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WCDMA系统负载控制分析毕业论文目 录前 言1第一章 绪论2第一节 课题背景2第二节 研究本课题的意义2一、WCDMA负载控制基本概念2二、WCDMA负载控制的应用价值3第三节 论文框架4第二章 WCDMA简介5第一节 WCDMA的发展5一、WCDMA起源5二、WCDMA面临的市场机遇和业务情况6第二节 WCDMA系统介绍7一、WCDMA系统的网络结构7二、WCDMA系统的的技术特点12第三节 本章小结13第三章 WCDMA系统负载控制15第一节 WCDMA负载控制基本概述15一、WCDMA负载控制基本概念15二、WCDMA负载控制基本目的及基本流程15第二节 WCDMA拥塞控制方法分析16一、引言17二、分组调度17三、功率管理20四、负载均衡21第三节 WCDMA系统呼叫准入控制25一、引言25二、CAC概述25三、CAC算法26四、业务优先级29第四节 WCDMA系统小区的负载平衡30一、负载平衡概念30二、负载平衡算法31三、潜在用户控制（PUC）35第五节 本章小结35第四章 WCDMA资源拥塞优化方案37第一节 WCDMA网络资源简介37一、WCDMA CE资源37二、WCDMA码资源38三、WCDMA 功率资源38四、WCDMA 带宽资源39第二节 WCDMA资源拥塞优化算法原理39一、负载重整算法原理39二、过载控制（OLC）算法原理41三、负载平衡算法原理41第三节 WCDMA资源拥塞优化实例41一、WCDMA资源拥塞优化方法研究方案42二、WCDMA资源拥塞优化方法测试验证42第四节 本章小结54结 论55致 谢57参考文献58附 录59一、英文原文：59二、英文翻译：70 第一章 绪论第一节 课题背景移动通信起始于二十世纪八十年代的第一代蜂窝移动通信，到九十年代的以GSM以及CDMA为代表的第二代移动通信技术在商业市场上得到大规模的运用，再到本世纪初之后第三代移动通信在市场上占据了主导的地位，虽然现在已经迎来了4G，但是在国内要占据主导地位还需要一定的时间。目前基本在商业上每十年就会更新使用一代新技术。目前在全球范围内，模拟移动通信技术基本已经宣告完全退出历史舞台，第二代通信技术（包括2.5代技术）占据了部分的移动通信的市场。第三代移动通信技术已经步入了成熟化大规模化的商用阶段，在今后数十年间将是第三代移动通信和以及新星的第四代移动通信技术（LTE）长期并存发展的时期。第三代移动通信技术是在2000年由国际电信联盟（ITU）正式确定的，而其中的WCDMA技术标准更是作为通过的第三代移动通信主流标准之一。WCDMA移动通信系统自2001年10月开始逐渐投入商用，并经过近几年技术设备逐渐成熟的蛰伏期之后，开始在世界范围内逐步进入大规模化的商用阶段。全球获得WCDMA运营许可的运营商就有120多家，由于之前占据全球80%以上移动通信市场份额的GSM和TDMA运营商都选择了WCDMA技术，所以WCDMA技术将毫无疑问的成为占据了移动通信主导地位的第三代移动通信技术。 第二节 研究本课题的意义一、WCDMA负载控制基本概念 WCDMA系统中，由于过高的负载会使网络质量达不到通信质量的要求，所以必须要将空中接口的负载保持在预定的阀值下。在一个实时测量系统小区中的系统负荷，当系统负荷平均值在一个设定的时间内超过设定的阀值，就会造成业务服务质量下降，所以有必要引进负载控制技术来保证系统的稳定。 负载控制从技术方面主要分为四个部分：拥塞控制，准入控制，小区间负载的平衡以及数据调度。 准入控制涉及负载监测和衡量、负载预测、不同业务的准入策略、不同呼叫类型的准入策略。而且，上下行链路要分别进行准入控制。 小区间负载的平衡主要包括：同频小区间负载的平衡、异频小区间负载的平衡、潜在用户控制。 数据调度是为了提高小区资源的利用率，引入Packet Scheduling技术，在小区内的速率不可控业务负载过大或过小时，降低或增加BE业务的吞吐率，以控制小区的整体负载在一个稳定的水平。 拥塞控制是在前三种技术为基础，为了保证其系统绝对的稳定而引入的技术。其目的就是保证系统的负载处于绝对稳定的门限值以下。具体的方法有暂时降低某些低优先级业务的QoS；还有一些比较极端的手段，如暂时降低CS业务的QoS等。WCDMA小区中，负载分配是由无线资源管理功能来实现的，也就是来实现的，负载分配原则为：上行和下行链路中的总的负载达到系统负载的最佳点。由于干扰及传播条件的变化，系统负载最佳点是瞬时变化的。不论何时，不论是上行方向还是下行方向的负载超过了规定的阈值，就会产生负载溢出，此时，开始起作用，直到使系统负载返回到可接受点为至。二、WCDMA负载控制的应用价值 对于WCDMA中的网络数据业务，随着WCDMA业务的快速发展，用户数量的快速增长，数据业务对现有的网络资源带来了巨大的冲击，网络资源的使用率不断地增高，WCDMA网络便出现了CE资源、码资源、功率资源、带宽资源等等网络资源的拥塞，甚至出现了用户无法介入或者业务质量变得很差等现象，导致用户感知度下降等问题。