WCDMA无线资源管理

WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 1 目 录 5.1 基于干扰的无线资源管理 . 3 5.2 功率控制 . 4 5.2.1 开环功率控制 . 4 1. 上行开环功率控制 . 5 2. 下行开环功率控制 . 6 5.2.2 内环功率控制 . 7 1. 内环功率控制过程 . 7 2. 快速功率控制的增益 . 9 3. 功率控制与分集 .10 4. 软切换中的功率控制 .14 5.2.3 外环功率控制 . 16 1. 外环功率控制的增益 .17 2. 接收质量的估计 .18 3. 外环功控调整步长 .19 4. 高质量业务 .20 5. 受限的功控变化范围 .20 6. 多业务 .21 7. 下行链路外环功控 .21 5.3 切换 . 22 5.3.1 频率内切换 . 22 1. WCDMA 切换算法 .22 2. 切换测量 .24 3. 软切换的增益 .26 4. 软切换概率 .28 5.3.2 WCDMA 和 GSM 系统间的切换 . 28 1. 压缩模式 .28 5.3.3 WCDMA 内的频率间切换 . 29 5.3.4 切换总结 . 29 5.4 负载监测 . 30 5.4.1 算法概述 . 30 5.4.2 上行链路负载 . 30 1. 基于宽带接收功率电平的负载估计 .30 WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 2 2. 基于吞吐量负载估计 .31 3. 上行链路负载估计方法的比较 .31 5.4.3 下行链路负载 . 32 1. 基于功率的负载估计 .32 2. 基于吞吐量的负载估计 .33 5.5 准入控制 . 33 5.5.1 算法概述 . 33 5.5.2 准入控制 策略 . 34 5.6 负载平衡 . 35 5.6.1 异频负载平衡（负载切换） . 36 5.6.2 同频负载平衡（小区呼吸） . 37 5.7 潜在用户控制（ PUC） . 37 5.8 信道资源管理 . 37 5.8.1 总体 概述 . 37 5.8.2 信道资源配置过程概述 . 38 5.8.3 基本信道配置 . 39 5.8.4 动态信道配置（ DCCC） . 40 5.8.5 小区码资源管理 . 42 5.8.6 小区信道资源分配 . 43 5.9 小区选择和重选 . 44 5.9.1 UE 空闲模式 . 44 5.9.2 小区选择 . 45 1. 小区选择过程 .45 2. S 准测 .46 3. 小区选择的准测 .47 5.9.3 小区重选 . 48 参考文献 . 51 WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 3 第五章 无线资源管理 5.1 基于干扰的无线资源管理 无线资源管理（ RRM， Radio Resource Management）负责空中接口资源的利用，从确保系统的服务质量（ Qos）、获得规划的覆盖区域以及提高容量的角度来看它是必不可少的一环。无线资源管理主要包括功率控制、切换、准入控制、负载控制和小区选择与重选等内容。 为确保空中接口的干扰维持在最低水平上，并提供要求的服务质量（ Qos），功率控制是必须的。 WCDMA 的功率控制在 5.2 节中予以叙述。在小区系统中，当对用户从一个小区覆盖区域进入到另一个小区覆盖区域的移动性进行处理时，需要用到切换的功能。切换将在 5.3 节叙述。在第三代移动通信网络中，为保证服务质量以及在不同比特速率、业务和质量要求的混合情况下将系统的吞吐量最大化，还要求有准入控制、负载控制和分组调度算法。准入控制在 5.5 节 叙述，负载控制在 5.6 叙述。小区选择与重选作为移动终端侧重要的无线资源管理功能，在本章的最后作了详细的介绍。 无线资源管理算法可以基于网络中硬件总量或基于空中接口的干扰水平。在空中接口过载之前由于硬件的原因而导致系统容量受限，这种情形定义为硬阻塞；估计的空中接口资源负载超过规划的容量，这种情形定义为软阻塞。基于软阻塞的无线资源管理 比基于硬阻塞的无线资源管理会获得更大的容量。若是采用基于软阻塞的无线资源管理策略，则需要测量空中接口的负载。5.4 叙述了空中接口负载的测量手段。 IS-95 网络中的无线资源管理策略是基于可用信道单元（硬阻塞），但是该方法不能用在第三代标准 WCDMA 的空中接口中，因为 WCDMA 需同时支持多种传输比特速率。图 5-1-1 说明了无线资源管理算法在 WCDMA 网络中的典型位置。 WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 4 图 5-1-1 无线资源管理算法在 WCDMA网络中的典型位置 5.2 功率控制 在 1.1.5 节已经对功率控制进行了简单介绍，本章将涉及 WCDMA 功率控制中的几个主要 方面，其中一些问题在诸如 GSM、 IS-95 这些已有的第二代移动通信系统中并没有出现，而是第三代移动通信系统中新出现的，一定要引起特别的注意。 本章节中，首先分上下行具体论述了开环功率控制的控制过程及算法；接着主要利用仿真结果说明了快速功率控制和外环功率控制的必要性。 