（信号与信息处理专业论文）未来移动网络中无线资源管理的若干关键问题研究.pdf

北京邮电大学博士学位论文 摘要 本论文对移动通信中无线资源管理领域的若干问题进行了研究，所 做工作和主要创新点有： 第二章在总结前人视频业务模型的基础上，通过对m p e g 4 实际业 务源统计特性的分析，提出了一种新的基于h a d a m a r d 变换的帧级 m p e g 4 实时视频业务模型。统计分析和性能评估表明，新模型由于根 据m p e g 4 编码特点使用了特殊的模型结构，加上在h a d a m a r d 变换正 交域建模，因此能够实现对m p e g 4 图像数据短翘相关和长期相关特性、 以及排队特性的精确捕获。该模型具有所需参数少、结构简单、效率高 等优点，为进一步对接纳控制算法、切换策略等无线资源管理策略的系 统级仿真研究提供了一种有效的图像业务源模型。 第三章主要研究用户移动性对系统业务量性能影响。我们首先对前 人的分析方法进行了改进，在此基础上提出了一种评估蜂窝通信系统业 务量性能的通用方法，它不仅适用于我们研究的四种具体移动性模型， 还适用于其它的任意移动性模型。并将它推广到软切换系统中，得到软 切换系统中考虑用户移动性时分析系统业务量性能的简单理论方法。同 时提出了一种简单有效的、基于离散事件仿真的系统级动态仿真评佶方 法。本章将多种移动性模型纳入统一的评估体系，并同时用理论计算和 仿真方法得到它们对蜂窝系统业务量性能的影响。 第四章首先介绍了一种新型分布式无线通信系统( d w c s ) ，并给出 了d w c s 系统中区域因子的定义。接着以d w c s 4 为例，推导了当用户 均匀分布以路径损耗最小准则选择天线组成虚拟小区时，每根天线所受 干扰和区域因子的数值计算方法，并在此基础上推导出多业务并存时的 总干扰，进而求得多业务的极点容量。在采用相同天线分布条件下，通 过对传统蜂窝系统( 包括考虑双天线接收分集的蜂窝系统) 、d w c s 2 系 统和d w c s 4 系统多业务用户容量的对比仿真，证明了d w c s 系统能够 提高频谱利用效率，系统容量较之传统蜂窝系统有明显优势。 第五章提出了一种简单有效的多业务呼叫接纳策略。这种呼叫接纳 策略具有判决量简单且易于测量和实现的优点，而进一步的推导则证明 采用该策略时用户的发射功率最低，故相互间多址干扰最小，实际达到 了系统全局最优的目的。同时该策略还具有一定的负载平衡作用，并且 北京邮电大学博士学位论文 摘要 它不仅适用于d w c s 这种新型分布式系统，也适用于传统的蜂窝系统。 在此基础上我们还提出了当用户非均匀分布、存在“热点”区域时，一 种新的负载平衡切换机制，它通过将部分热点地区的用户转移到邻近的 轻负载区域，降低了用户所需的发射功率及由此带来的对整个系统( 包 括重负载区域) 的干扰，缓解了重负载地区的资源紧张和对新呼叫的阻 塞率，提高了系统性能。最后我们通过时间驱动的动态仿真模型，分别 对上述策略予以验证，并与传统策略进行了对比，仿真结果证实了我们 所提出策略的优越性。 关键词：无线资源管理业务模型移动性模型分布式无线通信系统 容量分析呼叫接纳控制策略切换策略 i i 托京鑫 毫文学博学位论文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so ns t u d y i n gs o m ek e yt e c h n o l o g i e si nr a d i o r e s o u r c em a n a g e m e n tf o rf u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h em a i n i n n o v a t i v ep a n sa r ea sf o l l o w s ： i nc h a p t e r2 ，w es u m m a r i z et h ee x i s t i n gv i d e ot r a f f i cm o d e l i n gm e t h o d s f i r s t t h e nt h r o u g ha n a l y z i n gt h es t a t i s t i cf e a t u r e so fm p e g 一4t r a f f i cd a t a ，w e p r e s e n tan e wr e a l t i m ef r a m el e v m p e g ，4v i d e ot r a f f i cm o d e lb a s e do n h a d a m a r dt r a n s f o r m b o t hs t a t i s t i ca n a l y s e sa n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n s d e m o n s t r a t et h a to u rn e wm o d e lc a na c c u r a t e l y c a p t u r e s h o r t r a n g e d e p e n d e n c e ( s r d ) ，t o n gr a n g ed e p e n d e n c