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北京邮电大学硕士研究生论文摘要 m c c d m a 系统级仿真技术研究 摘要 由于3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核 心网结构，所以普遍认为第三代系统仅仅是一个从窄带向未来移动通 信系统过渡的阶段。目前，人们已经把目光越来越多得投向三代以后 ( b e y o n d3 g ) 的移动通信系统中，使其可以容纳市场庞大的用户数、 改善现有通信品质不良，以及达到高速数据传输的要求，包括正交频 分复用( o f d m ) 、多入多出( m i m o ) 天线系统、白适应调制与编码 ( a m c ) 、自适应复合a r q 的不断发展，将在未来的几年中为b 3 g 系 统走向商用奠定重要基础。 然而面对更加复杂的业务，多样的无线资源，这就需要不断探索 如何更加高效地管理无线资源，在已有传输技术的基础上不断提高系 统q o s 和系统容量。然而由于未来b 3 g 系统的架构还没有形成统一 的模型，更谈不上在实际系统上去验证那些无线资源管理算法的研 究，因此需要对未来移动通信技术及系统架构进行探讨，并且建立合 理高效的系统仿真模型对相关的算法进行初步的验证。 本文参考相关资料给出未来多载波c d m a ( m c c d m a ) 系统结 构，介绍了m c 。c d m a 系统中可能采用的无线资源管理算法，研究 了系统级仿真中关键性问题，分析了相关的仿真理论，建立相应的仿 真模型，在此基础上采用了一种系统级仿真的方法，开发了基于 c c + + 的m c c d m a 系统级仿真平台，在该平台上评估了一些关键参 数的设置和算法的选用对系统性能的影响，验证了仿真方法和仿真平 台的正确性与效率。 关键字：m c c d m a无线资源管理算法系统级仿真 北京邮电大学硕士研究生论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c h0 nt h es y s t e ml e v e l s i m u l a t i o no fm c 。c d m a a b s t r a c t 3gs y s t e mi sc o n s i d e r e da sam i d d l e s y s t e mb e t w e e nn a r r o wb a n d m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h e f u t u r es y s t e m ，b e c a u s ei t sc o r e n e t w o r ki sm o s t l yt h es a m ea s2 gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sh a v eb e e n p a i do nt h 6b e y o n d3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mr e c e n t l y , i tc a n p r o v i d el a r g e rc a p a c i t y , h i g h e rd a t ar a t e a n db e t t e rc o m m u n i c a t i o n p e r f o r m a n c e t h ed e v e l o p m e n to no 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 f d m ) ，m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ( m i m o ) ，a d a p t i v em o d u l a t i o na n d c o d i n g ，a n da d a p t i v ea r qw i l l m a k ea g r o u n d w o r k f o rt h e c o m m e r c i a l i z eo fb3g h o w e v e r , i nf a c eo ft h em o r ec o m p l e xs e r v i c ea n dr i c h e rw i r e l e s s r e s o u r c e ，w en e e dt op r o p o s em o r ee f f i c i e n ta l g o r i t h mt om a n a g e rt h e w i r e l e s sr e s o u r c e ，a n di m p r o v et h e s y s t e mq o sb a s e do nt h ef i x e d p h y 7 s i c a ll a y e rt e c h n o l o g y b u ta st h e r ei s n ta na g r e e m e n tw i t ht h eb 3 g s y s