（通信与信息系统专业论文）tdscdma无线资源管理.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 技术无需使用对称频段，便于灵活使用频率资 源；能高效地支持非对称上下行数据传输，有效提高频谱利用率；具有上下行无 线传播环境一致，便于使用智能天线、功率控制等技术。t d s c d m a 结合t d d 和c d m a 的技术优点，并且使用了智能天线、联合检测、上行同步、接力切换 等先进技术，支持多载波。无线资源管理是优化系统资源重要技术，直接影响着 系统的性能。本文从链路预算、容量管理和接纳控制三个方面出发，对 t d s c d m a 系统性能作了分析研究。 在对基础理论分析的基础上，本文研究了t d s c d m a 的链路预算，详细介 绍了链路预算的基本原理，t d s c d m a 链路预算的特点，推导了t d s c d m a 系统处理增益的计算公式，给出了上行链路预算的方法。 在对处理增益、信噪比、干扰受限、底噪抬升和联合检测等概念和技术理解 的基础上，本文研究了t d s c d m a 的系统容量。首先分析了影响t d s c d m a 系统容量的因素和技术，推导了t d s c d m a 上行链路负荷因子表达式，引入软 容量的概念来表示t d s c d m a 上行链路容量，由此得出t d s c d m a 的软容量 的计算方法，系统仿真表明t d s c d m a 有较高的系统容量。 本论文重点关注t d s c d m a 的上行接纳算法。在对现有的接纳控制算法研 究的基础上，还根据上节对t d s c d m a 系统负荷的分析，考虑联合检测对接纳 控制的影响，提出了一种适合t d s c d m a 系统的接纳控制算法。这种算法只设 计一个接纳控制门限，通过规划信道切换来获得切换用户具有高优先级的接纳。 系统仿真表明采用这种算法不但能提高系统的性能，还简化了网络优化中涉及调 整的参数。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t d dm o d ed o n tu s es y m m e t r yf r e q u e n c yb a n d ，i ti sc o n v e n i e n tt ou s e f r e q u e n c y r e s o u r c e i ti st d d a d v a n t a g e o u st oh a n d l ea s y m m e t r ys e r v i c e st oi m p r o v e f r e q u e n c yu s ea n du t i l i z et h ec o r r e l a t i o no fu p l i n ka n dd o w n l i n kt ou s es m a r ta n t e n n a a n dp o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g y t d s c d m ac o m b i n e st h ea d v a n t a g e o u so ft d da n d c d m aa n de m p l o y sa d v a n c e dt e c h n o l o g ys u c ha ss m a r ta n t e n n a ，j o i n td e t e c t i o n ， u p l i n ks y n c h r o n i z a t i o n ，b a t o nh a n d o v e r ，s u p p o r t i n gm u l t i - c a r t i e r r a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n ta st h ek e yt e c h n o l o g yh a st h ed i r e c ti m p a c to no p t i m i z i n gs y s t e m p e r f o r m a n c e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es t u d yo ft d s c d m ap e r f o r m a n c ef r o ml i n k b u d g e t ，c a p a c i t ym a n a g e m e n ta n da d m i s s i o nc o n t r 0 1 b a s e do nt h ea n a l y s i so fb a s i cp r i n c i p l e ，t h ep a p e rs t u d yl i n kb u d g e to f t d s c d m a l i n kb u d g e tb a s i cp r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft d - s c d m aa r e i n t r o d u c e d t h