第三代移動(dòng)通信中上、下行鏈路業(yè)務(wù)量不等時(shí)頻帶資源的分配

第三代移動(dòng)通信中上、下行鏈路業(yè)務(wù)量不等時(shí)頻帶資源的分配（朱晴昱、蔣鈴鴿）
[摘要] 本文討論了第三代移動(dòng)通信中上、下行鏈路業(yè)務(wù)量不等時(shí)，頻帶資源的分配問(wèn)
題，分析了它與第二代移動(dòng)通信的不同之處，然后以正交多碼DS－CDMA（Orthogonal 
Multicode DS-CDMA）為例，提出了具體的頻帶資源分配方案并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。
[關(guān)鍵詞]頻帶資源；正交多碼；DS－CDMA；業(yè)務(wù)量
1引言
    第一代模擬移動(dòng)通信和第二代數(shù)字移動(dòng)通信所承擔(dān)的主要業(yè)務(wù)是話音業(yè)務(wù)以及有限
的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。根據(jù)IMT－2000的要求，第三代移動(dòng)通信將承擔(dān)與窄帶ISDN相當(dāng)?shù)亩喾N業(yè)
務(wù)，包括語(yǔ)音，圖象等等，傳輸速率從幾kbps到2Mbps不等。由于無(wú)線通信的頻帶資源
十分有限，如何靈活合理的安排頻帶資源以適應(yīng)不同業(yè)務(wù)的要求已成為第三代移動(dòng)通信
中討論的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。
    為了實(shí)現(xiàn)不同速率的多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸，可以采用正交多碼DS－CDMA（Orthogon
al MulticodeDS-CDMA）系統(tǒng)。在此之外，本文還考慮了上、下行鏈路業(yè)務(wù)量不等的問(wèn)
題。在傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，上行鏈路和下行鏈路的頻帶是事先規(guī)定的而且容量大致
相當(dāng)。這是因?yàn)檫^(guò)去的移動(dòng)通信系統(tǒng)承擔(dān)的大多為話音業(yè)務(wù)。對(duì)于一個(gè)小區(qū)內(nèi)的所有用
戶而言，發(fā)出的信息和收到的信息大致相當(dāng)，也就是說(shuō)上、下行鏈路的業(yè)務(wù)量大致是相
等的。而在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于業(yè)務(wù)種類的擴(kuò)展，上。下行鏈路的業(yè)務(wù)量將會(huì)
有很大的差異，下行鏈路（從基站到移動(dòng)臺(tái)）的業(yè)務(wù)量將普遍大于上行鏈路的業(yè)務(wù)量。
比如說(shuō)，對(duì)于使用移動(dòng)筆記本電腦進(jìn)行網(wǎng)上瀏覽的用戶而言，接受到的信息量遠(yuǎn)大于發(fā)
出的信息量。而這類業(yè)務(wù)將會(huì)成為未來(lái)無(wú)線通信的主要業(yè)務(wù)之一。因而，第三代移動(dòng)通
信系統(tǒng)中，如果還象以往那樣，分配給上、下行鍛路相同容量的頻帶寬度的話，當(dāng)下行
鏈路飽和時(shí)，上行鏈路還會(huì)有很大的空余。這實(shí)際上就造成了頻帶資源的浪費(fèi)。為了解
決這個(gè)問(wèn)題，需要更加靈活的分配頻帶資源。
    本文先介紹了正交多碼DS－CDMA的資源分配方案；然后，在正交多碼DS－CDMA的基
礎(chǔ)上提出了解決上、下行鏈路業(yè)務(wù)量不等問(wèn)題的具體方法；最后分析了系統(tǒng)性能的改善
情況。
2正交多碼DS－CDMA
    給不同的業(yè)務(wù)分配不同數(shù)量的編碼信道（Code Channal）。每個(gè)編碼信道對(duì)應(yīng)于一
