毕业论文终稿黎浩标.doc

设计（论文）题目利用宽带CDMA技术增加蜂窝系统容量研究学 院： 电子与信息工程学院 学生姓名： 黎浩标 专业班级： 08移动通信技术2班 学 号： 2008207232 指导教师： 闫云利 20 11 年 6月 6 日摘要 系统容量是衡量蜂窝移动通信系统性能的重要指标。本文介绍了蜂窝移动通信系统、宽带CDMA技术的特点及发展过程、几种多址方式的蜂窝移动通信系统容量比较，分析了宽带CDMA与GSM系统重叠覆盖时的蜂窝系统容量，通过计算得出用宽带CDMA系统与GSM系统进行频带共享，可以大大提高整个系统的容量的结论。 关键词 ：蜂窝系统；宽带CDMA；GSM；容量Abstract system capacity is the measure cellular mobile communication system performance is an important index. This paper introduces the cellular mobile communication system, broadband CDMA technical characteristics and development process, several multi-access way of cellular mobile communication system capacity comparison and analysis the broadband CDMA and GSM system overlapping coverage of cellular system capacity, the calculations with broadband CDMA system and GSM system bandwidth sharing, can greatly improve the whole system capacity conclusion.Key words: cellular systems;Wideband CDMA;GSM;capacity目 录摘要IAbstractII第一章 绪论1第二章 蜂窝移动通信系统22.1 蜂窝移动通信系统概念22.2 蜂窝移动通信系统的发展史22.2.1 第一代蜂窝移动通信系统32.2.2 第二代蜂窝移动通信系统42.2.3 第三代蜂窝移动通信系统5第三章 CDMA技术简介63.1 CDMA概念63.2 CDMA系统结构63.3 技术背景63.4 CDMA演进过程73.4.1 cdma200083.4.2 cdma2000-1X/EV8第四章 宽带技术124.1 宽带124.2 蜂窝宽带124.2.1 蜂窝宽带概述134.2.2 蜂窝宽带发展史13第五章 几种多址方式的蜂窝移动通信系统容量比较155.1 蜂窝移动通信系统的容量度量方法155.2 频分多址(FDMA)的小区容量155.3 时分多址(TDMA)的小区容量165.4 码分多址(CDMA)的小区容量175.5 结论18第六章 宽带CDMA与GSM系统的蜂窝系统容量196.1 宽带 CDMA与 GSM系统频带共享196.2 混合蜂窝容量分析196.2.1 容量分析模型196.2.2 GSM前向链路分析216.2.3 CDMA前向链路分析226.3 容量计算结果23结束语25参考文献26致 谢27第一章 绪论目前，在移动通信系统中应用的多址技术有三类，它们是频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。其中，CDMA技术已经被公认为是性能最优越、最具有发展潜力的技术。这主要是因为CDMA有着其它两种多址技术无法比拟的如下优点：固有的抗多径衰落能力；可以运用话音激活技术增加系统的容量、减小传输功率；具有软切换和软容 量的特性；系统容量大、保密性好、组网简单；适合与窄带系统共享频带等等。 在CDMA技术发展过程中，最先提出的窄带CDMA系统发展迅猛，短短几年就已经完成了从理论向商用产品转变的全过程，而稍后提出的宽带CDMA则更具有无限广阔的发展前景。