（通信与信息系统专业论文）tdscdma+femto拥塞控制技术的研究.pdf

摘要 摘要 随着第三代移动通信的商用，室内用户对多媒体业务和高速数据业务的需求 迅速增长，逐渐成为主流和趋势。t d s c d m a 是我国自主研发的第三代移动通 信标准，由于业务大部分都是发生在室内，因此实现高质量的室内覆盖显得非常 重要，f e n l 幻刚好满足室内用户慢速移动与业务高速稳定的要求，同时各种无线 接入技术相互交融，越来越复杂的移动网络对拥塞控制的性能提出了更高的要 求，因此t d s c d m af e m t o 的拥塞控制技术的研究是该领域目前研究的热点问 题，具有较大应用价值和广阔的市场。 本文在阐述拥塞控制的基本原理的基础上，对拥塞控制的流程拥塞检测，拥 塞解决和拥塞恢复进行深入研究。拥塞检测可采用基于b r u 的硬资源检测和基 于发射或者接收功率的软资源判决；当发生拥塞时，可以通过禁止新用户接入、 限制功率控制、降低p s 业务速率、切换到其它小区等方法使时隙的负荷降低； 当小区负荷在拥塞解决后变成欠载状态时，可以进行拥塞恢复，可能的步骤有允 许新的用户接入、解除功控限制、恢复p s 业务速率等。 然而在t d s c d m af e m t o 系统中若直接对用户降速，可能在拥塞高时隙时 仍然拥塞。这是由于t d s c d m af e m t o 系统的时分特性，一个用户可多个时隙 上有码道，而用户数据在物理层是逐次从低时隙码道映射到高时隙码道的缘故。 本文提出将p s 业务降速与码道重分配相结合的方法，采用跨时隙业务和切换分 流的拥塞控制算法策略，该算法通过和码分配算法深度结合，在拥塞的时隙里减 少其分配的b r u 数，使时隙负荷快速有效地恢复到正常状态。最后搭建了 t d s c d m af e m t o 系统级仿真平台，进行拥塞控制算法的仿真。通过仿真，验 证了本文提出的跨时隙业务和切换分流的拥塞控制算法能有效降低拥塞时隙的 负荷。 关键词：无线资源管理：拥塞控制；跨时隙用户；切换控制 a b s t r a c t a s3 gm o b i l ec o m 瑚疵c a t i o ni si l s e dc o m m e r c i a l l y ，t l l e ( i e m a n d so fi n d o o ru s e r s f o ri n u n i - m e d i as e r v i c ea n dl l i 曲一s p e e d 讹仃a 伍ca r ei i l c r e a s i n g ，w b j c hh a sb e c o m e a 切e n d 龇l dt h em a i ：咖锄t 】d s c d m ai st 1 1 e3 gm o b i l ec o m m u i l i c a t i o n 鼬m d a r d s s t u d i e da n dd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yi 1 1c h i 舰d u et 0t l l e f - a c tt l 哦m o s tt r a 伍c h a p p e i l si i l d o o r s ，l l i g l l q u a l i 够i i l d o o rc o v e ri sp a r t i c l l l a r l yi i i l p ( ) n a n ta n df e r n t oc a i l s a t i s 匆i i l d 0 0 ru s e r s n e e d sf o rs l o 、- m o t i o i l l l i 咖s p e e da n ds t a b l e 仃a 伍c m e a n w h i l e ， v 撕o u sr a d i oa c c e s s t e c h n o l o g i e ss u p p l 锄e m e a c ho t h e r ，s 0m ei n c r e a s i n g l y c o r l l p l i c a t e d1 1 1 0 b i l en 咖r ki m p o s e sl l i g l l e rr e q u i r e m e n t sf o r 也ep e r f 0 n i l a i l c e0 f c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，s _ t u d i e s o fc o n g e s t i o nc o n t r o l t e c l l l l o l o g i e s o f t d - s c d m aa r e 位l l e a t e dr e s e a r c h t o p i cr e c e n t l y 觚dh v e 肿a tp r a c t i c a l 印p l i c a t i o na n dp o t e n t i a lm 矗k e t o nt h eb a s i so fc i e