（信号与信息处理专业论文）分布式无线通信系统中无线资源管理关键技术研究.pdf

北京邮电大学博士学位论文 摘要 摘要 d w c s 是突破了传统蜂窝结构的一种全新通信系统。它采用分布式 天线和分布式处理结构，以用户为中心，同时和多根天线进行通信，与 现有的蜂窝系统相比具有巨大的容量优势。 本论文主要工作是在d w c s 系统无线资源管理技术方面展开的，具 体如下： 1 在码分多址前提下推导了d w c s 系统的下行链路的平均容 量公式。对于来自多天线的相关信号的功率计算部分进行了详细 的推导和仿真。在信干比要求为一4 8 d b ，每根天线单个时隙2 0 个码情况下采用了注水功率分配算法，得到了系统的用户容量曲 线。仿真表明：采用四根天线系统所容纳的平均用户数接近于单 天线时的2 5 倍。 2 提出了总功率可变的最大比发送功率分配方案，依据用户数 的最大比分配方案，依据天线功率的最大比分配方案，依据门限 的最大比分配方案和依据门限和天线功率的最大比分配方案等 五种功率分配算法。对这几种算法的仿真表明：依据用户数的最 大比分配方案和依据天线功率的最大比分配方案由于考虑到每 个天线负载情况，使得天线的功率得到定的平衡，性能有一定 的提高；而依据门限的方案当门限值设定合适时，在系统性能几 乎没有下降的情况下，可以节省一半的天线资源；依据门限和天 线功率的最大比分配方案结合了依据门限方案和依据天线功率 方案的优势之后即使得性能获得了提高又节省了天线资源。 3 提出了应用于d w c s 系统中基于信道交换的动态信道分配 方案。这种方案通过调整用户的信道，解决了分布式无线系统中 由于用户位置和到达的随机性所造成了信道利用率比较低的问 题，提高了信道利用率。通过仿真分析，证实了提出的方案无论 在各个区域用户数相同还是不同都能够有效地增加用户数，在信 干比要求为10 d b 时，与随机动态信道分配方案相比，最大可以 使得系统接纳的用户数提高1 倍以上。在基于信道交换的动态信 道分配方案基础上，还提出了调整多用户和两步整合的两种改进 方案，仿真证实两种改进方案的性能在基于信道交换分配方案的 北京邮电大学博士学位论文 摘要 基础上有了进一步的提高。文章也对算法复杂度进行了分析。由 于在d w c s 系统中采用分布式处理，使得复杂度大的计算成为可 能。 4 提出了t d d 模式下的位置信息辅助动态信道分配方案。首 先讨论了传统蜂窝小区下的位置信息辅助动态信道分配方案，仿 真结果显示：所提出方案在避免掉线方面表现出卓越的性能。然 后重点讨论了d w c s 系统中选择两根天线和选择四根天线情况 下的位置信息辅助动态信道分配方案，通过仿真得出：在d w c s 系统中，多根天线的信道选择本身带来了空间上的分隔，不会像 蜂窝系统产生严重的掉线，但是由于阴影衰落的存在，因此也需 要对m s - m s 的干扰采取一些措施，位置信息辅助方案仍然在避 免掉线方面有较好的性能。由于用户的位置信息系统能够很容易 获得，因此具有很强的实用价值。 关键词：分布式无线通信系统平均容量最大比分配方案 d c a 信道交换t d d 方式位置信息辅助 北京邮电大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s 仃a c t d i s t r i b u t e d 、i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( d w c s ) i san o v e l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hb r e a l ( st h o u g h 廿1 ea r c h i t e c t u r eo ft r a d i t i o n a l c e i l s i t a d o p t s d i s t r i b u t e da n t e n n a sa n dd i s 打i b u t e d p r o c e s s i n g ， i s u s e r _ c e n t e r e d ，s i m u l t a n e o u s l yc o m 瑚u n j c a t e sw i 血m u l t i p l e a i l t e n n a s ，a n dh a s e n o m o u sc a p a c i t ya d v a l l t a g ec o m 】p a r e dw i mt h ee x i s t i n gc e l l u l a rs y s t e m s t h em a j nc o n t e n t sf o rm i st | l e s i sa r eo nm er a d i or e s o u r c em a 工1 a g e m e n t t e c h n o l o g i e sw i t l ld w c s a sf o l l o w s ： 1 d e r i v e sm ea v e r a g eu 8 e rc 印a c h ye x p r e s s i o nf o rd o w n l i n ki n d w c so nt h ec d m aa 8 s u m p t i o n t h ee v a l