（通信与信息系统专业论文）多业务cdma系统中的无线资源分配.pdf

兰些箜 竺 墨竺 堕查垡笙塑坌些 摘要 蜂窝移动通信和其它多瑚户通信系统中应用的多址技术在经历了频分多址 f d m a 与 时芬多址 t d m a 阶段以后 采用直接序列扩频通信的码分多址 d s c d m a 技术由丁具 有高容量 抗多径衰落 软切换等优良特性已经受到越来越多的关注 码分多址 c d m a 是下一代移动通信网络主要采用的多址方式 c d m a 系统的容量受 到多址干扰的限制 即 是一个干扰受限系统 自9 0 年代初以来 大量的研究对c d m a 系 统的软容量进行了分析 如何分配无线资源 最优化地利用c d m a 系统的软容量 对不同类 型的业务提供相应的q o s 保证 正成为一个非常重要的研究课题 本论文研究具有多种业务类型的无线c d m a 网络中的资源分配问题 提出了一种基于线 性最小均方误差 m m s e 多用户接收机在多径衰落系统中进行资源分配的方案 这一资源 分配策略通过为用户动态分配合适的发射功率 扩频增益和接收机滤波器 从而保证不同用 户的业务质量 q o s 要求 同时也大大提高了系统的性能和容量 f 在多径衰落条件下 我们对多业务c d m a 系统的带宽资源和系统容量进行了抽象和理论 描述j 引入了有效干扰和有效带宽的概念 为一个用户所分配的带宽资源被表示为 有效带 宽 用户对数据速率和比特误码率的要求决定了对有效带宽的要求 我们利用有效带宽的 概念来描述系统的用户容量并给出了系统容量的理论界限 进一步地 我们还得到了系统存 在发射功率限制时的容量界限 仿真得到的容量结果与理论界限非常接近 在已有的利用m m s e 接收机进行联合功率控制的算法中 功率的更新依赖于滤波器系数 的更新 算法的计算复杂度较高 我们在迭代功率控制算法中采用了一个新的干扰函数 使 得功率的迭代更新可以独立于m m s e 滤波器系数的更新而进行 尽管此时算法的收敛结果是 一个近似结果 但我们通过分析指出 对于一个具有大自由度 或最大扩频处理增益 的系 统而言 这一近似是有效的 同时 仿真结果说明 在不降低收敛性能的前提下 新的干扰 函数相对于已有的迭代函数具有低得多的计算复杂度 更利于在实际系统中实现 自适应功率控制算法可以使每一用户获得最大的接收s i r 但是 为了保证系统中所有 用户的q o s 能够满足 必须通过呼叫确认来控制小区中同时接入的用户数目 为此 我们提 出了一种与自适应功率控制算法及m m s e 接收机相适应的呼叫确认和拥塞控制策略 以保证 系统中不同业务的所有用户的q o 呼叫控制策略在每 d 区分布地进行 通过估计其它小 区的干扰确定小区的可用有效带宽 再根据小区当前的负载决定是否对呼叫请求给予确认 呼叫确认控制可以在呼叫级保证用户的q o s 移动通信环境的快速变化往往导致无线信道的拥塞 但是 对拥塞控制策略的研究目前 还比较少 在呼叫控制策略的基础上 本文提出了一个带宽调度 b a n d w i d t hs c h e d u l i n g 算 法 它能够有效地进行拥塞控制 保证所有用户的q o s 同时最大限度地利用系统的带宽资 源 仿真的结果说明 我们提出的呼叫确认与带宽调度策略能够大大提高系统的性能 关键字 码分多址乞d m a 资源分配 最小均方误差 m m s e 强收机 q o s 自适应功 率控制 有效带宽 呼叫确认控计名c a c 拥塞控制 带宽调度 中国科学技术大学硕士学位论文 兰些箜 型 至竺 些垄些塑塑坌笪 一一 a b s t r a c t d i r e c ts e q u e n c ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s d s c d m a h a sr e c e n t l yr e c e i v e dc o n s i d e r a b l e a t t e n t i o nb e c a u s eo fs u c hc h a r a c t e r i s t i c sa sp o t e n t i a lc a p a c i t yi n c r e a s e so v e rf d m a a n dt d m a a n t i m u l t i p a t hc a p a b i l i t i e s s o f tc a p a c i t y a n ds o f th a n d o f f c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c d m a i st h em a i nm u l t i p l e a c c e s ss c h e m eu s e di nn e s t 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 nn e t w o r k s c a p a c i t yo fc d m a s y s t e mi s s a i dt ob el i m i t e db y m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r c n c e o ri n