（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统动态信道资源分配研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1t d s c d m a 系统及其标准化概述 移动通信技术经历了第l 代和第2 代的长足发展，移动用户数量急剧增 长，移动业务逐步走向多元化，用户对服务质量的要求进一步提高 ”。因此， 在国际电联i t u r 提出的第3 代移动通信系统标准中，规定了3 g 系统具有 如下特点： ( 1 ) 支持从话音到各种上下行速率不对称的多媒体业务，特别是i n t e m e t 业务。 ( 2 ) 全球无缝覆盖。 ( 3 ) 高频谱利用率。 ( 4 1 高服务质量。 ( 5 1 高保密性。 f 6 ) 低成本。 目前3 g 移动通信系统主要分为两种，一种是频分双工f d d c d m a 系统， 代表为w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 ；另一种则是时分双工的t d d c d m a 系统， 包括u r r a t d d 和由我i 亘提出的t d s c d m a 。在第1 代和第2 代移动通信 系统中，主要的是采用f d d 模式，而t d d 模式一直没有受到重视。但随着 移动通信技术突飞猛进的发展以及一些关键问题的解决，在制定3 g 移动通 信标准过程中，t d d c d m a 系统受到了高度重视，尤其是我国的t d s c d 凇 标准的提出，更显示出了t d d c d m a 系统的可行性。t d d 模式系统的主要 优势在于 2 】： ( 1 ) 频谱利用。t d d c d m a 系统不需要成对的频率，能充分利用3 g 移动 通信系统中的所有频谱资源。 ( 2 ) 业务方面。3 g 要求能提供h l t e m e t 、f t p 和多媒体等业务，通常这些 业务上下行容量极不对称，如果用f d d 提供这些业务，会造成上行资源的浪 费。而t d d 可通过调整时隙交换点动态分配上下行信道容量，特别适用于非 对称业务通信。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 无线资源管理技术 无线资源管理的目标是在有限带宽的条件下，为网络内无线用户终端提 供业务质量保障，其基本出发点是在网络话务量分布不均匀、信道特性因信 道衰弱和干扰而起伏变化等情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和网 络的可用资源，最大程度地提高无线频谱利用率，防止网络拥塞和保持尽可 能小的信令负荷。t d s c d m a 系统中无线资源管理( 1 璩m ) 的主要包括以下几 个功能模划9 】： ( 1 ) 功率控制c ) 模块：主要作用是在维持链路通信质量的前提下尽可能 小地消耗功率资源，从而降低网络中的相互干扰和延长终端电池的使用时间。 ( 2 ) 切换控制m c ) 模块：主要功能是为保证移动用户通信的连续性，或者 基于网络负载和操作维护等原因，将用户从当前的通信链路转移到其他小区。 ( 3 ) 接纳控制( a c ) 模块：当新的用户和越区切换的用户发起呼叫时，网络 执行接纳控制过程，其目的是维持网络的稳定性和已接纳用户的q o s 。 ( 4 ) 分组调度( p s ) 模 咂灞渤鬟书梅酢辨0 雏弘酣； ；l ；质量不同葡主i 有罐! 求较低酾甬芦，占甬墨嚣影皮手刚营童：北翘酪硼 拍魏欺攀堑e 彰；飘豇毖畦鞘型姑蓄型甾j 囊妻南爿我切换用户时，系统 将对正在通话中的用户进行检测，如果可以在空闲时隙 找到满足其通话质量的时隙而其正占用的时隙可以供切换用户使用的话，则 进行时隙交换，保证两者都可以成功地维持通话。这种交换时隙的方法大大 的降低了小区内切换失败的概率【2 0 】。 ( 6 ) 采用智能天线进行空分增加容量的d c a 。在t d s c d m a 系统中，智 能天线阵列具有一定的角度定位功能。智能天线可以将小区用几个角度不同 的波束分扇区进行覆盖。而处于正交扇区或近似正交扇区内的用户可以互不 干扰，因此信道可以进行复用 4 “”。当新用户在扇区i 中接入时，如小区i 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 管理。 除以上所列的模块之外，鼬t m 还包括拥塞控制( c c ) 模块、小区选择( c s ) 模块和无线承载控制( r b c ) 模块。 业务模型、信道模型和系统模型将对尉t m 算法的设计产生决定件的影 响。由于业务参数模型和信道模型对所有第三代移动通信系统是相同的，决 定各系统i u t m 不同的因素主要是物理层技术。t d s c d m a 系统在物理层技 术上采用了智能天线、联合检测、接力切换、上行同步以及特殊的帧结构等。 因此，该系统的l m 设计比较灵活。