蜂窝无线通信系统（共7篇）
蜂窝无线通信系统 篇1
1、引言
现时期电信市场的急速发展是科学技术进步的特征体现, 首先, 体现在无线移动通信系统。发展的特点表现为先进电信技术的广泛应用, 并以传送, 接收和信号处理的数字技术为基础。移动通信在全世界都急速的发展, 并不断地扩大容量和提高服务性能, 使成为大规模的, 大众化的以及能适用于用户个人的需要。
在现代电信的设备中最急速发展的是无线电话通信网络。他深入解决合理经济地分配使用无线电频率的问题, 运用在同一个频率下传送消息的方法, 提高电信网络的运载能力。本文深入分析了影响通信效率的主要因素, 考虑这些因素在内, 提出规划最佳通信工作负荷量的算法。
2、通信网络效率的模型
我们知道在移动用户的无线通信系统中, 移动用户可能会在服务区内产生冲突的情况, 这与冲突概率以及通信信道负载能力有关。
现在我们来分析一下移动用户服务系统, 在移动通信网络中, 我们把服务区域划分成地带, 再把地带划分成扇形区域, 并且每个扇形区由一个调度员来管理、操作。
为了研究这个系统, 我们把一些相关的因数作了标记:用K表示冲突情况的次数, 指数表示用户的型号;而—表示扇形地区的编号;νij—表示移}动用户的密度, dij-—表示在扇形地区中来自移动用户所提供的收入;gij—表示收入中的一部分, 是用来保证无线通信系统正常工作。uj—是指由在j个扇形区里通信信道停顿和在服务用户时延误造成的损失;ρj—表示通信信道负荷系数;qjνjjj—表示在j个扇形地带内发生通信冲突的强度;Vij—表示一个用户通信的平均次数;τj—表示一次通信的平均时长;tj—表示信息在通信信道停留的时间;td, j—指的是在系统中信息允许停留的时间;pj是tj>=td, j的概率, 谆jи谆j, k是指没有冲突和存在冲突时信息延误引起的损失;Sj—是在j个扇形里通信信道工作一个小时的成本;S—在通信地带内总的用户流量所提供的收入;U—在用户的服务地带内产生的总的损失;Φ—收入S高于损失U的超出量, 这个数据很关键, 我们把他作为有效性的评估标准。
我们按照服务地带内固定的用户流量来计算, 可以列出如下式子:
表达式组合 (1) — (10) 代表了移动通信系统效率评估的模型。表达式 (1) 可通过统计制作模型得到最优化的方案, 也可分析移动通信系统效率与服务区域复杂性之间的关系。用户请求服务所需要的时间长度可用函数qj (vj) 表示, qj=a2jjv。这样, 如果在式子 (2) 中不求微分, 而与式子 (9) 一样取平均值, 经过简单的转换式子 (1) — (10) , 并满足条件td, j=td, jk=0时, 我们可以得到:
随着声音转换速率的提高, 在实际的条件下平均通信时长相应减少。认为在多数的情况下, 式子 (11) 中ρj≈ρjk。我们用bj--来表示谆jk/谆j的关系, 假设总的用户流量是均匀的分配在n个相同的扇形区域内, 那么v=nvj, ρ=nρj;式子 (11) 可以简化为:
其中已知谆ш是信息延迟时的平均损失。
3. 通信网络效率的分析
按照公式 (12) 计算得到并用图1表示Ф=f (ν) 的关系式, 假设我们认为保证无线通信正常运营工作成本需满足条件dg=50￥/小时, 用户平均通话为V=4次/用户, 一次通信的平均时长为τ=25秒, 信号延误引起的损失谆=500￥/小时, 假设公式中的系数а=0.01假设公式中的系数Ь=10, 工作一小时的成本为s=20￥/小时 (实线) 和工作一小时的成本为s=100￥/小时 (虚线) .
由于数值谆ш和s的可约性 (参考图1的虚线) , 往较大的数值n过渡的转换交点 (点1和2) 位于峰值的右边, 从图中的虚线上我们可以看出, 可以根据每小时用户流量ν的不同数值来选择最适合、最佳的扇形数量п。例如, 在虚线上当函数Ф=f (ν) 处于用户流量ν≤12, 如果这时п=1时可保证得到最大的收益, 而当12<ν<18时, 如果这时n=2, 从图上的虚线可看出函数ф=f (ν也可得到最大的收益。
随着信号延迟平均损失谆ш的增大, Ф=f (ν) 的最大值开始下降, 向左移动时用户量v也相应减少, 而向右移动时, 下降的坡度较大, ф=f (ν) 急剧降低。这可以说明, 合适的通信系统工作状态应选择关系式ф=f (ν) 左边向上的这条支路。
经以上分析, 得到曲线最高峰的左边对U (总损耗) 影响较大。如果信息延迟时的平均损失谆ш远远大于成本s, 那么为了减少信道负荷量和信息停留时间, 可适当的增大扇形区域数量n, 用来得到较大的收益Ф。
以上得到的结果可用于通信网络系统特性的工程计算中。
4、结束语
在本文中, 分析和研究了无线通信网络效率的模型样品。研究了基站范围无线网络系统的模型, 计算了工作量、服务性能, 和每小时每信道的价格, 从得到的模型样品中计算出基站范围最合理最佳的工作负荷量, 这个模型具有通用性, 也可以运用于其它移动通信种类中。
摘要：移动通信在全世界都急速的发展, 并不断地扩大容量和提高服务性能。如何提高通信网络的效率仍是一个十分迫切和切合实际的问题。本文从通信网络模型样品中计算出在基站服务范围内最合理的信道工作负荷量, 这个模型具有通用性, 也可以运用于其它移动通信系统中。
关键词：通信网络,通信效率,模型
参考文献
[1]杨保海, 郭书超, 刘泽良.移动通信系统发展浅析[J]赤峰学院学报 (自然科学版) , 2008, (12) .
[2]祁玉生, 邵世祥, 现代移动通信系统[M].人民邮电出版社1999
[3]周玮.移动网综合网络优化手段的探讨[D].华南理工大学, 2011, (03)
[4]胡玉佩, 蜂窝移动通信系统资源分配算法的研究[D].北京邮电大学, 2009.
[5]赵启飞, 基于WCDMA无线网络的优化研究与实践[D].云南大学, 2010.
