第三代移动通信网络关键技术论文.doc
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1、第三代移动通信通信网络关键技术研究重庆通信学院电子信息工程 高文举摘要:我国第三代移动通信TD-SCDMA 系统的特点及其关键技术,TD-SCDMA系统在当今3G中的优势,简述其目前的研究状况,所面临的挑战及发展前景。 关键词:3G TD-SCDMA 智能天线 联合检测技术 软件无线电技术 功率控制技术 接力切换技术 多址技术 高效信道编译码技术TD-SCDMA移动通信系统概述TD-SCDMA标准是由中国信息产业部电信科学技术研究所(CATT)和德国西门子公司合作开发的。2000年的5月5日,在国际电信联盟(ITU)会议上,由信息产业部代表我国向ITU 提交的TD-SCDMA标准,被ITU正式
2、采纳,成为国际承认的3G系 列标准之一。TD-SCDMA是中国提出的第三代移动通信技术标准,其目标是要建立一个具有我国自主知识产权的”三高”即高技术、高灵活性和高经济效率的最先进的移动通信系统。什么是TD-SCDMA?TD-SCDMA,Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access,即时分同步的码分多址技术,是ITU正式发布的第三代移动通信空间接口技术规范之一,它得到了CWTS及3GPP的全面支持。TD-SCDMA集CDMA、TDMA、FDMA技术优势于一体、系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强的移动通信技术。它采用了智能天线、
3、联合检测、接力切换、同步CDMA、软件无线电、低码片速率、多时隙、可变扩频系统、自适应功率调整等技术。 TD-SCDMA为TDD模式,在应用范围内有其自身的特点:一是终端的移动速度受现有DSP运算速度的限制只能做到240km/h;二是基站覆盖半径在15km以内时频谱利用率和系统容量可达最佳,在用户容量不是很大的区域,基站最大覆盖可达304km。所以,TD-SCDMA适合在城市和城郊使用,在城市和城郊这两个不足均不影响实际使用。因在城市和城郊,车速一般都小于200km/h,城市和城郊人口密度高,因容量的原因,小区半径一般都在15km以内。而在农村及大区全覆盖时,用WCDMA FDD方式也是合适的
4、,因此TDD和FDD模式是互为补充的。TDD模式是基于在无线信道时域里的周期地重复TDMA帧结构实现的。这个帧结构被再分为几个时隙。在TDD模式下,可以方便地实现上/下行链路间地灵活切换。这一模式的突出的优势是,在上/下行链路间的时隙分配可以被一个灵活的转换点改变,以满足不同的业务要求。这样,运用TD-SCDMA这一技术,通过灵活地改变上/下行链路的转换点就可以实现所有3G对称和非对称业务。合适的TD-SCDMA时域操作模式可自行解决所有对称和非对称业务以及任何混合业务的上/下行链路资源分配的问题。TD-SCDMA的无线传输方案综合了FDMA,TDMA和CDMA等基本传输方法。通过与联合检测相
5、结合,它在传输容量方面表现非凡。通过引进智能天线,容量还可以进一步提高。智能天线凭借其定向性降低了小区间频率复用所产生的干扰,并通过更高的频率复用率来提供更高的话务量。基于高度的业务灵活性,TD-SCDMA无线网络可以通过无线网络控制器(RNC)连接到交换网络,如同三代移动通信中对电路和包交换业务所定义的那样。在最终的版本里,计划让TD-SCDMA无线网络与INTERNET直接相连。TD-SCDMA移动通信系统的主要特点1. 采用TDD模式TD-SCDMA系统的最大特点是采用了TDD模式。与FDD模式需要成对频谱相比,TDD上下行信道工作与同一频率上,通过不同的时间段来分割和区分上下行业务,其
6、灵活的上行下行切换点可实现非对称业务,最大限度地利用频谱资源,这是FDD技术所无法达到的。因此在数据业务上有很大的优越性:如对称业务(语音和多媒体)和不对称业务(包交换和因特网)等。因此,在同样的频率上,TD-SCDMA可支持更多用户,将为运营商带来更丰富的经济效益。2. 由于TD-SCDMA系统采用了低码片速率,其频宽仅为1.6MHZ,是其它两种技术所需频宽的1/3。从第一、二代移动技术频率逐渐向第三代过渡后,第一、二代频率谱会逐渐空出来,TD-SCDMA可重新利用原有的频带,只要满足一个载波的频段1.6MHZ就可以使用。TD-SCDMA因其频宽较窄的优势,加之可以“见缝插针”,灵活有效地利
