第五章 WCDMA无线资源管理.docx
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第五章WCDMA无线资源管理
目录
5.1基于干扰的无线资源管理2
5.2功率控制3
5.2.1开环功率控制4
1.上行开环功率控制4
2.下行开环功率控制6
5.2.2内环功率控制7
1.内环功率控制过程7
2.快速功率控制的增益9
3.功率控制与分集10
4.软切换中的功率控制13
5.2.3外环功率控制16
1.外环功率控制的增益17
2.接收质量的估计18
3.外环功控调整步长18
4.高质量业务19
5.受限的功控变化范围19
6.多业务20
7.下行链路外环功控21
5.3切换22
5.3.1频率内切换22
1.WCDMA切换算法22
2.切换测量23
3.软切换的增益25
4.软切换概率27
5.3.2WCDMA和GSM系统间的切换27
1.压缩模式27
5.3.3WCDMA内的频率间切换28
5.3.4切换总结28
5.4负载监测29
5.4.1算法概述29
5.4.2上行链路负载29
1.基于宽带接收功率电平的负载估计29
2.基于吞吐量负载估计30
3.上行链路负载估计方法的比较31
5.4.3下行链路负载31
1.基于功率的负载估计32
2.基于吞吐量的负载估计32
5.5准入控制33
5.5.1算法概述33
5.5.2准入控制策略33
5.6负载平衡34
5.6.1异频负载平衡（负载切换）36
5.6.2同频负载平衡（小区呼吸）36
5.7潜在用户控制（PUC）36
5.8信道资源管理37
5.8.1总体概述37
5.8.2信道资源配置过程概述37
5.8.3基本信道配置38
5.8.4动态信道配置（DCCC）39
5.8.5小区码资源管理41
5.8.6小区信道资源分配43
5.9小区选择和重选43
5.9.1UE空闲模式43
5.9.2小区选择44
1.小区选择过程44
2.S准测46
3.小区选择的准测46
5.9.3小区重选47
参考文献50
第五章无线资源管理
五.1基于干扰的无线资源管理
无线资源管理（RRM，RadioResourceManagement）负责空中接口资源的利用，从确保系统的服务质量（Qos）、获得规划的覆盖区域以及提高容量的角度来看它是必不可少的一环。
无线资源管理主要包括功率控制、切换、准入控制、负载控制和小区选择与重选等内容。
为确保空中接口的干扰维持在最低水平上，并提供要求的服务质量（Qos），功率控制是必须的。
WCDMA的功率控制在5.2节中予以叙述。
在小区系统中，当对用户从一个小区覆盖区域进入到另一个小区覆盖区域的移动性进行处理时，需要用到切换的功能。
切换将在5.3节叙述。
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、业务和质量要求的混合情况下将系统的吞吐量最大化，还要求有准入控制、负载控制和分组调度算法。
准入控制在5.5节叙述，负载控制在5.6叙述。
小区选择与重选作为移动终端侧重要的无线资源管理功能，在本章的最后作了详细的介绍。
无线资源管理算法可以基于网络中硬件总量或基于空中接口的干扰水平。
在空中接口过载之前由于硬件的原因而导致系统容量受限，这种情形定义为硬阻塞；估计的空中接口资源负载超过规划的容量，这种情形定义为软阻塞。
基于软阻塞的无线资源管理比基于硬阻塞的无线资源管理会获得更大的容量。
若是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。
5.4叙述了空中接口负载的测量手段。
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），但是该方法不能用在第三代标准WCDMA的空中接口中，因为WCDMA需同时支持多种传输比特速率。
图5-1-1说明了无线资源管理算法在WCDMA网络中的典型位置。
无线资源管理算法在WCDMA网络中的典型位置
五.2功率控制
在1.1.5节已经对功率控制进行了简单介绍，本章将涉及WCDMA功率控制中的几个主要方面，其中一些问题在诸如GSM、IS-95这些已有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，一定要引起特别的注意。
本章节中，首先分上下行具体论述了开环功率控制的控制过程及算法；接着主要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。
5.2.1节描述了开环功率控制，开环功率控制在下行路径损耗计算的基础上提供了上下行的初始功率发射值。
5.2.2节详细描述了快速功率控制的两个具体方面：
