未來移動通信系統中的無線資源管理

摘要：文章結合當前正在研究的后3代(B3G)、第4代(4G)移動通信系統的發展和處于運營及推廣階段的第3代移動通信系統，分析了未來移動通信系統中無線資源管理系統的關鍵技術，探討了多體制標準下的無線通信網絡和多種業務情況下的無線資源管理的研究方向。

關鍵詞：未來移動通信系統；無線資源管理；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 未來移動通信系統

　　隨著Internet的迅速發展以及IP與移動通信標準的結合，IP協議和基于IP的業務已逐步成為未來移動通信網的網絡上層協議和業務應用趨勢。未來移動通信系統將是一個全IP的網絡系統。ITU-R、 IETF、IPv6論壇、移動無線互聯網論壇(MWIF)、3G合作工程組(3GPP)和3G合作2號工程組(3GPP2)等諸多相關國際組織或論壇都在研究和探討未來移動通信系統的IP協議解決方案。

　　未來移動通信系統全IP的核心網絡采用Internet IP技術，可支持Mobile IP和Mobile IPv6等相關標準；邊緣則是不同標準的通信系統(例如GSM、 GPRS、 UMTS、 cdma 2000、WLAN、Internet、PSTN、DAB/DVB-T及Bluetooth等)。 全IP網絡的目標將是從網絡到終端均使用基于IP的協議通信。目前全IP網絡的標準化工作主要集中在核心網絡(Core network)，正逐步向無線接入網和終端延伸。未來移動通信系統全IP網絡的網絡構架如圖1所示。

圖1 未來移動通信系統全IP網絡的網絡構架

　　未來移動通信系統的空中接口標準的發展目標是支持更高無線信道傳輸速率和具有向下兼容第3代移動通信各標準的能力。其主流為頻分雙工(FDD)、時分雙工(TDD)、碼分多址(CDMA)方案并存的綜合復用方式，并結合正交頻分復用(OFDM)或多載波等相關技術以提高無線頻譜利用率。B3G和4G的最高傳輸速率將分別達到20 Mbit/s和100 Mbit/s甚至更高。此外無線本地環路(WLL)、無線局域網(WLAN)、數字音訊廣播(DAB)、數字視頻廣播(DVB-T)等標準也在不斷地發展和演進。

　　在各種移動通信傳輸體制中，有效地提高頻譜資源利用率一直是研究的熱點問題，第3代移動通信系統的各標準中都已提出面向QoS的無線資源管理框架。在未來移動通信系統中，使用無線資源管理的各種方法對復雜的無線物理信道、網絡資源進行合理配置，完善IP協議兼容性及保障不同特性業務的傳輸質量等方面的研究正在進行中。未來移動通信網絡中各種體制系統的互通、融合和網絡構架已成為被關注的研究方向。

　　2 無線資源管理

　　無線資源管理的目標是在有限帶寬的條件下，為網絡內無線用戶終端提供業務質量保障，其基本出發點是在網絡話務量分布不均勻、信道特性因信道衰弱和干擾而起伏變化等情況下，靈活分配和動態調整無線傳輸部分和網絡的可用資源，最大程度地提高無線頻譜利用率，防止網絡擁塞和保持盡可能小的信令負荷。無線資源管理(RRM)的研究內容主要包括以下幾個部分：功率控制、信道分配、調度技術、切換技術、呼叫準入控制、端到端的QoS、無線資源預留和自適應編碼調制等。

　　2.1 功率控制技術

　　在移動通信系統中，近地強信號抑制遠地弱信號產生“遠近效應”。系統的信道容量主要受限于其他系統的同頻干擾或系統內其他用戶干擾。

　　在不影響通信質量的情況下，進行功率控制盡量減少發射信號的功率，可以提高信道容量和增加用戶終端的電池待機時間。傳統的功率控制技術是以語音服務為主，這方面的研究已經相當多，主要涉及到集中式與分布式功率控制、開環與閉環功率控制、基于恒定接收與基于質量功率控制。目前功率控制的研究集中在數據服務和多媒體業務方面，多為綜合進行功率控制和速率控制研究。功率控制和速率控制兩者的目標基本上是互相抵觸的，功率控制的目標是讓更多的用戶同時享有共同的服務，而速率控制則是以增加系統吞吐量為目標，使得個別用戶或業務具有更高的傳輸速率。如何滿足用戶間不同的QoS要求和傳輸速率，同時達到公平性和高吞吐量的雙重目標，是目前較為熱門的課題。

