（通信与信息系统专业论文）evdo系统反向链路负载控制算法研究.pdf

摘要 第三代移动通信系统中无线资源管理( r r m ) 起着重要的作用。负载控制是无线资源管 理中重要的组成部分，它通过为不同业务选择合适的实时传输参数，保证了业务的服务质 量( q o s ) 和系统的稳定性。c d m a 2 0 0 0 是第三代移动通信系统的主流标准之一，e v - d o 是 c d m a 2 0 0 0l x 的演进增强版本，研究e v - d o 系统中的负载控制技术具有重大的现实意义。 本文从优化e v - d o 系统负载控制算法的角度出发，着重研究了算法的两个重要组成 部分：a n 侧的r o t 控制算法和a t 侧的反向速率控制算法。本文的主要创新工作和贡献 如下： 1 ) 针对r o t 控制算法，首先研究了r o t 限制下反向的容量极限，然后分析了r o t 门限和载扇问干扰对系统性能的影响；在丌发的仿真平台上设计了一个三载 统验证用户在载扇内的位置分布对载扇间干扰大小的影响。 2 ) 针对现有r o t 算法对载扇问干扰特别敏感的问题，提出了一种降低载扇间干扰的 新方案。仿真结果表明，该方案有效地降低了载扇问干扰，提高了系统的反向容 量和稳定性。 3 ) 针对协议中规定的两种反向速率控制算法【i j ，分别建立模型，结合仿真分析了算 法的关键参数对系统性能的影响。 4 ) 针对现有算法没有考虑用户信道质量的不足，提出了一种基于反向导频强度的改 进方案。仿真结果表明，改进方案有效地提高了系统的容量和a t 的功率效率。 主题词：e v - d o ；反向链路；负载控制；接入终端；接入网：低噪增量；速率控制 知i i ：1 0 ：【1 人：。# “j ! i ：f i j j i 量i ，j ：战1 0 迁 a b s t r a c t t h er a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ( r r m ) i sp l a y i n ga ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nt h e t h i r dg e n e r a t i o n ( 3 g ) m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ja sa ni m p o r t a n tp a r to fr r m ，c o n g e s t i o n c o n t r o lg u a r a n t e e st h eq o sr e q u i r e m e n ta n ds t a b i l i t yo fs y s t e m ，b yc h o o s i n gt h ea p p r o p r i a t e t r a n s m i s s i o np a r a m e t e r sf o rd i f f e r e n ts e r v i c e s s i n c ec d m a 2 0 0 0h a sb e e no n eo ft h e m a i n s t r e a ms t a n d a r d so f3 gm 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 de v d oi st h ec d m a 2 0 0 0ix e v o l u t i o nv e r s i o n ，t h er e s e a r c ho nt h ec o n g e s t i o nc o n t r o lf o re v d os y s t e mi sa ni m p o r t a n t t o p i c a c c o r d i n gt ot h en e e d so ft h eo p t i m i z a t i o no ft h ec o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h m sf o re v d o s y s t e m ，t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e st w oi m p o r t a n tp a r t so ft h ea l g o r i t h m ：r o tc o n t r o la l g o r i t b m ( a ns i d e ) a n dr a t ec o n t r o la l g o r i t h m ( a ts i d e ) t h em a i ni n n o v a t i v ew o r ka n dc o n t r i b u t i o t - 3 - - - t h et h e s i sa r ea sf o l l o w i n g s ： 1 ) f o rr o tc o n t r o la l g o