（通信与信息系统专业论文）tdscdma+femto接入控制策略研究.pdf

摘要 摘要 随着第三代移动通信的商用，人们对多媒体业务和高速数据业务的需求，逐 渐成为主流和趋势，据统计，移动通信7 0 以上的业务发生在室内，因此实现高 质量的室内覆盖显得越来越重要，f e m t 0 技术能够有效解决室内覆盖问题，成为 目前研究的热点。t d s c d m a 是我国自主研发的第三代移动通信标准，其具有 白干扰特性，由于接入业务类型各异，为保证业务服务质量，充分利用无线资源， 支持更多用户，研究合理的呼叫接入控制策略对系统的稳定性具有重要的意义。 本文在研究传统呼叫接入控制的基础上，提出基于干扰和码道资源的两种多 载波排序方法，使用户在接入时能够使用最优的载波进行业务承载，提高接入成 功率和实现负载均衡。接着基于t d s c d m a 时分多址的特性，本文提出了一种多 时隙联合分配的接入策略，上行链路将传统的基于单时隙干扰受限的判决方法改 进为计算多时隙联合可支持的总业务速率受限下可用于承载业务的有效b r u 数 的判决方法和下行链路将传统的基于单时隙的载波发射功率受限的判决方法改 进为多时隙发送功率受限下的总可用b r u 受限的判决方法，解决跨时隙业务的接 入判决问题。然后本文进一步提出基于业务优先级的接入控制策略，通过牺牲部 分低优先级数据业务q o s 服务质量，提高系统整体接入成功率，保证高优先级用 户的服务满意度，进一步提高系统在线用户数，改进f e m t o 系统容量不足的问题。 最后，本文利用o 聊姬t 建立) s c d m af e n l t 0 系统仿真平台，建立移动 终端u e 、基站节点h n b 等数学模型，通过系统级动态仿真，针对多时隙联合分 配与传统单时隙分配的接入控制策略、以及在三载波下基于业务优先级与传统不 考虑业务优先级的接入控制策略进行系统性能比较，仿真结果表明，基于多时隙 联合分配的接入控制策略能够明显地提高数据业务接入成功率，增加系统数据业 务的在线用户数，同时考虑业务优先级的接入控制策略可进一步提高业务接入成 功率，使系统吞吐量得到明显提升，提高系统资源利用率。在以后的研究工作中， 将进一步考虑系统引入h s d p a 后的接入控制策略。 关键词：1 d s c d m a ；接入控制；业务优先级 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mm ed e v e l o p m e n to f 雠“r dg e n e 枷o i l a lm o b i l ec o i n l l l 吼i c a t i o nt e c h 】l o 阱 吐l er e 叫r e i n e n to fm em _ u l t i r n e d i a 仃瓶ca n d1 1 i 曲s p e e dd a t a 恤伍c ，g r a d u a j l y b e c o m e st h e 咖a r y 仃e n d nw 觞f o u n d 廿l a ta _ b o v e7 0p e r c e n to f 仃a 伍c sa r co c c u n e d i i l d o o r m u s ，f e m t o c e l lt e c l l l l o l o g y ，嬲am o b i l ec o m m u i l i c a d o ns y s t e mf o ri i l d o o r c o v e r a 唔es o l 嘶。玛、嬲i n 臼0 d u o e di n t ot d - s c d m a ，w m c hi s o n eo f 也e 也i r d g e n e m t i o n a lm o b i l ec o r n m u i l i c 撕o n 曦删si n v e n t e db yo u r s e l v e s d 鹏t 0t h e s e i f i n t e 疵r c n c ec h 锄c t e ro ft d - s c d m a ，aa p l ) r o p r i a t e 础l l i s s i o ns 仃a t e g ，ri s 蛔p o r t a n tf o r 也es y s t e m 1 1 1 i ss 仃a t e g ) r 丽l lb ed e s i g n c dt 0g u a m t e em e 仃a m c s q o s r e q u i r e m e n t s 锄da c c e s sn e wu s e r s 雒m a r l y 猫p o s s i b l e ，i i n p r 0 v i n gm es y s t e m s i e s o u r c eu t i l i z a t i o n h lt h i sp a p e r ，w er e s e a r c hm ed 砌la l g o r i t l l l i l so fn l e 仃撕t i o i l a l 叫la d r i l i s s i o n c o n 仃0 1s 仃a t e 百e s ，a n dd