（通信与信息系统专业论文）wcdma系统分层网络的性能研究.pdf

摘要 w c d m a 系统分层网络的性能研究 专业 通信与信息系统 姓名 李路鹏 导师 胡乐明教授 摘要 分层小区结构在g s m 网络中已获得广泛应用 由于g s m 为频分系统 同时目前 的跳频技术又把抗干扰的隔离提高了一大步 所以g s m 可以用分层小区结构组网 而保持较好的网络质量 但是由于w c d m a 和g s m 这两种技术体系的差别很大 w c d m a 系统能否用分层网络来大规模组网还需要进行定性的论述和定量的分析 论文在第二章首先描述了w c n v a 系统的标准的发展历程和它的特点 然后分 析了w c d m a 系统的容量 第三章简要地分析了使用分层小区结构大规模组网时需要考虑的一些关键 技术 如干扰 导频功率调整和小区选择与小区重选等等 第四章详细分析了传播模型校正的过程 并对密集城区a 的传播模型进行了 校正 第五章分析各种分层网络的性能 本章是论文的重点 包括五个部分 第一 部分描述了g s m 分层小区结构 分析了g s m 分层网已获得广泛应用的原因 第二部 分合理构建w c d m a 系统的同频分层网络 使用e n t e r p r i s e 规划软件对其进行仿真 分析 通过分析上行和下行链路的干扰情况来评估系统的性能 得出w c d m a 系统 不适合用同频分层网大规模组网的结论 第三部分定性地分析w c d m a 系统的异频 分层网络存在的问题 第四部分提出了部署室内微小区的原则 同时用试验数据 验证了该原则 第五部分提出设置多载波边界的原则 得出多载波组网是 w c d m a 网络最有效的扩容方案 关键词 分层小区结构 同频 异频 多载波 性能 a b 6 h a c t p e r f o r m a n c es t u d y 0 fw c d m ab a s e d h 强 l r c h i c a lc e l ls t r u c r u r e m a j o r c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e l i h l p c n g s u p e r v i s o r p r o f h ul e m i n g a b s t r a c t g s mn e t w o r kb a s e dh i e r a r c h i c a lc e l ls t r u c t o r eh a sa l r e a d yw o ne x t e n s i v ea p p l i c a t i o n b e c a u s eg s mi sf d m as y s t e m g s mn e t w o r kb a s e dh c sk e e p st h eq u a l i t yo ft h eb e t t e rn e t w o r k b u tc d m a a n dg s ma r ed i f f e r e n t n e e dt os t u d yt h ep t 癌 m n o f w c d m ab a s e dh c s t h et h e s i sh a sd e s c r i b e dt h es t a n d a r dd e v e l o p m e n tc o i e s eo fw c d m a s y s t e ma n di t s c h a r a c t e r i s t i c a t f i r s t i n c h a p t e r t w o t h e l a a n a l y s e d t h e c a p a c i t y o f w c d m a s y s t e m c h a p t e rt h r e ea n a l y s es o l k e yt e c h n o l o g yo fw c d m ab a s e dh c s s u c h i n t e r f e r e 1 e a d p o w e ra d j u s t m e n ta n dc e l ls e l e c ta n d o i l c h a p t e rf o u ra n a l y s et h ec o i l r s eo f p r o p a g a t em o d e l sc o r r e c ta n da d j u s tp r o p a g a t em o d e l so f c h a p t e rf i v ea n a l y s et h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n t k 汩mn e t w o r kb a s e dh c s t h i sc h a p t e r i saf o c a lp o i n to fat h e s i sa n di n c l u d ef i v ep a r t s f i r s tp a r th a v ed e s c n b e dt h es t r u c t u r eo