（计算机应用技术专业论文）cdma移动通信系统中呼叫接入控制策略的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 基于c d m a 技术的移动通信系统将支持语音，视频，数据等不同q o g 要求的多 类业务传输，如何设计有效的呼叫接入控制策略以保证各类业务的服务质量，同 时最大限度地利用无线资源，支持尽可能多的用户，成为近年来移动通信领域研 究的热点问题。 本文在充分总结前人研究成果的基础上，从自适应的角度，提出了有效的呼 叫接入控制策略。 针对多类具有不同优先级的无线业务，已有的呼叫接入控制策略都是基于静 态保护信道机制，无法适应系统业务量的实时变化，为此，本文提出了动态多门 限呼叫接入控制策略。该策略根据优先级为各类业务设置相应的服务门限，服务 门限能根据系统负荷的变化动态地调整。仿真表明，该策略与已有静态策略相比 具有很好的业务量跟随能力。当系统负荷较低时，该策略在保证较高优先业务的 阻塞率维持在门限值的同时，减少了较低优先业务的阻塞率；当系统负荷较高时， 该策略总能做到尽量地保证较高优先业务的服务质量。 c d m a 系统在区间业务不平衡的情况下会出现高的阻塞率，为了改善系统性 能，本文提出了基于动态资源预留的呼叫接入控制策略，在各个小区中为邻区即 将到来的呼叫预留部分资源，预留的大小随呼叫阻塞情况自适应地调整。仿真结 果表明，这种策略能很好地解决区间业务不平衡的问题，而且与基于固定资源预 留的呼叫接入控制策略相比，该策略能够跟随话务量的变化，保持良好性能。另 外，本文还考虑了小区内移动台分布不均匀的情况，对于所提策略做了进一步的 扩充，使得基于动态资源预留的呼叫接入控制策略更具有实际意义。 关键词：呼叫接入控制；呼叫阻塞率；服务门限；资源预留 c d m a 移动通信系统中呼叫接入控制策略的研究 a bs t r a c t t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb a s e do nc d m a t e c h n i q u ea r ee x p e c t e dt o s u p p o r tm u l t i - t r a f f i cw i t hd i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n t s ，s u c ha sv o i c e ，v i d e o ，d a t a ，e t c ， t h er e s e a r c ho ne f f e c t i v ec a l la d m i s s i o nc o n t r o l p o l i c i e s w h i c hc a n p r o v i d e g u a r a n t e e dq o st oa sm a n yu s e r sa sp o s s i b l e a n dm a x i m i z e s r e s o u r c eu t i l i z a t i o nh a s b e c o m et h eh o ts p o ti nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nf i e l d si nr e c e n ty e a r s i nt h i s p a p e r ，a d a p t i v ec a l l a d m i s s i o nc o n t r o l p o l i c i e s a r ep r o p o s e db a s e do n f o r m e rr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s f o rm u l t i - t r a f f i cw i t hd i f f e r e n t p r i o r i t i e s ，t h ee x i s t i n g c a l la d m i s s i o nc o n t r o l p o l i c i e sa r eb u i l tu p o nt h ec o n c e p to ff i x e dg u a r dc h a n n e l s ，a n dc a n ta d a p tt ot r a f f i c c h a n g e s s ot h ep a p e rp r o p o s e sad y n a m i cm u l t i t h r e s h o l dc a l la d m i s s i o nc o n t r o l p o l i c yw h i c hs e t ss e r v i c et h r e s h o l df o re a c ht r a f f i cb a s e dp r i o r i t y , a n dd y n a m i c a l l y a d j u s t ss e r v i c et h r e s h o l d sa c c o r d i n gt os y s t