t e r f e r e n c ei i m i t e d s i n c e9 0 s l o t s o fr e s e a r c h e sf o c u so nt h e a n a l y s i so f t h es o f tc a p a c i t yo fc d m a s y s t e m a l l o c a t i o no f t h er a d i or e s o u r c e sf o ro p t i m a lu s a g e o ft h es o f tc a p a c i t yo ft h ec d m a b a s e ds y s t e m st op r o v i d e m a i n t a i na n dg u a r a n t e eq o sf o r d i b r e n ts e r v i c ec l a s s e si sn o w b e c o m i n g av e r yi m p o r t a n ti s s u e i nt h i st h e s i sw ed e v e l o p e dar a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o nf r r a f r a m e w o r kf o rw i r e l e s sc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c d m a n e t w o r k st h a ts u p p o r tm u l t i c l a s st r a f f i cw i t hd i f f e r e n td a t a r a t e sa n db i te r r o rr a t er e q u i r e m e n t s w ep r o p o s e dan e wr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m eu s i n gj o i n t a d a p t i v ep o w e rc o n t r o la n dm m s e m u l t i u s e rr e c e i v e ri nm u l t i p a t hf a d i n gs y s t e m b yd y n a m i c a l l y a s s i g n i n gu s e r sa p p r o p r i a t et r a n s m i tp o w e r p r o c e s s i n gg a i na n dr e c e i v e rf i l t e r t h es c h e m ec a l l g u a r a n t e eu s e r s d i v e r s eq u a l i t yo fs e r v i c e q o s r e q u i r e m e n t sa n ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v eq u a l i t y a n d c a p a c t t yo f t h es y s t e m w ed e r i v e dt h e o r yf o ra b s t r a c t i o no fb a n d w i d t hr e s o u r c ea n dc h a r a c t e r i z a t i o no f s y s t e mc a p a c i t y f o rm u l t i c l a s st r a f f i ci nm u l t i p a t hf a d i n gs y s t e m b a n d w i d t hr e s o u r c e sa l l o c a t e dt oau s e rc a l lb e a b s t r a c t e da s e f f e c t i v eb a n d w i d t h d e t e r m i n e db yt h eu s e r ss o u r c ed a t ar a t ea n dt a r g e tb i te r r o r r a t e s y s t e mc a p a c i t yc a nb ec h a r a c t e r i z e db yat h e o r e t i c a lb o u n d s i m u l a t i o n ss h o wt h a ta c t u a l s y s t e mc a p a c i t y i sc l o s et ot h et h e o r e t i c a lb o u n d w ea l s op r o p o s e daf l e wc a l la d m i s s i o nc o n t r o l c a c s c h e m ea sw e l la sac o n g e s t i o nc o n