（通信与信息系统专业论文）基于资源预留的呼叫接纳控制（cac）方法.pdf

北京交通大学硕士学位论文摘要 摘要 当前，无线移动用户数目的剧增与无线频谱资源的局限性产生矛盾， 微蜂窝微微蜂窝小区的引入，越区现象频繁发生，而且由于c d m a 蜂窝系 统为干扰受限系统，小区容量和覆盖范围通过系统干扰紧密相关，小区内 负载的变化产生的小区覆盖范围的收缩将导致覆盖盲区。因此，必须通过 呼叫按纳控制来限制系统干扰、保障负荷增加时的小区覆盖范围，以提高 系统容量与稳定性。 本论文针对c h 勰g 提出的智能呼叫接纳控制( i c a c ) 策略实现复杂 的缺点，提出了一种基于资源预留的智能c a c ( r r i c a c ) 方案，通过预留 资源的方法降低话音和数据业务中断概率，并采用神经网络和模糊决策技 术，对c d m a 蜂窝通信网络进行辨识，及时掌握网络变化并实施呼叫接纳 控制策略。 通过仿真证明，在重负载情况下，与i c a c 相比，砌u c a c 方案具有 较低的阻塞概率、较好的服务等级g o s 及较高的系统容量，能够有效保 证c d m a 蜂窝通信系统的q o s ，且简单易行。 关键词：i 城c a c 、c d m a 、q o s 、干扰、神经网络、辨识、模糊决策 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s em e r ee x i s t e dac o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt l l ew i r e l e s sm o b 订eu s e r n u m b e ra i l dw i r e l e s sf h q u e n cy a n dh 锄d o f rc a l l so c c i l r 丘嘲u e n t l yf o rt h e i n 仃o d u c t i o no f1 1 1 i c m m a c r 0 一c e l l u l a rc u 渊l t l yf l l n h c rm o r e ，f o rc d m a c e l l u l a r s y s t e l t l i s 柚i m e r f 旨e n c e 1 i m i t e ds y s t 锄，i t sc e l l c a p a c i t ya i l d c o v e r a g ea r c ai sr e l a t e dc l o s e l yb ys y s t e mi n t e r f e r e n c e ，a 1 1 dm es l l i j r l l 【o fc e l l c o v e m g ea r e at h a tc a u s e db yt 1 1 ec h a l l g eo fc e nl o a dw i l ll e a dt oc o v e r a g el e a k s ow em u s ta d o p tc a i 王a d i n i s s i o nc o n t r o lt or e s 缸c ts y s t e mi n t e r f e r e n c ea n d e n s l l r et h ec e l lc o v e r a g ea r e aw h i l el o a di n c r e 勰i n g 加o r d e rt oi n l p r o v es y s t e m c 印a c n y 她ds 怕l b i l i 吼 1 1 1a l l u s i o nt ot l l er 翩j i z a t i o nc o m p k x i t yo fi n t e l l i g e n tc a l la 如i s s i o n c o n 缸d 1 ( i c a c ) p r e s e i i t e db yc h a i l g ，w ep r o p o s er r j c a cs c h e m et h a tb 醛e d o nr e s o u r c er e s e a t i o n i l l 1 i ss c h e m e ，w er e d u c ed i 位r e n to u t a g ep r o b a b i l i t y o fv o i c ea n dd a t ac a l l sb yr e s e i n gs y s t c mr c s o l l r c e a n dw ea d o p tn e u r a l n e t w o r ka n d f l l z z yd e c i d i n gt e c h n i q u e t o i d e n t i 母 c d m ac e l l u l a r c o m m u l l i c a t i o nn e t w o r k 锄dm a s t e rn e t w o r kc h 锄g e si nt i m ea n di m p l e m e n t c a 儿a d r n i s s i o nc o