e( l 胁) a n d q u e u i n g c h a r a c t e r i s t i c so fm p e g - 4v i d e od a t as i n c ei te x p l o i t sas p e c i a lm o d e l s t r u c t u r ea c c o r d i n gt om p e g - 4e n c o d i n gn a t u r e sa n dm o d e l st h ed e p e n d e n c y i nt h eo n h o g o n a ld o m a i na f t e rh a d a m a r dt r a n s f o r m f u r t h e r m o r e ，t h en e w m o d e ln e e d sv e r yf e wp a r a m e t e r sa n dh a sq u i t eh i g hc o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c y , t h u si sv e r ys u i t a b l et ob eu s e da st h ev i d e os o u r c ei ns o m er a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n ts t r a t e g e t i e ss i m u l a t i o ns t u d i e ss u c ha sc a l la d m i s s i o nc o n t r o l a l g o r i t h m , h a n d o f fs c h e m e sa n ds oo n c h a p t e r3m a i n l ys t u d i e st h ei m p a c to fu s e rm o b i l i t yo nt h et r a 蕊c p e r f o r m a n c eo fm o b i l en e t w o r k s w ei m p r o v eh o n g sa n a l y t i cm o d e la n d d e v e l o pag e n e r a la n a l y t i c a lm e t h o dt oe v a l u a t et h et r a f f i cp e r f o r m a n c eo f c e l l u l 蠹c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hc a nb ea p p l i e dt oa n ym o b i l i t ym o d e l b e s i d e st h ef o u rs p e c i f i co n e sw eu s e di no u rc o m p a r i s o ns t ud y w et h e n m o d i f ya n de x t e n di ti n t ot h es o f th a n d o f fs y s t e m , a n dg e tas i m p l ea n a l y t i c a l m e t h o dt oa n a l y s et h ee f f e c t so fu s e rm o b i l i t yo nt h et r a f f i cp e r f o r m a n c eo f s o f th a n d o 行s y s t e m ，w ea l s od e v e l o pan e ws i m p l ea n de f f i c i e n ts y s t e ml e v e l s i m u l a t i o nm e t h o db a s e do nd i s c r e t ee v e n td y n a m i cs i m u l a t i o n w et h e nu s e b o t ht h ea n a l y t i c a la n ds i m u l a t i o nm e t h o d sw ed e v e l o p e dt oi n v e s t i g a t et h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tm o b i l i t ym o d e l so nt h et r a f f i cp e r f o r m a n c eo fc e l l u l a r s y s t e m i n c h a p t e r 4w es t u d yt h e p o l ec a p a c i t y o fd i s t r i b u t e dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( d w c s ) f i r s t l y , w eg i v eab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u t d w c sa n dt h ec o n c e p to ft h er e g i o ni n t e r f e r e n c ef a c t o r t h e n ，a sa ne x a m p l e ， i ! ! 