摘要：隨著移動通信的普及和規(guī)模的擴大，移動業(yè)務逐步走向多元化，需要在有限的無線資源的條件下，最大限度地提高無線資源利用率。通過動態(tài)信道分配(DCA)技術，TD-SCDMA系統(tǒng)資源分配的靈活性和高的頻譜利用率可以得到充分體現(xiàn)。具體實施時DCA可以分為慢速DCA和快速DCA兩類。慢速DCA可根據(jù)系統(tǒng)干擾受限的先驗知識、負荷情況，對系統(tǒng)載頻和時隙進行占用優(yōu)先級劃分，完成呼叫接入控制；快速DCA可根據(jù)對專用業(yè)務信道或共享業(yè)務信道通信質(zhì)量監(jiān)測的結果，自適應地對資源單元進行調(diào)配和切換，以保證業(yè)務質(zhì)量?？焖貲CA中，基于可移動邊界DCA方案與傳統(tǒng)的固定邊界DCA方案比較，能更好地利用資源，丟包率也較小。

關鍵詞：TD-SCDMA系統(tǒng)；動態(tài)信道分配；可移動邊界；無線資源管理

Abstract: Mobile communications are more popular， mobile networks have more users， and mobile services become more diverse. This requires maximum utilization of limited radio resources. The Dynamic Channel Allocation (DCA) technology enables flexible resource allocation and efficent frequency usage in TD-SCDMA system. In practice， there are slow DCA and fast DCA. Slow DCA fulfills call access control by priority allocation of system carriers and time slots according to a priori knowledge of the interference limited system and load of the system. Fast DCA enables adaptive allocation and handover of resource units to guarantee QoS， according to the monitoring results of communication quality of both dedicated and shared traffic channels. For fast DCA algorithms， the movable boundary scheme has more efficent resouce usage and a smaller packet loss rate than the traditional fixed boundary scheme.

Key words:TD-SCDMA system; DCA; movable boundary; radio resource management

基金項目：教育部重點科技項目(G2000-05)

無線資源管理的目標是在有限無線資源的條件下，靈活分配和動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的可用資源，最大限度地提高無線頻譜利用率，防止網(wǎng)絡阻塞和保持盡可能小的信令負荷，同時又為網(wǎng)絡內(nèi)無線用戶終端提供業(yè)務的服務質(zhì)量(QoS)保證。移動通信技術正面臨用戶數(shù)量急劇增加，移動業(yè)務逐步走向多元化，用戶對QoS的要求不斷提高的問題。相應地對無線資源管理技術提出了新的挑戰(zhàn)。如何保證足夠的小區(qū)容量同時要滿足不同業(yè)務的時延和速率要求，而且盡可能充分地結合和利用新的無線傳輸技術的特性，都是在新的業(yè)務傳播環(huán)境下，無線資源管理技術需要考慮的問題。時分同步碼分多址(TD-SCDMA)和其他3G標準一樣，具有面向QoS的無線資源管理系統(tǒng)。TD-SCDMA系統(tǒng)的無線資源主要包括載頻、時隙、碼道、功率等。引入智能天線后，空間也是一種無線資源。無線資源管理中的關鍵技術包括：功率控制、動態(tài)信道分配、接納控制。

1 TD-SCDMA系統(tǒng)的幀結構

TD-SCDMA系統(tǒng)的每個射頻信道帶寬為1.6 MHz，碼片速率為1.28 Mchip/s。TD-SCDMA無線幀長10 ms，每個無線幀分為兩個5 ms的子幀，如圖1所示^[1]。每個子幀有7個主時隙(TS0、TS1……TS6)和3個特殊時隙(下行導頻時隙(DwPTS)、上行導頻時隙(UpPTS)、保護間隔(GP))。3個特殊時隙中，DwPTS為下行導頻和同步而設計，UpPTS為建立上行同步和隨機接入而設計，GP為下行向上行轉(zhuǎn)換的保護而設計。在7個常規(guī)時隙中，TS0固定分配給下行鏈路，而TS1固定分配給上行鏈路。上、下行時隙之間由轉(zhuǎn)換點分開，在TD-SCDMA系統(tǒng)中，每個5 ms的子幀有兩個上、下行轉(zhuǎn)換點(分別為上行到下行和下行到上行)。通過配置上、下行時隙的個數(shù)，TD-SCDMA系統(tǒng)可以靈活改變上、下行鏈路的傳輸能力，使得系統(tǒng)在對稱和非對稱業(yè)務的情況下都能夠獲得較高的資源利用率。本文假設上行和下行鏈路各分配3個時隙。由于上、下行鏈路的動態(tài)信道分配策略相同，本文只研究上行鏈路的動態(tài)信道分配。

