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多业务c d m a 蜂窝移动通信系统中无线资源管理和分配技术的研究 多业务c d m a 蜂窝移动通信系统中 无线资源管理和分配技术的研究 摘要 为移动用户提供多种业务服务是未来移动通信网络的主要发展方 向。由于c d m a 技术具有灵活支持多种业务的特点，因而被未来移动通 信系统所采纳。如何在恶劣的无线传播环境里以及用户移动且相互干扰 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 技术的第三代蜂窝通信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。而无线资源管理与分配技术正是缓解和解决这 一问题的重要途径之一。本文围绕多业务c d m a 蜂窝通信系统的容量性 能进行了分析和研究，提出通过相应的接纳控制策略和切换控制策略来 提高业务质量和系统性能。主要内容包括： 对承载具有不同q o s 要求的多业务c d m a 蜂窝通信系统的容量性能 进行研究是系统容量规划所需解决的关键问题之一，同时，有效精确的 分析方法有助予我们深入地认识影响c d m a 系统小区容量的诸多因素， 从而提出相应的解决方法来提高系统的频谱利用率。本文在已有的多业 务c d m a 蜂窝通信系统的上下行链路容量分析的基础上，提出了一种联 合物理层和m a c 层的容量性能分析方法。通过该方法，可以研究业务负 荷，业务比例以及用户移动性对c d m a 无线网络性能的影响，尤其可以 考察采用软切换技术对下行链路容量的影响。由于我们综合考虑了呼叫 的到达过程，业务激活因子，无线传播环境以及用户移动性和由此引入 的切换问题等因素，弥补了目前文献中一些过于简单或理想的假设条件， 使之更符合系统的实际情况，从而更加有助于系统的规划与设计。 c d m a 蜂窝通信系统的小区容量是有限的，当小区容量已处于饱和 状态时，继续接纳新的用户进入系统，将使已有用户的q o s 无法得到保 i i 多业务c d m a 蜂窝移动通信系统中无线资源管理和分配技术的研究 证。系统必须采取有效的接纳控制策略，使得各类业务的q o s 在获得保 证的同时，尽可能为更多的用户提供服务。本文对多业务c d m a 蜂窝通 信系统的接纳控制问题进行了研究。提出了两种基于自适应资源预留且 满足多种业务q o s 要求的接纳控制策略：动态保护信道策略和基于切换 用户到达率的资源预留策略。分析结果表明：这两种接入策略将接入控 制和服务质量保证有机地结合在一起，既保证了用户的q o s ，又大大降 低了系统中用户的掉话和呼叫阻塞概率，同时提高了系统资源的利用率。 蜂窝系统中切换算法的优劣，直接决定了系统掉话率的高低，追本 溯源，掉话率的高低也是系统所能容纳用户数的一个关键因素。因此切 换技术的研究是无线资源管理研究中的另一个重要组成部分。本文对基 于自适应资源分配的切换策略进行了研究。在链路自适应技术的基础上， 提出了一种基于用户当前发射功率的自适应速率控制的切换策略( a r c ) ， 当网络资源不足时，首先降级数据业务中当前发射功率较大的用户的数 据传输速率，从而获得较大的网络可用资源。通过系统分析和仿真，结 果表明：该方案的呼叫阻塞概率，呼叫中断概率都有了一定的改善。此 外，考虑到单纯的排队策略和预留策略都不是满足多种业务切换连接的 最优策略，通过对排队和预留的一种有效的结合，提出了一个基于多种 优先级排队资源分配的多业务切换算法。通过计算机系统仿真表明：该 策略可以较大的改善切换呼叫的中断概率。 总之，本文的研究工作为多业务c d m a 系统的无线资源优化管理提 供了理论依据。 关键词：多业务c d m a 无线资源管理接纳控制策略切换控制策略 i i i 多业务c d m a 蜂窝移动通信系统中无线资源管理和分舀己技术的研究 1 啦i t e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g i e so fr a d i o r e s o u r c em a n a g e m 哐n ta n da l l o c a t i o nf o r m u 【t i s e r c ec d m ac e l l u l a rn e t w o r k s a b s t r a c t f u t u r em o b i l en e t w o r k st r e n dt op r o v i d em u l t i - s e r v i c e s 协m o b i l eu s e r s c d n i a t e c h n i q u e i sa d o p t e d b y t h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m sd u e t oi t s f l e x i b i l i t y i n s u p p o r t i n g m u l t i s e r v i c e s h o wt o l ( e e pq o s o f h e t e r o g e n e o u ss e r v i c e sa n da tt