CN1430356A - 宽带码分多址系统中信道化码资源动态优化分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种宽带码分多址系统中信道化码资源动态优化分配方法，包括：一：获得匹配的扩频因子，并作为输入参数；二：判断该扩频因子所对应的码树层上是否有可分配的码资源；若没有可分配的码资源，则执行第六步；三：通过伪度量分配方法进行码资源的优化分配，返回分配码字编号；四：判断返回的编号是否属于本扩频因子所对应的码树层码资源编号；若不属于，则执行第七步；五：返回分配成功的命令，结束；六：返回码资源已被分配完的命令，结束；七：返回由于破网造成不能分配的命令，结束。本方法解决任何情况下的正交信道化码资源分配问题，还能保证正交信道化码的紧致性。相对于基于代价函数法的正交信道化码分配方法，实现简单、计算量小。

Description

宽带码分多址系统中信道化码资源动态优化分配方法

技术领域

本发明涉及移动通讯领域，特别涉及一种关于宽带码分多址(WCDMA)移动通信系统下行链路正交信道化码资源动态分配方法。

背景技术

移动通信经历了第一代模拟移动通信、第二代的数字移动通信(GSM)以及窄带的CDMA通信技术的发展，现已发展到应用宽带码分多址(WCDMA)技术的第三代移动通行系统。WCDMA通信系统是采用码分的工作方式，在物理信道成帧之后，需进行扩频和扰码操作，扩频就是用一个高速数字序列与数字信号相乘，把数据符号转换为一系列码片，提高数字符号的速率，增加信号带宽，用来转换数据的数字序列符号叫做正交信道化码，每个符号被转换成的码片数目叫做扩频因子；扰码操作就是用一个伪随机码序列与已扩频码相乘，对信号进行加密，此伪随机码序列就叫做扰码；在宽带码分多址移动通信系统中，正交信道化码是宝贵资源，其数量非常有限，要使移动通信系统既能接入尽量多的用户，又可以传输多个高速率业务，就需考虑在分配低速率业务的正交信道化码时尽量少的屏蔽掉小扩频因子对应码树上的码字。也就是说，必须考虑码资源的合理使用问题，以使得分配掉码资源后引起码树的阻塞率最小，而码树的阻塞率大小与系统的业务阻塞率密切相关，所以优化分配码资源方法对于增加系统的容量或减小系统的阻塞率是非常有意义的。而且，当正交信道化码不够用而不得不用多码(当正交信道化不够用时，则多条下行物理信道采用一个正交信道化码，而用扰码来区分物理信道)传输时，则会给小区带来很大的干扰。因此，正交信道化码的动态优化分配对于改善链路性能也有非常重要的作用。

随着移动通信技术的快速发展，已有许多学者对移动通信诸多新技术进行了深入研究，然而对于宽带码分多址系统中正交信道化码资源分配问题的研究几乎还是一片空白，《Liu Z，Zarki M E.SIR-based call admission contol forDS-CDMA cellular systems[J].IEEE J SAC，1994，12(4)：638～644》提及的呼叫准入问题具有信道分配问题的性质，但是仅仅是针对窄带直接序列扩频蜂窝系统，不具有应用上的意义。《西安交通大学学报》(vol.35，No.6，Jun.2001.pp581～585，程江、朱世华、党安红)发表的《宽带码分多址系统中正交码的分配策略研究》提出一种关于宽带码分多址系统中正交信道化码的分配策略，其分配策略是基于下面代价函数： $E=A_1{R}_E+A_2{(M-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n)}^2+A_3\mathrm{\Σ}\left\{\underset{C_j\∈L\left(n\right)}{\mathrm{\Σ}}\right[s_i(1-b_{\mathrm{\τ}}\left(i\right)]-[1-{(-1)}^{n_a\left(n\right)}]/2\}---\left(1\right)$

根据公式(1)判断空闲码字的分配代价，并选择代价函数值最小的码字分配给呼叫用户。公式(1)中规定A₁，A₂，A₃是常数，但是对于常数的值如何确定，该文并未给出，然而在计算代价函数值中此值的大小是至关重要的。而且公式(1)中右边的第一项是计算由于随机分配而不考虑正交信道化码的特性而造成码间干扰的干扰代价，其目标函数为： $\min \mathrm{RE}=W\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(s_n\underset{j\∈s_{\mathrm{son}}\left(n\right)}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{jn}}\right)---\left(2\right)$