e ml o a d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p o l i c yo u t p e r f o r m st h ee x i s t i n gf i x e dp o l i c i e s i nt r a f f i cl o a da d a p t a t i o n w h e nt h e s y s t e m l o a di s l o w e r ，t h e p o l i c yg u a r a n t e e s t h a tt h ec a l l b l o c k i n g r a t eo f h i g h e r p r i o r i t yt r a f f i ci sb e l o w i t sg i v e nt h r e s h o l da n da tt h es a m e t i m e ，d e c r e a s e st h e c a l lb l o c k i n gr a t eo fl o w e r p r i o r i t yt r a f f i c w h e nt h es y s t e ml o a di s h i g h e r ，t h ep o l i c y d o e si t su t m o s tt og u a r a n t e et h eq u a l i t yo f h i g h e r - p r i o r i t yt r a f f i c w h e nt h et r a f f i ca r e n o n u n i f o r m l y d i s t r i b u t e d a m o n gc e i l s ，t h eo v e r a l l c a l l b l o c k i n gr a t eo fc d m as y s t e mi sv e r yh i g h t oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，t h e p a p e rp r e s e n t sac a l la d m i s s i o nc o n t r o lp o l i c yb a s e do nd y n a m i cr e s o u r c er e s e r v a t i o n i tr e s e r v e ss o m ep o r t i o no ft h e s y s t e m r e s o u r c ei ne a c hc e l lf o r u p c o m i n gc a l l s o c c u r r i n gi nn e i g h b o rc e l l s t h ep r o p o r t i o no fr e s e r v e dr e s o u r c ec a nb ea d a p t i v e l y a d j u s t e da c c o r d i n gt o t h ec a l l b l o c k i n gs i t u a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p o l i c yc a nr e s o l v et h e i n t e r c e l lu n b a l a n c e dt r a f f i cp r o b l e m ，a n di t c a nk e e pb e t t e r p e r f o r m a n c eu n d e rc h a n g i n gt r a f f i cc o n d i t i o n st h a nt h ec a l la d m i s s i o nc o n t r o lp o l i c y b a s e do nf i x e dr e s o u r c er e s e r v a t i o n i n a d d i t i o n ，t h ep a p e rf u r t h e re x t e n d st h e p r o p o s e dp o l i c y t oi n t r a c e l lu n b a l a n c e dt r a f f i c e n v i r o n m e n t ，a n dm a k e si t m o r e p r a c t i c a l k e yw o r d s ：c a c ；c a l lb l o c k i n gr a t e ；s e r v i c et h r e s h o l d ；r e s o u r c er e s e r v a t i o n 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 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后果 由本人承担。 