（通信与信息系统专业论文）第三代移动通信系统的切换技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 随着移动通信中各种新业务的不断出现以及用户对业务类型和质量 要求的不断提高，充分利用有限的无线资源就显得更加重要，而切换算法 的优劣直接决定了系统服务质量的高低。 该文从第三代移动通信系统的主要特点及其实现的关键技术入手，深 入分析无线资源管理中功率控制、接入控制、信道分配、分组调度等相关 技术，明确了这些技术的相互关系，随后以切换技术作为研究的重点，对 切换的基本概念、基本流程、切换分类及典型的切换算法进行了研究，利 用马尔可夫状态模型，从理论上分析了单业务下的三种基本切换算法：无 优先权的越区切换方案、请求排队算法、资源预留算法进行了深入的研究 和比较，并且指出了这几种方案的优点和存在的不足。 传统的切换算法研究主要集中在语音单业务下的切换算法和状态模 型研究分析，对于多业务系统来说，已不能很好地满足现有通信的要求， 本文在以上研究的基础上，提出了灵活的保留优先级方案结合抢占优先权 方案的切换算法f r r p ：f l e x i b l er e s o u r c e sr e s e r v a t i o na n dp r e e m p t i o n 。在给出 算法基本思路和实现方法的基础上，通过建立相应的信道状态模型，进行 理论推导和分析，再利用编程计算，给出关键性能参数，并对相应的几种 算法策略进行了性能比较。数值计算结果表明，该策略是以语音业务性能 的微小下降换取了数据业务性能的明显改菩，系统资源利用率也有了显著 的提高，更适合于未来用户日益增多的数据业务。该改进算法可以根据小 区的业务类型情况，设置合适的参数，应用到多业务系统的切换中，尤其 是在数据业务速率要求灵活的地区，该算法能更好地提高系统信道资源的 利用率，增大系统的容量。 关键词：第三代移动通信，无线资源管理，多业务，切换策略，资源预留 抢占 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ha p p e a r a n c eo fn e wb u s i n e s sa n dt h ec o n t i n u a li m p r o v e m e n to fu s e r s r e q u e s t s o ns e r v i c e s t y p ea n dq u a l i t y i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n f u l l yu t i l i z i n gt h e l i m i t e d w i r e l e s sr e s o u r c e sb e c o m e se v e nm o r ei m p o r t a n t t h ep e r f o r m a n c eo fh a n d o f f a l g o r i t h m d i r e c t l yd e t e r m i n e st h el e v e lo ft h eq u a l i t yo fs e r v i c e s t h et e x tf i r s ti n t r o d u c e st h em a i nf e a t u r e sa n dk e yt e c h n i c a la s p e c t so ft h et h i r d g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m i n - d e p t ha n a l y z i n gt h e p o w e rc o n t r o l ， a c c e s s i n gc o n t r o l ，c h a n n e la l l o c a t i o n ，p a c k e ts c h e d u l i n g o fw i r e l e s sr e s o u r c e m a n a g e m e n ta n dt h e i rm u t u a lr e l a t i o n si nt h ew i r e l e s sr e s o u r c em a n a g e m e n t t h e n ，t h e k e yi sh a n d o f ft e c h n o l o g y t h i sp a p e rg i v e sa n a l y s i so f t h e b a s i cc o n c e p t s ，b a s i c p r o c e s sa n dc a t e g o r i e so ft h eh a n d o f ft e c h n o l o g ya n dm a k e sr e s e a r c ho ft y p i c a lh a n d o f f a l g o r i t h m t h e nu n d e rm a r k e rm o d e l ，t h i sp a p e rt h e o r e t i c a l l ya n a l y z e st h