2 TD-SCDMA系統(tǒng)中的信道分配策略

在TD-SCDMA系統(tǒng)中的動態(tài)信道分配分為兩個階段^[2]：呼叫接入信道，呼叫接入后為保證業(yè)務質(zhì)量而進行的信道重選。從實施規(guī)則上大致可以分為慢速動態(tài)信道分配(DCA)和快速DCA兩類。慢速DCA可根據(jù)系統(tǒng)干擾受限的先驗知識、負荷情況，對系統(tǒng)載頻和時隙進行占用優(yōu)先級劃分，完成呼叫接入控制；快速DCA可根據(jù)對專用業(yè)務信道或共享業(yè)務信道通信質(zhì)量監(jiān)測的結果，自適應地對資源單元(RU)，即碼道或時隙，進行調(diào)配和切換，以保證業(yè)務質(zhì)量。

2.1 慢速DCA

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，慢速DCA主要根據(jù)小區(qū)內(nèi)業(yè)務不對稱性的變化，動態(tài)地劃分上、下行時隙，使上、下行時隙的傳輸能力和上、下行業(yè)務負載的比例關系相匹配，以獲得最佳的頻譜效率。TD-SCDMA系統(tǒng)可以靈活地劃分上、下行時隙，從而提升系統(tǒng)容量，但是當相鄰小區(qū)的上、下行時隙劃分不一致時，可能會造成交叉時隙間較大的干擾，導致系統(tǒng)容量損失。慢速DCA算法采用從熱點小區(qū)中選出負荷較重的小區(qū)作為參考的方法，以小區(qū)的上、下行信號比例作為時隙上、下行劃分的依據(jù)，在其相鄰小區(qū)也采用一致的劃分，盡量減少交叉時隙的數(shù)量。另外，在存在交叉時隙的小區(qū)，利用快速DCA中的時隙優(yōu)先權信息，通過計算，在交叉時隙沒有遭受很大干擾時將交叉時隙分配給用戶。

2.2 快速DCA

快速DCA指系統(tǒng)為申請接入的用戶分配無線信道資源，并根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)對已分配的資源進行動態(tài)調(diào)整。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，無線信道包括分配載波、時隙、擴頻碼等資源，DCA為用戶尋找干擾較小、能夠提供穩(wěn)定服務的信道分配給用戶。在為用戶分配無線資源時要進行呼叫接納控制(CAC)，決定是否接納新用戶。呼叫接納控制要求完成兩個方面的內(nèi)容：判斷網(wǎng)絡能否為新接入的業(yè)務提供滿足其要求的通信質(zhì)量，確保新接入的業(yè)務不影響正在被服務的業(yè)務。為了保證用戶的服務質(zhì)量，系統(tǒng)還要對用戶的通信質(zhì)量進行監(jiān)測。當用戶的通信質(zhì)量惡化時，系統(tǒng)可以綜合考察用戶的服務質(zhì)量要求、干擾情況以及移動狀況等，然后做出判斷，調(diào)整用戶所占用的無線資源，從而為用戶提供穩(wěn)定的服務。另外，系統(tǒng)出于調(diào)控負荷或者算法優(yōu)化等方面的原因，也會主動地觸發(fā)對部分用戶無線資源的重分配過程。無線資源的重分配過程要求能夠快速地完成。