t r o l s c h e m ef o rc d m a c e l l u l a t s y s t e mt h a ti n c o r p o r a t e sa d a p t i v ep o w e rc o n t r o la n dm m s e m u l t i u s e r r e c e i v e ra n ds u p p o r tm u l t i c l a s si r a m c t h ec a l la d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m ei sb a s e do ne s t i m a t i o n o fo t h e r c e l li n t e r f e r e n c ea n di m p l e m e n t e dd i s t r i b u t i v e l yi ne a c hc e l l c a p a c i t yd e t e r m i n e db yt h e a d m i s s i o nc o n t r o la g l e e sw i mt h ea c t u a l s y s t e i nc a p a c i t yi n t h es i m u l a t i o n t h es c h e m ec a l l a c h i e v eh i g hb a n d w i d t hu t i l i z a t i o na n dg u a r a n t e eq o s r e q u i r e m e n t so fa l lt h en s e r aa tt h ec a l l l e v e l b a s e do i lt h ea d m i s s i o nc o n t r o l w ed e v e l o p e dab a n d w i d t h s o h e d u l i n ga l g o r i t h mt h a tc a r l w o r ke f f e c t i v e l ya sac o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m ea n dm a x i m i z et h eb a n d w i d t hu t i l i t yw h i l e m a i n t a i n i n g a l l u s e r s q o s s i m u l a t i o n s h o w st h a to u ra d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m ea n d b a n d w i d t h s c h e d u l i n ga l g o r i t h m c a n s i g n i f i c a n t l yi m p r o v ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m k e yw o r d s c d m a r e s o u r c ea l l o c a t i o n m m s e q o s a d a p t i v ep o w e rc o n t r o l e f f e c t i v e b a n d w i d t h c a l la d m i s s i o nc o n t r o l c o n g e s t i o nc o n t r o l b a n d w i d t hs c h e d u l i n g 中国科学技术大学硕士学位论文 兰些堑 型 墨竺 些垄垡塑塑坌墼 一苎二皇 笾j 一 第一章绪论 一 移动通信技术发展现状 进入九十年代 信息技术和通信技术及其它们的应用系统得到了迅猛的发展 其中 移 动通信和无线通信 多媒体信息服务和冈特网特别引人注目 称得上是2 0 世纪9 0 年代信息 通信领域急剧发展的三大突山成就 这为追求人类理想形态 个人通信 即任何人在任何 时候在任何地方都可以进行任何信息的通信 展现了实现可能和美好前景 回顾移动通信的发展 第一台可移动的电话是在1 9 4 8 年出现的 几乎与第一台电视是同 时诞生的 但它的发展相当长一段时期不如电视 电视面向家庭和个人提供信息是在7 0 年代 开始迅猛发展的重要因素 直到六十年代美国贝尔实验室提出了蜂窝结构 重复利用无线频 段 实现区域覆盖 容纳众多用户和方法之后 移动通信技术和系统才真正得到了研究开发 从八十年代初开始 相继在欧洲 美国出现了标准化的商用移动通信系统 使移动通信走上 了迅猛发展之路 从八十年代初开始的模拟移动通信系统 a m p s 系统 t a c s 系统 到已经商用化的数 字系统 g s m 系统 i s 9 5 窄带c d m a 系统 和目前正大力研发并已进入初步测试阶段的 w c d m a 系统 它们所采用的多址方式有频分多址 f d m a 时分多址 t d m a 码分多址 c d m a 种 以及三种多址方式的组合使用 采用哪种多址方式 对移动通信能否获得更 