（通信与信息系统专业论文）cdma2000无线接入系统的前向容量控制(1).pdf

_ 删嬲i _o_-_o_-_-_-_-_-_-_-_o_-_-_i_1lli_l，iiilll l i _ _ 11 l i 摘要 本文主要研究c d m a 2 0 0 0 无线接入系统的前向系统容量。首先对系统容量的 概念进行了明确和分析，比较了前、反向容量不同的受限因素，以及传统语音业 务系统和分组数据业务系统对于系统容量不同的要求和定义。提出了关于系统容 量分析的新观点，那就是：系统容量的分析必须以具体的业务模型和实际当中具 体的受限因素为基础。 对于传统的语音业务，系统容量追求的目标是系统的极点容量或爱尔兰容量 最大化。本文中，以c d m a 2 0 0 0l x 综合业务系统为例，建立了系统的前、反向容 量模型，并提出了改善前向容量的一种基于s i r ( s i g n a l t o i n t e r f e r e n c er a t i o ) 平 衡的前向动态门限的功率控制算法。 与语音业务不同，分组数据业务追求的目标是系统数据吞吐量最大化。本文 以c d m a 2 0 0 0l x e v d o 系统为例，分析了系统数据吞吐量的计算方法和影响因 素，并提出了能够提高系统前向吞吐量的前向数据p f 调度算法。该算法的特点 在于：在兼顾公平性的基础上，系统尽量为申请速率最大的用户服务，以此来提 高系统的前向链路数据吞吐量。 关键词：c d m a 2 0 0 0 系统容量功率控制数据调度 c d m a 2 0 0 0 无线接入系统的前向容量控制 a b s t r a e t a b s t r a c t t h er e s e a r c ha b o u tt h ef o r w a r d - l i n ks y s t e mc a p a c i t yo fc d m a 2 0 0 0r a d i oa c c e s s s y s t e mi sd o n ei nt h i sp a p e r 1 1 1 ec o n c e p t i o no ft h es y s t e mc a p a c i t yi sa n a l y z e da n d d e f i n e dd e t a i l e d t 1 1 ef o r w a r d l i n kc a p a c i t ya n dt h eb a c k w a r d l i n k c a p a c i t y a r e c o m p a r e d ，t h e na n a l y z et h ed i f f e r e n tp u r p o s ea n dm e a s u r e t oi n c r e a s et h es y s t e m c a p a c i t yo ft h e m an e wp e r s p e c t i v ea b o u ts y s t e mc a p a c i t yr e s e a r c hi sp u tf o r w a r d ：t h e r e s e a r c hm u s tb eb a s e do nt h ea c t u a ls e r v i c em o d e la n dp r a c t i c a li n f l u e n c i n gf a c t o r f o rs p e e c hs e r v i c e ，t h ep u r p o s ei st om a x i m i z et h eh i g h p o i n to rt h ee r l a n go ft h e s y s t e m i nt h i ss t u d y ，t h em o d e lo fm i x e ds e r v i c e ss y s t e mi se s t a b l i s h e d a n daf o r w a r d d y n a m i ct h r e s h o l dp o w e rc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do ns i rb a l a n c ei sp r o p o s e d i tc a n i m p r o v et h ef o r w a r d l i n kc a p a c i t yo fc d m a 2 0 0 0lxs y s t e m i n s t e a do ft h a to ft h es p e e c hs e r v i c e ，t h ep u r p o s eo ft h ed a t as e r v i c ei st om a x i m i z e t h ed a t at h r o u g h p u to ft h es y s t e m 。