下面基于快速DCA^[3]，討論一種基于可移動邊界(MB)策略的設計方案。

3 快速DCA算法的描述

3.1 固定邊界DCA算法

對于通信系統(tǒng)中的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務，傳統(tǒng)的做法是將信道分成兩部分：語音信道和數(shù)據(jù)信道，語音業(yè)務只能使用語音信道，數(shù)據(jù)業(yè)務只能使用數(shù)據(jù)信道^[4]。在該方案中，每個基站的單條鏈路中的3個業(yè)務時隙，2個分配給語音業(yè)務，1個分配給數(shù)據(jù)業(yè)務。固定邊界的動態(tài)分配方案如圖2所示。這樣在語音呼叫到達時，如果存在2個以上的緩沖寄存器(BRU)(擴頻因子為16的碼道)，那么就可以建立語音信道，進行通話，否則該呼叫就會被阻塞掉。當數(shù)據(jù)緩存器中隊列不空，而數(shù)據(jù)時隙中的所有16個BRU均空閑時，隊列的頭數(shù)據(jù)包就會被取出，進行數(shù)據(jù)傳輸，否則的話，頭數(shù)據(jù)包繼續(xù)在隊列中等待。當緩存器被占滿后，如果新的數(shù)據(jù)包到來，就會發(fā)生丟包。固定邊界(FB)DCA方案的缺陷是不能有效地利用系統(tǒng)資源，當正在通話的語音用戶數(shù)很少而等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包很多時，分配給語音用戶的信道就只能空閑而不能用來傳輸數(shù)據(jù)，造成了系統(tǒng)資源的浪費。

3.2 可移動邊界DCA算法

基于可移動邊界的動態(tài)分配方案與FB方案比較，能更好地利用資源?？梢苿舆吔绲膭討B(tài)分配方案如圖3所示。

MB方案首先將信道分為兩個部分：語音信道和數(shù)據(jù)信道。在業(yè)務傳輸過程中如果語音信道空閑且數(shù)據(jù)緩存器隊列不空時，隊列中的數(shù)據(jù)包可以借用語音信道進行傳輸。當語音呼叫到來時，語音業(yè)務可以強占被數(shù)據(jù)業(yè)務借用的語音信道，進行語音業(yè)務傳輸，而數(shù)據(jù)業(yè)務則停止在借用的語音信道中的傳輸，繼續(xù)排隊等待。

在此方案中，仍將單條鏈路上3個時隙中的2個時隙分配給語音業(yè)務，1個時隙分配給數(shù)據(jù)業(yè)務。在語音呼叫到達時，如果在2個語音時隙中存在2個以上的BRU，那么就可以建立語音信道進行通話，否則該呼叫就會被阻塞掉。當數(shù)據(jù)緩存器中隊列不空時，首先檢查數(shù)據(jù)時隙中所有的16個BRU是否空閑。如果空閑，則隊列的頭數(shù)據(jù)包就會被取出，進行數(shù)據(jù)傳輸，否則，檢查兩個語音時隙中是否有16個或16個以上的BRU。如果有16個以上的BRU，且16個BRU在一個時隙內(nèi)，則頭數(shù)據(jù)包被取出，進行傳輸；如果有16個BRU，但16個BRU不在一個時隙內(nèi)，則首先需要進行信道重組，將16個BRU調(diào)整到一個時隙內(nèi)，然后再進行傳輸；如果兩個語音時隙中存在的空閑BRU少于16個，則數(shù)據(jù)包繼續(xù)排隊等待，直到有足夠的空閑信道，同樣，如果緩存器已滿，這時新的數(shù)據(jù)包到來將發(fā)生丟包。這種分配策略的數(shù)據(jù)業(yè)務時隙和語音業(yè)務時隙的邊界是可以移動的，因此該方案稱為可移動邊界方案。

采用MB方案的立足點在于：語音業(yè)務為實時業(yè)務，允許的時延很小，在語音呼叫產(chǎn)生后，如果無法得到所需的傳輸信道，那么業(yè)務將會發(fā)生阻塞；數(shù)據(jù)業(yè)務為非實時業(yè)務，在沒有可用的傳輸信道時，可以排隊等待，直到所需信道可用，再進行傳輸。

