（交通信息工程及控制专业论文）WCDMA系统基站信干比测量研究及实现.pdf

摘要 信干比测量是w c d m a 系统基站内部物理层众多测量项目中的一种重要测 量，在系统中地位举足轻重。它的测量结果是系统实施功率控制等无线资源管理 的重要参考指标，该测量值获取的准确与否将直接影响到w c d m a 系统的功控效 果，并最终影响到系统的容量和性能。 本文主要讨论了w c d m a 系统基站中信干比测量的原理和设计实现。论文按 照3 g p p 协议规定的物理层测量相关标准，结合基站内部结构以及测量流程，对基 站内部的信干比s 取测量进行了开发实现。具体内容有：基带d s p 测量模块中u e 实 例、测量实例、状态机等设计以及s m 估计算法、物理层滤波、多用户测量调度算 法实现方案；基带c p u 单元测量模块中测量报告特性分析、测量实例、定时器、 测量事件迟滞状态机设计以及r r c 层滤波实现算法等。最后通过测量模块c 程序的 编写与调试、系统的联调和测试最终将信干比测量在基站中成功实现。系统能够 按照预定设计要求：高效地计算出s 珉并实时上报测量值，系统运行稳定。 关键词：w c d m a 基站信干比测量d s p a b s t r z l c t s i rm 翻规l r e m c n ti so n eo fm a n yi m p c 旺_ t a tm 剐i 舢e n ti t 锄si np h y s i c a ll a y 盯 o f b 雒es t a 吐o n ，i tp l a y sad e c i s i v er o l ei nt h ew h o l es y s t e m s i rm 卯r 锄tr 酷u l ti s 也ek e v f h e n c ew h i c hi su s o db vr a d i on 咖o r kc o n 勺r ；d u 盯t oc 打o lp o w 盯o f w c d m as v s t e m t h i sm s i l r c m e n tr 鼯i l l t 、玑ni n n u e n e 丘鳅so f p o w 盯c o n 由r o la n d c o r d i n 西ya 侬斌c 印a c i 哆a n dp c 胁柚c co fs y s t 鼬 1 1 1 i sp 印e rm a i n l yd e s 喇b 器呻c i p l eo fs 取m e a 锄m e n ti nb a s t a t i 伽o f w c d m a s y s t e m ，t h ep r o c e 豁o fd 船i 弘a n di m p l 锄乱石o na i n d u d c d a c c o r d i n gt 0 m 戢匹u r e m e n ts t a n d a r d ss e t t o db v3 g p p 趾ds 仃u d u r cl m i ti nb a s es 伽o na n d m 鲫r e m e n tp r o c 器s ，w ed e s i 乒e da n di m p l 锄e n t e ds tm s u r e m e mi nb 够es t a t i o n ni n d u d 嚣d 髓i g no fu ei n s t a n ，m 剐慨e n ti m ；t a n ，s 忸t 嚣o fm 如舢e n t i n s t 趾，s 瓜e s 缸砸o na l g 耐t b m ，丘1 t c f i n gi np h y s i c a ll a y 盯锄dm s u r 锄t s c h e d u l i n ga l g 嘶m mi nd s p 血a tm c 锄e 缸e ，r e p o r tc h 矧蛾甜s t i c 卸m y s i s ， d 髑i g n o fm e 砸_ i l | - a n e n t i n s t 姐c c ，s t a t 嚣 o fm e a s i l r e m e n ti n s t a n ， d e s i g n o f m s u 舳e n tt i m c r 卸df i l t c i 血gi nr r cl a y 盯a 聆i n d u d c di nc p u 吼i t f i n a l l y ，也ec o d 龉o ft w o l i t s 缸ew 五t t 锄dt h ep r o g m mi sd c b u g g 。dw e u w e t e 蚰。