【正文】 于技術(shù)標準之爭。而如今在政府的支持和相關(guān)單位的共同努力下，TDSCDMA系統(tǒng)標準被國際電聯(lián)接受，成為第三代移動通信系統(tǒng)主流標準之一，這是我國通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個機遇。由于擁有TDSCDMA的自主知識產(chǎn)權(quán)，我國不但可以在建設(shè)第三代移動通信系統(tǒng)中節(jié)省近千億的資金，還可以用這項技術(shù)來支持民族工業(yè)的發(fā)展，一改近幾年我國移動通信運營業(yè)蓬勃發(fā)展，而制造業(yè)卻舉步維艱的局面。但是目前國內(nèi)乃至國際上為TDSCDMA系統(tǒng)搭建仿真平臺的還不多，國內(nèi)對TDSCDMA系統(tǒng)的仿真多基于某一局部或某些算法，國外多是基于WCDMA和cdma2000的仿真平臺。第二章 TDSCDMA系統(tǒng)簡介 TDSCDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)概述TDSCDMA系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與標準化組織3GPP制訂的UMTS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一樣的，所以TDSCDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型完全等同于UMTS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型[3]。如果從功能上看，可以分成一些不同功能的子網(wǎng)，主要包括無線接入網(wǎng)絡(luò)(Radio Access Network，RAN)和核心網(wǎng)絡(luò)(Core Network，CN)。UTRAN、CN與用戶設(shè)備(User Equipment，UE)一起構(gòu)成了完整的UMTS系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖21所示。用戶設(shè)備域進一步分為移動設(shè)備(ME)域和用戶業(yè)務(wù)識別模塊(USIM)域，其中移動設(shè)備域的功能是完成無線傳輸和應(yīng)用；用戶業(yè)務(wù)識別模塊域圖22 UMTS的域結(jié)構(gòu)包含用于確定身份的數(shù)據(jù)資料，一般存入智能卡中，它只與特定的用戶有關(guān)，而與用戶所使用的移動設(shè)備無關(guān)，體現(xiàn)了終端移動性和用戶移動性的分離。 UTRAN的基本結(jié)構(gòu)UTRAN是第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)中的無線接入網(wǎng)部分，其結(jié)構(gòu)如圖23所示。一個RNS由一個無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)和一個或多個基站(Node B)組成。在UTRAN內(nèi)部，無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)之間通過Iur互聯(lián)，Iur可以通過RNC之間的直接物理連接或通過傳輸網(wǎng)連接。圖23 UTRAN結(jié)構(gòu)圖無線網(wǎng)絡(luò)控制器RNC(Radio Network Controller，無線網(wǎng)絡(luò)控制器)用于控制UTRAN的無線資源。它在邏輯上對應(yīng)GSM網(wǎng)絡(luò)中的基站控制器(BSC)。基站Node B是UMTS系統(tǒng)的基站，即無線收發(fā)信機，通過標準的Iub接口和RNC互連，主要完成Uu接口物理層協(xié)議的處理。同時它還完成一些如內(nèi)環(huán)功率控制等的無線資源管理功能。 TDSCDMA物理層 物理層接口物理層處于無線接口協(xié)議模型的最底層，它提供物理介質(zhì)中比特流傳輸所需要的所有功能。物理層與MAC層實體相連，相互之間的通信是由物理層PHY原語來完成的，與RRC層的接口相互間的通信是用原語CPHY原語。物理層通過MAC子層的傳輸信道實現(xiàn)向上層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，傳輸信道特性由傳輸格式定義，傳輸格式同時也指明物理層對這些傳輸信道的處理過程。一個UE可同時建立多個傳輸信道，每個傳輸信道都有其特征。物理層實現(xiàn)傳輸信道到相同或不同物理信道的復(fù)用，在當(dāng)前無線幀中，傳送格式組合指示(TFCI)字段用于唯一標識編碼復(fù)合傳輸信道中每個傳輸信道的傳輸格式。