第3代移动通信系统中的无线资源管理

1 引言

　　移动通信技术经历了第1代和第2代的长足发展，移动用户数量急剧增长，移动业务逐步走向多元化，用户对服务质量的要求进一步提高，如何更有效地管理和使用无线资源已经成为运营商最为关心的一个问题。在第3代移动通信系统中，无线资源管理作为一个专门的课题被提了出来，而且成为衡量一台设备、一套系统以及一个运营商服务质量优劣的一个重要性能指标。无线资源管理主要负责对系统可以使用的所有无线资源进行分配和管理，其核心问题是在保证网络服务质量的前提下，提高频谱利用率。

　　第3代移动通信系统中的无线资源主要包括以下几个方面：码字、功率、时隙和频率。无线资源管理所具有的功能都是以无线资源的分配和调整为基础来展开的。其功能包括呼叫接纳控制(CAC)、分组调度(PS)、功率控制(PC)、切换控制(HC)和负载控制(LC)等几个方面[1]。上述各种功能都是通过相应的算法来实现的，其中接纳控制、负载控制和分组调度是面向网络的算法，而功率控制和切换控制是面向各个连接的算法。图1[2]给出了位于基站中的无线资源管理算法的基本模型。资源估计器控制着整个无线资源管理算法的实现。当有用户请求发生时，接纳控制裁决是否接纳该请求，对于电路交换类型业务，若被接纳则经功率控制后就可以直接发送出去；对于分组交换类型业务，若被接纳则根据其业务类型送到相应的队列中。随后，队列调度器进行发送调度。若采用的是时间调度器，则进行时隙分配。图1中的功率及速率调度器完成对发射功率及发送速率的分配。

图1 基站中无线资源管理算法的基本模型

　　无线资源管理的具体算法与网络结构(宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝)、多址接入方式(WCDMA、cdma2000、TD－SCDMA、LAS－CDMA等)、智能天线运用方式、业务种类和业务量模型(Traffic Pattern)、越区切换方式、上行或下行场合等因素有关[3]。由于考虑的角度不同，文献中出现大量不同的算法。

　　下文主要对接纳控制、分组调度和功率控制这3项关键技术的最新发展进行论述。

　　2 接纳控制

　　CDMA网络中应用了“软容量”的概念，系统的容量仍然是有限制的。一个新近到达的(新发起的或以切换方式到达的)连接请求是否能够被接纳，包括通过怎样的方式被接纳等一系列决策问题就构成了接纳控制的核心任务。其基本原则是：接纳新连接不应以牺牲已有连接的服务质量(QoS)为代价。接纳控制对于避免业务量负荷过载，保证系统的稳定性至关重要。文献中已提出多种接纳控制算法[4]。

　　2.1 判决基本依据

　　若扩频码字不能做到完全正交，则接入新的连接会增加多址干扰。CDMA蜂窝网络的一个重要特点是其容量为干扰受限，因此大多数接纳控制算法是基于干扰功率的。由于从总干扰功率的限制可以估算出系统的容量，因此，有些接纳控制算法是基于用户数的。

　　接纳控制可分为下行链路与上行链路两种情况。就下行链路而言，可采用基于功率的方法，计算本小区的发射功率，若低于预定门限，则接纳新请求；就上行链路而言，其准则可以是基于用户数的，也可以是基于干扰的。相对而言，前者较易实现，后者准确性更高。

　　2.2 接纳控制需要考虑的问题

　　(1)资源预留

　　在蜂窝移动通信过程中，中断一个正在进行的呼叫，对用户来说，比拒绝(阻塞)一个新呼叫请求的负面影响更大，因此，在接纳控制中，切换通常被赋予较高的优先级。目前，已有较多的文献考虑在切换存在的环境中，如何保证切换中断概率(HDP)足够小，而又使新连接请求的阻塞概率(NBP)符合要求。已有的方法大多数是基于保护信道机制，其主要思想是：预留一部分容量仅供切换分配使用。为了更好地改进性能，保护信道机制又有一系列的扩展形式，如：允许切换或新请求在已无可用信道时排队等待，以某种概率形式接纳新请求的分数保护信道机制等。保护信道机制的关键是在于确定最优的预留容量供切换使用。容量预留少了，强制终止概率增大，切换的性能降低；容量预留多了，新请求的阻塞概率增大，带宽的利用率降低。当网络业务量负荷变化时，简单的保护信道机制难以自适应地调整。为了适应网络业务量的实时性变化，动态的、自适应的接纳控制算法研究已成为当前的一个研究热点，算法可根据当前系统的负荷对预留带宽进行动态、自适应地调节[5-7]。