室塑皇查兰堡主兰堡堡塞 塑墨 w ed e r i v et h en u m e r i cc a l c u l a t i o nm e t h o dt h a tc a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h e a v e r a g et o t a li n t e r f e r e n c er e c e i v e db yo n ea n t e n n ai nd w c s 4a n dt h er e g i o n i n t e r f e r e n c e f a c t o ro fd w c s 4w h e nt h eu s e r sa r ea s s u m e dt ob eu n i f o r m l y d i s t r i b u t e da r o u n dt h ec o v e r a g ea r e a b a s e do nt h ec a l c u l a t e dr e g i o n i n t e r f e r e n c ef a c t o r , w ed e r i v e t h et o t a li n t e r f e r e n c ep o w e rt h a ta na n t e n n a w i l lr e c e i v ew h e nt h e r ea r em u l t i p l es e r v i c e sa n do b t a i nt h ep o l ec a p a c i t i e so f t h em u l t i p l es e r v i c e sf i n a l l y u n d e rt h es a m ea n t e n n ad i s t r i b u t i o na n dd e n s i t y , w ec o m p a r et h ep o l es i m u l t a n e o u su s e rn u m b e r so fm u l t i p l es e r v i c e st h a tt h e t r a d i t i o n a lc e l l u l a rs y s t e m ( i n c l u d i n gt h ec e l l u l a rs y s t e mw i t ht w or e c e i v i n g d i v e r s i t ya n t e n n a s ) ，d w c s 2a n dd w o c s 4c a ns u p p o r t t h es i m u l a t i o nr e s u l t s v e r i f yt h a tt h ed w c ss y s t e mh a so b v i o u sa d v a n t a g eo v e rt h et r a d i t i o n a l c e l l u l a rs y s t e mi ns y s t e mc a p a c i t y c h a p t e r5p r o p o s e sas i m p l ea n de f f i c i e n tc a l la d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m e f o rm u l t i l ；) l es e r v i c e s t h i ss c h e m ec o m p a r e sv e r ys i m p l em e a s u r e m e n t so f a n t e n n a s w h i c hc a nb ee a s i l ym e a s u r e da n di m p l e m e n t e di np r a c t i c e f u r t h e r a n a l y s e sa l s os h o wt h a tt h i ss c h e m ec a nm i n i m i z et h en e c e s s a r yt r a n s m i s s i o n p o w e ro ft h eu s e r , t h u sr e d u c e st h em u t u a li n t e r f e r e n c ea m o n gu s e r sa n dh a s t h ea d v a n t a g eo fg r o b a lo p t i m i z a t i o n t h i ss c h e m ea l s oh a ss o m ec a p a b i l i t y t ob a l a n c et h el o a da r o u n dt