3G網絡管理中的控制算法淺析

2019-11-03 09:13:58

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供稿：網友

北京郵電大學于翠波李道本
中興通訊股份有限公司萬淑娥

　　電信運營企業在網絡規劃、網絡建設工作初步完成后，下一步工作就是充分利用已投資的網絡資源，使之產生最大的經濟收益。如何使網絡穩定、可靠。高效地運行，網絡管理系統起著確定性的作用。

　　目前移動通信網絡正在積極地向第3代UMTS系統邁進，目的是利用電路交換與分組交換接入支持更豐富的業務與應用。雖然目前還不能非常清楚地列舉出3G網絡提供的所有業務與應用，但有一點十分明確，即未來的網絡必定支持諸如語音、音頻、E-mail、網頁瀏覽及多媒體業務等現在已廣泛存在的業務。豐富多樣的業務要求網絡中的無線鏈路應具備一定的靈活性，以滿足不同業務對傳輸媒介的不同質量需求，但業務的多樣性會使得網絡業務建模的難度增大，復雜性增加。數據業務有突發的統計特性，使用分組交換能夠提高網絡的有效容量，這一點對資源昂貴的無線系統尤其重要，但同時分組交換可能產生的問題是當網絡容量不足或傳輸中發生沖突情況時可能導致傳輸時延增大，這在實時業務（如語音業務和實時音頻業務等）的應用中是難以被接受的。為滿足不同業務的應用需求，網絡需要在保證數據速率和最大時延的前提下決定各種業務的服務質量（QoS）。

　　與GSM系統相比，UMTS系統要復雜得多。CDMA系統的基本特征之一就是其覆蓋面積與系統的瞬時噪聲密切相關，即小區負載的業務量越大，其覆蓋范圍越小。由于小區內的業務量與小區的用戶行為有關，是不斷變化的，因此其覆蓋范圍也不斷地隨之變化（該現象被稱為小區呼吸）?！靶^呼吸”的現象使得無線系統的規劃與設計更為復雜。

　　我們可以根據UMTS的一些特性，如小區呼吸、軟切換等，對覆蓋面積與業務容量的問題進行折衷考慮（既不用犧牲很多網絡性能和/或覆蓋范圍，又能保證一定的系統容量），這就需要很強的控制算法。本文著重討論UMTS中所建議使用的主要控制算法。

一、功率分配與控制

　　在CDMA系統中，所有用戶使用相同的頻率，干擾控制是CDMA系統的網絡管理工作中一個十分重要的問題，對于上行鏈路尤其重要（當位于基站附近的移動臺以大功率發射信號時，該信號很容易超過小區邊緣距離基站的移動臺的信號，嚴重時甚至會阻斷整個小區的通信），而在下行鏈路中，系統容量主要由每個終端連接所要求的功率決定。因此，使基站保持發射功率處于較低水平而又能使接收端獲得足夠的信號質量，是非常重要的。

　　雖然與IS-95系統相比，很多新技術正在逐步引入WCDMA系統中，如干擾消除和多用戶檢測等，但這些新技術目前還受限于芯片處理速度，其應用還有待于進一步完善。目前所有CDMA的直接擴譜序列系統還只是單用戶檢測系統，雖然其他用戶的信號里包含了一些對本用戶有用的解調信息，但這些解調信息還無法得到實際利用，對此類問題必須使用功率控制來克服遠近效應，保證通信質量。

　　功率控制按方向不同分為上行功率控制和下行功率控制，按移動臺和基站是否同時參與又分為開環功率控制和閉環功率控制。

　　因為CDMA的上行頻率和下行頻率在同一頻帶范圍內，所以上、下行鏈路的路徑損耗之間有很強的相關性，對UE（用戶設備）的功率控制是在訪問網絡以前，而對基站的功率控制則在無線連接建立起以后，根據下行方向的路徑損耗的計算值，估計上、下行鏈路所需的初始發送功率值。此為開環功率控制。當一個UE接入到網絡時，開環功率控制負責設定上行和下行鏈路的初始發送功率值。

　　慢速功控是功率控制的一種，慢速功率控制用于下行公共信道中。內環（快速閉環）功率控制以一定頻率動態地調整發送功率。外環功率控制估計接收信號質量并調整快速閉環功率控制的目標SIR，用于保證通信過程的高質量。內環功率控制需依賴無線鏈路對端的第一層的信息，此時，UE/BS根據接收到的BS/UE處的SIR值來調整發送功率，以補償無線鏈路的衰落。內環功率控制的目標SIR定義了承載業務的質量需求，而外環功率控制的目標是設法維持相應質量需求下的通信質量。

二、切換控制

　　切換是用戶臺在移動過程中為保持與網絡的持續連接而發生的、當用戶終端在不同小區間漫游時維持已有通信的一種手段。一般情況下，切換可以分以下三個步驟：無線測量、網絡判決和系統執行。

　　軟切換本身是一個有爭議的CDMA特性，一方面，軟切換可以在兩個基站覆蓋區的交界處起到業務信道的分集作用，以減少移動臺發射功率和由切換造成的掉話；另一方面，它會由于同時占用多個信道資源而增加設備投資和系統背板的復雜性，例如基站中需要增加額外的RAKE接收機信道單元，基站和RNC間需要增加額外的傳輸鏈路，移動臺需要增加額外的RAKE解調器，基站內不同扇區間需要增加額外的鏈路等。