fg s m b a s e dh c sa n dh a v ea n a l y s e dt h eh 曩s o nt os u c c e e d s e c o n dp a r ts 打蛐d h 托w c d m a s y s t e m b a s e d h c s o f s a m e f t e q u e n t l yr a t i o n a l l y s y s t e m l e v e ls i m u l a t i o n s a r e p e f f o r m e d t o a n a l y s e p e r f o r m a n c e o fs y s t e m t h e t h i r d p a r t a n a l y s e w c d m a s y s t e m a t i c e x i s t i n g p r o b l e m b a s e d h c s o fd i f f e r e n tf r e q u e n t l y t h ef o u r t hp u th a v ep u tf o r w a r dt h ep f i n d p l co fd i s p o s i n gm i c r o c e l li nt h e r o o m t h e f i f t h p a r t h a s p u t f o r w a r d t h e 画 n c i p l e o f s e t t i n g u p m a n y s i g n a l c a r r i e r s b o r d e r a n d d r a w nt h ec o n c l u s i o nt h a tm a n ys i g n a lc a r r i e r si st h em o s te f f e c t i v ed i l a t a t i o ns c h e m eo f w c d m a k e y w o r d s a m ef r e q u e n t l y d i f f e r e n tf z e q u e u t l y h i e r a r c h i c a lc e l ls t r u c t u r e m a n ys i g n a l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究该问题的意义 随着移动通信的迅猛发展 市区用户密度迅速增长与用户稠密区无线通信 能力不足的矛盾日益突出 为了解决这个矛盾 传统的做法是对宏小区进一步分 裂以形成更密集的小区分布 从而增加单位面积的通信能力 但是宏小区的进一 步分裂会带来一些问题 首先 密集宏小区尽管对低移动性用户而言较为适宜 但对高移动性用户来说 由于小区覆盖面积小 使得一次通话的越区次数大大增 加 这将增加系统的开销 同时因切换失败导致掉话的概率增加 影响服务质量 其次 由于整个服务区用户分布密度不同 若采用密 疏宏小区覆盖 则系统适应 话务变化的能力差 而若全部采用密集覆盖 则系统成本过高 设备利用率低 为 了避免这些问题 在g s m 系统的无线网络中引入了分层小区结构 所谓分层小区 结构就是在服务区由若干层不同大小的小区实现重叠覆盖 根据用户移动速度的 不同 快速用户由上层小区覆盖 低速用户由下层小区覆盖 当某一层的空闲信道 已全部占用 不能为更多的呼叫提供支持时 分层小区结构允许将溢出的话务量 转接到另外一层中 分层小区这种灵活的操作方式可较好地改善系统的话务性 能 因此分层小区结构在g s m 网络中已获得广泛应用 而对于w c d m a 由于w c d m a 和g s m 这两种技术体系的差别很大 舵d i l a 系统能否用分层小区结构来大规模组 网还需要进行分析研究 因此 研究w c d m a 系统中分层小区的问题对以后第三代 移动通信网的大规模组网有实际的指导意义 1 2 国内外研究现状 近年来分层小区技术伴随着微蜂窝及微微蜂窝技术的发展而迅速发展 3 g p p 对分层小区结构下了明确的定义 无线接入网可以被设计成使用分层小区结构 图i i 是一个分层小区结构的例子 图中数字表示不同的层 l 表示最高层 也就 是最小的小区 具有最高的优先级 中山大学硕士学位论文 图卜1 分层小区结构图 随着w c d m a 日益接近商用化部署 业内对w c d m a 系统的分层网进行了研究 主要是对分层网的无线资源管理方面进行了研究 而对分层网络的系统性能方面 研究较少 在分层网络系统性能方面 v i c e n t e 等 1 对局部密集地区的同频分层 网络的性能进行了分析 它是通过静态仿真来实现的 仿真模型是在多个宏小区 中的一个热点地区嵌入一个微小区 微小区也是采用宏小区的频率 每个宏小区 由半径为r 的三个扇区组成 微小区由半径为r 的单扇区组成 具体的结构见下 图i 2 图1 2 同频的分层小区结构图 2 第1 章绪论 该仿真系统考虑了两种不同的业务等级 分别是1 5 k b p s 的语音业务和 1 4 4 k b p s 高数据业务 假定在小区覆盖的范围内用户是均匀分布的 在热点地区 用户也是均匀分布的 