公式(1)中右边第二项是业务需求代价函数，右边第三项是紧致分配代价函数；从上述的分析和公式可看出，此代价函数的计算不仅需要去确定N个子集，还要进行两重求和运算，至于公式(1)和公式(2)中所有参数的确定都还需进行多次的判决，因此代价函数的计算复杂度很高。基于代价函数方法的正交信道化码分配策略是对于任何一个空闲码字均需进行代价函数的计算，而且对于每一项代价其目标函数的计算都是利用一个比较复杂的公式，这明显增加了系统分配码字的计算量，即增加了系统的开销；同时，基于代价函数法涉及三个常数A1，A2，A3的确定，应以什么标准来定也并没有明确，这样给计算此代价函数也带来了困难，使得此方法实现起来也比较困难，同时给此方法也带来一些主观因素的影响。从实际应用角度来说，此技术只是一种理论性的研究，不可能得到广泛的实际应用。

一份专利号为6,108,369的美国专利(Augest.2000“Channelization codeallocation for radio communication systems”)，主要针对CDMA移动通信系统，提出了一种在扩频方法中采用I、Q复用以及多码传输时如何分配控制和数据物理信道的信道化码，并保证彼此之间的信道化码正交的信道化码分配方法，由于此专利的重点是在保证控制和数据物理信道的信道化码的正交性，而未涉及正交信道化码分配策略和优化的问题，因此可能会因为在用户接入时码资源阻塞从而导致系统容量的减小。另一份专利号为6,163,524的美国专利(December.2000，“Code allocation in CDMA”)，主要针对扩频通信系统扩频正交码的分配问题提出，其原理是：首先从码树上找到可分配的最高带宽的码字，然后根据实际业务的带宽在此码字的子码树上往下一级一级的匹配，直至选择到一个适合此业务的码字。从此方法可以看出在码字分配的紧致性方面也不够理想，这必然会在分配码资源时造成了码资源的浪费，最终也影响了系统的容量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中，基于代价函数方法计算复杂度高、参数不确定性以及不能得到广泛实际应用，以及理论与实际应用相互脱节的缺点。提出一种宽带码分多址通信系统下行链路正交信道化码动态优化分配方法，根据现有码资源的实际状况对新接纳业务的信道码进行实时的动态优化分配，以使系统的码资源状况得到最优。

首先对下述概念作一定义：

定义1：可分配集：扩频因子(Spreading Factor，SF)对应的码树层上可分配的节点构成的集合，简称为A＝{a1，a2，…，am}，见附图2。

定义2：不可分配集：扩频因子(SF)对应的码树层上不可分配的节点构成的集合，简称为B＝{b1，b2，…，bn}，并且m+n＝SF/2。见附图2。

定义3：路径距离矩阵：可分配集中的元素a_i与不可分配集中的元素b_j在码树上的路径距离定义为d_ij见附图2，由A和B两个集合的元素构成的路径距离集，即： $D=\left[\begin{array}{cccc}{d}_{11}& d_{12}& \mathrm{\Λ}& d_{1n}\\ d_{21}& d_{22}& \mathrm{\Λ}& d_{2n}\\ M& M& M& M\\ d_{m1}& d_{m2}& \mathrm{\Λ}& d_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]$

定义4：伪度量：衡量可分配集与不可分配集之间的路径长短。

本发明提出的宽带码分多址系统中信道化码资源动态优化分配方法，包括以下步骤：

第一步：根据WCDMA通信系统中用户所传输的业务速率，获得匹配的扩

频因子(SF)，并作为输入参数；

第二步：判断该扩频因子(SF)所对应的码树层上是否有可分配的码资源；

若没有可分配的码资源，则执行第六步；否则表明有可分配的码资源，继续执行第三步；

第三步：通过伪度量分配方法进行码资源的优化分配，返回分配码字编号；

第四步：判断返回的编号是否是分配成功的码字编号；若不是，则执行第七步；

第五步：返回分配成功的命令(包含分配的正交信道化码标号)，结束；

第六步：返回码资源已被分配完的命令，结束；

第七步：返回由于破网(当用户结束通信时，码资源管理模块就会释放此用户使用的码资源，但由于用户结束通信过程是随机的，因此造成正交信道化码树的码资源占用情况变得很不紧致，也就是所谓的破网)造成不能分配的命令，结束。