e s i 盟an c l wc a l la 血l i s s i o ns 廿a t e ；) ，五”t d s c d m a 佗m t o c e l l s y s t e m t w os o r t i n ga p p r o a c hb a s e do ni n t e d b r e n c ea i l dc o d er e s o u r c ei sd e s i 印e di n m es 臼r a t e g y ，t 0s e l e c ta no p t i l m lc 枷e rf o ru s e r ，i n l p r o v i n g 圮a c c e s ss u c c e s sr a t e 觚db m 觚c 吨m es y s t e ml o a d t l l i s 蚰t e g y 鼬1 yc o n s i d e r sm et h et i l i l ed i v i s i o n c l l a r a c t e ro ft d s c d m a 0 n 也eu p l i i l k ，也ej u d 鲫e mm e 也0 do fc a l c u l 础培恤 e q u i v a j e mb r un u m b e rb 弱e do nt l 坞m u l 6 一t i i n e s l o ts u p p o r t a b l et o t a lt r a 伍c r a t e r e s t r i c t e di n s t e a do ft h e 伽i t i o n 2 l lm e t b o db a s e do nt l 圮t o t a li l l ：t e r f e r e n c er e s t r i c t e d a n do n 也ed o w l l l i i l k ，t 1 1 ej u d g m e n ti n e t l l o db a s e do nt 1 1 em u l t i 如e s l o ta v a i l a b l et o t a l b r ur l u mr e s t r i c t e di r l s t e a do f 恤t r a d i 廿o n a ln k 吨h o db a s e do n 吐圯t 0 乜l lc a 玎i e r t r a i l s m 协盯p o 嘣r e s t r i c t e d t l l i ss 仃a t e g ) r c 姐r e s o l v et l l e c e s sp r o b l e mo f m u l t i - t h s i l o t 位d j f i c f u m l e ro 玛1 1 1 i sp 印e rr a i s e st 1 1 ea d m i s s i o na c c e s sc o n 臼o l s n a t e g ) rb 嬲e d0 nt l l ed i m 爬n t 舰伍cp r i o r i t i e s ，t 0i i i l p r o v em e a c c e s sr o d i oo fs y s t e m b ys a c r i f i c i l l gs o m ed a t a 仃a m c sq o s 觚d 妣r e a s e 舭舢n b e ro fu s e r s0 1 1 l 硫， i r n p r 0 v i n gt h es y s t e mc 印i 够 f i i 埝l l y ，t h i sp 印e rd e s c r i b e d 吐l es p e c i i d e 笛a 1 1 do p e m t i o np r o c e s so f 也e 仍系统级仿真平台若干技术的研究 a d l l l i s s i o nc o l l 仃0 ls 仃a 土e 黟弛a 1 1 y ，w eb 试l dm et d s c d m af e m t o c e us y s t e m s i r n u l a t i o np l a t f o mb 嬲e do n 也eo p n e tt 0 0 1 ，晰l d i n g 血em 砒e n 谢cm o d e lo fm e m o b i l et e 肌i n a le q u i p m e n ta n db a s es t a t i o nn o d em 旧1 1 1 i ss i i n u l a t i o ni sd e s i g n e dt 0 c o m p a r em ep r o f o 皿a n c eo ft h ei l e 、) l rm u l t i - 缸e s l o ta 1 1 dm e 乜a d i t i o n a ls i r 培1 e - t i i n e s l o t a c c e s sa d l i s s i o n 触g y ，a n a l y z i l l gt h ep e r f 0 m a n c ei m p r 0 v e n l e ma r e