u a t i o n so fr e l e v a n t s i g n a l s p o w e r s 行o mt h ea n t e r h l a so fv i r t u a lc e l la r ed e t a i l e d i yd o n e b ym e a i l so fd e r i v i n ga n ds i m u l a t i n g w i mt h ed e m a n d e ds i ro f 一8 d b ，2 0c o d e sa s s i g n e dp e rs l o t ，a n do n l ys i n g l es l o tt a k e no v e r ， t 1 1 eu s e r c 印a c i 谚 o ft h e s y s t e m i se x a m i n e d b yf o l i o w i n g w a t e r - f i l l i n gp r i n c i p l e 1 1 1 er e s u l ti n d i c a t e s 也a tt h ea v e r a g eu s e r n 呦b e rc o n t a i n e db yd w c sw j t hs e l e c 血gf o u ra n 妞m a si sc l o s et o m e2 5t i m e so f t h ec a p a c i t yw i t hs e l e c t i n gs i n g l ea n t e n n a 2 p r o p o s e s 也ef i v ep o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t l l m s s u c ha st o t a l p o w e r - a d j u s t e dp a t hg a hp o w e ra l l o c a t i o n ，t o t a lp o w e r - a d j u s t e d w i 也u s e rn u m b e rp a t hg a i np o w e ra l l o c a t i o n ，t o t a lp o w e r - a d j u s t e d w i t ha n t e n n ap o w e r p a t l lg a i np o w e ra 1 1 0 c a t i o n ，t o t a lp o w e r i a 由u s t e d w i ml i m i t e dm r e s h o l d p a mg a i np o w e r a l l o c a t i o na n dt o t a l p o w e r - a 枷u s t e dw i t l li i m i t e dm r e s h o l da n da m e n n ap o w e rp a mg 出 p o w e r a l l o c a t i o n t h e s i m u l a t i n g f o rt h o s e p o w e r “1 0 c a t i o n a l g o r i m m ss h o wt l l a ts i n c et o t a lp o w e r - a 由u s t e dw i mu s e rn u m b e r p a t hg a i np o w e ra l l o c a t j o na n dt o t a lp o 、v e r - a d j u s t e dw i ma n t 咖a p o w e rp a mg a i np o 、v e ra 1 1 0 c a t i o nc o n s i d e rm el o a d i n gc o n d i t i o n so f a n t e n n a s ， m ep o w e r so fa n t e r u l a sc a nb eb a l a n c e da n d 8 y s t e m p e r f o r m a n c e sc a nb ei m p r o v e d t b t a lp o w e r - a 囟u s t e dw i t hl i m i t e d t h r e s h o l dp a t hg a i np o w e ra j j o c a t i o nc a n s a v eah a l fo f 柚t e n n a s r e s o u r c e sw i m o u tt h ed e g r a d a t i o no fs y s t e mp e r f o r n l a n c ew h e ni t s t h r e s h o l di s p r o p e r l ys e u p t o t a lp o w e r a d j u s t e d d t hl i m i t e d t h r e s h o l da n da i l t e l l l l ap o w e rp a t hg a i np o w e ra 1 1 0 c a t i