通信學(xué)論文-TD-SCDMA系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)信道分配方案.doc

通信學(xué)論文-TD-SCDMA系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)信道分配方案摘要TD-SCDMA系統(tǒng)利用動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)（DCA），充分發(fā)揮系統(tǒng)資源靈活高效的特點(diǎn)，從而能在對稱和非對稱的3G業(yè)務(wù)中獲得最佳頻譜效率。介紹了TD-SCDMA系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分配技術(shù)，詳細(xì)論述了基于可移動(dòng)邊界（MB）的動(dòng)態(tài)信道分配方案，并通過仿真，分析了MB方案的性能。關(guān)鍵詞TD-SCDMADCAMovableBoundaryFastDCA1前言TD-SCDMA第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)是由中國提出并被ITU所接收的第三代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，成為第三代無線通訊系統(tǒng)UMTS和IMT2000國際電信標(biāo)準(zhǔn)大家庭中的重要成員。TD-SCDMA無線傳輸方案是CDMA，TDMA和FDMA三種基本傳輸方式的靈活結(jié)合，支持同一無線電載波通過時(shí)域的復(fù)用，交替地進(jìn)行上下行鏈路的傳輸，因而可以工作在不成對的射頻頻譜上。其設(shè)計(jì)的先進(jìn)性在于能夠靈活地分配無線信道進(jìn)行上下行鏈路傳輸，使資源的自適應(yīng)分配與業(yè)務(wù)上下行負(fù)載的比例關(guān)系相匹配，在對稱和非對稱的3G業(yè)務(wù)中都能獲得最佳的頻譜效率。TD-SCDMA系統(tǒng)資源分配的靈活性和高的頻譜利用率，正是通過動(dòng)態(tài)信道分配(DynamicChanne1Al1ocation)技術(shù)得以充分體現(xiàn)。本文針對TD-SCDMA系統(tǒng)特性，從DCA算法的實(shí)施規(guī)則上，闡述了慢速DCA與快速DCA,并著重于快速DCA，討論一種基于可移動(dòng)邊界（MB）策略的設(shè)計(jì)方案，并通過仿真，分析了該方案的性能。2TD-SCDMA系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)TD-SCDMA系統(tǒng)的每個(gè)射頻信道帶寬為1.6MHz，碼片速率為1.28Mchip/s。TD-SCDMA無線幀長10ms，每個(gè)無線幀分為兩個(gè)5ms的子幀。如圖1所示，每個(gè)子幀有7個(gè)主時(shí)隙和3個(gè)特殊時(shí)隙：下行導(dǎo)頻時(shí)隙(DwPTS)為下行導(dǎo)頻和同步而設(shè)計(jì)，上行導(dǎo)頻時(shí)隙(UpPTS)為建立上行同步和隨機(jī)接入而設(shè)計(jì)，保護(hù)間隔(GP)為下行向上行轉(zhuǎn)換的保護(hù)間隔。在7個(gè)常規(guī)時(shí)隙中，TS0固定分配給下行鏈路，而TS1固定分配給上行鏈路。上、下行時(shí)隙之間由轉(zhuǎn)換點(diǎn)分開，在TD-SCDMA系統(tǒng)中，每個(gè)5ms的子幀有兩個(gè)上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)(UL到DL和DL到UL)。通過配置上下行時(shí)隙的個(gè)數(shù)，TD-SCDMA系統(tǒng)可以靈活改變上下行鏈路傳輸能力，在對稱和非對稱業(yè)務(wù)的情況下都能夠獲得較高的資源利用率。本文中，我們假設(shè)上行和下行鏈路各分配三個(gè)時(shí)隙。由于上、下行鏈路的動(dòng)態(tài)信道分配策略相同，在本文中，只研究上行鏈路的動(dòng)態(tài)信道分配。圖13TD-SCDMA系統(tǒng)中的信道分配策略在TD-SCDMA系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)信道分配可大致分為兩個(gè)實(shí)施階段，一個(gè)階段是呼叫接入時(shí)的信道，另一個(gè)時(shí)呼叫接入后為保證業(yè)務(wù)質(zhì)量而進(jìn)行的信道重選。從實(shí)施規(guī)則上大致可以分為慢速DCA和快速DCA兩類。慢速DCA可根據(jù)系統(tǒng)干擾受限的先驗(yàn)知識，根據(jù)負(fù)荷情況，對系統(tǒng)載頻和時(shí)隙進(jìn)行占用優(yōu)先級劃分，完成呼叫接入控制。快速DCA可根據(jù)對專用業(yè)務(wù)信道或共享業(yè)務(wù)信道通信質(zhì)量監(jiān)測的結(jié)果，自適應(yīng)地對資源單元（RU，即碼道或時(shí)隙）進(jìn)行調(diào)配和切換，以保證業(yè)務(wù)質(zhì)量。