作者签名：胡舟日期：如斗年牛月巧日 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，同意学 校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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 司好日期：如午年斗月硝日 日期汐膨年幺月z 彦日 硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第l 章绪论 1 1 1 移动通信面临的挑战 移动通信是指通信双方或至少其中一方在运动中进行信息传递的通信方式。 移动通信不受时间和空间的限制，交流信息灵活、方便。它被认为是实现通信理 想的重要手段，是信息产业的重要物理基础。 近年来，移动通信正在以前所未有的速度高速发展，而且出于经济的发展和 电信工业的进步，移动通信用户还将会高速增长。与此同时，信息技术的飞速发 展对移动通信也提出了更多新的业务需求，如图像、话音与数据相结合的多媒体 业务和高速数据业务等。 然而，移动用户数量的急剧增长，移动业务的多元化，用户对服务质量要求 的提高，这些均会导致更多的无线资源将被占用，而这一需求同无线资源的稀缺 性构成矛盾，使得如何提高现有资源的利用率成为移动通信发展的关键环节。 1 1 2g d m a 方式 在移动通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是 多址接入方式的问题。因为移动通信具有广播和大面积覆盖的特点，网内一个用 户发射的信号其它用户均可以接收，所以，网内用户如何能从播发的信号中识别 出发送给本用户地址的信号就成为建立连接的首要问题。 三种主要的多址方式分别是：频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 、码分多 址( c d m a ) 。在f d m a 方式中，可以使用的总频带被分为若干个较小带宽的频道，每 个用户在指定的频道内进行通信；在t d m a 方式中，时间被分成周期性的帧，每一 帧再分成若干个时隙，用户虽然共享频带，但必须在指定的时隙内进行通信：在 c d m a 方式中，每个用户在通信时占用所有频道和所有时间，但不同的用户具有不 同的正交码型。 三种多址方式中应用前景最好的是c d m a 。c d m a 的原理是基于扩频技术，即将 需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的扩频码进 行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完 全相同的扩频码，与接收的宽带信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的 窄带信号即解扩，以实现信息通信。 与f d m a 和t d m a 系统相比，c d m a 系统具有很多优越性。 c d m a 移动通信系统中呼叫接入控制策略的研究 1 系统容量大。主要是因为f d m a 和t d m a 系统的容量都受到频带宽度的限制， 而c d m a 系统的容量基本不受频带宽度的限制。 2 系统容量配置灵活。在c d m a 系统中，用户数的增加相当于干扰的增加， 会造成业务质量的下降，因此运营商可在系统容量和业务质量之间折衷考 虑。 3 频率规划简单。用户按不同的序列码区分，所以不相同的c d m a 载波可在 相邻的小区内使用，频谱利用率高，网络规划灵活，扩展简单。 4 不易掉话。在c d m a 系统中可以使用软切换技术，软切换采用先通后断的 方式，先接通移动台与目的基站之间的通信信道，再断开与原基站之间的 通信，原基站和目的基站在一定的时间内同时为移动台提供服务，这样就 保证了切换的健壮性。 另外，c d m a 还在抗多径干扰、保密性等方面有着突出的优点，而且，c d m a 系统还可以方便、灵活地提供多种传输速率的多媒体业务。 可以说，c d m a 码分多址技术完全能够满足现代移动通信网所要求的大容量、 高质量、综合业务、软切换、国际漫游等，而且目前全球瞩目的第三代移动通信 系统就是选用c d m a 作为空中接口方式。 1 1 3 呼叫接入控制 虽然相对f d m a 和t d m a 系统而言，c d m a 系统的容量有所提高，但其仍然是有 限制的。 c d m a 系统容量的限制直接导致了呼叫接入控制的研究。 呼叫接入控制是在有限系统容量的基础上，以不牺牲已有连接的服务质量为 前提，尽可能多地对新近到达的( 新发起的或以切换方式到达的) 连接请求予以 接纳的决策问题。 在f d m a 和t d m a 系统中，由于用户之间有很好的隔离度( 频分或时分) ，因此 各用户之间的互干扰比较容易控制，当增加一个连接时，并不会影响系统中已经 存在的通话的服务质量，所以呼叫接入控制比较简单，仅受限于可用资源( 频带 或时隙) 的数量，只要空余资源足以满足呼叫请求，就接纳呼叫。 在c d m a 系统中，由于用来区分移动用户的扩频码不能做到完全正交，每一个 新呼叫的允许对于已经建立的通话来说都是干扰，不但会影响其服务质量，而且 严重时还可能导致系统不稳定，引起掉话。