快速功率控制与分集的关系、软切换中的快速功率控制。
5.2.3节描述了外环功率控制。
外环功率控制设置快速功率控制的目标值以提供所要求的服务质量。
为了调整快速功率控制的目标值，它需要对接收质量进行估计，这种服务质量估计及外环功率控制算法将分别予以介绍。
第三代网络要求支持高质量业务和一个连接上几个业务的复用，这些要求对外环功率控制也有影响。
最后讨论了上下行链路外环功率控制算法之间的不同。
五.2.1开环功率控制
开环功率控制的目的是提供初始发射功率的粗略估计。
由于WCDMA系统的上下行同处邻近的2GHz频带，上下行链路的路径损耗存在着较大的相似性。
据此，在UE接入网络和基站建立链路连接时，它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。
UTRAFDD使用开环功率控制，它只用于RACH、CPCH和DPCH中初始化传输之前。
开环功率控制不是很精确，这是因为难以在终端设备中精确测量大的功率变化。
由于传播信号分量特性的变化以及环境条件（主要是温度）的影响，将实际接收的绝对功率映射到发送的绝对功率也会出现大的偏差。
同时，发送和接收处于不同的频段也会对精度造成影响。
而终端自身的精度是造成偏差的主要原因。
正常条件下，开环功率控制精度的要求规定在±9dB的范围内。
1.上行开环功率控制
上行开环功率控制功能由UTRAN和移动终端共同完成。
在上行开环功控中，移动终端首先接收网络侧下发的小区系统广播消息，读取有关控制参数，同时对接收的导频的CPICH_RSCP（接收信号码片功率）值进行测量，然后根据开环功控算法，对第一PRACH前导及上行DPCCH信道的初始发射功率进行设置。
开环功率控制在内环功率控制启动前进行。
上行开环功率控制示意图如下图5-2-1所示：
上行开环功率控制示意图
在随机接入过程中，第一PRACH前导初始发射功率根据如下算法公式进行设置：
式中：
：
表示主公共导频发射功率，此值在网络规划时设定；
：
主公共导频接收信号码片功率，是UE的测量值；
：
表示上行要求的载干比（在3GPP中定义为常量值），
此值在网络规划时设定；
：
接收总干扰，此值在基站侧测量，并通过广播信道BCH在小区中广播。
在UE中，第一PCPCH接入前导的初始发射功率依照与上式相同的计算方法进行设置。
在建立DPCCH信道时，UE根据下式进行DPCCH信道初始化功率计算。
此初始化功率将作为启动上行内环功率控制的初始参考值。
式中：
：
主公共导频接收信号码片功率，在UE中的测量值；
：
DPCCH信道发射功率偏置，在RNC中由准入控制算法（AC）计算获得。
例如在RRC连接建立时或者在无线承载及物理信道重配置时由准入控制算法进行计算获得该DPCCH信道发射功率偏置。
根据下式进行设置，并且由RNC下发给UE。
式中：
：
是SIR初始目标值，由准入控制算法为专用连接提供；
：
DPDCH的扩频增益。
2.下行开环功率控制
在下行中，开环功控根据UE的上报的测量报告对下行物理信道进行功率初始化。
下行开环功率控制功能同样由UTRAN和移动终端共同完成，如下图5-2-2所示：
下行开环功率控制示意图
在业务承载初始化时，DPDCH信道的初始发射功率根据下式进行设置：
式中：
R：
比特速率；
：
下行专用业务
解调门限，此值在网络规划时设置；
W：
码片速率；
：
CPICH接收信干比，是UE的测量值并上报给RNC；
：
下行正交化因子；
：
载波功率，此值在基站中测量并上报给RNC。
五.2.2内环功率控制
在WCDMA中，上下行链路均支持1.5kHz速率的内环功率控制。
GSM仅采用慢速（将近2Hz的速率）功率控制。
IS-95仅在上行链路支持800Hz速率的快速功率控制。
1.内环功率控制过程
内环功率控制，也称快速闭环功率控制，快速闭环功率控制用来克服远近效应问题。
快速闭环功率控制的目标是使接收信号的SIR达到预先设定的门限值。
在WCDMA中，上行链路和下行链路的闭环功率控制都是由接收方估计接收到的DPCH的SIR，与预先设置的门限相比较。
如果估计值大于门限就发出TPC命令“0”（降低功率）；如果小于门限就发出TPC命令“1”（升高功率）。
接收到TPC命令的一方根据一定的算法决定发射功率的升高或降低。
上行快速闭环功率控制过程如下图5-2-3所示：
上行快速闭环功率控制过程
上行快速闭环功率控制过程说明：
1）基站测量上行DPCH的接收SIR与通信质量所需要的目标SIR进行比较，若SIR大于目标SIR，设置TPC＝0，否则设置TPC=1；
2）基站在下行DPCCH信道上将TPC信息传送给手机；
3）手机根据接收的TPC信息调整上行发射功率。
下行快速闭环功率控制过程如下图5-2-4所示：
下行快速闭环功率控制过程
