一種TD-HSUPA系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信道分配方法*

王 耀，李方偉，朱 江，張家波

（重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400064）

1 引言

在TD-SCDMA引入HSDPA技術(shù)后，3GPP為了應(yīng)對(duì)用戶日益增長的高速上行接入需求，也為了和其他標(biāo)準(zhǔn)競爭，在R7版本協(xié)議上引入了HSUPA技術(shù)。HSUPA通過使用自適應(yīng)調(diào)制編碼 （AMC）、混合自動(dòng)重傳請求（HARQ）以及快速分組調(diào)度技術(shù)（FPS）等增強(qiáng)了上行用戶速率和系統(tǒng)吞吐量。在組網(wǎng)方面，HSUPA的組網(wǎng)可以與已有HSDPA網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)，也可以只與R4組網(wǎng)，在升級(jí)到HSPA+以后還可以組建只含有HSUPA和HSDPA的網(wǎng)絡(luò)。筆者提出一種在TD-HSUPA系統(tǒng)上的動(dòng)態(tài)信道分配方案，它使得基站能夠根據(jù)對(duì)用戶的測量結(jié)果，給用戶分配合理的時(shí)隙和碼道，讓用戶有更好的通信體驗(yàn)。

2 HSUPA系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信道分配算法

2.1 智能天線技術(shù)

智能天線技術(shù)是TDD系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。智能天線通過一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元獲取已接入用戶的方向性，并將信號(hào)發(fā)送和接收限定在朝用戶的方向，將方向增益最大的主波束信號(hào)對(duì)準(zhǔn)用戶，而在其他方向上增益卻很小。由于TDD技術(shù)的上下行鏈路使用同一載頻，因此能更好地使用智能天線技術(shù)。智能天線的波束賦形增益可以表示為[1]

式中：如果是計(jì)算上行干擾，則α是用戶到基站方向的夾角，當(dāng)用戶位置固定時(shí)為一定值；?k為第k個(gè)用戶發(fā)射的干擾信號(hào)到基站的夾角，取值范圍為0～2π；M是天線陣元數(shù)，由于TD-SCDMA的智能天線一般為8根，所以M取8；λ為無線波長，R=0.6522λ。

2.2 HSUPA的接納控制與上行目標(biāo)載干比

當(dāng)用戶發(fā)起呼叫，基站根據(jù)接納控制算法判斷用戶能否接入的兩個(gè)準(zhǔn)則是：必須滿足新接入用戶的資源請求；必須滿足在接入新的呼叫用戶后，網(wǎng)絡(luò)中已有用戶能保持好的通信質(zhì)量，有足夠的空閑碼道分配給新用戶使用[2]，即

式中：Ctotal表示新呼叫到來時(shí)已經(jīng)被使用的碼道數(shù)量；ΔCn表示新的呼叫所需要的上行碼數(shù)量；Cth表示用戶可以使用的上行碼道的最大值。

新用戶的接入，勢必會(huì)提升基站的接收功率，意味著系統(tǒng)的噪聲也會(huì)提升，但是基站中移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率沒有及時(shí)變大，以致基站接收這些移動(dòng)臺(tái)信號(hào)的信噪比降低，直接影響用戶的通信質(zhì)量，所以接納控制算法應(yīng)滿足以下準(zhǔn)則[3]

式中：Ii是系統(tǒng)總接收功率；ΔI是新呼叫到來后系統(tǒng)增加的接收功率；Ith是系統(tǒng)能容忍的最大接收功率；rth是接入背景噪聲提升門限值；rm是切換用戶設(shè)置的冗余值；PN是系統(tǒng)背景熱噪聲。

移動(dòng)臺(tái)發(fā)送上行信號(hào)時(shí)，其目標(biāo)信號(hào)載干比可表示為[3]

式中：W指系統(tǒng)的碼片速率；Si為在該速率下占用的時(shí)隙比率；vi為用戶i的語音激活因子，如果是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其值為 1；Ri為用戶 i的比特率；（C/I）i為用戶 i接收信號(hào)的信干比；在發(fā)送上行信號(hào)時(shí)，C為移動(dòng)臺(tái)發(fā)送的信號(hào)經(jīng)過路徑損耗以后被基站接收的功率。

