（通信与信息系统专业论文）蜂窝移动通信系统的接入控制算法研究.pdf

摘要 摘要 随着未来蜂窝移动通信系统的结构越来越复杂和用户需求的业务越来越丰富，无线 资源管理在系统中的重要性也逐渐提升。接入控制技术作为无线资源管理首先需要解决 的环节，可以维持系统正常高效地运行，提高系统的容量，公平有效地满足用户各种业 务的q o s 要求。本文以接入控制问题为核心，对各种移动通信系统中的接入控制算法进 行了研究。 本文的主要内容如下所示： 第一章首先介绍了移动通信系统的发展历史与现状，然后概述了移动通信系统中的 无线资源管理以及接入控制技术。 第二章对容量资源受限系统的特点进行了分析；建立了接入控制问题的系统模型； 针对传统的d t b r 接入控制算法的某些缺点，提出了t t b r 算法，该算法为切换数据业 务预留资源来提高其接入概率：之后又考虑到数据业务对接入延时的敏感性较低以及数 据流可以接受一定的延迟抖动，提出了t t b r d q 算法，该算法加入了排队机制，并且 基于等待时间拒绝接入请求；最后对d t b r 、t f b r 和t r b r - d q 三种算法进行仿真， 仿真结果表明：t t b r 和t t b r d q 算法的系统综合性能优于传统的d t b r 算法，并且 t t b r d q 算法在不同性能指标之间具有较好的折中。 第三章首先分析了容量干扰受限系统的特点：然后建立了具有随机激活特点的业务 模型和系统的干扰模型；接着分析了基于负载估计的传统的接入控制算法，指出了该算 法浪费系统资源等缺点，之后又考虑到各个业务的激活因子以及q o s 要求对业务中断概 率的限制，提出了一种新的基于中断概率的多业务接入控制算法；最后通过数值仿真验 证了所提算法的优势。 第四章首先指出了t d s c d m a 系统是容量资源和干扰同时受限的系统；然后分析 了系统中的智能天线模型和干扰计算模型；接着介绍了传统的t d s c d m a 系统的接入 控制算法，并且指出了传统算法中对智能天线建模比较粗糙的缺点；之后提出了一种新 的基于多维负载估计接入控制算法，该算法将一个小区划分为若干个扇形区域，利用智 能天线的近似模型，分别对每个扇区的负载进行估计，从而根据发出接入请求的用户所 在扇区的负载水平进行接入控制；最后对传统的接入控制算法和本章所提的接入控制算 法进行仿真，仿真结果表明：所提算法可以较好地抑n d , 区外热点区域所带来的本小区 系统性能的下降，但是对于小区内存在热点区域的场景却没有较高的性能增益。 第五章首先介绍了智能天线的工程模型，并且在该工程模型的基础上推导了 t d s c d m a 系统中用户s i n r 的计算公式；然后说明了t d s c d m a 系统中快速d c a 技术对接入控制的重要性，建立了二者的联合优化模型；接着针对该模型提出了贪婪算 法和模拟退火算法，贪婪算法每次将新接入用户分配到用户数最少的时隙中，模拟退火 i 算法在贪婪算法的基础上引入迭代机制，尽可能地调整s i n r 最小的用户，以及让同一 时隙中不同用户在水平方向上的夹角尽可能地分散；最后在多小区的场景下对本章所提 的两种算法进行仿真，仿真结果表明：模拟退火算法的业务阻塞概率和系统效用均优于 贪婪算法，并且小区内热点区域的引入不仅使得两种算法的接入性能有所下降，而且还 使得模拟退火算法的接入性能较贪婪算法的改善程度有所降低。 第五章对全文进行了总结。 关键词：无线资源管理；接入控制；容量资源受限；容量干扰受限：m a r k o v 链；中断 概率；多媒体业务；q o s ；t d s c d m a ；智能天线；贪婪算法：模拟退火算法 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hm o r ec o m p l e xs n 眦t i l r eo fc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nt h ef u t u r ea n d m o r ea b u n d a n tt r a f f i c st h eu s e r sn e e d ，t h ei m p o r t a n c eo fr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ( r r m ) e n h a n c e sg r a d u a l l y c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ( c a c ) ，t h ef i r s ts t e po fr r m ，c a nm a i n t a i nt h e s y s t e mn o r m a l l ya n de f f i c i e n t l y , e n h a n c et h ec a p a c i t yo fs y s t e ma n ds a t i s f yt h eq o sd e m a n d s o fr e s p e c t i v et r a f f i c s f o c u s i n go nc a c p r o b l e m , t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e sc a ca l g o r