因此，用适当的方法控制新用户的接 入是一个很重要的问题，其基本原则是：接纳新连接不会以牺牲已有连接的服务 质量为代价。呼叫接入控制对于避免业务量负荷过载，保证系统的稳定性至关重 要。 同时，基于c d m a 技术的第三代及未来移动通信系统要求支持语音、视频、数 硕士学位论文 据等不同q 。s 要求的多种业务传输，这为呼叫接入控制带来了更大的挑战。 一项好的呼叫接入控制策略，不仅可以同时保证各类业务的服务质量，还能 最大限度地利用无线资源，支持尽可能多的用户，使系统的业务分布更趋于合理 化，资源分配更加科学化。 可以说，呼叫接入控制的有效性直接关系到运营商和移动用户的利益，因此， 它成为近年来移动通信领域研究的热点。 1 2 课题研究现状 呼叫接入控制作为无线资源管理的一个重要方面，近年来得到国内外众多学 者广泛、深入的研究。从大的角度看，我们认为可以分为下述五大研究方向： 1 对切换呼叫的资源预留 移动通信系统中的呼叫接入控制需要充分考虑用户的移动性，在处于连接的 状态下，用户可能发生多次越区切换。对用户来说，由于切换失败而导致正在进 行的呼叫中断，比拒绝一个新呼叫请求的负面影响更大，因此，需要将切换发起 的连接请求与新呼叫发起的连接请求区别对待，并给予前者更高的优先级。 目前，已有较多的文献考虑在切换存在的环境中，如何保证切换阻塞概率( 切 换失败的概率) 足够小，而又使新连接请求的阻塞概率符合要求。已有的算法大 多数是基于保护信道机制，其主要思想是：预留一部分容量仅供切换分配使用 1 - 6 。 为了更好地改进性能，保护信道机制又有一系列的扩展形式，如：允许切换在已 无可用信道时排队等待 7 , 8 1 ，或以某种概率形式接纳新请求的分数保护信道机制 9 1 9 等。保护信道机制的关键是在于确定最优的预留容量供切换使用。容量预留少了， 切换阻塞概率增大，切换的性能降低；容量预留多了，新请求的阻塞概率增大， 系统资源的利用率降低。 而最优的预留容量与系统负荷密切相关，它应该随着系统负荷的变化而变化， 因此，动态的、自适应的呼叫接入控制算法已成为当前的一个研究热点，算法可 根据当前系统负荷对预留资源进行动态、自适应地调节【1 , 3 - 6 1 。 2 用户移动模型 在1 方面中，对于切换的考虑是从降低整个系统的切换阻塞概率出发的，对 于单个特定用户而言，这可算是一种“盲“的方法。 在实际的系统中，固定区域出现的新用户，其移动方向是随机的，但也是有 基本规律的。对越区切换的呼叫，有效的资源预留方案应该考虑用户的移动性模 型，根据用户移动的历史记录或者通过预测用户的移动性来预留资源。这类方案 正受到些研究者的关注【1 0 。引。 目前，利用全球定位系统( g p s ) 对移动用户定位已可商用化。利用蜂窝网本身 也可以对移动用户进行定位，这为用户移动性的预测创造了条件。其关键是寻求 c d m a 移动通信系统中呼叫接入控制策略的研究 一种可实现且性能好的方案。文献 1 4 利用g p s 来估计移动台的位置，预测它的 移动性，利用了k a l m a n 滤波来改善定位的准确性，随着g p s 应用的不断发展和成 熟，这种预测方法也将变得更加可行。 3 多业务支持 较早的文献中研究的大多是单业务情况下的接纳控制。在将来的系统中，存 在着大量具有不同q o s 要求的多类业务 1 5 】，因此，一个好的呼叫接入控制策略应 该考虑到不同业务的特性，进行区别处理。其基本的处理方法是：使有较高优先 级的业务比低优先级业务在接纳时获得更多的优先权【1 6 1 8 1 。 40 0 $ 参数 在呼叫接入控制中，最流行采用的服务质量参数是新呼叫阻塞率和切换阻塞 概率，通常用这两个参数值来验证呼叫接入控制策略的性能。随着白适应业务的 采用( 即业务可以采用不同的传输速率) ，当系统负荷重时，可以以较小速率传输 业务，当系统负荷轻时，可以以较大速率传输业务，这样就引入了一些新的q o s 参数，如降级期比例【1 9 l 、降级率1 2 0 , 2 1 】、升降级频率【2 2 , 2 3 】等。因此，评价针对自 适应业务的呼叫接入控制策略时，还需要考察以上性能指标。 5 对相邻小区干扰的考虑 对于多址干扰，已有文献 2 4 ，2 5 ，2 6 往往只在一个孤立的小区中考虑接纳问 题，忽略了新接入用户对相邻小区的干扰影响。文献 2 7 ，2 8 指出做接纳判决时， 不仅要检查本小区增加的干扰，也要检查相邻小区增加的干扰，只有在所有小区 都允许的情况下，才能接纳呼叫，这种呼叫接入控制算法更符合c d m a 系统的实际 情况。 以上是当前呼叫接入控制研究的五个主要出发点。容量干扰受限，以及提供 业务的多元化，使c d m a 系统的呼叫接入控制相当复杂，所以当前的研究多是针对 c d m a 系统的某一个方面，提出适宜的呼叫接入控制策略。本文也是针对c d m a 系 统的两种情况，对呼叫接入控制策略进行研究。 1 3 本文的研究工作 呼叫接入控制是c d m a 移动通信系统中一个十分关键的环节，接纳策略的好坏 将直接影响到系统的性能。本文分别针对以下两种情况对呼叫接入控制进行研究： 1 g d m a 系统支持多业务 当系统支持多种业务时，具有较高优先级的业务在接纳时应该获得更多的优 先权。