5.2.1 节描述了开环功率控制，开环功率控制在下行路径损耗计算的基础上提供了上下行的初始功率发射值。 5.2.2 节详细描述了快速功率控制的两个具体方面：快速功率控制与分集的关系、软切换中的快速功率控制。 5.2.3 节描述了外环功率控制。外环功率控制设 置快速功率控制的目标值以提供所要求的服务质量。为了调整快速功率控制的目标值，它需要对接收质量进行估计，这种服务质量估计及外环功率控制算法将分别予以介绍。第三代网络要求支持高质量业务和一个连接上几个业务的复用，这些要求对外环功率控制也有影响。最后讨论了上下行链路外环功率控制算法之间的不同。 5.2.1 开环功率控制 开环功率控制的目的是提供初始发射功率的粗略估计。由于 WCDMA 系统的上下行同处邻近的 2GHz 频带，上下行链路的路径损耗存在着较大的相似性。据此，在 UE 接入网络和基站建立链路连接时，它根据测量结果对路径损耗和干扰水平进行估计，从而计算初始发射功率。 UTRA FDD 使用开环功率控制，它只用于 RACH、 CPCH 和 DPCH 中初始化传输之前。开环功率控制不是很精确，这是因为难以在终端设备中精确测量大的功率变化。由于传播信号分量特性的变化以及环境条件（主要是温度）的影响，WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 5 将实际接收的绝对功率映射到发送的绝对功率也会出现大的偏差。同时，发送和接收处于不同的频段也会对精度造成影响。而终端自身的精度是造成偏差的主要原因。正常条件下，开环功率控制精度的要求规定在 9dB 的范围内。 1. 上行开环功率控制 上行开环功率控制功能由 UTRAN 和移动终端共同完成。在上行开环功控中，移动终端首先接收网络侧下发的小区系统广播消息，读取有关控制参数，同时对接收的导频的 CPICH_RSCP(接收信号码片功率 )值进行测量，然后根据开环功控算法，对第一 PRACH 前导及上行 DPCCH 信道的初始发射功率进行设置。开环功率控制在内环功率控制启动前进行。上行开环功率控制示意图如下图5-2-1 所示： 图 5-2-1 上行开环功率控制示意图 在随机接入过程中，第一 PRACH 前导初始发射功率根据如下算法公式进行设置： CIr eq u i r edULt er fer en ceULR S C PC P I C Hp o w e rTxC P I C HP o w erI n i t i a lea m b l e_i n t_Pr 式中： po werTxCP ICH _ ：表示主公共导频发射功率，此值在网络规划时设定； RSCPCPICH _ ：主公共导频接收信号码片功率，是 UE 的测量值； CIrequiredUL _ ：表示上行要求的载干比（在 3GPP 中定义为常量值）， 此值在网络规划时设定； terferenceUL int_ ：接收总干扰，此值在基站侧测量，并通过广播信道 BCH在小区中广播。 WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 6 在 UE 中，第一 PCPCH 接入前导的初始发射功率依照与上式相同的计算方法进行设置。 在 建立 DPCCH 信道时， UE 根据下式进行 DPCCH 信道初始化功率计算。此初始化功率将作为启动上行内环功率控制的初始参考值。 R S C PC P I C Ho f f s e tP o w e rD P C C Hp o w e rI n i t i a lD P C C H _ 式中： RSCPCPICH _ ：主公共导频接收信号码片功率，在 UE 中的测量值； offsetP ow erD P C C H _ ： DPCCH 信道发射功率偏置，在 RNC 中由准入控制算法（ AC）计算获得。例如在 RRC 连接建立时或者在无线承载及物理信道重配置时由准入控制算法进行计算获得该 DPCCH 信道发射功率偏置。offsetP ow erD P C C H _ 根据下式进行设置，并且由 RNC 下发给 UE。 )(l o g10i n t_10 D P D C HD P C C H SFS I Rer fe r e n ceULp o w erTxC P I C Ho ffs e tP o w erD P C C H 式中： DPCCHSIR：是 SIR 初始目标值，由准入控制算法为专用连接提供； DPDCHSF： DPDCH 的扩频增益。 2. 下行开环功率控制 在下行中，开环功控根据 UE 的上报的测量报告对下行物理信道进行功率初始化。下行开环功率控制功能同样由 UTRAN 和移动终端共同完成，如下图 5-2-2所示： 图 5-2-2 下行开环功率控制示意图 WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 7 在业 务承载初始化时， DPDCH 信道的初始发射功率根据下式进行设置： )/( _()/(00 P t xT o t a lNE p o we rTxCP I CHW NERPC P I C HCDLbI n itia lTx 式中： R：比特速率； DLb NE )/( 0：下行专用业务0/NEb解调门限，此值在网络规划时设置； W：码片速率； CPICHC NE )/( 0： CPICH 接收信干比，是 UE 的测量值并上报给 RNC； ：下行正交化因子； PtxTotal ：载波 功率，此值在基站中测量并上报给 RNC。 