t e mf r a m e w o r k ，s a yn o t h i n g o f v a l i d a t i n g t h er a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n t ( r r m ) i nar e a ls y s t e m ，s ow eh a v et od or e s e a r c ho nt h e f r a m e w o r ko ff u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，b u i l da ne f f i c i e n ta n d r e a s o n a b l em o d e lt ov a l i d a t et h er 剐m i nt h i sp a p e r ，w ep r o p o s eaf r a m e w o r ko ft h ef u t u r em c c d m a s y s t e m ，m a k ea b r i e fi n t r o d u c t i o no fr r _ mt h a t m a yb e u s e d i n m c - c d m a ，a n da l s om a k ead e e pr e s e a r c ho nt h ek e yp r o b l e mo fs y s t e m l e v e ls i m u l a t i o n t h e nw ed e v e l o pas y s t e ml e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r m b a s eo nc c + + ，w h i c ha i m st ov a l i d a t et h ep e r f o r m a n c eo fs o m ek e y p a r a m e t e ro f m o b i l ec e l l u l a rs y s t e ma n dr r m k e yw o r d s ： m e c d m ar r m s y s t e ml e v e ls i m u l a t i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 孬墼垒筮 日期： 兰! 堕：生：! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：兰! ! 鱼：坐：1 1 9 期： 2 生亚丘：业：l 北京邮电大学硕士研究生论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信现状和发展趋势 移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。1 8 9 7 年，m g 马可尼所 完成的无线通信实验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，当时的距离为1 8 海 里。现代移动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，但是_ 直到2 0 世纪7 0 年代 中期，才迎来了移动通信的蓬勃发展时期。 1 9 7 8 年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了 蜂窝状模拟移动通信网，大大提高了系统容量。与此同时，其它发达国家也相继 开发出蜂窝式公用移动通信网。这一阶段的特点是蜂窝移动通信网成为实用系 统，并在世界各地迅速发展。移动通信得到迅猛发展的原因，除了用户要求迅速 增加这一主要推动力之外，还有几方面技术进展所提供的条件。首先，微电子技 术在这一时期得到迅速发展，使得通信设备能够实现小型化、微型化。其次，提 出并且形成了移动通信新体制，即贝尔实验室在7 0 年代提出的蜂窝网的概念。 蜂窝网，即所谓的小区制，由于实现了频率再用，大大提高了系统容量。第三方 面进展是随着大规模集成电路的发展而出现的微处理器技术日趋成熟以及计算 机技术的迅猛发展，从而为大型通信网的管理与控制提供了技术手段。这一阶段 所诞生的移动通信系统一般被当作是第一代移动通信系统。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，数字移动通信系统进入发展和成熟时期。蜂窝 模拟网的容量已不能满足日益增长的移动用户的需求。8 0 年代中期，欧洲首先 推出了全球移动通信系统( g s m ) 。随后美国和日本也相继指定了各自的数字移 动通信体制。2 0 世纪9 0 年代初，美国q u a l c o m m 公司推出了窄带码分多址 ( c d m a ) 蜂窝移动通信系统，这是移动通信系统中具有重要意义的事件。从此， 码分多址这种新的无线接入技术在移动通信领域占有了越来越重要的地位。这些 目前正在广泛使用的数字移动通信系统是第二代移动通信系统。 第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。