i t h m si n d i f f e r e n tm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 1 f 1 1 em a i nc o n t e n t sc a l lb es u m m a r i z e da sf o l l o w ： i nt h ef i r s t p l a c e ，c h a p t e r li n t r o d u c e st h e h i s t o r ya n da c t u a l i t y o fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n a d d i t i o n a l l y , r r ma n dc a c a r ed e p i c t e dg e n e r a l l y i nc h a p t e r2 ，f e a t u r e so ft h es y s t e mc a p a c i t yo fw h i c hi sc o n s t r i c t e db yr e s o u r c ea r e a n a l y z e d m o r e o v e r , t h es y s t e m a t i cm o d e lo fc a c i se s t a b l i s h e d f u r t h e r m o r e ，i no r d e rt o c o n q u e rt h ed i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a ld t b ra l g o r i t h m , t i b ra l g o r i t h mi sp r o p o s e d ， w h i c hr e s e r v er e s o u r c ef o rh a n d o f fd a t at r a f f i ci no r d e rt oe n h a n c ei t sc o n n e c t i o np r o b a b i l i t y a sd a t at r a f f i ci sn o ts e n s i t i v et ot h ed e l a yo fa d m i s s i o na n dd a t as t r e a mc a l la c c e p tac e r t a i n v a r i a t i o no fd e l a y , t h ea u t h o ra d d st w oq u e u e st of o r mt t b r - d qa l g o r i t h m ，w h i c hr e f u s e s u s e ra c c o r d i n gt ot h ew a i t i n gt i m e f i n a l l y , s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es y n t h e t i c a l p e r f o r m a n c eo ft t b ra n d t b r - d qa l g o r i t h mi ss u p e r i o rt ot r a d i t i o n a ld t b ra l g o r i t h m a d d i t i o n a l l y , t t b r d qa l g o r i t h mi sab e t t e rc o m p r o m i s ea m o n gt h er e s p e c t i v et a r g e t so f p e r f o r m a n c e i nc h a p t e r3 t r a f f i cm o d e lo fr a n d o ma c t i v a t i o na n di n t e r f e r e n c em o d e li se s t a b l i s h e d f i r s t l yw i t ht h ef e a t u r e so ft h es y s t e mc a p a c i t yo fw h i c hi sc o n s t r i c t e db yi n t e r f e r e n c e m o r e o v e r , i no r d e rt oa v o i dt h el i m i t a t i o no ft h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m an o v e la l g o r i t h mi s p r o p o s e d ，w h i c hc o n s i d e r st h ea c t i v i t yf a c t o ra n dw h e t h e rt h eo u t a g ep r o b a b i l i t i e so f r e s p e c t i v e t r a f f i c sc a nc a t e rf o rt h en e e d so ft h e