（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统接入控制策略研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 呼叫接入控制( c a c ：c a l la d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 作为无线资源管理( r r m ： r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) 的重要组成部分，是移动网络为接入用户提供服 务质量保证的一个重要手段，近几年成为研究的热点问题之。随着人们需求的 不断提高，下一代无线通信网络将提供多种具有不同传输速率和q o s ( q o s ： q u a l i t yo fs e r v i c e ) 要求的业务，如何更有效地管理和使用无线资源己成为 运营商最为关心的问题之一。 t d s c d m a 系统采用t d d 模式，相比较于采用f d d 模式的w c d m a 和c d r 4 2 0 0 0 来说，增加了时隙资源，引入了多用户检测技术。在使用多用户检测技术后， t d d 系统中的干扰情况较f d d 系统时发生了很大变化；而且前人的研究成果，大 多是建立在多用户检测因子为常数的基础上考虑的，然而目前联合检测仅仅支 持本小区内的多用户检测，对邻小区的同频干扰无法克服。因此在复杂的业务 模型、非理想功率控制及非对称业务等的情况下，有必要仿真分析动态变化的 多用户检测因子对q o s 性能的影响。 本文在充分总结之前研究成果的基础上，从保证用户q o s 的角度出发，重 点研究了t d - s c d m a 网络系统中的呼叫接入控制策略。首先针对未来无线通信网 络的特点，引入了t d - s c d m a 系统下剩余容量的计算方法，结合多用户检测因子， 提出了一种新的t d s c d m a 系统中基于动态q o s 保证的c a c 策略，其基本思想是， 各运营商根据自己的需求，定义网络中各类业务的优先级和q o s 等级，根据各 业务的优先级和q o s 要求，以及系统的剩余容量，进行接入控制；然后在此策 略的基础上，仿真分析在不同的业务到达率下，变化的多用户检测因子( 干扰 消除因子) 以及不同的相邻小区干扰因子对接入控制性能的影响，仿真结果表 明，该策略在保证各类业务q o s 要求的同时，有效的提高了系统的接入控制性 能及资源利用率。 最后，对全文进行了总结。 关键词：呼叫接入控制；q o s ；多用户检测；剩余容量；非理想功率控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t r e c e n t l y , a sai m p o r t a n tp a r to f r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ( r j w ) a n da i m p o r t a n tm e t h o df o rp r o v i d i n gt h eq o so fu s e ri nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，c a l l a d m i s s i o nc o n t r o l l ( c a c ) g e t sm o r ea t t e n t i o n w i t ht h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to f u s e r s d e m a n d t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no fn e t w o r kw i l la f r o r ds e v e r a lt r a m co f d i f f e r e n tt y p et r a n s m i s s i o nr a t ea n dt h es e r v i c eo fq u a l i t y ( q o s ) r e q u i r e m e n ti nt h e f u t u r e s oh o wt oe f f i c i e n t l ym a n a g ea n du s et h ew i r e l e s sr e s o u r c ei so n eo f t h em o s t i m p o r t a n tp r o b l e m sf o rt h es e r v i c ep r o v i d e r s c o m p a r e dt h a tf d dm o d ei su s e di nt h es y s t e mo fw c d m a a n dc d m a 2 0 0 0 ， t d dm o d ei sa d o p t e di nt d s c d m as y s t e m a n dt i m es l o tr e s o u r c e si sa l s oa d d e d i nt h e t h e s y s t e m , w h i c hi sv e