（信息与通信工程专业论文）ieee+80216e系统的切换算法与准入控制策略的研究.pdf

摘要 以实现车载速度下的实时多媒体业务为目标的i e e e8 0 2 1 6 e 移动宽带无线接入 标准的出现为宽带无线的发展带来了新的机遇，引起了业界的广泛关注。然而，多 媒体业务与无线移动的结合给研究领域带来很多新的挑战，例如如何高效地利用有 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 u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 。1 e e e8 0 2 1 6 e 系统的q o s 保证面临着无线信道 的不确定性，移动用户的动态分布和业务种类的多样性等问题。为了在i e e e8 0 2 1 6 e 系统中提供有效的q o s 保证，本文将重点研究i e e e8 0 2 1 6 e 系统的切换算法与呼叫 准入控制策略。 切换是移动网络最重要的技术之一，直接影响着通信系统的整体性能。本文研 究了i e e e8 0 2 1 6 e 系统基于c i r 的软切换机制，提出绝对门限和相对门限相结合的 软切换触发和判决算法。通过仿真研究了各参数对平均切换次数、切换损耗概率和 系统频谱利用率的影响，并在这些系统性能之间寻求折中。 呼叫准入控制( c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ，c a c ) 策略是实现q o s 保证的最关键 的技术之一。传统的c a c 策略都是基于信道或带宽的预留，然而这些策略在i e e e 8 0 2 1 6 eo f d m a 系统中是不适合的：1 ) o f d m a 系统支持灵活的子信道和功率分 配算法，而预留一部分子信道给切换用户，会导致带宽利用率的降低；2 ) 带宽和 功率之问存在可互换的关系。分配尽可能多的信道给用户而预留功率，可以降低基 站的发射功率，减少对相邻小区的干扰，从而提高系统的下行容量。因此，本文提 出了基于功率预留的准入控制策略。首先介绍一种资源分配算法，该算法将可用信 道完全分配从而实现基站发射功率最小化。在此基础上，分别为小区间切换用户和 小区内切换用户设计预留策略，并根据系统的业务载荷自适应地调整功率预留量， 从而实现g o s 的最优化。 完全使用所有信道而只预留功率，在信道资源相对匮乏的系统中也不合适。因 此，本文又提出了功率与信道联合预留的准入控制策略，并通过仿真将功率与信道 联合预留、功率预留和信道预留三种预留方式的系统性能进行了比较。 关键词：i e e e8 0 2 1 6 e ，服务质量，f b s s ，m i ) h o ，软切换，o f d m a , 准入 控制服务等级 a b s t r a c t i e e e8 0 2 1 6 eb r o a d b a n dw i r e l e s sm o b h es y s t e mh a sa t t r a c t e dg r e a ta t t e n t i o n r e c e n t l y , w h i c hi se x p e c t e dt os u p p o f th i - s p e e dm u l t i m e d i as e r c e sa p p l i c a t i o n sf o r m o b i l es t a t i o n s m o v i n g a tv e h i c u l a rs p e e d s n e c o n v e r g e n c e o fm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o na n dw i r e l e s sm o b h en e t w o r kb r i n g so p p o r t u n i t i e sf o rb r o a d b a n dw i r e l e s s n e t w o r kd e v e l o p m e n t h o w e v e r , s u c c e s s f u lc o m b i n a t i o no ft h e s et w ot e c h n o l o g i e s p r e s e n t sm a n yc h a l l e n g e ss u c h 船e n e r g ye f f i c i e n c y , s e a m l e s s e n d - t o - e n d c o m m u n i c a t i o n s ，r o b u s t n e s s ，e t c n 碡c o r ci s s u ea m o n gt h e mi st h eq u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) s u p p o r ti nt h ep r e s e n c eo fc h a n g i n gn e t w o r kc o n n e c t i v i t