未來移動無線網(wǎng)絡資源的合理使用

摘要　　該文簡要介紹移動通信的業(yè)務發(fā)展，討論移動通信的無線頻率資源配置問題，分析了未來移動通信系統(tǒng)如何合理利用頻率資源，并提出進一步利用頻率資源的研究建議。 　　

關鍵詞　移動通信　無線頻率資源　頻譜利用率　IMT-2000 TD-SCDMA

　　1　引言

　　目前，世界移動通信與互聯(lián)網(wǎng)技術的迅速融合，顯示出了強勁的發(fā)展勢頭，這種增長趨勢正從根本上改變著全球通信業(yè)的面貌；互聯(lián)網(wǎng)的盛行進一步促進了移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，以及無線用戶對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊�求，人們期待著無線高速多媒體時代的到來，為滿足人們對無線個人通信與日俱增的要求，我們在展望無線移動網(wǎng)發(fā)展的巨大潛力的同時，也應該意識到高用戶量，高數(shù)據(jù)傳輸量和多種業(yè)務并存給未來無線網(wǎng)絡帶來的潛在挑戰(zhàn)，解決這一問題，不僅僅只靠通信設備的更新，更需要合理使用現(xiàn)在的無線資源。以便提高網(wǎng)絡的容量。

　　當前，移動通信中提高網(wǎng)絡容量的方式可分為兩種。一種是傳統(tǒng)的無線鏈路本身性提高，即由點到點調制和解調，編碼和解碼等各個方面提高單一鏈路的數(shù)據(jù)傳輸量，以滿足高用戶量要求，但該方式對收發(fā)信機的要求較高，造成了設備的復雜性可見一斑。另一種是把蜂窩網(wǎng)看作一個整體，合理使用現(xiàn)在的無線資源，用較簡單的收發(fā)信機，而以優(yōu)化分配有限的無線資源來提高網(wǎng)絡的整體容量。 　

　　對于蜂窩網(wǎng)絡合理使用無線資源的問題：是指進入網(wǎng)絡的移動用戶蜂窩網(wǎng)需要分配適當?shù)幕�站、信道、發(fā)信功率，以使其具有固定硬件無線網(wǎng)絡獲得更高容量的同時，滿足用戶的質量要求（QoS）。對無線網(wǎng)絡這樣的一個動態(tài)網(wǎng)絡，應該采用實時型的無線資源配置實現(xiàn)資源最佳的分配（Optimization）。

　　2 無線資源配置

　　2.1　無線資源分配問題

　　資源分配問題將涉及移動用戶與基站之間建立無線鏈路，包括基站選擇，信道分配、切換、上行和下行發(fā)信功率控制、而這要按照資源分配原則，根據(jù)目前的無線移動網(wǎng)理論分析表明，充分利用網(wǎng)絡內部有效資源的關鍵問題是在保證網(wǎng)絡服務質量的前提下，提高頻譜利用率。當然提高頻譜利用率有多種方法，除無線鏈路本身性能提高外，還要優(yōu)化網(wǎng)絡管理，而主要是基于網(wǎng)內話務量分布不均勻，且信道的狀態(tài)因無線電磁波信號衰落及干擾而起伏變化的情況下，尋求靈活地分配和及時調整可用的無線資源。這需要對整個無線網(wǎng)絡進行優(yōu)化組合、合理配置。而最有效的方法，莫過于采用信道合理分配，適時的切換以及靈活的功率控制。 　

　　2.2.1　信道的配置

　　一個蜂窩網(wǎng)的信道配置是在一給定時間定義蜂房內可用的信道表。它包括一組支持空閑模式下移動臺和啟動移動臺接入的公用信道（一個BCCH，一個PAGCH和一個RACH）和一組攜帶信令和用戶數(shù)據(jù)的業(yè)務信道（各種速率的TACH，包括規(guī)范中的TCH/F，TCH/H和SDCCH），它可以定時改變，而這些改變可能對業(yè)務管理有不同程度的影響。

　　2.2.2　信道的分配方式

　　現(xiàn)代蜂網(wǎng)中，隨著用戶量的增加信道分配對網(wǎng)絡容量直接起著至關重要的作用。目前蜂網(wǎng)中信道分配方式歸結起來有以下三種方式：固定信道分配（FCA:fined channel callocation）和隨機信道分配（RCA:random channel allocation）。