功cd a t as e r v i c ec h a r a c t e r i s t i c so fc d m a 2 0 0 0l x e v - d os y s t e ma n dt h ec a l c u l a t i n gm e t h o do fd a t at h r o u g h p u ta r ea n a l y z e dd e t a i l e di n t h i sp a p e r o nt h eb a s eo ft h a t ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h er e a l i z a t i o np r o j e e to f i n c r e a s i n gt h e f o r w a r dl i n kd a t at h r o u g h p u to ft h es y s t e m ：t h ep fd a t as c h e d u l e a r i t h m e t i co nf o r w a r dl i n k 1 1 1 e c h a r a c t e f i s t i e so ft h ed a t as c h e d u l ea r i t h m e t i co n f o r w a r dl i n ki st h a t ，c o n s i d e r i n gf a i r ，t h es y s t e mp r o v i d e ss e r v i c ef o rt h eu s e rw h o a p p l i e st h eh i g h e s td a t ar a t e ，i no r d e r t oi n c r e a s et h es y s t e mt h r o u g h p u to nt h ef o r w a r d l i n k k e y w o r d s ： c d m a 2 0 0 0 s y s t e mc a p a c i t y p o w e r c o n t r o ld a t as c h e d u l e c d m a 2 0 0 0 无线接入系统的前向容量控制 第一章绪论 第一章绪论帚一早 三百t 匕 1 1 移动通信的发展趋势 移动通信从2 0 世纪2 0 年代就出现了，但在近2 0 年来才得到飞速发展，移动 无线技术基本上是围绕着开辟新的移动通信频段、有效利用频率以及移动台的小 型化、轻便化而发展的，而有效利用频率技术的发展则是移动通信的核心。2 0 世 纪4 0 年代在美国开通了第一个移动电话系统。公众蜂窝移动通信的出现极大的改 变了人们的生活方式，近2 0 年来，移动通信用户数迅猛增长，网络的用户容量需 求大量增加。在市场和技术的推动下，移动通信得到了迅速的发展，成为了当今 通信发展的主流。 蜂窝移动通信仅仅是从7 0 年代才出现的名词，7 0 年代初，美国贝尔实验室提 出了蜂窝系统的概念和理论。第一代蜂窝移动通信系统于7 0 年代末诞生于美国贝 尔实验室，即著名的先进移动电话系统a m p s ，其后，北欧( 丹麦、挪威、瑞典、 芬兰) 和英国相继研制和开发了类似的n m t s 和t a c s 移动通信系统。仅仅几年 后，采用模拟制式的第一代蜂窝移动通信系统就暴露出了容量不足、业务形式单 一和话音质量不高等严重弊端，这就促使了对第二代蜂窝移动通信系统的研发。 第二代蜂窝移动通信系统( 2 g ) 采用数字制式，提供更高的频谱利用率、更好的 数据业务和通信质量以及比第一代系统更先进的漫游功能。典型的第二代蜂窝移 动通信系统包括居于主导地位的全球移动通信系统g s m 、美国i s 5 4 i s 1 3 6 与 i s 9 5 、日本p d c 等系统。其中i s 9 5 是美国电信工业协会t i a 于1 9 9 3 年确定的 美国蜂窝移动通信标准，它采用了q u a l c o m m 公司推出的c d m a 技术规范。1 9 9 5 年，第一个c d m a 蜂窝移动通信系统在香港开通，标志着c d m a 已经走向商业 应用。但是i s 9 5 的发展受到了美国联邦通信委员会f c c 的限制：要和a m p s 相 兼容，即带宽限制在a m p s 原有的频带框架内。因而i s 9 5 是一个窄带c d m a 系 统，只能提供非常有限的服务，还存在很多的不足。最近几年来，由2 g 提供的面 向语音的移动通信业务吸引了越来越多的用户，现在中国有超过4 亿( 2 0 0 5 年) 的用户使用手机，并且每年还以数千万的速度增长，2 g 的巨大成功对第三代移动 通信系统( 3 g ) 研发起着强劲的推动作用。 1 9 8 5 年，国际电信联盟l t u 提出未来公共陆地移动通信系统f p l m t s ，即第 三代移动通信系统，f p l m t s 后来被更名为i m t 2 0 0 0 。欧洲电信标准协会e t s i 也提出了通用移动通信系统u m t s 。i m t 2 0 0 0 和u m t s 的概念和目的非常相似， 均致力于在全球统一频段、统一标准、全球漫游、提供功能和质量与固定有线通 信系统相当的多种服务等。