其中最具有代表性的是t d s c d m a 系 统的r r m 算法中采用了动态信道分配技术( d c a ) 。 1 4 主要研究内容与论文结构 对t d s c d m a 系统的研究是一个复杂且范围广泛的领域。本文对于 t d s c d m a 系统无线资源管理策略之一的动态信道分配技术( d c a l 进行了 分析和研究。 在3 g 移动通信系统中，业务的主要类型将不在是上下行比例对称的语 音业务，而是一些上下行严重不对称的多媒体及数据业务，如w w w 浏览、 e m a i l 收发、电子商务、数据传送等。t d s c d m a 系统可以利用时隙转换点 灵活的分配上下行信道数目的比例，从而提供高效率的资源利用率。如何根 据业务类型的需求合理地、有效地为小区分配上下行信道，是本文研究的主 要内容之一。 在t d s c d m a 系统中，由于小区间业务类型的不平衡，各小区将根据 本小区内的业务需要为之分配信道，由此将产生小区间的交差时隙干扰。交 差时隙干扰是t d d 模式系统中特有的干扰，会在很大程度上影响系统的容 量。因此，如何有效地在小区间进行资源分配，来尽量减小交差时隙干扰对 整个系统的影响，是本文研究的另一个主要内容。 本文主要针对t d s c d m a 系统中的慢速动态信道阶段，根据小区中业 务的多样化，合理地、有效地安排上下行时隙数目，尽量的减小交叉时隙干 扰的影响，提高系统的资源利用率。文中通过仿真验证了热点小区慢速d c a 方案的性能，分析了其在某些业务场景下的不足；在两小区系统的环境中， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 研究了业务量与上下行业务比例对系统平均资源利用率的影响，推导出了时 隙分配是否服从热点小区分配方案的边界条件，并在多小区系统的环境下， 给出了一种改进的热点小区慢速d c a 方案，并仿真证明了方案可行性：并 且把该方案与分层小区方案相结合，提出了一种资源利用率更高的慢速d c a 方案，并给出了仿真结果。论文的组织结构如下： 第一章阐述了本论文的研究背景，当前3 g 移动通信系统的发展情况， 介绍了t d s c d m a 系统标准的技术特点及应用优势。简要介绍了 t d s c d m a 系统中的物理信道格式、灵活的时隙与帧结构。阐述了无线资源 管理技术的概念。说明了本论文的主要研究内容、研究方法以及论文的基本 结构。 第二章简要介绍了t d s c d m a 系统中动态信道分配的全过程。然后总 结了动态信道分配技术的研究现状，分别介绍了在单小区和多小区系统模型 下的一些典型d c a 算法，归纳出了动态信道分配技术研究的主要环境、限 制条件、关键问题和主要性能指标等。 第三章中，针对现有的基于热点小区的信道分配方案，本文提出了该方 案在特定的业务场景下的存在的缺点，并进行了仿真验证。并在两小区的环 境中，详细研究了低业务量非热点小区是否应该服从高业务量热点小区的上 下行时隙分配问题，并推导出了应该服从热点小区时隙分配的边界业务量条 件，通过仿真验证了此条件的正确性。在此基础上，提出的改进型的基于热 点小区的信道分配方案在多小区的综合环境下进行了仿真，与原有的热点小 区方案相比，明显地提高了系统的资源利用率。 第四章首先介绍了一种把小区分内外小区的慢速信道分配方案，经仿真 验证，此方案有可以有效地减少小区间的交叉时隙干扰，很大程度上提高系 统的容量。论文把此方案与第三章中的改进型的热点小区方案相结合，利用 两个方案的优势，能够进一步地减小交叉时隙干扰、降低单向容量受限的影 响，比原有的方案具有更好的性能和结果，并通过了多小区环境的仿真验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 2 2 1 单小区系统模型 在单小区系统模型中，被研究小区不用考虑小区间的干扰以及小区间业 务不平衡等问题，只考虑小区本身的业务呼叫情况以及小区内的白干扰情况， 不存在相邻小区间的干扰以及交叉时隙干扰等，所以在进行计算或者仿真的 时候比较简单易行。常用来考虑统一时隙划分的慢速d c a 方案，以及如何 将已分配好殚l 竣整霜慧婴哟忑型努醛骗越掣告盼摊萋妻掣是篡警；：霎慧醛 嘉鏊警聚券婆茔五萎再鹱鬻蓉； i i 静地鲫蛐鲤孙蓑薹薹鬻 ；氩飘照i f i 罐馐墨罄跨粪i 踩勇一裂；懂 礴谨蹇弱冀疆羹嗍鞘酶譬并醑鬻j 鏖裂一蠡魏罐鳇餐罐e r l 小研z 容量：每时隙总传输速率 2 8 1 6 k b p s2 2 0 8 k b d 8 耙粜诺朗 1 6 8 容量：每载波话音信道数 3 1 6 = 4 87 8 ：5 6 频谱利用率( 话音业务) 2 5 e r l m d h z1 0 e r l 小研z容量：每时隙总传输速率 2 8 1 6 k b p s2 2 0 8 k b d s x 西南交通天学硕士讲盎砸孽位讴委 暂；博 i ：霉萋薹薹篱羹鬟鬟鎏 磺瀣鬟抄芝p 扣蓥鬻锋希溥诉州嚼龋深i m ：塾簪捌篓蛹驰莽驰v 等虻圭 躯鞠拍一于携舶i 藕艇吾崔互哞i 丁甚枭瓤鬟掰明划毪辞始嚣。