TD-SCDMA系统无线资源管理

基金项目：教育部重点科技项目(G2000-05)

      无线资源管理的目标是在有限无线资源的条件下，灵活分配和动态调整系统的可用资源，最大限度地提高无线频谱利用率，防止网络阻塞和保持尽可能小的信令负荷，同时又为网络内无线用户终端提供业务的服务质量(QoS)保证。移动通信技术正面临用户数量急剧增加，移动业务逐步走向多元化，用户对QoS的要求不断提高的问题。相应地对无线资源管理技术提出了新的挑战。如何保证足够的小区容量同时要满足不同业务的时延和速率要求，而且尽可能充分地结合和利用新的无线传输技术的特性，都是在新的业务传播环境下，无线资源管理技术需要考虑的问题。时分同步码分多址(TD-SCDMA)和其他3G标准一样，具有面向QoS的无线资源管理系统。TD-SCDMA系统的无线资源主要包括载频、时隙、码道、功率等。引入智能天线后，空间也是一种无线资源。无线资源管理中的关键技术包括：功率控制、动态信道分配、接纳控制。

1 TD-SCDMA系统的帧结构
      TD-SCDMA系统的每个射频信道带宽为1.6 MHz，码片速率为1.28 Mchip/s。TD-SCDMA无线帧长10 ms，每个无线帧分为两个5 ms的子帧，如图1所示[1]。每个子帧有7个主时隙(TS0、TS1……TS6)和3个特殊时隙(下行导频时隙(DwPTS)、上行导频时隙(UpPTS)、保护间隔(GP))。3个特殊时隙中，DwPTS为下行导频和同步而设计，UpPTS为建立上行同步和随机接入而设计，GP为下行向上行转换的保护而设计。在7个常规时隙中，TS0固定分配给下行链路，而TS1固定分配给上行链路。上、下行时隙之间由转换点分开，在TD-SCDMA系统中，每个5 ms的子帧有两个上、下行转换点(分别为上行到下行和下行到上行)。通过配置上、下行时隙的个数，TD-SCDMA系统可以灵活改变上、下行链路的传输能力，使得系统在对称和非对称业务的情况下都能够获得较高的资源利用率。本文假设上行和下行链路各分配3个时隙。由于上、下行链路的动态信道分配策略相同，本文只研究上行链路的动态信道分配。

2 TD-SCDMA系统中的信道分配策略
      在TD-SCDMA系统中的动态信道分配分为两个阶段[2]：呼叫接入信道，呼叫接入后为保证业务质量而进行的信道重选。从实施规则上大致可以分为慢速动态信道分配(DCA)和快速DCA两类。慢速DCA可根据系统干扰受限的先验知识、负荷情况，对系统载频和时隙进行占用优先级划分，完成呼叫接入控制；快速DCA可根据对专用业务信道或共享业务信道通信质量监测的结果，自适应地对资源单元(RU)，即码道或时隙，进行调配和切换，以保证业务质量。

2.1 慢速DCA
      在TD-SCDMA系统中，慢速DCA主要根据小区内业务不对称性的变化，动态地划分上、下行时隙，使上、下行时隙的传输能力和上、下行业务负载的比例关系相匹配，以获得最佳的频谱效率。TD-SCDMA系统可以灵活地划分上、下行时隙，从而提升系统容量，但是当相邻小区的上、下行时隙划分不一致时，可能会造成交叉时隙间较大的干扰，导致系统容量损失。慢速DCA算法采用从热点小区中选出负荷较重的小区作为参考的方法，以小区的上、下行信号比例作为时隙上、下行划分的依据，在其相邻小区也采用一致的划分，尽量减少交叉时隙的数量。另外，在存在交叉时隙的小区，利用快速DCA中的时隙优先权信息，通过计算，在交叉时隙没有遭受很大干扰时将交叉时隙分配给用户。

