（通信与信息系统专业论文）cdma系统反向过载控制的研究.pdf

啥尔滨工业大学t 学硕士学位论文 摘要 随着移动通信的发展，移动通信用户数和i n t e r n e t 用户数急剧增加， 人们期望新一代移动通信系统不仅具有更大的容量，还要支持移动多媒体业 务，除了提供话音业务外还支持低高速数据、图象等非话音业务的传输。 不同业务有不同的服务质量要求，如对时延、误比特率、数据速率的要求不 同。无线蜂窝网络设计有两大目标：一是保证各类业务的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 要求，二是使网络的资源利用率达到最大，这需要借助于无线资源 管理。对于f d m a t d m a 系统，无线资源管理相对简单，只需对频率、时 隙进行合理的分配，而c d m a 系统的资源管理要复杂得多。第三代移动通 信系统选用c d m a 作为空中接口的主要候选方案，由于c d m a 系统是自 干扰系统，其容量受干扰的限制，需要合理地分配系统的资源。第三代移动 通信系统的无线资源管理主要包括呼叫允许控制、切换控制、功率控制、负 荷控制、分组调度等。本文重点研究了移动通信系统在语音和数据用户下的 的呼叫允许控制以及过载控制等。 本文研究了系统的负载率，负载率越高，系统的稳定性越来越差。因此， 为保证系统的良好运行，应将负载率控制在一定的水平之下，并且在 c d m a 2 0 0 0 中，需要适时掌握负载率的情况。因此在第二章中，本文提出 了两种负载监测算法分别基于反向功率和反向用户数，并分析了他们的设计 原理，实现过程。最后比较了两种算法的优劣。 实时掌握系统负载情况的目的在于协商反向补充信道的建立和指配速 率。在反向用户中，我们对实时业务( 语音) 用户不加限制，如果限制则引 起掉话。只根据当前系统负载情况对反向数据用户的建立和速率指配加以协 商，使当前系统的负载保持在一定的水平下。所以第三章本文讨论了基于反 向补充信道调度的反向过载控制算法。详细分析了语音及数据用户请求时的 算法流程，过载后的系统解决办法。还分析了反向补充信道的建立流程，和 算法在流程中位置和驻留的软件模块。 随后介绍了本文仿真所采用的码分多址系统容量仿真平台，并给出了反 向链路系统容量仿真模型。对系统仿真中的常用性能参数进行了分析，并在 措建的c d m a 系统容量仿真平台上对单小区( 孤岛站) 前反向语音和数据 业务系统的基于反向补充信道调度的反向过载控制算法进行了仿真，仿真的 负荷控制主要是通过呼叫接入控制来实现的，旨在证明基于r s c h ( r e v e r s e s u p p l e m e n t a lc h a n n e l ) 调度的反向过载算法有效。仿真结果表明了单小区的 负载率水平和中断率，语音用户和数据用户的容量关系。 关键词c d m a ；过载控制；呼叫允许控制；反向补充信道速率指配 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，t h en u m b e ro fm o b i l e c o m m u n i c a t i o nu s e r sa n di n t e r n e tu s e r si n c r e a s eg r e a t l y t h en e wm o b i l es y s t e m n e e d sn o to n l yl a r g e rc a p a c i t yb u ta l s os u p p o r t i n gm o b i l em u l t i m e d i as e r v i c e i t p r o v i d e sn o n v o i c es e r v i c eb e s i d e sv o i c es e r v i c e ，s u c ha sl o w h i g hs p e e dd a t a ， i m a g e d i f f e r e n ts e r v i c eh a sd i f f e r e n tq o s ，s u c ha st i m ed e l a y , e r r o rb i tr a t e ， d a t as p e e d 。t h ew i r e l e s sh o n e y c o m bn e t w o r kd e s i g nh a st w oo b j e c t s ：t h ef i r s t s a t i s f yt h eq o sd e m a n do fe v e r ys e r v i c e ，t h es e c o n di sm a k e t h eu t i l i z a t i o nr a t i o o fn e t w o r kr e s o u r c em a x i m a l t h i sn e e dt h eh e l po fw i r e l e s sr e s o u r c ea l l o c a t i o n f o rt h ef d m a t d m as y s t e m ，w i r e l e s sr e s o l l