峰珐制涮浮倒 淫慷憎南猜吲曲嘛强罐叶灞渤 渤：荦坐逛喷博噔嚆理獭磁疆强攫越譬鼍耍 蝴兰蘩叫引j 瑚嘻翟瑗峨谭终蔓壕也坪强强沿j 拦坚巧捌港崾上碍篮川峨 嘎氆滢蕴型熏雌：罩妻j 目垂孽竹囊剐魏“摊托阱娑坛妊l i 鬈蝉；酩醛鳊弊刹钎聪翮 踞髀商囊；t i j 渤南矗劬醚蚕；的翳t 曝匹嚣磊睽孕聋糖翌辫碧攫馕馨鑫烈督创嗡谨 焉僻箨葛叼曼未耗j 拍“掣“摧墨霪翟釜兽贷割瑾升趱谨驻晕土瓤竖荟袋裂。 ；l l 琴酡鹭犊嚣謇l 型建i 圣仕上苇存莳醅筒罨输群貉警铡冒署犀笨；葱衔 褂掣毒掣 拯龋型靴省藏鹜商；m 垂0 m 痞谭掣嗡嗡海街丽瀚哥僻粥爱寸： i ；强璀喱婵；謇莲i 甜褡；割瓠吲基妇p 箭耐稳杯蒿懦鲁需揉蓝山蒸二酮群 荇誊甬，卢谝槽詹警。两翼带蓬唑菘汤罐港臻纂俐带q 馕竖鬲壤拦萋3 塞； ! ；做法是为萋；：酶 咂灞渤鬟书梅酢辨0 雏弘酣； ；l ；质量不同葡主i 有罐! 求较低酾甬芦；耋甬墨嚣影皮手刚营童：北翘酪硼 拍魏欺攀堑e 彰；飘豇毖畦鞘型姑蓄型甾j 囊妻南爿我切换用户时，系统 的时隙而其正占用的时隙可以供切换用户使用的话，则进行时隙交换，保证 失败的概率l|】。(6)采用智能天线 的角度定位功能。智能天线可以将小区用几个角度不同的波束分扇区进行覆 盖。而处于正交扇区或近似正交扇区内的用户可以互不干扰，因此信道可以 的信道，如有，则优先分配此类信道给用户；如无，则分配一个新的空闲信 道。这种方式成倍的提高了tdsc饼da系统的容量，显示出了智能天线的 强大功能。可以说，智能天线的空分功能在tdscdma系统中的信道分配技 术方面将具有更为广阔的应用价值；l；iii。单小区环境下的系统 模型具有分析简单，易于计算等好处。但由于现实中应用的系统都是多 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 尤其在t d s c d m a 系统中，由于每一小区中的上下行时隙比例都根据 自身业务灵活的分配，由此而引起的交叉时隙干扰更为严重，更是在现实应 用中必须考虑的因素。因此，在单小区模型下信道分配算法一般都不具有很 高的现实意义或者只是先简化影响系统的因素，然后再向多小区环境进行推 广。 2 2 2 多小区系统模型 在多小区的环境下，小区间互相影响的主要因素是来自小区间的干扰。 由于t e l s c d m a 系统是一个码分多址系统，干扰在存在会严重影响系统容 量。t d - s c d m a 系统在正常工作情况下，各小区之间帧同步，但各小区根据 自身的业务情况灵活地分配上下行时隙比例，因此相邻出现了交叉时隙2 3 1 ， 如图2 2 所示： 圈2 21 d d m a 系统中相邻小区的交叉时隙 在上行，基站( b s ) 接收到来自其它小区的干扰就是来自其它小区中的移 动台( m s ) 的干扰o “s b s ) ，在下行，m s 接收到来自其它小区的干扰就是来 自其它小区中的b s 的干扰s m s ) ，这两种干扰的情况都和f d d 系统干扰情 况相同。 与h ) d 不同的是除上面两种干扰之外，t d s c d m a 系统中还存在着b s b s 、m s m s 的交叉时隙干扰。在上行时，由于相邻小区交叉时隙的存在， 相邻小区正处于下行时刻，所以引起相邻小区b s 对本小区中正在接收的b s 的干扰。在下行时，由于相邻正处于上行时刻，所以会引起相邻小区m s 对本 小区中正在接收的m s 的干扰。如图2 3 所示。 由于b s 的发射功率较大，因此上行时b s b s 和下行b s m s 的干扰 相对其它两种干扰较严重。根据仿真结果，上行干扰和下行干扰都会随着业 务量的增多而增加，交叉时隙的增多会引起较为严重的上行干扰。因此，在 多小区环境下的t d s c d m a 系统信道分配的研究中，如何尽可能的减小系 统干扰尤其是交叉时隙干扰，是最关键的问题之一【4 ”。目前在多小区环境下 西南交通大学硕士研究生学位论文第堕基 ( 1 ) 小区间相同上下行时隙分配的d c a 。这种情况下，系统内各小区采 用相同的上下行分配比例，避免了交叉时隙干扰，但是达不到最优频带利用 率。在这种模式下，关键的问题就是如何采最简单的算法，根据整个系统的 业务状况，来动态的调节上下行的比例，使整个系统的容量达到最大，或者 使系统阻塞率达到最小【2 4 】。 ( 2 ) 部分小区相同上下行时隙分配的d c a 。在这种情况下，系统内的一定 量的部分小区采用相同的上下行分配比例，比较典型的一种为“热点小区” 模型。“热点小区”模型是指在整个系统内按照空间对小区进行分簇，每一簇 推选一个业务量最高的小区为“热点小区”，热点小区根据自身的业务状况调 整上下行比例，整个簇采用和热点小区相同的上下行比例分配。这样的话， 即使存在交叉时隙干扰，那么也发生在话务量较小的边缘小区，不会太大的 影响系统性能。根据仿真所得的结果，簇的大小为7 个小区时可以使系统总 容量以及热点小区的容量都达到最大 1 2 l 3 8 】。 ( 3 ) 所有小区上下行时隙分配都不同的d c a 。