无线蜂窝系统中的定位与技术研究 篇2
随着当今无线通信网络的发展,特别是3G乃至4G的兴起,无线通信网络的定位功能需求也日益扩大。不光是军事上精确定位情报传送而且民用的GPS定位、 医疗救助定位、求生信号定位和通过移动台破获犯罪定位都被应用于生活当中, 且精确度的要求也随着时间推移越来越精密。早在1996年,美国联邦通信委员会(FCC Federal Communications Commission) 发布E-911条例要求网络运营商提供急救的位置。在2001年10月1日前移动网络运营商必须对67% 以上的呼叫定位到达125m内的精确要求。在1999年12月时,FCC99-245又将E-911做了改进,要求基于网络定位必须满足67% 以上用户达到150m内的精确度,95% 以上用户到达300m内的精确度;基于移动台定位必须满足65% 以上用户到达50m内的精确度,90% 以上用户到达125m内的精确度。 蜂窝网络用户通常是慢速移动,现在已经到达了对用户的运动方向以及用户的运动速度做出精确定位,从而衍生出一些检测用户运动状态的移动台。在蜂窝网络进行定位的过程中应该充分利用已有的蜂窝网络资源和GPS位置信息,达到减少影响网络原有功能的效果。要实现蜂窝网络系统对移动台的定位首先必须选取定位类型其次得出定位相应的参数最终通过算法对参数的处理得出移动台的位置信息。
1基于移动台的定位技术
移动台的定位主要是由定位的主体以及不同的设备分为基于移动台的定位技术、基于GPS定位技术两种类型。传统的移动台定位通过在移动台里内置的GPS接收器,供应商在设置的专用定位服务器里向卫星提供定位信号,卫星则向该特定的用户发送定位信号,用户所拥有移动台的GPS接收器在接收信号后向服务器反馈位置信息,从而达到定位的效果。
1.1定位参数估计技术
对移动台的位置进行估计主要是通过三个参数:信号到达角度、信号到达距离、信号到达距离差。到达角通过基站的阵列天线来获得;到达距离通过波达时间或者电波的场强可以获得;到达距离差与距离参数的测量有类似之处,可以测量波达时间再求差或者直接测量时间差。在信号传播当中由于信道衰落的存在使得在测量基站与移动台距离的时候产生偏差。 因此,往往在估计位置时我们一般采用的是波达时间,通过波达时间与距离的关系可以估计移动台的位置。
波达时间的测量主要是通过两种方法:其一是滑动相关或匹配滤波进行粗测;其二是采用延时锁相环进行精测。在无线蜂窝网中测量波达时间由于多径效应和多址干扰会造成测量误差,为了达到减小误差的效果,通常采用MU-SIC来粗测波达时间,采用延时锁相环的修正技术来精测波达时间。
波达时间差的测量一般是通过基站与基站间的波达时间相减来测得,在各个基站测量波达时间的时候,为了提高准确度,该基站会设置自己的滤波装置对接收的信号进行一次滤波,从信号的根源上提高精度。
波达角度的测量是通过波束形成技术完成,波束形成技术存在瑞利限的限制会造成波达角度测量出现偏差,为了解决这一问题,我们一般采用子空间方法来提高波达角的精度,子空间方法用数据传输的特征结构来测量波达角度。
1.2基于几何结构的位置线交叉法
在对于无线蜂窝系统定位中我们采取不同的办法可以测出不同的参量,然而虽然参量很多,其核心任然是将这些参量通过算法转化为对角度、距离、距离差这三个主要参量的求解。
最后再由这三个参量我们转化为对应的位置线,通过位置线与位置线的交点我们就能够确定下来移动台的大致方位。 基本上角度的位置线是直线,距离的位置线是圆,距离差的位置线是双曲线。
直线位置线是通过基站的阵列天线测得信号的角度,以基站为一定点在根据其测量得到的角度投出一条长度不计的射线,同时再根据另一基站为一定点使它测得的角度仍然发出一条射线,同理得知可以得出数条射线交于一点便得出移动台的位置。
圆位置线是通过位置明确的基站和移动台的距离,距离可以通过电波场强和视距传播时间得到,在测量直线距离精确的情况下,使移动台位于以基站为圆心距离为半径的圆上就能定位移动台的位置。
双曲线位置线是通过几个位置明确的基站与移动台的距离差,在距离差精确的情况下,使移动台定位于以两个基站为焦点,移动台与焦点的距离差为所求距离差的双曲线上。采用几条双曲线通过上述方式确定出移动台的位置。
2基于移动网络的定位技术
移动网络的定位是有别于传统移动台关于GPS卫星定位的一种定位方式。移动网络定位不再依赖于外在信号,而是通过终端本身发出信号到达基站,由到达的各种参数通过对应的类型采取相应的算法得出该终端的位置信息实现定位的功能。该定位方式可以通过基站接收的参数不同分为以下三种方式:通过基站接受终端的角度参数(AOA)通过基站接受终端的时间参数(TOA)通过基站接受终端的时间差参数(TDOA)。
2.1 AOA
波达角AOA(Angle Of Arrival)是移动台的信号通过基站阵列天线接收时的角度不同来定位的。波达角的测量精度不高且算法受影响较大,因此一般不会单独使用。
设基站的位置为(Xi,Yi),i=1,2,3…… N,N为定位的基站总数,移动台的位置坐标设为(X,Y),移动台与基站的距离为r, 夹角为 θ。
则得出如下方程式:
由式(2-2-1)和式(2-2-2)得 :
阵列天线的几何图形如下图1所示:
图1 :MS为移动台,BSi为基站, θi为波达角。
2.2 TOA
距离定位TOA是通过基站(BS) 与移动台(MS) 间的直线距离采用几圆位置相交得到移动台的位置。
设基站的位置为(Xi,,Yi),i=1,2,3……N,N为定位的基站总数,移动台的位置坐标设为(X,Y),移动台与基站的距离为r。
要实现TOA的精确定位,至少需要三个或则三个以上的基站同时进行定位处理,如有三个基站信标节点收到同一个未知节点的信号,就能产生一个三圆的位置定位。假设有A(X1,,Y1)、B(X2,Y2)、 C(X3,Y3)三个基站接收到信号。则有下式:
TOA几何示意图如下图2所示:
图2 :A、B、C分别为参与定位的基站。
2.3 TDOA
TDOA定位技术是基于TOA的改进型,通过几何直观可以得出平面中一动点与两个定点的距离差为常数该动点组成的直线为双曲线,一个动点与两个定点可以确定出一条双曲线,两条双曲线才能得到一个交点,换而言之实现TDOA定位技术必须满足至少三个或则更多的基站参与定位。TDOA较之TOA而言其精确度更高且系统简单。
设移动台(MS)的坐标为(x,y),基站的坐标为BSi(xi,yi)其中i=1、2……N,N为测量基站数。MS到各个BSi的距离为ri。
移动台与基站i和发射源于基站1的距离差:
最后通过式(2-4-3)联立方程组就可以得出MS的坐标。
TDOA的几何示意图如图3所示:
图3 :A、B、C分别为参与定位的基站。
3结束语
蜂窝无线通信系统 篇3
关键词：分群,中继,蜂窝网
0引言
随着自组网技术研究的日渐成熟,和以蜂窝网为代表的基础设施网络的不断发展,自组网与蜂窝移动通信系统的结合,形成自组织蜂窝移动通信系统(或简称混合网络), 这一种新型的网络结构逐渐引起了学术界和产业界越来越多的关注,并被认为是未来移动通信系统的重要发展方向之一,将可能成为4G或未来无线移动通信系统的一种重要形式[1,2,3]。这种混合式的移动通信系统可以充分利用自组织网络的优点有效地解决现有蜂窝系统中存在的一些难题,弥补蜂窝系统的缺陷,从而使蜂窝网络和自组网相结合后形成的自组织蜂窝移动通信系统具有许多性能上的优势[4,5,6]。
