TD-SCDMA系統多頻點(diǎn)組網(wǎng)設計

在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，系統容量和干擾一直是人們比較關(guān)心的話(huà)題，他們相對立而存在，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)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(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )規劃優(yōu)化的一個(gè)重要任務(wù)。其中系統的具體組網(wǎng)技術(shù)作為一個(gè)重要的指標越來(lái)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有的系統容量和性能，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標準，是頻分多址/時(shí)分多址/碼分多址/空分多址(FDMA/TDMA/CDMA/SDMA)相結合混合多址方式的技術(shù)，使用了智能天線(xiàn)，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(chēng)的頻段，具有較高的頻譜利用率，可以靈活支持非對稱(chēng)數據業(yè)務(wù)等。其系統載波帶寬是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，TD-SCDMA系統更容易進(jìn)行頻率規劃，使用多頻點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)。下面我們將對TD-SCDMA系統下的多頻點(diǎn)組網(wǎng)方式進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)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(jiǎn)單介紹一下傳統小區的概念。在TD-SCDMA系統里，默認每一個(gè)載波扇區為一個(gè)獨立的小區。用戶(hù)設備和全球陸上無(wú)線(xiàn)接入間的接口(Uu接口)對于無(wú)線(xiàn)資源的操作、配置都是針對一個(gè)載頻進(jìn)行的，在Iub接口小區建立的過(guò)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)載頻被當作一個(gè)邏輯小區。例如，對于三扇區三載頻的情況，則認為有9個(gè)邏輯小區，針對每個(gè)小區完成獨立的操作，也即9個(gè)小區發(fā)送各自的導頻和廣播信息，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。因此傳統小區模式中，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)小區都相同的頻點(diǎn)數，并且這些頻點(diǎn)也相同，每個(gè)頻點(diǎn)作為一個(gè)獨立的邏輯小區，有自己的公共控制信道、下行導頻信道及獨立的廣播信道。比如10 MHz帶寬上，TD-SCDMA系統最大支持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)可以最大提高系統的頻帶利用率，在15 MHz帶寬內支持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。在業(yè)務(wù)信道上，我們可以通過(guò)智能天線(xiàn)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，載頻間干擾嚴重，將嚴重影響系統的性能和容量。

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(hù)分開(kāi)，增加頻點(diǎn)的復用距離，從而減小頻率間干擾，提高系統性能以及容量。它在建網(wǎng)初期用戶(hù)數較少時(shí)，有利于提高用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量，但是隨著(zhù)用戶(hù)數的增加，它極低的頻譜利用率不利于系統的擴容，而現在頻率資源是一個(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(wèn)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(lái)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)作為小區的主頻點(diǎn)，其他作為小區的輔頻點(diǎn)。N頻點(diǎn)技術(shù)下的小區劃分和傳統小區劃分有所不同：同一個(gè)扇區的N個(gè)載頻同屬于一個(gè)邏輯小區。主載頻和輔載頻使用相同的擾碼和訓練序列碼，這樣可以保證在同一個(gè)小區內的多個(gè)頻點(diǎn)具有同小區的身份標志；公共控制信道配置在主載頻上，也就是說(shuō)輔載頻上沒(méi)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(hù)的多時(shí)隙業(yè)務(wù)應配置在同一載頻上，這一特征可以最大程度地減小終端實(shí)現的復雜性；同一用戶(hù)的上下行配置在同一載頻上；主載頻和輔載頻的上下行轉換點(diǎn)配置一致，這一限制是由基站的收發(fā)信機特性造成的，如果主載頻和輔載頻的上下行轉換點(diǎn)配置不一致，必定有一些時(shí)隙并需要基站的收發(fā)信機既發(fā)射又接收，這樣以來(lái)基站的發(fā)射信號被該基站接收，造成基站不能正常接收。因為它接收的自己的發(fā)射信號將比從遠處來(lái)的同頻終端上行信號大很多，從而將正常的上行信號淹沒(méi)。在同一扇區內僅在主頻點(diǎn)內發(fā)送下行導頻信息和廣播信息，多個(gè)頻點(diǎn)共用一個(gè)導頻信道。這樣可以減小公共信道的載頻間干擾，提高了系統性能，終端初始搜索準確、快速，系統接入、切換成功率顯著(zhù)提高。因此，引入N頻點(diǎn)方案，可在較大程度上改善系統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)規劃

