（通信与信息系统专业论文）移动宽带数据传输性能分析.pdf

南京邮电学院硕士学位论文 摘要 摘要 随着信息产业的飞速发展 通信技术和计算机技术的融合已成为必然趋势 因特网的 出现则加速了两种技术的融合 全球通信产业呈现出移动化和宽带化的趋势 在移动宽带 化方面 3 g p p 3 g p p 2 已经制定了e v d o 和h s d p a 等技术标准 在移动环境下实现宽带 数据传输 在宽带移动化方面 i e e e 8 0 2 工作组先后制定了i e e e 8 0 2 1 1 和i e e e 8 0 2 1 6 等 技术标准 意图能沿着固定无线网到移动无线网这样的演进路线逐步实现宽带通信移动 化 本文主要对移动宽带系统中的h s d p a 和w i m a x 技术的性能进行分析 论文首先介 绍了这两个技术的发展与趋势 然后介绍了这两个技术的系统基本原理 包括对比它们的 关键技术 协议模型 m a c 层工作原理和物理层信号处理流程 本文讨论了市场应用和 数据用户行为等因素对组网策略的影响同时分析了两个系统混合组网的组网方案 通过系 统链路预算分析了这两个系统的无线覆盖性能 同时通过推导发信功率与发信速率的关系 指出c d m a 系统中存在的多速率干扰问题 最后引入一种多业务c d m a 系统的功率控制 策略 同时提出一种简单易行的h s d p a 系统物理层改进方案 在理论推导的基础上该方 案对基站和用户终端进行改进以消除h s d p a 系统中的多速率干扰问题 最后对全文的工 作进行总结 南京邮电学院硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o n i n d u s t r y c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e sc o n t i n u et om e r g e t h ef l o u r i s ho fi n t e r a c ta c c e l e r a t e st h ep r o c e s so fm e r g e n c e n o w a d a y st h eg l o b a lc o m m u n i c a t i o ni n d u s t r yd i s p l a y st h et e n d e n c eo fm o b i l i t ya n db r o a b a n d i nt h er e s p o n s et ot h ee v o l u t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt ow i d eb a n d 3 g p p 3 g p p 2h a s d e v e l o p e dt h et e c h n o l o g ys t a n d a r d so fe v d oa n dh s d p at or e a l i z eb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o n i nm o b i l ee n v i r o n m e n t i nt h er e s p o n s et ot h ee v o l u t i o no fb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o nt om o b i l i t y i e e e8 0 2s t a n d a r d sc o m m i t t e e d e v e l o p st h et e c h n o l o g ys t a n d a r d so f i e e e 8 0 2 11 a n d i e e e 8 0 2 16t om o v ea l o n gf i x e db r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt om o b i l eb r o a d b a n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s et h ep e r f o r m a n c eo fm o b i l eb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo f h s d p aa n dw i m a x t h ep a p e rs t a r t s 析mt h ed e v e l o p m e n ta n dt r e n do ft h et w ot e c h n o l o g i e s t h e nt h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h e s et w ot e c h n o l o g i e sb yc o m p a r i s o no ft h ek e yt e c h n i q u e su s e d p r o t o c o lr e f e r e n c em o d e l m a cl a y e ro p e r a t i n gp