系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)如圖25所示[5]。一個超幀長720毫秒，由72個無線幀組成，每個無線幀長10毫秒。每個子幀由7個業(yè)務(wù)時隙、下行導(dǎo)頻時隙(DwPTS)、上行導(dǎo)頻時隙(UpPTS)和保護時隙(GP)構(gòu)成。UpPTS的長度為160個碼片長度即125微秒，它是用戶終端的導(dǎo)頻信號，主要用作上行同步。在7個業(yè)務(wù)時隙中，第一個時隙Ts0總是被分配給下行鏈路，而第二個時隙Ts1總是被分配給上行鏈路，其余5個時隙則根據(jù)當(dāng)前上下行業(yè)務(wù)量需求進行靈活分配。TDSCDMA系統(tǒng)在TDD模式下，在周期性重復(fù)的時間幀里傳輸基本的TDMA突發(fā)脈沖(和GSM相同)，通過周期性地轉(zhuǎn)換傳輸方向，在同一個載波上交替地進行上下行鏈路傳輸。當(dāng)進行對稱業(yè)務(wù)傳輸時，可選用對稱的轉(zhuǎn)換點位置；當(dāng)進行非對稱業(yè)務(wù)傳輸時，可在不對稱的轉(zhuǎn)換點位置范圍選擇。在TDSCDMA中，一個物理信道就是在所分配的無線幀中某一個特定時隙中發(fā)送的一個突發(fā)(burst)，其結(jié)構(gòu)如圖26所示。在一個物理信道中，有前后兩個數(shù)據(jù)部分(352chips)和居中的一個訓(xùn)練序列midamble(144chips)，并在每個物理信道的最后有一個16chips長的保護間隔(GP)。因此數(shù)據(jù)部分中的數(shù)據(jù)比特先通過QPSK/BPSK調(diào)制為數(shù)據(jù)符號(Data Symbol)，然后再采用正交可變擴頻因子(Orthogonal Variable Spreading Factor, OVSF)碼對數(shù)據(jù)符號進行擴頻。Midamble訓(xùn)練序列是供多用戶檢測(聯(lián)合檢測或干擾抵消)進行信道估計時使用的，Midamble序列不進行擴頻和加擾。表21 TDSCDMA系統(tǒng)的基本參數(shù)參數(shù)值信道間隔碼片速率多址方式FDMA+TDMA+CDMA雙工方式TDD幀長無線幀10ms(子幀5ms)信道/載波48(對稱業(yè)務(wù))DS與MC方式單載波窄帶DS數(shù)據(jù)調(diào)制QPSK/8PSK(2Mb/s業(yè)務(wù))擴頻調(diào)制QPSK語音編碼8kb/(s?AMR)信道編碼卷積碼+Turbo碼基站發(fā)射功率最大43dBm移動臺發(fā)射功率33dBm小區(qū)覆蓋半徑~12km切換方式硬切換/軟切換/接力切換上行同步1/8chip續(xù)表 參數(shù)值相干檢測上行、下行：連續(xù)的公共導(dǎo)頻功率控制開環(huán)+閉環(huán)功率控制，200次/s多速率方案多時隙、可變擴頻和多碼擴頻基站間定時同步 TDSCDMA系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)TDSCDMA系統(tǒng)采用了智能天線、聯(lián)合檢測、同步CDMA、軟件無線電和動態(tài)信道分配等先進技術(shù)。下面對其關(guān)鍵技術(shù)進行簡單的介紹[3][6][7]。智能天線類似一個空間濾波器，發(fā)射機把高增益天線波束對準通信中的接收機，而接收機把高增益天線對準通信中的發(fā)射機，同時把零點對準其他干擾信號的入射方向，通過空間選擇性分集，大大提高接收靈敏度，減少不同位置同信道用戶的干擾有效合并多徑分量，抵消多徑衰落，這樣濾除同道干擾和多址干擾，從而提高接收信號的信噪比。它把所有用戶的信號都當(dāng)作有用信號處理，這樣可以充分利用用戶信號的擴頻碼、幅度、定時、延遲等信息，從而大幅度降低多徑多址干擾，但同時也存在多碼道處理過于復(fù)雜和無法完全解決多址干擾等問題。在用戶側(cè)，即使當(dāng)用戶的位置非?？拷鼤r，多用戶干擾問題仍很嚴重。TDSCDMA中的聯(lián)合檢測的高效率歸功于TDSCDMA是一個時域和幀控的CDMA方案。TDSCDMA采用的低碼片速率也有利于各種聯(lián)合檢測算法的實現(xiàn)。同步CDMA同步CDMA指上行鏈路各終端信號在基站解調(diào)器完全同步，它通過軟件及物理層設(shè)計實現(xiàn)，這樣可使使用正交擴頻碼的各個碼道在解擴時完全正交，相互間不會產(chǎn)生多址干擾，克服了異步CDMA多址技術(shù)由于每個移動終端發(fā)射的碼道信號到達基站的時間不同，造成碼道非正交所帶來的干擾，大大提高了CDMA系統(tǒng)容量，提高了頻譜利用率，還可簡化硬件，降低成本。由于移動終端的小區(qū)位置不斷變化，即使在通信過程中也可能高速移動，電波從基站到移動終端的傳播時間不斷變化，引起同步變化，若再考慮多徑傳播影響，同步將更加困難，一旦同步破壞，將導(dǎo)致通信阻塞和嚴重干擾。