r c ea l l o c a t i o ni ss i m p l e ，o n l yn e e d s t h er e a s o na l l o c a t i o no ff r e q u e n c ya n dt i m es l o t ，b u tw i r e l e s sr e s o u r c ea l l o c a t i o n o fc d m as y s t e mi sr a t h e rc o m p l e x t h et h i r dg 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 n s y s t e mc h o o s e sc d m a a st h ep r o j e c to fa i ri n t e r f a c e ，s i n c et h ec d m as y s t e mi s t h es e l f - d i s t u r b i n gs y s t e m ，a n di t sc a p a c i t yc o n f i n e df r o md i s t u r b a n c e ，s oi t n e e d sr e a s o n a b l er e s o u r c ea l l o c a t i o n t h er e s o u r c ea l l o c a t i o no ft h i r dg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi n c l u d ec a c ，s w i t c hc o n t r o l ，p o w e rc o n t r o l ， o v e r l o a dc o n t r 0 1 g r o u pa s s i g n m e n t 1 1 1 et h e s i sm a k e st h ee m p h a s e so nt h ec a c a n do v e r l o a dc o n t r o lo ft h ev o i c ea n dd a t au s e r s t h et h e s i ss t u d i e st h es y s t e mo v e r l o a dr a t i o ，t h es t a b i l i t yo ft h es y s t e mi s g o i n gd o w nw h e no v e r l o a dr a t i oi sg o i n gu p s ow es h o u l dk e e pt h eo v e r l o a d r a t i ot om a k et h es y s t e ms t a b l e a n dw es h o u l dg e tt ok n o wt h eo v e r l o a dr a t i o t i m e l y t h e r e f o r e ，i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r dt h et w ok i n d s o fo v e r l o a da r i t h m e t i c ，w h i c hb a s e do nr e v e r s ep o w e ra n dr e v e r s eu s e r s ，a tt h e s a m et i m e ，g i v e st h ea n a l y s i st ot h e i rt h e o r ya n dp r o c e s so fd e s i g n a tl a s t ， m a k e st h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h e m h o l d i n gt h es y s t e mo v e r l o a dr a t i ot i m e l yi st oa r r a n g et h er s c hs e t t i n g u pa n da l l o c a t i n gr a t e i nt h ec a s eo fr e v e r s eu s e r s ，w es e tt h ev o i c es e r v i c ef r e e ， i fw ed o n t ，b r e a k sw i l lh a p p e nd u r i n gc a l l s s ow ew i l ln e g o t i a t et h es e tu po f t h ed a t au s e r sa n da s s i g n m e n to ft h er a t i oo n l ya c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts y s t e m l o a d i n gs t a t u s i nt h et h i r dc h a p