未來移動(dòng)通信無線資源的合理使用

漳州大學(xué)　康玉文
　　摘要　　該文簡要介紹移動(dòng)通信的業(yè)務(wù)發(fā)展，討論移動(dòng)通信的無線頻率資源配置問題，分析了未來移動(dòng)通信系統(tǒng)如何合理利用頻率資源，并提出進(jìn)一步利用頻率資源的研究建議。


　　關(guān)鍵詞　移動(dòng)通信　無線頻率資源　頻譜利用率　IMT-2000 TD-SCDMA


　　1　引言


　　目前，世界移動(dòng)通信與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速融合，顯示出了強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，這種增長趨勢正從根本上改變著全球通信業(yè)的面貌；互聯(lián)網(wǎng)的盛行進(jìn)一步促進(jìn)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，以及無線用戶對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊�求，人們期待著無線高速多媒體時(shí)代的到來，為滿足人們對(duì)無線個(gè)人通信與日俱增的要求，我們?cè)谡雇麩o線移動(dòng)網(wǎng)發(fā)展的巨大潛力的同時(shí)，也應(yīng)該意識(shí)到高用戶量，高數(shù)據(jù)傳輸量和多種業(yè)務(wù)并存給未來無線網(wǎng)絡(luò)帶來的潛在挑戰(zhàn)，解決這一問題，不僅僅只靠通信設(shè)備的更新，更需要合理使用現(xiàn)在的無線資源。以便提高網(wǎng)絡(luò)的容量。


　　當(dāng)前，移動(dòng)通信中提高網(wǎng)絡(luò)容量的方式可分為兩種。一種是傳統(tǒng)的無線鏈路本身性提高，即由點(diǎn)到點(diǎn)調(diào)制和解調(diào)，編碼和解碼等各個(gè)方面提高單一鏈路的數(shù)據(jù)傳輸量，以滿足高用戶量要求，但該方式對(duì)收發(fā)信機(jī)的要求較高，造成了設(shè)備的復(fù)雜性可見一斑。另一種是把蜂窩網(wǎng)看作一個(gè)整體，合理使用現(xiàn)在的無線資源，用較簡單的收發(fā)信機(jī)，而以優(yōu)化分配有限的無線資源來提高網(wǎng)絡(luò)的整體容量。


　　對(duì)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)合理使用無線資源的問題：是指進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)用戶蜂窩網(wǎng)需要分配適當(dāng)?shù)幕�站、信道、發(fā)信功率，以使其具有固定硬件無線網(wǎng)絡(luò)獲得更高容量的同時(shí)，滿足用戶的質(zhì)量要求（QoS）。對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)這樣的一個(gè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)該采用實(shí)時(shí)型的無線資源配置實(shí)現(xiàn)資源最佳的分配（Optimization）。


　　2無線資源配置


　　2.1無線資源分配問題


　　資源分配問題將涉及移動(dòng)用戶與基站之間建立無線鏈路，包括基站選擇，信道分配、切換、上行和下行發(fā)信功率控制、而這要按照資源分配原則，根據(jù)目前的無線移動(dòng)網(wǎng)理論分析表明，充分利用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部有效資源的關(guān)鍵問題是在保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的前提下，提高頻譜利用率。當(dāng)然提高頻譜利用率有多種方法，除無線鏈路本身性能提高外，還要優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)管理，而主要是基于網(wǎng)內(nèi)話務(wù)量分布不均勻，且信道的狀態(tài)因無線電磁波信號(hào)衰落及干擾而起伏變化的情況下，尋求靈活地分配和及時(shí)調(diào)整可用的無線資源。這需要對(duì)整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化組合、合理配置。而最有效的方法，莫過于采用信道合理分配，適時(shí)的切換以及靈活的功率控制。


