（通信与信息系统专业论文）wcdma接纳控制策略研究和移动台侧会话管理信令的实现.pdf

东南 学倾七学位论文 摘要 c d m a 系统的小区系统容量是有限的，一个新到达的用户能否被接纳，包括通过怎样 的方式来接纳等一系列决策问题构成了接纳控制的核心问题。w c d m a 系统是第三代移动 通信系统的主流标准之一，研究该系统中的接纳控制问题具有重大的现实意义。 本文首先研究了基于s i r 测量的接纳控制策略。该类策略在为各类实时业务提供优先服 务的前提下，使非实时业务以分组方式共享系统的剩余容量。论文中分析并比较了目前存在 的基于s i r 测量的局部接纳控制算法和全局接纳控制算法，然后结合w c d m a 系统模型， 通过计算机仿真比较了两种算法的性能，并针对这些算法的实际应用提出了一些建议。 接着我们研究了基于吞吐量的接纳控制策略。该类策略主要通过系统的负载因子和新用 户的负载因子来决定是否接纳新用户。论文中针对系统中实时业务和非实时业务共存的情 况，首先介绍了在统计模型下无优先以及实时业务优先这两种不同的基于吞吐量的接纳控制 策略，然后结合功率分配机制和w c d m a 系统模型，通过计算机仿真比较了上述接纳控制 策略结合功率分配后系统的性能。 为了配合移动通信国家重点实验室w c d m a 手机的研究和开发工作，我们参与了移动 台信令软件的研发工作。论文介绍了w c d m a 系统无线接口协议中会话管理信令的内容和 设计方案，同时给出了实现过程和结果。 【关键字】w c d m a ，接纳控制，会话管理 东南大学顶士学位论文 a b s t r a c t t h es y s t e mc a p a c i t yo ft h ec e l li nc d m as y s t e mi sl i m i t w h e t h e ran e wb s e rw i l lb e a d m i t t e da n dh o wt h i si l e wu s e rw i l lb ea d m i t t e da r et h ek e r n e lq u e s t i o n so ft h ea d m i s s i o n c o n t r 0 1 a sam a i n s t r e a ms t a n d a r do f3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h er e s e a l c ha n d d e v e l o p m e n to f a ( ：l t r l i s s i o nc o n t r o la l g o r i t h mi sa ni m p o r t a n ti s s u e 、 f i r s tt h i sp a p e rs t u d i e sa d m i s s i o nc o n t r o lm g o f i t h mb a s e do nm e a s u r e m e n to fs i r t h i s k i n do fa l g o r i t h ms u p p o s e st h a tw es e r v ef o rr e a l - t i m es e r v i c ef i r s t ，t h e nm a k en o n - r e a l t i m e s e r v i c e ss h a r et h er e s i d u a lc a p a c i t yo ft h es y s t e m t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dc o m p a r e st w ok i n d s o ft h i sa l g o r i t h m ：l o c a la l g o r i t h ma n d 百o b a la l g o r i t h m s u b s e q u e 力f l y , s i m u l a t i o nr e s u l t sa r e p r o v i d e da c c o r d i n gt ot h em o d e lo fw c d m as y s t e m a n daf e wi n s t r u c t i v ec o n c l u s i o n s c o n c e r n i n gt h ep m c f i c a l i t ya r ed r a , 4 9 a t h e nw ei n v e s t i g a t ea d m i s s i o nc o n 拄o la l g o r i t h mb a s e d0 1 1t h r o u g h p u t 恤k i n do f a l g o n t h nd e c i d e sw h e t h e ra d m i tan e wu s e ro rn o tb