（通信与信息系统专业论文）tddcdma系统中动态信道分配的研究.pdf

摘要 未来的无线蜂窝网络系统必然以支持多媒体业务为发展方向。和传统单纯语音业 务相比，典型的多媒体数据业务具有上下行不对称的特点。t d d c d m a 系统时分复 用具有的灵活的上下行资源分配形式很好地满足了这一要求。本论文主要以 t d d c d m a 系统的资源分配和管理为研究对象，紧紧围绕t d d c d m a 系统的时隙分 配策略，研究了三个方面的问题。 首先，针对当前t d d c d m a 系统所有小区都采用同样的时隙分配方案( s a ) 的情 况，提出改进。由于将来的移动通信系统必须能够支持多媒体业务，且小区间上下行 不对称性往往存在差异。如果这种差异较大且小区处于满负荷状态时，若整个系统统 一采用相同时隙分配会明显造成系统容量的损失，并随差异的增加而增加。针对这一 问题，定义在采用灵活的小区间不同的时隙分配方案( d a ) 时，相邻小区间上下行交 错的时隙为交叉时隙。但是，采用d a 策略后，相邻小区间新增加的干扰类型会严重 影响系统的性髓。为了灵活有效地利用频谱资源提高容量，提出在交叉时隙采用智能 天线和动态信道分配技术结合的方法避免和减小干扰，提高系统性能。利用智能天线 来避免和减小干扰，同时在动态信道分配算法中利用智能天线的空间信息合理分配信 道，在满足用户服务质量的同时提高了系统的频谱利用率。基于采用智能天线后四种 不同干扰情况下的用户的信纳比的分析，对提出的几种不同的信道分配算法，分别在 s a 和d a 两种情况下进行计算机仿真，并分析、比较和解释了各种信道分配算法的性 能及原因。 其次，基于采用可移动转换点和可移动边界动态信道分配算法的t d s c d m a 系 统，提出了采用较小数据传输粒度策略提高信道利用率，简化信道重组过程的信令和 系统开销，提高数据业务性能的方法：同时在假设系统是同构的条件下提出了系统语 音用户切换到达率的近似和迭代求解算法，使得系统模型更符合实际系统的要求。在 固定转换点可移动边界条件下，采用理论分析的方法建立了二维批量到达的马尔柯夫 过程模型，对语音和数据两种业务的性能进行了分析和计算，结果表明在采用较小数 据传输粒度后，系统的数据业务性能有了明显的提高。在转换点和边界均可移动条件 下，对系统进行了仿真分析，其结果同样表明，当采用较小数据传输粒度策略时，在 不影响语音性能的条件下，链有效的提高系统的数据业务性能。同时分析了语音信道 预留对系统性能的影响，结果显示预留语音信道可以减小语音掉话概率，同时对数据 业务性能有设小改善，采用较小数据传输粒度时效果更为明显。 研究了一种考患上下行不对称和功率受限的混合业务1 r i ) d ，c d m a 系统的接纳控 制方法。通过分析估计各上下行时踩中用户的中断概率并以是否存在上下行时除同 北京交通太学博士学位论文 时满足中断门限为新用户接入系统的判据。得出了功率受限条件下不同小区覆盖半径、 不同业务类型用户的到达率和阻塞概率之间的关系，以及不同时隙分配对系统性能的 影响。同时进一步比较了多码和多时隙两种方案在所提出的接纳控制方法中的性能。 关键词：动态信道分配，t d d c d v l a 智能天线，接纳控制 a b s t r a c t t h et r e n do ft h en e x tg e n e r a d o nw i r e l e s sn e t w o r k sm u s ts u p p o r tm u l t i m e d i as e r v i c e s c o m p a r e d 诚t h t h ew a d i t i o n a lv o i c es e r v i c e o r l e ：t y p i c a lf e a t u r eo fm u l t i m e d i as e r v i c ei st h e a s y m m e t r i c 自沲伍cb e t w e e nt h eu p l i n ka n dd o w n l i n k 1 1 埒f l e x i b l el - i f ：s o u r c ea l l o c a t i o no f t d d c d m as y s t e mi sv e r ys u i t a b l ef o rt h i sf e a t u r e i nt h i st h e s i s ，t h er e s e a r c h e sa r c f o e u s e do nt h el e s o u r e ea l l o c a t i o na n dm a n a g e m e n t , e s p e c i a l l y0 1 1t h et i m es l o ta l l o c a t i o no f t d d ，c d m a f i r s t l y , a l li m p r o v e m e n ti sp r o p o s e dt ot h et r a d i t i o n a ls a ( s a i n et i m es l o ta l l o c a