個人通信課件第四章

1、1 第四章 動態(tài)無線資源管理 2 4.1 動態(tài)功率控制技術(shù) 4.2 動態(tài)信道分配(DCA) 4.3 越區(qū)切換 4.4 支持多媒體業(yè)務(wù)的動態(tài)資源分配 3 4 q上世紀上世紀80年代中期年代中期IEEE文章：文章：CDMA用于蜂窩系統(tǒng)不可用于蜂窩系統(tǒng)不可 行；行； q1989.2 高通（高通（Qualcomm）造訪李建業(yè)：）造訪李建業(yè)： CDMA蜂窩蜂窩 系統(tǒng)商用必須解決功率控制；系統(tǒng)商用必須解決功率控制； q1989.4 高通再訪李建業(yè)：高通再訪李建業(yè)：6個月內(nèi)演示個月內(nèi)演示CDMA功控，太功控，太 平洋電話公司將支付平洋電話公司將支付100萬美元；萬美元； q1993年高通基于功率控制、軟切換

2、等核心專利技術(shù)的年高通基于功率控制、軟切換等核心專利技術(shù)的 IS-95標準通過，標準通過，CDMA蜂窩系統(tǒng)商用；蜂窩系統(tǒng)商用； q目前，目前，1400多項專利，專利費已成為高通公司的重要經(jīng)多項專利，專利費已成為高通公司的重要經(jīng) 濟支柱。濟支柱。 5 q遠近效應遠近效應 若若d d2 2/d/d1 1=100=100，則，則S S1 1/S/S2 2將達近將達近80dB ! 80dB ! 強抑弱！強抑弱！ 反向反向 d2 d1 前向前向 S1 S2 MS2MS2MS1MS1 遠近遠近 效應效應 只有采用功率控制才能很好地解決只有采用功率控制才能很好地解決CDMA蜂窩系統(tǒng)蜂窩系統(tǒng) 面臨的問題。面臨

3、的問題。 這些問題包括：這些問題包括： 遠近效應；遠近效應； 快快 衰落與陰影衰落；衰落與陰影衰落； 多址干擾多址干擾 6 q 快衰落與陰影衰落快衰落與陰影衰落 衰落速率：可達衰落速率：可達100次次/秒秒 （900MHz、60km/h時）時） 衰落深度：可達衰落深度：可達30dB 距離距離 接收功率接收功率(dBm) 慢衰落慢衰落 快衰落快衰落 7 （a a）基站對移動臺的正向多址干擾）基站對移動臺的正向多址干擾（b b）移動臺對基站的反向多址干擾）移動臺對基站的反向多址干擾 MS1MS1 MS1MS1 BS1BS1 BS1BS1 q 多址干擾多址干擾 8 q核心目的：核心目的：降低干擾，減

4、少功耗降低干擾，減少功耗 q保證一定質(zhì)量的前提下，盡可能降低功率，使保證一定質(zhì)量的前提下，盡可能降低功率，使 接收功率始終接收功率始終剛剛夠用！剛剛夠用！ q前向功控前向功控限制限制BS的發(fā)射功率，使所有的發(fā)射功率，使所有MS在在 保證通信質(zhì)量的條件下，保證通信質(zhì)量的條件下，BS的發(fā)射功率為最小。的發(fā)射功率為最小。 q反向功控反向功控限制限制MS的發(fā)射功率，使所有的發(fā)射功率，使所有MS 到達到達基站的信號強度一樣?；镜男盘枏姸纫粯?。 多：多的部分是干多：多的部分是干 擾；擾； 少：通信質(zhì)量達不少：通信質(zhì)量達不 到到 9 q開環(huán)功控開環(huán)功控基于路徑損耗的功率控制，補償信道基于路徑損耗的功率控制

