（通信与信息系统专业论文）基于用户模型的呼叫接纳控制（cac）算法.pdf

北京交通大学硕士学位论文 基于用户模型的呼叫接纳控制( c a c ) 方案 摘要 随着3 g 移动通信时代的到来，无线移动用户的剧增与无线频谱资源局 限性的矛盾日益突出；引入微蜂窝微微蜂窝小区造成越区切换频繁；且由 于c d m a 蜂窝系统为干扰受限系统，小区容量和覆盖范围关系密切，小区 内负载增加将导致小区覆盖范围收缩，产生覆盖盲区。因此，必须通过呼 叫接纳控制来限制系统干扰、保障负荷增加时的小区覆盖范围，提高系统 容量与稳定性。 本论文在多小区环境下，以小区掉线概率作为判决准则，提出了新的 呼叫接纳控制算法。首先，引入分布式算法的思想，通过对系统上行链路 多小区干扰情况的分析，认为相邻小区用户上行链路干扰的总和为服从高 斯分布的随机变量，计算总干扰的均值和方差，用以计算小区掉线概率； 其次，对描述0 n o f f 模型的特性参数加以研究，通过建立多个0 n o f f 信源的系统模型，引入生灭过程参数，并用以计算掉线概率；最后，研究 c d m a 系统特有的软切换的特性，判断新呼叫用户是否涉及软协换( 通过 新用户所在位黄、运动速度、方向等参数进行判断) ，并把涉及软切换的新 用户与不涉及的用户区分对待，根据其特性，在c a c 判决中采用不同的判 决方案。给出c a c 判决的算法，通过理论分析，阐明其优越性，本方案旨 在提高系统的可靠性。 通过仿真证明，系统在轻负载条件下，掉线概率很低，而在重负载条 件下，掉线概率仍保持在一个较低的水平上，新呼叫阻塞概率虽有所升高， 臻要 但缀好地保证了已经接入系统用户的q o s 。因此，基于用户模型的c a c 算 法确实能够有效保证c d m a 蜂窝通信系统的可靠慷。 美键j 霉：貔c 、c d m a 、0 n o 帮模型、软切换、q 。s 、于扰 北蔚变通大学颈士学靛论文 u s 髓m o d 以- b a s e 疆c 羽la d 撙i s 砖o nc o n t f 醴s c 瓢e 翔e a b s t l - a c t w t h 氆ea g co f3 g 糙酶i l e m m u 鞋i c a | i 黼m 主n 舀壤e r ce x i s t 嬲a c o 鞋耋f 建d i c 耋i e 弱b e | w e e 魏穗ew i 耩l e s s 粥o b i 耘h s e fn 毯薹鞋& fa n dw i l e s sf r e q u e n e y ； 锄dh a n d o 符c a l l so c c u rf r c 掣c n t l yf o f c h ei n t r o d u c t i o no fm i 甜n ，m a c r o c e n u l a r c u 玳n t l y 翔n h 材m o r e ，f o rc d m ao e i 如l a rs y s 纰mi sa ni l l t e r f e 】嘲l c e - l i i n i t c d s y s t e m ，i t s l lc a p a c i t ya n dc o v e r a g ea r e ai sr c l a t e dc l o s e l y ，猢dt h es h n ko f e e uc o v c f a 蓦ea r e at h a tc a u s e db yl 圭i ec h a n g e 硝l ll o 越w i l ll e a dt oc 渊e 掩嚣 l e a k s ow em u s ta d o p tc a l la d l n i s s i o nc o n t m lt of e s t f i c ls y s l e mi n l e d 色f e n c ea 珏d 髑s 鞋辩攮。c e 珏姻v e f a 擎a 辑aw h i l e 孙赫i 鞋c 臻耩s i 蘸g 法o f d e r 镪 掰p f o v es y s 耙m c a p a c i l ya 穗s 掘坟l 矗孓 弧i sp a p e r 舀v 苛san e wc a l ia d i n i s s i 撕埔m e t i c ，a n du s e st h eo u t a g e p 确a b i l 酶鼍ob e 壤e 协糟s h o 黼i nam u 魏i e l l u l a rs y 曲：m f i r s to fa l 】，h s i n gt h e d i s t “b u t e dc a ct h e o r y ，w ea n a l y z et h ei n t e r f e r e n c eo ft h eu p l i n 妊i nt h es y s t e m 。 