（通信与信息系统专业论文）wcdma下行链路及软切换性能研究与仿真.pdf

浙江工业大学学位论文原创性声明 i 人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 i 取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其 、或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或 育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人 f ，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 者签名 学位论文版权使用授权书 日期： 厂年- - 月，7 e 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论文被查阅和 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 生行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 匪学位论文属于 乍者签名： 孚师签名 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密占。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：r 年t 1 月 日 日期：凶r 年t 、月1 日 浙江工业大学硕士学位论文 w c d m a 下行链路及软切换性畿研究与仿真 摘要 w c d m a 技术已经成为被广泛采用的重要的3 g 空中接口标准之 ，较之于c d m a 技术，w c d m a 支持更高的码片速率，更宽的载 波带宽。更为重要的是它增加了新的无线资源管理方法，用于确保系 统的服务质量( q o s ) ，获得规划的覆盖区域和提高系统的容量，其 中，功率控制和软切换是无线资源管理中两种重要的算法。 本文分析了w c d m a 系统下行链路中，不同业务对系统容量的 影响，进而叙述了无线资源管理中的软切换对下行链路容量的影响， 同时通过系统仿真，论证了软切换开销在一定范围内，能改善下行链 路的容量。进而，本文在分析了软切换中的平衡功率分配和非平衡功 率分配的基础上，提出了一种基于链路损耗的软切换功率分配方法， 解决了传统功率分配在提高系统容量方面的不足，从而改善了下行链 路的性能。 关键词：无线资源管理，服务概率，软切换，功率分配 塑垩三些查堂堡主堂垡丝塞 一 t h er e s e a r c ha n ds i 小a t i o no ft h ep e r f o r m a n c eo f w c d m - ad o w n l i n ka n ds o f th a n d o v e r a b s t r a c t w c d m a t e c h n o l o g yh a sb e e nb r o a d l ya d o p t e da s o n eo ft h ei m p o r t a n ta i r i n t e r f a c es t a n d a r di n3 gs y s t e m s c o m p a r i n gw i t hc d m at e c h n o l o g y , w c d m a s u p p o r t sh i g h e rc o d er a t e ，w i d e rc a r r i e rb a n d w i d t h i ti sm u c hm o r ei m p o r t a n tt h a t w c d m ah a st h en e wr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n tm e t h o dw h i c hc a r la s s u r et h e p l a n n e dc o v e r a g ea n di m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t y p o w e rc o n t r o la n ds o f th a n d o v e r a r et h et w oi m p o r t a n ta l g o r i t h m si nt h er a d i or e s o u r c em a n a g e m e n tm e t h o d i nt h i sp a p e r , h o wt h ed i f f e r e n ts e r v i c e si m p a c to nt h es y s t e mc a p a c i t yh a sb e e n a n a l y z e di nw c d m a d o w n l i n k a sm o r e ，t h et h e s i si n t r o d u c e sh o wt h