TDSCDMA功率控制和信道分配调研.docx
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TDSCDMA功率控制和信道分配调研
第一章功率控制
CDMA系统是干扰受限系统，必要的功率控制可以有效地限制系统内部的干扰电平，从而降低小区内和小区间的干扰。
另外，功率控制可以克服蜂窝系统的“远近效应”并减小UE的功耗。
TD-SCDMA的功率控制特性见表1。
表1TD-SCDMA的功率控制特性
上行
下行
功率控制速率
可变
闭环：
0~200次/s
开环：
延时大约200~3575
可变
闭环：
0~200次/s
步长
1dB、2dB、3dB（闭环）
1dB、2dB、3dB（闭环）
TD-SCDMARRM仿真平台中的功率控制技术包括开环、闭环和外环功率控制3部分，各部分的实现和信令流程在下面具体阐述。
1.1开环功率控制
由于TD-SCDMA采用TDD模式，上行和下行链路使用相同的频段，因此，上、下行链路的平均路径损耗存在显著的相关性。
这一特点使得UE在接入网络之前，或者网络在建立无线链路时，能够根据计算下行链路的路径损耗来估计上行或下行链路的初始发射功率，这一过程称为开环功率控制。
上行开环功率控制由UE和网络共同实现，网络需要广播一些控制参数，而UE负责测量PCCPCH的接收信号码速率（RSCP），通过开环功率控制的计算，确定随机接入时UpPCH、PRACH、PUSCH和DPCH等信道的初始发射功率，具体实现如下：
1）UpPCH
在随机接入过程中，UE根据下式确定UpPCH的发射功率：
（1）
式中，
为UE发射功率（dBm），
为测量到的路径损耗（dB）（PCCPCH参考发射功率在BCH中广播），
为基站期望在小区接收机得到BCH的接收功率（dBm），
为UE在每个UpPCH传输中的“功率步级增量值”（当i=1时为初始信号功率）。
2）PRACH
上行同步建立后，UE根据下式计算PRACH的发射功率
（2）
式中，
为PRACH上的发射功率，
为基站接收机希望得到的PRACH的功率，由网络在FPACH中给出。
3）DPCH
网络根据下式计算DPCH的初始发射功率，并通知UE。
一旦UE收到相应信道的下行TPC命令，立即进入闭环功率控制状态。
（3）
式中，
为NodeB期望的DPCH接收功率，主要根据DPCH上的干扰测量和接收端期望的SIR值确定，其值通过IE信令“UplinkDPCHPowerControlInfo”向UE发送。
在下行链路中，开环功率控制根据UE发送的下行测量报告设置下行的初始发射功率。
4）公共信道
下行公共信道的发射功率是由网络状况决定的，不同下行公共信道发射功率之间的差值并没有在3GPP协议中规定，也可能动态地改变。
通常根据网络规划确定小区的大小，从而确定各下行公共信道的发射功率，将其作为小区的配置参数。
将开环功率控制过程用信令流程描述，可以明确UE和网络的各自功能。
如下图1.1所示，以上行随机接入过程描述了上行的开环功率控制过程，其中突出了功率控制相关信息而不着重于接入的信令描述。
下行寻呼过程牵涉到的RRC连接建立过程与上行类似，不再重复。
图1.1上行开环功率控制过程
影响开环功率控制性能的主要参数包括：
（1）UE端PCCPCH路径损耗的测量误差；
（2）控制信道时隙和业务信道时隙的时延；
（3）开环功率控制精度等。
1.2闭环功率控制
快速闭环功率控制（内环功率控制）的机制是无线链路的发射端根据接收端物理层的反馈信息进行功率控制，这使得UE（NodeB）根据NodeB（UE）的接收SIR值调整发射功率，来补偿无线信道的衰落。
在功率控制过程中，NodeB周期性地将接收到的SIR测量值和SIR的目标值进行比较，如果测量值小于目标值，则TPC命令置为“up”，当测量值大于目标值时，TPC命令置为“down”。
