基于TD-SCDMA的R4与HSDPA混合组网系统级性能研究

高速下行数据接入(HSDPA) 是TD-SCDMA 的无线增强型技术，简称TD-HSDPA。随着时分同步码分多址(TD-SCDMA) 通信系统建网过程中HSDPA 的引入，网络中高速不对称数据服务可以被支持，这样以来网络容量大幅度增加，运营商投入成本也不断降低，最终为TD-SCDMA 向更高数据传输速率和更高容量提供了一条平稳的演进途径。目前R4 和HSDPA 的混合组网方式是比较合理的组网方式，不仅可以减少建设成本，而且降低了管理维护和优化的复杂度。

为了提升HSDPA 业务速率，系统对HSDPA 业务的业务信道- 高速物理下行链路共享信道(HS-PDSCH) 通常会配置比较高的固定发射功率，而业务信道缺乏快速功率控制的处理机制，同时小区内用户动态调度又会带来干扰环境波动性，因此承载HSDPA 业务的这些用户可能会对周边承载语音业务(R4 业务) 的用户存在较大的干扰，引发语音用户小区发射功率迅速攀升，从而直接导致高速下行数据接入业务和语音业务联合组网整体性能的急剧恶化。文章通过优化HSDPA 单载波发射功率进行细致的系统级仿真研究，并提出相应的R4 与HSDPA 业务混合组网的解决方案[1-2]。

1 TD-SCDMA 系统单时隙速率的理论计算

要计算TD-SCDMA 系统单时隙速率，首先需要计算TD-SCDMA 的1个下行时隙所能承载的理论最高数据速率。根据第三代合作伙伴计划(3GPP)协议TS25.224，1 个时隙的数据块大小是704 个码片(chips)，承载数据的高速物理下行共享信道HS-PDSCH 扩频因子(SF)=1 或16，文章按SF=1 计算（SF=16 结果一样），则有：

由式(1) 得到单个时隙的理论最高速率为563.2 kbit/s。如果最多用5个下行时隙（除广播信道TS0 外，还必须留有1 个下行时隙承载下行信令和控制信息，如HS-SCCH）来承载HSDPA，那么单载波的理论速率将达到563.2 kbit/s×5=2.8 Mbit/s。如果在TD-SCDMA 引入N 频点组网技术后，还可以实现多载波捆绑HSDPA，用户终端(UE) 可以同时接收多个载波的数据，数据速率将得到成倍提高（N×2.8 Mbit/s）。

R4 和HSDPA 混合组网系统级仿真研究及外场实际测试中空口承载能力（即小区平均吞吐量）和UE 所处位置的无线环境、单一小区同时在线UE 个数、小区覆盖半径等有较大关系，即按上下行时隙配置比1:5 计算出的单载波理论速率2.8 Mbit/s，是系统级仿真性能研究和外场实际性能测试的理论值上限。对于实际建网系统而言，当通过预留配置1 个下行时隙去承载下行控制信道(HS-SCCH)以及下行伴随信道(ADPCH)规避对小区(CS)业务的干扰及交叉时隙的干扰时，R4 和HSDPA 混合组网系统级仿真研究和实际建网的上下行时隙配置比则为2:4[3]。

2 TD-SCDMA 系统级仿真原理

实际的HSDPA 系统通过自适应调制和编码调整数据速率以满足信道质量，而信道质量反应在UE 接收载干比(C/I)上，C/I 的计算公式为：

Pi 为用户单码道i的接收功率；α 为本小区干扰抑制因子，α =联合检测因子× 非正交因子；I own 为本小区干扰功率；I other 为来自其他小区的干扰功率；NO为下行热噪声功率。文章中R4 和HSDPA 混合组网系统级仿真研究中需要分析本小区目标用户受到本小区其他用户及相邻其他小区用户承载不同业务带来的干扰情况。UE 通过测量当前接收的C/I 来判断信道质量的好坏，根据当前的信道质量在协议规定的传输格式及资源组合(TFRC)表中选择合适的数据块大小(TBS) 以及调制编码方式，同时UE 还将对当前传输时间间隔(TTI)接收到的数据块进行解码，最后将确认的响应/否认应答(ACK/NAK)信息以及TFRC 信息一起作为信道质量指示(CQI)，通过上行专用物理信道(HS-SICH)信道上报给节点B，节点B 根据收到的CQI 信息在下一个TTI内发送合适的数据块。当多UE 在线时，还要考虑到使用的调度算法，使用最多的是以下3 种基本调度算法：
1.基于最大载干比的MAX-C/I 调度算法
2.对用户轮询调度的Round Robin 算法
3.兼顾时间与资源的比例公平调度PF 算法

