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摘要 摘要 呼叫准入控制是指对于一个已知呼叫连接请求，根据新连接的业务特征、要 求的服务质量和网络资源，与当前状况进行比较，决定是否接纳这个新连接。呼 叫准入控制就是要在保障已接纳连接的服务质量与接纳尽可能多的新连接之间寻 求平衡点。 长期演进( l t e ) 也是一种正交频分多址接入系统，本文通过研究正交频分多 址接入系统的资源分配，提出了和速率容量的( 最大吞吐量) 这个概念，分别用 功率注水算法和最大吞吐量算法对系统进行分析。本篇中主要讨论了最大吞吐量 算法，本文提出的呼叫准入控制策略也主要依赖于此算法。 提出基于系统吞吐量和用户服务质量要求的呼叫准入控制算法，并进行了算 法的仿真试验。仿真测试结果表明，确实可以通过改变最大用户数n 的数值来保 证系统中的用户的服务质量。 关键词：长期演进正交频分多址系统资源分配呼叫准入控制 a b s t r a c t a bs t r a c t c a l la d m i s s i o nc o n t r o lr e f e r st oak n o w nc a l lc o n n e c t i o nr e q u e s t s ，a c c o r d i n gt o t h en e wl i n ki so p e r a t i o n a lf e a t u r e so ft h eq o sa n dn e t w o r kr e s o u r c e s ，c o m p a r e dw i t h t h ec u r r e n ts i t u a t i o nt od e c i d ew h e t h e rt oa c c e p tt h en e wc o n n e c t i o n c a l la d m i s s i o n c o n t r o li st oh a v eb e e na c c e p t e dc o n n e c t i n gt op r o t e c tt h eq u a l i t yo fs e r v i c ea n dt o a c c e p ta sm a n yn e wc o n n e c t i o n st os t r i k eab a l a n c eb e t w e e n l t ei sa l s oak i n do fo f d m a s y s t e m s ，t h i sp a p e rs t u d i e st h er e s o u r c ea l l o c a t i o no f o f d m a s y s t e m ，a n dp u tf o r w a r dt h er a t eo fc a p a c i t y ( m a x i m u mt h r o u g h p u oc o n c e p t ， r e s p e c t i v e l y , w i t hp o w e r a n dw a t e ri n j e c t i o na l g o r i t h ma n dm ta l g o r i t h mt oa n a l y z et h e s y s t e m t h i sm a i n l yd i s c u s s e dt h em ta l g o r i t h m ，t h ep r o p o s e dc a l la d m i s s i o nc o n t r o l s t r a t e g ya l s or e l ym a i n l yo nt h i sa l g o r i t h m s y s t e m sb a s e do nu s e rt h r o u g h p u ta n dq o sr e q u i r e m e n t so ft h ec a l la d m i s s i o n c o n t r o la l g o r i t h m su s i n gm a t l a bl a n g u a g ea n dt h ea c h i e v e m e n to ft h ep r o p o s e d m e t h o d ，am e t h o do fs i m u l a t i o nt e s t s t h es i m u l a t i o nt e s tr e s u l t ss h o wt h a tr e a l l yc a l l c h a n g et h el a r g e s tn u m b e ro f u s e r snv a l u e st oe n s u r et h eu s e r sq o s k e yw o r d s ：l t e o f d m a s y s t e m r e s o u r c ea l l o c a t i o nc a l la c c e s sc o n t r o l 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大 学或其它教育机构的学位或研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：鹕日期学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名：型雠 日期 日期 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 论文研究背景 通信的迅猛发展极大促进了个人通信设备的微型化和多样化，多媒体信息、 在线游戏、视频点播、音乐下载和移动电视等数据业务，大大地满足了个人通信 和娱乐的需求。