ep a p e rd e d u c i n gp r o c e s s i n gg a i nf o r m u l ao ft d - s c d m aa n dt h ew a y o fu p l i n kl i n kb u d g e t b a s e do nt h eu n d e r s t a n d i n gt h ec o n c e p to fp r o c e s s i n gg a i n ，e b n o ，n o i s er a i s e ， t h ep a p e rs t u d yc a p a c i t yo ft d - s c d m as y s t e m a tf i r s t ，a n a l y z i n gt h ef a c t o r sa n d t e c h n o l o g yt h a ti m p a c to ns y s t e mc a p a c i t y t h e ni n t r o d u c i n gt h ec o n c e p to fs o f t c a p a c i t yt oe x p r e s st d - s c d m au p l i n kc a p a c i t y , d e d u c el o a df a c t o re x p r e s s i o n w h i c hi ss u i t a b l ef o rc a l c u l a t i n gt d - s c d m a c a p a c i t ya n dc o n c l u d i n gt h ec a l c u l a t o r w a yo ft d s c d m as o f tc a p a c i t y t h es i m u l a t o rr e s u l ts h o wt h a ti ti sh i g hc a p a c i t y f o rt d s c d m a s y s t e m a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft d s c d m as y s t e ml o a d ，i n t r o d u c i n gt h ee f f e c to f j dt oa d m i s s i o nc o n t r o l ，t h ep a p e rp r e s e n tan e wa d m i s s i o nc o n t r o la r i t h m e t i cw h i c h i ss u i t a b l ef o rt d s c d m a t h en e wa r i t h m e t i co n l yn e e dt od e s i g no n et h r e s h o l do f a d m i s s i o nc o n t r o l ，i ti sm a d eh i 曲p r o d t yf o rh a n d o v e ru s e rb yd e s i g nc h a n n e ls w i t c h t h es i m u l a t o rr e s u l ts h o wt h a tt h ea r i t h m e t i ci sn o t o n l yi m p r o v i n gs y s t e m p e r f o r m a n c eb u ta l s od e c r e a s i n gp a r a m e t e rt h a tn e e dt oa d ju s t i n gi nn e t w o r k i n g o p t i m i z i n g i i 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他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使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：初# 衄日期：出 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 他复制手段保存论文。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。 