第4章WCDMA無線資源管理

無線資源管理的基本概念4.1

QoS與無線資源管理4.2

功率控制

4.3切換4.4負載測量4.5

接入控制4.6分組調度4.7其他無線資源管理算法4.8小結4.9

本章內容無線資源的基本概念無線資源管理的基本概念無線資源管理算法

WCDMA中的無線資源管理策略

本章重點功率控制算法切換算法接入控制算法分組調度算法

學習本章目的和要求掌握無線資源管理在無線通信系統中的作用和地位熟悉各種常用的無線資源管理算法了解WCDMA系統中無線資源管理算法原理4.1無線資源管理的基本概念

無線資源管理（RRM）是對移動通信系統的空中接口資源的規(guī)劃和調度。之所以要研究無線資源管理，就是希望在有限的無線資源的情況下，在保證一定的規(guī)劃覆蓋和服務質量（QoS）要求的情況下，接入盡可能多的用戶。

WCDMA系統的無線資源要素主要包括以下幾個方面：碼字（包括信道化編碼和擾碼）、功率（包括用戶設備和基站的發(fā)射、接收功率）、時隙（資源管理的最小時間單位）、頻率（包括載頻和頻段）等。在WCDMA系統中，無線資源管理所具有的功能都是以無線資源的分配和調整為基礎來展開的。

WCDMA系統中無線資源管理的主要功能包括：功率控制、切換控制、接入控制、分組調度、負載控制、碼資源分配。

功率控制根據信道狀況和服務質量的需求來決定正確的功率水平；由于用戶的移動性，造成用戶在通話過程中從一個小區(qū)轉移到另一個小區(qū)，切換保證用戶通話的連續(xù)性；接入控制決定新呼叫或切換狀態(tài)的呼叫是被接受或是被拒絕；分組調度在分組用戶之間共享可用的空中接口資源；負載控制確保系統不要過載，保持穩(wěn)定。4.2QoS與無線資源管理

第三代移動通信系統的目標是支持多種業(yè)務。QoS是業(yè)務性能的綜合效果，它決定用戶對業(yè)務的滿意程度。

它通過用于所有業(yè)務的性能因素的組合來表示，如業(yè)務的適用性、可獲得性、可保持性、完整性及每個業(yè)務特定的其他因素。第三代移動通信系統能否保證它所提供業(yè)務的QoS，是它能否獲得成功的關鍵。

業(yè)務類別基本特征實例會話級（實時）嚴格的低延遲語音流級（實時）在流的信息實體之間保護時間是相關的流式視頻交互級（非實時）請求-響應類Web流覽背景級（非實時）在某個時間段內目的地是非確知的E-mail的背景下載表4-1 業(yè)務的QoS級別

這些QoS級別的主要區(qū)別因素是業(yè)務對時延的敏感程度，會話級的業(yè)務對時延最敏感，而背景級的業(yè)務對時延最不敏感。

WCDMA空中接口的QoS方案主要集中在滿足特定應用的需求上。

圖4-1WCDMA網絡RRM策略的典型位置分布4.3功率控制

在CDMA移動通信系統中，所有的用戶都可以工作在同一頻率上，干擾在上行鏈路尤為重要。

一方面，許多移動臺共用一個載波頻率發(fā)射或接收信號，近的強信號抑制遠的弱信號的可能性很大，這就是所謂的“遠近效應”；另一方面，信道容量主要受限于同頻干擾，在不影響通信質量的前提下，盡量減少發(fā)射信號的功率，才能相應地提高信道容量。

一個優(yōu)化的功率控制算法可以使系統容量大大增加，從而提高了系統頻譜的使用效率。

功率控制的目標是：在為每個用戶提供可以接受的服務質量的同時減少其對其他用戶的干擾，使得系統的容量達到最優(yōu)。所以功率控制是移動通信系統中的關鍵技術之一。通過功率控制，可以有效地克服“陰影效應”，“遠近效應”以及多址干擾等。

