硕士论文-wcdma通信系统中功率控制算法的研究.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 WCDMA通信系统中功率控制算法的研究 姓名 包利明 申请学位级别 硕士 专业 信号与信息处理 指导教师 王华奎 20080501 太原理工大学硕士研究生学位论文 W C D M A 通信系统中功率控制算法的研究 摘要 本文主要研究了3 GW C D M A 移动通信系统中的功率控制技术 具体 研究了其中的下行功率控制和基于代价函数的联合功率控制技术 在C D M A 系统中 由于存在着 多址干扰 远近效应 阴影效应 而使得通信质量劣化 最终导致系统容量下降 从而引入功率控制技术来 有效地解决这些问题 通过采用功率控制技术 一方面削弱了干扰的影响 另一方面使移动台的发射功率控制在满足信噪比要求的最低电平 既节约 了发射功率 又减小了对其它用户的干扰 从而提高了系统的容量 近年 来 由于在下行链路方向要提供大量的数据业务 使得下行链路的负荷更 大 前向容量将成为系统的瓶颈 因此作为W C D M A 中关键技术的下行功 率控制也就显得更加重要 由于前向链路容量的瓶颈问题越来越突出 对 下行功率控制的要求也随之提高 所以研究下行功率控制具有很好的现实 意义 本文通过基于信噪比 S N R 测量的链路级功率控制算法 使用 M A T L A B 对闭环功率控制进行了设计 建模 编写程序及仿真 并对仿真 结果进行了分析 验证了在系统中具有功率控制时的性能要明显优于不具 有功率控制的性能 其中在计算信噪比时选用了传统的最大似然估计算法 即由R A K E 接收机合并各径的D P C C H 解扩信号 求得合并后信号的瞬时 功率以及瞬时平均多址干扰 M A I 和背景噪声功率 通过一个滤波器得 到合并后的M A I 和背景噪声功率 再根据S N R S N 最终求得每时隙的 S N R 在W C D M A 的功率控制各环节中 准确地测量各信道接收信号的信 噪比是非常重要的 本文介绍了W C D M A 移动通信系统中下行链路的传统功率控制模型和 太原理工大学硕士研究生学位论文 两种基于代价函数的功率控制模型 一种新的基于代价函数的功率控制算 法和一种基于代价函数的联合攻率控制算法 通过系统仿真 证明了后两 种功率控制算法比传统算法有较好的性能提高 而且系统容量也大大提高 关键词 W C D M A 功率控制 下行链路 远近效应 代价函数 联合功 率控制 太原理工大学硕士研究生学位论文 T H ER E S E A R C HO FP O W E RC O N T R o LA L G O R I T H M I NW C D AC O N m 仉肘I C A T I O NS Y S T E M S A BS T R A C T I nt h i st h e s i s Im a i n l yh a v ea l li n d e p t hs t u d yo np o w e rc o n t r o li nr a d i o r e s o u r c em a n a g e m e n tf o r3 GW C D M A n e t w o r k p a r t i c u l a r l y o n d o w n l i n k c l o s e d l o o pp o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g y I nC D M A s y s t e m m u l t i a d d r e s si n t e r f e r e n c e n e a r f a rp r o b l e m a n d s h a d i n ge f f e c t d e t e r i o r a t et h eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o n w h i c hl e a d i n gt ot h e s y s t e mc a p a c i t yd e c r e a s e P o w e rc o n t r o li si n t r o d u c e dt os o l v et h e s ep r o b l e m s e f f e c t i v e l y P o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e dt ow e a kt h ei n f l u e n c eo f i n t e r f e r e n c e a n dt om a k et h et r a n s m i tp o w e rm a i n t a i nt h el o w e s tl e v e ls a t i s f y i n g S I Rr e q u i r e m e n t P o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g yb o t hh e l pt h et r a n s m i ta n dr e d u c e t h ei n t e r f e r e n c et oo t h e ru s e r s T h u ss y s t e mc a p a c i t yc a nb ei m p r o v e d R e c e n t l y l