dp c r f b 血趾o fs y s t 锄锄d 缸i a l l yi i n p l e m t e ds lm 鲫r 锄e mi nb 船e s t a l i 彻s u c c 嚣s 如l l y t h eg y s t e mc 锄e 疗c = c t i v c l yc a l c m a t cs 瓜m e a s i | 舳tv a l u 骼皿d r e p 叫酬- t i m ev a l u 嚣埘t hs 诅b l eo p 训a o c 町血1 9 t od 商弘r e q l | i r 锄e n 协 1 ( e y w o r d s ：w c d m an o d ebs mm e a s 岍m 蛆t d s p 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技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己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期丝! ：! ：兰 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期塑! ：! ：塑 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 随着移动通信的飞速发展，传统的以话音业务为主的第二代地面移动通信系 统己逐渐不能满足人们的要求，而新兴的数字业务，如e m a i l 、视频传输、文件下 载等将不可或缺地成为移动通信中的新业务组成，因此，更先进的下一代移动通 信系统的研究应运而生。第三代移动通信系统最早由国际电信联盟( i t u ) 于1 9 8 5 年 提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统凹l m t s ) ，1 9 9 6 年更名为 肼t 2 0 0 0 ( b 他m a t i o 皿lm 0 b i l e1 e l c c o 衄l i n i c a t i o n 2 0 0 0 ，国际移动通信一2 0 0 0 ) ，意即 该系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，最高业务速率可达2 0 0 0 k b i t ，s 。目前其主要体制有 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三种。其中欧洲与日本提出的w c d m a ( w i d e b 姐dc 0 d ed i v i s i o nm u l d d l e a 嚣s ，宽带码分多址接入) 技术，凭借其技术 的先进性以及与现有的第二代移动通信系统g s m 网络的兼容性( 能从g s m 历经 g p r s 演进到w c d m a 系统) 等特点，一直受到业界的广泛关注。 w c d m a 的主要技术特点【l 】有：f d d 工作方式：上行1 9 2 0 1 9 8 0 m h z ，下行 2 1 1 0 2 1 7 0 z ；上、下行都采用快速( 1 5 0 0 h z ) 闭环功率控制技术，利于抗快 衰落；利用导频进行双向相干解调，解调增益高；采用发射、接收分集技术， 大大提高抗衰落效果；高的码片速率( 3 8 4 m c p s ) ，眦接收效果好，路程差 7 8 m 即可实现分集接收；采用编码增益高的信道编码技术( 卷积编译码和t u i _ b o 编译码) ；基站之间不需同步，支持异步和同步的基站运行方式，灵活组网； 支持软、更软切换、频间硬切换、系统间的硬切换，提高系统容量；具有承载 不同速率c s 、p s 、混合业务能力；先进的无线资源管理算法保证业务质量，并 使系统吞吐容量最大。 w c d m a 的优势【2 】在于：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，下行基站区分采用独有 的小区搜索方法，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；并且w c d m a 继承了第二代移动通信体制g s m 标准化程度高和开放性好的特 点，标准化进展顺利，网络运营商可以通过在g s m 网络上引入g p r s 网络设备和新 业务，逐步过渡到3 g 。 对于w c d m a 这个3 g 主流技术标准的演进及规范的制定，都是由3 g p p 这个组 织负责完成的。3 g p p 是为了保证各个厂商制造的3 g 设备互联互通和兼容而制订通 用的w c d m a 标准的专门论坛嘲。其英文名是3 r ；dg 盯a t i p a 咖e 鹉h i pp r o j e c t 。 3 g p p 的创始者包括日本的a r m 、韩国的n a 、欧洲的e t s i 以及美国的t 1 p 1 。3 g p p 2 w c d m a 系统基站信干比测量研究及实现 组织先后已经发布了r 9 9 、r 4 、r 5 、r 6 等w c d m a 标准相关的几个版本。其中r 9 9 、 r 4 、r 5 版本分别于2 0 0 0 年3 月、2 0 0 1 年3 月和2 0 0 2 年6 月推出，r 6 版本于2 0 0 6 年内 推出发布，r 7 版本目前仍在讨论中。最早的r 9 9 版本技术成熟，其核心网仍然沿用 了g s m m p 标准，充分考虑了对现有g s m 网络的向下兼容和投资保护，后续的版 本都是基于这个成熟的版本而不断演进的。如r 4 版本，其无线接入部分相比r 9 9 版本只改动了一些接口协议的特征，相应功能得到增强，网络结构并没有变化。 