未来移动无线网络资源的合理使用

摘要　　该文简要介绍移动通信的业务发展，讨论移动通信的无线频率资源配置问题，分析了未来移动通信系统如何合理利用频率资源，并提出进一步利用频率资源的研究建议。 　　

关键词　移动通信　无线频率资源　频谱利用率　IMT-2000 TD-SCDMA

　　1　引言

　　目前，世界移动通信与互联网技术的迅速融合，显示出了强劲的发展势头，这种增长趋势正从根本上改变着全球通信业的面貌；互联网的盛行进一步促进了移动互联网的发展，以及无线用户对高速数据传输的要求，人们期待着无线高速多媒体时代的到来，为满足人们对无线个人通信与日俱增的要求，我们在展望无线移动网发展的巨大潜力的同时，也应该意识到高用户量，高数据传输量和多种业务并存给未来无线网络带来的潜在挑战，解决这一问题，不仅仅只靠通信设备的更新，更需要合理使用现在的无线资源。以便提高网络的容量。

　　当前，移动通信中提高网络容量的方式可分为两种。一种是传统的无线链路本身性提高，即由点到点调制和解调，编码和解码等各个方面提高单一链路的数据传输量，以满足高用户量要求，但该方式对收发信机的要求较高，造成了设备的复杂性可见一斑。另一种是把蜂窝网看作一个整体，合理使用现在的无线资源，用较简单的收发信机，而以优化分配有限的无线资源来提高网络的整体容量。 　

　　对于蜂窝网络合理使用无线资源的问题：是指进入网络的移动用户蜂窝网需要分配适当的基站、信道、发信功率，以使其具有固定硬件无线网络获得更高容量的同时，满足用户的质量要求（QoS）。对无线网络这样的一个动态网络，应该采用实时型的无线资源配置实现资源最佳的分配（Optimization）。

　　2 无线资源配置

　　2.1　无线资源分配问题

　　资源分配问题将涉及移动用户与基站之间建立无线链路，包括基站选择，信道分配、切换、上行和下行发信功率控制、而这要按照资源分配原则，根据目前的无线移动网理论分析表明，充分利用网络内部有效资源的关键问题是在保证网络服务质量的前提下，提高频谱利用率。当然提高频谱利用率有多种方法，除无线链路本身性能提高外，还要优化网络管理，而主要是基于网内话务量分布不均匀，且信道的状态因无线电磁波信号衰落及干扰而起伏变化的情况下，寻求灵活地分配和及时调整可用的无线资源。这需要对整个无线网络进行优化组合、合理配置。而最有效的方法，莫过于采用信道合理分配，适时的切换以及灵活的功率控制。 　

　　2.2.1　信道的配置

　　一个蜂窝网的信道配置是在一给定时间定义蜂房内可用的信道表。它包括一组支持空闲模式下移动台和启动移动台接入的公用信道（一个BCCH，一个PAGCH和一个RACH）和一组携带信令和用户数据的业务信道（各种速率的TACH，包括规范中的TCH/F，TCH/H和SDCCH），它可以定时改变，而这些改变可能对业务管理有不同程度的影响。

　　2.2.2　信道的分配方式

　　现代蜂网中，随着用户量的增加信道分配对网络容量直接起着至关重要的作用。目前蜂网中信道分配方式归结起来有以下三种方式：固定信道分配（FCA:fined channel callocation）和随机信道分配（RCA:random channel allocation）。

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

　　最传统的一种信道分配方式，普遍应用于第一和第二代移动通信系统中。它根据网络设计的要求，考虑在最差的情况下所需要的频率复用距离来制定频率规划。复用距离的缩短，可提高频谱利用率，而最差情况下的考虑，又限制了复用距离的缩短。因此FCA不能满足高频谱利用率的要求。

　　（2）随机信道分配（RCA:random channel allocation）

　　在用户通话过程中随机地更换信道。若有一个信道质量不好那么就有一个用户得不到好信道，随机信道分配的结果是同一小区内的每一用户得到同样的信道质量，即占有好坏信道机会均等。这样在无法获得信道质量信息时，RCA不失为一种好方法。但不足之处是小区边界同频干扰，有时较严重（取决于随机概率），实际上没有一个用户可以得到真正好的信道，在第二代GSM9000系统中采用慢速跳频序列，随机地改变一个信道占有频道频率的技术。可改善误码性能并收到频率分集的效果，分离了来自其他小区的同频干扰。这种技术可理解为随机信道分配的例子。