但随 北京邮电大学硕士研究生论文第一章绪论 着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通信网很 难满足新的业务需求。 第三代移动通信系统就是为了满足这些新的业务需求而设计的，目前主流的 标准是w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a 。其中t d - s c d m a 是由中国提交 的第三代移动通信标准，它和w c d m a 在核心网技术上是一致。根据相关资料 显示，截至2 0 0 5 年7 月，全球共有2 0 7 个3 g 网络商用( e v - d o 和1 x 分别计算) ， 其中7 4 个w c d m a 网络，2 1 个c d m a 2 0 0 01 x e v - d o 网络，1 1 2 个c d m a l x 网 络。截至2 0 0 5 年6 月底，全球w c d m a 用户数为2 8 3 0 万人，继2 0 0 4 年9 月 公布达到的1 0 0 0 万用户数相比，w c d m a 阵营用户数在半年内突破2 0 0 0 万大 关，其中大部分是日本n r td o c o m o 公司的f o m a 用户，超过1 3 0 0 万。日本 另外一家提供w c d m a 网络的运营商v o d a f o n e 的用户超过了1 3 0 万；和记黄埔 公司的“3 ”业务全球用户突破8 0 0 万。通过这些数据我们可以看出，3 g 已经度过 起步的缓慢发展阶段，正在步入高速发展阶段。未来几年，第三代移动通信系统 “! 紫“ 将成为移动通信领域的主导，3 g 的三大主流标准，包括w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 # 和t d s c d m a 都将在我国移动通信市场占据一席之地。与此同时，在市场需求 的不断推动下，3 g 增强型技术，包括h s d p a h s u p a 的日趋成熟，将极大提高 3 g 系统的上下行数据承载能力以及系统的数据承载效率。 但是由于3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结 构，所以普遍认为第三代系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶 段。目前，人们已经把目光越来越多得投向三代以后( b e y o n d3 g ) 的移动通信 系统中，使其可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通信品质不良，以及达到高 速数据传输的要求，包括正交频分复用( o f d m ) 、多入多出( m i m o ) 天线系统、自 适应调制与编码( a m c ) 、自适应复合a r q 的不断发展，将在未来的几年中为b 3 g 系统走向商用奠定重要基础。 日本n t t d o c o m o 公司于2 0 0 5 年5 月9 日利用了时速约2 0 k m 的移动装置 对其开发的b 3 g 通信技术进行了验证，可以提供下行1 g b p s 的传输速度，该测 试方案采用了“v s f s p r e a do f d m ”和空间复用技术“m i m o ”。使用了4 个发 送天线、4 个接收天线、1 6 相q a m 数据调制、编码率为8 9 的t u r b o 编码。接 收方采用“最优判定法( m l d ：m a x i m u ml i k e l i h o o dd e t e c t i o n ，最大似然检测) 北京邮电大学硕士研究生论文第一章绪论 作为信号分离方法。 欧洲也在9 0 年代早期就对b 3 g 技术进行研究，i s t 的m a t r i c e 工程也提 出基于m c c d m a 的b 3 g 通信技术。 对于b 3 g 技术的研究也进入到非常关键的时期。 1 2 常见的多载波模型 c d m a 技术存在的问题是频率选择性多径衰落会引起c d m a 系统的码元间 干扰( i s i ，i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 和码片间干扰( i c i ，i n t e r c h i pi n t e r f e r e n c e ) ，这是 因为在高速数据传送率的无线移动环境下，高速系统的码元周期远远小于信道时 延扩展，严重载波间干扰导致系统性能严重下降n 1 。实际上当数据速率达到百 m b p s 时，系统性能的下降和同步的困难使得c d m a 技术的应用显得很不可行。 而正交多载波调制和c d m a 结合起来正是为了解决这个问题。正交多载波 调制技术( 通常以o f d m ，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 实现) 将数据流 转化成并行子载波流，且在不同的子载波上同时传送，每个子载波流以较低速率 传送，也即码元周期变长，这样系统对于物理层的时延扩展的敏感度减少，但是 整个体制仍然保持原始的高速传送率。如果信号的码元周期与信道的时延扩展是 可比较的，则正交多载波调制技术是抵抗码元间干扰的一种可行的方法。