在UE端，对TPC的比特位进行软判决，若判决结果为“up”，则将发射功率增加一个步长，若判决结果为“down”，则将发射功率降低一个步长。
目标SIR值由高层通过外环进行调整。
该方案允许以质量为基础的功率控制。
当由于失去同步接收不到TPC比特时，发射功率将保持在一个固定值上；当由于失去同步而不能进行SIR测量时，则在失步期间TPC命令总是置为“up”。
1.2.1上行闭环功率控制
上行闭环功率控制用来调整上行专用信道（DPCH）和上行共享信道（PUSCH）的发射功率。
以上行DPCH为例，基站从RNC的上行外环功率控制算法得到相应功率控制信道的目标SIR值，在每个子帧内将其和DPCH的Midable信号的接收SIR值相比较。
如果接收到的SIR值大于目标SIR值，基站就在下行DPCH上发送“下降”的功率控制（TPC）命令；如果接收到的SIR值小于目标值，这TPC命令设置为“上升”。
在UE端，但收到基站的TPC命令后，根据上升或下降的命令和选取的功率控制步长，调整下一子帧相应信道的发射功率。
功率控制步长的选取是和UE速度联系在一起的。
给定一个通信质量目标，最佳上行功率控制步长的意义在于能得到一个最低的目标SIR值，这是由外环功率控制决定的。
但UE速率较低时，多普勒频移较小，快衰落变化较小，这是选取较小的功率控制步长就能跟上信道的变化；当UE速率较大时，就需要选取较大的功率控制步长来步长信道；而当UE超过一定速率时，功率控制的速率已经跟不上信道的变化，较大的功率控制步长反而会使功率控制性能变差，相比较而言，减小功率控制步长反而会提高功率控制性能。
上行传输时一个编码组合传输信道（CDTrCH）可能复用多个传输信道，被复用的传输信道通过重复或者打孔进行速率匹配，这将会影响一定
下所需要的传输功率。
因此，实际传输功率将在原定值上加权一个增益因子
。
当UE检测不到下行DPCH信号，得不到闭环TPC命令时，称UE处于失同步状态，此时UE将根据一定准则停止上行DPCH传输，在同步恢复后，UE将继续上行传输。
UE在实行了闭环调整和加权一个增益因子操作之后，同时要把实际发射功率限制在规定的动态范围之内，不同UE的功率控制类型有不同的功率要求，包括UE总发射功率的最大值和最小值。
当UE总发射功率超过最大值时，当前时隙的所有上行物理信道的发射功率将减小相同的值，使得UE总发射功率等于最大值。
1.2.2下行闭环功率控制
下行闭环功率控制用来调整下行专用信道DPCH和下行共享信道PUSCH的发射功率。
以下行DPCH为例，UE从RNC获得下行外环功率控制需要的BLER（FER）和其他一些控制参数，通过下行外环功率控制算法得到相应功率控制信道的目标SIR值，在每一自帧内将其和下行DPCH的Midable信号的接收SIR值相比较。
如果接收到的SIR值大于目标SIR值，UE就在上行DPCH上发送“下降”的功率控制TPC命令；如果接收到的SIR值小于目标SIR值，则TPC命令设置为“上升”。
在基站端，当收到UE的TPC命令后，根据上升或下降的命令和选取的功率控制步长，调整下一子帧相应信道的发射功率。
一个DPCH或PDSCH的发射功率不能超过上层确定的动态范围。
这里的发射功率定义为物理信道扩频前一个时隙内复QPSK（8PSK）符号的平均功率。
在下行传输数据暂停阶段，NodeB将忽略收到的TPC命令。
NodeB在一个时隙内的总下行发射功率不能超过规定的最大值，当总功率超过最大值时，所有下行DPCH和PDSCH的发射功率将减小相同的值，使得总发射功率等于最大值。
但下行专用信道处于失同步状态时，UE总是将上行TPC命令设为“上升”。
上行闭环功率控制过程在下图1.2中加以描述，包括快速的内环功率控制和慢速的外环功率控制，内环功率控制由UE和NodeB在物理层实现；外环功率控制主要由RNC在RRC子层实现，RNC和NodeB、UE都有一定的控制信息交互。
图1.2上行闭环功率控制过程