o nc o m b i n e s i i i 北京邮电大学博士学位论文 a b s t r a c t t o t a lp o w e 卜a 4 i u s t e dw i mu s e rn u m b e rp a mg a i np o w e ra l l o c a t i o n a n dt o t a lp o w e r - a 谢u s t e dw i 出1 i m i t e dt 1 1 r e s h o l dp a t hg a i np o 、v e r a l l o c a t i o n ，w h i c hc a na t t a i nn o to n l ys y s t e mp e 响r n l a l l c eb u ta l s o s p a c er e s o u r c e s 3 p r o p o s e san e wd y n a m i cc h a n n e ia s s i g n m e ms c h e m eb a s e d - o n c h a n n e l ss w 印p i n gf o rd w c s t h es c h e m ec a np a c ku pt h ei d l e c h a n n e l st ob e c o m ei n t oa v a i l a b l ec h a l l n e l sv i a a d j u s t j n g t h e c h 锄e l so c c u p i e db yu s e r sa i l di n c r e a s es y s t e mc 印a c i 饥w h i c h r e s 0 1 v e s 也ep r o b l e mt h a tr a i l d o m n e s so fp o s i t i o n sa l l d 硎v i n gs o r t s o fu s e r sl e a dt ol o wc h a l l n e ie 岱c i e n c y b ys i m u l a t i n g ，w ec a i l c o n f i m 协ev a l i d i t yo ft h es h o w e dm e t h o di n 廿1 ec a s e so fb o mt l l e s 锄eu s e rn u m b e ra n dt h ed i 好e r e n tu s e rn u m b e rf o re a c ha r e ai n d w c s w i m 廿l el i m “e ds i ro f 1 0 d b ，m ec o n t a m e du s e rn u 1 b e r o f 也ep r o p o s e ds c h e m ec a nr e a c ht 1 1 e 似ot i m e st 1 1 a n 廿1 a to fm d o m d y n a m i cc h 蛐e 1a s s i g n m e ms c h e m e o nm eb a s e o fd y n 锄i c c h a r u l e la s s i g r 】m e n ts c h e m eb a s e d o nc h a n n e l ss w 叩p i n g ，s w 印p 协g m u l t i u s e r ss c h e m ea n dt w o s t 印ss w a p p i n gs c h e m ea l s o a r e p r 叩o s e d ，t h es i r n u l a t i n ge x a m i n et h a tm e 似os c h e m ec a na c h i e v e b e t t e r s y s t e mp e r f o r m a j l c e s t h a n d y n a m i cc h 肋n e la s s i g 衄e n t s c h e m eb a s e d o nc h a m e l ss w a p p m g t h i sm e s i sa l s oa n a l y s e sm e c 唧l e 癌t i e so f 廿l o s es c h e m e s b e c a u s eo f m ed i s t r i b u t e dp r o c e s s i n g ， t h ec o m p l i c a t e dc a l c u l a t i n gb e c o m e sp o s s i b l e 4 p r o p o s e sm es o c a l l e dp o s i t i o n a s s i s t a l l c e ( y n 锄i cc h a n n e l a s s i g n m e n ts c h e m ef o rt d dm o d e f i r s t ，d i s c u s sp o s i t i o n a s s i s t a i l c e d y n a m i cc h a n n e la s s i g i 】m e ms c h e m e 印p l i e