因此通 常在o f d m 的一个码元周期中要加入保护间隙，以确保信道码元周期大于信道 时延扩展。而这样一种处理也可以同样地应用于多载波c d m a 。 另一方面，频谱效率也是无线运营商和研究者关心的问题之一。无线频谱的 有效利用一直是决定无线技术的很大原因曙1 。对于高速数据业务( 比如) 2 m b p s ) ， 频谱效率变为关键因素。广为人知的是正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x ) 技术的频谱效率是较高的。在o f d m 中，通过i f f t 实现多载波调制，子载波之间相互交叠但仍保持子载波之间的正交性，这使得它 的频谱效率很高。多载波c d m a 技术综合利用了o f d m 和c d m a 两种技术的优点 以获得高效频谱利用率，高容量，并提供多种业务类型。这项技术在近几年引起 了无线移动通信界的广泛兴趣。1 9 9 0 年b i n g h a mj o h na c 的一篇文章“多载波 时代已经到来”口3 成为该领域的经典文献，常被引用，但在它的文章中还没有涉 及到结合c d m a 的概念。1 9 9 3 年首次提出了基于c d m a 和o f d m 的结合体制， 北京邮电大学硕士研究生论文第一章绪论 它可以通过f f t 块发送和接收而不增加设备复杂度，且有高频谱利用率，能更好 地抵抗频率选择性衰落。同时它可以提供多种速率传送，以满足不同要求、不同 层次的用户。1 9 9 5 年i e e e ( t h ei n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) ：电 机与电子工程师协会的杂志“w i r e l e s sp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s ”专题讨论了多 载波通信口吲。文中提出m c c d m a 是未来宽带无线通信的一项极具前景的多址 技术。f a z e lk $ 1 k a i s e rs 发表了两篇文章，关于数字电视广播和用于蜂窝移动 通信的正交多载波扩频扩频多址( m c s s m a ) n 叫。1 9 9 7 年h a r a 发表在i e e e 通信 杂志上的文章把提出的多载波c d m a 模式归纳为三类n ，并讨论了多载波的接收 技术和性能分析。继而这方面的研究如雨后春笋，蓬勃涌现，其中m c c d m a 就 是其中一种。 在多载波c d m a 的研究中存在的一个难点是各种多载波c d m a 体制纷繁复 杂，而要涉及的问题又是如此之多。在这里首先将它进行一个简单的归类，以便 于解决问题。 1 2 1 正交频分复用( o f d m ) 系统 o f d m 是多载波调制的特殊形式。o f d m 既可以看作是调制方式，也可以看 作是多址方式。在欧洲，o f d m 用于数字电视广播的研究和发展已经受到了广泛 的注意并取得了很多成果。o f d m 在欧洲的应用也引起了美国广播界的关注。经 过3 0 多年的研究，o f d m 已广泛用于高速数据传送中。由于近年来数字信号处理 芯片( d s p ) 和大规模集成电路( v d s l ) 的发展，o f d m 在实现上的最初障碍，如 大规模的矩阵运算及高速存储等问题己不再存在。同时f f t 算法的应用消除了王 弦产生阵列器和并行数据系统的相干解调，o f d m 流行的另一个原因是直到近年 来它的优良性能才得到了理论证明。 在电信领域，离散多音频( d m t ) ，多信道调制和多载波调制( m c m ) 己经得 到广泛应用，有时它们与o f d m 是可互换的。在o f d m 中，每个载波与其它载波 正交，但是这个条件在m c m 中并不一定存在。o f d m 的早期应用是美国高频军 事项目a n g s c 1 0 ( k a t h r y n ) ，可变速率数据调制器用于高频无线电，采用 p s k 的3 4 个并行低速率信道载波间隔为8 2 h z ，在8 0 年代，o f d m 用于高速调制器， 数字移动通信和高密度录音。在9 0 年代，o f d m 用于移动电台f m 信道的宽带数 4 北京邮电大学硕士研究生论文第一章绪论 据通信，高比特率数字用户环路( h d s l ) 和非对称数字用户环路( a d s l ) 等 1 2 4 1 0 f d m 已经在早先被欧洲d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 和d t t d ( d i g i t a l t e r e s t r i a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n g ) 作为标准技术。i e e e 8 0 2 1l a 和h i p e r l a n 2 也己 经选择o f d m 作为它们的物理层标准。 一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子 载波都可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 符号的调制。