r i n c i p l e sa n dp h yl a y e rs i n g a lp r o c e s s p r o c e d u r ea r ep r e s e n t e di nt h ep a p e r t h ee f f e c t i o no nt h en e t w o r k i n gs t r a t e g i e sb yt h em a r k e t o p e r a t i o na n du s e rb e h a v i o r si sd i s c u s s e di nt h ep a p e r a n dt h e nh y b r i dn e t w o r k i n gs c h e m eo f t h e s et w ot e c h n o l o g i e si sa n a l y s e d t h er a d i oc o v e r i n gp e r f o r m a n c ei sg i v e nb yt h es y s t e ml i n k b u d g e t t h em u l t i r a t ei n t e r f e r e n c ei nc d m as y s t e ma l s oi sp o i n t e do u ti nt h ep a p e rb yt h e f o r m u l ad e d u c t i o nf o rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a n s m i t t e dp o w e ra n dt r a n s m i t t e ds i g n a lr a t e i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m t h i sp a p e rc a m eu pw i t ham u l t i s e r v i c ec d m a s y s t e mp o w e r c o n t r o ls c h e m e as o l u t i o ni sp r e s e n t e dt om a k es o m ec h a n g e st op h y l a y e ro nb o t hb a s es t a t i o n a n du s e re q u i p m e n tt os o l v et h em u l t i r a t ei n t e r f e r e n c ep r o b l e mi nh s d p a s y s t e m l a s t l y t h e p a p e ri se n d e dw i t has u m m a r y 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作取得 的研究工作及取得的成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方 外 论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得南 京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而用过的材料 与我一同工作的同 志对本研究所作的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名 l 窭兰辱一 日期 三竺世 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其它复制手段保存 论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除了在保密期内的保 密论文外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部 分内容 论文的公布 包括刊登 授权南京邮电大学研究生部办理 虢蟑聊繇必胁一 z o o t o f 南京邮电学院 硕士学位论文摘要 学科 专业 工科通信与信息系统 研究方向 移动通信与无线技术 作者 林开 指导老师 傅海阳 题 目 移动宽带数据传输性能分析 英文题目 t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so fm o b i l eb r o a d b a n dd a t at r a n s m i s s i o n 关键词 高速下行分组接入全球微波接入互操作性链路预算 多速率兼容码分多址接入功率控制 k e y w o r d s h s d p aw i m a xl i n k b u d g e tm u l t i r a t ec o m p a t i b i l i t y c d m ap o w e rc o n t r o l 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着通信技术和新业务的部署 市场与技术的相互作用 未来通信领域一些新的特点 逐渐显现出来 一方面 传统宽带固定接入用户己经不满足于仅仅在家庭和办公室等固定 