5、，補償信道 中平均路徑衰落及慢衰落（陰影衰落）中平均路徑衰落及慢衰落（陰影衰落） l根據(jù)接收信號強度（質(zhì)量），調(diào)整根據(jù)接收信號強度（質(zhì)量），調(diào)整自身自身的發(fā)射功率，的發(fā)射功率， 以達到期望的通信質(zhì)量。以達到期望的通信質(zhì)量。 q 閉環(huán)功控閉環(huán)功控降低信道快衰落的影響降低信道快衰落的影響 l根據(jù)接收信號強度（質(zhì)量），調(diào)整根據(jù)接收信號強度（質(zhì)量），調(diào)整對方對方的發(fā)射功率，的發(fā)射功率， 對開環(huán)功率控制提供校正。對開環(huán)功率控制提供校正。 l內(nèi)環(huán)功控內(nèi)環(huán)功控調(diào)整信號強度調(diào)整信號強度 l外環(huán)功控外環(huán)功控調(diào)整功控門限調(diào)整功控門限 10 4.1.1 蜂窩系統(tǒng)中的最佳功率控制蜂窩系統(tǒng)中的最佳功率控制 4.1 動態(tài)

6、功率控制技術(shù) )( 1 mQ ij j j ri i I P F功率控制準則：功率控制準則： 1.基于路徑損耗的功率控制基于路徑損耗的功率控制 2.基于質(zhì)量的功率控制基于質(zhì)量的功率控制 F功率控制的步長：功率控制的步長：0.25-1dB F下行鏈路功率控制的目的：下行鏈路功率控制的目的： 減小對鄰近小區(qū)的干擾減小對鄰近小區(qū)的干擾 11 圖例：某小區(qū)移動臺I接收到的信干比 G i i Gij 12 令令為任一移動臺的為任一移動臺的CI，則，則的分布為：的分布為： 若系統(tǒng)要求的最小若系統(tǒng)要求的最小(門限門限)CI為為0(被被 稱為系統(tǒng)保護比稱為系統(tǒng)保護比) ，F(xiàn)(0)被稱為被稱為干擾概率干擾概率或

7、或 中斷概率中斷概率，則功率控制算法應使則功率控制算法應使F(0)最小最小 。 13 F定義功率控制矢量定義功率控制矢量P=Pj；鏈路增益矩陣；鏈路增益矩陣Z=Zij。 F如果有一個功率矢量如果有一個功率矢量P0，使所有移動臺的，使所有移動臺的i i ， 則認為則認為CI電平是可以達到的。電平是可以達到的。 定理定理1：以概率為：以概率為1，存在一個唯一的可達的最大，存在一個唯一的可達的最大CI： 該最大值為：該最大值為： 14 算法設(shè)計思想 F對于一個給定的功率控制算法，其可達到的對于一個給定的功率控制算法，其可達到的C CI I矢量可矢量可 表示為表示為 ，是，是P P和和Z Z的函數(shù)，的

8、函數(shù)， 。 FB B( (Z Z， ) )表示表示中小于中小于0的元素數(shù)目。為使的元素數(shù)目。為使(0)最小，則最小，則 對于每一個對于每一個Z Z，應使，應使B B最小。該最小值用最小。該最小值用B B * *( (Z Z) )表示。表示。 定理定理2：令令R R= ，| R R |= B B * *( (Z Z) )則至少有一個最佳功率則至少有一個最佳功率 矢量矢量P具有下列形式：具有下列形式： G i ),(),(ZZZP G , 0 ii 15 求解最佳功率矢量的步驟 對于原始對于原始Z Z矩陣，如果為可達的矩陣，如果為可達的C CI I，則最佳功率矢量，則最佳功率矢量 即為即為Z Z的

9、特征矢量；的特征矢量； 如果不可達，則移去一個小區(qū)，計算矩陣如果不可達，則移去一個小區(qū)，計算矩陣Z Z * *，及，及Z Z * *對對 應的特征值應的特征值* * ，看是否存在一個，看是否存在一個* *滿足滿足* * 0 0 要求。要求。 如果移去一個小區(qū)后，如果移去一個小區(qū)后，C CI I仍達不到的要求，則移去仍達不到的要求，則移去 兩個小區(qū)，并分別求解此時的最佳功率矢量。如果所兩個小區(qū)，并分別求解此時的最佳功率矢量。如果所 對應的對應的C CI I仍都達不到要求，可繼續(xù)移去更多的小區(qū)仍都達不到要求，可繼續(xù)移去更多的小區(qū) ，直至移去，直至移去Q Q-1-1小區(qū)，此時無任何干擾小區(qū)。小區(qū)，此