r yc o n v e n i e n tf o rt h et e c h n o l o g yo fm u l t i u s e r d e t e c t i o n ( m u d ) a sm u d i su s e di nt d s c d m a s y s t e m ，t h ei n t e r f e r e n c ei nt d d s y s t e mi sv e r yd i f f e r e n tf r o mt h ef d ds y s t e m a n dt h er e s e a r c hr e s u l t so fs o m e e x i t i n gc a cp o l i c i e sp r e v i o u s l ya r ea l w a y sb a s e do nt h a tt h e f a c t o ro fm u di s c o n s t a n t ，b u tt h et e c h n o l o g yo fm u di sj u s ts u p p o r ti nl o c a ld i s t r i c t ，i tc a r ln o td e a l w i t ht h ei n t e r f e r e n c en e a rt h el o c a ld i s t r i c t s ou n d e rt h e c o m p l e x t r a f f i c m o d e l ，i m p e r f e c tp o w e rc o n t r o la n da s y m m e t r i ct r a f f i c ，w en e c e s s a r ya n a l y s et h e a f f e c tt oq o sw h i c hf a c t o ro fm u di sc h a n g e da c c o r d i n gt ot h ea r r i v i n gr a t ei n t d s c d m ac e l l u l a rs y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h er e s e a r c hr e s u l tp r e v i o u s l yi sf u l l yg e n e r a l i z e d ，c a l la d m i s s i o n c o n t r o lp o l i c i e si nw i r e l e s sm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r k so ft d s c d m aa r e p r o p o s e db a s e do nq o sr e q u i r e m e n t s f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s to fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nt h ef u t u r e ，ar e s i d u a lc a p a c i t yb a s e dc a l la d m i s s i o n c o n t r o lp o l i c yi sp r o p o s e d ，a n dt h ef a c t o ro f m u di sa l s oc a l c u l a t e di nt h es y s t e m ，s o i nt h i st h e s i s ，an e wc a cp o l i c yw i t hd y n a m i cq o sg u a r a n t e ef o rt d s c d m a s y s t e mi sp r o p o s e d t h eb a s i ci d e ao ft h i sm e t h o di st h a t ：t h eo p e r a t o r sd e f i n et h e p r i o r i t ya n dq o sa c c o r d i n gt ot h e i rr e q u i r e m e n t s c a l la d m i s s i o nc o n t r o li se x e c u t e d a c c o r d i n gt ot h er e s i d u a lc a p a c i t ya n dt h ep r i o r i t ya n dq o so ft r a f f i c s e c o n d l y , b a s e o nt h ec a cp o l i c y , t h ea f f e c tt jt h eq o so ft d s c d m as y s t e mw h i c ha r i s ei n d i f f e r e n tf a c t o ro fm u da n di n t e r f e r e n e ef a c t o ro fn e a r l yd i s t r i c ta c c o r d i n