n t r o ls 仃a t e 抖 s i m i l l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et l l a tt h er i u c a cs c h e m ec a na c h i e v el o w e r b l o c l ( i n gp r o b a b i n t y 柚db e t t e rf a d eo fs e r v i c ea 1 1 da l s oah i 曲e rs y s t e m c a p a c i t yt l i 越i c a ca l g o 订m mi nh i g h 仃a 缅cl o a dc a s e 褂u c a cs c h e m ei s i n d e e de 丘t i v ef o rd i 肫r e n 曲t e dq o so fc d m ac c l 】u l a rc o 姗u n j c a t j o n s y s t e ma n di t 刚i z c ds i m p l y k e yw o r d s ：r i u c a c ，c d m a ，q o s ，i n t e r f e r e n c e ，n e u r a ln e t w o r k ，l d e n t i f 弘f u z z y d e c i d i n 北京交通大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 选题目的和意义 第一章前言 本论文选题为国家自然科学基金项目“宽带移动通信网络新型呼叫接 纳控制研究”中的一部分。 当前，无线移动用户数目的剧增与无线频谱资源的有限性产生矛盾， 同时微蜂窝微微蜂窝小区的引入，越区( h a n d o f f ) 现象频繁发生，使得无 线移动用户在通信过程中的资源得不到保证。而且c d 淞蜂窝通信系统为 干扰受限系统，小区容量和覆盖范围通过系统干扰紧密相关，新呼叫的接 入将导致系统干扰的增加，干扰增加将减少小区覆盖，即所谓的“小区呼 吸”，其最大的危害是由于小区收缩而导致“覆盖漏洞”，即覆盖盲区。 因此，必须通过呼叫接纳控制( c a c ：c a l la d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 来限制 系统干扰、保障负荷增加时的小区覆盖范围，以提高系统容量( 低阻塞概 率) 与稳定性( 低掉话概率) 。 呼叫接纳控制目标主要包含两个方面：一是要满足网络中用户s 要求；二是要最大限度利用通信系统资源。接纳控制的实时性和系统的稳 定性是接纳控制算法研究必须满足的两个前提条件。 本论文在c h a n g 【2 】提出的智能呼叫接纳控制策略基础上，提出基于资 源预留的智能c a c 方案( r r i c a c ) 。实际c d m a 蜂窝系统信道占用情况、用 户移动信息、小区间干扰及信道衰落情况等都具有时变特性，且多种业务 之间具有不同的优先级与多种q o s 要求，这就要求c a c 算法既要支持多业 务，又能保证实时性与各类业务的不同q o s 要求。本论文采用神经网络辨 识和模糊决策技术，对c d m a 蜂窝移动通信网络进行辨识，并利用这两种 技术的经验学习能力、自适应能力及萃取被控对象变化规律的能力，及时 北京交通大学硕士学位论文 第一章前言 掌握网络变化并实施相应呼叫接纳控制策略，旨在降低系统阻塞概率和中 断概率，提高系统容量。本论文提出利用资源预留的思想来降低各类业务 用户的中断概率，与文献 2 中通过测量当前系统中断概率的方法相比， 简单易行，并能提高系统总体性能。 1 2c a c 基本原理 c a c 是通信系统资源管理的一个重要功能实体，最初是在a t m 网络中 提出的，a t m 论坛与1 1 、u t 对c a c 的定义【3 】：对于一个已知的呼叫连接请 求，按照其服务质量( q o s ) 要求，并根据整个网络资源是否满足现已连 接的业务质量来决定是否接纳一个新的连接。呼叫接纳控制是在有限系统 容量的基础上，以不牺牲已有连接的服务质量为原则，尽可能多地对新近 到达的连接请求予以接纳的决策闷题。其主要任务是在呼q 申请阶段根据 系统当前资源情况判断是否接纳本次呼叫，判断标准为既保证当前呼叫的 业务质量，又使已经建立连接的业务质量不受破坏，同时将资源使用情况 汇报给网络管理者。 a t m 是宽带综合通信网络所采用的信息转移模式，以固定长度的信元 传递信息，因而减少了延迟方差，适合于传递语音、数据和视频等综合业 务。在a t m 接入网中，流量控制是非常重要的一个方面，它的主要目标是 保证网络和用户所要求的性能碍至n 满足，同时尽可能提高网络的利用率。 流量控制可分为预防性流量控制和反应性流量控制两种方式。预防性流量 控制采取一系列防止拥塞产生的机制，而反应性流量控制则依赖于反馈信 息进行控制。在a t m 网络中，由于信息的高速传输，通常采用预防性流控 方式，即预先对进入网络的业务流量进行控制，以防止拥塞的发生1 4 】。呼 叫接纳控制是一种重要的预防性流控方式，它的核心是带宽分配算法。