t i o n ) s t r a t e g yo ft h ec o n v e n t i o n a lt d d c d m as y s t e m t h el l - a f f i c ：a s y r l l m 曲 yb e t w e e nu p l i n k a n dd o w n l i n ki sar e m a r k a b l ec h a r a c t e r i s t i ci ne e l l u l a rm o b i l em u l t i m e d i ae o r n m u n i c 撕o i l s f u r t h e r m o r e t h i sa s y m m e t r yi s l i k e l ys i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n tf r o mc e l lt oc e l l i ft h i s d i f f e r e n c ei sb i g e n o u g h a n dm e l l l l w h i e ：t h es y s t e mi sh e a v y 1 0 a d e d ，t h es y s t e m a d o p t i n gs a s t r a t e g yo b v i o u s l yl e a d st oc a p a c i t yl o s s ，n l ed a f d i f f e r e n tt i m es l o ta l l o c a t i o n ) s t r a t e g yi s p r o p o s e d t os o l y et h i s p r o b l e m t h e c r o s s e dt i m es l o ti st h es l o t a s s i g n e d t o u p l i n k ( d o w n l i n k ) f o rac e l lw l l i l ei t i sa s s i g n e df o rd o w n l i n k ( u p l i n k ) i nn e i g h b o r i n gc e l l s h o w e v e r , t h ed as t r a t e g yl e a d st oi l e we x t l ai n t e r f e r e n c et y p e s ，w h i c hd e t e r i o r a t et h e s y s t e mp e r f o r m a n c e i i lo r d e r t ou s i n gs p e c t r u ml e s o h l c ee f f i c i e n t l y a j o i n ta l g o r i t h mw i t l l s m a r ta n t e n n aa n dd y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o ni s p r o p o s e d b a s e do nt h es i n ra n a l y s i s u n d e rf o u ri n t e r f e r e n c es i t u a t i o n s w es i m u l a t et h i s a l g o r i t h m i ns aa n dd a s t r a t e g y r e s p e c t i v e l yw i t hs e v e r a ld y l 3 a m i cc h a n n e la l l o c a t i o na l g o r i t h m s w ea l s oc o m p a r ea n d a n a y z et h ep e r f o r m a n c e sa n a o n gt h e s ea l g o r i t h m si nd e t a i l s e c o n d l y , b a s e do i lt h em o v a b l es w i t c hp o i ma n dm o v a b l eb o u n d a r yd y n a m i cc h a n n e l a l l o c a t i o n s t r a t e g y o f d s c d m as y s t e m w e p r o p o s e t h es m a l l g r a n u l a r i t y d a t a t r a n s m i s s i o na l g o r i t h mt oi m p r o v et h es p e c t r u mu d l i z a d o ne f f i c i e n c y , s i m p l i f yt h ec h a i m e i r e s h u f f l i n gp