我国第三代移动通信论文.doc

摘 要TD-SCDMA是由我国提出的拥有自主知识产权的第三代移动通信标准，是ITU认可的三大主流标准之一。国家对TD-SCDMA的投入逐渐加大，政策的鼓励对TD-SCDMA整个产业的发展起到巨大的推动作用，对TD-SCDMA的研究已成为通信领域的研究热点。在进行TD-SCDMA研究过程中，使用通信仿真软件对TD-SCDMA系统进行建模，并实现对各种新技术和算法进行理论分析的验证是很有效的方法。本文在阅读了大量国内外关于TD-SCDMA技术和搭建仿真平台方法的文献的基础上，综述了TD-SCDMA系统的网络结构、物理层结构和TD-SCDMA的关键技术；设计了TD-SCDMA系统仿真平台的总体结构，将仿真平台分为链路级仿真和系统级仿真两部分，并对仿真平台中各部分的组成模块进行了初步探讨。对TD-SCDMA系统的编码与调制进行了深入的研究，并用Matlab R2008a的SIMULINK工具箱搭建了一个TD-SCDMA基站发射机仿真模块；对该模块进行了仿真，仿真结果表明，本文搭建的基站发射机仿真模块卷积编码前后的比特数符合文献3中提到的H=3I+24的关系；产生的基带调制信号的频谱在抑制频谱范围内的衰减幅度在40dB以上，这与文献24的要求是一致的。该仿真模块可以作为以后继续研究的基础。本文的工作和结论为搭建TD-SCDMA系统仿真平台提供了参考。关键词：TD-SCDMA；仿真平台；链路级仿真；系统级仿真；基站发射机ABSTRACTTD-SCDMA, the third generation mobile communication standard that China puts forward and holds the independent intellectual property rights, is one of the three primary standards certificated by ITU. The state gradually increases the investment to TD-SCDMA. The encouragement of the policy will truly have a tremendous promoting effect on the development of the whole industrial, and the study on TD-SCDMA has been a hotspot in the communication field. It is a very effective way to use communications simulation software for TD-SCDMA system modeling during the course of researching TD-SCDMA, it can also verify the theoretical analysis of various new technologies and algorithms.After reading a large number of domestic and foreign papers on TD-SCDMA technology and construction methods of simulation platform, this paper summarizes TD-SCDMA systems network architecture, physical layer architecture and its key technologies. Then we design the overall structure of TD-SCDMA systems simulation platform which is divided into link-level simulation and system-level simulation, and the simulation platforms various parts of the composed modules are discussed preliminarily. After an in-depth study of TD-SCDMA systems encoding and modulation, this paper designs a simple simulation module for the base station transmitter of TD-SCDMA. And the module is realized by Matlab R2008as toolbox SIMULINK. We simulate the module and the results show that the number of fore-and-aft bits of convolutional coding accord with the relationship