未來移動通信系統(tǒng)中的無線資源管理

未來移動通信系統(tǒng)中的無線資源管理

摘要：文章結(jié)合當前正在研究的后3代(B3G)、第4代(4G)移動通信系統(tǒng)的發(fā)展和處于運營及推廣階段的第3代移動通信系統(tǒng)，分析了未來移動通信系統(tǒng)中無線資源管理系統(tǒng)的關鍵技術(shù)，探討了多體制標準下的無線通信網(wǎng)絡和多種業(yè)務情況下的無線資源管理的研究方向。

關鍵詞：未來移動通信系統(tǒng)；無線資源管理；功率控制；信道分配

Abstract:The key technologies of radio resource management (RRM) for future mobile communication system are analyzed, based on the development of B3G and 4G mobile communication systems and the third-generation mobile communication system. The main research issues of RRM on the circumstances of different standard wireless communication systems and various services are also discussed in the paper.

Key words: Future mobile communication system; Radio resource management; Power control; Channel allocation

　　1 未來移動通信系統(tǒng)

　　隨著Internet的迅速發(fā)展以及IP與移動通信標準的結(jié)合，IP協(xié)議和基于IP的業(yè)務已逐步成為未來移動通信網(wǎng)的網(wǎng)絡上層協(xié)議和業(yè)務應用趨勢。未來移動通信系統(tǒng)將是一個全IP的網(wǎng)絡系統(tǒng)。ITU-R、 IETF、IPv6論壇、移動無線互聯(lián)網(wǎng)論壇(MWIF)、3G合作工程組(3GPP)和3G合作2號工程組(3GPP2)等諸多相關國際組織或論壇都在研究和探討未來移動通信系統(tǒng)的IP協(xié)議解決方案。

　　未來移動通信系統(tǒng)全IP的核心網(wǎng)絡采用Internet IP技術(shù)，可支持Mobile IP和Mobile IPv6等相關標準；邊緣則是不同標準的通信系統(tǒng)(例如GSM、 GPRS、 UMTS、 cdma 2000、WLAN、Internet、PSTN、DAB/DVB-T及Bluetooth等)。 全IP網(wǎng)絡的目標將是從網(wǎng)絡到終端均使用基于IP的協(xié)議通信。目前全IP網(wǎng)絡的標準化工作主要集中在核心網(wǎng)絡(Core network)，正逐步向無線接入網(wǎng)和終端延伸。未來移動通信系統(tǒng)全IP網(wǎng)絡的網(wǎng)絡構(gòu)架如圖1所示。

圖1 未來移動通信系統(tǒng)全IP網(wǎng)絡的網(wǎng)絡構(gòu)架

　　未來移動通信系統(tǒng)的空中接口標準的發(fā)展目標是支持更高無線信道傳輸速率和具有向下兼容第3代移動通信各標準的能力。其主流為頻分雙工(FDD)、時分雙工(TDD)、碼分多址(CDMA)方案并存的綜合復用方式，并結(jié)合正交頻分復用(OFDM)或多載波等相關技術(shù)以提高無線頻譜利用率。B3G和4G的最高傳輸速率將分別達到20 Mbit/s和100 Mbit/s甚至更高。此外無線本地環(huán)路(WLL)、無線局域網(wǎng)(WLAN)、數(shù)字音訊廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB-T)等標準也在不斷地發(fā)展和演進。

　　在各種移動通信傳輸體制中，有效地提高頻譜資源利用率一直是研究的熱點問題，第3代移動通信系統(tǒng)的各標準中都已提出面向QoS的無線資源管理框架。在未來移動通信系統(tǒng)中，使用無線資源管理的各種方法對復雜的無線物理信道、網(wǎng)絡資源進行合理配置，完善IP協(xié)議兼容性及保障不同特性業(yè)務的傳輸質(zhì)量等方面的研究正在進行中。未來移動通信網(wǎng)絡中各種體制系統(tǒng)的互通、融合和網(wǎng)絡構(gòu)架已成為被關注的研究方向。