研究生签名：弓以导师签名： 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学通信与信息系统 研究方向： 移动通信与无线技术 作者：2 0 0 5 级研究生 钟建波 题目：t d s c d m a 无线资源管理 英文题目：r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n to ft d s c d m as y s t e m 主题词： k e y w o r d s ： t d s c d m a 无线资源管理链路预算 容量管理接纳控制负荷因子 t d - s c d m ar a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t l i n kb u d g e t c a p a c i t ym a n a g e m e n t a d m i s s i o nc o n t r o ll o a df a c t o r 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 根据i t u 的要求和原邮电部的准备，我国于1 9 9 8 年6 月底向国际电联提交 了我国对i m t 2 0 0 0 无线传输技术( r t t ) 的建议( t d s c d m a ) 。2 0 0 0 年5 月5 日，国际电联正式公布了第三代移动通信标准，我国提交的t d s c d m a 己正式 成为i t u 第三代移动通信标准i m t2 0 0 0 建议的一个组成部分。我国自主知识产 权的t d s c d m a 、欧洲w c d m a 和美国c d m a 2 0 0 0 成为3 g 时代最主流的技 术【l 】o t d s c d m a 是我国提出的一个具有自主知识产权的第三代移动通信标准。 在第一代模拟和第二代数字通信系统中，由于我国通信企业起步晚，没有完整的 产业链，在技术上受限、在经济上受损，未能获得应有的发展【2 1 。随着我国移动 用户的逐步增加，尤其国有通信企业的飞速发展和进步。近几年来，随着 t d s c d m a 网络技术的日益成熟，终端和芯片性能的改善，测试工具和主设备 能力的稳步提升，实验室测试和实验网的验证完成并取得良好的效果7 。 t d s c d m a 商用条件逐渐成熟【3 1 。 面对如此情况，怎样获得一个高质量的t d s c d m a 网络，做到既满足未来 移动通信对于数据和语音业务的需求又能节约成本，是从事和关心t d s c d m a 网络需要考虑的课题。 1 2 课题研究的意义 对于话音业务占主体的第二代移动通信系统来说，如何有效合理使用有限的 无线资源是一个重要的任务。人们为了解决这个问题做了大量的研究工作【4 1 ，包 括移动蜂窝网络中的频率复用技术、无线信道的优化分配，以及c d m a 系统中 的软切换和功率控制技术。 t d - s c d m a 采用f d m a 、t d m a 、c d m a 相结合的多址方式。首先 t d - s c d m a 采用多载波，每个载波又分不同的时隙，在每个时隙上又分多个码 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 道。本来在f d m a 和t d m a 系统中，无线信道之间虽然相互正交( 频分，时分) ， 但如何有效合理使用有限的无线资源仍是个难题。再加上c d m a 系统中由于码 序列之间的不完全正交性，无线信道资源的分配就更复杂了。况且c d m a 系统 中所有的用户共用相同的频率，网络中用户数目的增加必然带来干扰的增加，从 而使通信质量恶化，网络性能降低，因此需要在网络容量和通信质量之间要寻求 一种平衡，容量的提高要以保证用户的服务质量( q o s ) 为前提【5 j 。n o d e b 必须限 制同时通话的用户数目以满足链路的通信质量，合理的无线资源分配方案可以降 低网络的干扰，提高网络的性能，增加网络的容量。 并且在t d s c d m a 网络中，要提供多媒体业务，对有效的无线资源管理提 出新的、严格的要求。由于系统资源的有限性，必须根据实际情况，通过无线资 源管理算法对有限的系统资源进行合理的调度和分配，从而从全局上保证系统性 能的最优。 接纳控制的目的在于：如果系统负荷已经很重，通过拒绝将一个到达的承载 业务接入系统来保证系统的稳定。呼叫接入控制由于可以直接控制网络中同时通 话的用户数目，避免网络阻塞，减少掉话，从而达到提高服务质量的目的，因此 呼叫接纳控制作为一种有效的无线资源管理方案得到了广泛和深入的研究。 t d s c d m a 系统的稳定性依赖于接纳控制算法j 所以有必要研究 t d s c d m a 系统容量和接纳控制算法。 1 3 课题研究的目的 建立移动通信始终不渝的宗旨是为了能让尽可能多的用户在最广泛的地域 内进行顺畅的通话和信息传输。上述这个宗旨暗含了3 个含义【6 】：二是最广泛的 地域，一个是尽可能多的用户：一个是顺畅的通话和信息传输。所以移动通信领 域中始终要考虑覆盖、容量、质量。这也即是本文研究的目的。 研究t d s c d m a 物理层结构 研究t d s c d m a 覆盖 研究t d s c d m a 链路预算中几个关键参数 研究t d s c d m a 系统软容量的计算方法 研究接纳控制和资源分配算法的些改进思想 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 研究本文提出接纳控制算法的优越性和可行性 讨论本文提出的算法的改进意见 1 4 本文的结构 全文具体内容安排如下： 第一章绪论，介绍了课题研究的背景，意义，目的和文章的结构。根据最近 t d s c d m a 通信发展的的现状，论述了本文研究内容的必要性。 一 第二章介绍了t d s c d m a 技术标准的基础知识，包括t d s c d m a 的发展 历程、系统结构、节点介绍、无线接口协议、无线接口物理层、帧结构等。