1混合网络的研究背景
人们在多跳混合式网络方面做了大量的研究文献[5,6,7]提出了一种包括基站的混合式自组织网络,它可以大大提高系统的连接度。文献 [9] 中指出了布放中继站可以有效地改善小区边缘用户的性能,从而解决高速数据的覆盖问题。
纽约州立大学Hongyi Wu等人提出了一种i CAR (Integrated Cellular and Ad hoc Relaying) 系统[1],通过在一些位置布置Ad hoc中继节点,根据实时业务情况将一个小区的流量动态的转移到它的相邻小区,使得几个相邻小区间的总流量可以综合分配,起到小区间负载均衡的作用,并通过仿真表明,该方案可以扩大小区覆盖范围,有效地避免拥塞。
斯坦福大 学的X. Wu等人提出 了MADF (Mobile Assisted Data Forwarding) 网络模型[10],将多跳中继引入了现有的蜂窝网中,主要目的是动态的将热点小区的业务转移到相邻的负荷较小的小区,MADF网络需要在小区内设置具有数据转发能力的代理节点,并预留部分信道资源用于数据的转发,当热点小区负载超过一定门限时,代理节点通过转发信道,广播一个信令信息以表示可以为其它用户进行数据转发,其它用户根据自己的网络带宽需求来选择代理节点为其转发数据,从而完成了把业务量从热点小区向邻接小区的转移。
蜂窝移动通信系统由于引入多跳自组织方式,不仅可以动态地组成局域网络进行点对点传输,并且可以将其与基站间的长距离的数据链路转换成多个短距离的数据链路,从而实现扩大覆盖,提高容量。同时,引入多跳还可以降低发射功率,减少干扰。另外,它支持P2P传输模式, 可以转移流量,从而缓解热点小区的网络拥塞。所以,这种基于组织网络的混合移动通信系统能满足人们对通信更加多样化的需求,具有巨大的商业价值和极为广阔的应用前景。
2系统模型
本章提出了一种应用于蜂窝网的用户协同分群模型, 它将处于小区边缘的用户分成多个互不重叠的群,群的大小可以根据蜂窝网的负载动态调整,群内的用户可以通过群内信道条件相对较好的群首协同,获得分集增益, 从而大幅度改善小区边缘用户的信干噪比 (Signal and Interference Noise Ratio, SINR),提高小区边缘用户的吞吐量和整个小区的吞吐量。
2.1应用场景
现有技术中的协同通信方式主要有两种:第一种是通过固定的中继站进行协同,这种方法需要架设固定的中继站,改变网络结构,建设周期长,缺乏灵活性;第二种方法是通过用户配对进行协同,两个用户通过正交配对或者是随机配对,可以绑定为一个虚拟的多天线的用户。本节提出一种基于混合自组织蜂窝网络的用户分群算法,可以有效地将用户划分为不同的群,从而实现以群为单位的资源分配和资源调度,下面假设了两种应用场景[11]。
应用场景一:基于小区边缘用户协作进行分群
如图1所示,假设在传统的蜂窝网小区中,基站位于小区的中央,基站到小区边缘的最大距离为小区半径。 本节提出的分群算法是将基站覆盖范围分为两个区域:中心区域和外层区域,中心区域的用户位于小区中央,距离基站的距离最近,以单跳的方式直接与基站进行通信;而外层区域位于中心区域的周围,由于距离基站较远,信道条件相对不理想,故将这一区域的用户分为若干个群组, 群组中的用户要想同基站进行通信必须经过群首转发,群首是每一个群组中信道条件和性能相对较好的用户,可以与基站进行直接通信。
应用场景二:MIMO中继网络
而目前由于技术的原因,用户终端上还不能配置多天线,这使MIMO系统在终端一侧的应用受到了限制。可以利用虚拟MIMO技术,将多个用户的天线绑定在一起,这样用户就具备了多天线,形成了一个配置了多根天线的虚拟中继站,如图2所示。由图2可以看出,中继器的天线构成了一个接收阵列,他们是由多个终端组成的群,这样的中继群可以为远端的用户提供临时接入接站的服务。因此,MIMO中继也称为虚拟天线阵 (Virtual Antenna Array,VAA)[12]。这种方式可以应用于机场、学校、商业区等用户比较密集的热点小区,处于小区边缘的用户通过中继群的辅助与基站进行通信,从而实现网络容量和覆盖的提高。 如何构建虚拟天线阵列群,是本章要解决的问题。
2.2假设条件
基于两跳中继网络的群生成算法基于以下的假设 ( 以应用场景一为例 ):
(1) 如图1所示,位于灰色中心区域的用户直接与基站进行通信,位于外层区域的用户将被分为多个群。CH为群首,作为基站和其群内用户的中继,负责群内用户的对外联络。以下行为例,基站要发送数据到某个群的用户, 首先在第一跳发送给这个用户所属群的群首,然后在第二跳群首将信息转发给相应的用户。类似地,在上行场景, 每个群内的用户要与基站进行通信也要需要两跳,在第一跳用户向其所属群的群首发送数据,在第二跳群首将数据转发给基站。
(2) 每个群可以复用相同的时频资源块,其基于TDD的上下行帧结构如图3所示。在下行时隙,首先基站将数据发送到用户所在群的群首,在下一个下行时隙,群首再将其转发给相应的用户。
(3) 在上行时隙,用户将通过其所在群的的群首将数据发送给基站。首先,用户将数据发送给其所在群的群首, 然后群首将其转发给基站,这里假设各个用户间能做到很好的同步。
(4) 以下行为例,假设用户可以把从基站发来的信号和群首转发的信号进行最大比合并。
3分群算法实现
本节提出了一种改进的加权分群算法,选举群首时主要考虑5个因素:用户的连接度、用户的传输功率、用户的移动性,用户的剩余能量和用户与基站的距离,并且各因素的权重因子可以根据系统的要求和用户的处理能力进行动态调整。例如,如果为了优化网络负载应当给予用户度较大的权重;如果想限制用户移动性的影响,则应当赋予移动权重因子较大的值;如果用户的能量受限,则应当赋予用户的剩余电池能量更大的权值,权重因子分配的灵活性使得这种算法能够适应多种网络环境满足多种业务的需要。
定义用户n相对于用户k的相对移动性指标
式中,表示当前用户n收到来自用户k的接收功率,
表示上一测量时刻用户n收到来自用户k的接收功率。如果Mn(k ) < 0 ,表示两用户逐渐远离;否则两用户互相靠近。通过计算用户n和其所有m个相邻用户的相对移动性的绝对值的均值来得到用户n的相对移动性指标越小,说明用户间的相对移动速度越低,用户群较为稳定。
提出的分群算法步骤如下:
(1) 网络初始化时,每个用户都处于未决定状态。每个用户通过周期性的探测可以确定各自的邻居用户数,作为它的连接度dn;
(2) 计算用户n计算到所有相邻用户的距离之和Pn, 如果Pn>Pmax,则将其从相邻用户中剔除,并更新邻居列表和连接度dn;
(3) 计算用户n计算度数与理想用户度Kmax之差,即
(4) 计算用户n的相对移动性指标Mn,详见式 (5-1);
(5) 把每个用户作为群首的时间来表示已经消耗的电池能量,假设初始时,各用户的电池能量相同,并且群首所耗费的电池能量远大于普通用户;
(6) 计算每个 用户和基 站之间的 距离
(7) 将Dn,Pn,Mn,Tn和Sn分别进行归一化处理;
(8) 计算每个 用户n的组合权 重系数In=c1Dn+c2Pn+c3Mn+c4Tn+c5Sn,其中 , c1, c2, c3, c4, c5为权重因 子, 表示各种 因素的相 对重要程 度, 某个因素 越重要, 其相应的 权重因子 也越大, 可以根据 实际业务 需要灵活 掌握, 且满足
