WCDMA系統(tǒng)的無線資源控制和管理

柴瑜　沙斐　　北方交通大學(xué)
　　摘要：文章介紹了WCDMA系統(tǒng)的無線資源的內(nèi)容及對其的管理與控制，包括信道資源分配、軟切換策略、功率控制、接入控制、負荷控制、分組安排等。



　　1　概論


　　CDMA系統(tǒng)的主要無線資源要素包括：頻率、碼字、功率、導(dǎo)頻相位偏置等。其中，由于CDMA系統(tǒng)自干擾受限的特點，系統(tǒng)發(fā)射功率和系統(tǒng)中的干擾電平是影響系統(tǒng)容量的決定性因素。CDMA中所有資源管理與控制策略都是以系統(tǒng)中基站和移動臺的發(fā)射功率和總干擾電平為中心的，其根本目標(biāo)就是盡可能地降低系統(tǒng)中的擾電平，減少基站與移動臺的發(fā)射功率，以提高系統(tǒng)容量。


　　2　WCDMA中的信道資源分配策略


　　為了充分地利用有限的頻譜資源，工程師們對信道資源的分配策略進行了深入的研究，并提出了不同的分配策略，如信道固定分配（FCA），信道可變分配（DCA），信道混合分配（HCA）等。在FCA策略中，一個大的服務(wù)區(qū)域被劃分為多個小區(qū)，根據(jù)復(fù)用方式的要求把可用信道均勻地永久地分配給每個小區(qū)。但是FCA有一個很大的缺點：由于實際的話務(wù)量無論在時間上還是空間上都是非均勻分布的，當(dāng)一些小區(qū)話務(wù)量增大時，這些小區(qū)的掉話率和阻塞率就會升高。而同時在一些話務(wù)量較小的地區(qū)信道利用率卻很低。這使得整個系統(tǒng)的性能有所下降。DCA正是針對FCA的這些缺點提出的。與FCA相反，在DCA策略中，信道與小區(qū)之間沒有任何關(guān)系。只要滿足同信道復(fù)用距離及干擾限制的條件，每條信道可以被所有小區(qū)使用。每個小區(qū)只能在用戶通話過程中占用這條信道。實際中DCA策略多種多樣，但它們所考慮的主要因素大致可以分為三類：干擾信號強度、話務(wù)量的變化、信道復(fù)用的可能性。


　　從控制方式上區(qū)分，DCA可分為集中式和分布式兩種。集中式中當(dāng)一個用戶發(fā)起呼叫時，由中央控制器從所有可用信道中選擇一條分給移動臺所在的小區(qū)。為了得到各小區(qū)信道的使用狀態(tài)，要求中央控制器和服務(wù)區(qū)內(nèi)所有基站控制器（BSC）之間傳輸大量的信令和數(shù)據(jù)，這就加重了系統(tǒng)的信令負荷。從一些仿真結(jié)果中可以看出，集中式所分配的信道接近于最佳分配信道。因此使用集中式DCA的系統(tǒng)在分配信道時會有一個與服務(wù)區(qū)大小成正比的時延。分布式則完全不同，當(dāng)一個用戶發(fā)起呼叫時，BSC就會根據(jù)其周圍部分小區(qū)信道的使用狀態(tài)分配信道。所以分布式DCA分配信道的時延很小。但是由于分布式所考慮的范圍較小，它的穩(wěn)定性不如集中式。


　　在WCDMA-FDD（頻分雙工）系統(tǒng)中信道帶寬是5MHz，這樣上下行加起來帶寬就是10MHz。這樣除非運營商有幾十兆赫帶寬（現(xiàn)代通信中這幾乎是不可能的），F(xiàn)DD系統(tǒng)才會有足夠的信道可用來做信道可變分配，所以FDD通常使用的是FCA分配信道。使用FCA會由于不可變的分配信道而降低系統(tǒng)頻譜利用率�？紤]到要對分層系統(tǒng)分配頻譜，信道帶寬越窄，這個多址系統(tǒng)就越使用多層結(jié)構(gòu)，因此在TD-CDMA中我們采用的是DCA。


　　3　WCDMA的軟切換策略


　　軟切換是指移動臺在中斷與原來基站的業(yè)務(wù)通信之前，和工作在相同頻點的另一基站建立起業(yè)務(wù)聯(lián)接。軟切換是CDMA系統(tǒng)特有的關(guān)鍵技術(shù)之一，是系統(tǒng)無線資源與優(yōu)化的重點，軟切換算法和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置直接影響著系統(tǒng)的容量和服務(wù)質(zhì)量。軟切換用戶比例過低會降低宏分集增益，減小系統(tǒng)容量，而如果軟切換用戶比例過高則會占用基站過多的發(fā)射功率，占用過多的無線資源，同樣會造成系統(tǒng)容量的下降。


　　WCDMA的軟切換算法使用導(dǎo)頻信道的E_c/I_o作為切換測量數(shù)值。它與IS-95類似也有有效導(dǎo)頻集、候選導(dǎo)頻集和相鄰導(dǎo)頻集和剩余導(dǎo)頻集。