2.2 快速DCA
      快速DCA指系统为申请接入的用户分配无线信道资源，并根据系统状态对已分配的资源进行动态调整。在TD-SCDMA系统中，无线信道包括分配载波、时隙、扩频码等资源，DCA为用户寻找干扰较小、能够提供稳定服务的信道分配给用户。在为用户分配无线资源时要进行呼叫接纳控制(CAC)，决定是否接纳新用户。呼叫接纳控制要求完成两个方面的内容：判断网络能否为新接入的业务提供满足其要求的通信质量，确保新接入的业务不影响正在被服务的业务。为了保证用户的服务质量，系统还要对用户的通信质量进行监测。当用户的通信质量恶化时，系统可以综合考察用户的服务质量要求、干扰情况以及移动状况等，然后做出判断，调整用户所占用的无线资源，从而为用户提供稳定的服务。另外，系统出于调控负荷或者算法优化等方面的原因，也会主动地触发对部分用户无线资源的重分配过程。无线资源的重分配过程要求能够快速地完成。

      下面基于快速DCA[3]，讨论一种基于可移动边界(MB)策略的设计方案。

3 快速DCA算法的描述

3.1 固定边界DCA算法
      对于通信系统中的语音和数据业务，传统的做法是将信道分成两部分：语音信道和数据信道，语音业务只能使用语音信道，数据业务只能使用数据信道[4]。在该方案中，每个基站的单条链路中的3个业务时隙，2个分配给语音业务，1个分配给数据业务。固定边界的动态分配方案如图2所示。这样在语音呼叫到达时，如果存在2个以上的缓冲寄存器(BRU)(扩频因子为16的码道)，那么就可以建立语音信道，进行通话，否则该呼叫就会被阻塞掉。当数据缓存器中队列不空，而数据时隙中的所有16个BRU均空闲时，队列的头数据包就会被取出，进行数据传输，否则的话，头数据包继续在队列中等待。当缓存器被占满后，如果新的数据包到来，就会发生丢包。固定边界(FB)DCA方案的缺陷是不能有效地利用系统资源，当正在通话的语音用户数很少而等待发送的数据包很多时，分配给语音用户的信道就只能空闲而不能用来传输数据，造成了系统资源的浪费。

3.2 可移动边界DCA算法
      基于可移动边界的动态分配方案与FB方案比较，能更好地利用资源。可移动边界的动态分配方案如图3所示。

      MB方案首先将信道分为两个部分：语音信道和数据信道。在业务传输过程中如果语音信道空闲且数据缓存器队列不空时，队列中的数据包可以借用语音信道进行传输。当语音呼叫到来时，语音业务可以强占被数据业务借用的语音信道，进行语音业务传输，而数据业务则停止在借用的语音信道中的传输，继续排队等待。

      在此方案中，仍将单条链路上3个时隙中的2个时隙分配给语音业务，1个时隙分配给数据业务。在语音呼叫到达时，如果在2个语音时隙中存在2个以上的BRU，那么就可以建立语音信道进行通话，否则该呼叫就会被阻塞掉。当数据缓存器中队列不空时，首先检查数据时隙中所有的16个BRU是否空闲。如果空闲，则队列的头数据包就会被取出，进行数据传输，否则，检查两个语音时隙中是否有16个或16个以上的BRU。如果有16个以上的BRU，且16个BRU在一个时隙内，则头数据包被取出，进行传输；如果有16个BRU，但16个BRU不在一个时隙内，则首先需要进行信道重组，将16个BRU调整到一个时隙内，然后再进行传输；如果两个语音时隙中存在的空闲BRU少于16个，则数据包继续排队等待，直到有足够的空闲信道，同样，如果缓存器已满，这时新的数据包到来将发生丢包。这种分配策略的数据业务时隙和语音业务时隙的边界是可以移动的，因此该方案称为可移动边界方案。
采用MB方案的立足点在于：语音业务为实时业务，允许的时延很小，在语音呼叫产生后，如果无法得到所需的传输信道，那么业务将会发生阻塞；数据业务为非实时业务，在没有可用的传输信道时，可以排队等待，直到所需信道可用，再进行传输。