r o c e d u r ea n da l l e v i a t et h es i g n a l i n gb u r d e n u n d e rt h ea s s u m p t i o nt h a tt h e s y s t e mi sh o m o g e n e o u s ，q 】p r o x i 删ea n di t e r a t i v ea l g o r i t h m so fv o i c eh a n d o f fa r r i v a lr a t e a r ep r o p o s e dr e s p e c t i v e yt om a k et h es y s t e mm o d e l m o r e 口t t , 1 1 1 - a t e u n d e rt h ef i x e ds w i t c h p o i n ta n dm o v a b l eb o t l l l d l l r ys l r a t e g yw ep r e s e n tat w od i m e n s i o n sb a t c ha r r i v a lm a r k o v p r o c e s sm o d e l t od e s c r i b es y s t e ma n d a n a l y z e t h ev o i c ea n dd a t as e r v i c e s p e r f o r m a n c ew i t h t h e o r e t i c a lm e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed a t as e r v i c e p e r f o r m a n c e sa r ei m p r o v e d o b v i o u s l yw i t h 也es m a l l 罂：a n u l a r i t yd a l al r a n s m i s s i o na l g o r i t h m o nt h eo t h e rh a n d u n d e r t h em o v a b l es w i t c hp o i n tn l a dm o v a b l e b o u n d a r ys t r a t e g y , w eb u i l das i m u l a t i o np l a t f o r mt o e v a l u a t et h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h er e s u l t sa l s os h o wt h a t t h i s a l g o r i t h me f f c c f i v e l ? i m p r o v et h ed a t ap e r f o r m a n c ew i t h o u ti n f l u e n c i n go b v o i c e t h ee f f e c t so fv o i c eh a n d o f f g u a r dc h a n n e ls t r a t e g ) a r ee v a l u a t e da n dt h er e s u l t s i n d i c a t et h a ti tc a nn o to n l yr e d u c e v o i c ed r o p p i n g b u ta l s os l i g h t l ye n h a n c et h ed a t ap e r f o r m a n c e ，e s p e c i a h ) 埘t l lt h es m a l l d a t at r a n s m i s s i o n a l g o r i t h m f i n a l l y , w e r e s e a r c ha na d m i s s i o nc o n l l o ls c h e m eo fi n t e g r a t e dv o i c ea n dd a t a t d d c d m as v s t e mc o n s i d e r i n ga s y m m e t r i ct r r 伍ca n dp o w e rl i m i t an e w u s e rc a na c c e s s t h es y s t e mo n l yi ft h eo u t a g ep r o b a b i l i t i e si te x p e r i e n c e so nt h eu p l i n ka n dd o w n l i n kt i m e s l o t sa r eb c l o wat h r e s h o l dv a l u e b a s e do nt h ep o w e rl i m i tt h er c s u l t ss h o wt h ev o