yc o m p u t i n gt h el o a df a c t o ro ft h es y s t e m a n dt h el o a df a c t o ro fan e wr i s e r w h e nt h e r ea l et w ok i n d so fs e r v i c e sc o m p r i s e do fr e a lo x n e s e r v i c ea n dn o n - r e a lt i m es e r v i c ei nt h es y s t e m ，w ei n t r o d u c ea n dc o m p a r et w oa l g o r i t l m 1 sb a s e d o nt h r o u g h p u t ：w i t h o u tp r i o r i t i z a t i o na l g o r i t h ma n dw i t hp r i o r i t i z a t i o na l g o r i t h m t h e nc o m b i n e d w i t l lp o w e r 熬s i g n m e n ta n dt h es i m u l a t i o nm o d e lo f w c d m a s y s t e m w es i m u l a t ea n dc o m p a r e t h ep e r f o r m a n c eo f t h e s et w o a l g o r i t h m s i no r d e ri oa s s i s tt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fw c d m am o b i l ep h o n es i g n a l i n g s o f t w a r ei nn a t i o n a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hl a b ，w ep a n i c i p a t ei nt h ed e v e l o p m e n to f s i g n a l i n gs o i t w a r eo uu es i d e t h i sp a p e ri n _ 【r o d u c e st h ec o n t e n to fs e s s i o nm a n a g e m e n t p r o t o c o la n dt h ed e s i g no fs ms i g n a l i n gi ss p e c i f i e d f i n a l l y , t h ep r o c e d u r eo f r e a l i z a t i o na n di t s r e s u l ta r ep r e s e n t e d k e y w o r d s iw c d m a ，a d m i s s i o nc o n t r o l ，s e s s i o n m a n a g e m e n t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：锉日期：娈丛：! 计 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：厅u导师签名：日期：函o j 、2 斗 第一荦绪论 第一章绪论 论文主要研究w c d m a 系统中的接纳控制策略以及无线接口协议中移动台侧会话管理 信令的实现，作为全文的绪论，本章将简单介绍本论文研究内容的背景及概况，并对全文 的内容做出展望。 1 1w c d m a 系统概述 第三代系统是为多媒体通信而设计的：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大大增强。 在标准化论坛中，w c d m a 技术已经成为了被广泛采纳的第三代空中接口，其规范已在 3 g p p 中制定。w c d m a 包括u t r a f d d 和u t r a t d d ，本文涉及的是w c d m a f d d 技 术。该系统能为移动用户提供话音、数据、视频、w e b 浏览、文件传输、e m a i l 等多种 业务服务，支持最高达2 m b p s 的分组数据传输速率。 根据各类业务不同的延时要求，w c d m a 系统将其提供的业务种类划分为以下四大类 【2 】：第一类是会话型业务，这类业务对时延很敏感，如话音业务和视频电话业务；第二类 是流式多媒体业务，这类业务对时延较为敏感，如m ? 3 在线播放、网络电影等业务：第三 类是交互式业务，这类业务对时延要求较低，如w e b 浏览，数据库检索等业务。第四类 是后台业务，这类业务对时延不敏感，如e m a i l ，短消息，文件传输业务等，即传统的尽 力而为业务。 