TD-SCDMA系統中多速率業務的接納控制算法研究

李方偉，李晗，盧曉

（重慶郵電大學 移動通信重點實驗室，重慶 400065）

1 引言

第三代移動通信系統要支持不同速率的數據業務，各種業務的QoS要求又各不相同。對于無線資源管理而言，這是一個嚴峻的挑戰。由于無線頻譜容量的有限性，需要對其進行有效管理。當系統負荷達到一定限度時，需要對用戶的呼叫請求進行接納控制，保證系統中現有用戶的QoS不受影響，維持整個系統的穩定性。因此，接納控制已經成為無線資源管理的重要組成部分。

文獻[1]研究了 WCDMA系統中基于負荷因子的接納控制算法，沒有考慮聯合檢測和智能天線的影響，本文估計小區負荷因子和新用戶負荷增量時，考慮了TD-SCDMA系統中采用的這2種技術的影響。文獻[2]提出了一種多級別呼叫接納控制算法，對用戶進行了級別劃分，分級接入，然而沒有考慮無線資源利用率的問題。文獻[3]研究了支持多種 VBR業務且采取資源預留的系統，并且分析了呼叫分級和分組級性能指標的計算問題，然而沒有考慮接納的問題。文獻[4]提出了一種適用于多速率業務的接納控制策略，然而其僅考慮了一種 VBR業務，不適用于綜合的多速率業務系統。

3G移動通信系統中主要有頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）2種主要的接入技術，與FDD技術相比，TDD技術有很多優點，更適于處理不對稱業務，上下行無線信道具有相關性。在TD-SCDMA系統中，采用了TDD接入技術，這就是TD-SCDMA系統相比于其他系統來講，具有更大的優勢，特別是TD-SCDMA系統的特殊的時隙結構特性，使其在可以在資源分配上更加靈活。同時，在3G通信系統中，話音業務仍是主要的業務，但是數據業務也將占據重要的組成部分，因此既要保證話音業務的服務質量，也要盡力提高數據業務的服務質量。根據業務的不同QoS需求，在3G中將于不同類型的業務分為話音業務、視頻點播類業務、背景類業務、交互類業務，話音業務的業務速率比較穩定，稱為固定速率業務，后 3類業務的業務速率相對具有一定的可變性，對資源的需求具有一定的彈性，可以根據系統的業務負荷對其所占資源進行適當的動態調整。針對這種業務速率的可變性，結合 TD-SCDMA系統特殊的時隙結構，本文給出了一種適用于多種不同速率業務的接納控制算法。

2 接納控制算法

在本文的接納控制算法中，依據呼叫業務的類型確定業務的接納速率，對于固定速率業務和可變速率業務分別確定不同的碼道資源分配和接納策略。由于TD-SCDMA系統是自干擾系統，新業務的接納將產生新的上行的干擾，同時也將提高基站的發射功率，因此，本文的算法也考慮了上行干擾受限和下行功率受限對接納的影響。另外，基于可變速率業務對速率要求的可調整性，以及 TD-SCDMA系統中時頻碼道資源分配的靈活性，本文算法將根據系統的業務負荷的組成情況，在業務阻塞發生的情況下，對系統中現有業務進行調整，包括強拆和降速處理，以提高新業務的接納率，使系統的容量與穩定性達到一種更好的平衡狀態，最終使系統的性能最優化。該算法的基本其接納流程如圖1所示。

圖1 接納算法流程

2.1 碼道資源分配與接納

在基于FDD技術的WCDMA系統中，各個時隙的負荷是均衡的，且呼叫業務是被連續地分配在各個時隙。而對于TD-SCDMA系統而言，有個很顯著的不同之處就是，各個時隙的負荷可以不同，業務也可以跨時隙分配，且每個時隙分配的數據量也可以不同。由于接納判決中的Node B硬件資源判決與業務使用的碼道擴頻因子密切相關，而軟判決中的上行干擾預測和下行功率預測與每個上/下行時隙當前的負荷以及業務在各個上/下行時隙的資源分配是密切相關的，因此，在接納控制中，首先要根據業務的具體需求為其分配滿足業務 QoS的碼道資源。對于不同類型的業務，根據3GPP協議的基本要求，本文為不同業務設置了不同的速率和接納等級，具體參數如表1所示。