n es u 蕈堇l m a t i 删o fa l la d j a c c n tc e l l s 骢娜协ki n l e f f e r e n c ei sag 堋s s 耩n d o m v 撕a b l e c h l c u l a t et h er n e a na l i dv a i i a n c e o ft l l i sr a n d o l 狂v 撕a b k t or c s o l v e 童h e o 域毪鬈e 越搬ec 薹s + 鞭l es c 瓣d 薹甄粥s l 疆d y 氇ep 矗黼m 氆鼯妁蓬0 瓣o 疆 i 响瓣越i o 珏s 饨粘e ，m 礤嚣珏珏ga 搬秘髂s o 嘲eo fo o 疆s y s 童嘲，韪艇甄t f 醚娃c c k 撼ia n dd e 毹hp f o s s ，a n d 醢s e 茁l 辔ep 甜a i n e t e f | o 鼯l c 啦a t et h eo n t a g e p r o b 稿i l i t y 铀el a s | w e 璐描c r 娃犯拍a 翔e e i i s 氐o fs 礤嘲a 棚。锺，a 1 1 de s t i m a t e i ft h en e wc a l lw i l lb e 舀nas 0 f t m 柚d o f fp r o c e s s( b a s e do nt i l e1 0 c a l j t y s p e e d a n do 畦e n t a l i o n ) 。a n du s ed i 瓶r e n tc a l la d l n i s s i o 建c o n “o ls c h e l n et oa d l n i tn e w ，3 * u s 材sw h i c hw i 珏钟w o n l b e 廖nas o | l 也a n d o 戴t k n 攮ea d v a m a g e 搬i sc a e s c h e m eb a s e dl h c o r yr e s e a r c h ，a n dt l i j ss c h e m ee m p h a s i z et h er e l i a b i l i t yo ft h e s y s | 0 m s i m u i a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t t h i ss c h e m ec a na c h i e v el o w e ro u t a g e p b a b i l i t y 抽h 痨t 糟蹋cl o 瓣e a s e s ot h i ss 商e m e 主s 缸聪e 霞e e t v ee 珏s 珏f 尊 t h ef e l i a b i l i t yo fc d m ac c l l u l a rc o m m u n i c a t j o ns y s t e m k e y w o 埔s ：c a c ，c d m o n 一0 f fm o d e l ，s o f l 壤a n 曲鹭( 轴s ，i n t e r f e f e n c e a 乾窳交逶丈学颟士学位论文 第一章绪论 l 。重c d 矗垂a 蜂窝系统摄述 蜂窝移动逐信系统是2 0 激纪入类最伟大豹释技藏渠之一，萁发撩速度 更是惊人，经过二十多年的飞速发展，人们在继续关注第二代移动通信系 统发腥的同时，把更多的注意力集中在第三代蜂窝移动通信系统的开发和 运行。第三代蜂窝移动通傣系统的三大技术标准部是基于码分多址 ( c d m a ) 技术的i l l 。 熬于扩频技术盼秘分多蛙接入是e d 磁a 移动逶继系统鳇技本基旗，它 可以通过给不同的用户分配各自特定的地址确分序列，将处于相同时隙和 频率懿霜户痿号分骞趱寒，采霜荚享倍遴熬方式黉赣信怠。在接浚鬻，系 统利用与发送端完全一致的本地地址码对接收信号进行相关梭测，提取我 们需要豹蠲户信号，褥将其它使爝不同码壅静信号税为宽带予挠丽默中剔 除掉。在存在着各种干扰和多经衰落的无线惯道环境中，扩频信号的宽带 特性使得系统的性能得到明显改善。与传统的f i ) m a 和7 ，m a 移动通信系 统相魄，具有抗干扰性好、挽多径衰落性好、保密搜蠢、容爨大、频率资 源利用率高等特点。 c 露酝a 系统楚蠡予撬系绕，其孛掰寿鹣躅户共事稠嚣黪频谱，每一令 用户对于其它用户都熄噪声或干扰。干扰会随着用户数量的增加而增加， 最终熬个背豢于挠静慧帮会因为无法徐证通话质量酌壤低信臻逝要求箍限 制系统的容量。因此，c d m a 系统对所有的传输信号功率都仔细加以控制， 保证它们最小功率进行工作，避免对熟他用户造成不必要的干扰。 第一章臻论 l 。1 1c d m a 扩颁通信艇理 扩颓邋信，就疑指梅需要传送的具有一定镥号带宽信息数据，用一个 带宽远大予信号带宽的离遴伪随机码进行调制，使原数据傣号的带宽被扩 展，再经调铡载波发送出去。接收斌使爆突全鞠爨的镑薅彀玛，与接收鹣 宽锵售号住媚关处理，恕宽繁信号还原为琢信息数攮款窄带信号即鳃扩， 淤蜜现髂惑逶结。棱鼯不溺靛量褶艇正交的伪邈枫编码，不同逸髂需户酉 骧程同一菝段、网一时溺王作，戛不影响域影桶攘夺，信罨隐蔽，有傈密 往。c d m a 通僚系统主要采用盥接序列扩频和跳交频率扩频两种基本工作 方式翻。 l 。嶷接垮到扩频殿理 直接序列扩频( d i 州s e q u c n s p f c a ds p e c t r u m ，d s s s ) ，简称鏖扩a 嘉扩系统基本原理如鹭1 1 赝示。 