业务的整合以及多媒体业务终端的发展对无线传输效率和速率都 提出了更高的要求。w c d m a h s d p a 与g p r s e d g e 相比，虽然无线性能大大 提高，但是，在知识产权( i p r ，i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t ) 的制肘、应对市场挑 战和满足用户需求等领域，还是有很多局限。用户期望运营商提供任何时间任何 地点不低于1 m b p s 的无线接入速度，小于2 0 m s 的低系统传输延迟，在高移动速 率环境下的全网无缝覆盖，真正达到“移动宽带 接入。业界有一种观点认为： 2 0 0 2 - - , 2 0 0 6 固定宽带( d s l ) 经历了一个快速增长期，2 0 0 6 - 2 0 1 0 年移动宽带有可 能复制d s l 增长。 对无线接入网络还有很重要的一点是能被广大用户负担得起的廉价终端设备 和网络服务。这些要求已远远超出了现有网络的能力，寻找突破性的空中接口技 术和网络结构看来是势在必行。与w i f i 和w i m a x 等无线接入方案相比， w c d s d p a 空中接口和网络结构过于复杂，虽然在支持移动性和q o s 方面有 较大优势，但在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。 根据3 g p p 标准组织原先的时间表，4 g 最早要在2 0 1 5 年才能正式商用，在这期间 传统电信设备商和运营商将面临前所未有的挑战。用户的需求、市场的挑战和i p r 的制肘共同推动了3 g p p 组织在4 g 出现之前加速制定新的空中接口和无线接 入网络标准。 因为上述的市场因素，3 g p p 从2 0 0 4 年开始制订e u t r a n 的标准，基本 可以分为两个阶段：2 0 0 5 年3 月到2 0 0 6 年6 月为s i ( s t u d yi t e m ) 阶段，完成可 行性研究报告；2 0 0 6 年6 月到2 0 0 7 年9 月为w i ( w o r ki t e m ) 阶段，完成核心 技术的规范工作。在2 0 0 7 年中期完成l t e 相关标准制定( 3 g p pr 7 ) ，在2 0 0 9 年 推出商用产品。 1 2 论文研究意义 随着通信技术的不断提高和无线移动用户数目的与日俱增，运营商之间的竞 争也更加趋于白热化。为用户提供更好的网络，提高用户的感知度，是将用户留 2 l t e 准入控制算法 在网内的重要手段。l t e ( 长期演进) 移动通信系统为用户提供更高速率业务，更 多的数据、图像和视频等多媒体业务信息，这导致了对无线资源更大的需求与无 线资源的有限性之间的矛盾。怎样合理有效的分配和利用有限的无线资源，支持 尽可能多的用户接入并保证多种业务的服务质量，是l t e 移动通信系统的重要研 究课题。 近年来，数据业务的显著增长，多媒体应用的不断普及，以及无线移动与 i n t e r n e t 的融合，促使无线接入技术向更高容量，更大覆盖和支持高速移动的方向 发展多媒体业务与无线移动同时融入下一代通信系统，进而在可以预见的将来实 现“任何时间，任何地点，任何形式 的通信系统，已经成为一种必然的趋势。 如何高效地利用有限的资源，如何实现无缝的端到端的连接等等，其中最为 核心的问题是如何保证服务质量( q o s ) 。一般来说，表征q o s 的指标可以分为两 大类：连接级( c o n n e c t i o n l e v e l ) q o s 和分组级( p a c k e t l e v e l ) q o s 。连接级q o s 的指标包括呼叫阻塞概率( c b p ) 和呼叫中断概率( c d p ) 或带宽效率等。分组级 的指标则包括包延迟，丢包率等。相对于有线网络，无线网络的连接级保证是一 个更具挑战性的话题。 呼叫接入控制( c a c ，c a l l a c c e s sc o n t r 0 1 ) 是指对于一个已知呼叫连接请求， 根据新连接的业务特征、要求的q o s 和网络资源( 如现有连接已占用的链路带宽、 缓冲区) ，与当前状况进行比较，决定是否接纳这个新连接。c a c 就是要在保障已 接纳连接的服务质量与接纳尽可能多的新连接之间寻求平衡点。 