如 果表示子信道的个数，丁表示o f d m 符号的宽度，d t ( f = o ，1 ，n 一1 ) 是分配给 每个子信道的数据符号，六是第0 个子载波的载波频率，r e t c ( t ) = 1 ，h t z 2 ，则 从f = t 。开始的o f d m 符号可以表示为： j g ，= k 篓d ，阳纪( ，一气一三) e x p - ，2 万( 正+ 手) g 一气) ) 气，气+ 丁。式。， s = 0t t + f 。 然而在多数文献中，通常采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号， 见式( 1 2 ) 。其中实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实 际中可以分别与相应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号 和合成的o f d m 符号。图2 1 中给出了o f d m 系统基本模型的框图，其中 t = c j r t | 1 s o ) = 窆i = o d ，旭纪( r 一九一吾) e 坤( ，2 万事。一气) ) 气r + r 。式。2 ， s o ) = 0t t + t 。 图1 1o f d m 系统基本模型框图 北京邮电大学硕士研究生论文第一章绪论 ；r e x p c 国。r ，? x p ( j c t ) d t = ：三二 c 式，3 ， t = 打印哆扣崾n - 1 e 印( 胁弘归 。枷 = 亍1n 酽- i 卜即( 伽丁i - j 。垆习， 。一 图1 2 0 f d m 符号内包括四个子载波的实例 这种正交性还可以从频域角度来理解。根据式( 1 1 ) ，每个o f d m 符号在其 周期丁内包括多个非零的子载波。因此其频谱可以看作是周期为r 的矩形脉冲的 频谱与一组位于各个子载波频率上的万函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为 s i n c ( f f ) i 撇，这种函数的零点出现在频率为1 瑾数倍的位置上。这种现象可以 参见图1 3 ，其中给出相互覆盖的各个子信道内经过矩形波形成型得到的符号的 北京邮电大学硕士研究生论文第一章绪论 s i n c 函数频谱。在每一子载波频率的最大值处，所有其它子信道的频谱值恰好为 零。由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每一子 载波频率的最大值，因此可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出每个子 信道符号，而不会受到其它子信道的干扰。从图1 3 中可以看出，o f d m 符号频 谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多个子信道频谱之间不存在相互干扰，但这 是出现在频域中的。因此这种一个子信道频谱的最大值对应于其它子信道频谱的 零点可以避免子信道间干扰( i c i ) 的出现。 图1 3o f d m 系统中，子信道符号的频谱( 经过矩形脉冲成型) o f d m 技术将高速数据流转化成并行子载波流，且在不同的子载波上同时传 送，每个子载波流以较低速率传送，也即码元周期变长，这样系统对于物理层的 时延扩展的敏感度减少，但是整个体制仍然保持原始的高速传送率。如果信号的 码元周期与信道的时延扩展是可比较的，则正交多载波调制技术是抵抗码元间干 扰的一种可行的方法。因此通常在o f d m 的一个码元周期中要加入保护间隙，以 确保信道码元周期大于信道时延扩展，这里就不详细叙述。o f d m 实现的简化基 带模型如下： 图1 4o f d m 收发机拒图 o f d m 本身并没有c d m a ，但下面介绍的几种多载波c d m a 技术都是以 北京邮电大学硕士研究生论文 第一章绪论 o f d m 作为传输技术的，只不过在进入到o f d m 调制之前进行了不同的扩频技 术，下面分别介绍以下几种技术。 1 ；： 1 2 2 多载波直扩c d m a ( m c - d s c d m a ) 矗 m c d s c d m 是时域扩频的多载波调制，而通常m c c d m a 被称为频域扩频 的多载波。原始数据流串并变换后与扩频码相乘，扩频后的数据分别调制到多 个相邻载频上，相加后形成发送信号，如图1 5 所示。 9纠v l f 司t q ， 生卜l 一 用厂 “一 叫墨遗一 s p 堕塞g 图1 5m c - d s - c d m a 原理图 用户w 的数据被分配到n 个子载波上进行传输，每个子载波上的数据都和 用户的特征码巳，相乘，每个子载波可以被所有用户同时使用，不同用户的数据 通过正交码来区分。 i m t 2 0 0 0 中提出的c d m a 2 0 0 0 方案中就包括的子载波数为376 ，9 的 m c 。d s c d m a ，其频谱图如下子载波数为3 的，扩频码速率为1 2 2 8 8 m 的系统 频谱图如下： 图1 6m c d s c d m a 系统频谱图 北京邮电大学硕士研究生论文 第一章绪论 1 2 3 多载波c d m a ( m c c d m a ) m c c d m a 是本文研究的重点。