2G_3G移动通信无线网络优化技术的研究与实现.pdf

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1、摘要摘要 从 1 8 9 7 年马可尼实验室证明了运动中无线通信的可应用性，到 1 9 7 8 年贝尔实验室开发了真正意义上的大容量蜂窝式移动电话 系统，人类延续着对无线通信的兴趣和追求。时至今日，无线通信己经在世界各地得到广泛使用，而且由于新用户的不断增 长导致了对各种新业务更加强 烈的需求。然而，最重要的需求来源是当今通信领域中最强大的增长推动力一一一互联网。互联网的急速发展为用户提供越来越丰富的信息和内容，随着用户大量使用诸如无线电话、笔记本电脑、掌上电脑、P D A以及自 动信息设备等便携式通信设备，必定会把无线通信产业推向新的高度。第一代无线通信系统(1 G)，即模拟技术，己被第二代

2、无线通信系统(2 G).即数字业务所取代，并以此来满足用户群对容量和性能的要求。同样的，用户对语音和数据通信的清晰、可靠 以及无所不在的可用性要求将会进一步推动第三代无线通信(3 G)技术及业务取得突破性进展。因此，w动 3 G市场的两个最主要的原因就 是:现有 2 G 频段己经不能满足用户快速发展的需要:二、必须满足用户对高速数据业务的需要。业务的推广、使用必须通过高效、可靠的无线通信网络实现，因此用户为了能稳定地使用各种业务，必然会要求移动通信运营商提供优质的无线网络服务质量。本文对移动通信的发展过程进行了详细的阐述，探讨了 1 G 和 2 G 系统采用的技术、网络结构及其存在的主要问题:

3、并通过对技术标准、关键技术和网络结构等方面进行研究，明确指出了C D M A 技术应用于 3 G 系统的优势:最后在 2 G 及 2.5 G无线网络以及无线网络优化实际工作经验的基础_ 匕 结合与 3 G 有关的技术资料，着重对 3 G无线网络优化技术的发展趋势和相关技术进行研究和探讨，并提出相关的结论。关键词:第三代移动通信技术(3 G);W C D M A;网络优化A b s tr a c t I n 1 8 9 7 t h e p o s s i b i l i t y o f a p p l y i n g r a d i o c o m m u n i c a t i o n w h

4、 i l em o v i n g w a s a p p r o v e d i n M a k o n i L a b.A n d i n 1 9 7 8 B e l l L a b i n v e n t e d t h em o b i l e c o m m u n i c a t i o n.F r o m t h e n o n,P e o p l e c a n e n j o y t h e m o b i l ec o m m u n i c a t i o n.W i t h t h e d e v e l o p m e n t o f t h e n e w t e

5、c h n o l o g y a n d t h e n e ws e r v i c e s,i t b e c o m e s m o r e a n d m o r e p o p u l a r.B u t i n t h e i n f o r m a t i o n a g e,t h e r e i s a n o t h e r i m p o r t a n t t h i n g一I n t e r n e t,w h i c h p r o v i d e a l o t o f m a t e r i a l s a n d i n f o r m a t i o n

6、.W h i l e t h e m o b i l e p h o n e a n dt h e p o r t a b l e c o m p u t e r b e c o m e c h e a p a n d p o w e r f u l t o p r o v i d e w i r e l e s s I n t e r n e ta c c e s s,t h e m o b i l e c o m m u n i c a t i o n w i l l b e m o r e p r o s p e r o u s.T h e m o b i l e c o m m u n

7、 i c a t i o n h a s b e e n i m p r o v e d f o r t h r e e s t a g e s,o r g e n e r a t i o nT h e s e c o n d g e n e r a t i o n,G S M,c a n n o t p r o v i d e e n o u g h c a p a c i t y f o r v o i c e s e r v i c ea n d e n o u g h wi d t h f o r d a t a s e r v i c e.S o 3 G i s n e e d e

8、d f o r:P r o v i d e e n o u g h c a p a c i t y t o m e e t t h e e x p a n d i n g n e e d s.P r o v i d e e n o u g h w i d t h f o r h i g h-s p e e d d a t a s e r v i c e.I n t h e s c i e n t i f i c d i s s e r t a t i o n,t h e d e v e l o p m e n t o f m o b i l e c o m m u n i c a t i o