环境内使用宽带业务 希望使用宽带接入移动服务 另一方面 传统的移动用户也不满足 于简单的语音 短信和低速数据业务 希望能使用更高数据速率的业务 用户需求的变化 使固定宽带接入服务和移动服务在技术和业务上呈现融合的趋势 宽带移动化和移动宽带 化逐渐成为两个领域技术发展的趋势 并互为补充 互相促进 在移动宽带化方面 3 g p p 3 g p p 2 己经制定了e v d o 和h s d p a 等技术标准 在移动环境下实现宽带数据传输 在宽带移动化方面 i e e e8 0 2 工作组先后制定了w l a n 和w i m a x 等技术规范 意图能 沿着固定 游牧 便携 移动这样的演进路线逐步实现宽带移动化 本文主要研究3 g 增强 技术中具有代表性的h s d p a 以及w i m a x 的关键技术及其性能 并对它们进行比较分析 1 1h s d p a 的发展与趋势 h s d p a h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s 高速下行分组接 n 3 g p p 第三代合作项 目 r e l e a s e5 版本规范中引入的一个重要的新技术 是一些无线增强技术的集合 是r e l e a s e 9 9 发表以来r f 领域中发生的最重大的变化 2 0 0 0 年3 月m o t o r o l a 在西班牙召开的3 g p p 标准化组织t s g 4 一r a n 第7 次会议上 提出h s d p a 的最初设想 2 0 0 1 年1 月 在美国波士顿召开的t s g 4 r a n 第1 8 次会议上 公布了h s d p a 的标准化成果 具体来说h s d p a 的发展分为三阶段 即基本h s d p a 阶段 n o d eb 中引入高速媒体访问控锘u m a c h s 协议 增强h s d p a 阶段 引入多种天线 阵列处理技术 以及h s d p a 进一步演进阶段 引入o f d m 空中接口技术和6 4 q a m 使用多标准m a c 控制实体等 不过此阶段标准还未最终确定 仍在3 g p p 内进行研究 而第二阶段的设备尚未成熟完善 各设备厂商可供测试和商用的h s d p a 产品仅限于第一 阶段 在各个阶段中 下行峰值速率理论上分别可以达到支持1 0 8 1 4 4 m b i f f s 3 0 m b i f f s 和1 0 0 m b i f f s h s d p a 的出现引起了产业界的极大关注 致力于发展w c d m a 的移动运营商正在不 断努力 以迅速发展h s d p a 网络和用户设备 u e 使其能够与基于l x e v d o 和基于 南京邮电学院硕士学位论文第一章绪论 l x e v d v 的系统有效竞争 因此 适时研究h s d p a 对于我们全面了解后3 g 时代的技术 走向十分重要 对h s d p a 系统进行深入的研究 不仅具有潜在的理论价值 而且还具有 重要的现实意义 1 2w i m a x 的发展现状及趋势 w i m a x 的全称是全球微波接入互操作性 w o r l di n t e r o p e r a b i l i t y f o rm i c r o w a v e a c c e s s w i m a x 论坛是2 0 0 1 年4 月9 日成立的非赢利组织 旨在对基于i e e e 8 0 2 1 6 标 准和e t s ih i p e r m a n 标准的宽带无线接入产品制定一套测试规范和认证体系 对其进行一 致性和互操作性认证 以推动i e e e 8 0 2 1 6 标准的市场化进程 i e e e 和e t s i 是标准的制定 者 w i m a x 组织是标准的推动者 现在w i m a x 已经成为i e e e 8 0 2 1 6 标准的别称 i e e e8 0 2 1 6 标准又称为i e e ew i r e l e s sm a n 空中接口标准 对工作于不同频带的无线 接入系统空中接口进行了规范 由于它所规定的无线系统覆盖范围在公里 k i n 量级 因此 8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网 根据使用频带高低的不同 8 0 2 1 6 系统可分为应用于视距 和非视距两种 其中使用2 1 1 g h z 频带的系统可应用于非视距 n l o s 范围 而使用 1 0 6 6 g h z 频带的系统应用于视足f i l o s 范围 根据是否支持移动特性 8 0 2 1 6 标准又可分 为固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽带无线接入空中接口标准 i e e e8 0 2 1 6 标准系列主要包括8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 8 0 2 1 6 d 8 0 2 1 6 e 标准 其中8 0 2 1 6 1 6 a 1 6 d 属于固定无线接入空中接口标准 而8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接入空中标准 2 0 0 1 年1 2 月颁布的8 0 2 1 6 标准 对工作在1 0 6 6 g h