　　1）當(dāng)小區(qū)2的信號強度逐漸增強，導(dǎo)頻強度E_c/I_o達到（最好導(dǎo)頻E_c/I_o－（報告門限－增加滯后門限））并維持時間，而有效集沒有滿，此時，小區(qū)2被加入到有效集里，該動作稱為無線鏈路增加。


　　2）小區(qū)3的信號強度逐漸增強并開始超過最早的小區(qū)1的信號強度，在小區(qū)3的導(dǎo)頻強度E_c/I_o達到（最弱導(dǎo)頻E_c/I_o+替換滯后門限）并維持△T時間，而此時有效集的數(shù)目已滿（假設(shè)此時系統(tǒng)設(shè)置的有效集最大數(shù)目是兩個），小區(qū)3（候選集中最強的信號）此時替代小區(qū)1（有效集里最弱的信號）加入到有效集里，小區(qū)1同時被移出有效集。該項動作也被稱為混合無線鏈路增加和釋放。


　　3）有效集中小區(qū)3的信號強度逐漸減弱，當(dāng)小區(qū)3的導(dǎo)頻強度E_c/I_o弱到最好導(dǎo)頻E_c/I_o－報告門限+刪除滯后門限）并維持△T時間，小區(qū)3有效集里最弱的信號）此時被移出有效集。該項動作稱為無線鏈路釋放。


　　其中，報告門限是軟切換中要增加或刪除有效集中的小區(qū)的門限：△T是留給動作觸發(fā)的時間：導(dǎo)頻是指經(jīng)測量后導(dǎo)頻的強度；最好導(dǎo)頻是指有效集里信號最強的導(dǎo)頻；最弱導(dǎo)頻是指有效集中信號最弱的導(dǎo)頻；最好候選導(dǎo)頻是指候選集里信號最強的導(dǎo)頻。


　　滯后門限分為三類：


　　*增加滯后門限是要增加無線鏈路的滯后門限


　　*刪除滯后門是要刪除無線鏈路的滯后門限


　　*替換滯后門限是要同時增加并釋放一條無線鏈路的滯后門限


　　區(qū)別于IS-95A和IS-95B的絕對門限切換策略，WCDMA使用了相對門限切換策略。三種切換策略都是基于E_c/I_o進行的。在WCDMA中使用的相對門限切換策略最大的優(yōu)點是其參數(shù)確定相對簡單，對于干擾過強或過弱的地區(qū)，不需要對參數(shù)進行調(diào)整。在WCDMA系統(tǒng)中，軟切換使用了相對的門限值；而在IS-95中采用的是絕對門限值（即固定門限值）。


　　4　WCDMA的功率控制


　　4.1　快速功率控制


　　在WCDMA中，上、下行鏈路同時采用了頻率為1.5khz的快速功率控制。在GSM中采用了頻率大約為2Hz慢速功率控制。慢速功率控制可以補償路徑損耗和陰影衰落，相比之下，快速功率還可以補償快衰落。仿真結(jié)果表明，快速功率控制對移動速度較低的用戶的控制效果比對高速移動的用戶的控制效果好，產(chǎn)生這樣結(jié)果的原因是功率控制存在一定的時延，在進行快速功控時，當(dāng)時延的存在使功控速度跟不上高速用戶衰落的變化時，功控的結(jié)果就很不理想。


　　1）下行鏈路功率漂移


　　當(dāng)某一移動臺處于軟切換中時，它要對和它建立鏈路的多個基站發(fā)出功控信息。由于快速功控對時延的敏感性，移動臺的功控指令不能通過無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）來統(tǒng)一發(fā)送給各基站而是直接發(fā)送給各基站。由于空中接口存在信號誤碼，最后功控的結(jié)果會有誤，即有的基站在降低發(fā)射功率，有的基站在增加發(fā)射功率。為了解決這種基站之間的功率漂移問題，可以采用兩種方法：一種是限制功率控制的范圍；另一種是定期通過RNC對各基站進行統(tǒng)一的控制調(diào)整。這兩種方法都可以在一定程度上解決鏈路功率漂移問題。


　　2）上行鏈路功控的可靠性


　　對于處于切換狀態(tài)的移動臺，所有處于激活組中的基站都要對其發(fā)送控制信息，只要有一個基站能正確接收到移動臺的發(fā)射信號就可以上。由于各基站發(fā)送的功控指令是互不相同的，對于控制信息，移動臺不能夠象對數(shù)據(jù)信息一樣采用最大比合并的方式進行解調(diào)。為了提高控制信息的準(zhǔn)確度，可以增加控制信道的發(fā)射功率，而且，需要對所接收到的控制信息設(shè)置一個檢測門限，以去掉被干擾破壞的控制信息。


　　4.2　外環(huán)功率控制


　　外環(huán)功率控制的作用是設(shè)置快速功控的目標(biāo)值，以保證所要求的通信質(zhì)量。外環(huán)功控的目標(biāo)在于提供所要求的通信質(zhì)量：既不太好，也不太差，因為過好的服務(wù)質(zhì)量會浪費容量。由于WCDMA上下行鏈路采用了快速功率控制，所以上下行鏈路都需要外環(huán)功控。快速功率控制的頻率是1.5kHz，外環(huán)功控的頻率一般是10-100Hz。


