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无线资源管理

无线资源管理 Radio Resource Management(RRM):是在有限带宽的条件下,为网络内无线用户终端提供业务质量保障,其基本出发点是在网络话务量分布不均匀、信道特性因信道衰弱和干扰而起伏变化等情况下,灵活分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资源,最大程度地提高无线频谱利用率,防止网络拥塞和保持尽可能小的信令负荷。

无线资源管理(RRM)的研究内容主要包括以下几个部分:功率控制、信道分配、调度、切换、接入控制、负载控制、端到端的QoS和自适应编码调制等。

图1无线资源管理架构示意图

依据对象的不同,无线资源管理可以有两种不同的划分:

(1)面向连接的RRM。确保该连接的QoS,并使该条连接占用的无线资源最少。这时要考虑信道配置、功率控制、切换。对于每条连接,根据需要创建一个实例专门处理本连接的资源配置。

(2)面向小区的RRM。在确保该小区稳定的前提下,能接入更多的用户,提高整个系统的容量。这时要考虑码资源管理、负载控制。为每一个小区创建一个实例,专门处理该小区的资源管理。

而实现无线资源管理或控制的基本流程是:测量控制→测量UE(用户设备)、NodeB(节点B)、RNC(无线网络控制)→测量报告→判决、决策→资源的控制和执行。

RRM要做的就是能够保证CN(核心网)所请求的QoS,增强系统的覆盖,提高系统的容量。要达到RRM的目的,具体要做以下各项:信道配置、功率控制、切换控制、负载控制。

在移动通信系统中,近地强信号抑制远地弱信号产生“远近效应”。系统的信道容量主要受限于其他系统的同频干扰或系统内其他用户干扰。在不影响通信质量的情况下,进行功率控制尽量减少发射信号的功率,可以提高信道容量和增加用户终端的电池待机时间。传统的功率控制技术是以语音服务为主,这方面的研究已经相当多,主要涉及到集中式与分布式功率控制、开环与闭环功率控制、基于恒定接收与基于质量功率控制。目前功率控制的研究集中在数据服务和多媒体业务方面,多为综合进行功率控制和速率控制研究。功率控制和速率控制两者的目标基本上是互相抵触的,功率控制的目标是让更多的用户同时享有共同的服务,而速率控制则是以增加系统吞吐量为目标,使得个别用户或业务具有更高的传输速率。如何满足用户间不同的QoS要求和传输速率,同时达到公平性和高吞吐量的双重目标,是目前较为热门的课题。

用在电路交换网络的功率控制技术已不能适应IP传输和复杂的无线物理信道控制,当IP网络成为核心网络,如何在分组交换网络进行功率控制就成为功率控制研究的主要内容。针对基于突发模式(Burst-mode)功率控制的通信网络的研究和连续突发模式(Burst-by-burst)的通信系统的设计已引起很大的注意。结合功率控制和其他新技术,如智能天线、多用户检测技术、差错控制编码技术、自适应编码调制技术、子载波分配技术等方面的联合研究,提高系统容量也是比较热门的研究课题。

在无线蜂窝移动通信系统中,信道分配技术主要有3类:固定信道分配(FCA)、动态信道分配(DCA)以及随机信道分配(RCA)。 FCA的优点是信道管理容易,信道间干扰易于控制;缺点是信道无法最佳化使用,频谱信道效率低,而且各接入系统间的流量无法统一控制从而会造成频谱浪费,因此有必要使用动态信道分配,并配合各系统间做流量整合控制,以提高频谱信道使用效率。FCA算法为使蜂窝网络可以随流量的变化而变化提出了信道借用方案(Channel borrowing scheme),如信道预定借用(BCO)和方向信道锁定借用(BDCL)。信道借用算法的思想是将邻居蜂窝不用的信道用到本蜂窝中,以达到资源的最大利用。