4 基于可移动边界的动态信道分配性能仿真
      为分析MB方案的性能，本文基于MATLAB仿真平台对该方案进行了仿真。为更好地进行比较，对FB方案同时进行了仿真。

4.1 仿真模型
      动态信道分配性能仿真系统模型如图4所示。

      仿真系统模型将信道分为两部分：语音信道和数据信道。在业务传输过程中，如果语音信道空闲且数据缓存器队列不空时，队列中的数据包就可以借用语音信道进行传输。当语音呼叫到来时，语音业务可以强占被数据业务借用的语音信道，进行语音业务传输，而数据业务则停止在借用的语音信道中的传输，继续排队等待。

      在该模型中，到达的语音业务源和数据业务源都服从泊松分布。为更好的分析基于可移动边界的动态信道分配方案的性能，在仿真中引入了不同的语音和数据到达率，如语音业务到达率为0、100、200、300呼/h，数据业务到达率为20、40、60、80、100、120包/s。

      在FB方案中，语音业务服务器最多可以服务16个语音用户(可用的2个时隙最多可以服务16个语音用户)。在语音业务到达时，如果有空信道，则进行业务服务，传送语音业务。如果16个语音信道已满，则此业务发生阻塞。数据业务服务器只可以有一个服务通道。在数据包到达后，首先将数据包放入一个先进先出的队列，服务通道在每传完一个数据包后，都要检查队列是否为空，如果不空，则将队列头数据包取出进行传输。

      在MB方案中，数据业务初始分配的可用时隙数为1。然而当语音用户数小于8时，数据业务可以借用空闲的语音时隙，则此时数据服务通道数可为2。当语音用户数为0时，数据业务可以借用这2个语音时隙，因此此时数据服务通道数为3。但是，当语音业务到达且没有空闲语音信道时，语音业务将会强占被数据业务借用的语音信道，进行语音服务，正在传输的数据业务则停止传输，继续等待。

4.2 仿真结果
      根据以上所述，在不同的语音和数据业务到达率下，分别对FB方案和MB方案进行了仿真，仿真结果分别是语音阻塞率和数据丢包率。仿真结果分别见图5、图6、图7、图8。

      通过仿真结果，可以得出，在MB方案中，数据业务借用语音信道并没有影响语音业务的性能。尤其是在语音业务到达率较低的情况下。主要时因为在语音业务到达率较低时，数据业务可以借用空闲的语音信道来传送队列中的数据包，相当于数据服务通道增加了，因此队列中的数据包长度也减小了。
从仿真结果可以看出：MB方案的丢包率比FB小。主要是因为数据业务借用了语音信道，服务通道增多，数据处理能力增强了。

5 结束语
      对于TD-SCDMA系统无线资源管理，本文主要讨论了一种基于可移动边界的动态信道分配方案。无线资源管理还包括功率控制、切换考虑和分组调度等方面内容，每个方面并不独立存在，而是相互影响相互依存的，值得进一步研究。

6 参考文献
[1] 王文博. 时分双工CDMA[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2001.
[2] 3GPP TR25.922 V5.0.0 Radio resource management strategies[S]. 2002.
[3] SUN Chengjun, ZHANG Zhongzhao. Algorithm and simulation for fast DCA in TD-SCDMA[C]//Proceedings of IEEE Region 10 Computer, Communications, Control and Power Engineering (TNCOM’02): Vol 2, Oct 28-31, 2002, Beijing, China. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2002:988-991.
[4] CAO Yanbo, CHENG Xingging, LI Chengshu. Dynamic channel allocation in TD-SCDMA[C]//Proceedings of 2003 International Conference on Communication Technology(ICCT2003): Vol 2, Apr 9-11, 2003, Beijing, China. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2002:1129-1132.

收稿日期：2006-03-28

郭思贝，重庆邮电大学在读硕士研究生，主要研究方向为移动通信。