第三，业务层面，3 g 的核心竞争力在于其丰富的多媒体业务、数据业务， 如手机电视、视频电话、手机游戏、w e b 等，而这些业务的使用场合多为室内， 只有良好的室内覆盖效果才能保证这些业务的使用质量，使用户体验到3 g 业 务的优越性，促进3 g 的迅速发展。 第四，技术层面，在高层建筑物上，由于受到基站天线高度的限制，往往 由于覆盖不到而形成盲区或弱信号区；在中等建筑物和中等楼层，由于用户可 接收来自不同基站的信号而产生信号重叠，并易于产生频繁切换的乒乓效应； 在地下室、地下停车场，接收信号弱，有时还存在盲区和阴影区，严重影响移 动通信质型引。有效的室内覆盖设置与室外覆盖相配合，可以降低对室外站的 要求，彻底消除盲区和弱信号区，避免因过多的室外基站而导致的乒乓效应， 以及通过对话务量的均衡而减轻室外站的呼吸效应。 综上所述，可知室内覆盖对3 g 而言有着举足轻重的作用，而且就目前的 网络情况来看，大部分地区室外覆盖早已不存在问题，相反室内恰恰是网络覆 盖的薄弱环节，仅仅依靠室外宏蜂窝基站的覆盖已无法满足容量及通信质量的 要求。室内覆盖的建设，可以有效解决室内的覆盖、容量和质量问题，同时也 是运营商提升品牌、争夺客户的主要手段，因此目前的工作重点也逐渐向室内 方向转移。 2 ) 室内覆盖存在的问题 从上述对室内传播环境的阐述中可以看出，室内无线信道环境的复杂、多 变特性也给室内规划带来了很大的难题，而且不同建筑物、材料、结构对移动 通信电波传播有很强的屏蔽、吸收作用，且屏蔽吸收的程度又与建筑物规模、 结构和材料类型密切相关，通信质量与建筑物高度、用户所处位置密切相判引， 这些因素都在技术方面给室内覆盖提出了较高的要求。 综合考虑室内传播环境、建筑物相关属性以及室内移动业务的性质，可以 将室内覆盖存在的问题简要归纳如下： 盲区问题：由于建筑群自身的屏蔽和吸收作用，造成了无线电波的空间传 输损耗，形成了无线信号覆盖的弱场强区甚至盲区，而高层建筑大多位于建筑 物密集的市区，建筑物的互相遮挡造成高层建筑的底层部分无线信号衰落严重， 电梯、一楼和地下室覆盖普遍较差，大多数高层建筑地下室为盲区。 导频污染问题：所谓导频污染即指某区域存在三个以上的强度相近、超过 导频可用门限的导频。实际环境中，建筑的高层和顶部，当收到多个功率大小 接近的信号时，就容易导致通话质量差、掉话和主叫困难等问题；同时也会大 大增加软切换的比例，造成系统资源浪费。 北京邮l u 人学硕l 学位论文w c d m a 干扰抵消直放站的研究。j 实现 阻塞问题：大型购物商场、汇展中心等建筑物内，移动用户密度过大，经 常出现话务量激增的高峰时段，因此有时网络容量不能满足用户需求，进而导 致信道的阻塞现象，影响用户的使用。 接续时间长：严重的导频污染致使手机用户进行呼叫时产生频繁切换，使 得接续时间变长，同时使接入时发射功率偏大，各个用户之间也产生较强的相 互干扰【9 1 。 综上，室内覆盖在无线网络规划、运营中占有举足轻重的地位，同时其存 在的问题、实施难度更是不容忽视。 1 2 3 上下行不对称 对于无线网络而言，尤其是3 g 网络，上下行覆盖能力通常是不对称的， 在网络建设初期，用户容量较少且以语音业务为主时，覆盖通常是上行受限； 随着用户数增加，数据业务比重加大，覆盖和容量逐渐转为下行受限。因此， 在规划网络时，有必要根据网络负载和业务分布情况，考虑在上行或下行引入 覆盖增强技术，以弥补特定方向上覆盖能力的不足【6 1 。 1 3 目前用于覆盖增强的技术 对于上述无线网络覆盖方面存在的问题，目前已经提出多种针对性的解决 方案，这些方案根据其各自特点被应用于各种场合，给无线网络的覆盖施以有 利保障。下面对覆盖增强技术的要求以及目前主流的覆盖增强技术进行简要介 绍。 1 3 1 覆盖增强技术的要求 对于室外的覆盖增强技术，目的在于解决单纯靠基站覆盖而产生的弱信号 区、盲区以及基站覆盖难以到达的边缘地区、狭长地带；同时抵抗空间损耗、 消除其他无用信号对有用无线信号的干扰，消除传播过程中产生的信号畸变， 保证信号的可靠传输，进而保证通信质量。 