es o f th a n d o v e r , a st h em e t h o do fr a d i or e s o t l c cm a n a g e m e n t ，i m p a c t so nt h ed o w n l i n kc a p a c i t y u s i n gs y s t e ms i m u l a t i o n ，t h et h e s i sh a sp r o v e dt h a tw h e n , t h es c a l eo fs o f th a n d o v e r o v e r h e a di nac e r t a i nr a n g e ，s o f th a n d o v e rc a r li m p r o v ed o w n l i n kc a p a c i t y a tl a s t ， b a s e do i lt h ea n a l y s i so ft h eb a l a n c e dp o w e ra s s i g n m e n ta n du n b a l a n c e d p o w e r a s s i g n m e n t ，w ep u tf o r w a r dan e wp o w e ra s s i g n m e n ta l g o r i t h mb a s e do np a t hl o s s t h en e wa l g o r i t h ms o l v e st h ed i s a d v a n t a g eo ft h ec a p a c i t yi m p r o v e m e n tt h a tt h e t r a d i t i o n a l a l g o r i t h md o e sn o th a v e i ta l s oi m p r o v e st h ew c d m ad o w n l i n k p e r f o r m a n c ed u r i n gt h es o f th a n d o v e r 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 ，s e r v i c ep r o b a b i l i 也s o f th a n d o v e r , p o w e ra s s i g n m e n t 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言”1 1 2 1 1 3 随着互连网络的不断发展，语音通信的无线化已经不能满足广大消费者的需 求，他们逐渐认识到诸如文本消息传送、数据网的接入等正在迅速成长的其他业 务的价值所在。而传统的蜂窝通信( g s m ：g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) 提供的业务仅限于语音、传真和低速率( 远小于6 4 k b p s ) 的数 据业务。因此第三代移动通信系统呼之欲出，通过该系统提供的高质量图像和视 频，使人与人之间的通信能力进一步增强；而第三代系统所带来的更新更灵活的 通信能力和更高的数据速率使得公用网和专用网上的信息与业务的接入能力大 大增强。所有这一切，连同第二代系统向第三代系统的平滑连续过渡，不仅为设 备制造商，运营商，同时为使用这些网络的内容和应用的提供商创造新的商机。 第三代移动通信系统( 3 g ) 最初是由1 9 9 2 年国际电信联盟( i t u ) 属下的 世界无线电管理大会( w a r c ) 提出的，在此次会议中，2 g h z 附近的频率被指 定给未来的第三代移动通信系统使用。随着3 g p p 组织的建立，各个国家对于3 g 的发展提供了很多的建议和研究，至今欧洲的w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 和 中国的t d s c d m a 已经成为最为主流的3 个3 g 标准。而其中的w c d m a 标准 近年来得到了很好的发展，在欧洲和亚洲的部分国家，已经开始商用，目前我们 国家也在积极准备向3 g 进军。 第三代移动通信系统的空中标准，较之于i s 9 5 和g s m ，存在着一些新的需 求： 最高可达2 m b i t s 的比特速率； 根据不同的带宽需求支持可变比特速率： 支持不同服务质量要求的业务，例如语音，视频和分组数据复用到一条 单一的连接中； 满足从对延时敏感的实时业务到比较灵活的尽力而为型的分组数据的时 延要求； 支持从1 0 的误帧率到l o 6 的误比特率的质量要求； 与第二代系统的共存以及支持为增加覆盖范围和符合均衡而要在两种系 统之间进行切换的功能； 浙江工业大学硕士学位论文 支持上、下行链路业务量不对称的服务一一如浏览嘲页造成的下行链路 负荷远大与上行链路负荷； 高频谱利用率； 支持f d d 、t d d 的两种模式共存。 在3 种主流的3 g 标准中，w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 都是基于f d d 模式，而 t d s c d m a 是基于t d d 模式。 