TD-SCDMA系統(tǒng)多頻點(diǎn)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

在無線通信領(lǐng)域，系統(tǒng)容量和干擾一直是人們比較關(guān)心的話題，他們相對立而存在，隨著無線通信的發(fā)展，如何解決他們的這種對立關(guān)系，并從中找到一個(gè)合適的切入點(diǎn)，就成為我們未來無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化的一個(gè)重要任務(wù)。其中系統(tǒng)的具體組網(wǎng)技術(shù)作為一個(gè)重要的指標(biāo)越來越受到人們的重視，如何提供一個(gè)合理的組網(wǎng)方案，可以在盡量避免或減小干擾的情況下最大限度的增加現(xiàn)有的系統(tǒng)容量和性能，逐漸成為研究中的一個(gè)焦點(diǎn)。

1多頻點(diǎn)組網(wǎng)方式

時(shí)分同步碼分多址(TD-SCDMA)作為我國提出的一個(gè)3G標(biāo)準(zhǔn)，是頻分多址/時(shí)分多址/碼分多址/空分多址(FDMA/TDMA/CDMA/SDMA)相結(jié)合混合多址方式的技術(shù)，使用了智能天線，聯(lián)合檢測等新技術(shù)，采用時(shí)分雙工(TDD)雙工模式，不需要對稱的頻段，具有較高的頻譜利用率，可以靈活支持非對稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。其系統(tǒng)載波帶寬是1.6 MHz，相對于寬帶碼分多址(WCDMA)5 MHz帶寬而言，相同帶寬上可以提供3個(gè)頻點(diǎn)，所以相對于其他3G系統(tǒng)，TD-SCDMA系統(tǒng)更容易進(jìn)行頻率規(guī)劃，使用多頻點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)。下面我們將對TD-SCDMA系統(tǒng)下的多頻點(diǎn)組網(wǎng)方式進(jìn)行一個(gè)簡單介紹。

為了能夠更清楚地闡明各種組網(wǎng)方案的差異，首先簡單介紹一下傳統(tǒng)小區(qū)的概念。在TD-SCDMA系統(tǒng)里，默認(rèn)每一個(gè)載波扇區(qū)為一個(gè)獨(dú)立的小區(qū)。用戶設(shè)備和全球陸上無線接入間的接口(Uu接口)對于無線資源的操作、配置都是針對一個(gè)載頻進(jìn)行的，在Iub接口小區(qū)建立的過程中一個(gè)信元只配置了一個(gè)絕對頻點(diǎn)號；如果是多載頻，則每個(gè)載頻被當(dāng)作一個(gè)邏輯小區(qū)。例如，對于三扇區(qū)三載頻的情況，則認(rèn)為有9個(gè)邏輯小區(qū)，針對每個(gè)小區(qū)完成獨(dú)立的操作，也即9個(gè)小區(qū)發(fā)送各自的導(dǎo)頻和廣播信息，9個(gè)載頻都必須配置9套完整的公共信道，而其中的廣播信道(BCH)、?前向接入信道(FACH)和尋呼信道(PCH)都為全向信道。因此傳統(tǒng)小區(qū)模式中，對于多載頻配置，比較典型的有同頻組網(wǎng)和異頻組網(wǎng)兩種方式[1]。

1.1同頻組網(wǎng)

同頻組網(wǎng)指的是每個(gè)小區(qū)都相同的頻點(diǎn)數(shù)，并且這些頻點(diǎn)也相同，每個(gè)頻點(diǎn)作為一個(gè)獨(dú)立的邏輯小區(qū)，有自己的公共控制信道、下行導(dǎo)頻信道及獨(dú)立的廣播信道。比如10 MHz帶寬上，TD-SCDMA系統(tǒng)最大支持6個(gè)頻點(diǎn)，進(jìn)行同頻組網(wǎng)頻點(diǎn)配置如圖1所示。

同頻組網(wǎng)可以最大提高系統(tǒng)的頻帶利用率，在15 MHz帶寬內(nèi)支持9個(gè)頻點(diǎn)，可以配成S9/9/9的站型，但是這樣同一物理環(huán)境下存在多個(gè)邏輯小區(qū)。在業(yè)務(wù)信道上，我們可以通過智能天線和聯(lián)合檢測等先進(jìn)技術(shù)，保證業(yè)務(wù)的質(zhì)量，但是廣播信道是全向發(fā)射，載頻間干擾嚴(yán)重，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能和容量。