9、n si s d i s c u s s e d i n d e t a i l s;t h e t e c h n i q u e,t h e s t r u c t u r e,t h e p r o b l e m s o f I G a n d2 G n e t w o r k a r e a l s o i n v o l v e d.B a s e d o n t h e s t u d y o f t e c h n i q u e s t a n d a r d s,m a i nt e c h n i q u e s,a n d n e t w o r k c o n s t

10、 r u c t i o n s,t h e a d v a n t a g e s o f C D M A i n 3 G a r e p o i n t e do u t.O t h e r w i s e,t h e e x p e r i e n c e s o f u s i n g 2 G a n d 2.5 G a n d t e c h n i q u e d a t a o f 3 Gc a n h e l p u s t o d i s c u s s t h e d i r e c t i o n a n d t e c h n i q u e s o f 3 G o p

11、 t i m i z a t i o n s,a n dc o n c l u s i o n s w e r e a l s o g i v e n o u t.K e y W o r d s:3 G;W C D M A;N e t w o r k o p t i m i z a t i o ni i学位论文原创性声明 华南理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中 特别加以 标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己 在文中以明确方式标明。本人完

12、全意识到本声明的法律后果由本人承担。作 者 签 名:镇 s A。期:.2 U1 年/月?日学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在_年解密后适用本授权书。本学 位论 文属于 不保密 口。(请在以 上相应方框内打“I/n)作 者 签 名:性A法导 师 签 名:I 群 Ll日 期:2 0 U 年)月T日日 期:2 呼年 1 月牛日第一章

13、绪论第一章绪论1.1 课题研究背景市场研究表明，2 0 0 2年 7月底中国移动市场的用户总数为 1.8 亿，2 0 0 2年底已经超过了2 亿，预计 2 0 0 6 年将达到 3.5 亿。在中国经济发展不平衡性特点突出的情况下，中国较高收入城市人口约为8,0 0 0 万，连其核心家庭约为1 亿多;中等收入城市人口约为3 亿左右:中低收入的城市/城镇/进城务工农村人日约为 1.5 亿，而其余为较低收入的农民。目前，移动服务在约 1 亿多的较高收入的人群中己经相当普及，而在3 亿的城市一般收入人群中正走向普及，。在这个约4 亿的人群中，可以相当肯定的预测，在较短的几年中普及率可达到与其它较发达市

14、场接近的7 0%左右。但是，不应忽略的的是，随着G D P 的稳定较快增长，城市化进程的加快和由于竞争带来的价格门槛下降，即使在这个现有目标市场达到高普及率后，虽然新增用户数会有所减缓，但决不意味着饱和的到来。移动通信己不再是贵族消费，它是中国 1 3亿平民大众普遍需要的服务之一，从而推动经济的增长和社会的发展。3 G的出现为中国移动通信市场提供了一个“重新洗牌”的机会。随着我国加入W T O，以及中国电信集团公司等新运营商和新资金的涌入，进一步加剧了在移动通信领域原本已经十分激烈的竟争。为了能够在竞争中争取主动、赢得优势、抢占有利地位，各移动通信运营商在己经开始了 3 G网络试验网的建设和测

15、试，以获取第一手的初步资料。3 G是移动通信运营商新业务利润的增长点。在中国存在一个约 1亿人的可支付较高需求的市场，适合这个市场的新应用、新业务、新技术的不断推出满足了他们的需求，而 3 G网络丰富多彩的多媒体业务对他们来说更是充满了魅力，使他们愿意支付相应的业务资费以得到更好的网络服务，获得更多信息。3 G 网络作为向移动用户提供 I P 数据服务的基础设施，早己成为中国移动通信技术领域的新热点。但正如任何的新技术发展一样，3 G必须克服一系列技术方面的问题。网络服务质量的优劣直接影响用户的使用感受，如何在有限的技术条件下保证优良的网络服务质量，保障移动通信运营商的行业竞争力和经济利华南理

16、工大学工程硕士学位论文1.3 发展第三代移动通信的必要性1.3.1巨大的移动通信市场和频谱资源的有限性是3 G 发展主要原因1.3.1.1 现有的频段难以满足移动通信发展的需要 日益增长的移动用户群体的要求移动通信网络具有更大语音容量以接纳更多的电话呼叫。目前移动通信市场所显现的增长趋势要求未来的移动通信系统能够提供以下两种主要业务:一是发送和接收时需要同样带宽(对称)的低比特率语音业务;二是发送和接收时需要不同带宽(非对称)的高比特率互联网业务。目前，企业局域网和无线 I n t e r n e t接入等用户对数据业务的需求都将使得现有2 G及 2.5 G的网络容量在最近两到三年内达到极限，

