（通信与信息系统专业论文）cdma蜂窝网络中呼叫接纳控制策略的分析研究.pdf

i e 塞窑煎太堂亟堂焦i 幺塞虫塞垴耍 中文摘要 随着移动通信业务所涵盖范围的不断扩大和用户数的快速增长，对通信质量 和系统容量提出了更高的要求，这使得移动通信系统中有限的无线资源和巨大的 使用需求之间的矛盾日渐突出。因此，移动通信系统中的无线资源管理技术备受 重视，本文主要对其中的呼叫接纳控制c a c 技术进行了研究分析。 首先对现有的接入控制算法进行了分类和介绍，分别介绍了进行接纳控制所 依据的不同参数。然后研究了c d m a 系统中的呼叫接纳控制策略，并重点对基于 预留信道机制的接纳控制算法进行了建模分析和数学仿真，并利用二维马尔可夫 分析方法，对基于预留信道和排队机制相结合的c a c 算法进行了较深入的研究， 分析了接入门限、缓存容量等系统参数与系统性能的关系。同时，还针对目前蜂 窝系统中新业务流的特点，针对目前的业务到达已不再适用泊松过程来表示的问 题，对接纳控制算法的业务流模型进行了初步探讨，并引用了马尔可夫调制泊松 过程的概念作为到达的业务流模型。在此基础上对预留信道的c a c 算法进行了建 模和仿真分析，对基于m m p p 到达的接纳控制算法和基于一般泊松过程的接纳算 法的进行了比较。仿真结果证明，马尔可夫调制泊松过程能够更准确的描述新业 务流的特性，获得更准确的系统性能参数。 关键词：呼叫接纳控制；预留信道；排队机制；马尔可夫分析；呼叫阻塞率；呼 叫掉线率；信道利用率 分类号：t n 9 2 9 5 j l 塞銮通盔堂亟兰僮i 金塞 曼s 卫i 丛蔓 a b s t r a c t a b s i i 己a c i j w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , m o r ea n dm o r ep e o p l ea r e r e q u i r i n gf o rs e r v i c e sv i at h el i m i t e dr a d i or & d o n r c e ，w h i l er a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ( r r m ) i sa ni m p o r t a n tw a yf o rs e t t l i n gt h ep r o b l e m c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ( c a c ) i s o n eo ft h em o s t i m p o r t a n t i s s u e sf o rr a d i o r 鹤o u r c e m a n a g e m e n to f m o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hm a k e st h ed e c i s i o no fw h e t h e ro rn o tt oa c c e p tt h e a r r i v i n g ( n e wo rh a n d o mc a l l sb a s e d0 1 1t h ep r e d e f i n e dc r i t e r i ac o n s i d e r i n gt h eu s e r s q o sa sw a l la st h eu t i l i z a t i o no f n e t w o r kr 姻o u r c e s t i l i st h e s i sf o c u s e so i lt h es t u d y i n g o fc a cs c h e m e si nc e l l u l a rw i r e l e s sn e t w o r k t ob e 西mw i t h , w eh a v eab r i e f i n t r o d u c t i o no fd i f f e r e n ts o r t so fc a c a l g o r i t h m sa c c o r d i n gt ot h ec r i t e r i o n st h a tt h e c a cb a s e do n s e c o n d l y , w ea n a l y z et h ec a cs t r a t e g i e si nc d m as y s t e m ，a n dt h e n e m p h a s i so nt h ea n a l y s i so fc a ca l g o r i t h m sw i mr e s e r v i n gc h a n n e l sb ym o d d i n ga n d s i m u l a t i n g w ea l s os t u d yt h ec a ca l g o r i t h mb a s e do nb o t hc h a n n e lr e s e r v i n ga n d q u e u i n gs c h e