a r g ea m o u n to fd a t as e r v i c e sa r er e q u i r e di nd o w n l i n kd i r e c t i o n w h i c hm a k e sm o r el o a do fd o w n l i n k D o w n l i n kc a p a c i t yb e c o m e sb o t t l en e c k S O a sk e yt e c h n o l o g yo fW C D M As y s t e m d o w n l i n kp o w e rc o n t r o li sv e r y i m p o r t a n t B e c a u s eb o t t l en e c kp r o b l e mo fd o w n l i n kc a p a c i t yi sm o r ea n dm o r e p r o m i n e n t t h er e q u i r e m e n tt od o w n l i n kp o w e rc o n t r o li sm o r ea n dm o r es t r i c t t h es t u d yo f d o w n l i n kp o w e rc o n t r o lh a sg o o dp r a c t i c a lp u r p o r t L i n kl e v e lp o w e rc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nS I Ri su s e di nt h i st h e s i s W i t h m a t l a b t h ec l o s e dl o o pp o w e rc o n t r o li sm o d e l e da n dp r o g r a m m e d T h r o u g h a n a l y z i n gr e s u l ta f t e rs i m u l a t i o n i ti sp r o v e dt h a ts y s t e mp e r f o r m a n c eu s i n g p o w e rc o n t r o l i s s u p e r i o rt O t h a tw i t h o u tu s i n gp o w e rc o n t r 0 1 T h eS I Ri s c o m p u t e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lM a x i m a lL i k e l i h o o dE s t i m a t i o nA l g o r i t h m T h a ti s e a c hp a t ho fd e s p r e a d e dD P C C Hs i g n a li sc o m b i n e db yR A K E r e c e i v e r I l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h e ni n s t a n t a n e o u sp o w e rM A Ia n db a c k g r o u n dn o i s ep o w e ro ft h ec o m b i n e d s i g n a la r eo b t a i n e d C o m b i n e dM A Ia n db a c k g r o u n dn o i s ep o w e rc a no b t a i n e d b y a f i l t e r F o l l o w i n gt h a t S I Ro f e a c hs l o ti sf i n a l l yo b t a i n e db y u s i n gd e f i n i t i o n o fS I R S N I ne v e r ys t e po fW C D M Ap o w e rc o n t r o l i ti s a l w a y sv e r y i m p o r t a n tt op r e c i s e l yc o m p u t eS I Ro f r e c e i v e ds i g n a lo fe a c hc h a n n e l T h i st h e s i si n t r o d u c e dt h ed o w n l i n kt r a d i t i o n a lp o w e rc o n t r o lm o d e la n d t w ok i n d so fp o w e rc o n t r o lm o d e l sb a s e do nc o s tf u n c t i o n n e wp o w e rc o n t r o l a l g o r i t h ma n dj o i n tp o w e rc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nc o s tf u n c t i o nr e s p e c t i v e l y i nW C D M Am