为了满足这一要求，呼叫接入控制策略可以采用保护信道机制，根据优先 级为每类业务设置保护信道，这样就相应地保证了优先性。但是目前针对多业务 的保护信道机制都是静态的，无法满足系统负荷的实时变化，因此，本文从保护 信道自适应的角度对呼叫接入控制策略进行研究。 硕十学位论文 2 o d m a 系统中小区间的业务分布不平衡 c d m a 系统在接纳一个新呼叫时，不仅要考虑本小区的负荷，还要考虑相邻小 区的负荷。这一特点会导致以下现象出现：在一个小区负荷重而邻区负荷轻的情 况下，此时即使邻区还有多余资源，邻区的新呼叫也可能被拒绝，因为若允许了 新呼叫，就会对重负荷小区产生干扰，会影响它的服务质量，所以在这种情况下， 系统的呼叫阻塞率往往过高。因此，在区间业务不平衡的情况下，为了改善系统 性能，就需要设计合适的呼叫接入控制策略。文献 2 9 提出了一种基于资源预留 的呼叫接入控制策略，各个小区为邻区即将到来的呼叫预留部分资源。但是由于 该策略中预留资源量是固定的，所以也无法满足系统负荷的实时变化，因此，本 文从预留资源量动态变化的角度对区间业务不平衡情况下的呼叫接入控制策略进 行研究。 本文的具体工作如下： 1 讨论了c d m a 系统在支持多业务时的呼叫接入控制策略。 a 分析了针对两种业务的动态呼叫接入控制策略d h c a c l l 】和针对多种业务的 固定多门限呼叫接入控制策略f m c a c ” ，指出了d h c a c 策略中的门限调整 算法不适合两个以上的多类业务，而f m c a c 策略不能适应网络业务量的实 时变化，无法获得最优性能。 b 以f m c a c 策略为基础，对d h c a c 中的门限调整算法进行了改进，提出了动 态多门限呼叫接入控制策略d m c a c ，该策略根据优先级为各类业务设置相 应的服务门限，服务门限能根据系统负荷的变化动态地调整。仿真结果表 明，该策略能很好地适应系统业务量的变化，在保证高优先业务优先性的 同时，降低了低优先业务的阻塞率，提高了系统资源的利用率。 2 讨论了c d m a 系统在区间业务不平衡情况下的呼叫接入控制策略。 a 分析了c d m a 系统在区间业务不平衡情况下的系统性能，指出了传统的呼 叫接入控制策略【3 1 会导致系统高的呼叫阻塞率，而基于固定资源预留的呼 叫接入控制策略【”】无法适应系统业务的实时变化，难以达到系统性能的最 优化。 b 对预留资源量的大小进行了分析，提出了基于动态资源预留的呼叫接入控 制策略，在各个小区中为邻区即将到来的呼叫预留部分资源，预留资源的 大小随呼叫阻塞情况自适应地调整。通过仿真看到，这种策略能很好地解 决区间业务不平衡的问题，而且能够跟随话务量的变化，保持良好的性能。 c 考虑了小区内移动台分布不均匀的情况，对基于动态资源预留的呼叫接入 控制策略进行了扩充，从仿真结果看到，扩充后的策略有明显的性能改善， 使得所提策略有了更好的实际意义。 c d m a 移动通信系统中呼叫接入控制策略的研究 1 4 论文结构 本文的其余部分是按以下顺序组织的： 第二章，介绍了c d m a 系统中基本的呼叫接入控制准则，作为第三章和第四章 的研究基础。 第三章，讨论了c d m a 系统在提供多业务时的呼叫接入控制策略。首先分析了 已有策略的弊端，然后提出了应用于多业务系统的动态多门限呼叫接入控制策略 d m c a c ，并且进行了仿真分析。 第四章，讨论了c d m a 系统在区间业务不平衡情况下的呼叫接入控制策略。首 先对已有策略进行了分析，然后提出了基于动态资源预留的呼叫接入控制策略， 并考虑了小区内移动台分布不均匀的情况，对所提策略进行了扩充，使其更具有 实际意义。另外，对所提策略均进行了仿真分析。 最后，概括性地总结了全文，并指出将来进一步研究的问题和需要做的工作。 硕士学位论文 第2 章基本的呼叫接入控制准则 2 1 引言 在c d m a 系统中，由于扩频码不能做到完全正交，干扰电平会随着移动台数量 的增加而提高，不但会影响已建立起来的通话的服务质量，而且严重时还可能导 致系统不稳定，引起掉话，因此，c d m a 系统中呼叫接入控制的基本原则是：接纳 新连接不会以牺牲已有连接的服务质量为代价。 在上行链路与下行链路中，由于发射与接收对象不同，相应的数学模型有自 身的特点，因此要对上下行链路分别设计不同的接入控制策略。只有当上下行都 具有足够的资源时，才能允许新的呼叫接入。但对于系统中业已存在的用户而言， 其服务质量要求能否得到满足均可用能干比( 导) 是否大于或等于某一特定门限 v 0 来衡量。 目前，上行链路的接纳控制算法主要有：( 1 ) 基于信干比s i r 测量的接纳控 制算法【2 8 , 3 2 , 3 3 】，系统先通过计算来确定接纳新请求后，所有用户的s i r 是否能够 满足其q o s 要求，然后依此来进行接纳的判决。( 2 ) 基于负荷估计的接纳控制算 法 2 9 , 3 1 , 3 4 , 3 5 】，系统估计接纳后负荷因子的变化来决定是否接纳新用户请求。对于 下行链路，为避免产生诸如“角效应”等问题，基站发射功率是有限制的，因此 下行链路接纳控制通常采用基于发射功率的判决准则【3 6 , 3 7 】。若本小区的发射功率 超过某一门限，则对新请求不予接纳。 