yd u et ou s e rm o b i l i t y , h i g h l yv a r i a b l ec o m m u n i c a t i o nl i n k sd u et ow i r e l e s sa c c e s sa n du a m cd i v e r s i t yd u et o d i s t i n c tf e a t u r e so fm u l t i m e d i as e r v i c e s t h i st h e s i sf o c u s e so nt h eh a n d o f fi s s u ea n dc a l l a d m i s s i o nc o n t r o l ，w h i c ha r ck e yt e c h n o l o g i e sf o rq o sg u a r a n t e e t h eh a n d o f fa l g o r i t h m se m p l o y e di naw i r e l e s sm o b i l en e t w o r kh a v eas i g n i f i c a n t i m p a c t0 1 1o v e r a l ln e t w o r kp e r f o r m a n c e w ed e v e l o pas o f th a n d o f fa l g o r i t h mb a s e do n q 嘣r r i e r - t o i n t e r f e r e n c er a t i o ( c i r ) f o ri e e e8 0 2 1 6 es y s t e mw i t hb o t ha b s o l u t et h r e s h o l d a n dr e l a t i v et h r e s h o l d s y s t e mp e r f o r m a n c e ss u c h 鹬a v e r a g en u m b e ro fh a n d o f f s h a n d o f f o u t a g ep r o b a b i f i t ya n ds p e c t r u mu t i l i z a t i o na r es t u d i e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n t r a d i t i o n a la d m i s s i o nc o n t r o la l g o r i t h m sa r eb a s e do nb a n d w i d t ho rc h a n n e l r e s e r v a t i o np o l i c y , w h i c hm a yb ei n c o m p e t e n ti ni e e e8 0 2 1 6 eo f d m a s y s t e m sf o rt w o r e a s o r l s ( 1 ) o f d m as y s t e ms u p p o r t sd y n a m i ca n df l e x i b l er e s o u l r 4 c ea l l o c a t i o n , a n d ( 2 ) t h e r ee x i s t saf u n d a m e n t a lt r a d e o f fb e “v 黜b a n d w i d t ha n dp o w e r i nt h i st h e s i s w e p r o p o s ean o v e la d m i s s i o nc o n n o ls c h e m eb a s e do np o w e rr e s e r v a t i o n f o r e m o s t , w e i n t r o d u c eaj o i n ts u b c h a n n e la n dp o w e rm l o c a t i o na l g o r i t h mf o rw i m a x s y s t e m , w h i c h m i n i m i z e st h eo v e r a l ld o w n l i n k 位a n s m i tp o w e rb yu t i l i z i n ga l la v a i l a b l es u b c h a n n e l s b a s e d0 1 1t h i s ，w ep r o p o s et w op o w e rr e s e r v a t i o ns c h e m e sf o ri n t e r - c e l lh a n d o f f c a i i sa n d i n t r a - c e l lh a n d o f fc a l l s r e s p e c t i v e l y n 嵋a m o u n to fr e s e r v e dp o w e ri sd e t e r m i n e di na n a d a p t i v em a n n e rf o ro p t i m i m gt h em “co fg r a d eo fs e r v i c e ( o o s ) p o w e rr e s e r v a t i o ns c h e m em a yb ei n c o m p e t e n ti ns y s t e m sw h e r ec h a n n e lr e s o u r c ei s r e l a t i v e l ys c a r c e t h e r e f o r e 。