h em e a n t i m eu t i l i z et h es c a r c er a d i os p e c t r u m r e s o u r c e si s c h a l l e n g i n gf o r3 “g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a n df u t u r ep e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，e s p e c i a l l yi ne r r o rp r o p a g a t i o n w i r e l e s sc h a n n e la n du n d e rt h es i t u a t i o n so fu s e r s m o b i l i t ya n dt h e i r i n t e r f e r i n gw i t he a c ho t h e r b u tw i r e l e s sr e s o u r c em a n a g e m e n ta n d c o n t r o li s j u s to n eo f t h ei m p o r t a n tw a y so f r e s o l v i n gt h e s ep r o b l e m s t h i sd i s s e r t a t i o n s t u d i e s 也ec a p a c i t yp e r f o r m a n c eo f t h em u l t i s e r v i c ec d m ac e l l u l a rs y s t e m s a n dp r o p o s e ss o m ei m p r o v e da d m i s s i o nc o n t r o l a l g o r i t h m s a n dh a n d o f f c o n t r o la l g o r i t h m s i tm a i n l yi n c l u d e s ： t os t u d yt h ec a p a c i t yp e r f o r f f l a n c eo ft h em u l t i s e r v i c ec d m ae e l l u l a r s y s t e m s i so n eo ft h ek e ye l e m e n t si np r o c e d u r e so ft h es y s t e mc a p a c i t y p l a n n i n g ， m e a n w h i l et h ee x a c ta n a l y s i sm e t h o di sh e l p f u lt oe x p l o r et h e f a c t o r sa f f e c t i n gt h ee e l lc a p a c i t ya n dt h u sr e m e d i e sc a nb ef o u n dt oi m p r o v e t h e e f n c i e n c y o ft h er a d i o s l ；) e e t r u m u t i l i z a t i o n b a s e do nt h e c a p a c i t y p e r f o r m a n c eo fb o t ht h eu p l i n ka n dd o w n l i n k ，an e wa n a l y s i sm e t h o di s p r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n ep h y s i c a l1 a y e rw i t hm a cl a y e r b a s e do nt h en e w m e t h o dw ec a ni n v e s t i g a t et h e i n f l u e n c eo nt r a f f i cp e r f o r m a n c ea n du s e r 多业务c d m a 蜂窝移动通信系统中无线资源管理和分配技术的研究 m o b i l i t yo f c d m am o b i l e n e t w o r k s ，e s p e c i a l l y f o rt h ee f f e c t sa n a l y s i so fu s e r m o b i l i t yo fs o f t h a n d o f fs y s t e m b e c a u s et h ec a l la r r i v a lp r o c e s s ，a c t i v e f a c t o r s ，w i r e l e s sp r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n ta n du s e rm o b i l i t ya r ec o n s i d e r e di