TD-SCDMA系統多頻點組網研究

摘要:文章首先介紹了時分同步碼分多址(TD-SCDMA)系統的特點，然后結合其自身特點分析比較TD-SCDMA系統的幾種多頻點組網方式和組網方案，并對5 MHz頻帶3個頻點的組網方式建模，進行頻率規劃，通過仿真給出該頻點分配方式的性能結果，進而分析得出這種組網方式的優缺點，對未來其他組網方式的研究提供參考和借鑒。

關鍵詞:TD-SCDMA;多頻點組網;仿真;頻率規劃;N頻點

Abstract: This paper introduces the characteristics of TD-SCDMA， and analyzes some networking schemes and methods of N-frequency. In particular， it examines a frequency planning scheme on the 5MHz bandwidth containing 3 frequencies and builds a simulation model to validate the performance of this scheme. Finally， this paper analyzes the advantages and disadvantages of this scheme， and proposes some directions for the future study of networking planning.

Key words: TD-SCDMA; N-frequency networking; simulation; frequency planning; N-frequency

在無線通信領域，系統容量和干擾一直是人們比較關心的話題，他們相對立而存在，隨著無線通信的發展，如何解決他們的這種對立關系，并從中找到一個合適的切入點，就成為我們未來無線網絡規劃優化的一個重要任務。其中系統的具體組網技術作為一個重要的指標越來越受到人們的重視，如何提供一個合理的組網方案，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焦點。

1多頻點組網方式

時分同步碼分多址(TD-SCDMA)作為我國提出的一個3G標準，是頻分多址/時分多址/碼分多址/空分多址(FDMA/TDMA/CDMA/SDMA)相結合混合多址方式的技術，使用了智能天線，聯合檢測等新技術，采用時分雙工(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據業務等。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個頻點，所以相對于其他3G系統，TD-SCDMA系統更容易進行頻率規劃，使用多頻點進行組網。下面我們將對TD-SCDMA系統下的多頻點組網方式進行一個簡單介紹。

為了能夠更清楚地闡明各種組網方案的差異，首先簡單介紹一下傳統小區的概念。在TD-SCDMA系統里，默認每一個載波扇區為一個獨立的小區。用戶設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、配置都是針對一個載頻進行的，在Iub接口小區建立的過程中一個信元只配置了一個絕對頻點號;如果是多載頻，則每個載頻被當作一個邏輯小區。例如，對于三扇區三載頻的情況，則認為有9個邏輯小區，針對每個小區完成獨立的操作，也即9個小區發送各自的導頻和廣播信息，9個載頻都必須配置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和異頻組網兩種方式[1]。

1.1同頻組網

同頻組網指的是每個小區都相同的頻點數，并且這些頻點也相同，每個頻點作為一個獨立的邏輯小區，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個頻點，進行同頻組網頻點配置如圖1所示。

同頻組網可以最大提高系統的頻帶利用率，在15 MHz帶寬內支持9個頻點，可以配成S9/9/9的站型，但是這樣同一物理環境下存在多個邏輯小區。在業務信道上，我們可以通過智能天線和聯合檢測等先進技術，保證業務的質量，但是廣播信道是全向發射，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

相對同頻組網，異頻組網指的是相鄰小區的頻點采用異頻組網的方式。如15 MHz帶寬時，對于TD-SCDMA系統包含9個頻點，但最大也只能組成S3/3/3站型。如圖2所示。

異頻組網可以盡量將同頻點用戶分開，增加頻點的復用距離，從而減小頻率間干擾，提高系統性能以及容量。它在建網初期用戶數較少時，有利于提高用戶的服務質量，但是隨著用戶數的增加，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相對比較稀缺的資源，最大限度提高頻譜利用率是一個不可避免的問題。

1.3 N頻點技術

基于上面的2種組網方式存在的缺陷，后來人們提出了N頻點技術:若有多個載頻存在就從分配到的N個頻點中選擇一個作為小區的主頻點，其他作為小區的輔頻點。N頻點技術下的小區劃分和傳統小區劃分有所不同:同一個扇區的N個載頻同屬于一個邏輯小區。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小區內的多個頻點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務信道;用戶的多時隙業務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現的復雜性;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換點配置一致，這一限制是由基站的收發信機特性造成的，如果主載頻和輔載頻的上下行轉換點配置不一致，必定有一些時隙并需要基站的收發信機既發射又接收，這樣以來基站的發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射信號將比從遠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。在同一扇區內僅在主頻點內發送下行導頻信息和廣播信息，多個頻點共用一個導頻信道。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、切換成功率顯著提高。因此，引入N頻點方案，可在較大程度上改善系統的性能并提升頻譜利用率。N頻點技術可以有2種不同的實現模式:多載波同頻異頻聯合組網方式和多載波同頻組網方式。每種組網方式有15 MHz、10 MHz、5 MHz 3種頻率規劃方案[2]。

1.3.1多載波同頻異頻聯合組網方式

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

1.3.2多載波同頻組網方式

這種組網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采用異頻組網的方式，輔頻點也采用異頻組網的方式，相鄰小區的主頻點交叉包含在輔載頻中。如使用15 MHz帶寬時，最大可組成S9/9/9站型，如圖4所示。

