（信号与信息处理专业论文）wcdma系统呼叫接入控制算法的分析与仿真.pdf

i 摘摘 要要 无线资源管理算法通过负责空中接口资源的分配与使用来确保系统的服务质 量，获得规划的覆盖区域和提高容量。无线资源管理的算法主要包括功率控制、切 换、呼叫接入控制、负载控制和分组调度等内容。呼叫接入控制算法是无线资源管 理算法的重要组成部分，对其进行研究具有较好的理论意义和实用价值。 经典的基于吞吐量的呼叫接入控制算法是先估计接入请求后的负荷因子，再将 其与允许接入的负荷因子门限值作比较，低于门限则接入，高于门限则阻塞。该算 法没有考虑 wcdma 系统不同 qos 业务之间的优先级别，以及切换呼叫相对于新 呼叫优先接入的情况。本文在该算法的基础上，对实时语音业务和非实时数据业务， 对新呼叫和切换呼叫，采用抢占和排队策略，提出了一种改进的基于吞吐量的呼叫 接入控制算法。为了证明该改进算法相对于经典算法的改进思路正确性，利用带 wcdma 仿真库的 opnet 网络仿真软件，对改进算法进行仿真详细设计和编码， 完成具体仿真。仿真结果表明，所提改进算法的方法正确，对呼叫接入控制的实用 化具有较好的参考价值。 关键词：关键词：无线资源管理 呼叫接入控制 网络仿真 切换 ii abstract the radio resource management algorithm guarantees the qos of system through the allocation and application of the air interface resource, so as to obtain the planned coverage region and increase the systems capability. the radio resource management algorithm comprises of power control, handover, call admission control, load control, packet scheduling, etc. the call admission control algorithm is an important component of the radio resource management algorithm, and it is of great theoretical significance as well as practical value to carry deep research. the classic call admission control algorithm, which bases on throughput, works as follows: first, the algorithm estimates the load factor adding the request, then compares it with the threshold value of load factor that is permitted in the system, and approves the request if it is below the threshold and rejects otherwise. such an algorithm fail to consider the different priorities among individual qos services of the wcdma system, nor does it take the handover calls precedence over the new call into account. in this paper, the author provides a new call admission control algorithm on the basis of the classic one, which applies preemption and queuing strategies to real-time voice service and non-real-time data services and to new calls and handover calls, called the improved call admission control algorithm based on throughput. furthermore, in order to demonstrate the validity and effectiveness of the improved algorithm, it is actually simulated using opnet network simulation software with wcdma simulation library, including detailed design and coding. according