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tx056第三代移动通信(3G)网络建设技术探讨

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tx056第三代移动通信(3G)网络建设技术探讨,机械毕业设计
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本科生毕业设计(论文) 题 目: 第三代移动通信 (3G)网络建设技术探讨 姓 名: 张荣珠 学 号: 1002590 学 院: 物理与信息工程学院 专 业: 通信工程 年 级: 2002 级 指导教师: (签名) 2006年 06 月 10日 nts第三代移动通信 (3G)网路建设技术探讨 专业: 通信工程 学号: 1002590 姓名: 张荣珠 指导教师: 胡洲亮 徐艺文 中文摘要 信息化是当今世界发展的重要主题 ,进入 20世纪 90年代以来 ,全球的信息化建设已经拉开了序幕 ,只有拥有信息资源开发和网络应用优势 ,才能掌握信息化建设的主动权 信息化 ,尤其是信息 基础设施的建设 ,已成为各国综合国力的象征作为信息业的主产业移动通信的发展自然成为重中之重 第三代移动通信是当前全球信息通信产业领域的热点 ,也是各方面关注的焦点 数字化和网络化已成为不可逆转的趋势 ,3G 网络将为用户提供表现力更加丰富的音频 视频等多媒体内容的业务 提供世界范围的覆盖和在多网络之间进行无缝漫游成为基本目标 第三代移动通信是一种既有地面系统 ,又有卫星系统的全球覆盖的综合系统 ,业务包括语音 宽带数据 图像和多媒体业务等 ,具有高智能度的 能支持个人通信的全球化的先进通信系统 第三代移动通信 (3G)的发展经历了体制标准之争 ,已逐步演进到标准的完善和设备开发之争以及未来的产业发展之争 面对激烈的竞争形势 ,快速提供业务 减少带宽资费 提高通信服务质量成为移动运营商在市场竞争中获胜的关键因素 ,这些关键因素之争的焦点又集中在基础网络建设 ,传输网是电信网的基础网络 ,因此 ,3G 传输网的建设在整个 3G 网络发展中扮演重要角色 全文以第三代移动通信 (3G)网络建设为主题 ,进行分析和讨论 介绍了 ,3G发展状况和其所处的国内及国外的良好而深具挑战性的发展环境 较为系统地对3G 网络建设所用到的主要技术进行了全面的叙述和分析 关键词: CDMA,WCDMA,TD-SCDMA,接力切换 ntsTHE THIRD GENERATION MOBILE TELECOMMUNICATION (3G) NETWORK TECHNOLOGY Abstract The information-based is the important topic that world develop nowadays, which enters since 90s in 20 centuries. The information-based construction of the world has already drawn back the prologue, only owning the information resources development and networks to apply the advantage, then can control active power of the infor-mation-based construction. information-based, has been the standard every countries The development nature that is the main industry of the information industry to move the correspondence becomes heavy to win of heavy. What provides naught cruise in the world has been basic aim. The Third Generation Mobile Telecommunication has not only ground system but also the secondary planet system covering with the seven seas integrate system. Operation includes voice broad band data picture multimedia operation and so on which has high aptitude and abet individual telecommunication the seven seas deceased telecommunication system. The development of the third generation mobile communication experienced the competition of the system, it have already gradually evolved the standard of perfec-tion, the development of the equipments and the competition of the future industry development. Facing