本文在对l t e 无线接入网中f t p ( 文件传输协议) 业务建模基础上，提出了 基于系统吞吐量和用户q o s 要求的呼叫接入控制算法，并进行了仿真研究，验证 了方案的优越性，对l t e 系统提出了一种准入控制算法。 1 3 呼叫接入控制算法国内外研究现状 c a c 作为无线资源管理( r r m ，r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) 的一个重要方 面，近年来得到国内外众多学者广泛、深入的研究。总体上看，可以分为下述六 大研究方向： ( 1 ) 对切换呼叫的资源预留 移动通信系统中的c a c 需要充分考虑用户的移动性，在处于连接的状态下， 用户可能发生多次越区切换。对用户来说，由于切换失败而导致正在进行的呼叫 中断，比拒绝一个新呼叫请求的负面影响更大。因此，需要将切换发起的连接请 求与新呼叫发起的连接请求区别对待，并给予前者更高的优先级。 第一章绪论 3 ( 2 ) 用户移动模型 有很多的研究方向，对于切换的考虑是从降低整个系统的切换阻塞概率出发 的。对于单个特定用户而言，这可算是一种“盲”的方法。在实际的系统中，固 定区域出现的新用户，其移动方向是随机的，但也是有基本规律的。对越区切换 的呼叫，有效的资源预留方案应该考虑用户的移动性模型，根据用户移动的历史 记录或者通过预测用户的移动性来预留资源。 ( 3 ) 多业务支持 较早的文献中研究的大多是单业务情况下的接入控制。在第三代移动通信系 统中，存在着大量具有不同q o s 要求的多类业务。因此，一个好的c a c 策略应 该考虑到不同业务的特性，进行区别处理。其基本的处理方法是：使有较高优先 级的业务比低优先级业务在接纳时获得更多的优先权。 ( 4 ) q o s 参数 在c a c 中，最流行采用的服务质量参数是新呼叫阻塞率和切换阻塞率， 通常用这两个参数值来验证c a c 策略的性能。随着自适应业务的采用( 即业务 可以采用不同的传输速率) ，当系统负荷重时，可以以较小速率传输业务，当系统 负荷轻时，可以以较大速率传输业务，这样就引入了一些新的q o s 参数，如降级 期比例、降级率、升降级频率等。 ( 5 ) 对相邻小区干扰的考虑 对于多址干扰，很多算法往往只在一个孤立的小区中考虑接纳问题，忽略了 新接入用户对相邻小区的干扰影响。只有在所有小区都允许的情况下，才能接纳 呼叫。 ( 6 ) 对分层小区的考虑 随着业务需求的增加，在系统中小区间的业务分布是不均匀的，出现了一些 业务量比较高的热点地区。一个有效的解决方案是采用多层次的小区结构，在重 业务量的热点地区布置微小区。 l t e 作为3 g 系统的演进版本，准入算法的研究刚刚起步，l t e 的系统架构和 3 g 系统有很大的区别，所采用的准入策略也会有所不同，但是目标是一致的，那 就是在保证已接入业务的q o s 的基础上，最大化资源的利用率。 4 l t e 准入控制算法 1 4 论文工作及内容安排 本文主要针对l t e 系统物理层o f d m a 系统容量的基础上，研究了适用于自 适应o f d m a 系统的随机服务模型，即m im im i1 1 马尔可夫排队模型，根据这个 模型，研究了基于系统吞吐量和用户q o s 要求的呼叫接入控制策略。 论文的具体章节安排如下： 第一章阐述了论文研究的背景、意义及呼叫准入控制算法的研究现状。 第二章对l t e 系统做了详细的介绍， 统演进的性能目标、空中接口协议结构、 的影响。 包括l t e 项目计划和时间进度安排、系 并简要介绍了l t e 技术对未来通信市场 第三章主要介绍了o f d m 和o f d m a 技术，对o f d m a 系统的概念，特点和 发展运用做了详细的阐述。 第四章对o f d m a 系统的资源分配做了详细的介绍，进行了o f d m a 的最大 吞吐量分析，并提出了功率注水法和m t 算法。 第五章提出了一种随机服务模型，即只存在f t p 服务的o f d m a 系统。并介 绍了m lm lm in 排队模型，引入了排队系统。 第六章提出了一种基于吞吐量和用户q o s 要求的呼叫接入控制算法，并对该 算法进行了仿真。 第七章是全文的总结部分，总结了全文的全部工作和主要贡献，并展望了未来 的发展。 第二章l t e 系统介绍 5 第二章l t e 系统介绍 2 1l t e 系统概述 2 1 1l t e 项目计划介绍及系统发展时间表 当前，全球无线通信正呈现出移动化、宽带化和m 化的趋势，移动通信行业 的竞争极为激烈。在现有的3 g 技术还没有大规模商用之前，一些无线宽带接入 技术也开始提供部分的移动功能，通过宽带移动化，试图进入移动通信市场，如 i e e e 8 0 2 1 6 e 技术。为了维持在移动通信行业中的竞争力和主导地位，3 g p p 在 2 0 0 4 年1 1 月启动了长期演进计划( l t e ) ，以实现3 g 技术向b 3 g 和4 g 的平滑 过渡。3 g p pl t e 的目标是：更高的数据速率、更低的时延、改进的系统容量和覆 盖范围，以及较低的成本。 l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，长期演进) 项目是3 g 的演进，它改进并增强了 3 g 的空中接入技术。