关于3 g 的频谱划分问题，i m t - 2 0 0 0 给中国的频谱划分如下： ( 一) 主要工作频段： 频分双工( f d d ) 方式：1 9 2 0 一1 9 8 0 m h z 2 n 0 2 1 7 0 m h z ： 时分双工( t d d ) 方式：1 8 8 0 一1 9 2 0 m h z 2 0 1 0 - - 2 0 2 5 m h z 。 ( 二) 补充工作频率： 频分双工( f d d ) 方式：1 7 5 5 1 7 8 5 m h z 1 8 5 0 一1 8 8 0 m h z ： 时分双工( t d d ) 方式：2 3 0 0 一2 4 0 0 m h z ，与无线电定位业务共用，均为主 要业务，共用标准另行制定。 下面介绍一下3 种主流的3 g 标准： w c d m a w c d m a 的主要技术指标是：支持高速数据传输( 慢速移动时3 8 4 k b s ，室内 走动时2 m b s ) ，异步b s ，支持可变速传输，帧长1 0 m s ，码片速率3 8 4 m b s 。其 主要特点如下： 基站同步方式：支持异步和同步的基站运行方式，组网方便、灵活；调制方 式：上行为b p s k ，下行为q p s k ：解调方式：导频辅助的相干解调；接入方式： d s c d m a 方式；三种编码方式：在话音信道采用卷积码( r = 1 3 ，k = 9 ) 进行内部 编码和v e t e r b i 解码，在数据信道采用r e e d s o l o m o n 编码，在控制信道采用卷积 码( r = l 2 ，k = 9 ) 进行内部编码和v e t e r b i 解码；适应多种速率的传输，可灵活地 提供多种业务，并根据不同的业务质量和业务速率分配不同的资源，同时对多速 率、多媒体的业务可通过改变扩频比( 对于低速率的3 2 k b s 、6 4 k b s 、1 2 8 k b s 的 业务) 和多码并行传送( 对于高于1 2 8 k b s 的业务) 的方式来实现；上、下行快速、 高效的功率控制大大减少了系统的多址干扰，提高了系统容量，同时也降低了传 输的功率；核心网络基于g s m g p r s 网络的演迸，并保持与g s m g p r s 网络的 浙江工业大学硕士学位论文 兼容性：b t s 之间无需同步，b s 可收发异步的p n 码，即b s 可跟踪对方发出的 p n 码，同时m s 也可用额外的p n 码进行捕获与跟踪，因此可获得同步，来支 持越区切换及宏分集，而在b t s 之间无需进行同步；支持软切换和更软切换， 切换方式包括三种，即：扇区间软切换、小区间软切换和载频间硬切换。 w c d m a 的发起者主要是欧洲和日本标准化组织和厂商，w c d m a 继承了 第二代移动通信体制g s m 标准化程度高和开放性好的特点，标准化进展顺利， 网络运营商可以通过在g s m 网络上引入g p r s 网络设各和新业务，培育数据业 务消费群体，逐步过渡到3 g 。 c d m a 2 1 ) 0 0 c d m a 2 0 0 0 是从c d m a o n e 演进而来的第三代移动通信技术。事实上， c d m a 2 0 0 0 标准是一个体系结构，称为c d m a 2 0 0 0f a m i l y ，它同样还包含一系 列的子标准。其技术特点如下： 前反向同时采用导频辅助相干解调；扩频码选择采用相同m 序列，通过不 同的相位偏置区分不同的小区和用户；射频带宽从1 2 5 m h z 到2 0 m h z 可调；快 速前向和反向功率控制：下行信道中采用公共连续导频方式进行相干检测，提高 系统容量；在下行信道传输中，定义直扩和多载波传输两种方式，码片速率分别 为3 ，6 8 6 4 m c p s 和1 2 2 m e p s ，多载波方式能很好地兼容i s - 9 5 网络；支持f - q p c h ， 可延长手机待机时间：核心网络给予a n s i 4 1 网络的演进，并保持与a n s i 一4 1 网络的兼容性；支持软切换和更软切换：设计了两类码复用业务信道，基本信道 用于传送语音、信令和低速数据，是一个可变速率信道，补充信道用以传送高速 率数掘，在分组数据传送上应用了a l o h a 技术，改善传输性能；在同步方式上 c d m a 2 0 0 0 与i s 一9 5 相同，基站间同步采用g p s 方式。 c d m a 2 0 0 0 的发起者主要是美国和韩国为主的，以i s 9 5c d m a 为标准的制 造商和运营公司，c d m a 2 0 0 0 继承了i s 9 5 窄带c d m a 系统的技术特点，网络 运营商同样可以在窄带c d m a 网络中更换或增加部分网络设备过渡到3 g 。 t d s c d m a t d - s c d m a 较前两种技术标准略显稚嫩，其主要技术特点如下： 信号带宽为1 2 3 m h z ：码片速率为1 2 8 m c h i p s ；采用智能天线技术，提高了 浙江1 = 业大学硕士学位论文 兼容性；b t s 之间无需同步，b s 可收发异步的p n 码，即b s 可跟踪对方发出的 p n 码，同时m s 也可用额外的p n 码进行捕获与跟踪，因此可获得同步，来支 持越区切换及宏分集，而在b t s 之间无需进行同步；支持软切换和更软切换， 切换方式包括三种，即：扇区间软切换、小区间软切换和载频间硬切换。 