ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統中動態信道分配技術研究

摘要：作為第三代移動通信系統的標準之一，時分-同步碼分多址（TD-SCDMA）系統由于采用了時分雙工（TDD）方式而在性能上顯示出了不同于其他兩個主流標準的優勢，它能更充分滿足日益興起的不對稱傳輸服務的需求。動態信道分配（DCA）技術是TD-SCDMA系統中的一種關鍵技術，它從業務服務的實際情況和趨勢出發，更合理地分配信道，緩解頻譜資源的緊張狀態。本文主要是在現有的動態信道分配技術的基礎上提出一種改進算法，通過仿真分析確認該改進算法可以減少數據掉包概率，使得系統資源得到更好的利用，更好的提高無線頻譜利用率，防止網絡阻塞。

關鍵詞：TD-SCDMA系統；動態信道分配；可移動邊界

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)31-0812-03

TD-SCDMA System Dynamic Channel Allocation Technology Research

MENG Wei， MENG Zheng-da

(Southeast University， Nanjing 210096， China)

Abstract: As one of the standards of 3G mobile communication systems， the TD-SCDMA system has some performance advantages which are different from the other two main standards because of its TDD duplex. It can improve the quality of the asymmetry transmitting service. Dynamic Channel Allocation (DCA) technology is one of the key technologies in the TD-SCDMA system， which has been putted forward based on the real conditions and the development trend of the communication service， can not only allocate the channel resources more reasonably but also improve the tense states of the spectrum resources. This main contribution in the paper is given an improved algorithm which can reduce the proportion of data lose and make better in the utilization of the wireless spectrum.

Key words:TD-SCDMA system; DCA; movable boundary

1 引言

隨著TD-SCDMA網絡的測試通過和國家政策的支持，中國TD-SCDMA業務得到了迅速發展，這也充分體現了它在技術上的特點和優勢。由于采用時分雙工（TDD）的工作方式，并綜合了三種基本多址接入技術（TDMA、CDMA、FDMA）的優點，TD-SCDMA更適合傳輸不對稱的業務，它能同時滿足實時和非實時服務的需求，為多媒體業務的實現提供了開發潛力，在頻譜效率、系統容量及性能方面具有更多的優勢。TD-SCDMA采用的關鍵技術包括智能天線、聯合檢測、接力切換、軟件無線電和動態信道分配等。其中動態信道分配（DCA）技術使得TD-SCDMA系統資源分配的靈活性和高的頻譜利用率可以得到充分的體現[1]。與傳統的固定邊界DCA相比，基于可動邊界的DCA算法（MB-DCA）更能提高資源利用率，減少數據包的丟失概率[2-3]。本文首先從TD-SCDMA系統的物理信道幀結構出發介紹了固定邊界和目前可動邊界信道分配算法，在此基礎上提出了一種改善的動態信道分配算法，然后通過仿真分析確認可以減少數據的掉包概率，提高信道資源利用率等。

2 TD-SCDMA系統的物理信道幀結構

TD-SCDMA系統的物理信道被分成4層結構：超幀、無線幀、子幀和時隙。TD－SCDMA將每個無線幀平分成兩個5ms的子幀，每個子幀由7個長度為675 的主時隙和3個特殊時隙構成。在這7個主時隙中，Ts0總是作為公共物理信道的保護時隙分配給下行鏈路，Ts1總是分配給上行鏈路，其它時隙既可作為上行鏈路的時隙，也可作為下行鏈路的時隙。這樣每個子幀都有6個業務時隙供上行鏈路和下行鏈路使用。上行鏈路的時隙和下行鏈路的時隙之間由一個轉換點分隔開，TD－SCDMA系統中的每個子幀都有兩個轉換點（上行鏈路到下行鏈路和下行鏈路到上行鏈路），轉換點的位置取決于小區上、下行時隙的配置。通過配置上、下行時隙的個數，TD-SCDMA系統可以靈活改變上、下行鏈路的傳輸能力，使得系統在對稱和非對稱業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、下行鏈路的動態信道分配策略相同，本文只研究上行鏈路的動態信道分配。請參考圖1所示的TD-SCDMA系統幀結構示意圖。