of H=3I+24 which is mentioned in paper 3, and the basebands spectrum produced by the transmitter decays in more than 40 dB within the framework of inhibition spectrum, which basically meet the terms of the paper 24. As a result, the simulation module will serve as the basis for the future research.The labor and harvest of the paper provide reference for designing the simulation platform of TD-SCDMA system.KEY WORDS：TD-SCDMA; Simulation Platform; Link-level Simulation; System-level Simulation; Base Station Transmitter目 录第一章 绪论- 1 -1.1 第三代移动通信系统简介- 1 -1.2 课题背景- 3 -1.3 课题意义- 4 -第二章 TD-SCDMA系统简介- 6 -2.1 TD-SCDMA网络结构- 6 -2.1.1 网络结构概述- 6 -2.1.2 UTRAN的基本结构- 7 -2.2 TD-SCDMA物理层- 9 -2.2.1 物理层接口- 9 -2.2.2 物理层功能和向上层提供的服务- 9 -2.2.3 物理信道- 10 -2.3 TD-SCDMA系统关键技术- 13 -第三章 仿真平台说明- 16 -3.1 通信系统仿真技术概述- 16 -3.2 Matlab和SIMULINK介绍- 16 -3.3 仿真平台总体结构- 18 -3.4 链路级仿真- 19 -3.5 系统级仿真- 21 -3.5.1 仿真场景- 21 -3.5.2 用户移动模型- 23 -3.5.3 仿真业务模型- 23 -3.5.4 仿真衰落模型- 24 -第四章 TD-SCDMA系统编码与调制和仿真模块的实现- 27 -4.1 TD-SCDMA系统编码与复用- 27 -4.1.1 循环冗余校验- 27 -4.1.2 传输块的级联和码块分割- 29 -4.1.3 信道编码- 29 -4.1.4 交织- 30 -4.2 TD-SCDMA系统扩频与调制- 31 -4.2.1 数据调制方式- 32 -4.2.2 脉冲成形滤波器- 33 -4.2.3 扩频调制- 33 -4.3 仿真模块的实现- 37 -4.3.1 CRC模块- 38 -4.3.2 TD卷积编码模块- 39 -4.3.3 交织模块- 42 -4.3.4 扩频模块- 44 -4.3.5 调制模块- 47 -4.3.6 初始化模块- 48 -第五章 仿真结果及分析- 50 -5.1 仿真参数- 50 -5.2 扩频调制后信号的波形和频谱- 50 -5.3 卷积编码前后比特数的对比- 52 -第六章 结束语- 54 -参考文献- 55 -附录- 57 -致 谢- 61 -第一章 绪论1.1 第三代移动通信系统简介移动通信经历了第一代的模拟通信系统和第二代的数字移动通信系统，现在正在向第三代移动通信系统发展。第一代模拟系统采用的是频分多址(FDMA)接入技术，其典型系统如美国的AMPS，北欧的NMT-450/900，英国的TACS等。第二代窄带数字系统的接入技术分为时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)两种，前者典型的如欧洲的GSM系统，北美的IS-136系统，后者如美国的IS-95系统。无论是第一代还是第二代，主要都是解决话音通信的问题。虽然第二代数字移动通信系统较之第一代模拟移动通信系统有了很大的改进，但是仍然存在很多问题，例如没有统一的国际标准，频谱利用率较低，不能经济的提供高速数据和多媒体业务，不能有效地支持Internet业务等。随着社会信息化进程的加快，对移动通信业务的需求也越来越大，目前第二代移动通信系统在容量和业务能力方面均不能满足日益增长的社会需要，第三代移动通信系统成为发展的必然趋势。国际电信联盟(ITU)早在1985年就提出了未来陆地移动通信系统，即FPLMTS。1996年FPLMTS正式更名为IMT-2000(International Mobile Telecommunication)，其用意在于希望2000年左右，最高传输速率可达2000kbit/s，工作于2000MHZ频段的第三代移动通信系统可以提供商用服务。其基本特征如下：u 提供全球无缝覆盖和漫游；u 提供高质量话音、可变速率的数据和多媒体业务，快速移动环境最高通信速率达144kbit/s，步行环境最高通信速率达384kbit/s，室内环境最高通信速率达2Mbit/s；u 具有较高的频谱利用率和较大的系统容量；u 能根据具体的业务需要，提供必要的带宽，支持大范围、可变速率的信息传递；u 高保密性以及较低的成本。