rc o n s i d e r i n g t l l en a m cp r i o r 时i n 也et 1 1 r e e c a r r i e rs y s c e m a n d 廿l er e s u l tp r o v e s 吐l a tm i sm w s t r a t e g yh 舔也eo b v i o u se 彘c to ni i i l p r o v i n gm ea c c e s ss u c c e s sr a t i o ，m r e 嬲i n gt 1 1 e m 肌b e ro fd a t a 仃a m co l l l i n e 孤di m p m v i n gm es y s t e m sr e s o u r c eu t i l i z a t i o n h ln l e 缸u r er e s e a r c h ，w e 谢l lc o i l s i d e rm o r ef a c t o ro fh s d p a ，w k c h 埘l lb em o d u c e di n t o t d s c d m a s y s t e m k e yw o r d s ：t d - s c d m a ；c a l l a d i l l i s s i o nc o n t r o l ；t r a 伍cp r i o r i 锣 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来移动通信飞速的发展，从采用模拟技术和频分多址( f d m a ) 技术的第 一代移动通信技术，发展到采用数字技术和时分多址( t d 姒) 技术的第二代移动 通信技术，即g s m 网络。第一代、第二代移动通信主要业务是语音业务，无法支 持多媒体业务和高速数据业务。于是产生第三代移动通信系统矗1 ，主要采用c d m a 技术，具有三大标准，分别是欧洲提出的w c d m a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 和我国 提出的t d s c d m a 。与前两代移动通信技术相比，3 g 有更宽的带宽，其传输速率 最低为3 8 4 k b i t s ，最高为2 m b i t s ，带宽可达5 姗z 以上，同时支持语音、多媒 体及数据业务。 t d s c d m a 标准具有与w c d m a 及c d m a 2 0 0 0 不同的物理机制及特殊的优势m 3 。 从技术上讲，t d s c d m a 具有灵活的上下行时隙配置，适用于上下行不对称的数 据业务，从而提高资源的利用率。同时，由于采取了多用户联合检测技术，降低 系统干扰，提高通信质量。同时，据统计h ，移动通信7 0 以上的业务发生在室 内，3 g 网络中超过8 0 的数据业务发生在室内，显然，实现高质量的室内覆盖己 越来越重要曲1 ，f e m t o 技术( 又简称飞蜂窝) 是根据3 g 发展和移动宽带化趋势推 出的超小型化移动基站，用于解决室内覆盖方案，与宏网覆盖相比具有差异化的 特性，表现为覆盖范围和系统容量要求相对小，业务q o s 质量要求相对高。 f e m t o 技术能使运营商和终端用户双方受益。对运营商而言，f e m t o 技术可 以改善室内覆盖和减轻宏基站的负担，也即减轻了运营商对宏基站的维护和优化 成本。对用户而言，f e m t o 技术能够改善室内通话质量，使用户享受与固网一样 的速度；其次，由于飞蜂窝放置在家中，运营商可能给予相应的套餐优惠，可以 得到更经济的服务，同时由于飞蜂窝覆盖范围小，接入的手机会降低其发射功率， 从而节省手机电池。因此，对f e m t o 系统的研究具有十分重要的意义及应用价值。 目前，移动系统逐步走向宽带化，并向i p 过渡，支持视频、语音和数据等 多媒体业务，且各个业务对q o s 服务质量要求不同，使得系统对无线资源的分配 原则显得格外重要。3 g 系统中采用的无线资源管理聆3 主要包括呼叫接入控制、码 l 1 d s c d m af e m t 0 接入控制策略研究 道资源管理、功率控制、拥塞控制、分组调度以及切换控制等，从不同的角度维 护系统的整体干扰水平及保障接入系统中的业务服务质量。在无线资源管理中， 首先要考虑的是业务的接入控制h 5 1 ，如何尽可能多地接入用户业务，并获得尽 量较优的资源分配方案使得系统的容量得到提升，同时又保证业务的q o s 服务质 量，是目前研究的热点。虽然第三代移动通信的宏网应用己趋于成熟，但在f e m t o 室内无线通信系统的应用还处于起步阶段，因此本文在建立t d s c d m af e m t o 通 信系统环境下，进行动态仿真，研究和改进系统的呼叫接入控制算法。 1 2t d _ s c d m af e m t o 网络架构 t d s c d m a 在技术上有一些重大的突破和创新。为了实现快速功率控制和定 时提前校准以及对一些新技术的支持( 如自适应天线随1 ) ，如图卜1 所示，将1 个1 0 m s 的帧平均分成2 个时长为5 m s 的结构完全相同的子帧，每个5 m s 的子帧 由3 个特殊时隙( d w p t s 、g p 、u p p t s ) 和7 个常规时隙( t s 0 “t s 6 ) 组成。