i rq o sd e m a n d s f i n a l l y , s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a tt h ea l g o r i t h mm e n t i o na b o v ei ss u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a lo n e c h a p t e r4i n d i c a t e st h a tt h es y s t e m a t i cc a p a c i t yi nt d s c d m ai s c o n s t r i c t e db y i n t e r f e r e n c ea n dr e s o u r c ei nt h ef i r s tp l a c e m o r e o v e r , s m a r ta n t e n n am o d e la n di n t e r f e r e n c e m o d e li sa n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，c o n s i d e r i n gt h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a la l g o r i t h m ，t h e a u t h o rp r o p o s e dan o v e la l g o r i t h mt h a ts p l i t sc e l li n t os e v e r a ls e c t o r sa n dc o n t r o lc a c 、加m t h ee s t i m a t i o no fi n t e r f e r e n c ei ne a c hs e c t o r f i n a l l y , s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e n o v e la l g o r i t h mc a l ll i m i td e s c e n do fp e r f o r m a n c eo f c o r m e c t i o na sar e s u l to fo u t s i d e c e l lh o t s p o t b u tw h e nt h eh o ts p o tl o c a t e si nt h ec e l l ，t h en o v e la l g o r i t h mc a n n o tp e r f o r mw e l l b a s e do nt h ea c t u a lm o d e lo fs m a r ta n t e n n ai np r o j e c lc h a p t e r5 d e d u c e st oc a l c u l a t et h e f o r m u l ao fu s e r ss i n ri nt d s c d m a s y s t e mi nt h ef i r s tp l a c e m o r e o v e r , a sd c ap l a y sa l l i m p o r t a n tr o l ei nc a c ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eo p t i m i z a t i o np r o b l e mb e t w e e nd c a a n d c a ci se s t a b l i s h e d f u r t h e r m o r e ，t h eg r e e d ya l g o r i t h ma n ds i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h mi s a b s t i t a c t p r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e mm e n t i o n e da b o v e n eg r e e d ya l g o r i t h mp u t st h en e wu s e ri n t o t h es l o tw h i c hc o n t a i n st h el e a s tu s e r s b a s e do nt h eg r e e d y a l g o r i t h m t h es i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h ma d o p t st h em e c h a n i s mo fi t e r a t i o ni no r d e rt oj u s t i f yt h eu s e rw h o s es i n r i st h el o w e s ta n dd i s p e r s ea l lt h eu s e r si nt h es a m es l o ta c c o r d i n gt ot h ea