未来移动通信系统中的无线资源管理

要害词：未来移动通信系统；无线资源治理；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 未来移动通信系统

　　随着Internet的迅速发展以及ip与移动通信标准的结合，IP协议和基于IP的业务已逐步成为未来移动通信网的网络上层协议和业务应用趋势。未来移动通信系统将是一个全IP的网络系统。ITU-R、 IETF、IPv6论坛、移动无线互联网论坛(MWIF)、3G合作工程组(3GPP)和3G合作2号工程组(3GPP2)等诸多相关国际组织或论坛都在研究和探讨未来移动通信系统的IP协议解决方案。

　　未来移动通信系统全IP的核心网络采用Internet IP技术，可支持Mobile IP和Mobile IPv6等相关标准；边缘则是不同标准的通信系统(例如GSM、 GPRS、 UMTS、 cdma 2000、WLAN、Internet、PSTN、DAB/DVB-T及Bluetooth等)。 全IP网络的目标将是从网络到终端均使用基于IP的协议通信。目前全IP网络的标准化工作主要集中在核心网络(Core network)，正逐步向无线接入网和终端延伸。未来移动通信系统全IP网络的网络构架如图1所示。

图1 未来移动通信系统全IP网络的网络构架

　　未来移动通信系统的空中接口标准的发展目标是支持更高无线信道传输速率和具有向下兼容第3代移动通信各标准的能力。其主流为频分双工(FDD)、时分双工(TDD)、码分多址(CDMA)方案并存的综合复用方式，并结合正交频分复用(OFDM)或多载波等相关技术以提高无线频谱利用率。B3G和4G的最高传输速率将分别达到20 Mbit/s和100 Mbit/s甚至更高。此外无线本地环路(WLL)、无线局域网(WLAN)、数字音讯广播(DAB)、数字视频广播(DVB-T)等标准也在不断地发展和演进。

　　在各种移动通信传输体制中，有效地提高频谱资源利用率一直是研究的热点问题，第3代移动通信系统的各标准中都已提出面向QoS的无线资源治理框架。在未来移动通信系统中，使用无线资源治理的各种方法对复杂的无线物理信道、网络资源进行合理配置，完善IP协议兼容性及保障不同特性业务的传输质量等方面的研究正在进行中。未来移动通信网络中各种体制系统的互通、融合和网络构架已成为被关注的研究方向。

　　2 无线资源治理

　　无线资源治理的目标是在有限带宽的条件下，为网络内无线用户终端提供业务质量保障，其基本出发点是在网络话务量分布不均匀、信道特性因信道衰弱和干扰而起伏变化等情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资源，最大程度地提高无线频谱利用率，防止网络拥塞和保持尽可能小的信令负荷。无线资源治理(RRM)的研究内容主要包括以下几个部分：功率控制、信道分配、调度技术、切换技术、呼叫准入控制、端到端的QoS、无线资源预留和自适应编码调制等。

　　2.1 功率控制技术

　　在移动通信系统中，近地强信号抑制远地弱信号产生“远近效应”。系统的信道容量主要受限于其他系统的同频干扰或系统内其他用户干扰。

　　在不影响通信质量的情况下，进行功率控制尽量减少发射信号的功率，可以提高信道容量和增加用户终端的电池待机时间。传统的功率控制技术是以语音服务为主，这方面的研究已经相当多，主要涉及到集中式与分布式功率控制、开环与闭环功率控制、基于恒定接收与基于质量功率控制。目前功率控制的研究集中在数据服务和多媒体业务方面，多为综合进行功率控制和速率控制研究。功率控制和速率控制两者的目标基本上是互相抵触的，功率控制的目标是让更多的用户同时享有共同的服务，而速率控制则是以增加系统吞吐量为目标，使得个别用户或业务具有更高的传输速率。如何满足用户间不同的QoS要求和传输速率，同时达到公平性和高吞吐量的双重目标，是目前较为热门的课题。

