3G网络管理中的控制算法浅析

北京邮电大学 于翠波 李道本

中兴通讯股份有限公司 万淑娥

　　电信运营企业在网络规划、网络建设工作初步完成后，下一步工作就是充分利用已投资的网络资源，使之产生最大的经济收益。如何使网络稳定、可靠。高效地运行，网络管理系统起着确定性的作用。

　　目前移动通信网络正在积极地向第3代UMTS系统迈进，目的是利用电路交换与分组交换接入支持更丰富的业务与应用。虽然目前还不能非常清楚地列举出3G网络提供的所有业务与应用，但有一点十分明确，即未来的网络必定支持诸如语音、音频、E-mail、网页浏览及多媒体业务等现在已广泛存在的业务。丰富多样的业务要求网络中的无线链路应具备一定的灵活性，以满足不同业务对传输媒介的不同质量需求，但业务的多样性会使得网络业务建模的难度增大，复杂性增加。数据业务有突发的统计特性，使用分组交换能够提高网络的有效容量，这一点对资源昂贵的无线系统尤其重要，但同时分组交换可能产生的问题是当网络容量不足或传输中发生冲突情况时可能导致传输时延增大，这在实时业务（如语音业务和实时音频业务等）的应用中是难以被接受的。为满足不同业务的应用需求，网络需要在保证数据速率和最大时延的前提下决定各种业务的服务质量（QoS）。

　　与GSM系统相比，UMTS系统要复杂得多。CDMA系统的基本特征之一就是其覆盖面积与系统的瞬时噪声密切相关，即小区负载的业务量越大，其覆盖范围越小。由于小区内的业务量与小区的用户行为有关，是不断变化的，因此其覆盖范围也不断地随之变化（该现象被称为小区呼吸）。“小区呼吸”的现象使得无线系统的规划与设计更为复杂。

　　我们可以根据UMTS的一些特性，如小区呼吸、软切换等，对覆盖面积与业务容量的问题进行折衷考虑（既不用牺牲很多网络性能和/或覆盖范围，又能保证一定的系统容量），这就需要很强的控制算法。本文着重讨论UMTS中所建议使用的主要控制算法。

一、功率分配与控制

　　在CDMA系统中，所有用户使用相同的频率，干扰控制是CDMA系统的网络管理工作中一个十分重要的问题，对于上行链路尤其重要（当位于基站附近的移动台以大功率发射信号时，该信号很容易超过小区边缘距离基站的移动台的信号，严重时甚至会阻断整个小区的通信），而在下行链路中，系统容量主要由每个终端连接所要求的功率决定。因此，使基站保持发射功率处于较低水平而又能使接收端获得足够的信号质量，是非常重要的。

　　虽然与IS-95系统相比，很多新技术正在逐步引入WCDMA系统中，如干扰消除和多用户检测等，但这些新技术目前还受限于芯片处理速度，其应用还有待于进一步完善。目前所有CDMA的直接扩谱序列系统还只是单用户检测系统，虽然其他用户的信号里包含了一些对本用户有用的解调信息，但这些解调信息还无法得到实际利用，对此类问题必须使用功率控制来克服远近效应，保证通信质量。

　　功率控制按方向不同分为上行功率控制和下行功率控制，按移动台和基站是否同时参与又分为开环功率控制和闭环功率控制。

　　因为CDMA的上行频率和下行频率在同一频带范围内，所以上、下行链路的路径损耗之间有很强的相关性，对UE（用户设备）的功率控制是在访问网络以前，而对基站的功率控制则在无线连接建立起以后，根据下行方向的路径损耗的计算值，估计上、下行链路所需的初始发送功率值。此为开环功率控制。当一个UE接入到网络时，开环功率控制负责设定上行和下行链路的初始发送功率值。

　　慢速功控是功率控制的一种，慢速功率控制用于下行公共信道中。内环（快速闭环）功率控制以一定频率动态地调整发送功率。外环功率控制估计接收信号质量并调整快速闭环功率控制的目标SIR，用于保证通信过程的高质量。内环功率控制需依赖无线链路对端的第一层的信息，此时，UE/BS根据接收到的BS/UE处的SIR值来调整发送功率，以补偿无线链路的衰落。内环功率控制的目标SIR定义了承载业务的质量需求，而外环功率控制的目标是设法维持相应质量需求下的通信质量。

二、切换控制

　　切换是用户台在移动过程中为保持与网络的持续连接而发生的、当用户终端在不同小区间漫游时维持已有通信的一种手段。一般情况下，切换可以分以下三个步骤：无线测量、网络判决和系统执行。

　　软切换本身是一个有争议的CDMA特性，一方面，软切换可以在两个基站覆盖区的交界处起到业务信道的分集作用，以减少移动台发射功率和由切换造成的掉话；另一方面，它会由于同时占用多个信道资源而增加设备投资和系统背板的复杂性，例如基站中需要增加额外的RAKE接收机信道单元，基站和RNC间需要增加额外的传输链路，移动台需要增加额外的RAKE解调器，基站内不同扇区间需要增加额外的链路等。

　　尽管软切换有上述几方面的局限性，但由于直扩CDMA系统的相邻小区同频工作，为避免在重叠覆盖区域产生信号强干扰，必须采用软切换，它与快速功率控制一样，是直扩CDMA必不可少的核心技术之一。应用软切换技术之后，CDMA系统中由于切换引起掉话的概率大大降低，保证了通信的可靠性。