3.1慢速DCA在TD-SCDMA系統(tǒng)中，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(dòng)態(tài)地劃分上下行時(shí)隙，使上下行時(shí)隙的傳輸能力和上下行業(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(shí)隙，從而提升系統(tǒng)容量，但是當(dāng)相鄰小區(qū)的上下行時(shí)隙劃分不一致時(shí)，交叉時(shí)隙間可能會造成較大的干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)容量損失。慢速DCA算法采用從熱點(diǎn)小區(qū)中選出負(fù)荷較重的小區(qū)作為參考的方法，以小區(qū)的上下行比例作為時(shí)隙上下行劃分的依據(jù)，在其相鄰小區(qū)也采用一致的劃分，盡量減少交叉時(shí)隙的數(shù)量。另外，在存在交叉時(shí)隙的小區(qū)，利用快速DCA中的時(shí)隙優(yōu)先權(quán)計(jì)算，在交叉時(shí)隙沒有遭受很大干擾時(shí)分配給用戶。3.2快速DCA快速DCA指系統(tǒng)為申請接入的用戶分配無線信道資源，并根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)對已分配的資源進(jìn)行調(diào)整，在TD-SCDMA系統(tǒng)中，用戶分配無線信道包括分配載波、時(shí)隙、擴(kuò)頻碼等資源，DCA為用戶尋找干擾較小、能夠提供穩(wěn)定服務(wù)的信道分配給用戶。在為用戶分配無線資源時(shí)要進(jìn)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(gè)方面的內(nèi)容，一是判斷網(wǎng)絡(luò)能否為新接入的業(yè)務(wù)提供滿足其要求的通信質(zhì)量，另外還要確保新接入的業(yè)務(wù)不影響正在被服務(wù)的業(yè)務(wù)。為了保證用戶的服務(wù)質(zhì)量，系統(tǒng)還要對用戶的通信質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)用戶的通信質(zhì)量惡化時(shí)，系統(tǒng)可以綜合考察用戶的服務(wù)質(zhì)量要求、干擾情況以及移動(dòng)狀況等，然后做出判斷，調(diào)整用戶所占用的無線資源，從而為用戶提供穩(wěn)定的服務(wù)。另外，系統(tǒng)出于調(diào)控負(fù)荷或者算法優(yōu)化等方面的原因，也會主動(dòng)地觸發(fā)對部分用戶無線資源的重分配過程。無線資源的重分配過程要求能夠快速地完成。本文著重于快速DCA,討論了一種基于可移動(dòng)邊界（MB）策略的設(shè)計(jì)方案，并分析了方案的性能。4快速DCA算法的描述4.1固定邊界DCA算法（FB）對于通信系統(tǒng)中的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，傳統(tǒng)的做法是將信道分成兩部分：語音信道和數(shù)據(jù)信道，語音業(yè)務(wù)只能使用語音信道，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)只能使用數(shù)據(jù)信道。在該方案中，每個(gè)基站的單條鏈路中的3個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙，2個(gè)分配給語音業(yè)務(wù)，1個(gè)分配給數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（如圖2）。這樣在語音呼叫到達(dá)時(shí)，如果在2個(gè)語音時(shí)隙中存在2個(gè)以上的BRU(SF=16的碼道)，那么就可以建立語音信道，進(jìn)行通話，否則該呼叫就會被阻塞掉。當(dāng)數(shù)據(jù)緩存器中隊(duì)列不空時(shí)，而數(shù)據(jù)時(shí)隙中的所有16個(gè)BRU均空閑時(shí)，隊(duì)列的頭數(shù)據(jù)包就會被取出，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，否則的話，頭數(shù)據(jù)包繼續(xù)在隊(duì)列中等待。當(dāng)緩存器被占滿后，如果新的數(shù)據(jù)包到來，就會發(fā)生丟包圖2FB方案的缺陷是不能有效的利用系統(tǒng)資源，當(dāng)正在通話的語音用戶數(shù)很少而等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包很多是，分配給語音用戶的信道就只有空閑而不能用來傳輸數(shù)據(jù)，這就造成了系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。