z 频段的固定宽带无线接入系统 的空中接口物理层和m a c 层进行了规范 由于其使用的频段较高 因此仅能应用于视距 l o s 传输 2 0 0 3 年1 月颁布的8 0 2 1 6 a 标准对之前颁布的8 0 2 1 6 标准进行了扩展 对使用2 1 1 g h z 许可和免许可频段的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和m a c 层进行了规范 该 频段具有非视距 n l o s 传输的特点 覆盖范围最远可达5 0 公里 通常小区半径为l o 公里 以内 另外 8 0 2 1 6 a 的m a c 层提供了q o s 保证机制 可支持语音和视频等实时性业务 8 0 2 1 6 d 标准是8 0 2 1 6 标准系列的一个修订版本 是相对比较成熟且具有实用性的一 个标准版本 8 0 2 1 6 d 对1 0 6 6 g h z 频段和2 1 1 g h z 频段的固定宽带无线接入空中接口物理 层和m a c 层进行了详细规定 定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个物理层 该标准对前几个8 0 2 1 6 标准进行了整合和修订 仍属于固定宽 带无线接入规范 2 0 0 4 年6 月2 3 曰 i e e e 正式批准了8 0 2 1 6 d 标准 2 妻室塑皇堂堕堡主兰垡堡 文 蔓二兰丝丝 8 0 2 1 6 e 标准区别于前几个标准的最大区别在于对移动性的支持 该标准规定了可同时 支持固定和移动宽带无线接入的系统 工作在2 6 g h z 适宜于移动性的许可频段 可支持 用户终端以车辆速度移动 同时8 0 2 1 6 d 规定的固定无线接入用户能力并不因此受到影响 8 0 2 1 6 e 标准规定了支持基站或扇区间高层切换的功能 制定8 0 2 1 6 e 标准的目的 是希望 能够提出一种既能提供高速数据业务又使用户具有移动性的宽带无线接入解决方案 8 0 2 1 6 e 标准己于2 0 0 5 年1 2 月7 日获i e e e 批准 8 0 2 1 6 系列各空中接口标准的比较如表1 1 所示 表1 1i e e e 8 0 2 1 6 系列各空中接口标准特征的比较 8 0 2 1 68 0 2 1 6 a8 0 2 1 6 d8 0 2 1 6 e 标准情况2 0 0 1 年1 2 月2 0 0 3 年1 月2 0 0 4 年6 月获批2 0 0 5 年1 2 月获批 正式发布正式发布 使用频段 l0 6 6 g h z 1 l g h z1 0 6 6 g h z 6 g h z 1 1 g h z 信道条件视距非视距视距非视距 非视距 固定 移固定 固定 固定移动 漫游 动特性 调制方式q p s k 2 5 6 0 f d m2 5 6 0 f d m2 5 6 0 f d m 1 6 q a m 和 b p s k q p s b p s k q p s k b p s k q p s k 6 4 q a m i j 16 q a m 6 4 q a m 16 q a m 6 4 q a m 16 q a m 6 4 q a m 12 8 512 12 0 4 2 0 4 8 o f d m a 信道宽度 2 5 2 8 m h z1 2 5 2 0 m h z1 2 5 2 0 m h z1 2 5 2 0 m h z 传输速率 3 2 13 4 m b p s在2 0 m h z 信在2 0 m h z 信道上在5 m h z 信道上提供约 以2 8 m h z道上提供约 提供约7 5 m b p s 的1 5 m b p s 的速率 为载波带宽 7 5 m b p s 的速速率 塞 小区 3 0 0 m h z 为小区类型校正因子 c c d l o 2 1 g f 2 8 2 5 4 4 7 8 1 0 9 f 2 1 8 3 3 l o g f 一4 0 9 8 城市 郊区 3 8 乡村 3 3 南京邮电学院硕士学位论文 第三章移动宽带系统链路预算与性能分析 由该公式可以看出 传播损耗正比于链路距离 因此 最大传播损耗也就意味着最大 链路距离 也就是小区或特定方向扇区的有效半径 3 2 3c o s t 2 3 1 w a l f i s c h i k e g a m i c o s t 2 31w a l f i s c h i k e g a m i 模型适用于9 0 0 和19 0 0 m h z 微蜂窝预测 该传播模型可用 于估算无线通信系统的城区路径损耗 其估算频率范围为8 0 0 2 0 0 0 m h z 的城区环境的路 径损耗并且兼有经验性和确定性的模型 c o s t 2 31w a l f i s c h i k e g a m i 模型包含三个基本组成部分 1 l 自由空间损耗模型 2 三删楼顶到街道的衍射和散射损耗 3 三副多屏发射损耗 包含c o s t 2 3l 的等式在下面给出 l l 三删 三州 3 9 i l r 3 2 4 5 2 0 l o g 丘 2 0 l o g r 三耐 一1 6 9 1 l g f c 1 0 1 0 9 羔丝 云孑警立二 三 一1 0 4 3 1 i 三m 耐 1 8 l o g 1 h b h 0 5 4 1 8 1 0 9 r k l o g 六一9 1 0 9 w 上式中 f 4 0 