（通信与信息系统专业论文）wcdma高速数据传输技术研究.pdf

南京邮电大学硕二l 论文摘要 摘要 第一代和第二代移动通信系统( 1 g 和2 g ) 开创了随时随地进行无线语音通话的个人 通信时代，而后日益增长的数据通信需求又催生出了第三代移动通信系统( 3 g ) 。3 g 标准 要求在车载、步行和静止三种不同环境下为用户提供1 4 4 k b i t s 、3 8 4 k b i t s 和2 m b i t s 的数 据传输速率。然而实践证明，基于c d m a 技术的3 g 无法满足目前移动互联网的要求。在 更先进的4 g 移动通信技术成熟之前，人们迫切需要对现有3 g 设备进行改进升级。 为了提高g s m 系统中数据传输速率，在g s m 向3 g 的演进过程中先后出现了g p r s 、 e d g e 、w c d m a 、h s p a 等多种高速数据传输技术。本文对这些技术进行了深入地分析， 并重点研究了目前全球应用最广泛的w c d m a 系统，从链路预算、覆盖半径、小区容量备 多个方面进行详细的研究。在比较各种多速率系统的基础上得出如下结论供进一步研究、 探讨：1 ) 在多用户情况下，上述技术能提供的实际数据速率和标称速率之间可能有较大 的差距。2 ) 囿于c d m a 系统自干扰限制系统容量，w c d m a 和h s p a 试图采用多码道捆 绑方式以提高速率的实际效果差强人意。3 ) t d m a 方式可能比c d m a 方式更适合大容量、 高速率的数据传输。 考虑到v o l p 、视频会话等实时业务时，上行链路容量将凸显不足，本文提出了一种适 用于w c d m a 的c d m a t d m a 上行链路改进方案。该方案在小区内选用码分多址的方式， 形成多个语音和低速数据码道，以及一个时分多址的高速数据码道；同时引入a m c 和自 适应异步h a r q 技术进一步提升系统性能。理论分析和仿真结果表明：该方案频谱和功率 利用率高，能够大幅提升上行链路的数据传输速率，更重要的是它易于实现，成本较低， 运营商现有大量3 g 设备有可能在其基础上平滑演进。 南京邮l u 人学硕1 j 论义ab s t r a c t a b s t r a c t a ne r ao f p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n st h a tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt r a f f i ci sa v a i l a b l ea n y t i m e a n da n y w h e r ei sc r e a t e do w i n gt ot h ef i r s ta n ds e c o n dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ( 1ga n d2 g ) a n dl a t e ro n ，3gi sa p p e a r e di no r d e rt om e e tt h eg r o w i n gd e m a n do fd a t a c o m m u n i c a t i o n s 3 gs h o u l dp r o v i d e1 4 4 k b i t sf o rv e h i c u l a rh i g hs p e e dt r a f f i c ，3 8 4 k b i t sf o r p e d e s t r i a nt r a f f i c ，a n d2 m b i t sf o ri n d o o rt r a f f i ca c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d s h o w e v e r , i nf a c t ，i ti s p r o v e dt h a tt h ed e m a n do ft h em o b i l ei n t e r n e tn o w a d a y sc a n n o tb em e tb y3gb a s e do nc d m a c u r r e n t3 ge q u i p m e n t sa r en e e d e dt ob eu p g r a d e du r g e n t l yb e f o r e4 gi sa p p l i c a b l e o nt h ee v o l u t i o no fg s mt o3 gg p r s ，e d g e ，w c d m aa n dh s p ah a v eb e e ne m e r g i n g s e q u e n t i a l l yf o rh i g h e rd a t ar a t e si ng s ms y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s e t e c h n o l o g i