第三步中所述的伪度量分配方法，进一步包括以下步骤：

第1步：根据输入的扩频因子判断本扩频因子所对应的码树层是否有单枝被分配的情况，若有则执行第7步；若没有，则执行第2步；

第2步：根据可分配集和不可分配集的构成规则：把双枝都未分配的左节点号加入可分配集，把双枝都已分配的左结点号加入不可分配集，在本扩频因子对应的码树层上分别得到可分配集A和不可分配集B，每个集合中的元素对应的是正交信道化码在码树上对应的节点号。

第3步：计算可分配集A和不可分配集B之间的路径距离；

第4步：确定路径距离矩阵中的最小路径距离；

第5步：找到与最小路径距离对应的可分配集中的元素；

第6步：修改分配节点和所有相关父节点和子节点的分配状态和权值；

第7步：返回分配的正交信道化码标号，结束。

由于在下行方向进行正交信道化码分配时，首先要分配公用信道的正交信道化码，而公用正交信道化码的码字是固定的，只需直接分配即可。因此对于整个码表来说，并不存在一开始对应的扩频因子层上所有的码字均未被分配的情况。

本发明提出的动态优化分配正交信道化码方法，由于在分配时就已经考虑了正交信道化码本身的特点：码字被分配掉以后，就会阻塞掉其子树上的所有低速扩频码和其到根路径上的高速扩频码，所以利用阻塞来屏蔽掉基于代价函数法中所提到的干扰代价和业务代价函数的计算，在实际实现时很容易实现。根据此方法，可以解决任何情况下的正交信道化码资源的分配问题，而且还能保证正交信道化码的紧致性。根据技术方案的论述和实施例的实现可看出，本方法是寻找可分配集与不可分配集之间的最短路径，其目的就是保证分配正交信道化码引起的整个码表阻塞率最小，也既是代价最小；而且伪度量法无须去确定未知的、与系统有关的参数，使得此方法不会由于主观原因产生任何偏差。因此，相对于基于代价函数法的正交信道化码分配方法，本方法不仅实现简单、计算量小，而且实现了对当前码表任何分配状况进行正交信道化码的优化分配。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是正交信道化码树结构图。

图2是对伪度量的定义说明图。

图3是本发明所述动态分配正交信道化码的方法总体流程图。

图4是图3中所述的伪度量分配方法流程图。

图5是本发明所述的优化分配正交信道化码的一个实例图。

具体实施方式

在WCDMA中，行方向采用正交信道化码，来区分物理信道，上行方向采用扰码区分用户。然而，由于一个小区只有一张正交信道化码表(正交信道化码树的结构如附图1所示)，扩频因子越小，正交信道化码的个数就越少；小扩频因子对应的码树上码字是高速扩频码，大扩频因子对应的码树上码字是低速扩频码。而且正交信道化码具有以下特点：(1)只有其父节点码字和其子树上的任何节点码字都没有被分配掉的码字才可以被分配；(2)码字被分配掉以后，就会阻塞掉其子树上的所有低速扩频码和其到根路径上的高速扩频码；从其结构图和特点可看出其正交信道化码资源是非常有限的，因此需要对正交信道化码资源的分配采用优化分配策略，尽量避免由码资源分配的不合理导致多个高速扩频码被阻塞从而造成系统容量减小。宽带码分多址移动通信系统下行方向正交信道化码资源的分配就是在用户接入或业务的服务质量(Quality of Service-QoS)有变化时，根据用户的要求和系统现有的码资源，给用户分配一个合适的码。正交信道化码资源分配的目的是使系统在低复杂度条件下支持尽可能多的用户。