the vigorous competition situation, it becomes a triumphant key factor in the market that is quickly providing the business, reducing the cost of band-width and exaltating the service quantity of communication. The focus of the key factor is the construction of the basal network. Transport network is the foundation network, so the construction of the 3G transport network play an important role in the whole network. How to go to the relation between the traditional service and the bur-geoning data service, the relation between the existing network and the Large-scale 3G network, comprehensive technique cost and customer need, which to choose the technique and the project, all of them is the problem which we must consider. This article take the third generation mobile telecommunication (3G) as the topic, carrying on the analysis and discussing. First, it introduced the development of 3G and the good and challenging environment。 Go deep into the technique foundation of analyze its most and the key technique The full text compares to carried on the overall description and analysis to the background that the 3G network construction and the main technique use systematically. Key words: CDMA, WCDMA, TD-SCDMA,Connect The Cut nts I 专业 : 通信工程 学号 : 1002590 姓名 :张荣珠 指导老师 :胡洲亮 徐艺文 中文摘要 信息化是当今世界发展的重要主题,进入 20 世纪 90 年代以来,全球的信息化建设已经拉开了序幕,只有拥有信息资源开发和网络应用优势,才能掌握信息化建设的主动权。信息化,尤其是信息基础设施的建设,已成为各国综合国力的象征。作为信息业的主产业移动通信的发展自然成为重中之重。 第三代移动通信是当前全球信息通信产业领域的热点,也是各方面关注的焦点。数字化和网络化已成为不可逆转的趋势 ,3G 网络 将为用户提供表现力 更加丰富的音频、视频等多媒体内容的业务。 第三代移动通信( 3G)的发展经历了体制标准之争,已逐步演进到标准的完善和设备开发之争以及未来的产业发展之争。面对激烈的竞争形势,快速提供业务、减少带宽资费、提高通信服务质量成为移动运营商在市场竞争中获胜的关键因素,这些关键因素之争的焦点又集中在基础网络建设,传输网是电信网的基础网络,因此, 3G 传输网的建设在整个3G 网络发展中扮演重要角色。 全文 以第三代移动通信( 3G)网络建设为主题,进行分析和讨论。 介绍了, 3G 发展状况和其所处的国内及国外的良好而深具挑战性的发展环境 。较为系统地对 3G 网络建设 所用到的主要技术 进行了全面的叙述和分析。 关键词: CDMA, WCDMA, TD-CDMA, 接力切换 nts II The Third Generation Mobile Telecommunication (3G) Network Technology Abstract The information-based is the important topic that world develop nowadays, which enters since 90s in 20 centuries. The information-based construction of the world has already drawn back the prologue, only owning the information resources development and networks to apply the advantage, then can control active power of the information-based construction. information-based, has been the standard every countries The development nature that is the