　　（3）动态信道分配（DCA:dynamic channel allocation）

　　考虑到系统中受到种种干扰，系统根据实时测试（干扰电平）或估测到的信道质量（信噪比）以便分配一条具有最小上行链路干扰电平的空闲信道或决定信道切换。这就是动态信道分配方式。在任何一个小区内可根据以上情况使用任何信道。显然DCA比RCA、FCA两种方式系统需要更多的信息来选择信道，这将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两种方式所达不到的网络容量。理论上可以给出网络达到的最佳容量，大大节省了频率资源。

　　在一个RR对话期间越区切换是蜂网的一个非常重要的功能，切换保证了网络的QoS。当移动台从一个基站覆盖区移动到另一个在站服务区，通过越区切换，可保持基站和移动台的通信。目前在CDMA技术中采用的切换方式有三种。

　　2.3.1　软切换

　　系统支撑的软切换是通过两个或更多个基站为移动台发射反向业务而实现的。特点是先连后切，即移动台先建立与新基站的通信，然后再切断与原基站的通信。移动台对不同的参与基站进行导标信号场强测试，选择两个或更多个信号合成。软切换改善了越区切换范围附近的覆盖，在软切换过程中与移动台的通信链路在所有时间都是保持的（连续），使用户几乎察觉不到切换。软切换，以及利用IMR（Inter,MSC Router）的MSC间的切换。不足之处是软切换仅适用于同样频率配置的CDMA信道。

　　2.3.2　硬切换 　

　　对于变更1.25MHz　RF（射频）信道和那些不可能实现软切换的情况，可由硬件换作支撑。先切后连。而移动台先切断与原基站的通信，然后再与新基站的通信，所以在硬切换过程中不能保持无线链路的连续性。（与移动台的通信链路会出现短暂中断）硬切换包括：不同载频间的频率切换CDMA数字系统与模拟系统间的切换以及不同帧偏置（Frana.offset）间的切换。具备软切换的特点，专指一个蜂窝网中同一基站不同扇区之间的切换。

　　2.4　功率控制方式

　　功率控制是指在一定范围内，用无线方式改变移动台或基站（或两者）传输功率的可能性，它与不连续传输的目标相同，都是为了提高频谱利用率，并延长移动台的电池寿命，在采用扩频技术的系统中，功率控制尤其重要，当接收端的接收质量很好时，适当降低发送方的传输功率，能减少对周围地区其它呼叫的干扰，从而减少复用距离的最有效方法，提高频谱利用率。功率控制可分为集中式和分布式两种。 　

　　3 未来移动通信（3G系统）无线资源的使用

　　3.1　IMT-2000研发情况

　　1999年11月国际电联ITU-RTG8/1最后一次会MT-2000无线接口“技术规范”建议。2000年5月，国际电联批准了IMT-2000无线接口5种技术规范，而以其中3种CDMA技术为主流。即频分双工方式；MC-CDMA(cdma2000)和DS-CDMA(WCDMA)；时分双工方式：CDMA TDD(TD-SCDMA和UTRA TDD)。通过对三种主流方案的比较，我国和其他一些欧洲国家提出TD-SCDMA技术被国际电联所接纳，并已写入第三代无线接口规范建议的IMT-2000　CDMA TDD部分中，这标志着我国提出的移动通信技术建议第一次成为国际电联标准。我们失去了第一代，错过了第二代，终于拥有了第三代。

　　3.2.1　技术特点

　　（1）频率规划

　　ITU目前对第三代移动通信系统的频率规划为：1900MHz-2025MHz,2110MHZ-2170MHZ（下行）及2110MHZ-2170MHZ(TDD方式)3段。卫星移动道信（MSS）业务段为1980MHZ-2010MHZ和2170MHZ-2200MHZ总的址来工作频率的提高使频谱资源更丰富，提高了网络的容量。

　　（2）采用双工模式

　　TDD:刊登于高密度用户地区，城市及近郊区的局部覆盖。无线传输技术不需要成对频率，具有频谱安排灵活性，适合对称和不对称即语音和第三代移动通信要求的移动数据（或IP）业务。即提高了频谱利用率。　

　　FDD：适合于大区域的全国系统，适合于对称业务如话音、交互式实时数据业务等。

　　TD-SCDMA采用TDD模式。

　　WCDMA.cdma 2000采用TDD.FDD相结合双工模式。

　　（3）提高利用率技术

　　TD-SCDMA采用了控分多址（SDMA），码分多址（CDMA），频分多址（FDMA），时分多址（TDMA）相结合的多址技术，采用智能天线，联合检测，上行同步技术，消除扇区间（INTERCELL）和扇区内（INTRACELL）的同信道干扰（CCI），多址干扰（MAI）和码间干扰（ISI）。缩短频率复用距离，提高了频谱利用率，降低设备成本。WCDMA、cdma2000采用码分多址，频分多址相结合的多址技术，采用智能天线导频符号辅助相干检测的多用户检测，上下行同步技术，消除各种干扰，提高频谱利用率。