r e ek i n d so f b a s i ch a n d o f fs t r a t e g yu n d e ras i n g l eb u s i n e s s ：t h eh a n d o f fs c h e m eo fl e a p i n gd i s t r i c t w i t h o u tp r i o r i t y ，r e q u e s tq u e u i n ga l g o r i t h ma n dr e s o u r c er e s e r v a t i o na l g o r i t h m ，a n d c o n c l u d e st h e i ra d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g s t r a d i t i o n a lh a n d o f fs c h e m er e s e a r c hc o n c e n t r a t e di nt h es t a t em o d e lu n d e rs i n g l e v o i c es e r v i c e f o rm u l t i s e r v i c es y s t e m ，i th a sb e e nu n a b l et oe f f e c t i v e l ym e e tt h e d e m a n d so fc o m m u n i c a t i o n s b a s e do nt h ea b o v es t u d y ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h ef l e x i b l e a l g o r i t h mc o m b i n e dr e s o u r c er e s e r v a t i o na n dp r e e m p t i v ep r i o r i t y ：f l e x i b l er e s o u r c e s r e s e r v a t i o na n dp r e e m p t i o n ( f r r p ) b yg i v i n gb a s i c i d e a sa n dm e t h o d so ft h e a l g o r i t h ma n de s t a b l i s h i n gc o r r e s p o n d i n gc h a n n e ls t a t em o d e l ，a sw e l la st h e o r e t i c a l a n a l y z i n g ，p r o g r a m m i n gc a l c u l a t i o na n dt h ek e yp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，t h i sp a p e r c o m p a r e st h ep e r f o r m a n c e so f s e v e r a ls t r a t e g i e so fc o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m s t h e r e s u l t so fn u m e r i c a lv a l u ea c c o u n ts h o wt h a tt h i s s t r a t e g ye v i d e n t l yi n c r e a s e dt h e p e r f o r m a n c eo fd a t as e r v i c ei ne x c h a n g ef o ram o d e s td e c l i n eo fv o i c es e r v i c e s y s t e m r e s o u r c eu t i l i z a t i o ni sa l s om a r k e d l yi n c r e a s e d ；i ti sm o r es u i t a b l ef o ru s e r s i nt h e f u t u r ea si n c r e a s i n gn u m b e ro fd a t as e r v i c e s t h ea l g o r i t h mc a na p p l yt ot h eh a n d o f fo f m u l t i s e r v i c es y s t e m b ys e t t i n ga p p r o p r i a t ep a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o no f d i s t r i c t s b u s i n e s s e s p e c i a l l yi nt h ea r c so fd a t ar a t er e q u i r i n gf l e x i b i l i t y , t h ea l g o r i t h m c a nb e t t e ri m p r o v ec h a n n e l sr e s o u r c eu t i l i z a t i o na n di n c r e a s et h e c a p a c i t yo ft h e s y s t e m 重庆邮电大学硕士论文 k e yw o r d s ：t h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t 。