I為基站接收的干擾信號(hào)，由三部分組成：一部分來自小區(qū)內(nèi)其他移動(dòng)臺(tái)的干擾；一部分來自小區(qū)外移動(dòng)臺(tái)和基站的干擾；還有一部分是熱噪聲，所以I可表示為

式中：β為由于在上行信道中采用多用戶技術(shù)的相關(guān)作用而引起的干擾消除，即聯(lián)合檢測因子，經(jīng)驗(yàn)值取0.9；Pm′是基站接收的非本小區(qū)移動(dòng)臺(tái)和基站發(fā)射的功率；PN為背景熱噪聲；N為小區(qū)接入的用戶數(shù)；G為使用智能天線的增益。所以最后式（5）可以表示為

2.3 基于智能天線測量的HSUPA動(dòng)態(tài)信道分配算法

因?yàn)橹悄芴炀€有下行波束賦形、上行分扇區(qū)接收和測量用戶方位的功能，所以智能天線將對(duì)解決同頻干擾問題起到很大的作用。

由文獻(xiàn)[4]中的性能測試分析可知，在TDD系統(tǒng)中影響系統(tǒng)性能的干擾主要是同頻干擾，如果又存在交叉時(shí)隙干擾，將會(huì)對(duì)上下行都產(chǎn)生極大的影響，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)速率為零，所以應(yīng)盡量避免出現(xiàn)此類情況。

文獻(xiàn)[5]把交叉時(shí)隙歸為緊急組而非普通組，來緩解出現(xiàn)同頻交叉時(shí)隙干擾的情況。文獻(xiàn)[5]的算法是當(dāng)用戶接入時(shí)，優(yōu)先將普通組的資源分配給用戶使用。若普通組剩余資源無法滿足需求，則調(diào)整發(fā)射功率較小的用戶使用緊急組資源，釋放其在普通組中的資源，而給新加入的用戶分配普通組資源。如果沒有可以釋放的普通組資源，則使用緊急組資源對(duì)新用戶進(jìn)行接納控制。如果所有的時(shí)隙都沒有足夠資源分配給新用戶，則調(diào)整切換點(diǎn)的時(shí)隙，使用文獻(xiàn)[6]中提出的方法補(bǔ)充。

文獻(xiàn)[5]提出的方法盡管比較完善，但還有幾點(diǎn)不足：首先是沒有考慮用戶結(jié)束業(yè)務(wù)釋放連接的問題，如果用戶結(jié)束業(yè)務(wù)，非交叉時(shí)隙的資源被釋放，而此時(shí)尚有用戶在使用交叉時(shí)隙的資源，應(yīng)該調(diào)整這部分用戶使用較好的資源。其次，文獻(xiàn)[5]沒有將用戶的移動(dòng)考慮在內(nèi)，應(yīng)該考慮部分用戶在使用業(yè)務(wù)時(shí)可能向信號(hào)更好的方向移動(dòng)，也可能向信道更差的地方移動(dòng)，比如當(dāng)使用交叉時(shí)隙的用戶朝遠(yuǎn)離服務(wù)基站的方向移動(dòng)時(shí)，其上下行功率都在逐漸增大，這勢必會(huì)造成本小區(qū)ROT的增大和鄰小區(qū)用戶干擾的增加，所以當(dāng)使用智能天線對(duì)所有用戶位置進(jìn)行測量時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)有用戶遠(yuǎn)離服務(wù)基站，靠近小區(qū)邊緣，應(yīng)將這類用戶使用的交叉時(shí)隙與近基站用戶使用的普通組時(shí)隙交換，避免產(chǎn)生嚴(yán)重干擾和掉線。如果用戶運(yùn)動(dòng)到信道條件好的地方，則根據(jù)需求情況將該用戶使用的時(shí)隙切換到交叉時(shí)隙，以節(jié)約優(yōu)質(zhì)信道資源。