17、因此市场需求要求 3 G加快发展巨，。1.3.1.2 3 G 的频谱效率比2 G 高 传统蜂窝系统的频谱效率有如下几种定义，分别是:每蜂窝小区的信道数(信道数/小区);每平方公里的信道数(信道数/平方公里):每蜂窝小区每兆赫频带可提供的最大信道数(信道数/小区/兆赫)。由于 3 G从 8 K b i t/s的语音业务到3 8 4 K i t/s的不同的多媒体业务所要求的业务信道的带宽都是不同的，因此，原先所定义的以每 M H z的语音信道数量来衡量系统效率的概念应被更贴切和独立于所传业务的每M H z 和每小区数据吞吐量，即频谱效率这一概念的代替 。在非对称包交换业务和互联网业务方面，所有不对

18、称的双工业务的典型特征是上行链路和下行链路中的业务量负载的不对称性。采用C D M A 技术的3 G 满足了非对称业务为了达到最佳频谱利用率，每种业务都可灵活地利用频谱资源的要求，频谱效率非常高。通过下表，我们可以比较一下C D M A,T D M A 和F D M A 三种多址接入方式在同样5 M H z 带宽的情况下的频谱效率。通过表 1-2 和图 1-1 0，我们可以清楚地知道:W C D M A和 c d m a 2 0 0 0(l x)系统的理论容量不但与正交玛序列的分配有关，而且也与混合用户的数量及数据传输速率有关，因此它们的实际容量取决于上述条件以及其他一些因素。由于c d m

19、a 2 0 0 0(l x)和 W C D M A系统可以为每种业务灵活地分配频谱资源，总的来说3 G 的频谱效率比1 G 和2 G 要高许多。华南理工大学工程硕士学位论文1.3.2移动多媒体业务的需要 2 G移动通信系统主要支持话音业务，而作为 2.5 G的代表的 G P R S 是为了使G S M满足未来移动数据通信业务的发展而引入以提供分组无线业务为基础的系统，是在原有 G S M网络上进行扩充，本质上是一种基于电路交换的系统，只适合于处理带宽要求比较均匀的话音业务，其提供低速数据业务的能力虽然也可以承载数据业务，但所提供的数据承载业务速率较低，且Q o S(Q u a l i t y

20、o f S e r v i c e)能力有限，无法满足多媒体、多呼等新业务要求【a 1 3 G是移动通信和 I n t e r n e t结合的必然产物。随着多媒体、电子商务、W W W等应用在固定网的普及，移动数据业务，特别是移动 I P业务需求增长迅速，用户对移动网也提出了高速率通信业务与非对称数据传输、更高的频谱效率、根据数据流量和时间计费的新的收费机制、更高的网络容量和服务质量、支持多个同步连接等许多新的要求。3 G 的主要特征就是具有提供中高速数据业务，实现多媒体业务传输的能力。由于数据业务的传送任务大多具有突发性的特点，对传输速率的要求也往往变化较大，因此采用分组的方式进行处理比较

21、合适。第三代多媒体移动通信(3 G)主要采用宽带 C D M A技术，提供数据的能力大大提高，具有高带宽、高速率、多媒体化、综合化、智能化和个人化的特点，分组数据速率在静止时可达2 M b p s，步行时为3 8 4 K b p s，车载为1 4 4 K b p s，在Q o S 方面也有很大改进，可以支持多媒体、多呼等新业务，。1.3.3市场竞争和国际漫游需求 3 G 在设计上使用公用频段，具有高度的通用性，系统中的业务以及它与固定网之间的业务可以兼容，拥有足够的系统容量和强大的多种用户管理能力，能提供全球漫游，用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，巨 可以在不同速率、不同运动状态下获得有质