gt o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 d i f f e r e n ta r r i v i n gr a t ei sa n a l y s i s e di nt h i st h e s i s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h i sp o l i c yc a ng u a r a n t e et h eq o sf o rd i f f e r e n tt r a f f i ce f f i c i e n t l y , a n di tc a ni m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo f q o sa n du t i l i z a t i o no fs y s t e mr e s o u r c e f i n a l l y , t h et h e s i si sf u l l yg e n e r a l i z e d k e yw o r d s ：c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ，q o s ，m u d ，r e s i d u a lc a p a c i t y , i m p e r f e c tp o w e r c o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景与国内外研究现状 现有以g s m 、i s - - 9 5 为代表的第2 代移动通信系统( 2 g ：t h e2 n d g e n e r a t i o n ) 为语音通信业务的数字化、无线化提供了可能。随着移动通信、数 据通信和互联网的飞速发展与日益融合，以及移动用户对业务多样性需求的不 断增长、对服务质量( q o s ：q u a l i t yo f s e r v i c e ) 要求的进一步提高，2 g 系统已 逐渐不能满足需要，这导致具有更高发送速率、更大容量、服务更灵活、能够 提供多媒体业务的第3 代移动通信系统( 3 g ：t h e3 r dg e n e r a t i o n ) 标准得以制 定，并将投入大规模商业运营。在基于c d m a 技术的3 g 系统中，将提供多媒 体业务的传输。业务的多样性、q o s 要求的严格性以及无线资源的稀缺性等一 系列因素，致使无线资源管理( r r m ：r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) 成为3 g 系统中一个重要研究课题。 在3 g 移动通信系统中，最大同时通信的用户数不仅受限于当前可用的码数 量而且也受限于用户之间的干扰。准确地来说，无线资源不再限于频谱资源， 还包括码字资源( 用以区分小区信道和用户) 、功率资源( 适宜的发射功率有助 于最大程度地减小用户间或小区间的干扰) 、时隙资源( 无线资源中可供分配使 用的最小时间单位) 、基站资源( 基站是移动用户连接进入系统的必需资源) 等。 当新用户接入系统时，通信网络中原有连接的信号质量会下降。如果一个空中 接口负载无限增加，小区覆盖范围会减少到系统预先规定的门限值以下，造成 已经建立连接的服务质量不能得到有效保证。一个通信网络如果接入了太多用 户会引起阻塞，使整个通信系统中的用户通信质量大幅度下降，甚至导致一些 已经接入的用户的掉话现象。 r r m 涉及到无线通信资源的分配与维护，是无线通信网络设计、控制与管 理中极为重要的一部分。由于无线频谱资源的有限性，在给定资源下，系统性 能将依赖于r r m 机制与策略，包括多址接入技术、呼叫允许控制( c a c ：c a l l a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 策略、切换控制、功率控制、分组调度，以及拥塞控制等， 其中c a c 是r r m 中最为重要的一部分。c a c 首先是在a t m 网络中提出的。 a t m 论坛与删t 对c a c 的定义为：对于一个已知呼叫连接请求，根据新连 接的业务特征、要求的q o s 和网络资源( 如现有连接已占用的链路带宽、缓冲 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 区) ，与当前状况进行比较，决定是否接纳一个新连接。c a c 的目标是在保障 所有已接纳连接的q o s 的前提下，接纳尽可能多的新连接，充分利用网络资源。 c a c 的控制目标包含两方面：一要满足用户q o s 要求；二要最大限度利用通信 系统资源。 作为3 g 的标准之一，t d - s c d m a ( t i m ed i v i s i o n - s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 系统采用了t d d 模式，相比较于采用f d d 模式的w c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 来说，能够处理不对称数据业务，增加了时隙资源，所以用户被分布 到每个时隙中，最终使每个时隙中并行用户数量很少，这样就为多用户检测技 术提供了方便。