n g l e si nh o r i z o n t a l d i r e c t i o n f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nr e s u l t si nm u l t i c e ui n d i c a t et h a tt h eb l o c k i n gp r o b a b i l i t yi n s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h mi sl o w e rt h a nt h a ti ng r e e d ya l g o r i t h m a d d i t i o n a l l y , t h eh o t s p o tn o to n l yj e o p a r d i z e st h ec a cp e r f o r m a n c e so ft w oa l g o r i t h m s ，b u ta l s ow e a k e n st h e i m p r o v e m e n to fs i m u l a t i o nt h ea n n e a l i n ga l g o r i t h mc o m p a r e dt ot h eg r e e d ya l g o r i t h m t os u mu p ，c h a p t e r5c o n c l u d e st h ed i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：r r m ，c a c ，c a p a c i t yl i m i t e db yr e s o u r c e ，c a p a c i t yl i m i t e db yi n t e r f e r e n c e ， m a r k o vc h a i n , o u t a g ep r o b a b i l i t y , m u l t i m e d i a , q o s ，t d - s c d m a ，s m a r ta n t e n n a , g r e e d y a l g o r i t h m ，a n n e a l i n ga l g o r i t h m 插图目录 插图目录 图1 1无线资源管理的系统框图4 图1 2 容量资源受限系统中接入控制算法的分类8 图2 一ld t b r 算法原理图1 4 图2 2d t b r 算法状态转移图一子图一1 4 图2 3d t b r 算法状态转移图子图二15 图2 - 4d t b r 算法状态转移图子图三1 5 图2 5d t b r 算法状态转移图一子图四15 图2 - 6d t b r 算法状态转移图子图五1 6 图2 7d t b r 算法状态转移图一子图六1 6 图2 8d t b r 算法状态转移图子图七1 6 图2 - 9t t b r 算法原理图17 图2 1 0t i b r 算法状态转移图一子图一1 8 图2 11t t b r 算法状态转移图一子图二18 图2 1 2t t b r 算法状态转移图子图三1 9 图2 1 3t t b r 算法状态转移图子图四1 9 图2 1 4t t b r 算法状态转移图一子图五1 9 图2 15t t b r 算法状态转移图一子图六2 0 图2 1 6t t b r 算法状态转移图一子图七2 0 图2 1 7t t b r 算法状态转移图子图八2 0 图2 1 8t t b r 算法状态转移图子图九2 1 图2 1 9t t b r d q 算法原理图一2 2 图2 2 0i q b r - d q 算法的状态转移图一2 3 图2 2 1场景一中切换语音业务的阻塞概率随语音业务呼叫强度的变化曲线2 5 图2 2 2 场景一中新语音业务的阻塞概率随语音业务呼叫强度的变化曲线2 6 图2 2 3 场景一中切换数据业务的阻塞概率随语音业务呼叫强度的变化曲线2 7 图2 2 4 场景一中新数据业务的阻塞概率随语音业务呼叫强度的变化曲线2 7 东南大学硕士学位论文 图2 2 5 场景一中信道利用率随语音业务呼叫强度的变化曲线2 8 图2 2 6 场景一中系统综合效用函数随语音业务呼叫强度的变化曲线2 9 图2 2 7 场景二中切换语音业务的阻塞概率随数据业务呼叫强度的变化曲线2 9 图2 2 8 场景二中新语音业务的阻塞概率随数据业务呼叫强度的变化曲线2 9 图2 2 9 场景二中切换数据业务的阻塞概率随数据业务呼叫强度的变化曲线3 0 图2 3 0 场景二中新数据业务的阻塞概率随数据业务呼叫强度的变化曲线3 0 图2 3 l场景二中信道利用率随数据业务呼叫强度的变化曲线3 0 图2 3 2 场景二中系统综合效用函数随数据业务呼叫强度的变化曲线3 0 图3 1业务激活期示意图3 2 图3 2 容量干扰受限系统中传统接入控制算法流程图。3 4 图3 3 容量干扰受限系统中所提接入控制算法流程图。3 6 图3 - 4 业务一的阻塞概率随业务一呼叫强度的变化曲线。3 8 图3 5 业务二的阻塞概率随业务一呼叫强度的变化曲线一3 8 图3 - 6 业务一的阻塞概率随业务二呼叫强度的变化曲线一3 9 图3 7 业务二的阻塞概率随业务二呼叫强度的变化曲线。