m e sb yt w o - d i m e n s i o nm a r k o va n a l y s i s f u r t h e r m o r e , s i n c et h en e wt r a f f i c f l o w si nt h ec e l l u l a rs y s t e mh a v es o m en e wc h a r a c t e r i s t i c st h a tb e y o n dt h ep o i s s o n a r r i v a lm o d e l ，w es t u d yt h en e wm o d e lf o rt h en e wt r a f f i cf l o w s i nt h i st h e s i s ，w e c h o o s et h em a r k o vm o d u l a t e dp o i s s o np r o c e s s ( m m p p ) a st h ea r r i v a lt r a f f i c a m a t h e m a t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i n go fc h a n n e lr e s e r v i n gc a cs c h e m eb a s e d0 1 1t h e m m p pa r r i v a lm o d e li sp e r f o r m e d r e s u l t si n d i c a t et h a tm m p pi sm u c hm o r ea c c u r a t e t h a np o i s s o na r r i v a li nt e r m so f s y s t e mc a p a b i l i t yp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ( c a c ) ；c h a n n e lr e s e r v a t i o n ；q u e u i n gs c h e m e ； m a r k o va n a l y s i s ；c a l lb l o c k i n gp r o b a b i l i t y ；c a l ld r o p p i n gp r o b a b i l i t y , c h a n n e lu t i l i t y c l a s s n 0 ：t n 9 2 9 5 致谢 本论文的工作是在我的导师荆涛副教授的悉心指导下完成的，荆涛老师严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。荆老师敏捷的思维和灵 活的工作方式，给我留下了难忘的印象。他和蔼可亲的悉心指导和务实干练的作 风处处影响着我。在此衷心感谢两年多来荆涛老师对我的关心和指导。 同时，感谢实验室王智教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习 上和生活上都给予了我很大的关心和帮助。王老师广博的学识、对问题的高度洞 察力，以及淡泊的作风乐观的生活态度，一直是我学习的典范。在此向王老师表 示衷心的谢意。感谢翟美云老师，研究生期间的两年多时间里，她在生活和学习 上给了我无微不至的关怀，并时时在思想上指导和鼓励我，感谢她的细心和宽容。 感谢刘亚伟、付立、刘莉博士对我的帮助，是他们每次的无私的指导和帮助， 使我的学习和工作得以顺利进行，特别感谢付立师兄的指导。感谢现代通信网实 验室的每一位同学，他们为我的论文工作做了很多帮助。与他们两年多的朝夕相 处，也培养了我们兄弟姐妹般的情谊。 再一次感谢我所有的老师和同学们，他们是我真正的良师益友，两年多的师 生情谊，将是我珍视一生的宝贵财富。 最后衷心感谢我的家人，感谢父母的理解和支持，是他们无私的付出使我能 够在学校专心完成学业，同时他们不断迎接挑战的精神激励我不断向前。感谢我 的好朋友们，是他们的真诚和友谊，让我两年多的研究生生涯丰富而有意义。 拙丞奎亟太堂亟堂焦论塞 l i 直 1 引言 1 1 移动通信系统的发展及现状 在短短二十多年的时间里，移动通信已经成为发展最为迅速的行业之一，尤 其是上世纪7 0 年代，美国贝尔实验室提出蜂窝小区的概念后，其影响规模及发展 速度更是突飞猛进，已经经历了三代移动通信系统。第一代移动通信系统是基于 模拟通信技术的蜂窝网络，所有蜂窝系统都采用频分多址( f d m a ) 调制技术，能提 供模拟话音和低效的低速率数据通信。虽然其蜂窝网络结构克服了大区制容量密 度低、活动范围受限的问题，但有模拟系统的容量小，频谱利用率低，保密性能 差以及不同系统之间不能相互兼容等弱点。第二代移动通信系统是数字蜂窝系统， 典型代表是欧洲的t d m a 体制的g s m ，和美国c d m a 体制的i s 9 5 系统，能够提 供最高9 6 k b p s 的数字话音通信以及基于电路交换的低速或中速的数据通信，是目 前主要使用的移动通信系统。但其系统容量仍不理想，且传输速率过低。