a t m 是一种面向连接的服务，在用户通过a t m 网络传送信息之前，必须先建立 2 北京交通大学硕士学位论文第一章前言 连接，这一步骤称为建链。建链的目的是在发送方和接收方之间建立一个 通路，这个通路可能涉及一个或多个a t m 交换机，在经过的每一个交换机 上都要为这个新连接分配相应的资源。呼叫接纳控制是网络根据用户所申 请的统计参数( 如峰值比特率、平均比特率等) 和性能要求( 如平均时延、 丢失率等) 以及当时的网络负荷来决定是否接纳该用户连接请求。用户在 进行呼叫时，需把自己业务流的特性和参数以及所要求的服务质量告知网 络，网络则根据资源被占用的情况和用户提出的要求，决定是否接纳这个 呼叫，其判决的原则是，要满足该呼叫的服务质量要求，同时又能保证已 建立连接的服务质量。 随着通信技术的飞速发展，呼叫接纳控制的应用也越来越广泛，无线 通信系统中系统容量的限制直接导致了呼叫接纳控制的研究。在硬容量移 动通信系统，系统容量是固定的，当没有有效资源时，呼叫请求就会被阻 塞。如在模拟f d m a 系统中，通信信道是按频带来划分的，把划分的频带 分配给通信用户，每个蜂窝小区能提供的信道数一旦确定，就很难改变； 在数字t d m a 系统中，按时隙划分资源，把划分的时隙提供给通信用户， 单位时间内能划分成多少时隙，最大用户数就是多少。当没有空闲信道时， 系统就会出现忙音，移动用户不可能再呼叫其他用户或接收其他用户的呼 叫，当移动用户越区切换时，也很容易出现通话中断的现象。因此，在硬 容量通信系统中，要采取呼叫接纳控制限制系统接入用户数，保证已建立 连接的服务质量，降低切换中断概率。 在软容量通信系统如c d i a 蜂窝系统中，信道数是靠不同的码字来划 分的，信道数与输入输出信噪比有关，当系统增加一个通话的用户时，所 有用户的输入输出信噪比都有所下降。随着系统接入用户的增多，用户输 入输出信噪比降低到规定门限值之下时，就会产生中断，因此，c d m a 系 统实施呼叫接纳控制的目的就是在保证系统中断概率、阻塞概率要求的基 北京交通大学硕士学位论文 第一章前言 础上，容纳更多的用户。接纳控制准则可以是基于干扰的，由于从干扰可 以估算出系统可容纳的最大用户数，因此也可以是基于用户数的。前者根 据基站接收的总干扰功率与背景噪声的比值是否高于某一预定门限来判 决，或者根据接纳新呼叫后各类业务的信干比是否能够达到其预定的目标 门限来决定是否接纳新呼叫请求。后者根据系统的最大用户数n 作为接纳 准则，当系统内已有的用户数小于n 时，则接纳新呼叫请求。 实际系统应用中，呼叫接纳控制算法设计应考虑应用业务种类、系统 时变特性和运营商收益及用户q o s 等问题。较早的文献中研究的大多数是 单业务情况下的呼叫接纳控制，在将来的系统中，存在着大量具有不同 q o s 要求的各类业务，根据各类业务不同的延迟要求，可划分为会话型业 务、流式多媒体业务、交互式业务和后台业务四大类1 5 “。不同的业务具 有不同的q o s 要求，如实时话音业务对时延敏感，但允许1 0 。量级的较高 误码率，非实时数据业务对时延不敏感，但要求具有较低的误码率，通常 在l o 6 到l o 母量级7 1 。因此，c a c 算法还要能够适应多业务运用，能考虑 各类业务之间不同的优先级，以便在恶劣的无线传播环境里以及用户运动 且相互干扰的情况下为各类业务用户提供q o s 保证，同时又能充分利用珍 贵的无线频谱资源2 1 。 在实际的通信系统中，系统资源占用情况、用户业务量及移动信息、 用户间干扰及信道衰落情况等都是实时变化的。系统中可用信道数也是随 用户数及用户的q o s 需求而变化的，这样固定信道分配方案就不能很好地 适应系统内业务量的实时变化，从而无法充分利用系统资源。因此，准确 有效的c a c 方案必须考虑系统的时变特性，提高适应性a 另外，用户根据q o s 付费，增加接入通信系统的用户数，运营商收益 就会提高，但新用户的接入可能导致系统内已连接用户q o s 的降低，这样 用户付费相应减少，运营商收益反而可能降低【1 ”。因此，设计c a c 方案 4 北京交通大学硕士学位论文 第一章前言 时应考虑系统容量、运营商收益及用户o o s 三者的折衷，找出用户q o s 和运营商收益、用户付费之间的关系“】，使系统既能接入更多用户、增 加运营商收益，又能保证己有用户的q o s 要求、最大限度降低用户付费。 1 3c a c 研究现状与发展趋势 c a c 最初在a t m 网络中提出，现在c a c 已应用到许多通信网中，如下 一代网络( n g n ) 的核心技术一软交换的重要功能之一就是c a c 。到目前 为止，国内外研究人员已提出许多c a c 算法，根据这些算法应用系统不同， 可以分为三大类：一类是a t m 网络中c a c 算法；另一类是c d a 蜂窝通信 系统中c a c 算法；再一类是其他通信系统c a c 算法。 1 3 1a t m 网络中c a c 算法 a t m 网络中呼叫接纳控制方法主要有两种：非统计带宽分配法和统 计带宽分配法。非统计带宽分配法即峰值带宽分配法，假设一个信源的平 均带宽是2 0 m b i 以，峰值带宽是4 5 m b i t s ，则峰值带宽分配法需要在出端 口上为这个信源保留4 5 m b i t s 的带宽，而不管信源是否真的以4 5 m b i 讹 的速率不问断地传送信元。