　�。�1）固定信道分配(fca:fined channel allo-cation)

　　最傳統(tǒng)的一種信道分配方式，普遍應用于第一和第二代移動通信系統(tǒng)中。它根據(jù)網(wǎng)絡設計的要求，考慮在最差的情況下所需要的頻率復用距離來制定頻率規(guī)劃。復用距離的縮短，可提高頻譜利用率，而最差情況下的考慮，又限制了復用距離的縮短。因此FCA不能滿足高頻譜利用率的要求。

　�。�2）隨機信道分配（RCA:random channel allocation）

　　在用戶通話過程中隨機地更換信道。若有一個信道質量不好那么就有一個用戶得不到好信道，隨機信道分配的結果是同一小區(qū)內的每一用戶得到同樣的信道質量，即占有好壞信道機會均等。這樣在無法獲得信道質量信息時，RCA不失為一種好方法。但不足之處是小區(qū)邊界同頻干擾，有時較嚴重（取決于隨機概率），實際上沒有一個用戶可以得到真正好的信道，在第二代GSM9000系統(tǒng)中采用慢速跳頻序列，隨機地改變一個信道占有頻道頻率的技術。可改善誤碼性能并收到頻率分集的效果，分離了來自其他小區(qū)的同頻干擾。這種技術可理解為隨機信道分配的例子。

　�。�3）動態(tài)信道分配（DCA:dynamic channel allocation）

　　考慮到系統(tǒng)中受到種種干擾，系統(tǒng)根據(jù)實時測試（干擾電平）或估測到的信道質量（信噪比）以便分配一條具有最小上行鏈路干擾電平的空閑信道或決定信道切換。這就是動態(tài)信道分配方式。在任何一個小區(qū)內可根據(jù)以上情況使用任何信道。顯然DCA比RCA、FCA兩種方式系統(tǒng)需要更多的信息來選擇信道，這將增加了控制信道的信息量，但它可以使用高智能的算法得到另兩種方式所達不到的網(wǎng)絡容量。理論上可以給出網(wǎng)絡達到的最佳容量，大大節(jié)省了頻率資源。

　　在一個RR對話期間越區(qū)切換是蜂網(wǎng)的一個非常重要的功能，切換保證了網(wǎng)絡的QoS。當移動臺從一個基站覆蓋區(qū)移動到另一個在站服務區(qū)，通過越區(qū)切換，可保持基站和移動臺的通信。目前在CDMA技術中采用的切換方式有三種。

　　2.3.1　軟切換

　　系統(tǒng)支撐的軟切換是通過兩個或更多個基站為移動臺發(fā)射反向業(yè)務而實現(xiàn)的。特點是先連后切，即移動臺先建立與新基站的通信，然后再切斷與原基站的通信。移動臺對不同的參與基站進行導標信號場強測試，選擇兩個或更多個信號合成。軟切換改善了越區(qū)切換范圍附近的覆蓋，在軟切換過程中與移動臺的通信鏈路在所有時間都是保持的（連續(xù)），使用戶幾乎察覺不到切換。軟切換，以及利用IMR（Inter,MSC Router）的MSC間的切換。不足之處是軟切換僅適用于同樣頻率配置的CDMA信道。

　　2.3.2　硬切換 　

　　對于變更1.25MHz　RF（射頻）信道和那些不可能實現(xiàn)軟切換的情況，可由硬件換作支撐。先切后連。而移動臺先切斷與原基站的通信，然后再與新基站的通信，所以在硬切換過程中不能保持無線鏈路的連續(xù)性。（與移動臺的通信鏈路會出現(xiàn)短暫中斷）硬切換包括：不同載頻間的頻率切換CDMA數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)間的切換以及不同幀偏置（Frana.offset）間的切換。具備軟切換的特點，專指一個蜂窩網(wǎng)中同一基站不同扇區(qū)之間的切換。