w c d m a 的发起者主要是欧洲和日本标准化组织和厂商，w c d m a 继承了 第二代移动通信体制g s m 标准化程度高和开放性好的特点，标准化进展顺利， 网络运营商可以通过在g s m 网络上引入g p r s 网络设备和新业务，培育数据业 务消费群体，逐步过渡到3 0 。 c d m a 2 0 0 0 c d m a 2 0 0 0 是从c d m a o n e 演进而来的第三代移动通信技术。事实上， c d m a 2 0 0 0 标准是一个体系结构，称为c d m a 2 0 0 0f a m i l y ，它同样还包含一系 列的子标准。其技术特点如下： 前反向同时采用导频辅助相干解调；扩频码选择采用相同m 序列，通过不 同的相位偏簧区分不同的小区和用户；射频带宽从1 + 2 5 m h z 到2 0 m h z 可调；快 速前向和反向功率控制；下行信道中采用公共连续导频方式进行相干检测，提高 系统容量；在下行信道传输中，定义直扩和多载波传输两种方式，码片速率分别 为3 6 8 6 4 m c p s 和1 2 2 m o p s ，多载波方式能很好地兼容l s - 9 5 网络：支持f - q p c h ， 可延长手机待机时间：核心网络给予a n s i 4 1 网络的演进，并保持与a n s l - 4 1 网络的兼容性；支持软切换和更软切换；设计了两类码复用业务信道，基本信道 用于传送语音、信令和低速数据，是一个可变速率信道，补充信道用以传送高速 率数掂，在分组数据传送上应用了a l o h a 技术，改善传输性能；在同步方式上 c d m a 2 0 0 0 与i s ，9 5 相同，基站间同步采用g p s 方式。 c d m a 2 0 0 0 的发起者主要是美国和韩国为主的，以i s 。9 5c d m a 为标准的制 造商和运营公司，c d m a 2 0 0 0 继承了i s 9 5 窄带c d m a 系统的技术特点，网络 运营商同样可以在窄带c d m a 网络中更换或增加部分网络设备过渡到3 g 。 t d s c d m a t d - s c d m a 较前两种技术标准略显稚嫩，其主要技术特点如下： 信号带宽为1 2 3 m h z ；码片速率为1 2 8 m c h i p s ；采用智能天线技术，提高了 信号带宽为1 2 3 m h z ；码片速率为1 2 8 m c h i p s ；采用智能天线技术，提高了 浙江工业大学硕士学位论文 频谱效率；采用同步c d m a 技术，降低上行用户闯的干扰和保持时隙宽度：接 收机和发射机采用软件无线电技术；采用联合检测技术，降低多址干扰：多时隙， 具有上下行不对称信道分配能力，适应数据业务；采用接力切换，降低掉话率， 提高切换的效率；语音编码：a m r 与g s m 兼容：核心网络基于g s m g p r s 网 络的演进，并保持与它们的兼容性；基站间采用g p s 或者网络同步方式，降低 基站间干扰。 t d s c d m a 目前主要是西门子公司和中国大唐集团在开发，较前两个技术 标准而言，对t d s c d m a 进行大力支持和结成产业联盟的企业还比较少。 1 2 w c d m a 系统简介z 1 【4 l 我们常常况的u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m 、通用移 动通信系统) 是采用w c d m a 空中接口技术的第三代移动通信系统，因此通常 也把u m t s 系统称为w c d m a 系统。u m t s 系统采用了与第二代移动通信系统 类似的结构，包括无线接入网络( r a d i o a c c e s s n e t v c o r k ，r a n ) 和核心网络( c o r e n e t w o r k ，c n ) 。其中无线接入网络用于处理所有与无线有关的功能，而c n 处 理u m t s 系统内所有的话音呼叫和数据连接，并实现与外部网络的交换和路由 功能。c n 从逻辑上分为电路交换域( c i r c u i ts w i t c h e dd o m a i n ，c s ) 和分组交换 域( p a c k e ts w i t c h e dd o m a i n ，p s ) 。u t r a n 、c n 与用户设备( u s e r e q u i p m e n t ， u e ) 一起构成了整个u n i t s 系统。其系统结构如图1 1 所示。 圈i - 1w c d m a 系统的结构 w c d m a 系统的网络单元组成结构图1 2 如下所示：其中u e ( u s e r e q u i p m e n t ) 代表用户终端设备，u t r a n ( u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 代表陆地通用无线接入设备，分为基站( n o d eb ) 和无线网络控制器( r n c ) 。 