下行快速闭环功率控制过程说明：
1）手机测量下行DPCH的接收SIR与通信质量所需要的目标SIR进行比较，若SIR大于目标SIR，设置TPC＝0，否则设置TPC=1；
2）手机在上行DPCCH信道上将TPC信息传送给基站；
3）基站根据接收的TPC信息调整下行发射功率。
快速功率控制按照每个时隙发送一个命令进行操作，因此命令的频率是1500Hz。
功率调整的基本步长为1dB。
此外，可以使用该步长的倍数作为调整步长，也可以使用该基本步长实现更小的步长。
例如，通过每两时隙使用1dB的步长来实现每个时隙0.5dB的步长的调整。
由于在较大的动态范围内很难确保所能达到的精度，故“真正”低于1dB的步长由于相当复杂而难以实现。
规范中规定了1dB功率控制步长的相对精度为±0.5dB，其他“真正”的步长规定为2dB。
快速功率控制的操作有两个特例：
软切换情况下的操作和处于连接中压缩模式并且有切换测量情况下的操作。
软切换下的快速功率控制需要特别地考虑，因为几个基站同时向单个终端发送命令；而采用压缩模式时，命令流的中断操作命令被周期性地提供给终端。
软切换时终端要解决的主要问题是如何处理来自几个源的多个功率控制命令。
为了解决这一切问题，终端要对多个命令进行合并，并同时考虑每个命令值来决定增加或减少功率。
压缩模式时，快速功率控制在一个压缩帧之后的短周期内使用一个较大的步长，这样在控制流的中断之后，功率电平可以更迅速地收敛到更正确的值；是否需要使用该方法主要取决于外部环境，而与低档的终端或非常短的传输间隔长度关系不大。
闭环功率控制的目标SIR由外环功率控制设定。
1.2.8介绍了外环功率控制，5.2.3将对其进行详细地介绍。
在终端侧，（快速）功率控制对终端应进行的处理做了严格规定。
在网络一侧对于下列有较大的自由度，如基站在接收到功控命令之后怎样进行操作，以及基站告诉终端增加或减少功率应基于什么样的准则等等。
2.快速功率控制的增益
本节提供了一个从快速功率控制获得好处的例子。
仿真条件为8Kbps的语音业务，且BLER＝1％，交织长度为10ms，对功控步长为1dB的有快速功率控制和无快速控制两种情况进行了仿真。
慢速功率控制假设平均功率维持在要求的级别，并且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。
假设基站采用两支路接收分集。
ITU车载A信道是WCDMA可分辨的五抽头信道，ITU步行A信道是两径信道且第二抽头信号非常弱。
有快速功率控制和无快速快速功率控制所需要的Eb/No值列在表5-2-1中，所要求的平均发送功率列在表5-2-2中。
表五-2-1有快速功率控制和无快速功率控制所要求的Eb/No
慢速功率控制/dB
1.5kHz的快速功率控制/dB
从快速功率控制获得的增益/dB
ITU步行A信道3km/h
11.3
5.5
5.8
ITU车载A信道3km/h
8.5
6.7
1.8
ITU车载A信道50km/h
6.8
7.3
-0.5
表五-2-2有快速功和无快速功率控制所要求的相对发射功率Eb/No
慢速功率控制/dB
1.5kHz的快速功率控制/dB
从快速功率控制获得的增益/dB
ITU步行A信道3km/h
11.3
7.7
3.6
ITU车载A信道3km/h
8.5
7.5
1.0
ITU车载A信道50km/h
6.8
7.6
-0.8
从表5-2-1和表5-2-2可见，快速功率控制可以获得明显的增益。
从快速功率控制获得的增益情况如下：
1）低移动速度比高移动速度获得的增益大。
2）要求的Eb/No获得的增益比发送功率获得的增益大。
3）在仅有少量多径分集可以利用的情况下，比如ITU定义的步行A信道下，获得的增益也较大。
快速功率控制与分集的关系在5.2.2.3中讨论。
表5-2-1和表5-2-2中在50km/h获得负增益意味着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造成的。
值得注意的是，表5-2-1中从快速功率控制获得的增益可用来估计链路预算中所要求的快衰落储备。
为了维护适当的闭环快速功控，移动台的发送功率留有快衰落储备。
当移动台以最大恒定功率工作时（即没有快速功控增益），便可获得小区的最大覆盖范围。
3.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。
移动台低速移动时，快速功率控制可以对信道衰落的影响予以补偿，并将接收功率电平维持在稳定地水平上。
接收功率误升高主要原因是信干比（SIR）的非精确估计、错误的信令和功率控制环路的延时。
对衰落的补偿会导致发送功率峰值的出现。
图5-2-5和图5-2-6分别显示了移动台速度为3km/h时发送功率、接收功率随时间而变化的函数。