宽带CDMA，由于更宽的带宽，使其具有更大的抗衰落能力，这就意味着在相同的输出功率下能提供范围更广泛的性能，或者在同样的覆盖范围下可降低功率要求，宽带CDMA的宽广频谱使它对于市区环境中的干扰和多径传播环境具有更高的抗干扰能力，在多蜂窝环境下能够提供更大的容量和更高的话音质量。另外，附加的带宽意味着有更大的能力支持更高带宽业务和提供更灵活多样的混合业务。 宽带CDMA与窄带CDMA的一个重要区别在于窄带CDMA只能在固定的125MHz带宽范围内有效，而宽带CDMA则可根据特定的应用需要使用不同的带宽，而且可以更好地与现有的任何窄带系统实现频带共享。这就为我们如何更充分地利用宝贵的频谱资源提供了一种思路。本文就是根据这一思路，应用宽带CDMA技术与现有的蜂窝移动通信系统进行频率共享，以求达到提高频谱利用率、增加整个蜂窝系统容量的目的1。 第二章 蜂窝移动通信系统2.1 蜂窝移动通信系统概念蜂窝系统也叫“小区制”系统，是将所有要覆盖的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可视用户的分布密度在110km左右。在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务，并可通过小区分裂进一步提高系统容量。这种系统由移动业务交换中心（MSC）、基站（BS）设备及移动台（MS）（用户设备）以及交换中心至基站的传输线组成。目前在我国运行的900MHz 第一代移动通信系统（TACS）模拟系统和第二代移动通信系统（GSM）数字系统都属于这一类。就是说移动台的移动交换中心与公共的电话交换网（就是我们平时所说的电话网PSTN）之间相连，移动交换中心负责连接基站之间的通信，通话过程中，移动台（比如手机）与所属基站建立联系，由基站再与移动交换中心连接，最后接入到公共电话网 。蜂窝式公用陆地移动通信系统适用于全自动拨号、全双工工作、大容量公用移动陆地网组网，可与公用电话网中任何一级交换中心相连接，实现移动用户与本地电话网用户、长途电话网用户及国际电话网用户的通话接续。这种系统具有越区切换、自动或人工漫游、计费及业务量统计等功能。这些功能将在以后中陆续介绍。目前模拟蜂窝移动通信系统主要用于开放电话业务。随着GSM数字蜂窝移动网的建设和发展，已逐步开放数据、传真等多种非电话业务。特点：用户容量大，服务性能较好，频谱利用率较高，用户终端小巧而且电池使用时间长，辐射小等等。新的问题：系统复杂、越区切换、漫游、位置登记、更新和管理、以及系统鉴权等等。2.2 蜂窝移动通信系统的发展史移动通信的发展历史可以追溯到19 世纪。1864 年麦克斯韦从理论上证明了电磁波的存在；1876 年赫兹用实验证实了电磁波的存在；1900 年马可尼等人利用电磁波进行远距离无线电通信取得了成功，从此世界进入了无线电通信的新时代。现代意义上的移动通信开始于20 世纪20 年代初期。1928 年，美国Purdue 大学学生发明了工作于2MHz 的超外差式无线电接收机，并很快在底特律的警察局投入使用，这是世界上第一种可以有效工作的移动通信系统；20 世纪30 年代初，第一部调幅制式的双向移动通信系统在美国新泽西的警察局投入使用；20 世纪30 年代末，第一部调频制式的移动通信系统诞生，试验表明调频制式的移动通信系统比调幅制式的移动通信系统更加有效。在20 世纪40 年代，调频制式的移动通信系统逐渐占据主流地位，这个时期主要完成通信实验和电磁波传输的实验工作，在短波波段上实现了小容量专用移动通信系统。这种移动通信系统的工作频率较低、话音质量差、自动化程度低，难以与公众网络互通。在第二次世界大战期间，军事上的需求促使技术快速进步，同时导致移动通信的巨大发展。战后，军事移动通信技术逐渐被应用于民用领域，到20 世纪50 年代，美国和欧洲部分国家相继成功研制了公用移动电话系统，在技术上实现了移动电话系统与公众电话网络的互通，并得到了广泛的使用。遗憾的是这种公用移动电话系统仍然采用人工接入方式，系统容量小。从20 世纪60 年代中期至70 年代中期，美国推出了改进型移动电话系统，它使用150MHz和450MHz 频段，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择及自动接入公用电话网。20 世纪70 年代中期，随着民用移动通信用户数量的增加，业务范围的扩大，有限的频谱供给与可用频道数要求递增之间的矛盾日益尖锐。