r 4 版本【4 】核心网部分改动比较大：由t d m 的中心节点交换型结构演进为典型的 删分组语音分布式体系结构；网络采用开放式结构，业务逻辑和底层承载相分 离；u t ra n 与核心网语音承载方式均由分组方式实现；语音采用统计复用方式传 递，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 b i t ，s 电路的繁琐程序。 r 5 版本是w c d m a 全口的第一个版本，引入口传输作为a t m 外的第二种可选传输 机制；并在无线部分引入了h s d p a l 5 】( h i 班s p e c dd o w n l i i 】1 【p a c k a g 嚣a c c 鼯s ，高 速下行分组接入技术) ，使下行链路可以支持高达1 0 m b 甜s ( 理论峰值1 4 4 m b i t s ) 的传输速率；另外，其核心网增加了d 讧s ( 口多媒体子系统) 。目前r 5 版本也是一 个较成熟的版本。2 0 0 6 年发布的r 6 版本，其无线接入部分主要引入了无线侧上行 链路增强技术：h s u i ，a 【6 】( h i 曲s p e c d u p l i n l 【p a c k a g 嚣a c c e s s ，高速上行分组接入 技术) 。h s u a 通过采用多码传输、h a r q 、基于n o d eb 的快速调度等关键技术， 使得单小区最大上行数据吞吐率达到5 7 6 m b i 以，大大增强了w c d m a 上行链路的 数据业务承载能力和频谱利用率。r 7 版本将主要引入o f d m ( 正交频分复用) 和 m “o ( m 1 1 l 印l e m p u tm i l l 咖d e o i l t - p u t ，多入多出) 技术。o f d m m 技术实际上是 m c m ( m m d c a r r i 盯m o d u l a t i o n ，多载波调制) 的一种。其主要思想是，将信道分成 若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子 信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减 少子信道之间的相互干扰( i c d 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽， 因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于 每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。m “0 【s 】 技术的采用将使系统的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以 利用m d “0 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况 下，频谱利用率也可以成倍地提高。 1 2 研究内容及思路 本文主要研究w c d m a 系统中基站内部信干比s m 测量的工程实现问题。因为 w c d m a 系统是个同频自干扰系统，各个移动台发送的信号之间相互影响，任何 不必要的多余功率，系统严格控制其发射。所以系统必须采取相应的功控策略对 第章绪论 各个移动台发送的信号功率进行有效的控制。而多数功控方法的重要参考指标就 是基站通过对接收到的各个无线链路专用信道的导频信号进行有效计算而得到的 信干比s r 以及由s 删莲一步计算得到的s 瓜吲m 值。所以工程实现当中尽量做到将 反映各个无线链接信道质量的信干比参数估算准确，对整个系统来说意义重大。 这就要求我们在工程开发当中，保证基站信干比专用测量的各个实现单元的设计 质量：从各个实现模块的功能划分到测量模块的相关设计，再到程序的编写等各 个开发环节。对于信干比专用测量来说，测量的流程大致如下：首先是基站底层 对测量数据的采集和物理层的滤波，然后再把物理层滤波后的测量值以一定的周 期送到无线资源管理层做r r c 层的滤波，最后把滤波后的测量值按照一定的报告 评估准则向无线网络控制器r n c 报告。纵观整个测量过程，要想使r n c 最后收到 的测量数据准确、有效，就必须从测量开始的底层( 物理层) 就严格控制好原始 数据采集的准度，保证信干比数值估计准确，这样才能在进行后续的滤波等处理 时进一步维持测量的实时性和准确性，从而保证最后r n c 对系统进行功率控制的 高效性和准确性。 3 g p p 组织对w c d m a 标准做了一系列的规范，内容涉及整个系统的各个方面。 从其发布的l 圆9 版本到最近的r 7 版本，物理层测量部分的规范改动很少，一方面是 因为物理层测量技术已经相对成熟和完备，u 1 r a n 与u e 各自必须测量的项目及指 标在前期的版本中都已经完整的定义了。另一方面该组织对某些物理层测量项目 的关键算法不便统一界定，一般由各个设备制造厂家根据自身技术能力以及实际 应用，自行设计实现。如本文要探讨的s 瓜测量的估计算法等。 要做好基站内部信干比专用测量的工程设计及实现，首先必须对3 g p p 组织关 于w c d m a 系统架构以及基站物理层信号处理的相关协议进行仔细研究，下面对 其中的某些主要协议作一简要介绍。 