h es y s t e ma n di tc a nb ea p p l i e dt ot h et r a d i t i o n a l c e l l u l a rs y s t e ma sw e l l al o a d s h a r i n gh a n d o f fm e c h a n i s mi sa l s od e v e l o p e d w h e nt h eu s e ri sn o tu n i f o r m l yd i s t r i b u t e da r o u n dt h ec o v e r a g ea r e a i e w h e nt h e r ea r e r s o m e “h o ts p o t s ”t h i sn e wh a n d o f fs c h e m ew i l lt r i g g e rt h e s y s t e n it or e c h o o s et h er e c e i v i n ga n t e n n ac o m b i n a t i o nf o rs o m eu s e r so ft h e a n t e n n a sw i t hh e a v y1 0 a d ，t h u sd e c r e a s e st h et r a n s m i s s i o np o w e ro ft h e s e u s e r sa n dt h ei n t e r f e r e n c er e c e i v e db yt h ea n t e n n a sa n da l s oo t h e ra n t e n n a s a st h er e s u l t ，t h en e wc a l lb l o c k i n gp r o b a b i l i t yi nt h eh e a v yl o a d i n ga r e a s w i l lb el o w e r e da n dt h ew h o l es y s t e mp e r f o r m a n c ew i l lb ei m p r o v e d w e c o m p a r et h e i rp e r f o r m a n c ew i t ht h et r a d i t i o n a ls c h e m e st h r o u g ht i m ed r i v e n d y n a m i cs i m u l a t i o n s s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a to u rn e ws c h e m e sh a v e o b v i o u sa d v a n t a g e s k e yw o r d s ：r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，t r a f f i cm o d e l ，m o b i l i t ym o d e l ， d i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，c a p a c i t ya n a l y s i s ，c a l la d m i s s i o n c o n t r o l ，h a n d o f fs c h e m e 本文获国家自然科学基金项蹬 “基于分布式天线的无线通信体系理论及关键技术” ( 序列号：9 0 2 0 4 0 0 1 ) 资助 独创性说明 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谤拍g 地方外，论文中不包括其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或 论文而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 石堑日期：如牛年2 月扣日 关于论文使用授权的说明 本论文作者完全了解北京邮电大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构交送论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。本人授权北 京邮电大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：二盟导师签名弛期：归尹年，一月7 日 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 1 1 移动通信发展现状 第一章绪论 尽管受到全球经济发展趋缓的不利影响，移动通信在过去的几年中仍保持着高 速增长，3 g 商用也己真正起步，来自【1 】的统计数据表明截止到今年n 月全球已有 1 1 3 个商用3 g 网络，它们分布在全球5 0 个国家，3 g 用户更是达到1 亿4 千万。其 中c d m a 2 0 0 01 x 用户约l 亿1 千8 百万、l xe v - d o 用户超过1 千万、w c d m a 用 户近1 于2 百万，各种3 g 终端达到6 0 6 种。 