在这 7 个常规时隙中，t s l 总是固定作为上行时隙，而t s 0 总是固定作为下行时隙来 发送系统广播信息，其他的常规时隙可以根据要求灵活地配置成上行或者下行， 以实现不对称业务的传输，如分组业务数据。这样在一个子帧中有两个上下行的 转换点，第一个转换点固定在t s 0 的结束处( 即t s 0 与t s l 的转换点) ，第二个 转换点可以在t s l 至t s 6 之间任何一个时隙结束处，这样通过改变第二个调整点 的位置，可以灵活设置上行和下行时隙的比例而调整上行和下行的数据速率的比 例，特别当今越来越明显的上下行非对称业务的传输。t d s c d m a 上行链路的扩 频因子可以是4 ，8 ，1 6 ，下行链路的扩频因子为1 ，2 ，4 ，8 ，1 6 ，因此若一个扩频因 子为1 6 的码道称为一个基本资源单元b r u ( b a s i cr e s o u r c eu n i t ) ，则相当于 每个时隙有1 6 个b r u 用于承载用户，如此，w c d m a 系统上下行使用一对固定的 频率，而t d s c d m a 系统上下行使用同一个频率，通过时隙以及码道区分上下行 及不同的用户。 2 第一章绪论 囊f 了丁i 可i 卜 d w p t sg p u p p t s 9 6 c h i p ) ( 9 6 c h i p ) ( 1 6 0 c h i p 图卜1 。m s c d 姒子帧时隙结构 如图1 2 所示，t d s c d m a 宏网的系统架构由三部分组成，分别是c n ( 核心 网) 、u t i 洲( u m t s 陆地无线接入网) 和u e ( 用户终端) 。其中u t r a n 由若干个 通过i u 接口( 无线接入网和核心网之间的接口) 连接到c n 的无线网络子系统 ( r n s ，r a d i on e t w o r ks u b s y s t e m ) 组成。每一个r n s 包含一个r n c ( r a d i on e t w o r k c o n t r o l l e r ) 和一个或者多个n o d e b ，u e 通过u u 接口( 空口接口) 与n o d e b 进 行连接通信，而n o d e b 通过i u b 接口与r n c 相连接，最终r n c 通过i u 接口与核 心网( c n ) 通信。 u e 接口 n o d 明 r n c r n s 图卜2t d _ s c d 姒宏网结构 i u 渣口 m o b i l ec o 睫 n e 蚺o c f e m t o 盯1 系统在网元功能的配置上与传统宏蜂窝网络相比有很大不同，但 f e m t o 系统网络并不对移动核心网以及用户设备产生任何影响。如图卜3 所示 t d s c d m af e m t o 网络架构，f e 毗o ( h o m en o d e b ，b 9 1 ) 设备一般采用扁平化的 网络结构，其中硎b 设备集成了传统宏蜂窝网络中的n o d e b 和r n c 网元的功能。 吵 n 瑾馨互圆零幽 t d s c d m af e m t o 接入控制策略研究 而系统中需要配置f e m t og a t e w a y 网关，网关使用i u 协议接口连接传统的c n 核 心网，并通过i u _ h 协议接口连接到f e m t o ，需要负责汇聚转发与其连接的成千 上万的f e m t o 的上下行数据。 u u 接口 i u 接口 m o b i l ec o 陀 ne 1 阳融 图卜3t d - s c d m af e t o 扁平化结构 由于t d s c d m af e m t o 也是一种白干扰系统，加上由于f e m t o 目前发展较 不成熟，网络规划较不规范，容易造成f e m 幻与宏网以及f e m t o 与f e i n t 0 之间 的干扰问题。f e m t o 下同样存在和宏网一样的自干扰问题，这是因为c d m a 的 系统容量不是一个相对固定的值，而具有较大的弹性，服务质量与同时接受的用 户数量质量存在平衡的关系。每当系统接入一个新用户时，其他已接入系统的用 户由于要保证一定的信干比s 取，也需要各自提高一定的功率，从而系统的总负 荷并不是线性地增长，因为系统的总干扰增加了。这样，如果不对接入系统的用 户数进行限制，随着空中接口负荷过度增长，当干扰达到一定程度时整个网络的 容量将急剧减少，小区的覆盖面积就会减小到规划的数值以下，尽管t d s c d m a 系统具有一些独特的技术方案，如多用户联合检测、n 频点技术，可以降低干扰 对系统的影响，但是随着用户的增加，系统中的总干扰必将逐渐增加，最终可能 会使系统崩溃，系统的掉话率提升，用户服务质量得不到保证。因此，对于系统 的稳定运行，除了依靠对无线资源的合理分配包括频率、时隙码道以及功率等， 还需要合理的接入策略及限制接入系统的用户数，使系统总干扰不至于过大，而 影响接入系统中用户的通话质量，总之研究合理的无线资源管理算法【lo 】具有重要 的理论价值和实际应用价值。 