4 0 图4 1t d s c d m a 系统的帧结构示意图4 2 图4 2 智能天线的精确模型4 4 图4 3智能天线的近似模型4 5 图4 4t d s c d m a 系统的干扰计算模型示意图4 5 图4 5t d s c d m a 系统中传统接入控制算法流程图4 8 图4 6t d s c d m a 系统中m d l e 接入控制算法中扇形区域的划分4 9 图4 7t d s c d m a 系统中m d l e 接入控制算法流程图5 0 图4 8t d s c d m a 系统中场景一示意图5 l 图4 9 场景一中业务的阻塞概率随其呼叫强度的变化曲线。5 2 图4 1 0 场景一中业务的中断概率随其呼叫强度的变化曲线5 3 图4 1 l 场景一中业务的阻塞概率随小区内划分的扇区数的变化曲线5 4 图4 1 2 场景一中业务的中断概率随小区内划分的扇区数的变化曲线5 4 图4 1 3t d s c d m a 系统中场景二示意图。5 5 图4 1 4 场景二中当负载门限预留因子为0 7 时业务的阻塞概率随其呼叫强度的变化 曲线5 5 x 插图目录 图4 一1 5 场景二中当负载门限预留因子为0 7 时业务的中断概率随其呼叫强度的变化 曲线5 6 图4 一1 6 场景二中当负载门限预留因子为0 7 5 时业务的阻塞概率随其呼叫强度的变化 曲线5 7 图4 1 7 场景二中当负载门限预留因子为0 7 5 时业务的中断概率随其呼叫强度的变化 曲线5 7 图4 1 8t d s c d m a 系统中场景三示意图5 8 图4 1 9 场景三中业务的阻塞概率随热点区域的中心到基站距离的变化曲线5 8 图4 2 0 场景三中业务的中断概率随热点区域的中心到基站距离的变化曲线5 9 图4 2 1t d s c d m a 系统中场景四示意图5 9 图4 2 2 场景四中业务的阻塞概率随热点区域对应本小区基站圆心角的变化曲线6 0 图4 2 3场景四中业务的中断概率随热点区域对应本小区基站圆心角的变化曲线6 l 图5 1智能天线的波束赋形图6 4 图5 2t d s c d m a 系统中d c a 和接入控制的联合优化模型一6 6 图5 3 表示业务q o s 满意度的效用函数。6 7 图5 - 4t d s c d m a 系统中贪婪算法流程图6 9 图5 5t d s c d m a 系统中模拟退火算法流程图7 2 图5 6 基于d c a 的接入控制算法中场景一示意图7 4 图5 7 场景一中业务阻塞概率随业务呼叫强度的变化曲线一7 5 图5 8 场景一中系统效用随业务呼叫强度的变化曲线。7 5 图5 9 基于d c a 的接入控制算法中场景二示意图7 6 图5 1 0 场景二中业务阻塞概率随业务呼叫强度的变化曲线7 7 图5 1 1场景二中系统效用随业务呼叫强度的变化曲线7 7 表格目录 表格目录 表1 1移动通信系统中的业务类型6 表2 ，l容量资源受限系统接入控制算法的仿真参数一2 4 表3 ，l 容量干扰受限系统接入控制算法的仿真参数一3 6 表4 1t d s c d m a 系统接入控制算法的仿真参数5 0 表5 1 模拟退火算法步骤。7 0 表5 2t d s c d m a 系统中基于d c a 的接入控制算法的仿真参数。7 3 缩略语 1 g 2 g 3 g 3 g p p 4 g a m p s c a c c d 【a c p c s d c a d o a d t b r d p e d g e f d 【a g p r s g s m h s d p i a h s u p a m d l e m i m o o f d m o f d m a p c q o s r r m s d m a s 胍 t a c s t d m a 缩略语 l 吼g e n e r a t i o n 2 “dg e n e r a t i o n 3 坩g e n e r a t i o n 3 gp a r t n e r s h i pp r o j e c t 4 t l ig e n e r a t i o n a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m c a l la d m i s s i o nc o n t r o l c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o m p l e t ep a r t i t i o n i n g c o m p l e t es h a r i n g d y n a m i cc h a n n e la s s i g n m e n t d i r e c t i o no f a r r i v a l d u a lt h r e s h o l db a n d w i d t hr e s e r v a t i o n d y n a m i cp a r t i t i o n e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s h i 曲s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s h i 曲s p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s m u l t i d i m e n s i o nl