下行闭环功率控制过程如图1.3描述，包括快速的内环功率控制和慢速的外环功率控制，内环功率控制由UE和NodeB在物理层实现；外环功率控制由UE在RRC层实现，RNC和NodeB、UE也有一定的控制信息交互。
图1.3下行闭环功率控制过程
影响闭环功率控制性能的参数主要包括：
（1）接收机端的SIR策略误差；
（2）TPC命令的传输误差；
（3）功率控制步长的选择，不同的环境设置会有不同的最佳步长选择；
（4）发射机的最大发射功率。
闭环功率控制性能可以通过小区容量、用户满意率等指标来衡量。
1.3外环功率控制
内环功率控制虽然可以解决路径损耗以及远近效应的问题，使接收信号保持固定的信干比（SIR），但是却不能保证接收信号的质量。
接收信号的质量一般用误块率（BLER）或误码率（BER）来表征，BLER由接收信号SIR的分布函数决定，两者的数学关系相当复杂。
环境因素（用户的移动速度、信号传播的多径和迟延）对接收信号的质量有很大的影响。
但信道环境发生变化时，接收信号SIR和BLER的对应关系也相应发生变化。
因此需要根据信道环境的变化，调整接收信号的SIR目标值。
外环算法如图1.4所示。
图1.4通用外环算法
1.3.1上行外环功率控制
上行外环功率控制在RNC的RRC子层执行，RNC为每条执行上行内环功率控制的链路设置目标SIR值，并将这个目标值通知NodeB。
NodeB收到RNC的通知后，便更新相应链路的SIR目标值，作为内环功率控制的依据。
外环可以采用不同的测量通信质量的方法，一种简单可靠的方法是采用循环冗余校验（CRC）结果来判断数据帧的错误情况。
基于数据帧的软可靠信息，还可以有另外一些判断通信质量的准则，如：
信道解码前的BER、即RawBER，或者Viterbi解码的软信息等。
在混合业务环境下，当物理层需要把多种业务复用到一个物理层的传输信道建立一个链路时，一条物理信道上所有的业务传输使用公共的快速功率控制机制。
由于内环功率控制只有一个目标SIR值，外环只能选取各种业务中SIR要求最高的目标值作为内环参考值，在同一信道中传输混合业务下的外环机制如图1.5所示。
图1.5混合业务下的外环功率控制
1.3.2下行外环功率控制
下行外环功率控制在UE端的RRC子层执行，其原理和上行外环类似，只是功能实现单元不同，不同点在于，网络端即使不能控制UE端的外环算法，仍能很有效地控制下行连接。
首先下行链路的目标质量参考值是由RNC给出的，在通信中可以改变；其次，即使NodeB收到UE的功率控制命令，也不一定按照内环算法执行，因为网络能够协调不同下行连接的通信质量从而实现不同业务的优先级，这在下行负载较重的情况下可以有效地减小网络恶化的可能性。
影响外环功率控制性能的主要参数包括：
（1）目标BLER/FER的设置；
（2）由信道码/解码性能决定的BLER/FER和BER以及BER和SIR的对应关系；
（3）SIR的测量误差，可以用一个均值为零的正态分布随机函数来仿真。
外环功率控制性能可以通过闭环功率控制性能来体现。
第二章动态信道分配
2.1动态信道分配概述
在无线通信系统中，为了将给定的无线频谱分割成一组彼此分开或者互不干扰的无线信道，使用诸如频分、时分、码分等技术，对于无线通信系统来说，无线信道数量有限，是极为珍贵的资源，要提高系统的容量，就要对信道资源进行合理的分配，由此产生了信道分配技术。
如何有效地利用有限的信道资源，为尽可能多的用户提供满意的服务是信道分配技术的目的。
按照信道分割的不同方式，信道分配技术可分为固定信道分配和（FCA）、动态信道分配（DCA）和混合信道分配（HCA）。
FCA指根据预先估计的覆盖区域内的业务负荷将信道资源分给若干个小区，相同的信道集合在间隔一定距离的小区内可以再次得到利用。
FCA的主要优点是实现简单；缺点是频带利用率低，不能很好地根据网络中存在的变化及时改变网络中的信道规划。