只是热点地区的用户密度更高而已 v i c c n t e 的研究主要 是通过分析小区内用户的信干比来评估系统的性能 g h o r a s h i 等 对w c d m a 系统的异频分层小区结构进行了研究 研究的是一个 两层的异频分层小区结构的无线网络 它是通过动态仿真来实现的 仿真的输入 是基站和移动台的信息 它的输出是阻塞率 掉话率 切换率和系统的容量等等 仿真的模块如下图卜3 图1 3 异频分层小区结构的仿真模型 g h o r a s h i 主要研究了在异频分层小区结构中 当微小区溢出业务被允许切换 到相应的宏小区时 这种机制对网络性能的影响 并通过动态仿真得出这种机制 能增加网络容量的结论 可见 国内外的研究主要在于对分层网的无线资源管理算法和局部密集地区 分层网络的性能进行研究 而没有研究w c d m a 系统能否用分层网络来大规模组 网 3 中山大学硕士学位论文 1 3 本文主要研究内容 本论文的主要内容包括以下两个方面 1 分层网关键问题的研究 第一 对分层网的干扰问题进行了分析 第二 对分层网的导频功率调整进行了分析 第三 对分层小区结构中小区选择和重选 的机制进行了研究和分析 2 分层网的技术特点和各种组网方式的性能分析 在对g s m 和w c d t c a 技术 特点和组网方式进行比较分析的基础上 根据仿真和试验结果 对各种类型的分 层网 分析了同频分层网 异频分层网 室外宏小区叠加室内微小区分层网 多 载波分层网的可行性和性能 根据分析 可得出以下有关分层网络的结论 1 对于w c d l v i a 系统 大规模使用同频分层网难以获得有效的容量增益 并不可行 2 通过在室内叠加微小区吸收话务可以有效提高系统容量 3 多载波组网需保证多载波的连续覆盖以避免对网络性能的影响 4 第2 章w c d m a 系统的基本理论 2 1 主要标准 第2 章w c i m a 系统的基本理论 第三代移动通信的概念最初由国际电信联盟 1 t u 于1 9 8 5 年提出 后正 式命名为i m t 2 0 0 0 经多年的研究 于1 9 9 7 年进入实质性的技术选择与标准制 定阶段 经过一系列的评估与标准融合后 于1 9 9 9 年1 1 月举行的r r u rt g 8 l 赫尔辛基会议上最终确定了第三代移动通信无线接口标准 并于2 0 0 0 年5 月举行的i t u r2 0 0 0 年全会 r a 2 0 0 0 上最终得到批准通过 被正式命名为 i m t 2 0 0 0 无线接口技术规范 m 1 4 5 7 此规范包括码分多址 c d m a 和时分 多址 t d m a 两大类共五种技术 其中c d m a 为目前公认的主流技术 它包 括两种频分双工 h d 技术和一种时分双工 d 技术 分别为i m t 2 0 0 0 c d m a d s i m t 2 0 0 0c d m a m c 和i m t 2 0 0 0c d m a t d 目前主要有三种标 准 1 w c d m a 技术 或称i m t 2 0 0 0c d m a d s 是由欧洲和日本最早提出 的 欧洲于1 9 8 8 年开展r a c ei 欧洲先进通信技术的研究 程序 并一直延 续到1 9 9 2 年6 月 它代表了第三代无线研究活动的开始 1 9 9 2 1 9 9 5 年之间欧洲 开始了r a c e i i 程序 a c t s 先进通信技术和业务 建立于1 9 9 5 年底 为u m t s 通用移动通信系统 建议了f r a m e s 未来无线宽带多址接入系统 方案 在这些早期研究中 对各种不同的接入技术包括t d m a c d m a o f d m 等进 行了实验和评估 为w c d m a 奠定了技术基础 日本于1 9 9 3 年在a r i b 中建立了研究委员会来进行日本3 g 的研究和开发 并通过评估将c d m a 技术作为3 g 的主要选择 日本运营商n t t d o c o m o 在1 9 9 6 年推出了一套w c d m a 的实验系统方案 并得到了当时世界上主要的移动设备 制造商的支持 由此产生了w c d m a 的发展动力 1 9 9 8 年1 2 月成立的3 g p p 第三代伙伴项目 极大地推动了w c d m a 技 中山大学硕士学位论文 术的发展 加快了w c d m a 的标准化进程 并最终使w c d m a 技术成为i t u 批 准的国际通信标准 第三代的主要技术体制 其中w c d m a f d d f r d d 现称高 码片速率t d d 和t d s c d m a 融和后现称低码片速率t d d 都是由3 g p p 开 发和维护的规范 这些技术都是以c d m a 技术为核心的 目前看来 将要采用 的第三代标准中选取w c d m a f d d 模式的国家是最多的 比如欧洲 日本 韩 国都决定w c d m a f d d 模式为自己的主流制式 去年底 美国的a t t 移动业 务分公司也宣布选取w c d m a f d d 为自己的第三代业务平台 w c d m a 的三套技术实际上采用的是同一套核心网络规范 不同的无线 接入技术 其核心网络的主要特点就是重视从g s m 网络向w c d m a 网络的演进 这是由于g s m 的巨大商业成功造成的 