7 f c 9 2 5 1 中小城市郊区 彤2 i 一4 1 5 无 9 2 5 1 大城市 六 工作频率 m h z h 4 5 0 m h l 3 m r 0 0 2 5 k m h o 3 楼层 沿无线路径的建筑物之间的距离 3 3 链路预算 通常认为覆盖半径是受反向链路限制的 但是系统容量决定于前向链路还是反行链 路 这依赖于基站配置 终端性能以及业务结构 反向链路容量受限的情况多发生在郊区 该处网络在规划时配置了较低的反向链路小区负载以获得较低的干扰余量 前向链路容量 受限情况多发生在市区 该处网络配置了较高的反向链路负载以提高系统容量 为了定义 提高容量的策略 必须深入了解哪条链路限制了网络的容量 如果移动通信系统为满足语 3 4 堕室堂皇兰堕堡主堂垡笙塞 一 笙三皇整垫重塑墨竺壁堕堡墨皇丝丝坌堑 音业务需求 是一个对称业务系统 如i s 9 5 系统 覆盖半径受限于移动终端的功率 即 覆盖半径受限于反向链路 但是移动宽带系统是一个不对称业务系统 为多个用户提供可 变的无线接入速率是高速无线系统的核心要求 最大用途是移动无线因特网服务 用户对 前向数据传输数据要求很高 对反向数据传输数据要求很低 一般较高数据速率业务决定 了小区覆盖半径 因为网络配置高速率的覆盖半径可以为低速率提供可接收的覆盖性能 数据速率业务的改变对覆盖半径 占用基站发功率的影响很明显 高速数据业务的覆盖半 径要比语音业务小 为满足一定的覆盖半径 所要求的发功率就必须增加 最终使得基站 达到最大发射功率 前向链路容量受限 因为目前h s d p a 和w i m a x 这些高速数据传输基本上用于下载 如因特网服务 它 们是不对称数据业务系统 所以就必须进行前向链路预算 在考虑网络的覆盖 容量与 质量性能的平衡条件下 通过进行前向业务信道链路预算 求得从基站到终端的最大路径 损耗 以d b 表示 然后选择的传播模型 确定覆盖半径 分析下行高速数据信道的性能 继而分析移动因特网的可行性就显得更加重要 3 3 1 链路预算的基本概念 链路预算模型如图3 1 所示 功率输出 调制类型 频谱密度 增益 带宽 波束宽度 极化 增益 带宽 波束宽度 极化 灵敏度 扩频增益 编码增益 分集 重传技术增益 动态范围 图3 1 链路预算模型 链路预算用来分析收发信机之间无线通信链路的各种增益和损耗情况 其目的是得到 最大允许路径损耗m p a l 并根据一定的传播模型 计算出给定地区小区的最大覆盖半径 前向链路预算比反向链路预算要复杂 如果使用c d m a 方式 则业务信道功率为所有的 用户所共享 前向链路所需要的接收到的 随数据速率 移动速度和多径条件的不同 变化范围比较大 链路预算涉及的物理因素有天线 发射功率 馈线及其它损耗 热噪声 噪声系数和各种新技术带来的增益等 同时还要考虑系统各个用户之间的干扰对覆盖半径 的影响 单用户小区的极限覆盖半径指的是使用某一业务的单一用户在保持通信链路的情况 下 可离开基站的最远距离 也就是容量最低的覆盖 在极限覆盖条件下 该业务信道发 童室坚鱼兰堕堡主兰垡丝壅 一一 墨三兰鳖垫重塑至竺壁墅望墨皇丝丝坌堑 射功率全部用于克服前向链路的无线传播损耗和热噪声 这时的覆盖半径最大 实际的无 线环境中还必须留出一定的功率克服衰落 在链路预算中体现为衰落余量 考虑各种损耗 如人体损耗 穿透损耗 的影响 也必须留出一定的功率 同时在共享载波系统中 还 必须考虑本小区的其它用户的影响 即加上负载 用来克服多用户干扰 该负载在链路预 算中体现为干扰余量 使得系统的覆盖半径和容量之间紧密的联系在一起 实际中 无线网络不可能只存在一个小区 而是多小区环境 也就是网络环境 因为 还要考虑邻小区的干扰 前向业务信道还需要额外的功率抵抗邻小区干扰 这使得小区覆 盖半径进一步缩小 需要指出 在多小区环境下 小区边缘的快速小区切换增益 可以抵 消一部分业务信道升高的要求 3 3 2 下行链路最大允许路径损耗 前向链路最大路径损耗m a p l 公式为 m a p l p i g b g m g o n 咐一m 一m 酣斟一l a r 站 3 1 1 式中p t 为基站最大发射功率 g b 为基站天线增益 g m 为移动台天线增益 g 嘶为 其它增益 本文未讨论a a s 带来的增益 m 触为衰落余量 m 砒 为其它余量 l a 为天 线馈线等各种插入损耗 r 为接收机灵敏度 w i m a x 系统支持多种终端类型 如室内c p e 室外c p e 手持设备和笔记本电脑等 在这里为了与h s d p a 系统进行比较 我们只考虑移动终端的类型 移动终端的接收机灵 敏度月 可根据下式求得 r s s c s n r i 1 0 1 9r b f nq 一1 2 式中c 为热噪声 田缏胱为使用相应的编码效率和调制方式下 接收机正确接收信号 一定误码率 对数据传输取b e r 1 0 6 所需信噪比 风为接收机噪声系数 通常把接收 机各部分的噪声系数统一折算到天线口 不同设备商的凡是不同的 具体体现了各个设备 商的软硬件和算法水平 这里我们进行粗略的计算 统一取8 d b r 为信息比特速率 w i m a x 系统的接收机灵敏度灭 可根据下式求得 f r c s n r v r 1 0 1 9 之 丝 凡 3 1 3 v f f t 式中e 为采样频率 l 删为使用子载波数目 脚为f f t 数目 根据上式 表3 一l 与表3 2 分别h s d p