n t h ea n a l y s i s ，a n ds o m e s i m p l i f i e d o ri d e a l i z e da s s u m p t i o n aa d o p t e di nc u r r e n t l i t e r a t u r e sa r ei m p r o v e dt ob e t t e rs k e t c ht h ec h a r a c t e r i z a t i o n so fp r a c t i c a l s y s t e m t h ee e l lc a p a c i t yo fc d m ac e l l u l a rs y s t e m si sl i m i t e d ， a d m i t t i n g m o r e u s e r st h a nm ec a p a c i t yi n t o s y s t e mw i l l m a k et h e a l r e a d y a d m i t t e du s e r s s u f f e ral o s so f q o s c a l la d m i s s i o n c o n t r o lm e c h a n i s m sm u s tb ea d o p t e db y t h es y s t e mt op r o t e c tt h eq o so ft h eh e t e r o g e n e o u st r a f f i c sa n da tt h es a m e t i m ea c c o m m o d a t em o r eu s e r s t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ec a l la d m i s s i o n c o n t r o lm e c h a n i s m so ft h em u l t i s e r v i c ec d m ac e l l u l a r s y s t e m s t w o a d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m e sb a s e do n a d a p t i v e r e s o u r c er e s e r v a t i o na r e p r e s e n t ，w h i c h c a r lm e e td i f f e r e n tq o sf o rm u l t i s e r v i c e s t h ea n a l y s i sr e s u l t s i n d i c a t e 也a tt h et w os c h e m e sc a n e f f e c t i v e l yc o m b i n ea d m i s s i o nc o n t r o lw i t h q o sg u a r a n t e e ，w h i c h c a l lk e e pt h eu s e r sq o sa n da tt h es a m et i m er e d u c e d r o p p i n gp r o b a b i l i t ya n db l o c k i n gp r o b a b i l i t y b e c a u s et 1 1 eh a n d o f f i san e c e s s a r yp r o c e s so f m o b i l et e r m i n a l ，w h e t h e r t h ep e r f o r m a n c eo ft h eh a n d o f r a l g o r i t h mi sg o o d o rb a d ，d i r e c t l ya f f e c tt h e d r o p p e dc a l lr a t ei sh i 啦o r l o wi nc e l l u l a rs y s t e m u l t i m a t e l y ，t h ed r o p p e d c a l lr a t ei sak e yf a c t o ro ft h ec a p a c i t vo ft l l em u l t i - s e r v i c ec d m ac e l l u l a r s y s t e m s ，t h e r e f o r e h a n d o 圩c o n t r 0 1m e c h a n i s mi sa n o t h e ri m p o r t a n tp a r to f t h er a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h eh a n d o f fc o n t r o l s c h e m e sw h i c ha r eb a s e do na d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o n c o n