摘要:文章首先介紹了時(shí)分同步碼分多址(TD-SCDMA)系統(tǒng)的特點(diǎn)，然后結(jié)合其自身特點(diǎn)分析比較TD-SCDMA系統(tǒng)的幾種多頻點(diǎn)組網(wǎng)方式和組網(wǎng)方案，并對(duì)5 MHz頻帶3個(gè)頻點(diǎn)的組網(wǎng)方式建模，進(jìn)行頻率規(guī)劃，通過(guò)仿真給出該頻點(diǎn)分配方式的性能結(jié)果，進(jìn)而分析得出這種組網(wǎng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)未來(lái)其他組網(wǎng)方式的研究提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞:TD-SCDMA;多頻點(diǎn)組網(wǎng);仿真;頻率規(guī)劃;N頻點(diǎn)

Abstract: This paper introduces the characteristics of TD-SCDMA， and analyzes some networking schemes and methods of N-frequency. In particular， it examines a frequency planning scheme on the 5MHz bandwidth containing 3 frequencies and builds a simulation model to validate the performance of this scheme. Finally， this paper analyzes the advantages and disadvantages of this scheme， and proposes some directions for the future study of networking planning.

Key words: TD-SCDMA; N-frequency networking; simulation; frequency planning; N-frequency

在無(wú)線通信領(lǐng)域，系統(tǒng)容量和干擾一直是人們比較關(guān)心的話題，他們相對(duì)立而存在，隨著無(wú)線通信的發(fā)展，如何解決他們的這種對(duì)立關(guān)系，并從中找到一個(gè)合適的切入點(diǎn)，就成為我們未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化的一個(gè)重要任務(wù)。其中系統(tǒng)的具體組網(wǎng)技術(shù)作為一個(gè)重要的指標(biāo)越來(lái)越受到人們的重視，如何提供一個(gè)合理的組網(wǎng)方案，可以在盡量避免或減小干擾的情況下最大限度的增加現(xiàn)有的系統(tǒng)容量和性能，逐漸成為研究中的一個(gè)焦點(diǎn)。

1多頻點(diǎn)組網(wǎng)方式

時(shí)分同步碼分多址(TD-SCDMA)作為我國(guó)提出的一個(gè)3G標(biāo)準(zhǔn)，是頻分多址/時(shí)分多址/碼分多址/空分多址(FDMA/TDMA/CDMA/SDMA)相結(jié)合混合多址方式的技術(shù)，使用了智能天線，聯(lián)合檢測(cè)等新技術(shù)，采用時(shí)分雙工(TDD)雙工模式，不需要對(duì)稱(chēng)的頻段，具有較高的頻譜利用率，可以靈活支持非對(duì)稱(chēng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。其系統(tǒng)載波帶寬是1.6 MHz，相對(duì)于寬帶碼分多址(WCDMA)5 MHz帶寬而言，相同帶寬上可以提供3個(gè)頻點(diǎn)，所以相對(duì)于其他3G系統(tǒng)，TD-SCDMA系統(tǒng)更容易進(jìn)行頻率規(guī)劃，使用多頻點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)。下面我們將對(duì)TD-SCDMA系統(tǒng)下的多頻點(diǎn)組網(wǎng)方式進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。

為了能夠更清楚地闡明各種組網(wǎng)方案的差異，首先簡(jiǎn)單介紹一下傳統(tǒng)小區(qū)的概念。在TD-SCDMA系統(tǒng)里，默認(rèn)每一個(gè)載波扇區(qū)為一個(gè)獨(dú)立的小區(qū)。用戶設(shè)備和全球陸上無(wú)線接入間的接口(Uu接口)對(duì)于無(wú)線資源的操作、配置都是針對(duì)一個(gè)載頻進(jìn)行的，在Iub接口小區(qū)建立的過(guò)程中一個(gè)信元只配置了一個(gè)絕對(duì)頻點(diǎn)號(hào);如果是多載頻，則每個(gè)載頻被當(dāng)作一個(gè)邏輯小區(qū)。例如，對(duì)于三扇區(qū)三載頻的情況，則認(rèn)為有9個(gè)邏輯小區(qū)，針對(duì)每個(gè)小區(qū)完成獨(dú)立的操作，也即9個(gè)小區(qū)發(fā)送各自的導(dǎo)頻和廣播信息，9個(gè)載頻都必須配置9套完整的公共信道，而其中的廣播信道(BCH)、前向接入信道(FACH)和尋呼信道(PCH)都為全向信道。因此傳統(tǒng)小區(qū)模式中，對(duì)于多載頻配置，比較典型的有同頻組網(wǎng)和異頻組網(wǎng)兩種方式[1]。

