无线移动通信系统中的动态信道分配、功率控制北方交通大学现代通信研究所 杨涛 萧韦 一、简介蜂窝移动通信网从开始使用到现在不过二十年左右的时间,但有着惊人的发展速度。随着移动通信业务量的激增,模拟通信网面临着容量严重不足的压力。另一方面,由于计算机和数据终端的广泛应用,非话音业务迅速增多,模拟蜂窝系统已经不能适应移动通信业务发展的需要。现在,移动通信已从模拟网络发展到了第二代及第三代的数字通信网络。要解决通信容量不足的问题,就需要找到一种高效合理使用有限的无线资源(主要指频率和功率)的方法。在频分与时分多址(FDMA/TDMA)系统中,动态信道分配(DCA)已成为研究热点。DCA 不仅可以高效的利用频谱并可以减轻代价颇高的频率规划方面的负担。另一方面,功率也是移动台的一种宝贵资源,并且也是限制系统容量的重要因素。功率过大会引起共道干扰的增加,影响共道用户的通信质量。功率过小,会使移动台的信噪比达不到要求的标准,同样也会对通信质量造成影响。于是,提出了功率控制(PC),功率控制就是一种以最小功率来达到所需的信噪比,来使移动信道中的同道干扰降到最低的方法。因为是移动信道,所以应充分考虑信道用户的移动性,这就需要充分利用用户的分布特性来进行资源的重组与分配,达到优化利用。将 DCA 与 PC 相结合,综合考虑二者的作用及用户的移动性就产生了 DCA 与 PC 的结合算法,这将作为本文的重点。二、动态信道分配(DCA)早期的固定信道分配(FCA)方法是通过一个再用距离来建立再用方案。FCA 并未考虑用户的分布特性,信道是分配给小区而不是用户。再用距离的选择就是要保证距离大于再用距离的共道用户的同频干扰足够小,以不至于对其他用户产生明显影响。而对于 DCA,所有的信道被集中在一起,根据某种规则动态的进行分配。DCA 算法是根据各小区的业务量来分配信道,这样可以减少业务的热点,并且 DCA 算法通过监测用户位置处的信号与干扰值来调整再用距离,这样可将系统容量进一步提升。事实上,可以证明,当每一个共道用户集的载干比(CINR)被控制在某一严格必需界上时,系统容量达到最大。为一个新用户寻找最优信道,包含两方面的问题:1、接入管理问题。系统必须找到空闲信道的一个子集,使用户在这一集合所含的任一信道上可以和信道中已包含的用户共存。为了做到这一点,必须知道包含新用户在内的所有共道用户之间的互信道增益。没有功率控制,这个问题只能由集中式算法解决,这在实际操作中无法实现。2、信道选择问题。系统需要基于某种策略从适用的空闲信道的子集中选择一个最佳的,这需要知道新用户所在位置处的信号和干扰电平值。这最适合应用分布式算法来解决。需要注意的是,对于 DCA,一旦有用户移动,一个正确的信道分配方案将不再可用,需要把用户分配到一个不同信道上。实际中,当考虑移动时,系统的重点就应从接入管理转换到信道再分配上。理论上,最好的办法就是:如果必要,允许任何用户的再分配以容纳一个新用户。这将最终等效于每一个新用户接入时解决一次新的全球信道分配问题,这将引入大量的计算、信令信号及信道再分配。实际中使用的算法只再分配有限数量的用户。 控制信道(CCH)方便了 DCA 的操作,它对整个系统而言是一种参考资源,它可以使移动台在初始接入及越区切换时找到基站的位置。特别的,即使系统是功率控制的,CCH 也可使用固定功率,此时只要将 CCH 的结构设计的足够好,就可以减少盲时隙问题,所以在以下的各种算法中都假设存在 CCH。链路的质量是由其薄弱环节决定的。信道分配算法的一个重要方面就是如何来平衡其上行和下行链路。一种实用的平衡算法是这样操作的:每一个基站(BS)存储一个有关所有空闲信道状态的数据库,每当要分配信道时,根据上行链路噪声情况,生成包括 L 个最佳候选信道的列表,传送给移动台,移动台再根据下行链路的情况做出最后选择。较短的链表有利于上行链路,较长的链表有利于下行链路,一般选择 L=6-8 即可得到较好的结果。