di nt 1 1 e 订a d i t i o n a l c e l l u l a r s y s t e m t h es i m u l a t i n g r e s u l ts h o w sm a tt i l e p o s i t i o n a s s i s t a n c ed y n a m i cc h a r m e la s s i g 砌e n ts c h e m ea c h i e v e s t l l eb e t t e rp e r f o m a n c ei na v o i d i n go u t a g e ，a n d d e g r a d e sl i m ei n u s e r - b l o c k e d p e r f b 肌a n c e t h e n ，m a i n l y d e m o n s t r a t e s p o s i t i o n a s s i s t a n c ed y n a m i cc h 砌e la s s i g m e n ts c h e m ef o rt d d m o d ei nt h ec a s e so fs e l e c t i n g 似7 0a m e n n a sa n ds e l e c t i n gf o u r a n t e n n a s 印p l i e di nd w c s b ys i m u i a t i n 岛w ec a l l 丘n dt h a t ：i n d w c s ， b e c a u s eo ft h en a t u r e s p a c es e p g l r a t i o na t t r i b u t i o no f s e l e c t i n gm u l t i a n t e n n a s ，a l t h o u 曲t h es e r i o u so u t a g eh a p p e n i n gi s i v 北京邮电大学博士学位论文 a b s t r a c t n o to r e nc o m p a r e dw i mm a to fm ec e l l u l 盯s y s t e m ，s o m em e a s u r e s w h i c hw i l ls o l v em en a t u r em s - m si n t e r f b r e n c ep r o b l e mf o r1 d d m o d em u s tb ea d o p t e dw i 廿1 e x i s t i r 培s h a d o wf a d i n g a sag o o d e x a m p l eo fm o s em e a s u r e s ，p o s i t i o n a s s i s t a l l c ed y n 锄i cc h a i l l l e l a s s i g n m e n ts c h e m ea l s oh a sm eo u t s t a n d i n ga d v a n t a g ei na v o i d i n g o u t a g e i nd w c s s i n c e s y s t e me a s i l y o b t a i n st l l e p o s i t i o n i n f o n i l a t i o no fu 3 e r s ，也ep r o p o s e ds c h e m eh a sm ep m m i n e m d r a c t i c a lv a l u e k e y s ：d i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n j c a t i o ns y s t e m ( d w c s )a v e r a g eu s e r c a p a c i 够p a t hg a i np o 、v e ra l l o c a t i o nd y n a m i cc h a m l e la s s i g n m e m ( d c a ) c h 锄e ls w a p p i n gt i m ed i v i s i o nd u p l e x ( t d d ) p o s i t i o n - a s s i s t a l l c e v 独创性说明 本人声明所呈交的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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或 论文而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作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：翼弗4 丞 日期：知心年旷月灯日 关于论文使用授权的说明 本论文作者完全了解北京邮电大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构交送论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。