峰值带宽分配法的优点在于简便易行，只需要 知道新呼叫请求的峰值速率即可，如果已存在用户的峰值速率之和加上新 呼叫请求的峰值速率小于链路的容量，那么这个新呼叫请求就能够被接 受，否则拒绝。它的缺点也十分明显，即输出链路的资源利用率比较低。 引入a t m 技术的初衷就在于利用统计复用的优点，这也是它与其它 现有技术相比最大的优势之一。在统计带宽分配法中，一个新呼叫请求的 带宽不是建立在峰值速率的基础上，而是小于信源的峰值速率。因此所有 用户的峰值速率之和可能会大于输出链路的容量a 为了实现带宽的统计复 北京交通大学硕士学位论文 第一章前言 用，人们根据不同的近似方法，提出了多种算法，这些算法大致可分为五 类。第一类是等效带宽法，这是a t m 网络内呼叫接纳控制应用最广泛的 一种算法。如果有一个独立的信源接入一个有限长度的队列，那么这个信 源的等效带宽就是与这个信源所要求的信源丢失率相对应的队列服务速 率。把信源接入一个具有固定服务时间的有限容量的排队系统，由此可以 得到队列长度的分布，采用这一分布，就可以得到与一个给定信源丢失率 相对应的服务速率，即等效带宽。第二类是大流量近似法，这是在队列长 度的分布函数的尾部渐进性基础上提出的带宽分配法，该方法假设信源为 调制马尔科夫贝努利过程( m m b p ) ，队列的服务时间设为定值。第三类 为信源丢失率上限法，它是基于信源丢失率的上限提出的呼叫接纳算法， 在一个固定时间段内的平均到达信源数( a n a ) 和最大信源数( m n a ) 的基础上得到信源丢失率的上限，这个固定时间段设为缓冲区中最大时延 的一半，如果这个上限小于可接受的信源丢失率，则接纳新呼叫请求。第 四类是快速缓冲区带宽分配法，该方法主要是针对突发信源的，基本思 路是：当一个虚电路建立时，它通过网络的所有路径都被建立起来，并对 路由表做相应的更新，但此时并未给虚电路分配资源，当信源要传送一个 突发数据流时，网络才为这一突发数据流分配相应的资源。最后一类是时 间窗口法，其主要思想是：在任一固定的时间段内，允许每一个信源传送 的信元数目不能超过一个最大值。通过采取相应的机制，可以使网络中每 一段链路上传送的信n i p l ea c x 北京交通大学硕士学位论文 笫一章前言 1 3 2c d 姒蜂窝通信系统中c a c 算法 c d m a 蜂窝通信系统中c a c 分为上行链路与下行链路两种情况。上 行链路被认为是容量受限的主要原因，因此，现有的很多呼叫接纳控制算 法主要考虑的是上行链路的情况。就上行链路而言，c a c 算法主要有以下 四类：基于用户数、基于s i r 或干扰、基于系统容量分析及基于功率控制。 基于用户数的c a c 算法的思想是：把系统能接纳的最大用户数作为接纳门 限，若系统内已有用户数小于门限，则接纳新呼叫请求，否则拒绝。基于 s i r 或干扰的c a c 算法基本思想是：基站测量接收信号的s i r 或总干扰信 号功率，并与门限值比较，根据比较结果决定是否接纳一个呼叫请求。基 于系统容量分析的c a c 算法的基本思想是：实时记录系统内用户的业务 类型和数目，根据系统容量的数学分析模型，决定新呼叫的接纳与否。基 于功率控制的c a c 算法的基本思想是：采用某一种功率控制算法，计算包 含新呼叫在内的所有呼叫的接收s i r 是否大于所需的门限s i r 要求，根据 比较结果决定是否接纳一个呼叫。相比较而言，第一类算法实现简单，后 三类算法准确性更高。就下行链路而言，一般采用基于功率的接纳控制方 法，计算本小区的发射功率，若低于预定门限，则接纳新呼叫请求，否则 拒绝。该算法物理意义明确，并且由于容易获得基站发射功率，易于实现。 1 3 3 其他通信系统c a c 算法 当前，其他通信系统内c a c 算法主要有基于排队优先、基于可变q o s 及基于资源重分配三类。排队优先c a c 算法的思想是：信道均被占用时新 呼叫请求用户并不立即被拒绝，而是进入缓存等待。该算法在保证已连接 用户q o s 的同时，提高了系统资源利用率。其缺点是增加了缓存，增大了 系统开销。可变q o s 的c a c 算法思想是：若呼叫请求用户不能获得支持高 北京交通大学硕士学位论文 第一章前言 q 。s 所需的必要资源，则可以通过与通信端协商，接受个要求较少资源 的连接请求，而不是完全被拒绝服务。该算法的优点是可以提高系统资源 利用率，减少可变q o s 用户的丢失，同时保证己连接呼叫的q o s 。其缺点 是实现复杂。资源重分配c a c 算法的基本思想是：若新呼叫请求不能获得 支持其所申请的优先级较高的q o s 所必需的资源，则降低一些已接纳的低 优先级用户的服务。很明显，该算法主要是为了满足高优先级用户的需求， 为了使其获得所需q o s 而重新分配系统资源占有情况。该算法的优点是能 够为高优先级用户提供优先服务，同时提高了资源利用率，但它牺牲了低 优先级用户的q o s 。 1 3 4c a c 研究的发展趋势 随着通信技术的发展，现有接纳控制算法所依赖的许多假设条件都发 生了变化，如电视和图像等信息的出现，使通信流特性发生了很大变化： 突发业务日益增多，业务所要求的q o s 也大不相同；各种新型业务也不断 涌现。