無線蜂窩通信網(wǎng)的容量與資源管理算法研究.pdf

1、以無線蜂窩通信網(wǎng)為代表的移動通信系統(tǒng)是無線通信技術(shù)發(fā)展史上的一個里程碑。為了達(dá)到支持人們用任何形式互相交流任何信息資源的目標(biāo)，蜂窩移動通信系統(tǒng)尚有許多關(guān)鍵的技術(shù)問題有待解決，其中為多業(yè)務(wù)的QoS(Quality ofService，服務(wù)質(zhì)量)提供保障是最值得關(guān)注的問題之一。而為多業(yè)務(wù)提供QoS保障的關(guān)鍵是找到一種有效的無線資源管理策略。無線蜂窩通信網(wǎng)中由于無線資源的匱乏、底層惡劣的無線信號傳播環(huán)境和信號衰落、用戶的移動性、頻繁的越區(qū)切換

2、以及各種業(yè)務(wù)不同的業(yè)務(wù)特性，使得無線蜂窩通信網(wǎng)中多業(yè)務(wù)的QoS保障成為難以解決的問題。隨著移動應(yīng)用越來越普及，人們要求無線蜂窩網(wǎng)能夠提供的服務(wù)也越來越多樣化。下一代無線網(wǎng)絡(luò)將能夠承載多業(yè)務(wù)——話音、視頻、圖形圖像和數(shù)據(jù)等，這些不同種類的業(yè)務(wù)具有不同的QoS要求和無線資源需求，這就要求多業(yè)務(wù)無線資源管理算法不僅能滿足各種不同多業(yè)務(wù)應(yīng)用的QoS要求，而且能充分利用無線蜂窩網(wǎng)中相對稀缺的無線資源(系統(tǒng)容量、帶寬和功率等)。本文擬從系統(tǒng)設(shè)計的角

3、度，針對多業(yè)務(wù)無線蜂窩通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量，以及多業(yè)務(wù)帶寬分配方案和多業(yè)務(wù)呼叫接納控制算法等幾個重要的無線資源管理算法進(jìn)行研究。 本文第二章研究了在多業(yè)務(wù)無線蜂窩通信網(wǎng)中移動性對與系統(tǒng)容量有關(guān)的各種系統(tǒng)性能參數(shù)的顯著影響。由于無線蜂窩通信網(wǎng)復(fù)雜的自然特性，移動性和系統(tǒng)容量之間不存在簡單的線性關(guān)系。就現(xiàn)階段研究來看，還沒有針對無線蜂窩網(wǎng)在移動性和系統(tǒng)容量方面結(jié)論性的研究結(jié)論。針對無論是從移動終端(UE)還是基站(Node B)來說，

4、接收到的信號都是源自不同發(fā)送源的合成信號，不容易得到其分布特性的解析公式，本文提出了用計算機(jī)仿真的方法來研究移動性對系統(tǒng)容量的顯著影響。本文第二章建立了底層的無線傳播模型、移動性模型，還綜合考慮了保護(hù)信道(GC)機(jī)制和呼叫越區(qū)切換判據(jù)等因素，彌補(bǔ)了目前文獻(xiàn)中一些假設(shè)條件過于簡單或太理想化的不足，使之更符合無線蜂窩通信系統(tǒng)的實際情況。本文研究了移動性的變化對新呼叫阻塞概率(P<,b>)、切換呼叫中斷概率(P<,d>)、呼叫強(qiáng)制中斷概率(P

5、<,t>)和系統(tǒng)整體的帶寬利用率(BUR)等與系統(tǒng)容量有關(guān)的各種系統(tǒng)性能參數(shù)具體的顯著影響。由于同時研究了移動性和保護(hù)信道(GC)機(jī)制，第二章的結(jié)論還適用于在無線蜂窩網(wǎng)中充分利用用戶的移動性特性來調(diào)整系統(tǒng)提供QoS保障所涉及到的配置參數(shù)，以及動態(tài)地調(diào)整系統(tǒng)切換呼叫請求的保留門限，以提高系統(tǒng)的性能、容量和無線資源的使用效率。本文第三章提出了無線蜂窩通信網(wǎng)中的多業(yè)務(wù)帶寬分配方案(BAS)。下一代無線蜂窩網(wǎng)中微微小區(qū)的系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)致更為頻繁的越