所以要通过负载控制中的网络资源优化方法来将小区的网络资源合理的分配，从而能达到合理利用资源提升用户感知以及网络价值。 同样的，对于WCDMA的语音业务，在WCDMA系统中，对于新用户呼叫的接入，将会引起小区上、下行负载的升高；而在一个已经过载的系统中，总的干扰水平和载波发射功率的提高，可能会引起掉话，如果空中接口的负载可以允许过分的提高，则小区的覆盖区域会降到规划值以下，并且已有的连接的业务质量也得不到保证。所以需要通过负载控制中的一个关键技术，呼叫准入控制（CAC）算法来在保证各种服务质量（QoS）的前提下，尽可能多的接纳新的用户，从而使各业务的阻塞概率、系统的中断概率以及服务等级（GoS）达到用户满意的状态。 言而总之，正是因为有了负载控制，业务的服务质量才能得以保障，资源能被合理的进行分配，用户的满意度提高以及资源的利用率大大提高，从而能使WCDMA得以在市场上占据很大的竞争力。第三节 论文框架本文的主要内容及结构安排：本文主要研究了WCDMA系统的负载控制的基本原理流程以及负载控制的部分算法，在末章还有对网络资源拥塞控制优化方法的实例分析。本文结构安排：第一章 课题背景，研究WCDMA负载控制的意义；第二章 WCDMA系统的基本介绍；第三章 对WCDMA的几个主要的技术做一个阐述，WCMDA系统负载控制主要为：拥塞控制、接入控制、小区间负载均衡、数据调度；第四章 简单介绍了WCDMA的网络资源以及网络资源拥塞优化方法的实例验证。第二章 WCDMA简介WCDMA为宽带直扩码分多址(DS-CDMA)系统，即通过用户数据与由CDMA扩频码得来的伪随机比特相乘，从而能把用户信息比特扩展到更宽的带宽上去。系统中多个用户同时工作于同一个频段，通过以码字相互正交，从而实现相互区分。直扩码分多址系统具有同频自干扰特性，需要有效地解决网络中的干扰问题才能够完善地进行网络覆盖，从而提高网络容量，改善业务质量。第一节 WCDMA的发展一、WCDMA起源WCDMA主要起源于日本与欧洲早期的第三代无线研究活动，GSM的巨大成功对于第三代系统在欧洲的标准化产生了重大的影响。欧洲在1988年就开展了RACE（欧洲先进通信技术研究）程序，并一直延续到了1992年6月，它代表了第三代无线研究活动的开始。1992至1995年之间欧洲又开始了RACE程序13。ACTS（先进通信技术和业务）于1995年底建立，为UMTS（通用移动通信系统）提供了FRAMES（未来无线宽带多址接入系统）方案。在这些早期研究中，对各种不同的接入技术包括TDMA、CDMA、OFDM等进行了评估与实验。为WCDMA奠定了坚实的技术基础。 日本在1993年于ARIB中建立了研究委员会来进行日本3G的研究与开发，并通过评估将CDMA技术作为第三代移动通信技术的主要选择。日本运营商NTTDoCoMo于1996年推出了一套WCDMA的实验系统方案，并且得到了当时世界上主要的移动设备制造商的支持。由此便推动了WCDMA的发展。 1998年12月成立了3GPP（第三代伙伴项目）极大地推动了WCDMA技术的发展，加快了WCDMA的标准化进程，并最终使WCDMA技术成为ITU所批准的国际通信标准。第三代的主要技术体制，其中WCDMA-FDD/TDD（现称高码片速率TDD）和TD-SCDMA（融和后现称低码片速率TDD）都是由3GPP所开发和维护的规范，而这些技术都是以CDMA技术为核心13。值得指出的是，TD-SCDMA技术规范是我国第一份自己提出，被ITU全套采纳的无线通信标准。目前看来，将要采用的第三代标准中选取WCDMA-FDD模式的国家是最多的，比如欧洲、日本、韩国都决定WCDMA-FDD模式为自己的主流制式。WCDMA三套技术在实际上是采用同一套核心的网络规范，不同的无线接入技术。其核心网络的主要特点就是重视从GSM网络向WCDMA网络的演进，这是因为GSM的巨大商业成功所造成的，这种演进是以GPRS技术作为中间承接的。除了制定TD-SCDMA标准以外，中国也积极参与ITU和3GPP的WCDMA另外两种技术的跟踪、评估和研发工作，这些工作在早在90年代中期就已经开始了。于1998年成立的中国无线通信标准研究组（CWTS）是3GPP的正式组织成员之一，华为公司、大唐集团等国内优秀企业也加入3GPP，成为了独立成员。目前这些企业都在加紧研发自己的WCDMA-FDD系统，力争能和国外主要通信设备制造商同期加入我国移动通信的实验网建设工程中。 在3GPP成员与专家的共同努力下，WCDMA已经成功推出了成熟地可供商用的版本Release99与包括了TD-SCDMA全套规范的Release4版本。但是，由于无线通信技术和IP技术的迅速发展，WCDMA标准也在不断地发展中，新的能兼容的无线技术和核心网络技术也在不断地被提出与采纳，以目前的情况看，WCDMA还是一个“活”的标准。二、WCDMA面临的市场机遇和业务情况首先，全球移动通信的发展速度是非常地迅速，1999年用户数已经突破4亿，而其中一半以上为GSM用户，其他主要就是PDC与IS-95的用户。