DCA根据不同的划分标准可以划分为不同的分配算法。通常将DCA算法分为两类:集中式DCA和分布式DCA。集中式DCA一般位于移动通信网络的高层无线网络控制器(RNC),由RNC收集基站(BS)和移动站(MS)的信道分配信息;分布式DCA则由本地决定信道资源的分配,这样可以大大减少RNC控制的复杂性,该算法需要对系统的状态有很好的了解。根据DCA的不同特点可以将DCA算法分为以下3种:流量自适应信道分配、再用划分信道分配以及基于干扰动态信道分配算法等。DCA算法还有基于神经网络的DCA和基于时隙打分(Time slot scoring)的DCA。最大打包(MP)算法是不同于FCA和DCA算法的另一类信道分配算法。DCA算法动态为新的呼叫分配信道,但是当信道用完时,新的呼叫将阻塞。而MP算法的思想是:假设在不相邻蜂窝内已经为新呼叫分配了信道,且此时信道已经用完,倘若这时有新呼叫请求信道时,MP算法 (MPA)可以将两个不相邻蜂窝内正在进行的呼叫打包到一个信道内,从而把剩下的另一个信道分配给新到呼叫。

RCA是为减轻静态信道中较差的信道环境(深衰落)而随机改变呼叫的信道,因此每信道改变的干扰可以独立考虑。为使纠错编码和交织技术取得所需得QoS,需要通过不断地改变信道以获得足够高的信噪比。

未来移动通信系统的主要特征之一是存在大量的非实时性的分组数据业务。因为不同用户有不同速率,一个基站内所有用户速率总和往往会超过基站拥有频带所能传输的信道容量,因此必须要有调度器(Scheduler)在基站内根据用户QoS要求,判断该业务的类型以便分配信道资源给不同的用户。 最近调度技术开始与其他技术相结合,如调度技术和功率控制整合,调度技术和软切换技术相结合,软切换技术和呼叫准入控制技术相结合等,且调度技术也扩展至实时性数据(Real-time data),提出了新的应用。另外,为了在Internet中提供QoS,如IntServ或DiffServ服务,调度技术也起重要的作用。

切换技术是指移动用户终端在通话过程中从一个基站覆盖区内移动到另一个站覆盖区内或者脱离一个移动交换中心(MSC)的服务区进入另一个MSC服务区内,以维持移动用户通话不中断。有效的切换算法可以提高蜂窝移动通信系统的容量和QoS。切换技术一般分为硬切换、软切换、更软切换、频率间切换和系统间切换。切换技术主要是以网络信息信号质量的好坏、用户的移动速度等信息作为参考来判断是否应执行切换操作。除了以上给出的切换技术以外,正在研究的切换技术基于信道借用和基于用户位置的切换。 未来移动通信系统中切换技术与移动性管理结合得越来越紧密,由于未来移动通信系统的核心网为IP网,这势必会给移动用户的切换带来新的问题和挑战。现有的切换算法针对蜂窝移动通信系统设计,而Internet协议开始并不是针对无线通信环境所设计,要使得未来移动通信系统中切换技术得以实现,就必须对现有的切换技术进行修改。IETF在移动性管理方面做了许多工作,提出并制订了一些相关的标准:如宏移动(Macro-mobility)和微移动(Micro-mobility)的标准。

以语音业务为主的呼叫准入控制决定是否接受新用户呼叫是相当简单的问题,在基站有可用的资源时即可满足用户的要求。在CDMA网络中,使用软容量的概念,每个新呼叫的产生都会增加所有其他现有呼叫的干扰电平,从而影响整个系统的容量和呼叫质量。因此以适当的方法控制接入网络的呼叫显得比较重要。第3代及未来移动通信系统要求支持低速话音、高速数据和视频等多媒体业务,因此呼叫准入控制也就变得较为复杂。 未来移动通信系统中呼叫准入控制的要求是:在判决过程中,使用网络计划和干扰测量的门限,任何新的连接不应该影响覆盖范围和现有连接的质量(整个连接期间),当新连接产生时,呼叫准入控制利用来自负荷控制和功率控制的负荷信息估计上、下行链路负荷的增加,负荷的改变依赖于流量和质量等参数,若超过上行或下行链路的门限值,则不允许接入新的呼叫。呼叫准入控制算法给出传送比特速率、处理增益、无线链路发起质量参数、误码率(BER)、信噪比(Eb/No)和信干比(SIR)。呼叫准入控制管理承载映射、发起强制呼叫释放、强制频率间或系统间的切换等功能。