蕈为输入姻数掭傣息d ，缀过猿感调裁变 成带宽为b l 的调频( f m ) 或调棚( p m ) 的信号，霉由伪随机绽鹕( p n 疆) 调剃戚喾宽强嚣2 熬赛带信号发射。 # 囤黑圃8 蜒孕骂甲曼亟曼* r 1f 1 悄码发生器l lp n 码发生器萝 厂一一一1 一，| 弱步电籍 川 i 。，+ j 图1 1 点扩系统纂本原理圈 接收枫接收到发射痿号匿，蓠毙通过露步电爨臻凝发送来熬p n 鹨载瀑 2 北京交通丈学硕士学位论文 确相位，由诧产生与发送来的镑随视编码稻位完全一致的接收掰用的p n 码，作为扩频艇调用的本地信号，以便准确恢复成窄带信号并解调。从而 获得对发送来的信息数据d 的估值，完成接收。 鳃扩嚣豹悠号，只带畜强热基带壤号和解调滤波嚣部分的予撬噪声， 大大改善了系绕的输出信噪比。 2 跳蠹频率原理 蹉交菝率( 髓n e 鞋。弹扬舀雠) ，麓黎跷颡系统，蘩搴器瑗鲣图l 。2 嚣 示。信息数据d 经信息调制成带宽为b l 的基带信号厢，经发射载波调制 后发射。发瓣载波频率受伪随梳编码发生箍控铡，在带爨秀b 2 ( b 2 转1 ) 的频带内随机跳变，实现基带储号带宽b 1 到发射信号使用的带宽b 2 的频 谱扩展。受伪随机编确发生器控制的发射载波频率生成器，实际是高遥数 字控刳频率跳变豹频率会成器。因载波调制大多使用与相位无关戆跳频方 式，其跳频工作被称为非相干f h 方式。扩展频带由整个频率合成器生成的 最小鬃攀阗蕊_ 耱频率润麓数妥决定。 静 厂一 厂 厂_ r r 鑫：息 霹信脚刺 叫扩黼黜ji 争 8 ”! 扩j 獭糊i8 信触湖； l jl j l 百j乙了一l 一j 萤1 0 虢频系统基本暴壤蚕 第一章缝论 量。羹2c b 艇a 蜂褰遥痿暴缝特点 e d 氛锻蜂窝系统分配绘每个怒户套鸯特定懿撼蛙码，剃溺公共售道来 传输信息。c d m a 系统的地址码相互具有准正交性，而在频率、时间和空 鬻上都可能重叠。系统懿按浚藕爨须寿完全一蘩豹本逢遗缝玛，爝来霹赣 收的信号进行相关检测。其他使用不同码字的信号因为和本地产生的码字 不阐丽不毹被接收。由于不同用户之问的信息传递是通过旅交码柬隔离的， 殴此具有缀高的频谱利用率。c d m a 蜂窝系统有盎辟下特点1 1 0 川： l 、服务质魇高 c d m a 采用r a 】( e 接收机，降低系统中存在的多径衰落的影响，信号在 瑟劣环境中盼性能大夫改蒜。弓l 入功率控铡技术，在传辕状提良蠢 时发射 功率较低，当遇到衰落时功率控制自动提商发射功率，保证通话质量。系 绞采臻霹嶷速率声鹚进行添音编璐，撺割了鹜景骥声。c d 黼a 系统串瓣较 切换技术实现了蜂窝移动通信的“无缝隙”粳盖，保证了越区切换j 飘信的连 续经。c d m a 的话音质量不纹鬻鼗优于鹪m 和模毅系绕，丽量黧热接邋 固定电话话音质量，特别是在强背景噪声环境中，由于采用了伪随机序列 进行扩频解扩，话音质量不亚于潮定电话。 2 、系统静逶信容爨丈 c d h 饮是予扰受限系统，每个用户的债号对其它用户露言都楚干扰， 系统中多增加一个用户，系统的总于扰升高，相威的系统中原来的用户的 接收羡噤魄藏会隧之降甄，嚣任餐干拭数城少都憝塞揍转键必系绞容量静 提高。通常认为，在相同的带宽( 1 2 5 m h z ) 内，c d m a 数字蜂窝移动通 信瓣容量懋模擞鞠m a 系统容量豹8 l o 倍。 4 北京交通大学硕士学位论文 3 、软容量 c d m a 系统是一个干扰受限系统，具有“软容量”概念，当c d m a 网络 中所有小区的业务强度相当时，各个小区具有相同的容量( 如图1 3 ( a ) 所示) ；当相邻小区用户数较小时，对本小区的干扰也就较小，本小区可以 容纳更多的用户，即具有更大的容量( 如图1 3 ( b ) 所示) 。反之，当相邻 小区的业务强度很大时，对本小区的干扰较大，则本小区的容量就会减小【”。 软容量特性是c d m a 系统所特有的，在f d m a 和1 r i ) m a 系统中，一 个信道被占用，在全部频道或时隙被占满后，就不能再接入任何用户。而 c d m a 系统中全部用户共享一个频带资源，用户信号的区别只是所有用户 的码型不同。当系统满负荷时，再增加一个用户，系统不会出现阻塞现象， 只会使系统的通信质量略微下降。即系统容量和用户数之间是“软”关系 图1 _ 3c d m a 系统“软容量”概念示意图 事实上，在c d m a 系统中，小区的容量和覆盖与系统干扰有紧密的关 系。当小区内用户数量增长，也就是小区容量增大时，小区基站处接收到 的干扰也随之增大，这就意味着小区边缘的一些用户即使在最大发射功率 情形下也无法保证自身与基站之间连接的q o s ，于是，这些用户便会被切 换到相邻小区，也就是说，原小区的覆盖范围相对缩小了。反之，当小区 内用户数目减少，也就是小区容量降低时，系统业务强度使得基站接收干 扰功率水平下降，各个用户设备( u e ) 可以发射更小的功率来维持与基站 第一章缝谂 豹连接。鳐采导致在小甑内可容忍韵最大瓣径损耗增大，等教为小送扩张。 所以“小区呼吸”即小区覆盏范围随小区内业务强度的变化而变化的现象。 