　　用在電路交換網絡的功率控制技術已不能適應IP傳輸和復雜的無線物理信道控制，當IP網絡成為核心網絡，如何在分組交換網絡進行功率控制就成為功率控制研究的主要內容。針對基于突發模式(Burst-mode)功率控制的通信網絡的研究和連續突發模式(Burst-by-burst)的通信系統的設計已引起很大的注意。結合功率控制和其他新技術，如智能天線、多用戶檢測技術、差錯控制編碼技術、自適應編碼調制技術、子載波分配技術等方面的聯合研究，提高系統容量也是比較熱門的研究課題。

　　2.2 信道分配

　　在無線蜂窩移動通信系統中，信道分配技術主要有3類：固定信道分配(FCA)、動態信道分配(DCA)以及隨機信道分配(RCA)。

　　FCA的優點是信道管理容易，信道間干擾易于控制；缺點是信道無法最佳化使用，頻譜信道效率低，而且各接入系統間的流量無法統一控制從而會造成頻譜浪費，因此有必要使用動態信道分配，并配合各系統間做流量整合控制，以提高頻譜信道使用效率。FCA算法為使蜂窩網絡可以隨流量的變化而變化提出了信道借用方案(Channel borrowing scheme)，如信道預定借用(BCO)和方向信道鎖定借用(BDCL)。信道借用算法的思想是將鄰居蜂窩不用的信道用到本蜂窩中，以達到資源的最大利用。

　　DCA根據不同的劃分標準可以劃分為不同的分配算法。通常將DCA算法分為兩類：集中式DCA和分布式DCA。集中式DCA一般位于移動通信網絡的高層無線網絡控制器(RNC)，由RNC收集基站(BS)和移動站(MS)的信道分配信息；分布式DCA則由本地決定信道資源的分配，這樣可以大大減少RNC控制的復雜性，該算法需要對系統的狀態有很好的了解。根據DCA的不同特點可以將DCA算法分為以下3種：流量自適應信道分配、再用劃分信道分配以及基于干擾動態信道分配算法等。DCA算法還有基于神經網絡的DCA和基于時隙打分(Time slot scoring)的DCA。最大打包(MP)算法是不同于FCA和DCA算法的另一類信道分配算法。DCA算法動態為新的呼叫分配信道，但是當信道用完時，新的呼叫將阻塞。而MP算法的思想是：假設在不相鄰蜂窩內已經為新呼叫分配了信道，且此時信道已經用完，倘若這時有新呼叫請求信道時，MP算法(MPA)可以將兩個不相鄰蜂窩內正在進行的呼叫打包到一個信道內，從而把剩下的另一個信道分配給新到呼叫。

　　RCA是為減輕靜態信道中較差的信道環境(深衰落)而隨機改變呼叫的信道，因此每信道改變的干擾可以獨立考慮。為使糾錯編碼和交織技術取得所需得QoS，需要通過不斷地改變信道以獲得足夠高的信噪比。

　　2.3 調度技術

　　未來移動通信系統的主要特征之一是存在大量的非實時性的分組數據業務。因為不同用戶有不同速率，一個基站內所有用戶速率總和往往會超過基站擁有頻帶所能傳輸的信道容量，因此必須要有調度器(Scheduler)在基站內根據用戶QoS要求，判斷該業務的類型以便分配信道資源給不同的用戶。

　　最近調度技術開始與其他技術相結合，如調度技術和功率控制整合，調度技術和軟切換技術相結合，軟切換技術和呼叫準入控制技術相結合等，且調度技術也擴展至實時性數據(Real-time data) ，提出了新的應用。另外，為了在Internet中提供QoS，如IntServ或DiffServ服務，調度技術也起重要的作用。