a 与w i m a x 的下行链路部分编码调制方案的最 3 6 南京邮电学院硕士学位论文第三章移动宽带系统链路预算与性能分析 大允许路径损耗 表3 1h s d p a 下行链路最大路径损耗 最大发射功率 d b m 4 3 基站 发射天线增益 d b i 1 7 基站馈线损耗 d b 3 o 移动 接收天线增益 d b i 0 厶 移动台馈线损耗 d b o 口 余量 衰落余量 d b 5 4 穿透损耗 城区 d b 2 0 干扰余鼍 d b 2 o 移动热噪声功率谱密度 1 7 4 台接 d b m h z 收机 接收机噪声系数 d b 8 0 灵敏 调制方式q p s k q p s k 1 6 q a m1 6 一q a m 度 信息比特速率 k b i 讹 7 4 1 51 6 5 9 52 3 3 21 0 8 7 7 h s p d s c h 数 35 5 1 5 有效码率 0 5 2 20 6 7 3 0 4 8 6 0 7 5 5 所需信噪比 e c c 后 6 57 5 1 2 1 3 d b 接收机灵敏度r 如 一1 0 0 8 9 6 3 9 0 3 8 2 6 m p a l d b 城区室内 1 3 0 41 2 5 91 1 9 91 1 2 2 表3 2w i m a x 下行链路最大路径损耗 最大发射功率 d b m 4 3 基站 发射天线增益 d b i 1 7 基站馈线损耗 d b 3 o 移动 接收天线增益 d b i 0 厶 移动台馈线损耗 d b 0 口 余量 衰落余鼍 d b 5 4 穿透损耗 城区 d b 2 0 干扰余龄 d b 2 0 移动热噪声功率谱密度 1 7 4 d b m h z 3 7 南京邮电学院硕士学位论文第三章移动宽带系统链路预算与性能分析 台接 接收机噪声系数 d b 8 o 收机 带宽 m h z 5 灵敏 采样频率只 m h z 5 7 l 度 编码调制方案q p s k1 2q p s k3 1 41 6 q a m1 21 6 q a m3 4 信息比特速率 k b i t s 3 3 2 84 9 8 46 6 4 89 9 7 6 n f 吓 2 5 62 5 62 5 62 5 6 n d 2 0 02 0 02 0 02 0 0 所需信噪比 e c c 后 6 08 511 51 5 o d b 接收机灵敏度r 扭 8 8 5 8 6 o 8 3 0 7 9 5 m p a l d b 城区室内 1 1 8 11 1 5 61 1 2 61 0 9 1 h s d p a 系统基站根据h s d p c c h 所反馈的信道质量指示 c q i 信息进行自适应调整 编码 a m c 当信道质量理想且1 5 个码道捆绑下可达到的最高速率约为1 0 m b p s 见表 3 1 最后一列 h s p d s c h 信道在一个t t i 内 可以由多个用户进行码分多址 在不同的 t t i 也可以分配不同的用户进行时分多址 t d m 因此 h s d p a 在下行链路中使用码分 多址和时分多址相结合的方式 由此也可以看出 h s d p a 容量的大幅提升是通过码道捆绑 高频谱效率的调制方式和较高的纠错编码率来实现的 为了抑制多径效应 o f d m 帧结构中加入保护周期来保持子载波间的正交性 表中只 给出了部分编码调制方案的下行链路预算 在使用1 6 q a m 调制方式时 o f d m 物理层下 行链路的最大速率超过9 m b p s w i m a x 系统还支持更高阶的6 4 q a m 调制方式 3 3 3 覆盖半径 h s p d a 工作频段为2 g h z 而对于w i m a x 的移动版本8 0 2 1 6 e i n t e l 日前表示 已 经确定了其工作频段 即2 5 g h z 或3 5 g h z 许可频段和5 g h z 免许可频段 5 g h z 频段由 于其免许可 难以保证传输质量 并不十分适合运营 而比较适合行业或集团用户来构建 自己的w i m a x 网络 本文为了与使用2 g h z 频段的h s d p a 进行比较 主要计算w i m a x 系统工作在2 5 g h z 许可频段的覆盖半径 利用所求得的m a p l 和移动通信电波传播模型可以求出下行链路不同速率信号的最 大发送距离 即小区覆盖半径r 一般使用的电波传播模型都很复杂 此处利用c o s t 2 3 1 h a t a 模型和c o s t 2 31w a l f i s c h i k e g a m i 模型可求出工作频段的电波传播路径损耗 将上表 3 8 南京邮电学院硕士学位论文第三章移动宽带系统链路预算与性能分析 中求得的m a p l 值代入式传播模型中的l 即可求得基站最大的发信距离d 相应系统在 城区环境下的覆盖半径计算结果如下表3 3 所示 表3 3 覆盖半径计算结果 h s d p a 2 g h z w i m a x 2 5 g h z 调制方式q p s k q p s k 1 6 一q a m1 6 q a mq p s kq p s k1 6 一q a m1 6 q a m 信息比特速率 7 4 1 51 6 5 9 52 3 3 21 0 8 7 73 3 2 84 9 8 46 6 4 89 9 7 6 k b p s d m 5 0 63 7 72 5 41 5 42 2 71 9 21 