　　2.2信道的配置和分配


　　2.2.1信道的配置


　　一個(gè)蜂窩網(wǎng)的信道配置是在一給定時(shí)間定義蜂房內(nèi)可用的信道表。它包括一組支持空閑模式下移動(dòng)臺(tái)和啟動(dòng)移動(dòng)臺(tái)接入的公用信道（一個(gè)BCCH，一個(gè)PAGCH和一個(gè)RACH）和一組攜帶信令和用戶數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)信道（各種速率的TACH，包括規(guī)范中的TCH/F，TCH/H和SDCCH），它可以定時(shí)改變，而這些改變可能對(duì)業(yè)務(wù)管理有不同程度的影響。


　　2.2.2信道的分配方式


　　現(xiàn)代蜂網(wǎng)中，隨著用戶量的增加信道分配對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量直接起著至關(guān)重要的作用。目前蜂網(wǎng)中信道分配方式歸結(jié)起來有以下三種方式：固定信道分配（FCA:fined channel callocation）和隨機(jī)信道分配（RCA:random channel allocation）。


　　（1）固定信道分配(fca:fined channel allo-cation)


　　最傳統(tǒng)的一種信道分配方式，普遍應(yīng)用于第一和第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)中。它根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的要求，考慮在最差的情況下所需要的頻率復(fù)用距離來制定頻率規(guī)劃。復(fù)用距離的縮短，可提高頻譜利用率，而最差情況下的考慮，又限制了復(fù)用距離的縮短。因此FCA不能滿足高頻譜利用率的要求。


　�。�2）隨機(jī)信道分配（RCA:random channel allocation）


　　在用戶通話過程中隨機(jī)地更換信道。若有一個(gè)信道質(zhì)量不好那么就有一個(gè)用戶得不到好信道，隨機(jī)信道分配的結(jié)果是同一小區(qū)內(nèi)的每一用戶得到同樣的信道質(zhì)量，即占有好壞信道機(jī)會(huì)均等。這樣在無法獲得信道質(zhì)量信息時(shí)，RCA不失為一種好方法。但不足之處是小區(qū)邊界同頻干擾，有時(shí)較嚴(yán)重（取決于隨機(jī)概率），實(shí)際上沒有一個(gè)用戶可以得到真正好的信道，在第二代GSM9000系統(tǒng)中采用慢速跳頻序列，隨機(jī)地改變一個(gè)信道占有頻道頻率的技術(shù)。可改善誤碼性能并收到頻率分集的效果，分離了來自其他小區(qū)的同頻干擾。這種技術(shù)可理解為隨機(jī)信道分配的例子。


　�。�3）動(dòng)態(tài)信道分配（DCA:dynamic channel allocation）


　　考慮到系統(tǒng)中受到種種干擾，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)測試（干擾電平）或估測到的信道質(zhì)量（信噪比）以便分配一條具有最小上行鏈路干擾電平的空閑信道或決定信道切換。這就是動(dòng)態(tài)信道分配方式。在任何一個(gè)小區(qū)內(nèi)可根據(jù)以上情況使用任何信道。顯然DCA比RCA、FCA兩種方式系統(tǒng)需要更多的信息來選擇信道，這將增加了控制信道的信息量，但它可以使用高智能的算法得到另兩種方式所達(dá)不到的網(wǎng)絡(luò)容量。理論上可以給出網(wǎng)絡(luò)達(dá)到的最佳容量，大大節(jié)省了頻率資源。


　　2.3切換


　　在一個(gè)RR對(duì)話期間越區(qū)切換是蜂網(wǎng)的一個(gè)非常重要的功能，切換保證了網(wǎng)絡(luò)的QoS。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)基站覆蓋區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)在站服務(wù)區(qū)，通過越區(qū)切換，可保持基站和移動(dòng)臺(tái)的通信。目前在CDMA技術(shù)中采用的切換方式有三種。