由于本文讨论的都是上行链路中的接纳控制算法，所以本章只介绍上行链路 中两个基本的呼叫接入控制准则：基于s i r 测量的呼叫接入控制准则和基于负荷 估计的呼叫接入控制准则，而且在以后的讨论中，均假设：一旦上行链路建立， 下行链路也自动建立。 值得说明的是，在本章介绍的呼叫接入控制准则中，只要新呼叫的允许不会 牺牲已有通话的服务质量，就允许接入。而后两章讨论的呼叫接入控制策略除了 要保证新呼叫的允许不会牺牲已有通话的服务质量之外，还要针对c d m a 系统的某 种情况迸行优化，不但要满足该情况下的特定要求，还要最大限度地提高系统资 源利用率。 本章介绍的呼叫接入控制准则是第三章和第四章讨论的呼叫接入控制策略的 基础。 c d m a 移动通信系统中呼叫接入控制策略的研究 2 2 系统模型 我们考虑一个多小区的c d m a 系统，每个小区的中心配置具有一个全向天线的 基站，每个小区可以提供m 类业务，所有业务共享相同的扩频带宽w 。假设【2 8 】： ( 1 )与来自小区内和小区外其他用户的多址干扰相比，基站接收机的背 景噪声可以忽略； ( 2 )每个移动用户选择传输增益最好的基站作为其控制基站，同类业务 用户到达基站的接收功率相等，即采用理想的功率控制； ( 3 )每一类业务都由一个o n o f f 模型来表示，第i 类业务的激活因子( 处 于o n 状态的概率) 为a ，在业务激活期，第i 类业务的传输速率为 r ，在静默期，传输速率为0 。 ( 4 ) 射类业务所需的s i r 接收、 5 鼬k 川m 2 ，其中 为第i 类业务要求的目标能量干扰密度比。 2 3 基于s l r 测量的呼叫接入控制准则 小区k 的基站接收到本小区内第i 类业务用户的信干比为： s i r i = a r 卜 t 阱蔓叩+ ，0 j ( 2 1 ) 其中s ；，n ，峨分别是小区k 中第i 类业务的接收功率，第i 类业务的用户总 m 数，第f 类业务的激活因子。分母中( t 一1 h ，+ ，s ，表示 小区内其他用户的总 干扰，j 。是来自k 小区以外的用户总干扰。 假设小区k 中已有( n 。，n ：，n 。) 个用户，那么小区k 还可以容纳任意 第i 类业务的最大用户数c 。可以由下列q o s 约束条件求得： 觚。孓羽s i f ， ( 2 2 ) a ； ( 。+ c ；一，f ，+ 羔，s ，+ ，。l 。“” 剧暇。：1i：j：jj谚si r m ，_ f ( 2 3 ) 以上两式中，i ，m 1 】，m 。当m = i 时，n n i + c ：，当m i 时，：以。 硕士学位论文 令式( 2 2 ) 与( 2 3 ) 取等号，即各类业务的接收信干比恰好满足各自的q o s 要 求，此时，用户间的干扰降低到最小，系统可以获得最大的容量。由式( 2 1 ) 、 ( 2 2 ) 、( 2 3 ) 可以推导出系统剩余容量c ，： c 1 一i 上一上i ( 2 4 ) “f 【y i , t h 跳j 式( 2 4 ) 中，除了s i r ，( 参见( 2 1 ) 式) 需要测量得到外，其余参数都是 已知的。( 2 4 ) 式表明，对于v i ( 1 ，m ) ，当c i ：0 时，小区的容量处于临界饱和 状态，已接纳用户的q o s 恰好得到保证：溉= y 。，此时该小区不能再接纳任何 一个用户( 无论其属于哪一类业务) ；当c ：，0 时，表明小区尚有剩余容量，还可 以再接纳c ；个i 类用户；当c 。t 0 时，表明小区已经接纳了过多的用户，以致此时 用户的q o s 已无法得到保证：s i r ，ty ：。，小区中的用户此时处于中断状态。 根据以上分析，基于s i r 测量的呼叫接入控制准则描述如下： 当小区k 中有一个i 类业务用户发起呼叫请求时，系统测量上行链路中第i 类 业务的溉，然后计算该类业务的剩余容量，以决定是否接纳该用户，即： c ；= 去 壶件3 藉耄溯声 该准则的实质为：只要接纳一个用户不会导致已经接纳的用户发生中断，就 允许接入。 2 4 基于负荷估计的呼叫接入控制准则 1 十；如+ 黔叱) 黛sw龇11)sn 例哂t i +i s i + l 竹j i 式( 2 6 ) 中的( 急) ，为第i 类业务要求的目标能量干扰密度比。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) c d m a 移动通信系统中呼叫接入控制策略的研究 量wi 训1 瓦e bj 。- 1 m 2 ( 一一1 b 。+ n j s j + ，“r ( 2 7 ) j o l 定义p 为小区k 的基站接收到的信号总功率，则 矗。咿，叱 ( 2 8 ) 在式( 2 7 ) 的两边各加上一个s i ，将( 2 8 ) 式代入，则式( 2 7 ) 可化为： s ? 只，生一 ( 2 9 ) 式( 2 9 ) 两边各乘以n ；，然后两边均对i 求和，得到 式( 2 1 0 ) 可进一步写成： + 甜 r e j = l 一 ”晰昂 当 ；1 一生 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 上式中的l 。