1.1同頻組網(wǎng)

同頻組網(wǎng)指的是每個(gè)小區(qū)都相同的頻點(diǎn)數(shù)，并且這些頻點(diǎn)也相同，每個(gè)頻點(diǎn)作為一個(gè)獨(dú)立的邏輯小區(qū)，有自己的公共控制信道、下行導(dǎo)頻信道及獨(dú)立的廣播信道。比如10 MHz帶寬上，TD-SCDMA系統(tǒng)最大支持6個(gè)頻點(diǎn)，進(jìn)行同頻組網(wǎng)頻點(diǎn)配置如圖1所示。

同頻組網(wǎng)可以最大提高系統(tǒng)的頻帶利用率，在15 MHz帶寬內(nèi)支持9個(gè)頻點(diǎn)，可以配成S9/9/9的站型，但是這樣同一物理環(huán)境下存在多個(gè)邏輯小區(qū)。在業(yè)務(wù)信道上，我們可以通過(guò)智能天線和聯(lián)合檢測(cè)等先進(jìn)技術(shù)，保證業(yè)務(wù)的質(zhì)量，但是廣播信道是全向發(fā)射，載頻間干擾嚴(yán)重，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能和容量。

1.2 異頻組網(wǎng)

相對(duì)同頻組網(wǎng)，異頻組網(wǎng)指的是相鄰小區(qū)的頻點(diǎn)采用異頻組網(wǎng)的方式。如15 MHz帶寬時(shí)，對(duì)于TD-SCDMA系統(tǒng)包含9個(gè)頻點(diǎn)，但最大也只能組成S3/3/3站型。如圖2所示。

異頻組網(wǎng)可以盡量將同頻點(diǎn)用戶分開(kāi)，增加頻點(diǎn)的復(fù)用距離，從而減小頻率間干擾，提高系統(tǒng)性能以及容量。它在建網(wǎng)初期用戶數(shù)較少時(shí)，有利于提高用戶的服務(wù)質(zhì)量，但是隨著用戶數(shù)的增加，它極低的頻譜利用率不利于系統(tǒng)的擴(kuò)容，而現(xiàn)在頻率資源是一個(gè)相對(duì)比較稀缺的資源，最大限度提高頻譜利用率是一個(gè)不可避免的問(wèn)題。