由于目前主流的都是多頻點(diǎn)組網(wǎng)，即一個(gè)基站被配置了一個(gè)主頻點(diǎn)和多個(gè)輔頻點(diǎn)，所以結(jié)合HSUPA的特點(diǎn)和文獻(xiàn)資料，筆者提出了基于智能天線測量結(jié)果的DCA算法（見圖1）。

算法步驟具體如下：

1）由于相鄰基站都是多頻點(diǎn)組網(wǎng)，在頻點(diǎn)有限的情況下，頻點(diǎn)復(fù)用不可避免，所以有必要在相鄰基站的交界處劃分使用同頻載波的區(qū)域，將距離服務(wù)基站較近，在此區(qū)域使用同頻產(chǎn)生干擾較小的區(qū)域規(guī)定為“安全區(qū)”，而把交界區(qū)域規(guī)劃為“非安全區(qū)”。

2）設(shè)圖1中基站1、基站2和基站3的主/輔載頻分別為F1/F2，F(xiàn)2/F3和F3/F1，當(dāng)新的用戶請求接入服務(wù)時(shí)，無線網(wǎng)絡(luò)控制器依據(jù)終端的請求分析需求的資源數(shù)，并且利用智能天線測量該用戶的位置，如圖1中用戶A處于“安全區(qū)”，優(yōu)先接入主載頻 F1，如 F1資源不夠，才使用輔頻點(diǎn)F2。若用戶在“非安全區(qū)”，則優(yōu)先將主載頻F1的碼道資源配置給此用戶使用，若頻點(diǎn)F1上剩余碼資源無法滿足需求，則根據(jù)智能天線測量此用戶的位置信息，獲取用戶背后小區(qū)的主頻點(diǎn)信息，并判斷是否和本小區(qū)的輔頻點(diǎn)同頻，如果不同 （如圖1中用戶B），則配置F2給用戶使用，若相同（如圖1中用戶C），則調(diào)整本小區(qū)內(nèi)用戶的載頻，將發(fā)射功率小的，在“安全區(qū)”中使用F1載波的用戶切換到頻點(diǎn)F2上，騰出F1上的碼道資源配給用戶C使用。否則只能降低數(shù)據(jù)速率，或?qū)接入到小區(qū)基站2的載頻F3上。

3）當(dāng)存在交叉時(shí)隙時(shí)，用戶接入時(shí)，先用智能天線測量用戶所在位置，當(dāng)用戶在“非安全區(qū)”時(shí)，給用戶分配與背后小區(qū)無交叉時(shí)隙干擾的碼資源。如果沒有滿足要求的碼資源，則按步驟2）中所述，通過調(diào)整本小區(qū)的碼資源分配來接入新的用戶。

4）當(dāng)用戶在通信的過程中，智能天線對(duì)服務(wù)小區(qū)內(nèi)用戶位置作測量，如果發(fā)現(xiàn)從“安全區(qū)”已經(jīng)移動(dòng)到“非安全區(qū)”的用戶，并且該用戶正使用與背后鄰小區(qū)相同的載頻，則按步驟2）中所述方法作調(diào)整，將該用戶切換到其他碼資源，避免移動(dòng)出“安全區(qū)”的用戶因受干擾增強(qiáng)而掉線。

3 仿真和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

3.1 仿真平臺(tái)

在使用Matlab編寫的HSUPA仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上，考慮多頻點(diǎn)情況，對(duì)文獻(xiàn)[5]和基于智能天線測量用戶位置的DCA算法進(jìn)行仿真，并加以比較。

筆者采用基于離散事件時(shí)間驅(qū)動(dòng)機(jī)制的方法來模擬業(yè)務(wù)發(fā)起的過程，也就是模擬時(shí)間流逝過程中系統(tǒng)各個(gè)模塊的運(yùn)行機(jī)制。業(yè)務(wù)仿真考慮了CS域和PS域混合的情況，CS域按固定速率接入，PS域按照ON/OFF模型建立了兩種常見的業(yè)務(wù)：HTTP和在線游戲業(yè)務(wù)。小區(qū)模型采用Wrap-Around的概念建立7小區(qū)模型。頻點(diǎn)配置如圖2所示。