i m t 2 0 0 0 中最关键的是无线传输技术( r t t ) 。根据 2 c d m a 2 0 0 0 无线接入系统的前向容量控制 i t u r 建议m 1 2 2 5 ，截止1 9 9 8 年6 月底，i t u 征集到1 0 个地面接口r r r 标准， 分别来自欧洲、日本、美国、中国和韩国。 尽管i t u 在尽最大努力寻求标准的统一，但以欧美为代表的两大区域性标准 化组织3 g p p 和3 g p p 2 ，还是分别以w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 为基础形成了两大 格局。其中3 g p p 是由欧洲e t s i 发起的第三代伙伴计划，而3 g p p 2 是由美国a n s i 发起的另一个第三代伙伴计划。我国也于1 9 9 9 年4 月成立了无线通信标准研究组 c w t s ，并于1 9 9 9 年5 月正式加入了3 g p p 和3 g p p 2 。为了确定i m t 2 0 0 0r 订 的关键技术，i t u r 对多种无线接入方案( 卫星接入除外) 进行了艰难的融合，以 求达到尽可能形成统一的r t t 标准的目的。但是，经过一年多的研究之后，i t u 发现要想获得不同r t t 技术间的完全融合是根本行不通的。因此，1 9 9 9 年1 1 月， i t ut g 8 1 在芬兰举行的会议上通过了“i m t 2 0 0 0 无线接口技术规范”建议，最 终确定了i m t 2 0 0 0 可用的5 种r t t 技术，这些技术覆盖了欧洲与日本的 w c d m a 、美国的c d m a 2 0 0 0 和我国的t d s c d m a 。 w c d m a 是欧洲和日本提出的宽带c d m a 标准，并且双方已经达成一致， 彼此间差异很小。技术特点是频分双工，可适应多种速率和多种业务，上下行链 路快速功率控制，上行链路相干解调，支持不同载频间切换，基站之间无须同步， 适用于高速环境，是一种很有前途的方案。 c d m a 2 0 0 0 是北美基于i s 9 5 系统演变而来的。技术特点是上行链路相干接 收、下行链路发送分集，基站之间由g p s 同步，与i s 9 5 兼容性好，技术成熟、 风险小，综合经济技术性能好。 t d s c d m a 是基于t d m a 和同步c d m a 技术的标准，它采用了时分双工 ( t d d ) 方式，结合了智能天线和软件无线电等技术，适用于低速接入环境。这 是我国第一次向i t u 提出拥有自主知识产权的提案。 从提交的i m t 2 0 0 0r t t 的1 0 种侯选技术看，有8 种为c d m a 技术，也就是 说c d m a 技术在第三代通信系统中居于主导地位。在2 0 0 1 年3 月，日本率先进 行了w c d m a 的商用测试，并在同年年底，在全世界率先推出了3 g 业务，3 g 的从概念化模型到商用的整个过程的成功又促使我们去考虑下一代的移动通信系 统，虽然现在还没有下一代的移动通信网络( 4 g ) 的任何标准，但有一点可以肯定的 是下一代移动通信系统应该比3 g 提供更高的数据传输速率，现在有一种看法是 4 g 提供的数据传输速率应该达到1 0 1 0 0 m b s 。 自i s 9 5 面世以来，以q u a l c o m m 为代表的一些公司对c d m a 技术进行了大 量的理论研究和实地现场实验，结果表明，与传统的频分多址f d m a 、时分多址 t d m a 等无线多址技术相比，码分多址c d m a 技术具有许多明显的优势。其优点 如下： 第一章绪论 抗干扰能力强，特别是抗窄带干扰能力。由于扩频通信利用扩展频谱技术， 通过对干扰信号频谱能量加以扩散，对有用信号频谱能量压缩集中，因此在输出 端就得到了信噪比的增益。扩展频谱通信系统扩展的频谱越宽，处理增益就越高： 可检性低( l p i l o wp r o b a b i l i t yo fi n t e r c e p t ) ，不容易被侦破。由于扩频信号 在很宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率就很小，即信号的功率谱密度很低。 所以应用扩频码序列扩展频谱的直接序列扩频系统，可在信道噪声和热噪声的背 景下，在很低的信号功率谱上进行通信。信号既然被湮没在噪声里，敌方就很不 容易发现有信号的存在； 可抗多径干扰； 频谱利用率高，容量大( 可有效利用纠错技术、正交波形编码技术、话音激 活技术等) ； 具有测距能力； 软容量。c d m a 宽带通信系统是干扰受限的系统，用户数的增加会引起系统 性能的逐步变坏。在c d m a 系统中，当系统容量达到饱和时，可以通过以通信质 量变差作为代价来增加少量的用户，且当相邻两小区负荷一轻一重时，负荷重的 小区通过减少导频发射功率，则本小区的边缘用户由于导频强度不足而切换到相 邻小区，使负荷分担，即相当于增加了容量。 目前的移动通信系统正在由第二代向第三代过渡，从以话音业务为主的移动 通信系统过渡至话音业务和高速数据业务的混合业务移动通信系统。