4.3.1功率控制準則功率控制準則是指功率控制的基本依據。從原理上看，功率控制準則可以大致分為：功率平衡準則、信噪比平衡準則兩大主流。另外也有人提出誤碼平衡準則。

（1）功率平衡原則（2）信噪比平衡準則（3）混合準則

4.3.2功率控制分類從不同的角度考慮有不同的功率控制分類方法。按照鏈路角度劃分：反向功控、前向功控。

按照實現方法劃分：集中式功控、分布式功控。按照功控環(huán)路劃分：開環(huán)功控、閉環(huán)功控。

4.3.3功率控制中的主要問題1．可測量信息2．對功率控制算法的要求

4.3.4WCDMA系統功率控制WCDMA是采用碼分多址CDMA實現移動通信的系統。功率控制技術是WCDMA系統中的關鍵技術之一，它可以抵抗和減少WCDMA中多種類型的干擾，提高WCDMA系統容量。

功率控制可以有效地克服由于電波傳播的“陰影效應”而產生的慢衰落；可以有效地克服由于用戶隨機移動引起的“遠近效應”；多址干擾在WCDMA系統中仍很嚴重，這是由于同時通信的各用戶共用同一頻段和同一時隙而引起的，功率控制是減少多址干擾的主要手段之一。

同時WCDMA也是干擾受限系統，降低干擾可以增加信噪比，提高小區(qū)內的用戶容量。

WCDMA中的功率控制包括：上行鏈路和下行鏈路中的開環(huán)功率控制、內環(huán)功率控制（也稱為快速閉環(huán)功率控制）和外環(huán)功率控制。

WCDMA中與功率控制有關的物理信道包括物理隨機接入信道（PRACH）、物理公共分組信道（PCPCH）、專用上行物理信道（上行DPCH）、專用下行物理信道（下行DPCH）和輔公用物理信道。

圖4-2表示了隨機接入消息部分無線幀的結構。

圖4-2物理隨機接入信道消息部分無線幀結構

圖4-3PCPCH的數據和控制部分幀結構

圖4-4上行DPDCH/DPCCH的幀結構

圖4-5下行DPCH的幀結構

圖4-6輔公用控制物理信道的幀結構

1．開環(huán)功率控制當移動臺接入網絡的時候，開環(huán)功率控制為上下行設置初始傳輸功率。

2．內環(huán)功率控制內環(huán)功率控制（也稱為快速閉環(huán)功率控制）依賴于無線鏈路對端L1層的反饋信息。它允許“移動臺/基站”根據“基站/移動臺”處接收SIR水平調整它的發(fā)送功率以補償無線信道的衰落，用于上下行鏈路的專用信道（DCHs）和上行鏈路的公共分組信道（CPCH）。

（1）上行（反向）鏈路內環(huán)功率控制上行鏈路的內環(huán)功率控制設定上行鏈路的專用物理信道（DPCH）和物理公共分組信道（PCPCH）的功率，其中包括兩種上行物理信道：上行專用物理數據信道（上行DPDCH）和上行專用物理控制信道（上行DPCCH）。

上行DPCCH的初始發(fā)送功率由高層制定，隨后上行功率控制同時控制一個DPCCH和與其相關的若干個DPDCHs的功率。

圖4-7WCDMA上行功率控制原理圖

最佳功率控制步長隨用戶速度改變。對于給定的目標，最佳的上行鏈路功率控制步長可以定義為：能產生最低目標信噪比的步長。

（2）下行（前向）鏈路內環(huán)功率控制下行（前向）鏈路的內環(huán)功率控制為下行DPCH設定傳輸功率。

下行功率控制同時控制一個專用物理控制信道DPCCH和與其相關的若干個專用物理數據信道DPDCHS的功率，調整幅度一致，使兩者功率之差不變。

下行信道的發(fā)送功率由網絡決定。一般地，不同的下行信道發(fā)送功率之比不作規(guī)定，并且是隨時間而變的。如圖4-8所示，下行（前向）功率控制的步驟如下：