t e r , w ed i s c u s st h er e v e r s eo v e r l o a da r i t h m e t i c 1 1 1 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 b a s i n go nr s c ha l l o c a t i o n w ea n a l y z et h ef l o wo ft h ev o i c ea n dd a t au s e r s r e q u e s ta n do u rm e t h o do f o v e r l o a ds y s t e m w ea l s oa n a l y z et h ef l o wo fr s c h s e t t i n gu pa n dw h e r em ya r i t h m e t i cl o c a t e si n f o l l o w i n gt h i s ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ee m u l a t ep l a to fc d m ac a p a c i t y , a n a l y z e st h ec a p a b i l i t yp a r a m e t e ri nc o m m o nu s ei nt h es y s t e me m u l a t e ，a n d m a k et h er e v e r s ea n df o r w a r dv o i c eu s e r sa n dd a t as e r v i c ee m u l a t eo fs i n g l e a r e o l ai nt h ee m u l a t ep l a tb a s i n gt h er s c ha l l o c a t i o n ，t h eo v e r l o a dc o n t r o li s r e a l i z e dt h r o u g hc a c i tp r o v e st h ea r i t h m e t i ce f f i c i e n c y i t sr e s u l tp r o v e st h e o v e r l o a dl e v e l ，i n t e r m i tl e v e la n dt h er e l a t i o nb e t w e e nv o i c eu s e r sa n dd a t au s e r s c a p a c i t y k e y w o r d sc d m a ，c a c ，o v e r l o a dc o n t r o l ，r s c hs p e e da l l o c a t i o n i v 堕堡鎏三些查主王耋堡圭兰堡丝兰 第1 章绪论 1 1 课题背景及目的与意义 本文为中兴通讯公司应市场及研发需求而设立的c d m a 系统容量仿真 项目的一部分，作者参与了其仿真平台的搭建并进行了其中单小区的反向容 量仿真。该仿真为系统级仿真，对整个c d m a 系统的性能如功率控制、软 切换、容量等进行模拟，并考虑移动台与基站间的路径损耗、阴影衰落、用 户间干扰等主要因素。 现有以g s m 、i s 一9 5 为代表的第二代移动通信系统( 2 g ) 为语音通信 业务的数字化、无线化提供了可能。随着人们对移动通信需求的快速增长， 日益膨胀的用户需求与有限的频谱资源之间的矛盾也越来越大，因而如何实 现频谱利用率的最大化，即实现蜂窝系统的容量最大，是系统设计中的一个 重要方面。蜂窝系统的容量与多址方式有着密切的关系。从早期的f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 模拟蜂窝移动通信到以g s m ( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 为代表的t d m a ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 数字蜂窝系统，再到i s 9 5c d m a 系统，蜂窝系统的容量逐渐加大。 而目前基于c d m a 的第三代移动蜂窝通信系统c d m a 2 0 0 0 与这些系统相比 在容量上又有了新的突破，成为宽带移动通信的重要解决方案。 c d m a 是自干扰系统，同时也是噪声受限系统，能够同时通信的用户 数决定于系统中的噪声水平以及业务质量的要求，它随环境的变化而变化， 所以我们称之为“软容量”。正因为这个特征，有限资源的c d m a 系统容量 才有挖掘的余地，对c d m a 系统容量的研究才更有意义。 在基于c d m a 技术的3 g 系统中，根据各类业务不同的时延要求，将 业务划分为四类j ： 会话型业务，如语音业务；流式业务，如流式多媒体 业务；交互式业务，如数据库检索业务；后台业务，如文件传输业务。