s c r i b i i l gt l l eb a s i cp 血c i p l e so fc o i 玛e s t i o nc o n t r o l ，t l l i sp a p e r c o n d u c t e dai n 司e p mi e s e a r c hi n t ot l l ep r o c e d u r e so fc o n g e s t i o nc o n t r o l c o n g e s t i o n d e t e c t i o i l c o n g e s t i o nr e s o l v e 锄dc o n g e s t i o nr e c o v e 巧c o n g e s t i o nd e t e c t i o ni n c l u d e h a r dr e s o u i e sd e t c c t i o nb a s e do nb r ua n ds o rr e s o u r c e sv e r d i c tb a s e do n 觚1 觚t t i n go rr e c e i v i n gp o w e r ；w h e nc o n g e s t i o no c c u r s ，s u c hm e m o d sa sf o r b i d d i n g n e wu s e ra c c e s s ，l i i i l i t i n gp o 、v e rc o n t r o l ，r e d u c i n gp st r a f f i cm t ea i l dp e 墒n t i i n ga h a n d o v e rt oo t h e rc e u sa r eu s e dt or d u c et h el o a do ft i n l e s l o t s ：、h e nt i l el o a do fac e l l t u l l l s 硫oo w e - l o a ds t a t u s ，c o n g e s t i o nr e c o v e 巧c a nb ec o n d u c t e da 1 1 dt h ep o s s i b l e m e a s u r e si n c l u d ep e m i t t i n gn e wu s e r s a c c e s s ，r e m o v i n gp o w e rc o n t 】r o ll i r n j ta n d r e c o v e 血g m ep s 仃a 所c r a t e h o w e v e r ，r e d u c i n gd i r e c t l yu 1 es p e e do fu s e r si nt d - s c d m a f e m t os y s t e mm a y n o tr e s o l v e l ec o n g e s t i o n so fh i g h - n u m b e r c dt i m e s l o t s t h a ti sb e c a u s et d s c d m a f e m t oi sf e a n l r e db yt i i l l ed i v i s i o n ；o n eu s e rc a nh a v ec o d ec h 锄e l si nd i 疵r e n t t i r n e s l o t s ，肌dt l l em a p p i n go fu s e rd a l ai np h y s i c a ll a y e ri s f b ml o w - n u m b e r e dc o d e c h 锄e l st 0 量l i 曲一m l i i l b e r e dc o d ec h a i l i l e l s t 1 1 i sp a p e rp r o p o s e sai n e t h o do fr e d u c i n g i i p s 仃a m c 弱w e l l 勰r e a l l o c a t i n gc o d ec h a i l n e l s ，a d o p t i n gc r o s s s l o t 仃蕊ca n d h a n d o v e rs p l “- n o wc o n g e s t i o nc o i l t r o la l g o r i m m b yc o m b i l l i n gc o d ea l l o c 撕0 n a l g o 础姐，恤a l g o 咖：1 1 1 1p r o p o s e di i l “sp a p e rc a nr e d u c e 恤删m b e ro f b r u si n c o n g e s t e dt i i i l e s l o t s ，w h i c h 删妇恤l o a do ft i i i l e s l o t sr a p i d l ya n de 仃e c t i