22、量保证的服务，是一个覆盖全球的、具有高度智能和个人服务特色的移动通信系统。这些原因决定了3 G 将最终成为移动通信的主流。1 G 和2 G 是针对传统话音和低速数据业务的系统，随着用户数的迅猛增加，已经远远不能满足用户容量的发展需要。在未来的信息社会，图像、话音、数据 第一章绪论竺旦竺旦竺旦竺旦旦 旦旦旦旦旦旦旦相结合的多媒体业务和高速数据业务的业务量将大大超过传统业务的业务量，1 G和 2 G 系统也远远不能满足未来用户的业务需求。随着“信息高速公路”的建成。公共陆地网传输的许多业务，也必与移动通信系统接口，所以新一代移动和个人通信系统，即第三代移动和个人通信系统(I M T-2 0 0 0

23、)的研究和发展已经成为电信领域的一个新热点。1.4本章小结 本章首先对课题研究的背景进行了简单的介绍，说明了 3 G网络发展的重要性，并对移动通信的发展过程进行了详细的阐述，指出了 1 G 和 2 G 系统采用的技术、网络结构及其存在的主要问题。然后通过移动数据应用的发展面临的许多问题，重点介绍了 G P R S的网络结构和它在移动互联网系统中的位置，并对 G P R S的特点作了详细的解释。最后以频率资源、业务发展及市场竞争等三个方面，论证了 3 G发展的必要性。华南理工大学工程硕士学位论文第二章3 G 系统的技术标准、关键技术与网络结构2.1 I M T-2 0 0 0目标和要求工 T U

24、明确指出 3 G的主要目标是:实现网络全球化、业务综合化和通信个人化 X 0 73 G 系统在全球范围设计高度一致 工 M T-2 0 0 0家族成员内部以及 I M T-2 0 0 0与固定网络之间各种业务的相互兼容，并且与现存的第二代系统具有无缝的互操作性和切换能力。同时，3 G系统采用统一频段、统一标准，全球无缝覆盖，使用户能以较低成本的多模手机在整个系统和全球漫游一一一低价格的设备和服务满足通信个人化的要求。2.1.2 适应多环境 采用多层小区结构，卫星移动通信结合在一起即微微蜂窝、微蜂窝、宏蜂窝，将地面移动通信系统和2.1.3 3 G 的性能要求 3 G系统具有高质量的性能条件、宽松

25、的性能范围和先进的多媒体服务质量 (Q o s)控制能力，可灵活地引入新的业务。高频谱效率、高系统容量、高服务质量、高保密性能和强大的多用户管理能力，以及支持多路话音、高速分组数据同时传输的系统特性，使 3 G系统能够根据不同用户的需求，提供高质量的多媒体业务、话音、可变速率的数据及高分辨率的图象等各种类型的业务，适应从话音到低速数据，乃至非常高速的分组和电路数据业务发展的需要。2.1.4 3 G 无线传输技术需要满足的要求 为实现上述目标，3 G 无线传输技术需要满足以下要求2.1.4.1 提供多媒体业务，速率最高到2 M b/s,1 室内环境比特率:2 M b/s 室内环境电池波传播环境的

26、特征是用户位于室内，信号功率比较稳定，受到的干扰和其他因素的影响比较小，故传输比特率要求最高，为2 M b/s a第二章 3 G 系统的技术标准、关键技术与网 络结构2 室外步行环境比特率:3 8 4 k b/s 室外步行环境与室内环境相比较具增加了移动速度的因素，但由于速度比较慢，并增加了视距和非视距路径信号的接收或干扰，信号传输环境、受到的千扰和其他因素虽然比室内环境要差一些，但传输环境突变的概率比较小，传输比特率 要 求 在3 8 4 k b/s o3 室外车速环境比特率:1 4 4 k b/s 室外车速环境的特征是宏小区类型和高发射功率。由于移动速度比较快，接收信号的平均功率随距离的变

27、化而改变，信号传输环境、受到的干扰和其他因素变化比较快，传输信道受到的干扰也是最大的，传输比特率要求在 1 4 4 k b/s o2.1.4.2 传输速率按需分配。在传统话音业务方面，要求 3 G系统能根据不同的通话质量要求，支持不同速率的语音质量;在数据业务方面，要求 3 G系统能在不同的环境下，根据实际情况分配传输速率。2.1.4.3 上、下行链路能适应不对称的需求 在非对称包交换业务和互联网业务方面，所有不对称的双工业务的典型特征是上行链路和下行链路中的业务量负载的不对称性.因此 3 G无线传输技术需要满足上、下行链路能适应不对称业务的需求。2.1.5 易于第二代系统的过渡、演进 移动通