照着这个发展速度，2002年全球用户数就已经突破了10亿大关。于2002年全球上网手机的数量就已经超过上网PC的数量。在2000年能上网的手机市场已达到6000万。其中，支持WAP（无线应用协议）的手机占到约4000万。中国的移动通信用户也已经突破九千万。ITU早在WRC92会议上为IMT-2000规划了120MHz（1920MHz-1980MHz，2110MHz-2170MHz）的对称频谱资源以供FDD使用，35MHz（1900MHz-1920MHz，2010MHz-2025MHz）的非对称频谱资源以供TDD使用。WRC2000会议上又新增加了800MHz频段（806-960MHz），1.7GHz频段（1710-1885MHz），2.5GHz频段（2500-2690MHz）以供IMT-2000业务使用，两者相加使得3G未来的频谱有500MHz以上，为未来的应用提前预留了巨大的资源空间。其次，全球一体化的进程迫切需要一个全球统一的移动通信系统，第二代移动通信系统现有的多制式空中接口和网络设备，不可能实现这个要求，因此新的有望实现全球统一的移动通信系统WCDMA-FDD则被寄予厚望。最后，移动通信技术日新月异，第二代通信系统的标准化和产业化工作已然完成了很久，其主要目的当时也仅仅是为了解决语音通信的需求。近年来，随着CDMA等无线通信技术日益成熟，以及无线数据通信技术的发展，需要对原来无线通信技术体制进行相应的更新，提高频谱资源的利用效率，提高运营商的成本收益。 第二节 WCDMA系统介绍一、WCDMA系统的网络结构WCDMA系统是IMT-2000家族中的一员，它由CN（核心网）、UTRAN（UMTS陆地无线接入网）和UE（用户装置）组成。UTRAN 和UE则采用WCDMA无线接入技术。WCDMA网络在设计时遵循以下原则：无线接入网与核心网的功能尽量地分离（即无线资源的管理功能集中在无线接入网完成，而与业务和应用相关功能集中在核心网中执行。）无线接入网是连接移动用户与核心网的桥梁与纽带。其满足以下目标： 允许用户广泛地访问电信业务，例如多媒体和高速率数据业务；方便提供与固定网络相似的高质量的业务（特别是话音质量）；方便提供小的、简便容易使用的、廉价的终端，它要具有长的通话和待机时间；提供网络资源有效的使用方法（特别是无线频谱）。图2.1 WCDMA系统结构目前，WCDMA系统标准的R99版本已经稳定， WCDMA系统的网络结构如图2.1所示。WCDMA系统的CN（核心网）、UTRAN（无线接入网）和UE（用户装置）之间的接口皆不同，CN与UTRAN的接口定义为Iu接口，UTRAN与UE的接口则定义为Uu接口。WCDMA网络结构的基本特点是核心网从GSM的核心网逐步演进与过渡，而无线接入网则是犹如革命般的变化，虽然完全不同于GSM的无线接入网，但业务是完全兼容GSM的业务，从而体现了业务的连续性。1、无线接入网UTRAN包括许多通过Iu接口连接到CN的RNS（无线网络子系统）。一个RNS包括一个RNC（无线网络控制器）和一个或多个Node B。Node B通过Iub接口连接到RNC上，它支持FDD模式、TDD模式或双模。Node B包括一个或多个小区。UTRAN内部，RNS中的RNC能通过Iur接口交互信息, Iu接口和Iur接口是逻辑接口。Iur接口可以是RNC之间物理的直接相连或通过适当的传输网络实现。UTRAN结构如图2.2所示。图2.2 UTRAN结构其中：Iu、Iur、Iub接口分别为CN与RNS、RNC与RNC、RNC与Node B之间的接口。协议结构包括三层：无线网络层、传输网络层和物理层。所有UTRAN相关问题只与无线网络层有关，传输网络层只是UTRAN采用的标准化的传输技术，与UTRAN的特定的功能无关。物理层可用E1、T1、STM-1等数十种标准接口。 控制平面包括无线网络层的应用协议以及用于传输应用协议消息的信令承载。 在Iu接口的无线网络层是无线接入网应用协议（RANAP），它负责CN和RNS之间的信令交互。在Iur接口的无线网络层是无线网络子系统应用协议（RNSAP），它负责两个RNS之间的信令交互。在Iur接口的无线网络层是B节点协议（NBAP），它负责RNS内部的RNC与Node B之间的信令交互。 在传输网络层三个接口统一应用ATM传输技术，3GPP还建议了可支持七号信令的SCCP、MTP及IP等技术。应用协议在无线网络层建立承载，信令承载与ALCAP（接入链路控制应用协议）的信令承载可同可不同。信令承载由操作维护（O&M）建立，用户平面包括数据流和用于传输数据流的数据承载。数据流是各个接口规定的帧协议，传输网络控制平面只在传输层，它不包括任何无线网络控制平面的信息。它包括用户平面传输承载（数据承载）所需的ALCAP协议，还包括ALCAP所需的信令承载。传输网络控制平面的引入使得无线网络控制平面的应用协议完全独立于用户平面数据承载技术。用户平面的数据承载和应用协议的数据承载属于传输网络用户平面。