1.2 異頻組網(wǎng)

相對同頻組網(wǎng)，異頻組網(wǎng)指的是相鄰小區(qū)的頻點(diǎn)采用異頻組網(wǎng)的方式。如15 MHz帶寬時(shí)，對于TD-SCDMA系統(tǒng)包含9個(gè)頻點(diǎn)，但最大也只能組成S3/3/3站型。如圖2所示。

異頻組網(wǎng)可以盡量將同頻點(diǎn)用戶分開，增加頻點(diǎn)的復(fù)用距離，從而減小頻率間干擾，提高系統(tǒng)性能以及容量。它在建網(wǎng)初期用戶數(shù)較少時(shí)，有利于提高用戶的服務(wù)質(zhì)量，但是隨著用戶數(shù)的增加，它極低的頻譜利用率不利于系統(tǒng)的擴(kuò)容，而現(xiàn)在頻率資源是一個(gè)相對比較稀缺的資源，最大限度提高頻譜利用率是一個(gè)不可避免的問題。

1.3 N頻點(diǎn)技術(shù)

基于上面的2種組網(wǎng)方式存在的缺陷，后來人們提出了N頻點(diǎn)技術(shù)：若有多個(gè)載頻存在就從分配到的N個(gè)頻點(diǎn)中選擇一個(gè)作為小區(qū)的主頻點(diǎn)，其他作為小區(qū)的輔頻點(diǎn)。N頻點(diǎn)技術(shù)下的小區(qū)劃分和傳統(tǒng)小區(qū)劃分有所不同：同一個(gè)扇區(qū)的N個(gè)載頻同屬于一個(gè)邏輯小區(qū)。主載頻和輔載頻使用相同的擾碼和訓(xùn)練序列碼，這樣可以保證在同一個(gè)小區(qū)內(nèi)的多個(gè)頻點(diǎn)具有同小區(qū)的身份標(biāo)志；公共控制信道配置在主載頻上，也就是說輔載頻上沒有公共控制信道，主載頻和輔載頻上都配置有業(yè)務(wù)信道；用戶的多時(shí)隙業(yè)務(wù)應(yīng)配置在同一載頻上，這一特征可以最大程度地減小終端實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性；同一用戶的上下行配置在同一載頻上；主載頻和輔載頻的上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)配置一致，這一限制是由基站的收發(fā)信機(jī)特性造成的，如果主載頻和輔載頻的上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)配置不一致，必定有一些時(shí)隙并需要基站的收發(fā)信機(jī)既發(fā)射又接收，這樣以來基站的發(fā)射信號被該基站接收，造成基站不能正常接收。因?yàn)樗邮盏淖约旱陌l(fā)射信號將比從遠(yuǎn)處來的同頻終端上行信號大很多，從而將正常的上行信號淹沒。在同一扇區(qū)內(nèi)僅在主頻點(diǎn)內(nèi)發(fā)送下行導(dǎo)頻信息和廣播信息，多個(gè)頻點(diǎn)共用一個(gè)導(dǎo)頻信道。這樣可以減小公共信道的載頻間干擾，提高了系統(tǒng)性能，終端初始搜索準(zhǔn)確、快速，系統(tǒng)接入、切換成功率顯著提高。因此，引入N頻點(diǎn)方案，可在較大程度上改善系統(tǒng)的性能并提升頻譜利用率。N頻點(diǎn)技術(shù)可以有2種不同的實(shí)現(xiàn)模式：多載波同頻異頻聯(lián)合組網(wǎng)方式和多載波同頻組網(wǎng)方式。每種組網(wǎng)方式有15 MHz、10 MHz、5 MHz 3種頻率規(guī)劃方案[2]。