对于室内覆盖系统，其目的是以最低成本满足室内覆盖要求，同时确保不 会因增加室内覆盖系统而影响整个网络的性能。当运营商有多于一个移动网络 时，室内覆盖系统最好能够兼容几个网络，最大程度的发挥投资效用。此外， 该系统还应该具有远程监控能力，以及管理维护简单、方便等特点【_ 丌。 另外，无论对于何种覆盖增强技术，都有一个共同的要求，即不对原有系 6 北京邮电人学硕士学位论文w c d m a 干扰抵消直放站的研究1 j 实现 统产生干扰，不致引入新的覆盖问题；且综合考虑成本、质量的前提下保证新 建系统之间不会相互干扰，这就需要对网络参数、设备配置等进行合理规划、 设置，达到覆盖的要求。 最后，随着通信技术的发展、经济水平的提高、人们环保意识的增强，无 形之中给室内覆盖提出了新的要求，即设备体积、外形、发射功率( 辐射强度) 、 与建筑物的搭配程度等都有较为苛刻的要求，所以，成功的室内覆盖应该兼顾 性能和相关附属条件。 1 3 2 主流的覆盖增强技术 在满足上述技术要求的前提下，目前主流的覆盖增强技术主要有：室外宏 蜂窝、室内微蜂窝、塔放技术、全向发射扇区接收( o t s r ) 技术、远端射频拉远 ( r r u ) 、直放站技术等6 】【8 】。 1 ) 室外宏蜂窝 所谓的室外宏蜂窝方案，是以室外宏蜂窝作为室内覆盖系统的信号源，即 无线接入方式。这是最早也是最简单的覆盖方案，对于早期的话务量需求较低、 业务单纯的情况下效果较好，即该方案适用于低话务量和较小面积的室内覆盖 盲区，以及市郊等偏远地区使用。但是随着通信技术的发展、用户数的激增以 及移动业务的日益丰富，单纯依靠室外宏蜂窝很难到达理想的覆盖效果。同时， 由于目前大多数城市高层建筑密集、高楼林立，由室外站提供室内覆盖存在很 大的局限性；这种情况下如果要保证室内覆盖的质量，那么室外的干扰将变得 难以控制，即其覆盖范围不易控制，因而会影响网络的整体规划与容量；另外， 对于纵深较大的商场与娱乐中心，单纯靠室外宏蜂窝覆盖是不可能的。 2 ) 室内微蜂窝 室内微蜂窝，以室内微蜂窝作为室内覆盖系统的信号源，也即有线接入方 式。该方案适用于覆盖范围较大，且话务量相对较高的建筑物内，适用于市区 中心的覆盖和容量解决。该方案的优点在于可增加网络资源、提高网络容量和 服务质量，不干扰室外宏蜂窝，也不受外部的干扰；但是，单纯利用该方案解 决室内问题也存在很大的局限性，因为建设微蜂窝的设备投入与工程周期都较 大，只适合在话务量集中的高档会议厅或商场使用。 3 ) 塔放技术 塔放对系统的影响主要体现在改善基站合成噪声系数上，一个串接了塔放 7 北京邮l 乜人学硕。l ：学位论文w c d m a 十扰抵消直放站的研究j 实现 的系统可以看作一个多级的放大器系统，安装塔顶放大器后的接收系统第一级 放大器即为塔放，第二级放大器为馈线，第三级放大器为基站接收机。多级放 大器的合成噪声系数主要由塔放决定，塔放增益越高，系统合成的噪声系数值 越接近塔放噪声系数值：一般而言，塔放带来的增益为3d b 左右。馈线损耗 越大，塔放对系统合成噪声系数的改善越明显；在给定塔放噪声系数、增益和 基站噪声系数的前提下，3d b 的馈线损耗成为塔放增益的一个转折点；当馈线 损耗小于等于3 d b 时，塔放增益大于等于馈线损耗；当馈线损耗大于3d b 时， 塔放增益小于馈线损耗。 塔放技术可以显著改善上行覆盖，因此最适合使用在上行覆盖受限、需要 增大上行覆盖范围的场合，如郊区、农村等；此时网络上行容量没有变化，但 由于覆盖范围增大，下行容量会有一定损失。塔放的另一种实际应用场合是密 集城区等容量受限的场所，此时加装塔放不能增加基站覆盖半径，也不能改善 网络容量，但可以改善网络的呼叫成功率，尤其对室内用户而言。 4 ) 全向发射扇区接收( o t s r ) 技术 利用o t s r 技术，可以采用定向接收实现广覆盖、全向的发射，节省下行 发射通道的成本，从而满足低成本广覆盖的需求。