第三代移动通信的概念最初由国际电联( i t u ) 于1 9 8 5 年提出，先称作未来公 众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，后改名为i m t - 2 0 0 0 ，当初的设计目标主要有两个： 一是开辟新的频段和采用新的技术，以满足更多用户和更大带宽、更多业务和更高 质量的需求：二是要统一全世界的制式以实现全球漫游i2 1 。经多年研究、一系列的对 比评估和标准建议间的融合，在1 9 9 9 年1 1 月举行的r r u rt g 8 1 赫尔辛基会议上 最终确定了第三代移动通信无线接口标准，并于2 0 0 0 年5 月在i t u - r2 0 0 0 年全会 ( r a 一2 0 0 0 ) 上得到批准通过，正式形成h m t - 2 0 0 0 无线接口技术规范m 1 4 5 7 ”。此 规范包括砌t d s ( i m t - 2 0 0 0 码分多址直扩，即w c d m a ) 、m t - m c ( 州t - 2 0 0 0 码 分多址多载波，即c d m a 2 0 0 0 ) 、i m t - t d d ( i m t - 2 0 0 0 码分多址时分双工，包含我 国提出的t d s c d m a 和欧洲的u t r a t d d ) 、i m t s c ( i m t - 2 0 0 0 时分多址单载 波，基于北美u w c 1 3 6 系统，在欧洲体现为e d g e 标准) 和i m t - f t ( i m t - 2 0 0 0 频 分时分多址单载波，基于欧洲数字无绳系统d e c t ) 五种技术，其中基于c d m a 技术的w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 是主流。显然由于各国、各企业间的利 益矛盾，i t u 想制定一个全球统一标准的初衷没有实现，3 g 的多制式是一个现实。 以欧洲和日本为主提出的w c d m a 系统因基于全球最大商用网络g s m 系 统，得到了全世界研究机构、运营商和厂家最为广泛的关注、研究和开发，其标准 化工作由3 g p p 组织进行【4 】。3 g p p 于1 9 9 9 年1 2 月基本完成w c d m a r 9 9 ( 9 9 版) 技术规范的制定工作，但并不完善，经过大量的纠正、改进和更新后，2 0 0 1 年3 月 3 g p p 通过了较完善的9 9 版本，并宣布冻结非基本或非关键性修改，但r 9 9 标准的 真正稳定是在2 0 0 2 年1 2 月以后。r 9 9 版本的核心网基于增强的g p r s 网络，空中 接口部分采用了诸如基站异步传输、自适应多速率语音编码( a m r ) 、正交可变因子 扩频( o v s f ) 、t u r b o 码、发分集、1 5 k 快速功控等有别于窄带i s 9 5 的技术，目前 各设备制造商推出的和己商用的w c d m a 产品主要基于不同月份的r 9 9 版本。3 g p p 于2 0 0 0 年开始制定r 4 、5 版本，目前技术标准己基本稳定，其中r 4 主要增加对 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 l c r - t d d ( 也就是t d s c d m a ) 、r e p e a t e r ( 直放站) 、t f o t r f o ( 免声码器转换) 、 电路域的紧急呼叫、基于网络接口的定位业务等的支持，以及核心网向m 演进等， r 4 版本是一个过渡性标准，除中国外其它市场并无太大兴趣。r 5 版本在空口的最主 要改进是引入h s d p a ( 高速下行分组接入) ，它可看作是i xe v - d o 中一些创新思 想在w c d m a 下行的应用和扩展，r 5 同时将接入网向i p 传输演进，在业务方面则 提出i m s ( 基于p 的多媒体业务) 体系思想和实现端到端的q o s 保证等。3 g p p 现 在正在进行r 6 及后续版本( r 7 等) 的标准化或预研工作，r 6 主要引入h s u p a ( 高 速上行分组接入) 和m b m s ( 多媒体广播和多播) ，在业务方面则是实现i m s 阶段2 ， 计划在今年1 2 月份完成。为r 7 等后续版本进行的预研项目则包含m i m o ( 多入多 出) 、基于o f d m ( 正交频分复用) 的改进、接入网改进( 减少时延和支持v o i p 等) 、 对g a l i l e o 定位系统的支持和应用、对h c r t d d 的增强等。 由北美主导提出的c d m a 2 0 0 0 系统基于i s 9 5c d m a ，其标准化工作由3 g p p 2 组织进行【5 】，3 g p p 2 于1 9 9 9 年完成了c d m a 2 0 0 01 x 的r e l e a s e0f v l o ) 版本，并在2 0 0 1 年对它进行了修订，其核心网络采用演进方式的i s 9 5c d m a 的核心网( 即 a n s i 4 1 ) ，c d m a 2 0 0 01 x 占用与i s 一9 5c d m a 相同的带宽，但因采用了e v r c 语音 编码、可变因子扩频、q p s k 调制、低速率卷积码和t u r b o 码、反向信道导频符辅助 相干解调、快速前向功率控制和多种功控模式、发送分集等技术，容量可相对提高 一倍，而且和9 5 系统可以完全后向兼容，目前在全球广泛商用的c d m a 2 0 0 0 系统主 要基于r e l 0 版本。