e s ，e s p e c i a l l yl i n kb u d g e t ，c o v e r a g er a d i u sa n dc e l lc a p a c i t yo fw c d m a ，i sw e l l a n a l y z e d ，a n dt h e n ，h e r ec o m e ss o m ec o n c l u s i o n sf o rf u r t h e rr e s e a r c h ：1 ) t h e r em a yb es h a r p c o n t r a s t sf o rm u l t i p l eu s e r s ，t os o m ee x t e n t ，b e t w e e nt h er e a ld a t ar a t e sa n dt h es t a n d a r do n e s 。2 ) i ti sd i s m a lt ob o n dm u l t i p l ec o d e dc h a n n e l ss oa st oi m p r o v ed a t ar a t e si nw c d m aa sw e l la si n h s p a ，a n da f t e ra l l ，i ti st h es e l f - i n t e r f e r e n c et h a tl i m i t st h ec a p a c i t yo fc d m as y s t e m 3 ) t d m ac o u l db em o r ec a p a b l eo ft r a n s m i t t i n gh i g hs p e e da n dc a p a c i t yd a t at h a nc d m a c o n s i d e r i n gt h ed e f i c i e n c yo fu p l i n kc a p a c i t y ，w h i t er e a l t i m et r a f f i cs u c ha sv o l pa n dv i d e o c o n v e r s a t i o n sa r ep o p u l a r , ap l a nt oi m p r o v et h eu p l i n kp e r f o r m a n c ei nw c d m an e t w o r ki s s u g g e s t e d i nt h i sp l a n ，m u l t i p l ev o i c ea n dl o ws p e e dd a t ac o d e dc h a n n e l sb a s e do nc d m a a c c o m p a n i e dw i t hah i g hs p e e dd a t ac o d e dc h a n n e lb a s e do nt d m aw i llb ef o r m e di no n ec e l l f u r t h e r m o r e ，a m ca n da d a p t i v ea s y n c h r o n o u sh a r q a r ei n t r o d u c e di n t ot h ep l a ni no r d e rt o i m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wv e r yh i g he f f i c i e n c y f o rb o t hs p e c t r u ma n dp o w e ra sw e l la sh i g hd a t ar a t e so nu p l i n k m o r e o v e r , i ti sp r o b a b l ya s m o o t he v o l u t i o nf o r3 ge q u i p m e n t sb e c a u s eo ft h ee a s ya n dl o wc o s ti m p l e m e n t a t i o n 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。 研名：绰 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。 虢啐新虢啦吼哟c 川 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 现代移动通信技术演进及发展趋势 自1 8 9 7 年马可尼实验室证明了运动中无线通信的可用性以来，移动通信技术取得了 飞速的发展。1 9 7 8 年美国贝尔实验室研究开发的模拟蜂窝移动通信系统高级移动通信 系统( a m p s ，a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ) 首先从技术上解决了频率资源和用户容量受限 制，无线电波传输受干扰等问题，标志着第一代( 1 g ) 移动通信系统的诞生。