o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m T h r o u g ht h es y s t e ms i m u l a t i o n i t h a db e e np r o v e dt h a tt h el a t t e rt w ok i n d so fp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m sh a dt h e g o o dp e r f o r m a n c ee n h a n c e m e n tc o m p a r e dt ot h e t r a d i t i o n a la l g o r i t h m m o r e o v e r t h es y s t e mc a p a c i t ya l s oe n h a n c e dg r e a t l y K E YW O R D S W C D M A p o w e rc o n t r o l d o w n l i n k n e a r f a re f f e c t c o s t f u n c t i o n j o i n tp o w e r c o n t r o l l V 声明尸明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在指导教师的指导下 独立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 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 本声明的 法律责任由本人承担 论文作者签名 塾塾亟日期 Q 立 盍 垦f 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管 使用学位论文的规定 其 中包括 学校有权保管 并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件 学校可以采用影印 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文 学校可允许学位论文被查阅或借阅 学校可以学术交流为目的 复制赠送和交换学位论文 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 签 复9 4 皿 二 导师签名 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 第三代移动通信的发展概况 第三代移动通信系统 简单地说就是提供覆盖全球的宽带多媒体服务的新一代移动 通信系统 移动通信系统发展已经历了两代 第一代是模拟的语音移动通信 第二代是 数字移动通信 尽管第二代数字移动通信系统取得了很大的成功 但由于其系统带宽有 限 限制了数据业务的应用 也无法实现移动的多媒体业务 因此国际电信联盟提出了 预期在2 0 0 0 年左右投入商用的第三代移动通信系统 I M T 2 0 0 0 第三代移动通信系统不是凭空出现的 它是近2 0 年来现代移动通信技术和实践的 总结和发展 兀UT G 8 1 早在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信系统的概念 最初命名为 F P L M T S 未来公共陆地移动通信系统 后来更名为I M T 2 0 0 0 第三代移动通信系统 的目标是 世界范围内设计上高度一致性 与固定网络各种业务的相互兼容i 高服务质 量 全球范围内使用的小终端 具有全球漫游能力和支持多媒体功能及广泛业务的终端 为了实现上述目标 对第三代无线传输技术 R T T 提出了支持高速率多媒体业务 高 速移动环境 1 4 4 K b p s 室外步行环境 3 8 4 K b p s 室内环境 2 M b p s 比现有系统有 更高的频谱效率等基本要求 1 9 9 9 年1 1 月5 号召开的I T UT G 8 1 第1 8 次会议最终通过了I M T 2 0 0 0 无线接口技 术规范建议 I M T R S P C 确立了I M T 2 0 0 0 所包含的无线接口技术标准 I M T R S P C 的 地面部分建议是第三代无线接口技术规范建议的主要组成部分 分为C D M A 和T D M A 两类体制 具体包含以下5 个无线传输技术 1 I M T 2 0 0 0 C D M A M C 包括c d m a 2 0 0 01 X 和3 X 2 I M T 2 0 0 0C D M A T D D 包括T D S C D M A 和U T R A T D D 3 I M T 2 0 0 0 T D M AS C 即U W C l 3 6 4 I M T 2 0 0 0T D M AM C 即D E C T 其中 前三种为C D M A 技术 后两种为T D M A 技术 显然作为主导地位的是C D M A 标准 因此 作为C D M A 系统的关键技术 如R A K E 多径分集 信道编译码 智能天 线 多用户检测和功率控制等技术是如今研究的热点 随着技术的发展 在移动通信标准方面各国和地区都提出了各自的方案 我国也提 出了具有自主产权的T D S C D M A 标准 第三代移动通信的主流技术标准主要有三种 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 