28、信从2 G过渡到 3 G的主要特征是无线接入网必须有足够的频谱资源，不仅能提供话音、低数据速率等业务，而且具有提供宽带数据业务的能力。3 G统一的I P 通信协议和巨 大的 传输容量，使运营商能以最经济的成本、灵活可靠、持续地支持一切己有的和将有的业务【L 2 12.2 C D M A 技术在3 G 系统中的优势 由于 C D M A技术本身所固有的许多特点非常适合于数字蜂窝移动通信系统，目 前，W C D M A,C D M A 2 0 0。和T D-S C D M A 等三种3 G 系统的主要技术体制都基于C D M A技术，因此C D M A 应用于移动通信时的优点也十分明显，它们之间的

29、关系如图2-1华南理工大学工程硕士学位论文2.2.4软容量 在模拟F D M A 和数字T D M A 系统中，通信信道是以频带或时隙来划分的，每个蜂窝小区提供的信道一旦固定，就很难改变。当没有空闲信道时，系统就会出现忙音，移动用户不可能再呼叫其他用户或接收其他用户的呼叫。当移动用户越区切换时，也很容易出现通话中断的现象。在 C D M A系统中，信道数是靠不同的码字来划分的，其标准信道数是以一定的输入输出信噪比为条件的，当系统增加一个通话用户的时候，所有用户的输入输出信噪比都有所下降，但不会出现因没有信道而不能通话的现象。例如，对于一个标准信道数为4 0 的扇区来说，当第4 1个用 户呼叫时

30、，对 所有 移动用 户 的影 响是接 收机 的输入输 出信 噪 比下 降1 0 l o g(4 1/4 0)=0.1 d B，即使再增加 3 个用户，比标准多4 个，其影响是使所有接收机的输入信噪比下降 1 0 l o g(4 4/4 0)=0.4 d B，这使得该扇区内的移动用户数据的移动用户数据的误码率有所升高，通话质量有所下降，但增加的4 个用户不会因为无线信道而无法接入的现象。这对于解决通信高峰期的通信拥塞问题和提高用户越区切换的成功率无疑是非常有益的。2.2.5软切换 当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)或者移动用户从一个基站的管辖范围移动到另一个基站的管辖范围时

31、，通信网的控制系统为了不中断用户的通信就要做一系列的调整，包括通信链路的转换、位置的更新等，这个过程旧叫做越区切换。越区切换实现了小区(或扇区)间的信道转换，保证了一个正在处理或者进行中呼叫的连续性。在模拟 F D M A 系统和数字 T D M A 系统中，移动用户在越区切换时，需要在另一个小区(或扇区)寻找空闲信道，只有当该区有空闲信道时才能切换。这时移动台的收发信道都要做相应的调整，称之为硬切换。这种切换的过程是首先切断原通话链路，然后与新的基站建立新的通话链路。硬切换先断后通的切换方式势必引起通信的短暂中断，同时还会由于通信环境的影响，在两个小区的重叠区域内，移动台接收到的两个基站发送

32、信号强度有时会出现大小交替的变化，即电磁波在空间产生驻波，导致越区切换的“乒乓”效应，影响正常的通信。第二章 3 G 系统的技术标准、关键技术与网络结构.在 C D M A系统中，由于所有的小区(或扇区)都可以使用相同的频率，小区 (或扇区)之间是用不同的码字来区分的。当移动台从一个小区(或扇区)切换到另外的小区时，不需要调整移动台的收发频率，而只需要调整相应的码字，称之为软切换。软切换的优势是先与新的基站接通新的链路，然后切断原通话链路，从而克服了其他体制的“乒乓”效应。另一方面，由于C D M A 系统软容量的特点，越区切换的成功率远大于模拟 F D M A 系统和数字 T D M A 系

33、统，尤其是在通信的高峰期。2.2.6 特有的分集方式 在 C D M A系统中，由于采用了扩频技术进行宽带传输，使它具有了频率分集及路径分集的特性。频率分集是当信号具有选频特性时，对 C D M A系统的信息传输影响较小。路径分集是通过使用 R a k e接收解调并使用所有路径信号能量，将多径信号分离出来并将不同路径相同信号进行叠加，从而不仅克服了多径衰落对移动通信带来的不利影响，而且还等效增加了接收有用信号的功率。除此以 外，C D M A系统还采用空间分集及时间分集等技术，进一步提高了系统的性能。关于分集技术在 2.3.4中将详细介绍。2.2.7 与窄带系统共存 当C D M A 系统与窄