5.2.2 内环功率控制 在 WCDMA 中，上下行链路均支持 1.5kHz 速率的内环功率控制。 GSM 仅采用慢速（将近 2Hz 的速率）功率控制。 IS-95 仅在上行链路支持 800Hz 速率的快速功率控制。 1. 内环功率控制过程 内环功率控制，也称快速闭环功率控制，快速闭环功率控制用来克服远近效应问题。 快速闭环功率控制的目标是使接收信号的 SIR 达到预先设定的门限值。在WCDMA 中，上行链路和下行链路的闭环功率控制都是由接收方估计接收到的DPCH 的 SIR，与预先设置的门限相比较。如果估计值大于门限 就发出 TPC 命令“ 0”（降低功率）；如果小于门限就发出 TPC 命令“ 1”（升高功率）。接收到 TPC 命令的一方根据一定的算法决定发射功率的升高或降低。 上行快速闭环功率控制过程如下图 5-2-3 所示： WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 8 图 5-2-3 上行快速闭环功率控制过程 上行快速闭环功率控制过程说明： 1）基站测量上行 DPCH 的接收 SIR 与通信质量所需要的目标 SIR 进行比较，若 SIR 大于目标 SIR，设置 TPC 0，否则设置 TPC=1； 2）基站在下行 DPCCH 信道上将 TPC 信息传送给手机； 3）手机根据接收的 TPC 信息调整上行发射功率。 下行快速闭环 功率控制过程如下图 5-2-4 所示： 图 5-2-4 下行快速闭环功率控制过程 下行快速闭环功率控制过程说明： 1）手机测量下行 DPCH 的接收 SIR 与通信质量所需要的目标 SIR 进行比较，若 SIR 大于目标 SIR，设置 TPC 0，否则设置 TPC=1； 2）手机在上行 DPCCH 信道上将 TPC 信息传送给基站； 3）基站根据接收的 TPC 信息调整下行发射功率。 快速功率控制按照每个时隙发送一个命令进行操作，因此命令的频率是1500Hz。功率调整的基本步长为 1dB。此外，可以使用该步长的倍数作为调整步长，也可以使用该基本步长实现更小 的步长。例如，通过每两时隙使用 1dB的步长来实现每个时隙 0.5dB 的步长的调整。由于在较大的动态范围内很难确保所能达到的精度，故“真正”低于 1dB 的步长由于相当复杂而难以实现。规范中规定了 1dB 功率控制步长的相对精度为 0.5dB，其他“真正”的步长规定为 2dB。 快速功率控制的操作有两个特例：软切换情况下的操作和处于连接中压缩模式并且有切换测量情况下的操作。软切换下的快速功率控制需要特别地考虑，WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 9 因为几个基站同时向单个终端发送命令；而采用压缩模式时，命令流的中断操作命令被周期性地提供给终端。 软切换时终端要 解决的主要问题是如何处理来自几个源的多个功率控制命令。为了解决这一切问题，终端要对多个命令进行合并，并同时考虑每个命令值来决定增加或减少功率。 压缩模式时，快速功率控制在一个压缩帧之后的短周期内使用一个较大的步长，这样在控制流的中断之后，功率电平可以更迅速地收敛到更正确的值；是否需要使用该方法主要取决于外部环境，而与低档的终端或非常短的传输间隔长度关系不大。 闭环功率控制的目标 SIR 由外环功率控制设定。 1.2.8 介绍了外环功率控制，5.2.3 将对其进行详细地介绍。 在终端侧，（快速）功率控制对终端应进行的处 理做了严格规定。在网络一侧对于下列有较大的自由度，如基站在接收到功控命令之后怎样进行操作，以及基站告诉终端增加或减少功率应基于什么样的准则等等。 2. 快速功率控制的增益 本节提供了一个从快速功率控制获得好处的例子。仿真条件为 8Kbps 的语音业务，且 BLER 1，交织长度为 10ms，对功控步长为 1dB 的有快速功率控制和无快速控制两种情况进行了仿真。慢速功率控制假设平均功率维持在要求的级别，并且慢速功率控制可对路径损耗和阴影效应进行理想补偿，而快速功率控制也可对快衰落提供补偿。假设基站采用两支路接收分集。 ITU 车 载A 信道是 WCDMA 可分辨的五抽头信道， ITU 步行 A 信道是两径信道且第二抽头信号非常弱。有快速功率控制和无快速快速功率控制所需要的 Eb/No 值列在表 5-2-1 中，所要求的平均发送功率列在表 5-2-2 中。 表 5-2-1 有快速功率控制和无快速功率控制所要求的 Eb/No 表 5-2-2 有快速功 和无快速功率控制所要求的相对发射功率 Eb/No 慢速功率控制/dB 1.5kHz 的快速功率控制 /dB 从快速功率控制获得的增益/dB ITU 步行 A信道 3km/h 11.3 5.5 5.8 ITU 车载 A信道 3km/h 8.5 6.7 1.8 ITU 车载 A信道 50km/h 6.8 7.3 -0.5 WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 10 从表 5-2-1 和表 5-2-2 可见，快速功率控制可以获得明显的增益。