t w oj o i n tp o w e ra n dc h a n n e lr e s e r v a t i o ns c h e m e sa 咒p r o p o s e d c o m p u t e rs i m u l a t i o ni s c a r r i e do u tt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h e p r o p o s e d a d m i s s i o nc o n 舡o ls c h e m e s k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 1 6 e q u a l i t yo fs e r v i c e ，f b s s ，m d h o ，s o f th a n d o f f , o f d m a , a d m i s s i o nc o n t r o l , g r a d eo f s e r v i c e 浙江大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 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 m 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。因此，以实 现车载速度下的实时多媒体业务为目标的i e e e s 0 2 1 6 e 移动宽带无线接入标准【1 】 。 出现便成为业界关注的焦点。 然而，多媒体业务与无线移动的结合不可避免地给研究领域带来很多新的挑战， 例如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( e o r m 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q o s 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q o s 保证是 一个更具挑战性的话题： 首先，无线网络技术的发展受到频谱资源的严重制约。尽管现代通信系统的传 输速率不断提高，第三代移动通信系统的数据传输速率最高可达2 m b i t s ，而以 o f d m 为关键技术的第四代移动通信系统可以实现峰值达到1 0 m b p s 1 0 0 m b p s 的 数据传输速率，但第四代移动通信系统和宽带无线接入系统得带宽也只有数 1 0 m h z 。比起有线宽带网( 例如a r m ) ，无线系统的带宽资源仍然十分有限。尤其 对某些带宽需求较大的多媒体应用( 例如v i d e o 和a u d i o ) ，带宽资源仍然是主要的 瓶颈。 其次，无线链路存在着共享、噪声和严重的时变问题。无线信号在自由空间中 传播，信号在传播路径上会遇到各种障碍物，自由空问传播损耗、阴影衰落和多径 衰落同时作用于传输信号，使合成信号在接收端产生戏剧性地起伏变化。另一方面， 接收信号面临着同频干扰和环境噪声等影响。因此，无线网络的q o s 保证比有线网 络困难得多。 第三，终端的高速移动使这一问题变得更加复杂。一方面，一次呼叫在其生存 周期内可能跨越多个小区，需要经历多次小区间的切换( i n t e r - c e l lh a n d o f f ) ，如果 浙江大学硕士学位论文 目标小区的资源不足就会引起呼叫损耗。另一方面，即使驻留在某个小区的呼叫， 也会因为快速的信道条件退化而请求更多的资源，这种小区内资源的重分配被称为 小区内切换( i n t r a c e uh a n d o f f ) ，如果当前小区的可用资源不足也会引起呼叫损耗。 作为支持移动和实时多媒体业务的宽带接入系统，i e e e8 0 2 1 6 e 系统的连接级 q o s 也面临着无线信道的不确定性，移动用户的动态分布和业务种类的多样性等问 题。因此，为了保证用户的连接级q o s ，控制切换的掉话率，在i e e e8 0 2 1 6 e 移动 宽带无线系统中有两个问题亟需解决：一是切换的触发机制和切换算法，二是准入 控制与资源预留策略。 切换是无线移动网络的重要特性，它是用户改变当前连接时保持通话连续性的 一种手段，切换可以发生在用户跨越小区边缘时或者当前通信链路的信号质量退化 时。