圖4-8WCDMA下行功率控制原理圖

3．外環(huán)功率控制外環(huán)功率控制算法的目的是保證通信質量在承載的業(yè)務的質量需求所定義的水平上，而此水平是內環(huán)功率控制在獲得適當的信噪比目標后仍無法達到。

當移動用戶的移動速度或多徑傳播環(huán)境改變時，目標信噪比要作調整。接收信號功率的變化越大，要求的目標信噪比也就越大。如果選擇一個固定的信噪比，就可能導致通信質量過高或過低，在大部分情況下也可能引起不必要的功率上升。

外環(huán)功率控制的作用是設置快速功控的目標值，以保證所要求的通信質量。外環(huán)功控的目標在于提供所要求的通信質量：既不太好，也不太差。

因為太好的服務質量會浪費容量。由于WCDMA的上下行鏈路均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10Hz～100Hz。

（1）上行鏈路外環(huán)功率控制（2）下行鏈路外環(huán)功率控制

4．壓縮模式下的功率控制在壓縮模式下，可以激活一個或多個傳輸間隔圖案，一些幀被壓縮并包含傳輸間隔。

上行或下行壓縮模式下的下行功率控制目標是信號干擾比（SIR）在每一個傳輸間隔之后盡快恢復接近目標SIR的狀況。

5．軟切換中的功率控制與單條鏈路情形不同的是，軟切換中的快速功率控制有兩個主要問題：一個是下行鏈路中NodeB功率的功率漂移；另一個是UE中上行鏈路功率控制指令的可靠檢測。

（1）下行鏈路功率漂移（2）上行鏈路功率控制指令的可靠性（3）功率控制信令質量的改善

4.3.5WCDMA功率管理1．上行功率管理的例子2．站點選擇分集功率控制3．平衡下行功率的例子——調整環(huán)4．無線鏈路監(jiān)測4.4切換

切換即當一個用戶從一個小區(qū)運動到另一個小區(qū)時為了保證業(yè)務的連續(xù)性而進行的改變業(yè)務信道的無線資源管理操作。

切換發(fā)生的情況可能有如下幾種：（1）移動臺位于小區(qū)邊界，信號惡化到一定程度；（2）移動臺在小區(qū)中進入信號強度縫隙中（陰影區(qū)），造成信號惡化；

（3）移動交換中心發(fā)現一些小區(qū)太擁擠，而另一些很閑時，可命令擁擠的小區(qū)產生提前的切換，以調和各小區(qū)的負荷量；

（4）業(yè)務類型的改變，如果用戶要求的業(yè)務由話音轉為非實時的數據業(yè)務，則可能發(fā)生資源的重分配，造成小區(qū)內切換。

4.4.1切換算法性能指標一般的，采用如下的參數來衡量切換算法的性能：（1）呼叫阻塞率；（2）切換用戶阻塞率。

（3）切換失敗率；（4）切換頻率；（5）切換時延。

4.4.2切換控制方式（1）網絡控制切換（2）移動臺輔助控制切換（3）移動臺控制切換

4.4.3切換算法分類（1）相對信號強度（2）考慮門限的相對信號強度

（3）考慮滯后信息的相對信號強度（4）考慮滯后信息與門限的相對信號強度（5）預測技術

4.4.4WCDMA系統切換策略根據規(guī)范TS25.922，WCDMA系統中的切換可分為以下幾種類型。

（1）在FDD同頻情況下的軟切換和更軟切換；（2）在FDD異頻情況下的硬切換；（3）FDD/TDD之間的切換（硬切換）。

（4）TDD/FDD之間的切換（硬切換）；（5）TDD/TDD之間的切換（硬切換）。

（6）3G到2G系統的切換（例如到GSM系統的切換）（硬切換）。

（7）2G到3G系統的切換（例如來自GSM系統的切換）（硬切換）。

根據小區(qū)之間位置的不同，軟切換可以分為幾種不同情況。

（1）同一NodeB內不同小區(qū)之間的切換；如果在NodeB內部就完成了鏈路合并的功能，稱之為更軟切換。（2）同一RNC內不同NodeB間切換。（3）不同RNC之間的切換。