o a de s t i m a t i o n m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s p o w e rc o n t r o l q u a l i t yo fs e r v i c e r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m n m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 第一代移动通信系统 第二代移动通信系统 第三代移动通信系统 第三代合作伙伴计划 第四代移动通信系统 先进移动电话服务系统 呼叫接纳控制 码分多址接入 完全隔离 完全共享 动态信道分配 波达方向 双门限带宽预留 动态划分资源 增强型数据速率g s m 演进 频分多址接入 通用分组无线业务 全球移动通信系统 高速下行分组接入 高速上行分组接入 多维负载估计 多输入多输出 正交频分复用 正交频分多址接入 功率控制 服务质量 无线资源管理 空分多址接入 信干噪比 全接入通信系统 时分多址接入 东南大学硕士学位论文 t d s c d m a t t b r t t b r - d q u m t s w c d m a ，n m ed i v i s i o ns y n c h r o n i z a t i o nc d m a t e r n a r ym s h o l db a n d w i d t hr e s e r v a t i o n t e r n a r y s h o l db a n d w i d t hr e s e r v a t i o n 、i t h d u a lq u e u e u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m w i d e b a n dc d m a 时分同步c d m a 三门限带宽预留 双队列三门限带宽预留 通用移动通信系统 宽带c d m a 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，论文中不包含其他人已经发 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。 签名塞兰垫日期 关于学位论文使用授权的说明 2 do c i i f 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。 签名静辅 导师签名脚日期2 啦，影 第1 章绪论 第1 章绪论 随着人类文明的不断发展与进步，信息已经成为了促进人类社会生产力提高的重要 生产要素。从我们国家的信息产业部到工信部的变迁可以看出：社会的工业、农业、商 业甚至各行各业的发展都需要信息产业的带动和支撑。 通信技术是信息产业发展的基础。而在现代通信领域中，移动通信正在成为世界上 最快速，最便捷，最可靠以及最具有活力的通信方式之一，并且移动通信产业也逐渐成 为了现代通信产业的支柱。随着第三代移动通信系统( 3 g ) 的广泛普及和第四代移动通 信系统( 4 g ) 的深入研究，未来的移动通信将朝着多媒体业务和多网合一的方向发展。 所以在这样一个复杂的移动通信系统中，无线资源管理( r r m ) 将被提升到一个至关重 要的地位。而接入控制( c a c ) 是无线资源管理首先需要解决的问题。 本章首先介绍了蜂窝移动通信系统的发展历史和现状，然后概述了移动通信系统中 的无线资源管理及其重要作用，接着着重介绍了无线资源管理中的接入控制技术，最后 给出了本文的主要工作和内容安排。 1 1 蜂窝移动通信系统的发展历史与现状 近几十年以来，移动通信系统发展迅速，已经经历了第一代的模拟系统，第二代的 数字系统，而到了第三代的c d m a 系统，多媒体和互联网已经成了消费者日益需要的 服务。虽然当前第三代移动通信系统还未完全地商业普及，但是人们又开始了第四代移 动通信技术的开发和标准的建立。 其实，人们对移动通信系统的尝试和研究可以追述到上世纪4 0 年代。1 9 4 6 年，美 国2 5 个主要城市搭建了一种公众移动电话服务系统，该系统在市区的高塔上架设大功 率的发射机，虽然开始时只能采用半双工传输模式提供语音业务，但是其覆盖范围却达 到了5 0 公里。这套系统可以称为人类历史上第一个为公众服务的移动通信系统，虽然 这个系统所能支持的用户数较少以及语音业务的阻塞概率较高，但是在当时来说，可以 称之为人类的一次创举。 真正的第一代移动通信系统( 1 g ) 起源于上世纪五六十年代，当时的贝尔实验室提 出了著名的蜂窝移动通信系统理论及其相关技术。所谓“蜂窝 就是指将移动通信系统 的覆盖范围划分为许多六边形的小区，这些小区组合起来可以无缝地覆盖服务区，从整 体上看，整个服务区好像蜜蜂的窝巢，于是将其命名为蜂窝移动通信系统，并且这个技 术的使用一直延续到了现在。由于第一代移动通信系统采用的是频分多址接入技术 ( f d m a ) ，所以系统将7 个小区划分为一组，并且每个小区内使用不同的频带资源， 这样，本组小区外的其它小区又可以复用这组小区的频率，从而提高了系统的频率使用 东南大学硕士学位论文 效率。第一代移动通信系统只能提供语音服务，其主要的代表是北美的先进移动电话服 务系统( a m p s ) 和欧洲的全接入通信系统( t a c s ) 。