同时期应用 的移动通信系统还有：英国的e t a c s ( e x t e n d e dt 0 t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 、北 欧的n m t - 4 5 0 ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n e4 5 0 ) 和日本的n t t ( n i p p o nt e l e g r a p ha n d t e l e p h o n e ) 。它们的共同点是：用户的接入方式采用频分多址( f d m a ，f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 技术，调制方式为模拟调频。随着移动通信市场的大发展，模拟系统频谱 效率低，网络容量有限，保密性差等固有缺陷已经无法满足人们日益增长的通信需求【。 2 0 世纪九十年代初期研制成功的第二代( 2 g ) 数字蜂窝系统采用数字式时分多址 ( t d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 和码分多址( c d m a ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 以及数字调制等技术克服了模拟系统的诸多缺陷，有效地提高了频谱利用率和系统容量。 主要标准包括：19 91 年美国提出的d a m p s ( d i g i t a la d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ) 、19 9 2 年欧洲推出的g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 和19 9 3 年日本提出的p d c ( p e r s o n a ld i g i t a lc e l l u l a r ) ，尤其是美国高通公司提出的i s 9 5 也称n c d m a ( n a r r o w b a n d c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，具有容量大，软切换，抗干扰能力强等突出的优点。第二 代移动通信系统除了能提供语音业务之外，还能提供短信息等低速率数据业务，但是随着 用户数量的激增和人们对多媒体数据业务的需求日益增长，现有系统渐渐不能满足运营商 发展用户的需要【引。 第三代移动通信系统简称3 g ，又被国际电联( i t u ，i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n ) 称为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ni nt h ey e a r2 0 0 0 ) ，意指在 2 0 0 0 年开始商用，并工作在2 0 0 0 m h z 频段上的国际通信系统。与现有第二代移动通信系 统相比，第三代移动通信系统除了能提供更好的语音业务，还可以更方便的进行网页浏览、 收发电子邮件、视频点播等多媒体业务。当前3 g 技术有4 个主要标准：欧洲的w c d m a 、 北美的c d m a 2 0 0 0 和w i m a x 以及中国提出的t d s c d m a 。从目前的商用情况来看，3 g 仍然无法满足移动互联网日益增长的需求，还有很多需要改进的地方。2 0 0 9 年1 月7 日， 1 南京i | i i ；l u 大学颁i ：研究生学位论义第一章绪论 中国l f 式发放3 g 牌照，此时改进现有3 g 殴备，提升系统性能远比等待4 g 吏具有现实意 0 【3 1 【4 1 4 o 1 2 第三代移动通信系统高速数据传输技术现状 时至今同，电信行业最有价值的两张网络，一个是互联网，一个是移动网。而二者 的融合移动互联网将成为未来通信行业发展的主要方向l 川。发展移动互联网首先要突 破的就是移动通信网络高速数据传输中的带宽瓶颈，第三代移动通信系统肩负着这个使命 束到了人间。2 0 0 8 年4 月，t d s c d m a 网络在中国7 个奥运城市试商用；2 0 0 8 年9 月， 第一个w i m a x 网络在美国巴尔的摩讵式商用。至此，四大标准均获商用。遗憾的是， t d s c d m a 网络商用情况较差，w i m a x 叫好却不叫座，c d m a 2 0 0 0 的未来因高通放弃超 级移动宽带( u m b ，u l t r am o b i l eb r o a d b a n d ) 计划而变得渺茫起来，世界上最大的w c d m a 运营商和记黄埔，更是一再推迟其3 g 业务盈利预期1 6 。针对上述3 g 网络的现状，我们 认为3 g 标准有待完善，还需要进一步研究。