4.2可移動(dòng)邊界DCA算法(MB)基于可移動(dòng)邊界的動(dòng)態(tài)分配方案與FB方案比較，能更好的利用資源。該方案如圖3所示。圖3該方案首先將信道分為兩個(gè)部分：語音信道和數(shù)據(jù)信道。在業(yè)務(wù)傳輸過程中果語音信道空閑且數(shù)據(jù)緩存器隊(duì)列不空時(shí)，那么隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包可以借用語音信道進(jìn)行傳輸。而當(dāng)語音呼叫到來時(shí)，語音業(yè)務(wù)可以強(qiáng)占被數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)借用的語音信道，進(jìn)行語音業(yè)務(wù)傳輸。而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則停止在借用的語音信道中的傳輸，繼續(xù)排隊(duì)等待。該在此方案中，仍將單條鏈路上3個(gè)時(shí)隙中的2個(gè)分配給語音業(yè)務(wù)，1個(gè)分配給數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在語音呼叫到達(dá)時(shí)，如果在2個(gè)語音時(shí)隙中存在2個(gè)以上的BRU，那么就可以建立語音信道進(jìn)行通話，否則該呼叫就會被阻塞掉。當(dāng)數(shù)據(jù)緩存器中隊(duì)列不空時(shí)，首先檢查數(shù)據(jù)時(shí)隙中所有的16個(gè)BRU是否空閑。如果空閑則隊(duì)列的頭數(shù)據(jù)包就會被取出，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；否則，檢查兩個(gè)語音時(shí)隙中，是否有16個(gè)或16個(gè)以上的BRU。如果有且16個(gè)BRU在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，則頭數(shù)據(jù)包被取出，進(jìn)行傳輸；如果有16個(gè)BRU但不在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，則首先需要進(jìn)行一個(gè)信道重組過程，將16個(gè)BRU調(diào)整到一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，然后再進(jìn)行傳輸；如果兩個(gè)語音時(shí)隙中存在的空閑BRU少于16個(gè)，則數(shù)據(jù)包繼續(xù)排隊(duì)等待，直到有足夠的空閑信道；同樣，如果緩存器已滿，新的數(shù)據(jù)包到來將發(fā)生丟包。這種分配策略的效果就是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)隙和語音業(yè)務(wù)時(shí)隙的邊界是可以移動(dòng)的，因此該方案稱為可移動(dòng)邊界方案。采用該策略的立足點(diǎn)在于：語音業(yè)務(wù)為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，允許的時(shí)延很小。在語音呼叫產(chǎn)生后，如果無法得到所需的傳輸信道，那么業(yè)務(wù)將會發(fā)生阻塞。而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，在沒有可用傳輸信道時(shí)，可以排隊(duì)等待，直到所需信道可用時(shí)，再進(jìn)行傳輸。5基于可移動(dòng)邊界的動(dòng)態(tài)信道分配性能仿真為分析MB方案的性能，我們基于MATLAB仿真平臺，對該方案進(jìn)行了仿真。為更好進(jìn)行的比較，對FB方案同樣進(jìn)行了仿真。5.1仿真模型系統(tǒng)模型如圖4所示。圖4系統(tǒng)模型將信道分為兩部分：語音信道和數(shù)據(jù)信道。在業(yè)務(wù)傳輸過程中，如果語音信道空閑且數(shù)據(jù)緩存器隊(duì)列不空時(shí)，隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包就可以借用語音信道進(jìn)行傳輸。而當(dāng)語音呼叫到來時(shí)，語音業(yè)務(wù)可以強(qiáng)占被數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)借用的語音信道，進(jìn)行語音業(yè)務(wù)傳輸，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則停止在借用的語音信道中的傳輸，繼續(xù)排隊(duì)等待。在該模型中，到達(dá)的語音業(yè)務(wù)源和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)源都服從泊松分布。