5 81 2 6 c o s l r 2 3lh a m d m 4 7 23 5 92 5 01 5 62 2 41 9 21 6 01 3 0 c o s t 2 3 1 w a l f i s c h i k e g a m i 根据上述计算结果可以看出w i m a x 能够提供的峰值速率要略高于h s d p a 系统 但 是我们也可以看出h s d p a 系统的最大允许路径损耗要大于w i m a x 系统 这主要是论文 中没有充分考虑c d m a 系统白干扰的问题 c d m a 系统在负载增加时自干扰会变大 白 干扰的增大会影响系统的覆盖 对于c d m a 系统白干扰在链路预算中的影响还需要进一 步的研究 3 4 性能分析 尽管与f d m a t d m a 等多址技术相比较 c d m a 具有软切换 抗干扰能力强和保 密性好等一序列优点 但是 c d m a 是一个干扰受限的系统 主要是由于地址码非完全正 交而引起的多址干扰 特别是在h s d p a 系统中当同时存在高速数据用户与低速语音用户 同时通信时 高速数据用户的信号相对于低速语音用户的信号可能会产生淹没现象 而 w i m a x 系统的o f d m 物理层是居于t d m a 进行多址接入 不会存在上述淹没现象 本 节通过推导c d m a 系统的发信速率与发信功率之间的关系来分析h s d p a 系统中存在信号 淹没现象 并粗略计算c d m a 系统的容量来分析h s d p a 的性能 f 在c d m a 系统中 在收信的b e r 要求一定时 收信的门限信噪比值l 鲁i 与发信速 lj 7 v 删 率吃无关 并取n 个语音速率吃 和m 个数据速率r j 语音的话务激活因子为口 并令 兄d k r b 在上行链路中 终端所接收到语音用户和数据用户的功率分别设为r 和饬 3 9 南京邮电学院硕士学位论文第三章移动宽带系统链路预算与性能分析 则来自本小区的干扰功率为竺坠 学 来自其它小区的干扰功率为 o t f l n 1 面p f l m p a 则某个语音用户的干扰功率谱密度为 o 型半 a f l n 1 p 厂 f l m p a o 业巡号乒业监 某数据用户的干扰功率谱密度为 o 业型鼍笋坠些 3 1 4 3 1 5 根据门限信噪比值 嘲可以导出基站对数据和语音用户的收信功率要求 鲁 华 f 鲁1 d 3 1 6 n tn l n i 嘲 有 岛 d r b a f n a 巩d n o 坐型鼍警坠蛆 3 1 7 r 哦 川 巩 o 塑生幽型号玉咝 3 1 8 益 k n o 坐型譬乒型盟j 乓 n o 坐巡号笋螋 一般 热噪声远小于白干扰 因此可以忽略m o 的影响 由此可得 鱼 茎丝竖 丝二坠生2 ra n 一1 r 脱 调整公式可得 卜一a n 1 k m 1 r 2 警 业等幽m 可以得到 鱼 r 令k 岛 1 则记 a n 一1 一k m 一1 2 m 3 1 9 3 2 0 3 2 1 3 2 2 南直邮电学脏确j 学 镕t 第二啻移动崔带景缱链路顶算 性能分折 k j 等 盟芝争幽 2 a n 一1 一k m 一1 1 2 m 3 2 3 对公式 3 2 3 进行分析 首先对低速数据速率进行分析 取k18 即用户的速率低丁 8 0 k b p s 左冉时 得到吲3 2 和吲3 3 p 产一 一 234567891o1 l12 1 31 41 5l6j71 8ig 2 0 图3 2 固j 芒速率下数据和语音接收功率比与数抓用户数的必系 低速 荔 一 刁辔 谚妒 隧 图3 3 固定数据 h 户数时数据和语音接收功率比与速率比的关系 低速 图3 2 给 了存低速情况f 当数据速率一定时 k 值一定 数据和i g 旨用户的 接收功率比k j 数h 川p 数m 之 的关系 在图3 3 给出在同样低速隋况f t 1 数据川厂 4j 三 目 掣 m 9 8 7 6 5 4 3 2 o j 目 mme 同时提供茸2 的参考线 用3 2 围3 3 部是取语音用户数n 3 0 从图3 2 可以看到在 荨情况下 在数列刖户数m 不断增犬时 k 变化非常缓陧 k 值越低 世 变化越缓 越接近k 值 以看成是平行的 从图3 3 中可以看出数据用户和语音用j 的收助牢比非 接近参考线 即 接近一比于它们的数据和语音速率比 从阿3 2 陶3 3 得出的结 论是 在低速的情况f k k m 对矗 的影响不是很明显 所以 在接下米的分析中 司以把低速数据用户王f l 解成几个语音用户的捆绑 简化高速数据用户与语音或低速数据用 按下来讨论高述用户与语音用户 与语音用户速率接近的低数据心广之州的对比 撇 图3 4 l 定述率f 数据和语音接收功率比与数掘川广数的关系 高述 南京 电学院碗 学位论女 动宽带系统链路预算 性能分 5 0 薹4 0 摊3 0 酱 e 蠹2 0 1 0 屠劳秽 一 i 磁麟毋簿 蟹譬 一一 i 1 g k 刚3 5m 定数拂 用户数时数据和语音接收功率比与速率比的关系 高速 图3 4 图3 5 给出的关系 7 图3 2 圈3 3致 从罔3 4 可咀看出 当m 很小时 芷与丘之问随着世值增大旱非线性关系 但是随着m 的增大 这种非线h 关系越柬越模 糊 m 7 时 基本上达到kz k 这种关系可以从图3 5l 看出 这表明数据用户的收 功率比值l f 比于它们的数据速率比 或反比于它们的扩频系数比 用户数据速率j