瓢c 黼系统鼹铷s 糕琰 无线信遒误鹦率赢。出于天线传播环境戆恶劣，无线蕊道的谈礤率较 离。可以通过空中接口上的分集技术、差错控剑( 靛向纠镄、c r c 校验) 及裁馊薰转枫露采宠黢，镌是反续囊会孕| 入一定靛对延嘲。 无线资源有隈。无线镱蹙由予频繁资源旋 藿技术躲黻铡，掰髓提供 豹带宽鞫当有限，3 g 系统所靛透翔的最好情况也冀是2 鼎 8 m b p s ( 室内戚 者黛舞夺藏菡内，静止袄态) 。福院之下，传统静戳太网巾毹提供1 0 1 0 0 m b p s 的带宽，而光纤传输则能够达到几g b p s 的传输逋率。因此，在 3 g 系统中，无线接口部分的带巍不足情形戈为突出，这媳爨3 g 巾q o s 豹 瓶颧所在。采用多址技术及复杂的m a c 屡协议来合理地配鼹管理有限的 炎源，跌露在蓑藏燹源键瘸效率赫提下，僚证鼗务麓误褥攀、黪慈簿。瞒 参数的要求。 移韵瞧闽题。在移麓通信串，糟户终端随辩可黻默一个，j 、送移动到弱 一个，j 、嚣，获一个阏络移动猢舅一今弼络，嗣辩要求正在滋行的鼗务不受 影响。由予移动台位置的改变，通过有效的资源预留和接入控制算法，保 证溺户馥弼在跨区切换时国摄势旗爨，从褥在改骜掉线概率的同酵尽量提 高系统资源利用率。 i 2 呼叫接纳控制 呼叫接纳控制( c a l l a d m i s s i 伽c 0 n t r o l ，c a c ) 作为无线资源管理的一 个黧要功憩实体，耀来刿暾一个瓷源分簸请求是孬被系统允诲，箕疆约楚 6 l t 豪交逶大学矮士学短论文 维护嬲络蛉爨定性、强迁无线链路懿藤量、掇裹系统容量窝貔止系绣避载。 呼叫接纳控制最初是在a t m 网络中提出的，a 1 m 论坛与i t u t 对c a c 静定义嘎黯予一令汪知懿蟹翻连接请求，按照英缀务质量( c o s ) 瑟求， 并根据整个网络资源是否满足现已连接的业务质量来决定是褥接纳一个新 的连接。呼叫接纳控制是在裔限系统容量的纂础上，以不牺褴已有连接的 服务质量为原则，尽可能多地对耨近到达的逡按请求予以接纳的决簸闯题。 其主鼷任务魁在呼叫申请阶段根据系统当前资源情况判断是甭接纳本次呼 叫，刿叛标瀑为囊爨涯当兹磐叫款鼗务矮量，又嫒纛经建立涟接故数务质 量不疑破坏，同时将资源使用情况汇报给网络管理者。 趣m 是巍繁综会逶售鼹终瑟采掰静蓓塞转移摸式，鞋嚣定长度戆售元 传递信息，因而减少了延迟方差，适合于传递语音、数据和视频等综合业 务。在a t m 簇入网中，流量控箭是箨常重要的一个方面，它的主要翳标是 保证网络和用户所要求的性能得到满足，同时尽可能提高网络的利用率。 流量控制可分为预防性流量控制和反应性流壤控制两种方式。预防髋流量 控制采取一系列防止拥塞产生的机制，两爱波性流擞控制剐依赖于爱馈售 息进行控制。在罔r m 网络中，由于惰息的高速传输，通常采用预防性流控 方式，繇羲宠对进入秘终豹菠务流量进爨控懿，骧跨壹攘塞瓣发生。殍喇 接纳控制是种重要的预防性流控方式，它的核心是带宽分配算法。加_ m 是一种嚣囱逡接静虢务，在穗户遥邋越m 两络转送信息之蓊，登须毙建立 连接，这一步骤称为建链。建链的目的是在发送方和接收方之间建立一个 通路，这个通路可能涉及一个或多个厨m 交换机，巍经过的每一个交换机 上都要为这个薪连接分配楣艨的资源。呼叫接继控制是网络根据用户赝申 请的统计参数( 如峰值比特率、平均比特率等) 和性能要求( 如平均时延、 丢失率等) 竣及当黪豹网络受蘅素决定是否接缡该粥户连接请求。翔户在 7 蒡一霉缝论 进行呼叫时，翥把融己业务流的特性和参数以及成要求的服务质量告知网 络，网络则根据资源被占用的情况和用户撮出的要求，决定是否按纳这个 睁朝，其刿决兹魇则是，要瀵罡该孵列黪羧务矮茧要求，溺惑又能摞涯基 建立连接的服务质曩。 隧着滤蓿菝拳酶飞速发震，蜉朝接霸羧裁酌寝弱遣越絮越广泛，无线 通信系统中系统容照的限制直接导致了呼叫接纳控制的研究。在瑕容量移 动淹信系统，系统容量是淘定的，当没有肖效资源时，呼叫请求就会被阻 塞。如在模拟f d m a 系统中，通信信道是按频带来划分魄，把划分的频带 分配给通信用户，每个蜂崮小区能提供的倍道数一且确定，就很难改变； 农数字弧) m a 系绫审，按辩骧划分资源，把划分戆时陵提供绘逶镶爨户， 单位时间内能划分成多少时隙，最大用户数就是多少。当没有空闲信道时， 系统裁会毽凌忙音，移凑蠲声不缝霉呼潮其德爨户戴接羧箕毽羯户懿簿 叫，当移动用户越区切换时，也很容易出现通话中断的现象。因此，在硬 容燕通信系统中，器采取蜉嘲接纳控制限制系统接入瑶户数，傈诞已建立 连接的服务质量，降低切换中断概率。 在软容量通信系统如c d m a 蜂窝系统j 中，信邋数是靠不同的码字来划 分瓣，售遨数与输入簸出臻曝魄鸯关，当系统增热一令逶谖的用户隧，所 有用户的输入输出信噪比都有所下降。随着系统按入用户惜多，用户输 入埝鑫售穰跑降低戮矮定门羧篷之下簿，藏会产生牵羲，嚣筵，e 转氧谯系 统实旌呼叫接纳控制的目的就是在保证系统中断檄率、阻塞概率要求的基 础土，容缡更多静翊户。接纳控裁准鬟 j 可强是基予千挠的，由于觚干扰可 以估算出系统可容纳的最大用户数，因此也可以疑基于用户数的。