v e l yr e d u c e t 0 n o m 谢s t a t e f i n a l l y ，t l l i sp a p e re s t a b l i s h e dt d s c d m af e m t os i l l l u l a t i o n p l 舶m 矗 s i m u l a t i o no fc o n g e s t i o nc o n 咖la l g o r i t h es i i i l u l a t i o nv e r i f i e s 斌 m ec o n g e s t i o nc o 腑o la l g o r i t h i i lo fa d o 曲gc r o s s s l o t 仃a 伍c 觚dh a l l d o v e rs p l i t - f l o w p r o p o s e di 1 1u l i sp a p e rc 肌e 虢c t i v e l y t l l el o a do fc o n g e s t e dt i i l l e s l o t s k e yw o r d s ：r a d i or e s o i c em 龇l a g e m e n t ；c o n g e s t i o nc o n t t o l ；c r o s s - t i n l e s l o tu r ； h a n d o v e rc o n t r o l i i i 第一章绪论 1 1 论文研究背景 1 1 1 第三代移动通信标准的确立 第一章绪论 第三代移动通信系统( 简称3 g ) 由国际电信联盟于1 9 8 5 年提出，在1 9 9 6 年正式更名为i m t - 2 0 0 0 ，因为该系统采用2 0 0 0 m h z 左右频段，能够提供高达 2 0 0 0 k b 临的业务速率，且计划在2 0 0 0 年左右进行商用。 与第二代通信系统相比，其频谱利用率得到提高，通信容量增大，通信速率 大大提高( 在快速移动环境达到1 4 4 k b p s ，在步行环境下达到3 8 4 k b p s ，在室内 环境下达到2 m b p s ) ，通信质量也大大增强，且更适合数据与多媒体业务。 第三代移动通信的主流标准：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 与t d s c d m a ，其中 t d s c d m a 系统是由我国提出并推动的，是我国通信发展史的里程碑。 w c d m a 与c d m a 2 0 0 0 都是采用f d d 模式，上下行使用对称频段，而 t d s c d m a 基于t d d 模式上下行工作在同一频段。总体来说，t d s c d m a 系 统有更高的频谱效率，但技术也更为复杂。 1 1 2t d s c d m a 系统简介 要了解一个系统，掌握它的帧结构和基本参数是非常重要的。t d s c d m a 系统的帧结构如图1 1 所示，每个无线帧的长度为1 0 m s ，而每个无线帧又分为 两个5 m s 的子帧，每个子帧由7 个主时隙( 长度为0 6 7 5us ) 和3 个特殊时隙组 成。3 个特殊时隙分别是上行导频时隙( u p p t s ，1 2 5us ) 、下行导频时隙( d w p t s ， 7 5us ) 和保护间隔( g p ，7 5us ) 。在7 个主时隙中，t s o 总是分配给下行链路， 而t s l 总是分配给上行链路，其它则自行配置，但上行时隙必须是连续的，中间 由转换点隔开，故每个5 i n s 的子帧中有两个转换点( 另外一个为保护间隔g p ) 。 通过改变转换点位置，可以灵活配置上下行时隙个数比，所以t d s c d m a 非常 适合上下行非对称的业务的传输。 1 d s c d m af e m _ t 0 拥塞控制技术的研究 无线帧( 1 0 m s ) i _ d w p t sg u p p t s 转换点 ( 7 5 )( 7 5 璐)( 12 5 u s ) t d s c d m a 系统的基本参数如下： 表卜lt d - s c d 姒系统基本参数 参数值 信道间隔 1 6 m h z 码片速率 1 2 8 m c s 多址方式f d m a + t d m a 十c d m a 双工方式t d d 数据调制 q p s 刚8 p s k ( 2 m b p s 业务) 扩频调制 o v s f 信道编码卷积码+ n 曲。码 小区覆盖半径 o 1 1 2 l 【i n 切换方式硬切换接力切换 功率控制开环加闭环功率控制，2 0 0 次s 第一章绪论 如图1 2 所示t d s c d m a 系统的网络结构与空中接口，t d s c d m a 网络结 构及其对应的接口配置和信令交互会极大地影响整个系统的性能。要想了解 t d s c d m a 系统的工作原理及其实现的各种流程，就需要深入理解与接入网相 关的接口规范和网络结构。 c n - l 。 一一h - l 肿 一心s r n s l u r r n c i r n c i 一 b 划b 刳b 劐b 劐 t d s c d m a 系统结构完全遵循3 g p p 指定的u m t s 网络结构。