佳的通信质量 抗干扰性能和系统容量等十分重要 下面对三种多址方式作一比较性介绍 频分多址 早期移动通信系统多使用频分多址 f d m a 技术 其技术目前很成熟 这种方式是将一个 宽的通信频段分割为一个个小的子频段 一般由模拟滤波器完成 不同的用户使用不同的子 频段 以达到传送多路信号的目的 f d m a 的好处是设备简单 缺点是容量太小 且不同信 号间的交调 互调干扰严重 抗噪声干扰性能差 第一代蜂窝系统主要采用模拟f d m a 技术 典型的有美国的a m p s 英国的1 a c s 瑞 典的n m t 9 0 0 日本的h c m t s 等 随着用户数的剧增 f d m a 模拟蜂窝系统逐渐暴露出许 多不足之处 如频谱利用率低 保密性差 系统容量小 话音质量差等 更主要的是它与固 定电信网向综合业务数字网 i s d n 发展趋势不相适应 在模拟移动通信系统正逐步向数字移 动通信系统过渡的今天 f d m a 已很少被单独使用 它以前在移动通信系统中所处的地位正 逐步被性能更优的时分多址 t d m a 与码分多址 c d m a 所取代 时分多址 时分多址 t d m a 是应用于数字移动通信系统中的一种多址方式 它也有比较成熟的技 术 数字移动通信系统首先要把待传送的话音信号用高效的语音编码器编成数字信号 再以 数字调制方式将信号发送到无线信道中 t d m a 系统中所有用户使用同一射频带宽 但按某种秩序分时发射 在t d m a 系统中 时间轴被划分为一个个小片 称为时隙 不同的用户使用不同的时隙 以达到共用信道的目 中国科学技术大学硕士学位论文 多业务c d m a 系统中的光线资源分雕 一章绪论 的 应埘t d m a 技术的数字移动通信系统主要有如f 儿种 第一种是欧洲电信联盟建议的泛 欧数字移动通信系统 g s m 其目的是将欧洲第一代各种互不相窬的模拟系统统一成一种数 字系统 g s m 系统是目前发展最为成熟的 种数字移动通信系统 具有频带利用率高 成本 低 保密性好 可全世界漫游等优点 第二种是美国电信t 业协会 t i a 提出的基于l s 5 4 标 准的d a m p s 系统 它主要解决了现有模拟系统容最不足的问题 是对原有模拟系统 a m p s 的合并与增强 其基本原则是进行数模兼容 d a m p s 系统的双模式手机和双模式基站已投 入商闱 第三种是日本的j d c 系统 其技术与i s 5 4 接近 频带利用率略高 t d m a 同样易受到干扰 在移动通信系统中它不能很好解决广泛存在着的多径干扰问题 它的另一缺点是要求严格的同步 因此设备比较复杂 码分多址 1 2 k f d m at d m a n 7 d 寻托p u s e r 2 f 甘b u s e r1 c d m a 图1 1 三种多址方式 码分多址 c d m a 是使用扩展频谱技术的一种多址方式 又称之为扩频多址 s s m a 扩 展频谱技术的主要特征是使用码速率比发送信息数据速率高得多的伪随机编码 扩展作为基 带信号的信息数据频谱 使之成为具有极低功率谱密度的宽带信号 接收端使用相关处理方 法 将接收到的宽带信号恢复成带宽较窄的基带信号 c d m a 方式是利用扩展频谱通信的多址性 各用户使用各自的扩频编码 这些扩频伪随 机编码相互是正交的或接近正交的 因而各用户之间的扩频编码彼此相互影响很小 或为0 因而能在同一极宽的频带内 同时允许一定数量的用户同时发送或接收信号 实现多址通信 c d m a 方式虽然起步较晚 但由于其优越的性能 使其成为未来的移动通信的主要多址 中国科学技术大学硕士学位论文 多业务c d m a 系统中的无线资源分配 第一章绪论 技术 它具有如f 优越性 抗干扰 抗噪卢能力强 抗多释衰落能力强 这一点对移动通信尤为重要 能在低功率谱密度情况下工作 而低的发射功率有利于移动通信使用者的健康 有一定的保密性能 由于不同的通话者使用不同的扩频编码 如果没有正确的扩频码就 不能实现正确解调 由于采 l j 相关接收方式 c d m a 通信可以在信噪比很低的情况下1 作 其信号具有很强 的隐蔽性 可以利坩话音激活技术提高频带利 l j 率 1 9 9 2 年美国q u a l e o m m 公司推出了一种全新的数字蜂窝移动通信商埘系统 该系统采用 直接扩频码分多址技术 9 0 年代初的研究表明 使用纠错技术可容忍扩频解调输出信噪比的 降低 从而增大扩频通信的多址能力 再加上语音激活 天线扇形分区等技术 c d m a 系统 的容量可达到t d m a 通信系统容量的4 倍 模拟通信系统容量的2 0 倍 而前向纠错技术和 语音激活技术不能提高t d m a 通信系统的通信容量 这对个人通信网使用扩频技术是一个强 有力的推动 q u a l c o m m 公司从1 9 8 9 年以来进行过几次c d m a 蜂窝移动通信系统的实验 并且 该 公司从美国联邦通信委员会 f c c 获得了采用c d m a 技术在1 8 5 g h z 2 2 g h z 频段进行商用 试验的许可证 美国电信工业协会 t l a 于1 9 9 3 年公布了窄带码分多址 n c d m a 系统的 i s 9 5 标准 当时出现的c d m a 通信系统有两种 一种是q u a l c o m m 公司研究开发的带宽为 1 2 5 m h z 