为了更有效地利用有限的频谱资源，美国贝尔实验室提出了在移动通信发展史上具有里程碑意义的小区制、蜂窝组网的理论，它为移动通信系统在全球的广泛应用开辟了道路。2.2.1 第一代蜂窝移动通信系统1978 年，美国贝尔实验室开发了先进移动电话业务（AMPS）系统，这是第一种真正意义上的具有随时随地通信能力的大容量的蜂窝移动通信系统。AMPS 采用频率复用技术，可以保证移动终端在整个服务覆盖区域内自动接入公用电话网，具有更大的容量和更好的语音质量，很好地解决了公用移动通信系统所面临的大容量要求与频谱资源限制的矛盾。20 世纪70 年代末，美国开始大规模部署AMPS 系统。AMPS 以优异的网络性能和服务质量获得了广大用户的一致好评。AMPS 在美国的迅速发展促进了在全球范围内对蜂窝移动通信技术的研究。到20 世纪80 年代中期，欧洲和日本也纷纷建立了自己的蜂窝移动通信网络，主要包括英国的ETACS 系统、北欧的NMT-450 系统、日本的NTT/JTACS/NTACS 系统等。这些系统都是模拟制式的频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）系统，亦被称为第一代蜂窝移动通信系统或1G 系统。2.2.2 第二代蜂窝移动通信系统900/1800MHz GSM第二代数字蜂窝移动通信(简称GSM移动通信)业务是指利用工作在900/1800MHz频段的GSM移动通信网络提供的话音和数据业务。GSM移动通信系统的无线接口采用TDMA技术，核心网移动性管理协议采用MAP协议。 900/1800MHz GSM第二代数字蜂窝移动通信业务包括以下主要业务类型： 端到端的双向话音业务。 移动消息业务，利用GSM网络和消息平台提供的移动台发起、移动台接收的消息业务。 移动承载业务及其上移动数据业务。 移动补充业务，如主叫号码显示、呼叫前转业务等。 经过GSM网络与智能网共同提供的移动智能网业务，如预付费业务等。 国内漫游和国际漫游业务。 900/1800MHz GSM 第二代数字蜂窝移动通信业务的经营者必须自己组建GSM移动通信网络，所提供的移动通信业务类型可以是一部分或全部。提供一次移动通信业务经过的网络可以是同一个运营者的网络，也可以由不同运营者的网络共同完成。提供移动网国际通信业务，必须经过国家批准设立的国际通信出入口。 800MHz CDMA第二代数字蜂窝移动通信业务 800MHz CDMA 第二代数字蜂窝移动通信(简称CDMA移动通信)业务是指利用工作在800MHz 频段上的CDMA移动通信网络提供的话音和数据业务。CDMA移动通信的无线接口采用窄带码分多址CDMA技术，核心网移动性管理协议采用IS-41协议。 800MHz CDMA第二代数字蜂窝移动通信业务包括以下主要业务类型： 端到端的双向话音业务。 移动消息业务，利用CDMA网络和消息平台提供的移动台发起、移动台接收的消息业务。 移动承载业务及其上移动数据业务。 移动补充业务，如主叫号码显示、呼叫前转业务等。 经过CDMA网络与智能网共同提供的移动智能网业务，如预付费业务等。 国内漫游和国际漫游业务。 800MHz CDMA 第二代数字蜂窝移动通信业务的经营者必须自己组建CDMA移动通信网络，所提供的移动通信业务类型可以是一部分或全部。提供一次移动通信业务经过的网络，可以是同一个运营者的网络，也可以由不同运营者的网络共同完成。提供移动网国际通信业务，必须经过国家批准设立的国际通信出入口。2.2.3 第三代蜂窝移动通信系统 第三代数字蜂窝移动通信(简称3G移动通信)业务是指利用第三代移动通信网络提供的话音、数据、视频图像等业务。 第三代数字蜂窝移动通信业务主要特征是可提供移动宽带多媒体业务，其中高速移动环境下支持144kb/s速率，步行和慢速移动环境下支持384kb/s速率，室内环境支持2Mb/s速率数据传输，并保证高可靠服务质量(QoS) 。第三代数字蜂窝移动通信业务包括第二代蜂窝移动通信可提供的所有的业务类型和移动多媒体业务。 第三代数字蜂窝移动通信业务的经营者必须自己组建3G移动通信网络，所提供的移动通信业务类型可以是一部分或全部。提供一次移动通信业务经过的网络，可以是同一个运营者网络设施，也可以由不同运营者的网络设施共同完成。