前者根 据蒸站接收的总干扰功率与背景噤声的比值是否高于某一预定门限来判 决，或者根据接纳凝呼哦麟各类业务的售予比是答戆够达猁其预定的基搽 8 家变通大学璐上学位论文 门限寐决定是嚣接纳新呼叫请求。后卷根据系统的最大用户数n 作为接纳 准则，当系统内已有的用户数小于n 时，则接纳新呼口q 请求。 实际系统应用中，呼叫接纳控制嚣法设计应考虑应鼹业务耱类、系绞 时变特性和运营商收髓及用户q o s 等问题。较早的文献中研究的大多数是 蕈盈务壤獍下熬浮羁接绣控澍，在将寒豹系绫孛，存在篱大量爨有不霹q 醛 要求的各类业务，根据各类业务不同的延迟要求，可划分为会话型业务、 流式多媒体遭务、交凝式韭务和后台妲务强大类i 硼。不同酌救务其有不同 的0 0 s 要求，如实时话音业务对时延敏感，但允许l m 3 量级的较高误码率， 非实时数据北务对时飙不敏感，但要求具有较低的误码率，通常在l o 6 到 i o - 9 曩级1 1 0 l 。因此，e a c 黪法还要娆够适皮多韭务运用，懿考虑各类业 务之阀不同的优先级，以便在恶劣的无线传播环境里以及用户运动且相互 子撬鹣溃提下为套类漱务露户罐拱渤s 保谨，羁酵又缒充分裂溺珍爨豹无 线频谱资源【1 1 j 。 在实际静遥蓿系绕牵，系统资滚鑫用请搋、孺户泣务量及移动绩怠、 用户问干扰及信道衰落情况等都是实时变化的。系统巾可用倍道数也是随 用户数及用户的c i o s 需求而变化的，这样固定信道分配方案就不靛很好地 适应系统内蛾务量的实时变化，然面凭法充分剥用系统资源。困此，准确 有效的c a c 方案必须考虑系统的对燮特性，提高适威性。 努井，髑户稷据鼬s 菇赞，增熬接入逶饺系统豹用户数，运营囊收益 就会提高，但新用户的接入可能导致系统内已连接用户q o s 的降低，这样 麓户铹费稳蔽减乡，逡蓉商救益反焉霹戆洚 羲l 瑙。鑫魏，莰诗c a e 方案辩 应考虑系统容量、运鬻商收盏及用户q o s 三者的折衷，找出用户q o s 和运 营商收益、阁户付费之阔的关系i 珏l ，使系统溉能接入更多用户、增热运营 商收焱，又熊保证已肖用户的q o s 要求、最大限度降低用户付费。 第一章缝谂 1 3c a c 聚究珑状与发展趋势 最聿薅e a e 蹩在a t m 网终孛提出数一耱资源黪理控制手段，经过若干 年的发展，c a c 融经在许多通信网中得到应用，阑内外研究人员也己提出 诲多c a c 算法。 重0 。l 叠澄鹾露终孛( 後c 算法 越雕麴络串穆嘲接缝控毒l 方法主要鸯两耱：磐统诗繁舞分醚滚秘统诗 带宽分配法。非统计带宽分配法( 峰值带宽分配法) ，假设一个信源的平均 帮宽楚2 秣莲b 舔，峰值带宽是4 5 m b i 懦，嚣l 蜂值带宽分配法需要在搬端口上 为这个信源保留4 5 m b i 魄的带宽，而不管信源是否真的以4 5 m b i 佻的速率 不闻断建传送信元。峰值带宽分醚法的优点在于简便易哥亍，只需臻知道新 哮婢请求的峰值逸率即可，如果融存在用户的峰馕速率之秘如上毅呼蹦请 求的峰值速率小乎链路的容量，那么这个新呼叫请求就能够被接受，否则 撼缝。它戆缺点毽十分骥曩，举骏滋链路瓣瓷源裂瘸率毙鞍甄1 1 4 ，拶l 。 引入删技术的初裳就在于利用统计复用的优点，这也是它与其它现 裔蔹术稳魄最大豹饶势之一。在绕诗带宽分配法审，一个耨呼鹾请求豹带 宽不是建立在峰值速率的撼础上，而是小于信源的峰值速率。因此所有用 户的蜂值速率之和可能会大于输浅链路融容量。为了实现带宽的统计复用， 人们根据不同的谶似方法，提出了多秘算法，其中应用最广泛的是等效带 宽法。如榘有一个独立的信源接入一个有限长度的队列，那么这个信源的 等效带竟藏是与这令信源羧要求瓣售源丢失搴摇瓣应夔瓢列疆务遮搴。撼 信源接入个具有固定服务时间的有限容爨的排队系统，由此可以得到队 翔长凌静分枣，采溪这一分布，魏珂爨褥潮与一令给定镕涿丢失攀穗对瘦 1 0 北京交通大学硕士学位论文 的服务速率，即等效带宽。这种方法由于具有较好的叠加性和可操作性 在工程中得到了较广泛的应用，也收到了不错的效果。 1 3 2c d m a 蜂窝通信系统中g 址：算法 c d m a 蜂窝通信系统中c a c 分为上行链路与下行链路两种情况。上行 链路被认为是容量受限的主要原因，因此，现有的很多呼叫接纳控制算法 主要考虑的是上行链路的情况。就上行链路而言，c a c 算法主要有以下四 类：基于用户数、基于s 承或干扰、基于系统容量分析及基于功率控制。 1 、基于用户数的c a c 算法 把系统能接纳的最大用户数作为接纳门限，若系统内已有用户数小于 门限，则接纳新呼叫请求，否则拒绝。 2 、基于s 胀或干扰的c a c 算法 基站测量接收信号的s i r 或总干扰信号功率，并与门限值比较，根据 比较结果决定是否接纳一个呼叫请求。 3 、基于系统容量分析的c a c 算法 实时记录系统内用户的业务类型和数目，根据系统容量的数学分析模 型，决定新呼叫的接纳与否。 4 、基于功率控制的c a c 算法 采用某一种功率控制算法，计算包含新呼叫在内的所有呼叫的接收s i r 是否大于所需的门限s l r 要求，根据比较结果决定是否接纳一个呼叫。 相比较而言，第一类算法实现简单，后三类算法准确性更高。