图2.3所示为UTRAN接口通用协议模型。此结构依据层间与平面间相互独立原则建立。图2.3 UTRAN接口通用协议模型2、R99核心网为了第二代向第三代平滑过渡与演进，目前R99核心网包括三个域，CS（电路交换）域、PS（分组交换）域与BC（广播）域，分别处理电路交换业务、分组交换业务和广播组播业务。R99核心网的CS域指的是GSM的核心网，PS域指的是GPRS的支持节点。CS域负责处理传统的电路交换业务，每次通信需占用所占用的一些资源来建立专用的一条链路，如语音业务；PS域处理分组交换业务，不需要建立专用链路，每个分组都由自己找路由。R99核心网主要有以下一些设备： 移动业务交换中心(MSC) 对位于它管辖区域中的移动台进行控制与交换的功能实体。 服务GPRS支持节点（SGSN）执行移动性管理、安全管理与接入控制和路由选择等多项功能。 网关GPRS支持节点（GGSN）负责提供供GPRS PLMN和外部分组数据网的接口，并且提供必要的网间安全机制（例如防火墙）。 拜访位置寄存器(VLR)MSC为所管辖区域中MS呼叫接续所需检索信息的数据库。VLR存储与呼叫处理有关的一些数据，例如用户的号码，所处区域的识别，向用户提供业务等参数。 归属位置寄存器(HLR)管理部门用于移动用户管理的数据库。每个移动用户都应在其归属位置寄存器中注册登记。 鉴权中心(AUC)为认证移动用户的身份和产生相应鉴权参数的功能实体。 另外，R99核心网还包括一些智能网设备和短消息中心等设备。具体结构如下图：图2.4 R99核心网结构 R99核心网只是为2G向3G系统过渡而引入的解决方案，真正的WCDMA系统核心网是全IP核心网。3、全IP核心网 全IP核心网体系结构基于分组技术与IP电话，用于同时支持实时与非实时业务。此核心网体系结构可以灵活的支持全球漫游和与其它网络的互操作，诸如：PLMN、2G网络、PDN和其它多媒体VOIP网络。此核心网主要包括三部分：GPRS网络、呼叫控制和网关。 GPRS网络部分同R99 GPRS PS网络，而GPRS网络中HLR功能由归属用户服务器提供（HSS）。网络结构中呼叫控制部分是最重要的功能。CSCF（呼叫状态控制功能）、MGCF（媒体网关控制功能）、R-SGW（漫游信令网关）、T-SGW（传输信令网关）、MGW（媒体网关）和MRF（多媒体资源功能）组成了呼叫控制和信令功能。CSCF与H.323网守或SIP服务器相似。此体系结构是一个通用结构而不是基于一个具体的H.323或SIP的呼叫控制解决方案。用户特征文件被保存在HSS中。与多媒体IP网络通信的信令只能通过CSCF，而业务则直接通过GGSN就可。MRF与所有业务承载实体协调业务承载事宜，而与CSCF协商信令承载事宜。MRF提供媒体混合、复用以及其它处理和产生功能。与其它网络（诸如PLMN、其它PDN、其它多媒体VOIP网络和2G继承网络GSM）的互联由GGSN、MGCF、MGW、R-SGW和T-SGW支持。其它PLMN网络与本网的信令和业务接口是它们的GPRS实体。CSCF作为一个新的实体通过信令也参与此过程。到继承网络的信令通过R-SGW、CSCF、MGCF、T-SGW和HSS，而和PSTN网络的业务承载接口通过MGW，具体结构如图2.5所示。图2.5 全IP核心网结构4、WCDMA无线网络建设指导思想WCDMA 无线网络的建设要综合考虑投资、覆盖、容量、服务质量、可升级性以及竞争等下列六种的关系，从不同的侧重点以及需求出发进行设计和建设,具体的建设思想如下：综合建网投资控制得最低。首先，WCDMA无线网络的建设投资应结合GSM现网的扩容投资进行考虑，建设中要合理利用GSM系统现有的基站、传输以及交换网络资源，3G发牌前新建GSM系统应当考虑未来与WCDMA系统共用问题，最大限度的发挥各种资源的效用；其次，投资的考察不仅包括当前建设投资，还应当注意到未来系统升级的成本和投资，不能为了减少初期投资而导致未来系统运维成本的增加。可盈利的业务覆盖情况最好。结合2G网络合理的安排网络布局，保证目标区域内可盈利业务的覆盖达到最好，这样可以提高市场竞争能力，提高运营商的信誉。网络有效容量最大化。WCDMA系统内功率、码字等各种资源都是共享的，网络建设应当充分利用这一点以及现有GSM网络资源，实现整体网络的有效容量最大。网络提供业务质量最优。网络可提供的各项业务质量达到最好，用户的主观感觉最好，在移动通信市场对用户保持长久的吸引力。网络未来可升级潜力最大。移动通信系统中业务的增长速率是无法完全准确预测的，对于WCDMA 网络而言，网络规划以及建设要注重未来网络的可升级性，即未来网络的成本最低、覆盖最好、容量最大和质量最优，这样就可以保证运营商在移动通信行业内占据长时间的优势和领先地位，这也能体现了科学发展观的价值。竞争能力最强。WCDMA网络的建设力求建设精品网络，开展和推广丰富多彩的业务，吸引不同消费层次的用户，保持在移动通信领域的领先地位，才能在日益激烈的移动通信市场竞争中立于不败之地。