作为3 g 的重 要标准之一，c d m a 2 0 0 0 也在向着这个方向发展。 c d m a 2 0 0 0 标准是一项不断演进的标准，如图1 1 所示。c d m a 2 0 0 0 标准是 从最初的2 gc d m ai s 9 5 a 标准演进到2 5 g 的c d m ai s 一9 5 b 标准，然后再到 c d m a 2 0 0 0l x 标准，之后就出现两个分支：一个是c d m a 2 0 0 0 标准定义的3 x ， 即将3 个c d m a 载频捆绑以提供更高速数据；另一个分支是l xe v ，包括l x e v - d o ( 也称为h r p d ) 和l x e v - d v ，其中l x e v - d o 系统主要为高速无线分组数据业务 设计，l xe v - d v 系统则能够提供混合高速数据和话音业务。所有系列标准都向后 兼容。 在本文中，将分别介绍支持语音、集群、数据等业务的c d m a 2 0 0 0l x 语音综 合业务系统和以支持分组数据业务为主的c d m a 2 0 0 01 x e v - d o 系统，并以它们为 基础，分析c d m a 2 0 0 0 系统的容量问题。 4 c d m a 2 0 0 0 无线接入系统的前向容量控制 图i - ic d 眦2 0 0 0 标准演迸 1 2 系统容量概述 我们在很多文献和参考资料中可以看到这样的描述：容量被定义为一定频段 内所提供的信道或用户的最大数目；c d m a 系统是一个白干扰系统，它的系统容 量主要受到噪声干扰的限制，并给出了如下的系统容量分析模型， + l ： 其中百w 为处理增益，c c 为语音激活系数，厂为其他小区对于本小区的干扰因子， 最pf = 笔涨鬈，眦的值为比特能量和噪声功率谱密度之比。 这种最常见的系统容量的分析方法是针对反向语音业务容量定义的，因为在 c d m a 的发展初期，实际应用的语音系统主要是反向业务容量受限，所以系统容 量一词常被等效为反向语音业务容量。随着c d m a 系统的不断发展和业务种类的 不断增多，特别是高速数据业务的出现，这种传统的默认不再准确，而且会影响 大家对系统容量概念的正确理解，所以我们有必要在这里明确系统容量的概念， 以及影响它的因素。 定义c d m a 系统容量模型，首先需要确定存在那些方面的容量，从空中来看， 主要包括： l ，前向语音容量和数据容量。前向业务容量主要受限于基站的发射功率、干扰、 w a l s h 码。 2 ，反向语音容量和数据容量。反向业务容量主要受限于干扰。 呖 赢 幸 矽一r l i 第一章绪论 3 ，接入容量。主要受限于时间， 入消息就可以确定最大容量。 4 ，寻呼容量。主要受限于时间， 最大容量。 如果消息长度一定，根据单位时间能够收到的接 如果消息长度一定，根据单位时间就能确定寻呼 单个容量可以根据公式计算得到，系统容量需要考虑在不同的业务模型下， 哪些容量最先达到过载，则最先受限的容量就是该业务模型的系统容量。其中， 接入容量和寻呼容量只有在短时间内的接入和寻呼量很大时才会出现瓶颈，例如 集群业务等特殊的业务模型下。在实际应用中经常遇到的是前向和反向的语音和 数据容量受限，众多用于提高系统容量的技术手段也是针对前、反向业务容量提 出的，例如功率控制技术。要提高系统的容量，就要综合提高各种可能对系统容 量产生限制的瓶颈，例如同时提高系统的前、反向业务容量。 分组数据业务和语音业务对资源的需求具有截然不同的特点：语音业务相对 连续，对时延及时延抖动敏感，能容忍一定差错，前反向需求对称，q o s 等级相 对单一，追求的目标是系统的极点容量或爱尔兰容量最大化，由于二者具有相关 性，在本文中将只对系统的极点容量，即最大用户数进行分析；分组数据业务一 般有突发的特征，可以容忍时延及时延抖动，对差错敏感，前反向需求不对称， q o s 等级多，追求的目标是系统的吞吐量最大化。 正因为两种业务系统对容量的不同追求目标，本文才以两个典型系统为例， 进一步明确系统容量的概念，并给出了相应的提高系统前向业务容量的方法。 1 3 本文要完成的任务 本文主要研究c d m a 2 0 0 0 无线接入系统的前向系统容量，在以语音业务为主 的c d 凇0 0 0l x 综合业务系统和针对分组数据业务的c d m a 2 0 0 01 ) ( e v - d o 系统 下，对系统容量进行建模分析，并根据两种系统的不同特点，从c d m a 功率控制 和数据调度的角度，提出了提高系统前向业务容量的方法，并对结果进行了仿真 分析。全文可分为以下几个部分： 第一章，主要介绍移动通信系统的发展以及背景知识，c d m a 移动通信系统 容量的基本概念，论文研究开发的意义及论文的结构。 第二章，分析c d m a 2 0 0 0l x 语音综合业务系统的前、反向链路的容量极限， 考虑各影响因素下的容量模型；对语音、数据和集群业务混合系统的前向容量从 功率角度进行分析和探讨；对c d m a 关键技术之一功率控制进行介绍。 第三章，提出一种新的前向动态门限功率控制算法，与传统功控相比较，对 几种不同的前向功率控制算法进行仿真，并对比分析其对前向容量的影响。 