虽然被 称为2 5 g 的g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os y s t e m ) 和e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t ef o r g l o b a le v o l u t i o n ) 系统增强了分组数据业务的传输能力，将最大传输速率分别提高 到1 6 0 k b p s 和3 8 4 k b p s ，但随着移动通信、数据通信和i n t e r n e t 的飞速发展与日益 融合，对带宽和容量等提出了更高的要求。目前受到广泛关注的第三代移动通信 系统采用了码分多址( c d m a ) 调制技术，能够提供3 8 4 k b p s 的数据速率，而室内的 固定无线用户最大达到2 m b p s 的传输速率。另外，第三代移动通信系统还为不同 的业务自动提供不同的带宽，能够支持语音，数据，图像以及多媒体等业务，具 有系统容量大、频率复用系数高、通信质量好、保密性强等特点，受到各国的重 视，进行广泛而深入的研究。 第三代移动通信系统，即国际移动通信系统i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e p h o n y 2 0 0 0 ) ，简称3 g 。2 0 0 0 年5 月全球无线电大会( w r c 2 0 0 0 ) 正式批准了“第 三代移动通信系统( i m t - 2 0 0 0 ) 无线接口规范”建议，其中有三大主流无线传输方案： w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 。w c d m a 即d s c d m a ，是由欧洲提出来 的基于第二代移动通信g s m 网络的宽带c d m a 体制。其扩频码速率为 3 8 4 m e h i p s ，载波带宽为5 m h z 。上下行链路都采用快速闭环功率控制技术，各基 站间无需同步，采用导频辅助的相干检测，支持不同载频间的切换。c d m a 2 0 0 0 即m c - c d m a ，是由美国提出的基于窄带c d m a 的i s 9 5 网络标准的多载波c d m a 体制。带宽为1 2 8 m h z ，码片速率为n x l 2 2 8 8 m e h i p s ( n 为载波个数，可取l ，3 ，6 ， 9 ，1 2 ) 。w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统均为频分双工( f d d ，( f r e q u e n c yd i v i s i o n 拙塞变道太堂亟堂位论塞l 曼i 畜 d u p l e x ) i 作模式，需要成对的频率规划，适用于室外高速移动环境，适合对称业 务。t d s c d m a 是由中国无线通信标准组织( c h i n aw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d , c w r s ) 制订的c d m a 体制。它采用直接序列扩频的码分多址技术和时分 模式，传输带宽为1 6 m h z ，码片速率为1 2 8 m c h i p s 。采用时分双工( t d d ，t i m e d i v i s i o nd u p l e x ) i 作模式，不需要成对的频率，适用于室内慢速移动环境，适合 不对称业务。与其它两种技术相比采用了智能天线、联合检测、上行同步及动态 信道分配，接力切换等技术，具有频谱使用灵活、频谱利用率高等特点，适合非 对称数据业务。 3 g 的主要有目标和特征是： 1 ) 全球统一频段、统一制式、全球无缝漫游。 2 ) 高频谱效率。 3 ) 支持移动多媒体业务。 l 。2 无线资源管理技术概述 移动通信系统中，用户数量的增多及业务量的猛增对系统容量的要求，一直 是系统研究的重点。第三代移动通信系统虽然采取了c d m a 多址技术、语音激活、 功率控制等技术，使其容量增至2 g 的4 6 倍。但随着无线用户的快速增长和多媒 体业务的大量需求，未来移动通信系统将走向高速宽带化，并向全i p 过渡，支持 视频、话音和数据等多媒体业务。这就需要对无线资源进行合理配置和管理，使 无线资源管理( r r m ，r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) 在3 g 系统的研究中备受重视， 并作为一个专门的课题提了出来。无线资源主要包括频率、码字、功率等。第三 代移动通信系统中的无线资源管理负责空中接口资源的管理和利用。它的核心问 题是保障各类业务满足服务质量( q o s ) 的前提下，尽可能地提高系统容量和资源利 用率。但由于3 g 系统中所提供的语音、数据、多媒体等业务特征的复杂性，以及 移动通信网络中存在的用户的移动性、无线带宽资源的稀缺性、多径衰落和阴影 衰落等多种不利因素，使得移动环境下保证用户的q o s 将比有线网络中要复杂得 多。3 g 系统中采用的无线资源管理主要包括功率控制、切换控制、呼叫接纳控制、 负载控制和分组调度等内容。