文章中R4 和HSDPA 混合组网系统级仿真研究中需要兼顾无线信道质量和用户调度的公平性，因此选取比例公平调度算法作为基本调度算法。因此采用选取部分公平调度算法作为基本调度算法，分析不同发射功率下引入HSDPA 业务前后R4 业务所有小区下行平均发射功率变化及引入R4 业务前后全网HSDPA 小区平均吞吐量变化[4]。

3 TD-SCDMA 系统级仿真场景设置

根据表1 和表2 的仿真条件，一方面可以对比出不同发射功率下引入HSDPA 业务前后R4 业务所有小区下行平均发射功率变化；另一方面可以对比引入R4 业务前后全网HSDPA小区平均吞吐量变化。图1(a) 为TD-HSDPA 独立载波组网，即同一扇区内、在该网内HSDPA独享一个载波，只提供HSDPA 业务。基础性能仿真数据见表3 中的引入R4 业务前TD-HSDPA 小区平均吞吐量(三时隙)。

表1 HSDPA 业务仿真参数设置

表2 R4 业务仿真参数设置

表3 引入R4 业务前后HSDPA 小区平均吞吐量变化

4 TD-SCDMA 系统级仿真结果

4.1 引入R4 业务后HSDPA 基础性能

引入R4 业务后HSDPA 系统级仿真结果分析如下：
(1) 引入R4 业务( 加入快衰落)后且当HSDPA 业务单载波为27 dBm时，CASE 3( 图1(c)) 下的HSDPA 小区平均吞吐量比在CASE 1( 图1(a)) 下的HSDPA 小区平均吞吐量低7.1%。
(2) 引入R4 业务( 加入快衰落) 后且当HSDPA 业务单载波为34 dBm时，CASE 3( 图1(c)) 下的HSDPA 小区平均吞吐量比CASE 1( 图1(a)) 下的HSDPA 小区平均吞吐量升高了3.6%。
(3) 从图2 中可以看出在R4 和HSDPA 混合组网这种配置下，引入R4 业务( 加入快衰落) 后且HSDPA 业务单载波为27 dBm 时，CASE 3( 图1(c)) 下高速下行数据接入业务(HS 业务)受到邻小区的干扰比CASE 1(图1(a))下HS 业务受到邻小区的干扰大。
(4) 实际组网配置中建议使用优化HSDPA 业务时隙的发射功率的技术手段。通过采用灵活的HSDPA 的功率配置方案，并且经过系统仿真和外场测试的，发现：当HSDPA 业务时隙功率配置为较低值27 dBm 时，小区平均吞吐量只降低7% 左右，而对相邻小区的R4 用户干扰仍然处于可控范围。
(5) 实际组网配置中建议引入多载波、多波束的调度算法来规避HSDPA 用户对R4 用户的干扰。

4.2 引入HSDPA 业务后R4 基础性能

纯R4 业务( 加入快衰落) 下扇区发射功率平均值为31.845 dBm；引入HSDPA 业务且单载波为27 dBm 时，R4 业务( 加入快衰落) 扇区发射功率平均值为30.693 dBm；引入HSDPA 业务且单载波为34 dBm 时，R4 业务(加入快衰落) 扇区发射功率平均值为32.396 dBm。引入HSDPA 业务后R4 系统级仿真结果分析如下：
(1) 引入HSDPA 业务且单载波为27 dBm 时，图3 中黑色曲线仿真数据和红色曲线仿真数据的经验累积分布函数数据的对比情况如同CASE 3（图1(c)）和CASE 2（图1(b)）的对比，前者的平均值大约降低了1.2 dB，即R4 业务扇区发射功率平均值大约降低了1.2 dB。从仿真曲线对比数据中可以看出这种配置情况下，CASE 3（图1(c)）下R4 受到的干扰比CASE 2（图1(b)）下R4 受到的干扰小。
(2) 引入HSDPA 业务且单载波为34 dBm 时，图3 中蓝色曲线仿真数据和红色曲线仿真数据的经验累积分布函数平均值数据的对比情况同如CASE 3（图1(c)） 和CASE 2（图1(b)）的对比，前者大约升高了0.5 dB，即R4 业务扇区发射功率平均值大约升高了0.5 dB。从仿真曲线对比数据中可以看出这种配置情况下，CASE 3（图1(c)）下R4 受到的干扰比CASE 2（图1(b)）下R4 受到的干扰大。
(3) 实际组网配置中建议使用优化基于资源、载荷、干扰平衡的系统无线资源管理(RRM) 算法技术手段，并使用采用全新的动态信道分配算法(DCA)。对此，存在两种处理办法：通过智能天线和RRM 算法，控制相邻小区R4 和HSDPA 时隙间干扰；HSDPA 用户到了小区边缘由HSDPA信道切换到R4 信道，只在小区近端提供HSDPA 业务[5]。
(4) 对于中国的主流运营商来说，采用R4 与HSDPA 混合组网，需要充分考虑到HSDPA 对R4 带来的干扰。在网络发展的中后期，数据业务需求量增大时，用户会有R4 和HSDPA 并发业务的需求，运营商可以考虑HSDPA 与R4 的公用载波以支持并发业务，语音业务和HSDPA 资源可在载频间以及载频内灵活分配。