10、時無任何干擾小區(qū)。 16 分步移去算法SRA 令令Z對應的可達對應的可達CI為為*。如果。如果 * 0 0 ，則，則 最佳功率矢量就采用特征矢量尸最佳功率矢量就采用特征矢量尸P*，否則令，否則令 Q=Q。 令令 ， ， 對應對應 的小區(qū)為的小區(qū)為l，移去小區(qū)，移去小區(qū)l，形成，形成(Q- 1)(Q- 1)矩矩 陣陣Z。又令。又令Z對應的對應的CI比為比為 *。若。若 * 0 0 ，則使用特征矢量，則使用特征矢量P*作為最佳功率矢量，否作為最佳功率矢量，否 則令則令Q=Q- 1，并且重復步驟。，并且重復步驟。 1 Q j kjk Z 1 Q j jk T k Z,maxmax 1 T kk Qk

11、 17 SRA算法性能 仿真條件：仿真條件：設(shè)系統(tǒng)含設(shè)系統(tǒng)含16個共道干擾小區(qū)，采用個共道干擾小區(qū)，采用7個小區(qū)的個小區(qū)的 復用圖樣，復用圖樣，=4，=6 dB 。 18 SRA算法與固定功率法的性能比較 仿真條件：仿真條件：設(shè)系統(tǒng)含設(shè)系統(tǒng)含16個共道干擾小區(qū)，采用個共道干擾小區(qū)，采用7個小區(qū)的個小區(qū)的 復用圖樣，復用圖樣，=4，=6 dB ，分別采用，分別采用k=3、 5、7、9、13的小區(qū)的復用圖樣。的小區(qū)的復用圖樣。 19 4.1.2 CDMA功率控制 干擾用戶Mi對Bj的干擾為： rm r0 10/ )( 4 0 4 0 )10/( 4 )10/( 0 0 10)( 10)10( ),

12、( m r r S rrS S rrI m m mo 20 l前向鏈路功率控制前向鏈路功率控制 q機制：通過響應移動臺提供的測試來調(diào)整各用戶鏈機制：通過響應移動臺提供的測試來調(diào)整各用戶鏈 路信號的前向鏈路功率路信號的前向鏈路功率 q組成：組成：開環(huán)功率控制閉環(huán)功率控制開環(huán)功率控制閉環(huán)功率控制。其中開環(huán)功。其中開環(huán)功 控是基站通過接入程序期所接收的移動臺功率，估控是基站通過接入程序期所接收的移動臺功率，估 算出傳輸損耗來調(diào)整各業(yè)務(wù)信道的起始功率；閉環(huán)算出傳輸損耗來調(diào)整各業(yè)務(wù)信道的起始功率；閉環(huán) 功控是基站和移動臺相配合而動態(tài)地改變功率。功控是基站和移動臺相配合而動態(tài)地改變功率。 q調(diào)節(jié)步長：約調(diào)

13、節(jié)步長：約0.5dB，動態(tài)范圍限制在標稱功率的，動態(tài)范圍限制在標稱功率的 6dB， q調(diào)節(jié)速率：緩慢，每秒調(diào)節(jié)速率：緩慢，每秒2次（次（30ms） 21 q反向鏈路的功率控制反向鏈路的功率控制 q開環(huán)功控開環(huán)功控MS在在接入過程接入過程中進行中進行 nMS通過估算接收信道的路徑損耗，來決定自通過估算接收信道的路徑損耗，來決定自 身的發(fā)射功率身的發(fā)射功率 n調(diào)節(jié)步長：每次調(diào)節(jié)步長：每次0.5dB n動態(tài)范圍：動態(tài)范圍：32dB 22 q反向鏈路閉環(huán)功控反向鏈路閉環(huán)功控MS獲得業(yè)務(wù)信道獲得業(yè)務(wù)信道后后 M MS S 測測量量E Eb b/ /N N0 0 V V/ /S S F FE ER R 1