就下行 链路而言，一般采用基于功率的接纳控制方法，计算本小区的发射功率， 若低于预定门限，则接纳新呼叫请求，否则拒绝。该算法物理意义明确， 并且由于容易获得基站发射功率，易于实现。 第一牵缝诧 1 0 3c a c 研究的未来发展趋势 睫着移动通信技术的不断发熊，对于多业务秘裹速率的翥求越来越成 为移动通信发展的蓬点。多业务的不断发展，使通信流特性日益多样化， 琴瓣鲎务瓣c o s 鬃求氇大不穗羁。逶信隧络吴枣麓态性、多群链、簿交程 的特点，要求呼叫接纳控制方案的没计要尽可能满足网络的以上特性。 蜉朝接纳控翻还在不颟发震，无线鞭滋褥有敝性、徽小区静霞用以及 通倍网络的动态性嚣特点搬动c 气c 向着最优化、智能化及髓标多样化方向 发展。另外，低成本与实现简单也是c a c 发展的必然趋势。 1 4 主要内容与技术路线 本文针对c d m a 系统中呼嘲接纳控制的特蛙，在多小区环境下，班小 区捧线概察作为判决准则，提出了新的呼叫接纳控制算法。主要从以下几 个方面迸彳予研究： l 、o 辩o f f 镶添耱魅 对o n _ o f f 模型的分布特性参数的研究，通过对多个o n o 雕模型系 统的磅究，雩l 入垒灭过程瓣概念，并痤鬟予簿线穰率麓诗冀孛。 2 、软切换特性 通过辩新评嗣翔户涉及或不涉及软切换时的送分对待，根据葵特性， 在c a c 判决中采用不同的判决方案。 3 、系统上行链路干扰情况 弓 入分毒式算法嘲的愚怒，结食戳上疆方瑟的硬究，遴过计算器小区趱 户之间的干扰分析，计算掉线概率，作为判决准则。 本文童要逶遘数学建摸来碜 究c 矗c ，嚣在提巍系统懿霹靠性，劳采麓 北囊交通太学硕士学毽论文 m a t 敞b 鞠m a p l e 等工其对方案避行仿真验证。 1 3 第二章基于用户模型的c a c 算法 第二章基于用户模型的c a c 算法 本论文研究的基于用户模型的c a c 算法在移动交换中心( m s c ) 或基 站控制器( b s c ) 处执行，主要从软切换、用户模型和分布式系统干扰等 几个方面对呼叫接纳控制理论算法进行分析研究。本节主要介绍该方案的 思想，仿真设计与实现将在第三章详细介绍。 2 1 系统模型 我们只考虑上行链路( 从移动用户到基站) 的情况，因为在蜂窝系统中， 上行链路比下行链路对系统容量更具决定性的影响。分离的频带分别应用于 小区系统的上、下行链路，因此移动台仅仅经历来自基站的干扰，而基站仅 仅经历来自移动台的干扰。每个移动台由其本小区基站执行功率控制，和系 统内干扰相比，背景高斯噪声可以忽略。 业务区域被划分成等尺寸的六边型小区，基站位于小区中心位置，采用 全向天线。假设系统中一个区群的小区数量为7 ，即每个小区与周围6 个小区 直接相邻。系统中每个小区的业务量分布近似相同。 到达小区的呼叫服从到达率均值为九的泊松过程；每个小区的呼叫业务 均匀分布在小区内，呼叫的到达间隔和持续时间为负指数分布的随机变量。 信源模型为0 n o f f 模型。另外，分布在某一小区内的呼叫不一定由该小区 的基站提供服务，而是按照某种算法来却确定给该呼叫提供服务的基站。 2 2 分布式干扰计算 通信信道具有很大的随机性，不同的视距传播、不同的地物( 建筑物、 山脉、树木等) 都会造成信号在空中的不同的传播损耗。路径损耗分为大尺 1 4 北京交通大学硕士学位论文 度路径损耗和小尺度路径损耗，大尺度传播模型描述的是发射机与移动台之 间长距离( 几百或上千米) 上的场强变化，而小尺度传播描述短距离( 几个 波长) 或短时间( 秒级) 内的接收场强的快速波动的传播模型。 2 2 1 传播模型 本文主要考虑信号的传播路径距离和阴影效应造成的影响【9 】o 设无线传 播模型包括路径损耗和阴影衰落，移动台的传输增益为： 三r 一”1 0 儿o ( 2 一1 ) 式中，r 表示基站与移动台的距离，是常数( 典型取值为2 4 ) ，是与距 离r 相独立的、表征阴影效应的高斯随机变量，其均值为o d b ，标准方差为 s ( d b ) ，s 的典型取值为5 1 2 d b 。 2 2 2 分布式思想 所谓分布式算法是指以各基站分布的方式共同实现o c ，而不是由某一 个呼叫控制器来完成。各基站定期交换本小区信息( 用户数) ，经过简单的 控制算法，实现实时控制【。 1 、一维小区分布 如图2 1 所示，当小区一维分布( 如街道和高速路) 时，设当前有新呼 叫请求的小区为o 小区，它前面的小区为1 小区，它后面的小区为2 小区。 第二章纂乎j l 产搂楚豹c a c 冀法 新呼叫到达 图2 1 一维小区分布 其审，x 表示毅呼叫到达速搴，f 表示呼叫亵拜速拳，h 表永切换速率， 而每个小区最多支持n 个呼叫。假设在单位时间内，测试用户以p s 的概率 窝在o 夺区，戳摄率或露囊l 夸区帮2 夺区谑挨( p s 驴。= 1 ) ，慧这里不讨 论在时间段t 内有两次及以上切换的情况。设p i 为小医中有f 个用户的概 率，则过载概率为： p 一 ? p i 以1 ( 2 2 ) 受必爨黉求蛰菸麓最大熬过载壤攀，帮p _ 蕊k 。满足翻s 鬟藤对要满足 新接纳用户和穗存在用户的q o s 。 假设在t 0 拜尊麴o ，j 、嚣有一个新睁两弱达，郡么在t 。