切换不仅影响小区边缘处的呼叫服务质量，还与网络的负载、资源的利用率等 系统性能有着密切的联系，因此，切换算法对系统的整体性能是至关重要的。切换 算法的首要任务是降低切换中断概率和切换时延，但是低的掉话率和时延通常以高 的切换频率作为代价。由于切换执行的开销很大，如果切换准则设计不当，引起过 于频繁的切换，可能导致信令拥塞。反之，如果切换准则设计得过于保守，那么在 切换发生之前，已经发生呼叫中断。因此，一个有效的切换算法必须在系统的各项 性能之间寻求折中。 呼叫准入控制( c a c ) 策略也是实现连接级q o s 保证的最关键的技术之一。呼 叫准入控制的基本思想是通过限制用户数量来实现对每个用户的q o s 保证。从用户 的角度来看，呼叫中断比呼叫阻塞更难以忍受，因此多数c a c 策略是通过准入更 少的新呼叫，从而最小化呼叫中断概率。然而这样做的代价是降低了无线资源的利 用率。另一方面，从网络供应商的角度，却希望通过容纳尽可能多的用户( 即最小 化呼叫阻塞概率) 实现资源利用率的最大化，从而实现收益最大化。因此，一个有 效的c a c 策略必须在呼叫中断概率和新呼叫阻塞概率之间寻求折中。 1 2 相关研究 1 2 1 切换算法的相关研究 根据切换发生时用户与当前小区和目标小区的不同连接方式，切换主要分为两 类：硬切换和软切换。硬切换“先断开，后建立”，即用户( m s ) 先与当前服务基站 2 浙江大学硕士学位论文 ( b s ) 断开连接，然后再与目标基站建立连接；软切换“先建立，后断开”，即m s 先于目标b s 建立连接，再与服务b s 断开连接，软切换中的m s 可以同时与多个 b s 进行通信，在i e e e8 0 2 1 6 e 中这个b s 集合叫分集组( d i v e r s i t ys e t ) 。图1 1 是 两种切换的示意图。 ( a ) 硬切换 1 2 1 1 硬切换算法 ( b ) 软切换 图1 i 硬切换与软切换 切换判决的参数包括接收信号强度、信噪比、业务负载、移动台速度、新呼叫 和切换的到达特性等。基于信号强度的切换算法往往简单、直接 2 0 1 3 2 1 ，因此受 到广泛的关注。最简单的基于信号强度的算法是相对强度检测法，即m s 总是选择 接收信号最强的b s 作为服务基站。文献 2 0 1 的研究表明，当服务b s 还能满足用户 需求时，这种算法产生了太多不必要的切换。这种由信号强度的快速波动引起的频 繁切换称为“乒乓效应”，可以通过引入滞后余量( h y s t e r e s i sl e v e l ) 而消除。v 面a y a n 和h o l t z m a n 2 1 在衰落环境里对滞后余量切换算法进行建模和分析。他们尝试通过 选择合适的滞后余量j i i 和适当的平均间隔屯，( d 。是用来平滑信号强度的指数滤波 器的衰减指数) ，最小化一对互相矛盾的设计准则：切换延时和平均切换次数，从 而优化切换算法的性能。 文献【2 2 】将 2 1 1 中的方法发展为滞后余量和门限算法，& b 切换触发的条件是当前 b s 的信号强度小于门限值f 并且相对信号强度超过滞后余量h 。【2 3 】将滞后余量和 门限算法又推广到多个小区的系统。 切换参数h 。以，和r 都是以增加切换延时为代价减少平均切换次数。很多学者 都以优化这些参数为目标，寻求切换延时和平均切换次数之间的折中。c o r a z z a 2 4 浙江大学硕士学位论文 重点研究了平均窗的形状和大小，并通过仿真给出了切换延时和平均切换次数之间 的折中。随后，z o n o o z i 和d a s s a n a y a k e 2 5 假设切换发生在当路径衰减接近h 一盯时， 其中盯是路径衰减的标准差，并且给出了由固定长度的平滑窗平滑的微小区和宏小 区的延时表达式。另一种方法是对各种感兴趣的参数用假设检验的方法进行系统仿 真，然后通过曲线拟合得到期望的切换次数和延时的近似表达式。这种方法被【2 6 】 和【2 7 】采用，分别用来得到切换次数和切换延时。 以上的方法都采用了一种固定的切换算法，并且尽力的寻找最优的a ，d 。和t ， 以实现切换次数和切换延时上的优化。文献【2 8 】【3 0 】提出了一种控制论的方法。 r e z a i i f a r 2 s g l 入马尔克夫过程来建模切换闯题并通过最小化无穷时间衰减奖励代 价( i n f i n i l eh o r i z o nd i s c o u n t e dc o s t ) 得到了一种最优的策略。这种最优决策的特点 是根据从不同b s 接收到的功率的差值而设定门限。接着，m a w a 和s t a r k 2 9 与 v e e r a v a l l i ：j f l l k e l l 3 0 1 把这个问题作为无穷时间最优化问题并通过动态规划的方法求 解，i l 百 3 0 和【3 1 】分别用自适应的方法给出这个最优化问题的次优解。其他的非标准 算法，如神经网络【3 2 】1 3 4 ，模糊逻辑【3 5 】【3 7 】等都被用于切换算法。 1 2 1 2 软切换算法 软切换算法通常基于三个基本的参数：加入门限，掉话门限乃和掉话时间乃。 当一个基站的导频信号强度大于时，该基站就被加入到激活集，当前激活集中的 基站，如果导频信号强度在时间段f 。