下面就几个主要内容做简单介绍： 功率控制 功率控带1 ( p o w e r c o n t r 0 1 ) 是无线资源管理中的一个重要的问题。功率控制可以 克服远近效应，保证通信质量，而又不增加对其他用户的干扰。在f d m a 和t d m a 小区系统中，有限带宽的频率被划分成一定数量的信道。在这些系统中，只要共 信道干扰是可容忍的，每个小区所要求的载干比( c 瓜) 水平就能得到满足，一个小 2 i e 塞变通左堂亟堂焦i 金塞 l l 言 区中的信道就能被其它小区重用。而c d m a 系统是干扰受限的系统。c d m a 系统 中各用户共享系统频带，不仅存在着小区问的同信道干扰，还有本小区内的同信 道干扰，这些干扰都直接影响着系统的容量。若每个移动台到达基站时都能达到 保证通信质量所需的最低信噪比要求，c d m a 系统的容量将达到最大。因此功率 控制的主要目标是使得所有发射机以恰好能满足目标信干比( s 取) 要求的最低功率 发送信号，以此降低整个系统的同频和邻频干扰，最大化系统容量。接收功率电 平的目标值必须是链路能够满足用户定义的性能目标( 误比特率，容量，掉话率和 覆盖等) 的最小电平值。功率控制遵循功率平衡的原则，即接收到的有用信号功率 相等。功率控制的方法根据不同的标准分为集中式或分布式、同步或异步、发射 功率受限或非受限几类。 功率控制分为前向链路和反向链路的功率控制。前向功率控制是基于接收机 的误帧率对基站的某一个信道的发射功率进行慢速的调整。而反向功率控制则是 调整移动台的发射功率，以使基站接收机接收到的各移动台的反向链路信号功率 相同，从而克服“远近效应”；且能够满足系统信干比要求的最小值，节省移动台 的能量消耗，提高系统容量。反向功率控制由开环和闭环功率控制共同完成。开 环功率控制是移动台根据接收到的基站信号的强度来决定移动台的发射功率。但 是，由于前向和反向链路的不相关性，具有不同的衰落特性，用前向链路的损耗 代替反向链路的损耗是不准确的，因此，开环功率控制不够精确。闭环功率控制 是指，首先由基站测量所接收到的移动台的信噪比，并与门限值进行比较，根据 比较结果产生功率控制指令并发送给移动台，移动台根据基站发送的功率控制指 令来增加或减少其发射功率，从而达到功率控制的目的。 切换控制 由于用户的移动性和无线传播环境的变化，无线链路质量会动态地发生变化。 当移动用户从一个小区移动到另一个相邻小区时，改变与之连接的服务基站便发 生了切换。根据3 g p p 的定义，切换是指无线接入网改变提供承载业务的无线发射 装置或无线接入模式或无线系统，同时保证承载业务的q o s 达到一定的级别。切 换的类型包括硬切换、软切换和更软切换。硬切换是指移动终端先中断与旧基站 的连接，再与新基站建立连接，移动终端只能和一个基站通信。软切换是指移动 终端先与新基站建立连接，再中断与旧基站的连接，移动终端可以和一个以上的 基站通信。更软切换是指在同一个小区的不同扇区之间的切换。第一代和第二代 移动通信系统中，相邻小区之间使用不同的载波频率，适用硬切换技术，而c d m a 系统中由于相邻小区之间共用相同的频率，故采用软切换技术。软切换中，无论 移动台还是基站都不用改变频率。 切换控制也是无线资源管理中的一个非常重要的问题。由于采用了软切换技 3 术，处于软切换状态的移动台同时与多个基站保持连接，移动台有多个数字接收 机，同时关注来自多个基站的导频信号，并根据接收到导频信号的强度实时更新 候选集列表，同时与有效集基站保持连接，从而提高了通信链路的健壮性，保证 了用户通信的连续性，防止了切换呼叫掉话事件的发生，从而降低了系统的掉话 率。同时软切换可以避免硬切换中遇到的“乒乓效应”，减少阴影衰落累积，增加 上行链路的容量。但同时，由于移动台在软切换中与多个基站建立连接，占用了 更多的前向信道资源，同时增加下行链路的干扰。因此，需要对切换进行控制， 使处于软切换状态的移动台控制在一个合适的比例范围内。也就是说，软切换算 法对系统系能有直接的影响，对切换进行控制，是无线资源管理的一个重要内容。 切换控制包括参数控制和过程控制。采取不同的算法可以控制不同参数的选 择。不同的算法对有效集的选取有不同的方法，以及对各选取门限值的确定也各 不相同，例如，第二代i s 9 5 系统采用的是绝对门限，而第三代的w c d m a 系统 则采用相对门限。过程控制，根据执行切换发起和控制执行的主体不同，可分为 移动台控制的切换( m c h c ) ，网络控制的切换( n c h c ) 和移动台辅助控制的切换 ( m a h c ) 。其中移动台辅助控制被第三代移动通信系统所采纳。 负载控制 由于c d m a 系统是自干扰系统，系统内的各基站问以及各移动台之间的发送 功率，对其他用户来说都是干扰。当某个小区的业务负荷过高时，该小区内的移 动台和基站都将增加发射机的发射功率，导致基站和移动台接收机接收到的干扰 信号功率增加。当接收到的信噪比降至门限值以下时便造成呼叫中断，从而降低 了整个系统的服务质量。因此，保证系统的服务质量，就要确保系统不过载并维 持稳定。但仅仅依靠恰当的规划设计、呼叫接纳控制和分组调度功能还不能保证 这一点。这就需要无线资源管理中的负载控制，在系统过载时及时将系统迅速并 且可控地恢复到无线网络规划所定义的目标负载值，从而保障系统中用户的正常 通话。 