为了克服FCA的缺点，人们提出了DCA，在采用DCA的系统中，信道资源不固定属于一个小区，所有的信道被集中分配，DCA根据小区的业务负荷，通过信道的通信质量、使用率和复用距离等因素选择最佳的信道，动态地分配给接入的业务。
HCA是FCA和DCA的结合，在HCA中全部信道被分为固定和动态两个集合。
TD-SCDMA系统结合了时分和码分复用技术，一路载波资源被分成多个时隙，上、下行链路分别在不同的时隙内进行通信，实现时分双工（TDD）；每个时隙内的资源通过码分的方式供多个用户复用，具有灵活高效的无线传输能力，DCA技术可以充分发挥TD-SCDMA系统资源灵活的特点，能高效地管理和使用无线资源，可在对称和非对称的3G业务环境中获得最佳的频谱效率。
信道分配技术通过寻找最佳的信道资源配置，来提高资源利用率，从而提高系统容量。
信道分配实质是在一定约束条件下的系统优化问题，为了分析和研究信道分配技术，首先需要了解信道分配究竟需要受到哪些约束条件的限制，如何为信道分配建立优化模型，如何设计信道分配方案。
2.2TD-SCDMA动态信道分配技术
TD-SCDMA系统应用了FDMA/TDMA/CDMA技术，因而TD-SCDMA的无线信道是通过载频、时隙和扩频码来区分的，同时应用了智能天线技术后，空间角度也用于区分不同的无线信道。
在传统的信道分配和DCA技术的基础上，对其进行改进可以应用到TD-SCDMA系统中。
TD-SCDMA系统中的DCA的研究可以分为以下3个层次：
首先是单业务情况下的DCA，在不同的蜂窝之间由于业务量大小的不同，并且各个蜂窝的业务量随时间变化，从而需要不同数量的信道。
目前主要的DCA算法将集中在这个部分，这部分算法的主要思想是在FDMA和TDMA系统中动态地分配频率或时隙到各个蜂窝中去。
此时DCA主要应用于业务自适应系统和干扰自适应系统算法，利用DCA，负载高的蜂窝可以借用负载低的相邻蜂窝的信道。
在TD-SCDMA中还可以在分层的蜂窝结构（HCS）中，把移动速率大、数据速率不高且经常切换的用户分配到大的蜂窝中。
其次，混合业务环境中，不同业务之间的资源分配需要进行动态信道分配（DCA）。
这种DCA算法主要集中在语音和数据的资源分配和高速数据的资源分配。
由于多媒体的应用，将出现不同信息（语音、数据、视频等）的组合。
通过资源的组合可以实现多种速率的业务，可以在时域、码域、频域，或者它们的联合域中使用。
在TDD模式下，不同的蜂窝间上下行业务对称性的不同需要DCA。
语音在上下行是对称的，而大部分数据在上下行是不对称的。
相邻蜂窝如果用不对称的时隙，很有可能产生很大的干扰。
这种DCA算法主要解决在不同蜂窝间如何分配上下行的时隙。
最后，随着自适应天线技术在移动通信系统中的应用，通过自适应天线的波束赋形技术，可以有效提高用户的信号质量，降低来自同信道和邻信道的干扰。
由于数字波束赋形技术有效地利用了空间资源，增加了信道空间，实现了空间资源的复用，所以智能天线与DCA结合的技术研究也逐渐地开展。
TD-SCDMA系统中DCA占有重要地位是因为：
（1）3G系统的上/下行链路（UL/DL）中业务的不对称性要求物理帧中的UL/DL切换点需要动态调整。
（2）智能天线、功率控制和联合检测等新技术的采用，对TD-SCDMA系统的特性产生重大影响，使得UL/DL的干扰受限条件需要根据链路负荷情况进行动态的调整。
（3）3G系统必须支持VBR业务，对于高速业务，目前只能通过合并UR承载的方式实现，因此需要更为复杂的信道集选择方案，该组合信道方式不但应该满足所需业务质量要求，而且必须具有优化多个时隙码道的组合能力。
（4）对于已经接入的用户，由于业务速率的改变或无线传播环境的变化，同样可能导致业务质量的下降，但通过小区内或波束间的信道切换，也可以减小该影响。
（5）由于不同小区间UL/DL切换点的不同，有可能导致小区边缘移动终端间的干扰严重，发生交叉时隙干扰，需要尽可能的避免相邻小区间的交叉时隙干扰。