内都处于乃以下，它就要离开激活集。 对软切换的参数设置和各准则之闻的折中的研究，大多是基于仿真的方法 【3 8 一【4 3 】。w a n g 3 9 认为更软切换不存在折中的问题，因为在一个小区的各扇区之 闻切换的开销很小，而应该把研究重点放在软切换上。 在软切换的各准则之间寻求折中的另一个方法是通过动态规划的方法确定切换 参数。a s a w a 和s t a r k 2 9 认为加入门限和掉话门限不足以作为维护激活集的决定因 素。因此，他们把这个问题建模成一个奖励代价最优化问题，奖励代表好的信号质 量，而代价代表软切换的代价。这个方法被p m k a s h 和v e e r a v a l l i 4 4 发展成一种本地 最优切换算法，该算法在切换频率、平均激活集的大小以及链路质量之间得到近似 最优解。 z h a n g 和h o l t z m a n 4 5 给出了分析软切换的性能折中的工具，把他们的硬切换的 近似方法推广到了软切换的情况。系统性能对切换参数的设置是很敏感的，因此精 4 浙江大学硕士学位论文 确的分析不同参数设置的方法对成功的软切换算法是很重要的。 1 2 2 准入控制策略的相关研究 在过去的二十年里，已经有很多学者研究了呼叫准入控制策略和资源预留策略， 给我们提供了大量有价值的参考文献。本章将有选择地介绍几种具有代表性的策 略，它们大致可以被分为两类：一类是静态的c a c 策略，即在小区中预留固定大 小的带宽给切换用户；另一类是自适应的c a c 策路，即根据本小区与相邻小区的 信息交互完成动态或分布式的准入控制。 考虑一个无线蜂窝网络，如图1 2 所示，网络由多个基站( b s ) 组成，这些基 站都被连接到有线的骨干( b a c k b o n e ) 网络。每个基站覆盖一定的地理区域，被称 为一个小区，基站为小区中的所有用户提供服务。当一个用户跨越小区的边缘时， 发生一次切换。如果目标小区中的可用资源不能满足切换呼叫的需求，就发生切换 掉话。c a c 策略的主要目标就是确保呼叫中断概率维持在一个预定的门限以下。 1 2 2 1 静态c a c 策略 图1 2 准入控制的网络模型 保护信道( 1 1 1 cg u a r dc h a n n e l ) 策略是最早提出的c a c 策略之一，它首先由 h o n g 和黜挪唧1 0 r t 【2 】于上个世纪8 0 年代中期提出。这种策略的主要思想是：在每 s 浙江大学硕士学位论文 个小区中，永久性的预留若干条信道给切换用户，从而使切换损耗概率降低到新呼 叫阻塞概率以下。该策略为每个小区引入一个门限t 。t 的取值介于0 和小区容量 c 之间。当新呼叫到达时，只有满足正在通话的用户数小于t 时，呼叫被准入，否 则呼叫被阻塞。而切换用户只有在小区中没有任何可用的信道时才发生掉话。所以 准入策略预留了c - t 条信道给切换用户。在【3 】中，g a m j e e ，n a g a r a j a n 和t o w s l c y 对准入控制策略的三种最优化问题进行了推导：最小化新呼叫阻塞概率和切换掉话 率的线性目标函数( m i n o b j ) ，在固定的切换掉话率下最小化新呼叫阻塞概率 ( m i n b l o k ) ，和新呼叫阻塞概率和切换掉话率都固定的情况下最小化被使用的信 道数量( m i n c ) 。结果显示保护信道策略是m i n o b j 问题的最优解。同时该结果 表明，部分保护信道( t h ef r a c t i o n a lg u a r d e dc h a n n e l ) 策略对m i n b l o c k 和m i n c 问题是最优的。部分保护信道策略预留非整数条信道给切换用户，并根据当前被占 用的信道数产生定的概率准入新呼叫。研究显示这种策略大大降低了 m 小i b l o c k 问题中的新呼q 阻塞概率。 然而，这些基于静态信道预留的c a c 策略的共同缺点是只适用于单一业务( 例 如语音业务) 的情况，而并不适合具有多样化的业务流特性的无线网络。 1 2 2 2 自适应c a c 策略 文献f 4 7 1 分别提出了几种动态的准入控制策略，它们多数通过一系列的假设， 建立了比较简单的统计学模型。而一个策略的好坏很大程度上依赖于这些假设和模 型与实际系统之间的差异。然而，个系统模型越建立得越完善，分析系统性能的 复杂度就越大，对于各种假设的精确性也越敏感。 l c v i n e a k y i l d i z 和n a g h s h i n e h 7 提出了一种qs h a d o wc l u s t e r ( s c ) 的概念， 这是一种基于预测的带宽预留策略。所谓的s h a d o wc l u s t e r ，就是由m s 未来可能 会经过的c e l l s 所组成的集合。然而，他们并没有明确定义确定s h a d o wc l u s t e r 的方 法，这种策略要求相邻小区从m s 对带宽的请求、m s 目前的位置以及m s 的移动 路径等信息来预测未来这个m s 的需求，从而做出准确的带宽预留。当用户的移动 路径被精确预测的情况下，这种策略可以有效地降低呼叫中断概率和呼叫阻塞概 率，增加带宽的利用率。