翻译版wcdma技术和系统设计(第三版)中文Chapter-9

第9章无线资源管理HarriHolma,KlausPedersen,JanneLaaksoandOscarSalonaho9.1基于干扰的无线资源管理无线资源管理（RRM）算法通过负责空中接口资源的分配与使用，确保系统的服务质量（QoS）、获得规划的覆盖区域和提高容量。无线资源管理的算法主要包括切换、功率控制、接纳控制、负载控制和分组调度等内容。为确保空中接口的干扰维持在昀低水平上，并提供所要求的服务质量（QoS），必须进行功率控制。WCDMA的功率控制在9.2节中介绍。在蜂窝小区系统中，当用户穿越小区边界时，需要用切换功能来处理用户的这种跨小区移动，切换将在9.3节介绍。在第三代移动通信网络中，为保证服务质量以及在不同比特速率、业务、质量要求的情况下将系统的吞吐量昀大化，还要求有接纳控制、负载控制和分组调度等其他无线资源管理算法。接纳控制在9.5节介绍，负载控制在9.6节介绍，WCDMA分组调度算法在第10章介绍。无线资源管理算法是基于网络中硬件资源的数量或空中接口的干扰水平的一种算法。在空中接口过载前，由于硬件资源导致的系统容量受限，称为硬阻塞；如果实际测量的空中接口负载超过设计极限导致的系统容量受限，称为软阻塞。在8.2.6节中分析了硬阻塞和软阻塞两者的区别。采用基于软阻塞的无线资源管理策略比基于硬阻塞的无线资源管理策略会获得更大的容量。如果采用基于软阻塞的无线资源管理策略，则需要测量空中接口的负载。在9.4节中介绍了空中接口负载的测量方法。IS-95网络中的无线资源管理策略是基于可用信道单元（硬阻塞）的，但是由于WCDMA需同时支持多种传输比特速率，因此该方法不能用在第三代标准WCDMA的空中接口中。图9-1无线资源管理算法在WCDMA网络中的典型位置图9-1给出了无线资源管理算法在WCDMA网络中的典型位置。第9章无线资源管理1779.2功率控制在3.5节中简要地介绍了功率控制。本章将涉及WCDMA功率控制中的几个重要部分，其中一些问题在诸如GSM、IS-95等现存的第二代移动通信系统中并没有出现，而是第三代移动通信系统中新出现的，因此要重点介绍。9.2.1节介绍了快速功率控制，9.2.2节分析了外环功率控制。外环功率控制为快速功率控制设置目标值，因此需要为其提供所要求的通信质量。在下面几节中，利用仿真结果说明了快速功率控制和外环功率控制的必要性。在9.2.1节中详细介绍了快速功率控制中的两个比较特殊的方面，即快速功率控制与分集的关系、以及软切换条件下的快速功率控制。9.2.1快速功率控制在WCDMA中，上下行链路均支持频率为1.5kHz的快速功率控制。GSM仅采用慢速（频率将近2Hz）功率控制。IS-95仅在上行链路支持频率为800Hz的快速功率控制。9.2.1.1快速功率控制的增益本节研究快速功率控制的好处。仿真采用的业务类型为8kbit/s的语音业务，BLER为1%，交织深度为10ms。分别对采用功控步长为1dB的快速功率控制和不采用快速功率控制两种情况进行了仿真。假设慢速功率控制将平均功率维持在所要求的电平上，慢速功率控制可对路径损耗和阴影效应进行理想补偿，而快速功率控制也可对快衰落提供补偿。假设基站采用两路接收分集。ITU车载A信道是用于WCDMA仿真的五抽头信道；ITU步行A信道是两径信道，其中第二个抽头的信号非常弱。在表9-1中给出了采用快速功率控制和不采用快速功率控制时，额定BER要求的Eb/N0值，在表9-2中给出了采用快速功率控制和不采用快速功率控制时，额定BER要求的平均发射功率。表9-1采用和没有采用功率控制技术条件下的所要求的Eb/N0慢速功率控制/dB1.5kHz的快速功率控制/dB快速功控的增益/dBITU步行A信道3km/h11.35.55.8ITU车载A信道3km/h8.56.71.8ITU车载A信道50km/h6.87.3-0.5表9-2采用和没有采用功率控制条件下的技术所要求的相对发射功率慢速功率控制/dB1.5kHz的快速功率控制/dB快速功控的增益/dBITU步行A信道3km/h11.37.73.6ITU车载A信道3km/h8.57.51.0ITU车载A信道50km/h6.87.6-0.8从表9-1和表9-2可见，快速功率控制可以获得明显的增益。