ＴＤＤ／ＣＤＭＡ系統(tǒng)動態(tài)信道分配技術(shù)研究

摘要：該文在分析TD-SCDMA系統(tǒng)無線資源管理機(jī)制的基礎(chǔ)上，對該系統(tǒng)的動態(tài)信道分配算法進(jìn)行研究。首先對現(xiàn)有的TDD-CDMA系統(tǒng)中的各種動態(tài)信道分配算法進(jìn)行分類總結(jié)和分析比較，并在此基礎(chǔ)了給出針對TD-SCDMA系統(tǒng)的慢速信道分配算法、快速信道分配算法以及考慮空間分布信息的信道分配方案，闡明了各自的特點和適用范圍。研究了在TDD CDMA系統(tǒng)中如何進(jìn)一步提高信道利用率的問題。

關(guān)鍵詞：TDD/CDMA；動態(tài)信道分配；智能天線；時隙

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)36-2591-03

Investigation of Dynamic Channel Allocation Technology in TDD/CDMA Systems

JIANG Lun， HUI Xiao-wei，WU Hong-rui

(Electronics and Information Engineering Department， Liaoning Technical University Liaoning， Huludao 125105，China)

Abstract: In this paper， we systematic discuss the dynamic channel assignment algorithms base on the TD-SCDMA system radio resource management strategy. We first summarize and compare the exiting dynamic channel assignment methods in TDD-CDMA system. Base on the TD-SCDMA system， the slow DCA algorithm， fast DCA algorithm and space distributing DCA algorithm are proposed，and their features and applicabilities are respectivelv illuminated. In this paper， the problem of how to improve the channel usability of TDD CDMA system is discussed.

Key words: TDD/CDMA; dynamic channel allocation；smart antenna；time slot

1 引言

目前，TD-SCDMA己經(jīng)成為國際電聯(lián)(ITU)采納的第三代移動通信三個標(biāo)準(zhǔn)之一。TD-SCDMA系統(tǒng)是基于同步碼分多址技術(shù)(SCDMA }，使用時分雙工(TDD)方式的未來通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了聯(lián)合檢測、智能天線、上行同步、接力切換、動態(tài)信道分配等技術(shù)。

其中動態(tài)信道分配是TDD/CDMA系統(tǒng)中重要的研究領(lǐng)域之一。TD-SCDMA系統(tǒng)中的任何一條物理信道都是通過它的載頻/時隙/擴(kuò)頻碼的組合來標(biāo)記的，采用動態(tài)分配信道（DCA)的方式將信道資源分配給用戶。在DCA技術(shù)中，信道并不是固定地分給某個小區(qū)，而是被集中在一起進(jìn)行分配。只要能提供足夠的鏈路質(zhì)量，任何小區(qū)都可以將空閑信道分給呼叫。在實際運行中，無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)集中管理一些小區(qū)的可用資源，根據(jù)各個小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)、系統(tǒng)負(fù)荷情況和業(yè)務(wù)的QoS參數(shù)，動態(tài)地將信道分配給用戶。因此，要充分發(fā)揮TDD技術(shù)的優(yōu)勢，關(guān)鍵在于其信道分配算法的有效性。

2 動態(tài)信道分配技術(shù)全過程

TD-SCDMA中的DCA可分為兩個實施階段，一個階段是慢速DCA，指對小區(qū)的資源分配，包括對不同小區(qū)的時隙分配以及在上/下行之間的時隙分配和預(yù)先為各小區(qū)按照時隙優(yōu)先級排列的時隙優(yōu)先級列表。另一個階段是快速DCA，快速DCA算法就是將時隙、擴(kuò)頻碼、頻率這些信道資源分配給具體不同業(yè)務(wù)呼叫的用戶，并根據(jù)系統(tǒng)對已分配的信道資源進(jìn)行調(diào)整或重新分配。整個動態(tài)信道分配過程見圖1。