从快速功率控制获得的增益情况如下： 1）低移动速度比高移动速度获得的增益大。 2）要求的 Eb/No 获得的 增益比发送功率获得的增益大。 3） 在仅有少量多径分集可以利用的情况下，比如 ITU 定义的步行 A 信道下，获得的增益也较大。快速功率控制与分集的关系在 5.2.2.3 中讨论。 表 5-2-1和表 5-2-2中在 50km/h获得负增益意味着理想慢速功率控制将会比实际的快速功率控制拥有更好的性能。负增益是由于 SIR 的非精确估计、功控信令错误以及功控环路中的延时造成的。 值得注意的是，表 5-2-1 中从快速功率控制获得的增益可用来估计链路预算中所要求的快衰落储备。为了维护适当的闭环快速功控，移动台的发送功率留有快衰落储备。当 移动台以最大恒定功率工作时（即没有快速功控增益），便可获得小区的最大覆盖范围。 3. 功率控制与分集 本节将分析分集与快速功率控制的重要性。移动台低速移动时，快速功率控制可以对信道衰落的影响予以补偿，并将接收功率电平维持在稳定地水平上。接收功率误升高主要原因是信干比（ SIR）的非精确估计、错误的信令和功率控制环路的延时。对衰落的补偿会导致发送功率峰值的出现。图 5-2-5 和图5-2-6 分别显示了移动台速度为 3km/h 时发送功率、接收功率随时间而变化的函数。这些仿真结果包括了实际的 SIR 估计和功率控制信令，功率控制步 长为 1.0dB。 5-2-5 中假设采用很少的分集，而图 5-2-6 中则假设采用较多的分集。图 5-2-5 中发送功率的变化比图 5-2-6 中的大，这是由于分集数量不同造成的。分集可由诸如多径分集、接收天线分集、发天线分集或宏分集获得。 慢速功率控制/dB 1.5kHz 的快速功率控制 /dB 从快速功率控制获得的增益/dB ITU 步行 A信道 3km/h 11.3 7.7 3.6 ITU 车载 A信道 3km/h 8.5 7.5 1.0 ITU 车载 A信道 50km/h 6.8 7.6 -0.8 WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 11 图 5-2-5 在两径（平均抽头功率 0dB， 10dB）瑞利衰落信道下的车速 3km/h发送和接收功率。 图 5-2-6 在三径（相等的抽头功率）瑞利衰落信道下的车速 3km/h发送和接收功率 当分集数较少时，发送功率的变化较大，而且平均发送功率也较高。当具有快速功率控制的衰落信道与非衰落信道接收功率电平相同时， 我们定义功率增加量为衰落信道的平均发送功率与非衰落信道的平均发送功率的比值。功率增加量如图所示。 WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 12 图 5-2-7 具有快速功率控制的衰落信道中的功率增加量。 图示出两径信道中使用和不使用接收分集两种情况下，功率增加量的理论计算值随两条分量平均功率差值的变化曲线。第二条路径的功率越强，即可利用的多径分集越多，则功率增量越小，天线分集也减少了功率增加量。如果两条路径有相同的平均功率，则无天线分集时的功率增加量是 3dB。在单径信道有天线分集时我们也可获得同样的功率增加量。 图 5-2-8 在两径瑞利衰落信道下，作为多径分量间平均功率差值 的函数的理论功率增加值 在实际中功率控制并不是理想的，因此我们通过链路仿真来获得实际的功率增加量。表 5-2-3 列出了上行链路功率增加量的链路级仿真结果。仿真环境是移动台有不同的移动速度、两径的 ITU 步行 A 信道且信道平均多径分量功率分别为 0.0dB 和 12.5dB。仿真中接收与发送功率都逐时隙进行采集。根据图 5-2-8，在这种 ITU 步行 A 信道多经环境下，有天线分集时功率增加量的理论值为 2.3dB。我们注意到在表中，移动台时速为 3 公里和 10 公里时，仿真的功率增加量分别为 2.1dB 和 2.0dB，非常接近 2.3dB 这一理论值。 表 5-2-3 功率增加量的仿真结果（假如有天线分集，在 ITU 步行 A 多经信道环境下） WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 13 移动台速度 /(km/h) 平均功率增加量 /dB 3 2.1 10 2.0 20 1.6 50 0.8 140 0.2 当移动台高速（ 100km/h）移动时，由于快速功率控制无法对衰落进行补偿，因此仅有少许功率增加量。在移动台高速移动情况下快速功率控制跟踪不上快衰落，为达到所要求的质量，必定需要更高的接收功率电平，如表所示。在高速移动情况下，分集技术有助于将接收功率电平保持为常数，从而较低的接收功率电平也足够 提供相同的服务质量。 为什么功率增加量对 WCDMA 系统性能如此重要？在下行链路，由于发送功率决定了发射的干扰，故空中接口的容量直接决定于所要求的发送功率。所以，为了最大化下行链路的容量，一条链路所需的发送功率应该最小化。