在这种情况下，每个小区 都可以根据自身的业务情况来改变上下行时隙的分配比例，使单小区的性能 理论上可能达到最大。这种方法明显优于前面相同上下行时隙分配的方案， 但是由于引入了交叉时隙的干扰，系统的总容量达不到最佳。可以通过仔细 的网络规划来提供足够的信号衰减，缓和干扰的影响，但由于移动台移动的 随意性，效果都不是特别好【2 2 】【3 7 3 8 4 2 1 。 ( 4 ) 充分发挥t d s c d m a 中智能天线的作用 4 “”，利用空间小区间的协 匹南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 调来合理安排小区间交叉时隙的分配情况，尽量的减少交叉时隙发生的机率 从而减少交叉时隙干扰，提高系统容量【2 6 1 3 9 】。 2 3动态信道分配技术研究中的关键问题及。| 生能指标 动态信道分配方案的优点是频带利用率高，无须信道预规划，非常适应 网络中负载的变化，特别适合多媒体通信中非对称业务和多种不同业务共存 的情况。但通常d c a 算法非常复杂，且在通信系统运行过程中，信道分配 需要较多的信息，增加了控制信道的信息量，系统在信道分配上的开销很大。 通常在进行d c a 算法的研究时，除了对小区环境的考虑外，我们还要考 虑到以下4 艮制条件 ( 1 ) 通信系统的信道总数有限。 ( 2 ) 业务量在时间和空间上分布不平衡。 ( 3 ) 各种业务或上行、下行链路对信道质量要求的不平衡【柏 。 ( 4 ) 信道复用分配时有电磁兼容限制( 同道干扰、邻道干扰、c d m a 中多 址干扰、交叉时隙等等1 3 2 帅 。 ( 5 ) 系统的计算及收集信息能力有限。 评价一个d c a 算法的好坏，我们往往以下几个性能指标进行参考； ( 1 ) 信道利用率或系统总容量。表示了在给定的信道资源后，系统利用信 道资源的能力。 ( 2 ) 呼叫阻塞率，呼叫中断概率。表示了系统对新用户呼叫的接入能力， 以及由于通信质量下降引起的通信中止或者切换失败概率，标明了系统的 q o s 。 ( 3 ) 算法复杂度及分配延迟。表示了算法运行时所需要的信息量、计算量 及时间【2 8 【2 9 】【3 0 】。 当前对t d s c d m a 系统中的d c a 的算法多种多样，但多数算法都是围 绕着以下几个研究关键问题进行： ( 1 ) 支持上下行不对称的多种业务 ( 2 ) 小区上下行时隙比例的确定 ( 3 ) 合适地分配时隙，提高时隙的利用率 ( 4 ) 尽量地降低各种干扰，提高系统容量 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 本文的研究工作亦针对以上几个研究重点，尤其围绕着如何对小区的上 下行时隙比例的确定，以提高资源利用率问题，对慢速d c a 阶段的方案进 行了研究。 2 4 本章小结 本章首先介绍了t d s c d m a 系统中d c a 过程中的两个阶段：慢速d c a 阶段包括对不同小区的时隙分配以及在上下行之间的时隙分配；快速d c a 阶段把信道资源分配给不同的业务呼叫，并根据系统对已分配的信道资源进 行调整或重新分配。 然后总结了动态信道分配技术的研究现状。在进行d c a 研究的时候， 针对不同的d c a 阶段或不同的性能指标，可以采用单小区系统模型或者多 小区系统模型进行研究。并分别给出了一些现有的d c a 算法描述与分析。 最后归纳出了动态信道分配技术研究的主要环境、限制条件、关键问题 和主要性能指标等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 在系统中，我们采用一种简化的业务模型。假设一个上下行时隙( 1 6 个 码道) 容量为l ，即在一个时刻内最大允许接入的业务量为h 我们用实数 s ( o ) 来表示一个小区在一个时间单位内的产生的业务量。则在某小区中， 总的业务情况则可以用业务量s 和上下行业务比例r s 来表示，其它符号使用 说明： s d ：小区中下行业务量 ；小区中上行业务量 s ：s d + 最：小区中业务总量 b = 要：业务不对穗因子 虬：小区t d d 帧中下行时隙数目 也：小区t d d 帧中上行时隙数目 = 虬+ ：小区t d d 帧中时隙总数目 q ：小区t d d 帧中下行时隙总容量 e ：小区t d d 帧中上行时隙总容量 咒= 鲁：小区t 。帧中资源不对称因子 在这里，我们不考虑小区内和小区间的其它干扰，仅仅考虑相邻小区间 的交叉时隙干扰对系统容量的影响。小区中下行时隙总容量和上行时隙总容 量，分别为c j 和c f 。 在不存在交叉时隙干扰的情况下，一个上下行时隙的容量为l 。如果相 邻小区内和本小区存在一个交叉时隙，则本小区的交叉时隙的容量将会因为 受到干扰而降低。