在使用多用户检测技术后，t d d 系统中的干扰情况较f d d 系统时 发生了很大变化，系统负载的计算方法也会相应的改变，所以在传统蜂窝系统 的接入控制基础上，结合t d d 特性，要对接入控制算法进行改善。 在y d m a 和t d m a 系统中，小区中各信道之间不会造成相互干扰，并且 信道数目是固定的，因此其c a c 方法也相对简单。而在t d s c d m a 系统中， 各用户使用相同的频率，使用相互正交的码来区分彼此，因此新加入的用户必 然会对系统中已有用户产生干扰，所以在c a c 算法中，不仅要考虑系统级q o s 是否能保证，同时还要考虑已存在用户的q o s 是否能够得到保证。t d s c d m a 系统是干扰受限系统，它具有软容量的特性。所以在进行呼叫请求时，不仅要 考虑本小区是否有足够的资源，还要考虑接入新呼叫对相邻小区产生的影响， 因此其c a c 更为复杂。t d s c d m a 系统多址方式很灵活，可以看作是 t d m a 侗嘶d a ，c d m a 的有机结合。因此，必须采取有效的c a c 算法，使得小 区容量处于饱和状态时，不再接纳新呼叫请求，以保证已有用户的q o s 要求； 小区容量未达到饱和状态时，在保证已有用户q o s 要求的同时，尽可能多地接 纳新呼叫请求，以充分利用无线资源。 一 近年来，c a c 一直是业界研究的热点问题，也取得的一定的成果。目前存 在的c a c 算法主要有： 1 ) 基于总干扰功率的c a c 算法 由于t d - c d m a 系统是干扰受限系统，基于干扰分析的c a c 方法也具有其 合理性和可行性【l ，2 】。具体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。当用户数和干扰水平达到一定值时，就拒绝呼叫，否则接受。在 考虑本小区的呼叫接入同时，也要考虑新呼叫对相邻小区的影响，若相邻小区 的干扰超过门限，同样拒绝呼叫。 2 ) 基于信干比( s i r ) 的c a c 算法 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 用户q o s 是否能得到保证直接取决于收到的s i r 。基于s i r 分析的c a c 是 最常见的一种方法【3 1 ，当呼叫到来的时候，系统计算新加入呼叫和已经存在用 户的s i r 是否可以达到期望的要求，若能达到，则接纳呼叫，否则就拒绝。这 种方法虽然能够保证新用户和已存在用户的q o s ，但是没有考虑到切换呼叫的 特殊性。， 3 ) 基于剩余容量的c a c 算法 t d s c d m a 系统具有软容量的特性，其系统容量有别于t d m a 和f d m a 系统m 。当有新呼叫到达时，c a c 策略首先判断系统是否存在剩余容量，若存 在则接纳新呼叫，否则拒绝其接入州。 基于剩余容量的c a c 策略简单易行，但在目前的一些算法中，大多数都未 考虑系统的非理想情况及业务问的不同q o s 要求的差异，这是他们的主要缺点。 4 ) 具有q o s 保证的基于多媒体业务的c a c 策略 传统的无线通信网络使用电路交换技术，在传输过程中业务的q o s 容易得 到保证，但对先进的分组无线网络，面临语音、视频、数据等多媒体业务，由 于业务的特性不同，对q o s 的要求也尽不同，这就对业务的q o s 保证提出了挑 战。而从用户角度而言，只有达到一定的q o s 要求，服务才可能被接受。因此， 提供具有q o s 保证的c a c 策略成为近年来业界研究的热点问题。 近年来，具有q o s 保证的c a c 算法很多【孓，但都具有一定的局限性，主 要体现在多媒体业务模型上。随着越来越多的多媒体业务的出现，网络中的业 务结构发生了巨大的变化，给出更加符合网络中实际业务情况的业务模型逐渐 成为另一研究的重点。随着经营自主性的不断提高，各运营商提供的业务类型、 业务等级也可能不尽相同，因此在c a c 的算法中，应使q o s 的等级定义能够 适应各运营商的不同的要求。 1 2 研究内容与意义 1 2 1 未来无线通信网络的特点 第三代移动通信系统，俗称3 g ，即i m t 0 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 c o m m u n i c a t i o n - 2 0 0 0 ) ，是国际电信联盟( i t u ) 在1 9 8 5 年首先提出的。当 时被称为未来公众陆地移动通信系统，即f p l m t s ( f u m r ep u b l i cl a n dm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ) 。随着时间的推移，i m t - 2 0 0 0 的要求和目标愈加清 晰，由于f p l m t s 这个名称含义不准确，1 9 9 6 年u 正式将其更名为全球 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 移动通信系统i m t - - 2 0 0 0 ，意即工作在2 0 0 0 m h z 频段，预期在2 0 0 0 年左右 商用的系统。 