to the record of simulation, the new algorithm is correct, feasible, and highly valuable for the future implementation of call admission control algorithm. keywords: rrm cac network simulation handover 独创性声明独创性声明 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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密 ，在_ _年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论绪论 1.1 移动通信系统的发展现状移动通信系统的发展现状 随着通信技术的飞速发展，移动通信系统经历了从第一代模拟制式的蜂窝移动 通信系统到至今正在展现无限生命力的第三代移动通信系统的过渡。 第一代蜂窝移动通信系统是模拟移动通信系统，利用模拟传输方式实现话音业 务，包括美国的 amps（先进的移动电话业务） 、英国的 tacs（全接入通信系统） 、 斯堪的纳维亚的 nmt（北欧移动电话）以及日本的 ntt（日本电话和电报）等。 第二代蜂窝移动通信系统是数字蜂窝移动通信系统，利用数字传输方式实现话 音和低码率数据业务（如 9.6kbps） ，其容量和频谱利用率高于第一代，包括 gsm （全球移动通信系统） 、pdc（个人数字蜂窝） 、cdma（is-95）以及 us-tdma （is-136） 。第二代进一步向第三代演变，提供更先进的业务，如速率为 144kbps 的 分组交换数据业务，这些演变的系统称为 2.5 代系统，如 gprs（一般分组无线业 务） 。 除了增强第二代移动通信系统支持数据业务的能力外，以 itu（国际电信联盟） 为首的许多国际组织和机构，致力于第三代移动通信系统的研究开发及相关标准的 制定。第三代移动通信系统的特点是宽带化、智能化、个人化，具有大容量，高速 率，多业务，多码率以及变码率的特点，支持移动多媒体业务，可以为一个用户同 时提供多种业务，而不同业务具有不同的服务质量要求。itu 在规定的第三代移动 通信系统无线传输技术的最低要求中指出：对于快速移动环境，最高传输速率可以 达到 144kbit/s；室外到室内或者步行环境，最高传输速率达到 384kbit/s；室内环境， 最高速率到达 2mbit/s。目前，国际上最具竞争力的 3g 无线传输技术主要分为三大 类：即日本和欧洲一些国家提出的 wcdma 技术，北美提出的 cdma2000 技术， 以及我国自己提出的 td-scdma 技术。其中，wcdma 系统是基于窄带 cdma 基 2 础上改进的，具备可适应多种速率的传输，并且基站间无需同步，支持不同载频间 的切换，上/下行快速功率控制等优势1。 1.2 wcdma 系统简介系统简介 欧洲提出的 wcdma 是为了实现与 gsm 网络的兼容和从 gsm 平滑过渡到 3g 系统而设计的。截止 2002 年底，我国移动通信用户数己到达两亿，而其中绝大部 分是 gsm 网络用户。移动运营商在部署 3g 的时候，期望能够实现与现有系统的兼 容和平滑过渡，以节约投资。因此，wcdma 对于我国是一个具有竞争力的候选方 案。 wcdma的主要技术特点有： （1）基站同步方式：支持异步和同步的基站运行方式，灵活组网； （2）信号带宽：5mhz；码片速率：3.84mhz； （3）发射分集方式：tstd（时间切换发射分集） 、sttd（时空编码发射分集） 、 fbtd（反馈发射分集） ； （4）信道编码：卷积码和 turbo 码，支持 2m 速率的数据业务调制方式上 行 bpsk，下行 qpsk； （5）功率控制：上下行闭环功率控制，外环功率控制； （6）解调方式：导频辅助的相干解调； （7）语音编码：amr，与 gsm 兼容； （8）核心网络基于 gsm/gprs 网络的演进，并保持与 gsm/gprs网络的兼容； （9）map 技术和 gprs 隧道技术是 wcdma 体制的移动性管理机制的核心， 保持与 gprs网络的兼容性； （10）支持软切换和更软切换。 wcdma 的优势在于，码片速率高，有效地利用了频率选择性分集和空间的接 收和发射分集，可以解决多径问题和衰落问题。采用 turbo 信道编解码，提供较高 的数据传输速率。fdd 制式能够提供广域的全覆盖，下行基站区分采用独有的小区 3 搜索方法， 无需基站间严格同步。 采用连续导频技术， 可支持高速移动终端。 wcdma 能够从 gsm 平滑过渡，为运营商提供了良好的技术基础2。 wcdma 网络结构如图 1.1 所示： 图图 1.1 wcdma 网络结构图网络结构图 可见，wcdma 系统由三部分：核心网（cn） 、无线接入网（utran）和用 户设备 （ue） 组成。 各部分之间的接口包括： cn 与 utran 之间的 iu 接口， utran 与 ue 之间的 uu 接口。 