　　(2)用户移动模型和业务模型

　　在实际的系统中，固定区域出现的新用户，其移动方向是随机的，但也是有基本规律的。对越区切换的呼叫，有效的资源预留方案应该考虑用户的移动模型。根据用户移动的历史记录或者通过预测用户的移动性来预留带宽，受到了研究者的关注。

　　目前，利用全球定位系统(GPS)对移动用户定位已可商用化。利用蜂窝网本身也可以对移动用户进行定位，这为用户移动性的预测创造了条件。其关键是寻求一种可实现而性能好的方案。文献[8]作者利用GPS来估计移动台的位置，预测它的移动性，利用了Kalman滤波器来改善定位的准确性。随着GPS应用的不断发展和成熟，这种预测方法也将变得更加可行。

　　此外，现有的一些研究方法大多是基于这样一种模型：业务到达服从泊松分布，业务服务时间服从负指数分布。已有研究表明[9，10]，这种模型对于具有自相似特性的数据业务而言并不适合。文献[11]中采用了超爱尔兰分布(Hyper Erlang Distribution)作为服务时间分布，但对业务到达仍采用泊松分布。研究适合于无线蜂窝网络中数据业务的正确模型还有待做进一步的工作。

　　(3)多业务支持

　　较早的文献中研究的大多是单业务情况下的接纳控制。3GPP根据时延敏感性将UMTS(通用移动通信系统)中的不同业务划分为四大类[1]。因此,一个好的CAC方案应该考虑到不同业务呼叫的特性，进行区别处理。其基本的处理方法是使有较高优先级的业务比低优先级业务在接纳时获得更多的优先权[12]。

　　(4)QoS参数

　　在呼叫接纳控制中，最流行采用的服务质量参数是呼叫阻塞概率和切换中断概率。通常利用这两个参数值来验证CAC方案的性能。随着自适应业务的采用(即业务可以采用不同的传输速率，当系统负荷轻时，可以以较大速率传输；系统负荷重时，以较小速率传输)，当前一些文献中引入了一些新的QoS参数，如降级率(Degradation Ratio)和升/降级频率(Upgrade/Degradation Frequency)[13]。

　　(5)对邻小区干扰的考虑

　　对于多址干扰问题，已有文献往往只考虑新接入的用户对本小区所产生的干扰。文献[14]指出，新接入的用户除对本小区产生干扰外，还会对相邻小区产生干扰，特别是当新接入的用户处于小区边缘时，为此提出了“向周围看”(Looking Around)算法。接纳判决时不仅要检查本小区增加的干扰，也要检查相邻小区的干扰。

　　以上从5个方面叙述了接纳控制需要考虑的问题。目前还没有综合考虑这5个方面接纳控制算法的文献。因此，接纳控制算法还有很大的研究空间。

　　3 无线分组调度

　　无线分组调度是在3G系统中对分组业务在分组级(帧或时隙级)对无线资源的一次再分配。多媒体业务的应用，促使无线网络向分组化发展。

　　有线网络中的分组调度算法已有较多的研究。有线网络中的分组调度器通常是具有串行的一路出口，多个输入业务流按时分方式调度。而在CDMA系统中，输出可以是码分的，即每个输入业务流分配一条码信道并行输出；输出也可以是时分的，即只采用1路高速(指信息速率)扩频信道，每个输入业务流按时分方式被串行输出，这种方式可用于下行链路。文献[15]指出，在一定的条件下，时分方式优于码分方式。若采用时分方式，则和有线网络中的分组调度器有共性，例如其评价指标有：

　　(1)隔离性：能否确保一个业务流的预约带宽不受系统中其他业务流的不良影响(例如违约)。

　　(2)时延性：能否保证较低的时延，保证业务流最大分组时延的上限只与业务流本身的参数(例如预约带宽、分组长度等)有关，而与其他参数诸如系统中的业务流个数无关。

　　(3)公平性：应该以公平的方式将链路带宽分配给各个业务流。

　　但是，无线网络同有线网络相比具有很大的特殊性，最重要的3点就是其带宽有限、信道的位置依赖性以及突发和高的信道误码。考虑到对带宽的充分利用，当由于误码或其它原因造成某一正在传递数据的连接暂时中断，系统应将该信道临时分配给别的连接。为了实现公平性，在暂时中断服务的连接恢复正常后，获得额外服务的连接就应当作出补偿。因此基于有线网络的分组调度算法不能直接应用于无线网络。近年来，文献中提出了一些无线调度算法[16]。就已有的方法来看，无线分组调度的研究还存在着下列问题：