1 2w c d m a 系统中的无线资源管理 移动通信技术经历了第l 代和第2 代的长足发展，移动用户数量急剧增长，移动业务 逐步走向多元化，用户对服务质量的要求进一步提高，如何更有效地管理和使用无线资源 已经成为运营商最为关心的一个问题。在第三代移动通信系统中，无线资源管理( r r m ) 作为个专门的课题被提了出来，而且成为衡量一台设备、一套系统以及一个运营商服务 质量优劣的一个重要指标。无线资源管理主要负责对系统可以使用的所有无线资源进行分 配和管理，其核心问题是在保证网络服务质量的前提下，提高频谱利用率 6 】。 第三代移动通信系统中的无线资源管理主要包括以下几个方面：码字、功率、时隙和 频率。无线资源管理所具有的功能都是以无线资源的分配和调整为基础来展开的。无线资 源管理的目标是在有限的带宽条件下，为网络内无线用户终端提供业务质量保障，其基本 出发点是在网络话务量分布不均匀、信道特性因信道衰弱和干扰起伏变化等情况f ，灵活 分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资源，最大样度地提高无线频谱利川率，防止 东南大学硕一1 学位论文 网络拥塞和保持尽可能小的信令负荷。无线资源管理的功能包括接纳控制、分组调度、功 率控制、切换控制和负载控制等几个方面。上述各种功能体位于无线网络控制器( r n c ) 中，通过相应的算法来实现的，各功能之间的关系如图1 1 1 4 。 图1 1 r r m 功能组成框图 为确保空中接口的干扰维持在最低水平上，并提供所要求的服务质量( q o s ) ，必须进 行功率控制。在蜂窝小区系统中，当用户穿越小区边界时，需要用切换功能来处理用户的 这种跨小区移动。同时，在第三代移动通信网络中，为保证服务质量以及不同比特速率、 业务、质量要求的情况下将系统的吞吐量最大化，还要求有接纳控制、负载控制和分组调 度等其他无线资源管理算法。其中接纳控制、负载控制和分组调度是面向网络自q 算法，而 功率控制和切换控制是面向各个连接的算法。 1 3w c d m a 系统中的接纳控制 若无限增加小区的空中接口负载，小区的覆盖区域会低于规划值，且不能保证已有连 接的业务质量。在建立或修改无线接入承载时，要执行接纳控制，并通过接纳控制来检查 该接入是否会破坏规划好的覆盖区域或已有连接的质量。接纳控制功能体位于r n c 中。 接纳控制对于保证w c d m a 网络侧的稳定性和高容量起重要作用。接纳控制算法将分别对 上下行链路进行判断，无线接入承载只有当上行链路和下行链路都允许其接纳时。才能被 接入系统。我们在论文中主要考虑w c d m a 系统上行链路的接纳控制问题。 在上行链路中，当某个移动台请求一个业务时，需要为其分配一个无线接入承载 ( r a b ) 。r a b 定义了无线接口中传输的方式，包括传输信道的类型、传输时间间隔、传 输块大小、可能的传输格式，m a c 和r l c 头以及物理层的有关参数。接纳控制负责决定 是否建立请求的r a 8 。台理设计的接纳控制算法需要有效地平衡接纳速率和接纳质量之闻 的关系，这对于干扰受限的w c d m a 系统来说是相当重要的。 在参考文献f 3 1 9 中给出了几种接纳控制策略的建议。业 纳起来，主要有以下三种策 略：一类是基于接收信号s 1 r 测量的接纳控制策略，如文献 3 - 5 ：另类是基于吞吐量的 第一章绪论 接纳控制策略，如文献1 1 4 1 9 ；还有一类是基于宽带功率的接纳控制策略，如文献 8 - 1 3 。 基于接收信号s i r 测量的接纳控制算法的基本思想是：基站测量接收信号的s i r ，并 与一门限值比较，根据结果决定是否接纳一个呼叫请求。文献( 5 1 提出了多业务情况下基于 s i r 测量的局部接纳控制算法和全局接纳控制算法。其中局部算法主要考虑接纳新用户不 致使本小区的其他用户发生中断，则允许接纳；而全局算法中，只有当新用户不致使本小 区和邻近小区的其他用户发生中断时，才允许其接入。 基于吞吐量的接纳控制策略，如果式( 1 1 ) 成立，则发出请求的新用户被接纳进入无 线接入网络【1 】。 r v l + l 町眦抽憎 。耐 ( 1 1 ) 其中，7 乩为在新连接被接纳前，上行链路的负载因子，a l 为新用户的负载因子， r h , zm 。 为接纳控制的门限值。 基于宽带功率的接纳控制策略中，将接收的总干扰电平与预先设置的门限值比较，如 果新的总干扰电平高于门限值，上行链路接纳控制算法就拒绝接纳新用户。该门限值通过 无线网络规划设置。 * 论文中我们主要讨论前两种接纳控制策略，并结合w c d m a 系统上行链路存在多业务 的情况，将不同算法进行计算机仿真比较后给出结果。 1 鱼会话管理信令 在通用移动通信系统( u m t s ) 中，移动台通过w c d m a 无线接口接入到u m t s 地面 无线接入网( u t r a n ) 。无线接口协议结构在纵向般可以分为三个协议层，分别为物理 层、数据链路层和网络层，网络层又分为接入层和非接入层。而在横向则可以分为控制平 面和用户平面。