它可分为c n 和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 ，u m t s 陆地无线接入网) 。 u t 埘是3 g 网络中的无线接入网部分，由一组r n s ( i i on 咖o r k s u b s v s t e m s ) 组成，通过i u 接口和核心网连接。每个r n s 又包括一个i 斟c ( i 涮i o n e 觚o r kc o n 仃o l l e r ) 和一个或者多个n o d eb ，n o d eb 和r n c 之间通过i u b 接口 连接。其中r n c 主要负责接入网的无线资源管理，比如接入控制、负载控制、 切换控制等。 空中接口是指u e 和u t r a n 之间的接口，简称u u 口。三种3 g 标准的主 要区别即体现在空中接口的无线传输技术上。物理层通过传输信道为m a c 层提 供相应的服务，m a c 层则通过逻辑信道为r l c 层提供服务，而其上的r r c 层 则可以同时跨层控制物理层、m a c 层、r l c 层等。 t d s c d m a 系统还采用了一系列的高新技术，例如智能天线、接力切换、 多用户检测、软件无线电等等，这些技术在其它3 g 系统中都还没用使用。 3 t d s c d m af e m t o 拥塞控制技术的研究 1 1 3 家庭基站简介 家庭基站( h o m en 0 d eb ，h n b ，又称f e m t o c e l l ，或f e m t 0 ) 是一种新兴的 热点覆盖技术，是解决室内覆盖的有效手段之一，也是固定网络与移动网络融合 的种方式。根据调查，7 0 的语音业务、9 0 | 的数据业务是发生在室内的。2 0 0 8 年的全球移动通信大会首次展出家庭基站技术，2 0 0 9 年才提供首次商用服务。 f e m t o 在欧洲比较流行，且主要采用w c d m a 制式，而基于t d s c d m a 制式的 家庭基站则一度发展缓慢，但随着国内外各大通信厂商加大研发力度，特别是中 国移动确定大力发展家庭基站并制定了相应的产品标准后，t d s c d m a 家庭基 站必会得到大量应用。 家庭基站的覆盖范围很小，一般只有十几米到几十米的半径。它支持开放式 胥椒 和封闭式的接入，显然封闭式主要用于家庭和企业，而封茼式主要用于商业区。 家庭基站都支持自配置自优化，大大降低了成本。f e m 幻根据容量与覆盖范围大 小又分为家庭级和企业级基站。 企业a p i e p i c o 竺 丫 z 众膏帚 暮吐 宏网络 产卜坂哆铺 宏基站 f e m l o 核心域 现罔核心网 暴站拄视墼 图卜3 家庭基站网络架构 o 鹤n 以上为家庭基站的网络架构图，与宏蜂窝不同的是，它是直接与a d s l 或光 纤网络连接，相当于一个a p 。它与核心网之间没有l c ( 基站控制器) ，而是 把l 矾c 的功能放在了基站端，但加了网关与用户认证等设备。 4 第一章绪论 1 1 4 用户的业务类型介绍 在3 g 系统中，根据相应的业务类型可以将q o s 分为四类：会话类业务、流 类业务、交互类业务、背景类业务。 会话类业务主要指的是a m r 语音业务( 4 7 5 k b p s 1 2 2 k b p s ) 和视频会话业 务( 6 4 k b p s ) ，其特点是实时性较强，速率相对固定，对时延最敏感，若时延较 大则不可接受； 流类业务主要用于服务提供者向用户实时传递数据流，即主要是单向传输， 典型的应用有网络视频和音频点播，但它允许一定的丢包率； 交互类业务主要是用户向远端的服务提供者请求传输文字或图片等内容的 一种业务，比如浏览网页，远端数据库接入、网络游戏等。交互类业务的特性是 用户发出请求之后，在一定时间内必须收到服务提供者的回应。交互类业务主要 承载数据业务，对误码率有较高的要求； 背景类业务也是应用在数据通信中，但不要求必须在一定时间内获得回应。 典型的业务有电子邮件、短消息、数据下载等。与交互类业务相同的是对数据误 码率有较高的要求，但与前面三种业务相比，对相应时间则没有那么高的要求。 综上所述，会话类和流类主要用于实时的视频或者音频业务，而交互类和背 景类主要用于i n 钯m e t 应用。只有会话类是c s 业务，其它三种都是p s 业务。在 3 g 以及以后的系统中数据业务将占到较高的比例，尤其是移动互联网业务如 w r e b 、网络视频、网络游戏等。这些数据业务的上下行业务比例不对称，下行业 务量一般大于上行业务量，这样t d s c d m a 的t d d 制式与非对称时隙能很好 发挥其灵活性与高效性。 1 1 5t d s c d m af e m t o 拥塞控制技术介绍 一个f e i l l t o 小区的用户数虽然比较少，但是由于小区的载频频谱相对比较 窄，而用户的数据速率相对比较高，另外，当用户的无线信道质量变坏时，基站 的接收与发射功率会显著增大，再加上邻小区对本小区的干扰，f e m t o 小区产生 拥塞的可能性还是比较大的。 