s i d e r i n gt h e l i n ka d a p t i v et e c h n i q u e ，ah a n d o f fs c h e m ew i t ha d a p t i v er a t ec o n t r o lb a s e do n m o b i l eu s e r st r a n s m i t t e dp o w e ri sp r e s e n t i nt h ec a s eo f s y s t e mo v e r l o a d ， t l es c h e m e d e g r a d e s t h et r a n s m i t t e dr a t eo ft h e e x i s t i n g d a t at r a 伍c v 多业务c d m a 蜂窝移动通信系统中无线资源管理和分配技术的研究 c o n n e c t i o n s ( h a n d o f fc o n n e c t i o n s ) w h i c h n e e dm o r ep o w e rr e s o u r c e si no r d e r t os p a r es o m er e s o u r c e sf o rs e r v i n gn e wo rh a n d o f fc o n n e c t i o n s t h er e s u l t s s h o wt h a tt h es c h e m ei s c a p a b l e o fs a t i s f y i n gd i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n t s w h i l ea c h i e v i n gt h eh i g h e rs y s t e mu t i l i z a t i o n f o l l o w i n g ，an o v e la l g o r i t h m w h i c hc o m b i n et h eq u e u i n gs c h e m ew i t hr e s e r v i n gs c h e m ec a l l a d a p t i v e a l l o c a t er e s o u r c eb a s e do nv a r i o u s p r i o r i t i e sf s e r v i c ec l a s s ，d i s t a n c e ，m o b i l e s p e e de t c ) t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ed r o p p i n gp r o b a b i l i t yw i l lb ed e c r e a s e d q u i t ea l o t i naw o r d ，t h i sd i s s e r t a t i o nl a y st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n sf o ro p t i m a lr a d i o r e s o u r c em a n a g e m e n to f t h em u l t i - s e r v i c ec d m ac e l l u l a rs y s t e m s k e yw o r d s ：m u l t i s e r v i c ec d m ar a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n t c a l la d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m eh a n d o f fc o n t r o ls c h e m e v i 多业务c d m a 蜂窝移动通信系统中无线资源管理和分配技术的研究 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粜。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： 墨丝堕 日期： 皇型! ：篮 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，允许学位论文被查阈和借阅；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年解密后适用本授权二瞎。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：墨挞匝 导师签名：墅兰翌 日期：一墨堕：业 日期 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 多业务c d m a 蜂窝通信系统概述 移动通信技术在过去的二十年中获得飞速的发展，已经成为现代通信技术中一个 极为重要的领域。以g s m 和i s - 9 5 为代表的第二代蜂窝通信系统主要是为9 6 k p b s 的低速话音业务而设计。