塑垩三些奎堂堡堂垡堕- 文 c n ( c o r e n e t w o r k ) 代表核心网。各个网路单元之间分别由不同网络接口相连接。 i n o d e b k 网勰 ：4 丽i i ；淤 吣d ee ，砸丽卜他剐一一罗譬 、l s 叫& 虹 r ! 污 l u b p ，民 与套 、 f n 。a e e k椹甑 卜竺! ! 里，j l n o d eb ， 翌! ! r ! ! 型广 u t r a n ： c n ! b x t e r n a ln i t w o t k m 图1 - 2w c d m a 网络单元结构示意图 通过网络单元结构图我们可以看出，w c d m a 网络结构中的c n ，是基于g s m 的演化和过渡，而u t r a n 则是革命性的变化，完全不同于g s m 的无线接入网， 而业务是完全兼容g s m 的业务，体现了业务的连续性。 1 2 1u t r a n 的基本结构 u t r a n 包括许多通过i u 接口连接到c n 的r n s ( r a d i o n e t w o r ks u b s y s t e m ) 。 一个r n s 包括一个r n c 和个或多个n o d e b 。n o d e b 通过l u b 接口连接到r n c 上，它支持f d d 模式、t d d 模式或双模，n o d eb 包括一个或多个小区。 u t r a n 内部，r n s 中的r n c 能通过i u r 接口交互信息，i u 接口和l u r 接口 是逻辑接口。i u r 接口可以是r n c 之间物理的直接相连或通过适当的传输网络实 现。u t r a n 结构如图1 3 所示。 图】3u t r a n 结构图 罂曼 浙江丁业大学硕士学位论文 u t r a n 的主要特征： 支持u t r a 和所有相关功能。具体的说，影响u t r a n 实际的主要方面 就是需要支持软切换和w c d m a 特定的无线资源管理算法。 最大可能的兼容分组交换和电路交换数据的处理。通过使用唯一的空中 接口协议栈，以及用同个接口将u t r a n 链接至核心网的分组交换域 和电路交换域。 尽可能的与g s m 兼容。 使用a t m 传输作为u t r a n 的主要传输机制。 r e l e a s e 5 以后，使用i p 传输作为在u t r a n 中备选的传输机制。 1 2 2u t r a n 接口 c u 接口 c u 接口是u s i m 卡和m e 之间的电气接口，c u 接口采用标准接口。 u u 接口 u u 接口是w c d m a 的无线接口。u e 通过u u 接口接入到u m t s 系统的固 定网络部分，可以说u u 接口是u m t s 系统中最重要的开放接口。 i u r 接口 i u r 接口是连接r n c 之间的接口，i u r 接口是u m t s 系统特有的接口，用于 对r a n 中移动台的移动管理。比如在不同的r n c 之间进行软切换时，移动台 所有数据都是通过i u r 接口从正在工作的r n c 传到候选r n c 。f u r 是开放的标准 接口。 i u b 接口 i u b 接口是连接n o d e b 与r n c 的接口，i u b 接口也是一个开放的标准接口。 这也使通过i u b 接口相连接的r n c 与n o d eb 可以分别由不同的设备制造商提 供。 i u 接口 i u 接口是连接u t r a n 和c n 的接口。类似于g s m 系统的a 接口和g b 接 口。l u 接口是一个开放的标准接口。这也使通过i u 接口相连接的u t r a n 与c n 可以分别由不同的设备制造商提供。i u 接口可以分为电路域的i u - c 8 接口和分 浙江工业大学硕士学位论文 组域的i u p s 接口。 1 2 3n o d e b n o d eb 的主要功能是进行空中接口l 1 层处理( 信道编码和交织，速率匹配， 扩频等) ；它也执行一些基本的无线资源管理操作，例如内环功率控制，逻辑上 它对应于g s m 里面的基站。 1 2 4r n c 控制n o d e b 的r n c 叫做控制r n c ，它负责管理所属小区的负载和拥塞控制， 还为所属小区待建的无线新连接进行接纳控制和码字分配。 如果在一个移动台与u t r a n 的连接中用到了超过一个r n s 的无线资源， 那么这些涉及的r n s 可以分为： 服务r n s ( s r n s ) ：管理u e 和u t r a n 之间的无线连接。它是对应于 该u e 的i u 接1 3 ( u u 接1 ：3 ) 的终止点。无线接入承载的参数映射到传 输信道的参数，是否进行越区切换，开环功率控制等基本的无线资源管 理都是由s r n s 中的s r n c ( 服务r n c ) 来完成的。一个与u t r a n 相 连的u e 有且只能有一个s r n c 。 漂移r n s ( d r n s ) ：除了s r n s 以外，u e 所用到的r n s 称为d r n s 。 其对应的r n c 则是d r n c 。一个用户可以没有，也可以有一个或多个 d r n s 。 