i c ea n d d a t ab l o c k i n gp r o b a b i l i t i e su n d e rd i f f e r e n tc e l lc o v e r a g er a d i u s c l a s s e so fc a l l sa n da r r i v a l r a t e s ，i 西es y s t e mp e r f o r m a n c e sa z ea l s oc o m p a r e du n d e rv a r i o u su p l i n l d o w n l i n kt i m es l o i a l l o c a t i o n p a t t e r n s f u r t h e r m o r e m u l t i c o d e a n dm u l f i s l o ts c h e m e sa r e p r o p o s e d a n d e v a l u a t e du n d e rt h ep r e s e n t e da d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m e ， k e y w o r d s ：d y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o n ，t d d t c d i v l a s m a r ta n t e n n a _ c a l la d m i s s i o n c o n l z o l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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交通大学或其它教育机构 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。 签名：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 c 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：日期 第一章绪论 第一章绪论 随着2 1 世纪的到来，全球进入信息时代。信息的产生和传递非常迅速，己影响了 社会的各个方面。经济增长、社会发展以及人们物质生活和精神生活水平的提高对通信 提出了更高、更新的要求。 从第一代移动通信到第二代移动通信系统，蜂窝移动通信系统经过了从模拟到数 字、纯话音到话音和低速数据的发展历程，其覆盖范围从某个城市、国家到全球的部分 区域。但仅此已经远不能满足人们对通信业务日益增长的需求，因而从上个世纪9 0 年 代初就开始了第三代移动通信系统的研究，力图以更先进的技术，支持多种业务和全球 的覆盖范围。 时分双工( t d d ) 的通信系统在无线接入系统c t - 2 、c t - 3 和d e c t 等中已得到广 泛的应用。应用t d d 技术可以有效地利用频带，便于传送不对称业务以及终端小型化。 在第三代移动通信系统三大主流标准中，我国提出的t d - s c d m a 和欧洲的u t r a t d d 都应用了t d d ，c d m a 技术。 1 1t d d c d m a 的基本概念 一般的信息交流都是双向的，对于通信系统也不例外。对于数字移动通信系统而言， 双向通信可以是在频率上或时间上分开，前者称为频分双工( f d d ) ，后者称为时分双 工( ) d ) 。对于f d d ，两个方向用不同的频带，一般两方向的带宽是一致的：而对于 t d d ，两个方向用同一个频带，在一个频带内两个方向占用的时间可根据需要进行调节， 并且一般将两个方向占用的时间按固定的间隔分为若干个时间段，称为时隙。在 c d m a f d d 中，上行或下行的用户用相同的频率，用不同的码字来区分用户。 t d d c d m a 为了能时分双工，同时引入了t d m a 的性质，把一个时间段分为若干个时 隙，每个时隙可以给不同的用户，可以用作上行或下行，每个时隙中的用户用不同的码 字来区分。 对于c d m a 系统的f d d 和瓢) d 两种接入方式，有可能用于不同的情况。t d d 的 主要优点是能处理不对称的数据业务以及它的上下行信道的相关性等。但由于同步实现 的困难以及相关的干扰问题，使其成为t d d c d m a 使用的主要问题。 北京交通丈学博士学位论文 有利于频谱的有效利用： 不需要成对的频率资源，这样可以充分利用那些不成对的频段。分配频段 也较灵活和简单。 更适用于不对称业务： 随着多媒体技术与互联网的迅速发展，对移动通信系统提出了更高的要 求，而一个重要的趋势就是在c d m a 系统中采用t d d 双工方式。t d d 特别 适用于i p 型的数据业务。这种业务往往上下行不对称，f d d 只能是浪费一个 频段；而t d d 可以动态地改变上下行的时隙数，充分利用频率资源。这也是 将t d d 成为第三代移动通信标准的重要原因之一。 