路損計(jì)算公式為[7]式中：d為基站到用戶的距離。

當(dāng)新用戶接入系統(tǒng)時(shí)，由路損確定此用戶的各初始發(fā)射功率，然后作1 dB的閉環(huán)功率調(diào)整，聯(lián)合檢測因子采用0.9計(jì)算。調(diào)度算法基于優(yōu)先級(jí)，由于語音業(yè)務(wù)是通信體驗(yàn)最重要的業(yè)務(wù)，也是運(yùn)營商的主要收入來源，所以網(wǎng)絡(luò)條件較差時(shí)首先保證語音業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量，其次是游戲業(yè)務(wù)，最后是HTTP業(yè)務(wù)。本文的仿真中使用HTTP和游戲業(yè)務(wù)的人數(shù)和語音業(yè)務(wù)的大致相等，每人同時(shí)只使用一種業(yè)務(wù)，新用戶隨機(jī)產(chǎn)生，并按照3 km/h的速率運(yùn)動(dòng)，當(dāng)新用戶接入時(shí)按上述比例隨機(jī)決定使用哪種業(yè)務(wù)?；咀畲蟀l(fā)射功率為43 dBm，移動(dòng)終端最大發(fā)射功率為22 dBm，最小發(fā)射功率為-49 dBm，陰影衰落均方差為10 dB，基站和移動(dòng)臺(tái)最小耦合損耗為70 dB。

3.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及仿真結(jié)果

圖3給出了小區(qū)用戶數(shù)增多的情況下兩種動(dòng)態(tài)信道分配算法的上行掉話率。由圖3可以看出當(dāng)用戶數(shù)少的時(shí)候，基于智能天線測量結(jié)果的DCA算法和文獻(xiàn)[5]中的算法沒有區(qū)別，主要原因是用戶數(shù)少，并且文獻(xiàn)[5]中的算法也做了時(shí)隙優(yōu)化。但是隨著用戶數(shù)增多，基于智能天線測量的算法優(yōu)勢就可以體現(xiàn)出來：1）中心區(qū)用戶結(jié)束通話釋放資源時(shí)，能調(diào)整邊緣用戶使用此資源；2）智能天線測量到用戶從小區(qū)中心移動(dòng)到小區(qū)邊緣時(shí)能做碼資源調(diào)整，延緩用戶掉話率增大；3）在輔頻點(diǎn)開啟后，智能天線測量用戶位置能輔助無線資源管理器給用戶配置輔頻點(diǎn)。通過上述3點(diǎn)，基于智能天線測量的算法在上行掉話率上相比文獻(xiàn)[5]中的算法有更優(yōu)的表現(xiàn)。

在TD-HSUPA上，基于智能天線測量的算法在用戶結(jié)束通話和用戶移動(dòng)到小區(qū)邊沿時(shí)都要進(jìn)行碼資源的調(diào)整，盡可能地利用信道資源，這導(dǎo)致在發(fā)送同等數(shù)據(jù)量的情況下，基于智能天線測量的算法吞吐量更大。在用戶數(shù)較多時(shí)啟用了輔頻點(diǎn)，基于智能天線測量的算法能更好地輔助無線資源管理器給用戶分配碼資源，所以在系統(tǒng)達(dá)到極限之前有更大的吞吐量（見圖4）。

4 小結(jié)

筆者在文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上，提出了一種基于智能天線測量結(jié)果的動(dòng)態(tài)信道分配方法，該方法通過智能天線測量用戶的方位，能輔助基站給用戶分配時(shí)隙資源。仿真表明該算法對(duì)比文獻(xiàn)[5]中提出算法，能更好地避免鄰小區(qū)同頻干擾和交叉時(shí)隙干擾，更加充分地利用碼資源，對(duì)上行性能有較好的提升效果。

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