7、用现有的频率资源,更容易采纳。3. 采用多项尖端技术一批尖端技术(如:联合检测 智能天线 同步CDMA 软件无限电等)在 TD-SCDMA中得到了充分的体现,而这些技术在W-CDMA和CDMA2000中是没有的。由于这些技术在未来第四代移动通信中是必须考虑,目前,其它两种技术正在向这些方面发展。由此可见,TD-SCDMA是极有前景的技术。TD-SCDMA移动通信系统关键技术 TD-SCDMA提案之所以被国际电信联盟接受,除了TD-SCDMA 具备CDMA TDD的所有特点外,还采用了以下关键技术。1. 多址技术 为了让用户能够共享一个资源,在公众移动通信系统中, 都设法利用各方面的资源,设计出
8、高效率的多址技术来满足要求。目前能考虑的资源是频率、时间和波形。而TD-SCDMA是FDMA、TDMA和CDMA这三种技术的综合。 此外,TD-SCDMA正在研究另一种多址技术:空分多址(SDMA)技术。SDMA是基于智能天线技术,用波束赋形来分隔不同方向的用户,使同一组资源可以在不同方向上复用。因而空分多址将可能成倍地提高系统地容量。2. 高效信道编译码技术 TD-SCDMA扩频技术在克服多径衰落以提供质量地传输信道方面有很好地作用,但却存在频谱效率非常低地缺点。因此3G系统必须采用另一个核心技术即信道编译码技术以进一步改善通信质量。现在用于克服衰落效应采用地主要技术是前向信道纠错编码和交织
9、技术。编码和交织都极大地依赖于信道地特征和业务要求,而且对于同一信道地不同业务也采用不同地编码和交织技术。3. 功率控制技术 在CDMA系统中,由于用户共有相同地频带,且各用户地扩频码之间存在着非理想地相关特性,用户发射功率地大小将直接影响系统地总容量,从而使得功率控制技术成为CDMA系统中最为重要得技术之一。CDMA系统有一套精确得功率控制方法,即开环、闭环和外环三种功率控制技术。开环功率控制用于确定用户得初始发射功率,或用户接收功率发生突变时得发射功率调节。闭环功率控制可较好地解决因上下行信道电波功率地不对称性。而精确性难以保证地问题,通过对接收功率测量值于信干比门限值地对比,确定功率控制
10、比特信息,然后通过信道把功率控制比特信息传送到发射端,并据此调节发射功率地大小。外环功率控制技术时通过对接收误帧率地计算,确定闭环功率控制所需地信干比门限。正是由于这些精确地功率控制,才使CDMA手机能保持适当地发射功率。 1 CDMA中功率控制的必要性如上所述,CDMA系统是干扰受限系统,因此为了提高系统容量,应尽可能的降低系统的干扰。功率控制技术可以减少一系列的干扰,这意味着同一小区内可容纳更多的用户数,即小区的容量增加。因此CDMA系统中引入功率控制技术是非常必要的。引入功率控制技术的目的如下 : (1)克服上行链路中的“远近”效应在上行链路巾,由于小区内用户的随机移动性,使各用户的移动
11、台与基站的距离不相同。若小区内的各用户发射功率相同,则到达基站后信号强度不一样,离基站近的用户比离基站远的用户信号强,这样在基站接收端就会产生以强压弱的现象。同时由于通信系统中的非线性,将进一步加强这一过程,使强的更强,弱的更弱和以强压弱的现象,这就是所谓的“远近”效应。(2)克服下行链路中的“角”效应在下行链路中,当用户移动台位于小区边缘交界处,它接收到所属基站的信号比较弱,但同时还会受到临近小区基站信号的较强干扰,特别是在六角形拐角边缘地区尤为严重,这就是所谓的“角”效应。(3)克服由于电波在传输过程中受到大型建筑物和相应障碍物阻挡造成的“阴影”效应带来的慢衰落;克服由于多径传播、空间选择
12、性衰落而引入的慢平坦衰落,它也可以称为窄带多径干扰。(4)克服多址干扰在CDMA系统中,由于所有的用户均使用相同频段的无线电信道和相同的时隙,用户间仪靠地址码的不同,即靠他们之间互相关特性加以区分。然而由于实际使用的扩频码互相关特性不理想,不能实现用户之间的理想隔离,那么用户间就存在着干扰,我们称这类干扰为多址干扰。MAI(多址干扰)是CDMA系统中最主要的干扰,功率控制是克服多址干扰的有效方法。因此,在CDMA系统巾,功率控制技术被认为是所有关键技术的核2 功率控制方法在CDMA系统中,功率控制技术从通信的上、下行链路角度考虑,一般可分为反向功率控制与前向功率控制:从功率控制环路的角度考虑,
