WCDMA系統(tǒng)的無(wú)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(wú)線資源的內(nèi)容及對(duì)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(fù)荷控制、分組安排等。



　　1　概論


　　CDMA系統(tǒng)的主要無(wú)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(diǎn)，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(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)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(duì)信道資源的分配策略進(jìn)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(gè)大的服務(wù)區(qū)域被劃分為多個(gè)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(gè)小區(qū)。但是FCA有一個(gè)很大的缺點(diǎn)：由于實(shí)際的話務(wù)量無(wú)論在時(shí)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(shí)，這些小區(qū)的掉話率和阻塞率就會(huì)升高。而同時(shí)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(gè)系統(tǒng)的性能有所下降。DCA正是針對(duì)FCA的這些缺點(diǎn)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(gè)小區(qū)只能在用戶通話過程中占用這條信道。實(shí)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(hào)強(qiáng)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(gè)用戶發(fā)起呼叫時(shí)，由中央控制器從所有可用信道中選擇一條分給移動(dòng)臺(tái)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(fù)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(shí)會(huì)有一個(gè)與服務(wù)區(qū)大小成正比的時(shí)延。分布式則完全不同，當(dāng)一個(gè)用戶發(fā)起呼叫時(shí)，BSC就會(huì)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(shí)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(lái)帶寬就是10MHz。這樣除非運(yùn)營(yíng)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(huì)有足夠的信道可用來(lái)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(huì)由于不可變的分配信道而降低系統(tǒng)頻譜利用率。考慮到要對(duì)分層系統(tǒng)分配頻譜，信道帶寬越窄，這個(gè)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(dòng)臺(tái)在中斷與原來(lái)基站的業(yè)務(wù)通信之前，和工作在相同頻點(diǎn)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(wú)線資源與優(yōu)化的重點(diǎn)，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(huì)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(huì)占用基站過多的發(fā)射功率，占用過多的無(wú)線資源，同樣會(huì)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(cè)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(hào)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)頻強(qiáng)度E_c/I_o達(dá)到（最好導(dǎo)頻E_c/I_o－（報(bào)告門限－增加滯后門限））并維持時(shí)間，而有效集沒有滿，此時(shí)，小區(qū)2被加入到有效集里，該動(dòng)作稱為無(wú)線鏈路增加。


　　2）小區(qū)3的信號(hào)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)并開始超過最早的小區(qū)1的信號(hào)強(qiáng)度，在小區(qū)3的導(dǎo)頻強(qiáng)度E_c/I_o達(dá)到（最弱導(dǎo)頻E_c/I_o+替換滯后門限）并維持△T時(shí)間，而此時(shí)有效集的數(shù)目已滿（假設(shè)此時(shí)系統(tǒng)設(shè)置的有效集最大數(shù)目是兩個(gè)），小區(qū)3（候選集中最強(qiáng)的信號(hào)）此時(shí)替代小區(qū)1（有效集里最弱的信號(hào)）加入到有效集里，小區(qū)1同時(shí)被移出有效集。該項(xiàng)動(dòng)作也被稱為混合無(wú)線鏈路增加和釋放。


　　3）有效集中小區(qū)3的信號(hào)強(qiáng)度逐漸減弱，當(dāng)小區(qū)3的導(dǎo)頻強(qiáng)度E_c/I_o弱到最好導(dǎo)頻E_c/I_o－報(bào)告門限+刪除滯后門限）并維持△T時(shí)間，小區(qū)3有效集里最弱的信號(hào)）此時(shí)被移出有效集。該項(xiàng)動(dòng)作稱為無(wú)線鏈路釋放。


　　其中，報(bào)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(dòng)作觸發(fā)的時(shí)間：導(dǎo)頻是指經(jīng)測(cè)量后導(dǎo)頻的強(qiáng)度；最好導(dǎo)頻是指有效集里信號(hào)最強(qiáng)的導(dǎo)頻；最弱導(dǎo)頻是指有效集中信號(hào)最弱的導(dǎo)頻；最好候選導(dǎo)頻是指候選集里信號(hào)最強(qiáng)的導(dǎo)頻。