對于固定速率的話音業務，由于其對速率的要求相對穩定，在進行碼道資源分配時，根據其速率要求在上下行都為其分配一個固定的擴頻因子為 8的碼道（等價于2個擴頻因子為16的碼道，這里假設一個擴頻因子為 16的碼道可提供的速率為8kbit/s）；對于可變速率的業務，如交互業務，初始接納時，以最小速率進行接納，也即在分配碼道時，在上行為其分配一個擴頻因子為 16的碼道，下行分配4個擴頻因子為16的碼道，當該業務接入成功后，如果系統的負荷較低，可以提高其業務速率。具體的資源分配判決方式如下。

表1 業務的基本QoS參數

1) 上行鏈路碼道資源分配

如果式（1）的條件滿足，則接納，否則拒絕[5]:

2)下行鏈路碼道資源分配

如果式（2）的條件滿足，則接納，否則拒絕:

2.2 軟資源判決

在TD-SCDMA系統中，上行鏈路可以認為是干擾受限的，下行鏈路可以認為是功率受限的。當新用戶發起呼叫請求時，需要計算新用戶的接入帶來的干擾增量與功率增量，是否大于系統干擾門限與功率門限。文獻[1]中提出了一種適用于WCDMA系統的基于負荷因子的判決方法，該因子可以表示新用戶接入帶來的負荷增量，即干擾增量與功率增量。本文考慮了TD-SCDMA系統的特點，對基于負荷因子的判決方法進行了改進。假設目標小區中已經存在n個用戶，當第n+1個用戶發起呼叫請求時，如果第n+1個用戶能同時滿足上下行接納判決條件，則接納，否則拒絕。

1) 上行鏈路軟資源判決

a) 估計上行鏈路的負荷因子ULη

上行鏈路的負荷因子的定義為

其中，PN表示背景噪聲功率，取值為?112.9dBm；PR表示小區內接收功率， PR=，其中，PT,i表示用戶的發射功率，Lp,i表示用戶i到目標小區的路徑損耗；χ表示區間干擾功率；f表示鄰小區干擾功率與目標小區總功率比，簡稱為鄰本比，f=χ/PR，取值為0.55。b) 估計用戶n+1的接入在上行增加的負荷1nη+Δ新用戶n+1的接入在上行增加的負載因子為

其中，fn+1表示用戶n+1的小區間干擾功率與小區內總功率的比值，取值為0.55；W表示TD-SCDMA系統的碼片速率，取值為1.28Mchip/s；Ri為用戶i的數據傳輸比特速率；S為在速率Ri下需占用的時隙比率，在TD-SCDMA系統中，表現為一個子幀內的一個時隙所占的時間比率，即704/6400；Vn+1表示用戶n+1話音激活因子，話音業務取值0.5，余則為1；(Eb/N0)n+1表示用戶n+1的目標能噪比；Rb,n+1表示用戶n+1呼叫業務的速率。

c) 接納判決

如果式(5)或者式(6)能夠滿足，則接納，否則拒絕。

2) 下行鏈路軟資源判決

a) 估計下行鏈路的負荷因子ηDL

下行鏈路的負荷因子的定義為

b) 估計用戶 n+1的接入在下行增加的負荷Δηn+1

新用戶n+1在下行接入增加的負載因子為

其中，參數的定義同式(7)。

c) 接納判決

如果式(9)或者式(10)能夠滿足，則接納，否則拒絕。

2.3 基于優先級考慮的排隊/降速/強拆

TD-SCDMA的多址接入方案是直接序列擴頻碼分多址(DS-CDMA，direct spread code division multiple access)，采用時分雙工(TDD，time division duplex) 工作模式，不需要對稱的頻帶資源，每個頻點的帶寬為 1.6MHz。該系統的物理信道采用 4層結構:系統幀號、無線幀、子幀、時隙/碼，最小的資源單元式是碼元，如圖2所示。其中，時隙0必須用于下行，時隙1必須用于上行，其他時隙的方向可以根據實際需要進行靈活變化。