的窄带码分多址 n c d m a 系统 另一种是s c sm o b i l e c o m 公司研究开发的适用于 宽带无线接入的带宽为4 8 m h z 的宽带码分多址 b c d m a 系统 c d m a 蜂窝移动通信系统正 处于蓬勃发展之中 被很多专家学者公认为最具代表性的 技术较成熟的还是基于i s 9 5 标 准的c d m a 个人通信网 c d m a f c n 系统 该系统已商用化 并在一些国家使用 我国也已 研制了自己的c d m a 伊c n 系统 也正是由于c d m a 技术的优越性 在第三带移动通信标准的制定中 c d m a 技术作为 一项关键技术得到广泛的认可 c d m a 通信方式具有抗干扰和抗多径衰落的能力 允许多个用户同时进入一个频道 同 时使用相同频率 系统容量大等优异特性 但是 在c d m a 系统中 所有用户同时使用相 同频率的无线信道 不同用户使用不同的编码序列 这些序列间不正交就会出现同信道干扰 即多址干扰 理论上采用彼此互相关值为0 的正交扩频码序列组可以避免多址干扰 但实际 系统中扩频码序列很难实现完全正交 有时甚至是不可能达到正交 多址干扰的一个直接后果是带来容量与质量的折衷 即 当越来越多的用户同时接入系 统时 每一用户的通信链路质量都将降低 为了将链路质量维持在一个特定的水平之上 就 需要限制同时接入的用户数目 因此c d m a 系统的容量受到多址干扰的限制 或者说c d m a 系统是 个干扰受限的系统 二 研究的动机 1 背景和意义 采用c d m a 为主要多址方式的下一代无线通信网络将提供大量用以传输语音 数据 图 像 视频和其它媒介的多媒体业务 图1 2 这就要求下一代的无线网络能够支持具有不同 中国科学技术大学硕士学位论文 兰 业堑 旦坠堑竺 塑垄垫望塑坌型 塑 要 堕j 一 质量要求 q o s 比如不同的数据速率 比特误码率 时延和吞吐鼙等的多种业务类艰 例 如 语音业务通常要求8 k b p s 的数据速率和低丁 1 0 2 剑1 0 的误码率 b e r 而视频业务 州要求6 4 k b p s 甚至更高的速率 以及低于1 0 的b e r 这些业务通常都是要求端到端的时 延小于2 0 0 m s 的实时业务 另一方面 数据包业务则往往是非实时的 没有严格的时延要求 数据速率可以从低丁l k b p s 一直到几m b p s 之间变化 而b e r 小y i o 一 由于不同的业务有 不同的信息速率和性能要求 在用户间如何分配功率和带宽等资源将对系统容最产生很大影 响 在d s c d m a 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 台适的c h i p 速率 1 处理增益 1 扩频码数目1 2 或调制格式 来达到一定的信息速率 在 本文中 我们假设c h i p 速率 扩频码数目和调制格式对所有用户是固定的 信息速率由扩频 处理增益决定 业务在系统中的q o s 通过选择不同的发射功率和处理增益来控制 m u n 帅e d i a 图1 2 无线多媒体网络 另一方面 接收机的结构对系统的性能和容量也有重要的影响 目前的c d m a 系统 如 i s 9 5 的接收机采用传统的匹配滤波器结构 它将其他用户的信号看作噪声 简单地将接收 信号与期望用户的扩频码进行相关 这种接收机易于实现 但是 当大量用户接入系统时 接收机的性能将由于严重的多址干扰而迅速下降 为了提高性能和系统容量 下一代无线通 信网络中将采用所谓的 性能增强 技术 在欧洲和日本的第三代 3 g 系统标准的建议中 就提出了多用户接收和干扰对消 智能天线阵列两种增强技术 多用户接收和干扰对消利用 获得的其他用户的信息来降低或消除多址干扰 智能天线阵列采用多天线 对接收信号进行 联合处理 达到增强期望信号和降低其他用户干扰的目的 尽管有许多的研究工作提出了各 种不同的多用户接收机和天线阵列结构 但是 这些工作都主要集中于以获取更低的比特误 中国科学技术大学硕士学位论文 多业务c 蹦a 系统中的无线资源分配 第 章绪论 码率为目标的物理层的性能改善 这些研究往往假设没有功率控制或采 l j 简单的i 栅定功率控 制办法 使所有 l i j 户在接收机一端达到相同的接 s j 率 同时 这些研究通常只限y i 3 t 仑 l 有相同数据速率和目标误码率的单一业务类型 而对于多类业务系统的功率和带宽分配以及 系统容耸等问题则很少考虑 2 要解决的问题 无线c d m a 通信传统上都被作为一个物理层的课题米研究 但是 由y c d m a 系统具 有用户共享分配的带宽 通过调整在接收端接收的功率等级竞争使用带宽的特征 我们可以 从资源分配和管理的角度来研究这一问题 无线网络中资源分配的目标 是决定如何分配诸 如功率 带宽和信道等资源 使得所有用户的业务质量要求都能被满足 c d m a 网络中的资 源分配可以概括为与以下三部分相关的不同问题 功率控制 接收机结构 带宽资源的数学抽象和多类业务系统中的容量描述 为了 保证以数据速率和比特误码率为指标的q o s 要求 不同业务 如恒定比特率 c b r 可变比特率 v b r 和数据包等的接入控制和调 度 包括处理增益的控制和拥塞控制等 以满足不同时延和吞吐率的q o s 要求 蜂窝系统中的呼叫确认控制 c a