它的实现方式与m c d s c d m a 不同。后者 是把一个扩频序列调制在某一载波上，而前者是把扩频序列的每一位调制在相应 的载波上，因此m c c d m a 扩频也称作频域扩频。 m c c d m a 系统应该适当选择子载波数量和子载波间隔，使每一个子载波支 路上仅存在非频率选择性衰落。如果系统的数据传输速率太高导致产生了频率选 择性衰落，则可以在频域扩频之前先把原始数据信号进行串并变换。由于把高 速率的数据码元变换到若干个并行分支上，m c c d m a 系统的每一路分支上的数 据符号周期变为原来数据符号周期的p 倍( 尸是支路个数) ，从而使得每一路信号 仅存在非频率选择性衰落。 它的实现方式原理如图： 它的信号频谱图如下： 图1 7m 【c c d 【a 原理图 f 1f 2f 3f n 一1f n 图1 8m c c d m a 系统频谱图 北京邮电大学硕士研究生论文第一章绪论 1 3 本文所做的工作内容安排 本文主要的研究对象是m c c d m a 蜂窝系统中在多业务条件下的系统容量 和频谱效率，系统仿真方法，系统模型的算法和实现，以及系统级无线资源管理 对系统性能的影响。 本文主要的工作有： 参照3 g p p ，提出了一种m c c d m a 系统的设计方案 研究了m c c d m a 系统级仿真的原理和方法，并在此基础上搭建基于c c + + 的系统级仿真平台 通过仿真平台对一些常用的无线资源管理算法进行研究，并比较其性能 论文内容安排如下： 第二章介绍了可以应用到m c c d m a 系统中的无线资源管理算法。 第三章从网络拓扑结构，空中接口协议栈，双工模式，物理层结构等多个方 面对未来的m c c d m a 通信系统进行了设计，一方面是对未来通信系统的 展望，另一方面为随后的系统级仿真提供基础。 第四章研究m c c d m a 系统级仿真的原理和方法，设计了系统仿真中各个 功能模块，搭建了系统级仿真平台。 第五章通过砺真对- 仿真平百韵合理性和效率进行了验证。 最后总结了本文所做的贡献，提出以后需要进一步研究的工作。 北京邮电大学硕士研究生论文第二章r r m 算法简介 2 1 引言 第二章r r m 算法简介 在3 g 和b e y o n d3 g 通信系统当中，无线资源管理的作用越发重要。各种新 业务层出不穷，移动终端的日益普及，都使得十分有限的无线资源显得更加珍贵。 如何对如此有限的无线频谱资源进行合理的利用，已成为移动通信领域当中研究 的一大热点，本章参考现有3 g 系统和o f d m 中的无线资源管理算法，探讨这 些算法在m c c d m a 系统中应用的可能性，并对一些算法性能进行评估，最后 介绍了蜂窝系统中资源重用对系统性能的影响。 2 2 无线资源 由于移动通信的特点和多媒体业务的引入，空中接口的无线资源成为移动通 信系统进一步发展的瓶颈。如何提高系统容量成为移动通信研究关注的主要问 题。一方面通过单链路容量的最大化和向仙农界逼近的过程来提高系统容量，例 如研究高效的编码技术、不同的调制技术、分集技术等等。另一方面则是通过合 理的配置和管理空中接口的无线资源来最大化系统容量和尽可能满足系统需求。 对于m c c d m a 系统而言，可以提供更加丰富的资源，包括： 无线频谱：通常不同的无线频谱可以用来区分不同甚至相同无线通信系统中 的用户、上下行链路和基站，这主要依赖于不同系统的无线频谱规划。 基站：决定哪个基站可以被分配给一个移动用户。 信道：对于m cc d m a 系统而言，信道则为时隙，码字和频率的综合体，这 主要取决于多址接入机制的不同。根据用户移动性以及系统服务质量需求的 不同，系统可以分配一条或者多条信道给一个用户。 发送功率：功率值依赖于业务特征、上下行链路不同的无线环境以及移动用 户与基站之间的距离，发送功率与业务速率及带宽紧密相关。 发送时刻：对于支持多业务的蜂窝移动通信系统而言，时延是系统q o s 性能 1 1 北京邮电大学硕士研究生论文第二章r r m 算法简介 的重要指标之一。选择合适的发送时刻对于系统负载和性能具有很大的影 响。 2 3 无线资源管理的关键技术 无线资源管理r r m 所涉及的内容十分广泛，主要包括以下一些技术：功率 控制、速率控制、负载控制( 拥塞控制) 、调度技术、切换技术、呼叫接纳控制、 信道分配技术和端到端q o s 保障等。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【l 3 l 。 容量是评估一个系统的重要性能指标。采用各种无线资源管理的目的就是为 了在满足q o s 的前提下，尽可能地提高频谱效率，增加系统的实际容量m cc d m a 系统是一个干扰受限的系统，用户间多址干扰的减小就意味着系统容量的增加， 因此对系统容量的分析就离不开对干扰的分析。通过分析多址干扰形成的机理， 得出小区容量和各类业务的q o s 要求，功率、传输速率等的约束关系。随着监努 种类的增加，在复杂的无线环境下，影响系统的性能和系统稳定性的因素也会更 多。因此，研究由此带来的相互间干扰、系统容量变化、网络性能的改善是非常 必要的【1 4 】。 无线资源管理作为一种优化的策略总是针对具体业务模型的。不同类型的业 务其无线资源管理的策略也不尽相同。对于话音业务的无线资源管理主要包括基 站的选择，信道( 频率、时间或码分信道) 分配、功率分配与调整等。