通过研究w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 两个主要标 准的演进，分析它们所采用的高速数据传输技术，我们得出的结论是：对于高速数据的传 输，c d m a 制式由于存在较大的多址接入干扰( m a i ，m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ) ，其性 能逊于t d m a 制式， c d m a 2 0 0 03 x 标准的搁置以及c d m a 2 0 0 01 xe v - d 0 的成功商用恰恰 证明了这一点。所以，我们结合w c d m a 系统自身特性提出了一种适用于w c d m a 网络 的码分多址时分多址改进方案。下面首先简要介绍一下4 大标准的演进及其所采用的高速 数据传输技术。 1 2 1u m t s 高速数据传输技术 u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 是国际标准化组织3 g p p 制定的 全球3 g 标准之一。作为一个完整的3 g 移动通信技术标准，u m t s 并不仅限于定义空中接 口。它的主体包括c d m a 接入网络和分组化的核心网络等一系列技术规范和接口协议。 除w c d m a ( u t r a nf d d ) 作为首选空中接口技术获得不断完善外，u m t s 还引入了 t d s c d m a ( u t r a nt d d ) 。采用时分多址方式的数字式g s m 系统为了满足高速率多业 务的需求，有两种主要的演进方案一种是演进到w c d m a 再到h s p a 并进一步升级到 h s p a + ，另一种则是演进到t d s c d m a 系统，但- 2 者向4 g 的演进道路都选择了l t e ( l o n g t e r me v o l u t i o n ) 。所不同的是自仃者是l t ef d d ，而后者是l t et d d ，由于双工方式不同， 二者在帧结构上存在一定差异。本论文主要研究的是前一种演进方案，其具体演进路线如 2 南京邮i u 人学颂i ：研究生学位论义第一章绪论 图1 1 所剥8 】【4 5 】。 厂| e + d h g s m g p r s w c d m ah h s p a hh s p a + h l t ef d d l十 图1 - 1g s m w c m d a l t e 演进路线 g s m 标准化的第l 阶段只提供了数据业务基本的发送功能，在早期的网络中，一个时 隙下最大数据速率限制在9 6 k b i t s 。在r e l 9 6 中，首次提出了h s c s d ( h i g hs p e e dc i r c u i t s w i t c h e dd a t a ) 即高速语音电路交换数据的概念，被称为p h a s e 2 + ，它的速率显著增加。 h s c s d 采用新的信道编码技术，可以把一个时隙9 6 k b i t s 的传输速率提高到1 4 4 k b i t s ， 而且它具有将多个全速率语音信道进行共同分配的特性，进行多时隙捆绑至多可达 115 2 k b i t s 的传输速率。但在实际应用中，由于核心网和a 接口的限制，最多捆绑4 个时 隙，传输速率为5 7 2 k b i t s 。h s c s d 的目的是以单一的物理层结构提供不同用户速率的多 种业务的混合。它的好处在于能提供更高的数据速率并仍使用现有的g s m 数据技术，现 有g s m 系统稍加改动即可使用，但其数据速率上升空i 、日j 非常有限。h s c s d 的下一。个发展 阶段是g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) ，即通用无线分组业务。h s c s d 是一个可选 的阶段，g s m 可以跳过h s c s d 直接演进到g p r s 。g p r s 技术介于第二代和第三代之i b j ， 是一种2 5 g 技术。g p r s 是在现有g s m 网络基础上构建的一个新的分组交换网络，采用 i p 数据网络协议，空中接口以与现有g s m 网络相同的原则为基础并做适当调整。依据采 用的信道编码方式及分配时隙数，g p r s 空中接口可以提供最高达1 7 1 2 k b i t s 的数据速率。 由于g p r s 采用了分组交换、时隙动念分配技术，利用数据系统统计复用的原理和突发的 特点，克服了h s c s d 系统中“时隙捆绑”技术的空闲时隙没有充分利用的缺陷，但其速 率的上升空间还是很有限的。g p r s 可进一步演进为e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s m e v o l u t i o n ) 。e d g e 提供更高数据速率的全球演进技术，但是还没有达到3 g 的技术指标， 属于一种2 7 5 g 技术。它同样采用t d m a 技术，其帧结构与g s m 相同，通过采用不同的 调制和编码方案使每时隙可传速率范围扩大为8 8 k b i t s 5 9 2 k b i t s ，如果捆绑8 个时隙，数 据速率理论上最高可达到4 7 3 6 k b i t s 。