r i t h m ，t h i st h e s i si n v e s t i g a t e st h em a x i m u mr e v e r s el i n kc a p a c i t y s a t i s f y i n gr o tl i m i t a t i o n ，f o l l o w i n gb ya n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo fr o t t h r e s h o l d sa n d i n t e r - s e c t o ri n t e r f e r e n c eo nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ；t h i st h e s i sd e s i g n sas i n g l e 3 - s e c t o rc e l ls y s t e mb a s e do nt h ed e v e l o p e ds i m u l a t i o np l a t f o r mt ov e r i f yt h ei n f l u e n c e o ft h ep o s i t i o nd i s t r i b u t i o no fu s e r so nt h ei n t e r s e c t o ri n t e r f e r e n c e 2 ) t o d e a lw i t ht h ep r o b l e mt h a tt h er o tc o n t r o la l g o r i t h mi se s p e c i a l l ys e n s i t i v et ot h e i n t e r - s e c t o ri n t e r f e r e n c e an o v e ls c h e m et od e c r e a s et h ei n t e r s e c t o ri n t e r f e r e n c ei s p r o p o s e d i ti ss h o w nb ys i m u l a t i o nt h a to u rp r o p o s e ds c h e m ee f f e c t i v e l ys u p p r e s s e s t h ei n t e r f e r e n c e ，a n di m p r o v e ss y s t e ms t a b i l i t y ，w h i l ea c h i e v i n gm u c hc a p a c i t yg a i n 3 ) f o rt w or a t ec o n t r o la l g o r i t h m sp r e s c r i b e db y3 g p p 2 ，t h i st h e s i sb u i l d sm o d e l s r e s p e c t i v e l ya n dm a i n l ya n a l y z e st h ei n f l u e n c eo ft h ek e yp a r a m e t e r so ns y s t e m p e r f o r m a n c e ，c o m b i n e dw i t hs i m u l a t i o n 4 、t od e a lw i t ht h es h o r t c o m i n gt h a tt h ec h a n n e lq u a l i t yi sn o tc o n s i d e r e di nt h e p r e s c r i b e da l g o r i t h m s ，an o v e lr e v e r s ep i l o ts t r e n g t hb a s e de n h a n c e db u c k e ta l g o r i t h m i sp r o p o s e d i ti ss h o w nb ys i m u l a t i o nt h a tt h en o v e ls c h e m ee f f e c t i v e l yi m p r o v e st h e s y s t e mc a p a c i t ya n da t sp o w e re f f i c i e n c y k e y w o r d s ：e v - d o ；r e v e r s el i n k ；c o n g e s t i o nc o n t r o l ；a t ；a n ；r i s eo v e rt h e r m a l ；r a t ec o n t r o l 。 