I M T 2 0 0 0C D M A D S I M T 2 0 0 0 直接扩频C D M A 即W C D M A 它可以在一个宽达5 M H z 的频带内直接对信号进行扩频 I M T 2 0 0 0C D M A M C I I T 2 0 0 0 多载波C D M A 即 C D M A 2 0 0 0 这是美国提出的技术 它是由一个或多个1 2 5 M H z 的窄带直接扩频系统 组成的一个宽带系统 T D S C D M A 时分同步码分多址 是由中国提出的 也是C D M A T D D 标准的一员 三种主要的I M T 2 0 0 0 无线传输方案的介绍 W C D M A W C D M A W i d e b a n dC D M A 标准由3 G P P 组织制定 它的主要特点是无线接入网采 用W C D M A 技术 核心网分为电路域或分组域 分别支持语音业务和数据业务 并提 出了开放业务接入 O S A 的概念 W C D M A 的技术优势主要有以下几点 1 业务灵活 W C D M A 允许每个5 M H z 载波处理从8 K b p s 到2 M b p s 的混合业务 另外在同一信道上既可进行电路交换业务也可以进行分组交换业务 利用在单一终端上 进行多个电路和分组交换连接 实现真正的多媒体业务 可以支持不同质量要求的业务 例如话音和分组数据 并保证高质量和完美的覆盖 2 频谱效率高 W C D M A 能够高效利用无线电频谱 由于它采用单小区复用 因此不需要频率规划 利用分层小区结构 自适应天线阵列和相干解调 双向 等技术 网络容量可以得到大幅提高 3 容量和覆盖范围大 W C D M A 射频收发信机能够处理的话音用户是典型窄带 收发信机的8 倍 每个射频载波可处理8 0 个同时话音呼叫或者5 0 个同时的I n t e r n e t 数 据用户 W C D M A 的容量差不多是窄带C D M A 的两倍 更大的带宽能在上 下行链路中 使用相干解调和快速功率控制允许更低的接收机门限 4 每个连接可提供多种业务 W C D M A 符合真正的U M T S I M T 2 0 0 0 要求 分 组和电路交换业务可在不同的带宽内自由地混合 并可同时向同一用户提供 每个 W C D M A 终端能够同时接入多达6 个不同业务 这些业务可以是话音或传真 电子邮件 和视频等数据业务的组合 5 无缝的G S M M T S 接入 双模终端在G S M 网络和U M T S I M T 2 0 0 0 网络之 间提供无缝的切换和漫游 在两个接入系统之间有尽可能大的业务映像 6 终端的经济性和简单性 W C D M A 手机所要求的信号处理大约是复合 T D C D M A 技术的1 1 0 更简单 更经济的终端易于进行大量生产 从而也就带来了更 高的规模经济 更多的竞争 网络运营公司和用户也将获得更大的选择余地 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 C D M A 2 0 0 0 C D M A 2 0 0 0 是国际电信联盟 I T U 规定的第三代移动通信无线传输技术之一 是 从窄带C D M Ao n e 数字标准衍生出来的 可以从原有的C D M Ao n e 结构直接升级到3 G 建设成本低廉 按照使用的带宽来区分 C D M A 2 0 0 0 可以分为l x 系统和3 x 系统 其中 1 x 系统使用1 2 5 M H z 的带宽 提供的数据业务速率最高能达到3 0 7 K b p s 在l x 系统以 后 国际上比较公认的发展方向是l xE V D O 和l xE V D V 系统 其中l xE V D V 系统 在将数据业务最大速率提高到3 1 M b p s 的同时 又进一步提高了语音业务的容量 尽管 C D M A 2 0 0 0 的支持者不如W C D M A 多 不过C D M A 2 0 0 0 技术的研发却是目前各标准中 进度最快的 许多3 G 手机已经率先面世 C D M A 2 0 0 0 的技术特点是 具有多种信道带宽 前向链路支持多载波 M C 和直 扩 D S 两种方式 反向链路仅支持直扩方式 当采用多载波方式时 能支持多种射频 带宽 即射频带宽可为N x l 2 5 M H z N 1 3 5 9 或1 2 目前技术仅支持前两种 即1 2 5 M H z C D M A 2 0 0 0 I x 和3 7 5 M H z C D M A 2 0 0 0 3 x 其他的技术特点还包括 可以更有效地使用无线资源 可实现C D M Ao n e 向C D M A 2 0 0 0 系统平滑过渡 核心网 协议可使用I S 4 1 G S M M A P 以及口骨干网标准 前向发送分集 快速前向功率控制 使用T u r b o 码 辅助导频信道 灵活帧长 反向链路相干解调 T D S C D M A T D S C D M A T i m eD i v i s i o n S y n c h r o n o u sC o d eD i v i s i o nM u l t i p l eA c c e s s 是I T U 正 式发布的第三代移动通信空间接口技术标准技术之一 它得到了C W T S 及3 G P P 的全面 支持 是中国电信行业近百年来第一个完整的通信技术标准 是集C D M A T D M A F D M A 技术优势于一体 系统容量大 频谱利用率高 抗干扰能力强的移动通信技术 采用了智能天线 联合检测 