個(gè)擴(kuò)頻碼。在同一頻帶內(nèi)，所有編碼信道相互正交。每一個(gè)擴(kuò)頻碼由兩個(gè)擴(kuò)頻序列模2
相加而得。一個(gè)是短碼，是由Walsh函數(shù)生成的哈達(dá)瑪序列（Hadamard Sequences）。
另一個(gè)是長(zhǎng)碼，長(zhǎng)碼是m序列，對(duì)于任何一個(gè)小區(qū)是唯一的，同時(shí)也起到了擾碼的作用，
減小相鄰小區(qū)之間的干擾。以下是正交多碼DS－CDMA的具體情況：
    在基站，每個(gè)用戶視數(shù)據(jù)速率的大小而論，分配不同數(shù)量的幾個(gè)編碼信道：數(shù)據(jù)
速率高的用戶分配較多的編碼信道，數(shù)據(jù)速率低的用戶分配較少的編碼信道。
    擴(kuò)頻碼由長(zhǎng)碼和短碼模2相加而得：短碼分配給特定的用戶，長(zhǎng)碼對(duì)于每個(gè)小區(qū)是
唯一的。
    使用RAKE接收機(jī)以減小信道頻率選擇性的影響。
3編碼信道的分配方案
    前面我們已經(jīng)提到，未來(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于種類的變化，上、下行鏈路的業(yè)
務(wù)量會(huì)有很大的不同，給上、下行鏈路分配相同的容量，會(huì)造成資源上的浪費(fèi)。
    解決的方案有多種。一種是按照統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)，分配給上、下行鏈路不同的容
量。但是，考慮到業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)是在不斷變化的，五年前后就會(huì)有很大差異。另外，即使在
同一天中，不同業(yè)務(wù)的高峰期也是不同的，比如網(wǎng)上瀏覽可能是在下午和夜間達(dá)到高峰，
而手機(jī)的話音業(yè)務(wù)往往是在中午和傍晚達(dá)到高峰。因而事先規(guī)定好上、下行鏈路的容量
是不合適的。
    時(shí)分雙工（TDD）可以是一種解決方法，給不同數(shù)據(jù)速率的用戶分配不同的時(shí)隙。
本文考慮的是頗分雙工（FDD）中的解決方案。具體內(nèi)容如下：
    為了充分利用頻帶資源，將整個(gè)可用頻段分成若干個(gè)子頻段，每個(gè)子頻段中采用DS
－CDMA的方式，將一個(gè)子頻段劃分為若干個(gè)編碼信道。
    對(duì)于CDMA系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果不采用時(shí)分雙工的方式，上行鏈路和下行鏈路不能同時(shí)存
在于同一個(gè)子頻段中，否則可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的遠(yuǎn)近效應(yīng)。而且上行鏈路和下行鏈路所用
的調(diào)制方式往往不同，因此在本文中，對(duì)于任何～個(gè)子頻段而言，其中不會(huì)同時(shí)存在上
行鏈路和下行鏈路。同時(shí)，對(duì)任何一個(gè)子頻段，事先不規(guī)定是用來(lái)傳輸上行鏈路的業(yè)務(wù)
還是用來(lái)傳輸下行鏈路的業(yè)務(wù)。具體算法如下：
    （1）將可用頻段劃分為M個(gè)子頻段，由低頻至高頻分別標(biāo)記為1，2，……M。
    （2）設(shè)低頻部分承擔(dān)下行鏈路的業(yè)務(wù)，高頻部分承擔(dān)上行鏈路的業(yè)務(wù)。
    （3）對(duì)下行鏈路而言，每接到一個(gè)業(yè)務(wù)，從頻段1開始向高頻搜索，遇到某個(gè)子頻
段有足夠數(shù)量的編碼信道能承擔(dān)該項(xiàng)業(yè)務(wù)，則由該子信道承擔(dān)該項(xiàng)業(yè)務(wù)。當(dāng)搜索到的某