这种演进是以g p r s 技术作为中间承接 的 中国也积极参与了i t u 和3 g p p 的w c d m a 另外两种技术的跟踪 评估和 研发工作 这些工作在9 0 年代中期就已经开始了 1 9 9 8 年成立的中国无线通信 标准研究组 c w r s 是3 g p p 的正式组织成员 华为公司 大唐集团等国内企 业还加入3 g p p 成为独立成员 目前这些企业都在加紧研发自己的 w c d m a f d d 系统 力争和国外主要通信设备制造商同期加入我国移动通信的 实验网建设工程中 在3 g p p 成员和专家的努力下 w c d m a 已经推出了成熟的可供商用的版 本r e l e a s e 9 9 和全套规范的r e l e a s e 4 版本 但是 由于无线通信技术和i p 技术的 迅速发展 w c d m a 标准也在不断发展中 新的兼容的无线技术和核心网络技 术也在不断被提出和采纳 从现在的情况看 w c d m a 还是一个 活 的标准 w c d m a 还有许多需要研究的课题 需要学术界和产业界的共同开发 2 c d m a 2 0 0 0 技术 或称i m t 2 0 0 0c d m a m c 是由北美最早提出的另一 种较具竞争力的第三代移动通信技术 其核心网络采用演进方式的i s 9 5c d m a 的核心网络 a n s i 4 1 能与现有的i s 9 5c d m a 后向兼容 其单载波形式 c d m a 2 0 0 0 1 x 采用与i s 9 5c d m a 相同的带宽 但容量可相对提高一倍 且所支 持的最高业务速率可达1 4 4k b i t s 目前c d m a 2 0 0 0 1 x 技术得到北美和距太地区 i s 9 5c d m a 运营商的广泛支持 韩国最大的i s 9 5 c d m a 运营商s k i 于2 0 0 0 6 第2 章w c d m a 系统的基本理论 年l o 月将c d m a 2 0 0 0 l x 投入商用 而大多数北美及亚太地区的l s 9 5c d m a 运 营商都在2 0 0 1 年开始c d m a 2 0 0 0 1 x 的商业 三载波方式的c d m a 2 0 0 0 系统 c d m a 2 0 0 0 3 x 需占用i s 9 5c d m a 的三倍以上带宽 且技术复杂程度较高 其发 展前景尚不明朗 而能够支持更高业务速率的增强型单载波技术c d m a 2 0 0 0 1 x e v 正在引起广泛的重视 其标准化工作正在进行之中 2 0 0 0 年3 月 由我国标准 化组织提交的l a s c d m a 技术 作为c d m a 2 0 0 0 1 x e v 第二阶段的候选方案之一 已引起关注 l a s c d m a 的技术核心是采用三进制新型扩频码解决c d m a 系统 的干扰问题 从而达到提高系统容量的目的 3 i m t 2 0 0 0c d m a t d 为时分双工 t d d 的c d m a 技术 包括低码 片速率t d s c d m a 和高码片速率u t r a t d d t d c d m a 两个技术 两个技 术的物理层完全分开 分别采用我国c w r s 和3 g p p 的两套技术规范 而第二 三层采用的协议一致 这两种t d d 方式的c d m a 技术正在国际性标准化组织 3 g p p 中进行协调和融合 其标准化工作于2 0 0 0 年底完成 由我国提交的 t d s c d m a 技术由于采用智能天线 软件无线电 联合检测 接力切换 下行 包交换高速数据传输等一系列高新技术 与其它系统相比具有突出的技术优势 1 频谱利用率高 与w c d m a 及c d m a 2 0 0 0 相比 t d s c d m a 具有最 高的频谱利用率 能够更好支持人口密集地区业务 它可以充分利用零碎频段 能有效缓解运营商频谱资源紧张问题 2 系统容量大 由于采用了诸多先进技术 其干扰大大下降 系统容量大 幅提高 3 特别适合运营商开展数据业务 由于t d s c d m a 可以动态调整上下行 数据传输速率 特别适合处理上下行不对称的i p 数据业务 4 系统成本低 由于采用了智能天线等新技术 t d s c d m a 系统得以降 低发射功率 从而大大降低产品成本 5 代表移动技术发展方向 系统易于升级 保护运营商投资 目前 国际 上三代后技术研究的热点包括 t d m a 技术 t d d 技术 智能天线技术 软件 无线电技术 下行包交换高速数据传输技术等 这些技术在t d s c d m a 系统里 已经有所应用 此外 t d s c d m a 在通用硬件平台上采用软件无线电技术进 7 中山大学硕士学位论文 行系统设计 升级十分方便 i 1 3 s c d m a 标准完全满足技术先进性 标准化 公开化的要求 能够作为 设备制造商研制开发和生产t d s c d m a 系统设备和运营商使用该设备的技术依 据 目前有关研究单位正在解决连续覆盖 大范围组网 频率指配和系统同步 等关键技术问题 目前来看 t d s c d m l a 作为其它两种f d d 方式的c d m a 技 术的补充形式 适合于高密度用户区和中低速移动环境的应用 并随着数据业务 量的增大 