　　2.3.1軟切換


　　系統(tǒng)支撐的軟切換是通過兩個(gè)或更多個(gè)基站為移動(dòng)臺(tái)發(fā)射反向業(yè)務(wù)而實(shí)現(xiàn)的。特點(diǎn)是先連后切，即移動(dòng)臺(tái)先建立與新基站的通信，然后再切斷與原基站的通信。移動(dòng)臺(tái)對(duì)不同的參與基站進(jìn)行導(dǎo)標(biāo)信號(hào)場強(qiáng)測試，選擇兩個(gè)或更多個(gè)信號(hào)合成。軟切換改善了越區(qū)切換范圍附近的覆蓋，在軟切換過程中與移動(dòng)臺(tái)的通信鏈路在所有時(shí)間都是保持的（連續(xù)），使用戶幾乎察覺不到切換。軟切換，以及利用IMR（Inter,MSC Router）的MSC間的切換。不足之處是軟切換僅適用于同樣頻率配置的CDMA信道。


　　2.3.2硬切換


　　對(duì)于變更1.25MHz　RF（射頻）信道和那些不可能實(shí)現(xiàn)軟切換的情況，可由硬件換作支撐。先切后連。而移動(dòng)臺(tái)先切斷與原基站的通信，然后再與新基站的通信，所以在硬切換過程中不能保持無線鏈路的連續(xù)性。（與移動(dòng)臺(tái)的通信鏈路會(huì)出現(xiàn)短暫中斷）硬切換包括：不同載頻間的頻率切換CDMA數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)間的切換以及不同幀偏置（Frana.offset）間的切換。


　　具備軟切換的特點(diǎn)，專指一個(gè)蜂窩網(wǎng)中同一基站不同扇區(qū)之間的切換。


　　2.4功率控制方式


　　功率控制是指在一定范圍內(nèi)，用無線方式改變移動(dòng)臺(tái)或基站（或兩者）傳輸功率的可能性，它與不連續(xù)傳輸?shù)哪繕?biāo)相同，都是為了提高頻譜利用率，并延長移動(dòng)臺(tái)的電池壽命，在采用擴(kuò)頻技術(shù)的系統(tǒng)中，功率控制尤其重要，當(dāng)接收端的接收質(zhì)量很好時(shí)，適當(dāng)降低發(fā)送方的傳輸功率，能減少對(duì)周圍地區(qū)其它呼叫的干擾，從而減少復(fù)用距離的最有效方法，提高頻譜利用率。功率控制可分為集中式和分布式兩種。


　　3未來移動(dòng)通信（3G系統(tǒng)）無線資源的使用


　　3.1IMT-2000研發(fā)情況


　　1999年11月國際電聯(lián)ITU-RTG8/1最后一次會(huì)MT-2000無線接口“技術(shù)規(guī)范”建議。2000年5月，國際電聯(lián)批準(zhǔn)了IMT-2000無線接口5種技術(shù)規(guī)范，而以其中3種CDMA技術(shù)為主流。即頻分雙工方式；MC-CDMA(cdma2000)和DS-CDMA(WCDMA)；時(shí)分雙工方式：CDMA TDD(TD-SCDMA和UTRA TDD)。通過對(duì)三種主流方案的比較，我國和其他一些歐洲國家提出TD-SCDMA技術(shù)被國際電聯(lián)所接納，并已寫入第三代無線接口規(guī)范建議的IMT-2000　CDMA TDD部分中，這標(biāo)志著我國提出的移動(dòng)通信技術(shù)建議第一次成為國際電聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。我們失去了第一代，錯(cuò)過了第二代，終于擁有了第三代。


　　3.23G系統(tǒng)合理利用無線資源


　　3.2.1技術(shù)特點(diǎn)


　�。�1）頻率規(guī)劃


　　ITU目前對(duì)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻率規(guī)劃為：1900MHz-2025MHz,2110MHZ-2170MHZ（下行）及2110MHZ-2170MHZ(TDD方式)3段。衛(wèi)星移動(dòng)道信（MSS）業(yè)務(wù)段為1980MHZ-2010MHZ和2170MHZ-2200MHZ總的址來工作頻率的提高使頻譜資源更豐富，提高了網(wǎng)絡(luò)的容量。