业务 的多样性、q o s 要求的严格性( 会话型与流式业务以实时连接方式传送 2 1 ， 其q o s 要求表现为对时延相当敏感，但可以容忍一定程度的误码；交互式 与后台业务采用非实时连接方式传送【2 ，其q o s 要求表现为误码率极低，但 可以容忍较大的时延。 由于上述原因，c d m a 负荷再也不能用单纯的用户数来衡量，怎样在 堕堡堡三些查兰三耋堡当兰竺兰三 多用户多业务下，接入用户不超过系统的负载水平，就成为业界人士普遍关 心的课题。 本文提出了多业务c d m a 系统的一种负荷控制策略，首先对系统的负荷 进行估计，包括上行链路和下行链路的负荷估计，并确定相应的负荷门限。上 下行链路的负荷必须低于某个门限值，才能维持系统的稳定性。c d m a 是干 扰受限系统，其c a c 分为下行链路与上行链路两种情况。下行链路采用基于 功率的准则：连接用户己用发射功率和呼叫请求所需发射功率之和应小于基 站允许总发射功率。该算法物理意义明确，由于容易获得基站发射功率而易 于实现上行链路接纳控制可以是基于用户数、功率、干扰或资源利用等准 则只有当上下行链路均满足要求时，呼叫请求才被接纳由于下行链路算法 简单，本文主要讨论上行链路。当系统出现过负荷情形时，需要采取一定的负 荷控制策略，负荷控制是与功率控制，呼叫接入控制，切换紧密相关的。本 文提出并分析了几种反向过载控制理论，并在仿真平台中进行了单小区的仿 真从而证明算法的可行性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1c d m a 蜂窝系统中无线资源的管理 移动通信系统的目标是提高系统容量，同时保证高质量的通信，要实现 这一目标，可以通过选用高效的调制解调方式、编码方式( 包括信源和信道 编码) 、多址方式、小区复用方式等来实现。这些措施确定了系统中可供使 用的物理信道和网络结构，可供使用的两个重要的无线资源就是发射功率和 信道。无线资源管理就是通过合理地动态分配这些无线资源，有效地降低系 统的干扰，提高系统的容量，保证通信链路的质量。 无线资源管理( r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) 负责空中接口资源的利用， 保证移动用户的q o s 要求，维持系统预规划的覆盖区，为系统提供大容量。 无线资源管理包括切换控制、功率控制、允许控制、负荷控制以及分组调度 等。切换控制负责处理用户的移动性。当移动用户从一个小区进入另一个小 区时，必然发生切换。切换控制就是运用一定的策略，保证用户越区切换或 系统间切换时通话的连续性，并且使通信质量达到预定的q o s 要求。功率 控制使空中接口的干扰电平维持最小，保证移动用户的q o s 要求。允许控 制是对于预期的信噪比和误码率，确保有空闲的无线资源。负荷控制的目的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 是，以目标方式在给定的限制条件范围内维持网络无线资源的使用。分组调 度是使各分组用户合理地使用系统的可用资源，为各个用户分配数据速率和 分组长度。 本论文着重对无线资源管理中的呼叫允许控制、切换控制、功率控制以 及负荷控制进行研究，而负荷控制与允许控制有着直接的联系。在切换控制、 允许控制和负荷控制中，始终贯穿着功率控制，因为功率分配直接影响到不 同业务的相互干扰，从而影响业务质量和系统容量第三代移动通信系统选用 码分多址作为空中接口方案，支持多媒体业务，且能保证各类业务的不同 q o s 要求。下面介绍3 g p p 定义的四种业务类型及其特征。 1 2 2 呼叫允许控制 在多业务宽带d s c d m a 系统中，可以采用三种呼叫允许控制策略 【9 1 ，分别是基于接收功率的呼叫允许控制策略( r p c a c ) ，基于预测的呼叫 允许控制策略( p c a c ) ，改进的基于预测的呼叫允许控制策略( m p c a c ) 。 三种策略都考虑了话音、视频、w w w 浏览、e m a i l 业务，对三种策略的 呼叫阻塞概率、呼叫掉话概率以及吞吐量进行了比较，其中改进的基于预测 的呼叫允许控制策略优于另外两种策略。 k i m 在文献【1o 】中提出了多业务c d m a 系统中的一种呼叫允许控制策 略，与文献【1 8 】有相似之处。以总的接收功率作为门限值，只有在满足各类 业务信干比和负荷要求的前提下才允许呼叫接入。为了体现不同业务的优先 权，对不同业务设置不同的干扰门限，门限值越高，则该类业务的优先等级 越高。另外k i m 还同时考虑了上、下行链路【“】，上行链路的呼叫接入以干 扰为门限，下行链路的呼叫接入则以发射功率为门限。 多业务c d m a 蜂窝网络可以采用基于有效带宽的呼叫允许控制 1 2 】，有 效带宽概念来自基于a t m 的宽带综合业务数字网，可以克服c d m a 蜂窝 网络干扰的变化，从而保证系统的性能。多业务c d m a 蜂窝网络还可以采 用基于预测的呼叫允许控制【l3 1 ，对切换呼叫的允许控制采用了两种策略， 一种是切换呼叫完全共享信道，另一种是基于资源分割的信道保留方案，即 对不同业务的切换呼叫预留不同数量的信道。z h a o 在文献 1 4 1 提出了混合业 务无线网络中的一种分布式呼叫允许控制策略，利用用户的移动信息来估计 未来的需求及可用资源，给切换呼叫预留资源，该部分资源周期性地刷新， 以保证各类业务的q o s 要求。 