WCDMA系统的网络结构包括了核心网以及无线接入网两部分。对于核心网采取由GSM的核心网逐步演进的思路，即由最初的GSM的电路交换的一些实体，然后加入GPRS的分组交换的实体，在到最终演变成全IP的核心网。这样就可保证业务的连续性以及核心网络建设投资的节约化。但是对于无线接入网，因为WCDMA方式是与GSM的TDMA完全不同的无线接入方式，所以无线接入网是全新的，与GSM的基站子系统完全不同。所以WCDMA系统的无线接入网需要重新进行无线网络规划和布站。WCDMA网络的设计遵循了网络承载以及业务应用相分离、承载和控制相分离、控制和用户平面相分离的原则，这样使得整个网络结构清晰，实体功能独立，便于模块化的实现。二、WCDMA系统的的技术特点 WCDMA是以ITU（国际电信联盟）为标准，它是由码分多址（CDMA）经演变而得来的，官方上看认为是IMT-2000的直接扩展，相比于一般市场上所提供的技术，它能够为移动以及手提无线设备提供一个更高速的数据传输速率。WCDMA采用的是直接序列扩频码分多址（DS-CDMA）与频分双工（FDD）方式，码片速率为3.84Mcps，载波带宽为5MHz.基于Release 99以及 Release 4版本，可以在5MHz内的带宽，提供最高为384kbps的数据传输速率。WCDMA不仅能够支持手提或者移动设备之间的语音、图像、数据及视频通信，并且对于局域网而言速率可达2Mb/s或者对于宽带网而言384Kb/s。输入的信号先被数字化，然后以编码的扩频模式在一个较宽的频谱范围内进行传送。窄带CDMA使用的仅是200kHz宽度的载频，而WCDMA使用的则是一个宽达5MHz宽度的载频。WCMDA作为第三代移动通信的主流技术，虽然它在技术成熟性方面不及CDMA2000，但其优势在于GSM的广泛运用能为其升级带来非常大的方便。所以，倍受各大厂商的青睐。WCDMA采用最新ATM微信元传输协议，能够允许传送更多的语音呼叫仅在一条线路上，呼叫数由以前的30个提高到了300个，在人口密集的地区线路也不容易堵塞。另外，WCDMA还采用了自适应天线以及微小区技术，系统的容量得到了大大地提高。WCDMA由ETSI NTT DOCOMO（欧洲电信标准协会NTT DoCoMo公司）作为无线介面为他们的3G网络FOMA（自由移动的多媒体接入）开发。后来NTT DOCOMO提交给ITU一个详细规范，作为一个像IMT-2000一样的一个候选国际3G标准，国际电信联盟(ITU) 最终接受WCDMA并作为IMT-2000家族3G标准的一部分。尽管名字跟CDMA很相近，但是WCDMA跟CDMA关系不大。具体有多大关系要看不同人的立足点，在行动电话领域，术语CDMA 可以代指码分多址扩频复用技术，也可以指美国高通（Qualcomm）开发的包括IS-95/CDMA1X和CDMA2000(IS-2000)的CDMA标准族。第三节 本章小结 第三代移动通信技术是在2000年由国际电信联盟（ITU）正式确定的，WCDMA技术标准是通过的第三代移动通信主流标准之一。WCDMA移动通信系统从2001年10月开始商用，经过近几年技术设备逐渐成熟的蛰伏期之后，开始在世界范围内逐步步入规模商用阶段。 WCDMA是以ITU（国际电信联盟）为标准，它是由码分多址（CDMA）经演变而得来的，官方上看认为是IMT-2000的直接扩展，相比于一般市场上所提供的技术，它能够为移动以及手提无线设备提供一个更高速的数据传输速率。WCDMA采用的是直接序列扩频码分多址（DS-CDMA）与频分双工（FDD）方式，码片速率为3.84Mcps，载波带宽为5MHz.基于Release 99以及 Release 4版本，可以在5MHz内的带宽，提供最高为384kbps的数据传输速率。WCDMA不仅能够支持手提或者移动设备之间的语音、图像、数据及视频通信，并且对于局域网而言速率可达2Mb/s或者对于宽带网而言384Kb/s。输入的信号先被数字化，然后以编码的扩频模式在一个较宽的频谱范围内进行传送。窄带CDMA使用的仅是200kHz宽度的载频，而WCDMA使用的则是一个宽达5MHz宽度的载频。WCMDA作为第三代移动通信的主流技术，虽然它在技术成熟性方面不及CDMA2000，但其优势在于GSM的广泛运用能为其升级带来非常大的方便。所以，倍受各大厂商的青睐。WCDMA采用最新ATM微信元传输协议，能够允许传送更多的语音呼叫仅在一条线路上，呼叫数由以前的30个提高到了300个，在人口密集的地区线路也不容易堵塞。另外，WCDMA还采用了自适应天线以及微小区技术，系统的容量得到了大大地提高。第三章 WCDMA系统负载控制 负载控制，作为本篇论文的主要的探讨部分，将在本章中做一个比较详细的介绍。负载控制从技术方面主要分为四个部分：拥塞控制，准入控制，小区间负载的平衡以及数据调度，这里由于数据调度已经在拥塞控制中的分组调度中包含，所以本章将从负载控制的三个技术方面对于负载控制有一个比较完整的介绍。