　　2 無線資源管理

　　無線資源管理的目標是在有限帶寬的條件下，為網(wǎng)絡內(nèi)無線用戶終端提供業(yè)務質(zhì)量保障，其基本出發(fā)點是在網(wǎng)絡話務量分布不均勻、信道特性因信道衰弱和干擾而起伏變化等情況下，靈活分配和動態(tài)調(diào)整無線傳輸部分和網(wǎng)絡的可用資源，最大程度地提高無線頻譜利用率，防止網(wǎng)絡擁塞和保持盡可能小的信令負荷。無線資源管理(RRM)的研究內(nèi)容主要包括以下幾個部分：功率控制、信道分配、調(diào)度技術(shù)、切換技術(shù)、呼叫準入控制、端到端的QoS、無線資源預留和自適應編碼調(diào)制等。

　　2.1 功率控制技術(shù)

　　在移動通信系統(tǒng)中，近地強信號抑制遠地弱信號產(chǎn)生“遠近效應”。系統(tǒng)的信道容量主要受限于其他系統(tǒng)的同頻干擾或系統(tǒng)內(nèi)其他用戶干擾。

　　在不影響通信質(zhì)量的情況下，進行功率控制盡量減少發(fā)射信號的功率，可以提高信道容量和增加用戶終端的電池待機時間。傳統(tǒng)的功率控制技術(shù)是以語音服務為主，這方面的研究已經(jīng)相當多，主要涉及到集中式與分布式功率控制、開環(huán)與閉環(huán)功率控制、基于恒定接收與基于質(zhì)量功率控制。目前功率控制的研究集中在數(shù)據(jù)服務和多媒體業(yè)務方面，多為綜合進行功率控制和速率控制研究。功率控制和速率控制兩者的目標基本上是互相抵觸的，功率控制的目標是讓更多的用戶同時享有共同的服務，而速率控制則是以增加系統(tǒng)吞吐量為目標，使得個別用戶或業(yè)務具有更高的傳輸速率。如何滿足用戶間不同的QoS要求和傳輸速率，同時達到公平性和高吞吐量的雙重目標，是目前較為熱門的課題。

　　用在電路交換網(wǎng)絡的功率控制技術(shù)已不能適應IP傳輸和復雜的無線物理信道控制，當IP網(wǎng)絡成為核心網(wǎng)絡，如何在分組交換網(wǎng)絡進行功率控制就成為功率控制研究的主要內(nèi)容。針對基于突發(fā)模式(Burst-mode)功率控制的通信網(wǎng)絡的研究和連續(xù)突發(fā)模式(Burst-by-burst)的通信系統(tǒng)的設計已引起很大的注意。結(jié)合功率控制和其他新技術(shù)，如智能天線、多用戶檢測技術(shù)、差錯控制編碼技術(shù)、自適應編碼調(diào)制技術(shù)、子載波分配技術(shù)等方面的聯(lián)合研究，提高系統(tǒng)容量也是比較熱門的研究課題。

　　2.2 信道分配

　　在無線蜂窩移動通信系統(tǒng)中，信道分配技術(shù)主要有3類：固定信道分配(FCA)、動態(tài)信道分配(DCA)以及隨機信道分配(RCA)。

　　FCA的優(yōu)點是信道管理容易，信道間干擾易于控制；缺點是信道無法最佳化使用，頻譜信道效率低，而且各接入系統(tǒng)間的流量無法統(tǒng)一控制從而會造成頻譜浪費，因此有必要使用動態(tài)信道分配，并配合各系統(tǒng)間做流量整合控制，以提高頻譜信道使用效率。FCA算法為使蜂窩網(wǎng)絡可以隨流量的變化而變化提出了信道借用方案(Channel borrowing scheme)，如信道預定借用(BCO)和方向信道鎖定借用(BDCL)。信道借用算法的思想是將鄰居蜂窩不用的信道用到本蜂窩中，以達到資源的最大利用。