1.3 N頻點(diǎn)技術(shù)

基于上面的2種組網(wǎng)方式存在的缺陷，后來(lái)人們提出了N頻點(diǎn)技術(shù):若有多個(gè)載頻存在就從分配到的N個(gè)頻點(diǎn)中選擇一個(gè)作為小區(qū)的主頻點(diǎn)，其他作為小區(qū)的輔頻點(diǎn)。N頻點(diǎn)技術(shù)下的小區(qū)劃分和傳統(tǒng)小區(qū)劃分有所不同:同一個(gè)扇區(qū)的N個(gè)載頻同屬于一個(gè)邏輯小區(qū)。主載頻和輔載頻使用相同的擾碼和訓(xùn)練序列碼，這樣可以保證在同一個(gè)小區(qū)內(nèi)的多個(gè)頻點(diǎn)具有同小區(qū)的身份標(biāo)志;公共控制信道配置在主載頻上，也就是說(shuō)輔載頻上沒(méi)有公共控制信道，主載頻和輔載頻上都配置有業(yè)務(wù)信道;用戶的多時(shí)隙業(yè)務(wù)應(yīng)配置在同一載頻上，這一特征可以最大程度地減小終端實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性;同一用戶的上下行配置在同一載頻上;主載頻和輔載頻的上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)配置一致，這一限制是由基站的收發(fā)信機(jī)特性造成的，如果主載頻和輔載頻的上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)配置不一致，必定有一些時(shí)隙并需要基站的收發(fā)信機(jī)既發(fā)射又接收，這樣以來(lái)基站的發(fā)射信號(hào)被該基站接收，造成基站不能正常接收。因?yàn)樗邮盏淖约旱陌l(fā)射信號(hào)將比從遠(yuǎn)處來(lái)的同頻終端上行信號(hào)大很多，從而將正常的上行信號(hào)淹沒(méi)。在同一扇區(qū)內(nèi)僅在主頻點(diǎn)內(nèi)發(fā)送下行導(dǎo)頻信息和廣播信息，多個(gè)頻點(diǎn)共用一個(gè)導(dǎo)頻信道。這樣可以減小公共信道的載頻間干擾，提高了系統(tǒng)性能，終端初始搜索準(zhǔn)確、快速，系統(tǒng)接入、切換成功率顯著提高。因此，引入N頻點(diǎn)方案，可在較大程度上改善系統(tǒng)的性能并提升頻譜利用率。N頻點(diǎn)技術(shù)可以有2種不同的實(shí)現(xiàn)模式:多載波同頻異頻聯(lián)合組網(wǎng)方式和多載波同頻組網(wǎng)方式。每種組網(wǎng)方式有15 MHz、10 MHz、5 MHz 3種頻率規(guī)劃方案[2]。

1.3.1多載波同頻異頻聯(lián)合組網(wǎng)方式

這種組網(wǎng)方式代指的是相鄰小區(qū)的主頻點(diǎn)采用異頻組網(wǎng)的方式，輔頻點(diǎn)則采用同頻組網(wǎng)的方式。如使用15 MHz帶寬時(shí)，選擇3個(gè)作為主頻點(diǎn)，其他6個(gè)作為輔頻點(diǎn)。這時(shí)，最大可組成S7/7/7站型。如圖3所示，紅色代表的是主頻點(diǎn)，黑色則代表剩余的6個(gè)輔頻點(diǎn)。

1.3.2多載波同頻組網(wǎng)方式

這種組網(wǎng)方式可最大程度地提高頻譜利用率，指的是相鄰小區(qū)的主頻點(diǎn)采用異頻組網(wǎng)的方式，輔頻點(diǎn)也采用異頻組網(wǎng)的方式，相鄰小區(qū)的主頻點(diǎn)交叉包含在輔載頻中。如使用15 MHz帶寬時(shí)，最大可組成S9/9/9站型，如圖4所示。

1.3.3分層次進(jìn)行頻點(diǎn)規(guī)劃

多頻點(diǎn)組網(wǎng)時(shí)，頻點(diǎn)規(guī)劃也是一個(gè)重要部分。合理的頻點(diǎn)規(guī)劃方案對(duì)于多頻點(diǎn)組網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可以最大程度提高系統(tǒng)的性能。基于多載波同頻組網(wǎng)的N頻點(diǎn)技術(shù)和同心圓技術(shù)，為了更大的提高系統(tǒng)性能，有效減小業(yè)務(wù)信道上的同頻干擾，可以采用分層次進(jìn)行頻點(diǎn)規(guī)劃的方案。此規(guī)劃方案的主要思想是將小區(qū)由中心到邊緣分成幾層(例如2層)，每一層采用不同的頻點(diǎn)分配方案。相鄰小區(qū)主頻點(diǎn)采用的是異頻組網(wǎng)的方式，且有導(dǎo)頻信道的主頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全小區(qū)覆蓋，其業(yè)務(wù)信道優(yōu)先服務(wù)于外層用戶;其他頻點(diǎn)稱(chēng)為輔載波，相對(duì)于主頻點(diǎn)收縮，業(yè)務(wù)信道優(yōu)先服務(wù)于內(nèi)層用戶。這樣相鄰小區(qū)包含相同頻點(diǎn)的輔頻點(diǎn)就得到一定的隔離，相鄰小區(qū)的交叉區(qū)域——小區(qū)外層也屬異頻干擾，同頻干擾降低，系統(tǒng)性能得到提高[3-4]。