main industry of the information industry to move the correspondence becomes heavy to win of heavy. The development of the third generation mobile communication experienced the competition of the system, it have already gradually evolved the standard of perfection, the development of the equipments and the competition of the future industry development. Facing the vigorous competition situation, it becomes a triumphant key factor in the market that is quickly providing the business, reducing the cost of bandwidth and exaltating the service quantity of communication. The focus of the key factor is the construction of the basal network. Transport network is the foundation network, so the construction of the 3G transport network play an important role in the whole network. How to go to the relation between the traditional service and the burgeoning data service, the relation between the existing network and the Large-scale 3G network, comprehensive technique cost and customer need, which to choose the technique and the project, all of them is the problem which we must consider. This article take the third generation mobile telecommunication (3G) as the topic, carrying on the analysis and discussing. First, it introduced the development of 3G and the good and challenging environment。 Go deep into the technique foundation of analyze its most and the key technique The full text compares to carried on the overall description and analysis to the background that the 3G network construction and the main technique use systematically. Key words: CDMA, WCDMA, TD-CDMA, Connect the dint cut over nts 1 目录 中文摘要 . I Abstract. II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 背景介绍 . 1 1.2 国外的发展状况 . 2 1.3 国内的发展状况 . 2 1.4 全文概述 . 3 第 2 章 CDMA 技术分析 . 4 2.1 RAKE 接收机 . 4 2.2 多用户检测 . 4 2.3 功率控制 . 5 2.4 软切换 . 6 2.4.1 软切换的实现 . 6 2.5 TURBO编码 . 7 2.6 分集技术 . 7 第 3 章 第三代移动通信( 3G)协议标准及技术分析 . 9 3.1 CDMA2000 . 9 3.1.1 前 向快速功率控制技术 . 9 3.1.2 前向快速寻呼信道技术 . 9 3.1.3 前向链路发射分集技术 . 9 3.1.4 反向相干解调 . 10 3.1.5 连续的反向空中接口波形 . 10 3.1.6 Turbo 码使用 . 10 3.1.7 灵活的帧长 . 10 3.1.8 增强的媒体接入控制功能 . 10 3.2 WCDMA .11 3.2.1 RAKE 接收 .11 3.2.2 功率控制 .11 3.2.3 切换 .11 3.2.4 多用户检测 . 12 3.3 TD-SCDMA . 12 3.3.1 TDD 模式 . 12 3.3.2 低码片速率 . 13 3.3.3 上行同步 . 13 3.3.4 接力切换 . 13 3.3.5 智能天线 . 14 3.3.6 软件无线电技术 . 14 3.4 三种技术的比较 . 14 3.4.1 三大标准的技术层面比较 . 14 3.4.2 性能比较 . 15 nts 2 3.4.2 三大标准的技术优劣势分析 . 