负载控制又称拥塞控制，其功能是通过监测系统的资源利用情况、干扰情况或 信号接收质量等，在确定系统超负荷或预测到即将超负荷时采用一定的机制来降 低系统负荷，缓解或避免系统拥塞状态。负载控制能够将业务负荷尽可能地在各 基站问平均分配，使得移动台以满足通信质量要求的最小功率发送信号，则能够 降低整个系统的干扰，最大限度地提高系统容量和服务质量，使有限的空中接口 资源得到充分地利用。降低负载，可以通过对反向链路进行快速负载控制或降低 反向链路的e n 。目标值来实现。同样也可以将小区边缘的用户切换到相邻小区或 减少分组数据业务的吞吐量，甚至强制中断已有的通信连接等。与提前避免系统 超负载发生的接入控制相比，负载控制则是根据当i ；i 系统负荷进行及时调整的机 4 j b 立变通太堂亟望缝i 金塞l i 直 制，对于突发业务系统或状态变化较剧烈的系统，负载控制比接入控制更有效。 分组调度 在分组交换网络里，业务的q o s 要求通常包括分组延时( p a c k e td e l a y ) 、延时 抖动( d e l a yl i t e r ) 、吞吐量( t h r o u g h p u t ) 和分组丢失率( p a c k e t l o s sr a t e ) 等性能参数。 当有多个分组业务流等待接受服务时，必须确定合理的服务规则，安排流的服务 顺序和服务时间，以满足各个业务流的q o s 要求，这就是分组调度所要解决的基 本问题。它负责在分组数据用户之间分配可用的空中接口容量，确定用于每个用 户的分组数据传输的传输信道，并监视分组分配和系统负载。目前来说，分组调 度算法有时分、码分和基于发送功率等调度方式时分方式中每个时间容量调度 被分配给一个或几个用户这样一个用户可以有很高的比特速率但使用的时问很 短。对于特定的w c d m a 系统，最高时间分辨率是1 0 m s 长的帧，时分方式下用 户数增加时每个用户需要等待更长的时问才能传输。码分调度方式中大量用户可 以同时拥有低比特速率的信道。当激活的用户数量增加导致容量需求增大时，可 减少给单个用户分配的比特速率。基于发送功率调度方式下，分组数据比特速率 可以基于连接所需要的发送功率大小来进行分配。 呼叫接纳控制 c d m a 系统中各用户共享同一频段带宽，并通过p n 码不同的相位偏置来区 分不同的用户或基站，因此丰富的扩频码码字资源不是影响c d m a 蜂窝系统容量 的因素。虽然信道己不成为约束用户数的条件，但是c d m a 系统也有自己的资源， 也就是功率。由于c d m a 系统是一个自干扰系统，各个用户同时使用相同的领率， 小区中用户接收的干扰正比于小区内接入的用户数量，小区内用户数增加时，干 扰就会增加，新接入的用户就会影响已存在用户的通话质量。同时，用户数量的 增加还会引起小区的呼吸效应，因为过重的系统负载将使小区的覆盖区域下降到 规划值以下，导致处于小区边缘正在通话中的业务的服务质量下降甚至中断。所 以c d m a 系统的每个小区仍然是有其容量上限的。虽然对于c d m a 系统来说， 在一定范围内可以通过适量降低用户的服务质量为代价换取容量的增大，即 c d m a 系统的软容量特性，但系统仍有一个干扰容限上限，若超过该容限时还接 入新用户，将可能使所有用户无法正常通信。因此应当控制接入小区中的用户数 或者说负载。这就是呼叫接纳控$ l j ( c a c ，c a l la d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 所要完成的工作， 它也是无线资源管理的主要内容之一。 呼叫接纳控制的含义是指根据当前小区中干扰、负载、无线信道资源等情况， 并依据特定的接入控制准则，对呼叫接入请求进行接入或拒绝的判决，并给被允 许接入的呼叫分配无线信道资源。进行呼叫接纳控制时所依据的准则，即各种c a c 算法。制定c a c 算法时所遵循的基本原则是：在保证已有连接的服务质量的前提 5 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 能参数达到指定的要求。同时，由于c d m a 系统软容量等特性，制定呼叫接纳算 法时，还要充分考虑到其对周围小区的干扰影响，保证周围小区内已有连接用户 的服务质量。根据算法制定所面向的网络特性的不同以及所考虑的系统性能的侧 重点不同，c a c 算法有很多种，例如基于无线多媒体网络的c a c 算法，基于切换 呼叫优先的c a c 算法等等。同时，呼叫接纳控制还和无限资源管理中的切换控制、 负载控制等内容相结合，进行联合控制，更能够提高系统的整体性能。由于呼叫 接纳控制的重要性，对其的研究已经收到了广泛的关注和较深入的研究。 1 3 本文的主要工作及论文结构安排 本文主要围绕c d m a 系统中的接纳控制策略展开研究工作。首先研究了cd m a 系统中的呼叫接纳控制策略，并重点对基于预留信道机制的接纳控制算法进 行了研究。还针对目前cd m a 系统中新业务流的特点，对接纳控制算法的业务 流模型进行了初步探讨，并引用了马尔可夫调制泊松过程的概念作为到达的业务 流模型。仿真结果证明，马尔可夫调制泊松过程能够更准确的描述新业务流的特 性，获得更准确的系统性能参数。 