　　DCA根據(jù)不同的劃分標準可以劃分為不同的分配算法。通常將DCA算法分為兩類：集中式DCA和分布式DCA。集中式DCA一般位于移動通信網(wǎng)絡的高層無線網(wǎng)絡控制器(RNC)，由RNC收集基站(BS)和移動站(MS)的信道分配信息；分布式DCA則由本地決定信道資源的分配，這樣可以大大減少RNC控制的復雜性，該算法需要對系統(tǒng)的狀態(tài)有很好的了解。根據(jù)DCA的不同特點可以將DCA算法分為以下3種：流量自適應信道分配、再用劃分信道分配以及基于干擾動態(tài)信道分配算法等。DCA算法還有基于神經(jīng)網(wǎng)絡的DCA和基于時隙打分(Time slot scoring)的DCA。最大打包(MP)算法是不同于FCA和DCA算法的另一類信道分配算法。DCA算法動態(tài)為新的呼叫分配信道，但是當信道用完時，新的呼叫將阻塞。而MP算法的思想是：假設在不相鄰蜂窩內(nèi)已經(jīng)為新呼叫分配了信道，且此時信道已經(jīng)用完，倘若這時有新呼叫請求信道時，MP算法(MPA)可以將兩個不相鄰蜂窩內(nèi)正在進行的呼叫打包到一個信道內(nèi)，從而把剩下的另一個信道分配給新到呼叫。

　　RCA是為減輕靜態(tài)信道中較差的信道環(huán)境(深衰落)而隨機改變呼叫的信道，因此每信道改變的干擾可以獨立考慮。為使糾錯編碼和交織技術(shù)取得所需得QoS，需要通過不斷地改變信道以獲得足夠高的信噪比。

　　2.3 調(diào)度技術(shù)

　　未來移動通信系統(tǒng)的主要特征之一是存在大量的非實時性的分組數(shù)據(jù)業(yè)務。因為不同用戶有不同速率，一個基站內(nèi)所有用戶速率總和往往會超過基站擁有頻帶所能傳輸?shù)男诺廊萘?，因此必須要有調(diào)度器(Scheduler)在基站內(nèi)根據(jù)用戶QoS要求，判斷該業(yè)務的類型以便分配信道資源給不同的用戶。

　　最近調(diào)度技術(shù)開始與其他技術(shù)相結(jié)合，如調(diào)度技術(shù)和功率控制整合，調(diào)度技術(shù)和軟切換技術(shù)相結(jié)合，軟切換技術(shù)和呼叫準入控制技術(shù)相結(jié)合等，且調(diào)度技術(shù)也擴展至實時性數(shù)據(jù)(Real-time data) ，提出了新的應用。另外，為了在Internet中提供QoS，如IntServ或DiffServ服務，調(diào)度技術(shù)也起重要的作用。

　　2.4 切換技術(shù)

　　切換技術(shù)是指移動用戶終端在通話過程中從一個基站覆蓋區(qū)內(nèi)移動到另一個基站覆蓋區(qū)內(nèi)或者脫離一個移動交換中心(MSC)的服務區(qū)進入另一個MSC服務區(qū)內(nèi)，以維持移動用戶通話不中斷。有效的切換算法可以提高蜂窩移動通信系統(tǒng)的容量和QoS。切換技術(shù)一般分為硬切換、軟切換、更軟切換、頻率間切換和系統(tǒng)間切換。切換技術(shù)主要是以網(wǎng)絡信息信號質(zhì)量的好壞、用戶的移動速度等信息作為參考來判斷是否應執(zhí)行切換操作。除了以上給出的切換技術(shù)以外，正在研究的切換技術(shù)基于信道借用和基于用戶位置的切換。

　　未來移動通信系統(tǒng)中切換技術(shù)與移動性管理結(jié)合得越來越緊密，由于未來移動通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)為IP網(wǎng)，這勢必會給移動用戶的切換帶來新的問題和挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的切換算法針對蜂窩移動通信系統(tǒng)設計，而Internet協(xié)議開始并不是針對無線通信環(huán)境所設計，要使得未來移動通信系統(tǒng)中切換技術(shù)得以實現(xiàn)，就必須對現(xiàn)有的切換技術(shù)進行修改。IETF在移動性管理方面做了許多工作，提出并制訂了一些相關的標準：如宏移動(Macro-mobility)和微移動(Micro-mobility) 的標準。