提供移动网国际通信业务，必须经过国家批准设立的国际通信出入口2。第三章 CDMA技术简介3.1 CDMA概念CDMA (Code Division Multiple Access) 又称码分多址，是在无线通讯上使用的技术，CDMA 允许所有的使用者同时使用全部频带(1.2288Mhz)，并且把其他使用者发出的讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞 (collision) 的问题。 CDMA的优点包括： CDMA中所提供的语音编码技术，其通话品质比目前的GSM好，而且可以把用户对话时周围环境的噪音降低，使通话更为清晰。 3.2 CDMA系统结构CDMA，就是利用展频的通讯技术，因而可以减少手机之间的干扰，并且可以增加用户的容量，而且手机的功率还可以做的比较低，不但可以使使用时间更长，更重要的是可以降低电磁波辐射对人的伤害。 CDMA的带宽可以扩展较大，还可以传输影像，这是第三代手机为什么选用CDMA的原因。就安全性能而言，CDMA不但有良好的认证体制，更因为其传输的特性，用码来区分用户，防止被人盗听的能力大大地增强。 目前CDMA系统正快速发展中。 Wideband CDMA(WCDMA)宽带码分多址传输技术，为IMT-2000的重要基础技术，将是第三代数字无线通信系统的标准之一。 3.3 技术背景CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。1995年，第一个CDMA商用系统（被称为IS-95）运行之后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。全球许多国家和地区，包括中国大陆、中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。在美国和日本，CDMA成为国内的主要移动通信技术。在美国，10个移动通信运营公司中有7家选用CDMA。到2006年4月，韩国有60%的人口成为CDMA用户。在澳大利亚主办的第27届奥运会中，CDMA技术更是发挥了重要作用。中国联通于2002年1月8日正式开通了CDMA网络并投入商用，2008年10月1日后转由中国电信经营，手机号段为133、153、189及尚未放号的180号段。女演员海蒂拉玛和她的作曲家丈夫定义Spectrum(频谱)的概念早在1942年。该专利提出了一个重要的概念“展布频谱技术”此后的这个思路带给了我们这个世界不可思议的变化。5年代，纽约州的Sylvania公司（台积电老板张忠谋在美国的第一份工作，就是在这家半导体公司）开始以海蒂和乔治的专利为出发点作相关的研发。后来在6年代，相关的展频（Spread Spectrum）技术出现了，美国军方也开始在军事通讯系统中使用展频技术。8年代冷战结束后，美国军方解除了对展频技术的管制，允许其商业化。然后在1985年，美国的一家小公司在加州成立，以展频技术为基础，研发出CDMAJI（Code Division Multiple Access）系统，这公司就是高通！ 3.4 CDMA演进过程 经过十多年时间的发展和改进，CDMA技术已经经过了多个发展阶段(见图3-1)。 CDMA 2000 3XCDMA 2000 1XIS95-B1X EV-DO1X -EV-DVIS-95A图3-1 CDMA发展阶段图一般认为，这两个移动通信标准属于第二代移动通信技术标准。IS-95A是1995年美国TIA正式颁布的窄带CDMA(N-CDMA)标准。IS-95B是IS-95A的进一步发展，于1998年制定的标准。主要目的是能满足更高的比特速率业务的需求，IS-95B可提供的理论最大比特速率为115kbit/s，实际只能实现64kbit/s。IS-95A和IS-95B均是系列标准，其总称为IS-95。 cdmaOne是基于IS-95标准的各种CDMA产品的总称，即所有基于cdmaOne技术的产品，其核心技术均以IS-95作为标准。 3.4.1 cdma2000 cdma2000是美国向ITU提出的第三代移动通信空中接口标准的建议，是IS-95标准向第三代演进的技术体制方案，这是一种宽带CDMA技术。 