基于信道切换的TD-SCDMA接纳控制

蜂窝移动通信中的无线资源管理负责空中接口资源的管理与调度。接纳控制是无线资源管理重要组成部分，对于有效的资源管理和提供业务质量（QoS）保证都非常重要。TD-SCDMA系统采用TDMA和CDMA相结合的多址方式，可同时通信的最大用户数不仅受限于当前可用码的数量，而且也受限于用户之间的干扰。每一个用户都是其他用户的干扰，用户越多，系统的干扰越大。若过度增加空中接口的负荷，小区的覆盖区域会降低到规划值以下，并且无法保证现有连接业务的QoS。所以必须引入接纳控制算法来控制用户的接入，使系统处于稳定的工作状态。

　　对于CDMA的接纳控制，已有很多相关的研究文献。文献[1]基于SIR的接纳控制策略，若SIR大于事先给定的门限值，则允许新呼叫接入。文献[2]在[1]的基础上考虑了邻小区的干扰，这两篇文献都只是考虑单业务的情况。文献[3]给出了基于多址干扰测量的多业务的接纳控制方法。以上文献都是FDD模式，而对于TDD的接纳控制研究较少，文献[4]给出了固定的SIR门限值的接纳控制方法，文献[5]考虑SIR服从对数正态分布来研究基于SIR的接纳控制策略，文献[6]是基于干扰预测的方法，并考虑到TDD系统使用联合检测对接纳算法的影响。但这些文献考虑切换用户比新呼叫用户具有更高的优先级时，只是简单的为切换用户设定一个比较高的接纳门限。两个门限值的设定增加了算法的复杂度以及门限取值的难度。

　　文章根据负荷预测的方法，只需设定一个接纳控制门限，通过使用信道切换的方法，使得切换用户有更高的优先级，所以文章提出接纳控制的算法不仅算法简单，而且能获得很好的系统性能。

1、TD-SCDMA上行链路负荷的关系式

　　系统的上行链路负荷与上行干扰有关，上行干扰除了热噪声和本小区干扰外还有来自邻小区的干扰，因此可以得到：

　　　（1）

　　其中I_total表示系统总的干扰，P_own表示本小区干扰，P_other表示邻小区干扰，P_N系统热噪声。

　　当系统空载时（即系统内不存在用户），I_total=P_N。随着系统内用户数的增大，系统内的干扰也逐渐上升。为了描述干扰的上升程度，引入底噪抬升BNR（Background Noise Rise）的概念，定义如下^[7]：

　　　（2）

图1　总干扰曲线和负荷因子的关系

　　其中η表示上行负荷因子，图1表示总干扰曲线和负荷因子η的关系。由图1可见影响系统稳定是系统负荷因子，如果系统负荷超过负荷因子门限η_threshold，用户服务质量就得不到保证。因此，只有在

　　　（4）

　　允许呼叫用户接入，否则拒绝用户接入，以保证系统η_total的稳定。△η表示新用户接入之前系统总负载，表示新用户接入系统后引起系统负荷增量的估计值。这就是基于负荷预测的接纳控制策略。

　　小区中一个上行时隙的负荷定义为本小区和邻小区这个时隙的用户产生的负荷^[5]，所以小区k上第i个时隙的负荷：

　　　（5）

　　其中α是联合检测因子，联合检测可消除本小区内的ISI、MAI干扰，而对小区间的干扰无能为力。假如α=0.7，也就是说能抑制小区内70%的干扰。Ω（k）表示第k个小区第i个时隙的用户集合。T(k）表示第k个小区的相邻小区第i个时隙的用户集合。SIR_n表示小区中第n个用户在NodeB处的信噪比，可以表示成：

　　　（6）

　　其中（E_b）_n是用户n的比特能量。R_n是用户n的比特速率。υ_n是用户n的激活因子。I₀是指噪声功率谱密度。W是指一个时隙的信号带宽。可以由式（7）计算：

　　

　　当用户分布非常均匀，而且系统处于稳定工作状态时，f的变化非常小，可以看成一恒定值^[4]。所以式（8）也可以表示成：

　　　（10）

　　由式（10），新用户接入系统后引入的系统负荷增量的估计值△η可表示如下：

　　　（11）

2、接纳控制算法

　　TD-SCDMA系统不仅支持语音业务，还支持各种宽带业务，如视频、数据、E-mail等，这些多媒体业务的支持导致系统设计和无线资源管理更加复杂，但正是有这么多种类的业务，更显无线资源管理的必要性和灵活性。就数据业务而言，上行方向有16 kbit/s、32 kbit/s、64 kbit/s和128 kbit/s等多种速率，这使无线资源管理变得复杂。但是也可以利用多业务的情况来提高系统的性能。当系统过载时，为了保证系统的稳定，必须使某些用户掉话，但若是多业务系统，可以通过降低目前网络中高速率业务的速率来达到目的，这样比使用户掉话能获得更高的系统服务质量。文章提出的接纳控制算法就是利用此原理使得切换用户具有更高的优先级，以获得更好的系统性能。