e x t 为小区k 的基站接收到的相邻小区的用户总干扰与总功率的比 值，根据式( 2 9 ) ，可得： 将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 i 1 ) 中，式( 2 1 1 ) 可写成： 善”痞两 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 我们定义r 。为第i 类业务的负荷因子，z ( o 为t 时刻其它小区用户对小区k 的负 荷因子，且： ( 2 1 4 ) y 白 y 鲁 硕十学位论文 z o ) ：争。! ( 2 1 5 ) 曼”耕+ x - , q + i 蒜j ；+ 【j 那么式( 2 13 ) 可转化成： 3 1 。r 。+ z ( f ) s 1 ( )n 21 6 舒 只有在满足式( 2 1 6 ) 时，才能保证各类业务的服务质量。 我们定义u 。p ) 为小区k 的负荷因子，令 u 女p ) 一y 札7 。+ z ( r ) ( 2 1 7 ) 舒 如果u 。o ) 代表t 时刻小区k 中正在被占用的系统资源量，那么r j 就代表一个i 类业务用户在小区k 中占用的资源量；z ( o 代表t 时刻其它小区的用户因干扰而在 小区k 中占用的资源量。 当u 。p ) = 1 时，小区k 的资源全部被占用，已接纳用户的q o s 恰好得到保证， 此时小区不能再接纳任何一个用户( 无论其属于哪一类业务) ；当u 。o ) t 1 时，表 明小区尚有剩余资源，还可以接纳新用户；当u 。( f 卜1 时，表明小区已经接纳了过 多的用户，以致此时用户的q o s 已无法得到保证。 根据上述分析，基于负荷估计的呼叫接入控制准则描述如下： 当t 时刻小区k 中有一个i 类业务用户发起呼叫请求时，系统要测量上行链路 中第i 类业务的接收功率，以及区间干扰功率，求得z q ) ，然后进行如下判断，以 决定是否接纳该用户，即： r rn 、。鼍1 ，7 m 一辟1 接纳该用户 巩( f ) 吖z 荟札r r + z + r t2 ； 藉絮鬟角芦 该准则的实质为：只要小区中有足够的资源接纳该用户，就允许接入。 其实，从本质上讲，基于负荷估计的接纳控制准则与基于s i r 测量的接纳控 制准则是一样的。在进行接纳判断时，都是以保证系统中业已存在的用户的服务 质量为出发点，而且服务质量要求能否得到满足均可用能干比是否大于或等于某 一特定门限来衡量。 另外，在基于负荷估计的呼叫接入控制准则中，区间干扰是实时变化的，为 了简化处理，很多文献假设外小区影响恒定，即小区基站处接收到的来自外小区 移动用户的总干扰功率与来自本小区移动用户的总接收功率的比值为一常数， 通常，取值为0 5 5 3 5 , 3 8 , 3 9 。那么此时式( 2 1 6 ) 就可写为： 艺s 击 心1 8 ) 只有满足以上约束条件，才能保证各类业务的服务质量。 c d m f i 移动通信系统中呼叫接入控制策略的研究 我们经过简单的数学变换，可以将y ，转换为等效的第i 类业务需要的信道数 r e 吼，将若了转换为等效的小区信道总数c 。，r e q t 和c 。均为大于或等于1 的整数， 那么约束条件( 2 1 8 ) 可转化为： f ”呦t 蛾 ( 2 1 9 ) 所以当假设夕l - , j 、区影响恒定时，c d m a 系统的接纳准则就与f d m a t d m a 系统中 的类似，只要系统中的空余信道足以满足呼叫请求，就予以接纳。 2 5 本章小结 本章介绍了c d m a 系统中两种基本的呼叫接入控制准则：( 1 ) 基于s i r 测量的 呼叫接入控制准则( 2 ) 基于负荷估计的呼叫接入控制准则，其中基于负荷估计的 呼叫接入控制准则是本文第三章和第四章的研究基础。 硕士学位论文 第3 章支持多业务的呼叫接入控制策略的研究 3 1 引言 随着无线通信的快速发展，基于c d m a 技术的移动通信系统承载的业务种类 也将越来越多。 3 g p p 根据对时延的敏感程度将u m t s ( 通用移动通信系统) 中的不同业务划 分为四大类：( 1 ) 会话级( 2 ) 流级( 3 ) 交互级( 4 ) 背景级。 会话级和流级主要用于传输实时业务流。实时会话业务，如视频电话，是对 时延最敏感的应用，这些数据流应以会话级来传送。交互级和背景级主要用于传 统的i n t e r n e t 应用，如w w w ，电子邮件，t e l n e t ，f t p 和新闻等。交互级和背景 级的主要区别是：交互级主要用于交互式应用，如交互式电子邮件或交互式w e b 浏览，而背景级用于后台业务，如电子邮件的后台下载或后台文件的下载。所以， 在四种业务当中，如果按照对时延的敏感程度由强到弱来排序的话，那么结果将 依次是会话级业务、流级业务、交互级业务、背景级业务。 为了保证各类业务的服务质量，移动通信系统在进行规划设计时，必须充分 考虑各类业务的特性，其中，呼叫接入控制的设计是保证业务时延要求的关键环 节。呼叫接入控制应该依据对时延的敏感程度为每类业务赋予不同的优先级，对 时延越敏感，业务的优先级就越高，而且有较高优先级的业务比低优先级业务在 接纳时应该获得更多的优先权。 目前，很多文献在讨论c d m a 系统的呼叫接入控制策略时，都假设外小区影 响恒定，以此来计算本小区的等效信道数，然后在等效信道的基础上再做接纳判 决。