在下行链路，移动台接收到的功率电平并不影响容量。 在上行链路，发送功率决定了对相邻小区的干扰数量，接收功率决定了对同一小区中对其他用户的干扰数量。例如，如果在一个区域仅有一个 WCDMA 小区，通过将所需接收功率最小化，该小区的上行链路的容量将获得最大化 ,并且功率增加量不会影响上行链路的容量。实 际上，我们对这样的小区网络感兴趣，在该网络中上行链路分集方案的设计必须将发送接收功率加以考虑。网络中相邻小区的隔离度越低，则越要强调合适的发送功率。接收与发送功率对网络干扰电平的影响可参见图 5-2-9。 WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 14 图 5-2-9 接收与发送功率对干扰电平的影响 4. 软切换中的功率控制 与单一链路情形不同的是，软切换中的快速功率控制有两个主要问题：一个是下行链路基站功率中功率漂移，另一个是移动台中上行链路功控指令的可靠检测，这两方面如图 5-2-10 所示，本节对此有更详细的介绍，并且还提供了一个改善功控信令质量的解决方案。 图 5-2-10 软切换 中的快速功控 下行链路功率漂移 移动台发送一条指令控制下行链路的发送功率，该指令被激活集中的所有基站接收。基站各自独立地对指令进行检测，这是由于功控指令不能与 RNC 相WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 15 结合，否则会引起非常大的延时与网络信令的大量增加。由于信令在空中接口中的错误，基站可能以不同方法检测该功控指令。有可能会出现这样的情形：一个基站降低对某一移动台的发射功率而同时另一个基站却提高对该移动台的发射功率。这就导致下行链路功率开始分别漂移的情况，我们将这种情况称为功率漂移。 功率漂移是不能接受的，因为它大大降低了下行链路软切换的性能。它 可以通过 RNC 来进行控制。最简单的方法是对下行链路功率控制动态范围设置相对严格的界限。这些界限应用在移动台具体的发送功率中。自然地，允许的功控动态范围越小则最大功率漂移也越小，另一方面，如表 5-2-2 所示，大的功率控制动态范围可改善功控的性能。 降低功率漂移的另一方法如下： RNC 可从基站接收到关于软切换连接的发射功率电平的信息，这些功率电平在许多功控指令，比如在 500ms 或相当于 750条功控指令上进行平均。基于上述测量， RNC 就可将下行链路发射功率的参考值发给基站，软切换基站在它们的下行链路功率控制中采用该 参考值以减少该连接的功率漂移。该方法的思想就是周期性地对参考功率执行一个小的纠正，纠正大小是和实际发射功率与参考功率之间的差异成比例的，该方法将减少功率漂移的总量，仅当在下行链路有快速功率控制时才会发生功率漂移。在 IS-95 的下行链路中只有慢速功率控制，因此不需要控制下行链路功率漂移的方法。 上行功控指令的可靠性 激活集中的所有基站均独立给移动台发功控指令以控制上行链路的发射功率，如果激活集中的一个基站能正确接收上行链路的信号，则该方法已足够。因此，如果其中一个基站发送降低功率的指令则移动台会降低他的发射功 率。软切换过程中，移动台对数据比特的接收可采用最大比特合并的方法，这是因为同一数据从所有的软切换基站发出。但是该方法不能用于功控比特，因为从每一个基站发来的功控比特所含的信息是不同的，因此功控比特的可靠性比不上数据比特的可靠性，于是移动台采用一个阈值来检查功控指令的可靠性。非常不可靠的功控指令应被丢弃，因为它们已经被干扰所破坏。 功控信令质量的改善 当移动台处于软切换时，通过下行链路中为专用物理控制信道（ DPCCH）设置比专用物理数据信道（ DPDCH）高的功率可以改善功控信令的质量。这个 DPCCH与 DPDCH之间的功率偏移对于不同的 DPCCH域 功控比特、导频比特和 TFCI会有所不同。功控偏移量如图 5-2-11 所示。 WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 16 图 5-2-11 为改善下行链路信令质量的功率偏移 一次话音连接过程中，采用下行功率偏移后移动台发射功率的减少量示于图5-2-12 中。横轴表示从移动台到两个软切换基站衰减的差值， 0dB 表示对两个软切换基站的衰减是相同。在本例中，高出 3dB 的功率用于导频和功控信令。采用功率偏移后，移动台发射功率的减少量为 0.4 0.6dB，之所以获得该减少量是由于功控信令的质量得到改善的缘故。 图 5-2-12 采用功率偏移后上行链路发射 功率的增益 5.2.3 外环功率控制 外环功率控制需要通过为快速功率控制设定目标值来保证所需电平的通信质量。外环功控的目的是提供所需质量：既不太差，也不太好。太高的质量将浪费容量。由于上行链路和下行链路均存在快速功率控制，因此上下行链路两者都需要外环功率控制。在随后的章节中将对这种控制环路的一些方面以及在上下行链路中的应用予以描述。在 IS-95 中，由于下行链路没有快速功率控制，因此外环功率控制仅用在上行链路中。 上行链路外环功率控制的概貌如图 5-2-13所示。上行链路质量的观测是在 RNC进行宏分集合并之后，然后就将 SIR 目标值发给基站。