图1说明了正交信道化码树结构，图2说明了伪度量的定义。根据正交信道化码的生成特点，可以把小区的下行链路的所有正交信道化码构成一棵完全二叉树。对于下行方向，整棵码树共有8层，对应的扩频因子SF＝{4，8，16，32，64，128，256，512}。每层上的对应的结点总数等于扩频因子的大小。首先设码树上的每个码字具有两个属性：分配状态(Flag：可设为3个值分别代表已分配、未分配、为下行共享信道预留的子码树状态)和权重(Weight)，其初始值Flag＝未分配，Weight＝0。对应SF层上的节点最大权值为Ma×Weight＝{128，64，32，16，8，4，2，1}，如果节点被分配，则令此节点的Flag＝已分配，Weight＝MaxWeight[i]，然后修改相应的父节点和子节点的权值，分配状态不用修改。父节点的权值只需累加其相应两个子节点的权值就可，此节点之下的所有低速子节点的权值都设为对应层上的最大权值。

对一个移动通信系统来说，其正交信道化码的分配和释放是随机的。首先假设现有的正交信道化码树已分配和占用的码字如图5所示。需要说明的是，图5只是为了说明动态优化分配正交信道化码的应用，只画出了码树的一部分。而动态优化分配正交信道化码的作用是针对整棵码树的。本实例只是针对技术方案，描述基于伪度量法的动态优化分配码资源的具体实现步骤。

在图5中，其中8、9、20、21号节点是已被分配的节点，4号和5号节点是由于其父节点被分配而间接被占用的节点。现在假设扩频因子为32的业务申请正交信道化码。

针对图5，并且参照图1所述正交化信道码树和图2所述伪度量，同时根据图3和图4所述的方法，可以看出，本发明所述的动态优化分配正交信道化码资源的具体实现步骤如下：

(1)首先判断扩频因子为32的层上是否有可分配码资源；判断方法：无论码表的分配状况如何，每层上各节点的权值总和都相等，因此在判断是否有可分配的码资源时，只需累加最小扩频因子层上节点的权值和，然后再加上将要分配的SF层的一个最大权值，得到判断分值，若判断分值大于单层最大权值的总和，则表明此时码表没有与业务相匹配的码资源，返回码资源已被分配完的命令；否则表明有可分配的码资源，继续执行第(2)步；

(2)在码树上对应的扩频因子为32的层上根据可分配集的构建规则得到此层上可分配码字的集合A。在本实例中，得到A＝[0，2，6，10，12，14，16，18，22，24，26，28，30]。

(3)在码树上对应的扩频因子为32的层上根据不可分配集的构成规则得到不可分配码字的集合B。在本实例中，得到B＝[4，8，20]。

(4)计算可分配集中的每个元素与不可分配集中的每个元素之间在二叉树上的最短路径长度，其路径长度的计算只需找到可分配集中的元素与不可分配集中的元素的共同的父节点(包括祖父节点及更上层的祖父节点)，然后把其中一个元素到此父节点的距离乘以2，就得到两元素之间的路径距离长度d_ij。

(5)由第三步就可得到路径距离矩阵D：

(6)判断路径距离矩阵中的最小值。在本实例中为d₃₁、d₄₂、d₉₃；

(7)然后在可分配集中找到对应数组标号为3，4，9的元素，由此即可得到优化分配码字为可分配集中的6、10、22。这说明三者对码树造成的阻塞率是相同的，与实际的分析也想吻合。如果当前只需分配一个码字，只需在这三者当中任分配一个即可；如果当前需同时分配多个码字，则只需在路径距离矩阵中找到最短路径对应的节点号i(每个节点号代表两个码字i和i+1)，然后取出实际需要码字的个数，如果最短路径对应的节点号个数不够需要的个数，则再在次最短路径中取，以此类推，直到取到所需的码字个数；