上下行链路的信道互惠( r e c p r o c r r y ) ： 由于t d d 上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便于使用诸 如智能天线等技术提高性能和降低成本。在t d d 工作模式中，上行和下行链 路使用相同频率，只要t d d 帧长比信道相干的时间短( 在t d d 移动台慢速移 动条件下成立) ，则可以根据接收信号知道信道的衰落情况，这样对应的信道 就能用于： 开环功率控制 时间空间发射分集( 自适应天线、p r e r a k e ) 设备成本低廉： 由于发送接收共用同一频段，所以就可能简化接收机设计，同时依然保持 有效的抗衰落分集技术。 作为f d d 的扩展： 在h c s ( 分层蜂窝结构) 的应用中，f d d 将应用于大的蜂窝，解决覆盖 问题，应用于对称的话音业务和运动速度高的用户；t d d 将应用于小的蜂窝 中，解决大容量、不对称数据业务和运动速度低的用户。 、，移动速度与覆盖小 t d d 系统的主要问题在移动速度和覆盖距离方面。目前i t u r 要求t d d 达到1 2 0 k r n h ；而f d d 系统则要求达到5 0 0 k m h 。f d d 系统的覆盖可以达到 几十公里；而t d d 系统的覆盖较小。 2 同步问题 为了减少基站间的干扰和移动台问的干扰，需要定时同步。可以用基站处 的g p s 接收机来实现，上行同步也有不少研究成果。总的说来这些方法都会 增加基础设施的费用。 t d d 中可能存在的多种额外干扰： c d m a 系统是自干扰系统，在不同步情况下，t d d 系统中的干扰不同于 f d d 。由于同步的困难以及相关的干扰问题成为1 d d ，c d m a 使用的主要问题， 在t d d 系统设计和运营时必须使用一些方法来避免或减少这些干扰。 对于n ) d ，c d m a 系统小区间的干扰，在大蜂窝时尤为突出。t d d 本身的 特点也使它主要适用于微蜂窝系统。在这些情况下，只要有足够的保护时隙就 可以消除或减小这些千扰。对于较大的蜂窝，大的无线来回时延及时间超前的 值不能适应时隙间保护时隙。在这种情况下，必须采用专门的方法和相互协调 的资源分配方法。 发射功率 1 d d ，c d m a 有着t d a 的元素，导致脉冲功率干扰，需要较大的瞬间发 射功率。f d d 情况下，功率是在所有的时隙下发送的，而t d d 是把功率集中 到某个或某几个时除上发射。 1 3 选题背景 由予t d d c d m a 系统是自干扰系统。用户共享相同的频带资源，通过调整发射功 率满足接收机的接收门限要求，所以，这个问题可以采用资源分配( r e t s o l l l - c e a l l o c a t i o n ) 的方法来获得解决。在t d d c d m a 无线网络中的无线资源管理的目标是解决怎样管理 和分配频谱资源的问题，例如，信道分配、传输速率和功率等问题，来满足系统所有用 户的q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) 1 - t 1 3 。无线资源的管理和分配的重要性是不言而喻的。 在资源管理和分配方面，t d d c d m a 系统与c d m a f d d 系统相比有许多新的特点， 使得这一领域成为研究的热点。 1 3 - 1 无线资源管理 由于移动通信的特点和多媒体业务的引入，空中接口的无线资源成为移动通信系统 进一步发展的瓶颈。研究高效的编码技术、调制技术和分集技术使单链路容量最大化和 向香农界逼近的过程，对于系统容量的提高至关重要，但更需要通过合理调度配置和管 理空中接口的无线资源来最大化系统容量和尽可能满足系统需求。 北京交通大学博士学位论文 无线资源包括： 无线频谱：由于t d d ，c d m a 上下行共用同一频带，体现在时分复用上。 基站：负责和移动用户的连接、释放、通信和切换等任务。 信道：对于t d s c d m a 系统为码字时隙，频带的组合，主要取决于多址接入机 制的不同，根据用户移动性以及系统服务质量q o s 需求的不同，系统可以分配 一条或者多条信道给用户或根据系统变化进行信道重分配。 发送功率：功率值依赖于业务特征上下行链路不同的无线环境，以及移动用户 与基站之间的距离，发送功率与业务速率及带宽紧密相关。 发送时刻：对于支持有限多媒体业务的第三代移动通信系统而言。时延是系统 q o s 性能的重要指标之一，选择合适的发送时刻对于系统负载和性能具有很大 的影响。 1 3 2 无线资源管理及研究现状 无线资源管理r r m ( r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) 负责空中接口无线资源的利用， 监测业务和无线环境的变化，分配并调整上述无线资源的使用以期达到最佳。换言之就 是覆盏尽可能大，容量尽可能高。同时尽可能多地满足不同移动用户的q o s 需求。显然 从确保系统的服务质量获得规划的覆盖区域以及提高容量的角度来看无线资源管理是 必不可少的一环。 下面简要描述无线资源管理的主要内容及其功能。 