慢速DCA主要根據(jù)小區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)不對稱性的變化，動態(tài)地劃分上下行時隙，使上下行時隙的比例和上下行業(yè)務(wù)負(fù)載的比例關(guān)系相匹配，以獲得最佳的頻譜效率。TD-SCDMA系統(tǒng)可以靈活地劃分上下行時隙，從而提升系統(tǒng)容量，但是交叉時隙干擾較大時（即一個小區(qū)處于上行同時鄰近小區(qū)處于下行傳輸?shù)臅r隙），會導(dǎo)致系統(tǒng)容量損失。這就需要綜合考慮業(yè)務(wù)量之比動態(tài)分配各個小區(qū)上下行的資源，產(chǎn)生最小呼損率，又要使系統(tǒng)的容量最大化。

圖1 TD-SCDMA系統(tǒng)動態(tài)信道分配實現(xiàn)全過程

信道優(yōu)先級排隊算法是為接入控制算法做準(zhǔn)備的，一般根據(jù)各時隙的干擾水平的不同來設(shè)置各時隙的優(yōu)先級，當(dāng)新呼叫到來時，通過查找時隙的優(yōu)先級列表（上下行分開），按優(yōu)先級從高到低的時隙順序開始接入系統(tǒng)。

信道選擇即為承載業(yè)務(wù)選擇頻率/時隙和碼道。當(dāng)用戶終端申請一項業(yè)務(wù)或者需要進(jìn)行切換時用戶根據(jù)小區(qū)選定頻率，然后根據(jù)信道優(yōu)先級排隊算法找到優(yōu)先級最高的時隙，如果時隙的空余資源滿足呼叫業(yè)務(wù)的資源要求，且通過了接納控制過程，則接入此時隙;如果此時隙不滿足資源要求，剛檢測優(yōu)先級次之的時隙;如果所有的時隙均不滿足時，則觸發(fā)資源整合過程。當(dāng)頻率、時隙都確定好后，就調(diào)用碼分配算法進(jìn)行擴(kuò)頻碼的選擇，擴(kuò)頻碼的選擇還要綜合考慮擴(kuò)頻碼的利用效率和本時隙已用擴(kuò)頻碼之間的相關(guān)性，對于同頻組網(wǎng)的系統(tǒng)還要考慮與相鄰小區(qū)的同時隙上所用擴(kuò)頻碼的相關(guān)性。

信道調(diào)整過程是指RNC根據(jù)承載業(yè)務(wù)的要求、終端的移動和干擾的變化等因素，在鏈路質(zhì)量惡化、系統(tǒng)負(fù)荷過大，不滿足用戶業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的情況下，觸發(fā)DCA算法執(zhí)行信道調(diào)整過程，調(diào)整用戶占用的時隙和碼道，以均衡負(fù)荷、避免強干擾的出現(xiàn)、維持鏈路質(zhì)量、減少掉話率，從而保證服務(wù)質(zhì)量。

資源整合過程通過信道調(diào)整或壓縮低優(yōu)先級業(yè)務(wù)占用的信道等于段把可用的資源單元（RU）盡量集中在一個時隙，目的是提高系統(tǒng)的資源利用率、業(yè)務(wù)（尤其是高速率業(yè)務(wù)）接入成功率和切換成功率。

3動態(tài)信道分配技術(shù)研究現(xiàn)狀

當(dāng)前對TD-SCDMA系統(tǒng)中的DCA的算法多種多樣，但多數(shù)算法都是圍繞著以下幾個研究關(guān)鍵問題進(jìn)行：支持上下行不對稱的多種業(yè)務(wù)；小區(qū)上/下行時隙比例的確定；合適地分配時隙，提高時隙的利用率；盡量地降低各種干擾，提高系統(tǒng)容量。為了解決以上問題，TD-SCDMA系統(tǒng)采用了包括慢速信道分配算法、快速信道分配算法以及考慮空間分布信息的信道分配方案三種分配方式。但每種方法都只是一種所謂的理想信道分配方案，只存在某種特定環(huán)境下，滿足某種要求的最優(yōu)信道分配方案。