由于c d m a 技术与传统的无线传输技术相比具有独特的优 势，如频谱效率高、软容量、软切换和宏分集接收，并且简化了频谱配置方案，系统 容易配置等，故c d m a 作为第三代移动通信系统中无线传输的首选技术，获得人们 普遍关注。 随着i n t e r a c t 的迅速发展以及社会信息化的不断推进，移动用户对信息服务的需 求日益丰富，要求移动通信系统能够提供话音、传真、宽带数据、图像、视频等多媒 体业务，并能在任何移动环境下进行通信，即实现“任何时间、任何地点、任何人之 间能进行多种信息的传递”。多媒体业务与传统的话音业务相比，往往需要更高的传 输速率和更高的q o s 要求。针对多媒体业务的曰益普及，各种研究机构也纷纷提出 了基于c d m a 技术的解决方案，如3 g p p 针对w c d m a 系统提出的h s d p a ( h i 曲 s p e e d d o w n l i n k p a c k e t a c c e s s ) 【l j ，以及3 g p p 2 所提出的l x e v - d o ( 1 x e v o l u t i o n d a t a o n l y ) 以及1 x e v - d v ( i x e v o l u t i o n - d a t aa n d v o i c e ) o 。j l “。 然而，目前所能提出的各种解决方案并不一定能够长久适用，流媒体业务以及大 量的数据下载上传业务使得c d m a 通信系统在广泛应用的同时也遇到了前所未有的 挑战。在这种情况下，方面是寻找比c d m a 物理层传输技术更加适于高速传输的 技术( 如：o f d m 技术) ，另外一方面是在多业务c d m a 网络环境下尽可能对系统资 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 源进行充分利用。面对c d m a 通信系统的全球化商用的局面，这后一方面内容显得 更加现实。因此，如何通过有效的无线资源管理和分配技术，在已有c d m a 传输技 术的基础上不断提高系统q o s 和系统容量，是多业务c d m a 蜂窝通信系统的重点研 究内容之一。 1 2 多业务c d m a 蜂窝通信系统的移动q o s 由于多业务c d m a 移动通信网络可以支持高速的分组数据业务和话音业务，这些 业务具有不同的传输速率( 从低速话音到高速视频业务) 、不同时延( 实时业务与非实时 业务) 等不同的q o s 要求【4 1 51 。因此多业务c d m a 移动通信网络需提供端到端的 q o s 以及支持为不同用户提供不同级别的q o s 。图1 1 给出了多业务c d m a 移动通 信网络q o s 的实现框架。 n e t 图1 - 1 多业务c d m a 移动通信网络q o s 的实现框架 由于无线链路的不可靠和带宽的限制，再加上用户的移动性，使得无线接口是移 动通信系统提供q o s 的瓶颈所在： 无线信道的高误码率 由于无线传播环境的恶劣，无线信道的误码率较高。可以通过空中接口上的分集 技术、差错控制( 前向纠错、c r c 校验) 及反馈重传机制来克服，但是反馈重传会引入 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 一定的时延，需要权衡。 无线资源的有限性 无线链路由于频带资源和传输技术的限制，所能提供的带宽相当有限，3 g 系统所 能达到的最好情况也只是2 0 4 8 m b p s ( 室内或者室外小范围内，静止状态) 。相比之下， 传统的以太网中能提供1 0 1 0 0 m b p s 的带宽，而光纤传输则能够达到几g b p s 的传输 速率。因此，在3 g 系统中，无线接口部分的带宽不足的情形尤为突出，这也是3 g 中q o s 的瓶颈所在。采用多址技术及复杂的m a c 层协议来合理地配景和管理有限的 资源，从而在兼顾资源使用效率前提下，保证业务的误码率、时延等q o s 参数的要 求。 移动性问题 在移动通信中用户终端随时可以从一个小区移动到另一个小区，从一个网络移 动到另个网络，同时要求正在进行的业务不受影响。由于移动台位置的改变，通过 有效的资源预留和接入控制算法，保证用户应用在跨区切换时的服务质量，从而在改 善掉线概率的同时尽量提高系统资源利用率 由于移动网络的核心矛盾是空中无线资源缺乏，因此无线接口的q o s 在端到端 q o s 中占有重要的地位。图1 2 给出在无线接口上q o s 的实现框架。由图1 2 可以看 到无线接口的q o s 包括物理层、链路层、网络层和应用层，单独在某层上采取措施 是不够的，必须结合每一层的o o s 技术，才有可能保证业务的q o s 。因此，在无线 接口的q o s 实现框架中，引入q o s 管理单元和无线资源分配管理单元来完成跨层的 q o s 管理和无线资源调度。这两者的显式分离，有助于网络运营者在变更q o s 实现 方式上有较大的自由度，同时也有助于方便地引入新的业务类。 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 图1 - 2 无线接口上q o s 的实现框架 目前，已经提出的无线接口的q o s 技术主要包括自适应的无线接口技术、动态 无线资源管理、跨区切换的资源预留等： 自适应无线接口技术【6 - 1 1 1 物理层技术对业务的q o s 有很大的影响。