但是预测牵涉到太多复杂的计算，并且性能好坏与预测的 精度有很大的关系，因此，实施这种策略要以巨大的计算复杂度为代价。 文献4 ，5 1 分别研究了基于测量的带宽预留策略。这些方法依赖于对多个小区 6 浙江大学硕士学位论文 当前的业务载荷测量，其中【4 】在各相邻小区间交换业务载荷信息，【5 】需要精确跟踪 每个用户的位置。另一方面。这些策略都是基于传统的移动网络提出的，通常只考 虑了单一业务的情况，因此不能有效地处理带宽请求、业务载荷和用户移动特性发 生变化的情况。 n a g h s h i n e h 和s c h w a r t s 6 】提出了一种分布式的准入控制策略。该策略的核心思 想是：由本小区和相邻小区的正在活动的用户数目来决定是否准入一个新到呼叫。 这样做的合理性在于，一个新呼叫如果被当前小区接纳，它不仅影响当前小区内的 活动用户，也可能因为在将来某个时刻发生切换而影响相邻小区的用户。该准入策 略没有考虑带宽预留，而是通过一种分布式的方式保证当前活动用户以及被准入的 新呼叫的q o s 。结果显示，分布式准入控制策略能够在不考虑业务到达率的情况下， 有效地保证呼叫损耗概率。这种策略在获得呼叫损耗概率时假设了某时刻某小区的 用户数服从近似的高斯分布，但是在文献 8 】中证明了这种假设对微蜂窝是不准确 的。该策略只考虑了单一的业务类型，并且以用户数作为小区的业务载荷的唯一指 标，因此并不能适应多样化的业务流和变化的带宽请求。 1 3 研究动机和意义 1 3 1 切换算法的研究动机和意义 i e e e8 0 2 1 6 e 系统支持三种切换类型：硬切换( 唧o ) ，宏分集切换( m d h 0 ) 和快速基站转换( f b s s ) 。其中m d h o 和f b s s 属于软切换。由于通信链路的中断， 硬切换是一种不健全的切换，很容易发生掉话。在宽带无线系统中，所有的基站可 以共享频谱资源，这样的系统通常用软切换来维持通话的连续性。因此，本文将重 点研究i e e e8 0 2 1 6 e 系统的m d h o 和f b s s 算法。 现有的软切换算法多数是针对c d m a 系统，并且以导频信号的强度作为切换准 则。因为c d m a 是干扰受限的系统，信号强度很大程度上反应了链路质量，而在 i e e e8 0 2 1 6 e 系统中，因为干扰的不确定性，信号强度好的基站可能遭受很强的干 扰而影响了通话质量，所以载干比c i r 更能反映q o s ，因此本文将研究基于c i r 的 软切换算法。 7 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 准入控制算法的研究动机和意义 回顾和总结了前人的工作，我们发现，现有的多数准入控制策略都是基于带宽 或信道预留的，因为带宽资源一直被认为是无线系统最缺乏的资源。然而，在i e e e 8 0 2 1 6 e0 f d m a 系统中，仅仅考虑信道预留是不合适的： 首先，o f d m a 系统支持灵活的子信道和功率分配算法。在o f 【 m a 系统中， 系统总带宽被分成多个子信道，每个用户占用一组子信道，并且每条子信道在任何 时刻最多只能被一个用户使用。在大规模的无线网络中，用户的信道特性，业务需 求，以及受到的干扰都有很大的差异，每个无线资源单元( 在w i m a x 中，最小资 源被分配单元是由一个时隙和一条子信道组成的时频二维资源) 对于某个特定的用 户具有最高的利用价值。因此，o f d l m a 系统可以通过明智的子信道和功率分配算 法【9 1 4 】显著地提高系统的信道容量或频谱利用率。然而预留一部分子信道给切换 用户，会导致这部分子信道没有有效地参与资源分配，进而降低了带宽利用率。 第二，带宽和功率之间存在可互换的关系。在用户的信道条件一定的情况下， 对于相同的数据率要求，分配给该用户的带宽越多，需要的功率就越少。由于小区 之问存在同频干扰，如果降低基站的发射功率，就可以减少对相邻小区的干扰，从 而提高系统的下行容量。因此，把所有的系统带宽分配给用户，实现基站发射功率 的最小化是有利于系统性能的。 基于上述原因，我们提出了基于功率预留的准入控制策略。基于功率预留的准 入控制策略的基本思想是：将基站总的功率发射能力中的部分预留给切换用户，对 用户进行资源分配时尽可能使用可用的带宽资源，从而降低基站的发射功率。然而， 完全使用所有信道在信道资源相对匮乏的系统中是不合适的。当所有用户都位于基 站附近，每个用户都使用了最高阶的调制编码方式，这意味着系统不能再通过增加 发射功率换取用户的信道资源，如果这时信道资源被用完而功率资源有剩余，基于 功率预留的准入策略仍然会准入新呼叫，这必然引起系统的载荷过高，呼叫中断概 率的上升。因此，我们又在功率预留的基础上提出了功率和信道的联合预留策略。 1 4 本文主要研究内容和结构安排 本论文的主要研究内容和章节安排如下： 全文共分为五章。第一章为绪论，概述了切换算法和准入控制的研究背景，综 8 浙江大学硬士学位论文 述了现有的切换算法和准入控制策略，在此基础上阐述了研究的动机和意义。 第二章提出适用于i e e e8 0 2 1 6 e 系统的基于c i r 的m d h o 和f b s s 切换算法。 