　　用在电路交换网络的功率控制技术已不能适应IP传输和复杂的无线物理信道控制，当IP网络成为核心网络，如何在分组交换网络进行功率控制就成为功率控制研究的主要内容。针对基于突发模式(Burst-mode)功率控制的通信网络的研究和连续突发模式(Burst-by-burst)的通信系统的设计已引起很大的注重。结合功率控制和其他新技术，如智能天线、多用户检测技术、差错控制编码技术、自适应编码调制技术、子载波分配技术等方面的联合研究，提高系统容量也是比较热门的研究课题。

　　2.2 信道分配

　　在无线蜂窝移动通信系统中，信道分配技术主要有3类：固定信道分配(FCA)、动态信道分配(DCA)以及随机信道分配(RCA)。

　　FCA的优点是信道治理轻易，信道间干扰易于控制；缺点是信道无法最佳化使用，频谱信道效率低，而且各接入系统间的流量无法统一控制从而会造成频谱浪费，因此有必要使用动态信道分配，并配合各系统间做流量整合控制，以提高频谱信道使用效率。FCA算法为使蜂窝网络可以随流量的变化而变化提出了信道借用方案(Channel borrowing scheme)，如信道预定借用(BCO)和方向信道锁定借用(BDCL)。信道借用算法的思想是将邻居蜂窝不用的信道用到本蜂窝中，以达到资源的最大利用。

　　DCA根据不同的划分标准可以划分为不同的分配算法。通常将DCA算法分为两类：集中式DCA和分布式DCA。集中式DCA一般位于移动通信网络的高层无线网络控制器(RNC)，由RNC收集基站(BS)和移动站(MS)的信道分配信息；分布式DCA则由本地决定信道资源的分配，这样可以大大减少RNC控制的复杂性，该算法需要对系统的状态有很好的了解。根据DCA的不同特点可以将DCA算法分为以下3种：流量自适应信道分配、再用划分信道分配以及基于干扰动态信道分配算法等。DCA算法还有基于神经网络的DCA和基于时隙打分(Time slot scoring)的DCA。最大打包(MP)算法是不同于FCA和DCA算法的另一类信道分配算法。DCA算法动态为新的呼叫分配信道，但是当信道用完时，新的呼叫将阻塞。而MP算法的思想是：假设在不相邻蜂窝内已经为新呼叫分配了信道，且此时信道已经用完，倘若这时有新呼叫请求信道时，MP算法(MPA)可以将两个不相邻蜂窝内正在进行的呼叫打包到一个信道内，从而把剩下的另一个信道分配给新到呼叫。

　　RCA是为减轻静态信道中较差的信道环境(深衰落)而随机改变呼叫的信道，因此每信道改变的干扰可以独立考虑。为使纠错编码和交织技术取得所需得QoS，需要通过不断地改变信道以获得足够高的信噪比。

　　2.3 调度技术

　　未来移动通信系统的主要特征之一是存在大量的非实时性的分组数据业务。因为不同用户有不同速率，一个基站内所有用户速率总和往往会超过基站拥有频带所能传输的信道容量，因此必须要有调度器(Scheduler)在基站内根据用户QoS要求，判定该业务的类型以便分配信道资源给不同的用户。

　　最近调度技术开始与其他技术相结合，如调度技术和功率控制整合，调度技术和软切换技术相结合，软切换技术和呼叫准入控制技术相结合等，且调度技术也扩展至实时性数据(Real-time data) ，提出了新的应用。另外，为了在Internet中提供QoS，如IntServ或DiffServ服务，调度技术也起重要的作用。

　　2.4 切换技术

　　切换技术是指移动用户终端在通话过程中从一个基站覆盖区内移动到另一个基站覆盖区内或者脱离一个移动交换中心(MSC)的服务区进入另一个MSC服务区内，以维持移动用户通话不中断。有效的切换算法可以提高蜂窝移动通信系统的容量和QoS。切换技术一般分为硬切换、软切换、更软切换、频率间切换和系统间切换。切换技术主要是以网络信息信号质量的好坏、用户的移动速度等信息作为参考来判定是否应执行切换操作。除了以上给出的切换技术以外，正在研究的切换技术基于信道借用和基于用户位置的切换。

