一种TD-HSUPA系统的动态信道分配方法*

王 耀，李方伟，朱 江，张家波

（重庆邮电大学 移动通信重点实验室，重庆 400064）

1 引言

在TD-SCDMA引入HSDPA技术后，3GPP为了应对用户日益增长的高速上行接入需求，也为了和其他标准竞争，在R7版本协议上引入了HSUPA技术。HSUPA通过使用自适应调制编码 （AMC）、混合自动重传请求（HARQ）以及快速分组调度技术（FPS）等增强了上行用户速率和系统吞吐量。在组网方面，HSUPA的组网可以与已有HSDPA网络混合组网，也可以只与R4组网，在升级到HSPA+以后还可以组建只含有HSUPA和HSDPA的网络。笔者提出一种在TD-HSUPA系统上的动态信道分配方案，它使得基站能够根据对用户的测量结果，给用户分配合理的时隙和码道，让用户有更好的通信体验。

2 HSUPA系统的动态信道分配算法

2.1 智能天线技术

智能天线技术是TDD系统中的一项关键技术。智能天线通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取已接入用户的方向性，并将信号发送和接收限定在朝用户的方向，将方向增益最大的主波束信号对准用户，而在其他方向上增益却很小。由于TDD技术的上下行链路使用同一载频，因此能更好地使用智能天线技术。智能天线的波束赋形增益可以表示为[1]

式中：如果是计算上行干扰，则α是用户到基站方向的夹角，当用户位置固定时为一定值；øk为第k个用户发射的干扰信号到基站的夹角，取值范围为0～2π；M是天线阵元数，由于TD-SCDMA的智能天线一般为8根，所以M取8；λ为无线波长，R=0.6522λ。

2.2 HSUPA的接纳控制与上行目标载干比

当用户发起呼叫，基站根据接纳控制算法判断用户能否接入的两个准则是：必须满足新接入用户的资源请求；必须满足在接入新的呼叫用户后，网络中已有用户能保持好的通信质量，有足够的空闲码道分配给新用户使用[2]，即

式中：Ctotal表示新呼叫到来时已经被使用的码道数量；ΔCn表示新的呼叫所需要的上行码数量；Cth表示用户可以使用的上行码道的最大值。

新用户的接入，势必会提升基站的接收功率，意味着系统的噪声也会提升，但是基站中移动台的发射功率没有及时变大，以致基站接收这些移动台信号的信噪比降低，直接影响用户的通信质量，所以接纳控制算法应满足以下准则[3]

式中：Ii是系统总接收功率；ΔI是新呼叫到来后系统增加的接收功率；Ith是系统能容忍的最大接收功率；rth是接入背景噪声提升门限值；rm是切换用户设置的冗余值；PN是系统背景热噪声。

移动台发送上行信号时，其目标信号载干比可表示为[3]

式中：W指系统的码片速率；Si为在该速率下占用的时隙比率；vi为用户i的语音激活因子，如果是数据业务，其值为 1；Ri为用户 i的比特率；（C/I）i为用户 i接收信号的信干比；在发送上行信号时，C为移动台发送的信号经过路径损耗以后被基站接收的功率。

I为基站接收的干扰信号，由三部分组成：一部分来自小区内其他移动台的干扰；一部分来自小区外移动台和基站的干扰；还有一部分是热噪声，所以I可表示为

式中：β为由于在上行信道中采用多用户技术的相关作用而引起的干扰消除，即联合检测因子，经验值取0.9；Pm′是基站接收的非本小区移动台和基站发射的功率；PN为背景热噪声；N为小区接入的用户数；G为使用智能天线的增益。所以最后式（5）可以表示为

2.3 基于智能天线测量的HSUPA动态信道分配算法

因为智能天线有下行波束赋形、上行分扇区接收和测量用户方位的功能，所以智能天线将对解决同频干扰问题起到很大的作用。

由文献[4]中的性能测试分析可知，在TDD系统中影响系统性能的干扰主要是同频干扰，如果又存在交叉时隙干扰，将会对上下行都产生极大的影响，严重的会导致业务速率为零，所以应尽量避免出现此类情况。

