面向視頻流業(yè)務(wù)的TD-HSUPA系統(tǒng)仿真模型研究*

唐 穎 ，鄺育軍 ，2，張偉男 ，代改榮 ，朱 江 ，姜偉麗 ，夏 佳

（1.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065；2.電子科技大學(xué) 光互聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò)研究中心，四川 成都 610054）

1 引言

隨著3G業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，用戶對(duì)上行傳輸速率提出更高的要求，在繼TD-HSDPA技術(shù)之后，3GPP在R7中引入了高速上行分組接入（HSUPA）技術(shù)，使 TDSCDMA系統(tǒng)的上行速率最高可達(dá)到2.2 Mbit/s。TDHSUPA作為TD系統(tǒng)的增強(qiáng)技術(shù)，對(duì)提高系統(tǒng)的吞吐量、減小傳輸延遲及誤幀率等都起著至關(guān)重要的作用[1-2]。隨著TD四期建網(wǎng)的進(jìn)行，TD-HSUPA的一些關(guān)鍵技術(shù)和算法對(duì)整個(gè)TD-SCDMA通信系統(tǒng)的影響需要進(jìn)一步研究。本文正是對(duì)TD-HSUPA系統(tǒng)的仿真方法研究，文中給出了TD-HSUPA系統(tǒng)仿真平臺(tái)的框架及搭建方法，并詳細(xì)介紹了仿真平臺(tái)的核心模塊。此仿真平臺(tái)可用于驗(yàn)證和優(yōu)化各種無線資源管理算法及參數(shù)，為未來的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化及測(cè)試提供相關(guān)輔助參考。

2 HSUPA協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

HSUPA對(duì)系統(tǒng)的主要變動(dòng)是在TD-SCDMA的基礎(chǔ)上引入了E-DCH信道，其協(xié)議體系結(jié)構(gòu)[3]如圖1所示。在UE，Node B和RNC的MAC層引入MAC-es/MAC-e實(shí)體。UE側(cè)新增的MAC-es/MAC-e主要負(fù)責(zé)處理HARQ 重傳、調(diào)度信息（SI）、MAC-es復(fù)用、E-DCH TFC選擇。Node B引入MAC-e主要處理HARQ重傳、資源調(diào)度、MAC-e解復(fù)用。SRNC新增的MAC-es實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)包的重排序。

3 系統(tǒng)模型

根據(jù)3GPP中的協(xié)議規(guī)范以及對(duì)TD-HSUPA通信系統(tǒng)的研究，按照移動(dòng)通信網(wǎng)的需求功能進(jìn)行分割，TD-HSUPA系統(tǒng)框架主要分為兩大部分[4]：無線接入網(wǎng)的公共結(jié)構(gòu)和HSUPA模塊。圖2是TD-HSUPA系統(tǒng)平臺(tái)示意圖。

筆者采用離散事件時(shí)間驅(qū)動(dòng)機(jī)制的方法，通過擬合用戶在網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性和其他特性，模擬實(shí)現(xiàn)TDHSUPA的系統(tǒng)仿真環(huán)境。此外，還需要配合相應(yīng)鏈路仿真的支持，為系統(tǒng)仿真提供必要的輸入?yún)?shù)。

4 模塊設(shè)計(jì)

基于離散事件時(shí)間驅(qū)動(dòng)機(jī)制的方法對(duì)上述框架進(jìn)行建模，來模擬現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的行為。

4.1 公共模塊

4.1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)覆蓋范圍以及所處地域，一般可以把3G系統(tǒng)的仿真場(chǎng)景分為：宏小區(qū)（Macro）、微小區(qū)（Manhattan-Grid）和微微小區(qū)（Pico）[5]。本文是在 Macro 仿真場(chǎng)景下，使用wrap-around技術(shù)，采用3圈19個(gè)小區(qū)的部署模型。圖3是仿真中采用的小區(qū)拓?fù)淠Ｐ蛨D。

圖 3中，“*”代表 UE，圓圈代表 Node B位置，其最大發(fā)射功率為43 dBm。箭頭是1000 m的小區(qū)半徑。系統(tǒng)帶寬設(shè)置為1.6 MHz，碼片速率為1.28 Mchip/s（兆片/秒），上下行時(shí)隙采用3∶3的配置。仿真時(shí)將UE均勻隨機(jī)分布到小區(qū)中，且用戶的密度與地理位置無關(guān)，其方向在初始化時(shí)隨機(jī)選定。