4 基于可移動邊界的動態(tài)信道分配性能仿真

為分析MB方案的性能，本文基于MATLAB仿真平臺對該方案進行了仿真。為更好地進行比較，對FB方案同時進行了仿真。

4.1 仿真模型

動態(tài)信道分配性能仿真系統(tǒng)模型如圖4所示。

仿真系統(tǒng)模型將信道分為兩部分：語音信道和數(shù)據(jù)信道。在業(yè)務傳輸過程中，如果語音信道空閑且數(shù)據(jù)緩存器隊列不空時，隊列中的數(shù)據(jù)包就可以借用語音信道進行傳輸。當語音呼叫到來時，語音業(yè)務可以強占被數(shù)據(jù)業(yè)務借用的語音信道，進行語音業(yè)務傳輸，而數(shù)據(jù)業(yè)務則停止在借用的語音信道中的傳輸，繼續(xù)排隊等待。

在該模型中，到達的語音業(yè)務源和數(shù)據(jù)業(yè)務源都服從泊松分布。為更好的分析基于可移動邊界的動態(tài)信道分配方案的性能，在仿真中引入了不同的語音和數(shù)據(jù)到達率，如語音業(yè)務到達率為0、100、200、300呼/h，數(shù)據(jù)業(yè)務到達率為20、40、60、80、100、120包/s。

在FB方案中，語音業(yè)務服務器最多可以服務16個語音用戶(可用的2個時隙最多可以服務16個語音用戶)。在語音業(yè)務到達時，如果有空信道，則進行業(yè)務服務，傳送語音業(yè)務。如果16個語音信道已滿，則此業(yè)務發(fā)生阻塞。數(shù)據(jù)業(yè)務服務器只可以有一個服務通道。在數(shù)據(jù)包到達后，首先將數(shù)據(jù)包放入一個先進先出的隊列，服務通道在每傳完一個數(shù)據(jù)包后，都要檢查隊列是否為空，如果不空，則將隊列頭數(shù)據(jù)包取出進行傳輸。

在MB方案中，數(shù)據(jù)業(yè)務初始分配的可用時隙數(shù)為1。然而當語音用戶數(shù)小于8時，數(shù)據(jù)業(yè)務可以借用空閑的語音時隙，則此時數(shù)據(jù)服務通道數(shù)可為2。當語音用戶數(shù)為0時，數(shù)據(jù)業(yè)務可以借用這2個語音時隙，因此此時數(shù)據(jù)服務通道數(shù)為3。但是，當語音業(yè)務到達且沒有空閑語音信道時，語音業(yè)務將會強占被數(shù)據(jù)業(yè)務借用的語音信道，進行語音服務，正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)業(yè)務則停止傳輸，繼續(xù)等待。

4.2 仿真結果

根據(jù)以上所述，在不同的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務到達率下，分別對FB方案和MB方案進行了仿真，仿真結果分別是語音阻塞率和數(shù)據(jù)丟包率。仿真結果分別見圖5、圖6、圖7、圖8。

通過仿真結果，可以得出，在MB方案中，數(shù)據(jù)業(yè)務借用語音信道并沒有影響語音業(yè)務的性能。尤其是在語音業(yè)務到達率較低的情況下。主要時因為在語音業(yè)務到達率較低時，數(shù)據(jù)業(yè)務可以借用空閑的語音信道來傳送隊列中的數(shù)據(jù)包，相當于數(shù)據(jù)服務通道增加了，因此隊列中的數(shù)據(jù)包長度也減小了。

從仿真結果可以看出：MB方案的丟包率比FB小。主要是因為數(shù)據(jù)業(yè)務借用了語音信道，服務通道增多，數(shù)據(jù)處理能力增強了。

5 結束語

對于TD-SCDMA系統(tǒng)無線資源管理，本文主要討論了一種基于可移動邊界的動態(tài)信道分配方案。無線資源管理還包括功率控制、切換考慮和分組調(diào)度等方面內(nèi)容，每個方面并不獨立存在，而是相互影響相互依存的，值得進一步研究。

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收稿日期：2006-03-28

作 者 簡 介

郭思貝，重慶郵電大學在讀碩士研究生，主要研究方向為移動通信。