其中用户平面完成用户数据的传输；而在控制平面，完成包括非接入层信 令在内的所有信令的传输。其中会话管理信令属于控制平面，是无线接口协议中非接入层 中的一个协议。 一个移动台可支持不同的网络协议，然后，用户可以在同一终端上进行好几个会话， 它们的q o s 有所不同，人们称有关的数据包协议为p d p 上下文。会话管理信令负责用户 终端p d p 上下文的管理。 会话管理信令是支持p s 域业务的一个功能实体，它的主要功能有支持用户终端的p d p 上下文的处理，包括p d p 上下文的激活，二次激活、修改和失活过程f 3 2 】。 东南太学硕士学位论文 1 5 论文主要内容和意义 在c d m a 网络中。使用软容量的概念，每个新呼叫的产生都会增加所有其他现有呼叫 的干扰电平，从而影响整个系统的容量和呼叫质量。因此以适当的方法控制接入网络的呼 叫显得比较重要。第三代通信系统要求支持低速话音、高速数据和视频等多媒体业务，因 此接纳控制也变得较为复杂。w c d m a 系统作为第三代移动通信系统的主流标准之一，其 商用化追在属睫，研究该系统的接纳控制鹤题具有重大意义。本文将在第二章和第三章分 别介绍两种不同准则下的接纳控制策略，并结合w c d m a 系统上行链路存在多业务的情 况，对这些算法进行研究和分析。 当前，我国对第三代移动通信系统的研究和开发已经进入了产业化阶段，东南大学移 动通信国家重点实验室一直关注w c d m a 的标准化进程，并开展了w c d m a 系统无线接 口协议的研究和开发工作。本文将在第四章对w c d m a 系统的无线接口协议做简单介绍， 并对无线接口中会话管理信令的实现进行详细的描述和分析。 本文共分五章： 第一章为绪论，首先介绍了w c d m a 系统中韵无线资源管理，其次介绍了接纳控箭及 目前存在的几种接纳控制策略，最后介绍了无线接e l 协议中的会话管理协议的功能。 第二章重点讨论了基于s i r 测量的接纳控制算法。首先介绍并比较了基于s i r 测量的 局部接纳控制算法和基于s i r 测量的全局接纳控制算法然后针对w c d m a 系统上行链路 的情况，通过计算机仿真比较了两种算法的性能，并给出了关于算法实用性的一些建议。 第三章重点讨论了基于吞吐量的接纳控制算法。首先介绍了该准则的统计模型中，当 系统中存在实时业务和非实时业务时，无优先接纳和实时业务优先接纳这两种不同的接纳 控制算法，然后结合功率分配机制和w c d m a 系统模型，给出了计算机仿真的结果和结论。 第四章重点讨论了w c d m a 系统无线接口协议中会话管理信令的设计与实现。首先介 绍了无线接口协议的结构和会话管理协议的功能，然后给出了其在v x w o r k s 实时多任务操 作系统平台下的一个设计方案，最后给出了实现结果。 第五牵为全文的总结。首先对全文的内容和所做的贡献进行了回顾，然后对目前存在 的问题和可能的研究方向进行了探讨。 4 第二章基于s i r 测量的接纳控制策略研究 第二章基于s i r 测量的接纳控制策略研究 一般说来，由于电路交换域的业务对延时要求较高，系统需为该域内的实时业务提供 优先服务，在保证实时业务得到服务的前提下，使各类非实时业务以分组交换方式共享系 统的剩余容量。基于s i r 测量的局部接纳控制策略和全局接纳控制策略主要是针对系统中 的实时业务的。本章首先介绍算法中采用的系统模型、无线传播模型和业务模型，然后介 绍了基于s i r 测量的局部接纳控制算法和全局接纳控制算法并将其运用于w c d m a 系统， 通过计算机仿真比较了两种算法的性能，最后在算法的实际应用方面给出了一些建议。 2 1 算法简介 c d m a 蜂窝通信系统的小区容量是有限的，上行链路的容量取决于基站处的总干扰水 平。若系统接纳了过多的用户，会使得已接纳用户的q o s 无法得到保证。因此必须采用合 理的接纳控制策略，在各类业务的q o s 获得保证的同时，尽可能为更多的用户提供服务， 以提高系统的频谱利用率。 。在多业务c d m a 系统中，请求接纳用户的空间位置和q o s 要求对于小区间的干扰大 小有着重要影响。靠近基站的用户只需较小的发射功率来发射，而靠近小区边缘的用户则 需要较大的发射功率来保证其传输质量。在理想功率控制下，这两个用户所在的基站接收 至m 的功率相同，他们对本小区内的其他用户的干扰相同，但是对其他小区的用户来说，发 射功率较大的用户将对其他小区的用户造成较大的干扰，并且该用户对已有用户的q o s 影 响也较大。另外，不同类型业务的q o s 要求也不同，接纳一个q o s 要求较高的用户后产 生的干扰应比一个q o s 要求低的用户的干扰大。因此，在接纳控剑算法中应考虑接纳一个 用户后对系统中已有用户q o s 的影响。 基于s i r 测量的接纳控制算法易于实现，该类算法的思想首先由z h a ou u 在文献【3 】 中提出，主要是针对c d m a 系统中单一话音业务的情况，算法中引入了剩余容量的概念， 并且剩余容量的值可用上行链路中的s i r 值和s i r 门限值来表示，通过周期性的测量上行 链路中的s i r 参数得到系统是否还存在剩余容量来决定是否接纳新用户；i i m i n k i m 在文 献 4 】中又进一步做了研究并提出了改进，认为用户请求接纳时，只有当该用户所在的小区 和邻近小区内的用户的s r 均高于门限值时才接纳新用户。