t d s c d m af e m t 0 拥塞控制是f e r n t 0 无线资源管理的其中一个模块，它负 责实时监测小区的负荷状态，在检测到小区过载时，采取降速切换等措施使小区 1 r i ) s c d m af e m t 0 拥塞控制技术的研究 的负荷降低，在时隙负荷降低到比较低的水平后，可以将被降速的用户的速率重 新提上来。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 随着智能手机与平板电脑的高速发展，人们对移动设备的使用频率越来越 高。家庭基站已成为各大通信公司研发的一个热点，方兴未艾。 在标准研究方面，2 0 0 7 年成立了f e n l t of o n 蛐( 家庭基站论坛) ，家庭基站 的标准化工作正式开展。论坛的成员主要包括运营商、系统设备商、终端厂商、 芯片厂商等。3 g p p 也开始针对3 g 系统制定家庭基站的标准，终于在2 0 0 8 年1 2 月的r 8 版本进行了规范化。它兼容r 8 之前的版本，并且对宏蜂窝网络的影响 尽可能小。 有关通信拥塞控制算法方面的研究，b e m a r d i 【9 】研究了w c d m a 系统在混 合业务情况下的负荷控制，提出了一种资源预留策略，以满足不同业务的q o s 要求。m u c k e i l l l e i m 【1 0 】提出了一种新的负荷控制理论，对c d m a 系统的资源定 义为，上行链路资源为基站总接收功率，下行链路资源为基站总发射功率。 r o d r i g u e s 【l l 】探讨了w c d m a 系统下行空口的拥塞解决与拥塞恢复操作过程，对 信道质量比较差的用户设置较低的优先级，使系统逐步恢复到稳定状态。j i i l g z h a l l g 【1 2 】提出了一种t d s c d m a 上行链路拥塞控制策略，很好的控制了热噪声 增加量( r o t 鼬s eo v e rt l l e 册a 1 ) 与系统吞吐量。在专利发明方面，国内外对拥 塞控制问题的研究主要集中在大唐、华为、中兴、诺西等电信设备厂商。文献 1 8 】 提出了一种通用的拥塞控制与恢复的处理方法，先逐个检测各个时隙的负荷，通 过拥塞时隙个数确定小区拥塞等级，按不同的等级进行相应的拥塞处理；同理， 根据欠载时隙个数确定小区拥塞恢复等级，然后按不同等级进行拥塞恢复处理。 文献 1 9 公开了一种实现过载拥塞控制的方法。该方法在网络侧分别对上、下行 过载拥塞采用速率限制和释放用户两种方法进行控制，同时上下行过载拥塞的控 制共享一个o l c ( o v e rl o a dc 0 n t r o l ，过载控制) 动作定时器，只要上下行有一 方向发生了过载拥塞，就会启动o l c 动作定时器，该定时器超时后触发一次o l c 动作，然后自动重启。在一次o l c 动作中，分别对上下行过载拥塞进行判决， 如果确实存在过载拥塞，则各自进行动作判决后进行综合动作判断后再执行相应 6 第一章绪论 动作。该发明分别针对瞬间拥塞和长期拥塞进行相应的合理控制，避免了上下行 独立运行时造成的过度控制现象。文献 2 0 】公开了一种3 g 系统中的拥塞控制方 法。当有新的呼叫请求时，系统根据请求业务的q o s 参数和系统当前的负荷情 况，对新的呼叫请求进行准入判决，如果系统负荷不允许新的呼叫请求接入，而 新的呼叫请求的业务又没有强拆其它业务的能力，又不允许排队，则拒绝该呼叫 请求，同时将该呼叫请求放入虚拟呼叫队列；系统周期性收到系统负荷的更新， 检查虚拟呼叫队列，如果虚拟呼叫队列不为空，则对己建立的某些呼叫执行一次 降速操作，以降低系统负荷。采用该方法，能够有效地解决系统拥塞情况下呼通 率降低的问题，提高呼通率和系统容量。文献【2 1 】公开了一种拥塞控制方法，该 方法包括如下步骤：分别对第一类信道和第二类信道( 比如d c h 专用信道或者 h s p a 信道) 进行拥塞检测；某一类信道的拥塞程度超过预定范围，而另一类信 道的拥塞程度在预定范围之内，则将该类信道的部分用户接入另一类信道中。对 于包含两类信道的通信系统，通过对两类信道分别进行拥塞检测，当仅有某一类 信道出现拥塞时，将其部分用户接入到另一类信道中，相对现有技术中单纯仅对 拥塞类信道进行处理的方法，可以充分利用其他信道的资源，缓解整个系统的拥 塞状况；相对于现有技术中，调整小区信道资源的方法，不需要阻塞小区、中断 小区中用户的通信，降低了拥塞处理时延，保证系统的服务质量，实现快速拥塞 控制。 此后，3 g p p 不断对该标准进行完善，并在r 9 版本开始支持l 1 甩家庭基站， 为家庭基站的延续性奠定基础。而l 1 e 以及以后的4 g 的网络架构与家庭基站的 很相似，也是采用扁平化的架构，而随着容量需求的增大，宏蜂窝的覆盖范围也 越变越小，这恰恰证明了家庭基站的应用价值。随着无线通信技术的发展，同一 区域内将存在许许多多各种不同制式的网络，基于异构网络的拥塞控制策略的研 究将成为一个热点。 1 3 课题的提出 拥塞控制作为基站无线资源管理模块的一个不可或缺的功能，对系统的稳定 性起着至关重要的作用。 