堕查鎏三兰盔兰三兰堡圭耋堡篁兰 对于c d m a 系统，由于移动终端的最大发射功率受限制，同时无线信 道是时变的，呼叫允许控制要考虑终端允许的最大发射功率和信道条件，尽 量减小无线信道以及多址干扰的影响 1 ”。c d m a 系统还可以根据所有用户 的q o s 要求计算系统的剩余容量，再确定相应的呼叫接入门限【l ，并分别 采用固定和动态的呼叫允许控制策略。c d m a 系统除了采用上述呼叫允许 控制策略外，还可以采用智能化的呼叫允许控制【1 ”，运用模糊逻辑和神经 网络技术，考虑所有业务的q o s 要求，预测下一步激活呼叫和新呼叫的干 扰，为是否允许呼叫接入作出判决。 另外，呼叫允许控制也可以基于干扰门限 1 ”，当新呼叫到达后，首先 测量多址干扰，再与多址干扰门限值进行比较，若低于门限值，则接纳该呼 叫，否则阻塞该呼叫。多址干扰门限值决定于呼叫中断概率门限，系统的呼 叫中断概率与比特率、q o s 要求、传播信道、功控策略直接相关。对于具 有多类业务的分层小区结构的无线蜂窝系统，系统由宏小区和微小区组成， 微小区用以覆盖用户密集的区域，宏小区用以覆盖用户稀疏的区域。宏小区 采用切断优先策略【1 9 l ，以保证宏小区内呼叫的q o s 。当微小区的呼叫出现 拥塞时，可以切换到宏小区。宏小区和微小区的可用资源有差异，各类业务 可以共享这些资源。系统通过微小区优先服务宽带呼叫来降低不同业务服务 的不公平性。 此外，第三代c d m a 系统还考虑将允许控制和流量控制结合起来【2 0 1 ， 根据呼叫到达的时标进行允许控制，根据时隙( 帧持续期) 进行流量控制。 呼叫允许控制可以保证系统各类业务的q o s 要求，如误比特率、时延要求 等，流量控制通过对实时用户和非实时用户的合理调度，保证用户的q o s 要求。 1 2 3 负荷控制 c d m a 系统支持实时和非实时业务的传输，一般来讲，实时业务占用 的无线资源是不可控的，非实时业务的占用的资源是可控的，因此，c d m a 系统的负荷控制首先降低非实时业务负荷以缓解拥塞，若系统仍然拥塞，进 一步考虑降低实时业务负荷。 负荷控制可以采取以下策略：对于非实时业务，在时隙级，结合闭环功 率控制，在上行方向降低目标信噪比门限，在下行方向，基站不响应移动台 发束的增加发射功率命令。在帧级，通过分组调度以及编码方式变化，降低 堕丝堡三兰盔：三：罂土兰堡篁查 对于c d m a 系统，由于移动终端的晟大发射功率受限制，同时无线信 道是时变的，呼叫允许控制要考虑终端允许的最大发射功率和信道条件，尽 量减小无线信道以及多址干扰的影响1 15 1 c d m a 系统还可蛆根据所有用户 的o o s 要求计算系统的剩余容量，再确定相应的呼叫接入门限i l 并分别 采用固定和动态的呼叫允许控制策略。c d m a 系统除了采用上述呼叫允许 控制策略外还可以采用智能化的呼叫允许控制】，运用模糊逻辑和神经 网络技术，考虑所有业务的o o s 要求，预测下一步激活呼叫和新呼叫的干 扰，为是否允许呼叫接入作出判决。 另外，呼叫允许控制也可以基于干扰门限i l ，当新呼叫到达后，首先 测量多址干扰，再与多址干扰门限值进行比较，若低于门限值，则接纳该呼 叫，否则阻塞该呼叫。多址干扰门限值决定于呼叫中断概率门限，系统的呼 叫中断概率与比特率、q o s 要求、传播信道、功控策略直接相关。对于具 有多类业务的分层小区结构的无线蜂窝系统，系统由宏小区和微小区组成， 微小区用以覆盖用户密集的区域，宏小区用以覆盖用户稀疏的区域。宏小区 采用切断优先策略【l ”，以保证宏小区内呼叫的q o s 。当微小区的呼叫出现 拥塞时，可以切换到宏小区。宏小区和微小区的可用资源有差异，各类业务 可以共享这些资源。系统通过微小区优先服务宽带呼叫来降低不同、务服务 的不公平性。 此外，第三代c d m a 系统还考虑将允许控制和流量控制结合起来 2 ， 根据呼叫到达的时标进行允许控制，根据时隙( 帧持续期) 进行流量控制。 呼叫允许控制可以保证系统各类业务的q o s 要求，如误比特率、时延要求 等，流量控制通过对实时用户和非实时用户的合理调度，保证用户的q o s 要求。 1 2 3 负荷控制 c d m a 系统支持实时和非实时业务的传输，一般来讲，实时业务占用 的无线资源是不可控的，非实时业务的占用的资源是可控的，因此，c d m a 系统的负荷控制首先降低非实时业务负荷以缓解拥塞，若系统仍然拥塞，进 一步考虑降低实时业务负荷。 负荷控制可以采取以下策略：对于非实时业务，在时隙级，结合闭环功 率控制，在上行方向降低目标信噪比门限，在下行方向，基站不响应移动台 发束的增加发射功率命令。在帧级，通过分组调度以及编码方式变化，降低 发柬的增加发射功率命令。在帧级，通过分组调度以及编码方式变化，降低 堕童鎏三些盔兰三兰璺；：兰竺鎏兰 吞吐量，将某些用户切换到其他的载频或系统中去。对于实时业务，降低用 户的传输速率，将某些用户切换到其他的载频或系统中去，直接释放某些用 户的连接。有关负荷控制的文献相对较少，b e r n a r d i 在文献【2 8 研究了 w c d m a 系统在混合业务情况下的负荷控制，提出了一种资源预留策略， 以满足不同业务的q o s 要求。