l t e 概念的提出意味着目标的确立，为了有一个清晰的技术 发展路线，3 g p p 制定了明确的时间表。 3 g p p 对l t e 项目的标准发展过程工作分为两个时间段： 2 0 0 5 年3 月到2 0 0 6 年6 月为研究项目s i ( s t u d yi t e m ) 阶段， 究报告； 2 0 0 6 年6 月到2 0 0 7 年6 月为工作项目w i ( w o r ki t e m ) 阶段， 的规范工作。 完成可行性研 完成核心技术 研究项目阶段( s i ) 在2 0 0 6 年年中结束，该阶段将主要完成目标需求的定义， 明确l t e 的概念等，然后征集候选技术提案，并对技术提案进行评估，确定其是 否符合目标需求。对有可能融合的提案进行讨论，甚至还可能对某些技术的优越 性进行辩论，最终选择出适合未来l t e 的技术方案。实际上这是厂商实力的较量， 也不乏政府在其后的影响。针对系统功能的划分、接口的定义也会在这个阶段涉 及。 工作项目阶段( m ) 在2 0 0 6 年年中以前建立，并开始着手标准的建立。该 阶段将对未来l t e 标准细节的各个方面展开讨论和起草，并一直持续到2 0 0 7 年 年中。在2 0 0 7 年中期完成l t e 相关标准制定( 3 g p pr 7 ) ，在2 0 0 8 年或2 0 0 9 年推出商用产品。 6 l t e 准入控制算法 就目前的进展来看，经过3 g p p 组织的努力，l t e 的系统框架大部分已经完 成，l t e 项目的研究工作已经取得了一系列的重大进展。整个过程比3 g 标准的 制定过程节奏明显加快，这也是考虑到市场的需求。随着宽带技术的不断创新， 3 g p p 也将在最短的时间内推出最新的技术。这给运营商带来了新的机遇，更新更 快的业务可以在不远的将来得以实现，甚至完全可以和有线网络相媲美。 2 1 2l t e 的演进目标 3 g p pl t e 是一个高数据率、低时延和基于全口的移动通信系统，具体性能目 标【3 】主要包括： ( 1 ) 频谱带宽配置 实现灵活的频谱带宽配置，支持1 2 5 m h z 、1 6 m h z 、2 5 m h z 、5 m h z 、 1 0m h z 、1 5 m h z 和2 0 m h z 的带宽设置，从技术上保证3 g p pl t e 系统可以使用 第3 代移动通信系统的频谱。 ( 2 ) 小区边缘传输速率 提高小区边缘传输速率，改善用户在小区边缘的体验，增强3 g p pl t e 系统的 覆盖性能，主要通过频分多址和小区间干扰抑制技术实现。 ( 3 ) 数据率和频谱利用率 在数据率和频谱利用率方面，实现下行峰值速率1 0 0 m b s ，上行峰值速率 5 0m b s ；频谱利用率为h s p a 的2 - - - 4 倍，用户平均吞吐量为h s p a 的2 - - - 4 倍。 为保证3 g p pl t e 系统在频谱利用率方面的技术优势，主要通过多天线技术、 自适应调制与编码和基于信道质量的频率选择性调度实现。 ( 4 ) 时延 提供低时延，使用户平面内部单向传输时延低于5 m s ，控制平面从睡眠状态到 激活状态的迁移时间低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于l o o m s ， 以增强对实时业务的支持。 ( 5 ) 多媒体广播和多播业务 进一步增强对多媒体广播和多播业务的支持，满足广播业务、多播业务和单 播业务融合的需求，主要通过物理层帧结构、层2 的信道结构和高层的无线资源 管理实现。 第二章l t e 系统介绍 7 ( 6 ) 全分组的包交换 取消电路交换，采用基于全分组的包交换，从而提高系统频谱利用率。但对 口语音( v o i p ) 业务的支持与低时延目标的实现导致调度和层1 、层2 间信令设计 的困难。 ( 7 ) 显著降低用户和运营商的成本 在满足以上目标的前提下，要求l t e 尽可能平滑地实现技术进步，所以新的 无线接入技术必须与现有的3 g 无线接入技术并存，并且能与现有无线网络以及 其替代版本兼容。实现与第3 代移动通信系统和其他通信系统的共存，从而最大 程度降低用户和运营商的成本。 2 2l t e 空口协议结构和各层关键技术介绍 2 2 1l t e 空口协议结构介绍 e u t r a n 包括e n b s ，是e u t r a n 用户面( p d c p r l c m a c p h y ) 和控制 面协议( r r c ) 到u e 的终结点。e n b s 之间通过x 2 接口互联。e n b s 通过s 1 接口 与e p c ( e v o l v e dp a c k e tc o r e ) 相连，更详细一点说是通过s 1 m m e 与 m m e ( m o b i l i t ym a n a g e m e n te n t i t y ) 相连，通过s 1 u 与s - g w 相连。s l 接口支持 e p c 和e n b s 之间多对多的连接关系。 