本人授权北 京邮电大学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论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 蹦期：硝年m 矿日 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信发展现状 在最近的几十年里，通信技术得到了飞快的发展和广泛应用。信息的快速传 输提高了人们的生活质量和工作效率，缩短了人们之间的距离。尤其是光纤传输 技术的应用，数据传输速率成百倍地增长，有线传输技术取得了空前的进步。同 时，在无线领域中，由于数字传输技术的采用，使得蜂窝移动通信、卫星通信等 无线传输技术也得到了很大的发展，满足了人们随时随地都可以进行通信的愿 望。但是，无线接入网的传输速率远远低于以光纤为代表的有线网的传输速率， 成为传输上的极大限制。因此，进一步提高无线接入网的传输速率是今后无线发 展的最重要任务之一。 当今，移动通信网络已经进入了第三代大量进行商用的阶段【l 】。3 g 蜂窝移 动通信技术以w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 为代表，采用c d m a 方式。 3 g 蜂窝网络容量相对于2 g 蜂窝网络的容量和传输带宽有明显的提高。第三代 系统是为多媒体通信而设计的：通过该系统提供的高质量图象和视频，使人与人 之间的通信能力进一步增强；而第三代系统所带来的更新更灵活的通信能力和更 高的数据速率使得公用网和专用网上的信息与业务的接入能力大大增强【2 】。 与基于第一代，第二代以话音和低速率数据业务为主的移动和个人通信系统 标准相比较，第三代移动和个人通信系统的特点如下： 提供宽范围的业务，多速率和高速率数据业务服务( 速率高达2 m b i 讹) 提供高质量业务服务，即长话质量的语声，位错误概率小于1 0 _ 6 的数据 业务 简单的小区结构和易于管理的信道 在混合小区情况下运行( 宏蜂窝，微蜂窝和微微蜂窝) 在不同的环境下运行( 室内、室外、商用民用和蜂窝无绳) 需要灵活的频率和无线资源管理，系统配置和服务设施 较大的用户容量 低功率消耗 另外，从单一的话音业务到多媒体数据业务的演进是移动通信系统发展的必 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 然趋势。2 0 网络主要以电路交换的话音业务为主，而3 g 网络通过分组交换承 载多种不同q o s 的业务包括话音业务和多媒体数据业务。 尽管3 g 能够给人们提供各种多媒体业务的应用，但是相比于有线传输的几 十兆甚至上百兆比特秒的传输速率，无线传输则面临着巨大的压力和挑战。由 于频谱资源受限以及多径衰落和各种干扰噪声的影响，无线通信很难达到与有线 通信相匹敌的数据率。因此，无线通信未来发展的瓶颈仍然是如何更充分和更经 济地利用有限的时间、频率、码字和空间资源，以提供更高的频谱效率和传输速 率。因此如何提高无线通信系统的容量成为目前无线通信领域的一个重要研究课 题。 在无线通信系统中，频谱资源是有限的，尤其对于蜂窝移动通信而言，其大 覆盖面积的要求以及面向个人通信的特点决定了其很难向微波频段扩展，因此， 无法以带宽为代价来换取数据传输率的提高。与此同时，随着因特网的普及，人 们对无线多媒体业务的需求日益增加，这就促使人们不得不研究如何在一定的带 宽资源下尽可能地提高容量。 在现有的蜂窝移动通信系统中， 提高系统容量的主要手段是从信号设计与 处理的角度出发，如采用高效调制及强有力的信道编码等，以提高频谱利用率。 就目前的技术而言，特别是t u r b o 码的提出与应用，使得达到或接近香农信息容 量不再是一个遥不可及的梦，目前采用2 5 6 q a m 调制的系统实际频谱利用率已接近 8 b i t s s h z ，而1 0 2 4 q a m 的应用也见报道，频谱利用率达1 0 b i t s s h z 。不过完全 靠增加调制电平数提高传输速率的方法在超过1 0 b i t s s h z 之上时其复杂度及对 信道的要求已是实际系统所不能承受的了，特别是每增加l b i t s h z 就要增加3 d b 的信噪比，实现复杂度、对时钟精度的要求及对信道参数估计精度的要求等都相 应地要成倍增加。而所带来的好处只是频谱利用率的不到1 0 的增加。这也就是 为什么在实际系统中不可能超过l o b i t s s h z 的原因。 另外，我们也可以从开发空间资源的角度来进一步提高无线系统的频谱利用 率。历史上，移动通信的蜂窝化就是场利用空间资源的革命。为了提高空间资 源的利用率，人们进行了广泛而深入的研究，智能天线、时空编码，分布式天线 等新兴研究领域正是因此而蓬勃发展起来。 其中多天线系统的应用前景是十分诱人的，已经有文献采用1 6 q a m 实现了 2 0 4 0 b i t s s h z 的频谱利用率 3 。 除此之外，多用户检测技术 4 也是目前无线通信领域的研究热点之一。我 们知道，现有的无线通信系统中通常所采用的匹配滤波器虽然在单用户信道下已 被证明为最优检测子，但在多用户信道下，由于简单地将干扰用户的信号看作噪 声将其抑制掉，从信息论的角度来看显然不是最优的。