接力切换 同步C D M A 软件无线电 低码片速率 多时 隙 可变扩频系数 自适应功率调整等技术 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 并可通过 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 为对称话音业务和不对称数据业务提供的频谱利 用率高 也就是说 在使用相同频带宽度时 T D S C D M A 可支持多倍的用户 3 设备成本低 在天线基站方面 T D S C D M A 的设备成本低 主要因为 由多 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 天线阵 相干收发信机和D S P 算法组成的智能天线具有降低多址干扰 提高容量和接 收灵敏度以及降低发射功率和天线基站成本等优点 各终端上行链路信号在基站解调器 完全同步 即上行同步 它的优点是C D M A 码道正交 降低码道间干扰 提高C D M A 系统容量 可以简化基站硬件 降低天线基站成本 通过D S P 软件实现无线电功能 即软件无线电技术 可实现智能天线和多用户检测等基带数字信号处理 使系统可灵活 地使用新技术 并可降低产品开发周期和成本 系统兼容 由于T D S C D M A 同时满足 I u b A G b I u I u R 多种接口的要求 所以I D S C D M A 的基站子系统既可作为2 G 和2 5 GG S M 基站的扩容 又可作为3 G 网中的基站子系统 能同时兼顾现在的需求和 未来的发展 1 2 第三代移动通信面临的主要问题 多径衰落 这个问题存在于所有的移动通信系统中 无线电波在传播过程中将发生折射 反射 和折射 从而产生多条传播路径 不同路径的信号到达接收机时 由于天线的位置 方 向和极化不同 使接收信号的幅度 相位起伏变化 产生严重的衰落现象 为了保证通 信质量 不得不增加信号功率 这就直接影响了系统的容量 时延扩展 不同路径的信号有不同的传播时延 当时延超过检测脉冲宽度的1 0 时 脉冲间的 干扰就明显存在 从而限制了移动通信的数据速率 多址干扰 由于3 G 系统采用C D M A 技术 即采用不同的扩频码字来区分用户 这就要求各用 户的扩频码具有强自相关性和弱互相关性 但实际上各用户之间的互干扰不可能完全消 失 所以C D M A 系统是干扰受限系统 就是说来自本小区和邻近小区用户的干扰成了 决定系统容量和性能的主要因素 多址干扰是3 G 系统所特有的一种干扰 远近效应 在各移动台均以相同功率发射信号时 基站接收到的近处移动台发射的信号功率将 远大于远处移动台发射的信号功率 远近效应是指近处大功率信号对远处小功率信号产 生的很强的干扰 它也是一类多址干扰 不过在3 G 系统中这种干扰表现十分突出 体制问题 目前 第二代系统已经被广泛地应用 所以 从资源利用的角度来考虑 3 G 系统 必须兼容前代系统 而且能在将来平滑地过渡到第四代移动通信系统 甚至个人通信系 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 统的最高目标 但目前 第二代系统种类繁多 标准层出不穷 体制多种多样 所以 如何使3 G 系统起好一个承前启后的作用 也是一个突出问题 1 3 第三代移动通信的关键技术 功率控制技术 在C D M A 系统中 由于用户共用相同的频带 且各用户的扩频码之间存在着非理 想的相关特性 用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量 从而使得功率控制技术 成为C D M A 系统中的最为重要的核心技术之一 常见的C D M A 功率控制技术可分为开环功率控制 闭环功率控制和外环功率控制 三种类型 开环功率控制的基本原理是根据用户接收功率与发射功率之积为常数的原 则 先进行测量接收功率的大小 并由此确定发射功率的大小 开环功率控制用于确定 用户的初始发射功率 或用户接收功率发生突变时的发射功率调节 开环功率控制未考 虑到上 下行信道电波功率的不对称性 因而其精确性难以得到保证 闭环功率控制可 以较好地解决此问题 通过对接收功率的测量值及与信干比门限的对比 确定功率控制 比特信息 然后通过信道把功率控制比特信息传送到发射端 并根据此调节发射功率的 大小 外环功率控制技术则是通过对接收误帧率的计算 确定闭环功率控制所需的信干 比门限 外环功率控制通常需要采用变步长方法 以加快上述信干I L I 限的调节速度 在W C D M A 和c d m a 2 0 0 0 系统中 上行信道采用了开环 闭环和外环功率控制技术 下 行信道则采用了闭环和外环功率控制技术 但两者的闭环功率控制速度有所不同 前者 为每秒1 6 0 0 次 后者为每秒8 0 0 次 上述功率控制方法在第二章中会有详细的介绍 多用户检测技术 在传统的C D M A 接收机中 各个用户的接收是相互独立进行的 在多径衰落环境 下 由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保证正交 因而造成多用户之间的相互干 扰 并限制系统容量的提高 解决次问题的一个有效的方法是使用多用户检测技术 通 过测量各个用户扩频码之间的非正交性 用矩阵求逆方法或迭代方法消除多用户之间的 相互干扰 从理论上讲 使用多用户检测技术能够在极大程度上改善系统容量 但一个较为困 难的问题是对于基站接收端的等效干扰用户数将多达数百个 这样即使采用与干扰用户 