浅谈WCDMA无线资源管理

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一、引言
　　对于WCDMA移动通信系统，系统稳定性和容量最大化都是关键的性能指标，其基石就是无线资源管理（Radio Resource Management，RRM）。无线资源的概念是很广泛的，它包括频率资源，时间资源，码资源、功率资源、空间资源、存储资源。而WCDMA系统是一个自干扰的系统，RRM就是对移动通信系统的空中接口资源的规划和调度，控制自己系统内的干扰的过程。这涉及到一系列与无线资源的分配有关的研究课题，如接入控制、信道分配、功率控制、切换、负载控制，以及分组信息的调度等。而功率是最终的无线资源，最有效地使用无线资源的惟一手段就是严格控制功率的使用。提高针对某用户的发射功率能够改善该用户的服务质量；但会带来对其他用户干扰的增加，从而导致接收质量的降低。
二、无线资源管理概述
　　依据对象的不同，无线资源管理可以有两种不同的划分：
　　（1）面向连接的RRM。确保该连接的QoS，并使该条连接占用的无线资源最少。这时要考虑信道配置、功率控制、切换。对于每条连接，根据需要创建一个实例专门处理本连接的资源配置。
　　（2）面向小区的RRM。在确保该小区稳定的前提下，能接入更多的用户，提高整个系统的容量。这时要考虑码资源管理、负载控制。为每一个小区创建一个实例，专门处理该小区的资源管理。
　　而实现无线资源管理或控制的基本流程是：测量控制→测量UE（用户设备）、NodeB（节点B）、RNC（无线网络控制）→测量报告→判决、决策→资源的控制和执行。
　　RRM要做的就是能够保证CN（核心网）所请求的QoS，增强系统的覆盖，提高系统的容量。要达到RRM的目的，具体要做以下各项：信道配置、功率控制、切换控制、负载控制。
　　图1为RRM各算法在呼叫流程中的框图，贯穿整个RPM过程的主线是保证QoS、节约功率。

图1　RRM各算法在呼叫流程中的位置

三、信道配置
　　信道配置分为三类：基本信道配置，动态信道配置，码资源管理。
　　1.基本信道配置
　　基本信道配置就是根据CN所请求RAB（无线接入承载）的QoS特性，将其映射成接入层各层的相应参数和配置模式。CN所请求的服务质量一般包括：通信种类（会话、流量、交互、后台），速率要求，质量要求（BLER）。产生的QoS映射图见图2。

图2　基本信道配置中QoS的映射图

　　基本信道配置过程中使用到的空中接口信令有：RB（无线承载）建立、RB重配置、RB释放、传输信道配置、物理信道配置。
　　2.动态信道配置
　　动态信道配置（DCCC）。它所针对的对象是Best Effort（BE）业务。顾名思义，也就是要达到最高的效果，实现带宽的“按需分配”。它包括：最大限度的满足用户对带宽的要求、实现空中接口资源的最有效利用、满足用户变动的数据传输速率需求、节省下行信道码（OVSF码）资源。
　　DCCC的判决过程为对RLC缓冲器中Traffic Volume的测量报告，然后根据测量结果判决是否需要动态改变该UE所使用的带宽。在重配置的判决过程中，需要考虑空中接口是否受限，通过对该UE上下行功率的测量来完成。在这里，DCCC对上下行原理相同，分别进行判决。
　　DCCC的执行包括两个方面：RB重配置和传输信道重配置，同时还需要根据拥塞控制的请求来限制MAC层对TF的选择。图3是执行DCCC，带宽“按需分配”的效果示意图。
　　3.码资源管理