i m t - 2 0 0 0 空中接口的主要目标如下： ( 1 ) 最高可达2 m b p s 的比特率； ( 2 ) 可变比特速率以提供需求带宽； ( 3 ) 将有不同服务质量要求的业务例如语音、视频和分组数据复用到一条 单一的连接中； ( 4 ) 满足对时延敏感的实时业务到比较灵活的尽力而为型的分组数据的时 延要求； ( 5 ) 从1 0 的误帧率到1 0 4 的比特误码率的质量要求： ( 6 ) 与第二代系统的共存以及为增加覆盖和负载均衡而要在两种系统之间 进行切换的功能； ( 7 ) 支持上下行业务量不对称的服务如浏览网页造成的下行负载远大 于上行负载； ( 8 ) 高频谱利用率； ( 9 ) f d d 、t d d 两种模式的共存。 从i m t - 2 0 0 0 空中接口的主要目标中可以看出，更高的比特速率数据业务 和更好的频谱利用率是3 g 系统不同于1 g 和2 g 系统的显著标志，它也体现了 当今移动通信技术发展的新趋势。 根据各类业务不同的延迟要求，3 g 系统将其提供的业务种类划分为以下4 大类【l i 1 2 j ：第l 类会话类业务( c o n v e r s a t i o n a lc l a s s ) ，第2 类是流式多媒体业 务( s t r e a m i n gc l a s s ) ，第3 类是交互式业务( i n t e r a c t i v ec l a s s ) ，第4 类是背景 类业务( b a c k g r o u n dc l a s s ) 。不同的业务具有不同的q o s 要求，比如实时话音 业务对时延敏感，但允许l o 3 量级的较高误码率，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 0 巧到l 旷量级【1 3 】。如何在恶劣的无线传播 环境里以及用户运动且相互于扰的情况下为各类业务提供q o s 保证，同时充分 利用珍贵的无线频谱资源，是基于c d m a 技术的3 g 系统、以及未来的无线个 人通信系统都必须致力解决的问题1 纠8 】。 1 2 2t d s c d 系统的新特点 t d s c d m a 系统的特点如下： ( 1 ) 如果都采用f d d 模式，3 g 总共需要大约4 0 0 m h z 的频谱资源，在 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 3 g h z 以下频谱上很难实现，而t d d 则能使用各种频率资源，不需要成对的频 率； ( 2 ) 在3 g 中，数据业务将占主要地位，尤其是不对称的m 分组数据业务。 而t d d 方式特别适用于传输上、下行不对称、且传输速率不同的数据业务； ( 3 ) t d d 上、下行工作于同一频率，对称的电波传输特性使之便于利用 智能天线等新技术，可达到提高性能、降低成本的目的； ( 4 ) t d d 系统设备成本低，便于频谱分配。 t d s c d m a 系统技术所提供的高性能主要表现在较高的频谱利用率方面， 此外，t d s c d m a 还是一种低成本系统。达到高性能和低成本的主要原因是 t d s c d m a 系统主要使用了如下技术： ( 1 ) 智能天线技术，它可以极大地降低多址干扰、提高系统容量、提高接 收灵敏度、降低发射功率及降低无线基站成本。 ( 2 ) 上行同步技术，它可以简化基站硬件，降低无线基站成本。 ( 3 ) 软件无线电技术，实现智能天线和多用户检测等基带数字信号处理， 是此系统可以灵活地使用新技术的关键，同时也可以降低产品开发周期和成本。 ( 4 ) 联合检测技术，是在多用户检测技术基础上提出来的。该技术是减弱 或者消除多址干扰、多径干扰和远近效应的有效手段。联合检测技术的高效率 主要是因为i d s c d m a 系统是一个时域和帧控的t d m a 方案。因此用户被分 布到每个时隙中，最终使每时隙中并行用户数量很小，这样，通过较低的计算 量和较低的信号处理要求即可被有效地检测到目标信号。 由于t d s c d m a 扩频增益较小，为了进一步解决智能天线主波束内多用户 干扰问题及不能克服多径时延干扰的问题，t d s c d m a 引入了联合检测算法。 联合检测算法的核心是利用智能天线空域滤波的结果以及小区内用户的己知信 息、信号估计的结果对小区内所有用户数据进行联合检测，得到多个用户数据 信息，从而提取有用用户信息，并利用所有用户的信道化码和信道信息，消除 符号问干扰( i s t ) 和用户间多址干扰忱d ，从而达到提高用户信号质量的目的。 因此，从降低干扰的角度来看，联合检测具有提高系统容量、覆盖范围，减小 呼吸效应、远近效应等优点。 t d s c d m a 技术的高性能主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 频谱灵活性和支持蜂窝网的能力。t d s c d m a 系统仅需要1 6 m h z 的最小带宽，若带宽为5 m h z 则支持3 个载波，在一个地区可组成蜂窝网，支 持移动业务，并可以通过动态信道分配技术提供不对称数据业务。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 2 ) 高频谱利用率。t d s c d m a 对称话音业务和不对称数据业务提供的 频谱利用率比u t r at d d 高。换言之，在使用相同频带宽度时，t d s c d m a 系统理论上可以支持更多的用户。 ( 3 ) 多种使用环境。