基于TD-SCDMA的高速下行分組接入技術(shù)（HSDPA）系統(tǒng)性能仿真研究

摘要　基于用戶對高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，3GPP在R5引入了HSDPA（FDD、TDD）技術(shù)。在國外已經(jīng)運(yùn)營的WCDMA網(wǎng)絡(luò)中，HSDPA的引入確實(shí)大大提高了下行數(shù)據(jù)速率，而國內(nèi)正在規(guī)模建設(shè)中的TD-SCDMA實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)也將逐步引入HSDPA，充分體現(xiàn)出3G在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上的優(yōu)勢。主要通過理論分析結(jié)合系統(tǒng)仿真的手段來考察基于TD-SCDMA的HSDPA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的性能，作為實(shí)際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的參考。

1、基本原理與關(guān)鍵技術(shù)

高速下行分組接入（HSDPA）技術(shù)作為3G的一種后續(xù)演進(jìn)技術(shù)，被稱為3.5G。HSDPA對于下行數(shù)據(jù)速率的大幅提高主要得益于引入了幾種關(guān)鍵技術(shù)，如物理層的自適應(yīng)編碼和調(diào)制（AMC）、快速混合自動重傳（HARQ）和共享信道技術(shù)、快速小區(qū)選擇（FCS）調(diào)度技術(shù)。

AMC根據(jù)無線信道的變化選擇合適的調(diào)制和編碼方式，當(dāng)用戶處于有利的通信地點(diǎn)時(shí)（如靠近NodeB），用戶數(shù)據(jù)發(fā)送可以采用高階調(diào)制和高速率的信道編碼方式（例如：16QAM和3/4編碼速率），從而得到高的峰值速率；而當(dāng)用戶處于不利的通信地點(diǎn)時(shí)（如小區(qū)邊緣或信道深衰落），則選取低階調(diào)制方式和低速率的信道編碼方案（例如：QPSK和1/4編碼速率）來保證通信質(zhì)量。

HARQ技術(shù)可以提高系統(tǒng)性能，并可靈活地調(diào)整有效編碼速率，還可以補(bǔ)償由于采用鏈路適配所帶來的誤碼。HSDPA將AMC和HARQ技術(shù)結(jié)合起來可以達(dá)到更好的鏈路自適應(yīng)效果。HSDPA先通過AMC提供粗略的數(shù)據(jù)速率選擇方案，然后使用HARQ技術(shù)提供精確的速率調(diào)解，從而提高自適應(yīng)調(diào)精度和資源利用率。HARQ機(jī)制本身的定義是將FEC和ARQ結(jié)合起來的一種差錯(cuò)控制方案，HARQ機(jī)制的形式很多，而HSDPA技術(shù)中主要是采用三種遞增冗余的HARQ機(jī)制。

調(diào)度算法控制著共享資源的分配，在很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的行為。調(diào)度時(shí)應(yīng)主要基于信道條件，同時(shí)考慮業(yè)務(wù)的優(yōu)先等級等情況，并充分發(fā)揮AMC和HARQ的能力。調(diào)度算法應(yīng)向瞬間具有最好信道條件的用戶發(fā)射數(shù)據(jù)，這樣在每個(gè)瞬間都可以達(dá)到最高的用戶數(shù)據(jù)速率和最大的數(shù)據(jù)吞吐量，但同時(shí)還要兼顧每個(gè)用戶的等級和公平性。

HSDPA對原有的系統(tǒng)架構(gòu)也做了一些改進(jìn)，在Node B側(cè)加入了MAC-hs子層，負(fù)責(zé)AMC、HARQ等功能，將原本在RNC側(cè)完成的調(diào)度與重傳搬到了Node B側(cè)，同時(shí)也將傳輸時(shí)間間隔TTI縮短到5 ms。實(shí)現(xiàn)了物理層的快速調(diào)度重傳，大大縮短了時(shí)延，提高了傳輸效率。并在物理層引入了以下三種新的傳輸信道：①HS-DSCH信道，用于承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；②下行DSCH信道的共享控制信道HS-SCCH，用于承載發(fā)送數(shù)據(jù)的相關(guān)參數(shù)；③上行共享信息指示信道HS-SICH，用于承載DSCH的信道質(zhì)量指示信息，由用戶終端（UE）發(fā)送到Node B報(bào)告信道質(zhì)量。

2、系統(tǒng)流量的理論計(jì)算

TD-SCDMA的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先計(jì)算1個(gè)下行時(shí)隙所能承載的理論最高數(shù)據(jù)速率。根據(jù)協(xié)議，1個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)塊大小是704 chips，承載數(shù)據(jù)的HS-PDSCH物理信道擴(kuò)頻因子SF=1或16，我們按SF=16計(jì)算（SF=1結(jié)果一樣）：

圖1　TD-SCDMA幀結(jié)構(gòu)

得到1個(gè)時(shí)隙的理論最高速率為563.2 kbit/s，如果最多用5個(gè)下行時(shí)隙（除廣播信道TSO外，還必須留有1個(gè)下行時(shí)隙承載下行信令和控制信息，如HS-SCCH）來承載HSDPA，那么單載波的理論速率將達(dá)到563.2 kbit/s×5=2.8 Mbit/s，在TD-SCDMA引入N頻點(diǎn)組網(wǎng)技術(shù)后，還可以實(shí)現(xiàn)多載波捆綁HSDPA，用戶終端同時(shí)接收多個(gè)載波的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率將得到成倍提高（N×2.8 Mbit/s）。