目前正在研究的呼叫准入控制算法主要有以下几类:基于QoS的呼叫准入控制算法,该算法对接入的呼叫业务进行分类,如分为实时性业务和非实时性业务,然后再分别对其执行不同的呼叫连接;交互式呼叫准入控制算法;基于等效带宽的呼叫准入控制算法;基于容量的呼叫准入控制算法;基于功率的呼叫准入控制算法;分布式呼叫准入控制算法等。

随着未来移动通信系统对数据、图像、视频等多媒体业务的支持,其业务的传输速率也越来越高,这就要求研究新的适合于高速移动通信系统的呼叫准入控制算法。此外,在考虑移动通信系统的呼叫准入控制时,拥塞控制策略也是通常需要考虑的一个方面,因此常将呼叫准入控制与拥塞控制进行结合研究。

传统的Internet网络提供是“尽力而为”(Best effort)服务,IP层无法保证业务的QoS要求,端到端QoS保障要通过传输控制协议(TCP)层来实现。尽管TCP层可以保障一定的QoS,如减少分组丢失率,但是仍无法满足高实时性要求的图像、视频等多媒体业务在无线系统中传输的端到端QoS要求。而且未来移动通信系统的核心网络将是基于IP的网络,这就给如何在移动Internet网络上为未来高速多媒体业务提供可靠的端到端QoS要求提出了新的问题。 目前对移动IP业务的服务质量(QoS)的保证方法,大多没有考虑到端到端QoS保证。下一代高速无线/移动网络要求能够接入Internet、支持各种多媒体应用并保证业务的 QoS。但由于用户的移动性和无线信道的不可靠性,使得QoS保证问题比有线网络更复杂。传统IP网络无法保证用户业务的QoS,这已经成为Internet向前发展的巨大障碍,为此IETF为增强现有IP的QoS性能提出了两种典型的保障机制即:综合业务/资源预约协议 (InterServ/RSVP)和区分业务(DiffServ)。

在无线网络中,传统的流量控制并不适应用来提供QoS 保证,因为会把无线信道传输过程中的分组丢失当作网络拥塞来处理。UMTS定义了4类QoS类型,即对最大传输迟延有严格的要求的会话类别,对端到端数据流的迟延抖动有一定要求的流类别,对往返延迟时间有要求的交互式类别,对延迟敏感性要求很低的后台类别。网络根据不同QoS类型的业务分别为其分配不同信道资源。此外还有其他几种解决QoS的算法,如无线链路层解决方案、TCP连接分离方法、TCP迭加解决方案、套接口/网关解决方案等。

有关自适应编码调制、无线资源预留等其他无线资源管理方面的研究内容也在进一步的研究和探讨中 [1]