34、带系统工作于同一频段时，由于C D M A 系统中采用了扩频方式，并且以较低的功率发射，平均落到每个窄带系统带宽内的干扰信号功率很小，尤其是宽带C D M A 系统对于窄带系统的影响可以忽略不计，窄带系统对于C D M A 系统的干扰也许可以等效为“人为千扰”。由于 C D M A系统特有的抗干扰能力，把这个干扰降低到了最低限度。这个干扰的存在只降低了C D M A系统的容量，不妨碍C D M A系统的正常工作。C D M A系统带宽越宽，两个系统共存时相互之间的影响越小，反之越大。这给宽带C D M A 系统与窄带系统双模共存及由2 G向3 G 平滑过渡提供了可能。2.2.8频率复用 在传统

35、的A M P S 系统中，有效的频谱被分成大块并配置给系统中的每个蜂窝。同信道频率是不能在相临蜂窝中使用以避免干扰。一个普通频率配置规划是N=7 华南理工大学工程硕士学位论文.口.口.的复用模式，其中频谱被划分为 7 大块，每一大块被配置给7 个蜂窝群中的一个。相同的大块能够在下一个蜂窝群中大约相隔两个蜂窝群而被重新使用，并且通过对基站进行扇区化而能够提高复用率。但是，由于复用因子的原因降低了每个蜂窝的信道数量。在C D M A 移动通信系统的体制中，物理R F 信道能够在每个蜂窝中复用，频率复用因子接近于 1。在宽带 C D M A中，每一个蜂窝都可以使用相同的物理信道，但是同频干扰问题依然

36、存在。2.2.9良好的保密性 C D M A系统的体制本身就决定了它有良好的保密性。首先C D M A 系统采用的扩频技术就将发射信号的频谱扩展得很宽，从而将发射信号完全隐蔽在噪声和干扰之中，不易被发现和接收;其次在通信过程中，各移动用户所使用的地址码各不相同，在接收端只有在码字的码型和相位与之完全相同的情况下，设备才能接收到相应的发送数据，对其他非相关设备来说上述信号只是一种噪声。所以 C D M A系统可以防止有意或无意的窃取及监听，具有很好的保密特性。2.2.1 0 发射功率低 由于 C D M A系统可以采用许多特有的技术来提高系统性能，大大降低了所要求的发射功率，对运营商和设备提供商

37、来说，节约了运营成本和生产成本;对广大用户而言，电池体积的减小、移动台使用时间和寿命的延长以及电磁波辐射带来影响的降低等各方面的改善有利于进一步培养良好、健康的使用习惯。2.2.1 1 频率配置与管理简单 在模拟F D M A 和数字T D M A 系统中，频率配置与管理是一项比较复杂的技术，而动态频率配置就更加复杂。在 C D M A体制中，所有移动用户都可以使用一个频率，不需要进行动态配置，简化了频率配置与管理的工作。2.3 3 G 系统(W C D M A)的关键技术 在W C D M A,C D M A 2 0 0 0 和T D-S C D M A 三种 3 G 系统的主流技术中，W

38、C D M A 又是其中的重中之重，因此在介绍3 G 系统关键技术的时候主要以W C D M A 为主。第二章 3 G 系统的技术标准、关键技术与网 络结构2.3.1 功率控制功率是 C D M A系统的核心，一切是围绕着功率进行。C D M A 系统是一个同频自千扰系统，任何多余不必要的功率不允许发射，这是一个一定要遵守的总准则功率控制就是维护这个准则的手段!14;“远近效应”:在上行链路中，如果小区内所有 U E的发射功率相同，而各U E与 N o d e B的距离是不同的，导致 N o d e B 接收较近 U E的信号很强，接收较远。E的信号很弱，由于 C D M A是同频接收系统，造