4 第一章绪论 1 3 国内外研究现状及发展趋势 由于宏网在室内的覆盖信号经过墙面等障碍物的衰落之后，信号强度会有一 定的损耗，从而导致室内的服务质量受到影响。而f e m t o c e l l 终端是一种小型化、 低功率的产品，可以有效地解决室内信号覆盖的问题，目前主要部署在家庭、小 型公共场所如酒店、咖啡厅、商场、小区以及企业和写字楼等，根据应用的场景 不同，所需要的系统容量要求也不同。 采用f e m t o c e l l 进行家庭或者办公楼宇覆盖具有施工方便、部署灵活、成本 低廉等优势，其应用也受到广泛的关注，目前世界上主要的运营商都已有较大规 模的f e m t o c e l l 商用，其中包括s p r i n t 、沃达丰以及国内的三大运营商。其中， c d m a 2 0 0 0 及w c d m a 产业链最完备，汇集了爱立信、中兴、华为等业界主流的设 备供应商的大力支持，其对应的f e m t o c e l l 产品研发及运营也日渐成熟，对于 t d s c d m a 制式的发展相对起步晚，产业链也不成熟，主流厂商大部分由于研发 成本高、市场小( 基本仅限中国使用) ，都不进行相关的研究。因此对t d s c d m a f e m t o c e l l 的研究更加紧迫和重要，以缩小竞争对手间的差距。 t d _ s c d m af e m t o c e l l 的系统技术，目前正在进行的研究主要集中在解决及 增强系统覆盖以及提高系统容量等方面，家庭级的f e m t o 以提高用户体验的研究 为主，其覆盖的用户少，因此容量不会成为瓶颈，而企业级f e m t o 则以解决企业 的室内覆盖和系统容量为主，其f e m t o 系统的容量通常不足以支持企业大规模用 户的接入。f e m t o c e l l 主要用于室内业务的覆盖，包括传统的语音业务以及高速 率的数据业务包括高清视频以及网页浏览等数据业务等，f e m t o 对全业务的承载 要求以及业务的q o s 质量要求比宏网的要求相对更高，尤其是室内用户更多地希 望得到更满意的业务服务。在系统容量方面，家庭级基站通常只需要支持1 6 个 用户驻留和4 个用户并发，但对公共场合以及企业级应用的f e m t o c e l l 系统，这 样的系统容量是不够的。 同时，f e m t o c e l l 目前主要的准入政策有三种方式，即开放模式、封闭模式 以及混合模式。开放模式，即任意用户都可以接入该f e m t o c e l l 系统，且完全无 差别对待；封闭模式则只有该f e m t o c e l l 系统授权的注册用户才能接入该系统； 混合模式允许任意用户接入，但是f e m t o c e l l 系统授权的用户接入优先级高，而 未授权的用户接入优先级较低。 5 t d s c d m af e m t o 接入控制策略研究 一个合理的接入控制算法可以在f e m t o c e l l 有限的系统资源限制下，尽可能 地提高业务的覆盖以及系统的容量，同时也尽量保障业务的服务质量。当前，呼 叫接入控制的主要是根据当前系统的负荷、干扰或者无线资源等情况，并制定特 定的接入判决准则，对呼叫接入请求进行接入或者拒绝的判决，并分配给所允许 接入的呼叫所需的无线信道资源。接入呼叫控制策略的基本原则是：在保证已有 连接的服务质量的前提下，最大限度地提高无线资源的利用率，并使呼叫阻塞率、 呼叫掉线率等系统性能参数达到制定的要求。从算法参数的角度来看，目前国内 外的研究成果主要是基于s i r 判决m ，切、基于干扰判决1 3 1 、基于带宽受限“问以 及基于发射功率n 6 1 7 1 的判决方法。同时，由于无线资源管理的各个算法之间并不 是独立，而是相互联系的，比如呼叫接入控制与码道资源管理、切换控制、分组 调度及拥塞控制等都相互影响n0 埔1 ，进行联合控制，更能够提高系统的整体性能。 总之，呼叫接入控制在维护系统稳定以及用户q o s 服务质量方面具有重要的作 用，是无线资源管理的重要算法之一。 但是，针对f e m t o c e l l 的接入控制策略比较不成熟，尤其是针对t d s c d m a 系统的研究，因为t d s c d m a 系统在国际上的使用并不多，大部分仅局限于国内， 尤其在t d s c d m af e m t o 方面的研究存在不足，比较知名的国内厂商如华为，最 早于2 0 1 1 年投入f e m t o 的试点商用，京信通信于2 0 1 0 年投入f e m t o 的研发生产， 国内在t d s c d m af e m t o 方面的无线资源管理方面的研究起步较晚。目前国内外 的比较成熟的f e m t o c e l l 系统的接入控制主要是应用于w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统， t d s c d m a 系统的应用还不成熟，同时，业务类型更多地是针对语音业务和单时 隙数据业务的接入控制，对跨时隙数据业务的研究还处于初步阶段，也不关注业 务优先级不同对接入控制策略的影响。