i l i “彳i ；淞i 也久0 “：i j _ j j i ) 生0 i 2 乏 c d m a l xe v 二d o 龌 a n i 玎c m a c q o s r o t r a b t 2 p r p c d r c d s c a c k 跚 s i n r h a r q a m c r l p r a c h c d f 英文缩略语 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址 l xe v o l u t i o nd a t ao p t i m i z e d l x 演进数据优化 a c c e s st e r m i n a l接入终端 a c c e s sn e t w o r k接入网络 r e v e r s et r a 衢cc h a n n e lm e d i aa c c e s sc o n t r o l 反向业务信道媒体接入控制 q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 r i s eo v e rt h e r m a l低噪增量 r e v e r s ea c t i v i t yb i t 反向活动指示比特 t r a f f i c t o p i l o tp o w e rr a t i o业务信道与导频信道功率比 r e v e r s ep o w e rc o n t r o l 反向功率控制 d a t ar a t ec o n t r o l 数据速率控制 d a t as o u r c ec o n t r o l 数据源控制 a c k n o w l e d g e m e n t 确认 r e v e r s er a t ei n i d i c t i o n 反向速率指示 s i g n a lt oi n t e r f a c ep l u sn o i s er a t i o信噪比 h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t混合自动请求重发 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g 自适应调制和编码 r a d i ol i n kp r o t o c o l 无线链路协议 r a n d o ma c c e s sc h a n n e l随机接入信道 c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n 累积分布函数 v i 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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。 研究生签名：奠哗同期： 2 彳争，2 ， 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 日期红7 ，忱f p r 期：妒7 r v f v 绪i 匕 第一章绪论 随着社会经济的发展，人们对通信的需求h 益迫切，对通信的要求也越来越高。移动 通信的出现，带给人们种全新的沟通方式。从早期以f d m a 为核心的第一代模拟蜂窝移 动通信系统，到后来以t d m a 和c d m a 技术为主的第二代数字蜂窝移动通信系统，再到 目前在全球铺丌的第三代移动通信系统( 3 g ) ，系统从仅支持传统的语音和低速率数据业务 向支持大容量、高服务质量和多业务( 语音、图像、数据等) 的方向迈进。个人通信的梦想 “在任何时候、在任何地方、与任何人都能及时沟通联系、交流信息”正逐步变为现实。 1 1e v d o 系统概述 随着i n t e r n e t 与信息技术的高速发展，人们对无线数据业务的需求同益增加，并- 、 掘业务向多样性、大容量和非对称方向不断发展，而c d m a 2 0 0 0l x 的数据业务能力依然 有限，不能满足未来业务需求。为此，2 0 0 0 年3 月在3 g p p 2t s g c 中成立了i x e v 工作 组，旨在制定、提供解决高速不对称分组数据业务的方案：l x e v - d o 技术。 1 1 1e v d o 提出背景 i n t e r n e t 的普及使得市场对广域、高速无线接入的需求急剧增长，无线局域网技术虽然 能够提供较高的数据传输速率，但其在覆盖范围、安全性、计费等方面的不足使其无法作 为公共移动网提供无线数据接入服务。于是，人们寄希望于能够提供较高数据传输速率的 第三代数字移动通信标准i m t - 2 0 0 0 之上。然而从第二代数字移动通信系统向第三代数字 移动通信系统过渡，并不是一次简单的升级，由于技术、市场、业务开发和终端发展等多 方面因素的限制，它们之间的平滑过渡还需要一定的时间，而且在这期间还必须要有一些 新型的通信技术来确保过渡过程的平滑性。l x e v - d v 由于技术的复杂性、产业链等方面的 原因，一时还难以商用，在这样的背景下，一种折中的技术解决方案c d m a 2 0 0 0l x e v - d o 应运而生。