通过软件仿真的方法研究各参数的设置对切换性能的影响，给出切换的不同性能之 间的折中。 第三章提出基于功率预留的准入控制策略。首先介绍了一种子信道和功率分配 算法，该算法将可用信道完全分配从而实现基站发射功率最小化。在此基础上，针 对两种切换用户褒小区间切换用户和小区内切换用户，分别设计了两种预留方 案，并引入两个切换预留因子。为了在呼叫阻塞概率和呼叫损耗概率之间寻求折中， 我们以最小化g o s 作为准入策略的优化目标，并通过动态调整预留因子，用较低的 计算复杂度实现对最优解的逼近。 第四章提出两种基于功率和信道联合预留的准入控制策略：一种根据系统的资 源使用量确定预留资源的多少；另一种根据两种切换用户的不同需求分别设计预留 策略。两种方法都引入了相应的预留因子，并通过动态调整预留因子的方法寻求最 优的g o s 最优通过仿真将基于功率和信道联合预留的策略与第三章提出的功率预 留策略以及信道预留策略进行了比较。 第五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。 9 浙江大学硕士学位论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 的软切换算法 随着用户需求的变化，固定宽带接入服务和移动服务在技术上逐渐融合，宽带 移动化和移动宽带化成为了两个技术领域的发展趋势。在宽带移动化方面，i e e e 8 0 2 工作组于2 0 0 5 年1 2 月正式发布了i e e e8 0 2 1 6 e 标准，它是宽带移动领域的重 要里程碑，与之前的i e e e8 0 2 1 6 系列标准的最大区别就是对移动性的支持。i e e e 8 0 2 1 6 e 标准在m e e8 0 2 1 6 d 的基础上增加了为便携式、简单移动和全移动用户提 供的切换机制。便携和简单移动用户属于硬切换组，它们的移动速度处在步行速度 和较低的车速之间。全移动用户属于软切换组，最高移动速度可达1 6 0 k m h 。 切换是移动网络最重要的过程之一，它不仅影响小区边缘处的呼叫服务质量， 还与网络的负载、资源的利用率等系统性能有着密切的联系，因此，切换算法对系 统的整体性能是至关重要的。在网络中每个用户都通过维持一个由若干个基站组成 的分集组来维持通信。在用户的移动过程中，切换算法决定如何动态地选择分集组。 硬切换是用户跨越小区边缘，从一个基站转移到另一个基站时，先断开连接后建立 连接的过程，它可以被看成是一种特殊的软切换，即分集组在任何时刻只包含一个 b s 的情况。硬切换是不完善的切换，很容易发生切换掉话，对于 e e e8 0 2 1 6 e 宽 带系统，所有基站都可以共享相同的频率，因此，对于全移动的用户和实时的业务， 最好采用软切换。当分集组包含多个基站时，用户可以对多条链路进行分集合并， 每条链路的传输功率下降，从而降低了系统的总干扰。软切换的另一个长远好处是 可以通过降低基站的发射功率而延长基站的寿命。 本章将重点研究i e e e8 0 2 1 6 e 系统的软切换算法，主要涉及的参数包括绝对门 限，相对门限瓦，平均化c i r 的时间窗r ，以及标准定义的分集组的更新参数 ha d d 和d e 。本章提出的软切换算法具有以下特点： 采用绝对门限和相对门限瓦结合的算法，当服务小区在一段时间f 。内的 平均c i r 低于z 时，触发切换请求。同时，若存在分集组中某小区的c i r 超过服务小区瓦，发生f b s s ：否则发生m d h o ； 分集组的更新基于门限ha d d 和hd e l ，当不在分集组中的b s 一段 时间力内的平均c i r 高于ha d d 时，它被加入分集组；当分集组中的b s 一段时间f 。内的平均c i r 低于hd e l 时，它就离开分集组。 本章结构安排如下：2 1 节首先介绍i e e e8 0 2 1 6 e 标准的切换机制，包括切换的 浙扛大学硕士学位论文 类型，切换的流程及分集组的更新：2 2 节给出本文研究的系统模型，包括网络模 型，业务模型，信道模型以及移动模型；2 3 节提出切换算法，包括切换的触发机 制，切换判决算法及分集组的维护和更新；2 4 节给出仿真结果；最后，2 5 节总结 本章所有内容。 2 1i e e e8 0 2 1 6 e 标准的切换机制 2 1 1 切换类型 i e e e8 0 2 1 6 e 定义了三种类型的切换：硬切换( h h o ) ，宏分集切换( m d h o ) 和快速基站转换( f b s s ) 。其中m d h o 和f b s s 属于软切换，支持这两种切换的用 户都各自拥有一个b s 列表，叫做分集组。 在m d h o 过程中，用户与分集组中的所有b s 进行通信和同步。在下行链路， 两个或两个以上的b s 同时发送数据给用户，用户将接收信号进行分集合并。在上 行链路，多个b s 同时收到来自用户的数据并且进行选择分集。其他能够收到用户 信号但是强度或质量不够好的基站被标记为相邻b s ( n e i g h b o rb s ) 。 一一嗣乡上行或下行的业务流，能够检测到的信号但不是业务流 图2 1m d h o 示意图 在f b s s 过程中，用户可以不断地检测分集组中的基站并选择一个中心基站 ( a n c h o rb s ) 。