　�。�2）采用雙工模式


　　TDD:刊登于高密度用戶地區(qū)，城市及近郊區(qū)的局部覆蓋。無線傳輸技術(shù)不需要成對(duì)頻率，具有頻譜安排靈活性，適合對(duì)稱和不對(duì)稱即語音和第三代移動(dòng)通信要求的移動(dòng)數(shù)據(jù)（或IP）業(yè)務(wù)。即提高了頻譜利用率。
　　FDD：適合于大區(qū)域的全國系統(tǒng)，適合于對(duì)稱業(yè)務(wù)如話音、交互式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。TD-SCDMA采用TDD模式，WCDMA.cdma 2000采用TDD.FDD相結(jié)合雙工模式。


　�。�3）提高利用率技術(shù)


　　TD-SCDMA采用了控分多址（SDMA），碼分多址（CDMA），頻分多址（FDMA），時(shí)分多址（TDMA）相結(jié)合的多址技術(shù)，采用智能天線，聯(lián)合檢測，上行同步技術(shù)，消除扇區(qū)間（INTERCELL）和扇區(qū)內(nèi)（INTRACELL）的同信道干擾（CCI），多址干擾（MAI）和碼間干擾（ISI）�？s短頻率復(fù)用距離，提高了頻譜利用率，降低設(shè)備成本。WCDMA、cdma2000采用碼分多址，頻分多址相結(jié)合的多址技術(shù)，采用智能天線導(dǎo)頻符號(hào)輔助相干檢測的多用戶檢測，上下行同步技術(shù)，消除各種干擾，提高頻譜利用率。


　　3.2.2采用的信道分配、切換和功率控制


　　.信道分配


　　3G系統(tǒng)采用的CDMA技術(shù)中，用戶間信息的交換都是占有共同信道，因此不會(huì)采用FCA，而是將DCA和RCA結(jié)合使用。由于全I(xiàn)P移動(dòng)骨干網(wǎng)絡(luò)能更有效地傳輸非連續(xù)話務(wù)（包交換）。而包交換的特性使無線頻譜利用率的提高更容易實(shí)現(xiàn)。則信道的分配有更多的自由空間。雖然3G系統(tǒng)主要選擇DCA的分配方式，但因每個(gè)數(shù)據(jù)包的長度有限，所以無線資源管理沒有足夠的時(shí)間傳送信道質(zhì)量信息，給動(dòng)態(tài)分配造成困難。此時(shí)采用RCA分配方式就變得尤其重要。TD-SCDMA中采用的DCA分配方式，可在空域、頻域、時(shí)域和碼域進(jìn)行信道動(dòng)態(tài)分配。根據(jù)實(shí)時(shí)測試的信道質(zhì)量選擇空閑信道，這就保證了有效利用信道，提高網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量，同時(shí)也保證了通信質(zhì)量，但TD-SCDMA對(duì)設(shè)備的要求較高。


　　.切換


　　在3G系統(tǒng)中軟切換是CDMA技術(shù)普遍采用的切換技術(shù)，對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)容量，保證通信質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。
　　WCDMA：扇區(qū)間采用軟切換，小區(qū)間采用軟切換，載頻間采用硬件切換WCDMA的基站不需要同步。因此不需外部同步資源，如：GPS。在設(shè)計(jì)軟切換算法和執(zhí)行定位業(yè)務(wù)時(shí)，必須考慮基站的異步性。在進(jìn)入軟切換前，移動(dòng)站測量兩個(gè)基站的下行SCH的定時(shí)差別。移動(dòng)站將定時(shí)差別報(bào)告給服務(wù)基站。根據(jù)一個(gè)符號(hào)的解析度來調(diào)整新的下行軟件切換連接的時(shí)間這樣能夠使移動(dòng)站的RAKE接收機(jī)從兩個(gè)基站接收某宏分集的能量。