　　在下行链路，每增加一条软切换链路，就增加一定程度的系统干扰，如果系统干扰的增加程度超过了软切换增益，软切换就不会给系统容量带来任何好处。所以在WCDMA中，软切换在应用之前也必须进行良好规划，以使上行链路和下行链路提供足够的分集将软切换控制在一个合适的范围内。

　　然而，软/更软切换需要占用更多的如频率、功率等资源。由于使用软切换，接纳控制阶段的阻塞率会增大，时延会增加， 因此软/更软切控制是通过降低资源利用率来维持用户的满意度与系统性能的。

三、拥塞控制

　　WCDMA系统中，因为过多的负载将导致网络性能无法满足通信质量的要求，所以必须要将空中接口的负载保持在预定义的阈值以下，否则会产生网络达不到覆盖要求、容量下降、通信质量恶化等情况，而且过多的空中接口负载还可能使网络产生不稳定状态。
　　拥塞控制有以下三种情况。

　　1．接纳控制（AC：Acess Control）

　　处理所有的新来话务量，新来的分组或电路交换的RAB（无线接入承载）是否能够进入系统以及生成新接纳的RAB所需的参数都由接纳控制来完成。

　　对于不同的话务类型，接纳控制AC实际上由两部分构成。对于实时业务，接纳控制决定是否允许一个移动台进入网络，如果新进入的无线承载会造成对网络的过多干扰，则拒绝其访问。而非实时业务对时延问题不是特别敏感，其分组时间与比特率的最佳化操作需要在RAB接入之后完成，需要与分组调度器密切合作，即接纳控制负责无线接入承载的接纳与释放，分组调度器负责在分组呼叫期间分配合适的无线资源。接纳控制算法会估计因承载的接入或变动而造成的负载增加，而且可以对上行和下行链路进行分离的估计。

　　要想修改或建立新的承载链路，建立或修改RAB及发送分组，必须要使上行和下行链路的接纳条件都得到满足。接纳控制不仅需要对接入小区做负载变化估计，对需要计入接入小区的小区间干扰的相邻小区或者至少活动集内的小区也需要做负载变化估计。无论上行链路或下行链路，若负载估计值超过预定阈值，接纳控制就会拒绝该承载链路的新建。决策过程中，接纳控制需要用到无线网络规划阈值、上行干扰和下行发送功率信息。知道了网络中周围小区的当前负载状况以及请求业务所需要的负载增加量以后，接纳控制就可以决定是否接收新的呼叫。因此，接纳控制功能的实现需要信息支持，而RNC恰好具有所有需要的信息，所以接纳控制功能在RNC中实现。

　　2．负载控制

　　负责处理系统负载已超过阈值时的情况，并采取相应的对策使系统返回到可行状态。

　　3．分组调度（PS：Packet Scheduling）

　　处理所有的非实时业务，即分组数据用户的业务。分组调度决定何时发起分组传输及可使用的比特速率。

　　接纳控制负责无线接入承载（RAB）的接纳和释放，而整个连接过程中只有在有实际数据发送时才使用无线资源，其它时间并不预留无线资源。分组调度（PS）给分组呼叫(有效数据发送)分配合适的无线资源，是以小区为基础进行的，支持不对称业务。上行和下行的负载变化很大，所以两个方向的容量是分开分配的。然而，当给一个方向分配了专用信道后，另一个方向也需要分配专用信道，即使其中只有一个方向上有容量需求时也得如此。此时，分组调度器给另一方向分配一条低比特率专用信道，此信道携带的信息如下：高层（TCP）的确认、数据层（RLC）的确认、数据链路层控制和功率控制信息。通常，该低比特率信道称为“返回信道”。

　　小区内的无线资源由实时业务和非实时无线承载共享，而且实时与非实时承载的比例变化迅速。实时业务的特点是不能对其有效控制，由实时业务生成的负载、其他小区用户产生的干扰和噪声统称为不可控负载；而由“尽力而为”的非实时业务产生的负载称为可控负载。因此，不能用于不可控负载的容量可以由非实时的无线承载以“尽力而为”方式使用。

　　WCDMA小区中，负载分配是由无线资源管理功能来实现的，负载分配原则为：上行和下行链路中的总的负载达到系统负载的最佳点。由于干扰及传播条件的变化，系统负载最佳点是瞬时变化的。不论何时，不论是上行方向还是下行方向的负载超过了规定的阈值，就会产生负载溢出，此时，负载控制开始起作用，直到使系统负载返回到可接受点为至。

四、结论

　　通信网络建设和业务规模发展到一定程度后，基础设施和用户数量的增长将趋于平缓，网络管理所起的作用将越来越大。未来网络的经济效益将主要来源于资源管理与新业务的提供，资源管理包括负载控制、接纳控制、软/更软切换控制及QoS控制等。良好、适合的管理功能可以使网络在覆盖面积与网络容量二者之间达到平衡。

　　本文讨论了几种网络管理与资源管理的方法，这些方法有的已应用到网络资源管理中并产生很好的效果。将来，还需要行业同仁开发更多的算法使网络有效地利用有限的网络资源。

----《通信世界》