而在 utran 内部，包括多个 rns（无线网络系统） ，通过 iu 接口与 cn 相连。 一个 rns 包括一个 rnc 和多个 node b。node b 用来管理所属的小区，通过 iub 接口与 rnc 通信。utran 内部的不同 rnc 之间可以通过 iur 接口进行通信。 1.3 呼叫接入控制的意义及作用呼叫接入控制的意义及作用 在移动蜂窝网中，无线资源管理问题是指对于一个进入网络的移动用户，网络 需要分配适当的基站、信道、发射功率，以使具有固定硬件设备的无线网络获得更 高容量的同时，满足用户的 qos。无线网络是一个动态网络，随时都有用户发出呼 叫、 中断呼叫， 并在网络内部移动。 因而， 无线资源管理技术应该是实时 （real time） 4 型的，并能充分利用网络内部的所有有效资源达到资源的最佳分配。 无线资源管理（rrm）负责空中接口资源的利用，从确保系统的服务质量 （qos） 、获得规划的覆盖区域以及提高容量的角度来看它都是必不可少的一环。无 线资源管理主要包括切换、功率控制、呼叫接入控制、拥塞控制和分组调度几个方 面。 wcdma 系统是一个自干扰的系统，它的系统容量不是一个相对固定的值，而 具有较大的弹性，服务质量与同时接受的用户质量之间存在着平衡与折中的关系。 如果允许空中接口负荷过度增长，那么小区的覆盖面积就会减小到规划的数值以 下，而且已有连接的服务质量也得不到保证。所以合理有效的呼叫接入控制算法对 wcdma系统的稳定运行具有重要意义。 呼叫接入控制中的业务呼叫分为新呼叫和切换呼叫。为了保证切换的成功率 高，那么必须保留一部分资源给切换呼叫，因此切换呼叫的优先级高，通过接入门 限来区分，新呼叫的接入门限要低于切换呼叫的接入门限，当小区目前的负荷高于 新呼叫接入门限时，则不接入新呼叫，但仍可以接入切换呼叫，当测量的小区负荷 高于切换接入门限时，对于切换呼叫也拒绝3。 1.4 本文的主要工作及内容安排本文的主要工作及内容安排 wcdma 系统是一个自干扰的系统，如果允许空中接口负荷过度增长，那么小 区的覆盖面积就会减小到规划的数值以下，而且已有连接的服务质量也得不到保 证。在接收一个新的连接前，呼叫接入控制必须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。因此合理有效的呼叫接入控制算法对 wcdma 系统的 稳定运行具有重要意义。 本文的主要工作是在经典的基于吞吐量的呼叫接入控制算法的基础上，针对新 呼叫和切换呼叫，提出了一种适用于 wcdma 实际系统的呼叫接入控制算法，并 通过算法具体实现和网络仿真，验证了上述算法的性能。 全文各章节研究内容安排如下： 5 第一章先介绍了移动通信系统的发展现状，接着介绍了 wcdma 系统的技术 特点和优势，然后概述了无线资源管理算法的各个组成部分。 第二章先介绍了普遍意义的呼叫接入控制算法，分为考虑业务之间优先级、考 虑切换呼叫优先、利用用户移动信息三个部分来介绍，这是所有系统呼叫接入控制 研究的基础。然后分上行和下行链路具体介绍了几种 wcdma 系统中的呼叫接入 控制算法，并作了比较。 第三章是本文的重点。首先对基于吞吐量的小区负荷做了具体分析，这是基于 吞吐量的呼叫接入控制研究基础。接着介绍了经典的基于吞吐量的呼叫接入控制算 法。在该算法的基础上，考虑 wcdma 系统不同 qos 业务之间的优先级，考虑切 换呼叫相对于新呼叫优先接入的情况，本文提出了一种改进的呼叫接入控制算法， 使其适用于 wcdma 系统。 第四章具体介绍了网络仿真技术与 wcdma 仿真平台。首先概述通信仿真， 接着对网络仿真技术的产生、特点和设计方法做了具体介绍，接下来介绍了 opnet 网络仿真软件的仿真工作流程。然后，具体介绍了基于 opnet 的 wcdma 网络仿 真平台，依次介绍网络模型和 rnc 网元的节点模型。最后具体介绍了系统建模步 骤，分为系统建模原则、基本假设、小区模型、无线传播模型、移动模型和业务模 型等六个部分。 第五章首先分析了 wcdma 系统中发生呼叫接入控制的外部信令流程。接下 来对改进算法的基础模块用伪码进行仿真程序的详细设计。5.3 节是本章的重点， 对改进算法的内部信令流程用伪码进行仿真程序的详细设计。 第六章在 wcdma 系统仿真平台上，对改进的呼叫接入控制算法做仿真数据 分析。先介绍仿真场景、仿真参数和仿真统计量的设置，仿真完后再对数据做具体 分析。通过仿真研究，证明了该改进算法相对于经典算法改进思路的正确性。 第七章是全文的结束语部分。这一章总结了本文所做的工作和创新点，指出了 后续研究的方向。 6 2 呼叫接入控制算法综述呼叫接入控制算法综述 2.1 引言引言 呼叫接入控制 cac（call admission control）首先在 atm 网络中提出的，atm 论坛与 itu-t 对 cac 的定义为：对于一个已知呼叫连接请求，按照其服务质量 （qos）要求，并根据整个网络资源是否满足现已连接业务的质量决定是否接入一 个新连接。现在 cac 已应用在许多通信网中，如下一代网络（ngn）核心技术的 软交换，其重要功能之一就是 cac。 