图1 1 给出了c d m a 2 0 0 0 版本演进路线图： 3 g p p 2 1 1 2e v d o 设计思想 图卜ic d m a 2 0 0 0 版本演进路线图 数据和语音具有不同的特性。数据业务对实时性的要求低于语音业务，数据业务对误 比特率的要求高于语音业务。一般而言，前向数据业务的速率需求较反向高出数倍，而语 音业务则为严格的对称业务。因此，像在c d m a 2 0 0 0l x 系统中那样，将数据业务和语音 业务通过扩频码复用在一起，并通过快速功率控制来共享基站的发射功率和频率资源，对 于高速数据业务来说系统效率较低。 c d m a 2 0 0 0l x e v - d o 系统的设计思想是将高速分组数据与低速语音及数据业务分离 开来，利用单独载频来提供高速分组数据业务，而传统的语音业务和中低速分组数据业务 由c d m a 2 0 0 0l x 系统承载。不同于c d m a 2 0 0 0l x 系统采用闭环功率控制技术以抵消信 道衰落带来影响的传统方法，l x e v - d o 借助于新的帧结构、更短的时隙，采用“机会主义” 前向调度算法，始终以最大功率为当前传输速率最高的终端服务，从而将对抗信道衰落转 变为利用信道衰落，实现了系统整体数据吞吐量的极大提高。这是无线传输在思想上的重 大转变，这样不但可以获得更高的频谱效率，网络设计也比较灵活。在具体设计时，充分 考虑到l x e v - d o 系统与c d m a 2 0 0 0l x 系统的兼容性，并利用双模终端的互操作，来实现 低速语音业务与高速分组数据业务的共同服务。 从无线链路设计上看，c d m a 2 0 0 0l x e v - d o 系统设计最初是针对非实时、不对称的 高速分组数据业务。作为i n t e m e t 的无线接入手段，主要提供网页浏览、文件下载等传统 互联网业务，并未考虑满足实时业务的需求，而传统互联网业务都具有上下行不对称、对 时延要求不高的特点。不对称即系统的前向数据量远远高于反向数据量，因此，设计 l x e v - d o 系统时重点改善了前向链路，对反向链路的优化相对较少。d or e v0 系统前向 2 i 菇：j i ： ：l ：i ，、。+ ：“：j 0 ；i 。j e7 i ：j ：0 7 i 2 上；矗二 链路采用了时分复 j 、自适应调制编码( a m c ) 、混合自动清求重发( h a r q ) 、多用户调度、 功率分配和虚拟软切换等关键技术；而最初系统的反向链路基本沿袭了c d m a 2 0 0 0l x 的 技术，只足为配合前向增加了速率控制机制。从最终网络应用的结果来看，系统设计达到 了预期的目的。以传输速率为例，d or e v0 系统在单扇区满负载的情况下，可以提供平均 为6 0 0 k b s 的上网速率，达到与有线网络( 如a d s l ) 基本相同的水平。 有对称数据速率要求的时延敏感型应用需求正r 益增长，比如无线游戏、视频电话 ( v t ) 、v o i p 等。为了满足相应的时延要求，需要更高的频谱效率和更完善的分组调度技 术。为此，3 g p p 2 和t i a 在2 0 0 4 年3 月接受了增强的d o 系统版本：e d m a 2 0 0 0l xe v - d o r e v i s i o n a ( d o r e v a ) 。表1 1 给出了e v - d o 系统不同版本的业务性能。相比于d or e v 0 系统，d or e va 系统主要提出了以下几个方面的改进【2 】： 1 ) 提高了系统反向的数据吞吐量。d or e v a 系统的反向链路支持的峰值速率达到了 1 8 4 3 2 m b s 。 2 ) 改进了系统的前向链路。d or e va 系统增加了对更高的数据传输速率( 3 1 m b s ) 和更低的速率( 4 8 k b s ) 的支持，从而大大提高了空中接口的数据打包效率，提高 了用户信道条件好时的瞬时吞吐量。 3 ) 增强了对q o s 的支持。为支持q o s ，系统在物理层、m a c 层以及更高层都进行 了改进。前向链路增加了对更小数据包的支持，利用对时延敏感的小包传送。前 向多用户可同时发送，减少等待时间，并且r l p 和m a c 支持对多流的分类。反 向链路采用子分组发送，降低平均发送时延，m a c 层采用业务信道与导频信道 功率比( t 2 p ) 可有效减小对时延敏感的业务的时延和抖动。为了提升切换速度， 新增了反向d s c 信道，避免切换引起的业务中断和时延。并且，增强的r l p 支 持灵活的q o s ，增强时隙模式减少了时延敏感型业务的连接建立时间。 1 2 课题研究背景与意义 随着高速无线分组网络需求的快速增加，人们越来越重视无线分组网络的理论和应用 研究，新的无线分组标准不断出现并变得越来越成熟。c d m a 2 0 0 0i x e v - d o 币是一种基 于码分复用的无线分组网络，能够支持多种终端服务，比如文件传输( f t p ) 、电子邮件 ( e m a i l s ) 、i p 电话( v o i p ) 、视频电话( v i d e ot e l e p h o n y ) 、交互游戏( i n t e r a c t i v eg a m i n g ) 、 照相手机( c a m e r ap h o n e s ) 等。