3 g p p 2 在2 0 0 0 年3 月完成了c d m a 2 0 0 0 的r e l a 版本，并在2 0 0 2 年对它进行了增补，r e l a 主要增加了一些公共信道及相关的信令支持，相比于r e l 0 的改进包括可同时支持语音和数据业务、更高( 3 0 7 2 k ) 的补充信道速率、增强的 加密算法、支持短数据突发、基于呼叫类型( 语音或数据) 的接入控制、完善3 x 等。 2 0 0 0 年1 0 月3 g p p 2 还发布了基于高通公司h d r 系统的1 xe v d or e l 0 标准，d o 开创性地通过在前向使用基于用户测量1 报告、小区集中调度的时分复用多用户选择 分集、基于信道状态反馈的自适应编码调制、t u r b o 码和混合a r q 等，实现了对下 行分组数据传输速率和效率的极大优化，在1 2 3 或1 2 5 m h z 带宽上可实现每扇区最 大峰值速率为2 4 5 7 6 m b p s 、平均速率约6 0 0 k b p s 。3 g p p 2 在2 0 0 2 年发布了c d m a 2 0 0 0 的r e l b 和r e l c 版本，r e l b 主要在信令方面进行了一些改进，包括引入援救信 道( r e s c u ec h a n n e l ) 以减少掉话、码合并软切换、增强的速率适应模式等，它是一 个过渡性版本，由于r e l c 和r e l d ( 即e v - d v ) 工作的提前，r e l b 其实并没有 完成它的原定目标。r e l c 是i xe v - d v 的第一个版本，新的功能包括对d v 的信令 和控制支持( 如前向时分复用、信道状态反馈、带速率适配的快速调度、h a r q 等) 、 快速呼叫建立、增强的认证算法( a k a 算法) 、新的p l c m ( 公共长码掩码) 产生 方法、动态的软切换定时器时长、新的频段类别等，由于在前向采用了和d o 相似 2 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 的先进技术，r e l c 的前向晟高速率可达3 i m 。2 0 0 4 年3 g p p 2 完成了c d m a 2 0 0 0i x 的r e l d 版本，实现了真f 功能强大的d v 演进。r e l d 的主要改进是在反向，将 h a r q 、快速调度和速率控制、移动台自动速率适配、自动q o s 等级选择等先进技 术用于反向分组数据信道，实现了反向最高速率为1 8 m b p s ，在前向则是完善对数据 多播广播的支持。r e l d 版本的发布使得r e l b 和r e l c 被商用的可能性降低。2 0 0 4 年3 g p p 2 同时还发布了1 xe v - d o 的r e l a 版本，它的主要改进也是在反向，采用 的是和1 xr e l d 相类似的关键技术，在反向也实现了i 8 m b p s 的最高速率，d or e l a 对前向也进行了细微改进，将峰值速率提高到3 1 m b p s ，对q o s 也进行了更好的 支持。d or e t a 和d v ( 1 xr e l d ) 在关键技术上是基本相同的，但由于d o 考虑 的是纯数据业务和纯数据优化，故其实现复杂度还是会大大低于1 xr e l d 。 我国提出的t d s c d m a 系统的标准化工作主要在3 g p p 和中国的c w t s ( 中国 无线通信标准协会，现已合并入c c s a 【6 l _ 咩，国通信标准化协会) 中进行。3 g p p 在r e l 一4 中完成了t d s c d m a ( 又称l c r - t d d ) 的第一个版本，它基于r e l 4 核心 网。为了推动t d s c d m a 的发展，经大唐提议和标准组讨论，c c s a 已决定在中国 的3 gr e l 9 9 核心网标准中增加对t d s c d m a 的支持，以使t d s c d m a 能工作于 r 9 9 核心网。t d s c d m a 由于采用上行同步、智能天线和多用户检测技术，并引入 接力切换、软件定义无线电等瓤概念，从理论上讲具有容量大、适合不对称数据传 输的潜在优点，再加上有大量的可用频谱，故越来越受到重视，但客观地讲有些技 术并不很成熟，技术标准也不够稳定，产品开发离商用还有较大距离，缺乏t d d 大 规模组网的经验和深入研究。 1 2 无线资源管理概述 随着移动电话的日益普及、人们对业务多样性需求的不断增长、对服务质量 ( q o s ) 要求的进一步提高，以话音业务为主的第二代移动通信系统( 如g s m ) 已逐渐 不能满足需要，而向着具有更高发送速率、更大容量、服务更灵活、能够提供多媒 体业务的第三代移动通信系统( 3 g ) 乃至后三代移动通信系统演进。