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。
5-2-5中假设采用很少的分集，而图5-2-6中则假设采用较多的分集。
图5-2-5中发送功率的变化比图5-2-6中的大，这是由于分集数量不同造成的。
分集可由诸如多径分集、接收天线分集、发天线分集或宏分集获得。
在两径（平均抽头功率0dB，－10dB）瑞利衰落信道下的车速3km/h发送和接收功率。
在三径（相等的抽头功率）瑞利衰落信道下的车速3km/h发送和接收功率
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。
当具有快速功率控制的衰落信道与非衰落信道接收功率电平相同时，我们定义功率增加量为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。
功率增加量如图所示。
具有快速功率控制的衰落信道中的功率增加量。
图示出两径信道中使用和不使用接收分集两种情况下，功率增加量的理论计算值随两条分量平均功率差值的变化曲线。
第二条路径的功率越强，即可利用的多径分集越多，则功率增量越小，天线分集也减少了功率增加量。
如果两条路径有相同的平均功率，则无天线分集时的功率增加量是3dB。
在单径信道有天线分集时我们也可获得同样的功率增加量。
在两径瑞利衰落信道下，作为多径分量间平均功率差值的函数的理论功率增加值
在实际中功率控制并不是理想的，因此我们通过链路仿真来获得实际的功率增加量。
表5-2-3列出了上行链路功率增加量的链路级仿真结果。
仿真环境是移动台有不同的移动速度、两径的ITU步行A信道且信道平均多径分量功率分别为0.0dB和－12.5dB。
仿真中接收与发送功率都逐时隙进行采集。
根据图5-2-8，在这种ITU步行A信道多经环境下，有天线分集时功率增加量的理论值为2.3dB。
我们注意到在表中，移动台时速为3公里和10公里时，仿真的功率增加量分别为2.1dB和2.0dB，非常接近2.3dB这一理论值。
表五-2-1功率增加量的仿真结果（假如有天线分集，在ITU步行A多经信道环境下）
移动台速度/（km/h）
平均功率增加量/dB
3
2.1
10
2.0
20
1.6
50
0.8
140
0.2
当移动台高速（>100km/h）移动时，由于快速功率控制无法对衰落进行补偿，因此仅有少许功率增加量。
在移动台高速移动情况下快速功率控制跟踪不上快衰落，为达到所要求的质量，必定需要更高的接收功率电平，如表所示。
在高速移动情况下，分集技术有助于将接收功率电平保持为常数，从而较低的接收功率电平也足够提供相同的服务质量。
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射的干扰，故空中接口的容量直接决定于所要求的发送功率。
所以，为了最大化下行链路的容量，一条链路所需的发送功率应该最小化。
在下行链路，移动台接收到的功率电平并不影响容量。
在上行链路，发送功率决定了对相邻小区的干扰数量，接收功率决定了对同一小区中对其他用户的干扰数量。
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最小化，该小区的上行链路的容量将获得最大化,并且功率增加量不会影响上行链路的容量。
实际上，我们对这样的小区网络感兴趣，在该网络中上行链路分集方案的设计必须将发送接收功率加以考虑。
网络中相邻小区的隔离度越低，则越要强调合适的发送功率。
接收与发送功率对网络干扰电平的影响可参见图5-2-9。
接收与发送功率对干扰电平的影响
4.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中功率漂移，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5-2-10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。
软切换中的快速功控
下行链路功率漂移
移动台发送一条指令控制下行链路的发送功率，该指令被激活集中的所有基站接收。
基站各自独立地对指令进行检测，这是由于功控指令不能与RNC相结合，否则会引起非常大的延时与网络信令的大量增加。
由于信令在空中接口中的错误，基站可能以不同方法检测该功控指令。
有可能会出现这样的情形：
一个基站降低对某一移动台的发射功率而同时另一个基站却提高对该移动台的发射功率。
这就导致下行链路功率开始分别漂移的情况，我们将这种情况称为功率漂移。
功率漂移是不能接受的，因为它大大降低了下行链路软切换的性能。
它可以通过RNC来进行控制。
