柴瑜 沙斐 北方交通大学
摘要：文章介绍了WCDMA系统的无线资源的内容及对其的管理与控制，包括信道资源分配、软切换策略、功率控制、接入控制、负荷控制、分组安排等。
1 概论
CDMA系统的主要无线资源要素包括：频率、码字、功率、导频相位偏置等。其中，由于CDMA系统自干扰受限的特点，系统发射功率和系统中的干扰电平是影响系统容量的决定性因素。CDMA中所有资源管理与控制策略都是以系统中基站和移动台的发射功率和总干扰电平为中心的，其根本目标就是尽可能地降低系统中的扰电平，减少基站与移动台的发射功率，以提高系统容量。
2 WCDMA中的信道资源分配策略
为了充分地利用有限的频谱资源，工程师们对信道资源的分配策略进行了深入的研究，并提出了不同的分配策略，如信道固定分配（FCA），信道可变分配（DCA），信道混合分配（HCA）等。在FCA策略中，一个大的服务区域被划分为多个小区，根据复用方式的要求把可用信道均匀地永久地分配给每个小区。但是FCA有一个很大的缺点：由于实际的话务量无论在时间上还是空间上都是非均匀分布的，当一些小区话务量增大时，这些小区的掉话率和阻塞率就会升高。而同时在一些话务量较小的地区信道利用率却很低。这使得整个系统的性能有所下降。DCA正是针对FCA的这些缺点提出的。与FCA相反，在DCA策略中，信道与小区之间没有任何关系。只要满足同信道复用距离及干扰限制的条件，每条信道可以被所有小区使用。每个小区只能在用户通话过程中占用这条信道。实际中DCA策略多种多样，但它们所考虑的主要因素大致可以分为三类：干扰信号强度、话务量的变化、信道复用的可能性。
从控制方式上区分，DCA可分为集中式和分布式两种。集中式中当一个用户发起呼叫时，由中央控制器从所有可用信道中选择一条分给移动台所在的小区。为了得到各小区信道的使用状态，要求中央控制器和服务区内所有基站控制器（BSC）之间传输大量的信令和数据，这就加重了系统的信令负荷。从一些仿真结果中可以看出，集中式所分配的信道接近于最佳分配信道。因此使用集中式DCA的系统在分配信道时会有一个与服务区大小成正比的时延。分布式则完全不同，当一个用户发起呼叫时，BSC就会根据其周围部分小区信道的使用状态分配信道。所以分布式DCA分配信道的时延很小。但是由于分布式所考虑的范围较小，它的稳定性不如集中式。
在WCDMA-FDD（频分双工）系统中信道带宽是5MHz，这样上下行加起来带宽就是10MHz。这样除非运营商有几十兆赫带宽（现代通信中这几乎是不可能的），FDD系统才会有足够的信道可用来做信道可变分配，所以FDD通常使用的是FCA分配信道。使用FCA会由于不可变的分配信道而降低系统频谱利用率。考虑到要对分层系统分配频谱，信道带宽越窄，这个多址系统就越使用多层结构，因此在TD-CDMA中我们采用的是DCA。
3 WCDMA的软切换策略
软切换是指移动台在中断与原来基站的业务通信之前，和工作在相同频点的另一基站建立起业务联接。软切换是CDMA系统特有的关键技术之一，是系统无线资源与优化的重点，软切换算法和相关参数的设置直接影响着系统的容量和服务质量。软切换用户比例过低会降低宏分集增益，减小系统容量，而如果软切换用户比例过高则会占用基站过多的发射功率，占用过多的无线资源，同样会造成系统容量的下降。
WCDMA的软切换算法使用导频信道的Ec/Io作为切换测量数值。它与IS-95类似也有有效导频集、候选导频集和相邻导频集和剩余导频集。
1）当小区2的信号强度逐渐增强，导频强度Ec/Io达到（最好导频Ec/Io－（报告门限－增加滞后门限））并维持时间，而有效集没有满，此时，小区2被加入到有效集里，该动作称为无线链路增加。
2）小区3的信号强度逐渐增强并开始超过最早的小区1的信号强度，在小区3的导频强度Ec/Io达到（最弱导频Ec/Io+替换滞后门限）并维持△T时间，而此时有效集的数目已满（假设此时系统设置的有效集最大数目是两个），小区3（候选集中最强的信号）此时替代小区1（有效集里最弱的信号）加入到有效集里，小区1同时被移出有效集。该项动作也被称为混合无线链路增加和释放。
3）有效集中小区3的信号强度逐渐减弱，当小区3的导频强度Ec/Io弱到最好导频Ec/Io－报告门限+删除滞后门限）并维持△T时间，小区3有效集里最弱的信号）此时被移出有效集。该项动作称为无线链路释放。
其中，报告门限是软切换中要增加或删除有效集中的小区的门限：△T是留给动作触发的时间：导频是指经测量后导频的强度；最好导频是指有效集里信号最强的导频；最弱导频是指有效集中信号最弱的导频；最好候选导频是指候选集里信号最强的导频。
滞后门限分为三类：
*增加滞后门限是要增加无线链路的滞后门限
*删除滞后门是要删除无线链路的滞后门限
*替换滞后门限是要同时增加并释放一条无线链路的滞后门限
区别于IS-95A和IS-95B的绝对门限切换策略，WCDMA使用了相对门限切换策略。三种切换策略都是基于Ec/Io进行的。在WCDMA中使用的相对门限切换策略最大的优点是其参数确定相对简单，对于干扰过强或过弱的地区，不需要对参数进行调整。在WCDMA系统中，软切换使用了相对的门限值；而在IS-95中采用的是绝对门限值（即固定门限值）。
4 WCDMA的功率控制
4.1 快速功率控制