　　未来移动通信系统中切换技术与移动性治理结合得越来越紧密，由于未来移动通信系统的核心网为IP网，这势必会给移动用户的切换带来新的问题和挑战。现有的切换算法针对蜂窝移动通信系统设计，而Internet协议开始并不是针对无线通信环境所设计，要使得未来移动通信系统中切换技术得以实现，就必须对现有的切换技术进行修改。IETF在移动性治理方面做了许多工作，提出并制订了一些相关的标准：如宏移动(Macro-mobility)和微移动(Micro-mobility) 的标准。

　　2.5 呼叫准入控制

　　以语音业务为主的呼叫准入控制决定是否接受新用户呼叫是相当简单的问题，在基站有可用的资源时即可满足用户的要求。在CDMA网络中，使用软容量的概念，每个新呼叫的产生都会增加所有其他现有呼叫的干扰电平，从而影响整个系统的容量和呼叫质量。因此以适当的方法控制接入网络的呼叫显得比较重要。第3代及未来移动通信系统要求支持低速话音、高速数据和视频等多媒体业务，因此呼叫准入控制也就变得较为复杂。

　　未来移动通信系统中呼叫准入控制的要求是：在判决过程中，使用网络计划和干扰测量的门限，任何新的连接不应该影响覆盖范围和现有连接的质量(整个连接期间)，当新连接产生时，呼叫准入控制利用来自负荷控制和功率控制的负荷信息估计上、下行链路负荷的增加，负荷的改变依靠于流量和质量等参数，若超过上行或下行链路的门限值，则不答应接入新的呼叫。呼叫准入控制算法给出传送比特速率、处理增益、无线链路发起质量参数、误码率(BER)、 信噪比(Eb/No)和信干比(SIR)。呼叫准入控制治理承载映射、发起强制呼叫释放、强制频率间或系统间的切换等功能。

　　目前正在研究的呼叫准入控制算法主要有以下几类：基于QoS的呼叫准入控制算法，该算法对接入的呼叫业务进行分类，如分为实时性业务和非实时性业务，然后再分别对其执行不同的呼叫连接；交互式呼叫准入控制算法；基于等效带宽的呼叫准入控制算法；基于容量的呼叫准入控制算法；基于功率的呼叫准入控制算法；分布式呼叫准入控制算法等。

　　随着未来移动通信系统对数据、图像、视频等多媒体业务的支持，其业务的传输速率也越来越高，这就要求研究新的适合于高速移动通信系统的呼叫准入控制算法。此外，在考虑移动通信系统的呼叫准入控制时，拥塞控制策略也是通常需要考虑的一个方面，因此常将呼叫准入控制与拥塞控制进行结合研究。

　　2.6 端到端QoS保障

　　传统的Internet网络提供是“尽力而为”(Best effort)服务，IP层无法保证业务的QoS要求，端到端QoS保障要通过传输控制协议(TCP)层来实现。尽管TCP层可以保障一定的QoS，如减少分组丢失率，但是仍无法满足高实时性要求的图像、视频等多媒体业务在无线系统中传输的端到端QoS要求。而且未来移动通信系统的核心网络将是基于IP的网络，这就给如何在移动Internet网络上为未来高速多媒体业务提供可靠的端到端QoS要求提出了新的问题。

　　目前对移动IP业务的服务质量(QoS)的保证方法，大多没有考虑到端到端QoS保证。下一代高速无线/移动网络要求能够接入Internet、支持各种多媒体应用并保证业务的 QoS。但由于用户的移动性和无线信道的不可靠性，使得QoS保证问题比有线网络更复杂。传统IP网络无法保证用户业务的QoS，这已经成为Internet向前发展的巨大障碍，为此IETF为增强现有IP的QoS性能提出了两种典型的保障机制即：综合业务/资源预约协议(InterServ/RSVP)和区分业务(DiffServ)。