有着良好的发展前景 但目前参与研究和开发t d s c d v l e l 的国内外 厂家非常有限 需要联合国内外多家企业共同研发和生产 才能保证其成功 2 2w c d i d a 的系统结构 r r u 最初在构思第三代移动通信系统时 曾经希望指定一套全球统一的移动 通信网络体系结构 但由于在第三代移动通信系统标准化时 第二代移动通信系 统的规模已极为庞大 如何使第三代移动通信系统能够兼容现有不同体制的网络 已成为不可回避的问题 由于北美和欧洲第二代移动通信系统核心网络差异极 大 难以用统一的方法兼容现有各种系统 删被迫提出了i m r r 2 0 0 0 核心网络 家族 概念 基于a n s i 4 1 和g s mm a p 标准的二代移动通信网络将采用不 同方式演进到未来的第三代移动通信系统 3 g p p 是由欧洲e t s i 发起 日本a r i b t t c 韩国t r a 美国t 1 和中国 c w r s 参加的第三代伙伴计划 目的是制定以g s m m a p 为核心网 u t r a 为无 线接口的第三代移动通信标准 2 0 0 0 年6 月已完成了较为成熟的r e l 9 9 标准的 制定 目前w c d m a 设备制造商提供的设备基本上是基于r e l 9 9 标准 基于r e l 9 9 标准的w c d m a 系统的系统结构如图2 一l 所示 8 第2 章w c d m a 系统的基本理论 图2 iw c d m a 系统结构 w c d m a 系统由三部分u t r a n 无线接入网 c n 核心网 和u e 用户装置 组成 c n 与u t r a n 的接口定义为i u 接口 u t p a n 与u e 的接口定义为u u 接口 下面分别介绍这三大部分 9 中山大学硕士学位论文 1 无线接入网 u t r a n 包括许多通过i u 接口连接到c n 的r n s 一个r n s 包括一个r n c 和一 个或多个n o d eb n o d eb 通过i u b 接口连接到r n c 上 它支持f d d 模式 t d d 模式或双模 n o d eb 包括一个或多个小区 u t r a n 内部 r n s s 中的r n c s 能通过i u r 接口交互信息 i u 接口和i u r 接口 是逻辑接口 i u r 接口可以是r n c 之间物理的直接相连或通过适当的传输网络实 现 u t r a n 结构如图2 2 所示 图2 2u t r a n 结构 i u i u r i u b 接口分别为c n 与r n c r n c 与r n c r n c 与n o d eb 之间的接 2 核心网 目前r 9 9 核心网包括三个域 c s 电路交换 域 p s 分组交换 域和b c 广播 域 分别处理电路交换业务 分组交换业务和广播组播业务 r 9 9 核心 网的c s 域指g s m 的核心网 p s 域指g p r s 的支持节点 c s 域处理传统的电路交 换业务 每次通信需占用一些资源建立专用的一条链路 如语音业务 p s 域处 理分组交换业务 不需要建立专用链路 每个分组都自己找路由 r 9 9 核心网主 要有以下一些设备 1 0 第2 章w c d m a 系统的基本理论 移动业务交换中心 m s c 对位于它管辖区域中的移动台进行控制 交换的 功能实体 服务g p r s 支持节点 s g s n 执行移动性管理 安全管理和接入控制和路 由选择等功能 网关g p r s 支持节点 g g s n 负责提供g p r sp l 州与外部分组数据网的接 口 并提供必要的网间安全机制 如防火墙 拜访位置寄存器 v l r m s c 为所管辖区域中m s 呼叫接续所需检索信息的数 据库 v l r 存储与呼叫处理有关的一些数据 例如用户的号码 所处区域的识别 向用户提供的业务等参数 归属位置寄存器 h l r 管理部门用于移动用户管理的数据库 每个移动用 户都应在其归属位置寄存器中注册登记 鉴权中心 a u c 为认证移动用户的身份和产生相应鉴权参数的功能实体 另外 r 9 9 核心网还包括一些智能网设备和短消息中心等设备 图2 3r 9 9 核心网结构 1 1 中山大学硕士学位论文 r 9 9 核心网结构只是为2 g 向3 g 系统过渡而引入的解决方案 真正的w c d m a 系统核心网是全i p 核心网 目前在r 4 和r 5 标准中己制定了大致方案 2 3w c d m a 的技术特点 w c d m a f d d 制式的主要技术特点有 1 核心工作频段 f d d 上行链路使用1 9 2 0 1 9 8 0 m h z 频段 f d d 下行链路使用 2 1 1 0 2 1 7 0 m h z 频段 2 基站同步方式 支持异步和同步的基站运行方式 灵活组网 3 信号带宽 5m h z 码片速率 3 8 4 圳z 4 信道编码 卷积码和t u r b o 码 支持2 m 速率的数据业务调制方式 5 功率控制 上下行闭环功率控制 外环功率控制 6 解调方式 上行q p s k 下行h p s k 7 语音编码 a d r 可变速率 最高1 2 2 k b i t s 8 核心网络基于g s m g p r s 网络的演进 并保持与g s m g p r s 网络的兼 容性 