cac 的控制目标包含两方面：一要满足用户 qos 要求，二要最大限度利用通 信系统资源。cac 算法根据不同目标要求采用不同接入判决准则。满足 qos 要求 的准则包括：呼叫阻塞概率和切换掉线概率均应小于等于相应最大允许值；通过实 际过载概率小于等于最大允许值，求得小区最大可接入用户数；根据总时隙中错误 帧数与总接收帧比值应小于等于最大允许错误率进行接入判决；在有缓存的系统中 还可根据缓存中用户延时是否超过预定值决定接入与否。最大限度利用通信系统资 源准则的接入区域可归纳为系统已用资源与连接请求所需资源小于等于系统总资 源。 cac 是无线资源管理中的重要组成部分。第二代移动通信主要提供语音业务， 他们的数据处理能力非常有限，这使得它的 cac 算法相对比较容易。而随着多媒 体业务和 www 业务量的不断增加，面临着发展第三代移动通信的需要。第三代移 动通信能提供高数据率的服务用以传输高质量的图像和视频信息，还可以提供高速 接入 internet 服务。正因为第三代移动通信所能提供的业务多，而各业务之间的传 输速率和 qos不同，使得它的 cac变得复杂。 为了设计更加合理的 cac 算法，有必要对 cac 的各种算法进行分析和比较。 通过分析得出各个 cac 算法各有不同的侧重点，一个实用的 cac 必须要综合考虑 7 多个因素，同时给出了未来研究的方向和趋势。在 cac 的各种算法研究中，有很 大一部分是只考虑无线系统，而不是专门针对 wcdma 系统的，在这种无线系统 中都假设小区具有固定的信道数。由于这些算法具有一定的普遍意义，其思路同样 可以适合于 wcdma 系统4。本章研究的呼叫接入控制算法的分类示意图如图 2.1 所示。 呼叫接入 控制算法 呼叫接入 控制算法 具有普遍意义 的呼叫接入控 制算法 具有普遍意义 的呼叫接入控 制算法 wcdma系统 中的呼叫接入 控制算法 系统 中的呼叫接入 控制算法 考虑业务之间优先级 的呼叫接入控制算法 考虑切换呼叫优先的 呼叫接入控制算法 利用用户移动信息的 呼叫接入控制算法 考虑业务之间优先级 的呼叫接入控制算法 考虑切换呼叫优先的 呼叫接入控制算法 利用用户移动信息的 呼叫接入控制算法 上行链路呼叫接 入控制算法 下行链路呼叫接 入控制算法 上行链路呼叫接 入控制算法 下行链路呼叫接 入控制算法 基于sir的呼叫接入控制算法 基于qos的呼叫接入控制算法 基于总干扰功率的呼叫接入控制算法 基于吞吐量的呼叫接入控制算法 在多业务情况下 的呼叫接入控制算法 基于sir的呼叫接入控制算法 基于qos的呼叫接入控制算法 基于总干扰功率的呼叫接入控制算法 基于吞吐量的呼叫接入控制算法 在多业务情况下 的呼叫接入控制算法 基于总发射功率的呼叫接入控制算法 基于吞吐量的呼叫接入控制 算法 基于总发射功率的呼叫接入控制算法 基于吞吐量的呼叫接入控制 算法 图图 2.1 呼叫接入控制算法分类示意图呼叫接入控制算法分类示意图 2.2 具有普遍意义的呼叫接入控制算法具有普遍意义的呼叫接入控制算法 呼叫接入控制的一般性原理是：l） 系统必须有足够的资源支持呼叫用户的请求； 2）新用户的加入不能影响已存在用户的 qos。而在文献5中同样指出呼叫接入控制 的标准：系统估计呼叫接入后的 qos，当所有用户的 qos 都达到要求时，呼叫才能 被接入。但这种简单的呼叫接入控制往往只考虑通信用户的即时 qos，而没有充分 考虑系统级的性能指标如阻塞率（由于小区缺乏资源而拒绝新呼叫的接入） 、切换 掉线率（由于切换的目的小区缺少足够的资源容纳切换呼叫造成呼叫掉线） 、中断 率（用户的通信质量低于目标值的概率）等。当新呼叫到来的时候，如有空闲的信 道分配给它且不会影响其它用户的 qos 就接入它，就有可能会造成系统过载。在信 8 道质量发生变化的时候使中断率过高，而且有可能使得当移动用户需要切换时缺少 信道而造成切换掉线率的大大提高。 在无线通信系统中，除了考虑呼叫业务之间具有优先级问题之外，还可以把呼 叫分为两类：新呼叫和切换呼叫。新呼叫是移动台需要通话或数据传输时向基站发 起的呼叫；而切换呼叫是由于移动台的移动性产生的，当移动台在通信过程中从一 个小区移动到另一个小区就会发生切换。由于通话过程中被中断比呼叫被阻塞更让 人难以接受，所以在呼叫接入控制中给予切换呼叫更高的优先级。 2.2.1 考虑业务之间优先级的呼叫接入控制 在有些呼叫接入控制的研究中并没有考虑切换呼叫的特殊性，而把重点放在业 务的优先级上，如语音业务的优先级高于数据业务，实时业务的级别高于非实时业 务等等。在考虑业务优先级时，系统通常分配一定的专门信道给优先级高的用户使 用。如在系统中分配一定的信道给语音用户专用，但当这些信道空闲时，可以被数 据用户使用；在语音用户需要时，可以抢占这些被数据用户占用的信道6 7。这种 业务接入控制方法也可以视作信道分配方案，它的信道分配边界是可移动的边界。 从可移动边界算法和固定边界算法的信道利用率仿真分析结果图中可以看出可移动 边界方案和可移动边界方案相比大大提高了系统的信道资源利用效率。这主要是因 为数据业务可以借用空闲的语音信道，使得信道利用效率大大增加，同时系统容量 也可以得到很大的提高。 