在3 g 中，卷积码、t u r b o 码和无线信 道编码等为建议的3 种信道编码方式。卷积码用于对时延要求比较严格的低速率实时 业务；t u r b o 码则用于对时延要求不太严格的高速率非实时业务；而无线信道编码的 情况只用于信道条件较好的环境，链路的误码问题只能用链路层的纠错机制来解决。 此外，在蜂窝移动通信系统中采用交织技术，交织长度决定于服务对延迟的要求，不 同的交织深度应与不同的服务相匹配。例如，与数据业务相比，话音业务要求有较小 的延迟，所以应采用短的交织深度。此外还需针对不同的信道情况和业务需求，采取 自适应的传输技术，才能最大限度地利用带宽资源并保证服务质量。h s d p a 能够达 到1 0 m b p s ，主要是采用了自适应调制和编码方案( a m c s ) ，而在u m t s 的r 5 以前 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 的版本中，无线接口中的自适应技术仅仅是通过功率控制来体现的。a m c s 是h s d p a 中链路自适应的关键技术，它预定义了不同的调制编码方案( m c s ) 。每个m c s 是 不同的编码速率和调制方式的组合，适用于不同的信道条件和q o s 。当某个移动台的 下行链路发生变化时，基站自动调整针对该移动台的m c s ，从而使得小区的吞吐 量达到最大。举例来说，当一个移动台信道质量较差( 例如位于小区边缘) ，基站就在 下行链路上采用抵抗错误性能较强的信息传输率较低的m c s ( 例如1 4 的t u r b o 编码， q p s k 调制) ，从而减少了重传；而当一个移动台信道质量较好( 例如靠近基站) 时，则采 用速率较高的m c s f 例如3 4 的t u r b o 编码，6 4 q a m ) ，从而对信道的利用更加充分。 因为h s d p a 中采用了o 6 7 2 m s 或者1 0 m s 的可交短帧结构，所以可以利用快速的帧 调度技术，更好地响应信道变化。 动态无线资源管理 在移动通信中，无线接口需要向移动用户提供广泛的i n t e m e t 接入，需要面对具 有不同q o s 要求的各种各样的应用。如3 g p p 协议根据对时延要求的不同，将所能提 供的业务划分为四类：第一类是会话业务( c o v e r s a t i o n a lc l a s s ) ，该类业务对时延和 时延抖动业务很敏感，如话音业务和视频电话业务；第二类是流媒体业务( s t r e a m i n g c l a s s ) ，这类业务对时延较敏感，如在线播放m p 3 音乐与电影等；第三类是交互业务 ( i n t e r a c t i v ec l a s s ) ，这类业务对时延要求不高，如w w w 网页测览、电子商务和数据 库检索等业务；第四类是后台业务( b a c k g r o u n dc l a s s ) ，这类业务与i n t e m e t 中的b e s t e f f o r t 业务很相似，对时延不敏感，如e m a i l 、f t p 和短消息等业务。要提供有区别 的q o s 保证，仅仅着眼于提高无线接口的传输速率是不够的，还需要制定适当的无 线资源管理方案，能够根据无线信道变化的特点以及接入业务的情况灵活地分配无线 资源，满足在不同情况下不同业务的q o s 要求。 越区切换的资源预留策略【1 2 】 1 3 1 由于终端的移动性，跨区切换成为多业务移动通信系统中影响q o s 的主要原因 之一。当一个用户要建立一次新连接时，它向基站请求所需的资源；如果成功则连 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 接被允许，否则就被“阻塞”；由于连接所占用的资源直到呼叫结束才会被释放，因此， 在连接过程中，q o s 是有保证的。但是，当用户进行跨区切换时，它必须重新申请资 源，这时如果目标小区没有可用资源，就会出现“掉线”的现象。在实际应用中， 掉 线比阻塞更令人不可忍受 1 _ 3 无线资源管理和分配技术的发展 从上节所介绍的主要无线接口q o s 技术可以看到无线资源管理和分配技术在移 动网络端到端q o s 中占有重要的地位，无线资源管理和分配技术与移动网络无线接 口的q o s 密切相关。通过这些技术可以最优地使用移动通信系统的容量，让在可用 带宽内能获得满意服务的用户数最大化。人们在展望无线高速多媒体时代即将到来的 美好前景时，也充分意识到高用户量、高数据传输量和多种业务不同q o s 要求并存 给未来无线网络带来了巨大的挑战。应对这些挑战不仅需要更加先进的物理层传输技 术，而且更加需要高效的无线资源管理和分配技术。 随着移动通信的多址接入方式由以前的f d m a 、t d m a 发展到宽带c d m a 接入， 无线资源管理和分配技术也在不断地发展和变化。 我们知道由于频率复用的原因，g s m ( f d m a t d m a ) 系统中使用相同信道的小区 之间存在共道干扰，共道干扰是影响通话质量最主要的因素。但是，降低共道干扰， 频率复用率也随之降低，也就是说只能获得较低的系统容量。