第一章首先介绍了移动通信系统的发展及现状，并简要介绍了无线蜂窝网络 中的概率控制、切换控制、分组调度等无线资源管理技术。第二章主要介绍了c dm a 系统的基本概念、业务特点及所采用的关键技术，主要有ra ke 接收， 多用户检测等，并对c d m a 系统的容量受限问题进行了较为深入的探讨。针对前 向和反向链路的特性，对系统中的干扰和系统容量进行了分析。cdm a 系统具 有软容量的特点。第三章的主要内容集中在对现有接纳控制算法的介绍和分析比 较上。首先介绍了一般意义的呼叫接纳控制算法，从接纳控制的依据参数角度来 看，主要有基于用户数、负荷、带宽、干扰以及sir 等的cac 算法。然后对 cd m a 系统中的c a c 算法做了概括介绍，并重点介绍了基于预留保护信道策 略的cac 算法。第四章为本文的核心部分，主要分为三个部分。第一部分对目 前预留信道的cac 算法中的分离方案和共享方案进行了算法介绍，并重点进行 了分析比较和仿真。第二部分将预留信道机制和排队机制相结合，并用马尔可夫 模型对该算法进行了数学分析，最后得出了仿真结果。第三部分主要针对目前的 业务到达已不再适用泊松过程束表示的问题，进行了初步的探讨，并用m mp p 作为接纳控制算法的到达业务模型，在此基础上对预留信道的cac 算法进行了 建模和仿真分析，对基于m m p p 到达的接纳控制算法和基于一般泊松过程的接纳 算法的进行了比较。第五章对本文所做的工作进行一个全面的总结，并展望了需 6 要进一步深入开展的研究方向。 7 2c d m a 蜂窝网络系统的性能分析 2 1c d m a 蜂窝网络系统及业务概述 频分多址( f d m a ) ，时分多址( t o m a ) 和码分多址( c d m a ) 是在无线移动通信系 统中共享有限无线资源的三个主要接入技术。f d m a 系统中，将通信系统的总频 段划分为若干个等间隔的互不交叠的频道，且分配给每一位用户一个唯一的频段 或信道，这些信道按要求分配给请求服务的用户，并且在整个呼叫过程中，其他 用户不能共享这一频段。t d m a 系统是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割 成若干个时隙( 帧或时隙都互不交叠) 。根据一定的原则，将各个时隙分配给用户 使用，每一个时隙内仅允许一个用户，要么接收要么发射，即每一个用户占用一 个周期重复的时隙。也就是说，t d m a 中几个用户共享一个载波频率，且每一用 户利用不相互交叉的时隙。c d m a 系统不是根据频率或时隙来区分不同用户，而 是用不同的伪随机( p n ) 码序列进行扩频，每一位用户通过唯一的p n 码区分，且与 其它用户的p n 码正交。从频域或时域来看，多个c d m a 信号是相互交叠的，而 各信号的波形不同。图2 1 显示了三种基本的多址方式i lj 。 f d m a l _ 币嗣绱邂l 乍瑙不t d m a l 每个虢遵 用 cd m a ：键争弼产毒 配 嗣话缝 一争弼舞蚀厦嶷肿豫一个唯一的扩锸鹳 图2 - 1 三种多址方式 由于码分多址c d m a 技术具有容量大，保密性高，抗干扰性能好等优点，是 最有竞争力的多址连接技术，同时也是第三代移动通信系统所采用的无线接入技 术。c d m a 蜂窝系统由于采用了c d m a 的多址技术，在系统内多个码分信道共享 同一载频信道，各基站及各移动台通过扩频码区分。前向链路上提供包括导频信 道，同步信道，寻呼信道等在内的公共信道和若干个专用信道。公共信道向移动 台传送系统信息，其中，导频信道的信号强度是进行切换时的主要依据，导频信 道功率要高于用户信道功率。公共信道向移动台传送用户的语言，图像等业务数 据。反向链路中同样包含公共信道和业务信道。为了避免由于接收用户功率的不 同而引起的“远近效应”，在反向链路中对用户的传输功率进行了严格的控制，采 用开环与快速闭环相结合的功率控制来调整小区中用户的发射功率，以使得基站 所接收的信号具有相同的功率。由于c d m a 蜂窝系统自身所具有的干扰受限，软 容量等特性，以及基于c d m a 多址技术所采用的r a k e 接收，多用户检测，软切 换等特殊技术，它可以提供更大容量，更高速率以及更多种类的业务服务。 第三代移动通信系统可以为用户提供多种服务，除了传统的语音业务以外， 还能提供高带宽的服务用以传输高质量的图像和视频信息以及高速接入h l t 锄e t 服 务。根据其所承载的各种类业务的不同q o s 要求，将所有业务分为四个q o s n 别 2 1 ： 会话类( c o n v e r s a t i o n a lc l a s s ) 、流类( s t r e a m i n gc l a s s ) 、交互类( i n t e r a c t i v ec l a s s ) 和后台 类( b a c k g r o u n dc l a s s ) 。这些业务类型之间的主要区别在于对时延的敏感程度：会话类 业务是对时延非常敏感的业务；相对于会话类业务而言，流类业务虽然对时延有 一定的要求，但是由于采取了缓存机制，可以容许一定的时延；而后台类业务则 是最不敏感的。