m u c k e n h e i m 在文献【2 1 提出了一种新的负荷 控制理论，对c d m a 系统的资源定义为，上行链路资源为基站总接收功率， 下行链路资源为基站总发射功率。r a v 在文献 2 2 】提出了c d m a 系统的一种 基于相对负荷估计的呼叫接入控制策略，接入准则是欲接入小区及其周围小 区的相对负荷均低于门限值。 1 2 4 功率控制 移动通信系统，为了有效的降低系统的干扰，提高系统容量和通信质量， 需要对无线资源作合理的动态分配。发射功率是重要的无线资源，为用户所 共享，系统应根据用户的需求，为用户分配功率，以提高整个系统的容量和 服务质量。由于传输环境的变化和移动台的运动，不管是移动台还是基站， 收到的信号的电平都会有很大的起伏。因此，很有必要确定一个发射功率的 范围，以便使处于小区内任何地方的移动台都能够建立和维持与基站之间的 通信链路。如果发射功率恒定，那么，当移动台处于很好的传输环境时( 如 视距传输或近距离传输) ，接收到的信号功率就太大了，对其他用户形成强 干扰。同样，当移动台所处的传输环境很恶劣时( 如遇到阻挡物，或离基站 很远) ，接收到的信号功率就太小。在这种情况下，通信质量会很差，甚至 通信中断。发射功率的设置应满足服务区内绝大多数移动用户的需要( 如小 区覆盖区内至少有9 5 的通信服务质量达到一个基准水平) 3 5 1 。因此，需 要对每个用户的发射功率进行动态调整。所以提出了功率控制的概念。由于 c d m a 是一个自干扰系统，功率控制的目的就是通过对基站和移动台发射 功率的限制和优化，力求以最小的发射功率达到所需的信噪比，最终达到最 大的容量和最优的系统性能。 c d m a 系统的功率控制，可以归结为一个有限制的优化问题 “l 。系统 的用户可以分为两类，一类是对时延敏感的用户，另一类是能容忍时延的用 户。对于能容忍时延的用户，目标是使其有效数据速率达到最大；对于时延 敏感的用户，目标是在保证低时延的前提下，使信噪比达到目标值。多小区、 多业务d s c d m a 系统的功率分配也可以归结为最优化问题1 2 “，在保证各 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 类业务q o s 的前提下，使功耗最小，从而提高系统的吞吐量。对于变速率 多媒体无线蜂窝系统，将功率控制和速率控制相结合【2 3 1 ，并将固定速率的 功控算法加以扩展，将功控问题表述为一个线性优化问题。k a n a d e 在文献 f 2 4 提出了多媒体d s c d m a 系统反向链路的一种最优功率分配策略，与文 献【2 2 相似，其目标是使功耗最小，即容量达到最大。最优功率分配可咀通 过一个统一的功率控制函数来近似。 1 2 5 切换控制 对于移动多媒体无线网络，当用户从一个小区切换到另一个小区时，要 保证服务的连续性和各类业务的q o s 要求。由于不同业务有不同的带宽要 求，要动态估计不同业务的切换呼叫所需带宽，从而在切换呼叫的目标相邻 小区预留相应数量的信道。用户可以利用局部信息预测未来切换呼叫的资 源需求，为切换呼叫预留一定数量的资源【2 】。切换呼叫还可以采用排队的策 略【3 】，切换呼叫的排队优先级根据信号强度及其变化率而动态调整，呼叫的 服务顺序不仅依赖于排队优先级，还依赖于排队等待时间。对于多媒体无线 a t m 网络，可以为切换呼叫预留一定的带宽资源 4 】，不同业务具有不同的 优先等级，对应着不同的预留带宽资源。对于微小区结构的移动多媒体网络， 采用自适应q o s 切换方案 5 】，移动多媒体业务的q o s 随系统已用带宽的 变化而白适应调整，可以减小切换失败概率。 在第三代蜂窝移动通信系统中，移动用户使用同一个终端，可以跨越不 同的网络进行通信。无线接入网将移动终端业务发送到当前核心网络的交换 中心，通过路由算法确定目的终端。在不同网络之间漫游时，移动终端要进 行切换。在i m t - 2 0 0 0 中，要考虑不同系统之间的切换，如从u m t s 到 g s m g p r s 的切换，或从g s m g p r s 到u m t s 的切换。m c n a i r 和y l i a n t t i l a 分别在文献【6 、【7 提出了不同系统之间的切换。a n a 在文献 8 】研究了g p r s 与u m t s 网络之间的切换，用户的q o s 随所处网络的变化而自适应调整。 切换技术是蜂窝移动通信的一个研究热点，与第一代、第二代移动通信相比， 第三代移动通信容量更大，数据速率更高，业务种类更多，在切换中将要考 虑更多的因素，需要改善现有的切换算法，以满足不同业务的q o s 要求。 1 3 本文研究的主要内容 本文着眼于c d m a 系统的无线资源管理，主要研究了c d m a 2 0 0 0l x 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 系统的上行链路的过载控制策略分析，并提出了简单有效地基于吞吐量的算 法。由于实际系统中的过载控制和接纳控制理论都是针对反向非实时业务而 言的，所以反向非实时业务的速率指配直接影响到过载控制和接纳控制，所 以文章对反向补充信道的速率指配算法结合过载控制和接纳控制理论分析 了反向用户的接纳和控制策略。