由交差时隙而引起的干扰可以由下面b s b s 以及m s m s 的传播损耗模型来确定【2 6 】： 厶s 一剪= 0 0 5 + 4 0 1 0 9 1 0 ( r ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 二懈堋= 5 5 7 8 + 4 0 1 0 9 1 0 ( r ) 这里我们可以简化地认为，当一个时隙被本邻小区的交叉时隙所干扰时， 上行时隙容量变为原来的o 6 倍，下行时隙的容量变为原来的o 8 倍( 因为基 站的发射功率较大，所以b s b s 间的干扰要大于m s m s 间的干扰，由上面 的传播损耗模型也可以看出) 。例如，如果上下行时隙比例为2 ：4 ，而下行 时隙在相邻小区存在两个交叉时隙，则下行容量e = 1 + 1 + o 8 + o 8 = 3 6 。 我们令u 代表本小区的最大资源利用率，并再假设系统中请求的资源数 要大于系统可分配的资源数。在此情况之下，当r r 时，新的多媒体业 务请求将由于下行资源的缺乏而阻塞。此时使用的下行时隙资源为e ，使用 的上行时隙资源为g 足，其中有巴一c ：足的上行时隙资源因单向受限 被浪费了。此时系统资源最大利用率为： ：掣当r r 时 r 4 同理，当足r ，下行时隙资源单向受限，此时系统资源最大利用率 为： ：掣当r r c 时 。 ， 5o 因此，当一个小区的上下行时隙比例分配完成后，根据接入的业务情况， 我们可以得到此小区的资源利用率 f 肇笋若r 足 舻 卓裹支 蝴- 1 l 5。 i = a 。“ 公式3 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 如果一个小区既不是热点小区，其周围也没有任务热点小区，那么此小 区一定处在业务量较小的地区。则其上下行时隙分配比例将按照自身的业务 情况进行分配，即足= 足。 当所有小区都完成了上下行时隙比例的分配，则此慢速d c a 过程结束，系 统将在此慢速d c a 周期内按分配好的上下行时隙比例接入业务。下一周期到来 时，重新统计所有小区的业务情况，准备下一次的慢夔i 7 嚣璧； 藿i 。塞羹霎萋雾瑟藿蒌鋈篓 霉囊签薹冀藿霜露魏，麓囊鏊葵塞叠l = 雾露攥馨鬟囊摹鬯琶篓霪雾薹鐾 篓妻；嚣登萋翁墓囊；鎏l 菊型薰攀蔫! 霪羹薹蠹耋薹鍪薹爨囊囊冀羹薹；鬻 粪羹鬻囊雩雾鏊餮精登透雾；露鲤雾；| 蓁茎慧雾薷塞毳季i 蘩鋈i ，l 蘩簦； 釜i ；幕錾馈萄嚣曼 羹耋鍪冀薹蜀嚣鬻鏊瑟萋嚣麓篓： 砑俺墨浚愫滔一m 疆 案 ” 改进的热点小区方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 篓0 8 l 薹。嗡 躺； 一无熟点小区方案 卜一热点小区方寨 l3579u1 3 1 5 1 71 9 时间 图3 6 业务量等级( 2 5 ，3 0 ，5 ) 瓣 鬟o j 8 臻07 9 塥o 7 8 蓬o 7 7 一无热点小区方案 - 一热点小区方案 l3579 1 31 51 71 9 时间 图37 业务量等级( 2 5 4 0 5 ) 由仿真结果图3 _ 3 到图3 7 可以看出，系统的资源利用率并没有像热点小 区方案预期的结果那样，达到一个比较高的数值。在业务等级为( 2 5 ，1 0 ，5 ) 和 ( 2 5 ，2 0 ，5 ) 的时候，甚至出现了热点小区方案的性能还没有无热点小区方案的 性能好的现象。 在商业区的业务量逐渐加大的过程中，我们可以看出，热点小区方案的 优势开始显现出来。在( 2 5 ，2 5 ，5 ) ，( 2 5 ，3 0 ，5 ) 和( 2 5 ，4 0 ，5 ) 三个业务量等级的系统 中，热点小区方案的资源利用率均好于无热点小区方案。而在商业区和办公 区的业务量相差最大的业务等级( 2 5 ，4 0 ，5 ) 的系统中，采用热点小区方案可以 使系统的资源利用率稳定地提高1 5 个百分点。 由此现象我们可以得出一个结论，随着商业区和办公区的业务量比例的 增大，热点小区方案的优势可以得到更好的体现。而在其业务量比例较小的 情况下，热点小区方案并不能发挥其优势，甚至比普通小区方案都要差。如 何会出现此种现象，我们将在下一节以双小区为例进行分析。 3 2 双小区环境下改进的热点小区慢速d c a 方案 由上一节的仿真结果可以看出，在某些特定的业务分布的情况下，热点 小区方案并不能很好的提高系统的利用率。热点小区方案的性能与小区的业 务量的分布有着直接的关系。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 由于系统中每个小区都有6 个相邻小区，当分析热点小区与相邻6 个小 区的关系时，业务分布情况比较复杂。为了简化，本节中采用了双小区的环 境，对热点小区方案的性能进行了分析。 3 2 1 系统模型描述 我们仍然采用t d s c d m a 系统典型的帧格式，单独在系统中取出两个 小区相邻为研究对象。其系统模型如图3 8 所示： 图3 8 双小区系统模型 在此双小区模型中，系统的参数定义如下： & ：小区中下行业务量 鼠：小区中上行业务量 s = & + 最：小区中业务总量 b = 妾：业务不对称因子 虬： 小区t d d 帧中下行时隙数目 m ： 小区t d d 帧中上行时隙数目 = 虬+ ：小区t d d 帧中时隙总数目 足= 瓮：小区t 。