在WCDMA中，上、下行链路同时采用了频率为1.5khz的快速功率控制。在GSM中采用了频率大约为2Hz慢速功率控制。慢速功率控制可以补偿路径损耗和阴影衰落，相比之下，快速功率还可以补偿快衰落。仿真结果表明，快速功率控制对移动速度较低的用户的控制效果比对高速移动的用户的控制效果好，产生这样结果的原因是功率控制存在一定的时延，在进行快速功控时，当时延的存在使功控速度跟不上高速用户衰落的变化时，功控的结果就很不理想。
1）下行链路功率漂移
当某一移动台处于软切换中时，它要对和它建立链路的多个基站发出功控信息。由于快速功控对时延的敏感性，移动台的功控指令不能通过无线网络控制器（RNC）来统一发送给各基站而是直接发送给各基站。由于空中接口存在信号误码，最后功控的结果会有误，即有的基站在降低发射功率，有的基站在增加发射功率。为了解决这种基站之间的功率漂移问题，可以采用两种方法：一种是限制功率控制的范围；另一种是定期通过RNC对各基站进行统一的控制调整。这两种方法都可以在一定程度上解决链路功率漂移问题。
2）上行链路功控的可靠性
对于处于切换状态的移动台，所有处于激活组中的基站都要对其发送控制信息，只要有一个基站能正确接收到移动台的发射信号就可以上。由于各基站发送的功控指令是互不相同的，对于控制信息，移动台不能够象对数据信息一样采用最大比合并的方式进行解调。为了提高控制信息的准确度，可以增加控制信道的发射功率，而且，需要对所接收到的控制信息设置一个检测门限，以去掉被干扰破坏的控制信息。
4.2 外环功率控制
外环功率控制的作用是设置快速功控的目标值，以保证所要求的通信质量。外环功控的目标在于提供所要求的通信质量：既不太好，也不太差，因为过好的服务质量会浪费容量。由于WCDMA上下行链路采用了快速功率控制，所以上下行链路都需要外环功控。快速功率控制的频率是1.5kHz，外环功控的频率一般是10-100Hz。
在外环功控中，由RNC对信号进行宏分集接收后，把接收到的信号质量同预先设定的要求信号质量相比较。如果接收信号好于所要求的信号质量，就降低目标信干比，反之，就增加目标信干比。调整后的目标信干比被发送给基站，用来检测上行链路的接收信号。在外环功率控制之下为了保证用户接收信号的质量，对于移动速度不同的用户，目标信干比会有所不同，高速移动用户的目标信干比要高于低速用户的目标信干比。对于多业务复用于同一条物理链路的情况，目标信干比选择各业务所分别对应的目标信干比的最大值。在进行外环功控时，当发射功率到达极限值（最大极限值或最小极限值）时，如果继续调整目标信干比，对于提高系统性能没有任何益处，反而有可能降低系统性能。为了避免这种情况的发生，可限定外环功控对目标信干比的控制范围。
5 接入控制
WCDMA系统是一个自干扰的系统，它的系统容量不是一个相对固定的值，而具有较大的弹性，服务质量与同时接受的用户数量之间存在着平衡与折中的关系。如果允许空中接口负荷过渡增长，那么小区的覆盖面积就会减少到预计的数值以下，而且已有连接的服务质量也无法得到保证。所以合理有效的接入控制算法对WCDMA系统的稳定运行具有重要意义。接入控制过程根据系统的实际负荷决定是否接收新到达的用户的呼叫请求，从而控制系统中通话的用户数量，使系统负荷维持在一个比较稳定的水平上。对系统空中接口负载的准确判断是接入控制的基础，所以先对系统负荷的估计做简单的介绍，然后再介绍接入控制的控制算法。
空中接口的负荷估计可以分为上行链路的负荷估计和下行链路的负荷估计，其估计方法又可以分为基于接收功率的负荷估计可以根据链路方向和使用方法分为四类。
1）上行链路基于接收功率的负荷估计
2）上行链路基于吞吐量的负荷估计
3）下行链路基于功率的负荷估计
4）下行链路基于吞吐量的负荷估计
在上行链路基于功率的接入控制中，系统需要分别估计用户接入可能会对上、下行链路造成的影响。只有上下行两个方向的负荷情况都允许用户业务接入系统才能批准其接入申请。允许用户接入的负荷门限可以在系统的设计规划过程中设定。与上述的小区负载估计方法对应，接入控制策略也分为基于功率和基于吞吐量的两种方案。
6 负荷控制
无线资源管理功能的一个重要任务是确保系统不要过载，保持稳定。如果系统规划适当，接入控制和分组安排就能工作得很好，过载的情况就能避免。如果遇到了过载的情况，负荷控制功能让系统快速而有控制地达到目标负荷。下面列出了为了减少负荷而采取的必要的负荷控制措施：
1）下行快速负荷控制：拒绝由移动台发出的下行功率增加命令。
2）上行快速负荷控制：降低由上行快速功控使用的上行目标Ec/Io。
3）降低分组数据业务的吞吐量。
4）切换到另一个WCDMA的载波。
5）与GSM之间的切换。
6）减少实时业务的码速率。
7）受控方式下的掉话。
7 分组安排
分组安排功能是在分组用户之间共享可用的空中接口资源。分组安排能决定码速率和相应的数据长度。在CDMA中，分组安排可采用两种方式：码分或时分。在码分方式下，大量的用户可同时使用一个低速率信道。当用户容量需要增加时，码速率就要降低。在时分方式下，在某一时刻所有资源可被分配给一个或少数的几个用户。这样一个用户可在一个非常高的码率下传输。在WCDMA中，最小的时间分辨率是10ms帧。当在时分方式下用户数增加时，每个用户都要等待较长的时间来传输。
摘自《移动通信》2002年总第141期
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