关于这一点，本文在第二章中介绍基于负荷估计的呼叫接入控制准则时已经 做过详细说明。 在假设外小区影响恒定的基础上，研究者针对c d m a 系统中的多类业务，提 出了基于保护信道机制的呼叫接入控制策略。在文献 3 0 提出的固定多门限呼叫 接入控制策略f m c a c 中，为每类业务设置了相应的服务门限，由于为优先级较高 的业务预留了部分资源，优先级较高的业务就能够优先得到处理。 较高优先业务的性能获得改善是以降低较低优先业务的性能为代价的，在较 高优先业务的阻塞率降低的同时，较低优先业务的阻塞率会升高。为了使系统的 整体性能得到提高，就需要在保证较高优先业务的阻塞率足够小的同时，尽量地 减小较低优先业务的阻塞率。要达到这一目标，就必须选择合适的预留资源值， 如果预留资源过多，在较高优先业务少，较低优先业务多的情况下，对预留资源 c d m a 移动通信系统中呼叫接入控制策略的研究 就才i 能做到充分地运用，使得系统的资源利用率很低；如果预留资源过少，在较 高优先业务较多的情况下，就会造成较高优先业务的高阻塞率。所以，我们i j ：j 以 得出如下结论：预留资源量应该跟随系统业务量的变化而变化。 但是，f m c a c 策略采用的是静态保护信道机制，每类业务的服务门限在整个 系统运行过程中是不变的，也就是说，为优先级较高的业务预留的资源数量是固 定的，所以该策略在业务量变化时，可能会获得很差的系统性能。 基于以上考虑，为了适应系统业务量的实时变化，本章以f m c a c 策略为基础， 提出了动态多门限呼叫接入控制策略d m c a c ，该策略能够根据系统负荷的变化自 适应地调整各类业务的服务门限。关于动态调整服务门限，d m c a c 策略所采用的 思想与文献 1 提出的d h c a c 策略类似，但是由于d h c a c 中的门限调整算法只适合 于两类业务的情况，d m c a c 策略对其进行了改进，使之适合于两个以上的多类业 务。 以下各节中，首先介绍针对两类业务的动态呼叫接入控制策略d h c a c ，然后 介绍针对多类业务的固定多门限呼叫接入控制策略f m c a c ，并分析了它的性能， 最后提出了针对多类业务的动态多门限呼叫接入控制策略d m c a c ，并且对以上各 种策略进行了仿真比较。 3 2 动态呼叫接入控制策略d h c a c 在文献 1 中，将业务分为两类：新呼叫和切换呼叫。 因为从用户的角度看，由于切换失败而导致正在进行的通话被强制中断要远 比新近产生的呼叫请求被系统阻塞更令人难以忍受，因此，在设计呼叫接入控制 策略时，应给切换呼叫赋予更高的优先级，以尽可能地避免通话被强制中断的发 生。 为了保证切换的健壮性，文献 1 提出了一种基于保护信道机制的动态呼叫 接入控制策略d h c a c ，在该策略中，小区的资源被分成两部分，一部分是预留资 源，为切换呼叫专用，另外一部分资源为新呼叫和切换呼叫共享使用。 为了在系统业务量实时变化的环境下一直获得良好性能，d h c a c 策略在系统 运行过程中，每隔一定周期就自适应地调整预留资源量。调整所依据的性能指标 是切换呼叫的阻塞率，调整的目标是：在将切换呼叫的阻塞率维持在门限值的同 时，尽量地减少新呼叫的阻塞率，提高系统资源的利用率。以下部分我们详细描 述调整算法： 首先定义变量和常数如下： c 。：预留给切换呼叫的资源数量。 r ：预留资源量c 。的调整周期； 硕士学位论文 在过去r 周期内，进入当前小区的切换呼叫的总数量，包括被允许的 和被拒绝的。 在过去t 周期内，当前小区所拒绝的切换呼叫的总数量。 切换呼叫阻塞率的比较上限。 切换呼叫阻塞率的比较下限。 预留资源量c 。的最大值。 预留资源量c 。的最小值。 每当r 周期时刻到来时，系统就需要对c 。进行如下调整 若百d , q ，毛，那么： c h - m i n c + l c 若鲁c 乃，那么： c h m a x c h 一1 , c 。m 调整步骤的思想是：若小区在过去一周期内的切换呼叫阻塞率高于最高门 限值，那么就说明切换呼叫的性能没有得到最大改善，所以就需要增加预留资源 的数量，直到切换呼叫阻塞率低于最高门限值为止。 调整步骤的思想是：若小区在过去一周期内的切换呼叫阻塞率低于最低门 限值，那么就说明小区为切换呼叫预留的资源利用率不高，所以就需要减少预留 资源的数量，直到绝大多数的预留资源被占用为止。 通过以上调整算法，d h c a c 策略就能将切换呼叫的阻塞率维持在最低门限和 最高门限之间，与此同时，降低了新呼叫的阻塞率，系统资源利用率得以提高。 3 3 固定多f - 1 限呼叫接入控制策略f m c a c 文献 3 0 针对多类业务，提出了固定多门限呼叫接入控制策略f m c a c 。本节 首先介绍f m c a c 策略，然后对其性能进行分析。 3 3 1 策略说明 f m c a c 策略也是采用保护信道机制，它为各类业务设置相应的服务门限，某 类业务到达时，要根据该类业务的服务门限以及当前系统已经被占用的资源数判 断是否允许该呼叫，接纳流程如图3 1 所示。 f m c a c 策略具体描述如下： 爿 舶n n 桫 c d m a 移动通信系统中呼叫接八控制策略的研究 图3 1f m c a c 策略的接纳流程 假设一个小区中可用的资源总数为c ，系统支持n 类业务