　　在外環(huán)功控中，由RNC對信號進行宏分集接收后，把接收到的信號質(zhì)量同預(yù)先設(shè)定的要求信號質(zhì)量相比較。如果接收信號好于所要求的信號質(zhì)量，就降低目標(biāo)信干比，反之，就增加目標(biāo)信干比。調(diào)整后的目標(biāo)信干比被發(fā)送給基站，用來檢測上行鏈路的接收信號。在外環(huán)功率控制之下為了保證用戶接收信號的質(zhì)量，對于移動速度不同的用戶，目標(biāo)信干比會有所不同，高速移動用戶的目標(biāo)信干比要高于低速用戶的目標(biāo)信干比。對于多業(yè)務(wù)復(fù)用于同一條物理鏈路的情況，目標(biāo)信干比選擇各業(yè)務(wù)所分別對應(yīng)的目標(biāo)信干比的最大值。在進行外環(huán)功控時，當(dāng)發(fā)射功率到達極限值（最大極限值或最小極限值）時，如果繼續(xù)調(diào)整目標(biāo)信干比，對于提高系統(tǒng)性能沒有任何益處，反而有可能降低系統(tǒng)性能。為了避免這種情況的發(fā)生，可限定外環(huán)功控對目標(biāo)信干比的控制范圍。


　　5　接入控制


　　WCDMA系統(tǒng)是一個自干擾的系統(tǒng)，它的系統(tǒng)容量不是一個相對固定的值，而具有較大的彈性，服務(wù)質(zhì)量與同時接受的用戶數(shù)量之間存在著平衡與折中的關(guān)系。如果允許空中接口負荷過渡增長，那么小區(qū)的覆蓋面積就會減少到預(yù)計的數(shù)值以下，而且已有連接的服務(wù)質(zhì)量也無法得到保證。所以合理有效的接入控制算法對WCDMA系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要意義。接入控制過程根據(jù)系統(tǒng)的實際負荷決定是否接收新到達的用戶的呼叫請求，從而控制系統(tǒng)中通話的用戶數(shù)量，使系統(tǒng)負荷維持在一個比較穩(wěn)定的水平上。對系統(tǒng)空中接口負載的準(zhǔn)確判斷是接入控制的基礎(chǔ)，所以先對系統(tǒng)負荷的估計做簡單的介紹，然后再介紹接入控制的控制算法。


　　空中接口的負荷估計可以分為上行鏈路的負荷估計和下行鏈路的負荷估計，其估計方法又可以分為基于接收功率的負荷估計可以根據(jù)鏈路方向和使用方法分為四類。


　　1）上行鏈路基于接收功率的負荷估計


　　2）上行鏈路基于吞吐量的負荷估計


　　3）下行鏈路基于功率的負荷估計


　　4）下行鏈路基于吞吐量的負荷估計


　　在上行鏈路基于功率的接入控制中，系統(tǒng)需要分別估計用戶接入可能會對上、下行鏈路造成的影響。只有上下行兩個方向的負荷情況都允許用戶業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)才能批準(zhǔn)其接入申請。允許用戶接入的負荷門限可以在系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)劃過程中設(shè)定。與上述的小區(qū)負載估計方法對應(yīng)，接入控制策略也分為基于功率和基于吞吐量的兩種方案。


　　6　負荷控制


　　無線資源管理功能的一個重要任務(wù)是確保系統(tǒng)不要過載，保持穩(wěn)定。如果系統(tǒng)規(guī)劃適當(dāng)，接入控制和分組安排就能工作得很好，過載的情況就能避免。如果遇到了過載的情況，負荷控制功能讓系統(tǒng)快速而有控制地達到目標(biāo)負荷。下面列出了為了減少負荷而采取的必要的負荷控制措施：


　　1）下行快速負荷控制：拒絕由移動臺發(fā)出的下行功率增加命令。


　　2）上行快速負荷控制：降低由上行快速功控使用的上行目標(biāo)E_c/I_o。


　　3）降低分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的吞吐量。


　　4）切換到另一個WCDMA的載波。


　　5）與GSM之間的切換。


　　6）減少實時業(yè)務(wù)的碼速率。


　　7）受控方式下的掉話。


　　7　分組安排


　　分組安排功能是在分組用戶之間共享可用的空中接口資源。分組安排能決定碼速率和相應(yīng)的數(shù)據(jù)長度。在CDMA中，分組安排可采用兩種方式：碼分或時分。在碼分方式下，大量的用戶可同時使用一個低速率信道。當(dāng)用戶容量需要增加時，碼速率就要降低。在時分方式下，在某一時刻所有資源可被分配給一個或少數(shù)的幾個用戶。這樣一個用戶可在一個非常高的碼率下傳輸。在WCDMA中，最小的時間分辨率是10ms幀。當(dāng)在時分方式下用戶數(shù)增加時，每個用戶都要等待較長的時間來傳輸。


　　摘自《移動通信》2002年總第141期