图3　动态信道分配的效果图

　　由于码资源管理的数学算法非常繁琐，在此不作赘述，只给大家介绍有关码资源管理的一些策略性能指标和分配原则。
　　码分配策略性能指标包括利用率和复杂度两个方面。利用率是指分配的带宽和总带宽的比值，这个值当然越高越好，同时尽量保留扩频因子小的码字，将提高利用率。复杂度与多码的数目成反比，复杂度越小越好，注意尽量使用单码传输。
　　码资源分配原则大致包括：提高码字利用率；降低码分配策略复杂度；确保尽量使用正交性好的码字；降低信道间干扰；提高系统容量；降低系统的峰平比。
四、功率控制
　　CDMA自从被提出来以后，存在的主要问题是无法克服“远近效应”——信号被离基站近的UE的信号淹没，无法通信，而一个UE就能阻塞整个小区。
　　“远近效应”和功率有很大关系，为了克服“远近效应”，WCDMA系统必须引入功率控制。同时，功率控制还能够调整发射功率，保持上下行链路的通信质量；克服阴影衰落和快衰落；降低网络干扰，提高系统质量和容量。
　　功率控制分为开环，闭环两种功率控制，其中闭环功率控制又分为上下行内功率控制和上下行外功率控制。
　　开环功控就是根据测量结果，对路径损耗和干扰水平进行估计，从而计算初始发射功率的过程。其目的是提供初始发射功率的粗略估计。
　　内环功率控制的目的是使基站处接收到的每个UE信号的比特能量相等。而每一个UE都有一个自己的控制环路。
　　如前所述，功率是最终的无线资源，最有效地使用无线资源的惟一手段就是严格控制功率的使用。
五、连接移动性管理
　　通信网的移动性管理一直是网络的难点问题，主要原因是移动台位置的不确定性。如果网络知道移动台的精确位置，进行移动性管理就变得相对简单了，同时也有助于对移动台进行有效的信道分配，实现网络资源动态、智能分配，使无线资源的利用率更高。
　　连接移动性管理涉及的问题主要是移动台在小区间“越区”时进行的切换，以及切换类型的选择。
　　处于不同状态UE越区，要使用不同的方法处理其移动性管理问题。比如在Idle模式下，UTRAN（UMTS陆地无线接入网络）根本不知道UE的存在，UE越区时利用Cell Reselection算法选择新的小区，如果LA发生变化则到CN进行登记处理：Cell-DCH状态下的UE越区时，切换时机，切换的目标小区，切换的类型等都由位于RNC中的切换算法进行判决和控制；还有Cell-PCH和Cell-FACH状态的UE越区和URA-PCH状态下的UE越区，都有各自不同的处理措施。
　　移动中的越区切换大体分为两种：软切换和硬切换。软切换中有更软切换。硬切换包括同频硬切换，异频硬切换，系统间切换（在WCDMA和GSM中进行切换）。
　　硬切换的特点是先中断源小区的链路，后建立目标小区的链路，这时通话会产生“缝隙”，非CDMA系统都只能进行硬切换。频内硬切换要注意码树重整；频间硬切换由于网络规划的原因，在特定的区域是需要的。这时要注意频间负载的平衡。在3G建设初期，网络覆盖有限，所以存在3G和2G网络之间的切换，这就是系统间切换，目的是在2G和3G之间进行平滑的演进。
　　软切换的特点是CDMA系统所特有，只能发生在同频小区间：软切换先建立目标小区的链路，后中断源小区的链路，这样可以避免通话的“缝隙”。其增益可以有效的增加系统的容量，但是要比硬切换占用更多的系统资源。当进行软切换的两个小区属于同一个Node B时，上行的合并可以进行最大比合并（RAKE合并），此时就成了更软切换。由于最大比合并可以比选择合并获得更大的增益，所以在切换的方案中更软切换优先。
　　切换类型的选择要遵循两个原则：一是需要根据不同的业务QoS和上述介绍的两种切换的优缺点来选择切换的类型。二是需要综合考虑业务的QoS要求和切换对于系统资源的占用，在系统资源占用和QoS保证上实现折衷。
　　还有更进一步的技术如压缩模式，SRNS（服务无线网络子系统）迁移等，都可以更好地在越区切换时对目标小区进行测量，增强系统的适应能力，减少切换时的延迟。
六、负载控制
　　简单来说，网络负载一般指对网络数据流的限制，使发送端不会因为发送的数据流过大或过小而影响数据传输的效率。在小区管理的移动系统中也会存在要求负载平衡的问题，希望将某些“热点小区”的负载分担到周围负载较低的小区中，提高系统容量的利用率。那么就用到了负载控制技术。
　　负载控制技术分为：准入控制、小区间负载的平衡、数据调度和拥塞控制。
　　准入控制涉及负载监测和衡量、负载预测、不同业务的准入策略、不同呼叫类型的准入策略。而且，上下行链路要分别进行准入控制。
　　小区间负载的平衡主要包括：同频小区间负载的平衡、异频小区间负载的平衡、潜在用户控制。
　　数据调度是为了提高小区资源的利用率，引入Packet Scheduling技术，在小区内的速率不可控业务负载过大或过小时，降低或增加BE业务的吞吐率，以控制小区的整体负载在一个稳定的水平。
　　拥塞控制是在前面三种技术的基础上，为了保证系统的绝对稳定引入的技术。其目的是保证系统的负载处于绝对稳定的门限以下。具体的方法有暂时降低某些低优先级业务的QoS；还有一些比较极端的手段，如暂时降低CS业务的QoS等。
七、AMR模式控制
　　3G网络建设初期覆盖范围有限，所以2G和3G多种系统将并存，WCDMA系统采用AMR（Adaptive Multi-Rate）语音编码，是为了和原有各种系统的语音编码器的兼容。
　　AMR语音编码的显著特点是在一定的负载对应于UE的CIR情况下，用户所感受到的MOS（平均评价得分）并不是随UE所使用的语音速率上升而线性上升。也就是说，一定负载情况下，为获得用户的最高MOS分，最合适的AMR语音速率不是最高速率，而是某一个合适的中间速率。同时，由于UE的最大发射功率限制，使上行AMR语音的覆盖范围受到限制，为了扩大AMR语音的上行覆盖范围，在不影响UE的通话质量的前提下需要适当降低上行的速率。也就是说降低AMR的语音速率可以有效的扩大上行的覆盖范围。
　　AMR编码还有模式控制。通过对负载的衡量，AMR模式控制可以做到：负载重的情况下，降低AMR的语音速率，这样既减轻了系统的负载又相对改善了语音的质量；在负载轻的情况下，增加AMR语音的速率，这样就尽量提高了QoS。AMR语音模式控制最快可达20ms一次。