通常在实际的r n c 中包含了所有c r n c 、s r n c 和d r n c 的功能。 1 3 本文的结构和意义 第一章， 引言，介绍了3 g 时代的移动通信的特点，简要叙述了3 种主流的 3 g 方案，同时重点介绍了w c d m a 系统结构，特别是u t r a n 的 主要特征，给出了论文的结构和意义。 第二章， 无线资源管理分析，重点介绍功率控制，软切换，接纳控制，负载 控制等无线资源管理方法，并且介绍c d m a 的仿真技术。 第三章， 对于w c d m a 系统单业务和多业务下系统容量进行分析，给出仿 真结果。 第四章， 叙述软切换对系统的影响，通过系统级仿真，阐述软切换对下行系 浙江工业大学硕士学位论文 统容量的影响，验证了在软切换开销在一定范围内，下行软切换可 以改善系统下行的容量。 第五章，功率分配也是无线资源管理的一项重要方法，本章主要是分析了两 种重要的软切换下功率分配算法，通过仿真，提出一种改进的 w c d m a 下行软切换功率分配算法，并且通过仿真说明改进算法 给系统带来的影响。 第六章，结束语。 塑坚三些查兰堡兰j ：堂些篓塞 第二章w c d m a 无线资源管理方法与仿真技术 2 1 无线资源管理1 2 1 1 5 l f 6 l 目前移动通信网络正在积极地向第3 代u m t s 系统迈进，目的是利用电路交 换与分组交换接入支持更丰富的业务与应用。根据3 g p pr e l e a s e 6 版本的说法， 将来的u m t s 系统将全部使用分组交换代替现在的电路交换和分组交换域。未 来的网络可以支持诸如语音、音频、e m m l 、网页浏览及多媒体业务等现在已广 泛存在的业务。因此丰富多样的业务要求网络中的无线链路应具备一定的灵活 性，以满足不同业务对传输媒介的不同质量需求，但业务的多样性会使得网络业 务建模的难度增大，复杂性增加。数据业务有突发的统计特性，使用分组交换能 够提高网络的有效容量，这点对资源昂贵的无线系统尤其重要，但同时分组交 换可能产生的问题是当网络容量不足或传输中发生冲突情况时可能导致传输时 延增大，这在实时业务( 如语音业务和实时音频业务等) 的应用中是难以被接受 的。为满足不同业务的应用需求，网络需要在保证数据速率和最大时延的前提下 决定各种业务的服务质量( q o s ) 。 与g s m 系统相比，u m t s 系统要复杂得多。c d m a 系统的基本特征之就 是其覆盖面积与系统的瞬时噪声密切相关，即小区负载的业务量越大，其覆盖范 围越小。出于小区内的业务量与小区的用户行为有关，是不断变化的，因此其覆 盖范围也不断地随之变化( 该现象被称为小区呼吸) 。“小区呼吸”的现象使得无 线系统的规划与设计更为复杂。 而无线资源管理的算法，就是通过负责空中接口资源的分配和使用，确保系 统的服务质量( q o s ) ，获得规划的覆盖区域和提高容量。无线资源管理算法是 基于网络中硬件资源的数量或空中接口的干扰水平的一种算法。在空中接口过载 前，由于硬件资源导致的系统容量的受限，称为硬阻塞：如果实际测量的空中接 口超过设计极限导致的系统容量受限，称为软阻塞。根据u m t s 的分析，采用 基于软阻塞的无线资源管理策略比基于硬阻塞的无线资源管理策略会获得更大 的容量。 w c d m a 的无线资源管理方法主要是包括功率控制，软切换，负载控制，接 纳控制和分组调度等内容。由于w c d m a 是自干扰系统，因此w c d m a 中所有 无线资源管理与控制策略都是以系统中基站和移动台的发射功率和总干扰电平 浙江工业大学硕士学位论文 为中心的，其根本目的就是尽可能地减少基站与移动台发射功率，降低系统中干 扰电平，在保证系统运行稳定并提供一定通信服务质量地前提下，最大限度地提 高系统容量。 它们的作用主要有以下几点： 最大化利用已有的无线资源：功率控制，软切换； 无线资源分配：根据q o s 的要求，选择哪种类型的传输信道，传输格式； 允许接入控制：哪些条件允许新用户接入； 负荷控制：如何避免拥塞。 2 1 1 功率控制( p o w e rc o n t r 0 1 ) 在w c d m a 系统中，功率控制是一项重要的无线资源管理控制方法。由于 w c d m a 系统是一个干扰受限系统，为了达到最大的容量，在上行链路，需要 减小由每个移动台引起的干扰功率，避免所谓的远近效应。如果在上行链路不进 行功率控制，一个离基站较近的移动台就可能阻塞整个小区，引起小区内部通信 障碍。而在下行链路，通过对基站的发射功率的调整，使其能够满足下行链路的 q o s ，达到顺畅通信所要求的s i r 值。w c d m a 的功率控制方法可以分为三种： 丌环功控，闭环功控和外环功控。 2 1 1 2 开环功控( o p e nl o o pp c ) 开环功率控制主要是发生在当一个移动台第次接入w c d m a 系统时，实 现功率的初始设冒。移动台通过对路径损耗估计，测量下行c p i c h ( c o m m o n p i l o tc h a n n e l ) 的e c i o 值，然后根据所测量的e c i o 来设置上行发射功率的大小。 