还介 绍了t d s c d m a 系统的关键技术，包括智能天线、联合检测、上行同步、接力 切换等。对本文涉及到的联合检测原理作了较为详细的介绍。 第三章对t d s c d m a 的链路预算作了的研究。详细介绍了链路预算的基本 原理，t d s c d m a 链路预算的特点，推导了t d s c d m a 系统处理增益的计算 公式，给出了上行链路预算的方法。 第四章在对处理增益、信噪比、干扰受限、干扰余量和联合检测等概念和技 术理解的基础上，研究了t d s c d m a 的系统容量。首先分析了影响t d s c d m a 系统容量的因素和技术，推导了t d s c d m a 上行链路负荷因子表达式，引入软 容量的概念来表示t d s c d m a 上行链路容量，并由此得出t d s c d m a 的软容 量的计算方法。并比较了w c d m a 与t d s c d m a 的系统容量。 第五章是本文的重点，在对现有的接纳控制算法研究的基础上，还根据上节 对t d s c d m a 系统负荷的分析，考虑联合检测对接纳控制的影响，提出了一种 适合t d s c d m a 系统的接纳控制算法。这种算法只设计一个接纳控n f - j 限，通 过规划信道切换来获得切换用户具有高优先级的接纳。这样能不但提高系统的性 能，还简化了网络优化中涉及调整的参数。 1 5 本章小结 本章阐述了课题研究的背景、意义和目的，说明本文工作研究的必要性和重 要性，介绍了本文研究的方法和文章结构安排。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t d s c d m a 基本原理和关键技术 第二章t d s c d m a 基本原理和关键技术 2 1t d s c d m a 系统介绍 自从八十年代以来，蜂窝移动通信在全球范围内得到了迅速地发展。即使在 网络泡沫比较严重的时期，移动通信仍然是发展迅猛。移动通信已经经历过第一 代模拟移动通信系统和第二代的数字通信系统时期，目前正在全世界进行营运的 主要是第二代移动通信的g s m 系统和窄带c d m a 系统【7 1 。2 0 0 7 年上半年全球 g s m h s p 觚d g e 侧c d m a 用户总数到达了2 5 4 亿之多，占全球移动用户的 8 5 4 ，比去年同期增长了3 2 个百分点；其中，w c d m a h s p a 用户数达到1 3 7 亿。有数据显示，在1 年内g s m 用户数增加了5 6 4 亿，而c d m a 受限于全球 漫游，用户数同期仅增加5 1 0 0 万，总数达3 6 亿；加上其它技术的7 5 0 0 万用户， 全球移动通信用户己快突破3 0 亿大关。 一 早在1 9 8 5 年，国际电联( i t u ) 就提出了第三代移动通信( 3 g ) 的概念， 许多国家和地区的著名电信设备制造商先后提出了十多种空中接口建议。经过充 分协商和融合，最后形成了三大主流标准，即欧洲提出的w c d m a 、美国提出 的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。 在建设和发展模拟和数字移动通信时，由于我国在通信技术方面比较落后， 处于被动地位而错失良好时机。设备主要靠进口，大多数国内厂家主要依靠组装 国外产品来支持市场。中国作为一个移动通信市场大国，不希望也不能永远处于 技术跟踪和模仿的位置，必须抓住第三代移动通信发展的有利时机，提出自己的 国际标准。 1 9 9 8 年6 月3 0 日，是国际电联( i t u ) 向全球征集第三代移动通信标准的 最后一天，由大唐电信( 电信科学技术研究院) 代表中国提出的第三代移动通信 标准t d s c d m a ，经国家主管部门批准，提交国际电联。该标准的产生包括了 电信运营商、设备制造商、科研单位、高等院校及相关单位的辛勤劳动，凝聚着 我国移动通信专家的智慧和创造。也是近几十年来，尤其是改革开放以来我国电 信技术积累的结果。 2 0 0 0 年5 月，在土耳其伊斯坦布尔召开的国际电联大会上，t d s c d m a 终 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t d s c d m a 基本原理和关键技术 于被国际电联接纳并成为3 g 三大主流标准之一。2 0 0 1 年3 月1 6 日，在美国加 里福尼亚州举行的3 g p pt s gr a n 第1 1 次全会上，将t d s c d m a 列为3 g 标 准之一，包含在3 g p p 版本4 ( r e l e a s e4 ) 中。表明该标准已经被世界上许多运营 商和设备厂家所接受。 由于t d s c d m a 采用了t d d 模式、同步c d m a 、智能天线、软件无线电、 低码片速率、接力切换和联合检测等一系列高新技术，因此才能经受得起来自国 际电联及其各个成员的严格考验。t d s c d m a 为我国通信产业在第三代移动通 信大潮中的群体腾飞创造了宝贵的机遇。通信市场之争关键在于技术标准之争， 在第一代和第二代移动通信发展过程中，由于我国不掌握核心技术，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专利费和知识产权费。 