m u l t i s e r v i c e ，h a n d o f fs t r a t e g y , r e s o u r c e sr e s e r v a t i o na n dp r e e m p t i o n m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废 整虫太堂或其他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谢 意。 学位论文作者签名。万至山 签字日期： 加。7 年莎月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重废整电太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 重废鲣电太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 丐至山 导师签名；为乏 签字日期： 沙c 1 7 年月驴日签字日期：协3 1 年6 月g ，日 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 第三代移动通信系统简介 第三代移动通信系统i m t - 2 0 0 0 是国际电信联盟( i t u ) 在1 9 8 5 年提出工 作在2 0 0 0 m h z 的频段、预期在2 0 0 2 年左右商用的系统，当时称为陆地移 动通信系统( f p l m t s ) 。i m t - 2 0 0 0 主要采用宽带c d m a 技术，这一点各 国己达成共识，目前，国际上最具竞争力的i m t - 2 0 0 0 无线传输技术主要 有两种：即日本和欧洲一些厂家提出的w c d m a 技术和北美提出的基于 i s 9 5 c d m a 系统的c d m a 2 0 0 0 技术。另外，我国也提出了具有自己知识产 权的t d s c d m a 系统。下面对这三种系统作简要的分析： w c d m a 技术 在欧洲，爱立信公司在c o d i t 计划中作为主要厂家最先对w c d m a 技术进行研究，后来在f r a m e 计划中继续研究开发。日本则是于1 9 9 4 年开始i m t - 2 0 0 0 无线传输技术的研究，在对国内征集到的无线传输方案 进行了两轮筛选的基础上，最后确定将n t td o c o m o 公司的w c n m a 综 合f d d ，t d d 方式作为日本的方案。如今这两家公司达成一致协议，将各 自的w c d m a 技术进行融合，最终形成了现在的技术。它的主要关键技术 是建立在窄带c d m a 的基础上的，但从避开i p r 和技术改进的角度在原 有的基础上又前进了一步。w c d m a 的技术特点有：可适应于多种速率的传 输，灵活地提供多种业务：b t s 之间无需同步；优化的分组数据传输方式： 支持不同载频之间的切换；上、下行快速功率控制：反向采用导频辅助的 相干检测，提高反向解调增益，提高功率控制准确性；充分考虑了信号设 计对e m c 的影响。 c d m a 2 0 0 0 技术 c d m a 2 0 0 0 是北美的l u c e n tm o t o r o l a ，n o r t e l ，q u a l e o m m 公司以及韩 国s a m s u n g 等公司联合提出来的基于i s 9 5 的候选系统。因为在北美和韩 国，i s 9 5c d m a 系统正走向大规模商用，考虑其大量的用户和系统设备， 为能与其充分地后向兼容，故提出了c d m a 2 0 0 0 的概念。它沿用了i s 9 5 的主要技术和基本技术思路，如帧长为2 0 m s ，采用i s 9 5 的软切换和功率 控制技术，需要g p s 同步等。但也做了一些实质性的改进，主要有：反向 信道采用连续导频；反向信道相干接收：前向发送分集；全部速率采用c r c 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 方式：充分考虑了信号设计对e m c 的影响。 由于北美地区的第二代系统尚未完全开展，而且第二代系统本身己经 能够满足相当长时间用户对数据业务的要求，所以最初参加c d m a 2 0 0 0 开 发研制的公司对i m t - 2 0 0 0 技术的研究并不十分的紧迫，但是目前他们已 意识到抓紧研究步伐的重要性。为了与i s 9 5 反向兼容，c d m a 2 0 0 0 在前向 信道上有两种实现方式，一种是多载波方式，一种是直接扩频方式。虽然 c d m a 2 0 0 0 在试验系统方面稍微落后了一些，但凭借在i s 9 5 方面的经验， 估计有可能会很快拿出比较成熟的试验系统。 