第一节 WCDMA负载控制基本概述一、WCDMA负载控制基本概念 WCDMA系统中，因为过高的负载将导致网络质量无法满足通信质量的要求，所以必须要将空中接口的负载保持在预定的阀值下。在一个实时测量系统小区的系统负荷，当系统负荷平均值在一个设定的时间内超过设定的阀值，就有必要对该系统的负荷进行负载控制。二、WCDMA负载控制基本目的及基本流程1、负载控制的基本目的由于过高的负载会造成系统不稳定，容量下降，网络达不到基本的覆盖要求，通话质量受到严重影响，所以需要负载控制将符合维持在一定的范围内，以便系统地正常运行。负载控制的基本目的如图3.1所示。图3.1 WCDMA负载控制目的2、负载控制的基本流程开始时对对系统负荷实时监测，对检测到的负荷进行分析，可以分为以下3种情况： 负荷正常；负荷偏低； 负荷偏高。 系统对以上三种情况的处理如图3.2所示。图3.2 负载控制基本流程图第二节 WCDMA拥塞控制方法分析提到负载控制，就不得不提到拥塞控制，拥塞控制是在准入控制、小区间负载平衡以及数据调度为技术上为了保证系统的绝对稳定而发展的技术，其目的就是为了保证系统的负载处于绝对稳定的门限下。作为WCDMA负载控制的一项重要的环节，对WCDMA系统负载控制起到了非常大的作用，这一节将介绍WCDMA系统拥塞控制的几种方法。一、引言 在FDD WCDMA网络中，同频小区之间的联系非常的紧密，其中任何小区的性能恶化都会导致整个小区的网络受到影响，而其中比较突出的问题就是网络拥塞或者高负荷的负载可能会导致3G网络处于一个很不稳定的状态，例如：服务无法满足QoS需求，覆盖达不到标准，系统容量下降，通信质量从而受到影响并恶化等等。因此在日常的网络运营维护中必须严格地控制拥塞，将负载保持在预定的阀值以内。拥塞控制涉及实时的数据流量、信道质量与接入申请。首先，现有的数据流量就受到业务内容以及用户行为的影响，存在一定幅度的波动，相应的可调的负载资源也会随之产生变化；其次，信道质量以及抗干扰的水平直接影响到上行与下行链路的承载能力，而建立新业务将直接在接入的过程中实行拥塞控制7。拥塞控制由RNC（无线网络控制器）与CN（核心网）综合当前小区的负荷RAB（无线接入承载）、无线资源状况、业务申请QoS级别等信息后实行。常用的控制手段有： 链路层分组调度以及帧调整； 物理层的上下行功率管理； 接入过程中的异频、异系统的负载均衡。这些拥塞控制方法均涉及到UMTS网络中各级设备与终端，对业务点的多个多个控制点实施。控制过程中有其内在的联系。其中任何一个控制过程中的遗漏或者失败都可能会造成系统拥塞以及后续的性能的恶化。二、分组调度WCMDA小区的无线资源由实时业务与非实时的承载共享。但实时与非实时承载各自所占有的比例变化非常迅速。1、分组调度分组调度主要就是根据可控负载的动态范围以及现有链路承载对链路层进行分组分组调度以及MAC层帧调整，使之与当前的无线环境以及系统承载能力达到一致。从而达到拥塞控制的目的。基于小区的分组调度器确定当前无线承载能力所对应的分组速率以及帧格式，主要依据了5个方面的信息：实时业务的负载；非实时业务的负载；Node B的功率；目标负荷的水平；UseSpecific（用户专用）分组调度所提出的比特速率请求。图3.3所示：实时业务的优先级较高，难以有效地控制。由实时业务以及其他用户所产生的干扰与噪声所产生的负载统称为不可控负载；而其他的用于非实时的业务产生的负载则成为可控负载。目标负载等级负载分组调度可以在用户之间进行划分来自未被安排的连接以及其他呼叫的负载时间安排的时段图3.3 分组调度 可控负载是由分组调度为接续状态下的数据业务用户分配的，在RAB从接入到释放整个过程中，只有当实际发送数据时才会使用无线分组资源，而其他时间是不做预留的。2、分组调度目标分组调度的目标是既能有效地利用小区可调度资源，又能保持系统系统的干扰水平与负载处于设计的门限下，而不影响到实时业务的连接。其基本的要求主要包括： 任何情况下均保持低于设计负荷； 负载分配尽量接近目标负荷水平下实时业务优先于非实时业务； 根据QoS参数与等级，满足高级用户。如果小区负荷超过预定目标值，分组调度器则通过RLC与MAC层重组数据以及调整TFCS（传输格式组合集），通过减少分组承担的比特速率来减少负荷；反之则会增加分组比特速率。调度所依据的均衡算法是对物理层的连续多个帧来进行计算的，从而存在一定的延时，因此分组调度器的周期运行参数不能以过快的运行速率进行，一般配置在100ms至1s之间。分组调度给数据业务提供分配合适的无线资源，是以小区为基础所进行的，支持不对成的业务。 由于上行与下行的负载变化非常大，所以两个方向的容量是分开进行分配的。因此当一个方向已经分配了信道之后，即使这个方向上有容量的需求，另一个方向上也必须分配专用信道。此时，分组调度器给另一个方向分配一条低比特速率的专用信道。此信道携带的信息如下：TCP高层的确认；RLC链路层的确认；数据链路层控制信息以及功率控制信息。通常，该低比特速率信道被称为“返回信道”。