14、 1% % B BS SC C 話話音音幀幀 （5 50 0H Hz z） 外外環(huán)環(huán) 內(nèi)內(nèi)環(huán)環(huán) P PC C命命令令 （8 80 00 0H Hz z） 接接收收E Eb b/ /N N0 0 設(shè)設(shè)定定所所需需 E Eb b/ /N N0 0 B BT TS S P PC C: :功功率率控控制制 內(nèi)環(huán)功控內(nèi)環(huán)功控調(diào)整信號強度調(diào)整信號強度 外環(huán)功控外環(huán)功控調(diào)整功控門限調(diào)整功控門限 23 q反向鏈路閉環(huán)功控反向鏈路閉環(huán)功控MS獲得業(yè)務(wù)信道獲得業(yè)務(wù)信道后后 q內(nèi)環(huán)功控內(nèi)環(huán)功控：調(diào)節(jié)發(fā)射功率，保持：調(diào)節(jié)發(fā)射功率，保持MS盡可能地接近信盡可能地接近信 干比目標值干比目標值 qBS測量反向信道的信干比，

15、與目標值比較后調(diào)整測量反向信道的信干比，與目標值比較后調(diào)整 MS的發(fā)射功率。的發(fā)射功率。 q調(diào)節(jié)步長：調(diào)節(jié)步長：1dB q調(diào)節(jié)速率：調(diào)節(jié)速率：800次次/S（1.25ms） q動態(tài)范圍：動態(tài)范圍：48dB（ +/-24dB ） q外環(huán)功控外環(huán)功控：計算：計算FER（誤幀率），調(diào)整信干比目標（誤幀率），調(diào)整信干比目標 值值 ，平衡，平衡FER與系統(tǒng)容量的關(guān)系。調(diào)節(jié)速率：與系統(tǒng)容量的關(guān)系。調(diào)節(jié)速率：20ms 24 Eb/It目標值（目標值（5dB話音質(zhì)量良好）話音質(zhì)量良好） MS發(fā)射功率發(fā)射功率 時間時間 It Eb/It Eb/It 設(shè)定值設(shè)定值 下一個下一個 Eb/It 設(shè)定值設(shè)定值 1.25

16、ms Eb Eb i 幀幀i1 幀幀 25 IS-95閉環(huán)反向功率控制方案總結(jié) 將將20ms的幀分成的幀分成16個個1.25 ms的功率控制段，基站每的功率控制段，基站每 隔隔1.25ms測量接收到的測量接收到的SIR，與目標，與目標SIR相比較，決定增相比較，決定增 加移動臺功率還是降低（加移動臺功率還是降低（0增增1降）。降）。 功率控制命令誤碼率較高。功率控制命令誤碼率較高。 功率控制調(diào)整幅度：功率控制調(diào)整幅度：0.25、0.5、1dB，閉環(huán)功控動態(tài)，閉環(huán)功控動態(tài) 范圍是范圍是24dB。 采用插入技術(shù)，功率控制比特每采用插入技術(shù)，功率控制比特每1.25ms( 800Hz傳輸傳輸 速率）在

17、下行鏈路上傳輸。在移動臺連續(xù)發(fā)射的情況下速率）在下行鏈路上傳輸。在移動臺連續(xù)發(fā)射的情況下 ，其功率可以得到連續(xù)的調(diào)整。，其功率可以得到連續(xù)的調(diào)整。 26 4.2 動態(tài)信道分配（DCA） 中心思想：中心思想：系統(tǒng)根據(jù)當前的業(yè)務(wù)負載和干擾系統(tǒng)根據(jù)當前的業(yè)務(wù)負載和干擾 情況，動態(tài)將信道情況，動態(tài)將信道(頻率或時隙頻率或時隙)分配給所需的用分配給所需的用 戶，以達到最大的系統(tǒng)容量和最佳的通信質(zhì)量。戶，以達到最大的系統(tǒng)容量和最佳的通信質(zhì)量。 動態(tài)信道分配方法：動態(tài)信道分配方法： 1、業(yè)務(wù)自適應系統(tǒng)、業(yè)務(wù)自適應系統(tǒng) 2、干擾自適應系統(tǒng)、干擾自適應系統(tǒng) 27 4.2.1 信道借用法 信道集使用規(guī)則信道集使用