t d s c d m a t d s c d m a 能够满足未来对第三代移动通信系统的要求，在室内、室 内，外环境下进行话音、传真及各种数据业务。t d s c d m a 中使用了直接 序列扩频的码分多址技术( t d s c d m a ，它的传输带宽为1 6 m h z ，码片速 率为1 2 8 c h i p s a t d s c d m a 采用了时分双工( t d d ) 的方式，因而前向和反 向链路可以使用相同的无线频率的同步时间间隔，前向和反向链路的信息 在物理信道的不同时隙相互发送。t d d 系统在满足i m t 0 2 0 0 0 要求的前提 下，同时具有如下特点：t d d 能使用各种频率资源，不需要成对的频率； t d d 适用于不对称的上下行数据产生速率，特别适用于i p 型的数据业务； t d d 上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便于使用诸如智能 天线等新技术，达到提高性能、降低成本的目的；t d d 系统设备成本较低， 将可能比f d d 系统低2 0 5 0 。 1 2 第三代移动通信系统的优点及其关键技术 第三代移动通信系统由于采用了c d m a 多址接入方式，使得它具有下 述优点： 具有软容量： 系统容量高： 抗干扰能力强，保密性好； 抗衰落，抗多径干扰； c d m a 系统在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低， 信号频谱扩展得越宽，功率谱密度越低，信号越隐蔽，因而可以与许多现 有的通信系统在同一频带上共存； 移动台发射功率低； 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 由于c d m a 系统容易支持非对称的上，下行链路结构，因此可以有 效地支持诸如i n t e m e t 接入等的非对称通信业务 虽然c d m a 系统有上述优点，但是由于同步不理想和码字不正交， c d m a 系统不可避免的存在多址干扰和符号间干扰，这限制了系统容量的 进一步提高，因此要求精确、迅速的多用户检测技术和功率控制技术。另 外，作为一个功率正反馈系统，在c d m a 系统中进行高速数据业务传输时 会造成很大的系统干扰，严重降低频带效率，因此需要高效的传输速率分 配技术的保证。同时还要采用各种分集技术以充分体现c d m a 技术的优越 性，如空间分集、频率分集、时问分集和路径分集，可变速率编码器，话 音激活和插空技术等 了解了c d m a 移动通信系统的优点之后，再来看看第三代c d m a 移 动通信系统采用的关键技术： 多天线技术。即是在发射端和接收端采用多根天线用于收发。多天 线技术实际上是空间通信技术之一，它与空时处理密切相关，空时处理就 是将时域处理和空间处理结合在一起。使用天线阵列和空时信号处理，可 以有效地提高系统的性能和容量，并抑制干扰，获得抵抗多径衰落的分集 增益。在c d m a 系统中得到广泛应用的多天线技术有：扇区天线、空间复 用天线( m i m o ) 、空间分集天线和智能天线技术，其中最受关注的是智能 天线技术，i t u 已明确将智能天线技术作为3 g 和第三代以后移动通信技 术发展的主要方向。 分集接收技术。分集接收是为了解决传统的蜂窝移动通信系统中的 多径引起的衰落而提出来的。c d m a 系统中不同的路径可以独立接收，从 而显著降低多径衰落的严重性。分集是减小衰落的重要方法，包括：时问 分集、频率分集和空间分集。 编译码技术。移动通信中，信源编码就是指话音与图像的数据压缩 技术。数据压缩的目的是在保证一定图像或话音质量的条件下，以最小的 数据率来表达和传送图像或语音信息。信源编码是产生信源数据的源头， 利用信源的统计特性，解除信源的相关性，去掉信源多余的冗余信息，以 达到压缩信源信息率，提高系统有效性的目的。到了第三代移动通信系统， 通信业务从单一的话音扩展到含话音、数据、图像等内容的多媒体业务。 信道编码主要分为两大类：差错控制编码和纠错控制编码。在3 g 系统中 除采用与i s 9 5 c d m a 系统相类似的卷积编码技术和交织技术之外，还建 议采用t u r b o 编码技术及r s 卷积级联码技术。 调制技术。在3 0 系统中，一般采用低阶调制方式，如b p s k 、q p s k 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 等，但是为了提高系统的吞吐量，当进行分组数据业务传输时，建议采用 更高阶的调制方式，并且能够自适应信道状况称之为自适应调制技术。自 适应编码调制技术包括r c p t ( r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r i n gt u r b oc o d e s ) 和 高阶调制( m s p k & m q a m ) 的结合、h a r q 和m i m o 等。 1 3 国内外研究现状及选题意义 移动通信中的切换是当用户在蜂窝的覆盖区域中移动时，正在进行的 呼叫从一个蜂窝转换到另一个蜂窝的过程。现在，无线移动网络已经成为 通信基础网络中非常重要的部分。在无线移动网络中，严重的带宽限制已 经迫使设计者将服务区域分为能够重复使用无线频谱的蜂窝。