　　2.4　功率控制方式

　　功率控制是指在一定范圍內，用無線方式改變移動臺或基站（或兩者）傳輸功率的可能性，它與不連續(xù)傳輸?shù)哪繕讼嗤�，都是為了提高頻譜利用率，并延長移動臺的電池壽命，在采用擴頻技術的系統(tǒng)中，功率控制尤其重要，當接收端的接收質量很好時，適當降低發(fā)送方的傳輸功率，能減少對周圍地區(qū)其它呼叫的干擾，從而減少復用距離的最有效方法，提高頻譜利用率。功率控制可分為集中式和分布式兩種。 　

　　3 未來移動通信（3G系統(tǒng)）無線資源的使用

　　3.1　IMT-2000研發(fā)情況

　　1999年11月國際電聯(lián)ITU-RTG8/1最后一次會MT-2000無線接口“技術規(guī)范”建議。2000年5月，國際電聯(lián)批準了IMT-2000無線接口5種技術規(guī)范，而以其中3種CDMA技術為主流。即頻分雙工方式；MC-CDMA(cdma2000)和DS-CDMA(WCDMA)；時分雙工方式：CDMA TDD(TD-SCDMA和UTRA TDD)。通過對三種主流方案的比較，我國和其他一些歐洲國家提出TD-SCDMA技術被國際電聯(lián)所接納，并已寫入第三代無線接口規(guī)范建議的IMT-2000　CDMA TDD部分中，這標志著我國提出的移動通信技術建議第一次成為國際電聯(lián)標準。我們失去了第一代，錯過了第二代，終于擁有了第三代。

　　3.2.1　技術特點

　�。�1）頻率規(guī)劃

　　ITU目前對第三代移動通信系統(tǒng)的頻率規(guī)劃為：1900MHz-2025MHz,2110MHZ-2170MHZ（下行）及2110MHZ-2170MHZ(TDD方式)3段。衛(wèi)星移動道信（MSS）業(yè)務段為1980MHZ-2010MHZ和2170MHZ-2200MHZ總的址來工作頻率的提高使頻譜資源更豐富，提高了網(wǎng)絡的容量。

　�。�2）采用雙工模式

　　TDD:刊登于高密度用戶地區(qū)，城市及近郊區(qū)的局部覆蓋。無線傳輸技術不需要成對頻率，具有頻譜安排靈活性，適合對稱和不對稱即語音和第三代移動通信要求的移動數(shù)據(jù)（或IP）業(yè)務。即提高了頻譜利用率。　

　　FDD：適合于大區(qū)域的全國系統(tǒng)，適合于對稱業(yè)務如話音、交互式實時數(shù)據(jù)業(yè)務等。

　　TD-SCDMA采用TDD模式。

　　WCDMA.cdma 2000采用TDD.FDD相結合雙工模式。

　�。�3）提高利用率技術

　　TD-SCDMA采用了控分多址（SDMA），碼分多址（CDMA），頻分多址（FDMA），時分多址（TDMA）相結合的多址技術，采用智能天線，聯(lián)合檢測，上行同步技術，消除扇區(qū)間（INTERCELL）和扇區(qū)內（INTRACELL）的同信道干擾（CCI），多址干擾（MAI）和碼間干擾（ISI）。縮短頻率復用距離，提高了頻譜利用率，降低設備成本。WCDMA、cdma2000采用碼分多址，頻分多址相結合的多址技術，采用智能天線導頻符號輔助相干檢測的多用戶檢測，上下行同步技術，消除各種干擾，提高頻譜利用率。

　　3.2.2　采用的信道分配、切換和功率控制

　　.信道分配

　　3G系統(tǒng)采用的CDMA技術中，用戶間信息的交換都是占有共同信道，因此不會采用FCA，而是將DCA和RCA結合使用。由于全IP移動骨干網(wǎng)絡能更有效地傳輸非連續(xù)話務（包交換）。而包交換的特性使無線頻譜利用率的提高更容易實現(xiàn)。則信道的分配有更多的自由空間。雖然3G系統(tǒng)主要選擇DCA的分配方式，但因每個數(shù)據(jù)包的長度有限，所以無線資源管理沒有足夠的時間傳送信道質量信息，給動態(tài)分配造成困難。此時采用RCA分配方式就變得尤其重要。TD-SCDMA中采用的DCA分配方式，可在空域、頻域、時域和碼域進行信道動態(tài)分配。根據(jù)實時測試的信道質量選擇空閑信道，這就保證了有效利用信道，提高網(wǎng)絡的系統(tǒng)容量，同時也保證了通信質量，但TD-SCDMA對設備的要求較高。