t d s c d m a 系统是按照i t u 要求的3 种移动环境设 计的，而t d d 则并不能支持完全符合r r u 要求的3 种移动环境。 ( 4 ) 设备成本。在无线基站方面，t d s c d m a 的设备成本更低。 1 2 3 研究内容与实际意义 因为早期的无线网络仅支持单业务，如语音业务的传输，其c a c 策略也相 对较为简单。但随着网络技术的发展和用户需求的不断增长，单业务的传输已 经远远不能满足人们的需求，这就引发的针对复杂多业务体系的c a c 策略。在 以往的一些研究中，虽然也引入了多业务，但由于其复杂性，仅分别考虑了语 音、数据、视频等业务，并没有综合考虑多用户及多业务的情况，也没有对网 络中的接入业务进行具体的分类，因此本文在前人研究的基础上，综合考虑多 种业务，引入多用户检测因子进行具体分析，从而制定t d s c d m a 系统相应的 c a c 策略。 另外，我们知道，c a c 的目的除接入尽可能多的用户外，还要保证接入用 户的q o s ，而当前的一些无线网络的q o s 解决方案大都是基于单独的语音业务 或数据业务，或两者的结合。因此如何接入交互类及背景类业务，相应控制q o s 也成为一个至关重要的问题。在无线多媒体通信网络中，q o s 的定义也相应的 发生了一些变化。由于各类业务在传输过程中的要求不尽相同，传统的无区别 的尽力而为( b e s t - e f f o r t ) 已经远远不能满足要求。为了有更加可靠的传输，应 对不同的业务进行更加合理的等级划分，并根据每类业务定义符合其自身要求 的q o s ，然后根据各自的q o s 要求进行c a c 控制。业务的多样性也导致了非 对称业务的产生，而由于网络的对称特性，使得网络中将出现分配而未用的资 源，这将造成资源的极大浪费。除此之外，由于传播环境的复杂性，移动台到 达基站的功率不可能保持恒定，这就引发了非理想功率控制的问题。非理想功 率控制将直接影响系统的性能和容量，相应的多用户检测因子及干扰因子也会 因为非理想功率控制而不断变化，所以在c a c 策略中应该认真考虑。 综上所述，本文在t d s c d m a 接入控制系统中，首先对接入的业务进行详 细的分类，并根据实际情况，综合引入多业务模型，并对不同的业务类型定义 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 不同的服务等级，考虑区分优先级的接入方式，采用基于剩余容量的c a c 算法； 引入多用户检测因子，相应分析了该c a c 算法下各类业务的中断率、阻塞率、 降速传输率及综合g o s 服务质量；然后，分析非理想功率控制下多用户检测因 子及邻小区干扰消除因子的变化情况，并进一步仿真分析变化的多用户检测因 子及邻小区干扰消除因子对系统q o s 性能的影响，最后仿真比较不同情况下的 g o s 服务等级。 1 3 主要研究方法及结构安排 本文通过仿真，对基于t d s c d m a 技术的无线通信网络中的c a c 策略进 行了分析和研究。全文共分5 章，其中第3 章到第5 章是本文的重点章节，是 对作者在硕士研究生阶段所做研究工作的详细介绍。 在第1 章介绍了本文的研究背景，当前无线通信系统中c a c 的研究情况， 以及本设计的研究意义和论文的基本结构。在第2 章中，简单介绍了无线通信 系统的资源管理内容及t d s c d m a 系统无线资源的新特点，包括切换控制、 c a c 、功率控制和分组调度。在第3 章中，针对未来无线通信网络的特点，介 绍了网络中的几种业务类型的特点，其中包括：语音业务、数据类业、交互类 业务及背景类业务，并进一步介绍了c d m a 系统中基于剩余容量的c a c 策略。 第4 章首先提出了t d s c d m a 系统中剩余容量的计算方法，介绍了一种新 的对称t d - c d m a 系统中基于动态q o s 保证的c a c 策略。在此基础上，将 t d s c d m a 系统的接入业务进行详细的分类，采用联合检测技术，引入多用户 检测因子，进行系统接入控制。基本思想是，各运营商根据自己的需求，定义 网络中各类业务的优先级和q o s 等级；在接入过程中，根据各业务的优先级和 o o s 要求。以及系统各时隙的剩余容量，进行接入控制，同时高优先级的业务可 以剥夺低优先级业务用户的资源，然后对此进行了系统地分析、设计、仿真与 评价。仿真结果表明，该策略在保证各类业务q o s 要求的同时，有效的提高了 系统的资源利用率。 第5 章介绍了t d s c d m a 网络中非理想功率控制下的c a c 策略，仿真分 析了多用户检测因子及邻小区干扰因子与业务到达率的关系，并进一步仿真分 析了不同的多用户检测因子及相邻小区干扰因子对接入控制性能的影响，并针 对不同业务的q o s 要求，给出一种基于q o s 保证的c a c 策略。从仿真结果可 以看出，非理想功率控制下，多用户检测因子及邻小区干扰因子的变化对系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 q o s 质量有着显著的影响，并且该策略改善了系统性能。 最后总结了全文，并对未来的工作方向进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章无线通信网络中的资源管理 2 1 无线资源管理概述 与2 g 通信系统相比，3 g 系统提供了更为广泛的多种速率的业务，并且每 种业务都具有各自的业务特性或者服务质量( q o s ) ，所有激活业务的q o s 都需 要得到保障。