18、規(guī)則 一、采用扇區(qū)化的信道借用法一、采用扇區(qū)化的信道借用法 28 熱點小區(qū)信道指配規(guī)則熱點小區(qū)信道指配規(guī)則 29 呼損率與出租信道數(shù)|Z|的關(guān)系曲線 30 熱點小區(qū)不同到達率H條件下|Z|和呼損率曲線 31 二、動態(tài)共享式信道借用法 F信道集信道集Z在熱點小區(qū)和出租小區(qū)之間共享在熱點小區(qū)和出租小區(qū)之間共享 32 設(shè)設(shè)i，j，k分別為分別為X，Y，Z中已使用的信道數(shù)，中已使用的信道數(shù)， a)如果如果(i=|X|且且k|Z|)或或(i|X|，且，且k=|Z|)，則在非阻塞的信，則在非阻塞的信 道集中指定一個信道；道集中指定一個信道； b)如果如果(i|X|，且，且k|Z|，指配，指配X或或Z中的信

19、道按下列規(guī)則：中的信道按下列規(guī)則： )()(kZjYiX X Z 33 三、重疊小區(qū)結(jié)構(gòu)中的信道借用法 被借用的信道僅在熱點小區(qū)和干擾小區(qū)中心的一個被借用的信道僅在熱點小區(qū)和干擾小區(qū)中心的一個 小區(qū)域內(nèi)使用小區(qū)域內(nèi)使用。 如何確定如何確定 重疊面積？重疊面積？ 34 4.2.2 平衡雙向性能的動態(tài)信道分配法 一、動態(tài)信道分配算法的實現(xiàn)問題 F無線基站必須提供一個信標(Beacon)信 號； 系統(tǒng)提供信標兩種方法 F頻率合成器的轉(zhuǎn)換速度應足夠快； F系統(tǒng)范圍內(nèi)的定時同步 。 35 二、平衡雙向性能的DCA算法 36 三、平衡雙向性能DCA算法的性能 表表43 移動臺獨立進行移動臺獨立進行DCA算

20、法的性能算法的性能 表表44 平衡雙向性能的平衡雙向性能的DCA算法的性能算法的性能 37 4.2.3 信道分離法 信道分離法的核心思想是：每個小區(qū)根據(jù)信 道使用情況，自動形成一個信道優(yōu)先級表，在呼 叫到達時，首先嘗試使用具有最高優(yōu)先級的信道 。信道的優(yōu)先級是根據(jù)其使用情況動態(tài)改變的。 每小區(qū)不需要滿配置收發(fā)信機和有線鏈路， 但會有“不可接入信道”的情況。 38 信道分離法流圖 39 信道分離法的性能 40 4.3 越區(qū)切換 越區(qū)切換是指將當前正在進行的移動臺與基站之間的通 信鏈路從當前基站轉(zhuǎn)移到另一個基站的過程。也稱自動鏈路 轉(zhuǎn)移。 越區(qū)切換從越區(qū)切換從小區(qū)的性質(zhì)小區(qū)的性質(zhì)上可分的類型：上可

21、分的類型： F同一交換中心基站之間的越區(qū)切換 F同一BSC之間的切換 F不同BSC之間的切換 F不同交換中心之間基站的越區(qū)切換 F同基站內(nèi)不同扇區(qū)的切換 F不同運營商之間的切換。 41 越區(qū)切換的研究包括三個方面的問題：越區(qū)切換的研究包括三個方面的問題： 越區(qū)切換的準則越區(qū)切換的準則 越區(qū)切換如何控制越區(qū)切換如何控制 越區(qū)切換時信道分配越區(qū)切換時信道分配 越區(qū)切換總體概念 越區(qū)切換分類：硬切換越區(qū)切換分類：硬切換 軟切換軟切換 越區(qū)切換算法性能指標包括：越區(qū)切換的失敗概越區(qū)切換算法性能指標包括：越區(qū)切換的失敗概 率、因越區(qū)失敗而使通信中斷的概率、越區(qū)切換的速率、因越區(qū)失敗而使通信中斷的概率、越