中国移动通信企业标准t d s c d m af e m t o 基站设备技术规范中的无线 7 t d s c d m af e m t 0 拥塞控制技术的研究 资源管理策略里对拥塞控制的目的与处理方式做了说明与要求。拥塞控制的目的 是，在系统出现过载时，采取一定的措施使系统负荷尽快降低到正常水平，以保 持系统的稳定运行和服务质量。可以采用的处理方式有，对承载速率进行重配置， 禁止新用户接入，时隙之间负荷调整，按预设的优先级强制拆除现有业务承载。 虽然技术规范中对拥塞处理的方式做了说明，但说得很简略，其具体操作方 式还有待深入研究，且拥塞解决的措施也不局限于这几个，还有诸如限制功控、 按预设优先级切换用户等。本文详细讲解了t d s c d m a 系统拥塞控制的基本原 理，并提出了跨时隙业务和切换分流的拥塞控制方法。 1 4 论文的主要内容与结构安排 本文共分五章，其中第三章和第四章是本文的重点章节，分别对基于跨时隙 业务和切换分流的拥塞控制算法的设计和仿真做了介绍。 在第一章中，首先介绍了论文的研究背景，即第三代移动通信系统标准的确 定，然后对t d s c d m a 系统、家庭基站以及用户的四种业务类型做了简单介绍。 最后，给出了本文的研究内容及全文的内容安排。 在第二章中，介绍了t d s c d m a 系统的无线资源管理，并对拥塞控制与切 换控制的基本原理进行了详细说明。 在第三章中，详细介绍了t d s c d m a 系统拥塞控制算法的各个步骤，即拥 塞检测、拥塞解决与拥塞恢复，提出了基于跨时隙业务和切换分流的拥塞控制算 法。 第四章对拥塞控制算法进行系统级仿真，并对仿真结果进行分析，第五章总 结了论文的相关工作，并提出未来工作的方向。 第二章1 r i ) s c d m a 拥塞控制算法基本原理 第二章t d s c d m a 拥塞控制基本原理 2 1t 呐卧无线资源管理概述 2 1 1t d s c d m a 无线资源管理的基本原理 相较于2 g 系统主要以话音通信为主，3 g 系统的最大特点是增强了数据、 图像以及多媒体通信的服务。不同的业务有不同的服务质量( q o s ，q 砌埘o f s e r v i c e ) 要求，如对时延、误比特率、数据速率等。若既要保证各类业务的q o s ， 又要使网络的资源利用率达到最大，则需要借助于无线资源管理( i h d i oi 沁s o u r c e m a l l a g e m e n t ，l u 洲) 。所以在3 g 系统中，无线资源管理作为一个专门的课题被 提了出来，并成为衡量网络性能的重要指标。无线资源管理主要功能是对系统可 以使用的所有无线资源进行分配和管理，在保证网络服务质量的前提下，支持更 多的用户，提高频谱利用率。 3 g p p 组织对物理层、m a c ( m e d i aa c c e s sc o n 臼l ，媒体接入控制) 层和 l 也c ( i d i ol i i l l 【c o l l 伽l ，无线链路控制) 层等协议进行了标准化，以便不同设 备生产商生产的设备之间能相互通信。但是并没有对无线资源管理算法进行标准 化，而是由设备提供商根据各自设备特点自行设计实现，所以不同厂商的设备中 的无线资源管理算法是不相同的。 无线资源管理算法可以基于网络的硬资源，即无线资源的空余数量，或着基 于空中接口的干扰水平。在空中接口过载前，由于无线资源短缺而导致的系统容 量受限，称为硬阻塞；在无线资源尚有余量的情况下，空中接口负荷超过了规划 的极限，则称作软阻塞。一般来说，基于软阻塞的无线资源管理同基于硬阻塞的 无线资源管理算法相比，可以得到更稳当的性能，因为很多情况下还没达到硬阻 塞时就已经软阻塞了，本文介绍的拥塞控制算法即是基于软阻塞的。 无线资源主要包括频率资源、时间资源、码资源、功率资源等，若涉及天线， 则还有空间资源。c d m a 系统是自干扰系统，无线资源管理就是对移动通信系 统的无线资源进行规划和调度，控制系统的干扰，使网络性能达到最优。无线资 源管理算法包含的方面有很多，如接入控制、码分配( 快速动态信道分配、慢速 9 t d s c d m af e i n t 0 拥塞控制技术的研究 动态信道分配) 、功率控制、分组调度、切换控制、拥塞控制、无线承载控制、 无线链路检测等。基站提高对某用户的发射功率能够改善该用户的q o s ，但会增 加其他用户的干扰，从而导致其他用户接收质量的降低。功率是最终的无线资源， 必须严格控制功率的使用，拥塞控制检测与解决都是基于接收或者发射功率。 图2 1 为无线资源管理各个模块之间的依赖关系。从图中可以看出c c ( 拥 塞控制) 与其它模块的交互最多，在拥塞解决的时候，可能触发的操作有a m r c ( 自适应码率控制) 、a c ( 接入控制) 、h c ( 切换控制) 、p s ( 分组调度) 、s d c a ( 慢速动态信道分配) 。另外，r l s ( 无线链路监测) 与其它模块的交互也比较 多，可能触发的操作有w r c 、f d c a ( 快速动态信道分配) 、h c 、p s ；而i m c ( 无线承载控制) 与a m r c 和p s 有交互。 图2 1 无线资源管理各个模块关联图 总之，无线资源管理解决的主要问题是满足多样性的用户需求( 速率不同、 q o s 不同) 和信道的状态因信号衰落和干扰而起伏变化。