由于所测量到的e c f l o 值受到传播环境，主要是路径损耗和阴影衰落的影响，因 此当测量到的路径损耗大，导频信号值小时，移动台就会通过功控命令增大发射 功率。反之，当导频信号值大，路径损耗小的时候，移动台就通过功控命令减小 发射功率。通过开环功控，移动台能够自动调节发射功率来适应这种无线环境的 变化。 2 1 1 3 闭环功控( c l o s e dl o o pp c ) 闭环功控必须快至0 足以跟踪瑞利变化，由于移动台是在不断的运动当中，当 移动台移动时，多径效应将会导致在通话过程中接收信号的功率突然下降，这种 浙江工业大学硕士学位论文 效应称为快衰落。有研究表明，经多径衰落后，电场强度的概率密度函数服从瑞 利分布，故多径衰落也称瑞利衰落。通过闭环功控，可以快速地控制移动台和基 站的发射功率，用于补偿快衰落造成的信号的衰减。例如在上行链路中，基站会 比较接收到的移动台信号的s i r 值和目的s i r 值，当s i r 。 s i r 。，基站会通 过功控命令将功控比特位置1 ，命令移动台提高发射功率：当脚t m s 腰w ， 基站会通过功控命令将功控比特位置0 ，命令移动台减小发射功率。w c d m a 系 统中的功控命令可以分为：增加功率，保持功率和降低功率，一般的功控步长为 l d b 。相比于i s 一9 5 只支持上行闭环功控和8 0 0 h z 的功控频率，w c d m a 系统的 功控频率是1 5 0 0 h z ，足以补偿由快衰落引起的接收信号的减弱。而且上下行都 有闭环功控，从而保证了接收信号的稳定性。图2 - 1 显示了w c d m a 中的功控 模型，其中s i r t a r g e t 和b e r 诅隍d 分别表示目标s i r 和b e r 值1 7 1 。 b l 、 内环 、 外环 图2 - 1w c d m a 功率控制模型 2 1 1 3 外环功控( o u t e rl o o pp c ) 外环功控目的在于调整闭环功控的目标s i r 值，使得现在的移动台接收到的 s i r 值能够满足接收质量的要求。b e r ( b i te r r o rr a t i o ) 和f e r ( f r a m ee r r o r r a t i o ) 是评估外环功控质量的两个重要指标。在通常情况下，如果当时移动台 所接收到信号的质量不错，那么意味着不需要这么高的目标s i r 值来保证现在的 q o s ，因此通过外环功控指令可以降低移动台的目标s i r 值。反之，则要提高移 动台的目标s i r 值。 浙江工业大学硕士学位论文 图2 2 表示了在一个物理连接上多业务的上行链路外环功控。从图上可以看 出，当一个u e 发起一个物理连接，在r n c 侧，估计不同业务的质量，同时， 按照需要的最大目标s i r 的业务来设定目标s i r 值。 妇 f 数据f 、 一个物理 l 数据1 估计每个业务 连接 的质量，按照 丽赫 l 数据l 需要的最大 s i r 的业务设定 ( 快速功控) n 标, s i r 目标s i r 、 图2 2 在一个物理连接上多业务的上行链路外环功控 2 1 2 软切换 软切换这个概念首先是在i s 9 5 标准上被提出的。软切换，指的是同一个频 率下，不同小区之间的切换。与硬切换不同，软切换的时候，移动台与激活集两 个基站或两个以上基站同时保持通信，选择两者之间通信条件最好的基站进行切 换通信，这样既保证了通信的连续性，也达到了所需要的q o s 值。软切换减少 了“乒乓效应”的产生，为下行信道提供了宏分集增益，并且能够有效的改善系 统的覆盖。相比于硬切换，软切换的优点是显而易见的。如何选择目标基站是软 切换的关键，为此，3 g p p 组织提供了一个w c d m a 软切换的参考算法，如图 2 3 所示： 鬻 bi 浙江= i = 业大学硕士学位论文 e d l o a in li ：p：z。,tj、_1i-、，、。 ：， 一。1 j 一一7 ： ，： a s _ t 1 1 + a s 。 乙卜、 ! 、c _ 卜、 ，一，p ，：、手车： h y s t 、p f 。 a st h _ a l 懈3 t 9 岫 i ，一，。 一 ，一一 - _ _ - ，- 。：! ：。，f 一- 十一“ 一、 。一，一。? 。 i 、 i 一 连搠1 4 - , r z i o- +r 事件l 加入小区2 事件1 c 用, j - e 3 替换小区1 事件l b 移去小区3 图2 - 3w c d m a 中软切换的参考算法 其中，a st h 称为宏分集门限( 报告范围) ； a s t h _ h y s t 称为宏分集门限滞后的事件； a s _ r e p i y s t 称为更替滞后事件； t 指的是触发时间； 激活集：激活集中的小区与移动台之间存在软切换连接； 邻集监测集：邻集或监测集是移动台连续不断进行测量的小区的名单，但 是这些小区的导频的e c i o 值未强到可以加入到激活集。 具体的切换算法如下： 软切换通常采用c p i c h 的e c l i o 作为切换的测量变量。如果在触发时间t 内，测量的导频值大于最佳导频报告范围滞后事件1 a ，并且激活集未满，j j 4 区2 加入到激活集。滞后事件1 a 称为无线链路的加入。 