世界上多个地区、国家、公司和标准化组织先后提出了十多种无线传输技术标准，经过充分协商和融合，最后形成的主流标准有三个，即欧洲和日本提出的WCDMA，美国提出的cdma2000以及中国提出的TD-SCDMA。它们具有频谱利用率高、覆盖范围广、性能好、可以适应宽带多媒体通信要求等共同特点，其主要技术性能如表1-1所示。表1-1 三种主流第三代移动通信系统主要技术性能比较系统项目WCDMAcdma2000TD-SCDMA频率间隔5MHz1.25MHz1.6MHz码片速率3.84Mc/s1.2288Mc/s1.28Mc/s双工方式FDDFDDTDD帧长10ms20ms10ms(分为两个子帧)基站同步不需要需要，典型的用GPS需要功率控制快速功控：上下行1500Hz反向：800Hz前向:慢速、快速功控0200Hz检测方式相干解调相干解调联合检测信道估计公共导频前向、反向导频DwPCH、UpPCH、中间码编码方式卷积码、Turbo码卷积码、Turbo码卷积码、Turbo码每载波频宽10MHz2.5MHz1.6MHz根据IMT 2000系统的基本标准，第三代移动通信系统主要由4个功能子系统构成，它们是核心网(CN)、无线接入网(RAN)、移动台(MT)和用户识别模块(UIM)，且基本对应于GSM系统的交换子系统(SSS)、基站子系统(BBS)、移动台(MS)和SIM卡四部分。其中核心网和无线接入网是第三代移动通信系统的重要内容，也是第三代移动通信标准制订中最难办的技术内容1。第三代移动通信系统可以使全球范围内的任何用户所使用的小型廉价移动台，实现从陆地到海洋到卫星的全球立体通信联网，保证全球漫游用户在任何地方、任何时候与任何人进行通信，并能提供具有有线电话的语音质量，提供智能网业务，多媒体、分组无线电、娱乐及众多的宽带非话业务。第三代移动通信系统可以实现移动性、交互性和分布式三大业务，是一个通过微微小区到微小区，到宏小区，直到“随时随地”连接的全球性卫星网络。1.2 课题背景TD-SCDMA是由中国第一次提出并在此无线传输技术(RTT)的基础上与国际合作，完成了TD-SCDMA标准，成为CDMA TDD(Time Division Duplex时分双工)标准的一员的，这是中国移动通信界的一次创举，也是中国对第三代移动通信发展的贡献。在与欧洲、美国各自提出的3G标准的竞争中，中国提出的TD-SCDMA己正式成为全球3G标准之一，这标志着中国在移动通信领域已经进入世界领先之列。TD-SCDMA的无线传输方案灵活地综合了FDMA，TDMA和CDMA等基本传输方法。通过与联合检测相结合，它在传输容量方面表现非凡。通过引进智能天线，容量还可以进一步提高。智能天线凭借其定向性降低了小区间频率复用所产生的干扰，并通过更高的频率复用率来提供更高的话务量。基于高度的业务灵活性，TD-SCDMA无线网络可以通过无线网络控制器(RNC)连接到交换网络，如同三代移动通信中对电路和包交换业务所定义的那样。在最终的版本里，计划让TD-SCDMA无线网络与INTERNET直接相连。TD-SCDMA所呈现的先进的移动无线系统是针对所有无线环境下对称和非对称的3G业务所设计的，它运行在不成对的射频频谱上。TD-SCDMA传输方向的时域自适应资源分配可取得独立于对称业务负载关系的频谱分配的最佳利用率。因此，TD-SCDMA通过最佳自适应资源的分配和最佳频谱效率，可支持速率从8kbps到2Mbps的语音、互联网等所有的3G业务。TD-SCDMA使用时分双工方式(TDD)的第三代移动通信系统标准，同时采用了上行同步、智能天线、联合检测、动态信道分配和软件无线电等一系列高新技术，这使得系统在性能上有了较大程度的提高。它对频谱资源的利用也要比FDD系统更为灵活，FDD系统的上下行信道要同时占用相同的带宽(如WCDMA，其上下行各需5M的带宽)，而且上下行之间需要有几十兆赫兹的频率间隔作为保护。而移动通信系统面临的一个重大的问题就是频谱资源极度紧张，在这种条件下，要找到符合要求的对称频段是非常困难的。而TD-SCDMA系统采用TDD模式，单载波仅占1.6MHz，不需要成对的工作频段，可以充分利用分散、零碎的空闲频段，从而能够灵活有效的利用现有的频率资源。TD-SCDMA能够提供第三代移动通信系统标准所规定的各种业务，包括高质量的语音、宽带数据和多媒体业务，同时TDD系统可以根据业务的具体要求，灵活的分配时隙和码道，因而TD-SCDMA系统更容易满足不对称业务的需要，尤其适合今后将迅速发展的IP数据业务。同时由于节约了大量昂贵的频谱资源，采用低码片速率，并且对基站射频部件设计采取有效措施，显著地降低了硬件设备制造的技术难度，整个网络的投资费用大幅度降低。表1-2给出了几种系统的频谱利用率对比的情况，可以看出TD-SCDMA系统在频谱利用率方面具有明显的优势2。1.3 课题意义在建设和发展第一代、第二代移动通信系统的过程中，由于我国在技术方面处于被动地位，国内大多数厂家只能组装国外产品，仅占很少的国内市场份额，绝大多数市场被国外公司所占有。