它们中的许多应用需要满足一定的q o s ( 如时延、吞吐量和 误比特率等) 要求，同时对速率也提出了更高的要求，这意味着系统需要提供更多的无线 资源并且对无线资源要有更复杂的控制机制。但是e v - d o 系统中的无线资源( 如频谱、功 率、速率、时隙和码字等) 却很稀缺，因此无线资源的控制与优化问题就成为该系统中的 一项重要的研究课题。 e v - d o 系统的前向链路由于采用了一系列先进的技术，比如自适应分组i 碣度、h a 。， a m c 等i l4 1 ，相比于反向链路，有着更高的系统容量。e v - d o 系统前向链路的峰值速率达 到2 4 m b p s ，平均载扇容量达到1 2 m b p s ；而e v - d o 系统反向链路的峰值速率只有1 5 3 6 k b p s ， 平均载扇容量大约2 4 0 k b p s 】( 在d or e va 系统中前反向容量均有一定的提高) 。这种前 反向链路数据速率的不对称性是与系统设计初期数据应用( 比如f t p 、h t t p 等) 的特点一 致的，但随着多媒体应用需求的快速增加，e v - d o 系统的反向链路逐步成为系统性能的瓶 颈，学术界也开始关注反向链路资源的合理分配问题。 当前e v - d o 系统正面临商用的考验，而反向负载控制是衡量资源使用效率、体现系 统性能的一项重要指标，故对其研究以使系统反向负载控制达到一定的水平具有重要的意 义。 本课题的理论研究与分析工作为e v - d o 系统反向负载控制优化提供了一种有参考价 值的评估方法，并为具有速率控制机制的c d m a 系统容量和稳定性研究提供了一种新的 探索思路。 1 3 国内外研究现状 c d m a 系统是一个自干扰系统1 。在c d m a 系统中，所有的用户在相同的时域和频 域传输数据，不同的用户采用不同的扩频码来区分，由于扩频码的不完全币交特性，每个 用户的信号都成为其他用户的干扰。同时，c d m a 系统是一个干扰受限系统，即干扰对系 统的容量有直接影响。当干扰达到一定程度后，每个用户都无法正确解调自己的信号，此 i ；j ：i i l i ；! u 人与i ：m ：t = 圩。，。7 兰学f , z f 2 乏 - 1 ：匕 时系统容量也达到了极限。这样c d m a 系统的干扰控制就成为一个重要的研究课题。 系统的稳定性要求系统容量小于极限容量，但系统容量小于极限容量并不能保证系统 达到预期的性能。通常在系统容量和稳定性之间需要作出权衡：如果系统容量远小于极限 容量，无线网络的频谱利用率将变得很低；如果系统容量太接近极限容量，无线网络的稳 定性将变得很差。为了控制e v - d o 系统反向链路的干扰，使得系统容量和稳定性都保持 在一定的水乎，基站通过比较系统测量的r o t 和预设的r o t 门限确定反向活动指示比特 ( r a b ) 值，然后由前向r a 信道广播给系统内的用户，用户依掘解涧的r a b 值和所采用 的速率控制算法自动调整传输速率。在d or e v0 系统中，用户采用转移概率算法调整反 向传输速率1 2 】【7 1 ，这种方法的缺点是：对系统r o t 值的控制不够精确，因此不能将系统负 载稳定地保持在一个较高的水平。为了适应新业务的发展需要，d or e v a 系统进行了一定 的改进，用户在反向链路上采用令牌桶机制控制反向传输速率【7 】，从而更精细的控制系统 的反向负载。 目前学术界对e v - d o 系统反向链路的负载控制问题已经取得了一定的研究成果。文 献【& 9 1 介绍了两种r o t 控制算法，针对基于负载计算r o t 算法在载扇间干扰严重时准确度 降低的先天性不足，文献【1 0 1 1 】进行了深入的分析，但并没有给出有效控制载扇间干扰的方 案。 文献【1 2 1 4 j 通过计算仿真研究了i x e v - d o 系统反向速率控制机制的性能，文献【1 5 】研究 了系统参数设置对速率控制性能的影响。文献f 1 2 - 1 5 】虽然认识到控制系统内不同位置用户最 大允许速率的重要性，但并没有对该问题进行深入的研究。 文献【7 1 【1 6 】【1 7 1 中，c h r i s t o p h e rl o t t 将e v d o 系统中的反向速率控制问题归纳为一个效 用最大化问题( u t i l i t ym a x i m i z a t i o np r o b l e m ) ，分析了概率转移算法和令牌桶算法的性能， 并得出了每个用户分配相同资源的情况下系统效用最大的结论。对于系统效用最大化问题 的研究也可参见文献【1 8 之1 1 。上述文献中一般将反向链路的资源分配问题归纳为多个假设制 约下的最优化问题，主要的假设是考虑系统稳定性的要求，基本没有考虑信道的质量和用 户的位置，因此得到的一定准则下的最优资源分配方案都是在用户间平均分配资源 7 1 1 1 6 】【l7 1 。