当移动设备 从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时，呼叫需要从一个基站切换到另一个基 站。很显然，这样的切换可能造成通话的中断，从而影响蜂窝系统的设计 和性能。 第三代移动通信系统中的一个主要特点是可以提供多种业务。多种业 务同时切换必然产生资源的分配问题，不同的业务对q o s 的要求也不一 样，语音业务要求低时延，数据业务要求低误码率，要了解各种业务对时 延、- 误码率等各种性能的要求，然后对不同的业务用不同的切换策略，才 能满足各种业务的需求。因此在一个提供多种业务的网络中，如何设计出 同时满足各种业务要求的切换策略和切换算法成为关键的研究问题。 目前有关切换技术的研究，主要集中在基于网络层和基于无线资源管 理两方面。如何实现快速的无缝切换，是第三代移动通信系统以及未来全 i p 移动通信系统的研究热点之一。网络层切换主要完成移动用户在同种网 络的不同小区或不同网络间进行切换时，通信链路的建立和路由选择，包 括重建路由切换技术、基于多播的切换技术和基于移动i p 技术的网络层切 换技术三种。网络层切换的重建路由算法主要分为三种，完全路由重建算 法川、部分路由重建算法【2 j 和路由延伸算法【3 1 。 而利用多播1 4 1 实现网络层切换的方法是：相邻两个网络间的边缘基站 划分为同一个多播小组，拥有相同的多播地址。采用多播技术的缺点是如 果网络间越区切换的业务量大，采用多播技术完成网络层切换会导致无线 信道带宽利用率的下降，增大网络开销。由此，基于技术的网路层切换机 制，适用于切换业务较小的系统【5 儿6 1 。 基于无线资源管理的切换技术主要包括两种基本算法，分别为呼叫请 求掉队算法【7 删及资源预留算法【9 】【1 们在第二种基本算法的基础上，为了 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 进一步完善切换机制下的q o s ，近几年又提出资源预留算法与接入控制算 法结合】，资源预留算法与动态信道分配结合，以及采用动态信道借用机 制等切换控制算法。 如何在恶劣的无线传播环境里以及用户运动且相互干扰的情况下为 各类用户提供q o s 保证，同时充分利用无线频谱资源，是第三代移动通信 系统以及未来无线个人通信系统必须解决的问题。为了更好地利用无线网 络特征，在充分利用无线系统有限带宽资源的基础上，尽可能的保证用户 数据的传输质量，需要对无线系统各类资源进行合理的管理与分配。多业 务环境下如何针对不同业务特征，进行无线资源的优化管理已经成为当前 无线通信领域中的一个重要课题，目前国际上针对这方面开展了大量的研 究，主要包括功率控制、速率分配、信道( 码字) 分配、呼叫接纳控制以及 队列调度等。对于广义的无线资源管理，还包括业务源建模、流量控制、 系统容量分析等。 基于c d m a 技术的第三代移动通信系统主要包括w c d m a 系统、 c d m a 2 0 0 0 系统和t d s c d m a 系统，其中w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统 采用频分双工的工作模式，适于室外高速移动环境，t d s c d m a 系统采用 时分双工的工作模式，适于室内低速移动环境。3 g 系统可以支持高达 2 m b p s 的分组数据业务，将为移动用户提供支持话音、视频、w e b 浏览、 文件传输、e m a i l 等多种业务，这些业务具有不同的传输速率( 从低速话 音到高速视频业务) 、不同时延( 实时业务与非实时业务) 等不同的业务质量 要求。而恶劣的无线信道是所有无线通信系统所面临的首要问题，由于用 户的移动和物体的阻挡造成的阴影衰落和多径传播的影响造成的快衰落， 导致接收信号起伏变化较大。由此引起无线信道较高的突发差错，物理信 道上的反复重传导致业务端到端时延不能保证。 这样切换时的呼叫就会既有话音呼叫也有数据、图像等呼叫。虽然对 数字移动通信系统而言，在无线传输前都要将各种业务变为数字数据，但 业务不同，对时延的要求不同，对掉话和阻塞等的敏感程度也不同，因而 对这种多业务类型的呼叫进行切换时就要选定优先权。另外，考虑到高速 数据用户例如：一个2 m b i t s 业务的数据用户在快速移向另一个小区时， 如果没有很快地将该小区加入到有效集，其2 m b i t s 业务产生的干扰( 特别 是由于此时目标小区不能对该用户进行功率控制) 将很快对目标小区的很 多用户的信噪比造成影响，从而引起掉话。因而有必要将高速率业务与低 速率业务综合来进行考虑，提出可行有效的多业务系统中的切换方案 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 。4 论文主要内容及结构 在第三代移动通信系统中。由于越区切换技术是已经成为无线蜂窝通 信网中的关键性。切换策略的好坏将直接影响到系统的性能以及资源的利 用率。而无线通信的资源尤其珍贵，因此好的切换策略为提高系统性能和 资源的利用显得更加重要。本论文致力于在已有的研究成果的基础上改进 相关的算法，并通过理论以及数值计算结果来分析改进算法的性能。 1 4 1 论文主要创新点 现有的越区切换算法通常给越区切换的呼叫提供优先权，这可以有效 地降低话音业务的强制中断概率。但这是以增加新呼叫阻塞概率为代价 的。