3、分组调度实例假定理想状态下的小区负荷配置一定；无线环境始终保持稳定；无线承载能力为900kbits/s同时接入数据非实时业务均为384kbits/s业务，则连续接入过程中分组调度将如图3.4所示：图3.4. 无QoS差别的分组调度 列队中第一个容量请求，根据QoS等级分配384kbits/s； 第二个容量请求任然分配为384kbits/s； 第三个请求到达，达不到384kbits/s容量，则分配256kbits/s，并将现有的一个384kbit/s降级到256kbits/s; 第四个请求到达，则分配一个128kbits/s，并且将一个现有的384kbits/s降级为256kbits/s； 第五个请求到达，则分配一个128kbits/s，并且讲一个现有的256kbits/s降级为128kibts/s。而在实际情况下，负荷的水平也是动态变化的，它随着用户所处在的位置以及激活的实时连接与其他小区抗干扰水平等情况的变化而变化。从而实际中的容量请求将会变得更加的复杂，需要根据各种用户的行为以及资源的状况来配置好小区调度算法的各种参数，从而满足实际容量需求。三、功率管理 WCDMA小区中功率的管理与分配是由RRM（无线资源管理）功能来实现的。其基本的原则：上行与下行链路中的负载的总和达到系统负载的最佳点。由于干扰与传播环境的变化，系统负载的最佳点也是瞬间变化的。当上行或者下行链路的负载达到或者超过了设定阀值，这时功率管理就开始起作用，直到使系统负载返回安全区域内为止14。1、下行链路功率管理 每当建立一个可变传输速率的RB，RRC（无线传输控制）都会对下行功率与业务情况进行评估，并依据结果分别确定MAC层的TFCS（传输格式组合集）以及物理层发射功率参数与最大发射功率。而其中最大发射功率是由RB链接申请的QoS服务质量以及当前链路业务情况所决定的。当业务量发生变动的时候，每个用户的最大发射功率都会随之跟着调整。同时，为了掌握Node B的发射功率是否在允许的范围内时，RRC还会安排相应的测量任务。 在一次链路接续的过程中，为了掌握当前链路状况，物理层会在该业务的下行链路发射功率取平均在一帧或者多帧的时间里。如果平均发射功率大于了最大的发射功率，那就意味着信道质量变差，不满足原定的估计结果。物理层将会通知MAC层“已达到最大发射功率”。MAC层则会相应的对TFCS进行降速调整，从而降低平均发射功率，减少对于其他业务下行链路的过度干扰，从而避免信道容量的下降。在发射的TTI中未能成功送出来的FDU则会在RRC的防丢弃保护功能下被缓存起来，。 当信道质量得到改善，平均发射功率回落到最大发射功率下，物理层则会通知MAC层“平均发射功率未能达到最大发射功率margin dB”，其中，margin边界值是物理层所估算的功率需求量，由TFCS的传输信道的变化所导致。MAC层会按照预定的功率发射增量以及TFCS中分组速率缓存的FDU优先发送出去。另外，如果当前需要有大量的数据传输出去，则MAC层会改变TFCS，增加给物理层中传输的数据块数量。2、上行链路功率管理 与下行的情况非常相似，当上行链路建立可变速的RB连接以及发送数据时，RRC也会控制TFCS格式以及最大发射功率。 在一个呼叫期间内，物理层在一帧或者多帧内对UE的发射功率取平均值。如果UE发射功率在网络配置参数t1（10ms的整数倍）对应时间内距离最大发射功率在边界值margin以内，则UE会自动的改变TFCS以降低最大发射功率以及数据传输速率。没能及时发送出去的FDU也会因为RRC而被缓存起来。 当信道质量改善以后，平均发射功率回落到最大发射功率margin以内，UE会根据连续多的数据量来评估是否需要改变TFCS从而提高传输速率。因为提高传输速率必然将导致发射功率的提高，UE必须能准确的评估是否在网络配置t2（10ms的整数倍）对应的时间内预定支持的margin的增量功率，以发送更多的数据传输块。UE还必须要考虑逻辑信道的优先级来确定需要的传输格式。而只有TFCS所对应的逻辑传输信道所承载的数据是可变速率编解码的，则编解码的传输速率可根据TFCS灵活的调整。四、负载均衡 拥塞控制中的负载均衡主要是异频均衡以及异系统均衡这两种方式。具体的均衡过程由RNC根据功能启动以及参数配置来决定在哪些情况下采取哪种形式的均衡，以控制高负载小区的业务的增长。 负载功能如图3.5所示：图3.5 负载均衡功能示意图上图中，异频均衡主要是可以进行面向3G数据业务的负载均衡，它可以将一个WCDMA载频中发起的业务的请求转移到另一个负载较低的载频中去，从而达到异频同覆盖小区的负载的相对均衡。异系统GSM已经发展得非常的成熟，可是只能支持话音业务以及低速率的数据业务，因此直接指派到GSM（Directed return to GSM）功能一般来说都是单向的负载转移，即WCDMA小区的负载达到了一定的程度是，就将新发起的语音业务移交到相邻的同覆盖的GSM小区中。1、异频负载均衡（1）异频负载均衡的功能以及实现随着3G业务量的增长以及网络的发展，运营商通常会在业务量集中地区域开通多个载频。而在多载频同覆盖的基础上，异频负载功能将能实现同覆盖异频小区中的无线资源的共享与分担，提高UTRAN的承载的能力以及服务质量。