上述的方法中语音用户不能使用空闲的数据资源，针对这种情况可以设计一个 可移动的双边界策略8。它根据语音请求数和数据业务的队列长度来决定语音用户 可使用的信道数，通过动态调整可以适应语音和数据业务量的变化。这种策略可以 更加灵活的在语音业务和数据业务之间分配信道，它可以降低语音呼叫的阻塞率， 只是在高语音负载的情况下增加了数据包的时延。 9 2.2.2 考虑切换呼叫优先的接入控制 在考虑切换呼叫的特殊性时，主要是防止由于小区缺乏资源需要切换进来的用 户使用而造成的掉线。前面提到，切换掉线率往往比阻塞率得到更多的重视，所以 这一类算法相对比较重要。为了保证切换的优先，一般是采用基于保护信道的 cac 算法，即在接入新呼叫小区的所有相邻小区都预留信道，以备将来此新呼叫需要切 换的时候使用9。这种方法需要预留许多信道，显然不合实际。为了预留更合理的 保护信道，人们研究了许多不同的预留方法，如利用系统过去的统计特性来决定预 留的保护信道数，使各小区的预留信道数比常规的方法更符合实际的需要10。根据 正在通信的本地和相邻小区的用户数及其位置自适应调整预留给切换的保护信道 数，它不仅利用相邻小区的信息，而且根据本小区的切换掉线率来自适应的调整预 留的保护信道数11。 种种基于保护信道的 cac 的目的都是为了找出较优的保护信道数。预留了保护 信道肯定会增加新呼叫的阻塞率，但同时也会降低切换呼叫的掉线率，如何较好的 在两者之间折衷是所有算法研究的目的。如果设定一个包含两者信息的值，就可以 在它们之间得到很好的折衷。由于系统对切换掉线率的要求往往比对阻塞率的要求 低一个数量级，所以可以给予掉线率高一个数量级的加权值，则定义一个服务等级 变量 gos（grade of service） ，见式（2.1） 。 bd pp10+=gos（2.1） 其中 d p 是切换呼叫掉线率， b p 是新呼叫阻塞率。从仿真结果中可以看出，当 保护信道数增加时，阻塞率增加而切换掉线率减少；而当保护信道数减少时，阻塞 率减少而切换掉线率增加了。阻塞率和掉线率是两个互相矛盾的量，如何选取合适 的保护信道数是问题所在。利用 gos 值就可以很好地在阻塞率和切换掉线率之间得 到折衷，即利用 gos可以得出较优的预留保护信道数。 10 2.2.3 利用用户移动信息的呼叫接入控制算法 前一节中的分析都是基于统计信息的，而对于利用用户移动信息的预测来更加 合理地动态调整保护信道数则更具有诱惑力。如果能够准确地预测用户的移动信 息，则可以在用户可能到达的目的地预留保护信道，而不用在所有相邻小区都预留 保护信道，它可以降低新呼叫的阻塞率。严格地讲，结合用户移动信息的 cac 也 是属于基于保护信道数的呼叫接入控制，只不过它预留的保护信道数更准确，减少 了许多不必要预留的保护信道。 基于不同的预测方法，就有不同的预留保护信道的策略。利用用户的移动方向 和道路的顺序等信息预测用户的移动趋势，从而来确定预留的保护信道数12；但由 于道路的方向等情况错综复杂，在一定程度上加大了预测的难度和精确性，且不同 地方的道路情况各不相同，要想使用该算法必须增加大量的道路信息库，实现起来 比较复杂。采用基于阴影群的概念来预测保护信道数的控制策略13：每隔一个时间 间隔，基站都会估计移动台在将来时间间隔内到达阴影群中各个小区的概率；各个 基站之间在每个时间间隔内都会互通信息，然后预测在将来时间间隔内的带宽需 求，从而来决定接入新呼叫的可行性。这种策略的有效性跟移动台的位置、速度、 移动方向等细节的多少密切相关，而且它同时在一定程度上也增加了基站之间信息 传递的负担。新近的一种 gps 集成芯片，它可以在紧急呼叫后 23s 之内对移动用 户定位在 530m 的精度范围内14。系统可以利用 gps 技术预测用户的移动趋势， 决定是否在邻小区预留信道，这样也可以做到动态调整保护信道数14 15，这种方法 需要在 bs和 mt端增加硬件设备，通过提高设备成本来达到信道资源的更高利用。 无疑，利用用户移动信息的 cac 可以更准确地预测切换呼叫的概率，在不同时 刻根据当时的呼叫情况在目的小区预留必要的保护信道，减少了在目的小区预留不 必要的保护信道。由于各个小区预留了更加准确的保护信道，减少了不必要的保护 信道，在相同的切换掉线率情况下，各个小区可利用的信道数得到增加，极大地降 低了新呼叫的阻塞率。这种方法可以大大提高信道的利用率，使系统的容量得到提 高。当然它在一定程度上增加了基站和移动台的负荷。 11 2.3 wcdma 系统中的呼叫接入控制系统中的呼叫接入控制 wcdma 系统为干扰受限系统，接入新呼叫将增加系统干扰，干扰增加将减少 小区覆盖，即所谓的“小区呼吸” ，其最大的危害是由于小区收缩而导致“覆盖漏 洞” 。如果系统干扰过度增长，小区覆盖范围将降低到规划值以下，且不能保证已 建立连接用户的 qos。在较高负荷的系统中，干扰增长将促使系统鲁棒性降低，可 能导致掉话。因此，为了保护当负荷增加时小区覆盖范围和系统稳定性，必须通过 cac限制干扰，获得高系统容量（低阻塞率） ，维护系统稳定性（低掉话率） 。 wcdma 系统的 cac 分为下行链路与上行链路两种情况。