1.3.1多載波同頻異頻聯(lián)合組網(wǎng)方式

這種組網(wǎng)方式代指的是相鄰小區(qū)的主頻點(diǎn)采用異頻組網(wǎng)的方式，輔頻點(diǎn)則采用同頻組網(wǎng)的方式。如使用15 MHz帶寬時(shí)，選擇3個(gè)作為主頻點(diǎn)，其他6個(gè)作為輔頻點(diǎn)。這時(shí)，最大可組成S7/7/7站型。如圖3所示，紅色代表的是主頻點(diǎn)，黑色則代表剩余的6個(gè)輔頻點(diǎn)。

1.3.2多載波同頻組網(wǎng)方式

這種組網(wǎng)方式可最大程度地提高頻譜利用率，指的是相鄰小區(qū)的主頻點(diǎn)采用異頻組網(wǎng)的方式，輔頻點(diǎn)也采用異頻組網(wǎng)的方式，相鄰小區(qū)的主頻點(diǎn)交叉包含在輔載頻中。如使用15 MHz帶寬時(shí)，最大可組成S9/9/9站型，如圖4所示。

1.3.3分層次進(jìn)行頻點(diǎn)規(guī)劃

多頻點(diǎn)組網(wǎng)時(shí)，頻點(diǎn)規(guī)劃也是一個(gè)重要部分。合理的頻點(diǎn)規(guī)劃方案對于多頻點(diǎn)組網(wǎng)系統(tǒng)來說可以最大程度提高系統(tǒng)的性能。基于多載波同頻組網(wǎng)的N頻點(diǎn)技術(shù)和同心圓技術(shù)，為了更大的提高系統(tǒng)性能，有效減小業(yè)務(wù)信道上的同頻干擾，可以采用分層次進(jìn)行頻點(diǎn)規(guī)劃的方案。此規(guī)劃方案的主要思想是將小區(qū)由中心到邊緣分成幾層（例如2層），每一層采用不同的頻點(diǎn)分配方案。相鄰小區(qū)主頻點(diǎn)采用的是異頻組網(wǎng)的方式，且有導(dǎo)頻信道的主頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全小區(qū)覆蓋，其業(yè)務(wù)信道優(yōu)先服務(wù)于外層用戶；其他頻點(diǎn)稱為輔載波，相對于主頻點(diǎn)收縮，業(yè)務(wù)信道優(yōu)先服務(wù)于內(nèi)層用戶。這樣相鄰小區(qū)包含相同頻點(diǎn)的輔頻點(diǎn)就得到一定的隔離，相鄰小區(qū)的交叉區(qū)域 ——小區(qū)外層也屬異頻干擾，同頻干擾降低，系統(tǒng)性能得到提高[3-4]。

如圖5所示，黃色區(qū)域是輔載波收縮區(qū)域——小區(qū)內(nèi)層，白色區(qū)域是小區(qū)外層，采用輔載波收縮的N頻點(diǎn)技術(shù)，進(jìn)行分層次頻點(diǎn)規(guī)劃后，相鄰小區(qū)交叉區(qū)域的用戶受到的同頻干擾減小，這樣它們的切換成功率，服務(wù)質(zhì)量(QOS)等性能指標(biāo)都會有一定的提高。

2 仿真驗(yàn)證

2.1 仿真假設(shè)

我們以5MHz頻帶，3個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行分層規(guī)劃的方案建模，采用通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)30.03 中定義的經(jīng)典模型環(huán)列，每個(gè)小區(qū)有3個(gè)頻點(diǎn)，相鄰小區(qū)主頻點(diǎn)不同，交叉包含在輔載頻中[5]。如圖6所示，紅色圓環(huán)將小區(qū)分成兩層，每個(gè)小區(qū)的輔頻點(diǎn)收縮到內(nèi)層首先為內(nèi)層用戶提供資源；外層用戶首先接入主頻點(diǎn)，這樣相鄰小區(qū)采用異頻切換，同頻用戶得到有效隔離。

仿真中采用移動模型（移動速率為12 km/h，其他參考協(xié)議規(guī)定）。切換采用基于電平的切換，切換冗余取1 dB，開啟開環(huán)，閉環(huán)，外環(huán)功控，開啟負(fù)載控制。

2.2 主要仿真參數(shù)