其目标是保证网络的服 务质量，提高系统容量，增强系统的有效覆盖。 2 1 2 与w c d m a 系统无线资源管理的区别 由于t d s c d m a 和w c d m a 都是3 g p p 组织制定的标准，且共用一个核心 l o 第二章1 i ) - s c d m a 拥塞控制算法基本原理 网，所以很多协议标准都是相似的。w c d m a 标准制定更早，其无线资源管理 算法研究也已经比较成熟，因此t d s c d m a 系统的无线资源管理算法可以借鉴 w c d m a 。 传统的c d m a 系统，由于存在远近效应，系统必须进行功率控制，否则用 户的q o s 将得不到保障，因此空中接口资源包括了功率资源。t d s c d m a 的扩 频因子最大为1 6 ，而w c d m a 的则大得多( 上行2 5 6 ，下行5 1 2 ) ，故t d 系统 常常表现为码道受限，但干扰会小些。而) s c d m a 系统由于采用t d d 技术， 相比于f d d 模式的w c d m a 系统，增加了一维时隙资源。t d 系统采用智能天 线和联合检测技术，大大减小了码道上的多址干扰和多径干扰，使得干扰的总水 平小于w c d m a 系统，而智能天线具有空分多址特性，因此又增加一维空间资 源。t d s c d m a 系统1 6 m 的带宽对一个小区来说，一般不能满足其容量需求， 所以通常会采用多载波，因此也增加了一维频率资源。这样t d s c d m a 系统中 可控的无线资源包括功率、码道、时隙、空间和频率五维资源。由此可见， t d s c d m a 的无线资源管理算法将十分复杂，但如果能够充分进行资源管理和 调配，使t d s c d m a 的系统优势充分发挥出来，则t d s c d m a 系统将是一个 性能更优的系统。 2 2 拥塞控制基本原理 2 2 1 拥塞控制基本概念 网络通信量或者说通过任意网络传输的业务量接近网络对业务的最大处理 能力时，将产生拥塞。拥塞具有扩散性，往往因一个节点的过载会造成网络局部 的拥塞甚至全网的瘫痪。 在t d s c d m a 系统中，出现拥塞的情况一般有以下几种： 1 ) 在接入控制过程中，被接入的用户都会被分配到扩频码( o v s f ) ，接入 控制过程一般都会设置足够的冗余量，通过式( 2 1 ) 判决用户能否接入。 ，7 一f + ，7 绣胁删 ( 2 1 ) 其中是指当前子帧的负荷因子，刁是指接入新用户时预估会增加的 t d s c d m af e m t 0 拥塞控制技术的研究 负荷因子，枷砌是指负荷因子拥塞门限，但是实际系统用户传输业务时的信道 特征很难准确估计，在估计当前负荷因子时可能低估，或者接入新用户增加的干 扰被低估，又或者阈值设置过高，都有可能产生过载；另外，当用户基于分配到 的扩频码进行业务传输时，考虑到用户的移动性和信道的随机变化，扩频码间的 正交性会被破坏( 弱化) ，进而产生码间干扰，造成干扰受限的系统容量减小， 从而导致系统过载。 2 ) 由于服务小区无法控制小区间干扰，在接入控制时一般采用的小区间干 扰都是基于统计意义的。但实际系统中小区干扰变化剧烈，由于用户的移动性和 业务要求的特性，小区间干扰很可能会在某个时刻发生非常大的变化，从而导致 之前稳定( 未超载) 的系统发生过载。 3 ) 下行链路方向，基站给各个用户分配的功率都是基于用户到基站的距离 和用户的信道状况来决定的，一旦在某个时刻，大部分用户都处于小区边缘上， 此时这些用户的信道状况都比较差，下行链路的功率控制失效( 即使u e 要求基 站增加发射功率，但是由于下行链路的总发射功率受限，基站不会完全按照u e 的申请来增大发射功率) ，此时系统发生过载。 4 ) 如果系统支持可变速率传输，一旦某个时刻位于基站附近的用户突然增 大传输速率，从而给其他用户造成非常大的干扰，导致整个小区容量减小，出现 小区“呼吸效应 ，即小区覆盖范围会减小，此时对于处于呼吸区域内的用户来 讲，系统处于过载状态。 5 ) 功控时延也可能导致系统过载。在t o 时刻进行的功控算法用的是t 1 ( t 1 t 0 ) 时刻，t l 和t 2 之间的时间内如果系统负荷发生较大的变化( 系统负荷增大) ，会导致t 2 时刻用户处于过载状态。 拥塞控制的目的就是将网络通信量维持在某个水准之下，超过该水准，网络 性能极有可能大幅下降。这里所提到的水准，可以是一个或者多个物理量的门限， 一旦系统中超过了这些门限，则系统性能很可能会急剧下降，造成拥塞。这里的 门限通常是由网络规划来获取的。 确切来讲，在t d s c d m a 系统中，拥塞控制的目的有： 1 ) 保证系统的稳定性，维持系统正常工作； 1 2 第二章1 d s c d m a 拥塞控制算法基本原理 2 ) 保证己接入用户的q o s ，降低掉话率； 3 ) 均衡小区负荷( 载波间负载均衡和单载波内的时隙间负荷均衡) ； c d m a 是白干扰系统，尽管有合理的前期布局规划，合理的接纳控制算法， 但是仍然不能保证系统时时刻刻处于稳定状态。一些特别情况可能导致干扰无法 控制，超越阈值使大量接入用户的q o s 得不到保证，导致大量用户或者数据的 大面积延迟堵塞，造成系统拥塞。