步骤9每个用户将得到的In和其用户ID放置在周期性的广播消息中。选择权重最小的用户作为群首,它的相邻用户作为群的成员节点,然后在剩余的用户中再找群首和其成员节点,直至所有的用户全部包含在一个个不重叠的群内。
整个分群的过程由基站控制完成,首先在所有的边缘用户中找到一个组合权重最小的用户作为第一个群的群首,按照预先设定的传输范围和连接度确定其成员节点, 这样完成了第一个分群;然后在剩余的用户当中再找一个组合权重最小的用户作为第二个群的群首,确定第二个群的成员节点;以此类推,直到所有的边缘用户都加入到每个特定的群内。流程图如图4所示。
4仿真分析
4.2仿真假设
本章考虑了正六边形蜂窝系统构成的宏小区环境,无线信道同时受到传播路径损耗、阴影衰落和快衰落的影响。根据上面提出的分群算法模型,进行系统级仿真, 假设在正 交频分多 址 (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) 系统中,每个子载波发送信号的功率相同,详细的仿真参数见表1。其中,基站位于小区的中央,用户均匀分布在整个六边形小区内,在每个快照时间内,用户随机运动一次。小区半径设为1000米, 其中大于600米为小区边缘,用户理想的连接度为5。由于阴影衰落的影响,假设用户间的传输距离为50米,这样比较符合实际情况,还可以降低算法复杂度。另外,由于与基站的距离对用户的性能影响较大,假设加权因子c1, c2, c3, c4, c5分别为0.1, 0.1, 0.1, 0.1, 0.6,也还可以根据实际情况进行灵活设置 , 如表1。
4.3仿真结果
本节将针对加权平均分群算法与传统无分群方案进行了对比。通过对多次仿真取平均值,由图5可以看出, 随着与基站距离的增加,路损的不断增加,相邻小区的干扰不断加强,用户的信噪比逐渐下降。在小区的中心区域, 两种方案的曲线是重合的,一旦超过600米,通过应用分群算法后,小区边缘用户的信噪比得到了显著的提升。信干噪比的CDF分布曲线如图6所示,其中横坐标表示信噪比,纵坐标表示概率,从图6可以看出,应用分群算法后,可以大大改善系统的信噪比分布,尤其是改善边缘用户的信道质量。图7反映了随着用户的增加吞吐量的变化, 用户数量从20增加到80,系统吞吐量逐渐提高,尤其是处于小区边缘用户的通信质量大大改善,系统性能显著提高。由此可见,分群方案比较适合应用于用户密度比较大的场景,这样用户更容易找到协作的用户。通过对比发现, 分群方案要好于传统未分群方案,在分群算法中,由于加权平均算法考虑的因素较多,单纯从容量的角度看略逊于基于最大容量的分群方案;但是从用户公平性的角度来看, 加权平均算法较好;从应用场景来看,加权平均算法适合场景一,而最大容量的分群方案更适合场景二。
5小结
蜂窝移动通信无线网络的优化分析 篇4
关键词：移动通信,网络优化,优化指标,优化流程
无线移动通信技术的发展极大的推动了无线通信在人们生活中的普及与应用, 但是网络前期部署、用户数量增长、无线网络环境变化等情况都会对无线通信网络的性能产生影响, 因而在移动通信系统的日常维护中对无线网络进行优化是一项非常重要的工作。蜂窝网络的优化以实际系统性能和表现为基础, 以参数调整为主要手段, 可以为用户提供更高的无线覆盖率, 更令人满意的无线信号强度和更优质的网络通话质量。
1 移动通信网络的优化内容分析
移动通信网络用户量大, 用户应用复杂多样, 无论是实际建站过程中还是在后期运营维护中都需要对网络进行优化, 以提升网络的覆盖率, 调整网络资源配置, 解决因用户增加、环境变化或者网络故障等所带来的无线网络服务质量问题等。
针对无线通信网络的优化主要集中在使用相关测试设备对需要优化内容的参数信息进行采集与分析等方面, 具体如DT路测、性能统计、OMC信令跟踪以及CQT拨测等内容。根据优化时间和持续性还可以将网络优化划分为日常、中期以及长期三类。其中日常优化主要负责对网络中的断站现象、性能指标突发性恶化、系统非正常警告以及移动通信用户反馈等内容进行处理。中期优化主要是针对无法满足日常应用需求的性能指标或潜在的可能影响网络性能的问题进行优化或排除等。长期优化则是根据蜂窝移动通信无线网络的发展趋势, 在全网层面进行合理调整或优化。
2 无线通信网络的性能指标
对蜂窝网络进行优化其实就是对需要进行优化内容的相关参数进行数据采集与跟踪, 然后使用多种分析手段对所采集的数据信息进行综合分析, 从中查找与发现网络中存在的问题或可优化的参数, 进而通过修改与重新配置蜂窝网络的系统参数或相关功能软硬件模块参数等将蜂窝网络调整到最佳运行状态的过程。
实际工作中, 可用于考察蜂窝网络性能的主要指标包括通话质量、接通率、掉话率、网络覆盖情况等。通话质量是用户在进行无线通话过程中的通话体验。接通率是指有应答的呼叫次数与总呼叫次数的比值。掉话率越低说明网络的稳定性与可靠性越好。网络覆盖情况用于反映蜂窝网络的无线覆盖程度与可支持用户数。全网总话务量与每线话务量也是蜂窝网络中的一项重要考核指标之一。通过优化将两者的关系调整到平衡状态可有效提升蜂窝网络的通信设备利用率。
3 优化流程
蜂窝网络的优化目标主要是合理配置网络的软硬件参数, 控制系统运营成本, 提升系统资源利用率, 在提升网络运营经济效益的同时不断优化与改善网络的稳定性与可靠性。从该目标出发可以制定如下图1所示的优化流程。
该优化流程所使用的主要设备有路测仪、信令分析仪、频谱仪、通信终端等移动通信信号相关分析设备。上述设备准备完毕后即可使用相应的设备对蜂窝网络的参数信息进行集采与存储, 采集完毕的信息包含多种业务数据或通信信令数据, 使用相关软件对这些数据中的信息进行综合分析可以查找出当前网络环境中存在的问题或不足, 针对这些内容即可制定相关的优化方案。执行所指定的优化方案, 对相关参数进行调整或重新配置等即可实现对蜂窝网络的优化。
4 蜂窝网络的优化
4.1 覆盖优化
蜂窝网络的覆盖优化主要集中在基站发射功率调整和工程参数调整等。对发射功率进行调整可以有效提升单个小区的覆盖范围, 对工程参数进行调整可以修改基站天线的辐射方位角、下倾角、高度等信息。通过上述优化过程可以有效解决因覆盖问题所引起的下行链路干扰、覆盖存在盲区或边缘区域效果不佳、信道功率不足、上下行链路不均衡等问题。
4.2 容量优化
单个小区内的用户数量是经常变化和波动的, 对当前小区的话务量相关数据进行统计与分析可以确认该小区的网络容量与小区用户数量是否匹配。当网络容量过小时会加重整个基站的业务负荷, 使得网络通信质量下降。此时增加基站或微蜂窝、调整小区覆盖范围等可有效调整小区的话务量不均衡等问题, 促使网络容量调整到与用户数量相匹配的状态。
4.3 话务均衡与干扰抑制
修改不同小区基站的载频数配置等参数信息可以调整蜂窝网络内不同基站的话务量, 避免出现有的小区业务负荷重, 有的小区负荷轻等问题的出现, 使设备的利用率维持在最佳状态。蜂窝网络部署与运行过程中非常容易出现对同频或邻频的干扰, 这些干扰会严重影响用户的通话质量, 导致网络出现阻塞或掉话等现象, 此时需要对网络内的小区功率、天线方向、以及载频频率等参数进行调整, 抑制或消除相互可能存在的干扰问题。
参考文献
[1]许锡明, 戴美泰, 王道恒.移动通信网无线网络优化工作的探讨[J].广东通信技术, 1997 (3) .