对于如此繁多复杂的业务要同时进行通信，就需要一个强大有效 的机制来对无线资源进行管理。t d s c d m a 系统的可控无线资源包括码字、频 率、时隙和空间角度。因为该系统综合使用了时分，码分、频分和空分及其他 多种新技术，所以频率利用率较高。无线资源管理( r r m ) 是无线网络控制器 ( r n c ) 的重要组成部分，其作用主要包括3 个方面： ( 1 ) 通过负责空中接口资源的分配与使用，确保用户申请业务的q o s ，包 括误码率、误块率、时间延迟、业务等级等。 ( 2 ) 充分提高系统容量。 ( 3 ) 确保系统的无线规划的覆盖区域。 随着移动通信的飞速发展传统的以话音业务为主的2 g 系统以逐渐不能满 足人们的要求，而新兴的数字业务，如e m a i l 、视频传输、文件下载等将成为移 动通信中不可或缺的业务组成。因此，各大移动运营商都在积极地部署3 g 系 统国外已有3 g 系统投入商用。目前，在国内，3 g 系统也正逐渐走向商用化， 如何实现现有的系统由2 g 系统向3 g 系统的平稳过渡：如何避免重新建站、布 网带来的成本的低效、资源的浪费；如何在多媒体通信中的各种业务之间实现 资源的有效合理配置，挖掘出现有网络的最大潜能；这些均成为无线通信领域 研究的热点问题。 目前国内外的大部分研究都主要集中对单业务模型的r r m 方案进行分 析。但是在因特网日益普及的今天，无线通信发展的趋势必将是多种业务在通 信网络中并存。将来的无线网络除了要承载纯粹的话音业务外，还必须能够对 数据业务，视频业务等提供服务。这些业务不同于话音业务，具有不同的数据 传输速率，不同的发送功率，对网络资源的占用也不同于话音呼叫。如何利用 有限的频率资源来最有效地配置各种不同速率、不同q o s 要求的业务，在保证 q o s 的前提下使现有网络发挥出最大的效益，获得最大的系统吞吐量，是r r m 策略的关键。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 在各种移动通信传输体制中，有效地提高频谱资源利用率一直是研究的热 点问题，3 g 系统的各标准中都已提出面向q o s 的r r m 框架。在未来移动通信 系统中，使用r r m 的各种方法对复杂的无线物理信遣网络资源进行合理配置、 完善礤协议兼容性及保障不同特性业务的传输质量等方面的研究正在进行中。 未来移动通信网络中各种体制系统的互通、融合和网络构架已成为被关注的研 究方向。 r r m 的目标是在有限带宽的条件下，为网络内无线用户终端提供q o s 保 障，其基本出发点是在网络话务量分布不均匀、信道特性因信道衰弱和干扰而 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。切 换控制、c a c 、功率控制、分组调度等是r r m 研究中的几个主要内容。 2 无线资源管理组成和功能 无线资源管理( r r m ) 的主要功能有：计算功能、控制功能和资源配置功 能。它的组成结构包括：算法模块、决策模块、资源分配模块、无线资源数据 库和对外接口模块。其中起决定作用的是算法模块，包括： ( 1 ) 功率控制( p c ) 模块：主要作用是在维持链路通信质量的前提下尽量 可能小地消耗功率资源，从而将网络中空中接口部分相互干扰降至最低水平， 延长终端电池的使用时间，并提供所要求的q o s 。 、 ( 2 ) 切换控制( h c ) 模块：在蜂窝移动通信系统的小区模型中，为保证 移动用户穿越小区边界时通信的连续性，或者基于网络负载和操作维护等原因， 需要用切换功能来将用户从当前的通信链路转移到其他小区，甚至其他系统。 ( 3 ) 接入控制( a c ) 模块：当新的用户和越区切换的用户发起呼叫时， 网络执行a c 过程，其目的是维持网络的稳定性和已接纳用户的q o s 。 ( 4 ) 负载控制( l c ) 模块：主要功能是连续计算网络的负荷信息，并将 该信息提供给其他模块。当网络出现过载情况时，l c 通过联合其他r r m 模块 将网络恢复到正常的状态。 ( 5 ) 资源管理( r m ) 模块：包括码分配( c a ) ，逻辑信道资源和传输信 道资源的管理。 ( 6 ) 分组调度( p s ) 模块：主要功能是服务分组数据业务，其具体的调度 速率由网络负荷情况决定；分组调度分为慢速调度及快速调度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 3t d s c d m a 系统无线资源管理新特点 在t d - s c d m a 系统中，最大的特点之一就是在上行链路采用了多用户检测 技术。当采用m u d 技术后，上行链路的负载会受到影响。所以小区容量的估 算方法与f d d 模式下差别很大。 业务模型、信道模型和系统模型将对r r m 算法的设计产生决定性的影响。 由于业务参数模型和信道模型对于所有3 g 系统都是相同的，所以决定各系统 r r m 不同的因素主要是采用的系统模型。目前w c d m a r r m 算法比较成熟， 而t d s c d m a 系统和w c d m a 系统相比较，t d s c d m a 系统在物理层技术上 采用了智能天线、联合检测、上行同步以及特殊的帧结构等，另外t d s c d m a 系统采用了t d d 模式，因此t d s c d m a 系统的r r m 设计更加灵活，同时也 更加复杂。 