+ 1 对刻瞻于o 小区 用户向l 和2 小区切换，以及l 小区和2 小区向0 小区切换对予q o s 的影 响造成的过载概率p o 簧小于p 0 0 s ；另外，对于1 小区和2 小区有相同的情 提，在秘t 时粼l ，j 、区( 或2 小区) 囱蓊后秀小区切换，和赘藤薅个小区 向1 小区( 或2 小区) 切换造成的过载概率也要小于p 0 0 s 。 2 二缎小区分布 麴辫2 。2 联零，奁= 缝夺送努毒孛，原理与一维穗黻。每今拳区鸯六个 j b 哀交通大学硕士掌链论文 相邻小区，镁设存在新殍明请求的0 小区商n 。个丽户，它韵相邻小隧( 1 小区6 小区) 分别霄n i ( i 一1 6 ) 个用户。 躲2 2二维小区分耀 设在埝+ t 时刻，鹰户默鹣戆缀率停整在零奎嚣，戬p 拶懿等概率分 别向六个相邻小区切换，停留概率如和切换概率p 。分别为： 霉= l 一e 巾+ 6 f ) 帮：霉一# 一“+ 6 f( 2 。) 圪= l 一芦 ( 挺) 璧p s + p m l 。 用户切换概率服从参数为h 的负指数分布，h 为切换速攀，用户离犴概 率腋觚参数为芦的负攒数分稚，f 为蜉硼离开逮翠。 在t 0 + t 时刻o 小愿的用户数概率分布是七个二项分布的凇积和，可以 近识为正态分_ 蠢g ( m 氇s 8 ) 。其均馕租拯准差分别先： 2 热+ ( 毪) 魏，6 ( 2 - 5 ) 嘞。群。热( 1 一热 + ( 善吩) 1 一致，6 ) ，6 2 ) 1 7 篱二二章基予耀产搂型静e a e 算法 过载概率玛可以由q 涵数表豕，根据鹣= p ( 醛，最终褥出o 小区接纳门 限| v ；。同样的方法得到1 6 小区的孵联，最后取一m i n ? 。 分布式算法，考虑稆邻小区磁户对于巾心小逸的影响，结合了新呼翻 到达小区和其相邻的小区的情况，通过简便的计算过载概率的算法，达到 了寅时的控制呼叫接纳、隈制小逡过载的目的，遴而保证了用户的q o s ， 增秀曩小区密曩，节省频率姿源。 2 0 3 小隧悫乡 腿户上行链路于捷分柢 系统内干扰分为本小区干扰与邻小区予扰。由于系统采用完美功率控 制，则本小区干扰为： k 。( 一塔 ( ”) 式中，n 袭示本小区内用户数，s 表示完美功率控制下移动台信号至4 达基站 时的功率。 图2 f 3 楣邻小避干扰分拯 而邻小区干扰如图2 3 所示，撩过测量掉频信母强度，可以得到移动台 劐这基菇j 戆距离，毅及移动套凄楚方囱焦疫转，裂移潮台l 鼷褒基浩f 的距离为： 彳t ( 厢) 2 + 一“狯s 疗 来表示，如图2 ，嘶示，生灭过程的特点是所有的 一步状态转移只发生在相邻状态之间，没有状态之间的跳变。设系统内有n 个。嚣o 鞭信深。 s 二s $ 定义乜= 已+ ，和t ；露。为在状态f 生和灭的概率，则该生灭过程的状 p ； 1 6 0 0 磊l 一龟一碡琏 碡l 一岛一鼋 d i + l1 一熟+ 1 一d f + 1包+ l o ( 2 - 1 4 ) 瑕设系统内有n 个0 n o 王翠模式信源，其巾有1 个缮源处于o n 状态 的概率为： 墨一g p ，l p 广。 ( 2 1 5 ) 繁二二章基予耀户模型鹣c a c 算法 有2 个傣源处于o n 状态的概率魏： = 睇p 2 ( 1 一p ) “2 戳既类推，系统内有i 个信源滔时处于o n 状态的概率为： 墨= ( 1 一p ) 1 。，雌= 毪半 帮： 气 2 5 呼叫接纳控翱 ( 2 1 6 ) ( 冬1 7 ) 2 - 1 8 ) 本文逶过对o n + o f 售源特经、软谚按特往爨及系统主彳亍链籍予撬清凝 的研究，通过数学建模的方法，采用掉线概率为判决准则提出新的呼叫接纳 羧涮算法。 2 s 1 分帮式夺区内外干扰诸算 l 、夺区静慧干撬谤篓 系统内千扰分为本小嚣于撬与邻小区予捷。本小区于扰可以重用户数魏 基站接收功率的乘积来表示，相邻小区用户干扰的计算则比较复杂。 夸区终饪一熙户对手孛心枣嚣簇菇豹予虢由公式( 2 - 9 ) 霹絮，凌手舞终 内用户随机处于o n 状态或o l 下状态，所以s 是随机变化，变化范围是【o h 。a x l 。 采用积分诗簿，胃激褥到秘标，j 、透萋菇受戮豹其它，j 、逛蘧户静总干扰： k 一芝铲1 尹辩+ 蒯 ( 蝴) 式巾，尹( x 表示鲻户密度，x 表示小区枣弩，醴表暴嚣耩夺区努瑟获擞元， 北京交通大学硕士学位论文 积分范围为藩称小区的六个裙邻，l 、区。 根据文献【2 5 l ，i o i h 。提高斯随机变量，瑕设功率、距离、阴影等因素栩互 独立。则其均值为： 碱= m 陟盼舻”艄】 = 副专卜p 一p 州 沓蚶p 协钏胂弓竽螗岛， = 扣伊“砰赡y 喏娥一厨警) 加m ( 2 2 0 ) 式中，辔取) = 8 ，压桩g 一27 磅；高斯随机变量的标准差s ：8 d b 。另外， 我们可以把m i 籁化成： m l 一 f ( ，盯) e 瞵】 式孛， ( 2 2 1 ) 批一划“ 1 0 ) n 0 9 坤”蛰弓蚩酬伊厨警泓 ( 2 - 2 2 ) 同瑗，i o l h 。，的方差可以表示为： 烨 l 溆l 第二章基于用户摸型的c a c 算法 口2 = 妇h l m ”】互玩r 【荟j f 案) q 0 舻“。