采用o t s r 技术，初期仅仅 需要配置一个下行的功放模块和一个一分三分路器，大大降低了基站投入成本， 实现了低成本建站，并且由于上行是采用了三扇区的天线接收，其上行的性能 和一个三扇区基站一致，满足了广覆盖的需求；并且后期可以通过增加功放来 实现o t s r 升级到定向发射扇区接收( s t s r ) 功能，提高系统容量。 o t s r 在实现中，从r n c 端看是一个全向的小区，但由于采用了定向天 线，所以其覆盖距离远远大于一个全向小区覆盖的距离，并且在今后的扩容过 程中，只要增加下行发射单元，无需对天馈系统做任何改动。鉴于o t s r 的技 术特征，它特别适用于在初期网络容量不大，但有容量增长潜力、需要实现上 行广覆盖的场所。 研远端射频拉远( r r t o r r u 技术就是将基站的射频模块和基带模块在物理上分离开来，两个模块 之间的接口采用c p r i 标准，其系统结构如图1 1 所示。 就结构而言，基带模块( b b u ) 仍旧放在基站机柜内，而射频模块( r r u ) 用光 纤拉至远端，与天线子系统直接相邻，这一结构为基站选址增加了很大的便利 性；功能方面，基带模块( b b u ) 完成所有基带的处理，射频模块( r r u ) 完成射频 部分的处理，因为b b u 与r r u 之间传输的是数字信号，所以可以用光纤代替 以往的电缆，极大的降低了传输损耗。 8 北京邮电大学硕士学位论文w c d m a 干扰抵消直放站的研究与实现 图1 - 1 远端射频拉远a 啾u ) 系统结构 r r u 方案的优点如下： 幻降低馈线损耗，增大覆盖范围。r r u 直接安装在塔顶，同样条件下天 线口的输出功率提高2 - - - 3d b ( 1 0 0m 馈线产生6d b 损耗)，因而基站的覆 盖能力大大增强。 b 1b b u + r r u 的结构增大了基站选址的灵活性，即通过将笨重的基带部分 保留于传统的机房，而将r r u 灵活拉远到需要的场地，避免了以往密集地区基 站选址难和高成本的问题，降低机房成本和工程建设成本。 c ) 组网灵活、安装快捷、成本低廉，可以满足室内覆盖和乡村郊区覆盖等 特殊要求。 d ) 升级灵活，可平滑升级到高速下行链路分组接入( h s d p a ) 和高速上行 链路分组接入( h s u p a ) 等，不用更换射频模块，极大的降低了升级成本。 e ) 提高基带复用效率，降低设备成本。如果使用r r u 组网，就可以充分 利用资源池的共享效果。 r r u 技术通过减小馈线损耗来改善上下行覆盖，且可以改善下行容量，因 此特别适合那些需要降低馈线损耗、改善覆盖的场合。由于射频模块拉远带来 的安装位置的灵活性，r r u 技术也特别适合解决盲区和热点地区等特殊场景的 覆盖问题。 回直放站技术 无线网络中，直放站( r e p e a t e r ) 是一种处于基站和移动台之间的中继、同频 放大设备，是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一种无线电发射中转设 备，其在网络中的位置可以通过图1 2 展示。 简而言之，直放站的基本功能就是射频信号功率放大，主要包括如下几个 部分：接收机、放大器和发射机。在下行链路中，由接收天线在基站现有的覆 盖区域中拾取信号，通过带通滤波器对带外的信号进行极好的隔离，将滤波后 的信号经功率放大器放大后再次发射到待覆盖区域。在上行链路中，直放站覆 9 北京邮电大学硕士学位论文 w c d m a 干扰抵消直放站的研究与实现 盖区域内的移动台信号以同样的工作方式由上行放大链路处理后发射到相应基 站，从而达到基站与手机之间的信号传递。 