如圖5所示，黃色區(qū)域是輔載波收縮區(qū)域——小區(qū)內(nèi)層，白色區(qū)域是小區(qū)外層，采用輔載波收縮的N頻點(diǎn)技術(shù)，進(jìn)行分層次頻點(diǎn)規(guī)劃后，相鄰小區(qū)交叉區(qū)域的用戶受到的同頻干擾減小，這樣它們的切換成功率，服務(wù)質(zhì)量(QOS)等性能指標(biāo)都會(huì)有一定的提高。

2 仿真驗(yàn)證

2.1 仿真假設(shè)

我們以5MHz頻帶，3個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行分層規(guī)劃的方案建模，采用通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(UMTS)30.03中定義的經(jīng)典模型環(huán)列，每個(gè)小區(qū)有3個(gè)頻點(diǎn)，相鄰小區(qū)主頻點(diǎn)不同，交叉包含在輔載頻中[5]。如圖6所示，紅色圓環(huán)將小區(qū)分成兩層，每個(gè)小區(qū)的輔頻點(diǎn)收縮到內(nèi)層首先為內(nèi)層用戶提供資源;外層用戶首先接入主頻點(diǎn)，這樣相鄰小區(qū)采用異頻切換，同頻用戶得到有效隔離。

仿真中采用移動(dòng)模型(移動(dòng)速率為12 km/h，其他參考協(xié)議規(guī)定)。切換采用基于電平的切換，切換冗余取1 dB，開(kāi)啟開(kāi)環(huán)，閉環(huán)，外環(huán)功控，開(kāi)啟負(fù)載控制。

2.2 主要仿真參數(shù)

仿真中放置900個(gè)用戶，每個(gè)用戶都持續(xù)通話200s，其他主要參數(shù)如表1所示。

3 性能結(jié)果

3.1 性能比較

經(jīng)過(guò)仿真采用不采用該方案的2種情況，我們得到主要的性能結(jié)果如表2所示。

舊方案指的是不采用頻率分層規(guī)劃的方案，在一個(gè)小區(qū)內(nèi)，沒(méi)有內(nèi)外層的劃分，用戶隨即接入任意一個(gè)有資源的頻點(diǎn)。新方案是采用輔載波收縮的分層次頻率規(guī)劃方案，外層用戶優(yōu)先接入主頻點(diǎn)，內(nèi)層用戶接入輔載頻。由表2我們可以看到:采用新方案后系統(tǒng)的發(fā)射功率和接受干擾都有所下降掉話率減小，系統(tǒng)性能有了較大的提升。

并且輔載波收縮的區(qū)域范圍不同，即內(nèi)層半徑取不同值時(shí)，采用新方案后的系統(tǒng)性能也會(huì)因此有所差別。隨著內(nèi)層半徑收縮，同頻點(diǎn)復(fù)用距離也隨之增加，用戶同頻干擾減小，用戶的發(fā)射功率，系統(tǒng)的掉話率等都將有很大的改善，仿真驗(yàn)證結(jié)果如表3所示。

3.2 新算法改進(jìn)