实际应用中，系统主要瓶颈是由于数据业 务爆炸式地增长而导致的接入问题，另外由于各个f e m t o c e l l 应用场景不同，可 能有些场景如酒店或者咖啡厅等公共场所，允许所有的用户接入，但是对于入住 本店或者拥有该场所v i p 贵宾身份的用户的接入优先级设置就较高，优先选择为 这些用户提供服务，而对其他用户设置较低的优先级，不保障这些用户的用户体 验，因此，接入控制算法也需要考虑不同业务优先级的接入需求。 由于f e m t o c e l l 具有较低的发射功率，通常为1 0 1 0 0 唧，覆盖半径也较小， 通常为5 0 2 0 0 m ，可支持的活动用户数较少，尤其对于企业级应用场景，系统可 6 第一章绪论 支持的在线用户数往往不能够满足实际企业的用户需求，因此容量成为了性能提 升的首要瓶颈。同时在室内覆盖的情况下，用户对业务的服务质量要求又比较高， 因此，如何在有限的系统资源下，尽可能地提高业务的覆盖，保障不同业务的服 务质量，同时，又尽可能多地接入新用户，是本文所述的接入控制策略需要完成 的工作和目标。目前经典算法最主要是缺少针对t d s c d m a 时分的特性，也不考 虑f e m t o c e l l 对接入系统中用户的优先级区分，能够比较成熟的算法对单时隙业 务进行接入，但是对于跨时隙数据业务的接入，目前尚处于探索研究阶段。因此， 本文提出并设计一种基于业务优先级的多载波多时隙联合分配的接入控制策略， 以适应t d s c d m a 系统的特性和用户的业务需求，解决跨时隙数据业务的接入判 决问题，同时希望通过多时隙资源的优化分配以及考虑业务优先级后对低优先级 数据业务进行速率调整，以提高系统的整体容量，优化f e m t o 系统存在的业务覆 盖能力不足( 主要是跨时隙业务的接入判决问题) 和容量不足的问题。 1 4 论文的主要工作及组织结构 本文在研究呼叫接入控制基本技术的基础上，结合t d s c d m af e m t o 各业务类 型的q o s 需求，综合考虑已接入用户的数据业务码道资源分配情况以及f e m t o 应 用场景对业务及用户优先级的服务区别的影响，提出并设计一种基于业务优先级 的多载波多时隙联合分配的接入控制策略，并通过系统级动态仿真，对提出的接 入控制策略的性能进行对比分析，验证了所提的算法对系统性能有显著的提升。 本文各章内容安排如下： 第一章简单介绍本文的研究背景，阐述接入控制对于3 g 系统的重要意义， 并详细介绍了t d s c d m af e m t o 系统特性，提出当前f e m t o 系统下的接入控制策 略没有充分地考虑t d s c d m a 的时分特性以及对于企业级f e m t o 其系统容量存在 不足的问题，需要对f e m t o 系统的接入控制策略进行改进，说明本文研究的目的、 意义及创新性。 第二章学习当前f e m t o c e l l 中涉及的呼叫接入控制基本技术，介绍常见的业 务类型、业务q o s 要求以及接入控制中涉及到的信令流程，并分别从上行链路及 下行链路两个方面给介绍了目前基本呼叫接入控制的基本方法以及存在的不足。 第三章详细讲述了本文提出的基于t d s c m af e m t o 特点的接入控制策略，并 7 t d s c d m af e r n t 0 接入控制策略研究 依据接入流程的顺序，分别以f e m t o 系统多载波优先级排序、f e m t o 系统r r c 接 入控制及f e m t o 系统r a b 接入控制三个模块进行详细说明，并总结的说明了该策 略对比经典方法的优势以及本算法的创新性。 第四章首先介绍了基于0 p n e t 仿真工具，为了验证新接入控制策略性能而搭 建的t d s c d m af e m t o 系统级动态仿真平台，同时对仿真平台中比较重要的无线 链路性能模型及业务源模型的原理进行了讲述；然后对第三章提出的接入控制策 略进行多场景的性能验证及结果分析。 第五章总结了本文的工作，并对下一步的研究进行了展望。 8 第二章f e m t 0 呼叫接入控制基本技术 第二章f e m t o 呼叫接入控制基本技术 t d s c d m af e m t o 系统主要分布在室内，而室内业务覆盖除支持除语音业务 外，需要支持多媒体业务和高速数据的传输，因此对无线资源的合理分配要求更 高。同时，t d s c d m af e m t o c e l l 系统本身是白干扰系统，尤其对于企业级应用， 覆盖的用户数较多业务较复杂，新接入的用户对整体系统的干扰影响是比较明显 的，因此，对t d s c d m af e m t o 系统中的呼叫接入控制算法的研究显得格外重要。 2 1 呼叫接入控制的定义及业务概述 呼叫接入控制( c a l la d m i s s i o nc o n t r 0 1 ，c a c ) ，是指对于新到达系统的呼 叫或者业务请求( 可能是系统中新发起的或者由于切换产生的服务请求) ，根据 当前系统的负荷、干扰以及无线资源等情况综合考虑，判断是否予以分配资源为 其建立连接。 由于c d m a 系统的软容量特性，以及多种业务类型对资源需求的不同，q o s 要求也不同，接入控制需要考虑的因素比较复杂，主要是考虑系统的负荷情况和 业务对资源请求变化的估计( 包括时隙码道资源以及功率资源等的预估) 。其基 本原则是在不影响己接入系统中的用户的服务质量的前提下，尽可能多地接纳新 业务的连接服务请求，以提高系统的资源利用率，并保障掉话率以及阻塞率在系 统可以接受的范围内。 