c 和切换控制 在呼叫级保证q o s 本文集中于研究多类业务的c d m a 系统中资源分配的问题 以建立一个用于解决c d m a 移动通信网络中资源分配问题的基本结构 包括 为多种类型的业务分配功率和带宽资源 保证不同的数据速率和误码率的q o s 要求 可与多用户接收 阵列天线等其它的性能增强技术结合 以简单清晰的形式描述分配给每一用户的带宽资源和系统容量 根据蜂窝网络中业务分布自适应地控制新呼叫的接入确认 进行处理增益的控制和无线拥塞控制 满足不同时延和吞吐率的q o s 要求 有限的无线带宽 信道的多径衰落和时变特征 移动台的功率限制以及多址干扰等特征 使得在无线通信环境下支持多媒体应用成为一个困难而具有挑战性的任务 现有的大多数多用户接收机和阵列天线策略往往不考虑功率控制 因而在提高系统性能 的同时 却不能保证用户的q o s 要求 另一方面 对于传统的采用匹配滤波器接收机的系统 尽管采用迭代功率控制保证用户的q o s 要求 但由于多址干扰的存在 获得的性能和容量都 比较低 近年来 将功率控制和多用户接收结合的联合功率控制 1 技术开始得到越来越多 的研究 采用联合功率控制技术可以抑制多址干扰 提高系统性能和容量 保证用户的q o s 要求 但是 这些研究都仅限于对单一业务或用户速率固定不变的c d m a 移动通信系统进行 分析 而具有不同q o s 要求的多类业务系统中的功率控制乃至资源分配方法仍然值得进一步 研究 三 无线资源分配模型 无线资源分配 r a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o n 是下一代移动通信研究中的一个重要课题 无线资源分配算法研究如何最优化地利用c d m a 系统的软容量 即干扰受限容量 为不同 类型的业务提供所需的业务质量 q o s 保证 如果以m f 表示系统覆盖区域中当前的移动台数目 b 1 2 b u c 1 2 c 分 中国科学技术大学硕士学位论文 兰些堑 坠墨竺 竺垄垡塑塑坌墼一璺二垦笙 坠 别表示所有基站和所有可川信道的集合 无线链路环境脚增益矩阵g 来描述 即 g g r 其中g f u 为基站 曰s 和移动台 朋s 之间的链路增蔬 随移动台位 置的移动而动态变化 无线资源分配算法将根据增益矩阵g 动态地执行以f 动作 从集合b 中分配一个或多个 如在软切换时 基站 对于移动台发起的新呼叫喊呼 叫切换请求 通过呼叫确认控制 c a l l a d m i s s i o n c o n t r 0 1 过程决定是否接受该请求 从集合c 中为移动台分配一个或多个信道 速率调度 r a t es c h e d u l e r 为该信道分配 合适的扩频码 为基站和移动台分配合适的发送功率 根据无线信道环境和业务的q o s 要求 功率 调度 p o w e r s c h e d u l e t 将为移动台分配合适的功率等级 通过资源分配 能够对不同类型业务进行区分服务 当一个用户的会话质量处于可接受水平以下的时间少到可以忽略时 我们认为该用户是 可满足的 采用无线资源分配算法 就是希望能够在有限的无线带宽内使可满足的用户数 达到最大 由于r r a 算法需要完成上述所有动作 而链路的增益矩阵g 又是动态可变的 因此 为了同时满足各类业务的q o s 要求 r r a 算法将执行非常复杂的任务 图1 3 给出了c d m a 系统基站的r r a 模型 其中 资源估计 r e 用于对r r a 算 法进行控制 虚线表示 其输入包括系统的干扰测量报告 无线信道特征 如衰落环境 基站当前负载以及业务的特征和q o s 要求 根据上述参数和内建的系统容量模型 r e 将执 行对r r a 的控制 包括 干扰测量 图1 3 基站的r r a 模型 利用无线信道特征和业务质量要求优化功率和速率分配 利用基站当前负载 业务特征和质量要求控制时序调度 利用内建的容量模型 通过c a c 接受或拒绝新呼叫 或呼叫切换 四 本文的主要内容与章节安排 本文第一章在介绍移动通信技术发展状况的同时介绍并比较了移动通信中所采用的几种 多址通信技术 指出了c d m a 相对于f d m a 与t d m a 的优点 介绍了本文研究c d m a 移 中国科学技术大学硕士学位论文 翅 多业务c d m a 系统中的光线资源分配 第 章绪论 动通信网络中资源分再己的背景 意义和解决的问题 在这一章中同时介2 了无线资源分配的 模型 第二章首先给出了一个支持多种业务类型的直接扩频码分多址 d s c d m a 系统的模 嘤 每一类业务具有不同的数据速率和比特误码率要求 然后简要介绍了多径信道的r a y e i g h 衰落模型 第二章的后半部分介绍了c d m a 系统的接收模型和最小均方误著 m m s e 准则 的线性多州户接收机 本文的研究将基于对m m s e 多用户接收机理论结果的分析 在本文的第三章中 我们将引入一个基于m m s e 多用户接收机的重要结果 为了便 二说 明 我们首先考虑系统中所有h j 户具有基本速率和相同的目标s i r 即单一业务的情形 我 们引入有效干扰和有效带宽的概念来描述系统的用户容量 然后我们将单一业务的结论推广 到了具有多种速率和多种目标s i r 的多业务c d m a 系统中 利用有效带宽描述其用户容量 的界限 