j l 时占 用的容量上升 婴求的发功率增大 如果两路信道的收信功率要求值差别很大 极可能产 生弱信号的淹 没现象 h s d p a 采用将码道捆绑后再使 ht d m a 这两种方法和政变调制方式来增加r 首先 使用6 q 道捆绑的力法将导致用户收信号子信道叫的白干扰 根小合理 其次h s d p a 多个 捆绑码道的数据迷率相等 根据f j 面导得的系统容量和信道功率比天系式可以推定利用码 道捆绑的t d m a 力式不可能火幅增加系统容量 h s d p a 方式选用的s f1 6 是语音信号 的1 8 可能导致语音信号被淹没 或收信质量r 降 c d m a 系统基站币载波下行链路接收端信噪比可用下述方法训算i7 i e b 丝些兰型 df 3 2 4 1 n fn n a h f l w 一m p 其中m p 表示业务信道总的发功率 r n 取值般为o7 l07 6 此处取为07 6 l 为无 线链路衰耗 i t 7 链路都使用同步地址码 取k05 卜式的物理含义清楚 分子表示收 信机取得的比特能量分母巾的圮 工 一 f l 表示本小医产 i 的自f 扰 n p i l w 为棚邻小区引八的自干扰 此处引入l 是为了便于公式推导 但此项干扰的总 南京邮电学院硕士学位论文第三章移动宽带系统链路预算与性能分析 值可以用n 进行调节 一般可取n 0 0 4 1 7 7 8 根据式3 2 4 可以推导出下行链路最大用户 数 一 雠 坐掣攀塑 3 2 5 k 十玎 在表3 1 最后一行的情况下 小区内至少使用两个扰码分别作为h s d s c h 和语音信 道的信道地址码 此时小区内会引入异步地址码干扰 和使用一个扰码的同步地址码小区 容量相比 使用2 个扰码的小区容量将下降 小区内使用多个扰码时 可用地址码数可以 成倍上升 但是会导致小区容量下降 所以w c d m a 在一个小区中可安排1 6 个扰码作为 信道地址码的做法也是不合理的 此时h s d s c h 的码道数为1 5 单码道的速率 冠 百1 0 8 7 7 7 2 5 k b p s 取m 0 7 6 经过纠错编码取d 5 拈 此时并未考虑调制方式对 1 门限值的影响 利用小区下行容量公式3 2 4 计算 一时 得到的 一 1 8 即不可能 使用1 5 个码道 而且此时已占用该载波的全部容量 因此必须使用一个独立载波 当语 音用户同时存在时 假设基站分配3 0 的功率用于语音业务 那么此时基站仅能够支持一 条速率为7 2 5 k b p s 的码道 由于h s d s c h 码道的数据速率较高 还可能淹没语音信道的 信号 另一方面在c d m a 系统中一般也不易使用高频谱效率的调制方式 因为这些调制方式 的功率利用率较低 将会使要求的门限值d 上升 使自干扰上升 系统容量下降 因此 在h s d p a 系统中想通过改变调制方式提高兄 其作用不大 从上面的分析可以看出h s d p a 缺少技术理论基础 利用现有的c d m a 基本原理实现 h s d p a 给多个用户同时提供高速数据 语音或低速数据传输时 很难达到标准中定义的标 称速率 并且存在高速数据用户信号对低速数据信号产生很大的干扰的问题 3 5 本章小结 本章从覆盖半径 容量和发信功率等角度对h s d p a 和w i m a x 系统进行性能分析 首先对两个系统的下行链路最大路径损耗进行粗略的计算 然后带入相应的传播模型来求 得系统的覆盖半径 最后分析了h s d p a 系统中由于高速数据传输可能会存在的多速率兼 容的问题 推导了发信功率与发信速率的关系 为下一章提出的改进方案提供理论基础 南京邮电学院硕士学位论文 第四章h s d p a 系统改进方案 4 1 引言 第四章h s d p a 系统改进方案 h s d p a 技术为c d m a t d m a 兼用技术 它使用的基本方法是在下行链路码分多址的 基础上再实施时分多址 h s d p a 系统指定一个码分多址信道用于多用户t d m a 方式的高 速数据的传输 根据第三章推导的计算c d m a 系统小区下行链路最大容量公式可以基本 判定 利用现有的c d m a 基本原理h s d p a 系统无法达到其标准定义的标称速率 并且还 涉及到多速率兼容问题 即传统用户 低速数据和语音业务 与新技术业务 高速数据业 务 兼容问题 本章首先引入一种多业务c d m a 系统的功率控制策略 然后针对前面章节中提到的 多速率兼容的问题提出一种物理层上的改进方案来解决h s d p a 系统的多速率兼容问题 4 2 多业务c d m a 系统的功率控制 c d m a 系统的白干扰对系统容量影响尤为突出 传统的抗干扰技术主要有 r a k e 接 收机 功率控制 软切换 话音激活 不连续发射以及分集接收等技术 传统的c d m a 接收机是由一系列上述技术的检测器组成 每个检测器都是与特定扩频码对应的相关器 完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配 而把其他用户作 为噪声加以处理 当用户数量增加时在用户数增多时 导致了信噪比恶化 系统性能和容 量都不如人意 同时由于移动用户所在的位置处于动态的变化中 基站接收到的各用户信 号功率可能相差很大 而即使各用户到基站距离相等 深衰落的存在也会使到达基站信号 各不相同 强信号对弱信号有着明显的抑制作用 会使弱信号的