圖2 物理信道子幀結構

首先，對于7個正常的業務時隙，每個時隙又包含16個（SF=16）碼道，在正常的UE業務接入，離開服務小區的過程中，由于原有碼道分配的情況，可能使剩余的碼道處于離散狀態，這樣對于需要連續碼道（同一時隙中2個相鄰的SF=16的碼道）的話音業務而言，由于不能分配到連續的碼道而被拒絕，這就降低了業務的接納概率。

其次，由于數據類業務的速率可變性，當小區在某一段時間內，有足夠的剩余資源時，基于提高小區吞吐量的目的，就會提高該UE數據業務（如，視頻業務）的碼道分配數量，或者在上行提高該UE的發射功率，或者在下行提高基站對該UE的發射功率，同樣可以達到使該UE的數據業務速率提高的目的，但是，當新的業務呼叫到達的時候，由于碼道資源、上行干擾受限或者下行功率受限而被拒絕，這同樣也將降低業務的接納概率。

另外，由于業務級別的不同，對于高級別的呼叫業務，為了提高其接納率，當系統已經沒有足夠的剩余資源可以接納新的呼叫時，可以考慮拆除當前系統現有級別比較低的業務，以保證高級別業務的成功接納。但是，該策略也將提高被拆除業務的掉話率，然而對于緊急報警類業務，如火警119業務，緊急報警110、醫療求救120等業務，這種策略是完全可以考慮的。

對于上述情況，結合TD-SCDMA系統的具體技術的特點，特別是TD的業務分類方法，同時考慮呼叫業務請求的不同類型，提出了基于優先級考慮的排隊/降速/強拆接納策略，具體流程如圖3所示。

圖3 排隊/降速/強拆流程

如果硬判決和軟判決的結果都可以接納，則接受該呼叫請求。如果有任何一種情況受限，則不能接入該業務，即發生業務阻塞。在發生業務阻塞的情況下，接納控制根據請求業務的分配/保留優先級以及是否允許排隊，執行排隊和降速，甚至強拆操作。如果業務允許排隊，且系統容許降速，則發起對其他業務的降速操作，為請求的接納讓出資源；否則，如果業務具有強拆其他業務的能力，則發起一次強拆操作，釋放小區內可以被強拆的低優先級業務，為請求的高優先級業務讓出資源。如果業務允許排隊，但不具有強拆其他業務的能力，則將其放入新呼叫隊列，等待擁塞控制將系統負荷降低后再嘗試接入。如果請求業務不允許排隊，又不具有強拆其他業務的能力，則直接拒絕這次呼叫請求，但將該請求的業務放入虛擬隊列，表明系統處于擁塞狀態，負荷控制發現虛擬隊列不為空時，即進行擁塞控制，根據一定的規則降低系統負荷，緩解擁塞，降低后續呼叫的擁塞概率。

1) 排隊和降速/強拆處理

任何業務請求，包括來自新用戶呼叫請求、切換請求或RBC帶寬請求都需要通過接納控制進行帶寬的申請和分配，當系統資源不足時需要根據業務的屬性進行排隊，并根據業務/用戶優先級進行系統降負荷和分組調度，業務請求分為以下幾種情況:

① 新用戶呼叫請求；

② 切換請求；

④ 緊急呼叫請求；

在該策略中，設置3種隊列:

① 新呼叫隊列:用于被阻塞的新呼叫請求；

② RBC隊列:用于被阻塞的RBC帶寬請求；

③ 虛擬隊列:用于被直接拒絕的呼叫請求。

當出現擁塞時，將根據請求業務的屬性做出不同的處理。

① 對于RNC內部的由RBC觸發的無線鏈路重配置若失敗，則不進行強拆，直接進入 RBC隊列，RBC的排隊時間由RNC自定義。

② 對于其他原因觸發的呼叫請求，需要判斷呼叫請求是否有強拆能力:對于 RAB建立/修改/協商，根據 RAB參數中的 Allocation/Retention Priority信元確定。如果Pre-emption Capability取值為may trigger pre-emption，則該業務具有強拆能力。