第三章的最后一节则给出了本章主要结果的另一种等效但更为简单的推导 基于第三章的结果 本文的第四章讨论了资源分配中的功率分配算法 在多业务c d m a 系统中进行自适应功率控制的目标 是保持每一用户在接收端获得的s i r 不低于所要求的门 限值 已经有不少文献对多用户接收机下的联合功率控制问题进行了研究 在本章的第一节 中简要地介绍了这些工作 以及自适应功率控制算法 与以往工作不同的是 我们采用了 个新的干扰函数 使得功率的迭代更新可以独立于滤波器系数的更新而进行 同时 在不降 低收敛性能的前提下 新的干扰函数相对于已有的迭代函数具有较低的计算复杂度 本章的 晟后一节给出了一些仿真的结果 第五章讨论多业务c d m a 系统中的呼叫确认控制和拥塞控制策略 为了保证所有业务用 户的q o s 都能够满足 必须通过呼叫确认来控制每一小区中同时接入的用户数目 同时 无 线信道的快速衰落特性还要求系统具有有效的拥塞控制策略 在这一章中 我们根据已经得 到的多用户接收机下的系统容量结果 提出了一种基于系统负载和业务q o s 要求的呼叫控制 策略 并在此基础上给出了一个无线拥塞控制的算法 它采用带宽调度的策略 在保证所有 用户q o s 要求的前提下最大限度地利用了系统的带宽资源 仿真的结果说明 我们提出的呼 叫控制和拥塞控制策略是有效的 第六章为本文的结论和对进一步研究的考虑 中国科学技术大学硕士学位论文 多业务c o m a 系统中的尤线资源分配 第 二章多业务的c d m a 系统模型 第二章多业务c d m a 系统模型 一 多业务c d m a 系统 考虑一个支持多种业务类型的直接扩频码分多址 d s c d m a 系统 每一类业务具有不同 的数据速率和比特误码率要求 如图2 1 所示 系统中假设有k 个用户 相麻的数据速率和误 码率要求分别为月 和p 发射单元包括变速率纠错编码 变扩频增益及发送功率控制等功能 系统的码片 c h i p 速率 扩频码数目以及调制方式固定 信息速率由所选的扩频增益决定 如图2 2 系统中最低的信息比特 s y m b 0 1 速率 对应于最大的扩频增益 可以看作是 系统的自由度 称为基本速率 以r 表示 相应的一个s y m b o l 周期称为基本s y m b o l 周期 用 户k 在一个基本s y m b o l 周期内发送 f 个s y m b o l 其中吖i 为一整数 相应地 用户k 的s y m b o l 速率为基本速率的m 倍 即 f r 用户k 的扩频增益则变为n m 可变速率的纠错编码 用于为数据源提供不同程度的信息保护 用户k 的编码速率为 则信息源的数据速率和s y m b o l 速率的关系可以表示为只 吒 m r 用户k 的调制后信号以功率p 发送 用 用 多种数据速率 发射功率控制 ll 二 多用户 解码单元接收机 匕二 b e rs i r 中国科学技术大学硕士学位论文 图2 1 多业务c d m a 系统 多径衰落 信道 多业务c d i i 系统中的无线资源分配 第二章多业务的c 州 系统模型 r 2 r l n 一 k n 2 l n 2 一 图2 2 可变扩频因子 i s y m b o l nc h i p s 1 s y m b o l n 2c h i p s 接收信号通过下文将要介绍的多用户接收机进行联合解调 然后对每一个用户的解调信号 分别进行译码 用户k 的解调信号的信号与干扰之比 s i r 为 t 译码数据的比特误码率为只 要将用户k 的比特误码率保持在要求值耳之下 就需要保证其s i r 高于一固定值y 目标s i r y 由目标误码率耳 编码速率咯和接收s i r 儿 的分布决定 通过自适应功率控制算 法 调整发送功率只 使接收端所有用户的s i r 都达到或超过所需的s i r 即 i2 y 二 多径衰落信道模型 1 在一个c d m a 小区中 移动台的传输信号在发射机和接收机间被多个障碍物反射和折射 从而形成多径倍道 由于不同时延的多径间的干扰 接收信号经历的是频率选择性衰落 在宽 带通信中 由于传输带宽的增加 移动台高速移动引起的多普勒频移也不能忽略 信号经多径 信道 以不同的幅度 相位 时延和到达角度 a o a 到达接收端 假定对某一用户的可分辨路 径数为 第 径的幅度和相位用复系数口 表示 由于每一径信号同时也是多个不可分辨的子 路径信号的合成 口 是一个复随机变量 其幅度服从r a y l e i g h 分布 而相位则为 0 2 石 内的 均匀分布 这就是r a y l e i g h 衰落信道模型 假设第 径的时延为c h i p 时间的倍数 以d 表示 如图2 3 岳 己 图2 3 多径信道模型 系数和时延 图2 4 1 1 jo i 表示第 径信号的到达角 由于反射和折射效应 我们假设o i 服从 中国科学技术大学硕士学位论文 兰些箜 坐墨竺 塑垄垡窒塑坌些 笙三主兰些箜塑坐 墨竺堕 一 毋一吼 2 o 以 2 1 山的均匀分布 其中o 年1 1 0 d 分别为州户的到达角和多径散射角e 0 e d 2 0 一 一 0 0 d 忽 图2 4 多径信道模型 到达角 a o a 三 线性多用户接收机n 2 1 0 1 9 1 c d m a 接收系统模型 d s c d m a 通信系统模型如图2 5 所示 c d m a 接收机接收到的基带信号为 