通信产品市场之争关键在表1-2 移动通信系统的频谱利用率对比类型项目GSMIS95WCDMAcdma2000TD-SCDMA频率复用系数71111每载波频宽(MHz)0.42.5102.51.6每载波同时工作信道数820602048频谱利用率(语音)2.886830最大数据传输速率(8PSK )-4Mb/s2.5Mb/s2Mb/s频谱利用率(数据)-0.41.01.25于技术标准之争。我国由于没有掌握核心技术，不得不使用别人的专利，付出了上百亿美元的依附于移动通信标准的知识产权费。而如今在政府的支持和相关单位的共同努力下，TD-SCDMA系统标准被国际电联接受，成为第三代移动通信系统主流标准之一，这是我国通信产业发展的一个机遇。如今中国的3G产业刚刚启动，TD-SCDMA技术必将扮演重要的角色。由于拥有TD-SCDMA的自主知识产权，我国不但可以在建设第三代移动通信系统中节省近千亿的资金，还可以用这项技术来支持民族工业的发展，一改近几年我国移动通信运营业蓬勃发展，而制造业却举步维艰的局面。在进行TD-SCDMA研究过程中，使用通信仿真软件对TD-SCDMA系统进行建模，并实现对各种新技术和算法进行理论分析的验证是很有效的方法。但是目前国内乃至国际上为TD-SCDMA系统搭建仿真平台的还不多，国内对TD-SCDMA系统的仿真多基于某一局部或某些算法，国外多是基于WCDMA和cdma2000的仿真平台。为了加速我国拥有自主知识产权的TD-SCDMA的发展，搭建TD-SCDMA系统仿真平台势在必行。第二章 TD-SCDMA系统简介2.1 TD-SCDMA网络结构2.1.1 网络结构概述TD-SCDMA系统的网络结构与标准化组织3GPP制订的UMTS网络结构是一样的，所以TD-SCDMA网络结构模型完全等同于UMTS网络结构模型3。UMTS系统与第二代移动通信系统在逻辑结构方面基本相同。如果从功能上看，可以分成一些不同功能的子网，主要包括无线接入网络(Radio Access Network，RAN)和核心网络(Core Network，CN)。其中无线接入网络处理所有与无线有关的功能，而核心网处理UMTS系统内所有的话音呼叫、数据连接和交换，并实现与外部网络的连接和路由选择。UTRAN、CN与用户设备(User Equipment，UE)一起构成了完整的UMTS系统，其系统结构如图2-1所示。图2-1 UTMS的系统结构UMTS系统按照功能可分为两个基本域，用户设备域(User Equipment Domain)和基本构架域(Infrastructure Domain)，如图2-2所示4。用户设备域进一步分为移动设备(ME)域和用户业务识别模块(USIM)域，其中移动设备域的功能是完成无线传输和应用；用户业务识别模块域图2-2 UMTS的域结构包含用于确定身份的数据资料，一般存入智能卡中，它只与特定的用户有关，而与用户所使用的移动设备无关，体现了终端移动性和用户移动性的分离。基本构架域进一步划分为接入网(RAN)域和核心网(CN)域，其中接入网域由管理接入网资源的物理实体组成，向用户提供接入到核心网域的机制；核心网域由提供网络支持特性和通信业务的物理实体组成，提供的功能包括用户位置信息的管理、网络特性和业务的控制、信令和用户信息的传输机制等。2.1.2 UTRAN的基本结构UTRAN是第三代移动通信网络中的无线接入网部分，其结构如图2-3所示。UTRAN包含一个或几个无线网络子系统(RNS)。一个RNS由一个无线网络控制器(RNC)和一个或多个基站(Node B)组成。RNC和CN之间通过Iu接口连接，Node B和RNC通过Iub接口连接。在UTRAN内部，无线网络控制器(RNC)之间通过Iur互联，Iur可以通过RNC之间的直接物理连接或通过传输网连接。RNC用来分配和控制与之相连或相关的Node B的无线资源，Node B则完成Iub接口和Uu接口之间的数据流的转换，同时也参与一部分无线资源管理5。图2-3 UTRAN结构图1、无线网络控制器RNC(Radio Network Controller，无线网络控制器)用于控制UTRAN的无线资源。它通过Iu接口与电路域的MSC和分组域的SGSN以及广播域设备相连，在移动台和UTRAN之间的无线资源控制协议(RRC)在此终止。它在逻辑上对应GSM网络中的基站控制器(BSC)。控制Node B的RNC称为该Node B的控制RNC(CRNC)，CRNC负责对其控制的小区的无线资源进行管理。2、基站Node B是UMTS系统的基站，即无线收发信机，通过标准的Iub接口和RNC互连，主要完成Uu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GSM网络中的BTS。2.2 TD-SCDMA物理层2.2.1 物理层接口物理层处于无线接口协议模型的最底层，它提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能。物理层与媒体接入控制层(MAC)及无线资源控制层(RRC)的接口如图2-4所示。物理层与MAC层实体相连，相互之间的通信是由物理层PHY原语来完成的，与RRC层的接口相互间的通信是用原语CPHY原语。