数据业务的 无线资源管理比话音业务要复杂，它既包括话音业务无线资源管理的所有内容， 还涉及速率分配、拥塞控制、分组调度等问题。为此，网络应该根据用户所定制 的不同业务，选择合理的资源管理策略，对无线资源进行合理的分配。因此，深 入研究各种业务源的特性及其对网络性能的要求和影响是进一步研究无线资源 管理策略和算法的重要基础。 2 4 接纳控制算法( c a c ) 呼叫接入控匍j ( c h c ) 是无线资源管理中的重要组成部分。由于多种业务之间 的传输速率和q o s 不同，使得宽带无线接入系统的c a c 变得非常复杂。它不仅 要通过控制接入网络的用户数量来避免过载和拥塞，同时又要保证在线用户的 北京邮电大学硕士研究生论文 第二章r r m 算法简介 q o s 得到满足。 由于m cc d m a 系统软容量的固有特性加大了c a c 的复杂度。在目前c a c 的各种算法研究中，相当多的算法只考虑无线系统，而不是专门针对m cc d m a 系统，假设小区内具有固定的信道数，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m cc d m a 系统，主要有以下几种方式。 2 4 1 考虑业务之间优先级的c a c 算法 该类算法中重点考虑了业务的优先级，如话音业务的优先级高于数据业务， 实时业务的优先级别高于非实时业务等等。在考虑业务优先级别时，系统通常分 配一定的专门信道给优先级的用户使用。如在系统中分配一定的专门信道给实时 用户使用，但当这些信道空闲时，可以被非实时用户使用，在实时用户需要时， 可以强占这些被非实时用户占用的信道【1 5 】； 这种c a c 算法在保证了业务的优先级的情况下，提高了信道利用率和系统 容量。上述的c a c 算法中实时用户不能使用空闲的非实时资源，针对这种情况 提出了可移动的双边界策略。根据实时请求数和非实时业务的队列强度来决定话 音用户可使用的信道数，通过动态调整可以适应话音和数据业务量的变化。这种 策略可以更加灵活的在话音业务和数据业务之间分配信道，可以降低话音呼叫的 阻塞概率，只是在实时业务负荷较重的情况下增加了非实时业务的延迟。 2 4 2 考虑切换呼叫优先的c a c 算法 我们知道，从通信用户的角度来看，通信过程中被中断比始发呼叫被阻塞更 让人难以接受，所以为了减小呼叫被强制中断的概率，人们提出了多种赋予切换 呼叫请求一定优先权的接入方案。主要有保护信道方案和排队方案。保护信道方 案【1 6 。1 8 】就是通过为切换请求预留一定的信道来保证它的接入，虽然通过资源的预 留可以降低切换呼叫的中断概率，但是也大大降低了有限资源的利用率，从而会 导致新呼叫阻塞概率的增加。基于保护信道的c a c 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 叫的中断概率，如何较好地在两者之间折衷是c a c 算法研究的目的。为了预留合 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，使小区的预留信道数比常规的方法更符合实际的需要 北京邮电大学硕士研究生论文第二章r r m 算法简介 【1 9 1 。也可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中断概 率来自适应调整预留的保护信道数【2 0 1 。 排队方案 2 1 - 2 2 】就是当系统没有空闲资源可分配时，通过让切换呼叫在一定时 间内排队等待资源的释放，而新呼叫则被立即阻塞来保证切换呼叫的优先级。显 然排队方案不适用于对于时延要求严格的实时业务的切换。由于切换排队方案中 切换的推迟会造成用户信号质量的下降，因此可供排队的等待时间非常有限，因 此对于切换保护的作用很难提高。 2 4 3 利用用户移动1 言息和位置信思的c a c 算法 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，可以降低新呼叫的阻塞概率。 严格地讲，结合用户移动信息的c a c 也是属于基于保护信道数的呼叫接入控制， 只不过它所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策略。利用用户的移动方向和道 路的方向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；但由于道 路方向等情况的错综复杂，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。文献【2 3 】采用基于阴影簇的概念来预留保护信道数的控制策略，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信道需 求，从而来决定接纳新呼叫的可行性。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增加了b s 之间信息 传递的负担。系统也可以利用g p s 技术预测用户的移动趋势，决定是否在邻小 区预留信道，这样也可以动态调整保护信道数【2 4 1 ，只是这种方法需要在基站和 移动台端增加硬件设备，通过提高设备成本来达到信道资源的更高利用。 