由于第一代移动通信系统具有容 量小、频率利用率低、保密性能差、制式太多且互不兼容和不能提供自动漫游服务等缺 点，所以人们开始探索和研发第二代移动通信系统( 2 g ) 。 第二代移动通信系统标准的起草和制定工作开始于1 9 8 2 年。起初由欧洲邮电行政 大会( c e p t ) 管理负责，之后又由一系列移动专家组负责，而当前世界上著名的第二 代移动通信系统的代表g s m 名字起初的含义就是移动专家组的缩写。1 9 8 7 年5 月g s m 成员国达成一致，确定了g s m 最重要的几项关键技术。1 9 8 9 年，欧洲电信标准协会从 c e p t 接手标准的制定工作。1 9 9 0 年第一版g s m 标准完成，并将其缩写的含义改为全 球移动通信系统。于是第二代移动通信系统由此诞生了。与此同时，北美的c d m ai s 一9 5 系统也是第二代移动通信系统的典型代表。 第二代移动通信系统全面实现了调制和解调技术的数字化。并且采用了时分多址复 用技术( t d m a ) ，即先将无线帧划分成若干个时隙，每个用户只能在某一特定的时隙 发送和接收信号。t d m a 技术使得第二代移动通信系统提高了频谱利用率，增强了保密 性能，扩大了系统容量。据统计，g s m 网能支持的用户数量为第一代移动通信系统的 1 8 2 倍。另外，第二代移动通信系统除了支持传统的语音业务之外，还增加了短信息 业务，并且到了后期，随着g p r s 、i s 9 5 一b 和e d g e 等第2 5 代移动通信系统标准的出 现，使系统可以支持一些中低速率数据业务。但是随着互联网的普及，人们对高速率数 据业务的需求不断加强，这使得学者们开始了第三代移动通信系统( 3 g ) 的开发。 其实从上世纪九十年代开始，欧洲电信标准协会( e t s i ) 就开始为第三代移动通信 系统的标准征集草案。到2 0 0 5 年时，国际电信联盟( i t u ) 确定了四大主流的3 g 标准， 它们是由欧洲和日本支持的w c d m a 、由美国高通公司提出了c d m a 2 0 0 0 、由中国自 主研发的t d s c d m a 和无线局域网的标准w i m a x 。其中t d s c d m a 标准是中国通信 史上的一个里程碑，下面简要介绍一下其发展历程。1 9 9 8 年初，在邮电部的大力领导和 支持下，中国电信科学技术研究院开始起草了t d s c d m a 的草案；1 9 9 8 年6 月3 0 日， 也就是i t u 征集第三代移动通信无线技术候选方案的截止日，中国的t d s c d m a 标准 草案才被提交，成为了1 5 个候选方案之一；2 0 0 1 年3 月，包含t d s c d m a 标准在内 的3 g p p r 4 版本规范正式发布，至此，t d s c d m a 才己被世界上的设备制造商和运营 商所广泛接受和认可，成为了第三代移动通信系统的国际标准。 第三代移动通信系统采用了码分多址复用技术( c d m a ) ，即不同的用户占用相同 的时间和频率资源，通过不同的扩频码来区分对方，系统的容量取决于扩频码的数量和 系统的干扰水平，因此大大增加了系统的容量。而宽带技术和扩频技术的应用使第三代 移动通信系统提高了系统传输速率，从而更好地支持了用户多媒体业务的需求。另外， 后期的h s d p a 和h s u p a 等3 5 代移动通信系统标准的出现，使得系统的上行和下行的 传输速率得到了进一步的提高。 2 第1 章绪论 就在3 g 标准基本成型和商业普及广泛开展的同时，人们又开始了下一代移动通信 系统的研究。世界各国的学者们虽然对第四代移动通信系统( 4 g ) 的标准存在着不同的 构想，但是都希望未来的移动通信系统可以实现每个用户在全球范围内的任何时间、任 何地点，与任何人，以任意方式、高质量地完成任何信息之间的移动通信和数据传输。 第四代移动通信系统采用了许多新的技术，其中比较核心的是m i m o 技术和o f d m 技术。m i m o 技术是指在发送端和接收端设置多根发送天线和接收天线，于是收发两端 就存在了多条并行的传输信道，从而提高了系统的传输性能。m i m o 技术又主要分为两 类：一是发送接收分极，即在多条并行的信道上传输相同的信号，在接收端采用信号合 并技术，从而提高了接收端信号的信噪比；二是空分复用，即使用预编码矩阵来区分不 同的用户，从而提高了系统容量。o f d m 技术是将某一频段划分成若干个频带较窄的子 载波，并在这些子载波上并行传输数据，这样就可以将原来的单路高速数据流变换成许 多低速并行的数据流，从而减少各个符号之间的码间串扰。另外，又因为每个子载波的 频带较窄，小于多径衰落信道的相干带宽，因此每个子载波上的无线信道可以看成是平 坦衰落的。 总之未来的移动通信系统将会朝着大容量、全覆盖、高性能、高灵活性和高适应性 的方向发展，而随之带来的方便而舒适的生活将逐渐被人们所享受。 1 2 移动通信系统中的无线资源管理 对于蜂窝移动通信系统来说，无线资源的概念是非常广泛的。它既可以是f d m a 系统中的频率资源，又可以是t d m a 系统中的时隙资源，也可以是c d m a 系统中的码 道资源，还可以是s d m a 系统中的空间资源，甚至有些学者将功率资源也放到了无线 资源的范畴之内。但是，无论从哪个角度来划分无线资源，它都是有限的。与此同时， 随着移动通信系统的不断普及和互联网的广泛发展，移动通信系统的用户数量和业务种 类出现了持