多頻點(diǎn)組網(wǎng)時(shí)，頻點(diǎn)規劃也是一個(gè)重要部分。合理的頻點(diǎn)規劃方案對于多頻點(diǎn)組網(wǎng)系統來(lái)說(shuō)可以最大程度提高系統的性能?；诙噍d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)規劃的方案。此規劃方案的主要思想是將小區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。相鄰小區主頻點(diǎn)采用的是異頻組網(wǎng)的方式，且有導頻信道的主頻點(diǎn)實(shí)現全小區覆蓋，其業(yè)務(wù)信道優(yōu)先服務(wù)于外層用戶(hù)；其他頻點(diǎn)稱(chēng)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)于內層用戶(hù)。這樣相鄰小區包含相同頻點(diǎn)的輔頻點(diǎn)就得到一定的隔離，相鄰小區的交叉區域 ——小區外層也屬異頻干擾，同頻干擾降低，系統性能得到提高[3-4]。

如圖5所示，黃色區域是輔載波收縮區域——小區內層，白色區域是小區外層，采用輔載波收縮的N頻點(diǎn)技術(shù)，進(jìn)行分層次頻點(diǎn)規劃后，相鄰小區交叉區域的用戶(hù)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)等性能指標都會(huì )有一定的提高。

2 仿真驗證

2.1 仿真假設

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

仿真中采用移動(dòng)模型（移動(dòng)速率為12 km/h，其他參考協(xié)議規定）。切換采用基于電平的切換，切換冗余取1 dB，開(kāi)啟開(kāi)環(huán)，閉環(huán)，外環(huán)功控，開(kāi)啟負載控制。

2.2 主要仿真參數

仿真中放置900個(gè)用戶(hù)，每個(gè)用戶(hù)都持續通話(huà)200s，其他主要參數如表1所示。

3 性能結果

3.1 性能比較

經(jīng)過(guò)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果如表2所示。

舊方案指的是不采用頻率分層規劃的方案，在一個(gè)小區內，沒(méi)有內外層的劃分，用戶(hù)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劃方案，外層用戶(hù)優(yōu)先接入主頻點(diǎn)，內層用戶(hù)接入輔載頻。由表2我們可以看到：采用新方案后系統的發(fā)射功率和接受干擾都有所下降掉話(huà)率減小，系統性能有了較大的提升。

并且輔載波收縮的區域范圍不同，即內層半徑取不同值時(shí)，采用新方案后的系統性能也會(huì )因此有所差別。隨著(zhù)內層半徑收縮，同頻點(diǎn)復用距離也隨之增加，用戶(hù)同頻干擾減小，用戶(hù)的發(fā)射功率，系統的掉話(huà)率等都將有很大的改善，仿真驗證結果如表3所示。

3.2 新算法改進(jìn)

雖然采用分層次頻點(diǎn)規劃的組網(wǎng)方式進(jìn)行仿真，系統性能有了一定的提高，但是，當用戶(hù)多處于小區邊緣或小區外層時(shí)，用戶(hù)將首先接入主頻點(diǎn)，直至主頻點(diǎn)沒(méi)有資源提供，這樣會(huì )使主頻點(diǎn)重負載，輔頻點(diǎn)輕負載或無(wú)負載，新算法性能優(yōu)勢無(wú)法體現，甚至會(huì )出現掉話(huà)的后果。所以需要找到一種可以解決用戶(hù)特殊分布場(chǎng)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)，收縮于內層小區；當主頻點(diǎn)剩余資源很少，過(guò)多用戶(hù)接入會(huì )對系統性能產(chǎn)生影響時(shí)，中間頻點(diǎn)可以作為主頻點(diǎn)的補充為外層用戶(hù)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(hù)分布情況下的系統性能。

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

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

4 結論

由上所述，通過(guò)對輔載波收縮，進(jìn)行分層次頻點(diǎn)規劃的組網(wǎng)方式仿真，我們可以看到，有效隔離同頻干擾后，系統性能會(huì )有較大的提升。這對未來(lái)多頻點(diǎn)組網(wǎng)方式的研究和實(shí)際系統組網(wǎng)方案設計都有一定的參考和借鑒意義！當然不同區域的地理環(huán)境，用戶(hù)分布的各不相同，對于輔載波收縮，進(jìn)行分層次頻點(diǎn)規劃的組網(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實(shí)際情況確定適合當地情況的方案。