（6）由于CDMA系统的软容量特征，新增用户的接入会导致其它用户业务质量下降，通过适当的时隙安排，可以减少该影响。
对于已接入的用户，由于业务速率的变化或无线传播环境的变化，同样可能导致业务质量下降，但通过小区内或波束间的信道切换，可以减少该影响。
（7）由于用户设备（UE）接收和发送的非连续性，故中间存在空闲的时间间隔，UE可以在空闲时隙中进行干扰测量。
根据3GPP标准，可将DCA划分为慢速动态信道分配（S-DCA）和快速动态信道分配（F-DCA）。
S-DCA是指在TD-SCDMA系统中将资源分配到小区，也就是预先为各小区提供按照时隙优先级排列的时隙优先级列表；而F-DCA是在S-DCA提供的时隙优先级列表的基础上，选择不同的时隙、码道资源为业务进行资源分配。
因此，S-DCA主要解决以下两个问题：
1）由于小区间的业务量在空间上的不均匀分布，进而导致不同的小区对信道的需求量也不同；2）在TDD模式下，由于不同小区对上下行容量的需求是随着时间而改变的，也就是小区的业务量在时间上是不均匀分布的，因此产生严重的小区间干扰。
由于传统的语音业务是上下行对称的，而数据业务是上下行非对称的，这种情况下的DCA就是要解决如何在上下行之间分配时隙。
而快速DCA旨在解决以下问题：
不同的业务对传输质量和上下行资源的要求不同，如何选择最优的时隙、码道资源分配给不同的业务，从而达到系统性能，并且尽可能的进行快速处理。
TD-SCDMA系统中的动态信道分配大致可以分为2个实施阶段：
一个阶段是接入控制时的信道选择；另一个阶段是接入后为保证业务质量所进行的信道重选。
从实施规则上大致可以分为S-DCA和F-DCA两类。
S-DCA可根据系统干扰受限的先验知识，根据负载情况，对系统载频和时隙进行预先优先级划分，完成接入控制；F-DCA可根据对专用业务信道或共享业务信道通信质量检测的结果，自适应地对资源单元进行调配和切换，以保证业务质量。
TD-SCDMA的DCA是在传统蜂窝系统信道分配的基础上，引入TD-SCDMA系统的特性而产生的。
2.2.1慢速动态信道分配技术
在TD-SCDMA系统中，S-DCA是指对小区的资源分配。
其包括对不同小区时隙分配以及在上下行链路之间的资源分配。
S-DCA遵循以下原则：
（1）在频域内，不同簇可以进行频率复用。
就一个没有干扰的DCA策略来说，需要进行对不同小区的时隙分配。
在频域内的簇复用不需要进行频率规划。
假如对于一个单一的运营商来说，有多于一个的载频，也可以采用大于1的频率复用系数。
（2）在TDD帧结构中对于业务时隙而言，除第一个和最后一个时隙外，任何一个专用业务时隙都可用于上行或下行传输。
因此，在上下行间时隙分配可以很好的适应随时间变化的不对称业务。
（3）为了适应不同小区业务不同，考虑到让相互间严重干扰的小区使用不同时隙，对小区时隙在较长的时间范围内动态地进行重新分配。
相邻小区是否使用重叠的资源，比如相同的时隙，要视具体情况而定。
（4）由于用户设备（UE）接收和发送的非连续性，中间存在空闲时隙间隔，UE可以在空闲时隙中进行干扰测量，这一功能也可以使运营者可以选择适合其网络的DCA算法。
S-DCD为各小区的可用时隙设置时隙优先级，依据时隙优先级形成时隙分配列表。
这个列表将作为F-DCA进行资源分配的基准。
在S-DCA中，把时隙分为3类：
一类为Own时隙，当用户申请资源时，Own时隙作为最高优先级分配给用户；一类为Borrow时隙，该时隙作为最低优先级分配给用户使用；最后一类为Share时隙，优先级介于上面两种时隙之间。
考虑TD-SCDMA系统能自适应业务的特性，不同基站间会有不同的上下行链路切换点，S-DCA可以采用小区簇的概念，把完全不存在基站和基站间干扰的时隙划分为Own时隙；把受到严重基站间干扰的时隙称为Borrow时隙；其他时隙称为Share时隙。
2.2.2快速动态信道分配技术
快速动态信道分配（F-DCA）是指将一个或多个物理信道分配给多种业务。