在本文第四章中提到的资源预留算法和排队优先算法以及资源预留和 抢占结合算法，对于多业务环境，虽说语音切换中断概率降低了，但同时 无线信道资源的和用率有所下降，这些算法也不能保证不同类型的业务得 到公平的q o s 性能。 针对现有越区切换算法存在的一些问题，本文第四章提出了一种灵活 的可支持多业务类型的越区切换策略f r r p 。在最大限度地减小通话掉线 概率的情况下，该策略给具有越区切换请求的通话业务提供了“信道预留” 与“抢占优先”相结合的优先权策略。在该方案中，根据系统中剩余资源 变化来决定语音业务是否抢占数据业务的资源。同时，为了保证数据业务 服务质量的最低要求，方案中对数据业务规定了最小的分配信道数。整个 系统可以通过建立一个二维的m a r k o v 链模型来对性能加以分析通过第 五章的性能参数函数计算、分析结果表明，本文方案与信道预留和抢占优 先结合方案相比，是在较小影响语音新呼叫的阻塞概率和语音切换呼叫的 中断概率的情况下，使数据业务的阻塞概率明显改善。并提高了系统的资 源利用率，提供了较好的服务质量，根据不同地区的业务情况，可以设置 不同的参数，来适合灵活可变的数据业务。 1 4 2 本论文的主要结构： 第一章：概还了第三代移动通信系统的主要特点及其实现的关键技 术，并对当前有关切换的研究现象和意义做了简单概述 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第二章：简单分析了无线源管理平面中的几种关键技术，主要从功率 控制、接入控制、信道分配、分组调度以及切换控制等内容出发对c d m a 系统的无线资源管理进行了简单的概述。主要分析了这几个模块的概念， 分类和常用的算法，最后简单分析了切换与其他模块之间的关系 第三章：首先分析了不同切换准则下的不同切换的分类，并对各种类 型的概念做了简单描述。然后分析了切换的过程。以及移动通信的硬切换、 软切换、更软切换、接力切换和垂直切换。本章中，还重点对无线资源管 理下的切换技术的研究现状进行了简单分析并列举了几篇有代表性的参 考文献。然后分析了三种基本的切换策略以及各个策略的状态模型和理论 分析。 第四章：在该章节中，首先参考3 g p p 中的相关文献对多业务的类型 以及各个类型的特征做了相关的分析，然后对多业务系统中的切换算法进 行了总体性的分析，包括保留优先级方案、抢占优先权方案、带优先级资 源分配方案，以及保留优先级与抢占优先权相结合的方案。在以上几种方 案的基础上，本文提出了二- 种改进的根据剩余信道情况决定语音业务对数 据业务的信道抢占算法，并从不同的角度做了理论分析，以及数值计算性 能比较。 第五章：我们根据第四章的理论分析，设置不同的算法参数值，通过 编程来计算相应的重要的系统性能函数值，然后根据所的值进行作图，并 与资源预留、资源预留与抢占结合方案进行比较。通过比较得出，在我们 的方案中，话音的新呼叫阻塞概率、话音切换概率上性能稍低于资源预留 或预留与抢占结合方案。但数据业务的性能明显改善，系统总的资源利用 率有所提高。 第六章：概括性地总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向 7 重庆邮电大学硕士论文第二章无线资源管理概述 第二章无线资源管理概述 在无线移动通信系统中，无线资源是相当重要的。对于无线资源管理 而言，它是一个特别广泛的，它既可以是频率，也可以是时间。还可以是码字。 无论从哪个角度看，以移动通信为代表的无线通信系统都是资源受限的系 统，但是在全世界范围内移动通信用户的数量却是日益增长，与此同时用户 的需求也是不断增长的，可是如何有效的利用这些有限的资源来满足用户 数量和用户需求的增长，已经成为一个急待解决的问题。 无线资源管理就是移动通信系统的空中接口资源的规划和调度，在保证 一定的规划覆盖和服务质量的前提下尽可能进入更多的用户。其基本出发 点是在网络话务量分布不均匀、信道特性因信道衰落和干扰而起伏变化等 情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资源，最大程度 地提高无线频谱利用率，防止网络拥塞和保持尽可能小的信令负荷。无线 资源管理( 鼬m ) 的研究内容主要包括以下几个部分：功率控制、信道分配、 接入控制、分组调度、切换技术等，下面分别对以上这几部分进行初步分 析【1 30 1 4 2 1 功率控制 在第三代移动通信系统的三种国际标准中，都采用了c d m a 技术，但 c d m a 系统是一个干扰受限的系统，干扰的程度对系统容量的大小有严重 的影响，而且在该系统中所有用户均使用相同频段的无线信道和相同的时 隙，用户间仅靠地址扩频码的不同来区分不同的用户，也就是用地址扩频码 的互相关特性加以区分。若用户间的互相关值不为零，则用户问就存在干扰， 我们称这类干扰为多址干扰。除了多址干扰本身直接的影响之外，在上行 链路中如果保持小区内所有用户的发射功率相同，由于小区内移动台移动 的随机性，使得移动台与基站间的距离不同，距离基站相对近些的移动台的 接收和发送的信号就比较强。而距离基站相对远些的移动台的信号就弱 些，这样就会使远处的弱信号被近处的强信号所吞没，远处移动台的通信 质量难以保证，最终导致系统容量下降，引起通信质量恶化，这就是所谓 的“远近效应”：在下行链路中当移动台位于相邻小区的交界处时，收到所 属基站的有用信号很低，同时还会收到相邻小区基站的强干扰，这就是所 0 重庆邮电大学硕士论文第二章无线资源管理概述 谓的“边缘效应”。