　　2.5 呼叫準入控制

　　以語音業(yè)務為主的呼叫準入控制決定是否接受新用戶呼叫是相當簡單的問題，在基站有可用的資源時即可滿足用戶的要求。在CDMA網(wǎng)絡中，使用軟容量的概念，每個新呼叫的產(chǎn)生都會增加所有其他現(xiàn)有呼叫的干擾電平，從而影響整個系統(tǒng)的容量和呼叫質(zhì)量。因此以適當?shù)姆椒刂平尤刖W(wǎng)絡的呼叫顯得比較重要。第3代及未來移動通信系統(tǒng)要求支持低速話音、高速數(shù)據(jù)和視頻等多媒體業(yè)務，因此呼叫準入控制也就變得較為復雜。

　　未來移動通信系統(tǒng)中呼叫準入控制的要求是：在判決過程中，使用網(wǎng)絡計劃和干擾測量的門限，任何新的連接不應該影響覆蓋范圍和現(xiàn)有連接的質(zhì)量(整個連接期間)，當新連接產(chǎn)生時，呼叫準入控制利用來自負荷控制和功率控制的負荷信息估計上、下行鏈路負荷的增加，負荷的改變依賴于流量和質(zhì)量等參數(shù)，若超過上行或下行鏈路的門限值，則不允許接入新的呼叫。呼叫準入控制算法給出傳送比特速率、處理增益、無線鏈路發(fā)起質(zhì)量參數(shù)、誤碼率(BER)、 信噪比(Eb/No)和信干比(SIR)。呼叫準入控制管理承載映射、發(fā)起強制呼叫釋放、強制頻率間或系統(tǒng)間的切換等功能。

　　目前正在研究的呼叫準入控制算法主要有以下幾類：基于QoS的呼叫準入控制算法，該算法對接入的呼叫業(yè)務進行分類，如分為實時性業(yè)務和非實時性業(yè)務，然后再分別對其執(zhí)行不同的呼叫連接；交互式呼叫準入控制算法；基于等效帶寬的呼叫準入控制算法；基于容量的呼叫準入控制算法；基于功率的呼叫準入控制算法；分布式呼叫準入控制算法等。

　　隨著未來移動通信系統(tǒng)對數(shù)據(jù)、圖像、視頻等多媒體業(yè)務的支持，其業(yè)務的傳輸速率也越來越高，這就要求研究新的適合于高速移動通信系統(tǒng)的呼叫準入控制算法。此外，在考慮移動通信系統(tǒng)的呼叫準入控制時，擁塞控制策略也是通常需要考慮的一個方面，因此常將呼叫準入控制與擁塞控制進行結(jié)合研究。

　　2.6 端到端QoS保障

　　傳統(tǒng)的Internet網(wǎng)絡提供是“盡力而為”(Best effort)服務，IP層無法保證業(yè)務的QoS要求，端到端QoS保障要通過傳輸控制協(xié)議(TCP)層來實現(xiàn)。盡管TCP層可以保障一定的QoS，如減少分組丟失率，但是仍無法滿足高實時性要求的圖像、視頻等多媒體業(yè)務在無線系統(tǒng)中傳輸?shù)亩说蕉薗oS要求。而且未來移動通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡將是基于IP的網(wǎng)絡，這就給如何在移動Internet網(wǎng)絡上為未來高速多媒體業(yè)務提供可靠的端到端QoS要求提出了新的問題。

　　目前對移動IP業(yè)務的服務質(zhì)量(QoS)的保證方法，大多沒有考慮到端到端QoS保證。下一代高速無線/移動網(wǎng)絡要求能夠接入Internet、支持各種多媒體應用并保證業(yè)務的 QoS。但由于用戶的移動性和無線信道的不可靠性，使得QoS保證問題比有線網(wǎng)絡更復雜。傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡無法保證用戶業(yè)務的QoS，這已經(jīng)成為Internet向前發(fā)展的巨大障礙，為此IETF為增強現(xiàn)有IP的QoS性能提出了兩種典型的保障機制即：綜合業(yè)務/資源預約協(xié)議(InterServ/RSVP)和區(qū)分業(yè)務(DiffServ)。