这些情况都是由系统负载过载造成的。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。如果发生过载，负载控制 能迅速并可控地将系统还原到无线网络规划设定的目标负载值。 负载控制是一种事后的负载控制措施，而接纳控制是一种事前的负载控制措 施，两者都是使系统尽量处于稳定状态。接纳控制是在不过载的情况下，接入更 多的用户，而负载控制是监视系统负载，并可能减少服务的用户。因此负载控制 主要是对系统运行过程中的负载进行监测，保证已接入用户的q o s 。 2 2 2 拥塞控制基本流程 拥塞检测的方法有多种，但可以分为两大类，一类是基于硬资源( 如b r u ， b a s i cr a d i ou 1 1 i t ，基本无线单元) ；一类是基于软资源( 软资源又分为两种情况： 第一种为基站的发射与接收功率；第二种为信号噪声比s i r ) ，大部分拥塞控制 算法都是基于软资源的。下面分别介绍基于硬资源和软资源的负荷拥塞检测： ( 1 ) 基于b r u 硬资源的拥塞判决 此算法是基于b r u 资源来判决时隙、载波、小区的负荷状态。若某时隙的 所有b r u 已全部用完，且该时隙的可用b i w 数( 包括切换预留b i 和分类业 务预留b r u ) 不等于零，则判决该时隙拥塞；若某载波上行( 或下行) 己用b r u 数大于或等于“载波上行拥塞门限”( 或“载波下行拥塞门限”) ，且载波上行或 下行己用b r u 数不等于零，则判决该载波拥塞。此时，禁止新呼叫用户和切换 用户接入；若当前小区所有载波都拥塞，或小区拥塞后并非全部载波都恢复正常； 又或者小区的拥塞载波数加上小区不可用载波数( 不可用：载波没有激活，或者 载波处于激活状态，但其某方向上所有时隙的可用b i w 数为0 ) 等于小区的载 波数，并且载波没有全部恢复正常，则判决该小区拥塞。 1 3 t d s c d m af e l t 哟拥塞控制技术的研究 若时隙的己用b i w 数小于时隙码道拥塞门限，则判决时隙恢复正常；若载 波所有上行时隙和所有下行时隙的已用b r u 数均小于相应的拥塞门限，则判决 载波恢复正常；若小区所有载波都正常，且小区拥塞恢复处理措施都完成，则判 决小区正常。 ( 2 ) 基于功率的软资源拥塞判决 这里讲的功率是指基站的上行接收功率或者下行发射功率，而上行接收功率 包括r s c p ( r e c e i v e dt o t a l 晰d eb a n dp o w e r ，接收带宽总功率，为解扩后的接收 信号码功率) 或者i s c p ( i n t e 疵r e n c es i g n a lc o d ep o w e r ，干扰信号码功率，为 解扩后的接收信号码上的干扰，且基于一个时隙) ：下行发射功率为t c p ( t r a i l s i l l i t t e dc a m e rp o w e r 发射载波功率) 。 根据基站物理层上报的测量值，当拥塞检测模块检测到上行时隙的i s c p 或 者r s c p 大于相应的拥塞门限时，判决该上行时隙拥塞，当检测到下行时隙t c p 大于相应的拥塞门限时，判决该下行时隙拥塞；若载波所有上行时隙或所有下行 时隙都拥塞，则判决该载波拥塞；若小区所有载波都同时拥塞且没有全部恢复正 常，则判决该小区拥塞。 相反，当检测到上行时隙的i s c p 或者r s c p 小于相应的拥塞门限时，判决 该上行时隙负荷正常，当检测到下行时隙t c p 小于相应的拥塞门限时，判决该 下行时隙负荷处于正常水平；若某载波的所有时隙都正常，则判决该载波处于正 常状态；若小区至少有一个载波处于正常，则判决小区正常，而要判决小区恢复 正常，则要小区所有载波都处于正常，且小区拥塞恢复处理措施都完成。 还有一种和基于功率的软判决等价的方法是采用负载因子r l ，当t l 高于负载 门限r lt h 时，判决时隙过载，否则处于正常状态。 需要注意的是，如果接入控制为链路分配了比较小的扩频因子( s f ) ，则当 u e 切换到负载已经比较高的小区，或者不连续传输业务( 使用d t x ( d i s c o n t i n u o u s1 r a n s m i s s i o n ，不连续发送) 与d i ( d i s c o n t i n u o u sr e c e p t i o n ， 不连续接收) 技术，如w w w 业务或者语音业务) 传输的业务量在一段时间内 大于规划时设置的业务量，此时可能会触发系统负载超过门限值而过载。另外， 如果在接入控制中为每个申请资源的u e 都分配了平均的s f ，即不论每个u e 传 输的q o s ( 服务质量) 要求不同都分配相同的码道资源，则由于不同业务的q o s 1 4 第二章t d s c d m a 拥塞控制算法基本原理 不同，也可能引起系统过载。总之，在这些情形下必须合理预评估系统的干扰和 负载，采用合适的接入控制策略，尽量避免过载现象出现，即需要在接入控制和 负载控制之间寻找最佳平衡点。拥塞控制与接入控制的判决门限值可以通过仿真 与实际网络经验获取。 ( 3 ) 基于s i