17 第 4 章 无线接入网络体系结构 . 19 4.1 无线接入网络体系结构图 . 19 4.2 无线接口介绍 . 19 4.2.1 空中接口 . 19 4.2.2 MAC . 20 4.3 IU接口 . 22 4.3.1 Iu CS 协议 . 22 4.3.2 Iu PS 协议 . 23 4.3.3 Iur 接口 . 23 4.3.4 Iur 接口 . 24 第 5 章 HSDPA . 27 5.1 HSDPA 技术概述 . 27 5.2 快速 L1 H-ARQ 技术 . 28 5.3 自适应调制和编码 . 28 5.4 快速分组调度、时序安排和调度从 RNC 转移到 NODE B . 28 5.5 短帧长度 (TTI=2MS) . 29 第 6 章 智能天线技术的接力切换控制 . 32 6.1 接力切换执行分析 . 32 6.2 接力切换信令分析 . 34 6.2.1 接力切换过程(采用的是移动台辅助切换方式)成功进行的信令流程: . 34 6.2.2 分析 比较接力切换与硬切换 . 35 总结 . 37 致谢 . 38 参考文献 . 39 nts第三代移动通信( 3G)网络建设技术探讨 1 第 一 章 绪论 信息化是当今世界发展的重要主题,进入 20 世纪 90 年代以来,全球的信息化建设已经拉开了序幕,只有拥有信息资源开发和网络应用优势,才能掌握信息化建设的主动权。信息化,尤其是信息基础设施的建设,已成为各国综合国力的象征。作为信息业的主产业移动通信的发展自然成为重中之重。 进入 21 世纪后,移动通信在全球范围内迅猛发展,数字化和网络化已经成为不可逆转的趋势。截止到 2005 年底,我国移动电话用户已经达到 3.9 亿,每年新增用户在 5000万左右,预计到 2010 年,我国移动用户将达到 7 亿左右。伴随着 GSM 在中国的发展和完善,目前,它已经进入产品生命周期的成熟阶段,并开始暴露出其固有的局限性。 900MHZ网络系统容量日趋紧张,有些地区 GSM900MHz 频率资源已基本用完 1。而且, 2G 只能提供话音和低速率数据业务,而在当前信息时代,图像、话音和数据相结合的多媒体业务和高速率数据业务的业务量大大增加。为了寻找频率利用率更高,通信容量更大,能在全球范围内更好地实现无缝漫游以及为用户提供多媒体业务的移动通信系统,第三代移动通信系统( 3G)应运而生,并迅速成为全球信息界的热点话题。 为推动 3G 的有利发展,我国也正在 加紧步伐。信息产业部提出了“积极跟进、先行试验、培育市场、支持发展”的指导原则,并组织了大规模的网络技术试验,包括系统和设备功能及其互连互通、兼容性、可操作性等内容。由中国的发展改革委员会支持,从去年开始已经启用了相当大量的发展基金。而为了在 2008 年的北京奥运会时能用上 3G 服务,中国有望于今年发放 3G 牌照,且近日国家 发 改 委高新技术斯透露 信息表示,政府已经开始着手 3G 手机 核准 的相关制度安排。 据业内人士预测, 3G 网络的建设很有可能于今年开始启动,随着我国移动通信的发展,第三代移动通信炙手可热, 3G 时代即将来 临,随着 3G 牌照的发放, 3G 系统的建设将大力发展。而作为一项规模大,技术新的工程,网络建设在第三代移动通信系统的建设中占据着主导的地位。对其网络建设进行研究是信息健康发展的需求,也是信息时代发展的必然过程。 1.1 背景介绍 移动通信是近年来通信行业中发展最为迅速的技术和业务之一。 第二代移动通信系统,促使语音业务走向了无线传输方式。在无线通信市场最为发达的一些国家,移动电话的数量已经超过了固定电话的数量,并且移动电话的普及率超过了 80%。在我国,移动通信经历了从无到有,从第一代模拟移动通信到第二代的 GSM 和 CDMA 移动通信的发展过程,经历了有小变大的奋斗历程。在短短十几年的时间里,中国移动市场已经发展成为世界上最大的市场之一。然而,随着移动用户的急剧增加,第二代移动通信( GSM)已不能nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 2 满足人们的需求,第三代移动通信( 3G)系统则应市场需求,进入我国信息市场。 第三代移动通信技术是按照国际电信联盟提出的 IMT-2000 标准而设计的新一代移动通信系统。与第一代 模拟移动通信技术 和第二代蜂窝移动通信系统相比较,第三代移动通信系统采用了 CDMA 技术,基于全 IP 网络, 频谱利用率高,业务承载能力强, 具有支持更多的用户数量、 系统容量,支持多媒体等高速数据业务等特点。第三代移动通信技术的发展,日新月异,正在向着 提供世界范围的覆盖和在多网络之间进行无缝漫游 的基本目标迈进 。第三代移动通信是一种既有地面系统,又有卫星系统的全球覆盖的综合系统,业务包括语音、宽带数据、图像和多媒体业务等,具有高智能度的、能支持个人通信的全球化的先进通信系统。 它的技术主要包括 CDMA-2000、 WCDMA、 TD-SCDMA 三种标准。 1.2 国外的发展状况 国外 3G 业务的发展经历了标准制定、许可证颁发、基础设施网络建设等阶段后,陆续有一些国家的运营商逐 渐进入商用发展阶段。目前提供了 3G 业务的公司主要有欧美,日韩等地区,而且多采用 CDMA2000 和 WCDMA 技术。 其中, 2000 年 10 月,韩国使用 CDMA20001X 推出商用 CDMA20001X-DO 业务的国家。 2001 年 10 月 1 日,日本的 NTT Do Co Mo 推出基于 WCDMA 的技术的商用 3G 业务服务。 