6、區(qū)切換，而各種業(yè)務(wù)不同的特性使得在越區(qū)切換過程中保障多業(yè)務(wù)必需的QoS更為困難。 本文第三章提出了適合于自適應(yīng)多媒體業(yè)務(wù)的多業(yè)務(wù)帶寬分配方案(BAS)。雖然以可控的、受約束的方式降格(Degrade)系統(tǒng)中的自適應(yīng)多媒體業(yè)務(wù)的QoS已經(jīng)被證明是改良系統(tǒng)整體性能的一個有效方法，但是對被降格的呼叫進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臋C(jī)制很少在文獻(xiàn)中被考慮。本文提出的多業(yè)務(wù)帶寬分配方案(BAS)的特點之一是方案中兼顧了降格算法和補(bǔ)償機(jī)制。針對文獻(xiàn)中研究的一些Q

7、oS參數(shù)不能夠完全反映出多業(yè)務(wù)帶寬分配方案性能的各個方面，本文定義了四個新的與自適應(yīng)帶寬分配方案有關(guān)的QoS參數(shù)。本文還從理論上推導(dǎo)出BAS算法的理論上限性能，并且給出了數(shù)值計算結(jié)果。從獲得的新呼叫阻塞概率(P<,b>)、切換呼叫中斷概率(P<,d>)和系統(tǒng)整體的帶寬利用率(BUR)等重要的系統(tǒng)性能參數(shù)來看，本文的BAS算法在理論上比文獻(xiàn)中已有的一些經(jīng)典算法有更好的性能，不僅能夠滿足各種不同應(yīng)用的QoS要求，而且能充分利用無線蜂窩網(wǎng)中相

8、對稀缺的無線資源。本文還使用計算機(jī)仿真的方法來分析與多業(yè)務(wù)自適應(yīng)帶寬分配方案有關(guān)的QoS參數(shù)的性能和對系統(tǒng)的影響，有利于深入理解影響自適應(yīng)多媒體業(yè)務(wù)性能的各種參數(shù)，提高無線蜂窩網(wǎng)中無線資源的利用率。 本文第四章提出了新的無線蜂窩通信網(wǎng)的多業(yè)務(wù)呼叫接納控制算法(CAC)。當(dāng)小區(qū)容量和無線資源的使用已處于飽和狀態(tài)時，如果繼續(xù)允許接納新的用戶進(jìn)入到系統(tǒng)中來，將使已有用戶的QoS無法得到必要的保障。對于多業(yè)務(wù)應(yīng)用而言，接納一個新到達(dá)的多

9、業(yè)務(wù)呼叫對已有呼叫的QoS的影響更為明顯。針對同時支持傳統(tǒng)業(yè)務(wù)和自適應(yīng)多媒體業(yè)務(wù)的多業(yè)務(wù)無線蜂窩通信網(wǎng)，本文第四章分別提出了對應(yīng)的呼叫接納控制算法，包括自適應(yīng)多媒體業(yè)務(wù)基本層的CAC算法(CAC_B)，自適應(yīng)多媒體業(yè)務(wù)增強(qiáng)層的CAC算法(CAC_E)，和非實時數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的CAC算法(CAC_D)。這些呼叫接納控制算法之間可以配合運行，彌補(bǔ)了文獻(xiàn)中呼叫接納控制算法只能單獨作用的不足。為了驗證本文提出的多業(yè)務(wù)呼叫接納控制算法的性能，本文針對支

10、持自適應(yīng)多媒體業(yè)務(wù)的無線蜂窩網(wǎng)的不同運行情形，進(jìn)行了計算機(jī)仿真。 本文的計算機(jī)仿真結(jié)果有利于無線蜂窩系統(tǒng)同時利用自適應(yīng)多媒體業(yè)務(wù)特性和用戶移動性特性來進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計與規(guī)劃，調(diào)整提供QoS保障所涉及的系統(tǒng)性能參數(shù)，提高無線資源的使用效率，平衡系統(tǒng)中的負(fù)載和確保在用戶之間合理的公平性。本文采用計算機(jī)仿真的方法來驗證以上所提出的各種算法理論分析的正確性以及各項性能指標(biāo)。本文所有的無線資源管理算法和無線蜂窩網(wǎng)性能分析的仿真是在一個無線蜂窩