cdma2000 1X原意是指采用单载波形式的cdma2000系统，也可以理解为cdma2000的第一阶段，可支持308kbit/s的数据传输，网络部份引入了分组交换，可支持移动IP业务。 有人称cdma2000 3X为cdma2000第二阶段，实际上并不准确。它与cdma2000 1x的主要区别是前向CDMA信道采用3载波方式，而cdma2000 1X用单载波方式。因此它的优势在于能提供更高的速率数据，但占用频谱资源也较宽。从目前的情况来看，在较长时间内运营商未必会考虑cdma2000 3X，而会考虑cdma2000 1X/EV。 IS-2000则是采用cdma2000技术的正式标准总称。 3.4.2 cdma2000-1X/EV cdma2000-1X/EV是在cdma2000-lx基础上进一步提高速率的增强体制。这个技术也分为两个部分，一个被称为1X/EV-DO技术，主要对数据业务进行了增强，另一个叫做1X/EV-DV技术，同时对数据业务和语音业务进行了增强3。 CDMA系统的主要优点：CDMA系统采用码分多址的技术及扩频通信的原理，使得可以在系统中使用多种先进的信号处理技术，为系统带来许多优点。以下介绍了CDMA无线通信系统的几个显著特点。(1).大容量根据理论计算及现场试验表明，CDMA系统的信道容量是模拟系统的1020倍，是TDMA系统的4倍。CDMA系统的高容量很大一部分因素是因为它的频率复用系数远远超过其它制式的蜂窝系统，同时CDMA使用了话音激活和扇区化，快速功率控制等。决定CDMA数字蜂窝系统容量的主要参数是：处理增益、Eb/No、话音负载周期、频率复用效率和基站天线扇区数。若不考虑蜂窝系统的特点，只考虑一般扩频通信系统，接收信号的载干比定义为载波功率与干扰功率的比值，可以写成：=其中：Eb：信息的比特能量；Rb：信息的比特率；Io：干扰的功率谱密度；W：总频段宽度（这里也是CDMA信号所占的频谱宽度，即扩频宽度）；Eb/Io：类似与通常所说的归一化信噪比，其取值决定于系统对误比特率或话音质量的要求，并与系统的调制方式和编码方案有关；W/Rb：系统的处理增益。若N个用户共用一个无线信道，显然，每一个用户的信号都受到其它N-1个用户信号的干扰。假定到达一个接收机的信号强度和各干扰强度都相等，则载干比为： =或=若N>>1，于是=结果说明，在误比特率一定的条件下，所需要的归一化信噪比越小，系统可以同时容纳的用户数越多。应该注意这里的假定条件，所谓到达接收机的信号强度和各个干扰强度都一样，对单一小区（没有邻近小区的干扰）而言，在前向传输时，不加功率控制即可满足；但是在反向传输时，各个移动台向基站发送的信号必须进行理想的功率控制才能满足。其次，应根据CDMA蜂窝通信系统的特征对这里得到的公式进行修正。话音激活期的影响在典型的全双工通话中，每次通话中话音存在时间一般为40%。如果在话音停顿时停止信号发射，对CDMA系统而言，减少了对其它用户的干扰，使系统的容量提高到原来的1/0.35=2.86倍。虽然FDMA和TDMA两种系统都可以利用这种停顿，使容量获得一定程度的提高，但是要做到这一点，必须增加额外的控制开销，而且要实现信道的动态分配必然会带来时间上的延迟，而CDMA系统可以很容易地实现。(2).扇区化CDMA小区扇区化有很好的容量扩充作用，其效果好于扇区化对FDMA和TDMA系统的影响。小区一般划分为三个扇区，天线波束宽度一般小于120度，因为天线方向幅度宽而且经常出现传播异常，这些天线覆盖区域有很大的重叠，扇区之间的隔离并不可靠。因此，窄带系统在小区扇区化时小区频率复用并无改善。而对于CDMA系统来说，扇区化之后（采用方向性天线），干扰可以看成近似减少为原来的三分之一，因此网络容量增加为原来的三倍。(3).频率再用在CDMA系统中，若干小区的基站都工作在同一频率上，这些小区内的移动台也工作在同一频率上。因此，任一小区的移动台都会受到相邻小区基站的干扰，任一小区的基站也都会受到相邻小区移动台的干扰。这些干扰的存在必然会影响系统的容量。因此必须采取措施限制来自临近小区的干扰，才能提高系统的频率再用效率。(4).低的Eb/NoEb/No是数字调制和编码技术藉以比较的标准。由于CDMA系统采用很宽的信道带宽，可以采用高冗余的强纠错编码技术，而窄带数字系统由于信道带宽限制，只能采用低冗余的纠错编码，纠错能力也较低。