所有这些使得通信网络具有动态性、多样性、时变性的特点，业务 要求也日益复杂，从而要求呼叫接纳控制方案的设计要尽可能满足网络的 以上特性。 呼叫接纳控制还在不断发展，无线频谱的有限性、微小区的使用以及 通信网络的动态性等特点推动c a c 向着最优化、智能化及目标多样化方向 发展。另外，低成本与实现简单也是c a c 发展的必然趋势。 1 4 本论文研究的内容以及方法 c d m a 蜂窝通信系统的小区容量是有限的，当小区容量己处于饱和状态 时，继续接纳新的用户进入系统，将使系统已连接用户的q o s 无法得到保 北京交通大学颁二i 学位论文 第一章前言 证，系统必须采取有效的接纳控制算法，使得各类业务的不同0 0 s 在获得 保证的同时，尽可能为更多的用户提供服务，以提高系统的频谱利用率。 因此，本论文重点对以下内容进行研究： l 、对c d m a 蜂窝系统中现有呼叫接纳控制方案进行分析，并总结其优 缺点： 2 、针对当前基于神经网络辨识和模糊决策的智能c a c 方案中存在的 缺点，提出一种基于资源预留的c a c 算法( r r i c a c ) ，并在理论上分析其 可行性与优越性； 3 、利用神经网络辨识技术，设计神经网络模块，预测小区内已连接 用户下一时刻的干扰； 4 、利用模糊决策技术，设计模糊模块，估计新呼叫产生的干扰并进 行接纳判决； j 、利用m a t l a b 软件，设计验证r r i c a c 算法的仿真平台； 6 、对各类业务用户的到达与服务过程建模： 7 、仿真验证r r i c a c 算法的正确性与有效性，并对仿真结果进行分析 比较。 1 5 论文结构安排 本论文共分为五章：第一章是前言，介绍选题目的和意义、c a c 原理 以及当研究现状与发展趋势。第二章主要论述了c d m a 蜂窝系统中基于资 源预留的智能c a c 算法( r r i c a c ) ，并从理论上分析其优点。第三章具体 介绍了r i c a c 算法仿真平台的设计与实现，主要包括模糊等效干扰估计 器、神经网络干扰预测器及模糊呼叫接纳处理器三个模块的设计与实现。 第四章验证r i c a c 算法。绘出仿真结果并进行分析比较。第五章为全文 总结与展望。 9 北京交通丘学硕士学位论文 第二章基于资源预 订的智能c a c 方法 起来的无线通信技术。c d m a 技术将需要传送的具有一定信号带宽信息数 据，用，一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数掘信号 的带宽被扩展，再经调制载波发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码， 与接收的宽带信号作相关处理，把宽带信号还原为原信息数据的窄带信号 即解扩，以实现信息通信。使用不同的且相互正交的伪随机编码，不同通 信用户可以在同一频段、同一时间工作，互不影响或影响极小，信号隐蔽， 有保密性。c d m a 通信系统主要采用直接序列扩频和跳变频率扩频两种 基本工作方式。 l 、直接序列扩频( 直扩d s ) 原理 直扩系统基本原理如图2 1 所示。作为输入的数据信息d ，经过信息 调制变成带宽为b l 的调频( f m ) 或调相( p m ) 的信号，再由伪随机编 码( p n 码) 调制成带宽为b 2 的宽带信号发射。接收机接收到发射信号后， 回哐圆蜓堕圃叵9 卜 图2 1 直扩系统基本原理图 首先通过同步电路搪捉发送来的p n 码的准确相位，由此产生与发送来的 伪随机编码相位完全一致的接收所用的p n 码，作为扩频解调用的本地信 号，以便准确恢复成窄带信号并解调。从而获得对发送来的信息数据d 的估值d 6 ，完成接收。 这种直扩方式实现频谱扩展方便，是目前用得最多、也是最典型的一 北京交通大学砸士学位论文 第二章基于资源预留的智能c a c 方法 和空间上都可能重叠。系统的接收端必须有完全一致的本地地址码，用来 对接收的信号进行相关检测。其他使用不同码字的信号因为和本地产生的 码字不同而不能被接收。由于不同用户之间的信息传递是通过正交码来隔 离的，因此具有很高的频谱利用率。c d m a 蜂窝系统有如下特点1 7 】： i 、c d m a 网络的建设成本低。不管使用的是t d d 还是f i ) d 技术， c d m a 系统的许多用户可以共享同一频率，从而使它具有覆盖范围大、 基站数量少、系统容量大、频谱利用率高、频率规划简单等优势，大大地 降低了系统的建设成本和运营成本。 2 、系统的通信容量大。c d m a 是干扰受限系统，任何干扰的减少都 能直接转化为系统容量的提高。因此一些能降低干扰功率的技术，如话音 激活( v o i c ea c t i v i t y ) 、扇区划分以及先进的内外环功率控制等技术，都 可以自然地用于提高系统的容量。 3 、容量的软特性。在f d m a 或t d m a 系统中同时接入的用户数是 固定的，无法再多接入任何一个用户，但是在c d m a 系统中，多增加一 个用户只会使通信质量略有下降，而不会出现硬阻塞现象。 4 、c d m a 实验网和商用电信网络实际运营的经验均表明，c d m a ( 8 k b se v r c 编码) 的话音质量不仅明显优于g s m 和模拟系统，而且更 加接近固定电话话音质量，特别是在强背景噪声环境中，由于采用了伪随 机序列进行扩频解扩，话音质量不亚于固定电话。 