39、成弱信号淹没在强信号中，从而使得距离较远部分的U E 无法正常工作。功率控制是解决远近效应的有效方法，可以补偿衰落，在接收功率不够时要求发射方增大发射功率。对于上行链路，为了克服宽带 C D M A系统的远近效应，需要动态范围达 8 0 d B的功率控制。在上行链路，功率控制分为开环功控和闭环功控:开环功率控制主要用来克服距离衰落，闭环功率控制用于多普勒频移产生的衰落，以此保证接收到的所有移动台信号具有相同的功率。上行功率控制的目标即为所有的信号到达基站的功率相同。在下行链路中，为了实现快速和自适应的功控算法，也插入了功控信道以实现前向的闭环功控。功率控制技术是C D M A系统的基础，可以说

40、没有功率控制就没有 C D M A系统。Q u a l c o m。公司就是解决 了这个问题才 一 实现 了C D M A 蜂窝通信网。2.3.2 R A K E 接收机 在 C D M A扩频系统中，信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽。不同于传统的调制技术需要用均衡算法来消除相邻符号间的码间干扰，C D M A扩频码在选择时就要求它有很好的自相关特性被看作只是被传信号的再次传送这样，在无线信道中出现的时延扩展，就可以如果这些多径信号相互间的延时超过了一个码片的长度，那么它们将被 C D M A接收机看作是非相关的噪声，而不再需要均衡了。由于在多径信号中含有可以利用的信息，径信号来改善接收信号

41、的信噪比。其实 R A K E所以 C D M A接收机可以通过合并多接收机所作的就是:通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并把它们合并在一起。图 2-3所示为一个R A K E 接收机，它是专门为 C D M A系统设计的经典的分集接收器，其理论基础就是:第二章 3 G 系统的技术标准、关键技术与网络结构双工器工 F 去混迭滤波器 A D C、一-jf t 1z 1S R N繁基带处理器本振I F 和平滑滤波器图2-7 C O R A 射频和中频原理F i g u r e 2-7 P r i n c i p l e O f R F A n d I F I n C D A M2.3.3

42、.2 C D M A 的射频设计性能和考虑 前面已经提到，C D M A的信号是宽带信号，因此射频部分必须设计成适合于宽带低功率谱密度信号。C D M A的高动态范围、高峰值因数(由于采用线性调制和多码传输)、精确的快速功率控制环路向功率放大器的线性和效率提出了挑战。C D M A 对R F 前端提出了非常困难的线性和效率要求。线性约束是由于要求了严格的输出频谱的掩模(M a s k)，同时输出的信号包络变化幅度很大。当然，为了保证功放有足够的效率，功放的工作电平一般也保持在 1 d B 压缩点附近。为了减少移动台的体积和功耗，要求在接收和发射端实现基带到射频或者相反方向的一次直接变频，这种技

43、术的困难在于混频器需要有良好的线性，避免相邻信道的互调产物。同时混频器的输入隔离也必须足够高，以避免自混频而可能出现的直流分量。射频部分的另外两个部件自 动增益控制器(A G O 和低噪声放大器(L N A)的性能也非常关键，A G C 必须有很快的响应速度和很高的动态范围，使输入模数变换的信号电平处于最佳范围，W C D M A设计中A G C的要求在 8 0 d B 左右;而 L A N的指标直接决定了接收机的总噪声指标，W C D M A 中要求L N A 的噪声指标低于4 d B o 华南理工大学工程硕士学位论文目.模拟的射频器件使得射频部分的指标变化比较大，同时个体的不一致性差异也比

44、较大。中设计射频部分的时候，我们要按照最坏的情况对每个射频部件可能带来的整体接收机性能损失进行仿真，从而得到一组较好而且稳定的射频设计参数。另外，最新的设计方法也提出尽可能的减少模拟器件的数量，这也要求我们把模数变换(A D C)和数模变换(D A C)的位置尽可能向射频部分前移，鉴于目前器件信号处理能力的考虑，数字中频技术是常用的设计方法。2.3.3.3 数字中频技术 现代的接收机结构一般是在中频部分实现模数变换和采样，这里有必要介绍中频采样的基本技术。1 带通信号的采样 抽样定理表明:一个频带限制在(。，f N)赫兹内的时间连续信号 M(t),果以 1/2 f。秒间隔对它进行等间隔采样，则