但考虑到c d m a 系统的自干扰特性，在实际系统中，这种资源平均分配的策略 一般会降低频谱资源的利用率，带来反向容量的损失。比如，传输相同的数据速率，小区 边缘的用户要比其他用户发射更大的功率，从而加重对其他小区的干扰。 针对d or e v0 系统，学术界已经提出一些考虑信道质量的改进算法【2 2 之6 1 ，文献【2 2 副l 将前向链路导频功率引入到概率转移算法中，每个用户的转移概率会根据自身的导频强度 进行一定的调整，但它们中的大多数算法都需要额外的丌销消息，增加了系统资源的消耗， s i o j j i j - | ：乙j ：“贝i j i ：玎j ：二j ：0 二f t ；2 乏；】； 在用户多时降低了系统的效率。对于d or e va 系统的令牌桶算法，国内外的研究还很少， 目前针对速率控制算法的研究基本还停留对转移概率算法的改进，文献【2 7 之8 1 在介绍d or e v a 系统反向m a c 层设计和分析反向链路性能时，涉及到令牌桶算法的部分也只是进行了 简单的介绍。总的来说，相比前向，反向的研究明显滞后，本文将研究e v d o 系统反向 链路负载控制算法。 1 4 论文组织结构 全文共分六章，各章内容安排如下： 第一章绪论。首先对e v - d o 系统进行概述，简要介绍了e v - d o 系统的提出背景和 设计思想，引出了本论文的研究背景和意义，然后论述了本课题国内外的研究现状，最后 介绍了论文的组织结构。 第二章介绍了c d m a 系统中的负载控制技术，并重点论述了负载控制的两个主要功 能：过载识别和拥塞解决。 第三章首先介绍了e v - d o 系统反向业务信道的基本组成，然后给出了系统中几种主 流的负载控制算法，并着重论述了令牌桶算法的详细流程，最后简要介绍了丌发的仿真平 台，并对本文仿真用到的仿真参数进行设置。 第四章重点讨论了a n 侧的r o t 控制算法。e v - d o 系统的性能受多种因素影响，本 章首先分析了r o t 限制下系统的容量极限，然后就不同的r o tf - 3 限以及载扇间干扰对系 统性能的影响进行研究，并在开发的仿真平台上设计了一个三载扇系统验证用户在载扇内 的位置分布对载扇间干扰大小的影响。在上述分析的基础上，针对负载计算r o t 算法对 载扇间干扰特别敏感的问题，提出了一种降低载扇间干扰的新方案，并通过仿真验证了新 方案对系统性能的提高。 第五章重点讨论了a t 侧的反向速率控制算法。首先根据协议对两种主流的反向速率 控制算法分别建立数学模型，然后结合仿真分析了算法中影响系统性能的关键参数；对其 中的令牌桶算法进行优化，提出了一种基于反向导频强度的改进算法。最后通过仿真分析 和比较了三种反向速率控制算法的性能。 第六章全文总结。通过对论文的回顾，总结得与失，并对以后的工作方向提出了自 己的看法。 6 筇一：牵 ( d m 、系统书胸负找拎i k 、 第二章c d m a 系统中的负载控制技术 无线资源管理的个重要作用是保证系统不过裁并保持稳定f 2 引。如果系统进行了恰当 的规划，并且接入控制和分组调度工作都做得足够好，就可以大大降低过载发生的可能。 但是一旦过载发生，无线资源管理中的负载控制策略将指导系统的各项参数来保持系统的 稳定，使得系统能够迅速回到网络初始规划时期所要求达到的性能。 负载控制模块在无线资源管理体系中相对独立，它可以看作一种网络优化措施，保证 网络更好的工作。由于进行负载控制判决时需要全局负载的一些信息，所以目前被放在了 无线网络控制器( r n c ) 中而非基站( n o d e b ) 中进行。负载控制和其他无线资源管理机制交 互信息较少，在很多文献和工程中又称为拥塞控制，对于c d m a 接入系统来说，需要有 效的负载控韦0 机制来保证系统稳定和高效地工作，无线接入的负载控制问题仍属于一川 的研究课题。 2 1 负载控制简介 负载控制功能分成两部分，正常情况下负载控制的目的是保证系统不过载并保持工作 在稳定状态。为了实现这个目的，负载控制必须和接入控制以及分组调度算法紧密合作， 以保证系统不过载，一般称这时的机制为预防负载控制算法。但在特殊情况下，比如信道 环境突然恶化，系统受到的干扰突然急剧增加，导致系统瞬时过载，负载控制此时的功能 是以相对较快的速度降低系统负载，从而使系统能够迅速回到网络初始规划时期定义的稳 定状态。 由于系统过载，以一定q o s 要求接入系统的用户无法获得满意的服务质量，系统将会 发生拥塞。在以下几种情况下会发生由于过载引起的拥塞： 1 ) 在a t 接入过程中，系统会分配资源，即分配证交扩频码给a t 并评估申请接入的 a t 传输业务时的信道特性，设置足够多的冗余量判决a t 是否能够接入。但在实 际系统中用户传输业务的信道特性很难正确预估，当用户基于分配的扩频序列进 行业务传输时，考虑到用户的移动性和信道的时变性，不同扩频序列之间的正交 性会弱化，将产生码问干扰，造成干扰受限系统的容量减少，导致系统过载。 2 ) 服务小区无法控制小区间干扰，在接入控制时小区间干扰对于服务小区来说是一 个统计平均值，但实际系统中小区干扰变化剧烈，由于用户的移动性以及业务q o s 7 j 玎；，l ：也，i ：“! j 研7 宅。