全文可分为： ( 1 ) 第一章主要介绍移动通信发展及蜂窝移动通信系统的背景知识， c d m a 移动通信系统无线资源管理理论，论文研究开发的意义及论文的结 构。 ( 2 ) 第二章提出反向接纳和过载控制算法以及他们在c d m a 2 0 0 01 x 反 向用户接入时的作用。主要有基于反向功率的r s s i ( r e v c r s es i g n a ls t r e n g t h i n d i c a t i o n ) 控制法和基于吞吐量的等效用户法。并基于系统的可实现性比较 了两种方法。 ( 3 ) 第三章研究反向补充信道的速率指配算法，并与反向接纳和过载控 制算法相结合分析反向用户( 包括语音用户和数据用户) 接入流程。综合分 析提出基于吞吐量的r s c h 调度的反向过载控制算法。是本文的核心内 容。 ( 4 ) 第四章简要介绍所使用的c d m a 系统容量仿真平台，对语音和数据 业务的c d m a 单小区系统反向过载控制进行建模与仿真，对性能评价参数 和仿真数据进行了分析。 哈尔滨工业犬学工学硕上学位论文 2 1 引言 第2 章反向过载控制算法 在c d m a 白干扰系统中，前、反向链路的功率控制是非常重要的。对 某一特定的基站，即使不受硬件资源的限制，能同时建立通讯的信道数目也 是有限的，并且与干扰环境相关。 一般地定义系统负载l o a d i n g 如下： l ， l o a d i n g = 竺= 实际用户数理论最大用户数 ( 2 1 ) n 是系统容许的最大用户数，与综合信噪比( 每个用户信息被基站f 确 解调所需要的信噪比) 有关，也与话音激活和其他小区的干扰有关。 该比率与接收机接收到的总干扰成正增长关系，如图2 - 1 ，负载率越高， 系统的稳定性越来越差。因此，为保证系统的良好运行，应将负载率控制在 一定的水平之下，并且在c d m a 2 0 0 0 中，需要适时掌握负载率的情况，以 协商反向s c h 信道的建立。加之上述影响负载率的因素随时间在变化，所 以c d m a 2 0 0 0 系统中提出了实时监测负载率的需求【2 3 ，2 8 ，5 2 l 。 ) j ， 。 _ ， 。 。 氮羹卑， 图2 1干扰噪声比与系统负载率之间的关系曲线”】 f i g 2 - 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec e l ll o a d i n gr a t i oa n dr a t i oo fi n t e r f e r e n c et on o i s e 号、g舨群譬蒂 堕垒篓三些查兰二兰堡圭耋堡兰三 常规方法是人工( 通常是网络工程师或运营商雇 h j 的技术人员) 监测的 方法用专门设计且昂贵的测试设备汜录下负载运行情况，然后输入到集中 处理设备进行数据的后处理和分析。该方法的缺点很明显：不能实时监测负 载率，受环境和测试设备的影响较大。 本设计将分析给出反向过载控制的详细设计方案。 2 2 软件架构 通过图2 2 可以分析出移动台的起呼流程。r c m 模块是b t s 侧控制信 道的配置、管理以及呼叫、切换控制的控制中心，控制完成呼叫的在b t s 的建立：控制完成切换功能，包括f c h 切换、s c h 切换和d c c h ( d e d i c a t e d c o n t r o lc h a n n e l ) 切换；和数据库配合完成s c h 的调度处理。反向过载控制 算法驻留在模块b d s ( b a s e b a n dd i g i t a ls u b s y s t e m ) 上，根据信道板上报参数判定 当前系统的过载情况，r c m 通过与b d s 的交互完成对信道的配置。 厂 h 幽 _ - 卜l r a f tl cs t r e a m _ p + s i g n a li n g t r a f f i cs t r e a m - 。- s i g n a li n gs t r e a m 图2 - 2 软件架构图 f i g 2 - 2s o f t w a r es t r u c t u r e c s c h p ( c o m m o ns i g n a l i n gc h a n n e lp r o c e s s ) 模块接收到c e c ( c h a n n e le l e m e r i t c o n t r o l l e r ) 模块接收到的空中反向按入信道消息，解码后为起呼消息 u m a _ o r i g i n a t i o n m s g 。c s c h p 通过a b i s c 接口向b s s a p ( b a s es t a t i o ns y s t e m a p p l i c a t i o np a r 0 发送起呼消息a b i s c r o r i g i n a t i o n 。b s s a p 收到起呼消息后， 根据s e r v i c eo p t i o n 判断是话音业务，并创建呼叫处理进程，分配呼叫参考 识别号c a l l r e f l d 。