6 c d m a 2 0 0 0 无线接入系统的前向容量控制 第四章，介绍l x e v - d o 系统和数据业务的特点，通过分析数据吞吐量的计算 方法和影响数据吞吐量的因素，得到使用调度算法可以有效提高系统吞吐量的结 论。 第五章，提出调度算法的详细设计方案，证明方案的可行性；在仿真环境上 实现算法，得到系统吞吐量的数据，表明方案的正确性；并得到不使用此算法时 系统吞吐量的数据。对比两种情况下的数据，得出结论，证明方案的有效性。 第二章c d m a 2 0 0 0l x 综合业务模型下的系统容量分析7 第二章c d m a 2 0 0 01x 综合业务模型下的系统容量分析 2 1c d i v l a 系统反向业务容量 2 1 1 单小区系统反向容量 假定所考虑的系统与所有其他形式的外部干扰隔离，是一个单一孤立的 c d m a 小区。先定义以下参数： s 接收到的有用信号能量，单位为w ； ，接收到的其他信号的能量( 干扰、别的多址用户、多径等) ， r 数据速率( 数据信号带宽用h ：表示) ，r = 1 t o ； 形用h ：表示的扩频带宽； 毛用w s e e 为单位表示的接收到的有用信号每比特的能量； 0 用w h z 为单位表示的等效噪声功率谱密度； 载波功率c 兰s = 磊乃= r e b ，基站接收机的干扰功率可定义为： 1 = w n o 那么，该基站特定的移动用户载干比的一般表达式为： 单位为w ； ( 2 - 1 ) 等= 篙= 错 p 2 ，一= = ： 一l l w n a w | r 、。 其中，e f f n o 的值为比特能量对噪声功率谱密度之比，w r 是系统的扩频处理 增益。设m 表示移动用户数，如果功率控制能使该基站接收到每一用户的能量相同， 那么，由m 1 个干扰源导致的干扰功率为( 忽略热噪声) ： i = c ( m - 1 ) ( 2 3 ) 以( 2 3 ) 式替代i ，载干比可表示为： 里=丽cic ( m = 击m1 ( 2 4 ) 一= 一= 一 4 l 一1 ) 一 、7 把( 2 4 ) 式中的c i 代入( 2 - 2 ) 中，可得c d m a 反向系统容量为： m m = 簧，去 ， 由此可见，c d m a 反向系统容量正比于处理增益。 c d m a 反向系统容量受同时占用同一频率的其他用户引起的干扰所限制，这 种干扰被系统的处理增益抵销一部分。因为降低基站接收到的干扰数量就等效为 容量上的增加，所以c d m a 系统能通过扩频处理增益降低干扰以增加容量。处理 c d m a 2 0 0 0 无线接入系统的前向容量控制 增益的得到基于以下过程：在c d m a 接收机中，干扰用户的信号连续分布在带宽 形中，而所选择的用户信号通过解扩移去扩频码后，接收机在选定用户的解扩带 宽( 基带带宽) 里进行滤波，这样就只允许所收到的干扰用户能量的一小部分通 过，达到去干扰目的。 研究表明，全双工语音的平均工作周期约为3 5 。因此，在数字系统里可以 降低传输速率或在语音停顿时使用间歇发送。因为在停顿时不是完全停止发送而 是降低速率，所以数字波形的有效工作周期接近4 0 或5 0 。如果c d m a 系统语 音发送信道的工作周期用变量口表示，则容量方程为： m 旦l ：堡j 二一1 ( 2 - 6 ) 。r e b n o re b | n oo 、j 反向容量方程基本上没有考虑天线的方向性。如果基站使用把小区分成几个 区域的定向天线，则每根天线只接收来自小区内的一部分干扰。实际中，接收天 线有大约1 5 的重叠覆盖区。标准做法是把小区分成三个区域，这样有效地增容 g = 3 0 8 5 = 2 5 5 ，相应的容量方程为： 膨堡j 二土g ( 2 - 7 ) re h | n o 2 1 2 多小区系统反向容量 多小区系统中，在确定一个特定的主小区的容量时，必须考虑到别的小区产 生的信号所引发的干扰。当然，这些干扰传输到主小区时引起的衰减，对所有的 多址方案而言都是一样的。在使用f d m a 的常规蜂窝系统中，基站接收机必须有 至少1 8 d b 的c i ，这样才能确保得到可接受的模拟语音质量。在典型的传播条件 下，为获得这样高的c i ，邻近的小区不能使用同样的频率，同样的频率只能在7 个单元之一中使用。这样，多小区f d m a 系统的容量与单小区f d m a 系统相比， 因为考虑7 个蜂窝而以7 的因数降低。 在c d m a 多小区系统中，反向链路的大多数干扰来自同一小区内的移动用户。 因此，多小区c d m a 系统的总干扰量并不比单小区的c d m a 系统大很多。 q u a l c o m m 公司进行的模拟试验表明，来自别的小区的干扰仅为基站收到的本小区 内部干扰的3 5 ，即f = o 3 5 。基于该信息，c d m a 容量方程应包含一个能表示其 他小区干扰的再用频率疋，容量方程修改为： 11 m 籍二二_ 二g 只( 2 8 ) r 毛n o 口 图2 1 和图2 2 反映了式( 2 8 ) 所示的反向容量在假设条件下，在理论上受口和 第二章c d m a 2 0 0 0l x 综合业务模型下的系统容量分析 9 疋的影响，引自参考文献【6 】。