并且将新用户对邻小区的干扰 预测用于该算法，使得邻小区的s i r 有了保证。上述两种算法都是针对单一业务存在的情 况。文献 5 中提出了适合于多业务c d m a 系统的局部接纳算法和全局接纳算法。 注：本文中的s i r 指接收比特能量与干扰噪声谱密度之比乞o 。 东南大学硕。l 学位论义 w c d m a 系统可支持电路交换域( c s ) 和分组交换域( p s ) 的业务。文献【5 1 中提出 的算法是假定系统采用电路交换方式为各类实时业务提供优先服务，以保征其延时要求， 在保证实时业务对系统容量占用请求的前提下，使各类非实时业务以分组交换方式共享系 统的剩余容量。因此算法中只讨论对多种实时业务的接纳控制问题。 下面我们首先将分析比较该类算法，然后结合w c d m a 系统的模型进行仿真，最后得 出一些结论和算法运用于实际系统时的一些建议。 2 2 算法模型 2 2 1 系统模型 本章中采用的系统基于如下的假设： ( 1 ) 服务区域分为若干个大小等同的六边形小区，每个小区中间有一个使用全向天线 的基站。 ( 2 ) 基站对属于该小区的移动台的功率控甫4 是理想的。 ( 3 ) 相对于系统中其他用户的干扰来说，可以忽略接收机商斯噪声的影响。 ( 4 ) 移动台到达系统后，将选择移动台与基站间的无线传输衰减最小的基站所在的小 区作为它的服务小区。 ( 5 ) 不考虑移动台的移动性，即假设移动台到达小区后是静止的，且移动台在服务区 域的各个小区内是均匀分布的。 2 2 2 无线传播模型 无线传播衰减由路径损耗和对数阴影衰落两部分组成。一般来说，移动台发射功率尸 与基站接收功率有以下关系： e = p 4 0 矗圭， ( 2 1 )e =”，( 2 1 ) 其中l 为路径损耗，1 0 1 0 为对数阴影衰落。占满足均值为0 ，方差为口2 的芷态分布。 在蜂窝移动通信系统中通常取仃2 = 6 - , 1 0 。 这里采用的是o k u m u r a h a m 模型来描述路径损耗的影响，假设小区半径为1 0 0 0 米， 基站的天线为3 0 米，移动台的天线为15 米，载频为1 9 5 0 m h z 。此时，当移动台与其服 务基站间距离为r ( k m ) 时，可得到路径衰减如下式表示 1 】： 1 0 l o g = 1 3 7 4 十3 5 2 l o g r ( 2 2 ) 第二章蜒于s i r 测量的接纳控制策略研究 2 2 3 业务模型 假设每个小区熊提供m 类不同的实时业务。 第k 类业务的到达服从泊松分布，强度为n = 五以，即到达时间间隔服从均值为 1 ，疋的指数分布，服务时间服从均值为1 ，以的指数分布。 每类业务可用一个0 n o f f 的马尔可夫模型来表示，假设第k 类业务的激活因子为 且在业务激活期的传输速率为r k ，未激活时的速率为0 a 2 3 基于s i r 测量的接纳控制算法 在无线网络中，要保证业务的q o s ，不仅要保证其传输速率还要保证其传输质量。在 恶劣的传输信道下，传输错误是不可避免的，并且过大的差错率将影响链路的传输质量。 因此，要保证业务的q o s ，需要保证链路的传输质量，这就需要控制数据包的传输错误率， 也就是要控制物理信道的比特差错率( b e r ) 。在c d m a 系统中，信息比特差错率与接收 s i r 存在定的对应关系，且不同业务对b e r 的要求也不同。所以可以通过控制接收s i r 来保证业务的q o s ，并且需要为不同的业务设置不同的s i r 门限。 2 3 1 最佳接收功率比 假设小区0 中第k 类业务的第i 个用户比特速率为吃，在理想功率控制下该小区的基 站接收到的该用户的功率为咒“，在忽略接收机噪声的情况下，在基站处的接收s i r 为： 溉 ，= 詈f 矿萼丽汀( 2 3 ) “s o j 一s 。七，+ 镰s ， ( 2 3 ) 式中，邑川表示小区h 的基站接收到该小区内的第七类业务的用户j 的功率 n h i 表示小区 内第女类业务的用户数，表示第k 类业务的激活因子。 令艘表示第七类业务的s i r 门限，则为保证该业务的q o s ，需满足如下关系 s i r o “坨v i ( 2 4 ) 令( 2 - 4 ) 式取等号，即每个用户以保证其q o s 的最小功率发射，这样可使用户间的 干扰最小同时使系统的容量为最大。 7 东南大学硕士学位论艾 由以上两式可得： c 南圳= 善嚼+ 萁善匡羔k = l 辔k v r 眨s ， 在理想功率控$ l i t ，可认为同类业务在服务小区基站处的功率相等。式( 2 5 ) 可改写 成如下形式： 岛州最 由式( 2 6 ) 可得理想功率控制下，第k 类业务用户在基站处的接收功率为： ( 2 6 ) 最= ( t 毒- t 。