軟件無線電軟件無線電是利用數(shù)字信號處理軟件實現(xiàn)無線功能的技術(shù)，能在同一硬件平臺上利用軟件處理基帶信號，通過加載不同的軟件，可實現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)性能。對TDSCDMA系統(tǒng)來說，軟件無線電可用來實現(xiàn)智能天線、同步檢測和載波恢復(fù)等。采用DCA技術(shù)，能夠限制干擾、最小化信道重用距離，從而高效率地利用無線資源，提高系統(tǒng)容量；更重要的是，DCA技術(shù)能較好地適應(yīng)3G業(yè)務(wù)的需要，尤其是高速率的、上下行不對稱的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)。TDSCDMA系統(tǒng)結(jié)合了時分和碼分復(fù)用技術(shù)，使得資源分配的靈活性大大提高，同時資源的管理也變得更為復(fù)雜，且系統(tǒng)中使用了智能天線、聯(lián)合檢測和上行同步等先進的通信技術(shù)，使得動態(tài)信道分配技術(shù)成為TDSCDMA系統(tǒng)的一個非常重要的特征，也成為該系統(tǒng)提高性能和擴大系統(tǒng)容量的不可或缺的一種重要技術(shù)。第三章 仿真平臺說明 通信系統(tǒng)仿真技術(shù)概述實際的通信系統(tǒng)是一個功能結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，對這個系統(tǒng)做出的任何改變(如改變某個參數(shù)的設(shè)置、改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等)都可能影響到整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。通過仿真結(jié)果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統(tǒng)配置和參數(shù)設(shè)置，然后再應(yīng)用于實際系統(tǒng)中，這個過程就是通信系統(tǒng)仿真[8]。所謂靜態(tài)仿真也就是“快照式”仿真，其特點是激活的移動臺與小區(qū)的連接和位置關(guān)系固定；動態(tài)仿真系統(tǒng)能夠仿真系統(tǒng)運作過程，通過在連續(xù)時間上模擬移動臺在網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)來進行網(wǎng)絡(luò)分析。而動態(tài)系統(tǒng)仿真則用于評估各種無線資源管理算法的性能，對實際網(wǎng)絡(luò)中無線資源管理模塊的參數(shù)設(shè)置提供理論建議。鏈路級的仿真主要是檢驗不同RTT技術(shù)方案的性能，目前基本上采取的是時間流和數(shù)據(jù)流驅(qū)動的方式；系統(tǒng)級仿真的主要目的是根據(jù)鏈路級仿真的結(jié)果，檢驗系統(tǒng)級特性所帶來的頻譜效率。目前鏈路級仿真工具有COSSAP、System View和Matlab等，系統(tǒng)級仿真工具有OPNET、也可以使用Matlab的SIMULINK和NS(Network Simulator)等。通過針對各個領(lǐng)域的工具箱擴展和第三方軟件擴展，可將Matlab的使用領(lǐng)域擴展到非常專門化的研究領(lǐng)域。作為一個專業(yè)領(lǐng)域的研究者，只要掌握極其簡單的程序設(shè)計，調(diào)試和優(yōu)化，再熟悉Matlab函數(shù)在相應(yīng)領(lǐng)域的一個子集，就可以編寫相應(yīng)的仿真程序。SIMULINK是Matlab提供的主要工具箱之一，是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。其中，每個子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊，用戶也可以定制和創(chuàng)建自己的模塊。SIMULINK作為面向框圖的仿真軟件，具有以下的功能[11]：(1) 用方框圖的繪制代替程序的編寫。這三步可以在一個圖形界面上用鼠標和鍵盤來完成。首先，畫好了框圖并存起來，它就能自動建立起了仿真過程；其次，在運行時用戶可以不給步長，只給出要求的仿真精度，軟件會自動選擇能保證給定精度的最大步長，使得在給定的精度要求下系統(tǒng)仿真具有最快的速度。仿真器輸入信號可以是各種信號發(fā)生器；也可以來自一個設(shè)定的記錄文件；還可以來自MATLAB的工作空間(workshop)。