再由于电波传播过程中，由于大型建筑物的阻挡等原因， 就会形成“阴影效应”，产生了慢衰落。这些现象将会导致系统通信质量的 下降，严重时还会导致整个通信系统的瘫痪。而解决这些问题的一个最有 效的方法就是采用功率控制技术，它只要有两方面的作用：一是削弱干扰 的影响：二是使移动台的发射功率控制在满足信噪比要求的最低电平，这 样就既节约了发射功率，又减小了对其他用户的干扰，提高了系统的容量， 同时还可以延长移动台的待机时间。 2 1 1 功率控制的分类1 5 ，1 6 j 功率控制的方法有很多种，从不同的角度考虑就会有不同的功率控制 分类方法： 按通信的链路方向，功率控制可以分为前向链路功率控制和反向链 路功率控制； ， 按系统中功率控制的方式，功率控制可以分为集中式和分布式； 按形成环路的方式，功率控制可分为：开环功率控制、外环功率控 制和内环功率控制。 2 1 2 功率控制的算法准则 功率控制在c d m a 系统中发挥着很重要的作用，主要是通过功率控制 的算法进行控制的，衡量一个方法的优劣也主要是看该方法的算法是否可 靠、方便，算法的设计必须依据三个基本准则【1 7 】： 功率平衡：通过功率控制使接收端接收到的有用信号功率相等。 信噪比平衡：通过功率控制使接收端收到的信噪比( s i ) 相等。 误码率( b e r f e r ) 平衡：通过功率控制使接收端的误码率相等。 2 2 接入控制( c a c ) c d m a 系统与f d m a 系统和t d m a 系统有许多不同点。在基于 f d m a 和t d m a 的系统中，一个小区中的各信道之问不会造成相互的干 扰，且信道数是固定的。而在c d m a 系统中，各个用户使用相同的频率， 新加入的用户必定会产生对在线用户的干扰，所以在考虑系统级服务质量 的同时，更应该考虑在线用户的q o s 是否能够得到保证。c d m a 系统的 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线资源管理概述 另一个特征就是小区没有固定的容量，它要视相邻小区的业务量等其它因 素决定，具有软容量的特点。所以在对待呼叫请求时，不仅要考虑本小区 是否有足够的资源，还要考虑接纳呼叫对相邻小区的影响这个工作就由 接入控制来完成。接入控制的内容是指新用户到达接入呼叫或者业务请求 ( 如切换) 时，依据系统现状和一定准则判断是否允许接入系统，并且分配 相应的资源的过程，它是移动通信系统限制超负载的一种有效的手段，负 责新用户接入和老用户的切换接入阶段的负载控制，是一种在大尺度范围 内调节负载的手段。 接入控制与当前小区的业务状态密切相关，包括当前小区的负载、当 前剩余的可用空闲信道及其接口资源、发起接入的用户业务对资源的要求 和对相应q o s 的需求。但是小区的业务状态是动态变化的，它与系统中的 多种因素有关：例如用户的位置、业务类型、信道时交特性、已有小区的负 载、无线资源的限制、业务q o s 需求等。一种好的呼叫接入控制策略应该 尽量实现下面两个目标：保证已有连接的业务质量，使中断的概率保持在 既定的且标以下：在保证用户q o s 要求的同时，尽可能多的接入新呼叫 用户。以充分利用无线资源，使小区容量最大化【l “2 0 】。 - 2 2 1 接入控制的分类 对于接入控制按照不同的准则，接入控制( c a c ) 可以有多种不同的 分类【2 l 】： 按照接入准则划分 接入控制算法是根据一定的接入准则来判断一个新的用户接入请求 是否能够被系统所接受。从优化系统的性能以及算法的实用性角度来考 虑，我们可以将接入准则分为如下几种： 1 ) 可用的资源： 2 ) ( 等效的) 用户数目： 3 1s i r 或基站处所测量的干扰水平； 4 ) 基站处的发射功率； 5 ) 系统过载概率； 6 ) 其他，如降低的服务等级等 按照决策方式划分 按照无线网络中接入控制算法的决策方式，可以将其划分为分布式、 半分布式和集中式三种类型 重庆邮电大学硕士论文第二章无线资源管理概述 按照信息级别划分 根据算法执行时所依据的信息情况，又可将其划分为局部的、半局部 的、全局的。所谓局部的策略，是指接入控制算法仅仅根据本地的测量信 息来迸行判断，并不与其它的区域进行信息的交互。而全局的策略则是定 期地在各个区域交换信息这种方式有利于接入控制算法从整个系统地角 度做出判断，而不仅仅考虑当地用户地性能。但是，这种方式增加了信令交 互，也就使得系统地负载会增加正是因为这样，人们对全局和局部地方 式进行了折中，让信息在某一个区域内交换信息，减少信令的开销，那就 是半局部方式。 而在实际的应用之中，人们总是将决策方式和使用的信息级别加以组 合，根据系统的情况灵活地进行选择，几种具体地组台方式地比较如表2 1 所示 表2 1 集中组合方式的比较 决策方式，信 息级别 性能 复杂度 分布式局部没有信息地交互，是最 使用了比较少的信息 的简单的算法 分布式，半局利用大量的信息。是次 需要基站与基站之间的通信 部( 协作的)优的算法 半分布式。半 利用大量的信息，是次需要基站与交换机之间的通信。 局部优的算法略为复杂 集中式。