語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到達(dá)率分別為v和d。為更好的分析基于可移動(dòng)邊界的動(dòng)態(tài)信道分配方案的性能，在仿真中引入了不同的語音和數(shù)據(jù)到達(dá)率（表1）。表1在FB方案中，語音業(yè)務(wù)服務(wù)器最多可以服務(wù)16個(gè)語音用戶(可用的2個(gè)時(shí)隙最多可以服務(wù)16個(gè)語音用戶)。在語音業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)，如果有空信道，則進(jìn)行業(yè)務(wù)服務(wù)，傳送語音業(yè)務(wù)。如果16個(gè)語音信道已滿，則此業(yè)務(wù)發(fā)生阻塞。而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)器只可以有一個(gè)服務(wù)通道。在數(shù)據(jù)包到達(dá)后，首先將數(shù)據(jù)包放入一個(gè)先進(jìn)先出的隊(duì)列，而服務(wù)通道在每傳完一個(gè)數(shù)據(jù)包后，都要檢查隊(duì)列是否為空。如果不空，則將隊(duì)列頭數(shù)據(jù)包取出進(jìn)行傳輸。然而在MB方案中，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)初始分配的可用時(shí)隙數(shù)為1。然而當(dāng)語音用戶數(shù)小于8時(shí)，則數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以借用那個(gè)空閑的語音時(shí)隙，則此時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)通道數(shù)可為2。當(dāng)語音用戶數(shù)為0時(shí)，則數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以借用這2個(gè)語音時(shí)隙，因此此時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)通道數(shù)為3。但是，當(dāng)語音業(yè)務(wù)到達(dá)且沒有空閑語音信道時(shí)，則語音業(yè)務(wù)將會強(qiáng)占被數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)借用的語音信道，進(jìn)行語音服務(wù)。而正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)業(yè)務(wù)則停止傳輸，繼續(xù)等待。5.2仿真結(jié)果根據(jù)以上所述，我們在不同的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到達(dá)率下，分別對FB方案和MB方案進(jìn)行了8小時(shí)仿真，仿真結(jié)果分別時(shí)語音阻塞率和數(shù)據(jù)丟包率。語音阻塞率(a)FBscheme(b)MBscheme通過仿真結(jié)果，可以得出，在MB方案中，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)借用語音信道并沒有影響語音業(yè)務(wù)的性能。尤其是在語音業(yè)務(wù)到達(dá)率較低的情況下。主要時(shí)因?yàn)樵谡Z音業(yè)務(wù)到達(dá)率較低時(shí)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以借用空閑的語音信道來傳送隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包，相當(dāng)于數(shù)據(jù)服務(wù)通道增加了，因此隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包長度也減小了。數(shù)據(jù)丟包率(C)FBscheme(d)MBscheme通過仿真結(jié)果，可以看出MB方案的丟包率比FB減少了，主要是因?yàn)閿?shù)據(jù)業(yè)務(wù)借用了語音信道，服務(wù)通道增多，數(shù)據(jù)處理能力增強(qiáng)了。6結(jié)語對于TD-SCDMA系統(tǒng)，本文討論的一種基于可移動(dòng)邊界的動(dòng)態(tài)信道分配方案，與傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信道分配方案相比，由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以借用空閑的語音信道，使得信道利用率大幅度增加，從而極大的提高了系統(tǒng)的信道資源利用效率。參考文獻(xiàn)1王文博.時(shí)分雙工CDMA.北京：北京