第三代移动通 信系统中根据q o s 要求的不同将业务分为会话类业务、流类业务、交互类业务和后 台类业务1 7 ，这些业务的空中接口数据速率将达到3 8 4 k b p s 甚至2 m b p s ，而对后三代 移动通信系统空中接口速率的要求甚至到1 0 0 m b p s 或更高。我们在展望无线高速多 媒体时代即将到来的美好前景时，也应意识到高用户量、高数据传输量和多种业务 不同q o s 要求并存给未来无线网络带来的潜在挑战。应对这些挑战不仅需要一流的 设备，而且更需要一流的无线资源管理技术。 无线资源管理技术在保障网络的质量和容量方面都发挥着重要作用。目前国际 3 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 上提高网络容量的方式可以分为两类【8 1 ：一种是传统的无线链路本身的性能提高( 1 i n k l e v e li m p r o v e m e n t ) ，即由点到点调制和解调、编码和解码等各个方面提高单一链路的 数据传输量。这种方式的问题是收发信机可能变得越来越复杂，也意味着造价很高。 另一种是把蜂窝网络看作个整体，即应用现代的无线资源管理技术，使用简单的 收发信机，而以优化分配有限的无线资源来提高网络的整体容量( n e t w o r kl e v e l i m p r o v e m e n t ) a 蜂窝通信系统的基本结构是出固定网络和无线接入系统组成。固定网络将分布 在一个广阔区域内的基站连接起来。由基站向用户提供服务。每个基站的覆盖区域 都限制在周围的一定区域内，以避免对相邻小区造成干扰。在这种结构中蜂窝网的 无线资源管理问题是指对于一个进入网络的移动用户，网络需要分配适当的基站、 信道、发信功率，以使具有固定硬件设备的无线网络获得更高容量的同时，满足用 户的质量要求( q o s ) 。无线资源管理的目标就是在有限带宽的条件下，为网络内无线 用户终端提供业务质量保障，其基本出发点是在网络业务量分布不均匀、信道特性 因信道衰落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，最大限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9 1 0 无线资源管理( 融t m ) 所涉及的内容十分广泛，主要包括以下一些技术：功率控 制、速率控制、负载控制( 拥塞控制) 、调度技术、切换技术、呼口q 接纳控制、信道 分配、端到端的q o s 保障、无线资源预留等。这些技术策略的研究又牵涉具体的网 络业务种类、用户移动性模型、系统容量的分析等。 无线资源管理作为一种优化的策略总是针对具体业务模型的。不同类型的业 务其无线资源管理的策略也不尽相同。对于话音业务的无线资源管理主要包 括基站的选择( 切换) 、信道( 频率、时间或码道) 分配、功率分配与调整等： 数据业务的无线资源管理比话音业务复杂，它既包括话音无线资源管理中的 所有内容，还涉及速率分配、拥塞控制、分组调度等问题。未来移动通信的 目标是用户可以随意选择不同媒体、以任何方式( w h a t e v e r ) 进行通信，网 络能够为用户提供不同传输速率、不同时延要求、不同误码要求等等个性化 的服务。为此，网络应该根据用户所定制的不同业务，选择合理的资源管理 策略，对无线资源合理分配。因此，深入研究各种业务的特性及其对网络性 能的要求和影响是进一步研究无线资源管理策略和算法的重要基础。 作为动态网络的移动通信网络，随时随地都有用户发起呼叫、终止呼叫，并 在网络内部移动。在传统蜂窝通信网中，当用户在小区内移动，远离或靠近 基站，就会增大或减小发射功率以保证自身或其它用户的q o s 要求：当用户 4 北京邮电太学博士学1 嶷论文 觜一章绪论 离基站越来越远逐渐移国原小区时，即便以最大功率发射也难以与原基站保 持通信，就会向相邻小麟发起切换请j j 乏，如果目标小区没有足够的资源不能 及时为浚用户提供服务，裁会造成摔落。未来蛇移动通信网，上百兆的带宽 隽荟式各群麓菲话音监务疆供了震魂秘己豹舞台，它翻孛有赘对辩延要求苛 刻，有的对数据完整性鬻求严格，有的则对传输麓错敏感。如何在高速移动 环境下，及时、有效地为各个用户提供所需资源，保障各类业务的通信质量， 对各秘无线资源謦理策稳提密了更燕熬要求。 容量是评估一个系统的羹要性能指标。采用各种光线资源管理的目的就是为 了在满足q o s 的前提下，尽可能地掇高频谱效攀。增加系统的实际容量。 c d m a 系绞跫令于撬受隈夔系统，鹅户阕多缝予拣戆踱枣裁爨睬着系统容 量的增加，因此对系统容鬃的分析就离不丌对于扰的分析。特剐是随着无线 通信的发燧，业务种类的增多，在复杂的无线环境中，在合理的功率控制策 略，切换策略等无线资源镑理技术下，根据各类业务不同的q o s 要求，不恩 豹簿调门戳，不同静资源需求，醑究幽茂带来兹鞭互间予莸、系统容量豹变 化、网络性能的改善是非常必要的。 功率控制技术。不同予以髓匏f d m a 、t d m a 接入方式，c d m a 属予宽带接 入方式，氇虢是所有蔫户在掰有时阗内共享全部静发送带宽。它将每个霜户 的信号从原米的带宽扩展剿整个带宽上。这样做的好处是无需调度时隙或频 隙，使统计凝用更为简单。也正因为如此，功率控制成为资源分配和干扰管 理夔关键麓越。每个蠲户涎罄接入轰瓣变芘，逶逡敬交它懿发射凌率戳逶盛 变化豹无线信道和干扰祭件。