　　在3G系統(tǒng)中軟切換是CDMA技術普遍采用的切換技術，對提高網(wǎng)絡容量，保證通信質量起著關鍵作用�！�

　　WCDMA：扇區(qū)間采用軟切換，小區(qū)間采用軟切換，載頻間采用硬件切換WCDMA的基站不需要同步。因此不需外部同步資源，如：GPS。在設計軟切換算法和執(zhí)行定位業(yè)務時，必須考慮基站的異步性。在進入軟切換前，移動站測量兩個基站的下行SCH的定時差別。移動站將定時差別報告給服務基站。根據(jù)一個符號的解析度來調整新的下行軟件切換連接的時間這樣能夠使移動站的RAKE接收機從兩個基站接收某宏分集的能量。

　　cdma2000：扇區(qū)間采用軟切換，小區(qū)間也采用軟切換，載頻間采用硬切換，基本信道的軟切換類似于IS-95的軟切換與WCDMA相近。對輔助信道活動組可以是基本信道的活動組的子集。當不需要分集補償衰落時，更傾向于從很少幾個基站傳輸，從而增加了整個下行鏈路的容量。在不變化的條件下，使用優(yōu)化的方式，只從一個基站傳輸此基站將發(fā)射最小的下行傳輸功率，對于分組業(yè)務，如果輔助信道不在軟切換狀態(tài)，可以簡化控制過程。

　　TD-SCDMA：采用按力切換技術，它不同于傳統(tǒng)的軟切換和硬切換它可以工作在同頻和異頻狀態(tài)，利用已知的移動臺用戶位置（采用用戶定位業(yè)務）。結合切換算法和上行同步技術準確地將需切換的移動臺切換到新的基站，大大提高了系統(tǒng)質量。 　

　　3G系統(tǒng)中軟切換最具有CDMA的特點：CDMA的信號結構也非常適合軟切換的執(zhí)行。TD-SCDMA的接力切換是第三代中新的切換技術。三種主流方案的切換技術都比第二代系統(tǒng)有明顯的改善，提高了系統(tǒng)容量，保證了信道質量。

　　.功率控制

　　3G系統(tǒng)中分布式功率控制應用很廣泛，恒定接收功率控制應用于CDMA系統(tǒng)中，而TD-SCDMA系統(tǒng)則在繼承第二代GSM功率控制技術的基礎上，主要是智能天線的恒定接受功率控制方式。功率控制技術包括前向和反向信道功率控制，重要的是反向信道功率控制。二者都是采用快速功率控制技術。而TD-SCDMA系統(tǒng)開環(huán)+慢速閉環(huán)功率控制速度反為（0-20）bite/s�？梢奣D-SCDMA系統(tǒng)中由于采用TDMA和CDMA的結合，所以功率控制速度較慢。顯然TD-SCDMA系統(tǒng)中，要能以最快的速度達到最好的同信道干擾控制，克服功率控制速度與性能之間無法同時兼顧的矛盾將是TD-SCDMA今后發(fā)展的主要目標。

　　縱觀3G系統(tǒng)，所采用的傳輸技術都比第二代GSM900移動通信系統(tǒng)在利用無線資源上比較合理。信道的分配，越區(qū)切換和功率控制的應用，大大提高了頻譜利用率，同時保證了道信質量。但是在非連續(xù)性話務的交換中，每個數(shù)據(jù)包發(fā)出的時間和長度無法預測，因信道質量預測無法幫助提高信息傳輸量，再作信道分配，功率控制和越區(qū)切換時系統(tǒng)性能會大受影響。目前國際上，在這一領域已有大量的研究開發(fā)工作正在進行。未來無線多媒體系統(tǒng)中，不同類型的用戶提出不同的服務質量要求，尤其在下行鏈路方向上，如能采用多種話務動態(tài)信道分配和下行復用技術，系統(tǒng)容量將會顯著提高。目前普遍看好的方向是動態(tài)信道分配和功率控制的混合使用

　　4 結束語

　　總之，利用有限的無線資源與合理的設備配置提供最佳的系統(tǒng)容量或數(shù)據(jù)吞吐量，使用戶滿意將是以后研究的永恒話題。