无线资源估计准( r a d i or e s o u r c ee s t i m a t i o n ) ：它根据系统容量模型和无线资 源信息，以及接收到的外围模型( 如业务模型、用户移动性模型) 的输入参数 估计并预测可用的无线资源，同时控制无线资源信息流的方向，将相应信息提 供给其他元素使用。对于无线资源的估计有很多经典的理论分析和工程描述 ”+ 。它是整个无线资源管理结构中的控制核心和无线资源信息的传递中心， 它对系统整体性能具有决定性的影响。 动态信道分配d c a ( d y n a m i c c h a n n e la l l o c a t i o n ) ：是完成t d d c d m a 无线资 源管理的关键所在。它不仅仅是诸如时隙、波束、信道功率和速率等无线资源 分配的过程，还包括了链路建立之前的无线资源预留和链路建立以后的无线资 源调整过程。在t d d c d m a 系统中由于时分复用的特点，充分利用d c a 可以 很好地避免干扰，从而高效率地利用有限的无线资源，提高系统容量 1 - 1 “4 1 。 呼目q 接纳控制c a c ( c a l l a d m i s s i o n c o n t r 0 1 ) ：c a c 是建立无线链路和分配无线 资源的基础，c a c 判断是否接纳新呼叫主要基于两方面：一方面是r r e 根据 该呼叫的业务类型、当前无线环境的系统负载决定；另一方面是根据特定的接 纳准则如功率和负载准则决定。另外，c a c 还可根据r r e 给出的参考门限和估 计的系统负载调整接纳门限，并将接纳的状况与无线资源管理中其他元素交换 信息【1 - 1 孓1 五”。 队列调度q s ( q u e u es c h e d u l i n g ) ：q s 直接决定时延性能的好坏，根据业务类 型和q o s 需求区分业务信息流，目标是在数据的延时( d e h y ) 和吞吐量 ( t h r o u g h p u t ) 指标上保证用户的服务质量【1 m 】，并送入相应的具有特定优先级的 队列，同时在合适的发送时刻送入d c a 完成调度功能。另外，q s 将根据r r e 给出的参考门限和当前的系统负载调整队列优先级，并将当前队列状况与无线 资源管理中其它部分交换信息。显然，由于队列已满而拒绝接纳用户的任务是 由c a c 完成，而q s 只是要将队列已满的信息传递给c a c 。 切换( h a n d o f f ) ：蜂窝引入移动通信系统的代价就是设备成本和复杂度的提高， 而复杂度主要是为保持通话的连续性而必须进行蜂窝间无线链路的切换带来 的【1 z h - 2 5 1 。它对于移动通信系统的重要性是不言而喻的。 功率控制( p o w e rc o n t r 0 1 ) ：c d m a 是白干扰系统，及时准确的功率控制，可 以减小远近效应等因素对容量的影响，在保证通信质量的前提下，尽量降低发 射功率，减小干扰，并提高移动台电池使用时间，提高系统的整体性能【i 5 】。 本文主要针对动态信道分配接纳控制问题进行了研究。 1 4 动态信道分配概述 一个给定的无线频谱或带宽可以被分割成一组彼此分开或不干扰的无线信道，所有 这些信道可以在保持可接受的通信质量时，同时被使用。采用的技术就是我们熟知的 f d m a 、t d m a 和c d m a 。t d d c d m a 系统就是结合时分和码分两种技术的通信方 式。 对于个特定的无线频谱资源来说，决定信道数量最主要的因素是在每个信道中接 收信号的质量。 信道分配技术研究的目的，实质上就是在一定约柬条件下的最优化问题。根据移动 通信系统的特点，其约束条件就是同道干扰限制、邻信道干扰限制等。一般来说，信道 分配根据比较方式的不同可以划分成不同的种类，如按信道分割的方式可分成固定信道 分配( f c a ) 、动态信道分配( d c a ) 和混合信道分配( h c a ) 。 众所周知，可用的无线频率资源对于无线通信来说是一个非常宝贵的资源。为了更 有效地利用它，增加系统的容量，尽可能的减小系统的干扰。大量的信道分配算法和策 略被提出来，以解决容量极大化和干扰极小化问题。这是通信系统的恒久目标。 由于2 g 系统主要以话音业务为主，不同用户所使用的业务对于信道的需求是基本 相同的，因此在信道分配方案上大都采用f c a 。相对于d c a 而言，f c a 具有实施简单， 几乎没有附加信令负荷，在负荷饱满的情况下接近信道资源的最优利用等特点。在数据 和多媒体业务占有相当比重的3 g 系笺中，由于业务的多样性，使得不同的用户对于信道 北京交通大学博士学位论文 的需求有所不同。由于小区半径越来越小，同样的服务区域所划分的小区数目急剧增长， 使得f c a 的实现愈加困难。同时，f c a ：i ! e 业务支持的灵活性上远不如d c a ，因此从趋势 上讲，3 g 系统，特别是t d d 模式中的信道分配方案将以d c a 为主。 动态信道分配可大致分为两个实旖阶段，一个阶段是呼叫接入时的信道选择，另一 个是在呼叫接入后，为保证业务质量所进行的信道重选。从实施规则上大致可以分为慢速 d c a 和快速d c a 两类【l - 2 6 1 。慢速d c a 可根据系统干扰受限的先验知识，根据负荷情 况，对系统载频和时隙进行占用优先级划分，如t d d 系统中的上下行转换点( s w i t c h i n g p o i n t ) 的设定。