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(zhǎng)的高速上行接入需求，也為了和其他標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)，在R7版本協(xié)議上引入了HSUPA技術(shù)。HSUPA通過(guò)使用自適應(yīng)調(diào)制編碼 （AMC）、混合自動(dòng)重傳請(qǐng)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(cè)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(guò)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(wú)線波長(zhǎng)，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(qǐng)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(lái)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(shì)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(méi)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(lái)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(yǔ)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(guò)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(lái)自小區(qū)內(nèi)其他移動(dòng)臺(tái)的干擾；一部分來(lái)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(cè)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(cè)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(cè)量用戶方位的功能，所以智能天線將對(duì)解決同頻干擾問(wèn)題起到很大的作用。

由文獻(xiàn)[4]中的性能測(cè)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(lái)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(wú)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(méi)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(méi)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(méi)有考慮用戶結(jié)束業(yè)務(wù)釋放連接的問(wèn)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(méi)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(shì)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(cè)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(cè)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(qǐng)求接入服務(wù)時(shí)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器依據(jù)終端的請(qǐng)求分析需求的資源數(shù)，并且利用智能天線測(cè)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(wú)法滿足需求，則根據(jù)智能天線測(cè)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(cè)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(wú)交叉時(shí)隙干擾的碼資源。如果沒(méi)有滿足要求的碼資源，則按步驟2）中所述，通過(guò)調(diào)整本小區(qū)的碼資源分配來(lái)接入新的用戶。

4）當(dāng)用戶在通信的過(guò)程中，智能天線對(duì)服務(wù)小區(qū)內(nèi)用戶位置作測(cè)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(cè)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(lái)模擬業(yè)務(wù)發(fā)起的過(guò)程，也就是模擬時(shí)間流逝過(guò)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(cè)因子采用0.9計(jì)算。調(diào)度算法基于優(yōu)先級(jí)，由于語(yǔ)音業(yè)務(wù)是通信體驗(yàn)最重要的業(yè)務(wù)，也是運(yùn)營(yíng)商的主要收入來(lái)源，所以網(wǎng)絡(luò)條件較差時(shí)首先保證語(yǔ)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(yǔ)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)。基站最大發(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(cè)量結(jié)果的DCA算法和文獻(xiàn)[5]中的算法沒(méi)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(cè)量的算法優(yōu)勢(shì)就可以體現(xiàn)出來(lái)：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(cè)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(cè)量用戶位置能輔助無(wú)線資源管理器給用戶配置輔頻點(diǎn)。通過(guò)上述3點(diǎn)，基于智能天線測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量的算法能更好地輔助無(wú)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(cè)量結(jié)果的動(dòng)態(tài)信道分配方法，該方法通過(guò)智能天線測(cè)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。

[1]彭木根，王文博.基于智能天線技術(shù)的碼分多址系統(tǒng)容量研究[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29（2）：81-85.

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[3]彭木根，王文博.TD-SCDMA系統(tǒng)上行鏈路接入控制機(jī)制[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29（1）：29-31.

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