其他的頻率間切換，不同模式間切換以及系統間切換則都屬于硬切換類型。

1．軟切換軟切換是指移動臺在切換過程中可以跟多個基站有數據鏈路，無需先斷開舊鏈路再建立新鏈路。

軟切換具有如下優(yōu)點：（1）在兩個基站覆蓋區(qū)的交界處起到了業(yè)務信道的分集作用，可大大減少由于切換造成的掉話，保證了通信的可靠性；

（2）軟切換是無縫切換，可以保持通話的連續(xù)性：由于在軟切換過程中，在任何時候移動臺至少可以跟一個基站保持聯系，減少了掉話的可能性；

（3）對于處于切換區(qū)域的移動臺,通過在基站處進行分集接收來減少上行鏈路發(fā)送功率，結果進一步降低了上行鏈路干擾，有利于增加反向容量；

（4）軟切換和功率控制的配合可以降低發(fā)射功率及干擾，提高了系統容量和通信質量；

（5）軟切換降低或消除了在硬切換中的“乒乓效應”，減少了切換信令對網絡的負荷及雜項開銷；

（6）進入軟切換區(qū)域的移動臺即使不能立即得到與新基站相連的鏈路，也可以進入切換等待隊列排隊，從而減少了系統的阻塞率。

同時，軟切換也具有如下缺點：（1）由于在軟切換的過程中，不同的基站發(fā)送相同的信息，下行鏈路的干擾增加了；（2）用于實現軟切換的設備相對于硬切換要復雜一些。

WCDMA的軟切換算法使用導頻信道的Ec/I0作為切換測量數值。它與IS-95類似也有激活組、監(jiān)視組等。WCDMA的軟切換具體策略如圖4-9所示。

圖4-9WCDMA軟切換策略

軟切換的主要目的是提供無縫切換，增加系統抗干擾能力。軟切換主要提供以下三種增益。

（1）宏分集增益（2）微分集增益（3）下行鏈路負荷分擔

2．更軟切換當移動臺在同一個小區(qū)中從一個扇區(qū)移動到另一個扇區(qū)時，發(fā)生更軟切換。

更軟切換時，不需要進行基站和基站控制器之間的事務處理。因此，扇區(qū)之間的更軟切換可以比軟切換建立得更快。

3．硬切換硬切換是指移動臺在切換前和切換后只跟一個基站有數據鏈路，在切換過程中先斷開和原基站的鏈路，再建立同目標基站的鏈路。

4．WCDMA內的頻率間切換多個頻率可以通過兩種不同的方案使用。

5．WCDMA與GSM系統間的切換為了平衡WCDMA和GSM系統的覆蓋和負載，WCDMA和GSM規(guī)范支持二者間的相互切換。

6．頻間切換的測量問題WCDMA的UE處于Cell_DCH狀態(tài)時，要連續(xù)掃描同一頻率上的其他小區(qū)信號。

圖4-10壓縮模式傳輸

3GPP規(guī)范中上行鏈路只有一種形式，下行鏈路有兩種壓縮幀類型。3GPP規(guī)范規(guī)定了以下三種壓縮模式的實現方法。

（1）打孔（2）擴頻因子減半（3）高層預設

下行鏈路對上述的三種方法都支持，而上行鏈路不采用打孔的方法。運用壓縮模式來進行頻間測量可采用兩種觸發(fā)方式，周期性觸發(fā)和事件觸發(fā)，兩者均有各自的優(yōu)缺點。