　　2.4 切換技術

　　切換技術是指移動用戶終端在通話過程中從一個基站覆蓋區內移動到另一個基站覆蓋區內或者脫離一個移動交換中心(MSC)的服務區進入另一個MSC服務區內，以維持移動用戶通話不中斷。有效的切換算法可以提高蜂窩移動通信系統的容量和QoS。切換技術一般分為硬切換、軟切換、更軟切換、頻率間切換和系統間切換。切換技術主要是以網絡信息信號質量的好壞、用戶的移動速度等信息作為參考來判斷是否應執行切換操作。除了以上給出的切換技術以外，正在研究的切換技術基于信道借用和基于用戶位置的切換。

　　未來移動通信系統中切換技術與移動性管理結合得越來越緊密，由于未來移動通信系統的核心網為IP網，這勢必會給移動用戶的切換帶來新的問題和挑戰。現有的切換算法針對蜂窩移動通信系統設計，而Internet協議開始并不是針對無線通信環境所設計，要使得未來移動通信系統中切換技術得以實現，就必須對現有的切換技術進行修改。IETF在移動性管理方面做了許多工作，提出并制訂了一些相關的標準：如宏移動(Macro-mobility)和微移動(Micro-mobility) 的標準。

　　2.5 呼叫準入控制

　　以語音業務為主的呼叫準入控制決定是否接受新用戶呼叫是相當簡單的問題，在基站有可用的資源時即可滿足用戶的要求。在CDMA網絡中，使用軟容量的概念，每個新呼叫的產生都會增加所有其他現有呼叫的干擾電平，從而影響整個系統的容量和呼叫質量。因此以適當的方法控制接入網絡的呼叫顯得比較重要。第3代及未來移動通信系統要求支持低速話音、高速數據和視頻等多媒體業務，因此呼叫準入控制也就變得較為復雜。

　　未來移動通信系統中呼叫準入控制的要求是：在判決過程中，使用網絡計劃和干擾測量的門限，任何新的連接不應該影響覆蓋范圍和現有連接的質量(整個連接期間)，當新連接產生時，呼叫準入控制利用來自負荷控制和功率控制的負荷信息估計上、下行鏈路負荷的增加，負荷的改變依賴于流量和質量等參數，若超過上行或下行鏈路的門限值，則不允許接入新的呼叫。呼叫準入控制算法給出傳送比特速率、處理增益、無線鏈路發起質量參數、誤碼率(BER)、 信噪比(Eb/No)和信干比(SIR)。呼叫準入控制管理承載映射、發起強制呼叫釋放、強制頻率間或系統間的切換等功能。

　　目前正在研究的呼叫準入控制算法主要有以下幾類：基于QoS的呼叫準入控制算法，該算法對接入的呼叫業務進行分類，如分為實時性業務和非實時性業務，然后再分別對其執行不同的呼叫連接；交互式呼叫準入控制算法；基于等效帶寬的呼叫準入控制算法；基于容量的呼叫準入控制算法；基于功率的呼叫準入控制算法；分布式呼叫準入控制算法等。

　　隨著未來移動通信系統對數據、圖像、視頻等多媒體業務的支持，其業務的傳輸速率也越來越高，這就要求研究新的適合于高速移動通信系統的呼叫準入控制算法。此外，在考慮移動通信系統的呼叫準入控制時，擁塞控制策略也是通常需要考慮的一個方面，因此常將呼叫準入控制與擁塞控制進行結合研究。

　　2.6 端到端QoS保障

　　傳統的Internet網絡提供是“盡力而為”(Best effort)服務，IP層無法保證業務的QoS要求，端到端QoS保障要通過傳輸控制協議(TCP)層來實現。盡管TCP層可以保障一定的QoS，如減少分組丟失率，但是仍無法滿足高實時性要求的圖像、視頻等多媒體業務在無線系統中傳輸的端到端QoS要求。而且未來移動通信系統的核心網絡將是基于IP的網絡，這就給如何在移動Internet網絡上為未來高速多媒體業務提供可靠的端到端QoS要求提出了新的問題。