[2]陈兆亮.3G移动通信系统的无线网络优化[J].硅谷, 2012 (10) .
[3]李东升, 王晓蒙.移动通信3G无线网络优化探讨[J].信息通信, 2012 (5) .
蜂窝移动通信网络规划与优化 篇5
1 蜂窝移动通信网络规划和优化的主要内容
1.1 基站参数的检查核对。
在对蜂窝移动通信网络进行优化配置的过程中, 先要采取有效的措施, 对基站中的硬件以及软件进行有效的调整, 保障硬件的调整符合优化的标准要求, 针对基站中的各个硬件实行合理的规划, 对天线的方向以及下倾角进行有效的校正处理, 调整角度位置, 将小区的频率控制在合理的范围内, 确定各个参数的频率, 保障测试仪能够正常的运行, 对出现损坏的信道进行适当的修正处理, 保障基站中参考的时钟能够得到有效的校正。
1.2 有效控制覆盖。
一般来说, 基站的覆盖区域就是在该基站的服务指标范围内, 在这一范围内, 基站可以进行信号的全覆盖, 实现区域内的可通话设置。针对基站的覆盖范围进行合理的频率控制, 使其覆盖区域内的各项参数可以得到合理的规划, 从而保障通话的顺畅性。为了使得基站的覆盖控制效果达到理想化, 就需要对基站的天线高度进行有效的提升, 将基站天线的发射功率进行适当的提高, 这样可以使得基站的覆盖范围相应的扩大, 而如果将天线的长度缩短, 或者是将天线的发射功率相应的缩减, 就会使得基站的覆盖范围相应的缩小。然而, 值得注意的是, 不能够为了扩大基站的覆盖范围, 而盲目的将天线的发射功率进行增大处理, 也不能够为了控制基站的覆盖范围, 而一味的缩减天线的发射功率, 而是要根据基站的实际情况以及区域内所需要的信号强度, 来对天线的发射功率进行调整, 从而对基站的覆盖范围进行有效的缩减和扩展。在服务区域内, 如果要降低接受电平或者是提高接受电平, 而不对蜂窝移动通信网络的电波进行有效的改变, 就会使得电波出现耗损的情况, 这样就会导致, 基站范围内的通话质量受到影响, 尤其是接近基站的区域, 通话的质量会大打折扣, 甚至会出现无法通话的情况。所以, 在一般情况下, 最好不要进行基站功率得到调整, 要想调整基站的覆盖率, 只需要对天线功率进行调整即可, 这样可以有效的避免通话质量的受损。
2 统计数据的收集
在蜂窝移动通信网络规划和优化中, 统计数据的收集是其中的关键一环, 如果不能够收集到全面的统计数据, 就会使优化效果大打折扣。在统计数据中, 包含的内容主要有下行信号测试数据以及上行测试数据等, 针对这些统计数据进行有效的收集, 能够在依据该统计数据的基础上, 实现对故障设备的定位。在蜂窝移动通信网络规划中, 上行信号测试数据以及上行测试数据都对其有着重要的影响作用, 这两个数据能够为网络的优化和规划, 提供可靠的参考数据, 但是值得注意的是, 只有两个数据结合, 才能够使得网络的规划具有合理性, 单独的一项数据并不足以支持网络进行规划, 所以两者的结合是网络优化的必要条件。
3 统计数据的分析
在清楚的了解蜂窝移动通信网络的情况下, 对网络中存在的问题以及原因进行具体的分析时, 可采用的方法包括如下几种:首先根据统计的结果, 对小区中的通话质量进行控制, 对其中蜂窝移动通信网络的信道掉话率以及切换损失率等指标进行改进, 在具体情况的基础上, 对重点问题进行合理的解决, 探究问题出现的原因, 从而实现对每个问题的合理解决。其次, 通过使用较好的测试工具测量实际数据, 得到第1手资料, 发现覆盖差的地方, 通过罚整小区的天线和建设基站来解决;发现切换不成功时, 通过检查和修改小区参数中切换定义来解决。
4 降低掉话率
在蜂窝移动通信网络中, 当人们使用手机的时候, 往往就会出现严重的掉话问题, 这一问题也是人们反应最多的问题之一, 为了能够有效的保障人们的通话效率, 就需要对掉话率进行合理的降低处理, 而要做到这一点, 就需要对网络的质量进行适当的提升。就移动通信网络来说, 掉话率能够反应出一个网络的综合质量指标, 在蜂窝移动通信网络中, 出现的掉话情况往往与设备性能、参数设置以及网络的覆盖等有着直接的关系。根据不同原因导致的掉话问题的出现, 可以采取的解决方法就是利用测试车进行大范围内部的通信信号测试, 确保切换通话的质量。同时, 针对因为干扰因素导致的掉话问题, 可以采取的措施就是利用测试网络来对外部的干扰信号进行隔绝处理, 在基站地质的选择上, 要尽可能的选择远离强磁力设备的区域, 同时要对网络的频率进行有效的规划和调整, 严格的依照频率的应用模式进行频率的增加或者是减弱。而就角度问题所引发的掉话问题, 在进行解决的时候, 可以先利用手机进行试播测验, 然后后依据所得的数据来进行故障的定位, 从而对故障问题进行有效的解决。在对各种可能造成掉话问题出现的因素进行全面分析和了解的基础上, 采取针对性的措施对这些影响因素进行有效的规避, 就可以有效的起到降低掉话率的目的。
5 提高接通率
要想使得蜂窝移动通信网络区域内的通话率可以得到有效的提升, 就需要做好以下几方面的工作:首先, 从设备完好率、中继完好率、信道完好率入手, 每天儿次对所有设备、信道、中继的状态进行检查。其次, 修改不合理的局数据对所有路由数据进行认真检查, 调整不台理路由, 使信令更加畅通等。
结语
上述主要对蜂窝移动通信网路的规划和优化进行了简要的探究。蜂窝移动通信无线网络是整个移动通信系统的中心, 它直接关系到移动通信网能否稳定、可靠、高效地运行, 它的运行质量直接影响整个系统的质量, 故受到移动通信网运营部门的高度重视, 做好蜂窝移动通信网络的优化工作是移动通信网高效运行的关键。
参考文献
[1]吴丽凤.GSM数字蜂窝网的无线网规划[J].移动通信, 2012 (05) .