個(gè)子頻段含有上行鏈路的業(yè)務(wù)時(shí)，則表明已經(jīng)達(dá)到飽和容量，業(yè)務(wù)阻塞。
    （4）當(dāng)下行鏈路中某個(gè)業(yè)務(wù)結(jié)束時(shí)，該業(yè)務(wù)原來(lái)占用的那部分編碼信道空出。這
時(shí)從標(biāo)號(hào)最大的下行鏈路子頻段開始搜索，尋找合適的業(yè)務(wù)填充到空出的子頻段。換句
話說(shuō)，也就是將下行鏈路的業(yè)務(wù)盡量向低頻段集中。
    （5）對(duì)上行鏈路而言，有與（3）、（4）類似的方法，只是搜索次序正好相反而
已。目的是使上行鏈路的業(yè)務(wù)盡量向高頻段集中。
    總而言之，以上的方案，目的是使下行鏈路的業(yè)務(wù)盡量向低頻段集中，上行鏈路的
業(yè)務(wù)盡量向高頻段集中。當(dāng)下行鏈路的業(yè)務(wù)量大于上行鏈路的業(yè)務(wù)量時(shí)，相當(dāng)于使上行
鏈路中的業(yè)務(wù)向高頻段集中，從而空出一定數(shù)量的子頻段供下行鏈路的業(yè)務(wù)使用。這樣，
在業(yè)務(wù)阻塞時(shí)，不會(huì)有哪個(gè)子頻段完全末被使用。從而提高頻帶的利用率。
4系統(tǒng)性能的改善情況
    為了簡(jiǎn)要地說(shuō)明采用該算法后，系統(tǒng)性能的改善情況，以下設(shè)立一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)模
型。
    假設(shè)系統(tǒng)模型和參數(shù)如下：
    設(shè)一共有10個(gè)子頻段，每個(gè)子頻段有64個(gè)可用編碼信道，一共有兩種業(yè)務(wù)。
    第一種業(yè)務(wù)：下行鏈路的業(yè)務(wù)占用5個(gè)編碼信道，上行鏈路的業(yè)務(wù)占用1個(gè)編碼信道。
業(yè)務(wù)以泊松率到來(lái)，平均每秒到達(dá)n個(gè)業(yè)務(wù)；每個(gè)業(yè)務(wù)的服務(wù)時(shí)間是隨機(jī)變量，且呈負(fù)
指數(shù)分布，平均服務(wù)時(shí)間是1/p秒。
    第二種業(yè)務(wù)：下行鏈路的業(yè)務(wù)占用3個(gè)編碼信道，上行鏈路的業(yè)務(wù)占用3個(gè)編碼信道。
業(yè)務(wù)以泊松率到來(lái)，平均每秒到達(dá)n個(gè)業(yè)務(wù)；每個(gè)業(yè)務(wù)的服務(wù)時(shí)間是隨機(jī)變量，且呈負(fù)
指數(shù)分布，平均服務(wù)時(shí)間也是1／p秒。（為了簡(jiǎn)單起見，假設(shè)這兩種業(yè)務(wù)的服務(wù)時(shí)間都
是符合負(fù)指數(shù)分布的隨機(jī)變量，并且參數(shù)相同。）
    業(yè)務(wù)到達(dá)后，如果不能立即得到服務(wù)，則視為阻塞，并且立即退出。
    本文以卞部分針對(duì)兩種算法進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。一種是傳統(tǒng)的方法：將總的頻帶資源
劃分為容量相同的兩部分，分別供上行鏈路的業(yè)務(wù)和下行鏈路的業(yè)務(wù)使用。另一種是本
文提出的算法。表示資源均分情況下的阻塞率；000表示本文所述方法下的阻塞率。
    采用靈活的信道資源分配方案將明顯的降低阻塞率，相當(dāng)于提高了信道容量。
5結(jié)論
    從本文可以看出，在第三代移動(dòng)通信中，由于業(yè)務(wù)的擴(kuò)展，將會(huì)提出許多新的要求，
而如何充分的利用有限的頻帶資源，將成為問(wèn)題的關(guān)鍵。其中，上、下行鏈路業(yè)務(wù)量不
等的因素也必然會(huì)在未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中得到考慮。