未来中国的第三代移动通信大约有l 万亿元的市场，由于我们有了自己的 t d s c d m a 标准及核心技术，可能使我们在使用自己的标准时处于和国际上发 达国家平起平坐的地位，制造商和运营商均取得更为明显的经济利益，最终用户 也可能大大降低通信费用支出。 t d s c d m a 标准继续向前发展，到r 5 的i d s c d m a 加入了h s d p a 技术， 目前各厂商都已经实现了此技术，c o m m i t 公司生产的支持h s d p a 的移动终 端不仅性能稳定，而且小巧美观，目前h s d p a 已经到了网规网优的阶段。各厂 商正在研发支持m b m s 的t d s c d m a 的网络设备，m b m s 属于t d s c d m a r 6 的功能。t d l t e 的标准和研发过程已经启动。 2 1 1w c d m a 与t d s c d m a 技术比较 w c d m a 最初主要有e r i c s s o n 、n o k i a 公司为代表的欧洲通信厂商提出，可 以有第二代移动通信g s m 平滑演进。这些公司都在第二代移动通信技术和市场 占尽了先机，并希望能够在第三代依然保持世界领先的地位。日本由于在第二代 移动通信时代没有采用全球主流的技术标准，而是自己独立制订开发，很大程度 上制约了日本的设备厂商在世界范围内的作为，所以日本希望借第三代的契机， 能够进入国际市场。以n t td o c o m o 为主的各个公司提出的技术与欧洲的 w c d m a 比较相似，二者相融合，成为现在的w c d m a 系统。w c d m a 主要 采用了带宽为5 m h z 的宽带c d m a 技术、上下行快速功率控制、下行发射分集、 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t d s c d m a 基本原理和关键技术 基站间可以异步操作等技术特剧7 1 。 c d m a 2 0 0 0 是在i s 9 5 系统的基础上由q u a l e o m m 、l u c e n t 、m o t o r o l a 和 n o r t e l 等公司一起提出的，c d m a 2 0 0 0 技术的选择和设计最大限度地考虑和 i s 9 5 系统的后向兼容，很多基本参数和特性都是相同的。并在无线接口进行了 增强，如： 提供反向导频信道，使反向相干解调成为可能。在i s 9 5 系统中，反向。 链路没有导频信道，这使得基站接收机中的同步和信道估计比较困难： 前相链路可采用发射分集方式，提高了信道的抗衰落能力； 增加了前向快速功控，提高了前向信道的容量。在i s 9 5 系统中，前向 链路只支持慢速功控； 业务信道可采用比卷积码更高效的t u r b o 码，使容量进一步提高： 引入了快速寻呼信道，减少了移动台功耗，提高了移动台的待机时间。 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 都是采用f d d 模式的技术，而t d d 技术由于本 身固有的特点突破了f d d 技术的很多限制，如：上下行工作于同一频段，不需 要大段的连续对称频段，在频率资源日紧张的今天，这一点尤显重要；这样， n o d e b 端的发射机可以根据在上行链路获得的信号来估计下行链路的多径信道 的特性，便于使用智能天线等先进技术；同时能够简单方便地适应于3 g 传输上 下行非对称数据业务的需要，提高系统频谱利用率；这些优势都是f d d 系统难 以实现的。因此，随着技术的发展，国际上对使用t d d 的c d m a 技术日益关 注。 t d s c d m a 也就是在这种环境下诞生的，它综合t d d 和c d m a 的所有技 术优势，具有灵活的空中接1 2 1 ，并采用了智能天线、联合检测等先进技术，使得 t d s c d m a 具有相当高的技术先进性，并且在三个标准中具有最高的频谱效率。 随着对大范围覆盖和高速移动等问题的逐步解决，t d s c d m a 将成为可以用最 经济的成本获得令人满意的3 g 解决方案。 图1 一l 、图l 2 分别表示t d s c d m a 和w c d m a 的多址方式结构。可以看 出，t d s c d m a 方式采用了t d d 技术，主要有以下优点： t d d 无需使用对称频段，便于灵活使用频率资源 t d d 高效支持非对称上下行数据传输，有效提高频谱利用率 t d d 基站终端无需双工器，简化系统设计，降低成本 6 南京邮电大学硕研究生学位论文 第= 章t d s c d m a 摹本原目和关键技术 t d d 上下行无线传播环境一致，便于使用智能天线、功率控制等技术，有 效降低系统干扰，提高系统性能。 cc t f d m a f 图2 - 1w c d m a 的多址方式图2 - 2t d s c d m a 多址方式 表1 - 1 比较了w c d m a 、t d s c d m a 和c d m a 2 0 0 0 三种主流标准的主要技 术性能。其中仅有t d s c d m a 方式使用了智能天线、联合检测和同步c d m a 等先进技术所以在系统容量、频谱利用率和抗干扰能力方面具有突出的优势。 