下行链路 cac 采用 基于功率的准则：连接用户已用发射功率和呼叫请求所需发射功率之和应小于基站 允许总发射功率。该算法物理意义明确，由于容易获得基站发射功率而易于实现。 上行链路 cac 可以是基于用户数、功率、干扰或资源利用等准则。只有当上下行 链路均满足要求时，呼叫请求才被接入。下面分析一些上、下行链路上常见 cac 算法，各种算法主要根据推导出接入判决依据参量所满足的不等式，即接入区域进 行接入判决。 2.3.1 上行链路呼叫接入控制算法研究 在上行链路方向上的呼叫接入控制算法可以划分为下面的几种，即基于 sir 的 cac 算法、基于 qos 的 cac 算法、基于总干扰功率的 cac 算法、基于吞吐量的 cac 算法，以及在多业务情况下的 cac 算法等等，下面将针对这些算法的主要思 想进行简要的阐述和分析。 ? 基于 sir的 cac算法 wcdma 系统是一个干扰受限系统，每一个新呼叫的接入都会对系统中正在接 受服务的呼叫造成不同程度的干扰，影响其服务质量。用户的信干比（sir）一方 面反映了系统为用户所提供的服务质量，一方面也反映了系统的负荷轻重。所以， 可以通过检测用户的 sir 来判断系统的负荷轻重，以判定是否有足够的剩余容量接 入新的用户。 12 在 zhao liu 和 el zarki m16提出了两种基于 sir 的 cac 算法。算法i16的主要 思想是，当新呼叫申请接入的目的基站接受此次呼叫请求后仍然满足 slr 要求，就 判决接入此次呼叫，否则拒绝。算法ii16是当新呼叫申请接入的目的基站以及该基 站周围的临近基站，当接受此次呼叫请求后都满足 sir要求，就判决接入此次呼叫， 否则拒绝。依据仿真结果，可以得出，在热点小区中由于算法ii将临近小区干扰考 虑在内，算法ii比算法i获得了更好的系统性能。但是，在业务分布均匀的情况下， 算法ii没有算法i性能优越。而且，在算法ii中对于临近小区干扰的考虑是忽略了移 动台位置的变化、阴影效应、基站负载变化等随机因素的影响，并且对于临近小区 的干扰也只考虑了申请接入目的基站的紧邻小区，而没有考虑来自不是紧邻目的基 站但属于临近小区的干扰。 il min kim17对算法ii和算法 i 中的缺陷进行了修正，所提算法在均匀业务分布 和热点小区中都获得了比较理想的效果。在算法中，通过计算 ），（kh m l 来预测小区 间干扰，并且考虑了来自目的基站第一层以外的干扰量，相对于没有考虑干扰的算 法 i 和将干扰值固定为一个定值的算法ii取得了较好的系统性能。 ? 基于 qos的 cac算法 bozinovski m18中提出了一种新颖的基于系统 qos 的呼叫准入控制算法，以往 传统保护信道 cgc（conventional guard channel）方法为了确保低掉话率的同时往 往恶化了系统的新呼叫接入概率，该算法的提出解决了新呼叫阻塞概率和掉话率之 间的冲突问题，在判别是否接入此次新呼叫的时候是以系统以往运行情况作为依 据，并且此方法是独立于系统蜂窝结构的，具有更广泛的应用范围。 ? 基于总干扰功率的 cac算法 在已知上行链路负荷因子 ul 1的概念基础上，下面简要介绍该种算法的设计思 想。基站测量接收信号总功率，如果新的总干扰电平低于阀值，通过上行链路呼叫 准入控制算法接入此新用户的接入。 thresholdoldtotal iii+ _ （2.2） 式（2.2）中的 oldtotal i _ 是当前干扰总功率的测量值； threshold i 为该小区允许的最大 13 干扰总功率，由无线网络规划设置，受小区容量、覆盖面积、用户业务类型及质量 要求等限制； i 为新用户的增加而导致干扰功率的增加量。 新用户的接入和功率增加的估计均是由呼叫准入控制功能体来完成。对于盯的 估计一般有导数法和积分法两种方法1，两者均考虑了负载曲线，并且都是基于上 行链路干扰对上行链路负荷因子的导数。 这种呼叫准入控制算法，优点是简单，便于实现，可以很好的适应于不同 qos 的多种业务需求25 26，并且不受闭环功率控制误差的影响。 ? 基于吞吐量的 cac算法 在基于吞吐量1的呼叫准入控制算法中，如果式（2.3）成立，则发出请求的新 用户被接入进入无线网络： thresholdulul l _ + （2.3） 式（2.3）中， ul 是上行链路在新连接被接入前的负荷因子， l 为新用户的负 荷因子， thresholdul_ 为无线网络规划时设定的上行负荷因子门限值。 ? 在多业务情况下的 cac算法 在所查阅的参考文献中，一些支持动态带宽要求用户的呼叫准入控制算法19己 经提出，但这些算法在作接入判决时仅仅考虑了本地信息，致使有比较高的呼叫掉 话率（cdp） 。cdp 是衡量系统 qos 的一个重要指标。为了减小 cdp，在一些呼叫 准入控制判决算法20 21 22中考虑了临近小区对系统性能的影响，但这些算法都是考 虑的固定带宽要求的用户。在文献23中提出了一种支持多媒体用户动态带宽要求的 cac 算法，在这个呼叫准入控制过程中，不仅考虑了呼叫申请接入小区，而且考虑 了该小区的临近小区族，使得该用户由于切换到这些小区时不会导致用户的掉话， 但该算法没有对网络负荷的动态变化作出自适应的调节。 