3 TD-SCDMA系統中的信道分配策略

在TD-SCDMA系統中的動態信道分配過程可以分為慢速動態信道分配(DCA)和快速DCA兩個階段[4-5]。

慢速DCA主要根據小區內業務不對稱性的變化，動態地劃分上、下行時隙，使上、下行時隙的傳輸能力和上、下行業務負載的比例關系相匹配，以獲得最佳的頻譜效率。TD-SCDMA系統可以通過轉換點的移動來靈活地劃分上、下行時隙，從而提升系統容量。但是當相鄰小區的上、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，導致系統容量損失。慢速DCA算法采用從熱點小區中選出負荷較重的小區作為參考的方法，以小區的上、下行信號比例作為時隙上、下行劃分的依據，在其相鄰小區也采用一致的劃分，盡量減少交叉時隙的數量。

快速DCA指系統為申請接入的用戶分配無線信道資源，并根據系統狀態對已分配的資源進行動態調整。在TD-SCDMA系統中，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容：判斷網絡能否為新接入的業務提供滿足其要求的通信質量，確保新接入的業務不影響正在被服務的業務。為了保證用戶的服務質量，系統還要對用戶的通信質量進行監測。當用戶的通信質量惡化時，系統可以綜合考察用戶的服務質量要求、干擾情況以及移動狀況等，然后做出判斷，調整用戶所占用的無線資源，從而為用戶提供穩定的服務。

4 可動邊界快速DCA算法的描述

4.1 固定邊界DCA算法

選用大小為16的擴頻因子，這樣每個時隙就有16個基本資源單元（BRU），12.2kbps語音服務需要占用2個BRU。在慢速動態信道分配完成后，假設上下行信道各分配了3個時隙。按照傳統固定邊界（FB）DCA算法的做法是將信道分成兩部分：語音信道和數據信道。語音業務只能使用語音信道，數據業務只能使用數據信道。在該算法中，每個基站的單條鏈路中的3個業務時隙，2個分配給語音業務，1個分配給數據業務。固定邊界的動態分配算法如圖2所示。

這樣在語音呼叫到達時，如果存在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。當數據緩存器中隊列不空，而數據時隙中的所有16個BRU均空閑時，隊列的頭數據包就會被取出，進行數據傳輸，否則的話，頭數據包繼續在隊列中等待。當緩存器被占滿后，如果新的數據包到來，就會發生丟包。固定邊界(FB-DCA)算法的缺陷是不能有效地利用系統資源，當正在通話的語音用戶數很少而等待發送的數據包很多時，分配給語音用戶的信道就只能空閑而不能用來傳輸數據，造成了系統資源的浪費。

4.2 可移動邊界DCA算法

可移動邊界（MB）DCA算法首先將信道分為兩個部分：語音信道和數據信道。在業務傳輸過程中如果語音信道空閑且數據緩存器隊列不空時，隊列中的數據包可以借用語音信道進行傳輸。當語音呼叫到來時，語音業務可以強占被數據業務借用的語音信道，進行語音業務傳輸，而數據業務則停止在借用的語音信道中的傳輸，繼續排隊等待。在此算法中，仍將單條鏈路上3個時隙中的2個時隙分配給語音業務，1個時隙分配給數據業務。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。當數據緩存器中隊列不空時，首先檢查數據時隙中所有的16個BRU是否空閑。如果空閑，則隊列的頭數據包就會被取出，進行數據傳輸，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，則頭數據包被取出，進行傳輸；如果有16個BRU，但16個BRU不在一個時隙內，則首先需要進行信道重組，將16個BRU調整到一個時隙內，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，則數據包繼續排隊等待，直到有足夠的空閑信道。同樣，如果緩存器已滿，這時新的數據包到來將發生丟包。在語音信道被借用的情況下，當有新的話音用戶出現的時候，話音用戶可以搶先占用被數據用戶借去的信道，即要回被借用的信道，數據業務繼續排隊等候。這種分配策略的數據業務時隙和語音業務時隙的邊界是可以移動的，因此該算法稱為可移動邊界算法。基于可移動邊界的動態分配算法與固定邊界信道分配算法比較，能更好地利用資源。可移動邊界的動態分配算法如圖3所示。