s v e r d u 提出的多用户检 2 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 测技术综合利用了所有用户的信息，对多个用户联合求解，性能远优于已有的单 用户检测子。 然而，在目前的蜂窝体制下采用多天线和多用户联合检测技术存在一定的局 限性： 一方面，在现有的蜂窝系统中，多天线一般集中放置于基站组成天线阵，这 种集中放置实际上限制了天线数量，同时也并不利于空间资源的充分利用，在小 区边界处的用户的性能往往比离基站近的用户的性能要差的多。尽管采用微蜂窝 技术以及分布式天线可以缩小小区半径，提高天线覆盖面积，从而提高用户的接 收性能，但随之而来的另一个问题在于基站数目大大增加，导致建设和维护费用 的大幅增长，而且切换也变得更加频繁； 另一方面，在蜂窝系统下由于小区的划分，邻小区用户的信号在当前小区被 视作干扰加以抑制，从而损失了其所能提供的信息量，即使采用多用户检测也只 是针对本小区用户而言的，这也会对边界用户的性能产生很大的影响。 导致以上这些问题的原因归根结蒂就在于：目前蜂窝体制下的小区是根据地 理位置划分，而不是面向用户的。在这样的处理体制下小区边界处的用户会有相 当大的性能损失，尤其随着小区半径的缩小，这种性能损失将会越来越大。可以 想象，如果突破小区限制，将天线分散至各处，组成多点对多点的发送接收体系， 以用户为单位采用多用户联合检测和多天线联合处理策略，就能更加充分地利用 空间资源和用户信息，从而显著地提高系统容量。 1 2 分布式无线通信系统 基于以上思想，清华大学微波与数字通信国家重点实验室与北京邮电大学信 息工程学院联合申请国家自然科学基金项目“基于分布式天线的无线通信体系 理论及关键技术”过程中，首次提出分布式无线通信系统的概念，即：采用分布 式天线、分布式光纤、分布式计算和分布式网络的框架实现新一代无线通信。 具体而占，各天线将接收到的信号转化为光信号通过光纤传至各处理器，由 处理器对各天线的输出信号进行联合处理，包括多用户联合检测，解调解码等等。 反之，当需要发送数据时，处理器便将数据进行有关处理后通过各天线发送出去。 在分布式无线通信系统中，分布式天线只是对信号进行简单的处理，如上下变 频，光电( 电光) 转换等，并不采用任何复杂的信号处理技术，因此它们的尺寸 和成本可以大大降低，可以象路灯一样每隔几百甚至几十米安装一个。分布式无 线通信系统采用分布式天线和分布式处理结构，因此传统意义上的以地理位置为 依据的小区划分机制不复存在，取而代之的是以用户为单位的虚拟小区。具体而 3 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 言，实时测量各分布式天线到每用户的信道增益，始终由与用户信道质量最好的 多根分布式天线联合组成该用户的虚拟小区，根据移动台当前的环境来选择虚拟 小区，当移动台所处环境发生改变( 如位置移动) 时，移动台所对应的虚拟小区 也会发生相应的变化。对于多用户情况，各用户的虚拟小区可能会发生重叠。在 分布式无线通信系统中，仅用户的虚拟小区的天线负责该用户信号的收发。 自分布式无线通信系统的概念提出以来，研究工作主要集中在对系统容量的 分析上。文献 5 在只考虑路径损耗的情况下分析了分布式无线通信系统的反向 链路用户容量，给出了反向用户容量的计算公式。在相同的天线结构下比较了单 天线传统蜂窝结构、采用分布式天线的蜂窝结构和使用不同天线数目的分布式无 线通信系统的反向链路用户容量。文献【6 】还对前向链路用户容量进行了分析， 比较了有功控的选择发送、无功控的选择发送和基于n p p 功控方式发送条件下 的前向链路用户容量，证明了d w c s 在前向链路用户容量上的优势。文献 7 ，8 】 分析了考虑阴影衰落情况下分布式无线通信系统在采用最大比合并下的中断概 率，并与采用软切换的传统蜂窝作了比较。文献 9 1 从单用户环境和多用户环境 两个方面分析了分布式无线通信系统的信道容量以及前向和反向链路用户容量， 并与采用分布式天线的蜂窝结构作了相应的比较。以上的研究和分析表明分布式 无线通信系统的容量要远优于相同天线密度下的蜂窝移动通信系统。文献【9 】还 提出了适合于分布式无线通信系统的前向多天线发送算法c m i m o 。该算法基于 层次的时空发送结构，结合信道状态信息按照注水功率分配原则对各天线的发送 波形进行联合调整，不仅大大提高了性能，而且具有很高的频谱利用率。 在分布式无线通信系统中，分布式天线有助于空间资源的充分利用，且分布 式的处理结构有利于实现多维信号的联合处理，而面向用户的虚拟小区机制则保 证了以用户为单位的信号处理，从而最大限度地减少了性能损失。与现有的蜂窝 系统相比，分布式无线通信系统具有巨大的容量优势。 1 3 无线资源管理技术 一个好的无线网络要想高效的运作，良好的无线资源管理技术是必须的。无 线资源管理所涉及的内容十分广泛，主要包括以下一些技术：接纳控制，功率控 制，切换，信道分配，调度，负载控制，速率控制等等 1 0 】。这些技术策略的研究 又牵涉具体的网络业务种类，用户移动性模型，系统容量的分析等。 1 动态信道分配技术 4 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 一个给定的无线频谱或带宽可以被分割成一组彼此分开或不干扰的无线信 道所有这些信道可以在保持可按受的通信质量时同时被使用。