e u t r a n 架构如图2 1 所示： m m e ，s g w j j m m e ，s ；g w j ? i j ： ? ： ? e n b 图2 1l t e 系统的总体架构 孓e u t r a n 8 l t e 准入控制算法 e u t r a n 与u t r a n 相比，去掉了r n c ，只是由若干个e n o d e b 组成。 e n o d e b 提供e u t r a n 的用户面和控制面协议。r n c 功能被分散到了演进的 n o d eb ( e n o d eb ) 和分组核心( e p c ) 中。 图2 2 给出了e u t r a n 的架构全景 e n b i n t e r c e l lr r m r bc o n t r o i c o n n e c t i o nm o b i l i t yc o n t | r a d i o a d m i s s i o nc o n t r o l e n bm e a s u r e m e n t c o n f i g u r a t i o n & p r o v i s i o n d y n a m i cr e s o u r c e a l l o c a t i o n ( s c h e d u l e r ) 匿、r r c7 翻 臣一j p d c pi o ：7 灞 眩，。r l cr ，：易：旎翁 隧m a c 嘶。j ：；绸 匕嗍：，- ，绸 2 2 2l t e 物理层关键技术介绍 s 1 m m e n a ss e c u r i t y i d l es t a t em o b i l 耐 h a n d l i n g e p sb e a r e rc o n t r o l s g w m o b i l i t y a n c h o r i n g 图2 2e - u t r a n 的架构 在l t e 层1 方案征集过程中，有6 个选项在3 g p p r a n l 工作组中被评估 它们是： ( 1 ) f d d ，上行采用单载波f d m a ( s c f d m a ) ，下行采用o f d m a ( 2 ) f d d ，上行下行都采用o f d m a ( 3 ) f d d ，上行下行都采用多载波w c d m a ( m c w c d m a ) ( 4 ) t d d ，上行下行都采用多载波时分同步c d m a ( m c t d s c d m a ) ( 5 ) t d d ，上行下行都采用o f d m a ( 6 ) t d d ，上行采用单载波f d m a ( s c f d m a ) ，下行采用o f d m a 第二章l t e 系统介绍 9 在上述方案中，按照双工方式可分为频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) 两类；按照无线链路多址方式主要可分为码分多址( c d m a ) 和正交频分多址 ( o f d m a ) 两类针对5 m h z 频谱做系统级的初步评估，采用c d m a 的系统与 采用o f d m 的系统，在提升频谱效率方面表现相似。如果采用c d m a 演进途径， 则有利于系统从前期u t r a 版本平滑升级，可以广泛地重用物理层。如果采用 o f d m a ，一个完全脱离以往设计约束的全新层1 结构，则有利于系统在设计参 量上做出灵活和自由的选择，更容易实现e u t r a 定义的一些目标，如等待时间、 最小带宽间隔以及在不同双工模式下的公平性等；同时，对于用户接收机来说， 针对o f d m a 空中接口的处理相对简单，在更大带宽和高阶多输入多输出 ( m m o ) 配置情况下可以降低终端的复杂性。 综合上述因素，当然也经过激烈的讨论和艰苦的融合，在2 0 0 5 年1 2 月 召开的t s gr a n 第3 0 次全会上，最终决定l t e 可行性研究将集中在下行 o f d m a 和上行s c - f d m a 上。这也意味着o f d m 技术在3 g p pl t e 中获得了 胜利。这一结果一方面出于纯技术的考虑，即在下行链路采用频谱效率很高的 o f d m a 作为调制方式，在上行链路采用s c f d m a ，可以降低发射终端的峰均 功率比，减小终端的体积和成本；另一方面也是为了摆脱自3 g 以来高通公司独 掌c d m a 核心专利的制约。也就是说，3 g p pl t e 也是一种o f d m a 系统， 本文就o f d m 技术和o f d m a 系统方面做了详细的介绍，并针对o f d m a 系统进 行建模，并提出了种基于系统吞吐率和用户满意度的呼叫接入控制算法。 l t e 下行传输方案采用传统的带循环前缀( c p ) 的o f d m ，每一个子载波占 用1 5 k h z ，循环前缀的持续时间为4 。7 1 6 7us ，分别对应短c p 和长c p 。为了满 足数据传输延迟的要求( 在轻负载情况下，用户面延迟小于5 m s ) ，l t e 系统必须 采用很短的传输时间间隔( t t i ，t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l ) 和自动重传请求 ( a r q ) 周期，因此，在l t ef d d 系统中的1 0 m s 无线帧被分成1 0 个长度为 l m s 的子帧，每个子帧由两个长度为0 5 m s 的时隙组成。 