帧中时隙分配比例 “：小区的资源利用率 ：两小区平均资源利用率 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 | ? 二篡 怵一。 鸬= 等半 。 电警吗半 = 监巡l 二丝z ! + 口，丝 唑丝c 丝2 1 7 n i 、 i n t 2 同理，当c 2 虬1 一：2 o 时，即r l 一 r r 西南交通大学硕士研究生学位论文。第3 2 页 0 ，8 8 o 8 7 o 8 6 o8 5 o 8 4 o8 3 o 8 2 0 8 l i 二= 蠢赫尘导 叶* 改进的热点小区方案 l35791 11 3 1 5 1 71 9 日寸间 圈31 0 办公区办公区( 2 5 ，2 5 ) _ | i i 旺 鬲 袋 嫩 螺 蠕 l 漩：声喀蟮c i 碥ij l _ i - _ - _ l 啊- _ - r i i 州哺j l ，。 135791 i 1 3 1 5 1 7l g 时间 图3 1 l 办公区办公区( 2 5 ，1 0 ) 然后设定小区1 和小区2 分别为办公区和商业区，业务分布为( 2 5 ，2 5 ) 和( 2 5 ，4 0 ) ，得到的仿真结果如图3 1 2 和图3 1 3 所示： 圈31 2 办公区商业区( 2 5 ，2 5 ) 闻 。篙 糌。嚣 08 2 5 o 8 2 l3 579l l1 31 5 i 71 9 时间 图31 3 办公区商业区( 2 5 4 0 ) 最后设定小区1 和小区2 分别为办公区和其它区，业务分布情况为( 2 5 1 ) ，以及小区l 和小区2 分别为商业区和其它区，业务分布情况为( 2 5 ，5 ) 仿真结果如图3 1 4 和图3 1 5 所示： 鲒需 乳? ： 蓬0 8 5 5 o8 5 一无热点小区方案 l 一热点小区方案 静改进的热点小匿方案 l3579l l l 31 5 1 71 9 时间 图31 4 办公区其它区( 2 5 ，1 ) 瓣o9 4 旺 露o9 2 聪 篓吼9 l 氍o8 8 一无热点小区方案 卜热点小区方案 喘 改进的热点小区方案 摊群蜒蝴恤嘲魈格蚴姥醇i 聊郴* d - l 35791 1 1 31 51 7l p 间 图31 5 商业区其它区( 2 5 ，5 ) 从以上的6 个仿真结果我们可以看出，根据系统小区类型和业务场景的 不同，热点小区方案的资源利用率情况很不稳定。在某种场景下，可以很好 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 图3 1 6 新方案的较热点小区方案的改进之处 图3 1 7 改进方案的时隙分配流程改进 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 5 页 3 3 2 系统仿真与性能分析 我们将对上述改进的热点小区方案进行仿真，将仿真结果与无热点小区 方案以及热点小区方案做比较，观察改进的热点小区方案在多小区系统中的 性能情况。 仿真环境参照3 1 2 中的仿真环境，在1 0 0 个小区的系统中，小区被分成 三种类型：办公区，商业区和其它区。每种小区的业务生成情况也参照3 1 2 中业务参数。 办公区、商业区和其它区的业务量等级为( ，与，岛) 。对每一个业务量级 别，我们共统计2 0 次系统的资源利用率。每统计一次，系统执行5 0 次慢速 d c a 算法。在执行一次慢速d c a 中，统计一次各小区的业务量和业务上下 行比例一次，对所有小区进行热点小区划分和时隙调整，然后每个小区在此 周期内随机变化l o o 次业务场景( 假设一个业务场景为一个时间单位) 。则总 仿真时间为2 0 l o o 5 0 = 1 0 0 0 0 0 个时间单位。最后统计此仿真过程中的平 均系统资源利用率。 现实中，由于办公区和商业区的业务量都相对比较高，所以在仿真中我 们采用了以下5 个不同的业务量等级，然后得到仿真结果来比较系统性能。 ( ，岛，岛) = ( 2 5 ，1 0 ，5 ) ，( 2 5 ，2 5 ，5 ) ，( 2 5 ，4 0 ，5 ) ，( 2 5 ，2 5 ，1 0 ) 。在相同的业务等级场景 下，我们对三种方案比较系统平均资源利用率，得出以下仿真结果： 一无热点小区方案 一热点小区方案 。”改进的热点小区方案 鼎冀婚瓣蜥鹋 i 瞳三- i t - 一一，一i - 一 一一- l357 9l l1 3 1 51 7 蝴 圈31 8 业务量等级( 2 5 ，l o ，5 ) 黔： 疑0 7 9 黯； 一无热点小区方案 i 一热点小区方案 心 改进的热点小区方案 誊岛尊镣、j 鲰a i35791 l 1 3 1 51 71 9 时间 图3 1 9 业务量等级( 2 5 ，2 5 ，5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 6 页 躲詈 辩： 嚣筹 一无热点小区方案 一热点小区方案 矗改进的热点小区方案 l3579l l l 31 5 1 71 9 时间 圈32 0 业务量等级( 2 5 4 0 5 ) 碍0 8 l 旺o8 霹07 9 聪07 8 艇07 7 螺o7 6 帐07 5 l35791 11 3 1 5 1 71 9 时间 图3 2 l 业务量等级( 2 5 ，2 5 1o ) 由图3 1 8 到图3 2 l 可以看出，在复杂的多小区系统中，改进的热点小区 方案更加体现出了其性能上的优势。