表1 - 1w c d m a 、t d - s c d m a 和c d m a 2 0 0 0 三种主流标准的主要技术性能比较 w c d m at d s c d m ac d m a 2 0 0 0 载波间隔 5 m h zi 6 m i z 12 5 m 码片速率 3 8 4 m e p s l2 8 m c p s12 2 8 8 m c p s 帧长 1 0 a m1 0 m s ( 分为两个子帻) 2 0 m s 基站同步不需要需要 需要 典型方法是t i p s 功率控制快速功控：上、下 0 2 0 0 h z 反向：8 0 0 h z 行1 5 0 0 h z前向：慢速、快速 功控 下行发射支持支持支持 分集 频率间切支持，可用压缩模支持，可用空闲时隙进行支持 换式进行测量 测量 检测方式相干解调联合检测 相干解调 信道估计公共导频 d w p c h , u p p c h ，m i d a m b l c前向、反向导频 编码方式卷积码t u r b o 码 卷积码，t u r b o 码卷积码 t t t r b o 码 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t d s c d m a 基本原理和关键技术 2 1 2t d s c d m a 网络结构 本节我们将详细介绍t d s c d m ar a n 结构( 见图2 3 ) 中各网络单元【8 】【9 】【1 们。 u e ( u s e re q u i p m e n t ) u e 包括用户使用的各种类型设备终端，u e 分为m e ( m o b i l ee q u i p m e n t ) 和u s i m ( u m t ss u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l e ) 两部分。m e 是无线终端，用于u u 接口上的无线通信。u s i m 是一种智能卡，包括用户识别、执行鉴权、存储有鉴 权各密钥的参数以及与u e 有关的各种用户信息。 n o d e b n o d e b 提供无线资源，在无线覆盖范围内为一个或多个小区提供服务，并 且负责传送和接收来或去u e 的无线信息。 图2 - 3t d s c d m ar a n 接口和节点 r n c r n c 负责控制无线资源的使用和分配，r n c 也管理传送用户数据的r a b ( r a d i oa c c e s sb e a r e r s ) 、无线网络和移动性。r n c 与其相连的n o d e b 统称为 r n s ( r a d i on e t w o r ks u b s y s t e m ) 。 。 各网络单元由标准的接1 2 1 连接。3 g p p 有相关标准详细介绍各接口协议结构、 功能、信令流程【1 1 】【1 2 】【1 3 l 。各接1 2 1 支持各种不同的功能。如传送业务，在n e 间 数据映射。它们代表逻辑接1 2 1 ，而不是物理路径。 u u 空中接1 2 1u u 是到u e 的t d s c d m ar a n 外部无线接1 3 。如图2 3 所示， u u 是一个开放的标准化接1 3 ，使多个厂家的设备支持t d s c d m ar a n 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t d s c d m a 基本原理和关键技术 u u 分为三个标准层：物理层、链路控制层和网络层。 i u b i u b 是在r n c 与n o d e b 之间的t d s c d m ar a n 内部接口。它负责传送 与无线应用相关的信令、无线帧、上行无线链路质量估测和同步数据。n b a p ( m o d eb a p l i c a t i o np a r t ) 是使用在i u b 接口上的协议。 i u r i u r 也是t d s c d m ar a n 内部接口，负责两个r n c 节点之间或两个r n s 之间的通信，此接口用于支持r n c 间的软切换。即u e 同时与两个n o d e b ( 这 两个n o d e b 属不同的r n c ) 相连时。r n s a p ( r a d i on e t w o r ks u b s y s t e m a p p l i c a t i o np a r t ) 是用在i u r 接口上的协议。 i u i u 是在t d s c d m ar a n 与c n 之间的接口。i u 接口连接1 w c ( 通过m g w ) 到m s c 和s g s n ，因此i u 接口分为两部分：i u 接口的分组交换域，即连接r n c 到s g s n ，也称i u p s 。i u 接口的电路交换域，即连接r n c 到m s c ，也称i u c s 。 i u 接口支持如下功能：建立维持和释放r a b ( r a d i oa c c e s sb e a r e r s ) ，支 持系统内部和系统间的切换，通过c n 向t d s c d m ar a n 发送请求来获得本地 服务，从t d s c d m ar a n 向c n 发送请求来获得本地信息。