　　假如定义高速率的数据业务向低速率转化称为信道切换，切换规则如表1所示。

表1　假设的信道切换规则

　　首先考虑小区新业务呼叫，以32 kbit/s的数据业务为例，只考虑上行情况且上下行时隙对称分配。接纳控制算法过程如下：

　　●根据式（10）分别计算3个上行时隙的负荷η_total；

　　●比较3个上行时隙的负荷，取负荷最小的时隙做为可能分配给32 kbit/s的数据业务；

　　●根据式（11）来估计32 kbit/s的数据业务接入系统后引起系统负荷增加的量△η；

　　●若η_total+△η＜η_threshold，接纳该用户；

　　●否则，自动降低该用户的申请速率由32 kbit/s到16 kbit/s；

　　●重新计算△η；

　　●重新比较η_total+△η＜η_threshold，如果为真，接纳该用户；

　　●否则，拒绝接入。

　　对于32 kbit/s的数据业务切换用户，它应该比新呼叫有更高的优先级，接纳算法如下：

　　●根据公式（10）分别计算3个上行时隙的负荷η_total；

　　●比较3个上行时隙的负荷，取负荷最小的时隙作为可能分配给32 kbit/s的数据业务；

　　●根据式（11）来估计32 kbit/s的数据业务接入系统后引起系统负荷增加量△η；

　　●如果η_total+△η＜η_threshold，接纳该用户；

　　●否则，自动降低该用户的申请速率由32 kbit/s到16 kbit/s；

　　●重新计算△η；

　　●重新比较η_total+△η＜η_threshold，如果为真，接纳该用户；

　　●否则，看本时隙中有没有高速率的用户。若有，则降低此用户速率；

　　●重新计算此时隙的η_total；

　　●重新比较η_total+△η＜η_threshold，如果为真，接纳该用户；

　　●否则，拒绝接入。

3、仿真结果

　　为了评价系统性能，引入服务等级（GoS）的概念，定义为：

　　　（12）

　　其中N_accept表示接纳的用户个数，N_unsatisfied表示信道切换用户个数，N_block表示新呼叫未接入的用户个数，Ndrop表示切换到本小区未接纳的用户。ω_unsatisfied表示不满意用户对系统性能影响的权重大小，当ω_unsatisfied=0.3时，表示一个不满意用户对系统性能的影响相当于0.3个用户被系统阻塞。ω_drop表示用户掉话对系统性能影响的权重大小，当ω_unsatisfied=5时，表示一个不满意用户对系统性能的影响相当于5个用户被系统阻塞。GoS越高，说明系统性能越好。

　　仿真假设：为了方便程序设计，假设系统只有三种业务：12.2 kbit/s语音业务，32 kbit/s数据业务，64 kbit/s数据业务。在需要的时候，64 kbit/s数据业务能切换到32 kbit/s数据业务。切换用户和新呼叫用户随机到达。参数假设如表2所示。

表2　相关参数的假设

　　图2比较分析了使用信道切换和不使用信道切换得到的系统性能。从图2中可以看出，使用信道切换的系统性能比没有使用信道切换的系统性能有很大的提高，当GoS=0.5时，没有采用信道切换的系统只能有8个用户，而采用信道切换的的系统可以有13个用户，可见系统性能提高了60%。当系统中有10个用户的时候，没有采用信道切换系统的GoS=0.45，而采用信道切换系统的GoS=0.65，系统的服务质量提高了44%。当系统中用户数较少和用户数很多的时候，基于信道切换的算法和没有采用信道切换算法得到的系统性能区别不大，因为用户较少，系统有足够的容量，不需要运行信道切换。而用户很多时，系统早已达到饱和，信道切换不起作用。

图2　使用信道切换和不使用信道切换时系统性能对比

　　联合检测是TD-SCDMA系统一个关键技术，结合智能天线技术，对系统性能直接产生影响。图3显示联合检测技术对系统性能的影响，为了保证系统GoS=0.6，当联合检测因子JD=0时，系统只能有7个用户，当JD=0.5时，系统能有13个用户，当JD=0.7时，系统能有16个用户，当JD=0.9时，系统能有19个用户，采用联合检测后系统性能显著提升（JD=0是指没有采用联合检测），联合检测因子0.7比联合检测因子0.5要提高23%的系统性能。

图3　不同的联合检测因子对系统性能的影响

　　假设考虑一个语音用户占2个码道，一个32 kbit/s的数据用户占4个码道，一个64 kbit/s的数据用户占8个码道。基于负荷因子的信道分配状况如图4所示。从图4中可以看出由于基于同一个信道分配准则，所以两幅图区别不是很大。但从码道的分配情况来看，可以得出结论，采用信道切换的系统，上行3个时隙码道的分配非常均匀，相对而言，没有采用信道切换的系统码的分配不是很均匀。

图4　使用信道切换和不使用信道切换码道分配

4、结语

　　文章对TD-SCDMA上行链路的接纳控制算法进行了分析，推导出上行链路负荷的关系式，给出了基于信道切换的接纳控制算法。文章还通过仿真将该接纳控制算法与其它算法在性能上进行了比较，仿真结果表明，采用本算法后系统的服务质量提高了44%。此外，还比较了联合检测因子对系统性能的影响，得出结论——联合检测因子越高系统性能越好。