这旱需要说明的是g r p s 和e d g e 的最高速率都是 该系统的极限速率，是只存在一个用户时所能提供的最大速率，他们所能提供的实际速率 要比极限速率小的多，我们将在第二章对g p r s 和e d g e 进行较为洋尽的分析。 南京邮i 【1 人学烦i j 研究生学位论文 第一章绪论 e d g e 也是一个可选阶段，g p r s 可以直接演进到w c d m a ，也可以从e d g e 演迸到 w c d m a 。这里需要说明的是我们研究的w c d m a 主要是指3 g p p ( 3 g e n e r a t i o np a r t n e r p r o j e c t ) 的r 9 9 版本，因为随后的r 4 版本的主要特征一是在核心网中实现了软交换的概 念，另一是正式在无线接入网系统中引入了t d s c d m a ，而在w c d m a 无线接口侧并无 多大改动f 8 】【9 】【1 0 】【l l 】。3 g p p 在之后的r 5 和r 6 版本中分别引入了h s d p a 和h s u p a 技术， 所以我们这罩就将w c d m ar 5 和r 6 版本分别称为h s d p a 和h s u p a 并统称为h s p a 。 w c d m a 系统对多速率、多媒体的业务是通过改变扩频比和多码传输( 码道捆绑) 的方式 以及减少纠错编码来实现的，理论上其所能支持的最高数据速率可以超过2 m b i t s ，满足 3 g 的要求。但是这一最高速率在实际的系统中也是很难实现的，其具体的性能将在第三章 进行分析。h s d p a 取消了功率控制，通过使用由n o d eb 控制的快速物理层( l 1 ) 重传合 并技术以及快速链路自适应等技术【1 0 】【1 2 】【1 3 】【1 4 1 【1 5 】f 1 6 1 来提高下行链路分组数据的吞吐量。据 资州1 2 1 【4 6 1 | 4 7 1 显示其下行速率最大能达到1 4 4 m b i t s ，h s u p a 采用近似的技术把上行速率提 升到约5 8m b i t s ，但是我们认为这两个速率都是系统在理想传播坏境且只存在一个用户的 情况下得到的极限速率，其实际的性能我们将在第四章进行分析。 1 2 2c d m a 2 0 0 0 高速数据传输技术 采用码分多址( c d m a ) 方式的数字式i s 9 5 系统为了满足高速率多业务的需求，在搁 置了c d m a 2 0 0 03 x 后，又出现了两种演进方案：一种是演进至l j c d m a 2 0 0 0l x 再进一步演进到 c d m a 2 0 0 0l xe v - d o ( e v o l u t i o n d a t ao n l y ，语音和数据使用不同载波) ；另一种是演进到 c d m a 2 0 0 01 x 再进一步演迸至q c d m a 2 0 0 01 xe v - d v ( e v o l u t i o n d a t a & v o i c e ，语音和数据使 用相同载波) 。而在上述两种演进方案中6 ，j 一方案已经大规模成功商用，而lxe v - d v 虽然 在2 0 0 2 年5 月由3 g p p 2 确定了其标准，但是到现在也没有商用，2 0 0 5 年f i j j q u a l c o m m 公司已 经宣命暂停e v - d v 芯片的开发【1 7 】。此外，2 0 0 6 年4 月5 同c d m a 发展组织( c d g ) 公布了 c d m a 2 0 0 0 最新的技术演进路线，如图1 2 所示。在最新的技术演进路线中也未提及e v d v 技术，对此，c d g 执行董事拉法格表示，实际上可以用e v d or e va 替代e v d v 1 8 1 ，可见 e v - d v 这个标准基本上也被搁置了，而e v - d o 则成为了主流发展技术。通过对e v - d v 标准 的研究，我们也的确发现e v - d v 标准还存在一些技术问题需要改进，其合理性和实用性不 如e v - d o 标准，可参见文献【悍】。下面结合图l 一2 对c d m a 2 0 0 0 演进系统中的几个技术进行一 下简单介绍。 4 南京i l j i j i 【1 人学坝i j 研究生学位论义 第一章绪论 现有的窄带c d m a 一般指i s 9 5 a 技术，它的数据传输速率一般为1 4 4 k b i t s ；为了能 够提供较高的数据传输速率，从1 9 9 9 年丌始采用了i s 9 5 b 技术，该技术采用码道捆绑方 式，利用现有的电路交换设备提供最高6 4 k b i f f s 的速率。c d m a 2 0 0 01 x 完全后向兼容i s 一9 5 ， 核心网增加了分组域以支持较高速率的分组数据业务，空中接口使用了6 向快速功率控 制、反向信道4 ：目干解凋、快速寻呼、t u r b o 码等关键技术，目的足改善无线传送的质量， 提高频谱效率及系统容量，c d m a 2 0 0 0l xr e l e a s e0 下行链路理论峰值速率为1 5 3 6 k b i t s 1 2 0 】。 