+ v d - ( 耋，嘻墨+ 萁戮t = 1 和 晓， 则属于同一小区不同类型业务的用户在基站处的接收功率满足如下关系： 氏寺舞 ( 2 8 ) ( 2 8 ) 式表明一个激活的园e 业务用户的接收功率等效于屈个_ ，类激活用户的接收功 率之和t 由上述分析可得，在多业务w c d m a 系统中满足理想功率控制时，同类业务接收 功率相等，不同类业务满足( 2 8 ) 式时。可使系统内用户闾的干扰最小，系统容量最大。 这里把层，称为最佳接收功率比。 当系统接收功率满足晟佳功率接收比时，可将式( 2 3 ) 简化为如下形式： 溉2 i w 瓦磊赢s , ( 2 9 ) 其中，。 表示来自小区外的用户的干扰。当采用前面所述的传插模型时，可以根据下 式计算，。m ： ：其警区兰譬氏譬坚：其登区兰芝( 警勺。s ：t o t 以。“。c ：。， o m = in 2 i g ，m ， o m = 1h = 1 7 。m ，” ( 2 1 0 ) 式中，。0 。和r 。h 。分别表示属于h 小区的用户到基站0 和基站h 的传输距离 ；平：。为对应的阴影衰落。 8 v 最 一 区 扑 其 卜 叉 闩 h 第二章基十s i r 测量的接纳控制策略研究 2 3 2 接收s i r 与小区剩余容量 下面介绍剩余容量的概念。在多业务c d m a 系统中，不同的业务有不同的q o s 要求。 在满足系统中已存在的各类业务用户的q o s 的条件下。小区的基站还能接纳的任意第i 类 业务的最大用户数称为该小区关于第i 类业务的剩余容量。 假设小区0 中已有( i ，2 ， ，) 个用户，小区。关于第f 类业务的剩余容量为 m 。，则此剩余容量必须满足如下q o s 约束： 噼善而忑赢沈v f ( 2 - 里喜一圬，wf(212)ri ( m 一1 ) q s + 兰屺最+ 一n 吖“ “1 “ 在( 2 1 1 ) 式和( 2 ，1 2 ) 两式中，i , j ，所( 1 ，膨) ，当册f 时，二= 以；当辨= i 时，州= f + 。由于c d m a 系统是干扰受限的系统，只要降低用户间的相互干扰 就能获得系统的改善。 余容量的表达式如下： 谗 可令( 2 1 1 ) 式和( 2 1 2 ) 式取等号，并结合( 2 9 ) 式，可得到剩 n ：旦r 上 ”碍q 、一 ( 2 1 3 ) 从( 2 1 3 ) 式可以看到，除姗，是需要测量的值外，其他参数均为已知值。并且此处 的s i r , 为小区中没有增加新用户时测量得到的值，其它参数均为已知的。 由式( 2 1 3 ) 可知，当j v h = 0 时，表明小区的容量处于临界状态，此时姗f _ r o 己接纳用户的q o s 恰好得到保证，并且该小区已不能接纳任何业务类型的用户；当，。 0 时，表明小区的容量尚有剩余，并且还可以再接纳“个第i 类业务的用户；若虬 0 表明第i 粪业务用户的5 巩 疗，不能满足该类业务的q o s 要求。认为该类业务的用户将 被中断。 下面将描述存在多业务情况下基丁| s i r 测量的两种接纳控制算法：局部接纳控制算法 和全局接纳控制算法。 9 东南大学硕p 学位论文 2 3 3 基于s i r 测量的局部接纳控制算法 当小区k 中有一个f 类业务用户发起呼叫请求时，首先小区k 的基站将测量此时上行 链路中的关于第j 类业务的- ，足，然后按( 2 1 3 ) 式计算该类业务的剩余容量虬，并与一 门限值比较，以决定是否接纳该用户，如下式所示 心= 去嗪一壶= 仨链：蔷茎黧暑 m ( 2 1 4 ) 式中f j o 。为第i 类业务的接纳门限，为系统保留的容量，也是局部接纳控制 算法的设计参数。 若有一个_ ，类业务用户发起呼叫，处理情形类似，首先由小区k 的基站测量此时上行 链路中的第j 类业务的s i r j ，设其接纳门限为肛，计算剩余容量后按照类似( 2 1 4 ) 式判断是否接纳该用户。 不同业务类型的接纳门限之间有一定的关系。由于系统的保留容量对于不同类型的用 户来说是相同的，即： 峨( i v , 如。一1 ) s = v j ( k 一1 ) s ( 2 ，1 5 ) 将( 2 1 5 ) 式结合( 2 s ) 式的最佳接收功率比可得到不同接缡门限问有如下转换关系： 川t f 。= ( m m 一1 ) 岛+ 1 ， j * i ( 2 1 6 ) 可见，若设置了某一类型业务的接纳门限后，其他不同类型业务接纳门限可由式( 2 1 6 ) 得到，这样就简化了算法中多业务接纳门限的设置。 基于s i r 测量的局部接纳控制算法的实质为：若接纳一个新用户不致使本小区的其他 用户发生中断，则接纳该用户，而并没有考虑新用户的接入是否会引起其他小区的用户发 生中断。事实上，由于该用户也会对其他小区的用户产生干扰，因此接纳该用户后也可能 导致其他小区的用户发生中断。基于s i r 测量的全局接纳控制算法中，对局部算法中上述 的不足之处进行了改进。 2 3 4 基于s i r 测量的全局接纳控制算法 当小区k 中有一个i 类业务朋户发起呼叫请求时，小区k 及其邻近小区的基站测量此 时的上行链路中的第i 类业务的姗；，然后根据f 式判断是否接纳该用户。 