在文献24中提出了一种支持多媒体用户的自适应 cac 算法，通过动态的调节 接入门限值和网络负载监控器，在保证了理想掉话率的同时提高了系统资源利用 率。 在前面的分析中可以看出： 14 基于 sir 的 cac 算法，是对基于单一话音业务 cdma 系统的分析，在该前提 下，该算法是简单可行的。对于提供多种业务类型的 wcdma 系统还要作出改进 才可使用。 基于 qos 的 cac 算法是基于己知大量系统的以往运行信息，诸如切换次数、 新呼叫阻塞次数等等。所以，该算法在初始运行的情况下，没有足够的信息以支持 系统计算，会致使其总体性能有所下降。 基于总干扰功率的 cac 算法，该算法对于多媒体业务有较好的支持，但其算 法性能受功率测量精度、其他小区干扰与本小区干扰之比 i 的估计误差、以及对于 新用户引入的干扰功率增量 l 的估计误差诸多因素的限制。 基于吞吐量的 cac 算法，算法的性能受限于其他小区干扰与本小区干扰之比 i 的估计误差，算法对于用户地理分布上的随机性适应性较差，但对于多业务有较好 的支持。 在多业务情况下的 cac 算法，算法可以对多业务做出相应的 cac 判决，并可 以完成 cac 门限的自适应调节。但是，该算法的复杂度十分高，每个概率的计算 都涉及到了很多随机因素的影响，并且需要大量的先验知识，在现实系统中的实现 有一定的难度。 2.3.2 下行链路呼叫接入控制算法研究 下行链路上的呼叫准入控制算法相对于上行了链路而言要简单的多，主要的算 法有两个，一种是基于下行总发射功率的 cac 算法，另一种是基于吞吐量的 cac 算法。 ? 基于总发射功率的 cac算法 下行链路的这种 cac 算法和中提到的上行链路上的 cac 算法思想十分类似， 即如果新的下行链路总发射功率没有超过预先定义的目标值，则用户被接入，见式 （2.4） 。 thresholdtotaloldtotal ppp+ _ （2.4） 15 oldtotal p _ 为当前基站总发射功率； threshold p 为预先设定的该基站所允许的最大发射 功率，由无线网络规划设置； total p 为下行链路负载增加相应的发射功率值，可由 用户的 qos要求以及传播环境获得。 ? 基于吞吐量的 cac算法 类似于 2.3.1 节中的上行链路 cac 算法，同样可以得到下行链路方向上的呼叫 准入控制算法： thresholddldl l _ + （2.5） 式（2.5）中， dl 是下行链路在新连接被准入前的负荷因子， l 为新用户的 负荷因子， thresholddl_ 为无线网络规划时设定的下行负荷因子门限值。 在前面的分析中可以看出： 基于总发射功率的 cac 算法，该算法的性能受限于功率测量精度、以及对于 新用户引入的发射功率增量 total p 的估计误差。 基于吞吐量的 cac 算法，算法的性能受限于其他小区干扰与本小区干扰之比 j i 的估计误差、下行正交化因子 j 的估计误差，算法对于用户地理分布上的随机性 适应性较差，但对于多业务有较好的支持。 2.4 小结小结 本章先介绍了普遍意义的呼叫接入控制算法，分为考虑业务之间优先级，考虑 切换呼叫优先和利用用户移动信息三个部分来介绍，这是所有系统呼叫接入控制研 究的基础。然后分上行链路和下行链路具体介绍了几种 wcdma 系统中的呼叫接 入控制算法，并作了比较。 16 3 一种工程适用的呼叫接入控制算法设计一种工程适用的呼叫接入控制算法设计 3.1 基于吞吐量的小区负荷分析基于吞吐量的小区负荷分析 3.1.1 引言 cac 算法根据系统实际负荷，在上下行链路判断新的资源请求是否满足接入准 则，只有在上下行接入准则均满足的情况下，系统才允许新用户接入。通过呼叫接 入控制，能有效控制系统中通话的用户数量，使系统负荷维持在较稳定的水平。准 确判断系统空中接口负荷是呼叫接入控制的基础，本节着重分析基于吞吐量 wcdma 系统的小区负荷及其测量方法1。本节的负荷分析计算中采用的参数如表 3.1 所示： 表表3.1 负荷分析计算中采用的参数负荷分析计算中采用的参数 定义建议值 n每个小区的用户数 ob ne/ 每比特的信号能量除以噪声谱密度，要求 满足预先定义的业务质量，噪声包括热噪 声和干扰 取决于业务、比特速率、多径衰落 信道、发射天线分集、移动速率等 wwcdma 码片速率3.84mchip/s j l 用户 j 与基站之间链路的负荷因子 j v 用户 j 的业务激活因子取决于业务，语音业务 0.5，数据 业务 1 j r 用户 j 的比特速率取 决 于 业 务 ， 例 如 amr 语 音 12.2kbps j 用户 j 的信道正交因子取决于多径传播，1：完全正交的 单一径信道，0：不正交 j i 用户 j 接收的其他小区与本小区的基站功 率之比 取决于用户在小区中的位置和对数 正态阴影 17 续表续表3.1 负荷分析计算中采用的参数负荷分析计算中采用的参数 小区的平均正交因子itu 车辆 a 类信道：约 50 itu 步行 a 类信道：约 90 i 其他小区干扰与本小区干扰之比，即本小 区接收到的其他小区发射的信号功率与本 小区基站功率的平均比值 具全向天线的宏小区：55 具三扇区天线的宏小区：65 j p 基站处收到用户 j 的信号功率 total i 基站在整个带宽内收到的总功率（包括热 噪声功率） 噪声恶化量基站接收总功率与噪声功率之比 3.1.2 基于吞吐量的上行小区负荷分析 先定义 ob ne/，小区内第 j 个用户的比特能量与噪声谱密度之比： j j b o j e n = 用户 的信号 用户 的处理增益 总接收功率（除去自身的信号） 可以写成： j j b ojjtotalj p ew nv rip = （3.1） 定义 j p totalj il =。