　　cdma2000：扇區(qū)間采用軟切換，小區(qū)間也采用軟切換，載頻間采用硬切換，基本信道的軟切換類似于IS-95的軟切換與WCDMA相近。對(duì)輔助信道活動(dòng)組可以是基本信道的活動(dòng)組的子集。當(dāng)不需要分集補(bǔ)償衰落時(shí)，更傾向于從很少幾個(gè)基站傳輸，從而增加了整個(gè)下行鏈路的容量。在不變化的條件下，使用優(yōu)化的方式，只從一個(gè)基站傳輸此基站將發(fā)射最小的下行傳輸功率，對(duì)于分組業(yè)務(wù)，如果輔助信道不在軟切換狀態(tài)，可以簡化控制過程。


　　TD-SCDMA：采用按力切換技術(shù)，它不同于傳統(tǒng)的軟切換和硬切換它可以工作在同頻和異頻狀態(tài)，利用已知的移動(dòng)臺(tái)用戶位置（采用用戶定位業(yè)務(wù)）。結(jié)合切換算法和上行同步技術(shù)準(zhǔn)確地將需切換的移動(dòng)臺(tái)切換到新的基站，大大提高了系統(tǒng)質(zhì)量。


　　3G系統(tǒng)中軟切換最具有CDMA的特點(diǎn)：CDMA的信號(hào)結(jié)構(gòu)也非常適合軟切換的執(zhí)行。TD-SCDMA的接力切換是第三代中新的切換技術(shù)。三種主流方案的切換技術(shù)都比第二代系統(tǒng)有明顯的改善，提高了系統(tǒng)容量，保證了信道質(zhì)量。


　　.功率控制


　　3G系統(tǒng)中分布式功率控制應(yīng)用很廣泛，恒定接收功率控制應(yīng)用于CDMA系統(tǒng)中，而TD-SCDMA系統(tǒng)則在繼承第二代GSM功率控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，主要是智能天線的恒定接受功率控制方式。功率控制技術(shù)包括前向和反向信道功率控制，重要的是反向信道功率控制。二者都是采用快速功率控制技術(shù)。而TD-SCDMA系統(tǒng)開環(huán)+慢速閉環(huán)功率控制速度反為（0-20）bite/s�？梢奣D-SCDMA系統(tǒng)中由于采用TDMA和CDMA的結(jié)合，所以功率控制速度較慢。顯然TD-SCDMA系統(tǒng)中，要能以最快的速度達(dá)到最好的同信道干擾控制，克服功率控制速度與性能之間無法同時(shí)兼顧的矛盾將是TD-SCDMA今后發(fā)展的主要目標(biāo)。


　　縱觀3G系統(tǒng)，所采用的傳輸技術(shù)都比第二代GSM900移動(dòng)通信系統(tǒng)在利用無線資源上比較合理。信道的分配，越區(qū)切換和功率控制的應(yīng)用，大大提高了頻譜利用率，同時(shí)保證了道信質(zhì)量。但是在非連續(xù)性話務(wù)的交換中，每個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)出的時(shí)間和長度無法預(yù)測，因信道質(zhì)量預(yù)測無法幫助提高信息傳輸量，再作信道分配，功率控制和越區(qū)切換時(shí)系統(tǒng)性能會(huì)大受影響。目前國際上，在這一領(lǐng)域已有大量的研究開發(fā)工作正在進(jìn)行。未來無線多媒體系統(tǒng)中，不同類型的用戶提出不同的服務(wù)質(zhì)量要求，尤其在下行鏈路方向上，如能采用多種話務(wù)動(dòng)態(tài)信道分配和下行復(fù)用技術(shù)，系統(tǒng)容量將會(huì)顯著提高。目前普遍看好的方向是動(dòng)態(tài)信道分配和功率控制的混合使用。


　　4結(jié)束語


　　總之，利用有限的無線資源與合理的設(shè)備配置提供最佳的系統(tǒng)容量或數(shù)據(jù)吞吐量，使用戶滿意將是以后研究的永恒話題。


摘自《無線電工程》2001.7