无论在何种业务场景下，改进的热点小 区方案中的系统资源利用率都比相同业务情况下的无热点小区方案提高约2 到3 个百分点，而且性能比热点小区方案更加稳定，达到了我们预期的结果。 在和从3 2 节中双小区的仿真结果的对比中我们可以看出，在复杂多变的 多小区环境中，每个小区中的业务量以及业务的上下行比例在时间和空间上 都不平衡的时候，热点小区方案和无热点小区方案都不能很好的发挥系统性 能。而改进后的热点小方案在此环境中却能稳定地提高系统资源利用率。 3 4 本章小结 本章中，我们针对t d s c d m a 系统中的慢速信道分配中的上下行时隙 分配问题，对热点小区方案，无热点小区方案以及改进后的热点小区方案进 行了系统描述，并通过仿真验证比较了其性能。 通过仿真验证，我们发现热点小区方案在某种特定的业务场景下能够较 好的提高系统资源利用率。但在某些业务场景下，其系统资源利用率还不如 无热点小区方案。 针对以上情况，我们以双小区系统模型进行研究，针对热点小区方案和 无热点小区方案中的交叉时隙干扰和资源单向受限之间的矛盾，做了理论分 析和公式推导，得到了非热点小区是否服从相邻热点小区时隙分配的不等式 边界条件。经过仿真验证，在双小区系统的环境下，此不等式条件是可行的。 把双小区系统环境中推导出来的不等式条件应用到多小区环境中去，得 出了一种改进的热点小区方案。仿真结果表明，在相同的业务场景下，较之 其它的两种方案，改进型的热点小区方案使系统资源利用率得到了稳定提升。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 7 页 第四章小区分区慢速d c a 分配方案及其改进 交叉时隙干扰是t d d 系统中特有的一种干扰。在t i ) s c d m a 系统中， 采用了上行同步、智能天线以及多用户检测等一系列先进技术之后，小区间 的干扰成了t d s c d m a 系统中的主要干扰，因此交叉时隙干扰在 t d s c d m a 系统中是一种很大的干扰。 在t d s c d m a 系统的慢速d c a 研究中，大都把研究目标一方面集中在 如何尽可能的降低交叉时隙干扰的影响，以提高系统容量上；另一方面集中 在如何灵活地为每个小区分配最佳的上下行时隙，以降低资源单向受限的影 响上。交叉时隙干扰和资源单向受限在t d s c d m a 系统中是一对矛盾体。 上一章提出的改进的热点小区慢速d c a 方案在交叉时隙干扰和资源单 向受限之间寻找到了一个相对较好的平衡点，使系统的资源利用率得到了一 个较好的提升。 小区分区慢速d c a 方案却利用了智能天线的定位作用，将小区分为内 小区和外小区两层区域，外小区的业务将不再受交叉时隙的干扰，使系统中 的总交叉时隙干扰大大降低，提高了系统容量。 4 。1 小区分区。陵速d c a 方案 4 1 1 系统模型描述 在t d s c d m a 系统中，智能天线技术将得到大量的应用。智能天线技 术能够通过识别用户信号的来波方向和衰减量来对业务用户进行定位。基于 小区分区的慢速d c a 方案正是利用智能天线的这一功能，增大系统中的交 叉时隙的空间隔离度，从而减小系统中的交叉时隙干扰，提高系统容量【1 5 】。 当载波频率为2g h z ，基站的天线高度为1 5 m 时，基站和基站间的路 径损耗典型值为 2 2 】： 三肛船= o 0 5 + 4 0 l o g i o ) 在城市环境中，假设不同小区的移动台间无视距传播路径，则移动台和 移动台间的路径损耗值为： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 9 页 2 个时隙干扰。因此如果系统满载的话，交叉时隙内的业务将占总业务的1 3 或2 3 ，按业务在小区内平均分布的话，内小区的半径应该为o 8 2 r 或o 5 8 r 。 在此方案中，交叉时隙的空间距离平均增加为原来的1 5 倍以上。由此 我们可以简单的认为，如果交叉时隙发生在上行时隙，该上行时隙的容量变 为原来的0 7 倍；如果交叉时隙发生在下行时隙，该下行时隙的容量变为原 来的o 8 5 倍。 在多小区环境下的小区分区方案中， 小区的上下行时隙比例进行最佳的分配， 仅存在交叉时隙干扰的容量影响。 每个小区根据自己的业务情况对本 因此不存在资源单向受限的影响， 系统的其它参数设置和业务模型均采用3 1 节中的设置。我们可以通过 仿真，在多小区多种业务场景的环境下，将普通的慢速d c a 方案与小区分 区慢速d c a 方案做一下对比，以观察其性能表现。 4 1 2 系统仿真与性能分析 在此仿真中，仿真环境完全采用3 2 节中的仿真环境设置和仿真流程。 