该功能带来的中继效应（Trunking Efficiency），相对于单一的载频小区，提高了应对话务业务波动的能力。在相同的QoS要求下，多载频可以比两个单个载频话务承接能力简单相加提供更多的话务承载能力。该功能能成功避免不同载频的小区长期处于一个负载不均衡的状态，不仅把出现拥塞的可能性大大降低，而且可通过新用户的驻留在低负载小区中，从而提高了无线信道的通信质量以及服务质量。当UE在其当前的附着小区CELL1发起呼叫时，RNC会收到RRC Connection Request的消息，如果负载均衡的功能已经打开，并且设定了负载均衡目标的小区，RNC则会检查CELL1以及异频负载均衡的目标小区CELL2的当前下行负载（即下行发射功率）的情况，当满足两个情况的条件下，将会决定是否做出异频负载均衡的决定：CELL1的下行负载已经超过了预定的准入的下行功率门限（一般配置在75%左右）的系统配置比例； CELL1的下行负载高出CELL2一个系统差值。（2）异频负载均衡的几种情况 如果UE不支持Redirection或最后没能在异频率上找到合适的小区，UE则会重新给CELL1发送RRC Connection Request消息，为了避免反复的进行负载均衡的尝试，RNC将允许在CELL1中完成呼叫接入。 如果UE所搜索到的小区不是RNC所指定的目标小区，UE在该小区上发送的消息也将按照正常的呼叫接入的流程进行处理。 为了能避免反复进行Redirection，UE在进行第二次接入尝试的时候，不管异频小区下行的负载是否达到了负载均衡的门限值，RNC都会自动回复RRC Connection Request消息并且完成呼叫接入。 下图3.6就描述了异频负载均衡的基本信令过程图3.6 异频负载均衡信令流图2、异系统负载均衡（1）异系统负载均衡的功能与实现在WCDMA小区负载比较高的时候，运营商还可以依现有的GSM网络，将一部分的语音的业务分担到话音承载能力更强的GSM网络上去，从而提高整体的网络的利用率。一般的，在WCMDA下幸福在达到预先设置的门限后，UTRAN对于双模终端发起的呼叫将采用直接指派到GSM的方法，从而来分摊3G网络过高的负载。该功能带来的益处主要还体现在以下的几个方面： 由GSM网络来分摊高峰时期的语音业务，可以来提高WCDMA小区服务的质量； WCDMA小区可以集中资源来提供更好的质量的数据类的业务； 可以充分地利用已有的GSM网络资源。在RAB建立的过程中，RNC会进行检查该WCMDA小区的负载是否超过了设定的负载均衡的门限值。如果双模UE在WCDMA小区中发起了建立一个语音的业务，然而WCDMA小区负载超过了该门限值，则RNC会向MSC发起InterRAT切换请求。通过WCDMA以及GSM核心网之间的信令沟通与压缩模式下的测量，RNC在目标GSM小区做好接受切换的准备后即向UE发出接入异系统的指令，使得UE接入到目标GSM的小区。我们可以在RNC中设置负载均衡所发生的门限与分担到GSM去的语音的业务的比例。当UE在WCDMA小区的CELL1发起了呼叫，如果异系统均衡功能已经正常的启动，并配置了Direct Retry的目标小区，则在RAB建立的过程中RNC收到了RAB Assignment Request消息后则会判断是否进行异系统（Direct Retry to GSM）的负载均衡。而需要满足条件如下：CELL1的下行负载已超过了设定的门限值LoadSharingGSMThreshold； 设定的负载的分摊比例LoadSharingGSMFraction大于零； UE申请的是语音业务，而没有正在进行的PS业务，同时也持向GSM的切换功能。 图3.7就描述了异系统负载均衡的基本的信令过程。图3.7 异系统负载均衡信令流图（2）异系统均衡中的几种情况如果GSM的小区由于拥塞或其它原因没能为切换正常的分配信道，核心网将要会重新发送RAB Assignment Request的消息给RNC。RNC这次将允许UE在WCDMA小区完成呼叫。如果因为GSM缺乏覆盖等等原因，UE找不到合适的GSM的小区，UE将会再次在原WCDMA小区中申请介入。而核心网将会重新发送RAB Assignment Request的消息给RNC。而RNC这次就将会允许UE在WCDMA小区完成呼叫。第三节 WCDMA系统呼叫准入控制上一节中，已经对WCDMA系统的一个重要的环节拥塞控制做了一个介绍，这一节中将会继续探讨WCDMA系统的另一个重要的技术组成部分“WCDMA系统呼叫准入控制”。一、引言宽带码分多址WCDMA系统是一个干扰受限的移动通信系统，为了确保系统的安全与稳定，必须要控制接入小区系统的用户数量。呼叫准入控制（CAC）“Call Access Control”算法在保证各种服务质量（QoS）的前提下，尽可能多的接纳新的用户，从而使各业务的阻塞概率、系统的中断概率以及服务等级（GoS）达到用户满意的状态。若准入了一个系统本不该接入的用户，则将会造