p ( ，l 刎 4 荔j 小等) 怛阵2 忙p 2 嗡也”叫”卜怛陋旧缸引叩钟“0 】) 2 扣o ) 剃 。善j 小等) 怛陋2 弘p 妒州”5 卜陋】饵争钳州”】) 2 扣o ) 幽 = 妻鹏) “邪2 叫 2 西学蚍) - 厨半) 搿阳州1 0 ) 埘2 廿哼蚩龇一厨警黼脚、，2 盯 l u 并且可以简化成： 仃2 一 爿( ，盯) e 【s 2 卜口( 肛，口) e 2 【s 】 ( 2 2 4 ) 式中， 爿( 卢，盯) = e 扣州1 0 5 pr r 巴) 2 4 j ， r 中( 弓娑l g ( r o k ) 一孬堕璺p ( j 脚 心。2 5 、幻2 ， 丑( ，口) 一p 扣“o n 町2r r 仁) 2 “ j j ， ( 啬l g 眦) - 厨警m ，脚 妲2 6 由此可见，只有求出e 【s 】和e 【s 2 】，才能得到k 。的均值和方差。 2 、功率计算 假设用户处于o n 状态时，基站接收的功率为随机变量h ，则e b i o 可 以轰示柏1 2 6 1 2 8 北京交通大掌礤士学位论文 瓦 s | 鬏 ( 2 0 7 ) ot 3 “+ j 鼬k ，w + 璐 式中，h 为激活用户的接收功率，r 裘示o n 状态期的传输速率，w 为码 片速率，q 。表示蜚景噪声鳃谖密度，8 p + 心，表示爨掭小区内平均蛇激 活用户数，擞公式( 2 】1 ) 求姆，激活概率p 可出公式( 2 一1 3 ) 求褥e 假设系统要求e b m 的最小值为y ，即鲁r 为能够正常通佰的基本条 1 0 件条件。令譬；y ，可以推出基站接收功率h 的极限僮： j 0 s 。塑k 搿一嚣 ( 2 2 8 ) 式中，8 ；g ，y ，另终，g = w 煅表示处理增益。 税据公式( 2 2 8 ) 中，h 表示基站梭收功率，则宵两种可能使得系统达 不到要求。其一，如果n a ，h 出现氮缎，不符合要求；其二，s 【o s 。缸】 如果j l 啪且非常接j 厦，s 大于s 。的范围，使得系统达不到舞求。 在k = f 条 孛下艇豹分毒函数为： f o ， s o 嚣，删) 。 j 二触+ 疋爿苏+ 爿玉，o 蠛s s ( ：瑚) l1 ，s s 。 式中， o m l 8 一i | 一嘉冬融一0 一饕) ( 善o o ) 式中，矗( y ) 为小区外总干挠k h 。的飘零密度随数， 在n = f 条传下h 的概率密度函数为： 鬻二章基予髑户搂型懿c p 姑算法 歹s 妇。f ( s ) = 乓抽， ( 2 1 3 1 ) 则疋o ) 可以由下式得到： 删8 萎饥( s k ( 2 - 3 2 ) 最后，计算e 【s 】和e 【s 2 】： e 磷】2 一s 正( s ) 凼一p 善嘎f “s 壕舢，( s ) 如( 2 - 3 3 ) r一l# 帮抑墨矿脚凼 3 、迭代法求解和斫 ( 2 3 4 ) 由于s 和i o 岫互为已知条件，所以我们利用这代方法计算。具体步骤 魏下： 设m ，和z 的初值为o ； 计算e 【s 】和e 【s 2 】利用公式( 2 3 3 ) 和( 2 3 4 ) ； 秘溺公式( 2 2 0 ) 和( 2 2 3 ) 计算鹣和； 重复步骤墨曩 ，囊到葶珏误慧牧敛劐系统撂宠豹范塑恣戈止； 2 。5 0 计算小区捧线揍率 搏线概率是评饿c d 凇系统性能雏一顼重要指标，弓l 越系统内用户搀线 的原因很多，本文中着重分析研究由系统容纳用户过多，用户之间产生干扰， 萼| 起簿线豹猿凝。j 纛话瓣掩线摄率键摇识换簿线辍搴窝瓣瓣荣宽零袋裹予继 j e 豪交通丈学联士学位论文 遂容鳖褥产生戆撵线壤率( 馨瓷源不楚懿簿线) 。 由于移动静酌传输功率在系统中怒髓限的，在基予s l r 的( a c 判决巾， 我稻采髑掉线徽章 筝为潮决准爨| j ，捧线概率p 。可班出下式褥至# ： 如。魏 s 。沁芷越粉馨田+ 琢秘，磅 一扣( 生等丛) + 。蕃曦 2 5 0 呼嘲接纳控制 本文采用簿线概攀髂为呼蹦接纳判决准剐，薪麓户分两类：第一类跫 在小送内部嚣城发起孵叫请求；第二类楚在甥捺区域发越呼列。透照遗 个耨孵硼到达时，判决w 莜鞠下步骤： l 、翔鼗耨呼嘲璃户掰程小送是否撩够接纳这个毅蟹朝 通过计算掉线概率并与系统要求德相比较涞判断新蜉州掰在小区澄犊 缡韭乏蠲产，冀撵线穰攀楚否逐满足系统簧求。 2 、然嚣判叛薪呼酬是否处予切换暇域 翔莱新霜户处于内部区域，惩誉涉及韬挨问题，邋行步骤3 ；著耨用户 处手镯换送城樊l j 避孬步骧4 。 3 、判断六个相邻小透是喾会受劐新爝户影响。 诗冀籀邻小送麴撵线概率，在诗冀糖邻，l 、送鏊站受赫睁瑟q 掰在小送于 扰时，瑕设系绫已经按纳了这个新用户，诗葬该小区的掉线概率，著谯蓉 统要求范强国，帮撬洚耨用户不会等敬稳餐，j 、送摔线肇过低，翔胃接缡这 个薪粥户。 4 、翔断激瞪鞠鞠遮动速率釉方两 善l 第二章基于耀产摸壁鹃c 【a c 算法 假设毅用户程发起呼h 粗重，其运动速发和方向可知。遥度鸯o 兢v ，若 为速率为o ，则此用户不涉及切换问题，执行步骤3 ；若速率为v ，则判断 瑟矮户戆遮动方自，运动方蠢在赣箍户骶京熹羹孛心