1 ) 3 g p pt s2 5 2 1 1 ：”p h y s i c a lc h 锄d s 衄dm a p p i r 唱o f 咖s p a r tc h 锄e l s t 0 p h y s i c a lc h a 皿d s ( f d d ) ”该协议例主要是对w c d m a 上下行物理信道概念及功能进 行描述，同时对传输信道到物理信道的映射、各个信道之间的定时关系等也作了 相关的说明。 2 ) 3 g p pt s2 5 2 】2 ：“m 山石p 】既i n g 耻dc b 锄e 】c o d i n g ( f d d ) ”该协议主要是对 物理层的复用和信道编码技术的说明。内容主要有差错检测、差错纠正、速率匹 配、交织等技术及“传输信道到物理信道的映射”和“物理信道到传输信道的分段” 组成的信道编码技术等等【l “。 3 ) 3 g p pt s2 5 2 1 3 ：”s p 蛐g 如dm o d u l a t i o n ( f d d ) ”本参考性技术文件描述 了m t d sf d d ( w c d m a ) 系统的无线接口物理层部分的扩频及调制相关内容。协 议分别对上下行各个不同信道的扩频方法作了详细描述。 4 ) 3 g p pt s2 5 2 1 4 ：”p h y s i c a ll a y 订p r o c e d u r 鼯( f d d ) ”该协议主要描述了物理 4w c d m a 系统基站信干比测量研究及实现 层进程的相关内容。内容主要有小区的搜索过程、无线链路的同步过程，上行快 速内环功控策略以及随机接入过程等。 5 ) 3 g p pt s2 5 2 1 5 ：1 p h y s i c a l1 a y 订m e 器咖蹦t s ( f d d ) ”该协议对物理层的 测量进行了详细描述，主要分u t i u n 侧和u e ( 移动台) 侧的测量能力来分别进行 介绍，其中l 丌r a n 侧的测量能力包括：带宽内的接收到的宽带功率、信干比s 瓜、 信干比误差s m e r r o r 、发射的载波功率、发射的码功率、物理信道的平均比特差错 率b e r 、往返时间差r 1 广r 等。本文主要探讨的就是u ，r r a n 侧众多测量项目中的物 理层信干比s 瓜测量实现。 6 ) 3 g p pt s2 5 4 3 3 ：w b a ps i 印a l l i n g 竹本协议是对n o d e ba p p l i c a t i p a n ( n 0 d c b 应用部分协议) 的描述。n b a p 是i u b 接口的核心功能表达协议，通过n b a p 信令，基站和r n c 可以完成小区建立与删除，无线链路建立、重配与删除，专用 公共测量的启动与终止等功能。 7 ) 3 g p pt s2 5 9 2 2 ：”r 丑d i or e u r c em 蛆a g 锄e n ts n 劬画髂”该协议是对无线资 源管理策略的描述。无线资源管理( i 汛m ) 负责空中接口资源的使用，从确保系 统的服务质量( q o s ) 、获得网络规划的覆盖区域以及提高系统容量的角度来说， 它都是不可或缺的。本协议的内容主要包括功率控制、切换控制、接纳控制、负 载控制( 拥塞控制) 和分组调度等。 本文的研究思路是： 第一步：首先全面了解w c d m a 的系统架构，掌握物理层信号处理的过程。 包括各个物理信道( 重点是承载数据的专用数据信道和承载控制信息的专用控制 信道) 的概念、结构与功能，r a k e 接收机对上行链路信号的处理过程，基站与无 线网络控制器之间的信令交互等。具体研究与物理层测量相关的规范有：3 g p p t s 2 5 2 1 1 、3 g p p t s 2 5 2 1 2 、3 g p p t s 2 5 2 1 3 、3 g p p t s 2 5 2 1 4 、3 g p p t s 2 5 2 1 5 、3 g p p t s 2 5 4 3 3 、3 g p p t s 2 5 1 1 3 、3 g p p t s 2 5 9 2 2 等等。 第二步：在熟悉基站基带信号物理层相关处理流程和信干比测量相关规范以 后，仔细研究系统物理层测量模型。再根据基站基带处理板上与实现测量功能相 关两个结构单元：d s p 处理芯片和基带c p u 处理芯片，并对照测量模型的各个输入 输出关键点，对测量模型的各个部分进行剖析和分解。对这两个单元进行功能实 现分配规划，最后确定出d s p 处理芯片和基带c p u 处理芯片各实现测量的哪一部分 功能，定出实现目标并列出设计难点。 第三步：由于基带信号处理d s p 和基带c p u 单元要完成的功能很多，需要对其 进行模块划分。根据d s p 上和c p u 单元需要实现的测量功能，各要划分出一个单独 的测量模块。同时和其他模块的负责人沟通研究，共同确定出d s p 上各个模块之间 的接口，r n c 、d s p 与基带c p u 处理芯片三者之间的测量信令交互等，以实现测量 的整体功能。 第一章绪论 第四步：分别对两个结构单元的测量模块进行方案的设计和软件实现。 