图2-4 物理层接口2.2.2 物理层功能和向上层提供的服务物理层主要功能包括：传输信道的FEC编/解码、向上层提供测量及指示(如FER、SIR、干扰功率、发送功率等)宏分集分布/组合及软切换执行、传输信道的错误检测、传输信道的复用，编码复合传输信道的解复用、速率匹配、编码复合传输信道到物理信道的映射、物理信道的调制/扩频与解调/解扩、频率和时间(码片、比特、时隙、帧)的同步、闭环功率控制、物理信道的功率加权与组合、射频处理等。物理层通过MAC子层的传输信道实现向上层提供数据传输服务，传输信道特性由传输格式定义，传输格式同时也指明物理层对这些传输信道的处理过程。物理层的操作严格按照无线帧的定时进行，传输块定义为能被物理层联合编码的数据，传输块的定时与无线帧严格对应，每l0ms或10ms的整数倍产生一个传输块。一个UE可同时建立多个传输信道，每个传输信道都有其特征。每个传输信道都可为一个无线承载提供信息比特流的传输，也可用于层2和高层的信令消息传输。物理层实现传输信道到相同或不同物理信道的复用，在当前无线帧中，传送格式组合指示(TFCI)字段用于唯一标识编码复合传输信道中每个传输信道的传输格式。2.2.3 物理信道与其他第三代移动通信标准相比，TD-SCDMA的基本参数和帧结构有很多独特的地方，这些独特性是为了保证系统的性能和容量优势。TD-SCDMA系统的每个信道带宽为1.6MHz，系统速率为1.28Mchip/s，系统的帧结构如图2-5所示5。图2-5 TD-SCDMA系统的帧结构物理信道采用4层结构：超帧、无线帧、子帧和时隙。一个超帧长720毫秒，由72个无线帧组成，每个无线帧长10毫秒。在TD-SCDMA系统中，每个10毫秒的无线帧被分为两个5毫秒的子帧。每个子帧由7个业务时隙、下行导频时隙(DwPTS)、上行导频时隙(UpPTS)和保护时隙(GP)构成。DwPTS的长度为96个码片长度即75微秒，它是无线基站(小区)的导频信息，也是下行同步的信号。UpPTS的长度为160个码片长度即125微秒，它是用户终端的导频信号，主要用作上行同步。GP的长度为96个码片长度即75微秒，用于保护和区分上、下行时隙，在TD-SCDMA系统中，此时隙的宽度保证了小区的最大半径可达到11 km。在7个业务时隙中，第一个时隙Ts0总是被分配给下行链路，而第二个时隙Ts1总是被分配给上行链路，其余5个时隙则根据当前上下行业务量需求进行灵活分配。在子帧中是通过切换点来将上行时隙和下行时隙进行分离的，一个子帧含有两个切换点。TD-SCDMA系统在TDD模式下，在周期性重复的时间帧里传输基本的TDMA突发脉冲(和GSM相同)，通过周期性地转换传输方向，在同一个载波上交替地进行上下行链路传输。这个方案的优势在于：上下行链路间的转换点的位置可以因业务的不同而任意调整。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，可在不对称的转换点位置范围选择。这样，对于上述两种业务，TDD模式都可以提供最佳频谱利用率和最佳业务容量。在TD-SCDMA中，一个物理信道就是在所分配的无线帧中某一个特定时隙中发送的一个突发(burst)，其结构如图2-6所示。每个物理信道的时图2-6 TD-SCDMA物理信道结构图间长度为675微秒，即一个业务时隙的长度。在一个物理信道中，有前后两个数据部分(352chips)和居中的一个训练序列midamble(144chips)，并在每个物理信道的最后有一个16chips长的保护间隔(GP)。在TD-SCDMA中，除了在室内环境下的2Mbps数据业务中采用 8PSK的调制方式外，一般采用QPSK的调制方式。因此数据部分中的数据比特先通过QPSK/BPSK调制为数据符号(Data Symbol)，然后再采用正交可变扩频因子(Orthogonal Variable Spreading Factor, OVSF)码对数据符号进行扩频。这样，每个业务时隙可以由OVSF码(SF=1, 2, 4, 8, 16)分为1到16个码道(Code Channel)。Midamble训练序列是供多用户检测(联合检测或干扰抵消)进行信道估计时使用的，Midamble序列不进行扩频和加扰。TD-SCDMA系统的基本参数可以归纳为如表2-1所示。表2-1 TD-SCDMA系统的基本参数参数值信道间隔1.6MHz码片速率1.28Mc/s多址方式FDMA+TDMA+CDMA双工方式TDD帧长无线帧10ms(子帧5ms)信道/载波48(对称业务)DS与MC方式单载波窄带DS数据调制QPSK/8PSK(2Mb/s业务)扩频调制QPSK语音编码8kb/(sAMR)信道编码卷积码+Turbo码基站发射功率最大43dBm移动台发射功率33dBm小区覆盖半径0.112km切换方式硬切换/软切换/接力切换上行同步1/8chip续表 参数值相干检测上行、下行：连续的公共导频功率控制开环+闭环功率控制，200次/s多速率方案多时隙、可变扩频和多码扩频基站间定时同步2.3 TD-SCDMA系统关键技术TD-SCDMA系统采用了智能天线、联合检测、同步CDMA、软件无线电和动态信道分配等先进技术。