快速d c a 可根据对专用业务信道或共享业务信道通信质量监测的结果， 自适应地对资源单元r u ( r e s o u r c eu n i t ，即码道或时隙) 进行调配和切换，以保证业务 质量。 突出d c a 在t d d c d m a 中的重要性主要基于下述原因： 3 g 上厂f 行链路( i 巾l ) 中业务的不对称性要求灵活设置物理帧中u l ，d l 的 转换点。 由于智能天线、功率控制和多用户检测技术的采用，使得u l d l 的干扰受限 条件需要根据链路负荷情况进行动态的调整。 由于c d m a 系统的软容量特征，新增用户的接入会导致其它用户业务质量的 下降，通过适当的时隙安排，可以减小该影响。对于已经接入的用户，由于业 务速率的改变( 尤其是共享信道) 或无线传播环境的变化，同样可能导致业务 质量的下降，但通过小区内或波束间的信道切换，也可以减小该影响。 由于3 g 系统必须支持可变比特速率( v b r ) 业务，对于高速业务，目前只能 通过合并r u 承载的方式实现，因此需要更为复杂的信道集选择方案，该组合信 道方式不但应该满足所需业务质量要求，同时必须有多个时隙多个码道的优化 组合能力。 由于不同小区间u l d l 转换点的不同，有可能导致小区移动终端信号阻塞。 1 4 1 动态信道分配方案的性能评估 根据不同的系统特征和网络运营环境，不同的信道分配方案各有优劣，一般说来， 其性能评价指标主要有以下五种： 呼叫阻塞概率 通信中断概率 的失败概率 信道分配延时 信令业务开销 信道利用率 包括通信过程中业务质量下降引起的通信终止概率和越区切换 即分配方案的执行时间 在选择信道分配方案肘，总体目标是获得较高的信道利用率、令人满意的系统服务 6 第一章绪论 质量、尽可能短的搜寻时间以及采用尽可能简单的算法。所以在确定一个系统采用何种 信道分配方案时，必须综合考虑以上几个对性能有影响的因素，但对不同的系统，其具 体要求不尽相同，这时必须有所侧重。因为在系统的通信服务质量与信道分配算法执行 的复杂性之间存在着矛盾，而且它与信道搜寻时间和信道利用率也有关系。因此任何一 种方案的提出总是不同矛盾折衷的结果。 动态信道分配的主要目标是优化系统资源，在保证q o s 的前提下提高信道的利用 率。对于1 n s e d m a 来说，一个物理层信道可以是码字，时隙，载频，波柬的组合，我们 定义这样的组合为资源单元( r u ) 。 对于t d - s c d m a 系统的d c a 来说，可分为慢速d c a 和快速d c a ，下面分别予 以阐述。 1 4 2 慢速d c a 慢速d c a 是指对小区的资源分配。包括对不同小区的资源分配以及小区内上下行之 间的资源分配。 慢速d c a 遵循以下原则： 在频域内，可以进行频率再用。就一个没有干扰的d c a 策略来说，需要进行对 不同小区的信道分配。在频域内的复用不需要进行频率规划。假如对于一个单 一的运营商来说，有多于一个的载频，也可以采用大于1 的频率复用系数。 在t d d 帧结构中任何一个特定的时隙都可以用于上行或下行。因此，在上下行 间的时隙分配可以很好地适应随时变化的不对称业务。 为了适应不同小区不同的业务，考虑到让相互严重干扰的小区使用不同的时隙， 对小区的时隙分配( 包括上下行时隙) 在较长的时间范围内动态的进行重新分 配。相邻小区是否使用重叠的资源( 比如相同的时隙) ，要具体视干扰的情况 来定 由于用户设备( u e ) 接收和发送数据的非连续性，中间存在空闲的时间间隔， u e 可以在空闲时隙中进行干扰测量。这种功能的可用性也使得运营商可以选择 适合于其网络的d c a 算法。 考虑到不同小区簇对资源的要求不同，基于一簇小区内的干扰，对时隙进行在 该簇小区内的分配。 慢速d i c a 所完成的功能是为备小区的不同信道分配不同的优先级，其目的是为接纳 控 右j d c a 提供参考，以提高其执行速度。某一特定信道优先级划分的依据是其它信道 在本信道所产生的累积干扰低于某一给定门限值的概率。该优先级的值一般根据网络或 移动终端所进行的干扰舅量值计算获得并根据系统负荷动态调整。对于每- - , j , 区，不同 信道按照不同的优先级进行摔序，当有新的信遒占用需要产生时，将首先占用最高优先 级的时隙。根据这一原剜，可以保证系统首先使用干扰最小的信道并可根据相邻小区间 7 北京交通大掌蕾士掌位论文 的实际业务负荷分配网络资源。 1 4 3 快速d c a 在3 g 移动通信系统中，多媒体通信业务所占的比重越来越大，同时为了提高系统 的容量，小区的半径将进一步的缩小，所以对系统的服务质量的保证能力都会有更高的 要求。为了提供所需的质量保证，系统应具有根据无线信道质量和用户业务需求，对已 接入的用户信道进行调整的能力。 快速d c a 是在呼叫按入后，系统根据承载的业务要求、干扰条件以及终端移动要求， 由无线网络控制器( r n c ) 进行时隙和码道的动态调整以及信道问的切换。 快速d c a 可根据对专用业务信道或共享业务信道通信质量监测的结果，自适应的对 资源单元进行调整和切换，以保证业务质量。 