母乳是早產兒的最佳食糧。目前主張早產兒盡早母乳喂養，但是暖箱內寶寶不適宜母乳喂養，一般是給予特制的早產兒配方奶粉。早產兒配方奶粉不僅保留了母乳的許多優點，使蛋白質、糖、脂肪等營養素易于消化和吸收，和其他配方奶粉相比，還適當地提高了熱量，強化了多種維生素和礦物質，以補充母乳對早產兒營養需要的不足。但早產兒配方奶粉缺乏母乳中的許多生長因子、酶和IgA等。

a) 如果具有強拆能力，在已有呼叫中尋找Pre-emption Vulnerability為pre-emptable并且優先級低于請求業務優先級的業務進行強拆。對于發起強拆的業務，發起流程需要等待強拆的結果，有 2種處理方式。

放入強拆等待隊列，并設置最大等待時間。如果強拆成功，從強拆等待隊列中刪除，并進行接納判決，如果還不能接納，但允許排隊，則進入新呼叫隊列，否則拒絕，并放入虛擬隊列；如果強拆失敗或等待超時，從等待隊列刪除，如果該業務允許排隊，則進新呼叫隊列，否則拒絕，并放入虛擬隊列。

發起強拆后，直接放入新呼叫隊列，等待下一次負荷控制調度隊列時進行接納。排隊時間要小于RAB建立允許的時延，但要大于2次負荷控制調度的時間間隔。在負荷控制進行隊列調度時，優先調度等待強拆結果的呼叫請求。

b) 如果不具備強拆能力，則執行步驟③。

③ 判斷呼叫請求是否具有排隊能力對于 RAB建立/修改/協商，根據RAB參數Queuing Allowed信元決定是否允許排隊，如果 Queuing Allowed為TRUE，允許排隊，否則不允許排隊。對于 RNC內部切換，跨RNC切換，硬切換伴隨SRNC重定位流程，由于考慮到切換時延的要求，不允許排隊；如果允許排隊，則進入新呼叫隊列；否則進入虛擬隊列。

2) 接納隊列的管理

① 所有呼叫進入隊列時，直接放入隊尾，并記錄進隊列的時刻。進入隊列呼叫的排隊時間為用當前時刻減去進入隊列的時刻。

② 負荷控制進行隊列接納時，按照新呼叫隊列－RBC隊列－虛擬隊列的優先順序進行處理，如果前面一種隊列不為空，則不處理后面的隊列。對于新呼叫隊列，排隊呼叫的處理順序綜合考慮業務的接納優先級和排隊時間。首先會對隊列中的呼叫進行嘗試接入，若嘗試接入失敗，則考慮執行降速操作，由于強拆的代價太大，擁塞控制中即使隊列中的呼叫具有強拆能力，也不考慮進行強拆操作。對于 RBC隊列，降速操作后，根據業務的接納優先級和排隊時間進行嘗試接入。對于虛擬隊列，只執行降速操作，而不進行接納。

③ 進行擁塞控制時，首先刪除隊列中超時的呼叫請求，然后根據隊列接納優先級從新呼叫隊列中取出若干個呼叫請求進行接納判決，如果接納成功，從隊列中刪除，否則繼續排隊。

3) 擁塞時是否做接納

可能出現這樣一種情況:新的呼叫進行接納請求時，隊列中有其他的呼叫請求在進行排隊，但當前資源狀況允許新的呼叫請求接入（比如新的呼叫請求速率比較低），那么此時是直接讓新的呼叫接入，還是將其放入隊列？從公平的角度來說，應該讓新的呼叫進入隊列排隊，隊列調度時再根據排隊呼叫的優先級和實際排隊時間來決定哪些呼叫先接入。但從提高系統資源利用率和呼通率的角度來說，則應盡快接入，而不管是否有其他呼叫在排隊。這2種策略各有利弊。在實現時可以通過后臺配置開關進行設置，使運營商根據實際運營策略進行選擇。分為以下幾種情況。