f 扣溉 砸 f 一以 o f 2 1 最和 分别是用户k 的信号功率和时延 图2 3 中 如果o o 就称为同步d s c d m a 通信 系统 s k t 是用户k 的扩频码波形 由下式给出 n 一 i f 妒 一n 2 2 i o l 一l 是用户k 的扩频码序列的第n 个码元 n 是处理增益 c t b n 是码元周期 瓦是数据比特周期 f f 为码元形状函数 这里假定y f 是宽度为i 的单位能量矩形脉冲a m f 1 正 0 s t t c 州2 l o t 瓦 以 刁 l 一1 表示用户 发射的第f 个数据比特 n f 是双边功率谱密度为 0 2 的高斯白噪 声 中国科学技术大学硕士学位论文 多业务c r m a 系统中的光线资源分配 第二章多业务的c d m a 系统模型 2 传统检铡方法 图2 5d s c d m a 通信系统模型 传统的c d m a 接收机 其相关接收方法是将接收信号通过k 个匹配滤波器分别进行解扩 然 后直接对匹配滤波器的输出进行信息比特判决 如下图所示 图2 6 传统接收机模型 对用户k 作相关接收 其匹配滤波器的输出为 耳 f l 1 t a r ir 崛 f 一吼一f i d r 只 f 以 f 瓦 窆l 扣i 西 一q r 1 厉丽小l r o 乒丽咖 q r 一1 i l n f s i 卜讥一r d d t 2 4 将上式写成矩阵形式如下 v i w i 1 b i 一0 r 0 十w i b i r o w i 1 b i 0 r 1 n i 2 5 式中 y f 巧 f r a i 珞 f 7 中国科学技术大学硕士学位论文 多业务c d m a 系统中的尤线资源分削第一章 多业务的c d m a 系统模型 w i 硪昭 彬 吐嘎 1 叫 b i6 l f b 2 i b x i i n i h 吐n 2 f h k 叫 2 6 r i 是k k 的互相关矩阵 接收机输出得数据比特估值为 b k i s g n ik f j 2 7 可以看出 匹配滤波器的输山有三项 第一项是待解调 j 户的信号输出 第二项是系统中其它 同频道用户产生的多址干扰 m a i 第三项是噪声项 显然 这种传统接收机完全没有利用其 它用户的信息 也没有设法去解决或减少其他用户的多址干扰影响 其性能受限于这些多址干 扰 这种传统的c d m a 接收机抗远近效应的唯一方法是采用信号功率控制 使各个用户信号造 成的干扰相互一致 3 多用户接收机 多用户接收的概念实际上是为了有别于常规匹配滤波器接收机提出来的 常规接收机通常 是把多址干扰与信道白噪声统统视为白噪声来处理的 而多用户接收则是强调了接收机所处的 系统是一个多用户通信系统 多址干扰与白噪声具有互不相同的统计特性 多址干扰具有可估 计与再生的特性 多用户接收就是利用此特性 从接收信号 多个用户信号的叠加和白噪声 中 对每个用户的信息序列做统计判决 恢复各个用户传送的信息序列 为方便讨论 本文将主要考虑一个上行同步且采用b p s k 调制的多业务c d m a 系统 在式 2 1 中取时延o o 并重写为向量形式 则一个基本s y m b o l 周期内的接收信号向量可以写 成 r 艺扣 n 2 8 k i i 其中 定义为 缸 a i 5 乞口t s t 2 9 i i 厶 为用户k 的第 个s y m b o l 所对应的多径数目 吼 j 则是对应于该s y m b o l 经历第 径衰 落的复系数 包含衰落的幅度和相位信息 3 i j 为扩频波形经过以c h i p 速率采样的匹配滤波 器的输出 口i 可以看作是用户k 的第 个s y m b o l 的发送扩频波形经过多径信道的畸变 我 们将a i 称为用户k 的第 个s y m b o l 的有效扩频波形 接收机采用系数为 l 的滤波器对用户k 的第f t 个s y m b o l 进行解调 c hr 肛一鞭h 厄矗q c 氛 c 如 2 1 0 e t 对应于用户k 第f 1 个s y m b o l 的信干比 s i r 托t 1 鬻群而了 2 1 1 传统的匹配滤波器接收机中 滤波器系数选为c 在不考虑多径效应时 即为 用户k 第f 个s y m b o l 的扩频波形3 t 中国科学技术大学硕士学位论文 兰 业丝 业 墨竺主塑垄垫塑塑坌墼 笙三皇兰些箜塑 坠堑堡 一 本文的讨论将基丁对线性最小均方误差 m m s e 多川户接收机的研究 对于线性多 户接收 机 解调输出为接收信号向量的线性函数 而选择最佳解调系数c 使得c r 产生使 2 1 1 式取得最人值的软判决输出 这就是最小均方误差 m m s e 的线性多用户接收机 令p 吼 只 d c 女h r 估计产生的均方误差为 m s e e c 厶r 一钆 2 c p 女 一1 2 c p 女 2 o 2 c h c i o a 2 t 1 i 要使均方误差最小 m s e 0 从而使 2 1 2 式最小的解c 1 满足 0 c t z k i t c i k 1 一c p t p t 2 1 3 其中 z n p 如 盯2 i 2 1 4 t i i t 1 吐 为对用户k 第i t 个s y m b o l 干扰的协方差矩阵 当矩阵z t l 为非奇异阵时 由 2 1 3 确t 1 c 女 k 1 p z t i p i 1 z i p i 2 1 5 由m