9 m a p 技术和g p r s 隧道技术是w c d m a 体制的移动性管理机制的核心 保持与g p r s 网络的兼容性 l o 支持软切换和更软切换 w c d m a 的优势在于可以提供话音数据并发业务 有明确的符合下一代网络发 展的全i p 核心网架构及相关规范 最终版本可以对数据业务进行端对端的o o s 保证 码片速率高 有效地利用了频率选择性分集和空间的接收和发射分集 可 以解决多径问题和衰落问题 采用t u r b o 信道编解码 提供较高的数据传输速 率 f d d 制式能够提供广域的全覆盖 采用独有的小区搜索方法识别小区 无需 基站间严格同步 采用连续导频技术 可支持高速移动终端 w c d m a 能够从g s m 平滑过渡 为运营商提供了良好的技术基础 第2 章w c d i 雌系统的基本理论 2 4w c d m a 的标准及其发展 w c d m a 的标准由第三代合作伙伴计划 3 g p p 制订 是i m t 2 0 0 0 家族最主 要的三种技术标准之一 w c d m a 标准化的一个非常突出的特点是版本多 更新快 历经多年努力 3 g p p 目前已经完成r 9 9 r 4 r 5 三个版本的定稿 r 6 版本也正 在制订中 r 9 9 版本于2 0 0 0 年3 月在3 g p p 正式通过 此后每三个月更新一次 在2 0 0 1 年3 月通过了可以作为商用的版本 其后的更新版本将能与之后向兼容 在全球 己安装和试开通的w c d m a 网络都以r 9 9 版本为基础 考虑到第二代g s m 系统的应用情况和话音业务在一定时期内占优势的现状 r 9 9 采用基于g s m g p r s 姒p 的核心网络 引入新的w c d m a 的无线接入网络 r 4 版本在2 0 0 1 年3 月确定了框架 r 4 的业务与r 9 9 相比 更趋向于实时业 务和多媒体业务 并在业务多样化方面有较大进展 它主要增加的是窄带t d d 模 式和全i p 化的初步 随着数据业务的增长和无线互联网的应用 w c d m a 的网络结构逐渐向全i p 化方向发展 先是核心网 然后是全网i p 化 r 5 是全i p 化的第一个版本 r 5 于2 0 0 2 年6 月实现功能冻结 2 4 2 各版本间的差异和发展 过去业界认为r 4 只是个过渡版本 r 5 才是完善的版本 但是目前r 5 后还要 r 6 所以很难说哪个是过渡版本 r 5 不能实现完全的i p 化 下面介绍各版本的 差异 1 r 4 的特点和与r 9 9 的差异 相对于r 9 9 r 4 无线接入网网络结构没有改变 改变的只是一些接口协议的 特性和功能的增强 如引入直放站 解决复杂地形覆盖问题和扇区降低终端和基 中山大学硬士学位论文 站的发射功率以提高容量 n o d eb 同步减少系统邻近小区的交调干扰 降低传 输网络的成本 i u b 和i u r 上的从l 2 连接的o o s 优化 r 蹦 无线资源管理 的优 化 i u 上r a b 无线接入承载 的q o s 协商 增强的r a b 支持 i u b i u r 和i u 上 的传输承载过程的修改 而核心网电路域变化较大 主要体现在 1 r 4 在核心网电路域中实现了软交换的概念 即传统m s c 分离为媒体网关 m g w 和m g c 服务器两部分 实现了电路域的承载与控制分离 2 网络由t d m 中心节点交换型演进为典型的分组话音分布式体系结构 3 网络采用开放式结构 业务逻辑与底层承载相分离 话音分组化 由包 方式承载 u t r a n 与核心网话音承载方式均由分组方式实现 4 由于优化了话音编解码转换器 改善了w c d m a 系统网络内部话音分组包 的时延 提高了话音质量 编解码转换有可能只需在与p s t n 的公网网关 上实现 同时提高了核心网传输资源的利用率 5 同时 由于话音采用统计复用方式传递 相对于t d m6 4 k 静态电路带宽 分配而言 可提高传输网的效率 实现网络带宽动态分配 避免t d m 扩 容时需反复调配2 m 电路的烦琐程序 2 r 5 的主要特点和发展 r 5 于去年6 月问定稿 接入网中主要引入i pu t r a n 和h s p d a 的概念 i p 可 作为u t r a n 的信令传输和用户数据承载 h s d p a 支持高速下行分组数据接入 应用不同的技术实现手段 峰值数据速率可高达8 1 0 m b p s 采纳了混和 a r q i i i i i 以增强分组数据信号传输的可靠性和高效性 支持r a b 增强功能 对 i u b i u r 的无线资源管理进行了优化 增强了u e 定位功能 支持相同域内的不 同r a n 节点与不同c n 节点的交叉连接 相对于r 4 r 5 核心网增加了i m s i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m 即i p 多媒体 子系统 由于标准刚刚定稿 同时大量业务由于时间关系 不得不推后到r 6 考 虑 故i m s 域目前还无法完全取代r 4 分组化的c s 域 支持某些传统业务和满足 管制规定方面的要求 换句话说 r 5 仍然需要r 4 分组化的c s 域的部署 r 5 只 是r 4 的补充和满足i p 