因此，CDMA系统要求的Eb/No比窄带系统要低，降低干扰，扩大了容量。(5).软容量在FDMA、TDMA系统中，当小区服务的用户数达到最大信道数，已满载的系统再无法增添一个信号，此时若有新的呼叫，该用户只能听到忙音。而在CDMA系统中，用户数目和服务质量之间可以相互折中，灵活确定。例如系统运营者可以在话务量高峰期将某些参数进行调整，例如可以将目标误帧率稍稍提高，从而增加可用信道数。同时，在相邻小区的负荷较轻时，本小区受到的干扰较小，容量就可以适当增加。体现软容量的另外一种形式是小区呼吸功能。所谓小区呼吸功能就是指各个小区的覆盖大小是动态的。当相邻两个小区负荷一轻一重时，负荷重的小区通过减小导频发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度不够，切换到相邻的小区，使负荷分担，即相当于增加了容量。这项功能可以避免在切换过程中由于信道短缺造成的掉话。在模拟系统和数字TDMA系统中，如果没有可用信道，呼叫必须重新被分配到另一条候选信道，或者在切换时中断。但是在CDMA中，建议可以适当提高用户的可接受的误比特率直到另外一个呼叫结束4。第四章 宽带技术随着科学技术的发展及社会的进步，人类对物质和文化的需求不断提高，作为连接世界群体或个人之间桥架的网络必将走向全球化、统一化和宽带化。旧的网络基础设施一定要升级。由于网民们从事的工作和生活环境的不同，决定了接入网在相当长的时间内是多样化的，不公要将现有的窄带网升级到亚宽带(Wideband)和宽带(Broadband)，而且还要保留现有的窄带（PSTN和NISDN）。此外还要按照节省、有效的原则，选择适当的升级技术，包括升级现有双绞线的DSL，升级同轴结构的Cable Modem，无源光网ATMPON、无线和电力线接入。4.1 宽带 宽带，其实并没有很严格的定义，一般是以目前拨号上网速率的上限 56Kbps(Bits per Second，数据传输速率的常用单位)为分界，将 56Kbps及其以下的接入称为“窄带”，之上的接入方式则归类于“宽带”。宽带，从一般的角度理解，它是能够满足人们感观所能感受到的各种媒体在网络上传输所需要的带宽，因此它也是一个动态的、发展的概念。目前的宽带对家庭用户而言是指传输速率超过1M，可以满足语音、图像等大量信息传递的需求。 包括：光纤，xDSL（ADSl，HDSL），Cable ，ISDN（严格来说不算是宽带）。 FCC（Federal Communications Commission 全称美国联邦通讯委员会）2010年07月24日为“宽带”这个词语下了一个定义，FCC认为宽带意味着下载速率为4Mbps，上行为1Mbps，可以实现视频等多媒体应用，并同时保持基础的Web浏览和E-Mail特性。宽带网络可以分为三大部分：传输网、交换网、接入网。宽带网的相关技术也分为3类：传输技术、交换技术、接入技术。宽带传输网主要以SDH（同步数字系列）为基础的大容量光纤网络;宽带交换网是采用ATM（异步传输模式）技术的综合业务数字网；宽带接入网主要有光纤接入、铜线接入、混合光纤/铜线接入、无线接入等。 4.2 蜂窝宽带蜂窝宽带是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道连接起来，进而实现用户在活动中可相互通信。其主要特征是终端的移动性，并具有越区切换和跨本地网自动漫游功能。蜂窝移动通信业务是指经过由基站子系统和移动交换子系统等设备组成蜂窝移动通信网提供的话音、数据、视频图像等业务。 4.2.1 蜂窝宽带概述 在移动通信领域，目前为人们所广泛关注的热点技术即是第三代移动通信技术（3G）。与第二代移动通信系统相比，第三代移动通信技术最大的优势是能够向用户提供移动宽带数据接入，从而能向用户提供宽带多媒体业务。除了3G以外，从2G向3G演进的2.5G、2.75G移动通信技术也能向用户提供一定的宽带接入能力。由此，包括2.5G、2.75G、3G在内的能向用户提供一定宽带接入能力的蜂窝移动通信技术，归于宽带无线接入技术。 4.2.2 蜂窝宽带发展史蜂窝移动通信技术从发展到现在主要经历了三个阶段，即第一代、第二代和第三代蜂窝移动通信技术。