为了将一个给定 的无线频谱分割成这些信道，使用到了诸如频分，时分以及码分等技术。在频分 中，频谱被分割成彼此不想交的频带；而在时分中，信道之间的分隔是通过将信 道的使用分割成彼此不相交的时间中，我们称之为时隙；在码分中，信道的分隔 则是考使用不同的调制码来实现的。另外，还可以同时使用上述的技术来进行信 道分割。t d d 模式c d m a 系统就是结合时分和码分两种技术的一种多址通信方 式。 如何有效地利用有限的信道资源以提供尽可能多的用户接入是信道分配技 术研究的目的。信道分配技术研究的内容，实质上是在约束条件下的优化问题 1l 】。根据移动通信的特点，其约束条件即所谓电磁兼容性限制，即同信道限制， 邻信道限制和交调限制等。一般说来，信道分配方式可分为两类：固定信道分配 和动态信道分配。d c a 则是在某一小区产生信道需求时，根据系统共享信道的占 用情况以及各空闲信道的噪声和干扰条件，按照预设的评判准则将某一空闲信 道分配给提出需求的用户。在现有的o s m 系统的中，各小区之间的频道分配一 般采用固定和半固定的方式，即频率规划。而对于同一频率的不同时隙，般则 采用动态分配由于2 g 系统主要以话音业务为主，不同用户所使用的业务对于 信道的需求是基本相同的，因此在信道分配方案上大多数采用f c a 。在数据和 多媒体业务占有相当比重的3 g 系统中，由于业务的多样性，使得不同的用户对 于信道的需求有所不同，同时，由于小区半径越来越小，同样的服务区域所划分 的小区数目急剧增长，使得f c a 的实现越加困难，同时f c a 在业务支持的灵活 性方面远不如d c a ，且频带利用率低，不能很好的适应网络中负载的变化以及 对信道预规划的需求。因此从趋势上讲，3 g 系统，特别是t d d 模式下的信道分 配方案将以d c a 为主【1 2 】。 在d c a 中，信道不是固定归属于某个小区，小区和信道之间并没有像f c a 那样特定的关系。所有的信道都被集中一起进行分配，只要该信道能够提供足 够的链路质量，任何小区都可以将该信道分配给呼叫。在通信系统运行过程中， d c a 根据当前网络的状态，动态的分配给某个小区。在定的区域内，几个小 区可用信道资源被集中起来，例如由m s c 管理m s c 将根据小区呼叫阻塞概率， 候选信道的使用频率，信道的再用距离等参数，来动态地将信道分配给呼叫。 d c a 的优点是频带利用率高，无需信道预规划，可以非常好地适应网络中负 载的变化，特别适合多媒体通信中，非对称业务和多种不同业务共存情况下的无 线通信系统 1 3 。 但有效的d c a 算法或者能达到理想状态的d c a 算法通常是 非常复杂的，随之带来的缺点就是在通信系统运行过程中，系统在信道分配上的 5 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 开销很大，并且要求起集中控制作用的m s c 可以收集有关信道容量的实时信息， 业务的分布以及信道干扰方面的特性。信道分配可以通过不同的方式来实现，包 括集中式的信道分配和分布式的信道分配【1 0 ，1 4 】。 2 功率控制 在各种通信系统中，功率控制成为资源分配和干扰管理的关键问题。每个 用户随着接入点的变化，通过改变它的发射功率以适应变化的无线信道和干扰 条件。通过功率控制，可以避免因移动台离基站近时信号强，离基站远时信号弱， 并在通信系统的非线性下进一步加重，造成强者越强，弱者越弱以强压弱的远近 效应，可以改善在下行链路中，当移动台位于相邻小区的交界处时，收到所属基 站的有用信号功率很低，却受到相邻小区基站较强干扰的边角效应，还可以补偿 电波传播中由于大型建筑物的阻挡，形成阴影效应产生的慢衰落 1 5 ，1 6 。 3 接纳控制 呼叫接纳控制过程是根据系统的实际负载情况决定是否接受新到达的用户 的呼叫请求，从而控制系统中通话的用户数量，使系统负荷维持在一个比较稳定 的水平上。第三代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，因此砰叫接纳控制也变得较为复杂。原因在于c d m a 蜂窝系统是 一个白干扰系统，它的系统容量不是固定值，而具有较大的弹性，每个新呼叫的 产生都会增加对所有其它现有呼叫的干扰水平，并可能影响整个系统的容量和 呼叫质量。如果允许空中接口负荷过渡增长，那么小区的覆盖面积就会减小到 预期的数值之下，丽且已有连接的服务质量也无法得到保证。因此，随着未来移 动通信系统对数据，图象，视频等多媒体业务的支持，其业务的传输速率也越来 越高，差异性也越来越大，研究新的适合于高速移动通信系统的自适应呼叫接纳 控制算法十分必要。 4 切换 切换始终是移动蜂窝通信系统的特色问题。移动性引起蜂窝系统中链路 质量和干扰电平的动态变化，要求用户改变它的服务基站，即切换。在第一代 蜂窝系统中，切换相对简单。第二代蜂窝系统较之第一代有了很大的提高，包 括所采用的切换准则。更复杂的信号处理和切换判决过程被采用。控制和判 决网络从网络控制朝向移动台辅助控制的切换( m a h 0 ) 或移动台控制的切换 ( m c h o ) 演进。并且在i s 9 5 系统中采用了先进的软切换。