TD-SCDMA移动通信系统由于使用了智能天线、联合检测和上行同步等先进的通信技术,使其在系统性能、容量和制造成本上都具有明显的优势。而作为具有CDMA特征的移动通信系统,可靠和高效的无线资源管理(Radio Resource Management,RRM)策略和方法,则是CDMA移动通信系统性能和容量的重要保证。 TD-SCDMA系统中无线资源包括码字、频率、时隙、功率和空间角度,该系统之所以频谱利用率高,是因为它综合使用了时分、频分、码分和空分以及其它多种新技术。在基于CDMA技术的移动通信系统中,采用智能天线技术可以提高系统的容量、减少用户间的干扰、扩大小区的覆盖范围、支持新的业务、提高网络的安全性以及实施用户定位等。多用户联合检测和上行同步技术对多址干扰的有效抑制使CDMA系统在相同处理增益下可同时容纳更多的激活用户。因此,TD-SCDMA系统通过空域处理或空时域联合处理的数字信号处理技术,可提高SINR,减少时延扩展和衰落带来的影响,进而提高链路质量。链路性能的提高可以更轻松地提供各种新业务,如对误码率有较高要求的数据业务和无线Internet业务。但采用智能天线等技术后,它必将涉及到许多网络功能的变化,如无线资源管理和移动性管理等。由于空间角度成为可利用的资源,在对系统资源进行分配和管理时,既要考虑最大限度地提高系统资源利用率,又要协调好各种资源之间的相互关系,以便最大限度地降低用户之间的干扰,只有这样才能保证系统的整体性能达到最优状态。由于资源内涵的扩展和资源类型的增加,特别是空间角度成为可用资源后,系统的资源分配和管理算法比传统的移动通信系统要灵活得多,同时也复杂得多。但目前对智能天线和联合检测技术的研究都是基于物理层的信息技术进行的,即只是研究技术本身的实现和所具有的链路级性能,还没有研究它们所涉及到的网络效能,不能充分合理发挥智能天线和联合检测的效能。无线资源管理是信息技术和网络技术的综合,而传统的RRM所具有的功能都是以实际物理资源的分配和调整为基础来展开的(硬资源管理方法)。但是,TD-SCDMA系统在使用智能天线和联合检测等空时处理技术后,系统增加和派生出了新的逻辑资源和虚拟资源,系统资源的内涵得到了扩展,因此,必须研究利用新的无线资源管理的理论和策略(软资源管理方法、等效资源管理方法),对空时处理系统中的多种无线资源进行有效的分配与管理,才能真正提高频率资源、码道资源的复用率和功率资源的利用率,进而达到系统的设计目标。 [2]

无线资源管理(RRM,RadioResourceManagement)功能是无线网络控制器(RNC)的重要组成部分,其作用主要包括以下3个方面。

(1)确保用户申请业务的服务质量(QoS),包括误块率(BLER)、误比特率(BER)、时间延迟(Delay)、业务优先等级等。

(2)确保系统规划的覆盖。

(3)充分利用和提高系统容量。

RRM的功能主要为计算、控制及资源配置。它主要由算法模块、决策模块、资源分配模块、无线资源数据库和对外接口模块组成。其中最主要的是算法模块,包括以下几个功能模块。

(1)功率控制(PC,PowerControl)模块:在维持链路通信质量的前提下尽可能小地消耗功率资源,从而降低网络中的相互干扰和延长终端电池的使用时间。

(2)切换控制(HC,HandoverControl)模块:保证移动用户通信的连续性,或者基于网络负载和操作维护等原因,将用户从当前的通信链路转移到其他小区。

(3)接入控制(AC,AdmissionControl)模块:当新的用户和越区切换的用户发起呼叫时,网络执行接纳控制过程,其目的是维持网络的稳定性和已接纳用户的QoS。

(4)负载控制(LC,LoadControl)模块:连续计算网络的负荷信息,并将该信息提供给其他模块。当网络出现过载情况时,LC通过RRM中其他模块的综合作用将网络恢复到正常的状态。

(5)分组调度(PS,PacketScheduler)模块:用于服务分组数据业务,其具体的调度速率由网络负荷情况决定。

(6)动态信道分配(DCA)模块:负责将信道分配到小区、信道优先级排序、信道选择、信道调整和资源整合。

(7)无线链路监测(RLS)模块:负责监测无线链路的质量,当检测到通信链路质量变坏时,向相应的RRM模块发出报告,并进行恶化处理或恶化恢复处理。

(8)资源管理(RM,ResourceManagement)模块:包括码分配(CA,CodeAssignment)、逻辑信道资源和传输信道资源的管理。

除以上所列的模块之外,RRM还包括拥塞控制(CC,CongestionControl)模块、小区选择(CS,CellSelection)模块和无线承载控制(RBC,RadioBearerControl)模块。

无线通信系统、QoS、UMTS、误码率、切换、TDSCDMA


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