随着 3G 的主要技术 CDMA 的逐渐成熟,早在 1999 年芬兰就在全球率先颁发了 3G 许可证,从此掀起了全球 3G 许可证的发放浪潮, 2000 年和 2001 年是 3G 许可证发放最集中的年份。到目前为止,绝大多数发达国 家和部分发展中国家都颁发了 3G 许可证。 至 2004年一月,全球共颁发了 125张 3G许可证。在所有的许可证的持有者中, WCDMA的有 117 家,选择 CDMA2000 的 3 家 2。 1.3 国内的发展状况 3G 的发展已经成为我国移动通信领域的焦点所在。 2002 年到 2004 年, 3G 上升为关系国家大局的一件大事,首先 , 国家成立了 3G 联合领导小组,由信息产业部、科技部、发改委等单位的副司长以上人员组成,共同商讨 3G 发展中的新问题。而信息产业部的工作也更加具体,除了继续承担标准制定等工作之外,同时,在这三年里,也组织了一 轮又一轮大规模的测试。 截至目前为止,已经完成了室内和室外的两次测试。 第一阶段的室内测试,开始于 2002 年,根据信息产业部的要求,首先是对单系统的功能、业务进行测试,除了测试单机之外,还做了设备之间的 互操性 、 2G 和 3G 的之间的漫游等功能的测试,这个测试是在一个测试平台上测试的,也是在信息产业部 MGNET平台上面测试的。第一年的测试中,信息产业部清醒地看到, 3G 距离中国还有一段距离,但是到 2003 年 9 月,当室内测试正式结束时,情况发生了相当大的变化,科技司司长闻库曾代表信产部表示,对 “这个测试结果还是比较满 意的 ”。 nts第三代移动通信( 3G)网络建设技术探讨 3 而在紧接着进行的第二阶段外场测试:试验地点选在技术力量比较强的三个城市北京、上海、广州,可以看出信产部对于外场测试寄予了厚望 。主要包括了 网络技术试验阶段(网络和业务),包括终端、互操作、网络性能、业务应用、网管 /计费进行测试,还有无线干扰,包括 WCDMA、 CDMA2000 和 TDSCDMA 之间及与 GSM 和 PHS 之间的测试。 主要是 为 3G 网络 运营 的 开展积累经验。外场试验 , 三种技术基本上都参与 其中 ,TDSCDMA 在北京和上海进行试验, WCDMA 在北京、上海、广州三个城市进行了试验,CDMA2000 也在 北京、上海、广州进行试验。国内六大运营商都参与了试验,整体试验在三个城市进行的。这阶段的测试的目的是为运营商对网络规划、设计和业务提供积累经验,同时为无线电频谱规划提供一些技术依据,对信息产业部已经制定的 3G 技术文件,即将成为中国第三代移动技术标准的文件进行一次最后的验证。 2005 年,全球 3G 市场迅速发展。截至 9 月,全球 3G 用户跨越 2 亿大关。受全球 3G 高速发展以及中国将在 2008 年奥运会上提供 3G 业务承诺的驱动,中国 3G 市场各方紧锣密鼓,加快步伐。虽然 3G 还未如预期那样进入大规模商用阶段, 但是, 技术开始成熟 ,市场已经初具规模,相关发展策略进入了探讨阶段。总体来看, 3G 启动的时机基本上已经成熟 。 1.4 全文概述 本文以第三代移动通信( 3G)网络建设为主题,进行分析和讨论。首先介绍了, 3G发展状况和其所处的国内及国外的良好而深具挑战性的发展环境。深入分析其最主要的技术基础, CDMA 的主要原理和 CDMA 所应用到的关键技术。对其 CDMA 的关键技术 RAKE接收机、多用户检测、功率控制、软切换、 Turbo 编码、分集接收分别进行介绍。 文中对 3G 网络建设所涉及到的三种主要的协议标准 CDMA2000、 WCDMA、TD-SCDMA 进行介绍,分析了各个协议标准的关键技术,并在技术层面上对其进行重点比较。网络接口和传输问题是 3G 网络建设技术的主要部分。在网络接口中,空中接口 Uu接口和 Iu 接口是两个最关键接口。在传输上,介绍了高速下行链路分组接入 HSDPA 技术。HSDPA 是一种基于分组的数据服务,它增强了移动数据传输的下行部分 。 全面详细地分析了接力切换的整个过程,并通过流程图对其信令进行讲解了,使我们能够更好的理解其原理及工作过程。 全文较为系统地对 3G 网络建设的背景和所用的主要技术进行了全面的叙述和分析。 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 4 第 二 章 CDMA技 术分析 移动通信系统按多址连接方式分,可分为频分多址 (FDMA)、时分多址 (TDMA)和码分多址 (CDMA)。 码分多址是第三代移动通信发展的基础主题。 CDMA 是码分多址 Code Division Multiple Access 的英文缩写,它是在数字技术的分支 扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术 3。 CDMA 技术的原理是以扩频技术为基础, 即将需传送的具有一定信号带宽信息数据,用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制,使原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去。接收端使用完全 相同的伪随机码,与接收的带宽信号作相关处理,把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩,以实现信息通信 。 码分多址利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式,不像 FDMA、 TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离,而是在一个信道上同时传输多个用户的信息,也就是说,允许用户之间的相互干扰。