从业务的建立原因，通信系统中呼叫基本上有两种：新建立的呼叫和切换呼 叫。新呼叫是u e ( u s e re q u i p m e n t ，用户终端设备) 需要通话或者数据传输时， 向唧b ( h o m en o d e b ，家庭式基站) 发起连接请求的呼叫，同时根据呼叫的优先 级不同，新呼叫还可以进一步细分为紧急呼叫和普通呼叫；而切换呼叫是由于 u e 移动到小区边缘时，从一个原小区向另外一个小区移动的过程中，由于原小 区的信号不断衰弱，而另一个小区的信号不断增强，从而造成呼叫连接从原小区 断开而切换至另一个小区，从而形成切换呼叫。通常要求切换呼叫相对普通呼叫 应该具有更高的优先级，即优先保障切换呼叫能够正常地在目标小区中接入承 9 t d s c d m af e m t o 接入控制策略研究 。 载，目前国内外的研究大部分采用预留信道机制，即为切换呼叫预留一定的信道 资源，专门给切换呼叫使用。 从呼叫传输的角度，接入控制可以分为上行链路和下行链路两种情况。上行 链路是指由u e 向硎b 通过空口传输指令或者数据，而删b 接收并处理数据；相 反下行链路是指由脒b 向u e 通过空口传输指令或者数据，而u e 接收并处理数据。 通常，下行链路中，大部分采用基于功率的算法，这是由于删b 的载波发射功率 是受限的，小区内的所有通信的u e 共用一个载波功率，若当前载波发射功率低 于预定门限，则接纳请求。上行链路中，可以采用的呼叫接入控制算法较多，大 致可以分成基于链路目标s i r 、基于业务q o s 、基于系统上行总接收功率( 即总 干扰) 的呼叫接入控制算法。在设计呼叫接入控制算法时，往往对上下行的接入 控制算法分开设计，但是虽然上下行算法具有各自的参数或者特征，但是算法设 计的原则是必须使系统能够满足一定指标，这些指标大致如下： ( 1 ) r r c ( r a d i or e s o u r c ec o n t r 0 1 ) 接入成功率：成功建立的r r c 信令连接 个数占系统中所有发起的信令连接的总数之比； ( 2 ) r a b ( r a d i oa c c e s sb e a r e r ) 接入成功率：成功建立的r a b 无线业务承载个 数占系统中所有业务承载连接请求的总数之比 ( 3 ) 阻塞率：由于小区缺乏资源而拒绝新呼叫接入的比率； ( 4 ) 切换掉线率：由于切换的目标小区缺乏资源容纳切换呼叫业务而造成呼叫 掉线的比率； ( 5 ) 掉话率：用户的通信质量低于目标值而造成失同步等情况的掉话比率： ( 6 ) 在线用户数：统计系统中发起指定业务的同时在线用户数，用于反映系统 的容量情况。 2 2f e m t o 业务类型及0 0 s 要求 随着下一代无线通信网络的发展，单纯的语音业务已经无法满足人们的需 要，高数据率的服务，尤其是f e m t o 系统下首先要考虑对高质量的图像和视频等 业务的覆盖。而随着业务类型的不断丰富，各种业务类型的特点以及各自的服务 质量q o s 要求也不同，t d s c d m af e m t o c e l l 系统中，大致支持四种业务类型即 会话类、流类、交互类及背景类3 。 1 0 第二章f e m t 0 呼叫接入控制基本技术 服务类型是一个业务很重要的特征，很多服务质量管理的策略是依据服务类 型的划分完成的，r r m ( r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) 的管理算法设计也需要参 考不同业务的服务类型以及相应的q o s 要求，如保证最小比特速率( g u a r a n t e e d b i tr a t e ，g b r ) 。表2 1 是3 g p p 定义的4 种业务类型n 9 1 及其相关的q o s 要求。 表2 13 g 系统业务q o s 要求 业务类型特点应用示例 会话类对时延和时延抖动要求严格、对丢 v o i p 、分组域的可视电话 c o n v e r s a t i o n a l 包、误码率有较强容忍度 流类对时延抖动要求严格、对时延、丢 流媒体、p o c s t r e 锄i n g包、误码率有较强容忍度 在线游戏、随e 行、位置服 交互类 对时延要求高，对时延抖动没有要 务、移动证券、综合即时通 i n t e r a c t i v e 求，对丢包、误码率要求高 信、电子钱包、眦。 背景类对时延要求不高，对时延抖动没有手机邮箱、音乐下载、手机 b a c k g r o u n d要求，对丢包、误码率要求高动画、姗s 、单击游戏、s m s 四种不同的类型对应的q o s 要求不同，如：会话类业务要求实时，时延低、 抖动低；而交互类对时延要求不高，但要求b e r 低。q o s 参数一般包括如下几点： 带宽类：最高速率、最低速率、最大包尺寸、保证速率： 时延类：最大容忍时延、最大容忍抖动。 可靠类：f e r 或b e r 、最大丢包率； 在接入控制时，应该根据不同的业务类型特点，对不同的业务q o s 要求设计 不同的接入准则，以使新接入的业务能够保证其q o s 要求同时不影响其他己接入 的业务的q o s 性能要求。 