4.3 可移動邊界DCA的改進算法

在上述MB DCA算法中，當語音空閑信道小于16個BRU，數據包將無法根據該算法使用語音信道傳輸，這種采用單一數據速率的方法顯然缺乏必要的靈活性，假如語音信道有小于16個BRU，且有數據包等待傳輸時，而無法使用語音信道空閑的BRU傳輸，顯然浪費了系統資源。基于采用靈活的傳輸速率，盡可能的提高系統的信道利用率的前提，對該MB-DCA算法進行優化，在語音空閑信道少于16個BRU，且有數據包等待傳輸時，將使用較小的數據傳輸速率（本文使用64kbps研究）進行傳輸，從而提高系統的利用率，降低數據等待時間和掉包概率。為方便研究，采用64kbps的傳輸速率進行分析，并近似64Kbps速率需要8個BRU，且實際速率可以達到144Kbps的一半，即8個BRU可以傳輸3.84kbits的分組包對半拆分的子包。

5 改進前后的動態信道分配性能仿真分析

該文基于MATLAB仿真平臺對MB DCA改進算法進行仿真，為了更好地進行比較，對FB DCA算法和MB DCA算法同時進行了仿真。

5.1 系統仿真模型和參數

根據圖3所示的可動邊界示意圖，同時使用表1中的系統參數對系統進行仿真分析。

在FB算法中，最多可以服務16個語音用戶，在語音業務到達時，如果有空信道，則進行業務服務，傳送語音業務。否則，則此語音業務發生阻塞。數據業務只可以使用一個數據信道，在數據包到達后，首先將數據包放入一個先進先出的隊列，如果隊列超出了數據緩存器的長度，后續到達的數據將出現掉包現象。數據信道在每傳完一個數據包后，都要檢查隊列是否為空，如果不空，則將隊列頭數據包取出進行傳輸。

在MB算法中，數據業務初始分配的可用時隙數為1。然而當語音用戶數小于8時，數據業務可以借用空閑的語音時隙，則此時數據服務通道數可為2。當語音用戶數為0時，數據業務可以借用這2個語音時隙，因此此時數據服務通道數為3。但是，當語音業務到達且沒有空閑語音信道時，語音業務將會強占被數據業務借用的語音信道，進行語音服務，正在傳輸的數據業務則停止傳輸，繼續等待。

在MB的改進算法中，數據業務初始分配的可用時隙數為1。然而當語音用戶數為0時，數據業務可以借用空閑的語音時隙，則此時數據服務通道數可為3;當語音用戶數i(1≤i≤4)時，數據業務可用的時隙數為2.5;當語音用戶數i(5≤i≤8)時，數據業務可用的時隙數為2; 當語音用戶數i(9≤i≤12)時，數據業務可用的時隙數為1.5;當語音用戶數i(13≤i≤16)時，數據業務可用的時隙數為1。當語音業務到達且沒有空閑語音信道時，語音業務將會強占被數據業務借用的語音信道，進行語音服務，正在傳輸的數據業務則停止傳輸，繼續等待。

5.2 結果分析

根據上述仿真模型的分析，在不同的語音和數據業務到達率下，使用MATLAB仿真平臺分別對FB算法和MB算法以及MB改進算法進行仿真。由于語音業務可以隨時強占被數據業務借用的信道，所以改進前后的語音業務與固定邊界的語音業務相同，不受算法的影響。下面重點以數據掉包概率為主要仿真指標，分析三種算法的數據業務的性能。仿真結果分別見圖4、圖5、圖6。

通過以上仿真結果可以看出：MB DCA算法數據掉包概率小于傳統的FB DCA，同時改進后的MB DCA算法更加降低了數據掉包概率，尤其是在語音業務到達率較低的情況下。主要是因為在語音業務到達率較低時，數據業務可以借用空閑的語音信道來傳送隊列中的數據包，相當于數據服務通道增加了，因此隊列中的數據包長度也減小了，降低了數據掉包概率。

6 結束語

該文主要對動態信道分配算法進行了優化和改進，通過仿真分析確認改進算法可以更加減少數據掉包概率同時提高了資源利用率。TD-SCDMA系統的動態信道分配是一個非常復雜的過程，本文僅在假設在慢速動態信道分配完成后，假設上下行信道各分配了相同的3個時隙的基礎上進行了研究；同時系統還受信道干擾等多方面影響，值得進一步研究。

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