o 第二章摹于s i r 视4 量的接纳控制策略研究 虬= 蕊 嘲= 怯篡嚣譬 ( 2 1 7 ) 式中，q ( 七) 为包括小区k 在内以及与小区k 邻近的小区集合，小区h 蛾= 煞w1 疆11 善： 眩 最 鲁= 旁彬吨”。 c z n j g l b = ( m 舻一1 ) 詈岛+ 1 ， ，i ( 2 伽) 2 4 算法性能的评价指标 关于实时业务的接纳控制算法的可用如下性能指标来评价算法的性能：业务阻塞概率、 中断概率和系统服务等级g o s ( g r a d eo f s e r v i c e ) 。 东南大学硕士学位论文 新用户到达时，若此时该类业务的剩余容量比接纳门限小，则该用户被阻塞。我们可 用式( 2 2 1 ) 来表示业务阻塞概率： 铪 尸麓嚣一 旺z 。 对于一个正在服务的用户，由于系统接纳了过多的用户而使其q o s 无法得到满足，即 该用户的s i r 值小于该类业务的s i r 门限值时，该用户将被中断。关于系统中断概率的具 体定义如下： = p s i r i 秽j 衡量系统的性能必须综合考虑业务的阻塞概率和系统中断概率，并且中断一个正在服 务的用户比拒绝接纳一个薪用户的情况严重得多。系统服务等级g o s 是综合评估阻塞概率 和系统中断概率的影响的性能指标，它将阻塞概率与系统中断概率进行加权评估，具体可 用式( 2 2 3 ) 表示； m g o s = b 断+ 1 0 - p o 。 ( 2 2 3 ) 2 5 仿真结果与分析 小区模型、传播模型和业务模型采用前述的模型，每个用户选择传输增益最好( 不一 定是距离最近) 的基站所在的小区作为其服务小区。为减少仿真的计算量，我们采用3 层 1 9 个正六边形小区的结构，如图2 1 所示。仿真中考察的小区为中心小区0 。全局算法中， 每个小区的邻近小区集合选择那些与之紧邻的小区，例如其中小区肛6 的邻近小区为与之 紧邻的6 个小区，小区7 1 8 的邻近小区为与之紧邻的3 或4 个小区。 图2 1 小区结构图 第二章基于s i r 测量的接纳控制策略研究 我们选择w c d m a 系统c s 域中语音与数据两类业务的情况，具体仿真参数如表2 1 。 表2 1仿真参数表 名称符号数据 带宽 w38 4 m h z 语音业务1 1 2 2 k r b p s ，7 d b ，0 6 7 ，1 2 0 蜀，( 毛o ) ，q ，1 - q 数据业务26 4 k b p s ，5 d b ，1 ，1 2 0 心，( & o ) ：，p 2 ，1 ： 阴影衰落标准方差 8 d b 仃2 我们在实时多任务v x w o r k s 操作系统的t o r n a d o 平台下进行仿真，将每个用户作为一 个单独的任务来处理。 下面我们将考察局部接纳控制算法和全局接纳控制算法在业务均匀分布( 每个小区具 有相同的业务分布) 和非均匀分布( 中心小区0 比其它1 8 个小区均高出5 0 ) 情况下的 性能。 假设系统所要求的中断性能为o 0 2 ，也就是要求系统中断概率必须小于2 。首先必 须为两种算法确定合适的接纳门限。 图2 2 示出了业务负载均匀( 话音用户业务量= 数据用户业务l = - 1 0 e r a n g c e l l ) 的情况 下，分别使用局部算法和全局算法时，中心小区c l , 区o ) 的话音业务与数据业务的阻塞 概率随接纳门限变化的关系。我们以话音业务作为参考业务类型，并由( 2 1 6 ) 和( 2 2 0 ) 式分别得到局部算法和全局算法中相应的数据业务的接纳门限。图2 3 示出了使用局部算 法和全局算法时，中心小区( 小区o ) 的系统中断概率随接纳门限变化的关系。从这两个 图中我们可以看到，局部算法和全局算法中，随着两类业务的接纳门限的增大，这两类业 务的阻塞概率均增加，而中断概率则下降。这是由于业务的接纳门限越高，也就是每个小 区的系统保留容量也越大，用户被阻塞的可能性增大，这样对被接纳的用户来说，它们的 q o s 得到保证的可能性也就增大，从而使中断概率下降。同时，由于数据业务用户的q o s 要求比语音业务的要求高，当我们采用表2 1 中的参数仿真时，可由( 2 8 ) 式得到数据业 务与话音业务的最佳接收功率比为3 、1 7 8 6 ，这表明一个激活的数据业务的用户相当于约为 3 个的语音业务的用户占有的容量，也就使数据业务的用户被阻塞的可能性比同样情况下 的话音业务的可能性大，这一点我们可以在图2 2 中看到。另外，我们看到全局算法的业 务阻塞概率比局部算法的高，而中断概率比局部算法的低。这是由于我们在接纳一个新用 户时，全局算法考虑了该用户对邻近小区用户q o s 的影响，局部算法则没有考虑此影响， 因此使得局部算法的阻塞性能较好，但中断性能却明显不如全局算法。 