最简单的方法是对下行链路功率控制动态范围设置相对严格的界限。
这些界限应用在移动台具体的发送功率中。
自然地，允许的功控动态范围越小则最大功率漂移也越小，另一方面，如表5-2-2所示，大的功率控制动态范围可改善功控的性能。
降低功率漂移的另一方法如下：
RNC可从基站接收到关于软切换连接的发射功率电平的信息，这些功率电平在许多功控指令，比如在500ms或相当于750条功控指令上进行平均。
基于上述测量，RNC就可将下行链路发射功率的参考值发给基站，软切换基站在它们的下行链路功率控制中采用该参考值以减少该连接的功率漂移。
该方法的思想就是周期性地对参考功率执行一个小的纠正，纠正大小是和实际发射功率与参考功率之间的差异成比例的，该方法将减少功率漂移的总量，仅当在下行链路有快速功率控制时才会发生功率漂移。
在IS-95的下行链路中只有慢速功率控制，因此不需要控制下行链路功率漂移的方法。
上行功控指令的可靠性
激活集中的所有基站均独立给移动台发功控指令以控制上行链路的发射功率，如果激活集中的一个基站能正确接收上行链路的信号，则该方法已足够。
因此，如果其中一个基站发送降低功率的指令则移动台会降低他的发射功率。
软切换过程中，移动台对数据比特的接收可采用最大比特合并的方法，这是因为同一数据从所有的软切换基站发出。
但是该方法不能用于功控比特，因为从每一个基站发来的功控比特所含的信息是不同的，因此功控比特的可靠性比不上数据比特的可靠性，于是移动台采用一个阈值来检查功控指令的可靠性。
非常不可靠的功控指令应被丢弃，因为它们已经被干扰所破坏。
功控信令质量的改善
当移动台处于软切换时，通过下行链路中为专用物理控制信道（DPCCH）设置比专用物理数据信道（DPDCH）高的功率可以改善功控信令的质量。
这个DPCCH与DPDCH之间的功率偏移对于不同的DPCCH域——功控比特、导频比特和TFCI会有所不同。
功控偏移量如图5-2-11所示。
为改善下行链路信令质量的功率偏移
一次话音连接过程中，采用下行功率偏移后移动台发射功率的减少量示于图5-2-12中。
横轴表示从移动台到两个软切换基站衰减的差值，0dB表示对两个软切换基站的衰减是相同。
在本例中，高出3dB的功率用于导频和功控信令。
采用功率偏移后，移动台发射功率的减少量为0.4～0.6dB，之所以获得该减少量是由于功控信令的质量得到改善的缘故。
采用功率偏移后上行链路发射功率的增益
五.2.3外环功率控制
外环功率控制需要通过为快速功率控制设定目标值来保证所需电平的通信质量。
外环功控的目的是提供所需质量：
既不太差，也不太好。
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，因此上下行链路两者都需要外环功率控制。
在随后的章节中将对这种控制环路的一些方面以及在上下行链路中的应用予以描述。
在IS-95中，由于下行链路没有快速功率控制，因此外环功率控制仅用在上行链路中。
上行链路外环功率控制的概貌如图5-2-13所示。
上行链路质量的观测是在RNC进行宏分集合并之后，然后就将SIR目标值发给基站。
快速功率控制的频率是1.5kHz，外环功率控制的频率典型值为10～100Hz。
图5-2-14提供了一个外环功率控制的一般算法。
在RNC中上行链路外环功率控制
外环功率控制的一般算法
常规的外环功率控制算法采用与内环功率控制相似的方式，如下：
如果FERest>FERtarget，则提高SIRtarget一个事先确定的步长△；
如果FERest1.外环功率控制的增益
本节我们分析当移动速度或多径传播环境变化时，SIR目标值需要调整多少。
在本章中SIR目标值和Eb/No目标值这两个术语可互换。
在AMR语音业务、BLER=1%并具有外环功率控制条件下的仿真结果见表5-2-4，我们采用了三种不同的多径环境：
对应于强的直达路径分量的静态信道；ITU步行A衰落信道；具有相等的多径分量平均功率的三径衰落信道。
此处我们假设没有天线分集。
表五-2-1不同环境下的平均Eb/No目标值
多
移动速度
平均Eb/No目标值/dB
非衰落
－
5.3
ITU步行A
3km/h
5.9
ITU步行A
20km/h
6.8
ITU步行A
50km/h
6.8
ITU步行A
120km/h
7.1
等功率3径
3km/h
6.0
等功率3径
20km/h
6.4
等功率3径
50km/h
6.4
等功率3径
120km/h
6.9
在静态信道中所需要的平均Eb/No目标值最低，在ITU步行A衰落信道且高速移动时需要的平均Eb/No目标值最高。
此结果表明接收的功率的变化越大，若要提
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