22、區(qū)切換的速 率、越區(qū)切換引起的通信中斷的時間間隔，以及越區(qū)率、越區(qū)切換引起的通信中斷的時間間隔，以及越區(qū) 切換發(fā)生的時延等。切換發(fā)生的時延等。 切換過程：測量、決策、執(zhí)行切換過程：測量、決策、執(zhí)行 42 4.3.1 越區(qū)切換的準則 相對相對信號強度信號強度準則準則(準準 則則1) 具有具有門限門限規(guī)定的相對規(guī)定的相對 信號強度準則信號強度準則(準則準則2) 具有具有滯后余量滯后余量的相對的相對 信號強度準則信號強度準則(準則準則3) 具有滯后余量和門限具有滯后余量和門限 規(guī)定的相對信號強度規(guī)定的相對信號強度 準則準則(準則準則4) 切換種類切換種類-硬切換硬切換 F硬切換最主要的特點就是在切換

23、情況下，同一 時刻占用一個無線信道，它必須在一個指定時 間內(nèi)，先中斷與原基站的聯(lián)系，調(diào)諧到新的頻 率上，再與新基站取得聯(lián)系，在切換過程中可 能會發(fā)生通信短時中斷(200ms)。硬切換主要是 不同頻率不同頻率的基站和扇區(qū)之間的切換。當硬切換 區(qū)域面積狹窄時，會出現(xiàn)新基站與原基站之間 來回切換的“乒乓效應”，影響業(yè)務(wù)信道的傳 輸。硬切換主要用于GSM系統(tǒng)中。 43 切換種類切換種類軟切換軟切換 F在軟切換過程中，兩條鏈路及相對應的兩個數(shù) 據(jù)流在一個相對較長的時間內(nèi)同時被激活，一 直到進入新基站并測量到新基站的傳輸質(zhì)量滿 足指標要求后，才斷開與原基站的連接。軟切 換是同一頻率下不同基站同一頻率下不同

24、基站之間的切換。在軟切 換中，移動臺只有在取得了與新基站的鏈接之 后，才會中斷與原基站的聯(lián)系，因此在切換過 程中沒有中斷。軟切換中移動臺和基站均采用 分集技術(shù)和反向功率控制，能很好地提高系統(tǒng) 的性能。軟切換主要用于CDMA系統(tǒng)中。 44 切換種類切換種類更軟切換更軟切換 F在CDMA 系統(tǒng)中，移動臺在扇區(qū)化小區(qū) 的同一小區(qū)的不同扇區(qū)同一小區(qū)的不同扇區(qū)之間進行的軟切 換稱為更軟切換。實際上是相同信道上 的導頻之間的切換。這種切換是由BSC 完成的，并不通知MSC。 45 切換種類切換種類接力切換接力切換 F接力切換是一種基于智能天線的切換方案。利 用終端上行預同步技術(shù)，預先取得與目標小區(qū) 的同步

25、參數(shù)，并通過開環(huán)方式保持與目標小區(qū) 的同步，一旦網(wǎng)絡(luò)判決切換，終端可迅速由原 小區(qū)切換到目標小區(qū)，在切換過程中，終端從 源小區(qū)接收下行數(shù)據(jù)，向目標小區(qū)發(fā)送上行數(shù) 據(jù)，即上下行通信鏈路先后轉(zhuǎn)移到目標小區(qū)。 TD-SCDMA中采用了接力切換。 46 47 4.3.2 越區(qū)切換控制 1移動臺控制的越區(qū)切換移動臺控制的越區(qū)切換 移動臺連續(xù)監(jiān)測當前基站和幾個越區(qū)時的候選基站的信移動臺連續(xù)監(jiān)測當前基站和幾個越區(qū)時的候選基站的信 號強度和質(zhì)量。在需要切換時，移動臺選擇最佳基站。號強度和質(zhì)量。在需要切換時，移動臺選擇最佳基站。 2網(wǎng)絡(luò)控制的越區(qū)切換網(wǎng)絡(luò)控制的越區(qū)切換 基站監(jiān)測來自移動臺的信號強度和質(zhì)量，當信號低于某基站監(jiān)測來自移動臺的信號強度和質(zhì)量，當信號低于某 個門限后，網(wǎng)絡(luò)開始安排向另一個基站的越區(qū)切換。個門限后，網(wǎng)