r a n a p ( r a d i o a c c e s sn e t w o r ka p p l i c a t i o np a r t ) 是用在i u 接口上的协议 2 1 3t d s c d m a 物理层和帧结构 一、空中接口总体协议结构 本节所说的空中接口是指u e 和网络之间的u u 接口，由l 1 、l 2 和l 3 组成 1 4 】【1 5 】。l 1 是基于t d s c d m a 技术的，3 g p pt s2 5 2 0 0 系列规范对l 1 进行了详 细描述；l 2 和l 3 与u t r at d d 模式相同，相应的描述见3 g p pt s2 5 3 0 0 和 3 g p p2 5 4 0 0 系列规范。 图2 - 4 描述了t d - s c d m a 与物理层( l 1 ) 有关的u t r a n 无线接口协议体系 结构。物理层连接l 2 的媒质接入控制( m a c ) 子层和l 3 的无线资源管理( r r c ) 子层。图中不同层子层之间的圈表示服务接a a ( s a p s ) 。物理层向m a c 层提供 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t d s c d m a 基本原理和关键技术 l 3 l 2 l 1 删 郦 非 辑 逻辑信道 传输信道 图2 4无线接v i 协议体系结构( 图中的圈表示服务接入点) 不同的传输信道，信息在无线接v i 上的传输方式决定了传输信道的特性。m a c 层向l 2 的无线链路控制( r l c ) 子层提供不同的逻辑信道，传输信息的类型决定 了逻辑信道的特性。物理信道在物理层定义，t d d 模式下一个物理信道由码、 频率和时隙共同决定。物理层由r r c 控制。 二、物理信道 所有的物理信道都采用四层结构：系统帧号、无线帧、子帧和时隙码，依 据不同的资源分配方案，子帧或时隙码的配置结构可能有所不同。所有物理信 道在每个时隙中需要有保护符号。时隙用于在时域和码域上区分不同用户信号， 它具有t d m a 特性。图2 5 给出了t d s c d m a 的物理信道的信号格式【1 6 】。 t d d 模式下的物理信道是一个突发，在分配到的无线帧中的特定时隙发射。 无线帧的分配可以是连续的，即每一帧的时隙都可以分配给物理信道，也可以是 不连续的分配，即仅有无线帧中的部分时隙分配给物理信道。一个突发由数据部 分、m i d a m b l e 部分和一个保护时隙组成。一个突发的持续时间就是一个时隙。 一个发射机可以同时发射几个突发，在这种情况下，几个突发的数据部分必须使 用不同o v s f 的信道码，但应使用相同的扰码。m i d a m b l e 码部分必须使用同一 个基本m i d a m b l e 码，但可使用不同的m i d a m b l e 码。对于支持多载频的小区，不 同载频需要使用相同的基本m i d a m b l e 码。 突发的数据部分由信道码和扰码共同扩频。信道码是一个o v s f 码，扩频因 子可以取1 ，2 ，4 ，8 或1 6 ，物理信道的数据速率取决于所用的o v s f 码所采用 的扩频因子。 突发的m i d a m b l e 部分是一个长为1 4 4 c h i p s 的m i d a m b l e 码。 因此，一个物理信道是由频率、时隙、信道码和无线帧分配来定义的。建立 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t d - s c d m a 基本原理和关键技术 一个物理信道的同时，也就给出了它的初始结构。物理信道的持续时间可以无限 长，也可以是分配所定义的持续时间。 r a d i of r a m e ( 1 0 m s ) i _ 图2 - 5t d s c d m a 物理信道信号格式 三、帧结构 一个t d m a 帧的长度为1 0 m s ，分成两个5 m s 子帧，每1 0 m s 帧长内的2 个 子帧的结构是完全相同的。 1 2 8 m c p s d w p t s ( 9 6 c h i p s ) 切换点 士 十 伞 上 图2 - 6d - s c d m a 子帧结构 时隙n ( n 从0 到6 ) ：笫t 1 个业务时隙，8 6 4 码片持续时间 d 、p t s ：下行导频时隙，9 6 码片持续时间 u p p t s ：上行导频时隙，1 6 0 码片持续时间 g p ：t d d 的主要保护间隔，9 6 码片持续时间 如图2 - 6 所示，上行和下行业务时隙总数为7 个，每个业务时隙的长度是8 6 4 个码片的持续时间。在7 个业务时隙中，时隙0 总是分配给下行链路，而时隙1 总是分配给上行链路。上行链路的时隙和下行链路的时隙之间由一个转换点分 开。在下行时隙和上行时隙间，一个特殊间隔作为上行和下行的转换点。在每个 5 m s 的子帧中，有两个转换点( 下行到上行和上行到下行) 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章1 d s c d m a 摹本原理和关键技术 使用上述帧结构，可以通过分配下行和上行时隙的数目来工作于对称和不对 称模式。