在SIMULINK仿真中，框圖中的每個模塊在每個時間步長(time step)上執(zhí)行一次，也就是說，所有的模塊在每個時間步長上同時執(zhí)行，這種仿真被稱為時間流仿真[12]；而在MATLAB仿真中，函數(shù)按照數(shù)據(jù)流的順序依次執(zhí)行，這意味著處理的數(shù)據(jù)首先要經(jīng)過一個運算介，然后再激活下一個運算介。某些特定的應(yīng)用會要求采用這兩種仿真方式中的某一種。對仿真系統(tǒng)進行設(shè)計和仿真時，時間延遲是一個非常重要的參數(shù)?；跁r間流的SIMULINK框圖仿真和基于數(shù)據(jù)流的Matlab編程仿真各有所長，總的說來，基于時間流的仿真“實時”性好，也比較直觀；而基于數(shù)據(jù)流的仿真則需要編寫代碼，但可以比較靈活地控制仿真過程。本文采用的即是SIMULINK框圖和Matlab編程仿真相結(jié)合的模式。但這種仿真方法存在設(shè)計復(fù)雜度高、仿真運算量巨大、仿真時間長等限制因素，因此通過此方法實現(xiàn)大型系統(tǒng)仿真幾乎不可實現(xiàn)。無線鏈路通過Matlab軟件根據(jù)協(xié)議規(guī)定實現(xiàn)，其結(jié)果以外部文件形式提供給系統(tǒng)仿真平臺。圖31 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 鏈路級仿真鏈路級仿真的目的是建立一個可以驗證3G無線傳輸技術(shù)(RTT)鏈路性能的方法和仿真平臺。發(fā)射機模塊一般包括：傳輸信道處理和發(fā)射機前端兩部分，而傳輸信道處理子模塊一般包括信源產(chǎn)生、CRC加校驗、尾比特、無線幀均衡、信道編碼、分幀、幀間交織、速率匹配、傳輸信道復(fù)用、比特加擾、物理信道分幀、幀內(nèi)交織、子幀分割、物理信道映射。接收機模塊實際上是發(fā)射機模塊的反處理過程，包括接收機前端和傳輸信道反處理兩部分，其中接收機前端一般包括：信道估計、去噪聲后處理、聯(lián)合檢測等過程；而傳輸信道反處理部分是發(fā)射端模塊中傳輸信道處理的逆過程[15]。圖32 TDSCDMA鏈路級仿真框架圖 系統(tǒng)級仿真系統(tǒng)級仿真主要是根據(jù)鏈路級仿真的結(jié)果，檢驗系統(tǒng)級性能特性所帶來的頻譜效率，有動態(tài)和靜態(tài)兩種方法，本文采用動態(tài)系統(tǒng)仿真，仿真框架如圖33所示。它主要包括用戶移動模型、業(yè)務(wù)模型、衰落模型等。對于Macro地理拓撲結(jié)構(gòu)來說，進行系統(tǒng)級仿真時一般建議采用Wrap Around技術(shù)[18]，即處在仿真環(huán)境邊緣的基站和移動臺通過折疊的方式使周圍至少有兩圈的小區(qū)產(chǎn)生干擾，如圖34所示為采用全向天線時的小區(qū)拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)模型考慮19個宏蜂窩小區(qū)，處于研究區(qū)域邊緣的小區(qū)通過折疊等效的方法來模擬其所受的真實干擾大小。但是對于其他的圖35 Wrap Around技術(shù)示意圖18個小區(qū)來說，在其周圍沒有兩層小區(qū)環(huán)繞，這樣會影響上行干擾的計算[19]。當(dāng)用戶從現(xiàn)實小區(qū)進入某一虛擬小區(qū)時，我們可以假設(shè)他從19個現(xiàn)實小區(qū)中的某一邊重新進入19小區(qū)?，F(xiàn)在TDSCDMA系統(tǒng)只在幾個較大城市有應(yīng)用，根據(jù)文獻[18]我們選擇角度轉(zhuǎn)向移動模型。該移動模型的用戶聚集效應(yīng)比較明顯，所以可以較好的反映人口密集的街區(qū)的用戶移動特性。 仿真業(yè)務(wù)模型語音業(yè)務(wù)語音業(yè)務(wù)屬于一種實時業(yè)務(wù)，實時業(yè)務(wù)的呼叫產(chǎn)生是一個Poisson流。話音的持續(xù)時間服從均值為120秒的負指數(shù)分布。上、下行鏈路的激活期和靜默期相互獨立，持續(xù)時間均服從均值為3秒的負指數(shù)分布。圖36 語音業(yè)務(wù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型FTP業(yè)務(wù)對于FTP業(yè)務(wù)模型，很多文獻都認為，在一次FTP會話中，多數(shù)用戶只進行一次連接，即只進行一次文件下載。Ftp各狀態(tài)的分布情況如下：On(Data downloadperiod)：持續(xù)時間服從Pareto分布，表示ftp業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)下載時間。音頻流假定音頻源的發(fā)送速率恒定為144kbit/s。假定音頻流的持續(xù)時間服從均值為360s的指數(shù)分布[20]。這三種模型都可以通過公式化方式計算傳播損耗，對于3G系