[2]刘勇强.CSM移动通信网的网络优化的方法[J].移动通信, 2011 (04) .
蜂窝无线通信系统 篇6
蜂窝通信网,特别是3GPP定义的3G/4G系统,是当前应用最为广泛的公共无线通信体系。2008年,蜂窝网用户数已达26 亿。其中,LTE作为未来一代无线通信技术,是蜂窝通信的未来延伸方向,也得到了世界范围内移动运营商的认可。LTE利用新的DSP处理技术和调整技术,可以增加无线网络的通信容量,从2000 年开始被广泛研究。电网的传输范围广泛,终端用户数量非常巨大。
无线通信中,无线资源的分配问题已经被广泛研究,其主要的分配方式可以分为两类:集中式和分布式的方法。在传统的集中规划中,每个需要资源的用户终端将需求发送给基站,基站根据收到的请求,计算并分配指定资源给特定的用户。集中调度的优点是,基站可以完全控制网络中所有的用户,理论上可以达到最高的系统效率。但它需要得到所有终端的信息,这样使得终端和基站之间需要传输更多的信令信息。这些信令包括服务的要求、资源分配需求、信道质量信息反馈和控制信息等,使得基站调度计算相当复杂,不太适合资源有限的无线通信网络。
另一方面,在分布式资源分配中引入博弈论理论,提出一种基于游戏论分析的分布式自适应信道分配方法,需要各个终端用户具有认知无线电的行为。其中的迭代过程复杂且达到纳什均衡也很困难,因而同样也不适合能量和资源有限的无线通信环境。
本文主要针对现有技术之蜂窝通信网中终端用户受外部干扰信道中断后,各个被干扰终端用户之间分布式信道分配问题,研究适用于蜂窝通信网的分布式无线信道分配方法,这也是信息技术领域目前急待解决的问题之一。
鉴于此,本文提出了一种适用于蜂窝通信网的分布式无线信道分配方法,通过终端用户依据信道,建立与基站之间的连接,然后当发送干扰后,终端用户通过控制信道,发送反馈信息至基站,接着基站接收到反馈信息后,将对可用信道进行扫频,利用广播帧通知受干扰的终端用户可用信道信息,然后终端用户收到基站发送的广播帧后,根据优先级机制,选择新的信道重新建立与基站的通信,当蜂窝通信网中终端用户受外部干扰信道中断后,本方案可有效地减少终端用户和基站之间信令的开销。
1 系统模型
本方案选择3GPP-LTE作为蜂窝通信网的无线通信基础网络。如图1 所示(蜂窝通信网的拓扑结构),在蜂窝网络中,数据控制中心可以认为是基站BS( 作为移动通信基站) 。配有无线设备的终端节点,可以认为是无线网络中的用户终端。每个无线终端将采集的数据信息通过LTE无线网络传输到基站的数据控制中心。这里假设每个终端可以周期性检测网络和传输数据。
当受到外部系统干扰后,蜂窝通信网无线通信信道中断,例如:终端用户1,2 和3 的信道被干扰,通信中断。本方案基于LTE的蜂窝通信网通信模型以及其中当外部系统干扰了蜂窝通信网无线通信信道后,研究各个智能终端快速切换到新信道的方法。
2 分布式信道分配方法
本小节提出的分布式信道分配方法的主要思路为:通过采用分布式信道分配方案,各个受到干扰的用户终端,通过计算各自的优先级,选择合适的延时时间,通过切换信道实现消除外部干扰对用户通信的影响。
第1 步:终端用户依据信道,建立与基站之间的连接。
在以3GPP-LTE为代表的蜂窝移动通信系统(即:一个典型的多信道多接入网络) 中,可用的无线带宽可以在基站被划分成多个信道。系统中的每一个用户终端,可以通过其中一个或多个信道将采集的数据传输给基站。在本方案中,每个终端用户可以占用一个信道用于数据传输。基站和终端用户可以利用专门的控制信道,进行控制信息的通信。同时,终端用户可以侦听到网络其他用户的信道占用状况。
具体而言,在本方案中可以假设:可用带宽在基站可以分为多个信道,即{ f1,f2,…,f10}。每个终端用户可以使用一个信道,建立与基站之间连接,并且基站拥有足够多的信道可以被用户使用。
第2 步:当发生干扰后,终端用户通过控制信道,发送反馈信息至基站。
由于蜂窝网络可用于通信的无线频段可能存在与其他无线系统的重叠,因此,当发生外部干扰,智能终端的可用无线信道将被中断,导致不能正常传输数据。一旦无线信道中断和数据传输出现障碍,终端用户可以通过控制信道向基站发送反馈信息,这些信息(即干扰终端反馈包结构) 包括用户标识(ID)、被干扰信道的标识以及信道状态。
例如:可以假设,当蜂窝网络中出现干扰后,终端用户1 ~ 6 无法与基站进行通信。终端用户可以通过控制信道,发送反馈信息至基站。
第3 步:基站接收到反馈信息后,将对可用信道进行扫频,利用广播帧通知受干扰的终端用户可用信道信息。
基站在收到干扰反馈后,对可用信道进行扫频,利用广播帧通知各个受干扰的终端用户可用信道信息。在本方案中,有足够信道可以分派给各受干扰的终端用户。
例如:可以假设在本方案中,基站根据反馈信息进行扫频,并广播告知被干扰的终端用户可用信道信息,即{f1,f2,f3,f4,f5,f6}可用,而{f7,f8,f9,f10} 已经被使用。
第4 步:终端用户收到基站发送的广播帧后,根据优先级机制,选择新的信道重新建立与基站的通信。
当终端用户收到基站发送的广播帧后,将根据优先级机制,选择一个新的信道重新建立与基站的通信。
由于终端用户离基站或干扰源位置不同,可用的信道数量是不同的。为了保证终端用户之间的公平性,即确保每个干扰的终端用户都可以建立与基站的通信,这里给每一个终端用户定义一个优先级p。拥有多的可用信道的终端用户有一个较低的优先级;相反,可用信道较少的终端用户有一个更高的优先级,以便它可以尽早选择可用的信道建立与基站的通信。为了终端用户同时接入同一个信道而产生的避免碰撞,具有相同优先级的多个终端用户需要延迟一段随机时间后,才能选择信道接入。为了确保每个被干扰的用户都可以加入网络,具有高的优先级用户,其延迟时间应该要短于优先级较低的用户。因此,根据优先次序,终端用户延迟的随机时间选择范围是分段的。即,所有被干扰的终端用户必须延迟一个随机时间后,才能选择可用的信道加入该网络。根据终端用户的优先级,延迟的随机时间取值范围是分段的。
本小节所述的分布式无线信道分配方法流程如图2 所示。
3 优先级计算与延迟接入机制