在图2 一l 中，假设条件为： e = o 6 5 ，只= - l _ ， i + ， g = 2 5 5 ，数据速率为1 4 4 k b p s 。图中实线和虚线分别表示扩频增益尸g ：1 2 8 和 p g = 8 5 3 时，随着语音工作因子a 的改变，c d m a 相对于f d m a 容量的提高( 通 过c d m a 改善因子来体现) 。在图2 2 中，假设条件为：口：0 6 5 ，g ：2 5 5 ，数 据速率为1 4 4 k b p s 。图中实线和虚线分别表示尸g = 1 2 8 和p g = 8 5 3 时，随着频率 再用效率疋的改变，c d m a 改善因子的变化情况。 从图2 1 可以看出，扩频增益尸g 的增加和正确解调接收信号所需e b ，n o 的减 小可以带来反向容量很大的提高，语音工作因子对容量的贡献也很大。从图2 2 可以看出，在扩频增益较大的情况下，频率再用效率凡对容量的贡献也很大。 秕 区 稚 憾 墨 8 ： 。 i-，l-i _ p q - 1 2 e 毛喁- 5 d 8 p q - 8 5 3 ； ，| k 黾 ，m - 0 一 、。7 z e l 憔一7 d b： 卜彳 皋 i 、4 、： ：- 、一| ；。- i 。 、 ：挚降： _ = ；， ；：7 - 、。 “。 = 乏“ 、- - “。、一一。= ： 0 3 50 40 a s 话音鞭皤因子谯 图2 一l 语音工作因子口对c d m a 系统容量的影响 为了接入一个呼叫，c d m a 移动台必须有足够的功率去克服处于同一频带内 其他移动台产生的干扰，也就是说，基站收到的信号必须达到一定的接收信噪比 要求。在任意给定时刻，移动台所需要的发射功率不仅取决于从移动台到基站的 路径损耗，而且取决于所有反向链路中总的干扰电平。 j i j ! 日 侣 竹 揪 盟 锄 憾 量 8 第二章c d m a 2 0 0 0l x 综合业务模型下的系统容量分析ll ( 3 ) 其它小区的干扰功率越小，反向链路容量值越大。 ( 2 - 8 ) 式所表示的容量称为极点容量，它代表一个理论上的最大值m 。= m 实 际上是达不到的，因为这个值是在理想功率控制及移动台发射机功率没有限制的 假设下得到的。虽然实际不能达到，但可以作为一个有用的参考点。小区负载可 以方便地表示为极点的部分值。负载因子定义为： 口：当( 2 - 9 ) n 。 2 2c d m a 系统前向业务容量 c d m a 系统的前向容量受限于干扰、功率、w a l s h 码等多种因素。对于单小区 系统，由于前向链路中向各移动台发送的前向业务信号由同一基站传送，调制码 ( 扩频码) 理想正交，所以各前向信道的信号是完全正交的，可以理想的认为各 信道之间只存在基本的多址干扰和从基站到移动台的多径干扰：对于多小区系统， 移动台特别是小区边缘的移动台，还受到其他基站的干扰，来自其他基站的干扰 成为了前向干扰主要部分。同时，前向容量还受到功率和w a l s h 资源的限制，特别 是功率受限的情况比较常见。 在目前的混合业务系统中主要有两种业务，话音业务和数据业务。另外值得 注意的是，利用c d m a 技术的数字集群通信系统已经实现，在未来的c d m a 系 统中，还会增加数字集群的群组呼叫业务和私密呼叫业务，其中私密呼叫业务在 发射功率和所受干扰方面与普通话音业务基本相同，在下面的讨论中将视为话音 业务。 由于数字集群通信的特殊性，以中兴的g o t a ( g l o b a lo p e nt r u n k i n g a r c h i t e c t u r e ) 为例，其中p t t ( p u s ht ot a l k ) 组呼业务通过在空中为每个群组建 立一个f s c h 信道传送话音数据，实现群组内功率共享。而每个用户的f f c h 信 道用于信令的交互，大多数情况只传送l 8 速率帧。所以在功率计算时与普通话音 业务业务有区别。 数据业务存在多种传输速率，为了方便推导，本文定义数据业务的等效速率 系数e e o e ： 数据业务平均速率 。“ 基本信道传输速率 其中，基本信道传输速率为9 6 k b p s 。 假设同一个小区内平均有m 个p t t 集群组呼群组，每个群组的平均组员数为 n p n 个，其中集群组呼群组间的私密呼叫因为在发射功率和所受干扰方面与普通话 1 2 c d m a 2 0 0 0 无线接入系统的前向容量控制 音基本相同，可视为普通话音。