在下面几种条件下，比较了快速功率控制获得的增益：z低移动速度比高移动速度获得的增益大；z满足所需的Eb/N0时获得的增益比满足发射功率的要求时获得的增益大；178WCDMA技术与系统设计z在多径分集的情况下，当多径的数目很少时，比如在ITU步行A信道下，获得的增益比较大。快速功率控制与分集的关系在9.2.1.2节中讨论。由表9-1和表9-2可见，ITU车载A信道50km/h时快速功率控制的增益为负，说明理想慢速功率控制将会比实际的快速功率控制拥有更好的性能。负增益是由于SIR的非精确估计、功控信令错误以及功控环路中的延时产生的。利用表9-1中快速功率控制的增益，可以估计8.2.1节链路预算中所要求的快衰落余量。为了闭环快速功控的正常进行，移动台的发射功率应包括快衰落余量。当UE以昀大恒定功率发射（此时没有快速功控增益）时，小区的覆盖范围昀大。移动台低速移动时，快衰落余量的典型值为2～5dB。9.2.1.2功率控制与分集本节将分析分集与快速功率控制的重要性。当移动台低速移动时，快速功率控制可以补偿信道衰落的影响，保持接收功率电平恒定。造成接收功率误升高主要原因是信干比（SIR）的估计不精确、信令的错误和功率控制环路的延时。衰落补偿会使发射功率出现峰值。图9-2和图9-3分别给出了移动台速度为3km/h时发射功率、接收功率随时间变化的函数。这些仿真结果包括了实际的SIR估计和功率控制信令，功率控制步长为1.0dB。图9-2中采用很少的分集，而图9-3中则采用较多的分集。图9-2中发送功率的变化比图9-3中的剧烈，这是由于分集数量不同造成的。分集可以是多径分集、接收天线分集、发射天线分集或宏分集。图9-2两径（平均抽头功率0dB，-10dB）瑞利衰落信道下的车速3km/h发射和接收功率第9章无线资源管理179图9-3三径（相等的抽头功率）瑞利衰落信道下的车速3km/h发射和接收功率当分集数较少时，发送功率的变化较大，而且平均发送功率也较高。当快速功率控制下的衰落信道与非衰落信道在接收端的接收功率电平相同时，将衰落信道的平均发送功率与非衰落信道的平均发送功率的比值定义为功率增量（Powerrise），功率增量如图9-4所示。图9-4具有快速功率控制的衰落信道下的功率增量表9-3为上行链路功率增量的链路级仿真结果。仿真给出了UE在不同移动速度、两径的ITU步行A信道环境下得到的功率增量，ITU信道的多径抽头功率分别为0.0dB和-12.5dB。仿真按时隙采集接收功率和发送功率。理想功率控制下的功率增量为2.3dB。仿真得到：当UE低速移动时，功率增量非常接近理论值2.3dB，这表明快速功率控制可以有效地补偿衰落。但是当UE高速（＞100km/h）移动时，快速功率控制将无法对衰落进行有效补偿，功率增量也非常低。关于上行链路功率控制的建模的更多资料可参见文献[1]。为什么功率增加量对WCDMA系统性能如此重要？在下行链路，由于发送功率决定了发180WCDMA技术与系统设计射的干扰，故所要求的发送功率直接决定空中接口的容量。因此，为了使下行链路容量昀大，每条链路所需的发送功率应该昀小。在下行链路上，移动台接收到的功率电平并不影响容量。表9-3功率增加量的仿真结果（假设有天线分集，在ITU步行A多径信道环境下）移动台速度/（km/h）平均功率增加量/dB32.1102.0201.6500.81400.2在上行链路中，基站发送功率决定对邻小区的干扰量，基站接收功率决定对本小区其他用户的干扰量。例如，如果在一个区域仅有一个WCDMA小区，通过将所需接收功率昀小化，该小区的上行链路容量将获得昀大化，并且功率增量不会影响上行链路容量。