　　滯后門限分為三類：


　　*增加滯后門限是要增加無(wú)線鏈路的滯后門限


　　*刪除滯后門是要?jiǎng)h除無(wú)線鏈路的滯后門限


　　*替換滯后門限是要同時(shí)增加并釋放一條無(wú)線鏈路的滯后門限


　　區(qū)別于IS-95A和IS-95B的絕對(duì)門限切換策略，WCDMA使用了相對(duì)門限切換策略。三種切換策略都是基于E_c/I_o進(jìn)行的。在WCDMA中使用的相對(duì)門限切換策略最大的優(yōu)點(diǎn)是其參數(shù)確定相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于干擾過強(qiáng)或過弱的地區(qū)，不需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在WCDMA系統(tǒng)中，軟切換使用了相對(duì)的門限值；而在IS-95中采用的是絕對(duì)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(shí)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(bǔ)償路徑損耗和陰影衰落，相比之下，快速功率還可以補(bǔ)償快衰落。仿真結(jié)果表明，快速功率控制對(duì)移動(dòng)速度較低的用戶的控制效果比對(duì)高速移動(dòng)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(shí)延，在進(jìn)行快速功控時(shí)，當(dāng)時(shí)延的存在使功控速度跟不上高速用戶衰落的變化時(shí)，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(dòng)臺(tái)處于軟切換中時(shí)，它要對(duì)和它建立鏈路的多個(gè)基站發(fā)出功控信息。由于快速功控對(duì)時(shí)延的敏感性，移動(dòng)臺(tái)的功控指令不能通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）來(lái)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(hào)誤碼，最后功控的結(jié)果會(huì)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(duì)各基站進(jìn)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(duì)于處于切換狀態(tài)的移動(dòng)臺(tái)，所有處于激活組中的基站都要對(duì)其發(fā)送控制信息，只要有一個(gè)基站能正確接收到移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射信號(hào)就可以上。由于各基站發(fā)送的功控指令是互不相同的，對(duì)于控制信息，移動(dòng)臺(tái)不能夠象對(duì)數(shù)據(jù)信息一樣采用最大比合并的方式進(jìn)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(duì)所接收到的控制信息設(shè)置一個(gè)檢測(cè)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?yàn)檫^好的服務(wù)質(zhì)量會(huì)浪費(fèi)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�？焖俟β士刂频念l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(duì)信號(hào)進(jìn)行宏分集接收后，把接收到的信號(hào)質(zhì)量同預(yù)先設(shè)定的要求信號(hào)質(zhì)量相比較。如果接收信號(hào)好于所要求的信號(hào)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(lái)檢測(cè)上行鏈路的接收信號(hào)。在外環(huán)功率控制之下為了保證用戶接收信號(hào)的質(zhì)量，對(duì)于移動(dòng)速度不同的用戶，目標(biāo)信干比會(huì)有所不同，高速移動(dòng)用戶的目標(biāo)信干比要高于低速用戶的目標(biāo)信干比。對(duì)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(duì)應(yīng)的目標(biāo)信干比的最大值。在進(jìn)行外環(huán)功控時(shí)，當(dāng)發(fā)射功率到達(dá)極限值（最大極限值或最小極限值）時(shí)，如果繼續(xù)調(diào)整目標(biāo)信干比，對(duì)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(duì)目標(biāo)信干比的控制范圍。


　　5　接入控制


　　WCDMA系統(tǒng)是一個(gè)自干擾的系統(tǒng)，它的系統(tǒng)容量不是一個(gè)相對(duì)固定的值，而具有較大的彈性，服務(wù)質(zhì)量與同時(shí)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(fù)荷過渡增長(zhǎng)，那么小區(qū)的覆蓋面積就會(huì)減少到預(yù)計(jì)的數(shù)值以下，而且已有連接的服務(wù)質(zhì)量也無(wú)法得到保證。所以合理有效的接入控制算法對(duì)WCDMA系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。接入控制過程根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷決定是否接收新到達(dá)的用戶的呼叫請(qǐng)求，從而控制系統(tǒng)中通話的用戶數(shù)量，使系統(tǒng)負(fù)荷維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的水平上。對(duì)系統(tǒng)空中接口負(fù)載的準(zhǔn)確判斷是接入控制的基礎(chǔ)，所以先對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷的估計(jì)做簡(jiǎn)單的介紹，然后再介紹接入控制的控制算法。


　　空中接口的負(fù)荷估計(jì)可以分為上行鏈路的負(fù)荷估計(jì)和下行鏈路的負(fù)荷估計(jì)，其估計(jì)方法又可以分為基于接收功率的負(fù)荷估計(jì)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(fù)荷估計(jì)


　　2）上行鏈路基于吞吐量的負(fù)荷估計(jì)


　　3）下行鏈路基于功率的負(fù)荷估計(jì)


　　4）下行鏈路基于吞吐量的負(fù)荷估計(jì)


　　在上行鏈路基于功率的接入控制中，系統(tǒng)需要分別估計(jì)用戶接入可能會(huì)對(duì)上、下行鏈路造成的影響。只有上下行兩個(gè)方向的負(fù)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(qǐng)。允許用戶接入的負(fù)荷門限可以在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃過程中設(shè)定。與上述的小區(qū)負(fù)載估計(jì)方法對(duì)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(fù)荷控制


　　無(wú)線資源管理功能的一個(gè)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(fù)荷控制功能讓系統(tǒng)快速而有控制地達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷。下面列出了為了減少負(fù)荷而采取的必要的負(fù)荷控制措施：


　　1）下行快速負(fù)荷控制：拒絕由移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的下行功率增加命令。


　　2）上行快速負(fù)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(gè)WCDMA的載波。


　　5）與GSM之間的切換。


　　6）減少實(shí)時(shí)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(zhǎng)度。在CDMA中，分組安排可采用兩種方式：碼分或時(shí)分。在碼分方式下，大量的用戶可同時(shí)使用一個(gè)低速率信道。當(dāng)用戶容量需要增加時(shí)，碼速率就要降低。在時(shí)分方式下，在某一時(shí)刻所有資源可被分配給一個(gè)或少數(shù)的幾個(gè)用戶。這樣一個(gè)用戶可在一個(gè)非常高的碼率下傳輸。在WCDMA中，最小的時(shí)間分辨率是10ms幀。當(dāng)在時(shí)分方式下用戶數(shù)增加時(shí)，每個(gè)用戶都要等待較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)傳輸。


　　摘自《移動(dòng)通信》2002年總第141期