4.1.2 移動(dòng)模型

移動(dòng)模型可以描述用戶的位置和運(yùn)動(dòng)方向。仿真時(shí)假設(shè)用戶在整個(gè)服務(wù)區(qū)自由移動(dòng)，并且不考慮切換。用戶移出仿真區(qū)域時(shí)，則自動(dòng)彈回所設(shè)定的場(chǎng)景。

圖3中UE的位置由x和y唯一確定。隨著仿真進(jìn)行，根據(jù)式（1）進(jìn)行周期性更新，即

式中：x（t-1）代表上次位置更新時(shí)UE的橫坐標(biāo)（單位：m）；s代表UE的移動(dòng)速度（單位：m/s）；t代表UE的更新周期（單位：s）；θ為 0°～360°的隨機(jī)選擇；x（t）代表當(dāng)前時(shí)刻UE的橫坐標(biāo)（單位：m）。

每隔一定時(shí)間，移動(dòng)臺(tái)的位置更新一次，圖4是服務(wù)區(qū)內(nèi)某2個(gè)用戶的移動(dòng)路徑。

4.1.3 視頻流業(yè)務(wù)模型

視頻流業(yè)務(wù)是3G中一項(xiàng)重要業(yè)務(wù)，移動(dòng)用戶可通過無線接入網(wǎng)接入Internet上的視頻服務(wù)器[6-7]。如圖5[8]所示，Tb是防抖動(dòng)緩沖區(qū)窗口的長度，用來保證視頻流數(shù)據(jù)連續(xù)播放。視頻流會(huì)話定義為整個(gè)視頻流呼叫的時(shí)間，在這個(gè)模型中為整個(gè)仿真時(shí)間。視頻數(shù)據(jù)的每一幀以間隔T到達(dá)，每一幀分解為固定數(shù)目的片段，每個(gè)片段以一個(gè)分組包的方式傳輸。

基于離散事件時(shí)間驅(qū)動(dòng)機(jī)制的方法，結(jié)合業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，借鑒文獻(xiàn)[9]中所采用的ON/OFF模型對(duì)視頻流業(yè)務(wù)進(jìn)行建模，如圖6所示。處于ON時(shí)，模型按一定的概率分布產(chǎn)生分組流，反之不產(chǎn)生。

建模時(shí)需要的參數(shù)分布函數(shù)如表1[8]所示。

表1 視頻流業(yè)務(wù)參數(shù)設(shè)置

4.1.4 路損模型

根據(jù)3GPP TR 25.942，Macro小區(qū)傳播模型一般適用在城市和郊區(qū)的測(cè)試場(chǎng)景。因此，仿真考慮了路徑損耗和慢衰落，使用的傳播損耗模型[10]為

式中：R為Node B與UE之間的距離（單位：km）；f為載波頻率，取值2000 MHz；Dhb為基站天線高度，取15 m；L是路徑損耗（單位：dB）。 式（2）可簡(jiǎn)化為

仿真中每隔一個(gè)TTI（5 ms）更新一次L。

4.2 HSUPA模塊

4.2.1 UE模塊

根據(jù)新增的實(shí)體以及UE實(shí)現(xiàn)的基本功能，UE主要模塊[3]包括：

1）業(yè)務(wù)發(fā)起模塊，主要功能為在仿真時(shí)間內(nèi)，根據(jù)不同業(yè)務(wù)模型產(chǎn)生時(shí)間間隔的數(shù)組，并將邏輯信道映射成MAC-d流，再根據(jù)邏輯信道的優(yōu)先級(jí)、緩沖區(qū)的大小等信息向Node B發(fā)起調(diào)度請(qǐng)求。

2）HARQ模塊，由UE側(cè)新增的MAC-e實(shí)體來完成，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)MAC-e數(shù)據(jù)并重傳。UE根據(jù)收到的ACK/NACK命令確定是否重發(fā)數(shù)據(jù)，重發(fā)數(shù)據(jù)由HARQ模塊來實(shí)現(xiàn)。

3）E-TFC選擇模塊，根據(jù)收到的調(diào)度信息，UE根據(jù)一定的算法選擇合適的E-TFC。

4.2.2 Node B模塊

Node B模塊處于UE和RNC模塊之間，在TDHSUPA系統(tǒng)中負(fù)責(zé)接收UE模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并完成AG和ACK/NACK等反饋信息確認(rèn)，以及RoT的測(cè)量等工作，并且上報(bào)給RNC正確接收的數(shù)據(jù)。Node B主要功能[3]模塊包括：