因此设计上行链路分集时必须考虑网络发射与接收功率。接收与发送功率对网络干扰电平的影响可参见图9-5。窝图9-5发射和接收功率对干扰电平的影响9.2.1.3软切换中的功率控制与单一链路情形不同的是，软切换中的快速功率控制有两个主要问题：一个是下行链路基站功率的功率漂移；另一个是移动台中上行链路功控指令的可靠检测。这两方面如图9-6、图9-7所示，本节对此有更详细的介绍，并且还提供了一个改善功控信令质量的解决方案。下行链路功率漂移UE发送一条指令来控制下行链路发射功率，激活集中的所有基站都会接收到该指令。为避免处理延时与信令开销，功控指令不在RNC中合并，而是由激活集中的NodeB各自独立地对该指令进行检测和接收。由于空中接口传播产生错误，各NodeB检测出的功控指令可能不同。这就很可能引起某NodeB降低对UE的发射功率，同时另一NodeB却提高对该第9章无线资源管理181UE的发射功率。这时各NodeB的下行链路功率开始出现分化，这种情况称为功率漂移。图9-6软切换中的下行链路功率漂移图9-7软切换中UE中上行链路功率指令的可靠性检测功率漂移不是我们所需要的，因为它大大降低了下行链路的软切换性能。我们可以通过RNC来控制功率漂移。昀简单的方法是对下行链路功率控制的动态范围设置相对严格的限制。移动台的发射功率不同，就应该采取不同的功控动态范围。很自然，允许的功控动态范围越小，昀大功率漂移也越小，但是如表9-2所示，大的功率控制动态范围通常可提高功控182WCDMA技术与系统设计的性能。降低功率漂移的另一方法为：RNC可得到各NodeB在软切换进程中的发射功率电平，然后这些发射功率电平在许多功率控制指令上取平均，例如，可以在500ms或与500ms等价的750条功控指令上求数学平均得到下行链路发射功率参考值。这样，RNC将下行链路发射功率参考值发给NodeB，软切换中的NodeB在其下行链路功率控制中使用该参考值以减少软切换连接的功率漂移问题。RNC周期性地对参考功率值进行轻微的校正，校正值的大小和实际发射功率与参考功率的差成比例。这种方法可以减少功率漂移的总量。在下行链路中应用快速功率控制技术才会发生功率漂移问题，IS-95的下行链路只有慢速功率控制，因此不需要采取控制功率漂移的措施。上行链路功控指令的可靠性激活集中的所有NodeB均独立给UE发送功控指令以控制上行链路发射功率，即使激活集中只有1个NodeB正确接收上行链路的信号，也可以维持正确的功率控制。因此，如果其中1个NodeB发送降低功率的指令，UE会降低它的发射功率。软切换过程中，因为所有参与软切换的NodeB发送相同的数据比特，UE对数据比特采用昀大比合并接收。但各NodeB发来的功控指令可以不同，所以UE对功率控制比特不能采用昀大比合并接收，因此，功控比特的可靠性低于数据比特的可靠性。UE用一个门限值来检验各功控指令的可靠性，因为干扰可能破坏功控指令，UE丢弃不可靠的功控指令。3GPP规范给出这方面的UE标准[2]。功控信令质量的改善UE处于软切换时，下行链路专用物理控制信道（DPCCH）采用高于专用物理数据信道（DPDCH）的功率可以改善信令的传输质量。如图9-8所示，对于不同的DPCCH域（功控比特、导频比特和TFCI），DPCCH与DPDCH之间的功率偏移量不同。图9-8为改善下行链路信令质量的功率偏移因为采用功率偏移量可以使功控信令质量得到改善，所以可以降低UE发射功率，UE的发射功率昀多可以降低0.5dB（典型值）。9.2.2外环功率控制外环功率控制通过为快速功率控制设定目标值，使通信链路的质量满足需要。外环功控的目的在于提供所需的通信质量：既不要太差，也不要更好。太高的质量将浪费容量。由于上行链路和下行链路均存在快速功率控制，因此上下行链路都需要外环功率控制机制。后面关于外环功率控制的讨论适用于上下行链路。RNC使用上行链路外环功率控制，UE使用下第9章无线资源管理183行链路外环功率控制。在IS-95中，由于下行链路没有快速功率控制，因