4 蠢乏 瓜；i 司 隧型 图1 - 2 直放站在移动网络中的位置 直放站安装简单、快捷、成本低、工程量小；但是它只是一种覆盖延伸设 备，本质上并不能增大网络容量，而且由于其自身特性，可能产生自激、干扰 基站等，进而增大网络优化难度；此外，由于直放站的引入会增加施主基站的 接收热噪声，因此直放站的选型和设置要根据不同的应用场合来确定。 鉴于自身特点，直放站适用于低话务量、覆盖范围小的场合，可以将施主 基站的覆盖范围扩展到其覆盖的盲区和弱区( 如商场、宾馆、机场、码头、车 站、体育馆、娱乐厅、地铁、隧道、高速公路、农村等各种场所) ，提高通信质 量，解决掉话等问题。 综上所述，直放站以它结构的灵活、造价低廉、适用范围广等优点赢得了 广泛的关注，在移动通信中发挥着越来越重要的作用，尤其是对于即将投入商 用的3 g 网络而言，无论是建网初期还是后期的网络优化，直放站几乎必不可 少。 本文将以直放站为研究重点，对直放站的系统结构、关键技术、性能指标 等进行详细描述，然后根据3 g 网络的特点提出一种性能较好的干扰抵消直放 站结构。 1 4 本文组织结构 第一章绪论，主要阐述了移动网络的信道环境及其覆盖方面存在的问题， 同时简要介绍目前用于移动网络覆盖增强的技术方案。 第二章直放站技术简介，介绍传统直放站的结构、种类、关键技术以及应 用场合等。 第三章w c d m a 干扰抵消直放站系统，针对目前直放站系统存在的问题， 以及w c d m a 系统的网络特点、频谱条件、信号特征等具体条件提出一种新型 l o 囡萄 北京邮电人学硕士学位论文 w c d m a 干扰抵消直放站的研究与实现 直放站系统，并对该系统的原理、结构、功能等进行详细阐述。与以往的直放 站相比，该系统的主要创新点在于引入了用于消除收发天线之间反馈干扰的自 适应干扰抵消技术( a i c ) 以及用于补偿功放非线性的数字预畸变技术( d p d ) 。 第四章w c d m a 干扰抵消直放站系统性能仿真，对于第三章提出的直放 站系统，综合考虑其整体结构、关键单元、采用技术后提出其相应的仿真结构， 并对仿真结构中每部分的实现方法、参数设置等进行详细阐述。然后根据系统 结构、系统需求以及性能指标等设置仿真条件，并给出相应条件下的仿真结果， 展示系统中关键单元a i c 和d p d 各自对系统性能的改善情况，以及综合所有 功能单元的系统整体性能。通过仿真证明系统中的a i c 能有效的消除收发天线 之间的耦合干扰、d p d 能够补偿功放的非线性，综合二者的w i c s 系统能较大 程度的改善直放站信号质量，为w i c s 系统结构的有效性提供了有力支持。 第五章w c d m a 干扰抵消直放站系统的硬件实现，对本系统的硬件实现 方案进行介绍，着重阐述系统中关键单元的实现以及整个直放站的工作流程； 其次重点说明系统中所用到的专用芯片的特点、功能以及在本系统中的应用情 况，并根据系统需求对芯片进行配置，最后通过仿真结果证明芯片配置的正确 性。 第六章结束语，对本文工作及成果做以简要总结，同时对该领域的前景进 行展望。 北京邮i 乜人学硕上学位论文 w c d m a 干扰抵消直放站的研究。j 实现 第二章直放站技术简介 通过上一章的介绍，我们对直放站的功能、应用等有了初步的了解，直放 站属同频放大设备，是指在无线通信传输过程中起信号增强作用的一种无线电 发射中转设备，其基本功能就是一个射频信号功率增强器。直放站在下行链路 中，由施主天线现有的覆盖区域中拾取信号，通过带通滤波器对带外的信号进 行极好的隔离，将滤波后的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域。在上行 链接路中，覆盖区域内的移动台信号以同样的工作方式由上行放大链路处理后 发射到相应的基站，从而达到基地站与手机之间的信号传递【】【1 2 】。 将直放站作为实现“小容量、大覆盖”目标的必要手段之一，主要是由于使 用直放站不但可以在不增加基站数量的前提下保证网络覆盖，而且其造价远远 低于有同样效果的微蜂窝系统，是延伸通信网络覆盖能力的一种优选方案。