　　在無線網(wǎng)絡中，傳統(tǒng)的流量控制并不適應用來提供QoS 保證，因為會把無線信道傳輸過程中的分組丟失當作網(wǎng)絡擁塞來處理。UMTS定義了4類QoS類型，即對最大傳輸遲延有嚴格的要求的會話類別，對端到端數(shù)據(jù)流的遲延抖動有一定要求的流類別，對往返延遲時間有要求的交互式類別，對延遲敏感性要求很低的后臺類別。網(wǎng)絡根據(jù)不同QoS類型的業(yè)務分別為其分配不同信道資源。此外還有其他幾種解決QoS的算法，如無線鏈路層解決方案、TCP連接分離方法、TCP迭加解決方案、套接口/網(wǎng)關解決方案等。

　　有關自適應編碼調(diào)制、無線資源預留等其他無線資源管理方面的研究內(nèi)容也在進一步的研究和探討中。

　　3 結(jié)束語

　　從無線移動通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢中，不難看出未來移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡構(gòu)架將是包括不同無線接入網(wǎng)絡和不同種類網(wǎng)絡的全IP的分層式網(wǎng)絡構(gòu)架，其核心網(wǎng)為IP網(wǎng)絡。網(wǎng)絡邊緣由多個不同無線和有線網(wǎng)絡所構(gòu)成，邊緣網(wǎng)絡接口可以是GSM、通用分組無線業(yè)務(GPRS)、GSM增強數(shù)據(jù)系統(tǒng)(EDGE)、WCDMA、cdma 2000、TD-SCDMA接口，可以是正在研究的B3G/4G空中接口、IEEE 802系列無線網(wǎng)絡接口、自組織網(wǎng)絡(Ad Hoc) 接口，以及衛(wèi)星和Internet、PSTN等網(wǎng)絡接口，不同網(wǎng)絡的傳輸環(huán)境會有所不同，采用的頻段也會不一樣，這樣就需要考慮不同接入網(wǎng)絡環(huán)境的整合與網(wǎng)絡間的互通。

　　未來移動通信系統(tǒng)平臺將采用分層式并具有良好的彈性構(gòu)架，以支持不同系統(tǒng)、多種新技術(shù)、各種增值業(yè)務，以及全球通信的需要，這勢必會給系統(tǒng)的無線資源管理帶來諸多新的挑戰(zhàn)。其中基于IP和基于位置的切換技術(shù)，基于多種網(wǎng)絡和多種業(yè)務的動態(tài)頻率分配、準入控制、調(diào)度、網(wǎng)絡容量分配、切換技術(shù)，面向移動通信的TCP/IP協(xié)議等涉及網(wǎng)絡中和網(wǎng)絡間的資源管理方案將成為下一階段的研究方向?！?br>

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作者簡介：

趙新勝，東南大學無線電系移動通信國家重點實驗室副教授，中國第3代移動通信系統(tǒng)的演示系統(tǒng)研制工作主要技術(shù)骨干。研究領域為移動通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、無線資源管理、網(wǎng)絡協(xié)議，目前正在進行B3G和第4代移動通信系統(tǒng)的研究。著有通信系統(tǒng)方面的教材2部。

　　尤肖虎，東南大學無線電工程系主任，移動通信國家重點實驗室教授、博士生導師、長江學者計劃特聘教授，國家級有突出貢獻的中青年專家，國家杰出青年基金獲得者，國家教委跨世紀青年專家首批入選者，中國電子學會理事，《電子學報》編委，國家“863”計劃通信技術(shù)主題專家組成員，中國通信學會青年工作委員會副主任委員，1999年初起任國家第3代移動通信系統(tǒng)研究開發(fā)項目總體組組長，負責中國第3代移動通信系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作。長期從事移動通信與信號處理方面的科研與教學工作，曾承擔與移動通信有關的國家級項目10余項，在國際權(quán)威雜志IEEE Transactions上發(fā)表論文10余篇，參與出版英文和中文專著各1部。