所以在语音、数据和集群通信p t t 群组呼业务的 混合业务中，基站发射机中功放发出的总功率可写成： i = p p l l + + n p p 一p l * r n v 嘶慨e 拢n 矿t m + m n 础x 淤 p 一 ( 2 - l o ) 式中匕，发射机导频信道功率； k 发射机同步信道功率； 发射机寻呼信道功率； 发射机业务信道功率，它的取值为向一个位f d , e 边界的移动台发 射的功率； 激活的寻呼信道数 叱话音业务用户数； 心埘数据业务用户数； 肼，叫t t 业务群组内平均组员数； m 小区内p ，丌业务群组数； 口，前向链路话音激活因子； 数据d a t a b u r s t 激活因子； 口脚，p t t 业务群组内语音激活因子； k 耐前向链路功率控制因子，k t r a f 0 同样的，式( 2 2 3 ) 、( 2 - 2 4 ) 和( 2 2 5 ) 也可以处理成如下的线性方程： 一c 州+ ，( 口2 一1 ) 一0 ，k k 阿 理) ，盯b ( 2 - 2 7 ) 其中 其中 其中 2 ( 尸g ) 眇( 巧) = 1 0 2 4 ( 巧) ( 2 - 2 8 ) 一c ，f 一只删+ c w ( 口3 一n p ) 一尺0 强：呵b ( 2 2 9 ) 口，= ( p g ) 脾( 巧) = 2 5 6 ( p 阳g q ) 一p p i t t ”憾一np p 口鸭+ 蜒4 一k l 呵n 、) p l 呵2 b ( 2 - 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) 口42 ( 尸g ) 呵i ( p , , q k r ) = 1 2 8 ( p m g k j ) ( 2 3 2 ) 1 6c d m a 2 0 0 0 无线接入系统的前向容量控制 在s n r 中考虑衰落容限m j 的因素，可有： p ，= p f 1 舻) ，l o ，_ ，= 1 1 2 ，3 ，4 ( 2 3 3 ) 同时，上面定义的o l l ，0 2 ，c t 3 和a 4 变为 口，= 焉- - = 器 p 3 4 ， q 2 孑丽巧面= 蔬 u q 叫 将以上方程组联立求解，可得到所满足信噪比的最低要求的线性方程组的矩 阵形式： 口l - 1 一l 一1 - 1 - 1 口2 1 一l - 1 一n p n p 口3 一n p n p k t 呵n k 呵n k 呵n i d c 一k t _ a f n p 口i t 该矩阵的行列式为： ：i 一三一三一一n p 一掣k 口：口，口。 l 口l口2口3口4j = h p ，+ 惫+ m 惫州高 ( 2 3 5 ) 丝车罂烨( 2 - 3 6 ) p i p2 p3 p 。氏l 由上式可得到解的约束为( 因为功率必须是正数) k l p l + 。瓦p 2 + 以瓦p 3 + 石p i 1 ( 2 3 7 ) 可得n 应满足以下条件： 墼k , r , 矿p4b 。一瓦p 2 一虬瓦p 3 ( 2 - 3 8 ) 也就是，混合业务的各业务用户数应满足如下约束条件： 0 【r n 。口l + o r d e c n 如l o + m 幢州+ n 刚x 印。一瓦p 2 一虬瓦p 3 p 3 9 ， 由上式分析可知，由于各信道处理增益值可确定，如式( 2 1 5 ) 、( 2 1 7 ) 和( 2 1 9 ) ， 所以混合业务系统前向容量主要受以下三个方面影响： ( 1 ) 第一个为前向链路功率控制因子为妒当移动台沿距离方向均匀分布时， 第二章c d m a 2 0 0 0l x 综合业务模型下的系统容量分析1 7 有铀= 南。其中，丫为传播损耗幂指数，通常在丫= 3 和f4 之间，因此在此 情况下局阿在0 2 和0 3 之间比较合适，而k = 0 5 则是一个保守值。 当移动台在面积上均匀分布时，有铀= 歹毛。此时，为阿在o 3 和o 4 之间 比较合适，而= o 5 仍是保守值。 ( 2 ) 第二个为前向链路总干扰功率因子k f o 前向链路总干扰功率因子由两部分 组成： k r = k 。e + k o i k r 在没有特定的多径信息时，通常估计k 1 ；对其他小区干扰功率的一个可行估 t 是k o 船，2 5 d b = 1 7 7 8 。故对嘭的估计可考虑巧= i + i 7 7 8 = 2 7 7 8 。 ( 3 ) 还有移动台接收到的前向各信道的e b n o t 应满足的最小值，i s 9 5 系统中 的常用值为：砌= 一1 5 d b ，岛。= p m = 6 d b 和肛可= 7 d b 。 2 3 功率控制概述 c d m a 是一个白干扰系统，功率控制的目的就是通过对基站和移动台发射功 率的限制和优化，力求以最小的发射功率达到所需的信噪比，最终达到最大的容 量和最优的系统性能。 从不同的角度来考虑，有不同的功率控制方法：从通信的上下行链路角度来 考虑，可分为反向功率控制和前向功率控制；从功率控制环路的类型来看，可以 分为开环功率控制和闭环功率控制；从平衡准则上划分，可以分为基于功率平衡 的功率控制和基于信噪比( s i r ) 平衡的功率控制；从实现功率控制的方法划分， 还可以分为集中式功率控制和分布式功率控制。 2 3 1 反向功率控制和前向功率控制 反向功率控制 在反向链路中，如果小区中的所有用户均以相同功率发射，则靠近基站的移 动台到达基站的信号强，远离基站的移动台到达基站的信号弱，导致强信号掩盖 弱信号，这就是移动通信中的“远近效应问题。因为c d m a 是一个自干扰系统， c d m a 2 0 0 0 无线接入系统的前向容量控制 所有用户共同使用同一频率，而且在反向链路，很难令从移动台来的所有接收信 号在基站处理想正交，所以“远近效应 问题更加突出。 