文献[5]把交叉时隙归为紧急组而非普通组，来缓解出现同频交叉时隙干扰的情况。文献[5]的算法是当用户接入时，优先将普通组的资源分配给用户使用。若普通组剩余资源无法满足需求，则调整发射功率较小的用户使用紧急组资源，释放其在普通组中的资源，而给新加入的用户分配普通组资源。如果没有可以释放的普通组资源，则使用紧急组资源对新用户进行接纳控制。如果所有的时隙都没有足够资源分配给新用户，则调整切换点的时隙，使用文献[6]中提出的方法补充。

文献[5]提出的方法尽管比较完善，但还有几点不足：首先是没有考虑用户结束业务释放连接的问题，如果用户结束业务，非交叉时隙的资源被释放，而此时尚有用户在使用交叉时隙的资源，应该调整这部分用户使用较好的资源。其次，文献[5]没有将用户的移动考虑在内，应该考虑部分用户在使用业务时可能向信号更好的方向移动，也可能向信道更差的地方移动，比如当使用交叉时隙的用户朝远离服务基站的方向移动时，其上下行功率都在逐渐增大，这势必会造成本小区ROT的增大和邻小区用户干扰的增加，所以当使用智能天线对所有用户位置进行测量时，如果发现有用户远离服务基站，靠近小区边缘，应将这类用户使用的交叉时隙与近基站用户使用的普通组时隙交换，避免产生严重干扰和掉线。如果用户运动到信道条件好的地方，则根据需求情况将该用户使用的时隙切换到交叉时隙，以节约优质信道资源。

由于目前主流的都是多频点组网，即一个基站被配置了一个主频点和多个辅频点，所以结合HSUPA的特点和文献资料，笔者提出了基于智能天线测量结果的DCA算法（见图1）。

算法步骤具体如下：

1）由于相邻基站都是多频点组网，在频点有限的情况下，频点复用不可避免，所以有必要在相邻基站的交界处划分使用同频载波的区域，将距离服务基站较近，在此区域使用同频产生干扰较小的区域规定为“安全区”，而把交界区域规划为“非安全区”。

2）设图1中基站1、基站2和基站3的主/辅载频分别为F1/F2，F2/F3和F3/F1，当新的用户请求接入服务时，无线网络控制器依据终端的请求分析需求的资源数，并且利用智能天线测量该用户的位置，如图1中用户A处于“安全区”，优先接入主载频 F1，如 F1资源不够，才使用辅频点F2。若用户在“非安全区”，则优先将主载频F1的码道资源配置给此用户使用，若频点F1上剩余码资源无法满足需求，则根据智能天线测量此用户的位置信息，获取用户背后小区的主频点信息，并判断是否和本小区的辅频点同频，如果不同 （如图1中用户B），则配置F2给用户使用，若相同（如图1中用户C），则调整本小区内用户的载频，将发射功率小的，在“安全区”中使用F1载波的用户切换到频点F2上，腾出F1上的码道资源配给用户C使用。否则只能降低数据速率，或将C接入到小区基站2的载频F3上。

3）当存在交叉时隙时，用户接入时，先用智能天线测量用户所在位置，当用户在“非安全区”时，给用户分配与背后小区无交叉时隙干扰的码资源。如果没有满足要求的码资源，则按步骤2）中所述，通过调整本小区的码资源分配来接入新的用户。

4）当用户在通信的过程中，智能天线对服务小区内用户位置作测量，如果发现从“安全区”已经移动到“非安全区”的用户，并且该用户正使用与背后邻小区相同的载频，则按步骤2）中所述方法作调整，将该用户切换到其他码资源，避免移动出“安全区”的用户因受干扰增强而掉线。