第一代蜂窝移动通信技术是模拟蜂窝移动通信技术，以美国贝尔实验室开发的先进移动电话系统AMPS为典型代表。第一代蜂窝移动通信技术由于采用模拟技术和FDMA多址接入方式，在使用中暴露出很多弊端，如频谱利用率比较低、保密性差、只能提供低速语音业务、设备体积大成本高等，在实际中已经基本不再使用。 第二代移动通信技术是数字移动通信系统，采用数字调制技术，具有频谱利用率高，保密性好的特点，不仅可以支持话音业务，也可以支持低速数据业务，因而又称为窄带数字通信系统。第二代数字移动通信系统典型代表有美国的DAMPS系统、IS-95系统和欧洲GSM系统，其中DAMPS和GSM都采用TDMA多址接入方式，而IS-95采用则采用CDMA多址接入方式，系统容量比GSM和DAMPS要大的多。第二代数字移动通信技术是目前广泛应用的蜂窝移动通信技术，但由于只能提供窄带业务，已经不能满足人们越来越多的对于移动宽带多媒体业务的需求。第三代移动通信系统是宽带数字通信系统，它的目标是提供移动宽带多媒体通信，多址方式基本都采用CDMA多址接入，属于宽带CDMA移动通信技术。第三代移动通信系统能提供多种类型的高质量多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力并与固定网络相兼容。它可以实现小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类的通信。第三代移动通信技术的标准化工作由3GPP和3GPP2两个标准化组织来推动和实施。目前，在世界范围内应用最为广泛的第三代移动通信系统体制为WCDMA和CDMA2000。下面将对这两种体制的第三代移动通信技术以及相应的二代半过渡性技术进行介绍。 第五章 几种多址方式的蜂窝移动通信系统容量比较蜂窝移动通信系统使用的频谱是很有限的，因而如何最高实现频谱利用率，即通信容量最大,是蜂窝系统设计的一个重要方面。蜂窝系统的容量与多址方式有着密切的关系。由于容量不足和其它性能上的问题，第1代FDMA模拟蜂窝移动通信系统仅仅运行了几年，就被第2代TDMA数字蜂窝移动通信系统所替代。随着第2代系统的推广普及，用户数的增长速度随之加快，对系统容量的需求也日益加大。1993年，美国研制的IS95空中接口标准下的窄带CDMA蜂窝移动通信系统投入使用，成为与TDMA并驾齐驱的数字蜂窝系统。5.1 蜂窝移动通信系统的容量度量方法通信系统的通信容量可以用不同表征方法进行度量。对蜂窝移动通信系统而言，因为信道在蜂窝中的分配，涉及到频率再用和由此产生的共信道干扰问题，因而系统的通信容量用每个小区的可用信道数进行度量比较合适。每小区的可用信道数即每小区允许同时工作的用户数(小区容量)越大，系统的通信容量也越大。此外，还可以用每小区的爱尔兰数、每平方公里的用户数以及每平方公里每小时的通话次数等进行度量。当然这些度量方法之间是可以相互转化的。本文的容量度量以每小区可用的信道数为度量方法。5.2 频分多址(FDMA)的小区容量FDMA方式是把通信系统的总频段划分为若干个等间隔、互不交叠的频道分配给不同的用户使用，每个频道的宽度都能传输一路话音信息，在相邻频道间无明显的串扰。把系统中的小区划为区群，每个区群有K个小区。再把总频段W分成U=W/B(B是频道宽度)个频道，把它们互不重复地分成K个频组，指配给一个区群的K个小区使用。利用蜂窝区群结构的频率复用特点，U个频道在蜂窝结构的不同区群中被重复利用，这样能同时通话的用户数，即每小区的用户数会大幅增加。在总频率资源和用户信道带宽M给定的前提下，区群内的信道数是一定的，所以小区的容量就取决于区群内所含的小区数，即小区数K越小，小区内的频道数M/K就越大。但是小区数K越小，相邻区群之间的地理位置靠得越近，同频(共道)小区之间存在的同频(共道)干扰就越大。因此小区数目受制于同频小区的共道干扰。在模拟蜂窝系统中，一般要求接收端载干比(C/I)大于等于18dB，这时解调后的基带信噪比(S/N)可达38dB，能满足通信话音质量的要求。令小区半径为R，D为相邻同频小区间距离，C为信号的载波功率，路径损耗因子一般取4。