45、 m(t)将被所得到的抽样值完全确定此时 2 f。被称为奈奎斯特频率。但对于一个频带限制在 f L(信号最低频率)和 f(信号最高频率)之间的带通型连续信号 m(t)，此时信号的带宽 B=f。一f L。则采样频率 f，有只要满足两种情况，就可以保证 m(t)将被所得到的抽样值完全确定:如果最高频率是带宽的整数倍，即 f=n B,n为 正整数。则 f,-2 B;如果最高频率不是带宽的整数倍，即f=n B+a B,n为正整数，0 a-2 B(1+a/n).这个要求就是中频采样的采样频率要求。号 M器 H。，通过 f,-2 B(1+a/n)的中频采样，如图2-8 所示，带宽为B的中频信得到信号 M,

46、(w)，再通过低通滤波w ，得到经过量化和采样的低中频信号M。(。)，这个信号的频谱和原来信号的频谱是完全一样的。从这个过程可以看出，中频采样可以用一个比信号频率最高低的频率进行采样，而只要求这个频率满足上面的两个条件。同时中频采样还可以完成频率的变换，将信号变换到一个较低的中频频率上，此时再经过和数字域的同频相乘，就可以得到基带的 1,Q分量。第二章 3 G 系统的技术标准、关键技术与网络结构2 正交中频采样实际上中频采样还有一种直接变换到基带 工、Q域的方法，我们称为正交中频采样。M-18,+.iMS iH()补 入图 2-8中频采样F i g u r e 2-8 M e d i u m

47、F r e q u e n c y S a m p l i n g假设中频的窄带如式2.1 所示M(t)=M,(t)c o s。o f一M o(t)s i n.o f(2.1)其中。a=2 a f o，是信号的中频载波频率，此时如果我们取采样频率 f,=4 f,则可以得到采样结果M(2 k T,)=M,(2 K T,)(一 1)“M(2 k+l)L)=-M,(2 K+1)T,)(一 1)(2.2)(2.3)利用图2-9的原理就可以得到采样后的基带 1,Q 信号:华南理工大学工程硕士学位论文4,)一 灭子桥 (K T I)插值采 样频率f(-1)hM,(K T )插值图 2 一 9正交中频采样F

48、 i g u r e 2-9 O r t h o g o n a l M e d i u m F r e q u e n c y S a m p l i n g这种采样方法由于严格要求 f s=4 f o，并且要进行相应的插值处理，因此实现上存在一定的困难。2.3.4分集接收原理 无线信道是随机时变信道，其中的衰落特性会降低通信系统的性能。为了对抗衰落，可以采用多种措施，比如信道编解码技术，抗衰落接收技术或者扩频技术。分集接收技术被认为是明显有效而且经济的抗衰落技术。我们知道，无线信道中接收的信号是到达接收机的多径分量的合成。如果在接收端同时获得几个不同路径的信号，将这些信号适当合并成总的接收

49、信号，就能够大大减少衰落的影响。这就是分集的基本思路。分集的字面含义就是分散得到几个合成信号并集中(合并)这些信号。只要几个信号之间是统计独立的，那么经适当合并后就能使系统性能大为改善。互相独立或者基本独立的一些接收信号，一般可以利用不同路径或者不同频率、不同角度、不同极化等接收手段来获取:2.3.4.1 空间分集 在接收或者发射端架设几副天线，各天线的位置间要求有足够的间距(一般在 1 0 个信号波长以上)，以保证各天线上发射或者获得的信号基本相互独立。如图所示就是一个双天线发射分集的提高接收信号质量的例子，通过双天线发射分集，增加了接收机获得的独立接收路径，取得了合并增益。第二章 3 G

50、系统的技术标准、关键技术与网络结构2.3.5信道编码 虽然扩频技术有利于克服多径衰落以提供高质量的传输，但扩频系统存在潜在的频率效率非常低的缺点，所以系统中必须采用信道编码技术以进一步改善通信质量。目前，主要采用前向 信道纠错编码和交织技术以进一步克服衰落效应，创。编码和交织都极大地依赖于信道特性和业务需求。不仅对于业务信道和控制信道采用不同的编码和交织技术，而且对于同一信道的不同业务也采用不同的编码和交织技术。信道编码的编码对象是信源编码器输出的数字序列(信息序列)。信道编码按一定的规则给数字序列M 增加一些多余的码元，使不具有规律性的信息序列M变换为具有某种规律性的数字序列 Y(码序列)。