位沦乏第二：于c i ) 、1 、j i ：凭： 咱0 吹；f ：鲋j 上、 要求的不同，小区i 日十扰呵能在某个时刻变化非常大，导致系统瞬时过载。 3 )系统在前向链路分配给每个a t 的发射功率都是基于a t 所处位置及其对应的信道 状况，在大部分a t 都处于小区边缘即信道状况恶劣的情况下，前向链路的功率控 制失效导致系统突然过载。 4 ) 如果系统支持可变速率传输，处于基站附近信道状况良好的用户突然增加传输速 率，会导致整个小区的容量减小，产生“小区呼吸”现象，这时对处于小区边缘， 即处于“呼吸区域”的a t 来说系统过载。 5 ) 在切换过程中具有一定q o s 要求的a t 由于申请切换的小区没有足够的资源拒绝 切换也会导致原小区过载。 为了保证接入的用户能够以要求的q o s t - f 常工作，必须采用负载控制机制保证系统不 过载。对于负载控制来说，主要实现以下两方面的功能：1 过载识别；2 拥塞解决。下 面两节将分别进行介绍。 2 2 过载识别 过载识别主要包括以下两个方面：( 1 ) 控制每条通信链路的目标信噪比( s i r ) ；( 2 ) 监 控前反向链路的负载。在系统运行的任意时刻，负载控制都处于激活工作状态。如果接入 控制完全理想，系统永远不会出现过载，也就不需要采用负载控制机制。在系统网络规划 时，系统的负载因子门限值设置的越高，系统出现过载的概率越大。 在以下几种情况下，系统会过载，从而触发负载控制，系统必须能够识别出此时的拥 塞现象。 1 ) 在一定时间范围内系统的负载连续超过负载门限值： 1 1 f 见r l 腑 ( 2 一1 ) 在公式( 2 1 ) 中，r ，。是定义的负载门限值。需要注意的是，如果接入控制为每条链路分配了 最小的扩频因子，则当移动用户想切换到负载已经很高的小区，或者不连续传输业务( 如 采用了话音激活技术的话音业务或者是突发性的w w w 业务) 传输的业务量在一段时间内 大于规划时设置的业务量，此时会触发系统负载超过门限值。另外，如果在接入控制中为 每个申请资源的a t 分配了平均的扩频因子，即不考虑每个a t 传输的q o s 要求都分配相 同的资源，则由于不同业务的q o s 不同，此时也容易引起系统过载。总之，在这种情形下 必须合理预估系统的干扰和负载，采用合适的接入控制策略，避免过载现象出现，即要在 接入控制和负载控制之间寻找最佳平衡点。 r 订i i ；! l 久。：颧t ：f i ；i - h i - ：7 - 位：2 乏节：乖c i ) m 、i j ；一：0 1 4 芯挖：纠i _ ：、 2 ) 在一段时| 目j 内测量得到的s i r 低于 标s i r 。这种情形一般发生在如。卜场景： 小区问一= f 扰增加； 使用随机接入信道( r a c h ) 等公共控制信道传输信息的a t 数目增加，由于公共控 制信道自身的随机性造成f 扰增加； 由于“小区呼吸”造成小区边缘的用户不再处于基站的有效覆盖范围内。 这种情形下可以通过计算如下参数来判断是否发生了拥塞： 秒= 屈( s i r , 一跳州) ( 2 - 2 ) ， 对于每一个无线接入承载来说，都需要估计测量得到的s i r 和目标s i r 之间的差值， 把该差值再和参数屈相乘，屈实际上是一个权重值，它由用户所传输业务的q o s 来决定， 屈 0 。一旦系统检测到在一定时间范围内0 都小于门限值，这时触发相应的负载控制算 法。 实际上，如果是由于特定用户因“小区呼吸”导致获得的s i r 小于目标s i r 值，这时即 使采用了理想的闭环功率控制算法来增加发射功率，也无法使得该用户的s i r 达到目标 s i r 值，因为在这种情况下功率控制无法收敛，发射给该用户的最大发射功率是受限的。 2 3 过载解决 过载解决一般也称为拥塞解决，在实际系统中可以采用很多方法使系统从拥塞状态转 移出来。但是无论采用什么类型的负载控制算法，都必须执行以下步骤【2 9 j ： 1 ) 优先级排队。把服务的用户按照q o s 从高到低进行排序，具有严格的高q o s 要求 的用户具有最高优先级，而那些对传输速率和传输时延都不敏感的用户则具有最 低的优先级。在具体衡量用户的优先级时，可以把不同的传输参数，如传输速率、 传输时延、信道质量等，作为代价函数输入，根据代价函数最后的输出值大小对 用户进行排序。 2 ) 释放系统容量。当检测出系统处于过载状态时，需要减小用户的传输格式组合集 ( t f c s ) 。减小t f c s 有多种方法，比如减小某些用户的t f c s ，或者对所有用户的 t f c s 都稍微减小一点，根据前面计算得到的不同用户的优先级来减小用户的 t f c s ，减小公共传输信道传输业务的t f c s 等。 3 ) 容量重检查。执行完上面所述的容量释放操作后，需要重新检查系统的容量，如 果此时系统已经不处于过载状态，则负载控制解决策略执行完毕，如果检测出系 9 i 工：鹾：u ? j 。：“! j 0 j ：蔓：i f 迂i 2 乏彳；一：t【d * i ，、乐莨：；f i ：j 毵我 ；岛j ： 统仍处于过载状态，则需要返凹重新执行释放系统容量的操作，重新执行容量的 释放。 