13、一般可以分为开环功控和闭环功控。21反向功控与前向功控211反向功控反向功率控制又称为上行链路功率控制(uplinkPC),主要是移动台的行为,实时调整各移动台的发射功率,使本小区内的任一移动台无论距离基站多远,在信号到达基站接收机时刚好达到保证通信质量所需的最小信噪比门限,从而保证系统的容量。在CDMA系统中,反向功率控制方式主要有:开环功率控制、闭环功率控制以及外环功率控制。上行随机接入信道(PRACH)采用开环功率控制,具体发射功率由接收到的信号功率值与路径损耗值以及阴影损耗等确定,接收到的信号功率越高,移动台发出的功率越低;上行专用信道(DPCH)则是同时采用开环与闭环功率控制,其巾闭
14、环功率控制包括内环功率控制与外环功率控制,其中内环功率控制又称为快速功率控制,外环功率控制又称为慢速功率控制。信道的初始发射功率是由开环功率估计决定的,上行闭环功率控制主要是基站通过调整移动台的发射功率以保持接收到的上行信干比尽量靠近SIR目标值SIRtarget,每个小区的SIRtarget,都是由高层通过外环功率控制调整的 。212前向功控前向功率控制又称为下行功率控制,是,月来控制基站的发射功率,使所有移动台接收到的信号功率或者SIR基本相等。前向功率控制可以有效降低基站的平均发射功率,减小邻小区干扰,克服传输中的“角效应”。前向功率控制主要是指对下行专用信道的功率控制,包括专用物理数据
15、信道(DPDCH)与专用物理控制信道(DPCClI),而下行公共信道由于变化较慢,其功率控制主要靠外环功率控制来完成。22开环功控和与闭环功控2,21开环功控开环功率控制的基础是建立在上行链路与下行链路具有一致的信道衰弱情况上的。然而在实际的频分双工FDD系统巾,上、下行链路占有的频段要相距45Mllz以上,它远远大干信号的相关带宽。因此信道的快衰弱是完全独立和不相关。但是对于决定阴影效应的信道慢衰弱而言,这类不对称性的影响要相对小的多。而功率控制正是主要针对慢衰弱的。所以开环功率在实际巾仍被采用,但它的控制精度受到信道不对称的影响,而只能起到粗控的作用。对于TD-SCDMA时分双工系统,上、
16、下行链路占有相同的频段的不同时隙,这时上、下行链路是对称的,开环功率可以达到相当控制精度。开环功率控制的主要特点是不需要反馈信息,因此,在无线信道突然发生变化时,它可以快速响应变化,此外,它的功率调整动态范围大。但是正因此它没有反馈信息,使得开环功率调整不够准确。对此,需要应用后面介绍的闭环功率控制。222闭环功控闭环功率控制是指移动台根据基站台发送的功率控制指令(功率控制比特携带的信息)来调节移动台的发射功率的过程。基站测量所接收到的每个移动台的信噪比,并与一个门限相比较,决定发给移动台的功率控制指令的是增大还是减小它的发射功率。移动台接收到的功率控制指令与移动台的开环估算相结合,来确定移动
17、台闭环控制应发射的功率值。闭环功率控制是对开环功率控制的快速调整,它的调整速度足够快以便跟踪快衰落,因此,闭环功率控制是任何克服非对称的多径衰落有效方法中的决定性因素。闭环功率控制可以包括内环功率控制和外环功率控制。内环功率控制是指基站将接收到的反向链路信号水平与设定的门限相比较,确定反向链路发射功率的控制量,并通过前向专用功率信道发送给移动台;而外环功控指基站实时测量反向链路的帧质量,并据此修正内环功控中的信号水平门限值,从而克服由于多径效应和移动台速度等引起的控制偏差。3 IS一95与3G中功率控制技术的比较分析CDMA IS-95作为第二代移动通信系统的一个标准,其功率控制技术已经成功地
18、被商用,技术上也比较成熟,而且也得到了广泛的应用。CDMA IS-95是3G中功率控制技术的基础。IS-95中采用的功率控制方案,按方向可分为上行(反向)和下行(前向)功控,若按在功率控制过程中基站和移动台是否同时参与,又可分为开环(不同时参与)与闭环(同时参与)两类。IS-95中下行(前向)链路优于上行(反向)链路,这是由于下行采用同步码分体制,而上行采用的是异步码分体制。IS-95巾下行(前向)链路的功率控制技术是非重点,它可以采用较简单的慢速闭环功率控制方案。下行功控实质上是对下行功率的最优分配。IS-95中由于上行(反向)采用的是异步码分体制,其性能比同步码分的差,所以在功控要求方面要