I为总的共道干扰，Ii为每一同频小区的干扰，有，假设只考虑蜂窝系统的第一层同频小区的干扰，有L=6，则I=6 D，于是可得到：式(1)中，q=D/R，是六边形蜂窝结构的共道再用因子，它与区群内小区数K的关系为： 把上面对模拟系统的要求C/I18dB，代入(1)，有1/6q63.096，由(2)可得K6.48，实际应用中K一般取7，即7小区区群蜂窝系统结构。这样在7小区区群蜂窝结构中的小区容量为：W/(KB)=M/KW/(B(2C/3I)1/2)=M/(2C/3I)1/2。 (3)例如总带宽W=25MHz，信道带宽B=30kHz，小区半径为1km，则区群总信道数U=W/B833，在7小区区群蜂窝系统结构的通信系统中小区容量为U/7=119 (结果1)。由于共信道干扰的存在，为了满足系统所要求的载干比，K不能任意小。但也可采用小区基站使用定向天线以减少共道小区的相互干扰等方法来减少K，提高小区容量。5.3 时分多址(TDMA)的小区容量TDMA方式是把时间分割成周期性不交叠的帧，每一帧再分割成若干个不交叠的时隙，再根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内按指定的时隙发送信号；在接收端按不同时隙来区分出不同用户的信息，从而实现多址通信。由于TDMA采用了话音编码技术，再加上移动台辅助越区切换技术、跳频技术和分集技术等手段的运用，TDMA数字蜂窝通信系统的容量可以提升至FDMA系统的3倍乃至更高。以GSM系统为例，系统总带宽W=25MHz，信道宽度B=200kHz，每频道含8个时隙，则信道总数M=25×8/0.2=1000；小区半径为1km，每小区分3个扇区，运用了跳频技术后的C/I=9dB，由(1)式可得共道再用因子q=2.623；每小区信道数为1 000/3333(结果2)。5.4 码分多址(CDMA)的小区容量CDMA多址方式用不同码型的地址码来划分信道，每一地址码对应一个信道，每一信道对时间及频率都是共享的，而FDMA、TDMA系统信道的数量要受到频率或时隙的限制。在发射端，信息数据被高速地址码调制；在接收端，用一与发端相同的本地地址码控制的相关器进行相关接收；其它与本地地址码不同码型的信号被作为多址干扰处理。在CDMA蜂窝系统中，为了实现双工通信，前向信道(基站到移动台)与反向信道(移动台到基站)各使用一个频率，即频分双工。在实际中前后向信道是不完全对称的，不能以基站收到的信号功率大小来确定用户所需的基站发射功率；一般用前向与后向链路功率之和(是一个常数)来确定基站发射功率。下面以前向链路在考虑功率控制的情况下，估算CDMA系统的小区容量。对于一般的扩频通信系统，C/I与基带Eb/I0密切相关。又由于到达一接收机的信号强度和各个干扰强度都一样，则有：C/I= EbRb/I0W=1/(M1) (4)Eb为基带每比特信息能量，I0为单位赫兹的干扰功率，Rb为基带信息速率，W为载波带宽。当M>>1时可得：M=I0W/EbRb (5)根据CDMA系统的特点，对(5)式进行如下修正：(1)小区扇区化。利用方向性天线将小区分成3个扇区，这样多址干扰只有原来的13，理论上容量可增加3倍，但考虑天线覆盖的重叠因素，一般扇区化因子g=2.5、系统容量增加为M1=2.5M；(2)话音激活。利用话音激活技术减小干扰，由于人类语音的间歇性质，在实际通话过程中发音时间一般只占35，使不发音期只有很低功率的背景噪声发出，这样通过话音激活容量可提高10.35=2.8倍，有M2=2.8M1=7M。(3)功率控制。让基站发给用户的功率是根据移动台和基站的距离进行调整，距离越远，功率越大，反之则越小。经过功率控制后基站发射的总功率减小一半，意味着干扰也减小一半，即用户数比系统增大一倍。M3=2M2=14M；(4)邻近小区干扰。作为近似计算，只取3层多址干扰，另有本小区M1个多址干扰(M为小区内移动台数)。由蜂窝几何结构可计算出第一、二、三层小区的基站到所假设的移动台距离分别为R、2R、2.64R。小区边界处移动台接收信号载波强度为C=PRR4，则可得移动台接收载干比为：C/I =PRR4/M1)×PRR42MPRR43MPR×(2R)46MPR×(2.64R)40.3/M。也就有：M=0.3/(C/I)，即信道再用效率F=0.3，则：M4=M3×0.3=4.2M (6)设Rb=8kbit/s，W=25MHz。CDMA系统在保证通信