3.1基于慢速DCA分配方式

慢速DCA主要的目的是根據(jù)業(yè)務(wù)量之比，提高系統(tǒng)容量利用率，降低交叉時隙干擾。一種方法是采用小區(qū)簇分配方法避免交叉時隙干擾[1]，每一簇推選一個業(yè)務(wù)量最高的小區(qū)為“熱點小區(qū)”，熱點小區(qū)根據(jù)自身的業(yè)務(wù)狀況調(diào)整上/下行比例，整個簇采用和熱點小區(qū)相同的上/下行比例分配。即使存在交叉時隙干擾，那么也發(fā)生在話務(wù)量較小的邊緣小區(qū)，不會太大的影響系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[1]仿真表明小區(qū)簇個數(shù)為7，系統(tǒng)仿真性能最佳。另一種方式所有小區(qū)上/下行時隙分配都不同的DCA[2]。每個小區(qū)都可以根據(jù)自身的業(yè)務(wù)情況來改變上/下行時隙的分配比例，使單小區(qū)的性能理論上可能達(dá)到最大。這種方法明顯優(yōu)于前面相同上/下行時隙分配的方案，但是由于引入了交叉時隙的干擾，系統(tǒng)的總?cè)萘窟_(dá)不到最佳。

文獻(xiàn)[3]結(jié)合了熱點小區(qū)方案和非熱點小區(qū)方案各自的優(yōu)點，充分考慮了交叉時隙干擾和系統(tǒng)單向時隙資源受限問題，找到了一個非熱點小區(qū)是否服從熱點小區(qū)時隙比例分配的不等式條件。基于此條件，提出了一種改進(jìn)的熱點小區(qū)慢速DCA方案，在滿足不等式條件時采用熱點小區(qū)方案，如果不滿足不等式，采用無熱點小區(qū)方案。由此，可以保證在任何業(yè)務(wù)場景的情況下都可以得到較高的系統(tǒng)資源利用率。

3.2基于快速DCA分配方式

對于快速DCA，主要的方法有時隙優(yōu)先權(quán)法[4]，可變邊界法[5]等。時隙優(yōu)先權(quán)法是按照各時隙干擾值的大小進(jìn)行優(yōu)先級排序，按照業(yè)務(wù)要求分配資源，并且優(yōu)先級列表應(yīng)能夠連續(xù)地進(jìn)行更新。但由于3G網(wǎng)絡(luò)支持的各種業(yè)務(wù)有不同的QoS要求，僅僅依靠時隙所受干擾大小還不能夠很好地反映時隙所能提供的通信質(zhì)量。一個改進(jìn)方案是按時隙內(nèi)承載的不同業(yè)務(wù)的QoS要求，計算時隙內(nèi)所能容忍的干擾極限，把這個干擾極限稱作干擾容量，減去時隙現(xiàn)在所受的干擾得到剩余干擾容量，按照剩余干擾容量的大小為時隙賦不同的優(yōu)先權(quán)，按優(yōu)先權(quán)的大小對時隙進(jìn)行排隊。此種方案能更準(zhǔn)確的提供通信鏈路質(zhì)量。

圖2 小區(qū)間的交叉時隙干擾

移動邊界策略和資源預(yù)留策略是在混合業(yè)務(wù)固定資源分配的算法之上，動態(tài)的調(diào)整用于語音業(yè)務(wù)和用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的資源單元數(shù)在傳輸過程中，如果語音業(yè)務(wù)信道有空閑而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道滿負(fù)荷時，將語音信道借用給數(shù)據(jù)信道，在新的語音業(yè)務(wù)到達(dá)時還給語音業(yè)務(wù)，從而提高資源利用率，改善系統(tǒng)性能。另外，在不同業(yè)務(wù)資源分配時，考慮用戶所占用的資源如果在一個時隙下能夠得到滿足盡量不占用多時隙資源的原則，需要為具有高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)預(yù)留資源。分配碼資源也采用預(yù)留的方法，而不把某時隙下的資源全預(yù)分配給相同業(yè)務(wù)。從而更靈活的分配系統(tǒng)資源，提高資源利用率。