g s m 系统只采用了简 单的功率控制和切换的方法，因而信道分配是提高频率利用率( 容量) 的最直接可行的 技术，也是在第二代移动通信系统中最受关注、研究最深入的无线资源分配技术。 信道分配问题研究的目的是要寻找各种可能的信道分配方案，使得在共道干扰可 以被接受的条件下，尽可能充分地复用信道，以提高信道的利用率。对于基于频率复 用的f d m 和t i ) m a 系统，信道分配主要有固定信道分配( f i x e dc h a n n e l a s s i g n m e n t ，f c a ) 和动态信道分配( d y n a m i c c h a n n e l a s s i g n m e n t ，d c a ) 两大类 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 以及介于两者之间的混合信道分配( h y b r i dc h a n n e l a s s i g n m e n t ，h c a ) 1 4 l o 在基于c d m a 的移动通信系统中，所有用户在所有的时间内可以共享全部的发 送带宽。因此，c d m a 系统的资源分配与传统的信道分配技术比较，c d m a 系统的 资源分配技术更为灵活。尤其在宽带条件下，用户传输速率可变，根据用户传输链路 的增益矩阵动态改变信道，可以获得最佳的系统性能【i ”。因而基于多业务c d m a 蜂 窝通信系统的无线资源管理和分配技术是近几年一个非常基本的研究课题，主要集中 在以下几点： 由于在用户间如何分配功率和带宽等资源将对c d m a 系统容量产生很大的影 响。因此，无线资源的分配问题在c d m a 系统中集中体现为功率和传输速率 的控制问题。在多业务c d m a 蜂窝通信系统中，有许多的方案能够控制业务 的速率和性能。比如，可以通过选择合适的c h i p 速率、处理增益、扩频码数 目f 1 6 或调制方式1 刀来达到一定的信息速率。在资源分配问题的范畴内，即表现 为在功率控制( p o w e rc o n t r o l ，p c ) 模式下支持的终端用户( 数据) 速率 i 8 】 【1 9 1 ， 即通过联合功率与速率控制来改善网络容量。目前，s a m p a t h 【2 叼提出了 基于最小化发射功率准则的联合功率与速率控制，然而在 2 0 】中只考虑了单小 区情况，并且假设所有链路增益已知，属于集中控制的方法。文献【2 1 】基于最 小化发射功率准则，用呼叫中断概率作为性能指标。分析了多小区情况下的系 统容量。但是上述研究驻0 1 【2 1 1 是把所有业务视为等同优先级的一种功率与速率控 制策略，在系统重负荷时，尤其是信道条件也恶劣时，这种“平等对待”策略， 不利于那些q o s 要求必须得到严格保证的业务传输。出于这一考虑，文献 2 2 和 2 3 】提出了基于业务优先级划分的控制策略：即在保证高优先级业务的传输 质量的前提下，通过增加发射功率来尽量提高低优先级业务的传输质量，文献 2 2 1 给出了一种集中式算法，文献 2 3 】给出了一种可以分布实现的算法。可是上 述分析 2 2 1 2 即假设了当用户成功接入系统后，每个用户的传输速率保持恒定， 系统不去控制各用户的传输速率。但在多媒体系统中存在大量非实时业务，系 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 统可以利用这类业务的时延不敏感特性来控制其传输速率，以适应当前的信道 条件，提高系统吞吐量。文献 2 4 】研究了一种动态速率控制方法，该方法可 以有效提高系统的吞吐量。从提高频谱效率的角度出发，s a m p a t h 2 0 ! 还提出了 第二种优化准则：最大系统吞吐量。同样在该文献中只是考虑了单小区系统， 且假设所有链路增益己知，给出了集中式功率与速率控制的方法。基于最大化 系统总吞吐量的研究还有文献 2 5 】 2 6 】，h u 2 5 】提出了最大化系统可支持的用 户数的准则，在系统内每个用户以可变速率传输的假设下，该准则等价与最大 化系统吞吐量准则。z h u a n g 【2 6 j 进一步引入了业务优先级划分的思想，提出了 在保证高优先级业务质量的前提下，尽可能最大化低优先级的吞吐量。此外， l a r i j a n i 叫和m i t r a 2 s 】分别研究了数据业务的突发性对功率速率联合控制的影 响。 处理终端的到达和离开是无线资源管理中的另外一个问题。当一个终端到达时 ( 新的服务的请求或是切换) ，无线资源管理系统( r a d i o r e s o u r c e m a n a g e m e n t ， r r m ) 必须决定这个特别的用户是否允许被接入到系统中。做出这些判决的算 法叫做呼叫准入控制( c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ，c a c ) 算法【2 9 】【3 0 】。对于c d m a 系统中呼叫接纳控制问题的研究，从研究内容上来讲主要可以分为三大类：一 类是基于接收信号s i r 或总干扰信号功率测量的接纳控制算法研究 3 1 ；另一 类是基于系统容量分析模型的接纳控制算法的研究 3 2 - 4 1 】；再一类是基于功率 控制模型的接纳控制算法研究 4 2 1 。