数成线性关系的多用户抵消算法仍然使得其硬件实现显得过于复杂 如何把多用户干扰 抵消算法的复杂度降低到可接受的程度是多用户检测技术能否实用的关键 智能天线技术 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 从本质上来说 智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应用 由 于其体积及计算复杂性的限制 目前仅适应于基站系统中的应用 智能天线包括两个重 要组成部分 一是来自移动台发射的多径电波方向进行到达角 D O A 估计 并进行空 问滤波 抑制其它移动台的干扰 二是对基站发送信号进行波束形成 使基站发送信号 能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台 从而降低发射功率 减少对其它移动台 的干扰 智能天线技术用于T D D 方式的C D M A 系统是比较合适的 能够起到在较大程 度上抑制多用户干扰 从而提高系统容量的作用 其困难在于由于存在多径效应 每个 天线均需一个R a k e 接收机 从而使基带处理单元复杂度明显提高 初始同步与R a k e 多径分集接收技术 C D M A 通信系统接收机的初始同步包括P N 码同步 符号同步 帧同步和扰码同步 等 c d m a 2 0 0 0 系统采用与I s 9 5 系统相类似的初始同步技术 即通过对导频信道的捕获 建立P N 码同步和符号同步 通过同步 S y n c 信道的接收建立帧同步和扰码同步 W C D M A 系统的初始同步则需要通过 三步捕获法 进行 即通过对基本同步信道的捕 获建立P N 码同步和符号同步 通过对辅助同步信道的不同扩频码的非相干接收 确定 扰码组号等 最后通过对可能的扰码进行穷举搜索 建立扰码同步 移动通信是在复杂的电波环境下进行的 如何克服电波传播所造成的多径衰落现象 是移动通信的另一基本问题 在C D M A 移动通信系统中 由于信号带宽较宽 因而在 时间上可以分辨出比较细微的多径信号 对分辨出的多径信号分别进行加权调整 使合 成之后的信号得以增强 从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负面影响 这 种技术称为R a k e 多径分集接收技术 为实现相干形式的R a k e 接收 需发送未经调制的导频 P i l o t 信号 以使接收端 能在确知已发数据的条件下估计出多径信号的相位 并在此基础上实现相干方式的最大 信噪比合并 W C D M A 系统采用用户专用的导频信号 而c d m a 2 0 0 0 下行链路采用公用 导频信号 用户专用的导频信号仅作为备选方案用于使用智能天线的系统 上行信道则 采用用户专用的导频信道 R a k e 多径分集技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区切换技术 当 移动台处于越区切换状态时 参与越区切换的基站向该移动台发送相同的信息 移动台 把来自不同基站的多径信号进行分集合并 从而改善移动台处于越区切换时的接收信号 质量 并保持越区切换时的数据不丢失 这种技术称为宏分集和越区软切换 W C D M A 系统和c d m a 2 0 0 0 系统均支持宏分集和越区软切换功能 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 高信道编译码技术 第三代移动通信的另外一项核心技术是信道编译码技术 在第三代移动通信系统主 要提案中 包括W C D M A 和c d m a 2 0 0 0 等 除采用与I S 9 5C D M A 系统相类似的卷积 编码技术和交织技术之外 还建议采用T u r b o 编码技术及R S 卷积级联码技术 T u r b O 编码器采用两个并行相连的系统递归卷积编码器 并辅之以一个交织器 两 个卷积编码器的输出经并串转换以及凿孔 P u n c t u r e 操作后输出 相应地 T u r b o 编码 器由首尾相接 中间由交织器和解交织器隔离的两个以迭代方式工作的软判输出卷积解 码器构成 虽然目前尚未得到严格的T u r b o 编码理论西能分析结果 但从计算机仿真结 果看 在交织器长度大于1 0 0 0 软判输出卷积码采用标准的最大后验概率 M A P 算 法的条件下 其性能比约束长度为9 的卷积码提高1 至2 5 d B 目前T u r b o 码用于第三 代移动通信系统的主要困难体现在以下几个方面 由于交织长度的限制 无法用于速率 较低 时延要求较高的数据 包括语音 传输 基于M A P 的软输出解码算法所需计算 量和存储量较大 而基于软输出V i t e r b i 的算法所需迭代次数往往难以保证 T u r b o 编码 在衰落信道下的性能还有待于进一步研究 R S 编码是一种多进制编码技术 适合于存 在突发错误的通信系统 R S 编码技术相对比较成熟 但由R S 码和卷积码构成的级联码 在性能上与传统的卷积码相比较提高不多 故在未来第三代移动通信系统采用的可能性 不大 1 4 功率控制技术的应用研究现状 在第二代移动通信 2 G 系统中 功率控制技术就已经得到了广泛的应用 G S M 系统使用F D M A 频分复用和T D M A 时分复用 同一载波 同一时隙只有一个用户 多 用户间干扰小 远近效应 的影响远远没有C D M A 系统明显 所以G S M 系统对功率 控制的依赖程度低 G S M 系统采用的是慢速功率控制 功率控制的频率为2 H z