第五步：进行系统联调和测量模块单元测试，保证测量模块按预定要求计算 出信干比s 瓜值，并实时转报给基带c p u 处理芯片，最后上报给l c 。系统能根据 上报的测量值对系统实施快速内环功率控制和外环功控。 1 3 本文的组织结构 本文研究了w c d m a 系统中的信干比s 瓜的测量问题，重点是信干比测量在基 站中的工程实现。以下是本文每章的主要内容： 第一章绪论概述了w c d m a 的发展过程及其技术特点、本文的研究背景、研 究内容及组织结构安排。 第二章主要介绍w c d m a 系统架构和物理层信号处理相关内容。系统架构部 分内容主要是系统构成、接入网结构、n o d eb ( 基站) 的结构及其功能的介绍， 其中重点对基带处理单板这一基站的核心处理单板进行详细描述；基站物理层信 号处理部分主要介绍物理层信道、上行专用信道的帧结构、r a k e 接收机对移动台 用户上行信号的前期处理等等。 第三章首先对基站内部的信干比s 瓜测量重要性作了介绍。因为功率控制是 c d m a 系统的关键技术，而信干比s 瓜和由s r 进一步得出的信干比误差s 瓜锄r 就是系统实施有效功率控制策略的两个关键参数，所以基站的测量对整个系统的 重要性由此显而易见。然后本章对物理层的测量模型进行了详细剖析，并对照系 统基站的逻辑结构，对基站各个结构单元( 主要有两个：基带d s p 单元和基带c p u 单元) 如何分担实现测量模型描述的各部分功能做了详尽的分析和规划。最后对 信干比测量在基站中工程实现的目标与难点做了相应的阐述。 第四章对基带d s p 单元如何实现测量模型的底层数据采集、物理层滤波、定期 向基带c p u 单元报告测量值做了详细的阐述。首先对d s p 的多任务多中断操作系 统、各个模块的划分做了简要介绍。然后阐述了d s p 测量模块关键数据及关键算法 的设计实现方案，主要包括：移动台u e 实例、测量实例设计；测量实例状态机设 计；多用户测量启动状态下的测量调度算法设计；信干比s r 估计算法、物理层滤 波算法等等。最后对d s p 测量模块的各个实现函数作了相关介绍。 第五章对基站中基带c p u 单元实现测量模型另一部分功能的实现方案作了阐 述。也就是对d s p 定期报告上来的测量值进行i u 汇层滤波、以一定的测量评估上报 准则向无线网络控制器报告最终的测量值。内容有：基带c p u 主控模块与r n c 、 d s p 之间交互的测量消息、测量报告、鼬屺层滤波算法；测量报告特征分析( o n d 锄强d 、周期报告、e v e ma - e v tf 事件报告等8 种) 等。主要实现方案与d s p 侧测量模块有些类似，主要包括：测量实例设计、测量实例状态机设计、测量事 6w c d m a 系统基站信干比测量研究及实现 件迟滞状态机设计、定时器的设计等等。最后两节是对相关实现函数的简单说明 和系统联调、测试方面的介绍。 第六章结束语对本文工作做了总结并对w c d m a 通信系统的应用前景进行了 展望。 本文最后内容为致谢、研究成果、参考文献、附录等。 第二章w c d m a 系统及物理层处理 7 第二章w c d m a 系统及物理层处理 2 1w c d m a 系统架构 咖s 【1 1 】( u n i v 铘a lm o b i l e1 c l 咖m 衄i c a t i 咄s v s t e m 。通用移动通信系统) 是采用w c d m a 空中接口的第三代移动通信系统，通常也把u m t s 系统称为 w c d m a j 匝信系统。w c d m 黼信系统采用了与第二代移动通信系统类似的结构， 包括u t ra n ( 1m t sm o b i l ea c c 瞄sn e h o 咄u l 订t s 无线接入网络) 和c n ( c o n e t 、】l r o l l c ，核心网络) 以及u e ( u s 盯e q u i p m t ，用户设备) 三部分。其中无线接 入网络采用先进的w c d m a 技术处理所有与无线有关的功能。而核心网则采用灵 活的、可从g s m 网络平滑演进过来的、分层的体系结构来处理通信系统内所有的 语音呼叫和数据连接，并实现与外部网络的交换和路由功能。这些子系统都是独 立的，相互之间的接口也是标准定义的。 标准来设计制造w c d m a 的各个子系统， 各个设备制造商都按照3 g p p 组织定义的 运营商就可以采购不同设备制造商的子 系统进行组网，这样可以有效的避免受制于某一两家设备制造商，从而更利于电 信市场的良性竞争和健康发展。 以下对w c d m a 通信系统三个组成部分分别作一简要介绍。 1 ) c n ：核心网络，负责与其他网络的连接和对u e 的通信和管理。主要功能 实体【1 2 】有： ( 1 ) m s c ，且是w c d m a 核心网c s 域功能节点。m s c ，v u t 的主要功能是提 供c s 域的呼叫控制、移动性管理、鉴权和加密等功能。 ( 2 ) g m s c 是w c d m a 移动网c s 域与外部网络之间的网关节点。g m s c 的主 要功能是充当移动网和固定网之间的移动关口局，完成p s t n 用户呼叫移动用户时 呼入呼叫的路由功能，承担路由分析、网间接续、网间结算等重要功能。 ( 3 ) s g s n ( 服务g p r s 支持节点) 是w c d m a 核心网p s 域功能节点。s g s n 的主要功能是提供p s 域的路由转发、移动性管理、会话管理、鉴权和加密等功能。 ( 4 ) g g s n ( 网关g p r s 支持节点) 是w c d m a 核心网p s 域功能节点。g g s n 主要功能是同外部口分组网络的接口功能，g g s n 需要提供u e 接入外部分组网络 的关口功能。从外部网的观点来看，g g s n 就好象是可寻址w c d m a 移动网络中所 有用户p 的路由器，需要同外部网络交换路由信息。 ( 5 ) h l r ( 归属位置寄存器) 是w c d m a 核心网c s 域和p s 域共有的功能节 点。h l r 的主要功能是提供用户的签约信息存放、新业务支持、增强的鉴权等功 w c d m a 系统基站信干比测量研究及实现 能。 2 ) u e ：用户终端设备，它主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模 块以及应用层软件模块等。u e 通过u u 接口与网络设备进行数据交互，为用户提供 电路域和分组域内的各种业务功能，包括普通话音、数据通信、移动多媒体、i n t 锄c t 应用( 如e m a i l 、w w w 浏览、f r p 等) 。 3 ) 【丌r a n ：u l 订t s 无线接入网络【1 3 】，其具体结构如图2 1 所示。 二： 图2 1 i 玎r a n 组成框图 从图2 1 中可以看到：i r r r a n 由一个或几个r n s ( 无线网络子系统) 组成。一 个r n c ( r a d i o n e 咖r k c 0 仃0 1 1 盯，无线网络控制器) 和一个或多个n o d e b ( 基站) 又共同构成了一个r n s 单元。无线网络控制器r n c 与核心网c n 之间通过i u 接口相 连，n o d eb 与r n c 的接口是i u b 接口。u r r a n 内部i c 之间通过i u r 互连，实现时 既可以直接物理连接也可以通过传输网连接。r n c 主要用来分配和控制与之相连 或相关的n o d eb 无线资源，完成连接建立和断开、切换、宏分集合并、无线资源 管理控制等功能。具体完成： ( 1 ) 执行系统信息广播与系统接入控制功能； ( 2 ) 切换和r n c 迁移等移动性管理功能： ( 3 ) 宏分集合并、功率控制、无线承载分配等无线资源管理和控制功能。 n o d e b 通过标准的i u b 接口和r n c 互连，主要完成空中接口的l l ( 物理层) 处 理以及很小部分的l 2 处理。l 1 处理又分为码片级处理和符号级处理，完成扩频、 调制、信道编码及解扩、解调、信道解码功能等。另外，基站也需要执行部分关 键的无线资源管理操作，例如内环功率控制等。 2 1 2 基站内部结构分析 1 ) 基站逻辑结构 第二章w c d m a 系统及物理层处理 9 图2 2 是w c d m a 系统n o d e b 的逻辑结构示意图。 图2 2 n o d e b 的逻辑组成框图 由图2 2 可以看出：n o d cb ( 基站) 由下列几个逻辑功能模块构成：射频收发 系统( ) 、r f 收发放大、基带部分、传输接口单元、基站主控制单元。以下对该 图中的两大核心处理子系统进行说明。 基带处理子系统主要完成n 0 d e b 和i c 的i u b 接口功能，承担n o d c b 系 统的信令处理。具体来说，将完成u u 接口的基带处理部分功能；远程和本地的操 作维护功能；n o d e b 系统的工作状态监控和告警信息的上报功能。基带数字子系 统由主控时钟交换板c c s 、i u b 接口处理板i l a 、基带处理板b p 和基带射频接口 板r b l 组成。另外，系统的环境监控单元也可以看作是该子系统的模块范畴。 射频子部分主要完成以下功能：上行方向，对天线进入的l u 信号 ( 1 9 2 0 姗z 一1 9 8 0 姗z ) 进行放大、滤波、解调，经射频和数字中频处理后输出 基带的i 、q 支路信号：下行方向，对基带处理单元送来的基带i 、q 支路信号， 成形滤波后调制到射频信号( 2 1 l o m h z 一2 1 7 0 m ) ，通过线性功放激励放大后， 由天线发射到相应的扇区。射频子系统主要由收发信机模块1 1 u 、双工器模块 d d l 、线性功放模块u ，a 、射频测试模块i m 和塔顶放大模块1 a c 等组成。 2 ) n o d eb 的主要单板构成及功能 从以上对n 0 d eb ( 基站) 的两大子系统的介绍中可以看到基站内部的硬件一 般主要由c c s 主控板、b p 板、i n 板、皿，板等所组成，以下将对这些单板的 主要功能简要介绍： c c s ：全称是c 0 n 仃0 l & c l o c k & s w i t c h b o a r d ( 控制时钟交换板) ，提供二 层以太网交换功能，支持系统内部业务流和控制流的数据交换。