c d m a 2 0 0 0l xr e l e a s ea 于2 0 0 0 年制定，增加了对新特性的信令支持，包括新公共信道、 q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 协商、增强鉴权、加密和并发业务功能，下行链路理论峰值速率 捉丁 到3 0 7 2 k b i t s 。 e i d s 哪ma o 佾n 偈e ：_ 一e d m a 2 0 0 0 f l l 则xe e v a s - e d 。o h i r x 出e v a s - e d a ohl r x e e e v a s - e d b o 1 9 9 9 年1 0 月2 0 0 0 年7 月2 0 0 0 年l o 月 2 0 0 4 年1 0 月2 0 0 6 年3 月 图1 2i s 9 5 - - c d m a 2 0 0 0l x - - c d m a 2 0 0 0i xe v 演进路线 无线接入部分是c d m a 2 0 0 0 系统中比较活跃的部分。为进一步加强c d m a 2 0 0 01 x 的竞 争力，3 g p p 2 从2 0 0 0 年丌始制定c d m a 2 0 0 01 x 的增强技术，即1 xe v 的午，j i 准。c d m a 2 0 0 0l x e v d o 技术采用不同的载波来分别传输话音和高速数据，话音采用c d m a 方式，而高速 数据采用t d m a 方式。l xe v d or e l e a s e0 版本下行链路支持平均速率为6 5 0 k b i t s 、峰值 速率为2 4 m b i t s 的高速数据业务。该方案主要来源于高通公司的高速数据( h d r ) 增强方 案，目自，j 已经完成了标准化工作。h d r 是一种针对分组数据业务进行优化的、高频谱利 用率的c d m a 无线通信技术，可在1 2 5 m h z 带宽内提供4 唪值速率达2 4 m b i t s 的高速数据 传输服务，已被3 g p p 2 接纳为c d m a 2 0 0 0l xe v d o 的唯一标准。2 0 0 4 年公布的i xe v d o r e l e a s ea 版本的前、反向峰值速率分别为3 1m b i t s 和1 8m b i t s ，该版本增强了q o s 控 制机制，减小了时延( 低传输时延、低切换时延) ，支持v o l p ( v o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 、 v t ( v i d e o t e l e p h o n y ) 等实时性、低时延业务。1 xe v d or e l e a s eb 标准已在2 0 0 6 年3 月发仃，该版本采用了多载波技术，前、反向峰值速率可达到7 3 5m b i t s 和2 7 m b i t s ( 捆 绑1 5 个载波) ，高通表示将在2 0 0 2 年推出商用芯片【2 0 】【2 2 1 f 18 】f 2 3 】。从c d m a 2 0 0 0 的发展路 线我们可以看出，该标准对于高速数据的传输采用的是独立载波的t d m a 方式而非c d m a 方式。 南京邮l 也火学顾l j 研究生学位论文 第一章绪论 1 2 3w i m a x 高速数据传输技术 w i m a x 全称为w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，即全球微波互联接入。 w i m a x 的另一个名字是8 0 2 1 6 。w i m a x 是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向 互联网的高速连接，数据传输距离最远可达5 0 k m 。w i m a x 还具有q o s 保障、传输速率 高、业务丰富多样等优点。w i m a x 的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向 的o f d m o f d m a ，a a s ，m i m o 等先进技术，下面简单介绍一下w i m a x 技术特点。 1 ) 链路层技术 t c p i p 协议的特点之一是对信道的传输质量有较高的要求。无线宽带接入技术面对同 益增长的i p 数据业务，必须适应t c p i p 协议对信道传输质量的要求。在w i m a x 技术的 应用条件下( 室外远距离) ，无线信道的衰落现象非常显着，在质量不稳定的无线信道上 运用t c p i p 协议，其效率将十分低下。w i m a x 技术在链路层加入了a r q 机制，减少到 达网络层的信息差错，可大大提高系统的业务吞吐量。同时w i m a x 采用天线阵、天线极 化来应对无线信道的衰落。这些措施都提高了w i m a x 的无线数据传输的性能。 2 ) q o s 性能 w i m a x 可以向用户提供具有q o s 性能的数据、视频和i p 电话。