第三代移动通信中上、下行链路业务量不等时频带资源的分配

第三代移动通信中上、下行链路业务量不等时频带资源的分配（朱晴昱、蒋铃鸽）
[摘要] 本文讨论了第三代移动通信中上、下行链路业务量不等时，频带资源的分配问
题，分析了它与第二代移动通信的不同之处，然后以正交多码DS－CDMA（Orthogonal 
Multicode DS-CDMA）为例，提出了具体的频带资源分配方案并进行了计算机模拟。
[关键词]频带资源；正交多码；DS－CDMA；业务量
1引言
    第一代模拟移动通信和第二代数字移动通信所承担的主要业务是话音业务以及有限
的数据业务。根据IMT－2000的要求，第三代移动通信将承担与窄带ISDN相当的多种业
务，包括语音，图象等等，传输速率从几kbps到2Mbps不等。由于无线通信的频带资源
十分有限，如何灵活合理的安排频带资源以适应不同业务的要求已成为第三代移动通信
中讨论的一个关键性问题。
    为了实现不同速率的多种数据业务的传输，可以采用正交多码DS－CDMA（Orthogon
al MulticodeDS-CDMA）系统。在此之外，本文还考虑了上、下行链路业务量不等的问
题。在传统的移动通信系统中，上行链路和下行链路的频带是事先规定的而且容量大致
相当。这是因为过去的移动通信系统承担的大多为话音业务。对于一个小区内的所有用
户而言，发出的信息和收到的信息大致相当，也就是说上、下行链路的业务量大致是相
等的。而在第三代移动通信系统中，由于业务种类的扩展，上。下行链路的业务量将会
有很大的差异，下行链路（从基站到移动台）的业务量将普遍大于上行链路的业务量。
比如说，对于使用移动笔记本电脑进行网上浏览的用户而言，接受到的信息量远大于发
出的信息量。而这类业务将会成为未来无线通信的主要业务之一。因而，第三代移动通
信系统中，如果还象以往那样，分配给上、下行锻路相同容量的频带宽度的话，当下行
链路饱和时，上行链路还会有很大的空余。这实际上就造成了频带资源的浪费。为了解
决这个问题，需要更加灵活的分配频带资源。
    本文先介绍了正交多码DS－CDMA的资源分配方案；然后，在正交多码DS－CDMA的基
础上提出了解决上、下行链路业务量不等问题的具体方法；最后分析了系统性能的改善
情况。
2正交多码DS－CDMA
    给不同的业务分配不同数量的编码信道（Code Channal）。每个编码信道对应于一
个扩频码。在同一频带内，所有编码信道相互正交。每一个扩频码由两个扩频序列模2
相加而得。一个是短码，是由Walsh函数生成的哈达玛序列（Hadamard Sequences）。
另一个是长码，长码是m序列，对于任何一个小区是唯一的，同时也起到了扰码的作用，
减小相邻小区之间的干扰。以下是正交多码DS－CDMA的具体情况：
    在基站，每个用户视数据速率的大小而论，分配不同数量的几个编码信道：数据
速率高的用户分配较多的编码信道，数据速率低的用户分配较少的编码信道。
    扩频码由长码和短码模2相加而得：短码分配给特定的用户，长码对于每个小区是
唯一的。
    使用RAKE接收机以减小信道频率选择性的影响。
3编码信道的分配方案
    前面我们已经提到，未来的移动通信系统中，由于种类的变化，上、下行链路的业
务量会有很大的不同，给上、下行链路分配相同的容量，会造成资源上的浪费。
    解决的方案有多种。一种是按照统计和预测的数据，分配给上、下行链路不同的容
量。但是，考虑到业务结构是在不断变化的，五年前后就会有很大差异。另外，即使在
同一天中，不同业务的高峰期也是不同的，比如网上浏览可能是在下午和夜间达到高峰，
而手机的话音业务往往是在中午和傍晚达到高峰。因而事先规定好上、下行链路的容量
是不合适的。
    时分双工（TDD）可以是一种解决方法，给不同数据速率的用户分配不同的时隙。
本文考虑的是颇分双工（FDD）中的解决方案。具体内容如下：
    为了充分利用频带资源，将整个可用频段分成若干个子频段，每个子频段中采用DS
－CDMA的方式，将一个子频段划分为若干个编码信道。
    对于CDMA系统来说，如果不采用时分双工的方式，上行链路和下行链路不能同时存
在于同一个子频段中，否则可能会产生严重的远近效应。而且上行链路和下行链路所用
的调制方式往往不同，因此在本文中，对于任何～个子频段而言，其中不会同时存在上
行链路和下行链路。同时，对任何一个子频段，事先不规定是用来传输上行链路的业务
还是用来传输下行链路的业务。具体算法如下：
    （1）将可用频段划分为M个子频段，由低频至高频分别标记为1，2，……M。
    （2）设低频部分承担下行链路的业务，高频部分承担上行链路的业务。
    （3）对下行链路而言，每接到一个业务，从频段1开始向高频搜索，遇到某个子频
段有足够数量的编码信道能承担该项业务，则由该子信道承担该项业务。当搜索到的某
个子频段含有上行链路的业务时，则表明已经达到饱和容量，业务阻塞。
    （4）当下行链路中某个业务结束时，该业务原来占用的那部分编码信道空出。这
时从标号最大的下行链路子频段开始搜索，寻找合适的业务填充到空出的子频段。换句
话说，也就是将下行链路的业务尽量向低频段集中。
    （5）对上行链路而言，有与（3）、（4）类似的方法，只是搜索次序正好相反而
已。目的是使上行链路的业务尽量向高频段集中。
    总而言之，以上的方案，目的是使下行链路的业务尽量向低频段集中，上行链路的
业务尽量向高频段集中。当下行链路的业务量大于上行链路的业务量时，相当于使上行
链路中的业务向高频段集中，从而空出一定数量的子频段供下行链路的业务使用。这样，
在业务阻塞时，不会有哪个子频段完全末被使用。从而提高频带的利用率。
4系统性能的改善情况
    为了简要地说明采用该算法后，系统性能的改善情况，以下设立一个简单的系统模
型。
    假设系统模型和参数如下：
    设一共有10个子频段，每个子频段有64个可用编码信道，一共有两种业务。
    第一种业务：下行链路的业务占用5个编码信道，上行链路的业务占用1个编码信道。
业务以泊松率到来，平均每秒到达n个业务；每个业务的服务时间是随机变量，且呈负
指数分布，平均服务时间是1/p秒。
    第二种业务：下行链路的业务占用3个编码信道，上行链路的业务占用3个编码信道。
业务以泊松率到来，平均每秒到达n个业务；每个业务的服务时间是随机变量，且呈负
指数分布，平均服务时间也是1／p秒。（为了简单起见，假设这两种业务的服务时间都
是符合负指数分布的随机变量，并且参数相同。）
    业务到达后，如果不能立即得到服务，则视为阻塞，并且立即退出。
    本文以卞部分针对两种算法进行计算机模拟。一种是传统的方法：将总的频带资源
划分为容量相同的两部分，分别供上行链路的业务和下行链路的业务使用。另一种是本
文提出的算法。表示资源均分情况下的阻塞率；000表示本文所述方法下的阻塞率。
    采用灵活的信道资源分配方案将明显的降低阻塞率，相当于提高了信道容量。
5结论
    从本文可以看出，在第三代移动通信中，由于业务的扩展，将会提出许多新的要求，
而如何充分的利用有限的频带资源，将成为问题的关键。其中，上、下行链路业务量不
等的因素也必然会在未来移动通信系统的设计中得到考虑。