以下是F-DCA所遵循的一些准则：
（1）基本的资源单元（RU）是码道/时隙/频率。
（2）多速率业务通过对资源单元的集中分配获得，这可以在码域实现，也可以在时间域实现，又可以在空域实现，还可以进行随意的组合。
已有文献研究表明，DCA采用码道池的操作比采用时隙池的系统性能要好。
（3）由于在上下行实现中，每个时隙最大可用码字的数目依赖于几个物理条件，如信道特性、环境、是否使用其它进一步提高容量的技术等。
除此之外，对于低速率的用户可采用跳时，使区间干扰均匀化。
（4）信道分配对实时和非实时业务是不同的。
实时业务在整个通信过程中都保持信道占用，但是为其分配的资源是可变化的；非实时业务的信道分配遵循“最有效”策略，只在发送专用数据分组时分配信道，在没有可用资源时请求挂起。
分配给非实时业务的信道是变化的，分配的资源数目决定于当前可用的资源数目，以及同时需要进行数据包传输的非实时业务数。
另外，对运行的非实时业务可以设置优先级。
（5）信道重分配（即小区内信道切换）的触发原因有很多，包括适应变化的干扰条件。
（6）网络为接纳实时高速率业务（需要占用多个资源单元）而进行资源整合，资源整合过程是为了防止一个承载业务分配的码字落在多个时隙中，通过释放负荷最轻的时隙的资源来进行信道重分配。
在资源整合的过程中，除了用户在时隙间切换信道的过程，还可以包括系统夺取一部分低优先级用户的资源的过程，以便将有限的资源分配给高优先级的用户。
用户的优先级一般根据所承载的业务划分，也可以由运营商参与划分。
（7）但使用智能天线的时候，DCA可以保证同一个时隙内的不同用户在空间上是彼此隔开的，同时，它可以将空间上处于同一方向而彼此干扰的用户，通过时隙调配在时隙上彼此隔开。
下面介绍两种简单实用的DCA算法。
（1）随机信道分配策略随机信道分配就是从可用资源中随机地选择资源分配给用户，用户分配到好信道和差信道的概率是均匀的，随机信道分配策略由于其简单性，通常作为比较信道分配策略优劣性的底限。
（2）上行最小接收功率、下行最小发射功率策略上行最小接收功率的主要思想是根据用户在不同的时隙接收到的干扰功率不同，把具有最小干扰功率的那个时隙分配给该用户，通过这种资源分配调度算法，可以有效地控制整个系统的干扰功率，最大化地提高系统的上行容量。
该算法的具体实现方式如下所示：
1）计算一帧中所有上行时隙的总接收功率，并且对他们进行排序，具有最小接收功率的时隙排在队列头部，最大接收功率的时隙排在队列的尾部。
2）对于单时隙业务（需要的资源为单时隙），检测队列中的第一个时隙是否具有足够的资源提供给新用户，如果有就把该时隙分配给该用户，否则寻找队列中的下一个对象。
3）对于多时隙的业务，对于业务所需求的每个时隙，按照单时隙业务的策略进行，对业务需求的所有时隙，如果资源都满足，则给用户分配资源，否则不分配资源。
4）如果队列中的所有对象都不能提供足够的资源给用户，则该用户被阻塞，接入系统，同时DCA算法结束。
5）合适的无线资源分配给新用户之后，执行上行开环功率控制以便给该用户分配一个初始发射功率，同时判断基站端的接收功率进行接入控制。
如果其总接收功率大于总接收功率门限，该用户拒绝接入并且释放分配的资源。
反之，用户成功接入系统，并且进行内环功率控制，以便系统能逐步稳定工作，DCA算法结束。
最小干扰DCA主要运用在上行系统，通过该算法能够保证新用户接入具有最小干扰时隙，同时保证每个时隙的负载尽量均衡，是一种非常理想的资源分配调度算法。
在TDD-CDMA系统中，接入控制机制中的总接收功率门限可以用BNR来表示，在宏蜂窝环境中设置为13dB。
下行系统的容量由小区的总发射功率决定，所以下行系统的资源分配要基于最小发射功率机制。
和最小接收功率DCA类似，最小发射功率DCA把具有最小发射功率的时
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