主要完成i u b 接口 协议处理，执行基站系统中的小区资源管理、参数配置、测量上报；对系统进行 监测、维护；可以按照配置情况和多个外部时钟参考源同步，并且产生并分发内 部所需各种时钟信号。 j o w c d m a 系统基站信干比测量研究及实现 i 认：全称是i u b h t c 晌c co v 盯a t m ，是n o d eb 设备与i c 设备连接的 数字接口板，提供与i c 之间的物理接口，主要完成i u b 接口物理层功能、a t m 层功能、m 功能、从l 5 ，a a i 2 功能、和主控板之间的控制信息交互功能、和基 带板之间的业务信息交互功能、提取线路时钟并提供给主控板的时钟电路作为参 考时钟源，相应的0 a m 功能等。 b p ：全称是n o d ebb 硒c b a dp r o 懈s i l l gb o a r d ，是n o d eb 设备的基带处理 板，主要完成编码、译码、调制、解调、分集处理、压缩模式处理、多经搜索分 配、随机接入处理等物理层的处理。 t r ) ( i i ：全称是w c d m a n o d e bt r a n c c i v 盯u n i t ，它是n o d c b 系统上下行 通道的关键部分，主要用于实现基带及射频前端的连接，完成上下行信号调制解 调功能。它是系统的收发信板，上行完成r f 信号下变频、中频滤波、v g a 增益 调整、a d 变换、将上行r f 信号转换成基带信号等功能。下行完成中频信号上变 频、中频滤波、静态增益调整等，将下行基带信号转换成r f 信号等功能。同时完 成时钟处理，网口通信以及d d l ( 双工器模块) 的告警检测功能。 3 ) b p 板的构成及其功能 b p 板作为w c d m a 系统基站的核心处理单板，主要由基带c p u 处理芯片( m p c 8 2 7 0 ) 、一组下行处理单元和三组上行处理单元组成，负责完成物理层基带信号处 理工作。m p c8 2 7 0 【1 4 】是目前网络和通信领域应用非常广泛的一款通信处理器，芯 片上运行的软件为f p s 处理子系统，主要完成基带参数配置和管理。每个上行处 理单元又由c r a 和u l s r 两个d s p 以及一个基带解码芯片构成。其中c r a d s p 主要 完成上行码片级的处理，具体完成随机接入，多径搜索、多径管理等；u l s r 完成 上行符号级的处理，主要进行传输信道解复用、解速率匹配、合并无线帧、第一 次解交织、v i t e i b i 译码，r u r b o 译码、去c r c 校验比特等处理。下行处理单元包括 一个h s d p a 处理d s p 和d l s r 处理d s p 。h s d p a 处理d s p 主要完成h s d p a 的功能， d l s r 主要完成编码、调制等功能。下行处理单元的主要功能有：b p 板通过以太网 接收从i n 来的业务数据，按照主控板c c s 软件配置的参数，完成f p 下行帧处理、 编码复用、速率匹配、信道映射、扩频加扰、功率加权、信道合成功能、把发送 数据处理后送基带接口板r b i ，最终发送给移动台用户。 由于本篇论文讨论的主要是上行信号的处理，专用信干比测量的底层处理部 分都是在c l 认d s p 上实现的，所以下面主要介绍一下这块d s p 的相关情况。在第三 代移动通信系统w c d m a 系统中，为了能提供大容量和高质量的语音、可变速率 数据、图像等业务，无线空中接口的传输速率在室内环境最高要达到2 m b i 以，在 室外移动环境最高要达到3 8 4 k b i t s ，因此需要无线基站提供强大的基带信号处理能 力。具体来说，w c d m a 系统的基带处理对d s p 的要求是：首先从控制面上分析， 控制流内存空间需求大，实时性要求不高；其次从数据层面分析，数据流量大， 第二章w c d m a 系统及物理层处理 实时性要求很高，数据需要及时得到处理。鉴于此，作为通信核心设备的基站， 我们系统就选择了这种高性能的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 d s p i l ”。它的主频高达6 0 0 z ，硬 件结构如下：内部包括一个d s p 内核、一级数据c a c h e 、一级程序c a c h e 、二级存储 器、增强型d m a 控制器( e d m a ) 、t e r b i 译码协处理器( v c p ) 、，i 协。译码协处 理器( t c p ) ；对外接口包括两个外部存储器接口( e m a 和e m b ) 、主机接口 ( h p i ) 、p c i 接口、i ，t o p i a 接口、多通道缓冲串口( m c b s p ) 。d s p 内核采用超 长指令字( 。i w ) 体系结构，有8 个功能单元和6 4 个3 2 b i t 通用寄存器。一个时钟 周期同时执行8 条指令，运算能力可达到4 8 0 0 m 口s ( 每秒百万条指令) ，支持 8 ，1 6 3 2 6 4 b i t 的数据类型。两个乘法累加单元一个时钟周期可同时执行4 组1 6 1 6 b i t 乘法或8 组8 8 b i t 乘法，每个功能单元在硬件上都增加了附加功能，增强了指令集 的正交性。