(8)修改分配节点到根路径上的所有父节点和其子树上的所有子节点的权值，以及修改分配节点的分配状态；

(9)返回分配成功的命令(含分配的码字标号)。

在实际应用中，正交信道化码资源的分配模块处于无线网络控制器(RNC：Radio Network Control)的无线资源管理部分。正交信道化码资源的分配直接影响无线资源的合理使用，并且在下行链路接纳控制时码资源是否受限是接纳的一个非常重要的判决条件。因此正交信道化码资源的分配也直接影响到下行链路的容量大小。一个正交信道化码资源的分配方法是直接在将分配的SF层寻找一个空闲码字，分配最先找到的一个，没有考虑保证码表阻塞率最小的问题，因此系统的容量也比较小。并且，对于节点号也没有使用权值来表征其阻塞的属性，只是在分配节点的根路径父节点上用计数器来记录低速扩频码被占用的个数，然后根据各节点计数器的值的大小来判断所处的状态，正是由于不能直接根据计数器的状态来分配码字，因此每个节点的状态都必须存储在数据库中，每个小区都必须对应一张正交信道化码表，每次分配码资源时，都到数据库对应的表中去查表。而一个RNC下可以挂很多个小区，若用这样的分配方法分配码资源不仅占用的硬盘存储空间很大，而且每次查表需要遍历整张表，时间复杂度也比较大。而采用本发明的动态优化分配码资源方法，只需为每个小区开一个存储码树节点号的数组就可，而不用存储到数据库中，从而节省大量的硬盘存储空间；由于每个节点用分配状态和权值两个属性来表征，并充分利用完全二叉树的子节点和父节点的标号关系特点来分配码字，而不用去遍历整个数组，所以减小了时间复杂度；另外，本发明利用了伪度量法保证分配码字的紧致性，减小分配掉的码字对高速扩频码的阻塞率，提高了WCDMA通信系统下行链路的容量。

采用本发明所述方法，与现有技术相比，具有易于实现，计算复杂度低，系统开销小的特点，便于在实际的系统开发中应用，达到了理论与实际应用相结合的效果，并且提高了在宽带码分多址移动通信系统中正交信道化码分配的效率。从宽带码分多址移动通信系统下行链路的容量角度来说，其容量是受限于基站最大总功率和正交信道化码资源，因此采用本发明提出的方法进行实际实现，可以提高宽带码分多址移动通信系统的容量，这对于宽带码分多址移动通信系统的实际开发具有非常重要的意义。

Claims (6)

1、一种宽带码分多址系统中信道化码资源动态优化分配方法，包括以下步骤：

第一步：根据用户所传输的业务速率，获得匹配的扩频因子，并作为输入参数；

第二步：判断该扩频因子所对应的码树层上是否有可分配的码资源；若没有可分配的码资源，则执行第六步；

第三步：通过伪度量分配方法进行码资源的优化分配，返回分配码字编号；

第四步：判断返回的编号是否是分配成功的码字编号；若不是，则执行第七步；

第五步：返回分配成功的命令，结束；

第六步：返回码资源已被分配完的命令，结束；

第七步：返回由于破网造成不能分配的命令，结束。

2、如权利要求1所述的宽带码分多址系统中信道化码资源动态优化分配方法，其特征在于：第三步中所述的伪度量分配方法，包括以下步骤：

第一步：根据输入的扩频因子判断本扩频因子所对应的码树层是否有单枝被分配的情况，若有则执行第七步；

第二步：根据可分配集和不可分配集的构成规则，在本扩频因子对应的码树层上分别得到可分配集和不可分配集，每个集合中的元素对应的是正交信道化码在码树上对应的节点号；

第三步：计算可分配集和不可分配集之间的路径距离；

第四步：确定路径距离矩阵中的最小路径距离；

第五步：找到与最小路径距离对应的可分配集中的元素；

第六步：修改分配节点和所有相关父节点和子节点的分配状态和权值；

第七步：返回分配的正交信道化码标号，结束。

3、如权利要求2所述的宽带码分多址系统中信道化码资源动态优化分配方法，其特征在于：所述第二步中，可分配集和不可分配集的构成规则是：把双枝都未分配的左节点号加入可分配集，把双枝都已分配的左结点号加入不可分配集。

4、如权利要求2所述的宽带码分多址系统中信道化码资源动态优化分配方法，其特征在于：所述第三步中，计算路径距离的方法是：找到可分配集中的元素与不可分配集中的元素的共同的父节点，然后把其中一个元素到此父节点的距离乘以2。

5、如权利要求1所述的宽带码分多址系统中信道化码资源动态优化分配方法，其特征在于：所述第五步中返回分配成功的命令里包含分配的正交信道化码标号。

6、如权利要求1所述的宽带码分多址系统中信道化码资源动态优化分配方法，其特征在于，所述第二步中，判断是否有可分配的码资源方法是：累加最小扩频因子层上节点的权值和，然后再加上将要分配的扩频因子层的一个最大权值，得到判断分值，若判断分值大于单层最大权值的总和，则表明此时码表没有与业务相匹配的码资源，返回码资源已被分配完的命令；否则表明有可分配的码资源。

Images