这四类业务的基本特征和典型应用如表2 - l 所示 表2 13 g 系统中业务分类 业务类型会话类 流类交互类后台类 实时业务，对延 请求响应模 可接受很长 实时业务，对 式，延时要求不 时和延时抖动的延时，但要 基本特点延时要求较高，但对数据完 要求严格，有延求很高的完 严格整性有较高要 时的上限要求 整性 求 e - m a i l 收发， 话音业务，视 i n t e r n e t 视频 应用举例网页浏览文件的后台 频电话等流 下载 不同的业务，除了在时延这个业务质量参数的要求不同外，对误码率、延时 抖动等参数的要求也各不相同，比如实时话音业务对时延敏感，但允许l o 。量级的 较高误码率，而非实时数据业务对时延不敏感，但要求极低的误码率，通常在1 矿 到1 0 4 量级。在本文中，为了便于分析研究，又不失一般性，将业务分为实时语音 业务和非实时数据业务两大类。 2 2c d m a 蜂窝网络系统的关键技术 9 r a k e 接收技术 在移动通信中，移动台与基站之间的环境复杂，到达接收机的信号不会是一 条路径来的信号，而是多径合成信号。在c d m a 系统中，由于其扩频码很好的相 关特性，在无线信道中传输时出现的时延扩展，可以看作只是被传输信号的再次 传送。所以在c d m a 蜂窝小区的基站和移动台，都采用r a k e 接收机来解决多径 问题，减少快衰落的影响。r a k e 接收机利用了信道中的多径时延，并根据c d m a 的相关特性，只要多径信号之间的时延差大于一个扩频码码片宽度，那么它们将 被视为非相关的噪声信号，从而利用多径信号加强接收效果，将所传输的延时信 号联合起来去改善链路质量。 一般的r a k e 接收机由一个搜索器( s e a r c h e r ) 、若干个叉指数据接收机( f i n g e r ) 和合并器( c o m b i n e r ) 组成。搜索器利用码的自相关及互相关特性完成路径搜索。每 一个数据接收机跟踪并分离基站中的某一径的接收信号，对其进行相关检测和解 调。数据接收机的个数决定了r a k e 接收机可以分集接收的路径数。合并器根据 一定的合成算法完成对多个解调器输出信号的合并处理，通用的合并算法有选择 性相加合并( s d ) 、等增益合并( e g c ) 、最大比合并( m r c ) 三种。合并后的信 号输出到译码单元，进行信道译码处理。 多用户检测 多用户检测( m u d ，m u l t i - u s e r d e t e c t i o n ) 也称联合检测和干扰消除( i c ) ，多 用户检测的概念最早是由德国的a k l e i n ，b s t c i n c r 等提出来的。由于在实际应用 中所使用的扩频码集并非完全正交的，因此各用户之间存在着多址干扰。然而由 于系统中所采用的扩频码是事先预知的，它们之间的互相关系数也是可知的。多 用户检测技术便是利用了这一点，在传统检测技术的基础上，充分利用多址干扰 中包含的接收机预先知道的信息，如用户信息间的互相关系数，对多个用户做联 合检测，从接收信号中减掉相互问干扰，有效地消除m a i 的影响，从而具有优良 的抗干扰性能。在理想情况下，应用多用户检测技术，系统的性能将接近单用户 时的性能。这显然消除了“远一近”效应的影响，可以简化用户的功率控制，降 低系统对功率控制精度的要求。并且由于m a i 的消除，用户在较小的信噪比下就 可达到可靠的性能，单用户信噪比的降低可以直接转化为系统容量的增加，因此 可以更加有效地利用无线频谱资源，显著提高系统容量。 智能天线 无线通信系统的空间资源是非常丰富的。智能天线技术利用天线阵的波束赋 形产生多个独立的波束，并自适应调整波束方向来跟踪每个用户，使信号的发射 由点对面的方式转变为点对点的方式，从而大大节省了发射功率，并减少了对系 统中其它用户的干扰，增大了系统容量。相当于为每个用户形成了一个可跟踪的 1 0 北哀变通太堂甄堂僮论塞2 旦4 蝰嚣匾垒丕统曲性能公扳 高增益天线。接收端天线的波束成形可采用先进的数字信号处理技术在强干扰的 来波方向形成零点，达到增强信号、抑制干扰，提高接收信噪比的效果，大的接 收信噪比允许用户以更大的速率发送，从而提高系统吞吐量和频谱效率。同理通 过窄波束发送和接收，智能天线还可很好的解决信号的多径衰落问题。综上所述 智能天线已被公认为新一代无线通信系统中提高频谱效率、解决功耗问题的关键 技术，在3 g 的w c d m a 。c d m a 2 0 0 0 以及t d - s d m a 等诸多系统中均采用了该技术。 但考虑到链路干扰特性及基站对天线阵列的功率、体积没有严格限制，一般只在 基站使用智能天线。 2 3c d m a 蜂窝网络系统的容量性能分析 一个无线通信系统的容量定义为一定频段内所能提供的信道数或用户数，它 是一个衡量无线通信系统频谱效率的参数。c d m a 系统不同于f d m a ，t d m a 系 统，其中f d m a ，t d m a 系统的容量主要受带宽的限制，而c d m a 系统中用于区 分用户的信息的扩频码码字相对较丰富，这些码字资源并不是限制系统容量的瓶 颈。真正限制c d m a 系统容量的因素是用户之间的干扰。干扰主要包括多址干扰 和高斯白噪声，干扰的大小与移动用户所在的位置、移动用户数、系统的无线传 播坏境以及系统的功率控制、呼叫接纳控制等无线资源管理算法有关。