除此之外还增加了一些指令用以削减代码长度和增加寄存器的灵活性。 为使数据能保持对超快速d s p 内核的供给，该d s p 采用了两级超高速缓存器，即 1 6 l y t c 的一级数据c a c h e 、1 6 k b y t e 的一级程序c a c h e 和1 0 2 4 k b y t c 的数据和程序统 一内存。为了达到更大的扩展，1 0 2 4 k b y t e 内存中的2 5 6 k b y t e 存储空间可设置用 作二级c a c h e 。该d s p 在w c d m a 系统中实现的功能概括如下： ( 1 ) 实现3 g p p t s 2 5 4 3 3 系列协议规定的n b a p 消息上行部分的处理流程。 包括小区建立、小区删除、公共信道建立、公共信道删除、无线链路建立、删除、 增加、重配，公共测量、专用测量等流程。 ( 2 ) 完成3 g p p 协议规定的物理层上行接收功能。包括r a k e 接收、前导搜 索功能。 ( 3 ) 完成上行解调的算法功能。包括信道估计算法、能量估计算法、m r c ( 最 大比例合并) 等。 ( 4 ) 完成与上行测量相关的功能。包括物理信道b e r 、s 瓜测量、a c h o w l c d g c d p r a c hp r 锄b l 岱、往返时间测量等。 ( 5 ) 完成部分功率控制和分集接收功能。 2 2w c d m a 系统基站物理层处理 2 2 1w c d m a 系统物理层概述 物理层作为网络结构的最底层，它的结构不仅直接影响了无线链路的性能， 同时也决定了用户终端与交换设备的复杂度。 1 ) 物理层接口【1 6 j 物理层处于无线接口协议模型的最底层，它提供物理介质中比特流传输所需 要的所有功能。物理层与媒体接入控制层( m a c ) 及无线资源控制层( 1 汛c ) 的 接口如图2 3 所示。物理层与m a c 层实体相连，相互之间的通信是由物理层p h y 原 1 2w c d m a 系统基站信干比测量研究及实现 语来完成的，与汇层的接口相互间的通信是用原语c p h y 原语。 第三层 第二层 第一层 图2 3w c d m a 系统物理层接口不葸图 2 ) 物理层向上提供的服务 物理层通过m a c 子层的传输信道实现向上层提供数据传输服务，传输信道特 性由传输格式定义，传输格式同时也指明物理层对这些传输信道的处理过程。物 理层的操作严格按照无线帧的定时进行，传输块定义为能被物理层联合编码的数 据，传输块的定时与无线帧严格对应，每1 0 m s 或1 0 m s 的整数倍产生一个传输块。 一个u e 可同时建立多个传输信道，每个传输信道都有其特征。每个传输信道都可 为一个无线承载提供信息比特流的传输，也可用于l 2 和高层的信令消息传输。物 理层实现传输信道到相同或不同物理信道的复用，在当前无线帧中，传送格式组 合指示( t f c i ) 字段用于唯一标识编码复合传输信道中每个传输信道的传输格式。 3 ) 物理层主要功能 物理层主要功能包括：传输信道的f e c 编解码、向上层提供测量及指示( 如 f e r 、s 瓜、干扰功率、发送功率等) 、宏分集分布组合及软切换执行、传输信道 的错误检测、传输信道的复用、编码复合传输信道的解复用、速率匹配、编码复 合传输信道到物理信道的映射、物理信道的调制，扩频与解调，解扩、频率和时间( 码 片、比特、时隙、帧) 的同步、闭环功率控制、物理信道的功率加权与组合等。 2 2 2 基站物理层上行信号处理过程 1 ) w c d m a 系统上行信号处理流程 w c d m a 系统按链路数据的传输方向可分为上行链路和下行链路。上行链路 是指从移动台到n o d c b 的逻辑通路，下行链路是指从n o d e b 到移动台的逻辑通路。 上行链路在移动台侧的处理主要是对信号扩频、加扰，这样生成的信号通过调制 发射，经过无线信道到达n o d eb 侧。n o d eb 射频单元接收信号并经解调等处理后 再由基带处理板做进一步的处理，流程如图2 4 所示。 第二章w c d m a 系统及物理层处理 l 一! 竺l 图2 4w c d m a 系统上行信号处理流程 基带信号处理板的基带处理芯片对各个移动台用户的上行信号进行解扰、解 扩后得到的符号级数据，由d s p 做后续处理。其中d p c c h 信道上的经过衰落的导 频部分将由d s p 测量模块提取出来，用于信干比s 瓜的估算。一方面将信干比值向 高层报告；另一方面产生t p c 快速闭环功率控制命令，通过下行信号处理单元发送 给各个移动台。 ( 1 ) 专用物理信道帧结构 d p c h ( 专用物理信道) 分为d p c c h ( 专用物理控制信道) 和d p d c h ( 专用物理数 据信道1 。d p c c h 用于传输控制信息，如导频、t f c i ( 传输格式组合指示) 、t p c ( 传输功率控制) 等，而d p d c h 用于传输信号数据。这两个信道是通过i q 支路复 用的，也就是说在同一时刻它们是同时传送各自信息的。它们的传输以时隙为单 位，如图2 5 所示的是d p c c h d p d c h 帧结构图。在这个图中只画出了一个d p d c h 信道，实际中一个用户可能有多个d