1）調(diào)度模塊，在多個(gè)UE間進(jìn)行E-DCH的小區(qū)資源的調(diào)度，E-DCH調(diào)度實(shí)體基于UE發(fā)送的調(diào)度信息，進(jìn)行調(diào)度的分配和傳輸，E-DCH控制實(shí)體負(fù)責(zé)接收調(diào)度請(qǐng)求以及傳輸分配的調(diào)度信息。

2）HARQ模塊，與UE模塊中的HARQ不同，主要接收合并多次重傳的TTI數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)生成ACK/NACK。

3）資源分配模塊，按照一定的算法，對(duì)用戶進(jìn)行資源分配，如碼道、時(shí)隙及功率等。

4）RoT估算模塊，主要是根據(jù)資源分配模塊中的資源分配方式，估算此時(shí)系統(tǒng)的RoT。根據(jù)RoT的定義，在包含N個(gè)UE的小區(qū)j處，當(dāng)前干擾程度RoTj[11]為

式中：powi為 UEi的上行發(fā)射功率；PLij為 UEi到小區(qū)j的路徑損耗；Noise為熱噪聲。

4.2.3 RNC模塊

RNC模塊主要用來統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的一些性能，以及對(duì)無線資源進(jìn)行管理。主要模塊[3]為：

1）統(tǒng)計(jì)模塊，對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的吞吐量和時(shí)延、小區(qū)的RoT等系統(tǒng)性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2）RoT限定模塊，定義系統(tǒng)RoT的門限，可以擴(kuò)展為其他類似門限值的定義。

3）無線資源管理（RRM）模塊，主要是TD-HSUPA的無線資源管理算法的接口，方便以后對(duì)接納控制、調(diào)度等算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

5 仿真流程

仿真時(shí)定義一個(gè)模擬時(shí)鐘，并初始化到0或下一事件發(fā)生的時(shí)間。仿真進(jìn)行時(shí)，時(shí)鐘推進(jìn)到最臨近的下一事件發(fā)生的時(shí)間，時(shí)鐘每次推進(jìn)，系統(tǒng)狀態(tài)都相應(yīng)發(fā)生改變。時(shí)鐘不斷推進(jìn)，系統(tǒng)狀態(tài)也隨之不斷更新，以此類推直到仿真結(jié)束。整個(gè)系統(tǒng)是以時(shí)間來驅(qū)動(dòng)的，每個(gè)TTI按照用戶的業(yè)務(wù)狀態(tài)來觸發(fā)各個(gè)模塊，然后對(duì)發(fā)生的離散事件進(jìn)行處理。圖7為TD-HSUPA系統(tǒng)仿真流程。

由圖7可知，系統(tǒng)仿真的具體流程為：

1）設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，選取仿真場(chǎng)景及小區(qū)模型；

2）用戶隨機(jī)分布在小區(qū)中，并確定Node B及UE的位置；

3）根據(jù)路損模型計(jì)算路徑損耗；

4）業(yè)務(wù)模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)，并由移動(dòng)模塊來確定UE的運(yùn)動(dòng)軌跡；

5）進(jìn)行無線資源管理算法，包括接納控制、調(diào)度、切換等算法；

6）統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)果并分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果合理性并反饋給UE和Node B；

7）轉(zhuǎn)到步驟3）進(jìn)入下一次主循環(huán)，直到仿真時(shí)間結(jié)束。

6 小結(jié)

給出了TD-HSUPA系統(tǒng)平臺(tái)的框架，并介紹了采用離散事件時(shí)間驅(qū)動(dòng)機(jī)制在Matlab環(huán)境下的建模方法，接著詳細(xì)介紹了核心模塊，最后簡(jiǎn)述了基于視頻流業(yè)務(wù)下該平臺(tái)的仿真流程。從而可以更加深入地理解TDHSUPA系統(tǒng)，使用戶享受到更好的QoS。隨著用戶對(duì)上行業(yè)務(wù)需求的日趨增長，HSUPA技術(shù)逐漸引入到網(wǎng)絡(luò)中，研究TD-SCDMA系統(tǒng)中的HSUPA技術(shù)對(duì)其商用具有現(xiàn)實(shí)意義。繼續(xù)完善該平臺(tái)，加入各種無線資源管理算法是下一步要進(jìn)行的工作。

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