仿真中，我们将统计无小区分区的慢速d c a 方案与小区分区慢速d c a 方案 在相同业务等级下的平均系统资源利用率。仿真结果如下： 丹0 8 4 娶0 8 2 翳08 馨0 7 8 垛0 7 6 13 579l l1 31 5 1 71 9 时间 圈4 2 业务量等级( 2 5 ，2 5 ，5 ) 丹0 ，8 4 要0 8 2 翳0 8 篓0 7 8 懈07 6 一无小区分区方案 卜小区分区方案 l357 91 31 5 1 7l g 日j 间 圈43 业务t 等级( 2 5 4 0 2 5 ) 由结果图4 2 和图4 3 可以看出，在小区分区慢速d c a 方案中，由于较 大程度减小了系统中的交差时隙干扰，所以系统资源利用率与无小区分区的 方案相比，在各个业务等级的情况下均有明显的提高。 满载时的系统资源利用率是衡量系统容量的个重要指标，也是一个 d c a 算法优劣评定的指标之一，小区分区方案在此性能指标上面得到了很大 的提高。但是由于要利用的智能天线的定位功能，因此在实际应用中，算法 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 4 页 地方，现总结如下，以在未来的研究工作中，努力寻求解决的方法。 ( 1 ) 在进行t d s c d m a 系统中d c a 技术研究的时候，本文侧重于慢速 d c a 方案，主要研究了上下行时隙比例分配问题。对于快速d c a 阶段，如 何将信道资源r u 合理的分配给不同业务问题，本文没有进行深入的探讨。 慢速d c a 和快速d c a 是一个连续的过程，如果对于整个d c a 阶段进行综 合地研究，将更有利于提高整个系统的综合性能指标。 ( 2 ) 本文进行的慢速d c a 方案的研究，是在系统小区负荷满载、且不考 虑除交叉时隙干扰外的其它干扰的假设前提下进行的。并且对于交叉时隙干 扰的影响，也采用了简化的影响因子。在未来的工作中，应该尽量的考虑到 更加现实的情况，综合各方面的因素，以提高研究工作的可行性。 ( 3 ) 本文中对原有的普通小区方案、热点小区方案、小区分区方案以及新 提出的两种方案的理论分析和仿真验证工作，主要是基于系统满负荷状态下 系统最大资源利用率的比较。一个优秀的d c a 算法，应该考虑多方面的性 能指标，如算法复杂度、系统开销等。 ( 4 ) 由于本论文主要研究的是慢速d c a 阶段的上下行时隙分配情况，所 以对各种多媒体业务的具体特性没做详细的要求，在进行理论分析和仿真验 证时均采用了简化的业务模型。在未来的工作中，涉及到各种具体业务的特 点与接入要求，将对合理的多业务模型进行研究一8 4 9 1 。 ( 5 ) 随着t e i - s c d m a 技术的逐步完善和成熟，以及一些新兴技术的出现， t d s c d m a 系统中的d c a 技术将会有更多的研究空间【5 0 】【5 1 。在未来的d c a 研究工作中，应时刻关注最新的研究动态，综合运用各种先进技术，将 t e l s c d m a 系统的研究推动到一个新的高度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 6 页 参考文献 1 t h e o d o r es r a p p a p o r t ，无线通信原理与应用，电子工业出版社，1 9 9 8 年 2 彭木根，王文博，t d d c 腓a 系统中支持非对称业务的动态信道分配算法研究，电 子与信息学报，2 0 0 4 年第7 期，1 0 3 8 一1 0 4 4 3 杨翼刚，第三代移动通信t 叩与f d d 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，w e n b ow a n g ，ad y na i l l i cc h a n n e la l l o c a t i o na 1 9 0 r i t h mi nt d dm o d e c d 姒s y s t e m s ，2 0 0 li e e e ，3 0 5 3 0 8 1 7 d o n gg e u nj e o n g ，w h as o o kj e o n ，c d m a t d ds y s t e mf o rm o b i l em u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n s 1 9 9 8i e 旺，9 9 4 9 9 8 1 8 郭金淮，李超，汤汉屏，吴钧，t d d c d 姒移动通信系统的一种信道分配方案，网络与 通信，2 0 0 2 年第4 期，7 3 7 6 1 1 9 m u g e np e n 邑j i r l w e nz h a ng j an o v e ld y n a i cc h a n n e la l l o c a t i o ns c h e m et o s u p p o r ta s y m m e t r i