图1 HSDPA 与R4 业务混合前后仿真场景示例

图2 引入R4 业务前后HS业务受到邻小区干扰对比

图3 引入HSDPA 业务前后R4 业务扇区下行发射功率对比

5 基于TD-SCDMA 的R4与HSDPA 混合组网建议

目前TD-HSDPA 单独组网暂时不考虑承载CS 域业务，TD-SCDMA R4与HSDPA 混合组网的载波配置方案有独立载波、独立时隙和混合时隙3种方式，中国主流运营商倾向于混合组网方式。基于TD-SCDMA 的R4 与HSDPA 混合组网方式具体建议如下：

(1) 在HSDPA 建网初期，能够支持HSDPA 的终端比较少，可以通过R4 和HSDPA 分载波的方式，在保证R4 业务
的同时，满足数据卡用户的高速数据业务需求。独立载波虽然避免了R4 和HSDPA 之间的干扰，但是一个小区内的时隙切换点必须相同，在上下行3:3 时隙配置下，单独配置HSDPA 业务会浪费上行容量资源，该方式目前组网配置支持但不推荐。

(2) 混合时隙指在一个载波的同一时隙内，按码道划分HSDPA 与R4资源。混合时隙既能提供HSDPA 服务又可提供R4 服务，且两者皆处于同一时隙，可根据数据与话音业务的需要，把资源配置比例精确粒度到码道级。当R4 和HSDPA 处在同一个时隙，除了时隙间干扰之外，还存在本小区时隙内不同码道之间的干扰，由于时隙内功率分配和码资源规划复杂，小区内R4 和HSDPA 间目前没有有效的干扰消除方法。考虑到TD-SCDMA 单时隙业务量有限，因此建议HSDPA 与R4 业务按不同时隙配置，在一个时隙之内不再细分HSDPA与R4 信道。该方式目前组网配置支
持但不推荐。

(3) 独立时隙指在同一个载波内，按时隙划分HSDPA 与R4 资源。单个载波既能提供HSDPA 服务又可以提供R4 服务。一方面，独立时隙方案可以根据不同的上下行业务需求，分别为R4 和HSDPA 分配时隙个数；另一方面，易于支持R4 和HSDPA 的并发业务。R4 和HSDPA 处于同一载波，可根据数据与话音业务的需要，设置R4 和HSDPA 的时隙比例。需要注意的是当激活HSDPA 用户处在小区边缘时，会对邻区的R4 时隙带来一定干扰。推荐该方式来组网配置。另外采用异频组网方式时，对于采用S3/3/3 站型进行网络规划建设的地区，可以按照HSDPA 和R4 业务分载波进行配置，总体上下行时隙配置均为3:3。随着网络建设的发展，用户的数据业务需求逐渐增大，可以采用的分配方式为R4 业务占用1 个载波，HSDPA 业务占用2 个载波。异频组网由于R4 和HSDPA 分别占用不同载波，避免了同载波上话音业务和数据业务的不同服务质量(QoS)问题、同一载波上话音业务和高速下行链路共享信道(HS-DSCH)承载的数据业务不同覆盖的问题以及话音业务优先接入、资源预留和功率预留的问题，极大地简化了无线资源管理和移动性管理。但是终端需要在不同载频上同时工作，数据业务为主的HSDPA也需要配置和对称的上下行转换点，造成了上行资源的浪费。

6 参考文献

[1] UMTS 30.03 version 3.2.0.Universal MobileTelecommunications System (UMTS);Selection Procedures for the Choice of Radio Transmission Technologies of the UMTS(UMTS 30.03 Version 3.2.0) [S]. 1998.
[2] 3GPP TR 25.942 v6.4.0. 3rd Generation Partnership Project, Technical Specification Group Radio Access Networks, Radio Frequency (RF) System Scenarios (Release 6)[S].2005.
[3] 3GPP TS 25.102 V7.12.0. 3rd Generation Partnership Project, Technical Specification Group Radio Access Networks,，User Equipment (UE) Radio Transmission and Reception TDD) (Release 7) [S].2012.
[4] 3GPP TS 25.105 V6.17.0. 3rd Generation Partnership Project, Technical Specification Group Radio Access Networks, Base Station(BS) Radio Transmission and Reception (TDD)(Release 6) [S].2008.
[5] YD/T5182—2009.第三代移动通信基站设计暂行规定[S].2009.