无论上行还是下行，a n c h o rb s 是分集组中的且唯一和用户通信的 浙江大学硕士学位论文 基站，包括管理消息的传递。用户与a n c h o rb s 进行同步，注册，测距，并通过下 行监听信道接收控制信令。用户可以根据一定的策略在每一帧改变a n c h o rb s 。也 就是说，每一帧的信息可以由分集组中的不同基站进行发送。f b s s 与m d h o 的区 别在于：m d h o 过程中用户同时与多个基站进行通信，而f b s s 过程中的任何时刻， 用户只与一个基站迸行通信。 2 1 2 切换过程 图2 2f b s s 示意图 无论是哪种切换方式，其切换控制流程基本相同。一个完整的切换分为五个主 要阶段：小区选择，切换请求、切换判决、切换取消和切换执行。如图2 3 所示。 小区选择是指用户为了接入网络或切换，对一个或多个b s 进行周期性铡距以 获得相邻b s 的性能参数的过程。m s 测量的结果通过上行控制信道送到b s 。b s 之间通过核心网传送上下行信道描述消息( u c d d c d ) ，其中包括相邻基站的信道 信息。b s 通过这种方式收集到整个网络的拓扑信息，然后通过广播消息向本地网 内的所有m s 发送。m s 收到这些拓扑信息后就可以从相邻的小区中选择适合的切 换目标。 经过小区选择后，b s 和m s 能够根据测量的结果对链路质量进行评估，并根据 浙江大学硕士学位论文 一定的切换算法，在满足切换触发条件时启动切换，发送切换请求。切换请求可以 由m s 发起也可以由服务b s 发起。 切换判决阶段是根据测量信息并综合系统信息，根据一定的准则和算法来判断 m s 如何切换的过程。如果满足切换判决条件，且目标b s 接受切换请求，建立与 m s 的连接，目标b s 从原服务b s 获取相关的业务信息。若不满足切换请求，则 m s 仍保持与原服务b s 的连接。 当切换发起后，m s 可以在任何时刻发送相关消息来取消切换。 当切换判决完成后，m s 开始进行真正的切换操作。对于硬切换机制，切换执 行时必须先断开和原服务b s 的连接，再和目标b s 建立连接。原服务b s 将关闭与 此m s 相关的所有连接、删除与此m s 相关m a c 状态机和m a cp d u 。对于软切 换机制，切换执行主要是执行分集组的更新。 0刍鐾j 誊慧 、 i 。 否满足切换、 v 否 满足切换 蔡件? 。 f + ，、 更新分集组 更新服务基站 2 1 3 分集组的更新 图2 3i e e e8 0 2 1 6 e 的切换流程 小区选择 切换请求 切换判决 切换执行 分集组的更新依赖于位于d c d 信令【1 】的两个门限值：加入门限日一a d d i 浙江大学硕士学位论文 除门限hd e l 。当不在分集组中的b s 的c i r 高于ha d d 时，它被加入分集组： 当分集组中的b s 的c i r 低于hd e l 时，它就离开分集组。这个更新过程对于 m d h o 和f b s s 是相同的。注意在更新a n c h o rb s 时，这个新的服务b s 必须是从 分组集中选取的。 2 2 系统模型 本算法适用于i e e e8 0 2 1 6 e 系统，采用t d d 的双工方式，帧长度为5 m s 。 2 2 1 网络模型 网络模型由1 9 个小区组成，小区半径为1 k m ，每个小区分为3 个扇区，频率 复用因子为l 。每个小区内共有3 0 条子信道，每个扇区1 0 条，子载波排列方式采 用f u s c 。由于边缘的小区受到的干扰不对称，为了满足公平性原则，用户集中在 以b sl 为中心，r 为半径的圆形区域中如图2 4 所示 图2 41 9 小区网络模型 1 4 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 业务模型 定义业务强度( 1 0 a df a c t o r ) 为平均发送数据的信道数占总信道数的比例。 2 2 3 信道模型 无线信道是一个时变的衰落信道，在切换算法中一般只考虑路径衰减和阴影衰 落。由于切换是一令执行周期较长的策略，而小尺度衰落的变化频率非常快，因此， 本文也不考虑小尺度衰落。衰落模型表示为： p t ( d ) = p l ( 哝) + l o g l o g ( d d o ) + 拓 ( 2 1 ) 其中，d 是发射机与接收机之间的距离，赢是路径衰减的参考距离，口是路径衰减 指数，厶代表对数正态阴影衰落。 2 2 4 移动模型 我们采用r a n d o mw a l k 1 9 举j 移动模型，即m s 在时间f 内做速度为v 的直线运动， f 的长度均匀分布在( f 。，f 一) 内，运动方向均匀分布在( o ，2 a ) 内，因此用 户的运动轨迹是一条折线。 新呼叫用户的初始位置随机分布在整个小区中，而切换用户的初始位置应该在 小区边缘。在用户的信道占用时间结束之前，用户的位置不能超出小区边缘。 2 2 5 分集信号的合并处理 在宏分集切换中面临着分集信号的处理问题。分集接收是一种抗衰落的有效措 施，可以在不增加发射机功率或者信道带宽情况下提高系统可靠性。所谓分集是指 接收端对它收到的多个特性相互独立的携带相同信息的数据流