三、功率控制在蜂窝系统中制约系统容量的最主要因素就是同道干扰,可以通过调整发射机功率来控制这种干扰,从而提高系统容量。调整发射机功率的主要思想是在维持实际通信链路质量的情况下,尽量减小发射机的功率,以使其他用户接收机处的干扰最小。有两种算法:集中式算法和分布式算法。集中式算法,需要有特定的中央处理机,实时测量所有链路的路径增益。这在大容量的蜂窝系统中是不切实际的。对于上行或下行链路来讲,如果存在功率 Pi0,满 i 足在每一共道小区 I 成立,则此 CINR 值是可实现的。可以证明,在存在 PiPmax 限制的条件下,存在唯一的最大可实现 CINR值。如果某系统可实现的最大 比所需最低限还要小,则一个或多个用户要被拒绝或重新分配到另外的信道上,以保证剩余用户获得较高的 CINR值。对于分布式算法,发射机的发射功率主要由本地信息来决定。因为只依靠有限数量的信道来操作,所以从容量的观点来看,这种算法是次最优的,但它具有很强的实用性。用 Pi(n)和 i(n)表示第 n 次迭代求得的 Pi 和 i。具体的分布式控制算法如下:Pi(n)=P00设 t 为共道集用户的目标 CINR 值。一种有效的简便的算法可以表示为:这相当于(1)式中 =1,=t可以看出,n+1 时刻的功率值与 n 时刻的干扰值成正比,而与相应的路径增益成反比。在假设其他用户不改变功率值的情况下,一个用户只须简单的一步步改变自己的功率值来达到所需要的链路质量。实际上,即使其他用户也在改变功率值,只要解存在,算法必收敛。否则,当所有用户试图达到不可能的目标 t 时,功率持续上升,直到达到 Pmax。一个或几个用户的功率值超过某一特定值,同样也说明了对所有用户来说,这一链路质量是达不到的,需要移去用户以达到 t。考虑到 PiPmax 的限制后,可将式(2)重新写为:可以证明此分布或算法以概率 1 达到 C/I 平衡,即若 tmin ,适当高于所需最小值。2)信道选择:系统把能使用户达到接入门限并且具有最低上下行链路综合功率的信道分配给新用户。这个信道只会对其他活动用户产生最小的干扰。通过此选择过程我们可以充分利用 DCA 所提供的选择上的灵活性,这样就可将信道分配过程和接入过程有效的结合在一起。具体的信道选择方法见下一节的介绍。3）改进的接入管理:对于新用户来讲,其接入门限为 newtmin。新用户只有在其发射功率 PiPmax 的情况下,上下行链路均达到这一门限才会被系统接纳。这样,新用户在与已存在的用户竞争资源时,必须要满足高的 CINR。如果活动的共道用户不能与新用户共存,则必然会有一个用户由于额外干扰的加入而达到 Pmax。由于新用户所需要的 CINR 值较高,所以该用户最有可能达到,而使接入被拒绝。new 越高(新用户所需的 CINR 值比活动用户所需 CINR 值相差越大)在相同的功率预算条件下,活动用户被新用户替代,被系统清除的可能性便越小。但同时,高的接入门限会增加呼阻率。所以,new 应取一种折中值。当一个新用户不能在这个最佳信道中达到 new,他很可能也不能在其它信道中达到new,这样此用户将被 BS 拒绝。如果一个新用户被接纳,则 PC 环路立即开始工作。首先降低功率使 CINR 由 new 降至 t,然后努力将信道中的 CINR 值保持在目标值。4）道再分配:在改进的接入管理情况下,已将活动用户由于新用户的接入尝试而达到Pmax 的可能性降为最小。在大多数情况下,新用户(而不是活动用户)将会成为需要更大功率的用户。然而门限之差有可能不够大,处于非有利位置的活动用户仍可能需要最大的功率。这样,新用户可能被错误的容纳,而使活动用户的功率达到 Pmax。另外,由用户移动引起的路径增益变化,同样可能使某一活动用户达到 Pmax。在这两种情况下,PC 环路将不能对进一步增大的干扰产生响应,而使 CINR 值低于 t,甚至降至 min。