3 仿真和评估标准

3.1 仿真平台

在使用Matlab编写的HSUPA仿真平台的基础上，考虑多频点情况，对文献[5]和基于智能天线测量用户位置的DCA算法进行仿真，并加以比较。

笔者采用基于离散事件时间驱动机制的方法来模拟业务发起的过程，也就是模拟时间流逝过程中系统各个模块的运行机制。业务仿真考虑了CS域和PS域混合的情况，CS域按固定速率接入，PS域按照ON/OFF模型建立了两种常见的业务：HTTP和在线游戏业务。小区模型采用Wrap-Around的概念建立7小区模型。频点配置如图2所示。

路损计算公式为[7]式中：d为基站到用户的距离。

当新用户接入系统时，由路损确定此用户的各初始发射功率，然后作1 dB的闭环功率调整，联合检测因子采用0.9计算。调度算法基于优先级，由于语音业务是通信体验最重要的业务，也是运营商的主要收入来源，所以网络条件较差时首先保证语音业务的通信质量，其次是游戏业务，最后是HTTP业务。本文的仿真中使用HTTP和游戏业务的人数和语音业务的大致相等，每人同时只使用一种业务，新用户随机产生，并按照3 km/h的速率运动，当新用户接入时按上述比例随机决定使用哪种业务。基站最大发射功率为43 dBm，移动终端最大发射功率为22 dBm，最小发射功率为-49 dBm，阴影衰落均方差为10 dB，基站和移动台最小耦合损耗为70 dB。

3.2 评价标准及仿真结果

图3给出了小区用户数增多的情况下两种动态信道分配算法的上行掉话率。由图3可以看出当用户数少的时候，基于智能天线测量结果的DCA算法和文献[5]中的算法没有区别，主要原因是用户数少，并且文献[5]中的算法也做了时隙优化。但是随着用户数增多，基于智能天线测量的算法优势就可以体现出来：1）中心区用户结束通话释放资源时，能调整边缘用户使用此资源；2）智能天线测量到用户从小区中心移动到小区边缘时能做码资源调整，延缓用户掉话率增大；3）在辅频点开启后，智能天线测量用户位置能辅助无线资源管理器给用户配置辅频点。通过上述3点，基于智能天线测量的算法在上行掉话率上相比文献[5]中的算法有更优的表现。

在TD-HSUPA上，基于智能天线测量的算法在用户结束通话和用户移动到小区边沿时都要进行码资源的调整，尽可能地利用信道资源，这导致在发送同等数据量的情况下，基于智能天线测量的算法吞吐量更大。在用户数较多时启用了辅频点，基于智能天线测量的算法能更好地辅助无线资源管理器给用户分配码资源，所以在系统达到极限之前有更大的吞吐量（见图4）。

4 小结

笔者在文献[5]和文献[6]的基础上，提出了一种基于智能天线测量结果的动态信道分配方法，该方法通过智能天线测量用户的方位，能辅助基站给用户分配时隙资源。仿真表明该算法对比文献[5]中提出算法，能更好地避免邻小区同频干扰和交叉时隙干扰，更加充分地利用码资源，对上行性能有较好的提升效果。

[1]彭木根，王文博.基于智能天线技术的码分多址系统容量研究[J].北京邮电大学学报，2006，29（2）：81-85.

[2]肖登坤，张其善，李世鹤.TD-SCDMA系统中接纳控制算法研究[J].电子学报，2004，32：1536-1538.

[3]彭木根，王文博.TD-SCDMA系统上行链路接入控制机制[J].北京邮电大学学报，2006，29（1）：29-31.

[4]周兴围.TD-SCDMA室内外不同时隙配比性能测试分析及组网建议[J].电信技术，2009（4）：56-59.

[5]刘兵，王亚峰，杨大成.一种TD-SCDMA系统的动态信道分配策略[J].电路与系统学报，2009，14（4）：50-54.

[6]KRIENGCHAIYAPRUK T，FORKEL I.Adaptive switching point allocation in TDD/CDMA system[C]//Proc.Vehicular Technology Conference 2002.[S.l.]：IEEE Press，2002：24-28.

[7]常永宇，杨大成.TD-HSPA移动通信技术[M].北京：人民邮电出版社，2007.