值得注意的是，当系统处于非过载状态时，由于执行负载操作导致t f c s 改变的用户 将按照t f c s 改变前的优先级顺序恢复到负载控制执行前的状态。 2 4 本章小结 负载控制是无线资源管理中重要的组成部分，本章主要对c d m a 系统中的负载控制 机制进行了简单的概述，并重点介绍了负载控制的两个功能：过载识别和拥塞解决。 l o 第三章e v d o 系统反向负载控制算法 e v - d o 系统的反向负载控制算法与反向业务信道的结构紧密相连。为了论述清楚 e v o d o 系统的反向负载控制算法，本章首先介绍了系统的反向业务信道结构和功能，在此 基础上对高通公司推荐的两种r o t 算法【8 9 1 和3 g p p 2 协议规定的两利，速率控制算法进行 概述，并重点介绍了其中令牌桶算法的实现流程。最后简要介绍了本文仿真用到的仿真平 台和仿真参数。 3 1 反向业务信道 图3 1 所示为d or e va 系统反向业务信道结构图。反向业务信道包含导频( p i l c 卜。 道、辅助导频( a u x i l i a r yp i l o t ) 信道、m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 信道 由r r i ( r e v e r s e r a t ei n d i c a t o r ) 子信道、d r c ( d a t ar a t ec o n t r 0 1 ) 子信道和d s c ( d a t as o u r c ec o n t r 0 1 ) 子信道 组成】、a c k ( a c k n o w l e d g e m e n t ) 信道和数据( d a t a ) 信道，其中辅助导频信道和m a c 中的 d s c 信道是d or e v a 系统中新增加的子信道。它们之间用w a l s h 码区分。 3 1 1 导频信道 r _ t d or e v0 系统摹 匕_ j 础上修改后的信道 鲧万了曩焉羽在d o r e vo 系统摹 戳。矗立翻础上新增加的信道 图3 1 d or e va 系统反向业务信道结构图 导频信道主要用于系统捕获及导频信道质量测量。反向导频信道和其他信道采用码分 复用方式。在d or e va 系统中，反向业务信道调制方式从低阶( b p s k ) 增j j h 至w j 高阶( 8 p s k ) ， 对信道条件估计的准确度更加敏感：d or e va 系统中每个扇区所能容纳的用户增加了l l i j i i | ：i 疋：j o ijf j f ，：7 i - j f 沦乏 ：二- 幸：! - v i 、o ；纛：踅j 一】i j j 址 j ! ：觇 倍，由于e v - d o 的反向链路用户之问采用码分复埘，用，1 越多自j t - 扰越人，所以d or e v a 系统增加了辅助导频信道，确保a n 在反向链路接收的性能。反向业务信道的两种导频 信道部是在i 路发送全0 序列，主导频用喇6 扩频，辅助导频用略扩频，辅助导频相对 于数据信道设霞信道增益。 3 1 2 反向m a c 信道 反向m a c 信道包括r r i 子信道、d s c 子信道及d r c 子信道，下面将分别进行介绍。 1 ) r r i 子信道：m a c 中的r r i 子信道是a t 用来告知a n 反向业务信道负载的物 理层数据包长度和当前传输的数据子包编号：r r i 子信道采用双正交编码l lj ： w 2 ，+ l ，2 j i fj = o d d 2 。【，! j i fj 2 e v e n 其中，f 为4 b i t ，指示负载的数据包长；，为2 b i t ，指示每个物理层包中4 个数据 子包的编号。3 2 位双正交编码经过4 次重复，然后用纠6 扩频。 2 ) d s c 子信道：出于最大化整个网络吞吐量的考虑，d or e v0 系统没有采用传统 的软切换，而是使用了快速小区选择( f c s ) 技术。该模式下，a t 不断检测激活 集中所有小区的信噪比( s i n r ) ，选择信道条件最好的小区。这种方式避免了软 切换造成的资源浪费，但同时在小区切换时造成了业务的暂时中断。为了避免这 种暂时中断，d or e va 系统在反向业务信道增加了d s c 子信道。当a t 需要进 行小区切换时，它首先将含有目标小区有关信道的数据通过d s c 信道发送出去， 切换过程的准备工作可以在a t 仍然同原小区通信时提前进行。d s c 消息生效后， 新小区存储了切换时间内到达的a t 数据，a t 就可以无缝地切换到新小区。 3 1d r c 子信道：a t 通过d r c 子信道向a n 快速反馈前向信道的质量，包括下一 个时隙( 1 6 6 6 m s ) 所能接收的最高前向速率以及期望从哪一个扇区接收数据。a t 测得当前位置激活集中各扇区的s i n r ，选择最好的扇区并估计最好的扇区所能 负载的前向速率，然后通过d r c 信道向a n 发送速率申请。d r c 信道包含两类 ， 信息：4 b i t 的d