C D M A 系统的功率控制技术最早是出现在I S 一9 5 系统中 1 1 2 1 由于l S 9 5 系统使用的是C D M A 频分复用 多个用户共用同一载波 同一时隙 而根据扩频码序列的正交性来区分不同 的用户 然而完全正交的扩频码是不存在的 这就是导致用户问的干扰较大 远近效 应 的影响非常明显 高通公司规划了I S 9 5 系统功率控制方案 包括上行功率控制方 案和下行功率控制方案 在I S 9 5 系统中 下行链路为同步码分 上行链路为异步码分 下行链路优于上行链路 传输的瓶颈在上行链路 所以 下行功率控制在系统中是非重 点 I S 9 5 系统下行功率控制采用的是较简单的慢速闭环功率控制方案 调节步长通常 为0 5 d B 调节范围为 4 士6 d B 而上行链路由于 远近效应 突出 所以上行链路 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 功率控制是I S 9 5 系统中功率控制的重点 I S 9 5 系统上行功率控制由粗控 精控和外环 功率控制三部分组成 闭环功率控制的频率达到8 0 0 H z 控制范围为 2 4 d B 控制准则 采用功率平衡准则 3 G 系统以C D M A 技术为主流 并提出了比2 G 系统更高的容量 更好的通信质量 所以3 G 系统对于功率控制技术的要求比I S 9 5 系统更高 c d m a 2 0 0 0 是在I S 一9 5 的基础上平滑过渡而来 其功率控制方案基本上与I S 9 5 大同 小异 c d m a 2 0 0 0 上行功率控制方案与I S 9 5 完全相同 下行功率控制与I S 9 5 有较大的 差别 主要是增加了下行信道的闭环和外环功率控制 W C D M A 的功率控制原理也类似 于I S 一9 5 但是W C D M A 比I S 9 5 提出了更高的要求 上行链路和下行链路都采用开环 内环和外环功率控制相结合的方案 快速闭环功率控制的频率达到1 5 0 0 H z 这一速率 比任何比较明显的路径损耗的改变都快 有效防止了在基站接收的上行信号中出现功率 不平衡的现象 调节步长可以为0 5 1 0 1 5 或2 0 d B 通常调节步长选取1 0 d B 前面分析了功率控制技术在2 G 3 G 系统中的应用现状 在这些系统中 所采用的 功率控制算法都有一个共同点 即采用的都是固定步长功率控制算法 闭环功率控制的 步长和功率更新的时间间隔都是固定的 这种固定步长的 乒乓 式控制方法 具有稳 定性差 过调量大 上升时间长等缺点 为了发挥闭环功率控制的优点和进一步克服它 的缺点 人们提出了自适应功率控制 自适应模糊功率控制和基于神经网络的功率控制 等多种改进性措施与实现算法 国内外关于自适应变步长功率控制算法的研究较多 3 1 如 调制法 4 存储功率控制字节法 5 以及M a r k o v 状态法 这些算法当中 调整步长 的选取有基于移动速度的 有基于功率控制命令 T P C 状态的 但是 这些算法并没 有将基于移动速度和基于T P C 状态很好的结合起来 传统的功率控制方法一般可以分为两种 一种是基于优化 另一种是基于反馈 这 两种方法各有利弊 1 基于优化的功率控制 需要知道系统的精确模型 通过目标函数对系统性能进行描述 在使系统性能达到 最优的目标下 完成对各个用户发射功率的计算 然后将算出的功率值实时加载给用户 这种方法控制准确且有明确的意义 最优化目标函数 但是计算量很大 不适合动态 环境 当环境参数发生变化时 原先求得的最优解将不再适用 特别是当系统维数 用 户数 发生变化时 需要重新建立系统模型和再次优化 这些任务的实时完成是很难实 现的 因而该方法只具有理论上的研究价值 而不具有实用意义 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 基于反馈的功率控制 控制灵活 易于实现 但这种方法是根据单个用户服务质量的变化来确定发射功率 的变化趋势 即使对单个用户而言 功率空话子没有明确的意义 更谈不上系统整体的 最优 此外 步长的确定在很大程度上依赖于经验知识 缺乏理论依据 不适当的步长 会造成很大的过调量或较长的稳定时间 从而影响了每个用户的信干比和系统的稳定 性 1 5W C D M A 移动通信系统 1 5 1W C D M A 移动通信系统概述 在I M T 2 0 0 0 的框架中 基于C D M A 和T D M A 技术 为3 G 系统定义了若干种空中 接口 目前 由I T U 通过的有如图1 1 的五种 在这些接口中 W C D M A 作为无线接口 接入技术W C D M A 被采用 D i r e c ts e q u e n c eT i m ec o d e S i n g l ec a r r i e r M u l t i c a r d e r F r e q u e n c yt i m e 回曰困因园 c d m a 2 0 0 0 J 厂 1 3 G P P 2 图1 1I M T 一2 0 0 0 的空中接口 F i g u r el 1T h ea i ri n t e r f a c eo fI M T 2 0 0 0 W C D M A 主要由欧洲E T S I 和日本A R I B 提出 W C D M A 系统的核心网是基于 G S M M A P 的 同时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 图1 2 表示W C D M A 系统 