任何配置至少要有一个时隙( t s 0 ) 必须分配给下行，至少一个时隙( t s l ) 必须分配给上行。 对支持多频点的小区，同一u e 所占用的上下行时隙在同一频点。 2 2 关键技术 2 2 1 智能天线( s a ) 智能天线是由多个天线单元组成的天线阵，在通信过程中动态调整各个天线 单元激励信号的相位和幅度，形成在空间针对用户的波束，此波束会随用户移动 而移动，始终跟随用户。由于这种天线阵能根据通信需要形成所需的波束，且波 束能自动跟踪用户和调节强弱，所以称之为智能天线【r n 。 目前t d s c d m a 系统采用两种赋形波束：一种是覆盖整个小区全向波束， 一是针对用户终端的赋形波束。b c h d w p t s 必须使用全向波束，覆盖整个小区， 在帧结构中使用专门时隙，业务码道通常使用赋形波束，只覆盖个别用户。 智能天线具有如下优势：对不同用户分别波束赋型，实现空分复用( s d m a ) ； 波束赋型有效降低小区间和小区内的干扰；通过波束赋型，集中能量，有效提高 信号强度6 8 d b ；根据用户的来波方向，能提供方便经济的用户定位。 2 2 2 联合检测( j d ) 联合检测是解调性能最好的多用户检测技术，它是利用所有和m a i 相关的 先验信息，在一步之内就将所有用户的信号分离出来【1 引。如图2 8 所示。 联合检澳咀 謦t j 茈“：；。：；：五翟 k 一一 o 。三 警盆蓄笛蔷盘了 一 土 圣幽_ 函_ _ _ _ _ _ 瞄删协 槛啦婀号 翻鲁_ 鐾餐t i f l 冁膏 i 交i 铡巴强l 至i 吲吲i 星。 啦i i 啪_ 一。蚴_ 潮热聩膏 。k m 幽i 聃冁膏 图2 8 联合检测示意图 联合检测有如下优势：极大降低甚至消除多址干扰( m a i ) 和符号间干扰 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t d s c d m a 基本原理和关键技术 ( i s i ) ，有效抑制远近效应，降低功率控制要求，降低系统信噪比要求，有效 提高系统容量。 联合检测的基本原理是： e = a d + 咒 ( 2 一1 ) 其中d 是发射的数据符号序列，e 是接收的数据序列，1 3 是噪声。a 是与扩 频码c 和信道脉冲响应h 有关的矩阵，如图2 - 9 所示。 图2 - 9 联合检测原理 只要接收端知道a ( 扩频码c 和信道脉冲响应h ) ，就可以估计出符号序列。 扩频码c 已知，信道脉冲响应h 可以利用突发结构中的训练序列m i d a m b l e 求解 出。 当前只有t d s c d m a 适于使用联合检测技术，这是由于t d s c d m a 综合 了t d m a 和c d m a 技术，每载波的用户被分布到各个不相互干扰的时隙中，使 得最终每时隙中的并行用户数量很少，因此采用联合检测可以一次并行地承受每 个用户检测出来的运算量。 2 2 3 上行同步( u l s c ) t d s c d m a 的上行同步就是通过同步调整，使得小区内同一时隙内的各个 用户发出的上行信号在同一时刻到达基站。由于各移动终端的信号码片到达基站 解调器的输入端是同步的，同步c d m a 充分应用了扩频码之间的正交性，大大 降低了同一射频信道中来自其它码道的多址干扰，因而系统容量随之增。 t d - s c d m a 是一个同步系统，系统内的基站与基站、基站与移动台之间都是同 步的，同步精度可达l 8 码片( 约9 7 6 6 n s ) 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t d - s c d m a 基本原理和关键技术 t d s c d m a 上行同步过程包括同步建立和保持。 上行同步建立：但移动终端开机时，首先要和小区建立下行同步。只有当用 户建立并保持下行同步才能开始上行同步。上行同步的建立在随机接入过程中完 成，涉及u p p c h 和p r a c h 。尽管u e 可以从n o d eb 接收到下行信号，但到 n o d eb 的距离仍是不确定的。这导致非同步的上行发射。因此为了减小业务时 隙的干扰，上行链路方向的首次发射是在u p p t s 这个特殊时隙进行的。u p p c h 的时间安排的设置可以参照d w p c h 和或p c c p c h 的接收功率电平。在搜索 窗内检测到s y n c u l 序列后，n o d eb 估计出时间，然后通过发送调整信息答 复u e ，使u e 在下次发射时调整发射时间。这通过f p a c h 在接下来的4 个子 帧内完成。发送过p r a c h 之后，上行同步建立。上行同步过程也可以用于上行 失步时的上行同步重新建立。 上行同步保持：在t d s c d m a 中，上行同步通过发送相对下行链路接收时 间的上行链路提前时间来维护。上行同步的保持可以利用每个上行突发的中间导 频( m i d a m b l e ) 区域。在每个上行时隙中每个u e 的m i d a m b l e 不同。n o d eb 可 以通过计算同一时隙中每个u e 的信道冲激响应估计时间。之后，在下_ 个可用 的下行时隙中，n o d eb 发送同步偏移( s s ) 命令使u e 能够适当地调整其t x 时 间。 2 2 4 接力切换( b h o ) 接力切换是t