5 、平滑的软切换和有效的宏分集。d s c d m a 系统中所有的小区使 用相同的频率。这不仅简化了频率规划，也使得越区切换容易完成。每当 移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送相 同的信号，移动台的分集接收机能同时接收、合并这些信号，此时处于宏 分集状态。当某一基站的信号强于当前信号且稳定以后，移动台才切换到 该基站的控制信号上去，这种切换可以在通信过程中平滑完成，称为软切 北京交通大学硕士学位论文 第二章基于资源预留的智能c a c 方法 换。 6 、低的功率谱密度。在d s c d m a 系统中，信号功率被扩展到比自 身频带宽度宽百倍以上的频带范围内，因而其功率谱密度大大降低，使得 系统具有较强的抗窄带干扰能力，且对窄带系统的干扰很小。 7 、在c d m a 系统中，信道数据速率很高，因此码片时长很短，通常 比信道的时延小得多。因为p n 码序列有很低的互相关性，所以大于一个 码片宽度的时延扩展部分可受到接收机的自然抑制。另一方面，如采用分 集接收最大合并技术，可获得最佳的抗多径衰落效果。 8 、频率配置与管理简单。在模拟f d m a 和数字t d m a 系统中，频 率配景和管理是一项比较复杂的技术，而动态频率配置就更加复杂。在 c d m a 系统中，所有移动台可以使用同一个频率，不需要进行动态配置， 其频率配置和管理都很简单。 9 、良好的保密性。在c d m a 系统中所采用的扩频技术将发射信号的 频谱扩展得很宽，从而将发射信号完全隐蔽在噪声和干扰之中，不易被发 现和接收。另外在通信过程中，各移动台所使用的地址码各不相同，对其 他非相关的设备来讲是一种噪声。所以c d m a 系统可以防止有意或无意 的窃取及监听，具有很好的保密特性。 c d m a 蜂窝通信系统为干扰受限系统，小区容量和覆盖范围通过系统 干扰紧密相关。当小区容量已处于饱和状态时，继续接纳新的用户将会使 得现有用户的q o s 无法得到保证。而且，当前无线移动用户数目的剧增 与无线频谱资源的有限性产生矛盾，微蜂窝微微蜂窝小区的引入，越区 现象频繁发生，使得无线移动用户在通信过程中的资源得不到保证。因此， c d m a 蜂窝通信系统必须采取有效的按纳控制算法，限制干扰，保护负荷 增加时小区覆盖范围，并维护系统稳定性，降低掉话概率；在保证现有系 统中各类业务的q o s 的前提下，尽可能为更多的用户提供服务，以提高 4 北京交通大学硕士学位论文 第二章基于资源预留的智能c a c 方法 系统的频谱利用率。 2 2c d 姒蜂窝通信系统呼叫接纳控制 目前，人们对c 聊订a 蜂窝系统中c a c 算法的研究方兴未艾，旨在 保证用户q o s 的同时，增大系统容量，有效利用系统频谱。c d m a 蜂窝通 信系统中c a c 的研究主要可以分为三大类：一类是基于s i r 或总干扰信号 功率的c a c 算法；另一类是基于系统容量分析模型的c a c 算法；再一类是 基于功率控制模型的c a c 算法。 2 2 1 基于s i r 或总干扰信号功率的c a c 算法 基于s i r 或总干扰信号功率的c a c 算法的基本思想是：基站测量接收 信号的s i r 或总干扰信号功率，并与门限值比较，根据比较结果决定是否 接纳个呼叫请求。l i u l l b 】首先提出了基于接收s 取测量的c a c 算法， 他假定任意一个呼叫所引起的小区间干扰为一个常数，即认为用户的位置 对小区间的干扰影响是相同的。鼬m 【19 】对此提出了改进：每个用户可以通 过测量周围基站导频信号强度的方法获得其与各基站的传播损耗信息，由 此信息可确定其对临近小区的干扰。h u a i l 一2 0 】提出了基于基站接收总干扰 信号功率测量的按纳控制算法，他假设新呼叫和切换呼叫具有同样的接纳 优先级：s h i n m 2 2 1 赋予切换呼叫以较高的优先级，提出了为切换呼叫预留 一定容量的基于保护带宽思想的接纳控制算法。在基于接收总干扰信号功 率测量的c a c 算法中，需要对由新呼叫所引起的系统总干扰水平增加量 有良好的估计，为此，h 0 1 m a 【2 3 j 提出了基于总干扰功率与系统负荷曲线斜 率的估计方法，k u r i 【2 4 】提出了一步功率迭代预测的方法。础m m 5 1 将基于 接收总干扰信号功率测量的c a c 算法应用于多业务环境中，提出了对具 北京交通大学硕二e 学位论文第二章基于资源预留的智能c a c 方法 有不同优先级的业务呼叫赋予不同接纳门限的接纳控制算法。上述文献中 f 7 2 5 】，除k 谢【2 4 】和k i m 7 - 2 5 1 外都是对单一话音业务c d m a 系统进行的 研究。 2 2 2 基于系统容量分析模型的c a c 算法 基于系统容量分析模型的c a c 算法的基本思想是：实时记录系统内 用户的业务类型和数目，根据系统容量的数学分析模型，决定新呼叫的接 纳与否。