快速功率控制的频率是 1.5kHz，外环功率控制的频率典型值为 10 100Hz。图 5-2-14 提供了一个外环功率控制的一般算法。 WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 17 图 5-2-13 在 RNC中上行链路外环功率控制 图 5-2-14 外环功率控制的一般算法 常规的外环功率控制算法采用与内环功率控制相似的方式，如下： 如果 FERestFERtarget，则提高 SIRtarget 一个事先确定的步长； 如果 FERestFERtarget，则降低 SIRtarget 一个事先确定的步长。 1. 外环功率控制的增益 本节我们分析当移动速度或多径传播环境变化时， SIR 目标值需要调整多少。在本章中 SIR 目标值和 Eb/No 目标值这两个术语可互换。在 AMR 语音业务、BLER=1%并具有外环功率控制条件下的仿真结果见表 5-2-4，我们采用了三种不同的多径环境：对应于强的直达路径分量的静态信道； ITU 步行 A 衰落信道；具有相等的多径分量平均功率的三径衰落信道。此处我们假设没有天线分集。 表 5-2-4 不同环境下的平均 Eb/No 目标值 多 移动速度 平均 Eb/No 目标值 /dB WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 18 非衰落 5.3 ITU 步行 A 3km/h 5.9 ITU 步行 A 20km/h 6.8 ITU 步行 A 50km/h 6.8 ITU 步行 A 120km/h 7.1 等功率 3径 3km/h 6.0 等功率 3径 20km/h 6.4 等功率 3径 50km/h 6.4 等功率 3径 120km/h 6.9 在静态信道中所需要的平均 Eb/No 目标值最低，在 ITU 步行 A 衰落信道且高速移动时需要的平均 Eb/No 目标值最高。此结果表明接收的功率的变化越大，若要提供相同的质量则所需的 Eb/No 目标值越高。我们选择一个针对静态信道的 5.3dB 的 Eb/No 目标值作为固定值，则对于衰落信道来说会导致连接期间过高的误帧率并且会降 低话音质量；如果我们选择 7.1dB 为固定的 Eb/No目标值，通信质量将得到充分满足，但在大多数情况下并不需要如此高的功率。我们可得到结论，那就是通过外环功控来调整快速闭环功率控制的目标值显然是有必要的。 外环功控对目标值的调整应该多快呢？有这样一个例子：在微小区环境下，移动台首先进入与基站存在直达路径传播的区域，此时平均 Eb/No 值为 5.3dB即可提供要求的质量；如果移动台绕过拐角，则直达传输径消失，此时多径情形变为 ITU 步行 A 信道情形，若移动台以 20km/h 的速度移动，则 Eb/No 值需迅速从 5.3dB 提高 到 6.8dB。 2. 接收质量的估计 本节介绍一些测量接收质量的不同方法。一个简单可靠的方法是利用错误检测，如利用循环冗余检测（ CRC）的结果来检测是否有错误。利用循环冗余检测的优势在于它对帧错误的检测非常可靠并且简单。利用基于 CRC 的方法非常适合这样一些业务：允许错误以相当高的频率发生，至少每隔几秒中出现一次。例如非实时分组数据业务在重传之前块错误率（ BLER）可达 10 20%；又例如话音业务在提供所需质量情况下其典型的 BLER=1%时。利用自适应多速率（ AMR）声码器且交织深度为 20ms、 BLER=1%时， 相应平均每 2s 有一个错误。 接收质量也可以通过基于帧可靠性软信息来进行估计。这些信息可以是，例如： WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 19 信道译码之前估计的误比特率（ BER），称为原 BER 或物理信道 BER； 来自有卷积码的维特比译码器的软信息； 来自 Turbo 译码器的软信息，例如中间迭代译码后的 BER 或 BLER； 接收到的 Eb/No。 这些量的问题是它们可能给接收质量一个错误的估计。考虑到原 BER 的用途，为了获得译码后要求的最终 BLER，要求的原 BER 不是一个常量而依赖于多径环境、移动速度和接收器算法。软信息对于高质量业务是必须的，参见5.2.3.4。在 Iub 接口上原 BER 被当作软信息使用。图 5-2-15 介绍了接收质量的估计。 图 5-2-15 RNC外环功控中的质量估计 3. 外环功控调整步长 外环功控调整步长这个参数既决定了该算法的收敛到期望目标值的速度，也定义了该算法的开销。其原理就是步长越大则收敛得越快，同时开销也越高。图 5-2-16 给出了反映该算法特点得一个例子。其 FER 目标值为 1，步长为0.5dB。 图 5-2-16 在 ITU步行 A信道、 AMR声码批器、 BLER值为 1、步长 0.5dB、速度为 3km/h时的 Eb/NoWCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 20 值。 4. 高质量业务 第三代网络要求支持非常低的 BLER(最佳导频 _Ec/Io 报告范围滞后事件 1A，且激活集未满，该小区被加入激活集，此事件称为事件 1A 或无线链路加入。 