下行数据的调制主要采用q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 这3 种方式。 针对广播业务，一种独特的分层调制( h i e r a r c h i c a lm o d u l m i o n ) 方式也考虑被采用。 分层调制的思想是，在应用层将一个逻辑业务分成两个数据流，一个是高优先级 的基本层，另一个是低优先级的增强层。在物理层，这两个数据流分别映射到信 号星座图的不同层。由于基本层数据映射后的符号距离比增强层的符号距离大， 因此，基本层的数据流可以被包括远离基站和靠近基站的用户接收，而增强层的 数据流只能被靠近基站的用户接收。也就是说，同一个逻辑业务可以在网络中根 据信道条件的优劣提供不同等级的服务。 1 0 l t e 准入控制算法 在目前的研究阶段，主要还是沿用r 6 的t u r b o 编码作为l t e 信道编码， 例如在系统性能评估中。但是，很多公司也在研究其他编码方式，并期望被引入 l t e 中，如低密度奇偶校验( u ) p c ) 码。在大数据量情况下，l d p c 码可获得比 t u r b o 码高的编码增益，在解码复杂度上也略有减小。 m i m o 技术在r 7 中已经被引入，是w c d m a 增强的一个重要特性。 而在l t e 中，m i m o 被认为是达到用户平均吞吐量和频谱效率要求的最佳技术。 下行m i m o 天线的基本配置是，在基站设两个发射天线，在l i e 设两个接收天线， 即2 2 的天线配置。更高的下行配置，如4 4 的m i m o 也可以考虑。 一种特殊的被称为虚拟( v i r t u a l ) m i m o 的技术在l t e 中被采纳。通常是2 2 的虚拟m i m o ，两个u e 各自有一个发射天线并共享相同的时一频域资源。 这些u e 采用相互正交的参考信号图谱，以简化基站的处理。从u e 的角度看， 2 2 虚拟m i m o 与单天线传输的不同之处，仅仅在于参考信号图谱的使用必须 与其他u e 配对。但从基站的角度看，确实是一个2 2 的m i m o 系统，接收 机可以对这两个u e 发送的信号进行联合检测。 上行传输方案采用带循环前缀的s c f d m a ，使用d f t 获得频域信号，然后 插入零符号进行扩频，扩频信号再通过i f f t 。这个过程简写为d f t s o f d m 。这 样做的目的是，上行用户间能在频域相互正交，以及在接收机一侧得到有效的频 域均衡。图2 3 是l t e 上行传输方案的结构。 了载波浃射 l 鲫腿8 d ) 图2 3s c f d m a 传输结构 子载波映射决定了哪一部分频谱资源被用来传输上行数据，而其他部分则被 插入若干个零值。频谱资源的分配有两种方式：一是局部式传输，即d f t 的输出 映射到连续的子载波上；另一个是分布式传输，即d f t 的输出映射到离散的子载 波上。相对于前者，分布式传输可以获得额外的频率分集。上行调制主要采用 2 位移b p s k 、q p s k 、8 p s k 和1 6 q a m 。同下行一样，上行信道编码还是沿 用r 6 的t u r b o 编码。 第二章l t e 系统介绍 2 2 3l t e 无线资源管理关键技术 与以前的通信系统相比，l t e 系统提供了更为广泛的多种速率的业务，并且 每种业务都具有各自的业务特性或者服务质量( q o s ) ，所有激活业务的q o s 都需 要得到保障。对于如此繁多复杂的业务要同时进行通信，就需要一个强大有效的 机制来对无线资源进行管理。 r r m 的作用主要包括3 个方面： ( 1 ) 通过负责空中接口资源的分配与使用，确保用户申请业务的q o s ，包括 误码率、误块率、时间延迟、业务等级等； ( 2 ) 充分提高系统容量； ( 3 ) 确保系统的无线规划的覆盖区域。 r r m 的目标是在有限带宽的条件下，为网络内无线用户终端提供q o s 保障， 其基本出发点是在网络话务量分布不均匀、信道特性因信道衰弱和干扰而起伏变 化等情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资源，最大程度地 提高无线频谱利用率，防止网络拥塞和保持尽可能小的信令负荷。 为了实现l t e 对空中接口和接入网的主要技术指标，除了要考虑空中接口技 术的演进和网络体系结构的改进之外，控制平面的架构也是非常重要的。而r r m 的优化对于控制平面的改进非常重要，通过对r r m 的优化能够实现更高的数据 速率、更低的时延。由于r r m 涵盖了无线承载控制( r b c ) 、无线接入控制( r a c ) 、 无线配置( r c ) 、动态资源分配( d r a ) 、连接移动性控制( c m c ) 和小区间r r m ( i c r ) 等各个方面，因此，l t e 中r r m 的研究需要将其各个子功能模块加 以综合考虑。 ( 一) 无线承载控制( i 氇c ) 在目前的l t e 架构中，用户平面只存在于e n b 和e p c 两个节点中，所有 用户平面的无线接入层面处理都位于e n b 。这样，为了完成同步的无线承载的配 置与重配置，r b c 功能很自然地应该放在e n b 中，配置信令可以直接从e n b 发 给u e 。 相对于传统的u m t s 这种方式由于控制单元r b c 和操作单元 e p h y m a c r l c 位于同一个网元e n b 中，因此可以有效地减少相关信令过程的 复杂性，同时允许配置与重配置过程具有较低的时延。 1 2 l t e 准入控制算法 ( 二) 呼叫接入控制( c a c ) 无线通信系统的无线资源是有限的，当用户数或服务需求增加时，为了防止 拥塞与保持网络q o s 的稳定，系统对请求接入的用户进行接入控制。在接入控制 中，系统根据系统的负载和q o s 要求进行决策，接入或拒绝用户的接入请求。 接入控制算法需要对负载进行估计，并根据网络规划的要求或动态的q o s 要求， 设置合理的接入限制条件。 c a c 通过检查无线资源和无线处理资源的可用性来决定是否允许接入一个无 线连接。由于在l t e 的架构中，这些资源的信息都位于e n b 中，因此c a c 功能 也是位于e n b 中。 ( 三) 无线配置( r c ) 网络管理员通过无线操作和维护中心( o m ) 来进行无线网络的监控和配置。 在传统的u m t s 中，o m 同时对n o d eb 和r n c 进行逻辑操作、维护与管理， 同时r n c 又要对n o d eb 进行逻辑操作、维护与管理，例如参数的配置、 n o d eb 与小区状态的管理等；而在e u t r a n 中，如果把无线配置放在e n b 中， 那么配置参数的设置将会得到简化。 ( 四) 动态资源分配( d r a ) 在3 g p p 中h s d p a 和h s u p a 引入时，就已经讨论了动态传输资源由n o d e b 来进行分配所带来的好处。这一点在l t e 中没有发生变化。不过值得注意的是， 有时候一个小区中d r a 会影响相邻小区的容量，这一点在h s u p a 中有明显的体 现。因此，d r a 有时需要相邻e n b 的协作，而这实际上就是小区间r r m 的功能。 ( 五) 连接移动性控制( c m c ) 连接移动性控制( c m c ) 即切换技术是指在通话过程中移动用户终端从一个 基站覆盖区内移动到另一个基站覆盖区内或者脱离一个小区的服务区进入另一个 小区的服务区内，以维持移动用户通话不中断。有效的切换算法可以提高蜂窝移 动通信系统的容量和q o s 。3 g 切换技术一般分为硬切换、软切换、更软切换、频 率间切换和系统间切换。切换技术主要是以网络信息信号质量的好坏、用户的移 动速度等信息作为参考来判断是否应执行切换操作。除了以上给出的切换技术以 外，正在研究的切换技术基于信道借用和基于用户位置的切换。 第二章l t e 系统介绍 1 3 发生小区间切换的最重要原因包括：基于无线条件、基于负载情况和基于移 动性模式( 分层小区结构) 、以及无线连接的丢失。 ( 六) 小区间无线资源管理( i c r ) i c r 描述了当涉及一个以上小区时r r m 的所有方面。因此，实际上对上述几 个模块的描述同样适用与i c r 。另外，小区间干扰的协调( i c i c ) 也是i c r 中重 要的一方面。当网络存在着多小区覆盖的情况时( 例如小区边缘、多小区同覆盖 等) ，需要对各个小区的网络实时资源进行协调( 例如负载失衡、小区间干扰等) ， 从而影响各个e n b 中相应的调度。 2 3l t e 技术对未来通信市场的影响 l t e 技术将大大提升用户对移动通信业务的体验，为运营商带来更多的技术 和成本优势。同时，l t e 技术的出现还巩固了传统蜂窝移动技术的主导地位。 此外，通过广泛采用o f d m 、m i m o 等新技术，l t e 也将有助于改善目前通信产 业的i p r 格局。 ( 1 ) l t e 技术将大大提升用户对移动通信业务的体验 由于具有更高的传输速率、更低的延迟率和更好的移动性等优势，l t e 能够 大幅度提升用户对新业务的体验，同时帮助运营商提供更多的、对用户更具有吸 引力的业务。 此外，采用l t e 技术也将使现有移动通信业务的q o s 提升，稳定性增强，支 持更多用户使用。通过部署采用l t e 技术，那些此前由于网络技术能力限制而只 能面向高端市场的业务，如整首音乐下载、视频电话、移动导航、移动游戏等业 务将可以逐步向大众用户普及，为更广泛的用户带来更好的业务使用体验。 ( 2 ) l t e 为运营商带来更大的技术优势和成本优势 l t e 技术可以为运营商带来更大的技术优势和经济优势。l t e 可以通过更加 灵活的频谱配置方案( 1 2 5 - - - , 2 0 m h z ) 来提升网络效率和单个基站效率，还可以通 过弱化基站控制器设备实体、采用公共无线资源管理控制基站来简化系统结构， 减少网络节点，从而更加有效地提供服务；同时，l t e 技术也可以大幅度降低用 户每兆流量的成本。 