其中s 锄p t h 【2 6 1 、g u r b u z 【2 7 】只考虑了单一小区情况下的接纳控制 问题，l e e 2 8 】、k o o 2 9 l 、s u n 和p r i s c o l i 【3 1 1 研究了多小区c d m a 系统的 接纳控制问题，他们都假设在特定的无线传播环境与业务分布条件下，小 区外的干扰可以用小区间平均干扰因子来等效，其中k o o 【2 9 l 还提出了为 切换呼叫预留容量的划分优先级的接纳控制算法，s u n 口o 】提出了基于系统 负荷预测的接纳控制算法：该算法考虑了呼叫接纳处理时间内由于呼叫服 务完成离去，或切换呼叫的到达和离去所引起的系统业务负荷变化的情 况。p r i s c o l i 【3 1 1 提出了根据系统内阻塞概率和中断概率统计值反馈来动态 调整接纳控制门限的自适应接纳控制算法。这类基于系统容量分析模型的 接纳控制算法存在的问题是难以适应于变化的无线传播环境和业务负荷 分布情况。 2 2 3 基于功率控制模型的c a c 算法 基于功率控制模型的c a c 算法的基本思想是：采用某一种功率控制算 法，计算包含新呼叫在内的所有呼叫的接收s i r 是否大于所需的门限s i r 要求，根据比较结果决定是否接纳个呼叫。h j e l m 提出了采用基站分 配的m t p ( m i n i m 啪t r a j l s m i s s i o np o w e r ) 功率控制算法的接纳控制算法， 1 6 北京交通大学硕士学位论文第二章基于资源预留的智能c a c 方法 该算法先调用m t p 算法计算包括新呼叫在内的所有呼叫的基站接收s m ， 若该参数低于所需的门限s i r 要求，就拒绝该呼叫请求，否则接纳。 n u a y m i 3 3 1 进一步提出了结合基站动态分配的m t p 功率控制的接纳控制 算法。上述两种算法 3 2 ，3 3 】的计算和判决都是由基站完成的，属于集中 式接纳控制算法。此外，文献 3 4 3 6 】还提出了分布式的接纳控制算法，这 类算法的基本思想是：移动台基于接收信号的s 取的测量信息迭代式地 进行发射功率调整，在一定时间内，当所有移动台的接收s 承都能满足 门限s r 要求，即接纳此新呼叫请求，否则拒绝。这种算法与集中式算 法的不同在于，新呼叫在接纳过程中将对系统内已有呼叫产生一定的干 扰，为减小此种干扰，b 锄b o s 提出了“激活链路保护”的思想，即系 统为己被接纳的连接设置高于正常情况下的目标s 取门限，从而可以保 证新呼叫在以功率迭代方式进行呼叫接纳请求的过程中，已有连接的传输 质量不恶化。此后，围绕着如何进一步减小呼叫接纳请求的过程中新呼叫 对已有呼叫产生的干扰，以及如何缩短呼口q 接纳处理时间，a n d e r s i n 、 m 【3 6 】等分别提出了s a s 从( s o f la i l ds a f ca d m i s s i o na l g o r i t h m ) 算法、 c i c a c ( c o o r d i n a t e dh l t e r a c t i v ec “la d m i s s i o n c o n 仃d la l g o r i m m ) 算法等。 2 3 神经网络辨识与模糊决策 人工神经网络是相对于生物学中所说的生物神经网络系统而言的，它 的提出者的目的就在于用一定的简单数学模型来对生物神经网络结构进 行描述，并在一定的算法指导前提下，使其能在某种程度上模拟生物神经 网络所具有的智能行为，解决用传统算法所不能胜任的智能信息处理问 题。神经网络由大量的神经元广泛互连而成，其模型大致可以归结为【3 7 】： 前馈式网络、输出反馈的前馈式网络、前馈式内层互连网络、反馈型全互 连网络及反馈型局部互连网络。本论文所提r r j c a c 算法的神经网络模 北京交通大学硕j 匕学位论文 第二章基于资源预目的智能c a c 方法 型属于反馈型局部互连网络。神经网络的性能是由其结构特征和基本处理 单元的特性所决定的，并与其学习算法有关。神经网络具有固有的非线性 特性，可以逼近任意类型的非线性系统，可用于未知非线性系统的辨识， 能够适应在线运行，并能同时进行定量和定性操作，神经网络的强适应和 信息熔合能力使得网络过程可以同时输入大量不同的信号，解决输入信息 间的互补和冗余问题，并实现信息集成和融合处理。神经网络是通过研究 系统过去的数据记录进行训练的，一个经过适当训练的神经网络具有归纳 全部数据的能力，因此，能够解决那些由数学模型或描述规则难以处理的 辨识问题。本论文中神经网络干扰预测器就是对以往数据记录进行训 练学习，应用了神经网络的动态及非线性特性。 系统辨识是在输入和输出数据的基础上，从一组给定的模型中确定 个与所测系统等价的模型1 3 9 】。传统的系统辨识算法的基本原理是通过建 立依赖于参数的模型，把辨识问题转化为对模型参数的估计问题。这类算 法能较成功地应用于线性系统或可线性化系统的辨识，但对于未知非线性 系统，难以使用。用神经网络进行系统辨识不需要预先建立实际系统的模 型，因此不需要事先知道非线性的类型。与传统的辨识方法相比较，基于 神经网络的辨识主要具有四个特点：第一，它不要求建立实际系统的辨识 模式，因为神经网络本身已作为一种辨识模型，其可调参数反映在网络内 部的权值上；第二，它可以对非线性系统进行辨识，辨识的结果为网络外 部特性拟合的系统输入输出，拟合精度可以很高；第三，辨识的收敛速 度不依赖于待辨识系统的维数，只与神经网络本身及其所采用的学习算法 有关，而传统的辨识算法随模型参数维数的增大变得很复杂；最后，神经 网络作为实际系统的辨识模型，实际上也是系统的一个物理实现，可以用 于在线控制和预测系统输出。