　　目前對移動IP業務的服務質量(QoS)的保證方法，大多沒有考慮到端到端QoS保證。下一代高速無線/移動網絡要求能夠接入Internet、支持各種多媒體應用并保證業務的 QoS。但由于用戶的移動性和無線信道的不可靠性，使得QoS保證問題比有線網絡更復雜。傳統IP網絡無法保證用戶業務的QoS，這已經成為Internet向前發展的巨大障礙，為此IETF為增強現有IP的QoS性能提出了兩種典型的保障機制即：綜合業務/資源預約協議(InterServ/RSVP)和區分業務(DiffServ)。

　　在無線網絡中，傳統的流量控制并不適應用來提供QoS 保證，因為會把無線信道傳輸過程中的分組丟失當作網絡擁塞來處理。UMTS定義了4類QoS類型，即對最大傳輸遲延有嚴格的要求的會話類別，對端到端數據流的遲延抖動有一定要求的流類別，對往返延遲時間有要求的交互式類別，對延遲敏感性要求很低的后臺類別。網絡根據不同QoS類型的業務分別為其分配不同信道資源。此外還有其他幾種解決QoS的算法，如無線鏈路層解決方案、TCP連接分離方法、TCP迭加解決方案、套接口/網關解決方案等。

　　有關自適應編碼調制、無線資源預留等其他無線資源管理方面的研究內容也在進一步的研究和探討中。

　　3 結束語

　　從無線移動通信系統的發展趨勢中，不難看出未來移動通信系統網絡構架將是包括不同無線接入網絡和不同種類網絡的全IP的分層式網絡構架，其核心網為IP網絡。網絡邊緣由多個不同無線和有線網絡所構成，邊緣網絡接口可以是GSM、通用分組無線業務(GPRS)、GSM增強數據系統(EDGE)、WCDMA、cdma 2000、TD-SCDMA接口，可以是正在研究的B3G/4G空中接口、IEEE 802系列無線網絡接口、自組織網絡(Ad Hoc) 接口，以及衛星和Internet、PSTN等網絡接口，不同網絡的傳輸環境會有所不同，采用的頻段也會不一樣，這樣就需要考慮不同接入網絡環境的整合與網絡間的互通。

　　未來移動通信系統平臺將采用分層式并具有良好的彈性構架，以支持不同系統、多種新技術、各種增值業務，以及全球通信的需要，這勢必會給系統的無線資源管理帶來諸多新的挑戰。其中基于IP和基于位置的切換技術，基于多種網絡和多種業務的動態頻率分配、準入控制、調度、網絡容量分配、切換技術，面向移動通信的TCP/IP協議等涉及網絡中和網絡間的資源管理方案將成為下一階段的研究方向。□

　　參考文獻

　　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

作者簡介：

趙新勝，東南大學無線電系移動通信國家重點實驗室副教授，中國第3代移動通信系統的演示系統研制工作主要技術骨干。研究領域為移動通信系統和通信網絡系統的體系結構、無線資源管理、網絡協議，目前正在進行B3G和第4代移動通信系統的研究。著有通信系統方面的教材2部。

　　尤肖虎，東南大學無線電工程系主任，移動通信國家重點實驗室教授、博士生導師、長江學者計劃特聘教授，國家級有突出貢獻的中青年專家，國家杰出青年基金獲得者，國家教委跨世紀青年專家首批入選者，中國電子學會理事，《電子學報》編委，國家“863”計劃通信技術主題專家組成員，中國通信學會青年工作委員會副主任委員，1999年初起任國家第3代移動通信系統研究開發項目總體組組長，負責中國第3代移動通信系統的研究與開發工作。長期從事移動通信與信號處理方面的科研與教學工作，曾承擔與移動通信有關的國家級項目10余項，在國際權威雜志IEEE Transactions上發表論文10余篇，參與出版英文和中文專著各1部。