它 与基站相比有结构简单、投资较少和安装方便等优点，可广泛用于难于覆盖的 盲区和弱区，如商场、宾馆、机场、码头、车站、体育馆、娱乐厅、地铁、隧 道、高速公路、海岛等各种场所，能够有效提高通信质量，解决掉话等问题。 直放站的应用范围十分广泛，同时正是这多种场合、多种环境的应用催生 了多种类型的直放站，合理采用与环境、需求匹配的类型能够充分发挥直放站 的功能，达到最好的覆盖效果。下面将对直放站的类型、关键技术、工程参数 和应用场合等进行详细阐述。 2 1 直放站种类 直放站的广泛应用范围决定了其多种多样的类型，只有针对每种场景选择 合适的直放站才能达到最好的覆盖效果。对于现有直放站的种类，可以从以下 几个方面进行说明【1 3 】： 1 ) 以传输信号区分，可分为： g s m 直放站 c d m a 直放站 3 g 直放站 g s m 移动通信直放站是为了消除g s m 9 0 0 1 8 0 0 频段移动通信网的小范围 信号盲区或弱信号区而设计生产的通信设备。被广泛应用于地下商场、停车场、 地铁、隧道、高层建筑等办公室等基站信号所无法到达的信号盲区，同时对于 消除城市因受高楼大厦影响而产生的室外局部信号阴影区或边远郊区个别村镇 的弱信号区也具有相当好的覆盖效果。 1 2 北京邮电大学硕士学位论文w c d m a 干扰抵消直放站的研究与实现 c d m a 直放站可以扩大c d m a 基站的覆盖范围，大大节省c d m a 网络建 设的投资( 一个c d m a 直放站的投资约为一个c d m a 基站的十分之一) 。特别 是在高层楼宇、地下( 如地铁) 以及盲区等特殊环境下，c d m a 直放站可以充 分发挥它的优势。同时，由于各种地理环境和用户的要求不同，所需的c d m a 直放站的类型也不同。 与传统的2 g 无线通信系统相比，由于3 g 无线通信系统主要适用的频段在 2 0 0 0 m h z 附近，根据电波传播衰减规律，显然3 g 的无线信号比2 g 的无线信 号衰减得更快，在同等功率情况下的3 g 基站和直放站的覆盖范围都比2 g 的要 小，所以在达到与2 g 网络同等的覆盖水平时，需要更多的直放站来完成网络 覆盖。由此我们可以预期，在即将到来的3 g 无线网络建设高潮中，直放站必 将扮演更为重要的角色。 2 ) 以安装场所区分，可分为： 室外型直放站 室内型直放站 顾名思义，这两种直放站分别针对室外覆盖增强和室内覆盖的不同需求， 从功能、体积、成本等多方面因素加以考虑，较好的实现所在场合的覆盖功能。 3 ) 以传输带宽区分，可分为： 宽带直放站 选频直放站 选频直放站和宽带直放站的差别在于覆盖端，前者是选频组件，后者是宽 带组件。相对宽带直放站而言，选频直放站有更好的性能，它将上、下行频率 下变频为中频，进行选频限带处理后，再上变频恢复上、下行频率，进而提高 信号的质量。但是使用时也存在一些限制，如：选频的通道数一定不能少于源 基站配置的载频，否则可能无法占用信道；当直放站的施主小区频点更改后， 必须调整直放站的频点，否则将导致掉话、干扰等问题。宽带直放站则是对整 个频段内的信号都进行放大，因而较容易给其他小区带来干扰【1 0 1 。 4 ) 以传输方式区分，可分为： 直放式直放站( 无线传输直放站) 光纤传输直放站 移频传输直放站 无线传输直放站，下行从基站接受信号，经放大后向用户方向覆盖；上行 从用户接收信号，经放大后发送给基站，为了限带，加有带通滤波器。 光纤传输直放站，将接收到的信号经光电变换变成光信号，传输后又经电 光变化恢复成电信号再发出。 1 3 北京邮l 乜人学硕上学位论文 w c d m a 干扰抵消直放站的研究o j 实现 移频传输直放站，将接收到的频率上变频为微波，传输后再下变频为原先 收到的频率，放大后发送出去。 上述各种类型的直放站根据其自身特点分别应用于不同的通信环境，很好 的满足了各种场合的覆盖需求。 2 2 直放站的结构 图2 1 所示即为一个简单的无线直放站系统【1 4