由式（3.1）推导得到用户 j 与基站之间链路的负荷因子 j l ： () jjob vrne wj l + = )/( 1 1 （3.2） 由于基站处的接收总干扰（即接收总功率）由系统热噪声 n p 及同一小区内 n 个 用户在基站处的功率组成，于是可得： total n j j n j jntotal ilppi= =11 （3.3） 定义噪声恶化量为基站接收总功率与噪声功率之比，结合式（3.3）可得： 噪声恶化量 ul n j j n total l p i 1 1 1 1 1 = = = （3.4） 18 式中， ul = n j j l 1 定义为小区的上行负荷因子。式（3.4）的物理意义可解释为： 当 ul 接近1时，系统负荷达到极限，此时系统噪声恶化量趋近无穷大，系统达到 极限容量。 噪声恶化量10)1lg( ul db，衡量单位为db。例如当 ul 0.5时，噪声恶 化量近似为3db。由式（3.4）可知，当系统中没有用户时，基站处的总干扰 total i就 是系统热噪声 n p，即 total i n p，此时噪声恶化量为0db。当系统中开始有用户时， 噪声恶化量才开始为正值。噪声恶化量是很好的衡量系统干扰情况的物理量。 在实际wcdma网络中，计算各小区上行负荷因子时还必须考虑小区间干扰的 影响。假设小区间干扰因子，即其他小区干扰与本小区干扰之比为i，则上行负荷 因子 ul 为： 11 (/) 1 (1)(1) 1 bojj nn ulj w jj enr v ili = =+=+ + （3.5） 当噪声恶化量超过一定门限后，数值随用户数的增加急剧上升，导致系统进入 不稳定状态，最终导致所有用户的发射功率最大。因此，必须控制系统的噪声恶化 量，即控制系统的负荷因子，使其在安全的界限内，该界限称为负荷门限。当系统 负荷接近或达到负荷门限时，系统就不再接入新用户，这是呼叫接入控制的基本准 则。 如果系统负荷超过门限值后仍继续接入新用户， 会造成系统过载。 纵览有关fdd 模式下呼叫接入控制的研究文献，目前上行负荷门限取值为负荷因子 ul 0.75，即 噪声恶化量为6db27。 3.1.3 基于吞吐量的下行小区负荷分析 与上行负荷相似，下行负荷因子 dl 的推导从各用户终端处的 ob ne /表达式开 始。下行负荷因子 dl 可以根据与上行负荷因子类似的原理定义，尽管这些参数稍 19 有不同： j d 1 (/) (1) / n bo ljjj j j en vi w r = =+ （3.6） 对比上行负荷等式，最重要的参数是 j ，即下行链路的正交因子。wcdma的 下行链路采用正交码区分用户，在没有多径传播条件下，当移动台接收基站信号时 正交性保持不变。然而，如果在无线信道中有足够的延迟扩展，移动台会将部分基 站信号视作多址接入干扰。正交因子1对应完全正交的用户。一般情况下，多径信 道中正交因子在0.40.9之间。 下行负荷因子 dl 表现出与上行负荷因子 ul 非常相似的特性。同样必须控制系 统的负荷因子，使其在安全的界限内，即负荷门限内。当系统负荷接近或达到负荷 门限时，系统就不再接入新用户。如果系统负荷超过门限值后仍继续接入新用户， 会造成系统过载。纵览有关fdd模式下呼叫接入控制的研究文献，目前下行负荷 门限取值为负荷因子 ul 0.75。 3.1.4 空中接口负荷的测量 如果无线资源管理基于无线网络空中接口的干扰，则需要测量空中接口负荷。 测量上行负荷采用基于系统吞吐量的负荷估计法，其基本思想是收集小区内所 有连接的负荷因子，并考虑相邻小区的干扰，通过统计运算求和，估计小区负荷。 在对小区负荷的统计运算中，最致命的一点是无法准确计算对系统性能影响颇大的 小区间干扰，因为在实际应用中，很难精确估计小区间的干扰因子，一般只能采用 粗略的工程经验值，所以基于此负荷估计方法的呼叫接入控制对“小区呼吸”现象 的抑制能力较弱。但该方法基于小区内每条链路的业务特性（如数据速率 b r、激活 因子 j v、 ob ne /等）进行统计，计算小区负荷值，可保证小区的吞吐量维持在网络 规划设置的水平，因此该方法也可理解为是基于系统吞吐量不变的负荷估计方法。 20 3.2 经典的基于吞吐量的呼叫接入控制算法经典的基于吞吐量的呼叫接入控制算法 经典的基于吞吐量的呼叫接入控制算法是建立在上一节介绍的基于吞吐量的小 区负荷分析之上，接入控制是根据当前测量的系统负荷因子，与允许接入的负荷门 限因子相比较，得到一个剩余容量。