w i m a x 可以提供三 种等级的服务：固定带宽( c b r ，c o n s t a n tb i tr a t e ) 、承诺带宽( c i r ，c o m m i t t e dr a t e ) 、尽 力而为( b e ，b e s te f f o r t ) 。c b r 的优先级最高，任何情况下网络操作者与服务提供商以高 优先级、高速率及低延时为用户提供服务，保证用户订购的带宽。c i r 的优先级次之，网 络操作者以约定的速率来提供，但速率超过规定的峰值时，优先级会降低，还可以根据设 备带宽资源情况向用户提供更多的传输带宽。b e 则具有更低的优先级，这种服务类似于 传统i p 网络的尽力而为的服务，网络不提供优先级与速率的保证。在系统满足其他用户较 高优先级业务的条件下，尽力为用户提供传输带宽。 3 ) 工作频段 整体来说，8 0 2 1 6 工作的频段采用的是无需授权频段，范围在2 g h z 至6 6 g h z 之间，而 8 0 2 1 6 a 则是一种采用2 g 至l1 g h z 无需授权频段的宽带无线接入系统，其频道带宽可根 据需求在i 5 m 至2 0 m h z 范围进行调整。因此，8 0 2 1 6 所使用的频谱将比其它任何无线技 术更丰富。 遗憾的是，由于产业链等其它因素，主要电信设备制造商北电网络、阿尔卡特朗讯和 诺基亚在2 0 0 8 年和2 0 0 9 年相继减少或者停止了在w i m a x 领域的研发投入；同时，中国 6 南京i | j i j l u 人学f 呋j i ：究生学位论义第一帝绪论 工业和信息化部或是出于保护t d s c d m a 的考虑也禁止w i m a x 应用于移动通信。这些 都为w i m a x 技术的推广应用蒙上了厚厚的一层阴影。 1 2 4l 1 、e 未来移动通信技术的融合点 为了进一步提高数据传输速率、频谱利用率和用户吞吐量，也为了与新兴的移动通信 技术如w i m a x 竞争，在2 0 0 4 年1 2 月召开的3 g p pr a n 第2 6 次全会上，3 g p p 正式通过 了关于u t r a n 长期演进l t e 研究的立项，并于2 0 0 8 年初将l t e f 式列入3 g p pr 8 标准。l t e 介于第三代移动通信与第四代移动通信之i 、自j ，故而也被称作超3 g ( b 3 g ，b e y o n d 3 g ) 技术。它的目标是建立一个能够获得高速率、低时延、基于i p 化的可演进无线接入 结构。l t e 采用了f 交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 、多 输入多输出( m i m o ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 等关键技术，以期在至多2 0 m h z 带 宽上实现高达5 0 m b i t s 和1 0 0 m b i t s 的上下行速率。 l t e 下行链路采用q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 三种主要调制方式。多址方式为正交频 分多址接入( o f d m a ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s ) ，通常在o f d m 符号i ，j 面还需要加上足够大的保护i 日j 隔循环自，j 缀( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 来消除符号问干 扰( i s i ，i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，但循环前缀过长也会导致系统丌销加大，数据传输能 力下降。l t e 上行链路采用b p s k 、q p s k 、8 p s k 和1 6 q a m 四种主要调制方式，多址方 式为带循环静缀的单载波频分多址接入( s c f d m a ，s i n g l ec a r r i e r f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) ，之所以没何采用o f d m a ，是因为o f d m 调制会产生较高的峰均比 ( p a r ，p e a k t o a v e r a g er a t i o ) ，对终端放大器的线性度要求极高，会加大终端复杂度， 提高成本。 为了兼容f d d 和t d d 两种双工方式，l t e 支持t y p e1 和t y p e2 两种10 m s 的无线帧 结构，见图1 3 和图l 一4 。 图1 - 3 l 7 r et y p e1 帧结构 南京邮f 乜人学硕上研究生学位论文第一章绪论 式。 t y p el 帧由2 0 个0 5 m s 时隙构成，两个相邻时隙组成一个子帧，主要应用于f d d 方 一 l i h i h 一1 n 一 一 一l 州u l u i n s ir i i 吹= 5 m s- l 刊。