引起信道间切换的触发原因主要有两种： 某一信道通信质量恶化，而这一恶化无法用功率控制加以克服。 为了提高系统资源利用率，r n c 需要对已占用资源重新组织。 信道调整的效率和复杂度主要取决于移动终端的码字和时隙的控制能力。以下是快 速信道分配所遵循的一些准则： 基本的资源单元( r u ) 是码字时隙频率波束。 多速率业务的传输是通过将资源单元集中起来分配而实现的，这可以在码域、 时域或空域实现。 上下行时隙中最大可用码字的个数是依赖几个物理环境，例如信道特性、环境 等以及是否使用其它技术来进一步增加容量。 对于实时和非实时业务，信道分配有所不同。实时业务：信道在整个业务持续 时间内都被分配。被分配的资源也可能由于重新分配的操作而改变。非实时业 务：信道只是在数据包被传送的期间被分配给该业务。分配给非实时业务的信 道是变化的，分配的资源数目是根据当前可用的资源数目，以及同时需要进行 数据包传输的非实时业务数。除此之外，也可对允许的非实时业务进行优先级 设置。 信道的重新分配可以由下列原因引发： 由于时变信道带来的干扰变化。 在高速实时业务的情况下( 例如需要多个资源单元的业务) ，需要进行信道 的重新调整，以避免分配给此业务的码宇被分散到过多的时隙中去。 当使用智能天线技术时，信道的重新分配通过将空间彼此隔开的用户放入 同一个时隙中是十分有利的。 快速d c a 大致可以分成以下三类： 随机分配 第一章绪论 根据接入获准情况和业务需求，控制实体随机地从空闲信道集合中选择能 满足该业务需求的信道分配给相应的用户。其实现方式简单、稳健，缺点是一 般不能充分利用业务分布的统计信息不能达到最佳的d c a 性能。 排序分配 根据特定准则，将可分配信道进行排列，根据排列顺序进行信道分配。其 排序可以是自然排序，或逻辑排序如按优先级撵序。该方法中的大多数在一定 程度上利用了系统资源占用情况的统计信息，所达到的性能一般优于随机分配 策略，但实现方式略为复杂，特别是可能会依赖相邻小区间的资源占用情况的 信息交换。由此带来一定的信令开销。 重用最佳分配 根据最小重用距离准则进行信道的分配，当空闲资源中进行的信道分配不 能达到最小重用距离时，允许系统对已占用资源进行重新配置。理论上，著名 的m a x i m u m p a r k i n g ( 紧凑模式) 策略能达到d c a 的最佳性能，但由于其基于 图论的理论，具有极大的计算复杂度。 1 4 4 动态信道分配在t d d i c d m a 系统中的应用和研究现状 第三代移动通信三大标准之一的t d s c d m a 就是采用t d d 的双工方式。其d c a 的实现方式是通过在基站和终端采用测量的方法，应用信道质量准则和业务量参数来优 化信道资源分配【1 妊1 - 3 0 1 。主要包括两种情况下的测量：与t d d 系统建立连接时的初始 d c a 测量和连接模式下的d c a 测量。 在最初的接入中，l y e 开始对广播信道( b c h ) 广播的相关时隙进行测量，并在无 线接入网( r a n ) 分配给u e 的上行信道中报告测量结果。u e 的测量包括： 多个可接收信号的小区公共控制物理信道( c c p c h ) 上的m i d a m b l e 的信号强 度( 用于计算路径损耗) 。 r a n 提供的列表中的所有d l 时隙的接收功率 根据测量报告，r a n 为请求的业务分配适当的信道。 在连接模式下的d c a 测量，主要是为了当处于激活模式时，d c a 需要为资源重组 过程( 小区内切换) 进行信遒调整。包括u e 和n o d e b 测量两部分。 u e 进行的测量包括： 多个可接收信号的小区c c p c h 上的m i d a m b l e 的信号强度( 用于计算路径损耗) r a n 提供的列表中的所有d l 时隙的接收功率 使用的下行信道d p c h 解扩后的s i r 和信道解码前的b e r 估计 下行传输信道解码后的b e r 估计和信道的f e r 估计 n o d eb 进行的蔫量包括： 9 北京交通太聿蕾士学位论文 r a n 提供的5 1 表中上行时隙的干扰 使用的上行d p c h 解扩后的s i r 和信道解码前的b e r 估计 上行传输信道解码后的b e r 估计和信道的f e r 估计 基于以上的测量结果，u t r a n 对可用空闲信道按一定的准则分配给用户( 如随机 分配或排序分配) ，著根据对信道的周期性测量结果和业务特性动态地调整信道分配， 以达到减少干扰，提高系统性能的目的。 由于) d c d m a 的动态信道分配对系统性能有很大的影响，这方面的问题成为这 些年来的研究热点，许多文献都针对d c a 的不同方面进行了研究和讨论【h ”1 。3 7 】。 德国西门子公司和大唐电信研究院也都在致力于d c a 的研究工作，并进一步提出 了频域、码域、时域和空域联合的动态信道分配概念，但未见有相关研究成果的学术论 文发表。 1 5 论文主要内容及结构 由于t d d c d m a 系统特殊的技术特点，其资源管理的策略和方法必然有特殊的要 求。传统的t d m a 技术，如以g s m 为代表的第二代移动通信的资源管理方法，以及 c d m a f d d 系统的资源管