减少这些 干扰，就可以提高系统的容量。从另一方面看，在c d m a 系统中，当用户数增加 时，每一用户的链路性能就会降低。如何保证用户的服务质量，又尽量增加系统 的容量，为更多的用户服务，正是移动通信系统研究的主要问题，也是进行呼叫 接纳控制所遵循的原则。理解c d m a 系统的容量性能及其影响的各相关因素，有 助于对呼叫接纳控制的深入理解和研究。下面首先分别对c d m a 蜂窝系统的前向 和反向链路的容量性能进行简要分析。正如莳文中所强调的，c d m a 系统是干扰 受限的系统，分析系统的容量性能，需要首先从研究系统中的干扰及接收信噪比 入手。 首先回顾一下无线传输信道的传输特性。在无线移动环境中，信号存在着快 衰落和慢衰落，即小尺度衰落和大尺度衰落。其中，快衰落是由多径效应引起的， 可以通过前文中所介绍的r a k e 接收、信道编码等技术得到补偿，所以在下面的 无线传播损耗中将不考虑快衰落的影响。而大尺度衰落主要包括路径衰减和阴影 衰落两部分。对任意距离值d ，路径损耗p l ( d ) 为随机正态对数分布p 】： v l c d ) d b 】= p l c d ) + x ，= p l ( d o ) + 1 0 y l o g ( - 芋- ) + x ， 。o ( 2 1 ) 或p l ( d ) = 常数1 0 q 其中瓦( d 。) 为参考距离d o 处的路径损耗中值，丫为路径损耗指数，在自由空间， 丫取为2 ，在有障碍物时，t 变大。x 。为均值为0 ，标准差为。的高斯分布随机变 量，它是由周围的传播环境所决定的变量，描述了传播路径上的随机阴影效应。 为了简化分析，在下文的分析中忽略阴影衰减部分。则路径损耗正比于距离丫次 幂的倒数。 在对系统进行容量分析之前，对下文分析中所用的系统模型做如下假设： c d m a 蜂窝网络系统的服务区由若干个尺寸相同的六边形小区覆盖，且各小区的 系统参数均相同，即各小区具有相同的用户数m ，且具有均匀的空间分布；每个 小区均由一个处于小区中心的基站提供无线覆盖；发射机的发射功率相同，且处 于理想功率控制下。为分析方便，用脚标0 表示所研究的目标小区，k 表示其周围 的其他小区。 2 3 ，l 前向链路 前线链路中的干扰主要由同小区的干扰、邻区的干扰以及热噪声组成。前向 链路中移动台接收机接收到的总干扰和噪声功率为： itw=i。w+io。w+now(2-2) 其中w 为c d m a 信号所占的频谱宽度，i 。、i 。分别表示本小区和相邻小区 的干扰，n 。为热噪声谱密度。 由于前向链路中各信道是正交发射的，因此在理想情况下，前向链路中没有 同小区内的多址干扰，只存在多径时延。 k l 。j = e s 压 ( 2 3 ) k = l 州 上式表示对第j 径信号的同信道多径干扰功率。式中s 表示移动台收到的来自 本地基站的总接收功率，反为接收的共k 个多径分量中的第k 个多径分量的相对 功率比值。出于系统分析的目的，在公式中我们假设同小区干扰项i 。中只包含来 自本小区的多径干扰，而其他小区干扰项i 。则被当作没有多径来处理。那么移动 台接收到的来自其他小区基站的干扰i 。表示为： 。州玎 1 2 ( 2 4 ) j b 塞交通盔堂硒堂焦i 幺塞2 娅i 缝菡匾缝丕统的性能盆扳 其中为移动台到第i 个基站的距离，根据2 3 2 中所采用的坐标系，和移动 台与小区中心的位置相对距离r 和0 有关，同时也决定于两个小区间的距离西那 么根据2 1 l 式，t 可写为 子= r 2 + d ；- 2 r d c o s o , ( 2 - 5 ) 则目标小区中某移动台收到的其他小区的平均干扰功率与本地基站功率之比 为： k ：y l ：y f1 ：! 一：i ( 2 6 ) s 午o ( ，r ) 争【1 + ( d i r ) 2 2 ( d ；r ) c o s qj 。 图2 2 显示了t = 4 时，移动台在距离小区中心1 - - 0 2 r 和r - - 0 8 r 处所收到的平 均干扰功率与本地基站功率之比，其中r 为小区半径。移动台离小区中心越远， 即离小区边缘越近，受到的干扰越大，同时，在与小区中心距离相同时，所受到 的干扰功率值随0 的变化而周期性变化。 l 薯惟。删 1 讨一卜卜卜一髟- 胡一 ” | 葵 碧； ll 擎 i p ；。7 r ： l ，e ”? ：1 t 搠嘲 。 7r r “ ； 榭 2 3 2 反向链路 图2 - 2 移动台干扰与位置的关系曲线图 在反向链路中的干扰主要来自系统内的其他移动台，包括来自目标小区自身 及其周围其他小区内移动台的干扰。 首先研究来自目标小区内的其他用户的多址干扰。在理想的功率控制下，相 同业务的用户发送到达基站接收机的信号功率电平是相同的，表示为s 。对于某一 移动台的信号，基站b o 接收到的其他用户的信号来说即为干扰信号，则理想功控 下，任一用户信号的信噪比为： ss1 ，1 、 n s ( m 1 ) a ，( m 一1 ) q 上式用比特能量对噪声功率谱密度之比描述为： 一e b ： 型垦；婴! 垦 n o s ( m 1 ) q w ( m 1 ) q 考虑系统中的热噪声时，上式变为： e bw r- - 忡 n o ( m 1 ) 听+ ( n o s ) 其