由于c d m a 系统中某个用户信号的功率较强，对该用户被正确接受是有利的， 但却会增加对共享的频带内其它的用户的多址干扰，甚至淹没有用信号，结果使 其它用户通信质量劣化，导致系统容量下降。为了克服“远近效应”，必须根据 通信距离的不同，实时地调整移动台发射机的功率，使信号到达基站接收机的功 率或者s i r 相同，同时达到所需的s i r 以满足通信质量要求。通过调整，各用户 不论在基站覆盖区的什么位置和经过何种传播环境，都能保证各个用户信号到达 基站接收机时具有相同的功率或者相同的s i r 。 前向功率控制 对于c d m a 系统的前向链路，每个基站对小区内所有k 个用户发射信号，因此 每个用户的接收信号包括所需的信号和其它k - 1 个用户的多址干扰。对于单- d , 区 ( 不考虑相邻小区的干扰) 的情况，如果基站对每个用户的发射功率相同，则无 论用户在什么位置，其接收信号的s i r 都是l ( k 1 ) 。显然单小区的c d m a 系统不需 要前向功率控制。但对于实际c d m a 系统，用户不仅受到来自本小区基站的干扰， 而且受到周围小区基站的干扰，特别是小区边缘的用户受到很强的邻区基站的干 扰，即“边缘问题”。解决“边缘问题”的有效方法是前向功率控制。在前向功率 控制中，基站根据移动台提供的测量结果，调整对每个移动台的发射功率。其目 的是对路径衰落小的移动台分配较小的前向链路功率，而对那些远离基站的和误 码率较高的移动台分配较大的前向链路功率。 前向功率控制和反向功率控制的比较 前向功率控制通常采用功率分配和调整的形式，基站根据各用户的需要，分 配并调整给各用户的前向功率。它的主要目的是： l ，克服“边缘问题”，使整个服务区内的用户达到所需要的性能指标： 2 ，提供服务区内不相等负载小区间的负载分流； 3 ，在通信链路达到所需要的服务质量时，使基站的发射功率最小化。 反向链路功率控制是控制移动台的发射功率，克服“远近效应 。反向链路 功率控制的主要目的是： 1 ，使基站接收到的各移动台发射来的功率满足各通信链路要求的值； 2 ，在达到服务质量要求时，最小化移动台的发射功率，减少自干扰，同时延 长移动台电池的寿命。 第二章c d m a 2 0 0 0i x 综合业务模型下的系统容量分析1 9 2 3 2 功率控制准则 功率平衡准则的基本原理如下： ( 1 ) 功率平衡是指在接收端收到的有用信号功率相等。 ( 2 ) 对于上行链路，功率平衡的目标是使各移动台到达基站的信号功率相等。 ( 3 ) 对于下行链路，则是使基站到达各个移动台的信号功率相等。 信号干扰比s i r 平衡准则的基本原理如下： ( 1 ) s i r 平衡是指接收到的信号干扰比相等。 ( 2 ) 对于上行链路，s i r 平衡的目标是使到基站接收到的各个移动台的信号干 扰比s i r 相等。 ( 3 ) 对于下行链路，s i r 平衡的目标是使各个移动台接收到的基站信号的信号 干扰比s 瓜相等。 ( 4 ) 在单小区蜂窝系统中上行链路，当各个移动台到达基站的信号功率相等 时，所对应的信号干扰比s 取也相等。因此在单小区系统中，上行链路功 率平衡准则与s i r 平衡准则是等效的。 ( 5 ) 但在多小区蜂窝系统的上、下行链路中，功率平衡准则与s i r 平衡准则具 有不同的含义。 2 3 3 开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制 以最基本的反向功率控制为例，功率控制按环路可分为：开环功率控制、闭 环功率控制和外环功率控制。 c d m a 系统的每一个移动台都一直在计算从基站到移动台的路径损耗，当移 动台接收到从基站来的信号很强时，表明要么离基站很近，要么有一个特别好的 传播路径，这时移动台可降低它的发送功率，而基站依然可以正常接收；相反， 当移动台接收到的信号很弱时，它就增加发送功率，以抵消衰耗，这就是开环功 率控制。开环功率控制简单、直接，不需在移动台和基站之间交换控制信息，同 时控制速度快并节省开销。但在c d m a 系统中，前向和反向传输使用的频率不同 ( i s 2 0 0 0 规定的频差为4 5 m h z ) ，频差远远超过信道的相干带宽，因而不能认为 前向信道上衰落特性等于反向信道上衰落特性，这是开环功率控制的局限之处。 为了克服前向和反向链路上不相关的瑞利衰落，可以由基站检测来自移动台 信号的信噪比，并把它与一个门限值比较，根据比较结果在下行信道上向移动台 发送功率上升或功率下降的指令，移动台根据收到的指令来调节其发射功率，这 就是闭环功率控制。实现闭环功率控制的关键是产生、传输、处理和执行功率控 制指令的速度要快，以尽量跟踪上行链路的瑞利衰落。 c d m a 2 0 0 0 无线接入系统的前向容量控制 在闭环功率控制中，信噪比的门限值也不是一直恒定的，而是在外环功率控 制下动态变化的。所谓外环功率控制实际上是一种发生在基站内或基站与移动交 换中心之间的一种功率控制过程，它以直接影响话音质量的误帧率作为判决依据， 及时地作出上调或下调信噪比门限的指令。 在实际系统中，反向功率控制是由上述三种功率控制共同完成的。即首先对 移动台发射功率作开环估计，然后由闭环功率控