由于神经网络辨识的以上特点，所以本论文 r 砌c a c 算法采用神经网络与辨识技术设计干扰预测器，预测下一时刻干 北京交通大学硕士学位论文 第二章基于资源预留的智能c a c 方法 扰值。 模糊逻辑基于人类模糊思维这一抽象机理，描述的是与人类模糊思维 的方式、方法相关的宏观过程，它是一种简单的将一空间的输入映射到另 一空间的输出的规则【4 0 】。模糊逻辑是用人类的语言语句表述的，较为直 观，易于为人们所理解，模糊数学为模糊逻辑的研究和开发提供了数学基 础。相对于精确逻辑，模糊逻辑在应用中有如下特点：第一，模糊逻辑是 柔性的，对于给定的系统，很容易处理以及直接增加新的功能，而不需要 从头做起；第二，模糊逻辑建立在自然语言的基础上，对数据的精确性要 求不高；第三，模糊逻辑建立在已经熟悉相关系统的专家基础上，能够充 分利用现有的专家知识：最后，模糊逻辑易与传统的控制技术相结合。本 论文算法就是应用模糊逻辑的以上特点进行两个模糊模块的设计的。 一般来说，决策是通过系统的模型来实现的。模型通常分为数学模型 和非数学模型，模糊数学是建立非数学模型、表达和实现决策方式的一种 很好的工具。在决策系统中，状态变量是确定的，可选择的方案也是确定 的，根据不同的状态和方案也可以计算出相应的效益值，但是方案的可行 性不是完全有把握或是模糊的，这样的决策问题称为模糊决策问题。模糊 性是人类思维和客观事物普遍存在的属性之一，而模糊集合论则是处理模 糊现象的有效工具，模糊决策正是模糊集合论与决策理论相结合的产物 。模糊决策过程就是建立事物论域、对策论域到效益论域的模糊关系 的过程。本论文算法就是应用模糊决策理论，通过试验和专家信息获得模 糊模块相应的模糊规则，建立输入、模糊规则和输出之间的模糊关系。 2 4 基于资源预留的智能c a c 方案 本论文研究的基于资源预留的智能c a c 算法( r r i c a c ) 在基站控 制器( b s c ) 或移动交换中心( m s c ) 处执行，主要包括个模糊等效于 9 北京交通火学硕士学位论文 第二章基于资源预留的智能c a c 方法 扰估计器、神经网络干扰预测器和模糊呼叫接纳处理器，本节主要介绍该 方案的思想，仿真平台及各个模块的具体设计与实现将在第三章详细介 绍。 2 4 1 问题提出 在c d m a 蜂窝系统c a c 算法的研究中，基于s 瓜或干扰的c a c 算 法既有效也简易，最受人们关注。目前大多数文献中关于此类算法的研究， 要么只局限于单一业务系统，要么不能同时满足系统多个q o s 要求，并充 分利用系统资源。c h a n g 【2 1 针对以上问题提出了基于神经网络辨识和模糊 决策技术的智能呼叫接纳控制( i c a c ) 方案，分别利用模糊决策和神经网 络辨识能力，估计新用户请求产生的等效干扰及系统中已连接用户的平均 干扰，然后根据估计的两个干扰和系统反馈的当前各类业务的测量中断概 率，决定呼叫请求的接纳与否。只要测量的中断概率接近预定值时，呼叫 请求就会被拒绝，从而保证各类业务的中断概率始终满足要求，且该i c a c 算法可应用于多业务c d m a 系统，能满足多个不同q o s 要求。但是该算法 的执行过程要不断测量并计算系统当前中断概率，实施复杂，为了加强其 实用性，简化实施复杂度，本论文在该i c a c 方案基础上提出基于资源预 留的呼叫接纳控制( r r i c a c ) 方法，通过预留资源来降低各类业务不同中 断概率。通过大量计算机仿真研究验证，与i c a c 相比，在较高负载情况 下，r r i c a c 方案提高了系统总体性能，并能有效利用系统资源。 2 4 2 系统模型 本论文c d m a 蜂窝通信系统中每个小区重复使用相同的无线信道， 其基站均位于小区中央，采用全向天线技术。系统中用户通过连接到基站 北京交通大学硕： 学位论文 第二章基于资源预留的智能c a c 方法 的空中接口互相通信，多个基站通过1 琵载波连接到一个b s c 或m s c 上。空中接口的时问分成帧长为t 的时间段，并采用时分c d m a 协议。 前向和反向链路采用不同的频段，在前向链路中，每个基站都向所有用户 广播自己的导频信号，当导频信号超过一定强度时，用户就能检测到它。 用户监测邻近基站的导频信号，并把接收到的信号强度最大的基站作为其 本地基站。用户在跟踪本地基站导频信号时，还搜索来自其他基站的导频 信号，并通过本地基站周期性地把它们送到m s c 的导频信号强度列表中。 本论文中由用户终端产生的业务分为实时的话音业务和非实时的数 据业务，话音和数据用户的到达均服从泊松分布，平均到达速率分别为a 。 和兄d 。话音源建模为两状态离散时间马尔科夫链，在o n 状态( 通话期) 期间，每帧长t 时间内产生一个空中接口包，在o f f 状态( 静默期) 期 间，不产生空中接口包，通话和静默期平均持续时间分别服从参数为l 忆 和1 卢的指数分布。数据源由群泊松过程表征，平均信息到达率为凡， 设数据信息长度为服从几何分布的正值随机交量，根据数据业务的处理增 益，把高层协议数据单元进一步分为一组空中接口包。 本论文中针对