在本方案中,每个被干扰终端用户i的优先级p可以由式(1)计算所得:
其中,参数ki代表第i个被干扰用户的可用信道数。
如图1 所示(受外部系统干扰后蜂窝通信网的无线通信信道中断示意图),终端用户1,2 和3 的信道被干扰,通信中断。根据基站发送广播帧,每个终端用户可用的频道数量可以由图3 所示(终端用户的优先级与可用信道数之间的关系)。即对于所有被干扰的终端用户,根据其可用的信道数目,可以计算得到一个优先级,拥有多的可用信道数的用户具有较低的优先级。
根据公式(1),计算每个UE终端用户的优先级。每个UE终端用户等待一个随机时间,再接入新的信道建立网络连接。优先级和随机延迟之间的关系如图4所示(随机延迟时间的选择范围,其中0 < a1< a2< … <a5)。其中: t1∈ T3,t2∈ T2,t3∈ T1。
为了提高整个无线网络的性能,终端用户可以选择一个随机的延迟之后接入信道增加最大的信道。一旦中断的终端用户选择接入一个新的信道,并恢复了与基站的通信,它将发送一个信令通知其他终端用户。此外,当多个终端用户重新加入网络,一些可用信道被占用,剩下的终端用户需要更新自己的优先级。例如,在信道分配的伊始,被干扰的终端用户可以有多种信道接入选择,因此,它的优先级较低。当一些具有较高的优先级的终端用户加入网络中,部分可用的信道是由这些终端用户的占领。因此,剩下的可用信道减少,于是其优先级需要更新和提高。
为了确保每个中断用户可以接入至少有一个信道,本方案提出动态优先级机制。当用被干扰终端用户接入网络后,其他终端用户可以根据它发送的信令,更新可用的信道数量,并更新其优先级。一旦可用信道被占领后,终端用户可以提高其优先级并先接入网络。即,当终端用户选择合适的信道加入网络后,通知其他用户。其他终端用户可以根据该信息,更新自己的优先级。用于蜂窝通信网无线通信网中遇到外部干扰,其部分终端用户被干扰。基站发送广播帧告知这些被干扰的用户可用信道的信息。根据该信息和本地信息,每个干扰用户可以得知各自具体的可用信道信息。
进一步的,列举一个具体的实例进行说明:
每个终端用户计算自身可用信道。其中,每个被干扰终端用户可用信道信息如图5 所示。
根据可用信道的数量,每个终端用户可以计算得到其优先级。
其中,对于终端用户1 而言,因为只有一个可用的信道,它的优先级是最高的。终端用户1 等待一个随机时间,并第一个接入信道f1,加入网络,如图6 所示。随后,终端用户1 发送信令通知其他终端用户,f1被使用。其中t1∈ T1= (0,a1),如图4所示。
然后,根据终端用户1 的信令,其他终端用户可以更新优先级。此时,定时器复位为0。由于信道f1被占用,终端用户2 优先级提高到最高。等待一个随机的时间后,终端用户2 可以加入通道f2,并发送信令通知其他终端用户。其中t2∈ T1= (0,a1)。
接着,其余终端用户更新自己的优先级,其中,p(3) = p(4) = 1 /2,p(5) = 1 /3,p(6) = 1 /4。终端用户4 等待一个随机的时间后,可以加入信道f5,并发送相应的信令,t4∈ T2。各终端用户继续更新各自优先级。终端用户5 可以以同样的方式通过信道f5接入网络,t5∈ T2。由于f4信道被终端用户5 占用,终端用户3 可用的信道只剩下一个,p(3) = 1。终端用户3 中可以选择信道f3并发送相应信令,t3∈ T1。
此时,p(6) = 1,终端用户6 可以选择信道f6,t6∈ T1。
于是,终端用户在收到基站发送的广播帧后,接着根据优先级机制,选择新的信道重新建立与基站的通信。
4 性能仿真
本文采用MATLAB语言进行仿真实验,验证了所提的分布式无线信道分配方案。仿真假设如下:蜂窝通信网的小区内包括若干个用户终端,每个终端有具备信道检测以及向基站(或数据中心) 传输数据的能力。蜂窝通信网的拓扑结构如本文第二小节所述。假设当外部干扰发生后,网络中有6 个终端的通信被干扰,并且如图5 所示存在着6 个可用的接入信道。
如图7 所示,当采用本文所提的分布式无线信道分配方法后,每个终端都可以公平且有效的接入网络。显然,如果所有的用户终端都对可用信道的进行竞争,则对于那些可用信道数少的终端而言,竞争相对不公平。例如:对于终端1,如果f1被终端2占用,就只有一个无线信道可以使用了。如果采用传统的方法,一些终端则必须等待一段较长的时间,知道基站为其分配新的无线信道。
5 结束语
本文提出了一种适用于蜂窝通信网的分布式无线信道分配方法,通过终端用户依据信道,建立与基站之间的连接,然后当发送干扰后,终端用户通过控制信道,发送反馈信息至基站,接着基站接收到反馈信息后,将对可用信道进行扫频,利用广播帧通知受干扰的终端用户可用信道信息,然后终端用户收到基站发送的广播帧后,根据优先级机制,选择新的信道重新建立与基站的通信,当蜂窝通信网中终端用户受外部干扰信道中断后,本方案可减少终端用户和基站之间信令的开销。
参考文献
[1]Dahlman E,et al.3G Evolution:HSPA and LTE for Mobile Broadband[M].2nd ed.Academic Press.2008.
[2]Clark A,Pavlovski C J.Wireless networks for the smart energy grid:application aware networks[C].Proc.IMECS 2010.
[3]Smith B.An approach to graphs of linear forms[C].Distributed and Centralized Scheduling in Multi-hop Cellular System,Wi Com'09,Sept.2009:1-5.
[4]Nin N.Comaniciu C.Adaptive Channel Allocation Spectrum Etiquette.First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks(Dy SPAN).2005:269-278.