TD-SCDMA的优势突出表现在系统抗干扰和系统容量之间得到了很好的均衡、对混合业务的高效支持、系统自身有良好的持续发展和技术演进性，使得系统性能和系统容量得到很大的提升。下面对其关键技术进行简单的介绍367。1、智能天线智能天线系统是由多天线阵及相连的相干收发信机和先进的数字信号处理算法构成的，它采用空分多址(SDMA)，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开，最大限度地利用有限的信道资源。智能天线类似一个空间滤波器，发射机把高增益天线波束对准通信中的接收机，而接收机把高增益天线对准通信中的发射机，同时把零点对准其他干扰信号的入射方向，通过空间选择性分集，大大提高接收灵敏度，减少不同位置同信道用户的干扰有效合并多径分量，抵消多径衰落，这样滤除同道干扰和多址干扰，从而提高接收信号的信噪比。2、联合检测联合检测技术即“多用户干扰”抑制技术，是消除和减轻多用户干扰的主要技术。它把所有用户的信号都当作有用信号处理，这样可以充分利用用户信号的扩频码、幅度、定时、延迟等信息，从而大幅度降低多径多址干扰，但同时也存在多码道处理过于复杂和无法完全解决多址干扰等问题。在基站侧，联合检测技术可以把同一时隙中多个用户的信号及多径信号一起处理，精确地解调出各个用户的信号。在用户侧，即使当用户的位置非常靠近时，多用户干扰问题仍很严重。联合检测技术能很好地解决多用户干扰问题。TD-SCDMA中的联合检测的高效率归功于TD-SCDMA是一个时域和帧控的CDMA方案。因此，每载波的大量用户被分布到每个帧的每个传输方向的时隙中，最终使每时隙中并行用户的数量很少，这样，使用较低的计算量就可以有效地检测到用户信号。TD-SCDMA采用的低码片速率也有利于各种联合检测算法的实现。另外，联合检测技术允许在现存的GSM基础设备里运行TD-SCDMA。3、同步CDMA同步CDMA指上行链路各终端信号在基站解调器完全同步，它通过软件及物理层设计实现，这样可使使用正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰，克服了异步CDMA多址技术由于每个移动终端发射的码道信号到达基站的时间不同，造成码道非正交所带来的干扰，大大提高了CDMA系统容量，提高了频谱利用率，还可简化硬件，降低成本。同步CDMA的缺点是系统对同步的要求非常严格，上行的同步要求为1/8码片宽度，网络同步要求为5ms。由于移动终端的小区位置不断变化，即使在通信过程中也可能高速移动，电波从基站到移动终端的传播时间不断变化，引起同步变化，若再考虑多径传播影响，同步将更加困难，一旦同步破坏，将导致通信阻塞和严重干扰。系统同步要求在基站有GPS接收机或公共的分布式时钟，增加了系统成本。4、软件无线电软件无线电是利用数字信号处理软件实现无线功能的技术，能在同一硬件平台上利用软件处理基带信号，通过加载不同的软件，可实现不同的业务性能。其优点是：(1)通过软件方式，灵活完成硬件功能；(2)良好的灵活性及可编程性；(3)可代替昂贵的硬件电路，实现复杂的功能；(4)对环境的适应性好，不会老化；(5)便于系统升级，降低用户设备费用。对TD-SCDMA系统来说，软件无线电可用来实现智能天线、同步检测和载波恢复等。5、动态信道分配动态信道分配(DCA：Dynamic Channel Allocation)技术是利用系统中的综合信息，对系统中的所有资源实施分配、管理和调度，以最大限度地利用系统资源并确保链路和系统的性能。采用DCA技术，能够限制干扰、最小化信道重用距离，从而高效率地利用无线资源，提高系统容量；更重要的是，DCA技术能较好地适应3G业务的需要，尤其是高速率的、上下行不对称的网络业务和多媒体业务。DCA是TDD系统的优势所在，能够灵活的分配时隙资源，自由地进行上下行链路间的转换。TD-SCDMA系统结合了时分和码分复用技术，使得资源分配的灵活性大大提高，同时资源的管理也变得更为复杂，且系统中使用了智能天线、联合检测和上行同步等先进的通信技术，使得动态信道分配技术成为TD-SCDMA系统的一个非常重要的特征，也成为该系统提高性能和扩大系统容量的不可或缺的一种重要技术。TD-SCDMA系统中的DCA主要完成三个方面的功能：自适应的为小区分配无线资源；为申请接入的业务分配无线资源；对已分配的无线资源进行调整。第三章 仿真平台说明3.1 通信系统仿真技术概述实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对这个系统做出的任何改变(如改变某个参数的设置、改变系统的结构等)都可能影响到整个系统的性能和稳定。因此，在对原有的通信系统做出改进或建立一个新系统之前，通常需要对这个系统进行建模和仿真。通过仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后再应用于实际系统中，这个过程就是通信系统仿真8。系统仿真主要包括静态系统仿真和动态系统仿真。