7．切換小結

切換類型切換測量典型的UE到RNC切換測量報告切換原因WCDMA同頻由匹配濾波器進行全時段測量時間觸發(fā)報告正常移動WCDMA到GSM系統間需要時才測量，使用壓縮模式在壓縮模式期間周期性報告覆蓋、負荷、業(yè)務WCDMA異頻需要時才測量，使用壓縮模式在壓縮模式期間周期性報告覆蓋、負荷、業(yè)務表4-2 WCDMA切換類型4.5負載測量

WCDMA采取了三種機制來進行擁塞控制：接入控制、分組調度和負載控制。WCDMA系統具有上下行鏈路負載不對稱特性，擁塞控制就必須對上下行分別進行獨立的調整。

4.5.1在功率帶寬基礎上的上行鏈路負載寬帶接收功率電平可用來估計上行鏈路負荷，接收功率電平可在基站里測量。基于這些測量結果，可獲得上行鏈路的負載因子。

4.5.2在吞吐量基礎上的上行鏈路負載

4.5.3在寬帶功率基礎上的下行鏈路負載小區(qū)下行鏈路的負載由下行鏈路總發(fā)射功率Ptotal

決定，下行鏈路負載因子可以定義為當前發(fā)射總功率除以基站最大發(fā)射功率Pmax的商

4.5.4在吞吐量基礎上的下行鏈路負載第一種在吞吐量基礎上的下行鏈路負載定義如下

也可以用Eb/No的值來加權用戶的比特率4.6接入控制

接入控制主要應用在新的呼叫發(fā)起時。接入控制的關鍵是在混合業(yè)務環(huán)境中精確預測呼叫業(yè)務對資源的要求，需要分別進行上行、下行的預測和判斷。

WCDMA系統是一個自干擾系統，它的系統容量不是一個相對固定的值，而具有較大的彈性。服務質量與同時接入的用戶數量之間存在著平衡與折中的關系。

4.6.1接入控制算法性能指標根據不同的系統特征和網絡運營環(huán)境，不同的接入控制策略各有優(yōu)劣。

（1）呼叫阻塞概率；（2）通信中斷概率；（3）加權通信中斷概率；（4）方案實施中的信令業(yè)務負荷；（5）信道利用率。

任何一種方案的提出總是對不同矛盾折中的結果，無所謂全局最優(yōu)的解決方案。

4.6.2接入控制算法分類針對不同的業(yè)務類型和業(yè)務等級，會有相應的接入策略。每類接入策略控制的重點不同，得到的結果也有差異，選擇哪種算法主要取決于系統的實施情況及運營商和用戶的要求。

（1）按照接入準則劃分：可用的資源（等效的）用戶數目、SIR或基站處所測量到的干擾水平、基站處的發(fā)射功率、系統過載概率、其他（降低的服務等級）。

（2）按照決策方式劃分：分布式、半分布式、集中式。（3）按照信息級別劃分：局部、半局部、全局。

（4）按照自適應性劃分：固定門限策略、自適應策略。（5）按照業(yè)務情況劃分：單業(yè)務環(huán)境下的接入控制、多業(yè)務環(huán)境下的接入控制策略。

（6）按照系統層數劃分：單層系統下的接入控制策略、多層系統中的接入控制策略。（7）按照性能分析方法劃分：理論分析方法、仿真研究方法。

上行鏈路的接入控制算法主要有以下幾種。（1）基于干擾水平的接入控制算法（2）基于吞吐量的接入控制算法（3）基于信干比（SIR）的接入控制算法

對于下行鏈路，為避免產生諸如“角效應”（Cornerproblem）等問題，基站發(fā)射功率是有限制的，因此，下行鏈路接入控制采用以下基于發(fā)射功率的判決準則。

（1）如果總的發(fā)射功率小于預設的門限（與最大允許功率有余量），則接受一個新會話或者一個切換請求。

（2）如果在每一個業(yè)務信道上數據傳輸鏈路的傳輸功率小于預設的門限，則接受一個新會話或者一個切換請求。

4.6.3WCDMA系統接入控制算法接入控制功能體位于RNC，可獲得來自多個小區(qū)的負荷信息。接入控制算法評估無線網絡中負荷的增加，上下行鏈路的評估必須分別進行。