① 不接入新的呼叫請求，如果新的呼叫可以排隊則進隊列，否則拒絕。

② 如果是實時業務（話音業務），接入；如果是非實時業務（交互類業務），排隊或拒絕。

③ 接入新的呼叫請求。

3 仿真分析

3.1 仿真環境

仿真基于 Macro蜂窩小區模型，小區半徑為577m，每個小區使用 3個子載波同覆蓋的組網方式，系統有 19個全向天線宏蜂窩小區組成，且使用Wrap-Round技術。宏蜂窩基站最大發射功率為43dBm，最小單碼道發射功率為 3dBm，移動終端最大發射功率為 21dBm，最小為?49dBm，基站天線增益為11dB，移動終端天線增益為0dB[6]。載波頻點頻率為 1900MHz。陰影衰落為服從對數正態分布的模型，其平均值為 0，均方差為 8dB。快衰落服從Rayleigh分布，由Jakes模型產生。

仿真中使用了 3GPP[6]推薦的路徑損耗傳播模型:

其中，L表示用戶到基站間的路徑損耗（單位:dB）；d表示基站和移動臺之間的距離（單位:km）；f表示載波頻率，取值2100MHz；Δhb表示基站天線高度，取值為30m。

3.2 性能指標定義

接納率（P接納）:在統計時間內被接納的用戶數與發起呼叫的用戶數的比值。掉話率（P掉話）:在統計時間內，已經被系統接納而又非正常中斷的用戶數與所有被接納的用戶數的比值。為了比較客觀地評價接納率和掉話率對系統性能的影響，本文采用了如下的統計模型[7]:

由于掉話率是影響系統性能的主要指標，它對系統性能的影響要大于接納率，因此，文中λ接納取值為1，λ掉話取值為10。資源利用率:某段時間內，被占用的碼道數與所有可用的碼道數的比值。

3.3 仿真結果分析

由圖4～圖6可知，綜合接納控制算法與單獨的接納控制算法相比較，同時考慮了升降速和中斷算法的綜合接納控制算法從總體上提高了系統中業務的服務等級。在系統負荷較高時，綜合算法既能保證系統中現有用戶的服務質量要求，不降低系統的掉話率，又能夠提高系統的接納率，特別是對帶寬速率需求較小的業務的接納。

由圖4～圖6比較可知，相同負荷情況下，話音業務的服務等級要高于其他2種業務，這是由于本文對呼叫業務進行了等級劃分，如果多個用戶同時發起呼叫，優先接納高級別的呼叫用戶。比較圖 5與圖 6，發現級別較低的交互業務在系統負荷大于0.7時，服務等級反而高于視頻業務，這是由于滿足視頻業務保障速率的資源需求大于交互業務，當系統負荷較高時，小速率的交互業務由于資源需求較少，反而更易于接入。

圖7從無線資源利用率的角度出發，描述了2種算法在不同系統負荷情況下的性能。由圖 7可知，當系統負荷較低時，綜合接納控制算法通過適時提高可變速率業務的速率需求，提高了上下行鏈路的資源利用率。與單獨的接納控制算法相比，綜合算法在保證系統中現有用戶服務質量的前提下，提高了無線資源利用效率，進而優化了網絡的性能。

圖4 話音業務GoS圖

圖5 視頻業務GoS圖

圖6 交互業務GoS圖

圖7 資源利用率

圖7為用戶數從8個增加到12個時，權值λi的變化情況，可以看出該算法有很好的適應性，能夠根據不同的網絡環境改變權值λi，以達到最優化的調度。

4 結束語

仿真結果表明，本文提出的綜合接納控制算法，綜合運用了基于負荷的接納控制算法與基于優先級與帶寬差值的升降速與中斷算法，與單純的接納控制算法相比，既提高了系統的業務服務等級，也提高了上下行鏈路資源的利用率。當系統負荷較低時，綜合接納控制算法可以提高系統的資源利用率；當系統負荷較高時，綜合接納控制算法可以提高系統的業務服務等級。由此得知，對于業務需求多樣化的3G系統而言，能夠更好地處理資源利用與系統穩定性的關系。總而言之，綜合算法有效地改善了系統的性能，提高了系統的服務質量，也更適用于以多媒體業務為主的3G系統的無線資源管理的需要。

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