b s s a p 构造消息a l rc m s e r v i c e r e q u e s t ，设置定时器 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 t 3 2 3 0 ，等待s c c p ( s i g n a l i n gc o n n e c t i o nc o n t r o lp a r t ) 建立连接确认。b s s a p 呼 叫处理进程设置定时器t 3 0 3 ，等待m s c ( m o b i l es w i t c h c e n t e r ) 指配请求消息。 在发送a 1 r - c m s e r v i c e r e q u e s t 的同一次调度中，b s s a p 根据当前b t s ( b a s e t r a n s c e i v e r s t a t i o n ) 的资源状况判断是否有资源可分，如果有就向 r c m ( r e s o u r c ec o n t r o lm o d u l e ) 发送a b i s c ff c h s e t u p 启动f c h ( f u n d m e n t a l c h a n n e l ) 无线链路的建立，并设置定时器t f c h s e t u p 。r c m 调用资源分配接 口，分配f c h 的相关资源后向c e c 发送a m ff c h s e t u o 。 2 3 反向过载监测算法 2 3 1 基于反向功率的r s s i 控制法 2 3 1 1 设计原理根据相关资料25 1 ， r 灯) 0 w e t 可得到负载率的如下公式 n p 1 l o a d i n g 式中r x p o w e r 一总接收功率； n o w 一一接收机底噪 警=五l。j砌撕。1。j11 l o a d i n g n 口w 一z z ：r x p o w e r n p 根据中心极限定理可推出 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 一去。p 2 砂 亿s ， 式中研工】= 参+ m + 皿v 】+ 占( 加) 2 n + 肚； 圳卅= ( 参) 2 + m 唰2 + 2 ( 研v 2 m r 一( 研v 】) 2 ) ； 卢= 警； 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 s 一一信噪比的平均值； a 一一信噪比方差 针对一组典型情况s = 7 d b ，t 7 = 2 4 d b ，可得到如图2 3 所示曲线 壮 a * 辱 图2 - 3p o w e rr i s eo v e rb a e k g r o u dn o i s e 的c d f ( p r o b z x ) ) 理论曲线 f i g 2 - 3c d fo fp o w e rr i s eo v e rb a c k g r o u dn o i s e 从图2 - 3 可以看出，随用户数的增多曲线越平缓。根据正态分布的特性， 测量的z 值在统计情况下越来越分散。对存在反向补充信道的情况，虽然该 信道不象其他业务信道随机突发，而具有非随机突发性，显然接收到的z 均值增加，方差值也会因为白干扰的作用而上升，定性估计此时的理论曲线 应该不会相对多话音链路有太大的变化 4 5 , 3 7 】。 由式( 2 4 、可得到： z l ( d 昂) 一z 2 ( r i b ) = 1 0 l o g ( r x p o w e r ) 一1 0 1 0 9 ( r x p o w e r 2 )( 2 6 ) 从式( 2 6 ) 可见，接收功率用d b 表示的差值中消除了底噪的影响。实际 中r x p o w e r 采用r s s l 来度量，显然，从统计意义上讲，记录下来的r s s i 值也将服从正态分布，分布的方差越大反映系统的负载率越高。因此我们可 以通过测量多个r s s l 的d b 值观察他的统计规律，以判断其负载情况。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 具体实施时，我们可采用将测量的多个r s s i 值进行排序，找出2 0 和 8 0 的点( 具体位置与系统所能记录的总点数有关，记录的点数越多，结果 越准确) ，两点对应r s s i 的差值记做r s s i ，每个ar s s i 理论上对应一个负 载率。 2 3 1 2 算法流程图2 - 4 中r s s i 数据部分为采集后的两组数据，每根天线 5 0 个采样值，在算法的执行过程中，分别对每组采样值进行排序，得到 ar s s i ，然后平均两根天线所得的结果； 查找由后台数据库加载的l o a d i n g r s s i ，得到系统当前的负载率，然 后将当前负载率与给定的门限值进行比较，得到系统的负载指示。具体实施 办法如图2 4 所示： r s s i 采样 值 卅始 初始化 两根天线的5 0 个 r s s i 值分别排序 得到两根天线的 ar s s i ，再平均 根据ar s s i 查表得到 系统负载值l 原统上电由后台数据、 库加载的门限值、取 值点及l o a d i n g 与r s s i 关系表 芝孥l 0 唧”皇：! 夕i i k 士奎于h i 曲j 岁习。 图2 4 算法流程图 f i g 2 - 4f