全局利用了所有的信息是需要大量的基站与交换机之间 的最优的算法 的通信，最为复杂 按照自适应性划分 自适应就是指算法是否能够随着系统参数的变化，环境的改变以及负 载的状况，动态的改变门限值来改善系统的性能，最大程度地保证用户的 服务质量，从而提高系统对负载的承受力和稳定性。因此，根据接入控制 算法是否具有自动调整门限的能力，可以把接入控制策略分为固定门限策 略和自适应策略。 所谓固定门限策略，就是仅仅根据业务参数确定接入门限值，这种方 案比较简单，易于实现。 自适应接入门限的算法，其门限值取决于本地基站搜索到的信息，包 括业务信息和链路信息，能够根据业务和环境的变化动态地调整算法地门 限。 重庆邮电大学硕士论文第二章无线资源管理概述 按照性能分析方法划分 根据算法研究时所使用的性能分析方法，可以分为理论分析和数值计 算研究方法。 2 2 2 接入控制( c a c ) 的不同策略方法 基于s i r 分析的接入控制 。 用户q o s 是否能够得到保证直接取决于接收到的s i r 。在基于s i r 分 析的c a c 中，当呼叫到来的时候，系统计算新加入的用户和已经在线的 用户的s i r 是否可以达到期望的要求，如能达到则接纳呼叫，否则拒绝 接纳。基于s i r 的c a c 可以保证在线用户和新用户的q o s ，但是它仅仅 考虑了对新呼叫到来时执行控制算法，而没有考虑到切换呼叫的特殊性。 这样，另一个重要的系统级性能指标切换掉线率就无法得到有效的保证。 由于它在小区中没有给切换预留保护信道。这样当负载比较重的时候将 会导致切换掉线率的提高。可以在以上分析的基础上，在接纳呼叫的相邻 小区预留资源，保证切换掉线率达到系统性能指标的要求。 基于干扰分析的c a c 由于c d m a 系统是干扰受限的系统，所以基于干扰分析的c a c 也比 较有意义而基于干扰分析的实质仍然是使用户的s i r 达到目标值，以确 保用户的服务质量。在基于于扰分析的c a c 中，典型的做法是基于小区 用户数和干扰水平对呼叫的接纳与否进行控制，通常当用户数和干扰水平 达到定值时，就拒绝接纳呼叫。在考虑本小区的呼叫接入时同时也考虑 加入呼叫对相邻小区的影响，如相邻小区的干扰超过门限也会拒绝呼叫的 接入。而对于加入新呼叫后的干扰预测及呼叫处理则可以利用一些数学工 具来处理。 分别考虑上行和下行的c a c 在c d m a 系统中，由于下行数据都是同步发送的，而且不同用户用正 交码扩展，虽然信道的多径造成用户之间的正交性降低，但下行链路的容 量仍要高于上行链路的容量。所以在传统的c a c 中仅仅考虑了上行链路 的接入控制。而随着越来越多的业务是不对称的业务，下行链路正渐渐成 为容量受限的链路，在c a c 的设计中必须同时考虑下行的接入控制问题， 只有当上行和下行的c a c 都允许呼叫接入时，才能接纳呼叫。 对切换呼叫请求进行排队的c a c 不管系统如何设置，都会出现重负载的情况在负载比较重的时候， 重庆邮电大学硕士论文第二章无线资源管理概述 当切换请求不能马上得到满足时，可以进入队列进行排队，等待信道的分 配。这是一种延迟切换的方法，因为在c d m a 系统中采用软切换，在分 到一个新信道之前，现存的呼叫连接还可以维持一段时间，系统让切换请 求排队等待而不是拒绝它接入。对切换请求有不同的排队规则，可以采用 f i f 0 的方式，也可以根据优先级的高低来决定排队的顺序，如根据请求的 寿命，寿命短的排在队列头。通过切换请求排队可以提高一个切换成功的 概率，它是以提高呼叫阻塞概率为代价的，因为直到队列中的所有切换请 求都得到服务后新的呼叫才能分配到一个信道。 其它一些基于c d m a 系统的c a c 由于c d m a 系统软切换的特性，还发展出许多在重负载下利用此特 性的一些算法，它们的目的都是为了降低切换掉线率。如在重负载下借用 信道来进行切换的呼叫接入控制策移动中的用户需要切换时，如目的小区 缺乏资源完成切换，则向已经处于软切换状态但静止的用户借用连接目的 小区的那条信道来完成切换。它可以降低由于缺乏资源用于切换而造成的 掉线率。而在基于整体考虑的呼叫接入控制中，可以在对待切换呼叫时有 别于其它方法，即当呼叫到来，如果小区的用户达到一定的门限，进行快 速软切换，可以减少由于处于软切换所占用的附加资源。 在其它方面采用相同策略的条件下，如加上上面的两种方法，在重负 载的情况下，可以降低切换掉线率，而对阻塞率和用户的q o s 等几乎没有 影响。 2 3 信道分配 在无线通信系统中，为了将给定的无线频谱分割成一组彼此分开或互 不干扰的无线信道，使用了诸如频分、时分、码分等技术。对于无线通信 系统来说，无线信道数量有限，是极为珍贵的资源，要提高系统的容量， 就要对信道资源进行合理的分配，由此产生了信道分配技术。如何有效地 利用有限的信道资源，为尽可能多的用户提供满意的服务是信道分配技术 的目的。信道分配方案的主要性能评价指标有以下几种i ”j ： 呼叫阻塞率，即u e 由于当前没有信道业务资源，不能接入系统。进 行服务的概率。 通信中断概率，包括通信过程中业务质量下降所引起的通信中止概 率和越区切换失败概率。 通信分配时延，即分配方案的执行时间。 1 3 重庆邮电大学硕士论文第二章无线资源管理概述 信令业务负荷。 信道利用率。 用户满意率，即得到服务的用户根据在服务期间的服务质量q o s ， 对业务完成质量的评估。 2 3 1 信道分配算法 信道分配技术根据不同的标准可以分为不同的算法，下面主要介绍