如果在 T 期间内，导频 _Ec/Io先前最差的导频 _Ec/Io滞后事件 1C，激活集中最弱的小区被最强的候选小区（即监测集中最强的小区）替换。此事件被称为事件 1C 或无线链路加入和删除的组合。图 5 20中假设激活集最多为两个小区。 其中 : 报告范围是软切换的阈值； 滞后事件 1A 是加入磁滞； 滞后事件 1B 是删除磁滞； 滞后事件 1C 是替换磁滞； T 是触发时间； 最佳导频 _Ec/Io 是激活集中小区测量的最强值； 先前最差的导频 _Ec/Io 是激活集中小区测量的最强值； 最佳候选导频 _Ec/Io 是监测集中小区测量的最强值； WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 24 导频 _Ec/Io 是测量与过滤的量。 WCDMA 切换测量在激活集采用导频 Ec/Io 来更新移动台算法前，运用了一些过滤。测量在第 1 层和第 3 层进行过滤，第 3 层的过滤可由网路控制。 下一小节 讨论了导频 Ec/Io 的测量。 从移动台到 RNC 的切换测量报告可配置为周期 性报告方式，或配置为事件触发式报告，像 GSM 那样。根据理论分析可知事件触发式报告以更少的信令负荷提供与周期性报告一样的性能。 2. 切换测量 切换测量的准确性，即导频 Ec/Io 的测量准确性对于切换性能是很重要的。过滤长度对测量准确性的影响示于图 5-3-2和图 5-3-3，其中图 5-3-2是 3km/h的仿真结果，图 5-3-3是 50km/h 的仿真结果，移动台在两图中移动的距离相同，本例中不考虑路径损耗、阴影衰落和干扰，仅显示了快衰落的影响。切换测量的目标是获得一个平均化快衰落影响的测量结果。此处测量的例子是每 10ms 帧 取一个样本，正确的测量值是 0dB，与该值不同的那些值是有未完全平均化的快衰落所致。此处假设的多经环境是单径瑞利衰落信道，这是最差情况的假设。如果多经分集可以利用并且移动台能够利用多个指峰进行测量，则快衰落导致的不准确性比这种单径信道要小。 图 5-3-2 在单径瑞利衰落信道下，速度为 3km/h时，切换测量的准确性 WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 25 图 5-3-3 在单径瑞利衰落信道下，速度为 50ms/h时，切换测量的准确性 当移动速度为 3km/h 时，正如图 5-3-2 最上端所示， 100ms 的过虑长度导致非常大的测量错误，这是因为快衰落不能在如此短的时间内过滤掉。由于 测量错误，发生了没必要的切换，导致切换信令增加和激活集更新周期变短。将过滤长度提高到 1s，则测量准确性可得到明显改善，在低速移动时，长的过滤周期是有利的。 当移动速度为 50km/s 时， 100ms 的过滤周期表现出了相当好的性能，若提高过滤周期，性能仅能得到很小的改善。长过滤周期的缺点是延时并导致了切换。在高速移动时，快速切换是重要的，特别是在宏小区网络，当移动台绕过墙角时，到基站的路径损耗变化很快。 当快速移动、高比特速率连接情况下延时切换的影响示于图 5-3-4。当基站BS2 不在移动台激活集中的时候，它不能控制上行链路的发射功率，且噪声恶化量的峰值可能有基站 BS2 而导致。仅在下述情况下才会发生这样的问题： 在切换时由于测量的长时间平均或由于切换信令中的延时而存在长的延时； 移动台的移动速度很快； 正在进行高比特速率的连接。 因此，在切换测量中不能使用太长的过滤周期，最优的过滤周期是测量准确性和切换延时之间的折衷。 3GPP 中切换测量的周期是 200ms，另外第 3 层的过滤周期最高是 200ms。 WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 26 图 5-3-4 由于延时切 换，基站接收中噪声恶化量的峰值 3. 软切换的增益 本节介绍一些从仿真中获取的软切换增益的例子，这些是结合抵抗快衰落的宏分集增益与理想硬切换比较的结果，硬切换时移动台将被连接到路径损耗最小的基站。软切换增益改善了 WCDMA 网络的覆盖和容量。 图 5-3-5 和图 5-3-6 显示了仿真结果，仿真条件是 ITU 步行 A 信道，速度为3km/h，软切换激活集中含有两个基站。与到 BS2 基站相比，移动台到 BS1 基站相对路径损耗是 0， 3， 6 和 10dB，当到两个基站的路径损耗相同，即相对路径损耗差值为 0dB 时，可达到最高增益。图 5-3-5 显示的是有基站接收天线分集时在上行链路发射功率获得的软切换增益，图 5-3-6 显示的是没有收或发天线分集时下行链路发射功率获得的相应增益。这些增益是相对于移动台仅与最好的基站相连接的单链路情况相比得到的。应当注意， ITU 步行 A 信道环境有少量多径分集，因而软切换增益相对更高一些；多径分集增多时，切换增益就会降低。 WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 27 图 5-3-5 上行链路发射功率软切换增益（正值增益，负值损耗） 图 5-3-6 下行链路发射功率软切换增益（正值增益，负值损耗） 在图 5-3-5 中，如果到两个软切换基站的路径损耗是一样的，则由于软切换导致的 移动台发射功率最大减少量为 1.8dB。