• 用“链路处于无差错状态时，链路容量为全部带宽；否则，链路容量为零”这样的一种两状态马尔可夫链对无线链路状态进行建模显然过于简化。实际的无线链路容量不仅仅在这两种状态之间跳变，将来的分组调度算法应该是基于多种链路状态的。
  
• 前面提到过，无线分组调度算法可以是时分的，也可以是码分的，这时应该考虑由多个调度器为分组服务的情形，但随之带来的多调度器之间的协调问题不容忽视。当然，还可以有时分和码分混合的情况[17]。
  
• 无线信道是带宽受限且时变的，为保证QoS，无线分组调度算法必须以适当的接纳控制算法及拥塞控制机制为基础，后二者对调度算法的影响以及如何最优地整合这3者，还值得进一步的研究。
  

　　同时，无线分组调度算法还应该支持多业务。文献[18]提出了一种支持服务类别的无线公平调度算法：CoSB－WFS(基于服务类别的无线公平调度)。算法区分不同的服务类别并可根据其业务需要进行不同的调度。考虑到无线信道的特殊性，算法还引入了补偿和再分配模式。

　　4 功率控制

　　在基于CDMA技术的3G系统中，各用户共用相同的频带。然而由于各自的扩频码并非理想正交，移动终端所处的位置以及无线信道的衰落等原因，导致在3G系统中存在着多址干扰、远近效应、角效应等问题。功率控制是克服这一系列问题的重要核心技术(在LAS CDMA系统中，由于采用了一种零相关区扩频码，干扰大大地减少了，功率控制可以不用或者简化)。与此同时，采用适宜的发射功率还有助于提高移动终端电池的使用寿命，从而延长其使用时间。再者，在多种业务共存的环境中，控制发射功率及发送速率还是用来保证不同类型用户的QoS要求、提高系统容量的重要手段。

　　功率控制可分为下行链路与上行链路两种情况。其解决的问题是在所需QoS要求约束下，如何有效地分配发射功率，以使系统能为更多的用户服务。需要指出的是，为克服角效应，下行链路的功率控制是必要的，可使基站平均发射功率最小，减小邻区干扰。功率控制对于上行链路取得最大容量是非常关键的。

　　从实现原理上看，功率控制准则大致分为两类[19]：基于最小化总发射功率的功率控制准则和基于信号/干扰比(SIR)平衡的功率控制准则。前者可以是将调整发射功率与基站的分配问题综合考虑，使达到所需SIR时用户的总发射功率最小；后者是指平衡所有链路的SIR，同时使系统达到所能达到的最大SIR。文献[20]提出了广义SIR平衡的概念，证明了单一业务蜂窝网中的SIR平衡问题是多业务蜂窝网中的广义SIR平衡问题的一个子集，进一步充实了基于SIR平衡的功率控制准则的理论研究。相应的功率控制方式[19]可以是集中式或分布式的。前者指功率控制在网络中央控制器部分完成，它根据接收端收到的信号功率及链路增益来调整发射端的发射功率；后者不需要测量所有的链路增益，利用分布式算法近似地实现最佳功控。集中式算法性能较好，但较难实现；分布式算法性能较前者差，但较易实现。对于进一步研究实时应用并有较佳性能的分布式功率控制算法应是今后的主要方向，这包括继续对具有不同QoS要求的多业务环境下的功率控制研究。

　　5 结语与展望

　　以上仅就无线资源管理的三方面作了论述。需要指出的是，广义的无线资源管理还包括负荷控制及切换管理等方面的内容。我们应当意识到，这些算法不是孤立地存在，而是相互影响、相互依存的。例如，适宜的发射功率有助于提高系统容量，这进一步影响着接纳控制的裁决；准确的接纳控制判决，决定着网络的负荷；分组调度算法在更加细微的时间尺度上优化了系统资源，提高了系统的吞吐量等等。可以看出，无线资源管理中各个不同方面的相互作用关系还有待继续研究。

　　今天，在3G系统还未投入商用时，对4G的探索和思考已经开始。4G将会是一种较3G而言有着更高的通信速率，能在更复杂的环境及移动状态中传送无线多媒体业务、满足更多类型QoS要求的系统。我们有理由相信，未来的无线移动通信将会是一个更广阔的研究天地，同时，它将对人类工作和生活的方方面面带来变革。

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[摘要] 文章对第3代移动通信系统中无线资源管理的关键技术进行了论述，包括接纳控制、无线分组调度和功率控制等方面内容。

[关键词] 无线资源管理；接纳控制；无线分组调度；功率控制；服务质量

[Abstract] The key technologies of Radio Resource Management (RRM) in third generation mobile communication systems are presented with analysis of admission control, wireless packet scheduling and power control.

[Keywords] Radio resource management; Admission control; Wireless packet scheduling; Power control; QoS