其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码,编码后的信息混合后不会丢失原来的信息。有多少个互为正交的码序列,就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。每个发射机都有自己唯一的代码(伪随机码),同时接收机也知道要接收的代码, 用这个代码作为信号的滤波器,从而使接收机从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码(这个过程称为解扩)。 CDMA 的关键技术包括: RAKE 接收机、多用户检测、功率控制、软切换、 Turbo 编码、分集接收。 2.1 RAKE接收机 RAKE 接收机也称为多径接收机, 利用多个相关器分别检测多径信号中最强的 L 个支路信号,然后对每个相关器的输出进行加权,并把加权后的多路输出信号相加,合并成一个信号,然后在此基础上进行解调和判决。 由于无线信号传播中存在多径效应, 衰落问题尤为突出 ,而多径接收机,正是利用基站发出的信号经过不 同的路径到达移动台处时间的不同,当两个信号到达移动台处的时间差超过一个信号码元的宽度,则 RAKE 接收机就可将其分别成功解调,移动台将各个 RAKE 接收机收到的信号进行矢量相加(即对不同时间到达移动台的信号进行不同的时间延迟到达同相)。她可以 克服衰落、改进 CDMA 接收的分集形式。 2.2 多用户检测 基于 RAKE 接收机原理的 CDMA 接收机将其它用户的信号视为干扰信号,但是优化后接收机可以将检测所有信号或从指定的信号中减去其它信号的干扰。 当新的用户或干扰源进入网络时,其它用户的服务质量会下降,网络抗干扰能力 越强,可服务的用户就越nts第三代移动通信( 3G)网络建设技术探讨 5 多。干扰一个基站或移动台的多路接入干扰是小区内和小区间干扰的总和。 多用户检测( MUD)也称为联合检测和干扰消除,它提供了降低多路接入干扰的影响,因而增加系统容量。同时 MUD 显著降低了 CDMA 系统的远近效应。 MUD 可以缓解系统对功率控制的需求。 2.3 功率控制 由于 CDMA 系统不同用户同一时间采用相同的频率,所以 CDMA 系统为自干扰系统,如果系统采用的扩频码不是完全正交的(实际系统中使用的地址码是近似正交的),因而造成相互之间的干扰。在一个 CDMA 系统中,每一码分信道都会受到来 自其它码分信道的干扰,这种干扰是一种固有的内在干扰。由于各个用户距离基站距离不同而使得基站接收到各个用户的信号强弱不同,由于信号间存在干扰,尤其是强信号会对弱信号造成很大的干扰,甚至造成系统的崩溃,因此必须采用某种方式来控制各个用户的发射功率,使得各个用户到达基站的信号强度基本一致。 CDMA 系统的容量主要受限于系统内部移动台的相互干扰,所以每个移动台的信号达到基站时都达到最小所需的信噪比,系统容量将会达到最大值。 CDMA 功率控制分为:前向功率控制和反向功率控制,反向功率控制又分为开环和闭环功率控制。 (1)前向功率控制 基站周期性地降低发射到移动台的发射功率,移动台测量误帧率,当误帧率超过预定义值时,移动台要求基站对它的发射功率增加 1,每 15 20ms 进行一次调整。下行链路低速控制调整的动态范围是 6dB。 移动台的报告分为定期报告和门限报告 4。 (2)反向开环功率控制 反向开环功率控制是移动台根据在小区中所接收功率的变化,迅速调节移动台发射功率。其目的是试图使所有移动台发出的信号在到达基站时都有相同的标称功率。开环功率控制是为了补偿平均路径衰落的变化和阴影、拐弯等效应,它必须有一个很大的动态 范围。IS95 空中接口规定开环功率控制动态范围是 32dB 32dB。 1) 刚进入接入信道时(闭环校正尚未激活) : 平均输出功率( dB) = -平均输入功率( dB) -73+NOM_PWR( dB) + INIT_PWR( dB) 其中:平均功率是相对于 1.23 MHz 标称 CDMA 信道带宽而言; INIT_PWR 是对第一个接入信道序列所需作的调整; NOM_PWR 是为了补偿由于前向 CDMA 信道和反向 CDMA 信道之间不相关造成的路径损耗 3。 2) 其后的试探序列不断增加发射功率(步长为 PWR_STEP),直到收到一个效应或序列结束。输出的功率电平为: 平均输出功率( dB) = - 平均输入功率( dB) -73+NOM_PWR( dB) + INIT_PWR( dB)nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 6 PWR_STEP 之和( dB) 3) 在反向业务信道开始发送之后一旦收到一个功率控制比特,移动台的平均输出功率变为: 平均输出功率( dB) = -平均输入功率( dB) -73+NOM_PWR( dB) +INIT_PWR ( dB) +PWR_STEP 之和( dB) +所有闭环功率校正之和( dB) 其中: NOM_PWR 的范围为 8 7 dB,标称值 为 0dB INIT_PWR 的范围为 16 15 dB,标称值为 0dB5 PWR_STEP 的范围为 0 7 dB ( 3) 反向闭环功率控制 闭环功率控制的目的是使基站
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