1.3.3分層次進行頻點規劃

多頻點組網時，頻點規劃也是一個重要部分。合理的頻點規劃方案對于多頻點組網系統來說可以最大程度提高系統的性能。基于多載波同頻組網的N頻點技術和同心圓技術，為了更大的提高系統性能，有效減小業務信道上的同頻干擾，可以采用分層次進行頻點規劃的方案。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分配方案。相鄰小區主頻點采用的是異頻組網的方式，且有導頻信道的主頻點實現全小區覆蓋，其業務信道優先服務于外層用戶;其他頻點稱為輔載波，相對于主頻點收縮，業務信道優先服務于內層用戶。這樣相鄰小區包含相同頻點的輔頻點就得到一定的隔離，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頻點技術，進行分層次頻點規劃后，相鄰小區交叉區域的用戶受到的同頻干擾減小，這樣它們的切換成功率，服務質量(QOS)等性能指標都會有一定的提高。

2 仿真驗證

2.1 仿真假設

我們以5MHz頻帶，3個頻點進行分層規劃的方案建模，采用通用移動通信系統(UMTS)30.03中定義的經典模型環列，每個小區有3個頻點，相鄰小區主頻點不同，交叉包含在輔載頻中[5]。如圖6所示，紅色圓環將小區分成兩層，每個小區的輔頻點收縮到內層首先為內層用戶提供資源;外層用戶首先接入主頻點，這樣相鄰小區采用異頻切換，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，其他參考協議規定)。切換采用基于電平的切換，切換冗余取1 dB，開啟開環，閉環，外環功控，開啟負載控制。

2.2 主要仿真參數

仿真中放置900個用戶，每個用戶都持續通話200s，其他主要參數如表1所示。

3 性能結果

3.1 性能比較

經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，在一個小區內，沒有內外層的劃分，用戶隨即接入任意一個有資源的頻點。新方案是采用輔載波收縮的分層次頻率規劃方案，外層用戶優先接入主頻點，內層用戶接入輔載頻。由表2我們可以看到:采用新方案后系統的發射功率和接受干擾都有所下降掉話率減小，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，采用新方案后的系統性能也會因此有所差別。隨著內層半徑收縮，同頻點復用距離也隨之增加，用戶同頻干擾減小，用戶的發射功率，系統的掉話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

雖然采用分層次頻點規劃的組網方式進行仿真，系統性能有了一定的提高，但是，當用戶多處于小區邊緣或小區外層時，用戶將首先接入主頻點，直至主頻點沒有資源提供，這樣會使主頻點重負載，輔頻點輕負載或無負載，新算法性能優勢無法體現，甚至會出現掉話的后果。所以需要找到一種可以解決用戶特殊分布場景時的改進方案[6]。基于這種考慮，我們對新算法做了進一步改進，在輔載波中另外選取1個頻點作為中間頻點，在主頻點資源較多時，中間頻點作為正常輔頻點，收縮于內層小區;當主頻點剩余資源很少，過多用戶接入會對系統性能產生影響時，中間頻點可以作為主頻點的補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，又同時可以保證在一些特殊用戶分布情況下的系統性能。

假設仿真條件是兩個相對的小區，小區半徑為500米，R4時隙最大發射功率30 dBm。每個小區3個頻點，只在小區外層各放置40個用戶。仿真結果見表4。

當然對于改進的新方案，相鄰小區中間頻點的選擇是關鍵，它要求相鄰小區的中間頻點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，通過對輔載波收縮，進行分層次頻點規劃的組網方式仿真，我們可以看到，有效隔離同頻干擾后，系統性能會有較大的提升。這對未來多頻點組網方式的研究和實際系統組網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境，用戶分布的各不相同，對于輔載波收縮，進行分層次頻點規劃的組網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際情況確定適合當地情況的方案。

5 參考文獻

[1] 段敏. TD-SCDMA頻率規劃和組網模式[J]. 電信技術， 2006(11):98-101.

[2] 解輝， 朱春江， 許汝鵬. TD-SCDMA無限網絡規劃[J]. 電信工程技術與標準化， 2006(10):53-56.

[3] 王卓，宋立軍，余順勇. TD-SCDMA系統頻率規劃方法分析[J]. 電信技術， 2006(5):119-123.

[4] 彭木根， 王文博， 等. TD-SCDMA移動通信系統[M]. 北京:機械工業出版社， 2006.

[5] UMTS 30.03 v3.20. Selection Procedures for the Choice of Radio Transmission Technologies of the UMTS[S]. 1998.

[6] 任融. TD-SCDMA組網方式分析[J]. 電信技術， 2005(11):29-32.

收稿日期:2010-05-31

金明，北京郵電大學信息與通信工程學院在讀碩士;現從事TD-SCDMA系統級仿真、無線資源管理算法、組網策略以及LTE-A物理層的相關技術等研究;已發表論文1篇，申請1項專利。

王文博，北京郵電大學信息與通信工程學院教授，博士生導師;現主要從事移動通信無線傳輸理論和技術、無線通信網絡理論以及數字信號處理與軟件無線電理論研究等;曾主持或參加完成了多項國家和部級科研項目，多次獲省部級獎勵，并獲國務院政府特殊津貼和教育部跨世紀人才支持計劃;發表論文200多篇，出版著作10部。

彭木根，北京郵電大學信息與通信工程學院副教授，博士研究生;多年來一直從事信號信息處理與無線通信系統關鍵理論及組網策略等方面的科研工作，目前研究重點為無線網絡協同信息論、下一代無線寬帶通信系統無線資源管理算法和協議設計、多跳無線中繼網絡和網絡編碼技術等;近期出版著作4本、譯著2本，發表論文70余篇，申請專利10余項。