3.3 考慮空間分布信息的信道分配算法

TD-SCDMA是基于智能天線技術(shù)而設(shè)計的，對智能天線技術(shù)與信道分配算法結(jié)合的研究是TD-SCDMA系統(tǒng)的特色，也是我們將來研究的重點。采用智能天線進(jìn)行波束賦形后，只有來自主瓣和較大旁瓣方向的干擾才會對用戶產(chǎn)生干擾，因此信道可以進(jìn)行復(fù)用。

文獻(xiàn)[6]中介紹了一種基于均勻空間分布的快速DCA算法，改進(jìn)了傳統(tǒng)DCA方法，它不但要考慮干擾的大小，還要考慮同時隙中用戶空間分布的情況。DCA在進(jìn)行信道分配時，能夠盡量地把相同方向上的用戶分散到不同的時隙中，使得在一個時隙內(nèi)的用戶分布在不同的方向上，這樣可以充分智能天線的空分功效，使多址干擾降到最小。具體算法是首先通過干擾測量，動態(tài)的確立幾個具有相同或相似干擾強度的時隙，然后將這幾個時隙按方位角劃分，如果對4個時隙進(jìn)行劃分，當(dāng)有新用戶提出信道需求時，首先測量用戶方位，然后按照時隙的方位劃分分配相應(yīng)的時隙信道。例如，4個時隙有32個用戶接入，如果系統(tǒng)不采用這種DCA方法，用戶隨機(jī)接入，同一時隙碼分用戶的分布也是隨機(jī)的；采用這種DCA方法后，同時隙用戶的空間分布將得到明顯改善。此種改進(jìn)方法，無論實際組網(wǎng)還是仿真驗證，系統(tǒng)鏈路性能都有一定的改善

另外，基于智能天線的交叉時隙分配法可以提高信道資源利用率。文獻(xiàn)[7]中基于小區(qū)分區(qū)的慢速DCA方案利用智能天線的定位作用，將小區(qū)分為內(nèi)小區(qū)和外小區(qū)兩層區(qū)域，只將交叉時隙分配給靠近基站的內(nèi)小區(qū)用戶，外小區(qū)的業(yè)務(wù)將不再受交叉時隙的干擾，從而減小系統(tǒng)中的交叉時隙干擾，提高系統(tǒng)容量。根據(jù)傳播損耗和交叉時隙占總時隙比例分區(qū)的方法，禰補了由BS-BS，MS-MS交叉時隙干擾所帶來的時隙資源損失。但相對于BS-BS，MS-MS交叉時隙干擾發(fā)生概率小（只有在業(yè)務(wù)量大，小區(qū)業(yè)務(wù)差別較大時發(fā)生），傳播損耗大，移動臺發(fā)射功率小等原因，MS-MS交叉時隙干擾容易克服；而基站發(fā)射功率大，基站間的無線傳播環(huán)境較好，路徑損耗指數(shù)較小，那么需要設(shè)置的隔離距離達(dá)到幾十公里，才能保證基

站間干擾在可接受的范圍內(nèi)，這顯然是不實際的。文獻(xiàn)[8]利用智能天線特點，可以巧妙地解決相鄰基站間干擾過大的問題，通過合理設(shè)置具有基站間干擾的兩個小區(qū)的時隙優(yōu)先級，避免把交叉時隙分配給處于兩基站連線附近的移動臺。

4 結(jié)束語

總之，TD-SCDMA系統(tǒng)的動態(tài)信道分配以及整個無線資源管理的算法研究是第三代移動通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。目前提出的任何一種解決方案總是不同矛盾折中的結(jié)果，在實際的組網(wǎng)中到底采用何種方案才是合理、可行，要根據(jù)具體的情況而定。而且現(xiàn)在關(guān)于TDD模式的無線資源管理的研究相對于FDD模式來說還很少，要給出TDD模式下無線資源管理算法完備的解決方案，還需要不斷深入研究，另外如何在優(yōu)化分配方案的是同時，提高算法的執(zhí)行效率，還是進(jìn)一步研究的主要課題。隨著3G移動通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)牌和商用，無線資源管理必將獲得更廣泛的關(guān)注和更深入的發(fā)展。

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