雖然采用分層次頻點(diǎn)規(guī)劃的組網(wǎng)方式進(jìn)行仿真，系統(tǒng)性能有了一定的提高，但是，當(dāng)用戶多處于小區(qū)邊緣或小區(qū)外層時(shí)，用戶將首先接入主頻點(diǎn)，直至主頻點(diǎn)沒(méi)有資源提供，這樣會(huì)使主頻點(diǎn)重負(fù)載，輔頻點(diǎn)輕負(fù)載或無(wú)負(fù)載，新算法性能優(yōu)勢(shì)無(wú)法體現(xiàn)，甚至?xí)霈F(xiàn)掉話的后果。所以需要找到一種可以解決用戶特殊分布場(chǎng)景時(shí)的改進(jìn)方案[6]?；谶@種考慮，我們對(duì)新算法做了進(jìn)一步改進(jìn)，在輔載波中另外選取1個(gè)頻點(diǎn)作為中間頻點(diǎn)，在主頻點(diǎn)資源較多時(shí)，中間頻點(diǎn)作為正常輔頻點(diǎn)，收縮于內(nèi)層小區(qū);當(dāng)主頻點(diǎn)剩余資源很少，過(guò)多用戶接入會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響時(shí)，中間頻點(diǎn)可以作為主頻點(diǎn)的補(bǔ)充為外層用戶提供資源接入。這樣既可以保證同頻干擾得到有效隔離，又同時(shí)可以保證在一些特殊用戶分布情況下的系統(tǒng)性能。

假設(shè)仿真條件是兩個(gè)相對(duì)的小區(qū)，小區(qū)半徑為500米，R4時(shí)隙最大發(fā)射功率30 dBm。每個(gè)小區(qū)3個(gè)頻點(diǎn)，只在小區(qū)外層各放置40個(gè)用戶。仿真結(jié)果見(jiàn)表4。

當(dāng)然對(duì)于改進(jìn)的新方案，相鄰小區(qū)中間頻點(diǎn)的選擇是關(guān)鍵，它要求相鄰小區(qū)的中間頻點(diǎn)盡量遵循有效隔離同頻干擾的原則。從仿真結(jié)果可以看出，合理的中間頻點(diǎn)的選擇將有效提高系統(tǒng)性能，節(jié)約功率!

4 結(jié)論

由上所述，通過(guò)對(duì)輔載波收縮，進(jìn)行分層次頻點(diǎn)規(guī)劃的組網(wǎng)方式仿真，我們可以看到，有效隔離同頻干擾后，系統(tǒng)性能會(huì)有較大的提升。這對(duì)未來(lái)多頻點(diǎn)組網(wǎng)方式的研究和實(shí)際系統(tǒng)組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)都有一定的參考和借鑒意義!當(dāng)然不同區(qū)域的地理環(huán)境，用戶分布的各不相同，對(duì)于輔載波收縮，進(jìn)行分層次頻點(diǎn)規(guī)劃的組網(wǎng)方案都有不同的影響，這就需要我們?cè)谝院蟮墓ぷ餮芯恐校凑绽碚摲治霾⒏鶕?jù)實(shí)際情況確定適合當(dāng)?shù)厍闆r的方案。

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收稿日期:2010-05-31

金明，北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院在讀碩士;現(xiàn)從事TD-SCDMA系統(tǒng)級(jí)仿真、無(wú)線資源管理算法、組網(wǎng)策略以及LTE-A物理層的相關(guān)技術(shù)等研究;已發(fā)表論文1篇，申請(qǐng)1項(xiàng)專(zhuān)利。

王文博，北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師;現(xiàn)主要從事移動(dòng)通信無(wú)線傳輸理論和技術(shù)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)理論以及數(shù)字信號(hào)處理與軟件無(wú)線電理論研究等;曾主持或參加完成了多項(xiàng)國(guó)家和部級(jí)科研項(xiàng)目，多次獲省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)，并獲國(guó)務(wù)院政府特殊津貼和教育部跨世紀(jì)人才支持計(jì)劃;發(fā)表論文200多篇，出版著作10部。

彭木根，北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院副教授，博士研究生;多年來(lái)一直從事信號(hào)信息處理與無(wú)線通信系統(tǒng)關(guān)鍵理論及組網(wǎng)策略等方面的科研工作，目前研究重點(diǎn)為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同信息論、下一代無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)無(wú)線資源管理算法和協(xié)議設(shè)計(jì)、多跳無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)等;近期出版著作4本、譯著2本，發(fā)表論文70余篇，申請(qǐng)專(zhuān)利10余項(xiàng)。