19、高一点:上行(反向)功率控制方案由初控、精控与外环控制3个部分组成,即由开环、闭环与外环控制3部分组成。(1)cdma2000是从IS-95平滑过渡产生的,其技术与IS-95向下兼容,所以其功率控制技术绝大部分与IS-95一致。但是与IS-95不同的是,cdma2000中的800bps的快速功率控制不仪可以用于上行链路,也可以用于下行链路,这样上下两个方向上的功率控制速率都可以达到快速的800bps。cdma2000 lX中的业务按其无线配置可以划分为5类。其中,上、下行RC1与RC2分别兼容IS-95 AB,下行RC3,RC4,RC5,上行RC3,RC4,则为cdma2000 1X新开设的业
20、务。从前向通道来看,cdma2000 1X前向信道中的基本信道虽与IS-95中的前向业务信道基本相同,但基本信道的每种速率均增加了校验码CRC和相应的编码删除技术。其中导频信道、同步信道与IS-95相同,但增加了辅助信道,其最高速率可达306kbits。所以,在cdma2000 lX系统中的功率控制技术在前向信道中与IS-95有较大差别。(2)WCDMA仍属码分多址CDMA系列,因此该系统中的功率控制的基本原理、基本方法与IS-95大同小异。WCDMA与I S-95及cdma2000系列在功率控制方面的主要不同有:WCDMA功控方式包含两种类型: 非压缩模式与压缩模式,WCDA中的功控速率由c
21、dma2000中的800bps提高到1500bps,其抗平坦衰落能力显著提高。并且在WCDYLA中,高层网络更多地参与了功率控制过程。IMT-2000包括的各个体系(WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA其功控方案大同小异,都是从IS-95的原理方案发展出来的,只不过WCDMA将功率控制标准由功率平衡准则变为SIR平衡准则。 (3)TD-SCDIVIA为时分双工模式,信道采用时分。TD-SCDMA中的闭环功率控制和WCDMA及cdma2000两种方案大同小异,但由于上下行信道采用时分双工,而使上下行信道具有相同的衰落信道,利用这一点可以使TD-SCDMA的开环功控比其他两种方案有更好的
22、性能。4. 智能天线技术 从本质上来说,智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中地应用。智能天线系统由一个多天线、相干接收机和高级数字信号处理算法组成。与仅有一个固定波束地传统天线比较,智能天线能有效地形成多波束赋型,每一个波束指向一个特定地用户且能自适应地跟踪任何移动用户。如此特点使得在接收侧实现空间选择性分集,提高了接收灵敏度,减少了不同位置地同道用户地同道干扰,抵消了多径衰落和增加了上行容量。在发送时侧,智能地空间选择波束成形传送降低了输出功率要求,减少了同道干扰和提高了下行容量,从而提高系统容量。TD- SCDMA 目前所用的智能天线( SA) 实现了空分多址, 利用用户的来波方
23、向( DOA) 的不同来区分用户, 对无线网络的覆盖、容量均有影响。SA 是TD- SCDMA 的标志性技术, 目前TD- SCDMA 采用赋形波束智能天线, 通过“智能”部分产生多个赋形波束, 每个波束跟踪一个激活用户, 达到降低干扰、提高增益、增大覆盖和提高容量的效果。智能天线由多个天线组成的天线阵, 每一个天线后接一个加权器,即等价于乘以某一系数( 复数, 这样可以调节接收信号的幅度和相位) , 最后用相加器对每个天线接收的信号进行合并, 这种天线能完成空域处理, 如果在每个天线后接一个延时抽头加权网, 这样天线就能完成空域和时域的处理。智能天线是一种基于自适应天线原理的移动通信新技术,
24、 它结合了自适应天线技术的优点, 利用天线阵列对波束的汇成和指向控制, 产生多个独立的波束, 可以自适应地调整其方向图以跟踪信号的变化。接收时每个阵元的输入被自适应地加权调整, 并与其他的信号相加, 以达到从混合的棘手信号中解调出期望得到的信号并抑制干扰信号的目的, 它对干扰方向调零, 以减少甚至抵消干扰信号。智能天线的特点是能够以较低的代价换得天线覆盖范围、系统容量、业务质量、抗阻塞和抗掉话等性能的提高。4.1 上行空域滤波智能天线通常由M个空间分布的辐射阵元组成, 设天线的输入信号矢量表示为:X( t) =x1 ( t) , x2 ( t) , , xM ( t) 第k 个用户的加权矢量为
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