如果路径损耗相差很大，则软切换会导致移动台发射功率的升高，这种升高是由于通过下行链路传输的上行链路功控指令的信令错误而导致的。但是典型的，如果基站的路径损耗比最近的基站路径损耗大 3 6dB，则该基站不会在移动台的激活集中。在下行链路最大软切换增益是 2.3dB(图 5-3-6)，比上行链路高一些（图 5-3-5），原因是我们假设下行链路无天线分集，因而在下行链路更需要软切换中的宏分集。 对于下行链路，如果本例中路径损耗差值大于 4 5dB，则软切换会导致所需下行链路发射功率提高 ，在这种情况下，移动台不能有效接收来自更远处基站的信号，也就无法提供额外的分集增益。 这些软切换增益仅是示例值，增益依赖于多径环境、移动台速度、接收机算法和基站天线配置。本节显示的增益是从容量的观点来看的，而对于覆盖软WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 28 切换增益不作讨论。这两方面的不同是在最大化覆盖范围时移动以恒定的最大功率发送，而本节中有快速功控的假设。 4. 软切换概率 无线网络规划要负责适当的切换参数设置和站点规划，这样软切换的概率才不会超过期望值。典型地，软切换概率要求维护在 30% 40以下，主要是因为过多地软切换概率会降低下行链路的容量 ，如图 5-3-6 所示。在下行链路，每一个软切换会提高对网络的发射干扰，当增加的干扰超过分集增益时，软切换无法给系统性能提供任何增益。同时在下行链路，软切换连接比单一链路连接使用更多的正交码字。在上下行链路，软切换都需要基站中的基带资源、 Iub 接口的传输容量，以及 RNC 资源。无线网络规划与优化的任务就是保持软切换的开销低于要求的阈值，并且上下行链路提供足够的分集。 5.3.2 WCDMA 和 GSM系统间的切换 WCDMA 和 GSM 标准支持 WCDMA与 GSM 之间两个方向的切换。这些切换被使用是为了覆盖和负载平衡的原因。在 WCDMA 配置的初期，有必要能切换到 GSM 系统以提供连续的覆盖，从 GSM 切换到 WCDMA 可用来减少 GSM 小区的负载。当WCDMA 网络的业务量提高时，由于负载的原因而进行双向切换是很重要的。系统间的切换是由源 RNC/BSC 触发的，从接收系统的角度来看，系统间切换与RNC 间切换或 BSC 间切换相似。切换算法和触发机制没有标准化。而且切换过程是标准化的，参见 2.2.8.3 节 的介绍。 1. 压缩模式 WCDMA 采用连续的发送与接收方式，并且如果 WCDMA 信号没有间隙产生则移动台不能够用一个接收机进行系统间的测量。因此频率间和系统 间的测量均需要压缩模式。 第二章 描述了压缩模式的过程。 在压缩模式间隙期间快速功控不能使用，部分交织增益将会损失；因此在压缩帧期间需要更高的 Eb/No 值，从而导致容量的降低。一个对容量影响计算的例子示于表 5-3-1 中，此处假设在压缩帧期间所需的 Eb/No 值要高 2.0dB，进一步的假设是每个第三帧被压缩，并且有 10的用户同时使用压缩模式。这种情况下，小区的干扰电平提高了 1.9%，换言之，如果我们想保持干扰电平为常数，则小区容量降低 1.9%。 表 5-3-1 压缩模式对容量的影响 假设 平均升高的干扰电平 在压缩模式期间要求 的 Eb/No 值要高 2.0dB 每个第三帧被压缩 10的用户同时在压缩模式 2.0dB在压缩帧期间多 58的干扰 58 /3从该连接多出 19%干扰 19 /10在小区内多出 1.9%干扰 WCDMA无线网络规划 第五章 无线资源管理 29 表 5-3-1 清楚地表明，在全部时间内让所有用户处于压缩模式则会浪费容量，本例中降低了 19的容量。因此，压缩模式仅在需要执行系统间切换或频率间切换时激活。典型的系统间切换过程如下： 系统间切换触发器在 RNC 实现，例如移动台跑出 WCDMA 覆盖范围； RNC 命令移动台用压缩模式开始系统间的测量； RNC 根据移动台的测量选 择目标 GSM 小区； RNC 给移动台发切换命令。 压缩模式也影响实时业务上行链路覆盖范围，这些实时业务在压缩模式期间不能降低比特率，一个对覆盖范围影响的例子示于表 5-3-2 表中，此处覆盖减少了 2.4dB。因此，由于覆盖原因，系统间切换过程在小区边缘应该足够早地发起，以避免压缩模式期间任何质量地降低。 表 5-3-2 压缩模式对覆盖的影响 假设 平均升高的干扰电平 在压缩模式期间要求的 Eb/No 值要高2.0dB 在 15时隙帧里采用 7 时隙间隙 每第二帧被压缩，交织深度为 20ms 2.0dB 10log10（ 15/(15-7)） =2.7dB (2.0dB+2.7dB)/2=减少覆盖 2.4dB 从 GSM 到 WCDMA 系统间的切换由 GSM 的 BSC 发起。由于 GSM 采用非连续发射与接收方式，因此从 GSM 获得 WCDMA 的测量值不需要压缩模式。 5.3.3 WCDMA 内的频率间切换 大多数 UMTS 运营商由 2 3 个可用的 FDD 载波，运营商可使用一个频率开始运营，第二和第三频率