隙 ；o 6 7 5 m s r 撑3 图 撑4 图群5 冈鼻6 图 撑o撑， 匡 撑2 d w p t sg p u p p t s 气， 翻日 - t d + 1 1 划 图1 - 4 l t e t y p e2 帧结构 t y p e2 帧专为u t r a nt d d 而设计，l 帧分成了2 个5 m s 的无线子帧，每个子帧分为 7 个时隙。同步和保护周期插在时隙o 和时隙1 之间，包括下行导频时隙( d w p t s ) 、保 护间隔( g p ) 和上行导频时隙( u p p t s ) 。每个时隙都包含一个小的空闲时隙可用于上下 行切换保护。下面简要介绍一下l t e 核心技术o f d m 和m i m o 。 o f d m 是多载波调制( m c m ，m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ) 的一种。其主要思想是：将信 道分成多个萨交子信道，将高速数据信号转换成多个并行的低速的子数据流，再调制到这 些子信道上进行传输，只要保证f 交性良好就可以大大减少子信道之i n j 的相互一厂扰。同时 由于子数据流速率较低，每个子信道上的信号带宽可以做到小于信道的相关带宽，因此每 个子信道上的衰落可以看成平坦衰落，从而消除了符号l 刈干扰。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，信道均衡相对容易实现。我们可以通过快速傅立叶反变 换( i f f t ，i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 和快速傅立叶变换( f f t ，f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 来分别实现o f d m 的调制和解调，其工作原理见图1 5 。 南京i | i i j l u 人学颂l ：研究生学位论义 第一幸绪论 发滤波器一并串变化三加謦前三i f f t 三串并变化 q 信道 一n ( c ) 收滤波器_ 串并变化：去叼前： 锹 图1 5o f d m 调制和解调实现框图 m i m o 系统最早由马可尼于1 9 0 8 年提出。在通信系统中，多径常常会造成衰落，因 而被视为有害因素。然而对于m i m o 来说，多径则可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统在收发端均采用多个天线，传输信息流s ( k ) 经过空时编码形成n 个子数据流t i ( k ) ， i = l ，n 。这n 个子数据流由n 个天线发射出去，经空| 、日j 多径信道后由m 个接收天 线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理，能够分丌并解码这些子数据流，从而实 现最佳的处理。值得一提的是这n 个子数据流占用相同频带，并未增加额外的带宽。对于 发射天线数为n ，接收天线数为m 的m i m o 系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，根 据香农公式，我们可以得出近似的m i m o 信道容量：c 。，m 。= m i n ( m ，n ) w l o g ：( 1 + s n ) ， 其中w 为信号带宽，s n 为接收端信噪比，m i n ( m ，n ) 为m ，n 中较小者。上式表明，功率 和带宽固定时，m i m o 系统的容量随天线数的增加而线性增加。可见利用m i m o 技术，在 不增加带宽和天线发送功率的情况下，系统频谱利用率和容量叮以成倍地提高。m i m o 系 统原理见图l 一6 。 需要指出的是m i m o 并不能克服频率选择性深衰落，而o f d m 恰恰可以解决这个问 题。同样单纯应用o f d m 也无法大幅度提高频谱利用率，由此可见m i m o 和o f d m 的结 合j 。是l t e 性能得以大幅提升的关键。 9 化变串并 f f t 南京j | i | i i u 人学硕l j 研究生学位论文第一章绪论 i s ( k ) 7 信 空 时 源 编 码 t n ( k )耵 、l ， s ( k ) ：传输信息t ( k ) ：发送子流r ( k ) ：接收子流 图1 - 6m i m o 系统原理框图 随着沃达丰，中移动等全球主要电信运营商纷纷选定l t e 作为4 g 演进之路，高通也 放弃了曾经力推的u m b 计划，倒向l t e 阵营。不久的将来，w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 三大主流3 g 标准将在l t e 阶段走向融合。 1 3 论文的主要安排 本文共分六章，第一章简要介绍了现代移动通信技术特别是第三代移动通信技术的演 进及未来的发展趋势；第二章介绍了基于g s m 核心网演进的g p r s 和e d g e 数掘传输技 术的特点以及物理层关键技术，并分析了它们实际的数据传输能力；第三章对w c d m a 系 统的性能进行分析，重点讨论的是无线网络规划，如：无线链路预算、小区覆盖模型及上 下行小区容鼍计算，并对其能否实现3 g 标准所要求的