基于接收信号s i r 或总干扰信号功率测量 的接纳控制算法的基本思想是：基站测量接收信号的s i r 或总干扰信号功率， 并与一门限值比较，根据比较结果决定是否接纳一个呼叫请求。基于系统容量 分析模型的接纳控制算法的基本思想是：实时记录系统内的连接类型和连接数 目，根据系统容量的数学分析模型，决定是否接纳一个新呼叫。其中s a m p t h 田j ， c m r b u z 3 3 】只考虑了单一小区情况下的接纳控制问题，i s h i k a w a 3 4 、l e e l 3 5 】、 d i m i t r i o u 3 矾、s u n 3 7 1 、k o o 3 s l 矛 ip r i s c o l i 3 9 】研究了多小区c d m a 系统的接纳控 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 制问题，他们假设在特定的无线传播环境与业务分布条件下，小区外的干扰可 以用小区间平均干扰因子来等效。其中k o o 3 5 还提出了划分优先级的接纳控 制算法；s u n t ”1 提出了基于系统负荷预测的接纳控制算法；p f i s c o t i l 3 9 1 提出了 根据系统内阻塞概率和中断概率统计值的反馈来动态调整接纳控制门限的自 适应接纳控制算法。z h u g e 4 叫和e v a n s 4 1 1 分别提出了一种解析方法来计算d , n 外的干扰。 在高密度的无线系统中，接入点的覆盖面积会相互重叠，并扩张出很大的范围 【4 3 【4 4 】。在这种情形下，干扰的变化很可能会导致切换，代替传统的切换方案( “交 换分集”) ，连续合并的方案( “软切换”) 【4 5 】在c d m a 中成为可能。目前对蜂窝 系统中越区切换策略的研究主要集中在预留信道、切换排队和分速率等策略上 【4 6 q 钔。 以上这些无线资源管理和分配技术需要在更广泛范围内的深入研究，使得多业务 c d m a 方案得以进一步地完善和发展。本文将围绕多业务c d m a 蜂窝移动通信系统 中的上下行链路容量分析和呼叫接纳控制算法以及切换算法进行研究。本文研究的多 业务c d m a 移动通信系统是采用直接序列扩频和f d d 工作模式，以多码( m u l t i c o d e ， m c ) 1 4 9 1 传输的方式为用户提供多种速率服务。假设c h i p 速率、处理增益、调制格式 对所有用户是固定的，用户的信息传输速率由使用的扩频码数目决定。各类业务在系 统中的q o s 通过选择不同的发射功率和扩频码数目来控制。 1 。4 论文所做工作及主要创新点 本文研究了多业务c d m a 蜂窝移动通信系统的无线资源管理，在多业务移动通 信系统中，无线资源管理与单业务相比，具有新的特点，它需要保证不同类型业务的 服务质量要求，同时要使无线网络资源的利用率尽可能大。由于c d m a 移动通信系 统是一个白干扰的系统，所以在本文的研究中针对多业务c d m a 蜂窝移动通信的特 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 点，主要考虑了以下问题： 对于无线资源管理的基本概念和基本模型，已经进行了深入的研究和探讨。目 前针对多业务移动通信环境提出的基于业务q o s 的无线资源管理模型的研究 正在展开，如何定义一个多业务c d m a 蜂窝通信系统的无线资源管理模型需 进一步研究。 对于承载具有不同q o s 要求的多业务c d m a 蜂窝通信系统的容量性能分析是 系统设计的重要一环，也是小区容量规划所需解决的关键问题之一。c d m a 蜂 窝移动通信系统的容量受干扰的限制，随着干扰的变化而动态的变化，这种情 形下影响c d m a 系统小区容量的诸多因素需进一步的讨论和分析。 由于软切换减少消除了硬切换中普遍存在的“乒乓效应”，提高了上行链路的容 量，因而c d m a 系统的越区切换多采用软切换。在i s 9 5 系统中，已经使用了 软切换，但主要考虑的是单一的话音业务，那么多业务c d m a 系统采用软切 换有什么样的特点，以及对多业务系统的容量有什么样的影响还需进一步分析 和研究。 c d m a 蜂窝通信系统的小区容量是有限的，当小区容量已处于饱和状态时，继 续接纳新的用户进入系统，将使已有用户的q o s 无法得到保证。系统必须采取 有效的接纳控制算法，使得各类业务的q o s 在获得保证的同时，尽可能为更多 的用户提供服务，以提高系统的资源利用率。由于多业务系统中不同业务具有 不同的数据传输速率，传输时延及目标信噪比的要求，需要研究多业务系统的 接纳控制策略，从而改善多业务c d m a 蜂窝通信系统的性能。 多业务移动通信系统中数据业务将占举足轻重的地位，而数据业务具有非实时 性的特点，如果再采用传统的、针对实时话音业务特点的功率控制策略，未必 会改善系统的性能，相反。可能降低资源的利用率，因而需要研究多业务c d m a 蜂窝移动通信系统中数据业务的速率控制，并结合现有的功率控制算法，从而 提高系统的资源利用率。 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 多业务环境下针对不同业务特征，如何将功率控制，速率分配，信道分配，呼 叫接纳控制以及队列调度等进行联合