对于t d s c d m a 系统来说，有的算法可以直接借鉴w c d m a 系统的算法， 如硬切换算法、闭环功率控制算法等；而有的算法必须基于t d d 特性进行改善， 例如负载评估和接入控制算法；而有的算法则是t d s c d m a 系统所持有的，比 如动态信道分配算法、接力切换算法等。 2 3 1 切换控制 切换技术是指移动用户终端在通话过程中从一个基站覆盖区内移动到另二 个基站覆盖区内或者脱离一个移动交换中心( m s c ) 的服务区进入另一个m s c 服务区内，以维持移动用户通话不中断。有效的切换算法可以提高蜂窝移动通 信系统的容量和q o s 。切换技术一般分为硬切换、软切换、更软切换、频率间 切换和系统间切换。切换技术主要是以网络信息信号质量的好坏、用户的移动 速度等信息作为参考来判断是否应执行切换操作。除了以上给出的切换技术以 外，正在研究的切换技术基于信道借用和基于用户位置的切换。 在t d s c d m a 系统中采用了硬切换和接力切换技术。当硬切换发生时，移 动台必须在接收新基站的信号之前，中断与原基站的通信。往往由于在与原基 站链路切断后，移动台不能立即得到与新基站之间的链路，使通信中断。另外， 当硬切换区域面积狭窄时，会出现新基站与原基站之间来回切换的“乒乓效应”， 影响业务的传输。 t d - s c d m a 系统提出了接力切换的概念，它不同于传统意义上的硬切换和 软切换，是种新的切换技术。主要原理是基于同步码分多址( s c d m a ) 技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 和智能天线技术的结合。在移动系统中，对于移动用户的准确定位一直是追求 的目标，而t d s c d m a 系统可以利用对天线阵列和同步码分多址技术中码片周 期的精确测定，得出用户的大体方位，在手机辅助下，服务的基站根据周围的 空中传播条件和信号质量，要求移动终端切换到信号更好的基站。接力切换可 以对整个基站网络的容量进行动态的优化分配，也可以实现不同系统之间的切 换。 一 2 3 2 呼叫接入控制 接入控制机制的目的有两个：( 1 ) 保证当前无线网络资源能够满足接入用 户要求的q o s ，例如信干比( s i r ) 和传输带宽；( 2 ) 保证新接入呼叫不影响网 络内已经建立连接的q o s ，或者说影响非常小。 接入控制是通过一个无线接入承载来接受或者拒绝一个请求。当无线承载 建立或者发生变化的时候就需要执行接入控制算法。接入控制模块位于r n c 内，因为在这里能得到很多小区的负载信息。接入控制算法会估计在无线网络 中建立某个承载将会引起的负载的增加。接入控制需要在上、下行分别进行估 计。请求的负载只有在上行和下行的接入控制都允许的情况下才可以接入，否 则它就因为可能会给网络带来过量干扰而被拒绝。 ， 以语音业务为主的c a c 决定是否接受新用户呼叫是相当简单的问是基在基 站有可用的资源时即可满足用户的要求。在c d m a 、t i ) s c d m a 网络中，使用 软容量的概念，每个新呼叫的产生都会增加所有其他现有呼叫的干扰电平，从 而影响整个系统的容量和呼叫质量。因此以适当的方法控制接入网络的呼叫显 得比较重要。3 g 及未来移动通信系统要求支持低速话音、高速数据和视频等多 媒体业务，因此c a c 也就变得较为复杂。 未来移动通信系统中c a c 的要求是：在判决过程中，使用网络计划和干扰 测量的门限，任何新的连接不应该影响覆盖范围和现有连接的质量( 整个连接 期间) ，当新连接产生时，c a c 利用来自负荷控制和功率控制的负荷信息估计 上、下行链路负荷的增加，负荷的改变依赖于流量和质量等参数，若超过上行 或下行链路的门限值，则不允许接入新的呼叫。c a c 算法给出传送比特速率、 处理增益、无线链路发起质量参数、误码率( b e r ) 、和信噪比( s 墩) 。c a c 管理承载映射、发起强制呼叫释放、强制频率间或系统问的切换等功能。 目前正在研究的c a c 策略主要针对语音或语音和数据两种业务。随着未来 移动通信系统对数据、图像、视频等多媒体业务的支持，其业务的传输速率也 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 越来越高，这就要求研究新的适合于高速移动通信系统的c a c 算法。此外，在 考虑移动通信系统的c a c 时，拥塞控制策略也是通常需要考虑的一个方面，因 此常将c a c 与拥塞控制进行结合研究。 t d s c d m a 系统的接入控制技术主要分为2 个步骤：第一个步骤是检验可 用资源，决定用户接入的时隙，这一步骤可以通过动态信道分配技术来实现： 第二个步骤是根据选定的时隙，确定在该时隙下是否能够接入系统。根据接入 控制的原理，分别确定上行和下行链路的接入情形，只有在上行和下行链路都 允许接入系统的前提下，才允许用户接入系统。 2 3 3 功率控制 功率控制是蜂窝系统中最重要的要求之一。在大多数系统中，基站和移动 台能实时动态地调整传输功率，提高系统性能。在f d m a t d m a 系统中，由于 频率复用引起同信道干扰，通过功率控制可以减少干扰提高资源复用率，从而 提高系统容量。而在t d s c d m a 系统中，功率控制使得用户间平等地共享资源。 t d s c d