3、系統(tǒng)仿真結(jié)果

3.1　仿真原理

實(shí)際的HSDPA系統(tǒng)通過自適應(yīng)調(diào)制和編碼調(diào)整數(shù)據(jù)速率以滿足信道質(zhì)量。而信道質(zhì)量主要反應(yīng)在UE的接收載干比C/I上，C/I的計(jì)算公式為：

其中：Pi為用戶單碼道i的接收功率；a為本小區(qū)干擾抑制因子，a=聯(lián)合檢測因子×非正交因子；Iown為本小區(qū)干擾功率；Iother為來自其他小區(qū)的干擾功率NO為下行熱噪聲功率。

UE通過測量當(dāng)前接收的C/I來判斷信道質(zhì)量的好壞，根據(jù)當(dāng)前的信道質(zhì)量在協(xié)議規(guī)定的傳輸格式及資源組合（TFRC）表中選擇合適的數(shù)據(jù)塊大小（TBS）以及調(diào)制編碼方式，同時(shí)UE還將對當(dāng)前TTI接收到的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行解碼，最后將ACK/NAK信息以及TFRC信息一起作為信道質(zhì)量指示（CQI）通過HS-SICH信道上報(bào)給Node B，Node B根據(jù)收到的CQI信息在下一個(gè)TTI內(nèi)發(fā)送合適的數(shù)據(jù)塊。當(dāng)多UE在線時(shí)，還要考慮到使用的調(diào)度算法，使用最多的是以下3種基本調(diào)度算法：①基于最大載干比的MAX-C/I調(diào)度算法；②對用戶輪詢調(diào)度的Round Robin算法；③兼顧時(shí)間與資源的部分公平調(diào)度PF算法。具體采用哪種調(diào)度算法取決于運(yùn)營商的策略，協(xié)議并沒有作硬性的規(guī)定。

在上述系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)上對TD-HSDPA進(jìn)行系統(tǒng)建模仿真。主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1　主要仿真參數(shù)

圖2　單用戶吞吐量與路損關(guān)系

3.2　單用戶性能

仿真考察在孤島條件下，HSDPA用戶只受本小區(qū)干擾和接收機(jī)熱噪聲的影響時(shí)，HSDPA單用戶吞吐量與路徑損耗的關(guān)系，由于仿真中HSDPA占3個(gè)下行時(shí)隙（考慮實(shí)際保留部分時(shí)隙承載12.2k語音業(yè)務(wù)），所以理論的最高速率為563.6 kbit/s×3=1.6 Mbit/s。從圖2的仿真結(jié)果可以看到，用戶吞吐量隨路損的增大而減小，當(dāng)用戶所處的無線環(huán)境較好、路徑損耗在80 dB左右時(shí)，吞吐量可以接近理論上限1.6 Mbit/s（仿真中考慮10%的誤塊率影響），當(dāng)用戶處于小區(qū)邊緣、路徑損耗大于150 dB時(shí)，流量則下降到500 kbit/s以下。

3.3　多用戶性能

仿真考察在多小區(qū)多用戶環(huán)境下的吞吐量性能，此時(shí)用戶將同時(shí)受到本小區(qū)和相鄰小區(qū)的干擾。小區(qū)內(nèi)有多個(gè)用戶在線時(shí)，隨著小區(qū)用戶數(shù)的增加，MAX-C/I和PF調(diào)度算法下的小區(qū)吞吐量都有所上升，這種由小區(qū)用戶數(shù)增加而帶來的吞吐量上升，被稱為多用戶分集增益。從圖3可以看到，MAX-C/I下的吞吐量上升最為明顯，這和調(diào)度算法本身的特性是相吻合的，在多用戶下，MAX-C/I算法總能調(diào)度到信道質(zhì)量最好的用戶，選用高階的調(diào)制方式以及更大的TBS傳輸，從而提高小區(qū)吞吐量。而RR調(diào)度算法與用戶信道質(zhì)量無關(guān)，被輪循調(diào)度到的用戶的信道質(zhì)量可能會比較差，而這種情況在多用戶數(shù)下出現(xiàn)的幾率更大，所以影響了小區(qū)吞吐量的提升。PF算法由于兼顧了用戶信道質(zhì)量以及調(diào)度的公平性，所以吞吐量上升不如MAX-C/I算法顯著。多用戶分集增益也比較有限，隨著在線用戶數(shù)的進(jìn)一步增加，小區(qū)吞吐量也將趨于平穩(wěn)。

圖3　3種調(diào)度算法下小區(qū)吞吐量與用戶數(shù)的關(guān)系

4、結(jié)語

基于TD-SCDMA的HSDPA系統(tǒng)繼承了TD-SCDMA的先進(jìn)技術(shù)，如智能天線技術(shù)、聯(lián)合檢測技術(shù)等，融入了HSDPA特有的一些關(guān)鍵技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的下行數(shù)據(jù)速率。文章通過理論分析結(jié)合系統(tǒng)仿真，考察了HSDPA系統(tǒng)的性能，為實(shí)際的HSDPA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與建設(shè)提供參考。