蜂窝无线通信系统 篇7
无线通信中数据业务的急剧增长, 使得频谱资源短缺成为移动通信面临的挑战, 因而推动了一些先进无线网络和系统的出现, 目的是为大量用户提供一个高速率、高质量的通信网络。在传统蜂窝网络中, 不允许用户之间直接通信。通信过程由基站转接分为两个阶段:一是发射机到基站, 即上行链路;二是基站到接收机, 即下行链路。这种集中式工作方式便于对资源和干扰的管理与控制, 但资源利用效率低。为了提高频谱利用效率, 2008年高通公司首次提出设备到设备 (D2D:Device-to-device) 通信技术[1~3]。近年来, D2D通信引起了广泛关注, 诺基亚、爱立信、华为等也一直致力于此项技术的研究。D2D通信是一种在蜂窝系统的控制下, 允许终端用户通过共享小区资源进行直接通信的新技术, 如图1所示。传统的蜂窝网络[4]通信是发射机到基站, 在由基站到接收机, 如图2所示。
这种集中式的控制方式资源利用效率低。蜂窝网络引入D2D通信, 可以减轻基站负担[5,6], 减小通信时延[5]。与蜂窝通信相比, D2D通信仅占用一半的频谱资源。此外, 距离较近的用户利用D2D通信可减小传输功率[6,7], 节约能耗。因此, D2D通信有望成为未来移动通信的关键技术[5~7]。当然, 蜂窝网络通信系统和D2D通信之间以及D2D用户之间的干扰也是个关键问题, 为了实现它们直接通信的整体利益, 可以采用一系列功率控制和干扰抑制方法来实现通信利益的最大化以满足用户要求。
二、D2D通信存在的问题
D2D通信适用于当地的业务, 所以如果基站前端预留资源给D2D通信, 则会引发资源的有效使用率降低, 特别当是D2D出现的概率较低的情况下。当普通用户和D2D用户共享相同使用资源的时候, 就会在小区中产生一定的干扰, 导致使用性能的损失。当出现这种问题时, 从保证原有蜂窝用户的使用性能的角度来说, D2D用户必须适当控制其发射功率。然而, 如果D2D移动通信用户和复用相同的资源的蜂窝用户的距离近, 那么, D2D用户控制和抑制干扰效果是不理想的, 值得注意的是, 造成此种结果的原因是由于基站与用户间的发送功率差别太大。
D2D通信的主要问题之一是复用小区用户的资源所带来的干扰问题。D2D通信复用上行链路资源时, 系统中受D2D通信干扰的是基站。D2D通信复用下行链路资源时, 系统中受D2D通信干扰的是下行链路的用户。而受干扰的下行用户的位置决定于基站的短期调度。因此受D2D传输干扰[8]的用户可能是小区服务的任何用户。
三、功率控制方案
由于频谱的复用, D2D通信不能没有适当的控制, 严重的干扰可能会违背D2D通信的原始意图。功率控制 (PC:Power control) 可以抑制同信道干扰和优化系统的性能, 是实现个人Qo S要求的一个有效途径。近年来, 国内外的研究机构已经开展了功率控制方面的研究, 取得了一定的研究进展。由于对蜂窝网络[11]终端直通通信的质量和要求不一, 实现功率控制的方案灵活多样, 但是主要目的都是为了抑制干扰。在此主要介绍三种功率的方案。
3.1分布式功率控制
分布式功率控制 (DPC:Distributed power control) 方案最先进的目前主要有两大类型:目标追踪型 (TPC:Target-tracking DPC) 和机会主义型 (OPC:Opportunistic DPC) [9]。在TPC方案中, 一旦实际的信噪比水平与我们设定的信噪比目标不一致, 发射功率将会调整以实现与信噪比目标预定的功率值[10]。简而言之, 就是实现目标信噪比水平的同时实现总功率消耗最小[11]。
在OPC方案中, 低SINR (Signal to interference and noise ratio) 水平不满足用户对Qo S要求, 高SINR水平会导致系统容量缩水[12]。OPC提出了一个信号干扰产品 (SIP:Signal interference product) [13]利用多用户冲突链接的多样性, 检测用户的传输欲望, 如果发送功率大的话, 用户减小他的信噪比目标, 避免不成比例的功率消耗;否则, 增加其SINR的目标, 相应地, 利用有限的信道条件, 提高无线资源的利用率。OPC避免功率发射每个用户有机会合理的设置自己的SINR目标, 从而提高系统的容量。
可以充分利用干扰避免算法, 建立功率控制的约束条件模型[14], 设定蜂窝网络覆盖范围、天线增益, 噪声系数功率谱密度等参数, 设立两个终端通信的距离、信噪比、发送功率设立门限值, 然后增加偏置方案和接纳控制, 模拟蜂窝网小区内两个终端通信, 通过系统仿真来验证DPC方案的收敛性和性能, 以规避无效的功耗, 并保持系统的可行性, 从而实现功率控制和抑制干扰的目的。
3.2联合功率和速率控制
发送功率和速率[15,16]的联合控制[17], 可以使蜂窝通信速度实现最大化的同时又保证D2D通信的服务质量。一对D2D用户在共享蜂窝网络资源时, 可以实现连续干扰消除 (SIC:Successive interference cancellation) 和单用户监测 (SUD:Single user detection) [18]。蜂窝用户对D2D接收机干扰很强时SIC是有益的, 当干扰较弱时, D2D接收机可以直接处理噪声, 因此对于弱干扰, 蜂窝通信的发送速率和发送功率不需要控制。蜂窝网络下D2D通信如图3所示, 当蜂窝网用户对D2D接收机干扰强时实行发送功率最优化策略对发送速率进行控制, 干扰弱时实行发送速率最优化策略, 对发送功率进行控制。针对不同场景和用户的要求也可以在此方案基础上自行设定一个接近最优算法, 找出功率和速率的最优值, 满足自身需求。
3.3功率和波束成形联合控制
考虑到D2D和蜂窝网整个系统的特点, 可以使用支持向量机 (SVM:Support vector machine) [19]为基础的方案, 来解决蜂窝网用户终端和D2D用户终端共存的约束优化问题[20]。SVM是一种监督计算机学习算法, 利用已知 (或相似) 场景来识别未知 (或相似) 情况[21]。首先, 把这个约束优化问题转换成在满足两者服务质量要求和一定干扰水平下的所有终端发送总功率的最小化问题。利用已有的统计信道状态信息[22,23]提出一个近似的方法来放松约束条件, 用支持向量机算法求解每个用户的发送功率和波束成形权向量的优化问题。然后得出在网络中每个用户的遍历容量 (EC:Ergodic capacity) 的解析表达式和平均误符号率 (ASER:Average symbol error rate) 。以此, 针对不同的场景要求, 可以通过仿真作出合理的性能分析, 来实现功率控制的目的。
四、结束语
未来的通信系统被描述为高速率、大容量, 而可用于移动通信的频谱资源十分有限, 更加充分、高效的利用频谱资源在未来的通信系统中变得十分重要。D2D通信应用于许可频段, 相对于WLAN、蓝牙等应用于非许可频段的通信技术相说, 有干扰可控等优点。资源复用模式下的D2D通信进一步提升了蜂窝网络的频谱效率, 但却带来了新的干扰问题。目前, 国内外学术领域对功率控制和干扰抑制的研究还在不断进行中, 各种功率控制方案层出不穷, 蜂窝网络终端直通通信干扰环境复杂, 但是通过一系列的实验研究发现, 功率控制是抑制干扰的一种有效手段。可以提高整个蜂窝小区的通信速率, 并且在保证用户服务质量的同时实现较低的能耗支出, 延长移动终端电池的使用时间, 从而为用户提供更加稳定、可控的通信环境。
摘要：随着智能用户设的普及和高速网络应用爆炸式增长, 人们对移动网络的系统容量和服务质量的要求不断提高。设备到设备 (D2D:Device-to-device) 通信是在系统的控制下, 允许终端直接通过复用网络资源并提升网络容量。D2D通信复用上行链路资源时, 基站容易受到干扰, 复用下行链路资源时, 下行链路的用户容易受到干扰。为了构建一个高效的移动网络, 通过功率控制来抑制基站或终端用户之间的干扰, 以满足用户服务质量的要求。