仿真中放置900個(gè)用戶，每個(gè)用戶都持續(xù)通話200s，其他主要參數(shù)如表1所示。

3 性能結(jié)果

3.1 性能比較

經(jīng)過仿真采用不采用該方案的2種情況，我們得到主要的性能結(jié)果如表2所示。

舊方案指的是不采用頻率分層規(guī)劃的方案，在一個(gè)小區(qū)內(nèi)，沒有內(nèi)外層的劃分，用戶隨即接入任意一個(gè)有資源的頻點(diǎn)。新方案是采用輔載波收縮的分層次頻率規(guī)劃方案，外層用戶優(yōu)先接入主頻點(diǎn)，內(nèi)層用戶接入輔載頻。由表2我們可以看到：采用新方案后系統(tǒng)的發(fā)射功率和接受干擾都有所下降掉話率減小，系統(tǒng)性能有了較大的提升。

并且輔載波收縮的區(qū)域范圍不同，即內(nèi)層半徑取不同值時(shí)，采用新方案后的系統(tǒng)性能也會因此有所差別。隨著內(nèi)層半徑收縮，同頻點(diǎn)復(fù)用距離也隨之增加，用戶同頻干擾減小，用戶的發(fā)射功率，系統(tǒng)的掉話率等都將有很大的改善，仿真驗(yàn)證結(jié)果如表3所示。

3.2 新算法改進(jìn)

雖然采用分層次頻點(diǎn)規(guī)劃的組網(wǎng)方式進(jìn)行仿真，系統(tǒng)性能有了一定的提高，但是，當(dāng)用戶多處于小區(qū)邊緣或小區(qū)外層時(shí)，用戶將首先接入主頻點(diǎn)，直至主頻點(diǎn)沒有資源提供，這樣會使主頻點(diǎn)重負(fù)載，輔頻點(diǎn)輕負(fù)載或無負(fù)載，新算法性能優(yōu)勢無法體現(xiàn)，甚至?xí)霈F(xiàn)掉話的后果。所以需要找到一種可以解決用戶特殊分布場景時(shí)的改進(jìn)方案[6]?；谶@種考慮，我們對新算法做了進(jìn)一步改進(jìn)，在輔載波中另外選取1個(gè)頻點(diǎn)作為中間頻點(diǎn)，在主頻點(diǎn)資源較多時(shí)，中間頻點(diǎn)作為正常輔頻點(diǎn)，收縮于內(nèi)層小區(qū)；當(dāng)主頻點(diǎn)剩余資源很少，過多用戶接入會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響時(shí)，中間頻點(diǎn)可以作為主頻點(diǎn)的補(bǔ)充為外層用戶提供資源接入。這樣既可以保證同頻干擾得到有效隔離，又同時(shí)可以保證在一些特殊用戶分布情況下的系統(tǒng)性能。

假設(shè)仿真條件是兩個(gè)相對的小區(qū)，小區(qū)半徑為500米，R4時(shí)隙最大發(fā)射功率30 dBm。每個(gè)小區(qū)3個(gè)頻點(diǎn)，只在小區(qū)外層各放置40個(gè)用戶。仿真結(jié)果見表4

當(dāng)然對于改進(jìn)的新方案，相鄰小區(qū)中間頻點(diǎn)的選擇是關(guān)鍵，它要求相鄰小區(qū)的中間頻點(diǎn)盡量遵循有效隔離同頻干擾的原則。從仿真結(jié)果可以看出，合理的中間頻點(diǎn)的選擇將有效提高系統(tǒng)性能，節(jié)約功率！

4 結(jié)論

由上所述，通過對輔載波收縮，進(jìn)行分層次頻點(diǎn)規(guī)劃的組網(wǎng)方式仿真，我們可以看到，有效隔離同頻干擾后，系統(tǒng)性能會有較大的提升。這對未來多頻點(diǎn)組網(wǎng)方式的研究和實(shí)際系統(tǒng)組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)都有一定的參考和借鑒意義！當(dāng)然不同區(qū)域的地理環(huán)境，用戶分布的各不相同，對于輔載波收縮，進(jìn)行分層次頻點(diǎn)規(guī)劃的組網(wǎng)方案都有不同的影響，這就需要我們在以后的工作研究中，按照理論分析并根據(jù)實(shí)際情況確定適合當(dāng)?shù)厍闆r的方案。