　　盡管軟切換有上述幾方面的局限性，但由于直擴CDMA系統的相鄰小區同頻工作，為避免在重疊覆蓋區域產生信號強干擾，必須采用軟切換，它與快速功率控制一樣，是直擴CDMA必不可少的核心技術之一。應用軟切換技術之后，CDMA系統中由于切換引起掉話的概率大大降低，保證了通信的可靠性。

　　在下行鏈路，每增加一條軟切換鏈路，就增加一定程度的系統干擾，如果系統干擾的增加程度超過了軟切換增益，軟切換就不會給系統容量帶來任何好處。所以在WCDMA中，軟切換在應用之前也必須進行良好規劃，以使上行鏈路和下行鏈路提供足夠的分集將軟切換控制在一個合適的范圍內。

　　然而，軟/更軟切換需要占用更多的如頻率、功率等資源。由于使用軟切換，接納控制階段的阻塞率會增大，時延會增加，因此軟/更軟切控制是通過降低資源利用率來維持用戶的滿意度與系統性能的。

三、擁塞控制

　　WCDMA系統中，因為過多的負載將導致網絡性能無法滿足通信質量的要求，所以必須要將空中接口的負載保持在預定義的閾值以下，否則會產生網絡達不到覆蓋要求、容量下降、通信質量惡化等情況，而且過多的空中接口負載還可能使網絡產生不穩定狀態?！　砣刂朴幸韵氯N情況。

　　1．接納控制（AC：Acess Control）

　　處理所有的新來話務量，新來的分組或電路交換的RAB（無線接入承載）是否能夠進入系統以及生成新接納的RAB所需的參數都由接納控制來完成。

　　對于不同的話務類型，接納控制AC實際上由兩部分構成。對于實時業務，接納控制決定是否允許一個移動臺進入網絡，如果新進入的無線承載會造成對網絡的過多干擾，則拒絕其訪問。而非實時業務對時延問題不是特別敏感，其分組時間與比特率的最佳化操作需要在RAB接入之后完成，需要與分組調度器密切合作，即接納控制負責無線接入承載的接納與釋放，分組調度器負責在分組呼叫期間分配合適的無線資源。接納控制算法會估計因承載的接入或變動而造成的負載增加，而且可以對上行和下行鏈路進行分離的估計。

　　要想修改或建立新的承載鏈路，建立或修改RAB及發送分組，必須要使上行和下行鏈路的接納條件都得到滿足。接納控制不僅需要對接入小區做負載變化估計，對需要計入接入小區的小區間干擾的相鄰小區或者至少活動集內的小區也需要做負載變化估計。無論上行鏈路或下行鏈路，若負載估計值超過預定閾值，接納控制就會拒絕該承載鏈路的新建。決策過程中，接納控制需要用到無線網絡規劃閾值、上行干擾和下行發送功率信息。知道了網絡中周圍小區的當前負載狀況以及請求業務所需要的負載增加量以后，接納控制就可以決定是否接收新的呼叫。因此，接納控制功能的實現需要信息支持，而RNC恰好具有所有需要的信息，所以接納控制功能在RNC中實現。

　　2．負載控制

　　負責處理系統負載已超過閾值時的情況，并采取相應的對策使系統返回到可行狀態。

　　3．分組調度（PS：Packet Scheduling）

　　處理所有的非實時業務，即分組數據用戶的業務。分組調度決定何時發起分組傳輸及可使用的比特速率。

　　接納控制負責無線接入承載（RAB）的接納和釋放，而整個連接過程中只有在有實際數據發送時才使用無線資源，其它時間并不預留無線資源。分組調度（PS）給分組呼叫(有效數據發送)分配合適的無線資源，是以小區為基礎進行的，支持不對稱業務。上行和下行的負載變化很大，所以兩個方向的容量是分開分配的。然而，當給一個方向分配了專用信道后，另一個方向也需要分配專用信道，即使其中只有一個方向上有容量需求時也得如此。此時，分組調度器給另一方向分配一條低比特率專用信道，此信道攜帶的信息如下：高層（TCP）的確認、數據層（RLC）的確認、數據鏈路層控制和功率控制信息。通常，該低比特率信道稱為“返回信道”。

　　小區內的無線資源由實時業務和非實時無線承載共享，而且實時與非實時承載的比例變化迅速。實時業務的特點是不能對其有效控制，由實時業務生成的負載、其他小區用戶產生的干擾和噪聲統稱為不可控負載；而由“盡力而為”的非實時業務產生的負載稱為可控負載。因此，不能用于不可控負載的容量可以由非實時的無線承載以“盡力而為”方式使用。

　　WCDMA小區中，負載分配是由無線資源管理功能來實現的，負載分配原則為：上行和下行鏈路中的總的負載達到系統負載的最佳點。由于干擾及傳播條件的變化，系統負載最佳點是瞬時變化的。不論何時，不論是上行方向還是下行方向的負載超過了規定的閾值，就會產生負載溢出，此時，負載控制開始起作用，直到使系統負載返回到可接受點為至。

四、結論

　　通信網絡建設和業務規模發展到一定程度后，基礎設施和用戶數量的增長將趨于平緩，網絡管理所起的作用將越來越大。未來網絡的經濟效益將主要來源于資源管理與新業務的提供，資源管理包括負載控制、接納控制、軟/更軟切換控制及QoS控制等。良好、適合的管理功能可以使網絡在覆蓋面積與網絡容量二者之間達到平衡。

　　本文討論了幾種網絡管理與資源管理的方法，這些方法有的已應用到網絡資源管理中并產生很好的效果。將來，還需要行業同仁開發更多的算法使網絡有效地利用有限的網絡資源。

----《通信世界》