所谓静态仿真也就是“快照式”仿真，其特点是激活的移动台与小区的连接和位置关系固定；动态仿真系统能够仿真系统运作过程，通过在连续时间上模拟移动台在网络中的状态来进行网络分析。一般采用静态抓拍仿真方法来评估移动通信系统的实时业务的容量的大小，以及评估不同系统之间的相互干扰水平。而动态系统仿真则用于评估各种无线资源管理算法的性能，对实际网络中无线资源管理模块的参数设置提供理论建议。移动通信系统的仿真包括链路级的仿真和系统级的仿真。链路级的仿真主要是检验不同RTT技术方案的性能，目前基本上采取的是时间流和数据流驱动的方式；系统级仿真的主要目的是根据链路级仿真的结果，检验系统级特性所带来的频谱效率。链路级和系统级的仿真可以在不同的系统平台上进行，两个仿真平台之间以数据文件的方式进行接口交互，接口的数学模型常用瞬间值等方法。目前链路级仿真工具有COSSAP、System View和Matlab等，系统级仿真工具有OPNET、也可以使用Matlab的SIMULINK和NS(Network Simulator)等。3.2 Matlab和SIMULINK介绍Matlab在各应用方面提供了大量的函数，因此，它本身是一个极复杂的计算机程序，Matlab不加扩展的最简化版本内建的函数和其他工具箱就远多于其他编程语言，目前版本的最基本框架就包含1000个内建函数。通过针对各个领域的工具箱扩展和第三方软件扩展，可将Matlab的使用领域扩展到非常专门化的研究领域。作为Matlab的使用者，要完全掌握Matlab的所有功能模块是不可能的。作为一个专业领域的研究者，只要掌握极其简单的程序设计，调试和优化，再熟悉Matlab函数在相应领域的一个子集，就可以编写相应的仿真程序。对于高级使用者而言，Matlab提供高级的程序控制和用户自定义功能，高级用户可以开发自己的函数库，在使用中进一步丰富Matlab的功能9。SIMULINK是Matlab提供的主要工具箱之一，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。与Matlab语言编写的m文件相比，SIMULINK不仅界面友好，而且还提供了丰富的模型库。其中，每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户也可以定制和创建自己的模块。因此，SIMULINK具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程及其可视化等特点，可以大大提高系统仿真的效率和可靠性10。SIMULINK作为面向框图的仿真软件，具有以下的功能11：(1) 用方框图的绘制代替程序的编写。构成任何一个系统框图有三个步骤，既选定典型环节、相互连接和给定环节参数。这三步可以在一个图形界面上用鼠标和键盘来完成。(2) 仿真的建立和运行是智能化的。首先，画好了框图并存起来，它就能自动建立起了仿真过程；其次，在运行时用户可以不给步长，只给出要求的仿真精度，软件会自动选择能保证给定精度的最大步长，使得在给定的精度要求下系统仿真具有最快的速度。(3) 输入输出信号来源形式的多样化。仿真器输入信号可以是各种信号发生器；也可以来自一个设定的记录文件；还可以来自MATLAB的工作空间(workshop)。输出信号也类似，这就扩大了系统与各种外部软件和硬件的接口能力。在SIMULINK仿真中，框图中的每个模块在每个时间步长(time step)上执行一次，也就是说，所有的模块在每个时间步长上同时执行，这种仿真被称为时间流仿真12；而在MATLAB仿真中，函数按照数据流的顺序依次执行，这意味着处理的数据首先要经过一个运算介，然后再激活下一个运算介。这种仿真被称为数据流仿真。某些特定的应用会要求采用这两种仿真方式中的某一种。在时间流仿真中，使用SIMULINK用户界面，用户可以通过调整触发脉冲信号的相位来调整通信系统的预计时间延迟。对仿真系统进行设计和仿真时，时间延迟是一个非常重要的参数。从同步的角度来看，时间流仿真比数据流仿真更有优势。基于时间流的SIMULINK框图仿真和基于数据流的Matlab编程仿真各有所长，总的说来，基于时间流的仿真“实时”性好，也比较直观；而基于数据流的仿真则需要编写代码，但可以比较灵活地控制仿真过程。SIMULINK框图和MATLAB编程仿真结合的混合模式常常可以更加灵活地对大型系统进行建模、自动仿真和结果数据处理13。本文采用的即是SIMULINK框图和Matlab编程仿真相结合的模式。3.3 仿真平台总体结构对通信系统而言，理想的仿真方法莫过于尽可能真实的模拟系统中每一个细节流程，即根据仿真假设计算各单条无线链路的信道质量，并将计算结果提交网络端进行判决和处理。但这种仿真方法存在设计复杂度高、仿真运算量巨大、仿真时间长等限制因素，因此通过此方法实现大型系统仿真几乎不可实现。通常的仿真方法是将无线链路和通信系统分开进行仿真，将大量无线链路仿真结果经过统计后作为系统仿真输入14，本平台也采用此种方法。无线链路通过Matlab软件根据协议规定实现，其结果以外部文件形式提供给系统仿真平台。