软切换对是否切换 会做出明确决定，一旦决定就开始执行切换，用户和两个基站间不会同时存在 业务信道软切换对是否切换做出的是条件性决定，根据来自两个或者更多基 站导频信号强度的变化，最终决定与哪个基站通信，这通常发生在已经明确某 6 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 基站的信号强过其它基站信号时。处于中间阶段时，用户会与所有候选基站同 时保持业务信道。软切换消除了硬切换中的乒乓效应，将低了切换时延，并增 加了系统容量。它是c d m a 系统的特色之一，对c d m a 系统的研究离不开对 软切换的研究【1 7 】。 5 分组调度 无线通信中，为了在其共享媒体上为所有用户提供服务，必须采用媒体接入 控制协议( m a c ) 在各用户间调度分组发送，进行统计复用。在c d m a 系统中采 用功率控制对抗远近效应。在单一语音业务系统中，上行链路中小区内每一个 移动台在基站处的接收功率被维持到相同的电平。然而，在多媒体系统中，不同 业务类型要求不同的误码率。如果所有业务的接收功率保持在相同的水平，容 量就会被误码率要求最严的业务所限制，不能有效的利用宝贵的无线资源。而 且由于多媒体业务流存在较大的差异性和突发性，多媒体业务的分组发送顺序 对无线系统的效率和性能会造成更大的影响。通常的分组调度准则包括吞吐量最 大化，满足q o s 要求，按预定义的悠闲结构调度，对实时业务采取低实现复杂度 的调度等。由于许多调度策略，如f i f o ，轮询机制，最早提出于有线网，过去无 线网内采用更多的是随机接入协议。随着著名的p r m a 协议的提出，较为成功地 解决了基于t d m a 方式的蜂窝移动通信系统的容量增加和话音，数据业务综合 等问题，为探讨未来无线通信网中适合多媒体业务的灵活有效的多址接入方式 打下了基石 1 8 。 6 负载控制 无线资源管理的一个重要任务是确保系统不过载并维持稳定。但是如果系 统中出现诸如平均资源需求接近容量极限，业务突发性过强，无线信道条件过于 恶劣，或用户分布过于密集时，就有可能发生过载，出现拥塞。因为大多数功率 控制准则是为了保障q o s ，会增加发送功率，这就增加了干扰将低了系统性能。 此时需要采取有效的拥塞控制技术，将系统迅速并可控地回到无线网络规划所 定的目标负载值。为降低负载，可以对下行链路采取快速负载控制，拒绝执行收 到的来自移动台的下行链路功率的升高指令；对上行链路采取快速负载控制，降 低上行链路快速功控所使用的上行链路e b n o 的目标值；减少分组数据业务的 吞吐量；降低实时用户的比特速率；以控制方式停止呼叫等。在多速率系统中， 如何快速检测到系统的异常，采取恰当的拥塞控制技术，使系统恢复常态非常重 要 1 9 ，2 0 j 。 7 速率控制技术 如众望所归，下一代无线通信网能够支持各色业务，包括高速数据应用。不 7 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 同于以往的话音业务，只要在稍长的时段内吞吐量足够，这些数据业务就时常能 忍受相当的分组时延。数据应用对时延的相对忍受能力，以及数据业务本身的 突发特性，为发送调度以优化吞吐量提供了可能。对低移动性的环境如室内，瑞 利衰落频率相对较低，衰落电平在一定程度上可以预测。如在高通公司提出的 h d r 规范中，衰落可通过基站提供的导频信号被所有的用户测量，这些测量值 再反馈给基站，并用于估计衰落电平及下一时隙内用户速率。显而易见，这种方 法利用了信道条件的变化，把可使用速率用恰当的系数进行加权，向拥有当前最 好信道的用户以最大速率发送。如果把加权系数理解为回报代价，那么这种最 优策略就是一种基于收益的策略。合理选取代价函数，分配发送速率，才能有效 保证用户q o s 要求，提高网络的吞吐能力【2 1 。 1 4 论文的创新点和组织结构 本论文主要在分布式无线通信系统无线资源管理方面的信道分配技术和功 率分配技术展开了研究和探讨。主要创新之处包括以下几点： 在码分多址前提下推导了d w c s 系统的下行链路的平均容量公式。对于来 自多天线的相关信号的功率计算部分进行了详细的推导和仿真。在信干比要 求为 一4 ，8 d b ，每根天线单个时隙2 0 个码情况下采用了注水功率分配算法，得到 了系统的用户容量曲线。仿真表明：采用四根天线系统所容纳的平均用户数 接近于单天线时的2 5 倍。 提出了总功率可变的最大比发送功率分配方案，依据用户数的最大比分配方 案，依据天线功率的最大比分配方案，依据门限的最大比分配方案和依据门 限和天线功率的最大比分配方案等五种功率分配算法。对这几种算法的仿真 表明：依据用户数的最大比分配方案和依据天线功率的最大比分配方案由于 考虑到每个天线负载情况，使得天线的功率得到一定的平衡，性能有一定的 提高；而依据门限的方案当门限值设定合适时，在系统性能几乎没有下降的 情况下，可以节省一半的天线资源；依据门限和天线功率的最大比分配方案 结合了依据门限方案和依据天线功率方案的优势之后即使得性能获得了提 高又节省了天线资源。 提出了应用于d w c s 系统中基于信道交换的动态信道分配方案。这种方案 通过调整用户的信道，解决了分布式无线系统中由于用户位置和到达的随机 性所造成了信道利用率比较低的问题，提高了信道利用率。通过仿真分析， 证实了提出的方案无论在各个区域用户数相同还是不同都能够有效地增加 8 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 用户数，在信干比要求为1 0