东南大学硕士学位论文 ￥ 蝙 皇 索 曩 按曲1 睫t 十 图2 2 均匀分布下业务阻塞概率与接纳门限的关系 ( 话音用户业务量；数据用户业务i = 1 0 e r l a n g c e n ) 被荫门唾t 千， 图2 3 均匀分布下系统中断概率与接纳门限的关系 ( 话音用户业务量一数据用户业务量= 1 0 e r l a n g l c e l l ) 根据以上结果，当话音用户业务量和数据用户业务量均为1 0 e r l a n g c e l l 时，要满足系 统的中断性能为0 0 2 ，我们选择话音业务的接纳门限为：局部算法中n i , o c = 5 ；全局算法 中, g l b = 1 ，相应的数据业务的接纳门限可由( 2 1 6 ) 式和( 2 2 0 ) 式得到a 下面我们将比较局部算法和全局算法在业务均匀分布和非均匀分布情况下的性能。以 下的仿真中均假设语音用户的业务量为1 0 e r l a n g d , l 瓦。在非均匀分布时，中心小区的语音 用户的、世务链为1 0 e r i a n g ，j 、区，其它小区的语音用户的业务量为5 e r l a n g t j 、区。 1 4 第二章基于s i r 测量的接纳控制策略岍究 图2 4 - - 图2 6 示出了在业务均匀分布的情况下，分别采用局部接纳算法和全局接纳算 法时，中心小区的业务阻塞概率、系统中断概率和系统g o s 随小区数据业务负载变化的关 系曲线图。 瞎 釜 嘲 皇 索 爿 小e 监务负前c 尉却州 图2 4 均匀分布下业务阻塞概率与业务负载的关系 ( 每个小区话音用户的业务量固定为1 0 e r l a n g c e l l ) 图2 5 均匀分布下系统中断概率与业务负载的关系 ( 每个小区话音用户的业务量固定为1 0 e r l a n g c e l l ) 东南大学硕士学位论文 。 嚣 * 图2 6 均匀分布下系统g o s 与业务负载的关系 ( 每个小区话音用户的业务量固定为l o e r l a n g c e l l ) 我们可以看到，在负载均匀分布的情况下，局部算法和全局算法的中断性能相当，而 全局算法的阻塞性能优于局部算法。在全局算法中考虑了其他小区的干扰，靠近小区边缘 的用户被拒绝的可能性比靠近基站的用户的可能性大，并且靠近基站的移动台的发射功率 比靠近小区边缘的小。对于每个基站来说，当接纳了相同数量的用户后，全局算法中的其 它小区的干扰将比局部算法的小，因此，全局算法的阻塞性能优于局部算法。两种算法中 话音业务和数据业务的阻塞概率均随小区中数据用户的业务量变大而增大，当小区话音用 户与数据用户的业务量均为1 0 e r l a n g c e n 时，全局算法中语音业务的阻塞概率比局部算法 低了3 ，数据业务的阻塞概率比局部算法低了6 ，全局算法的系统g o s 比局部算法改 善了1 0 。这是由于局部算法为了保证系统的中断性能，需要设置较大的按纳门限，也就 是保留了较多的容量，从而损失了一定的阻塞性能。全局算法由于考虑了新用户的接入对 邻近小区用户q o s 的影响，可以设置较小的接纳门限来保证系统的中断性能，这样就可以 接纳更多的用户，从而提高了小区容量的利用率。 下面我们考察两种接纳算法在小区业务负载非均匀分布时的性能。 6 第二章基十s i r 测量的接纳控制策略研究 噼 鼍 帕 盛 索 岩 咀 蜓 珏 壬 审- c - 小匡虹再负菥tf a l a n 蚋o d l l 图2 7 非均匀分布下业务阻塞概率与业务负载的关系 ( 中心小区话音用户的业务量固定为1 0 e r l a n g c e l l ) 中心小区业备负薪 e f l a n o c c e l l ) 图2 8 非均匀分布下系统中断概率与业务负载的关系 ( 中心小区话音的业务量固定为1 0 e f l a n g ，c e l l ) 东南大学硕士学位论文 口 等 * 十g 业务食卉t 刮哪舡u 图2 9 非均匀分布下系统g o s 概率与业务负载的关系 ( 中心小区话音用户的业务量固定为1 0 e r a n g c e l l ) 图2 卜图2 9 示出了在业务非均匀分布的情况下，分别采用局部算法和全局算法时， 中心小区的业务阻塞概率、系统中断概率和系统g o s 随小区业务负载变化的关系曲线图。 从中我们可以看到，两种算法的性能差异与均匀分布时类似，仍然是全局算法有更好的性 能。另外，我们看到在中心小区负载相瞬时，业务非均匀分布相对于均匀分布来说，业务 的阻塞概率、中断概率都下降了。这是由于非均匀分布时中心小区业务负载是其他小区的 2 倍，由于业务在小区内是均匀分布的，且每个用户将选择传输增益最好的小区作为其服 务小区，所以来自中心小区的业务选择其他小区作为服务小区的可能性比来自负载较低的 相邻小区的业务选择中心小区作为服务小区的可能性大，相当于折算到中心小区的负载在 业务非均匀分布时相对于同样条件下的业务均匀分布时的负载变小了。 从以上仿真结果可以得出关于基于s i r 测量的局部接纳控制算法和全局接纳控制算法 的性能比较，无论是在业务均匀分布还是在业务非均匀分布时，在保证系统中各类业务q o s 要求的前提下，全局算法的性能都优于局部算法的性能。 另外，全局算法中，请求接纳的用户需要利用测量到的本小区和相邻小区的导频信号 以及这些小区本身发射的导频信号来得到传输增益，这就需要移动台与基站间，基站与基 站间信令的交互。因此全局算法所获得的一性能改善是以增加穆动台与基站间，基站与基 站间的信令开销为代价的。 通过上述仿真结果分析