通过功率控制，可以游免因移动台离基站近时 信号强、离旗站远信号弱，并在通信系统的非线性下进一步加熏，造成强者 更强、弱者鼹弱戳强压鹦的远近效应；可以改善农下行链路中，巍移动台像 于程邻枣嚣的交赛处时，收至所属基滔的有瘸信号功率缀低，帮受到楣邻小 区基站较强干扰的边角效应；还可以补偿电波传播中由于大型建筑物的阻挡， 形成阴影效废产生的幔衰落0 0 - n 。 浮i l 接纳控铡遭程是穰弦系统豹实辩受蓊决定是覆接受薪到这豹瘸户豹睁# q 请求，从而控制系统中邋话的用户数嫩，使系统负荷维持在一个比较稳定的 水平上。第三代及未来移动通信系统戮求支持低速话音、高速数据和视频等 多攥传选务，嚣j 逄零l 羧缡控镁遣载黛褥较尧复杂。蒙嚣在予c d m a 蜂窝系 统是一个自干扰系统，它的系统容薰不是固定值，i 黼f 具有较大的弹性，每个 新呼叫的产嫩都会增加对所有其它现肖呼叫的干扰电平，并可能影响整个系 统的容量和孵叫质量。麴聚允诲空中接日受蘅过渡增长，那么小区的覆盖瑟 5 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 积就会减少到预期的数值以下，而且已有连接的服务质量也无法得到保证。 因此，随着未来移动通信系统对数据、图像、视频等多媒体业务的支持，其 业务的传输速率也越来越高、差异性也越来越大，研究新的适合于高速移动 通信系统的自适应呼叫接纳控制算法十分必要。 切换始终是移动蜂窝系统中的特色问题。移动性引起蜂窝系统中链路质量和 干扰电平的动态变化，有时要求用户改变它的服务基站，即切换。在第一代 蜂窝系统中，切换相对简单。第二代蜂窝系统较之第一代有了很大的提高， 包括所采用的切换准则。更复杂的信号处理和切换判决过程被采用。控制和 判决结构从网络控制朝向移动台辅助控制的切换( m a h o ) 或移动台控制的 切换( m c h o ) 演进。并且在i s 9 5 系统中采用了先进的软切换。硬切换对 是否切换会做出明确决定，旦决定就开始执行切换，用户与两个基站间不 会同时存在业务信道。软切换对是否切换做出的是条件性决定，根据来自两 个或更多基站导频信号强度的变化，最终决定与哪个基站通信，这通常发生 在已经明确某基站的信号强过其它基站的信号时。处于中间阶段时，用户会 与所有侯选基站同时保持业务信道。软切换消除了硬切换中的乒乓效应，降 低了切换时延，并增加了系统容量。它是c d m a 系统的特色之一，对c d m a 系统的研究离不开对软切换的研究【1 2 】。 负载控制( 拥塞控制) 。无线资源管理的一个重要任务是确保系统不过载并维 持稳定。但是如果系统中出现诸如平均资源需求接近容量限制，业务突发性 过强，无线信道条件过于恶劣，或用户分布过于密集时，就有可能发生过载， 出现拥塞。因为大多数功率控制准则为了保障q o s ，会增加发送功率，这就 增加了干扰降低了系统性能。此时需要采取有效的拥塞控制技术，将系统迅 速并且可控地回到无线网络规划所定义的目标负载值。为降低负载，可以对 下行链路采取快速负载控制，拒绝执行收到的来自移动台的下行链路功率升 高指令；对上行链路采取快速负载控制，降低上行链路快速功控使用的上行 链路e 。n o 的目标值：减少分组数据业务的吞吐量；降低实时用户的比特速 率；以控制方式停止呼叫等。在多速率系统，如何快速检测到系统的异常， 采取恰当的拥塞控制技术，使系统回恢常态非常重要 1 3 - 1 4 】。 速率控制。如众望所期，下一代无线通信网能够支持各色业务，包括高速数 据应用。不同于以往的话音业务，只要在稍长的时段内吞吐量足够，这些数 据业务就时常能忍受相当的分组时延。数据应用对时延的相对忍受能力，以 及数据业务本身的突发特性，为发送调度以优化吞吐量提供了可能。对低移 动性的环境如室内，瑞利衰落频率相对较低，衰落电平在一定程度上可以预 6 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 测。如在高通公司提出的h d r 规范中，衰落可通过基站提供的导频信号被所 有用户测量，这些测量值再反馈给基站，并用于估计衰落电平及下一时隙内 用户速率。显而易见，这种方法利用了信道条件的变化，把可使用速率用恰 当的系数进行加权，向拥有当前最好信道的用户以最大速率发送。如果把加 权系数解释为回报代价，那么这种最优策略就是一种基于收益的策略。合理 选取代价函数，分配发送速率，才能有效保证用户q o s 要求，提高网络的吞 吐能力”1 。 调度技术。无线通信中。为了在共享媒体上为所有用户提供服务，必须采用 媒体接入控制协议( m a c ) 在各用户间调度分组发送，进行统计复用。在 c d m a 系统中采用功率控制对抗远近效应。在单一语音业务系统中，上行链 路中小区内每一个移动台在基站处的接收功率被维持到相同的电平。然而， 在多媒体系统中，不同业务类型要求不同的误码率。如果所有业务的接收功 率保持在相同的水平，容量就会被误码率要求最严的业务所限制，不能有效 地利用宝贵的无线资源。而且由于多媒体业务流存在较大的差异性和突发性， 多媒体业务的分组发送顺序对无线系统的效率和性能会造成更大的影响。通 常的分组调度准则包括吞吐量最大化、满足q o s 要求，按预定义的优先结构 调度，对实时业务采用低实现复杂度的调度等。由于许多调度策略，如f i f o 、 轮询机制，最早提出于有线网，过去无线网内采用更多的是随机接入协议。 随着著名的p