2 3f e m t o 接入控制的基本信令流程 t d s c d m af e m t o c e l l 系统中，呼叫接入控制从信令流程的角度，可以分成 两部分：r r c 接入信令流程及r a b 接入信令流程，主要都是指u e 和h n b 之间的 l l t d s c d m af e r n t 0 接入控制策略研究 u u 接口协议信令伽1 。u e 驻留在小区系统后，处于侦听状态，侦听系统广播，当 u e 需要发起主动呼叫或者被其他u e 寻呼时，u e 需要向h n b 发起呼叫连接请求， 但是由于此时u e 与删b 之间并没有建立专用传输信道( d c h ) ，双方不知道在哪 个信道进行发送或者接受数据，此时u e 需要进行随机接入过程口，建立和网络 的上行同步及请求网络为u e 分配所需的无线资源，此过程中涉及到瞅b 需要判 决是否为呼叫请求建立信令连接即r r c 连接，主要依据是系统中的时隙码道资源 是否充足，包括上行链路和下行链路，即r r c 接入控制。通过r r c 连接后，u e 和删b 之间可以通过专用信道，进行信令连接，此时需要为具体业务分配无线资 源，涉及到h n b 需要判决系统中是否有充足的无线资源，主要依据系统中的负荷、 干扰及码道资源等综合因素，包括上行及下行链路的r a b ( 无线接入承载，是移 动终端u e 和核心网c n 接入层之间的概念，提供非接入层的业务，u e 与c n 之间 的一个业务对应一个r a b ) 接入控制，通常所描述的呼叫接入控制算法主要在此 处使用，r a b 接入控制算法的设计也是整个呼叫流程中最重要的环节。整体呼叫 流程如图2 1 所示。 图2 1 接入控制算法在呼叫流程中的位置 对于一个新用户，发起业务申请时，必须r r c 连接成功之后才能进行r a b 接 1 2 第二章f e m t o 呼叫接入控制基本技术 入，而且只有r r c 接入和r a b 接入都成功才能允许该用户接入业务。而对一个已 经建立了r r c 连接的用户，发起业务接入请求时只需要进行r a b 接入控制；切换 用户发起的接入请求也不需要r r c 接入控制，直接进行r a b 接入控制。 2 4 目前基本的f e m t o 呼叫接入控制策略 f e m t o c e l l 系统的接入控制分为上行链路及下行链路的接入控制，目前国内 外的研究主要是单载波单时隙的接入控制方法，接入的主要步骤如下： 1 ) 新用户达到时( 包括新发起的业务及切换业务) ，通过一定的准则选择最 优的上下行时隙作为接入的目标时隙。这种准则对于下行主要是依据下行载波发 射功率，一般选择己用载波发射功率最小的下行时隙为最优目标时隙；对于上行， 可以依据时隙干扰最小、负荷最小或者s i r 信号质量最好的时隙最为目标上行时 隙。该步骤中时隙选择的依据是软资源条件，即主要考虑的是预估新用户接入系 统后对系统的负荷或者干扰是否会超出系统可以接受的范围，但是目前国内外的 研究还没有很少针对t d s c d m a 时分多址的特点，只考虑单个时隙的软资源条件， 当单个时隙的软资源不能够满足新用户接入时，就不再考虑该时隙，也不考虑多 个时隙的联合接入。 2 ) 步骤1 ) 中所选时隙的软资源满足条件后，还需要进一步检测该时隙的 硬资源条件，判断该时隙是否能够为新用户提供足够的码资源。 3 ) 如果步骤2 ) 中的码资源足够，则将该时隙码资源分配给用户：如果不 满足条件，则选择软资源次优的其他的时隙重复步骤1 ) 和步骤2 ) 的操作，直 到找到一个软资源和硬资源都满足条件的时隙，将该时隙分配给新用户接入。 4 ) 如果所有时隙都不能提供足够的码资源，则用户阻塞，拒绝接入系统。 下面分别就上下行对目前典型的c d m af e m t o 系统的接入控制研究算法做简 单介绍，不涉及详细步骤，只描述步骤1 ) 中选择最优时隙的具体准则。 2 4 1 下行链路接入控制 下行链路接入控制算法相对比较单一，基本采用基于功率的准则瞳习：f e m t o 系统中所有通信的用户共用系统的下行载波发射功率，即下行容量受限于基站的 最大发射功率。通过估计当前系统的总载波发射功率与新呼叫请求所需要的载波 ) s c d m af e m t 0 接入控制策略研究 发射功率之和是否小于h n b 基站允许的门限值。通常由于不同的下行时隙的发射 功率不同，在新用户做接入时，将当前已用发射功率最小的时隙分配给新用户， 具体步骤如下： 1 ) 从物理层获取各个下行时隙的载波发射功率，并对各个时隙以功率从小 到大排序，即优先考虑将最小发射功率的时隙作为最优时隙分配给新用户； 2 ) 检测步骤1 ) 中的最优时隙是否具有足够的空闲码道满足新用户的接入 需求。如果码道资源充足则转步骤3 ) ，否则选择时隙排序列表中的次优时隙重 新检测该时隙是否具有足够的码道资源； 3 ) 进一步判断软资源是否满足条件，即预估新用户接入系统后，系统所需 的发射功率增量巳川，与当前的己用发射功率之和匕。一。膳胛是否超过了系统 可以接受的门限厶。捌“，要求。 尸，。一一。甜m v + 只。，口，m - 只 一 。从m - ( 2 1 ) 其中，只嘲，。膳舢为该时隙当前载波发射功率，单位为朋w ，厶。删，为该 基站所允许的最大发射功率，单