l t e 技术使得传统的蜂窝移动技术在未来相当长的时间之内都可以保持对其 他无线通信技术的优势，维护其在移动通信技术体系中的主导地位。而借助于l t e 1 4 l t e 准入控制算法 的技术优势，在蜂窝移动通信领域占强势地位的传统移动通信运营商可以继续在 技术上保持领先的地位，把握市场竞争的主动权。 ( 3 ) l t e 技术有助于改善目前通信产业的i p r 格局 由于l t e 引入了o f d m 、m i m o 等新技术，它的快速发展使得以美国高通公 司为首的传统通信技术企业掌握核心专利的c d m a 技术将逐步被淘汰，通信产业 的i p r 格局迎来了一次重新进行调整的机会。随着l t e 标准制订工作的不断推进， 已经有越来越多的通信企业带着自己的专利技术参与到l t e 技术的标准制订中 来。因此判断，l t e 标准的制订将会有助于改善目前通信产业中i p r 格局失衡的 局面，有助于整个通信产业的健康稳定发展。 2 4 本章小结 本章对l t e 系统的项目计划和系统发展时间表进行了介绍，同时详细阐述了 l t e 的演进目标。 然后对l t e 空口协议结构进行了介绍，特别是对物理层的关键技术进行了阐 述，l t e 系统与3 g 系统最大的差异就是物理层的技术，l t e 系统采用o f d m 技 术。其后对l t e 无线资源管理的关键技术一一做了介绍：无线承载控制( i m c ) 、 无线接入控制( r a c ) 、无线配置( r c ) 、动态资源分配( d r a ) 、连接移动性控 制( c m c ) 和小区间r r m ( i c r ) 等。 最后介绍了l t e 技术对未来通信市场的影响。 第三章o f d m 和o f d m a 技术概述 1 5 第三章o f d m 和o f d m a 技术概述 3 1o f d m 和o f d m a 技术介绍 3 1 1 多址接入技术介绍 通信资源( c r ，c o m m u n i c a t i o nr e s o u r c e ) 描述了一个给定系统进行信号处理 所能使用的时间和带宽等方面，多址接入就是指移动台对这些通信资源的共享。 其中对通信资源的切割与分配就是对多维无线信号空间的划分，在不同的维度上 进行不同的划分就对应着不同的多址技术，常见的维度有信号的时域、频域和空 域等。信号空间划分的目标是要使得各用户的无线信号之间在所划分的维度上达 到正交，这样这些用户就可以共享有限的通信资源而不会相互干扰。 多址接入技术一直都是无线通信的关键技术之一，甚至是移动通信更新换代 的一个重要标志。接下来，介绍几种常见的多址接入技术： ( 一) 频分多址( f d m a ) f d m a 是应用最早的一种多址技术，a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 、 t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 等第一代移动通信系统所采用的多 址技术就是f d m a 。它将传输频带划分为若干个较窄且互不重叠的子频带， 不同用户信号被分配到不同的频带里，通过带通滤波器隔离不同频率间的干扰， 从而实现多址通信。在数字蜂窝通信系统中，采用f d m a 制式的优点是技术比较 成熟和易于与模拟系统兼容；缺点是每个f d m a 子频带每次只能承载一路业务信 息，在信道空闲时也不能被其他用户共享，频率利用率较低，系统容量较小：而 系统中同时存在多个频率的信号，容易形成互调干扰。 ( 二) 时分多址( t d m a ) t d m a 方式是在给定频带的最高数据传送速率的条件下，把传递时间划分为 若干时隙，用户的收发各使用一个指定的时隙。系统通过定时选择信道来限制邻 近信道的干扰，这样一个频率就可以被多个信号通过占用不同的时隙来实现同频 复用。t d m a 在第二代移动通信系统中得到了广泛的应用，如g s m ( g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 和p a c s ( p i c t u r ea r c h i v i n ga n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 等。t d m a 系统中的各用户仅在所分配的时隙工作，可以共享频带资源，因此频 谱利用率高，系统容量较大。它的缺点是由于发射速率较高，为了消除码问干扰 1 6 l t e 准入控制算法 的影响而需要采用自适应均衡，此外用于同步控制等的系统开销也相对较大。 ( 三) 码分多址( c d m a ) c d m a 方式是用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随即编码信号或其他扩频 码调制所需传送的信号，使原信号的带宽被拓宽，再经载波调制后发送出去。 接收端使用完全相同的扩频码序列，同步后与接受的宽带信号作相关处理， 把宽带信号解扩为原始数据信息。不同用户使用不同的码序列，他们使用相同频 带，接收机虽然能接收到，但不能解出，这样可以实现互不干扰的多址通信。 c d m a 技术在蜂窝移动通信系统中的运用将大大提高系统的容量、增强系统