　　在无线网络中，传统的流量控制并不适应用来提供QoS 保证，因为会把无线信道传输过程中的分组丢失当作网络拥塞来处理。UMTS定义了4类QoS类型，即对最大传输迟延有严格的要求的会话类别，对端到端数据流的迟延抖动有一定要求的流类别，对往返延迟时间有要求的交互式类别，对延迟敏感性要求很低的后台类别。网络根据不同QoS类型的业务分别为其分配不同信道资源。此外还有其他几种解决QoS的算法，如无线链路层解决方案、TCP连接分离方法、TCP迭加解决方案、套接口/网关解决方案等。

　　有关自适应编码调制、无线资源预留等其他无线资源治理方面的研究内容也在进一步的研究和探讨中。

　　3 结束语

　　从无线移动通信系统的发展趋势中，不难看出未来移动通信系统网络构架将是包括不同无线接入网络和不同种类网络的全IP的分层式网络构架，其核心网为IP网络。网络边缘由多个不同无线和有线网络所构成，边缘网络接口可以是GSM、通用分组无线业务(GPRS)、GSM增强数据系统(EDGE)、WCDMA、cdma 2000、TD-SCDMA接口，可以是正在研究的B3G/4G空中接口、IEEE 802系列无线网络接口、自组织网络(Ad Hoc) 接口，以及卫星和Internet、PSTN等网络接口，不同网络的传输环境会有所不同，采用的频段也会不一样，这样就需要考虑不同接入网络环境的整合与网络间的互通。

　　未来移动通信系统平台将采用分层式并具有良好的弹性构架，以支持不同系统、多种新技术、各种增值业务，以及全球通信的需要，这势必会给系统的无线资源治理带来诸多新的挑战。其中基于IP和基于位置的切换技术，基于多种网络和多种业务的动态频率分配、准入控制、调度、网络容量分配、切换技术，面向移动通信的TCP/IP协议等涉及网络中和网络间的资源治理方案将成为下一阶段的研究方向。□

　　参考文献

　　1 Zander J. Radio Resource Management—an Overview. Vehicular Technology Conference 1996. Mobile Technology for the Human Race, IEEE 46th, 1996,1:16—20
　　2 Naghian S. Location-Sensitive Radio Resource Management in Future Mobile Systems. Wireless World Research Forum, May 2001
　　3 Lin J C, Lee T H, Su Y T. Power Control Algorithm for Cellular Radio Systems. Electronics Letters, 1994,30:195—197
　　4 Epstein B M, Schwartz M. Predictive QoS-Based Admission Control for Multiclass Traffic in Cellular Wireless Networks. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2000,18(3):523—534
　　5 Lee C C, Steele R. Effect of Soft and Softer Handoffs on CDMA System Capacity. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 1998, 47(3):830—841
　　6 Jorg Schuler. Unified Set of QoS Parameters and QoS Aware End-to-End Transport. WWRF Submission, May 2001
　　7 Haas Z, Winters J H, Johnson D S. Simulation Results of the Capacity of Cellular Systems. IEEE Transactions on Vehicular Technology,1997,46:805—817
　　8 Zander J. Trends in Resource Management in Future Wireless Networks. Wireless Communications and Networking Conference, IEEE 2000 WCNC, 2000,1:159—163

赵新胜，东南大学无线电系移动通信国家重点实验室副教授，中国第3代移动通信系统的演示系统研制工作主要技术骨干。研究领域为移动通信系统和通信网络系统的体系结构、无线资源治理、网络协议，目前正在进行B3G和第4代移动通信系统的研究。著有通信系统方面的教材2部。

　　尤肖虎，东南大学无线电工程系主任，移动通信国家重点实验室教授、博士生导师、长江学者计划特聘教授，国家级有突出贡献的中青年专家，国家杰出青年基金获得者，国家教委跨世纪青年专家首批入选者，中国电子学会理事，《电子学报》编委，国家“863”计划通信技术主题专家组成员，中国通信学会青年工作委员会副主任委员，1999年初起任国家第3代移动通信系统研究开发项目总体组组长，负责中国第3代移动通信系统的研究与开发工作。长期从事移动通信与信号处理方面的科研与教学工作，曾承担与移动通信有关的国家级项目10余项，在国际权威杂志IEEE Transactions上发表论文10余篇，参与出版英文和中文专著各1部。