2 4 4m c c d m a 系统中的c a c 算法 m cc d m a 系统的接纳算法和c d m a 系统有相似之处，但是由于引入了多 载波，又和普通的c d m a 系统有一些不同，m cc d m a 系统的小区容量也为软 容量，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 1 4 北京邮电大学硕士研究生论文 第二章r r m 算法简介 接纳呼叫对相邻小区的影响，同时m cc d m a 系统中的业务种类更加丰富，对 q o s 的要求也很不一样，所以m cc d m a 系统的呼叫接入控制更为复杂，需要 进一步研究。 2 5 切换控制( h c ) 切换始终是移动蜂窝系统中的特色问题。移动性引起蜂窝系统中链路质量和 干扰电平的动态变化，有时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提高，更复杂的信 号处理和切换判决过程被采用。控制和判决结构从网络控制朝向移动台辅助控制 的切换或移动台控制的切换演进。在m cc d m a t d d 模式采用软切换比较复【2 5 】， 所以首先采用硬切换的方法。 切换控制是r r m 中的重要组成部分，也是移动通信系统中最为复杂和关键 的技术之一，切换技术运用的好坏将直接影响系统的性能。在m cc d m a 移动 通信系统中，采用切换控制主要有以下几个原因： 保证用户在移动过程中通话的连续性； 处于通信状态中的移动台可能由于各种原因离开了当前小区的覆盖范围，此 时为了避免由于信号太差而导致用户掉话或此用户对别的用户造成干扰，则 需要将用户从当前小区切换到其他小区，同时保证网络提供给用户的服务不 被中断，提高服务质量用户，虽然没有离开服务小区的覆盖范围，但由于干 扰严重从而无法保证网络所要求的q o s ，这时也需要进行切换控制。 优化网络资源配置 用户没有离开服务小区的覆盖范围，但由于某个小区负荷太重，因此从系统 负荷均衡的角度考虑也需要切换控制 切换可以分为硬切换，软切换，更软切换和接力切换等，而从切换的系统来 看，又可以分系统内切换，系统间切换，在此不做详细的描述。主要介绍硬切换 和软切换，并且在单小区环境中验证两种算法的性能，分析切换的算法的关键点。 硬切换是一种“先断后接”的技术，就是先断开和源基站的连接，然后建立和目 标基站的连接，这种方式在服务时会有一个空闲间隔，可能会影响通话的质量。 软切换是c d m a 中比较有特色的一项技术，这是一种“先接后断”的方式，移 北京邮电大学硕士研究生论文、第二章r r m 算法简介 动台先建立和目标基站之间的连接，然后和原基站断开连接，处在该模式下的移 动台可以同时和两个以上的基站通信，通过r a k e 接收机来区分多径，不过这 种方式会增加下行链路的负载，m c c d m at d d 模式下暂采用硬切换方式。 为了分析接纳和切换算法对系统性能的影响，下面介绍两种接纳切换算法性 能的比较，一种是固定预留资源的算法，另一种动态资源预留算法，基本思想如 下： 在m c c d m a 系统中，功率与信道的合理有效分配对系统的容量，吞吐量， 切换成功率等参数有重要影响，当采用降低用户q o s 来获取资源，从而提高切换 用户的成功率时，降低小区边缘用户( 大功率用户) 的传输速率可以获得比降低 基站周围用户( 小功率用户) 速率更多的资源，从而提出了基于自适应功率控制 的切换策略( a r c ) ； 当然为了提高切换成功率，也可以预留一部分资源专门用于切换，这部分资 源不能供新呼叫用户使用，会造成无线资源的浪费，我们称固定资源预留算法 ( s s r ) ，s s r 算法不能通过改变其它用户服务特性的方法来保证切换用户的切 换成功率。 a r c 算法的流程图见图2 1 。 由于是单小区仿真，实际上并不存在切换用户，我们假设切换用户到达率为 新呼叫用户的1 4 ； 将用户类型分为4 种，分别是新呼叫实时业务，新呼叫非实时业务，切换实 时业务，切换实时业务，切换非实时业务。 新业务到达和切换到达同时激发；分布生成实时业务到达，实时业务切换到 达，非实时业务到达，非实时业务切换到达的第一个到达事件，然后基于离散事 件驱动机制仿真。 北京邮电大学硕士研究生论文 第二章r r m 算法简介 仿真参数如下 业务特性： 图2 1a r c 算法流程图 表2 1 业务特性 实时业务非实时业务 数据速率 6 4 k b p s2 5 6 k b p s 到达率 0 1 2 0o 1 2 0 平均持续时间 1 2 0 s2 4 0 s 平均移动速率 l m s l m s 典型业务语音多媒体 北京邮电大学硕士研究生论文第二章r r m 算法简介 系统仿真参数： 表2 2 系统参数 标识定义设定值 w 下行系统带宽5 m h z 矽。 抗衰落预留资源 0 2 矽： 切换预留资源( s s r ) o 2 2 阴影衰落方差 8 d b a r 小区半径 1 0 0 m x相关距离 2 0 m a t 仿真步长 0 5 s t 仿真时间 2 0 0 0 s 仿真性能参数定义如下， 呼叫阻塞率= 呼叫接纳拒绝次数新呼叫请求总数； 切换阻塞率= 切换失败次数切换请求总数； 对于这两个指标的仿真结果如图2 2 ，图2 3 所示。 图2 2 切换阻塞率