如果在触发时间t 内，测量的导频值小于最佳导频报告范围滞后事件1 b ， 则将该小区3 移出激活集。滞后事件1 b 称为无线链路的移除。 如果在触发时间t 内，激活集满，且最佳候选导频大于先前最差导频+ 滞 后事件1 c ，那么将用候选集中最强导频代替激活集中的最差导频。滞后事件1 c 称为无线链路的加入和删除的组合。 软切换的存在减少了切换的失败率，但是却增加了系统的额外开销。过多的 软切换会降低下行链路的容量，使系统能力下降。因此在前期的无线网络规划和 优化中要充分考虑软切换在一个小区中的比例，保证软切换的开销要低于初始设 浙江工业大学硕士学位论文 定的值，并且能在上下行链路提供足够的分集，使无线链路容量达到预定的值。 2 1 3 接纳控制( a c c e s sc o n t r 0 1 ) w c d m a 系统的上行是一个干扰受限的系统，当空中接口的承载增加，为 了保持小区的性能，小区的覆盖范围会比规划的范围小，这就是所谓的“小区呼 吸”的概念。小区呼吸的存在使得系统在接入一个新的用户之前必须对它的性能 进行检测，确保它不会牺牲规划的覆盖范围和当前网络的q o s 值。通过接纳控 制，系统会评估是否建立这些承载或拒绝建立无线接入承载的请求。而它的功能 将在r n c 中实现。一般来说，接纳控制可以分为三类：基于宽带功率的接纳控 制策略，基于吞吐量的接纳控制策略和基于连接数的接纳控制。图2 - 4 显示了上 行链路的接纳控制策略，从图上明显可以看出只要不超过干扰门限值的用户都能 够被接受。相比于上行链路，下行链路的接纳控制策略是基于基站发射的功率。 如果满足匕。，。+ c 。匕“。的用户都可以被接入，新加入用户的p 可以 通过前面讲到过的开环功控( o u t e rl o o pp c ) 所设最的初始功率值来计算。 千扰级别 图2 - 4 上行链路负载和干扰电平之间的关系 2 1 4 负载控制( l o a dc o n t r 0 1 ) 无线资源管理的一个重要作用是保证系统不过载并保持稳定。即使接纳控制 方法运行得很好，系统也有可能发生过载。当过载发生时，无线资源管理中的负 载控制策略将指导系统的各项参数，来保持系统的稳定，使得系统能够迅速回到 浙江工业大学硕士学位论文 网络初始规划时期所要求达到的性能。负载控制有许多的方法。主要有： 下行链路快速负载控制：拒绝移动台的功率提升命令； 上行链路快速负载控制：降低基站目标e c i o 值； 以控制方式断话； 减少数据包的吞吐量； 切换到另一个载频； 启用扩大负载控制( a o c ) 策略：通过这个策略，基站减少其发射功率， 迫使在小区边缘的用户选择邻小区作为其目标小区，降低对原先小区的 负载。 2 2c d m a 仿真技术1 】1 2 】 计算机仿真在枉会个方面都有很好的应用，如今的航天技术，经济发展预测， 生物医学种的生态仿真中，计算机仿真都发挥着不可替代的作用。随着通信技术 的日新月异的发展，新技术和新成果不断出现，如何能够经济有效的验证新技术、 新系统的性能成为所有通信研究人员必须面对的问题。但是直接能在硬件上实现 一个新系统来测试其性能是不现实的。因为会消耗大量的人力、财力和物力，同 时投资庞大，收效甚微，因此在市场经济占主导地位的今天也是不可行的。那么 计算机仿真在这种情况下就成了比较好的一种选择。一般来说，任何新的通信技 术在实际实现之前，总要经过多次计算机仿真确认其良好性能之后，才会被投入 商用。 c d m a 技术的仿真一般分为链路级( l i n kl e v e l ) 仿真和系统级( s y s t e ml e v e l ) 仿真两类。 c d m a 的链路级仿真主要是对c d m a 物理层的无线传输技术( 如编码、交 织、调制和扩频等) 进行仿真。链路级仿真既可以对某项单独的无线传输技术( 如 卷积编码和t u r b o 编码) 进行仿真，得到该技术在不同无线信道下的性能：也 可以对c d m a 通信系统中物理链路进行仿真。链路级仿真得到的结果一般是在 不同无线环境下的误比特率( b e r ) 、误块率或误帧率与信噪比( s n r ) 的关系 曲线。链路级仿真主要有两个用途，一是用于检验无线传输的技术性能，二是检 验无线系统的端到端性能，并为系统级仿真提供数据支持。 c d m a 系统级仿真主要是针对c d m a 无线接入系统进行仿真。系统仿真既 浙江工业大学硕士学位论文 可以对整个无线接入系统进行仿真，得到其在不同无线环境、系统负载阻及外界 干扰下的系统性能( 如容量等) ；也可以对无线接入系统的某项技术( 如软切换 技术、无线资源管理技术) 单独进行仿真，得到该技术在不同情况下的性能( 如 软切换率、系统资源利用率等) 。系统级仿真一般需要部分链路级仿真的结果。 它的输出往往是系统性能的参数，如话音容量、数据业务吞吐量、覆盖等。系统 级仿真有两个主要用途，一是用于检验无线接入系统的性能，二是用于系统规划 和优化。 系统级仿真主要有静态仿真和动态仿真两种基本方法。静态仿真主要是根据 蒙特卡罗方法进行仿真，蒙特卡罗法就是通过随机变量或随机过程进行独立的多 次抽样，根据抽样结果统计该随机变量或随机过程的统计特性的一种方法。一次 完整的静态仿真过程包括对c d m a 系统的多次独立采样。其中每一次采样称为 一个“d r o p