只有當上下行鏈路的接入控制均可以接入，才能接受建立無線承載的請求，否則拒絕。

WCDMA的接入控制算法可分為基于寬帶功率的接入控制算法和基于吞吐量的接入控制算法，上下行鏈路可以使用不同的接入控制算法。

1．基于寬帶功率的接入控制算法（1）基于寬帶功率的上行接入控制（2）基于寬帶功率的下行接入控制

2．基于吞吐量的接入控制算法（1）基于吞吐量的上行接入控制（2）基于吞吐量的下行接入控制4.7分組調度

分組調度包括以下功能。（1）在分組用戶之間共享可用的空中接口資源。（2）確定用于每個用戶的分組數據傳輸的傳輸信道。（3）監(jiān)視分組分配和系統負載。

分組調度算法主要為非實時無線承載提供資源。服務業(yè)務類型包括交互式業(yè)務和背景業(yè)務，具體支持業(yè)務有WWW瀏覽、短消息（SMS）、無線應用協議（WAP）、FTP、E-mail業(yè)務等，同時也可以支持VoIP、流媒體等業(yè)務。

4.7.1分組調度算法性能指標通常，為了對一無線分組調度算法的性能進行評估，可能會用到以下主要參考指標。（1）吞吐量（2）用戶間公平性

4.7.2分組調度算法1．MaxC/I算法系統總吞吐量最大化算法（MaxC/I）只為處于最佳信道狀況的用戶分配無線資源。

MaxC/I調度器還應該遵守以下的規(guī)則。（1）在進行調度時，所有非空的待傳輸數據源隊列以C/I的值進行排序。

（2）調度器可以持續(xù)為有最高的C/I值的用戶終端發(fā)送數據，直到以下的某種情況出現：該終端的隊列為空，另一個有更高C/I的終端有數據需要傳輸，或者有重傳被賦予了更高的優(yōu)先級。

（3）高優(yōu)先級隊列和低優(yōu)先級隊列都以C/I進行排隊，可以按照不同的業(yè)務進行排隊。

2．RR算法輪詢算法（RoundRobin，RR）也被稱為公平時間調度，屬于簡單的分組調度算法，它以輪詢方式為各承載分配無線資源。它所獲得的短期公平性是以犧牲系統吞吐量為代價的。輪詢算法適用于時域調度，其最大優(yōu)點為具有最低的算法復雜度。

RR調度器還應該遵循以下規(guī)則。（1）在進行調度時，所有非空的數據隊列都以輪詢的方式被服務。（2）只有為所有其他的數據隊列都服務了一次之后，才能再一次為某個用戶傳輸數據。

（3）除非只有一個非空數據隊列，否則下一幀服務的用戶不能與本幀中接受服務的是同一個用戶。（4）調度器一旦選定為某個用戶發(fā)送數據，就可以將不同幀到達的數據合并起來在一幀內發(fā)送。

RR算法具有較好的公平性，但是資源利用率低，吞吐量小，所以它確定了分組調度算法的下界。

3．PFS算法比例公平調度算法（ProportionalFairnessScheduling，PFS）與UE（接入終端）申請的速率成正比，也就是速率越高，被調度上的機會越大，可以保證高吞吐量。

與UE最近一段時間接收的數據量成反比，也就是以前被調度上的次數越多，下一次被調度的機會就越少，可以保證公平性。

4.7.3WCDMA系統分組調度PS（分組方案）將在分組呼叫（即激活的數據傳輸）期間分配合適的無線資源。

分組方案的功能包括兩個部分：針對用戶設備的和針對小區(qū)的。

分組調度以及無線資源管理可以在功率、吞吐量和頻譜效率的基礎上進行。

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