多媒体业务的需求的一个版本 1 4 第2 章w a h 执系统的基本理论 2 5w c d m a 系统的容量 由于本论文在对w c d m a 系统的分层网络性能进行研究时 主要研究各种分层 网络的容量 因此 在本节先对w c d m a 系统的容量进行一些分析 2 5 1w c d m a 系统的上行链路容量 对于w c d m a 系统的上行链路 文献 朝 6 1 已对此作了分析 在上行链路 由于 采用了开环功率控制和快速闭环功率控制 可以认为从每个移动台到达基站的功 率相同 都为p 则每个用户的c i 比可表示为 墨巡 2 一1 l n wi 七i m 七n 浮 i t q q p 2 2 j m p 一 2 3 式中的f 为其他小区干扰与本小区干扰的比 从中可以得到在c d m a 无线网中一个小区的容量为 甄w r 1 一蒜 2 4 当p 为o o 时 腓 乒 1 2 5 竽 1 d 当移动台的发射功率为无限大时 n 达到理论上的最大值n p o l e 即极点容量 p o l e c a p a c i t y 由于每个小区内用户数不同 其周围小区的负载也不一致 因此 每个小区的f 并不相同 从统计上看 f 的典型值如下表2 1 所示 中山大学硕士学位论文 表2 1 上行链路其他小区对本小区干扰的典型值 l全向站3 扇区站6 扇区站 l l o 5 50 6 60 8 5 应当注意的是 对于高速的数据业务 由于每个小区可容纳的用户较少 因 此 具有较大的标准差 用上述值对系统容量作出估计是很粗略的 一个比较 准确的容量应通过系统仿真获得 理论上c d m a 的频率复用效率为1 但在实际网 络中 由于其他小区的干扰 频率复用效率为 以删 大概为0 5 4 0 6 5 可见 通过对移动台发射功率的有效控制 可减小趿e b i o 可以提高系统容量 从减 小小区间干扰角度看 软切换 更软切换 对提高上行链路的容量具有重要作用 当移动台处于基站边缘时 其发射功率最大 此时 移动台距离其他基站最近 对其他基站的干扰最强 而软切换发生的区域在小区的边缘 通过宏分集对多个 基站的接收信号进行选择性合并 可降低移动台的发射功率 提高了系统容量 另外 c d m a 系统中小区的容量并非一个恒定的值 而是随小区所处环境而有 所变化 一般而言 市区的传播幂指数高于郊区和农村的传播幂指数 因此 若 在同样的小区结构下 市区的咽子小于郊区和农村的咽子 即相同条件下市区 小区的容量大于郊区和农村中的小区容量 为防止高估或低估无线网的容量 在 组网中应注意的上述问题 事实上由于移动台发射功率有限 极点容量是不可能达到的 但极点容量对 于考察小区负载具有重要意义 小区负载的定义为 l 旦 j m 2 6 n ml i n 一 其中 n 为小区中的用户数 即当前小区中的用户数占系统可提供的最大容 量的比 另外 c d m a 是干扰受限系统 在上行链路 每一个用户发射功率都会使 系统的干扰上升 因此 小区负载的定义反映了小区干扰程度 在小区中同时有 n 个用户通信的情况下 小区噪声上升为 肪一e 炉老 尘靠掣 c z 1 6 第2 章w a m a 系统的基本理论 其中 n 为小区中的用户数 当上行链路的小区负载达到7 5 以上时 系统由 于干扰过大而处于不稳定状态 此外 随着小区负载增大 小区覆盖范围将不断 减小 即出现 呼吸效应 从而出现覆盖的盲区 因此 在网络规划时就必需 将小区负载控制在一个合理的范围 一般取上行链路的小区负载的上限是6 0 左 右 2 5 2 下行链路容量 对于w c d m a 系统的下行链路 文献 7 1 8 1 已对此作了分析 在w c d m a 系统中 多媒体业务将得到广泛应用 大量多媒体应用的上下行传输是不对称的 要求下 行链路比上行链路具有更大容量 另一方面 与上行链路不同 下行链路的干扰 集中来源于周围几个小区 下行链路对应用环境更敏感 由于多个用户麸享基站 的发射功率和正交信道码 因此 限制下行链路容量的因素主要有两个 正交信 道码的数量和基站发射功率 此外 基站发射功率和信道码的分配策略也直接影 响下行链路容量 一般而言 对于宏蜂窝 在信道码耗尽前 基站已达到最大发 射功率 即功率受限 对于一些室内微蜂窝 由于与其他小区有良好的隔离和正 交系数 有可能是信道码受限 与上行链路一样 下行链路容量的分析也是从分析每一用户的c a 比开始 一c 乓 生l 2 8 7 妻o j l j n o w 吖 式中的 可表示为 辔 同一小区的不同用户在下行链路采用 了正交的信道码 理论上并不存在本小区内用户间的干扰 但由于多径效应 本 小区将有一部分发射功率变为干扰 用磙示正交因子 表示下行链路受多径干 扰的程度 其他小区与本小区干扰的比可以用一个平均值 表示 1 7 中山大学硕士学位论文 如果一个小区中同时有m 个用户正在进行通信 其中有s h o 比例的用户处于 软切换厦软切换状态 在这只考虑软切换激活集大小为2 p c c h 表示用于公共 控制信道的功率 那么 基站需要总的发射功率为 匕 1 s薹ho 只m 繁 掣 i 3ho m 沼 匕2 薹只 荟丑 如i 争 q 9 m 与上行链路相似 在下行链路也存在极点容量 即当基站发射功率达到无穷 大时下行链路容量的理论最大值 该值为 2 1 0 因为在下行链路 软切换采用最大比例并 