　　3.2.2　采用的信道分配、切换和功率控制

　　.信道分配

　　3G系统采用的CDMA技术中，用户间信息的交换都是占有共同信道，因此不会采用FCA，而是将DCA和RCA结合使用。由于全IP移动骨干网络能更有效地传输非连续话务（包交换）。而包交换的特性使无线频谱利用率的提高更容易实现。则信道的分配有更多的自由空间。虽然3G系统主要选择DCA的分配方式，但因每个数据包的长度有限，所以无线资源管理没有足够的时间传送信道质量信息，给动态分配造成困难。此时采用RCA分配方式就变得尤其重要。TD-SCDMA中采用的DCA分配方式，可在空域、频域、时域和码域进行信道动态分配。根据实时测试的信道质量选择空闲信道，这就保证了有效利用信道，提高网络的系统容量，同时也保证了通信质量，但TD-SCDMA对设备的要求较高。

　　在3G系统中软切换是CDMA技术普遍采用的切换技术，对提高网络容量，保证通信质量起着关键作用。　

　　WCDMA：扇区间采用软切换，小区间采用软切换，载频间采用硬件切换WCDMA的基站不需要同步。因此不需外部同步资源，如：GPS。在设计软切换算法和执行定位业务时，必须考虑基站的异步性。在进入软切换前，移动站测量两个基站的下行SCH的定时差别。移动站将定时差别报告给服务基站。根据一个符号的解析度来调整新的下行软件切换连接的时间这样能够使移动站的RAKE接收机从两个基站接收某宏分集的能量。

　　cdma2000：扇区间采用软切换，小区间也采用软切换，载频间采用硬切换，基本信道的软切换类似于IS-95的软切换与WCDMA相近。对辅助信道活动组可以是基本信道的活动组的子集。当不需要分集补偿衰落时，更倾向于从很少几个基站传输，从而增加了整个下行链路的容量。在不变化的条件下，使用优化的方式，只从一个基站传输此基站将发射最小的下行传输功率，对于分组业务，如果辅助信道不在软切换状态，可以简化控制过程。

　　TD-SCDMA：采用按力切换技术，它不同于传统的软切换和硬切换它可以工作在同频和异频状态，利用已知的移动台用户位置（采用用户定位业务）。结合切换算法和上行同步技术准确地将需切换的移动台切换到新的基站，大大提高了系统质量。 　

　　3G系统中软切换最具有CDMA的特点：CDMA的信号结构也非常适合软切换的执行。TD-SCDMA的接力切换是第三代中新的切换技术。三种主流方案的切换技术都比第二代系统有明显的改善，提高了系统容量，保证了信道质量。

　　.功率控制

　　3G系统中分布式功率控制应用很广泛，恒定接收功率控制应用于CDMA系统中，而TD-SCDMA系统则在继承第二代GSM功率控制技术的基础上，主要是智能天线的恒定接受功率控制方式。功率控制技术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术。而TD-SCDMA系统开环+慢速闭环功率控制速度反为（0-20）bite/s。可见TD-SCDMA系统中由于采用TDMA和CDMA的结合，所以功率控制速度较慢。显然TD-SCDMA系统中，要能以最快的速度达到最好的同信道干扰控制，克服功率控制速度与性能之间无法同时兼顾的矛盾将是TD-SCDMA今后发展的主要目标。

　　纵观3G系统，所采用的传输技术都比第二代GSM900移动通信系统在利用无线资源上比较合理。信道的分配，越区切换和功率控制的应用，大大提高了频谱利用率，同时保证了道信质量。但是在非连续性话务的交换中，每个数据包发出的时间和长度无法预测，因信道质量预测无法帮助提高信息传输量，再作信道分配，功率控制和越区切换时系统性能会大受影响。目前国际上，在这一领域已有大量的研究开发工作正在进行。未来无线多媒体系统中，不同类型的用户提出不同的服务质量要求，尤其在下行链路方向上，如能采用多种话务动态信道分配和下行复用技术，系统容量将会显著提高。目前普遍看好的方向是动态信道分配和功率控制的混合使用

　　4 结束语

　　总之，利用有限的无线资源与合理的设备配置提供最佳的系统容量或数据吞吐量，使用户满意将是以后研究的永恒话题。