这可以作为一种暗示来说明信道不能,至少是暂时不能支持当前所在位置的用户集。这样,如果用户 I(上行或下行)的 CINR 低于 min(Pi=Pmax),则此小区的信道再分配被触发。用户 I 在其它信道上的在接入门限为 e 低于 min,使活动用户比新用户更易于竞争到信道。若再分配失败的话, 移动用户停留在他所在的信道,如果条件许可就进行新的尝试,直到掉线或再分配成功。这种接入管理方法是结合了 DCA 和 PC 的结果,充分分配和管理了相应的资源(频谱和功率),并且这种方法考虑了无线移动系统的动态特性。这种方法可以通过控制各个门限来平衡呼阻率和呼损率。2、一类 DCA 和 PC 相结合的算法分析应用 DCA 则所有的信道都是潜在可用的,并且一般情况下,总会有几个满足接入准则(tnew 且 PPmax)。由上一节的说明可知,由于接入管理的原因,我们要选择达到new 并且具有最低干扰的信道。此策略被称为功率控制最小干扰算法(PC-LIA)。每一次分配或再分配触发时,BS 和移动台共同工作来找到满足接入要求(具有最小上下行综合功率)的信道。虽然在整个频带范围内看,信号的带宽要大于相干带宽,各个信道上的信号是不相关的。但这只是瞬时的问题,在长时间内将信号的电平进行平均得到的信号本地均值在很宽的频带范围内将是相同的。所以,可以使用固定功率的 CCH 来估计移动台与任何 BS 间的本地路径增益。因为 Pmax 已知,BS 可以搜索它的数据库(数据库中保存着每一空闲 TCH 中的本地平均干扰值),如果找到在 Pmax 预算范围内的满足上行链路 CINR 值的信道,BS 就生成一个包含 8 个干扰最小的信道的列表,连同每个信道的上行干扰电平一起通过 CCH 发送给移动台。移动台监视列表中列出的每个信道的下行干扰电平,找出在 Pmax 预算内满足 CINR 的信道,然后再从同时满足上下行 CINR 值的信道中找出具有最小上下行干扰总和的信道来使用。如果并未找到任何信道满足条件,那么接入请求被此 BS 拒绝。信道再分配和小区切换操作起来与之类似,只是接入门限 e 比较小。另外,也不需要使用 CCH 来估计信道增益,因为在情况下,接收方是知道发射方在 TCH 上的发射功率的,所以根据接收到的功率,接收方就可以估计信道增益。根据信道再分配被触发的时机的不同,可以有 3 种 PC-LIA 算法。1)PC-LIA-1:只有当用户 I 的 CINR 不能满足需要(在 Pi=Pmax 的情况下)tmin 的情况下,才触发信道再分配的算法。2)PC-LIA-2:PC-LIA-1 可以看作是一种被动式的再分配算法,只有用户不能达到所需CINR 值时才触发再分配。因此想到,可以采用一种主动再分配的算法来进一步扩大系统容量,这就是 PC-LIA-2。显然,因为用户的移动,系统容量可以看作是时变的,也就是说共存于同一信道上的共道用户的数目依赖于他们之间的相对位置。因此,在不同信道间平衡用户量,可以进一步增大系统容量。我们引入 PC-LIA-2 算法,除了用户所需 CINR 不能满足时进行再分配外,当存在一个可选信道,在此信道上用户可以使上下行链路功率降低至少P(保持 t不变)时,也触发信道再分配。也就是当存在信道使用户可以保持 t,而其上下行功率可降低至P 少时,将用户分配与此信道。很显然,此算法的操作很大程度上取决于参数P。当P,PC-LIA-2 退化为 PC-LIA-1;当P0,PC-LIA-2 成为一种持续进行再分配的算法。3)PC-LIA-3:将 PC-LIA-2 的思想进一步发展,我们可以考虑除了在不同信道间平衡系统负荷外,还可以在不同 BS 间进行平衡。为此,传统的以 CCH 为基础的小区切换应变为以 TCH为基础的更加积极的方法。在 PC-LIA-3 算法中,每当邻近 BS 有一个信道,可以使用户在保持目标 CINR 值的