仿真系统的总体结构如图3-1所示。图3-1 仿真系统结构示意图3.4 链路级仿真链路级仿真的目的是建立一个可以验证3G无线传输技术(RTT)链路性能的方法和仿真平台。链路级仿真的传统模型由发射机模块、信道模型、接收机模块和功率控制/同步控制模块四部分构成。发射机模块一般包括：传输信道处理和发射机前端两部分，而传输信道处理子模块一般包括信源产生、CRC加校验、尾比特、无线帧均衡、信道编码、分帧、帧间交织、速率匹配、传输信道复用、比特加扰、物理信道分帧、帧内交织、子帧分割、物理信道映射。发射机前端包括如下处理过程：调制、扩频、加扰、插入训练序列和保护码片而成突发结构、产生信道增益等。接收机模块实际上是发射机模块的反处理过程，包括接收机前端和传输信道反处理两部分，其中接收机前端一般包括：信道估计、去噪声后处理、联合检测等过程；而传输信道反处理部分是发射端模块中传输信道处理的逆过程15。链路级仿真的框架如图3-2所示16。图3-2 TD-SCDMA链路级仿真框架图3.5 系统级仿真系统级仿真主要是根据链路级仿真的结果，检验系统级性能特性所带来的频谱效率，有动态和静态两种方法，本文采用动态系统仿真，仿真框架如图3-3所示。动态系统级仿真就是让用户和系统的各种行为方式与系统级仿真的过程充分拟合，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17。它主要包括用户移动模型、业务模型、衰落模型等。图3-3 TD-SCDMA系统级仿真框架图3.5.1 仿真场景根据系统覆盖范围以及所处地域不同，一般可以把3G系统的仿真场景分为：宏小区(Macro)、微小区(ManhattanGrid)和微微小区(Pico)，它们的覆盖范围依次递减。对于Macro地理拓扑结构来说，进行系统级仿真时一般建议采用Wrap Around技术18，即处在仿真环境边缘的基站和移动台通过折叠的方式使周围至少有两圈的小区产生干扰，如图3-4所示为采用全向天线时的小区拓扑结构，网络模型考虑19个宏蜂窝小区，处于研究区域边缘的小区通过折叠等效的方法来模拟其所受的真实干扰大小。图3-4 19宏小区模型在仿真中我们使用19宏小区模型，对于第0小区内的用户来说，他不仅收到本小区BS的有用信号，还收到周围第一层小区BS(编号1、2、3、4、5、6)、第二层小区BS(编号7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18)的信号，即该用户位于三层小区的中心小区内。但是对于其他的图3-5 Wrap Around技术示意图18个小区来说，在其周围没有两层小区环绕，这样会影响上行干扰的计算19。为了解决这个问题，我们可以把该19小区进行整体复制平移，如图3-5所示，整个平面上就有了61个小区(除了仿真中用到的19个小区外，其余均称为虚拟小区)。当用户从现实小区进入某一虚拟小区时，我们可以假设他从19个现实小区中的某一边重新进入19小区。3.5.2 用户移动模型在19小区的仿真环境中，用户在仿真区域内服从均匀分布，可以根据均匀分布随机生成用户，并且得到每个用户的坐标。现在TD-SCDMA系统只在几个较大城市有应用，根据文献18我们选择角度转向移动模型。在角度转向移动模型中，移动节点的下一步移动速度、移动时间和转向角度均服从以上一次的移动速度、移动时间和转向角为均值的正态分布，同时移动速度还受移动节点所在区域的最大速度的限制，即不能超过最大的移动速度。该移动模型的用户聚集效应比较明显，所以可以较好的反映人口密集的街区的用户移动特性。用户移动模块可通过初始化模块和参数设置模块中的参数包来设置用户的初始位置、方向和速度等。3.5.3 仿真业务模型1、语音业务语音业务属于一种实时业务，实时业务的呼叫产生是一个Poisson流。一般认为话音业务的到达时间间隔服从负指数分布。话音的持续时间服从均值为120秒的负指数分布。通话持续期间，可分为激活期(active)和静默期(silent)两个状态，激活期指一次呼叫过程中用户处于通话的平均时间长度，即呼叫处于激活的平均时间，静止期指在一次呼叫过程中通话处于静止的平均时间长度，即指在该阶段将不占用系统资源的平均时间。上、下行链路的激活期和静默期相互独立，持续时间均服从均值为3秒的负指数分布，即话音业务的激活因子为0.5。可以用ON/OFF模型描述通话期间的激活状态和静默状态，如图3-6所示。图3-6 语音业务的状态转换模型2、FTP业务对于FTP业务模型，很多文献都认为，在一次FTP会话中，多数用户只进行一次连接，即只进行一次文件下载。因此一个session中只有一个packet call。Ftp各状态的分布情况如下：On(Data downloadperiod)：持续时间服从Pareto分布，表示ftp业务的数据下载时间。Off：持续时间服从WeiBull分布，表示上一次数据传输结束到下一次数据传输开始这段间隔时间。3、音频流假定音频源的发送速率恒定为144kbit/s。根据文献20，RTP包长为1267byte，所以，在服务器端，RTP包的发送间隔为1267*8/144000=70ms，即为70/