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 I S T N 网 分组交换业务 如I P 网 灵活的无线协议可在一个载波内 对同一用户同时支持话音 数据和多媒体业务 通过透明或非透明传输块来支持实时 非实时业务 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 R a d i oA c c e s s C o r e N e t w o r k R A N N e t w o r k C N P u b l i cT el phNetwork e 参 F A eo n e 黼 W 夕 图1 2W C D M A 系统 F i g u r el 2T h eW C D M AS y s t e m W C D M A 采用D S C D M A 多址方式 码片速率是3 8 4 M c p s 载波带宽为5 M H z 系 统采用G P S 精确定时 不同基站可选择同步和不同步两种方式 可以不受G P S 系统的 限制 在反向信道上 采用导频符号相干R A K E 接收的方式 解决了C D M A 中反向信 道容量受限的问题 W C D M A 采用精确的功率控制 包括基于S I R 的快速闭环 开环和外环三种方式 功率控制速率为1 5 0 0 次 秒 控制步长0 2 5 4 d B 可变 可有效满足抵抗衰落的要求 W C D M A 还可以采用一些先进的技术 如自适应天线 A d a p t i v ea n t e n n a s 多用户 检测 M u l t i u s e rd e t e c t i o n 分集接收 正交分集 时间分集 分层式小区结构等 来 提高整个系统的性能 1 5 2W C D M A 通信系统发展简史 1 2 0 0 1 年 日本N 1 v rD o C o M o 公司的F O M A 是世界上第一个商业运营W C D M A 服务 F O M A 不相容U M T S 2 J P h o n e 日本电话 现沃达丰 已经继推出基于W C D M A 服务后 声称 沃达 丰全球标准 相容U M T S 尽管2 0 0 4 年时还有争议 3 2 0 0 3 年初 和记黄埔逐步在全球运营他们的U M T S 网路 简称3 4 大多数欧洲G S M 运营商计划未来某个时间推出U M T S 服务 尽管有几个已 经把此服务提到日程上来 有一些甚至从2 0 0 3 年底就开始运营U M T S 网路 5 沃达丰于2 0 0 4 年2 月在欧洲多个U M T S 网路投入运行 沃达丰还打算在其他 国家 包括澳大利亚及新西兰 建设U M T S 网络 10 画一鸭 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 T e l i a S o n e r a 于2 0 0 4 年1 0 月1 3 日开始在芬兰提供3 8 4 K b p s 速率的W C D M A 服务 服务只是在主要城市可用 通讯费率大约2 美元每兆位元组 7 A T T 无线 现属于C i n g u l a rW i r e l e s s 在一些城市开通了U M T S 尽管因为 公司兼并使得网路建设进度被延迟 但C i n g u l a r 已宣布计划在2 0 0 5 年与H S D P A 一起部 署W C D M A 1 5 3W C D M A 通信系统优势 W C D M A 通信系统有以下优势 1 每个连接可提供多种业务 W C D M A 符合真正的U M T S M T 2 0 0 0 要求 分组和电路交换业务可在不同的带宽 内自由地混合 并可同时向同一用户提供 每个W C D M A 终端能够同时接入6 个不同 业务 这些业务可以是话音或者传真 电子邮件和视频等数据业务的组合 2 无缝的G S M 舢M T S 接入 双模终端将在G S M 网络和U M T S 舢T 2 0 0 0 网络之间提供无缝的切换和漫游 在 两个接入系统之间将有尽可能大的业务映像 3 快速业务接入 为了支持多媒体业务的即时接入 一种新的随机接入机制已经开发出来 它利用快 速同步来处理3 8 4 K b p s 分组数据业务 在移动用户和基站之间建立连接所需的时间只有 零点几毫秒 4 低风险成熟技术 在日本和欧洲已经对W C D M A 评估了多年 爱立信 诺基亚以及日本的 N T I D o C o M o 进行了W C D M A 的测试工作 在欧洲 自1 9 8 9 年起 作为R A C E 项目的 一部分 爱立信就开始了W C D M A 的开发工作 5 终端的经济性和简单性 W C D M A 手机所要求的信号处理大约是复合T D C D M A 技术的十分之一 更简单 更经济的终端易于进行大量生产 从而也就带来了更高的规模经济 更多的竞争 网络 运营公司和用户也将获得更大的选择余地 6 从G S M 升级 W C D M A 实用与G S M 相同的网络协议结构 信令 这样将能够使用现有的G S M 网络作为核心网络基础设施 因此 W C D M A 为G S M 运营公司提供了在现有投资上建 立第三代无线接入的机会 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 W C D M A 的标准化工作集中在3 G P P 方面 3 G P P 制定的W C D M A 系统规范分成 R 9 9 R 4 R 5 R 6 等不同版本 目前在全球已经安装和开通