所以在上式中用 表示激活集中2 个基站接收信号的 之比 事实上 任何基站的发射功率都是一个有限值 但 我们仍可以从极点容量中发现影响下行链路容量的因素 即c a m 软切换 的比例及激活集中不同基站接收信号的差a 事实上无论是口 或软切换的比例s h o 与移动台所处的环境有关 此外 s h o 和a 也是相互关联的 下列几个表中列出了不同环境下这些因子的值 表2 2 不同环境下的正交因子a 环境正交因子a i t up e d e s t r i a na3 k m h0 0 6 i t uv e h i c u l a ra5 0 k m h0 5 表2 3 不同环境下其他小区与本小区干扰之比f 环境软切换增加窗口大小 o d b3 d b6 d b 市区 o 8 0 8 40 8 90 9 1 郊区 o 1 0 0 8 20 8 7o 8 9 1 8 第2 章w c d m a 系统的基本理论 表2 4 激活集中不同基站接收信号的差a 软切换增加市区郊区 窗口大小s h 0 s h o lo 1 0o 8 50 0 9o 8 7 20 1 90 7 40 1 70 7 7 3 o 2 7 o 6 50 2 5 o 6 8 40 3 5o 5 80 3 2o 6 l 5o 4 1o 5 2o 3 9o 5 5 60 4 80 4 7o 4 50 5 0 注 上述数据仅为仿真结果 在实际应用中需校正 可见在移动台慢速移动条件下 比如室内 步行街等 小区的下行链路容 量较高 而对于高速公路等移动台运动速度较快的地区 小区下行链路容量较低 在无线网大规模 全覆盖组网时 应考虑下行链路容量的差异 另一个影响下行链路容量的重要因素是软切换比例 虽然软切换改善了上行 链路的覆盖和容量 并降低处于软切换状态的移动台下行链路的e b i o 但由于 软切换时激活集中的基站需同时发射 引入了额外干扰 软切换对下行链路容量 的影响与应用环境密切相关 在多径数量较少的情况下 软切换影响较小 多径 数量较多的情况下 软切换影响较大 当软切换比例过大时 软切换对e b i o 的 增益将被多个基站同时发射引入的干扰抵消 此时 下行链路容量不是增加而是 减少 因此 软切换的比例必需控制在一个合理的比例以避免过度影响下行链路 容量 一般来说 软切换比例控铼0 在3 0 左右时 宏蜂窝 基站的所需发射功 率较小 下行链路可达到较大容量 与上行链路相似 下行链路同样有负载的定义 下行链路的负载定义为 l x l 2 1 1 n 峨i 中山大学硕士学位论文 其中 以为小区中的业务i 的用户数 表示由于用户的增加而引起的下行 发射功率上升 与上行链路不同 下行链路容量受最大发射功率的制约 能否再 容纳更多用户取决于是否有可用的功率 因此 下行链路的负载可以非常接近1 而仍使系统保持稳定 第3 章分层罔的关键问题 第3 章分层网的关键问题 由于分层网络非常复杂 影响网络性能的因素较多 因此本论文有必要先 对分层网的几个关键问题进行论述 以利于下面对分层网络性能的分析 本章简 要分析了分层网的干扰 导频功率调整和小区选择与小区重选三方面的问题 3 1 分层网不同层之问的干扰问题 w c d m a 是一个自干扰系统 每个用户都对其他用户构成干扰 每个小区都对 其它小区构成干扰 上行干扰来自于所有其他用户 下行干扰来自于邻小区基站 链路性能和系统容量取决于干扰功率的控制结果 在分层网络中 其干扰更为严 重 下面分别对同频和异频分层网的干扰问题进行分析 在同频分层网络中 由于微小区和宏小区工作在同一频率上 因此 层内和 层间都有较大的干扰 为了尽可能减少干扰 对于层内的干扰 主要是通过功率 控制来减少层内的干扰 对于层间的干扰 主要通过空间的隔离或者建筑物的物 理隔离来控制它 在异频分层网络中 由于微小区和宏小区处于不同的频率上 因此主要考虑 层内的干扰 理论上讲层间不存在干扰 但是通常建设异频分层网络时 微小区 和宏小区采用频率是邻频 由于功率放大器的非线性使得邻信道载波间的频谱泄 漏 从而产生邻信道干扰 9 m o m 导致w c d 姒的底噪上升 为了减少异频分层 网络的邻信道干扰 可以通过补偿功率放大器或者一些线性化的方法来均衡功率 放大器的非线性 分层网络宏小区与微小区之间干扰问题的研究需要仿真 通过仿真获得建网 的指导理论数据 同时在实际建设商用网前需要通过实验网实际测试小区之间干 扰情况 分析干扰因素 总结规避措施 2 1 中山大学硕士学位论文 3 2 不同层小区导频功率调整问题 由于导频功率是网络覆盖和r r m 算法中测量的重要指标 因此 合理的导 频功率是影响w c d m a 网络性能的重要因素 最佳的导频功率能够在保证良好覆 盖的前提下对相邻小区的干扰最小 由于导频和公共控制信道功率连续发射 若 导频功率过大 将减少能够分配给业务信道的功率 在同频分层结构中 由于宏 小区的最大功率大于微小区 其导频功率相对较大 很容易产生远近效应的问题 如图3 1 所示 虽然u e 到微小区具有更小的路径损耗 但由于宏小区基站导频功 率较高 u e 将连接到宏小区基站 从而对微小区基站产生过强的干扰 一 2 图3 1 同频分层网络下需调整导频信道功率 相反 如果一个小区的导频功率配置比例比较小 可能导致导频的覆盖范围 不够大 更严重的是导致可控范围减小 对于分层